JP2019125680A - Graphite heat sink - Google Patents

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JP2019125680A JP2018004943A JP2018004943A JP2019125680A JP 2019125680 A JP2019125680 A JP 2019125680A JP 2018004943 A JP2018004943 A JP 2018004943A JP 2018004943 A JP2018004943 A JP 2018004943A JP 2019125680 A JP2019125680 A JP 2019125680A
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将人 森
Masahito Mori
将人 森
西木 直巳
Naomi Nishiki
直巳 西木
涼 桑原
Ryo Kuwabara
涼 桑原
剛史 西川
Takashi Nishikawa
剛史 西川
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Abstract

To provide a heat sink having excellent heat dissipation and mechanical reliability.SOLUTION: The heat sink includes: a fin made of a graphite plate; and a base metal for fixing the fin made of a graphite plate at its end. The fin which consists of a graphite plate is equipped at its end with at least one or more notch processing parts. The base metal is contained in at least a part of the notch processing parts.SELECTED DRAWING: Figure 1C

Description

本発明は、高熱伝導性材料であるグラファイトフィンとベース金属から作成される高信頼性高放熱複合ヒートシンクに関する。   The present invention relates to a high reliability, high heat dissipation composite heat sink made from a high thermal conductivity material, graphite fins and a base metal.

近年、低炭素社会の実現に向けて電気機器の省エネルギー化に大きく寄与できるキーデバイスであるパワー半導体の市場が急速に拡大している。パワー半導体は、電気自動車のコンバータやインバータといった電力変換器の電力制御に利用される。このようなパワー半導体や信号処理に用いられるCPU(Central Processing Unit)、映像処理に用いられるGPU(Graphics Processing Unit)などの集積回路、また、省エネルギー照明用途としてのLED(Light Emitting Diode)などの進展で、素子の高出力化が著しく、それに伴って、電子機器の発する熱量が増加している。   In recent years, the market for power semiconductors, which is a key device that can greatly contribute to energy saving of electric devices, has been rapidly expanding toward the realization of a low carbon society. Power semiconductors are used for power control of power converters such as converters and inverters of electric vehicles. Progress in integrated circuits such as CPUs (Central Processing Units) used for power semiconductors and signal processing, GPUs (Graphics Processing Units) used for image processing, and LEDs (Light Emitting Diodes) for energy-saving lighting applications Therefore, the output of the device is significantly increased, and the amount of heat generated by the electronic device is increasing accordingly.

一方、電子機器の小型・軽量化も回路設計として要望されており発生熱量の密度がさらに増加している。電気機器回路及びその周辺で発生した熱をすみやかに放熱するため、性能の良いヒートシンクが求められている。   On the other hand, smaller and lighter electronic devices are also required as circuit designs, and the density of generated heat is further increased. In order to quickly dissipate the heat generated in the electrical device circuit and the periphery thereof, a heat sink with high performance is required.

一般的にヒートシンクは、アルミニウムを原料として加熱したレール状のアルミニウムを高圧で型を取ったマスクノズルより押し出し、冷却して硬化させた後に裁断する押出成形方法が用いられる。   In general, the heat sink uses an extrusion method in which rail-shaped aluminum heated from aluminum is extruded from a mask nozzle taken at high pressure from a mold, cooled and cured, and then cut.

また、放熱性に優れたヒートシンクとして、特許文献1には、熱伝導性に優れたグラファイトフィルムからなる内部にろう付けされたフィンを有するヒートシンク(図10)が開示されている。本ヒートシンクはグラファイトフィルムからなる冷却フィン1001を含有し、それはベースプレート1002から突出しかつ熱をこれから逃がす構造となっている。金属からなるベースプレート1002の表面では、冷却フィン1001を組み入れるために切り込み1003が形成されている。冷却フィン1001は、ベースプレート1002の切り込み1003の内部にろう付け1004されている。そのために、グラファイトフィルムからなる冷却フィン1001は、少なくとも切り込み1003の内部に向かって突出する(固定領域)。その表面の領域中において金属被覆が備え付けられている。このように特許文献1にはグラファイトフィルムからなるフィンをろう付けすることによってベースプレート1002の切り込みの内部に固定されているヒートシンクが開示されている。   Further, as a heat sink excellent in heat dissipation, Patent Document 1 discloses a heat sink (FIG. 10) having fins brazed to the inside made of a graphite film excellent in thermal conductivity. The heat sink comprises cooling fins 1001 made of graphite film, which project from the base plate 1002 and are designed to dissipate heat therefrom. On the surface of the metal base plate 1002, notches 1003 are formed to incorporate the cooling fins 1001. The cooling fin 1001 is brazed 1004 inside the notch 1003 of the base plate 1002. Therefore, the cooling fin 1001 made of a graphite film protrudes at least toward the inside of the cut 1003 (fixed area). A metal coating is provided in the area of the surface. Thus, Patent Document 1 discloses a heat sink fixed to the inside of the notch of the base plate 1002 by brazing a fin made of a graphite film.

特表2009−505850Special table 2009-505850

しかしながら、従来のかしめ工法ではベース金属とフィンとの材質による相違から振動や機械的な外力によりフィンが抜ける危険性があった。また、フィンにベース金属が食い込むためフィンに亀裂が発生し、長期の熱的・機械的信頼性試験において破壊の起点となり、信頼性の確保に課題を有している。また、放熱フィンは金属でも特に熱伝導が高い銅を用いた場合でも、より放熱性の高いヒートシンクが要求される用途としては放熱フィンの長さを大きくするなどの対応では大型化してしまうという課題を有している。   However, in the conventional caulking method, there is a risk that the fins may come off due to vibration or a mechanical external force because of differences in materials of the base metal and the fins. In addition, since the base metal bites into the fin, the fin is cracked, which becomes a starting point of breakage in a long-term thermal and mechanical reliability test, and has a problem in securing the reliability. In addition, even when the heat dissipating fins are metal or copper, which has particularly high heat conductivity, there is a problem in that the heat dissipating fins are increased in size, for example, by increasing the length of the heat dissipating fins as an application requiring a heat sink with higher heat dissipation. have.

また、特許文献1に記載のロウ付けによる接合ではベースプレートとフィンの材質が異なるため、線膨張係数の違いから、繰り返しの熱ストレスにより熱的信頼性の確保が課題となっている。
以上のように、従来のヒートシンクでは高い放熱性と機械的・熱的な長期信頼性とを確保することが困難であった。
以上の問題を解決するため、熱伝導率の高い放熱フィンとベース金属から作成される高信頼性高放熱複合ヒートシンクが必要となる。
Further, in the joint by brazing described in Patent Document 1, since the materials of the base plate and the fin are different, it is an issue to secure thermal reliability due to repeated thermal stress due to difference in coefficient of linear expansion.
As described above, it has been difficult to ensure high heat dissipation and mechanical and thermal long-term reliability with the conventional heat sink.
In order to solve the above problems, a highly reliable high heat dissipation composite heat sink made of heat dissipating fins with high thermal conductivity and a base metal is required.

本発明は、放熱性に優れると共に、機械的信頼性に優れたヒートシンクを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a heat sink that is excellent in heat dissipation and mechanical reliability.

本発明に係るヒートシンクは、グラファイト板からなるフィンと、
前記グラファイト板からなるフィンを端部で固定するベース金属と、
を備え、
前記グラファイト板からなるフィンは、前記端部に少なくとも1箇所以上の切り欠き加工部を備え、
前記切り欠き加工部の少なくとも一部にベース金属が入っている。
The heat sink according to the present invention comprises a fin made of a graphite plate,
A base metal fixing at its end a fin made of the graphite plate;
Equipped with
The fin made of the graphite plate is provided with at least one or more notched parts at the end,
The base metal is contained in at least a part of the notched portion.

以上のように、本発明に係るヒートシンクによれば、切り欠き加工部にベース金属が入ることにより、落下衝撃時や振動時にフィンがベース金属から抜けにくい抜け防止構造となり、機械的信頼性に優れたヒートシンクを提供することができる。そこで、省エネデバイスのパワー半導体やCPU、GPUなどの集積回路、また、省エネルギー照明用途としてのLEDなど素子の高出力化に伴う発熱の放熱に対してヒートシンクを大きくすることなく、また、機械的信頼性を損なうことのない放熱が可能となる。   As described above, according to the heat sink according to the present invention, the base metal enters the notched portion, so that the fin does not easily come off from the base metal at the time of a drop impact or vibration, and the mechanical reliability is excellent. Can provide a heat sink. Therefore, without increasing the size of the heat sink due to the heat dissipation due to the increase in the output of elements such as power semiconductors of energy saving devices, integrated circuits such as CPUs and GPUs, and LEDs for energy saving applications, mechanical reliability It is possible to dissipate heat without losing the quality.

実施の形態1に係るグラファイト板をフィンとして用いたヒートシンクの斜視図である。It is a perspective view of the heat sink which used the graphite board concerning Embodiment 1 as a fin. 図1AのA−A線方向からみた断面図である。It is sectional drawing seen from the AA line | wire direction of FIG. 1A. 図1AのB−B線方向からみた断面図である。It is sectional drawing seen from the BB line | wire direction of FIG. 1A. グラファイト板の形状を示す概略図である。It is the schematic which shows the shape of a graphite board. 切り欠き加工部の一部にベース金属がかしめ加工により変形することにより入った抜け防止構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the omission prevention structure which the base metal entered in a part of notch processing part by crimping process by deformation | transformation. 切り欠き加工部全体にベース金属がかしめ加工により変形することにより入った抜け防止構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the omission prevention structure which the base metal deform | transformed by caulking to the whole notch process part, and it entered. 実施の形態1に係るヒートシンクで用いられるベース金属の構成を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a base metal used in the heat sink according to Embodiment 1. 実施の形態1に係るヒートシンクの製造方法の一工程を示す概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing the heat sink according to the first embodiment. 実施の形態1に係るヒートシンクの製造方法の一工程を示す概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing the heat sink according to the first embodiment. 実施の形態1に係るヒートシンクの製造方法の一工程を示す概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing the heat sink according to the first embodiment. 実施の形態1に係るヒートシンクの製造方法の一工程を示す概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing the heat sink according to the first embodiment. 実施の形態1に係るヒートシンクの製造方法の一工程を示す概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing the heat sink according to the first embodiment. 放熱性評価の測定系を示す概略図である。It is the schematic which shows the measurement system of heat dissipation evaluation. 実施の形態2に係るヒートシンクの斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a heat sink according to a second embodiment. 図8AのC−C線方向からみた断面図である。It is sectional drawing seen from the CC line | wire direction of FIG. 8A. 図8AのD−D線方向からみた断面図である。It is sectional drawing seen from the DD line direction of FIG. 8A. 実施の形態2におけるヒートシンクの断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of the heat sink in the second embodiment. 実施の形態2におけるヒートシンクの別例の断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view of another example of the heat sink in the second embodiment. 実施の形態2におけるヒートシンクのさらに別例の断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view of still another example of the heat sink in the second embodiment. 実施の形態2におけるヒートシンクのさらに別例の断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view of still another example of the heat sink in the second embodiment. 従来技術におけるヒートシンクの断面図である。It is sectional drawing of the heat sink in a prior art.

第1の態様に係るヒートシンクは、グラファイト板からなるフィンと、
前記グラファイト板からなるフィンをその端部で固定するベース金属と、
を備え、
前記グラファイト板からなるフィンは、前記端部に少なくとも1箇所以上の切り欠き加工部を備え、
前記切り欠き加工部の少なくとも一部に前記ベース金属が入っている。
The heat sink according to the first aspect is a fin made of a graphite plate;
A base metal for fixing the fin made of the graphite plate at its end;
Equipped with
The fin made of the graphite plate is provided with at least one or more notched parts at the end,
The base metal is contained in at least a part of the notched portion.

第2の態様に係るヒートシンクは、上記第1の態様において、前記グラファイト板からなるフィンに施された前記切り欠き加工部の幅の合計の寸法が、前記グラファイト板からなるフィンを固定する前記ベース金属の寸法をLとすると、(1−1/6.25)×L以下となってもよい。   The heat sink according to a second aspect is the heat sink according to the first aspect, wherein the total dimension of the width of the notched portion provided on the fin made of the graphite plate is the base on which the fin made of the graphite plate is fixed When the dimension of the metal is L, it may be (1-1 / 6.25) × L or less.

第3の態様に係るヒートシンクは、上記第1の態様において、前記グラファイト板からなるフィンは、更に面内部に穴加工部を備え、
前記穴加工部の少なくとも一部に前記ベース金属が入っていてもよい。
In the heat sink according to the third aspect, in the first aspect, the fin made of the graphite plate further includes a holed portion inside the surface,
The base metal may be contained in at least a part of the drilled portion.

第4の態様に係るヒートシンクは、上記第3の態様において、前記グラファイト板からなるフィンに施された前記切り欠き加工部の幅と面内の前記穴加工部の幅との合計の寸法が、前記グラファイト板からなるフィンを固定する前記ベース金属の寸法をLとすると、(1−1/6.25)×L以下となってもよい。   In the heat sink according to the fourth aspect, in the third aspect, the total dimension of the width of the notched portion provided on the fin made of the graphite plate and the width of the holed portion in the plane is When the dimension of the base metal for fixing the fin made of the graphite plate is L, it may be (1-1 / 6.25) × L or less.

以下に実施の形態に係るヒートシンクについて、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。   The heat sink according to the embodiment will be described below with reference to the attached drawings. In the drawings, substantially the same members are denoted by the same reference numerals.

(実施の形態1)
実施の形態1の機械的強度に優れるヒートシンクについて説明する。
図1Aは、実施の形態1のグラファイト板101をフィンとして用いたヒートシンク100の斜視図である。図1Bは、図1AのA−A線方向からみた断面図αである。図1Cは、図1AのB−B線方向からみた断面図βである。なお、便宜上、グラファイト板101からなるフィンが延在する方向をz方向とし、グラファイト板101からなるフィンの配列方向をx方向とし、グラファイト板101からなるフィンの幅方向をy方向として示している。
ヒートシンク100は、グラファイト板101の1箇所以上、ここでは幅方向(y方向)の両端に各々1箇所の切り欠き加工部102が設けられている。この切り欠き加工部102に、例えばかしめ加工によりベース金属103が入り、抜け防止構造104が形成されている。抜け防止構造104では、切り欠き加工部102の凹部の一部にベース金属103が回り込んでおり、グラファイト板101がベース金属103から抜けにくくなっている。この抜け防止構造104によりグラファイト板101は脆性材料であるため、かしめ加工時のダメージを抑制しグラファイト板101を固定することが可能となる。
Embodiment 1
A heat sink excellent in mechanical strength according to the first embodiment will be described.
FIG. 1A is a perspective view of a heat sink 100 using the graphite plate 101 of Embodiment 1 as a fin. FIG. 1B is a cross-sectional view α seen from the direction of the line AA of FIG. 1A. FIG. 1C is a cross-sectional view β viewed from the direction of the line B-B in FIG. 1A. For convenience, the direction in which the fins of the graphite plate 101 extend is the z direction, the direction of arrangement of the fins of the graphite plate 101 is the x direction, and the width direction of the fins of the graphite plate 101 is the y direction. .
The heat sink 100 is provided with one notch processed portion 102 at one or more places of the graphite plate 101, here, at both ends in the width direction (y direction). The base metal 103 is inserted into the notched portion 102 by, for example, caulking, so that the detachment prevention structure 104 is formed. In the removal prevention structure 104, the base metal 103 wraps around a part of the recess of the notch processing portion 102, and the graphite plate 101 is less likely to be removed from the base metal 103. Since the graphite plate 101 is a brittle material by the detachment prevention structure 104, it is possible to suppress the damage at the time of caulking and fix the graphite plate 101.

図2は、実施の形態1に用いられるグラファイト板101の形状を示す概略図である。切り欠き加工部102の形状は、切り欠き加工部102のy方向の幅201、切り欠き加工部102のz方向の高さ202で示す。この切り欠き加工部102の一部、もしくは全体にベース金属103がかしめ加工により入る。なお、後述するように「かしめ加工」によって、ベース金属103を変形させ、切り込み溝501に挿入されたグラファイト板101のフィンを固定する。さらに、「かしめ加工」によって、切り欠き加工部102の一部、もしくは全体にベース金属103が入り込み、抜け防止構造104を構成している。この抜け防止構造104によってグラファイト板101がベース金属103から抜けにくくなっている。   FIG. 2 is a schematic view showing the shape of the graphite plate 101 used in the first embodiment. The shape of the notched portion 102 is indicated by the width 201 of the notched portion 102 in the y direction and the height 202 of the notched portion 102 in the z direction. The base metal 103 is caulked into part or the whole of the notch processing portion 102. As described later, the base metal 103 is deformed by “crimping” to fix the fins of the graphite plate 101 inserted into the cut groove 501. Furthermore, the base metal 103 intrudes into a part or the whole of the notch processing portion 102 by “squeeze processing”, and the removal prevention structure 104 is configured. The graphite plate 101 is less likely to come off the base metal 103 by the detachment prevention structure 104.

図3は、切り欠き加工部102の一部にベース金属103がかしめ加工により変形することで入り、抜け防止構造104aとなったことを示す断面図である。抜け防止構造104aでは、両側の切り欠き加工部102の凹部の一部にベース金属103が−y方向又は+y方向から回り込んでおり、グラファイト板101がベース金属103から抜けにくくなっている。また、図4は、切り欠き加工部102の全体にベース金属103がかしめ加工により変形することで入り、抜け防止構造104bとなったことを示す断面図である。抜け防止構造104bでは、両側の切り欠き加工部102の凹部の全体にベース金属103が−y方向又は+y方向から回り込んでおり、グラファイト板101がベース金属103から抜けにくくなっている。実施の形態1における抜け防止構造は、図3、図4のいずれの状態となってもよい。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing that the base metal 103 enters a part of the notch processing portion 102 by caulking and is deformed to form the detachment prevention structure 104 a. In the detachment preventing structure 104 a, the base metal 103 wraps around in a part of the concave part of the notch processing part 102 on both sides from the −y direction or the + y direction, and the graphite plate 101 is difficult to be detached from the base metal 103. Further, FIG. 4 is a cross-sectional view showing that the base metal 103 enters the whole of the notch processing portion 102 by caulking and is deformed to form the detachment prevention structure 104 b. In the removal prevention structure 104 b, the base metal 103 wraps around the entire recess of the notched parts 102 on both sides from the −y direction or the + y direction, and the graphite plate 101 is difficult to remove from the base metal 103. The falling prevention structure in the first embodiment may be in any state of FIG. 3 and FIG. 4.

切り欠き加工部102の形状としては、任意の形状で、たとえば半円形状、半ひし形状、長穴形状、正方形、長方形など様々な形状でもかまわない。望ましくはグラファイト板101の加工性から角が形成されないR0.1mm以上の半円状(図1C、図2)である。この切り欠き加工部102にベース金属103が入ることにより抜け防止構造104となる(図3、図4)。   The shape of the notch processing portion 102 may be any shape, for example, various shapes such as a semicircular shape, a half-round shape, a long hole shape, a square, and a rectangle. Desirably, it is a semicircular shape (R 1 mm or greater) in which no corner is formed due to the processability of the graphite plate 101 (FIG. 1C, FIG. 2). The base metal 103 enters the notch processing portion 102 to form the detachment prevention structure 104 (FIG. 3, FIG. 4).

図5は、実施の形態1に用いられるベース金属103の構成を示す概略断面図である。ベース金属103の上面にはグラファイト板101のフィンが挿入されるため、複数の切り込み溝501が設けられている。切り込み溝501の幅502はグラファイト板101の厚みに対して0.02mm以上であり1.0mm以下である。つまり、切り込み溝の幅は、「グラファイト板厚+(0.02〜1.5)mm」で表される。切り込み溝501の幅502が0.02mm未満であればグラファイト板101の挿入がグラファイト厚みのばらつきや、表面粗さにより挿入が困難である。また、切り込み溝501の幅502が1.0mm以上であればかしめられるベース金属103とグラファイト板101の間に隙間を生じるため、接触面積が減少し、かしめ加工ができないため、十分な放熱性が得られない。
なお、上記のようにベース金属とフィンとに異種材料を用いているので、ベース金属103とグラファイト板101のフィンとの結合化技術として「かしめ加工」を用いている。「かしめ加工」では、ベース金属103に切り込み溝501を入れて、グラファイト板101のフィンを挿入し、ベース金属103の切り込み溝501の近傍の部分をかしめ加工用の金型601で押し込んでベース金属103を変形させ、切り込み溝501に挿入されたグラファイト板101のフィンを固定する。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the base metal 103 used in the first embodiment. Since the fins of the graphite plate 101 are inserted into the upper surface of the base metal 103, a plurality of cut grooves 501 are provided. The width 502 of the cut groove 501 is 0.02 mm or more and 1.0 mm or less with respect to the thickness of the graphite plate 101. That is, the width of the cut groove is represented by "graphite plate thickness + (0.02 to 1.5) mm". If the width 502 of the cut groove 501 is less than 0.02 mm, the insertion of the graphite plate 101 is difficult to insert due to the dispersion of the graphite thickness and the surface roughness. In addition, if the width 502 of the cut groove 501 is 1.0 mm or more, a gap is generated between the caulking base metal 103 and the graphite plate 101, the contact area is reduced, and caulking can not be performed. I can not get it.
In addition, since different materials are used for the base metal and the fin as described above, “crimming” is used as a technique for bonding the base metal 103 and the fin of the graphite plate 101. In the “crimming process”, the notch groove 501 is made in the base metal 103, the fin of the graphite plate 101 is inserted, and the portion in the vicinity of the notch groove 501 of the base metal 103 is pressed with a die 601 for caulking By deforming 103, the fins of the graphite plate 101 inserted into the cut groove 501 are fixed.

図6Aから図6Eは、実施の形態1に係るヒートシンクの製造方法を示す概略断面図である。
(a)まず、図5に示すような切り込み溝を切ったベース金属103(図6A)と、図2に示すように少なくとも一部に切り欠き加工部102が施されたグラファイト板101と、を用意する。
(b)このベース金属103の切り込み溝501に合わせてグラファイト板101を挿入する(図6B)。このときグラファイト板101の切り欠き加工部102はベース金属103の上面に位置するように切り欠き加工部102及びグラファイト板101の高さ調整を行う。
(c)次に、かしめ加工用の金型601によりグラファイトに形成された切り欠き加工部102近傍のベース金属103上部を押圧する(図6C、図6D)。
(d)以上によってベース金属103が変形し、切り欠き加工部102にベース金属103が入り込みグラファイト板101とベース金属103とが固定される(図6E)。このときグラファイト板101とベース金属103も同時にかしめ、望ましくは機械的亀裂を発生すること無く接触させることにより熱伝導に優れた構造となる。
6A to 6E are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the heat sink according to the first embodiment.
(A) First, a base metal 103 (FIG. 6A) having a cutting groove as shown in FIG. 5 and a graphite plate 101 having a notch 102 at least partially formed as shown in FIG. prepare.
(B) Insert the graphite plate 101 according to the cut groove 501 of the base metal 103 (FIG. 6B). At this time, the notch processed portion 102 of the graphite plate 101 is adjusted in height so that the notch processed portion 102 and the graphite plate 101 are positioned on the upper surface of the base metal 103.
(C) Next, the upper portion of the base metal 103 in the vicinity of the notched portion 102 formed in the graphite is pressed by the caulking die 601 (FIG. 6C, FIG. 6D).
(D) By the above, the base metal 103 is deformed, and the base metal 103 enters the notch 102 to fix the graphite plate 101 and the base metal 103 (FIG. 6E). At this time, the graphite plate 101 and the base metal 103 are also simultaneously crimped, and desirably brought into contact without causing mechanical cracks, resulting in a structure excellent in heat conduction.

表1に実施の形態1のグラファイトヒートシンクの実施例及び比較例の放熱性および振動におけるヒートシンクの信頼性の結果を示す。   Table 1 shows the results of the heat dissipation and the reliability of the heat sink in vibration of the examples and comparative examples of the graphite heat sink according to the first embodiment.

Figure 2019125680
Figure 2019125680

グラファイトヒートシンクの実施例及び比較例として、ベース金属103は、アルミA5052材を用い、グラファイト板101のフィンを挿入する部分の切り込み溝の幅はグラファイト板101の厚みに0.02〜1.5mmを加えた寸法とした。
切り込み溝の幅=グラファイト板厚+(0.02〜1.5)mm
また、切り込み溝の深さは3mmとした。グラファイト板101としては厚み0.5mmとした。そこで、切り欠き加工部102の幅は0〜1.0mmとし、切り欠き加工部102の高さは0〜1.0mmとした。グラファイト板101のフィンの大きさと枚数は、外形50×50mm厚み0,5mmの板を8枚とした。ベース金属103の外形はアルミで外形50mm×50mm厚み5mmとした。
As an example and a comparative example of a graphite heat sink, the base metal 103 uses aluminum A5052 material, and the width of the cut groove of the part which inserts the fin of the graphite plate 101 is 0.02 to 1.5 mm for the thickness of the graphite plate 101 It was added dimensions.
Cutting groove width = graphite plate thickness + (0.02 to 1.5) mm
Moreover, the depth of the cut groove was 3 mm. The thickness of the graphite plate 101 was 0.5 mm. Therefore, the width of the notched portion 102 is 0 to 1.0 mm, and the height of the notched portion 102 is 0 to 1.0 mm. The size and the number of fins of the graphite plate 101 were eight plates with an outer size of 50 × 50 mm and a thickness of 0.5 mm. The outer shape of the base metal 103 was aluminum and the outer diameter was 50 mm × 50 mm and the thickness was 5 mm.

比較例1としては押し出し成型で作成した一体型のアルミヒートシンクを用いた。アルミヒートシンクはベース部の外形サイズが50mm×50mm、ベース金属部の厚みは5mmであり、フィン部は外形50mm×50mm厚み0.5mmで8枚構成とした。また、比較例2としてベース金属103の溝幅0.3mmとし、グラファイト板101として厚み0.5mm、グラファイト板101への切り欠き加工は行わず銀ペーストにてグラファイト板101をベース金属に固定した。   In Comparative Example 1, an integral aluminum heat sink made by extrusion molding was used. In the aluminum heat sink, the outer size of the base portion is 50 mm × 50 mm, the thickness of the base metal portion is 5 mm, and the fin portion has an outer shape of 50 mm × 50 mm and a thickness of 0.5 mm, and has eight sheets. Further, as Comparative Example 2, the groove width of the base metal 103 was 0.3 mm, the thickness 0.5 mm as the graphite plate 101, and the notch processing to the graphite plate 101 was not performed and the graphite plate 101 was fixed to the base metal with silver paste. .

(放熱性評価)
図7は、放熱性評価の測定系を示す概略図である。ヒートシンクのベース金属の下面の中心に熱源として、大きさ10×10mm厚み1mmのセラミックヒータ701をグリス702を介してベース金属と固定した。グリス702の部分には熱電対703を固定し、セラミックヒータ701の温度を測定できるようにした。電源装置を用いてセラミックヒーターを加熱し、比較例1のアルミヒートシンクを用いた場合、温度が45℃となるように調整設定した。放熱性の評価では、この比較例1のセラミックヒーター温度を基準として、この温度より低い温度を示せばアルミヒートシンクに比較して放熱性に優れたヒートシンクといえる。
(Evaluation of heat dissipation)
FIG. 7 is a schematic view showing a measurement system of heat dissipation evaluation. A ceramic heater 701 having a size of 10 × 10 mm and a thickness of 1 mm was fixed to the base metal via a grease 702 as a heat source at the center of the lower surface of the base metal of the heat sink. A thermocouple 703 was fixed to the grease 702 so that the temperature of the ceramic heater 701 could be measured. When the ceramic heater was heated using a power supply device and the aluminum heat sink of Comparative Example 1 was used, the temperature was adjusted to 45 ° C. In the heat radiation evaluation, if a temperature lower than this temperature is indicated based on the temperature of the ceramic heater of the comparative example 1, it can be said that the heat sink is excellent in heat radiation as compared to the aluminum heat sink.

(落下衝撃試験)
落下衝撃試験では、ヒートシンクを落下試験用のケースに固定し、X,Y,Z方向に300Gをかける条件にて実施した。フィンの脱落や外観の変形を確認し、セラミックヒータの温度が変化なきことで判定を実施した。振動試験では、落下衝撃試験で用いたケースの箱を試験機に固定し、正弦波振動試験として、振動数範囲10〜55Hzにて、掃引速度 1 octave/min、変位:0.7mmp−p、掃引サイクル数を角軸10回周波数にて実施し、フィンの脱落や外観の変形を確認し、セラミックヒータの温度が変化なきことで判定を実施した。
(Drop impact test)
In the drop impact test, the heat sink was fixed to a drop test case, and was conducted under the conditions of applying 300 G in the X, Y, and Z directions. The falling of the fins and the deformation of the appearance were confirmed, and the judgment was carried out with no change in the temperature of the ceramic heater. In the vibration test, the box of the case used in the drop impact test is fixed to the tester, and as a sine wave vibration test, the sweep speed is 1 octave / min, displacement: 0.7 mmp-p, in a frequency range of 10 to 55 Hz. The number of sweep cycles was carried out at a frequency of 10 angular axes, the falling off of the fins and the deformation of the appearance were confirmed, and the judgment was carried out with no change in the temperature of the ceramic heater.

比較例1のアルミヒートシンクでは、放熱性を示すセラミックヒータの温度は45℃を示した。落下衝撃試験、及び振動試験に関してはアルミ一体型であるため、特に問題なかった。   In the aluminum heat sink of Comparative Example 1, the temperature of the ceramic heater exhibiting heat dissipation was 45.degree. The drop impact test and the vibration test have no particular problems because they are integrated with aluminum.

比較例2のグラファイト板101を用いたヒートシンクにおいては、ベース金属103とフィンを熱伝導率30W/Kの銀ペースト材を用いて固定した。放熱性に関してはグラファイト板101を用いたことと、熱伝導率の高い銀ペースト材を用いたことにより、アルミヒートシンクより特性が向上したが、落下衝撃試験、及び振動衝撃試験ではともにフィンの脱落が確認され、機械的強度に関しては満足しない結果となった。   In the heat sink using the graphite plate 101 of Comparative Example 2, the base metal 103 and the fin were fixed using a silver paste material having a thermal conductivity of 30 W / K. With regard to heat dissipation, the characteristics were improved compared to the aluminum heat sink by using the graphite plate 101 and by using a silver paste material with high thermal conductivity, but in the drop impact test and in the vibration impact test both of the fins were detached It was confirmed, and the mechanical strength was not satisfactory.

実施例1〜4及び比較例3のグラファイトヒートシンクに関しては、ベース金属103にアルミA5052を用いて切り込み溝の幅をグラファイト板101の厚み0.5mmに比較して0.02mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.5mm大きい溝を加工した。グラファイト板101の切り欠き加工部102はR0.1mmの半円状の切り欠き加工部102を形成し、かしめ加工により固定した。比較例3のグラファイト板101の厚みに1.5mm加えた溝幅2.0mmではかしめ加工によって固定できず、評価ができなかった。実施例1〜4に関しては放熱特性はいずれも比較例1のアルミヒートシンクより優れ、落下衝撃試験、及び振動試験に関しても問題がなかった。   With regard to the graphite heat sinks of Examples 1 to 4 and Comparative Example 3, aluminum A5052 is used for the base metal 103, and the width of the notches is 0.02 mm, 0.5 mm, 0 mm as compared with the thickness 0.5 mm of the graphite plate 101. A large groove of .8 mm, 1 mm, 1.5 mm was machined. The notched portion 102 of the graphite plate 101 formed a semicircular notched portion 102 of R 0.1 mm and was fixed by caulking. The groove width of 2.0 mm, which was added by 1.5 mm to the thickness of the graphite plate 101 of Comparative Example 3, could not be fixed by caulking and could not be evaluated. The heat radiation characteristics of Examples 1 to 4 were all superior to those of the aluminum heat sink of Comparative Example 1, and there were no problems with the drop impact test and the vibration test.

実施例5〜7ではグラファイト板101の切り欠き加工部102の幅を0.3mm、0.5mm、1mmとした。切り欠き加工部102の高さは0.2mmとした。切り欠き加工部102の幅が大きくなるにしたがい、ベース金属103から放熱フィンへの熱伝導する断面積が低下するため放熱特性が下がるが、実施例5〜7においては顕著な特性低下は見られなかった。また、落下衝撃試験、振動試験に関して問題は無かった   The width | variety of the notch process part 102 of the graphite plate 101 was 0.3 mm, 0.5 mm, and 1 mm in Examples 5-7. The height of the notch processing part 102 was 0.2 mm. As the width of the notched portion 102 increases, the cross-sectional area through which heat is conducted from the base metal 103 to the heat dissipating fin is reduced, so that the heat dissipating characteristics are degraded. It was not. Also, there were no problems with the drop impact test and the vibration test

(切り欠き加工部の幅について)
ここで、切り欠き加工部102の幅が大きくなると、ベース金属103から放熱フィンへの熱伝導する断面積が低下するため、放熱性が低下することが懸念される。グラファイト板101は熱伝導率1500W/m・Kであり、アルミニウムは240W/m・Kであり、グラファイト板101は、放熱性においてアルミニウムより6.25倍優れる。従って熱伝導は断面積に比例するため、少なくともグラファイト板101をアルミニウムからなるベース金属103に固定するy方向の寸法はベース金属の寸法に対する比として1/6.25以上で十分である。つまり、グラファイト板101のベース金属への固定長さ寸法をLとすると、グラファイト板101をベース金属103に固定するための寸法は、1/6.25×Lであることが必要となる。実施の形態1ではL=50mmとなるため、グラファイト板101をベース金属103に固定するために必要な寸法は、1/6.25×50mm=8mmとなる。つまり、グラファイト板101をベース金属103に固定する寸法は、グラファイト板101をベース金属103に固定する固定寸法50mmに対して8mm以上あればアルミヒートシンクに比較して、放熱性に優れる特性を有する。従って、グラファイト板101のフィンの全体の切り欠き加工部102の幅は、(1−1/6.25)×L以下であればアルミヒートシンクに比較して優れた放熱特性を有する。グラファイト板101の切り欠き加工部102の高さに関してはR0.1mmでも機械的強度は問題ないため、高さ0.2mm以上とする。
(About the width of notch processing part)
Here, if the width of the notched portion 102 is increased, the cross-sectional area of heat conduction from the base metal 103 to the heat dissipating fin is reduced, so that the heat dissipating property may be reduced. The graphite plate 101 has a thermal conductivity of 1500 W / m · K, aluminum has 240 W / m · K, and the graphite plate 101 is 6.25 times better in heat dissipation than aluminum. Accordingly, since the heat conduction is proportional to the cross sectional area, at least the dimension in the y direction for fixing the graphite plate 101 to the base metal 103 made of aluminum is preferably at least 1 / 6.25 as the ratio to the size of the base metal. That is, assuming that the fixed length dimension of the graphite plate 101 to the base metal is L, the dimension for fixing the graphite plate 101 to the base metal 103 needs to be 1 / 6.25 × L. In the first embodiment, since L = 50 mm, the dimension required to fix the graphite plate 101 to the base metal 103 is 1 / 6.25 × 50 mm = 8 mm. That is, the dimension for fixing the graphite plate 101 to the base metal 103 has a characteristic that the heat dissipation is excellent compared to the aluminum heat sink if the fixing dimension for fixing the graphite plate 101 to the base metal 103 is 8 mm or more. Therefore, if the width of the whole notch processing part 102 of the fin of the graphite board 101 is (1-1 / 6.25) xL or less, it has the outstanding heat dissipation characteristic compared with an aluminum heat sink. As for the height of the notched portion 102 of the graphite plate 101, the mechanical strength does not matter even if it is R 0.1 mm, and therefore, the height is 0.2 mm or more.

(実施の形態2)
実施の形態2に係る機械的強度に優れるヒートシンク800について説明する。
図8Aは、実施の形態2に係るグラファイト板101をフィンとして用いたヒートシンク800の斜視図である。図8Bは、図8AのC−C線方向からみた断面図γである。図8Cは、図8AのD−D線方向からみた断面図δである。
グラファイト板101は、1箇所以上に切り欠き加工部102が設けられている。さらにベース金属103の上面に位置するように1箇所以上に穴加工部801が設けられている。このヒートシンク800では、ベース金属103が例えばかしめ加工により切り欠き加工部102及び穴加工部801にベース金属103がそれぞれ入っている。具体的には、ベース金属103が切り欠き加工部102の凹部に−y方向又は+y方向から回り込んで入り込んで抜け防止構造104を形成している。また、ベース金属103が穴加工部801に−x方向又は+x方向から回り込んで抜け防止構造802が形成されている。
Second Embodiment
A heat sink 800 excellent in mechanical strength according to the second embodiment will be described.
FIG. 8A is a perspective view of a heat sink 800 using the graphite plate 101 according to the second embodiment as a fin. FIG. 8B is a cross-sectional view γ seen from the direction of the line C-C of FIG. 8A. FIG. 8C is a cross-sectional view δ seen from the direction of line D-D of FIG. 8A.
The graphite plate 101 is provided with a notched portion 102 at one or more places. Further, a hole processing portion 801 is provided at one or more places so as to be located on the upper surface of the base metal 103. In the heat sink 800, the base metal 103 is contained in the notch processed portion 102 and the hole processed portion 801 by caulking, for example. Specifically, the base metal 103 intrudes into the recess of the notch processing portion 102 from the −y direction or the + y direction to form the removal prevention structure 104. In addition, the base metal 103 wraps around the hole drilling portion 801 from the −x direction or the + x direction to form the removal prevention structure 802.

実施の形態1に関してはグラファイト板101の端部にのみ切り欠き加工部102を設け、抜け防止構造104としたが、実施の形態2では、グラファイト板101の面内にも穴加工部801を施している点で相違する。この穴加工部801にベース金属103が入り込んだ抜け防止構造802を増やすことにより、より機械的信頼性の高いグラファイトヒートシンクが得られる。   In the first embodiment, the notched portion 102 is provided only at the end of the graphite plate 101 to form the detachment preventing structure 104. However, in the second embodiment, the holed portion 801 is provided also in the surface of the graphite plate 101. They differ in that they A graphite heat sink with higher mechanical reliability can be obtained by increasing the removal prevention structure 802 in which the base metal 103 enters the hole formation portion 801.

実施の形態1と同様に切り欠き加工部の幅が大きくなると、ベース金属103から放熱フィンへの熱伝導する断面積が低下するため、放熱性が低下することが懸念される。従って、実施の形態1と同様の考え方により、グラファイト板101に施された切り欠き加工部102の幅と面内の穴加工部801の幅との合計が(1−1/6.25)×L以下となることが必要となる。   As in the first embodiment, when the width of the notched portion is increased, the cross-sectional area of heat conduction from the base metal 103 to the heat dissipating fin is reduced, so that the heat dissipating property may be reduced. Therefore, according to the same concept as the first embodiment, the sum of the width of the notched portion 102 provided on the graphite plate 101 and the width of the in-plane holed portion 801 is (1-1 / 6.25) × It must be less than or equal to L.

図9A乃至図9Dに実施の形態2におけるヒートシンクの形状のいくつかの事例を示す。グラファイト板101の面内に加工される穴加工部としては、円形状(図8C、図9A)、長丸穴形状(図9B)、四角形状(図9C)、長方形状(図9D)、もしくは多角形状(図示せず)でもよい。グラファイトの加工性から円形状、長丸穴形状が望ましい。   FIGS. 9A to 9D show some examples of the shape of the heat sink in the second embodiment. Holes to be machined in the plane of the graphite plate 101 are circular (FIG. 8C, FIG. 9A), long round hole (FIG. 9B), square (FIG. 9C), rectangular (FIG. 9D), or It may be polygonal (not shown). A circular shape and an elongated round hole shape are desirable from the workability of graphite.

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び/又は実施例のうちの任意の実施の形態及び/又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び/又は実施例が有する効果を奏することができる。   Note that the present disclosure includes appropriate combinations of any of the various embodiments and / or examples described above, and the respective embodiments and / or examples. The effects of the embodiment can be exhibited.

本発明に係るヒートシンクによれば、切り欠き加工部にベース金属が入ることにより、落下衝撃時や振動時にフィンがベース金属から抜けにくい抜け防止構造となり、機械的信頼性に優れたヒートシンクを提供することができる。   According to the heat sink according to the present invention, the base metal enters the notched portion, thereby providing a heat sink having excellent mechanical reliability, with the fall preventing structure in which the fins are less likely to come off from the base metal during drop impact or vibration. be able to.

100 ヒートシンク
101 グラファイト板
102 切り欠き加工部
103 ベース金属
104 抜け防止構造
201 切り欠き加工部の幅
202 切り欠き加工部の高さ
501 切り込み溝
502 切り込み溝の幅
601 かしめ加工用の金型
701 セラミックヒータ
702 グリス
703 熱電対
800 ヒートシンク
801 穴加工部
802 抜け防止構造
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Heat sink 101 Graphite plate 102 Notched part 103 Base metal 104 Removal prevention structure 201 Width of notched part 202 Height of notched part 501 Notched groove 502 Notched groove width 601 Mold 701 for caulking 702 grease 703 thermocouple 800 heat sink 801 hole processing part 802

Claims (4)

グラファイト板からなるフィンと、
前記グラファイト板からなるフィンをその端部で固定するベース金属と、
を備え、
前記グラファイト板からなるフィンは、前記端部に少なくとも1箇所以上の切り欠き加工部を備え、
前記切り欠き加工部の少なくとも一部に前記ベース金属が入っている、ヒートシンク。
With fins made of graphite plates,
A base metal for fixing the fin made of the graphite plate at its end;
Equipped with
The fin made of the graphite plate is provided with at least one or more notched parts at the end,
A heat sink, wherein the base metal is contained in at least a part of the notched portion.
前記グラファイト板からなるフィンに施された前記切り欠き加工部の幅の合計の寸法が、前記グラファイト板からなるフィンを固定する前記ベース金属の寸法をLとすると、(1−1/6.25)×L以下となる、請求項1に記載のヒートシンク。   Assuming that the total dimension of the width of the notched portion provided on the fin made of the graphite plate is L, the dimension of the base metal for fixing the fin made of the graphite plate is (1-1 / 6.25 The heat sink according to claim 1, wherein the heat sink has a size of not more than × L. 前記グラファイト板からなるフィンは、更に面内部に穴加工部を備え、
前記穴加工部の少なくとも一部に前記ベース金属が入っている、請求項1に記載のヒートシンク。
The fin made of the graphite plate further comprises a holed portion inside the surface,
The heat sink according to claim 1, wherein the base metal is contained in at least a part of the hole processing portion.
前記グラファイト板からなるフィンに施された前記切り欠き加工部の幅と面内の前記穴加工部の幅との合計の寸法が、前記グラファイト板からなるフィンを固定する前記ベース金属の寸法をLとすると、(1−1/6.25)×L以下となる、請求項3に記載のヒートシンク。   The total dimension of the width of the notched portion provided on the fin made of the graphite plate and the width of the bored portion in the plane corresponds to the dimension of the base metal for fixing the fin made of the graphite plate. The heat sink according to claim 3, which is less than (1-1 / 6.25) × L.
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