JP2023017370A - ヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性の高いグラファイトヒートシンク及びその製造方法を提供する。【解決手段】フィン２０と、フィン２０を支える台座となるベース３０と、を備えたヒートシンク１０１であって、フィン２０は、フィン部１１とベース部１２とを有したグラファイトプレートのフィン部１１で構成される。ベース３０は、金属で形成されたベース材１０３とグラファイトプレートのベース部１２とで構成され、グラファイトプレートのベース部１２のノンベーサル面１０５とベース材１０３とが金属粉１０４を介して接合している。【選択図】図１

Description

本発明は、電子装置等の熱源から放出される熱を管理することができるヒートシンク及びその製造方法に関する。

高い処理速度および高周波数で作動する能力があり、小型で、より複雑な電力条件を有する電子装置の開発は益々高度になっており、極端に高い温度が発生することがある。そのような電子装置としては、例えば、マイクロプロセッサーや、電子および電気部品ならびに装置の集積回路等の装置、さらに高出力光学装置等の装置を含む。しかしながら、マイクロプロセッサー、集積回路、その他の高性能な電子部品は、特定範囲の閾温度下でのみ効率的に動作するのが一般的である。電子部品の動作中に発生する過剰の熱は、その固有性能に有害であるのみならず、システム全体の性能や信頼性が損なわれ、システムの故障を引き起こす場合もある。電子システムの稼働によって予期される極端な温度を含む環境条件の幅が益々広くなることも、過剰熱による悪影響を助長するものである。

小型の電子装置から熱を放散させる必要性が高まるに従い、電子装置の設計においては管理が益々重要な要素になっている。電子装置の性能信頼性および期待される寿命の両方が、装置の部品温度に逆比例する。例えば、典型的なシリコン半導体等のデバイスの動作温度を下げることにより、デバイスの処理速度、信頼性および期待される寿命を増加させることができる。従って、最大限の部品寿命や信頼性を得るために最も重要なことは、デバイスの動作温度を、設計者により設定される限度内に制御することである。

こういった熱管理に優れた材料として注目されているのが、グラファイトに代表されるカーボン材である。グラファイトは、一般的な高熱伝導材料であるアルミニウムや銅と同等の熱伝導率を備え、なおかつ銅よりも優れた熱輸送特性を備えていることから、ＬＳＩチップのヒートスプレッダ、半導体パワーモジュールのヒートシンクなどに用いられる放熱フィン用の材料として注目されている。

従来のカーボン材を用いたヒートシンクでは、例えば、特許文献１に示すように、脆いカーボン粒子を圧縮固形化した上に金属フィルムによるコーティングを施すことで、グラファイトの剥離を防ぎつつ、カーボンの高い熱伝導性を活かそうとしたヒートシンクが提案されている。また、特許文献２では、グラファイトプレートにベース金属を圧入することで、熱伝導性の向上を図っている。

特表２００９－５０５８５０号公報 特開２０１９－８００４１号公報

しかしながら、特許文献１のヒートシンクでは、グラファイト粒子の圧縮から作製されていることから、面方向に緻密なグラファイト構造が形成されていないため、強度が低く、脆く、熱輸送性能も低い。また、フィンとベースとは接着剤で固定されているだけであるため、耐久性は非常に低い。
一方、特許文献２のヒートシンクでは、金属圧入した界面に残留応力があるため、衝撃や振動による信頼性試験においては、破壊の起点となる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、耐久性の高いグラファイトヒートシンクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るヒートシンクは、フィンとフィンを支える台座となるベースと、を備えたヒートシンクであって、フィンは、フィン部とベース部とを有したグラファイトプレートのフィン部で構成され、ベースは、金属で形成されたベース材とグラファイトプレートのベース部とで構成され、グラファイトプレートのベース部のノンベーサル面とベース材とが金属粉を介して接合している。

本発明に係るヒートシンクの製造方法は、フィン部とベース部とを有するグラファイトプレートを用意する工程と、グラファイトプレートのベース部を挟むように、金属からなるベース材を設置する工程と、グラファイトプレートのベース部をベース材で挟んだ状態で固定し、ベース材の上に、金属粉を配置する工程と、金属粉にレーザー照射して、レーザー溶融により金属粉をベース材と溶融接合する工程と、を含み、ベース材の上に金属粉を配置する工程と、金属粉にレーザー照射する工程と、レーザー溶融により金属粉をベース材と溶融接合する工程と、を適宜繰り返して、複数層積層した金属粉ベース部を形成して、グラファイトプレートのフィン部で構成されたフィンと、ベース材とグラファイトプレートのベース部と金属粉ベース部とで構成され、グラファイトプレートのベース部のノンベーサル面とベース材とが金属粉を介して接合しているベースと、を有するヒートシンクを得る。

本発明に係るヒートシンク及びその製造方法により、耐久性の高いグラファイトヒートシンクを提供することができる。

（ａ）は、実施の形態１に係るヒートシンクの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のグラファイトプレートのベース部のベーサル面と、ノンベーサル面とを示す概略図である。 （ａ）から（ｄ）は、実施の形態１に係るヒートシンクの製造方法における、金属粉を積層して金属粉ベース部を形成する各工程を示す概略図である。 比較例１におけるヒートシンクの構成を示す概略図である。 実施の形態と比較例における熱伝導性評価試験のＴＥＧ模式図である。 実施例および、比較例の熱伝導性評価結果を示す表１である。

第１の態様に係るヒートシンクは、フィンとフィンを支える台座となるベースと、を備えたヒートシンクであって、フィンは、フィン部とベース部とを有したグラファイトプレートのフィン部で構成され、ベースは、金属で形成されたベース材とグラファイトプレートのベース部とで構成され、グラファイトプレートのベース部のノンベーサル面とベース材とが金属粉を介して接合している。

上記構成の構造により、熱伝導率が高いベーサル面方向の熱を効率的に金属で形成されたベース材に伝えることができる。

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、ベースは、金属粉がレーザー溶融された金属粉ベース部を備えていてもよい。

第３の態様に係るヒートシンクは、上記第１又は第２の態様において、ベースは、グラファイトプレートのベーサル面とベース材とが圧着されていてもよい。

上記構成のように、ノンベーサル面とベース材が前記金属粉ベース部を介して接合することにより、落下や振動に対する金属からの歪みや応力が伝搬しないため、耐久性に優れた構造を取ることができる。

第４の態様に係るヒートシンクの製造方法は、フィン部とベース部とを有するグラファイトプレートを用意する工程と、グラファイトプレートのベース部を挟むように、金属からなるベース材を設置する工程と、グラファイトプレートのベース部をベース材で挟んだ状態で固定し、ベース材の上に、金属粉を配置する工程と、金属粉にレーザー照射して、レーザー溶融により金属粉をベース材と溶融接合する工程と、を含み、ベース材の上に金属粉を配置する工程と、金属粉にレーザー照射する工程と、レーザー溶融により金属粉をベース材と溶融接合する工程と、を適宜繰り返して、複数層積層した金属粉ベース部を形成して、グラファイトプレートのフィン部で構成されたフィンと、ベース材とグラファイトプレートのベース部と金属粉ベース部とで構成され、グラファイトプレートのベース部のノンベーサル面とベース材とが金属粉を介して接合しているベースと、を有するヒートシンクを得る。

上記構成により、熱伝導率が高いベーサル面方向の熱を効率的に金属で形成されたベース材に伝えることができるヒートシンクを得ることができる。

第５の態様に係るヒートシンクの製造方法は、上記第４の態様において、グラファイトプレートは、高分子フィルムを複数枚積層して、印加圧力と焼成によりグラファイト化させて得てもよい。

上記構成により、得られたグラファイトプレートは、ノンベーサル面とベーサル面とを区別でき、ノンベーサル面と金属との接合性を確保できる。これは、黒鉛粉の圧縮品では、ノンベーサル面とベーサル面との区別がないため、ノンベーサル面と金属との接合性が落ちるだけでなく、本来の目的であるヒートシンクとしての放熱性が確保できないからである。

第６の態様に係るヒートシンクの製造方法は、上記第５の態様において、高分子フィルムは、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリピロメリットイミド、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンベンゾイミタゾール、ポリフェニレンベンゾビスイミタゾール、ポリチアゾール、ポリパラフェニレンビニレンからなるグループの少なくとも１種であってもよい。

上記構成によって、耐久性の高いグラファイトヒートシンクを提供することができる。

以下、実施の形態に係るヒートシンク及びその製造方法について、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ついては同一の符号を付している。

（実施の形態１）
＜ヒートシンク＞
図１（ａ）は、実施の形態１に係るヒートシンク１０１の構成を示す概略図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のグラファイトプレート１０２のベース部１２のベーサル面１０６と、ノンベーサル面１０５とを示す概略図である。なお、便宜上、複数のグラファイトプレート１０２が配列している方向をＸ方向、各グラファイトプレート１０２のフィン部１１が延在する方向をＺ方向、各グラファイトプレート１０２の幅方向をＹ方向として示している。
このヒートシンク１０１は、フィン２０とフィン２０を支える台座となるベース３０と、を備える。フィン２０は、フィン部１１とベース部１２とを有したグラファイトプレート１０２のフィン部１１で構成されている。ベース３０は、金属で形成されたベース材１０３とグラファイトプレート１０２のベース部１２とで構成されている。また、グラファイトプレート１０２のベース部１２のノンベーサル面１０５とベース材１０３とが金属粉を介して接合している。

実施の形態１に係るヒートシンク１０１によれば、耐久性の高いグラファイトヒートシンクを提供することができる。

＜ヒートシンクの製造方法＞
図２（ａ）から（ｄ）は、実施の形態１に係るヒートシンクの製造方法における、金属粉を積層して金属粉ベース部１０４を形成する各工程を示す概略図である。
（１）まず、グラファイトプレート１０２は、高分子フィルムを複数枚積層して印加圧力を制御しながら焼成することでグラファイト化させて作製する（図示せず）。
（２）次いで、グラファイトプレート１０２を挟むようにベース材１０３を設置する（図２（ａ））。このときベース材１０３で挟まれたグラファイトプレート１０２の部分をベース部という。また、ベース材１０３に挟まれていないグラファイトプレート１０２の部分をフィン部という。
（３）グラファイトプレート１０２のベース部をベース材１０３で挟んだ状態で固定し、ベース材１０３の上に、３Ｄ造形装置を用いて金属粉を配置する（図２（ｂ））。
（４）金属粉にレーザー照射（図２（ｃ））して、レーザー溶融により金属粉をベース材１０３と溶融接合する（図２（ｄ））。
（５）上記のベース材１０３の上に金属粉を配置する工程（図２（ｂ））と、金属粉にレーザー照射する工程（図２（ｃ））と、レーザー溶融により金属粉をベース材１０３と溶融接合する工程（図２（ｄ））と、を適宜繰り返して、複数層積層した金属粉ベース部１０４を形成する。この時、グラファイトプレート１０２のノンベーサル面１０５が金属粉ベース部１０４と接合する。金属粉としては、銅や、アルミとシリコンとマグネシウムの合金などが使用できる。

この構成によると、接着剤の化学結合や金属圧入とは異なり、前記グラファイトプレートのベーサル面１０６と金属との接合がなく、金属粉が固化する際の収縮によるわずかな圧着のみである。このため、落下や振動に対する金属からの歪みや応力が伝搬しにくく、耐久性に優れた構造を取ることができる。また、熱伝導性においても、ノンベーサル面との接合が確保されていることにより、優れた放熱性を示すヒートシンクを提供することが可能である。

（実施例１）
以下のように、実施例１に係るヒートシンクを作製した。
グラファイトプレート１０２は、縦５０ｍｍ、横５４ｍｍ、厚み０．２ｍｍの高配向性グラファイトの加圧積層品を８枚使用した。出発原料としては、高分子フィルムとしてポリフェニレンベンゾビスイミタゾールからなるフィルムを複数枚積層して印加圧力を制御しながら焼成することでグラファイト化させたグラファイトプレートを使用した。ベース材１０３には□５０×４．８×ｔ（厚み）２ｍｍのＡｌ板を９枚使用し、図２の（ａ）のようにグラファイトプレートと交互に挟み込んで固定した。金属粉としては、Φ４５μｍのＡｌＳｉ１０Ｍｇ粉を用い、図２の（ｂ）～（ｄ）に示すように一層ずつ積層、レーザー照射、溶融接合の工程を繰り返し、ｔ（厚み）４ｍｍ分積層した。３Ｄ造形装置はＥＯＳ－２８０（ＥＯＳ社）を用い、４００ＷのＹｂレーザーで金属粉を一層ずつ溶融させながら積層した。このように作製したヒートシンクは、熱伝導性試験および落下試験、振動試験によって性能と信頼性の評価を行った。

（実施例２）
実施例１において、金属製のベース材１０３には□５０×４．８×ｔ（厚み）２ｍｍのＡｌＳｉ１０Ｍｇ板を使用し、それ以外の条件を実施例１と同じにしたヒートシンクを作製した。

（比較例１）
比較例として、図３に示すように、前記グラファイトプレート１０２のベーサル面１０６と、金属製のベース材１０３とをはんだ接合１０７した。はんだ材料は、スズおよび炭素と化合物を形成する炭素接合材を使用し、図２（ａ）のように挟み込む際にはんだ箔を挟み込んでリフローを通すことで、予め前記グラファイトプレート１０２のベーサル面１０６と、金属製のベース材１０３とをはんだ接合した。それ以外の条件を実施例１と同じにし、ヒートシンクを作製した。

＜評価方法＞
（熱伝導性評価試験）
実施例および比較例で作製したサンプルは、熱伝導性評価試験を行った。熱伝導性評価ＴＥＧは図４に示す。強制冷却環境による評価で、前記実施例および比較例にて記述したグラファイトヒートシンクの中央直下に測温部１０９（□１０ｍｍ、ｔ（厚み）５ｍｍ、銅製）、ヒータ１１１（□１０ｍｍ、ｔ（厚み）１ｍｍ、セラミック製）を、支え板１１２の上にグリス１０８を０．３ｍｍ塗布して接着し、直上には□５０ｍｍサイズのファン１１０（型番ＵＤＱＦ５６Ｃ１１ＣＥＴ（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ））を設置して、ヒータ１１１およびファン１１０を入力１１Ｖで稼動した際のヒータ１１１およびヒートシンクの境界部の温度を測温部１０９で測定して評価した。

（落下試験）
ＪＩＳ Ｃ ６００６８－２－１７に準拠した落下試験を実施した後、ヒートシンク形状および熱伝導性評価を行った。

（振動試験）
ＪＩＳ Ｃ ６００６８－２－６に準拠した振動試験を実施した後、ヒートシンク形状および熱伝導性評価を行った。

（形状評価）
落下および振動試験の実施後、ヒートシンク全体の形状を評価した。評価基準は以下の通りである。
〇：目視レベルでの形状変化なし
×：フィンの倒れ、剥離、破断あり

＜考察＞
図５は、実施例および比較例の熱伝導性評価結果を示す表１である。
熱伝導性評価は、従来のＡｌＳｉ１０Ｍｇ単体のヒートシンクおよび金属圧入ヒートシンクにおける評価結果との比較にて判断する。

実施例１に示すとおり、グラファイトプレートのノンベーサル面と金属粉との接合が確実になされ、ベーサル面とは圧着のみにより、初期の熱伝導性が高く、落下および振動試験後も形状を確保しており、熱伝導性の劣化も見られない。

一方、比較例1に示すとおり、ベーサル面とベース金属とが接合されている場合、落下および振動試験時に接合端部に応力が集中し、グラファイトプレートの破断や折れを招き、熱伝導性が低下するだけでなく、形状確保ができない。

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。

本発明に係るヒートシンクは、産業機器および車載分野における発熱部の放熱用途に適用できる。

１１ フィン部
１２ ベース部
２０ フィン
３０ ベース
１０１ ヒートシンク
１０２ グラファイトプレート
１０３ ベース材
１０４ 金属粉ベース部
１０５ ノンベーサル面
１０６ ベーサル面
１０７ はんだ接合部
１０８ グリス層
１０９ 測温部（熱電対）
１１０ ファン
１１１ ヒータ
１１２ 支え板

Claims (6)

1. フィンと、
   前記フィンを支える台座となるベースと、
   を備えたヒートシンクであって、
   前記フィンは、フィン部とベース部とを有したグラファイトプレートの前記フィン部で構成され、
   前記ベースは、金属で形成されたベース材と前記グラファイトプレートの前記ベース部とで構成され、前記グラファイトプレートの前記ベース部のノンベーサル面と前記ベース材とが金属粉を介して接合している、ヒートシンク。
2. 前記ベースは、金属粉がレーザー溶融された金属粉ベース部を備えている、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記ベースは、前記グラファイトプレートのベーサル面と前記ベース材とが圧着されている、請求項１又は２に記載のヒートシンク。
4. フィン部とベース部とを有するグラファイトプレートを用意する工程と、
   前記グラファイトプレートの前記ベース部を挟むように、金属からなるベース材を設置する工程と、
   前記グラファイトプレートの前記ベース部を前記ベース材で挟んだ状態で固定し、前記ベース材の上に、金属粉を配置する工程と、
   前記金属粉にレーザー照射して、レーザー溶融により前記金属粉を前記ベース材と溶融接合する工程と、
   を含み、
   前記ベース材の上に金属粉を配置する工程と、前記金属粉にレーザー照射する工程と、レーザー溶融により前記金属粉を前記ベース材と溶融接合する工程と、を適宜繰り返して、複数層積層した金属粉ベース部を形成して、前記グラファイトプレートの前記フィン部で構成されたフィンと、前記ベース材と前記グラファイトプレートの前記ベース部と前記金属粉ベース部とで構成され、前記グラファイトプレートの前記ベース部のノンベーサル面と前記ベース材とが前記金属粉を介して接合しているベースと、を有するヒートシンクを得る、ヒートシンクの製造方法。
5. 前記グラファイトプレートは、高分子フィルムを複数枚積層して、印加圧力と焼成によりグラファイト化させて得る、請求項４に記載のヒートシンクの製造方法。
6. 前記高分子フィルムは、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリピロメリットイミド、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンベンゾイミタゾール、ポリフェニレンベンゾビスイミタゾール、ポリチアゾール、ポリパラフェニレンビニレンからなるグループの少なくとも１種である、請求項５に記載のヒートシンクの製造方法。

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