JP3100267U

JP3100267U - 多孔化構造セラミック放熱器

Info

Publication number: JP3100267U
Application number: JP2003271000U
Authority: JP
Inventors: 許　智偉
Original assignee: 千如電機工業股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2009-09-04

Abstract

【課題】　空気に接触する放熱器の表面積を大きくして、放熱器の放熱能力を高める多孔化構造セラミック放熱器を提供する。
【解決手段】　主に放熱層２、導熱層１及びファン４からなり、放熱層２は微視化学液体相転移原理を利用し、エマルジョン状スラリーを不均等に分散して、セラミック粉の微胞構造を形成するとともにサブミクロン粉体と結合して、中空結晶体を有する多孔化構造放熱層（層の機械強度が強い）を有するか、或いは素焼き完成されたセラミックを利用して放熱層とする。（放熱層の機械強度が弱い）それと熱源接触面が一層の導熱層を有し、導熱層により熱源の熱量を吸収し、さらに放熱層の中空結晶体の多孔化構造により、空気を放熱媒介にし、そして一個のファンにより強制対流条件を提供して、放熱片の放熱能力を高める。
【選択図】　図１０

Description

　本考案は、電子素子放熱器に関し、特に、空気に接触する放熱器の表面積を大きくして、放熱器の放熱能力を高めることができる多孔化構造セラミック放熱器に関する。

　情報半導体産業の発展に伴い、半導体チップは高周波化に向かって常に発展し、例えば近年、中央処理装置（ＣＰＵ）等の電子装置の処理速度は常に向上している。しかしながら、それに付随するのは高処理速度で発生する高温であり、どのように電子装置熱源（例えば、中央処理装置）から発生する高温を効果的に排出して、電子装置を適当な作動温度下で運転させるかは、各業者間で争って開発している重点である。

　コンピュータを例にとると、従来の放熱器は中央処理装置上に設けられて、中央処理装置のチップから発生される熱量を排出する。図１が示すように、従来、ほとんどの放熱器は放熱片Ａを含み、放熱片Ａ下方には導熱層Ｆが設けられ、導熱層Ｆは中央処理装置Ｂ上に設けられて中央処理装置Ｂと一緒に張り合わされ、前述放熱片上には適当な形状の放熱フィンＣが設計されて、放熱片Ａの上端にはさらにファン（Ｄ）が設けられる。

　放熱片ＡとファンＤとの間には足当て部Ｅが設けられて、対流空気を発生させ、中央処理装置Ｂの熱量を吸収する放熱フィンＣの熱量を対流により取り去り、放熱片から排出（コンピュータ内部空間及び設計要求により、吸入或いは送風する）して、温度を下げる。従来の放熱フィンＢは導熱、放熱効果が優れた銅、アルミ金属により製造されるが、それでも導熱及び放熱の効果は高速化、高エネルギーという発展の要求に合致させることが難しく、それに必要な大体積は、空間に制限のあるコンピュータ（例えばノートブック型コンピュータ）においては、その他の放熱構造（例えば、熱管）によりはじめて放熱の最低要求を達成することができた。以上述べたことは、従来技術に存在していた最大の弱点であり、業者はその難題を速やかに克服する必要があった。
特開２００１−２９４４９４号公報

　したがって、本考案の主な目的は、前述の従来技術の欠点に鑑み、多孔化構造のセラミック材料の優れた放熱性能により、空気を媒介にして熱対流の接触表面積を高め、最も簡易な生産工程により高付加価値の産品を製作することにある。

　本考案は多孔化構造セラミック放熱器を提供し、それは主に放熱層、導熱層及びファンからなり、放熱層は微視化学液体相転移原理を利用し、エマルジョン状スラリーを不均等に分散して、セラミック粉の微胞構造を形成するとともにサブミクロン粉体と結合して、中空結晶体を有する多孔化構造放熱層（層の機械強度が強い）に焼結するか、或いは素焼きにより完成されたセラミックを放熱層とする。（放熱層の機械強度が弱い）それと熱源の接触面は一層の導熱層を有し、導熱層により熱源の熱量を吸収して、さらに放熱層の中空結晶体の多孔化構造により、空気を放熱媒介にし、そして一個のファンにより強制対流条件を提供して、放熱片の放熱能力を高める。
　すなわち、本考案の多孔化構造セラミック放熱器は、以下に述べる特徴を有する。
１．放熱層、導熱層及びファンからなり、前記放熱層は中空結晶体の多孔化セラミック構造を有し、前記放熱層の気孔率は５から４０％の間であり、粉体粒径は０．０９から０．３０μｍの間であり、それと熱源接触面が少なくとも一層の導熱層を有し、前記導熱層により熱源の熱量を吸収し、さらに放熱層中空結晶体の多孔化セラミック構造の大きな表面積により、空気を放熱媒介にして、そして一個のファンにより強制対流条件を提供して、放熱器の放熱能力を高めることを特徴とする。
２．前記導熱層と前記放熱層との間が、エポキシ樹脂層により一体に結合されるものである。
３．前記導熱層と前記放熱層とが、留め具により一体に結合されるものである。
４．前記ファンの結合はファン留め具を含み、前記導熱層と前記放熱層がファン留め具により一体にあわさるものである。

　多孔化構造で放熱片を製作して、従来の大体積のアルミ金属放熱フィンが備える劣った放熱効果を完全に解決することができると同時に、簡易な生産工程と、少ない材料、製造コストとを備え、熱を発する各種電子装置の放熱に広く応用することができる。

　以下において本考案が応用する理論を詳しく説明する。
１．微視化学部分：
　液体−液体相転移（liquid-liquid phase transformation）。
　本考案は有機系スラリー内にすでにある２種類の有機溶剤−トルエン、エタノールを利用して、新水系高分子粘結剤と混合した後、エタノールと水は完全に混合されるが、トルエンと親水基は互いに排斥する。トルエンと親水基が互いに溶け合わない特性を利用して、攪拌して極力エマルジョン状スラリー（図２に示すエマルジョン領域）へ調合し、セラミック粉末をエマルジョン中へ入れる。図３、４に示すように、エマルジョン中の大粒径粉末はファンデルワールス力が比較的大きいため直ちに凝集して、小粒径が大粒径粉塊の外周を埋めると同時に高分子粘結剤と無機材料が安定した共用結合を形成する。（図３、４は粒径分散の模擬図であり、図３は一般構造の均等な分散を示し、図４は本考案のエマルジョンをつくった後に発生する不均等な分散を示す。）このようにセラミックを焼結してから、自然で均等な空間を作り出して、多孔化構造を形成する。

２．物理部分：
　粉体間を上述したような結果にするためには、異なる粒径のセラミック粉末を混合しなければならない。本考案が採用する小粒径粉末はサブミクロン級（例えば0.13μm）でよく、焼結して多孔化構造セラミックにして最適な放熱特性を達成する。同時に、特定の焼結の上昇温度条件を制御して、最適な気孔率と機械強度の組合せを得る。一般的に、粉末粒径が大きくなればなるほど、焼結後の気孔率も大きくなり、同時に材料の機械強度は相対的に大幅に低下する。

３．物体熱伝達部分：
　全ての物体の熱伝達は伝導、対流、輻射に分けられる。一般に輻射により除去されるエネルギーは小さすぎるため、考慮する必要はない。そのため、放熱片を製作する際、最も重要な熱伝達メカニズムは伝導と対流である。コンピュータの放熱装置において、熱伝導の重要性は熱エネルギーを放熱物体表面へ伝送することにある。（図５に示す）温度を下げる際に最も重要なのは熱対流要素の影響である。なぜならエネルギーは流体（air）の対流現象によりコンピュータＣＰＵチップが発生する熱エネルギーを奪うことに頼るからである。熱対流に影響する最大の要素は放熱面積である。熱対流公式はＱ＝ｈ×Ａ×ΔＴである。（Ｑはエネルギー、ｈは熱対流係数、Ａは表面積、ΔＴは温度差である）熱伝導公式はＱ＝Ｋ×Ａ×ΔＴ÷ΔＸである。（Ｑはエネルギー、Ｋは熱伝導係数、Ａは媒質面積、ΔＴは温度差、ΔＸは媒質厚さである）

　本考案の多孔化構造材料製造方法は次のステップを含む。
　調合：適当な比率のセラミック材料（主要成分：TiO₂、BaO、SrO、Al₂O₃、Zr₂O、AIN、SiC、C）と二種類の有機溶剤、エタノール（EtOH）とトルエン（Toluene）、および分散剤を調合（粘度を5から10cpの間に制御したものが最適）したものを取り、均等分散を確保してから、磨球（例えば、酸化ジルコニウム磨球、酸化アルミニウム磨球など）で研磨攪拌してサブミクロン級の粉粒を形成する。

　粘結剤製造設備：適当な比率のポリビニールアルコール（ＰＶＡ）と水を取り、均一に攪拌する。
　粘結剤添加：前述したサブミクロン粉粒スラリーと粘結剤を混合して、エマルジョン状コロイドが生成されるまで激しく攪拌する。
　乾燥：前述したステップのエマルジョン状のコロイドを乾燥して固体にし、多孔化構造材料をつくる。
　本考案は磨球で研磨攪拌する時、数種類の異なった粒径の磨球で、低速研磨の方式により実施し、効果的にスラリーの研磨時間を短縮することができる。

　本考案は前述の多孔化構造材料を利用して多孔化構造放熱層を製造するが、そのステップは主に次のものを含む。
　粒子製造：前述の多孔化構造材料を父鉢中で細かく磨き、特殊な治具中へ置いてプレスし所定形状の放熱層を形成する。
　焼結：前述した所定形状の放熱層を自然で均等な空間を有するように焼結して、中空結晶体を有する多孔化構造放熱層を形成する。
　表面導熱層粘着：前述した中空結晶体を有する多孔化構造の放熱層はエポキシ樹脂の粘着方式を利用して表面導熱層と放熱層とを結合する。

　本考案の前述製法による多孔化構造セラミック放熱器は、図１０が示すように、主に放熱層２、導熱層１及びファン４から構成されて、放熱層２は微視化学液体相転移変化原理を利用して、エマルジョン状スラリーを不均一に分散し、セラミック粉の微胞構造を形成し、並びにサブミクロン級と結合し、中空結晶体を有する多孔化構造の放熱層２（層の機械強度が強い）を有するか、或いは素焼き完成されたセラミックを利用して放熱層とする。（放熱層の機械強度が弱い）それと熱源（即ち中央処理装置５）接触面が一層の導熱層１を有し、導熱層１により熱源（中央処理装置５）の熱量を吸収し、さらに放熱層２の中空結晶体の多孔化構造により、空気を放熱媒介にし、他に一個のファン４が強制対流条件を提供して、放熱片の放熱能力を高める。本実施例は銅片を導熱層にして、その熱伝導係数はK=380W/mKである。もしさらに高い熱伝導係数の導熱材料（例えば、銀、ダイアモンドなど）を使用する場合、放熱能力を向上する助けとなるが、十分な単位体積によりＣＰＵ起動時の瞬間熱エネルギーを吸収してから多孔化セラミック放熱層により熱エネルギーを発散しなければならない。

　図１１は本考案の導熱層１と放熱層２の結合方式の実施例であり、導熱層１と放熱層２との間をエポキシ樹脂層６により一体に結合する。
　図１２は本考案の導熱層１と放熱層２の結合方式のもう一つの実施例であり、導熱層１と放熱層２を留め具７により一体に結合する。
　図１３は本考案の導熱層１と放熱層２の結合方式のさらにもう一つの実施例であり、ファン４をファン留め具８に結合し、導熱層１と放熱層２はファン留め具と一体に結合する。

　次に本考案の好適な実施例を挙げて、本考案をさらに詳しく説明する。
　調合：セラミック材料（酸化アルミニウム）137.87g、エタノール（EtOH）25.06g、トルエン（Toluene）37.06gおよび分散剤（例えばBYK-111）2.76g（セラミック材料の比率は2.0%）を取り、粘度を5〜10cp以下に制御して、均等な分散を確保し、φ＝3mm:10mm:30mm＝5:3:2の酸化ジルコニウム球により低速で12時間、研磨攪拌を行う。（粉体粒径＝0.09〜0.30μm）前述した３種類の異なる粒径酸化ジルコニウム球の低速研磨方式は、従来の方法と比べて研磨時間を1/2以上節約することができ、研磨時間と粒径の関係を図８、９に示す。図８、９は本考案の研磨時間と粒径との関係を示す図である。図８は本考案の研磨時間と粒径との関係を示す表であり、図９は図８の研磨時間と粒径の関係を示すグラフである。（HORIBA LA-920粒径分布測定装置により作成）

　粘結剤製造：ポリビニールアルコール（PVA）0.4gを水9.6g中へ入れ、均等に攪拌する。（PVA＝4%）
　調整ステップの粉体（粒径0.13μm）5gのペーストを取り出して、5gの4%PVA中へ入れて、エマルジョン状コロイドに生成するまで激しく攪拌してから、乾燥して固体にする。
　粒子製造：前記ステップの塊状固体を細粉状に磨ぎ、一定重量の細粉を特殊治具中へ置いて特定形状の放熱層にパンチ形成する。
　焼結：前述の所定形状の放熱層を三段温度保持方式により焼結して、自然で均等な空間を持たせ、中空結晶体を有する多孔化構造放熱層を形成し、その温度上昇の設定は図６、７を参照すること。図６は本考案の温度上昇設定のステップ表であり、図７は図６が設定する温度−時間制御を示したグラフである。（THERMOTRACKER温度制御器により作成されたもので、縦軸は温度℃を示し、横軸は時間minを示す。）
　表面導熱層粘着：前述した中空結晶体を有する多孔化構造セラミック放熱層と3mm銅片とをエポキシ樹脂により粘着し、150℃で2分間乾燥させる。

　上記製造工程により製造される本考案は以下の方法により測定される。
　設計装置は図１４が示すように、実際のコンピュータ中央処理装置ＣＰＵを利用して測定し、図１１は今回測定したモジュールであり、全部で４個の温度測量点がある。（Ｘ、Ｙ、Ｔ、Ｚ、そのうちのＴは室温、Ｚは吸入口温度、Ｘはすぐ隣のＣＰＵ横温度、Ｙは放熱層温度である。）そのうち熱源にはIntel pentium4 ＣＰＵ1.8GHzを採用し、ファンにはIntelタイプA65061-002 DC12V 0.16A 4600rpmを採用する。温度記録器にはThermo trackerタイプPRO-1000を採用する。それから図１４中の４個の温度測定点の温度曲線を観察する。厚さ1.8mmの多孔化セラミック放熱層に異なる厚さの銅片およびアルミ片を組合わせて測定する。材料のコスト及び放熱器の重量は従来のアルミ押出型放熱器よりもはるかに優れている。（図１５に示すように、長さ幅が70×70mmの材料であり、材料コストの計算方法は：アルミ片＝87元／Kg×使用重量、銅片＝98元／Kg×使用重量、MPC＝25元／Kg×使用重量、エポキシ樹脂＝100元／Kg×使用重量）である。図１７、図１８、図１９、図２０を比較すると分かるように、アルミ金属は導熱係数が比較的低いために、Ｚ軸熱伝導能力が多孔化セラミックにより阻隔される程度はとてもひどく、測定初期段階の温度起伏は非常に大きく、ＣＰＵの起動用には適合しない。銅片と比べて、測量点Ｘ、Ｙの温度は同時に上昇する。そのうち図１４によるもの（3mmの銅片）が最適であるため、これをＣＰＵ（intel 1.8GHz）の起動に用いて実験することが好ましい。図１６中の放熱片の温度上昇曲線から分かるように、起動段階での測量点Ｘの温度は４３℃だけであり、スクリーンセーバーのプログラム（コンピュータのプログラムは常に作動する。）を作動させた後も温度は４７℃だけである。そのため、将来より高い周波数のＣＰＵが発生する熱源の解決方法においても、材料の厚さ設計を変更するだけでよいことが十分に証明される。

　本考案では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本考案に限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本考案の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本考案の保護の範囲は、実用新案登録請求の範囲で指定した内容を基準とする。

従来の金属片式放熱器の断面図である。本考案にかかる、液−液相変化を示す図である。本考案にかかる、粒径分散の模擬図である。そのうち図３は、従来の粒子の均等な分散を示す模擬図である。図４本考案にかかる、粒径分散の模擬図である。そのうち図４は、粒子の不均等な分散を示す模擬図である。媒質熱伝導原理を説明する図である。本考案にかかる、温度上昇設定を示す図である。そのうち図６は本考案にかかる、温度上昇設定を示すステップ表である。本考案にかかる、温度上昇設定を示す図である。そのうち図７は、図７が設定した温度−時間の制御図（THERMOTRACKER温度制御器により作成し、縦軸は温度℃であり、横軸は時間secである。）本考案にかかる、研磨時間と粒径の関係を示す図である。そのうち図８は、本考案にかかる、研磨時間と粒径の関係を示す表である。本考案にかかる、研磨時間と粒径の関係を示す図である。そのうち図９は、図８の研磨時間と粒径の関係を示すグラフである。（HORIBA LA−920粒径分布測定装置の資料により作成。）本考案にかかる、多孔化構造セラミック放熱器の断面図である。本考案にかかる、導熱層と放熱層との結合方式による実施例の断面図である。本考案にかかる、導熱層と放熱層との結合方式による、もう一つの実施例の断面図である。本考案にかかる、導熱層と放熱層との結合方式による、さらにもう一つの実施例の断面図である。放熱器を測定するモジュールを示す図である。放熱片材料、サイズ及びコストの計算表である。 70×70×4.8mm（銅材3mm、セラミック1.8mm）放熱片によるＣＰＵ起動温度を示す曲線図である。（THERMOTRACKER温度制御器により作成し、縦軸は温度℃であり、横軸は時間secである。）銅片2.0mm／多孔化セラミック1.8mm放熱器の温度を示す曲線図である。（THERMOTRACKER温度制御器により作成し、縦軸は温度℃であり、横軸は時間secである。）銅片3.0mm／多孔化セラミック1.8mm放熱器の温度を示す曲線図である。（THERMOTRACKER温度制御器により作成し、縦軸は温度℃であり、横軸は時間secである。）銅片3.0mm／多孔化セラミック1.8mm放熱器の温度を示す曲線図である。（THERMOTRACKER温度制御器により作成し、縦軸は温度℃であり、横軸は時間secである。）銅片4.0mm／多孔化セラミック1.8mm放熱器の温度を示す曲線図である。（THERMOTRACKER温度制御器により作成し、縦軸は温度℃であり、横軸は時間secである。）

符号の説明

Ａ　放熱片
Ｂ　中央処理装置
Ｃ　放熱片
Ｄ　ファン
Ｅ　足当て部
Ｆ　導熱層
１　導熱層
２　放熱層
３　足当て部
４　ファン
５　中央処理装置
６　エポキシ樹脂
７　留め具
８　ファン留め具
Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｔ　温度測量点

Claims

　放熱層、導熱層及びファンからなり、前記放熱層は中空結晶体の多孔化セラミック構造を有し、前記放熱層の気孔率は５から４０％の間であり、粉体粒径は０．０９から０．３０μｍの間であり、それと熱源接触面が少なくとも一層の導熱層を有し、前記導熱層により熱源の熱量を吸収し、さらに放熱層中空結晶体の多孔化セラミック構造の大きな表面積により、空気を放熱媒介にして、そして一個のファンにより強制対流条件を提供して、放熱器の放熱能力を高めるものである多孔化構造セラミック放熱器。
　前記導熱層と前記放熱層との間が、エポキシ樹脂層により一体に結合されるものである請求項１記載の多孔化構造セラミック放熱器。
　前記導熱層と前記放熱層とが、留め具により一体に結合されるものである請求項１記載の多孔化構造セラミック放熱器。
　前記ファンの結合はファン留め具を含み、前記導熱層と前記放熱層がファン留め具により一体にあわさるものである請求項１記載の多孔化構造セラミック放熱器。