JP3256343B2 - ヒートシンク - Google Patents

ヒートシンク

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JP3256343B2 JP20044493A JP20044493A JP3256343B2 JP 3256343 B2 JP3256343 B2 JP 3256343B2 JP 20044493 A JP20044493 A JP 20044493A JP 20044493 A JP20044493 A JP 20044493A JP 3256343 B2 JP3256343 B2 JP 3256343B2
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高速駆動マイクロコンピ
ュータなどの発熱密度の高いLSI、マルチ・チップ・
モジュールなどの半導体複合素子に使用されるヒートシ
ンク、特に空冷式で発熱を拡散冷却させ、小型化を要求
されるヒートシンクに関する。
【0002】
【従来の技術】QFP(Quad Flat Pack
age)でセラミクス・パケージのLSIに、従来のヒ
ートシンクを取り付けた1例を示す斜視図と側面図を示
す図9と10において、ヒートシンク90はアルミニウム
や銅等の高熱伝導性の材料を用いて、熱伝導支柱部91の
周辺部にフィン部92を持つように切削加工されており、
前記支柱部91の中央部が熱源となるQFP型のLSI93
の中央部平面に密着搭載され、前記LSI93の発熱は前
記フィン部92によって放熱されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記構成のヒートシン
ク90では、LSI93の発熱量が大きくなるに伴い、フィ
ン部92の直径dlを大きくしたり、またはフィンの枚数
を増加させる等によりヒートシンク90のフィン部92の表
面積を増加させなければ充分な放熱効果が得られない
が、ヒートシンク90のd1がLSI93の外形より大きく
なったり、高さHが高くなり過ぎる場合、このような大
型のヒートシンク90を電子機器等の限られた狭い空間に
配置すれば空気の対流が妨げられ、著しく冷却能力が低
下するという問題がある。
【0004】上記ヒートシンク90の大型化を許容しての
手段であっても、単純にフィン部92の直径dlを大きく
したり、フィンの枚数を増加することは、発熱源(LS
I93)から遠くなることによるヒートシンク90の材料の
熱抵抗が大きくなるために、フィンの厚みt1を厚くし
たり、熱伝導支柱部91の直径d2を大きくする必要が生
じるために、LSIの発熱量の増大の対策は、しばしば
ヒートシンクの大型化と同時に、強制対流などのモータ
の大型化も行われることが多かったためにコスト高とも
なった。
【0005】またヒートシンク90の加工は、ヒートシン
ク材料と切削工具の強度及び切削精度の関係から、熱伝
導支柱部91の直径d2とフィン部92の直径d1との比は
フィン間隔t2を対流に適当な一定間隔に保ちながら切
削加工できる限界があるため、ヒートシンク90のフィン
厚さt1を薄くするなど部分的な小型化にも限界があっ
た。
【0006】本発明は上記課題を鑑みてなされたもの
で、放熱性能を向上させる小型軽量なヒートシンクの構
造を提供し、前述の課題を解決することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本考案では、受熱プレートと少なくとも一枚のアルミ
ニウム等で形成される軽重量の放熱フィンを重ね合わせ
た構造のヒートシンクであって、上記プレートとフィン
の間隔は、上記フィンに千鳥状に多数個配置されている
ボスによって保たれ、各々のボスの底面がロウ付けされ
ているヒートシンクとする。
【0008】
【作用】前記構成の如くボス14を設けることにより、受
熱プレート11の熱を各々のフィン12に有効に伝えること
ができ、またこれらボス14を千鳥状に配置することによ
り対流下における熱伝達が極めてよくなり、従来の熱伝
導支柱部91が不要とり、したがってフィン部92の有効放
熱面積が極めて大きくなる。また、フィン12には任意の
箇所にボス14を付けることができるために、フィン12の
厚さt1を加工の極限まで薄くしてもフィン12の熱抵抗
の増加を補うことができ、上記効果から、LSIなどの
半導体発熱素子の発熱量が大きくなっても、放熱効果に
優れた小型軽量のヒートシンクを得ることができる。
【0009】上記放熱プレート11に金属板を用いたもの
においては、従来の切削加工をしたヒートシンクに比べ
て安価にできるが、これをヒートパイプに置換えたもの
においても、電子機器全体の大型化を防止することがで
きるためにシステムのコストメリットは大きくなる。
【0010】
【実施例】本発明の実施例とするヒートシンクの断面図
を図1に、この上面図を図2に示す。図1に示す実施例
のヒートシンク1は、セラミックパッケージの中央部に
ヒートシンク接合用のねじ部94が立てられた金属板95を
有する被冷却LSI93のために設計されたものであり、
ヒートシンク1の中央部には、上記LSI93のねじ部94
と勘合する雌ねじ部10と一体になったアルミニウムなど
の受熱プレート11と、上記雌ねじ部10の外径部に隙間な
く接するバリ穴15を有し、かつ、千鳥状に配置された多
数のボス14を有するアルミニウム等からなる数枚の放熱
フィン12で構成されている。LSI93の金属板95と接す
る上記受熱プレート11の受熱面13は受熱プレート11の外
径より小さくして、LSI93との間に放熱面積を増加す
るための対流空間(T)を作っている。また上記放熱フ
ィン12は同一のプレス金属で加工されているが、隣合う
フィンの上記多数個のボス14の上下の位置が、一致しな
いように重ね合わされているために、相互のフィン間隔
とプレート11との間隔も、上記ボス14の高さ寸法分の隙
間(T2)が生じている。
【0011】図1と2に示すヒートシンク1は前記ボス1
4の底面と受熱プレート11、また一方のボス14の底面と
他方の放熱フィン12の上面がそれぞれ半田ペーストによ
りロウ付固定されヒートシンク1の部材の全てを一体化
しているが前記ボス14の底面と受熱プレート11とを半田
ペーストで固定し、他のボス14と放熱フィン12はブレー
ジングシートにより一体化してもよい。
【0012】上記ヒートシンク1は、雌ねじ部10を被冷
却LSI93のねじ部94にねじ込み固定され、LSI93に
生じる熱は金属板95とねじ部94を介して、ヒートシンク
1の受熱プレート11に伝えられるが、主としてねじ部94
からの熱は、各フィンのバリ部15を介して放熱フィン12
の中心部より外方向に向かって伝えられる。他方、金属
板95からの熱は受熱面13を介して、受熱プレート11の厚
み方向に伝えられると同時に、受熱プレート11の外周方
向に広がり伝えられる。
【0013】上記受熱プレート11はその表面積に対して
適当な厚み、例えば円形のものであれば直径50mmに
対して2mm程度の厚みを有するために、受熱面13の面
積が少なくても受熱面13の熱は、受熱プレート11の全面
に均一に伝えられる。一方標準の放熱フィン12は、上記
受熱プレート11の厚みに対して薄く、0.5mm程度で
しかないために、上記バリ部15から伝えられる熱だけで
は、各放熱フィン12の外周部に伝わらずに減衰してしま
いフィン効率が低下することになるが、上記受熱プレー
ト11に伝えられた均一な熱は、先ず、受熱プレート11と
直接接する放熱フィン12の多数のボス14aを介して、放
熱フィン12aの全面に伝えられ、順次、上方の放熱フィ
ン12に各々のボス14を介して熱伝導が行われ、ヒートシ
ンク1の全体が略均一な熱広がりとなり、放熱が行われ
る。
【0014】上記ボス14の高さは、自然対流の場合は2
mm程度、強制対流の場合は1.2mm程度とし、側面
からの空気の流れを促進することが好ましいが、各々の
放熱フィン12はプレスで加工されるために、前記放熱フ
ィン12には空気抜きの穴を開けることが容易にできるた
めに、多数のボス14の間(放熱フィンの一部)に適宜、
空気対流のための穴を開けることにより、上記ボス14の
高さを低く、即ち、各フィンの間隔(T2)を狭めて、
ヒートシンク1の全体の高さを低く抑えることもでき
る。なお、上記多数のボス14の対流の空気抵抗は、各々
のボス14の底面が放熱フィン12の板厚の3から5倍程度
の直径であり、実用上殆ど問題にならないが、むしろボ
ス14の数を増加することで、放熱表面積の減少を考慮す
べきである。
【0015】上記実施例では、上面に金属板95とねじ部
94を設けたLSI(被冷却半導体素子)93を冷却するた
めに、ヒートシンク1には雌ねじ部10が設けられていた
が、本発明の熱伝導の主体は、比較的厚い受熱プレート
11と放熱フィン12のボス14で行われるために、上記雌ね
じ部10のない、即ち受熱プレート11の中央部にねじ部を
持たず、かつ、放熱フィン12にバリ部15の加工を施さな
い、ボス14と必要に応じて空気溜りを防止する単に穴の
開いた平板状の放熱フィン12からなるヒートシンク1で
あっても上述の効果と変わらないヒートシンクが得られ
る。
【0016】発熱半導体素子への取り付けは、高熱伝導
エポキシ樹脂や銀ペーストなどの接着剤、若しくは、図
3に示す如くシリコングリスと専用のクランプを併用し
て取り付けられる。図3において、受熱プレート11の外
周の一部にクランプ用の突起131-131が設けられ、クラ
ンプ材133によりLSI93(発熱体)と受熱プレート11
がクランプされている。
【0017】ここで受熱面13は受熱プレート11の外径よ
り小さくして放熱面積の増加を重視する設計よりも、上
記接着強度を重視して受熱プレート11の下面には段差を
付けずに、全面をLSIなどの発熱素子に密着して取り
付けることが好ましい場合が多い。
【0018】また本発明の第2の実施例として前記プレ
ート11の材料にもヒートパイプを用いているヒートシン
ク2の断面図を図4に示す。本実施例は、図1に示す実
施例の受熱プレート11に大外径のものが必要となった場
合、前記受熱プレート11に代え、薄い厚さで十分な均熱
化を図ることのできるヒートパイプ構造の受熱プレート
(以下単に「受熱ヒートパイプ」という)20を用いたも
のであり、図5は上記受熱ヒートパイプ20のウイック構
造図の一例を示す図である。
【0019】上記受熱ヒートパイプ20は、外径は第1の
実施例の受熱プレート11と略同じであるが、銅あるいは
銅合金などの材料で内面に、図5に示す如き中心部から
外縁部に向かって遠心状と放射状に凹溝の入ったウイッ
ク204を有し、鍋底状にプレス加工された底板部201と、
上記底板部201との間に空間部203を保持し、カシメ密封
またはロウ付けできるプレス加工品からなる蓋板部202
とから形成されている。
【0020】図4に示す如く上記受熱ヒートパイプ20の
底板部201と蓋板部202は各々の放熱フィン12が重ね合わ
され仮固定した後、ロウ付け作業を経て一体化されるこ
とにより、上記空間部203は完全な密封空間となってい
る。したがって、この空間部203の中を真空引き減圧さ
れた後、アセトンや水などの作動液(図示なし)が、空
間部203の20%程度に注入され(注入口は図示な
し)、封止ロウ付けされている。
【0021】上記受熱ヒートパイプ20の中の作動液は、
ウイック204の溝の中に毛細管現象で、略均一に底板部2
01の内面に広がっており、受熱面213が加熱されること
により、受熱面213近傍の作動液は蒸発し、温度の低い
外縁部に向かい凝縮し再度液体に戻り、ウイック溝を通
って、再び受熱面213の近傍に戻るサイクルを繰り返
し、極めて短時間で受熱ヒートパイプ20の表面に均一に
熱が分散する。
【0022】よって、被冷却半導体素子の発熱量が大き
くなり、ヒートシンク2の外径の大きなものが必要にな
った時でも、作動液の蒸発が熱を運ぶために、熱抵抗の
増加を余り考慮する事無く、薄い受熱ヒートパイプ20の
形状のままで大外径のヒートシンク2を得ることができ
る。なお、放熱フィン12の大外径化の熱抵抗の増加対策
は、第1の実施例で説明したボス14の数と位置で十分に
補うことができる。
【0023】本発明の第3の実施例とする前記第2の実
施例の底板部201の内面に、加工したウイック204の代わ
りに、蓋板部202にウイック状の凹部状加工部304を施し
たヒートパイプの上面図と断面図を図6と7に示す。本
実施例は、受熱ヒートパイプ20が大径化することによ
り、外力や内部の減圧に対しての強度を補強する場合に
用いられる。なお、本実施例の凹状加工部304の代わり
に、銅やセラミックなどの線材や板材あるいは金綱など
が用いられることは、通常の平板状ヒートパイプと同様
である。
【0024】さらに第4の実施例とする前記第2の実施
例の受熱ヒートパイプ20の略中央部にヒートパイプの作
動液の注入口41を配置し、重ね合わされる上記放熱フィ
ン12の相対部分とロウ付けしているヒートシンク4の側
面断面図を図8に示す。図8では、雌ねじ部10の位置に
受熱ヒートパイプ20の作動液の注入口41を取り付け、受
熱ヒートパイプ40としている。上記注入口41の直径は比
較的大きくして、ヒートシンク4の中央部からの熱伝導
を容易にすると同時に、注入口の始末の設計を容易にし
ている。
【0025】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば熱伝導の優れた受熱プレートと放熱フィンが、任意
の位置でロウ付け(半田付け)されるため機械的に堅牢
であることは勿論、均一な熱分散ができる表面積の大き
な小型軽量のヒートシンクを得ることができる。
【0026】また、この製造方法も従来の切削加工主体
のものではなく、プレス加工とロウ付け(半田付け)加
工が主体であるために、受熱プレートにヒートパイプを
用いるものであっても、LSIなどの大量生産の半導体
のヒートシンク用として比較的安価に供給できるもので
ある。なお、本発明の実施例でヒートシンクの上面図外
形は4角形と円形で示したが、この形状は多角形で構成
すれば放熱面積を任意に増加できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示すヒートシンクの側面断
面図である
【図2】 本発明の実施例を示すヒートシンクの上面図
である
【図3】 発熱体と受熱プレートとのクランプの1例を
示す図である。
【図4】 本発明の第2の実施例とするヒートシンクの
側面断面図である
【図5】 本発明の第2の実施例の放熱ヒートパイプの
底板部を示す図である
【図6】 本発明の第3の実施例の蓋板部上面を示す図
である
【図7】 本発明の第3の実施例の放熱ヒートパイプの
側面断面図である
【図8】 本発明の第4の実施例とするヒートシンクの
側面断面図である
【図9】 従来のヒートシンクの斜視図である
【図10】 従来のヒートシンクの側面図である
【符号の説明】
図において同一符号は同一、または相当部分を示す。 1、2、4 ヒートシンク 11 受熱プレート 12 放熱フィン 13 受熱面 14 ボス 20、30、40 受熱ヒートパイプ 91 熱伝導支柱部 95 金属板 201 底板部 202 蓋板部 203 空間 204 ウイック 213 受熱面 304 凹部状加工部

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 受熱プレートと少なくとも一枚のアルミ
    ニウム等で形成される軽重量の放熱フィンを重ね合わせ
    た構造のヒートシンクであって、上記プレートとフィン
    の間隔は、上記フィンに千鳥状に多数個配置されている
    ボスによって保たれ、各々のボスの底面がロウ付けされ
    ているヒートシンク。
  2. 【請求項2】 受熱プレートが銅または銅合金の容器で
    形成されるヒートパイプである請求項1記載のヒートシ
    ンク。
  3. 【請求項3】 受熱プレートをヒートパイプ構造とし、
    略中央部にヒートパイプの作動液の注入口を配置し、重
    ね合わされる上記放熱フィンの相対部分とロウ付けされ
    ている請求項1記載のヒートシンク。
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