JP4051402B2 - 可撓性を有する伝熱装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は可撓性を有する伝熱装置およびその製造方法に関する。
発明の背景
現在では、熱を管理するための多数の形態物が存在しており、これら形態物の全ては熱を移動させるための伝導、対流、および放射の原理に基づいているものである。熱伝導率が優れていることが、高密度の電気的構成要素または電気的装置、例えば集積回路から熱を移動させるのに必要である。高い熱伝導率を有する材料は通常は伝熱装置に使用されていて、半導体を有する回路または装置から熱を消散させる。現在では半導体を有する回路および装置に関しては、素子の金属部を使用することは満足のいくものではない。このため、種々の構造的組立体へと形成される異なる材料の合成物または積層物から製造されていて高い熱伝導率を有する伝熱装置を使用するのが望まれる。このような伝熱装置は、要求される高い熱伝導率と強度と必要な他の特性とを有している。
【０００２】
伝熱装置は、多量の廃熱を発生する熱源とヒートシンクとの間において物理的に連結されている。しかしながら、多数の場合において、熱源とヒートシンクとは隣接しておらず、これらの一方もしくは両方に対して伝熱装置を相互接続させるために容易にアクセスできない。これらの状況において、柔軟であって可撓性を有する伝熱装置が必要とされる。このような状況では、素子の金属部の熱伝導率に比較して極めて高い熱伝導率を有する現在利用可能な伝熱装置を容易に使用できない。
【０００３】
本発明は、密集した領域における熱を除去するための費用に関する問題点を克服するものである。このように密集した領域においては、伝導による熱管理を行うのに、熱過敏性の電子部品または電子装置から熱消散領域まで熱負荷を移動させて再供給させるために容易に形成できて低密度であって可撓性を有する薄い断面を有する材料が必要とされる。
発明の概要
本発明の好ましい実施態様は、熱管理の適用例のための優れた可撓性を有する伝熱装置に関する。このような適用例においては、熱源とヒートシンクとの間の物理的間隔および／またはこれらが近寄っている程度は関数である。本発明の伝熱装置は、好ましくは平板またはストリップの形状であってグラファイトから構成されていて高い熱伝導率を有するコア材料を具備しており、このコア材料は可撓性を有するのが好ましい金属製の二つの薄い表面用シート間に挟まれて、これら表面用シートの対向する面の間にコア材料を封入する。各金属製表面用シートの外形はコア材料の外形よりも大きくて、表面用シートの各側部には重複部分が形成されている。好ましい組立体においては、表面用シートの一方は、コア材料のストリップの一側上に配置され、他方の表面用シートはコア材料のストリップの他側に配置され、それにより、接着剤を用いることで表面用シートが一緒に結合されることによって、これら表面用シートが重なり合ってコア材料のストリップを完全に封入するようになる。
好ましい実施態様の詳細な説明
図１から図３を参照すると、伝熱装置１０は、伝熱装置１０の構造部材ではなくて高い熱伝導率を有するコア材料１２から形成されており、ストリップの形態であるコア材料１２は、好ましくはホイル状ストリップの形態であって対向している二つの表面用シート１３、１４間に封止もしくは結合されている。表面用シート１３、１４は好ましくは結合剤１５、例えば接着剤によって一緒に結合される。あるいは、表面用シート１３、１４の間を十分に加熱および／または加圧して拡散接合部を形成することによって、接着剤を用いることなく封止作用を行うことができる。表面用シート１３、１４を、コア材料１２の少なくとも周囲周りを結合させることによって封止する。
【０００４】
伝熱装置の構造部材ではなくて高い熱伝導率を有するコア材料１２を、熱分解グラファイト、圧縮処理熱分解グラファイト、熱処理熱分解グラファイト、規則性が高い熱分解グラファイト、合成ダイヤモンド、規則性が高い窒化ホウ素、圧縮処理窒化ホウ素、熱処理熱分解グラファイト、熱分解グラファイト、六方晶系窒化ホウ素、および立方晶系窒化ホウ素を含む高い熱伝導率を有するあらゆる材料から選択できる。高い熱伝導率を有するコア材料１２の面内熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫよりも大きくて、熱分解グラファイトのコア材料、および合成ダイヤモンドのそれぞれの熱伝導率は５００Ｗ／ｍＫよりも大きいのが好ましい。
【０００５】
結合剤１５は、アクリル樹脂または熱硬化性エポキシ化合物の通常の有機接着剤の配合物、もしくはコア材料１２のストリップを固定するのに十分に強力な熱可塑性樹脂から選択されうる。あるいは、結合剤は金属ベースの材料、例えばハンダ、鑞付け合金でもよく、もしくは二つまたはより多数の金属からなる共融混合物であってもよい。
【０００６】
表面用シート１３、１４のホイル状ストリップの表面は（限定されるわけではないが）長方形状であるのが好ましくて、高い熱伝導率を有するのが好ましいシート状金属、例えばアルミニウム、銅、銀、金、ニッケル、ベリリウム、スズ、鉛、および鋼、もしくはこれらの合金または化合物、例えばコバール（登録商標）、銅−タングステン複合材、銅−モリブデン複合材、インバール（登録商標）、アルミニウム−ベリリウム複合材、およびスズ−鉛複合材から構成される。あるいは、表面用シート１３、１４のホイル状ストリップを有機材料、例えばプラスチック、マイラー（登録商標）、カプトン（登録商標）、ポリアミド、またはパラリン（ｐａｒａｌｙｎｅ）から形成してもよく、もしくは高分子化合物、例えばグラスファイバー有機合成物、カーボンファイバー有機合成物、またはケブラー製ファイバー有機合成物から構成してもよい。可撓性を有するようにするために、表面用シート１３、１４のホイル状ストリップを、コア材料１２の厚さに比較して薄く形成しており、各表面用シートの厚さは約０．００２ミリメートル（２ミクロン）と２ミリメートルとの間であって、最大厚さは約０．２５ミリメートル（１０ミル）から約０．６３ミリメートル（２５ミル）程度であるのが好ましい。結合剤を塗布する場合には、結合剤１５を含む表面用シートに対するコア材料１２の体積分率の比は約５％と９５％との間である。幅と長さとの両方に関してコア材料１２のストリップに比較すると、表面用シート１３、１４のホイル状ストリップの寸法はいくらか大きく、それにより図３に示されるように、コア材料１２のストリップを完全に封入するのを容易にする重複部分が存在するようになる。結合剤１５を、各隣接側部１６、１７に向かって各金属製表面用シート１３、１４のホイル状ストリップの内面全体にわたって塗布することができ、それにより、接着剤材料１５はコア材料１２のストリップと表面用シート１３、１４のホイル状ストリップとの間においてエアギャップまたは気泡を含まないようになる。あるいは、金属製表面用シートのホイルを、コア材料１２のストリップから広がる重複部分の周囲周りのみに被覆してもよい。組立時に、結合用接着剤が金属製表面用シート１３、１４のホイル状ストリップを一緒にラミネートし、熱分解グラファイト製コア材料１２のストリップが金属製表面用シート１３、１４のホイル状ストリップによって完全に封入された状態で支持される一体的な構造体を形成する。
【０００７】
コア材料１２のストリップは熱を移動させるための主要なまたは単一の熱経路を形成する。表面用シート１３、１４はコア材料１２のストリップに対する保護部を形成して、コア材料１２が周囲の環境に損傷を与える粒子または気体を放出しないようにする障壁部のように働く。コア材料１２の配合物から独立している表面用シート１３、１４によって、伝熱装置１０の取扱いがさらに容易になり、それにより、極めて高い熱伝導率を有するコア材料を重要な場所における適用例に使用することができる。
【０００８】
好ましいコア材料は熱分解グラファイト、さらに特に熱処理熱分解グラファイト「ＴＰＧ（ｔｈｅｒｍａｌ ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｇｒａｐｈｉｔｅ）」あるいは圧縮処理熱分解グラファイト「ＣＡＰＧ（ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ａｎｎｅａｌｅｄ ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｇｒａｐｈｉｔｅ）」として当業者に公知の焼きなましされた熱分解グラファイトである。これら異なるグラファイトは、市場で製造されていてオハイオ州、クリーブランド（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ）にあるアドヴァンストセラミックス株式会社（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能である。高い熱伝導率を有する通常のグラファイト補強用合成物の面内熱伝導率は３００Ｗ／ｍＫである。ＣＡＰＧおよびＴＰＧの熱伝導率は１５００Ｗ／ｍＫ以上でありうる。
【０００９】
コア材料１２のストリップの可撓性は、コア材料１２のストリップがどれだけ薄いかに応じて定まる。コア材料１２のストリップの厚さを０．０００１マイクロメートル（１オングストローム）から約６．３５ミリメートル（１／４インチ）まで変更できるが、約０．００２ミリメートル（２ミクロン）から２ミリメートルの間であるのが好ましい。
【００１０】
表面用シート１３、１４およびコア材料１２は、表面用シート１３、１４をコア材料１２の両側部上に配置することによって一体的に形成されて、公知の通常の被覆プロセス、例えば化学蒸着法、物理蒸着法、プラズマ蒸着法、電解メッキ、無電解メッキ、浸漬被覆およびスプレー被覆によって伝熱装置１０の対向する表面を形成できる。塗布工程の後工程である、材料の超過部分のトリミング作用または切断作用によって伝熱装置を完成させて最終的な形状を形成することができる。あるいは、シート１３、１４を圧力および／または温度下で結合させることによって表面用シート１３、１４のストリップを、コア材料１２の両側部に重ね合わせて、表面用シート１３、１４の間において好ましくはコア材料１２の周囲において拡散接合部を形成することができる。完成のための同一の工程であるトリミング作用もしくは切断作用によって最終的な形状を形成することができる。
【００１１】
結合剤を採用する場合には、結合剤を、塗装作用、スプレー作用、または浸漬作用によって、表面用シート１３、１４の対向する内面に塗布することができる。
図１においては、組み立てられた伝熱装置１０が示されていて、この伝熱装置１０はかなりの間隔を空けられた状態で熱源２とヒートシンク３との間を物理的に連結していて、容易に利用できない領域に配置されている。伝熱装置１０を熱源２およびヒートシンク３のそれぞれに固定するためのクランプまたはボルトを用いるあらゆる通常の手段、もしくは溶接作用またはハンダ付け作用によって連結させるために、伝熱装置１０を容易に屈曲させて整形することができる。
【００１２】
結合剤を用いることで、金属製の表面用シート１３、１４とコア材料１２との間の界面を物理的に接触させうる。図２および図３の実施態様においては、貫通孔（ｖｉａ ｈｏｌｅｓ）２０がコア材料全体にわたって離間された状態で形成されていて、対向する表面用シート間における構造的経路を形成している。貫通孔２０によって、ラミネートされた伝熱装置が層間剥離するのが最小限になっているので、貫通孔２０を組み入れることは極めて重要である。さらに、接着剤を使用しない場合には、金属製または有機配合物製であって可撓性を有する一対の表面用シートを圧力および／または温度下において結合させて、一体的な伝熱装置の本体を形成し、同時に、表面用シート１２、１３は、表面用シート間であってコア材料１２の周囲および貫通孔の位置において拡散接合部を形成する。要求される場合には、貫通孔２０は表面用シートの配合物に対応する材料、または要求される他の材料の配合物によって充填されて、構造的支持作用を有する実体積部を形成する。さらに、充填された貫通孔２０によって、ネジ部品および／または整列用ピンを支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 熱源とヒートシンクとの間の位置に連結された本発明の可撓性を有する伝熱装置の断面図である。
【図２】 本発明の他の実施態様の可撓性を有する伝熱装置の断面図である。
【図３】 コア材料のストリップと貫通孔と下層面金属部と下層の境界周りの結合剤とを露出させるために頂面のシートが除去された状態の図２の実施態様の頂面図である。

Claims (7)

1. 熱源からヒートシンクまで熱を移動させるための伝熱装置において、
   コア材料からなる薄シートを具備し、該薄シートは、面内熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫよりも大きくて厚さが０．００２ミリメートル（２ミクロン）と２ミリメートルとの間であって熱分解グラファイト又は規則性が高い熱分解グラファイトから本質的に構成されており、
   さらに、可撓性を有する一対の表面用シートを具備し、該表面用シートは金属製であり、該一対の表面用シートは前記コア材料の対向する表面上に配置されていて、断面においてはサンドイッチ構造を形成しており、それにより、前記コア材料を前記一対の表面用シートの間に封入し、
   前記コア材料内に貫通孔を具備する伝熱装置。
2. 前記表面用シート同士が、有機的接着剤、無機的接着剤、ハンダ、鑞付け合金、もしくは二つまたは多数の金属からなる共融混合物から構成されるグループより選択される結合剤によって結合される請求項１に記載の伝熱装置。
3. 前記貫通孔が前記結合剤によって充填される請求項２に記載の伝熱装置。
4. 前記表面用シートのそれぞれの厚さが０．００２ミリメートル（２ミクロン）と２ミリメートルとの間である請求項２又は請求項３に記載の伝熱装置。
5. 前記結合剤を含む前記表面用シートに対するコア材料の体積比が５％と９５％との間である請求項４に記載の伝熱装置。
6. 前記表面用シートのそれぞれが、アルミニウム、銅、銀、金、ニッケル、ベリリウム、スズ、鉛、鋼、銅−タングステン複合材、銅−モリブデン複合材、およびスズ−鉛複合材から構成されるグループより選択される請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の伝熱装置。
7. 前記結合剤が、熱硬化性樹脂、アクリル樹脂、および熱可塑性樹脂からなるグループより選択される有機的接着剤である請求項２または請求項３に記載の伝熱装置。

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