JP4337441B2 - 放熱部材及びその製造方法並びにヒートシンク - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ用放熱器、ペルチェ素子用放熱器、モーター用放熱器、電子制御部品用放熱器等の放熱部材とその製造方法に関し、さらに、かかる放熱部材を用いたヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、銅製のベース板とアルミニウム製のフィンとを、かしめ、接着剤又はろう付けによって接合した放熱部材が開示されている。この放熱部材は、重量は比較的大きいが熱伝導率は極めて高いという銅の特性と、熱伝導率は銅よりもやや小さいが重量は銅よりも小さいというアルミニウムの特性に着目し、ベース板とフィンとをそれぞれに適した異種金属で構成することにより、放熱性能向上と軽量化の双方を満足させようとしたものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２０３５９５号公報
（［００１０］−［００１６］，図１−４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかる放熱部材の放熱性能を更に高めるには、ベース板の厚さを更に大きくしたり、フィンの間隔を更に小さく（フィンの枚数を更に多く）することが考えられるが、そうすると放熱部材全体の重量が増加してしまい、軽量化の要請に反する。逆に言うと、放熱性能を低下させずに放熱部材を更に軽量化することには限界があった。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、放熱性能を低下させることなく放熱部材をより軽量化することを課題としたものである。また本発明は同時に、この放熱部材の製造方法と、この放熱部材を用いたヒートシンクも提案するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明に係る放熱部材は、一方の面に発熱体が接続される銅からなるベース板と、このベース板の他方の面に立設接合されたアルミニウムからなる複数枚のフィン構成材とを備え、前記フィン構成材は、前記ベース板に平行な一の基端部と、前記基端部で連結される二枚一対のフィンと、で略凹字形断面に形成されるか、前記ベース板に平行な一の基端部と、一枚のフィンと、で略Ｌ字形断面に形成されており、前記ベース板の前記他方の面には、前記各フィンをつなぐ凸条が形成され、前記フィン構成材の前記基端部及び前記フィンには、前記凸条と対応する形状の切欠が形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る放熱部材は、一方の面に発熱体が接続される銅からなるベース板と、このベース板の他方の面に立設接合されたアルミニウムからなるフィン構成材とを備え、前記フィン構成材は、前記ベース板に平行な複数の基端部と、複数枚のフィンと、が連続的に蛇腹状に連結されたコルゲート断面形に形成されており、前記ベース板の前記他方の面には、前記各フィンをつなぐ凸条が形成され、前記フィン構成材の前記基端部及び前記フィンには、前記凸条と対応する形状の切欠が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
発熱体が接続されるベース板は、発熱体の熱を各フィンに伝える役割を果たすものであるため、一般的にはベース板の厚さを大きくするほど、放熱部材の放熱性能が高くなる。しかし、ベース板の厚さを大きくするほど、放熱部材の重量も大きくなってしまうので、本発明では、ベース板の厚さを全体的に大きくするのではなく、発熱体の熱を各フィンに伝える寄与度の大きな部分だけベース板の厚さを大きくし、寄与度の小さな部分においてはベース板の厚さを小さくすることにより、ベース板全体の重量を変えずに、発熱体の熱を各フィンに対してより効率的に伝えるようにしたのである。具体的には、各フィンをつなぐ凸条をベース板に形成することにより、重量を増加させることなく放熱部材の放熱性能を高めることができる。
また、ベース板は銅（銅合金を含む。）で、フィンはアルミニウム（アルミニウム合金を含む。）で形成されている。銅は熱伝導率が極めて大きいため、発熱体の熱を極めて効率的に各フィンに伝えることができるし、アルミニウムは熱伝導率が比較的大きいだけでなく、軽量で加工容易だからである。
また、フィンは、ベース板に平行な基端部で連結されて二枚一対で形成されているようにすることができる。このように二枚一対のフィンとこれらを連結する基端部とで略凹字形断面になっていれば、ベース板にフィンを接合する手間が軽減されるし、薄いフィンであってもその取扱いが容易となり、ハイトング比の放熱部材を容易に製造することができる。なお、一枚のフィンと基端部とで略Ｌ字形断面になっていたり、フィンと基端部とが連続的に蛇腹状に連結されたコルゲート断面形であってもよい。
【０００８】
ここで、凸条は、数枚ごとに各フィンをつなぐものであってもよいが、特に全てのフィンをつなぐように連続的に形成されていれば、発熱体の熱が末端のフィンまで確実に伝えられるので、放熱性能が更に向上するし、凸条の形成も容易になるので、製造コストを抑えることもできる。
また、凸条は、各フィンに斜交する向きに形成されていてもよいが、特に各フィンに直交する向きで形成されていれば、凸条の形成が容易になるし、ベース板と各フィンとの取合部の形状や構造も単純になるので、放熱部材の製造コストを抑えることができる。また、凸条が各フィンに直交する向きであると、凸条の全長を小さくすることができるので、凸条の断面積を最大化して、更に放熱性能を高めることができる。
【０００９】
また、凸条の断面形は、ベース板の本体から遠ざかるほど幅が小さくなるものであることが望ましい。このようにすると、特にファンと併用した場合の圧力損失をより小さくできるからである。
【００１０】
また、凸条は、その断面形を長さ方向に一定とすることが望ましい。ベース板に凸条を容易に形成することができるし、凸条と各フィンとの接合部の形状や構造も単純になるので、放熱部材の製造コストを抑えることができるからである。
この場合において、凸条の断面形状としては、そのアスペクト比（凸条の厚さに対する凸条の幅の比）を５〜３０に、あるいは、放熱部材の全高さに対する当該凸条の厚さの比を０．１〜０．３に設定することが望ましい。後述の実施例からも分かるように、凸条の厚さが相対的に大きすぎると、圧力損失が大きくなって却って放熱性能が低下してしまうし、凸条の厚さが相対的に小さすぎると、ベース板の厚さを全体的に大きくしたものに近づいてしまうからである。
【００１１】
また、凸条は、発熱体に接続される位置から長さ方向に向かって断面積が小さくなるようにしてもよい。ベース板を伝わる熱量は発熱体から遠ざかるほど小さくなっていくから、その熱量に応じて凸条の断面積を小さくすることが理に適っており、より効率的な放熱を行う放熱部材とすることができる。
【００１２】
さらに、このような放熱部材は、自然空冷式で使用してもよいが、強制空冷式、つまりファンを付設し、このファンで各フィンの熱を奪うヒートシンクとして用いれば、より高い放熱性能を得ることができる。
このヒートシンクにおいて、放熱部材に対してファンを取り付ける角度は任意に定めることができるが、ファンが各フィンに対して側方から風を送るように配置すれば、特に高い放熱性能を得ることができるし、高さも小さく抑えられるので設置スペースが制限されなくなる。
【００１３】
ところで、放熱部材の製造方法は任意に定めうるが、一方の面に凸条が形成された銅ベース板の当該一方の面に、当該凸条をまたぐ向きで複数枚のアルミニウムフィンを立設配置し、前記銅ベース板の他方の面から、当該銅ベース板と前記各アルミニウムフィンとの境界面を加熱及び加圧することにより、当該銅ベース板と前記各アルミニウムフィンとを接合することが望ましい。
かかる製造方法によれば、加熱及び加圧の際にフィンや凸条が邪魔になることがないから、フィンのピッチやトング比を自由に設定することができる。また、ベース板、フィンがそれぞれ銅、アルミニウムからなり、アルミニウムよりも溶融点の高い銅からなるベース板側から加熱及び加圧を行うので、加圧力がベース板とフィンとの境界面に効率よく伝達され、両者が確実に接合される。
【００１４】
ここで、加熱及び加圧の方法は任意に定めることができ、たとえば電磁誘導などを利用した非接触方式であってもよいが、接触方式、つまり円周方向に回転する円板状の接合ツールの周面を、銅ベース板の前記他方の面に押し当てつつその表面に沿って移動させることにより行われるものであることが望ましい。
かかる方法は、いわゆる摩擦振動接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ＡｃｏｕｓｔｉｃＢｏｎｄｉｎｇ）と呼ばれるものであり、簡易な装置を用いてベース板とフィンとを確実に接合することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略するものとする。
【００１６】
図１（ａ）は本発明に係る放熱部材の第一実施形態を表す斜視図であり、図１（ｂ）は同分解斜視図である。また、図２（ａ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は同Ｂ−Ｂ断面図、図２（ｃ）は同底面図である。これらの図に示すように、放熱部材１Ａはベース板２とフィン３，３，…とで構成されている。
ベース板２は銅製であり、その幅、長さ、厚さはそれぞれＷ，Ｌ，ｔである。ベース板２の一方の面２ａには、ヒートスプレッダ４を介して、発熱体たるＣＰＵ５が熱的に接続される。また、ベース板２の他方の面２ｂには、厚さｔｓ、幅Ｗｓ、長さＬｓの凸条２ｃが形成されている。凸条２ｃの幅Ｗｓはヒートスプレッダ４の幅と同程度である。また、凸条２ｃの長さＬｓは、ここではベース板２の長さＬに等しいが、Ｌｓ＜Ｌとしてもよい。
フィン３，３，…はアルミニウム製であり、ベース板２の面２ｂ上に互いに平行となるように立設接合されている。フィン３，３は、二枚一対が基端部３ａで連結されてフィン構成材６を形成している。フィン構成材６の基端部３ａ及びフィン３の幅方向略中央部には、ベース板２の凸条２ｃと対応する形状の切欠６ａが形成されており、フィン３，３，…がベース板２の面２ｂに立設接合されたときに、凸条２ｃが全てのフィン３，３，…をつなぐ格好となる。
【００１７】
かかる放熱部材１Ａにおいて、ＣＰＵ５で発生した熱は、まずヒートスプレッダ４を介してベース板２に伝えられ、次にベース板２中で図２（ｃ）の矢印で示すように全方向に流れて各フィン３，３，…に伝えられ、最終的にここで自然冷却され、あるいはファンなどによって強制冷却されて空気中に放散される。したがって一般的には、ベース板２の厚さを大きくするほどベース板２がＣＰＵ５の熱をフィン３，３，…に伝えやすくなるわけであるが、この場合は当然にベース板２の重量も増加してしまう。このため、この放熱部材１Ａでは、ベース板２の厚さを全体的に大きくするのではなく、ＣＰＵ５の熱をフィン３，３，…に伝える寄与度の大きな部分だけベース板２の厚さを大きくする一方で、寄与度の小さな部分の厚さを小さくすることにより、ベース板２の全体重量を変えずに、ＣＰＵ５の熱をより効率的に各フィン３，３，…に伝えるようにしている。つまり、ベース板２に凸条２ｃを形成したことにより、図２（ｃ）の矢印Ｙ方向よりも矢印Ｘ方向により大量の熱が流れ、ＣＰＵ５で発生した熱がより効率的に各フィン３，３，…に伝えられることになる。そして、ベース板２の全体重量を変えずに放熱性能を高めることができるということは、放熱性能を低下させずにより軽量化できることを意味する。
【００１８】
かかる観点から、凸条２ｃの断面形状としては、その厚さｔｓに対する幅Ｗｓの比（アスペクト比）を５〜３０に、あるいは、放熱部材の全高さｈに対する当該凸条２ｃの厚さｔｓの比を０．１〜０．３に設定することが望ましい。後述の実施例からも分かるように、凸条２ｃの厚さが相対的に大きすぎると、圧力損失も大きくなって却って放熱性能が低下してしまうし、凸条２ｃの厚さが相対的に小さすぎると、ベース板２の厚さを全体的に大きくしたものに近づいてしまって、凸条２ｃを形成した意味が薄れてくるからである。
【００１９】
次に、放熱部材１Ａの製造方法の一例を説明する。
まず、銅及びアルミニウムよりも溶融点の高い鉄などからなるスペーサ治具７を用意する。図３（ａ）に示すように、このスペーサ治具７には、高さの等しい板状のスペーサ部７ａ，７ａ，…が等間隔に並んで立設形成されている。スペーサ部７ａ，７ａ間の隙間７ｂの幅は、フィン３の板厚に略等しい。各スペーサ部７ａ，７ａ，…にはそれぞれ、ベース板２の凸条２ｃと略同一形状の切欠７ｃが形成されている。
一方で、中央部に長方形開口が形成された平板状のアルミニウム板を断面凹字形に折り曲げることにより、フィン構成材６を製作しておく。
【００２０】
そして、スペーサ治具７のスペーサ部７ａを取り巻くように、フィン構成材６をスペーサ治具７に対して側方から挿入する。つまり、スペーサ部７ａの両側の隙間７ｂ，７ｂにそれぞれフィン３，３を、当該スペーサ部７ａの上面に基端部３ａが位置するように、フィン構成材６を側方から挿入する。同様にして、他の全ての隙間７ｂにもそれぞれフィン３が嵌まるように、次々にフィン構成材６，６，…をスペーサ治具７に挿入していく。すると、フィン構成材６の切欠６ａとスペーサ治具７の切欠７ｃとによって、ベース板２の凸条２ｃが嵌まる凹溝が形成される。
その後、フィン構成材６，６，…をセットしたスペーサ治具７の上方からベース板２を被せる。この状態で、ベース板２の面２ｂ（図示下面）はフィン構成材６の基端部３ａに接触しており、スペーサ治具７のスペーサ部７ａには接触していない。同様に、ベース板２の凸条２ｃの下面は、フィン構成材６の切欠６ａにおける各フィン３，３に接触しており、スペーサ治具７のスペーサ部７ａには接触していない。ただし、ベース板２の凸条２ｃの幅、フィン構成材６の切欠６ａの幅、スペーサ治具７の切欠７ｃの幅は、互いに略等しくなっているので、ベース板２の凸条２ｃは、ベース板２とフィン構成材６の幅方向の相対位置、さらにはフィン構成材６，６の相互の幅方向の位置を正確に決める位置決め部としても機能する。
【００２１】
次に、図３（ｂ），図４に示すように、回転軸８ｂを中心として円周方向に高速回転する接合ツール８のツール本体８ａの周面をベース板２の面２ａに垂直に押し当てつつ、接合ツール８をベース板２の面２ａに沿って所定の送り速度で移動させることによって、フィン構成材６とベース板２とを摩擦振動接合する。接合ツール８は回転軸８ｂの先端部に円板状のツール本体８ａを固定してなるものであり、ツール本体８ａはＪＩＳ：ＳＫＤ６１などの工具鋼からなる。ツール本体８ａは、ベース板２の面２ａを押さえ込みつつ進行方向後方に送り込むような向きで回転軸８ｂのまわりに回転する。
【００２２】
ツール本体８ａは、図４（ｂ）に示すように、その周面がベース板２の面２ａに一定量αだけ押し込まれた状態で円周方向に高速回転しつつ、ベース板２の面２ａに沿って移動する。そして、このようなツール本体８ａのベース板２への押し込みによってフィン構成材６の基端部３ａとベース板２の境界面の隙間をなくしつつ、高速回転するツール本体８ａとベース板２との接触により生ずる振動によってフィン構成材６の基端部３ａとベース板２の境界面の酸化皮膜を分断破壊するとともに、ツール本体８ａと接触するベース板２の所定領域とこれに隣接する基端部３ａの所定領域とを、ツール本体８ａとベース板２との摩擦接触により発生した熱で高温化し、ベース板２（銅）と接している基端部３ａ（アルミニウム）の一部を共晶融解させる。その結果、ベース板２と基端部３ａの間には共晶層９が形成される。そして、接合ツール８のツール本体８ａが通過した後に冷却されて、フィン構成材６の基端部３ａとベース板２は、共晶層９を介して接合される。
ベース板２の面２ａには、ツール本体８ａが押圧力を当該面２ａに負荷しながら通過した跡が残るが、これを後で面削して平滑面を形成することが望ましい。
【００２３】
このように、ベース板２、フィン構成材６がそれぞれ銅、アルミニウムからなり、アルミニウムよりも溶融点の高い銅からなるベース板２側から接合ツール８を押し当てるので、フィン構成材６の基端部３ａとベース板２の重ね合わせ部が接合に必要な温度（銅とアルミニウムの共晶温度：５４８℃）以上に達したときにベース板２の変形抵抗を比較的大きく保持して、接合ツール８の押圧力を境界面に充分に伝達でき、両者が確実に接合される。また、接合ツール８を押し当てる際にフィン３や凸条２ｃが邪魔にならないので、フィン３のピッチやトング比、凸条２ｃの形状などを自由に設定することができる。
【００２４】
最後に、図５に示すように、スペーサ治具７からベース板２を持ち上げるだけで、ベース板２にフィン構成材６，６，…が立設接合された放熱部材１Ａを取り出すことができる。
【００２５】
次に、放熱部材１Ａの製造方法の別の例を説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、全体が逆Ｔ字形になるように、一枚の薄いアルミニウム製の板材３’の中央部にスペーサ１０を直交配置し、図６（ｂ）に示すように、断面凹字形のフィン構成材作成治具１１の中央部の溝内に、板材３’を折り曲げつつその中央部を押し込みながらスペーサ１０を挿入していくことによって、図６（ｃ）に示すような、中央部の溝にスペーサ１０が挟み込まれた断面凹字形のフィン構成材６を作成する。フィン構成材６は、一対のフィン３，３とこれらを連結する基端部３ａとで断面凹字形に形成されている。
【００２６】
そして、このように一対のフィン３，３の間にスペーサ１０が挟み込まれたフィン構成材６を複数個用意し、これらのフィン構成材６，６，…とスペーサ１０’，１０’，…とを交互に並べながら、図６（ｄ）に示すように、これらを放熱部材製造用治具１２の部材セット部１２ａに立設配置する。このときフィン構成材６は、一対のフィン３，３の間にスペーサ１０を挟み込んだ状態で、かつ、基端部３ａを上に向けた状態とする。また、フィン構成材６，６，…相互間に挟み込まれるように配置されたスペーサ１０’，１０’，…の高さを、フィン構成材６の一対のフィン３，３の間に挟み込まれたスペーサ１０の高さよりも、フィン構成材６の基端部３ａの厚さ分だけ大きくすることによって、フィン構成材６の基端部３ａとスペーサ１０’の基端部とで水平な上面を形成することが望ましい。
【００２７】
その後、図６（ｅ）に示すように、部材セット部１２ａに立設配置されたフィン構成材６，６，…及びスペーサ１０’，１０’，…の上面にベース板２を載せて、固定具１３で固定する。これで、ベース板２の面２ｂにフィン構成材６の基端部３ａ及びスペーサ１０’の基端面が当接した状態となる。
【００２８】
続いて図７（ａ）に示すように、回転軸８ｂを中心として円周方向に高速回転する接合ツール８のツール本体８ａの周面をベース板２の面２ａに垂直に押し当てつつ、接合ツール８をベース板２の面２ａに沿って移動させることによって、ベース板２にフィン構成材６，６，…の基端部３ａを摩擦振動接合する。
【００２９】
最後に、図７（ｂ）に示すように、ベース板２を上に持ち上げれば、ベース板２に接合されたフィン構成材６，６，…だけが一緒に持ち上がり、スペーサ１０’，１０’，…及びスペーサ１０，１０，…は放熱部材製造用治具１２の部材セット部１２ａに取り残されるので、複数枚のフィン３，３，…がフィン構成材６の基端部３ａを介してベース板２の面２ｂに立設接合された放熱部材１Ａを取り出すことができる。
【００３０】
次に、本発明に係る放熱部材の他の実施形態を説明する。
図８（ａ）に示す第二実施形態の放熱部材１Ｂは、ベース板２の凸条２ｃが長さ方向に分割されたものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。このように凸条２ｃが長さ方向に分割されていると、ＣＰＵ５から伝わる熱のルートが末端のフィン３に到達する前に分断されるので、凸条２ｃが長さ方向に連続している第一実施形態に比べて放熱性能が低下するが、凸条２ｃのない従来の放熱部材よりは放熱性能が高い。
【００３１】
図８（ｂ）に示す第三実施形態の放熱部材１Ｃは、ベース板２の凸条２ｃが各フィン３，３，…に対して斜交する向きに形成されたものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。このように凸条２ｃの向きが各フィン３，３，…に斜交していると、ベース板２の重量を同じにしたときの凸条２ｃの断面積が小さくなるので、凸条２ｃが各フィン３，３，…に直交している第一実施形態に比べて放熱性能が低下するが、凸条２ｃのない従来の放熱部材よりは放熱性能が高い。
【００３２】
図９（ａ）に示す第四実施形態の放熱部材１Ｄ、図９（ｂ）に示す第五実施形態の放熱部材１Ｅ、図９（ｃ）に示す第六実施形態の放熱部材１Ｆではそれぞれ、凸条２ｃの断面形が、台形、三角形、ドーム形となっている。これらはいずれも、凸条２ｃの幅がベース板２の本体から離れるほど小さくなっており、凸条２ｃの断面形が長方形の場合よりも、特に矢印のように側方からファンで強制冷却するときの圧力損失が小さくなる。
【００３３】
図１０（ａ）に示す第七実施形態の放熱部材１Ｇは、ベース板２の凸条２ｃの厚さを一定にしたまま、凸条２ｃの幅がＣＰＵ５の接続位置から長さ方向に離れるほど小さくなるように形成されたものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。
図１０（ｂ）に示す第八実施形態の放熱部材１Ｈは、ベース板２の凸条２ｃの幅を一定にしたまま、凸条２ｃの厚さがＣＰＵ５の接続位置から長さ方向に離れるほど小さくなるように形成されたものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。
図１０（ｃ）に示す第九実施形態の放熱部材１Ｉは、ベース板２の凸条２ｃの幅及び厚さがＣＰＵ５の接続位置から長さ方向に離れるほど小さくなるように、つまり全体として凸条２ｃがドーム状となるように形成したものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。
ベース板２を伝わる熱量はＣＰＵ５から遠ざかるほど小さくなっていくから、その熱量に応じて凸条２ｃの断面積を小さくしていくことは理に適っており、それゆえこれらの放熱部材１Ｇ〜１Ｉは、より効率的な放熱を行うことができるものとなっている。
【００３４】
また、図１１（ａ）に示す第一参考形態の放熱部材１Ｊは、フィン構成材６，６，…を用いずに、フィン３，３，…を直接ベース板２に立設接合したものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。
さらに、図１１（ｂ）に示す第二参考形態の放熱部材１Ｋは、フィン３，３，…をそれぞれ幅方向に三分割してベース板２に立設接合したものであり、その他は全て第一参考形態と同じである。もちろん、フィン構成材６，６，…をそれぞれ幅方向に分割した構成としてもよい。
【００３５】
なお、本発明に係る放熱部材及びその製造方法は、これまで説明してきたものに限定されるわけではなく、適宜の変更実施が可能であることは言うまでもない。たとえば、凸条２ｃを一列だけでなく、複数列形成してもよい。また凸条２ｃは、ベース板２の本体と一体形成しなければならないわけではなく、別体に形成した後でベース板２の本体に固定するようにしてもよい。ヒートスプレッダの有無やその寸法・形状も任意であり、発熱体たるＣＰＵ５はヒートパイプ等を介してベース板２に接続されていてもよい。
さらに、ベース板２とフィン３との接合方法として例示した摩擦振動接合においては、接合ツール８の走行領域や走行向き等の接合条件を任意に定め得る。また、接合方法は、回転する接合ツールを溶融点の高い金属部材側に押し込んで、これにより発生する摩擦熱と押圧力を金属部材間の境界面に伝達するような接触方式に限定されるものではなく、電磁誘導を利用して溶融点の高い金属部材側から金属部材間の境界面を加熱及び加圧するような非接触方式でもよい。さらに、かしめ、接着剤又はろう付けなどの公知の方法を用いて、ベース板２とフィン３とを接合してもよい。
【００３６】
ところで、これまで説明してきた放熱部材にファンを付設し、フィンを強制冷却するヒートシンクとして構成することも可能である。
たとえば、図１２（ａ）に示すヒートシンク２０Ａは、ファン１４が放熱部材１Ａの上方から各フィン３，３，…に風を送るようにしたものであり、図１２（ｂ）に示すヒートシンク２０Ｂは、ファン１４が放熱部材１Ａの側方から各フィン３，３，…に風を送るようにしたものである。
なお、ファン１４の取付方法や風の向きはこれらに限定されるわけではなく、ヒートシンクの設置スペースなどに応じて適宜設定すればよい。
【００３７】
＜参考例１＞
凸条の有無によって放熱部材の放熱性能がどのように変わるかについて、シミュレーションを行った。具体的には、凸条無の放熱部材と凸条有の放熱部材とを用意し、それぞれの自然対流下での熱抵抗を求めた。なお、それぞれのベース板の断面積は等しくなっている。凸条有の放熱部材において、凸条はベース板の長さ方向に連続しており、凸条の断面積はその長さ方向に一定である。ベース板は銅製、フィンはアルミニウム製である。フィンは、図１１（ａ）に示した態様で一枚ずつベース板に立設接合してある。各サンプルの断面形状を図１３（ａ），（ｂ）に、シミュレーション結果を示すグラフを図１３（ｃ）に示す。また、表１はデータ値である。
【００３８】
【表１】
【００３９】
図１３（ｃ）のグラフから分かるように、自然対流下で、凸条有のサンプル１−２は、凸条無のサンプル１−１に比べて、ベース板の断面積が同じであるにもかかわらず、熱抵抗が大幅に小さくなった。つまり、凸条を形成することにより、放熱部材の重量を変えずに放熱性能を高められること、換言すれば、放熱性能を低下させずに放熱部材を軽量化できることが分かった。
【００４０】
＜参考例２＞
参考例１と同様、凸条の有無によって放熱部材の放熱性能がどのように変わるかについて、シミュレーションを行った。ただし、参考例１は自然対流下でのシミュレーションであったが、参考例２では、ファンで上方から（フィンからベース板に向かう方向に）３ｍ／ｓの風を送り、フィンを強制冷却した。なお、放熱部材の放熱性能の指標として、熱抵抗だけでなく圧力損失も求めた。その他は参考例１と同様である。シミュレーション結果を示すグラフを図１４（ａ），（ｂ）に示す。また、表２はデータ値である。
【００４１】
【表２】
【００４２】
図１４（ａ）のグラフから分かるように、ファンで上方から強制冷却した場合においても、凸条有のサンプル２−２は、凸条無のサンプル２−１に比べて、ベース板の断面積が同じであるにもかかわらず、熱抵抗が小さくなった。また、図１４（ｂ）のグラフから分かるように、凸条有のサンプル２−２の圧力損失は、凸条無のサンプル２−１の圧力損失と略同じであった。したがって、凸条を形成することにより、放熱部材の重量を変えずに放熱性能を高められること、換言すれば、放熱性能を低下させずに放熱部材を軽量化できることが分かった。
【００４３】
＜参考例３＞
参考例２と同様、凸条の有無によって放熱部材の放熱性能がどのように変わるかについて、シミュレーションを行った。ただし、参考例２では、ファンで上方から（フィンからベース板に向かう方向に）風を送り、フィンを強制冷却したが、参考例３では、ファンで側方から（フィンの幅方向に）３ｍ／ｓの風を送り、フィンを強制冷却した。その他は実施例２と同様である。各サンプルの断面形状を図１５（ａ）〜（ｃ）に、シミュレーション結果を示すグラフを図１５（ｄ），（ｅ）に示す。また、表３はデータ値である。
【００４４】
【表３】
【００４５】
図１５（ｄ）のグラフから分かるように、ファンで側方から強制冷却した場合においても、凸条有のサンプル３−２，３−３は、凸条無のサンプル３−１に比べて、ベース板の断面積が同じであるにもかかわらず、熱抵抗が小さくなった。また、凸条の断面形状が台形のサンプル３−３の熱抵抗は、凸条の断面形状が長方形のサンプル３−２の熱抵抗よりも小さくなった。
さらに、図１５（ｅ）のグラフから分かるように、凸条有のサンプル３−２，３−３の圧力損失は、凸条無のサンプル３−１の圧力損失よりも大きくなった。そして、凸条の断面形状が台形のサンプル３−３の圧力損失は、凸条の断面形状が長方形のサンプル３−２の圧力損失よりも小さくなった。
以上の結果により、凸条を形成すると、側方からファンで冷却したときの圧力損失が大きく、熱抵抗は小さくなることが分かった。したがって、ファンの性能などを適宜調整して、放熱部材の放熱性能に与える圧力損失の影響を熱抵抗の影響に比べて小さくしておけば、凸条を形成することにより、放熱部材の重量を変えずに放熱性能を高められること、換言すれば、放熱性能を低下させずに放熱部材を軽量化できることが分かった。また、その場合、凸条の断面形は、ベース板から離れるほど幅が小さくなるように（図９参照）したほうがよいことが分かった。
【００４６】
＜参考例４＞
凸条の形状や寸法によって放熱部材の放熱性能がどのように変わるかについて、シミュレーションを行った。サンプルとしてそれぞれ図１５（ａ），（ｂ）に示した形状の放熱部材を用いた。その他は実施例３と同様である。シミュレーション結果を示すグラフを図１６、図１７に示す。また、表４はデータ値である。
【００４７】
【表４】
【００４８】
図１６、図１７のグラフから分かるように、熱抵抗が小さく、圧力損失もそれほど大きくならないのは、凸条のアスペクト比を５〜３０に設定したとき、あるいは、凸条の厚さを１．１５ｍｍ〜３．４５ｍｍにしたときである。つまり、凸条のアスペクト比が５〜３０のとき、あるいは、放熱部材の全高さに対する凸条の厚さの比を０．１〜０．３に設定したときに、バランスのよい放熱性能が得られることが分かった。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る放熱部材によれば、各フィンをつなぐ凸条がベース板に形成されているので、ベース板が発熱体の熱をより効率的に各フィンに伝えることができるようになり、放熱性能が向上する。したがって、放熱性能を低下させずに放熱部材を軽量化することができる。また、本発明に係るヒートシンクによれば、放熱性能をより一層向上させることができる。
また、本発明に係る放熱部材の製造方法によれば、凸条やフィンが邪魔にならず、簡単かつ確実にベース板とフィンとを接合することができ、フィンのピッチやトング比を自由に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明に係る放熱部材の第一実施形態を表す斜視図であり、（ｂ）は同分解斜視図である。
【図２】 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は同Ｂ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は同底面図である。
【図３】 図１の放熱部材の製造方法の一例を説明する斜視図である。
【図４】 （ａ）は図３に続く工程を説明する側面図であり、（ｂ）はその要部拡大断面図である。
【図５】 図４（ａ）に続く工程を説明する斜視図である。
【図６】 図１の放熱部材の製造方法の別の例を説明する断面図である。
【図７】 図６に続く工程を表す断面図である。
【図８】 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明に係る放熱部材の第二実施形態、第三実施形態を表す斜視図である。
【図９】 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明に係る放熱部材の第四実施形態乃至第六実施形態を表す断面図である。
【図１０】 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明に係る放熱部材の第七実施形態乃至第九実施形態を表す斜視図である。
【図１１】 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明に係る放熱部材の第一参考形態、第二参考形態を表す斜視図である。
【図１２】 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明に係るヒートシンクの第一実施形態、第二実施形態を表す斜視図である。
【図１３】 （ａ），（ｂ）は参考例１の各サンプルの断面形状・寸法を説明する図であり、（ｃ）はシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１４】 参考例２のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１５】 （ａ）〜（ｃ）は参考例３の各サンプルの断面形状・寸法を説明する図であり、（ｄ），（ｅ）はシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１６】 参考例４のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１７】 参考例４のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ … 放熱部材
２ … ベース板
２ｃ … 凸条
３ … フィン
３ａ … 基端部
４ … ヒートスプレッダ
５ … ＣＰＵ
６ … フィン構成材
６ａ … 切欠
７ … スペーサ治具
８ … 接合ツール
８ａ … ツール本体
８ｂ … 回転軸
９ … 共晶層
１４ … ファン
２０ … ヒートシンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ用放熱器、ペルチェ素子用放熱器、モーター用放熱器、電子制御部品用放熱器等の放熱部材とその製造方法に関し、さらに、かかる放熱部材を用いたヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、銅製のベース板とアルミニウム製のフィンとを、かしめ、接着剤又はろう付けによって接合した放熱部材が開示されている。この放熱部材は、重量は比較的大きいが熱伝導率は極めて高いという銅の特性と、熱伝導率は銅よりもやや小さいが重量は銅よりも小さいというアルミニウムの特性に着目し、ベース板とフィンとをそれぞれに適した異種金属で構成することにより、放熱性能向上と軽量化の双方を満足させようとしたものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２０３５９５号公報
（［００１０］−［００１６］，図１−４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかる放熱部材の放熱性能を更に高めるには、ベース板の厚さを更に大きくしたり、フィンの間隔を更に小さく（フィンの枚数を更に多く）することが考えられるが、そうすると放熱部材全体の重量が増加してしまい、軽量化の要請に反する。逆に言うと、放熱性能を低下させずに放熱部材を更に軽量化することには限界があった。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、放熱性能を低下させることなく放熱部材をより軽量化することを課題としたものである。また本発明は同時に、この放熱部材の製造方法と、この放熱部材を用いたヒートシンクも提案するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明に係る放熱部材は、一方の面に発熱体が接続される銅からなるベース板と、このベース板の他方の面に立設接合されたアルミニウムからなる複数枚のフィン構成材とを備え、前記フィン構成材は、前記ベース板に平行な一の基端部と、前記基端部で連結される二枚一対のフィンと、で略凹字形断面に形成されるか、前記ベース板に平行な一の基端部と、一枚のフィンと、で略Ｌ字形断面に形成されており、前記ベース板の前記他方の面には、前記各フィンをつなぐ凸条が形成され、前記フィン構成材の前記基端部及び前記フィンには、前記凸条と対応する形状の切欠が形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る放熱部材は、一方の面に発熱体が接続される銅からなるベース板と、このベース板の他方の面に立設接合されたアルミニウムからなるフィン構成材とを備え、前記フィン構成材は、前記ベース板に平行な複数の基端部と、複数枚のフィンと、が連続的に蛇腹状に連結されたコルゲート断面形に形成されており、前記ベース板の前記他方の面には、前記各フィンをつなぐ凸条が形成され、前記フィン構成材の前記基端部及び前記フィンには、前記凸条と対応する形状の切欠が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
発熱体が接続されるベース板は、発熱体の熱を各フィンに伝える役割を果たすものであるため、一般的にはベース板の厚さを大きくするほど、放熱部材の放熱性能が高くなる。しかし、ベース板の厚さを大きくするほど、放熱部材の重量も大きくなってしまうので、本発明では、ベース板の厚さを全体的に大きくするのではなく、発熱体の熱を各フィンに伝える寄与度の大きな部分だけベース板の厚さを大きくし、寄与度の小さな部分においてはベース板の厚さを小さくすることにより、ベース板全体の重量を変えずに、発熱体の熱を各フィンに対してより効率的に伝えるようにしたのである。具体的には、各フィンをつなぐ凸条をベース板に形成することにより、重量を増加させることなく放熱部材の放熱性能を高めることができる。
また、ベース板は銅（銅合金を含む。）で、フィンはアルミニウム（アルミニウム合金を含む。）で形成されている。銅は熱伝導率が極めて大きいため、発熱体の熱を極めて効率的に各フィンに伝えることができるし、アルミニウムは熱伝導率が比較的大きいだけでなく、軽量で加工容易だからである。
また、フィンは、ベース板に平行な基端部で連結されて二枚一対で形成されているようにすることができる。このように二枚一対のフィンとこれらを連結する基端部とで略凹字形断面になっていれば、ベース板にフィンを接合する手間が軽減されるし、薄いフィンであってもその取扱いが容易となり、ハイトング比の放熱部材を容易に製造することができる。なお、一枚のフィンと基端部とで略Ｌ字形断面になっていたり、フィンと基端部とが連続的に蛇腹状に連結されたコルゲート断面形であってもよい。
【０００８】
ここで、凸条は、数枚ごとに各フィンをつなぐものであってもよいが、特に全てのフィンをつなぐように連続的に形成されていれば、発熱体の熱が末端のフィンまで確実に伝えられるので、放熱性能が更に向上するし、凸条の形成も容易になるので、製造コストを抑えることもできる。
また、凸条は、各フィンに斜交する向きに形成されていてもよいが、特に各フィンに直交する向きで形成されていれば、凸条の形成が容易になるし、ベース板と各フィンとの取合部の形状や構造も単純になるので、放熱部材の製造コストを抑えることができる。また、凸条が各フィンに直交する向きであると、凸条の全長を小さくすることができるので、凸条の断面積を最大化して、更に放熱性能を高めることができる。
【０００９】
また、凸条の断面形は、ベース板の本体から遠ざかるほど幅が小さくなるものであることが望ましい。このようにすると、特にファンと併用した場合の圧力損失をより小さくできるからである。
【００１０】
また、凸条は、その断面形を長さ方向に一定とすることが望ましい。ベース板に凸条を容易に形成することができるし、凸条と各フィンとの接合部の形状や構造も単純になるので、放熱部材の製造コストを抑えることができるからである。
この場合において、凸条の断面形状としては、そのアスペクト比（凸条の厚さに対する凸条の幅の比）を５〜３０に、あるいは、放熱部材の全高さに対する当該凸条の厚さの比を０．１〜０．３に設定することが望ましい。後述の実施例からも分かるように、凸条の厚さが相対的に大きすぎると、圧力損失が大きくなって却って放熱性能が低下してしまうし、凸条の厚さが相対的に小さすぎると、ベース板の厚さを全体的に大きくしたものに近づいてしまうからである。
【００１１】
また、凸条は、発熱体に接続される位置から長さ方向に向かって断面積が小さくなるようにしてもよい。ベース板を伝わる熱量は発熱体から遠ざかるほど小さくなっていくから、その熱量に応じて凸条の断面積を小さくすることが理に適っており、より効率的な放熱を行う放熱部材とすることができる。
【００１２】
さらに、このような放熱部材は、自然空冷式で使用してもよいが、強制空冷式、つまりファンを付設し、このファンで各フィンの熱を奪うヒートシンクとして用いれば、より高い放熱性能を得ることができる。
このヒートシンクにおいて、放熱部材に対してファンを取り付ける角度は任意に定めることができるが、ファンが各フィンに対して側方から風を送るように配置すれば、特に高い放熱性能を得ることができるし、高さも小さく抑えられるので設置スペースが制限されなくなる。
【００１３】
ところで、放熱部材の製造方法は任意に定めうるが、一方の面に凸条が形成された銅ベース板の当該一方の面に、当該凸条をまたぐ向きで複数枚のアルミニウムフィンを立設配置し、前記銅ベース板の他方の面から、当該銅ベース板と前記各アルミニウムフィンとの境界面を加熱及び加圧することにより、当該銅ベース板と前記各アルミニウムフィンとを接合することが望ましい。
かかる製造方法によれば、加熱及び加圧の際にフィンや凸条が邪魔になることがないから、フィンのピッチやトング比を自由に設定することができる。また、ベース板、フィンがそれぞれ銅、アルミニウムからなり、アルミニウムよりも溶融点の高い銅からなるベース板側から加熱及び加圧を行うので、加圧力がベース板とフィンとの境界面に効率よく伝達され、両者が確実に接合される。
【００１４】
ここで、加熱及び加圧の方法は任意に定めることができ、たとえば電磁誘導などを利用した非接触方式であってもよいが、接触方式、つまり円周方向に回転する円板状の接合ツールの周面を、銅ベース板の前記他方の面に押し当てつつその表面に沿って移動させることにより行われるものであることが望ましい。
かかる方法は、いわゆる摩擦振動接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ＡｃｏｕｓｔｉｃＢｏｎｄｉｎｇ）と呼ばれるものであり、簡易な装置を用いてベース板とフィンとを確実に接合することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略するものとする。
【００１６】
図１（ａ）は本発明に係る放熱部材の第一実施形態を表す斜視図であり、図１（ｂ）は同分解斜視図である。また、図２（ａ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は同Ｂ−Ｂ断面図、図２（ｃ）は同底面図である。これらの図に示すように、放熱部材１Ａはベース板２とフィン３，３，…とで構成されている。
ベース板２は銅製であり、その幅、長さ、厚さはそれぞれＷ，Ｌ，ｔである。ベース板２の一方の面２ａには、ヒートスプレッダ４を介して、発熱体たるＣＰＵ５が熱的に接続される。また、ベース板２の他方の面２ｂには、厚さｔｓ、幅Ｗｓ、長さＬｓの凸条２ｃが形成されている。凸条２ｃの幅Ｗｓはヒートスプレッダ４の幅と同程度である。また、凸条２ｃの長さＬｓは、ここではベース板２の長さＬに等しいが、Ｌｓ＜Ｌとしてもよい。
フィン３，３，…はアルミニウム製であり、ベース板２の面２ｂ上に互いに平行となるように立設接合されている。フィン３，３は、二枚一対が基端部３ａで連結されてフィン構成材６を形成している。フィン構成材６の基端部３ａ及びフィン３の幅方向略中央部には、ベース板２の凸条２ｃと対応する形状の切欠６ａが形成されており、フィン３，３，…がベース板２の面２ｂに立設接合されたときに、凸条２ｃが全てのフィン３，３，…をつなぐ格好となる。
【００１７】
かかる放熱部材１Ａにおいて、ＣＰＵ５で発生した熱は、まずヒートスプレッダ４を介してベース板２に伝えられ、次にベース板２中で図２（ｃ）の矢印で示すように全方向に流れて各フィン３，３，…に伝えられ、最終的にここで自然冷却され、あるいはファンなどによって強制冷却されて空気中に放散される。したがって一般的には、ベース板２の厚さを大きくするほどベース板２がＣＰＵ５の熱をフィン３，３，…に伝えやすくなるわけであるが、この場合は当然にベース板２の重量も増加してしまう。このため、この放熱部材１Ａでは、ベース板２の厚さを全体的に大きくするのではなく、ＣＰＵ５の熱をフィン３，３，…に伝える寄与度の大きな部分だけベース板２の厚さを大きくする一方で、寄与度の小さな部分の厚さを小さくすることにより、ベース板２の全体重量を変えずに、ＣＰＵ５の熱をより効率的に各フィン３，３，…に伝えるようにしている。つまり、ベース板２に凸条２ｃを形成したことにより、図２（ｃ）の矢印Ｙ方向よりも矢印Ｘ方向により大量の熱が流れ、ＣＰＵ５で発生した熱がより効率的に各フィン３，３，…に伝えられることになる。そして、ベース板２の全体重量を変えずに放熱性能を高めることができるということは、放熱性能を低下させずにより軽量化できることを意味する。
【００１８】
かかる観点から、凸条２ｃの断面形状としては、その厚さｔｓに対する幅Ｗｓの比（アスペクト比）を５〜３０に、あるいは、放熱部材の全高さｈに対する当該凸条２ｃの厚さｔｓの比を０．１〜０．３に設定することが望ましい。後述の実施例からも分かるように、凸条２ｃの厚さが相対的に大きすぎると、圧力損失も大きくなって却って放熱性能が低下してしまうし、凸条２ｃの厚さが相対的に小さすぎると、ベース板２の厚さを全体的に大きくしたものに近づいてしまって、凸条２ｃを形成した意味が薄れてくるからである。
【００１９】
次に、放熱部材１Ａの製造方法の一例を説明する。
まず、銅及びアルミニウムよりも溶融点の高い鉄などからなるスペーサ治具７を用意する。図３（ａ）に示すように、このスペーサ治具７には、高さの等しい板状のスペーサ部７ａ，７ａ，…が等間隔に並んで立設形成されている。スペーサ部７ａ，７ａ間の隙間７ｂの幅は、フィン３の板厚に略等しい。各スペーサ部７ａ，７ａ，…にはそれぞれ、ベース板２の凸条２ｃと略同一形状の切欠７ｃが形成されている。
一方で、中央部に長方形開口が形成された平板状のアルミニウム板を断面凹字形に折り曲げることにより、フィン構成材６を製作しておく。
【００２０】
そして、スペーサ治具７のスペーサ部７ａを取り巻くように、フィン構成材６をスペーサ治具７に対して側方から挿入する。つまり、スペーサ部７ａの両側の隙間７ｂ，７ｂにそれぞれフィン３，３を、当該スペーサ部７ａの上面に基端部３ａが位置するように、フィン構成材６を側方から挿入する。同様にして、他の全ての隙間７ｂにもそれぞれフィン３が嵌まるように、次々にフィン構成材６，６，…をスペーサ治具７に挿入していく。すると、フィン構成材６の切欠６ａとスペーサ治具７の切欠７ｃとによって、ベース板２の凸条２ｃが嵌まる凹溝が形成される。
その後、フィン構成材６，６，…をセットしたスペーサ治具７の上方からベース板２を被せる。この状態で、ベース板２の面２ｂ（図示下面）はフィン構成材６の基端部３ａに接触しており、スペーサ治具７のスペーサ部７ａには接触していない。同様に、ベース板２の凸条２ｃの下面は、フィン構成材６の切欠６ａにおける各フィン３，３に接触しており、スペーサ治具７のスペーサ部７ａには接触していない。ただし、ベース板２の凸条２ｃの幅、フィン構成材６の切欠６ａの幅、スペーサ治具７の切欠７ｃの幅は、互いに略等しくなっているので、ベース板２の凸条２ｃは、ベース板２とフィン構成材６の幅方向の相対位置、さらにはフィン構成材６，６の相互の幅方向の位置を正確に決める位置決め部としても機能する。
【００２１】
次に、図３（ｂ），図４に示すように、回転軸８ｂを中心として円周方向に高速回転する接合ツール８のツール本体８ａの周面をベース板２の面２ａに垂直に押し当てつつ、接合ツール８をベース板２の面２ａに沿って所定の送り速度で移動させることによって、フィン構成材６とベース板２とを摩擦振動接合する。接合ツール８は回転軸８ｂの先端部に円板状のツール本体８ａを固定してなるものであり、ツール本体８ａはＪＩＳ：ＳＫＤ６１などの工具鋼からなる。ツール本体８ａは、ベース板２の面２ａを押さえ込みつつ進行方向後方に送り込むような向きで回転軸８ｂのまわりに回転する。
【００２２】
ツール本体８ａは、図４（ｂ）に示すように、その周面がベース板２の面２ａに一定量αだけ押し込まれた状態で円周方向に高速回転しつつ、ベース板２の面２ａに沿って移動する。そして、このようなツール本体８ａのベース板２への押し込みによってフィン構成材６の基端部３ａとベース板２の境界面の隙間をなくしつつ、高速回転するツール本体８ａとベース板２との接触により生ずる振動によってフィン構成材６の基端部３ａとベース板２の境界面の酸化皮膜を分断破壊するとともに、ツール本体８ａと接触するベース板２の所定領域とこれに隣接する基端部３ａの所定領域とを、ツール本体８ａとベース板２との摩擦接触により発生した熱で高温化し、ベース板２（銅）と接している基端部３ａ（アルミニウム）の一部を共晶融解させる。その結果、ベース板２と基端部３ａの間には共晶層９が形成される。そして、接合ツール８のツール本体８ａが通過した後に冷却されて、フィン構成材６の基端部３ａとベース板２は、共晶層９を介して接合される。
ベース板２の面２ａには、ツール本体８ａが押圧力を当該面２ａに負荷しながら通過した跡が残るが、これを後で面削して平滑面を形成することが望ましい。
【００２３】
このように、ベース板２、フィン構成材６がそれぞれ銅、アルミニウムからなり、アルミニウムよりも溶融点の高い銅からなるベース板２側から接合ツール８を押し当てるので、フィン構成材６の基端部３ａとベース板２の重ね合わせ部が接合に必要な温度（銅とアルミニウムの共晶温度：５４８℃）以上に達したときにベース板２の変形抵抗を比較的大きく保持して、接合ツール８の押圧力を境界面に充分に伝達でき、両者が確実に接合される。また、接合ツール８を押し当てる際にフィン３や凸条２ｃが邪魔にならないので、フィン３のピッチやトング比、凸条２ｃの形状などを自由に設定することができる。
【００２４】
最後に、図５に示すように、スペーサ治具７からベース板２を持ち上げるだけで、ベース板２にフィン構成材６，６，…が立設接合された放熱部材１Ａを取り出すことができる。
【００２５】
次に、放熱部材１Ａの製造方法の別の例を説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、全体が逆Ｔ字形になるように、一枚の薄いアルミニウム製の板材３’の中央部にスペーサ１０を直交配置し、図６（ｂ）に示すように、断面凹字形のフィン構成材作成治具１１の中央部の溝内に、板材３’を折り曲げつつその中央部を押し込みながらスペーサ１０を挿入していくことによって、図６（ｃ）に示すような、中央部の溝にスペーサ１０が挟み込まれた断面凹字形のフィン構成材６を作成する。フィン構成材６は、一対のフィン３，３とこれらを連結する基端部３ａとで断面凹字形に形成されている。
【００２６】
そして、このように一対のフィン３，３の間にスペーサ１０が挟み込まれたフィン構成材６を複数個用意し、これらのフィン構成材６，６，…とスペーサ１０’，１０’，…とを交互に並べながら、図６（ｄ）に示すように、これらを放熱部材製造用治具１２の部材セット部１２ａに立設配置する。このときフィン構成材６は、一対のフィン３，３の間にスペーサ１０を挟み込んだ状態で、かつ、基端部３ａを上に向けた状態とする。また、フィン構成材６，６，…相互間に挟み込まれるように配置されたスペーサ１０’，１０’，…の高さを、フィン構成材６の一対のフィン３，３の間に挟み込まれたスペーサ１０の高さよりも、フィン構成材６の基端部３ａの厚さ分だけ大きくすることによって、フィン構成材６の基端部３ａとスペーサ１０’の基端部とで水平な上面を形成することが望ましい。
【００２７】
その後、図６（ｅ）に示すように、部材セット部１２ａに立設配置されたフィン構成材６，６，…及びスペーサ１０’，１０’，…の上面にベース板２を載せて、固定具１３で固定する。これで、ベース板２の面２ｂにフィン構成材６の基端部３ａ及びスペーサ１０’の基端面が当接した状態となる。
【００２８】
続いて図７（ａ）に示すように、回転軸８ｂを中心として円周方向に高速回転する接合ツール８のツール本体８ａの周面をベース板２の面２ａに垂直に押し当てつつ、接合ツール８をベース板２の面２ａに沿って移動させることによって、ベース板２にフィン構成材６，６，…の基端部３ａを摩擦振動接合する。
【００２９】
最後に、図７（ｂ）に示すように、ベース板２を上に持ち上げれば、ベース板２に接合されたフィン構成材６，６，…だけが一緒に持ち上がり、スペーサ１０’，１０’，…及びスペーサ１０，１０，…は放熱部材製造用治具１２の部材セット部１２ａに取り残されるので、複数枚のフィン３，３，…がフィン構成材６の基端部３ａを介してベース板２の面２ｂに立設接合された放熱部材１Ａを取り出すことができる。
【００３０】
次に、本発明に係る放熱部材の他の実施形態を説明する。
図８（ａ）に示す第二実施形態の放熱部材１Ｂは、ベース板２の凸条２ｃが長さ方向に分割されたものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。このように凸条２ｃが長さ方向に分割されていると、ＣＰＵ５から伝わる熱のルートが末端のフィン３に到達する前に分断されるので、凸条２ｃが長さ方向に連続している第一実施形態に比べて放熱性能が低下するが、凸条２ｃのない従来の放熱部材よりは放熱性能が高い。
【００３１】
図８（ｂ）に示す第三実施形態の放熱部材１Ｃは、ベース板２の凸条２ｃが各フィン３，３，…に対して斜交する向きに形成されたものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。このように凸条２ｃの向きが各フィン３，３，…に斜交していると、ベース板２の重量を同じにしたときの凸条２ｃの断面積が小さくなるので、凸条２ｃが各フィン３，３，…に直交している第一実施形態に比べて放熱性能が低下するが、凸条２ｃのない従来の放熱部材よりは放熱性能が高い。
【００３２】
図９（ａ）に示す第四実施形態の放熱部材１Ｄ、図９（ｂ）に示す第五実施形態の放熱部材１Ｅ、図９（ｃ）に示す第六実施形態の放熱部材１Ｆではそれぞれ、凸条２ｃの断面形が、台形、三角形、ドーム形となっている。これらはいずれも、凸条２ｃの幅がベース板２の本体から離れるほど小さくなっており、凸条２ｃの断面形が長方形の場合よりも、特に矢印のように側方からファンで強制冷却するときの圧力損失が小さくなる。
【００３３】
図１０（ａ）に示す第七実施形態の放熱部材１Ｇは、ベース板２の凸条２ｃの厚さを一定にしたまま、凸条２ｃの幅がＣＰＵ５の接続位置から長さ方向に離れるほど小さくなるように形成されたものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。
図１０（ｂ）に示す第八実施形態の放熱部材１Ｈは、ベース板２の凸条２ｃの幅を一定にしたまま、凸条２ｃの厚さがＣＰＵ５の接続位置から長さ方向に離れるほど小さくなるように形成されたものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。
図１０（ｃ）に示す第九実施形態の放熱部材１Ｉは、ベース板２の凸条２ｃの幅及び厚さがＣＰＵ５の接続位置から長さ方向に離れるほど小さくなるように、つまり全体として凸条２ｃがドーム状となるように形成したものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。
ベース板２を伝わる熱量はＣＰＵ５から遠ざかるほど小さくなっていくから、その熱量に応じて凸条２ｃの断面積を小さくしていくことは理に適っており、それゆえこれらの放熱部材１Ｇ〜１Ｉは、より効率的な放熱を行うことができるものとなっている。
【００３４】
また、図１１（ａ）に示す第一参考形態の放熱部材１Ｊは、フィン構成材６，６，…を用いずに、フィン３，３，…を直接ベース板２に立設接合したものであり、その他は全て第一実施形態と同じである。
さらに、図１１（ｂ）に示す第二参考形態の放熱部材１Ｋは、フィン３，３，…をそれぞれ幅方向に三分割してベース板２に立設接合したものであり、その他は全て第一参考形態と同じである。もちろん、フィン構成材６，６，…をそれぞれ幅方向に分割した構成としてもよい。
【００３５】
なお、本発明に係る放熱部材及びその製造方法は、これまで説明してきたものに限定されるわけではなく、適宜の変更実施が可能であることは言うまでもない。たとえば、凸条２ｃを一列だけでなく、複数列形成してもよい。また凸条２ｃは、ベース板２の本体と一体形成しなければならないわけではなく、別体に形成した後でベース板２の本体に固定するようにしてもよい。ヒートスプレッダの有無やその寸法・形状も任意であり、発熱体たるＣＰＵ５はヒートパイプ等を介してベース板２に接続されていてもよい。
さらに、ベース板２とフィン３との接合方法として例示した摩擦振動接合においては、接合ツール８の走行領域や走行向き等の接合条件を任意に定め得る。また、接合方法は、回転する接合ツールを溶融点の高い金属部材側に押し込んで、これにより発生する摩擦熱と押圧力を金属部材間の境界面に伝達するような接触方式に限定されるものではなく、電磁誘導を利用して溶融点の高い金属部材側から金属部材間の境界面を加熱及び加圧するような非接触方式でもよい。さらに、かしめ、接着剤又はろう付けなどの公知の方法を用いて、ベース板２とフィン３とを接合してもよい。
【００３６】
ところで、これまで説明してきた放熱部材にファンを付設し、フィンを強制冷却するヒートシンクとして構成することも可能である。
たとえば、図１２（ａ）に示すヒートシンク２０Ａは、ファン１４が放熱部材１Ａの上方から各フィン３，３，…に風を送るようにしたものであり、図１２（ｂ）に示すヒートシンク２０Ｂは、ファン１４が放熱部材１Ａの側方から各フィン３，３，…に風を送るようにしたものである。
なお、ファン１４の取付方法や風の向きはこれらに限定されるわけではなく、ヒートシンクの設置スペースなどに応じて適宜設定すればよい。
【００３７】
＜参考例１＞
凸条の有無によって放熱部材の放熱性能がどのように変わるかについて、シミュレーションを行った。具体的には、凸条無の放熱部材と凸条有の放熱部材とを用意し、それぞれの自然対流下での熱抵抗を求めた。なお、それぞれのベース板の断面積は等しくなっている。凸条有の放熱部材において、凸条はベース板の長さ方向に連続しており、凸条の断面積はその長さ方向に一定である。ベース板は銅製、フィンはアルミニウム製である。フィンは、図１１（ａ）に示した態様で一枚ずつベース板に立設接合してある。各サンプルの断面形状を図１３（ａ），（ｂ）に、シミュレーション結果を示すグラフを図１３（ｃ）に示す。また、表１はデータ値である。
【００３８】
【表１】
図１３（ｃ）のグラフから分かるように、自然対流下で、凸条有のサンプル１−２は、凸条無のサンプル１−１に比べて、ベース板の断面積が同じであるにもかかわらず、熱抵抗が大幅に小さくなった。つまり、凸条を形成することにより、放熱部材の重量を変えずに放熱性能を高められること、換言すれば、放熱性能を低下させずに放熱部材を軽量化できることが分かった。
【００４０】
＜参考例２＞
参考例１と同様、凸条の有無によって放熱部材の放熱性能がどのように変わるかについて、シミュレーションを行った。ただし、参考例１は自然対流下でのシミュレーションであったが、参考例２では、ファンで上方から（フィンからベース板に向かう方向に）３ｍ／ｓの風を送り、フィンを強制冷却した。なお、放熱部材の放熱性能の指標として、熱抵抗だけでなく圧力損失も求めた。その他は参考例１と同様である。シミュレーション結果を示すグラフを図１４（ａ），（ｂ）に示す。また、表２はデータ値である。
【００４１】
【表２】
図１４（ａ）のグラフから分かるように、ファンで上方から強制冷却した場合においても、凸条有のサンプル２−２は、凸条無のサンプル２−１に比べて、ベース板の断面積が同じであるにもかかわらず、熱抵抗が小さくなった。また、図１４（ｂ）のグラフから分かるように、凸条有のサンプル２−２の圧力損失は、凸条無のサンプル２−１の圧力損失と略同じであった。したがって、凸条を形成することにより、放熱部材の重量を変えずに放熱性能を高められること、換言すれば、放熱性能を低下させずに放熱部材を軽量化できることが分かった。
【００４３】
＜参考例３＞
参考例２と同様、凸条の有無によって放熱部材の放熱性能がどのように変わるかについて、シミュレーションを行った。ただし、参考例２では、ファンで上方から（フィンからベース板に向かう方向に）風を送り、フィンを強制冷却したが、参考例３では、ファンで側方から（フィンの幅方向に）３ｍ／ｓの風を送り、フィンを強制冷却した。その他は実施例２と同様である。各サンプルの断面形状を図１５（ａ）〜（ｃ）に、シミュレーション結果を示すグラフを図１５（ｄ），（ｅ）に示す。また、表３はデータ値である。
【００４４】
【表３】
図１５（ｄ）のグラフから分かるように、ファンで側方から強制冷却した場合においても、凸条有のサンプル３−２，３−３は、凸条無のサンプル３−１に比べて、ベース板の断面積が同じであるにもかかわらず、熱抵抗が小さくなった。また、凸条の断面形状が台形のサンプル３−３の熱抵抗は、凸条の断面形状が長方形のサンプル３−２の熱抵抗よりも小さくなった。
さらに、図１５（ｅ）のグラフから分かるように、凸条有のサンプル３−２，３−３の圧力損失は、凸条無のサンプル３−１の圧力損失よりも大きくなった。そして、凸条の断面形状が台形のサンプル３−３の圧力損失は、凸条の断面形状が長方形のサンプル３−２の圧力損失よりも小さくなった。
以上の結果により、凸条を形成すると、側方からファンで冷却したときの圧力損失が大きく、熱抵抗は小さくなることが分かった。したがって、ファンの性能などを適宜調整して、放熱部材の放熱性能に与える圧力損失の影響を熱抵抗の影響に比べて小さくしておけば、凸条を形成することにより、放熱部材の重量を変えずに放熱性能を高められること、換言すれば、放熱性能を低下させずに放熱部材を軽量化できることが分かった。また、その場合、凸条の断面形は、ベース板から離れるほど幅が小さくなるように（図９参照）したほうがよいことが分かった。
【００４６】
＜参考例４＞
凸条の形状や寸法によって放熱部材の放熱性能がどのように変わるかについて、シミュレーションを行った。サンプルとしてそれぞれ図１５（ａ），（ｂ）に示した形状の放熱部材を用いた。その他は実施例３と同様である。シミュレーション結果を示すグラフを図１６、図１７に示す。また、表４はデータ値である。
【００４７】
【表４】
図１６、図１７のグラフから分かるように、熱抵抗が小さく、圧力損失もそれほど大きくならないのは、凸条のアスペクト比を５〜３０に設定したとき、あるいは、凸条の厚さを１．１５ｍｍ〜３．４５ｍｍにしたときである。つまり、凸条のアスペクト比が５〜３０のとき、あるいは、放熱部材の全高さに対する凸条の厚さの比を０．１〜０．３に設定したときに、バランスのよい放熱性能が得られることが分かった。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る放熱部材によれば、各フィンをつなぐ凸条がベース板に形成されているので、ベース板が発熱体の熱をより効率的に各フィンに伝えることができるようになり、放熱性能が向上する。したがって、放熱性能を低下させずに放熱部材を軽量化することができる。また、本発明に係るヒートシンクによれば、放熱性能をより一層向上させることができる。
また、本発明に係る放熱部材の製造方法によれば、凸条やフィンが邪魔にならず、簡単かつ確実にベース板とフィンとを接合することができ、フィンのピッチやトング比を自由に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明に係る放熱部材の第一実施形態を表す斜視図であり、（ｂ）は同分解斜視図である。
【図２】 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は同Ｂ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は同底面図である。
【図３】 図１の放熱部材の製造方法の一例を説明する斜視図である。
【図４】 （ａ）は図３に続く工程を説明する側面図であり、（ｂ）はその要部拡大断面図である。
【図５】 図４（ａ）に続く工程を説明する斜視図である。
【図６】 図１の放熱部材の製造方法の別の例を説明する断面図である。
【図７】 図６に続く工程を表す断面図である。
【図８】 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明に係る放熱部材の第二実施形態、第三実施形態を表す斜視図である。
【図９】 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明に係る放熱部材の第四実施形態乃至第六実施形態を表す断面図である。
【図１０】 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明に係る放熱部材の第七実施形態乃至第九実施形態を表す斜視図である。
【図１１】 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明に係る放熱部材の第一参考形態、第二参考形態を表す斜視図である。
【図１２】 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明に係るヒートシンクの第一実施形態、第二実施形態を表す斜視図である。
【図１３】 （ａ），（ｂ）は参考例１の各サンプルの断面形状・寸法を説明する図であり、（ｃ）はシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１４】 参考例２のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１５】 （ａ）〜（ｃ）は参考例３の各サンプルの断面形状・寸法を説明する図であり、（ｄ），（ｅ）はシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１６】 参考例４のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１７】 参考例４のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ … 放熱部材
２ … ベース板
２ｃ … 凸条
３ … フィン
３ａ … 基端部
４ … ヒートスプレッダ
５ … ＣＰＵ
６ … フィン構成材
６ａ … 切欠
７ … スペーサ治具
８ … 接合ツール
８ａ … ツール本体
８ｂ … 回転軸
９ … 共晶層
１４ … ファン
２０ … ヒートシンク
Claims (12)
- 一方の面に発熱体が接続される銅からなるベース板と、このベース板の他方の面に立設接合されたアルミニウムからなる複数枚のフィン構成材とを備え、
前記フィン構成材は、前記ベース板に平行な一の基端部と、前記基端部で連結される二枚一対のフィンと、で略凹字形断面に形成されるか、前記ベース板に平行な一の基端部と、一枚のフィンと、で略Ｌ字形断面に形成されており、
前記ベース板の前記他方の面には、前記各フィンをつなぐ凸条が形成され、
前記フィン構成材の前記基端部及び前記フィンには、前記凸条と対応する形状の切欠が形成されている、
ことを特徴とする放熱部材。 - 一方の面に発熱体が接続される銅からなるベース板と、このベース板の他方の面に立設接合されたアルミニウムからなるフィン構成材とを備え、
前記フィン構成材は、前記ベース板に平行な複数の基端部と、複数枚のフィンと、が連続的に蛇腹状に連結されたコルゲート断面形に形成されており、
前記ベース板の前記他方の面には、前記各フィンをつなぐ凸条が形成され、
前記フィン構成材の前記基端部及び前記フィンには、前記凸条と対応する形状の切欠が形成されている、
ことを特徴とする放熱部材。 - 前記凸条が前記各フィンを全てつなぐことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放熱部材。
- 前記凸条が前記各フィンに直交する向きに形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の放熱部材。
- 前記凸条の幅が前記ベース板の本体から遠ざかるほど小さくなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の放熱部材。
- 前記凸条の断面形が一定で、そのアスペクト比が５〜３０であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の放熱部材。
- 前記凸条の断面形が一定で、全高さに対する当該凸条の厚さの比が０．１〜０．３であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の放熱部材。
- 前記凸条の断面積が前記発熱体に接続される位置から長さ方向に向かって小さくなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の放熱部材。
- 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の放熱部材にファンを付設してなることを特徴とするヒートシンク。
- 前記ファンが前記各フィンに対して側方から風を送ることを特徴とする請求項９に記載のヒートシンク。
- 一方の面に凸条が形成された銅ベース板の当該一方の面に、当該凸条をまたぐ向きで複数枚のアルミニウムフィンを立設配置し、
前記銅ベース板の他方の面から、当該銅ベース板と前記各アルミニウムフィンとの境界面を加熱及び加圧することにより、当該銅ベース板と前記各アルミニウムフィンとを接合する、
ことを特徴とする放熱部材の製造方法。 - 前記加熱及び加圧は、円周方向に回転する円板状の接合ツールの周面を、前記銅ベース板の前記他方の面に押し当てつつその表面に沿って移動させることにより行われる、
ことを特徴とする請求項１１に記載の放熱部材の製造方法。
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