JP4426341B2

JP4426341B2 - 伝熱装置

Info

Publication number: JP4426341B2
Application number: JP2004063024A
Authority: JP
Inventors: 憲治岡本; 宜鋤柄
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: JP2005252110A

Description

本発明は、パワーデバイス等の電子部品等の熱源の熱を伝熱する伝熱装置に関するものである。

電気機器、電子装置では、パワーデバイス等の電子部品から発生する熱を伝熱して、該電子部品の過熱を防止するために、ヒートシンク等の受熱部材が用いられている。前記受熱部材は前記電子部品等の熱源に付設されるが、このとき該受熱部材と該電子部品との間に間隙があると、両者の間の熱伝達の効率が低くなり十分な伝熱効果が得られない。そこで、従来、前記受熱部材と前記電子部品等の熱源との間に、カーボン製熱伝達シート、サーマルグリス等の熱伝達部材を介在させて、該熱伝達部材により該受熱部材と該熱源とを密着せしめ、該熱源の熱が該受熱部材に伝わりやすくした伝熱装置が知られている。

ところが、前記カーボン製熱伝達シート、サーマルグリス等の熱伝達部材は、素材自体の熱伝導率が低い、熱伝導率が高くなるにつれて硬度が大きくなる、耐熱温度が十分でない等の問題がある。また、前記カーボン製熱伝達シートは吸水性があるために、湿度の高い条件下では使用できない等、使用雰囲気が制限されるという問題もある。

前記問題を解決するために、未加硫ＥＰＤＭ等のオレフィン系樹脂中に該オレフィン系樹脂より融点の高いワックスを分散して含ませたものを母材とし、該母材より熱伝導率の高い充填材を含む熱伝達部材を、前記受熱部材と前記電子部品等の熱源との間に介在させることが提案されている（例えば特許文献１参照）。前記熱伝達部材は、３０〜６５℃の温度範囲で軟化して前記電子部材の表面形状に追随して柔軟に変形することにより、前記受熱部材と該電子部品とを密着させることができ、１００℃程度の温度でも液状化しないので該受熱部材と該電子部品との間から漏洩することが無いとされている。

しかしながら、前記熱伝達部材は、前述のように１００℃程度以下での使用を前提とするものであり、それ以上の温度では液状化して漏洩する等の問題があり、該熱伝達部材を用いる伝熱装置は前記電子部品等の熱源の熱を伝熱するために十分な機能が得られないという不都合がある。

本発明は、かかる不都合を解消して、優れた熱伝導性と耐熱性とを備える伝熱装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、電子部品の熱源に付設される受熱部材と、該熱源と該受熱部材の間に介在する熱伝達部材とからなり、該熱源の熱を該熱伝達部材を介して該受熱部材に伝達する伝熱装置において、該熱伝達部材は該熱源の作動時の温度よりも低温のガラス化温度を備えると共に該熱源の作動時の温度よりも高温の結晶化温度を備えるアモルファス合金から形成されていることを特徴とする。

前記熱伝達部材を構成するアモルファス合金は、常温では固体であるが、ガラス化温度を超えて加熱すると、ガラス化して軟化する。本発明の伝熱装置では、前記熱伝達部材として、前記熱源の温度よりも低温のガラス化温度を備えるアモルファス合金を用い、前記熱源と前記受熱部材の間に介在させているので、該熱源の作動時には該熱源の温度が前記ガラス化温度よりも高くなると、前記アモルファス合金がガラス化して軟化し、該熱源と該受熱部材とを密着させることができる。

また、前記熱伝達部材は前記アモルファス合金から形成されており、それ自体金属であるために、融点が摂氏数百度と高く、しかも従来の伝熱シート、グリス、オレフィン系樹脂を母材とする伝熱材等に比較して格段に高い熱伝導性を備えている。

従って、本発明の伝熱装置によれば、１００℃程度よりも高い温度範囲で、前記熱源の熱を効率よく伝熱することができる。

前記アモルファス合金は、前記結晶化温度を備えていることにより、前記熱源の温度によっては結晶化することがないので、該熱源の温度が前記ガラス化温度より高くなればガラス化し、該ガラス化温度より低くなれば固化するという挙動を可逆的に繰り返すことができる。

本発明の伝熱装置において、前記熱伝達部材は前記アモルファス合金自体からなることが好ましい。この場合には、前述のように、前記アモルファス合金は、前記熱源の作動時に該熱源の温度が前記ガラス化温度より高くなればガラス化し、該熱源が作動していないときに該熱源の温度が該ガラス化温度より低くなれば固化する。従って、前記受熱部材は、前記熱源の非作動時には前記アモルファス合金が固化することにより該熱源から着脱自在であり、該熱源の作動時には該アモルファス合金がガラス化して軟化することにより、該アモルファス合金からなる熱伝達部材を介して該熱源に密着する。

前記受熱部材は前記熱源の非作動時に前記熱源から着脱自在であるので、本発明の伝熱装置は、前記熱源の交換、あるいは該伝熱装置の他の熱源への転用を容易に行うことができる。

また、本発明の伝熱装置において、前記熱伝達部材は前記アモルファス合金が一旦ガラス化温度を超えた後、結晶化された金属であってもよい。前記アモルファス合金は、前記熱源の温度が前記ガラス化温度より高くなると、ガラス化により軟化して該熱源と前記受熱部材とを密着させるが、この後、前記熱源の温度が前記結晶化温度より高くなると結晶化する。しかし、前記アモルファス合金は、結晶化による体積収縮が小さいので、前記熱源と前記受熱部材とを密着させた状態を維持すると共に、結晶化することで、熱伝導率も高くなり、伝熱特性は良くなる。

本発明の伝熱装置を適用する熱源としては、半導体等の電子部品、特にパワーデバイスが適している。また、本発明の伝熱装置は、冷却ばかりでなく、昇温のための熱伝達の促進にも有効である。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の伝熱装置を示す説明的断面図である。

図１に示すように、本実施形態の伝熱装置１は、アルミナ基板２上に配設された熱源３に付設される受熱部材としての銅合金製ヒートシンク４と、熱源３とヒートシンク４との間に介在された熱伝達部材としてのアモルファス合金シート５とからなる。熱源３は、実際には半導体、パワーデバイス等の電子部品であるが、本実施形態では模擬的に、セラミックヒータ６，６と、純銅チップ７とから構成されている。また、ヒートシンク４は、ボルト８、ナット９により、アルミナ基板２に取着されている。

アモルファス合金シート５を構成するアモルファス合金としては、Ｐｄ４０原子％、Ｃｕ３０原子％、Ｎｉ１０原子％、Ｐ２０原子％からなる合金（ガラス化温度Ｔｇ５７４Ｋ（３０１℃）、結晶化温度Ｔｘ６７１Ｋ（３９８℃））、Ａｌ１５原子％、Ｎｉ１０原子％、Ｚｒ１０原子％、Ｌａ６５原子％からなる合金（ガラス化温度Ｔｇ５１６Ｋ（２４３℃）、結晶化温度Ｔｘ５７５Ｋ（３０２℃））、Ａｌ３５原子％、Ｎｉ１５原子％、Ｌａ５０原子％からなる合金（ガラス化温度Ｔｇ５４０Ｋ（２６７℃）、結晶化温度Ｔｘ５８３Ｋ（３１０℃））、Ａｌ８５原子％、Ｎｉ５原子％、Ｙ１０原子％からなる合金（ガラス化温度Ｔｇ５３５Ｋ（２６２℃）、結晶化温度Ｔｘ５６０Ｋ（２８７℃））、Ｍｇ６５原子％、Ｃｕ２５原子％、Ｙ１０原子％からなる合金（ガラス化温度Ｔｇ４１４Ｋ（１４１℃）、結晶化温度Ｔｘ４７４Ｋ（２０１℃））、Ｚｒ７５原子％、Ｃｕ１９原子％、Ａｌ１９原子％からなる合金（ガラス化温度Ｔｇ６４３Ｋ（３７０℃）、結晶化温度Ｔｘ７１３Ｋ（４４０℃））等を挙げることができる。前記アモルファス合金は、例えば３９０℃程度の熱源３の作動時の温度に対し、該温度より低温のガラス化温度Ｔｇを備えている。

アモルファス合金シート５は、前記アモルファス合金を単ロール法または双ロール法により約２５μｍ程度の厚さのシート状としたものを用いることができる。

アモルファス合金シート５は、熱源３とヒートシンク４との間に配設された状態で熱源３が作動し、熱源３の熱により加熱されると、ガラス化温度Ｔｇが熱源３の温度よりも低温であるために、ガラス化して軟化する。この結果、アモルファス合金シート５が熱源３とヒートシンク４との両者の表面形状に随って変形し、ヒートシンク４はアモルファス合金シート５を介して熱源３に密着する。

このとき、アモルファス合金シート５自体金属であり、熱伝導性に優れているので、熱源３の熱はアモルファス合金シート５を介してヒートシンク４に容易に伝達され、ヒートシンク４から放熱される。

また、前記アモルファス合金は、熱源３の作動時の前記温度より高温の結晶化温度Ｔｘを備えることが好ましい。この場合、アモルファス合金シート５は、熱源３の作動時の熱により前記結晶化温度Ｔｘ以上に加熱されることがない。従って、アモルファス合金シート５は、熱源３の温度が前記ガラス化温度より高くなればガラス化し、該ガラス化温度より低くなれば固化するという挙動を可逆的に繰り返すことができる。

熱源３の温度が前記ガラス化温度より低くなったときに、アモルファス合金シート５が固化すると、ヒートシンク４はアモルファス合金シート５を介して熱源３に密着している状態が解除され、熱源３に対して着脱自在になる。ヒートシンク４が熱源３に対して着脱自在であると、熱源３としての半導体やパワーデバイス自体を交換するときや、ヒートシンク４を他の熱源３に転用するときに、ヒートシンク４の取り外しを容易に行うことができるので便利である。

また、前記アモルファス合金は、結晶化した場合に比較して、約３０％低いヤング率を備えている。そこで、前記アモルファス合金が、熱源３の作動時の温度より高温の結晶化温度Ｔｘを備える場合には、アモルファス合金シート５により振動を吸収して減衰させることができる。

一方、前記アモルファス合金は、前記結晶化温度Ｔｘが熱源３の作動時の温度より低温であってもよい。このときには、アモルファス合金シート５は、熱源３の作動時の熱により一旦前記ガラス化温度以上に加熱されたのち、さらに前記結晶化温度以上に加熱されるので、結晶化する。アモルファス合金は前記結晶化により体積収縮を起こすが、その程度は極く小さいので、アモルファス合金シート５はガラス化により熱源３とヒートシンク４とに密着した状態を、結晶化した後にも維持することができ、結晶化により熱伝導率が良くなるので、ガラス化したままのとき以上の熱伝達性を確保することができる。

次に、本発明の実施例と比較例とを示す。

本実施例では、図１に示す伝熱装置１において、厚さ５ｍｍのアルミナ基板２上に、１０ｍｍ×２０ｍｍ×１．７５ｍｍのセラミックヒータ６を２枚並べて配置し、セラミックヒータ６，６上に３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍの純銅チップ７を積層して、パワーデバイスに見立てた熱源３とした。

次に、Ｍｇ６５原子％、Ｃｕ２５原子％、Ｙ１０原子％からなるアモルファス合金を単ロール法によりシート状とした１０ｍｍ×３０ｍｍのアモルファス合金シート５（厚さ約２５μｍ）を熱伝達部材として、該アモルファス合金シート５を平面的に３枚並べて、純銅チップ７上に積層した。そして、アモルファス合金シート５上に、８０ｍｍ×８０ｍｍ×４５ｍｍの銅合金製ヒートシンク４を積層し、ボルト８、ナット９によりアルミナ基板２に取着した。

前記アモルファス合金は、ガラス化温度Ｔｇ４１４Ｋ（１４１℃）、結晶化温度Ｔｘ４７４Ｋ（２０１℃）である。また、純銅チップ７には、側面から中心部まで直径０．３ｍｍの穴が穿設されており、熱電対を挿入して中心部の温度を測定できるようになっている。

次に、セラミックヒータ６，６に１００Ｗずつ、合計２００Ｗの電流を供給して熱源３を作動させ、雰囲気温度２２℃、送風することなく自然対流により空冷する条件下に純銅チップ７の中心部の温度を測定した。このとき、純銅チップ７の中心部の温度は１７２℃であった。結果を表１に示す。

前記純銅チップ７の中心部の温度は、アモルファス合金シート５を構成する前記アモルファス合金のガラス化温度Ｔｇより高く、結晶化温度Ｔｘ未満であるので、該アモルファス合金はガラス化しているが結晶化はしていない状態である。そして、ヒートシンク４は、前記アモルファス合金のガラス化により軟化したアモルファス合金シート５を介して熱源３に密着していた。

また、セラミックヒータ６，６に対する電流の供給を停止して熱源３を非作動状態とし、純銅チップ７の中心部の温度を前記アモルファス合金のガラス化温度Ｔｇ未満にしたところ、アモルファス合金シート５が固化し、ヒートシンク４は熱源３に対して着脱自在となった。
〔比較例１〕
本比較例では、アモルファス合金シート５を介することなくヒートシンク４を熱源３上に積層し、ヒートシンク４と熱源３との間に全く熱伝導部材を配設しなかった以外は、実施例１と全く同一にして純銅チップ７の中心部の温度を測定した。このとき、純銅チップ７の中心部の温度は２１２℃であった。結果を表１に示す。
〔比較例２〕
本比較例では、アモルファス合金シート５に代えて、熱源３上にサーマルグリスを塗布し、該サーマルグリス上にヒートシンク４を積層した以外は、実施例１と全く同一にして純銅チップ７の中心部の温度を測定した。本比較例では、ヒートシンク４は、前記サーマルグリスを介して熱源３に密着していた。このとき、純銅チップ７の中心部の温度は２１６℃であった。結果を表１に示す。
〔比較例３〕
本比較例では、アモルファス合金シート５に代えて、熱源３上に厚さ０．２５ｍｍのカーボン製熱伝達シートを積層し、該カーボン製熱伝達シート上にヒートシンク４を積層した以外は、実施例１と全く同一にして純銅チップ７の中心部の温度を測定した。本比較例では、ヒートシンク４は、前記カーボン製熱伝達シートを介して熱源３に密着していた。このとき、純銅チップ７の中心部の温度は２０１℃であった。結果を表１に示す。
〔比較例４〕
本比較例では、アモルファス合金シート５に代えて、熱源３上に厚さ２５μｍの銅箔を積層し、該銅箔上にヒートシンク４を積層した以外は、実施例１と全く同一にして純銅チップ７の中心部の温度を測定した。このとき、純銅チップ７の中心部の温度は２２３℃であった。結果を表１に示す。

本実施例では、アモルファス合金シート５をヒートシンク４と熱源３との間に配設した状態のまま、真空中で前記アモルファス合金の結晶化温度Ｔｘを超える４５０℃まで加熱したのち、炉冷してアモルファス合金シート５を結晶化させた。前記結晶化の結果、アモルファス合金シート５はやや体積の縮小を示したが、ヒートシンク４は、アモルファス合金シート５を介して熱源３に密着している状態を維持していた。このとき、純銅チップ７の中心部の温度は１６５℃であった。結果を表１に示す。

表１から、ガラス化したアモルファス合金シート５を介してヒートシンク４が熱源３に密着している場合（実施例１）には、ヒートシンク４と熱源３との間に全く熱伝達部材を配設しない場合（比較例１）、アモルファス合金シート５に代えてサーマルグリス、カーボン製熱伝達シート、銅箔を配設した場合（比較例２〜４）に対して、純銅チップ７の温度が低くなっており、１００℃程度以上の高温でも、熱源３とヒートシンク４との間で優れた熱伝達性が得られることが明らかである。

また、表１から結晶化したアモルファス合金シート５を介してヒートシンク４が熱源３に密着している場合（実施例２）には、実施例１よりも高い性能が得られることが明らかである。

本発明の伝熱装置の一構成例を示す説明的断面図。

符号の説明

１…伝熱装置、３…熱源、４…受熱部材、５…熱伝達部材。

Claims

電子部品の熱源に付設される受熱部材と、該熱源と該受熱部材の間に介在する熱伝達部材とからなり、該熱源の熱を該熱伝達部材を介して該受熱部材に伝達する伝熱装置において、
該熱伝達部材は該熱源の作動時の温度よりも低温のガラス化温度を備えると共に該熱源の作動時の温度よりも高温の結晶化温度を備えるアモルファス合金から形成されていることを特徴とする伝熱装置。
前記熱伝達部材は、前記アモルファス合金自体からなることを特徴とする請求項１記載の伝熱装置。
前記受熱部材は、前記熱源の非作動時には前記アモルファス合金が固化することにより該熱源から着脱自在であり、該熱源の作動時には該アモルファス合金がガラス化して軟化することにより、該アモルファス合金からなる熱伝達部材を介して該熱源に密着することを特徴とする請求項２記載の伝熱装置。
前記熱伝達部材は、前記アモルファス合金が一旦ガラス化温度を超えた後、結晶化された金属からなることを特徴とする請求項１記載の伝熱装置。