JP4466644B2

JP4466644B2 - ヒートシンク

Info

Publication number: JP4466644B2
Application number: JP2006349398A
Authority: JP
Inventors: 次郎新開
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: JP2008159995A

Description

本発明はヒートシンクに関し、より特定的には縦方向および横方向異方性熱伝導シートの複合構造のヒートシンクに関する。

近年、電子機器の高性能化および小型化が進み、それに伴い半導体などの電子部品の高密度化および高機能化が進んでいる。電子部品の高密度化および高機能化によって、電子部品自体が大量の熱を発生するようになってきている。この熱をそのまま放置しておくと、当該電子部品の品質を劣化させたり、当該電子部品を損傷させてしまうため、電子部品が発生させる熱を効率よく取り除くための装置または機構が要望されている。

このような電子機器中の発熱源が発生する熱を取り除く方法として、特開２００２−７６２１７号公報（特許文献１）に横方向に異方性を有する異方性熱伝導性繊維を構成する炭素繊維を有する放熱ユニットが開示されている。特許文献１に開示の放熱ユニットでは、熱を効果的に筐体などに逃がすことを目的としている。

ここで、発熱源が発生する熱を効率的に取り除くためには、熱を取り除く部材の熱抵抗を低減することが効果的である。熱抵抗は、当該部材の厚みに比例し、熱伝導率および放熱面積に反比例する。

上記特許文献１に開示の方法では、横方向に異方性を有する異方性熱伝導性繊維を用いている。このような横方向異方性熱伝導シートは、横方向に熱伝導率の高い繊維などを高分子シートに配向させているので、その間は高分子が充填されており、縦方向に熱がほとんど伝わらない。そのため、発熱源の放熱面積は拡大されるものの、縦方向の熱伝導率が低い。その結果、熱抵抗の低減が十分でないという問題がある。

また、縦方向に熱伝導率の高い繊維を高分子シート内に配向させている縦方向異方性熱伝導シートを用いると、縦方向の繊維の間は高分子が充填されており、横方向には熱がほとんど伝わらない。そのため、発熱源の底面積がそのまま射影されるので、面積の拡大ができない。その結果、熱抵抗の低減が十分でないという問題がある。

さらに、縦方向と横方向との熱伝導率が同じである等方性熱伝導シートを用いると、図１０に示すように、発熱源２２５から略４５°の角度で下方に熱が伝達される。すなわち、発熱源の面積から略４５°の角度で放熱面積が拡大する。放熱面積は拡大されるものの、熱を取り除く部材（ヒートシンク２００）の厚みＤ３も拡大されることになる。その結果、熱抵抗の低減が十分でないという問題がある。なお、図１０は、等方性熱伝導シートを用いた従来のヒートシンクを示す概略断面図である。
特開２００２−７６２１７号公報

本発明の目的は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱抵抗を低減できるヒートシンクを提供することである。

本発明のヒートシンクは、縦方向異方性熱伝導シートと、縦方向異方性熱伝導シート上に形成された横方向異方性熱伝導シートとを備えている。上方から見たときの横方向異方性熱伝導シートの外周縁が、縦方向異方性熱伝導シートの外周縁よりも内側に配置されている。

本発明のヒートシンクによれば、横方向異方性熱伝導シートにより、熱を横方向に伝達するため、放熱面積が大きくなる。そして、縦方向異方性熱伝導シートにより、拡大された放熱面積を有したまま熱を縦方向に伝達できる。そのため、全体として熱抵抗を低減することができる。

なお、本明細書において、「縦方向異方性熱伝導シート」とは、縦方向のみに、熱を伝導させる媒質を樹脂の中に配向させた高分子シートを意味する。また、「横方向異方性熱伝導シート」とは、横方向のみに、熱を伝導させる媒質を樹脂の中に配向させた高分子シートを意味する。また、「上方から見た」とは、横向異方性熱伝導シートにおいて縦方向異方性熱伝導シートと対向する面と反対側の面側から見ることを意味する。また、本発明では、縦方向異方性熱伝導シートの相対的に熱が多く伝達される方向と交差する表面上に、横方向異方性熱伝導シートの相対的に熱が多く伝達される方向に沿って延びる表面とが接触するように配置されている。

上記ヒートシンクにおいて好ましくは、縦方向異方性熱伝導シートは凹部を有しており、横方向異方性熱伝導シートは、凹部を充填するように配置されている。

これにより、縦方向異方性熱伝導シートの厚みをより薄くできるので、熱抵抗をより低減できる。

上記ヒートシンクにおいて好ましくは、横方向異方性熱伝導シートの表面上に形成され、発熱源を搭載するための金属膜をさらに備えている。

これにより、金属膜上に搭載される発熱源からの熱を、横方向異方性熱伝導シートにより均一に広げることができる。

なお、上記「横方向異方性熱伝導シートの表面」とは、横方向異方性熱伝導シートにおいて、縦方向異方性熱伝導シート上に形成された面と反対側の面を意味する。

上記ヒートシンクにおいて好ましくは、縦方向異方性熱伝導シートおよび横方向異方性熱伝導シートの少なくとも一方に接続された放熱フィンをさらに備えている。

熱を放熱フィンにも伝達することができるため、発熱源からの熱を放熱させる効果がより大きくなる。

本発明のヒートシンクによれば、縦方向異方性熱伝導シートと横方向異方性熱伝導シートとを備えているので、全体として熱抵抗を低減することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態および実施例を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付してその説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクを示す概略斜視図である。図２は、図１における線分ＩＩ−ＩＩでの概略断面図である。図１および図２を参照して、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクを説明する。図１および図２に示すように、実施の形態１におけるヒートシンク１０は、縦方向異方性熱伝導シート１１と、横方向異方性熱伝導シート１２とを備えている。ヒートシンク１０は、発熱源にとりつけて熱を拡散する部材である。

縦方向異方性熱伝導シート１１は、縦方向のみに、熱を伝導させる媒質を樹脂の中に配向させた高分子シートである。このような性質を有する材料として、たとえばカーボンファイバおよびニッケルファイバを高分子に配向したものが挙げられる。具体的には、縦方向異方性熱伝導シート１１として、Ｂｔｅｃｈ社製のＬＭ−２、ＴＦ−１、ＩＯＢ−３、およびＴＰ−１などを用いることができる。

縦方向異方性熱伝導シート１１の形状は、上方から見たときの縦方向異方性熱伝導シート１１の外周縁１１ａが、上方（図１および２において上側）から見たときの横方向異方性熱伝導シート１２の外周縁１２ａよりも外側に配置されていれば特に限定されないが、横方向異方性熱伝導シート１２の横方向の面積は大きいほど好ましい。縦方向異方性熱伝導シート１１の形状は、図１に示すように、四角柱に限定されず、たとえば円柱などであってもよい。

また、縦方向異方性熱伝導シート１１の厚みは、１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が好ましい。１．０ｍｍ以上とすることによって、縦方向異方性熱伝導シート１１のハンドリングが容易になる。３．０ｍｍ以下とすることによって、製造コストを低減できる。

また、縦方向異方性熱伝導シート１１の縦方向（横方向異方性熱伝導シート１２が積層されている方向）の熱伝導率は、４００Ｗ／ｍＫ以上が好ましい。４００Ｗ／ｍＫ以上とすることによって、発熱体の発生熱量を素早く移動でき熱抵抗を低くできる。

横方向異方性熱伝導シート１２は、横方向のみに、熱を伝導させる媒質を樹脂に配向させた高分子シートである。具体的には、横方向異方性熱伝導シート１２として、松下電器株式会社製のＰＧＳグラファイトシートなどを用いることができる。

横方向異方性熱伝導シート１２は、縦方向異方性熱伝導シート１１上に形成されている。また、縦方向異方性熱伝導シート１１の相対的に熱が多く伝達される方向（矢印１３ｂ）と交差する表面上に、横方向異方性熱伝導シート１２の相対的に熱が多く伝達される方向（矢印１３ａ）に沿って延びる表面とが接触するように配置されている。すなわち、縦方向異方性熱伝導シート１１の相対的に熱の伝わりやすい方向と、横方向異方性熱伝導シートの相対的に熱の伝わりやすい方向とは交差（直交）している。

また、上方（図１および２において上側）から見たときの横方向異方性熱伝導シート１２の外周縁１２ａが、縦方向異方性熱伝導シート１１の外周縁１１ａよりも内側に配置されている。

横方向異方性熱伝導シート１２の上部表面の面積は、２．０ｍｍ以上１５ｍｍ以下が好ましい。２．０ｍｍ以上とすることによって、小パッケージに搭載可能になる。１５ｍｍ以下とすることによって、パワーデバイスチップに対応したパッケージに搭載可能となる。

また、横方向異方性熱伝導シート１２の横方向（横方向異方性熱伝導シート１２の上部表面と平行な方向）の熱伝導率は、４００Ｗ／ｍＫ以上が好ましい。４００Ｗ／ｍＫ以上とすることによって、多くの熱を広い面積に拡散させる事が可能になる。

また、横方向異方性熱伝導シート１２の形状は、図１に示すように四角柱に限定されず、たとえば円柱などであってもよい。

本実施の形態におけるヒートシンク１０に、発熱源から熱を受けると、まず、図２の矢印１３ａに示すように、横方向異方性熱伝導シート１２により横方向異方性熱伝導シート１２の横方向の面積に相当する領域まで熱が伝達される。この際、横方向異方性熱伝導シート１２の温度は、発熱源の温度とほぼ同じになる。

そして、縦方向異方性熱伝導シート１１により、矢印１３ｂに示すように縦方向異方性熱伝導シート１１において横方向異方性熱伝導シート１２が形成されている表面と反対側の表面に向けて（図１において下向きに）熱が素早く伝達される。この際、横方向異方性熱伝導シート１２から熱が伝達されるので、横方向異方性熱伝導シート１２の面積に相当する領域から、縦方向に熱を伝達する。そのため、横方向異方性熱伝導シート１２の面積が、ヒートシンク１０の放熱面積Ｓとなる。

以上説明したように、本発明の実施の形態１におけるヒートシンク１０によれば、縦方向異方性熱伝導シート１１と、縦方向異方性熱伝導シート１１上に形成された横方向異方性熱伝導シート１２とを備え、上方から見たときの横方向異方性熱伝導シート１２の外周縁１２ａが、縦方向異方性熱伝導シート１１の外周縁１１ａよりも内側に配置されている。熱抵抗は、下記の式（１）により表わされる。そのため、横方向異方性熱伝導シート１２により、熱を横方向に伝達するため、放熱面積Ｓを大きくできる。そして、縦方向異方性熱伝導シート１１により、拡大された放熱面積Ｓを有したまま熱を矢印１３ｂのように下方に伝達できる。そのため、全体として熱抵抗を低減することができる。
熱抵抗Ｒ_th＝ヒートシンクの厚み／（熱伝導率×放熱面積Ｓ）・・・・（１）
また、放熱面積Ｓを大きくできるので、縦方向異方性熱伝導シート単体を備えるヒートシンクと比較して、縦方向異方性熱伝導シート１１の厚みよりも薄くできる。その結果、熱抵抗Ｒ_thを低減することができる。

（実施の形態２）
図３および図４を参照して、本発明の実施の形態２におけるヒートシンクを説明する。なお、図３は、本発明の実施の形態２におけるヒートシンクを示す概略斜視図である。図４は、図３における線分ＩＶ−ＩＶでの概略断面図である。

図３および図４に示すように、実施の形態２におけるヒートシンク２０は、基本的には実施の形態１におけるヒートシンク１０と同様である。実施の形態２では、縦方向異方性熱伝導シート２１は凹部２１ｂを有している点、および横方向異方性熱伝導シート２２が凹部２１ｂを充填するように配置されている点においてのみ、図１および図２に示す実施の形態１におけるヒートシンク１０と異なる。

具体的には、縦方向異方性熱伝導シート２１および横方向異方性熱伝導シート２２は、それぞれ実施の形態１の縦方向異方性熱伝導シート１１および横方向異方性熱伝導シート１２と同様であるので、その説明は繰り返さない。

また、ヒートシンク２０では、横方向異方性熱伝導シート２２の上部表面は、縦方向異方性熱伝導シート１１において横方向異方性熱伝導シート２２により覆われていない部分の表面と同一平面を構成することが好ましい。

なお、凹部２１ｂの平面形状は、図４に示すように四角形に特に限定されず、円形や他の矩形であってもよく、後述する搭載する発熱源の形状に合わせることが好ましい。また、凹部２１ｂの深さも局所的に深くすることや浅くすることもできる。

次に、図５、および図１０を参照して、実施の形態２におけるヒートシンク２０の熱抵抗と、従来のヒートシンク２００の熱抵抗とについて説明する。なお、図５は、本発明の実施の形態２におけるヒートシンクにチップを搭載したときの概略断面図である。

実施の形態２におけるヒートシンク２０において、図５に示す横方向異方性熱伝導シート２２の上部表面は、縦方向異方性熱伝導シート１１において横方向異方性熱伝導シート２２により覆われていない部分の表面と同一平面上に位置するように、図５および図１０に示したそれぞれのヒートシンク２０，２００に、縦１ｍｍ、横１ｍｍ、厚み０．３ｍｍの四角柱の形状のチップ２５，２２５を搭載すると仮定する。

実施の形態２におけるヒートシンク２０の縦方向異方性熱伝導シート２１は、縦５ｍｍ、横５ｍｍ、厚み（Ｄ１）０．７５ｍｍの四角柱の形状とし、縦方向熱伝導率を７８０Ｗ／ｍＫ、横方向熱伝導率０Ｗ／ｍＫとする。また、横方向異方性熱伝導シート２２は、縦４ｍｍ、横４ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの四角柱の形状とし、縦方向熱伝導率を０Ｗ／ｍＫ、横方向熱伝導率を６００Ｗ／ｍＫとする。

実施の形態２では、放熱面積Ｓ_eは、実施の形態１で説明したように熱が伝達されることから、１．６×１０^-5ｍ²（４ｍｍ×４ｍｍ）になる。ヒートシンク２０の厚みは、縦方向異方性熱伝導シート１１の凹部２１ｂ下の厚み（Ｄ１−Ｄ２）となり、縦方向異方性熱伝導シート１１の凹部２１ｂに横方向異方性熱伝導シート１２を埋め込んでいることから、０．５ｍｍになる。その結果、熱抵抗Ｒ_thは、０．０４０１（＝０．０００５／｛７８０×１．６×１０^-5｝）℃／Ｗになる。

一方、従来のヒートシンク２００は、縦方向と横方向との熱伝導率が同じである等方性熱伝導シート２２２を用いているとする。等方性熱伝導シート２２２は縦５ｍｍ、横５ｍｍ、厚み０．０７５ｍｍで、銅からなり、熱伝導率が３９３Ｗ／ｍＫとする。

この場合では、放熱面積Ｓ_hは、６．２５×１０^-6ｍ²（＝２．５ｍｍ×２．５ｍｍ）になる。ヒートシンク２００の厚みは、０．７５ｍｍになる。その結果、熱抵抗Ｒ_thは、０．３０５（＝０．０００７５／｛３９３×６．２５×１０^-6｝）℃／Ｗになる。

このように、同一の大きさである実施の形態２におけるヒートシンク２０と、従来のヒートシンク２００とを比較すると、実施の形態２におけるヒートシンク２０の熱抵抗Ｒ_thは、従来よりも低減できることがわかる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２におけるヒートシンク２０によれば、縦方向異方性熱伝導シート２１は凹部２１ｂを有しており、横方向異方性熱伝導シート２２は、凹部２１ｂを充填するように配置されている。これにより、縦方向異方性熱伝導シート２１の厚みをより薄くできるので、熱抵抗Ｒ_thをより低減できる。

（実施の形態３）
図６および図７を参照して、本発明の実施の形態３におけるヒートシンクを説明する。なお、図６は、本発明の実施の形態３におけるヒートシンクを示す概略斜視図である。図７は、図６における線分ＶＩＩ−ＶＩＩでの概略断面図である。

図６および図７に示すように、実施の形態３におけるヒートシンク３０は、基本的には図３および４に示す実施の形態２におけるヒートシンク２０と同様である。実施の形態３では、横方向異方性熱伝導シート３２の表面上に形成され、発熱源３５を搭載するための金属膜３４をさらに備える点においてのみ、図３および４に示す実施の形態２におけるヒートシンク２０と異なる。

具体的には、縦方向異方性熱伝導シート３１および横方向異方性熱伝導シート３２は、それぞれ実施の形態１の縦方向異方性熱伝導シート１１および横方向異方性熱伝導シート１２と同様であるので、その説明は繰り返さない。

金属膜３４は、発熱源３５を搭載できれば、特に限定されない。たとえば、金属膜３４は、ダイボンド用メタライズなどを用いることができる。金属膜３４は、たとえば薄い金属の半田を蒸着することにより形成できる。金属膜３４は、横方向異方性熱伝導シート３２の上面からクロム、ニッケルおよび金の積層膜からなることが好ましい。

発熱源３５は特に限定されず、半導体素子など一般公知のものを金属膜３４上に搭載できる。

以上説明したように、本発明の実施の形態３におけるヒートシンク３０によれば、横方向異方性熱伝導シート３２の表面上に形成され、発熱源３５を搭載するための金属膜３４をさらに備えている。これにより、金属膜３４上に搭載される発熱源３５からの熱を、横方向異方性熱伝導シート３２により均一に広げることができる。

また、ヒートシンク３０は、熱抵抗が低く放熱効果が高いため、発熱量の多い素子や消費電力の大きい素子などの発熱源３５を好適に搭載できる。

（実施の形態４）
図８および図９を参照して、本発明の実施の形態４におけるヒートシンクを説明する。なお、図８は、本発明の実施の形態３におけるヒートシンクを示す概略斜視図である。図９は、図８における線分ＩＸ−ＩＸでの概略断面図である。

図８および図９に示すように、実施の形態４におけるヒートシンク４０は、基本的には図６および図７に示す実施の形態３におけるヒートシンク３０と同様である。実施の形態４では、縦方向異方性熱伝導シート４１および横方向異方性熱伝導シート４２の少なくとも一方に接続された放熱フィン４６をさらに備えている点においてのみ、図６および図７に示す実施の形態３におけるヒートシンク３０と異なる。

具体的には、縦方向異方性熱伝導シート４１および横方向異方性熱伝導シート４２は、それぞれ実施の形態１の縦方向異方性熱伝導シート１１および横方向異方性熱伝導シート１２と同様であるので、その説明は繰り返さない。

放熱フィン４６は、熱を拡散するための部材である。放熱フィン４６は、縦方向異方性熱伝導シート４１および横方向異方性熱伝導シート４２の少なくとも一方に接続されていれば特に限定されないが、縦方向異方性熱伝導シート４１に接続されていることが好ましい。また、放熱フィン４６は、図８および図９に示すように縦方向異方性熱伝導シート４１において横方向異方性熱伝導シート４２が形成されている面と反対の面に接続されていることがより好ましく、表面積が大きい方が熱を拡散する効果が高いことから、放熱フィン４６の外周縁は、縦方向異方性熱伝導シート４１において横方向異方性熱伝導シート４２が形成されている面と反対の面の外周縁よりも外側に配置されていることがより一層好ましい。

なお、放熱フィン４６は、縦方向異方性熱伝導シート４１の側面（横方向異方性熱伝導シート４２が形成される面およびその面以外の面）に接続されていてもよい。また、放熱フィン４６が横方向異方性熱伝導シート４２に接続されている場合とは、たとえば放熱フィン４６が上方に向かって延びる場合や、途中で略垂直に延びる場合などを含んでいる。

放熱フィン４６は１枚以上であれば特に限定されないが、表面積が増加する観点から、複数枚有していることが好ましい。放熱フィン４６がフィンを複数枚有している場合には、それぞれのフィン形状は同一でもよいし、フィン毎に形状が異なっていてもよい。また、放熱フィン４６の形状は特に限定されず、図８および図９に示すように平面形状が矩形でもよいし、曲がっていてもよいし、平面形状が円形であってもよい。また、放熱フィン４６は、細孔や凹凸の多い構造としてもよい。

また、放熱フィン４６の材料は、特に限定されないが、たとえばアルミニウムや銅などを用いることができる。

また、放熱フィン４６の各フィン間のピッチＰを局所的に変更しても良い。たとえば横方向異方性熱伝導シート４２の下方に配置されるフィンのピッチＰを小さくしてもよい。この場合は、熱が伝達される領域において、放熱効率を向上させることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態４におけるヒートシンク４０によれば、縦方向異方性熱伝導シート４１および横方向異方性熱伝導シート４２の少なくとも一方に接続された放熱フィン４６をさらに備えている。これにより、熱を放熱フィン４６にも伝達することができるため、発熱源４５からの熱を放熱させる効果がより大きくなる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のヒートシンクは、熱抵抗を低減できるので、熱を拡散する効果が高い。そのため、発熱量の多い素子や消費電力の大きい発熱源に好適に用いられる。

本発明の実施の形態１におけるヒートシンクを示す概略斜視図である。図１における線分ＩＩ−ＩＩでの概略断面図である。本発明の実施の形態２におけるヒートシンクを示す概略斜視図である。図３における線分ＩＶ−ＩＶでの概略断面図である。本発明の実施の形態２におけるヒートシンクにチップを搭載したときの概略断面図である。本発明の実施の形態３におけるヒートシンクを示す概略斜視図である。図６における線分ＶＩＩ−ＶＩＩでの概略断面図である。本発明の実施の形態３におけるヒートシンクを示す概略斜視図である。図８における線分ＩＸ−ＩＸでの概略断面図である。等方性熱伝導シートを用いたヒートシンクを示す概略断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０ヒートシンク、１１，２１，３１，４１縦方向異方性熱伝導シート、１１ａ，１２ａ外周縁、１２，２２，３２，４２横方向異方性熱伝導シート、１３ａ，１３ｂ矢印、２１ｂ凹部、２５チップ、３４，４４金属膜、３５，４５発熱源、４６放熱フィン。

Claims

縦方向異方性熱伝導シートと、
前記縦方向異方性熱伝導シート上に形成された横方向異方性熱伝導シートとを備え、
上方から見たときの前記横方向異方性熱伝導シートの外周縁が、前記縦方向異方性熱伝導シートの外周縁よりも内側に配置されている、ヒートシンク。
前記縦方向異方性熱伝導シートは凹部を有しており、
前記横方向異方性熱伝導シートは、前記凹部を充填するように配置されている、請求項１に記載のヒートシンク。
前記横方向異方性熱伝導シートの表面上に形成され、発熱源を搭載するための金属膜をさらに備える、請求項１または２に記載のヒートシンク。
前記縦方向異方性熱伝導シートおよび前記横方向異方性熱伝導シートの少なくとも一方に接続された放熱フィンをさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載のヒートシンク。