JP5333161B2

JP5333161B2 - ヒートシンク

Info

Publication number: JP5333161B2
Application number: JP2009257925A
Authority: JP
Inventors: 久雄安斎
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-11-11
Also published as: JP2011103384A; US20110108244A1; TW201122788A; CN102074532A

Description

本発明はヒートシンクに関する。

製品の発熱源（ＣＰＵ（Central Processing Unit）、スイッチング素子等）の放散した熱を外部に逃がすためのヒートシンクが知られている。
製品にヒートシンクが配置する場合、配置するスペースが限られている場合が多い。また、ＣＰＵの高速化、スイッチング素子のスイッチの高速化等の原因により、発熱源の発熱量も増大しつつある。

従って、限られたスペースにおいて、放熱効率を向上させるための種々の試みが行われている。
その試みの１つとして、ヒートシンクには、熱を効率よくフィンに伝導するためのヒートパイプが設けられている場合がある。

図５は、ヒートパイプが配設されたヒートシンクを示す図である。
ヒートシンク９０は、２枚の対向したベースプレート９１と、両ベースプレート９１の間にベースプレート９１の対向面に直角に多数並設された板状フィン９２とで構成されている。

ヒートパイプ９３は、図５に示すＵ字状のものの平行部分９４が貫通孔９５に嵌入されている。１個の貫通孔９５には、両側から２個のヒートパイプ９３の平行部分９４が嵌入されており、各平行部分９４の先端が貫通孔９５の中央で接触している。

特開平１１−１４５３５４号公報

図５に示すような構造では、両ベースプレート９１間の渡し部分９６が本体からはみ出している。しかし、渡し部分９６にはフィンが配置されていないため、この部分の放熱スペースが無駄になっているという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、放熱スペースの効率の向上を図ることができるヒートシンクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、開示のヒートシンクが提供される。このヒートシンクは、ベースと、フィン集合部と、少なくとも１本のヒートパイプと、放熱板とを有している。
フィン集合部は、ベース上に、ベースに対し垂直方向に複数並べられた複数のフィンを有し、ベースと熱的に接続する。

放熱板は、フィン集合部上に設けられ、各フィンと熱的に接続する。
ヒートパイプは、Ｕ字状をなし、湾曲部がフィンに平行に配置され、ベースの熱を放熱板に伝導する。

開示のヒートシンクによれば、限られたスペースでの放熱効率の向上を図ることができる。

実施の形態のヒートシンクを示す斜視図である。ヒートシンクの分解斜視図である。変形例のヒートシンクを示す図である。ヒートシンクの応用例を示す図である。ヒートパイプが配設されたヒートシンクを示す図である。

以下、実施の形態のヒートシンクを、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、実施の形態のヒートシンクを示す斜視図である。
実施の形態のヒートシンク（放熱器）１は、ベース基板（受熱板）２と、フィン集合部３と、ヒートパイプ４ａ、４ｂと、放熱板５とを有している。

ベース基板２は、長方形状をなしている。
ベース基板２には、２本の溝部２１、２２が、ベース基板２の辺２ａに平行に所定の間隔で設けられている。溝部２１に、ヒートパイプ４ａの一部が半田を介して接触している。溝部２２に、ヒートパイプ４ｂの一部が半田を介して接触している。

また、ベース基板２のフィン集合部３が配置されている側と反対側が、グリスやサーマルシート等の熱伝導部材を介して、発熱源（図示せず）に接触している。
なお、発熱源としては、例えば、ＣＰＵ等の半導体チップや、スイッチング素子や、抵抗素子、並びにこれらを備える半導体パッケージ等が挙げられる。

また、ベース基板２の構成材料としては、例えば、銅やアルミニウム等が挙げられる。
ベース基板２をアルミニウムで作成した場合には、ベース基板２内に熱拡散用のヒートパイプ（ヒートパイプ４ａ、４ｂとは別個のヒートパイプ）が埋め込まれていてもよい。

ベース基板２上には、半田を介してフィン集合部３が配置されている。
フィン集合部３は、複数のフィン３ａを有している。各フィン３ａは、板状をなしており、ベース基板２に対し、垂直方向に複数並べられている。これら各フィン３ａは、それぞれ他のフィン３ａとの間に所定の間隙を有し、他のフィン３ａと平行になるように規則的に並べられている。

また、各フィン３ａは、各フィンの長手方向が、ベース基板２の長手方向に沿って並べられている。
フィン集合部３の長さ（フィン３ａの長手方向の長さ）は、フィン集合部３の幅よりも長い。

なお、フィン３ａの構成材料としては、例えば、アルミニウムや銅が挙げられる。
なお、図１には図示していないが、例えば、各フィン３ａそれぞれに、他のフィン３ａと接続するための係合部が設けられており、この係合部によって、各フィン３ａが他のフィン３ａと接続されていてもよい。

フィン集合部３内には、ヒートパイプ４ａ、４ｂが、配置されている。
放熱板５は、フィン集合部３の上面の大部分を覆うようにベース基板２に対向して設けられている。このように、ヒートシンク１は、フィン集合部３がベース基板２と放熱板５により挟み込まれる構造（いわゆるサンドイッチ構造）をなしている。

なお、図１では、放熱板５は、長手方向の長さが、フィン集合部３の上面の長手方向の長さより若干短くなっている。
放熱板５とフィン集合部３およびヒートパイプ４ａ、４ｂは、熱的に接続されている。

この放熱板５は、ヒートパイプ４ａ、４ｂから伝導した熱をフィン集合部３の各フィン３ａに熱を伝導する役割を有する他に、空気に直接放熱する役割も有している。
また、放熱板５の構成材料としては、例えば、銅やアルミニウム等が挙げられる。

放熱板５をアルミニウムで作成した場合には、放熱板５内に熱拡散用のヒートパイプ（ヒートパイプ４ａ、４ｂとは別個のヒートパイプ）が埋め込まれていてもよい。
図２は、ヒートシンクの分解斜視図である。

ヒートパイプ４ａ、４ｂは、それぞれ、銅等の金属でできたＵ字状の本体を有している。本体は、管状をなしている。Ｕ字の先端は閉じており、内部が気密に保たれている。また、本体の内壁には、多孔性物質を有するウィック（WICK）や、細かい溝（グルーブ）が配置されている。

この内部には少量の液体（作動液）が封入されている。作動液としては、例えば、純水やアンモニア、代替フロン等が挙げられる。
なお、ヒートパイプ４ａ、４ｂの断面形状は、特に限定されず、円形状でもよいし、楕円形状でもよいし、扁平状でもよい。扁平状の場合、加工が容易となる。また、扁平状の場合、ベース基板２および放熱板５の厚さを薄くすることができるため、ヒートシンク１の小型化が図れる。

ところで、フィン集合部３の一部のフィン３ａは、その一部がヒートパイプ４ａの湾曲部４１およびヒートパイプ４ｂの湾曲部４２の形状に応じて切り欠かれた切り欠き部３１を有している。換言すれば、これら切り欠き部３１を有するフィン３ａは、長手方向の長さが、他のフィン３ａより短くなっている。

図１に示すように、ヒートパイプ４ａ、４ｂは、辺２ａに沿って設けられた矢印Ａの基端側から見て（正面視で）、湾曲部４１、４２がベース基板２に垂直になるように配置されている。すなわち、ヒートパイプ４ａ、４ｂの湾曲部４１、４２は、フィン３ａに平行に配置されている。

また、ヒートパイプ４ａ、４ｂの湾曲部４１、４２は、フィン３ａに挟まれるように配置されており、挟まれたフィン３ａとは風が通るために２ｍｍ程度の隙間を設けている。
また、ヒートパイプ４ａの直線部４３、４５、および、ヒートパイプ４ｂの直線部４４、４６は、それぞれフィン３ａの長手方向に沿って配置されている。

このようなヒートシンク１は、組み立てられた状態で、切り欠き部３１を有するフィン３ａの長手方向の端部３２に、ヒートパイプ４ａ、４ｂの直線部の先端部が位置するようになっている。

また、切り欠き部３１を有するフィン３ａの長手方向の端部に、ヒートパイプ４ｂの直線部４４、４６の先端部が位置するようになっている。
次に、切り欠き部３１を設けることによるフィン３ａの枚数の実質的な減少分を説明する。

一例として、フィン３ａの厚さが０．５ｍｍであり、各フィン３ａが２ｍｍ間隔で配置されており、ヒートパイプ４ａ、４ｂの径がφ６であり、曲率半径が１５ｍｍであり、直線部４３、４４、４５、４６の長さが６０ｍｍである場合を考える。

なお、前述の通り、ヒートパイプ内壁は微細構造をもつため、その曲率半径にも限界があり、φ６のヒートパイプでは曲率半径は、１５ｍｍ程度が限界である。また、曲率半径はヒートパイプの中心線で測る。

切り欠き部３１が設けられるフィン３ａの枚数は、ヒートパイプ４ａ、４ｂの径によって決定される。
上記の場合、ヒートパイプ４ａ、４ｂをフィン集合部３の内部に配置する場合、切り欠くフィン３ａの枚数は、１０ｍｍ（φ６＋隙間２ｍｍ×２）／２（ｍｍ）＝５枚である。従って、ヒートパイプ４ａ、４ｂそれぞれに対し５枚の合計１０枚である。

また、切り欠き部３１の面積は、湾曲部４１、４２の曲率半径によって決定される。
上記の場合、１枚のフィン３ａの切り欠き部３１の、フィン３ａ全体に対する面積は、約２５％程度である。

従って、一部のフィン３ａを切り欠くことによるフィン集合部３全体のフィン３ａの枚数の減少枚数は、１０（枚）×２５（％）＝２．５枚となる。
これに対して図５では、湾曲部９６の幅は１８ｍｍ（曲率半径１５ｍｍ＋φ６／２ｍｍ）であり、片側につき約７枚（１８ｍｍ／（間隔２ｍｍ＋厚さ０．５ｍｍ））のフィンが実装できないことになる。

つまり、従来例では７枚のフィンが実装できないが、本発明では２．５枚分のフィンが減少するだけである。
なお、ヒートパイプの本数が多くなればこの差は縮まるが、一般にヒートシンクに用いられる本数は２本程度である。

次に、ヒートシンク１の放熱の仕組みを説明する。
ヒートシンク１を使用する場合には、ベース基板２のほぼ中央部に、発熱源が接触するように、ヒートシンク１を配置する。

まず、発熱源からの熱がベース基板２に伝導する。
ベース基板２に伝わった熱の一部は、溝部２１からヒートパイプ４ａの直線部４５に伝わる。また、溝部２２からヒートパイプ４ｂの直線部４６に伝わる。また、熱の一部は、直接フィン３ａに伝わる。

ヒートパイプ４ａ、４ｂの作動液に熱が伝わると、作動液の温度が上昇し、気化する。気化した蒸気は、湾曲部４１、４２を伝わりヒートパイプ４ａ、４ｂの直線部４３、４４にも移動する。

次に、移動した蒸気は、フィン集合部（低温部）３によって冷やされ液化する。詳しくは、直線部４３、４４に移動した蒸気は、半田を介して接続されている放熱板５およびフィン３ａに熱が伝導することにより凝縮する。

液化した作動液は内壁を伝い、毛細管現象によって直線部４５、４６に戻る。
次に、ヒートシンク１の製造方法の一例を説明する。
まず、溝部２１、２２が形成されたベース基板２を用意する。

また、フィン３ａを前述した係合部等によって互いに接続し、フィン集合部３を作成する。
次に、ベース基板２および放熱板５にクリーム半田を塗布してフィン集合部３に重ね合わせる。このとき、ベース基板２の溝部２１、２２および放熱板５の溝部５１、５２にもクリーム半田を塗布する。

そして、ベース基板２の溝部２１にヒートパイプ４ａの直線部４５を奥まで差し込み、放熱板５の溝部５１にヒートパイプ４ａの直線部４３を奥まで差し込む。また、ベース基板２の溝部２２にヒートパイプ４ｂの直線部４６を奥まで差し込み、放熱板５の溝部５２にヒートパイプ４ｂの直線部４４を奥まで差し込む。

この状態で、ベース基板２および放熱板５の位置がずれないように治具（図示せず）で抑える。
その後、炉に入れてクリーム半田を溶かす。半田が硬化することで、ベース基板２、フィン集合部３、ヒートパイプ４ａ、４ｂ、放熱板５が固着する。

これにより、ヒートシンク１を製造することができる。
以上述べたように、ヒートシンク１によれば、フィン３ａに概ね平行にヒートパイプ４ａ、４ｂを配置した。これにより、ヒートシンク１のフィンの実装効率が上がり放熱効率の向上が図れる。

また、フィン３ａに切り欠き部３１を設け、ヒートパイプ４ａ、４ｂの湾曲部４１、４２をフィン集合部３内に配置した。
これにより、容易な加工でヒートパイプ４ａ、４ｂをフィン集合部３内に埋め込むことができる。従って、ヒートシンク１の製造を容易なものとすることができる。

具体的には、例えば、図４に示すような、フィンに平行に挿入されたヒートパイプの湾曲部にフィンを配置しようとすると、ヒートパイプの湾曲部の形状に応じてフィンの穴位置を加工する必要がある。しかし、このような加工は、フィン毎に、異なる形状の加工が必要となる。

対して、ヒートシンク１では、長さの異なる２種類のフィン３ａを用意すればよい。またフィン３ａはそれぞれ矩形であるため、フィン３ａの形状の加工も容易である。
また、ヒートパイプ４ａ、４ｂの湾曲部４１、４２がフィン集合部３内に埋め込まれているため、ヒートシンク１を小型化することができ、例えば、装置内にヒートシンク１を配置する場合においても省スペース化を図ることができる。

また、フィン３ａに概ね平行にヒートパイプ４ａ、４ｂを配置することにより、切り欠くフィン３ａの枚数および切り欠く面積を少なくすることができる。これにより、放熱効率を向上させることができる。

また、ベース基板２に、溝部２１、２２を設け、ヒートパイプ４ａ、４ｂの直線部４５、４６を、溝部２１、２２に配置し、放熱板５に、溝部５１、５２を設け、ヒートパイプ４ａ、４ｂの直線部４３、４４を、溝部５１、５２に配置した。

これにより、ヒートパイプ４ａ、４ｂの直線部４３、４４、４５、４６に対する加工が不要となり、ヒートシンク１を容易に製造することができる。また、製造の際には、ベース基板２の溝部２１、２２および放熱板５の溝部５１、５２は、ヒートパイプ４ａ、４ｂを挿入するガイドの役割も果たす。

なお、本実施の形態では、各フィン３ａはベース基板２の長手方向に並べた。しかし各フィン３ａはベース基板２の短手方向に並べてもよい。この場合、ヒートパイプもフィンに平行に、短手方向に配置される。

なお、本実施の形態では、ヒートパイプの個数は２つとした。しかし、これに限らず、１つまたは３つ以上でもよい。
また、本実施の形態では、ヒートパイプ４ａ、４ｂは、正面視で、湾曲部４１、４２がベース基板２に垂直になるように配置した。しかし、これに限らず、正面視で、湾曲部４１、４２がベース基板２に垂直な方向から所定角度傾斜して設けられていてもよい。

また、本実施の形態では、ヒートパイプ４ａ、４ｂの直線部４３、４４、４５、４６は、フィンに平行に配置しているが熱拡散の観点から、これを斜め状に配置してもよい。
＜変形例＞
図３は、変形例のヒートシンクを示す図である。

ヒートシンク１ａは、ヒートパイプ４ａ、４ｂの直線部４３、４４を熱拡散効率の向上のため外に広げて配置した例である。直線部４３、４４は、それぞれ、各フィン３ａの長手方向に対し、所定角度傾斜して配置されている。そして図３に示すように、放熱板５ａには溝部を設けず、直線部４３、４４は放熱板５ａ上面に接触させて更に半田付けしてもよい。

また、本実施の形態では、ベース基板２および放熱板５に溝部２１、２２、５１、５２を設け、設けた溝部２１、２２、５１、５２にヒートパイプ４ａ、４ｂを配置するようにした。しかし、これに限らず、例えば、ベース基板２および放熱板５に貫通孔を開けてそこにヒートパイプ４ａ、４ｂを埋め込むようにしてもよい。その際、貫通孔とヒートパイプ４ａ、４ｂとの間に半田を設けるようにしてもよい。

また特に、放熱板５については溝も貫通穴も設けず、ただ直線部４３と直線部４４とを半田で接続するだけでも効果はある。
また、本実施の形態では、ヒートパイプ４ａ、４ｂの湾曲部４１、４２の全部をフィン集合部３内に配置した。しかし、これに限らず、湾曲部４１、４２の一部または全部がフィン集合部３外に配置されていてもよい。これにより、フィン３ａの切り欠き部３１の面積が減少する。

＜応用例＞
以下、放熱のためのファンを使用する場合の例を説明する。
図４は、ヒートシンクの応用例を示す図である。

なお、図４に示す応用例では、プリント板や発熱素子の図示を省略している。
図４に示す冷却システム１０は、ヒートシンク１と、筐体ベース１１と、ファン１２とを有している。

筐体ベース１１は、板状をなす矩形の平坦部１１１と、平坦部の一方の端部から直角に折れ曲がっている側部１１２とを有している。
ファン１２は、側部１１２に設置されている。ヒートシンク１とファン１２との間は、風量を均一に送るため、一定の間隙が設けられている。

ファン１２は、側部１１２に設けられた吸気口（開口部）１１３から風を取り込みヒートシンク１のフィン３ａに方向に風を送る。各フィン３ａ間の間隙が通風路を形成している。ファン１２から送られた風は、この通風路を通り、フィン集合部３のファン１２の配置側と反対側から抜ける。

このような冷却システム１０ではファン１２とヒートシンク１の間隙を利用して、湾曲部４１、４２の一部または全部がフィン集合部３外に配置した場合でも、その湾曲部４１、４２は、ヒートシンク１とファン１２との間に設けた間隙に納まるので、切り欠き部３１の切り欠きを無くしたり小さくしたりできる。

以上、本発明のヒートシンクを、図示の実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物や工程が付加されていてもよい。

１、１ａヒートシンク
２ベース基板
２ａ辺
３フィン集合部
３ａフィン
４ａ、４ｂヒートパイプ
５、５ａ放熱板
１０冷却システム
１１筐体ベース
１２ファン
２１、２２、５１、５２溝部
３１切り欠き部
３２端部
４１、４２湾曲部
４３、４４、４５、４６直線部
１１１平坦部
１１２側部
１１３吸気口

Claims

半導体チップ又は半導体パッケージの放熱用に利用可能なヒートシンクであって、
ベースと、
前記ベース上に、前記ベースに対し垂直方向に複数並べられた複数のフィンを有するフィン集合部と、
Ｕ字状をなし、両直線部が前記フィンの表面に対して平行に配置され、前記ベースの熱を前記フィンに伝導する少なくとも１本のヒートパイプと、
前記フィン集合部上に設けられ、前記各フィンを熱的に接続する放熱板と、
を有し、
前記ヒートパイプの湾曲部が前記フィン集合部内に埋め込まれている
ことを特徴とするヒートシンク。
前記複数のフィンの一部のフィンは、前記ヒートパイプの湾曲部に対応する形状の切り欠き部を有し、
前記ヒートパイプの湾曲部が前記切り欠き部に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
前記ヒートパイプの直線部は、前記各フィンの長手方向に対し、所定角度傾斜して配置されている
ことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
前記放熱板は、前記ヒートパイプの直線部に対応する溝部を有しており、
前記直線部は、前記溝部に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
前記ベースは、前記ヒートパイプの直線部に対応する溝部を有しており、
前記直線部は、前記溝部に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。