JP5384522B2 - ヒートシンク、および楔係止システムを用いたヒートシンク形成方法 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、様々な用途のヒートシンクとして働くように金属材料に熱分解グラファイト（ＴＰＧ）を固定する方法に関し、より具体的には、楔係止システムを用いてＴＰＧ要素を金属材料に取外し可能に固定して、ヒートシンクを形成する方法に関する。

現代の組込み型コンピュータシステムは、熱出力が非常に高い電気部品を、限られた容積環境内に収容している。典型的には、こうした部品の熱出力放散が増大しても、その容積は変わらず、したがって部品温度の管理が重要な課題となっている。従来、アルミニウムおよび／または銅などの高熱伝導性材料から構成された能動または受動ヒートシンクなどの様々な直接冷却技術を用いて、温度上昇を管理してきている。しかし、これらの材料は、比較的広い表面積が空気流に露出する場合にしか十分でなく、したがって、利用可能な総容積の大部分を占める物理的に大型のヒートシンク構造が必要となる。ヒートシンクの物理的サイズが増大するにつれて、熱をヒートシンク先端部に迅速に伝達し、それによって熱を空気流に露出させるという材料の能力が低下する。

熱分解グラファイト（ＴＰＧ）は、従来の金属材料に比べて、単一（Ｘ−Ｙ）平面でより優れた熱伝導を実現する能力を有することが判明している。さらに、ＴＰＧは、銅に比べて、全体的な伝導率が改善されることが判明している。近年では、拡散接合法を用いて、ＴＰＧをアルミニウム構造に埋め込む方法が開発されてきている。拡散接合法によって、ＴＰＧ材料とアルミニウム構造との間で非常に良好な熱接触が得られるものの、ＴＰＧ埋込み構造を形成するには、専用の設備が必要であり、工程に時間がかかるという点で限界を有し、その結果製品が高価になる。

米国特許出願公開第２００７／０１８８９９３号公報

したがって、アルミニウム構造などの金属材料にＴＰＧを固定して、金属熱伝導構造（すなわちヒートシンク）を形成して、Ｘ−Ｙ平面において有効な熱伝導率を実現する、費用効果の高い製品を形成する方法が求められている。さらに、本方法は、容易に再現可能であり、数多くの様々な施設で数多くの様々な種類の設備を使用して実施できると有利である。

一態様では、ヒートシンクを形成する方法が提供される。本方法は、楔形表面を有する第１の側、および平坦表面を有する第２の側を有する少なくとも１つのＴＰＧ要素を形成すること、少なくとも１つのＴＰＧ要素上に、少なくとも１つのＴＰＧ要素の第１の側と相補的となる（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）ように構成された金属材料を積層すること、および金属材料を少なくとも１つのＴＰＧ要素に固定するために圧力を印加することを含む。

別の態様では、ヒートシンクを形成する方法が提供される。本方法は、少なくとも１つの拡張可能なブッシュと相補的となるように構成され、少なくとも１つのＴＰＧ要素を貫通する少なくとも１つの孔を形成すること、少なくとも１つの拡張可能なブッシュよりも大きく構成され、金属材料を貫通する少なくとも１つの孔を形成すること、および締結具を用いて、少なくとも１つの拡張可能なブッシュを金属材料中の少なくとも１つの孔に嵌入させることを含む。

さらに別の態様では、ヒートシンクが提供される。このヒートシンクは、楔形表面を有する第１の側、および平坦表面を有する第２の側を備える少なくとも１つのＴＰＧ要素を含む。さらに、このヒートシンクは、少なくとも１つのＴＰＧ要素の第１の側に結合された金属材料を含む。

さらに別の態様では、ヒートシンクが提供される。このヒートシンクは、少なくとも１つの貫通した孔を有する第１の側を有する少なくとも１つのＴＰＧ要素と、少なくとも１つのＴＰＧ要素中の少なくとも１つの孔の内側表面に結合された金属材料とを備える。この少なくとも１つのＴＰＧ要素は、少なくとも１つの拡張可能なブッシングと相補的となるように構成される。

本開示の例示的な方法に従って固定されるＴＰＧ要素および金属材料を示す図である。 図１のＴＰＧ要素の端部を示す図である。 本開示による例示的な方法を用いて形成された例示的なヒートシンクの分解図である。 図３の方法に従ってＴＰＧ要素上に配置された金属フィンアセンブリの斜視図である。 ヒートシンクの熱伝導性のＸ平面、Ｙ平面、およびＺ平面を表す図である。 本開示による例示的な方法を用いて形成された例示的なヒートシンクの分解図である。

本開示は、熱分解グラファイト（ＴＰＧ）を金属材料に固定してヒートシンクを形成することに関する。本明細書では、「ＴＰＧ」とは、黒鉛が熱伝導に最適な一方向に整列した任意の黒鉛ベース材料を指す。この材料は、典型的には「整列グラファイト（ａｌｉｇｎｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ）」、「ＴＰＧ」、および「高配向性熱分解グラファイト（Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ）（ＨＯＰＧ）」と呼ばれる。ＴＰＧ要素によって、ヒートシンクのＸ−Ｙ平面における熱伝導率の改善が実現される。より具体的には、本開示で提供される、ＴＰＧ要素を金属材料に固定する方法を使用することによって、コンピュータシステムなどの電気システムの使用時に生じる温度を、従来の熱対策に比べて約１０℃以上下げることができることが判明している。こうした放熱の改善によって、同じ容積環境で電気システムの電力容量をほぼ倍増させることが可能となる。さらに、電力の増大によって、通常なら支持できなかったシステムを支持することができ、または、周囲温度がより高い環境で既存のシステムを使用することが可能となる。

上記のように、ＴＰＧを金属材料に固定することによってヒートシンクを形成する。ＴＰＧ要素は、当技術分野で既知であり、また、本明細書に記載の教示が手引きする任意の適切なＴＰＧ要素製造方法および／または設備を使用して得ることができる。さらに、ＴＰＧ要素は、例えば、コネチカット州ウィルトン所在のＭｏｍｅｎｔｉｖｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ社などの製造業者から市販されているものを入手することができる。

より具体的には、本方法は、一般に、少なくとも１つの楔形ＴＰＧ要素を形成することを含む。楔形ＴＰＧ要素上に金属材料を積層し、この金属材料は、ＴＰＧ要素の楔形表面側と相補的となるように構成する。金属材料を楔形ＴＰＧ要素に固定するために圧力を印加する。

図１に示すように、ＴＰＧ要素１００は、楔形要素となるように構成される。より具体的には、楔形ＴＰＧ要素１００は、楔形表面を有する第１の側１０と、平坦表面を有する第２の側１２とを有するストリップを含む。図１に示すように、ＴＰＧ要素１００の第１の側１０は、反対向きの第１の表面３０と第２の表面３２とが、中間表面３４に対して約４５度の角度でテーパが付いている。図１では反対向きの表面として示されているが、第１の表面３０と、第２の表面３２とは、本開示の範囲から逸脱することなく、互いに直接接触してもよいことを当業者には理解されたい。

図２に示すように、特定の実施形態では、楔形ＴＰＧ要素１００は、第１の表面３０のところ、またはその付近で、第２の表面３２のところ、またはその付近の厚さとは異なる厚さを有する。限定するものではないが、図２に示すように、第１の表面３０は、約０．０６０インチの厚さを有し、第２の表面３２は、約０．０５０インチの厚さを有する。図２では異なる厚さを有するように示されているが、第１の表面３０のところ、またはその付近の厚さは、本開示の範囲から逸脱することなく、第２の表面３２のところ、またはその付近の厚さと同じでもよいことを当業者には理解されたい。楔形ＴＰＧ要素１００の厚さは、一方の表面３０と、反対向きの表面３２とで変える（または変えない）ことができるが、第１の表面３０の幅と、第２の表面３２の幅とは同じままとすることができることに留意されたい。さらに、第１の表面３０は、第２の表面３２よりも薄くてもよいことを理解されたい。また、２つ以上の表面（すなわち第１の表面３０）を、本開示の範囲から逸脱することなく、楔形としてもよいことを理解されたい。

要素１００の１つまたは複数の寸法は変えることができるが、一実施形態の要素１００は、約０．０５インチ〜約０．０６インチの厚さを有する。

本開示の方法で使用する少なくとも１つのＴＰＧ要素１００を形成する。ＴＰＧ要素１００の寸法、ＴＰＧ要素１００の数、および／または隣接するＴＰＧ要素１００間の間隔は、所望の最終製品に依存する。しかし、典型的には、２つ以上のＴＰＧ要素１００を用いてヒートシンク（図３の５００で示す）を形成することが適切である。

上記のように、本方法は、１つまたは複数のＴＰＧ要素１００に金属材料３００を積層することをさらに含む。金属材料３００は、典型的には高い熱伝導率を有する材料から作成される。例えば、金属材料３００は、アルミニウムおよび／または銅を含む。一実施形態では、金属材料３００は、アルミニウムである。アルミニウムおよび銅はどちらも、ヒートシンクに使用すると、高い伝導率を示すことが示されてきている。より具体的には、アルミニウムは、ヒートシンクに使用すると、「Ｚ」平面（図５に示す）において良好な熱伝導率を示す。しかし、上記のように、アルミニウムおよび銅だけでは、Ｘ−Ｙ平面において十分な熱伝達が得られず、したがって、本開示では、ＴＰＧをアルミニウムおよび／または銅と組み合わせている。

一実施形態では、金属材料３００は、ＴＰＧ要素１００の第１の側１０と相補的となるように構成されている。より具体的には、図１に示すように、金属材料３００をＴＰＧ要素１００の第１の側１０上に積層または配置する。この構成によって、係止固定システムが可能となり、その詳細を以下で説明する。

一実施形態では、図３に示すように、金属材料３００は、金属フィンアセンブリ３０２を含む。金属フィンアセンブリ３０２によって、熱伝導のためにより広い表面積が得られ、それによって、ＣＰＵなどの集積半導体回路などの熱源要素（図示せず）からの、より効率的かつ有効な放熱が促進される。特定の実施形態では、金属フィンアセンブリ３０２は、約６インチ×５インチ、厚さは約０．３インチである。一実施形態では、フィンアセンブリ３０２は、複数のフィン３０４を含み、これらのフィンはそれぞれ、高さが約０．２４インチ、厚さが約０．０２４インチである。フィンアセンブリ３０２の隣接するフィン３０４間の間隔は、約０．０９６インチである。金属フィンアセンブリ３０２のフィン３０４は、本開示の範囲から逸脱することなく、上記以外のサイズおよび間隔とすることができることを当業者には理解されたい。

代替実施形態では、金属材料３００は、空気ではなく、冷却壁に面した伝導冷却熱フレーム（図示せず）であり、この熱フレームは、その１つまたは複数の縁部に熱を伝達することを目的とする。伝導冷却熱フレームは、当技術分野で既知であり、ノースカロライナ州モーリスビル所在の製造業者Ｓｉｍｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社などから市販されているものなどでよい。

ＴＰＧ要素１００および金属材料３００に加えて、いくつかの実施形態（図３および４に示すものなど）では、ＴＰＧ要素１００が、熱スペーサ４００と、金属材料３００との間に位置するような構成で、熱スペーサ４００がＴＰＧ要素１００（または、使用する場合にはストリップ保持プレート２００）上に積層されている。熱スペーサ４００を用いて、熱源要素（図示せず）をヒートシンク５００に結合させる。さらに、熱スペーサ４００は、熱を金属材料３００の縁部に拡散させることが可能である。

典型的には、熱スペーサ４００は、以下で説明するように、熱源要素と相補的となるように構成される。熱スペーサ４００は、上述の金属材料３００と同じ材料でも、または異なる材料でも作成することもできる。熱スペーサ４００の作成に適した材料には、例えば、アルミニウムおよび／または銅を含めた金属材料が含まれる。一実施形態では、熱スペーサ４００は、銅である。

上記のように、熱スペーサ４００は、典型的には熱源要素と相補的となるように構成される。一般には、熱源要素は、集積半導体回路またはＣＰＵなどの電気熱源要素である。上記のように、ＣＰＵなどの熱源要素の使用中、大量の熱が生じ、こうした熱は、熱源要素の過熱および／または誤動作を防止するために外部環境に放出しなければならない。例えば、集積回路では約３０ワット以上の熱出力が放散されることがあり、ダイ温度は約１００℃を超えるまでに達する。こうした熱は、集積回路の過熱を防止するために放出しなければならない。

図３および４に示すように、一実施形態では、積層後、ＴＰＧ要素（複数可）１００および金属材料３００をストリップ保持プレート２００に結合させる。より具体的には、図１に示す、ＴＰＧ要素１００の第２の側１２の平坦表面を、平坦なストリップ保持プレート２００に結合させる。例を挙げると、図３に示す一実施形態では、１つまたは複数のねじ１２０など、機械的結合手段を用いて、ＴＰＧ要素１００をストリップ保持プレート２００に取り付ける。図３ではねじとして示されているが、ＴＰＧ要素１００は、当技術分野で既知の適切な任意の機械的結合手段を用いて、ストリップ保持プレート２００に結合させることができることを当業者には理解されたい。

一般には、ストリップ保持プレート２００は、ＴＰＧ要素１００を金属材料３００に圧接するように力を加えるために設けられ、それによってＴＰＧ要素１００と金属材料３００との間の熱インターフェイスを最小限に抑え、さらに、ヒートシンク５００に構造的支持および強度を加えるものである。

典型的には、ストリップ保持プレート２００は、アルミニウムおよび／または銅から作成される。一実施形態では、ストリップ保持プレート２００は、アルミニウムから作成される。

一実施形態では、本開示の方法は、ＴＰＧ要素１００の第１の側１０に、金属ベースのコーティング材料を付着させることを含む。より具体的には、使用する場合には、金属ベースのコーティング材料を、典型的にはＴＰＧ要素１００の、金属材料３００の方に面している第１の側１０に付着させる。アルミニウム、銅、鉄、銀、金、ニッケル、亜鉛、錫、またはそれらの組合せなどの金属層を、ＴＰＧ要素１００の第１の側１０に付着させる。特定の実施形態では、金属ベースのコーティング材料は、ニッケルで上塗りされる銅コーティング材料である。代替実施形態では、インジウムコーティングを、金属ベースのコーティング材料として使用している。

金属ベースのコーティング材料によって、適切には機械的強度が得られる。金属ベースのコーティング材料は、典型的には厚さが少なくとも約０．００１インチである。より適切には、金属ベースのコーティング材料は、約０．００６インチ〜約０．０２５インチの厚さを有する。

金属ベースのコーティング材料は、当技術分野で既知の適切な任意のパターンでＴＰＧ要素１００の第１の側１０に付着させることができる。例えば、一実施形態では、金属ベースのコーティング材料を、網目状（ｃｒｏｓｓ−ｈａｔｃｈｅｄ）パターンに付着させる。代替実施形態では、金属ベースのコーティング材料を線状（ｓｔｒｉｐｅｄ）パターンに付着させる。

金属ベースのコーティング材料に加えて、一実施形態では、本方法は、ＴＰＧ要素１００の第１の側１０に熱インターフェイス材料２０を付着させることを含む。より具体的には、図１に示すように、その全体を２０で示す熱インターフェイス材料を、適切には、金属材料３００とＴＰＧ要素１００との間に配設する。熱インターフェイス材料２０によって、ヒートシンク５００の２つの構成要素間、例えば、ＴＰＧ要素１００の第１の側１０と、金属材料３００との間の熱抵抗を低減させることが望まれる。適切な熱インターフェイス材料２０の一例に、ミネソタ州チャンハッセン所在のＢｅｒｇｑｕｉｓｔ社から市販されているＢｅｒｇｑｕｉｓｔ ＴＩＣ４０００がある。

本開示の方法は、ＴＰＧ要素１００（および、使用する場合には保持プレート２００）を金属材料３００（および、使用する場合には熱スペーサ４００）に固定して、ヒートシンク５００を形成することを含む。適切には、ＴＰＧ要素１００および金属材料３００を固定して、熱源要素から熱スペーサ４００（使用する場合）へと、次いで、ＴＰＧ要素１００および金属材料３００を介して周囲環境へと熱伝導を促進するように構成されたヒートシンク５００を形成する。

適切には、固定ステップは、楔係止金属材料３００およびＴＰＧ要素ともに圧力を印加することを含む。圧力は、当技術分野で既知の適切な任意の手段を用いて印加することができる。圧力の量は、典型的には、使用する金属材料、およびともに係止させるＴＰＧ要素１００の寸法および／または数に依存することになる。

上記のように、本開示の方法を用いて、ＴＰＧ要素１００を金属材料３００に取外し可能に固定する。すなわち、本開示で使用する固定用楔係止システムによって、ヒートシンク５００を便宜的かつ容易に分解し、組み立て直すことが可能となる。

代替の一実施形態では、熱伝導性接着剤（図示せず）をさらに用いて、ＴＰＧ要素１００を金属材料３００に固定する。典型的には、ＴＰＧ要素１００および金属材料３００、ならびに熱スペーサ４００（使用する場合）の少なくとも一方に接着剤を付着させる。より具体的には、接着剤は、当技術分野で既知の任意の方法を用いて、ペーストまたはゲル状の形など、一般に半固体状態で付着させることができる。

一実施形態では、熱伝導性接着剤は、カリフォルニア州ビサリア所在のＡｒｃｔｉｃ Ｓｉｌｖｅｒ，Ｉｎｃ．社から市販されているＡｒｃｔｉｃ Ｓｉｌｖｅｒ Ｅｐｏｘｙである。使用する接着剤の量は、典型的には、特定のヒートシンク構成に依存することになる。一実施形態では、シリンジおよびスパチュラを用いて接着剤約１．５ｍＬを付着させ、ＴＰＧ要素１００、金属材料３００、および熱スペーサ４００上を覆う薄層となるように接着剤を塗り広げる。

別の実施形態では、図６に示すように、少なくとも１つのＴＰＧ要素７００が、拡張可能なブッシング９００と相補的なサイズの少なくとも１つの孔７５０を含むように構成される。本明細書では、拡張可能なブッシング９００は、当技術分野で既知の適切な任意の拡張可能なブッシングでよい。さらに、拡張可能なブッシング９００を拡張させる特定の方法は、拡張可能なブッシング９００を拡張させる、当技術分野で既知の任意の方法でよい。拡張可能なブッシング９００のサイズおよび／または寸法は、典型的には、少なくとも１つの孔７５０のサイズ、ならびに特定のヒートシンクの構成および／または寸法に依存することになる。

さらに、金属材料６００は、拡張可能なブッシング９００が、その拡張時に、金属材料６００ではなく、ＴＰＧ要素７００の内側表面に接して押し付けられるように、ＴＰＧ要素７００の孔７５０よりも十分大きくサイズ設定された少なくとも１つの孔６１０を含む。拡張可能なブッシング９００の形状は、締結具７４０を中に嵌入させると、その外側表面が拡張するような形状である。一実施形態では、図６に示すように、テーパねじ７４０を、拡張可能なブッシング９００を通して嵌入させる。さらに、テーパねじ７４０を、拡張可能なブッシング９００を通し、テーパねじ７４０を受け入れられるほど十分大きい孔８２０を有する保持プレート８００を通して、ナット７４２で受ける。テーパねじ７４０を締め付けると、拡張可能なブッシング９００の外側表面（本明細書では壁とも呼ぶ）は拡張し、ＴＰＧ要素７００の内側表面に接して押し付けられ、それによって熱インターフェイスが減少する。

一実施形態では、拡張可能なブッシング９００の外側表面を、熱インターフェイス材料（図示せず）で被覆する。この熱インターフェイス材料は、拡張可能なブッシング９００の外側表面の欠陥を塞いで、熱インピーダンスがより低い熱インターフェイスを形成する。一実施形態では、熱インターフェイス材料は、ミネソタ州チャンハッセン所在のＢｅｒｇｑｕｉｓｔ社から市販されているＴＩＣ−４０００であり、この熱インターフェイス材料を、拡張可能なブッシング９００に線状パターンで付着させている。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる改変形態でも実施できることが当業者には理解されよう。

１０ 第１の側
１２ 第２の側
２０ 熱インターフェイス材料
３０ 第１の表面
３２ 第２の表面
３４ 中間表面
１００、７００ ＴＰＧ要素
２００、８００ ストリップ保持プレート
３００、６００ 金属材料
３０２ 金属フィンアセンブリ
３０４ フィン
４００ 熱スペーサ
５００ ヒートシンク
６１０、７５０、８２０ 孔
７４０ 締結具（テーパねじ）
７４２ ナット
９００ 拡張可能なブッシング

Claims (7)

1. 第１の孔であって、ブッシングと相補的となるように構成された前記第１の孔を熱分解グラファイト（ＴＰＧ）要素に形成する工程と、
   前記ＴＰＧ要素上に、金属フィンアセンブリを備えた金属材料を積層する工程と、
   前記第１の孔よりも大きい第２の孔を前記金属材料に形成する工程と、
   前記ブッシングを、前記金属材料中の前記第２の孔と、前記ＴＰＧ要素中の前記第１の孔に嵌入させる工程と、
   締結具を前記ブッシングに嵌入させる工程と、
   前記締結具を締め付け、前記ブッシングを拡張させて、前記第１の孔内で前記ブッシングを前記ＴＰＧ要素に押し付ける工程と、
   を含み、
   前記締結具が、前記第２の孔内で前記金属材料から隔てられており、前記締結具が前記金属材料を前記ＴＰＧ要素に固定する、
   ことを特徴とするヒートシンク形成方法。
2. 前記金属材料が、アルミニウム、銅、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記金属材料が、伝導冷却熱フレームを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ブッシングに嵌入する前に、前記ＴＰＧ要素の表面に、金属ベースのコーティング材料を付着させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記金属材料と前記ＴＰＧ要素との間に熱インターフェイス材料を付着させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記ＴＰＧ要素を、ストリップ保持プレートに取り付ける工程を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記締結具がテーパねじであり、
   第３の孔を前記ストリップ保持プレートに形成する工程と、
   前記テーパねじを前記第３の孔に通す工程と、
   前記テーパねじをナットで受けて締め付ける工程と、
   含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
   

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