JP6194734B2 - 放熱器及びその製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、良好な熱伝導性及び熱拡散性を得ながら、十分な放熱性が得られるようにしたい。
本放熱器の製造方法は、グラファイトシートと金属層とを熱的に接続する工程と、グラファイトシート又は金属層に熱的に接続されるように、グラファイトシート又は金属層よりも高い熱放射率を有する放熱層を設ける工程とを含み、グラファイトシートと金属層とを熱的に接続する工程において、先端に針状部分を有する複数の突起部を有する金属シートを、突起部の先端の針状部分がグラファイトシートに刺さった状態でグラファイトシートに接着剤で接着することによって、グラファイトシートと金属シートによって構成される前記金属層とを熱的に接続することを要件とする。
本実施形態にかかる放熱器は、発熱部品(例えばCPU、LSIチップ、熱電素子などの電子部品)からの熱を放熱させる放熱部品であって、発熱部品の温度を低下させるために、発熱部品に接合して用いられる。
本実施形態では、金属層2は、グラファイトシート1の表側及び裏側の一方の側(ここでは表側;図1中、上側)に設けられている。また、放熱層3は、金属層2のグラファイトシート1が設けられている側の反対側(図1中、上側)に設けられている。
ここでは、金属層2は、図3(A)、図3(B)に示すように、複数の突起部2Aを有する金属シート2X(例えばアルミニウム、銅、銀などの熱伝導性に優れた金属をシート状にしたもの)によって構成され、この金属シート2Xが、突起部2Aの先端がグラファイトシート1に接するようにグラファイトシート1に接着剤5で接着されている[例えば図6(D)参照]。この場合、複数の突起部2Aの間の領域で接着剤5がグラファイトシート1に接して、グラファイトシート1と金属シート2Xとが接着剤5で接着されることになる[例えば図6(D)参照]。これにより、金属シート2Xとグラファイトシート1とを確実に接着しながら、金属シート2Xとグラファイトシート1とが直接接するようにすることで、熱抵抗を低く抑えることが可能となる。なお、金属シート2Xは、金属シート、金属フィルム及び金属箔を含むものとする。また、突起部2Aを柱状突起部ともいう。また、接着剤5としては、例えば、熱伝導性に優れた、シリカフィラーなどの無機材料からなるフィラーを混合した接着剤を用いるのが好ましい。これにより、熱抵抗を低く抑えることが可能となる。なお、複数の突起部2Aを有する金属シート2Xを、突起部2Aの先端がグラファイトシート1に接するようにグラファイトシート1に接着剤5で接着した場合[例えば図6(D)参照]には、例えば全体の約2〜約3%程度の一部の突起部2Aの先端がグラファイトシート1に接しないで、これらの間に接着剤5が入り込む場合がある。但し、突起部を有しない金属シートを接着剤でグラファイトシートに接着する場合と比較すれば、熱抵抗を低く抑えることが可能である。
例えば、金属層2を構成する金属としてアルミニウムを用いる場合、その熱放射率は、機械加工面のままでは約0.04〜約0.06であり、研磨面では約0.05である。また、金属層2を構成する金属として銅を用いる場合、その熱放射率は、機械加工面のままでは、約0.07である。このため、金属層のみで放熱器を構成する場合、その表面からの放熱はほとんどない。また、グラファイトシートは、熱拡散性に優れており、例えばCPUの冷却などに使用されるものの、その熱放射率は約0.3〜約0.5程度である。このため、グラファイトシートのみで放熱器を構成する場合、十分な放熱は期待できない。そこで、グラファイトシート1を構成するグラファイト又は金属層2を構成する金属よりも高い熱放射率を有する材料を用いた放熱層3を最表面に設けることで、十分な放熱性が得られるようになる。例えば、グラファイトシート1を構成するグラファイト又は金属層2を構成する金属よりも高い熱放射率を有する材料としては、約0.6以上の熱放射率を有する材料を用いれば良い。特に、約0.8以上の熱放射率を有する材料(例えばセラミックス、アルミニウムの表面にアルマイト処理を施して形成されたアルマイト(例えば熱放射率約0.8)など)を用いるのが好ましい。より好ましくは、約0.9以上の熱放射率を有する材料(例えばセラミックス、樹脂(プラスチック)、アルミニウムの表面にアルマイト処理を施して形成された黒色アルマイト(例えば熱放射率約0.95)など)を用いる。特に、例えば黒色アルマイト、セラミックス、樹脂などを用いるのが最も好ましく、より高い熱放射率を有するものとすることができる。
特に、この放熱膜は、グラファイトシート1上又は金属層2上に放熱塗料を成膜し、乾燥又は硬化させることによって形成されたものであることが好ましい。なお、放熱塗料を、放熱性塗料又は放熱性を有した塗料ともいう。ここで、放熱膜を構成する材料である放熱塗料は、例えば樹脂から成るベース材料(ベース樹脂)に高熱放射性材料から成るフィラーを混合(混入)したものである。例えば、ベース樹脂としては、エマルジョン、アクリル樹脂、アクリルシリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、及びフッ素樹脂、エポキシ樹脂などが用いられる。また、高熱放射性材料から成るフィラーとしては、例えば、セラミックス粉末(例えば窒化アルミニウム粉末など)、カーボンなどが用いられる。このような放熱塗料は、約0.95〜約0.99という高い熱放射率を有する。
まず、グラファイトシート1と金属層2とを熱的に接続する。
例えば、複数の突起部2Aを有する金属シート2Xを、突起部2Aの先端がグラファイトシート1に接するようにグラファイトシート1に接着剤5で接着することによって、グラファイトシート1と金属シート2Xによって構成される金属層2とを熱的に接続すれば良い[例えば図6(D)参照]。特に、先端に針状部分2Bを有する複数の突起部2Aを有する金属シート2Xを、突起部2Aの先端の針状部分2Bがグラファイトシート1に刺さった状態でグラファイトシート1に接着剤5で接着することによって、グラファイトシート1と金属シート2Xによって構成される金属層2とを熱的に接続するのが好ましい[例えば図4参照]。また、例えば、グラファイトシート1上に金属膜を形成することによって、グラファイトシート1と金属膜によって構成される金属層2とを熱的に接続しても良い。また、例えば、金属シートをグラファイトシート1にはんだ接合することによって、グラファイトシート1と金属シートによって構成される金属層2とを熱的に接続しても良い。また、例えば、金属シートをグラファイトシート1に両面テープで貼り付けることによって、グラファイトシート1と金属シートによって構成される金属層2とを熱的に接続しても良い。
例えば、グラファイトシート1上又は金属層2上に放熱膜を形成することによって、放熱膜によって構成される放熱層3を設ければ良い。この放熱膜は、グラファイトシート1上又は金属層2上に放熱塗料を成膜し、乾燥又は硬化させることによって形成するのが好ましい。また、例えば、グラファイトシート1又は金属層2に放熱シートを接着剤で接着することによって、放熱シートによって構成される放熱層3を設けても良い。
以下、複数の突起部2Aを有する金属シート2Xをグラファイトシート1に接着剤5で接着し、金属シート2X上に放熱塗料を成膜し、乾燥又は硬化させることによって放熱膜(放熱層3)を形成して、図1に示す積層構造を有する放熱器4を製造する場合を例に挙げて説明する。
このようにしているのは、一般に接着剤は熱伝導率の低い樹脂が主成分となることが多いため、接着剤で接着した場合、熱抵抗が高くなってしまうからである。つまり、複数の突起部2Aを有する金属シート2Xを用い、突起部2Aの先端がグラファイトシート1に接するようにしながら、複数の突起部2Aの間の領域で接着剤5がグラファイトシート1に接して、グラファイトシート1と金属シート2とが接着剤5で接着されるようにしている。これにより、金属シート2Xとグラファイトシート1とを接着剤5で確実に接着しながら、熱抵抗を低く抑えることが可能となる。
まず、図5(A)に示すように、金型10(シート形成用金型)に複数の突起部2Aを有する金属シート2Xを配置し、その上にグラファイトシート1を配置する。このとき、金属シート2Xの突起部2Aの先端にグラファイトシート1が接するように、金属シート2X及びグラファイトシート1を金型10に配置する。特に、金属シート2X及びグラファイトシート1を、例えばシリコーンゴムのような、耐熱性があり、かつ、低弾性材料からなるシート材11(例えばゴムシート;ここではシリコーンゴムシート)で挟み込んだ状態で金型10に配置するのが好ましい。この場合、金属シート2Xと金型10との間及びグラファイトシート1と金型10との間にシート材11が配置されることになる。これにより、金属シート2Xの突起部2Aの先端が確実にグラファイトシート1に接するようにすることができ、また、グラファイトシート1及び金属シート2Xと金型10との間に接着剤5(接着樹脂)が入り込むのを防止することができる。
次に、図6(A)に示すように、上下の金型を合わせた状態で、加熱して低粘度化した接着剤5となる樹脂材料を流し込み、冷却後、図6(B)に示すように、金型10から取り出す。そして、図6(C)に示すように、シート材11を取り除く。これにより、金属シート2Xの突起部2Aの先端がグラファイトシート1に接するようにしながら、複数の突起部2Aの間の領域で接着剤5がグラファイトシート1に接して、グラファイトシート1と金属シート2Xとが接着剤5で接着されることになる。これにより、金属シート2Xとグラファイトシート1とを確実に接着しながら、金属シート2Xとグラファイトシート1とが直接接するようにすることで、熱抵抗を低く抑えることが可能となる。
次に、図6(D)に示すように、金属シート2X上に放熱塗料を成膜し、乾燥又は硬化させることによって放熱膜(放熱層3)を形成する。このようにして、金属シート2Xに熱的に接続されるように、グラファイトシート1又は金属シート2Xよりも高い熱放射率を有する放熱層3を設ける。
例えば、以下の実施例で説明するように、グラファイトシートのみで放熱器を構成する場合、グラファイトシート及び金属シートで放熱器を構成する場合、グラファイトシート及び放熱塗料で放熱器を構成する場合、金属シート及び放熱塗料で放熱器を構成する場合と比較して、十分な放熱性を有する放熱器を実現することができた。
以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
グラファイトシートと、
金属層と、
最表面に設けられ、前記グラファイトシート又は前記金属層よりも高い熱放射率を有する放熱層とを備えることを特徴とする放熱器。
前記金属層は、前記グラファイトシートの表側及び裏側の一方の側に設けられており、
前記放熱層は、前記金属層の前記グラファイトシートが設けられている側の反対側に設けられていることを特徴とする、付記1に記載の放熱器。
(付記3)
前記金属層は、前記グラファイトシートの表側及び裏側の一方の側に設けられており、
前記放熱層は、前記グラファイトシートの表側及び裏側の他方の側に設けられていることを特徴とする、付記1に記載の放熱器。
前記放熱層は、前記グラファイトシート上又は前記金属層上に形成された放熱膜であることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の放熱器。
(付記5)
前記放熱層は、放熱シートによって構成され、
前記放熱シートは前記グラファイトシート又は前記金属層に接着剤で接着するか又は両面テープで貼り付けられていることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の放熱器。
前記金属層は、複数の突起部を有する金属シートによって構成され、
前記金属シートは、前記突起部の先端が前記グラファイトシートに接するように前記グラファイトシートに接着剤で接着されていることを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の放熱器。
前記金属層は、先端に針状部分を有する複数の突起部を有する金属シートによって構成され、
前記金属シートは、前記突起部の先端の針状部分が前記グラファイトシートに刺さった状態で前記グラファイトシートに接着剤で接着されていることを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の放熱器。
前記金属層は、前記グラファイトシート上に形成された金属膜であることを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の放熱器。
(付記9)
前記金属層は、金属シートによって構成され、
前記金属シートは、前記グラファイトシートにはんだ接合されていることを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の放熱器。
前記金属層は、金属シートによって構成され、
前記金属シートは、前記グラファイトシートに両面テープで貼り付けられていることを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の放熱器。
(付記11)
グラファイトシートと金属層とを熱的に接続し、
前記グラファイトシート又は前記金属層に熱的に接続されるように、前記グラファイトシート又は前記金属層よりも高い熱放射率を有する放熱層を設けることを特徴とする放熱器の製造方法。
前記放熱層を設ける工程において、前記グラファイトシート上又は前記金属層上に放熱膜を形成することによって、前記放熱膜によって構成される前記放熱層を設けることを特徴とする、付記11に記載の放熱器の製造方法。
(付記13)
前記放熱膜は、前記グラファイトシート上又は前記金属層上に放熱塗料を塗布し、乾燥又は硬化させることによって形成することを特徴とする、付記12に記載の放熱器の製造方法。
前記放熱層を設ける工程において、前記グラファイトシート又は前記金属層に放熱シートを接着剤で接着するか又は両面テープで貼り付けることによって、前記放熱シートによって構成される前記放熱層を設けることを特徴とする、付記11に記載の放熱器の製造方法。
前記グラファイトシートと前記金属層とを熱的に接続する工程において、複数の突起部を有する金属シートを、前記突起部の先端が前記グラファイトシートに接するように前記グラファイトシートに接着剤で接着することによって、前記グラファイトシートと前記金属シートによって構成される前記金属層とを熱的に接続することを特徴とする、付記11〜14のいずれか1項に記載の放熱器の製造方法。
前記グラファイトシートと前記金属層とを熱的に接続する工程において、先端に針状部分を有する複数の突起部を有する金属シートを、前記突起部の先端の針状部分が前記グラファイトシートに刺さった状態で前記グラファイトシートに接着剤で接着することによって、前記グラファイトシートと前記金属シートによって構成される前記金属層とを熱的に接続することを特徴とする、付記11〜14のいずれか1項に記載の放熱器の製造方法。
前記グラファイトシートと前記金属層とを熱的に接続する工程において、前記グラファイトシート上に金属膜を形成することによって、前記グラファイトシートと前記金属膜によって構成される前記金属層とを熱的に接続することを特徴とする、付記11〜14のいずれか1項に記載の放熱器の製造方法。
前記グラファイトシートと前記金属層とを熱的に接続する工程において、金属シートを前記グラファイトシートにはんだ接合することによって、前記グラファイトシートと前記金属シートによって構成される前記金属層とを熱的に接続することを特徴とする、付記11〜14のいずれか1項に記載の放熱器の製造方法。
前記グラファイトシートと前記金属層とを熱的に接続する工程において、金属シートを前記グラファイトシートに両面テープで貼り付けることによって、前記グラファイトシートと前記金属シートによって構成される前記金属層とを熱的に接続することを特徴とする、付記11〜14のいずれか1項に記載の放熱器の製造方法。
2 金属層
2X 金属シート
2A 突起部
2B 針状部分
3 放熱層
4 放熱器
5 接着剤
10 金型
11 シート材
Claims (6)
- グラファイトシートと、
金属層と、
最表面に設けられ、前記グラファイトシート又は前記金属層よりも高い熱放射率を有する放熱層とを備え、
前記金属層は、先端に針状部分を有する複数の突起部を有する金属シートによって構成され、
前記金属シートは、前記突起部の先端の針状部分が前記グラファイトシートに刺さった状態で前記グラファイトシートに接着剤で接着されていることを特徴とする放熱器。 - 前記金属層は、前記グラファイトシートの表側及び裏側の一方の側に設けられており、
前記放熱層は、前記金属層の前記グラファイトシートが設けられている側の反対側に設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の放熱器。 - 前記金属層は、前記グラファイトシートの表側及び裏側の一方の側に設けられており、
前記放熱層は、前記グラファイトシートの表側及び裏側の他方の側に設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の放熱器。 - 前記放熱層は、前記グラファイトシート上又は前記金属層上に形成された放熱膜であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の放熱器。
- 前記放熱層は、放熱シートによって構成され、
前記放熱シートは前記グラファイトシート又は前記金属層に接着剤で接着するか又は両面テープで貼り付けられていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の放熱器。 - グラファイトシートと金属層とを熱的に接続する工程と、
前記グラファイトシート又は前記金属層に熱的に接続されるように、前記グラファイトシート又は前記金属層よりも高い熱放射率を有する放熱層を設ける工程とを含み、
前記グラファイトシートと前記金属層とを熱的に接続する工程において、先端に針状部分を有する複数の突起部を有する金属シートを、前記突起部の先端の針状部分が前記グラファイトシートに刺さった状態で前記グラファイトシートに接着剤で接着することによって、前記グラファイトシートと前記金属シートによって構成される前記金属層とを熱的に接続することを特徴とする放熱器の製造方法。
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