JP6497192B2 - 多孔質金属を用いた放熱フィンおよびそれを搭載したヒートシンク、モジュール - Google Patents

Description

本発明は、冷却媒体は空気、水等を対象とし、発熱体からもしくは吸熱体への伝熱を良好にする放熱フィンに関し、伝熱性能の向上を図ることができる放熱フィン、更にはかかる放熱フィンを搭載するに適したヒートシンク、熱電変換等のモジュールに関する。

近年、装置や機器の高性能化、小型化が進み、それに伴い、装置や機器の発熱密度が増大している。装置や機器内の半導体デバイス等の素子は、一般に所定の温度を超えるとその性能の維持を図れなくなる。それだけではなく、場合によっては破損することもある。このため、冷却等による温度管理が必要とされ、処理性能の向上に伴い発熱量の増大する半導体デバイス等の素子を効率的に冷却する技術が強く求められている。

素子を冷却する技術としては、例えば特許文献１がある。特許文献１では、冷却器は、複数の気孔を有する基体部と、基体部を囲むように形成されている筐体と、筐体の内部に冷媒を流すための冷却管とを備え、筐体は鉛直方向の下側の面に発熱体が接触する接触部を有し、基体部は気孔率が鉛直方向の下部よりも上部の方が大きくなるように形成されており、冷却管は供給管および排出管を含み、供給管および排出管は筐体の下部に接続されている。

特開２００８−２９４２９５号公報

このような技術背景において、半導体デバイス等の素子を効率よく冷却する方法として、半導体デバイス等の素子に拡大伝熱面であるヒートシンクを搭載することが行われている。このヒートシンクに冷却媒体である空気や水等を流して、半導体デバイス等の素子を除熱したり、加熱したりする。ヒートシンクの製法として、放熱フィンとベース部をロウ付け接合するのが一般的である。

上述の特許文献１において、一方向への気孔率の変化に関する記載のみであり、多孔質金属部材の中心付近や各端面の穴の密度の比較がない。したがって、特許文献では、多孔質金属と平滑板のロウ付け処理を良好にできることが記載されておらず、さらに多孔質金属の端面から冷媒流体がバイパスして、多孔質金属から流出することに関して何ら配慮されていない。

このため、多孔質金属部材中を流れる熱伝導媒体の流れを阻害する可能性があり、ヒートシンクとしての熱交換性能の更なる向上を図ることが難しい、との問題があった。

本発明は、放熱フィンと平滑板の接合を良好にすることができ、伝熱性能の向上を図ることができる放熱フィン、更にはかかる放熱フィンを搭載するに適したヒートシンクや熱電変換等のモジュールに関する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、金属の微細線材が占める部分と、前記微細線材の線間に形成された複数の孔が占める部分とを含んで成り、６つの端面を有する六面体形状の多孔質金属の構造を有する放熱フィンであって、前記６つの端面のうち、前記放熱フィンを他の部材と接合するための第１端面の孔密度は、前記６つの端面のうちの前記多孔質金属内を通過する流体の入り口となる第２端面の孔密度および前記流体の出口となる第３端面の孔密度より低く、前記第１端面と平行な前記多孔質金属内の任意の断面の孔密度より低く、前記残る他の３つの端面の孔密度は、前記第２端面および前記第３端面の孔密度より低く、かつ各々の端面と平行な前記多孔質金属内の任意の断面の孔密度より低いことを特徴とする。

本発明によれば、放熱フィンと平滑板の接合を良好にすることができ、伝熱性能の向上を図ることができる。

本発明の一実施の形態である多孔質金属からなる放熱フィンの斜視図である。 本発明の一実施の形態である図１の多孔質金属からなる放熱フィンのＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施の形態である上記多孔質金属からなる放熱フィンの切断面の断面図である。 本発明の一実施の形態になる多孔質金属からなる放熱フィンを平滑板に接合した際のヒートシンクの斜視図である。 本発明の他の実施例である多孔質金属からなる放熱フィンを扁平管に接合した際の熱交換器の斜視図である。 本発明の一実施例である熱電変換モジュールに多孔質金属からなる放熱フィンを平滑板に接合した際のヒートシンクを搭載した斜視図である。 本発明の他の実施例である熱電変換モジュールに多孔質金属からなる放熱フィンを平滑板に接合した際のヒートシンクを搭載した冷媒が流れる面を示す概略断面図である。 本発明の実施形態におけるヒートシンクの微細線材分の一部断面の他の一例を示す図である。 本発明の一実施例である多孔質金属からなる放熱フィンの切断面の気孔率と切断刃物の回転速度の関係を示す図である。 本発明の一実施例である多孔質金属からなる放熱フィンの切断面の気孔率と多孔質金属の送り速度の関係を示す図である。

本発明の多孔質金属を用いた放熱フィンおよびそれを搭載したヒートシンク、モジュールの実施形態を、図１乃至図１０を用いて説明する。

まず、本発明の一実施の形態である多孔質金属から放熱フィンについて図１を参照して説明する。

図１において、放熱フィン２３では、所定のヒートシンクの形状、熱交換器の形状とするために、多孔質金属２２内を通過する流体３０の入り口となる第２端面１４１と、流体３０の出口となる第３端面１４２とが、六面体形状の対抗する面となっている。また、残る４つの端面のうちの一つの端面が他の部材と接合するための端面となる第１端面１４０であり、残る他の３つの端面１４３のうちの一つの端面と対面となっている。

また、本発明の一実施の形態である図１の多孔質金属からなる放熱フィンのＡ−Ａ断面を図２に示す。

図２に示すように、放熱フィン２３は、放熱フィン２３に流入する空気や液などの流体３０と熱のやり取りを行い、温度が上昇もしくは低下した流体３０が外部へ流出するよう、金属の微細線材２０が占める部分と、微細線材２０の線間に形成された空洞部２１が占める部分とを含んでいる、６つの端面を有する六面体形状の多孔質金属２２の構造を有している。これにより、熱の伝わる部分は微細線材２０を通じて伝熱する。この微細線材２０の表面である空洞部２１の部分を流体３０が流れる。微細線材２０の温度より流体３０の温度が高い場合には、微細線材２０から流体３０へ熱が伝わる。一方、微細線材２０の温度より流体３０の温度が低い場合には、流体３０から微細線材２０へ熱が伝わる。これにより、微細線材２０と流体３０の間の熱伝達を行うことができる。この断面図の４辺は第１端面１４０および残る他の３つの端面１４３である。この放熱フィン２３の内部は、高い気孔率を有する。例えば９５％程度である。

次に、本発明の一実施の形態である上記多孔質金属からなる放熱フィンの第１端面１４０や残る他の３つの端面１４３の一例を図３に示す。

図３に示すように、放熱フィン２３の端面となる第１端面１４０や残る他の３つの端面１４３は、図２で示した内部よりも低い気孔率である。孔として空いている箇所から、金属で構成された微細線材２０の部分と空洞部２１の部分とから成る多孔質金属２２が見える。なお、第２端面１４１や第３端面１４２は、図２に示すような面となっている。

これら図２および図３に示すように、六面体形状の多孔質金属２２の６つの端面のうち、第１端面１４０における端面の面積に対する空洞部２１が占める割合である孔密度は、第２端面１４１の孔密度や第３端面１４２の孔密度より低くなっている。また、第１端面１４０の孔密度は、第１端面１４０と平行な多孔質金属２２内の任意の断面の孔密度、すなわち多孔質金属２２内部の孔密度より低くなっている。

また、残る他の３つの端面１４３の孔密度についても、第２端面１４１および第３端面１４２の孔密度より低くなっている。また、これら残る他の３つの端面１４３の孔密度は、各々の端面と平行な多孔質金属２２内の任意の断面の孔密度、すなわち多孔質金属２２内部の孔密度より低くなっている。

なお、第１端面１４０と残る他の３つの端面１４３の孔密度とは同じ程度であるが、特にいずれかの端面が低いほうが良い、ということはない。

このため、孔密度の低い第１端面１４０や残る他の３つの端面１４３から流体３０が流出する可能性が低く、第２端面１４１から第３端面１４２へと流体３０が流れるようになっている。よって放熱フィン２３からバイパスする無駄な流体流れを防止でき、良好な伝熱性能を有するものとすることができる。

次に、本発明の実施例である多孔質金属からなる放熱フィンを平滑板に接合した際のヒートシンクの一例を図４に示す。

ヒートシンク４０は、ベースである平滑板１０と多孔質金属からなる放熱フィン２３で定義、構成される。

このうち、多孔質金属からなる放熱フィン２３は、図１に示した放熱フィンであり、６つの端面を有する六面体形状であり、平滑板１０と接合されている第１端面１４０および残る他の３つの端面１４３には塑性変形を伴う加工が施されている。

詳しくは後述するが、これら４つの端面には、塑性変形を伴う加工として、例えば、ワイヤーソーにより、端面を切断する加工がなされている。この面のワイヤーソーの回転速度を変化させることや、多孔質金属の放熱フィン２３の送り速度を変化させることで、切断面やその近傍の気孔率が低くなっている。他の塑性変形を伴う加工方法としては、多孔質金属の放熱フィン２３を回転するロールを通すロール製法により多孔質金属の放熱フィン２３のロールと接する面を加圧することで、このロールと接する面とその近傍の気孔率が低くなっている。さらに、他の塑性変形を伴う加工方法としては、ハンマ等で多孔質金属の放熱フィン２３の面を押圧することで、ハンマ等で多孔質金属の放熱フィン２３の面やその近傍の気孔率が低下している。

また、本発明の他の実施例である多孔質金属からなる放熱フィンを扁平管に接合した際の熱交換器の概略を図５に示す。

図５において、熱交換器１６０は、放熱フィン２３、扁平管８０、ヘッダ９０Ａ，９０Ｂで構成される。

ヘッダ９０Ａには液流体１００が流入する管９２Ａが設けられており、ヘッダ９０Ｂには液流体１００が流出する管９２Ｂが設けられている。

複数本の扁平管８０は、ヘッダ９０Ａ内に流入した液流体１００が各々の扁平管８０内を均等に流れてヘッダ９０Ｂから流出するよう、ヘッダ９０Ａ，９０Ｂにロウ付けで取り付けられている。

また、複数本の扁平管８０の間には、放熱フィン２３のうち、第１端面１４０および残る他の３つの端面１４３のうち第１端面１４０に対向する端面が２本の扁平管８０にサンドイッチされるようロウ付けで各々取り付けられている。各々の放熱フィン２３は、残る他の３つの端面１４３の内２つの端面がヘッダ９０Ａ，９０Ｂにロウ付けで各々取り付けられている。

図５に示すような熱交換器１６０では、上記管９２Ａからヘッダ９０Ａ内に流入した液流体１００はヘッダ９０Ａ内で貯められ、複数本の扁平管８０の内部にほぼ均等な量だけ流れ、ヘッダ９０Ｂに貯められ、このヘッダ９０Ｂに設けられた流出用の管９２Ｂから流出する。この液流体１００は単層液流体、相変化を伴う蒸気、液の二層流体、どちらでもよい。また、放熱フィン２３の第２端面１４１に空気流体１１０が流れ、その対面である第３端面１４２から流出する。上記により、熱交換器１６０で流入する温かい空気流体１１０の熱を冷たい液流体１００に伝熱、または流入する温かい液流体１００の熱を冷たい空気流体１１０に伝熱することができる。

ここで、第１端面１４０や残る他の３つの端面１４３は第２端面１４１および第３端面１４２の孔密度より低く、また内部より孔密度が低いため、ロウが多孔質金属２２の内部まで侵入することが抑制されており、空気流体１１０の流れが阻害されず、良好な伝熱性能を有している。

さらに、図６に、本発明の他の実施例である、多孔質金属２２を用いた放熱フィン２３のヒートシンク４０を、熱電変換モジュール５０に搭載した実施形態を示す。

図６において、熱電変換モジュール５０は、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換するモジュールである。Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子が配置されており、その両端に温度差を生じさせると、電流が流れる仕組みである。この熱電変換モジュール５０の一面には、上記の多孔質金属２２を用いた放熱フィン２３のヒートシンク４０が、熱伝導グリス６０等の伝熱エラストマを介して取り付けられている。熱電変換モジュール５０のもう一面には、水冷システムの水冷ジャケット等の冷温源７０が取り付けられている。

例えば、自動車等から発生する高温の排気ガスと、自動車等のラジエータ水冷システムの低温部を利用することで、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。自動車等から発生する高温の排気ガス側に多孔質金属２２を用いた放熱フィン２３のヒートシンク４０を、自動車等のラジエータ水冷システムの低温部側に冷温源７０を取り付けることで、冷却システムを構成できる。

この熱電変換モジュール５０に多孔質金属２２からなる放熱フィン２３を平滑板１０に接合した際のヒートシンク４０を搭載した場合の冷媒が流れる面を図７に示す。

図２の場合と同様、図７に示す放熱フィン２３は、金属で構成された微細線材２０の部分と空洞部２１の部分とから成る多孔質金属２２の構造である。これにより、熱の伝わる部分は微細線材２０を通じて伝熱する。この微細線材２０の表面である空洞部２１の部分を流体が流れる。微細線材２０の温度より流体の温度が高い場合には、微細線材２０から流体へ、熱が伝わる。一方、微細線材２０の温度より流体の温度が低い場合には、流体から微細線材２０へ、熱が伝わる。これにより、微細線材２０と流体の間の熱伝達が行える。この断面図の４辺は切断によって形成された端面である。この放熱フィン２３の内部は、高い気孔率を有する。例えば９５％程度である。

熱電変換モジュール５０では、多孔質金属２２を用いた放熱フィン２３のヒートシンク４０を熱電変換モジュール５０の一面に熱伝導グリス６０等の伝熱エラストマを介して取り付けられている。自動車等から発生する高温の排気ガス側に多孔質金属２２を用いた放熱フィン２３のヒートシンク４０を、自動車等のラジエータ水冷システムの低温部側に冷温源７０を取り付けることで、冷却システムを構成できる。

これにより、多孔質金属２２のからなる放熱フィン２３の端面（残る他の３つの端面１４３）からバイパスして多孔質金属２２の外部へ流出する冷媒流体の流れを防止することができる。これにより、無駄な冷媒流体がなくなり、多孔質金属２２を用いたヒートシンク４０およびそれを搭載した熱電変換モジュール５０の高性能化を図ることができる。

図８に図１のＡ−Ａ断面の更に他の形態の一例を示す。図８においても、空洞部２１を省略して微細線材２０のみを記載している。

図８において、微細線材２０は碁盤配列である。図８においては、微細線材２０の内部に空間部２０１を有しているところである。これは、多孔質金属２２を形成するための加熱工程時に、基体の樹脂が消失し、そこが金属によって穴埋めされずに空間部２０１になったものである。

この空間部２０１には液体状の冷媒が注入され、封止されていてもよい。この冷媒の封入により、液冷媒の相変化による熱伝導効率がさらに向上し、伝熱性能を更に良好にすることができる。

次に、放熱フィンおよびヒートシンクの製造方法について以下説明する。

まず、放熱フィンとなる多孔質金属の製造方法について説明する。

［基体］
基体は、三次元状に連結する骨格を有し、その骨格により三次元状に連結する気孔が形成される三次元網目状構造体を用いる。この基体は骨格表面にアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を付着させて担持するものであり、加熱されて分解、消失すべきものであることから、樹脂により構成される。

具体的には、基体としてポリウレタンフォームが最も一般的に用いられるが、他にシリコーン樹脂、ポリエステル樹脂のフォームなどを用いることができる。

［金属粉末］
基体の樹脂骨格に付着させる粉末は、熱伝導率および比重のバランスを考慮し、アルミニウム粉末を用いる。

なお、アルミニウム粉末に替えて、アルミニウムを強化する成分を予め合金化したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。たとえば、ＡｌにＣｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等の合金化元素を予合金化したアルミニウム合金粉末を用いた場合は、アルミニウム系多孔質体の骨格がアルミニウム合金で形成され、アルミニウム系多孔質体の強度を向上させることができる。ＡｌにＣｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等の合金化元素を添加することにより、熱伝導率はＡｌ単体の場合よりも低下するが、ベース金属がＡｌであるため、充分に高い熱伝導率を維持することができる。

アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末は、一般的なもの、すなわち表面に１０Å程度の酸化被膜（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）を有するものを用いる。

基体の樹脂骨格に付着させるアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、細い基体の樹脂骨格表面に密に付着できることから微細なものが好ましい。粉末が大きくなると基体の樹脂骨格表面に密に付着させることが難しくなるとともに、粉末の質量が増加することにより、基体の樹脂骨格表面に付着し難くなったり、脱落し易くなったりする。この観点からアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、平均粒径が５０μｍ以下のものを用いることが好ましい。さらに、平均粒径が５０μｍ以下であるとともに、粒径が１００μｍを超える粉末を含まないものであることが好ましい。ただし、Ａｌは活性な金属であるため、あまりに微細な粉末は取扱いが難しくなる。この観点からアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、平均粒径が１μｍ以上のものを用いることが好ましい。

なお、アルミニウム合金とは、アルミニウムを主成分とする合金の総称であり、工業用アルミニウムに種々の元素が添加された金属のことである。

また、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末を用いる場合について説明したが、基体の樹脂骨格に付着させる粉末はアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末に限られず、様々な種類の金属粉末、例えば銅等の金属粉末を用いることができる。

［付着工程］
基体の樹脂骨格へアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を付着させるにあたっては、従来から行われている各種方法を適用することができる。以下に代表的な方法を記載する。

（１）湿式法
アルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を分散媒中に分散させた分散液を作製し、この分散液中に基体を浸漬した後、基体を乾燥させる方法がある。分散媒としては、アルコール等の揮発性を有する液体や水を溶媒とし、これに結着剤を溶解した液を用いることができる。この場合、粉末が沈降しないよう分散媒に分散剤を添加してもよい。また、分散媒としては、フェノール樹脂等の高分子有機物の溶液を用いてもよい。

（２）乾式法
基体表面にアクリル系、ゴム系等の粘着剤溶液またはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂等接着性の樹脂溶液を塗布することにより粘着性を付与し、粉体中で基体を揺動させるか、あるいは基体に粉体をスプレイする等の方法により、骨格表面に粉体を被着させる方法がある。

［加熱工程］
骨格表面にアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末を付着させた基体を、非酸化性雰囲気中で、アルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末の融点以上に加熱する。この融点までの昇温過程で樹脂製の基体は分解し除去されて消失する。

加熱温度がアルミニウム（融点：６６０．４℃）もしくはアルミニウム合金の融点を超えると、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末が内部で溶融する。すなわち、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の表面は酸化被膜（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）で覆われており、アルミナの融点は２０７２℃と高いためアルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の表面の酸化被膜が溶融せず、これらの粉末の内部が溶融する。このようにして内部で溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金は、粉末の表面の酸化被膜を破って粉末表面に濡れて覆うとともに、各粉末から発生した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が混ざり合い結合する。このとき粉末表面に形成されていた酸化被膜が代用骨格となり、骨格の形状を維持するとともに、互いに結合した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金の表面張力により骨格表面は比較的滑らかとなりネック部が消失して連続する金属表面となる。

なお、加熱温度がアルミニウム若しくはアルミニウム合金の融点未満の場合には、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末の表面に形成された強固な酸化被膜がバリヤとなって、アルミニウム粉末同士、またはアルミニウム合金粉末同士の拡散による接合を阻害して焼結がなかなか進行しないため、加熱温度はアルミニウム若しくはアルミニウム合金の融点以上とすることが好ましい。

また、加熱温度は基体に付着させたアルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の融点を超える温度であれば粉末を溶融できるが、融点を大きく超える温度で加熱するとその分余分なエネルギーが必要となるとともに、溶融したアルミニウムもしくはアルミニウム合金の粘度が低下して型崩れが生じ易くなることから、加熱温度は融点＋１００℃までとすることが好ましい。

また、加熱工程における雰囲気が大気等の酸化性の雰囲気であると、粉末表面の酸化被膜を破って露出した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が直ちに酸化され、粉末表面に濡れて覆ったり各粉末から発生した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が混ざり合うことが阻止され、粉末同士の結合が阻害される危険性がある。このため、加熱工程における雰囲気は窒素ガス、不活性ガス等の非酸化性の雰囲気とすることが望ましい。なお、上記の加熱工程は、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の表面の酸化被膜を除去することは目的ではないため、水素ガスもしくは水素混合ガス等の還元性の雰囲気である必要はないが、還元性の雰囲気は非酸化性の雰囲気であるため、還元性の雰囲気としてもよい。また、圧力が１０^−３Ｐａ以下の減圧雰囲気（真空雰囲気）としてもよい。

上記の製造方法によって製造したアルミニウム系多孔質体の三次元網目状構造は、樹脂製基体の三次元網目状構造がそのまま維持されたものとなる。したがって、樹脂製基体の三次元網目状構造を変更することで、アルミニウム系多孔質体の三次元網目状構造を変更することができ、アルミニウム系多孔質体全体の気孔率、気孔の大きさを所望のものに調整することが可能である。具体的には、気孔率は８５〜９５％のものとすることができ、気孔の大きさは３０〜４０００μｍのものとすることができ、６〜８０ｐｐｉ（セル数／２５．４ｍｍ）の多孔質体を容易に製造することができる。

なお、アルミニウム合金によりアルミニウム系多孔質体を構成する場合において、原料粉末としてＡｌと共晶液相を発生する成分（Ｃｕ、Ｍｇ等）を単味粉末あるいはアルミニウム合金粉末として、アルミニウム粉末に添加したアルミニウム系混合粉末を用い、三次元網目状構造を有する樹脂製の基体の表面にアルミニウム系混合粉末を付着させ、共晶液相が発生する温度で焼結を行う方法が考えられるが、この方法では、アルミニウム系多孔質体中の成分元素の分布が不均一となるとともに、骨格内部にアルミニウムの酸化物が分散せず、所望の強度を得ることが難しい。

これに対して、上述のように予め成分元素をＡｌ中に合金化させたアルミニウム予合金粉末を用いることにより、アルミニウム系多孔質体中の成分元素の分布が均一となる。また、製法に起因するアルミニウムの酸化物が骨格内部に分散する。このため、アルミニウム系混合粉末を用いて共晶液相により焼結する方法に比して、高い強度を得ることができる。

［後加工工程］
作製した多孔質金属を使用用途に応じて切断などの後加工を行う。

後加工の一例としては、多孔質金属を複数の六面体形状の多孔質金属とするための切断工程がある。

この切断工程は、例えば、塑性変形を伴う加工を行う。具体的には、ワイヤーソーを用いて、六面体のうち４つの端面（第１端面１４０となる端面、および残る他の３つの端面１４３となる３つの端面）を切断面によって形成するよう、基となる多孔質金属から放熱フィンに適した大きさに切り出す工程が挙げられる。

この際の多孔質金属からなる放熱フィンの切断面の気孔率と切断刃物の回転速度の関係を図９に示す。

図９に示すように、ワイヤーソー等による切断加工を行なった場合、ワイヤーソーの回転速度１２０が高くなることで、切断面で多孔質金属の切断による垂れが生じ、多孔質金属同士が重なる。これにより、切断面での気孔率１５０が低下し、図３で示した断面のように形成される。

次に、本発明の一実施例である多孔質金属からなる放熱フィンの切断面の気孔率と多孔質金属の送り速度の関係を図１０に示す。

図１０に示すように、多孔質金属からなる放熱フィンの切断時の送り速度１３０を増すと、切断面で多孔質金属の切断による垂れが生じ、多孔質金属同士が重なる。これにより、切断面での気孔率１５０が低下し、図３で示した断面のように形成される。

上述の図９および図１０で示した切断方法により、切断面の気孔率を低くすることができる。これにより、平滑板や扁平管とのロウ付け接合時にロウが放熱フィン内部への流入を防止することができる。また、この切断面から流体が流出することが抑制されて無駄な冷媒流体がなくなり、多孔質金属を用いたヒートシンクの高性能化を図ることができる。

この後加工工程の塑性変形を伴う加工の他の方法として、多孔質金属の放熱フィン２３を回転するロールを通すロール製法により、多孔質金属の放熱フィン２３のロールと接する面を加圧する方法が挙げられる。この際、六面体のうち４つの端面（第１端面１４０となる端面、残る他の３つの端面１４３となる３つの端面）をロールによって加圧する。このロール製法によっても、このロールと接する面やその近傍の気孔率を低くさせることができる。

さらに、他の後加工工程の塑性変形を伴う加工方法として、ハンマ等で多孔質金属の放熱フィン２３の第１端面１４０となる端面、残る他の３つの端面１４３となる３つの端面を押圧する方法が挙げられる。この方法によっても、多孔質金属の放熱フィン２３の面やその近傍の気孔率を低下させることができる。

また、上記の塑性変形を伴う加工方法によらない他の方法として、レーザー照射が挙げられる。この場合、レーザー照射により多孔質金属の放熱フィン２３の面の微細線材を加熱し、溶融もしくは軟化させることにより微細線材同士を重ならせることができる。この方法によっても、多孔質金属の放熱フィン２３の面やその近傍の気孔率を低下させることができる。

［ヒートシンク加工工程］
作製した多孔質金属２２からなる放熱フィン２３を図４に示すようなヒートシンク４０として用いる場合には、放熱フィン２３の第１端面１４０と平滑板１０とをロウ付けする。これにより、放熱フィン２３の第１端面１４０とベースである平滑板１０とが接合し、伝熱効率の高いヒートシンク４０が得られる。これにより、ヒートシンク４０を、発熱体等のモジュールにねじや接着剤等で容易に固定でき、モジュールの熱を除熱したり、モジュールに熱を伝えたりすることができる。

平滑板１０のモジュール側の面は、場合によってはモジュール側を研削，研磨などの方法で平滑にする工程を追加して実施してもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。

上記本実施形態の構成によって、多孔質金属を用いたヒートシンクおよびそれを搭載したモジュールは、ヒートシンクの放熱フィンに多孔質金属を用いて、多孔質金属を切断する時に、切断刃物の回転速度を上昇させたり、多孔質金属の送り速度を上昇させたり、更には他の様々な後加工を施すことで、多孔質金属の端面のうち第１端面１４０に垂れが生じており、気孔率が低下している。そのため、ベースである平滑板１０と多孔質金属２２を接合する際に、この気孔率が小さい第１端面１４０に平滑板１０が取付けられて、多孔質金属２２とベースとなる平滑板１０とが一体化する。これらにより、ロウ付け時のロウが多孔質金属内部に流れ込むことを防止でき、半導体デバイス等の素子からヒートシンク、またはその逆のヒートシンクから半導体デバイス等の素子に熱を良好に伝えることができる。

さらに、多孔質金属の残る他の３つの端面１４３付近での気孔率が、多孔質金属２２の内部より小さく、かつ流体の入り口、出口となる端面１４１，１４２より小さいできることで、空気、水等の冷媒流体を流す際に、多孔質金属の残る他の３つの端面１４３からバイパスして多孔質金属２２の外部へ流出する冷媒流体の流れを防止することができる。これにより、無駄な冷媒流体がなくなり、多孔質金属２２を用いたヒートシンクおよびそれを搭載したモジュールの高性能化を図ることができる。また、これら残る他の３つの端面１４３と他の部材と接着する際も、多孔質金属２２内部に接着剤が流れ込まず、良好な接合面が得られる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

例えば、モジュールとして熱電変換モジュールを例示したが、モジュールは熱交換を必要とする一般的な電子部品とすることができる。また、本発明の放熱フィンは、空調機等の熱交換器にも用いることができる。

また、微細線材２０内を通過する流体の入り口となる第２端面と流体の出口となる第３端面とが対向する面である場合について説明したが、第２端面と第３端面とは対抗する面である形態に限られず、ヒートシンクを設置する場所の周囲の状況に応じて冷媒を流す方向に応じて適宜第１端面以外の端面を第２端面、第３端面とすることができる。

１０…平滑板、
２０…微細線材、
２１…空洞部、
２２…多孔質金属、
２３…放熱フィン、
３０…流体、
４０…ヒートシンク、
５０…熱電変換モジュール、
６０…熱伝導グリス、
７０…冷温源、
８０…扁平管、
９０…ヘッダ、
１００…液流体、
１１０…空気流体、
１２０…回転速度、
１３０…送り速度、
１４０…第１端面、
１４１…第２端面、
１４２…第３端面、
１４３…残る他の３つの端面、
１５０…気孔率、
１６０…熱交換器。

Claims (11)

1. 金属の微細線材が占める部分と、前記微細線材の線間に形成された複数の孔が占める部分とを含んで成り、６つの端面を有する六面体形状の多孔質金属の構造を有する放熱フィンであって、
   前記６つの端面のうち、前記放熱フィンを他の部材と接合するための第１端面の孔密度は、前記６つの端面のうちの前記多孔質金属内を通過する流体の入り口となる第２端面の孔密度および前記流体の出口となる第３端面の孔密度より低く、前記第１端面と平行な前記多孔質金属内の任意の断面の孔密度より低く、残る他の３つの端面の孔密度は、前記第２端面および前記第３端面の孔密度より低く、かつ各々の端面と平行な前記多孔質金属内の任意の断面の孔密度より低い
   ことを特徴とする放熱フィン。
2. 請求項１に記載の放熱フィンにおいて、
   前記第２端面と前記第３端面とは、六面体形状の対抗する面である
   ことを特徴とする放熱フィン。
3. 請求項１に記載の放熱フィンにおいて、
   前記微細線材は、その内部に空間部を有する
   ことを特徴とする放熱フィン。
4. 請求項１に記載の放熱フィンにおいて、
   前記微細線材は、アルミニウム、アルミニウム合金または銅から構成された
   ことを特徴とする放熱フィン。
5. 請求項１に記載の放熱フィンにおいて、
   前記第１端面および前記残る他の３つの端面は、塑性変形を伴う加工により微細線材同士が重なるように形成された
   ことを特徴とする放熱フィン。
6. 請求項５に記載の放熱フィンにおいて、
   前記第１端面および前記残る他の３つの端面は、塑性変形を伴う加工としてワイヤーソーにより切断されることで微細線材同士が重なるように形成された
   ことを特徴とする放熱フィン。
7. 請求項５に記載の放熱フィンにおいて、
   前記第１端面および前記残る他の３つの端面は、塑性変形を伴う加工として回転するロールを通すロール製法により微細線材同士が重なるように形成された
   ことを特徴とする放熱フィン。
8. 請求項５に記載の放熱フィンにおいて、
   前記第１端面および前記残る他の３つの端面は、塑性変形を伴う加工として押圧部材で押圧されたことにより微細線材同士が重なるように形成された
   ことを特徴とする放熱フィン。
9. 請求項１に記載の放熱フィンにおいて、
   前記第１端面および前記残る他の３つの端面は、レーザー照射により微細線材同士が重なるように形成された
   ことを特徴とする放熱フィン。
10. 金属で構成された平滑板と、
    請求項１に記載の放熱フィンとを備え、
    前記平滑板に対して前記放熱フィンの前記第１端面が接合されている
    ことを特徴とするヒートシンク。
11. 請求項１０に記載のヒートシンクを搭載したことを特徴とするモジュール。

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