JP6734594B2 - ヒートシンク及び該ヒートシンクの製造方法並びに該ヒートシンクを用いた電子部品パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、電子部品等の熱を放熱するようにしたヒートシンク及び該ヒートシンクの製造方法並びに該ヒートシンクを用いた電子部品パッケージに関するものである。

従来、この種の発明には、例えば引用文献１の図１０及び図１１に記載されるように、上下のパンチ、上型及び下型等を備えた鍛造装置を用いて、平板上の基板に、その厚み方向の一方へ突出するように、有底筒状の凸部を多数形成してなる鍛造成形物がある。
この従来技術によれば、上下のパンチ間を狭めながら上型及び下型を同方向へ移動する独特の工法により、比較的薄肉で突出量の大きい有底筒状の凸部を形成することができ、電子部品用のヒートシンクとして用いるのに好適である。

特開２０１４−２２３６４７号公報

ところで、前記従来技術の鍛造成形物を電子部品用のヒートシンクに用いる場合には、電子部品の熱をなるべく早く伝達して放熱するために、該鍛造成形物を熱伝導率の高い金属材料（例えば、銅等）によって形成するのが好ましい。
しかしながら、このような金属材料は、一般的に、熱伝導率の低い金属材料（例えば、アルミニウム等）に比較して重量単価が高価である。

このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
電子部品に接触させるための電子部品接触面を有する伝熱金属部と、該伝熱金属部における前記電子部品接触面以外の部分に面接触するとともにこの接触面以外の部分を露出した放熱金属部とを一体的に備え、前記伝熱金属部が、前記放熱金属部よりも熱伝導率の高い金属材料によって形成されているヒートシンクであって、板状の基部と、該基部から厚み方向へ突出した筒状の放熱部とを有し、これら基部及び放熱部が、前記放熱金属部と前記伝熱金属部とからなる二層状に構成されていることを特徴とするヒートシンク。
また、本発明の他例としては、以下の構成を具備する。
電子部品に接触させるための電子部品接触面を有する伝熱金属部と、該伝熱金属部における前記電子部品接触面以外の部分に面接触するとともにこの接触面以外の部分を露出した放熱金属部とを一体的に備え、前記伝熱金属部が、前記放熱金属部よりも熱伝導率の高い金属材料によって形成されているヒートシンクであって、前記放熱金属部は、一方側の面を前記伝熱金属部に接した板状の基部と、前記基部の他方側の面から突出してその突端側を開口した筒状の放熱部とを有し、前記放熱部内の空間は、前記基部を厚み方向へ貫通して前記伝熱金属部を部分的に外部に露出していることを特徴とするヒートシンク。

本発明は、以上説明したように構成されているので、熱伝導率の高い金属材料の量を節約して、熱伝導性を向上することができる。

本発明に係るヒートシンク及び電子部品パッケージの一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 同ヒートシンク及び電子部品パッケージの製造工程を示す断面図であり、（ａ）は平板状素材の所定箇所を塑性加工した状態、（ｂ）は鍔部を除去して放熱金属部を残した状態、（ｃ）は放熱金属部に伝熱金属部を嵌め合せようとしている状態、（ｄ）は電子部品にヒートシンクを装着した状態を示す。 本発明に係るヒートシンク及び電子部品パッケージの他例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 同ヒートシンク及び電子部品パッケージの製造工程を示す断面図であり、（ａ）は平板状素材の所定箇所を塑性加工した状態、（ｂ）は鍔部を除去して放熱金属部を残した状態、（ｃ）は放熱金属部に伝熱金属部を嵌め合せようとしている状態、（ｄ）は電子部品にヒートシンクを装着した状態を示す。 本発明に係るヒートシンク及び電子部品パッケージの他例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 同ヒートシンクの製造工程を示す断面図であり、（ａ）は二種類の板状素材を重ね合せようとしている状態、（ｂ）は二種類の板状素材を上下の成形型及びパンチにより挟んだ状態、（ｃ）は上下の成形型及びパンチにより放熱部を塑性加工した状態を示す。

本実施の形態のヒートシンクについて、第１の特徴は、電子部品に接触させるための電子部品接触面を有する伝熱金属部と、該伝熱金属部における前記電子部品接触面以外の部分に面接触するとともにこの接触面以外の部分を露出した放熱金属部とを一体的に備え、前記伝熱金属部が、前記放熱金属部よりも熱伝導率の高い金属材料によって形成されている（図１〜図６参照）。

第２の特徴は、前記放熱金属部における露出部分に、複数の放熱部が突出している（図１及び図５参照）。

第３の特徴として、前記放熱金属部は、前記伝熱金属部との接触面側に凹部を有し、この凹部内に前記伝熱金属部を嵌め合せている（図２及び図４参照）。

第４の特徴は、ヒートシンクの製造方法であって、前記放熱金属部における前記凹部を塑性加工により形成し、前記凹部内に、前記凹部内面と略同形状の前記伝熱金属部を嵌め合せるようにした（図２及び図４参照）。

第５の特徴は、ヒートシンクであって、板状の基部と、該基部から厚み方向へ突出した筒状の放熱部とを有し、これら基部及び放熱部が、前記放熱金属部と前記伝熱金属部とからなる二層状に構成されている（図５及び図６参照）。

第６の特徴は、ヒートシンクの製造方法であって、前記放熱金属部用の第１の板状素材と、前記伝熱金属部用の第２の板状素材とを圧着せずに重ね合わせ、これら二枚の板状素材の一部分に、厚み方向への塑性加工を施すことで、その塑性変形部分を前記放熱部とし、他の部分を前記基部とする（図６参照）。

第７の特徴は、前記塑性加工では、円筒状の内周面を有する成形型と、角筒状の外周面を有するパンチとが用いられ、前記成形型の内周面と前記パンチの外周面との間で、前記放熱部の周壁部を形成する（図６参照）。

第８の特徴は、前記電子部品接触面に電子部品を接触させて電子部品パッケージを構成した（図１、図２，図４及び図５参照）。

＜第１の実施態様＞
次に、上記特徴を有する具体的な実施態様について、図面に基づいて詳細に説明する。
ヒートシンクＡは、電子部品ａに接触させるための電子部品接触面１０ａを有する伝熱金属部１０と、該伝熱金属部１０における電子部品接触面１０ａ以外の部分に面接触するとともにこの接触面以外の部分を露出した放熱金属部２０とを一体的に備え、伝熱金属部１０が、放熱金属部２０よりも熱伝導率の高い金属材料によって形成されている（図１〜図２参照）。

伝熱金属部１０は、板状の部品であり、図示例によれば、矩形平板状に形成されている。
この伝熱金属部１０を構成する金属材料は、放熱金属部２０よりも熱伝導率が高いものであればよく、例えば、銅、又は銅を主成分に含む合金を用いる。
本実施態様によれば、伝熱金属部１０の熱伝導率は、３８６〜４０２W/(m・K)である。

放熱金属部２０は、板状の基部２１と、基部２１における伝熱金属部１０との接触面側に設けられた凹部２２と、基部２１から厚み方向の一方へ突出するとともに他方側を開口した筒状の放熱部２３とを有する。
この放熱金属部２０を構成する金属材料は、伝熱金属部１０よりも熱伝導率が低いものであり、例えば、アルミニウム、又はアルミニウムを主成分に含む合金を用いる。
本実施態様によれば、放熱金属部２０の熱伝導率は、１５０〜２３０W/(m・K)である。

基部２１は、矩形平板状の部位であり、その厚み方向の一方側の面を外気に露出し、その他方側である伝熱金属部１０との接触面側に凹部２２を形成している。
凹部２２は、平面視矩形状且つ断面略凹状に形成され、その底面（図２によれば上面）の略全面を、伝熱金属部１０との接触面としている。

放熱部２３は、基部２１の露出側の面に、ＸＹ方向へ所定の間隔を置いて複数設けられる（図１（ａ）参照）。
各放熱部２３は、一端側及び他端側を開口した筒状を呈し、基部２１の露出側の面から略垂直に突出している。この放熱部２３内の空間は、基部２１を貫通している（図２参照）。

次に、ヒートシンクＡの製造方法について説明する。
伝熱金属部１０は、平板状の素材（例えば、銅板等）を、プレス加工によりカットすることで、所定寸法の矩形板状に形成される。

一方、放熱金属部２０は、伝熱金属部１０とは別の工程により形成される。
詳細に説明すれば、先ず、平板状の素材（例えば、アルミニウム合金板等）に対し、上下の金型及びパンチ等を用いた塑性加工が施されることで、凹部２２の周囲に鍔部２４を有する平面視矩形状且つ断面ハット状の部材に形成され、さらに、この部材に同様の塑性加工が施されることで、凹部２２の底壁に複数の放熱部２３が形成される。そして、ドリル加工又はプレス加工等によって、各放熱部２３の突端に、開口が形成される（図２（ａ）参照）。

この後、凹部２２周囲の鍔部２４がプレス加工等の除去加工によって除去され、その内側に、放熱金属部２０が残される（図２（ｂ）参照）

次に、図２（ｃ）に示すように、放熱金属部２０の凹部２２内に、伝熱金属部１０が嵌め合せられ、放熱金属部２０の凹部２２底面と、伝熱金属部１０の一方の面の略全面とが接触した状態で、これら伝熱金属部１０と放熱金属部２０が接続固定される。
伝熱金属部１０と放熱金属部２０を接続固定する手段は、例えば、溶着や、接着、圧入嵌合、ネジ止め等とすればよい。

そして、上記構成のヒートシンクＡは、伝熱金属部１０の電子部品接触面１０ａの略全面に、電子部品ａが接触固定されて、電子部品パッケージを構成する（図２（ｄ）参照）。なお、ヒートシンクＡを電子部品接触面１０ａに固定する手段は、接着剤を用いた接着や、ネジ止め、あるいは嵌合等とすることが可能である。

よって、上記構成のヒートシンクＡによれば、電子部品ａによる発熱を、比較的熱伝導率の高い伝熱金属部１０によって速やかに熱伝導して、放熱金属部２０へ熱伝達し、この熱を、放熱金属部２０の放熱部２３によって外気に放出することができ、良好な放熱性能を得ることができる。
しかも、このヒートシンクＡでは、ヒートシンク全体を銅等の高伝導率金属により形成した場合と比較し、材料コストを低減することができる。
また、例えば、ヒートシンク全体を銅のみによって形成さた場合は、長期使用された場合等に、銅表面の酸化により外観上の体裁を著しく低下させてしまうが、本実施態様では、露出側の放熱金属部２０にアルミニウムを含むため、酸化による見栄えの低下を防ぐことができる。

＜第２の実施態様＞
次に、本発明に係るヒートシンク及び電子部品パッケージの他の実施態様について説明する。なお、以下に示す実施態様は、上述した実施態様を一部変更したものであるため、主にその変更部分について詳述し、共通部分の説明は同一符号を用いる等して適宜省略する。

図３〜図４に示すヒートシンクＢは、先に説明したヒートシンクＡから放熱部２３を省いた構成としている。
詳細に説明すれば、ヒートシンクＢは、電子部品ａに接触させるための電子部品接触面１０ａを有する伝熱金属部１０と、該伝熱金属部１０における前記電子部品接触面１０ａ以外の部分に面接触するとともにこの接触面以外の部分を露出した放熱金属部３０とを一体的に備え、伝熱金属部１０が、放熱金属部３０よりも熱伝導率の高い金属材料によって形成されている。

放熱金属部３０は、上記放熱金属部２０から放熱部２３を省いた形状を呈し、その厚み方向の一方の面を放熱部３１とし、他方の面に凹部３２を有する。放熱部３１は、図示例によれば、凹凸や孔ない平坦状の面としている。
この放熱金属部３０は、凹部３２の底面を、伝熱金属部１０における電子部品接触面１０ａと反対側の面に略全面にわたって接触させて、該凹部３２内に伝熱金属部１０を嵌め合せている。伝熱金属部１０を放熱金属部３０に接続固定する手段は、ヒートシンクＡと同様に、溶着や接着、圧入嵌合、ネジ止め等とすることができる。

次に、ヒートシンクＢの製造方法について説明する。
伝熱金属部１０は、ヒートシンクＡと同様にして、平板状の素材（例えば、銅板等）から所定寸法の矩形板状に形成される。

一方、放熱金属部２０は、伝熱金属部１０とは別の工程により形成される。
詳細に説明すれば、先ず、平板状の素材（例えば、アルミニウム合金板等）に対し、上下の金型及びパンチ等を用いた塑性加工により、凹部３２の周囲に鍔部３４を有する平面視矩形状且つ断面ハット状の部材が形成される（図４（ａ）参照）。
そして、前記部材について、凹部３２周囲の鍔部３４がプレス加工等の除去加工によって除去され、その内側に、放熱金属部３０が残される（図４（ｂ）参照）

次に、図４（ｃ）に示すように、放熱金属部３０の凹部３２内に、伝熱金属部１０が嵌め合せられ、放熱金属部３０の凹部３２底面と、伝熱金属部１０の一方の面の略全面とが接触した状態で、これら伝熱金属部１０と放熱金属部３０が、溶着や、接着、圧入嵌合、ネジ止め等により、接続固定される。

そして、上記構成のヒートシンクＢは、伝熱金属部１０における反放熱金属部側の面である電子部品接触面１０ａに、略全面にわたって、電子部品ａが接触固定されて、電子部品パッケージを構成する。
伝熱金属部１０に電子部品ａを固定する手段は、接着やネジ止め、あるいは嵌合等とすればよい。

よって、上記構成のヒートシンクＢによれば、ヒートシンクＡと同様に、良好な放熱性能を得ることができる上、ヒートシンク全体を銅等の高伝導率金属により形成した場合と比較し、材料コストを低減することができる。
しかも、このヒートシンクＢによれば、設置状況等に応じて、平坦状の放熱部３１上に放熱フィン等を設け、より放熱効率を向上することが可能である。

＜第３の実施態様＞
図５〜図６に示すヒートシンクＣは、基部５１と、この基部５１から厚み方向の一方側（図５（ｂ）によれば上方側）へ突出した複数の筒状の放熱部５２と、他方側へ突出した複数の筒状の伝熱部５３とを有し、これら基部５１、放熱部５２及び伝熱部５３が、前記放熱金属部と前記伝熱金属部とからなる二層状に構成されている。

基部５１は、平板状を呈する部分であり、その厚み方向の一方側（図示例によれば上方側）を前記放熱金属部とし、他方側を前記伝熱金属部としている。

各放熱部５２は、筒状の周壁部５２ａと、該周壁部５２ａの突端側の底壁５２ｂとを有する有底筒状に形成される。
周壁部５２ａ及び底壁５２ｂは、外側の層が前記放熱金属部であり、内側の層が前記伝熱金属部になっている。
周壁部５２ａは、前記放熱金属部である外周面が、円筒状の面（言い換えれば、横断面円形）に形成され、前記伝熱金属部である内周面が、入隅部５２ｃを有する角筒状（図５（ａ）に示す一例によれば六角筒状）の面に形成されている。

各伝熱部５３は、円筒状の周壁部５３ａと、該周壁部５３ａの突端側の底壁５３ｂとを有し、放熱部５２と略同形状の有底筒状に形成される。
周壁部５３ａ及び底壁５３ｂは、外側の層が前記伝熱金属部であり、内側の層が前記放熱金属部になっており、底壁５３ｂの外面が、電子部品接触面になっている（図５（ｂ）参照）。
周壁部５３ａは、前記伝熱金属部である外周面が、円柱の外周面（言い換えれば、横断面円形）に形成され、前記放熱金属部である内周面が、入隅部５３ｃを有する角筒状（図５（ａ）に示す一例によれば六角筒状）の面に形成される。

前記放熱金属部は、基部５１、周壁部５２ａ、底壁５２ｂ、周壁部５３ａ及び底壁５３ｂにわたって連続している（図６（ｃ）参照）。
同様に、前記伝熱金属部も、基部５１、周壁部５２ａ、底壁５２ｂ、周壁部５３ａ及び底壁５３ｂにわたって連続している。

そして、図６（ｃ）に示すように、基部５１の厚みｔ１よりも、周壁部５２ａ，５３ａの厚みｔ２が小さくなっており、さらに、周壁部５２ａ，５３ａの厚みｔ２よりも、底壁５２ｂ，５３ｂの厚みｔ３が小さくなっている。

上記構成のヒートシンクＣは、電子部品接触面（底壁５３ｂ）を電子部品ａに接触し固定して電子部品パッケージを構成する（図５（ｂ）参照）。
ヒートシンクＣと電子部品ａを固定する手段は、例えば、接着やネジ止め、あるいは嵌合等とすればよい。

次に、ヒートシンクＣの製造方法について説明する。
先ず、上記放熱金属部になる板状素材５０ａと、上記伝熱金属部になる板状素材４０ａとが、重ね合わせられる（図６（ａ）参照）。
この際、これら板状素材５０ａと板状素材４０ａは、接着や圧着、溶接等により接合されることなく、引き離すことが可能な状態で、単に重ね合わせられる。
すなわち、放熱部５２及び伝熱部５３を加工する前の板状素材５０ａ，４０ａは、複数枚の金属製板材を重ね合わせて圧着し原子間接合したクラッド材とは異なる。

次に、前記のように重ね合わせられた二枚の板状素材５０ａ，４０ａには、円筒状の貫通孔を有する第１成形型Ｍ１と、この第１成形型Ｍ１の前記貫通孔に挿通された円柱状の第１パンチＰ１と、角筒状の貫通孔を有する第２成形型Ｍ２と、この第２成形型Ｍ２の前記貫通孔に挿通された角筒状の第２パンチＰ２とを用いて塑性加工が行われる（図６（ｂ）（ｃ）参照）。

詳細に説明すれば、先ず、重ね合わされた二枚の板状素材５０ａ，４０ａが、第１成形型Ｍ１及び第１パンチＰ１と、第２成形型Ｍ２及び第２パンチＰ２とによって挟まれる（図６（ｂ）参照）。
次に、第１パンチＰ１と第２パンチＰ２の間を狭めながら、第１成形型Ｍ１及び第２成形型Ｍ２を、基部５１の厚み方向の一方（図示例によれば下方）へ移動する（図６（ｃ）参照）
これらの工程によれば、周壁部５２ａ及び底壁５２ｂが薄く延ばされて、比較的突出量の大きな放熱部５２を形成することができる。

また、伝熱部５３についても、第１成形型Ｍ１、第２成形型Ｍ２、第１パンチＰ１及び第２パンチＰ２を、相対的に上下を逆にして用い、同様の工程によって形成される。

よって、上記構成のヒートシンクＣによれば、ヒートシンクＡ，Ｂと同様に、良好な放熱性能を得ることができる上、ヒートシンク全体を銅等の高伝導率金属により形成した場合と比較し、材料コストを低減することができる。
しかも、上記塑性加工の際に、第２パンチＰ２外周の角部Ｐ２１と第１成形型Ｍ１の内周面との間で、放熱部５２（又は伝熱部５３）周壁に局部的な力が作用し入隅部５２ｃ（又は５３ｃ）が形成されるため、この入隅部５２ｃ（又は５３ｃ）でのアンカー効果によって、放熱金属部５０と伝熱金属部４０とを強力に接続することができる。

なお、上記構成のヒートシンクＣによれば、特に好ましい態様として、伝熱部５３を電子部品ａ側へ突出させて、この伝熱部５３にも放熱作用を持たせるようにしたが、他例としては、突起状の伝熱部５３を省いて、伝熱金属部４０の平坦状の面に電子部品ａを接触し固定した態様とすることも可能である。

また、上記ヒートシンクＣでは、放熱部５２及び伝熱部５３を有底筒状に形成したが、他例としては、これらの底壁（頂部）に開口を設けて、放熱部５２と伝熱部５３の一方又は双方を、内部を貫通した筒状に形成することも可能である。

また、本発明は上述した実施態様に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜に変更可能である。

１０，４０：伝熱金属部
１０ａ：電子部品接触面
２０，３０，５０：放熱金属部
２１，５１：基部
２２，３２：凹部
２３，３１，５２：放熱部
５３：伝熱部
５３ｂ：底壁（電子部品接触面）
ａ：電子部品
Ａ，Ｂ，Ｃ：ヒートシンク
Ｍ１：第１成形型
Ｍ２：第２成形型
Ｐ１：第１パンチ
Ｐ２：第２パンチ

Claims (5)

1. 電子部品に接触させるための電子部品接触面を有する伝熱金属部と、該伝熱金属部における前記電子部品接触面以外の部分に面接触するとともにこの接触面以外の部分を露出した放熱金属部とを一体的に備え、前記伝熱金属部が、前記放熱金属部よりも熱伝導率の高い金属材料によって形成されているヒートシンクであって、
   板状の基部と、該基部から厚み方向へ突出した筒状の放熱部とを有し、
   これら基部及び放熱部が、前記放熱金属部と前記伝熱金属部とからなる二層状に構成されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記放熱金属部用の第１の板状素材と、前記伝熱金属部用の第２の板状素材とを圧着せずに重ね合わせ、これら二枚の板状素材の一部分に、厚み方向への塑性加工を施すことで、その塑性変形部分を前記放熱部とし、他の部分を前記基部とすることを特徴とする請求項１記載のヒートシンクの製造方法。
3. 前記塑性加工では、円筒状の内周面を有する成形型と、角筒状の外周面を有するパンチとが用いられ、前記成形型の内周面と前記パンチの外周面との間で、前記放熱部の周壁部を形成することを特徴とすることを特徴とする請求項２記載のヒートシンクの製造方法。
4. 電子部品に接触させるための電子部品接触面を有する伝熱金属部と、該伝熱金属部における前記電子部品接触面以外の部分に面接触するとともにこの接触面以外の部分を露出した放熱金属部とを一体的に備え、前記伝熱金属部が、前記放熱金属部よりも熱伝導率の高い金属材料によって形成されているヒートシンクであって、
   前記放熱金属部は、一方側の面を前記伝熱金属部に接した板状の基部と、前記基部の他方側の面から突出してその突端側を開口した筒状の放熱部とを有し、
   前記放熱部内の空間は、前記基部を厚み方向へ貫通して前記伝熱金属部を部分的に外部に露出していることを特徴とするヒートシンク。
5. 前記電子部品接触面に電子部品を接触させていることを特徴とする請求項１又は４記載のヒートシンクを用いた電子部品パッケージ。
   

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