JP7098954B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、熱を放散するために用いられるヒートシンクに関する。

パワー素子等の半導体素子を搭載したパワーモジュール等のように、発熱を伴う電子部品においては、これを正常に動作させるために、発熱素子からの熱を放散するためのヒートシンクが設けられる。このヒートシンクとしては、熱伝導性が高いアルミニウムや銅が用いられる。また、平板状の基板部の片面に多数のプレート状、ピン状等のフィンを立設させた構造のものが多く用いられ、このようなヒートシンクは、パワーモジュール等の被冷却体と基板部とを密着させ、フィンを熱媒流路に配置することにより、被冷却体を冷却する。

例えば、特許文献１には、バルク体のフィンがベース板に立設したヒートシンクが記載されている。
また、特許文献２では、バルク体のフィンの間に多孔質体が充填されるヒートシンクが記載されており、フィンの比表面積が拡大することで高い熱伝達率が得られる。
また、特許文献３には、ベース板上にコイルが配置されたヒートシンクが記載されており、バルク体で構成されるフィンと比べ、比表面積が高く、高い熱伝達率を有する。

特開２００３－１１９５３６号公報 特開２０１２－９４８２号公報 特開平６－２７５７４６号公報

しかしながら、特許文献１記載のヒートシンクでは、フィンがバルク体であるため表面積が小さく、高い熱伝達率が期待できない。特許文献２記載のものでは、多孔質体の比表面積が高いため、圧力損失が高くなりすぎてしまう。さらに、特許文献３記載の構造では、コイルは線材であり、断面積が小さく、熱抵抗が高くなるため、コイル全体に熱が行き渡りにくい。
一方、本出願人は、特許文献４にて、フィンをバルク体の芯部の表面に多孔質体を接合した構造とすることを特願２０１７－１４９８４３号にて、ストレートフィンの溝に繊維多孔質体が接合されたヒートシンクを提案している。このヒートシンクは、繊維が圧力損失を低減する配向を有するため、発泡金属より圧力損失が低いと想定されるが、更に低くすることが求められる。

本発明は、ヒートシンクの熱伝達率をさらに向上させ、圧力損失をさらに低下させることを目的とする。

本発明のヒートシンクは、基板部、及び該基板部の表面に立設して相互に平行に配置された多数のフィン部を有する金属成形体と、該金属成形体の前記フィン部間の溝部内に充填された複数のコイル状金属線材からなる充填体とを有しており、前記充填体は、その少なくとも一部が前記金属成形体の前記溝部の内面に冶金的接合され、前記コイル状金属線材は、その一端側と他端側とでコイルの外径が異なっており、一部が前記金属成形体の前記溝部内面又は該溝部内の前記充填体における他の前記コイル状金属線材に冶金的接合されている。

このヒートシンクは、バルク体のフィン部間の溝部内に複数のコイル状金属線材からなる充填体が充填されており、フィン部及び基板部と充填体とを合わせた広い面積で熱移動が行われる。また、充填体は金属成形体の溝部内面に冶金的接合部を介して接合され、コイル状金属線材も冶金的接合により金属成形体又は他のコイル状金属線材に接合されているので、接合界面の熱抵抗が小さく、金属成形体と充填体との間の熱移動が円滑に促進される。
そして、熱媒は充填体内の空隙を通ってコイル状金属線材及び金属成形体（フィン部及び基板部）の表面との間で熱交換される。この場合、充填体におけるコイル状金属線材は、そのコイルの外径が一端と他端とで異なっているため、溝部の長さ方向に沿う熱媒の流れに対して、その線材の各部が流れに対して交差するように配置され、熱媒からの熱を確実に受けることができるとともに、熱媒の流れの障害となって、流れを乱すこと（かく乱効果）ができるため、熱交換を促進することができる。

また、充填体はコイル状金属線材からなるので、空隙の開口径が大きくなり、発泡金属や繊維多孔体と比べ圧力損失は低下する。また、この充填体は、コイル状金属線材の太さや巻き数等を変えるだけで、溝内への充填率等を自在に制御できるため、製品設計の自由度が高い。さらに、コイル状金属線材は、線材をコイル状に巻いた形状であり、容易に成形可能である。このコイル状金属線材はタンデムロールなどで成形した線材を巻く以外に、バルク体を切削して得られる切削片の利用も該当する。
なお、フィン部及び基板部と充填体とは焼結や固相接合、あるいははんだ付けやろう付けなどによって接合される。すなわち、機械的接合とは異なり、金属原子間の化学結合を界面に有する冶金的接合とする。

本発明のヒートシンクの好ましい実施形態として、前記コイル状金属線材の長さ方向と直交する方向の断面外形は五角形以下に形成されているとよい。

コイル状金属線材の横断面形状は円形や楕円でもよいが、円形や楕円の場合は、コイル状金属線材が熱媒の流れに交差する方向に配置されると、流れがコイル状金属線材の両側面（円弧面）に沿って滑らかに分かれて下流側に移動する。これに対して、コイル状金属線材の横断面形状が三角形、四角形、五角形のいずれかであると、複数の平面又は曲率半径の大きい湾曲面により外形が形成されるので、その平面又は湾曲面が熱媒の流れに対して交差する方向で存在することになり、その交差する表面に衝突した流れが、コイル状金属線材の後方で渦を発生し、その結果、流れがより乱されてかく乱効果が高められ、熱交換をさらに促進することができる。なお、横断面四角形には、薄板状のものも含むものとする。

本発明のヒートシンクの好ましい実施態様として、前記コイル状金属線材は、単コイル全長をＬｍｍ、巻き数をＮとしたとき、Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ^－１以上であるとよい。
Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ^－１未満では、流れの乱される機会が少なく、かく乱効果において所期の効果を得ることが難しい。
また、本発明のヒートシンクの好ましい実施態様として、前記コイル状金属線材の最大外径をＤｍｍ、最小外径をｄ２ｍｍ、単コイル全長Ｌｍｍとしたとき、（Ｄ－ｄ２）／Ｌが０．０５以上を有するとよい。

本発明のヒートシンクの好ましい実施態様として、切削加工により生じる切削片を用いることができる。
切削片であれば、特別な加工は必要なく、そのまま用いることが可能であり、入手も容易である。

本発明によれば、コイル状金属線材を使用することによるフィン表面積拡大効果、及び熱媒の流れを乱すかく乱効果を促進できるので、ヒートシンクの熱伝達率を向上させることができ、空隙の径が大きいので圧力損失も低下させることができる。

本発明の一実施形態のヒートシンクの平面図に相当する外観観察画像である。 図１のヒートシンクの側面図に相当する外観観察画像である。 本発明の一実施形態のヒートシンクを模式化して示す斜視図である。 図３の一部を拡大した平面図である。 図３の一部を拡大した側面図である。 金属成形体の溝部に充填された充填体の模式図である。 充填体を構成するコイル状金属線材の模式図である。 コイル状金属線材として用いられる切削片の写真である。 切削片の断面写真である。 一実施形態のヒートシンクの製造方法を模式的に示す側面図である。

以下に、本発明の実施形態を説明する。
本発明の一実施形態を示すヒートシンク１０１は、図１及び図２の観察画像、図３～図５に示すように、金属成形体１０と複数のコイル状金属線材２１からなる充填体２０とを組み合わせた複合構造とされている。

金属成形体２１は、平板状の基板部１１と、その基板部１１の片面に立設した多数の帯板状（プレート状）のフィン部１２と、これらフィン部１２間の溝部１３内に充填された複数のコイル状金属線材２１からなる充填体２０とを有している。
金属成形体１０の基板部１１とフィン部１２とは、アルミニウム（アルミニウム合金を含む。）のバルク体によって一体に形成されたアルミニウム成形体である。また、充填体２０は、図６及び図７に示すように、基板部１１及びフィン部１２と同じ材質のアルミニウムからなるコイル状金属線材２１により形成され、１個の溝部１３内に複数個が充填されて充填体２０を構成している。
なお、これら金属成形体１０及び充填体２０は、熱伝導性が良好であれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものに限られるものではなく、後述するように焼結により接合されるので、焼結できる金属であれば、金属成形体１０と充填体２０とが異なる金属からなるものでもよい。

この場合、基板部１１は、例えば矩形状の平面形状を有しており、図３～図５に示すように、フィン部１２は、基板部１１の表面から所定の高さｈ１、所定の厚さｔ１で立設されている。図３に示す例では、フィン部１２は、基板部１１の表面と平行な面方向において、縦方向（奥行方向、長さ方向）の全長にわたって設けられ、基板部１１の横方向（幅方向）に所定の間隔ｃ１をおいて相互に平行に並べられている。そして、各フィン部１２の間に間隔ｃ１の開口幅を有する溝部１３が設けられている。また、これらのフィン部１２のうち、最も外側の両側部に配置される外側フィン部１２は、基板部１１の両側縁よりも内側に配置されている。但し、外側フィン部１２の外側側面と基板部１１の両側縁面は同一面であっても良い。すなわち、必ずしも外側フィン部１２は、基板部１１の両側縁よりも内側に配置しなくても良い。
また、最も外側のフィン部１２の外側面から基板部１１の側縁までの離間距離ｃ２はフィン部１２間の離間間隔ｃ１と同じか、それより小さく形成されている。

一方、充填体２０を構成しているコイル状金属線材２１は、図７に模式的に示したように、全体としてはコイル状に巻回されているが、完全なコイル形状ではなく、全体にねじられるようにして形成されている。また、その一端と他端とのコイルの外径が異なっており、コイルの一端の外径ｄ１が他端の外径ｄ２より大きく形成されている（外径ｄ１の大きい側の端部を大径側端部１２ａ、小さい側の端部を小径側端部１２ｂとする）。この場合、全体としてはコイル状にねじられて変形しているため、コイルの外径も、円の外径として測定することは困難であり、その先端からほぼ１巻き分の線材において最も外側に配置され、１８０°対向する２箇所をコイルの長さ方向と直交する方向に測定したときに得られる寸法を外径とする。
また、このコイル状金属線材２１は、単コイル全長（一つのコイル状金属線材の全長）をＬｍｍ、巻き数をＮとしたとき、Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ^－１以上とされ、最大外径をＤｍｍ、最小外径をｄ２ｍｍとしたとき、（Ｄ－ｄ２）／Ｌが０．０５以上を有する。ここでいう最大外径Ｄは、コイル状金属線材２１を単体で測定した場合の最大外径ｄ１とは異なり、フィン部１２間に充填されることにより径方向に押圧変形された状態のときの最大長径とその直角に対応する短径の平均値をいう。
さらに、各コイル状金属線材２１の長さ方向に直交する横断面形状は、図９に示すように、円形ではなく、三角形状に形成されている。

そして、充填体２０は、前述したフィン部１２の間隔ｃ１を埋めるように、フィン部１２の長さ方向に沿って複数設けられており、金属成形体１０の溝部１３の内面（フィン部１２又は基板部１１の表面）に焼結部（冶金的接合部）２２を介して接合されている。この場合、図６に示すように、充填体２０における各コイル状金属線材２１は、必ずしも、その全てがフィン部１２又は基板部１１に接合されているとは限らず、コイル状金属線材２１同士が焼結部２２を介して接合されている場合もある。ただし、溝部１３内の１個の充填体２０として捉えたときには、全長のいずれかの部分でフィン部１２又は基板部１１に焼結部２２を介して接合されている。
言い換えれば、各コイル状金属線材２１においては、金属成形体１０の溝部１３の内面と他のコイル状金属線材２１の両方に焼結部２２を介して接合されているものもあれば、金属成形体１０の溝部１３の内面には接合されずに、他のコイル状金属線材２１に焼結部２２を介して接合されたもの、あるいは、逆に、他のコイル状金属線材２１には接合されずに、金属成形体１０の溝部１３の内面に焼結部２２を介して接合されたものが混在している。図６において、ハッチングして示したコイル状金属線材２１は、金属成形体１０には接合されておらず、他のコイル状金属線材２１のみに接合されている。

また、前述したように、各コイル状金属線材２１は、その大径側端部２１ａと小径側端部２１ｂとの外径が異なることから、大径側端部２１ａから小径側端部２１ｂに向かうコイル状金属線材２１の円周方向は、溝部１３の長さ方向と交差する方向に配置される。このため、溝部１３内を流れる熱媒の流れを受けるようにコイル状金属線材２１が交差して配置される。また、横断面が、複数の平面又は湾曲面を組み合わせた三角形状をなしていることから、熱媒の流れに対してその平面又は湾曲面が交差することになる。

この充填体２０を構成するコイル状金属線材２１は、好適には、フライス盤等による切削加工によって生じた切削片（図８及び図９参照）が用いられる。この切削片は、切削工具の切れ刃の形状、特に切れ刃における逃げ面の形状や、被削材の切削特性、切削条件等によって横断面形状が特定される。ただし、その形状は一定ではなく、不定形である。この切削片のように、コイル状金属線材２１の横断面形状は、精密に加工して得られる形状のものだけでなく、複数の角部を有しており、その角部間の面が前述した平面、湾曲面の他、若干の凹凸のある曲面等によって構成され、全体として三角形状とみなされる形状である。
なお、本発明において、コイル状金属線材は三角形に限るものではなく、四角形、五角形のものも用いることができる。

なお、このヒートシンク１０１において、基板部１１の表面で熱媒が流通させられる領域の平面積とフィン部１２の高さｈ１との積で求められる全体体積のうち、フィン部１２及び充填体２０の金属（アルミニウム）部分を除く空間体積の比率（空隙率）が、５０％以上６５％以下とするのが好ましい。
このうち、空隙率を計算するための全体体積は、図３に示す例のように、フィン部１２が立設されている基板部１１の表面の全体が大気等に露出し、その表面全体で熱媒（例えば空気や水）と熱交換する場合は、基板部１１の全体の平面積（Ｓ１×Ｓ２）とフィン部１２の高さｈ１との積とすればよい。

このように構成したヒートシンク１０１を製造する場合、例えばアルミニウムの押出成形、鍛造成形、鋳造成形、あるいは基板部１１とフィン部１２とをろう接などで接合することにより、基板部１１とフィン部１２とを有するバルク体の金属成形体１０を一体に形成し、そのフィン部１２間の溝部１３内に、図１０に示す型５１を用いて充填体２０を接合する。その型５１は、例えばカーボン等、金属成形体１０及び充填体２０のコイル状金属線材２１と反応しにくい材料からなり、図１０（ａ）に示すように、片面に、フィン部１２を収容するための矩形状の凹部５２が形成された板状に形成され、その型５１を図１０（ｂ）に示すように基板部１１に対向するように重ね合わせると、金属成形体１０と型５１との間に充填体２０を形成するための空間５３が形成される。

コイル状金属線材２１は、フライス盤等の切削加工で生じた切削片を用意する。
そして、複数個のコイル状金属線材２１の長さ方向を金属成形体１０の各フィン部１２間の溝部１３に沿うように配置して、図１０（ａ）に示すように、溝部１３上に並べて配置する。この場合、コイル状金属線材２１の大径側端部２１ａの外径ｄ１が各フィン部１２の間隔ｃ１よりも大きいものをフィン部１２間に並べる。その後、大径側端部の外径ｄ１が間隔ｃ１よりも小さいものがある場合は、フィン部１２間に配置したコイル状金属線材２１に重ねるようにして配置するとよい。したがって、コイル状金属線材２１の大径側端部２１ａは、フィン部１２の離間間隔ｃ１より大きい外径のものも、離間間隔１ｃと同程度のものも、離間間隔ｃ１より小さい外径のものも存在する。小径側端部２１ｂも離間間隔ｃ１より大きいもの、同程度のもの、小さいものが存在する。

このようにしてフィン部１２の間の溝部１３上に適した重量比（１：１．５など）のマグネシウムとシリコンの粉末をバインダーにより表面に付着させたコイル状金属線材２１を並べて配置した後、金属成形体１０に型５１を重ね合わせて、コイル状金属線材２１を溝部１３内に押し込むようにして、空間５３内にコイル状金属線材２１を充填する。そして、例えば不活性雰囲気で６００℃～６６０℃の温度で０．５分～６０分間、加熱することにより、コイル状金属線材２１と金属成形体１０（フィン部１２又は基板部１１）との接点やコイル状金属線材２１相互間の接点で焼結させることにより、金属成形体１０と充填体２０と及び充填体２０内のコイル状金属線材２１同士が焼結部２２を介して一体に接合されたヒートシンク１０１を得ることができる。

このように構成されるヒートシンク１０１においては、金属成形体１０の各フィン部１２間の溝部１３内に充填体２０が充填されており、フィン部１２及び基板部１１（金属成形体１０）と充填体２０とを合わせた広い面積で熱移動が行われる。また、フィン部１２及び基板部１１と充填体２０とは焼結部２２を介して接合されているので、フィン部１２及び基板部１１と充填体２０との接合界面の熱抵抗が小さく、基板部１１及びフィン部１２から充填体２０への熱移動が円滑に促進される。そして、熱媒は充填体２０内の空隙を通って充填体２０、フィン部１２及び基板部１１の表面との間で熱交換される。この場合、ヒートシンク１０１には充填体２０により大きな表面積が形成されているので、充填体２０が受けた熱が熱媒に効率的に移動することにより、優れた熱伝達率が得られる。また、充填体２０は熱媒の流れの障害となり、熱媒の流れを乱すことができるため、バルク体のみからなるヒートシンクと比較して、比表面積が大きくなる以上に熱交換が促進される効果がある。

また、前述したように、充填体２０はコイル状金属線材２１は空隙の開口径が大きいため、発泡金属や繊維多孔体と比べ、圧力損失が低い。また、この充填体２０は、コイル状金属線材２１の太さや外径、充填方法を変えるだけで、空隙率の大きさ等を自在に制御できるため、製品設計の自由度が高い。
なお、フィン部１２及び基板部１１と充填体２０とは焼結部２２によって接合され、ろう材を用いていないので、ろう材の浸透による充填体２０の空隙率の低下（金属密度の増加）が生じない。ただし、適量のろう材であれば使用してもよい。本発明においては、焼結部やろう接部を含めて冶金的接合部と称す。

この場合、各コイル状金属線材２１は、コイルの外径が一端と他端とで異なっているため、溝部１３の長さ方向に沿う熱媒の流れに対して、その線材の各部が流れに対して交差するように配置され、熱媒からの熱を確実に受けることができる。また、各コイル状金属線材２１の横断面形状が複数の平面又は曲率半径の大きい湾曲面により三角形状に形成されているため、その平面又は湾曲面が熱媒の流れに対して交差する方向で存在することになる。そして、これらの相乗作用により、熱媒の流れをコイル状金属線材２１の平面又は湾曲面により受けて、熱媒からの熱を確実に受けるとともに、その表面に衝突した流れが、コイル状金属線材の後方で渦を発生し、その結果、流れがより乱されてかく乱効果が高められ、熱交換をさらに促進することができる。
したがって、熱伝達率が高いヒートシンク１０１とすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明の実施例（試料番号１～３）として、図３に示す上記実施形態の帯板状（プレート状）のフィン部１２を有するヒートシンク１０１を作製した。この場合、基板部１１は、縦Ｓ１：５５ｍｍ×横Ｓ２：３８ｍｍ、板厚ｈ０：４ｍｍとし、フィン部１２を基板部１１の全長にわたって形成した。各フィン部１２の高さｈ１は６ｍｍとした。フィン部１２の数、フィン部１２の離間間隔（溝部１３の幅）ｃ１、最も外側のフィン部１２の外側面から基板部１１の側縁まで（橋溝部）の離間距離ｃ２、コイル状金属線材２１の最大外径、最小外径、コイル状金属線材単体の全長（単コイル全長）、巻き数は表１の通りとした。また、コイル状金属線材２１の最小外径は、前述の小径側端部１２ｂの外径ｄ２であるが、最大外径は、フィン部１２の間に充填した状態での最大長径とその直角に対応する短径の平均値である。
また、実施例のコイル状金属線材２１の断面はほぼ三角形状に形成されている。

また、比較例（試料番号４，５）として、充填体２０として繊維多孔体を使用したヒートシンクを作製した。このヒートシンクは、試料番号１～３の金属成形体１０と同様の寸法で形成した。

金属成形体１０，１６及び充填体２０の材料としては、Ａ１０５０を用いた。
空隙率は、フィン部１２，１５が立設されている基板部１１，１４の表面全体（全体体積Ｖ＝Ｓ１×Ｓ２×ｈ１）で熱媒と熱交換するものとし、充填体２０の体積をもとに算出した。

圧力損失は、一方向に熱媒（水）が流れる冷却性能測定装置を使用した。その測定装置に各ヒートシンクをはめ込み、フィン部１２に３０℃の熱媒を体積流量４Ｌ／ｍｉｎ（一定）で流し、ヒートシンク前後の差圧を測定して、これを圧力損失とした。熱媒は、フィン部１２の長さ方向に流通させた。

熱伝達率の導出には、圧力損失測定で用いた冷却性能装置による試験で得られた各種測定値を使用した。そして、ヒートシンクの基板部１１上（フィン部１２とは反対面上）に柔軟性のある放熱グリス、被冷却体（発熱素子）、断熱材の順で重ね、押さえ治具により被冷却体を５０ｃｍ・Ｎのトルクで圧着した。２５℃の一定の温度に調整された試験室の下、フィン部１２，１５に３０℃の熱媒（水）を４Ｌ／ｍｉｎ（一定）で５分間流し、被冷却体の温度（発熱前温度）が安定していることを確認した後、約４５０Ｗの電力Ｑで被冷却体を１５分間発熱させ、基板部１１と、これら基板部１１中央の被冷却体との界面の温度Ｔｂ１と水温Ｔｗとを測定した。そして、温度Ｔｂ１から、熱媒（水）と基板部１１との界面の温度Ｔｂ２を、Ｔｂ２＝［Ｔｂ１－｛Ｑ×ｈ０／（Ａ×ｋ）｝］の計算式から算出した。ここで、ｈ０は基板部１１の厚み、Ａは被冷却体の基板部１１への取付面積、ｋはＡ１０５０の熱伝導率である。また、熱伝達率Ｈを、Ｈ＝［Ｑ／｛Ａ×（Ｔｂ２－Ｔｗ）｝］の計算式から算出し、ヒートシンクの熱伝達率指標として評価した。すなわち、熱伝達率Ｈが大きいほど熱交換性能に優れたヒートシンクである。
これらの結果を表１～表３に示す。なお、試料番号９及び１０は、充填体を設けず、金属成形体１０のみからなるヒートシンクであるから、表１～表３中、充填体に関係する項目は「―」で記載した。

これらの結果からわかるように、充填体２０を有する試料番号１～３では、熱伝達率が４０ｋｗ／ｍ^２Ｋ以上であり、圧力損失も小さい。これに対して試料番号４，５は、熱伝達率は高いが、圧力損失が大きくなっている。

１０１ ヒートシンク
１０ 金属成形体
１１ 基板部
１２ フィン部
１３ 溝部
２０ 充填体
２１ コイル状金属線材
２２ 焼結部（冶金的接合部）
５１ 型

Claims (5)

1. 基板部、及び該基板部の表面に立設して相互に平行に配置された多数のフィン部を有する金属成形体と、該金属成形体の前記フィン部間の溝部内に充填された複数のコイル状金属線材からなる充填体とを有しており、前記充填体は、その少なくとも一部が前記金属成形体の前記溝部の内面に冶金的接合され、前記コイル状金属線材は、その一端側と他端側とでコイルの外径が異なっており、その一部が前記金属成形体の前記溝部内面又は該溝部内の前記充填体における他の前記コイル状金属線材に冶金的接合されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記コイル状金属線材の長さ方向と直交する方向の断面外形は五角形以下に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記コイル状金属線材は、単コイル全長をＬｍｍ、巻き数をＮとしたとき、Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ^－１以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
4. 前記コイル状金属線材の最大外径をＤｍｍ、最小外径をｄ２ｍｍ、単コイル全長Ｌｍｍとしたとき、（Ｄ－ｄ２）／Ｌが０．０５以上を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートシンク。
5. 前記コイル状金属線材は、切削加工により生じる切削片であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のヒートシンク。

Images