JPH03148199A - 実装ケースの伝熱構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　　要〕 高発熱量、高発熱密度の回路素子を収容した実装ケース
において発生熱量を移動させ低温源に捨てることにより
回路素子の温度冷却を良好に行わしめるための伝熱構造
に関し、 回路素子を収容し発熱する実装ケースと核熱を面接触に
より放熱させるための部材とを締結部材により圧接締結
した実装ケースの伝熱構造において、熱伝導率の良い半
凝固金属を使用することにより実装ケースの発熱を高伝
熱できるようにすることを目的とし、 放熱部材及び実装ケースの少なくとも一方の対向表面の
周端部に連続した溝部を設け、該溝部の内側の該対向表
面上には常温で液相と固相との混合相から成る半凝固伝
熱媒体を介挿し、該溝部の外側の該対向表面上には伝熱
性の封止部材を介挿するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は実装ケースの伝熱構造に関し、特に高発熱量、
高発熱密度の回路素子を収容した実装ケースにおいて発
生熱量を移動させ低温源に捨てることにより回路素子の
冷却（温度制御）を良好に行わしめるための伝熱構造に
関するものである。

電子回路素子が高集積化され、また増幅素子が高電力化
されるにつれ、冷却、即ち発生部の発生熱を移動分散す
ることによる目的部分の温度制御が難しくなって来てい
る。

即ち、この場合に発生する熱は伝導スは放射による伝熱
路を介して移動させ、移動の途中で移動方向断面積当り
の移動熱量（熱密度と称す）を低下させて所謂熱分散を
行い、伝熱路の最終端と接続する低熱源との間の熱移動
能力（熱密度が能力の尺度となる）までの熱密度変換を
面積内の温度差を極力少なくして行う（等温化と称す）
わけであるが、有限の熱伝導系または放射係数を持つ材
料で伝熱路を構成するので高熱密度での熱移動には熱移
動損失（移動路にそって発生する温度差のこと）が伴う
と共に、低い熱密度への熱密度変換の過程でも熱移動損
失が伴うので、等温化を困難にしている。

勿論、熱移動損失少なくしたり等温化を行うことは、熱
伝路を構成する材料部十Ａの断面積又は接触面積を大き
く或いは締結するネジの本数を多くすることで原理的に
は可能であるが、資料を増量することは実現重量が増大
し、軽量化の要望とは相反する結果となる。

なお、熱密度のオーダは発生部ではきわめて高く（数〜
１０Ｗ／Ｃｌｌ１）、これに対し低熱源と接続する最終
端部では、低熱源が水、又は強制空冷の場合は比較的高
いが、放射によれば極めて低く（０゜０３Ｗ／ｃｆｆｌ
以下）、２桁オーダの熱密度分散と熱移動を行わねばな
らない。

そして、用途として人工衛星搭載を考えるときには、最
終的な低熱源が宇宙空間であり伝熱路の最終端では熱放
射に依存しなければならないので尚丈高い熱移動能力が
要求されることとなる。

〔従来の技術〕

第４図に従来の回路素子を収容した熱源部としての実装
ケースの伝熱構造が示されており、第５図と第６図は、
第４図の補足図で各断面の詳細構戒を示している。

これらの図より明らかな様に、実装ケース１２の実装面
１２ａに回路素子１１が装着実装され、伝熱接続されて
おり、実装ケース１２の裏面が散転熱面１２ｂとなり、
放熱パネル１４の受振熱面１４ａと対向してネジ１３に
より放熱パネル１４と可脱的に締結され、接触接合部の
高伝熱化のためシリコーングリス等のフィシが介挿され
ている。

尚、この実装ケースＩ２は放熱パネル１４から取り外す
必要が生ずるので、ネジ１３により両者を締結すること
は設計上不可欠である。

発生熱は回路素子１１の接触面を介して実装面１２ａに
伝達され、実装ケース１２を構成する伝熱部材を介して
熱分散されつつ散転熱面１２ｂ、受振熱面１４ａの接触
接合部を介して放熱パネル１４に伝達され、放熱パネル
１４を構成する伝熱部材により熱密度変換と移動が行わ
れ、放熱面１４ｂにおいて、熱放射能力相当の熱密度で
極力温度分布の温度差が少ない等温化された状態で伝達
される。

放熱面１４ｂには、例えばＺｎ○エポキシ系の自ペイン
トの様な放射吸収率制御材料による処理が施されており
、方向としては南又は北方向に露出させられ宇宙空間に
対して熱放射している。

ここで、第５図及び第６図における放熱パネル１４の構
造を説明すると、実装ケース１２の散転熱面１２ｂと対
向する受振熱面１４ａに相当する部分番こはヒートバイ
ブ１４１と同厚の高伝熱材料をヒーＩ・バイブとともに
伝熱接合させて中実伝熱接続構造を形成する中実芯部１
４２（平面度と剛性を確保するもの）で構成し、他の部
分は同厚のアルミハネカムコア材１４３とヒートバイブ
１４１で構成した芯部構造をアル１表面板１４４と１４
５でサンドインチ接合して一体化したものであり、接合
は例えば接着又可能な部分はロー付けにより行っている
。

このような構成により、表面板Ｉ４５（放熱面１４ｂ側
）と接続するヒートバイブ表面積が大きく、かつハネカ
ムコア材＋４３又は表面板１４４からのバイパスもある
ので高効率の熱密度低下が可能となり、更にヒートパイ
プの媒体移動方向の高伝熱能力と表面積による熱分散に
よって低熱密度化が出来、アルミハネカムが使用出来る
ため軽量化が可能となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように、実装ケース１２と放熱パネル１４との間
にはシリコーングリスを介挿させ、ネジ１３を圧接締結
することによりシリコーングリスを押し潰すことにより
両者間の空間に充満させ、伝熱効率を良くしているが、
このようなシリコーングリスは周囲のアルミ材に比べて
熱伝導率は１／１００程度と低い。

従って、このようなシリコーングリスは熱伝導率がアル
ミ材等の金属に比べて劣るため、極めて高い熱伝熱率が
求められる宇宙空間用実装ケースに用いることは充分な
熱放射が行われなため不適当である。

一方、ＬＳＩや■１．３１等の発熱量が大きい半導体装
置を多数使用する情報処理装置において、造として、冷
媒が循環する冷却構造体と半導体装置との接合層に常温
で液体と固体の混合層から成る半凝固金属としてのＩｎ
Ｇａを用いる技術が本出願人による特開昭６３−１０２
３４５号公報で既に提案されている。

このようなインジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ　）の
固溶体の二成分系状態図が第７図に示されており、図示
のようにＩｎの融点（Ｉｎ１００重量２）は１５６．６
３°Ｃであり、Ｇａの融点（ＩｎＯ重鼠χ）は２９．７
８　’Ｃであり、この系の場合にＩｎの重量％で２４．
５〜８８％の範囲（原子量％では１６．３〜８１．７％
の範囲）ムこおいて液相と固相との混合相（液相線Ｉと
固相線■により囲まれた領域）が存在する。

そして、このＩｎＧａは混合相においてアル部材の熱伝
導率の約１７５であるが、シリコーングリスの約２０倍
の熱伝導率を有するものである。

しかしながら、このような半凝固金属１ｎＧａを実装ケ
ースと放熱部材との間に用いてネジ等により両者を圧接
締結すると次のような問題点があった。

■宇宙空間では上述のように熱伝導率を高くする材料と
して通常アルミ材が使用されるが、ＩｎＧａはアルミＡ
Ｉと同層なので、拡散溶食により１００χ混ざり合って
しまい、Ｇａ−Ａｌ合金が生成されアルミＡ１が溶は出
してしまう。

■その接合部から溢れたＩｎＧａが周囲の回路に付着し
、導体であることから短絡を起こす。これは特に宇宙空
間への打ち」二げ途中での加速度状態で温度が上がると
生し易い。

従って、本発明では、上記のように回路素子を収容し発
熱する実装ケースと核熱を面接触により放熱させるため
の部材とを締結部材により圧接締結した実装ケースの伝
熱構造において、熱伝導率の良い半凝固金属を使用する
ことにより実装ケースの発熱を高伝熱できるようにする
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の問題を解決するため、本発明では、第１図に原理
的に示すように、放熱部＋Ａ２及び実装ケースｌの少な
くとも一方の対向表面４（５）の周端部６に連続した溝
部７を設け、該溝部７の内側の該対向表面４（５）上に
は常温で液相と固相との混合相から威る半凝固伝熱媒体
８を介挿し、該溝部７の外側の該対向表面４（５）上に
は伝熱性の封止部材９を介挿するように構成している。

〔作　　　用〕

本発明では、熱源部としての実装ケースｌと放熱部材２
の対向表面４，５の少なくともいずれかに溝部７を予め
設けておく。このときの第１図のＡ視及びＢ視による表
面４の溝部７が第２図（ａ）に示されており、表面５の
溝部７が同図（ｂ）に示されている。

そして、この溝部７の内側（斜線で示す）には半凝固伝
熱媒体８を介挿し、その外側には伝熱性の封止部祠９を
介挿する。

この状態で、締結部材３で実装ケース１と放熱部材２と
を圧接締結したとき、常温でジャーヘット状の半凝固伝
熱媒体８は押し潰されることによりその溢れた一部が溝
部７に入り込むと共に、別の一部は封止部材９によって
実装ケースｌの外側に溢れ出ることが封止されることと
なる。

また、この封止部材９も伝熱性を有するので、実装ケー
ス１と放熱部材２との伝熱効果を妨げないで済み、良好
な伝熱性と可脱可能な構造とすることが出来る。

〔実　施　例〕

第３図は、本発明に係る実装ケースの伝熱構造の実施例
を第１図と同様の断面図として示したもので、第１図及
び第２図と同一符号は同−又は相当部分を示し、この実
施例では実装ケース１及び放熱部材２はそれぞれアルミ
祠でできており、この場合の熱伝導面を構成する各対向
表面４．５は無電解ニッケルメッキ、銅メツキが施され
ている。

また、半凝固媒体８は伝熱媒体として接触接合部の動作
温度範囲に従ってＩｎ３２〜９３重景％残部Ｇａの組成
（第７図参照）を有し常温で半凝固金属となるＩｎＧａ
合金、そして封止部材９は接触線結構造において接触面
間に介在させ接触面間の隙間を埋めて伝熱性を向上させ
るためのフイラ材料として標準的に使用されているシリ
コーングリスを用いる。尚、締結部材３にはネジを用い
る。

まず、第３図（ａ）の実施例では、放熱部材２の表面５
に溝部７を設けており、この溝部７の内側部分（第２図
に斜線で示す部分）に１ｎＧａ　８を塗布し、溝部７の
外側にシリコーングリス９を塗布する。

そして、第１図に示すネジ３で実装ケース１と放熱部材
２とを圧接締結することにより、接触対向面４−５間の
対向隙間をＩｎＧａ合金８が埋めるが、このとき、押し
出されたＩｎＧａ合金８は溝部７に流れ落ちると共にシ
リコーングリス９によって封止されることとなり、実装
ケースから外側には隘れ出ないようになっている。

尚、ＩｎＧａ合金を良好に付着させるためには、所定量
を付着させる前に綿棒或いは棒の先に脱脂ガーゼにくる
んで脱脂綿を固定したクンポ状又は版画に用いるバレン
状の道具に１ｎＧａ合金を付着させて表面に擦り込むこ
とにより、あたかも半田付けにおける予備半田の如く濡
れた状態が形成され、その後の塗付面への定量塗付時の
濡れ面積或いはネジ締結における相手側表面との接触で
の濡れ面積が確保できる。

ＩｎＧａ合金を表面に良好に付着させることを妨げる汚
れとしては油脂類、界面活性材が上げられ、脱脂と水洗
乾燥を行ったあとで擦り込みを行うことが望ましい。

擦り込み作業を行う場合又は定量塗付作業を行う場合に
は、不必要領域をマスキングテープでカバーしておいて
作業することが好ましい。

また上記作業を行う場合で特にＩｎ％の多い合金を用い
る場合は、実装ケース１、放熱部材２及びＩｎＧａ合金
を加温したほうが作業が容易となる。

また、封止部材としてのシリコーングリス９は、例えば
、半田合金なみの熱伝導率をもつＩｎＧａ合金という液
相を含む状態の材料を所定の場所に封し込め、打ち上げ
環境での温度・加速度に耐えて移動させないようにする
と同時に、宇宙環境に直接曝さないための保護容器とし
ての役目が主であり、その伝熱性は従の作用となる。

このようにＩｎＧａ合金８の周囲にシリコーングリス９
を塗付して封止した場合、混合が進行しないことと、両
面がシリコーングリスで濡れており間隙もシリコーング
リスが充満している状態で、グリス層の厚みが０．１ｍ
ｍ以下に保ったグリス充填領域と接してほぼ同等の厚み
で銅板と透明アクリル板（移動観測用）の間に挿入され
たＩｎＧａ合金は、３０Ｇ程度の連続加速度でも、７０
Ｇ以上と推定される落下衝撃試験でも移動する様子は認
められないという実験結果が得られている。

また、シリコーングリス９を周端部領域６に塗付する作
業は、成る程度過分に塗付しておきネジ３による締結に
より、外に食み出す分を拭き取ることにより、はぼ良好
な封止が可能となる。

上記のような状態に基づいてネジ３を締めて行く場合に
ついて説明すると、ＩｎＧａ合金８は液相２相混合のシ
ャーベット状の材料であるので、容易につぶされ移動し
て充填面積を増加させて行き、シリコーングリス９も液
体ではなく塑性体であるが、降伏応力は極めて低いので
変形移動する。このときに挟み込まれている空気は圧縮
されるので、端部のネジ等、最後に締結する部分にスペ
ーサを挟んでおく等によって逃げ道を残しておくことで
その大部分をシリコーングリス９の層の一部を破って外
に逃がした後、スペーサを取り最後のネジを締める。尚
、空気をより完全に逃がすには減圧下で作業するのが好
ましい。

締結を終った状態でＩｎＧａ合金８と、シリコーングリ
ス９は隣接する。この状態のあと更にネジ３を締めて行
くと余分のシリコーングリス９が隙間の外に押し出され
、ネジ３の締め付けによりネジ３の周辺で両対向面が金
属接触を始める状態まで締結して作業を完了する。

更に、作業性を向上させる他の実施例として例えば第３
図（ｂ）に示す如く、溝部７を二重構造に形成し、内側
の溝部７ｂをＩｎＧａ合金８が過分のときの収容場所と
し、外側の溝部７ａをシリコーングリス９の余りの収容
場所としてネジ締結作業を進めると、同図（ａ）の場合
と比較して濡れた分のＩｎＧａ５ 場所との間に壁があるので混合し難くなるし、事前のＴ
ｎＧａ塗付、シリコーングリス塗付の作業も中間溝と壁
がある分だけ楽になる。

また、同図（Ｃ）に示すように、片方の溝部７ａを実装
ケース１の表面４に設け、シリコーングリス９はその表
面４で溝部７ａの外側に塗布するように構成しても良い
。

また、ｒｎＧ８合金８とシリコーングリス９は予め塗付
する場合、両対向面４，５のそれぞれの側に塗っておく
方が作業がし易い。

尚、ネジ締結作業を容易かつ安定して完了させるため、
ＩｎＧａ合金の押し潰しと移動を容易にするためには、
加温して液相の多い状態にして締め付けを行う方が、ト
ルクが少なく完了状態を実現しやすい。１００　’Ｃ以
上でもシリコーングリスは分解しないが、これば電子回
路の許容温度等の制約を受ける得るので、現実には１０
０　’Ｃ以上を設定することは困難となる。

また、ＩｎＧａ合金充填分とシリコーングリス介在６ 部の伝熱性能の差を、常温での熱伝導係数（Ｗ／ｍ・ｋ
）の値で例示すると、Ｔ　ｎＧａ合金＝３８〜４８、市
販されている伝熱シリコーングリス二０．５〜１、通常
のＳｎｒ’ｂ半田：４０〜５０、である。

従って、はぼ同一の厚みで同一バーセント接触対向部を
充填する接触面積比が実現できる場合には、シリコーン
グリス介在接触部に比較して同−通過熱量当たりの発生
温度差をＩ／１０以下とすることも容易である。

ＩｎＧａ合金は１５．７°Ｃ以下の低温では固相の１相
となり、常温下における、５ｎＰｂ半田やＴｎＳｎ半田
と同様に両面をロー付は固着した状態となる。

尚、本発明の構造において、ネジ締結構造を取るのは、
通常の動作温度でＩｎＧａ合金が汲置２相の混合体であ
り、低圧力で容易に潰れ移動する性質を利用しているた
め、固着力が期待できないからである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、放熱部材及び実装ケースの少なくとも
一方の対向表面の周端部に連続した溝部を設け、溝部の
内側半凝固伝熱媒体を介挿し、その外側番こは伝熱性の
封止部材を介挿するように構成したので、次の特有の効
果が得られる。

■半田付と異なり常温では可脱結合が可能な構造である
が、半田ロー付部に近い高伝熱接触接続が実現できる。

■シリコーングリスで周囲を封止することにより環境と
直接接する所はシリコーングリスが受は持つので、宇宙
要求環境でも適用可能である。

■ＩｎＧａ合金をシリコーングリスで封止する結果、締
結作業中に空気を逃しながら所定厚みのＩｎＧａ合金を
所定領域に残しかつ周囲をシリコーングリスで囲むこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る実装ケースの伝熱構造の原理的
な部分断面図、 第２図は、本発明における伝熱構造における接合面の説
明図、 第３図は、本発明に係る実装ケースの伝熱構造の一実施
例を示した部分断面図、 第４図乃至第６図は、従来例の構造を示す図、第７図は
、本発明に用いられるＩｎＧａの二成分系状態図、であ
る。 図において、 １・・・実装ケース、 ２・・・放熱部材、 ３・・・締結部（イ、 ４．５・・・対向表面、 ６・・・周端部、 ７．７ａ、７ｂ・・・溝部、 ８・・・半凝固伝熱媒体（ＩｎＧａ合金）、９・・・封
止部材。 図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　回路素子を収容し発熱する実装ケース（１）と該熱を
   面接触により放熱させるための部材（２）とを締結部材
   （３）により圧接締結した実装ケースの伝熱構造におい
   て、 該放熱部材（２）及び該実装ケース（１）の少なくとも
   一方の対向表面（４）（５）の周端部（６）に連続した
   溝部（７）を設け、該溝部（７）の内側の該対向表面（
   ４）（５）上には常温で液相と固相との混合相から成る
   半凝固伝熱媒体（８）を介挿し、該溝部（７）の外側の
   該対向表面（４）（５）上には伝熱性の封止部材（９）
   を介挿したことを特徴とする実装ケースの伝熱構造。