JPH0823183A - 部材の冷却構造 - Google Patents

部材の冷却構造

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JPH0823183A
JPH0823183A JP6154627A JP15462794A JPH0823183A JP H0823183 A JPH0823183 A JP H0823183A JP 6154627 A JP6154627 A JP 6154627A JP 15462794 A JP15462794 A JP 15462794A JP H0823183 A JPH0823183 A JP H0823183A
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graphite
cooling structure
component
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Takao Inoue
孝夫 井上
Junji Ikeda
順治 池田
Naomi Nishiki
直巳 西木
Kazuhiro Mori
和弘 森
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 放熱部品を小型化・軽量化する。 【構成】 部材の冷却構造は、発熱する電子部品や工具
等の部材を冷却するための冷却構造であって、高配向性
を有するグラファイト製の放熱部品である。放熱部品
は、ヒートシンク20、封止ケース、伝熱シート、伝熱
配線16、放熱基板、シャンク、バイトチップ、グラフ
ァイトシート等の冷却用部品である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、部材の冷却構造、特
に、発熱する電子部品や加工工具等の部材を冷却するた
めの部材の冷却構造に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、パワートランジスタ等の大容量
の電子部品には、発生した熱を放熱するためにアルミニ
ウム製のヒートシンクが取り付けられている。また、発
熱するICやLSIを搭載した回路基板には、アルミニ
ウム等からなる金属板を基板とした金属基板が用いられ
ている。この金属基板が放熱部品を兼ねている。
【0003】このように、発熱する電子部品等の部材を
冷却する構造には、従来、主にアルミニウム製の放熱部
品を用いている。アルミニウムは、金属の中では比重が
軽く、部品の軽量化に貢献している。また熱伝導性や電
気伝導性も良く、これらの点もアルミニウムが従来放熱
部品の材料として使われている大きな理由である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】近年の電子回路の小型
化・高集積化の要望に沿うためには、部材の冷却構造の
軽量化をさらに図るとともに小型化を図ることが必要で
ある。しかし、アルミニウム製のものでは、アルミニウ
ム固有の固体物性である熱伝導率の大きさによりアルミ
ニウム板の厚さと大きさとが定まるので、さらに小型・
薄型化を要望されてもこのような小型化・軽量化の要望
を満たすことが困難である。
【0005】一方、最近では、可撓性を有する樹脂で回
路基板を構成し、回路基板の小型化を図っているが、ア
ルミニウム製の従来の金属基板はこのような用途に用い
ることができない。本発明の目的は、放熱部品を小型化
・軽量化することにある。本発明の他の目的は、可撓性
の回路基板でありながら基板が放熱部を兼ねるようにす
ることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係る部材の冷却
構造は、発熱する電子部品、加工工具等の部材を冷却す
るための冷却構造であって、高配向性を有するグラファ
イト製の放熱部品を含むことを特徴とする。前記グラフ
ァイトは、ロッキング特性が20度以下であるのが好ま
しい。
【0007】前記放熱部品は、部材としての電子部品を
冷却するためのヒートシンクであってもよい。前記放熱
部品は、部材としての電子部品を封止するための封止部
材であってもよい。前記放熱部品は、部材としての電子
部品と熱を放熱する放熱体とを接続する放熱部材であっ
てもよい。
【0008】前記放熱部品は、部材としての電子部品を
搭載するための回路基板に用いられる放熱部材であって
もよい。これら場合、この放熱部材は、可撓性を有する
グラファイトシートであり、比重が0.5以上1.5以
下であるのが好ましい。前記放熱部品は、部材としての
発熱する加工工具を冷却するヒートシンクであってもよ
い。
【0009】
【作用】本発明に係る部材の冷却構造では、放熱部品が
高配向性を有するグラファイト製であるので、熱伝導性
がアルミニウムに比べて高くなる。この結果、放熱部品
の小型化・軽量化を図ることができる。グラファイトの
ロッキング特性が20度以下である場合には、配向性が
より高くなり、放熱能力が向上する。
【0010】放熱部品が電子部品を冷却するヒートシン
クである場合には、ヒートシンクの小型化・軽量化をは
かれる。放熱部品が電子部品を封止するための封止部材
である場合には、封止部材の小型化・軽量化を図れる。
放熱部品が電子部品と熱を放熱する放熱体とを接続する
放熱部材である場合には、放熱部材の小型化・軽量化を
図れる。そして、電子部品から伝熱部材を経て放熱体に
熱が効率良く伝えられ、冷却効率を向上できる。
【0011】放熱部品が電子部品を搭載するための回路
基板に用いられる放熱部材である場合には、回路基板を
小型化・軽量化できかつ薄い回路基板で効率よく基板を
冷却できる。また、放熱部材が可撓性を有するグラファ
イトシートであり、比重が0.5以上1.5以下の場合
には、これを回路基板に用いると軽量な可撓性の回路基
板になり、放熱体との接続に用いると軽量化を図れかつ
電子部品と放熱体の位置関係が制限されない。
【0012】放熱部材が、発熱する加工工具を冷却する
ヒートシンクである場合には、ヒートシンクの小型化・
軽量化をはかれる。
【0013】
【実施例】
〔実施例1〕図1において、本発明の一実施例を採用し
た電源装置1は、2つのパワーIC2,3を含む半導体
素子と、各種コンデンサ、抵抗及びトランス等の回路部
品からなる電子部品を備えている。各電子部品は、回路
基板4上に配置されており、回路基板4の裏面でビン挿
入方式でプリント配線にはんだ付けされている。
【0014】回路基板4の奥側の端部には、アルミニウ
ム製の放熱体5が配置されている。放熱体5にはフィン
が設けられている。放熱体5は、回路基板4に伝熱可能
に接続されている。パワートランジスタ2は、図2に示
すように、例えば銅,アルミニウム等の金属製の基板1
0と、基板10上に形成された絶縁層11と、絶縁層1
1上に配置されたトランジスタ本体12と、トランジス
タ本体12からリード線を介して接続された接続ピン1
3と、これらを封止する封止ケース14とを有してい
る。封止ケース14と基板10とは、可撓性を有するグ
ラファイトシート製の伝熱シート15により接続されて
いる。基板10は、可撓性を有するグラファイトシート
製の伝熱配線16により、放熱体5と接続されている。
【0015】パワートランジスタ3には、パワートラン
ジスタの基板に連結してヒートシンク20が取り付けら
れている。ヒートシンク20は、後述するように例えば
高配向性を有するグラファイト素材を粉砕して得られた
粉末を成形して製造されたものである。ここでは、高配
向性を有するグラファイトの粉末又はシートを伝熱又は
放熱部材として用いることで、部材の冷却構造を小型化
・軽量化できる。
【0016】回路基板4は、図3に示すように、例えば
ポリイミド,ガラスファイバー分散強化エポキシ,ベー
クライト等の樹脂製の樹脂基板25と、樹脂基板25と
絶縁層26を介して接着された放熱基板27とを有して
いる。放熱基板27は、高配向性グラファイトシート製
である。樹脂基板25と放熱基板27を貫通して配線孔
30が形成されている。この配線孔30の周囲は絶縁層
26によって絶縁されており、そこには、例えばパワー
トランジスタ2の配線ピン13等の各電子部品のピンが
挿入されている。絶縁層26の裏面側には、配線パター
ン28が形成されている。そのランドに例えば配線ピン
13がはんだ29により接合されている。また、必要に
応じてスルーホールを介してハンダ等の導電ペーストを
設けることによりビヤホール化し多層化することもでき
る。
【0017】回路基板4の端部は、前述したように放熱
体5に連結されている。この結果、最も熱が伝達される
配線ピンから13の熱が、放熱基板27を介して放熱体
5に効率よく伝達され、冷却能力が向上する。次に、上
述の実施例の冷却作用について説明する。電源が投入さ
れ電源回路が動作すると、パワートランジスタ2,3,
やトランス等が発熱する。パワートランジスタ2が発熱
すると、その発熱の一部が、伝熱シート15を介して封
止ケース14に伝達される。また、金属基板10、伝熱
配線16を介して放熱体5に伝達される。さらに、配線
ピン13、放熱基板27を介して放熱体5に伝達され
る。この結果、パワートランジスタ2が発熱しても効率
良く冷却される。ここでは、アルミニウム製の放熱部品
により伝熱または放熱していないので、封止ケース1
4、伝熱配線16及び放熱基板27の構造が小型化しか
つ軽量化する。
【0018】一方、パワートランジスタ3での発熱は、
ヒートシンク20で空気中に放熱されるとともに、配線
ピンを介して放熱基板27に伝達される。放熱基板27
に伝達された熱は、放熱体5に伝達され放熱される。こ
こでも同様に、ヒートシンク20をグラファイト粉末で
形成したので、放熱フィンが薄型でありかつ効率よい放
熱が可能なため、アルミニウム製のヒートシンクに比べ
て構造が小型化しかつ軽量化する。 〔実施例2〕前記実施例1では、発熱する部材としての
電子部品の冷却構造について説明したが、発熱する部材
としての工具の冷却構造にも本発明を適用できる。
【0019】実施例2を示す図6において、工具として
のバイトは、高配向性グラファイト製の棒状のシャンク
35と、シャンク35の先端に取り付けられた金属製の
バイトチップ36とから構成されている。シャンク35
のグラファイト結晶は、たとえば、配向面が垂直面に沿
う方向に並ぶように配列されている。バイトチップ36
の先端にはダイヤモンドチップ37が埋め込まれてい
る。このようなバイトでは、加工時にダイヤモンドチッ
プ37で発生した熱は、バキトチップ36を介してシャ
ンク35に伝えられ、シャンク35の後端部から放熱す
る。ここでは、シャンク35が伝熱性に優れた高配向性
グラファイト製であるので、工具の小型化・軽量化を図
れ効率よく放熱できる。
【0020】なお、図7に示すように、シャンク35を
金属製とし、バイトチップ36を高配向性グラファイト
製としてもよい。この場合には、加工時にダイヤモンド
チップ37で発生した熱は、バイトチップ36で効率よ
く放熱されるとともに、シャンク35に伝熱されそこか
らも放熱される。また、図8に示すように、ダイヤモン
ドチップ37に接触するように、バイトチップ36とシ
ャンク35との間にグラファイトシート38を挟んでも
よい。このグラファイトシート38は、バイトチップ3
6の後端部で上方に折れ曲がりシャンク35の上面に沿
ってその後端部まで延びている。グラファイトシート3
8は、ダイヤモンドチップ37との接触面において、図
9に示すように、ダイヤモンドチップ37の上面及び後
端面上部に先端が当接しかつグラファイト結晶の配向方
向が水平面になるように配置されている。また、グラフ
ァイトシート38の後端部は、放熱しやすいように斜め
にカットされている。
【0021】なお、ダイヤモンドチップ37を除くこれ
らの各部を全て高配向性グラファイト製にしてもよい。 〔実施例3〕実施例3を示す図10において、フライス
用エンドミルは、エンドミル本体40と、冷却部材43
とを備えている。冷却部材43は、エンドミル本体40
の上部にリング状に巻き付けられた、たとえば、10〜
100ミクロン厚みの可撓性のグラファイトシート41
と、グラファイトシート41から下方に延び、エンドミ
ル本体40の刃と刃との間に配置された可撓性のグラフ
ァイトシート42とを備えている。ここでは、エンドミ
ル本体40の刃の先端で発生した熱は、グラファイトシ
ート42を介してグラファイトシート41に伝えられ、
そこで放熱される。このため、エンドミル本体40をこ
うりつよく冷却でき、冷却水の使用量を削減できる。
【0022】本発明の部材の冷却構造に使用される高配
向性グラファイト素材は、グラファイト結晶の配向方向
がそろった高結晶グラファイト、特にロッキング特性が
20度以下のグラファイトであればよく、炭化水素系ガ
スを用いCVD法によって炭素原子を基板上に積層させ
てからアニーリングして得られるもの、特定の高分子化
合物のフィルムをグラファイト化したものを挙げること
ができる。中でも、高分子化合物のフィルムをグラファ
イト化したものを使用すると熱伝導性がよいので好まし
い。ここで測定したロッキング特性は、理学電機社製ロ
ータフレックスRU−200B型X線回折装置を用い、
グラファイト(0002)線のピーク位置におけるロッ
キング特性である。
【0023】前記特定の高分子化合物として、各種ポリ
オキサジアゾール(POD)、ポリベンゾチアゾール
(PBT)、ポリベンゾビスチアゾール(PBBT)、
ポリベンゾオキサゾール(PBO)、ポリベンゾビスオ
キサゾール(PBBO)、各種ポリイミド(PI)、各
種ポリアミド(PA)、ポリフェニレンベンゾイミダゾ
ール(PBI)、ポリフェニレンベンゾビスイミダゾー
ル(PPBI)、ポリチアゾール(PT)、ポリパラフ
ェニレンビニレン(PPV)からなる群の中から選ばれ
る少なくとも1つを使用することができる。
【0024】上記各種ポリオキサジアゾールとしては、
ポリパラフェニレン−1,3,4−オキサジアゾールお
よびそれらの異性体がある。上記各種ポリイミドには下
記の一般式(1)で表される芳香族ポリイミドがある。
【0025】
【化1】
【0026】
【化2】
【0027】
【化3】
【0028】上記各種ポリアミドには下記一般式(2)
で表される芳香族ポリアミドがある。
【0029】
【化4】
【0030】使用されるポリイミド、ポリアミドはこれ
らの構造を有するものに限定されない。前記高分子化合
物のフィルムをグラファイト化する焼成条件は、特に限
定されないが、2000℃以上、好ましくは3000℃
近辺の温度域に達するように焼成すると、より高配向性
が優れたものが出来るため好ましい。焼成は、普通、不
活性ガス中で行われる。焼成の際、処理雰囲気を加圧雰
囲気にしてグラファイト化の過程で発生するガスの影響
を抑えるためには、高分子化合物のフィルム厚みが5μ
m以上であるのが好ましい。焼成時の圧力は、フィルム
の厚みにより異なるが、通常、0.1〜50kg/cm
2 の圧力が好ましい。最高温度が2000℃未満で焼成
する場合は、得られたグラファイトは硬くて脆くなる傾
向がある。焼成後、さらに必要に応じて圧延処理するよ
うにしてもよい。前記高分子化合物のフィルムのグラフ
ァイト化は、たとえば、高分子化合物のフィルムを適当
な大きさに切断し、切断されたフィルムを約1000枚
程度積層してから焼成炉に入れ、3000℃に昇温して
グラファイト化するプロセスで製造される。焼成後、さ
らに必要に応じて圧延処理される。
【0031】このようにして得られる高配向性グラファ
イト素材は、フィルム状、シート状、板状のいずれの形
態でもよい。しかも、可撓性を有していても、可撓性の
ない硬いものでもいずれであってもよい。たとえば、芳
香族ポリイミドを焼成して得られた可撓性のない高配向
性グラファイト素材は、比重が2.25(Alは2.6
7)、熱伝導性がAB面方向で860kcal/m・h
・℃(Cuの2.5倍,Alの4.4倍)であり、AB
面方向の電気伝導性が250,000S/cm、AB面
方向の弾性率が84,300kgf/mm2 である。
【0032】可撓性を有する高配向性グラファイト素材
は、可撓性がない高配向性グラファイト素材より比重が
軽い(0.5〜1.5)が、熱伝導性はあまり変化せ
ず、任意の形状の伝熱配線、伝熱シート、放熱基板に使
用できるので好ましい。高配向性グラファイト素材とし
て、フィルム状のものを使用する場合は、原料の高分子
化合物のフィルムの厚さは400μm以下の範囲である
のが好ましく、より好ましくは5〜200μmである。
原料フィルムの厚さが400ミクロンを超えると、熱処
理過程時にフィルム内部より発生するガスによって、フ
ィルムがボロボロの崩壊状態になり、単独で良質の電極
材料として使用することは難しい。
【0033】しかし、崩壊状態のグラファイトも、例え
ば、所謂テフロンとして知られるポリテトラフルオロエ
チレンのようなフッ素樹脂とのコンポジット体とすれば
使用可能なグラファイト面状体になる。また、上述した
高配向性グラファイト素材をリン片粉末化してフッ素樹
脂等の高分子樹脂とのコンジット体にしてヒートシンク
20、封止ケース14及びシャンク35等に使用するこ
とも可能である。コンポジット体の場合、グラファイト
と高分子樹脂の割合(重量比率)は、グラファイト:高
分子樹脂=50:1〜2:1の範囲が適当である。この
コンジット体を押し出し成形すると、押し出し方向に直
交する方向にカーボン結晶が配向するので、その方向の
熱伝導性が高くなる。 〔他の実施例〕 (a) パワートランジスタ2の基板10を樹脂,金属
または高配向性グラファイト製とし、封止ケース14
を、図4に示すように、(ご記入下さい)製としたベア
ICの封止ケース14の表面に伝熱配線16を接続して
もよい。 (b) 回路基板として可撓性のフィルム基板を用いた
場合には、図5に示すように、電子部品32を搭載した
可撓性のフィルム基板33に合わせた可撓性のグラファ
イトシート34を用いることができる。この場合には、
フィルム基板30を曲げることで基板の専有容積を小型
化できる。 (c) ピン挿入型の代わりに、片面表面実装型や両面
表面実装型の電子部品及び回路基板に対する放熱部品に
対しても本発明を適用できる。 (d) 発熱する電子部品としてはパワートランジスタ
に限定されず、MPU等の半導体、抵抗,コンデンサ,
トランス等の発熱する全ての電子部品が含まれる。
【0034】
【発明の効果】本発明に係る部材の冷却構造では、放熱
部品が高配向性を有するグラファイト製であるので、熱
伝導性がアルミニウムに比べて高くなる。この結果、放
熱部品の小型化・軽量化を図ることができる。グラファ
イトのロッキング特性が20度以下である場合には、配
向性がより高くなり、放熱能力が向上する。
【0035】放熱部品が電子部品を冷却するヒートシン
クである場合には、ヒートシンクの小型化・軽量化をは
かれる。放熱部品が電子部品を封止するための封止部材
である場合には、封止部材の小型化・軽量化を図れる。
放熱部品が電子部品と熱を放熱する放熱体とを接続する
放熱部材である場合には、放熱部材の小型化・軽量化を
図れる。そして、電子部品から伝熱部材を経て放熱体に
熱が効率良く伝えられ、冷却効率を向上できる。
【0036】放熱部品が電子部品を搭載するための回路
基板に用いられる放熱部材である場合には、回路基板を
小型化・軽量化できかつ薄い回路基板で効率よく基板を
冷却できる。また、放熱部材が可撓性を有するグラファ
イトシートであり、比重が0.5以上1.5以下の場合
には、これを回路基板に用いると軽量な可撓性の回路基
板になり、放熱体との接続に用いると軽量化を図れかつ
電子部品と放熱体の位置関係が制限されない。
【0037】放熱部材が、発熱する加工工具を冷却する
ヒートシンクである場合には、ヒートシンクの小型化・
軽量化をはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を採用した電源装置の斜視
図。
【図2】パワートランジスタの断面図。
【図3】回路基板の断面部分図。
【図4】他の実施例の図2に相当する図。
【図5】回路基板の他の実施例を示す斜視図。
【図6】実施例2を採用した工具の斜視図。
【図7】実施例2の変形例の図6に相当する図。
【図8】実施例2の他の変形例の図6に相当する図。
【図9】図8の先端部分の断面拡大図。
【図10】実施例3を採用したエンドミルの側面部分
図。
【符号の説明】
2,3 パワートランジスタ 14 封止ケース 15 伝熱シート 16 伝熱配線 20 ヒートシンク 27 放熱基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 和弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発熱する部材を冷却するための冷却構造で
    あって、 高配向性を有するグラファイト製の放熱部品を含むこと
    を特徴とする部材の冷却構造。
  2. 【請求項2】前記グラファイトは、ロッキング特性が2
    0度以下である、請求項1または2に記載の部材の冷却
    構造。
  3. 【請求項3】前記放熱部品は、前記部材としての電子部
    品を冷却するためのヒートシンクである、請求項1また
    は2に記載の部材の冷却構造。
  4. 【請求項4】前記放熱部品は、前記部材としての電子部
    品を封止するための封止部材である、請求項1または2
    に記載の部材の冷却構造。
  5. 【請求項5】前記放熱部品は、前記部材としての電子部
    品と熱を放熱する放熱体とを接続する放熱部材である、
    請求項1または2に記載の部材の冷却構造。
  6. 【請求項6】前記放熱部品は、前記部材としての電子部
    品を搭載するための回路基板に用いられる放熱部材であ
    る、請求項1または2に記載の部材の冷却構造。
  7. 【請求項7】前記放熱部材は、可撓性を有するグラファ
    イトシート製であり、比重が0.5以上1.5以下であ
    る、請求項5または6に記載の部材の冷却構造。
  8. 【請求項8】前記放熱部品は、前記部材としての発熱す
    る加工工具を冷却するヒートシンクである、請求項1ま
    たは2に記載の部材の冷却構造。
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