WO2013021870A1 - 冷却装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

　冷却装置をモジュール等に取り付けるために設けられる取り付け部の高い機械的強度と、冷却装置自体の良好な熱伝導性とを両立させた冷却装置及びその製造方法を提供する。冷却装置１は、アルミニウム又はアルミニウム合金によって形成された部材に熱媒体の流路１１ａを設けた冷却部材１１と、アルミニウム合金によって形成され、冷却部材１１の板状部材配置面１１ｂに、冷却部材１１の一部が露出するように配置された板状部材１２と、板状部材１２から冷却部材１１の一部が露出している露出部分１１ｃ及びその周囲の板状部材１２の表面に向け、銅又は銅合金からなる粉末をガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて粉末を堆積させることによって形成された熱伝導層１３とを備える。

Description

冷却装置及びその製造方法

　本発明は、冷却装置及びその製造方法に関する。

　コンピュータのＣＰＵやチップセット、ＡＶ機器や自動車用のパワートランジスタといった種々のモジュールや装置（以下、これらを総称してモジュール等という）には、モジュール等の過熱を防ぐために、通常、冷却装置が設けられる。冷却装置には、一例として、アルミニウム合金部材に熱媒体の移動経路を設けた冷却部材（ヒートシンク）が用いられる。ヒートシンクには、通常、銅等によって形成された熱伝導層が設けられており、チップ等から発生した熱を、熱伝導層を介して冷却部本体に移動させ外部に放熱することにより、モジュール等の冷却を行うことができる。

　このような冷却装置においては、ヒートシンクから熱伝導層にかけての熱伝導性を高くする必要がある。このため、例えば、特許文献１においては、熱抵抗の要因となる金属間化合物の形成を防ぐために、アルミニウム製のヒートシンクに対してニッケルメッキを施した銅板をろう付することとしている。また、特許文献２においては、ヒートシンクの平板部上に、コールドスプレー等の溶射法により溶射金属層を直接形成した後、溶射金属層内の欠陥を低減するための熱処理を行っている。

特開２００２－３０７１６５号公報 特開２００９－３２９９６号公報

　ところで、このような冷却装置をモジュール等に取り付ける際には、例えば特許文献２の図８に示すように、ヒートシンク上部の平板部の端部を本体よりも外側に延出させ、この端部を熱交換媒体の容器である放熱器に架橋する場合がある。或いは、平板部の端部を放熱器に機械締結する場合もある。このため、平板部に対しては、高い機械的強度が要求される。

　そこで、平板部の強度を向上させるため、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる冷却部材にコールドスプレー法により銅の熱伝導層を設けた後、冷却装置全体に熱処理を施すことが考えられる。しかしながら、この場合、アルミニウム又はアルミニウム合金と銅との界面に金属間化合物が生成され、この界面における熱伝導性及び機械的信頼性が低下してしまうおそれがある。

　或いは、冷却部材そのものを、予め硬化処理がなされた高強度アルミニウム合金によって作製することも考えられる。しかしながら、一般に、高強度アルミニウム合金の熱伝導率は、純アルミニウムや加工硬化させていないアルミニウム合金と比べてかなり低い（例えば、半分程度）ので、冷却部材自体の冷却効率が低下してしまう。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却部材に熱伝導層が設けられた冷却装置において、該冷却装置をモジュール等に取り付けるために設けられる取り付け部の高い機械的強度と、冷却装置自体の良好な熱伝導性とを両立させた冷却装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る冷却装置は、金属又は合金によって形成された冷却部材と、金属又は合金によって形成され、前記冷却部材の１つの面に、前記冷却部材の一部が露出するように配置された板状部材と、前記板状部材から前記冷却部材の一部が露出している露出部分、及び少なくとも該露出部分の周囲の前記板状部材の表面に向け、金属又は合金からなる粉末をガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて前記粉末を堆積させることによって形成された熱伝導層とを備えることを特徴とする。

　上記冷却装置において、前記板状部材に、前記冷却部材の一部を露出させる開口が形成されていることを特徴とする。

　上記冷却装置において、前記板状部材の少なくとも一部が、前記冷却部材の外周よりも外側に延出していることを特徴とする。

　上記冷却装置において、前記露出部分の境界と接する前記板状部材の端面が、前記冷却部材側から前記板状部材の表面に向かって広がるテーパー状をなすことを特徴とする。

　上記冷却装置において、前記冷却部材の板状部材配置面に、前記板状部材の厚さに等しく、前記板状部材が嵌合される切り欠きが設けられていることを特徴とする。

　上記冷却装置において、前記冷却部材に、熱媒体の流路が設けられていることを特徴とする。

　上記冷却装置において、前記冷却部材はアルミニウム又はアルミニウム合金によって形成され、前記板状部材はアルミニウム合金によって形成され、前記熱伝導層は銅又は銅合金によって形成されていることを特徴とする。

　本発明に係る冷却装置の製造方法は、金属又は合金によって形成された冷却部材の１つの面に対し、金属又は合金によって形成された板状部材を、前記冷却部材の一部が露出するように配置する板状部材配置工程と、前記板状部材から前記冷却部材の一部が露出している露出部分、及び少なくとも該露出部分の周囲の前記板状部材の表面に向け、金属又は合金からなる粉末をガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて前記粉末を堆積させることにより、熱伝導層を形成する熱伝導層形成工程とを含むことを特徴とする。

　本発明によれば、冷却部材と板状部材とを別々に作製するので、冷却部材として熱伝導性の良好な材料を選択し、板状部材として、機械的強度の高い材料を選択することが可能になる。また、本発明によれば、板状部材から露出した冷却部材の部分及びその周囲の板状部材表面に、所謂コールドスプレー法により熱伝導層を形成するので、熱抵抗となる成分を介することなく冷却部材上に直接熱伝導層を形成することができ、それと同時に、冷却部材と板状部材とを一体化させることができる。従って、取り付け部の高い機械的強度と、冷却装置自体の良好な熱伝導性とを両立させた冷却装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る冷却装置の構造を示す斜視図である。 図２は、図１に示す冷却装置を示す断面図である。 図３は、図１に示す冷却装置の製造方法を示すフローチャートである。 図４は、図１に示す冷却装置の製造方法を説明する図である。 図５は、図１に示す冷却装置の製造方法を説明する図である。 図６は、コールドスプレー装置の概要を示す模式図である。 図７は、変形例１に係る冷却装置の構造を示す断面図である。 図８は、変形例２に係る冷却装置の構造を示す断面図である。 図９は、変形例３に係る冷却装置の構造を示す断面図である。 図１０は、変形例４に係る冷却装置の構造を示す上面図である。

　以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。

（実施の形態）
　図１は、本発明の一実施の形態に係る冷却装置の構造を示す斜視図である。また、図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。
　図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る冷却装置１は、金属又は合金によって形成された部材に、熱交換を行う熱媒体の流路１１ａを設けた冷却部材１１と、冷却部材１１の１つの面１１ｂ上（以下、板状部材配置面ともいう）に配置され、該面１１ｂの一部を露出する開口１２ａが設けられた板状部材１２と、開口１２ａ内及びその周囲の板状部材１２の表面に形成された熱伝導層１３とを備える。

　冷却部材１１は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金のように、良好な熱伝導性を有する部材によって形成される。このような部材に掘削加工等を施し、一部を例えばフィン状とすることにより、流路１１ａが設けられる。冷却部材１１は、熱伝導層１３から伝導してきた熱を、流路１１ａを流通する冷却水や冷却ガス等の熱媒体に放熱する。

　なお、流路１１ａの形状は、図１及び図２に示すものに限定されず、所望の形状として良い。また、冷却部材１１の内側には流路を設けずに、冷却部材１１の表面のみを放熱部としても良い。

　冷却部材１１の材料として、具体的には、Ａｌが９９％以上の純アルミニウム（Ａ１０００系、熱伝導率：２２０～２３５Ｗ／（ｍ・Ｋ））や、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金（Ａ６０００系）に焼きなまし処理を施したＡ６０６３（熱伝導率：２１８Ｗ／（ｍ・Ｋ））等が用いられる。

　板状部材１２は、例えばアルミニウム合金のように、機械的強度の高い金属又は合金によって形成される。板状部材１２の周縁の少なくとも一部（図１においては全部）は、板状部材配置面１１ｂよりも外側に延出している。この延出した部分（延出部）１２ｂが、冷却装置１を例えば熱媒体を収容する放熱器等に取り付ける際に、取り付け部として用いられる。

　なお、開口１２ａのサイズ及び形状は、図１に示すものに限定されず、板状部材配置面１１ｂの内側に収まれば、所望のサイズ及び形状として良い。好ましくは、板状部材１２の機械的強度を確保でき、且つ、板状部材１２上に熱伝導層１３を形成するスペースを十分に確保できる範囲で、開口１２ａの面積をなるべく広く取り、冷却部材１１と熱伝導層１３との接触面積を広くすると良い。

　板状部材１２の材料として、具体的には、Ａｌ－Ｃｕ系合金（Ａ２０００系）で熱処理を施したもの（引張り強さ：３３０～４９０ＭＰａ、耐力：２５０～２９０ＭＰａ）、Ａｌ－Ｍｎ系合金（Ａ３０００系）で加工硬化させたもの（引張り強さ：１５０～２２０ＭＰａ、耐力：１３０～２００ＭＰａ）、Ａｌ－Ｍｇ系合金（Ａ５０００系）で加工硬化させたもの（引張り強さ：１８０～２９０ＭＰａ、耐力：１３０～２６０ＭＰａ）、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金（Ａ６０００系）で熱処理を施したもの（引張り強さ：１８０～３８０ＭＰａ、耐力：１４０～３２０ＭＰａ）、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系合金（Ａ７０００系）で熱処理を施したもの（引張り強さ：３６０～６９０ＭＰａ、耐力：２５０～６６０ＭＰａ）等が用いられる。

　熱伝導層１３は、例えば銅又は銅合金のように、良好な熱伝導性を有する金属又は合金によって形成される。熱伝導層１３は、冷却装置１を例えば放熱器等に取り付けた際に、チップ等の熱発生源と直接又は基板等を介して接触する接触面１３ａを有し、この接触面１３ａを介して受け取った熱を冷却部材１１に伝導する。このような熱伝導層１３は、材料の粉末（銅粉等）をガスと共に加速し、基材に固相状態のままで吹き付けて堆積させる、所謂コールドスプレー法により形成されている。熱伝導層１３は、板状部材配置面１１ｂの内、開口１２ａから露出した露出部分１１ｃと、開口１２ａ周囲の板状部材１２の上面とに渡って連続的に設けられており、冷却部材１１と板状部材１２とを互いに一体化させている。

　次に、冷却装置１の製造方法について説明する。図３は、冷却装置１の製造方法を示すフローチャートである。
　まず、工程Ｓ１１において、アルミニウム又はアルミニウム合金部材を所望の形状に掘削加工することにより、冷却部材１１を作製する（図４参照）。

　続く工程Ｓ１２において、所望の形状のアルミニウム合金板に開口１２ａを設けることにより、板状部材１２を作製する（図４参照）。この際、板状部材１２の機械的強度を向上させるため、板状部材１２にさらに熱処理を施しても良い。

　工程Ｓ１３において、冷却部材１１の板状部材配置面１１ｂ上に板状部材１２を配置する（図４及び図５参照）。この際、治具や接着剤等を用いて板状部材１２を冷却部材１１に仮固定すると良い。

　工程Ｓ１４において、板状部材配置面１１ｂの内、開口１２ａから露出した露出部分１１ｃ及び開口１２ａ周囲の板状部材１２の表面に、コールドスプレー法によって熱伝導層１３を形成する。

　図６は、熱伝導層１３の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。図６に示すように、コールドスプレー装置６０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器６１と、熱伝導層１３の材料の粉末（以下、材料粉末又は単に粉末という）を収容し、スプレーガン６３に供給する粉末供給装置６２と、加熱された圧縮ガス及びそこに供給された材料粉末を基材６７に噴射するガスノズル６４と、ガス加熱器６１及び粉末供給装置６２に対する圧縮ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ６５及び６６とを備える。

　圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。ガス加熱器６１に供給された圧縮ガスは、例えば５０℃以上であって、材料粉末の融点よりも低い範囲の温度に加熱された後、スプレーガン６３に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、好ましくは３００～９００℃である。

　一方、粉末供給装置６２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置６２内の材料粉末をスプレーガン６３に所定の吐出量となるように供給する。

　加熱された圧縮ガスは末広形状をなすガスノズル６４により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。この際の圧縮ガスのガス圧力は、１～５ＭＰａ程度とすることが好ましい。圧縮ガスの圧力をこの程度に調整することにより、基材６７に対する材料粉末の密着強度の向上を図ることができるからである。より好ましくは、２～４ＭＰａ程度の圧力で処理すると良い。スプレーガン６３に供給された材料粉末は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材６７に高速で衝突して堆積し、皮膜を形成する。なお、材料粉末を基材６７に向けて固相状態のまま衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図６に示すコールドスプレー装置６０に限定されるものではない。

　このようなコールドスプレー装置６０において、基材６７として冷却部材１１及びその上に配置した板状部材１２をセットして、銅皮膜（熱伝導層１３）を形成する。この際、板状部材１２の厚さよりも十分厚くなるように銅皮膜を形成し、露出部分１１ｃ上の銅皮膜と板状部材１２上の銅皮膜とを一体化させる。それにより、冷却装置１が完成する。

　以上説明したように、本実施の形態によれば、冷却部材１１上に配置した板状部材１２の開口１２ａ内（露出部分１１ｃ）及びその周囲に、コールドスプレー法により熱伝導層１３を形成する。ここで、コールドスプレー法によって形成された皮膜は、相変態がなく酸化も抑制されているため、高い熱伝導性を有する。また、コールドスプレー法においては、材料粉末が基材（又は先に形成された皮膜）に衝突した際に粉末と基材との間で塑性変形が生じてアンカー効果が得られると共に、互いの酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じるので、基材との密着強度も高いという特徴を有する。従って、熱伝導層１３自体が良好な熱伝導性を有すると共に、熱伝導層１３が冷却部材１１と強く密着しているため、両者の間においても、良好な熱伝導性を得ることができる。

　また、本実施の形態によれば、冷却部材１１と板状部材１２とで、それぞれの機能に適した材料を別個に選択することができる。従って、冷却部材１１に必要な熱伝導性と、板状部材１２に必要な機械的強度とを、冷却装置１において両立させることができる。

　また、本実施の形態によれば、冷却部材１１と板状部材１２とを一体化させた後、板状部材１２の機械的強度を向上させるための熱処理等を行う必要がないので、冷却部材１１と板状部材１２との間において熱抵抗の要因となる金属間化合物の生成を抑制することができる。

　また、本実施の形態においては、コールドスプレー法により形成した熱伝導層１３によって、冷却部材１１と板状部材１２とを一体化させる。従って、冷却部材１１と板状部材１２とを締結又は接合するための部材や工程を別途設ける必要がなくなり、部品点数を削減し、製造工程を簡素化することが可能となる。

　以下、本実施の形態の変形例１～４について説明する。なお、各変形例１～４における冷却部材、板状部材、及び熱伝導層の材料については、上記実施の形態において説明したものと同様である。

（変形例１）
　図７は、変形例１に係る冷却装置の構造を示す断面図である。図７に示す冷却装置２においては、板状部材２１に設けた開口２１ａの端面２１ｂを、冷却部材１１側から板状部材２１の上面に向かって広がるテーパー状としている。この場合、熱伝導層１３を形成する際に材料粉末を吹き付ける領域（露出部分１１ｃ及び開口２１ａ周囲の板状部材２１）に生じる段差を低減することができるので、厚さや密度において、より均一な熱伝導層１３を形成することができる。なお、図７においては、露出部分１１ｃ及び端面２１ｂのみに熱伝導層１３を形成しているが、端面２１ｂの周囲の板状部材２１上面まで熱伝導層１３を拡張しても良い。

（変形例２）
　図８は、変形例２に係る冷却装置の構造を示す断面図である。図８に示す冷却装置３においては、冷却部材３１の上面（板状部材配置面）３１ａの開口１２ａに対応する部分を除く周縁部３１ｂに、板状部材１２の厚さに対応する分だけ掘削した切り欠きを設けている。それにより、板状部材１２を冷却部材３１上に配置する際に、露出部分３１ｃを開口１２ａに嵌合させ、露出部分３１ｃの上面と板状部材１２の上面との高さを揃えている。この場合、厚さ及び密度において、より均一な熱伝導層３２を形成することができる。

（変形例３）
　図９は、変形例３に係る冷却装置の構造を示す断面図である。
　図８に示す冷却装置３においては、冷却部材３１の露出部分３１ｃを開口１２ａに隙間なく嵌合させているが、図９に示す冷却装置４のように、露出部分３１ｃの端面と開口１２ａの端面との間に隙間があっても構わない。この場合、熱伝導層４１を形成する際に、両者の間の隙間４１ａを銅皮膜で充填し、板状部材１２上の熱伝導層４１と露出部分３１ｃ上の熱伝導層４１とを一体化させれば良い。

　また、さらなる変形例として、開口１２ａの端面と露出部分３１ｃの端面との内の少なくとも一方を、変形例２と同様に、板状部材１２の上面に向かって広がるテーパー状にしても良い。

（変形例４）
　図１０は、変形例４に係る冷却装置の構造を示す上面図である。
　上述した実施の形態及び変形例１～３においては、開口を設けた板状部材を冷却部材上に配置した。しかしながら、板状部材を配置した際に、冷却部材の板状部材配置面の一部を露出させることができれば、必ずしも板状部材に開口を設ける必要はない。

　例えば、図１０に示す冷却装置５のように、冷却部材５１の板状部材配置面に板状部材５２、５３を、互いに間隔を開けて配置することにより、板状部材配置面の一部を露出させることができる。この場合、板状部材配置面の露出部分５１ａから板状部材５２、５３に渡って、コールドスプレー法により熱伝導層５４を形成することにより、同時に、冷却部材５１と板状部材５２、５３とを一体化させることができる。

　なお、変形例４においても、変形例１と同様に、板状部材５２、５３の端面をテーパー状としても良い。また、変形例２、３と同様に、冷却部材５１の上面に切り欠きを設け、当該切り欠きに板状部材５２、５３を嵌合させるようにしても良い。

　１～５　冷却装置
　１１、３１、５１　冷却部材
　１１ａ　流路
　１１ｂ　板状部材配置面
　１１ｃ、３１ｃ、５１ａ　露出部分
　１２、２１、５２、５３　板状部材
　１２ａ、２１ａ　開口
　１３、３２、４１、５４　熱伝導層
　１３ａ　接触面
　２１ｂ　端面
　３１ｂ　周縁部
　４１ａ　隙間
　６０　コールドスプレー装置
　６１　ガス加熱器
　６２　粉末供給装置
　６３　スプレーガン
　６４　ガスノズル
　６５、６６　バルブ
　６７　基材

Claims (8)

1. 　金属又は合金によって形成された冷却部材と、
   　金属又は合金によって形成され、前記冷却部材の１つの面に、前記冷却部材の一部が露出するように配置された板状部材と、
   　前記板状部材から前記冷却部材の一部が露出している露出部分、及び少なくとも該露出部分の周囲の前記板状部材の表面に向け、金属又は合金からなる粉末をガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて前記粉末を堆積させることによって形成された熱伝導層と、
   を備えることを特徴とする冷却装置。
2. 　前記板状部材に、前記冷却部材の一部を露出させる開口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 　前記板状部材の少なくとも一部が、前記冷却部材の外周よりも外側に延出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 　前記露出部分の境界と接する前記板状部材の端面が、前記冷却部材側から前記板状部材の表面に向かって広がるテーパー状をなすことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 　前記冷却部材の板状部材配置面に、前記板状部材の厚さに等しく、前記板状部材が嵌合される切り欠きが設けられていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の冷却装置。
6. 　前記冷却部材に、熱媒体の流路が設けられていることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の冷却装置。
7. 　前記冷却部材はアルミニウム又はアルミニウム合金によって形成され、
   　前記板状部材はアルミニウム合金によって形成され、
   　前記熱伝導層は銅又は銅合金によって形成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の冷却装置。
8. 　金属又は合金によって形成された冷却部材の１つの面に対し、金属又は合金によって形成された板状部材を、前記冷却部材の一部が露出するように配置する板状部材配置工程と、
   　前記板状部材から前記冷却部材の一部が露出している露出部分、及び少なくとも該露出部分の周囲の前記板状部材の表面に向け、金属又は合金からなる粉末をガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて前記粉末を堆積させることにより、熱伝導層を形成する熱伝導層形成工程と、
   を含むことを特徴とする冷却装置の製造方法。

Images