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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6863512
(24)【登録日】2021年4月5日
(45)【発行日】2021年4月21日
(54)【発明の名称】ヒートシンク
(51)【国際特許分類】
H01L 23/36 20060101AFI20210412BHJP
H05K 7/20 20060101ALI20210412BHJP
【ＦＩ】
H01L23/36 Z
H05K7/20 A
【請求項の数】6
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2020-132836(P2020-132836)
(22)【出願日】2020年8月5日
(65)【公開番号】特開2021-27360(P2021-27360A)
(43)【公開日】2021年2月22日
【審査請求日】2020年11月30日
(31)【優先権主張番号】特願2019-144843(P2019-144843)
(32)【優先日】2019年8月6日
(33)【優先権主張国】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100101465
【弁理士】
【氏名又は名称】青山 正和
(72)【発明者】
【氏名】渡邊 光太郎
(72)【発明者】
【氏名】幸 俊彦
【審査官】
川原 光司
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１８／１５９６０１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１９／０２６９５２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００８−１０８９２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−１４１１３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１０−５３１５３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０９−０３６２８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００５／０６７０３６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１４−０９０２０９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ２３／２９
Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／３６
Ｈ０１Ｌ ２３／３７３−２３／４２７
Ｈ０１Ｌ ２３／４４
Ｈ０１Ｌ ２３／４６７−２３／４７３
Ｈ０５Ｋ ７／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板部、及び前記基板部の表面に立設されて相互に平行に配置された２以上のフィン部を有する金属成形体と、
前記フィン部間に形成された１以上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１以上の充填体と
を有し、
前記コイル状金属線材は、第１外径を有する第１端部と、前記第１外径とは異なる大きさの第２外径を有する第２端部とを有し、一部が前記溝部内面および他の前記コイル状金属線材の少なくともいずれかに冶金的接合され、
前記溝部の長さ方向に直交する断面において、前記溝部の深さ方向に沿って延びて幅を３分割する２本の第１分割線について、前記各第１分割線上の空隙部の長さの平均値は、前記溝部の深さに対する比率が２０％以上６０％以下であり、
前記溝部の長さ方向に直交する前記断面において、前記溝部の幅方向に沿って延びて前記深さを３分割する２本の第２分割線について、前記各第２分割線上の前記空隙部の長さの平均値は、前記溝部の前記幅に対する比率が４５％以上６５％以下である
ことを特徴とするヒートシンク。
前記フィン部間に形成された１以上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１以上の充填体と
を有し、
前記コイル状金属線材は、第１外径を有する第１端部と、前記第１外径とは異なる大きさの第２外径を有する第２端部とを有し、一部が前記溝部内面および他の前記コイル状金属線材の少なくともいずれかに冶金的接合され、
前記溝部の長さ方向に直交する断面において、前記溝部の深さ方向に沿って延びて幅を３分割する２本の第１分割線について、前記各第１分割線上の空隙部の長さの平均値は、前記溝部の深さに対する比率が２０％以上６０％以下であり、
前記溝部の長さ方向に直交する前記断面において、前記溝部の幅方向に沿って延びて前記深さを３分割する２本の第２分割線について、前記各第２分割線上の前記空隙部の長さの平均値は、前記溝部の前記幅に対する比率が４５％以上６５％以下である
ことを特徴とするヒートシンク。
【請求項2】
前記コイル状金属線材の長さ方向と直交する横断面形状は五角形以下の多角形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。
【請求項3】
前記コイル状金属線材は、単一のコイルの全長をＬｍｍ、巻き数をＮとしたとき、比率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。
【請求項4】
前記コイル状金属線材の最大外径をＤＡｍｍ、最小外径をＤＢｍｍ、単コイル全長をＬｍｍとしたとき、比率（ＤＡ−ＤＢ）／Ｌが０．０５以上であ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。
【請求項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。
【請求項6】
前記基板部の平面積をＳ１×Ｓ２、前記フィン部の高さをｈ１として設定した全体体積Ｖ＝Ｓ１×Ｓ２×ｈ１に対して、前記空隙部の体積が占める空隙率が５０％以上６５％以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。本願は、２０１９年８月６日に出願された特願２０１９−１４４８４３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【0002】
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、電子部品を正常に動作させるために、半導体素子の熱を放散するためのヒートシンクが設けられる。このヒートシンクは、熱伝導性が高いアルミニウムや銅から形成され、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が多く用いられる。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に基板部を密着させ、フィンを熱媒流路に配置されることにより、被冷却体を冷却する。
【0003】
例えば、特許文献１には、中実材のフィンがベース板に立設されたヒートシンクが記載されている。特許文献２では、中実材のフィンの間に多孔質材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。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、中実材で形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。
【0004】
しかしながら、特許文献１記載のヒートシンクでは、フィンが中実材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記載のヒートシンクでは、多孔質体の比表面積が高いため熱抵抗が低いが、熱媒が流れる空間が小さいので圧力損失が高くなりすぎてしまう。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。
【0005】
そこで、特許文献４では、中実材の芯部の表面に繊維多孔質体を接合した構造のストレートフィンを提案している。このヒートシンクは、ストレートフィンの溝を埋める繊維多孔質体の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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００３−１１９５３６号公報
【特許文献2】特開２０１２−９４８２号公報
【特許文献3】特開平６−２７５７４６号公報
【特許文献4】特開２０１９−２９５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ＬＥＤ素子を搭載した電子部品等の場合、冷却方法が冷媒を流通させない自然放冷であることがある。そのような場合でも確実に冷却できるヒートシンクが望まれている。
【0008】
本発明は、対流熱抵抗を低下させつつ、自然放冷にも対応可能な冷却性能を有するヒートシンクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明のヒートシンクは、基板部、及び前記基板部の表面に立設されて相互に平行に配置された２以上のフィン部を有する金属成形体と、前記フィン部間に形成された１以上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１以上の充填体とを有し、前記コイル状金属線材は、第１外径を有する第１端部と、前記第１外径とは異なる大きさの第２外径を有する第２端部とを有し、一部が前記溝部内面および他の前記コイル状金属線材の少なくともいずれかに冶金的接合されている。このヒートシンクは、前記溝部の長さ方向に直交する断面において、前記溝部の深さ方向に沿って延び深さを３分割する２本の第１分割線について、前記各第１分割線上の空隙部の長さの平均値は、前記溝部の深さに対する比率が２０％以上６０％以下であり、前記溝部の長さ方向に直交する断面において、前記溝部の幅を３分割する２本の第２分割線について、前記各第２分割線上の前記空隙部の長さの平均値は、前記溝部の幅に対する比率が４５％以上６５％以下である。
【0010】
このヒートシンクは、中実材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。コイル状金属線材は金属成形体又は他のコイル状金属線材に冶金的に接合されている、つまりコイル状金属線材からなる充填体は溝部内面に冶金的接合部を介して接合されているので、金属成形体と充填体との間の接合界面の熱抵抗が小さく、熱移動が円滑に促進される。
【0011】
溝部内で充填体内の空隙を満たす熱媒と、コイル状金属線材及び金属成形体の表面との間で熱交換される。このとき、熱媒を強制流通させない状態であると、コイル状金属線材あるいは金属成形体の表面から自然対流によって熱媒が流れる（移動する）。本発明の充填体は、コイル状金属線材からなるので、空隙が大きく、発泡金属や繊維多孔体と比べ圧力損失は小さい。
【0012】
充填体を形成しているコイル状金属線材は、そのコイルの長さ方向と直交する方向の熱媒の流れに対して線材の各部が交差する。さらに、そのコイルの外径が第１端部側と第２端部側とで異なっているため、コイルの長さ方向に沿う方向の熱媒の流れに対しても線材の各部が交差する。
【0013】
このため、コイル状金属線材の向きにかかわらず、コイル状金属線材と熱媒との間で確実に熱交換することができる。したがって、熱媒を強制流通させる場合だけでなく、自然放冷の場合でも、速やかに放熱することができる。
【0014】
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、溝部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。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。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、中実材を切削して得られる切削片も利用できる。
【0015】
このヒートシンクにおいて、溝部の幅に対する各空隙部の比率が平均で４５％未満、あるいは溝部の深さに対する各空隙部の比率が平均で２０％未満では、空隙部が小さく隣接するコイル状金属素材および金属成形体が接近し過ぎ、空隙部を経由する熱の放散が損なわれる。
【0016】
溝部の幅に対する空隙部の比率が平均で６５％を超え、あるいは溝部の深さに対する空隙部の比率が平均で６０％を超えると、空隙部が大き過ぎることから、金属成形体とコイル状金属素材の熱伝達による放熱が低減する。
【0017】
このヒートシンクにおいて、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、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により接合されている。
【0018】
本発明のヒートシンクの好ましい態様として、前記コイル状金属線材の長さ方向と直交する横断面形状は五角形以下の多角形に形成されているとよい。
【0019】
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、熱媒の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る。
【0020】
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。その平面又は湾曲面に熱媒の流れが衝突すると、コイル状金属線材の後方で渦が発生する。その結果、流れが乱されてかく乱効果が高められ、熱交換をさらに促進できる。なお、横断面形状が四角形の場合、薄板状の線材も含む。
【0021】
本発明のヒートシンクの好ましい態様として、前記コイル状金属線材は、単一のコイルの全長をＬｍｍ、巻き数をＮとしたとき、比率Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ−１以上であるとよい。
【0022】
比率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。
【0023】
本発明のヒートシンクの好ましい態様として、前記コイル状金属線材の最大外径をＤＡｍｍ、最小外径をＤＢｍｍ、単コイル全長をＬｍｍとしたとき、比率（ＤＡ−ＤＢ）／Ｌが０．０５以上であるとよい。
【0024】
本発明のヒートシンクの好ましい態様として、切削加工により生じる切削片であるとよい。
【0025】
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。
【0026】
本発明のヒートシンクは、前記基板部の平面積をＳ１×Ｓ２、前記フィン部の高さをｈ１として設定した全体体積Ｖ＝Ｓ１×Ｓ２×ｈ１に対して、前記空隙部の体積が占める空隙率が５０％以上６５％以下であると好ましい。コイル状金属線材の冶金的接合にはんだ材やろう材を用いた場合も、空隙率がこの範囲であれば熱媒の流れ（移動）を適切に確保でき、効率のよい熱伝達が可能である。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、コイル状金属線材を使用することにより熱交換に寄与する表面積が拡大するとともに、両端で直径の異なるコイル状金属線材としたことにより熱媒の移動が妨げにくくなり、かつ、大きい空隙部が所定の配置となるように設けたことにより、放熱性に優れており、熱媒を強制流通させない場合でも優れた放熱性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】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4】金属成形体の溝部に充填された充填体を模式的に示す平面図である。
【図5】充填体を形成するコイル状金属線材の模式図である。
【図6】充填体を形成するコイル状金属線材の模式図である。
【図7】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。
【図8】切削片の断面写真である。
【図9】一実施形態のヒートシンクの製造方法の一工程を模式的に示す側面図である。
【図11】一実施形態のヒートシンクの溝部の長さ方向に直交する断面におけるコイル状金属線材と空隙部との関係を示す模式図である。
【図12】一実施形態を適用した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14】一実施形態を適用した他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17】一実施形態のヒートシンクにＬＥＤを搭載した応用例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
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のヒートシンク１０１は、図１〜図３に示すように、金属成形体１０と１個以上（本実施形態では９個）の充填体２０とを組み合わせた複合構造とされている。
【0030】
金属成形体１０は、平板状の基板部１１と、基板部１１の片面に立設されて相互に平行に配置された多数（本実施形態では８枚）の帯板状（プレート状）のフィン部１２と、これらフィン部１２間に形成された１以上の溝部１３とを有する。金属成形体１０は、基板部１１と各フィン部１２とがアルミニウム（アルミニウム合金を含む。）の中実材によって一体に形成された成形体である。
【0031】
充填体２０は、図４〜８に示すように、金属成形体１０と同じ材質のアルミニウム（またはアルミニウム合金）からなる複数のコイル状金属線材２１（以下、「コイルチップ２１」）により形成されている。１個の溝部１３内に１個の充填体２０が備えられている。
【0032】
金属成形体１０及び充填体２０は、熱伝導性が良好であればよく、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い。後述するように金属成形体１０と充填体２０とが焼結により接合される場合、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。はんだ付けやろう付けにより金属成形体１０と充填体２０とを接合する場合も、熱伝導性が良好ではんだ付けやろう付けが可能な金属であればよい。
【0033】
図１〜図３に示すように、基板部１１は長さＳ１，幅Ｓ２の矩形平面形状を有している。各フィン部１２は基板部１１の表面から垂直に所定の高さｈ１、所定の厚さｔ１で立設されている。図１に示す例では、フィン部１２は、基板部１１の表面において、長さ方向の全長にわたって設けられ、基板部１１の幅方向に所定の離間間隔ｃ１をおいて相互に平行に並べられている。これにより、各フィン部１２の間に設けられた溝部１３の開口幅はｃ１となる。溝部１３内には熱媒が導入される。
【0034】
本実施形態において、フィン部１２のうち最も外側に配置される外側フィン部１２Ａの外側面が基板部１１の両側縁面よりも内側に配置されているが、外側フィン部１２Ａの外側面と基板部１１の両側縁面は同一面であっても良い。すなわち、外側フィン部１２Ａは、基板部１１の両側縁面よりも必ずしも内側に配置しなくても良い。この場合、外側フィン部１２Ａの外側には充填体２０は配置されない。
【0035】
外側フィン部１２Ａの外側面から基板部１１の側縁面までの離間距離ｃ２は、フィン部１２間の離間間隔ｃ１と同じか、離間間隔ｃ１より小さく形成されている。
【0036】
充填体２０を形成しているコイルチップ２１は、図５及び図６に模式的に示したように、全体としては略螺旋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。
【0037】
充填体２０を形成する前の各コイルチップ２１において、外径の大きい側の端部を第１端部２１ａ（第１外径ｄ１）、小さい側の端部を第２端部２１ｂ（第２外径ｄ２）とする。略螺旋状のコイルチップ２１の外径を円の直径として測定することは困難であるので、その先端（第１端部２１ａ，第２端部２１ｂ）からほぼ１巻き分以上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（ｄ１，ｄ２）とする。
【0038】
充填体２０における各コイルチップ２１において、１つのコイルチップ２１の全長をＬｍｍ、巻き数をＮとしたとき、比率Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ−１以上とされ、最大外径をＤＡｍｍ、最小外径をＤＢｍｍとしたとき、比率（ＤＡ−ＤＢ）／Ｌが０．０５以上である。
【0039】
ここでいうコイルチップ２１の最大外径ＤＡは、コイルチップ２１を単体で測定した場合の第１外径ｄ１ではなく、コイルチップ２１がフィン部１２間に充填されることにより押圧変形された状態の最大長径とその直角に対応する短径の平均値とする。厳密には、最小外径ＤＢも同様、コイルチップ２１を単体で測定した場合の第２外径ｄ２ではなく、押圧変形された状態の最小長径とその直角に対応する短径の平均値とするが、小径であり充填された後の変形も小さいので、最小外径ＤＢは第２外径ｄ２と同じとみなしても差し支えない。
【0040】
各コイルチップ２１の長さ方向に直交する横断面形状は、図８に示すように、円形ではなく、三角形状に形成されている。
【0041】
充填体２０は、各溝部１３を埋めるように設けられ、各溝部１３の内面（フィン部１２および基板部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。図４に示すように、すべての各コイルチップ２１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、ほかのコイルチップ２１に対してのみ焼結部２２を介して接合されているコイルチップ２１もある。ただし、１個の充填体２０としては、全長のいずれかの部分でフィン部１２および基板部１１に焼結部２２を介して接合されている。
【0042】
言い換えれば、各コイルチップ２１は、溝部１３の内面と他のコイルチップ２１の少なくともいずれかに接合されている。図４において、ハッチングして示したコイルチップ２１は、金属成形体１０には接合されておらず、他のコイルチップ２１のみに接合されている。
【0043】
前述したように、各コイルチップ２１は、第１端部２１ａと第２端部２１ｂとで外径が異なる。各コイルチップ２１は、長さ方向を溝部１３の長さ方向すなわち熱媒の流通方向に沿うように配置されることにより、コイルチップ２１の円周方向（線材の側面）が溝部１３の長さ方向すなわち熱媒の流れと交差する。コイルチップ２１の横断面が複数の直線又は曲線を組み合わせた略三角形状をなしていることから、コイルチップ２１の表面をなす平面又は湾曲面が熱媒の流れに対して交差する。
【0044】
コイルチップ２１は、精密に加工して得られるだけでなく、フライス盤等による切削加工によって生じた切削片（図７及び図８参照）が好適に用いられる。切削加工に用いられる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、切削条件等を特定することによって所望の表面形状および横断面形状を有する切削片を得られるが、切削片の形状は一定ではない。図７，８に示す切削片のように、コイルチップ２１の表面は平面、湾曲面の他、若干の凹凸のある曲面等によって形成され、複数の角部を有する。
【0045】
なお、本発明において、コイル状金属線材の横断面形状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。
【0046】
このヒートシンク１０１において、熱媒が流通可能な空隙部Ｇの大きさ（空隙率）が、熱媒の圧力損失や熱伝達量に影響する。ヒートシンク１０１における空隙率は、基板部１１の表面で熱媒が流通させられる領域の平面積（金属成形体１０の平面積、図１ではＳ１×Ｓ２）とフィン部１２の高さｈ１との積を全体体積Ｖとして、全体体積Ｖに対する空隙部Ｇの体積（フィン部１２及び充填体２０の金属（アルミニウム）部分を除く空間の体積）の比率として求める。空隙率は、５０％以上６５％以下とするのが好ましい。
【0047】
図１に示す例のように、フィン部１２が立設されている金属成形体１０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、全体体積Ｖは、金属成形体１０の平面積（Ｓ１×Ｓ２）とフィン部１２の高さｈ１との積とする。
【0048】
図１１に示すように、溝部１３の長さ方向に直交する断面において、１つの溝部１３の幅を３分割し深さ方向に延びる２本の第１分割線Ａ１，Ａ２上の各空隙部Ｇの長さＦ１〜Ｆ６の平均値Ｆａおよび深さを３分割し幅方向に延びる２本の第２分割線Ｂ１，Ｂ２上の各空隙部Ｇの長さＷ１〜Ｗ４の平均値Ｗａを求め、溝部１３の開口幅ｃ１に対するＷ１〜Ｗ４の平均値Ｗａの比率が４５％以上６５％以下であり、溝部１３の深さｈ１に対するＦ１〜Ｆ６の平均値Ｆａの比率が２０％以上６０％以下である。
【0049】
第１分割線Ａ１，Ａ２上の空隙部Ｇの数をｍ、第２分割線Ｂ１，Ｂ２上の空隙部Ｇの数をｎとすると、以下の式が満たされる。０．２０×ｈ１≦（Ｆ１＋…＋Ｆｍ）／ｍ≦０．６０×ｈ１
０．４５×ｃ１≦（Ｗ１＋…＋Ｗｎ）／ｎ≦０．６５×ｃ１
【0050】
具体的には、溝部１３の開口幅ｃ１が２ｍｍ以上３ｍｍ以下、深さｈ１が４ｍｍ以上１０ｍｍ以下の場合、各分割線上の空隙部Ｇの幅方向長さの平均値Ｗａは０．９ｍｍ以上１．９５ｍｍ以下、深さ方向長さの平均値Ｆａは０．８ｍｍ以上６ｍｍ以下である。溝部１３は開口幅ｃ１より深さｈ１が大きく設定される。
【0051】
このような寸法関係に設定することにより、熱媒を強制流通させない場合でも、熱媒との間で確実に熱伝達を生じさせ、優れた放熱性を発揮させることができる。
【0052】
このように構成されるヒートシンク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とを接合するろう接などにより、基板部１１とフィン部１２とを一体に有する中実材の金属成形体１０を形成する。各フィン部１２間の溝部１３内に、図９，１０に示す型５１を用いてコイルチップ２１（充填体２０）を接合する。
【0053】
コイルチップ２１の接合には、マグネシウムとシリコンの混合粉末を用いる。ＭｇおよびＳｉはＡｌの共晶元素であり、アルミニウム合金製の線材表面に付着させて加熱することにより、線材の付着部分だけを溶融させ、接合させることができる。混合粉末におけるマグネシウムとシリコンの好適な混合比率は、例えば重量比でマグネシウム１に対してシリコン１．５であり、これによりコイルチップ２１の接合強度を十分に確保できる。この混合粉末を、高温で焼失する性質を有するバインダーを用いてコイルチップ２１の表面に付着させる。
【0054】
型５１は、金属成形体１０及び充填体２０のコイルチップ２１と反応しにくい材料（例えばカーボン等）からなり、図９，１０に示すように、フィン部１２を収容するための矩形状の凹部５２を片面に有する板状に形成されている。型５１を図１０に示すように基板部１１（金属成形体１０）に対向するように重ね合わせると、金属成形体１０（基板部１１および各フィン部１２）と型５１との間に空間５３が形成される。
【0055】
コイルチップ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。図９に示すように、複数個のコイルチップ２１の長さ方向を溝部１３の長さ方向に沿うように、溝部１３上に並べて配置する。
【0056】
まず、第１外径ｄ１が離間間隔ｃ１よりも大きいコイルチップ２１をフィン部１２間に並べ、溝部１３上部に配置する。その上に、第１外径ｄ１が離間間隔ｃ１よりも小さいコイルチップ２１を乗せる。このように配置すると、各コイルチップ２１は図９に示すように溝部１３内に落下せず、互いに接触した状態で各フィン部１２の上端部に保持される。
【0057】
上述したマグネシウムとシリコンの混合粉末をバインダーにより表面に付着させたコイルチップ２１を上述したように配置した後、型５１を金属成形体１０に重ね合わせて前進させて、コイルチップ２１を溝部１３内に押し込み、各空間５３内にコイルチップ２１を充填する。
【0058】
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、コイルチップ２１と金属成形体１０との各接点およびコイルチップ２１相互間の各接点を接合する焼結部２２が形成される。これにより、コイルチップ２１同士が焼結部２２を介して接合されてなる充填体２０が形成されるとともに、金属成形体１０と充填体２０とが焼結部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。
【0059】
このように構成されるヒートシンク１０１においては、各フィン部１２及び基板部１１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、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。
【0060】
熱媒が空隙部Ｇを通って流れることにより、充填体２０、フィン部１２及び基板部１１の表面と熱媒との間で熱交換される。充填体２０により大きな表面積が形成されているので、金属成形体１０から充填体２０が受けた熱が熱媒に効率的に移動することにより、ヒートシンク１０１は優れた熱伝達率が得られる。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、中実材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。
【0061】
また、コイルチップ２１は空隙が大きいため、発泡金属や繊維多孔体と比べ、充填体２０は圧力損失が低い。充填体２０は、各コイルチップ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。
【0062】
フィン部１２及び基板部１１と充填体２０とは焼結部２２において焼結によって接合され、ろう材を用いていないので、ろう材が浸透して充填体２０が埋められることによる空隙率の低下（金属密度の増加）が生じない。ただし、空隙率を低下させすぎない適量のろう材やはんだ材であれば使用してもよく、その場合も空隙率が５０％以上６５％以下であると好ましい。本発明においては、焼結部やろう接部を含めて、フィン部１２及び基板部１１と充填体２０との接合部を冶金的接合部と称す。
【0063】
コイル状金属線材の外径が全長にわたって同一であると、障害物のないコイルの中央部の空間に流れが集中してしまうため、コイル線材と熱媒との接触が少なくなる。これに対して、本実施形態の各コイルチップ２１は、第１端部２１ａの第１外径ｄ１と第２端部２１ｂの第２外径ｄ２とが異なっているため、溝部１３の長さ方向に沿う熱媒の流れに対して、各部が流れに対して交差し、熱媒からの熱を確実に受けることができる。コイルチップ２１の長さ方向と直交する方向の熱媒の流れに対しては、コイルチップ２１の全長の各部において接触して熱伝達が生じる。したがって、このコイルチップ２１は、その配置の向きにかかわらず、熱媒と確実に熱伝達し、ヒートシンク１０１に優れた放熱性をもたらす。
【0064】
各コイルチップ２１の表面が複数の平面又は曲率半径の大きい湾曲面からなり横断面が三角形状に形成されているため、表面が熱媒の流れに対して交差する方向で存在し、熱媒の流れをコイルチップ２１の表面により受けて熱媒からの熱を確実に受ける。また、コイルチップ２１の表面に流れが衝突して、コイルチップ２１の後方で渦が発生し、その結果、熱媒の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。
【0065】
したがって、熱伝達率が高いヒートシンク１０１が実現できる。
【0066】
図１２〜１６は、上記の構成により作製した実際のヒートシンクの観察画像である。図１２はヒートシンク１０１Ａの平面図、図１３はその側面図である。図１４は図１２とは別のヒートシンク１０１Ｂの平面図で、図１５はその側面図である。これらヒートシンク１０１Ａ，１０１Ｂは区別して示しているが、両者の相違点は金属成形体１０のフィン部１２の数が異なる程度であり、充填体２０の構成等はほぼ同一である。図１６は図１４のヒートシンク１０１Ｂの一つの溝部１３の横断面の観察画像である。
【0067】
これらの観察画像からわかるように、コイルチップ２１は、コイルチップ２１相互間及び金属成形体１０との間に適度な間隔をあけて整然と配置されている。
【0068】
図１７は、ヒートシンク１０１ＣをＬＥＤの放熱部品として用いた応用例である。
【0069】
基板部１１のフィン部１２とは反対側の平面に、サーマルインターフェース材３１が設けられ、このサーマルインターフェース材３１の上に絶縁回路基板３２が設けられ、その絶縁回路基板３２にはんだ層３４によりＬＥＤパッケージ３３が取り付けられている。
【0070】
絶縁回路基板３２は、絶縁基板３５の一方の面に銅などからなる金属層３６が形成され、絶縁基板３５の他方の面に銅などからなる回路層３７が形成された構成である。サーマルインターフェース材３１は、熱伝導性シート、グリース等の熱伝導性材料からなる。金属層３６及び回路層３７は絶縁基板３５に接着等により接合される。
【0071】
ＬＥＤパッケージ３３は、図示は省略するが、パッケージ基板の電極にＬＥＤ素子をボンディングワイヤ等によって結合し、樹脂によって一体に封止したものである。
【0072】
このようなＬＥＤを搭載したヒートシンクは、車両等の照明器具として用いられる。車体等の筐体に取付けられ、自然放冷による冷却が行われる場合が多く、その場合でも、前述したように、優れた放熱性を有している。
【0073】
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。
【実施例】
【0074】
本発明の実施例１〜３として、図３に示す帯板状（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。基板部１１は、長さ寸法：Ｓ１＝５５ｍｍ、幅寸法：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。
【0075】
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の開口幅）ｃ１、コイルチップ２１の最大外径ＤＡ、最小外径ＤＢ、コイルチップ２１単体の全長（単コイル全長）Ｌ、巻き数Ｎは表１の通りとした。
【0076】
各コイルチップ２１の最小外径ＤＢは、前述の第２端部２１ｂの第２外径ｄ２であるが、最大外径ＤＡ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。各実施例のコイルチップ２１の断面はほぼ三角形状に形成されている。
【0077】
比較例４，５として、溝部内に線の直径が０．３ｍｍの繊維多孔体を充填したヒートシンクを作製した。比較例６として、金属成形体１０に充填体を設けないヒートシンクを作製した。基板部の外形寸法およびフィン部の長さ及び高さは、各比較例の各ヒートシンクも、実施例１〜３の金属成形体１０と同様とした。
【0078】
金属成形体１０及び充填体２０の材料としては、Ａ１０５０を用いた。金属成形体１０およびコイル状金属成形体について、表１に示す。コイル状金属線材を用いていない比較例４〜６については、表１中、コイル状金属線材に関係する項目を「―」で示す。
【0079】
【表1】
【0080】
実施例１〜３および比較例４〜６について、各ヒートシンクの空隙率は、フィン部１２が立設されている基板部１１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て、充填体２０の体積（充填材の重量／充填材の密度）をもとに算出した。
【0081】
各ヒートシンクの金属成形体の溝部の長さ方向に沿う横断面において、溝部の深さ及び幅をそれぞれ３等分する各分割線上の、溝部の幅に対する各空隙部の幅方向長さの平均値の比率、および溝部の深さに対する各空隙部の深さ方向長さの平均値の比率をそれぞれ求めた。
【0082】
この場合、ヒートシンクの長さを３等分（例えば図１２のＥ１線、Ｅ２線により等分）する断面において、それぞれの断面の中からヒートシンクの幅方向の中央に配置される溝部（溝部が奇数個の場合（図１４）は矢印で示す中央の溝部、溝部が偶数個の場合（図１２）は矢印で示す中央部の２本のうちのいずれかの溝部）を選択し、２つの断面についてそれぞれ測定し、両断面における空隙部の各長さの平均値とした。
【0083】
これらの結果を表２に示す。コイル状金属線材を用いていない比較例４〜６については、表２中、コイル状金属線材に関係する項目を「―」で示す。
【0084】
【表2】
【0085】
実施例１〜３および比較例４〜６について、圧力損失の測定には、一方向に熱媒（水）が流れる冷却性能測定装置を使用した。測定装置に各ヒートシンクをはめ込み、各フィン部１２間に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。
【0086】
熱伝達率の導出には、圧力損失測定で用いた冷却性能測定装置による試験で得られた各種測定値を使用した。ヒートシンク１０１の基板部１１の裏面（フィン部１２が設けられていない面）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。
【0087】
被冷却体が圧着されたヒートシンク１０１について、２５℃の一定の温度に調整された環境で、各フィン部１２間（各溝部１３内）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中央の被冷却体と基板部１１との界面の温度Ｔｂ１および熱媒の水温Ｔｗを測定した。
【0088】
熱媒と基板部１１との界面の温度Ｔｂ２を、温度Ｔｂ１を用いて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。ヒートシンクの熱伝達率Ｈは、Ｈ＝［Ｑ／｛Ａ×（Ｔｂ２−Ｔｗ）｝］の計算式から算出した。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と評価できる。
【0089】
さらに、図１７に示したようにヒートシンクにＬＥＤパッケージを搭載し、自然放冷性能を確認した。サーマルインターフェース部材としては、伝熱シート（デンカ株式会社製、型番：ＢＦＧ４５Ａ）を用い、ＬＥＤ（ＯＳＲＡＭ製、型番：ＬＵＷ ＣＥＵＰ，ＣＥ）をボルトで１ｃＮ・ｍのトルクにより２カ所固定した。これを３０℃の恒温槽の中に、ヒートシンクを水平に配置した状態に設置し、ＬＥＤに０．３Ａの直流電流を流して、３０分後の電圧を測定し、電気抵抗を算出した。
【0090】
これらの結果を表３に示す。
【0091】
【表3】
【0092】
これらの結果からわかるように、コイルチップ２１からなる充填体２０を有する実施例１〜３では、熱伝達率が４０ｋｗ／ｍ２Ｋ以上であり、圧力損失も小さい。また、ＬＥＤの電気抵抗も、３６．８Ω以上と高くなっており、ＬＥＤの温度上昇が抑制され、放熱性に優れていることがわかる。
【0093】
これに対して比較例４，５は、溝部に繊維多孔体を充填したものであり、熱伝達率は高いが、圧力損失が大きくなっている。また、ＬＥＤを搭載した試験では、比較例４は、空隙部の各方向の長さ比率が小さいために電気抵抗も低くなった。比較例６は、充填体を何ら設けなかったものであるが、空隙率が大きいために放熱性に劣り、ＬＥＤの電気抵抗が低くなった。
【産業上の利用可能性】
【0094】
コイル状金属線材を使用することにより熱交換に寄与する表面積を拡大するとともに、両端で直径の異なるコイル状金属線材用いることにより熱媒の移動が妨げられにくくなり、かつ、大きい空隙部が形成されるようにコイル状金属線材を所定の配置で設けたことにより、放熱性に優れており、熱媒を強制流通させない場合でも優れた放熱性を発揮することができる。
【符号の説明】
【0095】
１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ ヒートシンク１０ 金属成形体
１１ 基板部
１２ フィン部
１２Ａ 外側フィン部
１３ 溝部
１３Ａ 端溝部
２０ 充填体
２１ コイル状金属線材（コイルチップ）
２１ａ 第１端部
２１ｂ 第２端部
２２ 焼結部（冶金的接合部）
３１ サーマルインターフェース材
３２ 絶縁回路基板
３３ ＬＥＤパッケージ
３４ はんだ層
５１ 型
ｃ１ フィン部の離間間隔（溝部の開口幅）
ｃ２ 離間距離
ＤＡ 最大外径
ＤＢ 最小外径
ｄ１ 第１外径
ｄ２ 第２外径
ｈ０ 厚み
ｈ１ フィン部の高さ（溝部の深さ）
ｔ１ 厚さ
Ｌ 単コイル全長
Ｎ 巻き数
Ｖ 全体体積
Ｇ 空隙部
Ｗ１〜Ｗ４ 空隙部の幅方向長さ
Ｗａ 幅方向長さの平均値
Ｆ１〜Ｆ６ 空隙部の深さ方向長さ
Ｆａ 深さ方向長さの平均値