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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】
(24)【登録日】2023-12-18
(45)【発行日】2023-12-26
(54)【発明の名称】ヒートシンク
(51)【国際特許分類】
   H01L 23/36 20060101AFI20231219BHJP
   H05K 7/20 20060101ALI20231219BHJP
   C22C 1/10 20230101ALI20231219BHJP
   C22C 47/20 20060101ALI20231219BHJP
   C22C 49/06 20060101ALI20231219BHJP
【FI】
H01L23/36 Z
H05K7/20 A
C22C1/10 E
C22C47/20
C22C49/06
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2019227388
(22)【出願日】2019-12-17
(65)【公開番号】P2021097132
(43)【公開日】2021-06-24
【審査請求日】2022-09-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000004455
【氏名又は名称】株式会社レゾナック
(74)【代理人】
【識別番号】100109911
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 義仁
(74)【代理人】
【識別番号】100071168
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 久義
(74)【代理人】
【識別番号】100099885
【弁理士】
【氏名又は名称】高田 健市
(72)【発明者】
【氏名】若林 正一郎
(72)【発明者】
【氏名】須藤 博之
【審査官】庄司 一隆
(56)【参考文献】
【文献】特開平08-105698(JP,A)
【文献】特開2000-269676(JP,A)
【文献】国際公開第2014/128868(WO,A1)
【文献】特開2017-220539(JP,A)
【文献】特表2012-533868(JP,A)
【文献】国際公開第2006/051782(WO,A1)
【文献】特開2006-202798(JP,A)
【文献】特開2001-102506(JP,A)
【文献】特開2008-159995(JP,A)
【文献】特開2003-060140(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 23/36
H05K 7/20
C22C 1/10
C22C 47/20
C22C 49/06
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ベースプレートと、前記ベースプレートにその厚さ方向に突出して設けられた複数のフィンとを備え、
前記ベースプレートはその平面方向の熱伝導率に異方性を有しており、
前記ベースプレートの材料として、金属マトリックスと金属マトリックス中に分散した炭素粒子とを含む第1の金属-炭素粒子複合材が用いられるとともに、
前記第1複合材の炭素粒子の最長軸方向が前記ベースプレートの厚さ方向に配向しており、
前記ベースプレートの上面視において、前記フィンは、前記ベースプレートの平面方向の最高熱伝導率方向に対して交差する方向に延びている、ヒートシンク。
【請求項2】
前記複数のフィンはストレートフィン及び波フィンの少なくとも一方を含む請求項1記載のヒートシンク。
【請求項3】
前記第1複合材の前記金属マトリックスの金属としてアルミニウムが用いられている請求項1又は2記載のヒートシンク。
【請求項4】
前記フィンの材料として、金属マトリックスと金属マトリックス中に分散した炭素粒子とを含む第2の金属-炭素粒子複合材が用いられている請求項1~のいずれかに記載のヒートシンク。
【請求項5】
前記第2複合材の前記金属マトリックスの金属としてアルミニウムが用いられている請求項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、発熱性素子等の発熱体の熱を放熱するヒートシンクに関する。
【0002】
ここで、本明細書及び特許請求の範囲では、本発明に係るヒートシンクの構成を理解し易くするため、ヒートシンクにおける発熱体が設置される側をヒートシンクの上側、及びその反対側をヒートシンクの下側と定義し、また、ヒートシンクのベースプレートの厚さ方向に垂直な面方向をベースプレートの平面方向という。
【0003】
さらに、本明細書及び特許請求の範囲では、文中に特に明示した場合を除き、「アルミニウム」の語は純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられるとともに、「銅」の語は純銅及び銅合金の双方を含む意味で用いられる。
【背景技術】
【0004】
金属-炭素粒子複合材として、例えば特許第5150905号公報(特許文献1)や(特許第5145591号公報(特許文献2)に記載されているように、金属層と炭素繊維層が交互に複数積層された状態で接合一体化された金属-炭素繊維複合材が知られている。また、国際公開第2009/051094号(特許文献3)は、炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子を用いた金属-鱗片状黒鉛粒子複合材を開示している。
【0005】
金属-炭素粒子複合材について開示したその他の特許文献として、特開2015-25158号公報(特許文献4)、特開2015-217655号公報(特許文献5)、特開2017-88913号公報(特許文献6)等が知られている。
【0006】
上述した金属-炭素粒子複合材は熱伝導率に異方性を有するものであり、高い熱伝導性が要求される部材の材料としての利用が期待されている。
【0007】
ところで、発熱体として発熱性素子(例:半導体素子)を冷却する冷却装置は、一般に発熱性素子の熱を放散するヒートシンクを備えている。このヒートシンクには高い放熱性能を得るために高い熱伝導性が要求される。そこで、ヒートシンクの材料として金属-炭素粒子複合材を用いることが特開2017-220539号公報(特許文献7)、特開2019-41076号公報(特許文献8)及び特開2019-176091号公報(特許文献9)に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特許第5150905号公報
【文献】特許第5145591号公報
【文献】国際公開第2009/051094号
【文献】特開2015-25158号公報
【文献】特開2015-217655号公報
【文献】特開2017-88913号公報
【文献】特開2017-220539号公報
【文献】特開2019-41076号公報
【文献】特開2019-176091号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
近年、発熱性素子の高性能化及び発熱量の増加に伴い、ヒートシンクには益々高い放熱性能が要求されてきている。
【0010】
そこで本発明は、高い放熱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】
【0011】
本発明は以下の手段を提供する。
【0012】
1) ベースプレートと、前記ベースプレートにその厚さ方向に突出して設けられた複数のフィンとを備え、
前記ベースプレートはその平面方向の熱伝導率に異方性を有しており、
前記ベースプレートの上面視において、前記フィンは、前記ベースプレートの平面方向の最高熱伝導率方向に対して交差する方向に延びている、ヒートシンク。
【0013】
2) 前記複数のフィンはストレートフィン及び波フィンの少なくとも一方を含む前項1記載のヒートシンク。
【0014】
3) 前記ベースプレートの材料として、金属マトリックスと金属マトリックス中に分散した炭素粒子とを含む第1の金属-炭素粒子複合材が用いられている前項1又は2記載のヒートシンク。
【0015】
4) 前記第1複合材の炭素粒子の最長軸方向が前記ベースプレートの厚さ方向に配向している前項3記載のヒートシンク。
【0016】
5) 前記第1複合材の前記金属マトリックスの金属としてアルミニウムが用いられている前項3又は4記載のヒートシンク。
【0017】
6) 前記フィンの材料として、金属マトリックスと金属マトリックス中に分散した炭素粒子とを含む第2の金属-炭素粒子複合材が用いられている前項1~5のいずれかに記載のヒートシンク。
【0018】
7) 前記第2複合材の前記金属マトリックスの金属としてアルミニウムが用いられている前項6記載のヒートシンク。
【発明の効果】
【0019】
本発明は以下の効果を奏する。
【0020】
前項1では、ベースプレートの上面視において、フィンは、ベースプレートの平面方向の最高熱伝導率方向に対して交差する方向に延びていることにより、発熱体からベースプレートに伝達された熱がベースプレートの平面方向の全体に広がり易くなるため、ヒートシンクの放熱性能を高めることができる。
【0021】
前項2では、複数のフィンがストレートフィン及び波フィンの少なくとも一方を含むことにより、ヒートシンクの放熱性能をより高くすることができる。
【0022】
前項3では、ベースプレートの材料として第1の金属-炭素粒子複合材が用いられていることにより、ヒートシンクの放熱性能をより高くすることができる。
【0023】
前項4では、第1複合材の炭素粒子の最長軸方向がベースプレートの厚さ方向に配向していることにより、ベースプレートからフィンへの熱伝導速度が速いので、ヒートシンクの放熱性能をより高くすることができる。
【0024】
前項5では、第1複合材の金属マトリックスの金属としてアルミニウムが用いられていることにより、ヒートシンクの軽量化を図ることができるしベースプレートの加工性を高めることができる。
【0025】
前項6では、フィンの材料として第2の金属-炭素粒子複合材が用いられていることにより、フィン自体の熱伝導性を高めることができ、これにより、ヒートシンクの放熱性能をより高くすることができる。
【0026】
前項7では、第2複合材の金属マトリックスの金属としてアルミニウムが用いられていることにより、ヒートシンクの軽量化を図ることができるしフィンの加工性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
図1図1は本発明の第1実施形態に係るヒートシンクを模式的に示す側面図である。
図2図2は同ヒートシンクを模式的に示す斜視図である。
図3図3は同ヒートシンクを模式的に示す上面図である。
図4図4は炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子を模式的に示す斜視図である。
図5図5は同ヒートシンクのベースプレートの一部を模式的に示す部分拡大断面斜視図である。
図6図6は本発明の参考形態に係るヒートシンクを模式的に示す斜視図である。
図7図7は本発明の第2実施形態に係るヒートシンクのベースプレートの一部を模式的に示す部分拡大断面斜視図である。
図8図8は本発明の第3実施形態に係るヒートシンクのベースプレートの一部を模式的に示す部分拡大断面斜視図である。
図9図9は本発明の第4実施形態に係るヒートシンクを模式的に示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。
【0029】
図1~5は本発明の第1実施形態に係るヒートシンク1を説明するための図である。図6は本発明の参考形態に係るヒートシンク1Aを説明するための図である。
【0030】
図1に示すように、本第1実施形態のヒートシンク1は、発熱体(二点鎖線で示す)20に発生した熱を冷却媒(図示せず)へ放散することにより発熱体20を冷却するものである。
【0031】
このヒートシンク1は、図1及び2に示すように、平板状のベースプレート2と複数のフィン3とを備えている。ベースプレート2は略水平状に配置されている。ベースプレート2の上面視形状は図3に示すように方形状(詳述すると長方形状)である。
【0032】
図2において矢印「X」、「Y」及び「Z」はそれぞれベースプレート2の幅方向、長さ方向及び厚さ方向を示している。その他の図面でも同様である。
【0033】
複数のフィン3はベースプレート2の厚さ方向Zの片側としての下方向に突出してベースプレート2に設けられている。さらに、フィン3は、ベースプレート2の所定方向に連続的に延びている。フィン3が延びる方向については後述する。
【0034】
発熱体20は、半導体素子等の発熱性素子を含むものであり、ベースプレート2(詳述するとベースプレート2の上面2a)上にベースプレート2に接触し且つ固定された状態に設置される。
【0035】
このヒートシンク1では、冷却媒は互いに隣り合う二つのフィン3、3の間4を流れる。発熱体20の熱は発熱体20からベースプレート2及びフィン3に順次伝導してフィン3から冷却媒へ放散される。冷却媒としては冷却液(例:水、ロングライフクーラント)、冷却ガス(例:空気)などが用いられる。
【0036】
ベースプレート2はその平面方向の熱伝導率に異方性を有するものである。ベースプレート2の材料としては金属-非金属粒子複合材が用いられており、すなわちベースプレート2は金属-非金属粒子複合材からなる。以下ではベースプレート2用のこの金属-非金属粒子複合材を「第1複合材」ともいう。
【0037】
第1複合材は、図5に示すように、金属マトリックス8と、フィラーとしての非金属粒子7とを含むものである。非金属粒子7は熱伝導率に異方性を有するものであり、金属マトリックス8中に分散している。ベースプレート2の上述した平面方向の熱伝導率の異方性は、非金属粒子7自体の熱伝導率の異方性と非金属粒子7の配向とにより発現している。
【0038】
第1複合材において、金属マトリックス8の金属としてはアルミニウム、銅などが用いられる。非金属粒子7としては炭素粒子などが用いられる。
【0039】
炭素粒子としては、炭素繊維(例:ピッチ系炭素繊維、PAN系炭素繊維)、鱗片状黒鉛粒子、鱗状黒鉛粒子、膨張黒鉛粒子及び熱分解黒鉛粒子(例:高配向熱分解黒鉛粒子)からなる群より選択される少なくとも一種を用いることができる。炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子は高い熱伝導率を有しているため特に好適に用いられる。
【0040】
第1複合材の製造方法は限定されるものではない。例えば、第1複合材の製造方法として、金属箔上に非金属粒子が塗工された複数の塗工箔が積層された積層体を加熱焼結装置(例:ホットプレス焼結装置、放電プラズマ焼結装置)によって加熱焼結することにより、第1複合材を製造する方法が挙げられる。
【0041】
本第1実施形態では、詳述すると、第1複合材の金属マトリックス8の金属としてアルミニウムが用いられており、第1複合材の非金属粒子(炭素粒子)7として鱗片状黒鉛粒子7aが用いられている。したがって、第1複合材は詳述するとアルミニウム-炭素粒子複合材であり、更に詳述するとアルミニウム-鱗片状黒鉛粒子複合材である。金属マトリックス8の金属としてアルミニウムが用いられることにより、ヒートシンク1の軽量化を図ることができるしベースプレート2の加工性を高めることができる。
【0042】
図4中の「D」は非金属粒子(炭素粒子)7としての鱗片状黒鉛粒子7aの最長軸方向を示している。なお、鱗片状黒鉛粒子7a等の非金属粒子7の最長軸方向D及びその長さとは非金属粒子7の最も長い方向の軸及びその長さを意味する。したがって、非金属粒子7が例えば炭素繊維7bである場合(後述する第2及び第3実施形態の場合)、非金属粒子7の最長軸とは炭素繊維7bの繊維軸を意味し、非金属粒子7の最長軸方向Dの長さとは炭素繊維7bの繊維長さを意味する。図4中の「E」は非金属粒子(炭素粒子)7としての鱗片状黒鉛粒子7aの幅方向を示している。
【0043】
ここで以下では、鱗片状黒鉛粒子7aの厚さ方向に垂直な面方向を鱗片状黒鉛粒子7aの平面方向という。
【0044】
鱗片状黒鉛粒子7aは熱伝導率に異方性を有している。具体的には一般に、鱗片状黒鉛粒子7aの厚さ方向の熱伝導率は低く、鱗片状黒鉛粒子7aの平面方向(即ち鱗片状黒鉛粒子の最長軸方向D及び幅方向E)の熱伝導率は高い。
【0045】
非金属粒子7の粒子径は限定されるものではなく、好ましくは非金属粒子7の最長軸方向Dの平均長さは0.10mm以上であることがよい。その理由は、非金属粒子7と金属マトリックス8との間の界面熱抵抗を確実に低減し得て、これによりベースプレート2の熱伝導率を確実に高めることができるからである。非金属粒子7の最長軸方向Dの平均長さの上限は限定されるものではなく、通常2.0mmである。
【0046】
非金属粒子7のアスペクト比は限定されるものではないが、一般に非金属粒子7のアスペクト比が大きい方が非金属粒子7の熱伝導率が高いことから、非金属粒子7の平均アスペクト比は30以上であることが好ましい。この平均アスペクト比の上限は限定されるものではなく例えば200である。
【0047】
ベースプレート2は上述したようにその平面方向の熱伝導率に異方性を有するものである。具体的には、図2及び3に示すように、本第1実施形態では、ベースプレート2の平面方向の熱伝導率における最も高い熱伝導率の方向A(以下ではこの方向Aをベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aという)がベースプレート2の長さ方向Yに設定されている。ベースプレート2の平面方向の熱伝導率における最も低い熱伝導率の方向B(以下ではこの方向Bをベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率方向Bという)がベースプレート2の幅方向Xに設定されている。ベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aと平面方向の最低熱伝導率方向Bとは交差しており、本第1実施形態では詳述すると直交している。
【0048】
このような異方的な熱伝導率を有するベースプレート2では、図5に示すように、第1複合材の鱗片状黒鉛粒子7aの最長軸方向D及び幅方向Eはベースプレート2の幅方向X(即ちベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率方向B)に対して垂直な面方向(即ち、ベースプレート2の長さ方向Y及び厚さ方向Zに平行な面方向)に配向しており、鱗片状黒鉛粒子7aの厚さ方向はベースプレート2の幅方向X(即ちベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率方向B)に配向している。この場合、ベースプレート2の長さ方向Yの熱伝導率(即ちベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率)及びベースプレート2の厚さ方向Zの熱伝導率は、ベースプレート2の幅方向Xの熱伝導率(即ちベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率)よりも高い。
【0049】
図1及び2に示すように、複数のフィン3は互いに同形及び同寸である。図3に示すように、ベースプレート2の上面視において、フィン3は、ベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向A(即ちベースプレート2の長さ方向Y)に対して交差する方向に連続的に延びるとともに、ベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向A(即ちベースプレート2の長さ方向Y)に等間隔に並列状に配置されており、この状態でフィン3がベースプレート2(詳述するとベースプレート2の下面2b)にろう付けにより接合されている。
【0050】
さらに、フィン3はストレートフィン3Aであり、すなわち、フィン3はベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aに対して交差する方向に真っ直ぐに連続的に延びている。互いに隣り合う二つのフィン3、3は平行である。
【0051】
図3中の「F」は、ベースプレート2の上面視におけるフィン3(ストレートフィン3A)の中心軸を示している。「θ」は、ベースプレート2の上面視において、ベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aとフィン3(ストレートフィン3A)の中心軸Fとがなす角度である。θの好ましい範囲については後述する。
【0052】
フィン3の材料は限定されるものではなく、フィン3の材料として、例えば、アルミニウム、銅などの金属が用いられるか金属-非金属粒子複合材が用いられる。以下ではフィン3用のこの金属-非金属粒子複合材を「第2複合材」ともいう。
【0053】
第2複合材としては好ましくは上述した第1複合材と同種のものが用いられる。フィン3の材料として第2複合材が用いられる場合、ヒートシンク1の放熱性能を高めることができる。また、第2複合材の金属マトリックスの金属としてアルミニウムが用いられる場合、ヒートシンク1の軽量化を図ることができるしフィン3の加工性を高めることができる。
【0054】
さらに、フィン3において、第2複合材の炭素粒子(例:鱗片状黒鉛粒子)の配向方向は限定されるものではなく、好ましくは炭素粒子の最長軸方向Dはベースプレート2に対するフィン3の突出方向G(図2参照)に配向していることが好ましい。この場合、ベースプレート2からフィン3に伝導した熱がフィン3の先端に向かって迅速に伝導するため、ヒートシンク1の放熱性能をより高めることができる。
【0055】
次に、本第1実施形態のヒートシンク1の利点について、図6に示した参考形態に係るヒートシンク1Aと比較して以下に説明する。なお、図6において、本参考形態のヒートシンク1Aの各要素には本第1実施形態のヒートシンク1で用いた符号と同じ符号が付されている。
【0056】
本第1実施形態のヒートシンク1によれば、上述したように、ベースプレート2の上面視において(図3参考)、フィン3(ストレートフィン3A)はベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向A(即ちベースプレート2の長さ方向Y)に対して交差する方向に延びている。
【0057】
したがって、発熱体20に発生した熱が発熱体20からヒートシンク1のベースプレート2に伝達されると、当該熱は、ベースプレート2の発熱体20との接触部からベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aに主に伝導するとともに、さらにベースプレート2のフィン3との接続部2cにてフィン3が延びる方向(即ちベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率方向B)にも伝導する。そのため、発熱体20からベースプレート2に伝達された熱はベースプレート2の平面方向の全体に広がり易い。そして、この熱がベースプレート2から略全てのフィン3に伝導してこれらのフィン3から冷却媒に放散される。すなわち、冷却媒への放熱に貢献するフィン3の数や部分が多い。そのため、ヒートシンク1の放熱性能は高い。
【0058】
一方、本参考形態のヒートシンク1Aでは、ベースプレート2の上面視において、フィン3(ストレートフィン3A)はベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向A(即ちベースプレート2の長さ方向Y)に対して平行な方向に連続的に延びるとともに、ベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率方向B(即ちベースプレート2の幅方向X)に等間隔に並列状に配置されている。
【0059】
したがって、発熱体20に発生した熱が発熱体20からヒートシンク1Aのベースプレート2に伝達されると、当該熱は、ベースプレート2の発熱体20との接触部からベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aに主に伝導するが、フィン3がベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aに対して平行な方向に延びているためにベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率方向Bには伝導しにくい。そのため、発熱体20からベースプレート2に伝達された熱はベースプレート2の平面方向の全体には広がりにくく、冷却媒への放熱に貢献するフィン3の数や部分が本第1実施形態のヒートシンク1よりも少ない。したがって、ヒートシンク1Aの放熱性能は本第1実施形態のヒートシンク1に比べて低い。
【0060】
本第1実施形態のヒートシンク1では、ベースプレート2の上面視において(図3参照)、ベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aとフィン3の中心軸Fとがなす角度θは90°±30°の範囲であることが好ましい。この場合、発熱体20からベースプレート2に伝達された熱はベースプレート2の平面方向の全体に確実に広がり、そのためヒートシンク1の放熱性能を確実に高くすることができる。より好ましいθの範囲は90°±15°であり、特に好ましいθは90°である。なお、θが90°の場合、フィン3(詳述するとフィン3の中心軸F)はベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aに対して直交する方向に延びている。
【0061】
さらに、フィン3はストレートフィン3Aであるから、ヒートシンク1の放熱性能をより高くすることができる。
【0062】
さらに、ベースプレート2の材料として第1の金属-炭素粒子複合材(詳述すると金属-鱗片状黒鉛粒子複合材)が用いられているので、ヒートシンク1の放熱性能をより高くすることができる。
【0063】
図7は本発明の第2実施形態に係るヒートシンクを説明する図であり、図8は本発明の第3実施形態に係るヒートシンクを説明する図であり、図9は本発明の第4実施形態に係るヒートシンクを説明する図である。これらの図において、ヒートシンクの各要素には上記第1実施形態のヒートシンク1で用いた符号と同じ符号が付されている。以下、第2~第4実施形態の各ヒートシンクについて上記第1実施形態のヒートシンク1との相異点を中心に説明する。
【0064】
図7に示した第2実施形態のヒートシンクでは、ベースプレート2の材料としてアルミニウム-炭素繊維複合材(第1複合材)が用いられている。すなわち、この第1複合材では炭素粒子(非金属粒子7)として炭素繊維7bが用いられている。
【0065】
このベースプレート2では、第1複合材の炭素繊維7bの最長軸方向D(即ち炭素繊維7bの繊維軸方向)はベースプレート2の長さ方向Yに配向している。したがって、ベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aはベースプレート2の長さ方向Yであり、ベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率方向Bはベースプレート2の幅方向Xである。さらに、ベースプレート2の長さ方向Yの熱伝導率はベースプレート2の幅方向Xの熱伝導率及び厚さ方向Zの熱伝導率よりも高い。
【0066】
図8に示した第3実施形態のヒートシンクでは、ベースプレート2の材料としてアルミニウム-炭素繊維複合材(第1複合材)が用いられている。すなわち、この第1複合材では炭素粒子(非金属粒子7)として炭素繊維7bが用いられている。
【0067】
このベースプレート2では、第1複合材の炭素繊維7bの最長軸方向D(即ち炭素繊維7bの繊維軸方向)はベースプレート2の厚さ方向Zに配向している。さらに、第1複合材のアルミニウムマトリックス(金属マトリックス8として)中に炭素繊維7bが分散した炭素繊維分散層10と、アルミニウムマトリックス中に炭素繊維7bなどの炭素粒子が実質的に存在していないアルミニウム層11(金属層として)とがベースプレート2の幅方向Xに交互に複数積層した状態に配列している。
【0068】
炭素繊維分散層10とアルミニウム層11とがこのように配列している場合、アルミニウム層11が連続的に延びる方向の熱伝導率であるベースプレート2の長さ方向Yの熱伝導率が炭素繊維分散層10とアルミニウム層11との積層方向の熱伝導率であるベースプレート2の幅方向Xの熱伝導率よりも高い。
【0069】
したがって、ベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aはベースプレート2の長さ方向Yであり、ベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率方向Bはベースプレート2の幅方向Xである。さらに、上述したように炭素繊維7bの最長軸方向D(炭素繊維7bの繊維軸方向)がベースプレート2の厚さ方向Zに配向していることから、ベースプレート2の厚さ方向Zの熱伝導率はベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aであるベースプレート2の長さ方向Yの熱伝導率よりも高い。
【0070】
このヒートシンクでは、炭素繊維7bの最長軸方向D(炭素繊維7bの繊維軸方向)がベースプレート2の厚さ方向Zに配向しているので、ベースプレート2からフィンへの熱伝導速度が速い。そのため、ヒートシンクの放熱性能をより高くすることができる。
【0071】
図9に示した第4実施形態のヒートシンク1では、各フィン3は波フィン3Bであり、即ち、フィン3はベースプレート2の上面視においてベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aに対して交差する方向に波状に連続的に延びている。θの好ましい範囲は上述した第1実施形態のヒートシンク1のそれと同じである。
【0072】
以上で本発明の幾つかの実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。
【0073】
例えば、上記第1実施形態のヒートシンク1では、フィン3はベースプレート2(詳述するとベースプレート2の下面2b)にろう付け等の接合手段によって接合されているが、本発明に係るヒートシンクでは、その他に例えば、フィンはベースプレートに鍛造加工などによって一体に形成されたものであってもよい。
【実施例
【0074】
本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。下記実施例を理解し易くするため、上記第1実施形態のヒートシンク1の各要素に付された符号を用いて実施例を説明する。ただし、本発明は下記実施例に限定されるものではない。なお、下記実施例では、ヒートシンクの各部位の熱伝導率はいずれも室温(20℃)での熱伝導率である。
【0075】
<実施例>
本実施例では図1~5に示した上記第1実施形態のヒートシンク1を以下の方法で製造した。
【0076】
炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子7aと、バインダーとしてのポリエチレンオキサイドの10質量%水溶液及びポリビニルアルコールの10質量%水溶液と、バインダー用溶剤としてのイソプロピルアルコール及び水と、分散剤と、表面調整剤とを混合容器内に入れてディスパーにより撹拌混合することで塗工液を得た。塗工液の粘度は25℃で5000mPa・sであった。
【0077】
鱗片状黒鉛粒子7aの最長軸方向Dの平均長さは0.15mmであり、その平均アスペクト比は30であった。塗工液に含まれる鱗片状黒鉛粒子7aの含有量はバインダーと鱗片状黒鉛粒子7aとの合計質量に対して90質量%であった。
【0078】
次いで、アルミニウム箔の条材上に塗工液をロールtoロール方式のコンマナイフコーターにより塗工速度1m/minで塗工しそして乾燥炉内を通過させることにより塗工液中の溶剤を乾燥除去した。これにより、アルミニウム箔の条材上に鱗片状黒鉛粒子7aが塗工された鱗片状黒鉛粒子塗工箔の条材を得た。この塗工箔の条材上に塗工された鱗片状黒鉛粒子7aの塗工量は30g/mであった。
【0079】
アルミニウム箔の材料はJIS(日本工業規格)で規定されたアルミニウム合金番号1N30であり、その厚さは20μm及びその幅は300mmであった。
【0080】
そして、塗工箔の条材を正方形状(その寸法:幅80mm×長さ80mm)に多数裁断することにより、多数の正方形状の塗工箔を得た。
【0081】
次いで、塗工箔を3200枚積層することによりベースプレート2用の第1積層体を形成した。そして、ホットプレス焼結装置により第1積層体を真空中にて第1積層体の厚さ方向(即ち塗工箔の積層方向)に加圧しながら所定の焼結条件で加熱することにより、第1積層体を焼結した。これにより、ベースプレート2用の第1のアルミニウム-鱗片状黒鉛粒子複合体を製造した。この第1複合体の寸法は幅80mm×長さ80mm×厚さ80mmであった。
【0082】
上述した焼結条件は次のとおりであった。焼結温度は620℃、焼結温度の保持時間は3時間、室温からの昇温速度は20℃/min、第1積層体への加圧力は20MPa、真空度は3Paであった。また、第1積層体を室温から焼結温度まで加熱する途中で昇温を一旦停止することで第1積層体中のバインダーを熱分解・昇華し、これにより第1積層体からバインダーを除去した。その際に適用したバインダーの除去条件は、バインダーを除去するための積層体の加熱温度が450℃であり、その保持時間が30minであった。
【0083】
次いで、第1複合体から幅60mm×長さ60mm×厚さ2mmの平板状のベースプレート2をその厚さ方向Zの熱伝導率が最も高くなるように切り出した。
【0084】
このベースプレート2では、鱗片状黒鉛粒子7aの最長軸方向D及び幅方向Eがベースプレート2の長さ方向Y及び厚さ方向Zに平行な面方向に配向しており、鱗片状黒鉛粒子7aの厚さ方向がベースプレート2の幅方向Xに配向していた。したがって、ベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aがベースプレート2の長さ方向Yであり、ベースプレート2の平面方向の最低熱伝導率方向Bがベースプレートの幅方向Xであった。さらに、ベースプレート2の長さ方向Y及び厚さ方向Zの熱伝導率は同程度であり、これらはベースプレート2の幅方向Xの熱伝導率よりも高かった。
【0085】
また、上述した塗工箔を26枚積層することによりフィン3用の第2積層体を形成した。そして、第2積層体を上述した第1積層体の焼結条件と同じ条件で焼結することにより、フィン3用の第2のアルミニウム-鱗片状黒鉛粒子複合体を製造した。この第2複合体の寸法は幅80mm×長さ80mm×厚さ0.6mmであった。
【0086】
次いで、第2複合体から幅8mm×長さ50mm×厚さ0.6mmのストレートフィン3Aを30枚切り出した。
【0087】
このストレートフィン3Aでは、鱗片状黒鉛粒子7aの最長軸方向D及び幅方向Eがストレートフィン3Aの幅方向(即ちベースプレート2に対するストレートフィン3Aの突出方向G)及び長さ方向に平行な面方向に配向していた。
【0088】
次いで、30枚のストレートフィン3Aを、ストレートフィン3Aがベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向A(即ちベースプレート2の長さ方向Y)に対して直交する方向(即ちベースプレート2の幅方向X)に連続的に延びるように且つベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向A(即ちベースプレート2の長さ方向Y)に等間隔に並列状に配置されるようにベースプレート2の下面にアルミニウム系ろう材箔(その厚さ0.04mm)を用いてろう付けにより接合した。したがって、θは90°であった。また、これらのストレートフィン3Aにおいて互いに隣り合う二つのストレートフィン3A、3Aの間4の隙間は0.9mmであった。
【0089】
以上の方法によりヒートシンク1を製造した。
【0090】
このヒートシンク1のベースプレート2の上面2aの中央部に発熱体20をろう付けにより接合した。そして、発熱体20を発熱させた状態でヒートシンク1の各ストレートフィン間4に冷却媒として温度60℃の冷却水を流速10L/minで流した。その結果、冷却水の温度が60℃から86.3℃に上昇した。
【0091】
<比較例>
本比較例では図6に示した上記参考形態のヒートシンク1Aを以下の方法で製造した。
【0092】
30枚のストレートフィン3Aを、ストレートフィン3Aがベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向A(即ちベースプレート2の長さ方向Y)に対して平行な方向に連続的に延びるように且つベースプレート2の平面方向の最高熱伝導率方向Aに対して直交する方向(即ちベースプレート2の幅方向X)に等間隔に並列状に配置されるようにベースプレート2の下面にろう付けにより接合したこと以外は、上記実施例と同様にヒートシンク1Aを製造した。このヒートシンク1Aではθは0°であった。
【0093】
このヒートシンク1Aのベースプレート2の上面2aの中央部に上記実施例で用いた発熱体と同じ発熱体20をろう付けにより接合した。そして、発熱体20を発熱させた状態でヒートシンク1Aの各ストレートフィン間4に温度60℃の冷却水を上記実施例と同じ条件で流した。その結果、冷却水の温度が60℃から85.6℃に上昇した。
【0094】
以上のように、実施例のヒートシンク1では冷却水の温度は86.3℃であり、この温度は比較例の冷却水の温度85.6℃よりも高い。したがって、実施例のヒートシンク1の放熱性能は比較例のヒートシンク1Aよりも高いことを確認し得た。
【産業上の利用可能性】
【0095】
本発明は、発熱性素子等の発熱体の熱を放散するヒートシンクに利用可能である。
【符号の説明】
【0096】
1:ヒートシンク
2:ベースプレート
3:フィン
3A:ストレートフィン
3B:波フィン
7a:鱗片状黒鉛粒子(炭素粒子)
7b:炭素繊維(炭素粒子)
8:金属マトリックス
A:ベースプレートの平面方向の最高熱伝導率方向
B:ベースプレートの平面方向の最低熱伝導率方向
D:炭素粒子の最長軸方向
E:炭素粒子の幅方向
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9