特表2023-551511グラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-08
(54)【発明の名称】グラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置
(51)【国際特許分類】
H01L 23/373 20060101AFI20231201BHJP
H05K 7/20 20060101ALI20231201BHJP
F28F 21/02 20060101ALI20231201BHJP
【ＦＩ】
H01L23/36 M
H05K7/20 B
F28F21/02
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023532666
(86)(22)【出願日】2021-11-24
(85)【翻訳文提出日】2023-07-05
(86)【国際出願番号】 KR2021017430
(87)【国際公開番号】W WO2022114788
(87)【国際公開日】2022-06-02
(31)【優先権主張番号】10-2020-0162876
(32)【優先日】2020-11-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523197180
【氏名又は名称】エイメック インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110003085
【氏名又は名称】弁理士法人森特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ジョン ジェウク
【テーマコード（参考）】
5E322
5F136
【Ｆターム（参考）】
5E322AA01
5E322AA02
5E322AA11
5E322AB10
5E322FA04
5F136BA03
5F136BA37
5F136BC03
5F136FA01
5F136FA23
5F136FA75
(57)【要約】
グラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置を開示する。実施形態によるヒートシンク装置は、高さ方向と幅方向に所定長さをもって奥行き方向に所定間隔離れて平行に配列された複数のグラファイトシートフィンと、グラファイトシートフィンの高さ方向の一端部に位置し、グラファイトシートフィンと交互に配置された複数の金属材挿入板と、グラファイトシートフィンと挿入板が交互に配置された状態で圧着して固定する固定手段と、を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高さ方向と幅方向に所定長さをもって奥行き方向に所定間隔離れて平行に配列された複数のグラファイトシートフィンと、前記グラファイトシートフィンの高さ方向の一端部に位置し、グラファイトシートフィンと交互に配置された複数の金属材挿入板と、前記グラファイトシートフィンと前記挿入板が交互に配置された状態で圧着して固定する固定手段と、を含む、グラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置。
【請求項2】
前記グラファイトシートフィンの高さ方向の他端部に位置し、グラファイトシートフィンと交互に配置された金属材挿入板をさらに含む、請求項１に記載のグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置。
【請求項3】
前記固定手段は、前記グラファイトシートフィンと前記挿入板の奥行き方向の対応位置に形成された貫通孔を貫通する金属材ボルトと、前記ボルトに固定されたナットとを含み、前記ボルトの熱膨張率は、前記挿入板の熱膨張率よりも小さい、請求項１に記載のグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置。
【請求項4】
前記固定手段は、前記グラファイトシートフィンと前記挿入板の高さ方向の一端部の末端に結合された金属材固定板を含み、前記固定板の熱膨張率は、前記挿入板の熱膨張率よりも小さい、請求項１に記載のグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の実施形態は、電気電子装置などの熱源から出てくる熱を放出して熱源の温度を管理することができるヒートシンク装置に関し、例えば、グラファイトシートからなるフィンを金属ベースで固定したヒートシンク装置を提供する。
【背景技術】
【0002】
電気電子装置は、正常作動が可能な温度範囲をもって作動することにより熱が発生する。よって、作動時に発生する熱を放出して装置の温度が正常作動範囲から外れないように管理しなければならない。フィンを有するヒートシンク装置は、このような役割を担当する装置の１つである。
【0003】
グラファイトが非常に高い熱伝導率を有することに着目して、グラファイトシートをフィンとするヒートシンクに関する技術が研究されたことがある。例えば、韓国公開特許第１０－２００７－００４８１３７号公報は、金属ベースとグラファイトフィンとを備えた複合材料のヒートシンクを開示している。
【0004】
同公開特許に開示された従来の技術では、金属ベース内に多数の溝を機械加工し、各グラファイトフィンの下縁がそれぞれの溝内に密接して受容されることにより、フィンがベースに付着し、フィンは摩擦結合、熱収縮結合または接着剤の使用により溝内に固定される。
【0005】
このような従来の技術は、製造工程が複雑であって生産性が劣る。また、グラファイトフィンと金属ベースとの接触面が広くなく、両者間の熱抵抗を低減するための特別な対策もないため、ヒートシンクの放熱性能がグラファイトフィンの熱伝導度から期待できる性能に大きく及ばない。また、機械加工によって溝を形成した後でフィンを挿入しなければならないことにより、フィンとフィンとの間隔を小さくすることが難しいため、小さいサイズのフィンを十分な数だけ有するヒートシンクを作製することが困難であった。
【0006】
このように、グラファイトシートは、銅またはアルミニウムに比べて熱伝導度が非常に高いため、熱伝導の面ではヒートシンク装置のフィンとして使用するのに理想的な素材であるが、強度や延性などのため、実際にフィンとして適用して活用することは容易ではない。
【0007】
また、フィンを固定するための金属ベースとグラファイトシートフィンとの接触面における接触熱抵抗がボトルネックとして作用し、全体的なヒートシンク装置の放熱効率は、グラファイトシートの熱伝導度によって期待される放熱効率とは大きく異なる結果を示してきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】韓国公開特許第１０－２００７－００４８１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本開示は、生産性に優れるうえ、フィンと金属ベース間の熱抵抗が小さいため放熱性能に優れ、フィンとフィンとの間隔を必要に応じて容易に調節し、非常に小さくすることも可能な、グラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置は、高さ方向と幅方向に所定長さをもって奥行き方向に所定間隔離れて平行に配列された複数のグラファイトシートフィンと、グラファイトシートフィンの高さ方向の一端部に位置し、グラファイトシートフィンと交互に配置された複数の金属材挿入板と、グラファイトシートフィンと挿入板が交互に配置された状態で圧着して固定する固定手段と、を含む。
【0011】
また、実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置は、グラファイトシートフィンの高さ方向の他端部に位置し、グラファイトシートフィンと交互に配置された金属材挿入板をさらに含む。
【0012】
また、実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置は、固定手段として、グラファイトシートフィンと挿入板との奥行き方向の対応位置に形成された貫通孔を貫通する金属材ボルトと、ボルトに固定されたナットとを含む。
【0013】
また、実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置は、固定手段として、グラファイトシートフィンと挿入板の高さ方向の一端部の末端に結合された金属材固定板を含む。
【0014】
また、実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置は、ボルトと固定板が挿入板の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する。
【発明の効果】
【0015】
実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置は、生産性に優れるうえ、フィンと金属ベース間の熱抵抗が小さいため放熱性能に優れ、フィンとフィンとの間隔を必要に応じて容易に調節することが可能であって、所望の間隔と大きさを有する製品を製作することが容易であり、フィンとフィンとの間隔を従来の技術に比べて非常に小さくすることが可能であって、放熱性能に優れた小さい製品を製作することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】一実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置の斜視図である。
【図3】他の実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置の斜視図である。
【図4】別の実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、添付図面を参照して、実施形態によるグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置を具体的に説明する。
【0018】
【0019】
図１及び図２に示すように、グラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置１０（以下、「ヒートシンク装置」ともいう）は、複数のグラファイトシートフィン１１、複数の挿入板１２及び固定手段１３、１４を含む。混同のおそれがないものと考えられるため、位置を問わず、各グラファイトシートフィンを同じ符号１１で示し、各挿入板についても位置を問わず、同じ符号１２で示すこととした。また、便宜上、同一の図面には同一の符号を１回のみ使用することにした。
【0020】
グラファイトシートフィン１１は、高さ方向Ｚと幅方向Ｘに所定長さをもって奥行き方向Ｙに所定間隔離れて平行に配列される。
【0021】
挿入板１２は、グラファイトシートフィン１１の高さ方向Ｚの一端部に位置し、グラファイトシートフィン１１と交互に配置され、金属材である。この高さ方向Ｚの一端部の末端に形成される面が電気電子装置などの熱源に密着する吸熱面１０ａとなる。吸熱面１０ａは、滑らかに研磨して、熱源に最大限広い面積で接触することができるようにすることが好ましい。
【0022】
図１及び図２に示す実施形態では、グラファイトシートフィン１１の高さ方向Ｚの一端部だけでなく、他端部にも金属材の挿入板１２が位置し、グラファイトシートフィン１１と交互に配置される。これは、ヒートシーク装置１０の耐久性を向上させて外部衝撃に強くし、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２とが互いに密着するようにするのに一層効果的である。
【0023】
しかし、挿入板１２がグラファイトシートフィン１１の高さ方向Ｚの一端部（例えば、高さ方向Ｚの下方）にのみ位置し、他端部（例えば、高さ方向Ｚの上方）には、グラファイトシートフィン１１のみが存在するようにすることも可能である。その場合、固定手段１３、１４も、高さ方向Ｚの一端部（例えば、高さ方向Ｚの下方）にのみ設置され、他端部（例えば、高さ方向Ｚの上方）には設置されなくてもよい。
【0024】
高さ方向Ｚの他端部の末端に形成される面を吸熱面１０ａと区別して１０ｂで表した。
【0025】
固定手段１３、１４は、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２が交互に配置された状態を維持するようにこれらを圧着して固定する。
【0026】
図１及び図２に示す実施形態では、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２の奥行き方向Ｙへの対応位置に形成された貫通孔１１ｈ、１２ｈを貫通する金属材ボルト１３と、ボルト１３の一端部に固定されたナット１４と、を含む。
【0027】
図示している実施形態において、ボルト１３とナット１４は、貫通孔１１ｈ、１２ｈを貫通して奥行き方向Ｙに圧着して固定する固定手段の一例に過ぎず、例えば、ボルト端部をコーキングすることや、ボルトの代わりにリベットを使用することなども、ボルト１３とナット１４の代わりに採用でき、ボルト１３とナット１４に対する均等物として見なすべきである。
【0028】
本発明者は、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２との密着性が良くなるほど、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２との接触熱抵抗が低くなり、それによりグラファイトシートフィン１１が有する高い熱伝導度で期待される放熱性能をヒートシンク装置から得ることができることが分かった。
【0029】
これに着目して、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２との間に圧着が起こるようにボルト１３とナット１４で圧着固定する一方、ボルト１３とナット１４による圧着力が、ヒートシンク装置が熱を受けて高温になるほど高くなるように、ボルト１３が挿入板１２の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するように選択した。ヒートシンク装置１０が高温になることにより奥行き方向Ｙに膨張するが、ボルト１３の熱膨張率が挿入板１２の熱膨張率よりも小さいので、挿入板１２はさらに膨張しようとするが、ボルト１３の頭部とナット１４によって制約されて実際に膨張することはできず、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２との境界面に作用する圧着力が強化される結果が得られる。これにより、温度が高くなるほど、圧着力は急速に増加し、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２間の接触熱抵抗が０に収斂するようになり、その界面における熱的なボトルネック現象を除去することができる。
【0030】
符号１５ａ、１５ｂは、ヒートシンク装置１０の奥行き方向Ｙの両端を保護しかつ耐久性を高めるための保護板を示す。保護板１５ａ、１５ｂが必ずしも必要ではない。
【0031】
グラファイトシートをフィンとして用いた、すなわちグラファイトシートフィンを用いたヒートシンク装置は、生産性に優れるうえ、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２間の熱抵抗が小さいため放熱性能に優れ、挿入板１２の厚さの選択に応じてフィン１１とフィン１１との間隔を容易に調節することができて所望の間隔と大きさを有する製品を製作することが容易である。また、挿入板１２の厚さを薄く選択することにより、フィン１１とフィン１１との間隔を従来の技術に比べて非常に小さくすることが可能であって、放熱性能に優れた小さい製品を製作することが可能である。
【0032】
【0033】
図３及び図４にそれぞれ示す実施形態は、図１、図２に示す実施形態とは固定手段が異なり、固定手段の相違によって図１、図２の実施形態の貫通孔１１ｈ、１２ｈが形成されていない。図３、図４では、固定板１６、１７を除いては符号を表示していないが、符号が表示されていない構成要素は、図１、図２のものとほぼ同じ構成として把握すればよい。例えば、図３、図４のグラファイトシートフィンと挿入板の場合は、貫通孔１１ｈ、１２ｈが形成されていないこと以外は、図１、図２の実施形態のそれと同様である。
【0034】
図１、図２では、ボルト１３とナット１４とが貫通孔１１ｈ、１２ｈを貫通してグラファイトシートフィン１１と挿入板１２を圧着固定するようにしたが、図３と図４にそれぞれ示す実施形態では、グラファイトシートフィンと挿入板の高さ方向の一端部の末端に結合された金属材固定板１６、１７を含む。
【0035】
【0036】
図３の実施形態において、固定板１６は、例えば、溶接によってグラファイトシートフィンと挿入板の高さ方向の一端部の末端に結合される。溶接以外に、金属間接着剤など、金属と金属との結合に使用される公知の結合手段が使用できる。
【0037】
図４の実施形態において、固定板１７は、両側に翼部１７ａ、１７ｂを備え、翼部１７ａ、１７ｂの間に、グラファイトシートフィンと挿入板が交互に配置されたものを締まりばめすることにより、固定板１７がグラファイトシートフィンと挿入板の高さ方向の一端部の末端に結合される。固定板１７と前記末端間の熱接触を強化するために、熱伝導性に優れた物質を挟んだ状態で結合を行うことが好ましい。
【0038】
図３、図４に示す実施形態では、グラファイトシートフィン１１の高さ方向Ｚの一端部だけでなく、他端部にも金属材の挿入板１２が位置し、グラファイトシートフィン１１と交互に配置される。これは、ヒートシーク装置１０の耐久性を向上させて外部衝撃に強くし、グラファイトシートフィン１１と挿入板１２とが互いに密着するようにするのに一層効果的である。
【0039】
しかし、挿入板１２がグラファイトシートフィン１１の高さ方向Ｚの一端部（例えば、高さ方向Ｚの下方）にのみ位置し、他端部（例えば、高さ方向Ｚの上方）にはグラファイトシートフィン１１のみが存在するようにすることも可能である。その場合、固定板１６、１７も、高さ方向Ｚの一端部（例えば、高さ方向Ｚの下方）にのみ設置され、他端部（例えば、高さ方向Ｚの上方）には設置されなくてもよい。
【0040】
図３、図４に示されている実施形態の場合、固定板１６、１７の熱膨張率が挿入板の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するように選択する。固定板１６、１７が使用されたヒートシンク装置が高温になることにより、奥行き方向Ｙに膨張するが、固定板１６、１７の熱膨張率が挿入板の熱膨張率よりも小さいので、挿入板はさらに膨張しようとするが、固定板１６、１７によって制約されて実際には膨張せず、グラファイトシートフィンと挿入板との境界面に作用する圧着力が強化される結果が得られるのである。これにより、温度が上昇するほど、圧着力は急速に増加し、グラファイトシートフィンと挿入板間の接触熱抵抗が０に収斂するので、その界面における熱的なボトルネック現象を除去することができる。
【0041】
本開示の実施形態を説明するときに使用された各種表現（用語、視覚化された画像など）は、技術に対する理解を高めるためのツールとして選択されたものに過ぎない。
【0042】
さらに、本開示は、限られた数の実施形態によって説明されており、当技術分野における通常の知識を有する者であれば、説明された実施形態に基づいて本開示の技術的思想の範囲内で新しい実施形態を数多く創案することができる。
【0043】
したがって、本開示の権利範囲は、「発明の説明」及び「図面」に示されている一部の表現によって限定されてはならず、明細書の全般にわたる本開示の根本的な技術的事項に基づいて幅広く解釈されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【手続補正書】
【提出日】2023-07-05
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高さ方向と幅方向に所定長さをもって奥行き方向に所定間隔離れて平行に配列された複数のグラファイトシートフィンと、前記グラファイトシートフィンの幅方向に長尺であるようにグラファイトシートフィンの高さ方向の一端部に位置しながらグラファイトシートフィンと交互に配置され、長尺な高さ方向の末端面がグラファイトシートフィンの高さ方向の末端面と共に吸熱面を形成する複数の金属材挿入板と、前記グラファイトシートフィンと前記挿入板が交互に配置された状態で圧着して固定する固定手段と、を含む、グラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置。
【請求項2】
前記グラファイトシートフィンの高さ方向の他端部に位置し、グラファイトシートフィンと交互に配置された金属材挿入板をさらに含む、請求項１に記載のグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置。
【請求項3】
前記固定手段は、前記グラファイトシートフィンと前記挿入板の奥行き方向の対応位置に形成された貫通孔を貫通する金属材ボルトと、前記ボルトに固定されたナットとを含み、前記ボルトの熱膨張率は、前記挿入板の熱膨張率よりも小さい、請求項１に記載のグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置。
【請求項4】
前記固定手段は、前記グラファイトシートフィンと前記挿入板の高さ方向の一端部の末端に結合された金属材固定板を含み、前記固定板の熱膨張率は、前記挿入板の熱膨張率よりも小さい、請求項１に記載のグラファイトシートをフィンとして用いたヒートシンク装置。
【国際調査報告】