JP2010067842A - 黒鉛一金属複合体とアルミニウム押出材の組合せからなる放熱体。 - Google Patents

Abstract

【課題】高温になると短寿命になったり、故障したりするＬＥＤパッケージ、高負荷半導体、高負荷コンデンサーやそれらの組合せからなる集積回路基板に有用な放熱体を提供する。
【解決手段】熱拡散率の良好な、黒鉛一金属複合体と放熱面積が大きいアルミニウムヒートシンクとの組合せにより、安価で、機械的強度にも優れ、尚かつ放熱効果の優れた放熱体を構成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、高温になると短寿命になったり、故障したりするＬＥＤパッケージ、高負荷半導体、高負荷コンデンサーや、それらの組み合わせからなる集積回路基板に好適な黒鉛一金属複合体とアルミニウム押出材の組み合わせからなる放熱体に関する。

黒鉛材料を含む黒鉛一金属複合体には金属マトリックスと黒鉛粒子又は黒鉛繊維を材料として分散させた金属基複合材料や、押出成形体、冷間等方圧力成形体金型にて一方向圧力による成形体より焼成してなる黒鉛成形体に金属を分散する黒鉛基金属複合材料が知られている。（特願平１１−３２１８２８、特願２００１−１３５５５１）

一方で黒鉛を含む複合体は、熱拡散率が１．５〜３ｃｍ^２／ｓｅｃと大きく、アルミニウムや銅、窒化アルミニウムなどといった伝熱媒体として通常多用されている材料の熱拡散率が０．７〜１．０ｃｍ^２／ｓｅｃと比較すると、その熱拡散性能が卓越していることが知られている。

他方で、黒鉛を含む複合体は、例えば、押出材の黒鉛を使用したアルミニウムとの複合体の曲げ強度は３０〜４０Ｍｐａ、その弾性率は１２Ｇｐａと低く、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅、鉄などの常用金属に比較して、１／１０以下の機械的強度となっている。又、アルミニウム押出材などのヒートシンクに供されるものは、大量に生産されるので安価であるが、黒鉛一金属複合体は、それに比較すると、高価になっている。

本発明の目的は上記問題に鑑み、黒鉛金属複合体の熱拡散率の良好な特性を維持しながら、その弱点である低い機械的特性を補強し、尚かつ、より安価な放熱体を提供することにある。

本発明者は、用いる材料の組み合わせを考案することにより、上記の目的を良好に達成しうる以下の要旨を有する本発明に到達した。

黒鉛粉末を５０〜９２体積％含む黒鉛成形体にアルミニウム、銅或いはそれらの合金を溶湯鍛造法により加圧含浸させて得られた黒鉛一金属複合体を板状、或いは円柱状などに切り出して、アルミニウム、又はアルミニウム合金の押出材からなるヒートシンクの形状に合わせ、配列した放熱体。

黒鉛繊維をチョップドした短繊維材と人造黒鉛と併せて、５０〜９２％含む成形体にアルミニウム、銅或いはそれらの合金を溶湯鍛造法により加圧含浸させて、得られた黒鉛一金属複合体をアルミニウム又はアルミニウム合金の押出材からなるヒートシンクの形状に適宣合致するように切り出して配列した放熱体。

黒鉛粉末或いは黒鉛粉末を含むチョップド黒鉛繊維の成形体の成形方法が押出成形、冷間等方圧力成形金型にて一方向圧力による成形のいずれかによるものであること。

本発明によれば、黒鉛一金属複合体の良好な熱拡散率を利用でき、黒鉛一金属複合体の機械的強度の弱さを、アルミニウム又はアルミニウム合金金属押出材に接しさせることによって補強される。又、全体を黒鉛一金属複合体で作成するより安価になる。
これにより、ＬＥＤパッケージ、高負荷半導体、高負荷コンデンサー、或いは集積回路基板から発生する熱は、黒鉛一金属複合体によって、効率良く熱拡散し、その熱は、丈夫なアルミニウム合金のヒートシンクによって、大きな表面積を持つフィン部から放熱される経済性にも優れた放熱体が提供される。

黒鉛一金属複合体の製造方法は、溶湯鍛造法によって加圧含浸することによって得られる。この時に使用される黒鉛は、人造黒鉛をタールやピッチ或いは有機樹脂などのバインダーで押出したもの、冷間等方圧力成形したもの、金型にて一方向圧力によって成形したものなどを用いることが可能でこれらは最終的に２５００℃以上で処理されて、結果的に、ほぼ１００％近くが黒鉛の組織になる。
又、この時、黒鉛繊維のチョップドしたものを含んでいても良い。

前記のようにして、得られた黒鉛一金属複合体は、機械加工性に優れ、板状、円柱状、角柱状などに容易に加工できる。

一方で、各種形状のアルミニウム押出材を用意しておく。これらはフィン部とそれを束ねる部位からなり、後出図１によって説明すると、第１図は１は発熱体、２は黒鉛一金属複合体、３はアルミニウム押出材のヒートシンクであり、２は平板で、３に接している。第２図は２の黒鉛一金属複合体は円柱状であり、その外周面が、３のアルミニウム押出材の内周に接している。第３図は２の黒鉛一金属複合体は角柱状であり、その四側面が、３のアルミニウム押出材の内側面に接している。

黒鉛一金属複合体とヒートシンクの接合方法は、例えば第２図、第３図では、黒鉛一金属複合体の熱膨張率が７×１０^−６１／Ｋであり、アルミニウムのそれは２３×１０^−６１／Ｋであるので焼きばめ法で行なって良い。第１図の様式では、黒鉛一金属複合体とヒートシンクの間にシリコングリスを介してネジ止めしても良いし、両方にメッキしてハンダ付けしても良い。

本発明に使用されるアルミニウムのヒートシンクは、押出材に限定されるものではなく、ダイガスト材、鋳造材、鍛造材なども利用できる。そして、その材質もアルミニウム合金であれば良いが、好ましくは、ＪＩＳＡ１０００系、ＪＩＳＡ６０００系合金が、加工性も良く、熱伝導度も大きいのでより好適である。

本発明の使用される黒鉛の種類は、天然黒鉛、人造黒鉛であり、市販の黒鉛ブロックであっても良い。

黒鉛一金属複合体の黒鉛の体積割合は５０％〜９５％のものを用いる。５０％以下だと熱拡散率が小さいので、本発明の放熱体には適さない。
より好ましくは６５％〜９５％である。

黒鉛一金属複合体に用いられる金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅或いは銅合金を用いる。アルミニウム合金はＪＩＳ展伸材系のもの、ＪＩＳ鋳物材系のものなどを用いることができる。好ましくは、合金としての融点が低いものが良い。銅合金としてはＪＩＳＣ１０００系〜７０００系の伸銅材などを用いることができる。

上記のようにして得られた放熱体は熱的には、発熱体に接する位置に、熱拡散に優れる黒鉛一金属複合体を用い、黒鉛一金属複合体に接する位置に放熱表面積の大きいアルミ製のヒートシンクを組み合わせることにより、より効率的な放熱体を得ることができる。

又、上記放熱体は、機械的には、黒鉛一金属複合体のぜい弱な強度をアルミ製のヒートシンクにて、補強されることにより、構造体としての機能も併せ持つことができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

電極用黒鉛ブロック（東海カーボン社製ＵＨＰ）の大きさが１５０ｍｍ×２００ｍｍ×２５０ｍｍのものを、アルゴン雰囲気中で７００℃に保持しておき、一方でＪＩＳ−ＡＣ３Ａアルミニウム合金を７００℃で溶解しておく。これらを溶湯鍛造用の金型内に導き、圧力６０Ｍｐａにて鋳造を完了した。

鋳造物から黒鉛一金属複合体を採り出して、厚さ２ｍｍたて、横のサイズ２０ｍｍの板を切り出して、その上に、４ＷのＬＥＤを装着後、フィン長さ１０ｍｍ、フィン数１０であるアルミニウム製（ＪＩＳＡ６０６３の押出材）ヒートシンクの３０ｍｍ×２５ｍｍの上に、接しさせて、１２Ｖで３３３ｍＡの通電して、１時間後に温度を測定した所、ＬＥＤ上部は３８℃、ヒートシンクのフィン部は、２６℃であった。尚、室温は２２℃であった。

比較例１

前記実施例１の黒鉛一金属複合体の替りに同じサイズのＪＩＳＡ１０５０板を用いて、同様の試験を行った所、ＬＥＤ上部は１０５℃、ヒートシンクフィン部は７０℃であった。

比較例２

前記実施例１の黒鉛一金属複合体の替りに同じサイズのＪＩＳＡ１０５０板を用い、ヒートシンクは、逆に黒鉛一金属複合体を加工して、実施例１のアルミニウム製ヒートシンクと同形状のものを作成して、同様の試験を行った所、ＬＥＤ上部は９８℃ヒートシンクフィン部は５４℃であった。

実施例１の黒鉛一金属複合体から１５０ｍｍ×２００ｍｍで厚さ３ｍｍの板を作成し、同じ大きさの１５０ｍｍ×２００ｍｍのアルミニウム製ヒートシンクのフィン高３０ｍｍ、フィン数３０、その平板部分の厚さ２ｍｍの直上にネジ留めした。黒鉛一金属複合体の板上に放熱量１２０Ｗの集積回路基板を配置して、２時間後に温度測定した所、黒鉛一金属複合体板は４５℃、アルミニウム製ヒートシンクのフィン部は３５℃であった。

比較例３

実施例２のアルミニウム製ヒートシンクの平板部分の厚さを５ｍｍにした以外は同条件で温度測定した所、平板部の温度は９７℃フィン部は７０℃であった。

本発明の黒鉛一金属複合体と、アルミニウム押出材などの組合せからなる放熱体は、優れた熱拡散性を有するものと安価なアルミニウム製ヒートシンクの大きな放熱面積を有するものとの組合せから、ＬＥＤパッケージ、高負荷半導体、高負荷コンデンサーやそれらの組合せからなる集積回路基板などの放熱に有効であり、産業上の広範な分野で有用である。

1黒鉛−金属複合体とアルミニウム製ヒートシンク（平板タイプ） 2黒鉛−金属複合体とアルミニウム製ヒートシンク（円柱タイプ） 3黒鉛−金属複合体とアルミニウム製ヒートシンク（角柱タイプ） 図−１の第１図は平板タイプの黒鉛一金属複合体（２）とアルミニウム製ヒートシンク（３）。 第２図、第３図はそれぞれ円柱タイプ、角柱タイプの黒鉛一金属複合体（２）と、アルミニウム製ヒートシンク（３）。

符号の説明

１．
発熱体
２．
黒鉛金属複合体
３．
アルミニウム製ヒートシンク

Claims (4)

1. 黒鉛粉末を５０〜９２体積％含む黒鉛成形体にアルミニウム、銅或いはそれらの合金を溶湯鍛造法により加圧含浸させて、得られた黒鉛一金属複合体を板状に切り出しアルミニウム、又はアルミニウム合金の押出材などからなるヒートシンクの平面部又は曲面部の箇所に接触させてなる放熱体。
2. 請求項１で黒鉛粉末の代わりに黒鉛のチョップドした繊維と人造黒鉛と併せて５０〜９２体積％含む成形体であること。
3. 請求項１で黒鉛一金属複合体を円柱状又は角柱状に切り出し、ヒートシンクのフィンが放射状に配列されてなるヒートシンクの中央部に配置して、円柱又は角柱の側面が、ヒートシンクに接することよりなる放熱体。
4. 請求項１、請求項２、請求項３に使用される黒鉛が、押出成形体、冷間等方圧力成形体、金型にて一方向圧力による成形体のいずれかによるものであること。

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