JP2019140311A - 高放熱軽量ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】強度を確保しつつ、高放熱で軽量なヒートシンクを提供する。【解決手段】ヒートシンクは、複数枚積層された高分子フィルムを印加圧力と焼成とによりグラファイト化されたグラファイトプレートを用いたヒートシンクであって、第１のグラファイトプレートで構成されたフィン部と、樹脂に第２のグラファイトプレートが内蔵されたベース部と、を備え、第１のグラファイトプレートと第２のグラファイトプレートとが接触している。【選択図】図２

Description

本発明は、電子装置等の熱源から放出される熱を管理することができるヒートシンクに関する。

電子装置、マイクロプロセッサーや電子および電気部品は、高い処理速度および高周波数で作動する能力があり、小型で、より複雑な電力条件を有する。また、装置の集積回路等の他の技術的に進化した装置、さらに高出力光学装置等の他の装置を含む電子装置の開発は、益々高度になっている。これらの装置等では、極端に高い温度が発生することがある。

しかしながら、マイクロプロセッサー、集積回路、その他の高性能な電子部品は、特定範囲の閾値温度下でのみ効率的に動作するのが一般的である。電子部品の動作中に発生する過剰の熱は、その固有性能に有害であるのみならず、システム全体の性能や信頼性が損なわれ、システムの故障を引き起こす場合もある。電子システムの稼働によって予期される極端な温度を含む環境条件の幅が益々広くなることも、過剰熱による悪影響を助長するものである。

小型電子装置から熱を放散させる必要性が高まるに従い、電子製品の設計においては管理が益々重要な要素になっている。電子装置の性能信頼性および期待される寿命の両方が、装置の部品温度に逆比例する。例えば、典型的なシリコン半導体等のデバイスの動作温度を下げることにより、デバイスの処理速度、信頼性および期待される寿命を増加させることができる。従って、最大限の部品寿命や信頼性を得るために最も重要なことは、デバイスの動作温度を、設計者により設定される限度内に制御することである。

こういった熱管理に優れた材料として注目されているのが、グラファイトに代表されるカーボン材である。グラファイトは、一般的な高熱伝導材料であるアルミニウムや銅と同等の熱伝導率を備え、なおかつ銅よりも優れた熱輸送特性を備えていることから、ＬＳＩチップのヒートスプレッダ、半導体パワーモジュールのヒートシンクなどに用いられる放熱フィン用の材料として注目されている。

従来のカーボン材を用いたヒートシンクでは、例えば、特許文献１に示すように、脆いカーボン粒子を圧縮固形化した上に金属フィルムによるコーティングを施すことで、グラファイトの剥離を防ぎ、かつ機械的強度を向上させたヒートシンクが提案されている。また、特許文献２に示すように、アスペクト比の高い鱗片状黒鉛を樹脂と混練することで、軽量化と熱伝導性とを両立したヒートシンクが提案されている。

特表２００９−５０５８５０号公報 ＷＯ２０１６−０６３５４０号公報

しかしながら、特許文献１のヒートシンクでは、カーボン粒子の圧縮から作製されていることから、面方向に緻密なグラファイト構造が形成されていないため、熱輸送性能が低い。また、コーティング剤およびベース材が金属のため、ヒートシンク全体が重くなってしまう。一方、特許文献２に示すヒートシンクでは、樹脂との混練により軽量化が図れているが、鱗片状黒鉛ではＬＥＤレベルである数十Ｗ程度の発熱にしか対応できない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、数百Ｗレベルの発熱にも対応できる高放熱かつ軽量なヒートシンクの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るヒートシンクは、複数枚積層された高分子フィルムを印加圧力と焼成とによりグラファイト化されたグラファイトプレートを用いたヒートシンクであって、
第１のグラファイトプレートで構成されたフィン部と、
樹脂に第２のグラファイトプレートが内蔵されたベース部と、
を備え、
前記第１のグラファイトプレートと前記第２のグラファイトプレートとが接触していることを特徴とする。

本発明に係るヒートシンクにより、数百Ｗレベルの発熱に対応可能な高放熱かつ軽量なヒートシンクを提供することができる。

実施の形態１に係る高放熱軽量ヒートシンクの構成を示す概略図である。 図１における高放熱軽量ヒートシンクのＡ−Ｂ断面図である。 グラファイトプレートのべーサル面とノンベーサル面とを示す概略斜視図である。 図１における第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４のそれぞれの加工状態を示す概略斜視図である。 図１における第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４の接合状態を示す概略図である。 実施の形態と比較例における熱伝導性評価試験のＴＥＧ模式図である。

第１の態様に係るヒートシンクは、複数枚積層された高分子フィルムを印加圧力と焼成とによりグラファイト化されたグラファイトプレートを用いたヒートシンクであって、
第１のグラファイトプレートで構成されたフィン部と、
樹脂に第２のグラファイトプレートが内蔵されたベース部と、
を備え、
前記第１のグラファイトプレートと前記第２のグラファイトプレートとが接触している。

上記構成によって数百Ｗレベルの発熱にも対応できる高放熱かつ軽量なヒートシンクを提供することができる。

第２の態様に係るヒートシンクは、上記第１の態様において、前記第１のグラファイトプレートと前記第２のグラファイトプレートとの接触面は、少なくとも一方がノンベーサル面であってもよい。

第３の態様に係るヒートシンクは、上記第１又は第２の態様において、前記ベース部を構成する前記樹脂は、熱伝導性フィラーが混練されていてもよい。

以下、実施の形態に係るヒートシンクについて、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るおける樹脂ベースグラファイトヒートシンク１０１の構成を示す概略図である。また、図２は、図１における樹脂ベースグラファイトヒートシンク１０１のＡ−Ｂ断面図である。なお、便宜上、第２のグラファイトプレート１０４が内蔵された樹脂１０３の面をｘ−ｙ面とし、各第１のグラファイトプレート１０２が延在する方向をｚ方向としている。また、複数の第１のグラファイトプレート１０２の配列方向をｘ方向としている。つまり、図２は、ｙ方向から見たｚ−ｘ断面図である。
実施の形態１に係るヒートシンク１０１は、複数枚積層された高分子フィルムを印加圧力と焼成とによりグラファイト化されたグラファイトプレート１０２、１０４を用いたヒートシンクである。このヒートシンク１０１は、第１のグラファイトプレート１０２で構成されたフィン部と、樹脂１０３に第２のグラファイトプレート１０４が内蔵されたベース部と、を備える。また、第１のグラファイトプレート１０２と第２のグラファイトプレート１０４とが接触している。
このヒートシンク１０１によれば、第１のグラファイトプレート１０２と第２のグラファイトプレート１０４とが接触しているので、数百Ｗレベルの発熱に対応可能な高放熱かつ軽量なヒートシンクを提供できる。つまり、図２に示すように、ベース部の裏面に設けられた発熱部１０５からの熱を第２のグラファイトプレート１０４から第１のグラファイトプレート１０２に速やかに放熱できる。

以下にこのヒートシンク１０１を構成する部材について説明する。

＜高分子フィルム＞
高分子フィルムとしては、例えば、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリピロメリットイミド、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンベンゾイミタゾール、ポリフェニレンベンゾビスイミタゾール、ポリチアゾール、ポリパラフェニレンビニレンからなるグループの少なくとも１種の高分子フィルムを用いることができる。上記１種以上の高分子フィルムを複数枚積層して印加圧力を制御しながら焼成することでグラファイト化させたグラファイトプレートを成形して第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４を作製する。

＜グラファイトプレート＞
図３は、グラファイトプレートのべーサル面１０６とノンベーサル面１０７とを示す概略斜視図である。第１のグラファイトプレート１０２は、グラファイトフィンを構成する。また、第２のグラファイトプレート１０４は、樹脂１０３に内蔵され、ベース部を構成する。図３に示す通り、第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４は、それぞれ面に対して垂直な方向に熱伝導が低いベーサル面１０６と、面に対して垂直な方向に熱伝導が高いノンベーサル面１０７と、を有する。

図４は、図１における第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４の加工状態の一例を示す概略斜視図である。発熱部１０５の熱を最短距離でグラファイトフィン１０２の先端部に運ぶため、第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４の少なくとも一方がノンベーサル面で接触していることが好ましい。特に好ましくは、第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４における、発熱部１０５に近い側のノンベーサル面１０７を互いに露出させる角度に加工し、ノンベーサル面同士を接触させることが最も好ましい。図４では、第１のグラファイトプレート１０２について、ｚ方向及びｘ方向と交差するようにノンベーサル面１０７の傾斜面を設けている。複数の第１のグラファイトプレート１０２のうちｘ軸の原点側の傾斜面のｚ軸に対する角度は−４５°である。また、第２のグラファイトプレート１０４について、ｚ方向及びｘ方向と交差するようにノンベーサル面１０７の傾斜面を設けている。第２のグラファイトプレート１０４のｘ軸の原点側の傾斜面のｘ軸に対する角度は＋４５°である。また、第２のグラファイトプレート１０４の表面に設けるノンベーサル面１０７の傾斜面は、図４では、ｘ方向に沿って４つの傾斜面を−ｘ方向に向け、４つの傾斜面を＋ｘ方向に向けて設けている。なお、それぞれの傾斜面は互いに接触するように設けることが好ましい。このように複数の傾斜面の配向を一部異なるようにすることで、第１のグラファイトプレート１０２と第２のグラファイトプレート１０４との接触面で生じる応力の方向を分散させることができる。
第２のグラファイトプレート１０４は、前記第１のグラファイトプレート１０２の加工に沿う形状に加工し、接触固定する（図５）。最後に、第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４の接合部およびベース部分を補強するため樹脂成形を施し、図１、図２に示すような樹脂ベースグラファイトヒートシンク１０１を得る。

＜補強樹脂材料＞
補強樹脂材料としては、熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好ましく、１２Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが最も好ましい。熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の補強樹脂では、熱輸送が遅いため数百Ｗレベルの発熱にも対応できない。

発熱部１０５との接触面の樹脂厚さは０〜１ｍｍが好ましい。特に０．５〜１ｍｍが好ましい。樹脂厚さが１ｍｍ以上では、樹脂を介した熱輸送が遅いため数百Ｗレベルの発熱に対応できない。

一方、発熱部１０５と逆側の面の樹脂厚さについては、第１のグラファイトプレート１０２の長さの１／１２〜１／１０が好ましい。樹脂厚さが１／１０を超えると、フィン部での熱交換が不足し、数百Ｗレベルの発熱に対応できなくなる。

補強樹脂材料は、ベース樹脂に高熱伝導性フィラーを混練したものである。
ベース樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリオレフィン樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ウレタン樹脂などを用いることができる。
高熱伝導性フィラーとしては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ＣｕおよびＡｌなどの金属フィラー、カーボンフィラーなどを用いることができる。
この構成によると、金属ベース単独の場合よりも軽量化ができ、かつ数百Ｗレベルの発熱にも対応できる高放熱かつ軽量なヒートシンクの提供することができる。

（実施例１）
以下のように、実施例１に係るヒートシンクを作製した。
第１のグラファイトプレート１０２には縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み１ｍｍの高配向性グラファイトの加圧積層品を使用した。また、第２のグラファイトプレート１０４には縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み１ｍｍの高配向性グラファイトの加圧積層品を使用した。第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４の出発原料としては、高分子フィルムとしてポリオキサジアゾールを原料とするフィルムを用いた。該高分子フィルムを複数枚積層して印加圧力を制御しながら焼成することでグラファイト化させたグラファイトプレートを得た。このグラファイトプレートを使用し、フィン本数８本、ピッチ４ｍｍでヒートシンクを構成した。また、このヒートシンクでは、第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４の接合面が、互いにノンベーサル面１０７を４５°の角度で露出して接触固定されている。補強樹脂としては、ベース樹脂にポリカーボネート樹脂、フィラーにＢＮフィラーを用いたものを使用し、発熱部側の厚みを０．８ｍｍ、反対側の厚さを３ｍｍとしてヒートシンクを作製した。作製したヒートシンクは、落下試験および振動試験前後の熱伝導性試験によって性能評価を行った。

（実施例２）
実施例１と対比すると、第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４の接合面が、ノンベーサル面１０７とベーサル面１０６とを互い違いに嵌め合う構造で固定している点で相違し、それ以外は実施例１と同様にしてヒートシンクを作製した。

（実施例３）
実施例１と対比すると、補強樹脂の発熱部側の厚みを１ｍｍとしている点で相違し、それ以外は実施例１と同様にしてヒートシンクを作製した。

（実施例４）
実施例１と対比すると、発熱部側の反対側の厚さを５ｍｍとしている点で相違し、それ以外は実施例１と同様にしてヒートシンクを作製した。

（実施例５）
実施例１と対比すると、第１のグラファイトプレート１０２全面に５μｍ厚のポリイミドコーティングを施している点で相違し、その他の条件は実施例１と同じにしてグラファイトヒートシンクを作製した。

（比較例１）
比較例１として、高分子フィルムとしてポリエステルフィルムを使用して作製した加圧積層品を用い、その他の条件は実施例１と同じにしてヒートシンクを作製した。

（比較例２）
比較例２として、実施例１における第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４を直接接合せずに補強樹脂を介して固定し、その他の条件は実施例１と同じにしてヒートシンクを作製した。

（比較例３）
比較例３として、補強樹脂の発熱部側の厚みを１．５ｍｍとし、その他の条件は実施例１と同じにしてヒートシンクを作製した。

（比較例４）
比較例４として、補強樹脂の発熱部側と反対側の厚さを１０ｍｍとし、その他の条件は実施例１と同じにしてヒートシンクを作製した。

＜評価方法＞
（熱伝導性評価試験）
実施例および比較例で作製したサンプルは、落下試験および振動試験前後に熱伝導性評価試験を行った。図６は、熱伝導性評価ＴＥＧを示す概略斜視図である。強制冷却環境による評価で、前記実施例および比較例にて記述したグラファイトヒートシンクの中央直下に測温部１０９（□１０ｍｍ、t５ｍｍ、銅製）、ヒーター１１１（□１０ｍｍ、t１ｍｍ、セラミック製）をグリス１０８を０．３ｍｍ塗布して接着し、直上には□５０ｍｍサイズのファン１１０（型番UDQF56C11CET（Panasonic））を設置して、ヒーター１１１およびファン１１０を入力１１Ｖで稼動した際のヒーターおよびヒートシンクの境界部の温度を測定して評価した。また、全体は支え板１１２で支持した。

（落下試験・振動試験）
各サンプルについて下記に示す条件にて、試験を実施した。

＜考察＞
表１は、実施例１〜５、比較例１〜４の熱伝導性の評価結果である。

熱伝導性評価は、従来のアルミヒートシンクにおける評価結果との比較にて判断する。アルミヒートシンクの構造としては、ベース部およびフィン部が一体となったサンプルにて評価した。サイズはベース部が□５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ、フィン部は高さ４８ｍｍ、厚み０．５ｍｍ、本数８本、ピッチ４ｍｍのものを用いた。
評価基準は以下の通りとする。

重量に関しては、従来のアルミヒートシンクと比較し、重量比が０．８以上であれば×、０．８未満であれば○、０．７未満であれば◎とする。
落下および振動試験前後の熱伝導性評価については、以下のような判定基準とする。
（１）落下／振動試験前で、熱伝導性評価結果が５１．５℃未満、かつ、落下／振動試験前後差０．５℃未満は○
（２）落下／振動試験前で、熱伝導性評価結果が５１．５℃以上、または、落下／振動試験前後差０．５℃以上は×

また、強度評価の判定基準は、落下および振動試験後の熱伝導性評価を行った後に断面観察を行い、グラファイト層が衝撃および振動によって折れることに起因するクラックが発生していなければ○、発生していれば×とした。
最後に、総合評価として、熱伝導性評価および強度評価の両方が◎または○の場合のみを○、どちらか一方もしくは両方が×の場合は×とした。

実施例１，２に示すとおり、第１のグラファイトプレート１０２および樹脂内蔵グラファイトプレート１０４の接合面が接触して固定していることにより、グラファイトによる熱輸送が確保され、高い放熱性能が発揮される。また、実施例３，４に示すとおり、補強樹脂を適正な厚さにすることで、強度、放熱性能および軽量を両立することが可能となる。

一方、比較例１に示すとおり、実施例１に示す材料以外の高分子フィルムを用いた場合、グラファイト化が不十分であり、熱伝導性が確保できない。また、強度が不足しているため落下・振動試験後には測定不能となりヒートシンクとして機能しなくなる。また、比較例２に示すとおり、第１のグラファイトプレート１０２および第２のグラファイトプレート１０４が接触せず固定されていると、樹脂部分で熱輸送が阻まれ、熱伝導性が確保できない。また、比較例３に示すとおり，発熱部と接する面の樹脂が厚い場合においても、樹脂部分で熱輸送が阻まれ、熱伝導性が確保できない。さらに、比較例４に示すとおり、補強樹脂の発熱部側と反対側の厚さが厚い場合、フィン部での熱交換が不足し、熱伝導性が確保できない。

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。

本発明に係るヒートシンクは、数百Ｗレベルの発熱に対応可能な高放熱可能であると共に、軽量である。そこで、このヒートシンクは、産業機器および車載分野等における発熱部の放熱用途に適用できる。

１０１ 樹脂ベースグラファイトヒートシンク
１０２ 第１のグラファイトプレート
１０３ 樹脂ベース
１０４ 第２のグラファイトプレート
１０５ 発熱部
１０６ ベーサル面（面に対して垂直な方向に熱伝導が低い面）
１０７ ノンベーサル面（面に対して垂直な方向に熱伝導が高い面）
１０８ グリス
１０９ 測温部（熱電対）
１１０ ファン
１１１ ヒーター
１１２ 支え板

Claims (3)

1. 複数枚積層された高分子フィルムを印加圧力と焼成とによりグラファイト化されたグラファイトプレートを用いたヒートシンクであって、
   第１のグラファイトプレートで構成されたフィン部と、
   樹脂に第２のグラファイトプレートが内蔵されたベース部と、
   を備え、
   前記第１のグラファイトプレートと前記第２のグラファイトプレートとが接触していることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記第１のグラファイトプレートと前記第２のグラファイトプレートとの接触面は、少なくとも一方がノンベーサル面であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記ベース部を構成する前記樹脂は、熱伝導性フィラーが混練されてい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。

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