(57)【要約】【課題】放熱性能が高く、軽量なヒートシンクを提供することを目的とする。【解決手段】このヒートシンクは、発熱体に熱結合されるベース部１と、グラファイトを主体とするシートからなるフィン部２と、フィン部２をベース部１に固定する固定部材３からなる。ベース部１のフィン部２が接触する面は波板状でありその断面は三角形もしくは円形であり、固定部材３のフィン部２に接する面はベース部１の波板状の形状と同一形状であり、フィン部２の挿入部分５は固定部材３によってベース部１の凹部４に固定され、フィン部２の挿入部分５の両側は引き出されていて襞形状を形成していることで、ベース部１とフィン部２との接触面積を大きくして、放熱性を高くできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並行する複数の凹部が表面に形成されたベース部と、
グラファイトを主体としたグラファイトシートで構成されると共に、並行した複数の挿入部分及び引出部分が交互に形成されたフィン部と、
前記ベース部の前記凹部に挿入された前記フィン部の前記挿入部分を間に挟んで前記フィン部を前記ベース部に固定する固定部材とを有し、
前記フィン部の前記引出部分が、前記ベース部から離れる方向に引き出された、
ヒートシンク。
【請求項２】
前記凹部の配列方向における前記凹部の断面形状が、三角形であり、
前記凹部の配列方向における前記固定部材の断面形状が、前記凹部の断面形状に対応した三角形である、
請求項１記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記凹部の配列方向における前記凹部の断面形状が、円弧状であり、
前記凹部の配列方向における前記固定部材の断面形状が、前記凹部の断面形状に対応した円弧状である、
請求項１記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記フィン部を構成するグラファイトシートの厚みが、１０μｍ以上かつ２００μｍ以下である、
請求項１から３いずれか１項記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記フィン部の前記引出部分の高さが、前記フィン部の前記挿入部分の高さの２倍より大きい、
請求項１から４いずれか１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、グラファイトシートを用いたヒートシンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置、特にマイクロプロセッサをはじめとする集積回路やパワーデバイスなどディスクリートデバイスの分野において、発熱の高密度化が進展している。それに伴い、半導体装置から発せられた熱を大気へ放熱する機構は、複雑かつ大型化してきており、システム全体にしめる体積、重量及びコストは、無視できないレベルになってきている。大きな電力を必要とする電気自動車やハイブリット自動車の分野においては、特に、ヒートシンクの大重量化による燃費低下が問題となってきている。
【０００３】
半導体装置から発せられた熱を大気へ放熱する機構として、フィン付ヒートシンクが一般的に用いられる。ヒートシンクは、金属、特に銅またはアルミニウムから形成されているのが典型的である。これは、銅のような金属が熱を容易に吸収し、その熱をその構造全体に移動させる性質を有するためである。純粋な銅の熱伝導率は４０１Ｗ／ｍＫであり、純粋なアルミニウムの熱伝導率は２３７Ｗ／ｍＫである。銅製のヒートシンクには、ヒートシンクの表面積を増加するためのフィンまたは他の構造が形成されることが多く、フィンの横方向または縦方向に例えばフィンにより空気を強制的に送り、電子部品からの熱を、銅製のヒートシンクを介して空気中に放散させる。だが、銅またはアルミニウムのヒートシンクを使用すると、重量が重くなってしまう問題がある。例えば、純粋な銅は、１立方体センチメートルあたりの重量が８．９４ｇ／ｃｍ３であり、純粋なアルミニウムは２．７０ｇ／ｃｍ３である。
【０００４】
そこで、ヒートシンクの材料として、グラファイトを用いることが提案されている。グラファイトはヒートシンクに好適な材料として知られている。例えばパナソニック株式会社のＰＧＳ（登録商標）グラファイトシートは、厚み１００μｍで熱伝導率が７００Ｗ／ｍＫ、１立方体センチメートルあたりの重量が０．８５ｇ／ｃｍ３であり、銅，アルミニウムと比較して、ヒートシンクの材料として適していると考えられる。
【０００５】
グラファイトを利用した従来のヒートシンクとしては、グラファイトシートで形成したフィンを金属のベースに取り付けた構造（例えば、特許文献１参照）や、金属薄板とグラファイトとを貼り合せて積層した構造（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００６】
図８は、特許文献１のヒートシンクである。図８に示すように、ヒートシンクを構成するグラファイト２１は、金属製のベース部２２に挿入されていて、発熱体６が発する熱を大気に放散する。
【０００７】
図９は、特許文献２のヒートシンクである。図９に示すように、特許文献２のヒートシンクは、あらかじめ金属薄板２５とグラファイトシート２４とを貼り合せて積層したものを、複数回コルゲート状に折り曲げることで複数のフィン列を形成して構成される。具体的には、特許文献２のヒートシンクは、図９（ａ）に示すように金属製のベース部２２とフィン部２３がはんだ等で接合されていて、発熱体６が発する熱を大気に放散する。図９（ｂ）は、図９（ａ）のフィン部２３の構造を理解し易くするための概略構成図である。フィン部２３は、グラファイトシート２４と金属薄板２５を接着剤で接合して折り曲げた構造になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００５−５３７６３３号公報
【特許文献２】特開２００９−９９８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、グラファイトシートは、長さ方向の熱伝導率に比べると厚み方向の熱伝導率がはるかに低いため、特許文献１で開示された構造では、金属製のベース部２２からグラファイト２１への伝熱が限定されてしまい、ヒートシンクのサイズを大きくしなければならない場合がある。また、特許文献２で開示された構造では、金属製のベース部２２とグラファイトシート２４の間に金属薄板２５および接着剤が存在するため、伝熱がそれらに阻害され、金属製のベース部２２からグラファイトシート２４が十分に熱量を受け取れなくなる場合がある。この場合も、ヒートシンクのサイズを大きくするなどの対策が必要な場合がある。
【００１０】
本発明の目的は、グラファイトシートの高熱伝導で柔軟であるという特長を十分に活かして、放熱性能が高く小型な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】
上記課題を解決するために、本発明にかかるヒートシンクは、並行する複数の凹部が表面に形成されたベース部と、グラファイトを主体としたグラファイトシートで構成されると共に、並行した複数の挿入部分及び引出部分が交互に形成されたフィン部と、前記ベース部の前記凹部に挿入された前記フィン部の前記挿入部分を間に挟んで前記フィン部を前記ベース部に固定する固定部材とを有し、前記フィン部の前記引出部分が、前記ベース部から離れる方向に引き出されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のヒートシンクによれば、グラファイトシートの高熱伝導で柔軟であるという特長を十分に活かして、放熱性能が高く小型なヒートシンクを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図
【図２】グラファイトシートとそのほかの材料との物性比較表を示す図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における複数の固定部材の略上面図、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるベース部の略上面図、（ｃ）本発明の実施の形態１における複数の固定部材の略側面図、（ｄ）本発明の実施の形態１におけるベース部の略側面図
【図４】本発明の実施の形態１における要部を拡大した分解斜視図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１におけるベース部とフィン部と固定部材との接触部分の拡大側面図、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるベース部の凹部深さと接触面積との関係を現した図、（ｃ）本発明の実施の形態１におけるベース部の寸法を説明するための図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態１におけるフィン部の折り加工前の略断面図、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるフィン部の略断面図、（ｃ）本発明の実施の形態１におけるベース部の略断面図
【図７】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの略断面図
【図８】特許文献１に開示されたヒートシンクの略断面図
【図９】（ａ）特許文献２に開示されたヒートシンクの略断面図、（ｂ）特許文献２に開示されたヒートシンクのフィン部の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１〜図６を用いて、本発明の実施の形態１のヒートシンクについて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態１のヒートシンクの側面図である。
本実施の形態１のヒートシンク１１は、ベース部１、フィン部２、および複数の固定部材３で構成されている。
【００１６】
ベース部１は、熱伝導性を有する部材であり、その表面に並行した複数の凹部４が形成されている。ベース部１の材料は、例えば、銅もしくはアルミニウムである。ベース部１の一方の面は、発熱体６を搭載できるように平面であり、他方の面は、並行した複数の凹部４が形成された波板状の面である。ここで、複数の凹部４の配列方向における凹部４の断面形状は、図１に示すように、三角形である。また、凹部４の配列方向における固定部材３の断面形状は、凹部４の断面形状に対応した三角形である。
【００１７】
フィン部２は、グラファイトを主体とした柔軟性を有するグラファイトシートである。フィン部２は、１枚のグラファイトシートに対して、挿入部分５及び引出部分１５が、一定間隔で繰り返し並行して形成されるように、グラファイトシートをアコーディオン状に曲げることで構成されている。フィン部２の挿入部分５は、ベース部１の凹部４に挿入されて固定部材３及びベース部１に挟まれることによって、ベース部１に固定されている。すなわち、本実施の形態１のヒートシンクのフィン部２は、固定部材３により、アコーディオン状に曲がった状態でベース部１に固定されている。そして、隣接する挿入部分５の間に形成された引出部分１５が、隣接する固定部材３の間の隙間７を通過して、ベース部１から離れる方向に引き出されている。
【００１８】
本実施の形態１のヒートシンクにおいては、隙間７から引き出されたフィン部２の引出部分１５の高さをＨ２とし、凹部４内でベース部１に接触するフィン部２の挿入部分５の高さをＨ１とした場合、  Ｈ２＞２×Ｈ１  となるように構成している。これは、グラファイトシートであるフィン部２でヒートシンクの放熱部を構成するためには、ベース部１に接触するフィン部２の挿入部分５と、空気中に引き出されたフィン部２の引出部分１５との関係を、ある一定以上とする必要があるためである。本実施の形態１のヒートシンクのフィン部２の厚みは、１０μｍ以上かつ２００μｍ以下とすることが望ましい。フィン部２を構成するグラファイトシートは、パナソニック社製のＰＧＳ（登録商標）グラファイトシートを用いた。このグラファイトシートは、高い柔軟性を有すると同時に、耐屈曲性試験を１万回以上実施しても破断や劣化が生じないという高い耐屈曲性を有するため、図１に示した本実施の形態１のフィン部２の形状を実現可能である。
【００１９】
固定部材３は、フィン部２の挿入部分５を間に挟んだ状態で、フィン部２をベース部１の凹部４に押し付けて固定するための部材である。固定部材３の材料は、例えば、金属であり、アルミニウム、鉄もしくはそれらの合金が望ましいが、これに限定するものではない。固定部材３のベース部１と相対する面は、ベース部１の波板状形状と略同一な形状の三角形である。
【００２０】
本実施の形態１のヒートシンクは、これらの構成をとることで、ベース部１が発熱体６から受け取った熱を、フィン部２へ確実かつ十分に伝えることが可能な構成を実現できる。
【００２１】
図２に、本発明の実施の形態１で利用する材料と、そのほかの材料を比較した表を示す。本実施の形態１においては、厚みが１００μｍ、７０μｍ、２５μｍ、１７μｍのフィン部２を用いて各種特性を実験にて求めた。
【００２２】
グラファイトシートの厚みによって物性は異なるが、図２に示す全ての厚みにおけるグラファイトシートの熱伝導率は、銅やアルミニウムのそれと比べて、少なくとも１．５倍以上の高い値を示している。また、グラファイトシートの密度は、銅やアルミニウムのそれよりも小さく、グラファイトシートは、ＰＥＴといったフィルム材料に近い軽量な材料である。この実験から分かったこれら２点のグラファイトシートの特性は、ヒートシンクに好適である。また、グラファイトシートの引っ張り強度は、その他の材料と比較すると劣っているが、例えば厚み１００μｍで幅５０ｍｍのグラファイトシートを考えると断面積が５ｍｍ２となって１０ｋｇｆの荷重まで耐えることができるため、ヒートシンクの強度としては問題ない。
【００２３】
固定部材３およびベース部１について、図３と図４を用いて説明する。図３（ａ）は複数の固定部材３の上面図を示しており、図３（ｃ）は複数の固定部材３の側面図を示している。図３（ｂ）はベース部１の上面図を示しており、図３（ｄ）はベース部１の側面図を示している。
【００２４】
隣接して配設されている複数の固定部材３は、固定部材３をベース部１に固定した場合の間隔で図３（ａ）に図示されており、隣接した複数の固定部材３の間には隙間７が形成されている。断面が略三角形な棒状の部材である固定部材３は、例えば、図４に示す固定手段の一例であるネジ１０を用いて、ベース部１に固定される。固定部材３の両端には、図３（ａ）に示すように、固定部材側固定用構造としての長穴の切り欠き８が設けられている。ベース部１の両端部には、固定手段がネジ１０の場合、ベース部側の固定用構造としてのタップ穴９が設けられている。図６（ｃ）に示すように、切り欠き８を通過するネジ１０の先端がタップ穴９に螺合することで、固定部材３をベース部１にネジ留めする。
【００２５】
なお、固定手段としては、ネジ１０以外にも、カシメによる機械的固定方法、ロウ付け、溶接などを選択することもできる。
図３（ａ）の隙間７は、固定部材３とベース部１との間に挟まれているグラファイトシートを通過させ、フィン部２を形成するために設けられている。隙間７の幅は、フィン部２に使用されているグラファイトシートの厚みの２倍より大きい必要があるが、フィンを密に配置するために、できる限り小さくしておくことが望ましい。
【００２６】
続いて、本実施の形態１のヒートシンクにおけるベース部１とフィン部２との密着具合について説明する。図５（ａ）に、ベース部１とフィン部２と固定部材３との接触部分の拡大側面図を示す。
【００２７】
前述のように、ベース部１の波板状面（図５（ａ）の上側の面）は、三角形の谷形状の凹部４が繰り返された形状である。固定部材３は、ネジ１０等の固定手段で、ベース部１に固定されており、この固定部材３によってフィン部２をベース部１へ接触及び密着させている。フィン部２は、ベース部１と固定部材３との間に存在し、ベース部１とフィン部２が固定部材３により密着させられることで、ベース部１より熱を受け取ることができる。フィン部２の一部は、隣接した固定部材３の間に形成されている隙間７を通して、ベース部１から離れる方向に引き出されており、大気へ熱を放散することができる。
【００２８】
図５（ｂ）に、接触面積ｍｍ２と、ベース部１の凹部４の深さＤｍｍの関係を示す。ここで、接触面積ｍｍ２は、伝熱を目的としたグラファイトシートであるフィン部２とベース部１との接触面積であり、深さＤは、図５（ａ）に示す凹部４の深さである。図５（ｂ）に示す関係は、図５（ａ）及び図５（ｃ）に示すように、ベース部１の全体長さＬは９８ｍｍ、ベース部１の全体幅Ｗは５０ｍｍ、隙間７の幅ｗは０．４ｍｍ、隣接する隙間７の間隔Ｐは３．６ｍｍとした場合の関係である。なお、図５（ｃ）では、ベース部１の凹部４は省略して図示している。図５（ｂ）に示すように、ベース部１が平坦の場合（深さＤが“０”の場合）と、深さＤが３．５ｍｍの場合を比較すると、接触面積は約２倍となる。また、ベース部１が平坦の場合と、深さＤが５．５ｍｍの場合を比較すると、接触面積は約３倍となる。
【００２９】
このように、深さＤを大きくすることで、グラファイトシートであるフィン部２とベース部１との接触面積を大きくすることができ、熱の移動量を多くして、伝熱特性を向上させることができる。
【００３０】
続いて、図６を用いて、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの製造方法を説明する。
図６（ａ）に示すように、まず、平坦な形状のグラファイトシートであるフィン部２を準備する。
【００３１】
次に、フィン部２を図６（ｂ）に示す形状になるように、折り機や金型を用いて折り目をつける。なお、このとき、固定部材３によりフィン部２の形状を規制することが可能な場合は、図６（ｂ）に示すような正確な形状の折り目を付けておく必要は無い。
【００３２】
次に、固定部材３，ベース部１を準備する。
次に、フィン部２をベース部１の上に端部から順次配置すると共に、固定部材３をフィン部２の上に順次配置し、ネジ１０によって固定部材３をベース部１へ固定する。このとき、図６（ｃ）に示すように、固定部材３に設けた隙間７からフィン部２の一部が出た状態で、固定部材３により固定する。グラファイトシートは柔軟性が高いため、上記の手順によって、図１に示したアコーディオン状の襞形状のフィン部２を形成することが出来る。
【００３３】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２のヒートシンクの略断面図である。図７において、図１〜図６と同じ構成要素については、同じ符号を用い、説明を省略する。
【００３４】
前述の実施の形態１のヒートシンク１１では、ベース部１の波板状面が三角形の凹部４の繰り返した形状であると共に、固定部材３の断面形状が三角形であった。それに対し、本実施の形態２のヒートシンク１２においては、ベース部１ａの波板状面は、並列に円弧の凹部４ａが繰り返した形状であり、固定部材３ａの断面形状は、半円形である。
【００３５】
すなわち、本実施の形態２のヒートシンク１２においては、凹部４ａの配列方向における凹部４ａの断面形状は、円弧状であり、凹部４ａの配列方向における固定部材３ａの断面形状は、凹部４ａの断面形状に対応した円弧状である。このように固定部材３ａの断面形状を半円形にした本実施の形態２のヒートシンク１２は、前述の実施の形態１のヒートシンク１１と比べて、同じ深さ及び幅の場合、フィン部２とベース部１ａとの接触面積を、より大きくすることができ、実施の形態１よりも接触面積を大きくして伝熱特性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、放熱性能が高く小型なヒートシンクを実現できるため、パワーデバイス、ＣＰＵなど半導体製品の冷却、発熱する装置の冷却のためのヒートシンクなどに利用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１、１ａ    ベース部
２    フィン部
３、３ａ    固定部材
４、４ａ    凹部
５    挿入部分
６    発熱体
７    隙間
８    切り欠き
９    タップ穴
１０    ネジ
１１、１２    ヒートシンク
１５    引出部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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