(57)【要約】      （修正有）【課題】高熱伝導性材料と低熱膨張性硬質材料を混合して作成される複合材料を利用したヒートシンクの熱膨張率を、放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料の熱膨張率と同等又はできる限り近いものとし、かつヒートシンクによって放熱対象となる装置を安定に保持した複合材料製ヒートシンクを提供する。【解決手段】放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料の熱膨張率と同等又はできる限り近い熱膨張率のものとなるように、高熱伝導性材料と低熱膨張性硬質材料の混合割合を決定して作成された複合材料を用いて当該放熱対象となる装置用のヒートシンク１を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱伝導性材料（ＣＴＥ：ａ）と低熱膨張性硬質材料（ＣＴＥ：ｂ）を混合して作成される複合材料よりなるヒートシンクであって、
低熱膨張性硬質材料の混合割合を、［ｂ×ｘ＋ａ×(100−ｘ)］÷100（ただし、40≦ｘ≦90）が、放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料のＣＴＥと同等又は最も近い値となるようにｘを求めてｘ重量％とし、高熱伝導性材料の混合割合を(100−ｘ)重量％としたことを特徴とする複合材料製ヒートシンク。
【請求項２】
前記高熱伝導性材料がＣｕ（ＣＴＥ：16.8）であり、前記低熱膨張性硬質材料がＭｏ（ＣＴＥ：5.1）であることを特徴とする請求項１に記載の複合材料製ヒートシンク。
【請求項３】
前記高熱伝導性材料がＣｕ（ＣＴＥ：16.8）であり、前記低熱膨張性硬質材料がＷ（ＣＴＥ：4.5）であることを特徴とする請求項１に記載の複合材料製ヒートシンク。
【請求項４】
高熱伝導性材料（ＣＴＥ：ａ）、低熱膨張性硬質材料（ＣＴＥ：ｂ）に微量の添加剤（混合割合：ｙ重量％）を混合して作成される複合材料よりなるヒートシンクであって、
低熱膨張性硬質材料の混合割合を、［ｂ×ｘ＋ａ×(100−ｘ)］÷100（ただし、40≦ｘ≦90）が、放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料のＣＴＥと同等又は最も近い値となるようにｘを求めてｘ重量％とし、高熱伝導性材料の混合割合を(100−ｘ−ｙ)重量％としたことを特徴とする複合材料製ヒートシンク。
【請求項５】
前記高熱伝導性材料がＣｕ（ＣＴＥ：16.8）であり、前記低熱膨張性硬質材料がＭｏ（ＣＴＥ：5.1）であり、添加剤がＮｉ（混合割合：0.1〜0.5重量％）であることを特徴とする請求項４に記載の複合材料製ヒートシンク。
【請求項６】
上面に放熱対象となる装置の筐体や基板の一部又は全部を嵌入させる凹部を形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の複合材料製ヒートシンク。
【請求項７】
底面に複数のフィンを形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の複合材料製ヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱伝導性材料と低熱膨張性硬質材料を混合して作成される複合材料からなるヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＰＵ等、集積回路の高出力化が著しく、それに伴って、集積回路を搭載した電子機器の発する熱量が増加している。
一方、電子機器の小型化も進んでいるため、集積回路は熱にさらされ易くなっており、集積回路及びその周辺で発生した熱をすみやかに放熱するため、性能の良いヒートシンクが求められている。
しかし、ヒートシンクの性能は、単に放熱性能が高ければ良いというわけではなく、使用する環境に適合する強度、重量及び熱膨張率を有するものであることや、コストの低いものであること等が求められる。
【０００３】
特許文献１には、Ｃｕ、Ａｇ等の高熱伝導性材料とＭｏ、Ｗ等の低熱膨張性硬質材料を混合して作成される複合材料が、ヒートシンクとして利用するには熱伝導性が十分ではなかったこと、特にＣｕ−Ｍｏ系の複合材料では、緻密化が困難で強度的に十分ではなく、複雑な工程を必要としていたことを解決するための製造方法が開示されている。
具体的には、粉末混合プロセスの改良や、焼結前にＣＩＰ法（冷間静水圧加圧法）により加圧成型することにより、十分な熱伝導率と強度を有するヒートシンク材を得るための製造方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｃｕが１０〜４０質量％、高融点、低熱膨張性の硬質金属が９０〜６０質量％を基本組成とする焼結体において、少量のＮｉを添加すること、及び焼結した後にＨＩＰ法（熱間等方圧加圧法）の処理を施すことにより、熱伝導率をさらに向上させることができることを見出し、新規な構造のヒートシンク用複合焼結体及びその複合焼結体を得るための製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１９９１６２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１４０６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの文献に開示された先行技術により、放熱性能に優れ、使用する環境に適合する強度や重量を併せ持つヒートシンクに適するＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ複合材料が得られるようにはなったものの、その熱膨張率（ＣＴＥ）については、使用環境に適合させるための格別な提案はなされていない。なお、ＣＴＥの単位は、（１０−６／Ｋ）である。
【０００７】
本発明の課題は、Ｃｕ−Ｍｏ複合材料、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ複合材料及びＣｕ−Ｗ複合材料等の高熱伝導性材料と低熱膨張性硬質材料を混合して作成される複合材料を利用したヒートシンクの熱膨張率を、放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料の熱膨張率と同等又はできる限り近いものとすることにある。
【０００８】
また、本発明の他の課題は、熱膨張率の調整された複合材料よりなるヒートシンクによって、放熱対象となる装置を安定に保持するとともに、放熱効率を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るヒートシンクは、放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料の熱膨張率と同等又はできる限り近い熱膨張率のものとなるように、高熱伝導性材料と低熱膨張性硬質材料の混合割合を決定して作成された複合材料を用いて構成されるものである。
【００１０】
Ｃｕ−Ｍｏ複合材料の場合、Ｍｏ（ＣＴＥ：5.1）の混合割合を、［5.1×ｘ＋16.8×(100−ｘ)］÷100が放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料の熱膨張率と同等となるようにｘを求めてｘ重量％とし、Ｃｕ（ＣＴＥ：16.8）の混合割合を、(100−ｘ)重量％とする。
例えば、対象となる材料のＣＴＥが7.44であれば、ｘは80となるので、Ｍｏが80重量％、Ｃｕが20重量％となるように混合する。
ただし、対象となる材料のＣＴＥが6.27以下の場合には、ｘが90以上となり、熱伝導度が低下してしまうので、Ｍｏが90重量％、Ｃｕが10重量％となるように混合する。
また、対象となる材料のＣＴＥが12.12以上の場合には、ｘが40以下となり、強度が低下してしまうので、Ｍｏが40重量％、Ｃｕが60重量％となるように混合する。
【００１１】
Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ複合材料の場合、Ｃｕ−Ｍｏ複合材料の場合と同様に、Ｍｏの混合割合を、［5.1×ｘ＋16.8×(100−ｘ)］÷100が放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料の熱膨張率と同等となるようにｘを求めてｘ重量％とする。対象となる材料のＣＴＥが6.27以下の場合にＭｏを90重量％とし、12.12以上の場合にＭｏを40重量％とする点も、Ｃｕ−Ｍｏ複合材料の場合と同様である。
そして、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ複合材料の場合、Ｎｉを0.1〜0.5重量％添加するので、その分Ｃｕの混合割合を減らす。
【００１２】
Ｃｕ−Ｗ複合材料の場合、Ｗ（ＣＴＥ：4.5）の混合割合を、［4.5×ｘ＋16.8×(100−ｘ)］÷100が放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料のＣＴＥと同等となるようにｘを求めてｘ重量％とし、Ｃｕの混合割合を、(100−ｘ)重量％とする。
例えば、対象となる材料のＣＴＥが7.45であれば、ｘは76となるので、Ｗが76重量％、Ｃｕが24重量％となるように混合する。
ただし、対象となる材料のＣＴＥが5.73以下の場合には、ｘが90以上となり、熱伝導度が低下してしまうので、Ｗが90重量％、Ｃｕが10重量％となるように混合する。
また、対象となる材料のＣＴＥが11.88以上の場合には、ｘが40以下となり、強度が低下してしまうので、Ｗが40重量％、Ｃｕが60重量％となるように混合する。
【００１３】
そして、高熱伝導性材料（ＣＴＥ：ａ）と低熱膨張性硬質材料（ＣＴＥ：ｂ）を混合して作成される複合材料を利用する場合、低熱膨張性硬質材料の混合割合は、［ｂ×ｘ＋ａ×(100−ｘ)］÷100が放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料のＣＴＥと同等となるようにｘを求めてｘ重量％とし、高熱伝導性材料の混合割合を(100−ｘ)重量％とする。
ただし、ｘが40以上90以下の範囲で対象となる材料のＣＴＥと同等とならない場合、対象となる材料のＣＴＥに最も近い値となるようにｘの値を決定する。
また、複合材料の性能を高めるための添加剤が必要であって、その添加剤の添加割合がｙ重量％である場合、高熱伝導性材料の混合割合を(100−ｘ−ｙ)重量％とする。
【００１４】
本発明に係るヒートシンクは、熱膨張率の調整された複合材料を用いて作成されるとともに、その表面に放熱対象となる装置の筐体や基板の一部又は全部が収容される凹部を設けている。
【００１５】
さらに、放熱対象となる装置の筐体の下部を収容する凹部を設けたヒートシンク（下部ヒートシンク）と同筐体の上部を収容する凹部を設けたヒートシンク（下部ヒートシンク）を用意すれば、同筐体のほぼ全面に接触するヒートシンクを構成できる。
また、下部ヒートシンクと上部ヒートシンクの組合せで筐体のほぼ全面を覆うものに限らず、凹部を設けた複数のヒートシンクの組合せによって、筐体の全面又は放熱が必要な複数の部位を覆うことができるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るヒートシンクは、熱膨張率の調整された複合材料を用いて作成され、放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料の熱膨張率と同等又はできる限り近い熱膨張率となっているため、基板や筐体に温度変化に伴うテンションがかかりにくい。
そのため、基板や筐体の物理的な破壊が起こりにくく、ひいては放熱対象となる装置の寿命を高められるという効果がある。
【００１７】
特に、表面に放熱対象となる装置の筐体や基板の一部又は全部が収容される凹部を設けたヒートシンクの場合には、筐体や基板の一面だけでなく複数の面において熱膨張の差による影響を受け、平面的なテンションに加え、筐体や基板とヒートシンクとの密着度合や筐体や基板に加わる圧力が変化し、ヒートシンクと筐体や基板との間に隙間ができたり、筐体や基板に過剰な応力が加わったりすることになるため、熱膨張率を同等又はできる限り近いものとしたことによる効果は特に顕著となる。
さらに、ヒートシンクに放熱対象となる装置の筐体や基板の一部又は全部を収容するに際しては、ヒートシンクに設けられた凹部の大きさと、その凹部に収容される筐体や基板部分の大きさが温度によらず一致するため、凹部への筐体や基板部分の収容を常にスムーズに行い得るという効果も生じる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例のヒートシンクの形状を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００２０】
Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ複合材料によるヒートシンクが適用される筐体が鉄製である例について説明する。
なお、鉄の熱膨張率（ＣＴＥ）は11.8であり、熱伝導率は83.5Ｗ・ｍ−１Ｋ−１である。
【００２１】
（秤量）
まず、Ｍｏの混合割合を［5.1×ｘ＋16.8×(100−ｘ)］÷100＝11.8を満たすｘを求めて決定した。次にＣｕの混合割合を(100-ｘ-0.45)により求めた。なお、0.45はＮｉの混合割合であるが、特許文献２（特開２０１２−１４０６８３号公報）の図２に示されるグラフから分かるように、0.1〜0.5であれば高い熱伝導率を得ることができるので、その範囲において適宜変更可能である。
そうすると、ｘ＝42.74、(100-ｘ-0.45)＝56.81となるので、Ｍｏを42.74重量％、Ｃｕを56.81重量％、Ｎｉを0.45重量％秤量した。
【００２２】
（混合）
秤量した原料粉末をＡｒ雰囲気下で、遊星型ボールミルにより１時間粉砕混合した。ボ−ル対粉末比は1：1.5で、粉砕速度は300ｒｐｍとした。
【００２３】
（成形）
粉砕混合粉末を147ＭＰａの下でＣＩＰ（冷間静水圧加圧法）により成形しグリーン圧縮体を得た。成形後の形状は、図１に示すように全体としては直方体であるが、上面には鉄製の筐体の底部が嵌入する凹部２を有するとともに、底面には複数のフィン３を有する。
【００２４】
（焼結及びＨＩＰ処理）
次いで、グリーン圧縮体を高純度Ａｒガス中で４時間、1673Ｋで液相焼結した。この焼結複合体を1173Ｋ、200ＭＰａの下、Ａｒガス中で２時間ＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）処理した。このＨＩＰ処理によってＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ複合材料の熱伝導度が増大した。
【００２５】
このようにして得られたＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ複合材料によるヒートシンク１は、鉄とほぼ同じ熱膨張率を示し、熱伝導度は275Ｗ・ｍ−１Ｋ−１であった。
【実施例２】
【００２６】
Ｃｕ−Ｗ複合材料によるヒートシンクが適用される筐体が鉄製である例について説明する。
【００２７】
（秤量）
まず、Ｗの混合割合を［4.5×ｘ＋16.8×(100−ｘ)］÷100＝11.8を満たすｘを求めて決定した。次にＣｕの混合割合を(100-ｘ)により求めた。
そうすると、ｘ＝40.65、(100-ｘ-0.45)＝59.35となるので、Ｗを40.65重量％、Ｃｕを59.35重量％秤量した。
【００２８】
（混合、成形及び焼結）
秤量した原料粉末の混合、成形及び液相焼結を、実施例１と同様に行った。成形後のグリーン圧縮体の形状も実施例１と同様の形状である。ＨＩＰ処理については、Ｃｕ−Ｗ複合材料の場合、その熱伝導度が格別に増大することはないため省略した。
【００２９】
このようにして得られたＣｕ−Ｗ複合材料によるヒートシンクは、鉄とほぼ同じＣＴＥを示し、熱伝導度は290Ｗ・ｍ−１Ｋ−１であった。
【００３０】
実施例１及び２の変形例を列記する。
（１）実施例１及び２においては、ヒートシンクの上面に鉄製の筐体の底部を嵌入させる凹部を形成しているが、この凹部はなくても良い。
（２）実施例１及び２においては、ヒートシンクの底面に平行な突条の複数のフィンを一体に形成しているが、複数のフィンは必ずしも必要なく、平面な複合材料の底面に、その複合材料の熱伝導率より高い熱伝導率を有するフィンを形成しても良い。
さらに、フィンの形状は平行な突条に限らず、柱状の突条をマトリクス状に並べたものなど適宜の形状でも良く、長さも必要に応じて適宜の長さとすることができる。
また、平行な突条の複数のフィンを形成した場合、ヒートシンクの配置は、フィンの長手方向の一端を高くなるようにした方が放熱しやすくなる。そして、その一端側に換気用のファンを配置したり、他端側に送気用のファンを配置したりすると、放熱効果をさらに上げることができる。
（３）実施例１においては、ヒートシンクの材料をＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ複合材料、実施例２においては、ヒートシンクの材料をＣｕ−Ｗ複合材料としているが、粉末冶金法により成形できる高熱伝導性材料（Ａｇ又はＣｕ）と低熱膨張性硬質材料（Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ又はＷＣ）を混合して作成される複合材料であれば、ヒートシンクの材料として利用可能である。
そして、高熱伝導性材料（ＣＴＥ：ａ）と低熱膨張性硬質材料（ＣＴＥ：ｂ）を混合して作成される複合材料の場合、低熱膨張性硬質材料の混合割合を、［ｂ×ｘ＋ａ×(100−ｘ)］÷100が放熱対象となる装置の筐体や基板を構成する材料のＣＴＥと同等となるようにｘを求めてｘ重量％とし、高熱伝導性材料の混合割合を、(100−ｘ)重量％とする。
ただし、ｘが40以上90以下の範囲で対象となる材料のＣＴＥと同等とならない場合、対象となる材料のＣＴＥに最も近い値となるようにｘの値を決定する。
また、複合材料の性能を高めるための添加剤が必要であって、その添加剤の添加割合がｙ重量％である場合、高熱伝導性材料の混合割合を(100−ｘ−ｙ)重量％とする。
【００３１】
本発明のヒートシンクは、冷却を必要とするＣＰＵ等の集積回路のみならず、発熱の大きいモーターや各種電池などの冷却用としても好適である。
特に、温度の変化が大きい使用環境で使用される機器、又は様々な温度環境下で使用される機器、例えば、自動車、飛行機、ロケット、各種観測機器や測定機器等に搭載されている回路、モーター、電池又は部品の冷却用として非常に有用である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ヒートシンク
２  凹部
３  フィン
【図１】
2014099500.tif 000003