(57)【要約】【課題】放熱性能の優れた放熱器を提供する。【解決手段】 グラファイトシート６の両面を金属箔２および３で挟んで作成した積層体をコルゲート状に曲げ加工して複数の凹凸の放熱フィン部を形成した放熱器。金属箔でグラファイトシートを挟むことにより、加工性が良く、またしばしば電子部品の短絡等の問題を生じやすいグラファイト粉末の飛散を発生を押さえることができる。グラファイトシートの水平方向に広がる熱伝導性が高いことからこの放熱器を発熱部品に取り付けることによって発熱部品から放熱器に素速く熱が拡散し、なおかつ拡散した熱を放熱フィン部の表面から大気中に効果的に放散できるので、本発明の放熱器を用いることによって少ない設置面積でも高い放熱効果が得られる。【選択図】  図１
2015046557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体から発生する熱を放散する放熱器において、グラファイトシートの両面を金属箔で挟んだ構造を有する積層体をコルゲート状に曲げ加工して複数の放熱フィン部を形成した放熱器。
【請求項２】
前記金属箔が前記グラファイトシートより薄いことを特徴とする請求項１記載の放熱器。
【請求項３】
請求項１記載の放熱器において、
前記フィン部が、あらかじめ前記金属箔とグラファイトシートとを貼り合わせて積層したものを複数回コルゲート状に折り曲げて複数のフィン列を形成していることを特徴とする放熱器。
【請求項４】
前記グラファイトシートが人工グラファイトである請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱器。
【請求項５】
前記グラファイトシートの水平方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱器。
【請求項６】
前記グラファイトシートが天然グラファイトである請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱器。
【請求項７】
前記金属箔が銅またはアルミニウムである請求項１〜６のいずれか１項に記載の放熱器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の放熱器の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の放熱器を用いた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
コンピュータをはじめとする電子機器（以下、電子機器という）に搭載される発熱素子は、高性能化に伴い発熱量が増大している。たとえば、電子機器に搭載されたＣＰＵ（中央演算処理装置）は特に発熱量が大きく、素子を規定の温度以下に冷却するために一般に放熱器が装着される。この放熱器は、ＣＰＵの高速化にともなう発熱量の増大に対応するため大型化するとともに、放熱器を構成するフィン枚数も増えているため重量も増大している。
放熱器の重量が増大すると電子機器の輸送が困難になるとともに、放熱器を装着しているＣＰＵに過大な荷重がかかる恐れがある。また、自動車等に搭載される放熱器の重量増加は燃費悪化を招く。
【０００３】
一方、従来のヒートシンクはアルミニウムやマグネシウムのダイキャストによる一体成形や一体押出し、あるいは機械加工で制作されていた。この内、ダイキャストによる一体成形や押出成形ではフィンの厚さを薄くしたり、高さを高くするのに限界があり、ヒートシンクとして十分な性能を引き出すことができず、また、機械加工ではコストが高くなり、量産には適さない等の問題点があった。
【０００４】
このため、冷却性能を低下させずに軽量な放熱器を提供することが必要とされており、その一手段として、放熱器に使用される材料に銅等と同程度あるいは高い熱伝導率を有し、かつ銅よりも密度の小さいグラファイトなどを使用することが検討されている。
この種のグラファイトを用いた放熱器に関する従来技術には、例えば以下のよう特許文献がある。
【０００５】
特許文献１では、グラファイトシートと金属を積層し、波状に曲げ加工した放熱器が開示されている。
【０００６】
特許文献２にはグラファイトシートと金属薄板を貼り合わせたものをコルゲート化したヒートシンクが開示されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１と２に開示された放熱器はグラファイトシートと金属の単層の積層または金属中心層にグラファイトが両面を覆った構造である。グラファイトは脆弱な構造であり、かつ容易にグラファイトの破砕粉末を生じることから、放熱器として実装するには粉末飛散防止の為にフィルムで全面を保護する必要がある。結果、これらの保護フィルムが熱抵抗となってグラファイトと金属を積層した効果が十分に得られない。また特許文献３には金属で両面を覆ったフィン材料についての記述があるが具体的なコルゲート構造の放熱器に関する構成および効果は明示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３２９９８７号公報
【特許文献２】特開２００９−９９８７８号公報
【特許文献３】ＷＯ２００６／０３３８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、グラファイトの優れた熱伝導率を生かしながら、その脆弱性による粉末の発生を防止し、放熱効率に優れ、コンパクトな放熱器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記問題を解決するために本発明は以下の構成を有する。
本発明の第１の態様は、発熱体から発生する熱を大気中に放散する放熱器において、グラファイトシートを金属箔で挟んだ構造を有する積層体を用いてコルゲート状に曲げ加工して複数の放熱フィン部を形成した放熱器である。
【００１１】
本発明の第２の態様は、金属箔は前記グラファイトシートより薄いことを特徴とする前記第１の態様に記載の放熱器である。発生した熱を放熱器全体に伝えるために、放熱器の発熱体に接する部分には熱伝導に異方性の無い、金属箔が使用される。一度放熱器に伝熱された発熱はグラファイトの水平方向の高い熱伝導特性によって放熱器全体に拡散され、さらに発熱体に接する側の反対側の金属箔に伝熱されて放熱媒体に伝熱され高い放熱性能を発現する。
【００１２】
本発明の第３の態様は、前記第１の態様に記載の放熱器において、前記フィン部を、あらかじめ前記金属箔とグラファイトシートとを貼り合わせて積層したものを複数回コルゲート状に折り曲げて複数のフィン列を形成していることを特徴とする放熱器である。グラファイト単体は可撓性が高く、形状保持が困難であるが本発明の第１の態様の構成とすることによってコルゲート状の加工が可能となる。
【００１３】
本発明の第４の態様は、前記グラファイトシートが人工グラファイトである前記第１〜３いずれかの態様に記載の放熱器である。人工グラファイトは通常ポリイミド等の高分子フィルムを熱分解することによって得られる。人工グラファイトは天然グラファイトに比較して格段に熱伝導率が高い事から、本発明の第４の態様の構成とすることで性能の高い放熱器が得られる。
【００１４】
本発明の第５の態様は、前記グラファイトシートの水平方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする放熱器である。本発明の放熱器の性能は放熱器を構成する、グラファイトシートを金属箔で挟んだ構造を有する積層体の熱流量に依存するため、本発明の放熱器に水平方向の熱伝導率の大きなグラファイトを使用することで厚みが薄くても高い放熱性能が得られる。
【００１５】
本発明の第６の態様は、前記グラファイトシートが天然グラファイトである前記第１〜３いずれかの態様に記載の放熱器である。本発明の放熱器の性能は放熱器を構成する、グラファイトシートを金属箔で挟んだ構造を有する積層体の面積に依存する。市販の天然グラファイトは連続工程で製造されるため、バッチ工程でしか製造できない人工グラファイトに比較して面積の大きいグラファイトが容易に入手可能である。従って、大面積の本発明の放熱器が製造でき、高い放熱性能が得られる。
【００１６】
本発明の第７の態様は、前記金属箔が銅またはアルミニウムである前記第１〜６いずれかの態様に記載の放熱器である。本発明の放熱器の性能は放熱器を構成する、グラファイトシートを金属箔で挟んだ構造を有する積層体の熱流量に依存するため、本発明の放熱器に熱伝導率の高い、銅またはアルミニウムを両面同一に、または組み合わせて使用することで高い放熱性能が得られる。
【００１７】
本発明の第８の態様は、前記第1〜7いずれかの態様に記載の放熱器の製造方法である。
本発明は、発熱体と熱的に接触させ、この発熱体から受熱した熱を大気中に放熱する放熱器の製造方法において、グラファイトシートと金属箔とを貼り合わせる工程と、この工程により形成された板材をコルゲート状に曲げて複数のフィン列を形成する工程である。
【００１８】
本発明の第９の態様は、前記第１〜７いずれかの態様に記載の放熱器を用いた種々の電子機器である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、以上の構成により、グラファイトの脆弱性による粉末の発生を防止し、かつ、発熱体で発生した熱をグラファイトシートの両面を覆う金属に伝熱し、さらにグラファイトシートが表面方向に広がる熱伝導性が極めて優れているので、この放熱器を発熱部品の筐体に取り付けると発熱部品からの発熱を前記放熱フィン部の表面の全体で均一に放熱でき、放熱効果の優れた放熱器が得られるという作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を構成する積層体の構成図
【図２】本発明実施形態の一例（積層体を矩形状にコルゲート加工した放熱器）の外観図
【図３】同実施形態の一例（積層体を波型にコルゲート加工した放熱器）の外観図
【図４】同実施形態の一例（積層体を三角波型にコルゲート加工した放熱器）の外観図
【図５】本発明の放熱器の一例（図４）を発熱部品に取り付けた断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の放熱器は、図１〜図４に示されるように水平方向の熱伝導に優れるグラファイトと内在する平板状の金属箔を積層した積層体がコルゲート型に形成された構造である。本発明でいう「コルゲート」（corrugate）という用語は、平板を波型に加工した形状を意味し、前述の図２〜図４の態様を包含する。本明細書中では「コルゲート型」あるいは「コルゲート状」等と表現することもある。
【００２２】
グラファイトを内在する積層体はそのまま平板状として使用することも可能であるが、本発明においては、機器の効果的な放熱効果を得るために、積層体面積はできるだけ大きくすることが好ましく、特に狭い設置面積で効率の容易放熱を達成するには積層体をコルゲート状に加工し、表面積を増加させることが必要である。コルゲート状の加工形状としては矩形型（図２）、波形（図３）、三角波型（図４）や台形（図示せず）等の形状が好ましく、発熱体の形状、および放熱器の設置の状況から選択することができる。
本発明の放熱器を発熱体上にそのまま設置する場合には、フィン部の基底部が直接発熱体に密着するように固着してフィン部本体から放熱させる方法が好ましく、空冷とする場合にはフィン部を通過する空気の通風抵抗を低減し、気流を妨害しないように波形、矩形型の構造を選択することが好ましい。
本発明の放熱器のアスペクト比は発熱体の発熱量、フィン部の設置体積、形状から適宜選択することができる。
【００２３】
この発明の放熱器の製造方法は、（ａ）接着剤を付与した金属箔を調製し、（ｂ）このように調製した２枚の金属箔２、３の接着層４、５に接するようにグラファイト６を付設し、次いで、熱および／または圧力を掛けることによって２枚の金属箔２、３とグラファイト６を接合して、積層体１を調製する。（ｃ）調製された積層体に熱および／または圧力を掛けて３次元加工する、の工程からなる。
【００２４】
（ａ）接着剤を付与した金属箔の調製についてはたとえば、金属箔に適切な接着剤溶液を塗布し、または両面粘着剤を貼り付ける方法等を用いることができる。
粘着層としてはアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、酢酸ビニルコポリマー、ポリフッ化ビニリデン、ポリエステル、ポリビニルアセタール等の市販品をそのまままたは適宜ブレンドして使用することができる。熱伝導率等の特性を調整するためにフィラーを適宜添加してもよい。
【００２５】
金属箔とグラファイトの接着性が良好であることからポリビニルアセタール、エポキシ樹脂等が好ましく、ポリビニルホルマールが特に好ましい。
【００２６】
フィラーとしては熱伝導性を改善するために、アルミナ、酸化亜鉛、黒鉛、窒化ホウ素、珪酸塩等が選ばれる。
【００２７】
接着剤溶液の塗布については一般的な塗布方法が選択できる。塗布方法としては、スピンコート、グラビアコート、ダイコート、バーコート、スプレーコート、ディップコート等が好ましい。量産性を考慮した場合には塗布方法としてはグラビアコート、ダイコート、スプレーコート等が好ましい。
【００２８】
この積層体の材料である、金属箔は通常市販の箔を用いることができる。箔の厚みはグラファイトの厚みより薄いことが特性が良好な点で好ましい。金属箔は合金であってもよい。
【００２９】
使用される金属箔の厚みは３〜100μｍである事が原材料が入手容易で加工がしやすく、性能が良好である点で好ましい。特に10μｍ〜50μｍであることが次段のコルゲート加工が容易である点で好ましい。また、接着層の厚みは、金属箔とグラファイトシートが剥がれずコルゲート加工が可能な厚みであれば、限定されることはない。上述した金属箔とグラファイトシートの厚みに鑑みると、０．５μｍ〜２．５μｍが実用上採用しやすい。
【００３０】
金属箔としては熱伝導性が良好で入手が容易であることから、銅箔、アルミ箔が好ましい。
本発明の放熱器において、一対の金属箔の厚みは同一であっても異なっていてもよく、一対の金属箔は同一の金属を主成分とする異なる種類の合金でもよく、一対の金属箔は異なる製法にて製造された同一の金属箔でもよい。一対の金属箔への接着層の付与において、一対の接着剤およびその塗布方法は同一でも異なっていてもよい。
【００３１】
（ｂ）２枚の金属箔とグラファイトを接合して、積層体を調製する方法については、たとえば平板加熱プレス、連続式加熱ベルトプレス、真空加熱プレス、熱ラミネーター、ホットプレート等の加熱および／または加圧操作の可能な装置を用いることができる。これらの装置を用いて接着剤を付与した２枚の金属箔とグラファイトを接着面とグラファイトが接するようにして積層して実施する。この場合、２枚の金属箔とグラファイトの接着は同時であっても、逐次であってもよい。加熱プレスを用いた積層体の調製方法については特開２０１２−１３６０２２に開示された方法であってもよい。
【００３２】
前記金属箔の粘着剤塗布面にグラファイトシートをはさんで加熱、加圧し粘着して積層体を形成する。積層は、ハンドプレス、加熱プレス、ラミネーター、ベルトプレス、ホットプレート等を粘着剤の適正に合わせて選択して用いる事ができる。熱可塑性の接着剤の場合には加熱できる機能を持った装置が好ましく、圧着可能な接着剤の場合には加圧が可能な装置を用いることが好ましい。
【００３３】
得られた積層体は適切な幅にスリットした後に、次段の加工に供することができる。
（ｃ）調製された積層体に熱および／または圧力を掛けて３次元加工する方法についてはプレス式加工機、または歯車式加工機を用いてコルゲート加工を行うことができる。なお、本積層体は複数の部材を組み合わせて形成されているので内部での材料破断を防ぐためにコルゲートを一山ずつ加工する加工手法が好ましい。この加工手法では、積層体を送り込みながら、凹溝を備えた固定型に対し、パンチを順次、固定型に向けて下降させ、プレス加工を施すようにする事が好ましい。
【００３４】
さらに具体的には特開２０１０−２６４４９５に開示の方法や特開平９−１５５４６１に開示の装置等が適用できる。
【００３５】
本発明の放熱器は発熱部材に密着させて使用することが好ましい。密着の方法は粘着材、接着剤、両面テープ、TIM（放熱シート）、グリース、パテ、ビス止め、クリップ止め等の方法が好ましい。固定の際の操作が簡便であり、かつ軽量であることから粘着剤、接着剤、両面テープ、TIM等を用いることが好ましい。熱伝導が良好であることから粘着剤、接着剤、両面テープ、TIM、グリース、パテの使用が好ましい。実装の際により強固に固定することが可能であることから、ビス止め、クリップ止めが好ましい。熱伝導率を良好にし、かつ強固に固定する目的でグリース、パテ、TIM両面テープとビス、クリップ止めを併用することも好ましい。
【００３６】
本発明の放熱器は最外面が金属箔であることからそのままファンなどで空冷して放熱を促進することも可能である。また、最外面からの輻射による放熱を促す目的で塗装をすることも可能である。この場合の塗料は金属箔に塗装できるものから選択することができる。また、市販の放熱塗料を使用することによってより効果的に放熱することもできる。この場合の塗装面の厚さは熱抵抗値が大きくならない程度に十分に輻射できる厚みが放熱の性能が良好である点で好ましい。最外面からの輻射による放熱を促す目的で最外面にフィルムを貼ることも好ましい。フィルムは市販の樹脂フィルムが入手容易な点でこのましい。熱伝導率を考慮したフィルムであれば特性が良好であり、さらに好ましい。放熱器が高温条件下で使用される場合、たとえばポリイミド等の耐熱性フィルムであることが好ましい。フィルム厚みは輻射率を高くする効果があればよいので通常は取り扱いの容易な５〜２００μｍの中から選ばれる。輻射性能が良好であり、取り扱いが容易であることから１０μｍ以上であることが好ましく、熱抵抗値が小さい事から５０μｍ以下であることが好ましい。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例および比較例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されて解釈されるものではない。なお、実施例においては、図面を用いて詳細に説明する。
【００３８】
［実施例１］
（１−１）水平方向の熱伝導率が１５００W／ｍ・Kである厚み２５μｍの人工グラファイトシート（グラフテック社製）を、厚み１８μｍの銅箔に２．５μｍ厚のポリビニルホルマール（JNC社製）を塗布した金属箔２枚で挟み、加熱プレス機によって熱接着して積層体を形成した。
【００３９】
（１−２）この積層体を長さ１９ｃｍ、幅５ｃｍに切り取り、図２に模式的に示されるような矩形状に曲げ加工して端部１ｃｍ、フィン高さ２ｃｍ、ピッチ２ｃｍ、フィン数３のコルゲート形状の放熱器を作成した。放熱器全体の設置面積は５×７cm、重さは３．３４ｇであった。
【００４０】
［実施例２］
以下、実施例１で使用した積層体を長さ５０ｃｍ、幅５ｃｍに切り取り特開平９−１５５４６１に示される波形形成加工装置を用いて、図３に模式的に表されるような波形コルゲート形状  （端部２ｃｍ、ピッチ１cm、フィン高さ０．８ｃｍ、フィン数１２）の放熱器を作成した。放熱器全体の設置面積は５×１６cm、重さ８．６４ｇであった。
【００４１】
［実施例３］
（３−１）水平方向の熱伝導率が５００W／ｍ・Kである厚み７６μｍの天然グラファイトシート（グラフテック社製）を、厚み２０μｍの銅箔に２．５μｍ厚のポリビニルホルマール（JNC社製）を塗布した金属箔２枚で挟み、加熱プレス機によって熱接着して積層体を形成した。
【００４２】
（３−２）得られた積層体を長さ１９ｃｍ、幅５ｃｍに切り取り、実施例１と同様の矩形コルゲート型に加工した。放熱器全体の設置面積は５×７cmであった、重さ２．２０ｇであった。
【００４３】
［実施例４］
厚み１２μｍの銅箔を使用した他は実施例１と同様にして矩形型コルゲートフィンを作成した。総重量は２．４０ｇであった。
【００４４】
［比較例１］
厚み５０μｍの銅板を用いて実施例１と同様の矩形型コルゲートフィンを作成した。総重量は４．２４ｇであった。
【００４５】
［比較例２］
水平方向の熱伝導率が１５００W／ｍ・K、厚み２５μｍである人工グラファイトシート(グラフテック社製)、両面テープ（日東電工社製  商品名TR-5325F）および厚み１８μｍの銅箔を用いて特開２００２−３２９９８７の実施の形態１に記載の方法で放熱器を作成した。重さ２．１ｇであった。
［比較例３］
水平方向の熱伝導率が１５００W／ｍ・K、厚み２５μｍである人工グラファイトシート(グラフテック社製)、両面テープ（比較例２に同じ）および厚み１２μｍの銅箔を用いて実施例１に記載の方法で矩形コルゲート型の放熱器を作成を試みたが形状の保持が困難であった。
【００４６】
（放熱試験）
作成した放熱器の端部にトランジスタ（東芝トランジスタ社製、２Ｓ-D２０１２）を両面テープ（比較例２に同じ）で貼り付けた。４０℃のインキュベーター内に静置した。トランジスタに１．３５V、１．７３Aを印加して１０００秒後のトランジスタ温度をＫ熱電対を用いて測定した。
【００４７】
【表１】
2015046557.tif 000003
【００４８】
（粉落ち試験）
打ち抜き加工試料(１２．５mm×１２．５mm)２４枚と直径５mmのジルコニアビーズ２３．５ｇをガラス容器に入れ、ボールミル架台にて２時間３０分回転し、処理前後の重量変化率を粉落ち量とした。
＜式＞粉落ち量（％）＝（初期重量−回転処理後重量）／（初期重量）×１００
実施例１の（１−１）に記載の方法で製造した積層体と比較例２に記載の方法で製造した積層体を用いて粉落ち試験を実施した。結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
2015046557.tif 000004
【００５０】
表２から明らかなように本発明の放熱器は比較例２の放熱器に比較して短絡の原因となる黒鉛粉末の発生が少ない事がわかった。
【００５１】
なお、この発明は上述した実施例に限定されるものではない。この発明の主旨に反しない範囲で適宜応用することができる。例えば、コルゲートフィンの形状は矩形、波形に限らず、台形、その他の形状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の放熱器は、発熱体を有する電気製品や機械製品に幅広く利用することができる。具体的には、コンピューターをはじめとする各種電子機器、照明器具や映像投影装置等の発光発熱素子を使用する機器、空調機器等の熱交換器、モーターやエンジン等の動力装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１  積層体
２，３  金属箔
４，５  接着層
６  グラファイトシート
１１，２１，４１、５１  放熱器
１２，２２，４２  端部
１９，２９，４９  端部
１３，１４，１５，１６，１７，１８ 放熱フィン
２３，２４，２５、２６，２７，２８ 放熱フィン
４３，４４，４５，４６，４７，４８ 放熱フィン
５２  発熱体
【図１】
2015046557.tif 000005
【図２】
2015046557.tif 000006
【図３】
2015046557.tif 000007
【図４】
2015046557.tif 000008
【図５】
2015046557.tif 000009