(57)【要約】【課題】公知のヒートシンクの冷却効果不十分という欠点を解決するとともに、簡便な生産工程と低コストで製造できるヒートシンクを提供する。【解決手段】本発明の多孔構造セラミックヒートシンクは、主に放熱層１と熱伝導層２から成り、放熱層はマイクロコズミック化学液相変化の原理を利用して、乳液状スラリーの不均一分散でセラミック粉体のマイクロセル構造を形成し、サブミクロン粉体と結合した後、焼結して空洞化結晶の多孔構造放熱層を形成し、熱源と接触する面に熱伝導層を有し、熱伝導層が熱源の熱を吸収して放熱層の空洞結晶体多孔構造の高表面積によって、空気を媒介として、更に強制対流条件を加えてヒートシンクの冷却能力を向上する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱層と熱伝導層からなり、
放熱層はマイクロコズミック化学液相変化の原理を利用し、乳液状スラリーの不均一分散によりセラミック粉体のマイクロセル構造を形成したのちサブミクロン粉体と結合し、焼結して空洞化結晶を有する多孔構造放熱層とし、放熱層の空洞率は５％―４０％の間で、粉体の粒径は０．０９―０．３０μｍの間で、熱源との接触面に熱伝導層を有し、この熱伝導層が熱源の熱を吸収して、放熱層の空洞結晶体多孔構造が高表面積であることにより、空気を拡散媒体として、ヒートシンクの熱拡散能力を向上することを特徴とする多孔構造セラミックヒートシンク。
【請求項２】
セラミック粉体の主要成分が二酸化チタン、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、アルミナ及び酸化ジルコニウムであることを特徴とする、請求項１記載の多孔構造セラミックヒートシンク。
【請求項３】
熱伝導層が銀であることを特徴とする、請求項１記載の多孔構造セラミックヒートシンク。
【請求項４】
ヒートシンクの一側面にファンを有し、強制対流方式で熱源から発生する高熱を抜き取ることを特徴とする、請求項１記載の多孔構造セラミックヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートシンクの空気に接触する表面積を増大することにより、ヒートシンクの熱拡散能力を向上する、多孔構造セラミックヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報半導体技術の発展に伴い半導体チップはますます高周波化し、近年中央処理装置（ＣＰＵ）などの電子デバイスの処理速度は日々増進しているが、高速度化は同時に高熱発生の問題も生じている。電子デバイスの熱源が発生する高温をいかに効果的に放出して電子デバイスを適温で運行させるかは各業者が競って開発をする重点となっている。
コンピュータを例に挙げると、公知の冷却器はＣＰＵの上に設置してＣＰＵチップが産出する熱の放出を助けるが、その多くはヒートシンクを有し、ヒートシンクをＣＰＵの上面にＣＰＵに密着して設置し、その上に適当な形状の放熱フィンを有し、また、ヒートシンク上にはファンを設けて空気の対流を作ることにより、ＣＰＵの熱を吸収したヒートシンクから熱を対流で除去して（排気か送風かはコンピュータ内部空間と設計要求による）、温度を下げている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
公知のヒートシンクは熱伝導の効果が良好な銅、アルミ合金で製造しているにもかかわらず、熱伝導と放熱の効果は理想的とは言えず、改善の余地がある。これが公知技術の現時点で最大の欠点であり、各業者が克服しようとしている難題である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は多孔構造のセラミックス材料を直接プレス成形し、また空気を媒介（空洞単結晶構造）として熱対流の接触表面積を増大することにより、最も簡便な製造工程で高付加価値製品を製造する主旨で、多孔構造セラミックヒートシンクを提供する。
【０００５】
本発明の多孔構造セラミックヒートシンクは、主に放熱層と熱伝導層から成り、放熱層はマイクロコズミック化学液相変化の原理を利用して、乳液状スラリーの不均一分散でセラミック粉体のマイクロセル構造を形成し、サブミクロン粉体と結合した後、焼結して空洞化結晶の多孔構造放熱層を作り、熱源と接触する面に熱伝導層を有し、熱伝導層が熱源の熱を吸収して放熱層の空洞結晶体多孔構造の大表面積によって、空気を媒介として、更に（ファンのような）強制対流条件を加えてヒートシンクの冷却能力を向上する。
【０００６】
本発明が応用している理論を以下に説明する。
１．マイクロコズミック化学：
液―液相変化（ｌｉｑｕｉｄ−ｌｉｑｕｉｄ  ｐｈａｓｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）
有機系スラリー内に含まれる有機溶剤二種―トルエン、エタノールを親水性高分子バインダと混合すると、エタノールは水と完全に混ざるが、トルエンと親水基は疎外し合う。エタノールが親水基と溶け合わない特性を利用し、更に攪拌することにより、乳液状スラリーを調製し（図１に示す乳液区を参照のこと）、セラミック粉末を乳液中にクロスリンクする。図２に示すように、乳液中の大粒径の粉末はファンデルワールス力が大きいために即時に集まり、小粒径は大粒径粉のかたまりの周りを埋め、同時に高分子バインダと無機材料が安定した共有結合を形成する（図２に粒径分散モデルを示す。図２−１に均一分散、図２−２に乳液調製後に生じる不均一分散を示す）。こうしてセラミック焼結後自然且つ均一な空間の、多孔構造を作ることができる。
【０００７】
２．物理部分：
ナノ材料は、光学、磁気、熱伝導、拡散及び機械などの性質は一般の同一材料がバルク状に存在する時とは異なる。粉体間に上述の結果をもたらすために、異なる粒径のセラミック粉末を混合する必要がある。小粒径粉末はサブミクロン級（０．１３μｍなど）を採用すればよく、ナノ級を使用すると焼結してできる空洞度が小さ過ぎてヒートシンクの放熱特性に影響するが、熱伝導能力は向上し、機械強度も大きく向上する。ほかに、焼結時の温度上昇条件の制御も注意して、空洞度と機械強度の最良のバランスを得るようにする。一般に、粉末粒径が大きいほど焼結後の空洞度が小さく、材料の機械強度も相対して大幅に低下する。
【０００８】
３．物体熱伝導部分
全ての物体の熱伝導は三種に分けられる。伝導、対流、放射である。一般には放射で除去できる熱量は小さすぎるので、考慮する必要はない。そのためヒートシンクを作製する際に最も重要なのは熱伝導メカニズム即ち伝導と対流である。コンピュータの冷却装置において、熱伝導の重要性は熱を放熱物体の表面に伝達することである（図３参照）。温度低下で最も重要なのが対流伝熱による影響である。熱量は流体（ａｉｒ）が対流現象に頼ってコンピュータＣＰＵチップの発生した熱を持ち去るからである。対流伝熱に影響を与える最大の要素が、放熱面積である。Ｑ（対流伝熱）＝ｈ×Ａ（表面積）×ΔＴとなっている。
【０００９】
放熱層は冷却の必要度合によって、プレート型にもフィン型にも作製できる。また銀Ａｇを熱伝導層に採用し、その熱伝導率はＫ＝４２１Ｗ／ｍＫである。熱伝導率が更に高い伝導材料を使用すれば、冷却能力のより一層の向上に役立つ。
【発明の実施の形態】
【００１０】
本発明の前述の技術手段を、実施例をあげて説明する。
本発明の多孔構造材料の製造方法は以下の手順である。
スラリー調製：適当な比率のセラミック材料（主要成分：二酸化チタンＴｉＯ２、酸化バリウムＢａＯ、酸化ストロンチウムＳｒＯ、アルミナＡｌ２Ｏ３、酸化ジルコニウムＺｒＯ）を二種の有機溶剤エタノール（ＥｔＯＨ）とトルエン（Ｔｏｌｕｅｎｅ）及び分散剤と調合し（粘度はできるだけ５〜１０ｃｐに制御する）、確実に分散させてから砥粉（酸化ジルコニウム球、酸化アルミ球など）で研磨攪拌しサブミクロン粉粒にする。
【００１１】
バインダ調製：適当な比率のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）と水を均一に攪拌する。
バインダ添加：前述のサブミクロンスラリーとバインダを混合し、強烈に攪拌し続け、乳液状になるまで攪拌する。
乾燥：この乳液状物を加熱乾燥して固体にすると、多孔構造材料となる。
本発明は砥粉で研磨攪拌時に、いくつかの異なる球径の砥粉を用い、低速研磨を行なうことにより、スラリー研磨時間を効果的に短縮できる。
【００１２】
前記の多孔構造材料を用いて多孔構造ヒートシンクを製造する手順を以下に説明する。
造粒：多孔構造材料を乳鉢で細かくし、特殊治具に入れてプレスして放熱層に成形する。
焼結：前記の放熱層の形状にしたものを焼結して、自然で均一な空間を備えるようにし、空洞化結晶構造を有する放熱層を作る。
表面熱伝導層印刷：前記の空洞化結晶構造を有する多孔構造放熱層に、スクリーン印刷で表面熱伝導層を印刷する。
【００１３】
本発明の製法で作製した多孔構造ヒートシンクは、図６に示すように、主に放熱層（１）と熱伝導層（２）から成り、放熱層（１）はマイクロコズミック化学液層変化原理を利用し、乳液状スラリーの不均一分散でセラミック粉のマイクロセル構造を形成し、サブミクロン粉体と結合した後焼結して空洞化結晶を有する多孔構造放熱層（１）であり、その熱源と接触する面に熱伝導層（２）を有して熱伝導層（２）が熱源から熱を吸収し、放熱層（１）の空洞化結晶多孔構造により、空気を媒介として、強制対流条件（ファンのような）を加えてヒートシンクの冷却能力を向上する。放熱層（１）は冷却の必要に応じてプレート型にもフィン型にも作製できる。なお、本実施例では熱伝導層に銀Ａｇを使用しており、熱伝導率はＫ＝４２１Ｗ／ｍＫである。熱伝導率がさらに高い熱伝導材料を使用すれば、冷却能力のより一層の向上に役立つ。
【００１４】
本発明の好適な実施例を以下に説明する。
スラリー調製：セラミック材料（Ｃｅｒａｍｉｃｓ）１３７．８７ｇ、エタノール（ＥｔＯＨ）２５．０６ｇ、トルエン（Ｔｏｌｕｅｎｅ）３７．０６ｇ及び分散材（ＢＹＫ−１１１など）２．７６ｇ（セラミック材料の２．０％量）を粘度を５〜１０ｃｐに制御して均一な分散を確実にする。φ３ｍｍ：φ１０ｍｍ：φ３０ｍｍ＝５：３：２）の酸化ジルコニウム球で１２時間低速研磨攪拌する。（粉体粒径＝０．０９〜０．３０μｍ）上記３種の球径の異なる酸化ジルコニウム球で低速研磨する方法は、公知の方法に比べ１／２以上の研磨時間を節約できる。研磨時間と球径の関係は図５参照。
【００１５】
バインダ調製：ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）０．４ｇを９．６ｇの水に加え、均一に攪拌する（ＰＶＡ＝４％）。
スラリー調製手順の粉体（粒径０．１３μｍ）５ｇスラリーを、５ｇの４％ＰＶＡに加え、強烈に攪拌して乳液状物を生成するまで攪拌し、熱乾燥して固体にする。
造粒：前記手順のかたまり状の固体を乳鉢で細かくし、０．５ｇの細かい粉を特殊治具に入れてプレスし、板状の放熱層を成形する。
焼結：前記に成形した放熱層を三段階温度持続方式で焼結し、自然で均一な空間を有するようにし、空洞化結晶を有する多孔構造放熱層を作る。温度上昇設定を表１及び図４に示す。
【表１】
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表面熱伝導層印刷：前記の空洞化結晶構造を有する多孔構造放熱層に、高分子銀ペースト印刷し、１５０℃で２分間熱乾燥する。
【００１６】
以上の製造工程で作製した本発明のヒートシンクを以下の方法で測定した。
図７に示すように装置を設計し、材料の熱伝導特性を利用して熱の吸収を調べた後、ファンを起動して材料の冷却能力を観察する。
４種の材料：銅プレート、アルミプレート、吸水性セラミック、多孔構造セラミックを以下について比較する。
１．熱源温度上昇とヒートシンクの吸熱性（図８参照）
２．熱源温度上昇とヒートシンクの冷却性にファンを加えた場合（５Ｖｏｌｔ／０．４Ｗ）（図９参照）
３．冷却能力（同一時点の吸熱温度から放熱温度を差し引く）（図１０参照）
【００１７】
以上の簡単な試験から分析し、多孔セラミックの冷却能力は最高であり、且つ上図から、時間の経過に従って冷却能力がよくなっていくことが分かる。原因は、多孔構造が非常に大きい空気接触表面積をもち、緻密構造のはるか千万倍に達するためである。これに関する計算は以下のとおりである。
計算は銅ヒートシンクと多孔構造セラミックのみの比較である。
熱源は、１５７３ｊｏｕｌｅ／ｓｅｃ＝１５７３Ｗ  を提供
多孔構造セラミック平均粒径０．１３μｍ、空洞度１８％
銅プレートＡ＝２．５６×１０−４ｍ２    ΔＸ＝２．０×１０−３ｍ
多孔構造セラミックＡ＝６．７６×１０−４ｍ２    ΔＸ＝１．７×１０−３ｍ
熱伝達公式：Ｑ＝ＫＡ  ΔＴ／ΔＸ
球体体積公式：４／３×πｒ３
球体表面積公式：４πｒ２
表２に以上の資料による計算を示す。
【表２】
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表２で、多孔構造セラミックの熱伝導率は低いが、単位放熱面積は銅プレートの５０８８６倍であるため、単位時間に放出することができる熱がこのように高くなっている。機械強度も兼ね備えており、対衝撃強度１７〜２８Ｋｇ／ｃｍ２である。
【００１８】
本発明のヒートシンクと台湾工研院材料所の「発泡金属放熱ヒートシンク」との比較では、発泡アルミ金属の冷却能力５Ｗ／ｃｍ２、等価対流伝熱係数０．５
Ｗ／ｃｍ２℃であるのに対し、本発明のセラミックヒートシンクの冷却能力２２９
．１Ｗ／ｃｍ２、等価対流伝熱係数１２．０６Ｗ／ｃｍ２℃で、明らかに優っている
。
【発明の効果】
【００１９】
多孔構造で作成したヒートシンクは、現在の大体積のアルミ金属放熱フィンの放熱効果不十分という欠点を完全に解決するとともに、簡便な生産工程と低材料・製造コストをも実現し、様々な形態の発熱する電子装置の冷却に広く応用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液―液相変化の図である。
【図２】本発明の粒径分散モデル図である。
【図３】物体の熱伝導説明図である。
【図４】本発明の温度上昇設定図である。
【図５】本発明の研磨時間と粒径の関係図である。
【図６】本発明の多孔構造ヒートシンクの斜視図である。
【図７】本発明のヒートシンク測定装置の図である。
【図８】熱源の温度上昇とヒートシンクの吸熱性の比較図である。
【図９】熱源の温度上昇とヒートシンクの冷却性の比較図である。
【図１０】放熱能力の比較図である。
【符号の説明】
（１）放熱層
（２）熱伝導層
【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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【図１０】
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