(57)【要約】【課題】軽量で熱放散性に優れるヒートシンクを提供する。【解決手段】バルク状の銅の上に、導電性を有する線状の材料を通電を利用して接合することにより、熱発生源からの熱をよく伝導し、フィン間の輻射伝熱を低減した軽量のヒートシンクを提供する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルク状の銅上に線状の導電性材料を接合したことを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
上記線状の導電性材料が、金属線からなる多孔質材料であることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
【請求項３】
上記線状の導電性材料が金属繊維からなる多孔質材料であり、通電によって上記バルク状の銅上に接合されたことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
【請求項４】
上記線状の導電性材料が、コイル状の金属線を含むことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
【請求項５】
上記コイル状の金属線が通電によって上記バルク状の銅上に接合されたことを特徴とする請求項４記載のヒートシンク。
【請求項６】
上記線状の導電性材料が中空構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のヒートシンク。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のヒートシンクを多層に積み重ねたことを特徴とするヒートシンク。
【請求項８】
バルク状の銅上にコイル状の金属線を載置し、
該コイル状の金属線の中心軸に押え棒を挿入し、
該押え棒を介して上記コイル状の金属線を上記バルク状の銅に押圧しながら、上記コイル状の金属線と上記バルク状の銅との間にパルス電流を通電することにより、上記コイル状の金属線と上記バルク状の銅とを溶接することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱伝導性に優れる銅を使った軽量のヒートシンクに関する。更に詳しくは、銅バルク体の表面に線状の金属あるいは導電性の材料を接合した軽量のヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路等のチップ部品の廃熱手段として、金属製のヒートシンクが一般に使用されている。これらのヒートシンクでは、特に、部材の軽量化が望まれているため、加工が容易なアルミニウム製のヒートシンクが主に使用されている。
【０００３】
チップ部品の高性能化、小型化、高集積化に伴い、チップ部品からの発熱量が増加し、ヒートシンクの大型化あるいは複雑形状化が進んでいる。アルミニウム合金は成形性に優れるため、これまでダイカストや機械加工によって微細加工を施して表面積を増加させたヒートシンクが開発されてきた。しかし、製品の小型化に伴い、ヒートシンクの設置できるスペースに制限が生じ、同じ大きさで熱放散性の高いヒートシンク材料が必要とされている。
【０００４】
アルミニウムを越える熱伝導性を示す比較的安価な金属材料として銅が知られているが、その比重はアルミニウムの３倍以上もあることから、軽量化が望まれている。これまでに、銅製またはアルミニウム製のベースにアルミニウム製または銅製のフィンを付けたヒートシンクなどが検討されている（例えば、特許文献１，２，３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２５２４８５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３７５５５号公報
【特許文献３】
特開２００２−１１０８７４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各特許文献では、フィンを板，柱体等の成形体で構成している。このため、比表面積を大きくして熱放散性を向上したり、ヒートシンク全体を軽量化したりするのには限界があった。そこで、本発明は、高温の部材と接する部分にはバルク状の銅を用い、熱を放散させる部分には導電性の線を用いて、熱放散性に優れる軽量なヒートシンクを提供することを目的としてなされた。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達するためになされた請求項１記載の発明は、バルク状の銅上に線状の導電性材料を接合したことを特徴とするヒートシンクを要旨としている。
このように構成された本発明では、バルク状の銅上に線状の導電性材料を接合し、この線状の導電性材料を放熱部としている。このため、放熱部の比表面積を大きくすると共にその軽量化が可能である。従って、本発明のヒートシンクは、熱放散性に優れ、軽量である。
【０００８】
よって、本発明の軽量で熱放散性に優れるヒートシンクを用いて、チップ部品から発生する熱を効率的に放熱することができる。また、耐食性に優れる無機材料や金属材料を放熱部に用いることで、腐食性の冷却媒を用いた冷却あるいは腐食性の環境下での放熱も可能である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、上記線状の導電性材料が、金属線からなる多孔質材料であることを特徴としている。
本発明では、線状の導電性材料として金属線からなる多孔質材料を使用しているので、比表面積が一層大きくなり軽量化にも有利である。従って、本発明では、請求項１記載の発明の効果に加えて、一層の軽量化及び熱放散性の向上を図ることができるといった効果が生じる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、上記線状の導電性材料が金属繊維からなる多孔質材料であり、通電によって上記バルク状の銅上に接合されたことを特徴としている。
本発明では、線状の導電性材料として金属繊維からなる多孔質材料を使用しているので、比表面積が一層大きくなり軽量化にも有利である。従って、本発明では、請求項１記載の発明の効果に加えて、一層の軽量化及び熱放散性の向上を図ることができるといった効果が生じる。
【００１１】
しかも、本発明では、線状の導電性材料を通電によってバルク状の銅に接合している。本発明者らは、上記の問題点を解決するために鋭意研究した結果、導電性を有する線をバルク状の銅成形体の上に載置し、大きな電流を線及び銅バルク内に流すことによって線とバルク状の銅との界面で生じるジュール加熱で接合できることを見出した。本発明では、このように通電によって線状の導電性材料とバルク状の銅とを接合しているので、半田等の接合材を利用する場合に比べて耐熱性を向上させることができる。すなわち、接合材を利用した場合はその接合材の融点によって耐熱温度が規定されるが、本発明のように接合した場合は、線状の導電性材料や銅の融点によって耐熱温度が規定されるのである。
【００１２】
また、線状の導電性材料とバルク状の銅との接触部分には接触抵抗があり、優先的に加熱が行える。その結果、上記導電性材料と銅とを強固に接合することができる。従って、本発明では、請求項１記載の発明の効果に加えて、耐熱性及び機械的強度を一層向上させることができるといった効果も生じる。
【００１３】
本発明のように、通電によって接合する場合、電気を通す材料であればバルク状の銅に接合することができるため、ヒートシンクのフィン間で発生する輻射伝熱を抑えたヒートシンクの設計が可能となる。本発明のヒートシンクは、加工レスで目的の成形体を作製できるため、加工に伴う費用が発生せず安価にヒートシンクを得ることができる。更に、形状が大きくなっても小さくなっても同じプロセスで作製できることから、小型の携帯端末から大型の家電にいたるまで幅広く応用することが可能である。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、上記線状の導電性材料が、コイル状の金属線を含むことを特徴としている。
本発明では、線状の導電性材料としてコイル状の金属線を使用しているので、製造が容易であり、前述のような比表面積の確保及び軽量化の効果も充分に生じる。従って、本発明では、請求項１記載の発明の効果に加えて、製造を一層容易にすることができるといった効果が生じる。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の構成に加え、上記コイル状の金属線が通電によって上記バルク状の銅上に接合されたことを特徴としている。
本発明では、前述のように通電によってコイル状の金属線とバルク状の銅とを接合しているので、半田等の接合材を利用する場合に比べて耐熱性を向上させることができる。また、コイル状の金属線とバルク状の銅との接触部分を優先的に加熱することにより、上記金属線と銅とを強固に接合することができる。従って、本発明では、請求項４記載の発明の効果に加えて、耐熱性及び機械的強度を一層向上させることができるといった効果が生じる。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の構成に加え、上記線状の導電性材料が中空構造を有することを特徴としている。
線状の導電性材料が中空構造を有する場合、その中空部に水などの冷却媒を流通させれば一層熱放散性を向上させることができる。従って、本発明では、請求項１〜５のいずれかに記載の発明の効果に加えて、熱放散性を一層向上させることが可能であるといった効果が生じる。
【００１７】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載のヒートシンクを多層に積み重ねたことを特徴とするヒートシンクを要旨としている。
大量の熱をヒートシンクが吸収するには、ヒートシンクの大型化が必要となる。また、線状の導電性材料とバルク状の銅との接触抵抗を低減する必要もあるため、多層化は有効な手段となる。本発明では、請求項１〜６のいずれかに記載のヒートシンクを多層に積み重ねているので、請求項１〜６のいずれかに記載の発明の効果に加えて、大量の熱を一層良好に放散することができるといった効果が生じる。
【００１８】
請求項８記載の発明は、バルク状の銅上にコイル状の金属線を載置し、
該コイル状の金属線の中心軸に押え棒を挿入し、
該押え棒を介して上記コイル状の金属線を上記バルク状の銅に押圧しながら、上記コイル状の金属線と上記バルク状の銅との間にパルス電流を通電することにより、上記コイル状の金属線と上記バルク状の銅とを溶接することを特徴とするヒートシンクの製造方法を要旨としている。
【００１９】
本発明では、バルク状の銅上にコイル状の金属線を載置し、そのコイル状の金属線の中心軸に押え棒を挿入し、更に、その押え棒を介して上記コイル状の金属線を上記バルク状の銅に押圧しながら、コイル状の金属線とバルク状の銅との間にパルス電流を通電している。このため、金属線とバルク状の銅との界面で生じるジュール加熱で両者を接合することができ、請求項５記載のヒートシンクを容易に製造することができる。
【００２０】
そして、このように製造されたヒートシンクは、前述のように、耐熱温度が金属線や銅の融点によって規定されるため耐熱性が高く、金属線と銅との接触部分を優先的に加熱できるため両者を強固に接合することができる。しかも、本発明では、押え棒で押圧しながら接合を行っているので、金属線及び銅を一層強固に接合することができる。また、本発明では、パルス電流の通電により上記接合を行っている。パルス電流は電流のオンとオフがはっきりしており、電気抵抗の高い部位での過剰な発熱を防止しながら接合を実行することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に本発明について更に詳細に説明する。
本願発明に用いるバルク状の銅は、市販の鋳造材料や圧延材料、粉末を焼結して作製した材料が利用できる。導電性の線を接合するためには、表面が清浄されていることが好ましい。また、バルク状の銅の形状は板状のものが好ましいが、他の形状であっても問題はない。バルク状の銅としては純銅及び銅を主成分とする合金が利用できる。
【００２２】
バルク状の銅に接合する導電性材料は、線状のものであれば材質は特に問わない。バルク状の銅への接合をより強固にするためには、バルク状の銅より小さな電気抵抗を示すものが好ましい。また、接触部分で強固な接合を実現するためには、直径が３ｍｍ以下の細い線が好ましい。
【００２３】
バルク状の銅に接合する線は、コイルなどの形状に加工されたものでも繊維状のものでも問題はない。また、繊維状のものを編み込んだものでも問題はない。但し、線状の導電性材料から形成される部位は本願発明のヒートシンクにおいて放熱部に相当するため、バルク状の成形体は使えない。
【００２４】
バルク状の銅の上に線状の導電性材料を設置し、通電による接合を行う。バルク状の銅も導電性材料も電気を流すため、電極間に設置するだけで通電が可能である。線から構成される部材はバルク状の銅に比べて電気抵抗が高いため、より多くの加熱が生じる。また、線状の部材とバルク状の銅との接触部分には接触抵抗があり、優先的に加熱が行える。その結果、線状の導電性材料とバルク状の銅を強固に接合することができる。
【００２５】
通電の方法については特に限定しないが、通常の溶接などで利用されている直流のパルス電流が好ましい。パルス電流は電流のオンとオフがはっきりしており、電気抵抗の高い部位での過剰な発熱を防止しながら接合を実行することができる。また、接合部位の強度を向上させるため、加圧を行うことも可能である。但し、加圧によって線状の導電性材料が変形する場合があるので、大きな加圧力は好ましくない。
【００２６】
本願発明のヒートシンクを作製する際には、型を用いることができる。型の材料は特に限定しないが、非導電性の材料を用いることが好ましい。本願発明においては、通電した際に生じる電気抵抗による加熱を熱源として利用するため、投入された電気がすべて成形部材内部を通過することが好ましい。一般の粉末成形などに用いられる金型や黒鉛型などでは型に電気が流れ、型の発熱に消費されるため、効率的な接合が行えない。
【００２７】
通電時の雰囲気は真空または不活性ガス雰囲気が望ましい。これは、通電時に発生する熱によってバルク状の銅あるいは線状の導電性材料が酸化することを防止するためである。また、成形されたヒートシンクは１００℃以下にて大気中に取り出すことが可能である。なお、通電時に発生するジュール加熱により、バルク状の銅表面あるいは線状の導電性材料の表面に形成されている薄い酸化皮膜は破壊することができる。
【００２８】
得られた成形体は、バルク状の銅と線状の導電性材料が接触している部分のみ接合された部材である。線状の導電性材料はバルク材料にくらべて、比表面積が大きいため、大きな冷却効率を示す。また、同じ大きさのバルク状成形体に比べて、３０％以上の重量減少を行うことができる。
【００２９】
【実施例】
以下実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
市販の銅粉末を焼結して作製した４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍのバルク状銅の上に、銅繊維（（株）ベキニット製、繊維径５０μｍ）を２０ｇ充填し、総荷重５０ｋｇにて４０ｍｍ×４０ｍｍ×９ｍｍのヒートシンクを作製した。成形は、ピーク電流が１５００Ａで、周波数が１００Ｈｚの直流パルスを３０秒間通電して行った。得られたヒートシンクはバルク状の銅の上に繊維状の部材が接合した成形体であった。なお、通電は１０Ｐａの真空中にて行った。
【００３０】
得られたヒートシンク成形体、市販のアルミニウム製ヒートシンク（４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍ）、銅ブロック（４０ｍｍ×４０ｍｍ×８ｍｍ）を、８０℃に加熱したステンレスブロックの上にのせ、冷却ファンの作動下でヒートシンクの温度及びステンレスブロックの温度を測定した。
【００３１】
図１に示すように、銅ブロックより優れた熱の放散を示し、市販のアルミニウム製ヒートシンクと同程度の冷却能力があった。また、得られたヒートシンクは、市販のアルミニウム製ヒートシンクに比べると、２０ｇ程度重くなっているが、銅ブロックに比べると半分以下の４５ｇという軽量なヒートシンクであった。
実施例２
図２に示すように、市販の銅板から作製した４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍのバルク状銅１の上に、銅線（１．６ｍｍ径×４００ｍｍ）から作製したコイル２（内径９ｍｍ×４０ｍｍ）を３個のせ、総荷重４０ｋｇにて４０ｍｍ×４０ｍｍ×１２ｍｍのヒートシンクを作製した。３個のコイル２は、ヒートシンクの放熱部３を構成する。
【００３２】
成形は、コイル２の中心軸に図３に示すように押え棒９を挿入し、その押え棒９を介してコイル２をバルク状銅１に押圧しながら、ピーク電流が１５００Ａで、周波数が１００Ｈｚの直流パルスを３０秒間通電して行った。得られたヒートシンクはバルク状の銅１の上にコイル２が接合した成形体であった。なお、通電は１０Ｐａの真空中にて行った。
【００３３】
得られたヒートシンク成形体（４０ｍｍ×４０ｍｍ×１２ｍｍ）と市販のアルミニウム製ヒートシンク（４３ｍｍ×４３ｍｍ×１０ｍｍ）とを、コンピュータ（ＨＰ製ＣｅｌｅｒｏｎＣＰＵ）に実装した際のヒートシンクの温度変化を測定した。図４に示すように、市販のアルミニウム製ヒートシンクの方が実施例２よりも高温に加熱されている。これは、ＣＰＵから連続的に排出される熱を、市販のアルミニウム製ヒートシンクでは充分に放散できないことを示しているものと考えられる。また、本実施例のヒートシンクは、市販のアルミニウム製のヒートシンクに比べて１５ｇ程度重いが、４０ｇという軽量の銅製ヒートシンクであった。なお、本実施例において、隣接するコイル２同士の金属線を、互いに近接しないように互い違いに配設すれば、隣接するコイル２同士で輻射伝熱が起こるのを抑制して熱放散性を一層向上させることができる。
実施例３
市販の銅板から作製した４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍのバルク状銅の上に、銅パイプ線（外径２．５ｍｍ径×３００ｍｍ）から作製したコイル（内径８ｍｍ×４０ｍｍ）を３個のせ、総荷重３０ｋｇにて４０ｍｍ×４０ｍｍ×１４ｍｍのヒートシンクを作製した。成形は、ピーク電流が１５００Ａで、周波数が１００Ｈｚの直流パルスを３０秒間通電して行った。得られたヒートシンクはバルク状の銅の上にコイルが接合した成形体であった。なお、通電は１０Ｐａの真空中にて行った。得られたヒートシンクは、銅パイプの部分に水を流すことで大きな冷却性能を示した。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態または実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、バルク状の銅１とコイル２との間に、図５（Ａ）に示すように金属繊維または金属線からなる多孔質銅５を設けてもよく、そのヒートシンクを多層に積み重ねて、図５（Ｂ）に示すように一体のヒートシンクを構成してもよい。後者の場合、放熱部３とバルク状の銅１との接触抵抗を抑制しつつヒートシンクを大型化することができ、大量の熱を一層良好に放散することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のヒートシンクの放熱特性を表す説明図である。
【図２】実施例２のヒートシンクの構成を表す斜視図である。
【図３】実施例２のヒートシンクの製造方法を表す説明図である。
【図４】実施例２のヒートシンクの放熱特性を表す説明図である。
【図５】更に他の実施例のヒートシンクの構成を表す側面図である。
【符号の説明】
１・・・銅      ２・・・コイル      ３・・・放熱部      ９・・・押え棒
【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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