(57)【要約】【課題】優れた熱伝導性を備える伝熱装置を提供する。【解決手段】熱源４に付設される受熱部材５と、熱源４と受熱部材５の間に介在する熱伝達部材とからなり、熱源４の熱を該熱伝達部材を介して受熱部材５に伝達する。該熱伝達部材は熱源４の作動時の温度よりも融点の低い金属部材６からなる。受熱部材５は、熱源４の非作動時には金属部材６が固化することにより熱源４から着脱自在であり、熱源４の作動時には金属部材６が溶融することにより、金属部材６を介して熱源４に密着する。金属部材６は、Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｎまたはこれらの合金からなる。受熱部材５は、溶融した金属部材６を保持して漏洩を防止する枠体１１または表面張力により溶融した金属部材６を保持して漏洩を防止する穴部を、その表面に備える。受熱部材５は、固化した金属部材６を保持する鋳込み穴部９を備え、鋳込み穴部９は金属部材６を係合させて脱落を防止する狭窄部１０を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源に付設される受熱部材と、該熱源と該受熱部材の間に介在する熱伝達部材とからなり、該熱源の熱を該熱伝達部材を介して該受熱部材に伝達する伝熱装置において、該熱伝達部材は該熱源の作動時の温度よりも融点の低い金属部材からなることを特徴とする伝熱装置。
【請求項２】
前記受熱部材は、前記熱源の非作動時には前記金属部材が固化することにより該熱源から着脱自在であり、該熱源の作動時には該金属部材が溶融することにより、該金属部材からなる熱伝達部材を介して該熱源に密着することを特徴とする請求項１記載の伝熱装置。
【請求項３】
前記金属部材は、Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｎまたはこれらの合金からなることを特徴とする請求項２記載の伝熱装置。
【請求項４】
前記受熱部材は、溶融した前記金属部材を保持して漏洩を防止する枠体を、その表面に備えることを特徴とする請求項２または請求項３記載の伝熱装置。
【請求項５】
前記受熱部材は、溶融した前記金属部材を表面張力により保持して漏洩を防止する穴部を、その表面に備えることを特徴とする請求項２または請求項３記載の伝熱装置。
【請求項６】
前記受熱部材は、表面から内部に陥入し、固化した前記金属部材を保持する鋳込み穴部を備え、該鋳込み穴部は該受熱部材の表面部に該金属部材を係合させて脱落を防止する狭窄部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の伝熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高性能ＣＰＵ、パワーデバイス等の電子部品等の熱源の熱を伝熱する伝熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気機器、電子装置では、高性能ＣＰＵ、パワーデバイス等の電子部品から発生する熱を伝熱して、該電子部品の過熱を防止するために、ヒートシンク等の受熱部材が用いられている。前記受熱部材は前記電子部品等の熱源に付設されるが、このとき該受熱部材と該電子部品との間に間隙があると、両者の間の熱伝達の効率が低くなり十分な伝熱効果が得られない。そこで、従来、前記受熱部材と前記電子部品等の熱源との間に、カーボン製熱伝達シート、サーマルグリス等の熱伝達部材を介在させて、該熱伝達部材により該受熱部材と該熱源とを密着せしめ、該熱源の熱が該受熱部材に伝わりやすくした伝熱装置が知られている。
【０００３】
ところが、前記カーボン製熱伝達シート、サーマルグリス等の熱伝達部材は、素材自体の熱伝導率が低い、熱伝導率が高くなるにつれて硬度が大きくなる、耐熱温度が十分でない等の問題がある。また、前記カーボン製熱伝達シートは吸水性があるために、湿度の高い条件下では使用できない等、使用雰囲気が制限されるという問題もある。
【０００４】
前記問題を解決するために、未加硫ＥＰＤＭ等のオレフィン系樹脂中に該オレフィン系樹脂より融点の高いワックスを分散して含ませたものを母材とし、該母材より熱伝導率の高い充填材を含む熱伝達部材を、前記受熱部材と前記電子部品等の熱源との間に介在させることが提案されている（例えば特許文献１参照）。前記熱伝達部材は、３０〜６５℃の温度範囲で軟化して前記電子部材の表面形状に追随して柔軟に変形することにより、前記受熱部材と該電子部品とを密着させることができるとされている。
【０００５】
しかしながら、前記熱伝達部材は、母材より熱伝導率の高い充填材を含む熱伝達部材を含むものの、前述のように該母材自体は樹脂であるため、前記電子部品等の熱源の熱を伝熱するために十分な機能が得られないという不都合がある。
【特許文献１】特開２００２−９３９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる不都合を解消して、優れた熱伝導性を備える伝熱装置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】
【０００７】
かかる目的を達成するために、本発明は、熱源に付設される受熱部材と、該熱源と該受熱部材の間に介在する熱伝達部材とからなり、該熱源の熱を該熱伝達部材を介して該受熱部材に伝達する伝熱装置において、該熱伝達部材は該熱源の作動時の温度よりも融点の低い金属部材からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の伝熱装置では、前記熱伝達部材として前記熱源の温度よりも融点の低い金属部材を用い、前記熱源と前記受熱部材の間に該金属部材を介在させている。そこで、前記熱源の作動時に該熱源の温度が前記金属部材の融点よりも高くなると、該金属部材が溶融して形状追随性が向上し、該金属部材を介して該熱源と該受熱部材とを密着させることができる。
【０００９】
前記金属部材は、それ自体金属であるために溶融した状態であっても１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率を備えており、従来の伝熱シート、グリス、オレフィン系樹脂を母材とする伝熱材等の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ程度以下であるのと比較して、格段に高い熱伝導性を備えている。
【００１０】
従って、本発明の伝熱装置によれば、前記熱源の熱を効率よく伝熱することができる。
【００１１】
本発明の伝熱装置において、前記金属部材は前記熱源の作動時に該熱源の温度がその融点より高くなれば溶融し、該熱源が作動していないときに該熱源の温度が該融点より低くなれば固化する。従って、前記受熱部材は、前記熱源の非作動時には前記金属部材が固化することにより該熱源から着脱自在であり、該熱源の作動時には該金属部材が溶融することにより、該金属部材を介して該熱源に密着する。
【００１２】
前記受熱部材は前記熱源の非作動時に前記熱源から着脱自在であるので、本発明の伝熱装置は、前記熱源の交換、あるいは該伝熱装置の他の熱源への転用を容易に行うことができる。
【００１３】
前記金属部材を構成する金属は、前記熱源の作動時の温度よりも融点が低いものであればよく、このような金属として、例えばＩｎ，Ｇａ，Ｓｎまたはその合金を用いることができる。
【００１４】
ところで、前記金属部材は、前記熱源の温度がその融点より高くなると溶融するので、該熱源と前記受熱部材の間から漏洩する虞がある。そこで、本発明の伝熱装置では、前記受熱部材が、溶融した前記金属部材を保持して漏洩を防止する枠体を、その表面に備えることを特徴とする。前記枠体としては、例えば、優れた耐熱性と柔軟性とを備えたシリコーンゴム、フッ素樹脂等からなるものが用いられる。
【００１５】
また、前記受熱部材は、溶融した前記金属部材を表面張力により保持して漏洩を防止する穴部を、その表面に備えるものであってもよい。前記穴部は、溶融した前記金属部材を表面張力により保持できるものであれば、溝、凹凸、多孔質構造等、どのようなものであってもよい。また、前記穴部は、溶融した前記金属部材の濡れ性が良好であることが好ましく、このために例えば表面にＮｉ−Ｐメッキが施される。
【００１６】
また、本発明の伝熱装置において、前記受熱部材は、表面から内部に陥入し、固化した前記金属部材を保持する鋳込み穴部を備え、該鋳込み穴部は該受熱部材の表面部に該金属部材を係合させて脱落を防止する狭窄部を備える。前記金属部材は、前記熱源の温度がその融点より低くなって固化すると、前記鋳込み穴部に保持される。このとき、前記鋳込み穴部はその入口である前記受熱部材の表面部に前記狭窄部を備えているので、該鋳込み穴部内部の固化した前記金属部材は該狭窄部に係合することとなり、該受熱部材から脱落することがない。
【００１７】
本発明の伝熱装置を適用する熱源としては、半導体等の電子部品、特に高性能ＣＰＵ、パワーデバイス等が適している。また、本発明の伝熱装置は、冷却ばかりでなく、昇温のための熱伝達の促進にも有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の伝熱装置を示す説明的断面図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の伝熱装置１は、ガラス板２に重ねられた２枚のシリコーンゴムシート３，３上に配設された熱源４と、熱源４に付設される受熱部材としての銅合金製ヒートシンク５と、熱源４とヒートシンク５との間に介在された熱伝達部材としての低融点金属部材６とを備える。熱源３は、実際には半導体、パワーデバイス等の電子部品であるが、本実施形態では模擬的に、セラミックヒータ７と、純銅チップ８とから構成されている。
【００２０】
ヒートシンク５は、低融点金属部材６が鋳込まれる鋳込み穴部９を備えており、鋳込み穴部９は小径の狭窄部１０を介してヒートシンク５の表面に開口している。また、ヒートシンク５の表面には、狭窄部１０を囲んで軟質合成樹脂製枠体１１が配設されており、低融点金属部材６が溶融したときに漏洩しないようにされている。軟質合成樹脂製枠体１１としては、シリコーンゴム、フッ素樹脂等が用いられる。
【００２１】
また、ヒートシンク５の表面には、軟質合成樹脂製枠体１１に代えて、狭窄部１０を囲む領域に、溶融した金属部材６を表面張力により保持して漏洩を防止する穴部（図示せず）が設けられていてもよい。前記穴部は、溝部、凹凸、多孔質構造等の形状とすることができ、溝部である場合には格子状に設けたもの等が用いられる。また、前記穴部は、溶融した金属部材６に対する濡れ性を良好にするために、Ｎｉ−Ｐメッキ等が施されていることが好ましい。
【００２２】
そして、ヒートシンク５は、ボルト１２、ナット１３により、ガラス板２、シリコーンゴムシート３，３に取着されている。
【００２３】
低融点金属部材６を構成する金属は熱源４の作動時の温度より低温の融点を備えるものであり、このような金属として、Ｉｎ（融点１５６．４℃）、Ｇａ（融点２９．７８℃）、Ｓｎ（融点２３２℃）、Ｇａ−Ｓｎ合金等を挙げることができる。前記Ｇａ−Ｓｎ合金は、例えばＧａ７５重量％、Ｓｎ２５重量％の組成を備える場合、融点は５１℃である。
【００２４】
低融点金属部材６は、熱源４とヒートシンク５との間に配設された状態で、熱源４が作動して熱源４の熱により加熱されると、融点が熱源４の温度よりも低温であるために溶融する。この結果、低融点金属部材６が熱源４とヒートシンク５との両者の表面形状に随って変形すると共に、両者の隙間に充填され、ヒートシンク５は低融点金属部材６を介して熱源４に密着する。
【００２５】
このとき、低融点金属部材６は、溶融しているもののそれ自体金属であり熱伝導性に優れているので、熱源４の熱は低融点金属部材６を介してヒートシンク５に容易に伝達され、ヒートシンク５から放熱される。
【００２６】
一方、熱源４の温度が低融点金属部材６の融点より低くなって低融点金属部材６が固化すると、ヒートシンク５は低融点金属部材６を介して熱源４に密着している状態が解除され、熱源４に対して着脱自在になる。ヒートシンク５が熱源４に対して着脱自在であると、熱源４としての半導体やパワーデバイス自体を交換するときや、ヒートシンク５を他の熱源４に転用するときに、ヒートシンク５の取り外しを容易に行うことができるので便利である。
【００２７】
次に、本発明の実施例と比較例とを示す。
【実施例１】
【００２８】
本実施例では、図１に示す伝熱装置１において、厚さ５ｍｍのガラス板２上に、厚さ５ｍｍのシリコーンゴムシート３を２枚重ねて配置し、シリコーンゴムシート３上に１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．７５ｍｍのセラミックヒータ７を配置し、セラミックヒータ７上に１４ｍｍ×１４ｍｍ×１．５ｍｍの純銅チップ８を積層して、セラミックヒータ７、純銅チップ８をパワーデバイスに見立てた熱源４とした。
【００２９】
次に、８０ｍｍ×７０ｍｍ×４５ｍｍの銅合金製ヒートシンク５の表面に、低融点金属部材６を配設した。ヒートシンク５は、小径の狭窄部１０を介して表面に開口する鋳込み穴９を備えており、狭窄部１０は直径１０ｍｍ、深さ１ｍｍ、鋳込み穴９は直径１２ｍｍ深さ１ｍｍの大きさを備えている。また、ヒートシンク５の表面には、狭窄部１０を囲んで、外寸１４ｍｍ×１４ｍｍ、内寸１２ｍｍ×１２ｍｍの軟質合成樹脂製枠体１１が設けられている。尚、本実施例では、軟質合成樹脂製枠体１１はシリコーンゴム製のものを使用した。
【００３０】
次に、ヒートシンク５を７０℃に加熱し、鋳込み穴９に、Ｇａ−Ｓｎ合金（Ｇａ７５重量％、Ｓｎ２５重量％、融点５１℃）を鋳込み、冷却後、ヒートシンク５表面におけるＧａ−Ｓｎ合金の厚さが０．２ｍｍになるように加工して低融点金属部材６とした。
【００３１】
次に、低融点金属部材６が配設されたヒートシンク５を、低融点金属部材６が配設された面で純銅チップ８上に積層した。そして、ヒートシンク５を、ボルト１２、ナット１３によりガラス板２、シリコーンゴムシート３，３に取着した。
【００３２】
尚、純銅チップ８には、側面から中心部まで直径０．３ｍｍの穴が穿設されており、熱電対を挿入して中心部の温度を測定できるようになっている。
【００３３】
次に、セラミックヒータ７に６０Ｗの電流を供給して熱源４を作動させ、ヒートシンク５の上方から冷却ファンにより空冷する条件下に純銅チップ８の中心部の温度を測定した。このとき、雰囲気温度は２２．６４℃、純銅チップ８の中心部の温度は５３．４１℃であり、雰囲気と純銅チップ８中心部温度との温度差は３０．７６℃であった。結果を表１に示す。
【００３４】
前記純銅チップ８の中心部の温度は、低融点金属部材６を構成する前記Ｇａ−Ｓｎ合金の融点より高いので、前記Ｇａ−Ｓｎ合金からなる低融点金属部材６は溶融している状態であり、ヒートシンク５は低融点金属部材６を介して熱源４に密着していた。
【００３５】
また、セラミックヒータ７に対する電流の供給を停止して熱源４を非作動状態とし、純銅チップ８の中心部の温度を前記Ｇａ−Ｓｎ合金の融点未満にしたところ、該Ｇａ−Ｓｎ合金からなる低融点金属部材６が固化し、ヒートシンク５は熱源４に対して着脱自在となった。尚、固化した低融点金属部材６は鋳込み穴９に保持されると共に、狭窄部１０に係合しているので、ヒートシンク５から脱落することがなかった。
【実施例２】
【００３６】
本実施例では、実施例１で用いた軟質合成樹脂製枠体１１に代えて、ヒートシンク５の表面の狭窄部１０を囲む１８ｍｍ×１８ｍｍの領域に、幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝部（図示せず）を、０．５ｍｍ間隔で縦横に１８本ずつ格子状に形成し、該１８ｍｍ×１８ｍｍの領域に、該溝部の表面を含めて、厚さ約２５μｍのＮｉ−Ｐメッキを施した。
【００３７】
次に、ヒートシンク５を７０℃に加熱し、鋳込み穴９に、Ｇａ−Ｓｎ合金（Ｇａ７５重量％、Ｓｎ２５重量％、融点５１℃）を鋳込み、冷却後、Ｇａ−Ｓｎ合金の表面がヒートシンク５表面と面一になるように加工して低融点金属部材６とした。
【００３８】
本実施例では、ヒートシンク５の表面に前記溝部を形成した以外は、実施例１と全く同一にして純銅チップ８の中心部の温度を測定した。
【００３９】
このとき、雰囲気温度は２２．６６℃、純銅チップ８の中心部の温度は５３．２２℃であり、雰囲気と純銅チップ８中心部温度との温度差は３０．５６℃であった。結果を表１に示す。
【００４０】
本実施例では、実施例１と同様に、前記Ｇａ−Ｓｎ合金からなる低融点金属部材６は溶融している状態であり、ヒートシンク５は低融点金属部材６を介して熱源４に密着していた。また、セラミックヒータ７に対する電流の供給を停止して熱源４を非作動状態とし、純銅チップ８の中心部の温度を前記Ｇａ−Ｓｎ合金の融点未満にしたところ、該Ｇａ−Ｓｎ合金からなる低融点金属部材６が固化し、ヒートシンク５は熱源４に対して着脱自在となった。尚、固化した低融点金属部材６は、実施例１の場合と同様に、鋳込み穴９に保持されると共に、狭窄部１０に係合しているので、ヒートシンク５から脱落することがなかった。
〔比較例１〕
本比較例では、鋳込み穴９を備えていないヒートシンク５を、低融点金属部材６を介することなく熱源４上に積層し、ヒートシンク５と熱源４との間に全く熱伝導部材を配設しなかった以外は、実施例１と全く同一にして純銅チップ８の中心部の温度を測定した。
【００４１】
このとき、雰囲気温度は２２．６４℃、純銅チップ８の中心部の温度は５８．７７℃であり、雰囲気と純銅チップ８中心部温度との温度差は３６．１３℃であった。結果を表１に示す。
〔比較例２〕
本比較例では、鋳込み穴９を備えていないヒートシンク５を、低融点金属部材６を介することなくサーマルグリスを塗布した熱源４上に積層した以外は、実施例１と全く同一にして純銅チップ８の中心部の温度を測定した。
【００４２】
このとき、雰囲気温度は２２．６８℃、純銅チップ８の中心部の温度は５６．７８℃であり、雰囲気と純銅チップ８中心部温度との温度差は３４．１０℃であった。結果を表１に示す。
〔比較例３〕
本比較例では、鋳込み穴９を備えていないヒートシンク５を、低融点金属部材６を介することなく熱源４上に積層し、ヒートシンク５と熱源４との間に厚さ０．２５ｍｍのカーボン製熱伝達シートを配設した以外は、実施例１と全く同一にして純銅チップ８の中心部の温度を測定した。
【００４３】
このとき、雰囲気温度は２２．６５℃、純銅チップ８の中心部の温度は５６．５８℃であり、雰囲気と純銅チップ８中心部温度との温度差は３３．９３℃であった。結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
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表１から、溶融した低融点金属部材６を介してヒートシンク５が熱源４に密着している場合（実施例１，２）には、ヒートシンク５と熱源４との間に全く熱伝達部材を配設しない場合（比較例１）、低融点金属部材６に代えてサーマルグリス、カーボン製熱伝達シートを配設した場合（比較例２，３）に対して、純銅チップ８の温度が低く、雰囲気と純銅チップ８中心部との温度差が大きくなっており、熱源４とヒートシンク５との間で優れた熱伝導性が得られることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の伝熱装置の一構成例を示す説明的断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１…伝熱装置、  ４…熱源、  ５…受熱部材、  ６…熱伝達部材、  ９…鋳込み穴部、  １０…狭窄部。
【図１】
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