(57)【要約】【課題】高い放熱性能を持つとともに安価に製造できるヒートシンクを提供する。【解決手段】ベース板（３）上に複数の放熱フィン（２）が並設され、かつ前記ベース板（３）内に密閉された空洞部（４）が設けられ、前記空洞部（４）内に複数のインナーフィン（５）が配置されたヒートシンクであって、（ａ）前記ベース板（３）が前記放熱フィン（２）と平行方向で切断された形状の複数個のベース枠部材、および（ｂ）前記ベース枠部材（ａ）と前記放熱フィン（２）とが一体的に形成された複数個の一体型フィン部材、をサンドイッチ状に積層し接合して形成されており、かつ、前記のベース枠部材（ａ）又は一体型フィン部材（ｂ）に前記インナーフィン（５）が一体的に形成されている、積層接合ヒートシンク（１）。【選択図】図４
2007129104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板上に複数の放熱フィンが並設され、かつ前記ベース板内に密閉された空洞部が設けられ、前記空洞部内に複数のインナーフィンが配置されたヒートシンクであって、
（ａ）前記ベース板が前記放熱フィンと平行方向で切断された形状の複数個のベース枠部材、および
（ｂ）前記ベース枠部材（ａ）と前記放熱フィンとが一体的に形成された複数個の一体型フィン部材、
をサンドイッチ状に積層し接合して形成されており、かつ、前記の一体型フィン部材（ｂ）に前記インナーフィンが一体的に形成されていることを特徴とする積層接合ヒートシンク。
【請求項２】
前記のベース板内における空洞部内の底面に、前記のベース枠部材（ａ）又は一体型フィン部材（ｂ）と同じ幅の溝が複数形成されていることを特徴とする請求項１記載の積層接合ヒートシンク。
【請求項３】
前記接合が無フラックスろう付接合であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層接合ヒートシンク。
【請求項４】
前記無フラックスろう付接合が大気中で行われることを特徴とする請求項３記載の積層接合ヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップなどの被冷却素子等を冷却するのに好適なヒートシンクに関し、さらに詳しくは、サーバやパソコンのＣＰＵ、レーザ発光ダイオード、パワートランジスタなどに用いられる高性能のヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵやレーザ発光ダイオード等の電気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、その使用による発熱が避けがたく、また高性能化により発熱量が高くなっており、その冷却が重要である。このような冷却を要する電気・電子素子（以下、被冷却素子という。）を冷却するために、より冷却性能が高く、安価なヒートシンクが求められている。
【０００３】
サーバやパソコンには、放熱性能を高めるためフィンピッチの小さいヒートシンクが使用されている。このようなヒートシンクとして、例えば、銅のベース板にフィンをハンダ付けしたものがある。しかし、ピッチを小さく密に（１．５ｍｍ以下）フィンをベース板（ＣＰＵなどの取付板）に接合するのにハンダ付けされており、非常にコスト高だった。また、ハンダ付け部に生じる熱抵抗が大きいという問題があった。更に、ピッチを小さくするとハンダ付け部の面積が小さくなり、フィンの接合強度が弱くなるという問題もあった。
また、アルミや銅のベース板に、フィンとなる薄い板をカシメ接合したヒートシンクがある。しかし、ベース板にフィンのピッチ決めのための溝加工が必要であり、非常に高価であった。また、フィンがカシメ接合のため、ピッチを小さくすることができず放熱性能が劣り、しかもカシメ接合のため取れやすく、衝撃や振動に弱いという問題もあった。
【０００４】
これらの問題を解決したものとして、ベース板内に空洞部を設けて平面型ヒートパイプとし、かつ、当該平面型ヒートパイプの筐体の横断面に沿って切断された形状の複数個の枠部材と、上述した枠部材に対応する枠部材とフィン部とが一体的に形成された複数個の一体型フィン部材とを積層しろう付接合した、平面型ヒートパイプを備えるヒートシンクがある（例えば特許文献１参照）。このヒートシンクは、フィンピッチを小さくできるため空気への放熱性能に優れ、そのベース板がヒートパイプ化され熱を広範囲に拡散できるため放熱性能が高いものである。また、ベース板とフィンとが一体的に形成されるため、ベース板とフィンとの間の熱抵抗が少ない。
しかしながら、このようなヒートシンクでも被冷却素子からの入熱が大きくなると、ベース板から作動液（冷媒）への熱移動が十分行われず、作動液がドライアウト（枯渇）して冷却性能がほとんど失われるという問題があった。
【特許文献１】特開２００３−８３６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、高い放熱性能を持つとともに安価に製造できるヒートシンク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】
【０００６】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、ベース板内に空洞部を設けて平面型ヒートパイプを備えた特許文献１記載のヒートシンクにおいて、ベース板とフィンとを一体的に形成することでベース板とフィンとの間の熱抵抗を少なくしつつ、さらにベース板内の空洞部内に複数のインナーフィンを設けて作動液に接するベース板内の表面積を増加させることにより、大量の熱を輸送でき冷却効率を向上させることができることを見い出した。本発明はこのような知見に基づきなされるに至ったものである。
すなわち、本発明は、
［１］ベース板上に複数の放熱フィンが並設され、かつ前記ベース板内に密閉された空洞部が設けられ、前記空洞部内に複数のインナーフィンが配置されたヒートシンクであって、
（ａ）前記ベース板が前記放熱フィンと平行方向で切断された形状の複数個のベース枠部材、および
（ｂ）前記ベース枠部材（ａ）と前記放熱フィンとが一体的に形成された複数個の一体型フィン部材、
をサンドイッチ状に積層し接合して形成されており、かつ、前記のベース枠部材（ａ）又は一体型フィン部材（ｂ）に前記インナーフィンが一体的に形成されていることを特徴とする積層接合ヒートシンク、
［２］前記の一体型フィン部材（ｂ）に前記インナーフィンが一体的に形成されていることを特徴とする［１］項に記載の積層接合ヒートシンク、
［３］前記のベース板内における空洞部内の底面に、前記のベース枠部材（ａ）又は一体型フィン部材（ｂ）と同じ幅の溝が複数形成されていることを特徴とする［１］又は［２］項に記載の積層接合ヒートシンク、
［４］前記接合が無フラックスろう付接合であることを特徴とする［１］〜［３］のいずれか１項に記載の積層接合ヒートシンク、および
［５］前記無フラックスろう付接合が大気中で行われることを特徴とする［４］項に記載の積層接合ヒートシンク
を提供するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のヒートシンクは、ベース板とフィンとが一体的に形成されているのでベース板とフィンとの間の熱抵抗が少なく、また、ベース板内の空洞部内に複数のインナーフィンが小さいピッチで設けられているので被冷却素子などの熱を効率良く作動液に伝えることができ、高い放熱性能を有する。また、ベース枠部材と一体型フィン部材とを自由に組み合わせることで、所望の形状のヒートシンクを安価に自由に設計することができる。
また、本発明のヒートシンクは、ベース板内における空洞部内の底面に小さいピッチの溝が複数形成されているので、作動液とベース板との接触面積が大きく効率のよい熱移動が可能となる。
また、本発明のヒートシンクは、無フラックスろう付接合で接合されることにより、作動液の流れる流路が埋まったりすることのない高品位な製品を作製することができ、特に、大気中において無フラックスろう付接合される場合には、真空等の雰囲気制御が不要であり安価に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好ましい一実施態様について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図の説明において同一の要素には同一の符号を付す。
図１〜７は本第１実施態様を適用したヒートシンクの基本的な概要構成を示すものである。
【０００９】
図１は、本発明のヒートシンクの好ましい一実施態様における外観態様を模式的に表した全体斜視図である。図２は図１のII−II’線の横断面斜視図であり、図３は図１のIII−III’線の縦断面斜視図であり、図４は図１のIV−IV’線の縦断面斜視図であり、図５は図１のＶ−Ｖ’線の縦断面斜視図である。図１〜５に示すように、本発明のヒートシンク１には、ベース板３上に複数の放熱フィン（アウターフィン）２が並設され、かつ前記ベース板３内に密閉された空洞部４が設けられ、前記空洞部４内に複数のインナーフィン５が配置されている。
【００１０】
まず、本発明のヒートシンクの製造方法について説明する。
図６は、図１のヒートシンクの一部を各構成部材に分解して示す分解斜視図である。図６に示すように、本発明のヒートシンクは、（ａ）前記ベース板３が前記放熱フィン２と平行方向で切断された形状の複数個のベース枠部材１２および（ｂ）前記ベース枠部材１２（ａ）と前記放熱フィン２とが一体的に形成された複数個の一体型フィン部材１１又は１３の各部材を適宜組み合わせ、サンドイッチ状に積層して接合することにより形成されている。ここで、前記の一体型フィン部材１３はインナーフィン一体型フィン部材であり、前記一体型フィン部材１１と前記インナーフィン５とが一体的に形成されている。また、前記ベース枠部材１２の代わりに、図７に示されるベース枠部材１４を部分的に使用してもよい。
【００１１】
本発明のヒートシンクは、前記のベース枠部材１２又は１４と前記のフィン部材１１又は１３とを交互に組み合わせてそれらを接合し、更にその両端部に平らな板材を接合してベース板３内の空洞部４を密閉することで形成することができる。このように各構成部材間の接合がすべて面接合で行われることにより、全体剛性が高く、耐圧性にも優れ、熱応力または圧力変動に伴う応力が好適に分散され、亀裂・冷媒漏れが生じにくい。また、インナーフィン５が前記のベース枠部材１４又はフィン部材１３に一体的に形成されているため、各部材を積層接合することで簡便にインナーフィン５を空洞部４内に設置することができる。
インナーフィン５は、前記のベース枠部材１４又はフィン部材１３に一体的に形成されているが、特に、前記フィン部材１３に一体的に形成されていることが好ましい。インナーフィン５が放熱フィン２と一体的に形成されているフィン部材１３は、インナーフィン５から放熱フィン２へ少ない抵抗で熱を伝えることができるため、冷却効率が優れる。
【００１２】
前記のベース枠部材１２又は１４及び前記のフィン部材１１又は１３の縦・横の大きさ、および、厚さ、並びにこれらを組み合わせる部材数を、適宜選択することによって、空洞部４の大きさや放熱フィン２の長さ等の形状を任意に設計することができ、所望の形状のヒートシンクを作製することができる。
【００１３】
各部材の接合は、ろう付（銀ろう、銅ろう、錫ろう）、低温ハンダ、各溶接（ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接）等の任意の方法により行うことができるが、無フラックスろう付方法により行うことが好ましい。具体的には、前記のベース枠部材１２又は１４をブレージングシートにより作製し、各構成部材を所望のヒートシンク形状になるように積層した後、真空中で加熱することによりブレージングシート中のろう材が溶融して接合が行われる。この方法は真空中で１回加熱するだけで全体の接合ができるので簡便な製造が可能となる。また、複雑で高価な機械加工などを行う必要がないため、安価に生産性良く製造できる。さらに、特開２００３−１２４４０９号公報や「古河電工時報」第１１５号（平成１７年１月）ｐ．４７−５０等に記載されている大気中・無フラックスろう付方法により行うことがより好ましい。この方法によれば大気中で製造でき、真空等の雰囲気制御が不要であるためより安価に作製することができる。また、ろう材が流れて一部にたまってフィン同士の隙間などを埋めることがなく、フィンピッチの狭幅化が可能となる。また、高品位な面接合が得られるので、ヒートシンクの伝熱性が良い。
【００１４】
次に、本発明のヒートシンクの構成について説明する。
本発明のヒートシンクは、ベース板３内に密閉された空洞部４が設けられており、空洞部４内には作動液（冷媒）が封入されている。ベース板３の側面には、空洞部４に作動液を封入するための導入口３１が設けられている。このような構成によりベース板３は平面型ヒートパイプとして作用する。すなわち、本発明のヒートシンクはヒートパイプを備える。
【００１５】
密閉された空洞部内に封入される作動液としては、作動温度によって、ヘリウム、メタン、アンモニウム、アセトン、水、ナフタレン、ナトリウム、銀等が用いられ、ベース板の材質との適合性を考慮して選択することができる。
【００１６】
空洞部４内の底面には、前記のベース枠部材（ａ）又は一体型フィン部材（ｂ）と同じ幅の溝７が複数形成されていることが好ましい。この溝７により作動液とベース板との接触面積が大きく効率のよい熱移動が可能となる。またこの溝７に凝縮した作動液が集まって流れることでドライアウトしにくくなる。
溝７は、例えば、前記のベース枠部材１２又は１４の底部１２ａ又は１４ａの高さと、前記のフィン部材１１又は１３の底部１１ａ又は１３ａの高さとを変えて積層することで形成することができる。
【００１７】
本発明のヒートシンク１の前記空洞部４内には複数のインナーフィン５が配置される。インナーフィン５は並列的に配置することができ、図２に示した第１実施態様では４列配置されているがこれに限定されない。図８及び９に本発明のヒートシンクの別の好ましい一実施態様（第２及び第３実施態様）を示すが、図８に示した第２実施態様では３列配置されており、図９に示した第３実施態様では５列配置されている。
【００１８】
インナーフィン５は、多くの熱を効率良く作動液に伝えるため、被冷却素子に当たる部分に対応する空洞部４内の位置に配置されることが好ましい。具体的な配置領域は、被冷却素子の位置や数量、ヒートシンクの設置姿勢（縦置き又は横置き）などに応じて適宜決定できるが、好ましくは被冷却素子がヒートシンク１のベース板３に当たる面積の１〜１０倍の領域である。
また、インナーフィンは、被冷却素子に当たる部分に対応する空洞部４内の位置以外の場所に配置してもよい。例えば、被冷却素子に当たる部分に対応する位置から離れた空洞部４内の位置は、作動液を凝縮させる役割を果たす場合があるが、このような位置にインナーフィンを配置することにより、凝縮のための表面積が増し、作動液の蒸発・凝縮のサイクルを速めることで冷却性能を向上させることができる。このようなインナーフィンとして、図２ではインナーフィン６が示されている。
また、インナーフィンは、作動液の蒸気圧でベース板が膨張しないように耐圧部材としても作用する。したがって、空間内のバランスを取るために、インナーフィン６を被冷却素子に当たる部分に対応する空洞部４内の位置以外の場所に配置することが好ましい。例えば、図２及び図９ではインナーフィン６は２ヵ所に設置されており、図８ではインナーフィン６は４ヵ所に設置されているが、本発明はこれらに限定されない。
【００１９】
インナーフィン間の間隔は適宜設定することができるが、狭すぎると作動液の流れを阻害する一方、広すぎるとインナーフィンを経由する効率的な熱伝達が行われにくくなる。したがって、例えば０．３ｍｍ以上が好ましく、０．５ｍｍ以上がより好ましく、また、３０ｍｍ以下が好ましく、１０ｍｍ以下がより好ましい。
インナーフィンの形状は適宜設定することができるが、伝熱効率及び作動液の流れの観点から、その幅は例えば５〜１００ｍｍが好ましく、１０〜６０ｍｍがより好ましく、またその板厚は例えば０．２〜５ｍｍが好ましく、０．３〜２．５ｍｍがより好ましい。
【００２０】
インナーフィンによって、被冷却素子からの熱を拡散して熱密度を均一化することができる。なお、特開２００３−８３６８８号公報の図８には、空洞部内に複数の部材を重ねることによって形成された金属ブロックを配置する態様のヒートシンクが記載されている。本発明に用いられる複数のインナーフィンは、当該公報記載の金属ブロックに比べて著しく大きな表面積を有しており、より多くの熱を作動液及び放熱フィンに効率よく移動させることができる。さらに、後述するように放熱フィン２と一体的に形成されることで、更により多くの熱を作動液及び放熱フィンに効率よく移動させることができる。したがって、本発明のヒートシンクは当該公報記載のヒートシンクよりも冷却効率に優れ、しかも作動液がドライアウトしにくいという効果を奏する。
【００２１】
放熱フィン２の形態は問わず、格子状であっても、図示したような櫛状であってもよい。
放熱フィン２内には、特開２００３−８３６８８号公報の図２又は図５に記載されているように、水平方向の空洞部に連通する垂直方向の別の空洞部を形成してもよい。また、この垂直方向の別の空洞部内にはウイックを形成してもよい。
冷却速度を上げるために、放熱フィン２間により多くの空気が流れるようにダクトを設けてもよい。
【００２２】
本発明のヒートシンクは、その底面に被冷却素子が当たるように配置される。このとき、上述したように、被冷却素子に当たる部分に対応する空洞部４内の位置にインナーフィン５が配置されていることが好ましい。
ヒートシンクは、図１〜５、８及び９に示したようにベース板が水平方向となるように配置してもよく、また、ベース板が垂直方向となるように配置してもよい。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図９に記載されたヒートシンクを作製した（以下ヒートシンクＡという。）。ヒートシンクＡの大きさは、全高９６ｍｍ（うちベース高さ１３ｍｍ）、幅６８ｍｍ、長さ１００ｍｍとした。また、インナーフィン５は幅６ｍｍ、厚さ０．８ｍｍとし、５列配置した。各列の間隔は５ｍｍあけた。また、インナーフィン６は幅１０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍとし、２ヵ所に配置した。
高さ１３ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ１．８ｍｍのベース枠部材（インナーフィン有無の２種類）および高さ９６ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのフィン部材（インナーフィン有無の２種類）の各部材を組み合わせて、特開２００３−１２４４０９号公報記載の方法で大気中・無フラックスろう付した後、被冷却素子に接する面を面削することによりヒートシンクＡを作製した。作動液には１６ｇのハイドロクロロフルオロカーボンＲ１２３を用い、これを空洞部４内に封入した。
比較例として、特開２００３−８３６８８号公報記載のヒートシンクを作製した（ヒートシンクＢ）。ヒートシンクＢは、特開２００３−８３６８８号公報の図４に記載された部材を用い、インナーフィンを設けなかったこと以外はヒートシンクＡと同様にして作製した。また、空洞部を設けなかったこと以外はヒートシンクＡと同様にしてヒートシンクＣを作製した。
【００２４】
ヒータブロック（２０×２０ｍｍ）をヒートシンクＡのインナーフィンの直下となる位置に配置した。またヒートシンクＢ及びＣについても同様の位置に配置した。それぞれのヒートシンクの放熱フィンの前にダクトを形成し、放熱フィンの間を風速１．６ｍ／ｓで風が流れるように設定した。それぞれヒータブロックに８０Ｗ入力したときの、ベース板内の温度差を測定した。図９における符号９１で示した位置（ベース板の被冷却素子に接する面側であってヒータブロックのすぐ脇の位置）における温度と符号９２で示した位置（ベース板の被冷却素子に接する面側の位置）における温度との温度差を表１に示す。
【００２５】
【表１】
2007129104.tif 000003
【００２６】
また、上記のようにヒータブロックを各ヒートシンクに配置した状態で、各ヒートシンクを縦置きにして（ベース板が垂直方向になるようにして）風が下から上に抜けるように配置し、それぞれヒータブロックに８０Ｗ入力したときのベース板内の温度差を上記と同様に測定した。結果を表２に示す。
【００２７】
【表２】
2007129104.tif 000004
【００２８】
表１の結果から明らかなように、従来のヒートシンクＣでは、ヒータブロックのすぐ脇の位置（図９における符号９１で示した位置）の温度は６５℃であり、ヒータブロックから離れた位置（図９における符号９２で示した位置）の温度は４１℃であり、その温度差は２４℃であり、ヒータブロック付近の熱を効率的に冷却できなかった。また、ヒートパイプを備えるがインナーフィンのないヒートシンクＢではやや放熱性能が向上しているものの測定した温度差は１９℃であった。
これらに対し、ヒートパイプを備え空洞部内にインナーフィンが配置された本発明のヒートシンクＡでは、ヒータブロックのすぐ脇の位置（図９における符号９１で示した位置）の温度は５８℃まで冷却される一方、ヒータブロックから離れた位置（図９における符号９２で示した位置）の温度は４３℃に上昇しており、熱源付近だけでなくヒートシンク全体に熱が伝達されており、放熱性能が高いことがわかった。
また、表２の結果から明らかなように、ヒートシンクを縦置きにして（ベース板が垂直方向になるようにして）風が下から上に抜けるように配置することでその放熱性能の差がさらに顕著に現れており、本発明のヒートシンクＡでは、測定した温度差はわずか５℃でありヒートシンク全体に熱伝達することで、熱源付近の温度を５０℃まで冷却することができた。
以上の結果から、本発明のヒートシンクＡは、インナーフィンのないヒートシンクＢ及び空洞部のないヒートシンクＣに比べて、大幅にベース板内の温度差が小さくなることがわかった。このことから本発明のヒートシンクは、熱伝達特性に優れ、高い放熱性能を有することがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明のヒートシンクの好ましい一実施態様における外観態様を模式的に表した全体斜視図である。
【図２】図２は、図１のII−II’線の横断面斜視図である。
【図３】図３は、図１のIII−III’線の縦断面斜視図である。
【図４】図４は、図１のIV−IV’線の縦断面斜視図である。
【図５】図５は、図１のＶ−Ｖ’線の縦断面斜視図である。
【図６】図６は、図１のヒートシンクの一部を各構成部材に分解して示す分解斜視図である。
【図７】図７は、図１のヒートシンクに用いることができる部材を示す斜視図である。
【図８】図８は、本発明のヒートシンクの別の好ましい一実施態様における横断面斜視図である。
【図９】図９は、本発明のヒートシンクのさらに別の好ましい一実施態様における横断面斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ヒートシンク
２  放熱フィン（アウターフィン）
３  ベース板
４  空洞部
５、６  インナーフィン
７  溝
１１  一体型フィン部材
１２  ベース枠部材
１３  インナーフィン一体型フィン部材
１４  インナーフィン一体型ベース枠部材
１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ  底部
【図１】
2007129104.tif 000005
【図２】
2007129104.tif 000006
【図３】
2007129104.tif 000007
【図４】
2007129104.tif 000008
【図５】
2007129104.tif 000009
【図６】
2007129104.tif 000010
【図７】
2007129104.tif 000011
【図８】
2007129104.tif 000012
【図９】
2007129104.tif 000013