(57)【要約】【課題】カーボン材を使用した放熱板の機械的強度の向上と製造コストの低減を両立させる。【解決手段】この発明の放熱板１１は、板状のカーボンベース体１、およびカーボンベース体１の周囲を覆った状態で密閉される高熱伝導性シール材２，３を有する。カーボンベース体１は、例えば、カーボン粒子を板状に圧縮固形化したものを好適に使用できる。高熱伝導性シール材２，３は、熱伝導率が高く、展性に優れた金属製の板金を好適に使用できる。このような金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または銅合金などが挙げられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のカーボンベース体と、
前記カーボンベース体の周囲を覆った状態で密閉される高熱伝導性シール材と、
により構成された放熱板。
【請求項２】
前記カーボンベース体が、カーボン粒子を板状に圧縮固形化したものからなる請求項１に記載の放熱板。
【請求項３】
前記高熱伝導性シール材が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または銅合金製の板金からなる請求項１または２に記載の放熱板。
【請求項４】
前記カーボンベース体と前記高熱伝導性シール材の間に高熱伝導性フィラを分散混合したバインダ層を有する請求項１〜３のいずれかに記載の放熱板。
【請求項５】
カーボン粒子を板状に圧縮固形化してカーボンベース体を形成する工程と、
前記カーボンベース体の表裏面に２枚の高熱伝導性シール材を配置し加熱状態で前記カーボンベース体側面に沿って前記シール材を折り曲げながら前記カーボンベース体と前記シール材を圧接する工程と、
各高熱伝導性シール材の当接する部分を巻き締めて前記カーボンベース体全体を密閉状態でシールする工程と、
その後冷却する工程と、とを有する放熱板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、ＬＳＩチップのヒートスプレッダ、半導体パワーモジュールのヒートシンクとして用いられる放熱板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノチューブなどのカーボン材は、一般的な高熱伝導材料であるアルミニウムや銅と同等の熱伝導率を備え、なおかつ銅よりも優れた熱分散特性を備えていることから、ＬＳＩチップのヒートスプレッダ、半導体パワーモジュールのヒートシンクなどに用いられる放熱板用の材料として注目されている。
【０００３】
そのような放熱板用の材料として、例えば、特許文献１、２には、カーボン材を板状に圧縮固形化したカーボンベース体に金属粒子を含浸してなる複合材が提案されている。また、特許文献３には、金属の膜で被覆したカーボン繊維またはカーボンナノチューブを束ねて焼結してなる複合材が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２０３９７３号公報
【特許文献２】特開２００１−５８２５５号公報
【特許文献３】特開２０００−２９４６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、カーボン材は強度が弱く、もろい、割れやすい、傷つきやすいといった欠点があり、特許文献１、２に提案された複合材では、金属粒子はカーボン材の隙間に担持されているにすぎず、カーボン材の結合力を高めるものではないため、放熱板の機械的強度に課題があった。
【０００６】
また、特許文献３に提案された複合材は、カーボン繊維またはカーボンナノチューブの１本１本を金属の膜で被覆したり、これらを束ねて焼結したりするなど製造工程が非常に複雑であり、コストが高くなる問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みて、カーボン材を使用した放熱板の機械的強度の向上と製造コストの低減を両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の放熱板は、板状のカーボンベース体と、前記カーボンベース体の周囲を覆った状態で密閉される高熱伝導性シール材と、により構成される。
【０００９】
この構成によると、カーボンベース体が高熱伝導性シール材に覆われることで保護されるので、単独のカーボンベース体に比べて剛性が増強される。また、カーボンベース体を一塊として高熱伝導性シール材により覆うだけでよいので、製造工程も複雑にはならない。さらに密閉することで、カーボンベース体と高熱伝導性シール材との間に空気や不純物が入ることを防ぐことができるため、熱伝導性を阻害しないとともに、酸化を防ぎ劣化しない効果もある。
【００１０】
このような放熱板は、カーボン粒子を板状に圧縮固形化してカーボンベース体を形成する工程と、前記カーボンベース体の表裏面に２枚の高熱伝導性シール材を配置し加熱状態でカーボンベース体に沿って折り曲げていく工程と、各高熱伝導性シール材が当接する部分を巻き締めてカーボンベース体全体を密閉状態でシールする工程と、その後冷却する工程と、によって製造される。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、カーボン材を使用した放熱板の機械的強度の向上と製造コストの低減を両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の一実施形態に係る放熱板を示す概略断面図である。
【図２】カーボンベース体形成工程で使用する金型を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図３】カーボン粒子を板状に圧縮固形化してカーボンベース体を形成する工程を説明する概略断面図である。
【図４】カーボンベース体を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図５】カーボンベース体を２枚のアルミニウム板で挟んだ積重体を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図６】アルミニウム板の折り曲げ工程で使用する金型を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図７】２枚のアルミニウム板を、加熱状態でカーボンベース体に沿って折り曲げていく工程を説明する概略断面図である。
【図８】２枚のアルミニウム板の当接する部分を巻き締める工程を説明する概略断面図である。
【図９】２枚のアルミニウム板の当接する部分の他の例を示す要部断面図である。
【図１０】この発明の他の実施形態に係る放熱板を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この発明の一実施形態に係る放熱板の概略構成を図１を参照して説明する。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る放熱板１１は、板状のカーボンベース体１、およびカーボンベース体１の周囲を覆う高熱伝導性シール材２，３を有する。
【００１５】
カーボンベース体１は、例えば、カーボン材を板状に圧縮固形化したものを好適に使用できるが、これに限らず、人造ダイヤモンドやグラファイトなどの結晶性炭素材料を板状に加工したものでも良い。カーボン材には、カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノチューブなどが挙げられる。特に、カーボン粒子は安価で入手しやく、成形容易であるため好適である。なお、特許文献１、２のように、カーボンベース体１に金属粒子を含浸させても良い。
【００１６】
高熱伝導性シール材２，３は、熱伝導率が高く、展性に優れた金属製の板金を好適に使用できる。このような金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または銅合金などが挙げられる。特にアルミニウムは、加工性が良く、安価で入手しやすいため好適である。
【００１７】
以下、この放熱板１１の製造工程を図２〜図８を参照しながら順を追って説明する。
【００１８】
まず、カーボンベース体形成工程で使用する金型２０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、上面が開放された有底の角筒状を呈する。図２（ｂ）の平面図を示すように、金型２０の内側底面２０Ｂの平面形状は、４隅が丸み２０Ａを帯びた長方形を呈している。なお、図示はしないが、プレス体３０も、この金型２０の内側底面２０Ｂの形状に対応した平面形状を有している。
【００１９】
図３（ａ）に示すように、金型２０の中に、必要量のカーボン粒子１’を収容する。次に、図３（ｂ）に示すように、金型の２０内で、上方からプレス体３０を水平に降ろすことによりカーボン粒子１’が金型２０の底面方向に圧縮され、カーボン粒子が金型２０に倣った形状に固形化する。これによって、板状のカーボンベース体１が得られる。
【００２０】
上述のようにして得られたカーボンベース体１の平面形状は、図４（ｂ）に示すように、長方形の４隅が面取りされた形状を呈する（丸み１Ａ参照。）。このようにカーボンベース体１の４隅を面取りして丸み１Ａを持たせる形状にすることで、後述するアルミニウム板２，３の折り曲げ工程で、アルミニウム板を、その展性で伸ばしながらカーボンベース体１の側面に隙間なく密着させることができる。
【００２１】
次に、図５（ａ），（ｂ）に示すように、カーボンベース体１の表面１Ｂ（図では上面。）にアルミニウム板２の内面２Ｂを、カーボンベース体１の裏面１Ｃ（図では下面。）にアルミニウム板３（本発明の高熱伝導性シール材に相当する。）の内面３Ｂを配置した積重体を形成する。
【００２２】
図５（ｂ）に示すように、アルミニウム板２，３の面積は、カーボンベース体１の面積よりも大きく、アルミニウム板２，３の平面形状はカーボンベース体１の平面形状を拡大した相似形を呈している。下側のアルミニウム板３は、カーボンベース体１の厚み分を考慮して上側に配置されるアルミニウム板２よりも面積が大きくなっている。
【００２３】
上記のように構成されるアルミニウム板３、カーボンベース体１、およびアルミニウム板２は、この順に重ねられ、アルミニウム板２，３の周辺に周辺部２Ａ，３Ａが形成される。周辺部２Ａはカーボンベース体１の周縁に対応する位置からアルミニウム板２の厚みだけ内側の部分からアルミニウム板２の周縁までの範囲で、周辺部３Ａはカーボンベース体１の周縁に対応する位置からアルミニウム板３の周縁までの範囲であり、詳細は後述する。アルミニウム板２，３の厚みは、ある程度の剛性を保ちながらも、加工性が損なわれない程度の厚みであることが望ましく、例えば、0.1〜2ｍｍ程度が好適である。
【００２４】
次に、図６（ａ），（ｂ）を用いてアルミニウム板の折り曲げ工程で使用する金型４０を説明する。図６（ａ），（ｂ）に示すように、金型４０の内側底面４０Ｂの平面形状は、上面が開放された有底の角筒状を呈する。金型４０の内側底面４０Ｂの平面形状および図示しないプレス体５０の平面形状は、４隅が丸み４０Ａを帯びた長方形を呈しており、カーボンベース体１の平面形状と相似している。また、プレス体５０の平面形状の面積はカーボンベース体１の面積よりも若干小さめ（カーボンベース体１の周縁からアルミニウム板２の厚み分程度縮小）に、金型４０の内側底面４０Ｂの面積はカーボンベース体１の面積よりも若干大きめ（カーボンベース体１の周縁にアルミニウム板３の厚み分程度拡大）に設定される。これにより、金型４０の内壁とプレス体５０の側面の間には、２枚のアルミニウム板２，３を挟んで圧力を加えられるだけのクリアランスが形成される。なお、アルミニウム板２，３の面積は金型４０の内側底面４０Ｂの面積よりも十分大きいものである。
【００２５】
なお、金型４０の内壁と一定のクリアランスを保って対向するプレス体５０の側面は、後述するアルミニウム板２，３の周辺部２Ａ，３Ａの一部を折り曲げ、巻き締める工程で利用される。
【００２６】
次に、図７（ａ），（ｂ）に示すように、金型４０の上面開口に載置したカーボンベース体１とアルミニウム板２，３の積重体に対してプレス体５０を用いてアルミニウム板２の外面２Ｃ側から徐々に金型４０の底面に向かって水平に押しつけていき、アルミニウム板２，３の周辺部２Ａ，３Ａをカーボンベース体１の側面に沿って上方へと折り曲げていく。このとき、金型４０およびプレス体５０は図示しない加熱手段により高温に加熱されており、アルミニウム板２，３を加熱しながらこれらの周辺部２Ａ，３Ａの折り曲げを行えるようになっている。
【００２７】
線膨張係数が大きいアルミニウム板２，３を加熱することにより、アルミニウム板２，３は軟化して伸張した状態でカーボンベース体１の表裏面１Ｂ，１Ｃに圧接されながら、カーボンベース体１の側面に沿って折り曲げられる。一方で線膨張係数の極めて小さいカーボンベース体１はほとんど伸張しない。この線膨張係数の違いにより冷却時にはアルミニウム板２，３が収縮し、カーボンベース体１に密着する。これにより、カーボンベース体１の表裏面１Ｂ，１Ｃとアルミニウム板２，３の内面２Ｂ，３Ｂ間に隙間が生じにくくすることが可能である。
【００２８】
このような金型４０およびプレス体５０を用いてアルミニウム板２，３の周辺部２Ａ，３Ａを曲げ加工すると、下側のアルミニウム板３は金型４０の内壁に沿って略直角に曲げられ、上側のアルミニウム板２はプレス体５０の側面に沿って略直角に曲げられ、カーボンベース体１の上側で、アルミニウム板２の内面２Ｂとアルミニウム板３の内面３Ｂが当接し密着する。
【００２９】
ところで、周辺部２Ａ，３Ａを折り曲げるとき、アルミニウム板２，３の周辺部２Ａ，３Ａには、長方形の４隅の部分にしわ寄せがきて、カーボンベース体１の側面とアルミニウム板３との間や２枚のアルミニウム板２，３の当接部分に隙間が発生するおそれがある。ところが、上記のように金型４０、プレス体５０、およびカーボンベース体１は４隅に丸みを備え、アルミニウム素材にも固有の展性があるので、徐々にプレス体５０を下降させることで、アルミニウム板２，３を延ばしながら加工でき、隙間を発生させることを防ぐことができる。
【００３０】
次に、図８（ａ），（ｂ）を用いて、アルミニウム板２，３の当接する部分のうち、アルミニウム板２の外面２Ｃから上の部分でアルミニウム板２，３の巻き締める工程を説明する。カーボンベース体１とアルミニウム板２，３との積重体を上述のように加工した後、アルミニウム板２の外面２Ｃから上の部分でアルミニウム板２，３の当接部分を強く押圧しながら内側にカールさせて巻き締める。このように強く圧力をかけた場合には、巻き締めた部分の根元に凹み６が生じることもある。巻き締める際に、アルミニウム板３の両外側から内向きの強い圧力をかけることでさらに密着性を高めることができる。これにより、アルミニウム板２，３の当接部分が密着して締まり、アルミニウム板２，３とカーボンベース体１との密着性を高めた状態で、カーボンベース体１が密閉状態にシールされる。なお、本実施例のようにアルミニウム板２，３を上方に略直角に折り曲げた際に各アルミニウム板の周縁が略同じ高さとなるように成形してアルミニウム板２，３を同時に巻き締める方法は一例であり、その他、アルミニウム板３の周縁がアルミニウム板２の周縁より高くなるようにアルミニウム板２，３の寸法を設定し、図９のようにアルミニウム板３がアルミニウム板２の内面２Ｂ，周縁、外面２Ｃを巻き込むようにカールさせて巻き締めを行っても良い。
【００３１】
このようにして放熱板１１を作成し、最後にこの放熱板１１（図８（ｂ）参照。）を冷却する。冷却は自然冷却で良いが、送風等冷却手段を用いて積極的に冷却しても構わない。この冷却により上述したようにアルミニウム板２，３が縮小し、カーボンベース体１の表面１Ｂとアルミニウム板２の内面２Ｂとの間を、また、カーボンベース体１の裏面１Ｃとアルミニウム板３の内面３Ｂとの間を密着させることが可能である。
【００３２】
本実施の形態によると、カーボンベース体１がアルミニウム板２，３に覆われることで保護されるので、単独のカーボンベース体１に比べて剛性が増強される。また、カーボンベース体１を一塊としてアルミニウム板２，３により覆えばよいので、製造工程も複雑にはならない。さらに密閉することで、カーボンベース体と高熱伝導性シール材との間に空気や不純物がはいることを防ぐことができるため、熱伝導性を阻害しないとともに、酸化を防ぎ、劣化しない効果もある。また、シール材としては薄い金属板だけでいいので高価な金属の使用量が少なくて良い。したがって、カーボン材を使用した放熱板の機械的強度の向上と製造コストの低減を両立させることが可能となる。
【００３３】
また、カーボンベース体１を加圧しながらアルミニウム板２，３により密閉することで、カーボンベース体１とアルミニウム板２，３の間の空気を押し出して熱伝性を向上させるとともに、炭素が圧縮されて密度が増し、カーボン材としての特性がより良好に、しかも均一になる。また、このようにカーボンベース体１全体を密閉保持しておけば、たとえ内部のカーボンベース体１が割れても、アルミニウム板２，３により形を保持できるので、そのまま放熱板として使用することが出来る。
【００３４】
次に、本発明の他の実施形態に係る放熱板１２を、図１０を参照して説明する。この図において、上記一実施形態に係る放熱板と同一部材には同一符号を付している。
【００３５】
本実施の形態に係る放熱板１２では、カーボンベース体１とアルミニウム板２，３の間に、高熱伝導性フィラ（例えば、セラミックなど。）を分散混合したバインダ層４を有する。バインダ層４は、上述した積重体（図５参照。）を形成する前に、カーボンベース体１の表裏面１Ｂ，１Ｃにあらかじめ高熱伝導性フィラを分散混合したバインダを塗布しておくことで形成可能である。なお、図１０に示す本実施の形態では、バインダ層４をカーボンベース体１の表裏面１Ｂ，１Ｃに形成しているが、表裏いずれか一方の面でも構わない。もちろん、カーボンベース体１の側面にバインダ層４を形成しても構わない。
【００３６】
本実施の形態によると、バインダ層がカーボン粒子間の隙間に充填されるため、カーボンベース体１の剛性が高まるとともに、カーボンベース体１とアルミニウム板２，３との密着性を高めることができる。本実施の形態では、樹脂を基材とするバインダ層４がカーボンベース体１とアルミニウム板２，３の間に介在するために、アルミニウム板２，３とカーボンベース体１が直接接触している上記の実施形態に係る放熱板１１（図１参照。）に比べてアルミニウム板２，３とカーボンベース体１との間の熱伝達効率は低下する。しかし、バインダ層４には、高熱伝導性フィラが分散混合されているため、このような熱伝達効率の低下を抑制することが可能である。
【００３７】
上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、この発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３８】
１…カーボンベース体
２，３…アルミニウム板（高熱伝導性シール材）
１１，１２…放熱板
【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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