(57)【要約】【課題】熱伝導シートを金属板の間に挟んで積層状に構成したコンパクトな積層体であって、層間の熱流動ネックを招くことなく積層体の全体に及ぶ良好な熱伝導を確保することができる簡易な構成の複合熱伝導部材を提供する。【解決手段】複合熱伝導部材は、２枚の金属板（２，３）と、これら両金属板（２，３）間に密接挟着した熱伝導シート（４）とから積層状に構成され、上記熱伝導シート（４）に透孔（４ａ）を形成し、この透孔（４ａ）内で上記両金属板（２，３）の間に介設して一体に固定するための金属板固着部（６）を一方の金属板面に薄膜状に形成し、この金属板固着部（６）は、熱伝導シート（４）を両金属板（２，３）の間に圧接した押圧状態で固化形成したものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の金属板と、これら両金属板間に密接挟着した熱伝導シートとからなる積層構成の複合熱伝導部材において、
上記熱伝導シートに透孔を形成し、この透孔内に上記両金属板の間に介設して一体に固定するための金属板固着部を一方の金属板面に薄膜状に形成するとともに、熱伝導シートを両金属板の間に圧接した押圧状態で同金属板固着部を固化形成することを特徴とする複合熱伝導部材。
【請求項２】
前記金属板固着部は、昇温および減圧またはその一方の雰囲気中において固化形成することを特徴とする請求項１に記載の複合熱伝導部材。
【請求項３】
前記熱伝導シートは、前記両金属板の間の全外周部分を残して配置し、この全外周部分の両金属板の間に介設して一体に固定するための金属板固着部を一方の金属板面に無端状に薄膜形成してなることを特徴とする請求項２記載の複合熱伝導部材。
【請求項４】
前記金属板固着部は、低融点粉末金属材の溶融凝固によって形成してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の複合熱伝導部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属板を複数枚重ね、間に熱伝導シートを層状に挟んで構成した複合熱伝導部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回路基板上にマウントしたＩＣ等の発熱部品を冷却するために、アルミフィンによる簡易な放熱手段や、さらに電動ファンによる強制空冷によるものが一般に用いられるが、高出力部品の実装の高密度化に対応するために熱拡散性に優れるグラファイトシートを適用した放熱構成体が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の放熱構成体によれば、発熱部材に接して厚手のグラファイトシートによる放熱用熱伝導シートを設け、このグラファイトシートに重ねるように更にグラファイトシートを配置し、両シート間に熱流動用金属片を介設して放熱部材を構成することにより、空冷空間を挟む熱伝導シートの熱拡散と放熱とによる薄くて軽量の放熱手段を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２５６７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記構成の放熱部材は、多数枚のグラファイトシートを多段に重ねるように構成しても放熱容量の増大が困難であり、更なる高出力化による発熱の増大と小型化による集中発熱に対応することが困難であった。すなわち、グラファイトシート間の熱流動は、間に介設する金属片の接触面積によって制限されることに加え、グラファイトシートと熱流動用の金属片とを密着させるための熱伝導性接着剤の熱伝導率が金属に比べて格段に小さいことから、グラファイトシートを多段に重ねても、その熱流動ネックによりグラファイトシート間の十分な熱流動が確保できないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、熱伝導シートを金属板の間に挟んで積層状に構成したコンパクトな積層体であって、層間の熱流動ネックを招くことなく積層体の全体に及ぶ良好な熱伝導を確保することができる簡易な構成の複合熱伝導部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、２枚の金属板と、これら両金属板間に密接挟着した熱伝導シートとからなる積層構成の複合熱伝導部材において、上記熱伝導シートに透孔を形成し、この透孔内に上記両金属板の間に介設して一体に固定するための金属板固着部を一方の金属板面に薄膜状に形成するとともに、熱伝導シートを両金属板の間に圧接した押圧状態で同金属板固着部を固化形成することを特徴とする。
【０００８】
上記金属板面に薄膜状に形成された金属板固着部は、熱伝導シートの透孔内において両金属板を一体に固定し、このとき、押圧力によって両金属板が熱伝導シートを圧接することから、金属板と熱伝導シートとの圧接面間に介在する空気層が押し出されることにより直接密着されて境界面における熱流動抵抗が最小限度に抑えられ、この両金属板と熱伝導シートとの密接状態は、金属板固着部の固化により、押圧力を除いた後においても継続される。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１の構成において、前記金属板固着部は、昇温および減圧またはその一方の雰囲気中において固化形成することを特徴とする。
上記金属板固着部を昇温および減圧またはその一方による低密度の雰囲気中において固化形成することにより、金属板と熱伝導シートとの間に挟み込まれる空気の量が小さく抑えられる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２の構成において、前記熱伝導シートは、前記両金属板の間の全外周部分を残して配置し、この全外周部分の両金属板の間に介設して一体に固定するための金属板固着部を一方の金属板面に無端状に薄膜状に形成してなることを特徴とする。
上記両金属板の間の全外周部分に無端状に形成された金属板固着部は、押圧下の両金属板と密接する熱伝導シートを包含する領域を画成して両金属板を一体固定する。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の構成において、前記金属板固着部は、低融点粉末金属材の溶融凝固によって形成してなることを特徴とする。
上記低融点粉末金属材は、加熱と冷却によって両金属板を一体固定する。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明により、上記金属板面に薄膜状に形成された金属板固着部は、熱伝導シートの透孔内において両金属板を一体に固定し、このとき、押圧力によって両金属板が熱伝導シートを圧接することから、金属板と熱伝導シートとの圧接面間に介在する空気層が押し出されることにより直接密着されて境界面における熱流動抵抗が最小限度に抑えられ、この両金属板と熱伝導シートとの密接状態は、金属板固着部の固化により、押圧力を除いた後においても継続される。この複合熱伝導部材の金属板の外表面に受けた熱流束は、効率よく熱伝導シートに向かい、この熱伝導シートの及ぶ範囲の熱拡散が行われるとともに、同様にして熱伝導シートの両面にそれぞれ接する金属板に対する高効率の熱移動により両金属板の外表面全体から、隣接媒体を介する熱伝導、または、隣接空間への熱輻射が行われる結果、沿面方向の熱伝導に優れる熱伝導シートの特性を最大限に生かして高効率の熱拡散が可能となる。したがって、熱伝導シートとの密接による高性能の複合熱伝導部材を固化材の印刷等の薄膜形成処理によるコンパクトな積層体として簡易に構成することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１の効果に加え、上記金属板固着部を昇温および減圧またはその一方による低密度の雰囲気中において固化形成することにより、金属板と熱伝導シートとの間に挟み込まれる空気の量が小さく抑えられることから、高度の直接密着により境界面における熱流動抵抗が更に小さく抑えられる。
【００１４】
請求項３に係る発明により、請求項２の効果に加え、上記両金属板の間の全外周部分に無端状に形成された金属板固着部は、押圧下の両金属板と密接する熱伝導シートを包含する領域を画成して両金属板を一体固定することから、熱伝導シート周りの低密度の雰囲気が維持されるとともに、両金属板の外表面に受ける大気圧との差による圧接力が金属板と熱伝導シートとの間に作用して圧接面間に介在する空気層が押し出されて境界面における熱流動抵抗が更に小さく抑えられる。また、熱伝導シートと金属板固着部との間の減圧空間により、気密低下があっても内圧の大きな変動が緩和されて略一定に保持されることから、長期に亘り安定した熱拡散特性を確保することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明により、請求項１〜３の効果に加え、上記金属板固着部として低融点粉末金属材を適用することにより、加熱と冷却の簡易な取扱いによって両金属板を一体固定することができることから、低融点合金粉末のスクリーン印刷、溶融加熱、真空タンクによる減圧冷却等の簡易な工程によって耐久性と熱拡散性に優れた複合熱伝導部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】複合熱伝導部材の基本構成例についての分解斜視図
【図２】製造工程図
【図３】複合熱伝導部材の内部構成を表す部分破断による平面図
【図４】多層構成の複合熱伝導部材の作用説明断面図
【図５】透孔用金属板固着部の散点状の配置例の見取図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
上記技術思想に基づいて具体的に構成された実施の形態について以下に図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の複合熱伝導部材の基本構成例についての分解斜視図である。複合熱伝導部材１は、外郭表装部材を兼ねる銅板等による２枚の金属板２，３と、これら両金属板２，３の間に密接挟着した薄膜状グラファイト等の熱伝導シート４とから積層状に構成される。
【００１８】
両金属板２，３の間には、熱伝導シート４の外縁全周に臨んで大気圧より低い気圧に減圧した状態で介設して一体に気密固着する耐熱性の外周用の金属板固着部５を無端形成し、また、熱伝導シート４に透孔４ａ…を格子配置または散点状に形成し、この透孔４ａ…内に両金属板２，３の間を大気圧より低い気圧下で両金属板２，３に介設して一体に気密固着する耐熱性の透孔用金属板固着部６を形成する。外周用金属板固着部５、透孔用金属板固着部６は、例えば、印刷塗布によって薄膜形成が可能なクリームハンダ等の低融点の熱伝導金属の粉末が最適である。
【００１９】
上記構成の複合熱伝導部材１の製造については、その製造例の工程図を図２に示すように、まず、第一金属板の装填の第１工程（以下において「Ｐ１」の如く略記する。）において、第一金属板２として所要の放熱板形状に準備した銅板をスクリーン印刷のための所定位置に設定装着する。
【００２０】
次に、金属板固着部の塗布工程（Ｐ２）において、外周用金属板固着部５、透孔用金属板固着部６を形成するためのスクリーン印刷用メタル版（厚さ５０〜３００μｍ）を位置合わせし、低融点合金粉末材をスキージー操作によって第一金属板２に片面印刷塗布することによりバンプを形成する。一般に、外周用金属板固着部５は略１ｍｍ幅、透孔用金属板固着部６は、直径が０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲でその略３倍の間隔に配置する。
【００２１】
続く熱伝導シートの装填工程（Ｐ３）において、熱伝導シート４を第一金属板２の上記塗布面側に重ね合わせる。熱伝導シート４は、上記印刷塗布された外周用金属板固着部５、透孔用金属板固着部６に掛からない大きさに形状と透孔を形成して準備、すなわち、２枚の銅板間の縁部に全周形成する外周用金属板固着部５の内方に収まる形状にカットするとともに所定の透孔４ａ…を穿設したものを上記塗布部に掛からない所定位置に重ね合わせる。
【００２２】
次いで、第二金属板の装填工程（Ｐ４）において、第二金属板３として所要の放熱板形状に準備した銅板を上記熱伝導シート４の上から蓋をするように所定位置に重ね合わせて三層状に構成し、この三層構成体を、次の押圧一体化工程（Ｐ５）において、熱伝導シート４が両金属板２，３と密接するように、両金属板２，３に押圧力を加えた状態で一体的に固定する。
【００２３】
この三層構成の押圧固定体は、次の一体加熱工程（Ｐ６）において、所定の温度（例えば２３０℃）まで段階的な昇温（例えば５段階）によって低融点金属粉末材を溶融させ、次いで、取り出した押圧固定体を一体減圧冷却工程（Ｐ７）において、真空ボックスにて減圧状態で固化するべく冷却する。
【００２４】
このようにして構成された複合熱伝導部材１は、その内部構成を表す部分破断による平面図を図３に示すように、２つの金属板２，３の間に熱伝導シート４を挟むとともに、透孔用金属板固着部６の固着力によって両金属板２，３と熱伝導シート４との密接状態が確保されて隣接層間の熱流動抵抗を小さく抑えることができる。
【００２５】
また、気密性の外周用金属板固着部５によってその内側領域が低圧に保たれ、その大気圧との差に基づく外圧を２つの金属板２，３の外面から受けて内面における熱伝導シート４との密接な接触が確保されることから、特に、複合熱伝導部材１の折り曲げ等の機械的作用下にあっても、安定して隣接層間の熱流動抵抗を小さく抑えることができる。
【００２６】
この場合において、熱伝導シート４と金属板固着部５，６との間の減圧空間により、気密低下があっても内圧の大きな変動が緩和されて略一定に保持されることから、長期に亘り安定した熱拡散特性を確保することができる。
【００２７】
２つの金属板２，３と間に密接される熱伝導シート４とによる層間の熱流動の様子は、多層構成の複合熱伝導部材１１における作用説明断面図を図４に示すように、発熱部材Ｈから金属板２に集中的に熱流束を受ける状態において、この金属板２からの集中的な熱流束が隣接の熱伝導シート４に達することにより、その延設範囲に直ちに拡散されつつ隣接の金属板に移行し、結果として複合熱伝導部材１の内部の温度分布が略均一化されて発熱部材Ｈとの接触部を除く２つの金属板２，３の全表面Ｓにおける効率的な熱交換を実現することができる。
【００２８】
この場合において、外表面に位置する２つの金属板２，３が大気から受ける外圧が層の重なり方向に作用することから、間に第三の金属板Ｍを含む多層構成の場合にあっても隣接層間に直列に同様の圧接力が作用して隣接層間の熱流動抵抗を小さく抑えることができる。したがって、多層化に応じて大きな熱拡散能力を確保することができ、大容量の放熱部材を構成することができる。
【００２９】
また、透孔用金属板固着部６は、熱伝導シート４を挟む２つの金属板２，３を相互に一体固着して複合熱伝導部材全体としての剛性が確保されることから、複合熱伝導部材を大型多層に構成した場合にあっても、安定した取扱いが可能となるほか、外周用金属板固着部５を含め、粉末金属材のスクリーン印刷と融点までの昇温および減圧下の冷却とによって形成することができるので、簡易な工程によって耐久性に優れた複合熱伝導部材を得ることができる。
【００３０】
さらに、透孔用金属板固着部６は、散点状の配置例の見取図を図５に示すように、発熱部材Ｈからの距離の増加に対して逆に隣接間距離を小さく設定する。すなわち、発熱部材Ｈの近傍位置６ａについては隣接間距離を大きく、遠隔位置６ｂについては隣接間距離を小さく設定する。このような透孔用金属板固着部６の配置により、発熱部材Ｈの近傍における大きな圧接力による隣接層間の熱移動を確保しつつ、高密度の熱流束の拡散抵抗を抑えて効率よく周縁部まで拡散することができる。
【００３１】
上述のように、複合熱伝導部材１は、印刷塗布等の薄膜形成処理によって簡易に高精度の処理が可能な透孔用金属板固着部６によって両金属板２，３と熱伝導シート４との間の圧接状態が維持されて層間熱流動抵抗が小さく抑えられる点を特徴とし、これに加え、気密性の外周用金属板固着部５がその内方に減圧領域を形成することにより、両金属板２，３と熱伝導シート４との接触面から空気を極力排出して直接接触する状態を維持するとともに、機械的な作用下にあっても、両金属板２，３に大気圧作用力を受けて熱伝導シート４のそれぞれの接触面に直接密着されて金属板と熱伝導シートとの間の層間熱流動抵抗が最小限度に抑えられることを特徴とするものである。
【００３２】
なお、気密性の外周用金属板固着部５の形成は、上記工程に限られず、昇温および減圧またはその一方の雰囲気中で熱伝導シート４と両金属板２，３を密接維持しつつ、両金属板間を一体に固定するべく固化する気密性を有する固化材を用いることにより、上記同様の作用効果を確保しうることが明らかであることから、その説明を省略する。
【実施例】
【００３３】
ここで、本発明の実施例として、上記複合熱伝導部材１による均熱板の熱拡散作用の実測例について説明する。
前掲の図３の１層の熱伝導シート構成の複合熱伝導部材および比較例としての単一金属材による熱伝導部材による均熱板について、次の条件下における発熱体の昇温結果を得た。
【００３４】
複合熱伝導部材は、被験用均熱板として、両面の金属板を銅板（０．１ｍｍ厚、５０ｍｍ角）とし、熱伝導シートをグラファイトシート（１６点の１．８ｍｍ径透孔を形成）とし、金属板固着部をクリームハンダ（５ｍｍ幅の無端外周部および１６点の１．４ｍｍ径透孔部の印刷バターン）とし、その積層体を重錘加圧（９０ｇ／ｃｍ２）下で加熱（リフロー炉）によりクリームハンダを融解させ、放冷によって金属板固着部を形成する。また、上記被験用均熱板と同一外形寸法の銅板（０．２ｍｍ厚、５０ｍｍ角）による比較用均熱板を準備する。使用材料は、いずれも均熱板としての実用構成材による。
【００３５】
発熱部材はトランジスタ（１Ｗ動作）とし、被験用均熱板および比較用均熱板について、それぞれの下面に発熱部材を伝導性両面テープで固定し、発熱部材単体による昇温を含め、インキュベータ（４０℃恒温設定）にて１Ｗ出力の通電下における発熱部材および各均熱板表面（発熱部材の背面位置）に貼着した熱電対により温度を測定する。使用機材は、いずれも一般的な熱負荷試験用部材による。
【００３６】
上記測定による発熱部材の温度は、均熱板温度を括弧書きとして、Ａ：発熱部材単体の場合に９８．０℃、Ｂ：比較用均熱板付設（６６．７℃）の場合に７９．４℃、Ｃ：被験用均熱板付設（６４．８℃）の場合に７４．６℃の結果が得られた。すなわち、４０℃の無風雰囲気における発熱部材の温度上昇幅については、発熱部材単体の５８．０℃が、単一銅板により３９．４℃に圧縮されて１８．６℃の放熱効果、これに対し、前記構成の複合熱伝導部材により３４．６℃にまで圧縮されて２３．４℃の放熱効果が確認された。
【００３７】
このように、本発明による複合熱伝導部材による放熱効果は、比較例対比に示すとおりの大きな有意差が認められることから、放熱効果を損なうことなく薄型化および軽量化に大きく貢献しうるものであり、また、容積重量の増加を招くことなく多層構成による大容量のヒートシンクを構成することができ、さらに、薄いテープ状に構成して発熱部材に直接貼付ける熱拡散部材として高出力部品の高密度実装を可能とするものである。
【符号の説明】
【００３８】
１      複合熱伝導部材
２      金属板
３      金属板
４      熱伝導シート
４ａ    透孔
５      金属板固着部
６      金属板固着部
６ａ    近傍位置
６ｂ    遠隔位置
１１    複合熱伝導部材
Ｈ      発熱部材
Ｍ      金属板
Ｓ      全表面
【図１】
2012138566.tif 000003
【図２】
2012138566.tif 000004
【図３】
2012138566.tif 000005
【図４】
2012138566.tif 000006
【図５】
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