JP5453608B2

JP5453608B2 - ヒートシンク及びその製造方法

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Publication number: JP5453608B2
Application number: JP2011525688A
Authority: JP
Inventors: 直博吉田
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Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
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Description

本発明は、ＬＥＤ照明灯等の電子部品の冷却に用いるヒートシンク及びその製造方法に関する。

電子部品の冷却に用いるヒートシンクは種々の形状、構造のものが実用化されており、そのヒートシンクの素材として、ブロック状に圧縮加工した炭素材料に存在する気孔にアルミ等の金属材料を含浸させることにより、熱伝導性を向上させた炭素基金属複合材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６７３４３６号

しかしながら、上述した従来の技術による炭素基金属複合材料おいては、炭素材料に存在する気孔の分布が一定でなく、気孔が不規則に存在していることでアルミ等の金属材料が炭素材料にまばらに含浸されるため、熱伝導性が不安定であり、ヒートシンクとして利用する場合、品質上安定した放熱特性が得られないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決することができるヒートシンクを実現することを課題とする。

そのため、本発明のヒートシンクは、任意の形状でかつ板面方向に熱拡散する特性を有する炭素材料に板厚方向に貫通する透孔を多数設け、各透孔に熱伝導性を有する金属を充填して金属柱を形成すると共に、前記炭素材料の少なくとも片面に前記金属柱と同じ金属による金属板部と複数のフィン部からなる放熱フィンを一体成型したことを特徴とする。

このようにした本発明は、炭素材料中に均一に金属柱を存在させることが可能となり、そのためＬＥＤを搭載しても、ＬＥＤ駆動時に発生する熱を部品搭載面と反対の面に設けた放熱フィンに効率良く伝導することができ、充分な放熱効果を得ることができるものとなる。

第１の実施例を示す側断面図第１の実施例を示す斜視図ブロック状炭素材料の斜視図ブロック状炭素材料を矩形板状に切出す状態を示す斜視図矩形板状の炭素材料に孔あけ加工を施す状態を示す斜視図金属柱及び金属板の充填成型工程を示す側断面図金属柱及び金属板の別の充填成型工程を示す側断面図第２の実施例において孔あけ加工を施す状態を示す斜視図

以下、図面を参照して本発明によるヒートシンク及びその製造方法の実施例を説明する。

図１はヒートシンクの第１の実施例を示す側断面図、図２は同じくヒートシンクの第１の実施例を示す斜視図である。

図に示す矩形板状の炭素材料（グラファイト）１は、板面方向（板厚方向と直交する方向）に熱が素早く広がる熱拡散性に優れた特性を有している。この炭素材料１には板厚を貫通する小径の透孔が板面全体に渡ってほぼ均一な間隔で多数あけられており、各透孔内に熱伝導性の高いアルミニウム、銅、銀等の金属を充填することで炭素材料１中に多数の金属柱３が形成され、更に炭素材料１の片面全体及び炭素材料１の周面に設けられる金属柱３と同じ材質の金属板部４ａと複数のフィン部４ｂからなる断面形状櫛形の放熱フィン４が金属柱３と一体成型されている。

このような構成によるヒートシンクは炭素材料１の放熱フィン４を設けた面と反対側の面を部品搭載面として、この部品搭載面に図１に示したようにＬＥＤ等の電子部品５を搭載し、駆動に必要な回路構成を行う。こうした状態で電子部品５を駆動することにより、電子部品５が発熱すると、その熱は炭素材料１の部品搭載面側で板面方向に素早く拡散され、そして炭素材料１中に設けられた多数の金属柱３を介して反対面側の放熱フィン４の金属板部４ａに伝導し、更に金属板部４ａから各フィン部４ｂに伝導して周囲に放熱される。この場合、金属柱３及び放熱フィン４は熱伝導性の高いアルミニウム、銅、銀等が用いられているので、電子部品５の熱は効率良く放熱フィン４に伝達され、放熱することができる。

尚、炭素材料１の部品搭載面にも金属柱３や放熱フィン４と同じ材質の薄い金属板を一体成型した構造としてもよい。

次に上述したヒートシンクの製造方法について説明する。図３はブロック状炭素材料の斜視図、図４はブロック状炭素材料を矩形板状に切出す状態を示す斜視図、図５は矩形板状の炭素材料に孔あけ加工を施す状態を示す斜視図、図６は金属柱及び金属板の充填成型工程を示す側断面図である。

まず、図３に示すブロック状炭素材料１０を用意する。このブロック状炭素材料１０は所定の炭素素材に圧縮加工等を施して、高密度、高熱拡散性を有する炭素塊を形成し、その炭素塊に切出し加工を行って、例えば直方体等のブロック状にしたものである。このブロック状炭素材料１０を図示しないカットソー等の切断機により図４に示したように切断して、例えば厚さ２ｍｍ程度の矩形板状の炭素材料１を得る。

この矩形板状の炭素材料１は、前記のように板面方向に熱が素早く広がる熱拡散性に優れた特性を有する方向に切断されたもので、この矩形板状の炭素材料１に図５に示したようにレーザー光源に接続したレーザー光照射ヘッド１１からレーザー光を照射することにより、炭素材料１の板厚を貫通する小径の透孔２を板面全体に渡ってほぼ均一な間隔で多数穿孔する。この場合のレーザー光源としては、近赤外線領域の波長のレーザー光を出力する光源を使用することが望ましく、例えばＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ）を用いるものとする。

また、レーザー光の照射にあたっては、レーザー光照射ヘッド１１の位置を固定として垂直に設置し、矩形板状の炭素材料１を図示しない所定の移動台上に水平の向きで位置決め固定して、その移動台と共に炭素材料１を前後及び左右方向つまりＸ方向及びＹ方向に移動させながらレーザー光照射ヘッド１１により孔あけを行う。例えば、移動台と共に炭素材料１をＸ１方向に移動させながらレーザー光照射ヘッド１１により一列分の透孔２をあけ、次に移動台と共に炭素材料１を所定の間隔分だけＹ方向に移動した後、Ｘ１方向と逆のＸ２方向に移動台と共に炭素材料１を移動させながらレーザー光照射ヘッド１１により次の一列分の透孔２をあけ、再び移動台と共に炭素材料１を所定の間隔分だけＹ方向に移動するという動作を繰り返して炭素材料１にその板厚方向に貫通する透孔２を多数穿孔する。

このようにレーザー光の照射により穿孔される透孔２は、レーザー光の照射面側の径が広いテーパー状の断面を有する形状となるので、例えば、そのテーパーの広い側つまりレーザー光の照射面側の直径が０．７ｍｍ〜０．３ｍｍ、狭い側の直径が０．３ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲になるようにし、このテーパー状の透孔２の径の広い側となる炭素材料１の面を部品搭載面とする。尚、炭素材料１中に形成する透孔２の割合は、例えばアルミニウムを充填する場合、５％〜１５％程度とすることが望ましい。

但し、銅、銀等の他の熱伝導性金属を充填する場合は、炭素材料１の体積に対して、必要に応じた熱拡散率炭素の量、熱伝導性の金属の量を変化させることで選定する。

尚、単一のレーザー光照射ヘッド１１を用いる代わりに、レーザー光照射ヘッド１１を複数並べてマルチレーザー光照射ヘッドを構成し、このマルチレーザー光照射ヘッドにより透孔２を複数列分ずつ穿孔することも可能である。更に、直接レーザー光をミラーで振るガルバノ方式等で穿孔することも可能である。

このようにして透孔２を設けた矩形板状の炭素材料１に対し、必要に応じて表面を研磨加工した後、炭素材料１を真空成型機の金型１２内にセットする。この金型１２の内部は炭素材料１の外形に合う凹部１２ａとして形成されており、この凹部１２ａの開口部側に加圧機の加圧部材１３がスライド可能に嵌合できるようになっていて、この加圧部材１３側に部品搭載面が向くように炭素材料１を中子１７と共に凹部１２ａ内にセットする。この中子１７は放熱フィン４と逆の形状を有し、炭素材料１と凹部１２ａの突き当たり面との間に挟まれるように配置する。

金型１２の周壁部には吸引孔１４と凹部１２ａ内に溶解金属を供給するための供給孔１６ａ、１６ｂが設けられており、吸引孔１４には金型１２の内部を真空にするための真空ポンプ１５が接続され、供給孔１６ａ、１６ｂには熱伝導性の高いアルミニウム、銅、銀等の金属を溶解して供給する図示しない供給機が接続されている。

そこで前記のように矩形板状の炭素材料１を真空成型機の金型１２の凹部１２ａ内にセットした後、金型１２の開口部に加圧部材１３を嵌合させ、そして真空ポンプ１５により金型１２内の空気を吸引して金型１２の凹部１２ａ内を真空にすると共に、図示しない供給機により溶解した一定量の金属を供給孔１６ａ、１６ｂから凹部１２ａ内の加圧部材１３及び中子１７側に供給し、吸引孔１４及び供給孔１６を図示しない電磁弁等でそれぞれ閉じた後、図示しない加圧機の移動手段により加圧部材１３を炭素材料１側に移動させて凹部１２ａ内を加圧する。

これにより溶解した金属は炭素材料１の部品搭載面側から各透孔２に流入すると共に中子１７により形成される空間内に流入して充填されるので、各透孔２内にテーパー状の金属柱３が形成されると共に、炭素材料１の部品搭載面と反対側の面及び炭素材料１の周面に設けられる金属板部４ａと複数のフィン部４ｂからなる断面形状櫛形の放熱フィン４が形成されるので、一体成型されたヒートシンクを製造することができる。

その際、前記のように炭素材料１の部品搭載面にも金属柱３や金属板４と同じ材質の薄い金属板を一体成型するようにしてもよい。

その後、加圧部材１３を金型１２の凹部１２ａから抜き、製造されたヒートシンクを中子１７と共に凹部１２ａから取り出し、中子１７を取外した後、バリ取り、研磨等の仕上げ加工を施して完成品とするが、ヒートシンク複数個分の面積を持つ大きさ矩形板状の炭素材料１を使用して金属柱３及び放熱フィン４を形成した場合、金型１２の凹部１２ａから取り出した後、１個分の大きさにカットしてバリ取り、研磨等の仕上げ加工を施すものとする。

尚、金属柱３及び金属板４は別の方法で形成することも可能である。図７は金属柱及び金属板の別の充填成型工程を示す側断面図で、ここで用いる真空成型機の金型１２は図６に示した供給孔を省略し、凹部１２ａの周囲に高周波誘導加熱コイル１８を配したものとなっている。このほかの構成は図６と同様である。

この金型１２の凹部１２ａ内に炭素材料１を加圧部材１３側に部品搭載面が向くようにセットするが、この場合も、凹部１２ａの突き当たり面と炭素材料１との間に中子１７を配置する。そして、熱伝導性の高いアルミニウム、銅、銀等の金属による溶解用金属片１９を炭素材料１上に必要量載せた後、金型１２の開口部に加圧部材１３を嵌合させ、真空ポンプ１５により金型１２内の空気を吸引して金型１２の凹部１２ａ内を真空にすると共に、高周波誘導加熱コイル１８により溶解用金属片１９を溶解させた後、真空状態を解除しながら図示しない加圧機の移動手段により加圧部材１３を炭素材料１側に移動させて凹部１２ａ内を加圧する。

これにより溶解した金属は炭素材料１の部品搭載面側から各透孔２を通って反対面側に流入し、各透孔２と隙間Ｇに充填されるので、各透孔２内にテーパー状の金属柱３を形成すると共に、炭素材料１の部品搭載面と反対側の面及び炭素材料１の周面に設けられる金属板部４ａと複数のフィン部４ｂからなる断面形状櫛形の放熱フィン４を形成して、一体成型されたヒートシンクを製造することができる。

以上説明したように、第１の実施例では、矩形板状の炭素材料１に板厚を貫通する小径の透孔２を板面全体に渡って均一に多数あけ、各透孔２内に熱伝導性の高い金属を充填することで炭素材料１中に多数の金属柱３を形成すると共に、この金属柱３と一体に炭素材料１の片面全体に金属柱３と同じ材質の断面形状櫛形の放熱フィン４を設けた構造としているため、炭素材料１の金属板４を設けた面と反対側の部品搭載面に電子部品５を搭載した場合、電子部品５から発する熱を金属柱３を介して効率良く放熱フィン４に伝達して放熱することができるという効果が得られる。更に、材料に機械的強度を持たせた複合材料が得られる。

特に、電子部品５が放熱の必要性が高いＬＥＤの場合、従来の技術による炭素基金属複合材料を利用したヒートシンクでは品質上安定した放熱効果を得ることができなかったが、本実施例のヒートシンクでは板状の炭素材料１に透孔２を均一に多数あけ、その透孔２に熱伝導性の高い金属を充填して多数の金属柱３を形成した構造としているため、炭素材料１中に均一に金属柱３を存在させることが可能となり、そのためＬＥＤを搭載しても、ＬＥＤ駆動時に発生する熱を部品搭載面と反対の面に一体成型した放熱フィン４に効率良く伝導することができ、充分な放熱効果を得ることができるものとなる。

図８は第２の実施例において矩形板状の炭素材料に部分的に孔あけ加工を施す状態を示す斜視図で、この図を用いて第２の実施例を説明する。

この第２の実施例は、例えば比較的大きい面積を持つ矩形板状の炭素材料１の電子部品搭載部分にレーザー光照射ヘッド１１からレーザー光を照射することにより、炭素材料１の板厚を貫通する小径の透孔２を部品搭載部に部分的に多数穿孔し、各透孔２内に熱伝導性の高いアルミニウム、銅、銀等の金属を充填することで金属柱を形成すると共に、この金属柱と一体に炭素材料１の片面に金属柱と同じ材質の金属板部と複数のフィン部からなる断面形状櫛形の図示しない放熱フィンを設けてヒートシンクを形成したものである。

この場合、放熱フィンは炭素材料１の金属柱形成部分のみに設けてもよく、また炭素材料１の片面全体に形成してもよい。

図８では炭素材料１の電子部品搭載部分に透孔２を螺旋状にあけた例を示しているが、電子部品搭載部分を方形として、その方形部分に図１の実施例と同様に透孔２をあけるようにしてもよい。尚、透孔２を螺旋状にあける場合、炭素材料１を位置決め固定する移動台は螺旋状に孔あけできるよう制御できるものとする。

このような構成によるヒートシンクは炭素材料１の金属板を設けた面と反対側の面を部品搭載面として、この部品搭載面の電子部品搭載部分にＬＥＤ等の電子部品５を搭載し、駆動に必要な配線等を行う。こうした状態で電子部品５を駆動することにより、電子部品５が発熱すると、その熱は炭素材料１の部品搭載面側で板面方向に素早く拡散され、そして炭素材料１中に設けられた多数の金属柱を介して部品搭載面と反対面側の放熱フィン４に伝導し、その放熱フィン４から周囲に放熱される。この場合、金属柱及び放熱フィンは熱伝導性の高いアルミニウム、銅、銀等が用いられているので、電子部品５の熱は効率良く放熱フィン４に伝達され、放熱することができる。

尚、この第２の実施例のヒートシンクは第１の実施例と同様の方法により製造することができるが、金属板を炭素材料１の金属柱形成部分のみに設ける場合は、その形状に対応した中子を配して放熱フィンを形成する部分以外の場所を塞ぐようにする。

また、この第２の実施例でも炭素材料１の部品搭載部分中に形成する透孔２の割合は、例えばアルミニウムを充填する場合、５％〜１５％程度とすることが望ましい。

以上説明した第２の実施例も第１の実施例と同様の効果が得られる。また、第２の実施例では、炭素材料１の電子部品搭載部分に透孔２をあけて、そこに熱伝導性の高い金属を充填する構造としているため、炭素材料１の電子部品搭載部分を除く部分に配線等を施して冷却を必要としない他の電子部品を搭載することができるので、回路基板としての利用が可能である。

尚、上述した第１及び第２の実施例では、放熱フィンを断面形状櫛形としたが、これに限られるのではなく、金属板部と複数のフィン部からなる構造であれば他の形状であってもよい。

また、上述した実施例では、搭載する電子部品をＬＥＤ等の発熱する電子部品としたが、例えば集光型の太陽電池のように電子部品自身は発熱しないが集光される光等で加熱される電子部品を冷却する場合にも有効である。

１炭素材料
２透孔
３金属柱
４放熱フィン
４ａ金属板部
４ｂフィン部
５電子部品
１０ブロック状炭素材料
１１レーザー光照射ヘッド
１２金型
１３加圧部材
１４吸引孔
１５真空ポンプ
１６ａ、１６ｂ供給孔
１７中子
１８高周波誘導加熱コイル
１９溶解用金属片

Claims

任意の形状でかつ板面方向に熱拡散する特性を有する炭素材料に板厚方向に貫通する透孔を多数設け、各透孔に熱伝導性を有する金属を充填して金属柱を形成すると共に、前記炭素材料の少なくとも片面に前記金属柱と同じ金属による金属板部と複数のフィン部からなる放熱フィンを一体成型したことを特徴とするヒートシンク。
請求項１記載のヒートシンクにおいて、
前記炭素材料は矩形板状として、その片面全体に前記放熱フィンを形成したことを特徴とするヒートシンク。
請求項１記載のヒートシンクにおいて、
前記炭素材料は矩形板状とし、その電子部品搭載部分に前記金属柱を形成すると共に、電子部品搭載と反対側の面の少なくとも前記電子部品搭載部分に前記放熱フィンを形成したことを特徴とするヒートシンク。
任意の形状でかつ板面方向に熱拡散する特性を有する炭素材料にレーザー光を照射して板厚方向に貫通する透孔を多数形成した後、
前記炭素材料を中子と共に金型内に配置し、該金型内に熱伝導性を有する溶解した金属を供給しつつ前記金型内を加圧することにより、前記溶解した金属を前記各透孔に充填して金属柱を形成すると共に、前記炭素材料の少なくとも片面に前記中子により金属板部と複数のフィン部からなる放熱フィンを一体成型することを特徴とするヒートシンクの製造方法。