CN1116400A - 部件的冷却结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于冷却发热的电子零件或工具等的部件的冷却结构，该结构为具有高取向性的石墨制的散热构件。该构件包括冷却件20，密封盒，导热片，导热线，散热片，柄，刀头，石墨片等的冷却用构件。

Description

部件的冷却结构
本发明涉及一种部件的冷却结构，特别是，涉及一种用于冷却发热的电子零件及加工工具等的部件的冷却结构。
迄今，为了在如功率晶体管等的大容量的电子零件上散发生成的热量，装置有铝制的散热器，又，在装载有IC和LSI的电路板上，使用了以铝等构成的金属片作为基板的金属基片。该金属制基片兼作散热构件。
这样，以往，作为冷却发热的电子零件等的部件的结构，主要使用了铝制的散热构件。铝在金属中比重较轻，对减轻零件的重量作用很大。另外，铝的导热及导电性能也好，这也是迄今为止主要使用铝作为散热构件的材料的一个很大的理由。
为适应近年来电子电路的小型化及高密集化的要求，有必要在减轻部件冷却结构的重量的同时，使其设计小型化。而铝板因有其固有的固体物性的导热率之大小，其厚度及大小也随之决定，欲进一步追求其小型、薄型化，也很难满足所述的小型、轻量化的要求。
另一方面，最近也有人用具有挠曲性的树脂构成电路板，追求电路板的小型化，然而，以往铝制的金属基片不能用于这种用途。
本发明的目的在于散热构件的小型化和减轻其重量。
本发明的另一目的在于，使具有挠曲性的电路板又可兼作散热部件。
本发明有关的部件冷却结构为一种用于冷却发热的电子零件，加工工具等部件的冷却结构，其特征在于，该结构含有具有高取向性的石墨制的散热构件。
上述石墨最好其锁定(ロツキング)特性在20度以下。
上述散热构件也可以是用于冷却作为部件的电子零件的散热器。
上述散热构件也可是用于密封作为部件的电子零件的密封部件。
上述散热构件也可以是连接作为部件的电子零件和进行散热的散热体的散热部件。
上述散热构件也可以是用于装载作为部件的电子零件的电路板上的散热部件。此时，该散热部件最好是具挠曲性的石墨片，且其比重在0.5以上，1.5以下。
上述散热构件可以是冷却作为部件的发热的加工工具的散热器。
本发明有关的部件冷却结构中，其散热构件为具高取向性的石墨材料，其导热性比铝高。由此，可实现散热构件的小型化，并减轻其重量。
当石墨的锁定特性在20度以下时，其取向性将更高，其散热能力也提高。
当散热构件为冷却电子零件的散热器时，可以实行该散热器的小型化并减轻其重量。
当散热构件为用于密封电子零件的密封部件时，可以实行该密封部件的小型化，并减轻其重量。
当散热构件为连接电子零件和进行散热的散热体的散热部件时，可以实行散热构件的小型化，并减轻其重量。而且，热量可有效地从电子零件经传热部件传递至散热体，提高冷却效率。
又，当散热构件为具挠曲性的石墨片，且其比重在0.5以上，1.5以下时，将该散热片用于电路板时，可构成轻量的、可挠曲的电路板；当将其与散热体连接时，可减轻重量，且电子零件与散热体之间无位置关系的限制。
当散热构件为冷却发热的加工工具用的散热装置时，可实行散热装置的小型化，并减轻其重量。
附图的简单说明：
图1为采用了本发明的一个实施例的电源装置的斜视图。
图2为功率晶体管的截面图。
图3为电路板的部分截面图。
图4为其它实施例中的相当于图2的功率晶体管的截面图。
图5为其它实施例中的电路板的斜视图。
图6为采用了实施例2的工具的斜视图。
图7为相当于实施例2的变化例的图6的图。
图8为相当于实施例2的其它变化例的图6的图。
图9为图8的前端部分的放大截面图。
图10为采用了实施例3的立铣刀的部分侧视图。
图中，2，3为功率晶体管，14为密封盒，15为导热片，16为导热线，20为冷却器，27为散热片。
实施例1
在图1中，采用了本发明的一个实施例的电源装置1具有包括二个功率IC2、3的半导体元件和由各种电容器、电阻及变压器等的电路零件组成的电子零件。各电子零件设于电路板4上，并以管脚***方式焊接于电路板4内面的印刷线路上。
在电路板4内侧的端部上，配置有铝制的散热体5。散热体5上设有翼状散热片。散热体5以可能进行热传递的方式连接于电路板4上。
功率晶体管，如图2所示，包括有如铜、铝等的金属制基片10、形成于该基片10上的绝缘层11、设于该绝缘层11上的晶体管体12、通过引自晶体管体12的引线连接的连接管脚13及密封上述零件的密封盒14。密封盒14和基板10由具挠曲性的石墨片制的导热片15连接。基片10又藉具挠曲性的石墨片制的导热线16和散热体5连接。
在功率晶体管3上安装有连接功率晶体管的基板的散热装置20。该散热装置20，如后面要叙述的，由粉碎具有高取向性的石墨原料，并将粉碎所得的石墨粉末成形而制得。
这里，将具有高取向性的石墨粉末或片材用作传热或散热构件，所以，可使部件冷却结构作得小型化，并减轻其重量。
电路板4，如图3所示，包括有如用聚酰亚胺、玻璃纤维分散增强的环氧、酚醛树脂等制的树脂基片25，以绝缘层26为媒介而与树脂基片25粘结的散热基片27，散热基片为具高取向性的石墨片。穿通树脂基片25和散热基片27形成线路孔30。该线路孔30的周围由绝缘层26绝缘，其中，***例如功率晶体管2的线脚13等的各电子零件的管脚。在绝缘层26的里面一侧上形成有电路图形28。图形间用焊锡29焊接着线脚13。另外，必要时也可通过通孔设有如焊锡等的导电焊剂而形成礅孔，由此实行多层化。
电路板4的端部如上所述地连接于散热体5。其结果，来自最导热的线路管脚13的热经散热片27有效地传递至散热体5，提高了冷却能力。
下面，说明上述实施例的冷却作用。
接通电源，电源电路开始工作，则功率管2、3及变压器等均发热。若功率管2发热，其所发热之一部分通过导热片15传至密封盒14。又，经金属基片10、传热线路16传至散热体5。再，通过线路管脚13、散热基片27传至散热体5。其结果，功率管2若发热也可有效被冷却。这里，因为不是用铝制散热构件来进行传热或散热，可使密封盒14、传热线16及散热基片27的结构小型化，并减轻其重量。
另一方面，在功率管3上所发的热量，在以散热装置20散发至空气中的同时，也通过线脚传至散热基片27。传递至散热基片27的热量被传递至散热体5散发。这里，与上同样，散热装置20是以石墨粉末形成的，散热翅片为薄型，可进行有效的散热，比起铝制散热装置来其结构可小型化，并减轻重量。实施例2
在上述实施例1中，就作为发热的部件的电子零件的冷却结构作了说明，但本发明也适用于作为发热部件的工具的冷却结构。
图6显示了实施例2，作为工具的车刀由高取向性石墨制的棒状刀柄35和安装于刀柄35前端的金属制的刀头36构成。刀柄35的石墨结晶的排列是，例如，取向面沿垂直方向那样地并排排列的。刀头36前端嵌埋着金刚石片37。使用这样的刀具加工时，在金刚石片37发生的热量通过刀头36传至刀柄35，从刀柄35的后端部散发。这里，由于刀柄35为具优异传热性的高取向性的石墨材料所制，可实行工具小型化，并减轻其重量，有效地散热。
另外，如图7所示，刀柄35用金属制造，刀头36用高取向性的石墨制造。此时，在加工时，在金刚石片37上产生的热量可由刀头36作有效地散发的同时，也可传热至刀柄35，并从刀柄散发。
又，如图8所示，也可在刀头36与刀柄35之间挟入石墨片38，并使其与金刚石片37相接触。该石墨片38在刀头36的后端部折向上方并沿刀柄35的上表面延伸至其后端部。石墨片38在与金刚石片37之接触面上的配置是，如图9所示，其前端接触至金刚石片37的上面及后端面的上部，且使石墨结晶的取向方向沿水平面向。另外，石墨片38的后端部切成斜坡形，以便散热容易。
又，除金刚石片37外，上述各部件皆为用具高取向性的石墨制造。实施例3
实施例3示于图10，扩孔用立铣刀包括立铣刀刀体40和冷却构件43。冷却构件43包括成环状卷附于立铣刀刀体40上部的、例如、10—100微米厚的可挠曲性石墨片41和，从石墨片41向下方延伸，设置于立铣刀刀体40的刀刃与刀刃之间的挠曲性的石墨片42。这里，发生在立铣刀刀体40的刀刃前端的热量，通过石墨片42传递至石墨片41，并在41处散发。如此，可有效地冷却立铣刀刀体40，减少冷却水的用量。
本发明的部件冷却结构中所使用的高取向性石墨材料可以是石墨结晶的取向一致的高结晶石墨，特别可以是锁定特性在20度以下的石墨。可列举的这类石墨有，用烃系气体以CVD法使碳原子层积于基片上后再退火而得的石墨材料，及将特定的高分子化合物薄膜石墨化所得的材料。其中，使用将高分子化合物薄膜石墨化所得的石墨材料时，传热性好，优先选用。这里所测的锁定特性系指用理学电机公司制的ロ—タフレックスRU—200B型X射线衍射装置，位于石墨(0002)线的峰位置处的锁定特性。
作为上述特定的高分子化合物，可使用选自各种聚恶二唑(POD)、聚苯并噻唑(PBT)、聚苯并二噻唑(PBBT)、聚苯并噁唑(PBO)、聚苯并二噁唑(PBBO)、各种聚酰亚胺(PI)、各种聚酰胺(PA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚苯并二咪唑苯(PPBI)、聚噻唑(PT)、聚对亚乙烯基苯(ポリパラフェニレンビニレン)(PPV)中的至少一种。
作为上述各种聚噁二唑，有对聚-1，3，4-噁二唑苯及其异构物。
上述各种聚酰亚胺包括以下通式(1)表示的芳香族聚酰亚胺。
Figure A9510785300081
其中R1＝
Figure A9510785300092
R2＝上述各种聚酰亚胺包括以下述通式(2)表示的芳香族酰胺。其中，本发明中可使用的聚酰亚胺、聚酰胺并不限于这些结构。
前述高分子化合物薄膜石墨化烘焙条件虽无特别限定，但最好使用高达2000℃以上、更好的是3000℃附近的温度范围的焙烧，因在该范围可得到取向性更高的优异的石墨化材料。焙烧通常在惰性气体中进行。焙烧时，将加工氛围加压，以抑制在石墨化过程中产生的气体的影响，因而，高分子化合物薄膜厚度最好在5μm以上。焙烧压力因薄膜厚度不同而异，通常，较好的为0.1—50kg/cm2。当在最高温度不到2000℃进行焙烧时，所得的石墨有***、变脆的倾向。焙烧后，也可按需要进行压延处理。上述高分子化合物的薄膜的石墨化制造方法为，例如，将高分子化合物薄膜截成适当大小，将截下的薄膜叠积约1000块后放入焙烧炉，升温至3000℃，使之石墨化。焙烧后，可再根据需要作压延处理。
如上所制得的具高取向性的石墨材料，其形态可以是薄膜状、片状或板状中之一种。而且，既可以是可挠曲的，也可是无挠曲性的硬质材料。例如，由焙烧芳香族聚酰亚胺而得到的无挠曲性、高取向性的石墨材料，其比重为2.25(Al为2.67)，其AB面方向的热导率为860千卡/m·h·℃(为Cu的2.5倍，Al的4.4倍)，其AB面方向的导电率在250,000S/cm，AB面方向的弹性模量为84,300kgf/mm2。
可挠曲的、高取向性的石墨材料因其比重比无挠曲性、高取向性的石墨材料轻(0.5—1.5)其热导率不大变化，可优先选用于任意形状的导热线、导热片、散热基片等。
在使用薄膜状石墨材料作为具高取向性的石墨材料时，原料高分子化合物的薄膜厚度最好在400μm以下范围，更好在5—200μm的范围。如果原料薄膜厚度超过400微米，则由于热处理过程中会从薄膜内部发生气体，使薄膜呈崩散状，很难单独用作良好的电极材料。
然而，崩散状的石墨如和例如，以所谓的特氟隆而知名的聚四氟乙烯那样的氟树脂作成复合材料，即可形成使用的石墨面状物。
另外，也可将上述高取向性石墨材料作鳞片(状)粉末化处理后，作成与氟树脂等的高分子树脂的复合材料，用于冷却装置20、密封盒14及刀柄35等，作为复合材料，石墨与高分子树脂的比例(重量比)以石墨∶高分子树脂＝50∶1—2∶1的范围为宜。在挤出成型该复合材料时，因该复合材料在垂直于挤出方向的方向上作碳晶体的取向，所以提高了该方向的热导率。其它的实施例
(a)可将功率晶体管2的基片10用树脂、金属或高取向的石墨制基片制成，如图4所示，也可将密封盒14用导热线16连接至环氧树脂等的绝缘物的裸露IC的密封盒14的表面。
(b)将具挠曲性的薄膜片用作电路板时，如图5所示，可将具挠曲性的石墨片34贴合于装载有电子零件32的、具挠曲性的薄膜基片33上使用，此时，弯曲薄膜基片30可使基片的占用容积小型化。
(c)代替管脚***型，本发明也可适用于单面表面安装型或双面表面安装型的电子零件及电路板上用的散热构件。
(d)发热的电子零件不限于功率晶体管，也包括MPU等半导体、电阻、电容、变压器等发热的所有电子器件。
本发明有关的器件冷却结构，因其散热构件为具有高取向性的石墨材料制，其导热性能比铝好，其结果可实行散热构件的小型化，并减轻其重量。
当石墨的锁定特性在20度以下时，其结晶取向性更高，散热能力更好。
当散热构件为用于冷却电子器件的冷却装置时，可实行该装置的小型化，并减轻其重量。
当散热构件为用于密封电子器件的密封部件时，可实行该部件的小型化，并减轻其重量。
当散热构件为连接电子零件和进行散热的散热体的散热部件时，可以实行散热构件的小型化，并减轻其重量。而且，热量可有效地从电子零件经传热部件传递至散热体，提高冷却效率。
当散热构件为用于装载电子零件的电路板上的散热部件时，可实行电路板的小型化，并减轻其重量，且由于电路板制得很薄，可有效地冷却电路板。
又，当散热构件为具挠曲性的石墨片，且其比重在0.5以上，1.5以下时，将该散热片用于电路板时，可构成轻量的、可挠曲的电路板；当将其与散热体连接时，可减轻重量，且电子零件与散热体之间无位置关系的限制。
当散热构件为用此冷却发热的加工工具的散热装置时，可实行散热装置的小型化，并减轻其重量。

Claims (8)

1.一种冷却发热的部件的冷却结构，其特征在于，所述结构包括具有高取向的石墨制散热构件。
2.如权利要求1或2所述的部件的冷却结构，其特征在于，所述石墨的锁定特性在20度以下。
3.如权利要求1或2所述的部件的冷却结构，其特征在于，所述散热构件为用于冷却作为所述部件的电子器件的冷却装置。
4.如权利要求1或2所述的部件的冷却结构，其特征在于，所述所述散热构件为用于密封作为所述部件的电子器件的密封部件。
5.如权利要求1或2所述的部件的冷却结构，其特征在于，所述散热构件为连接作为所述部件的电子器件和散发热量的散热体的散热部件。
6.如权利要求1或2所述的部件的冷却结构，其特征在于，所述散热构件为可用于装载作为上述部件的电子器件的电路板上的散热部件。
7.如权利要求5或6所述的部件的冷却结构，其特征在于，所述散热构件为用具挠曲性的石墨片制，其比重在0.5以上，1.5以下。
8.如权利要求1或2所述的部件的冷却结构，其特征在于，所述散热构件为冷却作为所述部件的发热的加工工具的散热装置。
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