JP2016184648A - ヒートシンク及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、自然対流冷却の場合にも高い放熱性能を有し、かつ、小型化が可能なヒートシンクを提供することを課題とする。
【解決手段】本体部と、前記本体部と熱的に接続された基板と、を有し、前記本体部は金属率が２体積％以上、１５体積％以下の三次元網目状構造を有する金属多孔体であるヒートシンク。
【選択図】なし

Description

本発明はヒートシンクに関し、より詳しくはパーソナルコンピュータやモバイル電子機器などの電子機器に用いられる半導体素子などを冷却するために用いられるヒートシンク及び当該ヒートシンクを用いた電子機器に関する。

パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵやＧＰＵ、チップセット、メモリーチップ等の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。発熱源を冷却するための手段としては、例えば、発熱源の表面にヒートシンクや放熱シートなどを貼り付けることが行われている。

前記ヒートシンクとしては、熱伝導率が高い金属製のブロックや、多数の放熱フィンを有するブロック状のものが使用されている。また、放熱性を高めるために冷却ファンが用いられる場合もあるが、そうすると電子機器が大型化してしまうという問題が生じる。特に近年は小型化したモバイル電子機器の需要が高まっており、小スペースでの冷却が可能な自然対流冷却方式によるヒートシンクの放熱性能を高めるため、種々の改良が検討されている。
例えば、特開２００５−０６４２７１号公報（特許文献１）には、放熱性能を高めるために、アルミニウムや銅などの高熱伝導性の金属線材を編んで編成テープとし、これを巻き回して圧縮成形したものから構成されるものをヒートシンク本体として有するヒートシンクが提案されている。

特開２００５−０６４２７１号公報

前記特許文献１に記載のヒートシンクは、金属線材を編み込んで圧縮成形した本体を放熱部としているが、放熱部分の見かけの比重が大きく、その結果、空気の流動も悪くなってしまい、放熱性にも改善の余地がある。
そこで本発明は、自然対流冷却の場合にも高い放熱性能を有し、かつ、小型化が可能なヒートシンクを提供することを課題とする。

本発明の一実施形態に係るヒートシンクは、
（１）本体部と、前記本体部と熱的に接続された基板と、を有し、
前記本体部は金属率が２体積％以上、１５体積％以下の三次元網目状構造を有する金属多孔体であるヒートシンク、である。

本発明により、自然対流冷却の場合においても、高い放熱性能を有し、かつ、小型化が可能なヒートシンクを提供することができる。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
（１）本発明の一態様に係るヒートシンクは、
本体部と、前記本体部と熱的に接続された基板と、を有し、
前記本体部は金属率が２体積％以上、１５体積％以下の三次元網目状構造を有する金属多孔体であるヒートシンク、である。
上記（１）に記載の発明により、自然対流冷却の場合においても、高い放熱性能を有し、かつ、小型化が可能なヒートシンクを提供することができる。

（２）上記（１）に記載のヒートシンクは、前記金属多孔体の骨格の表面が黒色化されていることが好ましい。
上記（２）に記載の発明によれば、ヒートシンク本体からの熱放射率が高く、冷却性能をより向上させることができる。

（３）上記（１）又は上記（２）に記載のヒートシンクは、前記金属多孔体の厚さが５ｍｍ以下であることが好ましい。
上記（３）に記載の発明によれば、小スペースでの冷却が必要な小型電子機器においても利用可能なヒートシンクを提供することができる。

（４）本発明の一態様に係る電子機器は、
上記（１）から上記（３）のいずれか一項に記載のヒートシンクを用いた電子機器、である。
上記（４）に記載の発明により、発熱源を小スペースで冷却することが可能な電子機器を提供することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るヒートシンクについての具体例を以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施形態に係るヒートシンクは本体部と基板とを有する。本体部は三次元網目状構造を有する金属多孔体によって構成されており、金属率は２体積％以上、１５体積％以下となっている。そして、本体部と基板とは熱的に接続されている。
ヒートシンクとして使用する場合には基板が発熱源に接触するようにして用いる。これにより発熱源から基板へと伝わった熱は、基板を通じて本体部へと伝わる。本体部は金属製であり骨格が三次元網目状構造を有しているため、熱は素早く本体部全体に伝わる。本体部は、金属製の骨格部分以外は空隙であるため、本体部に伝わった熱は骨格表面全体から放熱される。

（基板）
前記基板は熱伝導性に優れるものであればよく、金属製のものを好ましく用いることができる。本体部を構成する金属と同じ金属を用いて熱膨張係数を揃えることにより、基板と本体部との間の熱的接触性を高め、熱抵抗を下げることができる。前記基板としては、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、銀、金、クロム、スズあるいはこれらの合金などを用いることができる。
基板の大きさや厚さは、ヒートシンクを用いる電子機器内のスペース等に応じて適宜設計すればよく、例えば、５ｍｍ以下程度の厚さにすればよい。

（本体部）
前記本体部は三次元網目状構造を有する金属多孔体により構成されている。前記金属多孔体の骨格は、三次元的に絡み合う交差部分において、線状の骨格が折り重なって接触した構造となっているのではなく、交差部分が一体となった構造を有している。このため熱伝導性が非常に高く、更に空隙率を高くすることが可能となっている。
金属多孔体は、例えば、発泡ウレタン等の三次元網目状構造を有する樹脂成形体の骨格の表面に金属めっきを施し、その後、燃焼等の方法によって樹脂成形体を除去することで得ることができる。金属めっきの基材となる樹脂成形体は、発泡樹脂だけでなく、不織布状の樹脂成形体を用いることもできる。また、前記三次元網目状構造を有する金属多孔体としては、このようなめっき法によるもののみならず、焼結法や鋳造法によるものも用いることができる。

前記金属多孔体を構成する金属としては、熱伝導性に優れるものを用いればよく、例えば、アルミニウムや銅、鉄、ニッケル、銀、金、クロム、スズなどを挙げることができる。アルミニウムを用いる場合にはヒートシンクを軽量化することができ、銅を用いる場合にはヒートシンクをより軽量化することができる。
前記三次元網目状構造を有する金属多孔体としては、例えば、住友電気工業株式会社製のアルミセルメット（アルミニウム製）やニッケルセルメット（ニッケル製）などを好ましく用いることができる。

前記金属多孔体は金属率が２体積％以上、１５体積％以下であって空隙率が高く、表面積が非常に大きいため、放熱性能に優れている。なお、金属率とは、金属多孔体のみかけの体積において金属多孔体を構成する金属が実際に占める体積の割合のことをいう。
金属多孔体の金属率が２体積％未満であると、金属多孔体の骨格が細くなり過ぎてしまい、基板からの熱が金属多孔体全体に伝わる早さが遅くなってしまう。また、金属多孔体の金属率が１５体積％超であると、軽量性を損ない、また、製造コストが高くなってしまう。これらの観点から、前記金属率は３体積％以上、１０体積％以下であることがより好ましく、４体積％以上、８体積％以下であることが更に好ましい。
金属多孔体の金属率は、例えば、めっき膜の厚さを調整して骨格の太さを調整したり、金属多孔体を作製後に圧縮したりするなどの方法によって調整することができる。

前記金属多孔体は気孔径が小さいほど表面積が大きくなるが、空気の通気性が悪くなる傾向にある。また、気孔径が大きい場合には空気の通気性は良くなるが、表面積が小さくなってしまう。これらを勘案し、前記金属多孔体の気孔径は、０．２ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、小型化が要求されるモバイル電子機器などにおいても、自然対流冷却方式を採用しつつ、放熱性能に優れたヒートシンクを提供することができる。前記気孔径は、０．６ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．８ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることが更に好ましい。
なお、前記金属多孔体の気孔径は、樹脂成形体表面を顕微鏡写真等で拡大し、１インチ（２５．４ｍｍ）あたりの気孔数をセル数として計数して、平均孔径＝２５．４ｍｍ/セル数として平均的な値を求めるものとする。

前記金属多孔体の骨格の表面は黒色化されていることが好ましい。金属多孔体の骨格の表面は空気と接触していて放熱に寄与する部分である。この骨格の表面が黒色化されていると熱放射率が大きくなり冷却性能が向上する。熱放射率は、０．５０以上であることが好ましく、０．８０以上であることがより好ましく、０．９０であることが更に好ましい。また、熱放射率は骨格の表面がより黒いほど大きくなる。
なお、前記熱放射率は０〜１の値をとるものであり、放射温度計によって測定することができる。具体的には、試料を加熱した際の接触式温度計による表面温度の測定値と、放射温度計の測定値が同じになるように設定した放射率が、その試料の放射率となる。

前記金属多孔体の骨格の表面の黒色化は、例えば、骨格の表面に酸化皮膜を形成し、その酸化皮膜の微細孔に黒色染料を溶解した液を塗布するなどの方法によって行うことができる。酸化皮膜の形成は、例えば、陽極酸化処理などにより行えばよい。
また、前記金属多孔体の骨格の表面の黒色化は、他にも、金属多孔体に黒色塗料をスプレーするなどの方法によっても行うことができる。

前記金属多孔体の厚さは５ｍｍ以下であることが好ましい。近年の電子機器は小型化が進んでおり、ヒートシンクのような放熱部品を収容するスペースも限られている。このため、金属多孔体の厚さを５ｍｍ以下とすることで、小スペースでの放熱が可能となり好ましい。本発明の実施形態に係るヒートシンクは、空隙率が非常に大きい金属多孔体を本体部としているため、自然対流冷却方式であっても放熱性能に優れており、厚さを５ｍｍ以下としても発熱源を良好に冷却することが可能である。
また、前記金属多孔体の大きさは特に限定されるものではなく、発熱源の大きさに応じて適宜設計すればよい。前記金属多孔体をミリメートル単位で高精度に加工するには、例えば、レーザー光照射や放電加工などの方法によって加工すればよい。

（本体部と基板との熱的接続）
本発明の実施形態に係るヒートシンクにおいて前記本体部と前記基板とは熱的に接続されていればよい。このような接続方法としては、例えば、本体部と基板とを、ろう付けや半田付けなどによって接続する方法などを挙げることができる。

＜電子機器＞
本発明の実施形態に係る電子機器は、本発明の実施形態に係るヒートシンクを用いた電子機器である。前述の本発明の実施形態に係るヒートシンクは電子機器における発熱源に接触させることで優れた放熱性能を発揮することができる。電子機器は特に限定されるものではないがモバイル電子機器のように小型化が要求されるものの場合に、前記ヒートシンクを用いるとより効果的である。ＣＰＵやＧＰＵ、チップセット、メモリーチップなど種々の発熱源に、前記ヒートシンクの基板を接触させて用いればよい。発熱源と基板との接触は、高熱伝導率の接着剤などを介在させて行えばよい。
このような本発明の実施形態に係るヒートシンクを用いた電子機器は、発熱源を小スペースで冷却することが可能である。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、これらの実施例は例示であって、本発明のヒートシンクはこれらに限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲の記載によって示され、特許請求の範囲の記載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。

［実施例１］
（本体部）
特開２０１１−２２５９５０号公報に記載の方法により、三次元網目状構造を有するアルミニウム製の金属多孔体１（以下、アルミニウム多孔体１という）を用意した。
アルミニウム多孔体１は、金属率が１５．０体積％、気孔径が１．７μｍ、アルミニウム純度が９９．９質量％、厚さが５ｍｍとなるようにした。このアルミニウム多孔体１を３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさに切断した。
（基板）
基板として、厚さが１ｍｍ、大きさが３０ｍｍ角、アルミニウム純度９９．９％のアルミニウム箔を用意した。
（本体部と基板との接続）
前記アルミニウム多孔体１と前記アルミニウム箔とをろう付けすることにより、ヒートシンク１を作製した。

＜評価＞
（熱放射率）
前記アルミニウム多孔体１を５０℃に加熱し、接触式温度計（タスコジャパン製のＴＮＡ−１１０）と放射温度計（日置電機製のＦＴ３７００）とによって熱放射率を測定した。結果を表１に表す。
（放熱性）
発熱源として、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１．７５ｍｍｔのセラミックヒータ（以下、ヒータという）を用意し、出力が０．８Ｗとなるようにした。１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×８０ｍｍｔの断熱材（発泡スチロール）の上に前記ヒータを載せた。断熱材とヒータとの間に熱電対を入れ、ポリイミド製のカプトンテープを用いて固定した。ヒータの上に、前記ヒートシンク１の基板側（アルミニウム箔側）が接触するようにして載せた。
上記のようにして用意した断熱材、ヒータ及びヒートシンク１を室温が２３℃の大気中に静置した。ヒートシンク１等の周りには、天面が開放された段ボール（３００ｍｍ×３６０ｍｍｔ×３００ｍｍ）を設け、室内の気流の変化による影響を排除した。
ヒータの温度が定常状態になった後、ヒータの温度を１０分間測定し、その平均値をＴ［ヒータ］とた。同様に、前記段ボールの内側の天面から５０ｍｍ下の付近の温度を１０分間測定し、その平均値をＴ［外気］とした。そして、ヒータの温度上昇値ΔＴをΔＴ＝Ｔ［ヒータ］−Ｔ［外気］として求め、放熱性の指標とした。ヒートシンクの放熱性能が高いほどΔＴは低い値となる。結果を表１に示す。

［実施例２］
気孔径が３．０ｍｍであり、金属率が５．０質量％である以外はアルミニウム多孔体１と同じ構成のアルミニウム多孔体２を用意した。アルミニウム多孔体２を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク２を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体２の熱放射率と、ヒートシンク２の放熱性を測定した。結果を表１に示す。

［実施例３］
気孔径が０．４５ｍｍであり、金属率が２．０質量％である以外はアルミニウム多孔体１と同じ構成のアルミニウム多孔体３を用意した。アルミニウム多孔体３を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク３を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体３の熱放射率と、ヒートシンク３の放熱性を測定した。結果を表１に示す。

［実施例４］
アルミニウム多孔体１をアルマイト処理することによって、骨格の表面が黒色化したアルミニウム多孔体４を用意した。アルマイト処理は、１０℃の２０％硫酸水溶液中で、アルミニウム多孔体を陽極に接続し、３０Ｖで３０分間の電気分解を行なうことによって行なった。アルミニウム多孔体４を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク４を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体４の熱放射率と、ヒートシンク４の放熱性を測定した。結果を表１に示す。

［実施例５］
アルミニウム多孔体１に黒塗料を塗布することによって骨格の表面が黒色化したアルミニウム多孔体５を用意した。アルミニウム多孔体の骨格の表面の黒色化は、タイホーコーザイ社製の黒染めスプレー（顔料はカーボン）を用いて黒顔料を骨格の表面に塗布することによって行った。アルミニウム多孔体５を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク５を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体５の熱放射率と、ヒートシンク５の放熱性を測定した。結果を表１に示す。

［実施例６］
アルミニウム多孔体２をアルマイト処理することによって、骨格の表面が黒色化したアルミニウム多孔体６を用意した。アルマイト処理は実施例４と同様の方法によって行なった。アルミニウム多孔体６を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク６を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体６の熱放射率と、ヒートシンク６の放熱性を測定した。結果を表１に示す。

［実施例７］
アルミニウム多孔体３をアルマイト処理することによって、骨格の表面が黒色化したアルミニウム多孔体７を用意した。アルマイト処理は実施例４と同様の方法によって行なった。アルミニウム多孔体７を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク７を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体７の熱放射率と、ヒートシンク７の放熱性を測定した。結果を表１に示す。

［比較例］
アルミニウム多孔体１の替わりに、純度が９９．９質量％で３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．７５ｍｍｔのアルミニウム箔を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク８を作製した。なお、このアルミニウム箔の金属量は、金属率が１５．０体積％のアルミニウム多孔体１の金属量に相当する。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム箔の熱放射率と、ヒートシンク８の放熱性を測定した。結果を表１に示す。

［参考例］
実施例１の評価において用いたヒータにヒートシンクを載せなかった以外は実施例１と同様にして放熱性を評価した。結果を表１に示す。

Claims (4)

1. 本体部と、前記本体部と熱的に接続された基板と、を有し、
   前記本体部は金属率が２体積％以上、１５体積％以下の三次元網目状構造を有する金属多孔体であるヒートシンク。
2. 前記金属多孔体の骨格の表面が黒色化されている請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記金属多孔体の厚さが５ｍｍ以下である請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンクを用いた電子機器。