JP3434552B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主として高速駆動マイク
ロコンピュータなどの発熱密度の高いＬＳＩ、中容量の
サイリスタやパワートランジスタなどの半導体素子や半
導体使用機器に使用されるヒートシンク、特に空冷式で
発熱を拡散冷却させ、小型化を要求されるヒートシンク
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋ
ａｇｅ）でセラミックス・パッケージのＬＳＩに、従来
のヒートシンクを取り付けた１例を示す斜視図と側面図
を示す図１４と１５において、ヒートシンク90はアルミ
ニウムや銅等の高熱伝導性の材料を用いて、熱伝導支柱
部91の周辺部にフィン部92を持つように切削加工されて
おり、前記支柱部91の中央部が熱源となるＱＦＰ型のＬ
ＳＩ93の中央部平面に密着搭載され、前記ＬＳＩ93の発
熱は前記フィン部92によって放熱されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記構成のヒートシン
ク90では、ＬＳＩ93の発熱量が大きくなるに伴い、フィ
ン部92の直径ｄｌを大きくしたり、またはフィンの枚数
を増加させる等によりヒートシンク90のフィン部92の表
面積を増加させなければ充分な放熱効果が得られない
が、ヒートシンク90のｄ１がＬＳＩ93の外形より大きく
なったり、高さＨが高くなり過ぎる場合、このような大
型のヒートシンク90を電子機器等の限られた狭い空間に
配置すれば空気の対流が妨げられ、著しく冷却能力が低
下するという問題がある。

【０００４】上記ヒートシンク90の大型化を許容しての
手段であっても、単純にフィン部92の直径ｄｌを大きく
したり、フィンの枚数を増加することは、発熱源（ＬＳ
Ｉ93）から遠くなることによるヒートシンク90の材料の
熱抵抗が大きくなるために、フィンの厚みｔ１を厚くし
たり、熱伝導支柱部91の直径ｄ２を大きくする必要が生
じるために、ＬＳＩの発熱量の増大の対策は、しばしば
ヒートシンクの大型化と同時に、強制対流などのモータ
の大型化も行われることが多かったためにコスト高とも
なった。

【０００５】またヒートシンク90の加工は、ヒートシン
ク材料と切削工具の強度及び切削精度の関係から、熱伝
導支柱部91の直径ｄ２とフィン部92の直径ｄ１との比は
フィン間隔ｔ２を対流に適当な一定間隔に保ちながら切
削加工できる限界があるため、ヒートシンク90のフィン
厚さｔ１を薄くするなど部分的な小型化にも限界があっ
た。

【０００６】さらに従来のヒートシンク90では熱伝導支
柱部91が必要であったため、自然対流あるいは微風下に
於ける密集重ねフィンには熱溜りが発生し効果的な放熱
が行えなかった。

【０００７】本発明は上記課題を鑑みてなされたもの
で、放熱性能を向上させる小型軽量なヒートシンクの構
造を提供し、前述の課題を解決することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】受熱プレートと少なくと
も一枚の放熱フィンを積み重ねた構造のヒートシンクで
あって、前記受熱プレートと放熱フィンとは熱伝導性に
優れた材料を平板状として形成し、前記放熱フィンにお
ける平板面にはこの平板面を貫通する如く上面から下面
を貫通するスリット穴が設けられ、前記平板面のスリッ
ト穴の配置されない部分にはプレス加工により複数のフ
ィン凸部が形成され、重なり合う放熱フィンのそれぞれ
全て、または一部のフィン凸部が放熱フィン上の異なる
位置に配置され、上記プレートと放熱フィン、及び重な
り合う放熱フィンの間隔が前記フィン凸部によって保た
れ、前記放熱フィン若しくは受熱プレートにモータと、
このモータの回転軸に取付けられる冷却ファンを配置し
たヒートシンクとする。

【０００９】また、前記ヒートシンク10内に形成される
空間の一部若しくは全部にヒートパイプ50を配置しても
よい。

【００１０】

【作用】受熱プレート11へ拡散されている熱を多重放熱
フィン12の遠くの放熱フィン12に対して、各々のフィン
凸部12aを介して最短距離で伝達できるので、ヒートシ
ンクとしての均熱に優れていると同時に、上記構成の如
くスリット穴とフィン突起を設けることにより、プレス
加工によるフィン材質の伸び率を考慮しなくて済み、ロ
ー付が安定する。またスリット穴とフィン突起の構造に
より側方は勿論、上面からの冷却風に対する対流が速や
かに行われ、フィン効率が向上し、この結果フィン間の
間隔（ピッチ）を極限まで狭めることができ、単なる丸
穴を多数設けるよりも上方からの冷却風の巻き込みに優
れている。

【００１１】また、放熱フィン12若しくは受熱プレート
11の一方または両方に強制対流を発生させる冷却ファン
32を一体化し取付けるので外形寸法は従来のヒートシン
クと同様ですみ、さらに前記放熱ファン32を放熱フィン
12上の複数箇所に設ける、若しくは放熱フィン12の側面
に設ければ、より優れた放熱作用が得られる。

【００１２】

【実施例】本発明の第１の実施例とするヒートシンクの
上面図を図１に、このＡ−Ａ断面を矢印方向に見た図を
図２に、Ｂ−Ｂ断面を矢印方向に見た図を図３に示す。

【００１３】図１と２、３において、ヒートシンク10は
アルミニウム、銅等熱伝導性に優れた材料を平板状で４
辺形に加工した受熱プレート11の一面を受熱面13として
発熱体93に取付け、他面には受熱プレート11の熱を効果
的に放出する放熱フィン12が４個設けられている。

【００１４】前記４個の放熱フィン12の平板面の面積は
受熱プレート11とほぼ等しく、放熱フィン12の下向きに
後述の多数個のプレス突起で形成されるフィン凸部12a
が設けられ、対抗する面とロウ付等により接合され、各
々の放熱フィン12間に空間dを形成して空気対流路20を
構成すると同時に、各々の放熱フィン12と受熱プレート
11との間の熱伝導路を形成している。また、前記４枚の
放熱フィン12の平板中心部には空間部となる対流孔34が
設けられており、前記対流孔34により形成される空間部
にはモータ30が備えられ、前記モータ30の回転軸には冷
却ファン32が取付けられている。本実施例では前記モー
タ30を受熱プレート11上に配置し冷却ファン32を回転さ
せることにより上方の大気をヒートシンク10内に取り込
み、放熱フィン12を介して横方向に排出している。前記
モータ30と冷却ファン32の取付位置は図１０に示すよう
に、前記最上部の放熱フィン12の対流孔34の受熱プレー
ト11方向に、回転軸を放熱フィン12に対して垂直になる
ように配置したモータ30を取付け、前記モータ30の回転
軸に冷却ファン32を取付けてもよい。このとき前記モー
タ30回転軸の突出していない端面は、支持柱と空気導入
用の対流孔34から形成され、冷却ファン32への空気導入
は前記対流孔からも行われる。なお前記モータ30と冷却
ファン32の数は搭載する放熱フィン12の大きさ、形状に
より複数個設けてもよく、この取付位置は図１の如く放
熱フィン12の平板面中心部に設ける必要はなく、設計時
において適宜変更でき、これら冷却ファン32等は図９に
示す如く放熱フィン12の側面に移動させてもよい。

【００１５】また、図１が示す如く放熱フィン12は、こ
の平板面の縦中心軸を対称にして左右に、上面から下面
に向かって貫通する如く複数の長方形のスリット穴15が
設けられ、この複数の隣接するスリット穴15間には放熱
フィン12をプレス加工で成形したフィン凸部12aが規則
的に並んでいる。

【００１６】前記放熱フィン12は重ね合わされるフィン
の形状が異なっており、例えば受熱プレート11から１枚
目と３枚目の奇数部の形状は図４に示すもので、同２枚
目と最上部４枚目の偶数部の形状は図１に示すものとな
り、この断面図の図２が示す如く、各々のフィン凸部12
aの位置が重なり合う放熱フィン12のフィン凸部12aの位
置に重ならない構造となっている。前記構成では製造
上、図１と図４に示す２種類の放熱フィン12で対応でき
るが、例えば図６に示す如く隣合うフィン凸部12aが平
行になっているように、上下に重なり合うフィン凸部12
aの全て、または一部が同一の部分に配置されない構造
であれば１種類を逆配置して構成してもよいし、プレス
成形が可能であればあらゆる形状の放熱フィン12として
もよい。また前記スリット穴15は放熱フィン12の平板面
状の左右にそれぞれ独立して形成しているが、フィン凸
部12ａのプレスの安定と生産上において問題がなけれ
ば、図６に示す如く前記左右に振り分けてあるスリット
穴15を一つのものにしてもよい。前記受熱プレート11上
の放熱フィン12は、前記受熱プレート11と同外形である
必要はなく、大型受熱プレート11に小外形の放熱フィン
12を複数枚平面並べするなど多彩な組合せが可能であ
る。さらに、スリット穴15は単純長方形や１方向に限定
されるものではないし、使用する一部の放熱フィン12
は、スリット穴15やフィン凸部12aの形状を対流ガイド
や印刷のために変更してもよいことは勿論である。特
に、図２の最上部の放熱フィン12にはスリット穴15を設
けずに、他の放熱フィン12には、モータ30と冷却ファン
32設置部の対流孔34を大きくした方が、より高い冷却効
果を得られる。

【００１７】また、前記実施例では、ヒートシンク10の
形状は上面からみてほぼ正方形であるが、これは取付面
積、放熱効率等を考慮し図５に示す円形でも、他の多角
形としてもよい。また、前記実施例の放熱フィン12は、
図２に示す如く、この放熱フィン12を横置きにしてフィ
ン凸部12aの底面が受熱プレート11に接合されることに
より固定されているが、放熱フィン12の数が増加し、積
み重ね枚数が増加する場合には、図７に示す如く放熱フ
ィン12を縦置にしてフィン凸部12aの側面を受熱プレー
ト11に固定しても良い。この場合、受熱プレート11の端
縁部を曲げてフィンガイド11aを付けることによって、
放熱フィン12は容易に固定できる。

【００１８】前記放熱フィン12の材料は、一般的にアル
ミニウム心材の両面にロー材をクラッドしたブレージン
グシートが用いられ、ヒートシンク10は最上部放熱フィ
ン12と最下部の受熱プレート11を仮固定し、フィン12の
心材の融点よりも低く、ロウ材の融点より高い温度の加
熱炉の中に入れ、ロウ材を溶融した後冷却され、それぞ
れの放熱フィン12のフィン凸部12aと接するすべての面
には勿論、受熱プレート11とフィン凸部12aの間を一体
化し形成されている。

【００１９】上記ヒートシンク10の発熱体93への取り付
けは、上記ロウ付の他、高熱伝導エポキシ樹脂や銀ペー
ストなどの接着剤、若しくは、シリコングリスと専用の
クランプを併用して取り付けてもよく、このとき前記受
熱面13は受熱プレート11の外径より小さくして放熱面積
の増加を重視する設計よりも、上記接着強度を重視して
受熱プレート11の下面には段差を付けずに、全面をＬＳ
Ｉなどの発熱素子に密着して取り付けることが好ましい
場合が多い。

【００２０】上記ヒートシンク10では、発熱体93に生じ
る熱は受熱プレート11を介してフィン凸部12a、放熱フ
ィン12全面へと伝えられる。上記受熱プレート11はその
外径に対して適当な厚み、例えば一辺50mmの四方形に対
して2mm程度の厚みを有するために、受熱面13の面積が
少ない場合であっても受熱面13の熱は、受熱プレート11
の全面に均一に伝えられる。一方標準のブレージングシ
ートからできた放熱フィン12は、上記受熱プレート11の
厚みに対して薄く、0.5mm程度でしかないが、上記受熱
プレート11に伝えられた均一な熱は、先ず、受熱プレー
ト11と直接接する放熱フィン12の多数のフィン凸部12a
を介して、放熱フィン12の全面に伝えられ、順次、上方
の放熱フィン12に各々のフィン凸部12aを介して熱伝導
が行われ、ヒートシンク1の全体が略均一な熱広がりと
なり放熱が行われる。

【００２１】また、周知の如く放熱フィン12に前記スリ
ット穴15を設けているときの対流による温度境界層は図
３のようになり、これを設けていない通常の平滑フィン
の場合は図８の温度境界層のようになり、この場合、放
熱フィン12の境膜熱抵抗が極めて大きくなる。従って、
前記図３と図８が示す如く、スリット穴15を備えている
放熱フィン12では、強制対流下におけるフィン12への空
気の熱伝導率が向上し、放熱フィン12の面全体の均一な
放熱が可能になる。

【００２２】従来のヒートシンク90では熱伝導支柱部91
が必要であったため、自然対流あるいは微風下に於ける
密集重ねフィンには熱溜りが発生し効果的な放熱が行え
なかったが、上記実施例では多数のフィン凸部12aによ
り重なり合う放熱フィン12間に隙間dが保たれるので前
記熱伝導支柱部91を省略できる。

【００２３】上記構成のヒートシンクでは、放熱フィン
12の心材は平板状のアルミニウムなどの合金を使用して
いるが、この心材は銅やアルミニウム等で目開きのある
融着金網としてもよい。

【００２４】また、一般的に上記ヒートシンクの受熱プ
レート11はアルミニウム等の金属材料で形成され既存の
ＬＳＩ（発熱体）パッケージ等に後付けされているが、
前記受熱プレート11は、大型化に対応するためにヒート
パイプ構造としてもよいし、半導体チップとの熱膨張係
数を合わせるためにアルミナ、窒化アルミ、炭化珪素等
のセラミックス板として、前記ＬＳＩ等の半導体チップ
に直接接合させればより大きな冷却効果が得られる。こ
のとき前記セラミックス板の受熱プレート11と放熱フィ
ン12との接合は、受熱プレート11の放熱フィン12との接
合側にニッケル合金等の金属を印刷焼結等の処理を施す
ことによって比較的簡単に行える。

【００２５】本発明の第２の実施例を図１０と図１１、
図１２に示す。図１０は、図１のＡ−Ａ断面を矢印方向
に見たもので、図１１と図１２は図１及び図１０のＢ−
Ｂ断面を矢印方向に見た図である。図１０と図１１にお
いて、前記第１の実施例で説明したヒートシンク10内に
形成される空気対流路20（空間）にヒートパイプ50を埋
設し、放熱フィン12の熱の均熱化を促している。前記ヒ
ートパイプ50は、全ての空気対流路20に設けてもよく、
また、強制対流を考慮して一部の空気対流路20に設けて
もよい。また、図１０と１１においてはヒートパイプ50
は、受熱プレート11に対して水平になる様に配置してあ
るが、図１２に示す如くスリット穴15に前記ヒートパイ
プ50を埋設するように受熱プレート11に対して垂直にな
るように配置してもよく、また、強制対流を考慮して、
これら受熱プレート11に対して水平のものと垂直のもの
を組み合わせて配置してもよい。

【００２６】さらに、ヒートシンク10の配置スペースに
余裕がある場合には、図１３に示す如くヒートパイプ50
をヒートシンク10の外形から外に突出させれば優れた放
熱効果が得られ、また、この突出部の全て、または一部
にヒートパイプフィン52を設ければ、より優れた放熱作
用が得られる。図１３においては左右に２個づつ、一つ
置きに突出部を配置しているが、放熱フィン12の間隔等
により任意に設計でき、前記スリット穴15にヒートパイ
プ50を配置するものであっても同様に突出部を付加でき
るのは勿論である。

【００２７】また、上記実施例のヒートパイプ50の断面
形状は角形で示したが、この形状は丸形や楕円形であっ
ても優れた放熱効果が得られる。

【００２８】また、前記ヒートシンク10の適当なところ
に温度センサーを取付けて、ヒートシンク10が一定温度
以上の時にだけ冷却ファン32を駆動し、設定上限温度を
越えた時にモータ30の故障と判断して、被冷却機器の運
動を停止するなど適宜選択できることはいうまでもな
い。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば熱伝導の優れた受熱プレートと放熱フィンが、任意
の位置でロウ付けされるため機械的に堅牢であることは
勿論、均一な熱分散ができる表面積の大きな小型軽量の
ヒートシンクを得ることができ、熱伝導支柱91を省略
し、前記モータ30と冷却ファン32を設けることにより密
集した放熱フィン12には熱溜りが起こらず対流を促進で
き、従来の外形寸法を変える事無く効果的な対流を生み
出すことのできるヒートシンクが提供できる。

【００３０】製造方法では従来の切削加工主体のもので
はなく、プレス加工とロウ付加工が主体であるために、
受熱プレート及びヒートシンク10内に形成される空間部
にヒートパイプを用いるものであっても、ＬＳＩなどの
大量生産の半導体のヒートシンク用として比較的安価に
供給できるものである。また、上記構成の如くスリット
穴15とフィン凸部12aを設けることにより、プレス加工
によるフィン材質の伸び率を考慮しなくて済み、ロー付
が安定する。なお、本発明の実施例でヒートシンク10の
上面図外形は四角形で示したが、この形状を円形や多角
形で構成し、さらには適宜穴を開けることにより放熱面
積を任意に変更できる。

【００３１】またスリット穴15は、一般的にはプレス時
に加工されるが、フィン凸部12aが堅牢であるためにロ
ー付終了後に切削加工することも可能である。

【００３２】また、相互の放熱フィン12の間隔は、一般
的には一方向のフィン凸部12aの高さで保たれている
が、対抗する放熱フィン12から同一場所に相対してフィ
ン凸部12aを突合わせることにより上記重なり合う放熱
フィン12の間隔を大きくとることもできる。

【００３３】従来のヒートシンクでは放熱フィン12の間
隔を狭くしていくと空気滞留が生じフィン効果が低下し
ていたが、スリット穴15とフィン凸部12aの構造により
側方は勿論、上面からの冷却風に対する対流熱伝達が速
やかに行われ、フィン効率が向上し、この結果フィン間
の間隔d（ピッチ）を極限まで狭めることができ、冷却
ファン32を内蔵することにより、その特徴が最大限活か
せるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すヒートシンクの上
面図である

【図２】図１のＡ−Ａ断面を矢印方向に見た図である

【図３】図１のＢ−Ｂ断面を矢印方向に見た図である

【図４】本発明の実施例の第２の放熱フィンの上面図で
ある

【図５】円形の放熱フィンを備えるヒートシンクの上面
図である

【図６】図１の放熱フィン上面の左右に別々に設けられ
ているスリット穴を一体化した放熱フィンの上面図であ
る

【図７】放熱フィンを受熱プレートに対して縦置きとし
たヒートシンクである

【図８】従来の放熱フィンに強制対流を加えたときの対
流を示す図である

【図９】本発明のヒートシンクの側面に冷却ファンを取
付けた図である

【図１０】図２の空気対流路にヒートパイプを埋設した
ヒートシンクの断面図である

【図１１】図９のＢ−Ｂ断面を矢印方向に見た図である

【図１２】図２のスリット穴にヒートパイプを埋設した
ヒートシンクの断面図である

【図１３】ヒートパイプに突出部を設け、これにヒート
パイプフィンを設けた断面図である

【図１４】従来のヒートシンクの斜視図である

【図１５】従来のヒートシンクの側面図である

【符号の説明】

図において同一符号は同一、または相当部分を示す。 １０ ヒートシンク １１ 受熱プレート １２ 放熱フィン １２ａ フィン凸部 １３ 受熱面 ２０ 空気対流路 ３０ モータ ３２ 冷却ファン ５０ ヒートパイプ ５２ ヒートパイプフィン ９１ 熱伝導支柱部 ９５ 金属板

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受熱プレートと少なくとも一枚の放熱フ
   ィンを積み重ねた構造のヒートシンクであって、前記受
   熱プレートと放熱フィンとは熱伝導性に優れた材料を平
   板状として形成し、前記放熱フィンにおける平板面には
   この平板面を貫通する如く上面から下面を貫通するスリ
   ット穴が設けられ、前記平板面のスリット穴の配置され
   ない部分にはプレス加工により複数のフィン凸部が形成
   され、重なり合う放熱フィンのそれぞれ全て、または一
   部のフィン凸部が放熱フィン上の異なる位置に配置さ
   れ、上記プレートと放熱フィン、及び重なり合う放熱フ
   ィンの間隔が前記フィン凸部によって保たれ、前記放熱
   フィン若しくは受熱プレートにモータと、このモータの
   回転軸に取付けられる冷却ファンを配置したヒートシン
   ク。
2. 【請求項２】 ヒートシンク内に形成される空間の一部
   若しくは全部にヒートパイプが配置されている請求項１
   記載のヒートシンク。