JP3937984B2

JP3937984B2 - Manufacturing method of heat sink for electronic parts

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Publication number: JP3937984B2
Application number: JP2002262408A
Authority: JP
Inventors: 康弘藤原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-09-09
Also published as: JP2004103758A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ、ＣＰＵおよびＭＰＵ等と省略して表現される半導体等の発熱体や、その他の発熱部を有する電子部品の冷却に用いられる電子部品用ヒートシンクの製造方法、およびそれにより作製された電子部品用ヒートシンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器においては半導体等の電子部品の高集積化、動作クロックの高周波数化等に伴う発熱量の増大に対して、電子部品の正常動作の為に、それぞれの電子部品の接点温度を動作温度範囲内に如何に保つかが大きな問題となってきている。特に、半導体等のマイクロプロセッシングユニット（以下、ＭＰＵと略す）の高集積化、高周波数化はめざましく、動作の安定性、また動作寿命の確保などの点からも放熱による半導体冷却が重要な問題となってきている。
【０００３】
一般に、電子機器からの放熱は、放熱面積を広げ、空気等の冷媒と効率よく熱を交換させるためのヒートシンクによる自然空冷や、このヒートシンクに空気などの冷媒を強制的に送り込むためのモータ付きのファンとを組み合わせた冷却装置による強制空冷によりなされる。
【０００４】
ここで従来の技術を図１０および図１１を用いて説明する。
【０００５】
図１０（ａ），（ｂ）は従来のヒートシンクの構成を示す斜視図で、図１１（ａ），（ｂ）は従来のヒートシンクとファンとを組み合わせた冷却装置の構成を示す上面図および側面図である。これらのヒートシンクは、図１０（ａ）のように伝熱部であるベースプレート３２上に多数の薄板よりなるプレート状フィン３０を配列したプレート型と、図１０（ｂ）のようにベースプレート３２上に多数のピン状フィン３１を配列したピン型などに分類される。これらのヒートシンクは、熱伝導率が比較的良好で、軽量のアルミニウムを材料として、押出成形、冷間鍛造、ダイキャストおよび薄板積層等の方法で製造されている。図１１（ｂ）に示すようにこのようなヒートシンクを発熱体であるＭＰＵ３３へ取り付ける場合、ピン型のヒートシンク等ではＭＰＵ３３の上に直接ヒートシンクが搭載される。この冷却装置の冷却原理は、ＭＰＵ３３で発生した熱が、アルミニウム等の比較的高い伝熱性を有するベースプレート３２を経てピン状フィン３１へと伝わり、更にその熱はピン状フィン３１の表面で冷却ファン３４から送られてくる空気へ熱伝達されることで空気中へ放散され冷却されることになる。
【０００６】
このような冷却装置の性能を高めるには、ヒートシンクの伝熱部であるベースプレート３２の全体に均一に熱が分散し、形成されている全ての放熱用のピン状フィン３１あるいはプレート状フィン３０から十分な放熱を行える状態とするのが望ましい。しかし、図１０及び図１１に示されるようなプレート型やピン型のヒートシンクでは発熱体（例えばＭＰＵ３３）からの熱は、発熱体自体が伝熱部に比べて非常に小さく接触面積が狭いことに加え、伝熱部が平板状であるために断面積が小さいことなどが原因で、発熱体直上近傍の放熱フィンには集中的に熱が伝わり易く、周辺部の放熱フィンには相対的に熱が伝わりにくいという傾向があり、結果的に放熱フィン全体が有効に機能していない場合が多い。伝熱効率はヒートシンクを構成する材料により決定されるが、材料であるアルミニウムは比較的熱伝導率は高いものの、高熱伝導材である銅などと比べるとまだ熱伝導率は低いため、伝熱の効率には限界があり伝熱効率悪化の原因の一つとなっている。
【０００７】
そのため、伝熱の効率を向上させるために従来の技術では、ヒートシンクの伝熱部の一部分に銅を配置したり、あるいは他のヒートシンクのように、アルミニウム製ヒートシンクの一部に銅製ヒートシンクを挿入した構造、つまり伝熱部だけでなくフィンの一部までも銅に置換したものが示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
次に放熱の効率を向上させるためには、放熱フィンの周りの風量が同じならばフィン数を増やして表面積を増やせば、放熱効率は高まるのであるが、実際は、単位面積当たりで考えた場合、放熱フィン断面積が増加すると、空気が流入可能な部分、例えば図１０（ａ）に示す放熱フィン以外の部分の空気流入面３５の面積が減少し、流入総風量自体も減少するため、結果的には逆に放熱能力が低下する場合もある。つまり、単純に放熱フィンだけを増やしても効果がないことになる。
【０００９】
すなわちＭＰＵからの熱を伝熱部に効率よく伝え、充分な風量を確保できるフィン密度下で伝熱部により、可能な限り広範囲の放熱フィンに拡大していくことができるかということが重要なのである。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−９２９８５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
半導体等の電子部品では、今後、更なる高速化の進展等によって益々発熱が大きくなる傾向にあり、従来の構成の冷却装置では十分な冷却等を行うことができにくくなって来ている。特にＭＰＵなどの高発熱電子部品では、性能の低下や熱暴走などを起こし、電子機器に異常が生じる等の重大な問題が生じる。それゆえ、更に高性能の冷却装置が求められているが、ヒートシンク等の冷却装置による放熱性能を向上させるにはＭＰＵなどの高発熱電子部品からの熱を充分な冷却風量を確保できるフィン密度下で冷却装置の伝熱部で効率よく拡散させてフィンに伝えることが重要であり、これにより良好な放熱を得ることができる。
【００１２】
一般的にヒートシンクの材料としては軽量であるアルミニウム系合金を用いられることが多いが、その伝熱部における熱の拡散効率を向上させるには熱伝導率の高い銅等を使用することが効果的である。しかしながら、銅はアルミニウム系合金と比較して比重や価格が高いため、例えば、ヒートシンク等の全体を銅で構成すると、重量が増大し、経済的にも好ましくない。ここで、ヒートシンク重量の増大は、電子部品に直接取り付けて使用する際に電子部品自体にダメージを与える可能性があり、また使用する姿勢により電子部品とヒートシンクの接触状態が変化しやすいという問題がある。そのため、アルミニウム系合金による伝熱部の一部のみを銅などの高熱伝導材に置換する方法も試みられており、銅などの熱伝導率が高い材料を平板状にして伝熱部に貼り付けるか、鍛造法等により一体成形して複合化する方法が取られる。しかしながら、小さな発熱体に対接した放熱機器では、熱が受熱面から等方的材料の内部に流入すると半球体状の温度分布を持って拡散する傾向にあるため伝熱部が平板状であると、受熱面の全体面積に対し断面積が小さいことにより発熱体と対接する受熱面に対して鉛直方向の熱拡散が期待できない、もちろん平板状であっても充分な断面積を有していれば良いのであるが、ヒートシンクの形状制限や重量増大が生じるため現実的にはむずかしい。このように考えると、平板状の伝熱部の一部を銅などの高熱伝導材に置換しても充分な効果が期待できないことに加え、２種類の金属を広い面積で密着させる必要があるため特殊な工法を必要とするといった問題がある。あるいは、アルミニウム製ヒートシンクの一部に銅製ヒートシンクを挿入した構造、つまり伝熱部だけでなくフィンの一部も銅に置換することも考えられるが、伝熱部が平板状のままで、そのアルミニウム製の伝熱部の一部を銅に置換してもアルミニウムと銅の接触面積を充分確保できないため、銅とアルミニウム間での熱伝導が不充分となりやすく、そのためアルミニウムの部分を含むヒートシンク全体の性能を充分活かせず、銅製のヒートシンク部分のみの性能しか発揮できない可能性がある。また、ヒートシンクの一部のみ銅製のヒートシンクに置換する場合、銅部分の伝熱部及びフィン部の関係に留意する必要がある。すなわち、フィン高さに対し伝熱部の体積及びフィン部の断面積が小さい場合、伝熱部からフィン部へ熱が充分に伝わりにくく、そのためフィンからの放熱も不十分となることが考えられ、銅製のヒートシンク部の性能を充分に引き出せない可能性があるといった問題も考えられる。
【００１３】
本発明は上記のような課題を解決するもので、発熱体であるＭＰＵなどの電子部品から発生した熱を効率よくヒートシンク全体に伝えることができ、さらに放熱効率に優れた電子部品用ヒートシンクを容易にしかも生産性良く製造できる電子部品用ヒートシンクの製造方法を提供する事を目的とする。また本発明は、その製造方法を用いて製作された伝熱効率、放熱効率の高い高性能のヒートシンクを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子部品用ヒートシンクの製造方法は、受熱面を長い底辺とする略三角形状もしくは略台形状の伝熱部と、複数の放熱フィン部と、を有する金属構成体を作製し、前記伝熱部の前記受熱面側から円柱状の穴部を形成して、前記穴部内に、前記金属構成体よりも熱伝導率が高い円柱部材を圧入することにより配置固定することを特徴とする。
【００１５】
本発明の電子部品用ヒートシンクの製造方法によれば、高い放熱特性を有するヒートシンクを圧入工法といった簡便な方法で効率よく生産できる。
【００１６】
さらに、受熱面を底辺とする伝熱部と複数の放熱フィン部とを有する金属構成体を作製し、前記金属部材よりも熱伝導率が高い円柱部材の一端面側を加工して半球状もしくは円錐状の先端部を形成し、前記金属構成体もしくは前記円柱部材のいずれか一方を高速で回転させながら前記受熱面と前記先端部を接触させ、双方を加圧する際に発生する摩擦熱を利用して前記金属構成体と前記円柱部材を接合させることを特徴とする。
【００１７】
本発明の電子部品用ヒートシンクの製造方法によれば、２種類の材料を高い強度で密着度良く接合することができるため、高い放熱特性を有するヒートシンクを摩擦熱を利用した接合工法といった信頼性の高い安定した方法で効率よく生産できる。
【００１８】
さらに、本発明の電子部品用ヒートシンクは、本発明の電子部品用ヒートシンクの製造方法により作製され、円柱部材の露出面の形状が円形状となることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、半導体装置や電子部品など発熱体と円柱部材の露出面とが回転などによる位置ずれを起こし難いため発熱体からの熱を効率よく受熱し、ヒートシンクに導くことができるためヒートシンクの能力を効率よく活用できるヒートシンクが得られる。
【００２０】
さらに、本発明の電子部品用ヒートシンクは、本発明の電子部品用ヒートシンクの製造方法により作製され、円柱部材が金属構成体の受熱面よりも突出していることを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、半導体装置や電子部品など発熱体からの熱を効率よく受熱し、さらにすみやかに熱を拡散し、ヒートシンク全体に導くことができ、さらに冷却風の流れが阻害されにくいため高い放熱特性を有するヒートシンクが得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、一端面が受熱面で他端面が半球形状で銅よりなる円柱部材と、前記円柱部材の受熱面を突出させ他端面側を埋没し前記受熱面を底辺とする略三角形状もしくは略台形状の断面形状をなすアルミニウム系合金の伝熱部と、前記伝熱部に配置されたアルミニウム系合金の放熱フィン部とを有するヒートシンクであって、前記伝熱部と放熱フィン部とを有するアルミニウム系合金よりなる金属構成体と、一端面が半球形状の先端部を有する銅よりなる円柱部材とを作製し、前記金属構成体を固定し、前記円柱部材を高速で回転させながら前記金属構成体の受熱面となる面と前記円柱部材の半球形状の先端部を接触させ、双方を加圧する際に発生する摩擦熱を利用して前記金属構成体に前記円柱部材を埋没させて接合し、前記円柱部材を所定の長さで切断する電子部品用ヒートシンクの製造方法としたものであり、熱伝導率が高く、圧入に適した円柱形状をした金属を伝熱部へ摩擦熱を利用して圧入により配置固定することにより、特殊な設備を必要とせずに製作が可能であると同時に電子部品などから発生した熱をヒートシンク全体に効率よく拡散した上に放熱させることができる高性能なヒートシンクを生産性よく製造できる製造方法を得ることができるという作用を有する。
【００２５】
また、摩擦熱を利用した接合方法により銅よりなる円柱部材を配置固定することにより、ヒートシンクと円柱部材がすきまなく強固に一体化するため機械的接合強度が高く、さらに、双方の材料間の熱伝導に優れ、電子部品などから発生した熱をヒートシンク全体に効率よく拡散した上に放熱させることができる高性能なヒートシンクを信頼性よく製造できる製造方法を得ることができるという作用を有する
【００２７】
また、最も高い熱伝導率を有する円柱部材が受熱面に露出しているため、発熱体からの熱を直接受熱でき、さらに、露出部の形状が円形状であるため、等方的熱伝導に有利であり、効率よくヒートシンク全体に熱を伝えることが出来るので、放熱効率を向上させることが出来る。また、露出部が円形状であるため、成形と配置が容易、回転による発熱体との位置ずれが起こりにくいという作用を有する。
【００２８】
また、円柱部材の受熱面が伝熱部よりも突出していることにより、発熱体とヒートシンクの間に空隙が生ずるため、ヒートシンク内を流れる冷却風の流れが阻害されにくく、ヒートシンクの放熱効率を向上させることが出来るという作用を有する。
【００２９】
また、円柱部材が等方的熱拡散に有利な半球状をしているため、受熱した熱を効率よく伝熱部で拡散することができ、ヒートシンク全体にすみやかに熱を伝えることが出来るので、放熱効率を向上させることが出来るという作用を有する。
【００３０】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について、図１及び図２を用いて説明する。
【００３１】
図１は本発明の実施の形態１の電子部品用ヒ−トシンクの全体斜視図で（ａ）（ｂ）は同一のヒートシンクを異なる角度から斜視したものである。次に、図２は図１に示すヒ−トシンクの側面を示す部分断面図、である。図１及び図２において、１はヒートシンク、２はヒートシンク１に配設されたフィンで、このフィン２は複数個が設けられている。３は、フィン２を配する伝熱部であり、４は、ヒートシンク１の製作の基材となる伝熱部と複数の放熱フィン部を有する金属構成体よりも熱伝導率が高い円柱部材である。また５は、伝熱部３の下部方向に設けられた発熱体である。ここで発熱体としては、ＩＣ、ＬＳＩ、ＭＰＵ等の半導体やトランジスタ等の発熱する電子部品である。ここでは発熱体をＭＰＵ５として説明する。また、６は発熱体であるＭＰＵ５の発熱面であり、この発熱面６に接して熱を受熱する伝熱部３の受熱面を７とした。さらに、８はヒートシンク１と円柱部材４の界面に存在する銀、亜鉛などの金属含有接着剤、酸化物、窒化物を含有するシリコーン系接着剤などからなる熱伝導材である。
【００３２】
以上の様に構成されたヒートシンクについて詳細に説明する。
【００３３】
図１において、伝熱部３の断面形状は、発熱体に対接する受熱面を底辺とする略三角形状もしくは、略台形状にすれば伝熱に効率よく、また、重量の軽減にも効果的である。また、この伝熱部３にはフィン２が設けられており、図１中のフィン２は伝熱部３より２方向にほぼ水平に突出するように設けられた場合を示している。しかしながら、突出方向はこの２方向に限定されるものではなく、あらゆる方向に突出してもかまわない。また、その角度も水平方向に限定されるものではなく、例えば伝熱部３の斜面より鉛直方向へ突出してもかまわない。ここでは、代表的なものとして図１に示されるような突出方向及び角度のものについて説明する。
【００３４】
一般に小さな発熱体に対接した放熱機器では、熱が受熱面から等方的材料の内部に流入すると半球体状の温度分布を持って拡散する傾向にある、したがって理想的なヒートシンク形状は、半球体状の伝熱部と伝熱部の中心の発熱源を起点とした放射状に多数の放熱フィンを形成する事が最も放熱特性が高いと考えられる。しかし、このような構成では、実際の形状が使えない形状や大きさとなったり、製造コストが極端に高いなど、性能以外の様々な問題が出てくる。また従来のプレート型やピン型のヒートシンクでは、前述の通り、発熱体からの熱は、発熱体自体が伝熱部に比べて非常に小さく接触面積が狭いことが原因で、発熱体直上近傍の放熱フィンには集中的に熱が伝わり易く、周辺部の放熱フィンには相対的に熱が伝わりにくいという傾向があり、結果的に放熱フィン全体が有効に機能していない場合が多い。
【００３５】
これらに対して本発明のようなヒートシンクの構成をとれば、熱伝達と放熱特性が優れ、かつ小型の冷却装置を実現することができるのである。
【００３６】
図１及び図２に示した本実施の形態１のヒートシンクでは、発熱体であるＭＰＵ５の熱は、発熱面６と対接した伝熱部３の底面すなわち受熱面７上の円柱部材４の露出部にて受熱され、円柱部材４を介して伝熱部３の底面から垂直方向、水平方向など全方向へ立体的に拡散することになる。この場合、伝熱部３は図２に示されるように、その断面形状が略三角形状であるため、従来のプレート型やピン型のヒートシンクの平板状の伝熱部に比べれば遙かに大きな範囲で安定した半球体状温度分布を実現することができている。また、本発明の場合この半球体状温度分布の中心となる部分に、例えば銅といった高い熱伝導率を有する円柱部材４が配置されているため、円柱部材４が存在しない場合に比べ、より効率よく大きな範囲に熱を拡散することができる。さらに、その円柱部材４が受熱面７に露出部を有しているため、発熱体であるＭＰＵ５から放散される熱を、他部材を介することなく直接に円柱部材４に伝えることができる。それ故、損失少なくＭＰＵ５からの熱を受熱できるわけである。続いて、この熱は円柱部材４を中心とした半球体状温度分布を持つわけであるが、図１（ｂ）に示されるように、円柱部材４の露出部形状が円形状であるため、等方的熱伝導に有利にはたらき、効率よく受熱面７上のから伝熱部３の全体、そして放熱フィンとして機能するフィン２の範囲に伝熱され、広がり、同じサイズであれば従来のヒートシンクよりも遙かに高い放熱特性が得られることになる。このように、形状においても伝熱に優れているうえに、構造においても伝熱部３の内部に円柱部材４が設けられているため、更に伝熱の効率が高まっている。すなわち、単一の材料の場合その材料の持つ固有の物性値すなわち熱伝導率により伝熱の効率の限界が決定してしまうが、さらに高い伝熱効率の期待できる材料よりなる熱伝導体を複合することで、その伝熱効率の限界を超えることができるわけである。そのため、効率よく広い範囲に熱が拡散し、周辺部のフィン２も放熱に十分機能することができる。さらに、図１（ｂ）に示されるように、円柱部材４が、受熱面７よりも突出することにより、受熱面７と伝熱部３に具備されたフィン２との間にすきまが存在することになる。このすきまが存在することにより、ヒートシンクのフィン間を通過する冷却風の流れが阻害されにくく、充分な冷却風量が確保できるため、効率の良い放熱が行われることになる。なお、突出量は受熱面７より０．０００５ｍｍ以上で３ｍｍ以下の範囲が好ましい。
【００３７】
また、これらのヒートシンクでは、フィン２の端面や伝熱部３の下部の角には面取りを施すことが好ましく、この角部の面取りによって欠け等による屑の発生を防止できる。もし角部に鋭い部分を有していると、電子部品上にヒートシンクを実装する際に他の部品などに接触して他の部品などを破壊してしまう可能性も生じる。さらに角部により屑が発生すると、屑は導体であるため配線などの上に落ちる事によって、短絡などを起こしてしまうことになり、電子機器の動作不良等の原因になる可能性がある。
【００３８】
さらに、ヒートシンク１のＭＰＵ５と相対する受熱面６の上にシルクスクリーン技法などで所定の厚さにグリス状の熱伝導材８を塗布し、ＭＰＵ５とヒートシンク１は、それぞれ発熱面６と受熱面７で熱伝導材８を挟み込み発熱面６と受熱面７とが相対し、円柱部材４の受熱面７上の露出部が発熱面６に合致するように位置合わせし、クリップ等のばねやねじ締結による加圧を行うことにより熱伝導材８を介してＭＰＵ５とヒートシンク１を固定すれば、発熱面６と受熱面７の間の熱抵抗を減少させ、大変効率よくＭＰＵ５の熱をヒートシンク１に伝えることができる。また、ここで円柱部材４の受熱面７上の露出部形状が円形状であるため、位置合わせの際回転による位置ずれが発生しにくいといった、効果も期待できる。
【００３９】
以上のように、本実施の形態では、ヒートシンク１の受熱面７上の露出部が発熱面６に合致するように位置合わせしているため、受熱面７がＭＰＵ５からの熱を直接受熱し、円柱部材４を起点として熱拡散が行われるため、効率よく伝熱部３に熱を拡散でき、さらに放熱フィン２へ、その熱を伝えることができるわけである。
【００４０】
次にフィン２の構成についてであるが、図１のように伝熱部３の斜面に対して直上方向に配設される複数の溝と伝熱部３の斜面に対して平行で長手方向に配設される複数のスリットの交差する２方向のスリットを加工等によって設けることによりフィン２を伝熱部３と一体に形成することができる。この時、各方向のスリットの深さは任意でありどちらかが深くてもあるいは、ほぼ同一の深さであってもかまわない。またそれぞれのスリットで異なってもかまわない。図１には、それぞれのスリット深さがほぼ異なる深さの例を示しているが、この例に限定するものではない。また、フィン２は図１に示す様に交差する２方向のスリットが存在するように周期的に配設した方が放熱性や生産性の面で有利である。また、このようにフィン２をピン状にすることによりヒートシンク１を発熱体５に装着するため、クリップ等により押圧する際にフィン２を構成するスリットが存在するため、ヒートシンク１全体の緩やかな変形が期待でき、より発熱体５に密着しやすく、また装着後の温度変化等によりヒートシンク１に発生する応力をフィン部で緩和することができ受熱面６の状態が変化しにくいという効果も期待できる。
【００４１】
伝熱部３とフィン２を一体に形成すると、生産性が良くなり、しかも伝熱部３とフィン２との間に熱抵抗となる部分が存在しないため、伝熱効率が良くなる。
【００４２】
また、フィン２の形状としては、図１に示されているように四角柱状とすることによって、フィン２の実装密度などを高めることができ、放熱性を向上させることができる。
【００４３】
また、本実施の形態では、フィン２の太さが先端から伝熱部３に近づくに従って太くなる形状としたが、例えば、フィン２の太さはほぼ一定の形状や、フィン２の太さが先端から伝熱部３に近づくに従って細くなる形状や、フィン２の中間部分が他の部分よりも太い形状、細い形状でも良い。
【００４４】
また、フィン２に形成された角部に面取りなどを施すことによって、上述と同様に欠け等によって生じる屑の発生などを防止できる。
【００４５】
また、ヒートシンク１をなす金属構成体の材料としては、１００℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料で構成することが好ましい。具体的材料としては、アルミニウム，マグネシウム合金を代表とする材料などを用いることができる。本実施の形態では、加工性やコスト面を考慮して、アルミニウム単体か、アルミニウムを主材料とする合金等から構成した。このように、本実施の形態のヒートシンク１にアルミ合金などを材料として用いれば、一般的な押出成形により形成することができ、被削性の良い材料であるため、特別な機械加工を行わないで済ませることができ、容易に金属構成体を得ることができる。
【００４６】
次に、円柱部材４の材料としては、金属構成体の材料として選ばれた単体材料や合金材料よりも熱伝導率の高い、銅，銀あるいは金の材料単体か、あるいは合金などを用いることができる。円柱部材４は、円柱形状とすることで金属構成体に埋め込む場合、例えば、圧入にて配置固定する場合のはめあい設計が容易になる。また、加工も旋盤による旋削により成形が可能なため、特殊な加工機を使用することなく容易に円柱部材４を得ることができる。さらに、この時、円柱部材４の側面の面粗度を最大高さで規定した場合、０．０００５ｍｍ以上、０．０１ｍｍ以下の範囲とすることにより、円柱部材４を圧入する際に金属構成体との間でいずれかの金属が削られることがおこりにくく、それにより削り取られた部分や削り取られた金属片の介在により双方の間ですきまが発生することなく、密着度よく金属構成体に円柱部材４を配置固定することができる。なお、この面粗度は旋盤による旋削により容易に得ることができるため、円柱部材４の成形時に同時に加工が可能であり特殊な加工機を必要としない。
【００４７】
実際にヒートシンクを作製し、その性能を測定してみた。ヒートシンクは、上記材料グループから熱伝導率の異なるアルミニウムと銅の２種類の材料を選定し、金属構成体をアルミニウムにて、円柱部材は、銅により作製した。なお、銅は金属構成体材料のアルミニウムよりも高い熱伝導率を有しており円柱部材として適当である。試作したヒートシンクは、前記アルミニウムの金属構成体に銅円柱を埋め込むことによりヒートシンクを作製したものの他に、全てをアルミニウム単体にて作製したもの、同様に銅単体のものの、合計３種類とした。ヒートシンクをなす金属構成体の形状は、押し出し成形工法により成形し、メタルソウによるフライス加工にてスリット部を形成した。また、アルミニウムと銅の複合は、アルミニウム単体で製作したヒートシンクの伝熱部に、エンドミルによるフライス加工にて穴部を形成し、この穴に旋削にて成形した直径２５ｍｍ、長さ６．７ｍｍの銅円柱を埋め込んだ。この時、穴内径と銅円柱直径の関係はしまりばめの関係になるように加工し、熱伝導材８を塗布した後にプレスによる圧入にて、埋め込みをおこなった。
【００４８】
このようにして、試作したヒートシンクの性能を測定してみた。性能測定は、稼動しているＭＰＵ実機にヒートシンクを搭載して冷却を行いＭＰＵ表面の温度と雰囲気温度、及びＭＰＵ消費電力より得られる値である熱抵抗を性能を示す指標として採用した。熱抵抗は、熱移動に対して、熱の流れ難さを示す値であり、熱抵抗が小さいほど熱伝導、放熱に優れたヒートシンクと言うことができる。試作した３種類のヒートシンクの熱抵抗をそれぞれ測定したところ、銅単体のヒートシンク、アルミニウムのヒートシンクに銅円柱を埋め込んだヒートシンク、アルミニウム単体のヒートシンクの順に熱抵抗が小さい結果であった。具体的には、熱抵抗比で表すならば、アルミニウム単体のヒートシンクを１とした場合、アルミニウムのヒートシンクに直径２５ｍｍ、長さ６．７ｍｍの大きさの銅円柱を埋め込んだものが０．８７、銅単体のヒートシンクが０．８０の関係であった。更に重量比では、同様に１：１．１：３．０となり、銅といった高熱伝導材を金属構成体の一部分のみに複合することで、重量をあまり増加させること無く性能向上が可能であることが確認された。
【００４９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図３、図４、図５（ａ），（ｂ）、図６および図７を用いて説明する。
【００５０】
実施の形態２では、ヒートシンクの製造における基材となる伝熱部と、複数の放熱フィン部と、を有する金属金属構成体を押出成形工法により製作した場合について説明を行う。
【００５１】
図３は本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの製造方法における第１の工程を示す模式図、図４は図３における押出ダイスの正面図、図５は本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの製造方法における第２の工程を示す上面図および正面図、図６は本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの製造方法における第３の工程を示す正面図、図７は穴部底部の貫通穴を示す模式図である。
【００５２】
図３、図４、図５（ａ），（ｂ）、図６及び図７に示すように、この実施の形態２のヒートシンク１は、実施の形態１におけるヒートシンク１と同一である。従って、ヒートシンク１同じ構成にかかる部材については、同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。それぞれの図において、９は金属構成体、１０は押出ダイス、１１は押出ダイスの穴部、１２は成形される金属素材、１３はスリット加工に用いるメタルソウ、１４はスリット加工治具、１５は金属構成体９の伝熱部３に施した穴部、１６はプレス圧入治具、１７は油圧プレス機の一部、１８は貫通穴である。
【００５３】
以上のような構成によりヒートシンク１を製造する場合について説明を行う。
【００５４】
まず、第１の工程として押出成形により伝熱部と、複数の放熱フィン部と、を有する金属金属構成体９に金属を成形する。押出成形は、図３に示されるように金属構成体９の断面と同一形状の穴部１１を放電加工等により施された押出ダイス１０に、熱間で金属素材１２をこの穴部１１に通過させることにより成形を行うわけであるが、押出ダイス１０の加工の際に図３に示すように金属構成体９の断面と同一形状となるように加工を行う。すなわち図４に示すように押出ダイスの穴部１１の形状が金属構成体９の断面と同一形状となるように予め形成した。なお、押出ダイス１０の材料としては熱間ダイス鋼材を使用した。次に、金属構成体９の素材となる金属には、アルミニウム合金のＡ６０６３Ｓ材を用いた。本合金は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の合金であり、代表的な押出用合金である。特に押出性に優れ、複雑な断面形状の形材が得られ、耐食性、表面処理性も良好という特徴を有し、本製造方法に適当である。しかし、押出成形が可能であれば他材でも問題はない。例えば、純アルミニウム系のＡ１０５０材は押出成形が可能であるが軟らかく変形に注意が必要である反面、熱伝導性に優れるという特徴を有しておりヒートシンク用材料としては適当である。また、本製造方法を適用することができる。
【００５５】
押出成形は、図３に示すような構成で押出ダイス１０に金属素材１２を押し付けるが、金属素材１２は一般的にビレットと呼ばれる円柱状の形状で供給される。押出成形は、まず金属素材１２（例えば、Ａ６０６３Ｓ素材ビレット）を予備加熱のため誘導加熱により４８０℃まで加熱し、その後１８００トンの押出圧を有する押出機にて、押出速度３０〜４０ｍ／ｍｉｎで若干の張力を加えながら押出ダイス１０を通過させ押出成型を行い。ヒートシンク１の基材となる金属構成体９を成形した。この後、押出成形された長尺の金属構成体９を所定の長さに切断した。
【００５６】
続いて、金属構成体９へピンフィンを形成する第２の工程について説明する。ピンフィンの形成は、図５（ａ）に示すように、金属構成体９の押出方向に対し所定のピッチ及び角度、例えば９０度にスリットを加工すればよく、また、支柱部の断面形状を三角形に加工するならば、図５（ｂ）に示すように、金属構成体９を所定の角度にスリット加工治具１４を用いて傾けた状態でスリットを加工することによりピンフィンを容易に形成することが可能である。例えば切削幅２ｍｍのメタルソウ１３を用いたフライス盤により所定のピッチ、例えばピッチを４ｍｍとなるように切削加工を施しスリット加工を行えば、切り残し部が幅２ｍｍのピンフィンとなるため、容易にピンフィン形成が可能である。また、軸剛性の高い横型フライス盤を用い、複数のメタルソウ１３を所定のピッチに組み合わせた刃物による一括加工、すなわちマルチ化を図れば大幅に工数を低減することができ、さらに生産性よく加工を行うことができる。なお、金属構成体９の放熱フィン部のみでも、放熱フィンとしては有効であるが、前記第２の工程により、更にピンフィンを形成すれば、より放熱面積を拡大することができ、また同時に軽量化をも達成することができるため非常に好ましい。
【００５７】
次に、金属構成体９の受熱面７より伝熱部３に円柱部材４である銅部材を挿入するための、穴部１５を加工する。銅を挿入した際、銅部材と穴部１５にすきまが存在すると大きな熱抵抗となるため、すきまを無くして熱的に、そして、挿入した銅部材が脱落せぬように、機械的にも強固に挿入固定される必要がある。そのため、双方のはめあいの関係は、しまりばめの関係となるように設計し加工を行うことが好ましい。例えば、円柱部材４として直径φ２５の円柱状の銅部材を用いる場合、はめあいは穴の公差域クラスＨ７と軸の公差域クラスｒ６のしまりばめの関係になるように設計した。すなわち、穴部直径をφ２５．００ｍｍからφ２５．２１ｍｍに、銅部材の直径をφ２５．２８ｍｍからφ２５．４１ｍｍとなるように加工を行った。この時、銅部材側面の加工面の面粗度を最大高さで規定した場合、０．０００５ｍｍ以上、０．０１ｍｍ以下に加工することが好ましい。面粗さがあまり粗いと、銅部材挿入時に金属構成体９との間でいずれかの金属が削られることがおこりやすく、それにより削り取られた部分や削り取られた金属片の介在により双方の間ですきまが発生しやすく密着度の低下という不具合が発生しやすくなる。同様に、穴部側面についても面粗度を最大高さで０．０００５ｍｍ以上、０．０１ｍｍ以下に加工することがさらに好ましい。次に、銅部材の高さについては、伝熱部３の断面形状が図２に示されるような一部が垂直に立ち上がる略三角形で、受熱面にあたる部分を底辺とし、底辺の長さが４１ｍｍで、垂直に立ち上がった部分１．５ｍｍを含む三角形の高さが１５ｍｍの場合、銅部材の伝熱部３への銅部材の挿入量を最大とするためには、銅部材の高さを６．７ｍｍとする必要がある。そのために、穴部１５の深さを同様に６．７ｍｍとした。その後、第３の工程として、伝熱部３の穴部１５へ銅部材を挿入するわけだが、双方がしまりばめの関係であるため、図６に示すように、プレス圧入治具１６により穴部１５と銅部材の位置合わせと、銅部材挿入時の銅部材のガイドを行いつつ、油圧プレス機１７を用い圧入にて銅部材を挿入する。この時、穴部１５の内面と円柱状の銅部材側面の接触する部分に銀、亜鉛などの金属含有接着剤、酸化物、窒化物を含有するシリコーン系接着剤などからなる熱伝導材８を予め塗布しておくことが好ましい。こうすることにより、圧入の際の潤滑及び穴部と銅部材の真円度あるいは面性状の違いによりすきまが生じた場合に、そのすきまは、塗布した熱伝導材により充填され、すきまの存在による熱抵抗の増加を防止できると同時に、圧入時の潤滑も期待できる。また、穴部１５の底部に小径の貫通穴１８を施し、圧入時に介在する空気を除くための空気抜き穴として利用することが好ましい。穴を施すことにより、銅とアルミの間、特に銅円柱の端面と穴部底面の間に空気が存在することによる双方の部材の接触不良による、熱抵抗増加を防止することができる。この貫通穴は、別工程で加工してもよいが、図７に示すように銅部材挿入のための穴部を伝熱部に施す際に、この穴部を深めに加工することにより、伝熱部のフィン配置面に貫通穴１８を同時に施すことができ、工数低減に効果的である。また、銅部材の高さを穴部１５深さよりも高く加工し、圧入の際にこの部分を治具などによって保持すれば、挿入時の傾きを防止することができ好ましい。この場合、圧入完了時に銅部材が伝熱部より突出するが、この部分はそのままでもよいし、所定の突出量までフライス盤等により加工してもよい。
【００５８】
以上のように、本実施の形態では、金属構成体９の伝熱部３に穴部１５を施し、前記穴部に円柱形状の円柱部材４を圧入により配置固定し、さらにその際に伝熱部３の穴部１５の内面と円柱形状の円柱部材４の接触面に銀、亜鉛などの金属含有接着剤、酸化物、窒化物を含有するシリコーン系接着剤などからなる熱伝導材８を介在させたため、金属構成体９の伝熱部３すなわちヒートシンク１の伝熱部３に円柱部材４を熱的にも機械的にも強固に配置固定でき、さらに双方の間には熱伝導材８が介在するため、万一微少なすきまが存在したとしても、熱伝導材８により充填されるため、熱抵抗が増加することなく、熱伝導材８を介してヒートシンク１の伝熱部３を円柱部材４に密着度よく固定することができる。このため、発熱体のＭＰＵ５から発生した熱をヒートシンク１に熱伝導性よく伝えることができ、ＭＰＵ５を効率よく冷却することができるヒートシンクを簡便に得ることができる電子部品用ヒートシンクの製造方法が得られる。
【００５９】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図８および図９を用いて説明する。
【００６０】
本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの製造方法における第１の工程および第２の工程は、実施の形態２における工程と同一のため、ここでは、詳しい説明を省略する。次に、図８は本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの製造方法における第３の工程を示す模式図であり、図９は本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの製造方法における第３の工程を示す部分断面図である。
【００６１】
図８、図９に示すように、この実施の形態３のヒートシンク１は、実施の形態１におけるヒートシンク１と同一である。従って、ヒートシンク１同じ構成にかかる部材については、同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００６２】
以上のような構成によりヒートシンク１を製造する場合について説明を行う。
【００６３】
第１及び第２の工程を経て金属構成体９より複数のピンフィンを有するヒートシンク１を形成した後、ヒートシンク１の伝熱部３に一方の端部が半球状である円柱部材４を摩擦熱を利用して配置固定する第３の工程について述べる。摩擦熱を利用して異種材料、例えばアルミニウムと銅を接合する技術は、一般には摩擦溶接あるいは摩擦圧接と称される接合方法であり、まず、接合する一方の部材、例えば銅をモータにより回転させて他方の非回転側の部材であるアルミニウムに所定の圧力で接触させることにより摩擦発熱をさせ、続いて所定の時間経過後、回転を急激に止め更に高い圧力を加えて接合を行うブレーキ方式と呼ばれる方式。あるいは、銅をモータにて回転させるのは同様だが、アルミニウムとの接触前にモータからの動力をたち、フライホイール等により惰性で回転を継続させながら、アルミニウムに接触させ最初から大きな圧力をかけてエネルギ全てを熱に変え接合し、自然停止させるイナーシャ方式と呼ばれる方式とがある。本発明の場合、いずれの方式を用いても問題はない。一般に、摩擦溶接は２つの同種あるいは異種金属の端面を接合させることに用いられる技術であるが、本発明の材料の組合わせの場合、銅とアルミニウムには硬度差があり、銅の方がアルミニウムよりも硬度が高いためアルミニウムへ予め穴部を施すことなく、アルミニウムの中に銅を埋め込むかたちで溶接すなわち接合させることが可能である。具体的には、銅を回転させてアルミニウムへ所定の圧力で接触させれば圧力に応じて銅がアルミニウム中へ埋まりこんでいくわけである。その後、回転を止め更に高い圧力をくわえるか、もしくは、接触当初より高い圧力をかけながら回転を自然停止させることで溶接が完了する。
【００６４】
このいずれかの方式による摩擦溶接にて、銅とアルミニウムの接合を行った後にフライス加工等の機械加工にて銅の不要部分や銅の埋没に伴って押出されたアルミニウムの変形部分他の除去を行い、整形、面出しを行い、アルミニウム製のヒートシンク１の伝熱部３に銅を複合したヒートシンク１を得る事ができる。
【００６５】
実際に、イナーシャ方式による摩擦溶接にて試作を行った。まず、図８に示されるように予め円柱部材４である銅部材のアルミニウムへ接合する側の端部に球面加工を施す。本試作の場合、直径２５ｍｍ、長さ１００ｍｍの無酸素銅の棒材の端部にＲ１２．５ｍｍの球面加工を施した。しかしながら、銅棒材の端部の加工形状は、アルミニウムへ接触し加圧される際に圧力が集中する形状であれば、球面形状だけでなく円錐形状や円錐台形状でもかまわない。その後に、摩擦溶接機に端部へ加工を施した銅部材およびヒートシンク１をセットした。この時、銅部材を回転側にセットし、毎分４０００回転の回転を加え所定の回転数に達した後に、動力をたちフライホイールによる慣性にて回転を持続させた。つづいて、１５ＭＰａの圧力にてヒートシンク１および銅部材を接触させ、摩擦により回転が停止するまで、加圧をつづけ溶接を行った。溶接は、図９（ａ）に示すようにヒートシンク１の伝熱部３に円柱部材４である銅部材の半球部分約１２．５ｍｍが埋まりこむ形で完了した。また、銅棒材の端部の加工形状を、円錐形状や円錐台形状とした場合は、図９（ｂ）あるいは図９（ｃ）に示されるような状態にて溶接が完了する。なお、銅の埋没に伴って押出されたアルミニウムの変形部分他は図示していない。
【００６６】
このように、摩擦溶接工法を用いれば銅部材といった円柱部材４をヒートシンク１の伝熱部３に密着度よく固定することができる。これは、溶接部が真空状態で溶接が行われるためであり、熱的にも機械的にも双方が完全に密着しているため、発熱体のＭＰＵ５から発生した熱をヒートシンク１に熱伝導性よく伝えることができ、ＭＰＵ５を効率よく冷却することができる。また、ヒートシンク１の伝熱部３に溶接のための下準備が不要なため工数も低減できる効果が期待できる生産性の高い電子部品用ヒートシンクの製造方法を得ることができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の電子部品用ヒートシンクの製造方法は、金属構成体より熱伝導率の高い円柱部材のヒートシンクの伝熱部への複合を摩擦による溶接といった簡便で安定的な方法を用いることにより、高性能のヒートシンクを生産性高く作製できる電子部品用ヒートシンクの製造方法を得られる。
【００６８】
また、本発明の製造方法で作られた電子部品用ヒートシンクは、ヒートシンクの伝熱部に複合された円柱部材の露出面の形状が円形状であるため伝熱部のおける伝熱効率がたかく、半導体装置や電子部品など発熱体からの熱を効率よくヒートシンク全体に導くことができる。あるいは円柱部材が金属構成体の受熱面よりも突出しているため、ヒートシンク内を流れる冷却風の流れが阻害されにくく、高い放熱特性を有する電子部品用ヒートシンクが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１の電子部品用ヒ−トシンクの全体斜視図
（ｂ）本発明の実施の形態１の電子部品用ヒ−トシンクの別角度の全体斜視図
【図２】本発明の実施の形態１の電子部品用ヒ−トシンク付き半導体装置の側面を示す部分断面図
【図３】本発明の実施の形態２のヒートシンクの製造方法における第１の工程を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態２のヒートシンクの製造方法における押出ダイスの正面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの製造方法における第２の工程示す上面図
（ｂ）本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの製造方法における第２の工程示す正面図
【図６】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの製造方法における第３の工程示す正面図
【図７】穴部底部の貫通穴を示す模式図
【図８】本発明の実施の形態３のヒートシンクの製造方法における第３の工程を示す模式図
【図９】本発明の実施の形態３のヒートシンクの製造方法における第３の工程を示す部分断面図
【図１０】（ａ）従来のヒートシンクの構成を示す斜視図
（ｂ）従来のヒートシンクの構成を示す斜視図
【図１１】（ａ）従来のヒートシンクによるファンとを組み合わせた冷却装置の構成を示す上面図
（ｂ）従来のヒートシンクによるファンとを組み合わせた冷却装置の構成を示す側面図
【符号の説明】
１ヒートシンク
２フィン
３伝熱部
４円柱部材
５発熱体（ＭＰＵ）
６発熱面
７受熱面
８熱伝導材
９金属構成体
１０押出ダイス
１１穴部
１２金属素材
１３メタルソウ
１４スリット加工治具
１５穴部
１６プレス圧入治具
１７一部
１８貫通穴
３０プレート状フィン
３１ピン状フイン
３２ベースプレート
３３ＭＰＵ
３４冷却ファン
３５空気流入面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a heat sink for an electronic component used for cooling a heating element such as a semiconductor, which is abbreviated as IC, CPU, MPU, and the like, and an electronic component having another heat generating portion, and the manufacturing method thereof. The present invention relates to a heat sink for electronic parts.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in electronic devices, the contact temperature of each electronic component has been reduced for the normal operation of the electronic component against the increase in heat generation due to higher integration of electronic components such as semiconductors and higher operating clock frequencies. How to keep within the operating temperature range has become a major issue. In particular, high integration and high frequency of micro processing units (hereinafter abbreviated as MPU) such as semiconductors are remarkable, and semiconductor cooling by heat dissipation is an important issue from the viewpoint of operational stability and ensuring operation life. It has become to.
[0003]
In general, heat dissipation from electronic devices includes a natural air cooling with a heat sink to expand heat dissipation area and efficiently exchange heat with refrigerants such as air, and a motor with a motor to forcibly send refrigerants such as air into this heat sink. This is done by forced air cooling by a cooling device combined with a fan.
[0004]
Here, the prior art will be described with reference to FIGS.
[0005]
FIGS. 10A and 10B are perspective views showing the configuration of a conventional heat sink, and FIGS. 11A and 11B are a top view and a side view showing the configuration of a cooling device in which a conventional heat sink and a fan are combined. FIG. These heat sinks include a plate type in which plate-like fins 30 made of a large number of thin plates are arranged on a base plate 32 as a heat transfer section as shown in FIG. 10A, and a base plate 32 as shown in FIG. 10B. It is classified into a pin type in which a large number of pin-shaped fins 31 are arranged. These heat sinks have a relatively good thermal conductivity and are manufactured by a method such as extrusion molding, cold forging, die casting, and thin plate lamination, using lightweight aluminum as a material. As shown in FIG. 11B, when such a heat sink is attached to the MPU 33 which is a heating element, a pin type heat sink or the like is mounted directly on the MPU 33. The cooling principle of this cooling device is that the heat generated in the MPU 33 is transferred to the pin-shaped fins 31 through the base plate 32 having a relatively high heat transfer property such as aluminum, and the heat is further cooled on the surface of the pin-shaped fins 31. By transferring heat to the air sent from 34, it is dissipated into the air and cooled.
[0006]
In order to improve the performance of such a cooling device, heat is uniformly distributed over the entire base plate 32 which is a heat transfer portion of the heat sink, and from all the formed pin-shaped fins 31 or plate-shaped fins 30 for heat dissipation. It is desirable to have a state where sufficient heat dissipation can be performed. However, in a plate-type or pin-type heat sink as shown in FIGS. 10 and 11, the heat from the heating element (for example, MPU 33) is very small compared to the heat transfer section and the contact area is narrow. In addition, because the heat transfer part is flat, the cross-sectional area is small, so heat is intensively transferred to the heat dissipating fins immediately above the heating element, and heat is relatively transferred to the heat dissipating fins in the peripheral part. Tends to be difficult to transmit, and as a result, the entire radiating fin is often not functioning effectively. The heat transfer efficiency is determined by the material that makes up the heat sink. Aluminum, which is a material, has a relatively high thermal conductivity, but its heat conductivity is still low compared to copper, which is a high thermal conductivity material, so the efficiency of heat transfer. Is one of the causes of heat transfer efficiency deterioration.
[0007]
Therefore, in order to improve the efficiency of heat transfer, the conventional technology places copper in a part of the heat transfer part of the heat sink or inserts a copper heat sink in a part of the aluminum heat sink like other heat sinks. The structure, that is, not only the heat transfer part but also a part of the fin is replaced with copper (for example, see Patent Document 1).
[0008]
Next, in order to improve the efficiency of heat dissipation, if the air volume around the heat dissipation fins is the same, increasing the surface area by increasing the number of fins will increase the heat dissipation efficiency, but in fact, when considering per unit area, As the cross-sectional area of the heat radiating fins increases, the area of the air inflow surface 35 in the part where air can flow in, for example, the part other than the heat radiating fins shown in FIG. On the other hand, there is a case where the heat dissipation capability is lowered. In other words, simply increasing the number of radiating fins has no effect.
[0009]
In other words, it is important that heat from the MPU can be efficiently transferred to the heat transfer section and expanded to a wide range of heat dissipation fins by the heat transfer section under a fin density that can secure a sufficient air volume. is there.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-92985
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the future, electronic components such as semiconductors tend to generate more heat due to further progress in speeding up, and it has become difficult to perform sufficient cooling or the like with a conventional cooling device. In particular, high heat-generating electronic components such as MPU cause serious problems such as deterioration of performance and thermal runaway, and abnormalities in electronic devices. Therefore, there is a need for a higher-performance cooling device. However, in order to improve the heat dissipation performance of a cooling device such as a heat sink, the fin density is low enough to secure a sufficient cooling airflow for heat from highly heat-generating electronic components such as MPU. Therefore, it is important that the heat transfer portion of the cooling device is efficiently diffused and transmitted to the fins, thereby obtaining good heat dissipation.
[0012]
In general, lightweight aluminum-based alloys are often used as heat sink materials, but it is effective to use copper with high thermal conductivity to improve the heat diffusion efficiency in the heat transfer area. It is. However, since copper has higher specific gravity and price than aluminum-based alloys, for example, if the entire heat sink or the like is made of copper, the weight increases, which is not economically preferable. Here, the increase in the weight of the heat sink may cause damage to the electronic component itself when directly attached to the electronic component, and the contact state between the electronic component and the heat sink is likely to change depending on the posture of use. is there. Therefore, a method of replacing only a part of the heat transfer portion made of an aluminum alloy with a high thermal conductivity material such as copper has been tried, and a material having high thermal conductivity such as copper is formed into a flat plate and attached to the heat transfer portion. Alternatively, a method of integrally molding by a forging method or the like and taking a composite is taken. However, in a heat radiating device in contact with a small heating element, the heat transfer part has a flat plate shape because it tends to diffuse with a hemispherical temperature distribution when heat flows into the isotropic material from the heat receiving surface. In addition, since the cross-sectional area is small with respect to the entire area of the heat receiving surface, heat diffusion in the vertical direction cannot be expected with respect to the heat receiving surface in contact with the heating element. Of course, even a flat plate has a sufficient cross-sectional area. However, it is practically difficult because the shape of the heat sink is limited and the weight is increased. Considering this, in addition to not being able to expect a sufficient effect even if a part of the plate-shaped heat transfer part is replaced with a high heat conductive material such as copper, it is necessary to adhere two kinds of metals in a wide area. Therefore, there is a problem that a special construction method is required. Alternatively, a structure in which a copper heat sink is inserted into a part of an aluminum heat sink, that is, it is possible to replace not only the heat transfer part but also a part of the fin with copper, but the heat transfer part remains flat and the aluminum Even if a part of the heat transfer part made of copper is replaced with copper, a sufficient contact area between aluminum and copper cannot be secured, so heat conduction between copper and aluminum tends to be insufficient. There is a possibility that the performance cannot be fully utilized and only the performance of the copper heat sink part can be exhibited. When only a part of the heat sink is replaced with a copper heat sink, it is necessary to pay attention to the relationship between the heat transfer portion and the fin portion of the copper portion. That is, when the volume of the heat transfer part and the cross-sectional area of the fin part are small with respect to the fin height, heat is not sufficiently transferred from the heat transfer part to the fin part, and therefore heat radiation from the fins may be insufficient. There is also a problem that the performance of the copper heat sink part may not be sufficiently extracted.
[0013]
The present invention solves the above-described problems, and can efficiently transfer heat generated from an electronic component such as an MPU as a heating element to the entire heat sink, and further facilitates a heat sink for electronic components with excellent heat dissipation efficiency. And it aims at providing the manufacturing method of the heat sink for electronic components which can be manufactured with sufficient productivity. Another object of the present invention is to provide a high-performance heat sink having high heat transfer efficiency and heat dissipation efficiency manufactured by using the manufacturing method.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a heat sink for electronic components according to the present invention produces a metal structure having a substantially triangular or substantially trapezoidal heat transfer section having a long heat receiving surface and a plurality of heat dissipating fin sections. A cylindrical hole part is formed from the heat receiving surface side of the heat part, and a cylindrical member having a higher thermal conductivity than the metal component is press-fitted into the hole part and fixed.
[0015]
According to the method for manufacturing a heat sink for electronic parts of the present invention, a heat sink having high heat dissipation characteristics can be efficiently produced by a simple method such as a press-fitting method.
[0016]
Further, a metal structure having a heat transfer portion having a heat receiving surface as a base and a plurality of heat radiating fin portions is manufactured, and one end surface side of a cylindrical member having a higher thermal conductivity than the metal member is processed to form a hemisphere or Using a frictional heat generated when a conical tip is formed and the heat receiving surface and the tip are brought into contact with each other while either the metal component or the cylindrical member is rotated at a high speed and both are pressed. And the said metal structure and the said column member are joined, It is characterized by the above-mentioned.
[0017]
According to the method for manufacturing a heat sink for an electronic component of the present invention, two kinds of materials can be bonded with high strength and good adhesion, so that a heat sink having high heat dissipation characteristics can be reliably used as a bonding method using frictional heat. It can be efficiently produced in a highly stable manner.
[0018]
Furthermore, the heat sink for electronic parts of the present invention is produced by the method for manufacturing a heat sink for electronic parts of the present invention, and the shape of the exposed surface of the cylindrical member is circular.
[0019]
According to the present invention, the heat generating element such as a semiconductor device or an electronic component and the exposed surface of the cylindrical member are unlikely to be displaced due to rotation or the like, so that heat from the heat generating element can be efficiently received and guided to the heat sink. A heat sink that can efficiently utilize the ability of the above is obtained.
[0020]
Furthermore, the heat sink for electronic parts of the present invention is produced by the method for manufacturing a heat sink for electronic parts of the present invention, and the cylindrical member protrudes from the heat receiving surface of the metal component.
[0021]
According to the present invention, heat from a heating element such as a semiconductor device or an electronic component can be efficiently received, and the heat can be quickly diffused and guided to the entire heat sink. A heat sink having heat dissipation characteristics can be obtained.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention described in claim 1 A cylindrical member made of copper with one end surface being the heat receiving surface and the other end surface being hemispherical, and a substantially triangular or trapezoidal cross section with the heat receiving surface of the columnar member protruding and the other end surface side buried, and the heat receiving surface being the bottom A heat sink having a heat transfer part of an aluminum alloy having a shape and a heat radiating fin part of an aluminum alloy arranged in the heat transfer part, the aluminum heat sink having the heat transfer part and the heat radiating fin part. And a cylindrical member made of copper having a hemispherical tip at one end face, fixing the metal constituent, and rotating the cylindrical member at a high speed while receiving the heat receiving surface of the metal constituent The cylindrical member is brought into contact with the hemispherical tip of the cylindrical member, and the cylindrical member is buried in and joined to the metal component using frictional heat generated when both are pressurized. At a given length The cross-sectional It is a method for manufacturing heat sinks for electronic components, has high thermal conductivity, and is suitable for press-fitting. Circle Column-shaped metal to heat transfer section Using friction heat A high-performance heat sink that can be manufactured without the need for special equipment and can be dissipated after efficiently dissipating the heat generated from electronic components throughout the entire heat sink by fixing it by press-fitting. It has the effect | action that the manufacturing method which can manufacture with sufficient productivity can be obtained.
[0025]
Also, By joining method using frictional heat Cylindrical member made of copper By fixing the heat sink and Cylindrical member Since it is tightly integrated without gaps, it has high mechanical joint strength, excellent heat conduction between both materials, and can efficiently dissipate the heat generated from electronic components etc. while spreading efficiently throughout the heat sink. It has an effect that a manufacturing method capable of manufacturing a high performance heat sink with high reliability can be obtained.
[0027]
Also, Has the highest thermal conductivity Cylindrical member Is exposed to the heat receiving surface, so that the heat from the heating element can be received directly.Furthermore, since the shape of the exposed portion is circular, it is advantageous for isotropic heat conduction, and heat is efficiently applied to the entire heat sink. Since it can be transmitted, the heat radiation efficiency can be improved. Further, since the exposed portion is circular, it is easy to mold and arrange, and has an effect that the positional deviation from the heating element due to rotation hardly occurs.
[0028]
Also, the cylindrical member Since the heat receiving surface protrudes from the heat transfer part, a gap is generated between the heating element and the heat sink, so that the flow of the cooling air flowing in the heat sink is hardly hindered and the heat dissipation efficiency of the heat sink can be improved. Has an effect.
[0029]
Also, Since the cylindrical member has a hemispherical shape that is advantageous for isotropic heat diffusion, the received heat can be efficiently diffused in the heat transfer section, and heat can be transferred quickly to the entire heat sink, so heat dissipation efficiency It has the effect | action that can be improved.
[0030]
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
[0031]
FIG. 1 is an overall perspective view of a heat sink for electronic parts according to Embodiment 1 of the present invention, and FIGS. 1A and 1B are perspective views of the same heat sink from different angles. Next, FIG. 2 is a partial sectional view showing a side surface of the heat sink shown in FIG. In FIGS. 1 and 2, 1 is a heat sink, 2 is a fin disposed on the heat sink 1, and a plurality of fins 2 are provided. 3 is a heat transfer part which arrange | positions the fin 2, 4 is a cylindrical member whose heat conductivity is higher than the metal structure which has the heat transfer part used as the base material of manufacture of the heat sink 1, and several radiation fin part. is there. Reference numeral 5 denotes a heating element provided in a lower direction of the heat transfer unit 3. Here, the heating element is a semiconductor such as an IC, LSI, or MPU, or an electronic component that generates heat such as a transistor. Here, the heating element will be described as MPU5. Reference numeral 6 denotes a heat generating surface of the MPU 5 which is a heat generating member, and the heat receiving surface of the heat transfer section 3 that receives the heat in contact with the heat generating surface 6 is designated as 7. Further, reference numeral 8 denotes a heat conductive material made of a metal-containing adhesive such as silver or zinc existing at the interface between the heat sink 1 and the cylindrical member 4, a silicone-based adhesive containing an oxide or a nitride.
[0032]
The heat sink configured as described above will be described in detail.
[0033]
In FIG. 1, the cross-sectional shape of the heat transfer section 3 is efficient for heat transfer if it has a substantially triangular shape or a substantially trapezoidal shape with the heat receiving surface in contact with the heating element as the base, and is also effective in reducing weight. It is. Moreover, the fin 2 is provided in this heat-transfer part 3, and the case where the fin 2 in FIG. 1 is provided so that it protrudes from the heat-transfer part 3 in two directions substantially horizontally is shown. However, the projecting direction is not limited to these two directions, and may project in any direction. Further, the angle is not limited to the horizontal direction. For example, the angle may protrude from the slope of the heat transfer section 3 in the vertical direction. Here, a representative projecting direction and angle as shown in FIG. 1 will be described.
[0034]
Generally, in a heat dissipation device that is in contact with a small heating element, when heat flows into the isotropic material from the heat receiving surface, it tends to diffuse with a hemispherical temperature distribution. Forming a large number of heat radiation fins radially starting from the body heat transfer section and the heat source at the center of the heat transfer section is considered to have the highest heat dissipation characteristics. However, in such a configuration, various problems other than performance, such as a shape and size in which an actual shape cannot be used, and an extremely high manufacturing cost, arise. Also, in the conventional plate type or pin type heat sink, as described above, the heat from the heating element is very small compared with the heat transfer part, and the contact area is narrow, so that the heating element is in the vicinity of just above the heating element. There is a tendency that heat is intensively transmitted to the radiating fins and heat is relatively difficult to be transmitted to the radiating fins in the peripheral portion, and as a result, the entire radiating fins often do not function effectively.
[0035]
On the other hand, if the heat sink is configured as in the present invention, it is possible to realize a small cooling device having excellent heat transfer and heat dissipation characteristics.
[0036]
In the heat sink of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the heat of the MPU 5 that is a heating element is exposed to the bottom surface of the heat transfer section 3 that is in contact with the heating surface 6, that is, the cylindrical member 4 on the heat receiving surface 7. The heat is received by the portion, and diffused three-dimensionally from the bottom surface of the heat transfer portion 3 through the cylindrical member 4 in all directions such as a vertical direction and a horizontal direction. In this case, as shown in FIG. 2, the heat transfer section 3 has a substantially triangular cross section, and is much larger than the plate-shaped heat transfer section of a conventional plate type or pin type heat sink. A stable hemispherical temperature distribution in the range can be realized. In the case of the present invention, since the cylindrical member 4 having a high thermal conductivity such as copper is disposed at the center of the hemispherical temperature distribution, the efficiency is higher than that in the case where the cylindrical member 4 is not present. It can diffuse heat to a large area well. Furthermore, since the cylindrical member 4 has an exposed portion on the heat receiving surface 7, the heat dissipated from the MPU 5 that is a heating element can be directly transmitted to the cylindrical member 4 without passing through other members. Therefore, heat from the MPU 5 can be received with little loss. Subsequently, this heat has a hemispherical temperature distribution centering on the cylindrical member 4, but the exposed portion shape of the cylindrical member 4 is circular as shown in FIG. It is advantageous for isotropic heat conduction and is efficiently transferred from the heat receiving surface 7 to the entire heat transfer portion 3 and the range of the fins 2 functioning as heat radiating fins. A much higher heat dissipation characteristic can be obtained. As described above, the shape is excellent in heat transfer, and the structure is provided with the cylindrical member 4 inside the heat transfer portion 3, so that the efficiency of heat transfer is further increased. That is, in the case of a single material, the limit of heat transfer efficiency is determined by the inherent physical property value of the material, that is, thermal conductivity, but a heat conductor made of a material that can be expected to have higher heat transfer efficiency is combined. Thus, the limit of the heat transfer efficiency can be exceeded. Therefore, heat is efficiently diffused over a wide range, and the peripheral fins 2 can function sufficiently for heat dissipation. Further, as shown in FIG. 1B, the cylindrical member 4 protrudes from the heat receiving surface 7, whereby a clearance exists between the heat receiving surface 7 and the fins 2 provided in the heat transfer unit 3. It will be. Due to the presence of this clearance, the flow of the cooling air passing between the fins of the heat sink is hardly obstructed and a sufficient amount of cooling air can be secured, so that efficient heat dissipation is performed. The protrusion amount is preferably in the range of 0.0005 mm to 3 mm from the heat receiving surface 7.
[0037]
Moreover, in these heat sinks, it is preferable to chamfer the end surfaces of the fins 2 and the lower corners of the heat transfer section 3, and the chamfering of the corner portions can prevent generation of debris due to chipping or the like. If the corner portion has a sharp portion, there is a possibility that when mounting the heat sink on the electronic component, the other component etc. may be touched and destroyed. Further, when waste is generated by the corner, the waste is a conductor, so that it falls on the wiring or the like, thereby causing a short circuit or the like, which may cause malfunction of the electronic device.
[0038]
Further, a grease-like heat conductive material 8 is applied to a predetermined thickness on the heat receiving surface 6 facing the MPU 5 of the heat sink 1 by a silk screen technique or the like, and the MPU 5 and the heat sink 1 have a heat generating surface 6 and a heat receiving surface 7 respectively. The heat conducting material 8 is sandwiched between the heat generating surface 6 and the heat receiving surface 7 so that the exposed portion on the heat receiving surface 7 of the cylindrical member 4 is aligned with the heat generating surface 6, and a spring such as a clip or screw fastening If the MPU 5 and the heat sink 1 are fixed via the heat conducting material 8 by pressurizing, the heat resistance between the heat generating surface 6 and the heat receiving surface 7 is reduced, and the heat of the MPU 5 is transmitted to the heat sink 1 very efficiently. be able to. Moreover, since the exposed part shape on the heat-receiving surface 7 of the cylindrical member 4 is circular here, the effect that the position shift by rotation at the time of alignment does not occur easily can be expected.
[0039]
As described above, in this embodiment, since the exposed portion on the heat receiving surface 7 of the heat sink 1 is aligned with the heat generating surface 6, the heat receiving surface 7 directly receives the heat from the MPU 5, Since heat diffusion is performed starting from the cylindrical member 4, heat can be efficiently diffused to the heat transfer section 3, and further, the heat can be transmitted to the heat radiating fins 2.
[0040]
Next, as to the configuration of the fin 2, as shown in FIG. 1, a plurality of grooves arranged in a direction immediately above the inclined surface of the heat transfer unit 3 and the longitudinal direction parallel to the inclined surface of the heat transfer unit 3. The fins 2 can be formed integrally with the heat transfer section 3 by providing slits in two directions intersecting with a plurality of disposed slits by machining or the like. At this time, the depth of the slit in each direction is arbitrary, and either one may be deep or may be substantially the same depth. Also, each slit may be different. FIG. 1 shows an example in which each slit depth is substantially different, but the present invention is not limited to this example. In addition, it is advantageous in terms of heat dissipation and productivity that the fins 2 are periodically arranged so that two intersecting slits exist as shown in FIG. Further, since the heat sink 1 is attached to the heating element 5 by making the fin 2 into a pin shape in this way, there is a slit that constitutes the fin 2 when pressed by a clip or the like, so that the heat sink 1 as a whole is gently deformed. It can be expected that the heat generating element 5 is more intimately contacted, and the stress generated in the heat sink 1 due to a temperature change after mounting or the like can be relieved by the fin portion, and the effect that the state of the heat receiving surface 6 hardly changes can be expected. .
[0041]
If the heat transfer section 3 and the fins 2 are integrally formed, the productivity is improved, and furthermore, there is no portion that becomes a thermal resistance between the heat transfer sections 3 and the fins 2, so that the heat transfer efficiency is improved.
[0042]
Moreover, as the shape of the fins 2, as shown in FIG. 1, the mounting density of the fins 2 can be increased and the heat dissipation can be improved by forming a quadrangular prism shape.
[0043]
In the present embodiment, the thickness of the fin 2 is thickened as it approaches the heat transfer section 3 from the tip. For example, the thickness of the fin 2 is substantially constant, or the thickness of the fin 2 is A shape that narrows as it approaches the heat transfer section 3 from the tip, or a shape in which the intermediate portion of the fin 2 is thicker or thinner than other portions may be used.
[0044]
Further, by chamfering the corners formed on the fin 2, it is possible to prevent generation of debris caused by chipping or the like as described above.
[0045]
Moreover, as a material of the metal structure which comprises the heat sink 1, it is preferable to comprise with the material whose heat conductivity in 100 degreeC is 100 W / m * K or more. As a specific material, a material such as aluminum or magnesium alloy can be used. In the present embodiment, in consideration of workability and cost, it is made of aluminum alone or an alloy mainly made of aluminum. In this way, if an aluminum alloy or the like is used as the material for the heat sink 1 of the present embodiment, it can be formed by general extrusion molding, and since it is a material with good machinability, no special machining is performed. The metal structure can be easily obtained.
[0046]
Next, as the material of the cylindrical member 4, it is possible to use a single material of copper, silver or gold having a higher thermal conductivity than the single material or alloy material selected as the material of the metal component, or an alloy. it can. When the cylindrical member 4 is formed into a cylindrical shape, it is easy to design a fit when the cylindrical member 4 is embedded in a metal structure, for example, when it is arranged and fixed by press fitting. Further, since the processing can be performed by turning with a lathe, the cylindrical member 4 can be easily obtained without using a special processing machine. Furthermore, at this time, when the surface roughness of the side surface of the cylindrical member 4 is defined by the maximum height, the metal structure is formed when the cylindrical member 4 is press-fitted by setting the range of 0.0005 mm or more and 0.01 mm or less. It is difficult for any metal to be scraped between the two and the cylinders in the metal structure with good adhesion without any gaps between the two parts due to the scraped parts or scraped metal pieces. The member 4 can be arranged and fixed. Since the surface roughness can be easily obtained by turning with a lathe, it can be processed simultaneously when the cylindrical member 4 is formed, and a special processing machine is not required.
[0047]
I actually made a heat sink and measured its performance. As the heat sink, two materials of aluminum and copper having different thermal conductivities were selected from the above material group, the metal component was made of aluminum, and the cylindrical member was made of copper. Copper has a higher thermal conductivity than that of aluminum, which is a metal component material, and is suitable as a cylindrical member. There were three types of heat sinks made in total, one made of aluminum alone and the other made of copper alone, in addition to the heat sink made by embedding a copper cylinder in the aluminum metal structure. The shape of the metal structure forming the heat sink was formed by an extrusion molding method, and a slit portion was formed by milling with a metal saw. The composite of aluminum and copper has a diameter of 25 mm and a length of 6.7 mm formed by turning a hole in the heat transfer part of a heat sink made of aluminum alone by milling with an end mill. A copper cylinder was embedded. At this time, the hole inner diameter and the copper cylinder diameter were processed so as to have an interference fit, and after applying the heat conductive material 8, embedding was performed by press-fitting with a press.
[0048]
In this way, the performance of the prototype heat sink was measured. In performance measurement, a heat sink was mounted on an actual MPU machine in operation and cooling was performed, and the thermal resistance, which is a value obtained from the MPU surface temperature and ambient temperature, and MPU power consumption, was adopted as an indicator of performance. Thermal resistance is a value indicating the difficulty of heat flow with respect to heat transfer, and it can be said that the smaller the thermal resistance, the better the heat conduction and heat dissipation. When the thermal resistance of each of the three types of prototype heat sinks was measured, the results showed that the thermal resistance of the copper simplex heat sink, the heat sink in which the copper cylinder was embedded in the aluminum heat sink, and the heat sink of the aluminum simple substance were in this order. Specifically, in terms of thermal resistance ratio, when the heat sink of aluminum alone is 1, 0.87 is obtained by embedding a copper cylinder having a diameter of 25 mm and a length of 6.7 mm in the aluminum heat sink. The copper simplex heat sink had a relationship of 0.80. Furthermore, the weight ratio is similarly 1: 1.1: 3.0, and it is possible to improve the performance without increasing the weight by combining a high thermal conductivity material such as copper with only a part of the metal structure. Was confirmed.
[0049]
(Embodiment 2)
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 3, 4, 5A, 5B, 6 and 7. FIG.
[0050]
In the second embodiment, a case where a metal metal component having a heat transfer portion serving as a base material in manufacturing a heat sink and a plurality of heat radiating fin portions is manufactured by an extrusion method will be described.
[0051]
3 is a schematic diagram showing a first step in the method of manufacturing a heat sink according to the second embodiment of the present invention, FIG. 4 is a front view of the extrusion die in FIG. 3, and FIG. 5 is a view of the heat sink according to the third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a front view showing a third step in the method of manufacturing a heat sink in Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 7 is a through hole at the bottom of the hole. It is a schematic diagram shown.
[0052]
As shown in FIGS. 3, 4, 5 (a), 5 (b), 6, and 7, the heat sink 1 of the second embodiment is the same as the heat sink 1 of the first embodiment. Therefore, members having the same configuration as the heat sink 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In each figure, 9 is a metal structure, 10 is an extrusion die, 11 is a hole in the extrusion die, 12 is a metal material to be formed, 13 is a metal saw used for slit processing, 14 is a slit processing jig, and 15 is metal. A hole provided in the heat transfer section 3 of the structure 9, 16 is a press-fitting jig, 17 is a part of a hydraulic press, and 18 is a through hole.
[0053]
The case where the heat sink 1 is manufactured with the above configuration will be described.
[0054]
First, as a first step, a metal is formed into a metal-metal structure 9 having a heat transfer portion and a plurality of heat radiating fin portions by extrusion molding. As shown in FIG. 3, the extrusion molding is performed by passing a hole 11 having the same shape as the cross-section of the metal structure 9 into an extrusion die 10 formed by electric discharge machining or the like, and passing a metal material 12 through the hole 11 with heat. However, when the extrusion die 10 is processed, it is processed so as to have the same shape as the cross section of the metal component 9 as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 4, the hole 11 of the extrusion die was formed in advance so as to have the same shape as the cross section of the metal structure 9. In addition, as a material of the extrusion die 10, hot die steel was used. Next, an A6063S material made of an aluminum alloy was used as a metal as a material of the metal structure 9. This alloy is an Al-Mg-Si alloy, and is a typical alloy for extrusion. In particular, it is excellent in extrudability, has a shape with a complicated cross-sectional shape, has good characteristics of corrosion resistance and surface treatment, and is suitable for this production method. However, there is no problem with other materials as long as extrusion molding is possible. For example, a pure aluminum-based A1050 material can be extruded but is soft and requires attention to deformation, but has a feature of excellent thermal conductivity and is suitable as a heat sink material. Moreover, this manufacturing method can be applied.
[0055]
In the extrusion molding, the metal material 12 is pressed against the extrusion die 10 in a configuration as shown in FIG. 3, and the metal material 12 is generally supplied in a cylindrical shape called a billet. In the extrusion molding, first, the metal material 12 (for example, A6063S material billet) is heated to 480 ° C. by induction heating for preheating, and then, at an extrusion speed of 30 to 40 m / min with an extruder having an extrusion pressure of 1800 tons. Extrusion is performed by passing the extrusion die 10 while applying a slight tension. A metal structural body 9 to be a base material of the heat sink 1 was molded. Thereafter, the extruded long metal structure 9 was cut into a predetermined length.
[0056]
Then, the 2nd process of forming a pin fin in the metal structure 9 is demonstrated. As shown in FIG. 5 (a), the pin fins may be formed by machining slits at a predetermined pitch and angle, for example, 90 degrees with respect to the extrusion direction of the metal component 9, and the cross-sectional shape of the support column is triangular. 5B, as shown in FIG. 5B, the pin fins can be easily formed by processing the slit in a state where the metal structure 9 is inclined at a predetermined angle by using the slit processing jig 14. Is possible. For example, if a milling machine using a metal saw 13 with a cutting width of 2 mm is cut to a predetermined pitch, for example, a pitch of 4 mm and slitting is performed, the uncut portion becomes a pin fin with a width of 2 mm, so that pin fins can be easily formed Is possible. In addition, if a horizontal milling machine with high axial rigidity is used and a plurality of metal saws 13 are combined with a predetermined pitch to perform collective machining, that is, multi-processing, the number of man-hours can be greatly reduced, and machining is performed with higher productivity. be able to. In addition, although only the heat radiating fin portion of the metal structure 9 is effective as a heat radiating fin, if a pin fin is further formed by the second step, the heat radiating area can be further increased and the weight can be reduced at the same time. Can be achieved, which is very preferable.
[0057]
Next, the hole 15 for inserting the copper member which is the columnar member 4 into the heat transfer portion 3 from the heat receiving surface 7 of the metal structure 9 is processed. When there is a gap between the copper member and the hole 15 when copper is inserted, there is a large thermal resistance, so there is no gap and it is thermally strong and mechanically strong so that the inserted copper member does not fall off. Need to be fixed to insert. For this reason, it is preferable to design and perform processing so that the relationship between the two fits is an interference fit relationship. For example, when a cylindrical copper member having a diameter of φ25 is used as the cylindrical member 4, the fit is designed to have a tight fit relationship between the hole tolerance zone class H 7 and the shaft tolerance zone class r 6. That is, the hole diameter was changed from φ25.00 mm to φ25.21 mm, and the diameter of the copper member was changed from φ25.28 mm to φ25.41 mm. At this time, when the surface roughness of the processed surface on the side surface of the copper member is defined by the maximum height, it is preferable to process it to 0.0005 mm or more and 0.01 mm or less. If the surface roughness is too rough, it is easy for any metal to be scraped between the metal components 9 when the copper member is inserted, and between the two due to the scraped portion or the scraped metal piece interposed therebetween. It is easy for gaps to occur and the problem of reduced adhesion tends to occur. Similarly, it is more preferable that the surface roughness of the hole side surface is processed to a maximum height of 0.0005 mm or more and 0.01 mm or less. Next, with respect to the height of the copper member, the cross-sectional shape of the heat transfer section 3 is a substantially triangular shape with a part rising vertically as shown in FIG. 2, the portion corresponding to the heat receiving surface is the base, and the length of the base is 41 mm. In the case where the height of the triangle including the vertically rising portion 1.5 mm is 15 mm, the height of the copper member is 6 in order to maximize the amount of insertion of the copper member into the heat transfer section 3 of the copper member. .7 mm is required. Therefore, the depth of the hole 15 was similarly 6.7 mm. After that, as a third step, the copper member is inserted into the hole 15 of the heat transfer section 3. However, since both are in a close-fitting relationship, as shown in FIG. The copper member is inserted by press-fitting using the hydraulic press machine 17 while aligning the portion 15 and the copper member and guiding the copper member when inserting the copper member. At this time, the heat conductive material 8 made of a metal-containing adhesive such as silver or zinc, a silicone-based adhesive containing oxide, or the like is applied to a portion where the inner surface of the hole 15 contacts the side surface of the cylindrical copper member. It is preferable to apply in advance. In this way, when a gap occurs due to lubrication during press-fitting and a difference in roundness or surface properties between the hole and the copper member, the gap is filled with the applied heat conductive material and depends on the presence of the gap. The increase in thermal resistance can be prevented, and at the same time, lubrication during press-fitting can be expected. Moreover, it is preferable to provide a small-diameter through hole 18 at the bottom of the hole 15 and use it as an air vent for removing air intervening at the time of press-fitting. By providing a hole, it is possible to prevent an increase in thermal resistance due to poor contact between both members due to the presence of air between copper and aluminum, particularly between the end face of the copper cylinder and the bottom of the hole. This through hole may be processed in a separate process, but when the hole for inserting the copper member is provided in the heat transfer section as shown in FIG. The through holes 18 can be simultaneously formed on the fin arrangement surface of the hot part, which is effective in reducing the man-hours. Further, if the height of the copper member is processed to be higher than the depth of the hole portion 15 and this portion is held by a jig or the like at the time of press-fitting, an inclination at the time of insertion can be prevented, which is preferable. In this case, the copper member protrudes from the heat transfer portion when the press-fitting is completed, but this portion may be left as it is or may be processed by a milling machine or the like up to a predetermined protrusion amount.
[0058]
As described above, in the present embodiment, the hole portion 15 is provided in the heat transfer portion 3 of the metal structure 9, and the columnar columnar member 4 is disposed and fixed in the hole portion by press-fitting. A heat conductive material 8 made of a metal-containing adhesive such as silver or zinc, a silicon-based adhesive containing oxide, or the like is interposed between the inner surface of the hole 15 of the portion 3 and the contact surface of the cylindrical columnar member 4. Therefore, the cylindrical member 4 can be firmly and thermally arranged mechanically and mechanically on the heat transfer portion 3 of the metal structure 9, that is, the heat transfer portion 3 of the heat sink 1, and the heat conductive material 8 is interposed between the two. Even if a slight gap exists, the heat transfer member 8 is filled with the heat conductive material 8 so that the heat transfer portion 3 of the heat sink 1 is connected to the cylindrical member via the heat conductive material 8 without increasing the thermal resistance. 4 can be fixed with good adhesion. For this reason, the heat generated from the MPU 5 of the heating element can be transferred to the heat sink 1 with good thermal conductivity, and a method of manufacturing a heat sink for electronic parts that can easily obtain a heat sink capable of efficiently cooling the MPU 5 is obtained. It is done.
[0059]
(Embodiment 3)
Hereinafter, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0060]
Since the first step and the second step in the method of manufacturing the heat sink in the third embodiment of the present invention are the same as the steps in the second embodiment, detailed description is omitted here. Next, FIG. 8 is a schematic diagram showing a third step in the method for manufacturing a heat sink according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 9 shows the third step in the method for manufacturing heat sink according to Embodiment 3 of the present invention. FIG.
[0061]
As shown in FIGS. 8 and 9, the heat sink 1 of the third embodiment is the same as the heat sink 1 of the first embodiment. Therefore, members having the same configuration as the heat sink 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0062]
The case where the heat sink 1 is manufactured with the above configuration will be described.
[0063]
After the heat sink 1 having a plurality of pin fins is formed from the metal structure 9 through the first and second steps, the columnar member 4 whose one end is hemispherical is applied to the heat transfer portion 3 of the heat sink 1 by frictional heat. A third step of using and fixing the arrangement will be described. The technique of joining dissimilar materials such as aluminum and copper by using frictional heat is a joining method generally called friction welding or friction welding. First, one member to be joined, for example, copper is rotated by a motor. A brake system in which frictional heat is generated by contacting aluminum, which is the other non-rotating member, with a predetermined pressure, and after a predetermined time has elapsed, the rotation is suddenly stopped and a higher pressure is applied to perform joining. Called method. Or, it is the same as rotating copper with a motor, but power from the motor is reached before contact with aluminum, and it continues to rotate with inertia by flywheel etc. There is a method called an inertia method in which all energy is converted into heat and bonded and spontaneously stopped. In the present invention, there is no problem even if any method is used. In general, friction welding is a technique used to join two end faces of the same kind or different metals, but in the case of the combination of the materials of the present invention, there is a difference in hardness between copper and aluminum, and copper is aluminum. Since the hardness is higher than that, it is possible to weld, that is, join, by embedding copper in aluminum without pre-drilling the aluminum. Specifically, if copper is rotated and brought into contact with aluminum at a predetermined pressure, copper is embedded in the aluminum according to the pressure. Thereafter, the rotation is stopped and a higher pressure is applied, or the welding is completed by naturally stopping the rotation while applying a higher pressure than the initial contact.
[0064]
By friction welding using one of these methods, after copper and aluminum are joined, machining such as milling removes unnecessary parts of copper and deformed parts of aluminum extruded as copper is buried. It is possible to obtain a heat sink 1 in which copper is combined with the heat transfer portion 3 of the heat sink 1 made of aluminum.
[0065]
Actually, a prototype was made by friction welding by inertia method. First, as shown in FIG. 8, spherical processing is performed in advance on the end of the copper member that is the cylindrical member 4 on the side to be joined to aluminum. In the case of this prototype, spherical end processing of R12.5 mm was performed on the end of an oxygen-free copper bar having a diameter of 25 mm and a length of 100 mm. However, the processed shape of the end portion of the copper bar may be not only a spherical shape but also a conical shape or a truncated cone shape as long as the pressure concentrates when being pressed against aluminum. Then, the copper member and the heat sink 1 which were processed into the end part in the friction welding machine were set. At this time, the copper member was set on the rotating side, and the rotation of 4000 rotations per minute was applied to reach a predetermined number of rotations. Subsequently, the heat sink 1 and the copper member were brought into contact with each other at a pressure of 15 MPa, and pressurization was continued until the rotation was stopped by friction. As shown in FIG. 9A, the welding was completed in such a manner that about 12.5 mm of the hemispherical portion of the copper member that is the cylindrical member 4 was embedded in the heat transfer portion 3 of the heat sink 1. Further, when the processed shape of the end portion of the copper bar is a conical shape or a truncated cone shape, the welding is completed in a state as shown in FIG. 9B or FIG. 9C. In addition, the deformation | transformation part etc. of the aluminum extruded by copper embedding are not shown in figure.
[0066]
Thus, if the friction welding method is used, the columnar member 4 such as a copper member can be fixed to the heat transfer portion 3 of the heat sink 1 with good adhesion. This is because welding is performed in a vacuum state in the welded portion, and both are thermally and mechanically in close contact with each other, so that heat generated from the MPU 5 of the heating element is thermally conductive to the heat sink 1. It is possible to communicate well, and the MPU 5 can be efficiently cooled. Moreover, since the heat transfer part 3 of the heat sink 1 does not require preparation for welding, it is possible to obtain a highly productive heat sink manufacturing method for electronic parts that can be expected to reduce the number of steps.
[0067]
【The invention's effect】
Claims of the invention 1 The manufacturing method of the heat sink for electronic components described is a composite of a cylindrical member having a higher thermal conductivity than the metal component to the heat transfer portion of the heat sink. The By using a simple and stable method such as welding by rubbing, it is possible to obtain a method for manufacturing a heat sink for electronic components that can produce a high-performance heat sink with high productivity.
[0068]
Also, Made with the manufacturing method of the present invention Heat sink for electronic parts Is The shape of the exposed surface of the cylindrical member combined with the heat transfer part of the heat sink is circular, so the heat transfer efficiency in the heat transfer part is high, and the heat from the heating element such as a semiconductor device or electronic component is efficiently transferred to the entire heat sink Can lead. Alternatively, since the cylindrical member protrudes from the heat receiving surface of the metal component, the flow of the cooling air flowing through the heat sink is hardly hindered, and a heat sink for electronic parts having high heat dissipation characteristics can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is an overall perspective view of a heat sink for electronic components according to a first embodiment of the present invention.
(B) Whole perspective view of another angle of heat sink for electronic component according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a side surface of the semiconductor device with a heat sink for electronic components according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a first step in the method of manufacturing a heat sink according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a front view of an extrusion die in the heat sink manufacturing method according to the second embodiment of the present invention.
5A is a top view showing a second step in the method of manufacturing a heat sink in Embodiment 2 of the present invention. FIG.
(B) The front view which shows the 2nd process in the manufacturing method of the heat sink in Embodiment 2 of this invention.
FIG. 6 is a front view showing a third step in the method of manufacturing a heat sink in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view showing a through hole at the bottom of the hole.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a third step in the method of manufacturing the heat sink according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing a third step in the method of manufacturing the heat sink according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 10A is a perspective view showing the configuration of a conventional heat sink.
(B) Perspective view showing the configuration of a conventional heat sink
FIG. 11A is a top view showing a configuration of a cooling device in combination with a conventional heat sink fan.
(B) Side view showing the configuration of a cooling device combined with a conventional heat sink fan
[Explanation of symbols]
1 Heat sink
2 Fin
3 Heat transfer section
4 Cylindrical members
5 Heating element (MPU)
6 Heat generation surface
7 Heat receiving surface
8 Heat conduction material
9 Metal components
10 Extrusion dies
11 hole
12 Metal material
13 Metal Saw
14 Slit processing jig
15 holes
16 Press-fit jig
17 part
18 Through hole
30 Plate-shaped fins
31 Pin-shaped fin
32 Base plate
33 MPU
34 Cooling fan
35 Air inflow surface

Claims

一端面が受熱面で他端面が半球形状で銅よりなる円柱部材と、前記円柱部材の受熱面を突出させ他端面側を埋没し前記受熱面を底辺とする略三角形状もしくは略台形状の断面形状をなすアルミニウム系合金の伝熱部と、前記伝熱部に配置されたアルミニウム系合金の放熱フィン部とを有するヒートシンクであって、前記伝熱部と放熱フィン部とを有するアルミニウム系合金よりなる金属構成体と、一端面が半球形状の先端部を有する銅よりなる円柱部材とを作製し、前記金属構成体を固定し、前記円柱部材を高速で回転させながら前記金属構成体の受熱面となる面と前記円柱部材の半球形状の先端部を接触させ、双方を加圧する際に発生する摩擦熱を利用して前記金属構成体に前記円柱部材を埋没させて接合し、前記円柱部材を所定の長さで切断することを特徴とする電子部品用ヒートシンクの製造方法。 A cylindrical member made of copper with one end surface being the heat receiving surface and the other end surface being hemispherical, and a substantially triangular or trapezoidal cross section with the heat receiving surface of the columnar member protruding and the other end surface side buried, and the heat receiving surface being the bottom A heat sink having a heat transfer part of an aluminum alloy having a shape and a heat radiating fin part of an aluminum alloy arranged in the heat transfer part, the aluminum heat sink having the heat transfer part and the heat radiating fin part. And a cylindrical member made of copper having a hemispherical tip at one end face, fixing the metal constituent, and rotating the cylindrical member at a high speed while receiving the heat receiving surface of the metal constituent The cylindrical member is brought into contact with the hemispherical tip of the cylindrical member, and the cylindrical member is buried in and joined to the metal component using frictional heat generated when both are pressurized. At a given length Method for manufacturing an electronic component heat sink, characterized in that the cross-sectional.