ピン状フィン一体型ヒートシンク
【課題】放熱性に優れ、セラミックス基板の割れを生じさせないように支持することができるピン状フィン一体型ヒートシンクを提供する。
【解決手段】ピン状フィン一体型ヒートシンク１は、金属材料からなる板状部２の一面側に、セラミックス基板を有する電子部品が搭載される平面状の上表面部２１が形成されるとともに、その上表面部２１と反対面側に、多数のピン状フィン３が立設された下表面部２２が形成されてなり、下表面部２２は、その周辺部の取付部７と、この取付部７の内縁から中心部に向かって厚みが漸次大きくなるように形成された中央部５と、その中央部５に立設された多数のピン状フィン３とにより形成されている。
【解決手段】ピン状フィン一体型ヒートシンク１は、金属材料からなる板状部２の一面側に、セラミックス基板を有する電子部品が搭載される平面状の上表面部２１が形成されるとともに、その上表面部２１と反対面側に、多数のピン状フィン３が立設された下表面部２２が形成されてなり、下表面部２２は、その周辺部の取付部７と、この取付部７の内縁から中心部に向かって厚みが漸次大きくなるように形成された中央部５と、その中央部５に立設された多数のピン状フィン３とにより形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大規模集積回路（ＬＳＩ）等の発熱を伴う電子部品の冷却に用いられるヒートシンクに関し、特に詳しくは、放熱のためのピン状フィンを一体に形成したピン状フィン一体型ヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（ＬＳＩ）等の発熱を伴う電子部品においては、電子部品を正常に動作させるために、熱を外部に放散させるヒートシンク或いはヒートスプレッダが取り付けられる。これらの素材としては、熱伝導率が高く、軽量で加工性の良いアルミニウムや銅が用いられる。
特許文献１にはヒートスプレッダ（ヒートシンク）用銅合金として、０．２％耐力が１００〜２００Ｎ／ｍｍ２、熱伝導率が３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、加工硬化指数が０．１４〜０．１８、圧延表面板の幅方向の結晶粒径が２５μｍ以下であるＣｕ基合金が開示されている。また、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種類以上とＰを合計で０．０５〜０．３ｗｔ％含有し、残部がＣｕと不可避成分からなり、断面減少率４０％以下の冷間鍛造後に６００℃で３０分間熱処理した後の結晶粒径が２５μｍ以下であり、断面減少率４０％以下の冷間鍛造後に６００℃で３０分間熱処理した後のビッカース硬さがＨＶ６０〜１７０であるのが好ましいと記載されている。
また、このようなヒートシンクとして、放熱のためのフィンをピン状に形成し、ベースとなる板状部に多数のピン状フィンを立設状態に設けたものがあり、その製造方法として、例えば特許文献２及び特許文献３に記載の方法が知られている。
【０００３】
特許文献２には、金属材料に加熱処理を行う加熱工程と、加熱処理後の金属材料を金型を用いて鍛造して目的の形状に成形する鍛造工程と、成形後の金属材料をエジェクターピンで金型の外方に押し出す押出工程とを備え、金型の内側に、鍛造工程時の圧力により金属材料を平板状に成形する凹部を設け、該凹部下面に鍛造工程時の圧力で金属材料を搾伸してピン状に成形する孔部を多数穿設し、加熱した金属材料を凹部内で鍛造することにより板状部と多数のピン状フィンとを一体に成形する製造方法が開示されている。
【０００４】
この製造方法によれば、常温では変形抵抗が大きい金属材料であっても、その変形抵抗を小さくして鍛造することができるので、ピン状フィンの立設ピッチを細かくすることや、大型のヒートシンクを製造することも可能となる。
【０００５】
一方、特許文献３にも、成形ダイスとパンチとにより多数のピン状フィンを鍛造成形する技術が開示されており、この場合も、平板状の板状部に、所定のピッチで多数のピン状フィンが立設されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２７７８５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２９７７４号公報
【特許文献３】特許第２８２８２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このようなピン状フィン一体型ヒートシンクは、各種機器の構造部材にねじ止め等により固定され、水冷の場合にはピン状フィンの立設側から水流の圧力が作用する。また、板状部にはピン状フィンと反対面である板状部の中央部分に電子部品がはんだ付け等により接合される。この電子部品は、セラミックス基板に回路層を介して半導体チップ等が搭載されている。このため、ヒートシンクは、優れた放熱性とともに、熱応力や水流からの圧力等の機械的応力により、脆性材料であるセラミックス基板に割れが生じないように支持する機能も併せ有することが求められる。
しかしながら、従来のヒートシンクでは、多数のフィン状ピンにより放熱性には優れるものの、これらの応力に対するセラミックス基板の割れ防止対策という点では不十分であった。
【０００８】
本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れ、セラミックス基板の割れを生じさせないように支持することができるピン状フィン一体型ヒートシンクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
電子部品のセラミックス基板に生じる応力には、はんだ接合時の熱応力に起因した反りによる曲げ応力、ヒートシンクとの熱伸縮差に伴う面内方向圧縮荷重による圧縮応力、使用時の水圧による曲げ応力、温度分布による圧縮応力等が存在する。このうち、反りによる曲げ応力、水圧による曲げ応力および温度分布による圧縮応力に対するヒートシンクの剛性を高めるには、ヒートシンク自体の板厚を厚くすれば良いが、ヒートシンク全体を厚くすると、熱伸縮差に伴う面内方向圧縮荷重による圧縮応力が大きくなり、また、重量増、材料費増を招く。
本発明は、このような知見の下、以下の解決手段とした。
【００１０】
本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクは、金属材料からなる板状部の一面側に、セラミックス基板を有する電子部品が搭載される平面状の上表面部が形成されるとともに、該上表面部と反対面側に、多数のピン状フィンが立設された下表面部が形成されてなり、前記下表面部は、その周辺部の取付部と、この取付部の内縁から中心部に向かって厚みが漸次大きくなるように形成された中央部と、該中央部に立設された多数の前記ピン状フィンとにより形成されていることを特徴とする。
【００１１】
板状部の全体を厚くするのではなく、中央部のみを厚くすることにより、必要な部分のみ曲げ剛性を高めた。接合時の圧縮応力については、中央部では大きくなるが、取付部では小さくなる。これらの総和として、使用時に発生するセラミックス基板上面の引張応力の最大値を小さく抑えることができる。このように、板状部の中心部にかけて厚みを増して設けることにより、接合されるセラミックス基板に割れを生じさせないように支持することができる。また、板状部全体の厚みを一律に増すことなく中央部のみを大きくしたので、製造コストを低減することができる。
【００１２】
本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクにおいて、前記中央部は、角錐もしくは円錐状の斜面、または曲面に形成されているとよい。
中央部を斜面または曲面に形成することにより、ヒートシンク使用時の水圧の応力分布を分散させることができるので、板状部に生じる反りを低減させることができる。また、板状部の周辺部から中心部にかけて厚みが徐々に大きくなるように設けられた中央部は、成形時の金属材料の流れを良好に保つことができることから、成形性に優れている。
【００１３】
本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクにおいて、前記取付部の厚みをｔ１、前記中央部の中心部に位置する最大厚みをｔ２とした場合、ｔ２／ｔ１が１．２以上３．０以下に設定されているとよい。
本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクにおいて、前記下表面部の中央部は、前記上表面部の前記セラミックス基板の搭載領域に対応する位置に設けられており、前記セラミックス基板の板幅をｗ、該板幅ｗの中心部からの距離をｘとした場合、前記中央部の板厚ｔは、以下の（１）式を満たすように設けられているとよい。
ｔ＝ｔ２−（（ｔ２−ｔ１）／（ｗ／２））２・ｘ２ …（１）
このように中央部の板厚ｔを設定することにより、ヒートシンク使用時に発生するセラミックス基板上面の引張応力を小さく抑えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、放熱性に優れ、セラミックス基板の割れを生じないように支持することができるピン状フィン一体型ヒートシンクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態のピン状フィン一体型ヒートシンクを示す縦断面図である。
【図２】図１のヒートシンクを示すもので、（ａ）が上表面部側から見た斜視図、（ｂ）が下表面部側から見た斜視図である。
【図３】図１のヒートシンクの水冷ボックスへの取付け例を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態のピン状フィン一体型ヒートシンクを製造するための熱間鍛造工程に用いられるフィン成形金型の縦断面図であり、（ａ）がフィン成形金型に金属材料を配置した状態を示し、（ｂ）が熱間鍛造をしている状態を示す。
【図５】ヒートシンク使用時におけるセラミックス基板上面の応力分布を説明する図である。
【図６】図５に示す各応力分布が足し合わされた状態におけるセラミックス基板上面の応力分布を説明する図である。
【図７】本発明の第２実施形態のピン状フィン一体型ヒートシンクを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
第１実施形態のピン状フィン一体型ヒートシンク１は、図１及び図２に示すように、金属材料からなる板状部２の一面側に、セラミックス基板を有する電子部品が搭載される平面状の上表面部２１が形成されるとともに、その上表面部２１と反対面側に、多数のピン状フィン３が立設された下表面部２２が一体に形成されてなる。下表面部２２は、その周辺部の取付部７と、この取付部７の内縁から中心部に向かって厚みが漸次大きくなるように角錐もしくは円錐面状の斜面、又は曲面に形成された中央部５と、中央部５に立設された多数のピン状フィン３とにより形成されている。
【００１７】
図示例では、下表面部２２の中央部５は曲面に形成されており、その中央部５の表面上に、一列に並べたピン状フィン３が列ごとに半ピッチ分だけずれて千鳥配列となるように形成されている。これらの諸寸法は特に限定されるものではないが、例えば板状部２は、外形が長さ１３３ｍｍ、幅７７ｍｍに形成され、ピン状フィン３は、外径が１．５ｍｍ〜２ｍｍ、高さが６ｍｍ〜８ｍｍ、ピッチが４ｍｍ〜５ｍｍに形成される。この場合、各ピン状フィン３の先端位置は、水平面上に揃えられている。また、取付部７の厚みをｔ１、中央部５の中心部に位置する最大厚みをｔ２とした場合、ｔ２／ｔ１が１．２以上３．０以下になるように設定される。例えば、取付部７の厚さｔ１は５ｍｍ、中央部５の中心部の最大厚みｔ２は１０ｍｍに設定される。
【００１８】
また、下表面部２２に形成された中央部５は、上表面部２１のセラミックス基板の搭載領域９に対応する位置に設けられており、セラミックス基板の板幅（搭載領域９の幅）をｗ、その板幅ｗの中心部からの距離をｘとした場合に、中央部５の板厚ｔは、以下の（１）式を満たすように設けられる。なお、板幅ｗの中心部Ｃでは、距離ｘは０である。
ｔ＝ｔ２−（（ｔ２−ｔ１）／（ｗ／２））２・ｘ２ …（１）
【００１９】
金属材料としては、純度が９９．９０質量％以上の純銅または析出強化型Ｃｕ基合金が用いられる。純銅には、不純物として、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓ、Ｆｅ、Ｏ、Ｐなどが含まれる場合があるが、特にＯ、Ｐは微量で塑性変形能が低下するため、Ｏ量は５００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下とし、Ｐ量は１５０ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下に規制することが望ましい。タフピッチ銅、無酸素銅、リン脱酸銅が好適な素材として挙げられるが、純度９９．９６質量％以上の無酸素銅、９９．９９質量％以上の電子管用無酸素銅がより好ましい。
析出強化型Ｃｕ基合金としては、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｐ系銅合金などを適用することができる。
【００２０】
また、板状部２の取付部７には、各種機器への取付けの際にねじ止めを行う貫通孔８が形成されている。
板状部２のピン状フィン３が形成されていない他面側の上表面部２１の搭載領域９に電子部品（図示略）がはんだ付け等により搭載され、その熱は板状部２を介して各ピン状フィン３に伝達され、これら板状部２及び各ピン状フィン３の外周面から放散される。
【００２１】
このように構成されたピン状フィン一体型ヒートシンク１は、例えば図３に示すような冷却ボックス３１に取り付けられる。この冷却ボックス３１は、ヒートシンク１のピン状フィン３を内部に挿入状態として取り付けるために開口部３２が形成されるとともに、その開口部３２の周囲を囲むようにパッキン収容溝３３が形成され、そのさらに外側にねじ穴３４が形成されており、鎖線矢印で示すようにヒートシンク１をピン状フィン３が図３において下方を向くように配置して開口部３２内に挿入し、板状部２を開口部３２の周囲の表面にパッキン３５を介して密接させ、ねじ止めにより固定する構成である。図示例では２個のヒートシンクが取り付けられるようになっており、矢印で示すように冷却媒体が流通して、内部に挿入状態のヒートシンク１のピン状フィン３を冷却する。
【００２２】
このピン状フィン一体型ヒートシンク１を製造するための製造装置は、ピン状フィン３が立設される球面の中央部５及びピン状フィン３を、熱間で鍛造して成形するフィン成形用金型１１により構成される。
フィン成形用金型１１は、図４に示すように、図示略の鍛造プレスに、ピン状フィン３を形成するための多数の凹状のフィン成形用穴部１５を有する成形ダイ１６と、この成形ダイ１６上に載せた金属材料Ｍを鍛造するパンチ１７と、成形ダイ１６に上下移動可能に設けられるエジェクターピン１８とが備えられた構成とされている。
【００２３】
成形ダイ１６は、その上面部に、鍛造時に金属材料Ｍが配置される凹部１９が形成されている。凹部１９の周辺部は、取付部７の成形用に平面部１９１が形成されており、その平面部１９１の内縁から中心部にかけては、中央部５の成形用に曲面状に掘られた曲面部１９２が形成されている。そして、その曲面部１９２に連通して各フィン成形用穴部１５が曲面部１９２の底面に形成されている。
パンチ１７は、成形ダイ１６の上方から図示略の油圧機構により上下動され、成形ダイ１６の凹部１９内で金属材料Ｍを叩くように押圧する。エジェクターピン１８は、図示略の油圧機構等により、鍛造後の取付部７を下方から押し上げる構成である。
【００２４】
このように構成されたフィン成形用金型１１を用いてピン状フィン一体型ヒートシンク１を製造する方法について説明する。
この製造方法においては、金属材料Ｍを加熱する加熱工程と、加熱後の金属材料Ｍをフィン成形用金型１１により鍛造して、成形ダイ１６の成形用穴部１５内に金属材料Ｍの一部を押し込むことにより、主に板状部２のピン状フィン３と中央部５とを成形する熱間鍛造工程とを備えている。以下、工程順に説明する。
【００２５】
＜加熱工程＞
加熱工程では、金属材料Ｍの変形抵抗を減少させるため、金属材料の再結晶温度以上の温度まで加熱する。
【００２６】
＜熱間鍛造工程＞
図４（ａ）に示すように、加熱された金属材料Ｍをフィン成形用金型１１の成形ダイ１６の凹部１９に設置し、パンチ１７により叩くように押圧すると、図４（ｂ）に示すように、金属材料Ｍは成形ダイ１６とパンチ１７とにより押しつぶされて、凹部１９内に広がりながら板状部２の中央部５が曲面に成形されるとともに、その一部がフィン成形用穴部１５内に圧入されピン状フィン３の外形が成形される。この鍛造工程は、熱間で行われるため、金属材料Ｍの流動性が良く、細い径のピン状フィン３も精密に成形することができる。さらに、中央部５は、板状部２の周辺部から中心部にかけて厚みが徐々に大きくなるように設けられていることから、成形時の金属材料の流れを良好に保つことができる。
次いで、パンチ１７を上方に退避させ、エジェクターピン１８を上昇させて、製品を成形ダイ１６から押し上げる。
【００２７】
このようにして製造されたピン状フィン一体型ヒートシンク１は、ピン状フィン３が立設されている面とは反対面である板状部２の中央部分の搭載領域９に電子部品が搭載され、水冷ボックス３１内にピン状フィン３を挿入した状態となるように、板状部２の取付部７がパッキン３５を介して水冷ボックス３１にねじ止め等により固定される。電子部品は、半導体チップ、回路基板等により構成される部品であり、水冷ボックス３１は、内部に水等の冷却媒体が流通しており、その冷却媒体にピン状フィン３が浸漬して放熱を促進する。
【００２８】
その際、電子部品のセラミックス基板には、その接合時及び使用時の熱応力や水圧等が作用する。そのセラミックス基板上面に作用する各種応力分布は、図５（ａ）〜（ｄ）に示すようになる。図５（ａ）は接合時の熱応力に起因した反りによる曲げ応力分布、図５（ｂ）は接合時のヒートシンク１との熱伸縮差に伴う面内方向圧縮荷重による圧縮応力分布、図５（ｃ）は使用時の水圧による曲げ応力分布、図５（ｄ）は使用時の温度分布による圧縮応力分布を示しており、これらの応力分布の総和を図６に示す。
参考までに、従来の平坦な板状部の場合の応力分布を破線で各図に示した。
【００２９】
この図５及び図６に示すように、本発明の構造とすることにより、セラミックス基板上面の引張応力の最大値を小さく抑えることができる。
これにより、ヒートシンク１は、優れた放熱性を有するとともに、熱応力や水流からの圧力等の機械的応力により、脆性材料であるセラミックス基板６に割れが生じないように支持することができる。また、板状部２全体の厚みを一律に増すことなく、ヒートシンク１の反りを低減できるので、製造コストを低減することができる。
【００３０】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態では、図７に示すように、ピン状フィン一体型ヒートシンク１０に、複数個の電子部品を搭載して構成される。
ヒートシンク１０は、電子部品のセラミックス基板６が接合される各々の搭載領域に対応するように板状部２が肉厚に設けられており、その部分の剛性が高められている。これにより、第１実施形態と同様に、接合されるセラミックス基板に割れを生じさせないように支持することができる。
【実施例】
【００３１】
金属材料として無酸素銅（純度９９．９９質量％以上）を用い、この無酸素銅の鋳塊を７００℃に加熱した後、フィン成形用金型により熱間鍛造してフィン立設部の中央部５及びピン状フィン３ならびに取付部７を成形し、フィン立設部分である中央部５の形状を変えて試料１〜５のヒートシンクを作製した。なお、熱間鍛造時の圧力は１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａとした。
試料１においては、中央部５の表面を、前述した（１）式を満たす曲面となるように形成した。試料２は（１）式は満たさないが、中央部５の表面が緩やかな曲面となるように形成した。また、試料３は、中央部５の表面を円錐面で形成し、試料４は、中央部５の表面を四角錐面で形成した。試料５は、中央部５及び取付部７の厚みを一律に形成した。
また、各ヒートシンクは、板状部２の外形を長さ１３３ｍｍ、幅７７ｍｍ、取付部２の厚みｔ１を３ｍｍ、ピン状フィン３は、外径が１．５ｍｍ、高さ８ｍｍ、ピッチが４ｍｍで、一列に並べたピン状フィン３が列ごとに半ピッチ分だけずれて千鳥配列としたものを成形した。各試料の取付部７の厚みｔ１と、中央部５の中心部に位置する最大厚みｔ２との比率ｔ２／ｔ１は表１に示す通りである。
【００３２】
このようにして作製した試料１〜５のヒートシンクについて、熱サイクル性を評価した。熱サイクル性は、ヒートシンクの板状部２の上表面部にセラミックス基板を有する電子部品をはんだ付けし、ＪＩＳＣ００２５に準拠し、−６５℃〜１２５℃の温度変化を５００サイクル繰り返し、はんだ接合部の剥がれやクラック等を観察した。剥がれやクラック等の「接合部欠陥」が認められなかったものを「○」、これらが認められたものを「×」とした。また、ヒートシンクに「反り」が認められなかったもの及び３０ｍｍ長さ当たりの反りが１５０μｍ以下であったものを「○」、１５０μｍを超えていたが２００μｍ以下であったものを「△」、２００μｍを超えていたものを「×」とした。
また、試料１〜５のヒートシンクを冷却ボックスに取り付けて冷却を行い、セラミックス基板に生じる割れを観察した。冷却ボックスに冷媒を封入し、水圧１ＭＰａを負荷した際に「セラミックス基板の割れ」が認められなかったものを「○」、割れが認められたものを「×」とした。これらの結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
表１に示される結果から明らかなように、試料１〜４の本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクは、セラミックス基板の割れを生じないように支持できることがわかる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの記載に限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、板状部を各種機器に取り付ける場合、ねじ止めに限らず、クランプ等の他の固定手段によってもよい。
また、図４においては、エジェクターピンにより鍛造品の外周部を押し上げるように構成したが、各ピン状フィンの下端を押し上げる構成としてもよい。また、鍛造時にバリを出していないが、鍛造機の能力に応じてバリを出して高い圧力で成形してもよい。また、加工前の初期の金属材料Ｍは、単純な板状の素材としているが、ピン状フィンの寸法等から、予め適切な形状に成形しておいてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１ ピン状フィン一体型ヒートシンク
２ 板状部
３ ピン状フィン
５ 中央部
６ セラミックス基板
７ 取付部
８ 貫通孔
９ 搭載領域
１１ フィン成形用金型
１５ フィン成形用穴部
１６ 成形ダイ
１７ パンチ
１７ａ パンチ面
１８ エジェクターピン
１９ 凹部
２１ 上表面部
２２ 下表面部
３１ 水冷ボックス
３２ 開口部
３３ パッキン収容溝
３４ ねじ穴
３５ パッキン
１９１ 平面部
１９２ 曲面部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大規模集積回路（ＬＳＩ）等の発熱を伴う電子部品の冷却に用いられるヒートシンクに関し、特に詳しくは、放熱のためのピン状フィンを一体に形成したピン状フィン一体型ヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（ＬＳＩ）等の発熱を伴う電子部品においては、電子部品を正常に動作させるために、熱を外部に放散させるヒートシンク或いはヒートスプレッダが取り付けられる。これらの素材としては、熱伝導率が高く、軽量で加工性の良いアルミニウムや銅が用いられる。
特許文献１にはヒートスプレッダ（ヒートシンク）用銅合金として、０．２％耐力が１００〜２００Ｎ／ｍｍ２、熱伝導率が３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、加工硬化指数が０．１４〜０．１８、圧延表面板の幅方向の結晶粒径が２５μｍ以下であるＣｕ基合金が開示されている。また、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種類以上とＰを合計で０．０５〜０．３ｗｔ％含有し、残部がＣｕと不可避成分からなり、断面減少率４０％以下の冷間鍛造後に６００℃で３０分間熱処理した後の結晶粒径が２５μｍ以下であり、断面減少率４０％以下の冷間鍛造後に６００℃で３０分間熱処理した後のビッカース硬さがＨＶ６０〜１７０であるのが好ましいと記載されている。
また、このようなヒートシンクとして、放熱のためのフィンをピン状に形成し、ベースとなる板状部に多数のピン状フィンを立設状態に設けたものがあり、その製造方法として、例えば特許文献２及び特許文献３に記載の方法が知られている。
【０００３】
特許文献２には、金属材料に加熱処理を行う加熱工程と、加熱処理後の金属材料を金型を用いて鍛造して目的の形状に成形する鍛造工程と、成形後の金属材料をエジェクターピンで金型の外方に押し出す押出工程とを備え、金型の内側に、鍛造工程時の圧力により金属材料を平板状に成形する凹部を設け、該凹部下面に鍛造工程時の圧力で金属材料を搾伸してピン状に成形する孔部を多数穿設し、加熱した金属材料を凹部内で鍛造することにより板状部と多数のピン状フィンとを一体に成形する製造方法が開示されている。
【０００４】
この製造方法によれば、常温では変形抵抗が大きい金属材料であっても、その変形抵抗を小さくして鍛造することができるので、ピン状フィンの立設ピッチを細かくすることや、大型のヒートシンクを製造することも可能となる。
【０００５】
一方、特許文献３にも、成形ダイスとパンチとにより多数のピン状フィンを鍛造成形する技術が開示されており、この場合も、平板状の板状部に、所定のピッチで多数のピン状フィンが立設されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２７７８５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２９７７４号公報
【特許文献３】特許第２８２８２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このようなピン状フィン一体型ヒートシンクは、各種機器の構造部材にねじ止め等により固定され、水冷の場合にはピン状フィンの立設側から水流の圧力が作用する。また、板状部にはピン状フィンと反対面である板状部の中央部分に電子部品がはんだ付け等により接合される。この電子部品は、セラミックス基板に回路層を介して半導体チップ等が搭載されている。このため、ヒートシンクは、優れた放熱性とともに、熱応力や水流からの圧力等の機械的応力により、脆性材料であるセラミックス基板に割れが生じないように支持する機能も併せ有することが求められる。
しかしながら、従来のヒートシンクでは、多数のフィン状ピンにより放熱性には優れるものの、これらの応力に対するセラミックス基板の割れ防止対策という点では不十分であった。
【０００８】
本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れ、セラミックス基板の割れを生じさせないように支持することができるピン状フィン一体型ヒートシンクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
電子部品のセラミックス基板に生じる応力には、はんだ接合時の熱応力に起因した反りによる曲げ応力、ヒートシンクとの熱伸縮差に伴う面内方向圧縮荷重による圧縮応力、使用時の水圧による曲げ応力、温度分布による圧縮応力等が存在する。このうち、反りによる曲げ応力、水圧による曲げ応力および温度分布による圧縮応力に対するヒートシンクの剛性を高めるには、ヒートシンク自体の板厚を厚くすれば良いが、ヒートシンク全体を厚くすると、熱伸縮差に伴う面内方向圧縮荷重による圧縮応力が大きくなり、また、重量増、材料費増を招く。
本発明は、このような知見の下、以下の解決手段とした。
【００１０】
本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクは、金属材料からなる板状部の一面側に、セラミックス基板を有する電子部品が搭載される平面状の上表面部が形成されるとともに、該上表面部と反対面側に、多数のピン状フィンが立設された下表面部が形成されてなり、前記下表面部は、その周辺部の取付部と、この取付部の内縁から中心部に向かって厚みが漸次大きくなるように形成された中央部と、該中央部に立設された多数の前記ピン状フィンとにより形成されていることを特徴とする。
【００１１】
板状部の全体を厚くするのではなく、中央部のみを厚くすることにより、必要な部分のみ曲げ剛性を高めた。接合時の圧縮応力については、中央部では大きくなるが、取付部では小さくなる。これらの総和として、使用時に発生するセラミックス基板上面の引張応力の最大値を小さく抑えることができる。このように、板状部の中心部にかけて厚みを増して設けることにより、接合されるセラミックス基板に割れを生じさせないように支持することができる。また、板状部全体の厚みを一律に増すことなく中央部のみを大きくしたので、製造コストを低減することができる。
【００１２】
本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクにおいて、前記中央部は、角錐もしくは円錐状の斜面、または曲面に形成されているとよい。
中央部を斜面または曲面に形成することにより、ヒートシンク使用時の水圧の応力分布を分散させることができるので、板状部に生じる反りを低減させることができる。また、板状部の周辺部から中心部にかけて厚みが徐々に大きくなるように設けられた中央部は、成形時の金属材料の流れを良好に保つことができることから、成形性に優れている。
【００１３】
本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクにおいて、前記取付部の厚みをｔ１、前記中央部の中心部に位置する最大厚みをｔ２とした場合、ｔ２／ｔ１が１．２以上３．０以下に設定されているとよい。
本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクにおいて、前記下表面部の中央部は、前記上表面部の前記セラミックス基板の搭載領域に対応する位置に設けられており、前記セラミックス基板の板幅をｗ、該板幅ｗの中心部からの距離をｘとした場合、前記中央部の板厚ｔは、以下の（１）式を満たすように設けられているとよい。
ｔ＝ｔ２−（（ｔ２−ｔ１）／（ｗ／２））２・ｘ２ …（１）
このように中央部の板厚ｔを設定することにより、ヒートシンク使用時に発生するセラミックス基板上面の引張応力を小さく抑えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、放熱性に優れ、セラミックス基板の割れを生じないように支持することができるピン状フィン一体型ヒートシンクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態のピン状フィン一体型ヒートシンクを示す縦断面図である。
【図２】図１のヒートシンクを示すもので、（ａ）が上表面部側から見た斜視図、（ｂ）が下表面部側から見た斜視図である。
【図３】図１のヒートシンクの水冷ボックスへの取付け例を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態のピン状フィン一体型ヒートシンクを製造するための熱間鍛造工程に用いられるフィン成形金型の縦断面図であり、（ａ）がフィン成形金型に金属材料を配置した状態を示し、（ｂ）が熱間鍛造をしている状態を示す。
【図５】ヒートシンク使用時におけるセラミックス基板上面の応力分布を説明する図である。
【図６】図５に示す各応力分布が足し合わされた状態におけるセラミックス基板上面の応力分布を説明する図である。
【図７】本発明の第２実施形態のピン状フィン一体型ヒートシンクを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
第１実施形態のピン状フィン一体型ヒートシンク１は、図１及び図２に示すように、金属材料からなる板状部２の一面側に、セラミックス基板を有する電子部品が搭載される平面状の上表面部２１が形成されるとともに、その上表面部２１と反対面側に、多数のピン状フィン３が立設された下表面部２２が一体に形成されてなる。下表面部２２は、その周辺部の取付部７と、この取付部７の内縁から中心部に向かって厚みが漸次大きくなるように角錐もしくは円錐面状の斜面、又は曲面に形成された中央部５と、中央部５に立設された多数のピン状フィン３とにより形成されている。
【００１７】
図示例では、下表面部２２の中央部５は曲面に形成されており、その中央部５の表面上に、一列に並べたピン状フィン３が列ごとに半ピッチ分だけずれて千鳥配列となるように形成されている。これらの諸寸法は特に限定されるものではないが、例えば板状部２は、外形が長さ１３３ｍｍ、幅７７ｍｍに形成され、ピン状フィン３は、外径が１．５ｍｍ〜２ｍｍ、高さが６ｍｍ〜８ｍｍ、ピッチが４ｍｍ〜５ｍｍに形成される。この場合、各ピン状フィン３の先端位置は、水平面上に揃えられている。また、取付部７の厚みをｔ１、中央部５の中心部に位置する最大厚みをｔ２とした場合、ｔ２／ｔ１が１．２以上３．０以下になるように設定される。例えば、取付部７の厚さｔ１は５ｍｍ、中央部５の中心部の最大厚みｔ２は１０ｍｍに設定される。
【００１８】
また、下表面部２２に形成された中央部５は、上表面部２１のセラミックス基板の搭載領域９に対応する位置に設けられており、セラミックス基板の板幅（搭載領域９の幅）をｗ、その板幅ｗの中心部からの距離をｘとした場合に、中央部５の板厚ｔは、以下の（１）式を満たすように設けられる。なお、板幅ｗの中心部Ｃでは、距離ｘは０である。
ｔ＝ｔ２−（（ｔ２−ｔ１）／（ｗ／２））２・ｘ２ …（１）
【００１９】
金属材料としては、純度が９９．９０質量％以上の純銅または析出強化型Ｃｕ基合金が用いられる。純銅には、不純物として、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓ、Ｆｅ、Ｏ、Ｐなどが含まれる場合があるが、特にＯ、Ｐは微量で塑性変形能が低下するため、Ｏ量は５００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下とし、Ｐ量は１５０ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下に規制することが望ましい。タフピッチ銅、無酸素銅、リン脱酸銅が好適な素材として挙げられるが、純度９９．９６質量％以上の無酸素銅、９９．９９質量％以上の電子管用無酸素銅がより好ましい。
析出強化型Ｃｕ基合金としては、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｐ系銅合金などを適用することができる。
【００２０】
また、板状部２の取付部７には、各種機器への取付けの際にねじ止めを行う貫通孔８が形成されている。
板状部２のピン状フィン３が形成されていない他面側の上表面部２１の搭載領域９に電子部品（図示略）がはんだ付け等により搭載され、その熱は板状部２を介して各ピン状フィン３に伝達され、これら板状部２及び各ピン状フィン３の外周面から放散される。
【００２１】
このように構成されたピン状フィン一体型ヒートシンク１は、例えば図３に示すような冷却ボックス３１に取り付けられる。この冷却ボックス３１は、ヒートシンク１のピン状フィン３を内部に挿入状態として取り付けるために開口部３２が形成されるとともに、その開口部３２の周囲を囲むようにパッキン収容溝３３が形成され、そのさらに外側にねじ穴３４が形成されており、鎖線矢印で示すようにヒートシンク１をピン状フィン３が図３において下方を向くように配置して開口部３２内に挿入し、板状部２を開口部３２の周囲の表面にパッキン３５を介して密接させ、ねじ止めにより固定する構成である。図示例では２個のヒートシンクが取り付けられるようになっており、矢印で示すように冷却媒体が流通して、内部に挿入状態のヒートシンク１のピン状フィン３を冷却する。
【００２２】
このピン状フィン一体型ヒートシンク１を製造するための製造装置は、ピン状フィン３が立設される球面の中央部５及びピン状フィン３を、熱間で鍛造して成形するフィン成形用金型１１により構成される。
フィン成形用金型１１は、図４に示すように、図示略の鍛造プレスに、ピン状フィン３を形成するための多数の凹状のフィン成形用穴部１５を有する成形ダイ１６と、この成形ダイ１６上に載せた金属材料Ｍを鍛造するパンチ１７と、成形ダイ１６に上下移動可能に設けられるエジェクターピン１８とが備えられた構成とされている。
【００２３】
成形ダイ１６は、その上面部に、鍛造時に金属材料Ｍが配置される凹部１９が形成されている。凹部１９の周辺部は、取付部７の成形用に平面部１９１が形成されており、その平面部１９１の内縁から中心部にかけては、中央部５の成形用に曲面状に掘られた曲面部１９２が形成されている。そして、その曲面部１９２に連通して各フィン成形用穴部１５が曲面部１９２の底面に形成されている。
パンチ１７は、成形ダイ１６の上方から図示略の油圧機構により上下動され、成形ダイ１６の凹部１９内で金属材料Ｍを叩くように押圧する。エジェクターピン１８は、図示略の油圧機構等により、鍛造後の取付部７を下方から押し上げる構成である。
【００２４】
このように構成されたフィン成形用金型１１を用いてピン状フィン一体型ヒートシンク１を製造する方法について説明する。
この製造方法においては、金属材料Ｍを加熱する加熱工程と、加熱後の金属材料Ｍをフィン成形用金型１１により鍛造して、成形ダイ１６の成形用穴部１５内に金属材料Ｍの一部を押し込むことにより、主に板状部２のピン状フィン３と中央部５とを成形する熱間鍛造工程とを備えている。以下、工程順に説明する。
【００２５】
＜加熱工程＞
加熱工程では、金属材料Ｍの変形抵抗を減少させるため、金属材料の再結晶温度以上の温度まで加熱する。
【００２６】
＜熱間鍛造工程＞
図４（ａ）に示すように、加熱された金属材料Ｍをフィン成形用金型１１の成形ダイ１６の凹部１９に設置し、パンチ１７により叩くように押圧すると、図４（ｂ）に示すように、金属材料Ｍは成形ダイ１６とパンチ１７とにより押しつぶされて、凹部１９内に広がりながら板状部２の中央部５が曲面に成形されるとともに、その一部がフィン成形用穴部１５内に圧入されピン状フィン３の外形が成形される。この鍛造工程は、熱間で行われるため、金属材料Ｍの流動性が良く、細い径のピン状フィン３も精密に成形することができる。さらに、中央部５は、板状部２の周辺部から中心部にかけて厚みが徐々に大きくなるように設けられていることから、成形時の金属材料の流れを良好に保つことができる。
次いで、パンチ１７を上方に退避させ、エジェクターピン１８を上昇させて、製品を成形ダイ１６から押し上げる。
【００２７】
このようにして製造されたピン状フィン一体型ヒートシンク１は、ピン状フィン３が立設されている面とは反対面である板状部２の中央部分の搭載領域９に電子部品が搭載され、水冷ボックス３１内にピン状フィン３を挿入した状態となるように、板状部２の取付部７がパッキン３５を介して水冷ボックス３１にねじ止め等により固定される。電子部品は、半導体チップ、回路基板等により構成される部品であり、水冷ボックス３１は、内部に水等の冷却媒体が流通しており、その冷却媒体にピン状フィン３が浸漬して放熱を促進する。
【００２８】
その際、電子部品のセラミックス基板には、その接合時及び使用時の熱応力や水圧等が作用する。そのセラミックス基板上面に作用する各種応力分布は、図５（ａ）〜（ｄ）に示すようになる。図５（ａ）は接合時の熱応力に起因した反りによる曲げ応力分布、図５（ｂ）は接合時のヒートシンク１との熱伸縮差に伴う面内方向圧縮荷重による圧縮応力分布、図５（ｃ）は使用時の水圧による曲げ応力分布、図５（ｄ）は使用時の温度分布による圧縮応力分布を示しており、これらの応力分布の総和を図６に示す。
参考までに、従来の平坦な板状部の場合の応力分布を破線で各図に示した。
【００２９】
この図５及び図６に示すように、本発明の構造とすることにより、セラミックス基板上面の引張応力の最大値を小さく抑えることができる。
これにより、ヒートシンク１は、優れた放熱性を有するとともに、熱応力や水流からの圧力等の機械的応力により、脆性材料であるセラミックス基板６に割れが生じないように支持することができる。また、板状部２全体の厚みを一律に増すことなく、ヒートシンク１の反りを低減できるので、製造コストを低減することができる。
【００３０】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態では、図７に示すように、ピン状フィン一体型ヒートシンク１０に、複数個の電子部品を搭載して構成される。
ヒートシンク１０は、電子部品のセラミックス基板６が接合される各々の搭載領域に対応するように板状部２が肉厚に設けられており、その部分の剛性が高められている。これにより、第１実施形態と同様に、接合されるセラミックス基板に割れを生じさせないように支持することができる。
【実施例】
【００３１】
金属材料として無酸素銅（純度９９．９９質量％以上）を用い、この無酸素銅の鋳塊を７００℃に加熱した後、フィン成形用金型により熱間鍛造してフィン立設部の中央部５及びピン状フィン３ならびに取付部７を成形し、フィン立設部分である中央部５の形状を変えて試料１〜５のヒートシンクを作製した。なお、熱間鍛造時の圧力は１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａとした。
試料１においては、中央部５の表面を、前述した（１）式を満たす曲面となるように形成した。試料２は（１）式は満たさないが、中央部５の表面が緩やかな曲面となるように形成した。また、試料３は、中央部５の表面を円錐面で形成し、試料４は、中央部５の表面を四角錐面で形成した。試料５は、中央部５及び取付部７の厚みを一律に形成した。
また、各ヒートシンクは、板状部２の外形を長さ１３３ｍｍ、幅７７ｍｍ、取付部２の厚みｔ１を３ｍｍ、ピン状フィン３は、外径が１．５ｍｍ、高さ８ｍｍ、ピッチが４ｍｍで、一列に並べたピン状フィン３が列ごとに半ピッチ分だけずれて千鳥配列としたものを成形した。各試料の取付部７の厚みｔ１と、中央部５の中心部に位置する最大厚みｔ２との比率ｔ２／ｔ１は表１に示す通りである。
【００３２】
このようにして作製した試料１〜５のヒートシンクについて、熱サイクル性を評価した。熱サイクル性は、ヒートシンクの板状部２の上表面部にセラミックス基板を有する電子部品をはんだ付けし、ＪＩＳＣ００２５に準拠し、−６５℃〜１２５℃の温度変化を５００サイクル繰り返し、はんだ接合部の剥がれやクラック等を観察した。剥がれやクラック等の「接合部欠陥」が認められなかったものを「○」、これらが認められたものを「×」とした。また、ヒートシンクに「反り」が認められなかったもの及び３０ｍｍ長さ当たりの反りが１５０μｍ以下であったものを「○」、１５０μｍを超えていたが２００μｍ以下であったものを「△」、２００μｍを超えていたものを「×」とした。
また、試料１〜５のヒートシンクを冷却ボックスに取り付けて冷却を行い、セラミックス基板に生じる割れを観察した。冷却ボックスに冷媒を封入し、水圧１ＭＰａを負荷した際に「セラミックス基板の割れ」が認められなかったものを「○」、割れが認められたものを「×」とした。これらの結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
表１に示される結果から明らかなように、試料１〜４の本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクは、セラミックス基板の割れを生じないように支持できることがわかる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの記載に限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、板状部を各種機器に取り付ける場合、ねじ止めに限らず、クランプ等の他の固定手段によってもよい。
また、図４においては、エジェクターピンにより鍛造品の外周部を押し上げるように構成したが、各ピン状フィンの下端を押し上げる構成としてもよい。また、鍛造時にバリを出していないが、鍛造機の能力に応じてバリを出して高い圧力で成形してもよい。また、加工前の初期の金属材料Ｍは、単純な板状の素材としているが、ピン状フィンの寸法等から、予め適切な形状に成形しておいてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１ ピン状フィン一体型ヒートシンク
２ 板状部
３ ピン状フィン
５ 中央部
６ セラミックス基板
７ 取付部
８ 貫通孔
９ 搭載領域
１１ フィン成形用金型
１５ フィン成形用穴部
１６ 成形ダイ
１７ パンチ
１７ａ パンチ面
１８ エジェクターピン
１９ 凹部
２１ 上表面部
２２ 下表面部
３１ 水冷ボックス
３２ 開口部
３３ パッキン収容溝
３４ ねじ穴
３５ パッキン
１９１ 平面部
１９２ 曲面部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる板状部の一面側に、セラミックス基板を有する電子部品が搭載される平面状の上表面部が形成されるとともに、該上表面部と反対面側に、多数のピン状フィンが立設された下表面部が形成されてなり、前記下表面部は、その周辺部の取付部と、この取付部の内縁から中心部に向かって厚みが漸次大きくなるように形成された中央部と、該中央部に立設された多数の前記ピン状フィンとにより形成されていることを特徴とするピン状フィン一体型ヒートシンク。
【請求項２】
前記中央部は、角錐もしくは円錐状の斜面、または曲面に形成されていることを特徴とする請求項１記載のピン状フィン一体型ヒートシンク。
【請求項３】
前記取付部の厚みをｔ１、前記中央部の中心部に位置する最大厚みをｔ２とした場合、ｔ２／ｔ１が１．２以上３．０以下に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載のピン状フィン一体型ヒートシンク。
【請求項４】
前記下表面部の中央部は、前記上表面部の前記セラミックス基板の搭載領域に対応する位置に設けられており、前記セラミックス基板の板幅をｗ、該板幅ｗの中心部からの距離をｘとした場合、前記中央部の板厚ｔは、以下の（１）式を満たすように設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のピン状フィン一体型ヒートシンク。
ｔ＝ｔ２−（（ｔ２−ｔ１）／（ｗ／２））２・ｘ２ …（１）
【請求項１】
金属材料からなる板状部の一面側に、セラミックス基板を有する電子部品が搭載される平面状の上表面部が形成されるとともに、該上表面部と反対面側に、多数のピン状フィンが立設された下表面部が形成されてなり、前記下表面部は、その周辺部の取付部と、この取付部の内縁から中心部に向かって厚みが漸次大きくなるように形成された中央部と、該中央部に立設された多数の前記ピン状フィンとにより形成されていることを特徴とするピン状フィン一体型ヒートシンク。
【請求項２】
前記中央部は、角錐もしくは円錐状の斜面、または曲面に形成されていることを特徴とする請求項１記載のピン状フィン一体型ヒートシンク。
【請求項３】
前記取付部の厚みをｔ１、前記中央部の中心部に位置する最大厚みをｔ２とした場合、ｔ２／ｔ１が１．２以上３．０以下に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載のピン状フィン一体型ヒートシンク。
【請求項４】
前記下表面部の中央部は、前記上表面部の前記セラミックス基板の搭載領域に対応する位置に設けられており、前記セラミックス基板の板幅をｗ、該板幅ｗの中心部からの距離をｘとした場合、前記中央部の板厚ｔは、以下の（１）式を満たすように設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のピン状フィン一体型ヒートシンク。
ｔ＝ｔ２−（（ｔ２−ｔ１）／（ｗ／２））２・ｘ２ …（１）
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２４８５７６（Ｐ２０１２−２４８５７６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７１８３（Ｐ２０１１−１１７１８３）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００１７６８２２）三菱伸銅株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００１７６８２２）三菱伸銅株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]