JPH1032288A - 放熱性能に優れたヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】通風抵抗が小さく、かつ放熱性能に優れたヒー
トシンクを提供する。 【解決手段】金属基板の片面に複数のピンフィンを備え
たヒートシンクにおいて、金属基板のピンフィンが設け
られた面と対面し、かつその面と平行でピンフィンが貫
通した１枚以上の放熱金属平板と、必要により各ピンフ
ィンの先端面と接合されてピンフィンが貫通していない
放熱金属平板を備え、放熱金属平板は金属基板と所定の
間隔をおいて設けられており、ピンフィンの貫通部にお
いてピンフィン周面と放熱金属平板とが接合されている
ことを特徴とする放熱性能に優れたヒートシンク。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大規模集積回路
（ＬＳＩ）等発熱を伴う電子部品に装着される放熱性能
に優れたヒートシンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の電子機器においては、ＬＳＩ等が
多く使用され、その小型化と実装の高密度化により、発
熱量が増加し、その放熱方法が問題となっている。すな
わち、ＬＳＩは、使用中に多量の熱を発生するので、こ
の熱を効率よく放散させなければ、ＬＳＩを正常にかつ
高速に作動させることができない。その熱を放散させる
ために、ＬＳＩパッケージにはヒートシンクが装着され
ている。

【０００３】図２は、セラミックス製のピングリッドア
レイ型のＬＳＩパッケージ５に、代表的なヒートシンク
であるチャンネルフィン型ヒートシンク６を取り付けた
状態を示す図である。パッケージ５は、伝熱基板８を介
してチャンネルフィン型ヒートシンク６が取り付けられ
ており、ＬＳＩ７は、伝熱基板の下に接合され、額縁状
のセラミックス板９、１０および金属製のリッド１１で
構成された気密空間１２に収納されている。伝熱基板８
とセラミックス板９、リッド１１とセラミックス板１０
は鑞付等の方法で接合されている。セラミックス板１０
に差し込まれた多数のピン１３とＬＳＩ７はワイヤ１４
およびセラミックス板９の表面１５に焼付けられた導通
回路を介して電気的に接続されている。

【０００４】ＬＳＩで発生した熱は、伝熱基板８とヒー
トシンク基板とを伝って放熱フィン６に伝わり、空気中
に放散される。その際、通常は放熱フィンの周囲に空気
を流す強制空冷が用いられる。一般に、ヒートシンクを
用いた電子部品の冷却では、放熱フィンから空気への熱
伝達が全体の放熱量を決定するので、放熱フィン表面か
ら空気への熱伝達は最も重要である。熱伝達度は、放熱
フィンの形状に負うところが大きい。

【０００５】図３は、代表的な放熱フィンを備えたヒー
トシンクを示す図である。同図（ａ）は、発熱体を取付
ける芯材の周りに円形の平板フィンを重ねたタワーフィ
ン、同図（ｂ）は、基板上に平行平板列を配したチャン
ネルフィンおよび（ｃ）は、基板上にピン状突起を配し
たピンフィンである。

【０００６】それぞれの放熱フィンの長所短所をまとめ
ると以下の通りになる。

【０００７】（ａ）タワーフィン 長所：冷却空気の流れの方向を選ばない。

【０００８】短所：芯材が太いと冷却空気の流れを妨
げ、冷却風の風下になる芯材裏側のフィンの放熱能が低
下する。この短所は、芯材を細くすると解消されるが、
タワー心材の下面に取り付けられたＬＳＩからの熱を、
上側のフィンへ伝達する量が少なくなり、フィン全体と
しての放熱性能が低下する。

【０００９】（ｂ）チャンネルフィン 長所：通風抵抗が小さいので、空冷用ファンを小型にす
ることができる。

【００１０】短所：冷却空気の流れに対して指向性が生
じる。

【００１１】平行平板のフィンからの放熱では、冷却空
気の流れ方向に進むにつれて温度境界層が発達し、局所
の熱伝達率が低くなり、大型のチャンネルフィンでは冷
却空気流の下側の部分では、放熱フィンとしての効率が
悪く、結果として全体の放熱性能の低下を招く。

【００１２】（ｃ）ピンフィン 長所：ピンの前縁効果により放熱性能に優れている。ま
た、冷却空気の流れの方向を選ばない。

【００１３】短所：冷却風がピンを横切る際に生じる、
流れの剥離等の現象により、通風抵抗が大きくなる。特
に高性能を求められるヒートシンクでは、ピンの密度が
高くなり、ますますその傾向は大きくなる。

【００１４】上記温度境界層とは、下記の通りである。

【００１５】図４は、加熱した金属平板３に一方向から
平行に空気を流して冷却した場合の冷却空気に発生する
温度境界層を説明するための図である。

【００１６】一枚の金属平板を加熱し、一方向から金属
平板に平行に空気を流して冷却すると、空気の流れの方
向に進むにつれて空気の温度は上昇する。また、空気の
温度は金属平板に近いほど高く、金属平板から垂直方向
に遠ざかるにつれて低くなり、ついには常温となる。こ
の常温になる境と平板の間を温度境界層という。この温
度境界層は、同図（ａ）に示すように、ｘ方向、すなわ
ち、流れの方向に進むにつれて金属平板より離れる（発
達する）。

【００１７】この時の金属平板上の局所の熱伝達率の分
布を図４（ｂ）に示す。冷却空気流の上手に位置する金
属平板の先端部では、空気が金属平板先端面に衝突し、
温度境界層もほとんど無いため局所の熱伝達率は高くな
る（前縁効果）。また、ｘ方向に進むにつれて、温度境
界層が発達するため金属平板と空気の温度差が小さくな
り、局所の熱伝達率が低くなる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ピンフィン型ヒートシ
ンクは、上記のタワーフィンやチャンネルフィンの有す
る短所がなく、ピンの前縁効果により放熱性能に優れて
いる。しかし、上述したように、冷却風がピンを横切る
際に生じる、流れの剥離等の現象により、通風抵抗が大
きくなる。特に高性能を求められるヒートシンクでは、
ピンの密度が大きくなり、一層その傾向は大きくなるの
で、冷却ファンを大型にして送風能力を上げなくてはな
らない。しかし、冷却ファンを大型にすると騒音が大き
くなり、さらにヒートシンク装置の重量が増加する。

【００１９】本発明は、ピンフィン型ヒートシンクの有
する問題を解消し、通風抵抗が小さく、かつ放熱性能に
優れたヒートシンクを提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ピンフィン
型ヒートシンクにおいて、放熱性能を高めるためにピン
フィンの数を特別に増加させることなく、通風抵抗が小
さいままで、放熱性能に優れたヒートシンクを開発すべ
く種々実験、検討した。その結果、ピンフィン型ヒート
シンクに、さらにそれらのピンに基板と平行な１枚以上
の放熱金属平板を接合して、基板からの熱をピンフィン
に、さらにピンフィンから放熱金属平板に伝熱して放熱
するのがよいという知見を得た。

【００２１】本発明は、このような知見に基づきなされ
たもので、その要旨は以下の通りである。

【００２２】１）金属基板の片面に複数のピンフィンを
備えたヒートシンクにおいて、金属基板のピンフィンが
設けられた面と対面し、かつその面と平行でピンフィン
が貫通した１枚以上の放熱金属平板と、必要により各ピ
ンフィンの先端面と接合されてピンフィンが貫通してい
ない放熱金属平板を備え、放熱金属平板は金属基板と所
定の間隔をおいて設けられており、ピンフィンの貫通部
においてピンフィン周面と放熱金属平板とが接合されて
いることを特徴とする放熱性能に優れたヒートシンク。

【００２３】２）放熱金属平板に設けた円筒状の側壁を
有する貫通孔にピンフィンが嵌合されて接合されている
上記１）のヒートシンク。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のヒートシンクの
一例を示す図である。このヒートシンクは、金属基板１
とその片面に基板と垂直に設けられた多数のピンフィン
２と、基板のピンフィンを設けた面と平行な１枚以上の
放熱金属平板３とを備えている。金属基板１と放熱金属
平板３との間および放熱金属平板が複数枚の場合は、放
熱金属平板間に所定の間隔がとられている。この間隔
は、ヒートシンクの一側面から図示しないファンから冷
却用空気を送給するために設けるものである。また、各
ピンフィンは放熱金属平板３貫通した状態で、貫通部に
おいて両者は接合されている。

【００２５】本発明のヒートシンクをこのような構成に
限定する理由を、以下に説明する。 １）片面にピンフィンを設けた金属基板 基板には、片面にピンフィンが設けられており、基板の
もう１面にはＬＳＩのような発熱体が取付けられる。発
熱体で発生した熱は、放熱基板１を伝ってピンフィン２
に伝わり、熱の一部は冷却用空気流中に放熱され、残り
の熱は放熱金属平板３に伝わり、やはり冷却用空流気中
に放出される。

【００２６】通常、ピンフィン型のヒートシンクにおけ
るピンフィンは、当然のことながら基板からの熱を放熱
するために使用されるものである。本発明におけるピン
フィンの作用としては、上記の放熱の他に伝熱金属基板
から放熱金属平板への熱伝導および冷却風の撹拌も重要
な作用となる。

【００２７】ピンフィンを用いるのは、ピンの前縁効果
により優れた放熱特性が期待でき、また空気の流れの方
向に対して指向性がなく、また放熱金属平板間３を通る
冷却用空気はピンフィン２により撹拌されることになる
ので、絶えず温度境界層が更新され、大型フィンになっ
ても冷却風の風下でもフィンの局所の熱伝達率の低下は
最低限に抑えられるからである。

【００２８】ピンフィン２は、放熱金属基板１上にほぼ
均等に配置することができるので、ヒートシンクのサイ
ズが大きくなっても放熱金属平板３に効率よく熱を伝え
ることが可能である。

【００２９】ピンフィン形状は、円形、楕円や角状の断
面のものでよい。また、ピンフィンの直径（断面積）が
小さくなると、金属基板１からの熱の輸送路が小さくな
り、上方のフィンが有効に働かなくなる。逆に、ピンフ
ィンの径を大きくすると空気の流れに剥離が生じ易くな
り、通風抵抗が大きくなる。ピンフィンの好適な直径
は、ヒートシンクの大きさにより異なるが、円形断面の
場合は通常１．５〜３．０ｍｍの範囲とするのがよい。

【００３０】また、ピンフィンの基板上での配置は、必
ずしも規則正しくする必要はなく、基板上でほぼ均等に
なっていればよい。

【００３１】金属基板およびピンフィンの材質は限定す
るものでないが、熱伝導度がよくて加工し易いＪＩＳ
Ａ１０５０、Ａ１１００のような純アルミニウムやＡ２
０１７、Ａ６０６３のようなアルミニウム合金が好適で
ある。

【００３２】２）放熱金属平板 放熱金属平板は、前記したようにピンフィンからの熱を
受けて効率よく放熱するために設ける。従来のピンフィ
ン型ヒートシンクでは、ピンの外周面が放熱面積であっ
たが、本発明のヒートシンクでは、金属平板の両面が放
熱面積として加わるので、放熱面積は格段に増加する。
したがって、ピンフィンから放熱金属平板への熱伝導を
よくする必要があり、両者は鑞付け等により接合されて
いなければならない。また、ピンフィンと放熱金属平板
との接触面積が大きい程ピンフィンからの熱伝導がよく
なるので、接触部分の面積は可能な限り大きい方が望ま
しい。

【００３３】図５は、ピンフィンと放熱金属平板との接
触面積を大きくした本発明のヒートシンクの組立図であ
る。

【００３４】放熱金属平板３には、円筒状の側壁１７を
有する貫通孔１８が、ピンフィン２を嵌合可能に設けら
れている。この放熱金属平板の各孔にピンフィンを通
し、基板と平行に、かつ所定の間隔をおいて鑞付け等に
より接合、固定される。

【００３５】ピンフィンと放熱金属平板との接触面積
は、放熱金属平板の厚さをｔ、孔の径をＤとすると１個
当たり、πＤｔである。本発明のヒートシンクでは、空
気の通風抵抗を可能な限り抑えるため、金属板の厚さｔ
はできる限り小さいくするのが好ましいが、接触面積は
小さくなる。しかし、所定高さｈの側壁部を設けた孔１
８を有する放熱金属平板３を用いれば、ピンフィン２と
放熱金属平板３との接触面積は孔１個当たりπＤｈであ
り、ｈはｔより十分大きく取ることが可能であるから、
接触面積を大きく取ることが可能になる。

【００３６】なお、側壁部を有する孔１７の加工は、プ
レス加工等で簡単に加工できる。さらに、ピンフィン２
と放熱金属平板３との接合部の接触熱抵抗の低減が、本
発明の放熱フィンの性能向上には必要不可欠である。こ
の部分に空気の層ができると、その部分の熱抵抗が大き
くなり、全体の放熱性能が低下する。そのために、この
間は一体化していることが望ましい。最も確実なのは金
属接合であるが、工業的に生産することを考えると現実
的ではない。鑞付であれば組み立てた後ある一定の温度
で処理すればよく、予め鑞材を塗布した金属板を加工し
て組み立てれば作業工程の省略ができる。

【００３７】放熱金属平板を何枚にするかは、ピンフィ
ンの高さにより決めればよく、高さが低い場合は１枚で
も充分効果がある。図１に示すように、各ピンフィンの
先端にピンフィンを貫通させない金属平板３Ｔを接合し
て設けてもよい。金属平板３Ｔは、上部に製品ロゴある
いは型式等を表示する必要があるような場合に設けるの
が好ましい。

【００３８】放熱金属平板の板厚が薄いと、その周端部
までの熱輸送力が小さくなり、フィンとして有効に働く
面積が小さくなる。厚くすると放熱フィンの重量増加お
よび冷却風の通風抵抗の増加を招くことになる。好まし
い板厚は、０．２〜１．０ｍｍ程度である。

【００３９】放熱金属平板間が狭い場合にも通風抵抗の
増加が起き、広くすると放熱金属平板の枚数が減少し、
放熱面積の減少を招く。好適な放熱金属平板間の間隔
は、流れ方向の長さによるが、流れ長さをＬ（mm）、放
熱金属平板間隔をＳ（mm）とすると、 ０．０５≦Ｓ／Ｌ≦０．２５ となるようにＳの値を設定するのが望ましい。

【００４０】この放熱金属平板の材質は、ピンフィンと
同じ上記純アルミニウムやその合金が適している。

【００４１】また、基板形状も正方形である必要はなく
矩形でも円形等でもかまわない。さらに、基板寸法と金
属板寸法も同じである必要はなく、形状も異なっていて
もかまわない。

【００４２】

【実施例】

（実施例１）寸法が、縦４０ｍｍ、横４０ｍｍ、厚さ２
ｍｍの純アルミニウムＡ１０５０基板の片面に、ピン径
２ｍｍ、高さ１８ｍｍのピンフィンを６ｍｍピッチで一
辺に７本、計４９本をプレスで成形した。

【００４３】この放熱金属平に平行に、予めピンフィン
の配置と同じ位置に、高さ１ｍｍの側壁部を設けた孔を
あけた上記基板と同じ大きさの板厚が０．５ｍｍの純ア
ルミニウムＡ１０５０からなる放熱金属平板を４．５ｍ
ｍピッチで４枚重ねたヒートシンクを作成した。ピンフ
ィンと放熱金属平板とは鑞付けにより接合した。

【００４４】また、比較のため放熱金属平板がない点の
みが異なる上記と同じヒートシンクも作成した。

【００４５】これらヒートシンクの性能を、風洞実験に
より調べたところ、風速１．５ｍ／秒での熱抵抗は２．
５１℃／Ｗであった。一方、放熱金属板を取り付けてい
ない従来のピンフィン型ヒートシンクの場合、同じ風速
で熱抵抗３．１５℃／Ｗであった。従来のピンフィン型
ヒートシンクに比べ、放熱性能は約２０％高まった。ま
た、このときの圧力損失の増加は高々３％であった。こ
の結果より明らかなように、本発明のヒートシンクでは
圧力損失の増加を抑制し、放熱性能を向上させることが
できる。また、冷却用の空気の流れ方向を９０゜変化さ
せた場合の放熱性能の変化も調べたが、その変化は１０
％程度であった。このことから、冷却用空気の流れに対
して無指向性であることが分かる。

【００４６】（実施例２）寸法が、縦８０ｍｍ、横８０
ｍｍ、厚さ５ｍｍの純アルミニウムＡ１０５０基板の片
面に、ピン径３ｍｍ、高さ３０ｍｍのピンフィンを８ｍ
ｍピッチで一辺に１０本、計１００本をプレスで成形し
た。

【００４７】この放熱金属平に平行に、予めピンフィン
の配置と同じ位置に、高さ１．２ｍｍの側壁部を設けた
孔をあけた上記基板と同じ大きさの板厚が０．８ｍｍの
純アルミニウムＡ１０５０からなる放熱金属平板を６ｍ
ｍピッチで５枚重ねたヒートシンクを作成した。ピンフ
ィンと放熱金属平板とは鑞付けにより接合した。

【００４８】また、比較のため放熱金属平板がない点の
みが異なる上記と同じヒートシンクも作成した。

【００４９】これら放熱フィンの性能を、風洞実験によ
り調査したところ、風速１．５ｍ／ｓで熱抵抗は０．７
５３℃／Ｗであった。比較のヒートシンクの場合、同じ
風速で熱抵抗０．９１１℃／Ｗであった。従来のピンフ
ィン型ヒートシンクに比べて放熱性能は、やはり約２０
％高まった。また、このときの圧力損失の増加は高々
２．５％程度であった。冷却用の空気の流れ方向を９０
゜変化させた場合の放熱性能の変化も調べたが、その変
化は１０％程度であった。このことから、冷却用空気の
流れに対して無指向性であることが分かる。

【００５０】

【発明の効果】本発明のヒートシンクは、通風抵抗が小
さく、冷却風の向きを選ばず、高い放熱性能を有する優
れたヒートシンクである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートシンクの一例を示す斜視図であ
る。

【図２】一般的なヒートシンク付きセラミックパッケー
ジを示す図である。

【図３】一般的な放熱フィンの形状を示す図である。

【図４】金属平板からの熱伝達の状態を説明するための
図である。

【図５】本発明の他のヒートシンクの組立を示す図であ
る。

【符号の簡単な説明】

１ 金属基板 ２ ピンフィン ３ 放熱金属平板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属基板の片面に複数のピンフィンを備え
   たヒートシンクにおいて、金属基板のピンフィンが設け
   られた面と対面し、かつその面と平行でピンフィンが貫
   通した１枚以上の放熱金属平板と、必要により各ピンフ
   ィンの先端面と接合されてピンフィンが貫通していない
   放熱金属平板を備え、放熱金属平板は金属基板と所定の
   間隔をおいて設けられており、ピンフィンの貫通部にお
   いてピンフィン周面と放熱金属平板とが接合されている
   ことを特徴とする放熱性能に優れたヒートシンク。
2. 【請求項２】放熱金属平板に設けた円筒状の側壁を有す
   る貫通孔にピンフィンが嵌合されて接合されていること
   を特徴とする請求項１記載のヒートシンク。