散热器和冷却器的制作方法

本发明涉及用于冷却发热性元件等发热体的散热器(heatsink)和冷却器、以及散热器的制造方法。

背景技术：

作为发热性元件的例如电子元件，通过焊接被接合搭载于绝缘基板的搭载面上。为了将发热了的电子元件冷却，采用钎焊等使绝缘基板在散热器的由底板部的厚度方向的单侧表面构成的冷却面和/或冷却器的冷却面上接合(参照例如专利文献1-4)。

为了能够将发热了的电子元件切实地冷却，散热器和冷却器(包括散热器)要求高的冷却性能(包含散热性能)。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2014-160764号公报

专利文献2：日本特开2014-160763号公报

专利文献3：日本特开2014-50847号公报

专利文献4：日本特开2013-222909号公报

技术实现要素：

近年，随着电子元件的高性能化和使用温度的上升化，对散热器和冷却器要求越来越高的冷却性能。

本发明是鉴于上述技术背景完成的，其目的在于提供具有高的冷却性能的散热器和冷却器、以及散热器的制造方法。本发明的另一目的和优点根据以下的优选实施方式变得明确。

本发明提供以下的手段。

[1]一种散热器，是铝与碳粒子的复合材料制成的，

多个鳍部以相对于底板部突出的状态与所述底板部一体形成，

所述翅部中存在的碳粒子沿着所述翅部相对于所述底板部突出的方向取向。

[2]根据前项1所述的散热器，作为所述碳粒子使用鳞片状石墨粒子。

[3]一种冷却器，具备前项1或2所述的散热器。

[4]一种散热器的制造方法，通过对由铝与碳粒子的复合材料构成的锻造坯料进行热锻加工，来形成前项1或2所述的散热器。

[5]一种散热器的制造方法，通过对由铝与碳粒子的复合材料构成的钢坯进行挤压加工而得到挤压型材，利用所述挤压型材形成前项2所述的散热器。

本发明发挥以下效果。

前项[1]中，通过在散热器的底板部的鳍部中存在的碳粒子沿着鳍部相对于底板部突出的方向取向，鳍部的突出方向的热传导率变高。由此，散热器变得具有高的冷却性能。

前项[2]中，通过作为碳粒子使用鳞片状石墨粒子，能够更加提高散热器的冷却性能。

前项[3]中，冷却器具有前项1或2所述的散热器，所以具有高的冷却性能。

所述[4]中，能够切实且容易地得到前项1或2所述的散热器。

前项[5]中，能够切实且容易地得到前项2所述的散热器。

附图说明

图1是将本发明的第1实施方式涉及的散热器与绝缘基板一同表示的截面图。

图2a是该散热器的立体图。

图2b是在对钢坯进行挤压加工的中途状态下表示挤压加工装置的部分凹口侧面图。

图3将具备该散热器的冷却器与绝缘基板一同表示的截面图。

图4是本发明的第2实施方式涉及的散热器的立体图。

图5是表示对用于形成该散热器的锻造坯料进行热锻加工的中途状态的截面图。

图6是本发明的第3实施方式涉及的散热器的截面图。

图7是本发明的第4实施方式涉及的散热器的截面图。

具体实施方式

接着，参照附图对本发明的一些实施方式说明如下。

图1和2是说明本发明的第1实施方式的图。

如图1所示，本发明的第1实施方式涉及的散热器1a，将采用焊接等接合到绝缘基板20的搭载面20a上的、作为发热体的发热性元件(用两点划线表示)25的热进行扩散从而冷却发热性元件25。作为发热性元件25，具体可例举半导体元件等电子元件。

绝缘基板20具备：具有搭载面20a的布线层21、由陶瓷制成的电绝缘层22、由金属制成的缓冲层23等，并且这些层21、22、23彼此层叠从而接合一体化地形成，例如由dba基板或dbc基板构成。

散热器1a是铝与碳粒子5的复合材料制成的，具备底板部2和散热用的多个鳍部3。碳粒子5对于热传导率具有各向异性。

在此，图1中，碳粒子5以短线状描绘。并且，附图中描绘的碳粒子5的线方向(长度方向)表示碳粒子5的高热传导方向。其他附图中也相同。

此外，图1中，为了容易明白存在于散热器1a中的碳粒子5的方向(即碳粒子5的高热传导方向)，在散热器1a的截面中省略了阴影。其他附图也相同。

多个鳍部3以相对于底板部2向其厚度方向的两侧之中的至少一侧突出的状态与底板部2一体形成。

本第1实施方式中，多个鳍部3以相对于底板部2向其厚度方向的仅单侧突出的状态与底板部2一体形成。而且，各鳍部3在底板部2的长度方向(与图1的纸面垂直的方向)上连续地与底板部2一体形成。因此，各鳍部3是所谓的直鳍部3a。

绝缘基板20采用钎焊等在冷却面2a上接合，冷却面2a由底板部2的厚度方向的两表面之中没有配设多个直鳍部3a一侧的表面构成。底板部2的冷却面2a以大致平坦状形成。

在散热器1a的表面，绝缘基板20与冷却面2a接合之前，为了使焊接性和耐蚀性良好，可以形成ni镀层。ni镀层可以采用无电解镀ni法形成，也可以采用电镀ni法形成。

本第1实施方式的散热器1a的坯料即铝与碳粒子5的复合材料中，碳粒子5的种类不限定，但优选热传导率尽量高且容易与铝复合化的材料。具体而言，碳粒子5优选为选自碳纤维、碳纳米管、石墨烯、天然石墨粒子和人造石墨粒子中的至少一种，进而更优选为选自碳纤维、碳纳米管、石墨烯和天然石墨粒子中的至少一种。

作为碳纤维，适合使用沥青系碳纤维、pan系碳纤维等。

作为碳纳米管，适合使用单层碳纳米管、多层碳纳米管、气相生长碳纤维(包含vgcf(注册商标))等。

作为石墨烯，适合使用单层石墨烯、多层石墨烯等。

作为天然石墨粒子，适合使用鳞片状石墨粒子等。

作为人造石墨粒子，适合使用各向异性石墨粒子、热解石墨粒子等。

碳粒子5的大小不限定。然而，在碳粒子5为碳纤维的情况下，适合使用短碳纤维，特别适合使用平均纤维长为10μm以上且2mm以下的短碳纤维。在碳粒子5为碳纳米管的情况下，特别适合使用平均长度为1μm以上且10μm以下的碳纳米管。在碳粒子5为天然石墨粒子和人造石墨粒子的情况下，特别适合使用平均粒径为10μm以上且3mm以下的天然石墨粒子和人造石墨粒子。

铝与碳粒子5的复合材料的种类不限定。例如，复合材料可以是在铝箔上涂敷碳粒子层而得到的多个涂敷箔在层叠状态下烧结一体化而成的材料(以下为方便说明将该复合材料称为“层叠烧结型复合材料”)，也可以是铝粒子(例如铝粉末)与碳粒子(例如碳粉末)混合烧结而成的材料(以下为方便说明将该复合材料称为“粒子烧结型复合材料”)。这些复合材料全都是铝作为基体金属使用且碳粒子5作为填料使用。碳粒子5遍及复合材料整体在铝中分散许多。

散热器1a中，存在于各直鳍部3a中的碳粒子5沿着直鳍部3a相对于底板部2突出的方向p取向，因此，存在于各直鳍部3a中的碳粒子5的高热传导方向沿着直鳍部3a相对于底板部2突出的方向p取向。

本第1实施方式中，作为碳粒子5，使用热传导率在粒子的面方向上良好的碳粒子，即使用高热传导率的方向为粒子的面方向的碳粒子。具体而言，作为那样的碳粒子5使用鳞片状石墨粒子。

鳞片状石墨粒子的面方向的热传导率与其厚度方向的热传导率相比格外高。因此，本第1实施方式中，在各直鳍部3a中存在的鳞片状石墨粒子的面方向沿直鳍部3a的突出方向p取向，由此各直鳍部3a中的鳞片状石墨粒子的高热传导方向沿直鳍部3a的突出方向p取向。

本第1实施方式的散热器1a是用挤压型材形成的。图2a中的标记“e”表示挤压型材的挤压方向。

本第1实施方式的散热器1a的制造方法如下所述。

如图2b所示，采用挤压加工装置40对由铝和作为碳粒子5的鳞片状石墨粒子的复合材料构成的大致圆柱状的钢坯(即挤压坯料)45进行挤压加工，由此，得到截面形状与散热器1a的截面形状相同的长的挤压型材46。再者，在图2b中，为了使钢坯45容易与其他构件区别，对钢坯45附带了点状阴影。

挤压加工装置40具备容器41、挤压加工模42、轴杆44等。挤压加工模42具备截面形状与散热器1a的截面形状相同的挤压孔43。在对钢坯45进行挤压加工时，钢坯45装填到容器41内。钢坯45根据需要被加热到预定温度。然后，钢坯45通过轴杆44沿挤压方向e按压从而穿过挤压加工模42的挤压孔43。由此，得到上述长的挤压型材46。

接着，通过以预定长度切断挤压型材46，得到图2a示出的、用挤压型材46形成的散热器1a。在散热器1a中，直鳍部3a连续的方向与挤压型材46的挤压方向e一致。

这样，通过对由铝和作为碳粒子5的鳞片状石墨粒子的复合材料构成的钢坯45进行挤压加工而得到挤压型材46，并利用挤压型材46形成散热器1a，由此能够使各直鳍部3a中存在的作为碳粒子5的鳞片状石墨粒子沿直鳍部3a的突出方向p切实地取向，并能够切实且容易地制造具有这样多个直鳍部3a的散热器1a。

钢坯45可以由上述层叠烧结型复合材料构成，可以由上述粒子烧结型复合材料构成，也可以由其他的铝与碳粒子的复合材料构成。

根据本第1实施方式的散热器1a，各直鳍部3a中存在的碳粒子5沿直鳍部3a相对于底板部2突出的方向p取向，所以各直鳍部3a的突出方向p的热传导率高。因此，散热器1a具有高的冷却性能(包括散热性能)。

此外，作为碳粒子5使用了鳞片状石墨粒子，所以散热器1a具有非常高的冷却性能。

在此，如果假设作为碳粒子5，不是鳞片状石墨粒子那样的高热传导率的方向为粒子的面方向的碳粒子，而使用了高热传导率的方向仅为粒子的一个方向的碳粒子(例如碳纤维)，该情况下，当对由铝与该碳粒子的复合材料构成的钢坯进行挤压加工由此得到挤压型材并利用该挤压型材形成散热器时，则出现各直鳍部中存在的该碳粒子难以沿直鳍部的突出方向p取向的倾向。因此，在利用挤压型材形成散热器的情况下，作为碳粒子5，特别希望使用高热传导率的方向为粒子面方向的碳粒子(例如鳞片状石墨粒子)，通过使用这样的碳粒子，即使在利用挤压型材形成散热器的情况下也能够使碳粒子5沿直鳍部3a的突出方向p切实地取向。

图3示出的冷却器(包括散热器)10，具备图1和2所示的第1实施方式的散热器1a和筐体主体11。

筐体主体11是例如金属制的，具有开口部。散热器1a配置在筐体主体11内，筐体主体11的开口部用散热器1a的底板部2堵塞，并且筐体主体11的内部用散热器1a的多个直鳍部3a划分，从而在筐体主体11的内部形成了冷却流体(例如冷却液)流通的流路12。然后，在该状态下，散热器1a采用钎焊与筐体主体11接合一体化，由此制作了冷却器10。

因此，在冷却器10中，散热器1a的底板部2作为堵塞筐体主体11的开口部的盖体使用，并且其多个直鳍部3a作为在筐体主体11的内部形成冷却流体用流路12的分隔壁部(内部鳍部)使用。

绝缘基板20采用钎焊等与冷却器10的作为冷却面的散热器1a的底板部2的冷却面2a接合。

再者，在散热器1a的底板部2的冷却面2a上，可以配置用于将绝缘基板20钎焊到冷却面2a的两面硬钎焊片。另外，为了将散热器1a钎焊到筐体主体11，筐体主体11可以用内面硬钎焊片形成。

图4所示的本发明的第2实施方式涉及的散热器1b中，各鳍部3为销状，即销鳍部3b。并且，多个销鳍部3b在相对于底板部2其厚度方向的仅单侧以销状突出的状态下与底板部2一体形成。各销鳍部3b的截面形状为大致圆形。

本第2实施方式的散热器1b的坯料即铝与碳粒子5的复合材料中，作为碳粒子5，使用选自碳纤维、碳纳米管、石墨烯、天然石墨粒子和人造石墨粒子中的至少一种。

各销鳍部3b中存在的碳粒子5沿着销鳍部3b相对于底板部2突出的方向p取向，因此各销鳍部3b中存在的碳粒子5的高热传导方向沿着销鳍部3b相对于底板部2突出的方向p取向。

如图5所示，该散热器1b通过使用具备热锻加工用模具30的热锻加工装置，对由铝与碳粒子5的复合材料构成的大致板状的锻造坯料35进行热锻加工(详细而言为热模锻造加工)，由此形成。

模具30具备：模具主体31、以及用于对配置在模具主体31内的锻造坯料35进行按压的冲头32。图5中的标记“d”表示由冲头32进行的锻造坯料35的按压方向。在冲头32的顶端部设置有用于形成销鳍部3b的多个鳍部形成孔33。

锻造坯料35通过在模具主体31内用冲头32按压，以锻造坯料35的材料进入冲头32的各鳍部形成孔33中的方式塑性流动，与此相伴地，进入到各鳍部形成孔33中的材料中的碳粒子5的方向与各鳍部形成孔33的延伸方向一致。结果，在散热器1b中，各销鳍部3b中存在的碳粒子5沿销鳍部3b的突出方向p取向(即，各销鳍部3b中的碳粒子5的高热传导方向沿销鳍部3b的突出方向p取向)。

这样，通过采用由热锻加工进行的制造方法形成散热器，能够使各销鳍部3b中存在的碳粒子5沿销鳍部3b的突出方向p切实地取向，并能够切实且容易地制造具有这样多个销鳍部3b的散热器1b。

图6所示的本发明的第3实施方式涉及的散热器1c中，各鳍部3为销状，即销鳍部3b。并且，多个销鳍部3b以相对于底板部2在其厚度方向的两侧分别以销状突出的状态与底板部2一体形成。另外，向底板部2的厚度方向的一单侧突出的销鳍部3b的位置、以及向底板部2的厚度方向的另一单侧突出的销鳍部3b的位置，在底板部2的宽度方向(图6中为左右方向)上一致。

图7所示的本发明的第4实施方式涉及的散热器1d中，与上述第3实施方式的散热器1c相同，各鳍部3为销状，即销鳍部3b。并且，多个销鳍部3b以相对于底板部2在其厚度方向的两侧分别以销状突出的状态与底板部2一体形成。然而，向底板部2的厚度方向的一单侧突出的销鳍部3b的位置、以及向底板部2的厚度方向的另一单侧突出的销鳍部3b的位置，在底板部2的宽度方向(图7中为左右方向)上错开。

第3和第4实施方式的散热器1c、1d中，作为碳粒子5分别使用选自碳纤维、碳纳米管、石墨烯、天然石墨粒子和人造石墨粒子中的至少一种。

上述第2～第4实施方式的散热器1b～1d全都是各销鳍部3b中存在的碳粒子5沿销鳍部3b相对于底板部突出的方向p取向，所以各销鳍部3b的突出方向p的热传导率高。因此，散热器1b～1d具有高的冷却性能。

这些散热器1b～1d可以配置在冷却器的筐体主体内使用，也可以不配置在冷却器的筐体主体内而使用。

以上说明了本发明的一些实施方式，但本发明不限定于这些实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围能够进行各种变更。

如上述第1实施方式的散热器1a那样，作为多个鳍部具有多个直鳍部的散热器，特别希望如上述第1实施方式那样用挤压型材形成，但本发明中，那样的散热器除此以外也可以采用例如热锻加工(例如热模锻造加工)来形成。

实施例

接着，对本发明的具体实施例说明如下。但本发明不限定于以下的实施例。

<实施例1>

如下地制造了图1所示的第1实施方式的散热器1a。

准备由铝和作为碳粒子5的鳞片状石墨粉末的复合材料构成的钢坯45。复合材料是通过将铝粉末和鳞片状石墨粉末混合并烧结而制造的。

接着，通过对钢坯45挤压加工，得到了截面形状与预期的散热器1a的截面形状相同的长的挤压型材46。然后，通过将挤压型材46切断为预定长度，得到了散热器1a。

得到的散热器1a的冷却性能比铝制散热器优异。

<实施例2>

如下地制造了图4所示的第2实施方式的散热器1b。

准备由铝和作为碳粒子5的短碳纤维的复合材料构成的板状锻造坯料35。复合材料是通过将铝粉末和短碳纤维混合并烧结而制造的。

接着，通过对锻造坯料35进行热模锻造加工，得到了散热器1b。

得到的散热器1b的冷却性能比铝制散热器优异。

本申请享有2016年6月7日申请的日本国专利申请的特愿2016-113206号的优先权，其公开内容原样地构成本申请的一部分。

必须认识到，在此所使用的术语和表现是为了说明而使用的，并不是为了限定性地解释而使用的，并不排除在此表示并且叙述的特征事项的任何均等物，也允许在本发明的请求保护的范围内的各种变形。

本发明能够利用多个不同方式具体化，但本公开应该视为提供本发明的原理的实施例的公开，这些实施例并不意图将本发明限定于在此记载并且/或者图示的优选实施方式，基于该理解，在此记载了多个图示实施方式。

在此记载了一些本发明的图示实施方式，但本发明并不限定于记载于此的各种优选实施方式，也包含基于本公开由所谓本领域技术人员可认识的、具有均等的要素、修正、删除、组合(例如，跨越各种实施方式的特征的组合)、改良和/或变更的一切实施方式。权利要求的限定事项应该基于该权利要求中使用的术语宽泛地解释，并不应该限定在本说明书或本申请的审查中记载的实施例，这样的实施例应解释为非排他性的。例如，在本公开中，“preferably(优选)”这样的术语是非排他性的，是指“优选但不限定于此”。

产业上的可利用性

本发明能够在用于将发热性元件等发热体冷却的散热器和冷却器、以及散热器的制造方法中利用。

附图标记说明

1a～1d：散热器

2：底板部

3：鳍部

3a：直鳍部

3b：销鳍部

5：碳粒子

10：冷却器

20：绝缘基板

30：热锻用模具

35：锻造坯料

45：钢坯

46：挤压型材

p：鳍部的突出方向