JP2000031363A

JP2000031363A - ヒートシンクおよび該ヒートシンクが配設された基板

Info

Publication number: JP2000031363A
Application number: JP10194747A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2000-01-28

Abstract

(57)【要約】【課題】コンパクトでかつ製造が容易であるとともに、
所望の放熱効果が得られるヒートシンクおよび該ヒート
シンクが配設された基板を提供する。【解決手段】ヒートシンクは、２枚の平板１０、１２
と、平板１０、１２間に配設される分離板１４と、２枚
の平板１０、１２の端部を一体的に閉塞する２個の筺体
状の閉塞部材１６、１８とから構成される。平板１０、
１２の内面には複数条の長溝が設けられ、平板１０、１
２と分離板１４とが接合されて、複数条の長溝が通路と
なるそれぞれ複数の第１および第２の室Ｒ₁、Ｒ₂を形
成し、分離板１４に設けられた貫通孔２２を介して相互
に連通される。ヒートシンクには熱交換媒体が封入され
ており、平板１０の第１室Ｒ₁の液体は平板１０上面に
配設される半導体チップ等の搭載された基板から発生す
る熱により気化し、気体は平板１２の第２室Ｒ₂に流入
する。平板１２の下面からの放熱により液化した液体は
気体と逆ルートに流通して平板１０の第１室Ｒ₁に流入
する。以後、このサイクルが繰り返されて、半導体チッ
プ等から発生する熱が放出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートシンクおよ
び該ヒートシンクが配設された基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＰＤＵ、ＰＣＵ、ＭＰＵ等は、演
算速度の高速化、制御電力の大容量化、回路の高密度化
が日進月歩の状態で進展している。これに伴って、回路
で発生する熱を如何に効率的に除去するかという問題が
一層重要視されつつある。

【０００３】回路の発熱により温度が上昇すると、回路
の基本性能が劣化するのみならず、熱による回路の破壊
をも生じる。このため、発熱の少ない回路設計を行うこ
とが望まれるが、現実には、回路の高密度化等の極限を
追求する方向にあり、そのなかで発熱の少ない回路構成
を考慮し、不可避的に発生する熱を如何に効率的に放熱
させるかがこの分野における一般的な技術的課題であ
る。

【０００４】この放熱手段として、従来から、回路の発
熱部に熱交換機構としてのヒートシンク、ヒートパイ
プ、放熱フィンあるいは放熱用ファンを設けることが行
われている。この場合、例えば、回路の大きさを１とす
ると、ヒートシンク等はその８倍から１５倍の大きさに
なることもあり、回路自体をコンパクト化しても放熱の
ために大容積の空間領域を占有することになり、機器全
体の小型化が達成されないという問題がある。

【０００５】制御機能を営むＰＤＵやＰＣＵの設置場所
を小さくし、ノート型やデスクトップ型のコンピュータ
のコンパクト化を実現するためには、ヒートシンク等の
コンパクト化が切望されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特に発熱の
大きい中央演算処理装置（ＣＰＵ）等の半導体チップ
は、熱伝導性の高いセラミック基板に密着搭載されてお
り、これにヒートシンクやヒートパイプ、さらには放熱
フィン等が配設されて冷却するように構成されている。
このヒートシンク等を接合するために半田が用いられ、
前記半田を付けやすくするために、さらにニッケルメッ
キ等が施される。しかしながら、これらの金属材料は一
定の温度下で熱的に飽和して、接合状態が劣化する難点
がある。

【０００７】一方、液体からなる熱交換媒体を利用し、
これを核沸騰させた後、冷却する沸騰冷却方式も検討さ
れている。ヒートシンクのさらなるコンパクト化の要請
に応えるためである。この沸騰冷却方式では、内部空間
に液体を封じ込めたヒートシンクは、液化した状態の熱
交換媒体が半導体チップの熱により気化し、気体となっ
た熱交換媒体が外気により冷却されて、再び液化すると
いうサイクルを営むことによって放熱を行うものであ
る。この場合、液体の気化時の沸騰伝熱と液化時の凝縮
伝熱はともに熱伝達率が非常に高いために伝熱面積を小
さくすることができ、また、当該液体は顕熱のみでなく
熱交換媒体としての相変化による潜熱を運搬するもので
あることから液体量を少なくすることができ、これによ
り、ヒートシンクの容量自体を小さくすることができ
る。

【０００８】ヒートシンクに代えてヒートパイプを用い
る場合には、管の内面にウイックと呼ばれる細い溝を形
成し、毛細管現象を利用して低温側で凝結した熱交換媒
体を高温側に前記ウイックを介して送り、高温側で該熱
交換媒体を沸騰させ、再び低温側へ送給して凝結させ、
これを以後繰り返して行うものである。

【０００９】しかしながら、前者のヒートシンクは、そ
の形状が些程に小さくならず、また、コストが高いとい
う問題がある。さらに、後者のヒートパイプは、重力の
影響や沸騰した熱交換媒体の圧力によって、毛細管現象
により高温側に移動しようとする該熱交換媒体の動きが
阻止され、結局、所望の熱交換が達成されないという不
都合がある。さらに、小型化の要請に応じてウイックを
細くしようとすると、熱交換媒体の表面張力下に該ウイ
ック自体が詰まってしまう不具合を露呈する。

【００１０】本発明はこのような課題を考慮してなされ
たものであり、コンパクトでかつ製造が容易であるとと
もに所望の放熱効果が得られるヒートシンクおよび該ヒ
ートシンクが配設された基板を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明に係るヒートシンクは、回路が搭載される
基板に密接されて該基板において発生する熱を吸収する
第１の部材と、前記吸収された熱を放出する第２の部材
と、前記第１と第２の部材間に配設された分離板とを有
し、前記第１と第２の部材のそれぞれに熱交換媒体を還
流させる第１と第２の通路を設け、さらに、前記第１と
第２の通路を連通すべく前記分離板に貫通孔を設けるこ
とを特徴とする。

【００１２】この構成により、前記通路を熱交換媒体が
効率的に流通し、熱交換媒体と第１の部材との間の核沸
騰伝熱および熱交換媒体と第２の部材との間の液膜（凝
縮）伝熱が行われ、回路が搭載される基板で発生する熱
が効率的且つ平均的に大気側に放出されることから、ヒ
ートシンク、さらには該ヒートシンクが配設された基板
全体をコンパクト化することができる。このとき、前記
分離板の両端部に前記第１と第２の通路を連通すべく隙
間部を設けることにより、熱交換媒体を一層効率的に流
通させることができる。また、前記ヒートシンクの構成
部材の内側に複数の放熱フィンを設けてもよく、これに
より一層高い熱伝熱率を得ることができる。

【００１３】この場合、前記第１と第２の部材は、それ
ぞれ複数条の長溝が形成された第１と第２の平板であ
り、前記第１および第２の平板の間に前記分離板が配設
されて、前記第１および第２の平板の長溝がそれぞれ前
記第１と第２の通路となる複数の室を形成し、前記分離
板の貫通孔は、前記複数の室に対応して複数設けられ
る。ここで、複数の貫通孔が設けられた前記分離板に代
えて、メッシュ板やメッシュベルト等を用いてもよい。
また、各部材の材料は、アルミニウムまたは銅を用いる
と好適であるが、これに限定されるものではない。

【００１４】このように、熱交換媒体である液体および
気体の流通を前記分離板に設けられた複数の貫通孔を介
して複数の室において均一に分散して行うことにより、
ヒートシンクの全面にわたって熱交換作用が発揮され、
これにより高い放熱効率を得ることが可能となり、ヒー
トシンク、さらには該ヒートシンクが配設された基板全
体をコンパクト化することができる。また、前記ヒート
シンクは、分割して個別に製作された各部材を組み立て
て製造されるため、容易かつ安価に得ることができる。

【００１５】また、本発明に係るヒートシンクが配設さ
れた基板は、該基板を傾斜機能層を挟んで金属組成層と
セラミック組成層とが一体的に形成された積層板とし、
該ヒートシンクの第１の部材と前記基板の金属組成層と
を接合するように構成することを特徴とする。

【００１６】ここで、前記基板は、金属組成層を形成す
るための原料であるセラミックを含有する金属側原料粉
末と、セラミック層を形成するための原料である金属を
含有するセラミック組成層側原料粉末とを積層して成形
体を得た後、この成形体に焼結処理を施すことにより、
金属組成層とセラミック組成層とがこれら両層成分の拡
散により形成される傾斜機能層を挟んで一体的に形成さ
れる積層板であり、セラミック組成層側に回路（半導体
チップ等）を搭載して用いる。

【００１７】前記基板は、高い熱伝達率を有することか
ら、本発明に係るヒートシンクを該基板に配設すること
により、基板を一層コンパクト化することができる。

【００１８】また、本発明に係るヒートシンクが配設さ
れた基板において、前記した積層板の少なくともセラミ
ック組成層を基板とし、前記積層板の金属組成層を前記
ヒートシンクの第１の部材としてもよく、これにより、
ヒートシンクが配設された基板を一層コンパクト化する
ことができる。

【００１９】また、本発明に係るヒートシンクが配設さ
れた基板において、積層板の金属組成層と該金属組成層
と接合する部材とを、接着用液体に含まれる反応性の液
体と該液体と反応する反応成分との発熱反応により相互
拡散して一体的に接合すると、一層好適である。ここで
接着用液体にはその液体と相互に反応する成分が配合さ
れており、該接着用液体に接着されたヒートシンクが配
設された基板を放置しておくことにより、液体と成分が
相互に発熱反応を起こし、金属組成層の成分と該金属組
成層と接合する部材の成分とが相互拡散し、ヒートシン
クと基板とが一体的に強固に接合される。

【００２０】この接合方法によれば、通常用いられる半
田付け等が不要となることから、半田等の介在による熱
伝達率の低下を回避することができて、一層好適であ
る。

【００２１】また、本発明に係るヒートシンクが配設さ
れた基板において、前記ヒートシンクの１つの部材を構
成する前記金属組成層の表面に凹凸を設けることによ
り、該金属組成層の表面積が増加し、一層高い熱伝達率
を得ることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明に係るヒートシンクおよび
ヒートシンクが配設された基板の好適な実施の形態を、
図１〜図５を参照しながら以下詳細に説明する。

【００２３】本発明の第１の実施の形態に係るヒートシ
ンクは、図１に示すように、２枚の平板１０、１２と、
前記平板１０、１２間に配設される分離板１４と、前記
２枚の平板１０、１２の端部を一体的に閉塞する２個の
筺体状の閉塞部材１６、１８とから構成される。

【００２４】前記２枚の平板１０、１２および分離板１
４は、好適にはアルミニウムからなり、該平板１０、１
２に対する長溝２０、２１の形成は冷間鍛造等により行
われる。また、前記閉塞部材１６、１８は、アルミニウ
ムまたは銅材からなる。

【００２５】前記平板１０の下面には下方へ開口する長
溝２０がその長手方向に沿って等間隔に複数条形成され
ており、一方、平板１２の上面には上方に開口する長溝
２１がその長手方向に沿って等間隔に複数条形成されて
いる。前記２枚の平板１０、１２は実質的に同一寸法で
あり、その長溝２０と長溝２１の位置も対応関係にあ
る。各平板１０、１２の４つの隅角部には、前記閉塞部
材１６、１８と密着して係合させるための切り欠き部２
３が設けられている。この結果、平板１０、１２の長手
方向に沿う両端部にはそれぞれ舌片２５、２５、２７、
２７が形成されるに至る。一方、前記分離板１４は、長
溝２０、２１の延在方向において前記平板１０、１２よ
りも短く形成されており、前記長溝２０、２１の延在方
向と直交する方向の幅は舌片２５、２５（２７、２７）
の内側面間の距離に等しい。しかも、前記平板１０、１
２のそれぞれの長溝２０、２１に沿って等間隔に且つ格
子状に貫通孔（スルーホール）２２が複数画成されてい
る。

【００２６】ところで、前記のように構成される平板１
０、１２が分離板１４と一体的に係合する閉塞部材１６
は、一側面が開放された筺体状であり、側壁１６ａ〜１
６ｄおよび１６ｅからなり、したがって、その内部に室
２４が形成されるとともに、幅狭な側壁部１６ｂ、１６
ｄの内側面にそれぞれ二条の突起部２６ａ、２６ｂが設
けられる。この突起部２６ａ、２６ｂの内側の離間距離
ｄ₁は前記分離板１４の厚さより若干大きい。なお、突
起部２６ａの上面と側壁１６ａの内面との離間距離ｄ₂
は切り欠き部２３の平面と平板１０の頂面との距離ｄ₃
より若干大である。同様に、突起部２６ｂの下面と側壁
１６ｃの内面との離間距離ｄ₄も前記切り欠き部２３の
平面と平板１２の頂面との距離ｄ₅より若干大である。
したがって、平板１０を閉塞部材１６に嵌合すると、切
り欠き部２３が突起部２６ａを逃げて該平板１０が前記
閉塞部材１６に進入し、同様に平板１２を前記閉塞部材
１６に嵌合すると切り欠き部２３が突起部２６ｂを逃げ
て該平板１０が前記閉塞部材１６に進入する。このよう
にして、閉塞部材１６と平板１０、１２とを一体化す
る。なお、閉塞部材１８も実質的に前記閉塞部材１６と
同様に形成されることから、その詳細な説明は省略す
る。この場合、予め、突起部２６ａ、２６ｂの間に分離
板１４を挿入しておき、前記のように、平板１０、１２
を閉塞部材１６、１８に嵌合すれば、分離板１４の端部
は舌片２５、２５および舌片２７、２７に隠れて外部に
露呈することなく、該平板１０、１２および閉塞部材１
６、１８により封止される。

【００２７】ここで、ヒートシンク内に熱媒体としてパ
ーフルオロカーボン等を密封するためには、パーフルオ
ロカーボン等の液体を満たした槽内において、上記した
方法によってヒートシンクを組み立てる。すなわち、パ
ーフルオロカーボン等の液体を満たした槽に前記した各
部材を浸漬し、該槽内において該各部材を積層してその
端部を閉塞部材１６、１８により閉塞した後、該閉塞部
材１６、１８をかしめることによって、各部材は完全に
密着して液密に一体化される。その後、組み立てられた
ヒートシンクを前記槽から取り出して、ヒートシンクの
製作が完了する。

【００２８】ヒートシンクは、平板１０、１２と分離板
１４とが接合されて該平板１０、１２の長溝２０、２１
がそれぞれ熱交換媒体の通路となる複数の第１室Ｒ₁と
第２室Ｒ₂を形成する。図２に示すように、前記分離板
１４は、前記平板１０、１２の長溝２０、２１の延在方
向において平板１０、１２よりも短く形成されているた
め、前記複数の貫通孔２２とは別に閉塞部材１６の側壁
１６ｅの内側面と分離板１４の端部との間に隙間部（バ
イパス部）２８が画成され、閉塞部材１８側においても
同様である。したがって、前記第１室Ｒ₁と第２室Ｒ₂
とは貫通孔２２および前記隙間部２８を介して連通され
ていることが容易に諒解されよう。封入されたパーフル
オロカーボン等の液体および気体は、前記貫通孔２２お
よび隙間部２８を介して第１室Ｒ₁と第２室Ｒ₂との間
を流通自在である。

【００２９】次に、前記第１の実施の形態に係るヒート
シンクに基板を設けた構造を図２に示し、その作用につ
いて説明する。

【００３０】回路を搭載したセラミック基板２９等を半
田付け等の方法によりヒートシンクの一方の平板１０に
接合する。このとき、ヒートシンクの他方の平板１２
に、サーマルコンパウンド等を介して放熱フィン３１を
設けておく。このような状態で、前記セラミック基板２
９上の半導体チップ等から発生した熱は、該基板２９を
介してヒートシンクの一方の平板１０に伝達される。前
記平板１０内に画成された第１室Ｒ₁には、パーフルオ
ロカーボンの液体が均一に充満しており、半導体チップ
等の熱を受けて蒸発し、気体となる。このときの気化は
核沸騰領域における伝熱により行われるため、熱伝達率
が高い。また、前記複数の第１室Ｒ₁毎に伝熱が行われ
るため、平板１０の全面が伝熱面として有効に利用され
る。第１室Ｒ₁において気体となったパーフルオロカー
ボンは、一定の蒸気圧をもつため、分離板１４の貫通孔
２２および２枚の閉塞部材の隙間部２８を介して前記他
方の平板１２内に画成される複数の対応する第２室Ｒ₂
に流入する。

【００３１】この場合、前記平板１２およびそれに装着
された放熱フィン３１は、それぞれの表面が自然冷却さ
れ、あるいは、好ましくは強制冷却されるため、第２室
Ｒ₂内のパーフルオロカーボンは凝縮して液体となる。
このときの液化は主として液体膜伝熱により行われるた
め、熱伝達率が高い。また、前記複数の第２室Ｒ₂毎に
伝熱が行われるため、平板１２の全面が伝熱面として有
効に利用される。

【００３２】液体となったパーフルオロカーボンは、気
体のパーフルオロカーボンと同一ルートを逆流通して第
１室Ｒ₁のそれぞれに流入する。このとき、各貫通孔２
２毎にパーフルオロカーボンの液体と気体とが相互に逆
方向に流通するが、気体の圧力と液体の自重が均衡して
相互の流通が阻害される領域を避けて貫通孔２２を通過
することができる。さらに、閉塞部材１６、１８に画成
された隙間部２８もパーフルオロカーボンの液体と気体
の流通路となるため、第１室Ｒ₁と第２室Ｒ₂との間で
当該気体と液体の逆流通が円滑に行われる。

【００３３】このサイクルが繰り返されることにより、
前記セラミックス基板２９から発生した熱が平均的且つ
効率的に放熱される。

【００３４】本発明の第１の実施の形態に係る前記ヒー
トシンクは、従来のものよりも放熱効率が良好であるこ
とから、全体として小型化できる。また、ヒートシンク
を構成する各部材を予め個別に製作した後、これらの各
部材を組み立ててヒートシンクを製造することから、ヒ
ートシンクの構造を堅牢なものとすることができ、した
がって、耐久性に優れ、しかも加工も容易となる利点が
ある。また、分離板１４に形成される貫通孔２２につい
ては、分離板１４の耐久性や熱媒体の流通を分離板１４
の全面にわたって均一かつ円滑に行うことを考慮しつ
つ、その数を極力多くするとともに、１つの貫通孔２２
の径を極力小さくするとよい。貫通孔２２の数が増加し
て、それだけ平均化した熱交換ができるからである。な
お、同様な見地から、貫通孔２２の形成された分離板１
４に代えてメッシュベルトやメッシュ板を用いてもよ
い。

【００３５】図３に、本発明の第２の実施の形態に係る
ヒートシンクおよび該ヒートシンクが配設された基板を
示す。

【００３６】この第２の実施の形態では、基本的には前
記第１の実施の形態と同一のヒートシンク３０を用い
る。すなわち、複数条の長溝３２の形成された２枚の平
板３４、３６と、該平板３４、３６間に配設される複数
の貫通孔３５が形成された分離板３８と、２つの閉塞部
材４０、４２とを有するとともに、さらに、前記平板３
４に接合される基板４４を含む。前記基板４４には図示
するように電気回路が形成されている。前記２つの閉塞
部材４０、４２のそれぞれの一面には、該平板３４、３
６、分離板３８および基板４４の全てを密着して積層し
その端部を閉塞するのに十分な開口部が形成されてい
る。

【００３７】ここで、前記基板４４は、傾斜機能層４６
を挟んで金属組成層４８とセラミック組成層５０とが一
体的に形成された積層板であり、該セラミック組成層５
０に回路が形成されているが、その詳細については後述
する。各平板３４、３６および基板４４は実質的に同一
寸法であり、また、分離板３８はこれらの部材の延在方
向において寸法が短い。したがって、各部材は、直接密
着して積層され、それらの両端部が各閉塞部材４０、４
２によって閉塞されることにより、密閉一体化され、か
つ各閉塞部材４０、４２の内側面と分離板３８との間に
隙間部４３が画成される。密閉された内部空間には熱媒
体としてパーフルオロカーボンが封入されている。な
お、この第２の実施の形態に代えて、予め各部材が閉塞
部材により一体化された前記第１の実施の形態に係るヒ
ートシンクの一方の平板（１０または１２）上に前記基
板４４を接合する方法を用いてもよい。

【００３８】ここで、傾斜機能層４６を挟んで金属組成
層４８とセラミック組成層５０とが一体的に形成された
積層板からなる基板４４について説明する。

【００３９】この基板（積層板）４４は、金属組成層４
８を形成するための原料であるセラミックを含有する金
属側原料粉末と、セラミック組成層５０を形成するため
の原料である金属を含有するセラミック側原料粉末とを
積層して成形体を得た後、この成形体に焼結処理を施す
ことにより、金属組成層４８およびセラミック組成層５
０とともにその中間部にこれら両層の成分の拡散により
傾斜機能層４６が一体的に形成される。

【００４０】金属側原料粉末の組成としては、ヒートシ
ンク３０に対して効率的に熱伝達できるように高い熱伝
導率を有する主として銅−モリブデン合金が用いられ、
具体的には、モリブデンが１５〜７５重量％、銅が３〜
２０重量％、アルミニウムが２〜１０重量％、窒化アル
ミニウムが３〜３０重量％、マグネシウムが０．３重量
％以下、コバルトが０．５〜５重量％、ニッケルが０．
５重量％以下、炭化モリブデンが５〜３０重量％、銀が
０．３重量％以下、および炭素が０．１〜５重量％に設
定される。また、セラミック側原料粉末の組成として
は、主として窒化アルミニウムが採用されるが、配合さ
れる金属については、回路が構成されることを考慮し
て、低誘電性を有しかつセラミックの緻密化を阻害しな
いものが選択される。具体的には、窒化アルミニウムが
７０〜９０重量％、アルミニウムが５〜２５重量％、ジ
ルコニウムが３重量％以下、クロムが２重量％以下、炭
化タングステンが３重量％以下、モリブデンが２重量％
以下、および炭素が１重量％以下の組成に設定される。
金属側原料粉末、セラミック側原料粉末のそれぞれに、
好適には水素化物が０．１〜５重量％（前記各組成の外
数）添加される。

【００４１】上記の金属側原料粉末およびセラミック側
原料粉末は、有機溶剤等を用いて湿式混合された後、粉
末冶金的な定法、例えば、加圧成形法、射出成形法また
はスラリを用いたシート成形法等により成形される。例
えば、加圧成形法の場合は、好適には金型内静水圧加圧
成形法を用い、金属側またはセラミック側の粉末を所定
量だけ金型に入れて予備成形した後、セラミック側また
は金属側の粉末を金型内に導入し、所定圧力を付与して
成形を行う。

【００４２】所定の形状に成形された成形体は、炉内に
導入されて、窒素雰囲気下で焼結処理が施されることに
より、緻密化される。このようにして形成された基板
（積層板）４４では、セラミック組成層５０には実質的
に金属が残存しておらず、金属組成層４８には多くとも
５重量％以下のセラミックのみ含有される。セラミック
組成層５０と金属組成層４８との間には両層の各成分が
拡散されて、傾斜的な組成を有する傾斜機能層４６が形
成される。

【００４３】ヒートシンク３０が設けられた基板４４
は、該ヒートシンク３０の一方の平板３４に前記基板
（積層板）４４の金属組成層４８が接合されることによ
り形成される。その際の接合方法は、半田付け等により
行う。

【００４４】このようにして形成された本発明の第２の
実施の形態に係るヒートシンク３０が設けられた基板４
４の放熱作用は前記した第１の実施の形態に係るヒート
シンクと基本的には同じであるが、基板４４が熱伝導率
の高い積層板により形成されていることから、良好な放
熱作用が営まれ、前記ヒートシンク３０をよりコンパク
ト化することができる。

【００４５】この場合、前記基板４４とヒートシンク３
０との接合方法として前記の如き半田付け等によらず、
接着用液体に含まれる反応性の液体と該液体と反応する
反応成分との発熱反応により相互拡散して一体的に接合
する方法を用いて行うことができる（以下、これを本発
明の第３の実施の形態という）。ここで接着用液体には
その液体と相互に反応する成分が配合されており、該接
着用液体に接着された前記ヒートシンク３０と前記基板
４４とを放置しておくことにより、液体と成分が相互に
発熱反応を起こし、前記第１室Ｒ₁を画成する部材と前
記基板４４の金属組成層４８とは接着用液体との化学反
応により相互拡散して一体的に強固に接合されるものを
選択するとよい。

【００４６】具体的には、反応成分として窒化アルミニ
ウム、アルミニウムおよびニッケルの各微粉末を重量比
で９６．５：３：０．５の割合で配合し、一方、反応性
の液体としてアルギン酸アンモニウムおよびカルバミン
酸エステルの溶液を８重量％、実質的には０．４重量％
を各微粉末の外数として添加して混合し、さらに添加剤
として、通常、セラミックや金属粉末の分散剤やバイン
ダ等として用いられるものを前記粉末等の成形時に比べ
て１／１０程度の量として配合して、接着用液体を調製
する。ついで、接着用液体の水分量を１２重量％に調整
した後、前記基板（積層板）４４の金属側に薄く塗布す
る。その上に前記ヒートシンク３０を戴置し、所定の荷
重をかけて押圧した状態で１００℃以下の温度で放置す
る。３０分経過した後に発熱が始まり、１時間経過後に
荷重を取り除くと、良好な接合状態が得られる。

【００４７】上記した接合方法の作用を説明する。

【００４８】接着用液体の溶液は、配合された各微粉末
と反応性を有するものであるが、上記した条件で接着用
液体を調製することにより、液体量（水分量）が減じら
れているために、表面張力によって球状化した溶液の表
面に添加剤による保護膜が形成され、カプセル化され
る。カプセルは、加圧により容易に破壊され、その内部
に封入された反応性の液体成分が反応成分と接触して反
応が開始し、急激な発熱反応が継続されることにより接
合可能なエネルギが得られる。その際、接着用液体の成
分の一部が被接合物内に拡散するとともに、被接合物同
士も相互拡散して接合される。このような反応性の液体
成分としては、前記した有機酸類の他、水、アルコール
類、アミン類およびエステル類から適宜選択して用いる
ことができる。また、反応成分としては、前記したもの
を含めセラミック、金属および有機金属から適宜選択し
て用いることができる。この種の反応成分は、前記した
粉末状の他に、液体状あるいは板状の形態で用いること
ができる。

【００４９】このようにして形成された本発明の第３の
実施の形態に係るヒートシンクが設けられた基板の放熱
機構（作用）は、前記した第１の実施の形態と基本的に
は同じであるが、半田等の熱伝導率のやや低い介在物の
ない状態で基板４４とヒートシンク３０とが直接接合さ
れていることから、良好な放熱作用が営まれるため、該
ヒートシンク３０をよりコンパクト化することができ
る。

【００５０】次に、本発明の第４の実施の形態に係るヒ
ートシンクの設けられた基板を図４に示す。この第４の
実施の形態に係るヒートシンクの構成は、前記した第２
の実施の形態と基本的にはほぼ同一であるが、１枚の平
板３４が省略され、それに代えて積層板の一層がヒート
シンクの第１室を画成する部材とされている。したがっ
て、この第４の実施の形態では、前記積層板は、金属組
成層５２がヒートシンク５３の第１室を画成するために
複数条の長溝５１が形成された部材となるとともに、セ
ラミック組成層５６が図示しない半導体チップ５７の搭
載される基板となり、傾斜機能層５８を挟んで該金属組
成層５２とセラミック組成層５６とが一体的に形成され
る。前記金属組成層５２の表面には、多数の凹凸５５が
形成されている。前記金属組成層５２とヒートシンク５
３の第２室を画成する複数条の長溝５１が形成された部
材である平板６２との間に複数の貫通孔６３の画成され
た分離板６４が配設され、これら各部材を２個の筺体状
の閉塞部材６６、６８により一体的に閉塞する。前記し
た第２の実施の形態と同様に、実質的に同一寸法を有す
る前記金属組成層５２および平板６２の延在方向におい
て寸法の短い分離板６４と各閉塞部材４０、４２の内側
面との間には、隙間部６９が画成されている。ここで、
前記平板６２の下面には、長溝５１方向において該平板
６２より短い寸法であって閉塞部材６６、６８間にわた
って延在する複数の突起からなる放熱フィン７０が設け
られる。なお、密閉された内部空間には熱媒体としてパ
ーフルオロカーボンが封入されている。

【００５１】このようにして形成された第４の実施の形
態に係るヒートシンク５３が配設された基板（セラミッ
ク組成層５６）の放熱機構（作用）は前記第１の実施の
形態に係るヒートシンクと基本的には同じであるが、積
層板の金属組成層５２がヒートシンクの第１室Ｒ₁を画
成する部材とされるとともに該金属組成層５２の表面に
凹凸５５が形成されており、また平板６２に放熱フィン
７０が設けられていることから、放熱効率が高い。した
がって、ヒートシンク５３が配設された基板（セラミッ
ク組成層５６）全体として一層コンパクト化される。

【００５２】次に、比較例として、アルミニウムを材料
とする２枚の平板を準備し、各平板のそれぞれの一面に
平面寸法にほぼ等しい大きさの開口部を形成し、該平板
の開口部の形成された面同士を接合して沸騰伝熱型のヒ
ートシンクを形成した。このヒートシンクに画成される
内部空間には、前記した第１〜第４の実施の形態と同様
に、パーフルオロカーボンが熱媒体として封じ込められ
ている。このヒートシンクの片面と基板とを半田付けに
より接合して、ヒートシンクが配設された基板を形成し
た。

【００５３】上記比較例のヒートシンクにおいても、前
記した各実施の形態と同様に、内部空間に密閉されたパ
ーフルオロカーボンは基板の発熱側と大気の放熱側との
間で気化と液化が繰り返されて放熱が行われる。しかし
ながら、内部空間には、パーフルオロカーボンの液体お
よび気体を均一に分散して流通するための区画された流
路が形成されていないために、冷却液体の偏流を生じ易
く、したがって、基板とヒートシンクの全面積が伝熱上
有効に働かず、放熱効率が低く、コンパクト化が図れな
いことが判明した。

【００５４】上記した本実施の形態および比較例のヒー
トシンクが配設された基板について、入熱量（単位Ｗ）
と過渡熱抵抗（単位Ｋ／Ｗ）との関係を図５に示した。

【００５５】比較例に対して、第１の実施の形態では約
１０％程度過渡熱抵抗が低下し、同様に、第２の実施の
形態では約４０％程度、第３の実施の形態では約５０％
程度、第４の実施の形態では約７０％程度、それぞれ過
渡熱抵抗が低下した。この結果から、本発明の各実施の
形態に係るヒートシンクおよび該ヒートシンクが配設さ
れた基板は、半導体チップ等から発生する熱の放出効率
が大幅に改善されていることがわかった。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るヒー
トシンクは、基板に密接されて該基板で発生する熱を吸
収する第１の部材と前記吸収された熱を放出する第２の
部材と前記第１と第２の部材間に配設された分離板とを
有し、前記第１と第２の部材のそれぞれに熱交換媒体を
還流させる第１と第２の通路を設け、さらに、前記第１
と第２の通路を連通すべく前記分離板に貫通孔を設けて
いる。また、好適には、前記分離板の両端部に前記第１
と第２の通路を連通すべく隙間部を設けている。

【００５７】したがって、前記通路を熱交換媒体が効率
的に流通し、回路が搭載される基板で発生する熱が効率
的且つ平均的に外気に放出されることから、ヒートシン
ク、さらには該ヒートシンクが配設された基板全体をコ
ンパクト化することができる。

【００５８】また、本発明に係るヒートシンクの第１と
第２の部材は、それぞれ複数条の長溝が形成された第１
と第２の平板であり、前記第１および第２の平板の間に
前記分離板が配設されて、前記第１および第２の平板の
長溝がそれぞれ前記第１と第２の通路となる複数の室を
形成し、前記分離板の貫通孔は、前記複数の室に対応し
て複数設けられる。

【００５９】これにより、熱交換媒体である液体および
気体の流通を前記分離板に設けられた複数の貫通孔を介
して複数の室において均一に分散して行うことができ、
ヒートシンクの全面にわたって熱交換作用が発揮され、
高い放熱効率を得ることができることから、ヒートシン
ク、さらには該ヒートシンクが配設された基板全体をコ
ンパクト化することができる。また、ヒートシンクは、
各部材に分割して個別に製作されこれを組み立てて製造
されるため、容易かつ安価に得ることができる。

【００６０】また、本発明に係るヒートシンクが配設さ
れた基板は、該基板を傾斜機能層を挟んで金属組成層と
セラミック組成層とが一体的に形成された積層板とし、
該ヒートシンクの構成部材と前記基板の金属組成層とを
接合することにより、前記基板が高い熱伝達率を有する
ことから、該ヒートシンクが配設された基板を一層コン
パクト化することができる。

【００６１】また、本発明に係るヒートシンクが配設さ
れた基板において、前記した積層板の少なくともセラミ
ック組成層を基板とし、前記積層板の金属組成層を前記
ヒートシンクの構成部材とすることより、ヒートシンク
が配設された基板を一層コンパクト化することができ
る。

【００６２】また、本発明に係るヒートシンクが配設さ
れた基板において、積層板の金属組成層と該金属組成層
と接合する部材とを接着用液体に含まれる反応性の液体
と該液体と反応する反応成分との発熱反応により相互拡
散して一体的に接合することにより、通常用いられる半
田付け等が不要となることから、半田等の介在による熱
伝達率の低下を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンク
の分解斜視図である。

【図２】図１のヒートシンクの機能を説明するためのも
のであり、ヒートシンクを平板の長溝部分で破断した部
分概略断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係るヒートシンク
が配設された基板の一部破断組立斜視図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態に係るヒートシンク
が配設された基板の一部破断組立斜視図である。

【図５】ヒートシンクが配設された基板の入熱量と過渡
熱抵抗との関係を示す図である。

【符号の説明】

１０、１２、３４、３６、６２…平板１４、３８、６４…分離板１６、１８、４０、４２、６６、６８…閉塞部材２０、２１、３２、５１…長溝２２、３５、６３
…貫通孔２８、４３、６９…隙間部３０、５３…ヒー
トシンク５７…半導体チップ（回路）４４…基板４６、５８…傾斜機能層４８、５２…金属
組成層５０、５６…セラミック組成層５５…凹凸Ｒ₁、Ｒ₂…室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回路が搭載された基板に密接されて該基板
において発生する熱を吸収する第１の部材と、前記吸収
された熱を放出する第２の部材と、前記第１と第２の部
材間に配設された分離板とを有し、前記第１と第２の部材のそれぞれに熱交換媒体を還流さ
せる第１と第２の通路を設け、さらに、前記第１と第２の通路を連通すべく前記分離板
に貫通孔を設けることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記分離板の両端部には前記第１と第２の通路を連通す
べく隙間部が設けられることを特徴とするヒートシン
ク。
【請求項３】請求項１または２記載のヒートシンクにお
いて、前記第１と第２の部材は、それぞれ複数条の長溝が形成
された第１と第２の平板であり、前記第１と第２の平板の間に前記分離板が配設されて、
前記第１と第２の平板の長溝がそれぞれ前記第１と第２
の通路となる複数の室を形成し、前記分離板の貫通孔は、前記複数の室に対応して複数設
けられることを特徴とするヒートシンク。
【請求項４】ヒートシンクが配設された基板であって、前記ヒートシンクは、回路が搭載される前記基板に密接されて該基板において
発生する熱を吸収する第１の部材と、前記吸収された熱
を放出する第２の部材と、前記第１と第２の部材間に配
設された分離板とを有し、前記第１と第２の部材のそれぞれに熱交換媒体を還流さ
せる第１と第２の通路を設け、さらに、前記第１と第２の通路を連通すべく前記分離板
に貫通孔を設け、前記ヒートシンクの第１の部材と前記基板とが接合され
ることを特徴とするヒートシンクが配設された基板。
【請求項５】請求項４記載のヒートシンクが配設された
基板において、前記分離板の両端部には前記第１と第２の通路を連通す
べく隙間部が設けられることを特徴とするヒートシンク
が配設された基板。
【請求項６】請求項４または５記載のヒートシンクが配
設された基板において、前記基板は、傾斜機能層を挟んで金属組成層とセラミッ
ク組成層とが一体的に形成された積層板であり、前記セ
ラミック組成層に回路が形成され、前記ヒートシンクの
第１の部材と前記基板の金属組成層とが接合されること
を特徴とするヒートシンクが配設された基板。
【請求項７】請求項４〜６のいずれか１項に記載のヒー
トシンクが配設された基板において、前記ヒートシンクは、前記第１と第２の部材が、それぞれ複数条の長溝が形成
された第１と第２の平板であり、前記第１と第２の平板の間に前記分離板が配設されて、
前記第１と第２の平板の長溝がそれぞれ前記第１と第２
の通路となる複数の室を形成し、前記分離板の貫通孔が、前記複数の室に対応して複数設
けられることを特徴とするヒートシンクが配設された基
板。
【請求項８】請求項４〜７のいずれか１項に記載のヒー
トシンクが配設された基板において、前記第１の部材と
前記金属組成層とは接着用液体に含まれる反応性の液体
と該液体と反応する反応成分との発熱反応により相互拡
散して一体的に接合されることを特徴とするヒートシン
クが配設された基板。
【請求項９】ヒートシンクが配設された基板であって、前記ヒートシンクは、回路が搭載される前記基板に密接されて該基板において
発生する熱を吸収する第１の部材と、前記吸収された熱
を放出する第２の部材と、前記第１と第２の部材間に配
設された分離板とを有し、前記第１と第２の部材のそれぞれに熱交換媒体を還流さ
せる第１と第２の通路を設け、さらに、前記第１と第２の通路を連通すべく前記分離板
に貫通孔を設け、前記基板は、傾斜機能層を挟んで金属組成層とセラミッ
ク組成層とが一体的に形成された積層板であり、前記ヒートシンクの第１の部材は、前記積層板の金属組
成層であり、前記金属組成層と前記分離板とが接合されることを特徴
とするヒートシンクが配設された基板。
【請求項１０】請求項９記載のヒートシンクが配設され
た基板において、前記分離板の両端部には前記第１と第２の通路を連通す
べく隙間部が設けられることを特徴とするヒートシンク
が配設された基板。
【請求項１１】請求項９または１０記載のヒートシンク
が配設された基板において、前記第２の部材は１つの平板であり、前記第１の部材である金属組成層と前記第２の部材であ
る前記平板には、それぞれ複数条の長溝が形成され、前記金属組成層と前記平板の間に前記分離板が配設され
て、該金属組成層と平板の長溝がそれぞれ前記第１と第
２の通路となる複数の室を形成し、前記分離板の貫通孔は、前記複数の室に対応して複数設
けられることを特徴とするヒートシンクが配設された基
板。
【請求項１２】請求項９〜１１のいずれか１項に記載の
ヒートシンクが配設された基板において、前記金属組成
層と前記分離板とは接着用液体に含まれる反応性の液体
と該液体と反応する反応成分との発熱反応により相互拡
散して一体的に接合されることを特徴とするヒートシン
クが配設された基板。
【請求項１３】請求項９〜１２のいずれか１項に記載の
ヒートシンクが配設された基板において、前記金属組成層の表面に凹凸が設けられることを特徴と
するヒートシンクが配設された基板。
【請求項１４】請求項９〜１３のいずれか１項に記載の
ヒートシンクが配設された基板において、第２の部材に放熱フィンが設けられていることを特徴と
するヒートシンクが配設された基板。