JP2005077052A - Flat heat pipe - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flat heat pipe capable of efficiently cooling a heating element such as semiconductor chip or integrated circuit board with a reduced thickness. <P>SOLUTION: This flat heat pipe comprises a casing formed of an upper plate and a bottom plate constituted by thin plates of a composite body of graphite and metal, at least one of the upper plate and the bottom plate being grooved, and a working fluid sealed in the grooves within the casing. The upper plate and the bottom plate of the casing are desirably composed of a composite body of graphite and metal having a heat conductivity of 100W/mK or more and a thermal expansion coefficient of 0.1 ppm/K or more and 15 ppm/K or less. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体素子や集積回路基板等の発熱体を冷却するために用いられる平面型ヒートパイプに関する。   The present invention relates to a planar heat pipe used for cooling a heating element such as a semiconductor element or an integrated circuit substrate.

近年のエレクトロニクス機器には、マイクロプロセッサ等の高出力、高集積の部品が内蔵されている。マイクロプロセッサは集積度が高くなり、高速での処理を行うために多量の熱を放出する。そこで、高出力、高集積のチップ等を冷却するために、各種の冷却システムが提案されてきた。その1つに、ヒートパイプがある。ヒートパイプには丸パイプ形状のヒートパイプ、平面形状のヒートパイプがある。電子機器の冷却用としては、被冷却部品に取り付ける都合上平面型ヒートパイプが好んで用いられる。ヒートパイプの内部には作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動流体が、蒸発、凝縮等の相変化や移動をすることによって、熱の移動が行われる。   In recent electronic devices, high output and highly integrated parts such as a microprocessor are incorporated. Microprocessors are highly integrated and emit large amounts of heat for high-speed processing. Therefore, various cooling systems have been proposed to cool high-power, highly integrated chips and the like. One of them is a heat pipe. The heat pipe includes a round pipe-shaped heat pipe and a planar heat pipe. For cooling electronic devices, flat heat pipes are preferably used for convenience of mounting on the parts to be cooled. A space serving as a flow path for the working fluid is provided inside the heat pipe, and the working fluid accommodated in the space undergoes a phase change or movement such as evaporation or condensation, thereby transferring heat.

密封された空洞部を備え、その空洞部に収容された作動流体の相変態と移動により熱の移動が行われるヒートパイプの詳細は次の通りである。ヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプを構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた半導体素子や集積回路基板などの被冷却部品が発する熱により、作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。放熱側においては、作動流体の蒸気は冷却され再び液相状態に戻る。このように液相状態に戻った作動流体は再び吸熱側に移動(還流)する。このような作動流体の相変態や移動によって熱の移動が行われる。重力式のヒートパイプにおいては、相変態によって液相状態になった作動流体は、重力または毛細管作用等によって、吸熱側に移動(還流)する。   The details of the heat pipe including a sealed cavity and in which heat is transferred by the phase transformation and movement of the working fluid contained in the cavity are as follows. On the heat absorption side of the heat pipe, the working fluid evaporates due to the heat generated by the parts to be cooled, such as semiconductor elements and integrated circuit boards, which are conducted through the material of the container constituting the heat pipe, and the vapor is heated. Move to the heat dissipation side of the pipe. On the heat radiating side, the working fluid vapor is cooled and returned to the liquid phase again. The working fluid that has returned to the liquid phase in this way moves (refluxs) again to the heat absorption side. Heat is transferred by such phase transformation and movement of the working fluid. In a gravity heat pipe, the working fluid that has become a liquid phase by phase transformation moves (refluxs) to the heat absorption side by gravity or capillary action.

従来の平面型ヒートパイプの材質は、一般的にアルミニウム、銅等からなる押出材である。また、作動流体としては、水、代替フロン、アセトン、メタノール等があり、使用温度によって選択される。なお、ヒートパイプは通常気密性が保たれている。   Conventional flat heat pipes are generally extruded materials made of aluminum, copper or the like. Further, the working fluid includes water, alternative chlorofluorocarbon, acetone, methanol, and the like, and is selected according to the use temperature. In addition, the heat pipe is usually kept airtight.

押し出し材を利用した従来の平面型ヒートパイプにおいては、押し出し材の各穴にウイックとしてのワイヤーを挿入し、管壁とワイヤーとが接触する部分に毛細管力をもたせることによって、ヒートパイプの水平作動および逆動作を可能にしている。   In the conventional flat type heat pipe using extruded material, a wire as a wick is inserted into each hole of the extruded material, and a capillary force is applied to the part where the tube wall and the wire come into contact, so that the heat pipe operates horizontally. And allows reverse operation.

ヒートパイプによる半導体の冷却技術で最も大きな課題は冷却性能の向上である。この解決手段としては、ヒートパイプの平板化などの形状の工夫によって、半導体との接触を改善し、ヒートパイプの性能を活かす工夫が行われている。
特許文献1には、2枚のアルミ板を、その間に熱移動用回路を形成するようにろう付けし作動液を封入した平面型ヒートパイプが提案されている。
特許文献2には、アルミニウム等の金属からなる平板型ヒートパイプが提案されている。
特許文献3には、アルミニウム系・マグネシウム系合金の押出成形による細径トンネルプレートヒートパイプが提案されている。
しかし、何れの場合もヒートパイプを構成する材料は熱膨張係数が大きいアルミニウムやマグネシウムや銅などの金属材料であり、被冷却部品となる半導体素子やセラミック回路基板との直接接合は困難である。
The biggest issue in semiconductor cooling technology using heat pipes is improving the cooling performance. As a means for solving this problem, a device for improving the contact with the semiconductor by taking advantage of the shape of the heat pipe, such as flattening, is used.
Patent Document 1 proposes a planar heat pipe in which two aluminum plates are brazed so as to form a heat transfer circuit between them and sealed with a working fluid.
Patent Document 2 proposes a flat plate heat pipe made of a metal such as aluminum.
Patent Document 3 proposes a small-diameter tunnel plate heat pipe by extrusion molding of an aluminum-based / magnesium-based alloy.
However, in any case, the material constituting the heat pipe is a metal material such as aluminum, magnesium, or copper having a large coefficient of thermal expansion, and it is difficult to directly join the semiconductor element or the ceramic circuit board as the component to be cooled.

特許第3164518号公報Japanese Patent No. 3164518 特開2000−146470号公報JP 2000-146470 A 特開2001−241870号公報JP 2001-241870 A

よって、銅、アルミニウム、マグネシウムやその合金等からなる押し出し材を利用した従来の平面型ヒートパイプには下記の問題点がある。即ち、上述した従来の平面型ヒートパイプは、銅、アルミニウム、マグネシウムやその合金等から成るので熱膨張係数が大きく、半導体素子や集積回路基板などの被冷却部品の熱膨張係数との差が大きいため、ヒートパイプと被冷却部品はグリースやグラファイトシートを介して熱伝達を行っている。しかし、グリース及びグラファイトシートの厚さ方向の熱伝導率は10W/mK以下と非常に低く、特に、グラファイトシートの場合、空気層の介入を回避することができない。よって、被冷却部品からヒートパイプへの良好な熱伝達ができないという致命的な問題があった。   Therefore, the conventional flat type heat pipe using the extruded material made of copper, aluminum, magnesium or an alloy thereof has the following problems. That is, the above-described conventional planar heat pipe is made of copper, aluminum, magnesium, or an alloy thereof, and thus has a large coefficient of thermal expansion and a large difference from the coefficient of thermal expansion of a component to be cooled such as a semiconductor element or an integrated circuit board. For this reason, the heat pipe and the component to be cooled perform heat transfer via grease or a graphite sheet. However, the thermal conductivity in the thickness direction of the grease and the graphite sheet is as low as 10 W / mK or less, and in particular, in the case of the graphite sheet, the intervention of the air layer cannot be avoided. Therefore, there has been a fatal problem that good heat transfer from the part to be cooled to the heat pipe is not possible.

更に、銅、アルミニウム等は機械加工性に劣り、従来の平面型ヒートパイプは、主に押出材からなり、複雑な機械加工を施すのに時間がかかった。   Furthermore, copper, aluminum, etc. are inferior in machinability, and the conventional flat heat pipe is mainly made of an extruded material, and it takes time to perform complicated machining.

従って、この発明の目的は、半導体チップや集積回路基板等の発熱体を効率よく冷却することができ、各種機械加工を施すことができる、そして、その作動に信頼性のある平面型ヒートパイプを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to efficiently cool a heating element such as a semiconductor chip or an integrated circuit substrate, to perform various machining processes, and to provide a planar heat pipe that is reliable in its operation. It is to provide.

本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、黒鉛と金属の複合体からなる筐体とすることによって、ノートブックパソコン、各種電子機器に内蔵される半導体チップや集積回路基板等の発熱体の冷却を効率良く行なうことができ、厚さが薄く薄い厚さの、各種機械加工にて容易に作製されるを施すことができる平面型ヒートパイプを提供することができることを知見した。   The present inventor has intensively studied to solve the conventional problems described above. As a result, by using a casing made of a composite of graphite and metal, it is possible to efficiently cool heating elements such as notebook PCs, semiconductor chips incorporated in various electronic devices, integrated circuit boards, etc. It has been found that it is possible to provide a flat heat pipe having a small thickness and a thin thickness that can be easily manufactured by various machining processes.

本発明は、黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板からなる筐体と、前記上板および底板の少なくとも一方を構成する薄板に溝を形成するか、または溝を形成した前記黒鉛と金属の複合体からなる別の薄板を挟持することによって、前記筐体内に通路溝を形成し、前記通路の溝に作動流体を封入してなることを特徴とする平面型ヒートパイプである。   In the present invention, a groove is formed on a thin plate constituting at least one of the upper plate and the bottom plate, or a groove is formed on the casing made of a thin plate made of a composite of graphite and metal. A planar heat pipe characterized in that a passage groove is formed in the housing by sandwiching another thin plate made of a composite of graphite and metal, and a working fluid is sealed in the groove of the passage. It is.

本発明の平面型ヒートパイプは、前記筐体の上板および前記底板は、熱伝導率が5W/mK以上、2000W/mK以下、熱膨張係数0.1ppm/K以上、15ppm/K以下からなる熱伝導率及び熱膨張率に異方性を有する黒鉛と金属の複合体からなることを特徴とするものである。さらに、この黒鉛と金属の複合体として、多孔質黒鉛化押出成形体に金属が含浸した高熱伝導・低熱膨張複合材に熱処理を施したものを用いることが望ましく、押出方向の熱伝導率が250 W/mK以上で熱膨張率が10ppm/K以下10ppm/K(この段階で狭める必要はないかと思いまして)4ppm/K未満であり、前記押出方向と直交する方向の熱伝導率が150 W/mK以上で熱膨張率が10ppm/K以下である複合体であることが望ましい。   In the planar heat pipe of the present invention, the top plate and the bottom plate of the housing have a thermal conductivity of 5 W / mK or more and 2000 W / mK or less, a thermal expansion coefficient of 0.1 ppm / K or more and 15 ppm / K or less. It consists of a composite of graphite and metal having anisotropy in thermal conductivity and thermal expansion coefficient. Further, it is desirable to use a composite of graphite and metal obtained by heat-treating a high thermal conductivity / low thermal expansion composite material obtained by impregnating a porous graphitized extrudate with metal, and having a thermal conductivity of 250 in the extrusion direction. The coefficient of thermal expansion is 10 ppm / K or less at W / mK or more and 10 ppm / K or less (thinking that it is necessary to narrow at this stage) is less than 4 ppm / K, and the thermal conductivity in the direction perpendicular to the extrusion direction is 150 W / m A composite having a thermal expansion coefficient of 10 ppm / K or less at mK or higher is desirable.

本発明の平面型ヒートパイプは、前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板の少なくとも1枚に形成された溝がループを形成していることを特徴とするものである。   The flat heat pipe of the present invention is characterized in that a groove formed in at least one of an upper plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and metal forms a loop. is there.

本発明の平面型ヒートパイプは、前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板の少なくとも1枚に形成された溝がくし歯状であることを特徴とするものである。   The planar heat pipe of the present invention is characterized in that a groove formed in at least one of an upper plate and a bottom plate made of a thin plate made of the graphite and metal composite has a comb-tooth shape.

本発明の平面型ヒートパイプは、前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板にくし歯状の溝を形成し、前記くし歯を交互に組み合わせ蛇行状としたことを特徴とするものである。   In the planar heat pipe of the present invention, a comb-like groove is formed on the top plate and the bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and metal, and the comb teeth are alternately combined into a meandering shape. It is a feature.

本発明の平面型ヒートパイプは、前記筐体の厚さが20mm以下であることを特徴とするものである。   The flat heat pipe of the present invention is characterized in that the casing has a thickness of 20 mm or less.

本発明の平面型ヒートパイプは、黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板の少なくとも接合部には金属層が形成され、上板および底板を金属接合してなる筐体であることを特徴とするものである。   The flat type heat pipe of the present invention is a case in which a metal layer is formed on at least a joining portion of an upper plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and a metal, and the upper plate and the bottom plate are metal-bonded. It is characterized by being.

本発明の平面型ヒートパイプは、前記筐体の外部に、所要の形状のヒートシンクを更に備えていることを特徴とするものである。   The planar heat pipe according to the present invention further includes a heat sink having a required shape outside the casing.

本発明の平面型ヒートパイプは、前記筐体と半導体素子及びまたは集積回路基板が金属接合してなることを特徴とするものである。   The planar heat pipe of the present invention is characterized in that the casing and the semiconductor element and / or the integrated circuit board are metal-bonded.

本発明によると、ヒートパイプ全体の厚さが薄く、熱膨張係数が小さく、その作動に信頼性のある平面型ヒートパイプを提供することができ、半導体チップや集積回路基板等の発熱体を冷却するために有効である。   According to the present invention, it is possible to provide a planar heat pipe with a thin heat pipe having a small coefficient of thermal expansion and a reliable operation, and cooling a heating element such as a semiconductor chip or an integrated circuit board. It is effective to do.

本発明の平面型ヒートパイプの態様について詳細に説明する。この発明の平面型ヒートパイプは、黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板からなる筐体と、前記上板および底板の少なくとも一方を構成する薄板に溝を形成するか、または溝を形成した前記黒鉛と金属の複合体からなる別の薄板を挟持することによって、前記筐体内に通路溝を形成し、前記通路の溝に作動流体を封入してなることを特徴とするものである。   The aspect of the planar heat pipe of the present invention will be described in detail. In the flat heat pipe according to the present invention, a groove is formed in a casing composed of a top plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and metal, and a thin plate constituting at least one of the top plate and the bottom plate. Or by sandwiching another thin plate made of a composite of graphite and metal with a groove formed therein, a passage groove is formed in the housing, and a working fluid is sealed in the groove of the passage. To do.

このとき黒鉛と金属の複合体としては、黒鉛質銅複合体、黒鉛質アルミニウム複合体、黒鉛質真鍮複合体、黒鉛質銅合金複合体、黒鉛質アルミニウム合金複合体等がある。その中でも、黒鉛質アルミニウム合金複合体がより好ましい。作動流体としては、従来と同様に、水、代替フロン、アセトン、メタノール、ヘリウム、窒素、アンモニア等を使用することができる。   At this time, the graphite / metal composite includes a graphite copper composite, a graphite aluminum composite, a graphite brass composite, a graphite copper alloy composite, a graphite aluminum alloy composite, and the like. Among these, a graphite aluminum alloy composite is more preferable. As the working fluid, water, alternative chlorofluorocarbon, acetone, methanol, helium, nitrogen, ammonia and the like can be used as in the conventional case.

本発明に用いる黒鉛と金属の複合体は、熱伝導率が5W/mK以上、2000W/mK以下、熱膨張係数が0.1ppm/K以上15ppm/K以下からなっているものであれば良いが、熱伝導率は、より好ましくは150W/mK以上、さらに好ましくは200W/mK以上、熱膨張係数は、より好ましくは1〜10ppm/K、さらに好ましくは3〜7ppm/Kである。この複合体は熱伝導率及び熱膨張率に異方性を有していることが望ましい。すなわち多孔質黒鉛化押出成形体の空孔に高熱伝導率の金属が加圧浸入した構造を有するので、黒鉛より著しく高い熱伝導率を有する。また黒鉛骨格自体は押出成形体からなり、異方性を有するので、押出方向とその直交方向とで熱伝導率に差がある。多孔質黒鉛化押出成形体自体の熱伝導率は押出方向で150 W/mK以上であり、その直交方向で80 W/mK以上である。そのため、含浸する金属の種類に関わらず、複合材の熱伝導率は押出方向で250 W/mK以上であり、その直交方向で150 W/mK以上の熱伝導率を発揮できる。さらに、この複合材は熱処理を施すことにより熱伝導率はさらに向上する。一方、骨格が多孔質黒鉛化押出成形体からなるので、全体的に黒鉛の熱膨張率に近い熱膨張率を有する。また黒鉛骨格は押出成形体からなるので、押出方向とその直交方向とで熱膨張率に差がある。多孔質黒鉛化押出成形体自体の熱膨張率は押出方向で3.0ppm/K以下であり、その直交方向で4.0ppm/K以下である。そのため、含浸する金属の種類に応じて多少異なるが、複合材の熱膨張率は押出方向で10ppm/K以下、特にで4.0ppm/K未満が達成できであり、その直交方向ではともで10ppm/K以下の低熱膨張率となるを発揮できるであるのが好ましい。さらに、この複合材は熱処理を施すことにより熱膨張率がさらに低下する。このようにして熱伝導率及び熱膨張率に異方性を備えることが出来る。   The graphite / metal composite used in the present invention may be any composite having a thermal conductivity of 5 W / mK or more and 2000 W / mK or less and a thermal expansion coefficient of 0.1 ppm / K or more and 15 ppm / K or less. The thermal conductivity is more preferably 150 W / mK or more, still more preferably 200 W / mK or more, and the thermal expansion coefficient is more preferably 1 to 10 ppm / K, still more preferably 3 to 7 ppm / K. This composite desirably has anisotropy in thermal conductivity and thermal expansion coefficient. That is, since it has a structure in which a metal with high thermal conductivity is pressure-infiltrated into the pores of the porous graphitized extruded product, it has a significantly higher thermal conductivity than graphite. Further, the graphite skeleton itself is made of an extruded product and has anisotropy, so that there is a difference in thermal conductivity between the extrusion direction and the orthogonal direction. The thermal conductivity of the porous graphitized extrudate itself is 150 W / mK or more in the extrusion direction and 80 W / mK or more in the orthogonal direction. Therefore, regardless of the type of metal to be impregnated, the thermal conductivity of the composite material is 250 W / mK or more in the extrusion direction, and can exhibit a thermal conductivity of 150 W / mK or more in the orthogonal direction. Furthermore, the thermal conductivity of this composite material is further improved by heat treatment. On the other hand, since the skeleton is made of a porous graphitized extruded product, the overall thermal expansion coefficient is close to that of graphite. Further, since the graphite skeleton is made of an extruded product, there is a difference in the coefficient of thermal expansion between the extrusion direction and the orthogonal direction. The coefficient of thermal expansion of the porous graphitized extruded product itself is 3.0 ppm / K or less in the extrusion direction and 4.0 ppm / K or less in the orthogonal direction. Therefore, although it differs somewhat depending on the type of metal to be impregnated, the thermal expansion coefficient of the composite material can be achieved at 10 ppm / K or less, particularly less than 4.0 ppm / K in the extrusion direction, and in the orthogonal direction, it is 10 ppm / K at all. It is preferable that a low thermal expansion coefficient of K or less can be exhibited. Furthermore, the thermal expansion coefficient of this composite material is further reduced by heat treatment. In this way, anisotropy can be provided in the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient.

以上により黒鉛と金属の複合体は、例えば、押出方向の熱伝導率が200W/mK以上、より好ましくは250 W/mK以上で、熱膨張率が4ppm/K未満であり、前記押出方向と直交する方向の熱伝導率が100W/mK以上、より好ましくは150 W/mK以上で熱膨張率が10ppm/K以下の特性を有する高熱伝導・低熱膨張複合材が用いられる。この複合体は熱処理を施すと、熱履歴による寸法変化率が±0.5%以下、より好ましくは±0.3%以下、さらに好ましくは±0.1%以下となるので好ましい。この熱履歴とは、本発明の平面型ヒートパイプを作製する際に、あるいは平面型ヒートパイプを成した際に、それら複合材あるいは平面型ヒートパイプを複合材に用いている金属の融点以下の温度に加熱され、その後、室温に戻される工程を示す。
本発明の平面型ヒートパイプでは、高熱伝導・低熱膨張性に優れた上板および底板もしくはこれらに挟持された薄板によって、熱応力による影響が抑制され、熱は横方向に広がるとともに厚さ方向に良好に伝導し、効率的に熱放散を行うことができ、熱拡散に優れたヒートパイプを得ることができる。同時に半導体素子や集積回路基板等の被冷却部品に近い熱膨張係数を有しているため被冷却部品とヒートパイプとの良好な接合が可能になり、さらに厚さ方向の熱膨張率が低いので、筐体に組立てる時に厚さ方向の寸法精度が良く、高気密性のヒートパイプを得ることができる。
As described above, the composite of graphite and metal has, for example, a thermal conductivity in the extrusion direction of 200 W / mK or more, more preferably 250 W / mK or more, and a thermal expansion coefficient of less than 4 ppm / K, which is orthogonal to the extrusion direction. A high thermal conductivity / low thermal expansion composite material having a thermal conductivity of 100 W / mK or more, more preferably 150 W / mK or more and a thermal expansion coefficient of 10 ppm / K or less is used. When this composite is subjected to heat treatment, the rate of dimensional change due to thermal history is preferably ± 0.5% or less, more preferably ± 0.3% or less, and even more preferably ± 0.1% or less. This thermal history is below the melting point of the metal or the metal used for the composite material when the flat heat pipe of the present invention is produced or when the flat heat pipe is formed. The process of heating to temperature and then returning to room temperature is shown.
In the flat heat pipe of the present invention, the influence of thermal stress is suppressed by the top plate and the bottom plate excellent in high thermal conductivity and low thermal expansion or the thin plates sandwiched between them, and the heat spreads in the lateral direction and in the thickness direction. A heat pipe that conducts well and can efficiently dissipate heat and is excellent in heat diffusion can be obtained. At the same time, it has a coefficient of thermal expansion close to that of the component to be cooled, such as a semiconductor element or an integrated circuit board, so that the component to be cooled and the heat pipe can be joined well, and the coefficient of thermal expansion in the thickness direction is low When assembled in a housing, the thickness direction accuracy is good and a highly airtight heat pipe can be obtained.

この発明の平面型ヒートパイプは、先ず、上述した前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成したことに特徴がある。さらに下記するようにこれらの上板および底板の少なくとも1枚に形成された溝に特徴がある。この溝がループを形成していると、ループの一部で作動流体が受熱すると作動粒体は液相から気相に変化し、気相の移動を利用して潜熱を輸送する核沸騰により液相が振動し、この振動により顕熱を輸送し発熱体を冷却することができる。   The planar heat pipe of the present invention is characterized in that it is first constituted by a thin plate made of the above-mentioned composite of graphite and metal. Further, as described below, the groove is formed in at least one of the upper plate and the bottom plate. When this groove forms a loop, when the working fluid receives heat in a part of the loop, the working particles change from the liquid phase to the gas phase, and the liquid is generated by nucleate boiling that transports latent heat using the movement of the gas phase. The phase vibrates, and this vibration can transport sensible heat to cool the heating element.

この発明の平面型ヒートパイプは、前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板の少なくとも1枚に形成された溝がくし歯状であることを特徴とする。くし歯はウイックの機能を果たし、作動流体の還流を助けることができる。   The flat type heat pipe according to the present invention is characterized in that a groove formed in at least one of a top plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and metal has a comb shape. The comb teeth serve as a wick and can help the working fluid flow back.

この発明の平面型ヒートパイプは、前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板にくし歯状の溝を形成し、前記くし歯を交互に組み合わせたことを特徴とする。交互に組み合わせることにより作動流体の還流がより容易になる。溝の形成は、薄板に直接溝を形成しても良いし、空間を構成する切り抜かれた空所を有する中板を上板、底板のいづれか一方に接合することにより形成しても良い。   The planar heat pipe of the present invention is characterized in that comb-like grooves are formed in an upper plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and metal, and the comb teeth are alternately combined. . By alternately combining, the working fluid can be more easily recirculated. The groove may be formed directly on the thin plate, or may be formed by joining an intermediate plate having a cut-out space forming a space to either the top plate or the bottom plate.

この発明の平面型ヒートパイプは、前記筐体の厚さが20mm以下であることを特徴とする。全体の厚さを20mm以下にすることによって、CPUのチップ、光学読み取り装置のレーザ発振部、デスクトップパソコン、ノートブックパソコン等の冷却用に使用することが可能になる。より好ましくは10mm以下である。さらに好ましくは5mm以下である。   The planar heat pipe according to the present invention is characterized in that the casing has a thickness of 20 mm or less. By making the total thickness 20 mm or less, it becomes possible to use for cooling of a CPU chip, a laser oscillation part of an optical reading device, a desktop personal computer, a notebook personal computer or the like. More preferably, it is 10 mm or less. More preferably, it is 5 mm or less.

この発明の平面型ヒートパイプは、黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板の少なくとも接合部には金属層が形成され、上板および底板を金属接合してなる筐体であることを特徴とする。金属層は銅、アルミニウム、ニッケル、またはそれらを主成分とする合金が好ましい。金属層はめっき、蒸着、ペーストの印刷・焼成によってなされる。   The flat heat pipe according to the present invention is a casing in which a metal layer is formed on at least a joint portion of a top plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and a metal, and the top plate and the bottom plate are metal-bonded. It is characterized by being. The metal layer is preferably copper, aluminum, nickel, or an alloy containing them as a main component. The metal layer is formed by plating, vapor deposition, paste printing / firing.

この発明の平面型ヒートパイプは、前記筐体の外部に、所要の形状のヒートシンクを更に備えていることを特徴とする。前記筐体の外部にくし歯状のヒートシンクを設けるのが好ましい。くし歯状ヒートシンクを設けることにより、放熱が促進される。くし歯状のヒートシンクを設ける場合、別途作製したものを設置してもよいし、あるいは前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板のどちらか1枚の作動流体が封入される面の裏面をくし歯状にして一体化してもよい。一体化したくし歯状ヒートシンク付平面型ヒートパイプとした場合、厚さは20mm以下にはよらない。   The planar heat pipe according to the present invention further includes a heat sink having a required shape outside the casing. It is preferable to provide a comb-like heat sink outside the housing. By providing the comb-shaped heat sink, heat dissipation is promoted. When a comb-shaped heat sink is provided, a separately manufactured one may be installed, or one of the working fluids of the top plate and the bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and metal is enclosed. The back surface of the surface to be formed may be integrated with comb teeth. In the case of an integrated planar heat pipe with comb-shaped heat sink, the thickness does not depend on 20 mm or less.

この発明の平面型ヒートパイプは、前記筐体と半導体素子及びまたは集積回路基板等の被冷却部品とが金属接合してなることを特徴とする。金属接合することにより、ヒートパイプと被冷却部品との熱抵抗が低下し放熱効率が向上する。金属接合は、例えば、平面型ヒートパイプと被冷却部品の接合面にニッケルめっきを施した後、はんだ付けなどをする方法、平面型ヒートパイプと被冷却部品の接合面をろう付けする方法等がある。   The planar heat pipe according to the present invention is characterized in that the casing and a semiconductor element and / or a component to be cooled such as an integrated circuit board are joined by metal. By metal bonding, the thermal resistance between the heat pipe and the component to be cooled is reduced, and the heat dissipation efficiency is improved. Metal bonding includes, for example, a method of performing soldering after nickel plating is applied to the joint surface between the flat heat pipe and the component to be cooled, and a method of brazing the joint surface between the flat heat pipe and the component to be cooled. is there.

更に、この発明の平面型ヒートパイプは、黒鉛と金属の複合体からなり、複合体中に易加工性の黒鉛が存在しているので複合体としても機械加工性に優れているので、形状にとらわれず、部品の設置空間に沿った形状にすることができ、空間を有効に利用することができる。この発明の平面型ヒートパイプは、デスクトップパソコン、ノートブックパソコン等各種電子回路基板の筐体、密閉型筐体、航空機に使用される電子回路基板等の広い範囲にわたって使用することができる。   Furthermore, the planar heat pipe of the present invention is composed of a composite of graphite and metal, and since the easily processable graphite exists in the composite, it is excellent in machinability as a composite. Without being constrained, it is possible to make the shape along the installation space of the parts, and the space can be used effectively. The planar heat pipe of the present invention can be used over a wide range of housings of various electronic circuit boards such as desktop personal computers and notebook personal computers, sealed housings, and electronic circuit boards used in aircraft.

図1は第1の実施例を示し(a)は薄板の上面図、(b)は組立て状態でのA−A部分の断面図である。図1に示すように肉厚1mmの黒鉛とアルミ合金の複合体からなる薄板によって25×40mm角の平面状の上板1と底板2を作製し、更に肉厚1mmの黒鉛と銅の複合体からなる25×40mmの薄板3を図1(a)に示すようループを形成するようにエンドミルにて取り除いて作製し、上板1と底板2の間に前記ループを形成するように取り除いた薄板3を挟み接合した。接合は、銅ペーストにて印刷焼成後、ろう付けして平面型ヒートパイプ容器を製作し、真空引きして、作動流体として水を使用し、ループ状中に収容された筐体を製作した。上板1と底板2との間には、図1に示すように作動流体の通路となるウィック構造となる所定の空間4が設けられた。このように製作された平面型ヒートパイプの厚さは3mmであった。尚、黒鉛と金属の複合体の作製は下記に示すようにして行った。   FIG. 1 shows a first embodiment (a) is a top view of a thin plate, and (b) is a cross-sectional view of an AA portion in an assembled state. As shown in FIG. 1, a flat top plate 1 and a bottom plate 2 of 25 × 40 mm square are produced by a thin plate made of a composite of graphite and aluminum alloy having a thickness of 1 mm, and further a composite of graphite and copper having a thickness of 1 mm. A thin plate 3 made of 25 × 40 mm is prepared by removing it with an end mill so as to form a loop as shown in FIG. 1A, and is removed so as to form the loop between the top plate 1 and the bottom plate 2. 3 was sandwiched and joined. Joining was performed by printing and baking with copper paste, brazing to produce a flat heat pipe container, evacuating, using water as a working fluid, and producing a housing housed in a loop shape. As shown in FIG. 1, a predetermined space 4 having a wick structure serving as a working fluid passage is provided between the top plate 1 and the bottom plate 2. The thickness of the flat heat pipe thus manufactured was 3 mm. The composite of graphite and metal was produced as follows.

(上板1、底板2:黒鉛とアルミ合金の複合体)
平均粒径500μmのコークス粒子とピッチとの溶融混練物を押出成形し、黒鉛化してなる多孔質黒鉛化押出成形体(嵩比重:1.70、灰分0.3質量%、押出方向及び押出方向と直交する方向における固有抵抗がそれぞれ5.0μΩm及び8.5μΩm、押出方向及び押出方向と直交する方向における熱膨張係数がそれぞれ0.6ppm/K及び2.0ppm/K、押出方向及び押出方向と直交する方向における熱伝導率がそれぞれ230 W/mK及び120 W/mK)と、12質量%のSiを含有するAl-Si合金とを用いて、まず金型装置(750℃に保持)のキャビティ内に多孔質黒鉛化押出成形体を載置し、上記Al-Si合金の溶湯(750℃)を注入し、その後上パンチを押し下げて、100 MPaで5分間溶湯鍛造を行った。除冷後、余分のAl-Si合金を切削により除去することにより黒鉛とアルミ合金(Al-Si)の複合体を得た。この複合体に対して、昇温速度:2℃/分、保持条件:500℃×60分、冷却速度:2℃/分の条件で熱処理を行った。熱処理後の複合体を上記サイズに切り出した。なお、上板、底板の厚さ方向は複合材の押出方向と一致させた。
熱処理後の複合体の熱伝導率と熱膨張率を測定したところ、熱伝導率は押出方向で340W/mK、直交方向は250W/mKであり、熱膨張率については押出方向で3.5ppm/K、直交方向は6.9ppm/Kであった。
(Top plate 1, bottom plate 2: composite of graphite and aluminum alloy)
A porous graphitized extruded product obtained by extruding and graphitizing a melt-kneaded product of coke particles having an average particle diameter of 500 μm and pitch (bulk specific gravity: 1.70, ash content 0.3 mass%, direction of extrusion and direction orthogonal to the direction of extrusion Specific resistance is 5.0 μΩm and 8.5 μΩm, respectively, and the thermal expansion coefficient is 0.6 ppm / K and 2.0 ppm / K in the direction orthogonal to the extrusion direction and the extrusion direction, respectively, and the thermal conductivity in the direction orthogonal to the extrusion direction and the extrusion direction is Porous graphitized extrusion molding first into the cavity of the die unit (kept at 750 ° C) using 230 W / mK and 120 W / mK respectively) and Al-Si alloy containing 12% by mass of Si The body was placed, and the molten Al-Si alloy (750 ° C.) was poured into it, and then the upper punch was pushed down to forge the molten metal at 100 MPa for 5 minutes. After cooling, excess Al-Si alloy was removed by cutting to obtain a composite of graphite and aluminum alloy (Al-Si). This composite was heat-treated at a temperature rising rate of 2 ° C./minute, a holding condition of 500 ° C. × 60 minutes, and a cooling rate of 2 ° C./minute. The composite after heat treatment was cut out to the above size. In addition, the thickness direction of the top plate and the bottom plate was matched with the extrusion direction of the composite material.
When the thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the composite after heat treatment were measured, the thermal conductivity was 340 W / mK in the extrusion direction, 250 W / mK in the orthogonal direction, and the thermal expansion coefficient was 3.5 ppm / in the extrusion direction. K and the orthogonal direction were 6.9 ppm / K.

(薄板3:黒鉛と銅の複合体)
上記と同じ多孔質黒鉛化押出成形体と、純銅(純度99.9%以上)とを用いて、まず金型装置(1000℃に保持)のキャビティ内に上記多孔質黒鉛化押出成形体を載置し、上記純銅の溶湯(1350℃)を注入し、その後上パンチを押し下げて、100 MPaで5分間溶湯鍛造を行った。除冷後、余分の純銅を切削により除去することにより黒鉛と銅の複合体を得た。この複合体に対して、昇温速度:5℃/分、保持条件:900℃×120分、冷却速度:5℃/分の条件で熱処理を行った。熱処理後の複合体を上記形状に切り出した。なお、薄板の厚さ方向は複合材の押出方向と一致させた。
熱処理後の複合体の熱伝導率と熱膨張率を測定したところ、熱伝導率は押出方向で350W/mK、直交方向は250W/mKであり、熱膨張率については押出方向で1.7ppm/K、直交方向は5.8ppm/Kであった。
(Thin plate 3: Composite of graphite and copper)
Using the same porous graphitized extrudate as above and pure copper (purity 99.9% or higher), first place the porous graphitized extrudate in the cavity of the mold apparatus (maintained at 1000 ° C). Then, the above pure copper melt (1350 ° C.) was poured, and then the upper punch was pushed down, and the melt was forged at 100 MPa for 5 minutes. After cooling, excess pure copper was removed by cutting to obtain a composite of graphite and copper. This composite was heat-treated at a temperature rising rate of 5 ° C./minute, a holding condition of 900 ° C. × 120 minutes, and a cooling rate of 5 ° C./minute. The composite after heat treatment was cut into the above shape. The thickness direction of the thin plate was matched with the extrusion direction of the composite material.
When the thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the composite after heat treatment were measured, the thermal conductivity was 350 W / mK in the extrusion direction, 250 W / mK in the orthogonal direction, and the thermal expansion coefficient was 1.7 ppm / in the extrusion direction. K and the orthogonal direction were 5.8 ppm / K.

このように製作された平面型ヒートパイプを、レーザ素子収納用パッケージの底板裏面にろう付けして適用したところ、発熱を効果的に放熱させることができ、良好な冷却効果が得られた。   When the flat heat pipe manufactured in this way was applied by brazing to the back surface of the bottom plate of the laser element storage package, heat generation could be effectively dissipated, and a good cooling effect was obtained.

図2は第2の実施例を示す断面図である。図2に示すように、肉厚4mmの黒鉛と銅の複合体からなる薄板によって25mm角の平面状の底板5を作製し、そして、その底板5に幅0.5mmピッチ、深さ3mmのくし歯状溝を形成し、無電解銅めっきを全体に施した。更に、無電解銅めっきが施こされた縁部肉厚1mmの黒鉛と銅の複合体からなる薄板の上板1を配置し、上板1と底板5とをろう付けして平面型ヒートパイプ容器を製作し、真空引きして、作動流体として水を使用し、くし歯状ウイック6が中に収容された筐体を製作した。くし歯状形状6と上板1との間には、図2に示すようにウィック構造となる所定の空間4が設けられた。このように製作された平面型ヒートパイプの厚さは5mmであった。尚、上板1と底板5は実施例1と同じ黒鉛と銅の複合体を用いた。   FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment. As shown in FIG. 2, a flat bottom plate 5 of 25 mm square is produced by a thin plate made of a composite of graphite and copper having a thickness of 4 mm, and a comb having a width of 0.5 mm and a depth of 3 mm is formed on the bottom plate 5. Tooth-shaped grooves were formed and electroless copper plating was applied to the whole. In addition, a thin plate upper plate 1 made of a composite of graphite and copper having a thickness of 1 mm and subjected to electroless copper plating is disposed, and the upper plate 1 and the bottom plate 5 are brazed to form a planar heat pipe. A container was manufactured, evacuated, water was used as a working fluid, and a housing in which comb-like wicks 6 were housed was manufactured. A predetermined space 4 having a wick structure is provided between the comb-like shape 6 and the upper plate 1 as shown in FIG. The thickness of the flat heat pipe thus manufactured was 5 mm. The top plate 1 and the bottom plate 5 used the same composite of graphite and copper as in Example 1.

このように作製された平面型ヒートパイプを、小型CPUのチップに適用したところ、発熱を効果的に移動させることができ、良好な冷却効果が得られた。従って、非常に薄い厚さの平面型ヒートパイプによって良好な冷却効果が得られることがわかる。平面型ヒートパイプの熱膨張係数は、10ppm/K以下と低熱膨張なので小型CPUのチップに平面型ヒートパイプを密着させることができ、熱伝導性が高まった。   When the planar heat pipe produced in this way was applied to a chip of a small CPU, heat generation could be moved effectively and a good cooling effect was obtained. Therefore, it can be seen that a good cooling effect can be obtained by a flat heat pipe having a very thin thickness. The thermal expansion coefficient of the flat type heat pipe is 10ppm / K or less, so the flat type heat pipe can be brought into close contact with the chip of the small CPU, and the thermal conductivity is improved.

図3は第3の実施例を示す断面図である。図3に示すように、肉厚4mmの実施例1と同様の黒鉛とアルミ合金の複合体からなる薄板によって25mm角の平面状の底板7を作製し、そして、その底板に、幅0.5mmピッチ、深さ3mmのくし歯状溝を形成し、無電解ニッケルめっきを施した。更に、無電解ニッケルめっきが施こされた縁部肉厚1mm、溝幅0.8mm、深さ3mm、くし歯厚さ0.2mmの実施例1と同様の黒鉛と銅の複合体からなる上板8を配置し、この上板8と底板7とをろう付けして平面型ヒートパイプ容器を製作し、真空引きして、作動流体として水を使用し、蛇行状ウイック9が中に収容された筐体を製作した。蛇行状ウイックと上板との間には、図3に示すように所定の空間が設けられた。このように製作された平面型ヒートパイプの厚さは5mmであった。   FIG. 3 is a sectional view showing a third embodiment. As shown in FIG. 3, a flat bottom plate 7 of 25 mm square was prepared by a thin plate made of a composite of graphite and aluminum alloy similar to Example 1 having a thickness of 4 mm, and a width of 0.5 mm was formed on the bottom plate. Comb-like grooves having a pitch and a depth of 3 mm were formed, and electroless nickel plating was performed. Furthermore, the upper part which consists of the composite of graphite and copper similar to Example 1 of the edge thickness 1mm by which electroless nickel plating was given, groove width 0.8mm, depth 3mm, and comb-tooth thickness 0.2mm. A plate 8 is arranged, and the top plate 8 and the bottom plate 7 are brazed to produce a flat heat pipe container, evacuated, water is used as a working fluid, and a meandering wick 9 is accommodated therein. A housing was made. A predetermined space was provided between the meandering wick and the upper plate as shown in FIG. The thickness of the flat heat pipe thus manufactured was 5 mm.

このように作製された平面型ヒートパイプを、CD−ROM装置、DVD装置、ゲーム機等において使用される光学読み取り装置のレーザ発振部に適用したところ、発熱を効果的に移動させることができ、良好な冷却効果が得られた。従って、非常に薄い厚さの平面型ヒートパイプによって良好な冷却効果が得られることがわかる。   When the flat heat pipe produced in this way is applied to a laser oscillation unit of an optical reading device used in a CD-ROM device, a DVD device, a game machine, etc., heat generation can be moved effectively, A good cooling effect was obtained. Therefore, it can be seen that a good cooling effect can be obtained by a flat heat pipe having a very thin thickness.

本発明の平面型ヒートパイプは、半導体素子や集積回路基板等の発熱体を冷却するために用いることができる。   The planar heat pipe of the present invention can be used for cooling a heating element such as a semiconductor element or an integrated circuit substrate.

本発明の平面型ヒートパイプの一つの実施態様を示す図である。It is a figure which shows one embodiment of the planar heat pipe of this invention. 本発明の平面型ヒートパイプの別の実施態様を示す図である。It is a figure which shows another embodiment of the planar heat pipe of this invention. 本発明の平面型ヒートパイプの別の実施態様を示す図である。It is a figure which shows another embodiment of the planar heat pipe of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、8:上板
2、5、6、7:底板
3:薄板
4、9:ウイック
1, 8: Upper plate 2, 5, 6, 7: Bottom plate 3: Thin plate 4, 9: Wick

Claims (9)

黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板からなる筐体と、前記上板および底板の少なくとも一方を構成する薄板に溝を形成するか、または溝を形成した前記黒鉛と金属の複合体からなる別の薄板を挟持することによって、前記筐体内に通路溝を形成し、前記通路の溝に作動流体を封入してなることを特徴とする平面型ヒートパイプ。 A casing made of a top plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and metal, and a groove formed in the thin plate constituting at least one of the top plate and the bottom plate, or the graphite having a groove formed therein A planar heat pipe characterized in that a passage groove is formed in the housing by sandwiching another thin plate made of a metal composite, and a working fluid is sealed in the groove of the passage. 前記筐体の上板および前記底板は、熱伝導率が5W/mK以上、2000W/mK以下、熱膨張係数が0.1ppm/K以上、15ppm/K以下からなる熱伝導率及び熱膨張係数に異方性を有する黒鉛と金属の複合体からなることを特徴とする請求項1に記載の平面型ヒートパイプ。 The top plate and the bottom plate of the housing have a thermal conductivity and a thermal expansion coefficient of 5 W / mK or more and 2000 W / mK or less, and a thermal expansion coefficient of 0.1 ppm / K or more and 15 ppm / K or less. 2. The flat heat pipe according to claim 1, comprising a composite of graphite and metal having anisotropy. 前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板の少なくとも1枚に形成された溝がループを形成していることを特徴とする請求項1または2に記載の平面型ヒートパイプ。 The planar heat according to claim 1 or 2, wherein a groove formed in at least one of an upper plate and a bottom plate formed of a thin plate made of a composite of graphite and metal forms a loop. pipe. 前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板の少なくとも1枚に形成された溝がくし歯状であることを特徴とする請求項1または2に記載の平面型ヒートパイプ。 The flat heat pipe according to claim 1 or 2, wherein a groove formed in at least one of an upper plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and metal has a comb shape. 前記黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板にくし歯状の溝を形成し、前記くし歯を交互に組み合わせたことを特徴とする請求項1または2に記載の平面型ヒートパイプ。 The plane according to claim 1 or 2, wherein comb-like grooves are formed in an upper plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and metal, and the comb teeth are alternately combined. Type heat pipe. 前記筐体の厚さが20mm以下であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の平面型ヒートパイプ。 The planar heat pipe according to any one of claims 1 to 5, wherein the casing has a thickness of 20 mm or less. 黒鉛と金属の複合体からなる薄板によって構成された上板および底板の少なくとも接合部には金属層が形成され、上板および底板を金属接合してなる筐体であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の平面型ヒートパイプ。 The casing is formed by forming a metal layer on at least a joining portion of an upper plate and a bottom plate made of a thin plate made of a composite of graphite and a metal, and metal-joining the upper plate and the bottom plate. The planar heat pipe according to any one of 1 to 6. 前記筐体の外部に、所要の形状のヒートシンクを更に備えていることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の平面型ヒートパイプ。 The planar heat pipe according to any one of claims 1 to 7, further comprising a heat sink having a required shape outside the housing. 前記筐体と半導体素子及びまたは集積回路基板が金属接合してなることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の平面型ヒートパイプ。
The planar heat pipe according to any one of claims 1 to 8, wherein the casing, the semiconductor element, and / or the integrated circuit board are metal-bonded.
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