JP2006245569A - 半導体チップ用放熱導管構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体チップ冷却用ヒートシンク放熱導管構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 放熱導管３１は、熱源端１４で半導体チップに密着して配置されてその発熱量を伝導される中空封鎖管体であって、内壁面に微細な凹凸条からなる熱交換面３１４を有し、冷却用媒体を封入する。
該放熱導管は、金属成型体表面をダイヤモンド構造を有する炭素で被覆、若しくは金属とダイヤモンド構造を有する炭素美粉末との混合材料から構成される熱伝導材料からなる。
ダイヤモンド構造の炭素は高い熱伝導係数特性を具え熱伝導材料の熱伝導效果を向上させることができる。ダイヤモンド構造を有する炭素による被覆方法は化学気相堆積法、イオンスパッタリングなどの物理気相堆積法、電気メッキ、或いはその他の公知方法でよい。
【選択図】 図 ５

Description

本発明は、半導体チップなどのデバイスの冷却用放熱導管構造（ヒートシンク）及びその製造方法に関する。特に、その熱伝導性材料として金属及びダイヤモンド構造の炭素を含む製造方法に係る。

今日の科学技術の日進月歩の発展に従い、電子部品はコンパクトで高集積化へと発展しており、求められる機能はますます高くなっている。それに連れて排出される熱も急激に増加しており、適時に熱を排除することは電子部品の機能を維持するために不可欠の課題である。放熱が適宜に行われなければ該電子部品が損傷する恐れさえあるため、放熱効率向上を目的に各種の熱伝導材料が開発されている。
公知の技術中に見られる放熱構造に応用される材料は通常は銅質或いはアルミニウム合金で、それが現行の放熱技術の主流である。しかし伝統的なアルミニウム質放熱材料はCPUの高速動作により生じる高温の伝導において制限があるため、銅質材料を用いた放熱技術が生まれた。しかし銅は比重が大きく、溶融点が高く、応用において制限があり、成形に不利である。しかも前記二種の材料は空気冷卻方式により放熱を行うため、ICの発熱量が50W/cm²に達した時、該冷卻方式は前記銅、アルミニウム材料によっては放熱のニーズを満たすことができず、さらに効果的な放熱材料が求められている。
また同様に放熱ニーズ及び空間サイズの制限を満たすために、放熱導管が熱伝導問題において広く使用されている。放熱導管は狭小な空間において、導管内部の流体が熱を吸收/放出することにより気液相変化を生じて冷却を行うものである。放熱導管は微小な温度差において極めて大きな熱伝導量を達成することができるため、「熱の超導体」の美称までがある。こうして放熱導管と放熱片及び放熱フィンを含む放熱器モジュールが生まれた。

図１に示す放熱器モジュールは、放熱片11、放熱導管12、複数の放熱フィン13を含む。
該放熱片11は、下平面111及び相互に対応する上平面112を具え、その熱伝導過程は該放熱片11下平面111をデバイスとの接触による熱伝導を受けて、この廃熱を該放熱片11上平面112に伝導する。
該放熱導管12は両端点を具え、一端は熱源端121で反対端は放熱端122である。該熱源端121は該放熱片11上平面112に接続され、熱伝導による該廃熱は該放熱導管12の熱源端121を経由し該放熱導管12の放熱端122に伝えられる。該放熱導管12の放熱端122は、複数の放熱フィン13を備える底面131に接し、これにより該廃熱を複数の放熱フィン13上に伝達し、対流及び放射などの方式により廃熱を排出する。
また、ダイヤモンドは物質の中で最高の硬度を持ち、熱伝導は最速で、光通過波長範囲が広く、耐腐食性を具えるなどの特性があるため、工業においても重要な材料の一つであった。その熱伝導係数は常温下では銅の五倍で、しかも高温時にダイヤモンドの赤外線放射は強化され、その放熱性は高く、しかも熱膨脹係数が小さい。このため、その放熱性能は高温時にいっそう向上する。ダイヤモンドのこの放熱が良好という特性は一般的にダイヤモンドの真偽を判断する時にも用いられている。
公知技術中では既に多くの技術と製造工程が開発されているが、その中では炭化水素の直接分解を利用する方法が最も広く知られている。例えばマイクロウェーブプラズマ化学気相堆積法(Microwave Plasma enhance Chemical Vapor Deposition, MPCVD)、ホットフィラメント化学気相堆積法(Hot Filament CVD, HFCVD)はポリクリスタルダイヤモンド膜をメッキするもので、該ポリクリスタルダイヤモンド膜は天然単結晶ダイヤモンドの特性を具えている。
特開２００５−３４７５００号公報 特開２００４−１７３２３３号公報

公知構造には以下の欠点があった。
すなわち公知技術は電子部品のコンパクト化、高集積度化、高性能化に向かう発展の方向において効率的な廃熱の排除を提供することができない。
本考案は上記構造の問題点を解決した放熱導管構造及びその製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明は下記の放熱導管構造及びその製造方法を提供する。
本発明が提供する熱伝導材料は、放熱導管に応用される金属及びダイヤモンド構造を有する炭素からなり、該金属は銅質或いはアルミニウム合金或いは熱伝導係数が高い金属であり、該ダイヤモンド構造の炭素はダイヤモンドとすることができる。
また、該ダイヤモンド構造の炭素は金属表面を覆う構造であり、或いは直接金属材料中に混入し、或いはこれら両者を同時に含み、
該熱伝導材料製造方法は、化学気相堆積法、物理気相堆積法、溶融、電気メッキ、或いはその他材料製造準備方法を含むことを特徴とする放熱導管構造及びその製造方法である。

上記のように、本発明は一種の熱伝導材料を放熱導管に応用し、ICの放熱効率を向上させ、さらに本発明が提供する熱伝導材料はIC放熱に用いられるだけでなく、関連する他の同様の機器の導熱或いは放熱機器として応用することができる。

図２に示すように、本発明の放熱導管のダイカスト成型法は、型材料供給機器21、型材料注入機器22及びモールド組23を含む。型材料は該型材料注入機器22を経て該モールド組23に注入され、該モールド組23のモールド空間24により成型される。その形状は、一端が未封鎖の中空管体である。この場合の該型材料は金属材質或いは金属及びダイヤモンド構造の炭素微粉末を含む溶融材料である。該金属は銅或いはアルミニウム或いは銀或いはその他熱伝導係数が高い金属或いはその合金で、しかも該ダイヤモンド構造の炭素の溶融点は前記のどの金属の溶融点よりも高いため、その組織中にあって分散し結合した型材料を形成する。
続いて図２に示す工程で形成された一端が未封鎖の中空管体の放熱導管31は、該中空管体の内壁313において熱交換面314を形成する。図３に示すように、マイクロ構造加工技術により該管体内壁313において毛細管作用を有する微細な毛細構造（溝状構造）を備える熱交換面314をエッチングにより形成する。これに替えて図４に示すように、該管体内壁313の熱交換面314として金属網を該管体内壁313上に焼結して形成することもできる。

最後に図５は、図３或いは図４に示す一端が未封鎖の放熱導管31に流体14を充填後、完全に封鎖した放熱導管31の透視図である。該放熱導管31の熱伝導過程は図５に示すように、該放熱導管31の熱源端311は、図１の放熱片11上平面112に接続し、該上平面112から熱伝導により受けた廃熱は熱源端311より中空封鎖管体内の液体流体14に伝達される。該液体流体14は廃熱を吸収し液体から気体に相変化して気体流体14として蒸発する。この気体流体14は該放熱導管31の放熱端312に拡散後、該放熱端312の管体内壁313に接触して該気体流体14が帯びた廃熱は該放熱端312より連接する図１に示す複数の放熱フィン13底面131上に伝達される。
ここで廃熱を放出した気体流体14は再び液体に相変化し、凝結して液体流体14となり、該管体内壁313の毛細管作用を有する熱交換面314に導かれて熱源端311に戻る。この反覆循環により間断なく廃熱を排出し非常に多くの熱量を持ち去ることができる。該放熱導管31は流体の蒸発凝結により大量に熱量を吸收及び放出するため、該放熱導管31は非常に良好な熱伝導效果を具える。該放熱導管31内の流体14は水及び熱伝送能力を具えた液体により構成する。

以下に、ダイヤモンド構造の炭素被覆を化学気相堆積法或いは物理気相堆積法を利用して金属表面に高熱伝導性皮膜を形成する方法を説明する。
図６に本発明実施例の放熱構造製造方法であるマイクロウェーブプラズマ励起化学気相堆積法を示す。この実施例の反応プロセスでは、反応させようとする混合気体を気体送入口61より気体反応室66に送り込む。同時に、マイクロウェーブ発生システム62はマイクロウェーブを発生し、これにより混合気体は活性の反応性イオンを発生し反応する。反応生成物は、徐々にサポートフレーム64上の金属材料65の表面に堆積し、ダイヤモンド膜を形成する。該金属材料65は図５で記述する放熱導管31で、該放熱導管31は銅或いはアルミニウム或いは銀或いはその他熱伝導係数が高い金属或いはその合金である。残余気体は廃気排出口63により排出し、この反応プロセスは表面がダイヤモンドに覆われた熱伝導材料を形成する。

同時に本発明の他の放熱構造製造方法は、図７に示すイオンスパッタリング法を採用することもできる。この実施例中においてはその製造準備工程で、ダイヤモンド微粉末材料を圧粉成型して棒材72とする。その設置角度と第一イオンガン71のイオンビーム射出方向の挟角は約45度前後である。これにより該第一イオンガン71によりスパッターされ、飛散したダイヤモンド微粒子は第二イオンガン73前方まで飛び、さらに該第二イオンガン73は該ダイヤモンド微粒子に十分な運動エネルギーを与え、金属材料74表面上に飛散させ均一なダイヤモンド膜を形成する。該金属材料74は、図５で記述する放熱導管31で、該放熱導管31は銅或いはアルミニウム或いは銀或いはその他熱伝導係数が高い金属或いはその合金である。残余のダイヤモンド微粒子は排気により排出口75より排出される。こうして上述の製造準備を経て表面がダイヤモンドに覆われた封蓋或いは熱伝導材料を得ることができる。
また、上述実施例の化学気相堆積法及び物理気相堆積法の製造方法の他に、その他材料の製造方法によっても金属及びダイヤモンド構造を含む炭素の熱伝導材料を得ることができる。

公知技術中の放熱器モジュールの指示図である。 本発明実施例の一端が未封鎖の放熱導管ダイカスト成型法指示図である。 本発明実施例の放熱導管において熱交換面を形成する指示図である。 本発明実施例の放熱導管において熱交換面を形成する別種の指示図である。 本発明実施例の放熱導管透視図である。 本発明実施例のマイクロウェーブプラズマ励起化学気相堆積法の指示図である。 本発明実施例のイオンスパッタリング法指示図である。

符号の説明

1放熱器モジュール指示図
11放熱片
111 下平面
112 上平面
12 放熱導管
121 熱源端
122 放熱端
13 複数の放熱フィン
131 底面
2 一端が未封鎖の放熱導管ダイカスト成型法指示図
21 型材料供給機器
22 型材料注入器
23 モールド組
24 モールド空間
3 放熱導管において熱交換面を設置する指示図
31 放熱導管
313 内壁
314 毛細管作用を有する熱交換面
4 放熱導管において熱交換面を設置する別種の指示図
31 放熱導管
313 内壁
314 熱交換面
5 放熱導管透視図
31 放熱導管
311 熱源端
312 放熱端
313 内壁
314 熱交換面
14 流体
6 マイクロウェーブプラズマ励起化学気相堆積法指示図
61 気体送入口
62 マイクロウェーブ発生システム
63 廃気排出口
64 サポートフレーム
65 金属材料
66 気体反応室
7イオンス部品タリング指示図
71 第一イオンガン
72 棒材
73 第二イオンガン
74 金属材料
75 廃気排出口

Claims (24)

1. 内壁面に毛細管作用を有する毛細構造を備えた熱交換面を有し、内部に冷却流体を封入した中空封鎖管体からなり、
   該中空封鎖管体はその一端の熱源端において熱源の半導体チップ放熱端に接触してその熱を伝導して内部の冷却流体に伝えて気化させると共に、その他端の放熱端にて放熱装置に接して熱を伝達放熱することにより冷却凝縮させて毛細管作用を備えた該熱交換面を経由して熱源端に導いて反復循環させ、
   その管体は、金属にダイヤモンド構造の炭素を混入した材料からなる成型体、又は該成型体若しくは金属からなる成型体にダイヤモンド構造の炭素被覆を形成した成型体からなることを特徴とする、半導体チップ用放熱導管構造。
2. 前記半導体チップが発生する該熱源は、放熱片を介して該管体熱源端に伝導されることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
3. 前記管体は、任意の長柱状であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
4. 前記管体は、任意の扁平柱状であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
5. 前記放熱裝置は、複数の放熱フィンを具えてなることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
6. 前記金属は、銅材質であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
7. 前記金属は、アルミニウム材質であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
8. 前記金属は、銀材質であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
9. 前記金属は、熱伝導係数が高い金属材質であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
10. 前記ダイヤモンド構造の炭素は、ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
11. 前記ダイヤモンド構造の炭素被覆は、化学気相堆積法により形成することを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
12. 前記ダイヤモンド構造の炭素被覆は、物理気相堆積法により形成することを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
13. 前記成型体は、溶融材料から形成することを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
14. 前記ダイヤモンド構造の炭素被覆は、電気メッキ法により形成することを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
15. 中空管体からなる半導体チップの放熱導管（ヒートシンク）の製造法において
    金属にダイヤモンド構造の炭素微粉末を混入した材料からなる成型体、又は該成型体若しくは金属からなる成型体にダイヤモンド構造の炭素被覆を形成した成型体を形成し、
    成型体の形成方法は、ダイカスト法により形成し、
    その内壁面に毛細管作用を有する微細な毛細構造を形成して熱交換面とし、
    冷却流体を該管体に封入して後、該管体を封鎖することを特徴とする放熱導管製造方法。
16. 前記製造方法は、該金属として銅を用いることを特徴とする請求項１５記載の放熱導管製造方法。
17. 前記製造方法は、該金属としてアルミニウムを用いることを特徴とする請求項１５記載の放熱導管製造方法。
18. 前記製造方法は、該金属として銀を用いることを特徴とする請求項１５記載の放熱導管製造方法。
19. 前記製造方法は、該金属として熱伝導性の高い金属を用いることを特徴とする請求項１５記載の放熱導管製造方法。
20. 前記製造方法は、ダイヤモンドを該ダイヤモンド構造の炭素として用いることを特徴とする請求項１５記載の放熱導管製造方法。
21. 前記製造方法は、該ダイヤモンド構造の炭素被覆を化学気相堆積法により形成することを特徴とする請求項１５記載の放熱導管製造方法。
22. 前記製造方法は、該ダイヤモンド構造の炭素被覆を物理気相堆積法により形成することを特徴とする請求項１５記載の放熱導管製造方法。
23. 前記製造方法は、上記成型体を溶融材料から形成することを特徴とする請求項１５記載の放熱導管製造方法。
24. 前記製造方法は、該ダイヤモンド構造の炭素被覆を電気メッキ法により形成することを特徴とする請求項１５記載の放熱導管製造方法。

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