JP2007043117A - 放熱モジュールおよびその組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立てのステップが簡単なだけでなく、操作が便利で大量生産に適し、且つ、従来のはんだ付けが不完全な欠陥を防いで、高放熱効率を有することができるようにし、且つ、はんだ付けを行う時、はんだ材料を漏れ難くすることで、全体的な外観をきれいに保持できる放熱モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の放熱モジュールは、ヒートパイプ２１０と、貫通孔２２１を有し、前記ヒートパイプ２１０をその中に貫通させる少なくとも１つの熱導体２２０とを含み、前記各熱導体２２０の前記貫通孔２２１の縁から接合部が延び、且つ、前記接合部は、凸溝を更に有し、前記凸溝に形成された空間にはんだ材料が配置される。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、放熱モジュールおよびその組み立て方法に関し、特に、高放熱効率を有する放熱モジュールおよびその組み立て方法に関するものである。

技術の進歩に伴って、電子部品内の単位面積当たりのトランジスタ数が増え、動作中の放熱量を増加させている。また、電子部品の動作周波数も高くなり、トランジスタの動作中のオン／オフ（on／off）切換えにより生じるスイッチングロス（switch loss）も電子部品の放熱量を増す原因となっている。これらの熱量を適当に処理できなければ、トランジスタの処理速度の低下を招き、トランジスタの寿命に深刻な影響を及ぼす。電子部品の放熱効果を高めるための現在の方法として、熱源部に放熱器が提供され、自由対流または強制対流により放熱器のフィンを通して熱を外部に放散している。

通常、ヒートパイプは、小さい断面を有し、電源供給を加える必要なく大量の熱をかなりの距離に伝送することができる。ヒートパイプが小さい寸法を有し、生産するのに経済的であることから、各種の電子製品の放熱に広く用いられている。従来のヒートパイプとフィンの組み立て方式（特許文献１参照）は、ヒートパイプの上にアルミニウム製のフィンが設置され、放熱の面積を増加させている。しかし、これらのフィンとヒートパイプが圧入によって接合されることから、その効果的な密閉が達成し難い。仮にフィンとヒートパイプの嵌め合いがきつ過ぎた場合、ヒートパイプを破損させる可能性があり、逆に嵌め合いがゆる過ぎた場合、フィンがヒートパイプから外れる可能性がある。上述の両方の状況は、放熱の効率に悪影響を及ぼす。

図１Ａと図１Ｂを参照すると、図１Ａは、従来のヒートパイプとフィンの組み立て方式を示す放熱モジュールの概略図であり、図１Ｂは、図１ＡにおけるＡ部の拡大図である。従来の放熱モジュール１００ａは、Ｕ型ヒートパイプ１１０と複数のフィン１２０とにより構成され、Ｕ型ヒートパイプ１１０の内壁は、ウィックによる毛細構造を有する。この放熱モジュール１００ａは主に、Ｕ型ヒートパイプ１１０によって熱を熱源からフィン１２０に伝導し、対流の方式で熱を放散する。

図１Ｂに示すように、各フィン１２０は、ヒートパイプ１１０をその中に貫通させる貫通孔１２１をそれぞれ有する。貫通孔１２１の縁からは、閉塞していない環状の接合部１２２が延び、この接合部１２２は、フィン１２０の一側から突出している。接合部１２２の上端（即ち貫通孔１２１の上縁）は、開孔１２３を更に有し、ヒートパイプ１１０がフィン１２０の貫通孔１２１に貫通した後、注射器の針に似た注入方式を用いて、はんだ材料を図１Ｂの矢印Ｘに示す方向に沿って、開孔１２３が配置される空間の中に入れ、はんだ材料の接着力によってヒートパイプ１１０とフィン１２０を接合する。しかし、このような組み立て方法は、プロセスが複雑なだけでなく、操作が不便で、大量生産に適さない。また、注射針ではんだ材料を注入する時、はんだ材料が突出した接合部１２２の上端により妨げられ、必要なはんだ付けの面に流れることができず、はんだ付けが不完全になって、全体の放熱効率を低下させる可能性がある。

図１Ｃと図１Ｄを共に参照すると、図１Ｃは、従来のもう１つのヒートパイプとフィンの組み立て方式を示す放熱モジュールの概略図であり、図１Ｄは、図１ＣにおけるＢ部の拡大図である。従来の放熱モジュール１００ｂは、Ｕ型ヒートパイプ１３０と複数のフィン１４０とにより構成され、Ｕ型ヒートパイプ１３０の内壁は、ウィックによる毛細構造を有する。この放熱モジュール１００ｂは主に、Ｕ型ヒートパイプ１３０によって熱を熱源からフィン１４０に伝導し、対流の方式で熱を放散する。

図１Ｄに示すように、各フィン１４０は、それぞれヒートパイプ１３０をその中に貫通させる貫通孔１４１を有する。貫通孔１４１の縁からは、閉塞していない環状の接合部１４２が延び、この接合部１４２は、フィン１４０の一側から突出している。接合部１４２の上端（即ち貫通孔１４１の上縁）からは垂直に伸びた細長開口１４３を有し、ヒートパイプ１３０がフィン１４０の貫通孔１４１に貫通した後、はんだ材料を図１Ｄの矢印Ｙに示す方向に沿って、細長開口１４３が配置される空間に入れ、接合部１４２の上端に直接塗布することができる。続いて、硬化プロセスを行なうのに加熱炉に入れる時、ヒートパイプ１３０とフィン１４０を逆さにし、はんだ材料が溶融状態の時に重力によってヒートパイプ１３０の周囲に拡散されるようにする。

しかし、用いているＵ型ヒートパイプ１３０の両端がそれぞれ貫通孔１４１に貫通しているが、２つの貫通孔１４１がそれぞれフィン１４０の逆方向に伸びた細長開口１４３に連通していることから、はんだ材料は１つの方向にだけ流れ、はんだ材料を貫通孔１４１と接合部１４２に均一に拡散させることができない。よって、はんだ材料を均一に拡散させたい場合、はんだ材料の塗布と、フィン１４０およびヒートパイプ１３の回転と、加熱炉による硬化の各ステップを、２回繰り返さなければならない。このような組み立て方法は、プロセスが複雑なだけでなく、操作が不便で大量生産に適さない。また、各フィン１４０の上に細長開口１４３を設置しなければならないことから、フィン１４０の放熱面積を減少させ、全体の放熱効率が低下する。
台湾特許第３３２６８１号明細書

よって、上述の問題を解決するために、本発明は、組み立てのステップが簡単なだけでなく、操作が便利で大量生産に適し、且つ、従来のはんだ付けが不完全な欠陥を防いで、高放熱効率を有することができるようにし、且つ、はんだ付けを行う時、はんだ材料を漏れ難くすることで、全体的な外観をきれいに保持することができる放熱モジュールおよびその組み立て方法を提供する。

本発明の目的に基づいて、ヒートパイプと少なくとも１つの熱導体を含む放熱モジュールを提供する。各熱導体は、貫通孔を有し、ヒートパイプをその中に貫通させる。貫通孔の縁からは接合部が延び、この接合部は凸溝を更に有し、凸溝に形成された空間にはんだ材料が配置される。

上述の放熱モジュールでは、接合部は、閉塞した環状を有しており、接合部は、熱導体の一側から突出される。接合部の断面形状は、円形，楕円形，半円形，長方形，三角形，四角形，台形，等辺多角形，または不等辺多角形である。熱導体は、放熱フィン，熱伝導板，またはその他の熱伝導性部品とすることができ、且つ、熱導体は、水平状，垂直状，傾斜状，放射状，またはその他の状態で配置することができる。

ヒートパイプの形状はＵ型であり、且つ、はんだ材料は、はんだペースト，サーマルグリース，またはその他の熱伝導材料とすることができる。また、ヒートパイプは、ベースを通して、または直接、熱源に接触して、熱源からの熱を熱導体に伝導することができる。熱源は、熱を発する電子部品（例えば、ＣＰＵ，トランジスタ，サーバーなど）である。

上述の放熱モジュールでは、ヒートパイプの内壁は、ウィックによる毛細構造を有する。毛細構造の材質は、プラスチック，金属，合金，多孔性の非金属を含む材料より構成されたグループの中の１つから選ばれる。また毛細構造は、メッシュ，ファイバー（fiber），焼結体（sinter），溝状体（groove）より構成されたグループの中の１つから選ばれる。毛細構造をヒートパイプの内壁に形成する方法は、焼結，接着，充填，堆積より構成されたグループの中の１つから選ばれる。

上述の放熱モジュールでは、ヒートパイプ内は、熱を伝導させるための作動流体を含む。作動流体は、無機化合物，水，アルコール，液体金属，ケトン，冷媒，有機化合物より構成されたグループの中の１つから選ばれる。

本発明のもう１つの目的に基づいて、下記のステップを含む放熱モジュールの組み立て方法を提供する。まず、ヒートパイプと少なくとも１つの熱導体とを提供する。各熱導体は、貫通孔を有し、且つ、各熱導体は、貫通孔の縁から接合部が延び、接合部は凸溝を更に有する。凸溝に形成された空間の中にはんだ材料を配置する。ヒートパイプをこれらの熱導体の貫通孔の中に挿入する。熱導体とヒートパイプを逆さにし、リフロー処理を行う。

上述の放熱モジュールの組み立て方法では、接合部は、閉塞した環状を有しており、接合部は、熱導体の一側から突出される。接合部の断面形状は、円形，楕円形，半円形，長方形，三角形，四角形，台形，等辺多角形、または不等辺多角形である。熱導体は、放熱フィン，熱伝導板，またはその他の熱伝導性部品とすることができ、且つ、熱導体は、水平状，垂直状，傾斜状，放射状，またはその他の状態で配置することができる。ヒートパイプの形状はＵ型であり、且つ、はんだ材料は、はんだペースト，サーマルグリース，またはその他の熱伝導材料とすることができる。

従来の各種の接続方法に比べ、本発明のこのような組み立て方式は、組み立てのステップが簡単なだけでなく、操作が便利で大量生産に適する。また、凸溝が接合部と一体に形成されることから、はんだ材料が突出した接合部の上端による妨げにより、必要なはんだ付けの面に流れることができず、はんだ付けが不完全になって、全体の放熱効率を低下させる欠陥から防ぐことができ、放熱モジュールとして高放熱効率を有することができるようになる。はんだ材料が凸溝に形成された空間の中に先に配置されることから、ヒートパイプを挿入した時、ヒートパイプは、はんだ材料を凸溝内に保持し、はんだ材料でヒートパイプを完全に覆うことができる。また、各熱導体は、隣接する熱導体と近接して接続されていることから、熱導体間の間隙は小さく、リフロー処理時にはんだ材料が漏れ難く、放熱モジュールの全体的な外観をきれいに保持させることができる。

本発明についての目的，特徴，長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。

図２Ａと図２Ｂを共に参照すると、図２Ａは、本発明の好ましい実施例に基づいた放熱モジュールの分解図であり、図２Ｂは、図２ＡにおけるＣ部の拡大図である。本発明の放熱モジュール２００は、Ｕ型ヒートパイプ２１０と複数の熱導体２２０とを含み、Ｕ型ヒートパイプ２１０は、ベースを通して、または直接、熱源に接触して、熱源からの熱を直接、熱導体２２０に伝導することができる。続いて、対流の方式（例えば、ファンを加えるなど）によって、熱は迅速に放散する。この実施例における熱源は、熱を発する電子部品（例えば、ＣＰＵ，トランジスタ，サーバーなど）である。

一つの実施例において、熱導体２２０は、例えば、放熱フィン，熱伝導板，またはその他の熱伝導性部品とすることができる。熱導体２２０は、実際の需要に応じて、放熱フィンまたは熱伝導板に各種の配置を施すことができる。上述の配置の方式は、例えば、水平状，垂直状，傾斜状，放射状，またはその他の状態の配置方式である。

Ｕ型ヒートパイプ２１０の内壁はウィックによる毛細構造を有し、且つ、毛細構造の材質は、プラスチック，銅，アルミニウム，鉄などの金属や合金，または多孔性の非金属材料を含む。また毛細構造は、例えば、メッシュ，ファイバー（fiber），焼結体（sinter），および／または溝状体（groove）で構成される。毛細構造をＵ型ヒートパイプ２１０の内壁に形成する方法は、焼結，接着，充填および／または堆積からなることができる。Ｕ型ヒートパイプ２１０内は、作動流体を含み、この作動流体は、熱を伝導させるために用いられる。前述の作動流体は、例えば、無機化合物，水，アルコール，水銀などの液体金属，ケトン，フレオンなどの冷媒，またはその他の有機化合物である。作動流体の沸騰温度は、室内の圧力によって制御することができる。

各熱導体２２０は、少なくとも１つの貫通孔２２１を有し、ヒートパイプ２１０がその中に貫通するのを可能にする。貫通孔２２１の縁は、閉塞した環状を有する接合部２２２が延び、この接合部２２２は、熱導体２２０の一側から突出している。接合部２２２の下端（即ち貫通孔２２１の下縁）は、凸溝２２３を更に有する。この時、凸溝２２３が接合部２２２の下端に位置することから、はんだ材料を凸溝２２３に形成された空間の中に配置させることができる。はんだ材料は、例えば、はんだペースト，サーマルグリース，またはその他の熱伝導材料とすることができ、熱導体２２０とヒートパイプ２１０の外壁との間でスムーズな接続を提供することで、放熱モジュール２００の全体の熱伝導効果を向上させることができる。

図３Ａと図３Ｂを共に参照すると、図３Ａは、図２Ａにおける放熱モジュールの組み立て後の概略図であり、図３Ｂは、図３ＡにおけるＤ部の拡大図である。はんだ材料を凸溝２２３に形成された空間の中に配置した後、ヒートパイプ２１０を熱導体２２０の貫通孔２２１の中に挿入する。続いて、熱導体２２０とヒートパイプ２１０を上下逆さにして、リフロー処理で加熱炉に入れてはんだ材料を硬化させる。この時、凸溝２２３は、接合部２２２の上端に位置し、溶融状態のはんだ材料が重力によってヒートパイプ２１０の周囲（貫通孔２２１と接合部２２２に近接する部分）に均一に拡散する。こうして、はんだ材料によって覆われたヒートパイプ２１０は、熱導体２２０と完全に接合する目的を果たす。ここで注意するのは、接合部２２２，凸溝２２３およびヒートパイプ２１０を明確に表すために、図３Ａと図３Ｂでははんだ材料を表していない、ということである。

接合部２２２の断面形状は、図２Ａ，図２Ｂ，図３Ａ，図３Ｂで表されたほぼ円形の他に、楕円形，半円形，長方形，三角形，四角形，台形，等辺多角形，または不等辺多角形などとすることもでき、且つ、ヒートパイプ２１０の断面形状も接合部２２２に対応させることで、ヒートパイプ２１０と熱導体２２０とを適切に接合でき、好ましい熱伝導の効率を達成できれば、設計上の需要に応じて変更することができる。

図２Ａ，図２Ｂ，図３Ａ，図３Ｂを共に参照すると、本発明は、下記のステップを含む放熱モジュールの組み立て方法を提供する。まず、ヒートパイプ２１０と少なくとも１つの熱導体２２０が提供される。各熱導体２２０は、貫通孔２２１を有し、且つ、各熱導体２２０は、貫通孔２２１の縁から接合部２２２が延び、貫通孔２２１を取り囲んで形成される接合部２２２は、凸溝２２３を更に有する。凸溝２２３に形成された空間の中にはんだ材料を配置する。ヒートパイプ２１０をこれらの熱導体２２０の貫通孔２２１の中に挿入する。そして、熱導体２２０とヒートパイプ２１０を逆さにし、リフロー処理を行う。

リフロー処理を行う時、はんだ材料を凸溝２２３に形成された空間の中に先に配置してから、熱導体２２０とヒートパイプ２１０を上下逆さにし、加熱炉に入れてはんだ材料を硬化させる。この時、溶融状態のはんだ材料が重力によってヒートパイプ２１０の周囲（貫通孔２２１と接合部２２２に近接する部分）に均一に拡散する。こうして、はんだ材料によって覆われたヒートパイプ２１０は、熱導体２２０と完全に接合することができ、好ましい熱伝導の効率を達成することができる。

このように、従来の各種の接続方法に比べ、本発明のこのような組み立て方式は、組み立てのステップが簡単なだけでなく、操作が便利で大量生産に適する。また、凸溝２２３が接合部２２２と一体に形成されることから、はんだ材料が突出した接合部１２２の上端による妨げにより、必要なはんだ付けの面に流れることができず、はんだ付けが不完全になって、全体の放熱効率を低下させる欠陥から防ぐことができ、放熱モジュールとして高放熱効率を有することができるようになる。はんだ材料が凸溝２２３に形成された空間の中に先に配置されることから、ヒートパイプ２１０を挿し入れた時、ヒートパイプ２１０は、はんだ材料を凸溝２２３内に保持し、はんだ材料でヒートパイプ２１０を完全に覆うことができる。また、各熱導体２２０は、隣接する熱導体２２０と近接して接続されていることから、熱導体２２０間の間隙は小さく、リフロー処理時にはんだ材料が漏れ難く、放熱モジュール２００の全体的な外観をきれいに保持させることができる。

以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することは可能である。従って、本発明が保護を請求する範囲は、特許請求の範囲を基準とする。

従来のヒートパイプとフィンの組み立て方式を示す概略図である。 図１ＡにおけるＡ部の拡大図である。 従来の別なヒートパイプとフィンの組み立て方式を示す概略図である。 図１ＣにおけるＢ部の拡大図である。 本発明の好ましい実施例に基づいた放熱モジュールの分解図である。 図２ＡにおけるＣ部の拡大図である。 図２Ａの放熱モジュールの組み立て後における概略図である。 図３ＡにおけるＤ部の拡大図である。

符号の説明

１００ａ，１００ｂ，２００ 放熱モジュール
１１０，１３０，２１０ Ｕ型ヒートパイプ
１２０，１４０ フィン
１２１，１４１，２２１ 貫通孔
１２２，１４２，２２２ 接合部
１２３，１４３ 開口
２２０ 熱導体
２２３ 凸溝

Claims (10)

1. ヒートパイプと、
   貫通孔を有し、前記ヒートパイプをその中に貫通させる少なくとも１つの熱導体とを含み、
   前記各熱導体の前記貫通孔の縁から接合部が延び、且つ、前記接合部は、凸溝を更に有し、前記凸溝に形成された空間にはんだ材料が配置される放熱モジュール。
2. 前記接合部は、閉塞した環状を有していると共に、前記熱導体の一側から突出している請求項１に記載の放熱モジュール。
3. 前記はんだ材料は、はんだペースト，サーマルグリース，またはその他の熱伝導材料である請求項１に記載の放熱モジュール。
4. 前記熱導体は、放熱フィン，熱伝導板，またはその他の熱伝導性部品である請求項１に記載の放熱モジュール。
5. 前記ヒートパイプの形状は、Ｕ型である請求項１に記載の放熱モジュール。
6. ヒートパイプと、貫通孔を有し、且つ、前記貫通孔の縁から接合部が延び、前記接合部が凸溝を更に有する少なくとも１つの熱導体とを提供するステップ、
   前記凸溝に形成された空間の中にはんだ材料を配置するステップ、
   前記ヒートパイプを前記熱導体の前記貫通孔の中に挿入するステップ、
   前記熱導体と前記ヒートパイプを逆さにするステップ、および
   リフロー処理を行うステップを含む放熱モジュールの組み立て方法。
7. 前記接合部は、閉塞した環状を有していると共に、前記熱導体の一側から突出している請求項６に記載の組み立て方法。
8. 前記はんだ材料は、はんだペースト，サーマルグリース，またはその他の熱伝導材料である請求項６に記載の組み立て方法。
9. 前記熱導体は、放熱フィン，熱伝導板，またはその他の熱伝導性部品である請求項６に記載の組み立て方法。
10. 前記ヒートパイプの形状は、Ｕ型である請求項６に記載の組み立て方法。

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