JP2013044459A - 平型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップを冷却するのに適した平型ヒートパイプを提供する。
【解決手段】ヒートパイプ１０は、ヒートパイプの内部においてヒートパイプの上板２と下板６を連結する支柱１２を備える。支柱１２は、ヒートパイプ１０を平面視したときに、取り付けられる半導体チップ２６と重ならない位置に設けられている。支柱１２は複数本設けられていてもよい。半導体チップ２６の直下を避けて支柱１２を配置することによって、半導体チップ直下において作動流体が自由に動ける。支柱１２が半導体チップの冷却を妨げることがなく、冷却能力が阻害されない。
【選択図】図１

Description

本発明は、平型ヒートパイプに関する。

熱伝導性が高い材料（典型的には銅やアルミニウム）で作られた密閉コンテナに揮発性の作動流体を封入したヒートパイプが知られている。特にＣＰＵやパワートランジスタなどの発熱量の多い素子（半導体チップ）を効率的に冷却するために、それらとの接触面積を大きくとれる平型のヒートパイプが用いられることがよくある。平面視したときのコンテナの面積が大きくなると、即ち、内部空間の広がりが大きくなると、コンテナの強度が低下し、内部の作動流体の圧力によってコンテナが撓み易くなる。そこで、コンテナ内部に、上板と下板をつなぐ支柱を設けることが提案されている（特許文献１）。

特開平１１−１８３０６７号公報

支柱を設けるとヒートパイプの強度は向上するが、支柱が作動流体の動きを阻害し、冷却効率が低下してしまう。本明細書は、強度と冷却能力を両立させた平型ヒートパイプを提供する。

本明細書は、半導体チップを取り付けて冷却するのに適した平型ヒートパイプを提供する。そのヒートパイプは、ヒートパイプの内部においてヒートパイプの上板と下板を連結する支柱が、ヒートパイプを平面視したときに、取り付けられる半導体チップと重ならない位置に設けられていることを特徴とする。別言すれば、支柱は、半導体チップの直下を避けて配置される。支柱は複数本設けられていてもよい。半導体チップの直下を避けて支柱を配置することによって、支柱が半導体チップ直下での作動流体の動きを阻害することがなく、冷却能力が低下しない。

本明細書が開示するヒートパイプでは、さらに、支柱が、上板と下板の一方に設けられた作動流体注入孔を塞いでいるものであることが好ましい。作動流体注入孔が支柱挿入孔を兼ねることによって、構造を単純化できる。

また、本明細書が開示するヒートパイプは、複数の半導体取り付け予定領域が定められており、ヒートパイプを平面視したときに、上記支柱が、複数の半導体取り付け予定領域の全てを包括する輪郭線の外側に設けられていることも好適である。即ち、ヒートパイプパイプを平面視したときに中央に半導体チップが集中して配置され、その周囲に支柱が配置される。そのように配置された支柱は、集中配置された半導体チップ群全体の直下で作動流体の流れを阻害しない。

上記の支柱は、さらに、ヒートパイプを側面視したときに、取り付けられる半導体チップの端からヒートパイプの裏面（半導体チップが取り付けられる面とは反対側の面）に向かって４５度の角度で広がる領域の外側に設けられているとなお好ましい。半導体チップの熱は主に放射状に広がる。熱が広がりやすい範囲を避けて支柱を配置することによって、支柱が冷却能力を阻害することをより一層抑制することができる。

実施例のヒートパイプの模式的斜視図である。 絶縁基板に載った半導体チップの斜視図である。 ヒートパイプの平面図である。 別の実施例のヒートパイプの模式的断面図である。 第１の変形例を示す模式的断面図である。 第２の変形例を示す模式的断面図である。

（第１実施例）図１〜図３を参照して第１実施例のヒートパイプを説明する。実施例のヒートパイプ１０は、発熱量の多い半導体チップを載せ、半導体チップ２６の熱を速やかに拡散させるために用いられる。ヒートパイプ１０の本体であるコンテナ８は、半導体チップが載る側である上板２と、半導体チップが載る側とは反対側の面に相当する下板６と、側板４で構成される。上板２、下板６、及び、側板４の素材には、アルミニウム、あるいは、銅など、伝熱性の高いものが用いられる。コンテナ８の内部空間には、揮発性液体の作動流体と、毛管力を発揮して作動流体の揮発を促進するウイックが封入されるが、本明細書ではそれらの図示は省略する。作動流体には、例えば、水や、水よりも揮発性の高いアンモニアなどが用いられる。ウイックには、例えば金網やフエルト等が用いられる。

半導体チップ２６は、ＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ａｌｍｉｎｉｕｍ、あるいは、Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｒａｚｅｄ Ａｌｍｉｎｉｕｍ）と呼ばれるアルミ回路付き絶縁基板２０（以下、絶縁基板２０と称する）に載せられ、その絶縁基板２０がヒートパイプ１０の上板２に取り付けられる。図２に、絶縁基板２０に載った半導体チップ２６の模式的斜視図を示す。絶縁基板２０は、窒化アルミニウムの板の上に、絶縁性のマスクと導電性のアルミ層によるパターンが形成されたものであり、半導体チップ２６の所定の領域を絶縁するとともに、熱拡散を促進し半導体チップの温度上昇を抑制する。半導体チップ２６は、絶縁基板２０に半田付けされる。絶縁基板２０の表面には、いくつかの導電性のパッド２１、２２、２３が形成され、そこに半導体チップからワイヤボンディングＷＢが伸びている。半導体チップ２６の直下に位置するパッド２２は、半導体チップ２６の裏面の端子に直接に接している。パッド２１、２２、２３からさらに外部の端子へとケーブルが伸びるが、本明細書ではその図示は省略している。

ヒートパイプ１０のコンテナ内部空間には、複数の支柱１２が配置されている。支柱１２は、上板２と下板６を繋ぎ、コンテナ１０の強度を確保する。支柱１２は、上板２に形成された注入孔２ａから挿入され、上板２と下板６の双方に固着される。支柱１２の固定は、例えば、接着剤、ロウ付け、溶接などの方法による。注入孔２ａへの固定は圧入によるものであってもよい。注入孔２ａは、ウイックや作動流体の注入するための孔も兼ねている。ウイックや作動流体を注入した後に支柱１２を挿入し固定することにより、コンテナ８が封止される。

図３に、複数の半導体チップ２６を載せたヒートパイプ１０の平面図を示す。なお、図３では、絶縁基板２０の図示は省略している。図３に示すように、複数の支柱１２はいずれも、ヒートパイプ１０を平面視したときに、複数の半導体チップ２６の全てを包括する輪郭線ＰＬの外側に配置される。複数の支柱１２をそのように配置することによって、半導体チップ２６の直下において支柱が作動流体の動きを妨げることがなく、作動流体による熱の移送を阻害しない。なお、図１には４本の支柱１２が描かれており、図３には８本の支柱１２が描かれているが、図１は、理解し易いように、図３の８本の支柱１２のうち、角部の４本だけを描いたものである。

（第２実施例）図４に、第２実施例のヒートパイプ２００の模式的断面図を示す。第２実施例のヒートパイプ２００では、支柱１２は、半導体チップ２６の直下を避けた位置にある、というだけでなく、ヒートパイプ２００を側面視したときに半導体チップ２６の端からヒートパイプ２００の裏面（下板６）に向かって４５度の角度で広がる領域ＰＡの外側に配置される。半導体チップ２６の熱は主として放射状に広がるが、第２実施例のヒートパイプ２００では、熱が広がりやすい範囲を避けて支柱を配置することによって、より一層、支柱１２が熱の移送に影響を与えないようにしている。

図５と図６に実施例の変形例を示す。図５のヒートパイプ３００では、コンテナ８の上板２に孔２ａが形成されているとともに、下板６にも孔６ａが形成されており、支柱１２は、上板２と下板６を貫通している。この態様は、上板２と下板６のいずれにおいても、溶接などの手法により支柱１２を外側から固定できるという利点がある。

図６のヒートパイプ４００では、下板６には注入孔６ａが形成されており、上板２の裏面（ヒートパイプ内空間側の面）には、支柱１２が嵌る窪み２ｂが設けられている。支柱１２は、半導体チップ２６が載る上板２とは反対側の下板６側からコンテナ８に挿入される。また、支柱１２は、上板裏面の窪み２ｂに嵌り、位置がしっかり固定される。この態様は、半導体チップ２６が載る側の面（上板２の表面）に孔を設ける必要がなく、半導体チップが載る側の面を有効に使える。また、支柱１２は上板裏面の窪み２ｂに嵌り込むので、より一層コンテナ８の強度が増す。なお、図５のヒートパイプ３００、図６のヒートパイプ４００のいずれも、支柱１２は半導体チップ２６の直下の領域を避けた位置に配置される。即ち、支柱１２は、ヒートパイプを平面視したときに（図中のｚ軸方向からみたときに）、半導体チップ２６と重ならない位置に配置される。

以上、本発明の好適な実施例を説明した。実施例に関する留意点を述べる。実施例における「上板」、「下板」との表現は、対向する２枚の板を区別するための呼称であり、上板が鉛直上方とならなくてもよい。また、半導体チップが載る面を「上板」と呼んでも「下板」と呼んでもよい。また、支柱の断面形状は円に限られない。支柱の断面形状は、楕円、多角形など、任意の形でよい。支柱もアルミニウムあるいは銅などの熱伝導性の高い材料で作るのがよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：上板
４：側板
６：下板
８：コンテナ
１０、２００、３００、４００：ヒートパイプ
１２：支柱
２０：絶縁基板（ＤＢＡ）
２６：半導体チップ

Claims (4)

1. 半導体チップ冷却用の平型のヒートパイプであり、ヒートパイプの内部においてヒートパイプの上板と下板を連結する支柱が穿設されており、ヒートパイプを平面視したときに、前記支柱が、取り付けられる半導体チップと重ならない位置に設けられていることを特徴とするヒートパイプ。
2. 前記支柱は、上板と下板の一方に設けられた作動流体注入孔を塞いでいるものであることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 複数の半導体取り付け予定領域が定められており、ヒートパイプを平面視したときに、前記支柱が、複数の半導体取り付け予定領域の全てを包括する輪郭線の外側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートパイプ。
4. 前記支柱は、ヒートパイプを側面視したときに、取り付けられる半導体チップの端からヒートパイプの裏面に向かって４５度の角度で広がる領域の外側に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートパイプ。

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