JP2013053837A

JP2013053837A - 板型ヒートパイプの構造

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Publication number: JP2013053837A
Application number: JP2011194393A
Authority: JP
Inventors: Hsiu-Wei Yang; 修維楊
Original assignee: Kiko Kagi Kofun Yugenkoshi
Current assignee: Kiko Kagi Kofun Yugenkoshi
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-06
Also published as: JP5939754B2

Abstract

【課題】板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱疲労によってクラックが発生することを防ぐ板型ヒートパイプの構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】板型ヒートパイプの本体１は、金属板体１１及びセラミック板体１２からなり、金属板体とセラミック板体とが相対向して接合されることにより、これ等の間にチャンバ１３となる空間が画定される。チャンバ内壁面には、粉末焼結体や金属の網状体などなるウィック構造１４を形成し、金属板体１１及びセラミック板体１２とを接続する金属製の柱からなる支持構造１５を配置し、チャンバ内を排気して真空に引いて作動流体を充填する。ＣＰＵユニットなどの発熱源に対して上記セラミック板体をＣＰＵユニットなどのパッケージを構成するセラミック基板の直接接合して熱伝導することにより、両者間の熱膨張係数の差を小さくする。
【選択図】図３

Description

本発明は、板型ヒートパイプの構造及びその製造方法に関し、特に、金属材料とセラミック材料とが接合されて構成されることにより、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱疲労（ｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅ）によってクラック（ｃｒａｃｋ）が発生することを防ぐ板型ヒートパイプの構造及びその製造方法に関する。

半導体技術の進歩に伴い、集積回路の体積は、徐々に縮小されている。また、集積回路がさらに多くのデータを処理できるようにするために、集積回路には、従来より数倍以上の数の演算素子が積載されるようになっている。しかし、集積回路内の演算素子の数が増加することにより、演算素子が稼動するときに発生する熱も多くなる。ＣＰＵを例に挙げると、最大稼動中のＣＰＵから発生する熱は、ＣＰＵ全体を焼損させるのに十分な熱量である。従って、集積回路の放熱装置は、非常に重要である。

電子装置中のＣＰＵユニット及びチップは、発熱源であるため、電子装置が稼動するとき、熱が発生する。ＣＰＵユニット及びチップの外部パッケージは、主に、セラミック材料からなる。セラミック材料は、熱膨張係数が低く、絶縁物質である上、熱膨張係数がチップに近いため、パッケージ材料及び半導体材料として大量に使用されている。

放熱装置は、一般に、アルミニウム材料及び銅材料が放熱構造の材料とされる。また、ファン、ヒートパイプなどの放熱部材が組み合わされることにより、放熱効果が増強される。しかし、ファン及びヒートパイプを採用することにより、放熱装置全体の信頼性が低下してしまう。

一般に、放熱装置は、全体の構造が簡素であるほど、信頼性が高くなる。また、銅の放熱能力よりも優れた材料を放熱構造の材料とすることにより、熱伝導率を直接改善することができる。

また、放熱装置と発熱源との間の熱応力の問題は、製品の信頼性に関わるもう１つの問題である。発熱源（例えば、ＣＰＵ内のチップ）の熱膨張係数が低いため、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）などの熱膨張係数が低いセラミック材料によってチップを封止することにより、製品の信頼性を高めている。

また、例えば、ＬＥＤの放熱に関し、アルミニウム材料及び銅材料の熱膨張係数は、サファイヤ（ｓａｐｐｈｉｒｅ）よりも遥かに高い。そのため、高輝度ＬＥＤを長期間使用した場合、熱疲労により、アルミニウム材料及び銅材料とサファイヤとの接合部分にクラックが発生し、接合面の熱抵抗が上昇してしまう問題が発生しやすい。放熱境界面の熱抵抗が上昇した場合、高輝度ＬＥＤ製品に熱が蓄積することにより、ＬＥＤチップが損傷し、発光体が損壊する虞がある。

従って、発熱源外部のセラミック材料と金属材料からなる放熱装置との接合部分に、熱膨張係数の相違によって発生する熱疲労により、クラックが発生する問題の早急な解決が求められていた。

特開２００５−９５９４４号公報特開２００９−２８３５５９号公報特表２００５−５１０３５７号公報

本発明の主な目的は、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱疲労によってクラックが発生することを防ぐ板型ヒートパイプの構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱疲労によってクラックが発生することを防ぐ板型ヒートパイプの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、本体の板型ヒートパイプの構造であって、前記本体は、金属板体及びセラミック板体から構成され、前記金属板体と前記セラミック板体とが相対向して接合されることにより、その間にチャンバとなる空間が画定され、前記チャンバ内は、ウィック構造、支持構造を設けて作動流体を充填し、前記ウィック構造は、前記チャンバの内壁面に形成され、前記支持構造は、前記金属板体と前記セラミック板体との間で両者に接続されて扁平なチャンバー空間を支持することを特徴とする板型ヒートパイプの構造が提供される。

また、前記ウィック構造は、粉末焼結体、網状体又は複数の溝であることが好ましい。

また、前記セラミック板体は、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムからなることが好ましい。

また、前記支持構造は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、前記セラミック板体と前記金属板体とに接合されることが好ましい。

また、前記支持構造は銅柱であることが好ましい。

また、前記金属板体は、銅材料、アルミニウム材料、ステンレス鋼又は放熱性及び熱伝導性に優れた材料からなることが好ましい。

上記課題を解決するために、本発明の第２の形態によれば、金属板体及びセラミック板体を準備するステップと、前記金属板体及び前記セラミック板体の互いに相対向する側の面に、ウィック構造及び支持構造を設けるステップと、前記金属板体と前記セラミック板体とを相対向して接合してこれ等の間にチャンバーとなる空間を形成した後、チャンバ内を排気して真空にし、次に、前記チャンバ内に作動流体を充填した後、最後に密封して板型ヒートパイプを形成するステップと、からなることを特徴とする板型ヒートパイプの製造方法が提供される。

また、前記支持構造は銅柱であることが好ましい。

また、前記金属板体と前記セラミック板体とを対向接続した後、チャンバを真空にし、次に、前記チャンバ内に作動流体を充填した後、最後に密封して板型ヒートパイプを形成する前記ステップ中、前記金属板体と前記セラミック板体との接合は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合によって行われることが好ましい。

本発明の板型ヒートパイプの構造は、セラミック板体と板型ヒートパイプとが直接接合されて構成される。使用される際、セラミック板体と発熱源外部のセラミック表面とが接合されることにより、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱膨張係数の相違によって発生する熱疲労により、クラックが発生することを防ぐことができる。

本発明の第１実施形態による板型ヒートパイプの構造を示す分解斜視図である。本発明の第１実施形態による板型ヒートパイプの構造を示す斜視図である。本発明の第１実施形態による板型ヒートパイプの構造を示す断面図である。本発明の第２実施形態による板型ヒートパイプの構造を示す断面図である。本発明の第３実施形態による板型ヒートパイプの構造を示す断面図である。本発明の一実施形態による板型ヒートパイプの製造方法を示す流れ図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１〜図３を参照する。図１〜図３に示すように、本発明の第１実施形態による板型ヒートパイプの構造は、本体１を含む。

本体１は、金属板体１１及びセラミック板体１２とから構成される。金属板体１１は、セラミック板体１２と相対向して接合され、金属板体１１とセラミック板体１２との相対向する間にチャンバー１３となる空間が画定される。チャンバ１３内は、ウィック構造１４及び支持構造１５を形成する。ウィック構造１４は、チャンバ１３の内壁面に形成され、支持構造１５は、チャンバーの空間内で金属板体１１とセラミック板体１２との間に配置されて両者を接続して扁平なチャンバー空間を支持する。チャンバ１３内は、作動流体１６を充填する。

ウィック構造１４は、粉末焼結体を例示して説明するが、これのみに限定されない。

セラミック板体１２は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる。

支持構造１５は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合（ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ：ＤＢＣ）によってセラミック板体１２に接合される。

支持構造１５は、銅柱である。金属板体１１は、銅材料、アルミニウム材料、ステンレス鋼又は放熱性及び熱伝導性に優れた材料からなる。

（第２実施形態）
図４を参照する。図４に示すように、本発明の第２実施形態による板型ヒートパイプの構造は、第１実施形態による板型ヒートパイプの構造と一部構造及び接続関係が同一であるため、同一部分についてはここでは繰り返して述べない。本発明の第２実施形態による放熱装置は、ウィック構造１４が網状体である点が第１実施形態と異なる。

（第３実施形態）
図５を参照する。図５に示すように、本発明の第３実施形態による板型ヒートパイプの構造は、第１実施形態による板型ヒートパイプの構造と一部構造及び接続関係が同一であるため、同一部分についてはここでは繰り返して述べない。本発明の第３実施形態による放熱装置は、ウィック構造１４が複数の溝である点が第１実施形態と異なる。

図１〜図６を参照する。図１〜図６に示すように、本発明の一実施形態による板型ヒートパイプの製造方法は、以下のステップＳ１〜Ｓ３からなる。

Ｓ１：金属板体及びセラミック板体を準備する。

Ｓ１において、金属板体１１及びセラミック板体１２を準備する。金属板体１１の金属材料は、銅材料、アルミニウム材料、ステンレス鋼又は放熱性及び熱伝導性に優れた材料である。本実施形態においては、銅材料を例示して説明する。セラミック板体１２のセラミック材料は、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムである。本実施形態においては、酸化アルミニウムを例示して説明する。

Ｓ２：金属板体及びセラミック板体の互いに対向する一方の面にウィック構造及び支持構造を設ける。

Ｓ２において、金属板体１１及びセラミック板体１２の互いに対向する側の面にウィック構造１４及び支持構造１５を設ける。ウィック構造１４は、粉末焼結体、網状体又は複数の溝である。ウィック構造１４に粉末焼結体が選択された場合、焼結により、金属板体１１及びセラミック板体１２上に、粉末焼結体が成形される。

ウィック構造１４が網状体の場合、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、網状体がセラミック板体１２と金属板体１１とに接合される。

ウィック構造１４が複数の溝の場合、予め、機械加工により、金属板体１１及びセラミック板体１２に溝がそれぞれ設けられる。機械加工は、フライス加工、ルータ加工、レーザ切断又はエッチングである。

支持構造１５は、銅柱である。支持構造１５は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、予め、セラミック板体１２に接合されるか、或いは、予め、金属板体１１に接合される。

Ｓ３：金属板体とセラミック板体とを相対向させて接合して、その間にチャンバーとなる空間を形成した後、チャンバ内を排気して真空にする。次に、チャンバ内に作動流体を充填した後、密封して板型ヒートパイプを完成する。

軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、金属板体１１とセラミック板体１２とを対向接続する。次に、チャンバ１３内を真空にする。次に、チャンバ１３内に作動流体１６を充填した後、密封して板型ヒートパイプを形成する。

本発明の板型ヒートパイプの構造は、発熱源と接触して熱が伝導される側の面にセラミック板体１２が配置され、セラミック板体が直接発熱源に接して熱を伝導する。セラミック板体１２の熱膨張係数は、発熱源の外部を封止するセラミックパッケージの熱膨張係数に近いため、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱膨張係数の相違によって発生する熱疲労により、クラックが発生する問題が発生するのを防止することができ、放熱部材の適用範囲を広げることができる。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１本体
１１金属板体
１２セラミック板体
１３チャンバ
１４ウィック構造
１５支持構造
１６作動流体

Claims

本体を備える板型ヒートパイプの構造であって、
前記本体は、金属板体及びセラミック板体から構成し、前記金属板体と前記セラミック板体とを相対向して接合することにより、その間にチャンバとなる空間を画定し、前記チャンバ内壁面にウィック構造を形成し、上記金属板体及びセラミック板体を接続してチャンバ空間を支持する支持構造を配置し、チャンバ内に作動流体を充填したことを特徴とする板型ヒートパイプの構造。
前記ウィック構造は、粉末焼結体、網状体又は複数の溝であることを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの構造。
前記セラミック板体は、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの構造。
前記支持構造は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、前記セラミック板体と前記金属板体とに接合されることを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの構造。
前記支持構造は銅柱であることを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの構造。
前記金属板体は、銅材料、アルミニウム材料、ステンレス鋼又は放熱性及び熱伝導性に優れた材料からなることを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの構造。
金属板体及びセラミック板体を準備するステップと、
前記金属板体及び前記セラミック板体の互いに相対向する側の面に、ウィック構造及び支持構造を設けるステップと、
前記金属板体と前記セラミック板体とを相対向して接合してチャンバとなる空間を形成した後、該チャンバ内を排気して真空にし、次に、前記チャンバ内に作動流体を充填した後、最後に密封して板型ヒートパイプを形成するステップと、を含むことを特徴とする板型ヒートパイプの製造方法。
前記ウィック構造は、粉末焼結体、網状体又は複数の溝であることを特徴とする請求項７に記載の板型ヒートパイプの製造方法。
前記セラミック板体は、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項７に記載の板型ヒートパイプの製造方法。
前記支持構造は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、前記セラミック板体と前記金属板体とに接合されることを特徴とする請求項７に記載の板型ヒートパイプの製造方法。
前記支持構造は銅柱であることを特徴とする請求項７に記載の板型ヒートパイプの製造方法。
前記金属板体と前記セラミック板体とを対向接続した後、チャンバを真空にし、次に、前記チャンバ内に作動流体を充填した後、最後に密封して板型ヒートパイプを形成する前記ステップ中、前記金属板体と前記セラミック板体との接合は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合によって行われることを特徴とする請求項７に記載の板型ヒートパイプの製造方法。