JP2015094490A - 放熱部材とその製造方法および放熱部材を用いた構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなヒートパイプでは、作動液の効率的な循環が重要であり、凝縮した作動液を低温部で滞留させることなくヒートパイプ内の高温部に速やかに分散させるために、例えば、ヒートパイプの内壁面に沿って線条体を配置(特許文献1)したり、ヒートパイプの内壁面を粗化(特許文献2)することが提案されている。
一方、PCやスマートフォンに代表される携帯機器は、年々高機能化され、電子部品からの発熱量が増大傾向にある。特に、携帯機器を動作させるメインの半導体素子は、高機能化に伴って高集積化され、発熱量が増大している。また、電子機器の動作に必要な電力量も増加傾向にあり、電池からの発熱量も増大している。
本発明は上述のような実情に鑑みてなされたものであり、作動液の蒸発、凝縮による循環が良好であるヒートパイプを可能とする放熱部材とその製造方法および構造体を提供することを目的とする。
本発明の他の態様として、前記内壁における前記突出部の先端の位置は、貫通孔の深さ方向の中間から外れているような構成とした。
本発明の他の態様として、粗面化されている前記内壁は、表面粗さRaが1〜3μmの範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、粗面化されている前記内壁は、表面積比が1.5〜2.5の範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記貫通孔の開口部の平面視形状は、内側に屈曲する箇所が2以上存在するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記放熱部材は複数の貫通孔を有し、前記カバー部材の少なくとも一方は、前記本体の複数の前記内部空間を連通するための流路を前記本体との当接面側に有するような構成とした。
本発明の構造体は、内部に存在する密閉空間に作動液を封入することにより、蒸発、凝縮による作動液の良好な循環が得られ、放熱や熱輸送を効率的に行えるヒートパイプ等として機能することができる。また、本体を構成する放熱部材の寸法、形状、積層数の設定により、薄型の構造体が可能であり、PCやスマートフォン等の携帯機器においてヒートパイプとして使用することが可能である。
本発明の放熱部材の製造方法は、貫通孔内に露出している基材の内壁に突出部を形成するとともに、内壁を粗面としながらも、基材の他の部位には粗面化処理が施されないので、放熱部材を拡散接合で積層する際に、良好な接合性が得られる。
尚、図面は模式的または概念的なものであり、各部材の寸法、部材間の大きさの比等は、必ずしも現実のものと同一とは限らず、また、同じ部材等を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。
[放熱部材]
図1は、本発明の放熱部材の一実施形態を説明するための部分断面図である。図1において、放熱部材11は、基材12と、この基材12を貫通する貫通孔14と、を有し、基材12は貫通孔14内の内壁12′が粗面化されているとともに、この内壁12′は貫通孔14へ突出する突出部13を有している。尚、基材12を貫通する貫通孔14は、図示例では、1個であるが、2個以上の貫通孔14を備えるものであってよい。
基材12における貫通孔14内の内壁12′の粗面の状態は、表面粗さRaが1〜3μmの範囲にあることが好ましい。表面粗さRaは、接触式の表面粗さ計や、光干渉式の3次元形状測定器を用いて測定することができる。表面粗さRaが1μm未満であると、内壁12′を粗面とする効果が奏されず、表面粗さRaが3μmを超えると、凝縮した作動液が貫通孔14内の内壁12′に必要以上に滞留して作動液の循環に悪影響が及ぶおそれがある。
上述の図3では、貫通孔14の開口部の平面視形状として、円、楕円を例示したが、本発明では、平面視形状が矩形、多角形であってもよい。さらに、貫通孔14の開口部の平面視形状が、内側に屈曲する箇所を2以上有するものであってもよい。図4は、このような貫通孔14の開口部の平面視形状の一例を示すものであり、図4(A)では、貫通孔14の開口部の平面視形状が2箇所に内側屈曲部位15を有するものである。また、図4(B)では、貫通孔14の開口部の平面視形状が4箇所に内側屈曲部位15を有するものである。このように、貫通孔14の開口部の平面視形状が、内側に屈曲する箇所を2以上有することにより、屈曲する箇所が存在しない場合(例えば、図4(A)、図4(B)に点線で示す状態)に比べ、平面視形状の周長が増加し、貫通孔14内の基材12の内壁12′の面積が増大し、作動液の広がりがより容易となる。内側屈曲部位15を有していない場合の貫通孔14の開口部における周長に対し、内側屈曲部位15を有する場合の貫通孔14の開口部における周長は、1.1倍以上、好ましくは1.6倍以上であることが好適である。尚、図4では、基材12の内壁12′の粗面状態は省略している。
このような本発明の放熱部材11は、貫通孔14内の基材12の内壁12′が粗面化されているとともに、この内壁12′が貫通孔14へ突出する突出部13を有しているので、内壁12′における作動液の適度な滞留、広がりが可能となり、放熱部材11を使用して作製する構造体、ヒートパイプ等において、作動液の蒸発、凝縮による良好な循環が得られる。
上述の実施形態は例示であり、本発明の放熱部材はこれらの実施形態に限定されるものではない。
図5は、本発明の構造体の一実施形態を説明するための部分断面図である。図5において、構造体31は、上述の本発明の放熱部材11を、貫通孔14の位置が一致するように複数(図示例では4個)積層してなり、積層方向(図5に矢印aで示す方向)に沿った内部空間34を有する本体32と、この本体32において内部空間34の開口部が露出する二方の端面32a,32bに、内部空間34を密封するようにそれぞれ配設されたカバー部材35,37と、を備えている。尚、放熱部材11同士の接合面、および、本体32とカバー部材35,37との接合面は、鎖線で示している。以下の実施形態においても同様である。
構造体31を構成するカバー部材35,37は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、真鍮、ニッケル、ニッケル合金、クロム合金、ステンレス鋼等の材質であってよく、熱伝導性の点から特に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等のいずれかであることが好ましく、放熱部材11と同じ材質であることが好適である。図示例では、カバー部材35,37は、本体32が有する内部空間34に対応した位置に凹部35a,37aを有しており、この凹部35a,37aと内部空間34により密閉空間が形成されている。本体32とカバー部材35,37の接合は、例えば、拡散接合により行うことができる。尚、凹部35a,37aのいずれか一方、あるいは、両方の内壁が粗面化されていてもよい。
また、本発明の構造体は、一方のカバー部材に冷却用フィンを有するものであってよい。図6に示される構造体31は、カバー部材35に冷却用フィン36を備えている。このような冷却用フィン36は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、真鍮等の材質であってよく、熱伝導性の点から特に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれかであることが好ましく、カバー部材35と同じ材質であることが好適である。冷却用フィン36の数、形状、厚み、面積、配置ピッチは、材質、構造体の用途等を考慮して適宜設定することができる。
構造体41を構成するカバー部材45,47は、本体42が有する複数の内部空間44に対応した位置に凹部45a,47aを有しており、この凹部45a,47aと内部空間44からなる密閉空間が複数形成されている。本体42とカバー部材45,47の接合は、例えば、拡散接合により行うことができる。カバー部材45,47の材質は、上述のカバー部材35,37と同様とすることができる。尚、凹部45a,47aのいずれか一方、あるいは、両方の内壁が粗面化されていてもよい。また、一方のカバー部材、例えば、カバー部材45に冷却用フィンを有するものであってもよい。
構造体51を構成するカバー部材55,57は、本体52が有する複数の内部空間54を連通するための流路55A,57Aを、本体52の端面52a,52bとの当接面側に有している。すなわち、カバー部材55,57は、本体52の端面52a,52bに対応する形状の基部55a、57aにピラー部55c,57cを介して蓋部55b,57bが接合された構造であり、基部55a、57aと蓋部55b,57bとの間が流路55A,57Aを構成している。これにより、流路55A,57Aと複数の内部空間54からなる密閉空間が形成され、各内部空間54は流路55A,57Aを介して連通した状態となっている。
このような本発明の構造体は、内部に存在する密閉空間に作動液を封入することにより、蒸発、凝縮による作動液の良好な循環が得られ、放熱や熱輸送を効率的に行えるヒートパイプ等として機能することができる。また、本体を構成する放熱部材の寸法、形状、積層数の設定により、薄型の構造体が可能であり、PCやスマートフォン等の携帯機器においてヒートパイプとして使用することが可能である。
上述の実施形態は例示であり、本発明の構造体はこれらの実施形態に限定されるものではない。
図9は、本発明の放熱部材の製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。この図9では、上述の本発明の放熱部材11の作製を例として説明する。
本発明の製造方法は、基材12の両面12a,12bに、所望の開口部21a,22aを有するレジスト層21,22を形成する(図9(A))。
基材12は、上述のように、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、真鍮等の材質であってよい。
レジスト層21,22は、例えば、基材12上に感光性レジストを塗布した後、所望のマスクを介して露光し、現像することにより形成することができる。また、感光性ドライフィルムを基材12にラミネートした後、所望のマスクを介して露光し、現像することにより形成することもできる。このレジスト層21,22は、基材12を介して対向する開口部21a,22aが一致するように形成することが好ましい。また、レジスト層21,22の開口部21a,22aの寸法は、形成する貫通孔14の開口寸法Wa,Wbを決定するために、適宜調節することができる。
次に、レジスト層21,22を介して基材12を両面から同時にエッチングして貫通孔14を形成する(図9(B))。この基材12のエッチングは、浸漬方式、スプレー方式等のウエットエッチングとする。このようにエッチングされた基材12の内壁12′には、貫通孔14へ突出する突出部13が形成されている。
その後、レジスト層21,22を除去することにより、本発明の放熱部材11が得られる(図9(D))。
本発明の製造方法は、基材12の両面12a,12bに、所望の開口部21a,22aを有するレジスト層21,22を形成し、その後、レジスト層22を被覆するように基材12の面12bにエッチングバリア層23を形成する(図10(A))。レジスト層21,22の形成は、上述の製造方法と同様とすることができる。エッチングバリア層23は、後工程における基材12のエッチング処理に対するバリア性を有するとともに、レジスト層22を残存させたままで除去可能な材料により形成することができ、例えば、(株)スミロン製 ECシリーズ等を用いて形成することができる。
次に、一方のレジスト層21を介して基材12の面12a側から所望の深さまでエッチングして孔部14aを形成する(図10(B))。この基材12のエッチングは、浸漬方式、スプレー方式等のウエットエッチングとする。
次に、孔部14aが形成された基材12の面12aにレジスト層21を被覆するようにエッチングバリア層24を形成するとともに、基材12の面12bに形成したエッチングバリア層23を除去してレジスト層22を露出させる。このエッチングバリア層24は、上述のエッチングバリア層23と同様とすることができる。
次いで、エッチングバリア層24を除去することにより、上記の孔部14aと孔部14bが連通してなる貫通孔14が得られ、このようにエッチングされた基材12の内壁12′には、貫通孔14へ突出する突出部13が形成されている(図10(D))。上記のように、孔部14bの形成において、エッチング液が孔部14a内に侵入することが防止されているので、先端13aを丸めるようなエッチングが抑制され、これにより、突出部13の先端13aはシャープな形状となる。また、上記の孔部14aの形成深さを調整することにより、貫通孔14の深さ方向における突出部13の先端13aの位置を制御することができる。
このような本発明の放熱部材の製造方法は、貫通孔内に露出している基材の内壁に突出部を形成するとともに、内壁を粗面としながらも、基材の他の部位には粗面化処理が施されないので、放熱部材を拡散接合で積層する際に、良好な接合性が得られる。
上述の実施形態は例示であり、本発明の放熱部材の製造方法はこれらの実施形態に限定されるものではない。
(試料1の作製)
厚み150μmの無酸素銅の基材(300mm×300mm)を準備した。
この基材の両面に感光性ドライフィルム(旭化成(株)製) AQ−2558)をラミネートした後、所望のマスクを介して露光し、現像することによりレジスト層を形成した。形成したレジスト層は、直径200μmの円形の開口部を、500μmピッチで格子形状の各交点に位置するように40000個有するものであった。また、各レジスト層の開口部は、基材を介して対向する位置にあった。
次に、エッチング液として塩化第二鉄溶液を用いてスプレーエッチングにより、レジスト層を介して基材を両面から同時にエッチングして貫通孔を形成した。
次いで、レジスト層を残した状態で、貫通孔に露出している基材の内壁に粗面化処理を施した。この粗面化の処理液は、メック(株)製 メックエッチボンドCZを使用した。
この放熱部材(試料1)の貫通孔に露出する基材の内壁には、貫通孔内へ突出する突出部が形成されており、この突出部の先端の位置は、貫通孔の深さ方向の中間にあった。
また、この放熱部材(試料1)の断面形状を2次元形状測定器((株)ニコン製CNC画像測定システムNEXI)を用いて観察し、突出部の先端が存在する部位における貫通孔の開口寸法W、基材の一方の表面における貫通孔の開口寸法Wa、基材の他方の表面における貫通孔の開口寸法Wb(W,Wa,Wbは図1、図3(A)を参照)を測定した結果、開口寸法Wは200μm、開口寸法Wa=Wbは250μmであった。したがって、開口寸法Wa,Wbと開口寸法Wとの差(Wa−W、Wb−W)は50μmであった。
さらに、作製した放熱部材(試料1)の貫通孔に露出する基材の内壁の粗面について、表面粗さRaを、光干渉式の3次元形状測定器(菱化システム(株)製 バートスキャンR3300H Lite)を用いて測定した結果、2μmであった。また、内壁の粗面における表面積比を上記の光干渉式の3次元形状測定器を用いて測定した結果、表面積比は、S−Raitoという名称で算出され、2であった。
基材に貫通孔を形成するエッチング時の条件(温度およびボーメ)を変更することにより、開口寸法Wa,Wbと開口寸法Wとの差(Wa−W、Wb−W)が下記の表1に示すような値となるようにした他は、上記の試料1と同様にして、4種の放熱部材(試料2〜試料5)を作製した。
(試料6〜試料9の作製)
貫通孔に露出している基材の内壁に粗面化処理を施す際の条件(処理液の温度および処理時間)を変更することにより、基材の内壁粗面の表面粗さRa、表面積比が下記の表1に示すような値となるようにした他は、上記の試料1と同様にして、4種の放熱部材(試料6〜試料9)を作製した。
基材の一方の表面における貫通孔の開口寸法Wa、基材の他方の表面における貫通孔の開口寸法Wbを、直径250μmの円形に代えて、直径250μmの円形に図4(A)に示されるような2箇所の内側屈曲部位を有する形状とした他は、上記の試料1と同様にして、放熱部材(試料10)を作製した。円形状の開口部における周長に対し、内側屈曲部位を有する開口部における周長は、1.6倍であった。
(試料11の作製)
貫通孔に露出している基材の内壁に粗面化処理を施さない他は、上記の試料1と同様にして、放熱部材(試料11)を作製した。
試料1〜試料11の放熱部材を用いて、11種の評価用の構造体を作製した。すなわち、20個の放熱部材を下記の測定用ブロックの大きさに合わせた寸法に加工し、貫通孔の位置が一致するように積層し、拡散接合により一体化して本体を作製し、この本体の一方の端面に拡散接合によりカバー部材を接合し、本体の内部空間内に作動液として純水を投入し、直ちに本体の他方の端面に拡散接合によりカバー部材を接合して内部空間を密封し、評価用の構造体とした。
次に、100mm×100mm、高さ20mmの銅製の測定用ブロックを準備し、このブロック全体を均一に60℃に加熱し、上面を除く周囲を断熱材で覆い、露出する上面に評価用の構造体の一方のカバー部材側を伝熱性接着剤で固定し、20℃の大気中に放置して3分間経過後のブロックの温度を測定し、下記の表1に記載した。尚、ブロックの温度はブロックの重心位置の温度であり、測定用の孔に熱電対を設置して測定した。
試料10は、貫通孔の内壁の表面粗さと表面積比は試料1〜試料5と同じであるが、貫通孔の平面視形状が図4(A)に示されるような2箇所の内側屈曲部位を有し、開口寸法Wa,Wbと開口寸法Wとの差がそれぞれ100μmの場合であるが、試料1〜試料3と同様に十分に高い放熱効果が得られた。
12…基材
12′…内壁
13…突出部
13a…突出部の先端
14…貫通孔
31,41,51…構造体
32,42,52…本体
34,44,54…内部空間
35,37,45,47,55,57…カバー部材
36…放冷用フィン
55A,57A…流路
Claims (12)
- 基材と、該基材を貫通する少なくとも1個の貫通孔と、を有し、前記基材は前記貫通孔内の内壁が粗面化されているとともに、該内壁が前記貫通孔内へ突出する突出部を有することを特徴とする放熱部材。
- 前記内壁における前記突出部の先端の位置は、貫通孔の深さ方向の中間にあることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 前記内壁における前記突出部の先端の位置は、貫通孔の深さ方向の中間から外れていることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 粗面化されている前記内壁は、表面粗さRaが1〜3μmの範囲であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の放熱部材。
- 粗面化されている前記内壁は、表面積比が1.5〜2.5の範囲であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の放熱部材。
- 前記貫通孔の開口部の平面視形状は、内側に屈曲する箇所が2以上存在することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の放熱部材。
- 基材の両面に所望の開口部を有するレジスト層を形成する工程と、
前記レジスト層を介して前記基材を両面から同時にエッチングして貫通孔を形成する工程と、
前記レジスト層を残した状態で前記貫通孔内に露出している前記基材の内壁に粗面化処理を施す工程と、
前記レジスト層を除去する工程と、を有することを特徴とする放熱部材の製造方法。 - 基材の両面に所望の開口部を有するレジスト層を形成する工程と、
一方の前記レジスト層を介して前記基材を所望の深さまでエッチングした後、他方の前記レジスト層を介して前記基材をエッチングして貫通孔を形成する工程と、
前記レジスト層を残した状態で前記貫通孔内に露出している前記基材の内壁に粗面化処理を施す工程と、
前記レジスト層を除去する工程と、を有することを特徴とする放熱部材の製造方法。 - 前記粗面化処理は、前記内壁の表面粗さRaが1〜3μmの範囲、表面積比が1.5〜2.5の範囲となるように施すことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の放熱部材の製造方法。
- 請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の放熱部材を、前記貫通孔の位置が一致するように複数積層してなり積層方向に沿った内部空間を有する本体と、
該本体において前記内部空間の開口部が露出する二方の端面に、前記内部空間を密封するようにそれぞれ配設されたカバー部材と、を備えることを特徴とする構造体。 - 前記カバー部材の一方は、放冷用フィンを有することを特徴とする請求項10に記載の構造体。
- 前記放熱部材は複数の貫通孔を有し、前記カバー部材の少なくとも一方は、前記本体の複数の前記内部空間を連通するための流路を前記本体との当接面側に有することを特徴とする請求項10または請求項11に記載の構造体。
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