JP2021131213A - 熱伝導部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型で熱輸送効率の高いウィック構造体を有する熱伝導部材と、その製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、熱伝導部材１は、作動媒体２と、作動媒体を輸送する多孔質のウィック構造体３と、を収容する筐体１ａを備える。ウィック構造体は、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さを有し、かつ、５１％以上８０％以下の空隙率を有する。このため、薄型で熱輸送効率の高いウィック構造体を有する熱伝導部材を実現することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱伝導部材およびその製造方法に関する。

従来から、熱伝導部材としてのヒートパイプが提案されている。ヒートパイプの内部には、水などの作動媒体と、ウィック構造体とが封入される。ヒートパイプが発熱体と接して配置されると、内部の作動媒体が発熱体によって加熱されて気化する。気化した蒸気は、ヒートパイプの内部を放熱側に移動する。放熱側では、放熱によって蒸気が冷却され、液化する。液体となった作動媒体は、毛細管現象によってウィック構造体中を発熱体側に移動する。このような作動媒体の移動により、発熱体側から放熱側に熱が輸送される。

上記のウィック構造体は、例えば金属ペーストを加熱して、金属ペーストに含まれる金属同士を接合することによって形成される（例えば、特許文献１）。

国際公開ＷＯ２０１７／０５６８４２号

近年では、電子機器の薄型化に伴い、電子機器に適用される熱伝導部材についても薄型化が要求されている。熱伝導部材を薄型化するためには、熱伝導部材の筐体に収容されるウィック構造体を薄型化することが必要となる。ウィック構造体を薄型化すると、ウィック構造体において熱を輸送する作動媒体の流路を確保することが困難となる。その結果、熱の輸送効率が低下するおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑み、薄型で熱輸送効率の高いウィック構造体を有する熱伝導部材と、その製造方法とを提供することを目的とする。

本発明の例示的な熱伝導部材は、作動媒体と、前記作動媒体を輸送する多孔質のウィック構造体と、を収容する筐体を備える熱伝導部材であって、前記ウィック構造体は、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さを有し、かつ、５１％以上８０％以下の空隙率を有する。

本発明の例示的な熱伝導部材の製造方法は、金属粒子と、揮発性の樹脂と、を含む金属ペーストを、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さで第１金属板上に塗布する塗布工程と、前記金属ペーストを前記第１金属板とともに加熱炉に配置して加熱することにより、前記第１金属板上に多孔質のウィック構造体を形成する金属ペースト加熱工程と、前記第１金属板上の前記ウィック構造体を作動媒体とともに封止する封止工程と、を含み、前記金属ペースト加熱工程では、前記加熱炉での加熱によって、前記金属ペーストに含まれる前記樹脂を揮発させるとともに、前記金属粒子の一部を焼結させることにより、５１％以上８０％以下の空隙率を有する前記ウィック構造体を形成する。

本発明によると、薄型で熱輸送効率の高いウィック構造体を有する熱伝導部材を実現することができる。

図１は、本発明の一実施形態の熱伝導部材としてのベーパーチャンバーの概略の構成を示す断面図である。 図２は、ベーパーチャンバーが備えるウィック構造体の構造を模式的に示す断面図である。 図３は、ウィック構造体の形成に用いられる金属ペーストを模式的に示す断面図である。 図４は、ベーパーチャンバーの製造工程の流れを示すフローチャートである。 図５は、ベーパーチャンバーの各製造工程を示す断面図である。 図６は、ウィック構造体の異なる厚みのそれぞれについて、空隙率と、熱輸送効率を評価する指標となる、加熱部と放熱部との間での温度差との関係を示すグラフである。 図７は、ウィック構造体に含まれるマイクロ銅粒子の粒径と粒子数との関係を示すグラフである。 図８は、熱伝導部材の変形例であるヒートパイプの概略の構成を示す断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態に係る熱伝導部材としてのベーパーチャンバー１について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面においては、適宜、３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、鉛直方向（すなわち上下方向）を示し、＋Ｚ方向が上側（重力方向の反対側）であり、−Ｚ方向が下側（重力方向）である。Ｚ軸方向は、後述する第１金属板４と第２金属板５との対向方向でもある。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ＋Ｘ方向および−Ｘ方向とする。Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の両方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ＋Ｙ方向および−Ｙ方向とする。

本明細書において、粒子の「粒径」とは、粒子の最大外径を指す。例えば、粒子が球形である場合、粒子の最大外径である粒子の直径が「粒径」となる。一方、粒子が球形以外の形状である場合、粒子の外径は方向によって変化する。この場合、各方向について得られる外径のうちで最大となる外径が、粒子の「粒径」となる。

本明細書において、「焼結」とは、金属の粉末または上記金属を含むペーストを、上記金属の融点よりも低い温度まで加熱して、上記金属の粒子を焼き固める技術を指す。そして、「焼結体」とは、焼結によって得られる物体を指す。

（１．ベーパーチャンバーの構成）
図１は、一実施形態のベーパーチャンバー１の概略の構成を示す断面図である。ベーパーチャンバー１は、発熱体Ｈの熱を輸送する熱伝導部材である。発熱体Ｈとしては、例えば、熱を発する電子部品またはその電子部品を搭載する基板が考えられる。発熱体Ｈは、ベーパーチャンバー１による熱の輸送によって冷却される。このようなベーパーチャンバー１は、例えば、スマートフォン、ノート型パーソナルコンピュータなどの、発熱体Ｈを有する電子機器に搭載される。

ベーパーチャンバー１は、被加熱部１０１と、放熱部１０２と、を備える。被加熱部１０１は、例えば発熱体Ｈと接して配置され、発熱体Ｈが発する熱によって加熱される。放熱部１０２は、被加熱部１０１で加熱された後述の作動媒体２が有する熱を外部に放出する。

ベーパーチャンバー１は筐体１ａを備える。筐体１ａの一部は、被加熱部１０１に含まれる。筐体１ａの他の一部は、放熱部１０２に含まれる。

筐体１ａは内部空間１ｂを有する。内部空間１ｂは密閉空間であり、例えば大気圧よりも気圧が低い減圧状態に維持される。内部空間１ｂが減圧状態であることにより、内部空間１ｂに収容される作動媒体２が蒸発しやすくなる。筐体１ａのＺ軸方向の厚みは、例えば１００μｍ以上１０００μｍ以下である。

筐体１ａの内部空間１ｂには、作動媒体２と、ウィック構造体３とが収容される。作動媒体２は例えば水であるが、アルコールなどの他の液体であってもよい。ウィック構造体３は、作動媒体２を輸送する多孔質の銅の焼結体で構成される。

すなわち、熱伝導部材としてのベーパーチャンバー１は、作動媒体２と、作動媒体２を輸送する多孔質のウィック構造体３と、を収容する筐体１ａを備える。なお、ウィック構造体３の詳細については後述する。

筐体１ａは第１金属板４を有する。第１金属板４は、ウィック構造体３を−Ｚ方向側から支持する。すなわち、筐体１ａは、ウィック構造体３を支持する第１金属板４を有する。本実施形態では、第１金属板４は銅である。なお、第１金属板４は、銅以外の金属の表面に銅メッキを施して形成されてもよい。銅以外の金属としては、例えばステンレス鋼が考えられる。第１金属板４は、図１では−Ｚ方向に凹む凹形状で形成されているが、単なる平板であってもよい。

筐体１ａは第２金属板５をさらに有する。第２金属板５は、Ｚ軸方向において第１金属板４と対向して位置する。より詳しくは、第２金属板５は、第１金属板４に対して＋Ｚ方向側に位置し、第１金属板４上のウィック構造体３を＋Ｚ方向側から覆う。すなわち、筐体１ａは、第１金属板４と対向して位置し、ウィック構造体３を覆う第２金属板５を有する。

第２金属板５は、第１金属板４と同じ金属材料で構成される。したがって、第１金属板４が銅である場合は、第２金属板５も銅で構成される。また、第１金属板４がステンレス鋼の表面に銅メッキを施した金属板で構成される場合は、第２金属板５もステンレス鋼の表面に銅メッキを施した金属板で構成される。

第２金属板５は複数のリブ５ａを有する。リブ５ａは、第２金属板５の−Ｚ方向側の面から−Ｚ方向側に延びてウィック構造体３と接触する。このようなリブ５ａは、例えば＋Ｚ方向から見て円形の円柱で構成される。また、リブ５ａは、ＸＹ方向において２次元的に、かつ、規則的に並んで位置する。Ｚ軸方向においてリブ５ａがウィック構造体３と接触することにより、筐体１ａのＺ軸方向の厚みが一定に保たれる。なお、第２金属板５とリブ５ａとは、一体であってもよいし、別体であってもよい。

筐体１ａは接合部６をさらに有する。接合部６は、第１金属板４と第２金属板５とをそれぞれの外縁でつなぎ合わせる接合構造である。接合部６は、＋Ｚ方向側から見てウィック構造体３の周囲に位置して、第１金属板４と第２金属板５とを接合する。したがって、接合部６は、Ｚ軸方向に垂直なＸ軸方向およびＹ軸方向において、ウィック構造体３を挟んで位置する。すなわち、筐体１ａは、第１金属板４と第２金属板５とをつなぎ合わせる接合部６を有する。接合部６は、第１金属板４と第２金属板５との対向方向に垂直な方向において、ウィック構造体３を挟んで位置する。

第１金属板４と第２金属板５との接合方法は、特に限定されない。例えば、ホットプレス、拡散接合、ろう材を用いた接合、などのいずれの接合方法であってもよい。

なお、ホットプレスおよび拡散接合は、いずれも加熱および加圧によって２つの部材を接合する方法であるが、以下の点で互いに区別される。拡散接合では、例えば数時間の加熱および加圧により、２つの部材の接合界面付近の原子または粒子を拡散させて、２つの部材を接合する。

これに対して、ホットプレスでは、拡散接合よりも低温および短時間での加熱および加圧により、２つの部材の接合界面付近の一部の原子または粒子のみを拡散させて、２つの部材を接合する。

原子または粒子の拡散度合いの違いにより、拡散接合では、接合界面自体が消滅する。一方、ホットプレスでは、接合界面の一部が消滅し、残りがそのまま維持される。したがって、拡散接合によって形成された接合部６と、ホットプレスによって形成された接合部６とでは、接合界面付近の接合構造が互いに異なる。また、加熱および加圧の時間の相違により、ホットプレスのほうが拡散接合よりも製造のタクトタイムが短くなる。

なお、接合部６は、封止部を含んでいてもよい。封止部は、例えばベーパーチャンバー１の製造過程において、作動媒体２を筐体１ａ内に注入するための注入口を溶接によって封止した箇所である。

上記の構成のベーパーチャンバー１では、発熱体Ｈで発生した熱により、被加熱部１０１が加熱される。被加熱部１０１の温度が上昇すると、筐体１ａの内部空間１ｂに収容された作動媒体２が気化する。気化した蒸気は、ベーパーチャンバー１の内部を放熱部１０２側に移動する。放熱部１０２では、放熱によって蒸気が冷却されて液化する。液化した作動媒体２は、毛細管現象によってウィック構造体３中を被加熱部１０１に向かって移動する。なお、図１では、作動媒体２が気化した蒸気の流れを黒矢印で示し、液体の作動媒体２の流れを白抜き矢印で示す。上記のように作動媒体２が状態変化を伴いながら移動することにより、被加熱部１０１側から放熱部１０２側への熱の輸送が連続的に行われる。

（２．ウィック構造体の詳細）
次に、上記のウィック構造体３の詳細について説明する。図２は、ウィック構造体３の構造を模式的に示す断面図である。また、図３は、ウィック構造体３の形成に用いられる金属ペースト３０を模式的に示す断面図である。なお、図２および図３の断面は、任意の断面、つまり、Ｙ軸方向の任意の位置での断面である。

ウィック構造体３は、複数のマイクロ銅粒子３１と、銅体３２と、を含む。マイクロ銅粒子３１は、複数の銅原子が凝集または結合した粒子である。マイクロ銅粒子３１の粒径は、１μｍ以上１ｍｍ未満である。マイクロ銅粒子３１は例えば多孔質であり、内部に空隙となる孔部３１ｐを有する。なお、図２では、マイクロ銅粒子３１と銅体３２とを明確に区別する目的で、便宜的に、マイクロ銅粒子３１をハッチングなしで図示する。

銅体３２は、図３に示すサブマイクロ銅粒子３２ａが焼結により溶融して固まった銅溶融体である。上記のサブマイクロ銅粒子３２ａは、複数の銅原子が凝集または結合した粒子である。溶融前のサブマイクロ銅粒子３２ａの粒径は、０．１μｍ以上１μｍ未満である。銅体３２は、複数のマイクロ銅粒子３１の周囲に位置する。

銅体３２は、第１銅粒子連結部３２１と、第２銅粒子連結部３２２と、を含む。第１銅粒子連結部３２１は、隣り合うマイクロ銅粒子３１同士を、１μｍ未満の距離で連結する。このような第１銅粒子連結部３２１は、隣り合うマイクロ銅粒子３１の間に位置してこれらと接触するサブマイクロ銅粒子３２ａを焼結させることにより形成される。

つまり、溶融前のサブマイクロ銅粒子３２ａの粒径は上記のように１μｍ未満である。したがって、隣り合うマイクロ銅粒子３１の間に位置するサブマイクロ銅粒子３２ａが溶融して焼き固められると、第１銅粒子連結部３２１による隣り合うマイクロ銅粒子３１の連結距離は１μｍ未満となる。

すなわち、ウィック構造体３は、１μｍ以上の粒径を有する複数のマイクロ銅粒子３１と、複数のマイクロ銅粒子３１の周囲に位置する銅体３２と、を含む。銅体３２は、隣り合うマイクロ銅粒子３１同士を、１μｍ未満の距離で連結する第１銅粒子連結部３２１を含む。ウィック構造体３において、マイクロ銅粒子３１は、第１銅粒子連結部３２１を介して網目状につながる。

第２銅粒子連結部３２２は、複数のマイクロ銅粒子３１の一部と第１金属板４とを、１μｍ未満の距離で連結する。なお、複数のマイクロ銅粒子３１の一部としては、例えば複数のマイクロ銅粒子３１の中で、第１金属板４と１μｍ未満の距離で対向する位置にあるマイクロ銅粒子３１が考えられる。

このような第２銅粒子連結部３２２は、マイクロ銅粒子３１と第１金属板４との間に位置するサブマイクロ銅粒子３２ａを焼結させることにより形成される。つまり、サブマイクロ銅粒子３２ａの粒径は上記のように１μｍ未満である。したがって、マイクロ銅粒子３１と第１金属板４との間に位置するサブマイクロ銅粒子３２ａが溶融して焼き固められると、第２銅粒子連結部３２２によるマイクロ銅粒子３１と第１金属板４との連結距離は１μｍ未満となる。

すなわち、銅体３２は、第１銅粒子連結部３２１に加えて、第２銅粒子連結部３２２をさらに含む。第２銅粒子連結部３２２は、複数のマイクロ銅粒子３１の一部と第１金属板４とを、１μｍ未満の距離で連結する。

ウィック構造体３は空隙部ＳＰをさらに含む。空隙部ＳＰは、上述したマイクロ銅粒子３１の孔部３１ｐとともに、作動媒体２の流路を形成する空間である。ウィック構造体３において、上述したマイクロ銅粒子３１および銅体３２のほかに、孔部３１ｐおよび空隙部ＳＰが存在することにより、多孔質状のウィック構造体３が構成される。ウィック構造体３のＺ軸方向の厚みは、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である。したがって、ウィック構造体３は薄型である。

ここで、ウィック構造体３の全体積に対する空間の体積の割合を、空隙率と呼ぶ。空隙率の単位は％である。上記空間は、孔部３１ｐおよび空隙部ＳＰを含む。空隙率は以下の方法によって求められる。例えば、ウィック構造体３の断面写真から、空間の面積を測定し、空間の面積が全体に占める割合を算出することにより、空隙率を求めることができる。ウィック構造体３の断面の観察においては、被写界深度の深い走査型電子顕微鏡を用いることが好ましい。なお、断面の観察の方法は、金属部分と空間とを容易に判別できる方法であればよく、特に限定されない。また。断面の観察範囲は、少なくともウィック構造体３の厚み方向には全体の断面をカバーし、かつ、金属部分と空間とを判別できる視野範囲であることが好ましい。具体的には、断面の観察範囲は、断面の最大径として２００μｍ以上１０００μｍ以下をカバーする角度範囲である。また、観察写真に基づく空隙率の算出には、グレースケール画像の二値化により金属部分と空間とを分画して、各部の面積計算を行うことができる画像解析ソフトウェアを用いることが好ましい。

また、空隙率は、以下の計算によっても求められる。すなわち、ウィック構造体３の全体積をＶ０ｃｍ³とする。ウィック構造体３に含まれる銅の体積をＶ１ｃｍ³とする。ウィック構造体３に含まれる空間の体積をＶ２ｃｍ³とする。この場合、Ｖ０＝Ｖ１＋Ｖ２である。また、空隙率をＰとすると、Ｐ＝Ｖ２／Ｖ０＝（Ｖ０−Ｖ１）／Ｖ０＝１−（Ｖ１／Ｖ０）である。ここで、Ｖ１＝（銅の質量）／（銅の密度）＝（ウィック構造体の質量）／（銅の密度）である。銅の密度は既知であり、８．９６ｇ／ｃｍ³である。なお、質量の単位はｇである。ウィック構造体３の質量および全体積Ｖ０については、測定または計算によって求めることができる。よって、Ｐ＝１−（Ｖ１／Ｖ０）より、ウィック構造体３の空隙率Ｐを求めることができる。

なお、ウィック構造体３の空隙率Ｐの詳細については後述する。

（３．金属ペーストの詳細）
次に、ウィック構造体３の形成に用いる金属ペースト３０の詳細について説明する。金属ペースト３０は、図３に示すように、上記したマイクロ銅粒子３１およびサブマイクロ銅粒子３２ａに加えて、樹脂３３をさらに含む。

樹脂３３は、マイクロ銅粒子３１および銅体３２を構成する銅の融点以下の温度で揮発する揮発性の樹脂である。このような揮発性の樹脂としては、例えば、メチルセルロース、エチルセルロースなどのセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを用いることができる。これらの中では、熱分解性の高いアクリル樹脂を用いることが好ましい。

金属ペースト３０は、樹脂３３を溶解する分散媒をさらに含む。分散媒としては、例えば、炭化水素系溶剤、環状エーテル系溶剤、ケトン系溶剤、アルコール系化合物、多価アルコールのエステル系溶剤、多価アルコールのエーテル系溶剤、テルペン系溶剤、およびこれらの混合物、などを用いることができる。これらの中では、例えば沸点が２００℃近傍にあるテキサノール、テルピネオールを好ましく用いることができる。

マイクロ銅粒子３１およびサブマイクロ銅粒子３２ａの粒径、金属ペースト３０に含まれる各成分の配合比または重量比、などは、ウィック構造体３の所望の空隙率が得られるように適宜設定されればよい。

（４．ベーパーチャンバーの製造方法）
次に、本実施形態のベーパーチャンバー１の製造方法について説明する。図４は、ベーパーチャンバー１の製造工程の流れを示すフローチャートである。図５は、ベーパーチャンバー１の各製造工程を示す断面図である。なお、図４において、Ｓはスタートを示し、Ｅはエンドを示す。ベーパーチャンバー１の製造方法は、塗布工程Ｓ１と、金属ペースト加熱工程Ｓ２と、封止工程Ｓ３と、を含む。

（４−１．塗布工程）
塗布工程Ｓ１では、金属ペースト３０を、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さで第１金属板４上に塗布する。金属ペースト３０は、金属粒子と、樹脂３３と、分散媒と、を含む。ここで、金属粒子は、上述した複数のマイクロ銅粒子３１と、複数のサブマイクロ銅粒子３２ａと、を含む。すなわち、ベーパーチャンバー１の製造方法は、金属粒子と、揮発性の樹脂と、を含む金属ペーストを、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さで第１金属板上に塗布する塗布工程Ｓ１を含む。また、金属ペーストは、上記金属粒子として、１μｍ以上の粒径を有する複数のマイクロ銅粒子３１と、１μｍ未満の粒径を有する複数のサブマイクロ銅粒子３２ａと、を含む。

（４−２．金属ペースト加熱工程）
金属ペースト加熱工程Ｓ２では、塗布工程Ｓ１で第１金属板４上に塗布した金属ペースト３０を、第１金属板４とともに加熱炉に入れて加熱する。このときの加熱温度は、例えば４００℃であり、加熱時間は例えば１時間である。金属ペースト３０の加熱により、金属ペースト３０に含まれる樹脂３３が揮発するとともに、サブマイクロ銅粒子３２ａが焼結によって溶融し、焼き固められる。この結果、第１銅粒子連結部３２１および第２銅粒子連結部３２２を含む多孔質のウィック構造体３が形成される。なお、マイクロ銅粒子３１はサブマイクロ銅粒子３２ａよりも粒径が大きいため、サブマイクロ銅粒子３２ａよりも溶融が遅い。そのため、マイクロ銅粒子３１は粒子の形状で残る。

すなわち、ベーパーチャンバー１の製造方法は、金属ペースト３０を第１金属板４とともに加熱炉に配置して加熱することにより、第１金属板４上に多孔質のウィック構造体３を形成する金属ペースト加熱工程Ｓ２を含む。

また、金属ペースト加熱工程Ｓ２では、加熱炉での加熱によって、サブマイクロ銅粒子３２ａを焼結させることにより、隣り合うマイクロ銅粒子３１同士を１μｍ未満の距離で連結する第１銅粒子連結部３２１を含むウィック構造体３を形成する。

さらに、金属ペースト加熱工程Ｓ２では、サブマイクロ銅粒子３２ａを焼結させることにより、複数のマイクロ銅粒子３１の一部と第１金属板４とを１μｍ未満の距離で連結する第２銅粒子連結部３２２をさらに含むウィック構造体３を形成する。

ここで、加熱炉での加熱温度は、金属ペースト３０に含まれるサブマイクロ銅粒子３２ａが溶融する温度以上であればよい。サブマイクロ銅粒子３２ａは４００℃以上の温度で溶融することがわかっている。一方、銅の融点は約１０８５℃である。銅の融点近くまで金属ペースト３０を加熱すると、マイクロ銅粒子３１も溶融して、図２で示した構造のウィック構造体３を得ることが困難となるおそれがある。このため、金属ペースト加熱工程Ｓ２では、金属ペースト３０を４００℃以上６００℃以下の温度で加熱することが望ましい。特に、金属ペースト加熱工程Ｓ２では、金属ペースト３０を４００℃以上のできるだけ低い温度で加熱することが望ましい。

（４−３．封止工程）
封止工程Ｓ３では、ウィック構造体３と作動媒体２とを封止する。これにより、ベーパーチャンバー１が完成する。すなわち、ベーパーチャンバー１の製造方法は、第１金属板４上のウィック構造体３を作動媒体２とともに封止する封止工程Ｓ３を含む。

ここで、封止工程Ｓ３は、配置工程Ｓ３１と、接合工程Ｓ３２と、を含む。配置工程Ｓ３１では、第１金属板４と対向して第２金属板５を配置する。このとき、第２金属板５は、第１金属板４上のウィック構造体３を覆う位置に配置される。接合工程Ｓ３２では、＋Ｚ方向から見てウィック構造体３の周囲の位置で、第１金属板４と第２金属板５とをつなぎ合わせて接合部６を形成する。この結果、接合部６は、Ｚ軸方向に垂直なＸ軸方向およびＹ軸方向において、ウィック構造体３を挟んで位置する。

接合工程Ｓ３２におけるつなぎ合わせは、例えばホットプレスによって行われる。ホットプレスでの加熱時間は、例えば６５０℃であり、加熱および加圧の処理時間は、例えば３０秒程度である。なお、接合工程Ｓ３２は、拡散接合やろう付けによって行われてもよい。また、接合工程Ｓ３２では、作動媒体２の注入後、溶接によって注入口を封止する工程も行われる。

すなわち、封止工程Ｓ３は、ウィック構造体３を覆う第２金属板５を、第１金属板４と対向して配置する配置工程Ｓ３１と、第１金属板４と第２金属板５とをつなぎ合わせる接合工程Ｓ３２と、を有する。接合工程Ｓ３２では、第１金属板４と第２金属板５との対向方向に垂直な方向において、ウィック構造体３を挟む位置で、第１金属板４と第２金属板５とをつなぎ合わせる。

（５．空隙率の設定について）
次に、ウィック構造体３の空隙率について説明する。ウィック構造体３の空隙率は、上述したように、金属ペースト３０に含まれる各金属粒子の粒径、各成分の配合比などを調整することによって設定される。例えば、以下の配合比で各成分を有する金属ペーストＡ〜Ｃを用い、上述の方法で各金属ペーストＡ〜Ｃを加熱してウィック構造体３をそれぞれ形成した場合、各ウィック構造体３において以下の空隙率Ｐが得られた。

（金属ペーストＡ）
マイクロ銅粒子：サブマイクロ銅粒子：樹脂：分散媒＝７１：１７：０：１２
空隙率Ｐ＝４０％
（金属ペーストＢ）
マイクロ銅粒子：サブマイクロ銅粒子：樹脂：分散媒＝７０：１５：１３：２
空隙率Ｐ＝５５％
（金属ペーストＣ）
マイクロ銅粒子：サブマイクロ銅粒子：樹脂：分散媒＝６２：１３：２２：３
空隙率Ｐ＝７０％

ここで、金属ペーストＡ〜Ｃに含まれるマイクロ銅粒子３１の平均粒径は１５μｍであり、サブマイクロ銅粒子３２ａの平均粒径は０．３μｍであった。また、金属ペーストＡ〜Ｃの樹脂３３としてアクリル樹脂を用い、分散媒としてテキサノールを用いた。また、配合比は、重量％の比である。

なお、空隙率Ｐについては、上述した断面観察に基づく方法、つまり、走査型電子顕微鏡によってウィック構造体の断面の画像を取得し、画像解析ソフトウェアを用いて断面画像から空隙率Ｐを求めた。

上記の例では、樹脂の含有量が２２重量％である金属ペーストＣにおいて、最も高い空隙率Ｐが得られている。金属ペーストＣにおける樹脂３３の含有量を２２重量％よりも増大させることにより、ウィック構造体３の空隙率Ｐを８０％に設定することも可能である。

ところで、ベーパーチャンバー１の筐体１ａの厚みは、薄型化の観点から、本実施形態では、１００μｍ以上１０００μｍ以下に設定されている。筐体１ａの厚みとして、下限の１００μｍを実現するためには、筐体１ａ内に収容されるウィック構造体３の厚みは、１００μｍ以下、つまり、０．１ｍｍ以下であることが必要とされる。しかし、ウィック構造体３の厚みが薄く、しかも、ウィック構造体３の空隙率Ｐが低い場合、ウィック構造体３内を作動媒体２がスムーズに流れなくなり、作動媒体２による熱の輸送効率が低下する。そこで、本実施形態では、ウィック構造体３の厚みが０．１ｍｍ以下の構成で、ウィック構造体３の高い空隙率Ｐを実現することにより、熱輸送効率を高めるようにした。

図６は、ウィック構造体３の厚みＴを、０．０２ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．１ｍｍの３種類に設定したときの各厚みＴについて、空隙率Ｐと、温度差ΔＴとの関係を示したグラフである。なお、空隙率Ｐについては、上述のように、金属ペースト３０に含まれる各金属粒子の粒径、各成分の配合比などを調整することによって変化させた。

温度差ΔＴは、ベーパーチャンバー１での熱輸送効率を評価する指標であり、ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２で表される。ここで、Ｔ１は、図１に示すように、発熱体Ｈによって加熱される被加熱部１０１の第１温度測定点Ｍ１で測定した温度である。Ｔ２は、放熱部１０２の第２温度測定点Ｍ２で測定した温度である。温度差ΔＴが小さいほど、熱輸送が効率よく行われていることになり、熱伝導部材としての性能が優れていることを示す。つまり、温度差ΔＴが小さいほど、ウィック構造体３の内部において、作動媒体２を放熱部１０２から被加熱部１０１に還流させるために必要な流路が十分に確保され、被加熱部１０１と放熱部１０２との間で効率のよい熱輸送が実現されることを意味する。具体的には、温度差ΔＴが５℃以下であれば、熱輸送効率が高いと評価される。さらに、温度差ΔＴが４℃以下であれば、熱輸送効率がより高いと評価される。

ウィック構造体３の厚みＴが０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である場合、ΔＴ≦５℃を実現するためには、図６より、Ｐ≧５１％を実現すればよいことがわかる。さらに、ΔＴ≦４℃を実現するためには、図６より、Ｐ≧６１％を実現すればよいことがわかる。なお、空隙率Ｐの上限については、理論上では８０％を超えて設定されてもよいが、空隙率Ｐとして８０％を達成することができれば、Ｔ≦４℃を十分に実現することができる。

そこで、本実施形態では、ウィック構造体３の厚みＴが０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である場合において、ウィック構造体３の空隙率Ｐを５１％以上８０％以下、より好ましくは、６１％以上８０％以下に設定している。このようなウィック構造体３は、上述した塗布工程Ｓ１において、金属粒子および樹脂３３を所定の配合比で含む金属ペースト３０を、第１金属板５上に０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さで塗布し、金属ペースト加熱工程Ｓ２で金属ペースト３０を加熱し、金属粒子の一部であるサブマイクロ銅粒子３２ａを焼結させることによって形成される。

（６．効果）
以上で説明したように、熱伝導部材としてのベーパーチャンバー１において、ウィック構造体３は、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さを有し、かつ、５１％以上８０％以下の空隙率を有する。つまり、ウィック構造体３は、薄型の構成で高い空隙率Ｐを有する。このため、薄型のウィック構造体３の内部に、作動媒体２を低温側から高温側へ、つまり、放熱部１０２側から被加熱部１０１側へ還流させるために必要な流路を確保することができる。したがって、ウィック構造体３が薄型であっても、熱輸送効率の低下を抑えることができる。その結果、薄型で熱輸送効率の高いウィック構造体３を有するベーパーチャンバー１を実現することができる。

特に、ウィック構造体３が、６１％以上８０％以下の空隙率を有することにより、薄型のウィック構造体３の内部に作動媒体２の必要な流路が確実に確保される。したがって、薄型で熱輸送効率のさらに高いウィック構造体３を有するベーパーチャンバー１を実現することができる。

また、塗布工程Ｓ１では、金属ペースト３０を、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さで第１金属板４上に塗布する。そして、金属ペースト加熱工程Ｓ２では、加熱炉での加熱によって、金属ペースト３０に含まれる樹脂３３を揮発させるとともに、上記金属粒子の一部を焼結させることにより、５１％以上８０％以下の空隙率を有するウィック構造体３を形成する。ウィック構造体３は、厚さが０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の薄型で形成されるが、空隙率が高い。このため、ウィック構造体３の薄型の構成で、ウィック構造体３の内部に作動媒体２の必要な流路を確保することができる。したがって、薄型で熱輸送効率の高いウィック構造体３を有するベーパーチャンバー１を製造することができる。

また、ウィック構造体３において、隣り合うマイクロ銅粒子３１同士は、第１銅粒子連結部３２１によって１μｍ未満の距離で連結される。第１銅粒子連結部３２１は、上述のように、粒径が１μｍ未満であるサブマイクロ銅粒子３２ａを、銅の融点よりも非常に低い温度で、かつ、短時間で加熱し、溶融することによって得られる。したがって、第１銅粒子連結部３２１を有する構造は、多孔質のウィック構造体３の短時間での形成、およびベーパーチャンバー１の生産性向上に寄与することができる。

また、ウィック構造体３がマイクロ銅粒子３１と銅体３２とを有し、銅体３２が第１銅粒子連結部３２１を有する構成は、上述したように、金属粒子として、マイクロ銅粒子３１とサブマイクロ銅粒子３２ａとを含む金属ペースト３０を用いた加熱によって実現することができる。このため、例えば、使用する金属粒子の総粒子数およびウィック構造体３の体積が一定のもとでは、粒径が１μｍ以上の金属粒子のみを用いてウィック構造体３を形成する場合に比べて、金属粒子の総体積が少なくなる分、ウィック構造体３の空隙率を高めることができる。したがって、上記した薄型で高い空隙率を有するウィック構造体３を実現することが容易となる。

複数のマイクロ銅粒子３１の一部と第１金属板４とは、第２銅粒子連結部３２２によって１μｍ未満の距離で連結される。第２銅粒子連結部３２２は、第１銅粒子連結部３２１と同様に、サブマイクロ銅粒子３２ａを低温、かつ、短時間で加熱し、溶融することによって得られる。したがって、第２銅粒子連結部３２２を有する構造も、ウィック構造体３の短時間での形成および熱伝導部材の生産性向上に寄与することができる。また、マイクロ銅粒子３１と第１金属板４とが第２銅粒子連結部３２２によって連結されるため、ウィック構造体３が第１金属板４から剥離する事態を低減することもできる。

第１金属板４は銅である。この場合、マイクロ銅粒子３１、第２銅粒子連結部３２２および第１金属板４は、全て同一材料の銅で構成される。このため、第２銅粒子連結部３２２を介して、マイクロ銅粒子３１と第１金属板４とを、異種材料の金属同士を連結する場合よりも容易に連結することができる。よって、第１金属板４からのウィック構造体３の剥離を確実に抑えることができる。

なお、第１金属板４を、表面に銅メッキを配した金属により形成した場合も同様に、第１金属板４からのウィック構造体３の剥離を確実に抑えることができる。

第１金属板４と第２金属板５とは、対向方向に垂直な方向においてウィック構造体３を挟む位置で接合部６によって接合される。このように、ウィック構造体３を介して第１金属板４と第２金属板５とを対向配置した構造のベーパーチャンバー１において、上述の効果を得ることができる。

本実施形態で説明したベーパーチャンバー１の製造方法は、塗布工程Ｓ１と、金属ペースト加熱工程Ｓ２と、封止工程Ｓ３と、を含む。これにより、ウィック構造体３とともに作動媒体２が封止されたベーパーチャンバー１が得られる。ウィック構造体３は、複数のマイクロ銅粒子３１と、第１銅粒子連結部３２１とを含む。第１銅粒子連結部３２１は、上述のように、粒径が１μｍ未満であるサブマイクロ銅粒子３２ａを、低温かつ短時間での加熱、溶融によって得られる。したがって、多孔質のウィック構造体３を短時間で形成して、ベーパーチャンバー１の生産性を向上させることができる。

金属ペースト加熱工程Ｓ２では、第２銅粒子連結部３２２を有するウィック構造体３が形成される。第２銅粒子連結部３２２によってマイクロ銅粒子３１と第１金属板４とが連結されるため、ウィック構造体３が第１金属板４から剥離する事態を低減することができる。

金属ペースト加熱工程Ｓ２では、マイクロ銅粒子３１およびサブマイクロ銅粒子３２ａを含む金属ペースト３０を、４００℃以上６００℃以下の温度で加熱する。加熱温度が通常の銅の融点よりも非常に低いため、低温焼結によってウィック構造体３を短時間で形成することができる。これにより、ベーパーチャンバー１の生産性を確実に向上させることができる。

封止工程Ｓ３では、第１金属板４と第２金属板５とを対向配置し、対向方向に垂直な方向においてウィック構造体３を挟む位置で両者をつなぎ合わせる。これにより、第１金属板４と第２金属板５とを、ウィック構造体３を介して対向配置して接合した構造のベーパーチャンバー１を得ることができる。

（７．マイクロ銅粒子の粒径分布について）
図７は、ウィック構造体３に含まれるマイクロ銅粒子３１の粒径Ｍｄと粒子数Ａとの関係を示すグラフである。複数のマイクロ銅粒子３１は、第１銅粒子群３１Ａと、第２銅粒子群３１Ｂとを有することが望ましい。第１銅粒子群３１Ａは、粒径Ｍｄ１を平均粒径とするマイクロ銅粒子３１の集合である。第２銅粒子群３１Ｂは、粒径Ｍｄ２を平均粒径とするマイクロ銅粒子３１の集合である。ただし、Ｍｄ１＜Ｍｄ２である。図７に示す粒径分布は、粒径がＭｄ１であるピークＰ１を有し、粒径がＭｄ２であるピークＰ２を有する。よって、複数のマイクロ銅粒子３１の粒径分布は、異なる粒径のピークを複数有する。なお、粒径Ｍｄ、Ｍｄ１およびＭｄ２の単位は、それぞれμｍである。また、粒子数Ａの単位は「個」である。

上記粒径分布において、例えば、ピークＰ１を維持したまま、ピークＰ２のみを平均粒径が増大する方向にシフトさせると、粒径の大きいマイクロ銅粒子３１の数が増えるため、ウィック構造体３の空隙率Ｐは減少する。加えて、ピークＰ１も平均粒径が増大する方向にシフトさせると、空隙率Ｐはさらに減少する。逆に、ピークＰ１を維持したまま、ピークＰ２のみを平均粒径が減少する方向にシフトさせると、粒径の大きいマイクロ銅粒子３１の数が減るため、空隙率Ｐは増大する。加えて、ピークＰ１も平均粒径が減少する方向にシフトさせると、空隙率Ｐはさらに増大する。

したがって、図７のように、マイクロ銅粒子３１の粒径分布が複数のピークを有する場合、少なくとも１つの粒径のピークを変化させることにより、ウィック構造体３の空隙率Ｐを容易に変化させることができる。つまり、ウィック構造体３の空隙率Ｐを微調整することが容易となる。

（８．熱伝導部材の他の構成例）
図８は、本実施形態の熱伝導部材の他の例であるヒートパイプ１０の概略の構成を示す断面図である。本実施形態で説明したウィック構造体３は、ヒートパイプ１０にも適用可能である。例えば、第１金属板４および第２金属板５を、半円筒形状で形成する。なお、第１金属板４および第２金属板５は、偏平した形状であってもよい。そして、第１金属板４および第２金属板５の内面上に、本実施形態で説明した金属ペースト３０をそれぞれ塗布して加熱炉で加熱する。この加熱により、金属ペースト３０に含まれる樹脂３３を揮発させるとともに、サブマイクロ銅粒子３２ａを焼結させる。最後に、第１金属板４および第２金属板５を例えばホットプレスによって接合し、筒の内部に作動媒体２を注入して筒の両端部を封止することにより、ヒートパイプ１０を完成させる。

また、ヒートパイプ１０は、第１金属板４上にウィック構造体３を形成した後、ウィック構造体３を内側にして第１金属板４を円筒状に曲げて端部を接合することによって形成されてもよい。さらに、ヒートパイプ１０は、以下のようにして製造されてもよい。例えば第１の筒の内側に、第１の筒よりも小径の第２の筒を嵌めて、第１の筒の内面と第２の筒の外面との間に金属ペースト３０を充填する。その後、加熱炉で金属ペースト３０を加熱してウィック構造体３を形成する。最後に、第２の筒を抜き取り、第１の筒の両端部を作動媒体２の注入後に封止することにより、ヒートパイプ１０を完成させる。

これらのヒートパイプ１０においても、ベーパーチャンバー１０と同様のウィック構造体３が形成される。したがって、薄型で熱輸送効率の高いウィック構造体３を有する小型のヒートパイプ１０を実現することができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。また、上記実施形態やその変形例は適宜任意に組み合わせることができる。

本発明の熱伝導部材は、例えば電子機器に搭載される基板または電子部品の放熱用の部材として利用可能である。

１ ベーパーチャンバー（熱伝導部材）
１ａ 筐体
２ 作動媒体
３ ウィック構造体
４ 第１金属板
５ 第２金属板
６ 接合部
１０ ヒートパイプ（熱伝導部材）
３０ 金属ペースト
３１ マイクロ銅粒子
３２ 銅体
３２ａ サブマイクロ銅粒子
３３ 樹脂
３２１ 第１銅粒子連結部
３２２ 第２銅粒子連結部
Ｐ 空隙率

Claims (12)

1. 作動媒体と、前記作動媒体を輸送する多孔質のウィック構造体と、を収容する筐体を備える熱伝導部材であって、
   前記ウィック構造体は、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さを有し、かつ、５１％以上８０％以下の空隙率を有する、熱伝導部材。
2. 前記ウィック構造体は、
   １μｍ以上の粒径を有する複数のマイクロ銅粒子と、
   前記複数のマイクロ銅粒子の周囲に位置する銅体と、を含み、
   前記銅体は、隣り合う前記マイクロ銅粒子同士を、１μｍ未満の距離で連結する第１銅粒子連結部を含む、請求項１に記載の熱伝導部材。
3. 前記筐体は、前記ウィック構造体を支持する第１金属板を有し、
   前記銅体は、第２銅粒子連結部をさらに含み、
   前記第２銅粒子連結部は、前記複数のマイクロ銅粒子の一部と前記第１金属板とを、１μｍ未満の距離で連結する、請求項２に記載の熱伝導部材。
4. 前記第１金属板は銅である、請求項３に記載の熱伝導部材。
5. 前記筐体は、
   前記第１金属板と対向して位置し、前記ウィック構造体を覆う第２金属板と、
   前記第１金属板と前記第２金属板とをつなぎ合わせる接合部と、を有し、
   前記接合部は、前記第１金属板と前記第２金属板との対向方向に垂直な方向において、前記ウィック構造体を挟んで位置する、請求項３または４に記載の熱伝導部材。
6. 前記ウィック構造体は、６１％以上８０％以下の空隙率を有する、請求項１から５のいずれかに記載の熱伝導部材。
7. 前記複数のマイクロ銅粒子の粒径分布は、異なる粒径のピークを複数有する、請求項１から６のいずれかに記載の熱伝導部材。
8. 金属粒子と、揮発性の樹脂と、を含む金属ペーストを、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さで第１金属板上に塗布する塗布工程と、
   前記金属ペーストを前記第１金属板とともに加熱炉に配置して加熱することにより、前記第１金属板上に多孔質のウィック構造体を形成する金属ペースト加熱工程と、
   前記第１金属板上の前記ウィック構造体を作動媒体とともに封止する封止工程と、を含み、
   前記金属ペースト加熱工程では、前記加熱炉での加熱によって、前記金属ペーストに含まれる前記樹脂を揮発させるとともに、前記金属粒子の一部を焼結させることにより、５１％以上８０％以下の空隙率を有する前記ウィック構造体を形成する、熱伝導部材の製造方法。
9. 前記金属ペーストは、前記金属粒子として、１μｍ以上の粒径を有する複数のマイクロ銅粒子と、１μｍ未満の粒径を有する複数のサブマイクロ銅粒子と、を含み、
   前記金属ペースト加熱工程では、前記加熱炉での加熱によって、前記サブマイクロ銅粒子を焼結させることにより、隣り合う前記マイクロ銅粒子同士を１μｍ未満の距離で連結する第１銅粒子連結部を含む前記ウィック構造体を形成する、請求項８に記載の熱伝導部材の製造方法。
10. 前記金属ペースト加熱工程では、前記サブマイクロ銅粒子を焼結させることにより、前記複数のマイクロ銅粒子の一部と前記第１金属板とを１μｍ未満の距離で連結する第２銅粒子連結部をさらに含む前記ウィック構造体を形成する、請求項９に記載の熱伝導部材の製造方法。
11. 前記金属ペースト加熱工程では、前記金属ペーストを４００℃以上６００℃以下の温度で加熱する、請求項８から１０のいずれかに記載の熱伝導部材の製造方法。
12. 前記封止工程は、
    前記ウィック構造体を覆う第２金属板を、前記第１金属板と対向して配置する配置工程と、
    前記第１金属板と前記第２金属板とをつなぎ合わせる接合工程と、を有し、
    前記接合工程では、前記第１金属板と前記第２金属板との対向方向に垂直な方向において、前記ウィック構造体を挟む位置で、前記第１金属板と前記第２金属板とをつなぎ合わせる、請求項８から１１のいずれかに記載の熱伝導部材の製造方法。

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