JP2569003B2 - 熱伝導装置 - Google Patents

熱伝導装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、発熱体表面に吸熱伝熱体を接触させる熱伝
熱装置に係り、半導体素子などの電子部品の冷却に好適
な熱伝導装置に関する。
〔従来の技術〕
第２図に示すような、発熱体から熱を除去する方法
は、従来から広く用いられている。即ち、基板４上に電
気接続を図るための半田球３を介し多数の集積回路チッ
プ１が搭載されており、集積回路チップ１の上面には伝
熱体２が取り付けられている。チップ１で発生した熱は
伝熱体２を経てキャップ５に伝わり、キャップ５内の流
路を流れる冷却液６により、系外へと運び去られる。こ
こで、チップ１と伝熱体２とを半田ろうなどで固着する
と、チップの発熱時にチップ１及び基板４と、伝熱体２
及びキャップ５の熱膨張率の違いからチップ及び半田球
にせん断応力が加わり、チップあるいは半田球を損傷し
てしまうおそれがある。また、チップのメンテナンス時
の作業も容易でない。このため、一般的には、チップ１
と伝熱体２とを固着せず、単に接触させただけの状態で
用いる方法がとられている。また、この際、接触面での
温度落差を小さくするため、ヘリウムガスのような高熱
伝導性ガスあるいはグリース，シリコン油のような液体
を接触面間に充填することが多い。しかし、これらガス
あるいは液体をチップ１と伝熱体２との間に充填しても
小さくできる温度落差には限度がある。即ち、チップと
伝熱体の接触部分を拡大して示す第３図において、チッ
プ１と伝熱体２とは、チップが反っているため完全な面
接触とはならず、最大δのギャップを有することにな
る。一般にこのギャップは20μｍ程度であることが知ら
れている。上記の温度落差は相対する面間のギャップに
比例するため、温度落差を小さくしようとする際の障害
となる。この種の公知例としては、米国特許第3,993,12
3号公報，特開昭54−44479号公報，特開昭56−4257号公
報などの記載がある。
一方、チップの反りを修正し、伝熱体にチップを密着
させることのできる接触面構造も提案されている。即
ち、第４図及び第５図に示すように、チップ１と接触す
る伝熱体２の表面部分にμｍオーダの微細な構造寸法を
有する末広がり溝７を多数設け、各末広がり溝７内部に
シリコン油８を注入して、溝上部に気液界面９を形成す
る。このようにして構成された接触面構造を用いること
により、液の表面張力によりチップ１は伝熱体２に吸着
され、チップの反りが矯正された状態で伝熱体２に密着
させることができる。また、溝が末広がり形状となって
いるため、各溝内の気液界面は安定に保たれる。
又、特開昭55−48953号公報に記載のように、ブロッ
ク内に熱伝導性及び不揮発性の液体が毛細管作用により
半導体素子と接触するように保持されており、液体が半
導体素子上と熱伝導体素子との間に保持されるように毛
管の寸法d,半導体素子上の熱伝導体素子との間の距離X,
熱伝導素子の直径Ｄ等の関係を求めているもの、特開昭
60−15953号公報に記載のように、半導体素子の表面
に、周辺にある放冷部と連続して密着した多孔質体を形
成し、作動液を密閉するものがある。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記末広がり溝による従来技術には次のような不具合
がある。
（１）溝の製作が難かしく、量産に適していない。
（２）このような溝を加工することのできる接触面の材
料は限られたものであり、例えば熱の伝導性といった立
場から有利な材料を自由に選ぶことができない。
（３）溝と溝により挟まれたうねの根元部分が非常に細
いため、機械的にもろく実用面の課題が残る。
（４）各末広がり溝を連通させ、各末広がり溝内の気液
界面の高さを均一にさせるための連通溝10が末広がり溝
下部一ケ所にしか設けられていないため、連通溝内に一
旦ボイドが形成されるとそのまま保持され、連通溝とし
て働かなくなる。この結果、各末広がり溝内の気液界面
の高さを均一にするように液が動くことができなくな
り、末広がりとした効果が減少する。
（５）各末広がり溝が２次元形状であるため、大きな吸
着力が得られない。
又、特開昭55−48953号公報に開示のもの、特開昭60
−15953号公報に開示のものは、多孔質体のものではあ
るが、発熱体を反りを矯正することまでは配慮されてい
ないものであった。
本発明の目的は、発熱体の反りを矯正して発熱体と伝
熱体との密着性をよくし、発熱体で発生した熱を小さな
温度落差で伝熱体に伝えることのできる熱伝導装置を提
供することにある。
〔課題を解決する手段〕
上記目的は、発熱体上に対向する側の表面が微細粒子
を焼結して形成された多孔層を有する伝熱体と、この多
孔層に形成された空洞に入られる液体とを備え、この液
体を介して前記発熱体に前記伝熱体を密着させることに
より前記発熱体を冷却する熱伝導装置において、前記発
熱体に対向する側の伝熱体の表面に形成された空洞を、
発熱体から遠い側の個々の空洞断面積に比して発熱体側
の個々の空洞断面積が小さくなるように形成し、前記多
孔層に入れられる液体の量をこの空洞容積よりも少ない
量とすることにより達成される。
〔作用〕
発熱体が反っていると前述のように熱伝導率が悪くな
ってしまう。この反りを矯正するためには伝熱体が発熱
体を吸着する吸着力を増加させる必要がある。この吸着
力は毛細管力が発生する隙間の気液界面における半径が
小さいほど大きなものとなる。一方、多孔層を単に微細
粒子を焼結して形成するだけでは、液は毛細管力によっ
て伝熱体側若しくは発熱体側に偏る。もし伝熱体側に偏
ってしまうと吸着力が発生しないばかりでなく発熱体が
発生する熱を伝熱体に伝導することができなくなり発熱
体が半導体である場合半導体を熱破壊に至らしめてしま
う。
本発明では、発熱体から遠い側の個々の空洞の断面積
に比して発熱体の個々の空洞の断面積が小さくなるよう
に形成したので液体は断面積が小さい空洞に導かれ必ず
発熱体に密着し熱の伝導を行うし、また、多孔層の製造
工程で断面積が大きい空洞と小さい空洞との境目を均一
にすればその境目に気液界面が形成されるので発熱体表
面にて均一な吸着力が得られ、均一な気液界面が得られ
るための発熱体を一部分のみ液体がなくなることもな
い。
以下、本発明の原理を図面を用いて説明する。
第１図において、伝熱体２の表面には粒径0.1〜10μ
ｍ程度、望ましくは１〜５μｍの粒子焼結層（多孔層）
11が設けられており、多孔層11の伝熱体２と反対側の表
面には発熱体１が密着されている。多孔層11に形成され
た空洞内には、例えばシリコン油のような蒸気圧の低い
液13が空間15を残して満たされており、粒子12の間隙に
気液界面14が形成されている。
多孔層11内に封入された液13は、焼結粒子12間の隙間
を毛細管力により満たし、気液界面14を形成する。この
脇、各隙間に形成される気液界面14は、各隙間が全て３
次元的に連通しており、また、焼結層11の厚さが非常に
薄く、重力の影響をほとんど受けないため、全て同じ曲
率半径となるように保持される。したがって、空間15部
と液13部との圧力差はどこも一定となっている。また、
多孔層11内部の隙間にはランダムな分布で末広がり空洞
が形成されているため、気液界面14は常に液側に凸な状
態で保持されており、液部の圧力の方が空間部の圧力よ
り小さくなる。この圧力差により発熱体１は、焼結層11
に吸着され、密着した状態となる。この際の吸着力Ｆ
は、気液界面14の曲率半径ｒ、液の表面張力σ、発熱体
１と多孔層11との接触面積Ｓを用いると、 Ｆ＝Ｓ・２σ/r（dyne） で表わされる。例えば、Ｓ＝4cm2,r＝５×10-5cm,σ＝3
7dyne/cm（シリコン油）を用いた場合、Ｆ＝5.9×106dy
neの吸着力が得られる。この吸着力により、2cm×2cm,
厚さ0.05cmのシリコンウエハを0.004cmたわませること
ができ、シリコンウエハの反り（約0.002cm程度）を完
全に矯正するとができる。矯正の効果を発熱体，伝熱体
間の熱抵抗で表わすと、上記条件下で矯正しない場合
は、0.33℃/wであり、本実施例を用い矯正した場合は0.
0013℃/w（銅粒子焼結，焼結層厚さ0.002cm,空隙率0.
5）となり、約1/250に低減することができる。
上記多孔層11は次のようにして容易に得ることができ
る。伝熱体２の表面に0.1〜10μｍ程度の粒径をもつ微
細な粒子を焼結させて形成し、この焼結層表面を切削，
研磨，プレス等により平滑に仕上げる。このとき、仕上
面にはバリ等がはり出され気孔がつぶされるが、エッチ
ング等によりバリを除去して気孔を回復させる。次に、
上記多孔層11に空洞全体を満たさない量の小量の液を置
き、焼結層11が設けられた伝熱体２を発熱体１に押し当
て、発熱体１を吸着する。
第６図では伝熱体２の表面に針状の多孔層21が設けら
れており、発熱体１と接触している。針状多孔層21内に
は第５図と同様に例えばシリコン油が上部に空間25を残
して満たされており、空間25と液部23との間には気液界
面24が形成されている。この針状多孔層21は次のように
して容易に作成できる。伝熱体２の表面にアルミニウム
ろうの溶融層を設けた後急冷し、成長した針状突起の表
面を研磨する。研磨の際、針状突起の表面にバリが生じ
多孔層21の空洞が塞がれてしまうが、このバリの一部を
化学腐食により除去する。このようにして第６図に示す
ように、0.1〜10μｍ程度の針状結晶群から形成された
多孔層21が得られる。また、このような針状結晶群によ
る多孔層は電気メッキによっても容易に作ることができ
る。
第７図〜第９図にそれぞれ本発明の一実施例を示す。
いずれの実施例においても第１図より気液界面の位置を
安定に保つことができ、発熱体１と伝熱体２の密着熱伝
導装置として優れている。
第７図に示す一実施例では、大きさの異なる粒子112a
及び112bを層状に焼結したもので、発熱体１側の焼結層
111aの粒径を小さくし、伝熱体２側の焼結層111bの粒径
を大きくして多孔層111を作成したものである。この実
施例のように、焼結層111a及び111bを配置すると焼結層
111aでは空洞径が小さく、焼結層111bでは空洞径を大き
くすることができ、気液界面14の位置を細かい焼結層11
1a内に常に保つことができ、液体で満たされない空間15
を安定に確保することができる。その結果、多孔層のあ
る一部分だけが完全に液で満たされ、他のある部分では
気体だけが存在するといった事態を完全に防止すること
ができる。したがって、発熱体１の表面上の各場所で均
一な吸着力を得ることができる。
第８図の実施例は、同一粒径の粒子を焼結した後、焼
結表面層のみをローラ等で押し潰したもので、これによ
って密な焼結層211aと粗な焼結層211bをもつ多孔層211
が形成される。この実施例においても第７図に示す実施
例と同様の作用，効果が得られる。
第９図の実施例は、伝熱体302表面に溝320を形成し、
この溝上に焼結層311を形成したものである。溝320が第
７図，第８図で示した実施例における大きい空洞径を有
する焼結層111b,211bの役割を果たす。ここでは、溝の
形として、三角状のものを示したが、方形，円弧形など
他の断面形状であっても同様に作用する。
上記各実施例によれば、発熱体の反りを矯正して伝熱
体と発熱体とをそれぞれの面の有する表面粗さによるギ
ャップのみを残して互いに密着させることができる効果
がある。また、前記ギャップ（空洞）には熱伝導率の高
い液体を充満させることができるため、発熱体から伝熱
体へ熱を伝える際の発熱体，伝熱体間界面の熱抵抗を著
しく低減することもできる。さらに、発熱体と伝熱体と
は液体による密着であり、固着しておらず、発熱体と伝
熱体とを切り離すことが容易にでき、発熱体や伝熱体の
メンテナンスが容易になるという効果もある。
〔発明の効果〕
本発明によれば、気液界面を形成して多孔層の液体の
表面張力により発熱体の表面上で吸着力を得ることがで
きるので、発熱体を反りを矯正して発熱体と伝熱体との
密着性を向上することができ、したがって発熱体で発生
した熱を小さな温度落差で伝熱体に伝えることができる
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示す要部断面図、第２図は
熱伝導装置の全体構成を示す縦断面図、第３図は第２図
における発熱体と伝熱体部分の要部拡大図で従来の一例
を示すもの、第４図は従来装置の他の例を示す要部断面
図、第５図は第４図の一部を拡大して示す斜視断面図、
第６図〜第９図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す要
部断面図である。 １……発熱体、2,302……伝熱体、６……冷却液、8,13,
23……液体、9,14,24……気液界面、11,21,111,211,311
……多孔層、12……焼結粒子、15,25……空間、22……
針状結晶。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大橋 繁男 土浦市神立町502番地 株式会社日立製 作所機械研究所内 (72)発明者 桑原 平吉 土浦市神立町502番地 株式会社日立製 作所機械研究所内 (72)発明者 大黒 崇弘 土浦市神立町502番地 株式会社日立製 作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭55−48953（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−15953（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】発熱体上に対向する側の表面が微細粒子を
    焼結して形成された多孔層を有する伝熱体と、この多孔
    層に形成された空洞に入れられる液体とを備え、この液
    体を介して前記発熱体に前記伝熱体を密着させることに
    より前記発熱体を冷却する熱伝導装置において、前記発
    熱体に対向する側の伝熱体の表面に形成された空洞を、
    発熱体から遠い側の個々の空洞断面積に比して発熱体側
    の個々の空洞断面積が小さくなるように形成し、前記多
    孔層に入られる液体の量をこの空洞容積よりも少ない量
    とした熱伝導装置。
  2. 【請求項２】前記発熱体から遠い側の空洞断面積に比し
    て発熱体側の空洞断面積が小さくなるように形成された
    空洞は、前記発熱体側の多孔層を形成する粒子の粒径よ
    り、この発熱体から遠い側の多孔層を形成する粒子の粒
    径を大きなものとし、これら粒子を焼結することにより
    形成されるものである特許請求の範囲第１項記載の熱伝
    導装置。
  3. 【請求項３】前記発熱体側の多孔層を形成する粒子の粒
    径は0.1〜10μｍである特許請求の範囲第２項記載の熱
    伝導装置。
  4. 【請求項４】前記発熱体から遠い側の空洞断面積に比し
    て発熱体側の空洞断面積が小さくなるように形成された
    空洞は、前記伝熱体の表面に粒子を焼結させて多孔層を
    形成し、この多孔層の表面をローラで潰すことにより形
    成されるものである特許請求の範囲第１項記載の熱伝導
    装置。
  5. 【請求項５】前記発熱体から遠い側の空洞断面積に比し
    て発熱体側の空洞断面積が小さくなるように形成された
    空洞は、前記伝熱体の表面に溝を形成し、この溝を含む
    表面に粒子を焼結させて多孔層を形成することにより形
    成されるものである特許請求の範囲第１項記載の熱伝導
    装置。
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