JP3326301B2 - ヒートパイプを用いた電子機器放熱ユニットおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子部品等から発生
した熱を放熱させる、ヒートパイプを用いた放熱ユニッ
トの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の電子計算機に代表される高密度実
装電子機器では、ＬＳＩ等、熱を発生する電子部品の放
熱が重要な技術課題になっている。放熱が必要な電子部
品の冷却として、従来は、空冷ファンを用いた空冷方式
が採用されることが多かった。しかし電子機器装置内の
発熱量の増大や、実装密度の高まり等から、従来の空冷
方式では効率的な放熱が難しくなってきた。加えて空冷
方式によるファンの発生する音も好ましいものではなか
った。

【０００３】そこで発熱性の電子部品の熱を伝熱体で受
け、その熱を当該電子部品から放熱させる機構が提案さ
れ一部実用化している。これは特に冷却が必要な電子部
品に伝熱性の板等を接触させ、その熱を前記板等に伝え
ることで当該電子部品の過剰な温度上昇を抑制させよう
とするものである。受けた熱は電子機器内に拡散させる
か、必要なら受けた熱を電子機器の外に放出させること
もある。

【０００４】ところで冷却を目的として、特定の電子部
品に伝熱体を接触させる場合、熱容量の観点でその伝熱
体の体積をなるべく大きくすることが望ましい。またな
るべく広い面積で電子部品と接触させた方が、電子部品
からの熱をより受けやすくなることは言うまでもない。
しかしＬＳＩ等を代表品とする近年の電子部品は小型化
されており、そのため伝熱体との接触面積が限られ、体
積が大きい伝熱体を用いても、それに速やかに熱を伝え
させることが難しいことがある。そこで伝熱体にヒート
パイプを取り付け、伝熱体中における熱の拡散速度を高
める方法が提案されている。ヒートパイプはその内部に
蒸発と凝縮を繰り返す媒体が封入されており、電子機器
から発生した熱をヒートパイプの蒸発部で受け、蒸発し
た媒体がヒートパイプの凝縮部に移動して凝縮される。
この媒体の移動は極めて速く、優れた熱応答性が期待で
きる。このヒートパイプを用いれば、具体的には、例え
ば平板形状の伝熱体であれば、それに横孔を設けてヒー
トパイプを埋め込む。こうすれば伝熱体が受けた熱は速
やかに伝熱体中に拡散するようになるので、より効率的
に電子部品の放熱が可能になるのである。

【０００５】また上述したように、必要なら電子部品か
ら受けた熱を電子機器の外に放出させることもある。こ
れを図３、４を例に説明する。図３はヒートパイプを利
用した従来の放熱ユニットの一例を示す概略的斜視図、
図４は図３に示した放熱ユニットの概略的側面図であ
る。この放熱ユニットではプリント基板２に装着したＬ
ＳＩ３（発熱性の電子部品）から生じた熱はヒートパイ
プ１に伝わり、更に図４の右方に配置したフィン９から
外部に放出される。尚、熱を受ける部分がヒートパイプ
１の蒸発部、放出する部分がヒートパイプの凝縮部であ
る。

【０００６】冷却対象であるＬＳＩ３から発生した熱を
効率よくヒートパイプ１に伝えるためには、ヒートパイ
プ１の蒸発部とＬＳＩ３とをできるだけ熱抵抗小さく接
触させる必要がある。このため図示する如く、ＬＳＩ３
から発生した熱を一旦ブロック６に伝え、その熱をヒー
トパイプ１に伝える方式も有効である。この場合ブロッ
クには熱伝導性に優れるアルミニウム材や銅材等が選ば
れる。この方式によれば、広い面積でブロック６とＬＳ
Ｉ３とが接触するので、効率的に放熱が行えるからであ
る。なお図４では更にブロック６とＬＳＩ３との間に熱
伝導ゴム７を介在させた例を示している。

【０００７】図３、４に示すように、ヒートパイプ１の
凝縮部には、効率よく放熱ができるように、フィン９が
取り付けられている。この凝縮部においても、図示する
ようにフィン９とヒートパイプ１とを直接接触させない
で、放熱板８を介して接触させると、放熱がより効率的
になる。

【０００８】ところで、上述の放熱ユニットにおいて、
従来は半田付けによってブロック６とヒートパイプ１と
を接合することが多かった。具体的にはブロック６を２
ピース構造にして、その一方のブロック本体６ａにヒー
トパイプを差し込む溝を設ける。そしてここにヒートパ
イプ１を半田付け等によって固定し、更にブロック蓋体
６ｂを被せる。こうしてブロック６とヒートパイプ１と
を接合する。このような２ピース構造のブロック６を用
いるのに替わり、ブロックに横孔を設け、この孔にヒー
トパイプを挿入し、半田材を流し込む等によって半田接
合する方法も提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように図３、
４に示す放熱ユニットでは、ブロック６を２ピース構造
にして、ブロック本体６ａとブロック蓋体６ｂとの合わ
せ部分にヒートパイプ１を半田接合している。この方法
は２ピース構造であるので半田付け作業が容易であり、
その上、ヒートパイプ１とブロック６との良好な熱的接
続性を比較的容易に実現させることができる利点がある
一方、この方法には次のような問題があった。まず上記
ピースを薄くすると強度が不足しやすくなる。加えて上
記ピースを薄くした結果、ピースが経時変化により変形
しやすくなり、ブロック本体６ａとブロック蓋体６ｂと
の合わせ部分で剥離が生じたり、或いはヒートパイプの
接合部で剥離が生じたりすることもある。このようにブ
ロック６が変形したり、合わせ部分等で剥離が起きたり
すると、ＬＳＩ３の熱が十分にヒートパイプ１に伝わら
なくなることがある。このような問題のため、ブロック
本体６ａ、ブロック蓋体６ｂはあまり薄くすることが難
しく、接合後のブロック６を薄くすることが容易ではな
かった。

【００１０】２ピース構造のブロックを採用した場合、
上述した理由により放熱ユニットの小型化が難しい。そ
れに加え半田材を使用するため、その半田材の重量によ
る放熱ユニットの重量の増大も問題であった。近年は電
子機器の小型化、軽量化が進み、電子部品はもとより放
熱ユニット自体にも小型、軽量化が求められているの
で、上述したような２ピース構造では、小型化、軽量化
の点で問題であったのである。

【００１１】上述のような問題に鑑み、ブロック６を１
ピース構造にして、そのブロックに孔を設け、その孔に
ヒートパイプを挿入し、半田材を流し込む等によって半
田接合する方法も提案されている。この方法に従えば１
ピース構造を採用できるので強度的に有利であり、また
上述の剥離の問題もない。しかしこの方法には次のよう
な問題があった。即ち、孔の内壁とヒートパイプとの半
田接合が容易ではないということである。その理由は孔
の内壁とヒートパイプとを半田接合しても、その間隙に
存在する半田材にボイドが発生しやすく、そのためヒー
トパイプ１とブロック６との熱的な接続性を充分に保つ
ことが難しいからである。特にこの方法では、接合後の
接合状態の検査確認が難しいため、製造上、特性にばら
つきを生じやすい等の問題がある。

【００１２】ところでブロックの材質としては、熱伝導
性に優れ軽量なアルミニウム材が使用されることが多
い。しかし周知のようにアルミニウム材はその酸化膜の
影響で、半田接合が容易とは言えない材料である。特に
上述したようにブロックに孔を設け、その孔内壁とヒー
トパイプとを半田接合する方法においては、接合後の接
合状態の検査確認が難しい点も相まって、実用的コスト
で十分な熱的接続性を実現させることが難しかった。以
上の点は半田付けに換えてろう接を採用しても、同様で
ある。なお、性能的な側面の問題ではないが、半田材が
露出することによって放熱ユニットの外観が損なわれる
という問題もある。もちろん露出した半田材を除去して
外観低下を防ぐことは可能ではあるが、コスト上昇を招
くことは言うまでもない。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上述したような
問題を解決するためになされたもので、ブロックとヒー
トパイプとの良好な熱的接続性を実現すると共に、小型
軽量化も可能な、ヒートパイプを用いた電子機器放熱ユ
ニットの製造方法を提供することを目的とするものであ
る。

【００１４】本発明は、電子部品から発生した熱を伝播
するアルミニウム材または銅材からなるブロックと、前
記ブロックに取り付けられたヒートパイプとを含む放熱
ユニットの製造方法であって、ブロックに設けた孔にヒ
ートパイプを挿入し、前記ブロックの当該ヒートパイプ
が挿入される部分に局所的な外力を加えることで、前記
ブロックのヒートパイプが挿入された部分を優先的に潰
し、前記ヒートパイプと前記孔の内壁とを機械的に接触
させることを特徴とするヒートパイプを用いた電子機器
放熱ユニットの製造方法である。

【００１５】

【作用】図１は本発明で製造される放熱ユニットを示す
概略的斜視図である。この放熱ユニットは、ヒートパイ
プ１の断面形状がブロック４に設けられた孔４１に挿入
される部分で略半円形状になっている。その他の部分で
ヒートパイプ１の断面形状は特に限定されない。図１に
示す放熱ユニットでは、フィン９が装着される放熱板８
にも孔を設け、この孔に挿入されるヒートパイプ１の断
面形状も略半円形状になっている例を示しているが、こ
れらは本発明の放熱ユニットにおいて特に限定されるも
のではない。図２は図１の放熱ユニットの概略的側面図
であり、放熱すべきＬＳＩ３との配置状態を説明してい
る。図２ではＬＳＩ３を１個描いているが、この個数は
任意である。なおブロック４とＬＳＩ３との間には必要
に応じて伝熱体を介在させてもよい。

【００１６】ブロック４の形状については特に限定され
ず、放熱すべきＬＳＩ３の形状等を考慮して適宜選定す
ればよい。例えば平角形状の電子部品を冷却する場合
は、その電子部品との接触面積を増やす意味で平板形状
のブロックを用いることが望ましい。また平板形状のブ
ロックであれば、電子機器内にコンパクトに装着できる
利点もある。またＬＳＩ３との接触部分以外のブロック
４の表面にフィン形状を形成してもよい。こうすればブ
ロック自体の放熱効果を向上させる効果がある。

【００１７】本発明の放熱ユニットを製造するに際して
は、ヒートパイプ１はブロック４の有する孔４１に挿入
し、ブロック４の、ヒートパイプ１が挿入される部分に
局所的な外力を加えることで、孔４１の内壁とヒートパ
イプ１とを機械的に接触させ、熱的に接続するようにさ
せることが望ましい。こうして、孔４１を断面略半円形
状にして、更にこの孔４１に挿入される部分でヒートパ
イプ１の断面形状も略半円形状になるようにする。こう
することにより、ブロック４とヒートパイプ１との熱的
な接合性が高まり、優れた放熱効果が実現する放熱ユニ
ットが得られる。

【００１８】前記ブロックの当該ヒートパイプが挿入さ
れる部分に局所的な外力を加える方法について図５を参
照しながら説明する。図５（Ａ）に示すようにブロック
１０にヒートパイプ１が挿入できる孔を形成し、その孔
にヒートパイプ１を挿入する。この時点ではヒートパイ
プ１の形状は円形である。ブロック１０はヒートパイプ
１が挿入される部分で肉厚を厚くしておく。次にこのブ
ロック１０を図の上下方向に潰すようなプレス加工を加
える。このような機械的圧力を加えることで、図５
（Ｂ）に示すようにブロック１０はヒートパイプが挿入
された部分で優先的に潰れ、内部に挿入されたヒートパ
イプは略半円形状に変形する。ヒートパイプ１が挿入さ
れる部分で肉厚を厚くしないと、ヒートパイプ１は略半
円形状に変形されにくい。なお図５ではヒートパイプ１
を３本示しているが、この本数は冷却すべき電子部品の
個数やその発生熱量等を考慮して適宜決定すればよいこ
とである。

【００１９】上述したような機械的圧力を加えること
で、ブロック１０に挿入されるヒートパイプ１が断面略
半円形状に変形されると共に、その略半円形状の円部分
（図５において、ヒートパイプ１の下方）が十分に孔内
壁に押しつけられ十分な熱的接続が実現する。従ってこ
のブロック１０と発熱性の電子部品とを接触させる場合
は、ブロック１０の、略半円形状の円部分に相対する面
側（図５において、ブロック１０の下面）に電子部品を
接触させることが望ましい。

【００２０】なお本発明でいう略半円形状とは、完全な
半円である必要はなく、概略外形の形状が半円に近い形
状の場合を指す。図６は機械体外力（図中にその外力を
説明的に矢印で示す）を加えることで略半円形状に変形
されたヒートパイプの形状例を概略的に示すものである
が、これらの形状は機械的外力の加え方等によって異な
る。

【００２１】また必須ではないが本発明の放熱ユニット
において、ヒートパイプが挿入される方向にスリットを
ブロックに設けると、上述した機械的外力を加える際、
ヒートパイプの挿入方向に対する直角方向へのブロック
の反りが抑制でき望ましい。図７はブロック１１にスリ
ット１２を設けた例を示している。

【００２２】また図８に示すように、必要ならブロック
１１にフィン状部１３を形成し、冷却対象の電子部品か
ら伝わった熱の一部をフィン状部１３から放出させるこ
とも可能である。このブロック１１が電子機器内部に配
置されている場合、フィン状部１３から放出される熱は
電子機器外に放出される訳ではない。フィン状部１３を
ブロック１１に設けることでブロック１１自体の放熱性
を高めることが可能であるので、必要なら適宜設ければ
よい。なおフィン状部１３は、上述したプレス加工の
際、容易に形成することができる。

【００２３】ブロックに挿入されるヒートパイプを略半
円形状に変形させる手段として図５に示した場合と同様
であるが、図９（Ａ）に示すようにヒートパイプ１が挿
入される部分に突起１５を設ける方法もある。そして図
の上下方向にブロック１４をプレス加工すれば、突起１
５が図９（Ｂ）に示す如く潰れるに伴ってヒートパイプ
１も下方に円部を有する略半円形状に変形される。なお
この際、プレス加工を突起１５に加えればよい。

【００２４】また上述の突起に換えて、図１０（Ａ）に
示すように、ブロック１６の上にスペーサー１７を置い
てプレス加工してもよい。図１０（Ｂ）はプレス加工
後、スペーサー１７を取り除いた状態を示している。

【００２５】図９に示される例は、ヒートパイプ１が平
行に配置された例であるが、この配置は任意であり、設
計上適宜決めればよいことである。例えば２本のヒート
パイプを直角に配置することもある。このような場合、
図１１に示すように、スペーサー１９ａ、スペーサー１
９ｂをヒートパイプ１の配置に合わせて置いて、プレス
加工すればよい。なおスペーサーに替えて突起を設けて
も構わないことは言うまでもない。

【００２６】なお本発明の放熱ユニットにおいて、使用
するヒートパイプやブロックのサイズについては特に限
定されない。近年の小型化した電子機器の内部に装着さ
れる電子機器に適用する場合、電子機器内のスペースや
放熱性能等を考慮して適宜選べばよいことである。例え
ばノート型パソコンに適用する場合、径６ｍｍ以下程度
の細径ヒートピイプが好適に適用できる。

【００２７】

【実施例】以下本発明を実施例に基づいて詳細に説明す
る。 実施例１ 図１２は本発明の放熱ユニットの要部部品を概略的に示
した斜視図である。ブロック２０はアルミニウム製（Ａ
１１００）で５０ｍｍ×３０ｍｍの板状である。この放
熱ユニットの要部部品は次のようにして作製した。先ず
孔（径３．１ｍｍ）を設けた図示しないブロックを用意
する。このブロックの厚さは孔の部分で４ｍｍ、その他
の部分で２ｍｍである。この孔に径３ｍｍの銅製ヒート
パイプ（銅製、全長２００ｍｍ、肉厚０．３ｍｍ、作動
液は水、内部に図示しない微細な溝が形成されている）
を挿入する。次にこのブロックの厚さ４ｍｍの部分に厚
さ方向にプレスする加工を施し、ヒートパイプが挿入さ
れた部分の厚さが３ｍｍになるように潰した。その結
果、図１２に示すように、挿入されたヒートパイプ１が
略半円形状に変形し、孔も略半円状に変形した。

【００２８】上記要部部品の性能を次のようにして測定
した。図１５に示す如くブロック２０をヒートパイプ１
（長さ２００ｍｍ）の両端に上述のようにして取り付
け、図１６に示すように、ブロックの一方（ブロック２
０ａ）を６０℃の湯２４に浸す。この際ヒートパイプ１
をほぼ垂直に保ち、ブロック２０ａが約１５ｍｍ程、湯
に浸るようにした状態で５分間保持した。５分経過後、
ブロック２０ａを湯２４から取り出し、速やかにブロッ
ク２０ａとブロック２０ｂの中央部の温度を測定して比
較した。その結果、ブロック２０ａとブロック２０ｂの
温度差は６℃であった。

【００２９】比較例１ アルミニウム製（Ａ１１００）で、５０ｍｍ×３０ｍｍ
の板状、厚さが４ｍｍのブロックを用意した。このブロ
ックには図１２の場合と同様の位置に孔が設けられてお
り、その孔にヒートパイプを挿入した後、機械的プレス
を加えてブロックを潰して、本発明の放熱ユニットの要
部部品を作製した。機械的プレスを加える以前のブロッ
クの厚さは、ヒートパイプが挿入されている部分を含め
て一様に４ｍｍで、プレスによって厚さを一様に３ｍｍ
にした。この結果、ブロックに挿入されている部分のヒ
ートパイプが略楕円形状に変形した。

【００３０】比較例の上記要部部品の性能を実施例１と
同様にして測定した。その結果、ヒートパイプ両端のブ
ロックの温度差は約７℃であった。実施例１の場合と比
較してブロックの熱容量が多少異なるものの、実施例１
の要部部品は比較例１に比べ優れた伝熱性を実現してい
ることが判る。

【００３１】実施例２ 図１３は本発明の他の実施例の放熱ユニットの要部部品
を概略的に示した斜視図である。ブロック２１はＡ１１
００製で５０ｍｍ×３０ｍｍの板状である。このブロッ
ク２１の厚さはヒートパイプ１が挿入されている部分で
凹んでおり、ここの厚さが３．５ｍｍになっている。そ
の他の部分は４ｍｍである。この放熱ユニットの要部部
品は次のようにして作製した。厚さ４ｍｍのブロックに
設けた径３．１ｍｍの孔にヒートパイプを挿入し、ヒー
トパイプ１が挿入される位置にスペーサー（厚さ０．５
ｍｍ、幅４ｍｍ）を置いてプレス加工を施した。この
際、丁度スペーサーがブロックに埋まるまでプレスし、
プレス後、埋まったスペーサーを取り除いた。スペーサ
ーを取り除いたところは図示するように凹みができた。
これを実施例１の場合同様に性能評価した結果、ヒート
パイプ１の両端に取り付けたブロック２１の温度差は７
℃であった。

【００３２】従来例 図１４は従来の放熱ユニットの要部部品を概略的に示し
た斜視図である。ブロック２２はアルミニウム製（Ａ１
１００）で５０ｍｍ×３０ｍｍの板状である。このブロ
ック２２の厚さは４ｍｍである。ヒートパイプ１とブロ
ック２２は半田接合されている。作製方法は、ブロック
２２を立てた状態で、ヒートパイプ１が挿入される孔
（径３．３ｍｍ）に溶融状態の半田材（組成Ｓｎ／Ｐｂ
＝６／４）を満たす。そしてこの状態で孔にヒートパイ
プ１をゆっくりと挿入した後、半田材を固めたものであ
る。これを実施例１の場合同様に性能評価した結果、ヒ
ートパイプ１の両端に取り付けたブロック２１の温度差
は８℃であった。

【００３３】以上、放熱ユニットの要部部品の性能評価
の結果から判るように、本発明の要部部品はヒートパイ
プ両端のブロックの温度差が小さく、ヒートパイプとブ
ロックとの良好な熱的接続性が実現している。従って本
発明の要部部品を図１に示すような放熱ユニット等に適
用すれば、効率的な電子部品の放熱ができる。また従来
例で説明した場合に比べ、本発明では放熱ユニットはそ
の作製が容易でありコスト的にも有利である。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明で製造され
る放熱ユニットは、効率的に電子部品の放熱が行え、ま
たコスト的にも優れているので、実用的に好適な放熱ユ
ニットである。また本発明で製造される放熱ユニットは
サイズ的にもコンパクト、軽量であるので、電子機器の
小型軽量化にも好適に対応できる。このように本発明は
産業上、顕著な貢献を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で製造される放熱ユニットの概略的斜視
図である。

【図２】本発明で製造される放熱ユニットの概略的側面
図である。

【図３】従来の放熱ユニットの概略的斜視図である。

【図４】従来の放熱ユニットの概略的側面図である。

【図５】本発明の放熱ユニットの作製工程の一部を示す
説明図である。

【図６】本発明で製造される放熱ユニットにおけるヒー
トパイプの断面形状を示す説明図である。

【図７】本発明で用いるブロックの１例を示す説明図で
ある。

【図８】本発明で用いるブロックの１例を示す説明図で
ある。

【図９】本発明の放熱ユニットの作製工程の一部を示す
説明図である。

【図１０】本発明の放熱ユニットの作製工程の一部を示
す説明図である。

【図１１】本発明の放熱ユニットの作製工程の一部を示
す説明図である。

【図１２】本発明で用いる放熱ユニットの要部部品を示
す概略的斜視図である。

【図１３】本発明で用いる放熱ユニットの要部部品を示
す概略的斜視図である。

【図１４】従来の放熱ユニットの要部部品を示す概略的
斜視図である。

【図１５】本発明で用いる放熱ユニットの要部部品を示
す概略的斜視図である。

【図１６】実施例における、放熱ユニットの要部部品の
性能評価方法を示す説明図である。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ、１ｃ ヒートパイプ ２ プリント基板 ３ ＬＳＩ ４ ブロック ５ リード線 ６、１０、１１、１４、１６、１８、 ブロック ２０、２０ａ、２０ｂ、２１、２２ ブロック ６ａ ブロック本体 ６ｂ ブロック蓋体 ７ 熱伝導ゴム ８ 放熱板 ９ フィン １２ スリット １３ フィン状部 １７、１９ａ、１９ｂ スペーサー ２３ 容器 ２４ 湯 ４１ 孔

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F28D 1/02 H01L 23/427 H05K 7/20

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子部品から発生した熱を伝播するアル
   ミニウム材または銅材からなるブロックと、前記ブロッ
   クに取り付けられたヒートパイプとを含む放熱ユニット
   の製造方法であって、ブロックに設けた孔にヒートパイ
   プを挿入し、前記ブロックの当該ヒートパイプが挿入さ
   れる部分に局所的な外力を加えることで、前記ブロック
   のヒートパイプが挿入された部分を優先的に潰し、前記
   ヒートパイプと前記孔の内壁とを機械的に接触させるこ
   とを特徴とするヒートパイプを用いた電子機器放熱ユニ
   ットの製造方法。