JP3403307B2 - ヒートスプレッダとそれを用いた冷却器 - Google Patents

ヒートスプレッダとそれを用いた冷却器

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JP3403307B2
JP3403307B2 JP02900397A JP2900397A JP3403307B2 JP 3403307 B2 JP3403307 B2 JP 3403307B2 JP 02900397 A JP02900397 A JP 02900397A JP 2900397 A JP2900397 A JP 2900397A JP 3403307 B2 JP3403307 B2 JP 3403307B2
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heat
heat spreader
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semiconductor element
spreader
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雅章 山本
潤 贄川
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Furukawa Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷却が必要な電気
部品等の冷却に適したヒートスプレッダとそれを用いた
冷却器に関する。
【0002】
【従来の技術】パソコン等の各種電気機器やその他の機
器に搭載されている半導体素子等の冷却方法として、そ
の機器にファンを取り付け、機器筐体内の空気を冷却す
る方式や、その冷却すべき半導体素子に冷却体を取り付
けたりする方法等が知られている。
【0003】半導体素子に冷却体を取り付けることで冷
却する場合、概ね半導体素子はサイズ的に小さいので、
半導体素子に直接、放熱フィンを取り付けず、一旦、伝
熱体に熱を拡散させてから、その伝熱体に取り付けたフ
ィンから放熱させる形態が有力である。
【0004】具体的には、半導体素子に伝熱体を接触さ
せ、更にその伝熱体にフィンを取り付ける。冷却すべき
半導体素子の発する熱は、概ね伝熱体に移動し、そこか
らフィンを経て放熱するであろう。ここで伝熱体として
は、通常、アルミニウム材や銅材等の熱伝導性に優れる
材質が通常使われることが多い。
【0005】半導体素子に取り付ける伝熱体は、熱を広
げる意味で、ヒートスプレッダと呼ばれることもある。
熱がより効率的に広がるようにするため、ヒートスプレ
ッダをヒートパイプ構造とする場合もある。この場合、
別途用意したヒートパイプを伝熱体に埋め込む形態でも
良い。
【0006】半導体素子が搭載される位置によっては、
フィンとヒートスプレッダが離れている場合も少なくな
い。フィンは半導体素子が搭載される機器筐体の外部付
近に設けることが望ましい訳であるから、冷却すべき半
導体素子の位置によっては、ヒートスプレッダとフィン
が離れることになるのである。このような場合、ヒート
スプレッダとフィンとをヒートパイプでつなぐ方法が有
力であり、実用化もしている。
【0007】ヒートスプレッダとフィンとをつなぐヒー
トパイプや、ヒートスプレッダを構成するヒートパイプ
による熱の移動は通常、下述のような作動によってなさ
れる。即ち、ヒートパイプの吸熱側において、ヒートパ
イプを構成する容器(コンテナと呼ばれることも多い)
の材質中を熱伝導して伝わってきた熱を受けて作動液が
蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。
放熱側では、作動液の蒸気は冷却され再び液相状態に戻
る。そして液相に戻った作動液は再び吸熱側に移動す
る。このような作動液の相変態や移動により、熱の移動
がなされる。尚、作動液は液相状態の他に蒸気になるこ
ともあるが、ここでは慣用的に作動液との呼称を使って
いる。
【0008】相変態により液相状態になった作動液は、
重力または毛細管作用等により、吸熱側に戻るようにな
っている。重力式の場合は、吸熱側を放熱側より下方に
配置すればよい。パソコン等の電気機器の場合、その内
部のスペースの関係で、ヒートパイプの放熱側と吸熱側
の高低差を設けにくい場合も多い。そのような場合は、
内部に溝やウィックを設けたヒートパイプが適用され
る。もちろん性能上、このような毛細管作用を利用する
ヒートパイプであっても、放熱側は吸熱側より上方に配
置することが望ましいことは言うまでもない。
【0009】ヒートパイプの外形形状としては、円形パ
イプ状のものが代表的であるが、その他、平板形状のプ
レート型のものが使われることも多い。これらヒートパ
イプの形状の選定は、そのヒートパイプの適用される状
態や要求される特性等を考慮して適宜決めればよい。ま
たヒートパイプを構成するコンテナの材質も、用途等に
よって種種選定すれば良く、例えば銅材、ステンレス
材、アルミニウム材等が適用できる。
【0010】図3は従来の冷却器の形態例を示す説明図
である。冷却すべき半導体素子2はプリント基板5上に
実装されている。半導体素子2の上面側には、ヒートパ
イプ構造を有するヒートスプレッダ10が配置されてい
る。ヒートスプレッダ10に伝わった半導体素子2の熱
はフィン部4から放熱される。
【0011】半導体素子2のような被冷却部品をヒート
スプレッダ10に熱的に接続させるには、被冷却部品に
接触させるか、あるいは伝熱物質を介在させて接触させ
たりすればよい。ここではヒートスプレッダ10とフィ
ン部4との間には、これらの接触熱抵抗を下げる意味で
伝熱グリス3を介在させている。
【0012】図3の従来例は、ヒートスプレッダ10と
して板状のヒートパイプを用いたものである。従来、こ
のようなヒートスプレッダ10は、例えば、ヒートパイ
プを構成するコンテナとなる上下2枚の金属板を接合し
て内部空間を形成し、その内部空間に作動液(通常、水
や代替フロン等が使用される)を封入して作製される。
作動液が封入されているヒートパイプの内部は、作動液
の蒸発、凝縮の相変態が起きやすくなるように、真空脱
気しておく。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】上述した、ヒートパイ
プ構造のヒートスプレッダ10或いはヒートパイプが埋
め込まれたヒートスプレッダは、従来、冷却すべき半導
体素子等の位置に、そのヒートパイプの吸熱部が位置す
る構成となっていた。
【0014】しかし、冷却すべき半導体素子等は、概ね
サイズ的に小さく、また近年はその発熱密度も高い場合
も多い。このような被冷却部品の場合、それを熱的に接
続されるヒートパイプの吸熱部では、熱流速が高すぎて
沸騰限界に達しやすい。こうなると熱輸送の効率が損な
われてしまう。
【0015】またヒートスプレッダの配置や、それが搭
載されている電気機器等の使用状況によっては、被冷却
部品の位置する吸熱部が、放熱部より上方に位置する場
合もある。このような場合、ヒートスプレッダを構成す
るヒートパイプの熱移動の機能が低下しやすい。つま
り、ヒートパイプとしてトップヒートモードになるから
である。
【0016】このような状況から、冷却すべき半導体素
子等の発熱密度も高い場合や、さまざまな配置方法にも
対応しやすいヒートスプレッダが求められていた。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明は、上板と下箱か
らなる空洞部内に、1乃至複数の被冷却部品に対して熱
的に接続する伝熱金属体で且つ充実体からなる1つのブ
ロック部を設け、該ブロック部周囲を含む前記空洞部内
をヒートパイプ構造としてなるヒートスプレッダであ
る。また本発明は、請求項1記載のヒートスプレッダを
用いた冷却器である。
【0018】
【発明の実施の形態】図1は本発明のヒートスプレッダ
1とそれを用いた冷却器の構成を示す説明図である。該
ヒートスプレッダ1は上板12と下箱13とからなって
いる。これら上板12と下箱13を結合することにより
空洞部100が構成されている。該空洞部100の中央
部には伝熱金属体で且つ充実体からなるブロック部10
1が備えられ、その周囲部分はヒートパイプ構造を構成
するヒートパイプ空洞部100となっている。なお、こ
の図1ではヒートパイプとしての詳細な構造は省略して
ある。かかるヒートパイプスプレッダ1の伝熱金属体か
らなる充実ブロック部101の位置するところには被冷
却部品2(図1ではプリント基板5に実装された半導体
素子2、半導体素子2は1乃至複数)が設置され、被冷
却部品2とブロック部101とは熱的に接続されてい
る。
【0019】フィン部4は、ヒートスプレッダ1の、半
導体素子2が備わる面の反対側に取り付けられている。
伝熱グリス3は、フィン部4とヒートスプレッダ1との
接触熱抵抗を低減する意味で設けている。
【0020】図2は図1のヒートスプレッダ1の製造方
法を簡単に示す説明図である。ヒートスプレッダは上板
12と下箱13とを接合することで組み立てる。接合方
法は特に限定されないが、MIG溶接やTIG溶接、抵
抗溶接等の溶接法や、ろう付け法等が好適に適用でき
る。ろう付けする場合は、上板12や下箱13の材質が
Al材の場合はブレージングシートを用いると簡便であ
る。上板12や下箱13の材質がCu材の場合は、Ag
ろう材等を用いれば良い。
【0021】上板12と下箱13とを接合する前に伝熱
金属体からなる充実ブロック部101を下箱13に取り
付ける。ブロック部101を除く下箱の空隙14(凹み
部)と上板12の一部とで図1に示すヒートパイプ空洞
部100が形成される。尚、上板12、下箱13との呼
称は、説明の便宜上の呼び名に過ぎない。上或いは下で
あることに意味はない。
【0022】ヒートパイプ空洞部100の内面には、熱
効率を高める意図で溝を形成すると望ましい。そこで下
箱13の内壁部に溝を形成すると良い。溝の形成は例え
ば溝加工やねじ切り加工によって形成したり、或いは焼
結体を別途用意し、これを接合したりして形成すること
ができる。
【0023】ヒートスプレッダ1を形成する上板12や
下箱13の材質は熱伝導性の高い銅材やアルミニウム材
が望ましい。要求される熱特性や強度特性等を考慮し
て、材料は選定すれば良い。熱伝導性の観点では、純銅
系(タフピッチ銅、無酸素銅等)や純Al系の材料等が
望ましい。
【0024】ヒートパイプ空洞部100には作動液を所
定量収容する。もちろん、ヒートパイプとして機能する
よう、脱気等も行う。作動液は水や代替フロン等、通常
の作動液を適用すればよい。
【0025】さて、本発明のヒートスプレッダ1を用い
れば、概ね、半導体素子2の熱は伝熱金属体からなる充
実ブロック部101を経由して、ヒートパイプ空洞部1
00内の作動液に伝わることになる。もちろん熱はブロ
ック部101を経由してフィン部4に伝わる分もある。
ブロック部101によって熱が分散するので、ヒートパ
イプ空洞部100の吸熱部(蒸発部)も、広い面積に広
がる。このため、局所的な沸騰限界の発生が抑制され、
効率的な熱移動がなされるようになる。
【0026】図4はブロック部101に替え図4に示す
ようなブロック部15を配置した場合を示す。このブロ
ック部15のように、その表面積を大きくすると、半導
体素子2からブロック部15に伝わった熱がより効率的
に作動液に伝わるようになる。従って冷却性能が向上す
る。
【0027】上述の実施例では、1個の半導体素子2が
ヒートスプレッダ1の概ね中央部分に位置した例を示し
たが、被冷却部品が複数ある場合は、その位置に対応さ
せて複数の伝熱金属体を設け、そしてその周囲部分には
ヒートパイプ空洞部を設けることになる。
【0028】
【発明の効果】本発明のヒートスプレッダは、冷却すべ
き被冷却部品の発熱密度が高い場合や、それを冷却する
ための冷却器としてのさまざまな配置方法にも対応しや
すいものである。このヒートスプレッダを用いた冷却器
は効率的な冷却が実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のヒートスプレッダの例とそれを用いた
冷却器を示す説明図である。
【図2】本発明のヒートスプレッダの組み立てを示す説
明図である。
【図3】従来のヒートスプレッダを用いた冷却器の例を
示す説明図である。
【図4】本発明のヒートスプレッダの他の例の組み立て
を示す説明図である。
【符号の説明】
1 ヒートスプレッダ 2 半導体素子 3 伝熱グリス 4 フィン部 5 プリント基板 10 ヒートスプレッダ 11 ブロック部 12 上板 13 下箱 14 凹み部 15 ブロック部 100 ヒートパイプ空洞部 101 伝熱金属体からなる充実ブロック部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F28D 15/02 H01L 23/427 H05K 7/20

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上板と下箱からなる空洞部内に、1乃至
    複数の被冷却部品に対して熱的に接続する伝熱金属体で
    且つ充実体からなる1つのブロック部を設け、該ブロッ
    ク部周囲を含む前記空洞部内をヒートパイプ構造として
    なるヒートスプレッダ。
  2. 【請求項2】請求項1記載のヒートスプレッダを用いた
    冷却器。
JP02900397A 1997-02-13 1997-02-13 ヒートスプレッダとそれを用いた冷却器 Expired - Lifetime JP3403307B2 (ja)

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US09/023,372 US6082443A (en) 1997-02-13 1998-02-13 Cooling device with heat pipe
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