JP5485450B1

JP5485450B1 - ヒートスプレッダ

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Publication number: JP5485450B1
Application number: JP2013106982A
Authority: JP
Inventors: ジャリルバンドアハマド; 正孝望月; シャヘッドアハメドモハマド; タンロンファン
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: JP2014229687A

Abstract

【課題】より小さく発熱量が多い電子部品を効果的に冷却することができるヒートスプレッダを提供する。
【解決手段】一方の外壁部２の内面２ｃで、受熱部２ｂに対応し液相の作動流体が蒸発する位置２ｄと、他方の外壁部４の内面４ｃで、放熱部４ｂに対応し気相の作動流体が凝縮する位置４ｄとの少なくとも一方の位置の表面２ｄに、複数のマイクロフィン６が互いに間隔をあけて平行に配列され、そのマイクロフィン６は、対向する面４ｃに向けて延びて接合されており、隣り合うマイクロフィン６同士の間に、液相の作動流体を蒸発する位置に還流させる毛細管力を生じるとともに、気相の作動流体を凝縮する位置に流動させるマイクロチャンネル７が形成され、マイクロフィン６を挟んで隣り合うマイクロチャンネル７同士を連通し、気相の作動流体を流動させる蒸気孔１０が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの電子部品から放熱させるために、電子部品で発生した熱を拡散させるヒートスプレッダに関するものである。

パーソナルコンピュータのＣＰＵなどの電子部品はその高速化、高性能化に伴ってその発熱量が年々増大する傾向にある。しかしながら、これとは反対に、半導体のチップサイズは微細シリコン回路技術の進歩によって、従来のものよりも小さいサイズとなり、単位面積あたりの発熱量が多くなっている。したがって、温度上昇による不具合などを回避するために、電子部品を効果的に放熱・冷却することが求められている。そのため、電子部品にはヒートパイプやヒートスプレッダ（ＩＨＳ）などを備えた放熱構造が設けられる。このような放熱構造を備えた装置が特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載された構造を簡単に説明すると、動作することにより発熱する電子装置とその熱を外部に放散させるヒートシンクとの間に、熱伝導性を有する断面波形状の金属箔が配置されている。この金属箔は、荷重が加えられる方向に弾性を有する部材または圧縮可能な部材である。波形状の金属箔とヒートシンクおよび電子装置との間の隙間には、熱インターフェイス材料（ＴＩＭ）が配置されている。

米国特許公開第２００２／００１５２８８号公報

特許文献１に記載されている金属箔の熱抵抗をより低くするためには、その波形の高さを低くし、ヒートシンクおよび電子装置に接触する金属箔の接触面数を増加させることが考えられる。そのためには、金属箔の隣り合った接触面の間隔を短くする（言い換えると、ピッチを細かくする）ことになる。しかしながら、これは、あくまでも、金属箔とヒートシンクもしくは電子装置との間の熱抵抗を低減するための手法であり、電子装置とヒートシンクとの間の熱の伝達は金属箔自体の熱伝導によって行われる。金属のみで構成された金属箔ではその熱伝導性に限界があり、多量の熱を伝達して放熱性能を向上させるためには金属箔が大型化し、反対に小型化すると放熱量が大きく制限される。結局、より小さく発熱量が多い電子部品を効果的に冷却するには改善の余地があった。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、より小さく発熱量が多い電子部品から効果的に放熱させて冷却することができるヒートスプレッダを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮することにより潜熱として熱を輸送する作動流体が封入された全体として中空平板状に形成されるとともに、互いに対向する一方の外壁部の外面が、動作することにより発熱する電子部品から熱を受ける受熱部とされ、他方の外壁部の外面が、熱を放熱する放熱部とされ、前記作動流体が、その受熱部の熱を奪って放熱部に伝熱することにより前記電子部品の熱を拡散させるヒートスプレッダにおいて、前記一方の外壁部の内面で、前記受熱部に対応しかつ液相の作動流体が蒸発する位置と、前記他方の外壁部の内面で、前記放熱部に対応しかつ気相の作動流体が凝縮する位置との少なくとも一方の位置の表面に、該表面に一体化された複数のマイクロフィンが互いに間隔をあけて平行に配列され、そのマイクロフィンは、前記少なくとも一方の位置の表面に対向する面に向けて延びて接合されており、隣り合う前記マイクロフィン同士の間に、液相の前記作動流体を前記蒸発する位置に還流させる毛細管力を生じるとともに、気相の前記作動流体を前記凝縮する位置に流動させるマイクロチャンネルが形成され、前記マイクロフィンを挟んで隣り合う前記マイクロチャンネル同士を連通し、気相の前記作動流体を流動させる蒸気孔が設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記蒸気孔は、隣り合う前記マイクロチャンネルに挟まれた前記マイクロフィンに設けられていることを特徴とするヒートスプレッダである。

また、請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記マイクロフィンは、前記少なくとも一方の位置の表面に、厚さ方向に間隔をあけて複数形成されており、互いに隣り合う前記マイクロフィン同士の間に、他のマイクロフィンが更に設けられており、前記蒸気孔は、前記他のマイクロフィンに設けられていることを特徴とするヒートスプレッダである。

この発明によれば、隣り合うマイクロフィン同士の間に、作動流体が蒸発する位置に液相の作動流体を還流させる毛細管力を生じるとともに、その作動流体が凝縮する位置に気相の作動流体を流動させるマイクロチャンネルが形成されている。また、そのマイクロフィンを挟んで隣り合うマイクロチャンネル同士を連通し、気相の作動流体を流動させる蒸気孔が設けられている。電子部品で発生して受熱部に伝達された熱は、作動流体が蒸発する位置のマイクロフィンおよび液相の作動流体に伝達される。マイクロフィンに伝達された熱は、液相の作動流体および他方の外壁部の内面に伝熱される。このマイクロフィンは、少なくとも一方の外壁部の内面と一体的に形成されているため、界面熱抵抗がほぼゼロであり、熱伝導性を向上させることができる。さらに、マイクロフィンは、対面する面に接合されているため、ヒートスプレッダの強度を高めることができる。

また、隣り合うマイクロフィン同士の厚さ方向の間隔は、毛細管現象が生じるように狭められている。そのため、放熱部に伝熱するマイクロフィンの枚数を増加させることができ、その結果、ヒートスプレッダの熱抵抗を低減させることができる。

また、作動流体が蒸発する位置における液相の作動流体には、受熱部およびマイクロフィンから熱が伝達される。蒸発する位置において液相の作動流体が蒸発すると、蒸発する位置のマイクロチャンネルに形成されているメニスカスが低下する。そのため、それに伴う毛細管力が生じ、その毛細管力をポンプ力として液相の作動流体が、蒸発の生じる位置に還流させられる。すなわち、凝縮した作動流体は、マイクロチャンネルを流路として、凝縮する位置から蒸発する位置に向けて流動することができる。そして、マイクロチャンネルの幅が小さいことにより大きい毛細管力が発生し、いわゆる還流特性が良好になる。したがって、全体の熱抵抗損失を低減させることができ、最大熱輸送能力を向上させることができる。

また、作動流体が蒸発する位置における複数のマイクロチャンネルには、液相の作動流体が流入している。そのため、作動流体が蒸発する位置のマイクロチャンネルに溜まった作動流体によって、電子部品の温度を低下させることができる。

また、蒸発した作動流体は、その蒸発位置におけるマイクロチャンネルの表面に沿って流動するとともに、マイクロフィンを挟んで隣接するマイクロチャンネルに、蒸気孔を介して流入する。つまり、気相の作動流体は、蒸気孔を介してマイクロフィンの厚さ方向に流動することで、温度および圧力の低い箇所に向けて流動することができる。したがって、気相の作動流体の流動が必要十分に行われてヒートスプレッダとしての熱輸送特性もしくは熱拡散特性が良好になり、より小さく発熱量が多い（すなわち熱密度の高い）電子部品から効果的に熱を拡散させて、電子部品もしくはこれを実装している電子装置を効果的に冷却することができる。

（ａ）はこの発明に係るヒートスプレッダの具体例における断面図である。（ｂ）はこの発明に係るヒートスプレッダの具体例における図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。（ｃ）はこの発明に係るヒートスプレッダの具体例における図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。この発明に係るマイクロフィンを成形する過程を示す図である。

つぎに、この発明を具体例に基づいて説明する。図１にこの発明に係るヒートスプレッダの具体例が示されている。ヒートスプレッダ１は熱伝導性に優れた銅やアルミニウムなどの金属によって、全体として中空平板状に形成されており、その内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮することにより潜熱として熱を輸送する作動流体（図示せず）が封入されている。このヒートスプレッダ１の一方の外壁部（例えば底壁面）２の外面２ａには、発熱する電子部品３が間接的または直接的に接触しており、電子部品３の熱をその外壁部２から作動流体に伝達させ、その作動流体が他方の外壁部（例えば上壁部）４に熱を伝達することにより、電子部品３で発生した熱を拡散させて電子部品３を冷却するものである。

電子部品３は、従来知られている適宜な部品であって、一例としてシリコンチップ上に回路を形成した厚さが数ｍｍの矩形状の部材である。この電子部品３は図示しない基板上に配置されている。また、基板は図示しないマザーボードに接続されている。なお、この発明で対象とする電子部品は、集積回路、メモリやＣＰＵなどの動作時に発熱する電子部品であればよく、以下の説明では電子部品３をＣＰＵ３として説明する。このＣＰＵ３がヒートスプレッダ１に熱伝達可能に面接触させられている。

ヒートスプレッダ１は、気密性のある中空の容器であり、全体としていわゆる丸角の矩形もしくは正方形に構成されている。ＣＰＵ３に前記外面２ａが接触するとともに熱を奪う一方の外壁部２と、その外壁部２に対面しかつ伝達された熱を放熱する他方の外壁部４と、それら外壁部２，４の周縁部を連結している筒状の胴部５とを備えている。ヒートスプレッダ１の他方の外壁部４の外面４ａには、図示しないヒートシンクが接触している。なお、動作することによりＣＰＵ３から生じた熱が伝達される一方の外壁部２における外面２ａの一部分を、受熱部２ｂと呼ぶこととする。また、ヒートシンクまたは外気に熱を伝達する他方の外壁部４における外面４ａの一部分を、放熱部４ｂと呼ぶこととする。

ヒートスプレッダ１の内部には、真空脱気された状態で、凝縮性流体が作動流体として封入されている。この作動流体は、加熱されて蒸発し、かつ放熱して凝縮することにより、潜熱の形で熱を輸送する流体であり、ヒートスプレッダ１を使用する温度に応じて適宜に選択される。その一例を挙げると、水やアルコール、メタノール、代替フロン、アンモニアなどが作動流体として使用される。

ＣＰＵ３が接触している一方の外壁部２には、その内面２ｃに、他方の外壁部４の内面４ｃに向けて延びている複数のマイクロフィン６が一体的に垂設されている。これらマイクロフィン６は、薄い平板状であって、一方の外壁部２の内面２ｃに対面する他方の外壁部４の内面４ｃに向かって延び出て、その内面４ｃに接合している。言い換えると、マイクロフィン６は、互いに所定の間隔をあけて平行に並ぶように、一方の外壁部２の内面２ｃと他方の外壁部４の内面４ｃとの間に形成されている。他方の外壁部４の内面４ｃとマイクロフィン６の端部６ａとは、ヒートスプレッダ１の強度を高めるために、真空中で圧力と熱とを加えて接合する拡散接合によって一体化されている。これらのマイクロフィン６は、一方の外壁部２から伝達された熱を作動流体および他方の外壁部４に伝達するように構成されている。また、これらマイクロフィン６は、図２に示すように、例えば切削工具ｃにより、一方の外壁部２の内面２ｃの表面を薄く削いで起立させて複数成形されていてもよい。なお、マイクロフィン６は、例えば、高さ１．４ｍｍ、幅１０ｍｍ程度であり、ＣＰＵ３とヒートスプレッダとの接触面における熱抵抗を低減させるために、その厚さが０．０５ｍｍ（５０μｍ）以下に設定されている。

隣接するマイクロフィン６同士の間に、マイクロチャンネル７が形成されている。このマイクロチャンネル７は、互いに隣接するマイクロフィン６の間の部分であって、マイクロフィン６の表面に沿った流路を形成している。マイクロチャンネル７は、作動流体蒸気が流動する蒸気流路であるとともに、毛細管現象を生じて液相の作動流体を蒸発する箇所に向けて還流させるように構成された液流路でもある。互いに隣接するマイクロフィン６同士の間には、液相の作動流体がマイクロフィン６の表面に沿って流動するように、それらマイクロフィン６同士の間の隙間を埋める他のマイクロフィン８が設けられている。なお、マイクロチャンネル７は、毛細管現象を生じるさせるために、その幅が０．１５ｍｍ（１５０μｍ）程度に設定されている。

マイクロフィン６の長手方向（図１（ａ）の上下方向）における端部とヒートスプレッダ１の胴部５との間には、図１（ｃ）に示すように、液相の作動流体が複数のマイクロチャンネル７を流動するように、隙間９が空けられている。なお、この隙間９は、作動流体が凝縮した箇所から作動流体が蒸発する箇所まで流動するように構成されていればよい。さらに、隣り合うマイクロフィン６のそれぞれには、隣接するマイクロチャンネル７同士を連通するとともに、気相の作動流体を流通させる蒸気孔１０が、厚さ方向に貫通して設けられている。

前記他のマイクロフィン８は、その高さ方向の一端８ａが一方の外壁部２の内面２ｃに接合されている。そして、作動流体が蒸発した位置から隣接するマイクロチャンネル７に気相の作動流体が流入するように、他のマイクロフィン８の高さ方向の他端８ｂと他方の外壁部４の内面４ｃとの間には、隙間が設けられている。この隙間が、気相の作動流体が流動する蒸気孔１０になっている。なお、蒸気孔１０は、作動流体蒸気が、その蒸発の生じたマイクロチャンネル７に隣接する他のマイクロチャンネル７に流入するように構成されていればよく、したがってマイクロフィン６に蒸気孔１０と同様の貫通部を設けてもよい。また、前記他のマイクロフィン８は、例えば、高さ０，７ｍｍ、幅３ｍｍ程度であり、電子部品とヒートスプレッダとの接触面における熱抵抗を低減させるために、その厚さが０．０５ｍｍ（５０μｍ）以下に設定されている。

なお、一方の外壁部２の内面２ｃで受熱部２ｂに対応しかつ作動流体が蒸発する箇所を、蒸発部２ｄと呼ぶこととする。また、他方の外壁部４の内面４ｃで放熱部４ｂに対応し、作動流体が凝縮する箇所を、凝縮部４ｄと呼ぶこととする。

次に、この発明に係るヒートスプレッダ１の具体例の作用について説明する。ＣＰＵ３が動作することにより発生した熱は受熱部２ｂに伝達され、その熱によってヒートスプレッダ１の内部で作動流体が加熱されて蒸発する。一方、放熱部４ｂはヒートシンクを介して外部に放熱し、その温度が受熱部２ｂに比較して低くなっている。したがって、受熱部２ｂで生じた作動流体蒸気が、温度および圧力の低い放熱部４ｂ側に向けて流動し、その後、放熱部４ｂに熱を奪われて凝縮する。

ＣＰＵ３で発生した熱は、受熱部２ｂおよび蒸発部２ｄを経てマイクロフィン６に伝達され、またマイクロフィン６や蒸発部２ｄに接触している液相の作動流体に伝達される。また、マイクロフィン６に伝達された熱の一部は、液相の作動流体および他方の外壁部４の内面４ｃに伝熱される。このマイクロフィン６は、一方の外壁部２の内面２ｃに一体的に形成されており、その一方の外壁部２との界面熱抵抗がほぼゼロであるため、熱伝導性を向上させることができる。また、隣り合うマイクロフィン６同士の間隔は、毛細管現象が生じるように狭められている。そのため、他方の外壁部４に熱を伝熱するマイクロフィン６の枚数を増加させることができ、その結果、ヒートスプレッダ１の熱抵抗を低減させることができる。さらに、マイクロフィン６は、他方の外壁部４の内面４ｃに拡散接合されているため、ヒートスプレッダ１の強度を高めることができる。

蒸発部２ｄにおける液相の作動流体には、受熱部２ｂおよびマイクロフィン６から熱が伝達される。蒸発部２ｄにおいて液相の作動流体が蒸発すると、蒸発部２ｄのマイクロチャンネル７に形成されているメニスカスが低下する。そのため、それに伴う毛細管力が生じ、その毛細管力をポンプ力として液相の作動流体が蒸発部２ｄに還流する。すなわち、凝縮した作動流体は、マイクロチャンネル７を流路として、凝縮部４ｄから蒸発の生じる箇所に向けて流動する。そして、マイクロチャンネル７の幅が小さいことにより大きい毛細管力が発生し、いわゆる還流特性が良好になる。したがって、全体の熱抵抗損失を低減させることができ、最大熱輸送能力を向上させることができる。

また、蒸発部２ｄにおける複数のマイクロチャンネル７には、液相の作動流体が流入している。そのため、蒸発部２ｄのマイクロチャンネル７に溜まった作動流体はその顕熱としてＣＰＵ３から熱を奪うから、ＣＰＵ３の温度を低下させることができる。

また、蒸発部２ｄにおいて蒸発した作動流体は、その蒸発部２ｄにおけるマイクロチャンネル７に沿って流動するとともに、マイクロフィン６を挟んで隣接するマイクロチャンネル７に、蒸気孔１０を介して流入する。つまり、作動流体蒸気は、蒸気孔１０を介してマイクロフィン６の厚さ方向に流動することで、温度および圧力の低い箇所に向けた流動が促進される。したがって、作動流体蒸気の流動が必要十分に行われてヒートスプレッダ１としての熱輸送特性が良好になる。

なお、この発明に係るヒートスプレッダは、液相の作動流体を蒸発する位置に還流させる毛細管力を生じるとともに気相の作動流体を凝縮する位置に流動させるマイクロチャンネルが、内部に形成され、また隣接するマイクロチャンネル同士の間で気相の作動流体を流動させる蒸気孔が設けられていればよい。したがって、隣接するマイクロフィン同士の間の隙間つまりマイクロチャンネルに、液相の作動流体を蒸発の生じる位置に還流させる毛細管力を生じさせるためのウイックを配置してもよい。また、ヒートスプレッダの厚さ方向の強度を高めるために、一方の外壁部と他方の外壁部との間に円柱状の金属を配置し拡散接合してもよい。

１…ヒートスプレッダ、２…一方の外壁部、２ｂ…（一方の外壁部の）受熱部、２ｃ…（一方の外壁部の）内面、２ｄ…蒸発部、３…電子部品（ＣＰＵ）、４…他方の外壁部、４ｂ…（他方の外壁部の）放熱部、４ｃ…（他方の外壁部の）内面、４ｄ…凝縮部、６…マイクロフィン、７…マイクロチャンネル、１０…蒸気孔。

Claims

加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮することにより潜熱として熱を輸送する作動流体が封入された全体として中空平板状に形成されるとともに、互いに対向する一方の外壁部の外面が、動作することにより発熱する電子部品から熱を受ける受熱部とされ、他方の外壁部の外面が、熱を放熱する放熱部とされ、前記作動流体が、その受熱部の熱を奪って放熱部に伝熱することにより前記電子部品の熱を拡散させるヒートスプレッダにおいて、
前記一方の外壁部の内面で、前記受熱部に対応しかつ液相の作動流体が蒸発する位置と、前記他方の外壁部の内面で、前記放熱部に対応しかつ気相の作動流体が凝縮する位置との少なくとも一方の位置の表面に、該表面に一体化された複数のマイクロフィンが互いに間隔をあけて平行に配列され、
そのマイクロフィンは、前記少なくとも一方の位置の表面に対向する面に向けて延びて接合されており、
隣り合う前記マイクロフィン同士の間に、液相の前記作動流体を前記蒸発する位置に還流させる毛細管力を生じるとともに、気相の前記作動流体を前記凝縮する位置に流動させるマイクロチャンネルが形成され、
前記マイクロフィンを挟んで隣り合う前記マイクロチャンネル同士を連通し、気相の前記作動流体を流動させる蒸気孔が設けられている
ことを特徴とするヒートスプレッダ。
前記蒸気孔は、隣り合う前記マイクロチャンネルに挟まれた前記マイクロフィンに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒートスプレッダ。
前記マイクロフィンは、前記少なくとも一方の位置の表面に、厚さ方向に間隔をあけて複数形成されており、
互いに隣り合う前記マイクロフィン同士の間に、他のマイクロフィンが更に設けられており、
前記蒸気孔は、前記他のマイクロフィンに設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートスプレッダ。