JP5939754B2 - Structure of plate heat pipe - Google Patents
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Description
本発明は、板型ヒートパイプの構造及びその製造方法に関し、特に、金属材料とセラミック材料とが接合されて構成されることにより、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱疲労(thermal fatigue)によってクラック(crack)が発生することを防ぐ板型ヒートパイプの構造及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a structure of a plate heat pipe and a method for manufacturing the plate heat pipe, and in particular, by joining a metal material and a ceramic material, thermal fatigue ( The present invention relates to a plate-type heat pipe structure that prevents cracks from being generated due to thermal fatigue and a method for manufacturing the same.
半導体技術の進歩に伴い、集積回路の体積は、徐々に縮小されている。また、集積回路がさらに多くのデータを処理できるようにするために、集積回路には、従来より数倍以上の数の演算素子が積載されるようになっている。しかし、集積回路内の演算素子の数が増加することにより、演算素子が稼動するときに発生する熱も多くなる。CPUを例に挙げると、最大稼動中のCPUから発生する熱は、CPU全体を焼損させるのに十分な熱量である。従って、集積回路の放熱装置は、非常に重要である。 With the progress of semiconductor technology, the volume of integrated circuits is gradually reduced. Further, in order to allow the integrated circuit to process a larger amount of data, the integrated circuit is loaded with a number of arithmetic elements several times that of the conventional circuit. However, as the number of arithmetic elements in the integrated circuit increases, more heat is generated when the arithmetic elements are operated. Taking the CPU as an example, the heat generated from the CPU in maximum operation is a sufficient amount of heat to burn out the entire CPU. Therefore, the heat dissipation device of the integrated circuit is very important.
電子装置中のCPUユニット及びチップは、発熱源であるため、電子装置が稼動するとき、熱が発生する。CPUユニット及びチップの外部パッケージは、主に、セラミック材料からなる。セラミック材料は、熱膨張係数が低く、絶縁物質である上、熱膨張係数がチップに近いため、パッケージ材料及び半導体材料として大量に使用されている。 Since the CPU unit and the chip in the electronic device are heat sources, heat is generated when the electronic device is operated. The external package of the CPU unit and the chip is mainly made of a ceramic material. Ceramic materials have a low thermal expansion coefficient, are insulating materials, and have a thermal expansion coefficient close to that of a chip, so that they are used in large quantities as package materials and semiconductor materials.
放熱装置は、一般に、アルミニウム材料及び銅材料が放熱構造の材料とされる。また、ファン、ヒートパイプなどの放熱部材が組み合わされることにより、放熱効果が増強される。しかし、ファン及びヒートパイプを採用することにより、放熱装置全体の信頼性が低下してしまう。 In general, an aluminum material and a copper material are used as a material for the heat dissipation device. Moreover, the heat radiation effect is enhanced by combining heat radiating members such as a fan and a heat pipe. However, adopting a fan and a heat pipe reduces the reliability of the entire heat dissipation device.
一般に、放熱装置は、全体の構造が簡素であるほど、信頼性が高くなる。また、銅の放熱能力よりも優れた材料を放熱構造の材料とすることにより、熱伝導率を直接改善することができる。 In general, the simpler the overall structure of the heat dissipation device, the higher the reliability. Moreover, the thermal conductivity can be directly improved by using a material having a heat dissipation structure that is superior to the heat dissipation capability of copper.
また、放熱装置と発熱源との間の熱応力の問題は、製品の信頼性に関わるもう1つの問題である。発熱源(例えば、CPU内のチップ)の熱膨張係数が低いため、AlN(窒化アルミニウム)、SiC(炭化ケイ素)などの熱膨張係数が低いセラミック材料によってチップを封止することにより、製品の信頼性を高めている。 The problem of thermal stress between the heat dissipation device and the heat source is another problem related to the reliability of the product. Product reliability is ensured by sealing the chip with a ceramic material having a low thermal expansion coefficient such as AlN (aluminum nitride) or SiC (silicon carbide) because the heat expansion coefficient of the heat source (for example, the chip in the CPU) is low. Increases sex.
また、例えば、LEDの放熱に関し、アルミニウム材料及び銅材料の熱膨張係数は、サファイヤ(sapphire)よりも遥かに高い。そのため、高輝度LEDを長期間使用した場合、熱疲労により、アルミニウム材料及び銅材料とサファイヤとの接合部分にクラックが発生し、接合面の熱抵抗が上昇してしまう問題が発生しやすい。放熱境界面の熱抵抗が上昇した場合、高輝度LED製品に熱が蓄積することにより、LEDチップが損傷し、発光体が損壊する虞がある。 For example, regarding the heat dissipation of the LED, the thermal expansion coefficient of the aluminum material and the copper material is much higher than that of sapphire. Therefore, when a high-intensity LED is used for a long period of time, due to thermal fatigue, a crack is likely to occur in the joint portion between the aluminum material and the copper material and sapphire, and the thermal resistance of the joint surface is likely to increase. When the thermal resistance at the heat dissipation interface increases, heat accumulates in the high-brightness LED product, which may damage the LED chip and damage the light emitter.
従って、発熱源外部に配されるセラミック材料と、金属材料からなる放熱装置との接合部分に、熱膨張係数の相違によって発生する熱疲労により、クラックが発生する問題の早急な解決が求められていた。 Therefore, there is a need for an immediate solution to the problem of cracking due to thermal fatigue caused by the difference in thermal expansion coefficient at the joint between the ceramic material arranged outside the heat source and the heat dissipation device made of a metal material. It was.
本発明の主な目的は、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱疲労によってクラックが発生することを防ぐ板型ヒートパイプの構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱疲労によってクラックが発生することを防ぐ板型ヒートパイプの製造方法を提供することにある。
A main object of the present invention is to provide a structure of a plate heat pipe that prevents a crack from being generated due to thermal fatigue at a joint portion between the plate heat pipe and a heat generation source.
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a plate heat pipe that prevents cracks due to thermal fatigue from occurring at the joint between the plate heat pipe and the heat source.
上記課題を解決するために、本発明の第1の形態によれば、本体を備える板型ヒートパイプの構造であって、前記本体は、金属板体及びセラミック板体から構成し、前記金属板体と前記セラミック板体とを相対向してそれぞれの周縁を接合することにより、その間にチャンバとなる空間を画定し、前記チャンバ内壁面にウィック構造を形成すると共に複数の銅柱を軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、前記セラミック板体と前記金属板体とに接合して支持構造とし、前記チャンバ内に作動流体を充填して構成され、発熱源の外部を封止するパッケージをセラミック基板で構成し、前記本体のセラミック板体の熱膨張係数は前記パッケージのセラミック基板の熱膨張係数と略同等であって、前記本体の前記セラミック板体を前記パッケージの前記セラミック基板に直接接合して熱伝導させる板型ヒートパイプの構造が提供される。 In order to solve the above problems, according to a first embodiment of the present invention, a plate-type heat pipe structure including a main body, wherein the main body includes a metal plate body and a ceramic plate body, and the metal plate The body and the ceramic plate are opposed to each other and their peripheral edges are joined to each other , thereby defining a space serving as a chamber between them, forming a wick structure on the inner wall surface of the chamber and joining a plurality of copper pillars with soft solder A support structure in which the ceramic plate and the metal plate are joined by hard solder joining, diffusion joining, ultrasonic welding or copper direct joining, and the chamber is filled with a working fluid. A package for sealing the outside of the ceramic substrate is formed of a ceramic substrate, and the thermal expansion coefficient of the ceramic plate of the main body is substantially equal to the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate of the package, The structure of the plate type heat pipe to heat conduction is provided a ceramic plate member directly bonded to the ceramic substrate of the package.
また、前記ウィック構造は、粉末焼結体、網状体又は複数の溝であることが好ましい。 The wick structure is preferably a powder sintered body, a net-like body, or a plurality of grooves.
また、前記セラミック板体は、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムからなることが好ましい。 The ceramic plate is preferably made of silicon nitride, zirconium oxide or aluminum oxide.
また、前記支持構造は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、前記セラミック板体と前記金属板体とに接合されることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said support structure is joined to the said ceramic plate body and the said metal plate body by soft solder joining, hard solder joining, diffusion joining, ultrasonic welding, or copper direct joining.
また、前記支持構造は銅柱であることが好ましい。 The support structure is preferably a copper pillar.
また、前記金属板体は、銅材料、アルミニウム材料、ステンレス鋼又は放熱性及び熱伝導性に優れた材料からなることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said metal plate body consists of material which was excellent in copper material, aluminum material, stainless steel, or heat dissipation and heat conductivity.
上記課題を解決するために、本発明の第2の形態によれば、金属板体及びセラミック板体を準備するステップと、前記金属板体及び前記セラミック板体の互いに相対向する側の面に、ウィック構造及び支持構造を設けるステップと、前記金属板体と前記セラミック板体とを相対向して接合してこれ等の間にチャンバーとなる空間を形成した後、チャンバ内を排気して真空にし、次に、前記チャンバ内に作動流体を充填した後、最後に密封して板型ヒートパイプを形成するステップと、からなり、発熱源の外部を封止するパッケージをセラミック基板で構成し、前記セラミック板体の熱膨張係数は前記パッケージのセラミック基板の熱膨張係数と略同等であって、前記セラミック板体を前記パッケージの前記セラミック基板に直接接合して熱伝導させる板型ヒートパイプの製造方法が提供される。 In order to solve the above problems, according to a second embodiment of the present invention, a step of preparing a metal plate body and a ceramic plate body, and a surface of the metal plate body and the ceramic plate body on opposite sides of each other are provided. The step of providing a wick structure and a support structure, and the metal plate body and the ceramic plate body are bonded to each other to form a space between them, and then the chamber is evacuated and evacuated. Then, after filling the chamber with a working fluid, and finally sealing to form a plate heat pipe, a package for sealing the outside of the heat source is configured with a ceramic substrate, The thermal expansion coefficient of the ceramic plate body is substantially equal to the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate of the package, and the ceramic plate body is directly joined to the ceramic substrate of the package to transfer heat. Method for producing a plate-type heat pipe letting is provided.
また、前記ウィック構造は、粉末焼結体、網状体又は複数の溝であることが好ましい。 The wick structure is preferably a powder sintered body, a net-like body, or a plurality of grooves.
また、前記セラミック板体は、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムからなることが好ましい。 The ceramic plate is preferably made of silicon nitride, zirconium oxide or aluminum oxide.
また、前記支持構造は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、前記セラミック板体と前記金属板体とに接合されることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said support structure is joined to the said ceramic plate body and the said metal plate body by soft solder joining, hard solder joining, diffusion joining, ultrasonic welding, or copper direct joining.
また、前記支持構造は銅柱であることが好ましい。 The support structure is preferably a copper pillar.
また、前記金属板体と前記セラミック板体とを対向接続した後、チャンバを真空にし、次に、前記チャンバ内に作動流体を充填した後、最後に密封して板型ヒートパイプを形成する前記ステップ中、前記金属板体と前記セラミック板体との接合は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合によって行われることが好ましい。 Further, after the metal plate body and the ceramic plate body are connected to each other, the chamber is evacuated, and then the chamber is filled with a working fluid, and finally sealed to form a plate heat pipe. During the step, the metal plate body and the ceramic plate body are preferably joined by soft solder joining, hard solder joining, diffusion joining, ultrasonic welding, or copper direct joining.
本発明の板型ヒートパイプの構造は、発熱源の外部を封止するセラミック基板と板型ヒートパイプの一部を構成するセラミック板体とが直接接合されて構成される。使用される際、セラミック板体と発熱源外部を封止するパッケージのセラミック基板とが直接接合されることにより、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱膨張係数の相違によって発生する熱疲労によりクラックが発生することを防ぐことができる。 The structure of the plate heat pipe of the present invention is configured by directly bonding a ceramic substrate that seals the outside of the heat source and a ceramic plate that forms part of the plate heat pipe . When used, the ceramic plate body and the ceramic substrate of the package that seals the outside of the heat generation source are directly bonded to each other, which is caused by the difference in thermal expansion coefficient at the bonding portion between the plate type heat pipe and the heat generation source. by the thermal fatigue land rack can be prevented from being generated.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited thereby.
(第1実施形態)
図1〜図3を参照する。図1〜図3に示すように、本発明の第1実施形態による板型ヒートパイプの構造は、本体1を含む。
(First embodiment)
Please refer to FIG. As shown in FIGS. 1 to 3, the structure of the plate heat pipe according to the first embodiment of the present invention includes a
本体1は、金属板体11及びセラミック板体12とから構成される。金属板体11は、セラミック板体12と相対向して接合され、金属板体11とセラミック板体12との相対向する間にチャンバー13となる空間が画定される。チャンバ13内は、ウィック構造14及び支持構造15を形成する。ウィック構造14は、チャンバ13の内壁面に形成され、支持構造15は、チャンバーの空間内で金属板体11とセラミック板体12との間に配置されて両者を接続して扁平なチャンバー空間を支持する。チャンバ13内は、作動流体16を充填する。
The
ウィック構造14は、粉末焼結体を例示して説明するが、これのみに限定されない。
The
セラミック板体12は、窒化ケイ素(Si3N4)、酸化ジルコニウム(ZrO2)又は酸化アルミニウム(Al2O3)からなる。
The
支持構造15は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合(Direct Bonding Copper:DBC)によってセラミック板体12に接合される。
The
支持構造15は、銅柱である。金属板体11は、銅材料、アルミニウム材料、ステンレス鋼又は放熱性及び熱伝導性に優れた材料からなる。
The
(第2実施形態)
図4を参照する。図4に示すように、本発明の第2実施形態による板型ヒートパイプの構造は、第1実施形態による板型ヒートパイプの構造と一部構造及び接続関係が同一であるため、同一部分についてはここでは繰り返して述べない。本発明の第2実施形態による放熱装置は、ウィック構造14が網状体である点が第1実施形態と異なる。
(Second Embodiment)
Please refer to FIG. As shown in FIG. 4, the structure of the plate heat pipe according to the second embodiment of the present invention is the same as the structure of the plate heat pipe according to the first embodiment in part and the connection relationship. Will not be repeated here. The heat radiating device according to the second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the
(第3実施形態)
図5を参照する。図5に示すように、本発明の第3実施形態による板型ヒートパイプの構造は、第1実施形態による板型ヒートパイプの構造と一部構造及び接続関係が同一であるため、同一部分についてはここでは繰り返して述べない。本発明の第3実施形態による放熱装置は、ウィック構造14が複数の溝である点が第1実施形態と異なる。
(Third embodiment)
Please refer to FIG. As shown in FIG. 5, the structure of the plate-type heat pipe according to the third embodiment of the present invention is the same as the structure of the plate-type heat pipe according to the first embodiment. Will not be repeated here. The heat dissipation device according to the third embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the
図1〜図6を参照する。図1〜図6に示すように、本発明の一実施形態による板型ヒートパイプの製造方法は、以下のステップS1〜S3からなる。 Please refer to FIG. As shown in FIGS. 1-6, the manufacturing method of the plate-type heat pipe by one Embodiment of this invention consists of the following steps S1-S3.
S1:金属板体及びセラミック板体を準備する。 S1: A metal plate and a ceramic plate are prepared.
S1において、金属板体11及びセラミック板体12を準備する。金属板体11の金属材料は、銅材料、アルミニウム材料、ステンレス鋼又は放熱性及び熱伝導性に優れた材料である。本実施形態においては、銅材料を例示して説明する。セラミック板体12のセラミック材料は、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムである。本実施形態においては、酸化アルミニウムを例示して説明する。
In S1, the
S2:金属板体及びセラミック板体の互いに対向する一方の面にウィック構造及び支持構造を設ける。 S2: A wick structure and a support structure are provided on one surface of the metal plate body and the ceramic plate body facing each other.
S2において、金属板体11及びセラミック板体12の互いに対向する側の面にウィック構造14及び支持構造15を設ける。ウィック構造14は、粉末焼結体、網状体又は複数の溝である。ウィック構造14に粉末焼結体が選択された場合、焼結により、金属板体11及びセラミック板体12上に、粉末焼結体が成形される。
In S2, the
ウィック構造14が網状体の場合、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、網状体がセラミック板体12と金属板体11とに接合される。
When the
ウィック構造14が複数の溝の場合、予め、機械加工により、金属板体11及びセラミック板体12に溝がそれぞれ設けられる。機械加工は、フライス加工、ルータ加工、レーザ切断又はエッチングである。
When the
支持構造15は、銅柱である。支持構造15は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、予め、セラミック板体12に接合されるか、或いは、予め、金属板体11に接合される。
The
S3:金属板体とセラミック板体とを相対向させて接合して、その間にチャンバーとなる空間を形成した後、チャンバ内を排気して真空にする。次に、チャンバ内に作動流体を充填した後、密封して板型ヒートパイプを完成する。 S3: The metal plate body and the ceramic plate body are bonded to each other and a space serving as a chamber is formed therebetween, and then the chamber is evacuated and evacuated. Next, the chamber is filled with a working fluid and then sealed to complete a plate heat pipe.
軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、金属板体11とセラミック板体12とを対向接続する。次に、チャンバ13内を真空にする。次に、チャンバ13内に作動流体16を充填した後、密封して板型ヒートパイプを形成する。
The
本発明の板型ヒートパイプの構造は、発熱源外部を封止するパッケージをセラミック基板で構成し、前記セラミック板体12を該パッケージの前記セラミック基板と接触して熱が伝導される。セラミック板体12が直接発熱源を覆うパッケージのセラミック基板に接して熱を伝導する。セラミック板体12の熱膨張係数は、発熱源の外部を封止するセラミックパッケージの熱膨張係数に近いため、板型ヒートパイプと発熱源との接合部分に、熱膨張係数の相違によって発生する熱疲労により、クラックが発生する問題が発生するのを防止することができ、放熱部材としての板型ヒートパイプの適用範囲を広げることができる。
In the structure of the plate heat pipe of the present invention, a package that seals the outside of the heat source is formed of a ceramic substrate, and heat is conducted by contacting the
当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。 While the preferred embodiments of the present invention have been disclosed above, as may be appreciated by those skilled in the art, they are not intended to limit the invention in any way. Various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the scope of the claims of the present invention should be construed broadly including such changes and modifications.
1 本体
11 金属板体
12 セラミック板体
13 チャンバ
14 ウィック構造
15 支持構造
16 作動流体
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記本体は、金属板体及びセラミック板体から構成し、前記金属板体と前記セラミック板体とを相対向してそれぞれの周縁を接合することにより、その間にチャンバとなる空間を画定し、前記チャンバ内壁面にウィック構造を形成すると共に複数の銅柱を軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合により、前記セラミック板体と前記金属板体とに接合して支持構造とし、前記チャンバ内に作動流体を充填して構成され、
発熱源の外部を封止するパッケージをセラミック基板で構成し、前記セラミック板体の熱膨張係数は前記パッケージのセラミック基板の熱膨張係数と略同等であって、前記セラミック板体を前記パッケージの前記セラミック基板に直接接合して熱伝導させることを特徴とする板型ヒートパイプの構造。 The structure of a plate-type heat pipe provided with a main body,
The body is composed of a metal plate member及beauty ceramic plate member, by joining respective peripheral to face and said said metal plate ceramic plate body defining a space of a chamber therebetween Forming a wick structure on the inner wall surface of the chamber and joining a plurality of copper pillars to the ceramic plate and the metal plate by soft solder bonding, hard solder bonding, diffusion bonding, ultrasonic welding or copper direct bonding. A support structure, and the chamber is filled with a working fluid ,
A package for sealing the outside of the heat source is formed of a ceramic substrate, and the thermal expansion coefficient of the ceramic plate body is substantially equal to the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate of the package, and the ceramic plate body is A plate-type heat pipe structure that is directly bonded to a ceramic substrate to conduct heat.
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