JP5992472B2

JP5992472B2 - 放熱基板

Info

Publication number: JP5992472B2
Application number: JP2014118672A
Authority: JP
Inventors: 慶盛陳
Original assignee: 旭徳科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2034-06-09
Also published as: TW201521562A; JP2015103798A; US20150144315A1; TWI462693B; CN104677159A; CN104677159B

Description

本発明は、放熱基板に関するものであり、特に、少なくとも１つの発熱素子を載せるのに適した放熱基板に関するものである。

一般的に、ベイパーチャンバー（vapor chamber）の放熱効果を高めるために、通常、流体チャンバーを固定されているベイパーチャンバー上に放熱フィンを追加することにより、いわゆる放熱基板が形成される。放熱基板の総体的な厚みはベイパーチャンバーの厚みと放熱フィンの厚みの合計であることから、単一のベイパーチャンバーの厚みと比較し、放熱基板の厚みは顕著に増加し、このため薄さと軽さが求められる傾向に符合しない。

本発明は、放熱フィンの追加による従来の放熱基板における総体的な厚みの増加という課題を解決することのできる放熱基板を提供することを目的とする。

本発明の放熱基板はヒートシンクと、金属ベースと、少なくとも１つの弾性構造とを含む。ヒートシンクは搭載部と複数の支持部とを含む。搭載部は互いに相対する搭載面と下面とを含む。支持部は互いに平行であり、搭載部の下面に配置される。支持部は搭載部に対し垂直であり、搭載部と共に収容空間を囲む。搭載部は、下面の一部上に配置された第１粗表面構造を有し、この第１粗表面構造は収容空間に位置する。金属ベースはヒートシンクの下方に配置され、実装面を有する。金属ベースは、実装面の一部に配置され第１粗表面構造に対応する、第２粗表面構造を有する。第１粗表面構造、第２粗表面構造および支持部は流体チャンバーを定義し、作動流体が流体チャンバーに流入する。弾性構造は流体チャンバー内に配置される。

本発明の１つの実施形態において、放熱基板は、ヒートシンク上に金属ベースを固定するための、金属ベースとヒートシンクの支持部との間に配置される複数の固定素子をさらに含む。

本発明の１つの実施形態において、各支持部は、第１支持部と第２支持部を有する。第１支持部はヒートシンクの下面と第２支持部とに接続する。第１支持部の厚みは第２支持部の厚みよりも大きい。金属ベースは収容空間に位置しており、金属ベースの辺縁は第２支持部と接触する。

本発明の１つの実施形態において、各第２支持部は第１ねじ部を有し、金属ベースの周囲面は第２ねじ部を有し、第１ねじ部と第２ねじ部は協働して、支持部上に金属ベースを固定する。

本発明の１つの実施形態において、金属ベースの周囲面は、搭載部から相対的に離れた各支持部の一端と接触する。

本発明の１つの実施形態において、ヒートシンクは、互いに平行に配列された複数の放熱フィンを含む。放熱フィンは、支持部上に配置され、収容空間の外側に位置する。

本発明の１つの実施形態において、放熱フィンの伸びる方向は、搭載部の伸びる方向と同一である。

本発明の１つの実施形態において、放熱フィンの伸びる方向は、支持部の伸びる方向と同一である。

本発明の１つの実施形態において、各放熱フィンは少なくとも１つの放熱穴を有し、各放熱穴の伸びる方向は、各放熱フィンの伸びる方向に対し垂直である。

本発明の１つの実施形態において、金属ベースは少なくとも１つの開口をさらに含む。開口は金属ベースを貫通し、流体チャンバーと連通する。

本発明の１つの実施形態において、第１粗表面構造は凹凸表面構造であり、第１粗表面構造の最大高さの粗さ（Ｒｙｍａｘ）は数マイクロメートルから数センチメートルの間である。

本発明の１つの実施形態において、第２粗表面構造は凹凸表面構造であり、第２粗表面構造の最大高さの粗さ（Ｒｙｍａｘ）は数マイクロメートルから数センチメートルの間である。

本発明の１つの実施形態において、作動流体は空気または液体を含む。

本発明の１つの実施形態において、弾性構造はばねである。

以上のように、本発明の放熱基板はヒートシンク、金属ベースおよび弾性構造により実装されることから、従来のように流体チャンバーを固定されているベイパーチャンバー上に放熱フィンを追加した放熱基板の総体的な厚みと比較し、本発明の放熱基板は厚みが小さく、金属ベースがヒートシンクに実装される位置に基づき、流体チャンバーの空間体積を柔軟に調節することができ、従って放熱基板の放熱効果が高められる。加えて、弾性構造は、流体チャンバーの全表面積と構造強度を向上させる。

本発明の１つの実施形態による放熱基板の概略的断面図である。本発明の別の実施形態による放熱基板の概略的断面図である。本発明の別の実施形態による放熱基板の概略的断面図である。本発明の別の実施形態による放熱基板の概略的断面図である。本発明の別の実施形態による放熱基板の概略的断面図である。本発明の別の実施形態による放熱基板の概略的断面図である。

図１は、本発明の１つの実施形態による放熱基板を示す概略的断面図である。図１について、本実施形態において、放熱基板１００ａは、ヒートシンク１１０ａと、金属ベース１２０ａと、少なくとも１つの弾性構造１４０（図１においては２つが概略的に示される）とを含む。ヒートシンク１１０ａは、搭載部１１２ａと、複数の支持部１１４ａとを含む。搭載部１１２ａは、互いに相対する搭載面Ｓ１と下面Ｓ２とを有する。支持部１１４ａは互いに平行であり、搭載部１１２ａの下面Ｓ２上に配置される。支持部１１４ａは搭載部１１２ａに対し垂直であり、収容空間Ｓを搭載部１１２ａと共に囲む。搭載部１１２ａは、下面Ｓ２の一部上に配置された第１粗表面構造１１６ａを有し、第１粗表面構造１１６ａは収容空間Ｓに位置する。金属ベース１２０ａはヒートシンク１１０ａの下方に配置され、実装面Ｓ３を有する。金属ベース１２０ａは、実装面Ｓ３の一部上に配置され第１粗表面構造１１６ａに対応する、第２粗表面構造１２６ａを有する。第１粗表面構造１１６ａと、第２粗表面構造１２６ａと、支持部１１４ａとは、流体チャンバーＣ１を定義し、作動流体Ｆは流体チャンバーＣ１内に流入し、弾性構造１４０は流体チャンバーＣ１内部に配置される。

さらに詳しく説明すると、本実施形態のヒートシンク１１０ａの各支持部１１４ａは、第１支持部１１４ａ１と第２支持部１１４ａ２を有する。第１支持部１１４ａ１は、搭載部１１２ａの下面Ｓ２と第２支持部１１４ａ２とに接続する。第１支持部１１４ａ１の厚みは、第２支持部１１４ａ２の厚みより大きい。搭載部１１２ａの下面Ｓ２は、支持部１１４ａと共に収容空間Ｓを囲む。一方、第１粗表面構造１１６ａと、第２粗表面構造１２６ａと、支持部１１４ａの第１支持部１１４ａ１とは、流体チャンバーＣ１を定義する。さらに、本実施形態のヒートシンク１１０ａは、複数の放熱フィン１１８ａをさらに含み、放熱フィン１１８ａは互いに平行に配置され、そして放熱フィン１１８ａは収容空間Ｓの外側において、支持部１１４ａ上に配置される。図１に示されるように、放熱フィン１１８ａは支持部１１４ａ上に位置しており、放熱フィン１１８ａの伸びる方向は、搭載部１１２ａの伸びる方向と実質的に同一である。即ち、放熱フィン１１８ａの伸びる方向は、支持部１１４ａの伸びる方向に対し垂直である。放熱フィン１１８ａの断面積は、支持部１１４ａの近くから支持部１１４ａより離れた方向に向かって徐々に減少するが、これに限定されない。ここで、本実施形態の搭載部１１２ａと、支持部１１４ａと、ヒートシンク１１０ａの放熱フィン１１８ａとは、互いに途切れなく接続され、即ち、一体的に形成されるが、これに限定されない。

本実施形態において、金属ベース１２０ａの材料は、銅、アルミニウム、またはその合金から選択され、金属ベース１２０ａは収容空間Ｓに位置し、金属ベース１２０ａの辺縁は、支持部１１４ａの第２支持部１１４ａ２と接触する。金属ベース１２０ａが収容空間Ｓに位置することから、本実施形態の収容空間Ｓの空間体積は、流体チャンバーＣ１の空間体積より実質的に大きい。さらに、本実施形態の弾性構造１４０は実質的にばねであり、流体チャンバーＣ１の全表面積と構造強度を効果的に向上させることができる。加えて、組立信頼性を向上させるため、本実施形態の放熱基板１００ａは、複数の固定素子１３０をさらに含むことができ、固定素子１３０は金属ベース１２０ａとヒートシンク１１０ａの支持部１１４ａとの間に配置され、金属ベース１２０ａをヒートシンク１１０ａ上に固定する。ここで、固定素子１３０は、例えば、ねじ、ナット、リベット、または固定機能と気密および水密機能の両方を有する漏れ防止素子であるが、これに限定されない。同一水準の固定効果を達成する構造設計は全て、本発明の保護範囲内にある。つまり、本実施形態の放熱基板１００ａは、ヒートシンク１１０ａと金属ベース１２０ａとから、固定素子１３０を用い実装される。

さらに、本実施形態の金属ベース１２０ａは、少なくとも１つの開口Ｈをさらに有し、開口Ｈが金属ベース１２０ａを貫通し流体チャンバーＣ１に連通することで、開口Ｈを介し流体チャンバーＣ１から空気を抜く、または流体チャンバーＣ１へ流体を注入し、これにより放熱基板１００ａの全体的な放熱効果を向上させる。ここで、開口Ｈは、空気排出または流体注入のための金属細管（図示せず）を挿入されることができ、これにより流体チャンバーＣ１は低真空状態とされ、その後、挿入された金属細管は封止される。ここで、流体チャンバーＣ１は実質的に低真空チャンバーであり、作業流体Ｆは、例えば、空気または液体である。

詳しく説明すると、本実施形態のヒートシンク１１０ａの搭載部１１２ａの第１粗表面構造１１６ａは、例えば、連続した凹凸表面構造、または不連続の凹凸表面構造であり、第１粗表面構造１１６ａの最大高さの粗さ（Ｒｙｍａｘ）は数マイクロメートルから数センチメートルの間である。第１粗表面構造１１６ａは、毛細管構造とみなしてもよい。一方、本実施形態の金属ベース１２０ａの第２粗表面構造１２６ａは、例えば、連続した凹凸表面構造、または不連続の凹凸表面構造であり、第２粗表面構造１２６ａの最大高さの粗さ（Ｒｙｍａｘ）は数マイクロメートルから数センチメートルの間である。第２粗表面構造１２６ａは、毛細管構造とみなしてもよい。ここで、第１粗表面構造１１６ａと第２粗表面構造１２６ａは、例えば、コンピュータ数値制御（computer numerical control, CNC）フライス加工（milling）、プレス加工（stamping）またはサンドブラストといった機械加工、または、電気めっきまたはエッチングといった化学処理、または、物理的研磨により処理されるが、これに限定されない。

本実施形態の放熱基板１００ａは、実質的にヒートシンク１１０ａと金属ベース１２０ａとから固定素子１３０を用いて実装されることから、従来のように流体チャンバーを固定されているベイパーチャンバー上に放熱フィンを追加した放熱基板の総体的な厚みと比較し、本実施形態の放熱基板１００ａは厚みが小さく、金属ベース１２０ａがヒートシンク１１０ａに実装される位置に基づき、流体チャンバーＣ１の空間体積を柔軟に調節することができ、従って放熱基板１００ａの放熱効果が高められる。加えて、本実施形態の放熱基板１００ａは、弾性構造１４０の設計を通じ、流体チャンバーＣ１の全表面積と構造強度を向上させることができる。

発熱素子（図示せず）が搭載部１１２ａの搭載面Ｓ１に配置されるとき、流体チャンバーＣ１内の作業流体Ｆは、発熱素子により生成されたエネルギーＥを吸収し、低真空環境において蒸発する。このとき、作業流体ＦはエネルギーＥを吸収し、急速に膨張し、蒸発した作業流体Ｆはすぐに流体チャンバーＣ１全体を充満する。蒸発した作業流体Ｆが低温の領域に接すると凝縮現象が発生し、蒸発の際に吸収されたエネルギーＥは凝縮現象により放出される。凝縮された作業流体Ｆは、第１粗表面構造１１６ａと第２粗表面構造１２６ａの毛管現象（capillary action）により蒸発領域（即ち発熱素子の下）に戻る。このような、伝導、蒸発、還流、凝縮の循環ステップの繰り返しにより、発熱素子によるエネルギーＥは放熱基板１００ａの各部に素早く伝達される。つまり、本実施形態の放熱基板１００ａは、二相流動特性に好ましい平板構造（flat-plate structure）を有するベイパーチャンバーとみなすことができ、発熱素子により生成されたエネルギーＥを素早く拡散するための、優れた二次元側方熱伝導効果を提供し、これにより、特定領域における過熱点（hot spot）の形成を避け、発熱素子の寿命を延ばす。

以下にいくつかの実施形態を提供し、放熱基板１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅおよび１００ｆの構造設計を詳細に説明する。言及すべきこととして、以下の実施形態は、前述の実施形態の部材番号と部分的内容を採用しており、同一または類似の部材を表すため同一の番号を用い、同一の技術内容の説明は省略する。省略部分に関する説明は、前述の実施形態を参照できることから、以下では繰り替えさない。

図２は本発明のもう１つの実施形態による放熱基板の概略的断面図である。図２について、本実施形態の放熱基板１００ｂは、図１の放熱基板１００ａと類似するが、これらの主な相違点の１つは、本実施形態のヒートシンク１１０ｂの放熱フィン１１８ｂの伸びる方向が、支持部１１４ａの伸びる方向と同一であり、即ち、放熱フィン１１８ｂの伸びる方向が搭載部１１２ａの伸びる方向に対し垂直であることにある。図２に示されるように、本実施形態の放熱フィン１１８ｂは、第１粗表面構造１１６ａが配置されていない搭載部１１２ａの下面Ｓ２上に実質的に位置し、放熱フィン１１８ｂの断面積は、搭載部１１２ａの下面Ｓ２の近くから搭載部１１２ａの下面Ｓ２より離れた方向に向かって徐々に減少するが、これに限定されない。

図３は本発明のもう１つの実施形態による放熱基板の概略的断面図である。図３について、本実施形態の放熱基板１００ｃは、図１の放熱基板１００ａと類似するが、これらの主な相違点の１つは、流体チャンバーＣ２の空間体積が図１の流体チャンバーＣ１の空間体積よりも大きいことにある。詳しく述べると、本実施形態の金属ベース１２０ｃの実装面Ｓ３´は、搭載部１１２ａから最も離れた、ヒートシンク１１０ａの各支持部１１４ｃの端部に接触する。このとき、流体チャンバーＣ２の空間体積は、収容空間Ｓとほぼ等しい。ここで、図３に示すように、本実施形態の各支持部１１４ｃは同一の厚みを有する。

図４は本発明のもう１つの実施形態による放熱基板の概略的断面図である。図４について、本実施形態の放熱基板１００ｄは、図３の放熱基板１００ｃと類似するが、これらの主な相違点の１つは、本実施形態のヒートシンク１１０ｄの放熱フィン１１８ｄの伸びる方向が、支持部１１４ｃの伸びる方向と同一であり、即ち、放熱フィン１１８ｄの伸びる方向は搭載部１１２ａの伸びる方向に対し垂直であることにある。図４に示すように、本実施形態の放熱フィン１１８ｄは、第１粗表面構造１１６ａが配置されていない、搭載部１１２ａの下面Ｓ２上に実質的に位置し、放熱フィン１１８ｄの断面積は、搭載部１１２ａの下面Ｓ２の近くから搭載部１１２ａの下面Ｓ２より離れた方向に向かって徐々に減少するが、これに限定されない。

図５は本発明のもう１つの実施形態による放熱基板の概略的断面図である。図５について、本実施形態の放熱基板１００ｅは、図１の放熱基板１００ａと類似するが、これらの主な相違点の１つは、本実施形態の支持部１１４ｄの複数の第２支持部１１４ｄ２のそれぞれが第１ねじ部１１５を有し、金属ベース１２０ｅの周囲面１２１が第２ねじ部１２３を有し、第１ねじ部１１５と第２ねじ部１２３が共働し、金属ベース１２０ｅを支持部１１４ｄに固定することにある。即ち、金属ベース１２０ｅは、第１ねじ部１１５と第２ねじ部１２３との共働により、第２支持部１１４ｄ２のどの位置においても固定されることができるが、金属ベース１２０ｅが第１支持部１１４ｄ１に接触しなければならないと限定するものではない。さらに、本実施形態のヒートシンク１１０ｅの複数の放熱フィン１１８ｅのそれぞれは、少なくとも１つの放熱穴１１９ｅをさらに含み、各放熱穴１１９ｅの伸びる方向は、各放熱フィン１１８ｅの伸びる方向に対し垂直であり、これにより放熱基板１００ｅの放熱効果を向上させることができる。加えて、本実施形態の固定素子１３０ｆは実質的に、固定機能と気密および水密機能の両方を有する漏れ防止素子であり、これにより流体チャンバーＣ１の信頼性を向上させることができる。

図６は本発明のもう１つの実施形態による放熱基板の概略的断面図である。図６について、本実施形態の放熱基板１００ｆは、図４の放熱基板１００ｄと類似するが、これらの主な相違点の１つは、本実施形態のヒートシンク１１０ｆの放熱フィン１１８ｆが少なくとも１つの放熱穴１１９ｆをさらに有し、各放熱穴１１９ｆの伸びる方向が、各放熱フィン１１８ｆの伸びる方向に対し垂直であり、これにより放熱基板１００ｆの放熱効果を向上させることができることにある。

まとめると、本発明の放熱基板はヒートシンクと金属ベースで実装されており、従来のように流体チャンバーを固定されているベイパーチャンバー上に放熱フィンを追加した放熱基板の総体的な厚みと比較し、本発明の放熱基板は厚みが小さく、金属ベースがヒートシンクに実装される位置に基づき、流体チャンバーの空間体積を柔軟に調節することができ、従って放熱基板の放熱効果が高められる。加えて、弾性構造が流体チャンバーの全表面積と構造強度を向上させる。

本発明は放熱効果を向上できる放熱基板に関するものである。

１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ放熱基板
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄヒートシンク
１１２ａ搭載部
１１４ａ、１１４ｃ、１１４ｄ支持部
１１４ａ１、１１４ｄ１第１支持部
１１４ａ２、１１４ｄ２第２支持部
１１５第１ねじ部
１１６ａ第１粗表面構造
１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｄ、１１８ｅ、１１８ｆ放熱フィン
１１９ｅ、１１９ｆ放熱穴
１２０ａ、１２０ｃ、１２０ｅ金属ベース
１２１周囲面
１２３第２ねじ部
１２６ａ、１２６ｃ第２粗表面構造
１３０、１３０ｆ固定素子
１４０弾性構造
Ｃ１、Ｃ２流体チャンバー
Ｅエネルギー
Ｆ作業流体
Ｈ開口
Ｓ収容空間
Ｓ１搭載面
Ｓ２下面
Ｓ３、Ｓ３´ 実装面

Claims

搭載部と、支持部と、複数の放熱フィンと、を含み、前記搭載部は、発熱素子を配置することに用いる搭載面及び前記搭載面と相対する下面を有し、前記支持部は、前記搭載部の前記下面に配置されるヒートシンクと、
前記ヒートシンクの下方に配置される金属ベースと、
少なくとも１つの弾性構造と
を含み、
前記支持部は、前記搭載部に対し垂直であり、前記搭載部と共に収容空間を囲み、前記搭載部は、前記下面の一部に第１粗表面構造を有し、前記第１粗表面構造は前記収容空間に位置しており、前記放熱フィンは、前記支持部の表面に配置され、且つ前記収容空間の外側に位置し、前記放熱フィンは、互いに平行に配列され、且つ前記搭載部の前記下面と平行になり、
前記金属ベースは、前記ヒートシンクを前記金属ベースに実装する実装面を有し、前記実装面の一部に、前記第１粗表面構造と対応する第２粗表面構造を有し、前記第１粗表面構造、前記第２粗表面構造および前記支持部は流体チャンバーを定義し、作動流体が前記流体チャンバーに流入し、
前記弾性構造は、前記流体チャンバー内に配置され、前記弾性構造の両端は、それぞれ前記第１粗表面構造及び第２粗表面構造に当接し、
前記流体チャンバーは、低真空チャンバーであり、前記第１粗表面構造及び前記第２粗表面構造は、毛細管構造であり、前記流体チャンバー内の前記作動流体が吸収した熱エネルギーを低真空環境において気化させ、気相の前記作動流体が前記流体チャンバー全体を急速に充満し、気相の前記作動流体が温度が低い領域に接触する時、凝縮現象を発生し、凝縮後の液相の前記作動流体は、前記第１粗表面構造及び前記第２粗表面構造の毛細管作用によって前記搭載面の下方に戻る
放熱基板。
搭載部と、支持部と、複数の放熱フィンと、を含み、前記搭載部は、発熱素子を配置することに用いる搭載面及び前記搭載面と相対する下面を有し、前記支持部は、前記搭載部の前記下面に配置されるヒートシンクと、
前記ヒートシンクの下方に配置される金属ベースと、
少なくとも１つの弾性構造と
を含み、
前記支持部は、前記搭載部に対し垂直であり、前記搭載部と共に収容空間を囲み、前記搭載部は、前記下面の一部に第１粗表面構造を有し、前記第１粗表面構造は前記収容空間に位置しており、前記放熱フィンは、前記搭載部の前記下面に配置され、且つ前記収容空間の外側に位置し、前記放熱フィンは、互いに平行に配列され、且つ前記搭載部の前記下面と垂直になり、
前記金属ベースは、前記ヒートシンクを前記金属ベースに実装する実装面を有し、前記実装面の一部に、前記第１粗表面構造と対応する第２粗表面構造を有し、前記第１粗表面構造、前記第２粗表面構造および前記支持部は流体チャンバーを定義し、作動流体が前記流体チャンバーに流入し、
前記弾性構造は、前記流体チャンバー内に配置され、前記弾性構造の両端は、それぞれ前記第１粗表面構造及び第２粗表面構造に当接し、
前記流体チャンバーは、低真空チャンバーであり、前記第１粗表面構造及び前記第２粗表面構造は、毛細管構造であり、前記流体チャンバー内の前記作動流体が吸収した熱エネルギーを低真空環境において気化させ、気相の前記作動流体が前記流体チャンバー全体を急速に充満し、気相の前記作動流体が温度が低い領域に接触する時、凝縮現象を発生し、凝縮後の液相の前記作動流体は、前記第１粗表面構造及び前記第２粗表面構造の毛細管作用によって前記搭載面の下方に戻る
放熱基板。
前記金属ベースと前記ヒートシンクの前記支持部との間に配置され、前記金属ベースを前記ヒートシンクに固定する、複数の固定素子をさらに含む、請求項１又は２に記載の放熱基板。
各前記支持部が第１支持部と第２支持部とを有し、前記第１支持部が前記ヒートシンクの前記下面と前記第２支持部とに接続し、前記第１支持部の厚みが前記第２支持部の厚みよりも大きく、前記金属ベースが前記収容空間に位置し、前記金属ベースの辺縁が前記第２支持部に接触する、請求項１又は２に記載の放熱基板。
各前記第２支持部が第１ねじ部を有し、前記金属ベースの周囲面が第２ねじ部を有し、前記第１ねじ部と前記第２ねじ部が協働して前記支持部上に前記金属ベースを固定する、請求項４に記載の放熱基板。
前記金属ベースの前記実装面が、前記搭載部から相対的に離れた各前記支持部の一端に接触する、請求項１又は２に記載の放熱基板。
各前記放熱フィンが、少なくとも１つの放熱穴を有し、各前記放熱穴の伸びる方向が、各前記放熱フィンの伸びる方向に対し垂直である、請求項１又は２に記載の放熱基板。
前記金属ベースが、少なくとも１つの開口をさらに含み、前記開口が前記金属ベースを貫通し前記流体チャンバーに連通する、請求項１又は２に記載の放熱基板。
作動流体が空気または液体を含む、請求項１又は２に記載の放熱基板。
前記弾性構造がばねである、請求項１又は２に記載の放熱基板。