JPH01292847A - 沸騰冷却用伝熱体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子計算機用集積回路、サイリスタ等のパワ
ー半導体、超電尋コイル等、高発熱密度部材の冷却に適
した沸騰冷却用伝熱体に関する。

〔従来の技術〕

半導体チップの沸騰冷却を促進する方法として。

米国特許明細書３，７０６，１２７号がある。この方法
は、配線基板にハンダボンディングにより半導体チップ
を接合し、半導体チップの背面に針状の金属（デンドラ
イト）を冶金過程により多数形成している。該デンドラ
イトの集合は、半導体チップが不伝導性の液に浸漬され
て用いられる際に、半導体チップの発熱により高温とな
り、不伝導性流体の蒸気泡を発生するのに必要な多数の
気泡発生核を内蔵している。したがって、半導体チップ
の発熱を速やかに除去でき、半導体チップに内蔵された
電子回路の高速動作による大量の発熱があっても半導体
チップの温度上昇は抑制される。

しかしながら、この方法によると、デンドライトの成長
間隔、高さ、デンドライト集合に内包され気泡発生核と
して働く空隙の大きさなどのパラメータは、デンドライ
ト成長工程により支配される。

一般にかかる冶金的方法により製造された面構造は微細
なため熱負荷が小さい場合には効果が大きいが、発熱面
の熱流速が大きくなると蒸気の発生が活発になりすぎて
半導体チップの背面が蒸気膜で覆われる結果、半導体チ
ップの背面の温度が急激に上昇してしまういわゆるバー
ンアウト現象を起しやすく、すなわちバーンアウト熱流
束から決定される発熱許容量によって限界値があるので
電子回路の動作速度を更に大きくとれないという欠点が
ある。

他の方法として、特開昭５５−１２７９８号公報の例に
示す発熱素子にトンネル状の貫通空洞を有する板片を取
り付け、媒体液に浸漬するものが知られており、上方の
開孔からの気泡離脱に伴うポンプ作用により、下方から
液を吸い込むため、発熱量がかなり大きくなっても伝熱
面全体が蒸気膜で覆われることなく、したがってバーン
アウト熱負荷は向上する。しかしながらこの方法では空
洞内に蒸気をトラップする場所がほとんど無く、しだが
つて低熱負荷において性能が悪いという欠点があった。

さらに他の方法として、特開昭６０−２２９３５３号公
報の例に示す発熱素子に蒸気発生核を保持する空洞なら
びに発生した蒸気を脱出させるための孔を複数層設ける
ものが知られており、発熱量の多少に拘らず１発生熱を
沸騰する媒体に伝えるのに必要な温度差を小さく保ち、
その結果発熱素子の温度を低く保つ、しかしながら、こ
の方法においても１発熱素子の発熱初期における低熱負
荷時の性能は十分とは言えない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、特開昭５５−１２７９８号公報に示さ
れる貫通空洞からなる伝熱体、もしくは第６図に示すよ
うに貫通空洞と貫通空洞を連結する孔からなる板の積層
構造を有する特開昭６０−２２９３５３号の伝熱体１に
おいては、伝熱体１を構成する部材表面に対する配慮が
不十分であり、基板１１に取付けた発熱素子１２が発し
た熱を取り去る場合、特に低発熱時の初期蒸気発生核が
少ない為に、発熱素子１２の発熱初期における温度上昇
時に沸騰冷却を開始するための初期蒸気の発生が遅れ、
発熱素子１２が使用限界温度を越え、動作が不具合とな
る問題点があった。

本発明の目的は、発熱素子１２の発熱初期における初期
蒸気発生を容易に行う蒸気発生核を有する沸騰冷却用伝
熱体を提供することにある。

（ｉｓ題を解決するための手段〕 上記目的は、伝熱体の貫通空洞及び孔などの表面を微開
構造化することにより達成される。すなわち、伝熱体を
構成する構造体の表面に微細な凹凸を形成する。微細凹
凸には、気泡発生核が容易にトラップするため、これら
のトラップした気泡発生核が、発熱初期における初期蒸
気発生核として作用し発熱素子の使用限界温度を越える
ことなく沸騰冷却に容易に移行できる。

他の方法としは、伝熱体の貫通空洞及び孔などの表面積
を増大させ、気泡発生核の形成を確率的に増加させ、核
発生を容易にする方法がある。いずれの方法においても
上記目的は達成されるが、両者を同時に達成する方法と
して、伝熱体の貫通空洞内に、微細凹凸を有する微小フ
ィンを形成することにより、表面積の増大と微細凹凸部
の存在が画られ、上記で述べた両者の効果が重畳する。

さらに、微小フィンを貫通空洞壁側に湾曲させトンネル
状として気泡の保持を容易ならしめ、性能を向上させる
ことができる。

このような微小フィンを形成する方法として、本発明で
採用した技術手段は、切削加工によるもので、フィン状
部の形状は第２図に示すように、微細凹凸面を有する湾
曲部の先端に平板が結合した形状を呈する。

また微小フィン形状として、微細凹凸面を有する湾曲部
のみで第３図に示す平板のないものも含まれる。

この微細凹凸面を有する微小フィンを伝熱体の貫通空洞
内に形成した伝熱体を製作することにより達成される。

さらに他の手段としては、伝熱体の接合部に蒸気発生核
の保持が容易となる微小トンネルを設ける方法があり、
貫通空洞内に微小フィンを形成したと同様の効果が得ら
れる。

〔作用〕

伝熱体の貫通空洞内に形成された微小フィンの湾曲した
内外面には第５図に示すような数〜数十ミクロンからな
る微細凹凸１３が存在する。さらに、内側へ湾曲したフ
ィンは、貫通空洞の表面との間に微小トンネル１６を形
成した形態となっている。

かかる微小フィンは、沸騰媒体液中において気泡発生核
のトラップが容易に行える形状となっており、数〜数十
ミクロンの多数の気泡発生核を内蔵できる。したがって
、微細凹凸を内側に形成し。

貫通空洞の表面との間に微小トンネル１６を形成する微
小フィンを伝熱体の貫通空洞内に形成することにより、
微細凹凸及び微小トンネルにトラップした気泡発生核が
１発熱初期の初期蒸気発生核として作用するため沸騰冷
却に容易に移行できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図から第４図により説明
する。

第１図は、銅板（ＩＩＩＩ１１厚さ）の表裏両面に互い
に交差する方向に溝２，３を設け、溝２，３の交差する
部分に形成された開孔６に、薄い板状の微小フィン５が
形成された微小フィン付直交溝板４を板の厚さ方向に、
その微小フィン付直交溝板４の接する面の溝が直交する
ように積層した伝熱体１の一部断面図である。

微小フィン付直交溝板４は、第２図に示すように板の片
面に形成された溝３内側の同一面側に。

開孔６の溝２の幅にほぼ一致した幅で微小フィン５を形
成したものである。溝２，３の深さの和は板４の厚さよ
り大きくしである。

板４の加工方法は機械加工により、特に円板の外周に切
れ刃を有する切削工具を用いて行い、まず溝３を所定の
ピッチで板の片面側に形成する。

つぎに、板４の反対面側に、溝３と直交する方向に溝２
を形成し、開孔６を形成するとともに微小フィン５を形
成する。微小フィン５の形状は、第３図に示すように開
孔６の一部から一体として結合する湾曲部８と湾曲部８
の開孔６との反対側に平板部７が結合し平板部７の先端
は溝３の内に留まった形状を呈している。このような加
工を施してなる板４を、複数枚重ね合わせそれぞれを接
合したものが第１図に示す伝熱体１である。接合は、拡
散接合法を用い接合温度９００℃、保持時間１時間、加
圧変位２０％、真空中の条件で行った。

かかる形状において、形成された空洞９の内側に微小フ
ィン５が形成される。この微小フィン５は伝熱体１のｍ
２，３の溝幅ａと板４の片面に形成される溝間のフィン
１０の幅すとの比：　ａ　／　ｂを１．２とし、溝２，
３の深さｔｌと板４の厚さｔの比ｔｚ／ｌを０．６とし
た場合、微小フィン５が構造体１の全表面積を約２０％
増加させる。且つ微小フィン５の湾曲部８表面には湾曲
形成により形成された微細凹凸が存在し構造体としての
熱特性を向上させる。

本発明の他の実施例を第４図、により説明する。

第４図は、第２図に示す微小フィン付直交溝板４−を積
層する際に微小フィン５が形成されている溝が前後の板
４の溝方向と直交するように配置し重ね合わせたのち接
合した伝熱体の一部断面図である０本伝熱体の接合方法
は、あらかじめ１〜１０μｍの厚さで銀メツキした銅板
（１ｍｏ＋厚さ）を用い、前述の機械加工法により表裏
両面に直交する溝２．３を加工し、微小フィン付直交溝
板４を形成した後、板４の接する面の溝が互いに直交す
るように積層し、接合温度９００’Ｃ１保持時間３０分
の条件で銀と銅の共晶反応により接合した。

本発明の伝熱体は、気泡核の発生を直交する溝が均一と
なるようにすることができる。

本発明と他の実施例として、接合面に微小トンネルを有
する構造体につき説明する。

第７図は、伝熱体１の積層部材となる直交溝板１４の一
部断面図である。銅板（１＋ｍ厚さ）の両表面に、互い
に直交する小溝１５を形成する。かかる小溝１５の溝ピ
ッチ：Ｐｓは、小溝１５に直交して形成される溝２，３
の溝ピッチ：Ｐ、より短ピツチとする。本実施例ではＰ
ｓ＝１／２Ｐｍとした。また、小溝１５の溝形状は、直
交板１４を積層、接合し伝熱体１を製作する際に、直交
板１４の溝２，３の溝方向が直交するよう配置した結果
として接合面に形成される微小トンネル１６の断面形状
に関与する。本実施例では、第８図に示す三角状断面と
なるよう三角状溝形状としたが、角状溝２円弧状溝など
によっても問題はない。板表面に形成された小溝１５に
直交する方向に溝２及び溝３を、両溝深さの和が板厚以
上となるように両表面に加工する。かかる小溝付直交溝
板１７を５枚積層し接合した。接合は、接合面に小溝１
５と平面とで形成される微小トンネル１６が接合処理時
に消失しないよう加圧による縮み率を１０％とし、接合
温度９００℃、保持時間１時間。

真空中の条件で拡散接合により行った。

さらに、他の実施例を第９図により説明する。

第９図は、片面に連続した小溝１５を多数加工形成した
直交溝板１４の一部断面図である１表面に形成される小
Ｐ４１５の方向は、該表面に形成される溝２の方向と平
行とならない任意の角度Ｏを持って交差するが、小溝１
５と小溝１５に接合する平面とで形成されるトンネル１
６からの沸騰気泡の離脱の容易性を検討し、θは４５°
〜９０”が望ましい。小溝１５の加工法としては、ロー
レット加工、切消加工、プレス加工等が考えられる。

かかる形状に加工された直交溝板１４を、小溝１５加工
面が平行となるよう積層し接合した時の伝熱体１の一部
断面図を第１０図に示す。本実施例で接合面に形成され
るトンネル１６は小溝１５の加工ピッチに応じ連続的に
存在する。

以上、第７図〜第１０図に記述した実施例によれば、溝
２，３により形成される空洞９よりも微細寸法からなる
トンネル１６が直交溝板１４の接合面に多数存在するこ
ととなり、気泡核の発生が容易となり沸騰冷却性能を向
上させる。

本実施例において使用した直交溝板１４の加工工具及び
加工法について述べる。直交溝板１４の製作法としては
、ワイヤカット法放電加工法、プレス打抜き法、切削法
等が考えられる。しかし、第１図〜第５図で説明した微
小フィン付直交溝板４の加工法としては、機械加工によ
ってのみ可能であり、特に円板の外周に切れ刃を有する
メタルソ ーを用いなければならない。

本実施例に用いたメタルソーの仕様を表１に示す。

表　　１ 当該メタルソーは、第１１図、第１２図に示す毎く刃先
１８が特殊形状を呈するものであり、該形状の特殊効果
にしたがって、開孔６に微小フィンが形成される。すな
わち、第１３図に示す通常のメタルソー刃先１８のすく
い面１９側から見た形状は、刃幅Ｂ：２０の範囲で平坦
であるが１本実施例で使用した、第１１図、第１２図に
示す刃先形状は、刃先１８の刃幅Ｂ２０の左・右いずれ
かの端部を除去した台形状を呈している。且つ、刃先か
ら除去する方向が一装置きに変えた。第１１図の刃先形
状は、除去量すが左右で等しい場合の例で、第１２図は
、除去量ｂ　１１　ｂ　！、　ｂ　ｓ。

ｂ＋がランダムな場合の例である。

ここで、第１１図の刃先ではＢ＞２ｂを満たさなければ
ならない。

第１３図に示す通常刃先形状メタルソーにおいて加工し
た直交溝板の開孔６部にも平板状の微小フィンは形成さ
れるが、その形状は種々様相を呈し、その長さも一定せ
ず規則性、再現性がない。

これに対して、第１１図、第１２図の刃先形状メタルソ
ーが加工した場合、開孔６には形状、長さとも一定の微
小フィンが規則的に形成される。

微小フィン形成のための安定切削条件は、メタルソー刃
先の１刃当り送り量に依存し、２０μｍ／刃以下である
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、液体を沸騰させることによって発熱を
除去する伝熱体の冷却性能の中で、発熱初期における初
期蒸気の早期発生に効果がある。

したがって、発熱素子が高温にさらされる事なく冷却さ
れるため信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】 第１図、第２図、第４図は夫々本発明の実施例に係る伝
熱体の一部分を示す斜視図、第３図、第５図は夫々本発
明の実施例に用いる微小フィンの拡大斜視図、第６回は
従来の伝熱体の一部分を示す斜視図、第７図、第８図、
第９図、第１０図は夫々伝熱体用直交溝板の部分斜視図
、第１１図。 第１２図、第１３図はメタルソー刃先形状説明用部分斜
視図である。 １・・・伝熱体、２，３・・・溝、４・・・微小フィン
付直交溝板、５・・・微小フィン、６・・・開孔、７・
・・平板部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液に浸漬した発熱体から発生する熱を、該液の沸騰
   により除去するために取り付けられ、貫通する孔が一層
   毎に交差し、且つ孔の交差する部分が連通した構造を有
   する積層体からなる沸騰冷却用伝熱体において、該連通
   孔部分に微小フィンを形成したことを特徴とする沸騰冷
   却用伝熱体。 ２、両表面に溝深さの和が板厚より大きく、且つ直交す
   る方向に溝を形成した板（直交溝板）を、合わせ面で溝
   方向が直交するように積層し接合してなる沸騰冷却用伝
   熱体において、接合面に当該溝幅より小さいトンネルを
   設けたことを特徴とする沸騰冷却用伝熱体。