JPH03186195A - ヒートパイプを具える放熱体およびその製造方法 - 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〕 本発明はヒートパイプ式放熱体およびその製造方法、特
に半導体素子等の比較的小さな発熱体を効果的に冷却す
るためのヒートパイプ式放熱体およびその製造方法に関
する。

（従来の技術〕 半導体素子のうちパワートランジスタ、パワーＩＣ等の
発熱量の大きいものは冷却が必要で、冷却には従来放熱
板を用いる空冷方式が用いられている。例えば第７図に
示すように半導体素子７１を取り付けたプリント基板７
２の片面にアルミニウム等の金属板より成る放熱板７３
を設け、半導体素子７１の端面を放熱板７３に密着させ
、半導体素子７１の発する熱を熱伝導により放熱板７３
全体に伝え、放熱板７３表面から大気中に放熱させる。

ヒートパイプも同し目的に用いられている。例えば第８
図に示すように、ヒートパイプ８２の一端に設けた伝熱
ブロック８３に半導体素子８１を取り付け、他端に放熱
フィン８４を設けた冷却装置がある。近年の半導体素子
の高集積化に対応するために、微細なヒートパイプ、い
わゆるマイクロヒートパイプを内部に有した平板状放熱
体も提唱されている（Ｃｏｔｔｅｒ、５１ＨＰＣ（第５
回国際ヒートパイプ会議）論文前刷集、１９８４年、筑
波）。これは第９図に示すように、金属から戒る殻体９
１の内部に三角形の断面を゛もつ複数の互いに連通した
微細な通路９２を設け、通路９２の中に作動液９３を封
入したものである。作動液９３は表面張力によって通路
９２の三角形の断面の角の部分に集まり、毛細管力によ
って長さ方向に分布する。通路９２の中央部９２ａが作
動液の蒸気の通路となり、吸熱部の通路９２内で蒸発し
た作動液９３が放熱部の通路９２へ移動し、全体がヒー
トパイプとして動作する。

セラミンク製容器の中に互いに連通した作動液流路と作
動液還流路を形成し、作動液を封入した薄板状のし一ド
パイブが、実願昭５７−２９３１８号で知られている。

この薄板状ヒートパイプは打ち抜き孔を有するセラミッ
ク中間板と、その両側を覆う２枚のセラミックを、積層
、焼結して作られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、近年半導体素子の高集積化に伴い、素子全体の
発熱密度が増大し、あるいは素子の中で局部的に発熱密
度が大きいものが多くなっており、前記の放熱板を用い
る空冷方式では充分な放熱ができない。

ヒートパイプを用いるものは、放熱板の熱伝導のみに依
存せず積極的に熱移動をはかるもので、素子全体の冷却
の効果は高められるが、発熱密度の大きい部分を効果的
に冷却することができなかった。配線基板についても、
多数の半導体素子を実装した基板が多くなってきて、半
導体素子と同様の問題に直面している。前記実願昭５７
−２９３１８号に記載された薄板状ヒートパイプは、作
動液容器としてセラミックを用いているため、それ自体
をＩＣ基板等として用いられる利点はあるものの、作動
液への熱伝達の効率が悪く、発熱密度の高い高集積度半
導体素子の冷却には適しなかった。また、３枚のセラミ
ンク板をかなｌ）複雑な形状に精密に底形しなければな
らず、製造には手間のかかるものであった。

前記Ｃｏｔｔｅｒにより提案されたマイクロヒートパイ
プも、高集積半導体素子あるいは基板の冷却を目的とし
たものである。このようなマイクロヒートパイプを利用
した放熱体は原理的には有用であるが、工業的に実用さ
れる番こ至っていない。その理由の一つは、断面が三角
形の微細な通路網を所望の形に形成することを必要とし
、工業的な生産が困難なことである。他の理由は、マイ
クロヒートパイプへの作動液の封入と、封入前の非凝縮
性ガスの排出とが、技術的にまだ確立されていないこと
である。これは、放熱体の内部に構成された微細通路網
の容積が極めて小さく、かつ断面積に対して長さが相対
的に長いため、非凝縮性のガスを充分に排出すること、
適正な量の作動液を封入することが、いずれも困難だか
らである。

従って本発明の目的は、全体あるいは局部的に発熱密度
が大きい高集積半導体素子あるいは基板を効果的に冷却
できる、実用的で、かつ工業的に生産が可能な、マイク
ロヒートパイプを利用した放熱体を実現することにある
。

本発明の他の目的は、全体あるいは局部的に発熱密度が
大きい高集積半導体素子あるいは基板を効果的に冷却で
きる、マイクロヒートパイプを利用した実用的な放熱体
を工業的に製造する方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明では、両面が平面である
金属板に所定の形状の孔（透孔）を設けておき、この板
を少なくとも互いに対向する面が平面である２枚の金属
板で挟み、金属板の間を気密かつ液密に接合して孔を密
封して、密封された空所を形成し、この空所に作動液を
封入して、ヒートパイプとして用いるようにした。

孔の形状は、断面が四角形であることが好ましく、両側
から２枚の板で挟んだときに形成される空所、すなわち
作動液の通路が、ヒートパイプとして作用するのに適当
な形状とする。通常、管状の通路が形成されるのが好ま
しいので、孔の形状は直線または曲線状とする。例えば
、それぞれ直線状に延びた複数の長い孔で、それらが異
なる方向に延びて互いに連通してもよいし、あるいはそ
れらが平行で、互いに連通していなくてもよい。

直線状でなく、曲線、例えば円弧等の形の孔でもよい。

直線あるいはそれに近い形の孔が、略平行に延びて、し
かもこれらと交わる他の孔により互いに連通していても
よいし、放射状に延びた複数の孔が中央付近で交わって
もよい。直線または曲線状の複数の孔が互いに交わって
いるとき、これを密封すると、対応する通路網が形成さ
れる。

所定の孔を有する金属板と、それを挾む２枚の金属板と
の間は、ろう付け、金属拡散処理等により、気密かつ液
密に接合することができる。

独立の通路または通路網は一端に作動液を封入するため
の管（以下、作動液封入管と言う）を有することが望ま
しい。

上記のようにして形成したヒートパイプ作動液の通路に
作動液を封入するために本発明では、作動液封入管に適
当な容積を有する耐圧密閉容器を接続し、これらの系の
中を減圧した後、耐圧密閉容器内に所定量の作動液を注
入し、系全体を作動液の臨界温度より高い温度に加熱し
て、通路に作動濯を供給し、作動液封入管を封し切る（
密封・切断する）。耐圧密閉容器内に作動７夜を注入後
、−量系を作動液の臨界温度より低い温度に加熱して耐
圧密閉容器の上部に集まる非凝縮性気体を排出し、その
後に系を臨界温度より高い温度に加熱することが好まし
い。

〔作用］ 所定の形状、例えば直線または曲線状の、一つまたは複
数の孔（透孔）を設けた金属板を、少なくとも対向面が
平面である２枚の金属板で、平面である側を内側にして
挟み、各金属板の間を気密かつ液密に接合すると、孔は
密封され、好ましくは断面が四角形の空所を形成する。

この空所に所定の量の作動液を封入ずれば、マイクロヒ
ートノ＜イブとして作用させることができる。何故なら
、この空所は断面が四角形であるから、作動液はその角
（隅）に集まり、そして毛細管力によって長さ方向に分
布するので、空所の中央部が作動液の蒸気の通路となり
、吸熱部の通路内で蒸発した作動液が放熱部の通路へ移
動することができるからである。

所定の形状、例えば直線または曲線状の孔を設けた金属
板を、対向する面が平面である２枚の金属板の間に気密
かつ液密に密着させることにより、密閉された管状の空
所を形成させて作動液の通路とするので、断面が直角の
隅をもつ微細な作動液通路を、重なった金属板の中に容
易に形成することができる。作動液通路への作動液の封
入も比較的簡単な手段と手順で行えるので、微細な作ｖ
Ｊ液通路を具えたヒートパイプ放熱板を、少ない工数で
工業的に製造することができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

〔実施例１〕 第１図（Ａ）は本発明による放熱体の断面図、第１図（
Ｂ）は本発明による放熱体の部分的に断面を示した平面
図である。第１図（Ａ）は第１図（Ｂ）の放熱体１のＸ
−Ｘに沿った断面を示している。第１図（Ａ）において
、ヒートパイプの作動液通路となる孔２を有する金属板
３は２枚の金属板４および５の間に挟まれ、金属板３が
外側の金属板４および５と接する面３ａおよび３ｂは気
密かつ液密に接着されている。金属板３の孔２は第１図
（Ｂ）に示すように、４本の直線が中央で交わった放射
状をしている。金属板３の縁まで延びた孔２の一本の枝
２ａの先端には、作動液封入管６が取りつけられている
。第１図（Ａ）、（Ｂ）で７は半導体素子のリード線を
通すためのスルーホール（貫通孔）である。

第１図（Ｃ）は、孔２に作動液８が封入された後の放熱
体の拡大された断面を示す。孔２は後述するように金属
板３の打ち抜き、エツチング等により形成されるので、
金属板３の面に垂直な壁面をもち、従ってその断面は第
１図（Ｃ）に示すように長方形（正方形を含む）である
。作動液８はその角（隅）２ｂに集まる。そして、図示
しないが毛細管力によって孔２の長さ方向に分布する。

孔２の断面の中央部にできた空間２ｃが、吸熱部で蒸発
した作動液の蒸気の通路となる。

第１図（Ａ）ないしくＣ）に示した放熱体１は例えばそ
の中央部を半導体素子または基板上の発熱体（例えばパ
ワーＩＣ）に密着させ、周囲の部分を大気中に置くと、
中央の部分では内部の作動液通路の作動液が蒸発し、気
化した作動液は作動液通路の断面の中央部の空間を通っ
て、周囲の部分の通路内へ移動する。周囲の部分では主
に大気により、部分的には輻射により冷却されて、作動
液は凝縮し、作動液通路の断面の角の部分を通って中央
部へ還流する。このようにして、放熱体１は中央部がヒ
ートパイプの吸熱部、周囲の部分がその放熱部として作
用し、発熱体が冷却される。

第１図（Ａ）ないしくＣ）に示した放熱体１は次のよう
にして製作される。孔のない金属板３に、例えば打ち抜
きあるいはエンチングにより、第１図（Ｂ）に示された
形状の孔２を形成させる。次に、金属板３と外側の金属
板４および５との間を気密かつ液密に接着させる。例え
ば、ステンレス鋼製の金属板３の両面、ステンレス鋼製
の金属板４および５の内側の面（金属板３に対向する面
）にそれぞれ比較的厚い銅のめっきを施しておき、それ
らを圧着して真空炉中で加熱する。これにより、３枚の
ステンレス鋼板は気密かつ液密に接着される。この方法
を用いると、孔２が微細であっても、それを詰まらせる
ことがない。孔２を詰まらせるおそれがなければ、他の
ろう材を用いてもよい。３枚の金属板３，４．５を接着
する際に、孔２の技２ａの先端には作動液封入管６を取
りつける。その一方法として、第２図に示すように、作
動液封入管を設ける位置で３枚の金属板３，４゜５に突
出部６ａを設けておけば、殊更に別の管を連結しないで
も封入管を形成することができる。

作動液封入管６を通して孔２内に作動液８を封入するに
は、例えば第３図に示す装置を用いて行う。

第３図で、封入ユニット３１は所定の内容積をもつ耐圧
密閉容器３３を有する。耐圧密閉容器３３は、接続ポー
ト３２を介して未封入の放熱体１の作動液封入管６に接
続されている。耐圧密閉容器３３には接続ボート３２の
ほか、減圧ポート３４、作動液注入ボート３５、および
排気ポート３６が取り付けられている。減圧ポート３４
にはバルブ３４ａを経て真空ポンプ３４ｂが、作動液注
入ポート３５にはバルブ３５ａを経て作動液計量注入装
置３５ｂが接続されている。排気ポート３６にはバルブ
３６ａが設けられている。耐圧密閉容器３３の下方には
任意温度に加熱することができる電熱加熱板３７ａが設
けられ、それらは断熱材３８ａで囲まれている。電熱加
熱板３７ａは耐圧密閉容器３３を囲むように設けてもよ
い。未封入の放熱体ｌは、下方に接して任意温度に加熱
することができる電熱加熱板３７ｂが設けられ、それら
は断熱材３８ｂで囲まれている。電熱加熱板３７ａ、３
７ｂはそれぞれ電圧可変電源３９ａ。

３９ｂに接続されている。

第３図の装置を用いて放熱体１に作動液８を封入するに
は、まず各部分を接続し、耐圧密閉容器３３、未封入の
放熱体１等から成る系内を真空ポンプ３４ｂで真空に減
圧した後、バルブ３４ａを閉じる。次いで、バルブ３５
ａを開き、作動液計量注入装置３５ｂから所定量の作動
液８を耐圧密閉容器３３内に注入する。注入後、バルブ
３５ａを閉し、電熱加熱板３８ｂ、３８ａに通電し、未
封入の放熱体ｌと耐圧密閉容器３３を作動液の臨界温度
より低い所定の温度に加熱する。減圧された系内にあっ
た非凝縮性気体は耐圧密閉容器３３の一ヒ部に溜まるか
ら、排気ボート３６のバルブ３６ａを適当に開けて外部
へ排出する。バルブ３６ａを閉じた後、加熱温度を作動
液の臨界温度より高い温度に上昇させると、作動液は超
臨界状態の気体となり、系内に均一に分布する。作動液
封入管６の中間部をピンチシールあるいは溶（熔）封等
により密閉し、かつ切り離した後、電熱加熱板３８ｂ、
３８ａの加熱を停止し、放熱体ｌと耐圧密閉容器３３を
常温まで冷却する。こうして、放熱体１内の孔２で形成
された通路に、所定量のヒートポンプ作動液８が封入さ
れる。

作動液として例えばフロンＲ２２を用いることができる
。フロンＲ２２のＨＦｍ　界ｍ　度は９６．ｏ″Ｃ１臨
界圧力は５０．２　ｋｇ　／ｃｔＭａｂｓであり、工業
的取扱は容易である。臨界密度は０．５２５ｋｇ／ｉ！
、で、充分大きいので、ヒートパイプとして機能させる
のに必要な封入量を得ることができる。すなわち、臨界
状態にあるフロンＲ２２を内容積Ｖの系内で２０°Ｃま
で冷却すると、液化したフロンＲ２２の体積■は、臨界
密度０．５２５ｋｇ＃２と液化したフロンＲ２２の密度
１．２１３ｋｇ／ｎからｖ−０，５２５Ｖ／１．２１３
＝０．４３３Ｖである。これは作動液封入率が最大４３
％であることを意味し、ヒートパイプとして充分機能す
る値である。実際にはこれより少ない封入率で足りる。

〔実施例２および３〕 Ｌ　Ｓ　Ｉのようなマルチビンタイプの半導体素子に取
りつける場合の、本発明による放熱体の構造を第４図お
よび第５図に示す。第４図において、放熱体４１は比較
的薄い可とう（撓）性のものとし、コ字形に折り曲げて
基板４２上の半導体素子４３の上面に密着させた。第５
図では、基板５２の上に支柱５４で浮かせて取り付けた
、冷却を要する半導体素子５３の下面（端子ビン側）に
、スルーホール７（第工図（Ｂ）参照）をもつ放熱体５
１を密着させた。５３ａは端子ビンを示す。

〔実施例４〕 実施例１の金属板３の孔２すなわちヒートパイプの作動
液通路の形を、曲線状とした例を第６図に示す。複数の
円弧状の孔２すなわち作動液通路が、放熱板の中央付近
で連通している。実施例１と同様、孔２の一本の技２ａ
の先端には作動液封入管６が取りつけられている。

〔発明の効果〕

本発明の放熱体によると、全体あるいは局部的に発熱密
度が大きい高集積半導体素子あるいは基板を効果的に冷
却するのに適する、マイクロヒートパイプを利用した実
用的な放熱体が提供される。

本発明によるマイクロヒートパイプ放熱体はまた工業的
に生産が可能である。

本発明の放熱体の製造方法によると、全体あるいは局部
的に発熱密度が大きい高集積半導体素子あるいは基板を
効果的に冷却するのに適する、マイクロヒートパイプを
利用した放熱体を、工業的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明による放熱体の一実施例の断面図
、第１図（Ｂ）は本発明による放熱体の一実施例の部分
的に断面を示した平面図、第１図（Ｃ）は作動液が封入
された後の放熱体の拡大された断面図、第２図は放熱体
に作動液封入管を取りつける一方法を示す放熱体の平面
図、第３図は作動液封入管を通して孔内に作動液を封入
するのに用いる装置の一例を示す説明図、第４図および
第５図はマルチピンクイブの半導体素子に取りつける場
合の本発明による放熱体の構造を示す断面説明図、第６
図はヒートパイプの作動液通路の形を曲線状とした例を
示す平面説明図、第７図は従来の半導体素子に用いられ
た空冷方式の放熱板の説明図（立面）、第８図はヒート
パイプを用いた従来の半導体素子用放熱板の説明図（立
面）、第９図は従来のマイクロヒートパイプを用いた放
熱体の説明図（断面）である。 符号の説明 １　−−−−−−一放熱体　　　　　２−−−−一−−
−−孔２ａ−−−孔２の技　　　　２ｂ−孔２の角（隅
）２　ｃ−一−−−孔２の空間　　　３−−−一金属板
３　ａ　、　　３　ｂ−−−一金属板３の外側の面４　
、　５−−−金属板　　　　６−−−−−作動液封入管
７−ｍ−−スルーホール　　８−−−−一作動液３１−
　封入ユニンｌ−３２−−一接続ボート３３−　耐圧密
閉容器　　３４−−一減圧ポート３４ａ−バルブ　　　
　　３４ｂ−真空ボンプ３５−一一−作動液注入ボート
　３５ａ−パルプ３５ｂ−作動液計量注入装置 ３６　−　＋Ｊ１４気ボート　　　３６ａ−バルブ３７
　ａ、　　３７　ｂ−・−電熱加熱板３８　ａ　、　　
３８　ｂ−一一一断熱材３９　ａ　、　　３９　ｂ−−
−−一可変電源４Ｌ−−−−放熱体　　　　　４２−　
基板４３−−−一半導体素子　　　５１ ５２・−・一基板　　　　　　５３ ５３ａ−・端子ピン　　　　５４ ７１−・−半導体素子　　　７２ ７３−一一一一一放熱板　　　　　８１Ｂ　２−−−ヒ
ートパイプ　　８３ ８４−・−・−放熱フィン　　　９１ ９２−−−−〜通路　　　　　　９３ ９２ａ−・・通路９２の断面中央部 放熱体 半導体素子 支柱 ・−プリント基板 半導体素子 伝熱ブロック 殻体 作動液

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ヒートパイプ作動液通路網のパターンに対応した
   形状の透孔を設けた両面が平面である第一の金属板と、
   少なくとも互いに対向する面が平面であり、前記第一の
   金属板と重ねられ、前記第一の金属板との間が気密かつ
   液密に接合されたとき前記透孔に相当する空所を形成す
   る第二および第三の金属板と、前記空所に封入されたヒ
   ートパイプ作動液から成ることを特徴とする、ヒートパ
   イプを具える放熱体。
2. （２）前記空所の断面が四角形である請求項第１項記載
   のヒートパイプを具える放熱体。
3. （３）両面が平面である第一の金属板にヒートパイプ作
   動液通路網のパターンに対応した形状の透孔を設け、前
   記第一の金属板を少なくとも互いに対向する面が平面で
   ある第二および第三の金属板で挟み、前記第一の金属板
   と前記第二および第三の金属板の間を気密かつ液密に接
   合して、前記透孔によって形成された密封空所を形成し
   、該空所に所定の内容積を有する耐圧密閉容器を接続し
   、前記密封空所を含む系内を減圧し、前記耐圧密閉容器
   に所定量のヒートパイプ作動液を注入して気化させ、前
   記空所を囲む金属板および前記耐圧密閉容器を前記ヒー
   トパイプ作動液の臨界温度より高い温度に加熱し、前記
   空所を前記耐圧密閉容器と切り離しかつ密閉することを
   特徴とする、ヒートパイプを臭える放熱体の製造方法。
4. （４）前記ヒートパイプ作動液を注入した前記耐圧密閉
   容器および前記空所を前記ヒートパイプ作動液の臨界温
   度より低い温度に加熱して、前記耐圧密閉容器の上方か
   ら所定の少量の気体を大気中に排出した後、前記臨界温
   度を超える温度の加熱を行う、請求項第３項のヒートパ
   イプを具える放熱体の製造方法。