JPS5948876B2 - 放熱体の表面処理方法 - Google Patents

放熱体の表面処理方法

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JPS5948876B2
JPS5948876B2 JP3140580A JP3140580A JPS5948876B2 JP S5948876 B2 JPS5948876 B2 JP S5948876B2 JP 3140580 A JP3140580 A JP 3140580A JP 3140580 A JP3140580 A JP 3140580A JP S5948876 B2 JPS5948876 B2 JP S5948876B2
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heat
plating
porous
heat sink
plating layer
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敬彦 犬塚
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Mitsubishi Electric Corp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/06Coatings; Surface treatments having particular radiating, reflecting or absorbing features, e.g. for improving heat transfer by radiation

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は沸騰冷却用放熱体の表面に電気化学的処理を施
して熱伝達率の優れた多孔質沸騰伝達面を形成する放熱
体の表面処理方法に関するものである。
沸騰冷却は放熱体より熱を冷媒潜熱により取去る冷却方
式で、従来の空気や油などの対流熱伝達を利用する冷却
方式と放熱体表面における熱伝達率を比較すれば、桁は
ずれに優れた特性をあられす。
このために、沸騰冷却方式はわずかの表面積から多量の
熱を発生する熱流束の大きい大電力半導体素子などの冷
却に適している。
沸騰冷却においては、熱伝達面の気泡の発生成長が活発
になる程沸騰熱伝達率が向上する。例えば、放熱体表面
に多数の空洞を形成せしめることにより気泡の発生、成
長が活発になり沸騰熱伝達率が向上する。これは平坦面
における沸騰では、加熱面付近の液フ体全体を加熱して
気泡周囲の液体を過熱状態にして気泡を成長させるのに
比較して、空洞をもつ表面においては空洞内で気泡が成
長するので、空洞内の液体膜が薄く液全体が過熱状態に
ならなくても、気泡周囲の液体は簡単に過熱状態になる
ため、気泡の生成が活発になり沸騰熱伝達率が向上する
。即ち、比熱密度及び熱伝達率が大きい固体壁に開口部
の直径が小さく深い空洞が存在し、大きい熱流束のもと
にあるときに気泡の成長が活発になり、高い沸騰熱伝達
率が得られる。この発明は以上の点を考慮してなされた
もので、沸騰熱伝達を利用する放熱体の表面にニッケル
鍍金やクロム鍍金などの多孔性鍍金を施したのちに、鍍
金金属を侵さない薬液中で電気化学的処理を行うことに
より、鍍金金属面に存在する多数の孔の下の下地金属を
溶解侵食して放熱体の表面に開口部が狭く深い空洞が存
在する多孔質層を形成せしめ、冷媒と接する放熱体の表
面熱伝達率を大幅に向上させる放熱体の表面処理方法を
堤供する。
第1図はこの発明を実施した放熱体を半導体素子の冷却
に用いた沸騰冷却整流装置の一例を示すもので、本装置
は平形半導体素子1の両面に銅などの電気的、熱的良伝
導材からなる放熱体2が設けられ、図示されていない圧
接機構によつて圧接されている。
放熱体2は、第2図に示すように内部に突出部3および
中空部4を有する密閉構造とし、中空部4には例えばト
リクロロトリフルオロエタンなどの冷媒5が満されてい
る。放熱体2から熱を吸収し気相となつた冷媒5は管6
を経由して凝縮器7に至り、冷却されて液相となり管8
を経由して再び放熱体2に戻る。第3図a−cは放熱体
2の放熱面9にこの発明が実施される過程を示している
第3図aは表面処理前の状態を示し、第3図bは第3図
aに示す放熱面9にニツケル鍍金などの多孔性鍍金10
を施したあとの状態を示している。放熱面9にニツケル
鍍金などの多孔性鍍金]0を施すと鍍金面に素地に達す
る多数の孔11が形成される。第3図Cは、多孔性鍍金
10を施した放熱体2を多孔性鍍金金属10を侵さない
薬液中に浸漬し、電解などの電気化学的処理を行つて鍍
金面の孔11の下に存在する放熱面9を溶解侵食させ、
開口部が狭く深い空洞12が存在する多孔質層を放熱面
9に形成させた状態を示している。多孔性鍍金は、ニツ
ケル鍍金またはクロム鍍金を5〜10μm行うのが滴し
ている。硫酸ニツケル浴から析出するニツケル鍍金の有
孔度は20〜80個/Affであり、鍍金条件を変える
ことによつて種々の有孔度をもつた鍍金皮膜を形成させ
ることができる。多孔性鍍金を施した放熱体に電気化学
的処理を行つて鍍金皮膜上の孔の下に存在する下地金属
を溶解させる場合、鍍金金属を侵さず鍍金の下地金属を
侵す薬液を使用する。多孔性鍍金がニツケル鍍金である
場合、この目的にあつた薬液として、下地金属がアルミ
ニウム、アルミニウム合金あるいは亜鉛である場合には
水酸化ナトリウム溶液が適している。また、下地金属が
銅である場合にはシアン化ナトリウム溶液が適している
。多孔性鍍金金属が下地金属より貴な電位を有する金属
である場合には、鍍金金属と下地金属は鍍金金属面の孔
に存在する電解液を介して電池を形成するが、この際、
貴な電位を有する鍍金金属がカソードとなり、一方卑な
電位を有する下地金属はアノードとして働くために、電
池作用腐食によつて下地金属は急速に腐食され鍍金金属
面の孔の下に大きな腐食孔が生成する。第4図は放熱体
2の沸騰熱伝達面9に本発明の他の実施例が実施された
過程を示している。
第4図aは表面処理前の平坦な放熱面9を示している。
第4図bは第4図aに示す放熱面9に放熱体2を構成す
る金属及び多孔性鍍金よりも卑な電位を有する金属で鍍
金をして中間鍍金13を設けた状態を示している。第4
図Cは中間鍍金13の表面にニッケル鍍金やクロム鍍金
などの多孔性鍍金10を設けた状態を示し、多孔性鍍金
10の表面には中間鍍金13の表面に達する多数の孔1
1が存在している。第4図dは、多孔性鍍金層10が設
けられた放熱体2を多孔性鍍金層10を侵さない薬液中
に浸漬し、電解などの電気化学的処理を行つて多孔性鍍
金層10の孔11の下に存在する中間鍍金金属層13を
溶解侵食させ、開口部が狭く深い空洞12が存在する多
孔質層を形成させた状態を示している。放熱体を構成す
る金属が銅または銅合金であり、多孔性鍍金がニツケル
鍍金である場合には、中間鍍金金属として亜鉛,カドミ
ウムおよび錫などが適しいる。
亜鉛,カドミウムおよび錫は、銅銅合金およびニツケル
に対して卑な電位を有しており、多孔性鍍金を施した放
熱体に電気化学的処理を行つて多孔性鍍金層の孔の下に
存在する下地金属を溶解させる場合、電解液の種類を選
ぶことによつて中間鍍金層を選択的に溶解させて空洞を
形成させることや、第4図eに示した如く中間鍍金層1
3および放熱体2の放熱面の一部に腐食孔14を形成さ
せることが可能である。次にこの発明の具体的実施例を
示す。
実施例 1 銅を母材とする放熱体の放熱面をアルカリ脱脂,酸洗い
などによつて清浄化したのち、硫酸ニツケル240g/
1,塩化ニツケル45g/1,硼酸10ノg/1,フツ
化ナトリウム0.5m01/1,PH5.0,浴温45
℃の条件下で放熱体を陰極、デポライズドニツケル極板
を陽極として陰極電流密度4A/Dm茸で20分間鍍金
を行い、12μmのニツケル鍍金を放熱体熱伝達面に電
着させた。
ニツケル鍍金の有孔7度は約50個/Cfffであつた
。次に、シアン化ナトリウム90g/1,水酸化ナトリ
ウム15gハ溶液中で放熱体を陽極、鉄板を陰極として
常温で電解を行いニツケル鍍金の孔を通して銅素地を腐
食溶解させて放熱体熱伝達面に多数の空洞を有する多孔
質ク層を形成させた。実施例 2 銅を母材とする放熱体の放熱面をアルカリ脱脂,酸洗い
などの前処理を行つて清浄化したのち、シアン化亜塩6
0g/1,シアン化ナトリウム40g/1,水酸化ナト
リウム80g/1,浴温30℃の条件下で放熱体を陰極
、亜鉛板を陽極として陰極電流密度2A/Dm2で15
0分間電解を行い、約50μmの亜鉛を放熱面上に電着
させたものを、更に、硫酸ニツケル240g/1,塩化
ニツケル45g/1,ホウ酸15g/1,フツ化ナトリ
ウム0.5m01/1,PH5.2、浴温55℃のニツ
ケル鍍金浴中で陰極電流密度6A/Dm2で10分間鍍
金を行い、約10μmの多孔性ニツケル鍍金を電着させ
た。
次にこれを70℃に加熱した70g/1水酸化ナトリウ
ム溶液中に浸漬し、中間層の亜鉛鍍金を侵食溶解させ、
放熱体熱伝達面に多数の空洞を有する多孔質層を形成さ
せた。第5図は従来の平坦な放熱面とこの発明の実施例
2による放熱面における沸騰特性を示す説明図で、実線
Aは従来の放熱面における素子当りの発熱量に対する熱
抵抗、実線Bはこの発明による素子当りの発熱量に対す
る熱抵抗を示す。
第5図から明らかなように、実施例2の表面処理を行つ
た放熱面は、熱抵抗が小さく半導体素子のように小2さ
な表面積から多量の熱を発生するものを冷却する場合に
は非常に有利である。以上のようにこの発明は、沸騰熱
伝達を利用する放熱体の放熱面に多孔性鍍金層を設け、
薬液で放熱面を溶解侵食して放熱面に開口部が狭く奥行
2の深い空洞が存在する多孔質層を形成することによつ
て、放熱体の熱伝達特性を著しく向上させたものであり
、大電力半導体素子の冷却などのように小さな表面から
高密度の発生熱を有するものを有効に冷却することが可
能で、装置構成上放熱体3を小形軽量化する場合に極め
て有効である。
また、この発明は特殊な機械加工技術や表面加工技術を
必要とせず、通常利用されている表面処理方法によつて
沸騰熱伝達率の極めて優れた放熱体を多量かつ安価に製
造しうる利点を有し、工業的価値が非常に高い。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明を実施した放熱体を半導体素子の冷却
に利用した沸騰冷却装置の断面図、第2図は第1図に用
いた放熱体の断面図、第3図はこの発明の一実施例の表
面処理過程を示す断面図で、第3図aは処理前の放熱面
の状態、第3図bは放熱面に多孔性鍍金を施した状態、
第3図Cは第3図bの状態で、更に電解処理を行つて多
孔質層を形成させた放熱面の状態を表わしている。 第4図はこの発明の他の実施例の表面処理過程を示す断
面図で、第4図aは実施前の放熱面の状態、第4図bは
放熱面に中間鍍金層を形成した状態、第4図Cは中間鍍
金層上に、更に多孔性鍍金層を形成した状態、第4図d
は薬液処理を行つて中間鍍金層を侵食溶解させて空洞を
形成させた状態、第4図eは放熱面も侵食溶解された状
態を示す。第5図は従来の平坦な放熱面とこの発明によ
つて表面処理された放熱面の沸騰特性を示すす説明図で
ある。図中、1は半導体素子、2は放熱体、5は冷媒、
9は放熱体の放熱面、10は多孔性鍍金層、12は放熱
体の放熱面に形成された空洞である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 放熱体の放熱面に多孔性鍍金層を設け、薬液で上記
    放熱面を溶解侵食して上記放熱面に空洞を形成させるこ
    とを特徴とする放熱体の表面処理方法。 2 多孔性鍍金層が放熱体より貴な電位を有する金属で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の放熱
    体の表面処理方法。 3 放熱体の放熱面に中間鍍金層を設け、上記中間鍍金
    層上に上記中間鍍金層より貴な電位を有する金属の多孔
    性鍍金属を設けた後、上記中間鍍金層を薬液で溶解侵食
    して上記中間鍍金層に空洞を形成させることを特徴とす
    る放熱体の表面処理方法。
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