JP2007115940A - 熱分散プレート - Google Patents

Abstract

【課題】平板に取付けられた複数の半導体素子等の発熱体の発熱量の分布にバラツキが生じた場合、これを吸収して平板全体の熱分布をより均一化することにより低温度差で効率よく放熱を行うことのできる熱分散プレートを提供する。
【解決手段】高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設して細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてをヘッダ流路により連通し、細孔列内に2相凝縮性作動流体を気密的に封入してなる熱分散プレートにおいて、前記細孔列の作動流体の還流路となる細孔を除いたすべての細孔を相互に連通させる連通孔を１本または複数本設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子等の発熱密度の高い発熱体の冷却に適した熱分散プレートに関する。

半導体素子は高集積化、高出力化に伴って損失が増加し、発熱量が増大するので、これを効果的に冷却することが必要となる。
半導体素子の発生損失が数Ｗレベルまでは半導体素子の表面からの自然放熱でもよいが、数十Ｗレベルでは、これまで図９に示すようにアルミニウム等の高熱伝導性材料で構成された基板５１に放熱フィン５２を多数取付けて構成した放熱器５０を用いるようにしていた。この放熱器５０を半導体素子などの発熱体１に結合し、発熱体１の熱をこの放熱器５０へ伝達し放熱フィン５２から大気中への放熱することにより発熱体の熱の放熱が促進される。また、半導体素子などの発熱体の損失が数十Ｗ以上のレベルとなった場合は、この放熱器５０に電動ファン６０により送風することにより放熱効率をさらに向上させるようにするのが一般的である。

半導体素子の出力がさらに増大し、または実装密度が高密度化することにより、放熱器にさらに高い単位面積あたりの放熱量が要求されるが、この場合は、一般に、図１０に示すように、放熱器５０に設ける櫛歯状の放熱フィン５２ａの間隔を可能な限り小さくしたり、図１１に示すように、放熱フィン５２ｂを格子状にしたりすることにより、放熱フィン５２の放熱面積を増加させて放熱効率を高め、半導体素子の温度上昇を抑制するようにしている。

このような放熱器の放熱性能は次の（１）式の関係にある。

放熱器の温度上昇ΔＴ［K］＝熱抵抗Ｒ［K/W］×発熱量Ｑ［W］ ・・・（１）
ここで、熱抵抗Ｒ［K/W］は、次の（２）式で示すことができる。

熱抵抗Ｒ［K/W］＝１／（放熱面積A［ｍ²］×熱伝達率ｈ［W/ｍ²K］×フィン効率η）
・・・（２）
半導体素子等の発熱体１の発熱量Qが大きい場合、放熱器の温度上昇を抑制するには、放熱面積Aを大きくして、熱抵抗Rを小さくすることが必要であるため、図９に示す放熱器５０の幅または長さを大きくすればよいのであるが、放熱器の基板５１の熱抵抗により発熱体１の取付け部近傍と基板の端部との温度差は、放熱器の幅および長さを増加させるにしたがって大きくなるため、必ずしも、放熱器５０の表面積拡大に比例して放熱器の温度上昇が低減されるものではない。

このため、発熱体１で発生した熱を放熱器基板５１の全面に低温度差で分散する手段が必要であり、特許文献１には、図１２に示すような熱分散型放熱器が提案されている。

この図１２の放熱器は、アルミニウム等の高熱伝導性の金属で形成された櫛歯状放熱フィン５２を有する放熱器５０の基板５１内にそれぞれ密封された細管により独立して形成されたヒートパイプ７を複数分散して配設し、基板５１の一部に結合された半導体素子等の発熱体１から発生する熱をこのヒートパイプ７により基板５１の全体に分散させて放熱フィン５２に伝達するようにしたものである。これにより実効的な放熱器の放熱面積が拡大し、大気に対して低温度差での放熱が行えるようになり、放熱効率が高まる。

また、特許文献２には、図１３に示すような、金属平板６１内部に細孔６２の列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてヘッダ流路６３により連通したうえで、細孔６２列内に２相凝縮性の作動流体６５を適量封入して構成した平板状ヒートパイプ６０が開示されている。この平板状ヒートパイプ６０は、平板６１内に形成された細孔列により形成されたヒートパイプにより半導体素子等の発熱体１から発生された熱を平板６１の全体に拡散することができ平板６１全体の温度分布を均一化でき、温度上昇を抑制できる。
特開２００１−１５６２２９号公報 特開平０４−２６０７９１号公報

半導体素子などの高集積化と実装密度の高密度化に対応して単位面積あたりの放熱量が１０Ｗ／ｃｍ²レベルを超えるような発熱体を冷却する場合には、前記のようなヒートパイプを組み込んだ放熱器の採用が検討されているが、図１２に示した放熱器の基板５１内にヒートパイプ７を組み込む形式の放熱器の場合は、複数のヒートパイプ７が独立して形成されているので放熱器の基板５１内での熱分散方向が、ヒートパイプ７の長手方向に限られるため、実効的な放熱面積の拡大はできても複数の半導体素子などの発熱体の発熱分布のバラツキを十分に吸収することができない。これを改善するためには、特に大容量の半導体変換装置の冷却装置に適用した場合、より多数のヒートパイプを設ける必要があり、基板５１への細孔の加工およびヒートパイプにかかる費用が嵩む問題がある。

また、図１３に示した平板状ヒートパイプ６０は、平板列内の細孔列の個々の細孔が上下端においてヘッダ流路で連通されているだけであるので、複数の半導体素子を取付けたとき、各素子間で発熱量に不平衡が生じても各細孔間での作動流体の移動がほとんど行われないため、平板状ヒートパイプにおける熱の分布に偏りが生じ、この場合も、発熱分布のバラツキを吸収する作用が十分でない問題がある。

この発明は、このような問題を解決するために、平板に取付けられた複数の半導体素子等の発熱体の発熱量の分布にバラツキが生じた場合、これを吸収して平板全体の熱分布をより均一化することにより低温度差で効率よく放熱を行うことのできる熱分散プレートを提供することを課題とする。

この課題を解決するため、この発明は、高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設して細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてをヘッダ流路により連通し、細孔列内に2相凝縮性作動流体を気密的に封入してなる熱分散プレートにおいて、前記細孔列の作動流体の還流路となる細孔を除いたすべての細孔を相互に連通させる連通孔を１本または複数本設けたことを特徴とする。

前記連通孔は、基板の加熱部分と放熱部分の少なくとも一方に設けることができる。

そして、前記基板は、多穴板で構成することが最適である。

この発明によれば、平板状の基板内に設けられたヒートパイプを構成する複数の細孔が全て両端においてヘッダ流路によって連通されるだけでなく、細孔列の作動流体の還流路となる細孔を除いたすべての細孔が発熱部分または冷却部ないしは両部付近において連通孔により連通されているので、液相の作動流体および発熱体によって加熱されて気相となった作動流体が発熱体の取付け位置に係わらず、各細孔を流れる作動流体が相互に流通し混じり合い、温度が均一化されるようになる。このため発熱体の熱が基板全体に均一に伝達拡散されるようになるとともに、発熱体に発熱分布のバラツキがあってもこれを吸収し、均一に冷却することができる効果を得られる。

また作動流体の還流路となる細孔は、他の細孔とは連通されず独立しているため、還流路の圧力が他の細孔の圧力より低くなるので、作動流体の上部ヘッダ流路から下部ヘッダ流路への還流が主としてのこの還流路を通して行われるようになり、作動流体の循環が円滑に行われるようになり、熱の輸送効率を高めることができるとともに、熱輸送量の限界値を大きくでき、発熱体の冷却を安全に行うことができる効果も得られる。

以下に、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する

図１はこの発明の熱分散プレートの実施例１を示すものであり、（Ａ）は、一部を切欠いて内部を示す斜視図、（Ｂ）は正面断面図である。

図1において、２１は、高熱伝導性材により構成した平板状の基板であり、この中に複数の直線状の隔壁２２により仕切られた細孔を分散配列した細孔列２３と、この細孔列２３の上下端において個々の細孔を相互に連通する上部ヘッダ流路２６および下部ヘッダ流路２７が設けられる。細孔列２３、ヘッダ流路２６、２７によって形成された基板内空間に、封止パイプ２９から排気したのち、２相凝縮性作動流体３１を注入し、封止パイプ２９を封じ切ることによってサーモサイフォン形ヒートパイプを形成する。

基板２１内の液相状の作動流体の溜まった下部において細孔列２３の両外側の２３ｓを除いた残りの細孔２３ｃのすべてを相互に連通するために、所要数の水平方向に延びた連通孔２８が設けられている。このため、基板２１内の細孔列２３の下部に溜められた液相状の作動流体３１は、連通孔２８を介して各細孔２３ｃ間を流通することができる。

このように構成された熱分散プレート２０の動作を、図２を参照して説明する。

図２に示すとおり、熱分散プレート２０は、細孔２３の列を形成する各細孔２３の長手方向が垂直になるように配置され、このプレートの主面の一方の下方に冷却の必要な半導体素子などの発熱体１を取付ける。基板２１の内部空間の下部に液相状態の作動流体３１が溜まっている。発熱体１が作動して発熱し、基板２１が加熱されると、基板２１内の液相状の作動流体３１がその熱によって相変化（沸騰）し、蒸気泡３４を発生する。この作動流体が気化する過程で発熱体から気化潜熱を吸収し、冷却する。この蒸気泡３４は液相より密度が小さいため、浮力によって矢印で示すように細孔内を上方へ移動する。これが連続発生して蒸気流３５となって基板２１の上方へ移動する。発熱体１の設けられた加熱部より温度の低い基板２１の上部は放熱部となって、作動流体の蒸気を凝縮して液化し、潜熱を放出する。このような過程で加熱部より放熱部へ熱輸送が行われる。凝縮した作動流体は、蒸気流３５に同伴して移動し、気液２相流となって、上部ヘッダ流路２６を経て、主として左右両外側の還流路２５を形成する細孔２３ｓを通って基板２１の下部の加熱部へ還流し、下部ヘッダ流路２７に液溜まりを形成して、定常的な沸騰・凝縮サイクルを形成する。

液相の作動流体の溜められた基板の下部の加熱部付近には、中央側の各細孔２３ｃを相互に連通する連通孔２８ａが設けられていることにより、この部分において図２に矢印３６で示すように連通孔２８ａを通して各細孔２３ｃ間で、作動流体の分散流が生じ、発熱密度の高い部分で集中的に発生する蒸気泡を横方向に分散し、凝縮および対流により作動流体内で熱伝達を行い、各細孔２３ｃへの熱分散をおこない、作動流体全体の温度を均一化することができる。これによって、発熱体１の発熱分布のバラツキを吸収することができる。

そして、ここで、両外側の細孔２３ｓより内側の細孔列２３ｃは、連通孔２８ａによって相互を連通させるため、各細孔２３ｃの内部圧力が均一化されるが、両外側の還流路となる外側の細孔２３ｓは、ヘッダ流路２６、２７によって細孔２３ｃと連通されるだけであるので、細孔２３ｃの列の内部圧力と等しくなることはなく、これより低い圧力となる。このため基板２１の加熱体１の取付けられた加熱部で加熱された作動流体は細孔列２３ｃを上昇し、上部ヘッダ流路２６に至ると、ここから低い圧力に置かれた両外側の還流路となる細孔２３ｓを通して自然に下部ヘッダ流路２７へ還るようになり、循環路の行きと還りの流路が区分けされることになり、作動流体の循環が円滑となる。このため、作動流体による熱輸送の効率が高まり、熱の分散を良好に行うことができる。

次に、この発明の実施例２を図３に示すので、これについて説明する。

この実施例２においては、図３に示すよう、基板２１に設けた細孔列２３の内側の各細孔２３ｃのすべてを連通させるための連通孔２８ｂを、基板２１の放熱部となる上部に設けている。

このように、基板２１の上部に各細孔２３ｃを連通する連通孔２８ｂを設けることにより、図４に示すように、連通孔２８ｂを介して各細孔２３ｃ間で作動流体の蒸気流の分散流３７が生じるので、発熱密度の高い部分で集中的に発生した、蒸気泡を凝縮部（放熱部）において横方向に分散することにより基板全体に熱を分散し、基板の放熱部における温度の均一化を図ることができ、放熱効率を高めることができる。

還流路となる細孔２３ｓが連通孔２８ｂによりたの細孔２３ｃと連通されないことにより、作動流体の循環作用が良好になることは、実施例１の場合と同様である。

図５にこの発明の実施例３を示す。

この実施例３は、図５から明らかなとおり、基板２１の上部の放熱部付近および下部の加熱部付近において、基板２１内に設けた細孔列２３のうちの料外側の還流路２５となる細孔２３ｓを除いた残りの中央よりの細孔２３ｃのすべてを連通するために、連通孔２８ａおよび２８ｂを設けている。

このため、この実施例３においては、図６に示すように、中央側の細孔２３ｃの発熱部および放熱部の両部付近で、連通孔２８ａおよび２８ｃを通して、各細孔２３ｃ間に分散流３５および３６が発生し、発熱密度の高い部分で集中的に発生する蒸気泡は加熱部および放熱部において、基板の横方向に分散することができでき、基板全体の温度をより均一化することができるので、放熱効率を高めることが可能となる。

この場合も、前記実施例１、２と同様に、還流路となる細孔２３ｓによって作動流体の循環作用が良好にされる。

図７にこの発明の実施例４を示す。

この実施例４は、この発明による熱分散プレートを放熱器に適用した例を示すものである。

前記の実施例１から３に示した熱分散プレート２０の主面の一面に、複数の櫛歯状の放熱フィン2を結合して、放熱器を構成する。

この放熱器を構成する熱分散プレート２０の他方の主面に（Ｂ）に示すように、半導体素子等の発熱体１を３個密着して結合する。熱分散プレート２０には、多数の細孔２３が１列に並べて設けられており、この細孔の中に２相凝縮性作動流体が封入され平板状のヒートパイプを構成する。この放熱器は、熱分散プレートの、放熱フィン２や発熱体１の取付けられた主面を、取付け方向を示す矢印の通り、細孔２３が垂直になり、かつ発熱体１の取付けられた側を下になるように立てて使用する。

熱分散プレート２０に取付けた３個の発熱体１の通電電流が不平衡となって、発熱体間の発熱量が不均一となると、熱分散プレートの温度分布が付近一となり、発熱体の電流不平衡をさらに悪化させる場合も生じる。

この発明の熱分散プレートは、前記した通り、各細孔２３間で作動流体が流通可能にしていることにより、このような複数の発熱体の発熱量のバラツキを吸収してプレート全体の温度分布が均一となるように熱を分散させることができる。

図８にこの発明の実施例５を示す。

この実施例５は、押し出し加工によって大量に安価に製造される平板状の多穴板を使用した熱分散プレートの例を示すものである。

図８（Ａ）にアルミニウム等の高熱伝導性金属材料を押し出し加工により製造した平板状の多穴板３１を示す。この多穴板３１には、長手方向に貫通した複数の細孔３２が設けられ、多穴板３１の幅方向に１列に配列され、細孔列を構成している。
これらの細孔３２の列が作動流体の循環路を形成する。

以下に、この多穴板３１により形成した熱分散プレートについて説明する。

図８（Ｂ）に示すように、多穴板３１上下両端の開口部に端板３３，３３を当てて、ロウ付けまたは溶接等により気密的に封止する。封止の方法は、端板を使用しないで、多穴板の両端を機械的に押し潰して開放部を封止するようにした圧着法であってもよい。

次に、このように密閉された多穴板３１に、前記各実施例で説明した細孔列の全部の細孔を上下両端で相互に連通させる上下のヘッダ流路および還流路となる両外側の細孔を除いた残りの細孔のすべてを連通する連通孔を設ける。ヘッダ流路３６を設ける場合は、これは多穴板３１の一方の側面３５からドリルなどにより、図８（Ｃ）に示すように、全部の細孔３２に連通するようにほぼ全幅に亘って連通孔３６を穿孔する。側面３５に開いた孔は、密閉栓３６ａを詰めるなどして密閉する。

還流路となる両外側の細孔３２ｓを除いた残りの細孔のすべてを連通する連通孔３７を設ける場合は、同様に一方の側面３５からドリルなどにより、図８（Ｂ）において左側の最外側の還流路となる細孔３２ｓには達しないように、その１つ手前の細孔までの連通孔３７を所要本数穿孔する。そしてこれらの連通孔３７を設けるために側面３５開けられた孔と、右側最外側の細孔３２ｓとそのすぐ左隣の細孔３２ｃとの間の隔壁３５ａに開けられた孔を密閉栓３７ａによって埋める（図８（Ｄ）参照）。これにより連通孔３７は、両外側の還流路となる細孔３２ｓには連通されないようになる。

なお、このような穿孔過程で多穴板３１の側面３５に設けられた複数の孔のうちの１つには密閉栓を設けないで、多穴板３１内に２相凝縮性の作動流体を封入するための封入パイプ３８を結合する。この封入パイプ３８から多穴板３１の内部の空気を抜き出し減圧してから、作動流体を所要量注入し、この封入パイプ３８を押し潰す等して気密的に封止することにより多穴板３１全体を密封する。これにより熱分散プレート３０が完成する。

このように構成された、熱分散プレート３０は前記した実施例のものと同様に、連通孔３７により多穴板３１内の中央側細孔３２ｃの列内で作動流体を流通させて均一な温度および圧力として発熱のバラツキを吸収する作用をし、上下のヘッダ流路３６および還流路と外側細孔３２ｓとによって作動流体の還流路を形成し、作動流体の多穴板内での循環路の行きと還りの流路を区分することができ、熱分散効率を高めることができる。

そして、この実施例５による熱分散プレートは、何よりも、大量生産される多穴板を利用しているので、安価に製造することができるという実用上効果が大きい。

この発明の実施例１による熱分散プレートを示すもので、（Ａ）は、一部切欠き部を含む斜視図、（Ｂ）は正面断面図である。 この発明の実施例１の動作説明図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。 この発明の実施例２による熱分散プレートを示す正面断面図である。 この発明の実施例２の動作説明図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。 この発明の実施例３による熱分散プレートを示す正面断面図である。 この発明の実施例３の動作説明図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。 この発明の実施例４による放熱器を示すもので、（Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）は切断面を含む斜視図である。 この発明の実施例５による放熱プレートを示すもので、（Ａ）はこの実施例に使用する基板の斜視図、（Ｂ）は正面断面図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ線断面図、（Ｄ）は（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図、（Ｅ）は側面図である。 従来の放熱器の構成を示す斜視図である。 従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 従来の熱分散プレートの構成を示す図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。

符号の説明

１：発熱体
２０：熱分散プレート ２１：基板
２３：細孔 ２５：還流路
２６：上部ヘッダ流路 ２７：下部ヘッダ流路
２８ａ、２８ｂ：連通孔

Claims (3)

1. 高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設して細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてをヘッダ流路により連通し、細孔列内に2相凝縮性作動流体を気密的に封入してなる熱分散プレートにおいて、前記細孔列の作動流体の還流路となる細孔を除いたすべての細孔を相互に連通させる連通孔を１本または複数本設けたことを特徴とする熱分散プレート。
2. 請求項１記載の熱分散プレートにおいて、前記連通孔を基板の加熱部分と放熱部分の少なくとも一方に設けたことを特徴とする熱分散プレート。
3. 請求項１または２に記載の熱分散プレートにおいて、前記基板を多穴板で構成したことを特徴とする熱分散プレート。
   
   

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