JP4852897B2 - 冷却板 - Google Patents

Description

本発明は、冷却板に関し、特に、溝と蓋によって形成された冷媒の流路を有する冷却板に関するものである。

冷却板は、工業的に広く利用されており、例えば、スパッタリング装置（スパッター装置）に使用されている。スパッタリング装置は、半導体素子、各種センサー、磁気記録メディア、光記録メディア、フラットパネルディスプレイなど多くの電子部品分野の製造プロセスにおいて使われている。このとき、スパッタリングのターゲット材料を貼りつける裏板（バッキングプレート）は、ターゲット材料の裏板としての役割だけでなく、冷却板としての機能を備えている。

冷却板には、効率的な冷却能力が必要とされる。例えば、上記スパッタリング装置では、スパッタリングによりターゲット材から発生する熱を効率的に放散することが、基板上に形成される薄膜の性能（品質）等に影響を及ぼすため、バッキングプレートに効率的な冷却能力が求められる。

特に、大型液晶パネル等製造用のスパッタリング装置では、被成膜基板（ガラス板等）と共にターゲット材が大きくなり、発生する熱量も非常に大きくなるので、ターゲット材を冷却するために大型のバッキングプレートが用いられる。

バッキングプレートは、平滑な板の内部に冷媒を流す流路を有し、この流路にチラーを用いて冷却水を流してターゲット材を冷却する構造を備えている。バッキングプレートのほかに、板の内部に冷媒を流す流路を有する同様の冷却板としては、各種の水冷ジャケットや水冷チルなどがある。

図１０は、従来のバッキングプレートの一例を示す構造図である。また、図１１は、図１０（Ａ−Ｂ線）の部分断面図である。

従来のバッキングプレート７１は、本体７２と蓋７３とから構成される。本体７２に溝７５が設けられ、蓋７３および溝７５によって流路７６が形成される。溝７５の幅はＷ_２、インロー幅はＷ_３である。蓋７３は、厚みがｔ_１であって、幅はＷ_２＋Ｗ_３＋Ｗ_３である。溝７５には、冷媒入口及び冷媒出口が設けてあるが、図示を省略する。流路の一方（冷媒入口）から冷却水等を供給し、内面に均等に配した流路に流すことで、効率的な冷却板として機能している。

バッキングプレート７１の主な材料としては、純銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、ステンレス鋼等であり、中でも、最も熱伝導率の高い純銅及び銅合金が多く使われている。

バッキングプレート７１は、溝７５（本体７２）と蓋７３とを、電子ビーム溶接、摩擦攪拌接合、ロウ付け法等によって接合して密閉することにより製造できる（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

バッキングプレート７１は、液晶パネル製造用のスパッタリング装置などに用いられ、金属材料や酸化物系のターゲット材（図示せず）と接合される。ターゲット材はスパッタリングにより逐次消耗していく生産材であり、消耗が進み、使用限界に到達した場合、新しいターゲット材に交換される。

スパッタリング時に発生するターゲット材の熱を効率よくバッキングプレート７１で放散するには、バッキングプレート７１とターゲット材との接合状態（熱接触状態）が重要である。また、接合面ならびに全体としての平坦性が求められる。

バッキングプレート７１とターゲット材との接合は、主にインジウムが用いられ、インジウムの溶融温度までバッキングプレート７１を加熱する必要がある。これらの接合作業はボンディング作業と呼ばれる。

ボンディング作業の一例として、銅製のバッキングプレート７１にインジウムを用いて金属製ターゲット材を接合する場合について説明する。この場合の温度条件は、インジウムを溶融温度（約１６０℃）以上に到達させ、かつ均一な接合を得るために、バッキングプレートを約２３０℃程度に加熱する。

また、金属製ターゲット材とバッキングプレート７１の材質の違いにより、伸び特性が異なるため、冷却後ならびにスパッタリング装置内での使用時に平坦性が確保されるように、あらかじめバッキングプレートに反りを与えたり、ボンディング後に反りを矯正する等、機械的応力を加える場合がある。
特開２００１−３１３３５７号公報 特開２００２−２４８５８４号公報

しかし、従来のバッキングプレートは、上述したように、ボンディング作業時、機械的な応力と熱応力を毎回受けることになるため、繰り返しボンディング作業を行っていくうちに、バッキングプレートの強度は弱くなり、反りが発生したり、本体と比べて構造上弱い蓋部分が膨らんだりするといった不具合が発生する。

また、このようなバッキングプレートの変形により、ターゲット／成膜基板間の距離が変化したり、ターゲット材が局所的に剥離して伝熱（冷却）効率が変化し、成膜される薄膜の品質低下や歩留まり低下を引き起こしたりする場合がある。

変形が生じた場合には、バッキングプレート自体の交換が必要となるが、交換寿命が短いと、交換作業の回数が増加し、また、コストアップの要因ともなる。

したがって、本発明の目的は、局所的な変形が少なく、交換寿命が長いバッキングプレートとして使用できる冷却板を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、本体に形成された複数の溝と、前記複数の溝を個々の蓋により閉塞することにより形成した冷媒用流路と、からなるバッキングプレートであって、前記蓋は、前記冷媒用流路において少なくとも一部に凸部幅Ｗ ₁ の凸部を有するとともに、前記溝の開口部分において開口部蓋幅Ｗ ₂ ＋Ｗ ₃ を有し、かつ、前記溝は、前記冷媒用流路において前記凸部幅Ｗ ₁ と略等しい冷媒流路幅Ｗ ₂ を有するとともに、前記溝の開口部分において前記開口部蓋幅Ｗ ₂ ＋Ｗ ₃ と略等しい開口部幅を有し、さらに、前記蓋は、前記開口部蓋幅を有する部分の厚みをｔ ₁ とし、その表面からの前記凸部の厚みをｔ ₂ とした場合に、ｔ ₁ ／４≦ｔ ₂ ≦ｔ ₁ であるバッキングプレートを提供する。

本発明によれば、局所的な変形が少なく、交換寿命が長いバッキングプレートとして使用できる冷却板を得ることができる。

〔第１の実施の形態〕
（バッキングプレートの構成）
図１および図２は、それぞれ本発明の第１の実施の形態に係るバッキングプレート（冷却板）の斜視図および部分断面図（図１中Ａ−Ｂ線部分）を表す。また、図３は、バッキングプレートを構成する蓋の側面図を表す。図１〜３を参照して、第１の実施の形態に係るバッキングプレートの構造を以下に説明する。

バッキングプレート１は、本体２と蓋３とを備えており、本体２は一方の面に開口した幅Ｗ_２の溝５を有する。蓋３は、その内側、すなわち溝５側に幅Ｗ_１の凸部（リブ）４を有する。凸部４は、蓋３の全長にわたって（長手方向に）連続的にその略中央部に設けられている。凸部４の幅Ｗ_１は、溝５の幅Ｗ_２よりも小さく、Ｗ_２／４以上であることが強度の観点から望ましい。より望ましくは、Ｗ_２／３以上であり、さらに望ましくはＷ_２／２以上である。

蓋３（凸部４を有しない部分）は、厚みｔ_１であり、凸部４は、厚みｔ_２を有している。厚みｔ_２は、厚みｔ_１と同様以下であることが、流路を確保する観点から望ましく、ｔ_１／４以上であることが強度の観点から望ましい。より望ましくは、ｔ_１／３以上であり、さらに望ましくはｔ_１／２以上である。蓋３の幅はＷ_２＋Ｗ_３＋Ｗ_３である。Ｗ_３はインロー幅である。

蓋３は、本体２の溝５にインロー構造にて嵌め込まれ、蓋３と溝５とにより本体２の内部に空間が形成される。該空間は、冷媒を流す流路６となっている。バッキングプレート１には、冷媒入口及び冷媒出口が設けられているが、図示を省略する。

（第１実施の形態の変形例）
図４は、第１の実施の形態に係るバッキングプレートの変形例を示す斜視図であり、図５は、該バッキングプレートを構成する蓋の側面図である。

図１〜３のバッキングプレート１においては、蓋３の凸部４は、その曲線部３Ａ（すなわち溝５の曲線部）およびその直線部３Ｂ（すなわち溝５の直線部）に設けられていたが、図４〜５のバッキングプレート１１においては、蓋１３の凸部１４は、その曲線部１３Ａ（すなわち溝１５の曲線部）には設けられておらず、その直線部１３Ｂ（すなわち溝１５の直線部）のみに有する。

（第１実施の形態の別の変形例）
また、図６は、第１の実施の形態に係るバッキングプレートの別の変形例における該バッキングプレートを構成する蓋の一部側面図である。

図６において、蓋２３に設けられた凸部２４は、蓋２３の全長にわたって、或いは、その直線部のみに、断続的に設けられている。断続的な凸部２４を形成した場合、冷媒（冷却水）との接触面積の増大の観点、および／または、冷媒の流れに乱流を生じさせる観点から、伝熱（冷却）効率の向上が期待できる。

（バッキングプレートの製造方法）
本実施の形態に係るバッキングプレートは、蓋に凸部を形成する工程を除き、特許文献１や特許文献２等に記載の周知の方法により製造することができる。

蓋に凸部を形成する工程としては、切削加工にて蓋に凸部を形成する方法や、凸部を別に作製して蓋表面に接合（融着やロウ付け）する方法など、種々の方法が適用できる。

（本実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
蓋に凸部を設けることにより、蓋の応力に対する強度が向上する。よって、ボンディング作業時に機械的な応力と熱応力を毎回受けた場合でも、蓋が外側に膨らむことを防止できる。

また、本実施の形態によれば、蓋の反りや膨張といった不具合が発生しにくいため、バッキングプレート自体の交換頻度が少なくて済み、交換寿命の長いバッキングプレートとして使用できる。

〔第２の実施の形態〕
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るバッキングプレートの部分断面図を表す。図７に示されるバッキングプレート３１は、蓋３３の凸部３４の幅Ｗ_１と本体３２の溝３５の幅Ｗ_２がほぼ等しい構造となっている点においてのみ、第１の実施の形態に係るバッキングプレート１と異なる。これにより、第２の実施の形態に係る冷却板７は、より高い応力に対する強度を有する。適用できる変形例等については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

なお、変形に対する強度は、応力を受ける部分の断面二次モーメント（ｍｍ^４）に比例する。例えば、第２の実施の形態でも適用可能な図６において、蓋の厚み（ｔ_１）を３ｍｍ、水路の流路断面を高さ５ｍｍ×幅１００ｍｍとし、流路に沿って蓋に高さ（厚みｔ_２）２．５ｍｍ×幅（流路幅方向）１００ｍｍ×奥行き（長手方向）１０ｍｍの凸部を５０ｍｍおよび２５ｍｍ間隔で断続的に設けた場合、凸部を設けない場合と比較して、断面二次モーメントがそれぞれ３．４倍および４．３倍に増加する。

〔第３の実施の形態〕
図８は、本発明の第３の実施の形態に係るバッキングプレートの部分断面図を表す。図８に示されるバッキングプレート４１は、蓋４３の外側の面を、本体４２の上記外側の面と同じ側の表面より突出させて、蓋４３を本体４２に接合する点においてのみ、第１の実施の形態に係るバッキングプレート１と異なる。適用できる変形例等については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

本実施の形態には、第１の実施の形態や第２の実施の形態に係るバッキングプレートの凸部を蓋の外側に設ける形態に限らず、凸部の幅を溝の幅より広くした形態や、単純に蓋の厚みを厚くした形態（図８）等も含まれる。

図８に示すバッキングプレート４１では、幅Ｗ_１の凸部４４を設けてあり、凸部４４は、厚みｔ_２を有する。蓋４３は、厚みｔ_１であって、幅はＷ_２＋Ｗ_３＋Ｗ_３であり、Ｗ_１と等しい。Ｗ_３はインロー幅である。

〔第４の実施の形態〕
図９は、本発明の第４の実施の形態に係るバッキングプレートを構成する蓋の断面図である。蓋５３の凸部５４は、図９に示したように、丸みを帯びている。また、三角形や五角形など、そのほかの種々の形状を適用できる。

〔第５の実施の形態〕
第１の実施の形態または第２の実施の形態において、第３の実施の形態および／または第４の実施の形態を併せて適用してもよい。

なお、上記第１〜５の実施の形態においては、バッキングプレートである冷却板について示したが、各種の水冷ジャケットや水冷チルなどの冷却板にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態に係るバッキングプレートの斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係るバッキングプレートの部分断面図（図１中Ａ−Ｂ線部分）である。 本発明の第１の実施の形態に係るバッキングプレートを構成する蓋の側面図である。 第１の実施の形態に係るバッキングプレートの変形例を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係るバッキングプレートの変形例を構成する蓋の側面図である。 第１（第２）の実施の形態に係るバッキングプレートの別の変形例を構成する蓋の一部側面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るバッキングプレートの部分断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るバッキングプレートの部分断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るバッキングプレートを構成する蓋の断面図である。 従来のバッキングプレートの一例を示す構造図である。 従来のバッキングプレートの一例の部分断面図（図１０中Ａ−Ｂ線部分）である。

符号の説明

１，１１，３１，４１，７１：バッキングプレート
２，１２，３２，４２，７２：本体
３，１３，２３，３３，４３，５３，７３：蓋
３Ａ，１３Ａ：曲線部
３Ｂ，１３Ｂ：直線部
４，１４，２４，３４，４４，５４：凸部
５，３５，４５，７５：溝
６，３６，４６，７６：流路

Claims (3)

1. 本体に形成された複数の溝と、
   前記複数の溝を個々の蓋により閉塞することにより形成した冷媒用流路と、からなるバッキングプレートであって、
   前記蓋は、前記冷媒用流路において少なくとも一部に凸部幅Ｗ ₁ の凸部を有するとともに、前記溝の開口部分において開口部蓋幅Ｗ ₂ ＋Ｗ ₃ を有し、かつ、
   前記溝は、前記冷媒用流路において前記凸部幅Ｗ ₁ と略等しい冷媒流路幅Ｗ ₂ を有するとともに、前記溝の開口部分において前記開口部蓋幅Ｗ ₂ ＋Ｗ ₃ と略等しい開口部幅を有し、さらに、
   前記蓋は、前記開口部蓋幅を有する部分の厚みをｔ ₁ とし、その表面からの前記凸部の厚みをｔ ₂ とした場合に、ｔ ₁ ／４≦ｔ ₂ ≦ｔ ₁ であるバッキングプレート。
2. 前記蓋は、前記凸部を前記溝に沿って断続的に有する請求項１に記載のバッキングプレート。
3. 前記溝は、直線部分と曲がり部分を有し、前記蓋は、前記凸部を前記溝の前記直線部分のみに連続的又は断続的に有する請求項１に記載のバッキングプレート。

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