JPS587914B2 - 沸騰冷却用放熱体の表面処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、冷媒の沸騰時の気化潜熱により冷却される
放熱体の表面処理方法に関するものである。

第１図はこのような放熱体を装着した沸騰冷却形半導体
装置の断面図で、１は平形半導体素子、２はこの半導体
素子１に受熱面が圧接された（圧接機構は図示を省略す
る）銅などの良熱伝導材からなる放熱体で、この例では
フィンが形成され冷媒に接する広い放熱面２１を有する
。

４は密閉容器、５は密閉容器４の外表面に設けられた冷
起用フィンである。

このように構成された沸騰冷却形半導体装置では、半導
体素子１の発生熱は放熱体２を介して冷媒３の沸騰気化
潜熱として奪われ、半導体素子１は冷却される。

沸騰により気化した冷媒３は密閉容器４の上部空間に上
昇し、冷却フイン５によって冷却された容器４の内壁面
で凝縮、液化し、放熱して再び容器４の下部に戻る循環
を繰返す。

容器４内におけるこの冷媒３の沸騰気化、凝縮液化の繰
り返し作用により、半導体素子１の発生熱は外部に放散
される。

従来から放熱体２にフィンを設けたり、更にはフィンの
表面にギザギザを形成したりすることにより放熱面２１
の増大を図ることが行なわれている。

しかし単に放熱面積を増すだけでは放熱体２の沸騰表面
熱伝達率を効果的に増すことはできず、熱負荷に応じて
大形の放熱体２を必要とした。

一方、沸騰冷却用放熱体２の放熱面２１を、微細な多孔
質に構成することにより、放熱面２１における気泡の発
生が促進され、放熱体２の沸騰表面熱伝達率を著しく増
大させうることが現象的に知られている。

しかし放熱面２１を実効ある微細多孔質面に加工する経
済的な手段がなく、その実現が望まれていた。

この発明は、このような現況に鑑みてなされたもので、
加工技術が確立されているサンドブラスト法または液体
ホーニング法により粗い研磨剤を用いてまづ放熱面２１
を粗面化し、ついでこの粗面化した放熱面を、それより
更に細かい１０〜４００メッシュの研磨材を用いて微細
多孔質面に削蝕することにより簡単、安価で、しかも良
好な沸騰伝熱特性が得られることを見いだしこの発明を
完成したものである。

第２図はこの発明にかかる表面処理を施した放熱体２の
部分的拡大断面図であり、放熱面２１に、サンドブラス
ト法または液体ホーニング法により、まづ粗い凹凸面を
形成し、ついでこの粗い凹凸面の上に、更に微細な凹凸
面を形成する表面加工手順を示す説明図を兼ねている。

図中放熱体２の右側部分の表面の破線で示す表面加工し
ない前の放熱面２１に粗い凹凸面２１ａを形成した状態
を図中右側部分に、粗い凹凸面２１ａの上に更に微細な
凹凸面２１ｂを形成した状態を図中左側部分に示す。

上記の粗い凹凸面２１ａはサンドブラスト法または液体
ホーニング法による削蝕加工法において使用する研磨剤
の粒度を粗いものを適用することによって、短時間で容
易に形成させることができる。

また微細な凹凸面２１ｂは、同じ方法で、研磨剤の粒度
を細かくすることにより容易に形成させることができる
。

サンドブラスト加工または液体ホーニング加工の代表的
な方法は、第２図に示すように、ノズル１１の先端から
適当な粒度をもつ例えば砂などの研磨剤１２、もしくは
この研磨剤１２と水などの液体１３との混合物を、圧縮
空気などを用いて高速度で被加工面に吹付けるもので、
単に研磨剤の粒度を変えるだけで被加工面に形成される
凹凸の粗さを所望のものとすることができる利点がある
。

更に放熱面２１上に形成された粗い凹凸面２１ａは、同
様の方法で吹付けられる細かい研磨剤に対して死角を生
じることがないため、全面にわたって微細な凹凸面２１
ｂが形成されるという利点を有するものである。

上記のような凹凸面２１ａ，２１ｂを有する放熱体２を
用いた第１図の装置における半導体素子１の冷却は次の
ようになされる。

すなわち半導体素子１が通電により発熱するとその両面
に圧接された放熱体２の温度が上昇し、放熱面２１に直
接に接触する冷媒３は沸騰を開始する。

この際、半導体素子１の発熱は放熱体２を介して冷媒３
の沸騰気化潜熱として奪われ、半導体素子１は冷却され
る。

沸騰により気化した冷媒３は密閉容器４の上部空間に上
昇し、冷却フイン５によって冷却された容器４の内壁面
で凝縮、液化し、放熱して再び容器４の下部に戻る循環
を繰り返す、容器４内におけるこの冷媒３の沸騰気化、
凝縮液化の繰り返し作用により、半導体素子１の発生熱
は外部に放散される。

この場合上記のような表面処理を施こした放熱面２１は
、粗い凹凸面２１ａのみあるいは微細な凹凸面２１ｂの
みが形成された放熱面もしくは上記加工をまったく施さ
ない放熱面に比べて著しくすぐれた沸騰伝熱効果をもた
らすことが実験的に確かめられた。

第３図は沸騰熱伝達特性を比較するための特性図である
。

第３図において、特性曲線イはこの発明に係る放熱体の
沸騰表面熱伝達特性を示し、特性曲線口は何ら表面加工
を施さない放熱体２の沸騰表面熱伝達特性を示すもので
、縦軸は熱流束ｑ１横軸は過熱度△Ｔを示す。

この特性図から明らかなように、この発明に係る表面加
工処理を施した放熱体は、表面無加工の放熱体と比べ、
同じ熱流束ｑに対して、より低い過熱度△Ｔで動作し、
表面無加工の放熱体と比べてすぐれた熱伝達特性をもつ
ことがわかる。

以下、その理由を推論的に説明する。

いま表面無加工の放熱体２が特性曲線口上のＡ点で使用
されていたとすると、このときの熱流束ｑ１、過熱度は
△Ｔ１で与えられる。

次にこの放熱体２と同一の形状で放熱面２１に粗い凹凸
面２１ａのみを形成して放熱面２１の表面積を拡大した
場合の動作点は曲線口上のＢ点に移り、熱流束、過熱度
はそれぞれｑ２，△Ｔ２となり、過熱度は先の△Ｔ１よ
り小さい△Ｔ２となる。

また、放熱体２の形状を同一とし、放熱面２１に微細な
凹凸面２ｌｂのみを形成した場合放熱体２の動作点は曲
線イ上のＣ点で与えられ、熱流束、過熱度はそれぞれｑ
１，△Ｔ３となる。

次に粗い凹凸面２１ａと微細な凹凸面２１ｂとを形成さ
せたこの発明に係る放熱体２では、曲線イ上のＤ点が動
作点として与えら札この場合熱流束はｑ２、過熱度は△
Ｔ４で与えらわ、過熱度△Ｔ４は先の△Ｔ１，△Ｔ２，
△Ｔ３などと比べてきわめて低い値をとる。

この場合、放熱面２１に微細な凹凸面２ｌｂを加工する
際の研磨剤１２の粒度を替え、て比較試験を行なった結
果、微細な凹凸面を加工する際の研磨剤１２の粒度とし
ては１０〜４００メッシュ程度の範囲のものを適用した
場合に有効な熱伝達特性をもつことを確認した。

また、放熱面２１に微細な凹凸面２ｌｂを形成する前に
予じめ粗い凹凸面２１ａを形成させることは、放熱面２
１の実効的放熱面積の拡大を図ることになり、放熱体２
の低熱流束化を来すという効果の外に、上記の全面に微
細な凹凸面２ｌｂが容易となり、気泡発生のための沸騰
核がより多く作られることによる効果が大きいものと考
えられる。

この発明に係る表面処理方法は実施例にあげた半導体装
置の放熱体に適用する場合に限られるものではなく例え
ばレーザ装置など局部より多量の熱を出すものの沸騰冷
却に適用しても好ましい結果をもたらす。

この他冷却装置等における蒸発器の伝熱管など上記半導
体装置などに比べ比較的低い熱流束で用いられるものに
適用しても同様の効果が得られることはいうまでもない
。

さらに放熱体の形状も上記実施例のようにブロック状の
ものに限定されるものではなくパイプ状のものなど任意
の形状をもつものに適用できることはいうまでもなく、
その加工方法も簡単で加工時間もごく短かいため、きわ
めて安価にすぐれた特性をもつ放熱体を提供できるとい
う大きな利点を有する。

以上詳述したように、この発明は放熱体の冷媒に接触す
る放熱面にまずサンドブラスト法または液体ホーニング
法により比較的粗い凹凸面を形成させ、ついで１０〜４
００メッシュの研磨剤を用いて同じ加工法を適用してこ
の上に更に微細な凹凸面を形成させるようにしたもので
、簡単な工程で製作することができるにもかかわらず良
好な沸騰熱伝達特性を有する放熱体とすることができる
もので、実用上きわめて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による放熱体を適用した沸騰冷却半導
体装置の一実施例の構成を示す断面図、第２図はこの発
明による放熱体の加工方法を示す説明図、第３図はこの
発明による表面処理の有無による放熱体の沸騰熱伝達特
性を比較するための特性図である。 図中、１は平形半導体素子、２は放熱体、２１は放熱体
２の放熱面、２１ａは粗い凹凸面、２１ｂは微細な凹凸
面、３は冷媒、４は密閉容器、５は冷却フィンである。 なお、図中同一符号はそれぞれ同一または相当部分を示
す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 液状冷媒に接触する放熱面をサンドブラスト法また
   は液体ホーニング法により粗い研磨剤を用いて粗面とな
   し、ついで上記研磨剤よりも更に細かい１０〜４００メ
   ッシュの研磨剤を用いサンドブラスト法または液体ホー
   ニング法により上記粗面に形成された放熱面の表面を多
   孔質面に削蝕することを特徴とする沸騰冷却用放熱体の
   表面処理方法。