JPS6219695A - 核沸騰空洞を有する伝熱素子 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は伝熱装置に関連し、さらに具体的には改良した
核沸騰表面を有するひれ構造体に関する。

本発明は特に電子素子の冷却を意図しているが、他の応
用にも有用である。

Ｂ、従来技術 本発明は広く伝熱装置に有用であるが、特定の回路パッ
ケージの場合について考察する。半導体チップは回路の
配線の一部を含む絶縁体のチップ・キャリア上に取付け
られていて、この全体が絶縁液体を保持する包囲体もし
くはカバーと共に組立てられている。熱はチップから液
体へと流れ、液体から雰囲気もしくは水源に伝えられる
。成る回路パッケージでは熱はチップから核沸騰と呼ば
れる機構によって絶縁（誘電性）液体に伝達されている
。

核沸騰については米国特許第４０５０５０７号に詳細に
説明されているが、用語を明確にするためにその説明を
簡単に行う。絶縁液体が沸騰によって蒸気に変る時は、
発熱体からの熱は液体の分子間結合を破壊し、近くの分
子の圧力に抗して進む。「核形成」なる用語は核形成位
置で蒸気の泡が形成されて成長する事を意味している。

核形成位置は通常気体もしくは蒸気の泡を捕獲するが、
これ等の泡は核形成に必要な温度を下げる。本発明の装
置及び上記米国特許の装置では、核形成位置は発熱体の
表面中の空洞によって形成されている。

上記米国特許の第１図は異なる値の熱フラツクス及び超
過温度で生ずる熱伝達の異なるモードを示している（超
過温度とは発熱素子の温度と絶縁液体の飽和温度の差の
事である）。核沸騰は温度をわずか増加するだけで熱束
の大きな増大を処理出来る事をこの図は示している。熱
伝達はより低温では対流によって生じ、より高温では膜
沸騰と呼ばれる機構によって生ずる。

この特許の第１２図は所望の核沸騰用の空洞を示してい
るが、これによって本明細書のための用語の一部を説明
する。実際の装置では境界がはっきりしないが、空洞の
内部壁の名称をあたかもこれ等の壁が別個の素子から形
成されているかの様に名付けておく方が都合がよい。好
ましい伝熱素子では、これ等の名称は製造の方法の特定
段階でも対応して使用される。用語を確定するために、
伝熱素子は核沸騰表面が水平で絶縁液体と接する様に上
方に面しているものとする。空洞の上部は核沸騰表面内
にある（第１２図では、最上部は表面上に小さな縁が出
ている）。

空洞の底部はこの表面から離れている。空洞は水差し状
をなし狭い入口と、入口の下の広い主空洞より成る。主
空洞の側面は空洞を形成する方法により、略円筒をなし
ていて、主空洞は略予定の直径を有する。第１２図で入
口から予定の直径になる迄外側に朝顔状に開いている空
洞の表面は天井と呼んでいる。第１２図ではこの表面は
凹面をなしている。空洞の底部の略水平な表面は床と呼
ばれる。伝熱素子はもちろんその核沸騰表面を任意の方
向に向ける様に配置する事が出来、その、ときも同じ用
語を使用する。上記特許の第２図及び第３図は核沸騰位
置の蒸気泡の成長を示している。

気泡は空洞中に存在する。それは絶縁液体が溶解した気
体を含み、装置の通常の動作中に蒸気が形成されるから
である。この特許は又蒸気泡を補充して絶縁液体中に注
入出来る事を示している。しかしながら、蒸気もしくは
気泡は空洞から失われ、この消失によって核沸騰表面は
より効果的でなくなる。泡の消失は絶縁液体が空洞を充
填するという見方をすると最も良く理解されよう。本発
明の目的の一つは液体が充填されない空洞を有する核沸
騰表面を与える事にある。

液体が空洞を充填出来るかどうかは部分的に表面張力及
び液体の湿潤性に依存する。液体が空洞表面を濡らすと
、液体が空洞を充填する。湿潤性がないと、液体は気体
もしくは蒸気泡と接触する。

この特許の第４図は表面張力の一般的効果を示し、第５
図及び第６図は絶縁液体が空洞を充填する有様を示して
いる。液体の湿潤性は小滴の液体と平らな基板とのなす
接触角として数値的に表わされる。例えば湿潤性の高い
液体は基板上に拡がって膜になり、基板の表面と膜の表
面間の角度は１８０゜に近づく。湿潤性の液体は略ｏ０
の接触角で、１点で基板と接触する球になる傾向がある
。典型的な絶縁（誘電性）液体は接触角が小さく１、従
って容易に空洞を充填する。第１２図の空洞中では、入
口が狭いので充填が制限される。

液体が空洞中に拡がる時に、その液体が表面で上記角度
を越えて流れる様に々つている場合にも充填が阻止され
る。液体が空洞を充填するかどうかを計算する解析では
、この径路における角度が接触角と組合わされる。第１
２図の空洞の形状は入口と側壁間の表面が凸面で入口か
ら側面に対して外側に下向きに開いているよりも、凹面
で外側に上向きに開いている方が充填の阻止率が改善さ
れる事がわかっている。この形状は、液体が空洞を満た
すために流れなければならない経路に２７０゜以上の角
度を与える。この様な形状の空洞は略カージオイド（心
臓形）をなすと云われる。

従来の技術は薄い金属箔中に小さ々穴を形成し、この金
属箔を折たたんで２層にしている。２つの箔の部分の穴
が一致する個所を除いて、各穴は他の箔の孔のおいてい
ない表面によって裏打ちされる。従って、２つの箔の部
分は多くの小さな外側に面した空洞を有する。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 本発明の目的はカルジオイド（心臓形）型の核沸騰用空
洞に有する新しい改良伝熱素子を与えることにある。

本発明の他の目的は製造が容易な伝熱素子を与えること
にある。

尚、この製造方法及び装置に使用する技術の一部はこの
分野で一般に知られているものである。

Ｄ８問題点を解決するための手段 核沸騰表面に有する改良伝熱素子は各々新規な方法で形
成した穴を有する２枚の薄い金属箔を層状に重ねて形成
する。既に説明した通シ、箔の外方に面する表面を外側
と呼び、内方に面する表面を内側と呼ぶ。層化段階の前
に箔を用意する際に、２つの部分貫通穴を形成する。こ
の時大きな直径の部分穴を内側の表面に与えて伝熱素子
の主空洞を形成し、小さな直径の部分穴を外側の表面に
与えて、伝熱素子の核沸騰空洞の入口にする。小さな方
の第１２図に示した様に略円筒状をなしている。最初に
形成した段部の上部が空洞の天井を形成する。

この天井は凸状をなし、空洞に導入する液体の通路に９
０°よりも大きな角度を与える。２つの箔の内側どうし
を重ねると、６箔の内側の表面が他の箔の空洞の床にな
る。

本発明の好ましい方法の一つの実施例では、第１及び第
２の欠き込み穴を一回の押抜き（ポンチ）動作で形成し
、他の好ましい方法では第１及び第２の欠き込みを別個
に形成する。

伝熱素子の一つの実施例では、次にリボン状の箔をロゼ
ツト状に内側にたたみ、ベースから延出する一連の密な
間隔のひれ（フィン）にする。この構造はひれの線に直
角な方向に容易に膨張可能である。ひれの表面の方向に
熱膨張可能にするためにはペースに小さな切込みを与え
る。

この構造体をさらに改良するために、ひれを熱膨張係数
の異なる２つの箔で形成し、バイメタル効果によって、
ひれが熱せられる時にひれがたわむ様にする。この効果
で温度が上昇した時ひれが扇状に開く様に制御出来、従
って沸騰液体の循環をよシ良くする事が出来る。ひれの
温度が降下すると、ひれは互にまとまる様に傾き、冷却
剤の循環を減らして、関連する部品の過冷却を防止する
。

Ｅ、実施例 Ｅ　−（１）　　核沸騰空洞（第１図）核沸騰空洞の一
般的形状については既に説明した。第１図は沸騰する液
体（図示されず）に面する表面１４１１を有する箔１２
１１の一部を示す。核沸騰空洞１５は一般に円筒状の側
壁１８を有する主空洞１７及び一般に円筒状の側壁２０
を有する入口１９を有する。側壁１８及び２０間で空洞
は凸状の天井２１によって囲まれている。箔１２ａの表
面２２ｇは内側の表面を示し、その表面は第２の箔１２
ｂの内側の表面２２ｂに面している。

表面２２ｂけ空洞１５の床２３をなしている。

本発明の多くの応用の場合、箔１２ｂは外側の表面１４
ｂに開いていて類似の核沸騰空洞を有する。見方を変え
ると、第１回の素子１２ｂは任意の伝熱素子を表わし、
これに取付けつる箔１２ａは核沸騰表面もしくは空洞１
５のための床２５を与える適切な構造体とみなす事が出
来る。

Ｅ−（２）　　製造方法・・・・序章 本発明の伝熱素子の製造方法の一つの実施例では、主空
洞１７を第１の段階で形成し、他の実施例では主空洞及
び入口を単一段階で形成する。第２Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、　
Ｅ図は２段階を使用する方法、第５図は一つの段階を使
用する方法を示している。

第２図及び第５図の方法は共にそれぞれの方法で有用な
特徴がある。核沸騰空洞の物理的構造はあたかも主空洞
１７と入口１９が別個の段階で形成した個別のものであ
るかの様に説明した方が便利である。

Ｅ−（３）　　第２Ａ乃至第２Ｅ図に示した製造方法及
び伝熱素子 第２Ｅ図は２つの層状にした箔１２ａ、１２ｂの側面図
であり、第１図の構造の説明によって明らかなものであ
る。第２Ａ図乃至第２Ｄ図は単一の箔を折たたんで第２
Ｅ図の２層構造体を形成する製造段階を示す。

参照番号１２．１４及び２２（添字のない）は個々の箔
の用語の番号に対応して夫々折たたまない箔、外側の表
面及び内側の表面を示している。

破線が箔の端面を通って延び、箔を折たたんで第１図の
個別の箔１２ａ及び１２ｂを形成する点を示している。

第２Ｅ図では、この破線は２つの内側の表面２２ａ、２
２ｂ（第１図）の合する表面と一致する。

第２Ａ図の折たたむ前の箔１２は熱伝導率の良い銅もし
くはアルミニウムもしくは他の金属もしくは金属合金の
シートである。好ましい箔は又押抜きが容易で、曲げや
すく、容易に最終の折たたんだひれ形にする事の出来る
ものである。箔の厚さは約０．１乃至ａ２ｍｍである。

第２Ｂ図は内側の表面２２からポンチ動作を行って第２
Ｅ図の仕上げ製品中の主空洞１７となる穴を形成した後
の箔１２を示す。図面には２．３個の穴しか示されてい
ない。穴は略円筒状の側壁１日を有し、・第１図に関連
して説明した凸型の天井２１を有する。ポンチ動作によ
って穴１７から材料が変位し、穴の上の点６３で箔は外
側に丸屋根を形成する。ポンチ動作については第３図に
関連して詳細に説明する。第２Ｃ図は箔の外側の表面１
４と主空洞１７の天井２１間に第２の穴１９を形成した
後の箔を示す。穴（入口）１９は空洞の天井２１の凸型
の形状を保持するか増強する任意の技術、好ましくはポ
ンチ、機械的切削もしくはレーザ切削によって形成され
る。第２Ｃ図の構造体は穴を第２Ｂ図及び第２Ｃ図で示
した様に２段階で形成するか、後に説明する様に一工程
で形成するかどうかに拘らず形成出来る事に注意された
い。

第２Ｄ図は箔を折たたむ工程を、第２Ｅ図は内側の表面
２２ａと２２ｂを接触した完成されたひれ構造体を示し
ている。内側の表面２２ａと２２ｂは密接させて、１つ
の空洞から他の空洞へと液体、気体もしくは蒸気が移動
するのを実質的に防止する様なひれ構造体を形成するの
が好ましい。尚、核沸騰空洞を相互接続して、液体もし
くは空気が空洞間を移動出来る様にする構造体が提案さ
れているが、第２Ａ図乃至第２Ｅ図に示した製造方法及
び構造体は空洞間に所望の程度の連続を与える様に容易
に適合出来る。

Ｅ　−（４）　　ポンチ及びダイ°ス型・・・・第３図
第３図はポンチ２６が箔の内側の表面２２に面し、ダイ
ス型２７が箔の外側の表面１４に面した第１図の箔１２
を示している。適切なポンチ技術は一般に知られていて
、ポンチの部材は概略的に示されている。ポンチ及びダ
イス型はそれ等と箔中に形成した穴の表面間の関係を示
す様に図面中では位置付けられているが、その位置はポ
ンチ動作後にダイス型及びポンチが後退したところに対
応している。

ポンチ２６は台２９を有し、台２９は夫々側壁１８１、
”主空洞の天井２２及び側壁の入口１９を形成する表面
３１．５２及び３３を有する。ダイス型２７は空洞の入
口から除去される材料（図示されず）を受取る開孔５４
を有し、排出器５５がポンチ動作の終りに材料を排出す
る。ダイス型は円錐状のくぼみ３６を有し、材料が主空
洞の領域から追出される時に、箔が円錐状の縁５８をな
して変位する様になっている。

第２図の方法のためのポンチは第３図に示した、ポンチ
を簡単にしたものであり、入口１９の表面２０を形成す
る部分３３がなく、凹形の円錐として形成した表面５２
が第２Ｂ図の未完成の天井２１に対応するものである。

Ｅ−（５）　　回路パッケージ・・・・第４図第４図は
第２Ｅ図と部分的に同じであるが、さらに箔１２ａ、１
２ｂが波状に連絡して曲げられて、シリコンチップ（図
示されず）の様な発熱体、もしくは等価であるが中間の
熱伝達物体４２に取付けるためのペース４１をなす箔の
介在単層によって隔てられた一連のひれを示している。

金属のひれをシリ真ンチツプに取付ける際に通常行われ
ている様に、モリプデ／のバッド４２をはんだ４５によ
ってチップに取付ける（モリブデン及びケイ素は熱膨張
係数が略等しく、モリブデンのパツドは箔が膨張しても
チップに影響を与えない）。

図面の平面に垂直な熱膨張の差を解消するために、図面
の平面の左右方向に向う微細な溝をベース４１中に形成
する。図面の平面の左右方向の熱膨張の差は折たたまれ
たひれ構造体が解消する。

Ｅ−（６）　　温度調節ひれ構造体・・・・第５Ａ図、
第５Ｂ図 第５Ａ図及び第５Ｂ図は第４図のモリブデンのパッド４
２及びはんだ４５の外に通常のチップ４８、チップ・キ
ャリア４９及びチップ上の導電性パッドとチップ・キャ
リア上のパッドを電気的及び機械的に相互接続するはん
だボール５０を示している（図では薄いパッドは示して
いない）。図示していない包囲体の中に絶縁（誘電性）
液体５１が含まれている。伺、選択的には、障壁５２が
チップ４８を絶縁液体から分離している。障壁は可撓性
の金属もしくは高分子材料で形成出来る。

第５Ａ図はチップの背部で平行に背面に垂直に延びるひ
れを示し、第５Ｂ図は拡がったひれを示している。絶縁
液体５１はポンプもしくは温度差によってひれの間を循
環するが、第５Ｂ図の末広がυになったひれの配列では
循環と冷却率が増大する。第２Ｅ図及び第４図の折たた
みひれ構造体は任意の適切な間隔で固定出来、冷却の量
が選択出来る。異なる電力で動作し、従って冷却の要件
も異なるいくつかのチップを含む回路パッケージでは、
高い電力のチップのひれはより離して固定し、低い電力
のチップのひれは互に接近して固定して、低電力のチッ
プを過度に冷却する事なく高い電力のチップを十分冷却
する。

第５Ａ図及び第５Ｂ図は又自己調節的な伝熱素子を与え
るバイメタルひれ構造体を示す。代表的なひれ５８，５
９及び６０においては、２つの箔は単一のシートを折た
たんで形成したものではなく、熱膨張係数の異なる個別
の材料から形成する。適切な金属は軟鋼及びモリブデン
であり、箔には膨張係数の高低に対応し、１２ｃ及び１
２ｍと記号が付されている。層１２ｃ及び１２ｍは、例
えばはんだ付けもしくは接着剤によって適切に層状にさ
れる。温度が増加するとバイメタル構造体は膨張係数が
低い方の箔１２ｍの方に曲る。箔は中心線６２のまわり
に対称に配列されているので、ひれは第５Ｂ図に示した
様に末広がシになる。第５Ｂ図に示した様に隣接するひ
れもしくは隣接するひれの組は屈曲度が異なる様に形成
され、外側のひれは中心線６２に近いひれよりも多ぐ曲
る様になっている（もし各ひれを同じて形成すると、ひ
れは等しい角度だけ曲り、第５Ｂ図に示した様に拡がっ
た状態にはなるが互にもう少し接近した状態になる９、
）。

回路パッケージの一実施例では、ひれけ層１２Ｃ及び１
２ｍの一方もしくは両方を順次異なる材料で形成する。

回路パッケージの他の実施例では層１２ｅ及び１２ｍの
厚さの比を変化させる。即ち中心線に近いひれの高い膨
張係数の層１２ｃは厚くし、外側に近いひれの低い膨張
係数の層１２ｍは薄くする。

Ｅ　−（ハ　他の実施例 第４図の繰返しひれ構造体は多くの応用例に有用である
。例えば、ベース４１は梯騰すべき液体を運ぶパイプの
内部もしくは沸騰すべき液体中に浸漬されるパイプの外
側に取付ける事が出来る。

Ｆ０発明の効果 本発明によれば、製造が容易な核沸騰空洞を有する改善
された新規な伝熱素子が与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う核沸騰空洞を有する２つの層状に
した箔より成る伝熱素子の断面図である。 第２Ａ図、第２Ｂ図、第２Ｃ図、第２Ｄ図及び第２Ｅ図
は核沸騰空洞を形成し、箔を折まげて第１″図の層状伝
熱素子を形成するための一連の製造工程の箔の断面図で
ある。第３図はポンチ、ダイス型及び完成した伝熱構造
体の核沸騰空洞となる穴を打抜いた箔の断面図である。 第４図は核沸騰箔を使用したひれ構造体の断面図である
。第５Ａ図及び第５Ｂ図は第１図の核沸騰表面を有する
ひれを使用した、夫々冷却液の流れを減少するためにひ
れの間隔が密でアシ、冷却液の流れを増大さすためにひ
れの間隔を離した回路パッケージの断面図である。 １２　ｍ、　　１２　ｂａｍ＊ａ箔、１４　ａ、　　１
４　ｂ＊＊＋＋ａ冷却液に接する外側の表面、１５・・
・・核沸騰空洞、１７・・・・主空洞、１８・・・・空
洞の円筒壁、１９・・・・入口、２０・・・・入口の側
壁、２１・・・・天井、２２ａ、２２ｂ・・・・箔の内
側の表面、２３・・・・床、２６・・・・ポンチ、２７
・・・・ダイス型、２９・・・・台、５４・・・・開孔
、３５・・・・排出器、４１・・・・ベース、４２・・
ｅ＠パッド、４５−・・・はんだ、４８・・・・チップ
、４９・・・・チップ・キャリア、５０・・・・はんだ
ボール、５１・・・・絶縁液体、５２・・・・障壁、５
８．５９．６０Φφ・・ひれ。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・浄乃ン第１図 箪４図 ひれ橋造体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ａ）外側の表面及び内側の表面を有し、上記内側の表
   面に向つて開き、伝熱素子中に主空洞を形成する大きな
   直径の複数の穴と、上記外側の表面に向つて開き伝熱素
   子中の核沸騰空洞の入口を形成する小さな直径の穴を有
   する金属箔と、 （ｂ）上記箔の内側の表面に取付けて、上記内側の表面
   に向つて開いた穴をふさぎ、これによつて核沸騰空洞の
   床を形成する熱伝導性材料の基板とより成る、 核沸騰空洞を有する伝熱素子。