热传输装置的制作方法

1.本发明涉及一种热传输装置，通过使该热传输装置与半导体元件或电子部件等发热体抵接，使从该发热体释放出的热量通过工作流体的相变而传输。


背景技术：

2.在电子设备、工业设备以及汽车等中，以这些设备或汽车等的高性能化或功能复合化为目的，搭载有很多半导体集成电路、led元件、功率半导体等电流密度高的半导体元件。若流入半导体元件的电流量增加，则半导体元件发热。这样的半导体元件的发热多会导致设备或汽车等性能的下降或可靠性的下降。为了对半导体元件的发热所产生的温度上升进行抑制，一般的结构是，使由热导率高的金属材料制造而成的散热器(heat sink)与半导体元件抵接，使从半导体元件产生的热量通过该散热器内的导热而向低温侧例如鳍片传输，从而从该鳍片向空气中释放热量。
3.另外，近年来，在智能手机、移动信息终端、平板电脑终端、笔记本电脑等移动电子设备中，小型化以及高性能化所伴随的散热问题正在显现。因为移动电子设备中搭载的soc(system on chip：系统级芯片)等半导体元件小型但温度非常高，所以需要对这样的半导体元件的发热所产生的局部的高温部位的产生进行抑制。上述散热器的小型化存在结构上的限制，难以将上述散热器搭载在移动电子设备中。均热板(vapor chamber)是通过水等工作流体的相变高效地传输热量的设备，具有能够相对薄型化的特征。通过在移动电子设备中搭载均热板，能够使从soc等半导体元件释放出的热量高效地扩散、释放。
4.专利文献1中记载的热传输装置(均热板)由铝制的外壳、在外壳的内侧形成的防水层以及在防水层上形成的毛细管结构层构成。通过热喷涂技术在外壳的内壁形成防水层以及粉末多孔材质的毛细管结构层，能够将水作为工作流体进行利用。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2011
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102691号公报


技术实现要素：

8.发明要解决的问题
9.根据专利文献1中记载的热传输装置，虽然能够使用热传输能力高的水，但由于是通过机械加工而制造出的，所以难以小型化和轻量化，对于应对上述移动电子设备的进一步的高性能化、小型化，自然会产生限制。
10.本发明是着眼于这样的问题点而完成的，提供一种小型、轻量且热传输能力高的热传输装置。
11.用于解决问题的手段
12.为了解决上述课题，本发明的热传输装置具有：平板状的基部，具有与发热体接触的受热面；多个流路，以相对于受热面大致平行的状态延伸设置在基部的内部；以及工作流
体，被封入流路内。基部由光固化性的合成树脂形成。流路具有在圆管形状的主流路的内周壁形成的多个凹形状的槽。槽以相对于流路的轴向倾斜的状态设置。
13.另外，本发明的热传输装置具有：平板状的基部，具有与发热体接触的受热面；受热空间，形成在基部的内部；多个热管，从基部的与受热面相向的面延伸设置；流路，设置在热管的内部且与受热空间连通；以及工作流体，被封入受热空间。基部以及热管由光固化性的合成树脂形成。流路具有在圆管形状的主流路的内周壁形成的多个凹形状的槽。槽以相对于流路的轴向倾斜的状态设置。
14.在本发明的热传输装置中，若发热体与受热面接触，则发热体的热量经过受热面向基部内部的流路传递。随着发热体的热量向被封入流路内的工作流体传递，工作流体的饱和蒸气压变高，工作流体从液相转变为气相。由于从受热面传递的热量作为工作流体的汽化潜热被吸收，所以受热面的温度上升被抑制。另一方面，已转变为气相的工作流体在流路内扩散，在温度相对低的部位冷凝。此时，工作流体所具有的潜热被释放。已冷凝的工作流体穿过槽并通过毛细管力向受热面附近回流。通过利用了这样的相变的工作流体的循环，良好地进行热传输。此外，作为工作流体，优选在作为目标的温度范围内蒸发以及冷凝的冷凝性的流体，例如有纯水、乙醇等醇、氟类惰性液体、氨、hfc
‑
134a等氯氟烃替代物等。
15.以往，利用了相变的工作流体的循环的热传输装置例如均热板一般是通过对铝等进行金属加工而形成的。在金属加工的性质的方面，热传输装置的成本的降低和小型化存在限制。本发明的热传输装置由光固化性的合成树脂形成。因此，能够通过增材制造技术容易地实现小型化以及轻量化。例如，根据利用光来选择性地使光固化性的合成树脂固体化来造型立体形状的液槽光聚合(光造型)，能够进行微小且高精细的三维造型。作为光固化性的合成树脂，能够使用例如具有摄氏250℃的耐热性的丙烯酸酯类单体。
16.能够影响工作流体的回流的要素是槽的毛细管力和工作流体的流动容易度。毛细管力产生将工作流体从冷凝部向蒸发部运送并使其循环所必需的驱动力。工作流体的流动容易度表示槽的热阻。工作流体的流动容易度的提高导致槽的热阻的下降。为了提高热传输装置的热传输能力，需要同时提高毛细管力以及工作流体的流动容易度。但是，这2个要素是此消彼长的关系。若因热传输装置的小型化而使槽的半径变小，则毛细管力变强，但工作流体的流动容易度下降。无法同时提高毛细管力以及工作流体的流动容易度。
17.在如以往的热传输装置那样的通过机械加工形成槽的情况下，槽的形状是沿着流路的轴向的直线的形状。在轴向上呈直线的形状的情况下，槽中的工作流体的流动容易度因已蒸发的工作流体与已变为液体的工作流体的正面碰撞而下降。在本发明中，热传输装置由合成树脂形成且槽以相对于流路的轴向倾斜的状态设置。通过使槽倾斜，回避已蒸发的工作流体与已变为液体的工作流体之间的正面碰撞，提高了槽中的工作流体的流动容易度。根据本发明的热传输装置，能够实现小型、轻量且高的热传输能力。
18.另外，对于智能手机和平板电脑终端等移动电子设备来说，高性能化且薄型化的需求强烈。伴随着高性能化，来自移动设备的发热量不断增加，尤其是来自包括cpu(central processing unit：中央处理器)的soc等半导体元件的局部的发热成为问题。在本发明的热传输装置中，在平板状的基部的内部以相对于受热面大致平行的状态延伸设置多个流路。根据这样的流路的配设状态，能够抑制距离受热面的高度，因此能够实现适于搭载在智能手机等移动电子设备中的非常薄的热传输装置。
19.另外，在电子设备、工业设备以及汽车等中，搭载有很多半导体集成电路、led元件、功率半导体等电流密度高的半导体元件。对于该半导体元件的冷却所使用的热传输装置而言，高效地释放来自发热体的热量的能力被重视。在本发明的热传输装置中，从基部的与受热面相向的面延伸设置多个热管，在该热管的内部形成流路。从受热面流入的热量使基部的受热空间内的工作流体蒸发。已转变为气相的工作流体在热管的流路内扩散，在温度相对低的部位即热管的前端部冷凝。此时，工作流体所具有的潜热被释放。根据这样的结构，通过对基部延伸设置多个热管，能够提高热传输装置的散热效率。
20.在上述结构的热传输装置中，优选当将槽相对于流路的轴向的倾斜角度设为d时，满足以下的条件式：
21.d≤30
°ꢀ
(1)。
22.如上所述，通过使流路内的槽相对于流路的轴向倾斜，能够提高槽中的工作流体的流动容易度。但是，若使槽过度倾斜，则槽内的工作流体因为重力的影响等而变得难以流动。通过满足条件式(1)，能够通过槽使工作流体高效地回流，能够提高热传输装置的热传输能力。
23.在上述结构的热传输装置中，优选流路中的主流路的直径为1.5mm以下。
24.在上述结构的热传输装置中，优选槽的半径为0.25mm以下。通过使槽的半径变小，提高毛细管力，已冷凝的工作流体变得易于回流。
25.在上述结构的热传输装置中，优选在内面形成热导率比合成树脂高的被膜。
26.作为热导率比合成树脂高的被膜，有例如镍或铜等的化学镀(electroless plating)，热导率高的涂料的涂层。化学镀是通过将原料浸渍在镀液中形成均匀的镀膜的成膜方法。根据化学镀，自然能够在金属材料上形成镀膜，也能够在合成树脂材料上形成镀膜。在发热体的发热量多的情况下，通过在热传输装置的内部形成这样的热导率高的被膜，能够提高热传输装置的散热效率。此外，通过镀液的温度或浸渍时间等镀膜条件，能够控制镀膜的膜厚，因此，优选根据热传输装置所需要的热传输效率或散热效率来决定镀膜厚度。
27.另外，在上述结构的热传输装置中，在表面形成热导率比合成树脂高的被膜，从提高热传输装置的散热效率的方面出发也是有效的。
28.此外，镀膜不限于通过化学镀形成的被膜，只要是热导率高的镀膜，则不限定镀膜处理方法。另外，近年来，也出现了利用热辐射形成的涂层。通过这样的涂层也能够提高热传输装置的散热效率。
29.发明的效果
30.根据本发明的热传输装置，能够提供一种小型、轻量且热传输能力高的热传输装置。
附图说明
31.图1是概略地示出将本发明具体化的第一实施方式的热传输装置的外观的立体图。
32.图2是图1所示的热传输装置的主视图。
33.图3是图1所示的热传输装置的分解立体图。
34.图4是图2所示的热传输装置的a
‑
a剖视图。
35.图5是图2所示的热传输装置的b
‑
b剖视图。
36.图6是概略地示出将本发明具体化的第二实施方式的热传输装置的外观的立体图。
37.图7是图6所示的热传输装置的俯视图。
38.图8是图6所示的热传输装置的主视图。
39.图9是图7所示的热传输装置的a
‑
a剖视图。
40.图10是图7所示的热传输装置的b
‑
b剖视图。
41.图11是图8所示的热传输装置的c
‑
c剖面的立体图。
42.图12是图8所示的热传输装置的c
‑
c剖视图。
43.图13是示意性地示出图11所示的热传输装置的流路的放大图。
44.附图标记说明
45.10、20：热传输装置、
46.11、21：基部、
47.11a、21a：受热面、
48.12：第一密封构件、
49.13：第二密封构件、
50.12a、13a、21b、21c：安装孔、
51.12b、13b：密封突起、
52.14、24：流路、
53.14a、24a：槽、
54.22：热管、
55.23：受热空间、
56.23a、23b：工作流体注入孔。
具体实施方式
57.(第一实施方式)
58.以下，参照附图，对将本发明具体化的第一实施方式进行详细说明。
59.设想本实施方式的热传输装置内置于智能手机、移动信息终端、平板电脑终端、笔记本电脑等移动电子设备中。如图1～3所示，热传输装置10具有：长方体形状的基部11，形成为平板状；以及第一密封构件12和第二密封构件13，以将基部11从侧面方向两侧夹住的方式设置。基部11、第一密封构件12以及第二密封构件13由光固化性的合成树脂形成。作为立体形状物的造型方法，存在液槽光聚合(光造型)的方法，该方法选择性地使光固化性的合成树脂固体化来造型立体形状。在本实施方式中，将具有摄氏250℃的耐热性的丙烯酸酯类单体作为材料，光造型出基部11、第一密封构件12以及第二密封构件13。此外，基部11的底面形成为受热面11a。
60.在基部11的内部，以与受热面11a大致平行的方式延伸设置有多个流路14。流路14以在图2中的左右方向上从基部11的一方的侧面贯通至另一方的侧面的方式形成。
61.第一密封构件12以及第二密封构件13形成为长方体状。第一密封构件12以及第二密封构件13在图2中的上下方向上贯通形成有安装孔12a、13a。安装孔12a、13a在将热传输
装置10安装在组装有发热体即半导体元件等的电路基板上时进行使用。另外，第一密封构件12以及第二密封构件13在图2中的左右方向上分别具有与流路14的个数相对应的密封突起12b、13b。详细而言，第一密封构件12具有向右方向突出的密封突起12b，第二密封构件13具有向左方向突出的密封突起13b。密封突起12b、13b的圆柱的前端具有形成为球面的形状。密封突起12b、13b的该圆柱的直径与流路14的主流路的直径大致相同。
62.在此，详细说明流路14。如图4以及图5所示，流路14在基部11的内部等间隔地排列设置。在本实施方式中，在基部11的内部设置有5个流路14。能够根据发热体的发热量增减流路14的数量。流路14具有在圆管形状的主流路的内周壁形成的多个凹形状的槽14a。槽14a以相对于流路14的轴向倾斜的形态设置。详细而言，槽14a相对于流路14的轴向的倾斜角度d(导程角)满足以下的条件式(1)：
63.d≤30
°ꢀ
(1)。
64.在本实施方式的流路14中，主流路的直径为1.0mm，槽14a有8条，其半径为0.2mm。从热传输装置10的小型化以及提高热传输能力的方面考虑，优选流路14的主流路以及槽14a均是细的。在本实施方式的热传输装置10中，考虑制造容易度来决定主流路以及槽14a的各尺寸。在热传输装置10中，由于基部11由光固化性的合成树脂形成，所以也能够进一步减小主流路的直径以及槽14a的半径。
65.而且，在基部11、第一密封构件12以及第二密封构件13的内面以及表面形成镍或铜等的化学镀。因为化学镀的热导率比作为这些构件的原料的合成树脂的热导率高，所以热传输装置10的散热能力提高。
66.对以上说明的各构件的组装进行简单说明。首先，使第一密封构件12的密封突起12b与流路14嵌合，使第一密封构件12与基部14接合。接着，向基部11的流路14内注入工作流体。作为工作流体，有纯水、乙醇等醇(alcohol)、氟类惰性液体、氨、hfc
‑
134a等氯氟烃替代物等。在注入工作流体后，使第二密封构件13的密封突起13b与流路14嵌合，使第二密封构件13与基部14接合。由此，在热传输装置10的流路14内封入工作流体。
67.接着，对本发明的热传输装置10的热传输进行说明。以基部11的受热面11a与soc等半导体元件接触的方式，将热传输装置10组装在电路基板上。若半导体元件发热，则经由受热面11a向流路14内的工作流体传导热量。其结果是，被封入流路14内的工作流体的饱和蒸气压变高，工作流体从液相转变为气相。因为从受热面11a传递来的热量作为工作流体的汽化潜热而被吸收，所以受热面11a的温度上升被抑制。另一方面，转变为气相的工作流体在流路14内扩散，在温度相对低的部位冷凝。此时，工作流体所具有的潜热被释放。已冷凝的工作流体经由槽14a并通过毛细管力向受热面11a附近回流。通过利用这样的相变的工作流体的循环，能够良好地进行热传输。
68.如上所述，根据本实施方式的热传输装置10，能够有效地分散从搭载在智能手机、移动信息终端、平板电脑终端、笔记本电脑等移动电子设备中的半导体元件释放出的热量，且能够使该热量扩散到周边空气中。因为能够对半导体元件的发热所产生的温度上升进行抑制，所以能够抑制移动电子设备的性能下降和可靠性下降。
69.(第二实施方式)
70.以下，参照附图，对将本发明具体化的第二实施方式进行详细说明。
71.在电子设备、工业设备以及汽车等中，搭载有很多半导体集成电路、led元件、功率
半导体等电流密度高的半导体元件。设想本实施方式的热传输装置是用于高效地对这样的半导体元件所产生的发热进行散热的用途。如图6～8所示，热传输装置20具有：长方体形状的基部21，形成为平板状；以及多个热管22，从基部21的上表面向上方延伸设置。基部21以及热管22由光固化性的合成树脂一体形成。在本实施方式的热传输装置20中，与上述第一实施方式同样地，将具有摄氏250℃的耐热性的丙烯酸酯类单体作为材料，通过光造型来形成热传输装置20。此外，基部21的底面形成为受热面21a。
72.在基部21的内部形成有受热空间23。在本实施方式中，受热空间23是在热管22的下方形成的四方柱状的空间，与设置在基部21的正面的工作流体注入孔23a、23b连通。另外，在基部21中，在图8中的上下方向上贯通形成有安装孔21b、21c。这些安装孔21b、21c在将热传输装置20安装在搭载有发热体的电路基板等上时进行使用。
73.如图9、10所示，在热管22的内部形成有与受热空间23连通的流路24。流路24在图9中的上下方向上从受热空间23的上表面形成至热管22的前端部。在多个热管22的内部形成的流路24全部与受热空间23连通。
74.在此，详细说明流路24。如图9～13所示，流路24具有在圆管形状的主流路的内周壁形成的多个凹形状的槽24a。槽24a以相对于流路24的轴向倾斜的状态设置。详细而言，槽24a相对于流路24的轴向的倾斜角度d(导程角)与上述第一实施方式的热传输装置10同样地满足以下的条件式(1)：
75.d≤30
°ꢀ
(1)。
76.在本实施方式的流路24中，主流路的直径为1.5mm，槽24a有8条，其半径为0.25mm。从热传输装置20的小型化以及提高热传输能力的方面考虑，优选流路24的主流路以及槽24a均是细的。在本实施方式的热传输装置20中，考虑制造容易度来决定主流路以及槽14a的尺寸。在热传输装置20中，因为基部21以及热管22均由光固化性的合成树脂形成，所以能够进一步减小主流路的直径以及槽24a的半径。
77.而且，在基部21以及热管22的内面以及表面形成镍或铜等的化学镀。因为化学镀的热导率比作为这些构件的原料的合成树脂的热导率高，所以热传输装置20的散热能力提高。
78.在以上说明的热传输装置20中，穿过基部21的工作流体注入孔23a、23b向受热空间23内注入工作流体之后，将工作流体注入孔23a、23b堵住，由此将工作流体封入受热空间23内。此外，也可以在不堵住工作流体注入孔23a、23b的情况下，将冷凝器(散热器)另外通过管与这些工作流体注入孔23a、23b连接。
79.接着，对本发明的热传输装置20的热传输进行说明。以基部21的受热面21a与功率半导体等半导体元件接触的方式，将热传输装置20组装在电路基板上。若半导体元件发热，则经由受热面21a向受热空间23内的工作流体传导热量。其结果是，被封入受热空间23内的工作流体的饱和蒸气压变高，工作流体从液相转变为气相。因为从受热面21a传递来的热量作为工作流体的汽化潜热而被吸收，所以受热面21a的温度上升被抑制。另一方面，转变为气相的工作流体在流路24内扩散，在温度相对低的部位冷凝。在本实施方式的热传输装置20中，工作流体在热管22的前端部产生冷凝，工作流体所具有的潜热被释放。已冷凝的工作流体经由槽24a并通过毛细管力而向受热空间23内回流。通过利用这样的相变的工作流体的循环，能够进行良好的热传输。
80.如上所述，根据本实施方式的热传输装置20，能够有效地使从搭载在电子设备、工业机械以及汽车等中的半导体元件或电子部件等释放出的热量扩散到周边空气中。
81.在上述各本实施方式中，设想平板状的半导体元件为发热体，使基部11、21的受热面11a、21a分别形成为平面。该受热面的形状不限于平面。在发热体具有曲面的情况下，也可以使受热面11a、21a形成为曲面形状。在上述各本实施方式中，由于通过光固化性的合成树脂形成基部11、21，所以能够将受热面11a、21a以任意的形状进行光造型。这样，通过使基部的受热面形成为与发热体的形状相匹配的形状，能够使发热体与基部紧密接触，能够高效地将发热体的热量传递到基部。另外，当在电路基板等组装有多个发热体的情况下，也可以使基部的受热面形成为与这些多个发热体的形状相匹配的形状。通过热传输装置与多个发热体紧密接触，能够通过单个热传输装置高效地传输以及释放来自多个发热体的热量。
82.在上述各实施方式的热传输装置中，利用由相变引起的工作流体的循环，传输从发热体产生的热量。因此，与一般的散热器那样的由固体内的导热实现的热传输相比，能够高效率地进行热传输。另外，这样构成的热传输装置以往是通过金属加工形成的，但在上述各实施方式中，使用光固化性的合成树脂来形成热传输装置，因此，能够实现热传输装置的小型化以及轻量化。另外，由于在流路的槽中设置了倾斜，所以能够促进工作流体的回流，能够抑制变干(dry out)并提高热传输效率。根据本发明的热传输装置，能够提供一种小型、轻量且热传输能力高的热传输装置。
83.产业上的利用可能性
84.本发明能够适用于以下用途，即，抑制搭载在智能手机等移动电子设备中的半导体元件或搭载在工业机械以及汽车等中的半导体元件的发热所导致的性能下降和可靠性下降，或高效地冷却这些半导体元件。