ループ型ヒートパイプ及び電子装置
【課題】 冷却能力の高いループ型ヒートパイプを小さなスペース内で形成することを課題とする。
【解決手段】 発熱体２０が基板１０に搭載される。発熱体２０は蒸発部３０に収容される。蒸発部３０に接続された蒸気流路４０が基板１０中に形成される。蒸発部３０に接続された液流路６０が基板１０中に形成される。蒸気流路４０と液流路６０との間に凝縮部５０が設けられる。蒸発部３０、蒸気流路４０、凝縮部５０，及び液流路６０は、密封された循環流路を形成し、循環流路に冷媒が封入される。
【解決手段】 発熱体２０が基板１０に搭載される。発熱体２０は蒸発部３０に収容される。蒸発部３０に接続された蒸気流路４０が基板１０中に形成される。蒸発部３０に接続された液流路６０が基板１０中に形成される。蒸気流路４０と液流路６０との間に凝縮部５０が設けられる。蒸発部３０、蒸気流路４０、凝縮部５０，及び液流路６０は、密封された循環流路を形成し、循環流路に冷媒が封入される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態はヒートパイプの原理を用いて電子部品を冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の電子機器の多くは、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）を用いて電子回路を形成した電子回路基板を有している。ＬＳＩは動作時に発熱するため、放熱機構を設けてＬＳＩを冷却することが多い。例えば、ＬＳＩパッケージの放熱面にヒートスプレッダやヒートシンク等の放熱部材を接触させて、ＬＳＩパッケージ内部で発生した熱を放熱部材を介して周囲に放出することで、ＬＳＩパッケージを冷却することができる。
【０００３】
ＬＳＩの高集積化に伴いＬＳＩの発熱量が増大しており、放熱部材による放熱では冷却能力が足りない場合がある。そこで、放熱部材の代わりにヒートパイプによる熱移動を利用した放熱機構によりＬＳＩパッケージを冷却することが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００４】
特許文献１には、密閉容器内部に冷媒を封入して形成した沸騰冷却装置をＣＰＵ等の発熱体に取り付けることで、発熱体を冷却することが開示されている。密閉容器内部に気化部が設けられ、ウィックを通じて液体冷媒が気化部に供給される。気化部で気化して気体となった冷媒は放熱部へと流れ、放熱部において再び液体冷媒となってウィックに供給される。発熱体は気化部が設けられた部分の密閉容器の外側に接触するように取り付けられ、気化部での冷媒の気化熱が発熱体から奪われることで発熱体が冷却される。
【０００５】
特許文献２には、ＣＰＵ等の発熱体が装着された容器の内面に沿ってウィックを配置し、容器内に冷媒を封入して形成した冷却装置が開示されている。容器内部の液体冷媒はウィックを伝わって発熱体が装着された部分に移動し、ここで液体冷媒が熱を受けて気化して気体冷媒となる。気体冷媒は、容器内部に設けられた複数の通路に沿って移動して行く途中で液体冷媒となる。液体冷媒は再びウィックを伝わって移動し発熱体が装着された部分で再び気化する。この冷媒の循環サイクルが繰り返されることで、発熱体が冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３３０３２９号公報
【特許文献２】特開２００８−２８１２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献１，２に開示された放熱機構は、発熱体に取り付けられることで発熱体を冷却するようになっている。放熱機構は、発熱体から熱を吸収する受熱部（蒸発部）と放熱部（凝縮部）とが一体となっており、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱体に比べて大きな装置となる。したがって、電子部品が高密度実装された回路基板上において、このような放熱機構を配置するスペースを確保できないおそれがある。
【０００８】
そこで、蒸発部（冷媒が蒸発する部分）と凝縮部（冷媒が凝縮する部分）とを分離し、これらの間をつなぐ冷媒通路を設けて形成したループ型ヒートパイプ（ＬＨＰ）を用いることが提案されている。
【０００９】
ＬＨＰの蒸発部はＬＳＩ等の発熱体に熱的に接触し、凝縮部は熱を放出できる位置に配置される。蒸発部の内部に多孔質体（ウィックと称される）が設けられ、凝縮部から液管を流れてきた液体冷媒はウィックに入り、発熱体からの熱を受けて蒸発する。液体冷媒が蒸発して発生した気体冷媒は、蒸気管を通って凝縮部に供給される、凝縮部において放熱して再び液体冷媒に戻る。このように、冷媒が液体と気体に変化しながらＬＨＰ内を循環することで、蒸発部において発熱体から熱を吸収し、その熱を凝縮部において周囲に放出する。すなわち、循環する冷媒の蒸発潜熱を利用することで、発熱体を効率的に冷却することができる。
【００１０】
しかしながら、ＬＳＩの高集積化及び高機能化に伴ってＬＳＩパッケージが大型化し、その発熱量も増大しており、これに見合った大きさの蒸発部を有するＬＨＰを配置するスペースの確保も難しくなってきている。すなわち、大型のＬＳＩパッケージに取り付ける場合には、蒸発部もＬＳＩパッケージの大きさに合わせて大きくしなければならず、また、大きな発熱量を吸収するためには蒸発部も大きくしなければならない。蒸発部が大型となると、凝縮部やこれらを繋ぐ配管（液管、蒸気管）も同様に大型となり、ＬＨＰを配置するためのスペースの確保が難しくなる。
【００１１】
そこで、冷却能力の高いＬＨＰを小さなスペース内で形成することのできる技術の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態によれば、基板に搭載された発熱体と、該発熱体を収容した蒸発部と、前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、前記第蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部とを有し、前記蒸発部、前記上記流路、前記液流路、及び前記凝縮部は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
基板の一部を用いてループ型ヒートパイプを形成するので、ループ型ヒートパイプが占有する面積を小さくすることができ、限られたスペースにおいて冷却能力の高いループ型ヒートパイプを形成することができる。これにより、ループ型ヒートパイプを用いた電子装置全体のサイズを縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態によるループ型ヒートパイプが設けられた回路配線基板の平面図である。
【図２】一実施形態によるループ型ヒートパイプの全体構成を示す図である。
【図３】蒸発部の内部構造を示す図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】蒸発部の内部構造を示す図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】蒸発部の内部構造を示す図であり、図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】蒸発部の内部構造を示す図であり、図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
【図７】ウィックに溝を設けた場合の蒸発部の内部構造を示す図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図８】ウィックに溝を設けた場合の蒸発部の内部構造を示す図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図９】ループ型ヒートパイプが組み込まれた電子装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は一実施形態によるループ型ヒートパイプが設けられた回路配線基板の平面図である。図２は一実施形態によるループ型ヒートパイプの全体構成を示す図である。
【００１７】
一実施形態によるループ型ヒートパイプ（以下、ＬＨＰと称することもある）は、電子部品及び電気部品が搭載される回路配線基板１０を利用して形成される。回路配線基板１０に搭載されたＬＳＩやＣＰＵ等の電子部品である半導体パッケージ２０（例えば、図３参照）は、蒸発器容器３２により覆われる。蒸発器容器３２により覆われて密閉された空間（密閉空間）が蒸発部３０となり、冷媒が蒸発して気化する部分となる。
【００１８】
回路配線基板１０内に蒸気流路４０が形成され、蒸気流路４０の一端は蒸発部３０に接続され、他端は凝縮器配管５２に接続されている。また、回路配線基板１０内に液流路６０が形成され、液流路６０の一端は蒸発部３０に接続され、他端は凝縮器配管５２に接続されている。
【００１９】
凝縮器配管５２の一部には放熱フィン５４が取り付けられ、この部分が凝縮部５０となり、冷媒が配管内部で凝縮して液化する部分となる。
【００２０】
なお、図１において、凝縮器配管５２は回路配線基板１０の側面から延出しているが、凝縮器配管５２が回路配線基板１０に接続される位置は、側面に限られることなく、回路配線基板１０の表面であっても裏面であってもよい。また、凝縮器配管５２を長くして所望の形状に曲げることで、放熱フィン５４が設けられた凝縮部５０を所望の位置に配置することができる。
【００２１】
図２に示すように、ループ型ヒートパイプ内では、冷媒が気化と液化を繰り返しながら循環する。蒸発部３０において、液相の冷媒（液体冷媒と称する）は半導体パッケージ２０からの熱を吸収して気化し、気相の冷媒（気体冷媒と称する）となる。蒸発部３０内で発生した気体冷媒は蒸気流路４０を通じて凝縮器配管５２の凝縮部５０に流れ込む。凝縮部５０に流れ込んだ気体冷媒は冷却され凝縮して液体冷媒となる。液体冷媒は、液流路６０を通じて蒸発部３０に供給される。
【００２２】
以上のように、ループ型ヒートパイプ内で冷媒が液化及び気化を繰り返すことで、冷媒が気化する蒸発部３０内の圧力は、冷媒が凝縮する凝縮部５０内の圧力より高くなり、ループ型ヒートパイプ内で圧力差が生じる。この圧力差により冷媒はループ型ヒートパイプ内で図２の矢印で示すように循環する。冷媒の循環サイクルにおいて、蒸発器３０内の液体冷媒が気化する際に半導体パッケージ２０から気化熱を奪うことで、半導体パッケージ２０は冷却される。
【００２３】
次に、上述のループ型ヒートパイプに関して、配線回路基板１０の一部を利用して形成された部分について説明する。
【００２４】
まず、蒸発部３０について説明する。図３は回路配線基板１０の一部に形成された蒸発部３０の内部構造を示す図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は蒸発部３０の内部構造を示す図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図５は蒸発部３０の内部構造を示す図であり、図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図６は蒸発部３０の内部構造を示す図であり、図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。図３乃至図６において、液体冷媒の流れが実線矢印で示されており、気体冷媒の流れが点線矢印で示されている。
【００２５】
回路配線基板１０に半導体パッケージ２０が実装される。回路配線基板１０の材料としては、シリコン、樹脂、セラミック等、どのような材料でもよいが、後述するように冷媒を密閉する必要があるため、冷媒に反応ぜず、また、冷媒を透過しない材料とすることが好ましい。あるいは、冷媒に接触する部分を、冷媒と反応しないような材料で覆っておくこととしてもよい。
【００２６】
本実施形態では、半導体パッケージ２０はＢＧＡ型パッケージであり、回路配線基板１０に対してフリップチップ実装される。半導体パッケージ２０はＢＧＡ型に限られず、放熱面を上にして実装できるものであれば、どのような型のパッケージでもよい。
【００２７】
半導体パッケージ２０の放熱面となる背面には、放熱板３４が取り付けられている。放熱板３４は、熱伝導性に優れた例えば金属製の板であり、半導体パッケージ２０の背面に接触した状態で取り付けられる。半導体パッケージ２０の背面から放熱板３４への熱伝達が良くなるように、熱伝導性接着剤にて放熱板３４を半導体パッケージ２０の背面に接合することが好ましい。
【００２８】
放熱板３４の上面には、図３に示すように、凹部として複数の溝３４ａが形成されている。溝３４ａは、後述のように気化した冷媒（気体冷媒）が流れる流路となる。溝３４ａが形成された放熱板３４の上にウィック３６が配置される。ウィック３６は、例えば金属やセラミックス等の焼結体により形成された平板状多孔質体であり、内部に連続した小さな孔又は通路が形成されている。この連続した孔又は通路に液体冷媒が入り込んで、毛細管現象により移動する。
【００２９】
以上のように回路配線基板１０上に配置された半導体パッケージ２０、放熱板３４及びウィック３６は、蒸発器容器３２により覆われる。蒸発器容器３２は、例えばステンレス鋼等の金属板により形成された皿状の容器である。蒸発器容器３２は回路配線基板１０に接合され、蒸発器容器３２と回路配線基板１０との間に密閉空間が形成される。すなわち、この密閉空間内に半導体パッケージ２０、放熱板３４及びウィック３６が配置された状態となる。蒸発器容器３２の回路配線基板１０への接合は、はんだ接合、ロウ付け、接着剤等を用いて行なわれる。Ｏリング等の弾性シール材を介して蒸発器容器３２を回路配線基板１０に機械的に固定してもよい。
【００３０】
本実施形態では、発熱体の一例として半導体パッケージ２０を冷却するために、上述の密閉空間に冷媒が封入される。このため、半導体パッケージ２０に冷媒が接触しないように半導体パッケージ２０を隔離する必要がある。そこで、半導体パッケージ２０の周囲に包囲部材３８を設けて、半導体パッケージ２０を冷媒が流れる空間から隔離する。
【００３１】
なお、上述の密閉空間に封入される冷媒として、水、エタノール等のアルコール類、代替フロン、炭化水素系冷媒（ブタン、ペンタン）等を用いることができる。
【００３２】
包囲部材３８は、半導体パッケージ２０からの熱が周囲に放出されずに効率的に放熱板３４に伝達されるように、断熱性に優れた材料で形成することが好ましい。また、包囲部材３８は冷媒にも接触するため、冷媒と反応せず、また冷媒を透過しないような材料とすることが好ましい。そのような材料として、例えば、ガラス、セラミックス、フッ素樹脂等がある。樹脂材として、フッ素樹脂の他に、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いることもできる。
【００３３】
包囲部材３８は半導体パッケージ２０及び放熱板３４を包囲した状態で、回路配線基板１０と放熱板３４とに接着材等により接合され、内部に半導体パッケージ２０を封止する。ただし、図４及び図５に示すように、包囲部材３８は放熱板３４の溝３４ａが開口している側面は覆わないようになっている。また、ウィック３６は包囲部材３８より上側に配置され、包囲部材３８により隔離されないようになっている。
【００３４】
以上のような構成の蒸発部３０では、蒸発器容器３２の内面と包囲部材３８の外面により冷媒流路あるいは冷媒が流れる空間が形成される。
【００３５】
一方、図４に示すように、回路配線基板１０の内部に蒸気流路４０及び液流路６０が形成されている。蒸気流路４０及び液流路６０は、回路配線基板１０の製造工程で形成される通路であり、例えば、回路配線基板１０の製造工程の途中で基板に溝を形成し、その溝の上にさらに層を形成して溝の開口部分を塞ぐことで、形成することができる。あるいは、回路配線基板１０の製造工程の途中で、予め製造した金属管を回路配線基板１０に埋め込むこととしてもよい。
【００３６】
液流路６０は、蒸発部３０に形成された液溜め部３０ａに接続される（図４，図６参照）。液溜め部３０ａは、半導体パッケージ２０及び放熱板３４を包囲する包囲部材の３辺の周囲に形成された空間であり、液溜め部３０ａの上側にはウィック３６が延在している。したがって、液溜め部３０ａに流入した液体冷媒は、液溜め部３０ａに溜まってから上方のウィック３６に吸い込まれ、ウィック３６内を通って放熱板３４の上方に移動する。液溜め部３０ａは、図５及び図６に示すようにコの字型となっており、比較的大きな容積を有する。このため、十分な量の液体冷媒を液溜め部３０ａに蓄えておくことができ、液体冷媒が連続してウィック３６に供給されても、液体冷媒の枯渇を防ぐことができる。
【００３７】
放熱板３４には半導体パッケージ２０の熱が伝わっており、温度が高くなっているため、ウィック３６内の液体冷媒は放熱板３４により加熱されて蒸発し、気体冷媒となる。言い換えれば、ウィック３６内の液体冷媒は、放熱板３４から気化熱を奪って気化する。これにより放熱板３４は冷却され、放熱板３４に熱的に接続されている半導体パッケージも冷却される。
【００３８】
放熱板３４の上のウィック３６内で気化して発生した気体冷媒は、放熱板３４の上面の複数の溝３４ａを流れて蒸気溜め部３０ｂに入る。蒸気溜め部３０ｂは、図５に示すように包囲部材３８から外側に延在する分離部３８ａにより、液溜め部３０ａから隔離されており、液体冷媒が蒸気溜め部３０ｂに流れ込まないようになっている。液溜め部３０ａには、回路配線基板１０内に形成された蒸気流路４０が接続されており、液溜め部３０ａに溜まった気体冷媒は蒸気流路４０に流れ込む。言い換えれば、蒸発器容器を回路配線基板１０に接合して形成された密閉空間は、包囲部材３８の分離部３８ａにより、蒸気流路４０が接続された側と、液流路が接続された側に分離されている。
【００３９】
蒸気流路４０に流れ込んだ気体冷媒は、蒸気流路４０を流れて凝縮器配管５２を通り、凝縮部５０に入る。気体冷媒は凝縮部５０で放熱して凝縮し、液体冷媒に変化する。凝縮部で生成された液体冷媒は、回路配線基板１０内に形成された液流路６０を通じて再び蒸発部３０の液溜め部３０ａに流れ込む。
【００４０】
以上のように、本実施形態によるループ型ヒートパイプは、蒸発部３０と蒸気流路４０と凝縮部５０と液流路６０とが繋がることで形成された冷媒の循環流路を有する。したがって、本実施形態によるループ型ヒートパイプ内において、冷媒は、蒸発部３０にて気化するときの気化熱を半導体パッケージ２０から奪い且つ半導体パッケージ２０から奪った熱を凝縮部５０で放出しながら、循環流路を循環する。これにより、半導体パッケージ２０を効率的に冷却することができる。
【００４１】
本実施形態では、蒸発部３０において放熱板３４に直接取り付けられたウィック３６において液体冷媒が気化する。すなわち、ウィック３６がヒートパイプの蒸発器に相当する部分である。したがって、本実施形態では、蒸発器を回路配線基板１０内に組み込んだこととなり、従来のように蒸発器を含むヒートパイプを回路基板上の半導体パッケージに取り付けるためのスペースほど大きなスペースを必要としない。
【００４２】
また、回路配線基板１０とその上に実装した電子部品で形成される電子装置の厚みは、放熱板３４とウィック３６を覆う蒸発器容器３２の突出高さのみが加わるだけとなる。すなわち、本実施形態によるループ型ヒートパイプを用いた電子装置の厚みは、回路配線基板１０とは別個に作成したヒートパイプを半導体パッケージ２０に取り付けたときの電子装置の厚みより小さくなる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、蒸気流路４０及び液流路６０が回路配線基板１０内に形成されているので、蒸気流路４０及び液流路６０を形成する配管を回路配線基板１０上に設ける必要は無く、その分のスペースも省くことができる。
【００４４】
また、放熱板３４がウィック３６への伝熱部材として機能することで、従来の放熱板と蒸発器との間の界面に用いられている材料（TIM：Thermal Interface Material）を用いなくても、接触熱抵抗を低減できる。
【００４５】
なお、図３乃至図６に示す例では、気化した液体冷媒を蒸気溜め部３０ｂに流すために、放熱板３４に凹部として複数の溝３４ａを設けているが、図７及び図８に示すように、ウィック３６に凹部として複数の溝３６ａを設けることとしてもよい。
【００４６】
図９は上述のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子装置の平面図である。電子装置は、上述の回路配線基板１０と、回路配線基板１０を用いて形成されたループ型ヒートパイプとを有する。回路配線基板１０には、半導体パッケージ２０及び抵抗２２、コンデンサ２４、メモリ２６、ＩＣ２８等の他の電子部品が実装され、所定の機能を提供する回路が形成されている。半導体パッケージ２０は、回路配線基板１０を用いて形成されたループ型ヒートパイプにより冷却される。
【００４７】
ここで、上述のループ型ヒートパイプを作成した実施例について説明する。
【００４８】
（実施例１）
大きさ３５ｍｍ×３５ｍｍのＬＳＩパッケージの上に、インジウム（Ｉｎ）などからなる金属製の伝熱部材を介して銅（Ｃｕ）製の放熱板を取り付けた。放熱板の大きさは５０ｍｍ×５０ｍｍであり，厚さは６ｍｍであった。放熱板には幅２ｍｍ、深さ１ｍｍ、長さ４０ｍｍの溝を２ｍｍ間隔で７本形成した。この時、放熱板の外周は、ＰＴＦＥなどの耐熱性樹脂により形成した包囲部材によって固定した。この放熱板の上に、ＳＵＳ焼結金属からなる多孔質体を載置した。多孔質体の平均気孔半径５μｍであり、空隙率は４５％であった。多孔質体の大きさは５５ｍｍ×５５ｍｍであり、厚さは２ｍｍであった。これらを図３に示すように、ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる容器で覆い、容器を回路配線基板にはんだ接合することによって蒸発部の封止を行なった。ＬＳＩパッケージ、放熱板及び包囲部材の外周部には、上述の実施形態のように流路構造を形成した。流路構造は、通常のビルドアップ配線基板の製造工程において、ドリル等でパターン形成した基板を張り合わせることで形成した。回路配線基板内に形成された液流路および蒸気流路は、凝縮部を有する凝縮器配管に接続した。発熱体であるＬＳＩパッケージと凝縮部までの距離は３００ｍｍ程度であり、密閉されたループ内に代替フロン（例えば、HMC-365mfc（沸点４０℃））を封入してループ型ヒートパイプを形成した。
【００４９】
従来の半導体装置では，放熱板の上に例えば高さ３０ｍｍのヒートシンクを取り付け、空冷によってＬＳＩパッケージの冷却を行なっていたが、本実施例では、放熱板の上に、厚さ２ｍｍの多孔質体と厚さ１ｍｍの蒸発器容器があるだけである。すなわち、本実施例のループ型ヒートパイプを用いることで、従来と比較して、部品実装高さを１／１０にすることができた。
【００５０】
（実施例２）
大きさ３０ｍｍ×３０ｍｍのＬＳＩパッケージの上に，アルミナなどからなるフィラーを含有する樹脂ペースト状の伝熱部材を介してＣｕ製の放熱板を取り付けた。放熱板の大きさは５０ｍｍ×５０ｍｍであり、厚さは５ｍｍであった。放熱板の外周は、ＰＴＦＥなどの耐熱性樹脂により形成した支持部材によって固定した。この放熱板の上に、セラミックス焼結体からなる多孔質体を載置した。多孔質体の平均気孔半径は４μｍ、空隙率は４０％であった。多孔質体の大きさは５５ｍｍ×５５ｍｍであり、厚さは３ｍｍであった。セラミックス多孔質体と放熱板の接触部には、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍ、長さ４０ｍｍの溝を２ｍｍ間隔で７本形成した。放熱板およびそれを包囲する包囲部材、セラミックス多孔質体を図７に示すようにステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる容器で覆い、回路配線基板とはんだ接合することによって蒸発部の封止を行なった。ＬＳＩパッケージ、放熱板および包囲部材の外周部には、上述の実施形態のように流路構造を形成した。流路構造は、通常のビルドアップ配線基板の製造工程において、ドリル等でパターン形成された基板を張り合わせることで形成した。回路配線基板内に形成された液流路および蒸気流路は、凝縮部を有する凝縮器配管に接続した。発熱体であるＬＳＩパッケージと凝縮部までの距離は３００ｍｍ程度であった。密閉されたループ内にエタノール（沸点７８℃）を封入してループ型ヒートパイプを形成した。
【００５１】
以上のように、本明細書は以下の事項を開示する。
（付記１）
基板に搭載された発熱体と、
該発熱体を収容した蒸発部と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、
前記第蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部と
を有し、
前記蒸発部、前記蒸気流路、前記凝縮部、及び前記液流路は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプ。
（付記２）
付記１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部は前記基板に接合された容器を含み、
該容器と前記基板とにより形成された密閉空間内に前記発熱体が収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記３）
付記２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体に接触して載置された放熱板と、該放熱板の上に配置されたウィックとが前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記４）
付記３記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体と前記放熱板とを包囲する包囲部材が前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記５）
付記４記載のループ型ヒートパイプであって、
前記包囲部材は断熱材により形成されたループ型ヒートパイプ。
（付記６）
付記４又は５記載のループ型ヒートパイプであって、
前記包囲部材は、前記密閉空間を、前記蒸気流路が接続された側と前記液流路が接続された側とに分離する分離部を有するループ型ヒートパイプ。
（付記７）
付記６記載のループ型ヒートパイプであって、
前記放熱板と前記ウィックのうち少なくとも一方に、前記密閉空間の前記蒸気流路が接続された側に開口する凹部が形成されたループ型ヒートパイプ。
（付記８）
付記７記載のループ型ヒートパイプであって、
前記凹部は、前記放熱板と前記ウィックとが接する面に開口する複数の溝を含むループ型ヒートパイプ。
（付記９）
付記１乃至８のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸気流路の一端と前記液流路の一端は前記基板の面に開口し、前記凝縮部を含む凝縮器配管が前記蒸気流路の前記一端と前記液流路の前記一端に接続されたループ型ヒートパイプ。
（付記１０）
付記９記載のループ型ヒートパイプであって、
前記凝縮部は前記凝縮器配管の外側に放熱フィンが取り付けられた部分を含むループ型ヒートパイプ。
（付記１１）
付記１乃至１０記載のループ型ヒートパイプと、
前記ループ型ヒートパイプの蒸発部が形成された基板に搭載された電気部品と
を有し、
前記蒸発部に設けられた発熱体は電子部品であり、該電子部品と前記電気部品とで所定の回路を形成する電子装置。
（付記１２）
基板に搭載された発熱体と、
該発熱体に接触して載置された放熱板と、
該放熱板に接触して載置されたウィックと
該放熱板および該ウィックを密閉空間内に収容した蒸発部と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、
前記蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部と
を有し、
前記蒸発部、前記蒸気流路、前記凝縮部、及び前記液流路は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプ。
（付記１３）
付記１２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体と前記放熱板とを包囲する包囲部材が前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記１４）
付記１３記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部は前記基板に接合された容器を含み、
該容器と前記基板とにより形成された密閉空間内に前記発熱体が収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記１５）
付記１４記載のループ型ヒートパイプであって、
前記包囲部材は、前記密閉空間を、前記蒸気流路が接続された側と前記液流路が接続された側とに分離する分離部を有するループ型ヒートパイプ。
（付記１６）
付記１５記載のループ型ヒートパイプであって、
前記放熱板と前記ウィックのうち少なくとも一方に、前記密閉空間の前記蒸気流路が接続された側に開口する凹部が形成されたループ型ヒートパイプ。
（付記１７）
付記１２乃至１６のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプと、
前記ループ型ヒートパイプの蒸発部が形成された基板に搭載された電気部品と
を有し、
前記蒸発部に設けられた発熱体は電子部品であり、該電子部品と前記電気部品とで所定の回路を形成する電子装置。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 回路配線基板
２０ 半導体パッケージ
３０ 蒸発部
３０ａ 液溜め部
３０ｂ 蒸気溜め部
３２ 蒸発器容器
３４ 放熱板
３４ａ 溝
３６ ウィック
３６ａ 溝
３８ 包囲部材
３８ａ 分離部
４０ 蒸気流路
５０ 凝縮部
５２ 凝縮器配管
５４ 放熱フィン
６０ 液流路
【技術分野】
【０００１】
実施形態はヒートパイプの原理を用いて電子部品を冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の電子機器の多くは、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）を用いて電子回路を形成した電子回路基板を有している。ＬＳＩは動作時に発熱するため、放熱機構を設けてＬＳＩを冷却することが多い。例えば、ＬＳＩパッケージの放熱面にヒートスプレッダやヒートシンク等の放熱部材を接触させて、ＬＳＩパッケージ内部で発生した熱を放熱部材を介して周囲に放出することで、ＬＳＩパッケージを冷却することができる。
【０００３】
ＬＳＩの高集積化に伴いＬＳＩの発熱量が増大しており、放熱部材による放熱では冷却能力が足りない場合がある。そこで、放熱部材の代わりにヒートパイプによる熱移動を利用した放熱機構によりＬＳＩパッケージを冷却することが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００４】
特許文献１には、密閉容器内部に冷媒を封入して形成した沸騰冷却装置をＣＰＵ等の発熱体に取り付けることで、発熱体を冷却することが開示されている。密閉容器内部に気化部が設けられ、ウィックを通じて液体冷媒が気化部に供給される。気化部で気化して気体となった冷媒は放熱部へと流れ、放熱部において再び液体冷媒となってウィックに供給される。発熱体は気化部が設けられた部分の密閉容器の外側に接触するように取り付けられ、気化部での冷媒の気化熱が発熱体から奪われることで発熱体が冷却される。
【０００５】
特許文献２には、ＣＰＵ等の発熱体が装着された容器の内面に沿ってウィックを配置し、容器内に冷媒を封入して形成した冷却装置が開示されている。容器内部の液体冷媒はウィックを伝わって発熱体が装着された部分に移動し、ここで液体冷媒が熱を受けて気化して気体冷媒となる。気体冷媒は、容器内部に設けられた複数の通路に沿って移動して行く途中で液体冷媒となる。液体冷媒は再びウィックを伝わって移動し発熱体が装着された部分で再び気化する。この冷媒の循環サイクルが繰り返されることで、発熱体が冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３３０３２９号公報
【特許文献２】特開２００８−２８１２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献１，２に開示された放熱機構は、発熱体に取り付けられることで発熱体を冷却するようになっている。放熱機構は、発熱体から熱を吸収する受熱部（蒸発部）と放熱部（凝縮部）とが一体となっており、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱体に比べて大きな装置となる。したがって、電子部品が高密度実装された回路基板上において、このような放熱機構を配置するスペースを確保できないおそれがある。
【０００８】
そこで、蒸発部（冷媒が蒸発する部分）と凝縮部（冷媒が凝縮する部分）とを分離し、これらの間をつなぐ冷媒通路を設けて形成したループ型ヒートパイプ（ＬＨＰ）を用いることが提案されている。
【０００９】
ＬＨＰの蒸発部はＬＳＩ等の発熱体に熱的に接触し、凝縮部は熱を放出できる位置に配置される。蒸発部の内部に多孔質体（ウィックと称される）が設けられ、凝縮部から液管を流れてきた液体冷媒はウィックに入り、発熱体からの熱を受けて蒸発する。液体冷媒が蒸発して発生した気体冷媒は、蒸気管を通って凝縮部に供給される、凝縮部において放熱して再び液体冷媒に戻る。このように、冷媒が液体と気体に変化しながらＬＨＰ内を循環することで、蒸発部において発熱体から熱を吸収し、その熱を凝縮部において周囲に放出する。すなわち、循環する冷媒の蒸発潜熱を利用することで、発熱体を効率的に冷却することができる。
【００１０】
しかしながら、ＬＳＩの高集積化及び高機能化に伴ってＬＳＩパッケージが大型化し、その発熱量も増大しており、これに見合った大きさの蒸発部を有するＬＨＰを配置するスペースの確保も難しくなってきている。すなわち、大型のＬＳＩパッケージに取り付ける場合には、蒸発部もＬＳＩパッケージの大きさに合わせて大きくしなければならず、また、大きな発熱量を吸収するためには蒸発部も大きくしなければならない。蒸発部が大型となると、凝縮部やこれらを繋ぐ配管（液管、蒸気管）も同様に大型となり、ＬＨＰを配置するためのスペースの確保が難しくなる。
【００１１】
そこで、冷却能力の高いＬＨＰを小さなスペース内で形成することのできる技術の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態によれば、基板に搭載された発熱体と、該発熱体を収容した蒸発部と、前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、前記第蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部とを有し、前記蒸発部、前記上記流路、前記液流路、及び前記凝縮部は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
基板の一部を用いてループ型ヒートパイプを形成するので、ループ型ヒートパイプが占有する面積を小さくすることができ、限られたスペースにおいて冷却能力の高いループ型ヒートパイプを形成することができる。これにより、ループ型ヒートパイプを用いた電子装置全体のサイズを縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態によるループ型ヒートパイプが設けられた回路配線基板の平面図である。
【図２】一実施形態によるループ型ヒートパイプの全体構成を示す図である。
【図３】蒸発部の内部構造を示す図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】蒸発部の内部構造を示す図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】蒸発部の内部構造を示す図であり、図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】蒸発部の内部構造を示す図であり、図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
【図７】ウィックに溝を設けた場合の蒸発部の内部構造を示す図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図８】ウィックに溝を設けた場合の蒸発部の内部構造を示す図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図９】ループ型ヒートパイプが組み込まれた電子装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は一実施形態によるループ型ヒートパイプが設けられた回路配線基板の平面図である。図２は一実施形態によるループ型ヒートパイプの全体構成を示す図である。
【００１７】
一実施形態によるループ型ヒートパイプ（以下、ＬＨＰと称することもある）は、電子部品及び電気部品が搭載される回路配線基板１０を利用して形成される。回路配線基板１０に搭載されたＬＳＩやＣＰＵ等の電子部品である半導体パッケージ２０（例えば、図３参照）は、蒸発器容器３２により覆われる。蒸発器容器３２により覆われて密閉された空間（密閉空間）が蒸発部３０となり、冷媒が蒸発して気化する部分となる。
【００１８】
回路配線基板１０内に蒸気流路４０が形成され、蒸気流路４０の一端は蒸発部３０に接続され、他端は凝縮器配管５２に接続されている。また、回路配線基板１０内に液流路６０が形成され、液流路６０の一端は蒸発部３０に接続され、他端は凝縮器配管５２に接続されている。
【００１９】
凝縮器配管５２の一部には放熱フィン５４が取り付けられ、この部分が凝縮部５０となり、冷媒が配管内部で凝縮して液化する部分となる。
【００２０】
なお、図１において、凝縮器配管５２は回路配線基板１０の側面から延出しているが、凝縮器配管５２が回路配線基板１０に接続される位置は、側面に限られることなく、回路配線基板１０の表面であっても裏面であってもよい。また、凝縮器配管５２を長くして所望の形状に曲げることで、放熱フィン５４が設けられた凝縮部５０を所望の位置に配置することができる。
【００２１】
図２に示すように、ループ型ヒートパイプ内では、冷媒が気化と液化を繰り返しながら循環する。蒸発部３０において、液相の冷媒（液体冷媒と称する）は半導体パッケージ２０からの熱を吸収して気化し、気相の冷媒（気体冷媒と称する）となる。蒸発部３０内で発生した気体冷媒は蒸気流路４０を通じて凝縮器配管５２の凝縮部５０に流れ込む。凝縮部５０に流れ込んだ気体冷媒は冷却され凝縮して液体冷媒となる。液体冷媒は、液流路６０を通じて蒸発部３０に供給される。
【００２２】
以上のように、ループ型ヒートパイプ内で冷媒が液化及び気化を繰り返すことで、冷媒が気化する蒸発部３０内の圧力は、冷媒が凝縮する凝縮部５０内の圧力より高くなり、ループ型ヒートパイプ内で圧力差が生じる。この圧力差により冷媒はループ型ヒートパイプ内で図２の矢印で示すように循環する。冷媒の循環サイクルにおいて、蒸発器３０内の液体冷媒が気化する際に半導体パッケージ２０から気化熱を奪うことで、半導体パッケージ２０は冷却される。
【００２３】
次に、上述のループ型ヒートパイプに関して、配線回路基板１０の一部を利用して形成された部分について説明する。
【００２４】
まず、蒸発部３０について説明する。図３は回路配線基板１０の一部に形成された蒸発部３０の内部構造を示す図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は蒸発部３０の内部構造を示す図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図５は蒸発部３０の内部構造を示す図であり、図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図６は蒸発部３０の内部構造を示す図であり、図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。図３乃至図６において、液体冷媒の流れが実線矢印で示されており、気体冷媒の流れが点線矢印で示されている。
【００２５】
回路配線基板１０に半導体パッケージ２０が実装される。回路配線基板１０の材料としては、シリコン、樹脂、セラミック等、どのような材料でもよいが、後述するように冷媒を密閉する必要があるため、冷媒に反応ぜず、また、冷媒を透過しない材料とすることが好ましい。あるいは、冷媒に接触する部分を、冷媒と反応しないような材料で覆っておくこととしてもよい。
【００２６】
本実施形態では、半導体パッケージ２０はＢＧＡ型パッケージであり、回路配線基板１０に対してフリップチップ実装される。半導体パッケージ２０はＢＧＡ型に限られず、放熱面を上にして実装できるものであれば、どのような型のパッケージでもよい。
【００２７】
半導体パッケージ２０の放熱面となる背面には、放熱板３４が取り付けられている。放熱板３４は、熱伝導性に優れた例えば金属製の板であり、半導体パッケージ２０の背面に接触した状態で取り付けられる。半導体パッケージ２０の背面から放熱板３４への熱伝達が良くなるように、熱伝導性接着剤にて放熱板３４を半導体パッケージ２０の背面に接合することが好ましい。
【００２８】
放熱板３４の上面には、図３に示すように、凹部として複数の溝３４ａが形成されている。溝３４ａは、後述のように気化した冷媒（気体冷媒）が流れる流路となる。溝３４ａが形成された放熱板３４の上にウィック３６が配置される。ウィック３６は、例えば金属やセラミックス等の焼結体により形成された平板状多孔質体であり、内部に連続した小さな孔又は通路が形成されている。この連続した孔又は通路に液体冷媒が入り込んで、毛細管現象により移動する。
【００２９】
以上のように回路配線基板１０上に配置された半導体パッケージ２０、放熱板３４及びウィック３６は、蒸発器容器３２により覆われる。蒸発器容器３２は、例えばステンレス鋼等の金属板により形成された皿状の容器である。蒸発器容器３２は回路配線基板１０に接合され、蒸発器容器３２と回路配線基板１０との間に密閉空間が形成される。すなわち、この密閉空間内に半導体パッケージ２０、放熱板３４及びウィック３６が配置された状態となる。蒸発器容器３２の回路配線基板１０への接合は、はんだ接合、ロウ付け、接着剤等を用いて行なわれる。Ｏリング等の弾性シール材を介して蒸発器容器３２を回路配線基板１０に機械的に固定してもよい。
【００３０】
本実施形態では、発熱体の一例として半導体パッケージ２０を冷却するために、上述の密閉空間に冷媒が封入される。このため、半導体パッケージ２０に冷媒が接触しないように半導体パッケージ２０を隔離する必要がある。そこで、半導体パッケージ２０の周囲に包囲部材３８を設けて、半導体パッケージ２０を冷媒が流れる空間から隔離する。
【００３１】
なお、上述の密閉空間に封入される冷媒として、水、エタノール等のアルコール類、代替フロン、炭化水素系冷媒（ブタン、ペンタン）等を用いることができる。
【００３２】
包囲部材３８は、半導体パッケージ２０からの熱が周囲に放出されずに効率的に放熱板３４に伝達されるように、断熱性に優れた材料で形成することが好ましい。また、包囲部材３８は冷媒にも接触するため、冷媒と反応せず、また冷媒を透過しないような材料とすることが好ましい。そのような材料として、例えば、ガラス、セラミックス、フッ素樹脂等がある。樹脂材として、フッ素樹脂の他に、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いることもできる。
【００３３】
包囲部材３８は半導体パッケージ２０及び放熱板３４を包囲した状態で、回路配線基板１０と放熱板３４とに接着材等により接合され、内部に半導体パッケージ２０を封止する。ただし、図４及び図５に示すように、包囲部材３８は放熱板３４の溝３４ａが開口している側面は覆わないようになっている。また、ウィック３６は包囲部材３８より上側に配置され、包囲部材３８により隔離されないようになっている。
【００３４】
以上のような構成の蒸発部３０では、蒸発器容器３２の内面と包囲部材３８の外面により冷媒流路あるいは冷媒が流れる空間が形成される。
【００３５】
一方、図４に示すように、回路配線基板１０の内部に蒸気流路４０及び液流路６０が形成されている。蒸気流路４０及び液流路６０は、回路配線基板１０の製造工程で形成される通路であり、例えば、回路配線基板１０の製造工程の途中で基板に溝を形成し、その溝の上にさらに層を形成して溝の開口部分を塞ぐことで、形成することができる。あるいは、回路配線基板１０の製造工程の途中で、予め製造した金属管を回路配線基板１０に埋め込むこととしてもよい。
【００３６】
液流路６０は、蒸発部３０に形成された液溜め部３０ａに接続される（図４，図６参照）。液溜め部３０ａは、半導体パッケージ２０及び放熱板３４を包囲する包囲部材の３辺の周囲に形成された空間であり、液溜め部３０ａの上側にはウィック３６が延在している。したがって、液溜め部３０ａに流入した液体冷媒は、液溜め部３０ａに溜まってから上方のウィック３６に吸い込まれ、ウィック３６内を通って放熱板３４の上方に移動する。液溜め部３０ａは、図５及び図６に示すようにコの字型となっており、比較的大きな容積を有する。このため、十分な量の液体冷媒を液溜め部３０ａに蓄えておくことができ、液体冷媒が連続してウィック３６に供給されても、液体冷媒の枯渇を防ぐことができる。
【００３７】
放熱板３４には半導体パッケージ２０の熱が伝わっており、温度が高くなっているため、ウィック３６内の液体冷媒は放熱板３４により加熱されて蒸発し、気体冷媒となる。言い換えれば、ウィック３６内の液体冷媒は、放熱板３４から気化熱を奪って気化する。これにより放熱板３４は冷却され、放熱板３４に熱的に接続されている半導体パッケージも冷却される。
【００３８】
放熱板３４の上のウィック３６内で気化して発生した気体冷媒は、放熱板３４の上面の複数の溝３４ａを流れて蒸気溜め部３０ｂに入る。蒸気溜め部３０ｂは、図５に示すように包囲部材３８から外側に延在する分離部３８ａにより、液溜め部３０ａから隔離されており、液体冷媒が蒸気溜め部３０ｂに流れ込まないようになっている。液溜め部３０ａには、回路配線基板１０内に形成された蒸気流路４０が接続されており、液溜め部３０ａに溜まった気体冷媒は蒸気流路４０に流れ込む。言い換えれば、蒸発器容器を回路配線基板１０に接合して形成された密閉空間は、包囲部材３８の分離部３８ａにより、蒸気流路４０が接続された側と、液流路が接続された側に分離されている。
【００３９】
蒸気流路４０に流れ込んだ気体冷媒は、蒸気流路４０を流れて凝縮器配管５２を通り、凝縮部５０に入る。気体冷媒は凝縮部５０で放熱して凝縮し、液体冷媒に変化する。凝縮部で生成された液体冷媒は、回路配線基板１０内に形成された液流路６０を通じて再び蒸発部３０の液溜め部３０ａに流れ込む。
【００４０】
以上のように、本実施形態によるループ型ヒートパイプは、蒸発部３０と蒸気流路４０と凝縮部５０と液流路６０とが繋がることで形成された冷媒の循環流路を有する。したがって、本実施形態によるループ型ヒートパイプ内において、冷媒は、蒸発部３０にて気化するときの気化熱を半導体パッケージ２０から奪い且つ半導体パッケージ２０から奪った熱を凝縮部５０で放出しながら、循環流路を循環する。これにより、半導体パッケージ２０を効率的に冷却することができる。
【００４１】
本実施形態では、蒸発部３０において放熱板３４に直接取り付けられたウィック３６において液体冷媒が気化する。すなわち、ウィック３６がヒートパイプの蒸発器に相当する部分である。したがって、本実施形態では、蒸発器を回路配線基板１０内に組み込んだこととなり、従来のように蒸発器を含むヒートパイプを回路基板上の半導体パッケージに取り付けるためのスペースほど大きなスペースを必要としない。
【００４２】
また、回路配線基板１０とその上に実装した電子部品で形成される電子装置の厚みは、放熱板３４とウィック３６を覆う蒸発器容器３２の突出高さのみが加わるだけとなる。すなわち、本実施形態によるループ型ヒートパイプを用いた電子装置の厚みは、回路配線基板１０とは別個に作成したヒートパイプを半導体パッケージ２０に取り付けたときの電子装置の厚みより小さくなる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、蒸気流路４０及び液流路６０が回路配線基板１０内に形成されているので、蒸気流路４０及び液流路６０を形成する配管を回路配線基板１０上に設ける必要は無く、その分のスペースも省くことができる。
【００４４】
また、放熱板３４がウィック３６への伝熱部材として機能することで、従来の放熱板と蒸発器との間の界面に用いられている材料（TIM：Thermal Interface Material）を用いなくても、接触熱抵抗を低減できる。
【００４５】
なお、図３乃至図６に示す例では、気化した液体冷媒を蒸気溜め部３０ｂに流すために、放熱板３４に凹部として複数の溝３４ａを設けているが、図７及び図８に示すように、ウィック３６に凹部として複数の溝３６ａを設けることとしてもよい。
【００４６】
図９は上述のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子装置の平面図である。電子装置は、上述の回路配線基板１０と、回路配線基板１０を用いて形成されたループ型ヒートパイプとを有する。回路配線基板１０には、半導体パッケージ２０及び抵抗２２、コンデンサ２４、メモリ２６、ＩＣ２８等の他の電子部品が実装され、所定の機能を提供する回路が形成されている。半導体パッケージ２０は、回路配線基板１０を用いて形成されたループ型ヒートパイプにより冷却される。
【００４７】
ここで、上述のループ型ヒートパイプを作成した実施例について説明する。
【００４８】
（実施例１）
大きさ３５ｍｍ×３５ｍｍのＬＳＩパッケージの上に、インジウム（Ｉｎ）などからなる金属製の伝熱部材を介して銅（Ｃｕ）製の放熱板を取り付けた。放熱板の大きさは５０ｍｍ×５０ｍｍであり，厚さは６ｍｍであった。放熱板には幅２ｍｍ、深さ１ｍｍ、長さ４０ｍｍの溝を２ｍｍ間隔で７本形成した。この時、放熱板の外周は、ＰＴＦＥなどの耐熱性樹脂により形成した包囲部材によって固定した。この放熱板の上に、ＳＵＳ焼結金属からなる多孔質体を載置した。多孔質体の平均気孔半径５μｍであり、空隙率は４５％であった。多孔質体の大きさは５５ｍｍ×５５ｍｍであり、厚さは２ｍｍであった。これらを図３に示すように、ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる容器で覆い、容器を回路配線基板にはんだ接合することによって蒸発部の封止を行なった。ＬＳＩパッケージ、放熱板及び包囲部材の外周部には、上述の実施形態のように流路構造を形成した。流路構造は、通常のビルドアップ配線基板の製造工程において、ドリル等でパターン形成した基板を張り合わせることで形成した。回路配線基板内に形成された液流路および蒸気流路は、凝縮部を有する凝縮器配管に接続した。発熱体であるＬＳＩパッケージと凝縮部までの距離は３００ｍｍ程度であり、密閉されたループ内に代替フロン（例えば、HMC-365mfc（沸点４０℃））を封入してループ型ヒートパイプを形成した。
【００４９】
従来の半導体装置では，放熱板の上に例えば高さ３０ｍｍのヒートシンクを取り付け、空冷によってＬＳＩパッケージの冷却を行なっていたが、本実施例では、放熱板の上に、厚さ２ｍｍの多孔質体と厚さ１ｍｍの蒸発器容器があるだけである。すなわち、本実施例のループ型ヒートパイプを用いることで、従来と比較して、部品実装高さを１／１０にすることができた。
【００５０】
（実施例２）
大きさ３０ｍｍ×３０ｍｍのＬＳＩパッケージの上に，アルミナなどからなるフィラーを含有する樹脂ペースト状の伝熱部材を介してＣｕ製の放熱板を取り付けた。放熱板の大きさは５０ｍｍ×５０ｍｍであり、厚さは５ｍｍであった。放熱板の外周は、ＰＴＦＥなどの耐熱性樹脂により形成した支持部材によって固定した。この放熱板の上に、セラミックス焼結体からなる多孔質体を載置した。多孔質体の平均気孔半径は４μｍ、空隙率は４０％であった。多孔質体の大きさは５５ｍｍ×５５ｍｍであり、厚さは３ｍｍであった。セラミックス多孔質体と放熱板の接触部には、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍ、長さ４０ｍｍの溝を２ｍｍ間隔で７本形成した。放熱板およびそれを包囲する包囲部材、セラミックス多孔質体を図７に示すようにステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる容器で覆い、回路配線基板とはんだ接合することによって蒸発部の封止を行なった。ＬＳＩパッケージ、放熱板および包囲部材の外周部には、上述の実施形態のように流路構造を形成した。流路構造は、通常のビルドアップ配線基板の製造工程において、ドリル等でパターン形成された基板を張り合わせることで形成した。回路配線基板内に形成された液流路および蒸気流路は、凝縮部を有する凝縮器配管に接続した。発熱体であるＬＳＩパッケージと凝縮部までの距離は３００ｍｍ程度であった。密閉されたループ内にエタノール（沸点７８℃）を封入してループ型ヒートパイプを形成した。
【００５１】
以上のように、本明細書は以下の事項を開示する。
（付記１）
基板に搭載された発熱体と、
該発熱体を収容した蒸発部と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、
前記第蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部と
を有し、
前記蒸発部、前記蒸気流路、前記凝縮部、及び前記液流路は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプ。
（付記２）
付記１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部は前記基板に接合された容器を含み、
該容器と前記基板とにより形成された密閉空間内に前記発熱体が収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記３）
付記２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体に接触して載置された放熱板と、該放熱板の上に配置されたウィックとが前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記４）
付記３記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体と前記放熱板とを包囲する包囲部材が前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記５）
付記４記載のループ型ヒートパイプであって、
前記包囲部材は断熱材により形成されたループ型ヒートパイプ。
（付記６）
付記４又は５記載のループ型ヒートパイプであって、
前記包囲部材は、前記密閉空間を、前記蒸気流路が接続された側と前記液流路が接続された側とに分離する分離部を有するループ型ヒートパイプ。
（付記７）
付記６記載のループ型ヒートパイプであって、
前記放熱板と前記ウィックのうち少なくとも一方に、前記密閉空間の前記蒸気流路が接続された側に開口する凹部が形成されたループ型ヒートパイプ。
（付記８）
付記７記載のループ型ヒートパイプであって、
前記凹部は、前記放熱板と前記ウィックとが接する面に開口する複数の溝を含むループ型ヒートパイプ。
（付記９）
付記１乃至８のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸気流路の一端と前記液流路の一端は前記基板の面に開口し、前記凝縮部を含む凝縮器配管が前記蒸気流路の前記一端と前記液流路の前記一端に接続されたループ型ヒートパイプ。
（付記１０）
付記９記載のループ型ヒートパイプであって、
前記凝縮部は前記凝縮器配管の外側に放熱フィンが取り付けられた部分を含むループ型ヒートパイプ。
（付記１１）
付記１乃至１０記載のループ型ヒートパイプと、
前記ループ型ヒートパイプの蒸発部が形成された基板に搭載された電気部品と
を有し、
前記蒸発部に設けられた発熱体は電子部品であり、該電子部品と前記電気部品とで所定の回路を形成する電子装置。
（付記１２）
基板に搭載された発熱体と、
該発熱体に接触して載置された放熱板と、
該放熱板に接触して載置されたウィックと
該放熱板および該ウィックを密閉空間内に収容した蒸発部と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、
前記蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部と
を有し、
前記蒸発部、前記蒸気流路、前記凝縮部、及び前記液流路は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプ。
（付記１３）
付記１２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体と前記放熱板とを包囲する包囲部材が前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記１４）
付記１３記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部は前記基板に接合された容器を含み、
該容器と前記基板とにより形成された密閉空間内に前記発熱体が収容されたループ型ヒートパイプ。
（付記１５）
付記１４記載のループ型ヒートパイプであって、
前記包囲部材は、前記密閉空間を、前記蒸気流路が接続された側と前記液流路が接続された側とに分離する分離部を有するループ型ヒートパイプ。
（付記１６）
付記１５記載のループ型ヒートパイプであって、
前記放熱板と前記ウィックのうち少なくとも一方に、前記密閉空間の前記蒸気流路が接続された側に開口する凹部が形成されたループ型ヒートパイプ。
（付記１７）
付記１２乃至１６のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプと、
前記ループ型ヒートパイプの蒸発部が形成された基板に搭載された電気部品と
を有し、
前記蒸発部に設けられた発熱体は電子部品であり、該電子部品と前記電気部品とで所定の回路を形成する電子装置。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 回路配線基板
２０ 半導体パッケージ
３０ 蒸発部
３０ａ 液溜め部
３０ｂ 蒸気溜め部
３２ 蒸発器容器
３４ 放熱板
３４ａ 溝
３６ ウィック
３６ａ 溝
３８ 包囲部材
３８ａ 分離部
４０ 蒸気流路
５０ 凝縮部
５２ 凝縮器配管
５４ 放熱フィン
６０ 液流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に搭載された発熱体と、
該発熱体を収容した蒸発部と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、
前記第蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部と
を有し、
前記蒸発部、前記蒸気流路、前記凝縮部、及び前記液流路は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
請求項１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部は前記基板に接合された容器を含み、
該容器と前記基板とにより形成された密閉空間内に前記発熱体が収容されたループ型ヒートパイプ。
【請求項３】
請求項２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体に接触して載置された放熱板と、該放熱板の上に配置されたウィックとが前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
【請求項４】
請求項３記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体と前記放熱板とを包囲する包囲部材が前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
【請求項５】
請求項４記載のループ型ヒートパイプであって、
前記包囲部材は、前記密閉空間を、前記蒸気流路が接続された側と前記液流路が接続された側とに分離する分離部を有するループ型ヒートパイプ。
【請求項６】
請求項５記載のループ型ヒートパイプであって、
前記放熱板と前記ウィックのうち少なくとも一方に、前記密閉空間の前記蒸気流路が接続された側に開口する凹部が形成されたループ型ヒートパイプ。
【請求項７】
基板に搭載された発熱体と、
該発熱体を収容した蒸発部と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、
前記第蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部と
を有し、
前記蒸発部、前記蒸気流路、前記凝縮部、及び前記液流路は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプと、
前記ループ型ヒートパイプの蒸発部が形成された基板に搭載された電気部品と
を有し、
前記蒸発部に設けられた発熱体は電子部品であり、該電子部品と前記電気部品とで所定の回路を形成する電子装置。
【請求項１】
基板に搭載された発熱体と、
該発熱体を収容した蒸発部と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、
前記第蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部と
を有し、
前記蒸発部、前記蒸気流路、前記凝縮部、及び前記液流路は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
請求項１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部は前記基板に接合された容器を含み、
該容器と前記基板とにより形成された密閉空間内に前記発熱体が収容されたループ型ヒートパイプ。
【請求項３】
請求項２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体に接触して載置された放熱板と、該放熱板の上に配置されたウィックとが前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
【請求項４】
請求項３記載のループ型ヒートパイプであって、
前記発熱体と前記放熱板とを包囲する包囲部材が前記蒸発部の前記密閉空間内に収容されたループ型ヒートパイプ。
【請求項５】
請求項４記載のループ型ヒートパイプであって、
前記包囲部材は、前記密閉空間を、前記蒸気流路が接続された側と前記液流路が接続された側とに分離する分離部を有するループ型ヒートパイプ。
【請求項６】
請求項５記載のループ型ヒートパイプであって、
前記放熱板と前記ウィックのうち少なくとも一方に、前記密閉空間の前記蒸気流路が接続された側に開口する凹部が形成されたループ型ヒートパイプ。
【請求項７】
基板に搭載された発熱体と、
該発熱体を収容した蒸発部と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された蒸気流路と、
前記基板中に形成され、前記蒸発部に接続された液流路と、
前記第蒸気流路と前記液流路との間に設けられた凝縮部と
を有し、
前記蒸発部、前記蒸気流路、前記凝縮部、及び前記液流路は、密封された循環流路を形成し、該循環流路に冷媒が封入されたループ型ヒートパイプと、
前記ループ型ヒートパイプの蒸発部が形成された基板に搭載された電気部品と
を有し、
前記蒸発部に設けられた発熱体は電子部品であり、該電子部品と前記電気部品とで所定の回路を形成する電子装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２０７８４９（Ｐ２０１２−２０７８４９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７３６７０（Ｐ２０１１−７３６７０）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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