(57)【要約】【課題】少なくとも一部に中空配管体を有すプレート配管体、およびプレート配管体を用いた部品の提供。【解決手段】複数枚の金属板のうち少なくとも一枚の金属板２２に中空配管部となる凹部を形成し、他の金属板２４を積層して全部もしくは一部の凹部を閉塞するように接合して、プレート配管体２０を製造する。あるいは一枚の金属板の少なくとも一部に凹部を形成し、金属板の他の部分を折り曲げなどによって積層して全部もしくは一部の凹部を閉塞するように接合してプレート配管体を製造する。これらのプレート配管体を用いてマイクロヒートパイプなどとして利用し、熱拡散板などの部品を製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の金属板の内少なくとも１枚に配管状の凹部が設けられ、該凹部を全部もしくは部分的に閉塞するように他の金属板に積層されることにより、所定形状の中空配管が形成されることを特徴とするプレート配管体。
【請求項２】
１枚の金属板の少なくとも一部に配管状の凹部が設けられ、該凹部を全部もしくは部分的に閉塞するように該金属板の他の部分に積層されることにより、所定形状の中空配管が形成されることを特徴とするプレート配管体。
【請求項３】
前記プレート配管体は、中空配管の少なくとも一部の中空部断面形状において、中空部の幅方向の距離に対して、中空部の高さ方向の距離が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のプレート配管体。
【請求項４】
前記積層が、圧接装置の圧接面に前記所定形状の中空配管に対応するように非加圧部を設けて、前記複数枚の金属板を圧接して行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプレート配管体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のプレート配管体を用いることを特徴とする部品。
【請求項６】
ヒートパイプ、ガス配管、プリント配線板、ＩＣパッケージ、インターポーザ、ＭＥＭＳ用途のいずれかに適用されることを特徴とする請求項５に記載の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板状の金属板に配管部を構成するための凹部を形成して積層したプレート配管体、および熱交換器などに用いることのできるプレート配管体を用いた部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の発達に伴い電子基板などに搭載される電子部品の搭載密度が高くなり、半導体素子サイズと同程度の大きさを有するパッケージなどの使用や、半導体素子のベアチップ実装など高密度化を図る実装方法が進められてきている。そのような中で半導体素子を素子自体の発熱から如何にして守るかということが問題になってきており、排熱の手段などがしきりに議論されている。このような問題に呼応して各種ヒートパイプなど熱拡散技術の提案がされてきている。特許文献１および２には、内部にトンネル状の中空部を有するヒートパイプやヒートシンクなどに適用できる中空積層体に関する技術が開示されており、特許文献３には、過剰な熱や圧力を加えることなく金属板同士を接合する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１５１６３７号公報
【特許文献２】特開２００２−２１９５８２号公報
【特許文献３】特開平１−２２４１８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、平板状の金属板に配管部を構成するための凹部を設けて積層したプレート配管体、および熱交換器などに用いることのできるプレート配管体を用いた部品を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記課題に対する第１の解決手段として本発明のプレート配管体は、複数枚の金属板の内少なくとも１枚に配管状の凹部が設けられ、該凹部を全部もしくは部分的に閉塞するように他の金属板に積層接合されることにより、所定形状の中空配管が形成される構成とした。あるいは１枚の金属板の少なくとも一部に配管状の凹部が設けられ、該凹部を全部もしくは部分的に閉塞するように該金属板の他の部分に積層されることにより、所定形状の中空配管が形成される構成とした。また前記プレート配管体は、中空配管の少なくとも一部の中空部断面形状において、中空部の幅方向の距離に対して、中空部の高さ方向の距離ほうが大きい構成とした。あるいは前記積層が、圧接装置の圧接面に前記所定形状の中空配管に対応するように非加圧部を設けて、前記複数枚の金属板を圧接して行われる構成とした。
【０００５】
前記課題に対する第２の解決手段として本発明の部品は、前記のプレート配管体を用いる構成とした。またヒートパイプ、ガス配管、プリント配線板、ＩＣパッケージ、インターポーザ、ＭＥＭＳ用途のいずれかに適用される構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明においては、以下に説明するように、本発明のプレート配管体は、複数枚の金属板の内少なくとも１枚（または１枚の金属板の少なくとも一部）に、配管状の凹部が設けられ、該凹部を全部もしくは部分的に閉塞するように他の金属板（または該金属板の他の部分）に積層されることにより、所定形状の中空配管が形成されるものであり、本発明の部品はプレート配管体を用いたものである。このため熱伝導や熱拡散などに用いられるヒートパイプやヒートシンク、排熱や放熱などを目的としたプリント配線板、ＩＣパッケージ、インターポーザ、ＣＳＰ（チップサイズパッケージまたはチップスケールパッケージ）やＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）などのＩＣパッケージや、各種のＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステムズ）用途などにも好適に用いることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明のプレート配管体の一実施形態を示す概略断面図であり、２枚の金属板２２と２４とを積層した例を示している。金属板２２には凹部を設けてあり、金属板２４には凹部を設けていない平板状の金属板である。なお本発明のプレート配管体では、金属板の双方に対向する凹部を設けている構造も製造可能である。
【０００８】
本発明に用いる金属板としては、複数枚の金属板を用いる場合には、少なくとも１枚には凹部を設けることが可能な素材で、この凹部を全部もしくは部分的に閉塞するように他の金属板を積層して所定形状の中空配管を形成することにより、プレート配管体を製造可能な素材であれば特にその種類は限定されず、プレート配管体の用途により適宜選択して用いることができる。また１枚の金属板を用いる場合には、少なくとも一部に配管状の凹部が設けられ、該凹部を全部もしくは部分的に閉塞するように該金属板の他の部分が折り重ねられたりして積層されて所定形状の中空配管を形成することにより、プレート配管体を製造可能な素材であれば特にその種類は限定されず、プレート配管体の用途により適宜選択して用いることができる。例えば、常温で固体である金属や、これらの金属のうち少なくとも１種類を含む合金や、これらの金属や合金を少なくとも１層有する積層体などである。なお金属板は、電解箔や圧延箔などの板材であってもよいし、板材にめっきや蒸着などによる膜材を予め積層したものであってもよいし、クラッド材などの積層体でもよいし、積層体に拡散処理などを施したものであってもよい。
【０００９】
常温で固体である金属とは、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏなどである。これらの金属のうち少なくとも１種類を含む合金には、例えば、ＪＩＳに規定の合金なども含むことができ、合金鋼やステンレス鋼の他にも、Ｃｕ系合金では、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅、丹銅、黄銅、快削黄銅、すず入り黄銅、アドミラルティ黄銅、ネーバル黄銅、アルミニウム青銅、白銅など、Ａｌ系合金では、１０００系、２０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系など、Ｎｉ系合金では、常炭素ニッケル、低炭素ニッケル、ニッケル−銅合金、ニッケル−銅−アルミニウム−チタン合金、ニッケル−モリブデン合金、ニッケル−モリブデン−クロム合金、ニッケル−クロム−鉄−モリブデン−銅合金、ニッケル−クロム−モリブデン−鉄合金などがある。また金属間化合物などの合金層も利用することができる。これらの金属や合金を少なくとも１層有する積層体とは、例えば、クラッド材、メッキ材、蒸着膜材などであり、層数に制限は特にない。
【００１０】
本発明に用いる金属板の厚みは、プレート配管体を製造可能であれば特に限定はされず、プレート配管体の用途により適宜選定して用いることができる。例えば、５〜５００μｍである。５μｍ未満では充分な機械的強度を保持することが難しくなり、５００μｍを超えるとプレート配管体としての重量が重くなったり製造が難しくなったりする。好ましくは、１０〜２００μｍである。
【００１１】
図１に示すプレート配管体２０の製造について、活性化接合法を用いた製造方法について説明する。複数枚の金属板を用いて中空配管を形成する場合には、まず少なくとも１枚の金属板に配管部となる所定形状の凹部を設けるための形成加工を施す。次にこれらの金属板を真空槽内に複数枚装填し、真空層内の活性化処理装置に搬送して垂直または水平など適切な位置に処理すべき面を対向または並置した状態などで設置または把持して固定して、各々の金属板の接合予定面側を活性化処理する。次に金属板の活性化処理された面同士を対向させて圧接することにより、複数枚の金属板を接合して積層させて所定形状の中空配管を有するプレート配管体を製造する。この際の接合処理は、金属板を保持する装置が圧接装置を兼ねる場合には活性化処理後に設置または把持したまま圧接し、金属板を保持する装置が圧接装置を兼ねない場合にはプレス装置などの圧接装置に搬送して圧接を行うことにより達成することができる。さらに接合処理は真空層内で行ってもよいし、酸化や吸着などにより活性化処理面が再び不活性となってしまわない間の比較的短時間であれば真空層より取り出して接合処理を行ってもよい。
【００１２】
活性化処理は、以下のようにして実施する。すなわち、真空槽内に装填された金属板２２および２４をそれぞれ絶縁支持された一方の電極Ａと接触させ、アース接地された他の電極Ｂとの間に、１０〜１×１０−３Ｐａの極低圧不活性ガス雰囲気中で、１〜５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、グロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ａと接触した金属板２２および２４のそれぞれの接合予定面側の面積が、実効的に電極Ｂの面積の１／３以下となるようにスパッタエッチング処理する。不活性ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトンなどやこれらを含む混合体を適用することができる。好ましくはヘリウムやアルゴンなどである。なお不活性ガス圧力が１×１０−３Ｐａ未満では安定したグロー放電が行いにくく高速エッチングが困難であり、１０Ｐａを超えると活性化処理効率が低下する。印加する交流は、１ＭＨｚ未満では安定したグロー放電を維持するのが難しく連続エッチングが困難であり、５０ＭＨｚを超えると発振し易く電力の供給系が複雑となり好ましくない。また効率よくエッチングするためには電極Ａと接触した金属板２２および２４のそれぞれの面積を実効的に電極Ｂの面積より小さくする必要があり、実効的１／３以下とすることにより充分な効率でエッチング可能となる。
【００１３】
その後、活性化処理された金属板２２と２４を積層接合する。積層接合は、金属板２２および２４の接合予定面側が対向するようにして両者を当接して重ね合わせ圧接装置で冷間圧接を施すことによって達成することができる。この際の積層接合は低温度で可能であり、金属板２２および２４ならびに接合部に組織変化や合金層の形成などといった悪影響を軽減または排除することが可能である。Ｔを金属板２２、２４の温度（℃）とするとき、０℃＜Ｔ＜３００℃で良好な圧接状態が得られる。０℃以下では特別な冷却装置が必要となり、３００℃以上では組織変化などの悪影響が生じてくるため好ましくない。また圧延率Ｒ（％）は、０．０１％≦Ｒ≦３０％であることが好ましい。０．０１％未満では充分な接合強度が得られず、３０％を超えると変形が大きくなり加工上好ましくない。より好ましくは、０．１％≦Ｒ≦３％である。さらに好ましくは、１％＜Ｒ≦３％である。
【００１４】
圧接装置は、金属板を把持または固定するプレス金型などで構成されており、少なくとも一方のプレス金型は、所定形状の凹部が形成された金属板の裏面凸部の形状に対応するように窪みが備えられており、圧接加工の際には金属板の凸部すなわち配管を形成する凹部が変形をしないように配されている。なお圧接装置はプレス装置に限定されるものではなくロール成形加工などの加工方法を用いるものであってもよい。これらの場合には、ロールもしくは金型に上述の窪みを備えるようにしてもよい。なお金型は放電加工やエッチング加工によって製作することが可能である。
【００１５】
プレート配管体の中空配管部の断面形状は特定のものに限定されているわけではなく、用途などに応じて種々の形態を採用することができる。例えば中空配管部の幅方向の距離よりも高さ方向との距離が大きい場合などである。これはプレート配管体が、軽量化を目的として金属板の薄肉化を目指している場合などには、プレート配管体の機械的性質が犠牲とされることもあり、その場合には剛性などを必要とする分野ではあまり適していなかった。このような場合に中空配管部の幅方向の長さよりも高さを大きく採ることによって剛性の問題に対処することが可能となってくる。またプレート配管体が熱拡散板などの放熱性を必要とするような適用分やの場合には、高さのある配管部によってプレート配管体の底面積に対して実行的な表面積が増えることになり放熱性を高める効果がある。なお断面形状は、三角形状でも円状、楕円状、台形状などの四角形状であってもかまわない。
【００１６】
また１枚の金属板を用いて中空配管を形成する場合には、金属板の少なくとも一部に配管部となる所定形状の凹部を設けるための形成加工を施し、真空層内に装填して活性化処理を施す。次に折り曲げ加工などによって該凹部を全部もしくは部分的に閉塞するように該金属板の他の部分を折り重ねる加工を施す。折り重ね加工は、金属板の対向する部分が密着するように行ってもよいし、隙間を残していてもよい。この折り重ね加工をすることにより活性化処理面を対向させることができ、これに圧接加工を施すことにより所定形状の中空配管を有するプレート配管体を製造することができる。なお折り重ねの折り目となる部分は活性処理を無くすかあるいは活性化されても弱い活性ですむようにして折り重ね加工を行うことが可能である。例えば、プレス加工などによって凹部を形成する際に折り目部分も窪ませたり、さらには活性化を防止もしくは弱める薬剤などを折り目部分に塗布することなどにより活性を抑えることができる。あるいは活性化処理装置の電極形状に配慮しながら、予め比較的浅めの角度の折り目を付けておくといった方法を用いることもできる。
【００１７】
以上のようにして積層接合することにより、所定形状を有するプレート配管体２０を形成することができる。さらに必要により所定の大きさに切り出して、図１に示すようなプレート配管体２０を製造することができる。またこのようにして製造されたプレート配管体２０に、必要により残留応力の除去または低減などのために問題が生じない範囲で熱処理を施してもよいし、さらに半田めっきなどの膜材などを積層してもよい。また上記活性化処理工程と積層接合工程の間にスッパタリング工程を入れて、金属板２２、２４の一方または双方にそれらと同種または異種のスパッタリング層を形成させてもよい。また上述の活性化接合法の代わりに加熱圧接の方法を利用することなども可能である。また、ろう材や樹脂などの接着層を設けて接合することも可能である。例えば、上述の図１に示す積層材にＳｎなどの低融点金属や低融点合金を被覆して、加熱圧接を行ってもよい。
【００１８】
本発明の部品は、プレート配管体を用いたものであり、細径空洞を有する平板型マイクロヒートパイプとして熱拡散板などに利用することができる。プレート配管体の中空配管部の高さを幅方向の距離よりも大きくしているため、プレート配管体の表面積を著しく増大させることが可能であり、空冷にも好適な構造を有している。さらに細径空洞を導波路や導光路として利用することも可能であり、流体などの流路としても利用できる。またガス配管などとしても利用することも可能であり、ヘリウムやアルゴン、窒素などの不活性ガスは無論のこと、中空配管部の材料を適切に選ぶことにより、水素や酸素、メタンなど各種の気体に対応することができる。
【実施例】
【００１９】
以下に、実施例を図面に基づいて説明する。金属板２２として厚み１００μｍの銅板を用い、幅３００μｍ、深さ５００μｍの配管パターンの窪みとなるようにプレス成形を行った。次に金属板２４として厚み１００μｍの銅板を用いて、プレス成形された金属板２２と共にプレート配管体製造装置にセットし、真空槽内の活性化処理ユニットでそれぞれスパッタエッチング法によりそれぞれ活性化処理し、圧接ユニットで冷間圧接して積層接合してプレート配管体２０を製造した。このプレート配管体の中空配管部にヒートパイプ作動体として純水を少量入れて、配管内部を減圧状態にして密封してヒートパイプを製造した。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の部品はプレート配管体を用いたものであり、熱伝導や熱拡散などに用いられるヒートパイプやヒートシンク、排熱や放熱などを目的としたプリント配線板、ＩＣパッケージ、インターポーザ、ＣＳＰ（チップサイズパッケージまたはチップスケールパッケージ）やＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）などのＩＣパッケージや、各種のＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステムズ）用途などにも好適に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のプレート配管体の一実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
２０    プレート配管体
２２    金属板
２４    金属板
【図１】
2006220382.tif 000003