(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底板と前記底板よりも厚いカバーとを備えた冷却部品の、前記カバーと前記底板との間の空間に加圧ガスが供給することにより、前記底板を球面状に膨らます工程と、
前記冷却部品の球面状の前記底板を熱接合材を介して電子部品に押し付けることにより、前記底板と前記電子部品とを接合する工程と、
を有することを特徴とする冷却部品の接合方法。
【請求項２】
前記底板を膨らます工程は、前記底板を加熱しながら行われることを特徴とする請求項１に記載の冷却部品の接合方法。
【請求項３】
前記空間に表出した前記底板の表面に複数のピンが立設され、前記ピンの間を冷媒が流れることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却部品の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却部品の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバやパーソナルコンピュータ等の電子機器にはCPU(Central Processing Unit)等の電子部品が搭載される。その電子部品が許容温度を超えて発熱すると、電子部品の動作が保障されなくなり、電子機器が故障してしまう。これを防止するために、サーバ等には電子部品を冷却するための冷却部品が設けられる。
【０００３】
冷却部品は空冷式と液冷式とに大別される。このうち、液冷式には、液体の冷媒で電子部品を冷却する方式と気液二相方式とがある。前者は、冷媒を気化させずに液相の状態に保持しながら電子部品を冷却する方式である。液体の冷媒の熱容量は空気のそれと比較して遥かに高いため、この方式では熱の運搬速度が空冷式よりも高いという利点がある。
【０００４】
そして、後者の気液二相方式は、水等の冷媒の気化熱によって電子部品を冷却する方式であって、気化熱により電子部品の熱を速やかに奪うことができ、冷却効率が良いという点で他の冷却式方式よりも有利である。
【０００５】
上記した二種類の液冷式のいずれにおいても、冷却部品の内部には冷媒が供給される空間が確保されており、その空間を外界から仕切る底板が冷却部品に設けられる。そして、その底板を電子部品に接合することにより電子部品の熱が冷媒により奪われ、電子部品が冷却される。
【０００６】
ここで、電子部品の熱を底板を介して冷却部品内の冷媒に効率的に伝えるには、底板をなるべく薄くして底板の熱抵抗を下げるのが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１７１５６９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６６１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述のように底板を薄くしたのでは、強度の低下によって底板が変形するおそれがある。こうなると、底板が電子部品から離れてしまい、冷却部品で電子部品を効率的に冷却することができなくなくなってしまう。
【０００９】
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却部品の底板が電子部品から離れてしまうのを防止することが可能な冷却部品の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下の開示の一観点によれば、底板と前記底板よりも厚いカバーとを備えた冷却部品の、前記カバーと前記底板との間の空間に加圧ガスが供給することにより、前記底板を球面状に膨らます工程と、前記冷却部品の球面状の前記底板を熱接合材を介して電子部品に押し付けることにより、前記底板と前記電子部品とを接合する工程と、を有する冷却部品の接合方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
以下の開示によれば、冷却部品の底板が電子部品から離れてしまうのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、検討に使用した液冷式の冷却部品とその周囲の断面図である。
【図２】図２は、検討に使用した液冷式の冷却部品の問題について説明するための断面図である。
【図３】図３は、検討に使用した液冷式の冷却部品の問題について説明するための断面図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る冷却装置の構成図である。
【図５】図５は、本実施形態において、冷却部品とラジエタの配置の仕方の一例を示す斜視図である。
【図６】図６は、本実施形態に係る冷却部品の断面図である。
【図７】図７は、本実施形態に係る冷却部品の底板の上面図である。
【図８】図８（ａ）は図７のI−I線に沿う断面図であり、図８（ｂ）は図７のII−II線に沿う断面図である。
【図９】図９は、本実施形態に係る冷却部品の接合方法について説明するための模式断面図（その１）である。
【図１０】図１０は、本実施形態に係る冷却部品の接合方法について説明するための模式断面図（その２）である。
【図１１】図１１は、本実施形態に係る冷却部品の接合方法について説明するための模式断面図（その３）である。
【図１２】図１２は、本実施形態において、電子部品が底板に密着した様子を模式的に示す平面図である。
【図１３】図１３は、比較例に係る底板の斜視図である。
【図１４】図１４は、比較例に係る底板に電子部品を密着させた様子を模式的に示す平面図である。
【図１５】図１５は、比較例で生じる別の問題を模式的に説明するための平面図である。
【図１６】図１６（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る冷却部品の製造途中の断面図（その１）である。
【図１７】図１７は、本実施形態に係る冷却部品の製造途中の断面図（その２）である。
【図１８】図１８は、本実施形態に係る冷却部品の製造途中の断面図（その３）である。
【図１９】図１９は、本実施形態においてピンが形成された底板の拡大平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。
【００１４】
図１は、検討に使用した液冷式の冷却部品とその周囲の断面図である。
【００１５】
液冷方式には、前述のように液体の冷媒で電子部品を冷却する方式と、気液二相方式とがあるが、本例では前者のように液体の冷媒で電子部品を冷却する方法を例にして説明する。
【００１６】
この冷却部品１は、銅板等の底板５とカバー６とを有しており、冷却対象となる電子部品３が底板５に熱的に接続される。これらの底板５とカバー６により空間Sが確定され、その空間S内に水等の冷媒Cを供給することにより、冷媒Cで電子部品３が冷却される。
【００１７】
この例では、カバー６に供給口６ａを設け、当該供給口６ａから冷却部品１内に冷媒Cを供給する。その冷媒Cは、電子部品３を冷却して高温の冷媒Cvとなり、カバー６の排出口６ｂから外部に排出される。
【００１８】
また、底板５には複数のピン５ｘが設けられる。各ピン５ｘの間の空間は、冷媒Cが流れるマイクロチャネルとして供される。これにより、底板５が平板である場合と比較して冷媒Cと底板５との接触面積が増加し、電子部品３を効率的に冷却できる。
【００１９】
一方、電子部品３は、CPU等のように動作時に発熱する部品であって、回路基板４にはんだバンプ７を介して接続される。また、電子部品３の上面には熱接合材９が塗布されており、これにより電子部品３と冷却部品１との間の熱抵抗が低減される。その熱接合材９として、例えば熱伝導グリスを使用し得る。
【００２０】
更に、回路基板４と冷却部品１はネジ８によって機械的に固定されており、そのネジ８を締め付けることにより、熱接合材９を介して電子部品３と底板５とが密着する。
【００２１】
このような冷却部品１において電子部品３の冷却を促すには、ネジ８の締め付け力を大きくすることで電子部品３と底板５とを強く密着させ、電子部品３と底板５との間の熱抵抗を低減すればよいと考えられる。
【００２２】
しかしながら、このようにネジ８の締め付け力を大きくすると、以下のような問題が生じることが明らかとなった。
【００２３】
図２は、この問題について説明するための断面図であって、底板５付近の拡大断面図である。
【００２４】
前述のように電子部品３と底板５とを強く密着させると、電子部品３のコーナ部３ｅが支点となって底板５が湾曲し、電子部品３の中央部３ｘが底板５から大きく離れてしまう。その結果、底板５と電子部品３との間の熱抵抗が上昇し、冷却部品１で電子部品３を冷却するのが難しくなる。
【００２５】
図３は、この様子を模式的に示す平面図である。
【００２６】
なお、図３においては、底板５と電子部品３とが密着しているとみなせる領域Rにハッチングを掛け、電子部品３が底板５から大きく離れている領域Qを白抜きで表している。
【００２７】
図３に示すように、底板５は平面視で正方形であって、その四隅に前述のネジ８が設けられる。
【００２８】
これらのネジ８によって電子部品３は四方から押圧力を受ける。その結果、電子部品３が底板５から大きく離れている領域Qの形状は、中央部３ｘを含む円形状となる。
【００２９】
電子部品３の中央部３ｘは高温になり易く優先的に冷却する必要であるにも関わらず、このように中央部３ｘにおいて底板５が浮いてしまうと電子部品３の温度が許容温度を超えてしまい、電子部品３の動作が保障されなくなってしまう。
【００３０】
このような問題は、上記のように液体の冷媒で電子部品を冷却する方式に限らず、気液二相方式においても生じ得る。
【００３１】
また、この問題は、底板５の熱抵抗を下げる目的で底板５を薄くした場合に顕著に発生する。
【００３２】
以下に、本実施形態について説明する。
【００３３】
（本実施形態）
本実施形態においては、以下のようにして電子部品に冷却部品を接合することにより、冷却部品で電子部品を効率的に冷却する。
【００３４】
図４は、本実施形態に係る液冷方式の冷却装置の構成図である。
【００３５】
前述のように、液冷方式には、液体の冷媒で電子部品を冷却する方式と、気液二相方式とがある。本実施形態はこれらのいずれの方式を採用し得るが、以下では前者のように液体の冷媒で電子部品を冷却する方法を例にして説明する。
【００３６】
この冷却装置２０は、冷媒CでCPU等の電子部品３を冷却するものであり、冷却部品２１とラジエタ２２とを有する。
【００３７】
冷却部品２１は、底板２５とその周縁部にロウ付けされたカバー２６とを備えており、冷媒Cにより電子部品３を冷却する。冷媒Cは例えば水である。
【００３８】
そして、冷却部品２１で発生した高温の冷媒Cvは、空冷方式のラジエタ２２により冷却される。
【００３９】
冷却部品２１とラジエタ２２は第１の配管２７と第２の配管２８により互いに接続されており、これにより冷媒Cが循環するループ状の流路が形成される。また、その流路において冷媒Cを循環させるためのポンプ２９が第２の配管２８に設けられる。
【００４０】
なお、気液二相方式を採用する場合には、冷却部品２１で発生した冷媒蒸気を液化するために、ラジエタ２２の代わりに凝縮器を設ければよい。
【００４１】
更に、ポンプ２９がなくても自律的に冷媒Cが循環する場合にはポンプ２９を省いてもよい。
【００４２】
図５は、冷却部品２１とラジエタ２２の配置の仕方の一例を示す斜視図である。
【００４３】
この例では、ラジエタ２２の横に冷却部品２１を設け、水平方向に延びる第１の配管２７と第２の配管２８で冷却部品２１とラジエタ２２とを接続する。そして、ラジエタ２２の下方に隠れている第２の配管２８に二つのポンプ２９を設ける。
【００４４】
図６は、本実施形態に係る冷却部品の断面図である。
【００４５】
図６に示すように、冷媒Cは、底板２５とカバー２６の間の空間Sに供給される。そして、その空間Sに表出する底板２５の表面２５ｙには複数のピン２５ｘが立設される。
【００４６】
各ピン２５ｘの間の空間は冷媒Cが流れるマイクロチャネルとして供され、これにより表面２５ｙが平坦面である場合と比較して冷媒Cと底板２５との接触面積が増加し、底板２５の熱で冷媒Cを効率的に気化することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、底板２５の外面２５ｅを冷却部品２１の外側に膨らんだ球面とする。
【００４８】
底板２５の材料は特に限定されない。例えば、無酸素銅やアルミニウム等のように熱伝導性が良く、かつ球面に加工するのが容易な金属材料を底板２５の材料として使用し得る。
【００４９】
そして、底板２５とカバー２６の周縁部には、不図示の回路基板に冷却部品２１を固定するためのネジを通す孔２５ｑが設けられる。
【００５０】
図７は、底板２５の上面図である。
【００５１】
図７に示すように、底板２５は上面視で正方形であり、その四隅に前述の孔２５ｑが設けられる。
【００５２】
また、ピン２５ｘの平面形状は特に限定されないが、この例では各ピン２５ｘの平面形状を正方形状とし、底板２５にピン２５ｘを格子状に配する。
【００５３】
図８（ａ）は、図７のI−I線に沿う断面図である。また、図８（ｂ）は、このI−I線に直交するII−II線に沿った図７の断面図である。
【００５４】
前述のように底板２５は球面状に膨らんでいるため、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、外面２５ｅの断面形状は断面線の取り方によらずに凸状となる。
【００５５】
次に、この冷却部品２１を電子部品３に接合する方法について説明する。
【００５６】
図９〜図１１は、本実施形態に係る冷却部品の接合方法について説明するための模式断面図である。
【００５７】
なお、図９〜図１１において、図１〜図８で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００５８】
まず、図９に示すように、はんだバンプ７を介して電子部品３が固定された回路基板４を用意する。
【００５９】
そして、その電子部品３の平坦な上面３ａの上に熱接合材９として熱伝導グリスを塗布する。なお、熱伝導グリスに代えて、熱伝導シートを熱接合材９として用いてもよい。
【００６０】
そして、電子部品３の上方に冷却部品２１を配する。
【００６１】
次に、図１０に示すように、電子部品３に向けて冷却部品２１を降ろしていき、熱接合材９に底板２５を当接させる。
【００６２】
その後、図１１に示すように、孔２５ｑにネジ８を通し、そのネジ８を締め付けることにより回路基板４に冷却部品２１を機械的に固定する。
【００６３】
このとき、本実施形態では底板２５を球面にしたため、ネジの締め付け力で電子部品３に底板２５が押し付けられたときに、電子部品３の中央部３ｘが熱接合材９を介して底板２５に密着する。
【００６４】
図１２は、電子部品３が底板２５に密着した様子を模式的に示す平面図である。
【００６５】
なお、図１２においては、図３と同様に底板２５と電子部品３とが密着しているとみなせる領域Rにハッチングを掛けている。
【００６６】
図１２に示すように、前述のネジ８は、正方形の底板２５の四隅に設けられる。
【００６７】
これらのネジ８によって底板２５は四方から均等に電子部品３に押し付けられるため、底板２５と電子部品３とが密着している領域Rは円形となり、その領域Rに電子部品３の中央部３ｘが含まれるようになる。
【００６８】
以上により、冷却部品２１が電子部品３に接合されたことになる。
【００６９】
上記した本実施形態によれば、底板２５の外面２５ｅが外側に膨らんだ球面であるため、電子部品３の中央部３ｘが熱接合材９を介して底板２５に密着し、発熱量が多い中央部３ｘを冷却部品２１で効率的に冷却することができる。
【００７０】
しかも、電子部品３と底板２５の間に熱接合材９を設けたため、電子部品３と底板２５との間から空気が排除される。その結果、熱伝導性に乏しい空気によって電子部品３と底板２５との間の熱抵抗が上昇するのが防止され、電子部品３の熱を速やかに冷却部品２１に伝えることが可能となる。
【００７１】
次に、比較例について説明する。
【００７２】
図１３は、比較例に係る底板２５の斜視図である。
【００７３】
この比較例では、底板２５の外面２５ｅを円筒面とする。
【００７４】
図１４は、この比較例に係る底板２５に電子部品３を密着させた様子を模式的に示す平面図である。
【００７５】
なお、図１４においては、図１２と同様に底板２５と電子部品３とが密着しているとみなせる領域Rにハッチングを掛けている。
【００７６】
前述のようにこの比較例では底板２５の外面が円筒面であるため、その底板２５と電子部品３とが密着する領域Rは帯状となる。これでは電子部品３の中央部３ｘの全てを底板２５に密着させることができず、電子部品３のなかでも発熱量が多く優先的に冷やす必要がある中央部３ｘが冷却不足になってしまう。
【００７７】
また、図１５は、この比較例で生じる別の問題を模式的に説明するための平面図である。
【００７８】
図１５の例では、底板２５の四隅のネジ８を強く締め付けたことで底板２５が湾曲し、領域Rの中央Rc付近で電子部品３から底板２５が浮き上がってしまっている。こうなると、電子部品３の中央部３ｘを冷却するのが更に困難となってしまう。
【００７９】
よって、電子部品３の中央部３ｘを効率的に冷却するには、外面２５ｅを円筒面にするのではなく、本実施形態のように球面にするのが有効である。
【００８０】
次に、本実施形態に係る冷却部品２１の製造方法について説明する。
【００８１】
図１６〜図１８は、本実施形態に係る冷却部品２１の製造途中の断面図である。
【００８２】
なお、図１６〜図１８において、図１〜図１５で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００８３】
まず、図１６（ａ）に示すように、底板２５として一辺の長さが４０mm〜６０mm程度の正方形の平面形状を有する無酸素銅の銅板を用意する。なお、銅板に代えてアルミニウム板を底板２５として用いてもよい。
【００８４】
次いで、図１６（ｂ）に示すように、ドリル加工により底板２５の周縁部に孔２５ｑを形成する。
【００８５】
その後、底板２５を切削加工することにより高さZが１０mm程度の複数のピン２５ｘを形成する。
【００８６】
ピン２５ｘを形成後の底板２５の厚さDは、電子部品３（図１１参照）の熱が底板２５を速やかに伝わるようにするためになるべく薄くするのが好ましく、この例ではその厚さDを３mm以下とする。
【００８７】
但し、厚さDが薄すぎると、後述のように底板２５を球面状に膨らますときに過剰に底板２５が変形するおそれがあるので、厚さDは１．５mm以上とするのが好ましい。
【００８８】
図１９は、このようにしてピン２５ｘが形成された底板２５の拡大平面図である。
【００８９】
各ピン２５ｘの大きさは特に限定されない。本実施形態では、ピン２５ｘを一辺の長さWが１．２mm〜１．３mm程度の正方形状とし、隣接するピン２５ｘの間隔pを例えば０．７mm〜０．８mm程度とする。
【００９０】
なお、このように切削加工でピン２５ｘを形成するのに代えて、鍛造により平面形状が円形のピン２５ｘを形成してもよい。
【００９１】
続いて、図１７に示すようにカバー２６を用意する。
【００９２】
カバー２６の材料は、底板２５の材料と同一でもよいし異なる材料でもよく、例えば無酸素銅やアルミニウムをカバー２６の材料として採用し得る。
【００９３】
また、カバー２６の厚さTは、底板２５の厚さDよりも厚ければ特に限定されず、この例では厚さTを４mm程度とする。
【００９４】
そして、底板２５とカバー２６の各々を７００℃程度に加熱しながら、底板２５とカバー２６の各々の周縁部を銀等の不図示のロウ材でロウ付けする。
【００９５】
その後に、カバー２６に前述の第１の配管２７と第２の配管２８とをロウ付けにより接合する。
【００９６】
次に、図１８に示す工程について説明する。
【００９７】
まず、第１の配管２７を塞ぎ、この状態で底板２５を加熱して軟化する。この際の加熱温度が高すぎると、底板２５とカバー２６とを接合している銀ロウが溶融したり、底板２５の材料が再結晶して底板２５が過度に軟化してしまう。そのため、底板２５が再結晶せず、かつ銀ロウの融点よりも低い５００℃程度の温度に底板２５を加熱するのが好ましい。
【００９８】
そして、この状態で第２の配管２８から空間S内に加圧ガスGとして圧力が０．５MPa程度のアルゴンガスを供給することにより、加熱により軟化した底板２５を球面状に膨らませる。
【００９９】
本実施形態では、前述のようにカバー２６の厚さTを底板２５の厚さDよりも厚くしたため、カバー２６の強度が底板２５のそれよりも高くなり、カバー２６が加圧ガスGの圧力で変形するのを防止できる。
【０１００】
また、加圧ガスGとして用いるアルゴンガスは酸素を含まないため、加熱によって反応性が増している底板２５が加圧ガスGで酸化するのを防止できる。なお、このように酸素を含まない加圧ガスGとしては、アルゴンガスの他に窒素ガスもある。
【０１０１】
しかも、ピン２５ｘは底板２５が膨らむ動作を阻害しないので、ピン２５ｘによりマイクロチャネルを画定しつつ、球面状の底板２５を得ることができる。
【０１０２】
なお、本工程で底板２５を膨らましすぎると、底板２５が電子部品３と密着する領域R（図１２参照）が狭くなってしまう。そのため、底板２５の周縁部からその頂部までの高さhを０．１mm以下に抑えることにより、領域Rを十分に広げるのが好ましい。
【０１０３】
この後は、底板２５を室温まで冷却することにより、本実施形態に係る冷却部品２１の基本構造を得る。
【０１０４】
上記した冷却部品２１の製造方法によれば、加熱により軟化した底板２５を膨らますだけで簡単に球面状の底板２５を得ることができる。そのため、切削等の機械加工で底板２５を球面状にする場合と比較して、冷却部品２１の製造コストを安価にすることができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１…冷却部品、３…電子部品、３ａ…上面、３ｅ…コーナ部、３ｘ…中央部、４…回路基板、５…底板、５ｘ…ピン、６…カバー、６ａ…供給口、６ｂ…排出口、７…はんだバンプ、８…ネジ、９…熱接合材、２０…冷却装置、２１…冷却部品、２２…ラジエタ、２５…底板、２５ｅ…外面、２５ｑ…孔、２５ｘ…ピン、２５ｙ…表面、２６…カバー、２７…第１の配管、２８…第２の配管、２９…ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0006558114.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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