JP7760055B2 - 発熱素子冷却構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、発熱素子冷却構造体及びその製造方法に関する。

この部分に記述されている内容は、単に本開示の背景情報を提供するだけであり、従来技術を構成するものではない。

コンピュータ、サーバ、高性能アンテナなどの電子装置は、ＩＣチップ、ＣＰＵ、及び送受信素子などの電子部品を含む。このような電子装置が作動するにあたり、電子部品（以下、「発熱素子」）から大量の熱が発生する。熱を発生させる発熱素子が冷却されない場合、その性能が著しく低下したり、場合によっては損傷されたりして作動が困難になる。したがって、発熱素子は効果的に冷却される必要がある。

最近の電子装置は、スリム化、高集積化、高性能化などによって部品間の間隔が狭くなり、発熱負荷が増加されているのが実情である。したがって、発熱素子の冷却は必須であり、大部分の電子装置には発熱素子を冷却させるための冷却装置が設置されている。

周辺の温度差によって冷媒が相変化しながら循環するように備えられたヒートパイプ（heat pipe）タイプ又はベイパーチャンバ（vapor chamber）タイプの冷却装置が多く活用されている。

ヒートパイプタイプ又はベイパーチャンバタイプの冷却装置は、中空（又は内部空間）が形成され、熱伝導性材質で備えられたパイプ状（又はパネル）のボディチューブ（又はボディパネル）の内部に多孔性体であるキャピラリーウィック部（capillary wick，毛細管芯部）が焼結（sintering）方式で製造される。

キャピラリーウィック部が焼結方式のみで製造される場合、焼結過程及び焼結条件等に制約があるため、製品の生産性が低下される問題がある。

また、ヒートパイプタイプ又はベイパーチャンバタイプの冷却装置は、上部プレート及び下部プレートだけでなく、キャピラリー構造物及び柱（pillar）構造物などのいろんな構成をろう付け（brazing）などの方式を用いて接合するため、生産過程が複雑で費用が増加する問題がある。

一実施例に係る発熱素子冷却構造体及びその製造方法によると、レーザを用いてキャピラリーウィック部を形成することにより、製品の生産性を向上させることができる。

一実施例に係る発熱素子冷却構造体及びその製造方法によると、上部プレート、下部プレート及びコラム部を、レーザを用いて接合することにより、簡単な製造過程を通じて製品の生産性及び経済性を向上させることができる。

本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は、下の記載から通常の技術者に明確に理解されるであろう。

本開示の一実施例によると、プレス金型方式を用いて複数のコラム部（column unit）を含む上部プレートを製造する過程と、前記プレス金型方式を用いて下部プレートを製造する過程と、レーザを用いて前記上部プレートの内面及び前記下部プレートの内面のうちの少なくとも1つにウィック部（wick unit）を形成するウィック部形成過程と、前記上部プレート及び前記下部プレートを接合する過程と、を含む発熱素子冷却構造体の製造方法を提供する。

本開示の他実施例によると、下部プレートと、前記下部プレートの内面と接合されて内部空間が形成されるように構成される上部プレートと、前記上部プレートの外面に凹んで前記上部プレートの内面に突出されるように形成されるコラム部と、前記上部プレートの内面及び、前記下部プレートの内面のうちの少なくとも1つに形成されて前記冷媒を移動させるように構成されるウィック部を含む発熱素子冷却構造体を提供する。

一実施例によると、発熱素子冷却構造体及びその製造方法は、レーザを用いてキャピラリーウィック部を形成することにより、製品の生産性を向上させる効果がある。

一実施例によると、発熱素子冷却構造体及びその製造方法は、上部プレート、下部プレート及びコラム部を、レーザを用いて接合することにより、製造工程を単純化して製品の生産性を向上させ、生産コストを節減する効果がある。

本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体の製造方法のフローチャートである。 本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体の斜視図である。 本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体の分解斜視図である。 本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体の断面図である。 本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体のウィック部にレーザ照射器を用いてライン間隔を示す図である。 本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体のウィック部のパターン形状を示す図である。

以下、本開示の一部の実施例を例示的な図面を通じて詳しく説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素に対しては、たとえ異なる図面上に表示されても、できるだけ同一の符号を有するようにしていることに留意されたい。なお、本開示を説明するにあたり、関連される公知の構成又は機能に関する具体的な説明が本開示の要旨を曖昧にすると判断される場合には、その詳しい説明は省く。

本開示に係る実施例の構成要素を説明するにあたり、第１、第２、ｉ）、ｉｉ）、ａ）、ｂ）などの符号を使用する場合がある。このような符号は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものであり、その符号によって該当構成要素の本質又は順番や順序等が限定されない。本明細書である部分がある構成要素を「含む」又は「備える」と言うとき、これは、明示的に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

図１は、本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体の製造方法のフローチャートである。

図２は、本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体の斜視図である。

図３は、本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体の分解斜視図である。

図４は、本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体の断面図である。

図１ないし図４を参照すると、本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体２００の製造方法は、上部プレート（upper plate）２１０及び下部プレート（lower plate）２２０を製造する過程を含む（Ｓ１０１）。上部プレート２１０及び下部プレート２２０は、プレス金型（press mold）方式を用いて製造する。

上部プレート２１０は、コラム部（column unit）２１１、内部空間２１２、及び注入口２１３を含む。上部プレート２１０にコラム部２１１が一体的に形成されるように、プレス金型方式を用いて上部プレート２１０を製造する。コラム部２１１は、上部プレート２１０の外面に凹み、上部プレート２１０から下部プレート２２０と接合される方向に突出されるように形成される。上部プレート２１０は、一定間隔で規則的に配列された複数のコラム部２１１を含む。ただし、複数のコラム部２１１の配列がこれに限定されるものではなく、複数のコラム部２１１は非規則的に配列されてもよい。

上部プレート２１０と下部プレート２２０の接合時に、上部プレート２１０と下部プレート２２０との間に冷媒が充填されるように構成された内部空間２１２が形成されるように、上部プレート２１０ は所定の厚さを有するように製造される。

発熱素子冷却構造体２００の製造方法は、上部プレート２１０及び／又は下部プレート２２０の内面にウィック部（wick unit）２３０を形成する過程を含む（Ｓ１０３）。レーザ照射器を用いて上部プレート２１０及び／又は下部プレート２２０の内面にウィック部２３０を形成する。ウィック部２３０は、レーザの高集積エネルギーを利用して上部プレート２１０及び／又は下部プレート２２０の内面に熱を加えて一定の深さ以上に掻いたり、傷をつけたりする方式で形成される。

上部プレート２１０の内面及び／又は下部プレート２２０の内面のうち、上部プレート２１０と下部プレート２２０が互いに接合される部分を除く残りの部分にウィック部２３０が形成される。例えば、上部プレート２１０の内面のうち、下部プレート２２０と接合されるコラム部２１１の接合部２１１ａ及び接合面２１５等にはウィック部２３０を形成しなくてもよい。下部プレート２２０の内面のうち、コラム部２１１及び上部プレート２１０の接合面２１５と接合される下部プレート２２０の接合面２２５にはウィック部２３０を形成しなくてもよい。

発熱素子冷却構造体２００の製造方法は、上部プレート２１０及び下部プレート２２０を接合する過程を含む（Ｓ１０５）。

上部プレート２１０と下部プレート２２０は、レーザ溶接（laser weld）を用いて接合される。レーザビームを上部プレート２１０の上部から上部プレート２１０に垂直に照射し、レーザビームが上部プレート２１０は貫通するが下部プレート２２０は貫通しないように照射する。上部プレート２１０と下部プレート２２０をレーザ溶接することにより、内部空間２１２に充填された冷媒の膨張力にもかかわらず、発熱素子冷却構造体２００の引張力及び気密性を維持することができる。

発熱素子冷却構造体２００の製造方法は、コラム部２１１及び下部プレート２２０を接合する過程を含む（Ｓ１０７）。

コラム部２１１と下部プレート２２０は、レーザ溶接を用いて接合される。上部プレート２１０の上部で上部プレート２１０に垂直であり、上部プレート２１０の外面の凹んだコラム部２１１を向くようにレーザビームを照射する。レーザビームがコラム部２１１は貫通するが下部プレート２２０は貫通しないように照射する。コラム部２１１と下部プレート２２０を接合することで、内部空間２１２に充填された冷媒の膨張によってコラム部２１１が上部プレート２１０の外面に凸に突出されることを防止することができる。

上部プレート２１０とコラム部２１１を下部プレート２２０に接合した後、内部空間２１２に冷媒を注入して発熱素子冷却構造体２００を密閉する（Ｓ１０９）。発熱素子冷却構造体２００の内部に冷媒を充填し、真空ポンプなどを用いて内部圧力を最適化する。その後、別途の設備を用いて注入口２１３を接合して発熱素子冷却構造体２００を密閉することで、気密性を維持することができる。密閉後、必要に応じて注入口２１３を切断してもよい。

本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体２００は、圧縮機による冷媒の相変化誘導を除く概念の放熱方式を適用することができる放熱部品である。圧縮機を用いずに、大気圧状態でただ外部から供給される熱によって相変化を起こしながら熱を伝達することで、電気的に駆動によって発熱される発熱素子を冷却させるように設計され、ベイパーチャンバ（vapor chamber）、ヒートパイプ （heat pipe）及びヒートシンク（heat sink）などに適用される。

図２ないし図４を再び参照すると、本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体２００は、上部プレート２１０及び下部プレート２２０を含む。上部プレート２１０は、コラム部２１１、内部空間２１２、注入口２１３、及び接合面２１５を含む。上部プレート２１０及び下部プレート２２０は、内面にウィック部２３０を含む。

内部空間２１２には冷媒が充填されて流動される。上部プレート２１０と下部プレート２２０が接合されるとき、上部プレート２１０と下部プレート２２０との間に内部空間２１２が形成されるように、上部プレート２１０の内面は高さの異なる接合面２１５を含む。このとき、上部プレート２１０と下部プレート２２０が接合可能となるように、接合面２１５とコラム部２１１の高さは同じである。

コラム部２１１は、上部プレート２１０に一体型で形成される。コラム部２１１が上部プレート２１０に一体型で形成されるようにプレス金型方式を用いて上部プレート２１０を製造する。コラム部２１１は、上部プレート２１０の外面に凹んでおり、上部プレート２１０から下部プレート２２０と接する方向に突出されるように形成される。上部プレート２１０は、一定間隔で規則的に配列された複数のコラム部２１１を含む。ただし、複数のコラム部２１１の配置がこれに限定されず、複数のコラム部２１１は非規則的に配列されてもよい。

コラム部２１１は、上部プレート２１０の内面から柱状に突出されるように形成され、接合部２１１ａ及び傾斜部２１１ｂを含む。傾斜部２１１ｂは、上部プレート２１０の内面に垂直ではなく所定の角度をなすように形成される。例えば、傾斜部２１１ｂと上部プレート２１０との角度は４５度（degree）である。傾斜部２１１ｂが上部プレート２１０の内面に垂直な場合、傾斜部２１１ｂにウィック部２３０を形成することが困難であるためである。すなわち、本開示に係る発熱素子冷却構造体２００は、上部プレート２１０とコラム部２１１の傾斜部２１１ｂが所定の角度をなすように形成され、傾斜部２１１ｂにもウィック部２３０が形成されることで、毛細管現象を増大させて内部に充填された冷媒の移動性を向上させ、結果的に発熱素子の冷却効果を極大化することができる。

接合部２１１ａの断面形状は、円形又は多角形である。接合部２１１ａ及び傾斜部２１１ｂからなるコラム部２１１の形状は、円錐台及び多角錐台形状である。ただし、コラム部２１１の形状がこれに限定されず、開示されたコラム部２１１と同一の機能を遂行できる様々な形状を有し得ることを明らかにしておく。

上部プレート２１０及び／又は下部プレート２２０の内面には、ウィック部２３０が形成される。ウィック部２３０は、レーザの高集積エネルギーを利用して上部プレート２１０の内面及び／又は下部プレート２２０の内面に熱を加え、一定の深さ以上に掻いたり傷をつけたりする方式で形成される。ウィック部２３０は、内部空間２１２に充填された冷媒を、毛細管現象を利用して流動させるように形成される。

下部プレート２２０の外部に配置された発熱素子から発熱素子冷却構造体２００に熱が伝達されると、発熱素子冷却構造体２００の内部に充填された冷媒は伝達される熱によって相変化（phase change）する。相変化した冷媒は、表面張力及び／又は毛細管力（capillary force）によってウィック部２３０を介して上部プレート２１０方向に移動して熱を伝達し、上部プレート２１０に伝達された熱は外部へ放出される。

ウィック部２３０は、上部プレート２１０の内面及び／又は下部プレート２２０の内面のうち、上部プレート２１０と下部プレート２２０とが互いに接合されない部分に形成される。上部プレート２１０の内面のうち、下部プレート２２０と接合された部分を除く残りの部分にウィック部２３０が形成される。上部プレート２１０の接合面２１５及びコラム部２１１の接合部２１１ａにはウィック部２３０が形成されず、これを除いた上部プレート２１０の内面及びコラム部２１１の傾斜部 ２１１ｂなどにウィック部２３０が形成される。

下部プレート２２０の内面のうち、上部プレート２１０と接合される部分を除く残りの部分にウィック部２３０が形成される。上部プレート２１０と接合される下部プレート２２０の接合面２２５には、ウィック部２３０が形成されない。下部プレート２２０のウィック部２３０間には、複数のコラム部２１１に対応して当接する複数の接合面２２５が形成される。複数の接合面２２５は、複数のコラム部２１１に対応して一定間隔で規則的に配列される。ただし、複数の接合面２２５の配列がこれに限定されるものではなく、複数の接合面２２５は、複数のコラム部２１１に対応して非規則的に配列されてもよい。

図５は、本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体のウィック部にレーザ照射器を用いてライン間隔を示す図である。

図６は、本開示の一実施例に係る発熱素子冷却構造体のウィック部のパターン形状を示す図である。

図５及び図６を参照すると、レーザビームが照射されるライン（line）の間隔ｄは最小０．０１ｍｍである。ライン間隔（ｄ）が広がりすぎると、毛細管力が消えて水の道が存在しないため、抗グラビリティ（Anti-Gravity）特性を具現できないからである。上部プレート２１０（図２等参照）及び下部プレート２２０（図２等参照）とウィック部２３０（図２等参照）との間に毛細管力が小さい場合には、発熱素子冷却構造体２００内部の温度変化に伴う冷媒の流動を考慮し、熱源を常に低い位置に位置させなければならず、放熱部分は常に高い位置に位置させなければならないという設計上の制限が生じる。したがって、レーザビームによって照射されるライン間隔ｄは、毛細管力が発生する限度に制限設計することが好ましい。

レーザ照射器によって形成されるウィック部２３０は、クロス（Cross）パターン（図６（ａ））及びブロック（Block）パターン（図６（ｂ））のうちの１つ以上のパターンに加工される。さらに、図面には図示されていないが、熱源から放熱部分まで連続的に続くように「ｅ」字状を有するパターン形状に加工される。

本開示の一実施例による発熱素子冷却構造体２００は、レーザ照射器を用いて精密かつ迅速にウィック部２３０を形成することができる。発熱素子冷却構造体２００は、上部プレート２１０及び／又は下部プレート２２０を加工旋盤上に固定させ、加工旋盤上にレーザ照射器を設置してレーザビームを照射する。

ウィック部２３０のパターン形状によってレーザ照射器の移動速度及び移動方向を設定する。例えば、適切なマークスピードは３００ｍｍ／ｓに設定される。レーザビームのマークスピードが速すぎると、レーザビームの形態で上部プレート２１０及び／又は下部プレート２２０に伝達される熱量が少なすぎて所望のパターンのウィック部２３０を形成することができない。マークスピードが遅すぎると、レーザビームの形態で上部プレート２１０及び／又は下部プレート２２０に伝達される熱量が多すぎるため、ウィック部２３０のサイズが要求されるウィック部２３０のサイズよりも大きく変形される問題が発生する。

レーザビームの発振周波数は２０ないし４０ｋＨｚの範囲内に設定し、レーザビームはパルスモード（pulse mode）で発振される。母材である上部プレート２１０及び下部プレート２２０がアルミニウム素材に採択される場合、ウィック部２３０の形成のためのレーザ照射器のレーザビームの発振周波数は、上述した２０ないし４０ｋＨｚの範囲が最も適切である。

以上の説明は、本実施例の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本実施例が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本実施例の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正及び変形が可能であろう。したがって、本実施例は、本実施例の技術思想を限定するものではなく説明するためのものであり、このような実施例によって本実施例の技術思想の範囲が限定されるものではない。本実施例の保護範囲は、特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本実施例の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

[関連出願への相互参照（CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIOIN）]
本特許出願は、本明細書にその全体が参考として含まれる、２０２１年１１月２４日付にて韓国に特許出願した特許出願番号第１０-２０２１-０１６３８２１号及び、２０２２年１１月１８日付にて韓国に特許出願した特許出願番号第１０-２０２２-０１５５７８４号に対して優先権を主張する。

２００ 発熱素子冷却構造体
２１０ 上部プレート
２１１ コラム部
２２０ 下部プレート
２３０ ウィック部

Claims (7)

1. プレス金型方式を用いて複数のコラム部（column unit）を含む上部プレートを製造する過程と、
   前記プレス金型方式を用いて下部プレートを製造する過程と、
   前記上部プレートと前記下部プレートとが接合される部分と、前記コラム部と前記下部プレートとが接合される部分とを除く残りの部分において、レーザを用いて前記上部プレートの内面及び、前記下部プレートの内面のうちの少なくとも1つにウィック部（wick unit）を形成するウィック部形成過程と、
   前記上部プレート及び前記下部プレートを、レーザを用いて接合する過程であって、レーザビームが前記上部プレートは貫通するが前記下部プレートは貫通しないように照射する過程と、
   前記コラム部を、レーザを用いて前記下部プレートに接合する過程であって、レーザビームが前記コラム部は貫通するが前記下部プレートは貫通しないように照射する過程と、
   を含む、発熱素子冷却構造体の製造方法。
2. 前記上部プレートを製造する過程は、
   前記コラム部が前記上部プレートの外面に凹んで前記上部プレートの内面に突出されるように形成する過程を含む、請求項１に記載の発熱素子冷却構造体の製造方法。
3. さらに、前記発熱素子冷却構造体に冷媒を注入し、前記発熱素子冷却構造体を密閉させる過程を含む、請求項１に記載の発熱素子冷却構造体の製造方法。
4. 下部プレートと、
   前記下部プレートの内面と直接レーザ接合されて内部空間が形成されるように構成される上部プレートと、
   前記上部プレートの外面に凹んで前記上部プレートの内面に突出されるように形成され、前記下部プレートの内面に直接レーザ接合されたコラム部と、
   前記上部プレートと前記下部プレートとが接合される部分と、前記コラム部と前記下部プレートとが接合される部分とを除く前記上部プレートの内面及び、前記下部プレートの内面のうちの少なくとも1つに形成されて冷媒を移動させるように構成されるウィック部と、
   を含み、前記上部プレートの外面にはレーザ痕が形成されているが、前記下部プレートの外面にはレーザ痕が形成されていない、発熱素子冷却構造体。
5. 前記コラム部は、
   前記上部プレートと一体に形成される、請求項４に記載の発熱素子冷却構造体。
6. 前記下部プレートは、外面が発熱素子に密着されるように配置される、請求項４に記載の発熱素子冷却構造体。
7. 前記ウィック部は、毛細管現象を利用して前記冷媒を移動させるように構成される、請求項４に記載の発熱素子冷却構造体。