CN100546019C - 散热器、电路基板、电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种散热器、电路基板、电子设备。本发明的使安装在电路基板上的n个发热性电路元件散热的散热器的特征在于，其具有：框体，其具有承受来自所述n个发热性电路元件的热量的受热面；以及n+2处固定部，其用于安装将所述框体加压固定在所述电路基板上的n+2个固定部件。

Description

散热器、电路基板、电子设备
技术领域
本发明普遍涉及散热器(heat sink)、电路基板、电子设备，特别涉及散热器在安装了发热性电路元件(以下简称为“发热元件”。)的电路基板上的固定。在此，“电子设备”的概念例如包括笔记本式个人计算机(以下称为“PC”。)、服务器、个人数字助手(PDA)、电子词典、电子文具、游戏机等。
背景技术
随着近年来电子设备的普及，对廉价地提供小型且高性能的电子设备的呼声日益高涨，正在研究削减部件数量。作为电子设备的代表性示例的笔记本式PC安装了CPU和芯片组等发热元件，伴随性能提高，发热量也在增加。为了从热量方面保护发热元件，被称为散热器的散热装置与发热元件以导热方式连接。散热器包括冷却散热片，通过自然冷却进行发热元件的散热。此外，如果是发热量较大的元件，也可以通过使用冷却风扇的强制风冷进行发热元件的散热。散热器被放置在发热元件上，通过固定部件固定在发热元件的周围四个角部。固定部件是贯通卷簧的螺栓等，相对于发热元件对散热器加压，以减少传热损失，确保预定的散热效率。
以往对每个发热元件安装散热器，或者对发热量达不到规定发热量的发热元件不安装散热器。但是，近年来随着安装密度的增加，由于CPU与芯片组的距离接近等，提出了利用一个散热装置使多个发热元件同时散热的方法(例如，参照专利文献1～3)。
专利文献1：日本特开平08-255856号公报
专利文献2：日本特开平07-058470号公报
专利文献3：日本特开平08-023182号公报
但是，这些公报没有公开如何将一个散热器固定在多个发热元件上。只要在一个发热元件上利用周围四个角部加压固定散热器，那么加压力就不会均匀。在加压力较低的部分中传热损失较大，散热效果降低，产生受热损坏的危险。另一方面，为了使最小加压力在一定值以上，虽然可以整体增加加压力，但是这样将导致受到最大压力的部分成为过负荷，产生机械损坏的危险。从这一点出发，有时在散热器和发热元件之间插入硅酮橡胶等弹性部件。这样，弹性部件可以矫正不均匀的压力分布。但是，这种弹性部件热导率较低，使得发热元件的散热效率降低。因此，近年来随着发热元件的发热量的增加，其厚度不得不变薄，难以实现可矫正不均匀的压力分布的厚度。另外，在利用一个散热器对多个发热元件进行散热时，有可能由于某一个发热元件未充分散热，而成为受热损坏的原因。
发明内容
本发明的目的例如在于，提供一种可以使一个或多个发热性电路元件高效且有效散热的散热器、电路基板和电子设备。
作为本发明的一个侧面的散热器是使安装在电路基板上的n个发热性电路元件散热的散热器，其特征在于，该散热器具有：框体，其具有承受来自所述n个发热性电路元件的热量的受热面；和n+2处固定部，其用于安装将所述框体加压固定在所述电路基板上的n+2个固定部件。这种散热器将固定部件的部件数量从以往的4n进行削减，可以实现削减成本、提高安装密度、及电子设备的小型化。并且，这种散热器可以3点固定各个发热性电路元件。3点确定几何学上的面，因此相比4点而言，固定的稳定性提高。通过在散热器和发热性电路元件之间加压，可以减小两者之间的传热损失，提高散热效率。在此，“电路基板”可以是印刷基板(也可以称为“主板(motherboard或systemboard)”)，也包括BGA(Ball Grid Array，球栅阵列)封装、LGA(Land Grid Array，矩栅阵列)封装等安装在印刷基板上的封装基板。
如果n是1，则优选所述发热性电路元件配置在以3处固定部件为顶点的三角形的重心处。如果发热性电路元件位于三角形中，则来自各个固定部件的固定力作用于发热性电路元件，如果位于重心处，则施加给发热性电路元件的固定力的分布容易变均匀。如果n是2以上，则优选所述散热器使所述n个发热性电路元件共同散热，所述n+2处固定部包括用于固定两个相邻的发热性电路元件的四处固定部，所述四处固定部包括一对呈对角配置的第一固定部以及一对呈对角配置的第二固定部，所述发热性电路元件之一配置在以一对第一固定部和其中一个第二固定部为顶点的第一三角形区域之内且在以一对第一固定部和另一个第二固定部为顶点的第二三角形区域之外，另一发热性电路元件配置在所述第一三角形区域之外且在所述第二三角形区域之内。
在所述n+2个固定部件中的距一个发热性电路元件最近的3个固定部件中，优选距所述一个发热性电路元件最远的固定部件与所述一个发热性电路元件之间的距离在1cm以内。因为如果该距离过大，则对于n个发热性电路元件的压力分布容易变得不均匀。所述散热器还可以具有冷却散热片，该冷却散热片被收纳在所述框体中，使所述n个发热性电路元件中的至少一个散热。由此，可以根据发热量选择是否设置冷却散热片。所述冷却散热片也可以构成为可从所述框体上卸下。由此，通过构成几种适当大小的冷却散热片，并将其与框体组合，从而可以对应各种大小和发热量的发热元件。散热器还可以具有向所述框体内送风并使所述冷却散热片强制冷却的冷却风扇(带风扇的散热器)。由此，可以利用一个冷却风扇同时冷却n个发热性电路元件。
作为本发明的另一侧面的电路基板的特征在于，其具有n个发热性电路元件、上述散热器、和将所述散热器加压固定在所述发热性电路元件上的n+2个固定部件。这种电路基板发挥与上述散热器相同的作用。所述n+2个固定部件施加的加压力可以变化。由此，可以防止发热性电路元件的上表面非水平时的加压力不均匀。
以具有上述电路基板为特征的(例如笔记本式PC)，也构成本发明的一个侧面。
本发明的其他目的及特征在参照附图说明的实施例中将更加明确。
附图说明
图1是作为本发明的一个侧面的电子设备(笔记本式PC)的外观立体图。
图2是图1所示电子设备的主板(电路基板)的外观立体图。
图3是图2所示主板的局部放大立体图。
图4是图2所示主板的散热器附近的分解立体图。
图5是从图2所示主板的背面观察到的散热器附近的分解立体图。
图6是用于说明本实施例的散热器的固定方法的简要俯视图。
图7是用于说明以往的散热器的固定方法的简要俯视图。
具体实施方式
以下，作为本发明的一个侧面，参照附图说明具体实现为笔记本式PC的电子设备100。在此，图1是笔记本式PC 100的外观立体图。参照图1，电子设备100例如被具体实现为笔记本式PC 100，但不限于此，也包括PDA、手持式个人计算机(handheld PC)、掌上型个人计算机(Palmsize PC)、可穿戴计算机(wearable computer)、电子词典、电子文具、游戏机、便携式家电(例如便携式电视机、便携式磁带录像机、便携式DVD)等便携式电子设备。并且，笔记本式PC 100的大小包括A4尺寸、B5尺寸、其他辅助笔记本尺寸、迷你笔记本尺寸等。
笔记本式PC 100具有PC主体部110、铰链120、显示单元(LCD屏框架(LCD Bezel Frame))130、和图1中未图示的主板(电路基板)140。主体部110和显示单元130构成笔记本式PC 100的框体。
主体部110例如具有厚度约20～30mm的框体结构，具有上罩111、未图示的中罩、以及下罩112。上罩111、中罩和下罩112均通过树脂成形而形成。主体部110在内部收纳着主板140和硬盘驱动器(HDD)，上罩111具有信息型用的键盘114和指点装置(pointing device)116。
上罩111是手掌放置部，是在键盘114的跟前侧使用的、用于放置手掌和手腕的区域。键盘114的种类不论101、106、109、人体工学(ergonomic)键盘等，键盘排列也不论QWERTY排列、DVORAK排列、JIS排列、新JIS排列、日语输入协会标准排列(NICOLA：NIhongoNyuryoku COnthotium LAyout)等均可。指点装置116仿效鼠标功能的一部分，包括触摸板、点击按钮、辊子式滚轮。当用户在触摸板上移动食指时，在LCD画面132上实现鼠标功能。点击按钮具有与鼠标的左右点击按钮相同的功能。在左右点击按钮之间插入有辊子式滚轮，其具有与鼠标滚轮相同的功能，所以指点装置116的操作性提高。
铰链部120包括铰链罩和轴。铰链部120将显示单元130与主体部110连接，并使显示单元130可以绕着轴围绕主体部110旋转。在铰链罩上安装有电源按钮，但该配置仅是一个示例。
显示单元130具有前罩131、LCD画面132和后罩133。前罩131和后罩133被螺钉固定，在两者之间配置LCD画面132。前罩131具有中空的矩形形状，是通过树脂成形而形成的框架，在中央底部与铰链罩连接。后罩133在从正面观察时实质上具有矩形形状。后罩133在中央底部与铰链罩连接。后罩133通过树脂成形而形成。
如图2～图5所示，主板140除具有CPU 142、芯片组144、散热器150和冷却风扇170外，还安装有在笔记本式PC 100中使用的各种电路元件。在此，图2是主板140的外观立体图。图3是主板140的局部放大立体图。图4是主板140的散热器150附近的分解立体图。图5是从主板140的背面观察到的散热器150附近的分解立体图。如图4所示，在主板140上设有4个固定孔141。
CPU 142和芯片组144是典型的发热元件，与其形式无关。随着近年来的高安装密度，两者之间的距离在接近，CPU 142的发热量大于芯片组144。并且，芯片组144也变为内置高度的图形处理功能，发热量在逐年增加。在本实施例中，作为发热元件，以CPU、芯片组为例进行说明，但是当然可以将本发明应用于其他的封装体IC和部件等发热元件的冷却。
如图5所示，CPU 142和芯片组144介隔着硅酮橡胶143和145安装在散热器150上。硅酮橡胶143和145用于填埋CPU 142和芯片组件14与散热器150之间的间隙，并且使作用于CPU 142和芯片组144的压力分布变均匀，但是热导率低，使得CPU 142和芯片组144的散热效率降低。因此，伴随近年来CPU 142和芯片组144的发热量的增加，其厚度不得不变薄，难以实现可矫正不均匀的压力分布的厚度。并且，如后面所述，本实施例的散热器150以使施加给CPU 142和芯片组144的压力分布恒定的方式被固定在主板140上，所以在其他实施例中省略了硅酮橡胶143和145。
在本实施例中，散热器150使CPU 142和芯片组144共同散热。散热器150是具有框体151、冷却散热片157、罩158和冷却风扇170的带风扇的散热器。
如图4所示，框体151截面呈U字形状，例如是由铝、铜、氮化铝、人工金刚石、塑料等高导热导电性材料构成的框架。框体151利用板金加工、压铸铝等方法制造。框体151如果是塑料制品，则例如可以通过注射成形而形成。框体151的背面如图5所示，其高度低于固定部153，利用该高度差并介隔着硅酮橡胶143和145收容CPU 142和芯片组144。框体151的背面发挥承受来自CPU 142和芯片组144的热量的受热面151a的作用。
框体151具有伸出部152a和152b、4个固定部153、螺纹孔154、通风路155、安装部156a和156c。
伸出部152a和152b是连接部，用于将罩158和冷却风扇170安装在框体151上，并且将框体151安装在主板140上。伸出部152a和152b如图4所示，沿着框体151的长度方向形成于上部两侧。伸出部152b比伸出部152a长，形成用于安装冷却风扇170的L字型空间。伸出部152a具有一对固定部153、一个螺纹孔154和固定部156a，伸出部152b具有一对固定部153、一个螺纹孔154和固定部156c。
4个固定部153具有将框体151安装在主板140上的作用，其内部插入有未图示的卷簧。螺钉160分别插入固定部153，螺钉160被固定在固定孔141中。螺钉160通过该卷簧对框体151施加预定的加压力。结果，散热器150被以预定的加压力按压在CPU 142和芯片组144上。如果卸下固定部153的螺钉160，则可以容易地分离散热器150与CPU 142和芯片组144。本实施例未利用热固性粘接剂(焊锡)来粘接散热器150和发热元件，所以在CPU 142和芯片组144动作不良的情况下容易更换。
固定部153的配置具有使螺钉160施加的压力分布变均匀的效果。以下，参照图6和图7说明基于固定部153和螺钉160的加压固定。在此，图6是用于说明本实施例的加压固定的原理的简要俯视图，图7是用于说明以往的加压固定的简要俯视图。本实施例如图6所示，为了共同加压固定两个发热元件E1和E2，使用4个加压固定点P1～P4。另一方面，以往如图7所示，利用周围四个角部Q11～Q24独立加压固定各个发热元件E1和E2。
在图7所示的结构中，施加给发热元件E1和E2的压力分布不均匀，有可能不能获得充足的散热效果。本发明者们通过研究其原因发现，由于在几何学上是3点确定一个面，所以利用4点有可能确定了多个面，由此使得加压固定不稳定。因此，在本实施例中，对n个发热元件设置用于加压固定散热器的(n+2)个固定部。该散热器将螺钉160的部件数量从以往的4n个削减为(n+2)个，可以实现削减成本、提高安装密度、及电子设备的小型化。并且，该散热器可以利用3点加压固定各个发热元件E1和E2。由于是3点确定几何学上的面，所以相比4点而言，固定的稳定性提高。
如果发热元件数n是1，则优选发热元件配置在以n+2＝3个固定部件为顶点的三角形的重心处。如果发热元件位于三角形中，则来自各个固定部件的固定力相同地作用于发热元件。关于这一点，虽然距发热元件最近的3点容易进行发热元件的加压固定，但在图7中4个固定部件Q11～Q14以相对于发热元件E1大致相等的距离存在，所以并不理想。并且，如果位于三角形的重心处，则施加给发热元件的固定力的分布容易变均匀。因此，对于图7所示的发热元件E1，优选不仅单单去除固定部件Q11～Q14中的一个Q14，而且在由固定部件Q11～Q13形成的三角形的重心处配置发热元件E1。三角形可以是任意三角形，如后面所述，优选三角形的3个顶点均接近发热元件。并且，为了使从各个顶点施加的压力分布在发热元件上变均匀，优选等腰三角形或等边三角形。另外，所说“配置在重心处”，虽然优选三角形的重心与发热元件的重心完全一致，但是即使不完全一致，只要三角形的重心在发热元件的范围内即足以。
在图6中，不是像图7所示的那样相对于各个发热元件配置3个固定部件并独立进行加压固定(例如，不是对于发热元件E1配置固定部件Q11、Q13和Q14、及对于发热元件E2配置固定部件Q21、Q22和Q24)，而是对于2个发热元件E1和E2，共同使用固定部件P2和P3。结果，固定部件数量从3n减少为n+2，可以实现部件数量进一步的减少。
另一面，如果发热元件数量n是2以上，则优选散热器使n个发热元件共同散热，并且使连接(n+2)个固定部件中两处固定部件的线通过两个相邻的发热元件的重心之间。在图6中，两处固定部件P2和P3的连接线通过各发热元件E1和E2之间。由此，可以将各个发热元件配置在三角形内。在图6中，可以将发热元件E1配置在三角形P1P2P3内，将发热元件E2配置在三角形P2P3P4内，可以获得上述的三角形的效果。
并且，关于(n+2)个固定部件中距一个发热元件最近的3处固定部件，优选距该一个发热元件最远的固定部件与该一个发热元件之间的距离在1cm以内。在图6中，关于距发热元件E1最近的3个固定部件P1～P3，优选距发热元件E1最远的固定部件(例如固定部件P1)与发热元件E1之间的距离在1cm以内。因为如果该距离过大，则对于n个发热元件的压力分布容易变得不均匀。换言之，优选距发热元件最近的3个固定部件相互接近。
返回图2～图5，各个螺钉160施加的压力通过调节螺钉160的紧固力可以调节。由此，在CPU 142和芯片组144的高度不同时，也能够调节施加给CPU 142和芯片组144的压力分布，使其变均匀。
一对螺纹孔154是用于配合螺钉161的孔。通风路155形成从进气口155a到排气口155b的冷却气体(空气)的流路。排气口155b伸出到下方，而且比进气口155a大。从排气口155b排放的空气吹向未图示的散热用板金，并可以从主体部110侧部的排气口排放到外部。在与散热用板金连接时，带风扇的散热器的温度一直保持在大致恒定(例如室温)。
固定部156a设在伸出部152a的前端，并形成有螺纹孔156b。固定部156c设在伸出部152b的前端，并形成有螺纹孔156d。在螺纹孔156b和156d中插入有螺钉162。
冷却(或散热)散热片157利用整齐排列的多个板状的高导热性部件(散热片组装体)构成，通过自然风冷来冷却CPU 142和芯片组144。冷却散热片157被收纳在框体151中，并设于受热面的背面的对应CPU142的部位。冷却散热片157具有凸形状以增加表面积，所以散热效果增加。冷却散热片157的形状不限于板状，可以采用鳍片(pin)状、弯曲形状等任意的配置形状。并且，冷却散热片157不必以一定间隔横向整齐排列，也可以配置成放射状，还可以倾斜配置。冷却散热片157的数量也可以任意设定。冷却散热片157优选利用铝、铜、氮化铝、人工金刚石、塑料等高导热性材料形成。冷却散热片157通过模具成形、压入、钎焊、焊接、注射成形等形成。
在本实施例中，不在芯片组144上设置冷却散热片157。只在需要散热的情况下设置冷却散热片157，由此削减成本及重量。冷却散热片157也可以是可从框体151上分开。由此，可以根据发热元件的发热量，在框体151上安装必要尺寸的冷却散热片157。
罩158确定通风路155的上部，具有一对安装孔159。在安装孔159中插入有螺钉161，螺钉161插入螺纹孔154中。结果，罩158被固定在框体151上。
冷却风扇170旋转并产生空气流，由此使冷却散热片157强制冷却。冷却风扇170具有安装部171a和171c、动力部172、和固定在动力部172上的推进部174。
安装部171a安装在设于伸出部152a的固定部156a上，安装部171c安装在设于伸出部152b的固定部156c上。在安装部171a上设有安装孔171b并与螺纹孔156b连通。在安装部171c上设有安装孔171d并与螺纹孔156d连通。结果，冷却风扇170被固定在框体151上。
动力部172一般具有旋转轴、设于旋转轴周围的轴承、轴承座、和构成电动机的磁铁，动力部172可以采用本行业中公知的任何结构，所以在此省略具体说明。为了防止电热给轴承座，优选在轴承座的内周壁面上形成隔热部。隔热部例如将氟类树脂、硅酮树脂等低导热性材料形成为薄膜状。
推进部174具有形成为所期望角度的所期望数量的旋转翼片。旋转翼片具有所期望的尺寸，被等角配置或不等角配置。冷却风扇170可以是可与动力部172和推进部174分开的也可以是不可分开的。另外，省略与冷却风扇170连接的布线的图示。
冷却风扇170具有进气口175和排气口176。进气口175设于与主板140平行的上下面上，从两侧进气。排气口176形成于和主板140垂直的面上。这样，冷却风扇170的进气方向与排气方向正交。冷却风扇170配置在与冷却散热片157大致相同的平面上，有助于笔记本式PC 100的薄型化。
在工作时，笔记本式PC 100的用户操作键盘114和指点装置116。此时，从CPU 142产生的热量经由热接合的框体151的受热部151a传递给冷却散热片157。结果，从冷却散热片157和框体151的表面将该热量自然冷却。来自芯片组144的热量从框体151的表面散热。并且，来自冷却风扇170的送风使冷却散热片157强制冷却。在送风通过通风路155时，芯片组144上的框体151的表面也被强制冷却。结果，散热效率进一步提高。另外，冷却风扇170可以一直工作，也可以在利用未图示的温度传感器检测到来自CPU 142的发热量在一定水平以上时才通电工作。
根据本实施例，固定部件153的数量从以往的4n减少为(n+2)，所以有助于主板140的安装密度的进一步提高。并且，散热器150施加的压力分布在CPU 142和芯片组144中均匀分布，所以能够保持预定的散热效率。并且，以往使芯片组144不散热，本实施例尽管不像CPU 142那样进行散热(即不设置冷却散热片157)，但进行某种程度的散热，所以能够简单地防止芯片组144受热损坏和错误动作。这样，本发明的散热器未必一定需要冷却散热片，并且可以提供多级别的散热。
以上说明了本发明的优选实施方式，但本发明不限于这些实施方式，可以进行各种变形和变更。例如，在本实施例中，发热元件数量为n＝2，但在n为3以上时，也可以应用本实施例的散热器的加压固定方法。
产业上的利用可能性
根据本发明，可以提供一种使一个或多个发热性电路元件高效且有效散热的散热器、电路基板和电子设备。

Claims (8)

1.一种散热器，其使安装在电路基板上的n个发热性电路元件散热，其中，n大于等于2，其特征在于，该散热器具有：
框体，其具有承受来自所述n个发热性电路元件的热的受热面；以及
n+2处固定部，其用于安装将所述框体加压固定在所述电路基板上的n+2个固定部件，
其中，所述散热器使所述n个发热性电路元件共同散热，
所述n+2处固定部包括用于固定两个相邻的发热性电路元件的四处固定部，所述四处固定部包括一对呈对角配置的第一固定部以及一对呈对角配置的第二固定部，所述发热性电路元件之一配置在以一对第一固定部和其中一个第二固定部为顶点的第一三角形区域之内且在以一对第一固定部和另一个第二固定部为顶点的第二三角形区域之外，另一发热性电路元件配置在所述第一三角形区域之外且在所述第二三角形区域之内。
2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述n+2处固定部被配置为，在距一个发热性电路元件最近的3个固定部件中，距所述一个发热性电路元件最远的固定部件与所述一个发热性电路元件之间的距离维持在1cm以内。
3.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，该散热器还具有冷却散热片，该冷却散热片被收纳在所述框体中，使所述n个发热性电路元件中的至少一个散热。
4.根据权利要求3所述的散热器，其特征在于，所述冷却散热片构成为可从所述框体上卸下。
5.根据权利要求3所述的散热器，其特征在于，该散热器还具有向所述框体内送风并使所述冷却散热片强制冷却的冷却风扇。
6.一种电路基板，其特征在于，该电路基板具有：
n个发热性电路元件；
权利要求1所述的散热器；以及
将所述散热器加压固定在所述发热性电路元件上的n+2个固定部件。
7.根据权利要求6所述的电路基板，其特征在于，所述n+2个固定部件所施加的加压力是可变的。
8.一种电子设备，其特征在于，该电子设备具有：权利要求6所述的电路基板。
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