JP2004523883A - 空冷放熱装置用の高性能フィン構造 - Google Patents

Abstract

集積回路デバイスから熱を除去する強化放熱装置及び方法は、上方及び下方外側表面領域を有する熱伝導性コアを有する。このシステムはさらに、半径方向に延びるフィンの第１のアレイより成る第１の伝導性リングを有する。第１の伝導性リングは上方表面領域に熱的結合される。熱伝導性コア上の第１のアレイ及び下方外側表面領域のサイズは、放熱装置を集積回路上に取付ける時マザーボード上においてコンポーネントを集積回路デバイス上に十分に近付けることができるものである。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、集積回路装置の放熱システム及び方法に関し、さらに詳細には、集積回路デバイスから熱を放散させるシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路デバイス、マイクロプロセッサー及び他のコンピューター関連コンポーネントは、能力の増大によりますます高性能になっているため、これらのコンポーネントから多量の熱が発生する。これらコンポーネントの実装ユニット及び集積回路デバイスのサイズは減少するか現状維持であるが、これらコンポーネントが発生する単位体積、質量、表面積または他の任意のかかるパラメータ当たりの熱エネルギーの量は増加している。現在の実装技術によると、ヒートシンクは通常、一方の面を集積回路デバイスに取付けた平坦なベースプレートより成る。ヒートシンクはさらに、平坦なベースプレートの反対側で垂直に延びるフィンのアレイを含む。一般的に、集積回路デバイス（熱発生源である）は、ヒートシンクの平坦なベースプレートと比べるとフットプリントサイズが有意に小さい。ヒートシンクの平坦なベースプレートはフットプリントサイズが大きい。即ち、ベースプレートはそれが接触する集積回路デバイスよりも大きなマザーボード領域を必要とする。ベースプレートのサイズが大きいと、集積回路デバイスと直接接触しないベースプレートの最も外側の部分の温度が集積回路デバイスと直接接触するベースプレートの部分より有意に低くなる。さらに、コンピューター関連装置がますます高性能になるにつれて、装置内部のマザーボード上に配置されるコンポーネントの数が増え、必要なマザーボード領域がさらに増加する。また、従来型のヒートシンクのベースプレートは、それが取付けられる集積回路デバイスと同じレベルにある。従って、ヒートシンクのベースプレートを平坦な構成にすると、それが取付けられる集積回路デバイスよりも大きいマザーボード領域を占拠することになり、その結果、ベースプレートのフットプリントサイズが大きくなって、低コストのキャパシターのような他のコンポーネントをマザーボード上のマイクロプロセッサーの周りに近付けることができなくなる。従って、集積回路の取付け及び実装装置を設計するにあたり、かかる集積回路の多くが発生する大量の熱と、マザーボード領域に対するさらなる需要とを考慮しなければならない。
【０００３】
上記理由及び本明細書を読むと当業者であれば明らかになる下記の他の理由により、マザーボード領域を節約し、電子コンポーネントをマイクロプロセッサーの周りに近付けることができるようにする強化放熱装置及び方法が必要とされている。
【好ましい実施例の詳細な説明】
【０００４】
以下の詳細な説明において、本願の一部であり、本発明の特定の実施例を例示する添付図面を参照する。図面において、同一の参照番号は幾つかの図を通して実質的に同じコンポーネントを指すものである。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳しく記載されており、他の実施例も可能であって、本発明の範囲から逸脱することなく構造的、論理的及び電気的な変形又は設計変更を行うことができることを理解されたい。さらに、本発明の実施例は、それぞれ異なるが、必ずしも相互に排他的ではないことを理解されたい。例えば、１つの実施例に記載した特定の特徴、構造または特性は、他の実施例にも含めることができる。従って、下記の詳細な説明は、限定的な意味に捉えるべきでなく、本発明の範囲は、頭書の特許請求の範囲と、かかる請求の範囲が享受すべき均等物の全範囲とだけによって画定される。
【０００５】
本願は、とりわけ、現在実施可能な大量生産技術を利用して高性能及び価格競争力を維持しながら電子コンポーネントをマイクロプロセッサーへ近付けるのを可能にする強化放熱装置を記載するものである。
【０００６】
図１は、組立て済みマザーボード１３０のマイクロプロセッサー１２０上に取付けられた従来技術のヒートシンク１１０を示す斜視図１００である。図１はまた、マザーボード１３０上のヒートシンク１１０の周りに取付けられた低コストのキャパシター１４０を示す。
【０００７】
従来技術のヒートシンク１１０は平坦なベースプレート１５０を有し、このベースプレートは、そのプレートから離れる方向に垂直に延びるフィンアレイ１６０を備えている。この構成のヒートシンク１１０では、フィンアレイ１６０がマイクロプロセッサー１２０からの熱を放散するために平坦なベースプレート１１０の使用が必要条件である。図１に示す従来技術のヒートシンク１１０により熱の放散を増加させるには、一般的に、平坦なベースプレート１５０及び／またはフィンアレイ１６０の表面積を増加する必要がある。その結果、マザーボードの使用領域が増加する。一般的に、マイクロプロセッサー１２０（熱発生源である）のフットプリントサイズは、図１のヒートシンク１１０の平坦なベースプレート１５０よりも小さい。平坦なベースプレート１５０のフットプリントサイズを大きくすると、集積回路デバイスと直接接触しない平坦なベースプレート１５０の最も外側の部分の温度が集積回路デバイスに直接接触する平坦なベースプレート１５０の部分の温度よりも有意に低くなる。その結果、平坦なベースプレート１５０が大きい従来技術のヒートシンク１１０は、集積回路デバイスから熱を効率的に放散できない。さらに、実装ユニット及び集積回路デバイスのサイズが減少しているが、これらのコンポーネントが発生する熱量は増加している。従来技術のヒートシンク１１０の構成では、フィンアレイ１６０が平坦なベースプレート１５０の端縁部へ延びて集積回路デバイスから熱を除去しなければならない。また、従来技術のヒートシンク１１０では、熱の放散を増加させるためにフィンアレイ１６０のサイズを増加させる必要がある。フィン１６０を横方向に拡大するには、平坦なベースプレート１５０のサイズを増加しなければならない。平坦なベースプレート１５０を拡大すると、マザーボード上で占拠する領域が増加する。マザーボード上の占拠領域が増加するのでは、集積回路デバイスが次々に世代交代して高性能化するに従いシステム実装密度が増加する状況では、有効なオプションとは言えない。また、従来技術のヒートシンク１１０は、それが取付けられた集積回路デバイスと同じレベルにある。図１からわかるように、マイクロプロセッサー１２０上に平坦なベースプレート１５０が取付けられる従来技術のヒートシンク１１０の構成では、一般的に、低コストのキャパシター１４０のような他のコンポーネントをマイクロプロセッサー１２０に近付けることができない。
【０００８】
図２は、本発明による強化放熱装置２００の一実施例を示す斜視図である。図２に示す強化放熱装置２００は、熱伝導性コア２１０と、第１の伝導性リング２２０とを有する。図２に示す熱伝導性コアは、上方及び下方外側表面領域２３０、２４０を有する。第１の伝導性リング２２０は、半径方向に延びるフィンの第１のアレイ２５０より成る。半径方向に延びるフィンのアレイ２５０より成る第１の伝導性リング２２０は、熱伝導性リング２１０の上方外側表面領域２３０に熱的結合されている。図２はさらに、熱伝導性コア２１０の下方外側表面領域２４０に熱的結合されたオプションとしての第２の伝導性リング２９０を示す。
【０００９】
熱伝導性コアは軸２６０を有する。一部の実施例において、上方及び下方外側表面領域２３０、２４０は軸２６０に平行である。熱伝導性コア２１０はさらに基部２７０を有する。一部の実施例において、この基部２７０は下方外側表面領域２４０の近傍で、軸２６０に垂直に設けられている。上方及び下方外側表面領域２３０、２４０は、軸２６０に対して同心的である。
【００１０】
第１の導電性リング２２０は上方外側表面領域に熱的結合されるため、装置２００を集積回路デバイス上に取付ける時、コンポーネントを第１の伝導性リングの下方であって下方外側表面領域の近傍に取付けることができる。一部の実施例では、これらのコンポーネントを、装置２００に機械的に干渉しない状態で集積回路デバイスに近付けることができる。
【００１１】
熱伝導性コア２１０は中実の本体でよい。この中実の本体は、円筒形、円錐形、正方形、矩形、または集積回路デバイスへの取付け及び上方外側表面領域２３０への第１の伝導性リング２２０の取付けを容易にする他の類似の形状でよい。熱伝導性コア２１０は、１またはそれ以上のヒートパイプ、液体、サーモサイフォン、または集積回路デバイスからの熱の放散を促進させる他の熱伝送媒体のような熱伝送媒体を含むことができる。熱伝導性コア２１０及び第１の伝導性リング２２０を有する装置２００は、アルミニウム、銅または集積回路デバイスから熱を除去できる他の任意の材料で作ることができる。
【００１２】
半径方向に延びるフィンより成る第１のアレイ２５０は、第１の、折り曲げた複数のフィンよりにより構成可能である。第１の、折り曲げた複数のフィンはまた、連続するリボンから互い違いの深折り部２８０及び浅折り部２８５を形成して、互い違いの深折り部２８０及び浅折り部２８５が上方外側表面領域２３０を包み込むように構成することができる。浅折り部は第１の深さを、また深折り部は第２の深さを有し、第１の深さは第２の深さよりも小さい。熱伝導性コア２１０の上方外側表面領域２４０の周りには、軸２６０に平行な複数のスロット２８７を形成することができる。第１の、折り曲げた複数のフィンは、複数のスロット２８７に固着できる。
【００１３】
第１の伝導性リング２２０は第１の外径を、また第２の伝導性リング２９０は第２の外径を有する。第２の外径は第１の外径よりも小さい。第１の伝導性リング２２０は第１の深さを、また第２の伝導性リング２９０は第２の深さを有する。第１及び第２の深さを含む第１及び第２の外径は、装置を集積回路デバイス上に取付ける時、コンポーネントを集積回路デバイスの周りにおいてそれに近付けて取付けることができる十分な大きさである。
【００１４】
第２の伝導性リング２９０は、半径方向に延びるフィン２９２より成る第２のアレイを備えることができる。半径方向に延びるフィンより成る第２のアレイは、熱伝導性コア２１０の下方外側表面領域２４０に熱的結合されている。第２のアレイは、第２の、折り曲げた複数のフィンより成る。第２の、折り曲げた複数のフィンは、図２に示す第１の、折り曲げた複数のフィンと同様に、連続するリボンから複数の互い違いの深折り部及び浅折り部を有するように形成可能である。
【００１５】
図３は、組立て済みマザーボード１３０上のマイクロプロセッサー１２０に固着された、図２に示す強化放熱装置２００を示す斜視図３００である。図３に示す実施例において、マイクロプロセッサー１２０は、前面３４０と裏面３３０とを有する。前面３４０は裏面３３０の反対側に位置する。前面３４０は、低コストのキャパシター１４０及び他のかかる電気的コンポーネントのようなコンポーネントを有する組立て済みマザーボード１３０に固着されている。強化放熱装置２００の図２に示す基部２７０は、マイクロプロセッサー１２０の裏面３３０に固着される。図３からわかるように、第１及び第２の、折り曲げた複数のフィン２５０、２９２を有する第１及び第２の伝導性リング２２０、２９０のサイズは、組立て済みマザーボード１３０に取付けた低コストのキャパシター１４０をマイクロプロセッサー１２０の周りに十分に近付けることができるようなものである。低コストのキャパシター１４０は、第１の伝導性リング２２０の下方であって第２の伝導性リング２９０の周りに位置することがわかる。
【００１６】
図３からわかるように、第１の伝導性リング２２０は第２の伝導性リング２９０よりも大きいため、放熱装置２００の基部２７０のフットプリントサイズをマイクロプロセッサー１２０の裏面３３０よりも大きくしなくても放熱速度を増加できる。放熱装置２００とマイクロプロセッサー１２０の裏面３３０とのフットプリントサイズが一致しているため、マイクロプロセッサー１２０の基部２７０と裏面３３０とは同じ熱伝達速度を有することができる。このため、基部２７０とマイクロプロセッサー１２０の裏面３３０との間の熱伝達効率が増加する。
【００１７】
熱伝導性コア２１０はさらに、基部２７０の反対側に頂面２７５を有する。一部の実施例において、この頂面２７５は軸２６０に垂直であり、第２の伝導性リング２９０に近接している。熱伝送媒体を頂面２７５に固着することにより、空気のような熱伝達媒体２９７を図２で示す方向で導入して放熱装置２００による熱の放散を増加させることができる。ヒートパイプまたは他のかかる媒体のような熱伝送媒体２９５を熱伝導性コア２１０に収納すると、放熱装置２００からの熱伝達をさらに増加することができる。
【００１８】
図４は、組立て済み印刷回路ボード上に取付けられた集積回路デバイスから熱を除去する強化放熱装置の形成方法４００を一般的に示す流れ図である。図４に示すこの方法４００は、まず第１に上方及び下方コア表面領域を有する熱伝導性コアの形成ステップ４１０で開始される。次のステップ４２０は、半径方向に延びるフィンより成る第１のアレイの形成を必要条件とする。次のステップ４３０では、既に形成した半径方向に延びるフィンより成る第１のアレイで第１の直径を有する第１の伝導性リングを形成する。次のステップ４４０では、コンポーネントを下方コア表面領域の周りにそれに近接して取付けることができる十分な空間が第１の伝導性リングの下方に形成されるように第１の伝導性リングを上方コア表面領域に取り付けるのを必要条件とする。
【００１９】
一部の実施例において、半径方向に延びるフィンより成る第１のアレイの形成ステップは、第１の伝導性リボンを形成し、第１の伝導性リボンから互い違いの深折り部及び浅折り部より成る第１の折り曲げ体を形成し、さらに、深折り部及び浅折り部より成る第１の折り曲げ体から第１の伝導性リングを形成するステップを含む。
【００２０】
一部の実施例において、この方法４００はさらに、半径方向に延びるフィンより成る第２のアレイを形成し、この第２のアレイから第２の直径を有する第２の伝導性リングを形成するステップを含む。さらに、第２の伝導性リングを熱伝導性コアの下方コア表面領域に固着することにより、さらに第２の伝導性リングを熱伝導性コアの下方コア表面領域に取り付けるが、第２の直径は、コンポーネントを集積回路デバイスの周りに近付けるに十分な大きさである。一部の実施例において、半径方向に延びるフィンより成る第２のアレイの形成ステップはさらに、第２の伝導性リボンを形成し、第２の伝導性リボンから互い違いの深折り部及び浅折り部より成る第２の折り曲げ体を形成し、さらに、互い違いの深折り部及び浅折り部より成る第２の折り曲げ体から第２の伝導性リングを形成するステップを含む。第２の伝導性リングの第２の直径は、第１の伝導性リングの第１の直径よりも小さい。
【００２１】
一部の実施例において、強化放熱装置は、銅、アルミニウムまたは集積回路デバイスから熱を除去可能な他の任意の材料のような熱伝導性材料で形成する。一部の実施例において、熱伝導性コアは、１またはそれ以上のヒートパイプ、液体、サーモサイフォンまたは集積回路デバイスからの熱の除去を増加させるに好適な他の同様な熱伝送媒体のような熱伝送媒体を含むことができる。
【結論】
【００２２】
上述の装置及び方法は、とりわけ、現在利用可能な大量生産技術を利用することにより高性能及び価格競争力を維持すると共に電子コンポーネントをそれが取付けられる集積回路デバイスの周りに近付けることができるようにする半径方向に延びるフィンアレイを使用して熱の放散を促進させる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】組立て済みマザーボード上のマイクロプロセッサーに取付けた従来技術のヒートシンクを示す斜視図である。
【図２】本発明による強化放熱装置の一実施例を示す斜視図である。
【図３】組立て済みマザーボード上のマイクロプロセッサーに取付けた図２の強化放熱装置を示す斜視図である。
【図４】図２の放熱装置の製造方法の一例を示す流れ図である。

Claims (30)

1. 上方及び下方外側表面領域を有する熱伝導性コアと、
   熱伝導性コアの上方外側表面領域に熱的結合された、半径方向に延びるフィンの第１のアレイを有する第１の伝導性リングとより成る強化放熱装置。
2. 熱伝導性コアは軸を有し、上方及び下方外側表面領域はその軸に平行であり、熱伝導性コアはさらに基部を有し、この基部は軸に垂直で、下方外側表面領域に近接している請求項１の装置。
3. 上方及び下方外側表面領域は軸に対して同心的である請求項２の装置。
4. 第１の伝導性リングは上方外側表面領域に熱的結合されているため、装置を集積回路デバイス上に取付ける時、コンポーネントを第１の伝導性リングの下方であって下方外側表面領域の周りにそれに近接して取付けることができる請求項２の装置。
5. コンポーネントは、集積回路デバイスに機械的に干渉しない状態でそのデバイスに近付けることができる請求項４の装置。
6. 熱伝導性コアは、円筒形、円錐形、正方形及び矩形から成る群から選択される形状を有する中実の本体である請求項４の装置。
7. 熱伝導性コアは、１またはそれ以上のヒートパイプ、液体、サーモサイフォンまたは他の同様な熱伝達媒体のような熱伝達媒体を含む請求項４の装置。
8. 熱伝導性コアと、半径方向に延びるフィンの第１のアレイとは、アルミニウム、銅及び集積回路デバイスから熱を除去可能な他の材料より成る群から選択される材料で作られている請求項７の装置。
9. 第１のアレイは第１の折り曲げた複数のフィンより成る請求項１の装置。
10. 第１の折り曲げた複数のフィンは、
    連続するリボンの複数の互い違いの深折り部及び浅折り部より成り、互い違いの深折り部及び浅折り部は上方外側表面領域を包み込む請求項９の装置。
11. 浅折り部は第１の深さを、また深折り部は第２の深さを有し、第１の深さは第２の深さより小さい請求項１０の装置。
12. 熱伝導性コアは上方外側表面領域の周りで軸に平行な複数のスロットを有し、第１の折り曲げた複数のフィンが複数のスロットに固着されている請求項１０の装置。
13. 下方外側表面領域に熱的結合された第２の伝導性リングをさらに備え、第１の伝導性リングは第１の外径を、また第２の伝導性リングは第２の外径を有し、第２の外径は第１の外径より小さい請求項１の装置。
14. 第２の外径は、装置を集積回路デバイス上に取付ける時、コンポーネントを第１の伝導性リングの下方であって第２の伝導性リングの周りにそれに近接して取付けることができる十分な大きさである請求項１３の装置。
15. 第２の伝導性リングは半径方向に延びるフィンの第２のアレイより成り、第２のアレイは熱伝導性コアの下方外側表面領域に結合されている請求項１４の装置。
16. 第２のアレイは第２の折り曲げた複数のフィンより成る請求項１５の装置。
17. 第２の折り曲げた複数のフィンは、
    下方外側表面領域の周りに位置する連続リボンの複数の互い違いの深折り部及び浅折り部より成る請求項１６の装置。
18. 前面と裏面とを有し、前面が裏面とは反対側にあり、前面がコンポーネントを備えた回路ボードに固着された集積回路デバイスと、
    強化放熱装置とより成り、
    強化放熱装置は、
    集積回路デバイスの裏面に固着され、上方及び下方コア表面領域を有し、上方及び下方コア表面領域が第１及び第２の長さを有する熱伝導性コアと、
    上方コア表面領域を取り囲むように熱的結合された第１の折り曲げた複数のフィンを有する第１の伝導性リングとより成り、第１の伝導性リングの第１の長さは第１の伝導性リングの下方において回路ボード上にコンポーネントを取付けるに十分な大きさである放熱システム。
19. 熱伝導性コアはさらに基部を有し、基部は下方コア表面領域に近接し、基部及び集積回路デバイスの裏面のフットプリントサイズが一致するため、集積回路デバイス、基部、第１の折り曲げた複数のフィン及び熱伝導性コアの温度が動作時に互いに近く、集積回路デバイスからの熱伝達が促進される請求項１８のシステム。
20. 熱伝達媒体をさらに有し、熱伝導性コアはさらに基部の反対側で上方コア表面領域に近接する頂面を有し、熱伝送媒体は頂面に固着されているため、第１の折り曲げた複数のフィンの上に熱伝送媒体により導入される冷却媒体の流れ方向が集積回路デバイスから除去される熱を増加させる請求項１９の放熱システム。
21. 下方コア表面領域に熱的結合された第２の折り曲げた複数のフィンより成る第２の伝導性リングをさらに備え、第２の伝導性リングは第２の直径を、また第１の伝導性リングは第１の直径を有し、第２の直径は第１の直径よりも小さく、コンポーネントを第１の伝導性リングの下方において回路ボード上に取付けることが十分に可能な請求項２０のシステム。
22. 集積回路デバイスはマイクロプロセッサーである請求項１８のシステム。
23. 組立て済み印刷回路ボード上に取付けた集積回路デバイスから熱を除去するための強化放熱装置の形成方法であって、
    上方及び下方コア表面領域を有する熱伝導性コアを形成し、
    半径方向に延びる第１のフィンを形成し、
    形成した第１のアレイから第１の直径を有する第１の伝導性リングを形成し、
    コンポーネントを集積回路デバイス上に取付ける時、コンポーネントを第１の伝導性リングの下方において下方コア表面領域の周りで集積回路デバイスに近付けるに十分な空間が形成されるように第１の伝導性リングを上方コア表面領域に取付けるステップより成る強化放熱装置の形成方法。
24. 半径方向に延びるフィンの第１のアレイを形成するステップは、
    第１の伝導性リボンを形成し、
    第１の伝導性リボンから互い違いの深折り部及び浅折り部より成る第１の折り曲げ体を形成し、
    互い違いの深折り部及び浅折り部より成る第１の折り曲げ体から第１の伝導性リングを形成するステップより成る請求項２３の方法。
25. 半径方向に延びるフィンの第２のアレイを形成し、
    形成した第２のアレイから第１の直径の約半分より小さい第２の直径を有する第２の伝導性リングを形成し、
    第２の直径によりコンポーネントを第１の導電性リングの下方において集積回路デバイスに十分に近づけることができるように第２の導電性リングを下方コア表面領域に取付けるステップより成る請求項２３の方法。
26. 半径方向に延びるフィンの第２のアレイを形成するステップは、
    第２の導電性リボンを形成し、
    第２の導電性リボンから互い違いの深折り部及び浅折り部より成る第２の折り曲げ体を形成し、
    互い違いの深折り部及び浅折り部より成る折り曲げ体から第２の導電性リングを形成するステップより成る請求項２５の方法。
27. 集積回路デバイスを熱伝導性コアに取付けるステップをさらに含む請求項２６の方法。
28. 集積回路デバイスはマイクロプロセッサーより成る請求項２７の方法。
29. 熱伝導性コア、第１の伝導性リング及び第２の伝導性リングは熱伝導性材料で作られている請求項２７の方法。
30. 熱伝導性コア、第１の伝導性リング及び第２の伝導性リングは、アルミニウム、銅及び集積回路デバイスから熱を除去可能な他のかかる材料より成る群から選択される材料で作られている請求項２９の方法。

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