JP2005057088A - 多層構造の熱伝導部材、および、それを用いた電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】形状の異なる発熱素子が多数かつ高密度に実装されている場合に、それらの発熱素子を効率よく冷却すること
【解決手段】基板に実装された発熱素子に密着できる熱伝導性シートを可撓性を有するグラファイト・シートに貼り付け、そのグラファイト・シートの縁端部をアルミニウム製のヒートシンクに直接圧接する。そして、熱伝導性シートには不導体を用いる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子機器が有する発熱素子の冷却に係り、特にそれぞれ形状が異なる複数の発熱素子の冷却に関する。
従来では、基板に実装された電子部品を冷却するために、柔軟な熱伝導性シートやグラファイト・シートが用いられる（例えば、特許文献１または特許文献２を参照。）。
ここで、柔軟な熱伝導性シートの使用例を図１に例示する。図１は、側面図である。図１において、基板１００は、金属製のヒートシンク１１０に柔軟な熱伝導性シート１２０を介して熱的に結合されている。基板１００は、それぞれ形状が異なる複数の発熱素子１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ，１３０ｅが実装されている。基板１００およびヒートシンク１１０は、原則的に剛体である。剛体の加工精度には限界があるので、基板１００とヒートシンク１１０との間には、隙間が設けられている。熱伝導性シート１２０は、基板１００および発熱素子１３０ａなどとヒートシンク１１０との間の隙間を埋めている。
次に、グラファイト・シートの使用例を図２に例示する。図２は、側面図である。図２において、発熱素子２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ，２３０ｄは、基板２００に実装されている。また、発熱素子２３０ａ，２３０ｃ，２３０ｄは、グラファイト・シート２２０を介して熱的に結合されている。さらに、発熱素子２３０ｄは、グラファイト・シート２２０を介してヒートシンク２１０とも結合されている。
特開２００３−６８９５２号公報（第３頁、図１） 特開２００３−８２６３号公報（第４頁、図２）
柔軟な熱伝導性シートを用いて発熱素子を冷却する場合、以下のような問題がある。まず、基板上にそれぞれ形状の異なる発熱素子が実装されている場合、発熱素子の高さが異なる。例えば、図１において、発熱素子１３０ａの高さは、発熱素子１３０ｂの高さの半分以下である。通常、基板１００は平面であるので、全ての発熱素子１３０ａ〜１３０ｅに熱伝導性シート１２０を接触させるには、熱伝導性シート１２０の厚さを厚くしなければならない。一般に、熱伝導性シート１２０は、金属製のヒートシンク１１０などに比べて熱伝導率が小さい。熱伝導性シート１２０の厚さを厚くすることにより、全体としての冷却効果が低下する。冷却効果の低下を抑えるには、基板１００および発熱素子１３０ａ〜１３０ｅがなす形状に合わせて、ヒートシンク１１０を加工すれば良い。この場合、発熱素子１３０ａ〜１３０ｅの配置が変わるたびに、ヒートシンク１１０を加工しなおさなければならず、非経済的で開発効率も低下する。また、多段の基板の両面に発熱素子が実装される場合、ヒートシンクの設置は困難である。
グラファイト・シートを用いて発熱素子を冷却する場合、以下のような問題がある。まず、グラファイト・シートは、柔軟な熱伝導性シートに比べて硬く曲げにくい。従って、発熱素子の高低差が激しい場合、グラファイト・シートは、背の低い発熱素子（例えば、発熱素子２３０ｂ）に密着できない。また、グラファイト・シートは、電気的に良導体であるので、基板上の電子部品を短絡させる可能性がある。最近では、表面に絶縁コーティングを施したグラファイト・シートなども考案されているが、グラファイト・シートが破損した場合を考慮すると、短絡事故の可能性が残る。
本発明は、それぞれ形状の異なる発熱素子が多数かつ高密度に実装されている場合に、それらの発熱素子を効率よく冷却することを目的とする。また、多段に設けられた基板に両面実装された複数の発熱素子を効率よく冷却することも目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものである。すなわち、本題一の発明は、それぞれの形状が不均一な複数の発熱素子に取り付けられ、前記複数の発熱素子が発生する熱を放熱部材へ伝達するための熱伝導部材であって、熱的に結合された第一の熱伝導性シートと第二の熱伝導性シートとを備え、前記第一の熱伝導性シートは、前記複数の発熱素子に密着できるような柔軟性を有する不導体であり、前記第二の熱伝導性シートは、前記複数の発熱素子に密着した前記第一の熱伝導性シートに追随できるような可撓性と前記第二の熱伝導性シートに比べて高い熱伝導性とを有することを特徴とするものである。
また、本第二の発明は、本第一の発明において、前記第二の熱伝導性シートは、その面方向の熱伝導性がその厚さ方向の熱伝導性に比べて高く、かつ、その厚さ方向の熱伝導性が前記第二の熱伝導性シートの熱伝導性に比べて高いことを特徴とするものである。
さらに、本第三の発明は、本第一の発明または第二の発明において、前記第二の熱伝導性シートは、前記放熱部材と直接接触するための部分を有することを特徴とするものである。
またさらに、本第四の発明は、それぞれの形状が不均一な複数の発熱素子に取り付けられ、前記複数の発熱素子が発生する熱を放熱部材へ伝達するための熱伝導部材を備える電子機器であって、熱的に結合された第一の熱伝導性シートと第二の熱伝導性シートとを備え、前記第一の熱伝導性シートは、前記複数の発熱素子に密着できるような柔軟性を有する不導体であり、前記第二の熱伝導性シートは、前記複数の発熱素子に密着した前記第一の熱伝導性シートに追随できるような可撓性と前記第二の熱伝導性シートに比べて高い熱伝導性とを有することを特徴とするものである。
また、本第五の発明は、本第四の発明において、前記第二の熱伝導性シートは、その面方向の熱伝導性がその厚さ方向の熱伝導性に比べて高く、かつ、その厚さ方向の熱伝導性が前記第二の熱伝導性シートの熱伝導性に比べて高いことを特徴とするものである。
さらに、本第六の発明は、本第四の発明または第五の発明において、前記第二の熱伝導性シートは、前記放熱部材と直接接触するための部分を有することを特徴とするものである。
本発明によれば、それぞれ形状の異なる発熱素子が多数かつ高密度に実装されている場合に、それらの発熱素子を効率よく冷却することできる。また、本発明によれば、多段に設けられた基板や該基板上に実装された複数の発熱素子を効率よく冷却することもできる。さらに、本発明によれば、発熱素子もしくは他の電子部品、または、それらを実装する基板の短絡を防止することができる。またさらに、本発明によれば、発熱素子の配置変更に伴うコスト発生や開発効率の低下を防止することができる。
本発明を、添付の図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。本発明の第一の実施形態は、電子機器の一例である電子測定器に備えられるプリント基板であって、その斜視図を図３に示す。なお、電子測定器は、いわゆるワンボックス型の測定器に限定されず、テストシステム全体やテストシステムを構成する部分的な測定器をも含む。図３において、プリント基板３００は、アルミニウム製のヒートシンク３１０を備える。また、伝熱部材３２０は、プリント基板３００の部品面に密着して取り付けられる。伝熱部材３２０は、グラファイト・シート３２１と熱伝導性シート３２２とを面同士で貼り合わせたものである。グラファイト・シート３２１は、その貼り合わせにより、熱伝導性シート３２２と熱的に結合される。なお、伝熱部材３２０の縁端部３２１ａは、グラファイト・シート３２１のみが露出する。グラファイト・シート３２１は、可撓性を有する熱伝導性のシートであって、その面方向の熱伝導性がその厚さ方向の熱伝導性に比べて高い。また、グラファイト・シート３２１は、その厚さ方向の熱伝導性が熱伝導性シート３２２に比べて高い。ヒートシンク３１０と伝熱部材３２０との組は、放熱装置として作用する。熱伝導率の参考値は、以下の通りである。アルミニウムの熱伝導率は、面方向および厚さ方向ともに約２４０Ｗ／ｍＫ、である。グラファイト・シートの熱伝導率は、厚さ方向が約１２Ｗ／ｍＫ、面方向が約２００Ｗ／ｍＫ〜約８００Ｗ／ｍＫ、である。熱伝導性シートの熱伝導性は、面方向および厚さ方向ともに約１Ｗ／ｍＫ、である。
ここで、プリント基板３００の側面図を図４に示す。図４において、プリント基板３００は、複数の発熱素子３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄ，３３０ｅが密に実装されている。発熱素子３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄ，３３０ｅは、それぞれ不均一な形状を有する。グラファイト・シート３２１の縁端部３２１ａは、平板３４０とネジ３５０とによりヒートシンク３１０に圧接されている。グラファイト・シート３２１は、その圧接により、ヒートシンク３１０と熱的に結合される。熱伝導性シート３２２は、発熱素子３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄ，３３０ｅに密着して取り付けられる程度の柔軟性を有する不導体である。さらに、グラファイト・シート３２１は、発熱素子３３０ａなどに密着した熱伝導性シート３２２に追随できる程度の可撓性を有する。図４において、ヒートシンク３１０は、断面構造が図示されている。ヒートシンク３１０は、内部に流路３１１を有する。流路３１１には、ヒートシンク３１０を冷却するための冷却液が流れている。
本発明の第一の実施形態によれば、熱伝導性シート３２２は、可撓性を有するグラファイト・シート３２１に貼り付けられているので、その厚さを薄くしてもなお、それぞれ形状が異なる発熱素子３３０ａなどへ密着することができる。薄い熱伝導性シート３２２は、高密度に実装されたそれぞれ形状の異なる複数の発熱素子３３０ａからグラファイト・シート３２１へ効率よく熱を伝達させることができる。また、グラファイト・シート３２１は、熱伝導性シート３２２から伝達された熱を、速やかにヒートシンク３１０へ伝達することができる。従って、伝熱部材３２０は、それぞれ形状の異なる発熱素子が多数かつ高密度に実装されている場合に、それらの発熱素子を効率よく冷却することできる。さらに、熱伝導性シート３２２は不導体であるので、プリント基板３００、または、プリント基板３００に実装された発熱素子３３０ａなどもしくは他の電子部品の短絡事故を防止することができる。またさらに、熱伝導性シート３２２は十分な柔軟性を有し、かつ、可撓性を有するグラファイト・シートに支持されるので、発熱素子３３０ａなどの配置が変わっても、そのまま利用することができる。これにより、従来に比べて、経済性と開発効率が向上する。
またさらに、本発明によれば、電子機器のサイズを小さくすることもできる。例えば、電子測定器の一例である半導体テスタのテストヘッドは、その内部に、それぞれ形状の異なる発熱素子が多数かつ高密度に実装された基板を多数かつ高密度に装備している。本発明によれば、それらの基板の隙間をできるだけ詰めることができ、テストヘッドのサイズを小さくすることができる。
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。本発明の第二の実施形態は、電子機器の一例である電子測定器に備えられる多段構造の両面プリント基板であって、その斜視図を図５に示す。なお、電子測定器は、いわゆるワンボックステスタに限定されず、テストシステム全体やテストシステムを構成する部分的なテスタをも含む。図５において、プリント基板４００およびプリント基板５００は、発熱素子を含む電子部品が両面に実装されている。プリント基板４００は、アルミニウム製のヒートシンク４１０を備える。伝熱部材４２０は、グラファイト・シート４２１の両面に熱伝導性シート４２２，４２３を貼り合わせたものである。グラファイト・シート４２１は、その貼り合わせにより、熱伝導性シート４２２および熱伝導性シート４２３と熱的に結合される。伝熱部材４２０は、プリント基板４００およびプリント基板５００の部品面に密着して取り付けられる。なお、伝熱部材４２０の縁端部４２１ａは、グラファイト・シート４２１のみが露出する。グラファイト・シート４２１は、その面方向の熱伝導性がその厚さ方向の熱伝導性に比べて高い。また、グラファイト・シート４２１は、可撓性を有する熱伝導性のシートであって、その厚さ方向の熱伝導性が熱伝導性シート４２２および熱伝導性シート４２３の厚さ方向および面方向の熱伝導性に比べて高い。ヒートシンク４１０と伝熱部材４２０との組は、放熱装置として作用する。熱伝導率の参考値は第一の実施形態において示した通りである。
ここで、プリント基板４００およびプリント基板５００の側面図を図６に示す。図６において、プリント基板４００は、複数の発熱素子４３０ａ，４３０ｂ，４３０ｃ，４３０ｄ，４３０ｅが密に実装されている。また、プリント基板５００は、複数の発熱素子５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃが密に実装されている。発熱素子４３０ａ，４３０ｂ，４３０ｃ，４３０ｄ，４３０ｅ，５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃは、それぞれ不均一な形状を有する。グラファイト・シート４２１の縁端部４２１ａは、平板４４０とネジ４５０とによりヒートシンク４１０に圧接されている。グラファイト・シート４２１は、その圧接により、ヒートシンク４１０と熱的に結合される。熱伝導性シート４２２は、発熱素子４３０ａ，４３０ｂ，４３０ｃ，４３０ｄ，４３０ｅに密着して取り付けられる程度の柔軟性を有する不導体である。また、熱伝導性シート４２３は、発熱素子５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃに密着して取り付けられる程度の柔軟性を有する不導体である。さらに、グラファイト・シート４２１は、発熱素子４３０ａなどに密着した熱伝導性シート４２２または発熱素子５３０ａなどに密着した熱伝導性シート４２２熱伝導性シート４２３に追随できる程度の可撓性を有する。図６において、ヒートシンク４１０は、断面構造が図示されている。ヒートシンク４１０は、内部に流路４１１を有する。流路４１１には、ヒートシンク４１０を冷却するための冷却液が流れている。
本発明の第二の実施形態によれば、グラファイト・シート４２１の両面に熱伝導性シート４２２，４２３を備えるので、狭い空間にある発熱素子４３０ａなどの熱を効率よくヒートシンク４１０に伝達することができる。これにより、接近して設けられた両面実装プリント基板上の発熱素子を効率よく冷却することができる。プリント基板４００とプリント基板５００との間にヒートシンクを設置することも必要なくなる。
上記の２つの実施形態において、露出しないように熱伝導性シートの内部にダイヤモンド粉を含ませると、熱伝導性シートの熱伝導性が高くなる。これにより、熱伝導性シートの厚さが厚くなった場合でも、大きな冷却効果が期待できる。
また、上記の２つの実施形態において、グラファイト・シートは、可撓性を有し熱伝導性シートに比べて熱伝導性が高いシート状の部材であれば、他の熱伝導部材を使用することができる。例えば、グラファイト・シートに代えて、可撓性を有するダイヤモンド・シートを用いることができる。
さらに、上記の２つの実施形態において、熱伝導性シートは、それぞれの形状が不均一な複数の発熱素子に密着できれば良い。例えば、熱伝導性シートとして、シリコンゴム・シートまたは非シリコン系のアクリルゴム・シートなどを用いることができる。また、熱伝導性シートをグラファイト・シートの両面に貼り付ける場合、熱伝導シートの種類または形状（厚さを含む）は同一である必要はなく、密着させる部品の形状や発熱量などに合わせて個別に選択可能である。
またさらに、上記の２つの実施形態において、ヒートシンクは、熱容量または比熱が小さいほど良い。従って、ヒートシンクは、アルミニウムだけでなく、銅などで作られても良い。また、ヒートシンクは、発熱素子にできるだけ近く、設置可能な場所に備えられればよい。上記の２つの実施形態において、ヒートシンクは、伝熱部材の縁端部（グラファイト・シートの縁端部）に接続されているが、これに限定されるわけではない。
本発明は、それぞれ形状の異なる発熱素子が多数かつ高密度に実装されている場合に効果を奏するので、他の電子機器に備えられた発熱素子に対しても有効である。
従来技術である熱伝導性シートを示す図である。 従来技術であるグラファイト・シートを示す図である。 本発明の第一の実施形態を示す斜視図である。 本発明の第一の実施形態を示す側面図である。 本発明の第二の実施形態を示す斜視図である。 本発明の第二の実施形態を示す側面図である。
符号の説明
３００，４００，５００ プリント基板
３１０，４１０ ヒートシンク
３１１，４１１ 流路
３２０，４２０ 伝熱部材
３２１，４２１ グラファイト・シート
３２２，４２２，４２３ 熱伝導性シート
３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄ，３３０ｅ 発熱素子
３４０，４４０ 平板
３５０，４５０ ネジ
４３０ａ，４３０ｂ，４３０ｃ，４３０ｄ，４３０ｅ 発熱素子
５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ 発熱素子

Claims (10)

  1. それぞれの形状が不均一な複数の発熱素子に取り付けられ、前記複数の発熱素子が発生する熱を放熱部材へ伝達するための熱伝導部材であって、
    熱的に結合された第一の熱伝導性シートと第二の熱伝導性シートとを備え、
    前記第一の熱伝導性シートは、前記複数の発熱素子に密着できるような柔軟性を有する不導体であり、
    前記第二の熱伝導性シートは、前記複数の発熱素子に密着した前記第一の熱伝導性シートに追随できるような可撓性と前記第二の熱伝導性シートに比べて高い熱伝導性とを有する、
    ことを特徴とする熱伝導部材。
  2. 前記第二の熱伝導性シートは、その面方向の熱伝導性がその厚さ方向の熱伝導性に比べて高く、かつ、その厚さ方向の熱伝導性が前記第二の熱伝導性シートの熱伝導性に比べて高い、
    ことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導部材。
  3. 前記第二の熱伝導性シートは、前記放熱部材と直接接触するための部分を有する、
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱伝導部材。
  4. 前記第二の熱伝導性シートは、グラファイト・シートまたはダイヤモンド・シートである、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱伝導部材。
  5. 前記第一の熱伝導性シートは、その内部にダイヤモンド粉が含まれる、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱伝導部材。
  6. それぞれの形状が不均一な複数の発熱素子に取り付けられ、前記複数の発熱素子が発生する熱を放熱部材へ伝達するための熱伝導部材を備える電子機器であって、
    熱的に結合された第一の熱伝導性シートと第二の熱伝導性シートとを備え、
    前記第一の熱伝導性シートは、前記複数の発熱素子に密着できるような柔軟性を有する不導体であり、
    前記第二の熱伝導性シートは、前記複数の発熱素子に密着した前記第一の熱伝導性シートに追随できるような可撓性と前記第二の熱伝導性シートに比べて高い熱伝導性とを有する、
    ことを特徴とする電子機器。
  7. 前記第二の熱伝導性シートは、その面方向の熱伝導性がその厚さ方向の熱伝導性に比べて高く、かつ、その厚さ方向の熱伝導性が前記第二の熱伝導性シートの熱伝導性に比べて高い、
    ことを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
  8. 前記第二の熱伝導性シートは、前記放熱部材と直接接触するための部分を有する、
    ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電子機器。
  9. 前記第二の熱伝導性シートは、グラファイト・シートまたはダイヤモンド・シートである、
    ことを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の電子機器。
  10. 前記第一の熱伝導性シートは、その内部にダイヤモンド粉が含まれる、
    ことを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の電子機器。
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