JP2006108685A - 表面実装用ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】プリント回路基板上の部品との直接的な熱的且つ物理的な接触から分離する状態で、プリント回路基板に表面実装され、プリント回路基板を通して部品からの熱を伝導によって受けて部品を冷却するヒートシンクの提供。
【解決手段】１つ又は複数のフィン１０２、及びプリント回路基板上の部品とは直接には熱的且つ物理的に接触しない状態でプリント回路基板上のはんだパッドに実装される１つ又は複数の表面実装パッド１０４を有するヒートシンク１００。表面実装パッド１０４は内側開口１０６を有し、ヒートシンク１００は内側開口１０６によって小型のコンデンサ等を跨いで配置される。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、表面実装用ヒートシンクに関する。

表面実装回路基板技術は、電子部品の実装密度、コストの低減、及び製造し易さにおいて、改善をもたらしてきた。

パワートランジスタ及びパワーデバイス等のハイパワー電子部品は一般的に、当該電子部品に装着されるヒートシンクによって、適正な操作が保証されてきた。ヒートシンクはまた、ローパワーデバイスの性能も改善することができる。十分な冷却を得ることが可能なヒートシンクは通常、回路基板上では比較的大型の部品である。

表面実装技術におけるヒートシンクの使用に伴う問題の１つは、表面実装技術を用いて大型ヒートシンクを回路基板に固定する際の困難性である。別の問題は、表面実装技術により可能となる部品の高実装密度により、ヒートシンクを配置するために利用可能なスペースがほとんど残されないことである。さらなる問題は、ヒートシンクにより、回路基板に装着される部品及びデバイスの断面すなわち高さが著しく増すため、小型設計の構成が妨げられることである。

冷却装置の一実施形態によれば、ヒートシンクは、プリント回路基板上の部品とは直接には熱的且つ物理的に接触しない状態で該プリント回路基板に表面実装される。そして、このヒートシンクは、部品からの熱を、プリント回路基板を通してヒートシンクに伝導することにより、部品を冷却する。

構造及び操作方法の双方に関する本発明の実施形態は、以下の説明及び添付の図面を参照することにより最もよく理解されるであろう。

制限されている利用可能なスペースでの回路基板を冷却するヒートシンク技術が望まれている。

ヒートシンク及び関連する使用方法は、面状内部導電体として機能する回路基板内の複数の導電面を介して回路基板表面上のヒートシンクに熱を伝導することにより、回路基板上の部品を冷却するというものである。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、それぞれ、ヒートシンク１００の一実施形態の上から見た斜視図及び下から見た斜視図が示されている。ヒートシンク１００は、プリント回路基板上の部品とは直接には熱的かつ物理的に接触しない状態で、プリント回路基板に表面実装される。ヒートシンク１００は、部品からの熱を、プリント回路基板を通してヒートシンク１００に伝導することにより、部品を冷却する。

例示的なヒートシンク１００は、１つ又は複数のフィン１０２、及びプリント回路基板上の部品とは直接には熱的且つ物理的に接触しない状態でプリント回路基板上のはんだパッドに実装される１つ又は複数の表面実装パッド１０４を有する。例示的な実施形態は、表面実装パッド１０４の両側に装着され、表面実装パッド１０４に対しほぼ垂直に延びた一対のフィン１０２を有する。フィン１０２は、ヒートシンク１００の表面領域を拡大させる。このことによってヒートシンク１００は、回路を通過して流れた空気とヒートシンク１００との接触量を増大させ、回路を効果的に冷却する。また、示す実施例では、表面実装パッド１０４は内側開口１０６を有する。この内側開口１０６は表面実装パッド部１０４間にスペースを形成する。ヒートシンク１００はこの内側開口１０６によって、典型的な小型部品（例えば小型のコンデンサ及びレジスタ）を跨いで配置され、ヒートシンク１００が跨れた部品とは直接には熱的且つ物理的に接触しない状態に維持される。

プリント回路基板上の電子部品からの熱は、プリント回路基板の金属層を通して、ヒートシンク１００が装着されているはんだパッドに伝導される。その熱は、ヒートシンク１００にさらに伝導され、対流により空気に伝えられる。したがって、ヒートシンク１００は、プリント回路基板上の部品と物理的に、そして熱的に直接には接触することなく、プリント回路基板表面に実装されるように構成される。例えば、ヒートシンク１００は、部品（単数又は複数）と直接接触することにより、部品と直接熱接触することはない。

スペースが制限されている多くの電子プリント回路基板アセンブリにおけるヒートシンク１００の有用な構成とは、ヒートシンク１００が、プリント回路基板上に実装される部品に比して、且つ部品間のスペースに比して十分に小さいフォームファクタ（寸法）を有することであり、このことによって多くのヒートシンク１００がプリント回路基板に実装されるのである。

図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、それぞれ、ヒートシンク２００の全長にわたって延びた表面実装パッド２０４を有するヒートシンク２００の一実施形態を上から見た斜視図及び下から見た斜視図が示されている。この実施形態のヒートシンク２００では、表面実装パッド２０４に内側窓がないため、ヒートシンク１００のように内側窓１０６により得られる省スペースが得られない一方で、通常、内側窓１０６を有するヒートシンク１００に比して優れた熱性能を有する。ヒートシンク２００は、熱を空気中に伝えるためにフィン２０２を有する。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、それぞれ、図１Ａ及び図１Ｂ並びに図２Ａ及び図２Ｂに示した長方形のヒートシンク１００及び２００に比して比較的正方形の形状をしたヒートシンク３００の一実施形態を上から見た斜視図及び下から見た斜視図が示されている。ヒートシンク３００は、フィン３０２、表面実装パッド３０４、及びヒートシンク３００が小型部品（例えばレジスタ、コンデンサ等）を跨ぐことを可能にする内側窓３０６を有する。ヒートシンクの他の実施形態では、長さ、幅、及び高さが様々な他の形状及び寸法であってもよく、また、単一のパッドから複数のパッドまで任意の適した数の表面実装パッド１０４、２０４、３０４を有してもよい。例えば、ヒートシンクは、円形、正方形、又は長方形の形状、対称形状、非対称形状、及び他の形状を有していてもよい。適したヒートシンクによっては、密接した大型部品（例えばプロセッサ、メモリ、電源、コネクタ等）間に延びるラインに沿って比較的長く延びている場合もある。適したヒートシンクは、種々の選択された角度で互いに分岐した複数のセグメントを有する。

ヒートシンクの各種実施形態１００、２００、３００は、プリント回路基板に表面実装され、プリント回路基板上に実装される部品に比して、且つ部品間のスペースに比して十分に小さいフォームファクタを有することで、多くのヒートシンク１００、２００、３００はプリント回路基板上の部品とは直接的に熱的且つ物理的に接触しない状態でプリント回路基板上に実装される。

いくつかの実施形態では、ヒートシンク１００、２００、又は３００は、自動ピックアンドプレース装置を用いて、ヒートシンクがプリント回路基板上の部品間のスペースに配されるようにヒートシンク同士で均一なフォームファクタを有する。

ヒートシンク１００、２００、３００は、単純な幾何学形状及び構造で構成されるため、製造を非常に安価にすることができる（例えば１ユニットあたり１セント未満）。ヒートシンク１００、２００、３００は、プリント回路基板上の利用可能なスペースのいかなる場所にも付加される。標準寸法に準拠したヒートシンク１００、２００、３００は、任意の他の部品のように基板レイアウト技師により付加される。例えば、ヒートシンク１００、２００、３００は、部品及びデバイスを配置するのに一般的に用いられるピックアンドプレース装置を用いて回路基板に自動的に配置される。ヒートシンク１００、２００、３００は、質量が小さいため、プリント回路基板の上面又は下面のいずれにも実装することが可能である。さらに、ヒートシンク１００、２００、３００は、サイズが小さいことにより、低熱質量を有することが可能となり、このことによって、還流しやすくなっている。したがって、ヒートシンク１００、２００、３００のはんだパッドによる還流のプロセスによってプリント回路基板が全面的に高温になる必要がないようになっている。

ヒートシンク１００、２００、３００は任意の適したサイズである。特定の実施例では、約１／２インチ×１／８インチ×１／８インチの長方形で構成され得るが、任意の他のサイズであってもよい。

表面実装パッド１０４、３０４に内側窓１０６、３０６を有するヒートシンク１００、３００は、小型部品（例えば小型のコンデンサ及びレジスタ）を跨ぐことが可能であるように設計され、このことによって基板スペースが確保される。

ヒートシンク１００、２００、３００は一般的に、金属又は合金材料、例えば、アルミニウム、銅等のような薄構造になるように形成することができる材料から構成されるため、ユニットサイズが小さいことに基づいて、軽量となり、さらに十分な剛性構造も維持される。ヒートシンク１００、２００、３００の小さなサイズ及び材料特性により、耐久性があるとともに曲がりにくく、小型の剛性デバイスが形成される。

ヒートシンク１００、２００、３００は、部品からの熱を、プリント回路基板を通してヒートシンク１００、２００、３００に伝導することにより、部品を冷却する。

図４を参照すると、例示的なヒートシンクの１つ又は複数を用いて冷却される装置４００の一実施形態が斜視図で示されている。装置４００は、複数の導電層及び複数の絶縁層を含む層構造であるプリント回路基板４０２を含む電子回路である。複数の部品４０４がプリント回路基板４０２上に実装される。１つ又は複数のヒートシンク４０６は、部品４０４とは直接的に熱的且つ物理的に接触しない状態でプリント回路基板４０２に実装される。ヒートシンク４０６は、部品４０４からの熱を、プリント回路基板４０２を通してヒートシンク４０６に伝導することにより、部品４０４を冷却する。

部品４０４及びヒートシンク４０６は、従来の表面実装組立技術を用いてプリント回路基板４０２に表面実装される。

いくつかの実施形態では、ヒートシンク４０６はプリント回路基板４０２に表面実装され、部品４０４に比して、且つ部品４０４間のスペースに比して十分に小さいフォームファクタを有することで、複数のヒートシンク４０６は部品４０４とは直接的に熱的且つ物理的に接触しない状態でプリント回路基板４０２上に実装されることができるようになっている。例えば、例示的な実施形態では、ヒートシンク４０６は、プリント回路基板４０２の表面と同一平面を成す表面実装パッド、及び基板から突出し空気中に晒されるフィン表面を有して配置される。例示的なヒートシンク４０６は、部品４０４の高さと略同等の高さである非常に低い外形を有する。一実施例では、ヒートシンク４０６は、プリント回路基板４０２の表面の上に約１／１０インチ〜１／８インチ高く延びている。

典型的な実施例では、ヒートシンク４０６はすべて、均一なフォームファクタ及び表面積を有する同じ小型サイズを有する。ヒートシンク４０６は、サイズが小さいことにより、プリント回路基板４０２上の各種部品４０４、４０８間及びその周囲の利用可能なスペースの事実上どこにでも配置される。

いくつかの実施形態、例えば図１Ａ、図１Ｂ、図３Ａ、図３Ｂに示したヒートシンク１００、３００では、表面実装パッドは、表面実装パッド部１０４、３０４間にスペースを形成する内側開口１０６、３０６を有する。内側開口１０６、３０６により、ヒートシンク４０６を、各種小型部品４０８（例えばコンデンサ、レジスタ等）を跨いで配置することが可能であるとともに、ヒートシンク４０６の跨れた部品４０８との直接的な熱的且つ物理的な接触から分離した状態に維持することが可能となる。

プリント回路基板４０２上の電子部品４０４、４０８からの熱は、プリント回路基板内の金属層を通して、ヒートシンク４０６が装着されるはんだパッドに伝導され、そして、ヒートシンク４０６を通して、熱が対流により空気に伝えられる。

プリント回路基板４０２を冷却する方法は、複数の導電層及び複数の絶縁層を含む層構造を有する、適したプリント回路基板４０２を提供することで実行される。複数の部品４０４、４０８の適した場所は、これらがプリント回路基板４０２上に実装されるように、配置又はレイアウトされる。同様に、多数のヒートシンク４０６の適した場所も、これらがプリント回路基板４０２上の部品４０４、４０８間のスペースに実装されるように、アレンジ又はレイアウトされる。ヒートシンク４０６は、部品４０４、４０８から物理的且つ熱的に分離されて位置決めされており、このことによって、部品４０４、４０８が、プリント回路基板４０２を通してヒートシンク４０６に熱が伝導されることにより冷却される。

例示的な実施形態は、デュアル・インライン・メモリ・モジュール（ＤＩＭＭ）として構成された回路基板４０２用の冷却装置４００を示す。多くの電子プリント回路基板アセンブリでは、部品の高さよりも高く延びたヒートシンクのためのスペースがほとんどない。メモリＤＩＭＭは、かかる状況の典型的な例である。メモリＤＩＭＭは通常、密接しており、隣接するＤＩＭＭの集積回路上に装着されたチップパッケージの上面同士の間には１インチ程のごくわずかなスペースしかない。例示的なヒートシンク４０６は、プリント回路基板４０２に渡って多くの場所に付加されることができ、プリント回路基板４０２から熱を効果的に取り除くことができる。

図５を参照すると、プリント回路基板５００における基板５０２の一実施形態が概念的な断面図で示されている。図５に示す構造は、非常に概念的であり、必ずしも実際の縮尺率で示されてはいない。基板５０２は、プリント回路基板５００内の、単一のトラック層５０４、少なくとも１つのグランドプレーン５０６、少なくとも１つのパワープレーン５０８、及び複数の絶縁層５１０を含む複数の基板層を有する。基板５０２から、さらに、プリント回路基板表面５１４に熱を伝導する複数の基板層を通って延びるバイアホール５１２（単数又はおそらくは複数）が導かれる。はんだパッド５１６が、プリント回路基板表面５１４の選択されたパターン位置に結合され、バイアホール５１２に伝導的に結合される。ヒートシンク５１８は、はんだパッド５１６に選択的に実装される。ヒートシンク５１８は、部品からの熱を、プリント回路基板５００を通してヒートシンク５１８に伝導することにより、プリント回路基板５００上の部品を冷却する。

特定の一実施形態では、ヒートシンク５１８は、プリント回路基板表面５１４上で選択されたパターン位置に平らに実装されるとともにバイアホール５１２を介して内部グランドプレーン５０６に熱伝導的に結合される２つのめっきはんだパッド５１６をそれぞれ有する。通常、パワープレーン５０８及びグランドプレーン５０６は、プリント回路基板５００の長さ及び幅に行きわたるように完全に広がっており、このことによって、熱伝導がプリント回路基板５００全体にわたっておこる。このことによって、ヒートシンク５１８をプリント回路基板５００上のいかなる場所にも配置することを可能にする。ヒートシンク５１８がはんだ付けされるパッド５１６を、バイアホール５１２を介してグランドプレーン５０６に接続することにより、プリント回路基板５００の導電性金属面（例えば連続した銅面）へ低抵抗経路が形成され、ヒートシンク５１８に対し優れた導電経路が確保される。グランド電位と全てのヒートシンク５１８との相互接続により、電磁干渉（ＥＭＩ）特性、また、構成及び環境によっては、静電放電（ＥＳＤ）特性が改善される。

プリント回路基板を冷却する方法はさらに、例えば単一のトラック層５０４、少なくとも１つのグランドプレーン５０６、少なくとも１つのパワープレーン５０８、及び複数の絶縁層５１０等の複数の基板層を有するプリント回路基板５００を提供するということも含む。バイアホール５１２はくり抜かれ、基板の複数の層に延びるように伝導性材料（例えば金属）を充填することができる。サーマルバイアホール５１２は、複数の層を介してプリント回路基板表面５１４に、そして、ヒートシンク５１８に、熱を伝導する。

この方法はさらに、プリント回路基板表面５１４上の選択されたパターン位置での、はんだパッド５１６の配置又は構成を選択又はレイアウトすることを含む。はんだパッド５１６は、バイアホール５１２に熱伝導的に結合され、ヒートシンク５１８ははんだ付けによりはんだパッド５１６に実装される。特定の一実施形態では、方法は、バイアホール５１２を１つ又は複数のグランドプレーン５０６と導電的に接触させてヒートシンク５１８の接地を可能にするように、バイアホール５１２を構成することを含む。

ヒートシンク５１８は、小さいフォームファクタを有することができ、はんだリフロープロセスを用いてプリント回路アセンブリ基板５００上のはんだパッド５１６上に表面実装される。はんだ上の表面張力は通常、はんだ自体の表面張力を生じさせ、回路基板はんだパッド上へのヒートーシンク表面実装パッドの自己配置を容易にするとともにヒートシンク５１８のセルフセンタリングの手助けとなる。ヒートシンク５１８はそのサイズが小さいことにより多数のヒートシンク５１８が、プリント回路基板５００の概ね端から端まで、プリント回路基板５００上の部品間の利用可能なスペースの多数の場所に設置される。さらに、サイズが小さいことにより、ヒートシンク５１８を部品間の小さいスペースに嵌めることが可能である。

いくつかの実施形態において、冷却方法ではさらに、均一な又は標準的なサイズのヒートシンク５１８を用いることを含み、このことにより、潜在的に部品が密集しているプリント回路基板で利用可能ないかなる位置スペースにもフォームファクタの小さいヒートシンク５１８を配置することを容易にする自動ピックアンドプレース装置を用いて、多くの部品及びヒートシンク５１８の実装を可能にする。

ヒートシンク５１８は、空気に晒される表面積を増やすことによりプリント回路基板５００から熱を取り除く。プリント回路基板５００上の電子部品からの熱は、プリント回路基板５００の金属層を通してはんだパッド５１６及び該パッド５１６に装着されるヒートシンク５１８に伝導される。次に、この熱は、ヒートシンク５１８内で伝導され、対流により空気に伝えられる。

本開示は各種実施形態を説明してきたが、これらの実施形態は、例示として理解されるべきであり、特許請求の範囲を限定するものではない。説明した実施形態の多くの変形、変更、付加、及び改良が可能である。例えば、当業者は、本明細書に開示された構造及び方法を提供するのに必要なステップを容易に実施するであろうし、また、プロセスパラメータ、材料、及び寸法は例示として与えられているにすぎないことを理解するであろう。所望の構造及び変更を達成するためのパラメータ、材料、及び寸法は様々であり、これらは特許請求の範囲内にある。例えば、特定のサイズ及び形状の特定のヒートシンクが説明されているが、任意の適したサイズ及び形状を用いることもできる。さらに、冷却構造及び方法を特定の用途において、特定タイプの回路基板で説明しているが、任意の適した用途又は任意の適したタイプの回路で実施することができる。

ヒートシンクの一実施形態を上から見た斜視図である。 ヒートシンクの一実施形態を下から見た斜視図である。 表面実装パッドがヒートシンクの全長にわたって延びている、ヒートシンクの一実施形態を上から見た斜視図である。 表面実装パッドがヒートシンクの全長にわたって延びている、ヒートシンクの一実施形態を下から見た斜視図である。 比較的正方形の形状をした、ヒートシンクの一実施形態を上から見た斜視図である。 比較的正方形の形状をした、ヒートシンクの一実施形態を下から見た斜視図である。 例示的なヒートシンクの１つ又は複数を用いて冷却される装置の一実施形態を示す斜視図である。 プリント回路基板の一実施形態を示す概念的な断面図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４０６、５１８ ヒートシンク
１０４ 表面実装パッド
４００ 回路基板
４０２ プリント回路基板

Claims (13)

1. プリント回路基板上の部品との直接的な熱的且つ物理的な接触から分離した状態で前記プリント回路基板に表面実装され、前記プリント回路基板を通して前記部品からの熱を伝導によって受けて前記部品を冷却することを特徴とするヒートシンク。
2. プリント回路基板に表面実装され、前記プリント回路基板上に実装された部品と前記部品間のスペースとに比して十分に小さい寸法を有することによって前記プリント回路基板上の前記部品との直接的な熱的且つ物理的な接触から分離した状態で前記プリント回路基板上に多数実装することができることを特徴とするヒートシンク。
3. 複数の導電層及び複数の絶縁層を含む層構造であるプリント回路基板と、
   前記プリント回路基板上に実装される複数の部品と、
   前記プリント回路基板上の前記部品との直接的な熱的且つ物理的な接触から分離した状態で前記プリント回路基板上に実装される少なくとも一つのヒートシンクとを備え、
   前記少なくとも１つのヒートシンクは、前記プリント回路基板を通して前記部品からの熱を伝導によって受けて前記部品を冷却することを特徴とする装置。
4. 複数の導電層及び複数の絶縁層を含む層構造をしたプリント回路基板と、
   前記プリント回路基板上に実装される複数の部品と、
   少なくとも一つのヒートシンクであって、プリント回路基板に表面実装され、前記プリント回路基板上に実装された部品と前記部品間のスペースとに比して十分に小さい寸法を有することによって前記プリント回路基板上の前記部品との直接的な熱的且つ物理的な接触から分離した状態で前記プリント回路基板上に多数実装することができる前記ヒートシンクとを備えることを特徴とする装置。
5. 単一のトラック層、少なくとも１つのグランドプレーン、少なくとも１つのパワープレーン及び複数の絶縁層を含む前記プリント回路基板内の複数の基板層と、
   前記複数の基板層を通して延び、前記複数の基板層を通して前記プリント回路基板表面に熱を伝導する少なくとも１つのバイアホールとをさらに備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の装置。
6. 前記プリント回路基板表面の選択されたパターン位置に結合されるとともに前記少なくとも１つのバイアホールに熱伝導的に結合されるはんだパッドを備え、前記はんだパッドに前記ヒートシンクが選択的に実装されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記プリント回路基板表面の選択されたパターン位置に結合されるとともに前記少なくとも１つのバイアホールにより前記少なくとも１つのグランドプレーンに導電的に結合されるはんだパッドを備え、前記はんだパッドに前記ヒートシンクが選択的に実装されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 少なくとも１つのフィンと、
   前記プリント回路基板上の部品との直接的な熱的且つ物理的な接触から分離した状態で前記プリント回路基板上のはんだパッドに実装される少なくとも１つの表面実装パッドとをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のヒートシンク又は装置。
9. ほぼ長方形の表面実装パッドと、
   前記表面実装パッドの両側に装着され、前記表面実装パッドに対しほぼ垂直に延びる一対のフィンとをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のヒートシンク又は装置。
10. 前記表面実装パッドは、表面実装パッド部間にスペースを形成し、且つ前記部品を跨いで前記ヒートシンクを配置することを可能にするとともに跨がれた前記部品との直接的な熱的且つ物理的な接触から分離した状態に前記ヒートシンクを維持することを可能にする内側開口をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のヒートシンク又は装置。
11. 前記プリント回路基板上の電子部品からの熱は、前記プリント回路基板内の金属層を通して、前記ヒートシンクが装着されるはんだパッドに伝導され、前記ヒートシンクを通して、前記熱が対流により空気に伝えられることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のヒートシンク又は装置。
12. 前記ヒートシンクは、前記プリント回路基板上に実装された部品と前記部品間のスペースとに比して十分に小さい寸法を有することによって、前記プリント回路基板上に多数実装することができることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヒートシンク又は装置。
13. 前記ヒートシンクは、前記部品からの熱を、前記プリント回路基板を通して伝導により受けて前記部品を冷却することを特徴とする請求項１２に記載のヒートシンク又は装置。

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