JP2006261336A - 放熱構造および放熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子素子の放熱に関し、より詳細には回路基板上に搭載された半導体等の電子素子を放熱するための放熱構造および放熱方法を提供することを目的とする。
【解決手順】 表面が粘着性を有する弾性体でシート状に形成され、一方の面を非粘着性の孔明きシートで覆った熱伝導シートをこの孔明きシートが上面になるように電子素子の上部に配置して粘着させ、放熱ねじを孔明きシートの面に下降させて押圧し、押圧によって孔明きシートの孔から押し出された弾性体の表面で放熱ねじと熱伝導シートとを粘着するよう構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は電子素子の放熱に関し、より詳細には回路基板上に搭載された半導体等の電子素子を放熱するための放熱構造および放熱方法に関する。

電子機器装置を構成する回路基板には、半導体等の電子デバイスが数多く搭載されている。近年では電子機器装置の小型化に伴い、これら半導体の高集積化、回路基板の高密度化が進み、熱設計が電子機器装置の設計における重要な位置を占めつつある。

電子機器装置における放熱の方法は大きく分けて液冷（例えば、水冷）と空冷に分けることができるが、液冷は放熱効果が大きいものの放熱装置が複雑化し、そのコストもかかる。空冷は低コストで小型化できるものの放熱効果は液冷に較べて劣る、という特徴を持っている。放熱構造の従来技術を構造が簡単な空冷についてその一例を図８を用いて説明する。

図８（ａ）は従来の放熱構造の外観を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）の放熱構造を分解した図を示し、図８（ｃ）は図８（ａ）の放熱構造の断面を示したものである。図８（ｂ）において、回路基板１００に搭載された電子素子１１０の上面は放熱当て板１２０で密着され、その放熱当て板１２０はフレーム１３０を介して放熱壁１４０に熱伝導する構造である。この例では、電子機器のトラブルを防ぐために電子素子１１０をフレーム１３０と放熱当て板１２０および回路基板１００で囲った構造としている。電子素子１１０から発生する熱は、放熱当て板１２０およびフレーム１３０を介して放熱壁１４０まで伝導し、放熱壁１４０から外気に放熱される仕組みになっている。放熱当て板１２０およびフレーム１３０、および放熱壁１４０の材料は熱伝導のよい、例えばアルミニュウムが用いられる。

電子素子１１０は回路基板１００上に半田等により搭載されるが、電子素子１１０のパッケージの高さ寸法のばらつき、電子素子の端子部のピン成形あるいは半田ボールの大きさの製造上のばらつき、搭載時の回路基板のパッドと電子素子の端子部との間の半田量などで搭載後の電子素子１１０の高さには製造上のばらつきが生じる。このため、電子素子１１０上面と放熱当て板１２０とに間隙ができると熱伝導がなされなくなり電子素子１１０の破壊を招くことになる。

この電子素子１１０の高さのばらつきを吸収するため、電子素子１１０上面と放熱当て板１２０とに間に弾性を持ち伝熱性が高い、例えばシリコーンゴムなどを材料とした熱伝導シートを挟むことも行われている。熱伝導シートが弾性に富むため、変形により間隙を埋め、ばらつきを吸収するものである。

また、電子素子１１０の搭載による高さのばらつきの影響をなくすために、放熱当て板１２０に相当する部分を上下可動が可能なねじとし、そのねじを回転してねじの下面を電子素子１１０に押し当てる方法が提案されている。本提案によれば、個々の電子素子に対してねじの高さ方向に調節できるので、大きなばらつきがあっても問題とはならない、という効果を呈することができる（例えば、特許文献１）。

また、本発明に関連する技術として、ねじをロックする目的の座金に粘着剤を内包したマイクロカプセル型の用材を塗布し、締め付けに際してマイクロカプセルの皮膜が破れることにより粘着剤を出しねじの緩みを防止する技術も提案されている（例えば、特許文献２）。
特開２００１−２５１００８号公報 特開２００１−１１６０３３号公報

上記に述べたように、回路基板上に搭載した回路素子の上面の高さにばらつきが生じ、電子素子の高さが低い場合は空隙により放熱効果が大幅に低下する原因となる。また、電子素子の高さが高い場合は、放熱板が電子素子を強く圧迫するため電子素子の端子部のピンやリード線に捻屈を引き起し断線に至る場合も出てくる。

前述したように、熱伝導シートを用いてこのばらつきを吸収する方法が実施されているが、ばらつきが少ない場合は熱伝導シートは薄くてよく効果的に熱伝導を行う。しかし、このばらつきが大きい場合は熱伝導シートを厚くする必要があり、そのような場合は熱伝導シートが金属より熱伝導率が低いため放熱の効率が悪い、という問題があった。従って、高い熱伝導効率を得るために薄い熱伝導シートを用いることになるが、その場合は前述したようにパッケージやピンの成形のばらつきや搭載時の半田量のばらつきを少なく抑える必要がありコスト高となる問題が生ずる。

また、特許文献１に提案されたねじにより高さを調節する方法は、ばらつきが大きい場合でも個別に高さの調節が可能であるのでばらつきを吸収する点では優れている。しかし、高さの調節はねじの回転で行うのであるが、どの程度回転して締めつければよいかを知ることは難しい、という問題がある。前述のように、あまり強く締めつけ過ぎると電子素子の端子部を破壊したり断線させてしまったりする恐れがあるからである。即ち、適正な締め付け圧力の判断が難しい、という問題がある。さらに、ねじの下面は平坦に加工されているとはいうものの、電子素子の上面と完全に面接触する訳ではなく、多少の空隙があると考えられる。この箇所の熱抵抗は大きくなることから熱伝導の効率を低下させる原因となる。

本発明は、ねじを用いた放熱構造で適正な締め付け圧力で高さの調整を可能とし、熱伝導効率の良い放熱構造とその方法を提供する。

本発明の放熱構造および放熱方法は、以下のように構成される。
（１）第１の発明
図１は第１の発明の放熱構造を示すもので、回路基板１０上に搭載された電子素子２０に対し、熱伝導シート３０と放熱ねじ４０、および放熱支持体５０の各放熱要素で放熱構造を構成する。

各放熱要素について説明する。まず、熱伝導シート３０は、表面が粘着性を持つシート状の弾性体３１と、一方の面に粘着させた非粘着性の孔明きシート３２からなるものである。熱伝導シート３０の弾性体３１は、シート状に成形された弾性体の表面（両面）を粘着層で覆ったものでもよい。孔明きシート３２は、次に述べる放熱ねじ４０の伝熱面に対し摩擦抵抗が低い材質で作られたものである。また、放熱ねじ４０は、上面は工具により回転を与えて上下に可動させるための工具嵌合部が形成され、下面は熱伝導シートを介して熱を伝える伝熱面を持つものである。放熱ねじ４０の側面はねじが形成されている。そして、放熱支持体５０は放熱ねじと螺合するねじ穴が所定箇所に形成されたものである。

次にこれらの放熱要素の配置について説明する。回路基板１０には電子素子２０が搭載され、その電子素子２０の上面に熱伝導シート３０を配置し、さらにその熱伝導シート３０の上面を放熱ねじ４０で押圧している。そして、放熱ねじ４０は放熱支持体５０のねじ穴にねじ込まれている。電子素子２０は熱伝導シート３０の孔明きシート３２がない面と粘着されており、また放熱ねじ４０の放熱面と熱伝導シート３０の弾性体３１の表面とは非粘着性の孔明きシートから押し出された弾性体３１で粘着されている。即ち、弾性体３１が放熱ねじ４０の伝熱面で押圧されたことにより変形が生じ、その変形で孔明きシート３２の孔から弾性体３１の表面が押し出され、これにより粘着されるものである。

第１の発明によれば、熱伝導シート３０と放熱ねじ４０とにより電子素子２０の高さのばらつきを吸収でき、充分な接触面積が得られて効率の良い放熱が行える。また、電子素子２０の端子部等に掛けられる許容応力に対し、熱伝熱シート３０の弾性体が押し出される圧力が適正になるように素材を選定することで、過剰な圧力を掛けることを防止できる。
（２）第２の発明
第２の発明は、第１の発明の一方の面に被覆した孔明きシートの替わりに、粘着層の上に非粘着性の粒子を疎に散布された熱伝導シートを用いるものである。

この非粘着性の粒子が形成された熱伝導シートを用いて、第１の発明の各放熱要素の配置を行う。粒子の間から押し出された弾性体の表面で熱伝導シート３０と放熱ねじ４０とが粘着される。他は同一の内容となるので説明は省略する。また、熱伝導の効果も第１の発明と同一であるが、非粘着性の粒子の形成に要するコストを孔明きシートに較べて低く抑えることができる。
（３）第３の発明
第３の発明は、第１の発明の一方の面に被覆した孔明きシートの替わりに弾性体３１の上に非粘着性の印刷パターンが島状等のように素地露出部を伴って形成された熱伝導シートを用いるものである。印刷パターンの素地露出部では粘着性の表面を有する弾性体３１が露出している。

この印刷パターンが形成された熱伝導シートを用いて、第１の発明の各放熱要素の配置を行う。印刷パターンの露出部から押し出された弾性体の表面で熱伝導シートと放熱ねじ４０とが粘着されるが、他は同一の内容となるので説明は省略する。また、熱伝導の効果も第１の発明と同一であるが、非粘着性の印刷パターンの形成に要するコストを孔明きシートに較べて低く抑えることができる。また、露出率を調整することで熱伝導シートに対する押圧力を調整できる。
（４）第４の発明
第４の発明は、第１の発明における放熱方法である。放熱要素である熱伝導シート３０と放熱ねじ４０、および放熱支持体５０は第１の発明と同一であり、この放熱要素を用いて以下の工程で放熱を行う。

まず、熱伝導シート粘着工程において、回路基板１０上に搭載された電子素子２０の上面に熱伝導シート３０を孔明きシート３２のない面で粘着する。

次に、放熱ねじ粘着工程において、電子素子２０に粘着された熱伝導シート３０に放熱ねじ４０の伝熱面を押圧し、押圧により熱伝導シート３０の孔明きシートの孔から押し出された弾性体３１で粘着する。放熱ねじ４０の伝熱面の押圧は、放熱ねじ４０の上部の工具嵌合部に与えられた回転力により放熱ねじ４０を下降させることにより行われる。

第４の発明によれば、熱伝導シート３０を放熱ねじ４０で押圧する際に、孔明きシートの孔から弾性体３１が押し出されるまで放熱ねじ４０を回転により下降して押圧し、弾性体３１が押し出された時に回転に要する力が変化する（具体的には重くなる）ので、そのタイミングで回転を止めることにより適正な押圧を熱伝導シートに与えることができる。
（５）第５の発明
第５の発明は、第２の発明における放熱方法である。効果は第４の発明と同じである。

第１の発明により、電子素子の高さにばらつきが生じても適正な圧力で放熱板（上記の放熱ねじ）を電子素子に押圧して必要な接触面積が得られ、熱伝導効率が良い放熱構造を提供できる。これにより、放熱板の押圧力が低すぎて充分な熱伝導がなされない場合を回避できる。また、押圧力が高すぎて電子素子の端子部の破壊を回避できる。

第２の発明により、より低コストで第１の発明の原理に基づいた熱伝導効率が良い放熱構造を提供できる。

第３の発明により、より低コストで第１の発明の原理に基づいた熱伝導効率が良い放熱構造を提供できる。

第４の発明により、適正な圧力で放熱板を電子素子に押圧でき、熱伝導効率が良い放熱方法を提供できる。

第５の発明により、適正な圧力で放熱板を電子素子に押圧でき、熱伝導効率が良い放熱方法を提供できる。

本発明の実施例を図２から図７を用いて説明する。

図２は本発明を熱伝導シート３０の構造例を示すもので、表面が粘着性を有する弾性体３１の上面に非粘着の孔明きシート３２が覆われた構造である。弾性体３１および孔明きシート３２の厚さは、例えばそれぞれ０．８ミリメートル、０．２ミリメートル（従って、全体の厚さは１．０ミリメートル）である。また、孔明きシート３２の開口率は例えば５０％である。弾性体３１の材質は例えばシリコーンを主成分とするゲル状素材であり、孔明きシート３２は例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene、ポリ四フッ化エチレン、例えばテフロン(登録商標)）をコーティングしたシリコーンゴムシートである。ゲル状素材は通常では表面に粘着性があるが、粘着性が弱い場合は例えば相性の良い感圧接着剤を塗布すればよい。熱伝導シート３０は、放熱する電子素子２０のパッケージの大きさ、に裁断されたものを用いる。

図３は本発明を放熱ねじ４０の構造例を示すもので、上面は凹形状の工具嵌合部４１を形成し、下面は平坦な伝熱面４２を形成している。また、側面はねじ４３を形成している。放熱ねじ４０の直径は放熱を行う電子素子２０のパッケージの対角線の寸法と同程度以上である。材質は、熱伝導が良い例えばアルミニュウムである。上面の工具嵌合部４１は凸形状であってもよい。

放熱支持体５０は、搭載された電子素子２０が真下にくる位置に放熱ねじ４０の直径に合わせた穴を形成し、その穴の側面はねじが形成される。材質は、熱伝導が良い例えばアルミニュウムである。

次に、これらの熱伝導シート３０、放熱ねじ４０および放熱支持体５０を用いた放熱方法の例を図４を用いて説明する。図４（ａ）は発熱体である電子素子２０が回路基板１０に搭載され、更に放熱支持体５０の一方がフレーム６０を介して回路基板に取り付けられた状態を示している。また、フレーム６０には放熱壁７０を取り付けている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態から先ず熱伝導シート３０を電子素子２０の上面に貼る。このとき、熱伝導シート３０は図２に示すように上部が孔明きシート３２であるように配置し、下部は弾性体３１が電子素子２０の上面に粘着される。

続いて、図４（ｃ）に示すように図２の放熱ねじ４０を工具嵌合部４１を上にして放熱支持体５０にねじ込む（即ち、伝熱面４２が下になる）。

図４（ｄ）は、放熱ねじ４０の工具嵌合部４１に締め付け工具（例えば、六角レンチ）を嵌合し回転を与えて下降させる。放熱ねじ４０の伝熱面４２が熱伝導シート３０に接し、更に放熱ねじ５０に回転を下降させると、熱伝導シート３０は伝熱面４２で押され弾性体３１に変形が生じ、孔明きシート３２の孔から弾性体３１の表面が押し出される。この押し出された弾性体の表面と伝熱面４２とが接触し、粘着力が回転させる力に対して抑止力として作用する。このため、回転を続けるためにはより大きな力が必要となり、この与える力の変化のタイミングを捉えて放熱ねじ４０の下降を停止する。熱伝導シート３０の孔明きシート３２は非粘着性であるので、孔から弾性体３１が押し出されるまではそれまでの力で回転させることができる。

以上の説明を図示したのが図５である。即ち、図５（ａ）は放熱ねじ４０が熱伝導シート３０に非接触の状態を示し、その後放熱ねじ４０が下降して図５（ｂ）では放熱ねじ４０が熱伝導シート３０に接触した状態を示している。続いて、図５（ｃ）で放熱ねじ４０の更なる下降により熱伝導シート３０の押圧が始まり、図５（ｄ）では放熱ねじ４０の更なる下降で熱伝導シート３０の孔明きシート３２から押し出された弾性体３１が伝熱面に接触し、表面で粘着している状態を示している。

以上により、熱伝導シート３０の下面は電子素子２０と粘着し、上面は放熱ねじ４０の伝熱面と粘着する。従って、電子素子２０で発生する熱は、図４に示す熱伝導シート３０、放熱ねじ４０、放熱支持体５０、フレーム６０、放熱壁７０と伝導し、最後に放熱壁７０から外気に放熱される。

図３に示す熱伝導シート３０の孔明きシート３２の替わりに、非粘着性の粒子を疎に形成したものであっても良い。例えば、図６に示すように、非粘着性の粒子３３を散布によって形成したものであっても良い。孔明きシート３２の役割と同様に、非粘着性の粒子３３の部分が下降してきた伝熱面４２に接した段階では非粘着性のため摩擦抵抗は少なく、ねじの回転は略同じ力で行われて下降を続ける。そして、更なる下降により熱伝導シート３０への押圧が始まり、熱伝導シート３０の弾性体３１が変形し非粘着性の粒子３３の間隙から粘着層が押し出され、放熱ねじ４０の伝熱面４２に接触し回転を抑制する力が働き、ここで回転を止める。散布された非粘着性の粒子３３は孔明きシート３２と同様の作用をなすものである。

また、図７に示すように表面が粘着性を持った弾性体３１の一方の面に非粘着性のパターンをスクリーン印刷により形成してもよい。このパターンは、例えば酸化アルミニュウムやシリコーンなどのパウダーをバインダー樹脂で混練りしたペーストをインクとしてスクリーン印刷する。印刷されたパターンの占める面積と粘着層の露出面積の比率は、例えば孔明きシート３２の開口率と同様に５０％、パターンの印刷厚さも０．２ミリメートル程度でよい。

以上の実施例に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
熱伝導シートと、放熱ねじと、放熱支持体とを有し、
前記熱伝導シートは、一方の面に非粘着性の孔明きシートが被覆された、表面が粘着性を持つ弾性体からなり、
前記放熱ねじは、上面に工具嵌合部と下面に伝熱面とを有し、
前記放熱支持体は、所定箇所にねじ穴が形成され、
回路基板上に搭載された電子素子の上面と前記熱伝導シートの孔明きシートのない面とが弾性体の表面で粘着され、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面と該熱伝導シートとが、該放熱ねじの押圧によって該孔明きシートの孔から押し出された弾性体の表面で粘着される
ことを特徴とする放熱構造。
（付記２）
前記熱伝導シートは、一方の面に非粘着性の粒子が疎に散布された、表面が粘着性を持つ弾性体からなり、
回路基板上に搭載された電子素子の上面と前記熱伝導シートの粒子が散布されてない面とが弾性体の表面で粘着され、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面と該熱伝導シートとが、該放熱ねじの押圧によって該粒子の間から押し出された弾性体の表面で粘着される
ことを特徴とする付記１記載の放熱構造。
（付記３）
前記熱伝導シートは、一方の面に非粘着性の印刷パターンが島状に素地露出部を伴って形成された、表面が粘着性を持つ弾性体からなり、
回路基板上に搭載された電子素子の上面と前記熱伝導シートの印刷パターンのない面とが弾性体の表面で粘着され、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面と該熱伝導シートとが、該放熱ねじの押圧によって該印刷パターンの間から押し出された弾性体の表面で粘着される
ことを特徴とする付記１記載の放熱構造。
（付記４）
付記１記載の熱伝導シートと、放熱ねじと、放熱支持体とを用いた放熱方法であって、
回路基板上に搭載された電子素子の上面に、前記熱伝導シートを前記孔明きシートのない面で粘着する熱伝導シート粘着工程と、
前記熱伝導シートの孔明きシートの面に、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面を押圧し、該熱伝導シートの孔明きシートの孔から押し出された弾性体の表面で該放熱ねじと該熱伝導シートとを粘着する放熱ねじ粘着工程と
を有することを特徴とする放熱方法。
（付記５）
付記２記載の熱伝導シートと、放熱ねじと、放熱支持体とを用いた放熱方法であって、
回路基板上に搭載された電子素子の上面に、前記熱伝導シートを粒子が散布されてない面で粘着する熱伝導シート粘着工程と、
前記熱伝導シートの粒子が散布されている面に、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面を押圧し、該熱伝導シートの粒子の間から押し出された弾性体の表面で該放熱ねじと該熱伝導シートとを粘着する放熱ねじ粘着工程と
を有することを特徴とする放熱方法。
（付記６）
付記３記載の熱伝導シートと、放熱ねじと、放熱支持体とを用いた放熱方法であって、
回路基板上に搭載された電子素子の上面に、前記熱伝導シートを印刷パターンが形成されてない面で粘着する熱伝導シート粘着工程と、
前記熱伝導シートの粒子が散布されている面に、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面を押圧し、該熱伝導シートの印刷パターンの間から押し出された弾性体の表面で該放熱ねじと該熱伝導シートとを粘着する放熱ねじ粘着工程と
を有することを特徴とする放熱方法。

本発明の放熱構造である。 熱伝導シートの構造例（その１）である。 放熱ねじの構造例である。 放熱方法の工程例である。 放熱ねじの下降による熱伝導シートの押圧例である。 熱伝導シートの構造例（その２）である。 熱伝導シートの構造例（その３）である。 従来の放熱構造例である。

符号の説明

１０ 回路基板
２０ 電子素子
３０ 熱伝導シート
３１ 弾性体
３２ 孔明きシート
３３ 粒子
３４ 印刷パターン
４０ 放熱ねじ
４１ 工具嵌合面
４２ 伝熱面
４３ ねじ
５０ 放熱支持体
６０ フレーム
７０ 放熱壁
１００ 回路基板
１１０ 電子素子
１２０ 放熱当て板
１３０ フレーム
１４０ 放熱壁

Claims (5)

1. 熱伝導シートと、放熱ねじと、放熱支持体とを有し、
   前記熱伝導シートは、一方の面に非粘着性の孔明きシートが被覆された、表面が粘着性を持つ弾性体からなり、
   前記放熱ねじは、上面に工具嵌合部と下面に伝熱面とを有し、
   前記放熱支持体は、所定箇所にねじ穴が形成され、
   回路基板上に搭載された電子素子の上面と前記熱伝導シートの孔明きシートのない面とが弾性体の表面で粘着され、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面と該熱伝導シートとが、該放熱ねじの押圧によって該孔明きシートの孔から押し出された弾性体の表面で粘着される
   ことを特徴とする放熱構造。
2. 前記熱伝導シートは、一方の面に非粘着性の粒子が疎に散布された、表面が粘着性を持つ弾性体からなり、
   回路基板上に搭載された電子素子の上面と前記熱伝導シートの粒子が散布されてない面とが弾性体の表面で粘着され、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面と該熱伝導シートとが、該放熱ねじの押圧によって該粒子の間から押し出された弾性体の表面で粘着される
   ことを特徴とする請求項１記載の放熱構造。
3. 前記熱伝導シートは、一方の面に非粘着性の印刷パターンが島状に素地露出部伴ってを形成された、表面が粘着性を持つ弾性体からなり、
   回路基板上に搭載された電子素子の上面と前記熱伝導シートの印刷パターンのない面とが弾性体の表面で粘着され、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面と該熱伝導シートとが、該放熱ねじの押圧によって該印刷パターンの間から押し出された弾性体の表面で粘着される
   ことを特徴とする請求項１記載の放熱構造。
4. 請求項１記載の熱伝導シートと、放熱ねじと、放熱支持体とを用いた放熱方法であって、
   回路基板上に搭載された電子素子の上面に、前記熱伝導シートを前記孔明きシートのない面で粘着する熱伝導シート粘着工程と、
   前記熱伝導シートの孔明きシートの面に、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面を押圧し、該熱伝導シートの孔明きシートの孔から押し出された弾性体の表面で該放熱ねじと該熱伝導シートとを粘着する放熱ねじ粘着工程と
   を有することを特徴とする放熱方法。
5. 請求項２記載の熱伝導シートと、放熱ねじと、放熱支持体とを用いた放熱方法であって、
   回路基板上に搭載された電子素子の上面に、前記熱伝導シートを粒子が散布されてない面で粘着する熱伝導シート粘着工程と、
   前記熱伝導シートの粒子が散布されている面に、前記放熱支持体のねじ穴にねじ込まれた前記放熱ねじの伝熱面を押圧し、該熱伝導シートの粒子の間から押し出された弾性体の表面で該放熱ねじと該熱伝導シートとを粘着する放熱ねじ粘着工程と
   を有することを特徴とする放熱方法。

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