JP2006319134A - 放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 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熱伝導性の良いグラファイト材を用いて放熱する放熱構造を提供することを目的とする。
【解決手順】 グラファイトシートを熱可塑性樹脂により少なくとも一方の面がグラファイトシートになるようにインサート成形した樹脂シャーシを用い、樹脂シャーシのグラファイト面上に絶縁シートを配置し、その絶縁シートに発熱部品を搭載した回路基板の半田面を接するように配置するよう構成する。
【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熱伝導性の良いグラファイト材を用いて放熱する放熱構造に関する。

従来の携帯電話である第二世代の例えばＮＴＴ-ＤｏＣｏＭｏ（商標登録）のＰＤＣ（Personal Digital Cellular）方式等では、高発熱部品の搭載がなく、携帯電話の構造体には、軽量、高強度、製造性等を重視したＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）やＰＣ+ＡＢＳ（ポリカーボネート＋アクリロニトリルブタジエンスチレン）等の熱可塑性性の構造体が多く用いられ、内部シャーシにはＭｇ合金（マグネシュム合金）等の熱伝導のよい金属シャーシが一部用いられていたが、特に熱放散を目的とした構造ではなかった。

しかし、第三世代や四世代に移行するとＴＶ動画通信や地上デジタル放送等、高速・多量のデータ通信を連続して処理するようになり、回路負荷が重くなることにより発熱量が多い部品を搭載するようになってきた。このため放熱に対する工夫が必要とされるようになってきたが、放熱が適切に行われないと人体に対する火傷や電気回路の熱暴走が問題となる。

一方で、携帯電話はより一層の軽量・小型・薄型化が継続的に要求されており、放熱処理は技術的課題となっている。特に携帯電話は、人間が手に持ち耳や頬に触れて使用されるため、許容できる温度は周囲温度より５〜１０℃以内の上昇が目安であるとされている。

携帯電話やＰＨＳ（Personal Handyphone System）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等のモバイル機器を意識した放熱の提案が多くなされている。例えば、グラファイトの軽量性と高い熱伝導性を利用して発熱部品の放熱を行うもので、グラファイトシートと金属シートとをラミネートした複合体とすることにより、絶縁被覆を行って不要な電気的接触による障害を防ぎながら放熱を行う提案がなされている(特許文献１）。

グラファイトは、比重１．０、熱伝導率８００Ｗ／ｍ・Ｋであり、代表的放熱材のＣｕ（比重８．９）の約２倍、Ａｌ合金（比重２．７）の約４倍、Ｍｇ合金（比重１．８）の約１５０倍の熱伝導率を有している。また、グラファイトシートは０．１ｍｍ程度のシートに加工でき、折り曲げても破損しないフレキシブルな材料であり、耐熱性も高いので樹脂との一体成形が可能である。さらに、有害物質を含有しない素材である。
特開２００４−２３０６６号公報

上記に述べたように、放熱処理は大きな技術課題となっている。特にモバイル機器はその使用目的から軽量・小型・薄型化が求められ、それらの制約の中で局部的に発生する熱を熱抵抗の少ない熱伝導路を介して基板やシャーシ、筐体等に拡散し、万遍なく均一に空気中に放熱する手法の考案が必要となる。

特許文献１に提案された方法は、グラファイトの持つ可撓性、熱伝導性を利用して放熱を行うもので、比較的高密度実装の機器への適用が考えられるが、前述した高速・多量データの処理を行うモバイル機器に対してはより一層の小型化、薄型化ができる構造が求められる。

本発明は、特許文献１とは異なる方法でグラファイトが有する優れた軽量性や耐熱性、熱伝導性を活かしながら、さらに高密度実装が可能なモバイル機器等を対象とした放熱構造を提供するものである。

本発明の放熱構造は、以下のように構成される。
（１）第１の発明
第１の発明は、グラファイトシートを片面または両面にインサート成形した樹脂シャーシに回路基板を接して配置した放熱構造である。

樹脂シャーシは、グラファイトシートを熱可塑性樹脂によりインサート成形したもので、少なくとも一方の面がグラファイト面である。即ち、熱可塑性樹脂面とグラファイト面を持つ樹脂シャーシか、または中心が熱可塑性樹脂で両面がグラファイト面である樹脂シャーシである。回路基板は、発熱する部品を搭載した部品面と他方の面が半田面とで構成される基板である。また、絶縁シートは電気的絶縁性を有するシートとである。

放熱構造は、上記に述べた樹脂シャーシと回路基板、絶縁シートを用いて、樹脂シャーシのグラファイト面の上に絶縁シートを配置し、その絶縁シートの上に回路基板の半田面が接するように配置した構造である。

第１の発明によれば、発熱部品から発生した熱が回路基板、絶縁シートを介してグラファイトシートと一体化した樹脂シャーシに伝わり、熱の拡散を図ることができる。（２）第２の発明
第２の発明は、グラファイトシートを中心部にインサート成形した樹脂シャーシに回路基板に搭載した部品の上面を接して配置した放熱構造である。

樹脂シャーシは、インサートするグラファイトシートを中心に置き、グラファイトシートが露出するよう所定箇所を窓開けして熱可塑性樹脂を成形したものである。即ち、熱可塑性樹脂の所定箇所に窓開けがなされ、部分的にグラファイトシートを露出させるようにした樹脂シャーシである。回路基板は、発熱する部品を搭載した部品面と他方の面が半田面とで構成される基板である。

放熱構造は、上記に述べた樹脂シャーシと回路基板とを用いて、樹脂シャーシの窓開けして露出したグラファイトシートの面に回路基板に搭載した部品の上面を接して回路基板を配置した構造である。

第２の発明によれば、発熱部品から発生した熱がグラファイトシートと一体化した樹脂シャーシに伝わり、熱の拡散を図ることができる。
（３）第３の発明
第３の発明は、グラファイトシートを回路基板の半田面でサンドイッチ構造とした放熱構造である。

回路基板は、発熱する部品を搭載した部品面と他方の面が半田面とで構成し、所定箇所に１つ以上の貫通穴を有しており、絶縁シーは電気的絶縁性を有して回路基板に対応した位置に貫通穴を備え、グラファイトシートも回路基板に対応した位置に貫通穴を備える。

放熱構造は、上記に述べた回路基板と絶縁シート、グラファイトシートを用いて、グラファイトシートの両面を絶縁シートで挟んで配置し、更に挟んだ絶縁シートの外側から回路基板の半田面で挟み、貫通穴に通した金属ネジにより筐体と接合する構造である。即ち、グラファイトシートを中心に絶縁シート、さらに絶縁シートに半田面が接した回路基板が両側に配置され、これらを通して金属ネジで筐体に接合した構造である。

第３の発明によれば、発熱部品から発生した熱が回路基板、絶縁シートを介してグラファイトシートに伝わり、更に金属ネジを介して筐体に伝わり熱の拡散を図ることができる。
（４）第４の発明
第４の発明は、グラファイトシートを樹脂筐体の内側にインサート成形し、回路基板に搭載した部品の上面を筐体内側のグラファイトシートに接して配置した放熱構造である。

樹脂筐体は、インサートするグラファイトシートを筐体の内側がグラファイト面となるように配置して熱可塑性樹脂を成形したものであり、回路基板は発熱する部品を搭載し、熱伝導シートは弾性に富み熱伝導性を有するものである。

放熱構造は、発熱する部品の上面に熱伝導シートを配置し、その熱伝導シートが樹脂筐体の内側のグラファイト面と接するよう配置した構造である。即ち、熱伝導シートの一方の面は部品の上部に接し、もう一方の面は筐体のグラファイト面に接した構造である。従って、熱伝導シートは部品と筐体との間隙の製造上のばらつきを吸収し、熱伝導路となる役割を持たせている。

第４の発明によれば、発熱部品から発生した熱が熱伝導シートを介して樹脂筐体のグラファイトシートに伝わり、熱の拡散を図ることができる。
（５）第５の発明
第５の発明は、グラファイトシートを金属板に貼付し、回路基板に搭載した部品の上面をグラファイトシートに接するように配置して金属板から樹脂筐体に熱伝導させる放熱構造である。

熱伝板は、弾性のある金属板の一方の面にグラファイトシートを接着したものであり、回路基板は発熱する部品を搭載したものである。

放熱構造は、発熱する部品の上面に前記熱伝板のグラファイトシートに接して配置し、該熱伝板の端部を樹脂筐体と所定の接合方法で接合した構造である。

第５の発明によれば、金属板の弾性で発熱部品とグラファイトシートが密着し、熱の伝導が効率良く樹脂筐体に伝わることで熱拡散を図ることができる。

第１の発明により、発熱部品から発生した熱が樹脂シャーシに伝わって熱拡散が図れ、グラファイトシートをインサート成形した樹脂シャーシは軽量でありながら熱伝導性がようので軽量・小型・薄型化を必要とするモバイル機器の放熱構造を提供できる。

第２の発明により、発熱部品が熱伝導の良いグラファイトシートに直接接するため、より効率的に熱の伝導を図る放熱構造を提供できる。

第３の発明により、回路基板の半田面で熱伝導の良いグラファイトをサンドイッチに挟むためシャーシを不要とした放熱構造の提供ができる。

第４の発明により、発熱部品が筐体のグラファイトシートに直接接するため、効率的に放熱を図ることができる放熱構造を提供できる。

第５の発明により、発熱部品が弾性のある金属板のグラファイトシートに直接接するため、効率的に放熱を図ることができる放熱構造を提供できる。また、金属板の貼り合わせのため、回路部品の電磁シールドの機能も付与できる。

本発明の実施例を図１から図６を用いて説明する。

図１は第１の発明の実施例を説明する図で、図１（ａ）はモバイル機器の断面を示して全体の配置が分かるようにしたものである。即ち、最外殻が筐体６０で、その略中央の位置に樹脂シャーシ１５を配置し、樹脂シャーシ１５上に発熱部品５０を搭載した回路基板４０を配置している。この図では、樹脂シャーシ１５の下面にも回路基板４０を配置している。

図１（ｂ）は、発熱部品５０の近傍を拡大した図で、樹脂シャーシ１５はグラファイトシート２０を熱可塑性樹脂１０によりインサート成形されたものであり、表面はグラファイトシート２０が露出している。この上に、絶縁シート３０を配置し、回路基板４０は半田面を下にして絶縁シート３０上に配置している。絶縁シート３０は、グラファイトシート２０が電気的に導体であるので回路基板３０の半田面と接触することを防ぐ目的で挿入している。発熱部品５０からの熱は、回路基板４０との接合部を介して回路基板４０、絶縁シート３０、樹脂シャーシ１５と伝導し熱拡散される。また、樹脂シャーシ１５は更に筐体とも接合しており、筐体にも熱伝導される。

図２は第２の発明の実施例を説明する図で、図２（ａ）はモバイル機器の断面を示して全体の配置が分かるようにしたものである。即ち、最外殻が筐体６０で、その略中央の位置に樹脂シャーシ１６を配置し、その上に発熱部品５０を搭載した回路基板４０を配置している。この図では、樹脂シャーシ１６の下面にも回路基板４０を配置している。

図２（ｂ）は、発熱部品５０の近傍を拡大した図で、樹脂シャーシ１６はグラファイトシート２０が熱可塑性樹脂１０の中心部にインサート成形されたものであり、表面の熱可塑性樹脂１０の一部は窓開けされグラファイトシート２０が露出している（樹脂シャーシ１６は、第１の発明のグラファイトシート２０と熱可塑性樹脂１０とが置き換わった構造になっている）。樹脂シャーシ１６の窓開け箇所１１は、発熱部品５０の上部が接する位置に発熱部品５０の寸法に合わせて窓開けされ、発熱部品５０の上部が窓開けされグラファイトシート２０が露出した部分に接して配置している。発熱部品５０からの熱は、直接樹脂シャーシ１５に伝導し熱拡散される。また、樹脂シャーシ１５は更に筐体とも接合しており、筐体にも熱伝導される。

図３は第３の発明の実施例を説明する図で、最外殻が筐体６０で、その略中央の位置にグラファイトシート２０上に絶縁シート３０を配置し、その上に半田面と絶縁シート３０が接するように回路基板４０を配置している。図３では、グラファイトシート２０の下面にも同様の構成で配置しており、グラファイトシート２０は回路基板でサンドイッチされた構成である。グラファイトシート２０、絶縁シート３０および回路基板４０は同じ位置に貫通穴を設けてあり、この位置に対応するように上下に分割した筐体にそれぞれ設けられたリブの一方（図３では上部のリブ）は貫通穴、もう一方（図３では下部のリブ）はネジ穴が設けられている。グラファイトシート２０、絶縁シート３０および回路基板４０はこのリブで挟み、ネジ７０で固定される（図３の左方にも図示しない同様の構造があるものとする）。絶縁シート３０は、第１の発明と同様にグラファイトシート２０が電気的に導体であるので回路基板３０の半田面と接触することを防ぐ目的で挿入している。

発熱部品５０から発生した熱は、回路基板４０との接合部を介して回路基板４０、絶縁シート３０、グラファイトシート２０と伝導し、さらにネジ７０を伝導して筐体６０で熱拡散される。

図４は第４の発明の実施例を説明する図で、放熱穴８０が開けられた筐体６０の内側（図４では筐体６０の下部が内側となる）にインサート成形されたグラファイトシート２０が露出している（筐体６０は熱可塑性樹脂でグラファイトシート２０をインサートして成形したものである）。回路基板４０上の発熱部品５０の上部はこの発熱部品５０の寸法に合わせたグラファイトシート片２１を置き、さらにその上に熱伝導シート９０を筐体６０のグラファイトシート２０に接するように配置する。グラファイトシート片２１はなくても良く、直接熱伝導シート９０を発熱部品５０の上部に配置してもよい。熱伝導シート９０は弾性に富むもので、筐体９０のグラファイトシート２０と密着するよう回路基板４０と筐体６０とが固定されているものとする。熱伝導シート９０は、金属細線を絡み合わせた金属スポンジであってもよい。

発熱部品５０で発生した熱はグラファイトシート片２１、伝熱シート９０を伝導して筐体に伝わり、ここで熱放散される。

図５は第５の発明の実施例を説明する図で、グラファイトシートを金属板に貼った熱伝板１００のグラファイトシート面が回路基板４０に搭載した発熱部品５０の上部と接して配置し、熱伝板１００は筐体６０に形成されたスリット６１に差し込まれて固定される。金属板は例えば燐青銅のようなバネ材で図５に示すように発熱部品５０の上部を圧迫するように成形している。これにより、発熱部品５０の上部と熱伝板１００のグラファイトシート面は密着し、発熱部品５０で発生した熱は熱伝板１００を伝導して筐体６０に伝わり、熱放散される。

図６はグラファイト放熱箱を用いた放熱構造の例を説明する図で、グラファイトで作成したグラファイト放熱箱１１０を回路基板４０に搭載した発熱部品５０に被せた構造である。発熱部品５０の上部には熱伝導シート９０を配置し、さらにこの熱伝導シート９０とグラファイト放熱箱１１０とは密着している。グラファイト放熱箱１１０の開口部はジャバラ構造に成形され図６の上下方向に伸縮でき、発熱部品５０上の熱伝導シート９０とが密着するように固定される。また、開口部の端部は例えばニッケルメッキ等のメタライズがなされ、回路基板４０のアース端子１２０と半田接合される。グラファイトは導電性を有するため、図６に示す構造とすることにより電磁シールドも放熱と合わせて行うことができる。また、図６の実施例では、筐体６０に放熱穴８０を設け、その放熱穴８０に対する防塵のための防塵フィルタ１３０を付けている。

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）
インサートするグラファイトシートを少なくとも一方の面がグラファイト面となるように配置して熱可塑性樹脂を成形した樹脂シャーシと、
発熱する部品を搭載した部品面と他方の面が半田面とで構成する回路基板と、
電気的絶縁性を有する絶縁シートと、
前記樹脂シャーシのグラファイト面上に前記絶縁シートを配置し、更に該絶縁シートに前記回路基板の半田面を接して配置した
ことを特徴とする放熱構造。
（付記２）
インサートするグラファイトシートを中心に配置し、該グラファイトシートが露出するよう所定箇所を窓開けして熱可塑性樹脂を成形した樹脂シャーシと、
発熱する部品を搭載した部品面と他方の面が半田面とで構成する回路基板と、
前記樹脂シャーシの窓開けして露出しているグラファイトシートに前記発熱する部品の上面を接して前記回路基板を配置した
ことを特徴とする放熱構造。
（付記３）
発熱する部品を搭載した部品面と他方の面が半田面とで構成し、所定箇所に１つ以上の貫通穴を有する回路基板と、
電気的絶縁性を有し、前記所定箇所に対応した貫通穴を有する絶縁シートと、
前記所定箇所に対応した貫通穴を有するグラファイトシートと、
前記グラファイトシートの両面を前記絶縁シートで挟んで配置し、更に挟んだ該絶縁シートの外側から前記回路基板の半田面で挟み、前記貫通穴に通した金属ネジにより筐体と接合する
ことを特徴とする放熱構造。
（付記４）
インサートするグラファイトシートを筐体の内側がグラファイト面となるように配置して熱可塑性樹脂を成形した樹脂筐体と、
発熱する部品を搭載した回路基板と、
弾性に富み熱伝導性を有する熱伝導シートと、
前記発熱する部品の上面に前記熱伝導シートを配置し、該熱伝導シートが前記樹脂筐体のグラファイト面と接するよう配置する
ことを特徴とする放熱構造。
（付記５）
弾性を有する金属板の一方の面にグラファイトシートを接着した熱伝板と、
発熱する部品を搭載した回路基板と、
前記発熱する部品の上面を前記熱伝板のグラファイトシートに接して配置し、該熱伝板の端部を樹脂筐体と所定の接合方法で接合する
ことを特徴とする放熱構造。
（付記６）
前記熱伝導シートは、金属細線を絡み合わせた金属スポンジである
ことを特徴とする付記4記載の放熱構造。
（付記７）
材質がグラファイトで、開口する面の側壁が所定の深さでジャバラ構造の放熱箱と、
発熱する部品を搭載した回路基板と、
弾性に富み熱伝導性を有する熱伝導シートと、
前記部品の上面に前記熱伝シートを配置し、前記放熱箱を開口する面を下にして該熱伝シートが該放熱箱の底面に接するように被せ、該放熱箱と前記回路基板とを所定の方法で電気的に接続した
ことを特徴とする放熱構造。

第１の発明の放熱構造例である。 第２の発明の放熱構造例である。 第３の発明の放熱構造例である。 第４の発明の放熱構造例である。 第５の発明の放熱構造例である。 グラファイト放熱箱を用いた放熱構造例である。

符号の説明

１０ 熱可塑性樹脂
１１ 窓開け箇所
１５ 樹脂シャーシ
１６ 樹脂シャーシ
２０ グラファイトシート
３０ 絶縁シート
４０ 回路基板
５０ 発熱部品
６０ 筐体
６１ スリット
７０ ネジ
８０ 放熱穴
９０ 熱伝導シート
１００ 熱伝板
１１０ グラファイト放熱箱
１２０ アース端子
１３０ 防塵フィルタ

Claims (5)

1. インサートするグラファイトシートを少なくとも一方の面がグラファイト面となるように配置して熱可塑性樹脂を成形した樹脂シャーシと、
   発熱する部品を搭載した部品面と他方の面が半田面とで構成する回路基板と、
   電気的絶縁性を有する絶縁シートと、
   前記樹脂シャーシのグラファイト面上に前記絶縁シートを配置し、更に該絶縁シートに前記回路基板の半田面を接して配置した
   ことを特徴とする放熱構造。
2. インサートするグラファイトシートを中心に配置し、該グラファイトシートが露出するよう所定箇所を窓開けして熱可塑性樹脂を成形した樹脂シャーシと、
   発熱する部品を搭載した部品面と他方の面が半田面とで構成する回路基板と、
   前記樹脂シャーシの窓開けして露出しているグラファイトシートに前記発熱する部品の上面を接して前記回路基板を配置した
   ことを特徴とする放熱構造。
3. 発熱する部品を搭載した部品面と他方の面が半田面とで構成し、所定箇所に１つ以上の貫通穴を有する回路基板と、
   電気的絶縁性を有し、前記所定箇所に対応した貫通穴を有する絶縁シートと、
   前記所定箇所に対応した貫通穴を有するグラファイトシートと、
   前記グラファイトシートの両面を前記絶縁シートで挟んで配置し、更に挟んだ該絶縁シートの外側から前記回路基板の半田面で挟み、前記貫通穴に通した金属ネジにより筐体と接合する
   ことを特徴とする放熱構造。
4. インサートするグラファイトシートを筐体の内側がグラファイト面となるように配置して熱可塑性樹脂を成形した樹脂筐体と、
   発熱する部品を搭載した回路基板と、
   弾性に富み熱伝導性を有する熱伝導シートと、
   前記発熱する部品の上面に前記熱伝導シートを配置し、該熱伝導シートが前記樹脂筐体のグラファイト面と接するよう配置する
   ことを特徴とする放熱構造。
5. 弾性を有する金属板の一方の面にグラファイトシートを接着した熱伝板と、
   発熱する部品を搭載した回路基板と、
   前記発熱する部品の上面に前記熱伝板のグラファイトシートに接して配置し、該熱伝板の端部を樹脂筐体と所定の接合方法で接合する
   ことを特徴とする放熱構造。

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