JP2008041861A - 電子装置、及び電子部品の放熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品から発生する熱が効率良く放散され、かつ製造コストを抑えることができる電子装置、及び電子部品の冷却方法を提供する。
【解決手段】回路基板に設けられた電子部品４と、この電子部品４に発生する熱を放熱させる放熱部５とを備えた電子装置１であり、放熱部５が、電子部品４に一部を接合させかつその接合面Ｓ以外の表面が全て外気に露出された金属製多孔質材６よりなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品を搭載した電子装置及び電子部品の放熱方法に関するものである。

近年の電子装置では、多機能化及びコンパクト化が進み、筐体内に複数の回路基板や電源などが詰め込まれる傾向にある。そのため、詰め込まれた電子部品で発生する熱により、装置の動作不良や故障、あるいは熱が装置表面に伝わり人に傷害を与えることが問題となっており、冷却装置が設けられた電子装置が使用されている。当該冷却装置として、例えば、演算素子等の電子部品の上面に密着するヒートパイプ、及びこのヒートパイプで運ばれた熱を放散させる放熱フィンからなるものが知られている。同ヒートパイプは、電子部品が接触する加熱部、放熱フィンが設けられる放熱部、及び側壁部からなるコンテナの内部に、作動流体が封入されると共に多孔性の発泡金属が充填されて構成されており、発泡性金属の毛細管圧力により作動流体を放熱部から加熱部に還流させ、放熱フィンから熱を放散させている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−３０３９７９号公報

特許文献１に記載された冷却装置では、ヒートパイプで電子部品の熱を放熱フィンに良好に輸送することはできても、その熱を放散させるのは全て放熱フィンで行われる。
しかし、放熱フィンの放熱面積だけでは、電子部品から発生する熱を効率よく放散させることはできず、熱が蓄熱されることで電子部品の許容上限温度に近くなるまでの温度上昇を招いてしまう。また、上記冷却装置では、電子装置に搭載する構成部材が多くなるため、作業工数が増えて製造コストが高くなるという問題もある。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、電子部品から発生する熱が効率良く放散され、製造コストを抑えることができる電子装置、及び電子部品の冷却方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じた。
すなわち本発明は、回路基板に設けられた電子部品と、この電子部品に接合されて当該電子部品に発生する熱を放熱させる放熱部とを備えた電子装置において、前記放熱部は、前記電子部品に一部を接合させかつその接合面以外の表面が全て外気に露出された金属製多孔質材よりなることを特徴とする。
上記本発明の電子装置によれば、放熱部が電子部品に一部を接合させかつその接合面以外の表面が全て外気に露出された金属製多孔質材よりなるため、電子部品で発生した熱を放熱させるための放熱面積を、従来使用されている放熱フィンに比べて格段に増大させることができる。従って、電子部品で発生する熱を効率よく放散させることができる。また、大量生産に向く材料である金属製多孔質材を接合させるだけで製作でき、材料コストが安くかつ作業工数が少ないので製造コストを抑えることができる。

上記本発明において、前記金属製多孔質材は、当該金属製多孔質材に融着された半田、或いは高熱伝導性の樹脂・接着剤を介して前記電子部品に接合されていることが好ましい。この場合、金属製多孔質材の接合面の凹凸が半田或いは高熱伝導性の樹脂・接着剤によって埋められ、電子部品で発生する熱を金属製多孔質材に効率良く伝えることができる。

また、上記本発明において、前記金属製多孔質材に、前記電子部品の側方に突出するオーバーハング部が形成されていることが好ましい。
この場合、同じ接合面積であっても、金属製多孔質材による放熱面積をさらに増大させることができため、当該オーバーハング部が形成された金属製多孔質材を、半田或いは高熱伝導性の樹脂・接着剤を介して電子部品に接合すれば、電子部品で発生する熱を金属製多孔質材に効率良く伝え、効率良く放散させることができる。

本発明は、回路基板に設けられた電子部品に放熱部材を接合させることにより、当該電子部品から発生する熱を放熱させる電子部品の放熱方法であって、前記電子部品に、金属製多孔質材よりなる放熱部材を当該電子部品との接合面以外の表面が全て外気に露出された状態で接合させることを特徴とする。
上記本発明の電子部品の放熱方法によれば、電子部品に金属製多孔質材よりなる放熱部材を当該電子部品との接合面以外の表面が全て外気に露出された状態で接合させるので、電子部品で発生した熱を放熱させるための放熱面積を、従来使用されている放熱フィンに比べて格段に増大させることができる。従って、電子部品で発生する熱を効率よく放散させることができる。

上記の通り、本発明によれば、金属製多孔質材を用いることにより電子部品で発生した熱を放熱させるための放熱面積を、従来使用されている放熱フィンに比べて格段に増大させたので、電子部品から発生する熱が効率良く放散され、それと共に大量生産に向く材料である金属製多孔質材を接合させるだけなので製造コストを抑えることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１及び図２は、本発明に係る電子装置の一実施形態を示している。この電子装置１は、筐体２と、筐体２内に設けられた方形状の回路基板３と、回路基板３上に配置されたＣＰＵ（半導体素子からなる中央演算処理ユニット）等の電子部品４と、電子部品４から発生する熱を放熱させる放熱部５とを備えている。このうち放熱部５は、回路基板３上に配置された電子部品４の上部に構成されており、電子部品４の温度をその許容上限温度以下に抑えることができる。なお、図２では、一つの電子部品４のみに放熱部５が設けられた例を示している。

上記放熱部５は、電子部品４の上面にその一部を接合させた合金製の金属製多孔質材６で構成されている。金属製多孔質材６は、連続空孔による９０％の気孔率を備えており、この高い気孔率により、従来用いられてきた放熱フィンよりも格段に大きい放熱面積を有している（図３参照）。以下に、金属製多孔質材６、及び従来の放熱フィンのモデルケースでの放熱面積を示す。
（金属製多孔質材の場合）
１０ｍｍ×１０ｍｍの面上に、高さ１０ｍｍの立方体の金属製多孔質材が設けられているケースを、下記の考え方により模擬的に試算すると放熱面積は約３７５００ｍｍ２となる。
厚さ０．０１ｍｍ、幅・高さ１０ｍｍの薄い金属箔に、ギンガムチェック模様に０．５ｍｍ角の穴が開いているとし、その隣接間隔が０．０４ｍｍとした場合の表面積を算出。
［放熱フィンの場合］
１０ｍｍ×１０ｍｍの面上に、１ｍｍ角、高さ１０ｍｍの角柱状の放熱フィンが、１ｍｍ間隔で合計２５本配置されているケースで算出すると、下記式により放熱面積は１０２５ｍｍ２となる。
４１ｍｍ２（１本の放熱フィンの表面積）×２５本＝１０２５ｍｍ２

上記より、同じ占有面積において、金属製多孔質材６を用いることで放熱フィンの約３０倍の放熱面積を確保できることが解る。なお、本実施形態の金属製多孔質材６としては、住友電気工業製のセルメット（商品名）や三菱マテリアル製の発泡金属等を使用できる。セルメットは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｏ系のＣｒ及びＭｏを多く含む組成からなり、孔径分布が均一であり、電気抵抗が低く圧縮や曲げ等の加工を施しても破断や座屈などの破壊が生じにくいに優れた特性を有する。また、三菱マテリアル製の発泡金属は、銅、ニッケル、貴金属（Ａｕ、Ａｇ）や、ニッケル合金製のものがある。

放熱部５を構成する上記金属製多孔質材６は、電子部品４との接合面Ｓ以外の表面が全て外気である空気に露出されている。従って、金属製多孔質材６を構成する六面のうち、電子部品４との接合面Ｓ以外の五面は、全て空気に露出されている。また、金属製多孔質材６と電子部品４との接合部分には、金属製多孔質材６の接合面Ｓに融着された半田７と、この半田７に融着されている銅板８が介在している（図４参照）。従って、金属製多孔質材６の接合面Ｓの凹凸が半田７で埋められ、電子部品４で発生する熱を金属製多孔質材６に効率良く伝えることができる。

また、金属製多孔質材６の接合面Ｓに、半田の替わりに高熱伝導性の樹脂や接着剤を融着することで、上記接合部分に当該樹脂・接着剤と銅板８を介在させてもよい。この場合、金属製多孔質材６の接合面Ｓの凹凸が当該樹脂・接着剤で埋められ、電子部品４で発生する熱を金属製多孔質材６に効率良く伝えることができる。なお、上記接着剤としては、ザイニクス社製やダイマット社製の高熱伝導性接着剤を使用することができる。

金属製多孔質材６の接合方法は、まず電子部品４の接合面Ｓと同じ大きさの銅板８の上に半田を載せ、銅板８の下から加熱して半田を融かす。銅板８上の融解した半田に金属製多孔質材６の接合面Ｓを押し付け、半田を硬化させることで、金属製多孔質材６を銅板８に接合する。樹脂・接着剤を使用する場合には、接着させたい両者の一方に樹脂・接着剤を厚めに塗布し、他方を接触させ所定の時間保持する等の方法で、金属製多孔質材６を接合することができる。その後、銅板８又は電子部品４に熱伝導性の高い接着剤９を塗布し、一体的となった金属製多孔質材６及び銅板８を電子部品４に押し付けて接合する。

本実施形態の電子装置１によれば、電子部品４に金属製多孔質材６を接合させることにより、電子部品４から発生する熱を放熱させる方法を採用しているので、放熱フィンを用いた場合よりも約３０倍の放熱面積を確保することができる。従って、空気に対する熱伝導率が放熱フィンと同じとすると、放熱フィンの約３０倍という格段に高い放熱性能を有している。また、放熱面積が大きいことは、空気への熱伝導性が高くなるというだけでなく、熱の輻射という点からも熱を逃がすために有利に働く。従って、金属製多孔質材６を用いることで、電子部品４で発生する熱を非常に効率よく放散させることができ、電子部品４の許容上限温度（例えば１０５℃）に至るような温度上昇を招かず、それと共に電子装置１の表面温度を人が触って火傷を起こさない例えば６０℃程度の温度に抑えることができる。また、大量生産に向く材料である金属製多孔質材６を接合させるだけで製作でき、材料コストが安くかつ作業工数が少ないので、製造コストを抑えることができる。

また、電子部品４で発生した熱は、筐体２内の空気と熱交換されるが、金属製多孔質材６を用いた場合、金属製多孔質材６の気孔内の空気でも熱交換される。従って、放熱フィンを使用する場合よりも、筐体２内における放熱部を除く空間体積を小さくすることができ、筐体２を小型化することができる。また、放熱フィンを用いた場合は、フィン形状に起因する空気の対流方向を考慮して電子部品を配置する必要があるが、金属製多孔質材６を用いた場合には、その形状に起因する空気の対流方向を考慮しなくてもよいので、電子部品４を配置する位置の自由度が上がる。

図５（ａ）及び（ｂ）に、金属製多孔質材の変形例を示す。図５（ａ）の金属製多孔質材１０は、電子部品４の接合面よりも大きい底面１０ｔを有する立方体に形成されたものであり、電子部品４の側方に突出するオーバーハング部１０１を有している。図５（ｂ）の金属製多孔質材１１は、電子部品４の接合面と同じ大きさの底面１１ｔと、上方に向かうに従って外方に傾斜する四つの傾斜側面１１ｓとを有する逆角錐体に形成されたものであり、電子部品４の側方に突出するオーバーハング部１１１を有している。金属製多孔質材に、上記のようなオーバーハング部１０１、１１１を形成することにより、より大きい放熱面積を確保できる。これにより、電子部品４で発生した熱の放熱性を向上させることができる。なお、オーバーハング部の形状は限定されるものではない。

ここで、筐体には、通常、内外に空気を循環させるためのスリット等の換気孔が設けられており、この換気孔から空気を取り入れて放熱フィン等の放熱部と熱交換させている。しかしながら、例えばＣＥマークを取得するためのＥＵ向け規格では、筐体を樹脂で構成した場合、換気孔を底辺部に設けてはならず、電子装置の設置の仕方に制約を受ける。その対策として、本実施形態において、筐体２の一部を上記金属製多孔質材で構成することを検討した。図６は、筐体２の斜視図である。この筐体２は、上辺部２１及び側辺部２２からなる蓋体ｆと、回路基板３が設けられた図２の底辺部２３とからなものである。また、上辺部２１、側辺部２２、底辺部２３は、それぞれ中抜きの樹脂製ベース材１３と、各辺のベース材１３に嵌め込まれた方形板状の金属製多孔質材１４とからなるものである。金属製多孔質材１４には、上記放熱部５を構成する素材と同じセルメットが使用されている。なお、図２の底辺部２３における金属製多孔質材の図示は省略している。

金属製多孔質材１４は、その高い気孔率により空気を通すため、各辺の一部に金属製多孔質材１４が嵌め込まれていることにより、スリット等の換気孔を設けなくても、筐体２の内外に空気を循環させることができる。すなわち、底辺部２３にスリットを設けなくても、筐体２内の金属製多孔質材６から放散された熱を、底辺部２３から電子装置１外へ逃がすことができる。上記筐体２を用いることで、ＥＵ向け規格を満たし、かつ電子装置１の設置の仕方に制約を受けない。

なお、ＥＵ向け規格では、空気の取り入れ口として許容される開口の大きさは、幅が１ｍｍまでのスリットであり、１ｍｍよりも小さい気孔で形成された当該金属製多孔質材であれば、同規格を満たす。また、電子部品４の上部に設けられた金属製多孔質材６の上面に、蓋体ｆの上辺部２１に嵌め込まれた金属製多孔質材１４の下面が当接している。そのため、電子部品４で発生した熱は、放熱部５としての金属製多孔質材６から、空気及び蓋体ｆの金属製多孔質材１４へ放散されるため、電子部品４で発生した熱を非常に効率良く、電子装置１外へ放散させることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。金属製多孔質材の気孔率は、５０％〜９８％であれば大きな放散面積を確保できる。気孔率が５０％より小さくなると、放熱面積が小さくなり電子部品で発生した熱を効率よく放散できなくなる。また、上記実施形態では、電子部品と金属製多孔質材との間に半田、銅板、接着剤を介在させたが、金属製多孔質材を熱伝導性の高い接着剤で、直接的に電子部品に接着してもよい。

電子部品近傍の斜視図である。 電子装置（蓋無し）の全体模式図である。 金属製多孔質材の拡大図である。 電子部品と金属製多孔質材との境界部近傍の拡大断面図である。 （ａ）は金属製多孔質材の変形例を示す電子部品近傍の斜視図であり、（ｂ）は金属製多孔質材の他の変形例を示す電子部品近傍の斜視図である。 電子装置の全体斜視図である。

符号の説明

１ 電子装置
２ 筐体
３ 回路基板
４ 電子部品
５ 放熱部
６ 金属製多孔質材
７ 半田
８ 銅板
９ 接着剤
１０１、１１１ オーバーハング部

Claims (4)

1. 回路基板に設けられた電子部品と、この電子部品に接合されて当該電子部品に発生する熱を放熱させる放熱部とを備えた電子装置において、
   前記放熱部は、前記電子部品に一部を接合させかつその接合面以外の表面が全て外気に露出された金属製多孔質材よりなることを特徴とする電子装置。
2. 前記金属製多孔質材は、当該金属製多孔質材に融着された半田、或いは高熱伝導性の樹脂・接着剤を介して前記電子部品に接合されている請求項１に記載の電子装置。
3. 前記金属製多孔質材に、前記電子部品の側方に突出するオーバーハング部が形成されている請求項１又は２に記載の電子装置。
4. 回路基板に設けられた電子部品に放熱部材を接合させることにより、当該電子部品から発生する熱を放熱させる電子部品の放熱方法であって、
   前記電子部品に、金属製多孔質材よりなる放熱部材を当該電子部品との接合面以外の表面が全て外気に露出された状態で接合させることを特徴とする電子部品の放熱方法。