JP2008147525A

JP2008147525A - 放熱部品および放熱部品装備装置

Info

Publication number: JP2008147525A
Application number: JP2006335087A
Authority: JP
Inventors: Haruhisa Toyoda; 晴久豊田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】寸法精度をあまり厳格に設定しない間隙等に放熱経路を形成でき、かつ高い放熱性を確保することができる放熱部品を提供する。
【解決手段】一体物の部品１０であって、弾性変形可能ならせん形状のヒートパイプ７を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱部品および放熱部品装備装置に関し、より具体的には、各種の発熱体の放熱に用いられる放熱部品およびその放熱部品が用いられる放熱部品装備装置に関するものである。

データ処理演算装置、通信装置、パソコン、自動車等には多くの半導体デバイスが用いられており、これらの半導体デバイスからは損失電力に起因する熱が発生する。これら装置では、装置の大容量化、小型化、処理の高速化などに伴い、半導体デバイスから発生する熱量が局所的に累積する熱問題が深刻化している。

上記の各種装置において、熱を放散するための放熱経路を構成する部品は、部品間の面状接触を確保するため厳格な寸法精度が要求される。このため、部品コストも大きなものとなる一方、部品間に大きな温度勾配が生じることから熱応力が大きくなり、反りや剥離が発生し、熱問題における中核的地位を占めるにいたっている。このような熱応力を緩和するため、接着剤を用いずにパワーモジュール内に配置した弾性部材によりパワーモジュール内部の放熱経路の金属板同士を押し付けあう方法、またはコイルばねを半導体チップに押し付けて放熱する方法など、放熱量を確保しながら熱応力を緩和する方策が提案されている（特許文献１）。この方策によれば、熱は金属板またはコイルばねを伝わる一方、パワーモジュール内部の放熱経路内の熱応力は金属板同士のずれ、コイルばねの弾性変形により吸収され、熱応力の発生は防止できる。しかしながら、上記のコイルばねは、熱応力を低減し、かつ寸法精度を緩和して放熱経路部品の製造を容易化する上で有効かもしれないが、細く長い放熱経路となるため、十分な放熱性能を確保することが難しい。

寸法精度の緩和および熱応力の不発生の両方に有効な放熱経路用部材として、熱伝導性のグリース、樹脂、粘着シート等がある。半導体チップ等の発熱体と放熱部とを、熱伝導性のグリース、樹脂、粘着シート等で接続する場合には、熱応力は発生せず、かつ寸法精度はほとんど不要である。寸歩精度について言えば、これら熱伝導性グリース等は、むしろ寸法精度の欠陥を補充するために用いられる。しかし、熱伝導性グリース、樹脂、粘着シートは、金属と比較すれば熱伝導性が低く、上記のコイルばねと同様に、やはり放熱性能が十分高くない問題を有する。これら熱伝導性グリース等を用いる場合に十分高い放熱性を確保するには、半導体チップなどの発熱体と放熱部とを接触させる必要がある。従って、上述のように、熱伝導性グリース、樹脂、粘着シートは、不可避的に生じた間隙を埋めるために用いるのが主な用途であるといえる。
特開２００３−３３８５９２号公報

そこで高い放熱性能を確保した上で、寸法精度を緩和することができる放熱経路を構成する部品、または放熱部品、の開発が求められてきた。本発明は、寸法精度をあまり厳格に設定しない箇所に放熱経路を形成でき、かつ高い放熱性能を確保することができる放熱部品およびその放熱部品が用いられた放熱部品装備装置を提供することを目的とする。

本発明の放熱部品は、一体物の部品であって、弾性変形可能ならせん形状のヒートパイプを備えることを特徴とする。

上記の構成により、発熱部と他の部材たとえば筐体との間に大きな熱量を伝える放熱経路を、この放熱部品だけで容易に形成することができる。しかも発熱部と当該他の部材との間の距離の精度はほとんど要求されず、上記距離が所定範囲内で変動してもらせん形状による弾性変形により吸収することができる。さらに、予め使用される箇所が決められていない箇所にも、一体物の部品として所定の汎用性をもって使用される点において、利点を有する。ここで、ヒートパイプは筒状であれば何でもよく、その断面は、円状でも矩形でもよい。

また、上記のらせん形状は渦巻き状とすることができる。これにより、らせん軸方向における弾性変形を大きくとることができ、発熱部と熱を伝える他の部材との間の距離の融通性をさらに高めることができる。

また、上記のヒートパイプの両端部は、それぞれ接触面部を有することができる。これにより、発熱部および熱を伝える他の部材と、本発明の放熱部品との熱伝導を確実に大きくとることができる。ここで接触面部は、ヒートパイプと連続して設けた面状接触部であってもよいし、らせんを形成するヒートパイプそのものに加工して形成した帯状の面等であってもよい。

本発明の放熱部品装備装置は、発熱部および上記のいずれかの放熱部品を備え、該発熱部が上記の放熱部品により放熱されていることを特徴とする。

上記の構成により、放熱部品装備装置において、発熱部と当該放熱部品装備装置内の他の部材たとえば筐体との間に大きな熱量を伝える放熱経路を、この放熱部品だけで容易に形成することができる。その放熱部品装備装置の製作において、発熱部と他の部材との間の距離の精度はほとんど要求されず、上記距離が所定範囲内で変動してもらせん形状による弾性変形により吸収することができる。したがって、放熱部品装備装置の設計および部品調達において、汎用的な放熱部品として扱うことができ、製作コストの低減に有効である。

ここで、放熱部品装備装置は、データ処理演算装置、通信装置、パソコン、自動車等のパワーモジュールなどの電子機器であってもよいし、電子機器でなくてもよく、発熱部が付いていればどのようなものでもよい。また、発熱部が半導体デバイスであってもよいし、半導体デバイスでなく、他の原因で発熱するものであってもよい。また、上記の放熱部品は、その放熱部品装備装置に固定的に取り付けられていてもよいし、若しくはらせん形状の変形弾性力だけで、または上記固定取り付け手段と上記変形弾性力との両方で取り付け状態を保っていてもよい。

本発明の放熱部品および電子機器によれば、寸法精度をあまり厳格に設定しない間隙等に発熱部からの放熱経路を形成でき、かつ高い放熱性を確保することができる。

図１は、本発明の実施の形態における放熱部品を示す図である。この放熱部品１０は、ヒートパイプ７をらせん形状にしたもので、一方の端側（上部端）Ｓ_１のらせんの径を他方の端側（下部端）Ｓ_２のらせんの径より大きくして、その間のらせんの径を連続的に変えて、平面的に見て渦巻状としてある。厳密には、らせんは、円筒または円柱の側面を巻きながら円柱軸に沿って移動する軌跡のみをいう（軌跡の半径は定数）が、ここでは、上記円柱軸に沿って移動しながら渦巻き状に径を変える軌跡もらせん形状に含まれることとする。また、上記の円柱軸に相当する軸をらせん軸と呼ぶこととする。

放熱部品の上部端Ｓ_１と下部端Ｓ_２との間の距離は、らせん軸方向に沿う圧縮の力を加えることによりらせん形状を弾性変形させて小さくすることができる。設置する箇所の条件に応じて、アコーディオンのように湾曲状に弾性変形させて、取り付けることもできる。このとき、らせん軸も、当然、湾曲した状態を保つ。また、図１では、フリーな状態において、らせん形状の輪郭は円錐台状または円錐状であるが、角錐台状または角錐状であってもよい。

ヒートパイプ７は、密閉したパイプ内に少量の作動液（メタノール、アンモニア、フレオン１１、蒸留水など）が真空封入され、そのパイプの内壁に毛細管構造（ウィック）が設けられている。ヒートパイプ７の一部が熱を受けると、次の現象が生じる。（１）加熱部で作動液が蒸発し、ここで蒸発潜熱熱が吸収される。（２）低温部に上記の蒸気が移動する。（３）蒸気が低温部で凝縮し、上記の潜熱を放出する。（４）凝縮して生成した作動液が毛細管現象で加熱部に還流する。上記の現象により、加熱部から低温部へと短期間で移動する。

放熱部品１０は、らせん形状を有するため、ヒートパイプが直管の場合、らせん形状に加工を施す必要がある。らせん形状への加工は、円錐型等にヒートパイプを巻き付け加工して、その後で仕上げの成形加工を施すことにより行うのがよい。上記のヒートパイプの機能は、このような加工を行った後の本発明の放熱部品１０においても、保持されなければならない。この直管かららせん形状へ加工する際に、上記（１）〜（４）の現象が阻害される要因が形成されないようにする。

たとえば、ウィックはあまり精細な構造にすることは避け、らせん形状への塑性加工に鈍感なように、毛細管の管径を極力大きくするのがよい。また、毛細管構造を加熱部から低温部まで一連に形成するのではなく、複数の途中箇所に、多数の毛細管が開口する環状毛細管の会合部をパイプ内壁に設け、一連の毛細管造の長さを短く区切って、環状毛細管の会合部の間を並列の毛細管構造でつなぐ形態にしてもよい。また、ヒートパイプ７の断面形状は、図１では円としているが、円に限定することはなく、矩形、扁平の矩形または円（楕円）など、管が形成されていれば何でもよい。

上側および下側の端部Ｓ_１，Ｓ_２は、上記の加熱部または低温部になるのであるが、加熱部では半導体デバイスとの熱交換を大きくし、また、低温部においても、同様に筐体等にできるだけ多くの熱を放出する必要がある。そのために、それぞれの端部に接触面部９を実現する構造として、ヒートパイプ７に平坦部Ｆを形成する構造（図２）、ヒートパイプ７の端に金属板３を設ける構造（図３）、またはヒートパイプ７の端に三角柱の金属部材４を設ける構造（図４）などが例示される。

図２では、断面が円状のヒートパイプ７に沿うように設けた帯状の平坦部Ｆを接触面部９とするものである。また、たとえば断面が矩形のヒートパイプでは、その矩形の一辺を接触面部９とすることができる。らせん形状の端部を、円弧で一回りまたはそれに近い形状とする場合には、上記の平坦部Ｆは、当該一回りまたはそれに近い円弧に形成して、できるだけ接触面積を大きくするのがよい。

図３では、ヒートパイプ７の端部を金属板３に埋め込むことにより形成した接触面部９であり、らせん形状の放熱部品が取り付けられる部分にマッチするように金属板３の向きを設定できるようにするのがよい。また、ヒートパイプ７の端部の金属板３への埋め込みは、ヒートパイプの全断面を埋め込むタイプでもよいし、部分的に埋め込むタイプでもよい。ヒートパイプと金属板とは確実に十分な接触がとれる状態にしておくのがよい。

図４は、狭い箇所に取り付けることができるように、断面が三角形の金属部材４により接触面部９が形成される例を示す図である。相手の面に面接触できれば、断面形状は三角形に限定されず、四角形であってもよい。この場合も、ヒートパイプ７と金属部材４とは確実に十分な接触がとれる状態にしておくのがよい。

図５および図６は、図１に例示した放熱部品１０を装備した装置であるパソコンなどの電子機器に取り付ける際の配置を説明する図である。すなわち、放熱部品装備装置が、電子機器であり、とくにパソコンであり、また発熱部が半導体デバイスの場合に対応する。図５は、放熱部品１０の取り付け前の状態を、また図６は取り付けた後の状態を示す。図５および図６において、半導体デバイスの実装構造２０において、発熱部の半導体デバイス２１は、配線基板２５に搭載され、封止樹脂２３により保護されている。また、半導体デバイス２１の実装基板２０が組み込まれたパソコンでは、キーボード３０ではキー３５が配線フィルム３３上に配置され、その内側にアルミニウムの支持板３１が設けられている。

放熱部品１０を配置しない場合、半導体デバイス２１からの熱は、ファンなどで循環される空気により放散するしかない。また、熱伝導性のグリース、樹脂、粘着シート等は、上記のような箇所には使用は難しく、また熱伝導性（放熱性能）も十分なものではない。とくに半導体デバイス２１と支持板３１との間の距離が大きい場合は、使用不能である。

上記の本発明の実施の形態における放熱部品１０は、単位時間当たりの放熱量を大きくとれ、さらに半導体デバイス２１と支持板３１との間隙ｄが、（放熱部品１０のフリー状態での高さ）＞ｄ＞ヒートパイプの外径、の範囲内にあれば、間隙ｄの変動によらず用いることができる。このため、パソコン内の半導体デバイスの実装構造やキーボードの配置の寸法精度をあまり厳格に設定しない場合であっても放熱経路を容易に形成でき、かつ高い放熱性能を確保することができる。また、適当な、ヒートパイプ外径と、フリー状態の高さとを設定することにより、特定の装置に限定されず、各種の装置に広く汎用的に用いることが可能である。

図７は、図１に示した放熱部品の変形例を示す図である。図７の放熱部品１０は、らせんの径は軸方向に沿って変えないタイプであり、このようなタイプの放熱部品１０も本発明の範囲内の製品である。図７の放熱部品では、発熱部と放熱部との間隙ｄが、（放熱部品１０のフリー状態での高さ）＞ｄ＞（ヒートパイプの外径×巻き回り数（図７では約５））、の範囲内にあれば、間隙ｄの変動によらず用いることができる。したがって、図１の放熱部品のタイプと比べて、圧縮状態での高さが高いので、その分、間隙寸法の融通性は小さくなる。しかし、加工が容易であり、太い外径のヒートパイプの場合、小径部分の加工によりウィックの毛細管構造が不具合を生じる可能性もあるので、使用箇所の条件に応じて用いることができる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の放熱部品により、発熱部と他の部材たとえば筐体との間に大きな熱量を伝える放熱経路を、この放熱部品だけで簡単に形成することができ、しかも発熱部と当該他の部材との間の距離の精度はほとんど要求されないので、この分野での広範な利用が期待される。

本発明の実施の形態における放熱部品を説明する図である。本発明の実施の形態における放熱部品の端部の接触面部を示す図である。本発明の実施の形態における放熱部品の端部の接触面部の別の例を示す図である。本発明の実施の形態における放熱部品の端部の接触面部のさらに別の例を示す図である。本発明の実施の形態における放熱部品装備装置への放熱部品の配置を説明する図である（取り付け前の状態）。本発明の実施の形態における放熱部品装備装置への放熱部品の配置を説明する図である（取り付け後の状態）。図１の放熱部品の変形例を説明する図である。

符号の説明

３端部の金属板（接触面部）、４端部の金属部材（接触面部）、７ヒートパイプ、９接触面部、１０放熱部品、２０実装構造、２１半導体デバイス（発熱部）、２３封止樹脂、２５配線基板、３０キーボード、３１支持板（アルミ板）、３３配線フィルム、３５キー、Ｆ端部のヒートパイプ平坦面（接触面部）、Ｓ_１，Ｓ_２端部。

Claims

一体物の部品であって、
弾性変形可能ならせん形状のヒートパイプを備えることを特徴とする、放熱部品。
前記らせん形状が渦巻き状であることを特徴とする、請求項１に記載の放熱部品。
前記ヒートパイプの両端部は、それぞれ接触面部を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の放熱部品。
発熱部および前記請求項１〜３のいずれかの放熱部品を備え、該発熱部が前記放熱部品により放熱されていることを特徴とする、放熱部品装備装置。