JP2010212543A - 熱伝導部材および携帯型電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱する電子部品と放熱部材との距離が離れている場合にも、電子部品から発生する熱を高効率で放熱することが可能な熱伝導部材とそれを用いた携帯型電子機器を提供する。
【解決手段】電子部品からの発熱を放熱部材に伝導させる熱伝導部材１であって、電子部品に接触して設けられた第１熱伝導部材と、第１の熱伝導部材に積層された第２熱伝導部材と、第２熱伝導部材に積層されて放熱部材に接触して設けられた第３熱伝導部材とを備え、第２熱伝導部材の熱伝導率を、第１熱伝導部材および第３熱伝導部材の熱伝導率よりも大きくしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種携帯型電子機器に用い、動作時に発熱する電子部品から発生ずる熱を放熱部品に伝導させる熱伝導部材、およびその熱伝導部材を使用した携帯型電子機器に関するものである。

近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に従い、電子部品の高密度、高機能化が一層重要な技術的要求となっている。その電子部品の小型化、高機能化、また高密度実装により、電子部品の温度上昇が大きな問題となり、動作時に発熱する電子部品からの放熱を効率的に行なうことが重要となってきている。

このような放熱冷却を高効率に行なうためには、熱伝導、熱伝達、熱放射をうまく組み合わせることが重要であるが、電子部品などを冷却するには、主に熱伝導により電子部品から発生した熱を低温領域である放熱手段に導き、その放熱手段から熱伝達によって大気などに放熱することが有効である。

電子部品から発生した熱を放熱手段に伝導させる手段として、電磁波吸収体の全外周面と密着して覆設する熱伝導体を用いる方法がある（特許文献１）。また、発熱を伴う機能部品と装置筐体とを熱的に接続する金属フィルムとインシュレータフィルムから構成される熱伝導シートを備える方法が開示されている（特許文献２）。
特開２００１−１５６５６号公報 特開２００３−２６４３８９号公報

近年、携帯型電子機器の使用環境が拡大するとともに、その小型化が進展し、これらの携帯型電子機器へ搭載される電子部品からの放熱性能の向上と、電子部品に対する高い耐衝撃性、耐振動性を有する携帯型電子機器が求められている。

例えば、代表的な携帯型電子機器の一つであるノートＰＣの回路基板に実装されているＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）は、高密度に集積されたトランジスタの動作によって高熱になり、ＣＰＵとしての動作に不具合を生じることがあるため、放熱部品を備えている。また、微細加工プロセスによって製造されるＬＳＩを使用しているために、落下などの衝撃に弱く、外部から直接の衝撃を避けるために携帯型電子機器筐体とＣＰＵとを離間して配置するなどの措置が取られている。

一方、開示されている技術では、発熱する電子部品と放熱部材との距離が離れている場合に電子部品から発生する熱を高効率で放熱することができないという課題を有していた。

本発明はこのような課題を解決し、発熱部材である電子部品と放熱部材とが離間した場合でも電子部品からの放熱を確実に実現し、さらに、耐振動、耐衝撃性に優れた熱伝導部材とそれを用いた携帯型電子機器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の熱伝導部材は、電子部品からの発熱を放熱部材に伝導させる熱伝導部材であって、電子部品に接触して設けられた第１熱伝導部材と、第１の熱伝導部材に積層された第２熱伝導部材と、第２熱伝導部材に積層されて放熱部材に接触して設けられた第３熱伝導部材とを備え、第２熱伝導部材の熱伝導率を、第１熱伝導部材および第３熱伝導部材の熱伝導率よりも大きくしている。

このような構成によれば、電子部品と放熱部材とが離間されて配置されても、放熱部材への高効率熱伝導を可能とし、回路基板に実装された部品を効率良く冷却することができる。

さらに、第１熱伝導部材および第３熱伝導部材の少なくとも一方が、弾性シートであることが望ましい。このような構成によれば、電子部品あるいは放熱部材と熱伝導部材との接触熱抵抗を低減させ、さらに振動や衝撃に対するストレスを緩和することができる。

さらに、第１熱伝導部材と第３熱伝導部材との間に積層された第２熱伝導部材の周縁の少なくとも一部が、第１熱伝導部材または第３熱伝導部材の周縁よりも外側に露出する露出部を有していることが望ましい。このような構成によれば、露出部によって放熱面積を増大させて電子部品からの放熱性能を向上させることができる。

さらに、露出部は、第２熱伝導部材を電子部品が載置された基板または電子機器筐体に固定する固定部であることが望ましい。このような構成によれば、電子部品を搭載した電子機器に振動や衝撃が印加された場合であっても、熱伝導部材の位置ずれや脱落を防止し、電子部品を正常に動作させることが可能となる。

また、本発明の携帯型電子機器は、電子部品からの発熱を放熱部材に伝導させる熱伝導部材を備えた携帯型電子機器であって、熱伝導部材が、電子部品に接触して設けられた第１熱伝導部材と、第１の熱伝導部材に積層された第２熱伝導部材と、第２熱伝導部材に積層されて放熱部材に接触して設けられた第３熱伝導部材とを備え、第２熱伝導部材の熱伝導率を、第１熱伝導部材および前記第３熱伝導部材の熱伝導率よりも大きくしている。

このような構成によれば、電子部品と放熱部材とが離間されて配置されても、放熱部材への高効率熱伝導を可能として、回路基板に実装された部品を効率良く冷却することができ、電子機器が小型で電子部品が高密度に実装されても電子部品を高い信頼性で動作させることができる。

以上のように、本発明の熱伝導部材と携帯型電子機器によれば、電子部品と放熱部材とが離間されて配置されても、放熱部材への高効率熱伝導を可能とし、回路基板に実装された部品を効率良く冷却することができ、電子機器が小型で電子部品が高密度に実装されても電子部品を高い信頼性で動作させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態２について、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態１における熱伝導部材１を示す図であり、図１（ａ）は熱伝導部材１の斜視図、図１（ｂ）は熱伝導部材１が電子部品上に放熱部材とともに実装された状態を示す断面図である。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように熱伝導部材１は次のように構成されている。すなわち、第１熱伝導部材であるシリコーングリス１１の上面に、第２熱伝導部材であるアルミニウム板１２が積層され、アルミニウム板１２のシリコーングリス１１と接する面と反対側の面には第３熱伝導部材であるシリコーングリス１３が積層されて構成されている。

すなわち、回路パターンがプリント形成されたプリント基板１４上には、ノートＰＣなどの計算処理を実行する電子部品であるＣＰＵ１５が実装されている。ＣＰＵ１５の上面には、シリコーングリス１１がＣＰＵ１５に接触するように塗布されて設けられている。熱伝導部材１のシリコーングリス１３には、電子機器の筐体（図示せず）に固定されたアルミニウムなどからなる放熱部材であるヒートシンク１６が接触して配置されている。

したがって、電子機器の動作によってＣＰＵ１５から発熱する熱が、熱伝導部材１を熱伝導してヒートシンク１６に移動させ、ヒートシンク１６から放熱させるようにしている。

ここで、第１熱伝導部材であるシリコーングリス１１と第３熱伝導部材であるシリコーングリス１３の熱伝導率は５Ｗ／ｍＫであり、第２熱伝導部材であるアルミニウム板１２の熱伝導率は約２４０Ｗ／ｍＫであり、第２熱伝導部材の熱伝導率を、第１熱伝導部材および第３熱伝導部材の熱伝導率よりも大きくしている。また、熱伝導部材１がＣＰＵ１５とヒートシンク１６にサンドイッチされ、ＣＰＵ１５とヒートシンク１６に所定の押圧力が印加されるように、シリコーングリス１１、１３とアルミニウム板１２の厚みを決定している。

このように構成された熱伝導部材１では、シリコーングリス１１がＣＰＵ１５と密着し、ＣＰＵ１５の動作にともない発生する熱が、効率良くシリコーングリス１１へ伝導し、高い熱伝導率を有するアルミニウム板１２を通過してシリコーングリス１３へと伝導する。その後、シリコーングリス１３からヒートシンク１６に効率良く伝導し、結果としてＣＰＵ１５を高効率に冷却することができる。

異なる部材が積層された積層部材の熱通過率は、各部材の厚みと熱伝導率によって決定されるが、本発明の実施の形態１における熱伝導部材１では、厚みの大きな第２熱伝導部材を熱伝導率の大きなアルミニウム板１２としているために、熱通過率を全体として大きくすることができる。また、この第２熱伝導部材は、冷却すべき電子部品と放熱部材とが離間して設けられている場合に、熱伝導部材全体の厚みを調整する厚み調整部材としても作用する。したがって、熱伝導率の大きな第２熱伝導部材の厚みを大きくしても、熱伝導部材１全体の熱通過率を低下させることはない。

次に、本発明の実施の形態１における熱伝導部材１を用いた場合の、熱伝導特性について比較サンプルと比較して述べる。

実施の形態１の熱伝導部材１として、シリコーングリス１１（塗布膜厚０．２ｍｍ）／アルミニウム板１２（厚み３ｍｍ）／シリコーングリス１３（塗布膜厚０．２ｍｍ）となるように構成し、ＣＰＵ１５とヒートシンク１６とをはさむように構成した。一方、比較サンプルとしては、熱伝導部材全体を膜厚３．２ｍｍのシリコーングリスで構成した。

これらの熱伝導部材を、ＣＰＵとヒートシンクとの間隔が３ｍｍとなるようにした空間に配置し、環境温度２３℃の条件下において、プリント基板上に実装したＣＰＵを負荷５０％で３０分間連続動作させ、ＣＰＵ内部に設置しているサーミスタの値を読み取ることにより、ＣＰＵ動作前後における温度上昇を測定した。

その結果、本発明の実施の形態１における熱伝導部材１を用いた場合のＣＰＵの温度上昇は、比較サンプルの５０％にとどまり、熱伝導部材として効率良くＣＰＵから発生した熱をヒートシンクに伝導しＣＰＵ冷却に効果があることがわかった。

このように、本発明の実施の形態１における熱伝導部材１によれば、電子部品と放熱部材とが離間した状態であっても、厚みが大きく熱伝導率の大きな熱伝導部材を挿入した構成とすることにより、発熱部材である電子部品と放熱部材とを所定の押圧力で押圧することができる。その結果、電子部品と熱伝導部材、さらには熱伝導部材と放熱部材との接触熱抵抗を低減するとともに、熱伝導部材の熱通過率を高く維持することができる。

その結果、電子部品の冷却効果を高めて電子部品の信頼性を高めることができるとともに、振動や衝撃に対しても熱伝導部材の脱落などのない熱伝導部材を構成することができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図２を参照しながら説明する。図２は本発明の実施の形態２における熱伝導部材２を示す図であり、図２（ａ）は熱伝導部材２の斜視図、図２（ｂ）は熱伝導部材２が電子部品上に放熱部材とともに実装された状態を示す断面図である。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように熱伝導部材２は次のように構成されている。すなわち、第１熱伝導部材であるシリコーン樹脂シート２１の上面に、第２熱伝導部材であるアルミニウム板１２が積層され、アルミニウム板１２のシリコーン樹脂シート２１と接する面と反対側の面には第３熱伝導部材であるシリコーン樹脂シート２３が積層されて構成されている。

すなわち、本発明の実施の形態２における熱伝導部材２が、実施の形態１における熱伝導部材１と異なるのは、第１熱伝導部材と第３熱伝導部材の材料構成であり、実施の形態２では、それらを弾性シートであるシリコーン樹脂シート２１、２３により構成していることである。なお、図２において、第２熱伝導部材としてのアルミニウム板１２、プリント基板１４、ＣＰＵ１５、ヒートシンク１６は、実施の形態１と同様であるので詳細な説明は省略する。

実施の形態２におけるシリコーン樹脂シート２１、２３は、実施の形態１で述べたシリコーングリス１１、１３に比べて熱伝導率は小さく、１Ｗ／ｍＫである。

次に、本発明の実施の形態２における熱伝導部材２を用いた場合の、熱伝導特性について比較サンプルと比較して述べる。

実施の形態２の熱伝導部材２として、シリコーン樹脂シート２１（板厚０．５ｍｍ）／アルミニウム板１２（厚み３ｍｍ）／シリコーン樹脂シート２３（板厚０．５ｍｍ）となるように構成し、ＣＰＵ１５とヒートシンク１６とをはさむように構成した。一方、比較サンプルとしては、熱伝導部材全体を膜厚３．２ｍｍのシリコーングリスで構成した。

これらの熱伝導部材を、ＣＰＵとヒートシンクとの間隔が３ｍｍとなるようにした空間に配置し、環境温度２３℃の条件下において、プリント基板上に実装したＣＰＵを負荷５０％で３０分間連続動作させ、ＣＰＵ内部に設置しているサーミスタの値を読み取ることにより、ＣＰＵ動作前後における温度上昇を測定した。

その結果、本発明の実施の形態２における熱伝導部材２を用いた場合のＣＰＵの温度上昇は、比較サンプルの７５％にとどまり、熱伝導部材として効率良くＣＰＵから発生した熱をヒートシンクに伝導しＣＰＵ冷却に効果があることがわかった。なお、実施の形態１に比べて冷却効果が減衰しているのは、シリコーン樹脂とシリコーングリスとの熱伝導率の差と、その厚みによる結果である。

本発明の実施の形態２のように、ＣＰＵ１５と接する第１熱伝導部材と、ヒートシンク１６と接する第３熱伝導部材とを、シリコーン樹脂シート２１、２３のような弾性シートで構成することにより、ＣＰＵ１５やヒートシンク１６と熱伝導部材２との押圧力を強めることができ、ＣＰＵ１５とヒートシンク１６とが離間されている場合でも、振動や衝撃に対しても安定して熱伝導部材を保持できる熱伝導部材とすることができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図３を参照しながら説明する。図３は本発明の実施の形態３における熱伝導部材３を示す図であり、図３（ａ）は熱伝導部材３の斜視図、図３（ｂ）は熱伝導部材３が電子部品上に放熱部材とともに実装された状態を示す断面図である。

図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように熱伝導部材３は次のように構成されている。すなわち、第１熱伝導部材であるシリコーングリス１１の上面に、第２熱伝導部材であるアルミニウム板３２が積層され、アルミニウム板３２のシリコーングリス１１と接する面と反対側の面には第３熱伝導部材であるシリコーングリス１３が積層されて構成されている。
また、第２熱伝導部材であるアルミニウム板３２は、その周縁３２ａの少なくとも一部が、第１熱伝導部材であるシリコーングリス１１の周縁１１ａと第３熱伝導部材であるシリコーングリス１３の周縁１３ａよりも外側に露出する露出部３２ｂを有している。

すなわち、本発明の実施の形態３における熱伝導部材３が、実施の形態１における熱伝導部材１と異なるのは、第２熱伝導部材であるアルミニウム板３２に前述の露出部３２ｂを設けていることである。なお、図３において、シリコーングリス１１、シリコーングリス１３、プリント基板１４、ＣＰＵ１５、ヒートシンク１６は、実施の形態１と同様であるので詳細な説明は省略する。

以上のように構成された本発明の実施の形態３における熱伝導部材３によれば、ＣＰＵ１５からの熱は、実施の形態１と同様に熱伝導部材３を伝導してヒートシンク１６から放熱されるとともに、第２熱伝導部材であるアルミニウム板３２の外部に露出した露出部３２ｂが、放熱フィンの役割を果たし、電子機器の筐体内へ放熱させる作用を増大させる。

なお、本発明の実施の形態３の熱伝導部材３２を用いた場合と、実施の形態１の熱伝導部材１を用いた場合で、実施の形態１で述べたのと同様の放熱性能評価を行った。このとき、第２熱伝導部材であるアルミニウム板３２の面積はシリコーングリス１１、１３の塗布面積比１５０％、すなわち、全面積の約１／３が露出部３２ｂであるように構成した。

その結果、前述の比較サンプルと比較して、ＣＰＵ１５の温度上昇が、比較サンプルの４０％にとどまり、実施の形態１の熱伝導部材１よりもさらにＣＰＵ１５を冷却する効果があることがわかった。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について、図４を参照しながら説明する。図４は本発明の実施の形態３における熱伝導部材４を示す図であり、図４（ａ）は熱伝導部材４の斜視図、図４（ｂ）は熱伝導部材４が電子部品上に放熱部材とともに実装された状態を示す断面図である。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように熱伝導部材４は次のように構成されている。すなわち、第１熱伝導部材であるシリコーングリス１１の上面に、第２熱伝導部材であるアルミニウム板４２が積層され、アルミニウム板４２のシリコーングリス１１と接する面と反対側の面には第３熱伝導部材であるシリコーングリス１３が積層されて構成されている。

また、第２熱伝導部材であるアルミニウム板４２は、その周縁４２ａの少なくとも一部が、第１熱伝導部材であるシリコーングリス１１の周縁１１ａと第３熱伝導部材であるシリコーングリス１３の周縁１３ａよりも外側に露出する露出部４２ｂを有している。さらに、露出部４２ｂには、ビス孔（図示せず）が設けられ、熱伝導部材４をプリント基板１４や電子機器の筐体（図示せず）にビス４３などで固定するようにしている。

すなわち、本発明の実施の形態４における熱伝導部材４が、実施の形態３における熱伝導部材３と異なるのは、第２熱伝導部材であるアルミニウム板４２の露出部４２ｂが、プリント基板１４や電子機器の筐体（図示せず）に固定する固定部であることである。なお、図４において、シリコーングリス１１、シリコーングリス１３、プリント基板１４、ＣＰＵ１５、ヒートシンク１６、および、アルミニウム板４２の露出部４２ｂの露出面積などは実施の形態３と同様であるので詳細な説明は省略する。

以上のように構成された本発明の実施の形態４における熱伝導部材４によれば、実施の形態３で述べたように露出部４２ｂによってＣＰＵ１５の冷却効果をさらに高めることができる。さらに、アルミニウム板４２をプリント基板１４にビス４３などによって固定しているために、電子機器に振動や衝撃が加わった場合でも、熱伝導部材４の脱落を防止して熱伝導部材４の機能を確保することができる。特に、第２熱伝導部材としてアルミニウムなどの導電性部材を用いた場合には、これらがプリント基板１４上に落下して回路を短絡させる現象などを抑制することができる。

このように、本発明の実施の形態１〜４の熱伝導部材を、特に、携帯型の電子機器などに適用すると、小型で高密度に実装された電子部品からの放熱を確実に行い、動作信頼性の高い携帯型電子機器を実現できる。さらに、携帯型電子機器の場合には、振動や衝撃が印加される場合が多いが、本発明の実施の形態における熱伝導部材によって、特に電子部品と放熱部材とが離間している場合でも、耐振動性、耐衝撃性に優れた電子部品の放熱構成を実現することができる。

なお、本発明の実施の形態４では、第１熱伝導部材にシリコーングリスを使用している場合について述べたが、シリコーン樹脂シートなどの弾性シートを体を用いることにより、電子部品に対する外部からの耐衝撃性能のさらに向上させることが可能である。また、第２熱伝導部材を電子部品が実装された基板のみならず、電子機器の筐体などに固定しても同様の効果を得ることができる。

なお、上記の実施の形態１〜４では、第２熱伝導部材として金属のアルミニウム板を用いた場合について説明したが、アルミニウム板に限る必要はなく、第１熱伝導部材および第３熱伝導部材よりも熱伝導率が高い金属（金、銀、銅、鉄、亜鉛など）あるいはこれら金属の合金、金属酸化物（酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛など）、金属窒化物（窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化亜鉛など）あるいはこれらを混合させたものを使用しても同様の効果を得ることができる。

また、第１熱伝導部材および第３熱伝導部材の材料として、シリコーングリスやシリコーン樹脂に限られるものではなく、金属微粒子を溶媒中に分散させたペーストや、化学合成油中に金属酸化物を分散させたペーストなどを使用してもよい。また、弾性シートとして熱伝導性を有するゴム材料（エチレン・プロピレン・ジエン共重合物、ブチルゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、スチレン−ブタジエンゴムなど）または、合成樹脂材料（ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドなど）を基材としてシート化したもの、あるいはこれらの複合材料を基材としてシート化したもの、あるいはこれらの材料に金属や金属酸化物などをフィラーとして混合させたものを使用することができる。

以上、説明したように本発明によれば、プリント基板に実装された電子部品を効率良く冷却できるために、携帯型電子機器などの電子機器に有用である。

（ａ）は本発明の実施の形態１における熱伝導部材を示す斜視図、（ｂ）は同熱伝導部材が電子部品上に放熱部材とともに実装された状態を示す断面図 （ａ）は本発明の実施の形態２における熱伝導部材を示す斜視図、（ｂ）は同熱伝導部材が電子部品上に放熱部材とともに実装された状態を示す断面図 （ａ）は本発明の実施の形態３における熱伝導部材を示す斜視図、（ｂ）は同熱伝導部材が電子部品上に放熱部材とともに実装された状態を示す断面図 （ａ）は本発明の実施の形態３における熱伝導部材を示す斜視図、（ｂ）は同熱伝導部材が電子部品上に放熱部材とともに実装された状態を示す断面図

１，２，３，４ 熱伝導部材
３ａ，１１ａ，１３ａ，４２ａ 周縁
１１，１３ シリコーングリス
１２，３２，４２ アルミニウム板
１４ プリント基板
１５ ＣＰＵ
１６ ヒートシンク
２１，２３ シリコーン樹脂シート
３２ｂ，４２ｂ 露出部
４３ ビス

Claims (5)

1. 電子部品からの発熱を放熱部材に伝導させる熱伝導部材であって、
   前記電子部品に接触して設けられた第１熱伝導部材と、
   前記第１の熱伝導部材に積層された第２熱伝導部材と、
   前記第２熱伝導部材に積層されて前記放熱部材に接触して設けられた第３熱伝導部材とを備え、
   前記第２熱伝導部材の熱伝導率を、前記第１熱伝導部材および前記第３熱伝導部材の熱伝導率よりも大きくしていることを特徴とする熱伝導部材。
2. 前記第１熱伝導部材および前記第３熱伝導部材の少なくとも一方が、弾性シートであることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導部材。
3. 前記第１熱伝導部材と前記第３熱伝導部材との間に積層された前記第２熱伝導部材の周縁の少なくとも一部が、前記第１熱伝導部材または前記第３熱伝導部材の周縁よりも外側に露出する露出部を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱伝導部材。
4. 前記露出部は、前記第２熱伝導部材を前記電子部品が載置された基板または電子機器筐体に固定する固定部であることを特徴とする請求項３に記載の熱伝導部材。
5. 電子部品からの発熱を放熱部材に伝導させる熱伝導部材を備えた携帯型電子機器であって、前記熱伝導部材が、前記電子部品に接触して設けられた第１熱伝導部材と、前記第１の熱伝導部材に積層された第２熱伝導部材と、前記第２熱伝導部材に積層されて前記放熱部材に接触して設けられた第３熱伝導部材とを備え、前記第２熱伝導部材の熱伝導率を、前記第１熱伝導部材および前記第３熱伝導部材の熱伝導率よりも大きくしていることを特徴とする携帯型電子機器。

Images