JP2010258179A - 電子機器の放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板に搭載されるＩＣ等の発熱体のシールドと高能率な放熱とを両立させる。
【解決手段】放熱部２をシールド蓋３がシールド枠１に被さるように開口部１ａを通して下降させる。シールド枠１に囲まれた発熱体３の表面に、高熱伝導性を持つ断面がコの字上のグラファイトシート５の下面が直接接触する。グラファイトシート５の上面は放熱面（不図示）に接触される。グラファイトシート５の下面と上面を連結する面はシールド蓋３のスリット３ａを貫通されている。発熱体３表面と放熱面とは、グラファイトシート５により接続することが可能となる。バネ４は発熱体３表面とシールド蓋３の間、およびシールド蓋３と放熱面との間の高さの変化に柔軟に対応可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子機器の放熱装置に関し、特に、シールド効果を維持しながら効率的な放熱を図った電子機器の放熱装置に関する。

小型化が進む携帯端末等においては、小さな基板上にＩＣ部品が高集積実装され、各ＩＣ部品の発熱による端末内の温度上昇が大きくなっている。このため、回路動作上への影響や製品安全性への懸念が生じ、端末の設計・製造において熱対策が必須となっている。ここに、基板の小型化により発熱箇所が集中する傾向があり、端末全体に熱を拡散する設計も必要となってきている。

例えば、図８のように、発熱体６が実装されたプリント基板７が筐体面１３（X面）近くに組み立てられる携帯端末において、発熱体６の熱がピンポイントで筐体面１３に現れてしまい、製品の温度規格を満足できない状況が生じる。この場合、端末内の低温部分（この例では放熱面８）に直接に熱を拡散する必要が生じる。

また、熱対策のための有力な部材として使用されているに、グラファイトシートや放熱シートを挙げることができる。特に、グラファイトシートは非常に薄いシートでありながら、面方向には金属よりも高い熱伝導性を有し、熱の拡散に効果を発揮する。グラファイトシートは面方向に優れた熱伝導性を有するが、100um程度の厚さのシート状であり自立性に乏しく破れ易いため、端末の組み立て性や製造性を考慮すると、通常はグラファイトシートの片面に接着材を塗布して平面的貼り付けるような使用法に限定され、端末内で立体的に使用することが難しい。

一方、このような端末の設計においては、端末内における各ＩＣ部品の電磁波ノイズの影響を避けるために、金属薄板で構成されるシールドにより部品全体を覆う実装が避けられない状況となっている。ところで、シールドによって保護される発熱体においては、発熱体面に直接放熱部品を接触させてしまうと、該当部分のシールド効果を劣化させてしまうため、シールドの上から放熱部品を接触させる構造となり、十分な放熱効果が得られない状況となる。

更に、携帯端末の製造においては、発熱体であるＩＣ部品を基板に搭載する場合に、シールドも同時にリフロー装置により半田付けされるため、放熱部材を間に挟むことが困難であり、また、放熱部材がリフロー時の熱により劣化してしまうという問題が生じる。

シールド効果を維持しながら効率的な放熱を図った従来技術として、穴の開いたシールドカバーと、その穴を貫通する突起を持った放熱板によりシールド効果を維持しながら半導体の放熱効果を高める半導体モジュールが開示されている。この技術によれば、半導体に放熱板を接触させ、空気中に放熱することが可能となる。しかし、突起が貫通する穴のためにシールド製が損なわれる懸念がある。

また、金属薄板で構成されるシールドケースにおいて、シールドケースと発熱部品との間に弾性をもつ放熱シートを挟み、放熱は発熱部品の熱をシールドケースに伝えて放熱する技術や、シールドケースのカバーに開けられた穴を略塞ぐような形状の放熱板を対向させたヒートシンクを設け技術が開示されている。しかし、これらの方法では、放熱は直接的にはシールドケースに対して行なわれるため、端末全体に熱を拡散するには別途の方策を講じる必要がある。なお、シールドへの言及は無いが、熱伝導材としてグラファイトシートを採用し、硬度の低い弾性体６面の内の３面にグラファイトシートをコの字状に貼り付け、任意の空間に対応し易く軽量化した技術もあるが、シールドと端末全体への熱拡散という配慮を欠く。

特開2007-059535号公報 特開2001-274590号公報 特開2006-237149号公報 特開2007-184392号公報

解決しようとする問題点は、シールド効果を維持しつつ電子機器全体に放熱を効率的に拡散できない点である。

本発明は、高い熱伝導性を有するグラファイトシートを立体的に組み込み、シールド形状を保持したまま、発熱体と放熱面をグラファイトシートで直接接続することを可能とすることで、製造容易性を考慮しながらも、シールド内部に実装されるＩＣ部品の放熱を効果的に行うことを最も主要な特徴とする。

本発明の放熱装置は、シールド枠とシールド蓋の組み合わせにより、シールド部品としての機能を維持しつつ、略コの字状グラファイトシートの中軸部をシールド蓋のスリットに貫通させ、グラファイトシートの底面はシールド内部に実装されるＩＣ部品の表面に、グラファイトシートの天面は放熱面に直接接触させることができるため、ＩＣ部品表面と熱を逃がしたい部分とをグラファイトシートにより接続することが可能となり、グラファイトシートの熱伝導性を利用して、ＩＣ表面の熱を空間的な拡がりの下に高効率で拡散することができるという利点がある。

図１は放熱部が嵌め込まれる前の放熱装置全体（実施例１）を示し、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は見取図である。 図２は実施例１における放熱部の詳細図である。 図３は、実施例１においてバネ部とグラファイトシートが装着されたシールド蓋でシールド枠に蓋をした場合の側面図である。 図４は放熱部が嵌め込まれる前の放熱装置全体（実施例２）を示し、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は見取図である。 図５は、実施例２においてバネ部とグラファイトシートが装着されたシールド蓋でシールド枠に蓋をした場合の側面図である。 図６は実施例３の概要を示す図である。 図７は実施例４の概要を示す図である。 図８は従来技術の問題点の一つを説明するための図である。

シールド効果を維持しつつ電子機器全体に放熱を効率的に拡散するという目的を、略コの字状グラファイトシートの中軸部をシールド蓋のスリットに貫通させ、グラファイトシートの底面はＩＣ部品の表面に、グラファイトシートの天面は放熱面にそれぞれ直接接触させることにより接続することにより実現した。

本発明の放熱装置は、図１に示すように、発熱体６を囲むように設けられるシールド枠１と、シールド枠１によって嵌め込まれるように蓋をする放熱部２とから成る。図１は放熱部２が嵌め込まれる前の放熱装置全体を示し、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は見取図である。

シールド枠１は、発熱体６を電磁的に遮蔽するため、発熱体６の側面を覆うよう金属薄板で構成されているが、天面には開口部１ａが設けられている。開口部１ａは、放熱部２が嵌め込まれるときに、が発熱体６の上面に接するよう下降できるように形成される。このシールド枠１は発熱体６と同じようにプリント基板７上に半田付けされる。

シールド蓋３は、金属薄板で構成され、シールド枠１に蓋をすることにより、嵌め込まれることが可能で、シールド枠１の天面の開口部１ａを塞ぐ蓋となる。また、後述のグラファイトシートを貫通させるためのスリット３ａが設けられている。

一方、放熱部２は、シールド枠１に嵌め込まれることが可能な形状で、開口部１ａを塞ぐことができる大きさを持つシールド蓋３と主にバネ部４およびグラファイトシート５で構成される放熱本体部を有している。嵌め込まれると、シールド蓋３の側面はシールド枠１の側面と外側から密着し、この結果により放熱部２の上面をもシールドできることになる。放熱本体部は、側面が略コの字状のグラファイトシート５と、グラファイトシート５を発熱体６および放熱面に圧着するためのバネ４を有する。放熱面は、後述のように、グラファイトシート５の上面に接する。グラファイトシート５の中軸部、即ち上下面連結部分は、シールド蓋３に設けられるスリット３ａを貫通する。

図２は放熱部２の詳細図である。バネ部４は、底板４ｃ，天板４ｄ，底板４ｃとシールド蓋３を接続する変形Ｚ字状のバネ４ａと、シールド蓋３と天板４ｄを接続する変形Ｚ字状のバネ４ｂとから成り、シールド蓋３を挟んで上下にバネ機能を有する。放熱部２の設置時には、このバネ機能により高さを吸収する。このため、発熱体６表面とシールド蓋３の間、およびシールド蓋３と熱を逃がしたい（天板４ｄの上方に位置する）面との間の高さの変化に柔軟に対応可能となる。

グラファイトシート５は、シールド蓋３のスリット３ａを貫通して、バネ部４に略コの字状に貼り付けられる。そのため上下の両面には熱伝導性を持つ接着剤５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが塗布されている。接着剤５ａはグラファイトシート５と底板４ｃ、接着剤５ｃはグラファイトシート５と天板４ｄを貼り付ける。また、接着剤５ｂはグラファイトシート５と発熱体６、接着剤５ｄはグラファイトシート５と放熱面を接着する。

図３は、上記のようにバネ部４とグラファイトシート５が装着されたシールド蓋３でシールド枠１に蓋をした場合の側面図を放熱面８と共に示す。このように、プリント基板７に半田付けされたシールド枠１に放熱部２が取り付けられると、シールド枠１の開口部１ａは、シールド蓋３により塞がれる。この際、バネ４ａにより、底板４ｃ（図２）の面が発熱体６の表面に押し当てられ、接着剤５ｂ（図２）によりグラファイトシート５が接着発熱体６にされる。一方、放熱面８が放熱本体部、バネ４ｂにより、天板４ｄ（図２）の面が放熱面８に圧接され、接着剤５ｄ（図２）により、グラファイトシート５が放熱面８に接着される。

この形態によれば、携帯端末等の組み立てにおいて、その形状から立体的な使用が難しいグラファイトシート５であるが、このようにして、貼り付け位置が固定され位置決めが容易となる。放熱部２を取り付けることでシールド枠１の開口部１ａを、同じ材質のシールド蓋３で塞ぐ構造となるため、シールドの効果を損なわない箱型のシールド形状を形成することができる。同時に、放熱部２において、グラファイトシート５は、シールド蓋３を挟んで立体的な形状を保持しており、バネ４ａ、４ｂによって発熱体６の表面と放熱面８に密着することができるため、グラファイトシート５で発熱体６と放熱面８を直接接続することができる。これにより、発熱体６の熱はグラファイトシート５を通して、放熱面８へ効率的に拡散させることが可能となる。

放熱部２はバネ４ａ、４ｂにより、発熱体６とシールド蓋３の間、およびシールド蓋３と放熱面８の間それぞれにおいて個別に高さの調節が可能であり、厚みが固定されたシートを貼り付けるよりも柔軟に対応ができる。

また、放熱部２は着脱が可能であるため、組込みや交換が容易であり、更にグラファイトシート５をシート状態で取り扱う必要がないため、グラファイトシート５の破損を回避することができる。これによって生産性向上と製造品質の安定に寄与できる。

図４は実施例２の全体、図５は実施例２における放熱部の詳細を示す。この例では、断面が直線的なバネ４に代わって、金属バネ９は曲線部を有する。ここで、より具体例を挙げる。発熱体１１は集積回路であり、ＩＣ１１の４辺を囲むように設けられるシールド枠１は、厚さ0.1mmのステンレス薄板で構成されている。シールド枠１はＩＣ１１と同じようにリフロー技術などによりプリント基板７上に半田付けされる。

放熱部２は、シールド枠１に嵌め込まれることが可能で、その穴を塞ぐ大きさを持つシールド蓋３と金属バネ部９を有しており、ともに0.1mm厚のステンレス薄板で構成されている。また、放熱部２は図５に示すように、金属バネ部９には、底板９ｃとシールド蓋３を接続する板バネ９ａ、天板９ｄとシールド蓋３を接続する板バネ９ｂを有する。

グラファイトシート５は、高い熱伝導性を有する100um厚のグラファイトシートであり、その両面は厚さ10umのPETテープで絶縁されている。更に、グラファイトシート５は、熱伝導性を持つ厚さ10umの両面テープ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが貼り付けられており、シールド蓋３のスリット３ａを通って、金属バネ部９の３面を覆うように被せられ、両面テープ１０ａ、１０ｃにより、底板９ｃ、天板９ｄに貼り付け固定される。

プリント基板７に半田付けされたシールド枠１に放熱部２を取り付けると、シールド枠１とシールド蓋３は、それぞれが有する突起１ｂと窪み３ｂにより、固定される。この際、板バネ９ａにより、底板９ｃの面がＩＣ１１表面に押し当てられ、両面テープ１０ｂによりグラファイトシート５が接着される。

一方、端末の組み立てにおいて、放熱面として機能する別のプリント基板１２が本発熱装置装着部品に押し当てられると、板バネ９ｂにより、天板９ｄの面がプリント基板１２に圧接され、両面テープ１０ｄにより、グラファイトシート５が接着される。

シールド枠１内において、複数のＩＣ１１がプリント基板１３に実装されているとする。この場合には、図６に示すように、放熱部２を複数設けることにより、それぞれのＩＣ１１の熱を個々にプリント基板１２へ逃がすことが可能となる。

ＩＣ１１が１つであってもシールド枠１に対する放熱部２を複数とする。この場合には、図７に示すように、放熱側のプリント基板１２に部品が搭載されて段差があっても、金属バネ部９の作用によりグラファイトシート５を接触させることが可能となる。

１ シールド枠
２ 放熱部
３ シールド蓋
４ バネ部
５ グラファイトシート
６ 発熱体
７，１２ プリント基板
８ 放熱面
９ 金属バネ部
１１ ＩＣ
１３ 筐体面
１ａ 開口部
１ｂ 突起
３ａ スリット
３ｂ 窪み
４ａ，４ｂ バネ
４ｃ 底板
４ｄ 天板
５ａ〜５ｄ 接着剤
９ａ，９ｂ 板バネ
９ｃ 金属底板
９ｄ 金属天板
１０ａ〜１０ｄ 両面テープ

Claims (5)

1. 発熱体を電磁的に遮蔽するため発熱体の側面を覆うシールド枠と、
   前記シールド枠に対する蓋であってスリットが設けられたシールド蓋と、
   前記スリットを貫通して固定され、前記シールド蓋を前記シールド枠に被せることにより、前記発熱体と放熱面を面接続するグラファイトシートを有することを特徴とする電子機器の放熱装置。
2. 前記グラファイトシートは略コの字状の断面を有し、その中軸部が前記スリットを貫通して、その上下部が前記放熱面と発熱体に面接続することを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱装置。
3. 前記グラファイトシートは、バネにより押圧されて前記発熱体と放熱面に接着されることを特徴とする請求項１，２に記載の電子機器の放熱装置。
4. 前記発熱体が同一のシールド枠内に複数個存在する場合には個々の発熱体と１対１対応に前記グラファイトシートおよび前記バネを設けることを特徴とする請求項１〜３に記載の電子機器の放熱装置。
5. 前記発熱体が同一のシールド枠内に１個のみ存在する場合であっても前記グラファイトシートおよび前記バネそれぞれを複数個設けることを特徴とする請求項１〜３に記載の電子機器の放熱装置。

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