JP2011086951A - 熱拡散装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的多量の熱エネルギーを貫流させ得る一方、極めて様々な放熱に関わる用途に適用可能な構成を具体化した熱拡散装置を提供する。
【解決手段】熱源から熱を作用可能に拡散する装置１０が、平面的な境界を形成する厚さを有する熱伝導性基板１２と、基板内に配置され、平面的な境界から突出しないように位置決めされているインサート部分１４とを含んでいる。インサート部分１４は、少なくとも２軸方向Ｘ、Ｚに沿って基板材料の熱伝導率値の少なくとも１．５倍の熱伝導率値を有する材料製であり、該２軸方向Ｘ、Ｚの一方が、基板の第１と第２の面双方１８，２０に対し事実上直角に延びている。
【選択図】図１

Description

本発明は、広くは熱吸収デバイスにかかわり、より具体的には、局所的な熱源から相対的に広い表面積へ効率的に熱を除去かつ拡散し、次いでそこから種々の熱交換技術により放熱する熱拡散装置に関するものである。特に、本発明は、局所的な熱源からの熱拡散を大幅に促進させるように特定パターンで従来式の熱拡散体内へのインサートとして利用される高熱伝導率の材料に関わるものである。

多くの電気的な用途、特に半導体システムでは、例えばマイクロプロセッサの半導体等の熱発生デバイスから過剰な熱の吸収を補助するために、種々の装置が利用される。その種の熱拡散装置が電子分野の用途にとって重要なのは、多くの電子部品が温度の上昇した環境内では効率と性能を失うからである。したがって、各電子部品内や電子部品周囲から熱エネルギーを除去するのに有用な装置、例えば送風機やヒートシンク等を利用することはよく知られている。

固体又は半固体のヒートシンクは、各電子部品からの熱吸収媒質として働く有用性や費用効果が認められてきた。この種のヒートシンクは、通常、熱伝導性材料、例えば種々の金属の固体ブロックであり、この材料ブロックが、熱発生デバイスに熱ペースト等を介して熱結合される。幾つかの場合には、ヒートシンク素子は、周囲空気に過剰熱エネルギーを曝露するため、十分に表面積が増すように材料ブロックと一体形成された複数の細い又は薄い突起を有している。したがって、ヒートシンクと熱吸収流体との界面には熱伝達が発生する。この熱吸収流体は空気であるのが最も普通である。ヒートシンクから周囲空気への熱伝達効率を高めるために、電子式に駆動される送風機が、時折、組み込まれ、各ヒートシンクの熱交換面にわたって空気の連続的な流れを発生させる。

幾つかの用途では、多層ヒートシンク構造物が、熱発生デバイスとの間の熱界面と、通常、空気等の冷却流体にさらされる熱交換面との双方を形成するのに利用される。従来の複数ヒートシンク装置が直面している共通の問題は、相対的に小さい面積から相対的に高い熱エネルギーを効率的に除去することである。その典型的な場合は、集積回路の場合であり、特に、極端に寸法がコンパクトである一方、相対的に多量の熱エネルギーを発生する半導体やマイクロプロセッサの場合である。各電子部品の最適性能を最も効果的に維持するには、したがって、相対的に多量の熱エネルギーを、通常、約０．１２５平方インチ（約０．８０６平方センチメートル）の寸法の面積から吸収せねばならない。しかし、従来のヒートシンクの場合、ヒートシンク各々の熱伝導率やヒートシンク／熱発生デバイス間の熱接触面積によって熱源から吸収できる熱エネルギー量は限られている。多くの場合、ヒートシンクは、ヒートシンク各々の熱伝達能力を活用しているというには程遠いが、これは、熱発生デバイスからの熱エネルギー伝達に利用されているのは、各ヒートシンク体の小部分に過ぎないからである。

換言すると、比較的小型の熱発生デバイス、例えば半導体は、熱結合されたヒートシンク内に熱フットプリント（帯熱範囲）を形成し、この熱フットプリントが、ヒートシンク／熱発生デバイス間の熱接触面積に事実上類似の面積を有している。大抵の従来式のヒートシンク装置の場合、熱エネルギーは、ヒートシンク材料を介してあらゆる方向に、かつ等しい比率で伝達される。しかし、大抵の場合、従来式のヒートシンクは、ヒートシンクよりかなり小さい電子部品から熱エネルギーを伝達され、効率的に処理し放熱する。このため、ヒートシンクによる最も高い熱伝達率は、熱発生デバイスが生じさせる熱フットプリントに物理的に最も近いヒートシンク部分に概して集中している。この最大熱伝達集中箇所のために、ヒートシンク全体の効率は概して低下するが、これは、ヒートシンクのこの集中箇所のみが、ヒートシンクの熱エネルギー最大容量率を有し、かつその容量の熱エネルギーを伝達するのに対し、ヒートシンクの残りの部分は、ヒートシンクの熱伝達容量をはるかに下回る容量しか有さず、かつ伝達しないからである。

加えて、最近の電子技術の革新により超高性能の電子部品が開発されている。この性能は、しかし、通常、各電子デバイスからの熱出力度を増大させる結果を招いている。従来式のヒートシンクは、一定の集中箇所で熱エネルギーの「飽和状態」を生じることが多く、したがって、前記高出力電子部品から十分な量の熱エネルギーを適宜に吸収できず、そのために、そのような電子部品にとって作業環境の温度は比較的変わらずに持続される。
各電子部品から熱エネルギーを十分に吸収できる放熱装置を開発するいくつかの試みがなされてきた。しかし、それらの放熱装置が共通して利用しているのは、比較的多量の高価で高い熱伝導率の材料、例えばダイアモンド等であり、極めて様々なヒートシンクの用途にとって有用とはいえない。

したがって、本発明の主要目的は、比較的多量の熱エネルギーを貫流（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ）させ得る一方、極めて様々な放熱に関わる用途に適用可能な構成を具体化した熱拡散装置を得ることである。
本発明の別の目的は、迅速に比較的多量の熱エネルギーを熱源から少なくとも２方向に貫流させる手段を有する熱拡散装置を得ることである。
本発明の更に別の目的は、熱貫流体の全体積をより効率的に利用可能な熱拡散装置を得ることである。
本発明の更に別の目的は、比較的高い熱伝導率値を有するインサート部分を組み込んだ比較的平面的な熱拡散装置を得ることであり、因みに、このインサート部分は、熱拡散装置全体へも、熱源から遠位にある熱拡散装置の各部分へも、双方に熱エネルギーを迅速に伝達するのに効果的である。
本発明の別の目的は、従来式のヒートシンク構造物の費用を事実上増すことなしに熱伝達特性が高められた熱拡散装置を得ることである。

本発明により、熱発生電子部品からの熱伝達率の高められた装置が得られる。特に本発明の熱拡散装置により、熱発生デバイスからヒートシンクへの熱伝達の加速と効率化が、２つ共に得られ、しかもそれが、熱発生デバイスに隣接する比較的局所的な熱接触箇所から、熱エネルギーをヒートシンクと前記熱接触箇所に対し遠位の拡散装置部分とに迅速に拡散させることで行われる。したがって、本発明の装置は、熱エネルギーを半径方向に、かつ平面的な境界内に、より効率的に分配することにより、作用可能に結合されたヒートシンクの有意により大きい範囲を、熱発生デバイスからの熱エネルギーの拡散するに効率的に利用できる。
本発明の一実施例によれば、熱拡散装置は、第１と第２の双方の面とこれらの面の間に形成される厚さとを有する熱伝導性基板を含み、基板のこの厚さが基板の平面的な境界を形成している。熱拡散装置は、更に、基板内に平面的な境界を突出することなく延びるように配置されたインサート部分を含み、このインサート部分が、少なくとも２軸方向に沿って基板の熱伝導率の少なくとも１．５倍の熱伝導率を有し、該２軸方向の一方が、第１と第２の双方の面に対し事実上直角方向に延びている。基板は、好ましくは熱源に作用可能に隣接配置されるので、インサート部分の少なくとも一部が、熱源に直接に熱接触する。
本発明の幾つかの実施例では、インサート部分が、該軸方向の少なくとも２方向に沿って基板の熱伝導率値の少なくとも２．５倍の熱伝導率値を有している。

本発明の熱拡散装置の平面図。 本発明熱拡散装置の側断面図。 本発明の熱拡散装置の断面図。

以下で、既述の目的及び利点は、本発明により示されるその他の目的、特徴、向上点と共に、本発明の種々の可能な構成を表示するように意図した添付図面を参照して具体的な実施例により提示される。本発明のこのほかの実施例及び態様は、当業者の理解の範囲内にあると認められる。
さて、添付図面を見ると、先ず図１の平面図には、基板１２と、内部に配置されたインサート部分１４とを含む熱拡散装置１０が示されている。図２に示すように、基板１２は、第１面１８と、概して反対側の第２面とを含身、これらの面が間に厚さｔを形成している。基板１２の厚さtは、基板の平面的な境界を形成している。

図２に示すように、インサート部分１４は、厚さtで形成される基板１２の平面的な境界面から突出しないように基板１２内に配置するのが好ましい。以下で詳説するように、本発明の重要な観点は、インサート部分１４が基板１２の平面的な境界面から突出しないように構成されることである。特に、本発明の装置１０は、極めて様々な放熱上の用途に適合可能に特別に構成されている。換言すると、装置１０に対する事実上平面的な構成は、極めて様々な熱発生デバイスに同様、極めて様々なヒートシンク体に適用するのにも好適である。

本発明の好適実施例では、装置１０は、例えば符号２４の熱発生部品に作用結合かつ熱結合され、そこからの熱を拡散する。熱発生部品２４は、例えばマイクロプロセッサ、半導体素子、通常はプリント回路板３０等に実装されるその他の熱発生電子部品等である。装置１０は、直接に熱発生部品２４に結合できるが、より典型的には、技術上周知の熱伝導性接着剤又はワックス材料（図示せず）を介して熱発生部品２４に熱結合される。この種の接着剤又はワックス材料は、装置１０／熱発生部品２４間の熱伝導性界面を形成する。本発明の好適実施例では、しかし、装置１０は、熱的界面材料の熱インピーダンス効果を最小化するため、できるだけ熱発生部品２４の近くに作用可能に配置される。

作業時には、熱発生部品２４は、過剰熱エネルギーを発生させるので、部品２４の本体同様、その直ぐ周囲の環境も温度が上昇する。図２に示す実施例では、過剰熱エネルギーの少なくとも一部が、熱力学の法則に従って、部品２４より相対的に大きい熱ポテンシャルを有する物体へ導かれる。したがって、過剰熱エネルギーは、装置１０／熱発生部品２４間の熱伝導性界面を介して相応に装置１０に吸収される。この熱伝達の結果、装置１０の第１面１８に熱フットプリント２６が生じるが、この熱フットプリントは、概して、装置１０／熱発生部品２４間の界面の熱貫流面区域に相応する。したがって、装置１０は、熱フットプリント２６のところで装置に与えられた熱エネルギーを分配し拡散するのが好ましい。

本発明の好適実施例では、図３に示すように、装置１０の基板１２が、好ましくはヒートシンク３２に作用可能に結合され、ヒートシンク３２は、好ましくは効率的な放熱を可能にする相対的に大きい表面積を含んでいる。図３に示す実施例では、ヒートシンク３２は、好ましくは、別個のフィン付き部材であり、該部材が熱伝導性接着剤又はワックス材料（図示せず）により基板１２の第２面２０に作用結合かつ熱結合されている。別の実施例では、しかし、ヒートシンク３２は、装置１０と、また装置１０の一部と、一体に形成されている。言うまでもなく、本発明内に、また本発明と共に使用するために、極めて様々なヒートシンク構成が考えられるが、ヒートシンク３２の構成の唯一の制限は、基板１２の第２面２０に適応可能でなければならない点である。

既述のように、装置１０に求められる機能は、熱発生部品２４から迅速かつ効率的に過剰熱エネルギーを吸収し、その熱エネルギーをヒートシンク３２に伝達して、最終的にそこから放散させることである。先行技術の従来式システムでは、熱フットプリント２６から吸収した熱エネルギーが、熱フットプリント２６から遠位の熱拡散板各部分へ効率的に分配されることがない。結果として、先行技術のシステムでの熱エネルギー伝達は、熱結合されたヒートシンクの比較的小部分に不都合に限定され、このため、ヒートシンクが熱吸収システムの全体的な効率と効力を低下させている。

本発明の装置１０は、この欠点を、基板１２内へ、特に基板１２内の熱フットプリント２６に隣接して、相対的に高い熱伝導率のインサート部分１４を組み込むことにより克服した。好ましくは、インサート部分１４の少なくとも一部を、基板１２内の熱フットプリント２６のところに配置して、部品２４の熱源と直接に熱接触するようにするのが好ましい。これにより、フットプリント２６のところから基板１２に流入する熱エネルギーは、迅速かつ効率的に高い熱伝導率のインサート部分１４を介して基板１２全体から放散される。加えて、インサート部分１４は、基板１２の第１面１８のところで熱フットプリント２６からの過剰熱エネルギーを迅速に吸収し第２面２０へ伝導し、次いでヒートシンク３２へ伝達するように働く。この効率的な熱伝達により、部品２４から十分に過剰熱エネルギーが吸収され、部品２４の過熱が防止される。

インサート部分１４は、好ましくは相対的に高い熱伝導率の材料製であり、該材料は、インサート部分１４の少なくとも２軸方向で基板１２の熱伝導率の少なくとも１．５倍の熱伝導率を有している。インサート部分１４に有用な材料の具体例は、異方性熱伝導特性を有する高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）である。特に、ＨＯＰＧは、１５００ワット／ｍ−ｋの２軸方向の熱伝導率値を有し、第３軸方向では約５０ワット／ｍ−ｋの熱伝導率値を有している。これに比較すると、通常、基板１２に使用される材料の熱伝導率の値は約１００〜４００ワット／ｍ−ｋである。
インサート部分１４用のＨＯＰＧを有する本発明の実施例では、ＨＯＰＧ材料は、好ましくは、図１及び図２に示すように、ｚ軸と、ｘ軸、ｙ軸いずれか一方の軸とに沿って相対的に高い熱伝導率を有するように配向されている。そうすることにより、熱発生部品２４から装置１０へ伝達される熱エネルギーは、迅速に第１面１８から第２面２０へｚ軸に沿って、同様にｘ軸又はｙ軸のいずれか一方の軸に沿って吸収され、更に、基板１２の遠位部分へ熱エネルギーが分配される。

本発明の特に好ましい実施例では、インサート部分１４が、少なくとも２つのＨＯＰＧ材料の別のインサート片１５，１６を有している。これら別個のインサート片１５，１６は、特に、熱フットプリント２６から遠位の基板１２部分へ目標水準の熱拡散が可能になるように配向されている。特に、ＨＯＰＧインサート片１５は、ｙ軸とｚ軸とに沿って約１５００ワット／ｍ−ｋの熱伝導率が得られるように配向され、他方、インサート片１６は、ｘ軸とｚ軸とに沿って１５００ワット／ｍ−ｋの熱伝導率が得られるように配向される。この実施例によって、熱フットプリント２６のところの熱エネルギーは、迅速に３軸すべての軸方向で基板１２全体にわたり拡散される。したがって、熱発生部品２４からヒートシンク３２への熱伝達は、従来式のシステムよりかなり効率的である。

熱伝導率の高い材料は比較的高価なため、本発明の優先的な一観点は、装置１０に組み込むその種の材料の量を最小化する一方、熱拡散特性の目標水準を維持することである。この問題は、インサート部分１４の独特の構成により、費用と性能との間の最も好ましいバランスを得ることで解決された。特に、インサート部分１４は、熱フットプリント２６に直ぐ隣接し、かつ熱フットプリントと熱接触する基板箇所から、半径方向外方へ基板１２の平面的な境界内を延びる１つ以上のアームを含むのが好ましい。最も好ましいのは、インサート部分１４の少なくとも一部が基板１２の第１面１８の熱フットプリント２６に重なるようにすることである。本発明のインサート部分１４は、事実上基板１２の厚さｔにわたって延びるように示されているが、本発明では、基板１２の第１面１８から厚さｔの１０％〜１００％だけインサート部分１４が延びるようにすることが考えられている。

複数好適実施例では、インサート部分１４の各半径方向アームは、熱発生部品２４による熱フットプリント２６の直径ｄの約３０％〜７０％の横幅ｗを有している。加えて、インサート部分１４の各半径方向アーム長さｌは、熱フットプリント２６の直径ｄの約１５０％より大である。前記寸法で本発明に好ましい構成が得られる一方、ここで考えられるのは、特定用途に対して最適性能を得るために、インサート部分１４を基板１２内で望むままに構成可能にすることである。
既述のように、インサート部分１４は、好ましくは、高い熱伝導率値を有する材料製であり、その材料の熱伝導率値は、基板１２のそれの少なくとも１．５倍、より好ましくは基板１２のそれの少なくとも２．５倍である。インサート部分１４に使用するのに特に好ましい材料は、既述のように、ＨＯＰＧであり、この材料は、高度の熱伝導率を有する一方、比較的容易に所望の構成に作り、かつ操作することができる。しかし、本発明のインサート部分１４には、種々の高い熱伝導率の材料を使用することができる。それらの材料には、例えばダイアモンド、ピッチ基の黒鉛、アルミニウム、銅、銅・タングステン合金が含まれる。

本発明の基板１２は、好ましくは、普通に利用される熱伝導性材料、例えば銅、銅・タングステン合金、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、エポキシ、種々の工業用熱可塑性プラスチックで作られる。本発明の優先的な観点は、インサート部分１４用に選択された材料が、基板１２用に選ばれた材料の少なくとも１．５倍の熱伝導率値を有することである。
選択された１つ以上の熱発生デバイスに作用結合かつ熱結合される熱拡散装置として連続使用するために、基板１２内には種々の製造技術を利用してインサート部分１４を永久固定することができる。インサート部分１４を基板１２に固定する１方法は、高温の、好ましくは熱伝導性の接着剤を用いる方法である。しかし、インサート部分１４は、溶接又ははんだ付けも可能であり、また基板１２内に予め形成した溝又は開口内へ別の仕方で取り付けることも可能である。

本発明の幾つかの実施例では、基板１２は、内部に複数のインサート部分１４が配置されており、これによって単一の基板１２を複数の熱発生デバイス２４にあてがうことができる。このように、基板１２は１つ以上の個別のインサート部分１４を、特定用途の要求に応じて含むことができる。
以下の例は、熱発生デバイスとヒートシンク／放熱構造物との間の熱インピーダンスが低減されることで、本発明の装置の使用により、従来式の熱伝達装置に比して高い熱伝達効率が達せられることを示した例である。本発明では、極めて様々な材料及び構成を使用することが考えられるので、これらの例は、本発明の範囲を制限するものでは全くない。

例Ｉ
熱拡散装置を形成するために、１．５×１．５×０．０８インチ（３．８１×３．８１×０．２０ｃｍ）の銅製基板と、１×０．０８×０．０８インチ（２．５４×０．２０×０．２０ｃｍ）の高配向性熱分解鉛製インサート部分とを得た。銅製基板には、適宜に寸法付けされたスロットが機械加工され、その結果、離銅製基板内にできた開口内に２つの熱分解黒鉛インサートを配置し、インサート／銅製基板間の界面として作用するベルグクイスト・スターリング７５００^ＴＭ熱伝導性グリースにより固定した。双方のインサートは、事実上直角の「交差」方向に位置決めされ、インサート部分の各中間点が、相互の事実上交差箇所となっている。インサート部分は、インサート部分の高い熱伝導方向特性が基板平面に対し直角の平面内に配向されるように、銅製基板内で配向されている。

熱源として働くモトローラ ＩＲＦ−８４０，ＴＯ−２２０パッケージは６０ワットで動作し、前述の熱拡散装置にベルグクイスト・スターリング７５００^ＴＭグリースにより結合された。この熱発生部品は、熱拡散装置の第１面に取り付けられ、２つの熱分解黒鉛インサート部分の交差箇所に重なるように配置された。熱拡散装置の反対側には、ベルグクイスト・スターリング７５００^ＴＭグリースにより水循環冷却器が取り付けられた。
熱電対が、熱発生部品から冷却器への熱のそれぞれ出入力測定のために、冷却器と熱発生部品とに操作可能に取り付けられた。比較目的で類似の構成が用意されたが、その場合は、簡単に１．５×１．５×０．０８インチ（３．８１×３．８１×０．２０ｃｍ）の銅製基板を用いた。
各熱拡散装置の熱インピーダンスは、熱発生デバイス／冷却器間の温度差測定により計算し、その答をＴＯ−２２０パッケージにより発生する電力で除した。

例ＩＩ
フィンと一体のヒートシンク・デバイスを有する複数の熱拡散装置を用意した。ヒートシンク・デバイスはアルミニウム製で、寸法は２．４×３．２×０．７５インチ（６．０９×８．１２×１．９０ｃｍ）であった。ヒートシンク・デバイスの１つは、その上面に高配向性熱分解黒鉛インサート部分を有している。インサート部分を有するヒートシンク・デバイスは、２つのインサート部分を含み、その各々が１×０．１２×０．０８インチ（２．５４×０．３０×０．２０ｃｍ）の寸法であり、２つのインサート部分は、事実上直角の「交差」パターンでヒートシンク上面に沿って配置され、各インサート部分の中間点が相互の事実上の交差箇所となっている。ヒートシンク・デバイスからの放熱の補助には、９．１８ＣＦＭ最大空気流ファンが４５００ｒｐｍで動作し、その空気流がヒートシンク・デバイスのフィンを横切る方向に向けられた。

ＴＯ−２２０ パッケージがヒートシンク・デバイスの各上面にベルグクイスト・スターリング７５００^ＴＭグリースにより固定された。ＴＯ−２２０パッケージは、インサート部分を有するヒートシンク・デバイス上のヒートシンク交差箇所に事実上重なる位置に配置された。
温度測定は、ＴＯ−２２０パッケージ（熱発生デバイス）のところと、各ヒートシンク・フィンの遠位端のところとで行った。熱インピーダンスは既述のように測定され、計算された。

以上、本発明を特許制定法に従って、かつまた本発明が新たな原理の適用に必要な情報を当業者に与えて、望むとおりに本発明の実施例を構成かつ使用できるように、かなり詳細に説明した。しかしながら、本発明は明らかに異なるデバイスによっても実施可能であり、かつ本発明自体の範囲を逸脱することなしに種々の変更が可能であることを理解されたい。

１０ 熱拡散装置
１２ 基板
１４ インサート部分
１５ 熱分解黒鉛片
１６ 熱分解黒鉛片
１８ 基板の第１面
２０ 基板の第２面
２４ 熱発生部品、熱発生デバイス
２６ フットプリント
３０ プリント回路版
３２ ヒートシンク
ｄ 熱フットプリントの直径
ｌ インサート部分のアーム長さ
ｔ 基板の厚さ
ｗ アームの横幅

Claims (1)

1. 電子部品である熱源から熱を拡散させる装置において、前記装置が、
   第１と第２の双方の面と、該第１と第２の双方の面の間に形成される厚さとを有する熱伝導性基板を含み、該第１と第２の双方の面が基板の平面的な境界を形成し、前記装置が、また
   インサート部分を含み、該インサート部分が、前記基板内に配置され、かつ前記平面的な境界から突出しないように位置決めされており、更に前記インサート部分が、少なくとも２軸方向に沿って前記基板の熱伝導率値の少なくとも１．５倍の熱伝導率値を有し、前記２軸方向の一方が前記第１と第２の双方の面に対し直角に延びており、前記基板が熱源に隣接配置されることで、前記インサート部分の少なくとも一部が前記熱源による熱フットプリントと直接に熱接触し、前記熱フットプリントの幅は前記熱源の幅と等しく、前記インサート部分が、熱源による熱フットプリントに直接隣接し、かつ熱源による熱フットプリントに熱接触する前記基板の第１箇所において前記２軸方向の一方に平行な第一軸線から半径方向外方へ延びる１個以上のアームを含み、前記１個以上の半径方向アームが前記平面的な境界内に延び、熱フットプリントの幅寸法の３０％から７０％の間の横幅を有し、前記基板の第１箇所は前記熱源に直接物理的に接触する、熱源から熱を作用可能に拡散させる装置。
   

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