JP2013528319A - ヒートシンクを部品に熱的に結合する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

ヒートシンクを部品に熱的に結合するための方法及び装置を提供し、ヒートシンクと部品の間に熱充填剤及び中間層を加える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンクを部品に熱的に結合するための方法及び装置に関する。

今日、電気部品の中には大量の電力を消費するものもあり、この電力は熱として放散される。従って部品は加熱し、これらの電気部品の損傷を防ぐとともに耐久性を延ばすために、ヒートシンクを使用してこれらの電気部品から熱を放散させる。

用途によっては、機械的制約及び／又は公差及び／又はヒートシンクと部品の間の隙間に起因して、（たとえヒートシンクを電気部品に直接取り付けできる場合でも）ヒートシンクと部品の間の熱抵抗が高いことがある。このようなシナリオでは、電気部品とヒートシンクの間に熱充填剤（例えば、熱伝導性のジェル、ペースト又は液体）が加えられる。熱充填剤は、良好な熱伝導性をもたらし、特定の機械的要件によって厚みを変化させることができる。

製品の寿命期間中、例えば、電気部品を交換する必要がある場合、又はこのようなヒートシンクを含むハードウェアモジュール内の修理を目的として、ヒートシンクを電気部品から分離する必要性が生じることがある。しかしながら、熱充填剤には粘着性があり、ヒートシンクを電気部品から分離するにはかなりの力が必要である。プリント基板及び／又は電気部品は、このような機械力が加わる影響を受け易く、分離過程中に破損することがある。

このことは、ハウジングを、１又はそれ以上のプリント基板に取り付けられた複数の部品のためのヒートシンクとして使用している場合、特に重大な問題である。このようなシナリオでは、ハウジングが熱充填剤を介して部品に複数箇所で接着されているので、ハウジング（又はハウジングの一部）を部品から分離するのにかなりの力が必要となる。

ヒートシンクから分離した後に、熱充填剤の多くの部分が電気部品上に残ることはさらに不都合である。このため、新しい熱充填剤を加えて（単複の）部品をヒートシンクに再接続できるようになる前に、電気部品及びプリント基板を清掃して古い熱充填剤を除去する必要がある。

上述した不都合を避け、具体的には、電気部品又はこれらが取り付けられているプリント基板を破損することなく電気部品からヒートシンクを分離できるようにする効率的な解決策を提供することが解決しようとする課題である。

この課題は、独立請求項の特徴により解決される。従属請求項からは、さらなる実施形態が提供される。

この課題を克服するために、ヒートシンクを部品に、具体的には電気部品に熱的に結合する方法を提供し、
− ヒートシンクと部品の間に熱充填剤及び中間層を加える。

前記中間層を介してヒートシンクと（電気）部品の分離が容易になるという有利が得られる。従って、ヒートシンクと部品を分離する場合に部品への損傷を避けることができる。

ある実施形態では、部品が電気部品であり、具体的には、プリント基板上に装着された又はプリント基板上のソケットに取り付けられた集積回路である。

電気部品は、マイクロコントローラ、プロセッサ、メモリ素子、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はトランジスタなどのいずれの集積回路であってもよい。また、この電気部品は、電力コントローラ又はいずれかの高電流搬送部品などの、高電流に曝され冷却を必要とするいずれの電気部品であってもよい。

なお、部品は、ソケットを介してプリント基板に電気的に接続されていてもよく、又は基板に直接装着（半田付け）されていてもよい。

別の実施形態では、ヒートシンクがハウジングの一部であり、又はハウジングの少なくとも一部に熱的に結合される。

中間層又は熱充填剤を圧迫する突起部を含むハウジングを提供することもできる。ハウジングは、電気部品から熱を放散させるための能動的又は受動的冷却手段を含むことができる。

さらなる実施形態では、中間層が、
− ガーゼ、
− ガラス繊維構造、
− セラミック構造、
− 箔、
− メッシュ構造、
− 生地、
− 布地、
のうちの少なくとも１つを含む。

次の実施形態では、中間層が、特に熱充填剤との接触を向上させるために下塗剤で事前処理される。

この実施形態は、中間層が多孔性を有する実施形態でもある。

具体的には、中間層は、（実質的に）同じ又は異なるサイズ及び／又は形状の開口又は穴を含むことができる。多孔性を与えて、熱充填剤が中間層の穴を貫通できるようにするために、ヒートシンクを所与の力で（電気）部品に対して圧迫する必要があるようにすることができる。

別の実施形態によれば、ヒートシンクが部品に対して又は部品の方向に圧迫される。

所与の持続時間にわたって及び／又は所与の力でヒートシンクを部品に対して圧迫することができる。

ある実施形態によれば、熱充填剤が、ヒートシンク上に加えられる。

別の実施形態によれば、熱充填剤が、部品上に加えられる。

さらに別の実施形態では、熱充填剤が、中間層の少なくとも片側に加えられる。

次の実施形態によれば、熱充填剤が、
− 熱伝導ジェル、
− 熱伝導ペースト、
− 熱伝導液、
のうちの少なくとも１つを含む。

上述した問題は、
− ヒートシンクと、
− 部品と、
を含む装置によっても解決され、これらのヒートシンクと部品は、中間層及び少なくとも１つの熱充填剤を介して接続される。

ある実施形態によれば、ヒートシンクがハウジングの一部である。

別の実施形態によれば、熱充填剤が、中間層の両側に配置される。

さらなる実施形態によれば、中間層が部品よりも広く、又は部品の端部を（少なくとも部分的に）越えて広がる。

従って、熱充填剤が圧迫されて中間層を越え、プリント基板を汚染するのを避けることができる。

次の実施形態では、装置が通信システムの部品である。

以下の図に、本発明の実施形態を例示する。

プリント基板（ＰＣＢ）上に装着された電気部品上に熱充填剤を加え、熱充填剤上に中間層を配置した概略図である。 プリント基板（ＰＣＢ）上に装着された電気部品の、ヒートシンク上に熱充填剤を加え、熱充填剤上に中間層を配置した概略図である。 熱充填剤を介して中間層をヒートシンク及び電気部品に接続することにより、ＰＣＢ上に装着された電気部品にヒートシンクを熱的に結合した概略図である。 所与の多孔率を有するメッシュ構造を含む中間層の例示的な構造を示す図である。 異なる形状及び直径の様々な穴を含む中間層の別の例示的な構造を示す図である。 ＰＣＢ上に装着された電気部品の、ヒートシンク上に熱充填剤を加え、熱充填剤上に電気部品の表面よりも広い中間層を配置した概略図である。 ＰＣＢに取り付けられた電気部品に熱充填剤及び中間層を介して熱的に結合された複数の突起部を含むヒートシンクとして使用されるハウジングを示す図である。

電気部品とヒートシンクの分離は、ヒートシンクと電気部品の間に、中間層及び少なくとも１つの熱充填剤の層を提供することによって実現することができる。

中間層は、
− ガーゼ、
− ガラス繊維構造、
− セラミック構造、
− 箔、
− メッシュ構造、
− 生地、
− 布地、
のうちの少なくとも１つとすることができる。

選択肢として、中間層を下塗剤で事前処理して、熱充填剤との接触を向上させることができる。

中間層は、多孔性を、具体的にはほぼ規則的なパターンの穴を有することができる。これらの穴は、中間層全体にわたって対称的に分散しても、又は非対称に分散してもよい。これらの穴は、実質的に同じサイズ及び／又は形状であっても、又は異なるサイズ及び／又は形状であってもよい。

熱充填剤は、ヒートシンク又は電気部品のいずれか、又はこれらの両方に加えられる。中間層は、熱充填剤を加えたヒートシンク上に（すなわち、熱充填剤上に）提供してもよく、又は熱充填剤を加えた電気部品上に（すなわち、熱充填剤上に）提供してもよい。

従って、電気部品上にヒートシンクを取り付ける処理は、以下のステップを含むことができる。
− 電気部品上に熱充填剤を加え、
− 熱充填剤上又はヒートシンク上に中間層を提供し、
− 中間層上にヒートシンクを配置して、中間層の多孔性によって熱充填剤の一部が中間層の穴を貫通し、中間層とヒートシンクの間に熱伝導性及び粘着性をもたらし、従ってヒートシンクと電気部品が熱的に（及び熱充填剤の粘着性に起因して少なくとも一部は機械的に）結合される。

或いは、ヒートシンクを電気部品に取り付ける処理は、以下のステップを含むことができる。
− ヒートシンク上に熱充填剤を加え、
− 熱充填剤上又は部品上に中間層を提供し、
− 中間層上に電気部品を配置して、中間層の多孔性によって熱充填剤の一部が中間層の穴を貫通し、中間層と電気部品の間に熱伝導性及び粘着性をもたらし、従ってヒートシンクと電気部品が熱的に（及び熱充填剤の粘着性に起因して少なくとも一部は機械的に）結合される。

いずれのシナリオにおいても、ヒートシンクを一時的に又は（半）永久的に電気部品上に圧迫することができる。従って、この機械的衝撃により、熱充填剤が中間層を貫通して熱伝導性をもたらすことができる。（半）永久的圧迫は、ハウジングが閉じた時に中間層を（例えば、熱充填剤を介して）圧迫する突起部をハウジングに形成することによって実現することができる。このような場合、これらの突起部は、ハウジングの一部、及び具体的にはヒートシンク（の一部）とすることができる。例えば、金属ハウジングによってヒートシンクを実現し、これを（プリント）基板上の複数の部品のための共通のヒートシンクとすることができる。

別の代替例によれば、ヒートシンクを電気部品に取り付ける処理は、以下のステップを含むことができる。
− ヒートシンク及び電気部品上に熱充填剤を加え、
− ヒートシンクと電気部品の間に中間層を提供し、
− この中間層が、ヒートシンクと電気部品の間に熱伝導性をもたらす。

なお、熱充填剤は、ヒートシンク及び／又は電気部品及び／又は中間層上に（片側又は両側に）加えることができる。さらに、熱充填剤は、（例えば、点状パターン又は縞状パターンを含む）いくつかのパターンで、及び／又はヒートシンク、電気部品及び／又は中間層の一部（例えば、７０％の範囲又は端部周辺）に加えることができる。

さらに、電気部品は、プリント基板の一部であってもよい。電気部品は、熱に弱い部品の場合もあり、前記ヒートシンクがもたらす冷却を必要とする。この点、電気部品は、マイクロコントローラ、プロセッサ、メモリ素子、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はトランジスタなどの集積回路であってもよい。この電気部品は、電力コントローラ又はいずれかの高電流搬送部品などの、高電流に曝され冷却を必要とするいずれの電気部品であってもよい。

ヒートシンクは、様々な形状の冷却要素とすることができる。このヒートシンクを、ハウジングに又はハウジングの一部に熱的に結合することができる。冷却要素は、（例えば、ファンを介した）能動的冷却手段、又は（例えば、大型冷却板を介した）受動的冷却手段を含むことができる。

熱充填剤は、
− 熱伝導ジェル、
− 熱伝導ペースト、
− 熱伝導液、
のうちの少なくとも１つとすることができる。

中間層により、ヒートシンクを電気部品から分離する際に電気部品への（及び／又は電気部品が取り付けられている回路基板への）機械的応力が大幅に減少するという利点が得られる。従って、電気部品、回路基板、又は回路基板に取り付けられたその他の部品を破損せずに分解を行うことができる。

中間層を部品よりも広くすることができ、これにより部品上に中間層を提供した時に、部品の周辺領域（例えば、その他の部品及び／又はＰＣＢ自体）が熱充填剤によって覆われるのを避けることができる。このことは、ヒートシンクから分離した後に、他の部品又はＰＣＢから熱充填剤の残りを除去する必要がなく、従って清掃努力が大幅に低減される（ヒートシンクが取り付けられていた部品のみを清掃すればよい）という利点を生む。

図１に、プリント基板（ＰＣＢ）１０５上に装着された電気部品１０４を含む概略図を示す。電気部品１０４及び中間層１０２上には熱充填剤１０３が加えられ、例えば、熱充填剤１０３上に所与の多孔率のガラス繊維を含む材料が配置される。この中間層１０２上に、ヒートシンク１０１が装着される（例えば、所定の時間にわたって所定量の力で圧迫される）。従って、熱充填剤１０３は、中間層１０２を（少なくとも部分的に）貫通し、電気部品１０４とヒートシンク１０１の間に熱伝導性をもたらす。

ヒートシンク１０１は、力を加えることによって電気部品１０４から分離することができ、中間層１０２は、このような分離を容易にする。従って、電気部品１０４からヒートシンク１０１を分離するために必要な力は、このような中間層１０２が存在しないシナリオよりも大幅に少ない。換言すれば、中間層１０２は、熱充填剤１０３（粘弾性材料）がヒートシンク１０１を電気部品１０４に接続する範囲を低減する。これにより、このような熱充填剤１０３がもたらす粘着力が減少し、（このような中間層１０２が存在しないシナリオに比べて）電気部品１０４からヒートシンク１０１を分離するための力が少なくて済むようになる。

図２には、図１に基づく概略図を示しており、この例における熱充填剤１０３はヒートシンク１０１上に加えられ、熱充填剤１０３上に中間層１０２が配置される。そして、この中間層１０２を電気部品１０４に（所与の時間にわたって所与の力で）圧迫することができる。熱充填剤１０３は、中間層１０２（の穴）を貫通して、電気部品１０４に熱的接続（及び粘着性）をもたらす。

ヒートシンク１０１は、プリント基板１０５を収容するハウジングの一部とすることができる。その際、ハウジングを、能動的及び／又は受動的冷却手段を含む冷却要素とすることができる。ハウジングは、その少なくとも一部を、少なくとも１つの電気部品１０４から熱を放散させる冷却板を有する金属ハウジングとすることができる。

図３に、ＰＣＢ３０５上に装着された電気部品３０４に熱的に結合されたヒートシンク３０１の概略図を示す。このような熱的結合は、中間層３０２を、
− 熱充填剤３０３を介してヒートシンク３０１に、及び、
− 熱充填剤３０６を介して電気部品３０４に、
接続することによってもたらされる。

熱充填剤３０３、３０６は様々な順序で加えることができ、例えば、熱充填剤３０６を電気部品３０４上及び／又は中間層３０２上に加えることができる。従って、熱充填剤３０３をヒートシンク３０１上及び／又は中間層３０２上に加えることができる。

ヒートシンク３０１は、所定の時間にわたって（所与の力で）電気部品３０４に対して圧迫される。この結果、熱充填剤３０３、３０６及び中間層３０２を介したヒートシンク３０１と電気部品３０４の間の熱的接続が確立される。

図４Ａに、所与の多孔率のメッシュ構造を含む中間層１０２又は３０２の例示的な構造を示す。このメッシュ構造の穴を、（例えば、上述したような力を加えることにより）熱充填剤が貫通することができる。中間層は、具体的には所与の多孔率の、ガーゼ、ガラス繊維、箔、メッシュ構造、生地又は布地とすることができる。

図４Ｂに、異なる形状及び直径の様々な穴を含む中間層１０２又は３０２の別の例示的な構造を示す。これらの穴は、規則的なパターンで配置しても、又は不規則なパターンで配置してもよく、これらを対称的に配置しても、又は全てを同じ形状及び／又はサイズにしてもよい。また、図４Ｂに示すように、形状及びサイズが異なってもよい。

図５には、図１に基づく概略図を示しており、この例における熱充填剤５０３はヒートシンク５０１上に加えられ、熱充填剤５０３上に中間層５０２が配置される。そして、この中間層５０２を、ＰＣＢ５０５上に装着できる（半田付けできる又はソケットに差し込むことができる）電気部品５０４に（所与の時間にわたって所与の力で）圧迫することができる。熱充填剤５０３は、中間層５０２（の穴）を貫通して、電気部品５０４に熱的接続（及び粘着性）をもたらす。図５の例では、熱充填剤５０３が、電気部品５０４の表面よりも広い範囲に加えられるが、熱充填剤５０３によって覆われる範囲及び電気部品５０４の範囲よりも中間層５０２の方が（サイズ及び／又は直径が）広いので、熱充填剤５０３はＰＣＢ５０５に届かない。従って、熱充填剤５０３がＰＣＢ５０５に到達するのを効率的に防ぐことができ、これにより部品５０４からヒートシンク５０１を分離した後の清掃努力が大幅に低減される。

図６には、複数の突起部６０３、６０４、６０５を有するヒートシンクとして使用されるハウジング６０１を示しており、各突起部６０３、６０４、６０５は、ＰＣＢ６１４に（直接又はソケットを介して）取り付けられた電気部品６１１、６１２、６１３に、熱充填剤６０６、６０７、６０８及び中間層６０２、６０９、６１０を介して熱的に結合される。

１０１ ヒートシンク
１０２ 中間層
１０３ 熱充填剤
１０４ 電気部品
１０５ プリント基板
３０１ ヒートシンク
３０２ 中間層
３０３ 熱充填剤
３０４ 電気部品
３０５ プリント基板
３０６ 熱充填剤
５０１ ヒートシンク
５０２ 中間層
５０３ 熱充填剤
５０４ 電気部品
５０５ プリント基板
６０１ ハウジング／ヒートシンク
６０２ 中間層
６０３ 突起部
６０４ 突起部
６０５ 突起部
６０６ 熱充填剤
６０７ 熱充填剤
６０８ 熱充填剤
６０９ 中間層
６１０ 中間層
６１１ 電気部品
６１２ 電気部品
６１３ 電気部品
６１４ プリント基板

Claims (15)

1. ヒートシンクを部品に熱的に結合する方法であって、
   − 前記ヒートシンクと前記部品の間に熱充填剤及び中間層が適用される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記部品が電気部品、特に集積回路であって、特にプリント基板上に装着されたものである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ヒートシンクがハウジングの一部であるか、又は前記ハウジングの少なくとも一部に熱的に結合される、
   ことを特徴する請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記中間層が、
   − ガーゼ、
   − ガラス繊維構造、
   − セラミック構造、
   − 箔、
   − メッシュ構造、
   − 生地、
   − 布地、
   のうちの少なくとも１つを含む、
   ことを特徴する請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法。
5. 前記中間層が、下塗剤で事前処理される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 前記中間層が、多孔性を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の方法。
7. 前記ヒートシンクが、前記部品に対して圧迫される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の方法。
8. 前記熱充填剤が、前記ヒートシンク上に適用される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の方法。
9. 前記熱充填剤が、前記部品上に適用される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の方法。
10. 前記熱充填剤が、前記中間層の少なくとも一方の側に加えられる、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の方法。
11. 前記熱充填剤が、
    − 熱伝導ジェル、
    − 熱伝導ペースト、
    − 熱伝導液、
    のうちの少なくとも１つを含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の方法。
12. − ヒートシンクと、
    − 部品と、
    を備え、前記ヒートシンクと前記部品が、中間層及び少なくとも１つの熱充填剤を介して接続される、
    ことを特徴とする装置。
13. 前記ヒートシンクが、ハウジングの一部である、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記熱充填剤が、前記中間層の両側に配置される、
    ことを特徴とする請求項１２又は請求項１３のいずれかに記載の装置。
15. 前記中間層が、前記部品よりも大きいか、又は前記部品の端部を越えて広がる、
    ことを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれかに記載の装置。

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