JP2016131218A - 放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高発熱部品を含む電子回路基板全体の凹凸形状に沿った放熱板の突起形状を有し、さらに部品の寸法公差によって生じる隙間を最小化し、突起と電子部品の間に挟む放熱シートを極力薄くして、放熱板の放熱性能を向上する。
【解決手段】 電子回路基板１に電子部品である高発熱部品のＣＰＵ５、低発熱部品の６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを実装した後、放熱板２を固定する。放熱板２に形成された穴に、高熱伝導材で作成した穴形状と同一断面形状の柱状部材３を挿入する。確実な接触が得られるように柱状部材３の先端には放熱シート４を貼り付け、放熱板２に固定する。放熱シート４の厚みは極力薄くすることで、放熱板２の外側に突出した柱状部材３の先端は放熱フィンとして利用する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体素子、回路素子等の電子回路部品を配線基板上に実装した電子回路基板に熱的に接続されて、当該電子回路部品からの熱を放熱する放熱板を備えた放熱装置に関する。

電子機器は、一般的に、冷却空気を直接基板上に吹き当てる直接冷却方式によって冷却される。この冷却方式は、冷却空気の状態が管理されない環境下においては好ましくない。これは、冷却空気中に粉塵、ほこり、水分等が含まれており、電子回路部品に付着すると付着した部分が腐食したり、絶縁破壊したりする恐れがあるためである。

車両、航空機等の移動体に搭載する電子機器は、上記のような粉塵、ほこり、水分等による信頼性低下を防ぐため、間接冷却方式の放熱装置を用いることがある。間接冷却方式の放熱装置の一例として、放熱板を用いたものがある。この放熱装置は、電子回路基板の電子回路部品の取付け面に放熱板を取り付け、電子回路基板上の電子回路部品の熱を放熱板に伝える。放熱板は伝達された熱をシャシに伝え、シャシは冷却空気にて冷却される。

放熱板を有した代表的な放熱装置の構造としては、電子回路基板の上に蓋形状の放熱板を取付け、高発熱の電子回路部品（高発熱部品）の配置に合わせて放熱板に突起を成形し、電子回路部品上面を突起に付き当てて放熱板まで熱を伝導させるものがある。また、放熱板に電子回路基板を取付け、放熱板内部に冷却空気、冷却液等の冷却媒体の流路を設けて冷却する構造の放熱装置もある。

従来の間接冷却方式の放熱装置の構造は、切削加工により高発熱部品の上面に熱の伝導経路を設けるための突起を放熱板に成形し、電子回路部品上面と突起の間に弾力性のある放熱シートを挟み、部品の寸法公差によって生じる隙間を吸収している（例えば特許文献１、２参照）。

特開２００８-２２６８９０号公報 特開２０１３-１３１５７１号公報

電子回路基板は、表面に多数の発熱する電子回路部品が実装されており、各部品の高さが異なるため、電子回路基板の表面は不規則な凹凸形状になる。高発熱部品が多数個実装された場合、放熱板の突起も電子回路部品と同数程度必要となり、切削加工により全ての電子回路部品の高さに合わせて突起を成形する必要がある。また突起を成形する位置は基板ごとに異なるため、放熱板も基板毎に個別設計する必要がある。このため放熱板の突起の成形が困難であり、また突起の製造設計及び熱設計が難しくなるという問題がある。また、一般的に放熱板の突起は高発熱部品の上面に限定されており、その他の低発熱部品の上面は突起が無く空隙になって伝導経路が無く、その放熱性能が劣るという問題がある。

また、各電子回路部品の高さと放熱板の突起はそれぞれ寸法公差を有している。この寸法公差を吸収するため、放熱板に成形した突起と電子回路部品の間に挟む放熱シートは、放熱性能を発揮するため一定の潰し量が必要である。しかし高さの異なる突起に放熱シートを貼り放熱板の四隅で固定する場合、四隅の固定部から離れた部分（例えば中央部分）に圧縮力がかからず潰し量が不足し性能が低下する。従って突起の数が多い放熱板は潰し量の管理が難しいという問題がある。

放熱シートの熱伝導率は金属材料の熱伝導率に比べ低いため、放熱シートの厚みが薄いほど放熱性能は向上する。しかし従来の電子機器は、放熱板の累積する寸法公差を吸収するため、隙間を設けて厚めの放熱シートを使用している。このことから放熱シートの熱抵抗が高めになるという問題がある。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、放熱板に電子回路基板表面の電子回路部品による不規則な凹凸形状に沿った突起形状を成形することで、伝導面積を増加でき、隙間を最小化することで放熱シートの厚さを極力薄くし、放熱性能をより向上できる、電子回路基板の間接冷却用放熱装置を得ることを目的としている。

この発明による放熱装置は、複数の穴が形成され、電子回路基板を支える放熱板と、上記放熱板の穴に挿入される複数の柱状部材と、を備え、上記柱状部材は、一端部が上記電子回路基板上の電子回路部品に接触し、他端部が上記放熱板の穴から突出したものである。

この発明によれば、電子回路部品と熱的に接触する複数の柱状部材を放熱板に嵌め込んで突起形状を形成することにより、電子回路基板上の凹凸に沿った突起形状を電子回路基板の実装面全体に形成し、突起形状と電子回路部品間の隙間を最小化できるため、放熱シートの厚みを薄くでき、かつ間接冷却の放熱性能が向上する。

実施の形態１による放熱装置の構成を示す斜視図である。 実施の形態１による放熱装置における、電子回路基板に垂直な面で破断した断面を示す図である。 実施の形態１による柱状部材の構成を示す図である。 実施の形態２による放熱装置の構成を示す斜視図である。 実施の形態２による放熱装置における、電子回路基板に垂直な面で破断した断面を示す図である。 実施の形態３による放熱装置の構成を示す斜視図である。 実施の形態３による放熱装置における、電子回路基板に垂直な面で破断した断面を示す図である。 実施の形態３による放熱装置における、柱状部材の構成を示す詳細図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による放熱装置の構成を示す斜視図である。また、図２は図１における放熱装置に垂直な面の断面図である。図３は実施の形態１による放熱装置の柱状部材の詳細を示す図である。

実施の形態１による放熱装置１００は、電子回路基板１を支持する放熱板２と、複数の柱状部材３から構成される。放熱装置１００の放熱板２は、電子回路基板１に接触し、熱的に接続される。また、放熱板２は、外部のシャシ（図示しない筐体）に接触し、熱的に接続されて、電子回路基板１からの熱を放熱する、間接冷却方式の放熱構造をなしている。電子回路基板１と放熱装置１００と上記シャシは電子機器を構成する。放熱板２は、電子回路基板１を支持する上面よりも下方に空隙を形成する凹み部１２０を有している。柱状部材３は、凹み部１２０の空間内に配置されて、電子回路基板１と放熱板２の間を熱的に接続する。

図１から図３において、電子回路基板１は、主に高発熱部品のＣＰＵ５及び低発熱部品６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ等の電子回路部品が実装されている。放熱板２は、電子回路基板１にボルト７、ナット８を用いて固定する。放熱板２は、電子回路基板１の実装面に対向する凹み部１２０の底面全体に、予め柱状部材３の断面形状と同一形状の複数個の穴２０を所定の間隔で設けておく。柱状部材３は、一端部の端面が電子回路基板１上の電子回路部品の上面に接触し、電子回路部品に熱的に接続される。また、柱状部材３は、他端部が放熱板２の穴２０に挿入されて放熱板２と熱的に接続される。柱状部材３の他端部の端面は放熱板２の外側に突出する。

ここで、電子回路基板１上の電子回路部品による凹凸が細かい場合は、放熱板２の上面に設けた穴２０の穴径を小さくし、穴位置を半径分ずらすことで、柱状部材３を密に配置することができる。柱状部材３の断面形状と放熱板２の穴２０の形状は、柱状部材３の最外径と穴２０の最内径との隙間を最小にするように設定する。好ましくは柱状部材３の断面形状と放熱板２の穴２０の形状は同一でなければならないが、形状は用途に合わせて変更する。図１から図３に示す柱状部材３は円柱形状であるが、例えばＣＰＵ５の上面においてのみ、柱状部材３の断面形状及び放熱板２の穴２０の形状をＣＰＵ５の形状に合わせて四角形状とし、熱伝導面積を拡大しても良い。

柱状部材３は、放熱板２と同一材料または高熱伝導材料で作成し、放熱板２の穴２０に対し挿入方向９の方向に挿入する。柱状部材３の先端は放熱シート４を熱伝導性接着剤で接着する。柱状部材３の他端部を放熱板２の穴２０に挿入した後、柱状部材３に圧縮力を付加し確実な接触が得られた状態で、熱伝導性接着剤等の接着方法で放熱板２の穴２０及びその周囲部に柱状部材３を固定する。放熱板２は、両端部に保持部が形成されている。放熱板２の保持部はシャシ（図示せず）に実装され、リテーナ（保持器）によりシャシに固定される。シャシは図示しない複数の突起（ヒートシンク）が形成され、ヒートシンクは周囲を流れる冷却空気内に配置される。

放熱装置１００における電子回路部品（電子回路基板１上の高発熱部品のＣＰＵ５、低発熱部品の６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ等）の間接冷却放熱構造は以上のように構成され、複数の穴２０が形成され、電子回路基板を支える放熱板２と、上記放熱板２の穴２０に挿入される複数の柱状部材３と、を備え、上記柱状部材３は、一端部が上記電子回路基板１上の電子回路部品に接触し、他端部が上記放熱板２の穴から突出したことを特徴とする。これにより、電子回路部品で発生した熱が放熱シート４、柱状部材３、放熱板２に伝導し、放熱板２に伝導した熱はシャシへ伝わり、シャシから冷却空気に放熱される。ここで、放熱シート４が接着された柱状部材３は、電子回路基板１上に個別に接触する高さで固定される。

このため電子回路基板１の実装面の不規則な凹凸形状に沿った突起形状を、その実装面全体に成形することができる。したがって、高発熱部品５だけでなく低発熱部品６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄについても柱状部材３を接触させることできるので、放熱板２の突起がない空隙部分の減少と伝導経路の増加により発生した熱を、効率よく放熱板２に伝えることができる。

また、柱状部材３は放熱板２の固定に使用するボルト７の締結力に依存せず、個別で圧縮力を付加できるため、歪による潰し量の不足が生じない。また、柱状部材３は放熱板２の上面の穴２０に沿って個別に移動できるため、突起と電子回路部品の間の隙間を最小化でき、先端に接着した放熱シート４を極力薄くでき、放熱性能が向上する。

放熱板２の上面に設けた穴２０を全て同一径とし等間隔とした場合、電子回路基板１上の電子回路部品の配置によらず、使用可能であり汎用性が高く、設計コストを削減できる。

実施の形態２．
この発明に係る実施の形態２の放熱装置２００は、放熱板に冷却空気または冷媒の流路を形成し放熱する間接冷却方式の構造である。図４は実施の形態２による放熱装置２００の構成を示す斜視図であり、実施の形態２における間接冷却方式の構成を示している。また、図５は図４における電子回路基板に垂直な面の断面図である。

図４、５において、実施の形態２の放熱装置２００は、主に実施の形態１の高発熱部品のＣＰＵ５、低発熱部品の６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが実装された電子回路基板１、放熱板２、柱状部材３に加えて、放熱板カバー１１を取付けた構成である。放熱板２は放熱板カバー１１の凹み部１１０の内部空間に収容され、当該凹み部１１０の底面（凹み面）との間に間隙を有する。ここで、放熱板２、柱状部材３及び放熱板カバー１１は実施の形態２による放熱装置２００を構成する。

放熱板カバー１１は少なくとも放熱板２の上面を内包する面積を有する。放熱板カバー１１の凹み部１１０は、柱状部材３の高さと放熱シート４の厚みを足した深さよりも浅い深さを有している。さらに放熱板カバー１１は、柱状部材３と同一断面形状の複数の穴３０を有する。穴３０は、凹み部１１０の凹み面から、電子回路基板１上の電子回路部品の最大高さと同一深さ以上の深さを有した止まり穴となっている。

放熱板カバー１１は、電子回路基板１に対し放熱板２をボルト７、ナット８で固定する。放熱シート４を接着した柱状部材３は、その一端部が放熱板２の穴２０に対し挿入方向９に挿入され、圧縮力を付加した状態で、熱伝導性接着剤により放熱板２の穴２０及びその周辺部に固定する。電子回路基板１は、スクリューパン１２により放熱板カバー１１の上面に固定される。また、放熱板２の穴２０に挿入された柱状部材３の他端部の先端部が電子回路基板１の表面に接触することで、電子回路部品に接触せずにその外側に残った柱状部材３を放熱板カバー１１が覆うこととなる。放熱板２と放熱板カバー１１間の隙間により冷却空気の流路１３が形成される。放熱板２から電子回路基板１と反対側に突出して外側に残った柱状部材３の一端部の先端は、放熱板カバー１１の凹み部１１０の凹み面に設けた穴３０に逃げる。放熱板カバー１１は、凹み部１１０を挟んだ両側部分にそれぞれ流路１４が形成されている。流路１４と流路１３は流路１５を介して接続される。一方の流路１４は外部から空気が流入し、他方の流路１４は外部に空気が流出する。また、一方の流路１４から入った空気は、流路１５から流路１３を流れて、他方の流路１４から外部に流出する。

このように構成された間接冷却放熱構造の放熱装置２００は、実施の形態１の放熱板２を収容する凹み部１１０を有し、当該凹み部１１０と上記放熱板２の間に流路３を形成する間隙をなして上記放熱板２を保持し、上記柱状部材３の他端部が当該間隙を通過して挿入される穴２０を有した第２の放熱板である放熱板カバー１１を備えたことを特徴とする。

電子回路基板１上の高発熱部品のＣＰＵ５、低発熱部品の６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ等の電子回路部品で発生した熱が放熱シート４を経由し、柱状部材３、放熱板２から流路１３内に流れる冷却空気に放熱される。柱状部材３は、冷却空気の流路１３内に位置するため、電子回路部品から伝導した熱を冷却空気に放熱する放熱フィンと同等の効果があって、その放熱面積が増加するため放熱性能がより向上する。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３は、実施の形態１と実施の形態２の柱状部材３を、雄ねじの形成された柱状部材１０に変更した間接冷却方式の構造を示している。図６は実施の形態３による間接冷却方式の放熱装置１００の構成を示している。また、図７は、図６の放熱装置１００における、電子回路基板に垂直な面の断面図である。図８は柱状部材１０の詳細を示す図である。

図６から図８において、実施の形態３による放熱装置１００の放熱構造は、主に高発熱部品のＣＰＵ５、低発熱部品の６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが実装された電子回路基板１と、放熱板２、柱状部材１０で構成されている。実施の形態３の放熱装置１００の基本構造は、実施の形態１と同一である。雄ねじの柱状部材１０を使用するため、放熱板２の凹み部１２０の底面に、柱状部材１０と同径の雌ねじ部を等間隔で電子回路基板１の実装面全体に設けておく。

実施の形態３による放熱装置１００は、電子回路基板１と放熱板２を固定した後、放熱板２の雌ねじ部に柱状部材１０をねじ込む。電子回路部品に柱状部材１０が接触した後、規定のトルクをかけ締め付けることで、放熱シート４の電子回路基板１への確実な接触を確保する。柱状部材１０を放熱板２にねじ込んだ後、ナット又は伝導性接着材を用いて柱状部材１０が緩まないように固定する。

なお、柱状部材１０を放熱板２に固定した後、放熱板２を放熱板カバー１１に取付けることにより、実施の形態２の冷却空気の流路を形成し、放熱する間接冷却方式の構造とすることもできる。

このように構成された間接冷却方式による実施の形態３の放熱装置１００は、柱状部材３の代わりに雄ねじが形成された柱状部材１０を用いるとともに、放熱板２の穴２０に、柱状部材３の雄ねじの係合する雌ねじを形成する。これによって、電子回路基板１上の高発熱部品のＣＰＵ５、低発熱部品の６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ等の電子回路部品で発生した熱が、放熱シート４を経由して柱状部材１０、放熱板２から外部のシャシに伝導し、シャシから冷却空気に放熱される。

また、放熱板２を放熱板カバー１１に取付けた場合は、発生した熱が放熱シート４を経由し、柱状部材１０、放熱板２から流路１３内に流れる冷却空気に放熱される。ここで、柱状部材１０は雄ねじであるため、締付トルクによる放熱シート４の潰し量管理が可能であり、放熱シート４の厚みを極力薄くできるので、放熱性能が向上する。

また、放熱板２を、実施の形態２の放熱板カバー１１に取付けて、冷却空気の流路を形成し放熱する間接冷却方式の構造とする場合、外面にねじ山を有する柱状部材１０は、円柱形状の柱状部材３より放熱面積が増加する。このため放熱フィンとしての放熱性能が更に向上する。

１ 基板、２ 放熱板、３ 柱状部材、４ 放熱シート、５ ＣＰＵ（高発熱部品）、６ａ、ｂ、ｃ、ｄ 電子部品（低発熱部品）、７ ボルト、８ ナット、１０ 柱状部材（雄ねじ付き）、１１ 放熱板カバー、１２ スクリューパン、１３ 流路、１４ 流路、１５ 流路。

Claims (3)

1. 複数の穴が形成され、電子回路基板を支える放熱板と、
   上記放熱板の穴に挿入される複数の柱状部材と、
   を備え、
   上記柱状部材は、一端部が上記電子回路基板上の電子回路部品に接触し、
   他端部が上記放熱板の穴から突出した電子機器。
2. 上記放熱板を収容する凹み面を有し、当該凹み面と上記放熱板の間に流路を形成する間隙をなして上記放熱板を保持し、上記柱状部材の他端部が当該間隙を通過して挿入される穴を有した第２の放熱板を備えた請求項１記載の電子機器。
3. 上記柱状部材は雄ねじが形成され、上記放熱板の穴は上記柱状部材の雄ねじの係合する雌ねじが形成された請求項１または請求項２記載の電子機器。

Images