JP2016528736A - 分離型の対流フィンを有する多層ヒートスプレッダアセンブリ - Google Patents

Abstract

２つ以上のヒートスプレッダのアセンブリは、小型電子エンクロージャ内のプリント回路基板に取り付けられる。ヒートスプレッダは、通気口を介して上記エンクロージャの外への熱の対流を補助するフィンを有する。上記プリント回路基板は、上記ヒートスプレッダによって外側のケースからシールドされている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年８月１６日に出願された米国特許仮出願第６１／８６６，７７６号明細書、および２０１４年５月１５日に出願された米国特許仮出願第６１／９９３，６０１号明細書の利益を主張し、これらは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本原理は、一般に、電子デバイスに関し、より詳細には、電子デバイスのためのヒートシンク取付け装置および方法に関する。

小型電子エンクロージャ内の熱を管理することは困難である。なぜなら、顧客からの美的要求および性能上の要求により、エンクロージャが電子構成要素にフォームフィット（form fit）され、自然対流で熱を放散するための余地がほとんどないからである。通常、大量の熱を生成する集積回路（ＩＣ）は、エンクロージャの中央に位置し、多数の顧客は、エンクロージャ内の、プリント回路基板（ＰＣＢ）真上に通気開口があることを嫌う。これにより、熱はエンクロージャ内にトラップされ、敏感な構成要素にダメージを与える可能性がある。また、エンクロージャの外側表面が、顧客が触れるのに許容される温度限界を超える可能性もある。

熱を管理するための多数の方法がある。いくつかは、複数の通気開口を使用し、排熱の助けとなるエンクロージャ内の十分な空間を提供することを含む。しかし、多数の顧客は、大きなエンクロージャサイズ、および過度の開口を嫌う。小型電子エンクロージャでは、一般にヒートスプレッダが使用され、熱をエンクロージャの壁内に放射するが、それらの熱消費は制限される。より大きなエンクロージャでは、通気口を通る空気の移動を可能にする、フィン付きヒートシンクが使用されている。フィン付きヒートシンクを有するシステムでは、空気が循環するために十分な余地がなければならず、したがって、この要件は、一般に、より大きなエンクロージャを必要とさせる。ファンおよびブロワが広く使用されているが、それらは多数の顧客に嫌われ得る騒音を生成する。流体が充填されたヒートパイプがエンクロージャの中央から熱を伝達するために使用されているが、そのような方法は高価である。

最も典型的なセットトップボックスでは、ＰＣＢには、構成要素およびコネクタがＰＣＢの一方の側に装着されており、そこには、エンクロージャを構成要素にフォームフィットするための美的動機付けがある。これは、通常、エンクロージャの一方の側をＰＣＢに近接して配置し、他方を比較的離して配置する。これは、伝導を通じていくつかの方向で熱を引き、他の方向でエンクロージャからの放射を遮へいすることができることを有用なものにするが、これは、セットトップボックスが追加の高さを有する必要を引き起こす。

したがって、熱を効率的に除去し、小型、静寂、かつコスト効果的であるセットトップボックス設計することがさらに求められていることが理解される。

プリント回路基板４と、第１のプレート部分３０および上記第１のプレート部分の２つの側部に沿った第１のフィン８Ｔを有する第１のヒートスプレッダ１であって、上記第１のプレート部分が上記プリント回路基板の上方にある、第１のヒートスプレッダ１と、第２のプレート部分３１および上記第２のプレート部分の２つの側部に沿った第２のフィン８Ｂを有する第２のヒートスプレッダ３であって、上記第２のプレート部分が上記プリント回路基板の下方にある、第２のヒートスプレッダ３とを備える電子デバイス１０が提供される。上記電子デバイスは、上記ヒートスプレッダの１つが、対応するプレート部分内に切込み部分を有するスマートカードアセンブリ５を含むことができ、上記スマートカードアセンブリは、上記切込み部分内に位置決めされる。上記電子デバイスは、第３のプレート部分を有する第３のヒートスプレッダ１ａをさらに含むことができ、上記第３のプレート部分は、上記第３のプレート部分の一方の側に沿って追加のフィン８ＴＴを有し、上記第３のプレート部分は、上記切込み部分内に位置決めされる。上記電子デバイスは、外側部１６をさらに含むことができ、上記外側部の少なくとも１つは、上記フィンの少なくとも１つに隣接して位置決めされた少なくとも１つの通気口１５を有することができる。

さらに、プリント回路基板４と、第１のプレート部分３０および上記第１のプレート部分の２つの側部に沿った第１のフィン８Ｔを有する第１のヒートスプレッダ１であって、上記第１のプレート部分３０が上記プリント回路基板の上方にある、第１のヒートスプレッダ１と、第２のプレート部分３１および上記第２のプレート部分の２つの側部に沿った第２のフィン８Ｂを有する第２のヒートスプレッダ３であって、上記第２のプレート部分が上記プリント回路基板の下方にある、第２のヒートスプレッダ３と、上記第１のプレート部分内の切込み部分内で位置決めされる第３のプレート部分を有する第３のヒートスプレッダ１ａとを備える電子デバイス１０が提供される。上記電子デバイスは、上記第３のプレート部分の一方の側に沿った追加のフィン８ＴＴをさらに含むことができる。

本発明の実施形態では、上記第１のフィンおよび／または第２のフィンは、垂直に向けられ、および互いに平行に向けられ得る。そのような向きの場合、複数の上記第１のフィンおよび第２のフィンが第１のプレート部分および第２のプレート部分の両側に沿って互いに交互することができる。

実施形態では、上記電子デバイスは、上記フィンに隣接して位置決めされた少なくとも１つの通気口１５を有する複数の上記垂直の外側部１６を有することができ、上記通気口は、上記フィンに対して直角に向けられる。これらの実施形態は、上記電子デバイスの上部２９および底部２を含むことができ、２つの対向する外部垂直側部と、これらの上記対向する外部垂直側部に隣接する上記上部および底部のエッジ部分とは、通気口が上記フィンに対して直角に向けられるように上記フィンに隣接して位置決めされた複数の上記通気口１５を有する。さらに、上記底部２は、上記第１の通気口間に第２の通気口１７を有することができ、上記第１の通気口１５は、細長いものとすることができ、フィンに対して直角となるようにすることができ、第２の通気口は、細長いものとすることができ、フィンに対して平行となるようにすることができる。

本発明について、実施形態を参照し、添付の図面を参照してより詳細に述べる。
本発明によるセットトップボックス１０の内部上部正面斜視図である。 本発明によるセットトップボックス１０の内部底面正面斜視図である。 本発明によるセットトップボックス１０の内部上面図である。 本発明によるセットトップボックス１０の内部底面図である。 本発明による内部上面図である。 本発明による内部断面図である。 本発明によるセットトップボックス１０の内部上部正面斜視図である。 本発明によるセットトップボックス１０の内部底面正面斜視図である。 セットトップボックスの底部またはベースフレーム２のない内部中実底面図である。 本発明によるセットトップボックスの正面斜視図である。 本発明によるセットトップボックスの底面図である。

実施形態は、一般に、小型電子エンクロージャ内のＰＣＢに取り付けられた２以上のヒートスプレッダのアセンブリを含み、アルミニウムなど、より高い伝導性を有するヒートスプレッダ用の材料を選択することが好ましい。

必要に応じて、ヒートスプレッダが取り付けられる特定の構成要素については、熱伝導性の弾性パッドが使用され得る。

次に、本発明についてより詳細に述べるが、本発明の実施形態は添付の図面に示されている。ヒートスプレッダおよびヒートシンクという表現は、本明細書を通じて代替可能に使用されること、ならびに本発明の実施形態は、ヒートスプレッダおよび／またはヒートシンクを使用することができることを理解されたい。ヒートスプレッダは、高温の構成要素から熱伝導によって熱を抽出し、次いで拡散するように対流および放射によって熱を解放させる、および／または広げる構造であると理解される。ヒートシンクは、ヒートシンクが高温の構成要素から効果的に吸収するように、やはり高温の構成要素から熱伝導によって熱を抽出する十分な量を有する構造であると理解される。

図１は、本発明によるセットトップボックスなど電子デバイス１０のいくつかの透視の特徴を有する上部正面斜視図である。上部、正面側、左側、および右側が除去され、内部の特徴をより明瞭に示す。電子デバイス１０は、プリント回路基板４と、第１のプレート部分３０および第１のプレート部分の２つの側部またはエッジに沿った第１のフィン８Ｔを有する第１のヒートスプレッダ１であって、第１のプレート部分３０がプリント回路基板の上方にある、第１のヒートスプレッダ１と、第２のプレート部分３１および第２のプレート部分の２つの側部またはエッジに沿った第２のフィン８Ｂを有する第２のヒートスプレッダ３であって、第２のプレート部分がプリント回路基板の下方にある、第２のヒートスプレッダ３とを含む。この実施形態および他の実施形態では、ヒートスプレッダ内のエンボスおよびＰＣＢ内の穴をねじが通され得る。ねじ山は、ヒートスプレッダエンボス内に、またはエンクロージャ内のプラスチックボス内に押し込まれ得る。特定の場所では、必要とされる熱の伝導に応じて、１つのヒートスプレッダだけ、または他のヒートスプレッダの組合せがＰＣＢに取り付けられ得る。

図２は、本発明によるセットトップボックス１０などのいくつかの透視の特徴を有する底面正面斜視図である。底部、上部、正面側、左側、および右側が除去され、内部の特徴をより明瞭に示す。この図では、主な熱生成構成要素、スマートカード／スマートカードアセンブリ５が示されている。ここでは、ヒートスプレッダ３の１つが、対応するプレート部分３１内に切込み部分を有し、スマートカードアセンブリ５は、切込み部分内に位置決めされる。

図３は、上部ヒートシンク１およびフィン８Ｔがどのように接続されるかを示すデバイス１０の内部上面図である。この図は、底部ヒートシンク３に接続されるフィン８Ｂをさらに示し、フィン８Ｂがどのようにフィン８Ｔ間にあり得るかを示す。電子デバイスは、後部壁６上にコネクタを有するパネルジャック７を含むことができる。上部ヒートシンク１は、スマートカードアセンブリなど構成要素を収容するために、切込み部分をも含むことができる。

図４は、底部ヒートシンク３およびフィン８Ｂがどのように接続するかを示す内部底面図である。

図５Ａは、セットトップボックスの内部上面図を示し、図５Ｂは内部断面図を示す。これらの図は、スマートカードアセンブリ５など主な熱生成構成要素からの熱が他の構成要素によって生成される熱とは別々に少なくとも部分的に抽出され得るように上部ヒートシンク１がセグメント化され得ることを示す。スマートカードアセンブリ領域は、図のように小さい方の上部ヒートシンク１ａを有することができ、「小さい方」という表現は、上部ヒートシンクより小さいヒートシンクであることを意味し、または特定の内部構成要素専用であるヒートシンクであることを意味する。これらの図は、ＰＣＢから熱を抽出するために、ＰＣＢ４またはその上の熱接触パッド１９に接触する上部ヒートシンク１の中央のくぼみ９を示す。同様に、これらの図は、小さい方の上部ヒートシンク１ａの小さい方の平面部分３２から下に延びる小さい方の上部ヒートシンク１ａのためのくぼみ９ａを示す。くぼみ９ａは、スマートカードアセンブリ５などに接触し、くぼみ９ａまたはくぼみの一部を囲む小さい方の上部ヒートシンクの平面周辺部分３２に熱を伝達する。くぼみ９ａは、くぼみ９を囲む平面周辺部分（第１のプレート部分３０）にどのように熱を伝達するかにおいてくぼみ９と同様に働く。図５Ｂもまた、セットトップボックスの底部から熱が除去されることを可能にするセットトップボックス上のフット１１を示す。これらのフットもまた、コンベンションを通じた空気循環が生じることを可能にする。これらの図は、ねじくぼみ１２内のねじがどのように上部ヒートシンク１をＰＣＢ４または底部２に対して保持することができるか、また中央のくぼみがどのようにＰＣＢ４に接触することができるかを示す。本発明の好ましい実施形態の１つについてのいくつかの寸法は、以下の通りである。
底部２と底部ヒートシンク３の間の間隙は、３ｍｍに等しい。
底部ヒートシンク３の厚さは２ｍｍに等しい。
電子デバイスの上部から底部までの寸法は、３８ｍｍに等しい。
回路基板寸法は、２１５ｍｍ×１５０ｍｍに等しい。
底部ヒートシンク３と回路基板の間の間隙は、６ｍｍに等しい。

図６は、本発明によるセットトップボックス１０などの上部正面斜視図である。ここでは、フィン８Ｂが底部ヒートシンク３に接続され、フィン８Ｔが上部ヒートシンク１に接続されている。一方の側では、８Ｂフィンと８Ｔフィンを交互にすることによって熱が効果的に抽出される。フィンの間隔は、一般に、空気の対流を促進する、すなわちフィンの近くで通気口を出る熱せられた空気の対流を促進するようなものである。フィンは、セットトップボックスの中央部分から遠くへ、熱伝導によって熱をヒートシンクから抽出することになる。セットトップボックスの一方の側では、フィン８Ｂとフィン８Ｔは交互とすることができる。場合によって、交互にすることは必要でないことがある。また、小さい方の上部ヒートシンク１ａは、端部フィン８ＴＴを有することができる。これらのフィンを垂直に向け、互いに平行にすることが好ましいことを述べておくべきである。

図７は、セットトップボックスの底部またはベースフレーム２のない底面正面斜視図である。この図は、底部ヒートシンク３のための可能なパターンを示す。ここでは、底部ヒートシンクの周辺平面部分は、図のように、ＰＣＢ４に取り付けられ得るスマートカード５Ａおよびスマートカードリーダ５Ｂを含むことができるスマートカード／スマートカードアセンブリ５を囲む。底部ヒートシンクの機能は、セットトップボックス１０の底部に熱を伝達することによって回路基板から熱をさらに抽出し、セットトップボックスの中央部分から熱をさらにより均等に広げ、セットトップボックスから消費し、セットトップボックスから離すことである。

図８は、底部またはベースフレーム２のない中実底面図である。底部ヒートシンクに回路基板および／またはその上の熱生成構成要素から熱をさらに抽出させるのを助けることは、底部ヒートシンク内に位置するねじアセンブリ接点１３である。ねじアセンブリ接点１３は、ねじ、ボルトなどによる上部ヒートシンクと、ＰＣＢと、底部ヒートシンクとの間の接続を容易にする。これらのねじアセンブリ接点１３は、中央からの熱の移動を向上させるように周辺周りに点在され得る。これらのねじアセンブリ接点を通じて、上部ヒートシンク、ＰＣＢ、底部ヒートシンクは、機械的および熱的にベース２に接続することができる。すべての、または任意の熱接触点が熱パッド１９を使用することができることに留意されたい。セットトップボックスはまた、他の内部構成要素またはベース２に対する内部構成要素のいずれかのための（ねじ、ボルト、リベット、クリップなどを通じた）機械的支持に機会を提供するために、内部構成要素のいずれかを通る追加のスルーホール１４を有することができる。

図９は、上部２９、正面１７、側部１６が組み立てられたセットトップボックスなどの正面斜視図である。この図では、セットトップボックスの上部２９のエッジにおいて、側部１６上に、また底部２のエッジにおいて水平に向けられ得る細長い通気口１５が示されている。その概念は、フィンの上方に、フィンの側部に、またフィンの下になるように、通気口をフィンの近くにすることである。フィンの平面は、細長い通気口（スロットである）に対して直角とすることができる。図は、側部１６がスマートカードを受け取り保持するスマートカードベイ１８を含むことができることをさらに示す。

図１０は、セットトップボックスの底面図であり、互いに平行かつ通気口１５に対して直角とすることができる追加の通気スロット１７をセットトップボックスがさらに含むことができることを示す。追加の通気スロット１７は、通気口１５間に位置決めされ、プリント回路基板の下に位置決めされる。

このデバイスにおける重要な特徴のいくつかは、主集積回路（ＩＣ）が主な発熱体となり得るＰＣＢ上の主ＩＣに上部側ヒートスプレッダ１を取り付けること、スマートカードアセンブリ接点が熱的に敏感なエリア内にあり得るようにこれらの接点が位置決めされるＰＣＢのエリアに上部側ヒートスプレッダ１が取り付けられること、および、底部側ヒートスプレッダ３が外側でＰＣＢに取り付けられるだけであることを含むことができる。

実施形態のいくつかでは、上部側ヒートスプレッダ１がＰＣＢの上方により多くの余地を有する。なぜなら、コネクタがＰＣＢの上部側にあるからである。したがって、最大数または必要数のエンボスを使用し、可能な限り多くの熱をヒートスプレッダ内に引くように上部ヒートスプレッダをＰＣＢに取り付けることができる。

いくつかの実施形態では、上部側スマートカードヒートスプレッダ１ａは、最小限では、１つのねじエンボスだけでＰＣＢに取り付けられ、１つのエンボスが熱パッドを介してＰＣＢに接合される。

一般に、いくつかの実施形態では、底部側ヒートスプレッダは、ＰＣＢの下にあまり余地を有しておらず、その結果、このヒートスプレッダの中央は、ＰＣＢに対するエンボスを有していない。

底部ヒートスプレッダはまた、エンクロージャの底部のための放射シールドとして機能することができる。放射は、ヒートスプレッダによって吸収され、熱は、エンクロージャの底部におけるホットスポットを防止するように全体にわたって伝導される。熱があまり集中されないＰＣＢの側部または周辺に、ＰＣＢに対する底部ヒートスプレッダ３上のいくつかのエンボスがあり得る。

実施形態の重要な特徴は、すべてのヒートスプレッダが、ＰＣＢの上に張り出す、側部上に形成された一連の垂直のフィンを有することができることである。多くはＰＣＢのすぐ上方に通気開口がないことを好む、または必要とするので、これらのフィンは、ＰＣＢの外側寄りであり、関連の通気口１５もまた、ＰＣＢ水平プロファイルの外側寄りである。通気口１５は、それらの外側寄りエリアにおいてエンクロージャの底部、上部、および側部にあることができる。これは、自然対流により、底部から冷却空気の取り入れを可能にし、上部を通じて熱せられた空気の排気を可能にする。

熱有限要素解析（ＦＥＡ）シミュレーションが、開示されている実施形態によるセットトップボックスに対して実施された。シミュレーションは、本発明による熱管理システムが熱の消費において有効であることを示した。具体的には、最大１８ワットの電力を生成するセットトップボックスが、開示されている熱管理システムを使用して、デバイスが好ましい定常状態に達し、そこに留まることを安全に可能にすることができた。具体的には、ヒートシンク／ヒートスプレッダは、（１）回路基板上のホットスポットは、熱パッドの下であり、約７１．０Ｃであり、（２）上部ヒートシンクのホットスポットは、その中央にあり、上部ヒートシンクの中央が回路基板および／またはその上の熱パッドに接触する状態で約６６．１℃であり、（３）上部ヒートシンクのフィンは、約５９℃の温度に達し、そこに留まったという好ましい定常状態条件を達成し生み出すのに有効であり、その助けとなった。これらの定常状態温度値では、熱は、通気口１５を通じて、フィン８を介して効果的に除去された。

本発明は、セットトップボックスの短辺の長さ全体に沿って交互する上部ヒートシンクおよび底部ヒートシンクに取り付けられたフィンの特徴を含むことができる。そのような構成は、一方の側または両側で使用され得る。

本明細書では、例示的な実施形態について、添付の図面を参照して述べたが、本原理はこれらのまさにその実施形態に制限されないこと、および本原理の範囲または精神から逸脱することなしに、様々な変更および修正が当業者によって行われ得ることを理解されたい。そのような変更および修正すべてが、添付の特許請求の範囲に記載の本原理の範囲内に含まれることが意図されている。

Claims (15)

1. 電子デバイス（１０）であって、
   プリント回路基板（４）と、
   第１のプレート部分（３０）および前記第１のプレート部分の２つの側部に沿った第１のフィン（８Ｔ）を有する第１のヒートスプレッダ（１）であって、前記第１のプレート部分が前記プリント回路基板の上方にある、前記第１のヒートスプレッダ（１）と、
   第２のプレート部分（３１）および前記第２のプレート部分の２つの側部に沿った第２のフィン（８Ｂ）を有する第２のヒートスプレッダ（３）であって、前記第２のプレート部分が前記プリント回路基板の下方にある、前記第２のヒートスプレッダ（３）と、
   を備える、前記電子デバイス。
2. スマートカードアセンブリ（５）をさらに備え、前記ヒートスプレッダの１つが、前記スマートカードアセンブリを収容するための、対応するプレート部分内に切込み部分を有する、請求項１に記載の電子デバイス。
3. 第３のプレート部分（３２）の一方の側部に沿って追加のフィン（８ＴＴ）を有する前記第３のプレート部分（３２）を有する第３のヒートスプレッダ（１ａ）をさらに備え、前記第３のプレート部分は、前記切込み部分内に位置決めされる、請求項２に記載の電子デバイス。
4. 前記第１のヒートスプレッダは前記第１のプレート部分内に切込み部分と、前記切込み部分内に位置決めされている第３のプレート部分を有する第３のヒートスプレッダ（ｌａ）とを有する、請求項１に記載の電子デバイス。
5. 前記第３のプレート部分の一方の側部に沿った追加のフィン（８ＴＴ）をさらに備える、請求項４に記載の電子デバイス。
6. 外側部（１６）をさらに備え、前記外側部の少なくとも１つは少なくとも１つの前記フィンに隣接して位置決めされた少なくとも１つの通気口（１５）を有する、請求項１に記載の電子デバイス。
7. 前記第１のフィンは垂直に向けられ、互いに平行である、請求項１に記載の電子デバイス。
8. 前記第２のフィンは垂直に向けられ、互いに平行である、請求項１に記載の電子デバイス。
9. 前記第１のフィンおよび第２のフィンは垂直に向けられ、互いに平行である、請求項１に記載の電子デバイス。
10. 複数の前記第１のフィンおよび第２のフィンは前記第１のプレート部分および第２のプレート部分の両側部に沿って互いに交互に並んでいる、請求項１に記載の電子デバイス。
11. 前記フィンに隣接して位置決めされた少なくとも１つの通気口 （１５）を有する複数の外側部（１６）をさらに備え、前記通気口は前記フィンに対して直角に向けられている、請求項９に記載の電子デバイス。
12. 複数の垂直な外側部（１６）、上部（２９）、および底部（２）をさらに備え、２つの前記垂直な外側部および前記上部および底部のエッジ部分は前記フィンに隣接して位置決めされた複数の通気口（１５）を有し、前記通気口は前記フィンに対して直角である、請求項９に記載の電子デバイス。
13. 底部（２）の対向するエッジ部分において、前記フィンに隣接して位置決めされた第１の通気口（１５）を有する前記底部と、
    前記第１の通気口の間の第２の通気口（１７）と、
    をさらに備える、請求項９に記載の電子デバイス。
14. 前記第１の通気口は細長く、かつ前記フィンに直角であり、前記第２の通気口は細長く、かつ前記フィンに平行である、請求項１４に記載の電子デバイス。
15. 前記第１の通気口（１５）は、前記底部の対向するエッジ部分において、前記フィンに隣接して位置決めされており、第２の通気口（１７）は前記第１の通気口の間にある、請求項１４に記載の電子デバイス。