JP2017135368A - 開口窓熱伝達経路を用いた電子回路基板の遮蔽 - Google Patents

Abstract

【課題】シールドの範囲内に包含される１つまたは複数の構成部品の必要な熱放散に負の影響を与えることなく、構成部品のシールドを通してプリント回路基板にヒートシンクの十分な接地を提供する。【解決手段】電子デバイスの構成部品のための改善された熱伝達システムが提供される。電子デバイスは、プリント回路基板、構成部品シールドおよびヒートシンクまたはヒートスプレッダを含む。熱放散を必要とする構成部品のためにヒートシンクがサーマルパッドと直接接触することを可能にするように、開口熱伝達窓が構成部品シールドの中に配置される。【選択図】 図４ａ

Description

１．技術分野
本原理は、熱放散を必要とする１つまたは複数の構成部品を有する回路基板を含む電子デバイスに関する。より具体的には、熱放散を必要とする構成部品からの構成部品の熱伝達／熱放散を増加させるためのプリント回路基板の遮蔽設計に関する。

２．関連技術の説明
温度管理は、例えば、セット・トップ・ボックスおよびネットワークゲートウェイなどの電子デバイスにおいて、依然として重要な課題である。より多くの熱を発生させる傾向がある、処理能力が向上し機能性が向上したより多くの構成部品の導入に伴い、改善された温度管理システムに対するニーズが存在する。

電子デバイスの動向におけるさらなる複雑な問題は、消費者の好みにあわせてデバイスのサイズを減少させる必要性である。内部構成部品の数の増加を伴うさらなる小型化は、一般に熱の一層の集中をもたらすので、この小型化の動向は、温度管理をも課題にする。

回路基板構成部品上のサーマルパッドとヒートシンクとの間の適切な熱接触は、回路基板からの熱放散を改善する。さらに、関連シールド（例えば、無線周波数シールドまたは接地シールド）を備えたヒートスプレッダ（すなわち、ヒートシンク）は、回路基板上の電子部品によって発生する周波数干渉を抑制または防止するためにしばしば使用され、１つまたは複数の電子部品からの熱放散を改善するために同様に動作することができる。しかしながら、当業者は、特定の構成部品のサーマルパッドに対して関連ヒートシンクを用いてシールドを保証するための既存の構造および技術が電子デバイス内のヒートシンクの不十分な接地をもたらすことを認識するであろう。

したがって、シールドの範囲内に包含される１つまたは複数の構成部品の必要な熱放散に負の影響を与えることなく、構成部品のシールドを通してプリント回路基板にヒートシンクの十分な接地を提供する必要性が存在する。

本開示の実施形態は、熱放散を必要とする１つまたは複数の電子部品を有するプリント回路基板を有する電子デバイスを提供する。電子デバイスは、プリント回路基板の少なくとも一部の上に位置するように構成され、熱放散を必要とする１つまたは複数の電子部品の上方に配置された１つまたは複数の開口熱伝達窓を有する、シールドを含む。ヒートシンクは、シールドの中の１つまたは複数の開口熱伝達窓の上方に位置するように構成された１つまたは複数の表面を有する。

特定の実施形態によれば、電子デバイスは、熱放散を必要とする１つまたは複数の電子部品の上に片面が直接配置される、１つまたは複数のサーマルパッドをさらに有する。ヒートシンクの１つまたは複数の表面は、シールドの中の１つまたは複数の開口熱伝達窓を通して、１つまたは複数のサーマルパッドの反対側の面と物理的に接触する。

電子デバイスの特定の実施形態によれば、シールドは、１つまたは複数の開口熱伝達窓の周りに配置された１つまたは複数のフィンガを含み、１つまたは複数のフィンガは、前記ヒートシンクの前記１つまたは複数の表面がシールドの中の１つまたは複数の開口熱伝達窓の上方に配置されるとき、シールドにヒートシンクとの物理的および電気的接続を行うように構成される。

電子デバイスの特定の実施形態によれば、１つまたは複数のフィンガは、シールドの中の１つまたは複数の開口熱伝達窓の周辺部の周りに配置された１つまたは複数のフィンガを含む。

電子デバイスの特定の実施形態によれば、１つまたは複数のフィンガは、ヒートシンクの１つまたは複数の表面との電気的接触を確実にするように、シールドの平面に対して上方へ付勢される。

電子デバイスの特定の実施形態によれば、１つまたは複数のフィンガ間の間隔は、シールドによって阻止するべき無線周波数波長に基づいている。

電子デバイスの特定の実施形態によれば、間隔は、シールドによって阻止するべき無線周波数波長の最大値の少なくとも１０分の１である。

電子デバイスの特定の実施形態によれば、１つまたは複数の表面は、ヒートシンクに１つまたは複数のくぼみが存在するように構成される。

電子デバイスの特定の実施形態によれば、１つまたは複数の表面は、ヒートシンクと同一平面上にあるように構成される。

電子デバイスの特定の実施形態によれば、１つまたは複数の表面は、ヒートシンクから突出するように構成される。

本発明のより詳細な理解は、添付の図面と関連した、次の説明から得ることができる。

従来技術による電子デバイスの分解組立図である。 従来技術による、図１の電子デバイスの部分的に組み立てられた図である。 図１および図２の従来技術の電子デバイスに対する、構成部品からヒートシンクへの接続の拡大された部分的な断面である。 本原理の実装による電子デバイスの分解組立図である。 本原理の実装による電子デバイスの分解組立図である。 本原理の実装による、図４ａおよび図４ｂの電子デバイスの部分的に組み立てられた図である。 本原理の実装による、電子デバイスの構成部品シールドの開口窓の拡大図である。 本原理の実装による完全に組み立てられた電子デバイスの構成部品シールドの中の開口熱伝達窓の拡大側面図を示す。 本原理の異なる実装による完全に組み立てられた電子デバイスの構成部品シールドの中の開口熱伝達窓の拡大側面図を示す。

図１に例示されるように、従来技術の電子デバイス１０は、プリント回路基板（ＰＣＢ）１２、シールド１６およびヒートシンクまたはヒートスプレッダ２０で構成されている。ＰＣＢ１２は、多くの構成部品を含み、構成部品の一部は、他の構成部品より多くの熱を発生させ、動作の間にその熱の放散を支援するようにヒートシンクを必要とする。このような構成部品の１つの実施例は、図４ａおよび図４ｂで参照符号１０４として識別される。

一般的に言えば、当業者は、シールド１６が、さまざまな理由で、しかし主に、無線周波数干渉がシールド内に包含される構成部品から周囲の構成部品に及ぶこと、または無線周波数干渉がシールド外の構成部品によって発生しシールド内の構成部品に影響を及ぼすことを防ぐために、ＰＣＢ上の他の構成部品からＰＣＢ構成部品の一部を遮蔽するように構成されることを認識するであろう。この無線周波数干渉（ＲＦＩ）は、一般に電磁干渉またはＥＭＩとも呼ばれる。

１つの実装によれば、本原理の電子デバイスは、それぞれのコンテンツプロバイダを通して一般に顧客に提供されるセット・トップ・ボックスであり得る。他の実装で、本原理の電子デバイスは、消費者もしくはコンテンツ・ソース・プロバイダへのコンテンツの送信または消費者もしくはコンテンツ・ソース・プロバイダからのコンテンツの送信をそれぞれ支援するために使用されるゲートウェイデバイスとすることができる。当業者は、本原理の意図された範囲から逸脱することなく、多くの異なるタイプの電子デバイスに本原理の他の実装を行い得ることを認識するであろう。

図１〜図３を参照すると、シールド１６は、熱放散を必要とする構成部品１４の上方に配置される１つまたは複数のエンボス１８を含む。サーモ（サーマル、熱伝導性）パッド２２Ａ、２２Ｂは、構成部品１４からヒートシンク２０に熱を伝達するために使用される。図３に示されるように、サーモパッド２２Ｂの下側は、構成部品１４の上に直接配置される。サーモパッド２２Ｂの上側は、シールド１６のエンボス１８と直接熱接触しており、上部のサーモパッド２２Ａは、その下側でエンボス１８と直接接触し、上側でヒートシンク２０のくぼみ２１と直接接触している。（図３参照のこと）。このように、構成部品１４によって発生した熱は、サーモパッド２２Ｂ、エンボス１８、およびサーモパッド２２Ａを介してヒートシンクまたはヒートスプレッダ２０に伝達される。この周知の設計は、構成部品からの熱伝達に有効であるが、ＰＣＢに対するヒートシンク２０の適切な接地に重要な問題が起こる。このような接地問題は、電子デバイスの動作の多くの態様に干渉するおそれがあり、それらの問題のうち些細といえないものは、究極的には電子デバイス１０の動作不良をもたらす、ＰＣＢ上の電子部品の１つまたは複数の損傷である。これらの問題の１つは、一般にＥＳＤまたは静電気放電と呼ばれるものによって引き起こされる。

図４ａおよび図４ｂを参照すると、本原理の実装による電子デバイス１００が示されている。電子デバイス１００は、プリント回路基板（ＰＣＢ）１０２、シールド１０６およびヒートシンクまたはヒートスプレッダ１１０で構成されている。この実装で、シールド１０６は、構成部品１０４とヒートシンク１１０との間の熱結合が行われることになる開口窓１０８（以下「熱伝達窓」と呼ぶ）を含む。図４ａは、サーモパッド１１２と接触している表面１１１がヒートシンク１１０のくぼみである実装を示す。図４ｂは、表面１１１がヒートシンク１１０と同一平面上（同じ高さ、同じ水平面）にある実装を示す。異なる実装（図示されない）によれば表面１１１は、ヒートシンク１１０から突出する。

図５および図６は、ＰＣＢ１０２上の動作可能な位置にあるシールド１０６の図を示す。示されるように、熱伝達窓１０８は、構成部品１０４（図４および図７）と一列に整列され、サーモパッド１１２は、構成部品１０４の上方に配置される。シールド１０６は、熱伝達窓１０８の周辺部の周りに配置された複数の接地フィンガ１２０を含み得る。接地フィンガ１２０は、ばね付勢されてシールド１０６の平面から上方に突出し、ヒートシンク１１０のくぼみ１１１を物理的に係合するように構成される。接地フィンガ１２０の上方へのばね付勢は、くぼみ１１１を介して、シールド１０６とヒートシンク１１０との間で、一貫し正確な物理的および電気的接触を確実にする。

図７Ａおよび図７Ｂは、本原理の異なる実装による組み立てられた電子デバイスの構成部品シールドの中の開口熱伝達窓の側面図を示す。図７Ａに示されるように、（ヒートシンクのくぼみによってマークされる）ヒートシンク１１０の表面１１１は、開口熱伝達窓１０８の上方に配置され、構成部品１０４の上に配置されたサーモパッド１１２と直接接触する。図７Ｂに示されるように、サーモパッド１１２の上面は、シールド１０６の中の開口熱伝達窓１０８とほぼ同じ高さにあり、またはそこからわずかに突出する（上に拡張する）ので、ヒートシンク１１０の（サーモパッド１１２がヒートシンクと接触させられる、ヒートシンクの下側にある表面を示す破線によってマークされる）表面１１１は、シールド１０６の中の開口熱伝達窓１０８の上方に配置され、構成部品１０４の上に配置されたサーモパッド１１２と直接接触する。（示されていない）本原理のさらに別の実装によれば、サーモパッド１１２がシールド１０６の中の開口熱伝達窓１０８から突出していることに起因して、シールド１０６の中の開口熱伝達窓１０８の上方に配置されるヒートシンク１１０の表面１１１は、ヒートシンクから突出する。ヒートシンク１１０は、図７Ａに描写されるように形成され、したがって、サーモパッド１１２がシールド１０６から突出しない場合でも表面１１１にエンボスを含むことができる。ヒートシンク１１０のこのような形状は、ヒートシンク１１０とシールド１０６との間の距離を増加させてヒートシンク１１０の周りの空気の流れをさらに改善し、それによって構成部品１０４から熱を排出するヒートシンク１１０の処理能力を改善し、同時にシールド１０６およびプリント回路基板上の構成部品へのヒートシンク１１０の熱伝達を減少させるので、有利であり得る。したがって、ヒートシンク１１０への構成部品１０４のこの熱結合、ひいては熱伝導性が改善されることは明らかであろう。この設計は、通常なら熱経路に存在しこの熱結合に影響を与えることになる１つのサーモパッドおよびシールド層（すなわち、金属薄板の層）を排除することによって、従来技術の設計よりも効率的な熱伝達を提供する。実際に、図１による従来技術の電子デバイス１０で、シールド１６は、構成部品１４とヒートシンク２０との間の熱結合に含まれているので、構成部品１４によって加熱され、したがってシールド１６の直下でシールド１６の外側境界に近いＰＣＢ１２上の他の構成部品に熱を放射することになる。これは望ましくなく、これらの他の構成部品の機能および一般に電子デバイス１０の機能に不利となり得る。

重要なことに、開口熱伝達窓を有し、熱伝達窓１０８の周辺部の周りの接地フィンガ１２０がシールド１０６をヒートシンク１１０に物理的および電気的に結合するという本原理は、シールドが構成部品１０４とヒートシンク１１０との間の熱結合に含まれることを回避する。このように、ヒートシンク１１０の接地およびＰＣＢ上の他の構成部品へのシールドの熱放射と関連付けられた前述の問題が排除され、ヒートシンクは、シールド１０６の接地フィンガ１２０を介して、ＰＣＢに十分に接地される。加えるに、一度組み立てられると、ヒートシンクが接地されて開口熱伝達窓によって形成されたエリアを閉じるので、窓１０８によって作り出される遮蔽における任意の潜在的損失は、表面１１１が窓１０８の上方に配置されているヒートシンクによって排除される。当業者は、ヒートシンクの金属製の導電体が開口熱伝達窓１０８を機能上閉じることを認識するであろう。改善された遮蔽を提供する実装のために、接地フィンガ１２０は、有害であるとみなされ得る波長範囲から選択された最大波長より大きい隙間を防止するように互いに十分近い間隔を保っており、それによって、その間隔サイズを上まわる放射波長の放射がシールド１０６および開口熱伝達窓１０８の周りの隙間を通過することを効果的に軽減または阻止する。図６は、選択された最大波長に基づいてシールドの望ましい遮蔽効果を維持するように選択された、隣接する接地フィンガ１２０間の隙間６００の実施例を示す。例として、特定の波長の１／１０での開口は、開口に入射するその波長の放射を９０％軽減または阻止し、その波長を上まわる放射を９０％より多く軽減することになる。当業者は、上の実施例で使用される「開口」が、隣接する接地フィンガ１２０間の間隔６００に類似していることを認識するであろう。そのようなものとして、同じ概念が本原理に適用される。シールドとヒートシンクとの間の接地フィンガは、シールドをヒートシンクに接続し、それによって、外部からの電磁干渉および静電気放電に対して構成部品を保護し、同時にシールドの中の開口熱伝達窓の作成に起因して構成部品が無線周波数放射を外部に漏らすことを防止する。

当業者は、このようなフィンガが対応するヒートシンク／ヒートスプレッダとの良好な物理的および電気的接続を一貫して行うように構成されるならば、接地フィンガ１２０の物理的形状が本原理の意図された範囲を逸脱することなく図に示されたものと異なり得ることを認識するであろう。１つの好ましい実装で、接地フィンガ１２０は上方へばね付勢され、その結果、ヒートシンク１１０は、電子デバイスを組み立てるときこのようなばね付勢に対して下方へ押し込まれ、したがって適切な物理的および電気的接触を確実にすることになる。

上述の記載は、本原理を実践する可能性の一部を例示する。多くの他の実施形態が本原理の範囲および趣旨の中で可能である。したがって、上述の説明は限定するよりむしろ例示するものとみなすべきであり、本原理の範囲は添付の特許請求の範囲およびそれらの最大範囲の均等物によって与えられることが意図される。

Claims (10)

1. 熱放散を必要とする１つまたは複数の電子部品を有するプリント回路基板を有する電子デバイスであって、前記電子デバイスは、
   前記プリント回路基板の少なくとも一部の上に位置するように構成され、熱放散を必要とする前記１つまたは複数の電子部品の上方に配置された１つまたは複数の開口熱伝達窓を有するシールドと、
   前記シールドの中の前記１つまたは複数の開口熱伝達窓の上方に位置するように構成された１つまたは複数の表面を有するヒートシンクと、
   を含む、電子デバイス。
2. 熱放散を必要とする前記１つまたは複数の電子部品の上に片面が直接配置される、１つまたは複数のサーマルパッドをさらに含み、前記ヒートシンクの前記１つまたは複数の表面は、前記シールドの中の前記１つまたは複数の開口熱伝達窓を通して、前記１つまたは複数のサーマルパッドの反対側の面と物理的に接触する、請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記シールドは、前記１つまたは複数の開口熱伝達窓の周りに配置された１つまたは複数のフィンガを含み、前記１つまたは複数のフィンガは、前記ヒートシンクの前記１つまたは複数の表面が前記シールドの中の前記１つまたは複数の開口熱伝達窓の上方に配置されるとき、前記シールドに前記ヒートシンクとの物理的および電気的接続を行うように構成される、請求項１または２に記載の電子デバイス。
4. 前記１つまたは複数のフィンガは、前記シールドの中の前記１つまたは複数の開口熱伝達窓の周辺部の周りに配置された１つまたは複数のフィンガを含む、請求項３に記載の電子デバイス。
5. 前記１つまたは複数のフィンガは、前記ヒートシンクの前記１つまたは複数の表面との電気的接触を確実にするように、前記シールドの平面に対して上方へ付勢される、請求項４に記載の電子デバイス。
6. 前記１つまたは複数のフィンガ間の間隔は、前記シールドによって阻止するべき無線周波数波長に基づいている、請求項３に記載の電子デバイス。
7. 前記間隔は、前記シールドによって阻止するべき前記無線周波数波長の最大値の少なくとも１０分の１である、請求項６に記載の電子デバイス。
8. 前記１つまたは複数の表面は、前記ヒートシンクに１つまたは複数のくぼみが存在するように構成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子デバイス。
9. 前記１つまたは複数の表面は、前記ヒートシンクと同一平面上にあるように構成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子デバイス。
10. 前記１つまたは複数の表面は、前記ヒートシンクから突出するように構成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子デバイス。

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