JP2020061482A

JP2020061482A - 放熱構造

Info

Publication number: JP2020061482A
Application number: JP2018192644A
Authority: JP
Inventors: 陽一宮田; Yoichi Miyata
Original assignee: Shinsei Kagaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shinsei Kagaku Kogyo Co Ltd
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2020-04-16

Abstract

【課題】製造工程に於ける放熱シートや放熱グリスの取り扱いの困難性を排除し、発熱部品からシールドカバーへの伝熱性能を向上させ、放熱性能を長期間維持する放熱構造を提供する。【解決手段】本発明の放熱構造１０は電子部品ユニット１１に施された構造である。放熱構造１０は、シールドカバー１６に密着された放熱材１８、放熱材１８を挟持した状態でシールドカバー１６に取り付けられ、電子部品１４と放熱材１８と密着する放熱プレート２０を備える。放熱プレート２０は金属で形成されており、平面部２６、弾性部２８およびパッド３０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品および電子部品を複数配置したユニットから発生する熱を放熱する放熱構造に関するものである。

従来、プリント基板に実装されたＣＰＵまたはパワー半導体などの電子部品から発生する熱を放熱するために種々の放熱構造が開示されている。たとえば特許文献１の放熱構造は、基板に実装された発熱部品（電子部品）からシリコーン樹脂製の熱伝導シートを介してシールドカバーへ熱を伝導させている。シールドカバーは電子部品の電磁ノイズの対策のための部品であるが、金属でできているので、伝熱性能が良く、放熱することもできる。

しかし、特許文献１の放熱構造は熱伝導シートを使用しており、金属に比べて熱伝導率が劣る。そのため、発熱部品からシールドカバーへの伝熱性能が悪い。熱伝導シートとシールドカバーの間に隙間ができる虞があり、隙間ができると伝熱性能が悪くなる。熱伝導シートの代わりに放熱グリスを使用することも考えられる。しかし、放熱グリスを使用する場合、放熱グリスの中に気泡が発生しないように組み付ける必要があり、製造工程が煩雑になる。さらに、長期間の使用によって放熱グリスが劣化してただれてしまうこともあり、長期にわたって伝熱性能を維持できない。また、特許文献１はシールドカバーと基板との間に空間ができており、シールドカバーとしての機能を果たさない。

特開２０１４−０３６０６６（段落００２３）

本発明の目的は、製造工程に於ける放熱シートや放熱グリスの取り扱いの困難性を排除し、発熱部品からシールドカバーへの伝熱性能を向上させ、伝熱性能を長期間維持しやすい放熱構造を提供することにある。

発明者は、上記課題に対して検討を行ったところ、発熱体となる電子部品を放熱体となるシールドカバーとの間に、金属で作られた放熱プレートと、放熱プレートとシールドカバーとの間に熱伝導と弾性を持ち併せた放熱材を介在させることによって、電子部品から発生する熱を効率よく放熱させることができることを発見し、また、予め放熱材を挟み込んだ放熱プレートをシールドカバーへセミアッセンブルすることで、製造工程の煩雑さと不良率を低減させることによって、発明を完成させた。つまり、本発明は、駆動時に熱を発する電子部品が基板に実装されており、該電子部品が金属製のシールドカバーに覆われている電子部品ユニットにおける放熱構造である。その放熱構造は、前記シールドカバーの内面に密着された放熱材と、板状またはシート状の金属を、平面部、該平面部の外周に設けられた弾性部および該弾性部の端部に設けられたパッドが一体に形成された放熱プレートとを有する。前記放熱プレートの平面部と前記シールドカバーとの間に放熱材が挟持された状態で、該パッドがシールドカバーに固定されており、放熱プレートの平面部が電子部品と放熱材に挟み込まれた状態になることを特徴とする。

前記基板の表面から前記シールドカバーにおける放熱材が密着された内面までの高さが、前記電子部品、放熱プレートおよび放熱材の厚みの総和よりも小さく、該シールドカバーが放熱材と放熱プレートを電子部品に向けて常に押圧し、該放熱プレートが電子部品に常に密着されていることを特徴とする。

前記放熱プレートの表面の表面粗さは電子部品表面の表面粗さと同等もしくは小さくなっていることを特徴とする。

本発明の放熱構造によると、放熱プレートが電子部品と放熱材との間に挟み込まれており、放熱プレートからもシールドカバーに熱を伝導させることができる。放熱材と放熱プレートの双方から熱伝導できるため、電子部品の放熱性能が向上する。また、本発明は放熱グリスを使用していないので、放熱グリスにある従来技術で説明した気泡等の問題が発生しない。そのため、本発明は製造工程が煩雑にならず、歩留まりも良く、長期にわたって伝熱性能を維持できる。

シールドカバーと電子部品との隙間は、放熱材と放熱プレートの厚みの総和より小さいもしくは同等であることによって放熱プレートが電子部品に押圧されており、放熱プレートが電子部品に密着して隙間や気泡ができないことから、電子部品から放熱プレートへの熱伝導性能が良い。

本願の放熱構造を示す断面図である。本願の放熱構造を示す分解斜視図である。放熱プレートを示す斜視図である。基板の平面に対する垂直方向に蛇行させた弾性部を備えた放熱プレートを示す斜視図である。シールドカバーにヒートシンクを設けた斜視図である。放熱材が出るための開口を設けた放熱プレートを示す斜視図である。

本発明に係る放熱構造について図面を参照して説明する。

図1、図２に示す本発明の放熱構造１０は、電子部品ユニット１１に施された構造である。電子部品ユニット１１は、基板１２、基板１２に実装された電子部品１４、電子部品１４を覆うシールドカバー１６を備える。放熱構造１０は、シールドカバー１６に密着された放熱材１８、放熱材１８を挟持した状態でシールドカバー１６に取り付けられ、電子部品１４と放熱材１８と密着する放熱プレート２０を備える。

基板１２は、樹脂基板、セラミック（アルミナ）基板、金属基板などの板体である。樹脂基板は、ガラスクロス含浸エポキシ樹脂基板などである。金属基板は、アルミニウムや銅などの金属板の表面に樹脂絶縁層が積層されたものである。基板１２の表面に薄膜導体で回路パターンが形成されており、回路パターンに電子部品１４が接続される。基板１２は多層積層基板およびビルドアップ基板などのように多層構造であってもよい。

電子部品１４はＣＰＵおよびパワー半導体などの発熱部品を含む。また、電子部品１４は表面実装部品またはベアチップを含む。表面実装部品であれば、そのリード２２または端子が基板の回路パターンに直接電気接続される。ベアチップであれば、金属ワイヤやＴＡＢ（tape automated bonding）によってベアチップが基板の回路パターンに電気接続され、ベアチップおよび金属ワイヤなどを樹脂で封止して保護する。

シールドカバー１６は金属で形成され、一方を開口させた箱型になっている。シールドカバー１６は、基板１２に実装された電子部品１４を覆うように配置される。シールドカバー１６は基板１２に対してねじ止めされたり、接着剤で固定されたりする。シールドカバー１６は基板１２の回路パターンおよび電子部品１４のリード（または端子）２２に非接触である。基板１２がグランド層を有する場合、シールドカバー１６を基板１２のグランド層に接続し、シールドカバー１６への帯電を防止してもよい。シールドカバー１６は金属で形成されており、電磁ノイズを遮断できる。さらに、電子部品１４の熱をシールドカバー１６に伝導させることで、シールドカバー１６が空気中に熱を放出させる。

放熱材１８はシールドカバー１６における電子部品１４の対向面２４に密着されている。放熱材１８は、長期にわたって弾性を有し、かつ発熱体の発熱温度における耐熱性を有する合成樹脂製のシートから形成される。放熱材１８は、例えばシリコーン樹脂、フッ素ゴム、アクリルゴム、エポキシ樹脂またはそれらの混合物からなるゲル状のシートが好ましい。熱伝導率を高めるために、絶縁性の上記樹脂の中に金属やセラミックス等の高熱伝導体粉末を混入させた放熱材１８であってもよい。放熱材１８は最終形がシート状になるのであればその製造工程は問われない。例えば、目的の厚みに形成された放熱材シートを放熱プレートのサイズに合うように切断しても良いし、ジェル状の放熱材を放熱プレートへ滴下させたのちに硬化させても良いし、球状などの任意の形状から押圧されることでシート状になってもよい。たとえば、放熱構造１０が形成されたときの放熱材１８の厚みは約０．１〜１．０ｍｍである。熱伝導率は約１〜２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱伝導率を高める粉末を入れることで約１０〜５０Ｗ／ｍ・Ｋである。放熱材１８の熱伝導率に合わせて厚みを調節してもよく、熱伝導率が低ければ厚みを薄くすることによって放熱効率を高めることができる。放熱プレート２０から放熱材１８を介してシールドカバー１６に電子部品１４の熱の一部が伝導される。

放熱プレート２０は例えば銅、黄銅、リン青銅またはその他の銅合金などの熱伝導率が高い金属で形成されている。放熱プレート２０は平面部２６、平面部２６の外周の一部もしくは全部に一体に形成される弾性部２８、および弾性部２８の外方先端部に一体に形成されるパッド３０を備える（図３）。放熱プレート２０は、シールドカバー１６を電子部品１４に実装する前に、放熱材１８と共にシールドカバー１６へ一体に取り付けられる。具体的には、放熱プレート２０の平面部２６におけるシールドカバー１６との対向面に放熱材１８を配置しておいて、放熱材１８と共に放熱プレート２０を、パット３０を介してシールドカバー１６に一体に組み付けておく。このとき、放熱材１８は放熱プレート２０の平面部２６とシールドカバー１６の間に挟持されており、放熱プレート２０と放熱材１８、放熱材１８とシールドカバー１６は互いに密着させている。平面部２６の外周部は、シールドカバー１６側に立ち上がる壁部が形成されており、放熱材１８のズレを防止するようになっている。そして、放熱プレート２０と放熱材１８とが組み付けられたシールドカバー１６を基板１２に取り付けることにより、放熱プレート２０の平面部２６は電子部品１４と放熱材１８に挟まれて、電子部品１４と放熱材１８に密着した状態になる。平面部２６は電子部品１４の上面３２と同じ形状か多少大きくなっており、多少の位置ずれが発生しても確実に電子部品１４の上面を覆うことができて熱を放出できる。電子部品１４の上面３２は平面部２６に完全に密着されているので、電子部品１４の熱は上面３２から平面部２６に伝導する。さらに、平面部２６から放熱材１８および弾性部２８に熱が伝導されて、シールドカバー１６から放熱される。

基板１２からシールドカバー１６における放熱材１８が密着された面２４までの高さは、電子部品１４、放熱プレート２０の平面部２６および放熱材１８の厚みの総和よりも小さい。その様にすることによって放熱材１８が弾性を有しているため、放熱材１８が多少変形して放熱プレート２０が常に電子部品１４に密着される。

弾性部２８は平面部２６の外周に設けられ、図３に示すように蛇行された線状または帯状に形成されている。図３では、平面部２６の形状は正方形になっており、各辺に２本の弾性部２８が設けられている。放熱プレート２０の材質は放熱材１８よりも熱伝導率が高く、たとえば、放熱プレート２０が銅であれば、熱伝導率は約４００Ｗ／ｍ・Ｋである。電子部品１４から発生される熱は放熱プレート２０から放熱材１８を介してシールドカバー１６に伝導され、さらに放熱プレート２０の弾性部２８を介してシールドカバー１６に伝導させることもできる。放熱プレート２０の高い熱伝導率によって、電子部品１４を効率的に冷却することができる。

放熱プレート２０の厚みは約０．０５〜０．２０ｍｍである。放熱プレート２０の表面は、梨地または多数のディンプルなどの微細凹凸を設けている。この微細凹凸は電子部品１４の表面粗さと同じにするためのものである。電子部品１４の表面と放熱プレート２０の表面が同じ表面粗さになることで、互いの表面の凹凸を埋めるように密着できる。電子部品１４と放熱プレート２０が密着することで、その間に放熱グリスを使用する必要がない。放熱プレート２０は、厚みが薄く、電子部品１４に押圧されることから、放熱プレート２０の表面粗さは電子部品１４の表面粗さよりも小さくなってもよい。電子部品１４の表面粗さが小さくなれば、それに合わせて放熱プレート２０の表面粗さも小さくする。

弾性部２８の先端部には、四角形等のパッド３０が形成されている。パッド３０の弾性部２８との連続部分にはシールドカバー１６側に立ち上がる段差部を形成して、熱膨張による放熱プレート２０および放熱材１８の動きを吸収できるようになっている。パッド３０は溶接またははんだ付け等でシールドカバー１６に固定されている。放熱プレート２０のパッド３０以外の部分はシールドカバー１６に固定されていない。具体的には、前述したように、放熱プレート２０の平面部２６に放熱材１８を配置しておいて、シールドカバー１６の電子部品１４との対向面２４に放熱材１８と共に放熱プレート２０を配置して、パッド３０をシールドカバー１６に固定する。シールドカバー１６、放熱材１８および放熱プレート２０が一体になっており、シールドカバー１６を基板１２に固定すると放熱プレート２０が電子部品１４に密着される。簡単に放熱構造１０を形成することができる。弾性部２８に伝わった熱はパッド３０からシールドカバー１６に伝わる。溶接はスポット溶接やレーザー溶接などが挙げられる。レーザー溶接は半導体レーザー、ＹＶＯ_４レーザー、ＹＡＧレーザー、グリーンレーザーを用いた溶接が挙げられる。ネジやビスなどでパッド３０をシールドカバー１６に固定しようとすると、シールドカバー１６に穴を開ける必要があり、電磁波が漏れるおそれもあるが、本願はシールドカバー１６に穴を開けずにパッド３０を固定する。

シールドカバー１６が主にステンレスやアルミニウムが使用されており、放熱プレート２０が銅である場合、パッド３０をシールドカバー１６に溶接することが困難な場合が有る。パッド３０に錫メッキまたはニッケルメッキを施したり、放熱プレート２０の材料をステンレスなどの溶接が容易な素材へ変更したりしてシールドカバー１６と放熱プレート２０を接合することができれば、金属材料の組み合わせや表面処理方法を適宜組み合わせて確実に接合することが好ましい。

弾性部２８は帯状または線状になっており、基板１２の面方向で蛇行するように形成すると共に、パット３０との連続部に段差を形成することで弾性力を有している。弾性部２８は発熱部である電子部品１４と、放熱部であるシールドカバー１６との間に生じる温度差によって発生するひずみを吸収する部分である。たとえば、シールドカバー１６に使用される材料の線膨張率は約１０〜３０×１０^−６／Ｋであり、放熱プレート２０に使用される材料の線膨張率は約１５〜２５×１０^−６／Ｋであり、必ずしも一致しない。弾性部２８がないと、シールドカバー１６と放熱プレート２０の熱による膨張の差によってシールドカバー１６に固定されるパッド３０にひずみが発生し、パッド３０がシールドカバー１６から外れ、放熱プレート２０からシールドカバー１６に伝熱できなくなるおそれがある。放熱プレート２０および放熱材１８が熱で伸び縮みしても弾性部２８でその伸縮を吸収し、パッド２０がシールドカバー１６から外れないようになっている。したがって、放熱プレート２０からシールドカバー１６への熱伝導が確保でき、放熱構造１０の放熱性能は低下しにくくなっている。

以上のように、本願は放熱材１６以外に放熱プレート２０からも電子部品１４の熱をシールドカバー１６に伝導することができる。電子部品１４の放熱性能が向上し、電子部品１４を安定して駆動させることができる。弾性部２８によって放熱プレート２０がシールドカバー１６から外れないようになっており、安定して放熱プレート２０からシールドカバー１６に伝熱できるようになっている。本願は伝熱グリスを使用していないので、製造工程が煩雑になったり、長期間使用したときのただれによる放熱性能の低下などの問題が生じない。また、本願特徴の放熱が良好に行えながら、組み付けも簡単に行うことができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。たとえば、放熱プレート２０の熱による膨張および収縮を吸収出来るのであれば、上記の弾性部の形状は弾性部２８の形状に限定されない。たとえば、図４の放熱プレート４０は、基板１２の平面に対して垂直方向に蛇行する弾性部４２である。弾性部４２は電子部品１２のリード２２に接触しないようにする。パッド４４は弾性部４２と同じ幅になっている。図４の弾性部４２は図３の弾性部２８に比べて幅を広くしており、放熱プレート４２からシールドカバー１６に伝わる熱量を増加させることができる。

なお、弾性部２８、４２は、基板１２の平面に対して平行に蛇行してもよいし、基板１２の平面に対して垂直と平行を組み合わせて蛇行してもよい。

図５のように、外面にヒートシンク５２を設けたシールドカバー５０であってもよい。シールドカバー５０に伝わった熱を強制的に放熱でき、放熱構造の冷却性が向上する。また、シールドカバー５０は、ヒートシンク５２の代わりにファンを取り付けてもよいし、ヒートシンク５２とファンの両方を取り付けてもよい。シールドカバー５０は電子部品１４を完全に覆う必要はなく、電子部品１４の上方のみ覆い、周知のコンピュータのＣＰＵに取り付けられたヒートシンクと同じ構造になっていてもよい。

図６の放熱プレート６０のように、放熱材１８を出すための開口６２を設けてもよい。製造時にシールドカバー１６を基板１２に取り付けた時に、シールドカバー１６と電子部品１４からの放熱材１８を押圧する力によって放熱材１８が押しつぶされてシート状になった時、余分な放熱材１８が開口６２から流れ出る。必要量の放熱材１８をシールドカバー１６と放熱プレート６０の間に入れることができる。

図１では１つの電子部品１４を１つのシールドカバー１６で覆ったが、複数の電子部品１４を１つのシールドカバー１６で覆ってもよい。放熱材１８と放熱プレート２０、４０、６０は１つの電子部品１４ごとに設けられてもよいし、複数の電子部品１４ごとに設けられてもよい。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：放熱構造
１１：電子部品ユニット
１２：基板
１４：電子部品
１６、５０：シールドカバー
１８：放熱材
２０、４０、６０：放熱プレート
２２：リード
２４：シールドカバーにおける放熱材が密着された面
２６：平面部
２８、４２：弾性部
３０、４４：パッド
３２：電子部品の上面
５２：ヒートシンク
６２：開口

Claims

駆動時に熱を発する電子部品が基板に実装されており、該電子部品が金属製のシールドカバーに覆われている電子部品ユニットにおいて、
前記シールドカバーの内面に密着された放熱材と、
板状またはシート状の金属を、平面部、該平面部の外周に設けられた弾性部および該弾性部の端部に設けられたパッドが一体に形成された放熱プレートとを有し、
前記放熱プレートの平面部と前記シールドカバーとの間に放熱材が挟持された状態で、該パッドがシールドカバーに固定されており、放熱プレートの平面部が電子部品と放熱材に挟み込まれた状態になることを特徴とする放熱構造。
前記基板の表面から前記シールドカバーにおける前記放熱材が密着された内面までの高さが、前記電子部品、放熱プレートの平面部および放熱材の厚みの総和よりも小さく、該シールドカバーが放熱材と放熱プレートを電子部品に向けて押圧し、該放熱プレートが電子部品に密着されていることを特徴とする請求項1の放熱構造。
前記放熱プレートの表面が電子部品の表面と同じ表面粗さまたは該表面粗さよりも小さくなっている請求項１または２の放熱構造。