JP3196748B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱量が大きいた
めに放熱を行なう必要がある電子部品に用いられるヒー
トシンクに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、放熱を行なう必要がある電子部品
に対しては、熱伝導率の高いアルミニウムからなる直方
体状のブロックの上面に多数の溝を格子状に加工して、
四角柱の突起物を多数形成することにより、放熱面積を
大きくしたヒートシンクが使用されてきた。

【０００３】従来のヒートシンクについて、図４を参照
して説明する。同図（ａ）において、１００はヒートシ
ンクであり、放熱効率を高めるために、多数の四角柱の
突起物１０１を上面に形成してある。そして、同図
（ｂ）に示すように、ヒートシンク１００は、シリコン
系の熱伝導性の高い接着剤３により、ＢＧＡパッケージ
２に接着され、発生する熱を突起部１０１の表面から大
気中に放出していた。

【０００４】ところが、最近の電子部品の高性能化及び
小型化にともなって、電子部品の単位体積当たりの発熱
量、即ち発熱密度が増大し、結果的に単位表面積当たり
の放熱量を大きくする必要性に迫られている。しかし、
ヒートシンク１００は、放熱量を大きくする場合には、
突起物１０１を高くするか、横方向にヒートシンク１０
０を大きくするかして、放熱面積を増加し放熱量を大き
くすることができるが、高さ方向の寸法が増大するため
に、製品を薄形化することができないといった問題があ
る。さらにまた、ヒートシンク１００を大きくすると重
量が増大し、特に半田ボール２ａを用いた電子部品にお
いては、半田ボール２ａにその重量が作用し、電子部品
の長期信頼性が低下することが心配されるという問題が
ある。

【０００５】また、他の従来例として、近年、ＢＧＡ
（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージなどの小
型化されかつ集積化された発熱密度の高い電子部品が普
及している中で、マイクロヒートパイプを用いた放熱体
が種々提案されている。また、マイクロヒートパイプを
用いた放熱体としては、たとえば、ＣＰＵ（中央演算処
理装置）を冷却するために、配線基板を収納するアルミ
ニウムからなるフレームに用いられることがある。しか
し、このような放熱体は、放熱特性を解析する上で、吸
熱部と放熱部が複雑な一体構造となっており、さらにマ
イクロヒートパイプが用いられていることによって、適
切にモデル化することが難しく正確に解析することが困
難であり、ヒートシンクとしての設計の簡素化を図れな
いといった問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決すべくなされたものであり、電子部品の発熱密度
の上昇に対して、薄形かつ軽量であり、さらに、放熱特
性の解析に基づく簡素化されたヒートシンク設計を行な
うことができるヒートシンクの提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１記載のヒートシンクは、電子部品
の放熱を行なうヒートシンクにおいて、熱伝導率の高い
材質からなる外形が円形又は角形の吸熱部と、前記吸熱
部から外周方向に向けて水平に突設された複数のマイク
ロヒートパイプと、前記電子部品の上面外形より大きな
寸法の外周形状を有し、かつ前記吸熱部の外形より大き
な寸法の円形又は角形の内周形状を有する環状であり、
前記マイクロヒートパイプの上側位置及び下側位置に接
着された熱伝導率の高い材質からなる板状の放熱フィン
とを具備した構成としてある。

【０００８】これにより、ヒートシンクを薄形化及び軽
量化することができ、結果的に装置の薄形化及び軽量化
を行なうことができ、さらに、電子部品にその重量が作
用し、電子部品の長期信頼性が低下することを防止する
ことができる。

【０００９】また、マイクロヒートパイプの高い熱伝導
率によって、吸熱部の熱を効率良く放熱フィンに伝える
ことができ、高い放熱性能を発揮することができる。 さ
らに、放熱特性を解析する上で、吸熱部と放熱部を分離
した構造とし、この間の熱伝達をマイクロヒートパイプ
が行なうことにより、適切なモデル化が可能となり、簡
素化されたヒートシンク設計を行なうことができる。

【００１０】また、放熱フィンを前記マイクロヒートパ
イプの上側位置及び下側位置に接着することにより、マ
イクロヒートパイプが伝える熱をより効果的に放熱する
ことができ、ヒートシンクの放熱性能を向上させること
ができる。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載のヒ
ートシンクにおいて、前記放熱フィンに複数の放熱孔を
設けた構成としてある。これにより、放熱フィンの上面
と下面を熱風が対流することにより、放熱性能を向上さ
せることができる。

【００１２】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載のヒートシンクにおいて、前記マイクロヒートパイ
プが中央部から曲げられており、この曲げ部を吸熱部に
配設した構成としてある。これにより、マイクロヒート
パイプと吸熱部との伝熱効率を向上することができ、結
果的にヒートシンクの放熱性能を向上することができる
とともに、マイクロヒートパイプの使用本数を削減でき
る。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか一項記載のヒートシンクにおいて、前記放熱フィ
ンに、少なくとも三箇所以上の脚部を設けた構成として
ある。これにより、ヒートシンクが、小型化された電子
部品だけで支持されることにより、たとえば、ヒートシ
ンクの端部に外力を加えることによって電子部品、特に
半田ボールにダメージを与えてしまうことを防止するこ
とができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。図１を参照してヒート
シンクの第一実施形態について説明する。同図におい
て、１はヒートシンクであり、吸熱部１１、マイクロヒ
ートパイプ１２及び放熱フィン１４から構成されてい
る。

【００１５】吸熱部１１は、熱伝導率の高い材質である
アルミニウムからなる円形平板状の構造としてあり、こ
の下面が電子部品に接着される。ここで、吸熱部１１の
下面は、電子部品の発熱を効率良く吸熱できる面積を有
し、好ましくは、この円形の直径が、電子部品の一辺の
長さより大きく対角線の長さより小さい範囲に設定する
と良い。また、吸熱部１１の厚さは必要以上に厚くなら
ない構造とし、マイクロヒートパイプ１２を挿入穴１１
ａに突設する構造とする場合には、具体的には、マイク
ロヒートパイプ１２の直径がたとえば３ｍｍのときは、
約４〜５ｍｍの厚さとすることが望ましい。

【００１６】吸熱部１１の側面には、八本のマイクロヒ
ートパイプ１２が水平方向に放射状に突設される挿入穴
１１ａを設けてあり、また上面には、この挿入穴１１ａ
に貫通するようにリベット取付孔１１ｂを設けてある。
そして、挿入穴１１ａにマイクロヒートパイプ１２を挿
入した後に、リベット１３をリベット取付孔１１ｂに打
ち込むことによって、マイクロヒートパイプ１２は吸熱
部１１に固定されている。このように、マイクロヒート
パイプ１２は、確実に吸熱部１１と接触することによっ
て、吸熱部１１の熱を良好に吸熱することができる。

【００１７】マイクロヒートパイプ１２は、長さを等し
くかつ等間隔に配設された構造としてあるので、各マイ
クロヒートパイプ１２は、同じ熱量を放熱フィン１４に
伝熱することができる。なお、本実施形態においては、
マイクロヒートパイプ１２を八本使用しているが、これ
に限定されるものではなく、具体的には、マイクロヒー
トパイプ１２の性能、電子部品の発熱量、放熱フィン１
４の放熱量などの諸条件により放熱特性を解析すること
によって決定される。

【００１８】放熱フィン１４は、熱伝導率の高いアルミ
ニウムからなる薄い板状の構造としてあり、さらに、そ
の外周形状及び内周形状を円形とした環状の形状を有し
ている。具体的には、外周の直径は冷却する電子部品の
外形寸法より大きく、かつ内周の直径は吸熱部１１の外
径より大きくしてあり、これらの直径は、その放熱面積
が放熱特性の解析から求められる必要表面積となるよう
に設定してある。また、図示していないが、放熱フィン
１４は熱伝導率の高いシリコン系の接着剤でマイクロヒ
ートパイプ１２の上側位置に接着してあり、マイクロヒ
ートパイプ１２の熱は良好に放熱フィン１４に伝熱さ
れ、放熱フィン１４の表面から放熱される。したがっ
て、ヒートシンク１は、吸熱部１１の外形と放熱フィン
１４の内周との間に隙間空間１５を有し、放熱特性を解
析する上で、単純化したモデル化を行なうことができ放
熱特性を容易に算出できる構造としてある。

【００１９】上記のように構成された第一実施形態の作
用について、図２を参照して説明する。同図（ｂ）にお
いて、１はヒートシンクであり、実装されたＢＧＡパッ
ケージ２の上面に、シリコン系の接着剤３を用いて接着
されている。ここで、ヒートシンク１をＢＧＡパッケー
ジ２に接着する際に、隙間空間１５から位置関係を目視
できるので、位置ずれ及び接着剤３のはみ出し不良を防
止することができる。

【００２０】ＢＧＡパッケージ２は、作動状態において
発熱し、その熱は接着剤３を伝わり吸熱部１１に吸熱さ
れる。そして、その熱は、マイクロヒートパイプ１２に
伝わり、吸熱部１１側の端から放熱フィン１４側の端へ
非常に効率良く熱伝達される。そして、放熱フィン１４
側に伝わってきた熱は、放熱フィン１４に伝わり、放熱
フィン１４の表面から大気中に放熱される。ここで、ヒ
ートシンク１は、吸熱部１１の中心に対して点対称とな
る構造としてあるので、ＢＧＡパッケージ２の発熱は、
放熱フィン１４からほぼ均一に放熱される。

【００２１】ここで、ヒートシンク１の放熱性能は、放
熱フィン１４の表面積を増減することによって容易に設
定できる。したがって、放熱性能を上げるときは、放熱
フィン１４の表面積を大きくすれば良く、勿論、大きく
することによってヒートシンク１を高くする必要がない
ので、当該装置の薄形化を行なうことができる。

【００２２】また、放熱フィン１４を大きくしても、ヒ
ートシンクは、放熱フィン１４の増分とマイクロヒート
パイプ１２の増分の重量が増えるのみであり、大きな重
量増加とならないので、軽量化を行なうこともできる。
さらに、この軽量化によって、ヒートシンク１の重量に
よる悪影響、たとえば、ＢＧＡパッケージ２の半田ボー
ルへのダメージや接着剤３不足によるヒートシンク１の
脱落不良などを低減できるので、長期的信頼性が低下す
ることを防止することができる。

【００２３】また、マイクロヒートパイプ１２による高
性能の伝熱手段と独立した放熱フィン１４を有する構造
とすることにより、ヒートシンク１の放熱特性の解析が
容易となり、誤差の少ないシミュレーション結果を得る
ことができるので、ヒートシンク１の設計の簡素化を図
ることができる。ここで、本実施形態においては、吸熱
部１１の外形並びに放熱フィン１４の外周形状及び内周
形状を円形とすることによって、この解析をより容易に
行なうことができる。なお、当該装置の開発設計におい
ては、装置の小型化及び薄形化のために、熱特性を十分
考慮して、筐体設計、配線基板設計などを総合的に行な
う必要があり、ヒートシンク１の放熱特性を容易にしか
も正確に解析できることは、非常に大きな効果である。

【００２４】以上説明したように、第一実施形態のヒー
トシンクを用いることにより、当該装置の小型化及び薄
形化を行なうことができるとともに、ヒートシンクの設
計の簡素化により、結果的には、新製品を開発する上で
非常に大きな効果を有することができる。

【００２５】次に、図面を参照してヒートシンクの第二
実施形態について説明する。図３において、１ａはヒー
トシンクであり、吸熱部２１、マイクロヒートパイプ２
２及び放熱フィン２４、２４ａから構成されている。

【００２６】吸熱部２１は、熱伝導率の高い材質である
アルミニウムからなる矩形平板状の上側吸熱部２１ａと
下側吸熱部２１ｂから構成してあり、下側吸熱部２１ｂ
の下面は、ＢＧＡパッケージ２に接着される。ここで、
下側吸熱部２１ｂの下面は、電子部品の外形寸法とほぼ
同じ寸法形状としてあり、電子部品の熱を効率良く吸熱
できる。また、上側吸熱部２１ａと下側吸熱部２１ｂに
は、マイクロヒートパイプ２２を挟み込む溝部２１ｄが
形成してあり、溝部２１ｄの表面がマイクロヒートパイ
プ２２の表面に良好に接触する形状とすることにより、
マイクロヒートパイプ２２に効率良く熱を伝えることが
できる。そして、下側吸熱部２１ｂと上側吸熱部２１ａ
は、マイクロヒートパイプ２２を挟んだ状態でリベット
２３をリベット取付孔２１ｃに打ち込むことによって固
定してある。

【００２７】マイクロヒートパイプ２２は、中央部が直
角に曲げられた構造としてあり、この曲げ部２２ａが吸
熱部２１の中央に位置するように挟着されている。ま
た、本実施形態においては、二本のマイクロヒートパイ
プ２２を使用しているが、この曲げ部２２ａも伝熱に関
与することにより、四本のマイクロヒートパイプ２２が
突き出る構造とした場合と同等以上の伝熱効果を得るこ
とができる。ここで、マイクロヒートパイプ２２は、吸
熱部２１の対角線上に突き出る構造としてあり、吸熱部
２１から効率良く熱を吸収することができる。

【００２８】放熱フィン２４は、外周形状及び内周形状
を矩形とした環状の薄板からなる構造としてあり、シリ
コン系の接着剤で、マイクロヒートパイプ２２の上側位
置に接着してある。具体的には、この外周寸法は冷却す
るＢＧＡパッケージ２の外形寸法より大きく、かつ内周
寸法は吸熱部１１の外形寸法より大きくしてあり、これ
らの寸法は、その放熱面積が放熱特性の解析から求めら
れる必要表面積となるように設定してある。したがっ
て、ヒートシンク１ａは、吸熱部２１の外形と放熱フィ
ン２４の内周との間に隙間空間２５を有し、放熱特性を
解析する上で、単純化したモデル化を行なうことができ
放熱特性を容易に算出できる構造としてある。また、放
熱フィン２４の対角線上にマイクロヒートパイプ２２が
位置するように、放熱フィン２４を取り付けられあり、
マイクロヒートパイプ２２の熱を効果的に放熱フィン２
４に伝えることができる。さらにまた、放熱フィン２４
は、下面側の熱風が上面側に移動できるようにほぼ均等
に複数の放熱孔２４ｃを配設してある。

【００２９】同様に、マイクロヒートパイプ２２の下側
位置には、下側放熱フィン２４ａが接着してあり、放熱
面積を増加することにより、ヒートシンク１ａの放熱性
能を向上することができる。ここで、下側放熱フィン２
４ａの表面にも放熱孔２４ｃが配設してあるので、上側
放熱フィン２４との間の熱風を効率良く移動することが
でき、放熱性能を向上することができる。

【００３０】また、下側放熱フィン２４ａの外形各辺の
中央部に、脚部２４ｂが突設してあり、ヒートシンク１
ｂを取り付けたときの安定性を向上させることができ
る。具体的には、ヒートシンク１ｂは、電子部品の上面
に接着されることにより支持されているだけなので、電
子部品が小型化されるとヒートシンク１ｂの支持強度が
弱くなる。しかし、ヒートシンク１ｂは、脚部２４ｂに
より支持されることによって、安定するとともに、電子
部品にダメージを与える危険性を排除できる。なお、装
置の仕様により、ＢＧＡパッケージ２が下側（重力落下
方向）に設置されるときは、好ましくは、脚部２４ｂを
ねじなどの手段を用いて、被搭載物に固着すると良い。
その他の構造については、第一実施形態と同様である。

【００３１】上記のように構成された第二実施形態の作
用について、同図を参照して説明する。ＢＧＡパッケー
ジ２は、作動状態において発熱し、その熱は接着剤３を
伝わり、吸熱部２１に吸熱される。そして、その熱は、
マイクロヒートパイプ２２に伝わり、放熱フィン２４側
へ非常に効率良く熱伝達される。ここで、マイクロヒー
トパイプ２２は、曲がり部２２ａを有しているので、マ
イクロヒートパイプ２２の使用本数を削減することがで
きるとともに、曲がり部２２ａの分だけ吸熱部２１との
接触面積を大きくできるので、伝熱効率を向上すること
ができる。

【００３２】放熱フィン２４側に伝わってきた熱は、上
側放熱フィン２４及び下側放熱フィン２４ａに伝わり、
これらの表面から大気中に放熱される。ここで、下側放
熱フィン２４ａを設けることにより、放熱面積が増加す
るので、ヒートシンク１の放熱性能を向上させることが
でる。さらに、放熱孔２４ｃを設けてあるので、熱風が
移動しやすくなり放熱性能を向上させることができる。

【００３３】また、脚部２４ｂによって、ヒートシンク
１ａが支持されるので、放熱フィン２４が大きくなった
り、ＢＧＡパッケージ２が小さくなっても、ヒートシン
ク１ａの安定性が悪くなることはなく、結果的にＢＧＡ
パッケージ２へのダメージを防止することができる。そ
の他の作用については、第一実施形態と同様である。

【００３４】以上説明したように、第二実施形態のヒー
トシンクを用いることにより、放熱性能が高く、電子部
品へのダメージ不良を防止できるヒートシンクを提供す
ることができる。また、ヒートシンクを折り曲げること
により、放熱性能を低下させずにヒートシンクの使用本
数を減らすことができ、部品費を削減することができ
る。

【００３５】上述した実施形態においては、この発明を
特定の条件で構成した例について説明したが、この発明
は、様々な実施例を含むものである。上記実施形態にお
いては、マイクロヒートパイプを吸熱部に固定する手段
として、リベットによる固定手段を用いたが、ネジによ
る固定でも良い。また、放熱フィンの外周形状及び内周
形状並びに吸熱部の外形については、それぞれ円形また
は角形のいずれかを自由に選択することができ、例え
ば、一例として、放熱フィンの外周形状を角形とし、内
周形状は円形とし、吸熱部の外形を角形としても良い。
また、放熱フィンは平板状に限定されるものではなく、
表面積を増加するために、ひだ形状の放熱フィンでも良
い。さらに、マイクロヒートパイプと吸熱部若しくは放
熱フィンとの接着手段は上記実施形態に限定するもので
はなく、たとえば、吸熱部若しくは放熱フィンをマイク
ロヒートパイプにかしめても良い。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、この発明のヒートシンク
によれば、薄い構造のヒートシンクとすることができ、
さらに、軽量化を行なうことができるので、装置の薄形
化及び軽量化を行なうことができる。さらに、軽量化す
ることによって、電子部品にヒートシンクの重量が作用
し、特に半田ボールへの長期信頼性が低下するといった
危険性を排除することができる。また、吸熱部と放熱フ
ィンを分離し、マイクロヒートパイプが吸熱部の熱を放
熱フィンに伝達する構造とすることにより、放熱特性を
解析する上で有効にモデル化することができ、ヒートシ
ンクの設計を簡略化することができる。したがって、本
発明のヒートシンクを使用することにより、薄形化及び
小型化された装置を開発する上で、熱特性に関し開発当
初から正確にシミュレーションを行なうことが可能とな
り、開発期間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、第一実施形態におけるヒートシンク概
略図で、（ａ）は上面拡大図を、（ｂ）はＡ−Ａ‘断面
の拡大断面図を示している。

【図２】図２は、第一実施形態におけるヒートシンクの
取り付け状態における概略図で、（ａ）は上面拡大図
を、（ｂ）はＡ−Ａ‘断面の拡大切断図を示している。

【図３】図３は、第二実施形態におけるヒートシンクの
取り付け状態における概略図で、（ａ）は上面拡大図
を、（ｂ）はＡ−Ａ‘断面の拡大切断図を示している。

【図４】図４は、従来のヒートシンクの取り付け状態に
おける概略図で、（ａ）は上面拡大図を、（ｂ）はＡ−
Ａ‘断面の拡大断面図を示している。

【符号の説明】

１ ヒートシンク １ａ ヒートシンク ２ ＢＧＡパッケージ ２ａ 半田ボール ３ 接着剤 １１ 吸熱部 １１ａ 挿入孔 １１ｂ リベット取付孔 １２ マイクロヒートパイプ １３ リベット １４ 放熱フィン １５ 隙間空間 ２１ 吸熱部 ２１ａ 上側吸熱部 ２１ｂ 下側吸熱部 ２１ｃ リベット取付孔 ２１ｄ 溝部 ２２ マイクロヒートパイプ ２２ａ 曲げ部 ２３ リベット ２４ 上側放熱フィン ２４ａ 下側放熱フィン ２４ｂ 脚部 ２５ 隙間空間 １００ ヒートシンク １０１ 突起部

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子部品の放熱を行なうヒートシンクに
   おいて、 熱伝導率の高い材質からなる外形が円形又は角形の吸熱
   部と、 前記吸熱部から外周方向に向けて水平に突設された複数
   のマイクロヒートパイプと、 前記電子部品の上面外形より大きな寸法の外周形状を有
   し、かつ前記吸熱部の外形より大きな寸法の内周形状を
   有する環状であり、前記マイクロヒートパイプの上側位
   置及び下側位置に接着された熱伝導率の高い材質からな
   る板状の放熱フィンとを具備したことを特徴とするヒー
   トシンク。
2. 【請求項２】 前記放熱フィンに複数の放熱孔を設けた
   ことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 【請求項３】 前記マイクロヒートパイプが中央部から
   曲げられており、この曲げ部を吸熱部に配設したことを
   特徴とする請求項１または２記載のヒートシンク。
4. 【請求項４】 前記放熱フィンに、少なくとも三箇所以
   上の脚部を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいず
   れか一項記載のヒートシンク。