JP3535653B2 - 電子素子の冷却構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、テープキャリア
パッケージ（以下、ＴＣＰという。）の形態で納められ
た演算処理装置などの発熱素子を、作動流体の潜熱とし
て熱輸送するヒートパイプを利用して冷却する電子素子
の冷却構造に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】最近では、パーソナルユースのコンピュ
ータ（以下、パソコンという。）の分野において、ノー
トブックタイプやサブノートブックタイプのいわゆるノ
ート型パソコンの普及が著しい。この種のパソコンでは
携帯性を主要目的としているから、小型化および軽量化
が強く望まれており、パソコンの内部空間において演算
処理装置（以下、ＣＰＵという。）が占有できるスペー
スも限定されている。したがって、ＣＰＵはできる限り
小さくパッケージングすることが好ましい。また一方
で、パソコンの多機能化や処理速度の向上に伴ってＣＰ
Ｕの出力増加が年々進められているから、当然、この発
熱素子に対する冷却装置にも高い冷却能力が要求されて
いる。 【０００３】そこで、ＣＰＵの外周部を樹脂封止した一
般的なＱＦＰ（Quad Flat Package）に替わり、前述の
条件を満たす手段の一例としてＴＣＰを用いた冷却構造
が開発されている。これを図示すれば図３の通りであ
り、上面にプリント配線３０が形成された基板３１に、
接着剤３２を介してＣＰＵ３３が取り付けられている。
このＣＰＵ３３の上面側には、電気的に導通した複数本
のリード線３５が延出して設けられている。これらのリ
ード線３５の先端部は、プリント配線３０とそれぞれ電
気的に接続されている。また、各リード線３５の基端部
（ＣＰＵ３３側端部）とＣＰＵ３３の側面および上面
は、カバー３４によって覆われている。さらに、カバー
３４の図での上面側と各リード線３５との境界部分に
は、一例としてポリオレフィンからなる可撓性のテープ
３６が布設されている。 【０００４】基板３１のうちＣＰＵ３３が設置された箇
所には、多数の小径の貫通孔３８が形成されており、こ
れらの貫通孔３８には銅製のピン３９がそれぞれ挿入さ
れている。すなわち、これらのピン３９を介してＣＰＵ
３３の熱を基板３１の反対面（ＣＰＵ３３が設けられて
いない面）に向けて輸送するするよう構成されている。
これは、テープ３６やリード線３５を熱から保護するた
めである。また、基板３１の下面すなわちＣＰＵ３３と
反対面には、熱伝導率の高い銅やアルミニウム等の金属
箔４０が各ピン３９と熱伝達可能に貼り付けられてい
る。さらに、金属箔４０の表面には、サーマルジョイン
ト４１を介して複数枚のフィン４２を備えた金属製のヒ
ートシンク４３が取り付けられている。 【０００５】したがって、ＣＰＵ３３から熱が生じる
と、その熱の大半は接着剤３２を介して各ピン３９の一
端面に伝達されるとともに、各ピン３９の他端面に向け
て伝導され、そこから金属箔４０に伝達される。その熱
は更にサーマルジョイント４１を介してヒートシンク４
３に伝達された後、各フィン４２から放出される。ま
た、ＣＰＵ３３から生じた熱の一部はカバー３４にも伝
達され、その表面から放出される。その結果、ＣＰＵ３
３が冷却される。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ＣＰＵ３３
の熱が各ピン３９の内部を伝導する際には、その熱の一
部が各ピン３９の外周面から貫通孔３８の内周面すなわ
ち基板３１に不可避的に伝達される。これに対して、基
板３１はガラス・エポキシ系樹脂やフェノール樹脂等の
熱伝導率に劣る材料からなることが通常であるから、基
板３１のうちのＣＰＵ３３の近傍に熱が滞留し易い。こ
のように、上記の冷却構造では、熱抵抗が大きい基板３
１がＣＰＵ３３とヒートシンク４３との間に介在されて
いることから、ＣＰＵ３３を必ずしも充分に冷却するこ
とができないおそれがあった。 【０００７】そこで、熱輸送能力の高いヒートパイプを
採用することが提案されている。その場合、金属製コン
テナを有するヒートパイプを薄いテープ３６に取り付け
ることは固定強度を担保する観点などから困難であり、
また前述の通り、この種の冷却構造では、ＣＰＵ３３の
熱は基板３１の反対面に積極的に輸送する必要があるた
め、ヒートパイプを基板３１に装着する構成とされる。
その固着手段としては種々挙げられるが、例えばボルト
とナットとを用いた構成とした場合には、ボルト導通用
の貫通孔を基板のうちプリント配線を避けた箇所に形成
したり、あるいは補強のために基板３１を厚く形成する
などの必要が生じるため、冷却構造全体が大型化したり
複雑化したりする不都合があった。このように、高い冷
却能力とコンパクトな構成を兼備した電子素子の冷却構
造、換言すれば、昨今のノート型パソコンへの実装に適
したものが今だ開発されていないのが実情である。 【０００８】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、冷却能力に優れ、かつ構造が簡単な電子素子の冷
却構造を提供することを目的とするものである。 【０００９】 【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するためにこの発明は、電気回路を形成した基
板の片面に、発熱源となる演算処理装置が装着されると
ともに、その演算処理装置から延出しかつ前記電気回路
に電気的に接続された複数のリード線が、可撓性を有す
る絶縁性フィルム体によって一体に支持され、さらに、
前記基板を厚さ方向に貫通する伝熱部材によって前記演
算処理装置から生じる熱を基板の反対面に運ぶように構
成された電子素子の冷却構造において、前記基板の面う
ちの前記演算処理装置を備えていない面に、第一のヒー
トパイプが前記伝熱部材と熱授受可能に配設されるとと
もに、前記基板の面うちの前記演算処理装置を備えた面
に、熱伝導率の高い実質的な剛体からなる外装部材が前
記演算処理装置と熱授受可能に配設され、かつ前記外装
部材と前記第一のヒートパイプとの間でかつ前記基板の
介在しない箇所に、放熱用伝熱部材が第一のヒートパイ
プおよび外装部材に対してそれぞれ熱授受可能に配設さ
れるとともに、前記第一のヒートパイプと前記外装部材
とが、これら第一のヒートパイプと外装部材との間に前
記演算処理装置および基板と放熱用伝熱部材とを挟み付
けた状態で挟持部材によって締め付けて固定されている
ことを特徴とするものである。 【００１０】この発明によれば、基板と第一のヒートパ
イプとを熱授受可能に固定するにあたって、基板や第一
のヒートパイプ自体に対する加工が行われないから、冷
却構造全体が簡単な構成とされ、また小型化される。 【００１１】またこの発明では、演算処理装置から熱が
生じると、その熱の大半は伝熱部材に伝達された後、第
一のヒートパイプの一端部に伝達される。すると、第一
のヒートパイプのコンテナ内部に封入されている液相の
作動が蒸発し、この作動流体蒸気は、内部圧力の低い他
端部すなわち放熱用伝熱部材に配設された端部に向けて
流動する。そして、そこで熱を奪われて凝縮する。換言
すれば、演算処理装置から生じた熱の多くが第一のヒー
トパイプを経て放熱用伝熱部材に輸送される。 【００１２】他方、演算処理装置から生じた熱の一部が
外装部材に伝達され、その熱は放熱用伝熱部材に伝達さ
れる。したがって、放熱用伝熱部材には、第一のヒート
パイプと外装部材との両方から運ばれた演算処理装置の
熱が供給される。そして、これらの熱は放熱用伝熱部材
から放出される。その結果、基板中に熱が滞留すること
がなく、演算処理装置が良好に冷却される。なお、演算
処理装置の熱は基板の反対側に積極的に排出されるた
め、熱によるフィルム体の損傷が未然に防止される。 【００１３】 【発明の実施の形態】以下、この発明を具体例を参照し
て説明する。図１はこの発明をノート型パソコン用のＣ
ＰＵに適用した例を示す断面図であり、図２は各パーツ
の配置関係を示す概略図である。一例としてガラス・エ
ポキシ系樹脂からなるプリント基板１の図１での下面に
は、プリント配線２が形成されている。またプリント基
板１の同じ面には、熱抵抗の低い接着剤３を介して平板
状のＣＰＵ４がほぼ平行となるように取り付けられてい
る。 【００１４】このＣＰＵ４の図での下面側には、電気的
に導通した複数本のリード線６が延出している。これら
のリード線６の先端部は、プリント配線２とそれぞれ電
気的に接続されている。また、各リード線６の基端部
（ＣＰＵ４側端部）とＣＰＵ４の側面および下面は、カ
バー５によって覆われている。さらに、カバー５の図１
での下面側と各リード線６との境界部分には、一例とし
てポリオレフィンからなる可撓性のテープ７が付設され
ている。したがって、テープ７によって複数本のリード
線６を一定の姿勢に保持する構成となっている。 【００１５】前記プリント基板１のうちＣＰＵ４が設置
された箇所には、多数の小径の貫通孔８が形成されてい
る。各貫通孔８には伝熱部材に相当し、プリント基板１
の厚さとほぼ等しい長さの銅製のピン９がそれぞれ挿入
されている。また、プリント基板１の上面、すなわちＣ
ＰＵ４が備えられていない面のうちピン９が配設された
範囲には、伝熱板１０のうちの突出した部分の平坦面が
密着した状態で配設されている。この伝熱板１０は熱伝
導率の高い材料からなり、前記突出した部分を中心とし
た図２での左右両方向にプリント基板１とほぼ平行な平
板箇所が形成されている。また、伝熱板１０の右側の縁
部はプリント基板１の右側縁部よりも若干延ばされた箇
所で上向きに開口するように折り曲げられている。ここ
で、前記各ピン９は接着剤３と伝熱板１０にそれぞれ熱
授受可能とされている。 【００１６】また、伝熱板１０の上面には、第一のヒー
トパイプに相当する集熱用ヒートパイプ１１が密着した
状態で配設されている。この集熱用ヒートパイプ１１は
コンテナが偏平状に形成されており、その両端部は伝熱
板１０の左右の縁部とほぼ同じ位置に揃えられている。
したがって、ＣＰＵ４と集熱用ヒートパイプ１１とが熱
伝達可能な構成となっている。集熱用ヒートパイプ１１
の上面には、アルミプレート１２がその左右の縁部を集
熱用ヒートパイプ１１の両端部と揃えた状態で配設され
ている。このアルミプレート１２は、後述するクリップ
をカシメることによる集熱用ヒートパイプ１１のコンテ
ナの損傷を防止するために備えられている。 【００１７】ここで、ヒートパイプは真空脱気した金属
管などの容器（コンテナ）の内部に、水やアルコール等
の凝縮性の流体を作動流体として封入したものであり、
容器に部分的な温度差が生じることにより動作を開始
し、高温部で蒸発した作動流体が低温部に流動して放熱
・凝縮することにより、作動流体の潜熱として熱輸送す
るものである。そして、その見掛上の熱伝導率は銅やア
ルミ等の金属に比べて数十倍優れている。なお、必要に
応じてコンテナの内部に毛細管圧力を生じる金網やグル
ーブ等からなるウィックを備えてもよい。 【００１８】他方、前記カバー５の下面には、伝熱板１
３のうちの突出した部分の平坦面が熱伝達可能に接触し
ている。この伝熱板１３は、前述したプリント基板１の
上面に備えられた伝熱板１０とほぼ同様に突出した部分
を中心とした図１での左右両側に平板箇所が設けられた
構成であって、その右側縁部はプリント基板１の右側縁
部よりも僅かに先端側に延ばされた箇所で下向きに開口
するように折り曲げられている。これに対して、伝熱板
１３の左側縁部は緩いクランク状に折り曲げられてい
る。また、伝熱板１３の下面には、外装部材に相当する
補助用ヒートパイプ１４が密着した状態で配設されてい
る。 【００１９】この補助用ヒートパイプ１４は、上記の集
熱用ヒートパイプ１１とほぼ同様にコンテナが偏平状に
形成されており、その左側端部は伝熱板１３に倣ったク
ランク状に形成されている。さらに、補助用ヒートパイ
プ１４の下面には、その左縁部を補助用ヒートパイプ１
４のコンテナに倣ってクランク状に形成したアルミプレ
ート１５が密着した状態で配設されている。したがっ
て、補助用ヒートパイプ１４とＣＰＵ４とが熱伝達可能
な構成となっている。なお、両アルミプレート１２，１
５は必要に応じて設ければよい。 【００２０】前記上側に配設された伝熱板１０と下側に
配設された伝熱板１３との間には、コンテナが四角形断
面に形成された放熱用ヒートパイプ１６が両者と直接接
触するように設けられている。この放熱用ヒートパイプ
１６は放熱用伝熱部材に相当するものであり、一例とし
て集熱用ヒートパイプ１１および補助用ヒートパイプ１
４とほぼ直交する方向に向けて配設されており、その一
端部はキーボードの裏面側に備えられた電磁シールド用
のアルミ薄板（共に図示せず）に熱伝達可能に配設され
ている。したがって、この具体例ではアルミ薄板が放熱
箇所に相当する。また、この放熱用ヒートパイプ１６
は、そのコンテナの左側端部が両伝熱板１０，１３の左
側縁部や集熱用ヒートパイプ１１および補助用ヒートパ
イプ１４の各左側端部と同じ位置に揃えられている。 【００２１】さらに、この具体例では放熱用ヒートパイ
プ１６のコンテナの厚さが両伝熱板１０，１３の突出し
た部分同士の間隔とほぼ等しく設定されている。したが
って、ＴＣＰ５０に対しては過大な荷重が作用しない。
また、上側に配設されたアルミプレート１２の上面と下
側に配設されたアルミプレート１５の下面が、左側縁部
において断面ほぼコ字状のクリップ１７に上下方向に挟
み付けられている。他方、上側に配設された伝熱板１０
の上面と下側に配設された伝熱板１３の下面とが、右側
縁部において上記クリップ１７とほぼ同様のクリップ１
８によって上下方向に挟み付けられている。 【００２２】これらの２個のクリップ１７，１８の締付
け荷重によって伝熱板１０とプリント基板１、カバー５
と基板１３、放熱用ヒートパイプ１６と両伝熱板１０，
１３とがそれぞれ一体に固定されて保持されている。換
言すれば、プリント基板１を集熱用ヒートパイプ１１と
補助用ヒートパイプ１４とで挟んだサンドイッチ構造と
なっている。したがって、例えば両方のクリップ１７，
１８を図での手前方向にスライドさせて両伝熱板１０，
１３および両アルミプレート１２，１５から取り外せ
ば、一体に組み付けられた伝熱板１０とプリント基板１
などが独立した個々のパーツに分解される。なお、一例
として各クリップ１７，１８はアルミニウムや銅等の熱
伝導性の高い金属からなっている。 【００２３】つぎに、上記のように構成された演算処理
装置の冷却構造の作用について説明する。パソコンの使
用に伴ってＣＰＵ４から熱が生じると、その熱の大半は
カバー５よりも熱抵抗の小さい接着剤３を介して各ピン
９の一端部に伝達される。その熱は更に各ピン９の他端
部に伝導され、そこから伝熱板１０の一部に伝達された
後に、集熱用ヒートパイプ１１のコンテナに伝達され
る。なお当然、その際には各ピン９からプリント基板１
にも熱が伝達される。 【００２４】集熱用ヒートパイプに１１に入熱がある
と、コンテナに封入された液相作動流体が蒸発し、その
作動流体蒸気はコンテナのうちの内部圧力と温度が共に
低くなっている箇所、すなわち放熱用ヒートパイプ１６
側に配設された端部に向けて流動し、そこでクリップ１
７や伝熱板１０および放熱用ヒートパイプ１６のコンテ
ナ等に熱を奪われて凝縮する。換言すれば、ＣＰＵ４の
熱が集熱用ヒートパイプ１１を介して放熱用ヒートパイ
プ１６に伝達される。 【００２５】なお、放熱して再度液相になった集熱用ヒ
ートパイプ１１の作動流体は、重力やウィックの毛細管
圧力によってコンテナの蒸発部となる箇所に還流する。
また、集熱用ヒートパイプ１１に伝達された熱の一部
は、アルミプレート１２の表面から放出される。このよ
うに、熱輸送能力の優れるヒートパイプによって、プリ
ント基板１の表面および各ピンの端面から熱が運ばれる
ので、プリント基板１の内部には熱が滞留しない。 【００２６】これに対して、ＣＰＵ４から生じた熱の一
部はカバー５にも伝達され、更に伝熱板１３を介して補
助用ヒートパイプ１４に伝達される。すると、補助用ヒ
ートパイプ１４に封入された液相作動流体が加熱されて
蒸発し、作動流体蒸気となってコンテナのうちの放熱用
ヒートパイプ１６側に配設された端部に向けて流動す
る。そして、クリップ１７や下側に配設された伝熱板１
３や放熱用ヒートパイプ１６のコンテナ等に熱を奪われ
て凝縮する。すなわち、カバー５に伝達されたＣＰＵ４
の熱が補助用ヒートパイプ１４の作動流体に運ばれて放
熱用ヒートパイプ１６に伝達される。また、補助用ヒー
トパイプ１４に伝達された熱の一部は、アルミプレート
１５の表面から放出される。 【００２７】上記の通り、放熱用ヒートパイプ１６の一
端部には、集熱用ヒートパイプ１１と補助用ヒートパイ
プ１６とによって運ばれたＣＰＵ４の熱が伝達される。
この段階で放熱用ヒートパイプ１６の両端部において温
度差が生じるため、自動的にヒートパイプ動作が開始さ
れる。すなわち、ＣＰＵ４の熱によって蒸発した作動流
体がコンテナのうち電磁シールド用のアルミ薄板に配設
された端部に向けて流動し、そのアルミ薄板に熱を伝達
して凝縮する。その熱はアルミ薄板から外部に向けて放
出される。その場合、放熱用ヒートパイプ１６のコンテ
ナの実効放熱部面積に対してヒートシンクとして作用す
るアルミ薄板の面積が数倍大きいため、ＣＰＵ４が良好
に冷却される。 【００２８】このように、プリント基板１の裏面側に伝
達されたＣＰＵ４の熱を集熱用ヒートパイプ１１によっ
て放熱用ヒートパイプ１６に運ぶとともに、カバー５側
に伝達された熱を補助用ヒートパイプ１４によって放熱
用ヒートパイプ１６に運び、この放熱用ヒートパイプ１
６を介してアルミ薄板から放熱する構成であるから、プ
リント基板１中に熱が滞留しにくくなり、発熱源からヒ
ートシンクまでの熱抵抗が小さく抑えられる。その結
果、ＣＰＵ４に対する冷却能力を従来に対して向上させ
ることができる。 【００２９】また、この具体例では、プリント基板１の
両側に設けた平板状ヒートパイプを２個のクリップ１
７，１８で挟み付けることによって、プリント基板１の
うちのＣＰＵ４を備えていない面に集熱用ヒートパイプ
１１を熱授受可能に取り付けた構成であって、プリント
基板１に対する固定用パーツや加工が不要とされるた
め、冷却構造全体をコンパクトでしかも簡単な構成とす
ることができる。 【００３０】なお、上記の具体例では、外装部材として
補助用ヒートパイプを備えた構成を例示したが、この発
明は上記実施例に限定されるものではなく、これに替え
て例えば銅製薄板を採用してもよい。 【００３１】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、基板の面うちの演算処理装置を備えていな
い面に、第一のヒートパイプが伝熱部材と熱授受可能に
配設されるとともに、基板の反対面に外装部材が演算処
理装置と熱授受可能に配設され、外装部材と前記第一の
ヒートパイプとの間でかつ基板の介在しない箇所に、放
熱用伝熱部材が第一のヒートパイプおよび外装部材に対
してそれぞれ熱授受可能に配設され、第一のヒートパイ
プと前記外装部材とが、これらの間に演算処理装置およ
び基板と放熱用伝熱部材とを挟み付けた状態で挟持部材
によって締め付けて固定されているから、簡単かつコン
パクトな構成でありながら、従来に比べて演算処理装置
に対する冷却能力の向上を図ることができる。したがっ
て、特にノート型パソコンの実装に適した電子素子の冷
却構造を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明にかかる一具体例を示す断面図であ
る。 【図２】構成パーツの配置関係を示す概略図である。 【図３】従来例を示す断面図である。 【符号の説明】 １…プリント基板、 ４…ＣＰＵ、 ９…ピン、 １１
…集熱用ヒートパイプ、 １４…補助用ヒートパイプ、
１６…放熱用ヒートパイプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 祐士 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式 会社フジクラ内 (72)発明者 長谷川 仁 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式 会社フジクラ内 (72)発明者 江口 勝夫 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式 会社フジクラ内 (56)参考文献 特開 平８−87348（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−86717（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−55411（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/427 H05K 7/20

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 電気回路を形成した基板の片面に、発熱
   源となる演算処理装置が装着されるとともに、その演算
   処理装置から延出しかつ前記電気回路に電気的に接続さ
   れた複数のリード線が、可撓性を有する絶縁性フィルム
   体によって一体に支持され、さらに、前記基板を厚さ方
   向に貫通する伝熱部材によって前記演算処理装置から生
   じる熱を基板の反対面に運ぶように構成された電子素子
   の冷却構造において、 前記基板の面うちの前記演算処理装置を備えていない面
   に、第一のヒートパイプが前記伝熱部材と熱授受可能に
   配設されるとともに、前記基板の面うちの前記演算処理
   装置を備えた面に、熱伝導率の高い実質的な剛体からな
   る外装部材が前記演算処理装置と熱授受可能に配設さ
   れ、かつ前記外装部材と前記第一のヒートパイプとの間
   でかつ前記基板の介在しない箇所に、放熱用伝熱部材が
   第一のヒートパイプおよび外装部材に対してそれぞれ熱
   授受可能に配設されるとともに、前記第一のヒートパイ
   プと前記外装部材とが、これら第一のヒートパイプと外
   装部材との間に前記演算処理装置および基板と放熱用伝
   熱部材とを挟み付けた状態で挟持部材によって締め付け
   て固定されていることを特徴とする電子素子の冷却構
   造。