JP3588601B2 - 冷却装置及びこの冷却装置を有する電子機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パッケージのような発熱体の放熱を促進させるための冷却装置、及びこの装置を搭載したポータブルコンピュータ等の電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータに代表される電子機器は、文字、音声、及び画像等のマルチメディア情報を処理するための半導体パッケージを装備している。この種の半導体パッケージは、処理速度の高速化や多機能化に伴って消費電力が増加の一途をたどり、これに比例して発熱量が増大する傾向にある。
【０００３】
電子機器の安定した動作を保証する上では、半導体パッケージの放熱性を高めるための冷却装置が必要不可欠となる。
【０００４】
従来の冷却装置には、半導体パッケージの発熱部であるＩＣチップとこれを覆うヒートシンクとの間にヒートスプレッダを配置したものがある。そのヒートスプレッダとＩＣチップとは第１熱接続層で熱的に接続され、ヒートシンクとヒートスプレッダとは第２熱接続層で熱的に接続されている。
【０００５】
第１、第２の熱接続層には、熱伝導性のシリコンゴムシート又はグリース、或いは熱硬化性の合成樹脂（シリコン系）接着剤が使用されている。これらの熱接続層の中には、その主材よりも熱伝導性が優れた金属又はセラミックのフィラーを混入して、熱伝導率を大きくしたものもある。
【０００６】
しかし、第１、第２の熱接続層の主材は合成樹脂成分である。そのため、前記のようにフィラーを混入しても、その熱伝導率の向上は、（１０〜１５）Ｗ／ｍ・Ｋ程度が限界であると考えられている。
【０００７】
又、ヒートスプレッダを用いないで半導体パッケージの熱をヒートシンクに放熱する構成において、半導体パッケージの発熱部とヒートシンクとを鉛はんだを用いて熱的に接続したものがある（特開平１０−１８９８３９号公報、及び特開２０００−１２７４８号公報参照）。
【０００８】
前記熱接続のために、特開平１０−１８９８３９号公報には、はんだボールを用いた例が記載され、特開２０００−１２７４８号公報には、はんだシートを用いた例が記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これらの技術では、熱接続層が金属であるので、この熱接続層での熱伝導率が大きく、半導体パッケージの放熱を促進するのに有利である。
【００１０】
しかし、前記金属の熱接続層は、鉛成分を含んだはんだ、つまり、鉛はんだで形成されている。鉛は人体の健康に対して有害であるため、製造面及びリサイクル面等における環境上好ましくない。
【００１１】
本発明の目的は、発熱体の放熱性能を高めることができるとともに、環境に悪影響を及ぼさない冷却装置及び電子機器を得ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を解決するために、請求項１に係る発明の冷却装置は、ベース基板及びこの基板より小さく前記ベース基板の一面に取付けられた発熱体よりなる半導体パッケージの前記発熱体より大きくこの発熱体を覆って配置されるヒートシンクと、前記発熱体より大きく形成されて前記ヒートシンクと前記発熱体との間に介在されるととともに、熱伝導性の接着剤を介して前記ベース基板に接着された縁を有するヒートスプレッダと、鉛成分を含まない錫合金からなり、前記ヒートスプレッダと前記発熱体とを熱的に接続するようにこれらを接合して、前記ヒートスプレッダと前記発熱体との間に介在され、かつ、前記接着剤の厚みより薄い接合金属部材と、前記ヒートスプレッダと前記ヒートシンクとの間に介在され、これらヒートスプレッダとヒートシンクとを熱的に接続する熱伝導部材と、を具備したことを特徴としている。
【００１３】
この発明は、ポータブル形又はディスクトップ形のコンピュータ等の電子機器が備える発熱する電子部品、例えばＣＰＵ等の半導体パッケージの冷却装置として好適に使用できる。又、請求項１の発明では、熱伝導部材に、熱伝導性に優れたシリコンゴムシート又はグリース、或いは熱硬化性の合成樹脂（シリコン系）接着剤、若しくは鉛成分を含まない接合金属部材等を使用できる。
【００１４】
請求項１の発明において、発熱体で生成された熱は、接合金属部材を通ってヒートスプレッダに伝えられるとともに、発熱体により加熱されるベース基板の熱は、接着剤を通ってヒートスプレッダに伝えられる。このスプレッダに伝えられた熱は、ヒートスプレッダ全体に拡散されながら熱伝導部材を通ってヒートシンクに伝えられる。このシンクに伝えられた熱は、このヒートシンクから放出される。このような放熱系において、発熱体の熱をヒートスプレッダに伝える媒体は接合金属部材であるので、その熱伝導率が大きい。そのため、発熱体とヒートスプレッダとの熱接続部分の熱抵抗が小さく抑えられて、発熱体の熱を効率よくヒートスプレッダに伝えることができる。
【００１５】
そして、以上のように効率よく熱を伝えられる放熱系においては、既述のように発熱体より大きいヒートスプレッダの全体にわたり熱を拡散させながら、この熱を熱伝導部材を経てヒートシンクに移すことができる。このため、ヒートスプレッダとヒートシンクとの熱接続部分では、単位面積当たりの熱移動量が小さく抑えられて、ヒートスプレッダとヒートシンクとの温度差を少なくできる。
【００１６】
以上のように発熱体の熱を接合金属部材により効率よくヒートスプレッダに伝えるとともに、このヒートスプレッダからヒートシンクに効率よく熱を移動させることができる。
【００１７】
そして、前記接合金属部材に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境への悪影響がない点で好ましい。
【００２２】
又、前記目的を達成するために、請求項２に係る発明の電子機器は、筐体と、この筐体に内蔵された回路基板と、ベース基板及びこのベース基板より小さく前記ベース基板の一面に取付けられた発熱するICチップを有して前記回路基板に実装された電子部品と、前記ICチップより大きくこのICチップを覆って配置されるヒートシンクと、前記ICチップより大きく形成されて前記ヒートシンクと前記ICチップとの間に介在されるとともに、熱伝導性の接着剤を介して前記ベース基板に接着された縁を有するヒートスプレッダと、鉛成分を含まない錫合金からなり、前記ヒートスプレッダと前記ICチップとの間に介在され、前記ヒートスプレッダと前記ICチップとを熱的に接続し、かつ、前記接着剤の厚みより薄い接合金属部材と、を具備したことを特徴としている。
【００２３】
請求項２の発明において、電子部品が有したICチップで生成された熱は、接合金属部材を通ってヒートシンクに直接的に伝えられるとともに、ICチップにより加熱されるベース基板の熱は、接着剤を通ってヒートスプレッダに伝えられて、ヒートシンクから放出される。このような放熱系において、発熱体の熱をヒートシンクに伝える媒体は接合金属部材であるので、その熱伝導率が大きい。そのため、発熱体とヒートシンクとの熱接続部分の熱抵抗が小さく抑えられて、発熱体の熱を効率よくヒートシンクに伝えることができる。
【００２４】
そして、前記接合金属部材に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境への悪影響がない点で好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
【００２６】
図１は電子機器としてのポータブル形のコンピュータ１を示している。このコンピュータ１は、コンピュータ本体２と、この本体２に支持されたディスプレイユニット３とを備えている。
【００２７】
コンピュータ本体２が備える筐体４は、図２に示すように底壁４ａ、上壁４ｂ、前壁４ｃ、左右の側壁４ｄ（図１に一方のみ図示）、及び図示しない後壁を有して扁平な箱状をなしている。
【００２８】
筐体４の上壁４ａは、パームレスト５及びこの後方に位置されるキーボード取付け部６を有している。キーボード取付け部６にキーボード７が設置されている。
【００２９】
ディスプレイユニット３は、ディスプレイハウジング９と、このハウジング９に収容された液晶表示パネル１０とを備えている。液晶表示パネル１０は、画像を表示する表示画面１０ａを有し、この画面１０ａは、ディスプレイハウジング９の前面の開口部１１に露出されている。
【００３０】
ディスプレイハウジング９は、上壁４ｂの後端部にヒンジ装置１２を介して連結されている。そのため、ディスプレイユニット３は、上壁４ｂを上方から覆うように倒される閉じ位置と、上壁４ｂ及び液晶表示パネル１０を露出させるように起立される開き位置とにわたって回動可能に支持されている。
【００３１】
図２に示すように筐体４の内部には回路基板１３が収容されている。回路基板１３は、筐体４の上壁４ｂ及びキーボード７と対向する実装面１３ａを有し、この面１３ａに発熱する電子部品として例えばボール・グリッド・アレー（ＢＧＡ）はんだ接続形の半導体パッケージ１４が実装されている。
【００３２】
半導体パッケージ１４は、コンピュータ１の中枢となるマイクロプロセッサを構成している。この半導体パッケージ１４は、図３に示すように矩形のベース基板１５と、発熱体としてのＩＣチップ１６とを有している。ベース基板１５の一辺の長さは３０ｍｍ前後である。ＩＣチップ１６はベース基板１５の中央部にフリップチップ接続により取付けられている
ＩＣチップ１６は、ベース基板１５より小さな矩形状をなし、その一辺の長さは１０ｍｍ前後である。このＩＣチップ１６が有する平坦な発熱面１６ａはベース基板１５の一面からわずかに突出されている。ＩＣチップ１６は、文字、音声、及び、画像のようなマルチメディア情報を高速で処理するために、その動作中の発熱量は非常に大きい。
【００３３】
ベース基板１５の他面には、多数のはんだボール１７（図４参照）が格子状に並べて配置されている。これらはんだボール１７は、回路基板１３の実装面１３ａにはんだ付けされている。はんだボール１７には、鉛成分を含まないないはんだ（いわゆる鉛フリーはんだ）を用いることが、環境上好ましい。
【００３４】
図２及び図４に示すように半導体パッケージ１４を冷却する冷却装置２１が収容されている。冷却装置２１は、放熱部２２と、電動ファン部２３とを備えて、回路基板１３と筐体４の上壁４ｂとの間に組込まれている。
【００３５】
放熱部２２は、ヒートシンク２４と、ヒートスプレッダ２５と、接合金属部材２６と、熱伝導部材２７とを備えている。
【００３６】
ヒートシンク２４は、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等のような熱伝導性に優れた金属製である。このヒートシンク２４は、ベース部２４ａとこれを上方向から覆ってベース部２４ａに連結された天板２４ｂとを有して、扁平な箱状をなしている。ベース部２４ａと天板２４ｂとは協働して冷却風路２８を形成している。この冷却風路２８の出口２８ａは、一方の側壁４に開口された排気口２９（図１及び図２参照）に近接して向かい合っている。
【００３７】
受熱部として用いられるベース部２４ａは矩形状をなし、その平面形状は半導体パッケージ１４よりも遥かに大きく形成されている。ベース部２４ａの天板２４ｂと対向する一面には複数の放熱フィン（１枚のみ代表して図示）２４ｃが一体に突設されている。各放熱フィン２４ｃは、互いに離間して平行に設けられ、かつ、ヒートシンク２４の長手方向（冷却風路２８での風の流れ方向）に延びて配置されている。
【００３８】
ヒートシンク２４のベース部２４ａは回路基板１３にねじ止めされている。この取付け状態でベース部２４ａは、実装面１３ａから所定距離隔てられていて、半導体パッケージ１４全体を、そのＩＣチップ１６側から覆って配置されている。
【００３９】
ヒートスプレッダ２５は、ヒートシンク２４と同種の金属材料製で、その厚みは数ｍｍである。このヒートスプレッダ２５は、平面視矩形状で、ヒートシンク２４のベース部２４ａより小さい。ヒートスプレッダ２５は、図３に示すように半導体パッケージ１４の外形サイズより小さく、かつ、ＩＣチップ１６より大きく形成されている。
【００４０】
図４（Ｂ）に示すようにヒートスプレッダ２５は、その厚み方向の一面からなる第１熱接続面２５ａと、厚み方向の他面からなる第２熱接続面２５ｂとを有している。第１、第２の熱接続面２５ａ、２５ｂの面積は前記発熱面１６ａの面積より遥かに大きい。これら熱接続面２５ａ、２５ｂは平滑に仕上げられている。
【００４１】
ヒートスプレッダ２５の縁２５ｃは図３及び図４に示すように第１熱接続面２５ａ側に折れ曲がっている。この縁２５ａはヒートスプレッダ２５の全周にわたって設けたが、互いに平行な２辺のみに設けてもよい。
【００４２】
このヒートスプレッダ２５は、半導体パッケージ１４とヒートシンク２４との間に介在されている。この配置において、第１熱接続面２５ａは半導体パッケージ１４側に位置し、第２熱接続面２５ｂはヒートシンク２４側に位置している。
【００４３】
ヒートスプレッダ２５は、半導体パッケージ１４を覆ってこのパッケージ１４に接合金属部材２６及び接着剤３０を用いて一体化されている。この一体化により、半導体パッケージ１４とヒートスプレッダ２５とを、電子機器１の組立て等において単一部品として取扱うことができる。
【００４４】
接合金属部材２６は、半導体パッケージ１４が有したＩＣチップ１６の発熱面１６ａとヒートスプレッダ２５の第１熱接続面２５ａとの間のクリアランスに介在されている。接着剤３０は、半導体パッケージ１４のベース基板１５とヒートスプレッダ２５の縁２５ｃとの間に介在されて、これらを接合している。
【００４５】
接合金属部材２６は、発熱面１６ａと第１熱接続面２５ａとを熱的に接続してＩＣチップ１６とヒートスプレッダ２５とを接合している。この接合金属部材２６は、鉛を含まない低融点金属、好適には、鉛フリーの錫合金で作られている。
【００４６】
接合金属部材２６は、はんだのような接合機能を有しており、その熱伝導率は３０Ｗ／ｍＫ前後と高い。この接合金属部材２６の融点は、鉛を含んだはんだの融点よりも少し高いが、２００℃前後と比較的低い。このように接合金属部材２６が低融点金属であるので、これを用いて接合を行なう際に、周囲部品の耐熱性も前記低融点に応じた程度でよい。そのため、前記接合において高温環境及び耐高温部品等を要求されないので、製造上での使い勝手がよい点で優れている。
【００４７】
接合金属部材２６は好ましい例として層状をなして前記接合をなしており、この接合金属層の厚みは熱抵抗をより小さくするために例えば０．１ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００４８】
前記接合金属部材２６をなす錫合金としては、錫（Ｓｎ）を主成分とするＳｎ−Ａｇ基合金、又は錫を主成分とするＳｎ−Ｚｎ基合金を好適に使用できる。
【００４９】
鉛を含まないＳｎ−Ａｇ基合金は、８０重量％以上９８重量％のＳｎと、２重量％以上１０重量％の銀（Ａｇ）とを含み、これに必要に応じて添加元素を混入したものである。添加元素としては、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）等を挙げることができる。
【００５０】
このＳｎ−Ａｇ基合金の具体例を以下に示す。
例１：Ｓｎ９６．５重量％、Ａｇ３重量％、 Ｃｕ０．５重量％
例２：Ｓｎ９３重量％、 Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ３重量％、Ｂｉ０．５重量％
例３：Ｓｎ９２重量％、 Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ４重量％、Ｂｉ０．５重量％
例４：Ｓｎ８８重量％、 Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ８重量％、Ｂｉ０．５重量％
例５：Ｓｎ９１．４重量％、Ａｇ３．２重量％、Ｉｎ２．７重量％、Ｂｉ２．７重量％
例６：Ｓｎ９３重量％、 Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ３重量％、Ｂｉ０．５重量％
又、鉛を含まないＳｎ−Ｚｎ基合金は、８０重量％以上９８重量％のＳｎと、２重量％以上１５重量％の亜鉛（Ｚｎ）とを含み、これに必要に応じて添加元素を混入したものである。添加元素としてはＢｉ等を挙げることができる。
【００５１】
このＳｎ−Ａｇ基合金の具体例を以下に示す。
例：Ｓｎ８９重量％、Ｚｎ８重量％、Ｂｉ３重量％
前記接着剤３０は、半導体パッケージ１４のベース基板１５に向けて折れ曲がったヒートスプレッダ２５の縁２５ｃと、ベース基板１５とを接着している。この接着剤３０には、熱伝導性に優れる接着材料、例えば熱硬化性のシリコン系接着剤を用いるとよい。
【００５２】
図４（Ａ）に示すようにベース基板１５と前記縁２５ｃとの間の距離Ａは、発熱面１６ａと第１熱接続面２５ａとの間のクリアランスＢより大きくなるように設定されている。そのため、層状をなした接合金属部材２６の厚みは接着剤３０の層よりも薄くなっている。この構成により、前記縁２５ｃがベース基板１５に当たって、第１熱接続面２５ａを発熱面１６ａに近接させることを妨げないようにできる。そのため、接合金属部材２６の厚みを既述のように０．１ｍｍ程度と極めて薄くすることが可能であり、この接合金属部材２６自体の熱抵抗をより小さくできる点で優れている。
【００５３】
前記熱伝導部材２７は、ヒートスプレッダ２５の第２熱接続面２５ｂとヒートシンク２４のベース部２４ａとの間のクリアランスに介在されている。回路基板１３へのヒートシンク２４のねじ止めに伴って熱伝導部材２７は、第２熱接続面２５ｂとベース部２４ａとに挟圧されて、これらに密接している。
【００５４】
熱伝導部材２７は第２熱接続面２５ｂと略同じ大きさの面積を有するように広がっていて、その面積は発熱面１６ａより遥かに大きい。この熱伝導部材２７の厚みは接合金属部材２６の厚みより厚い。熱伝導部材２７は、第２熱接続面２５ｂ及びベース部２４ａに密着して、ヒートスプレッダ２５とヒートシンク２４とを熱的に接続している。そのため、熱伝導部材２７を通して第２熱接続面２５ｂの熱がベース部２４ａに伝えられる。
【００５５】
合成樹脂成分を主材とする熱伝導部材２７の熱伝導率は、金属製のヒートスプレッダ２５及び接合金属部材２６の熱伝導率よりも小さい。なお、熱伝導部材２７での熱抵抗改善のために、この熱伝導部材２７の主材をなす合成樹脂成分にフィラーを混入することができる。フィラーには、前記主材の熱伝導率よりも熱伝導率が大きい金属又はセラミック等を用いればよい。このようにフィラーが混入された熱伝導部材２７を使用する場合には、その熱伝導率が大きくなる。そのため、ヒートスプレッダス２５からヒートシンク２４への熱移動がより容易となり、半導体パッケージ１４の放熱性を更に向上できる点で優れている。
【００５６】
熱伝導部材２７には、柔軟でかつ熱伝導性に優れたシリコンゴムシート又はグリースを好適に使用できる。シリコンゴムシート又はグリース製の熱伝導部材２７を用いることにより、半導体パッケージ１４より大きいヒートシンク２４を、ヒートスプレッダ２５に対して熱伝導部材２７を境に分離可能に設けることができる。
【００５７】
そのため、回路基板１３の検査をする場合には、ヒートシンク２４を分離して行なえる。よって、前記検査において、半導体パッケージ１４回りに検査プローブなどを接触させる際に、大形なヒートシンク２４が邪魔になることがない。又、半導体パッケージ１４に一体化されたヒートスプレッダ２５は、半導体パッケージ１４の外形サイズより小さく、このパッケージ１４の周囲にはみ出すことがない。そのため、このヒートスプレッダ２５も前記検査の際に邪魔となることがない。
【００５８】
しかも、シリコンゴムシート又はグリース製の熱伝導部材２７を用いたので、ヒートシンク２４の分離に際して高温を作用させる必要がなく、当然に再びヒートシンク２４を取付ける際にも高温を作用させる必要がない。そのため、前記検査等におけるヒートシンク２４のヒートスプレッダ２５に対する取付け・取外しを容易に行なえる。
【００５９】
図２に示すように前記電動ファン部２３は、ファンケーシング４１と、ファンモータ４２とを備えている。ファンモータ４２は、アウタロータ形の扁平モータ４２ａと、そのロータの外周面に突設した多数枚のファン４２ｂとから形成されている。このファンモータ４２は、半導体パッケージ１４の温度が動作保証温度を上回ると駆動される。
【００６０】
ファンケーシング４１は、中空の箱状をなして、ファンモータ４２を収容している。ファンケーシング４１は、冷却風路２８の上流端に連続してヒートシンク２４と一体化されている。このファンケーシング４１には、ファンモータ４２のファン４２ｂと対向して吸込み口４３が形成されている。
【００６１】
コンピュータ１の使用中に、半導体パッケージ１４の温度が予め定められた動作保証温度を超えると、ファンモータ４２が駆動される。すると、ファンモータ４２は、吸込み口４３から吸込んだ空気を、冷却風としてファンケーシング４１内から冷却風路２８に送り込む。この風は、放熱フィン２４ｃの周囲を通って、排気口２９から筐体４の外部に排出される。
【００６２】
前記冷却風は、冷却風路２８を流れる過程で、ヒートシンク２４を強制的に冷却する。そのため、以下説明するようにヒートシンク２４に放出される半導体パッケージ１４の放熱が促進される。
【００６３】
前記構成のコンピュータ１の使用中に発熱するＩＣチップ１６とヒートシンク２４との間には、ヒートスプレッダ２５が配置され、このヒートスプレッダ２５の第１熱接続面２５ａとＩＣチップ１６の発熱面１６ａとは、極めて薄い接合金属部材２６で金属接合されている。
【００６４】
接合金属部材２６の熱伝導率は３０Ｗ／ｍＫと熱伝導性のグリースに比較して遥かに高く、しかも、接合金属部材２６の厚みは０．１ｍｍ程度を薄く、それ自体の熱抵抗も小さい。このため、ＩＣチップ１６とヒートスプレッダ２５との熱接続部分の熱抵抗を、熱伝導性グリースで熱接続した場合に比較して、略１／１０以下と極めて小さくできる。したがって、ＩＣチップ１６で生成された熱を、接合金属部材２６を通じてヒートスプレッダ２５に効率よく伝えることができる。
【００６５】
又、ヒートスプレッダ２５と半導体パッケージ１４のベース基板１５とは、熱伝導性に優れた接着剤３０を介して熱的に接続されている。このため、ICチップ１６によって加熱されたベース基板１５の熱も、接着剤３０を通してヒートスプレッダ２５に伝えることができるので、ベース基板１５の温度上昇も抑制できる。
【００６６】
そして、ヒートスプレッダ２５の第１、第２の熱接続面２５ａ、２５ｂの面積は、ＩＣチップ１６の発熱面１６ａより遥かに大きく、かつ、ヒートスプレッダ２５の熱伝導率は熱伝導部材２７の熱伝導率より大きい。このため、ＩＣチップ１６からヒートスプレッダ２５に伝えられた熱は、ヒートスプレッダ２５の隅々にまで速やかに拡散される。こうしてヒートスプレッダ２５の全体にわたり拡散された熱は、第２熱接続面２５ｂとヒートシンク２４とを熱接続している熱伝導部材２７を通ってヒートシンク２４に伝えられ、このヒートシンク２４から周囲に放出される。
【００６７】
このようにヒートスプレッダ２５とヒートシンク２４との熱接続部分では、熱接続に必要な面積を充分に大きく確保しているから、単位面積当たりの熱移動量が小さく抑えられる。よって、熱伝導部材２７が接合金属部材２６に比較して厚いにも拘わらず、ヒートスプレッダ２５とヒートシンク２４との温度差を小さくできる。
【００６８】
以上のような放熱系によって、ＩＣチップ１６の熱を、接合金属部材２６により効率よくヒートスプレッダ２５に伝えるとともに、このヒートスプレッダ２５からヒートシンク２４に効率よく熱を移動させることができる。それにより、ＩＣチップ１６の放熱性能を高めて、その温度上昇を抑制できるとともに、この抑制によってコンピュータ１の安定した動作を保証できる。
【００６９】
前記放熱系では、接合金属部材２６に鉛成分を含まない鉛フリーはんだ等の錫合金を用いて、既述のようにＩＣチップ１６の熱を速やかに高効率でヒートスプレッダ２５に移動させている。このように接合金属部材２６が、人体の健康に対して有害な鉛を含んでいないので、製造面及びリサイクル面等における環境への悪影響がない点で好ましい。
【００７０】
又、錫を主成分とする合金からなる接合金属部材２６を採用したことにより、この接合金属部材２６の融点を低く抑制できる。そのため、半導体パッケージ１４にヒートスプレッダ２５を金属接合するに際して、かなり高い高温を作用させる必要がないので、製造上好ましい。
【００７１】
しかも、接合金属部材２６の主成分をなす錫は、その入手が容易かつ低コストである。よって、接合金属部材２６のコストが廉価である点でも優れている。
【００７２】
図５および図６は本発明の第２実施形態を示している。この実施形態は基本的には第１実施形態と同様な構成であるので、同様構成部分には第１実施形態と同じ符号を付して、その構成および作用の説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なる部分は、冷却装置２１の放熱部２２である。
【００７３】
この第２実施形態において放熱部２２は、ヒートシンク２４と接合金属部材２６とを備えて形成され、第１実施形態で使用したヒートスプレッダ及び熱伝導部材は省略されている。そして、接合金属部材２６は、ＩＣチップ１６とヒートシンク２４のベース部２４ａとの間にわずかなクリアランスに介在されて、これらを熱的に接続して設けられている。つまり、層状の接合金属部材２６を介してＩＣチップ１６とヒートシンク２４とは直接的に接合されている。なお、以上の点以外の構成は、図５及び図６に示されない構成を含めて、第１実施形態と同様である。
【００７４】
このような構成においては、発熱体としてのＩＣチップ１６で生成された熱を、接合金属部材２６を通してヒートシンク２４に直接的に伝えて、このヒートシンク２４から放出させることができる。
【００７５】
この放熱系において、ＩＣチップ１６とヒートシンク２４とを金属接合した接合金属部材２６は、その厚みが０．１ｍｍ程度と薄く、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫと極めて高い。そのため、ＩＣチップ１６とヒートシンク２４との熱接続部分の熱抵抗が小さく抑えられ、ＩＣチップ１６の熱を効率よくヒートシンク２４に伝えて放熱できる。したがって、ＩＣチップ１６の放熱性能を高めて、その温度上昇を抑制できるとともに、この抑制によってコンピュータ１の安定した動作を保証することができる。
【００７６】
そして、接合金属部材２６に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境への悪影響がない点で好ましい。さらに、この接合金属部材２６の融点を低く抑制でき、しかも、接合金属部材２６のコストが廉価である点でも優れている。
【００７７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００７８】
本発明の冷却装置によれば、発熱体の熱が接合金属部材を経て効率よくヒートスプレッダに伝わるとともに、発熱体によって加熱されたベース基板の熱が接着剤を通してヒートスプレッダに伝わり、このヒートスプレッダからヒートシンクに効率よく熱を移動させるので、発熱体の放熱性能を高めることができるとともに、前記接合金属部材に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境に悪影響を及ぼさない点で優れている。
【００８０】
又、本発明の電子機器によれば、発熱する IC チップの熱が接合金属部材を通して効率よくヒートシンクに伝わるとともに、 IC チップによって加熱されたベース基板の熱が接着剤を通してヒートスプレッダに伝わるので、発熱体の放熱性能を高めることができるとともに、前記接合金属部材に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境に悪影響を及ぼさない点で優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電子機器を示す斜視図。
【図２】図１の電子機器の一部を示す断面図。
【図３】図１の電子機器が備える半導体パッケージとヒートスプレッダとの関係を示す斜視図。
【図４】（Ａ）は図１の電子機器が備える冷却装置の放熱部を示す断面図。
（Ｂ）は図１の電子機器が備える半導体パッケージ、ヒートスプレッダ、及びヒートシンクを互いに分離した状態で示す断面図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電子機器の一部を示す断面図。
【図６】図５の電子機器が備える冷却装置の放熱部示す断面図。
【符号の説明】
１…コンピュータ（電子機器）
４…筐体
１３…回路基板
１４…半導体パッケージ（電子部品）
１５…ベース基板
１６…ＩＣチップ（発熱体）
２１…冷却装置
２２…放熱部
２４…ヒートシンク
２５…ヒートスプレッダ
２５ａ…ヒートスプレッダの縁
２６…接合金属部材
２７…熱伝導部材
３０…接着剤
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パッケージのような発熱体の放熱を促進させるための冷却装置、及びこの装置を搭載したポータブルコンピュータ等の電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータに代表される電子機器は、文字、音声、及び画像等のマルチメディア情報を処理するための半導体パッケージを装備している。この種の半導体パッケージは、処理速度の高速化や多機能化に伴って消費電力が増加の一途をたどり、これに比例して発熱量が増大する傾向にある。
【０００３】
電子機器の安定した動作を保証する上では、半導体パッケージの放熱性を高めるための冷却装置が必要不可欠となる。
【０００４】
従来の冷却装置には、半導体パッケージの発熱部であるＩＣチップとこれを覆うヒートシンクとの間にヒートスプレッダを配置したものがある。そのヒートスプレッダとＩＣチップとは第１熱接続層で熱的に接続され、ヒートシンクとヒートスプレッダとは第２熱接続層で熱的に接続されている。
【０００５】
第１、第２の熱接続層には、熱伝導性のシリコンゴムシート又はグリース、或いは熱硬化性の合成樹脂（シリコン系）接着剤が使用されている。これらの熱接続層の中には、その主材よりも熱伝導性が優れた金属又はセラミックのフィラーを混入して、熱伝導率を大きくしたものもある。
【０００６】
しかし、第１、第２の熱接続層の主材は合成樹脂成分である。そのため、前記のようにフィラーを混入しても、その熱伝導率の向上は、（１０〜１５）Ｗ／ｍ・Ｋ程度が限界であると考えられている。
【０００７】
又、ヒートスプレッダを用いないで半導体パッケージの熱をヒートシンクに放熱する構成において、半導体パッケージの発熱部とヒートシンクとを鉛はんだを用いて熱的に接続したものがある（特開平１０−１８９８３９号公報、及び特開２０００−１２７４８号公報参照）。
【０００８】
前記熱接続のために、特開平１０−１８９８３９号公報には、はんだボールを用いた例が記載され、特開２０００−１２７４８号公報には、はんだシートを用いた例が記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これらの技術では、熱接続層が金属であるので、この熱接続層での熱伝導率が大きく、半導体パッケージの放熱を促進するのに有利である。
【００１０】
しかし、前記金属の熱接続層は、鉛成分を含んだはんだ、つまり、鉛はんだで形成されている。鉛は人体の健康に対して有害であるため、製造面及びリサイクル面等における環境上好ましくない。
【００１１】
本発明の目的は、発熱体の放熱性能を高めることができるとともに、環境に悪影響を及ぼさない冷却装置及び電子機器を得ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を解決するために、請求項１に係る発明の冷却装置は、ベース基板及びこの基板より小さく前記ベース基板の一面に取付けられた発熱体よりなる半導体パッケージの前記発熱体より大きくこの発熱体を覆って配置されるヒートシンクと、前記発熱体より大きく形成されて前記ヒートシンクと前記発熱体との間に介在されるととともに、熱伝導性の接着剤を介して前記ベース基板に接着された縁を有するヒートスプレッダと、鉛成分を含まない錫合金からなり、前記ヒートスプレッダと前記発熱体とを熱的に接続するようにこれらを接合して、前記ヒートスプレッダと前記発熱体との間に介在され、かつ、前記接着剤の厚みより薄い接合金属部材と、前記ヒートスプレッダと前記ヒートシンクとの間に介在され、これらヒートスプレッダとヒートシンクとを熱的に接続する熱伝導部材と、を具備したことを特徴としている。
【００１３】
この発明は、ポータブル形又はディスクトップ形のコンピュータ等の電子機器が備える発熱する電子部品、例えばＣＰＵ等の半導体パッケージの冷却装置として好適に使用できる。又、請求項１の発明では、熱伝導部材に、熱伝導性に優れたシリコンゴムシート又はグリース、或いは熱硬化性の合成樹脂（シリコン系）接着剤、若しくは鉛成分を含まない接合金属部材等を使用できる。
【００１４】
請求項１の発明において、発熱体で生成された熱は、接合金属部材を通ってヒートスプレッダに伝えられるとともに、発熱体により加熱されるベース基板の熱は、接着剤を通ってヒートスプレッダに伝えられる。このスプレッダに伝えられた熱は、ヒートスプレッダ全体に拡散されながら熱伝導部材を通ってヒートシンクに伝えられる。このシンクに伝えられた熱は、このヒートシンクから放出される。このような放熱系において、発熱体の熱をヒートスプレッダに伝える媒体は接合金属部材であるので、その熱伝導率が大きい。そのため、発熱体とヒートスプレッダとの熱接続部分の熱抵抗が小さく抑えられて、発熱体の熱を効率よくヒートスプレッダに伝えることができる。
【００１５】
そして、以上のように効率よく熱を伝えられる放熱系においては、既述のように発熱体より大きいヒートスプレッダの全体にわたり熱を拡散させながら、この熱を熱伝導部材を経てヒートシンクに移すことができる。このため、ヒートスプレッダとヒートシンクとの熱接続部分では、単位面積当たりの熱移動量が小さく抑えられて、ヒートスプレッダとヒートシンクとの温度差を少なくできる。
【００１６】
以上のように発熱体の熱を接合金属部材により効率よくヒートスプレッダに伝えるとともに、このヒートスプレッダからヒートシンクに効率よく熱を移動させることができる。
【００１７】
そして、前記接合金属部材に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境への悪影響がない点で好ましい。
【００２２】
又、前記目的を達成するために、請求項２に係る発明の電子機器は、筐体と、この筐体に内蔵された回路基板と、ベース基板及びこのベース基板より小さく前記ベース基板の一面に取付けられた発熱するICチップを有して前記回路基板に実装された電子部品と、前記ICチップより大きくこのICチップを覆って配置されるヒートシンクと、前記ICチップより大きく形成されて前記ヒートシンクと前記ICチップとの間に介在されるとともに、熱伝導性の接着剤を介して前記ベース基板に接着された縁を有するヒートスプレッダと、鉛成分を含まない錫合金からなり、前記ヒートスプレッダと前記ICチップとの間に介在され、前記ヒートスプレッダと前記ICチップとを熱的に接続し、かつ、前記接着剤の厚みより薄い接合金属部材と、を具備したことを特徴としている。
【００２３】
請求項２の発明において、電子部品が有したICチップで生成された熱は、接合金属部材を通ってヒートシンクに直接的に伝えられるとともに、ICチップにより加熱されるベース基板の熱は、接着剤を通ってヒートスプレッダに伝えられて、ヒートシンクから放出される。このような放熱系において、発熱体の熱をヒートシンクに伝える媒体は接合金属部材であるので、その熱伝導率が大きい。そのため、発熱体とヒートシンクとの熱接続部分の熱抵抗が小さく抑えられて、発熱体の熱を効率よくヒートシンクに伝えることができる。
【００２４】
そして、前記接合金属部材に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境への悪影響がない点で好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
【００２６】
図１は電子機器としてのポータブル形のコンピュータ１を示している。このコンピュータ１は、コンピュータ本体２と、この本体２に支持されたディスプレイユニット３とを備えている。
【００２７】
コンピュータ本体２が備える筐体４は、図２に示すように底壁４ａ、上壁４ｂ、前壁４ｃ、左右の側壁４ｄ（図１に一方のみ図示）、及び図示しない後壁を有して扁平な箱状をなしている。
【００２８】
筐体４の上壁４ａは、パームレスト５及びこの後方に位置されるキーボード取付け部６を有している。キーボード取付け部６にキーボード７が設置されている。
【００２９】
ディスプレイユニット３は、ディスプレイハウジング９と、このハウジング９に収容された液晶表示パネル１０とを備えている。液晶表示パネル１０は、画像を表示する表示画面１０ａを有し、この画面１０ａは、ディスプレイハウジング９の前面の開口部１１に露出されている。
【００３０】
ディスプレイハウジング９は、上壁４ｂの後端部にヒンジ装置１２を介して連結されている。そのため、ディスプレイユニット３は、上壁４ｂを上方から覆うように倒される閉じ位置と、上壁４ｂ及び液晶表示パネル１０を露出させるように起立される開き位置とにわたって回動可能に支持されている。
【００３１】
図２に示すように筐体４の内部には回路基板１３が収容されている。回路基板１３は、筐体４の上壁４ｂ及びキーボード７と対向する実装面１３ａを有し、この面１３ａに発熱する電子部品として例えばボール・グリッド・アレー（ＢＧＡ）はんだ接続形の半導体パッケージ１４が実装されている。
【００３２】
半導体パッケージ１４は、コンピュータ１の中枢となるマイクロプロセッサを構成している。この半導体パッケージ１４は、図３に示すように矩形のベース基板１５と、発熱体としてのＩＣチップ１６とを有している。ベース基板１５の一辺の長さは３０ｍｍ前後である。ＩＣチップ１６はベース基板１５の中央部にフリップチップ接続により取付けられている
ＩＣチップ１６は、ベース基板１５より小さな矩形状をなし、その一辺の長さは１０ｍｍ前後である。このＩＣチップ１６が有する平坦な発熱面１６ａはベース基板１５の一面からわずかに突出されている。ＩＣチップ１６は、文字、音声、及び、画像のようなマルチメディア情報を高速で処理するために、その動作中の発熱量は非常に大きい。
【００３３】
ベース基板１５の他面には、多数のはんだボール１７（図４参照）が格子状に並べて配置されている。これらはんだボール１７は、回路基板１３の実装面１３ａにはんだ付けされている。はんだボール１７には、鉛成分を含まないないはんだ（いわゆる鉛フリーはんだ）を用いることが、環境上好ましい。
【００３４】
図２及び図４に示すように半導体パッケージ１４を冷却する冷却装置２１が収容されている。冷却装置２１は、放熱部２２と、電動ファン部２３とを備えて、回路基板１３と筐体４の上壁４ｂとの間に組込まれている。
【００３５】
放熱部２２は、ヒートシンク２４と、ヒートスプレッダ２５と、接合金属部材２６と、熱伝導部材２７とを備えている。
【００３６】
ヒートシンク２４は、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等のような熱伝導性に優れた金属製である。このヒートシンク２４は、ベース部２４ａとこれを上方向から覆ってベース部２４ａに連結された天板２４ｂとを有して、扁平な箱状をなしている。ベース部２４ａと天板２４ｂとは協働して冷却風路２８を形成している。この冷却風路２８の出口２８ａは、一方の側壁４に開口された排気口２９（図１及び図２参照）に近接して向かい合っている。
【００３７】
受熱部として用いられるベース部２４ａは矩形状をなし、その平面形状は半導体パッケージ１４よりも遥かに大きく形成されている。ベース部２４ａの天板２４ｂと対向する一面には複数の放熱フィン（１枚のみ代表して図示）２４ｃが一体に突設されている。各放熱フィン２４ｃは、互いに離間して平行に設けられ、かつ、ヒートシンク２４の長手方向（冷却風路２８での風の流れ方向）に延びて配置されている。
【００３８】
ヒートシンク２４のベース部２４ａは回路基板１３にねじ止めされている。この取付け状態でベース部２４ａは、実装面１３ａから所定距離隔てられていて、半導体パッケージ１４全体を、そのＩＣチップ１６側から覆って配置されている。
【００３９】
ヒートスプレッダ２５は、ヒートシンク２４と同種の金属材料製で、その厚みは数ｍｍである。このヒートスプレッダ２５は、平面視矩形状で、ヒートシンク２４のベース部２４ａより小さい。ヒートスプレッダ２５は、図３に示すように半導体パッケージ１４の外形サイズより小さく、かつ、ＩＣチップ１６より大きく形成されている。
【００４０】
図４（Ｂ）に示すようにヒートスプレッダ２５は、その厚み方向の一面からなる第１熱接続面２５ａと、厚み方向の他面からなる第２熱接続面２５ｂとを有している。第１、第２の熱接続面２５ａ、２５ｂの面積は前記発熱面１６ａの面積より遥かに大きい。これら熱接続面２５ａ、２５ｂは平滑に仕上げられている。
【００４１】
ヒートスプレッダ２５の縁２５ｃは図３及び図４に示すように第１熱接続面２５ａ側に折れ曲がっている。この縁２５ａはヒートスプレッダ２５の全周にわたって設けたが、互いに平行な２辺のみに設けてもよい。
【００４２】
このヒートスプレッダ２５は、半導体パッケージ１４とヒートシンク２４との間に介在されている。この配置において、第１熱接続面２５ａは半導体パッケージ１４側に位置し、第２熱接続面２５ｂはヒートシンク２４側に位置している。
【００４３】
ヒートスプレッダ２５は、半導体パッケージ１４を覆ってこのパッケージ１４に接合金属部材２６及び接着剤３０を用いて一体化されている。この一体化により、半導体パッケージ１４とヒートスプレッダ２５とを、電子機器１の組立て等において単一部品として取扱うことができる。
【００４４】
接合金属部材２６は、半導体パッケージ１４が有したＩＣチップ１６の発熱面１６ａとヒートスプレッダ２５の第１熱接続面２５ａとの間のクリアランスに介在されている。接着剤３０は、半導体パッケージ１４のベース基板１５とヒートスプレッダ２５の縁２５ｃとの間に介在されて、これらを接合している。
【００４５】
接合金属部材２６は、発熱面１６ａと第１熱接続面２５ａとを熱的に接続してＩＣチップ１６とヒートスプレッダ２５とを接合している。この接合金属部材２６は、鉛を含まない低融点金属、好適には、鉛フリーの錫合金で作られている。
【００４６】
接合金属部材２６は、はんだのような接合機能を有しており、その熱伝導率は３０Ｗ／ｍＫ前後と高い。この接合金属部材２６の融点は、鉛を含んだはんだの融点よりも少し高いが、２００℃前後と比較的低い。このように接合金属部材２６が低融点金属であるので、これを用いて接合を行なう際に、周囲部品の耐熱性も前記低融点に応じた程度でよい。そのため、前記接合において高温環境及び耐高温部品等を要求されないので、製造上での使い勝手がよい点で優れている。
【００４７】
接合金属部材２６は好ましい例として層状をなして前記接合をなしており、この接合金属層の厚みは熱抵抗をより小さくするために例えば０．１ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００４８】
前記接合金属部材２６をなす錫合金としては、錫（Ｓｎ）を主成分とするＳｎ−Ａｇ基合金、又は錫を主成分とするＳｎ−Ｚｎ基合金を好適に使用できる。
【００４９】
鉛を含まないＳｎ−Ａｇ基合金は、８０重量％以上９８重量％のＳｎと、２重量％以上１０重量％の銀（Ａｇ）とを含み、これに必要に応じて添加元素を混入したものである。添加元素としては、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）等を挙げることができる。
【００５０】
このＳｎ−Ａｇ基合金の具体例を以下に示す。
例１：Ｓｎ９６．５重量％、Ａｇ３重量％、 Ｃｕ０．５重量％
例２：Ｓｎ９３重量％、 Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ３重量％、Ｂｉ０．５重量％
例３：Ｓｎ９２重量％、 Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ４重量％、Ｂｉ０．５重量％
例４：Ｓｎ８８重量％、 Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ８重量％、Ｂｉ０．５重量％
例５：Ｓｎ９１．４重量％、Ａｇ３．２重量％、Ｉｎ２．７重量％、Ｂｉ２．７重量％
例６：Ｓｎ９３重量％、 Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ３重量％、Ｂｉ０．５重量％
又、鉛を含まないＳｎ−Ｚｎ基合金は、８０重量％以上９８重量％のＳｎと、２重量％以上１５重量％の亜鉛（Ｚｎ）とを含み、これに必要に応じて添加元素を混入したものである。添加元素としてはＢｉ等を挙げることができる。
【００５１】
このＳｎ−Ａｇ基合金の具体例を以下に示す。
例：Ｓｎ８９重量％、Ｚｎ８重量％、Ｂｉ３重量％
前記接着剤３０は、半導体パッケージ１４のベース基板１５に向けて折れ曲がったヒートスプレッダ２５の縁２５ｃと、ベース基板１５とを接着している。この接着剤３０には、熱伝導性に優れる接着材料、例えば熱硬化性のシリコン系接着剤を用いるとよい。
【００５２】
図４（Ａ）に示すようにベース基板１５と前記縁２５ｃとの間の距離Ａは、発熱面１６ａと第１熱接続面２５ａとの間のクリアランスＢより大きくなるように設定されている。そのため、層状をなした接合金属部材２６の厚みは接着剤３０の層よりも薄くなっている。この構成により、前記縁２５ｃがベース基板１５に当たって、第１熱接続面２５ａを発熱面１６ａに近接させることを妨げないようにできる。そのため、接合金属部材２６の厚みを既述のように０．１ｍｍ程度と極めて薄くすることが可能であり、この接合金属部材２６自体の熱抵抗をより小さくできる点で優れている。
【００５３】
前記熱伝導部材２７は、ヒートスプレッダ２５の第２熱接続面２５ｂとヒートシンク２４のベース部２４ａとの間のクリアランスに介在されている。回路基板１３へのヒートシンク２４のねじ止めに伴って熱伝導部材２７は、第２熱接続面２５ｂとベース部２４ａとに挟圧されて、これらに密接している。
【００５４】
熱伝導部材２７は第２熱接続面２５ｂと略同じ大きさの面積を有するように広がっていて、その面積は発熱面１６ａより遥かに大きい。この熱伝導部材２７の厚みは接合金属部材２６の厚みより厚い。熱伝導部材２７は、第２熱接続面２５ｂ及びベース部２４ａに密着して、ヒートスプレッダ２５とヒートシンク２４とを熱的に接続している。そのため、熱伝導部材２７を通して第２熱接続面２５ｂの熱がベース部２４ａに伝えられる。
【００５５】
合成樹脂成分を主材とする熱伝導部材２７の熱伝導率は、金属製のヒートスプレッダ２５及び接合金属部材２６の熱伝導率よりも小さい。なお、熱伝導部材２７での熱抵抗改善のために、この熱伝導部材２７の主材をなす合成樹脂成分にフィラーを混入することができる。フィラーには、前記主材の熱伝導率よりも熱伝導率が大きい金属又はセラミック等を用いればよい。このようにフィラーが混入された熱伝導部材２７を使用する場合には、その熱伝導率が大きくなる。そのため、ヒートスプレッダス２５からヒートシンク２４への熱移動がより容易となり、半導体パッケージ１４の放熱性を更に向上できる点で優れている。
【００５６】
熱伝導部材２７には、柔軟でかつ熱伝導性に優れたシリコンゴムシート又はグリースを好適に使用できる。シリコンゴムシート又はグリース製の熱伝導部材２７を用いることにより、半導体パッケージ１４より大きいヒートシンク２４を、ヒートスプレッダ２５に対して熱伝導部材２７を境に分離可能に設けることができる。
【００５７】
そのため、回路基板１３の検査をする場合には、ヒートシンク２４を分離して行なえる。よって、前記検査において、半導体パッケージ１４回りに検査プローブなどを接触させる際に、大形なヒートシンク２４が邪魔になることがない。又、半導体パッケージ１４に一体化されたヒートスプレッダ２５は、半導体パッケージ１４の外形サイズより小さく、このパッケージ１４の周囲にはみ出すことがない。そのため、このヒートスプレッダ２５も前記検査の際に邪魔となることがない。
【００５８】
しかも、シリコンゴムシート又はグリース製の熱伝導部材２７を用いたので、ヒートシンク２４の分離に際して高温を作用させる必要がなく、当然に再びヒートシンク２４を取付ける際にも高温を作用させる必要がない。そのため、前記検査等におけるヒートシンク２４のヒートスプレッダ２５に対する取付け・取外しを容易に行なえる。
【００５９】
図２に示すように前記電動ファン部２３は、ファンケーシング４１と、ファンモータ４２とを備えている。ファンモータ４２は、アウタロータ形の扁平モータ４２ａと、そのロータの外周面に突設した多数枚のファン４２ｂとから形成されている。このファンモータ４２は、半導体パッケージ１４の温度が動作保証温度を上回ると駆動される。
【００６０】
ファンケーシング４１は、中空の箱状をなして、ファンモータ４２を収容している。ファンケーシング４１は、冷却風路２８の上流端に連続してヒートシンク２４と一体化されている。このファンケーシング４１には、ファンモータ４２のファン４２ｂと対向して吸込み口４３が形成されている。
【００６１】
コンピュータ１の使用中に、半導体パッケージ１４の温度が予め定められた動作保証温度を超えると、ファンモータ４２が駆動される。すると、ファンモータ４２は、吸込み口４３から吸込んだ空気を、冷却風としてファンケーシング４１内から冷却風路２８に送り込む。この風は、放熱フィン２４ｃの周囲を通って、排気口２９から筐体４の外部に排出される。
【００６２】
前記冷却風は、冷却風路２８を流れる過程で、ヒートシンク２４を強制的に冷却する。そのため、以下説明するようにヒートシンク２４に放出される半導体パッケージ１４の放熱が促進される。
【００６３】
前記構成のコンピュータ１の使用中に発熱するＩＣチップ１６とヒートシンク２４との間には、ヒートスプレッダ２５が配置され、このヒートスプレッダ２５の第１熱接続面２５ａとＩＣチップ１６の発熱面１６ａとは、極めて薄い接合金属部材２６で金属接合されている。
【００６４】
接合金属部材２６の熱伝導率は３０Ｗ／ｍＫと熱伝導性のグリースに比較して遥かに高く、しかも、接合金属部材２６の厚みは０．１ｍｍ程度を薄く、それ自体の熱抵抗も小さい。このため、ＩＣチップ１６とヒートスプレッダ２５との熱接続部分の熱抵抗を、熱伝導性グリースで熱接続した場合に比較して、略１／１０以下と極めて小さくできる。したがって、ＩＣチップ１６で生成された熱を、接合金属部材２６を通じてヒートスプレッダ２５に効率よく伝えることができる。
【００６５】
又、ヒートスプレッダ２５と半導体パッケージ１４のベース基板１５とは、熱伝導性に優れた接着剤３０を介して熱的に接続されている。このため、ICチップ１６によって加熱されたベース基板１５の熱も、接着剤３０を通してヒートスプレッダ２５に伝えることができるので、ベース基板１５の温度上昇も抑制できる。
【００６６】
そして、ヒートスプレッダ２５の第１、第２の熱接続面２５ａ、２５ｂの面積は、ＩＣチップ１６の発熱面１６ａより遥かに大きく、かつ、ヒートスプレッダ２５の熱伝導率は熱伝導部材２７の熱伝導率より大きい。このため、ＩＣチップ１６からヒートスプレッダ２５に伝えられた熱は、ヒートスプレッダ２５の隅々にまで速やかに拡散される。こうしてヒートスプレッダ２５の全体にわたり拡散された熱は、第２熱接続面２５ｂとヒートシンク２４とを熱接続している熱伝導部材２７を通ってヒートシンク２４に伝えられ、このヒートシンク２４から周囲に放出される。
【００６７】
このようにヒートスプレッダ２５とヒートシンク２４との熱接続部分では、熱接続に必要な面積を充分に大きく確保しているから、単位面積当たりの熱移動量が小さく抑えられる。よって、熱伝導部材２７が接合金属部材２６に比較して厚いにも拘わらず、ヒートスプレッダ２５とヒートシンク２４との温度差を小さくできる。
【００６８】
以上のような放熱系によって、ＩＣチップ１６の熱を、接合金属部材２６により効率よくヒートスプレッダ２５に伝えるとともに、このヒートスプレッダ２５からヒートシンク２４に効率よく熱を移動させることができる。それにより、ＩＣチップ１６の放熱性能を高めて、その温度上昇を抑制できるとともに、この抑制によってコンピュータ１の安定した動作を保証できる。
【００６９】
前記放熱系では、接合金属部材２６に鉛成分を含まない鉛フリーはんだ等の錫合金を用いて、既述のようにＩＣチップ１６の熱を速やかに高効率でヒートスプレッダ２５に移動させている。このように接合金属部材２６が、人体の健康に対して有害な鉛を含んでいないので、製造面及びリサイクル面等における環境への悪影響がない点で好ましい。
【００７０】
又、錫を主成分とする合金からなる接合金属部材２６を採用したことにより、この接合金属部材２６の融点を低く抑制できる。そのため、半導体パッケージ１４にヒートスプレッダ２５を金属接合するに際して、かなり高い高温を作用させる必要がないので、製造上好ましい。
【００７１】
しかも、接合金属部材２６の主成分をなす錫は、その入手が容易かつ低コストである。よって、接合金属部材２６のコストが廉価である点でも優れている。
【００７２】
図５および図６は本発明の第２実施形態を示している。この実施形態は基本的には第１実施形態と同様な構成であるので、同様構成部分には第１実施形態と同じ符号を付して、その構成および作用の説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なる部分は、冷却装置２１の放熱部２２である。
【００７３】
この第２実施形態において放熱部２２は、ヒートシンク２４と接合金属部材２６とを備えて形成され、第１実施形態で使用したヒートスプレッダ及び熱伝導部材は省略されている。そして、接合金属部材２６は、ＩＣチップ１６とヒートシンク２４のベース部２４ａとの間にわずかなクリアランスに介在されて、これらを熱的に接続して設けられている。つまり、層状の接合金属部材２６を介してＩＣチップ１６とヒートシンク２４とは直接的に接合されている。なお、以上の点以外の構成は、図５及び図６に示されない構成を含めて、第１実施形態と同様である。
【００７４】
このような構成においては、発熱体としてのＩＣチップ１６で生成された熱を、接合金属部材２６を通してヒートシンク２４に直接的に伝えて、このヒートシンク２４から放出させることができる。
【００７５】
この放熱系において、ＩＣチップ１６とヒートシンク２４とを金属接合した接合金属部材２６は、その厚みが０．１ｍｍ程度と薄く、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫと極めて高い。そのため、ＩＣチップ１６とヒートシンク２４との熱接続部分の熱抵抗が小さく抑えられ、ＩＣチップ１６の熱を効率よくヒートシンク２４に伝えて放熱できる。したがって、ＩＣチップ１６の放熱性能を高めて、その温度上昇を抑制できるとともに、この抑制によってコンピュータ１の安定した動作を保証することができる。
【００７６】
そして、接合金属部材２６に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境への悪影響がない点で好ましい。さらに、この接合金属部材２６の融点を低く抑制でき、しかも、接合金属部材２６のコストが廉価である点でも優れている。
【００７７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００７８】
本発明の冷却装置によれば、発熱体の熱が接合金属部材を経て効率よくヒートスプレッダに伝わるとともに、発熱体によって加熱されたベース基板の熱が接着剤を通してヒートスプレッダに伝わり、このヒートスプレッダからヒートシンクに効率よく熱を移動させるので、発熱体の放熱性能を高めることができるとともに、前記接合金属部材に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境に悪影響を及ぼさない点で優れている。
【００８０】
又、本発明の電子機器によれば、発熱する IC チップの熱が接合金属部材を通して効率よくヒートシンクに伝わるとともに、 IC チップによって加熱されたベース基板の熱が接着剤を通してヒートスプレッダに伝わるので、発熱体の放熱性能を高めることができるとともに、前記接合金属部材に鉛成分を含まない錫合金を用いたので、環境に悪影響を及ぼさない点で優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電子機器を示す斜視図。
【図２】図１の電子機器の一部を示す断面図。
【図３】図１の電子機器が備える半導体パッケージとヒートスプレッダとの関係を示す斜視図。
【図４】（Ａ）は図１の電子機器が備える冷却装置の放熱部を示す断面図。
（Ｂ）は図１の電子機器が備える半導体パッケージ、ヒートスプレッダ、及びヒートシンクを互いに分離した状態で示す断面図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電子機器の一部を示す断面図。
【図６】図５の電子機器が備える冷却装置の放熱部示す断面図。
【符号の説明】
１…コンピュータ（電子機器）
４…筐体
１３…回路基板
１４…半導体パッケージ（電子部品）
１５…ベース基板
１６…ＩＣチップ（発熱体）
２１…冷却装置
２２…放熱部
２４…ヒートシンク
２５…ヒートスプレッダ
２５ａ…ヒートスプレッダの縁
２６…接合金属部材
２７…熱伝導部材
３０…接着剤
Claims (2)
- ベース基板及びこの基板より小さく前記ベース基板の一面に取付けられた発熱体よりなる半導体パッケージの前記発熱体より大きくこの発熱体を覆って配置されるヒートシンクと、
前記発熱体より大きく形成されて前記ヒートシンクと前記発熱体との間に介在されるととともに、熱伝導性の接着剤を介して前記ベース基板に接着された縁を有するヒートスプレッダと、
鉛成分を含まない錫合金からなり、前記ヒートスプレッダと前記発熱体とを熱的に接続するようにこれらを接合して、前記ヒートスプレッダと前記発熱体との間に介在され、かつ、前記接着剤の厚みより薄い接合金属部材と、
前記ヒートスプレッダと前記ヒートシンクとの間に介在され、これらヒートスプレッダとヒートシンクとを熱的に接続する熱伝導部材と、
を具備したことを特徴とする冷却装置。 - 筐体と、
この筐体に内蔵された回路基板と、
ベース基板及びこのベース基板より小さく前記ベース基板の一面に取付けられた発熱する IC チップを有して前記回路基板に実装された電子部品と、
前記 IC チップより大きくこの IC チップを覆って配置されるヒートシンクと、
前記 IC チップより大きく形成されて前記ヒートシンクと前記 IC チップとの間に介在されるとともに、熱伝導性の接着剤を介して前記ベース基板に接着された縁を有するヒートスプレッダと、
鉛成分を含まない錫合金からなり、前記ヒートスプレッダと前記 IC チップとの間に介在され、前記ヒートスプレッダと前記 IC チップとを熱的に接続し、かつ、前記接着剤の厚みより薄い接合金属部材と、
を具備したことを特徴とする電子機器。
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