JP4196214B2 - 放熱構造、パッケージ組立体、及び放熱用シート - Google Patents

Description

本発明は、放熱構造、パッケージ組立体、及び、放熱用シートに関し、特に、発熱する電子部品を密封し且つ放熱性が優れている放熱構造、パッケージ組立体、及び、放熱用シートに関する。

ＩＣ、ＬＳＩのようなパッケージを組み込んだ基板は、実運転と同じ熱環境でその検査が実行される。その検査では、実運転時と同じ放熱構造が用いられる。放熱構造としては、フィン、ヒートシンクが知られている。検査のためには、検査前に検査対象のパッケージを放熱構造に装着し、検査後にそのパッケージを放熱構造から取り外す作業が必要である。手間がかかるこのような着脱作業の繰り返しは、組立工程と検査工程の工数の低減の点で問題になっている。このような作業の途中で、高熱伝導率素材を用いることは、工数の削減の一助になる。そのような素材として、グラファイト・シート（以下、ＧＳと略称される）が知られている。帯状の熱伝導体は、実開昭５８−１３５９９４号等で広く知られているが、密閉筐体内の放熱のための帯状熱伝導体は、知られていない。
実開昭５８−１３５９９４号 公報

検査作業を簡素化して組立と検査のためのコストをより一層に削減することが求められる。高熱伝導率素材を用いて工数を低減することが望まれる。

本発明の課題は、検査作業を簡素化して組立と検査のためのコストをより一層に削減することができる放熱構造、パッケージ組立体、及び、放熱用シートを提供することにある。本発明の他の課題は、筐体の熱の高排出性と熱伝導経路の設計の自由度を高くすることができる放熱構造、パッケージ組立体、及び、放熱用シートを提供することにある。

その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。

本発明によるパッケージの放熱構造は、ベースと（２）と、ベース（２）に支持されるフィン群（３）と、電子部品である発熱体（１３）の熱を伝達させるシート（４）とから構成されている。シート（４）は、熱伝導性と可撓性を有していて、フィン群（３）に熱的に接合している。発熱体の熱は、シート（４）を伝達してフィン群に速やかに伝達する。可撓性があるシートにより発熱体（１３）をフィン群（３）に熱的に接合し、放熱テストを簡素に実行することができる。このようなテストは、フィン群（３）と発熱体との相対的位置を自由に変更することができ、放熱性のテストの自由度が高い。シートとして熱伝導率が高いＧＳを用いることは、自然環境下でシートの表面からの放熱量に比較して熱伝導でフィン群（３）に伝達される伝達熱量の比率が高いから、そのテストの信頼性が向上する。

シート（４）とフィン群（３）の間の空隙を熱伝導性素材で埋めることは、シートの高熱伝導性をより効果的に克つようすることができる。ベース（２）には、発熱体（１３）が嵌まりこむ凹部が形成されていることは、放熱テストの手順を簡素化することができる。

本発明によるパッケージ組立体は、筐体（１６，１７）と、筐体（１６，１７）の中で筐体（１６，１７）に支持される基板（１２）と、筐体（１６，１７）に熱的に接合する放熱体（１９と図３の状態の３）と、放熱体（１９）と基板（１２）に接合されているパッケージ（１３）との間を熱的に結合するシート（４）とから構成されている。シート（４）は、熱伝導性と可撓性を有している。可撓性が豊かであるシート（４）は、筐体内に所狭しで配置されている多様な部品配置空間で、可能な限り最短距離的に熱伝導経路を形成することができる。放熱テストの場合に限られず、実製品でシートとしてＧＳは効果的である。

シート（４）は、放熱体（３）に熱的に接合する放熱部分（５）と、パッケージに熱的に接合する吸熱部分（６）と、放熱部分（５）と吸熱部分（６）との間の部分であり屈曲する屈曲部分（７）とから形成されている。このように、熱伝導経路は、筐体の中で自由に形成され得る。放熱部分（５）と屈曲部分（６）とが共通部分を有することは設計的に自由である。

熱的結合体（２，３）が追加されることは、実製品に近い状態で放熱テストをすることができる点で好ましい。筐体（１６）には、筐体（１６）の外側に突出するフィン群が形成され、そのフィン群のフィン要素（１９）にはそれぞれに外側に凸である凸状凹面群が内側面として形成され、熱的結合体（２，３）は、外側に凸であり凸状凹面群の内側面に熱的に接合する突起群（３）を有している。シート（４）の一端部は熱結合体（２，３）に熱的に結合し、且つ、シート（４）の他端部は基板（１２）に結合しているパッケージ（１３）に熱的に結合している。この場合、突起群（３）は凸状凹面群に嵌まり込んでいて、着脱自在であり、テストの手順が簡素可される。このような熱的結合体（２，３）は、実製品の放熱テストを高信頼度で実行することができる。

本発明による放熱構造、パッケージ組立体、及び、放熱用シートは、筐体内の電子部品であるパッケージの熱が速やかに筐体外に排出され、且つ、熱伝導経路の設計の自由度が高い。

図に対応して、本発明による放熱構造の実施の形態は、放熱構造が可撓性シートと共に設けられている。その放熱構造１は、図１（ｂ）に示されるように、ベース２とフィン群３とから形成されている。フィン群３は、複数のフィン要素３ａ，３ｂ，３ｃにより形成されている。フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃは、ベース２の上面に互いに離隔してそれぞれに接合している。フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃは、ベース２により近い基部の側でそれらの幅がより広く、ベース２から遠い側でそれらの幅がより狭く、フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれが先細り形状になるように、両側面はテーパ面に形成されている。フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれの幅方向は、フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃが並ぶ方向に一致している。

可撓性シート４は、フィン群３を覆う放熱側部分５と、発熱体に熱的に接合する吸熱側部分６と、放熱側部分５から吸熱側部分６まで連続して延びる屈曲部分７とから形成されている。放熱側部分５は、フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃが並ぶ方向に適正長さを有して延びている。屈曲部分７は、吸熱側部分６に概ね直交する方向に延びている。

放熱側部分５の裏面は、フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれの先細り形状形成面（既述のテーパ面）に沿い、又は、その先細り形状形成面に密着するように波状に深く屈曲する凹凸面を形成されている。放熱側部分５をフィン要素３ａ，３ｂ，３ｃに密着させるために、係合具８が用いられる。係合具８は、図１（ａ）に示されるように、フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれに位置対応する係合穴９を有している。係合具８は、更に、ベース２の周辺４箇所に位置対応してその周辺４箇所に着脱自在に係合するフック１１を一体的に形成している。

係合穴９の穴幅は、フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれの基部近傍の既述の幅に概ね等しい。係合具８は、放熱構造１に向かって適正な圧力で押し下げられる。フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃが係合具８の係合穴９に挿入されれば、放熱側部分５の波状凹凸部は、フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃの外側面と係合穴９の内周面とに挟まれて、フィン要素３ａ，３ｂ，３ｃと係合具８とにより適正な締め付け力で締め付けられる。このような締め付け力と、フック１１とベース２の底面との係合の係合力とにより、放熱側部分５がフィン群３に安定的に結合して、放熱構造１が可撓性シート４に安定的に結合する。

高熱伝導率のグリスが放熱側部分５の裏面とフィン群３の表面との間の微小空隙に埋められることは、フィン群３と放熱側部分５との間で熱を高効率に熱交換することができる点で特に重要である。可撓性シート４は、高熱伝導率の素材が用いられ、既述のＧＳが特に好適である。ＧＳの熱伝導率は、アルミニウムの３倍であり、銅の２倍であり、且つ、可撓性に優れている。係合具８を用いない場合には、熱硬化性の接着剤でフィン群３と放熱側部分５の間が接合され得る。可撓性シート４は、中心層が既述の熱伝導性に関する物性を持ち、その中心層の両面が熱絶縁性材料で被覆され、全体に可撓性を失わない複合シートであることは更に好ましい。

ベース２は、図２に示されるように、パッケージ取付基板１２に取り付けられる。パッケージ１３は、パッケージ取付基板１２に実装されている。ベース２の下面側に、凹部１４（図１参照）が形成されている。パッケージ１３の両側面と上面とで形成される凸面に寸法的に概ね一致する凹面が形成されている係合治具１５が用いられる。係合治具１５をパッケージ１３に嵌め込む際に、パッケージ１３の凸面と係合治具１５の下側面との間に、可撓性シート４の放熱側部分６が挟み込まれる。このような挟み込みにより、可撓性シート４はパッケージ１３に機械的に、且つ、熱的に結合する。ベース２は、パッケージ１３に着脱自在に結合している。図１に示される状態で放熱テストを実行することは有意義であるが、後述されるように、実製品のテストにも有効に用いられる。

図３は、パッケージ取付基板１２が放熱構造１と可撓性シート４とともに実製品の筐体内に組み付けられた組付状態を示している。その筐体は、上側筐体１６と下側筐体１７とから構成されている。上側筐体１６と下側筐体１７とは、それらの鍔部でボルト１８により互いに結合されている。上側筐体１６の天井部は、フィン群に形成されている。そのフィン群の一部の複数のフィン要素１９には、図４に示されるように、先細り凹面２１がそれらの下側面に形成されている。上側筐体１６の裏面側には、先細り凹面２１に連続してベース２の上面とベース２の周面とが入り込む嵌め込み面２２が形成されている。

放熱構造１が、図２に示されるように、パッケージ取付基板１２に嵌め込まれる。図２に示される取り付け状態で、検査が行われる。パッケージ１３が発熱して生じる熱は、可撓性シート４に伝導し可撓性シート４を介して、パッケージ１３から離隔した位置のフィン群３に伝達される。パッケージ１３の熱の一部は、係合治具１５とベース２とを介してフィン群３に伝導する。パッケージ１３の熱を放熱させる放熱構造の放熱性は、実運転時の放熱性に近い。

フィン要素１９の先鋭状凹面又はフィン群３の凸面に高熱伝導性素材が塗られ、次に、ベース２に一体的であるフィン群３がフィン要素１９の先鋭状凹面に差し込まれる。高熱伝導性素材としては、ゴム系樹脂に配合されてマグネシウム粉末が好適に使用される。フィン群３は、そのようなゴム系樹脂を介してフィン要素１９に機械的に弾力的に圧着し、且つ、熱的に結合する。ベース２に結合している可撓性シート４がベース２と共にフィン要素１９に差し込まれ、他の基板２３が、図３に示されるように、支柱２４を介して上側筐体１６に組み付けられる。他の基板２３には、既に、他のパッケージ２５が取り付けられている。他のパッケージ２５は、上側筐体１６の天井面に熱的に接合している。次に、仮運転を終えたパッケージ取付基板１２にシート４の自由端部側を取り付けて、パッケージ取付基板１２を支柱２４に取り付ける。最後に、下側筐体１７を上側筐体１６にねじ止めして結合する。

このような全体的組立の後に、実運転検査が行われる。パッケージ１３の熱は、可撓性シート４を伝導して、ベース２とベース２のフィン群３とに伝達される。フィン群３の熱は、フィン要素１９に伝達し、フィン要素１９の表面で大気との間で熱交換する。筐体１６の全体に拡散する熱は、上側筐体１６に形成されている他のフィン群２６から放散する。

可撓性シート４は、厚さは薄いが幅が広く、フィン要素１９に広い面積で熱的に接合し、パッケージ１３の熱を多量にフィン要素１９に伝達することができる。可撓性シート４は、可撓性に富み、筐体の中で自由に配置され得るから、組立ての邪魔になり難い。図２R>２に示されるパッケージ１３とパッケージ取付基板１２とフィン群３との組立構造は、そのままに、図３に示されるように筐体の中に組み込まれるので、パッケージ１３とフィン群３とを仮検査の度に着脱する必要がなく、フィン群３は検査用と最終品とで兼用され、検査と組立の工数が削減される。検査用フィンは、最終品のフィンの中に嵌まり込み、最終製品はコンパクトにまとまっている。可撓性シート４は可撓性があり、パッケージ取付基板１２の組立の自由性を阻害せず、パッケージ１３の熱を自由に設定される部位に伝達させることができる。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明による放熱構造の実施の形態の２態様をそれぞれに示す斜軸投影図である。 図２は、他の態様を示す斜軸投影図である。 図３は、本発明による放熱構造の実施の他の形態を示す断面図である。 図４は、図３の一部を示す断面図である。

符号の説明

２…ベース
２，３…熱結合体
３…フィン群
３’…ヒートポンプ
３，３’…放熱体
４…シート
５…放熱部分
６…吸熱部分
７…屈曲部分
１２…基板
１３…発熱体（パッケージ）
１６，１７…筐体
１９…放熱体
２７…冷媒容器
２８…冷媒

Claims (1)

1. 筐体と、
   前記筐体の中で前記筐体に支持され、電子部品である発熱体が接合された基板と、
   前記筐体に熱的に結合する放熱構造と、
   を具備し、
   前記放熱構造は、
   ベースと、
   前記ベースに支持されるフィン群と、
   前記発熱体と接合する吸熱部分と、屈曲することが可能な屈曲部分と、前記フィン群を覆うように配置されて前記発熱体からの熱を前記フィン群へ放熱する放熱部分とを備えた、熱伝導性と可撓性を有するシートとを含み、
   前記筐体には、前記筐体の外側に突出するフィン群が形成され、前記筐体の外側に突出するフィン群のフィン要素にはそれぞれに外側に凸である凸状凹面群が内側面として形成され、
   前記放熱構造の前記ベースに支持されるフィン群は、前記シートの前記放熱部分を挟んで、前記筐体の前記凸状凹面群に嵌まり込んでいる
   パッケージ組立体。

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