JP4589239B2

JP4589239B2 - 電子機器の冷却構造

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Publication number: JP4589239B2
Application number: JP2006004603A
Authority: JP
Inventors: 信宏玉山; 真也浜岸; 孝一福宮; 健田尻; 修上村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2026-01-12
Also published as: JP2007188998A

Description

本発明は、電子機器全般において、電子部品と筐体とを熱伝導板で接続し、電子部品から発せられる熱を筐体へ効率的に逃がす冷却構造である。特には、屋外設置の電子機器等に用いられる密閉筐体の冷却構造等、空気への冷却媒体が筐体に限定される装置、例えば屋外に設置される通信装置の基地局に用いるのに好適である。

電子部品の冷却手法でかつ、電子部品のはんだ接合部にかかる機械的応力を軽減する冷却構造の従来技術の例として、特許文献１に記載の例がある。この手法は、電子部品２上部にバネ性のある熱伝導板を接触固定し、この熱伝導板の他端部側を筐体壁面にたわませ、その反発力により圧接させることで、熱伝導により冷却するための取り付け構造である。また、特許文献２に記載の例は、ＣＰＵなどの発熱部品上部に、バネ性を有する金属部品とヒートシンクが一体構造のものを取り付け、筐体と金属部品を固定する取り付け構造である。

特開平９−２１３８５２号公報特開２００２−１８４９２０号公報

特許文献１の手法は、熱伝導板を筐体壁面にたわませる構造であり、熱伝導板は柔軟性及びバネ性が求められるため、熱伝導板を薄板化する必要があり、その板厚は０．５ｍｍ程度と考えられる。

よって、この手法は、熱伝導板の厚みに制約があることから、熱伝導板の熱抵抗が制限され、これ以上の冷却特性の向上が望めない。本課題に対し、冷却特性を向上する即ち、高熱輸送を実現する手法として、熱伝導板の板厚を厚くすることが考えられるが、板厚が厚い熱伝導板は、部材の断面二次モーメントが大きくなるため、基板、電子部品、笛体、熱伝導板の部品公差、各々の取付ばらつきによって発生する熱伝導板の曲げモーメントカが大きくなり、熱伝導板に固定される電子部品に与える機械的応力が懸念される。
その応力によって、電子部品のはんだ付け部の接続信頼性が損なわれ、電子機器の寿命や故障率に影響を与える事は容易に推測できる。

そこで、冷却性能が高く、高信頼度な冷却構造として、特許文献１における柔軟性のある熱伝導板を用いた応力軽減構造に代わる、漸たな構造が必要となる。ここで、熱伝導板の板厚に対する冷却特性及び電子部品に負荷される機械的応力の数値的な関係を説明する。まず、熱伝導板の冷却特性については、式１に示される熱抵抗Ｒによって計算することが出来る。そこで、薄板の熱伝導板の厚みをｔ１、厚板の熱伝導板の厚みをｔ２とし、各々のその他寸法を幅ｗ、長さＬ、部材の熱伝導率をλとすると、薄板の熱伝導板の熱抵抗Ｒ１と、厚板の熱伝導板の熱抵抗Ｒ２との関係は式２の通りとなり、熱伝導板の厚みを厚くすると、それに比例して熱抵抗が小さくなる。

例えば、０.５ｍｍの板厚の熱伝導板を、２ｍｍに厚くすると、熱抵抗は１／４となり、厚みに比例して４倍の熱輸送性能の向上が見込まれる。

Ｒ=Ｌ／(λｗｔ) …………………(式１)
Ｒ２=ｌ／(ｔ１／ｔ２)Ｒ１…………(式２)
一方、電子部品に負荷される機械的応力に関しては、図１３に示すように熱伝導板の片端を電子部品上部に固定される片持ち梁として考えれば、前述の曲げモーメントカＭは式３によって表すことが出来る。

δ=ＰＬ^３／３ＥＩ
Ｍ=ＰＬ=３δＥＩ／Ｌ^２ …………(式３)
Ｉ=ｗｔ^３／１２
Ｍ２=Ｍ１(ｔ２／ｔ１)^３ …………(式４)
前述同様、薄板の熱伝導板の厚みをｔ１、厚板の熱伝導板の厚みをｔ２とし、各々のその他寸法を幅Ｗ、長さ０、厚みｔ、断面二次モーメントＩ、ヤング率Ｅ、部品公差、取付ばらつきによって発生する隙間をδ、電子部品が受ける荷重Ｐとすると、薄板の熱伝導板の曲げモーメントカＭＩと、厚板の熱伝導板の曲げモーメントカＭ２との関係は式４の通りとなり、厚み比率の３乗で曲げモーメントカが大きくなる。例えば、０．５ｍｍの板厚の熱伝導板を、２ｍｍに厚くすると、曲げモーメントカは６４倍となる。

以上のことから、熱伝導板の熱輸送性能の向上に対しては、電子部品への応力対策が不可欠である。

一方、熱伝導板を部品に固定する例として、特許文献２のような、取り付け構造が考えられるが、この構造は金属とヒートシンクの一体部品を筐体と固定する必要があるため、電子部品周囲の基板上に複数のねじ穴を設ける必要ある。そのため、他部品の実装にエリアを狭めてしまい、高密度実装化の障害となってしまう。

本発明の目的の１つは、高熱輸送性能を有した剛体熱伝導板を取り付けることが可能かつ、電子部品のはんだ接合部の応力を軽減することが可能であり、更に、基板の部品実装密度を低減させることない構造を提供することにある。

本発明の１つの特徴は、基板上に搭載された電子部品の冷却構造であって、非貫通穴を有する金属部材と、貫通穴を有する複数の熱伝導部材と、複数の貫通穴を有する熱伝導板と、ネジ穴を有する筐体とを有し、前記電子部品に前記金属部材を接着し、前記金属部材の非貫通穴と、前記熱伝導部材の一方の貫通穴と、前記熱伝導板の一方の貫通穴とをあわせた状態で、第１のバネ付きネジで前記熱伝導部材と前記熱伝導板を前記金属部材に加圧固定し、前記筐体のネジ穴と、前記熱伝導部材の他方の貫通穴と、前記熱伝導板の他方の貫通穴とをあわせた状態で、第２のバネ付きネジで前記熱伝導部材と前記熱伝導板を前記筐体に加圧固定することを特徴とする、電子機器の冷却構造にある。

本発明によれば、板状の熱伝導板の両端部は、電子部品と筐体とに両端支持梁のような形で保持される。そのため、熱伝導板として板厚が厚く剛性のある高熱輸送性の熱伝導板を採用可能であり、電子部品のはんだ接合部にかかる機械的応力を軽減させつつ実装可能な熱伝導板取り付け構造を提供することができる。

本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

まず、本発明の実施例１の構成について図面を用いて説明する。図１は本発明における冷却構造の斜視図、図２は横断側面図であり、位置関係はＸＹＺ軸による。図３は、本実施例の適用対象装置である通信装置の構成例を示す図である。

本冷却構造は、基板１上に実装された冷却対象である電子部品２の熱を熱伝導部材を介して筐体１０に導くものである。すなわち、図１に示すように、本冷却構造は、金属部材４、熱伝導部材５、熱伝導部材６、板状の熱伝導板７、バネ付ねじ８、バネ付ねじ９によって構成され、金属部材４が接着剤３により電子部品２に接続され、熱伝導部材６が筐体１０に接触している。電子部品２の熱は筐体１０を介して外部へ放出される。本説明においては、各部品のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の寸法はそれぞれ、Ｘ、Ｙ、Ｚで表している。

図２に示すように、板状の熱伝導板７の両端部は、電子部品２と筐体１０の凸部とに両端支持梁のような形で保持されており、ばね等の弾性体により熱伝導板７の両端部を加圧して、この両端部に荷重が付与される構成となっている。これにより、電子部品２と筐体１０の凸部との間に熱伝導経路が形成される。本実施例では、筐体１０の凸部が、熱伝導板７の電子部品２側と高さを揃える機能を有し、これにより、筐体１０の凹部表面、基板１の上面、電子部品２の上面、熱伝導板７の両表面及び筐体１０の凸部表面の各表面は、実質的に平行になるように構成されている。

まず、筐体１０の凹部に固定された基板１に、冷却対象である電子部品２がはんだ接続により実装されている。その電子部品２上部に、熱抵抗が低く、中心に非貫通のねじ穴１１を有した金属部材４を、接着剤３で固定する。この金属部材４の外形寸法Ｘ,Ｚは、電子部品２と同寸法とし、Ｙは、ねじ穴１１を設けた状態において非貫通となる厚さである。金属部材４上部には、熱抵抗が低く、柔軟性のあるシート状の熱伝導部材５と、高熱輸送性を備えた剛体熱伝導板７を、バネ付ねじ８を用いて金属部材４に設けたねじ穴１１に固定する。

金属部材４及び板状の熱伝導板７は、銅又はアルミの高熱伝導部材であることが望ましい。熱伝導部材５、熱伝導部材６は、例えばシリコンゲル等のような柔軟性のある部材からなる。筐体１０もアルミ等の高熱伝導部材で構成されている。

なお、バネ付ねじ８は、ねじ部、ばね部１８及びＹ方向に可動できる凸状の円形部材１９で構成する。熱伝導部材５及び熱伝導板７はバネ付ねじ８で固定するため、バネ付ねじ８のねじ山寸法よりも１〜２ｍｍ大きい貫通穴１３及び貫通穴１５を有している。熱伝導部材５の外形寸法Ｘ,Ｚは、電子部品２と同寸法であり、Ｙは本構造における各部品の取付公差のばらつきを吸収するため１〜２ｍｍとする。又、熱伝導板７の外形寸法Ｘ,Ｙは、装置構成により決定し、Ｚは電子部品２と同寸法である。

一方、板状の熱伝導板７と筐体１０の接続側は、熱伝導板７とシート状の熱伝導部材６をバネ付ねじ９で筐体１０の凸部に設けられたねじ穴１２に固定する。熱伝導板７の筐体接続側及び熱伝導部材６は、それぞれバネ付ねじ９のねじ山寸法よりも１〜２ｍｍ大きい貫通穴１６、貫通穴１４を有している。なお、熱伝導部材５及び熱伝導部材６は、密着性を確保し、熱抵抗を低くするため、厚みの１０〜３０%の圧縮量が必要であるが、本構造ではこれをバネ付ねじ８、バネ付ねじ９のバネカにより確保している。熱伝導部材６の外形寸法Ｘは、装置構成により決定し、Ｙは熱伝導部材５と同様に１〜２ｍｍ、Ｚは電子部品２と同寸法である。

本冷却構造の組立方法について説明する。まず、電子部品２の上部に金属部材４を接着剤３で固定する。次に、熱伝導板７部品側の下面と熱伝導部材５の上面を、双方の縁と貫通穴１５と貫通穴１３をあわせつつ貼り付ける。これを金属部材４のねじ穴１１と、熱伝導板７の貫通穴１５をあわせながら、金属部材４の上部にのせる。次に、熱伝導板７と筐体１０接続側の貫通穴１６にバネ付ねじ９を通し、筐体１０のねじ穴１２に仮止した後、バネ付ねじ８を金属部材４のねじ穴１１に固定する。最後に筐体１０側のバネ付ねじ９を本締めし、固定する。

１つの筐体１０内に複数の電子部品２が固定される場合も、同様にして、各電子部品２の熱を熱伝導板７で筐体１０へ伝達するように構成すればよい。

本実施例は、例えば図３に示すような通信基地局の通信装置の冷却構造に適用される。この場合の通信装置は、図１の電子部品２が送受信機能を備えた例えば携帯電話の基地局として構成され、この電子部品２が密閉型の筐体１０に収納されている。このような密閉型の通信装置の設置環境は、屋外環境であり、雨風があたり、屋内と比較し周囲の温度が高いため、熱的に厳しい。このような通信装置は、基本構造として、小型の密閉構造で、空気の出入りがないものである。そのため、電子部品２に関する放熱構造が難しい。通信装置の電子部品２を含む各部品の熱は、筐体内の空気と筐体を構成する金属部材を介して、装置周囲へと放熱される。

本実施例の冷却構造によれば、上記構造とすることで、板厚が厚く剛性のある高熱輸送性の熱伝導板を採用可能であり、かつ、電子部品のはんだ接合部にかかる機械的応力を軽減させることができる。これにより、密閉型の通信装置に実装可能な熱伝導板取り付け構造を提供することができる。

すなわち、厚く剛性のある熱伝導板７は、電子部品２側、筐体１０側で梁の自由端と考えることができ、各部品の取付公差のばらつきが原因で発生する負荷が無いため、課題で述べたような曲げモーメントがなくなり、電子部品２のはんだ部に対する応力を軽減できる。更に、電子部品２上部領域内に熱伝導板７を取付可能であるため、基板の部品実装密度を低減させることがない。

図４、図５を用いて、本実施例の構造を電子部品に採用した場合の応力低減効果を、図１３に示した従来例の片持ち梁の場合と比較して説明する。

本発明では、図４に示すように、板状の熱伝導板の両端に荷重Ｐ１、Ｐ２がかかる両端支持梁と考えることができる。

上記の２つの場合を比較するため、図５を用いて、それぞれの電子部品にかかる荷重に対し、部品表面の応力について表記する。下記に、熱伝導板を銅とした場合についての具体例を示す。

＜具体例＞
熱伝導板材質：銅
ヤング率Ｅ：１２２５００Ｎ/ｍｍ²
長さＬ：１００ｍｍ
幅ｗ：４０ｍｍ
厚みｔ：３ｍｍ
隙間δ ：１ｍｍ
バネ付ねじ力Ｐ１：５Ｎ（カタログから選定）
※１．銅板サイズは、熱抵抗値を計算するとほぼ妥当な値である。
※２．自重による力は、どちらの場合においても同じと考えられるので、今回は無視する。
※３．電子部品サイズは両者共通。

図１３に示した片持ち梁の場合、曲げモーメントによる荷重Ｐは、（式３）を用いて
Ｉ＝ｗｔ^３／１２
＝４０×３^３／１２
＝９０ｍｍ^４
Ｐ＝３δＥＩ／Ｌ^３
＝３×１×１２２５００×９０／１００^３
＝３３Ｎ
一方、本発明（両端支持梁）の実施例の場合、電子部品にかかる力は、バネ付ねじによる荷重Ｐ１のみとなる。
片持ち梁および両端支持梁のそれぞれの荷重に対し、部品表面にかかるそれぞれの応力σ_(片)、σ_(両)の比率は、（応力∝荷重の関係より）
σ_(両) ／σ_(片)＝５／３３≒１／７
となる。
すなわち、本発明の場合は、片持ち梁の場合と比較し、部品表面の応力が１／７となることが分かる。

[変形例]
前記実施例において、バネ付ねじ８を使用せず、図６のような金属部材３０の中心にねじ山３２を有した支柱３１を設け、図７に示すようにバネ３３とナット３４を用いて熱伝導板３５と熱伝導部材３６を固定しても良い。前記実施例よりも、金属部材３３の板厚を薄くすることができ、熱抵抗を小さくできる。

また、図８に示すように、熱伝導板５２にＵ溝加工５４及び面取り加工５３を施し、熱伝導部材５５にも同様のＵ溝加工５６を施したものを使用してもよい。これらの加工を施すことで、金属部材５０とバネ付ねじ８を先組みしておき、それを電子部品２上部に接着剤３で固定した後、熱伝導板５２の部品側下面に熱伝導部材５５を貼り付けたものを、図８に示すマイナスＸ方向にスライドさせ挿入することが可能となる。これにより、組み立て時におけるバネ付ねじ８の締め付けトルクによる電子部品２はんだ接続部へのせん断応力をなくすことが可能である。又、熱伝導板５２及び熱伝導部材５５のＵ溝加工５４及びＵ溝加工５６により、金属部材５０との接触面積が縮小による熱輸送性低下を最小限に留めるため、金属部材５０のねじ穴５１の位置を中心よりマイナスＸ方向に移動するのが望ましい。

あるいはまた、図９及び図１０に示すように、熱伝導板７をフィン構造熱伝導板６０とすることも可能である。６０はフィン構造熱伝導板、６１はフィン部品側貫通穴、６２は、フィン構造体側貫通穴である。これにより、熱伝導及び空気への熱伝達性能向上により、電子部品２を冷却することが可能である。なお、この場合、電子部品２を収納した密閉型の筐体１０内には、冷却ファンが設置されているものとする。

また、図８における熱伝導板５２と熱伝導部材５５同様、スライド挿入できるようＵ溝加工及び面取り加工を施しても良い。

次に、参考例について説明する。まず、参考例１の構成について図１１を用いて説明する。

図１１に示すように、電子部品２に関する放熱構造として、バネ付ねじ８と金属部材４を使用せず、電子部品２上部にバネ部７１を設けた金属クリップA７０を接着剤３で固定しても良い。金属クリップA７０を用いた場合の組立方法について説明する。電子部品２の上部に、金属クリップA７０を接着剤３にて固定後、熱伝導板７８下面に熱伝導部材７９及び熱伝導部材８２を貼り付け、これをマイナスＺ方向から金属クリップA７０内に挿入し、金属クリップA７０のバネ部７１にて挟み込む。金属クリップA７０は、おり返し部７２及びおり返し部７３を有しているため、熱伝導板をスムーズに挿入可能である。その後、熱伝導板７８の筐体１０側を、固定金具７７で押さえ込み、ねじ穴８０、ねじ穴８１にそれぞれバネ付ねじ７５、バネ付ねじ７６を挿入し、固定する。なお、金属クリップA７０は、抜け防止構造としており返し部７２、おり返し部７３及び曲げ部７４を有している。金属クリップA７０を用いることで、穴加工等を施すことが不可能な熱伝導板においても取り付け可能である。例として、高熱伝導性を有する特殊な熱伝導部品として使用されるヒートパイプは、穴加工を施すことができない。又、金属クリップA７０は板厚を薄くできるという利点があり、熱抵抗を小さくできる。

次に、参考例２の構成について図１２を用いて説明する。
電子部品２に関する放熱構造として、図１２に示すように、ガイド溝１００及びガイド溝１０１と引っ掛け部１０２及び引っ掛け部１０３を有した金属部材９９上部に、熱伝導板９７の部品側下面に熱伝導部材９８を貼り付け、バネ部９１を有した金属クリップB９０のつめ先端９５、つめ先端９６、つめ９３及びつめ９４をＸ方向に、ガイド溝１００及び、ガイド溝１０１に沿って挿入する構造としてもよい。なお、挿入後、金属クリップB９０はバネ部９１による反力によって、プラスＹ方向に持ち上げられることで、金属部材９９の引っかけ部１０２及び引っ掛け部１０３に金属クリップB９０のつめ先端９５及びつめ先端９６が引っかかり、熱伝導板９７の抜け防止構造となる。又、金属クリップB９０の曲げ部９２によっても熱伝導板９７の抜け防止構造となっている。参考例２も、図１１の参考例１同様、穴加工等を施すことが不可能な熱伝導板においても取り付け可能である。

本発明は、特許請求の範囲に記載した特徴のほかにも、次のような特徴がある。

(1)バネ付ねじとねじ穴を有した金属部材のかわりに、中心にねじ山を有した支柱を設け金属部材を使用し、バネとナットを用いて熱伝導板と熱伝導部材を固定することを特徴とする電子機器の冷却構造。

(２)熱伝導板にＵ溝加工及び面取り加=〔があり、熱伝導部材にも同様のＵ溝加工があること特徴とする電子機器の冷却構造。

(３)熱伝導板を電子部品の側面方向からスライドさせ挿入することが可能な電子機器の冷却構造。

(４)金属部材のねじ穴位置を中心よりも電子部品の側面方向に移動したことを特徴とする電子機器の冷却構造。

(５)熱伝導板をフィン構造としたことを特徴とする電子機器の冷却構造。

(６)熱伝導板にＵ溝加工及び面取り加工を施し、電子部品側面方向からスライド挿入が可能なことを特徴とする電子機器の冷却構造。

(７)金属製クリップ部品が熱伝導板の挿入方向対面におり返し部を有していることを特徴とする電子機器の冷却構造。

本発明の実施例１になる電子機器の冷却構造の斜視図。実施例１の横断側面図。実施例１を適用した通信装置の例を示す図。実施例１を適用した熱伝導板の両端に荷重Ｐ１、Ｐ２がかかる両端支持梁の説明図。本実施例と従来例の作用、効果を説明する図。実施例１の変形例であるバネとナット使用時の金属部材斜視図。実施例１の変形例であるバネとナット使用時の実施例斜視図。実施例１の変形例であるＵ溝部付熱伝導板斜視図。実施例１の変形例であるヒートシンク熱伝導板斜視図。実施例１の変形例であるヒートシンク熱伝導板上面図。参考例１になる電子機器の冷却構造の斜視図。参考例２になる電子機器の冷却構造の斜視図。従来例の曲げモーメントの説明図。〔符号の説明〕

符号の説明

１…基板
２…電子部品
３…接着剤
４…金属部材
５…部品側熱伝導部材
６…筐体側熱伝導部材
７…熱伝導板
８…部品側バネ付ねじ
９…筐体側バネ付ねじ
１０…筐体
１１…金属部材ねじ穴
１２…筐体側ねじ穴
１３…部品側熱伝導部材貫通穴
１４…筐体側熱伝導部材貫通穴
１５…部品側熱伝導板貫通穴
１６…筐体側熱伝導板貫通穴
１７…ねじ部バネ付ねじ
１８…バネ部バネ付ねじ
１９…円形部材バネ付ねじ
３０…金属部材バネナット
３１…支柱バネナット
３２…ねじ山バネナット
３３…バネバネナット
３４…ナットバネナット
３５…熱伝導板バネナット
３６…熱伝導部材バネナット
５０…金属部材Ｕ溝
５１…ねじ穴Ｕ溝
５２…熱伝導板Ｕ溝
５３…面取り加工Ｕ溝
５４…Ｕ溝加工Ｕ溝
５５…熱伝導部材Ｕ溝
５６…Ｕ溝加工Ｕ溝
６０…フィン構造熱伝導板
６１…貫通穴
６２…貫通穴
７０…金属クリップA
７１…バネ部金属クリソプA
７２…おり返し部金属クリップA
７３…おり返し部金属クリップA
７４…曲げ部金属クリップA
７５…バネ付ねじ金属クリップA
７６…バネ付ねじ金属クリップA
７７…固定金具金属クリップA
７８…熱伝導板金属クリップA
７９…熱伝導部材部品側金属クリップA
８０…ねじ穴金属クリップA
８１…ねじ穴金属クリップA
８２…熱伝導部材筐体側金属クリップA
９０…金属クリップB
９１…バネ部金属クリップB
９２…曲げ部金属クリップB
９３…つめ金属クリップB
９４…つめ金属クリップB
９５…つめ先端金属クリップB
９６…つめ先端金属クリップB
９７…熱伝導板金属クリップB
９８…熱伝導部材金属クリップB
９９…金属部材金属クリップB
１００…ガイド溝金属クリップB
１０１…ガイド溝金属クリップB
１０２…引っ掛け部金属クリップB
１０３…引っ掛け部金属クリップB
１１１…基板
１１２…電子部品
１１３…筐体
１１４…熱伝導板。

Claims

基板上に搭載された電子部品の冷却構造であって、
非貫通穴を有する金属部材と、
貫通穴を有する一対の熱伝導部材と、
複数の貫通穴を有する板状の熱伝導板と、
ネジ穴を有する筐体とを有し、
前記電子部品に前記金属部材を接着し、前記金属部材の非貫通穴と、一つの前記熱伝導部材の貫通穴と、前記熱伝導板の一つの貫通穴とをあわせた状態で、第１のバネ付きネジで前記一つの熱伝導部材と前記熱伝導板とを前記金属部材に加圧固定し、
前記筐体のネジ穴と、他方の前記熱伝導部材の貫通穴と、前記熱伝導板の他の貫通穴とをあわせた状態で、第２のバネ付きネジで前記他方の熱伝導部材と前記熱伝導板とを前記筐体に加圧固定することを特徴とする電子機器の冷却構造。
請求項１において、
前記一対の熱伝導部材は柔軟性を有する材料からなり、
前記一つの熱伝導部材及び前記金属部材の前記非貫通穴に垂直な面における外形寸法が、相対する前記電子部品の外形寸法と同じであることを特徴とする電子機器の冷却構造。