JP4710683B2 - 放熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品や電気部品の熱を熱伝導部材に伝えて電子部品や電気部品を冷却する構成の放熱装置に関する。

近年、電子機器にあっては、データ容量が飛躍的に増大し、使用される半導体装置も小形高性能化されてきている。このため、半導体装置の単位面積あたりの発熱量は増加する傾向にあり、その冷却のための装置が種々考えられてきている。
半導体装置の冷却装置として、半導体装置の熱を熱伝導部材に伝えて外部に放出する構成のものがある。例えば、特許文献１に記載された冷却装置はノート型パソコンのものであるが、ＣＰＵの熱を、熱伝導部材によりキーボードや筺体に伝えてキーボードや筺体から外部へ放熱したり、ＣＰＵと冷却ファンとを並べて配置し、両者を熱伝導部材で結合してその熱伝導部材を冷却ファンの送風で冷却したりする構成を採用している。

また、半導体装置を収容した筺体に風を通すことによって半導体装置を冷却するようにしたものもある。例えば、特許文献２には、電子機器の筺体に通風孔を形成し、この通風孔の開閉板を形状記憶ばね（この形状記憶ばねは、電子機器に通風が必要となる外気温になったとき、記憶した形状に変形する。）によって開放させるように構成している。
特開２０００−１０５６３５号公報 実開平７−３６４８３号公報

半導体装置には、表面実装型のものがある。例えば、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージタイプの半導体装置では、底面に多数の半田ボール（接続端子）を格子状に設け、この半田ボールをプリント配線基板上の配線パターンに直接接続するようにしている。このＢＧＡパッケージタイプの半導体装置において、その冷却方法として上記の熱伝導方式を採用した場合、その半導体装置の表面には、熱伝導部材が押し当てられるようになる。このため、半田ボールには、熱伝導部材の押圧力が常時作用する状態となる。

ところで、ＢＧＡパッケージの半田ボールによる接続は、外部応力や繰り返し応力に弱いことが知られている。このため、冷却装置の熱伝導部材の押圧力が常時作用するような環境下でＢＧＡパッケージタイプの半導体装置を使用すると、半田ボールにクラックが発生したり、クリープ破壊が生じたりし易くなる。特に、車両に搭載する電子機器の場合には、車両の走行に伴う振動や、炎天下に放置された車両が次にはエアコンによって冷やされるなどして生ずる熱応力などが半田ボール部分に作用するため、より一層半田ボールの耐久性を低くする。

熱伝導部材を半導体装置に押圧する手段としては、ねじによる締め付けが一般的であるが、熱伝導部材の押圧による半田ボールの損傷を極力防止するために、ばねの弾発力によって熱伝導部材を半導体装置に押圧する方法が考えられる。このばねによる押圧は、振動時に半導体装置に作用する応力を緩和する効果はあるが、半導体装置が押圧力を常時受けることに変わりないので、有効な解決策とは言い難い。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、冷却対象部品に熱伝導部材を接触させる方式の放熱装置において、冷却対象部品が熱伝導部材から押圧力を極力受けないようにすることができる放熱装置を提供するところにある。

請求項１の発明では、形状記憶ばね手段が所定温度になると記憶した形状に変形し、これにより熱伝導部材が熱伝導シートを介して冷却対象部品に接離する。具体的には、請求項２の発明のように、形状記憶ばね手段が所定温度以上になると記憶した形状へと変形することにより弾発力を生じ、それまで冷却対象部品から離れていた熱伝導部材を熱伝導シートを介して冷却対象部品に接触させる。請求項３の発明では、形状記憶ばね手段が所定温度以下になると記憶した形状へと変形することにより弾発力を生じ、それまで付勢手段の付勢力によって熱伝導シートを介して冷却対象部品に押圧されていた熱伝導部材を冷却対象部品から離す。

このように、冷却対象部品の温度が冷却を必要としない状態のときには、熱伝導部材は冷却対象部品から離れている。そして、冷却を必要とする温度になると、熱伝導部材が冷却対象部品に押圧され、これにより冷却対象部品の熱が熱伝導部材に伝えられ、その結果、冷却対象部品が冷却される。従って、熱伝導部材を冷却対象部品に押圧する時期が冷却必要時に限られるようになるので、冷却対象部品が熱伝導部材から押圧力を極力受けないようにすることができる。

請求項４および５の発明は、熱伝導部材をばね材で形成する構成としたものである。これによれば、熱伝導部材は、自身の弾発力で冷却対象部品から離れ、或いは冷却対象部品に接するので、付勢手段を別に設ける必要がない。

請求項６の発明は、冷却対象部品をＢＧＡパッケージタイプの半導体装置などの表面実装型の半導体装置としたもので、本発明の適用により半導体ボールなどの接続端子の耐久性を向上できる。

以下、本発明の一実施形態を、車両に搭載されるナビゲーション装置に適用して図１ないし図５を参照しながら説明する。図３には、ナビゲーション装置の制御装置（電子機器）１を収納するケース２が示されている。このケース２は、下ケース３と上ケース４とから構成されている。これら両ケース３，４は、金属製、例えばアルミダイキャスト製で、下ケース３内の四隅には、図４および図５に示すように、当該四隅を内側に凹ませることによって受け部３ａが形成され、上ケース４内の四隅には、図４にも示すように当該四隅に柱状をなす押え部４ａが形成されている。そして、受け部３ａと押え部４ａとをねじ５によって締め付けることにより、上下の両ケース３，４が結合されている。

ケース２内には、プリント配線基板６が配設されている。このプリント配線基板６は、両ケース３，４を結合する際に、四隅部を受け部３ａと押え部４ａとの間に挟み付けることによって固定されている。プリント配線基板６には、前記制御装置１を構成する各種の電子部品および電気部品が搭載されている。図には、それらの電子部品および電気部品のうち、例えばＣＰＵ７が示されている。このＣＰＵ７は、ＩＣチップをＢＧＡタイプのパッケージにより包んでなるもので、その底面には接続端子としての多数の半田ボール７ａが格子状に設けられている。このＣＰＵ７は、表面実装型の半導体装置であってプリント配線基板６の配線パターン（図示せず）に半田ボール７ａを直接接続している。

このＣＰＵ７は、冷却対象部品に相等するもので、ケース２内には、このＣＰＵ７からの熱を放熱部としての下ケース３に伝達して当該下ケース３から外部に放熱するための放熱装置８が設けられている。図１は、この放熱装置８の詳細を示すもので、この図１において、下ケース３内の底部には、熱伝導部材としての熱伝導板ばね９と形状記憶ばね手段としての形状記憶板ばね１０とが、上下の位置関係をもってねじ１１により固定されている。熱伝導板ばね９は、形状記憶板ばね１０に対し、バイアスばねとして機能する。

熱伝導板ばね９は、ねじ１１によって下ケース３に固定された固定部９ａ、この固定部９ａからＣＰＵ７側へ延びる立上り部９ｂ、この立上り部９ｂの先端からＣＰＵ７の表面に対向するように延長された受熱片部９ｃを有している。そのうち、受熱片部９ｃには、熱伝導シート１２が貼り付けられている。熱伝導板ばね９は、熱伝導性およびばね性の双方に優れた材料、例えばリン青銅などのばね材により形成され、受熱片部９ｃひいては熱伝導シート１２をＣＰＵ７の表面から離す方向の弾発力を有している。

一方、形状記憶板ばね１０は、ねじ１１によって下ケース３に固定された固定部１０ａ、この固定部１０ａから熱伝導板ばね９に接するように延びる押圧部１０ｂを有している。この形状記憶板ばね１０は、形状記憶合金や形状記憶プラスチックなどの形状記憶材料により形成されており、所定温度になると、記憶した形状に変形しようとして弾性力を生じる。この形状記憶板ばね１０の記憶した形状は、所定温度を超えた温度になっても維持される。なお、形状記憶板ばね１０の記憶形状は、図１に二点鎖線で示す形状で、プリント配線基板６がなければ、押圧部１０ｂの立上り角度を大きくして先端部分がＣＰＵ７を通過するようになる。

形状記憶板ばね１０は、所定温度未満のとき、弾性力を失って僅かな外力で容易に塑性変形するようになっている。従って、雰囲気温度が低く、形状記憶板ばね１０が所定温度未満にあるときには、熱伝導板ばね９は、自身の弾発力により、図１に示すように形状記憶板ばね１０を塑性変形させ、受熱片部９ｃ（熱伝導シート１２）をＣＰＵ７から離した状態となる。

上記構成において、カーナビゲーション装置が起動されていないなどの理由で、ケース２内の温度が低いときには、熱伝導板ばね９は、形状記憶板ばね１０を塑性変形させて受熱片部９ｃの熱伝導シート１２をＣＰＵ７から離した状態にある。カーナビゲーション装置が起動されると、プリント配線基板６に搭載されたＣＰＵ７、その他の電子部品や電気部品から発せられる熱によってケース２内の温度が次第に上昇してくる。

ケース２内の温度が上昇し、これに伴って形状記憶板ばね１０の雰囲気温度がＣＰＵ７の冷却を必要とする温度以上になると、形状記憶板ばね１０の温度も所定温度以上に上昇するようになる。すると、形状記憶板ばね１０が、記憶した形状に変形しようとして弾発力を生じ、押圧部１０ｂによって熱伝導板ばね９を押すようになる。そして、形状記憶板ばね１０は、熱伝導板ばね９をその弾発力に抗して弾性変形させて図２に示すように受熱片部９ｃの熱伝導シート１２をＣＰＵ７の表面に押し付ける。
熱伝導シート１２がＣＰＵ７に押圧されると、ＣＰＵ７の熱が熱伝導シート１２から熱伝導板ばね９の受熱片部９ｃに伝えられ、更に、受熱片部９ｃから立上り部９ｂ、固定部９ａを順に経て放熱部としての下ケース３へと伝えられる。そして、下ケース３に伝えられた熱は、最終的にこの下ケース３から大気中へ放出される。

カーナビゲーション装置の運転が終了するなどして、雰囲気温度が低下することによって形状記憶板ばね１０が所定温度未満になると、形状記憶板ばね１０は、弾発力を失う。すると、熱伝導板ばね９が自身の復元弾発力で、形状記憶板ばね１０を塑性変形させながら元の状態に復して熱伝導シート１２をＣＰＵ７から離す。

このように本実施形態によれば、ＣＰＵ７を冷却する必要があるときに限って熱伝導板ばね９の受熱片部９ｃがＣＰＵ７に押圧され、ＣＰＵ７を冷却する必要のないときには、熱伝導板ばね９は、ＣＰＵ７から離れる。このため、熱伝導板ばね９は、ＣＰＵ７の冷却を必要とするとき以外は、ＣＰＵ７に対して押圧力を及ぼさないので、ＣＰＵ７が熱伝導板ばね９から押圧力を受け且つ車両の走行に伴って振動も受けるという機会の発生を極力少なくすることができ、半田ボール７ａの耐久性を向上させることができる。

図６および図７は本発明の他の実施形態を示すもので、以下、この図６および図７に図１ないし図５と同一部分に同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
この実施形態が上述の一実施形態と異なるところは、形状記憶板ばね１０に代えて形状記憶コイルばね１３としたものである。形状記憶コイルばね１３は、下ケース３の内底面に固定されたホルダー１４の保持孔１５内に挿入され、熱伝導板ばね９の受熱片部９ｃの下に位置するように保持されている。

この形状記憶コイルばね１３は、所定温度未満では、弾力性を失い、熱伝導板ばね９の復元弾発力によって押し縮められた状態にある。この状態では、熱伝導板ばね９は、図６に二点鎖線で示すように受熱片部９ｃ（熱伝導シート１２）をＣＰＵ７から離反させている。そして、ＣＰＵ７を冷却すべき所定温度以上になると、形状記憶コイルばね１３は、記憶した形状となるように弾発力を生じて熱伝導板ばね９の受熱片部９ｃを押し上げる。これにより、図６に実線で示すように熱伝導板ばね９の受熱片部９ｃの熱伝導シート１２がＣＰＵ７に押圧され、ＣＰＵ７の熱を熱伝導板ばね９を介して下ケース３に伝える。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
形状記憶ばね手段は雰囲気によって熱せられる構成に限られず、形状記憶ばね手段を冷却対象部品に接触させて冷却対象部品により直接的に熱せられるようにしても良い。
形状記憶ばね手段としては、所定温度を越えると弾性力を失うものであっても良い。この場合には、熱伝導板ばね９は、自身の弾発力で受熱片部９ｃをＣＰＵ７に接する方向に付勢するように形成し、形状記憶ばね手段を、熱伝導板ばね９の受熱片部９ｃと下ケース３の底部との間に掛けられた例えばコイルばねとして構成する。そして、コイルばねからなる形状記憶ばね手段は、所定温度以下になると弾発力を生じて熱伝導板ばね９の受熱片部９ｃをＣＰＵ７から離すように付勢する構成とする。

冷却対象部品は、ケース内に収納されたものに限られず、大気に晒された電子部品或いは電子部品であっても良い。この場合には、例えばアルミ製のヒートシンクを接触させることによって冷却対象部品を冷却する構成とし、冷却対象部品が冷却を必要とする所定温度になったら、形状記憶ばね手段が弾発力を生じてヒートシンクを冷却対象部品に接触させたり、冷却対象部品から離したりするように構成する。
熱伝導部材をばね性のない材料から構成しても良い。この場合には、バイアス用の付勢手段は、別体のばねから構成する。
冷却対象部品としては、必ずしも面実装型の電子部品に限られない。
冷却対象部品としては、ＣＰＵ７に限られず、他の電子部品であっても良い。また、冷却対象部品としては、電子部品に限られず、コンデンサ、トランスなどの電気部品であっても良い

本発明の一実施形態を示すもので、熱伝導板ばねの熱伝導シートを冷却対象部品から離した状態で示す断面図 熱伝導板ばねの熱伝導シートを冷却対象部品に接触させた状態で示す断面図 冷却対象部品を収納したケースの断面図 ケースの内部を示す破断斜視図 分解斜視図 本発明の他の実施形態を示す要部の断面図 要部の斜視図

符号の説明

図中、２はケース、６はプリント配線基板、７はＣＰＵ（冷却対象部品）、７ａは半田ボール（接続端子）、８は放熱装置、９は熱伝導板ばね（熱伝導部材）、１０は形状記憶板ばね（形状記憶ばね手段）、１２は熱伝導シート、１３は形状記憶コイルばね（形状記憶ばね手段）、１４はホルダーである。

Claims (6)

1. 電子部品または電気部品からなる冷却対象部品に熱伝導部材を接触させることにより、前記冷却対象部品の熱を前記熱伝導部材に伝えるように構成した放熱装置において、
   前記熱伝導部材の前記冷却対象部品に接触する面に設けられた熱伝導シートと、
   前記熱伝導部材に対し、当該熱伝導部材が前記冷却対象部品に接する方向および前記冷却対象部品から離れる方向のうち、一方の方向への付勢力を常時及ぼす付勢手段および所定温度になったときに記憶した形状に変形して他方の方向への付勢力を及ぼす形状記憶材料からなる形状記憶ばね手段とを備え、
   前記形状記憶ばね手段が記憶した形状に変形することにより、前記熱伝導部材が前記冷却対象部品に対して前記熱伝導シートを介して接離することを特徴とする放熱装置。
2. 電子部品または電気部品からなる冷却対象部品に熱伝導部材を接触させることにより、前記冷却対象部品の熱を前記熱伝導部材に伝えるように構成した放熱装置において、
   前記熱伝導部材の前記冷却対象部品に接触する面に設けられた熱伝導シートと、
   前記熱伝導部材を前記冷却対象部品から離す方向に付勢する付勢手段と、
   前記冷却対象部品に接して、または前記冷却対象部品の近傍に位置して設けられ、所定温度以上になると、記憶した形状へと変形することにより弾発力を生じて前記付勢手段の付勢力に抗して前記熱伝導部材を前記冷却対象部品に前記熱伝導シートを介して接触させる形状記憶材料からなる形状記憶ばね手段と
   を具備してなる放熱装置。
3. 電子部品または電気部品からなる冷却対象部品に熱伝導部材を接触させることにより、前記冷却対象部品の熱を前記熱伝導部材に伝えるように構成した放熱装置において、
   前記熱伝導部材の前記冷却対象部品に接触する面に設けられた熱伝導シートと、
   前記熱伝導部材を前記冷却対象部品に前記熱伝導シートを介して接触させる方向に付勢する付勢手段と、
   前記冷却対象部品に接して、または前記冷却対象部品の近傍に設けられ、所定温度以下になると、記憶した形状へと変形することにより弾発力を生じて前記付勢手段の付勢力に抗して前記熱伝導部材を前記冷却対象部品から離す形状記憶材料からなる形状記憶ばね手段と
   を具備してなる放熱装置。
4. 前記熱伝導部材は、ばね材からなり、前記付勢手段と兼用されて前記形状記憶ばね手段が前記所定温度未満のとき、自身の弾発力により前記冷却対象部品から離れる方向に変位することを特徴とする請求項２記載の放熱装置。
5. 前記熱伝導部材は、ばね材からなり、前記付勢手段と兼用されて前記形状記憶ばね手段が前記所定温度を越えたとき、自身の弾発力により前記冷却対象部品に接する方向に変位することを特徴とする請求項３記載の放熱装置。
6. 前記冷却対象部品は、プリント配線基板に接続するための接続端子を、底面に多数配置した表面実装型の半導体装置であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の放熱装置。

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