JP5309510B2

JP5309510B2 - 発熱部を有する装置

Info

Publication number: JP5309510B2
Application number: JP2007237885A
Authority: JP
Inventors: 衛矢部
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: JP2009071039A; EP2190012A1; KR20100032449A; KR101102632B1; CN101785102B; US20110114630A1; CN101785102A; WO2009034846A1; US8581156B2; EP2190012A4

Description

本発明は、発熱部を有する装置に関する。

通常、電気機器は、その内部に抵抗要素の発熱部品を備えていることから駆動時に熱を発する。発熱が電気機器の動作特性に影響を及ぼさない場合は別として、発熱によって電気機器の動作特性が大きく変化する場合、電気機器に放熱器を付設することが行われる。例えば、特許文献１には、熱伝導性粒子を含むポリマーのベースと、ベースから突出する複数の細長い突起からなるポリマー突出部を備えた可撓性吸熱器が提案されている。
特開２００６−５１３３９０号公報

しかし、上述の可撓性吸熱器において、ベースと一体的に形成される細長い矩形の突出部はベースから相当突出しているために成形が難しいという問題があった。

そこで、本発明は、簡単な構成によって電気機器等の装置の熱を効率的に周辺雰囲気に放出できるようにした装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の一形態は、
筐体（５２）と上記筐体（５２）に収容されている少なくとも一つの発熱部（５６）を備えた装置（５０）であって、
上記発熱部（５６）の少なくとも一部（６０）は上記筐体内面（６４）と内部空間（６８（図示なし））を介して対向しており、
上記筐体内面（６４）に対向する上記発熱部（５６）の少なくとも一部（６０）と、上記発熱部（５６）の少なくとも一部（６０）に対向する筐体内面部分（６４）と、上記筐体内面部分（６４）の反対側にあって外部空間（７０）に接する筐体外面部分（６６）には、第１の面（２２）と第２の面（２４）を有するフィルム（１８）が接着材料（２０）を介して接着されており、
上記フィルム（１８）は上記空間（６８，７０）と接する上記第１の面（２２）又は第２の面（２４）に凸部又は凹部若しくは凸部と凹部の繰り返しパターン（２６，２８）を備えており、
上記フィルム（１８）は、液晶表示装置において光源から出射された光を表示画面に垂直な方向に集光するプリズムシートであることを特徴とする。

また、上記発明において、上記フィルム（１８）と接着材料（２０）が数式１の関係を満たしていることが好ましい。

このような構成を備えた本発明の装置によれば、装置に薄いフィルムを接着するだけの簡単な構成で、装置で発生する熱を効率的に外部に放出できる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

電気機器の構成

図１は、本発明に係る装置の一例である電気機器１０を示す。実施形態において、電気機器１０は半導体装置であるＳＯＰ（Small Outline Package）として表されているが、本発明は他の電気機器にも適用可能である。図示するように、電気機器１０はパッケージ１２を有し、プリント配線基板１４に実装される。パッケージ１２は、図示しない半導体素子等の発熱素子を内蔵しており、この発熱素子で発生した熱を効率的に周辺雰囲気１５に放出するために上面１６に放熱手段を備えている。

放熱フィルム

放熱手段は、薄い放熱フィルム１８を有する。放熱フィルム１８の一部を拡大した図１（ｂ）に示すように、放熱フィルム１８は、接着材料２０によって電気機器１０の上面（放熱面）１６に接着されている。放熱フィルム１８は、例えば２０〜３００μｍ、好ましは５０〜１５０μｍの厚みを有するフィルムで、電気機器１０に対向する底面（第１の表面）２２と電気機器１０の反対側にある上面（第２の表面）２４を有し、上面２４に所定の間隔をあけて三角形の凸条２６と三角形の凹条２８が交互に形成した繰り返しパターンが形成されている。

放熱モデル

図２は、放熱フィルムの無い電気機器（図１の電気機器から放熱フィルムを除いたもの）（比較例１）の放熱モデル３０〔図２（ａ）〕と、放熱フィルムを有する電気機器（図１の電気機器）（実施例１）の放熱モデル３２〔図２（ｂ）〕を示す。

比較例１

比較例１の放熱モデルにおける符号は以下の意味を有する。

比較例１の放熱モデルにおいて、熱量Ｑ、熱抵抗Ｒｎは、以下の数式２，３で表される。なお、式中、「ｈ」は熱伝達率（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））で、環境条件（例えば、対流条件）によって変化する値である。

実施例１の放熱モデルにおける符号は以下の意味を有する。

実施例１の放熱モデルにおいて、接着材料を通じて放出される熱量Ｑ、接着材料の熱抵抗Ｒｇは、以下の数式４，５で与えられる。なお、以下の数式において、「λｇ」は接着材料の熱伝導率〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、「ｄｇ」は接着材料の厚さ〔ｍ〕である。

放熱フィルムを通じて放出される熱量Ｑ、放熱フィルムの熱抵抗Ｒｐｃは、以下の数式６，７で与えられる。なお、以下の数式において、「λｐ」は放熱フィルムの熱伝導率〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、「ｄｐ」は放熱フィルムの厚さ〔ｍ〕である。

放熱フィルムの凹凸面から周辺雰囲気３６（図示なし）を通じて放出される熱量Ｑ、放熱フィルムの凹凸面から周囲雰囲気への熱抵抗Ｒｐａは、以下の数式８，９で与えられる。以下の数式において、「ｈ」は熱伝達率（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））である。

実施例１の放熱モデルにおける全熱抵抗Ｒｓ〔Ｋ／Ｗ〕は以下の数式１０で与えられる。

比較例１と実施例１の放熱モデルについて、数式３，１０を用いて熱抵抗を計算した。なお、諸数値は以下の通りである。なお、放熱フィルムは、図１に示すように、頂角９０度の三角形凸条と三角形凹条を交互に有するフィルムを想定した。

計算の結果を以下の表４に示す。

計算の結果から明らかなように、放熱フィルム（及び接着材料）を設けた電気機器の場合、放熱面積の増大によって、熱抵抗を放熱フィルムの無い電気機器の約０．７倍に低減できることが分かる。

以上の説明より、放熱フィルムを設けた電気機器は、以下の条件（数式１１）が満足されることにより、放熱フィルムの無い電気機器に比べて放熱効率が向上する。

放熱フィルムの具体例

放熱フィルムの材料は熱伝導性に優れた材料を用いることが好ましく、合成樹脂又は金属であってもよい。放熱フィルムは、プラスチックシートと金属シートが貼り合わされた複合シート、基材シートに別のシートをアウトサート成形したフィルムであってもよい。好適な複合シートしては、三菱樹脂株式会社から提供されている商品名「アルセット」のプラスチックフィルム−金属板複合材料が好適に利用できる。

放熱フィルムに形成される凸部又は凹部若しくは凸部と凹部の繰り返しパターンの形状は、三角形の凸条と凹条を交互に配置したものに限らず、曲面形であってもよいし、三角形と曲面形を組み合わせたものであってもよい。凸部と凹部は、連続している必要はなく、不連続に存在していてもよい。この場合、各凸部又は凹部は、直方体形状４０、４２（図３（ａ）、（ｂ）参照）、円柱形状、ピラミッド形状、針形状、逆Ｕ横断面形状のいずれであってもよい。また放熱フィルムは、図３（ｃ）に示すように、シート基材４４の表面に微小球形のビーズ４６を配置するとともに各ビーズ４６をバインダ４８で基材４４に固定したものであってもよい。

特に好ましい放熱フィルムとしては、液晶装置のバックライト装置において光源から出射された光を表示画面に垂直な方向に集光するプリズムシートである。例えば、住友スリーエム株式会社から提供されている商品名「輝度上昇フィルム」（ThinBEFシリーズ、BEF IIシリーズ、DEF IIIシリーズ、RBEFシリーズ、ウェーブフィルムシリーズ）が放熱フィルムに好適に利用できる。BEF IIシリーズ、DEF IIIシリーズ、RBEFシリーズ、ウェーブフィルムシリーズは、厚さ１２５μｍのポリエステルフィルム層の上に、アクリル系樹脂を用いてプリズムパターン（三角形の凸条と三角形の凹条を交互に形成したパターン）を精密成形したもので、三角形の凸条と凹条の頂点が９０度、凸条と凹条のプリズムピッチが５０μｍ、厚み（ポリエステル層の底面からアクリル系樹脂層の凸状頂上部までの距離）が１５５μｍである。ThinBEFシリーズのプリズムシートも同様の構成をしているが、厚みが６２μｍ、プリズムピッチが２４μｍである。BEF IIシリーズ、DEF IIIシリーズRBERシリーズでは凸条峰部と凹条谷部の両方が尖っているが、RBERシリーズは凸条峰部が曲面を有し、ウェーブフィルムシリーズは凸条峰部と凹条谷部の両方が曲面を有する。

三菱レイヨン株式会社から商品名「ダイヤアート」で提供されている液晶バックライト用プリズムシート、株式会社クラレから商品名「ミニブライト」で提供されている液晶バックライト部品も同様に利用可能である。

接着材料

接着材料２０は、熱抵抗を低く抑えるために、出来るだけ薄いことが好ましい。接着材料には、例えば、日東電工株式会社から市販されている「極薄両面接着テープNo. 5601」が好適に利用できる。因みに、この両面接着テープは、アクリル系粘着剤、ポリエステルフィルム基材、アクリル系粘着剤を、ポリエステルフィルム基材を積層したもので、０．０１ｍｍの厚みを有する。接着材料は、両面接着テープに限るものでなく、例えば、シリコーングリースであってもよい。

その他の材料

電気機器の放熱面と放熱シートの間には、平面方向（厚み方向と直交する方向）に熱伝導性の高い伝熱シートを介在してもよい。この場合、電気機器の発熱に場所的なむらがあっても、電気機器の局部的に高い熱が伝熱シートによって周囲に分散され、効率的に放熱される。

図４は、本発明の他の実施例に係る装置の一例である電気機器又は半導体ユニット５０を示す。図示する実施例の半導体ユニット５０は筐体５２を有する。筐体５２は、金属又は合成樹脂若しくはそれらの複合体で構成することができる。筐体５２の内部には電気配線基板５４が設けてあり、基板５４上に一つ又は複数の半導体部品（発熱部）５６が接続されている。

本実施例では、放熱フィルム５８（実施例１の放熱フィルム１８と同一である。）が、半導体部品５６の外面６０だけでなく、半導体部品５６に対向する筐体壁６２の内面６４と外面６６に接着材料（図示せず）を介してそれぞれ貼り付けてあり、半導体部品５６に設けた放熱フィルム５８ａと筐体壁６２に設けた放熱フィルム５８ｂは筐体内部の空間６８を介して対向している。放熱フィルム５８ｃは、筐体壁６２を介して、放熱フィルム５８ｂに対向している。

この半導体ユニット５０によれば、半導体部品５６の内部で発生した熱は、放熱フィルム５８ａを介して筐体内部の空間６８に放出される。空間６８に放出された熱は、筐体壁６２の内側放熱フィルム５８ｂ、筐体壁６２、外側放熱フィルム５８ｃを介して周辺雰囲気７０に放出される。同時に、半導体部品５６から熱を吸収した放熱フィルム５８ａは電磁波を放出し、その電磁波を筐体壁６２の内側放熱フィルム５８ｂが吸収することによって、放熱フィルム５８ａから放熱フィルム５８ｂに熱が運ばれる。内側放熱フィルム５８ｂに吸収された熱は、筐体壁６２、外側放熱フィルム５８ｃを介して周辺雰囲気（外部空間）７０に放出される。

このように、実施例２の半導体ユニット５０によれば、熱伝導と熱放射の２つの経路を通じて発熱部品の熱が周辺雰囲気に効率良く放出される。特に、本実施例では、筐体外面６６だけでなく、半導体ユニット５０の内側、すなわち、筐体壁６２の内面６４と筐体５２内に収容されている半導体部品５６の外面６０にも放熱フィルム５８が設けてあることから、筐体内部における熱の移動がよりスムーズに行われ、その結果、内部の発熱部品で発生した熱を効率良く周辺雰囲気に放出できる。

図５は実施例３に係る装置の一例であるバックライト装置８２である。バックライト装置８２は、筐体８４と大きな開口部（出射面）８６を有するフレーム８８を有し、これら筐体８４とフレーム８８の間に形成された空間内に導光部９０（図示なし）と照明用のＬＥＤ光源（発熱部）９２が収容されており、ＬＥＤ光源９２から出射された光が、導光部９０を介して出射面８６を介して図の上方に向けて放射されるようにしてある。筐体８４とフレーム８８は、例えばアルミニウムなどの熱伝導性に優れた材料で形成することが好ましい。

本実施例３の特徴とする構成は、発熱部品であるＬＥＤ光源９２で発生する熱を周辺雰囲気９４に効率良く放出するために、筐体８４の外面９６に放熱フィルム９８が接着されていることである。具体的に、実施例では、ＬＥＤ光源９２が取り付けてあるハウジング側壁９８の外面１００とこれに繋がるハウジング底壁１０２の外面１０４のほぼ全面又はその一部が、放熱フィルム９８で覆われている。

このように構成されたバックライト装置８２によれば、ＬＥＤ光源９２で発生した熱は、ハウジング側壁９８からハウジング底壁１０２に運ばれ、それぞれの外面１００，１０４に設けた放熱フィルム９８を介して周辺雰囲気９４に放出される。その結果、ＬＥＤ光源９２のジャンクション温度を効率的に低下させ、それによりＬＥＤ光源９２により多くの電流を供給してその発光量を増加させることができる。

実施例１に係る電気機器の斜視図〔図１（ａ）〕と部分拡大図〔図１（ｂ）〕。比較例１と実施例１の放熱モデルを示す図。凹凸パターンの他の形態を示す斜視図〔図３（ａ）、（ｂ）〕及び断面図〔図３（ｃ）〕。実施例２に係る半導体ユニットの断面図。実施例３に係るバックライト装置の断面図。

符号の説明

１０：電気機器
１２：パッケージ
１４：プリント配線基板
１６：上面
１８：放熱フィルム
２０：接着材料
２２：底面（第１の表面）
２４：上面（第２の表面）
２６：凸条
２８：凹条
３０：放熱モデル
３２：放熱モデル
３４：周辺雰囲気

Claims

筐体（５２）と上記筐体（５２）に収容されている少なくとも一つの発熱部（５６）を備えた装置（５０）であって、
上記発熱部（５６）の少なくとも一部（６０）は上記筐体内面（６４）と内部空間（６８（図示なし））を介して対向しており、
上記筐体内面（６４）に対向する上記発熱部（５６）の少なくとも一部（６０）と、上記発熱部（５６）の少なくとも一部（６０）に対向する筐体内面部分（６４）と、上記筐体内面部分（６４）の反対側にあって外部空間（７０）に接する筐体外面部分（６６）には、第１の面（２２）と第２の面（２４）を有するフィルム（１８）が接着材料（２０）を介して接着されており、
上記フィルム（１８）は上記空間（６８，７０）と接する上記第１の面（２２）又は第２の面（２４）に凸部又は凹部若しくは凸部と凹部の繰り返しパターン（２６，２８）を備えており、
上記フィルム（１８）は、液晶表示装置において光源から出射された光を表示画面に垂直な方向に集光するプリズムシートであることを特徴とする装置。
上記フィルム（１８）と接着材料（２０）が数式１の関係を満たしていることを特徴とする請求項１の装置。