JP5589620B2 - 電子部品の冷却構造、電子部品装置、ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）チップ等の電子部品の冷却構造、電子部品装置、ヒートシンクに関する。

近年、ＬＳＩチップ上に搭載される半導体回路の高集積化、高速度化に伴い、ＬＳＩチップの発熱が極めて大きくなっている。このため、ＬＳＩチップに大きなヒートシンクを取り付け、ＬＳＩチップの放熱を促す工夫がされている。

図４は、一般的な電子部品の冷却構造の概要図である。
ＬＳＩチップ１は配線基板２上の所定位置に実装されている。ＬＳＩチップ１の頂面１ａに、ＬＳＩチップ１より大きい面積を持つヒートシンク３が配置されている。このヒートシンク３は、ＬＳＩチップ１に、図示しないコイルスプリングやプレートスプリングを用いて押し付けるよう固定され、これによってその下面側３ａをＬＳＩチップ１の頂面１ａに押し付けて接触させている。

しかし、ヒートシンク３とＬＳＩチップ１との接触面は完全な平滑面ではなく細かい凹凸がある。また、ＬＳＩチップ１の強度上、ヒートシンク３をＬＳＩチップ１へ強く押し付けることができない。このため、ヒートシンク３とＬＳＩチップ１とを直接接触させても、ＬＳＩチップ１とヒートシンク３の実質的な接触面積は小さく、ＬＳＩチップ１からヒートシンク３への熱伝導経路の熱抵抗が高くなってしまう。
その結果、熱設計上、ＬＳＩチップ１とヒートシンク３との接触面は、ＬＳＩチップ１からヒートシンク３までの熱伝導経路において、熱密度の最も高い部分となっている。そこで、一般的な電子部品の冷却構造においては、図４に示すように、ＬＳＩチップ１とヒートシンク３との熱抵抗を小さくするために、ＬＳＩチップ１とヒートシンク３との間にサーマルグリース４を介在させている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００２−９３９６２号公報

ところで、この様なＬＳＩチップ１はポンプアウトという問題が生じることが知られている。配線基板２上、ＬＳＩチップ１、ヒートシンク３のそれぞれには、熱膨張率に差がある。このため、温度変化に伴いＬＳＩチップ１の表面の歪み量が増減したときに、図５に示すように、ＬＳＩチップ１とヒートシンク３とのギャップ寸法が変化し、サーマルグリース４がＬＳＩチップ１とヒートシンク３との隙間から押し出されたり引き込まれたりするのを繰り返すうちに、気泡が混入してしまうのである。
図５は、ＬＳＩチップ１とヒートシンク３とのギャップ寸法が、温度変化により、（ａ）標準ギャップ（常温）→（ｂ）狭ギャップ（高温）→（ｃ）標準ギャップ（常温）と変化した場合の、サーマルグリース４の状態変化を示している。図５（ａ）に示す状態から、温度が高くなって、図５（ｂ）に示すように、ＬＳＩチップ１とヒートシンク３とのギャップ寸法が狭ギャップとなると、サーマルグリース４は、ＬＳＩチップ１の頂面の範囲から外周側へ押し出される。そして、図５（ｃ）に示すように、再び温度が低下し、ＬＳＩチップ１とヒートシンク３とのギャップ寸法が標準ギャップとなったときには、一度外へ押し出されたサーマルグリース４の一部がＬＳＩチップ１の頂面１ａの範囲に戻らず、結果として気泡５がサーマルグリース４内に取り込まれてしまう。
このようにしてサーマルグリース４に気泡５が生じてしまうと、気泡５は大きな熱抵抗となるので、ＬＳＩチップ１の安定した冷却が行えないという問題が生じる。

このようなポンプアウト現象は、サーマルグリース４が、ＬＳＩチップ１の四辺１ｂに対し、ＬＳＩチップ１の角部１ｃの近傍において、ＬＳＩチップ１の周囲に存在するサーマルグリース４の量が少ないことに起因する。より詳細に説明すると、図６（ａ）に示すように、組み立て工程において、サーマルグリース４は、サーマルグリース４を供給するノズルからＬＳＩチップ１の頂面１ａの中心に供給される。すると、表面張力によりサーマルグリース４は平面視ほぼ円形にＬＳＩチップ１の頂面１ａに留まる。そして、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＬＳＩチップ１上にヒートシンク３を押し付けると、サーマルグリース４は、外周側に広がる。広がった状態においても、サーマルグリース４は、平面視円形であるため、自ずと、ＬＳＩチップ１の角部１ｃの近傍においては、周囲に存在するサーマルグリース４の量が少なくなるのである。

これに対し、サーマルグリース４の量を増やすことで、サーマルグリース４が広がる範囲を大きくし、ＬＳＩチップ１の角部１ｃの近傍においても、周囲に存在するサーマルグリース４の量が少なくなるのを防ぐことも考えられる。しかしこれでは材料コストの上昇につながる。

ところで、ＬＳＩチップ１で発する熱の一部は、配線基板２にも放熱され、これによってＬＳＩチップ１の冷却機能の一部が担われている。しかし、高集積化、高速度化されたＬＳＩチップ１は、高消費電力化、低電圧化の傾向にあり、ＬＳＩチップ１へ供給する電流値が大きくなっている。その結果、配線基板２が発熱することで配線基板２の導体の電気抵抗値が上昇し、必要な給電が行えないなどの障害が発生するため、ＬＳＩチップ１で発する熱を配線基板２で放熱するにも限度がある。したがって、ヒートシンク３によって、ＬＳＩチップ１を確実に冷却する必要がある。

そこでなされた本発明の目的は、サーマルグリースに気泡が生じるのを抑え、ＬＳＩチップ等の電子部品を安定して冷却することのできる電子部品の冷却構造、電子部品装置、ヒートシンクを提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の電子部品の冷却構造は、配線基板の表面に実装される電子部品と、前記電子部品を覆うように設けられるヒートシンクと、前記電子部品と前記ヒートシンクとの間に充填され、半流動性を有するサーマルグリースと、を備え、前記ヒートシンクは、前記電子部品側の表面から突出すると共に内側空間に前記電子部品を収容した周壁を有し、前記周壁は、前記電子部品の角部に対応する位置に形成されると共に前記内側空間と外側とを連通させる開放部を具備し、前記サーマルグリースは、前記内側空間に充填されていると共に前記開放部に貯留されていることを特徴とする。

また、本発明の電子部品装置は、上記の電子部品の冷却構造を具備することを特徴とする。

また、本発明は、電子部品を覆うように設けられて前記電子部品で発生する熱を放熱するヒートシンクであって、前記ヒートシンクは、表面から突出すると共に前記電子部品を収容する内側空間を形成する周壁を有し、前記周壁は、前記電子部品の角部に対応する位置に形成されると共に前記内側空間と外側とを連通させる開放部を具備し、前記サーマルグリースを前記内側空間に充填可能かつ前記開放部に貯留可能であることを特徴とする。

本発明によれば、電子部品を収容する周壁のうち電子部品の角部に対応する開放部にサーマルグリースが貯留されているので、温度変化に伴い電子部品とヒートシンクとのギャップ寸法が変動してサーマルグリースが電子部品とヒートシンクの間から押し出されたり引き込まれたりするのを繰り返したとしても、電子部品の角部の外周側には、十分な量のサーマルグリースが存在することになる。これにより、サーマルグリースが引き込まれるときに気泡が混入するのを防ぐことができる。したがって、ヒートシンクによる放熱性が低下するのを防ぎ、電子部品を安定して冷却することができる。
また、電子部品の角部以外に対応する部分において、周壁が、サーマスグリースが外側に広がるのを制限するので、サーマルグリース量を増やすことなく、上記効果を得ることができるので、コスト面においても優れる。

本実施形態に示す電子部品装置の概略構成図であって、図１（ａ）が平面図であり、図１（ｂ）が縦断面図（図１（ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図）である。なお、図１（ａ）においては、ヒートシンク２０のプレート本体部２０Ａの図示を省略し、周壁部２５のみを図示している。 ヒートシンク２０が有する突起２１を示す要部拡大断面図である。 ＬＳＩチップ１０上にヒートシンク２０を取り付けるときの工程図である。 一般的な電子部品の冷却構造の概略構成図であって、図４（ａ）が平面図であり、図４（ｂ）が縦断面図（図４（ａ）におけるII−II線断面図）である。なお、図４（ａ）においては、ヒートシンク３の図示を省略している。 一般的な電子部品を示す図であって、温度変化に伴って電子部品とヒートシンクとのギャップ寸法が変動したときの様子を示している。 一般的な電子部品を示す図であって、ＬＳＩチップ上にヒートシンクを取り付ける工程図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による電子部品の冷却構造を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

図１は、本実施形態にかかる電子部品装置の構成を示している。
図１に示すように、ＬＳＩチップ（電子部品）１０は、例えば矩形のプレート状で、配線基板３０上の所定位置に実装されている。ＬＳＩチップ１０の頂面１０ａに、放熱性に優れた金属製等からなり、ＬＳＩチップ１０より大きい面積を持つプレート状のヒートシンク２０が配置されている。このヒートシンク２０は、ＬＳＩチップ１０に、図示しないコイルスプリングやプレートスプリングを用いて押し付けるよう固定され、これによってその下面側の接触面２０ａをＬＳＩチップ１０の頂面１０ａに押し付けて接触させている。電子部品装置は、これらＬＳＩチップ１０、ヒートシンク２０、配線基板３０を備えて構成されている。

ヒートシンク２０は、プレート状に形成されたヒートシンク本体部２０Ａと、ヒートシンク本体部２０ＡのうちＬＳＩチップ１０に対向する接触面２０ａから突出して、内側空間にＬＳＩチップ１０を収容する周壁２５とを有している。
周壁２５は、ＬＳＩチップ１０の外周縁部の四辺のそれぞれに沿って連続して延びる四つの突起２１が、矩形状に配列されて構成されている。より具体的には、四つの突起２１のうち相互に隣接する二つの突起２１が、内側空間と外側とを連通させる開放部２２を介して、互いに直交する方向に延在するように配列されることにより、全体として矩形状に構成されている。すなわち、この周壁２５は、開放部２２がＬＳＩチップ１０の角部１０ｃに対応して位置するようになっている。
図２に示すように、各突起２１は、ヒートシンク２０をＬＳＩチップ１０上に載せたときに、ＬＳＩチップ１０に接触しないよう、ＬＳＩチップ１０の外周縁部に位置する側面１０ｂから外周側に所定寸法以上離間して設けられている。また、各突起２１は、ヒートシンク２０の接触面２０ａがＬＳＩチップ１０の頂面１０ａに押し付けられた状態で、突起２１の先端部２１ａが配線基板３０に接触しないような高さで形成されている。また本実施形態において、突起２１は、ヒートシンク２０から配線基板３０に接近するに従い、その幅が漸次縮小する断面視台形状に形成されている。

この周壁２５（突起２１）は、ヒートシンク２０とは別の材料で形成しても良いが、ヒートシンク２０と同材料で形成すれば、ヒートシンク２０の成形時に突起２１を同時に形成でき、また突起２１もヒートシンク２０の放熱性の一部を担うことができる。さらには、周壁２５（突起２１）をヒートシンク２０よりも熱伝導率の高い材料で形成すれば、突起２１を介してヒートシンク２０に効率よく熱を伝導させることができる。

このような構成のヒートシンク２０を用いてＬＳＩチップ１０の冷却構造を実現する場合、以下のようにしてヒートシンク２０を取り付ける。
まず、図３（ａ）に示すように、配線基板３０上に実装したＬＳＩチップ１０の頂面１０ａに、サーマルグリース４０を盛り付ける。
そして、ＬＳＩチップ１０の頂面１０ａにヒートシンク２０を押し付ける。すると、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＬＳＩチップ１０の頂面１０ａとヒートシンク２０との間で、サーマルグリース４０が押し広げられる。すると、サーマルグリース４０は、ＬＳＩチップ１０とヒートシンク２０とにより、その行き場が制限され、ヒートシンク２０の接触面２０ａおよび突起２１と、ＬＳＩチップ１０の頂面１０ａおよび四方の側面１０ｂとの間に充填される。

このとき図３（ｃ）に示すように、特にサーマルグリース４０へのエア混入の起こりやすいＬＳＩチップ１０の角部１０ｃの近傍には、突起２１が設けられていないため、サーマルグリース４０は、開放部２２から押し出され、ＬＳＩチップ１０の外周側に流れ出る。これにより、サーマルグリース４０が開放部２２及び外側に貯留される。すなわち、ＬＳＩチップ１０の角部１０ｃの外周側には、十分な量のサーマルグリース４０が存在することになる。

このような構成によれば、温度変化に伴いＬＳＩチップ１０とヒートシンク２０とのギャップ寸法が、常温時の標準ギャップから、ＬＳＩチップ１０の作動により高温となって狭ギャップとなると、サーマルグリース４０が、ＬＳＩチップ１０の頂面１０ａとヒートシンク２０の接触面２０ａとの隙間から外周側へ押し出される。そして、ＬＳＩチップ１０の作動が停止して温度が低下し、ＬＳＩチップ１とヒートシンク３とのギャップ寸法が標準ギャップとなったときには、ＬＳＩチップ１０の頂面１０ａとヒートシンク２０の接触面２０ａとの隙間が負圧状態となり、一度外へ押し出されたサーマルグリース４０の一部がＬＳＩチップ１０の頂面１０ａとヒートシンク２０の接触面２０ａとの隙間に引き込まれる。このとき、ＬＳＩチップ１０の角部１０ｃの外周側には、十分な量のサーマルグリース４０が存在しているので、ＬＳＩチップ１０の頂面１０ａとヒートシンク２０の接触面２０ａとの隙間には、サーマルグリース４０が確実に引き込まれる。

このようにしてＬＳＩチップ１０の角部１０ｃの近傍においてサーマルグリース４０に気泡が混入するのを防ぐことができる。
なお、ここで、温度変化によってサーマルグリース４０が押し出された場合、サーマルグリース４０は、ＬＳＩチップ１０の四方の側面１０ｂに沿った部分においては、突起２１により外周側へ広がるのが制限され、ＬＳＩチップ１０の角部１０ｃ近傍の開放部２２から集中的に広がる。したがって、サーマルグリース４０の量を増やすことなく、ＬＳＩチップ１０の角部１０ｃ近傍におけるサーマルグリース４０の量を低コストで有効に増やすことができる。
また、突起２１により、サーマルグリース４０の広がる向きが、外周側ではなく配線基板３０側に制限されるので、ＬＳＩチップ１０の頂面１０ａとヒートシンク２０の接触面２０ａとの間だけでなく、ＬＳＩチップ１０の四方の側面１０ｂに沿ってヒートシンク２０と配線基板３０の表面との間に、サーマルグリース４０を充填させることができる。これにより、ＬＳＩチップ１０からヒートシンク２０への熱伝導効率を高めることができ、放熱性を向上できるとともに、ＬＳＩチップ１０が空気と触れないようにすることができる。
このとき、ヒートシンク２０に設けた突起２１を、サーマルグリース４０を介して配線基板３０と接触させることもできるので、ＬＳＩチップ１０への給電で生じる配線基板３０内の発熱を、ヒートシンク２０に逃がすこともでき、この点においても放熱性を向上できる。この場合において、突起２１の先端部２１ａを、配線基板３０の表面に平行な平坦面とするのが好ましい。突起２１の先端部２１ａと配線基板３０との間に、サーマルグリース４０を確実に介在させることができるためである。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、ヒートシンク２０に形成した突起２１の形状や、開放部２２の位置、開口寸法等は、適宜変更することが可能である。
また、突起２１をヒートシンク２０とは別部品とし、ヒートシンク２０に、半田付け、ビス等の各種固定手段により取り付ける構成とすることも許容する。
また、プレート状のヒートシンク２０は、放熱効果を高めるフィンを形成した構成にしてもよい。
また、ＬＳＩチップ１０に限らず、他の電子部品においても、同様の構成を適用することで放熱性能を高めることができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０ ＬＳＩチップ（電子部品）
１０ａ 頂面
１０ｂ 側面
１０ｃ 角部
２０ ヒートシンク
２０ａ 接触面
２１ 突起
２１ａ 先端部
２２ 開放部
３０ 配線基板
４０ サーマルグリース

Claims (7)

1. 配線基板の表面に実装される電子部品と、
   前記電子部品を覆うように設けられるヒートシンクと、
   前記電子部品と前記ヒートシンクとの間に充填され、半流動性を有するサーマルグリースと、を備え、
   前記ヒートシンクは、前記電子部品側の表面から前記配線基板に接触しない高さまで突出すると共に内側空間に前記電子部品を収容した周壁を有し、
   前記周壁は、前記電子部品の角部に対応する位置に形成されると共に前記内側空間と外側とを連通させる開放部を具備し、
   前記サーマルグリースは、前記内側空間に充填されていると共に前記開放部に貯留されていることを特徴とする電子部品の冷却構造。
2. 前記周壁が、前記ヒートシンクと同材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の冷却構造。
3. 前記周壁が、前記ヒートシンクを形成する材料よりも熱伝導率の高い材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の冷却構造。
4. 前記周壁において前記配線基板に対向する先端部が、前記配線基板の表面に平行な平坦面により形成されていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の電子部品の冷却構造。
5. 前記サーマルグリースは、前記開放部を介して前記周壁の外側に貯留されていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の電子部品の冷却構造。
6. 請求項１から５のうちいずれか一項に記載の電子部品の冷却構造を具備することを特徴とする電子部品装置。
7. 電子部品を覆うように設けられて前記電子部品で発生する熱を放熱するヒートシンクであって、
   前記ヒートシンクは、前記電子部品とサーマルグリースを介して接触する表面から、前記電子部品が取り付けられる配線基板に接触しない高さまで突出すると共に前記電子部品を収容する内側空間を形成する周壁を有し、
   前記周壁は、前記電子部品の角部に対応する位置に形成されると共に前記内側空間と外側とを連通させる開放部を具備し、前記サーマルグリースを前記内側空間に充填可能かつ前記開放部に貯留可能であることを特徴とするヒートシンク。

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