JP5658837B2

JP5658837B2 - 電子部品用放熱装置

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Publication number: JP5658837B2
Application number: JP2014064626A
Authority: JP
Inventors: 望月　正孝; 正孝望月; 徹大河原; 知志小坂部
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: JP2014209614A

Description

この発明は、中央演算処理装置などの電子部品から放熱させて、電子部品を冷却するための電子部品用放熱装置に関するものである。

パーソナルコンピュータの中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの電子部品はその高速化、高性能化に伴ってその発熱量は年々増大する傾向にある。しかしながら反対に半導体のチップサイズは微細シリコン回路技術の進歩によって、従来と同等サイズかより小さいサイズとなり、単位面積あたりの熱流束は高くなっている。したがって、その温度上昇による不具合などを回避するために、電子部品を効果的に放熱・冷却することが求められている。そのため、電子部品にはヒートパイプやヒートスプレッダ（ＩＨＳ）などを備えた放熱装置が設けられる。電子部品の界面と放熱装置の界面との間には隙間があるため、高熱伝導性部材（ＴＩＭ）を配置してその隙間を埋めることで、電子部品をさらに放熱・冷却できることが知られている。このような放熱装置を備えた装置が特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載された構造を簡単に説明すると、熱を生じる電子部品とヒートシンクとの間に、熱伝導性を有する断面波形状の金属箔が配置されている。この金属箔は、荷重が加えられる方向に弾性を有する部材または圧縮可能な部材である。波形状の金属箔とヒートシンクおよび電子部品との間の隙間には、高熱伝導性部材（ＴＩＭ）が配置されている。

米国特許公開第２００２／００１５２８８号公報

ところで、特許文献１に記載されている金属箔の熱抵抗をより低くするためには、その波形の高さを低くし、ヒートシンクおよび電子部品に接触する金属箔の接触面数を増加させることが考えられる。そのためには、金属箔の隣り合った接触面の間隔を短くする（言い換えると、ピッチを細かくする）必要があるが、その一方で、金属箔の隣り合った接触面のピッチを細かくする加工は微細な加工が求められ、その加工作業は困難である。さらに、熱を生じる電子部品の表面には微小な凹凸があるため、ヒートシンクおよび金属箔を電子部品に組み付けたときのずれや公差等により、金属箔の接触面と電子部品の表面との間には隙間が生じてしまい、その結果、熱抵抗が増加してしまうおそれがあり、この点で改良の余地があった。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、パッケージ化された際の実装高さや公差などのばらつきに対応でき、かつ電子部品からヒートスプレッダへの伝熱性能を向上させることができる電子部品用放熱装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、この発明は、基板上に設置された電子部品がヒートスプレッダを介してヒートシンクと熱的に接続され、前記電子部品で生じた熱を前記ヒートスプレッダで拡散させ、かつ前記ヒートスプレッダの熱を前記ヒートシンクで放熱させるように構成された電子部品用放熱装置において、前記ヒートスプレッダは、前記電子部品に対向する内面に一体化され、かつ前記電子部品に面接触する複数のマイクロフィンを備え、前記電子部品は、実装高さが異なる第一電子部品と第二電子部品とを含み、前記マイクロフィンは、前記第一電子部品に面接触して弾性変形する第一フィンと、前記第二部品に面接触して弾性変形する第二フィンとを含み、前記第一フィンおよび第二フィンは、一つの前記ヒートスプレッダに設けられているとともに、前記電子部品に非接触の状態で、前記内面から前記第一フィンの先端部までの高さと、前記内面から前記第二フィンの先端部までの高さとが異なる高さに構成されていることを特徴とするものである。

この発明は、上記の発明において、前記マイクロフィンは、前記ヒートスプレッダの表面部分を薄く削いで起立させて形成されていることを特徴とする電子部品用放熱装置である。

この発明は、上記の発明において、隣り合う前記マイクロフィン同士の隙間には、高熱伝導性部材が充填されていることを特徴とする電子部品用放熱装置である。

この発明は、上記の発明において、前記ヒートスプレッダは、前記ヒートシンクに対向する外面に一体化され、かつ前記ヒートシンクに面接触する複数のマイクロフィンをさらに備えていることを特徴とする電子部品用放熱装置である。

この発明は、基板上に設置された電子部品がヒートスプレッダを介してヒートシンクと熱的に接続され、前記電子部品で生じた熱を前記ヒートスプレッダで拡散させ、かつ前記ヒートスプレッダの熱を前記ヒートシンクで放熱させるように構成された電子部品用放熱装置において、前記ヒートスプレッダは、前記ヒートシンクに対向する外面とは反対側に配置され、かつ前記電子部品に対向する内面に一体化されているとともに、前記電子部品に接触する複数の金属製ワイヤを備え、前記金属製ワイヤは、前記内面に接合された両端部と、前記両端部を繋ぐように前記内面から離れて配置され、かつ前記内面から所定高さのアーチ状に形成されたアーチ部とを含み、前記電子部品は、実装高さが異なる第一電子部品と第二電子部品とを含み、前記金属製ワイヤは、前記第一電子部品に接触して弾性変形する第一ワイヤと、前記第二電子部品に接触して弾性変形する第二ワイヤとを含み、前記第一ワイヤおよび第二ワイヤは、一つの前記ヒートスプレッダに設けられているとともに、前記電子部品と非接触の状態で、前記第一ワイヤにおける前記アーチ部の高さと、前記第二ワイヤにおける前記アーチ部の高さとが異なる高さに構成されていることを特徴とするものである。

この発明は、上記の発明において、前記複数の金属製ワイヤは、前記電子部品の幅方向に対して直交する奥行き方向で隣り合うように所定ピッチで配列されており、前記第一ワイヤの両端部と、前記第二ワイヤの両端部とは、前記内面の異なる位置に配置され、一つの前記金属製ワイヤにおける両端部は、幅方向で所定の間隔に配置され、かつ奥行き方向で一方の端部が他方の端部とは異なる位置に配置されていることを特徴とする電子部品用放熱装置である。

この発明は、上記の発明において、前記金属製ワイヤ同士の隙間には、高熱伝導性部材が充填されていることを特徴とする電子部品用放熱装置である。

この発明は、基板上に設置された電子部品がヒートスプレッダを介してヒートシンクと熱的に接続され、前記電子部品で生じた熱を前記ヒートスプレッダで拡散させ、かつ前記ヒートスプレッダの熱を前記ヒートシンクで放熱させるように構成された電子部品用放熱装置において、前記ヒートスプレッダは、前記ヒートシンクに対向する外面とは反対側に配置され、かつ前記電子部品に対向する内面に一体化されているとともに、前記電子部品に面接触する複数の金属製シートを備え、前記金属製シートは、前記内面に接合された両端部と、前記両端部を繋ぐように前記内面から離れて配置され、かつ前記内面から所定高さのアーチ状に形成されたアーチ部とを含み、前記電子部品は、実装高さが異なる第一電子部品と第二電子部品とを含み、前記金属製シートは、前記アーチ部が前記第一電子部品に面接触して弾性変形する第一シートと、前記アーチ部が前記第二電子部品に面接触して弾性変形する第二シートとを含み、前記第一シートおよび第二シートは、一つの前記ヒートスプレッダに設けられているとともに、前記電子部品と非接触の状態で、前記第一シートにおける前記アーチ部の高さと、前記第二シートにおける前記アーチ部の高さとが異なる高さに構成されていることを特徴とするものである。

この発明は、上記の発明において、隣り合う前記金属製シート同士の隙間には、高熱伝導性部材が充填されていることを特徴とする電子部品用放熱装置である。

この発明によれば、マイクロフィンがヒートスプレッダと一体化されているので、マイクロフィンとヒートスプレッダとの間で界面熱抵抗が生じず伝熱性能を向上させることができる。また、マイクロフィンが弾性変形可能に構成されているため、半導体パッケージを形成する際の実装高さや公差などのばらつきに対応できる。そのため、熱抵抗が大きくなることを低減できるとともに、電子部品用放熱装置の製造が容易になる。さらに、マイクロフィンが対象部材に面接触したまま弾性変形するため、熱伝達効率が向上する。

この発明よれば、上記発明の効果に加えて、ヒートスプレッダ表面を薄く削いで起立させたマイクロフィンが成形されているので、隣り合うマイクロフィン同士の間の隙間を狭くすることが容易になる。そのため、同じ表面積であってもマイクロフィンの数を増加させることができる。したがって、マイクロフィンの接触面数を増加させることができ、対象部材との接触面積を増大させられるため、熱伝達効率を向上できる。また、マイクロフィンを容易に製造することができるため、電子部品用放熱装置の製造が容易になる。

この発明によれば、上記発明の効果に加えて、マイクロフィン同士の隙間を埋めるように高熱伝導性部材が充填されているので伝熱性能を向上できる。

この発明よれば、上記発明の効果に加えて、マルチチップモジュールなど電子部品がパッケージ化された際、実装高さが異なる第一電子部品および第二電子部品を対象として効率的に放熱させることができる。第一電子部品とヒートスプレッダとのギャップ、および第二電子部品とヒートスプレッダとのギャップが変動する場合でも、そのギャップ変動に対応して第一フィンおよび第二フィンが弾性変形するように構成されている。そのため、常に電子部品とマイクロフィンとの接触状態が保たれる。つまり、マイクロフィンが接触面積を保つように弾性変形できるので、熱伝達効率を向上させることができる。さらに、各電子部品の実装高さに対応するように第一フィンの高さと第二フィンの高さを適宜に設定することができる。これにより、各フィンと各電子部品との接触状態が保たれるのみでなく、各フィンから各電子部品へ過大な荷重が作用しないように弾性変形する。したがって、半導体パッケージの耐久性を向上できる。

この発明によれば、金属製ワイヤがヒートスプレッダと一体化されているので、金属製とヒートスプレッダとの間で界面熱抵抗が生じず伝熱性能を向上させることができる。また、金属製ワイヤが弾性変形可能に構成されているため、半導体パッケージを形成する際の実装高さや公差などのばらつきに対応できる。そのため、接触面積が減って熱抵抗が大きくなることを低減できるとともに、電子部品用放熱装置の製造が容易になる。さらに、金属製ワイヤのアーチ部が対象部材に接触したままワイヤ高さを変化させるように弾性変形するため、熱伝達効率が向上する。加えて、金属製ワイヤがヒートスプレッダを傷つけることなく弾性体を形成することができる。

この発明よれば、上記発明の効果に加えて、マルチチップモジュールなど電子部品がパッケージ化された際、実装高さが異なる第一電子部品および第二電子部品を対象として効率的に放熱させることができる。第一電子部品とヒートスプレッダとのギャップおよび第二電子部品とヒートスプレッダとのギャップが変動する場合でも、そのギャップ変動に対応して第一ワイヤおよび第二ワイヤのアーチ部が弾性変形するので、常に電子部品と金属製ワイヤとの接触状態が保たれる。つまり、金属製ワイヤが接触面積を保つように弾性変形できるので、熱伝達効率を向上させることができる。さらに、各電子部品の実装高さに対応するように第一ワイヤの高さと第二ワイヤの高さを適宜に設定することができる。これにより、各ワイヤと各電子部品との接触状態が保たれるのみでなく、各ワイヤから各電子部品へ過大な荷重が作用しないように弾性変形する。したがって、半導体パッケージの耐久性を向上させることができる。

この発明によれば、上記発明の効果に加えて、金属製ワイヤ同士の隙間を埋めるように高熱伝導性部材が充填されているので伝熱性能を向上させることができる。

この発明によれば、金属製シートがヒートスプレッダと一体化されているので、金属製とヒートスプレッダとの間で界面熱抵抗が生じず伝熱性能を向上させることができる。また、金属製シートが弾性変形可能に構成されているため、特にアーチ部が弾性変形することにより半導体パッケージを形成する際の実装高さや公差などのばらつきに対応できる。そのため、熱抵抗が大きくなることを低減できるとともに、電子部品用放熱装置の製造が容易になる。さらに、金属製シートのアーチ部が対象部材に接触したまま弾性変形するため熱伝達効率が向上する。加えて、金属製シートによれば電子部品との接触面積を十分に確保できるので伝熱性能を向上させることができる。

この発明よれば、上記の効果に加えて、マルチチップモジュールなど電子部品がパッケージ化された際、実装高さが異なる第一電子部品および第二電子部品を対象として効率的に放熱させることができる。第一電子部品とヒートスプレッダとのギャップおよび第二電子部品とヒートスプレッダとのギャップが変動する場合でも、そのギャップ変動に対応して第一シートおよび第二シートのアーチ部が弾性変形するので、常に電子部品と金属製シートとの接触状態が保たれる。つまり、金属製シートが接触面積を保つように弾性変形できるので、熱伝達効率を向上させることができる。さらに、各電子部品の実装高さに対応するように第一シートの高さと第二シートの高さを適宜に設定することができる。これにより、各シートと各電子部品との接触状態が保たれるのみでなく、各シートから各電子部品へ過大な荷重が作用しないように弾性変形する。したがって、半導体パッケージの耐久性を向上させることができる。

この発明によれば、上記発明の効果に加えて、金属製シート同士の隙間を埋めるように高熱伝導性部材が充填されているので伝熱性能を向上させることができる。

第一実施例の電子部品用放熱装置を模式的に示した断面図である。（ａ）は図１に示す領域Ａを示した説明図であり、（ｂ）はマイクロフィンを成形する過程を説明するための説明図である。第二実施例の電子部品用放熱装置を模式的に示した断面図である。第三実施例の電子部品用放熱装置を模式的に示した断面図である。第四実施例の電子部品用放熱装置を模式的に示した断面図である。（ａ）は第一フィンと第二フィンとが同じ高さに形成された場合を示した説明図であり、（ｂ）は第一フィンが第二フィンよりも低く形成された場合を示した説明図である。第四実施例の変形例を模式的に示した断面図である。第五実施例の電子部品用放熱装置を模式的に示した断面図である。（ａ）はヒートスプレッダと一体化された金属製ワイヤ（金属製シート）を説明するための説明図であり、（ｂ）は図８に示す弾性変形している金属製ワイヤ（金属製シート）を説明するための説明図である。金属製ワイヤの配列例を示した説明図である。（ａ）は第一ワイヤ（第一シート）と第二ワイヤ（第二シート）とが同じ高さに形成された場合を示した説明図であり、（ｂ）は第一ワイヤ（第一シート）が第二ワイヤ（第二シート）よりも低く形成された場合を示した説明図である。

以下、この発明を具体例に基づいて説明する。

まず、図１を参照して、この発明の第一実施例における電子部品用放熱装置について説明する。図１に示すように、第一実施例の電子部品用放熱装置１は、基板２上に設けられた電子部品である中央演算処理装置（以下「ＣＰＵ」という）３がヒートスプレッダ１０および高熱伝導性部材（以下「ＴＩＭ」という）２０を介して放熱部であるヒートシンク３０と熱的に接続された構成を備えている。電子部品用放熱装置１は、ヒートスプレッダ１０とＴＩＭ２０とヒートシンク３０とを備え、ＣＰＵ３で生じた熱をヒートスプレッダ１０で拡散しヒートシンク３０で放熱するように構成されている。

ＣＰＵ３は、従来知られているものと同様の構造であって、シリコンチップ上に回路を形成した厚さが数ｍｍの矩形状の部材である。すなわち、ＣＰＵ３は半導体チップである。図１に示すように、ＣＰＵ３がバンプ４によってパッケージ基板である基板２に電気的に接続されて基板２上に配置されている。基板２は図示しないマザーボードに接続されている。つまり、電子部品用放熱装置１は半導体パッケージを対象とすることができる。なお、この発明で対象とする電子部品は、集積回路、メモリやＣＰＵなどの動作時に発熱する電子部品であればよい。

ヒートスプレッダ１０は、ＣＰＵ３で生じた熱を拡散させるための熱拡散板であり、ＣＰＵ３と熱的に接続されている。例えば、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い素材によってヒートスプレッダ１０が形成されている。また、ヒートスプレッダ１０は全体形状が升形状などの周知の形状に形成され、ＣＰＵ３に接触するように構成されている。図１に示すように、ヒートスプレッダ１０は、熱拡散板となる正方形板状の平板部１１と、平板部１１の周縁から屈曲して基板２側へ延在する筒状の胴部１２と、ＣＰＵ３に接触してＣＰＵ３の熱を受け取る複数のマイクロフィン１３とを備えている。マイクロフィン１３は平板部１１の内面１１ａに設けられ、パッケージ化された状態でヒートスプレッダ１０の内部に配置されている。なお、ヒートスプレッダ１０の内部構造における詳細な構成は後述する。

また、ヒートスプレッダ１０の外側では、ＴＩＭ２０を介してヒートスプレッダ１０がヒートシンク３０と熱的に接続されている。ＴＩＭ２０はＣＰＵ３からヒートスプレッダ１０に伝達された熱をヒートシンク３０へ伝達するための熱伝達部材である。ＴＩＭ２０として、有機系材料により構成されたものや、無機系材料により構成されたもの、あるいは有機系材料と無機系材料とを合わせて構成されたものがある。例えば、熱伝達率の高いサーマルグリスや熱伝導性シートなどによりＴＩＭ２０が構成されている。図１に示すように、ＴＩＭ２０はヒートスプレッダ１０における平板部１１の外面１１ｂとヒートシンク３０との間に設けられている。ＴＩＭ２０が粘着性を有する熱伝導性シートの場合、そのＴＩＭ２０によってヒートシンク３０がヒートスプレッダ１０に取り付けられている。なお、ヒートスプレッダ１０およびヒートシンク３０は、ハンダ付けやロー付けあるいは接着剤により互いに接合してもよい。

ヒートシンク３０は、ＣＰＵ３からヒートスプレッダ１０およびＴＩＭ２０を介して伝達された熱を放熱するための放熱部材である。例えば、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い素材によってヒートシンク３０が形成されている。図１に示すように、ヒートシンク３０は、ヒートスプレッダ１０の平板部１１と対向するように配置された板状のベース板３１と、ベース板３１から突出するように形成された複数の放熱フィン３２とを備えている。ベース板３１の内面３１ａが平板部１１の外面１１ｂと対向している。ＴＩＭ２０が内面３１ａと外面１１ｂとに接触して挟まれている。また、放熱フィン３２はベース板３１と一体化されており、ベース板３１の外面３１ｂから突出している。つまり、電子部品用放熱装置１は、ＣＰＵ３の熱をヒートスプレッダ１０およびＴＩＭ２０を介してベース板３１の内面３１ａ側に伝達し、かつベース板３１の外面３１ｂ側から放熱フィン３２へ熱伝導するように構成されている。

ここで、電子部品用放熱装置１におけるヒートスプレッダ１０の内部構造について説明する。図１に示すように、ヒートスプレッダ１０はＣＰＵ３を跨ぐように配置されて基板２に取り付けられている。ヒートスプレッダ１０の平板部１１はＣＰＵ３の上方に配置され、平板部１１の内面１１ａがＣＰＵ３の表面３ａと対向している。平板部１１の内面１１ａの面積は、ＣＰＵ３の表面３ａの面積よりも広く設定されている。また、ヒートスプレッダ１０の胴部１２は基板２側の端部が基板２の表面２ａに固定されている。

胴部１２の高さはＣＰＵ３の高さとほぼ等しく設定されている。すなわち、基板２の表面２ａから平板部１１の内面１１ａまでの高さ（以下「内面高さ」という）ＨはＣＰＵ３の高さｈとほぼ等しく設定されている。ＣＰＵ３の高さｈとは、ＣＰＵ３の実装高さであり、基板２の表面２ａからＣＰＵ３の表面３ａまでの高さである。第一実施例では、内面高さＨがＣＰＵ３の高さｈ１よりも僅かに高く設定されている。つまり、平板部１１の内面１１ａとＣＰＵ３の表面３ａと間に隙間（以下「ギャップ」という）Ｇが形成される。したがって、ヒートスプレッダ１０内部では、ギャップＧを埋めるようにしてマイクロフィン１３が配置されている。

マイクロフィン１３は、弾性変形可能に構成され、ヒートスプレッダ１０と一体化されている。図２（ａ）に示すように、マイクロフィン１３は、ＣＰＵ３の表面３ａに面接触する先端部１３ａと、平板部１１の内面１１ａとの接続部分である根元部１３ｃと、先端部１３ａと根元部１３ｃと間で熱伝導する起立部１３ｂとを備えている。つまり、マイクロフィン１３はヒートスプレッダ１０の一部が平板部１１の内面１１ａ側から突出するように成形されている。

起立部１３ｂは、平板部１１の内面１１ａに対して傾斜して配置され、かつＣＰＵ３とは接触していない。図２（ａ）に示すマイクロフィン１３は弾性変形した状態であり、起立部１３ｂと先端部１３ａとの境目が屈曲するように弾性変形している。そのように弾性変形することにより、先端部１３ａはＣＰＵ３の表面３ａ形状に沿って面接触している。ＣＰＵ３の表面３ａ形状は中央が平板部１１側に盛り上がったようなμｍ単位の微小な凸状に形成されている。図２（ａ）に示す表面３ａの断面形状は曲線状に形成されている。

また、図２（ｂ）に示すように、マイクロフィン１３は、切削工具５０の刃部５０ａにより、平板部１１の内面１１ａの表面を薄く削いで起立させて、根元部１３ｃが平板部１１と一体化された状態で起立部１３ｂが内面１１ａに対して傾斜するように複数成形される。なお、マイクロフィン１３は、その厚さが数十μｍ、その高さが百数十μｍ程度であり、隣り合うマイクロフィン１３同士の間の隙間を数十μｍ程度にすることができる。例えば、ＣＰＵ３からヒートスプレッダ１０への熱伝達率をより向上させるために、隣り合うマイクロフィン１３同士の間の隙間に、熱伝達率の高いサーマルグリス等のＴＩＭを充填してもよい。

図１に示すようにヒートスプレッダ１０を基板２に組み付けてパッケージ化する際、各マイクロフィン１３は、先端部１３ａがＣＰＵ３に接触して平板部１１内面１１ａとＣＰＵ３の表面３ａとの間隔が狭くなる方向の荷重を受けることにより弾性変形する。その弾性変形例として、上述した荷重により起立部１３ｂのうち先端部１３ａ側が屈曲する。つまり、先端部１３ａがＣＰＵ３の表面形状に沿うようにして弾性変形することになる。要は、マイクロフィン１３が弾性変形することにより先端部１３ａとＣＰＵ３との接触面積を大きく確保できる。

また、他の弾性変形例として、上述した荷重により根元部１３ｃを支点とする弾性変形が生じて、起立部１３ｂが平板部１１の内面１１ａに対する傾斜角を小さくさせるように傾く。あるいは、起立部１３ｂが撓むように弾性変形する。例えば、ヒートスプレッダ１０を基板２に組み付けたときにずれや公差等が生じて上述したギャップＧが変動する場合、マイクロフィン１３は起立部１３ｂの傾斜角が小さくなるように弾性変形し、あるいは起立部１３ｂが撓むように弾性変形することができる。すなわち、マイクロフィン１３は先端部１３ａとＣＰＵ３との接触面積を保ちながら、ギャップＧの変動を吸収するように弾性変形する。

さらに、平板部１１の内面１１ａの表面を薄く削いで起立させることで、隣り合ったマイクロフィン１３同士の間の間隔を容易に短くすることができる。さらに、マイクロフィン１３は、ヒートスプレッダ１０に一体的に形成されているため、ヒートスプレッダ１０に別体のマイクロフィンを取り付ける工程が不要となる。

また、マイクロフィン１３は、ヒートスプレッダ１０に一体的に形成されており、ヒートスプレッダ１０との界面熱抵抗が存在しない。そのため、熱伝導性の高いサーマルグリスや熱伝導性を有する断面波形状の金属箔等と比較して、熱伝導性を向上させることができる。

以上説明した通り、第一実施例の電子部品用放熱装置によれば、容易に製造することができるとともに、電子部品とヒートスプレッダと間で生じる熱抵抗を低下させることができる。電子部品とヒートスプレッダとのギャップが変動する場合でも、そのギャップ変動に対応してマイクロフィンが弾性変形するので、電子部品とマイクロフィンとの接触状態が保たれる。さらに、マイクロフィンが接触面積を保つように弾性変形できるので、熱伝達効率を向上させることができる。

次に、図３を参照して、第二実施例の電子部品用放熱装置について説明する。第二実施例では、マイクロフィンの配置が上述した第一実施例とは異なり、マイクロフィンがヒートスプレッダの外面側に設けられている。なお、第二実施例の説明において、上述した第一実施例と同様の構成については説明を省略しその参照符号を引用する。

図３に示すように、第二実施例の電子部品用放熱装置２００は、ＣＰＵ３が高熱伝導性部材（以下「ＴＩＭ」という）４０を介してヒートスプレッダ１０に熱的に接続されている。ＴＩＭ４０はＣＰＵ３からヒートスプレッダ１０へ熱伝達させるための熱伝達部材である。ＴＩＭ４０として、有機系材料により構成されたものや、無機系材料により構成されたもの、あるいは有機系材料と無機系材料とを合わせて構成されたものがある。例えば、熱伝達率の高いサーマルグリスや熱伝導性シートなどによりＴＩＭ４０が構成されている。

具体的には、電子部品用放熱装置２００では、ＴＩＭ４０がＣＰＵ３の表面３ａとヒートスプレッダ１０における平板部１１の内面１１ａとに挟まれて配置されている。内面１１ａは平坦面である。つまり、上述した第一実施例とは異なり、第二実施例では内面１１ａにマイクロフィンが設けられていない。

さらに、第二実施例のヒートスプレッダ１０では、平板部１１の外面１１ｂに複数のマイクロフィン１４が設けられている。マイクロフィン１４は上述した第一実施例のマイクロフィン１３と同様の成形方法により成形されてよい。すなわち、マイクロフィン１４は、平板部１１の外面１１ｂの表面を薄く削いで起立させられて、外面１１ｂに対して傾斜するように成形されている。図３に示すように、弾性変形可能なマイクロフィン１４がヒートスプレッダ１０と一体化され、マイクロフィン１４の端部はヒートシンク３０のベース板３１と面接触している。言い換えれば、第二実施例では、上述した第一実施例の構成に対してマイクロフィンとＴＩＭとの配置を入れ替えた構成となっている。

図３に示すように、ヒートシンク３０をヒートスプレッダ１０に取り付けてパッケージ化する際、各マイクロフィン１４の端部がベース板３１に接触して、平板部１１内面１１ａとベース板３１の内面３１ａとの間隔が狭くなる方向の荷重を受けることによりマイクロフィン１４が弾性変形する。マイクロフィン１４の弾性変形例として、上述した第一実施例のマイクロフィン１３と同様に弾性変形することができる。要は、マイクロフィン１４が弾性変形することによりマイクロフィン１４とヒートシンク３０との接触面積を大きく確保できる。なお、熱伝導性をより向上させるために、隣り合うマイクロフィン１４同士の間の隙間に、電子部品が生じた熱をヒートシンク３０に伝達する熱伝導性の高いサーマルグリス等のＴＩＭを充填してもよい。

以上説明した通り、第二実施例の電子部品用放熱装置によれば、容易に製造することができるとともに、ヒートスプレッダとヒートシンクとの間で生じる熱抵抗を低下させることができる。ヒートスプレッダとヒートシンクとの間の隙間が変動する場合でも、その変動に対応してマイクロフィンが弾性変形するので、ヒートスプレッダとヒートシンクとの接触状態が保たれる。さらに、マイクロフィンが接触面積を保つように弾性変形できるので、熱伝達効率を向上させることができる。

なお、上述した第二実施例では、ヒートスプレッダとヒートシンクとの間で熱伝達されるマイクロフィンがヒートスプレッダに設けられた例について説明したが、そのマイクロフィンがヒートシンクのベース板に設けられてもよい。要は、電子部品が生じた熱が伝達される電子部品用放熱装置の界面の箇所のうちいずれか一方の部材と一体的にマイクロフィンが複数形成されていればよい。

次に、図４を参照して、第三実施例の電子部品用放熱装置について説明する。第三実施例では、マイクロフィンの配置が上述した第一実施例および第二実施例とは異なり、マイクロフィンがヒートスプレッダにおける平板部の両面に設けられている。なお、第三実施例の説明において、上述した第一実施例あるいは第二実施例と同様の構成については説明を省略しその参照符号を引用する。

図４に示すように、第三実施例の電子部品用放熱装置３００は、ＣＰＵ３がヒートスプレッダ１０を介してヒートシンク３０に熱的に接続されるように構成されている。具体的には、ヒートスプレッダ１０は、平板部１１の内面１１ａに設けられたマイクロフィン１３と、平板部１１の外面１１ｂに設けられたマイクロフィン１４とを備えている。すなわち、電子部品用放熱装置３００はヒートスプレッダ１０の内部に配置されたマイクロフィン１３とヒートスプレッダ１０の外側に配置されたマイクロフィン１４とを備えている。

電子部品用放熱装置３００において、ＣＰＵ３の熱をヒートシンク３０で放熱する場合、ＣＰＵ３の熱がマイクロフィン１３を介してヒートスプレッダ１０へ熱伝達し、ヒートスプレッダ１０の熱がマイクロフィン１４を介してヒートシンク３０へ熱伝達する。例えば、ＣＰＵ３からヒートシンク３０への熱伝達率をより向上させるために、各マイクロフィン１３，１４では隣り合うマイクロフィン同士の隙間に熱伝達率の高いサーマルグリス等のＴＩＭを充填してもよい。また、ヒートスプレッダ１０とヒートシンク３０との間で熱伝達させるマイクロフィンがヒートスプレッダ１０に設けられた例について説明したが、上述した第二実施例と同様に、そのマイクロフィンがヒートシンク３０のベース板３１に設けられてもよい。

以上説明した通り、第三実施例の電子部品用放熱装置によれば、上述した第一実施例および第二実施例の効果を兼ね備えることができる。

次に、第四実施例の電子部品用放熱装置について説明する。第四実施例は、上述した第一実施例および第三実施例の変形例であり、基板上に複数の電子部品が設けられたマルチチップモジュール（ＭＣＭ）を対象とすることができるように構成された電子部品用放熱装置である。例えば、複数の電子部品がＣＰＵと半導体メモリの組み合わせである場合、ＣＰＵの厚さと半導体メモリの厚さとが異なる場合がある。第四実施例の電子部品用放熱装置では、高さが異なる複数の電子部品が実装されている場合に一つのヒートスプレッダによって各電子部品の熱を放熱させることができるように構成されている。なお、第四実施例の説明では、上述した第一実施例あるいは第三実施例と同様の構成については説明を省略しその参照符号を引用する。

図５に示すように、第四実施例の基板２上には、異なる位置にＣＰＵ３と電子部品５とが設けられている。電子部品５は、ＣＰＵや半導体メモリなどにより構成され、ＣＰＵ３と同様にチップ状に形成されている。また、ＣＰＵ３が電子部品５よりも厚く形成されている。すなわち、ＣＰＵ３および電子部品５が基板２に取り付けられた状態では、ＣＰＵ３の高さｈ１は電子部品５の高さｈ２よりも高くなる。電子部品５の高さｈ２は、電子部品５の実装高さであり、基板２の表面２ａから電子部品５ａまでの距離である。なお、ＣＰＵ３の高さｈ１および電子部品５の高さｈ２には、ＣＰＵ３や電子部品５を基板２に電気的に接続させるバンプ（図５に示さず）の高さが含まれる。

第四実施例の電子部品用放熱装置４００では、基板２上に設けられたＣＰＵ３および電子部品５がマイクロフィン１３を介してヒートスプレッダ１０の平板部１１と熱的に接続されるように構成されている。つまり、複数の電子部品には、少なくともＣＰＵ３と電子部品５とが含まれる。なお、説明の便宜上、ＣＰＵ３と電子部品５とを含む二つの電子部品が設けられている場合について説明するが、電子部品の個数は二つに限定されず三つ以上であってもよい。また、複数の電子部品の組み合わせは少なくとも一つのＣＰＵを含む組み合わせであればよい。

具体的には、ヒートスプレッダ１０は、ＣＰＵ３および電子部品５を跨ぐように配置されている。平板部１１はＣＰＵ３および電子部品５の上部に配置され、平板部１１の内面１１ａがＣＰＵ３の表面３ａおよび電子部品５の表面５ａと対向している。さらに、マイクロフィン１３がＣＰＵ３および電子部品５に接触している。

マイクロフィン１３は、ＣＰＵ３に接触する複数の第一フィン１３１と、電子部品５に接触する複数の第二フィン１３２とを備えている。第一フィン１３１の高さはＣＰＵ３の表面３ａに接触できる高さに設定できる。また、第二フィン１３２の高さは電子部品５に接触できる高さに設定できる。なお、フィンの高さとは、図５に示す上下方向で平板部１１の内面１１ａからマイクロフィン１３の先端までの距離である。マイクロフィン１３の先端とは内面１１ａから最も離れた部分である。

例えば、図６（ａ）に示すように、電子部品用放熱装置４００は、第一フィン１３１と第二フィン１３２とが同じ高さＬに設定され、マイクロフィン１３が全体的に均一の高さとなるように構成することができる。この場合には、ＣＰＵ３の高さｈ１が電子部品５の高さｈ２よりも高いため、パッケージ化された際に第一フィン１３１が第二フィン１３２よりも大きく弾性変形することになる。

あるいは、図６（ｂ）に示すように、電子部品用放熱装置４００は、第一フィン１３１の高さＬ１が第二フィン１３２の高さＬ２よりも低くなるように構成することができる。この場合、パッケージ化された際に第一フィン１３１の弾性変形量と第二フィン１３２の弾性変形量とを近づけることができ、マイクロフィン１３は全体的に均一の弾性変形をすることができる。

また、電子部品用放熱装置４００では、ヒートスプレッダ１０とヒートシンク３０とが熱的に接続されていればよく、その接続部分の構成は特に限定されない。例えば、図５に示すように、ヒートスプレッダ１０の外面１１ｂとヒートシンク３０の内面３１ａとの間にＴＩＭ２０が設けられた構成を備えている。あるいは、図７に示すように、ヒートスプレッダ１０の外面１１ｂにマイクロフィン１４が設けられた構成を備えている。

なお、電子部品５がＣＰＵ３と同様の構成を備えた第二ＣＰＵであり、ＣＰＵ３の厚さは電子部品５の厚さと一致する場合でも、電子部品用放熱装置４００の構成を適用することができる。

以上説明した通り、第四実施例の電子部品用放熱装置によれば、マルチチップモジュールと対象した場合、実装高さが異なる複数の電子部品で生じた熱を効率的に放熱させることができる。電子部品とヒートスプレッダとのギャップが変動する場合でも、そのギャップ変動に対応してマイクロフィンが弾性変形するので、電子部品とマイクロフィンとの接触状態が保たれる。さらに、マイクロフィンが接触面積を保つように弾性変形できるので、熱伝達効率を向上させることができる。

次に、第五実施例の電子部品用放熱装置について説明する。第五実施例は、上述した第四実施例の変形例であり、ヒートスプレッダ１０の内部に配置されたマイクロフィン１３の代わりに弾性変形可能な金属製ワイヤや金属製シートが設けられた構成を備えている。なお、第五実施例の説明では、上述した第四実施例と同様の構成については説明を省略しその参照符号を引用する。

ここでは、図８を参照して、第五実施例として金属製ワイヤを備えた電子部品用放熱装置について説明する。図８に示すように、第五実施例の電子部品用放熱装置５００は、ＣＰＵ３および電子部品５が複数の金属製ワイヤ１５を介してヒートスプレッダ１０の平板部１１と熱的に接続されるように構成されている。

金属製ワイヤ１５は、金、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い素材によって形成された線状の熱伝導部材である。例えば、ヒートスプレッダ１０が銅製の場合、金属製ワイヤ１５も銅により構成される。また、幅方向かつ奥行き方向で隣り合うそれぞれの金属製ワイヤ１５は独立して弾性変形するように構成されている。

例えば、金属製ワイヤ１５は外径が１０−５０μｍに形成されている。望ましくは、外径が２０μｍ、ワイヤ高さが３００μｍ、ピッチが９０μｍ、ワイヤ長さが７００μｍ程度に設定された金属製ワイヤ１５を含むように構成されている。

図９（ａ）に示すように、金属製ワイヤ１５は、両端部１５１がボンディングや溶接などによりヒートスプレッダ１０の内面１１ａに接合された両端部１５１と、両端部１５１を繋ぐようにアーチ状に形成されたアーチ部１５２とにより構成されている。平板部１１の内面１１ａは平坦面であり、例えば金メッキなどのボンディング用の表面処理が施されていてもよい。また、アーチ部１５２は全体が内面１１ａから離れて配置され、ワイヤ高さＬ３が所定値となるようにアーチ状に形成されている。さらに、一つの金属製ワイヤ１５における両端部１５１の幅方向間隔は、ＣＰＵ３の幅および電子部品５幅よりも狭く設定されている。すなわち、幅方向でＣＰＵ３および電子部品５には複数の金属製ワイヤ１５が接触するように構成されている。なお、ワイヤ高さＬ３は、金属製ワイヤ１５がＣＰＵ３もしくは電子部品５とは非接触の状態を示し、上述したギャップＧよりも大きく設定される。

例えば、電子部品用放熱装置５００では、金属製ワイヤ１５を図１０に示すように所定ピッチで規則的に配列させた構成を備えている。図１０に示す配列例では、奥行き方向で一方の端部１５１ａが他方の端部１５１ｂとは異なる位置に配置され、アーチ部１５２が幅方向に対して傾斜するように構成されている。つまり、アーチ部１５２を幅方向と平行に配置させた場合と、アーチ部１５２を幅方向に対して傾斜させた場合とを比較すると、幅方向で両端部１５１の間隔が同じかつワイヤ高さＬ３が同じであれば、後者のほうが一本あたりの金属ワイヤ１５の長さを長くできる。要は、金属製ワイヤ１５が図１０に示すように配置されることにより、金属製ワイヤ１５ごとのＣＰＵ３もしくは電子部品５との接触部分を多く確保できる。なお、ＣＰＵ３および電子部品５からヒートスプレッダ１０への熱伝達率をより向上させるために、金属製ワイヤ１５が設けられた領域のギャップＧを埋めるようにして熱伝達率の高いサーマルグリス等のＴＩＭが充填された構成であってもよい。つまり、幅方向および奥行き方向で隣り合う金属製ワイヤ１５同士の隙間、および金属製ワイヤ１５のアーチ部１５２と平板部１１の内面１１ａとの隙間を埋めるようにしてＴＩＭが充填されることになる。

図９（ｂ）には、図９（ａ）に示す状態から半導体パッケージを作成する際には、金属製ワイヤ１５はＣＰＵ３もしくは電子部品５に接触して弾性変形している状態を示してある。すなわち、図９（ｂ）は図８に示す弾性変形している金属製ワイヤ１５を説明するための説明図である。ヒートスプレッダ１０を基板２に組み付けてパッケージ化する際、各金属製ワイヤ１５は、アーチ部１５２がＣＰＵ３（電子部品５）に接触してギャップＧが狭くなる方向の荷重を受けることにより、ワイヤ高さが低くなるように弾性変形する。図９（ｂ）に示す弾性変形している金属製ワイヤ１５のワイヤ高さＬｐは、ワイヤ高さＬ３よりも低なり、ギャップＧの高さとなる。このように、金属製ワイヤ１５はワイヤ高さが変化するように弾性変形することにより、アーチ部１５２がＣＰＵ３（電子部品５）の表面３ａ（表面５ａ）形状に沿うように弾性変形して接触する。

さらに、図８に示すように、金属製ワイヤ１５は、ＣＰＵ３に接触する複数の第一ワイヤ１５Ａと、電子部品５に接触する複数の第二ワイヤ１５Ｂとを備えている。第一ワイヤ１５Ａの高さはＣＰＵ３の表面３ａに接触できる高さに設定される。また、第二ワイヤ１５Ｂの高さは電子部品５に接触できる高さに設定される。

例えば、図１１（ａ）に示すように、電子部品用放熱装置５００は、第一ワイヤ１５Ａが第二ワイヤ１５Ｂと同じ高さＬ３に設定され、金属製ワイヤ１５が全体的に均一の高さとなるように構成することができる。この場合には、ＣＰＵ３の高さｈ１が電子部品５の高さｈ２よりも高いため、パッケージ化された際に第一ワイヤ１５Ａが第二ワイヤ１５Ｂよりも大きく弾性変形することになる。

あるいは、図１１（ｂ）に示すように、電子部品用放熱装置５００は、第一ワイヤ１５Ａの高さＬ４が第二ワイヤ１５Ｂの高さＬ５よりも低くなるように構成することができる。この場合、パッケージ化された際に第一ワイヤ１５Ａの弾性変形量と第二ワイヤ１５Ｂの弾性変形量とを近づけることができ、金属製ワイヤ１５は全体的に均一の弾性変形をすることができる。

なお、第五実施例として金属製シートを備えた電子部品用放熱装置の場合、上述した説明の金属製ワイヤを金属製シートと読み替えた構成を備えている。さらに、上記の第一ワイヤを第一シート、第二ワイヤを第二シート、ワイヤ高さをシート高さと読み替える。例えば、金属製シートは熱伝導性シートなどのシート材や金属製テープなどにより構成される。例えば、金属製シートとして、厚さが１０−５０μｍ、幅が２００μｍ−１ｍｍ程度に設定された熱伝導性のテープ材を用いることができる。

また、ＣＰＵ３および電子部品５からヒートスプレッダ１０への熱伝達率をより向上させるために、金属製シートが設けられた領域のギャップＧを埋めるようにして熱伝達率の高いサーマルグリス等のＴＩＭが充填された構成であってもよい。つまり、幅方向で隣り合う金属製シート同士の隙間、および金属製シートのアーチ部と平板部１１の内面１１ａとの隙間を埋めるようにしてＴＩＭが充填されることになる。

以上説明した通り、第五実施例の電子部品用放熱装置によれば、マルチチップモジュールを対象とした場合、実装高さが異なる複数の電子部品で生じた熱を効率的に放熱させることができる。電子部品とヒートスプレッダとのギャップが変動する場合でも、そのギャップ変動に対応して金属製ワイヤ（金属製シート）が弾性変形するので、電子部品と金属製ワイヤ（金属製シート）との接触状態が保たれる。さらに、パッケージ化された状態で金属製ワイヤ（金属製シート）が電子部品との接触状態を保つように弾性変形できるので、熱伝達効率を向上させることができる。

１…電子部品用放熱装置、２…基板、３…中央演算処理装置（ＣＰＵ）、５…電子部品、１０…ヒートスプレッダ、１１…平板部、１１ａ…内面、１１ｂ…外面、１３，１４…マイクロフィン、１５…金属製ワイヤ（金属製シート）、２０…高熱伝導性部材（ＴＩＭ）、３０…ヒートシンク。

Claims

基板上に設置された電子部品がヒートスプレッダを介してヒートシンクと熱的に接続され、前記電子部品で生じた熱を前記ヒートスプレッダで拡散させ、かつ前記ヒートスプレッダの熱を前記ヒートシンクで放熱させるように構成された電子部品用放熱装置において、
前記ヒートスプレッダは、前記電子部品に対向する内面に一体化され、かつ前記電子部品に面接触する複数のマイクロフィンを備え、
前記電子部品は、実装高さが異なる第一電子部品と第二電子部品とを含み、
前記マイクロフィンは、前記第一電子部品に面接触して弾性変形する第一フィンと、前記第二部品に面接触して弾性変形する第二フィンとを含み、
前記第一フィンおよび第二フィンは、一つの前記ヒートスプレッダに設けられているとともに、前記電子部品に非接触の状態で、前記内面から前記第一フィンの先端部までの高さと、前記内面から前記第二フィンの先端部までの高さとが異なる高さに構成されている
ことを特徴とする電子部品用放熱装置。
前記マイクロフィンは、前記ヒートスプレッダの表面部分を薄く削いで起立させて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品用放熱装置。
隣り合う前記マイクロフィン同士の隙間には、高熱伝導性部材が充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子部品用放熱装置。
前記ヒートスプレッダは、前記ヒートシンクに対向する外面に一体化され、かつ前記ヒートシンクに面接触する複数のマイクロフィンをさらに備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子部品用放熱装置。
基板上に設置された電子部品がヒートスプレッダを介してヒートシンクと熱的に接続され、前記電子部品で生じた熱を前記ヒートスプレッダで拡散させ、かつ前記ヒートスプレッダの熱を前記ヒートシンクで放熱させるように構成された電子部品用放熱装置において、
前記ヒートスプレッダは、前記ヒートシンクに対向する外面とは反対側に配置され、かつ前記電子部品に対向する内面に一体化されているとともに、前記電子部品に接触する複数の金属製ワイヤを備え、
前記金属製ワイヤは、前記内面に接合された両端部と、前記両端部を繋ぐように前記内面から離れて配置され、かつ前記内面から所定高さのアーチ状に形成されたアーチ部とを含み、
前記電子部品は、実装高さが異なる第一電子部品と第二電子部品とを含み、
前記金属製ワイヤは、前記第一電子部品に接触して弾性変形する第一ワイヤと、前記第二電子部品に接触して弾性変形する第二ワイヤとを含み、
前記第一ワイヤおよび第二ワイヤは、一つの前記ヒートスプレッダに設けられているとともに、前記電子部品と非接触の状態で、前記第一ワイヤにおける前記アーチ部の高さと、前記第二ワイヤにおける前記アーチ部の高さとが異なる高さに構成されている
ことを特徴とする電子部品用放熱装置。
前記複数の金属製ワイヤは、前記電子部品の幅方向に対して直交する奥行き方向で隣り合うように所定ピッチで配列されており、
前記第一ワイヤの両端部と、前記第二ワイヤの両端部とは、前記内面の異なる位置に配置され、
一つの前記金属製ワイヤにおける両端部は、幅方向で所定の間隔に配置され、かつ奥行き方向で一方の端部が他方の端部とは異なる位置に配置されている
ことを特徴とする請求項５に記載の電子部品用放熱装置。
前記金属製ワイヤ同士の隙間には、高熱伝導性部材が充填されていることを特徴とする請求項５または６に記載の電子部品用放熱装置。
基板上に設置された電子部品がヒートスプレッダを介してヒートシンクと熱的に接続され、前記電子部品で生じた熱を前記ヒートスプレッダで拡散させ、かつ前記ヒートスプレッダの熱を前記ヒートシンクで放熱させるように構成された電子部品用放熱装置において、
前記ヒートスプレッダは、前記ヒートシンクに対向する外面とは反対側に配置され、かつ前記電子部品に対向する内面に一体化されているとともに、前記電子部品に面接触する複数の金属製シートを備え、
前記金属製シートは、前記内面に接合された両端部と、前記両端部を繋ぐように前記内面から離れて配置され、かつ前記内面から所定高さのアーチ状に形成されたアーチ部とを含み、
前記電子部品は、実装高さが異なる第一電子部品と第二電子部品とを含み、
前記金属製シートは、前記アーチ部が前記第一電子部品に面接触して弾性変形する第一シートと、前記アーチ部が前記第二電子部品に面接触して弾性変形する第二シートとを含み、
前記第一シートおよび第二シートは、一つの前記ヒートスプレッダに設けられているとともに、前記電子部品と非接触の状態で、前記第一シートにおける前記アーチ部の高さと、前記第二シートにおける前記アーチ部の高さとが異なる高さに構成されている
ことを特徴とする電子部品用放熱装置。
隣り合う前記金属製シート同士の隙間には、高熱伝導性部材が充填されていることを特徴とする請求項８に記載の電子部品用放熱装置。