JP6056362B2 - 熱コネクタ及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、熱コネクタ及び熱コネクタを搭載した電子機器に関する。

近年の携帯端末においては、スマートフォンに代表されるように、ＣＰＵの消費電力が上昇する傾向にあり、かつ薄型化も進んでいる。このため、機器内部に冷却装置や放熱部品を採用してＣＰＵの冷却を行いたいものの、実装スペースが無く、高熱伝導性シートや金属シャーシに伝熱させて拡散させているのが現状である。

また、冷却効率を向上させるためには、ＣＰＵの発熱を機器内部から外部に放熱させることが望ましい。しかし、携帯端末には防水機能を付与することが一般的となってきており、また、人体に触れる部分は低温火傷の可能性があるため、おおよそ４０℃以上にならないように熱を遮蔽しなければならず、外部に放熱させることは困難となっている。

このような課題を解決するために、機器の外部に熱を輸送する熱コネクタといわれる技術が提案されている（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。このような技術を用いて携帯端末等の機器を収容するカバーやジャケット等の付加部品への排熱を行うには、電子部品からジャケットまでの間に熱伝導率の良い経路を設けることが必要になる。

特開２０００−０１３０６４号公報 特開２０１０−０８０５０６号公報

しかしながら、熱抵抗の低い固体間の接触を得る技術やスマートフォン用のはめ込むだけの多様な素材、デザインのジャケットでも加圧接触できるだけの押付け圧力を発現させるような熱コネクタは無かった。

したがって、熱コネクタにおいて、低熱抵抗の接続構造を実現することを目的とする。

開示する一観点からは、複数の第１の突起部を有するとともに第１の金属材料からなり、前記複数の第１の突起部の表面の少なくとも一部が前記第１の金属材料より硬質の第１の粒子状部材を含む第１の金属被膜で覆われた第１の熱コネクタ要素と、前記複数の第１の突起部と摺動接触する複数の第２の突起部を有するとともに第２の金属材料からなり、前記複数の第２の突起部の表面の少なくとも一部が前記第２の金属材料より硬質の第２の粒子状部材を含む第２の金属被膜で覆われた第２の熱コネクタ要素とを有し、前記第１の金属被膜と前記第２の金属被膜は、摺動接触状態において凝着することを特徴とする熱コネクタが提供される。

また、開示する別の観点からは、電子部品を収容する筐体と、前記筐体の少なくとも一面に設けられ、複数の第１の突起部を有するとともに第１の金属材料からなり、前記複数の第１の突起部の表面の少なくとも一部が前記第１の金属材料より硬質の第１の粒子状部材を含む第１の金属被膜で覆われた第１の熱コネクタ要素と、前記筐体の収容する外側筐体と、前記外側筐体の一部に設けられた放熱部材と、前記放熱部材に接触し、前記複数の第１の突起部と摺動接触する複数の第２の突起部を有するとともに第２の金属材料からなり、前記複数の第２の突起部の表面の少なくとも一部が前記第２の金属材料より硬質の第２の粒子状部材を含む第２の金属被膜で覆われた第２の熱コネクタ要素とを有し、前記第１の金属被膜と前記第２の金属被膜は、摺動接触状態において凝着することを特徴とする電子機器が提供される。

開示の熱コネクタ及び電子機器によれば、低熱抵抗の接続構造を実現することが可能になる。

本発明の実施の形態の熱コネクタの構成説明図である。 本発明の実施の形態の熱コネクタのコンタクト方法の説明図である。 本発明の実施例１の電子機器の概略的斜視図である。 本発明の実施例１の電子機器の熱接続構造の説明図である。 本発明の実施例１の電子機器に用いる熱コネクタのコンタクト部の構成の説明図である。 本発明の実施例２の電子機器に用いる熱コネクタのコンタクト部の構成の説明図である。 本発明の実施例３の電子機器に用いる熱コネクタのコンタクト部の構成の説明図である。

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の熱コネクタを説明する。図１は、本発明の実施の形態の熱コネクタの構成説明図であり、第１の熱コネクタ要素１１_１と第２の熱コネクタ要素１１_２とを突起部（１２_１，１２_２）を設けた側を対向させて加圧部材１７により加圧して摺動接触させる。なお、加圧するためには、支持部材１５に取り付けた固定部材１６を利用して、加圧部材１７を圧縮した状態で第１の熱コネクタ要素１１_１を把持・固定して加圧する。

第１の熱コネクタ要素１１_１は、一方の主面側に複数の第１の突起部１２_１を有しており、この第１の突起部１２_１の表面の少なくとも一部に硬質の第１の粒子状部材１４_１を含む第１の金属被膜１３_１を設けている。また、第２の熱コネクタ要素１１_２も第１の熱コネクタ要素と同様に、一方の主面側に複数の第２の突起部１２_２を有しており、この第２の突起部１２_２の表面の少なくとも一部に硬質の第２の粒子状部材１４_２を含む第２の金属被膜１３_２を設けている。

第１の熱コネクタ要素１１_１及び第２の熱コネクタ要素１１_２は、低熱抵抗部材で形成し、典型的にはＣｕまたはＡｌを用いる。第１の金属被膜１３_１及び第２の金属被膜１３_２も低熱抵抗部材からなり、典型的にはＡｕ，Ａｇ、Ｃｕ或いはこれらの金属を最大成分とする合金を用いるが、酸化しないＡｕがより好適である。また、第１の金属被膜１３_１及び第２の金属被膜１３_２の厚さは、０．５μｍ〜５μｍ程度が好適である。なお、第１の金属被膜１３_１及び第２の金属被膜１３_２は、第１の突起部１２_１及び第２の突起部１２_２の全表面を覆うようにしても良いし、或いは、その先端部近傍のみを覆うようにしても良い。

また、第１の粒子状部材１４_１及び第２の粒子状部材１４_２は、第１の熱コネクタ要素１１_１及び第２の熱コネクタ要素１１_２の構成部材よりも硬質であれば良く、例えば、ＳｉＣ、ダイヤモンド、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ｃＢＮ（立方晶ＢＮ）、カーボンナノチューブが典型的なものである。

第１の突起部１２_１及び第２の突起部１２_２の形状は、円錐或いは角錐等の錐状、円錐台、角錐台等の錐台状、或いは、ストライプ状の突起でも良く、いずれにしても、底面積が先端部の面積よりも大きな形状とする。また、その断面形状は、鋸波状でも、二等辺三角形状でも良い。

次に、図２を参照して、本発明の実施の形態の熱コネクタのコンタクト方法を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、第１の突起部１２_１と第２の突起部１２_２の先端部を突き合わせる。次いで、図２（ｂ）に示すように加圧して第１の突起部１２_１と第２の突起部１２_２の先端部を摺動させながら押し込む。この時、第１の突起部１２_１を覆う第１の金属被膜１３_１に含まれる第１の粒子状部材１４_１により第２の突起部１２_２の表面を粗面化し、第２の突起部１２_２を覆う第２の金属被膜１３_２に含まれる第２の粒子状部材１４_２により第１の突起部１２_１の表面を粗面化する。

次いで、図２（ｃ）に示すように、さらに加圧して摺動させることによって、粗化させた面同士が加圧接触することによって、全表面において平滑な面では起こりにくいミクロな凝着現象が起きて良好なコンタクト状態となる。このようなミクロな凝着現象が起こると、固体間同士の接触によっても、通常のヘルツ接触による場合に比較して多くの接触点を確保することができるため、界面の熱抵抗を低減させることができる。

このような熱コンタクトを電子機器の放熱に用いる場合には、電子機器の筐体の少なくとも一面に第１の熱コネクタ要素を設け、さらに電子機器の外部ジャケット等の外側筐体の一部エリアに形成した放熱部材に第２の熱コネクタ要素を取り付ける。この第１のコネクタ要素と第２のコネクタ要素を篏合させて電子機器内部の冷却を行う。

このように、本発明の実施の形態においては、少なくとも表面の一部に硬質の粒子状部材を含む金属被膜で覆われた突起部を有する熱コネクタ要素同士を圧接して互いに表面を粗面化しているので、ミクロな凝着現象により低熱抵抗の接触が可能になる。

次に、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１の電子機器を説明する。図３は、本発明の実施例１の電子機器の概略的斜視図である。筐体成形に用いる金型に、筐体側の熱コネクタとなる部分に金めっきを施した銅からなる熱コネクタ要素３０を設置し、インサート成形技術によって、熱コネクタ要素３０と筐体樹脂を一体化させて筐体２３を形成する。

次いで、筐体２３の内部に各種モジュール２１やバッテリ２２を組み込み、モジュール２１に含まれる消費電力の大きいＭＰＵパッケージの表面にＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）を介してグラファイトシート２５を取り付ける。また、グラファイトシート２５の他方の端部をＴＩＭを介して熱コネクタ要素３０に取り付ける。なお、図における符号２４は筐体底部である。ＴＩＭとしては市販のサーマルシート等の高熱伝導性シートやグリース等の高熱導電性物質を用いても良いが、ここでは、ＴＩＭとしてインジウムシートを用いる。

また、モバイル端末となる筐体２３を覆うラバー製のジャケット４０の上部外側にアルミニウム製のフィンを持つヒートシンクとなる放熱部材４１を設け、放熱部材４１を設けたジャケット４０の内側に熱コネクタ要素５０をＴＩＭを介して取り付ける。

図４は、本発明の実施例１の電子機器の熱接続構造の説明図であり、図４（ａ）は、モバイル機器本体部側の熱接続構造を示す断面であり、モジュール２１に含まれる消費電力の大きいＭＰＵパッケージの表面にＴＩＭ２６を介してグラファイトシート２５を取り付ける。また、グラファイトシート２５の他方の端部をＴＩＭ２７を介して熱コネクタ要素３０に取り付ける。なお、熱コネクタ要素３０は、熱コンタクト部材３１、筐体２３に埋め込まれた埋め込み伝熱部材３２及び接続伝熱部材３３を備えており、接続伝熱部材３３を利用してグラファイトシート２５を取り付ける。

図４（ｂ）は、２つの熱コネクタ要素の熱接続構造を示す断面であり、熱コネクタ要素５０は、熱コンタクト部材５１、接続伝熱部材５２、支柱５３、バネ部材５４、支持部材５５及び係合部材５６を備えている。この熱コネクタ要素５０は、ＴＩＭ４２を介して放熱部材４１に取り付ける。

熱コネクタ要素３０の熱コンタクト部材３１を熱コネクタ要素５０の熱コンタクト部材５１と当接するように押しつけると、バネ部材５４が徐々に圧縮されて、係合部材５６が係合用溝３４に食い込んで、熱コネクタ要素３０を把持・固定する。この時、バネ部材５４は圧縮状態になっているので、熱コンタクト部材５１を熱コンタクト部材３１に押し付けることになる。

図５は本発明の実施例１の電子機器に用いる熱コネクタのコンタクト部の構成の説明図であり、図５（ａ）は熱コンタクト部の断面図であり、図５（ｂ）は突起の拡大図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、熱コンタクト部材３１は、銅部材の表面を切削して、一辺の長さ１００μｍ、高さ５０μｍとなる鋸波状の四角錐の突起３５を形成する。この突起３５の先端部に平均粒径が５μｍのＳｉＣ砥粒３７を分散させた金めっき液を用いて複合金めっきを行い、Ａｕめっき膜内にＳｉＣ砥粒３７が混在した３μｍ厚のＡｕめっき膜３６を形成した。このように、突起３５の先端部にＡｕめっき膜３６を形成するためには、メッキ工程において、突起３５の底部にレジストを設けておけば良い。

一方、熱コンタクト部材５１も同様の構造とし、銅部材の表面を切削して、一辺の長さ１００μｍ、高さ５０μｍとなる鋸波状の四角錐の突起５７を形成する。この突起５７の先端部に平均粒径が５μｍのＳｉＣ砥粒５９を分散させた金めっき液を用いて複合金めっきを行い、Ａｕめっき膜内にＳｉＣ砥粒５９が混在した３μｍ厚のＡｕめっき膜５８を形成した。

この熱コンタクト部材３１と熱コンタクト部材５１を互いに突起３５，５７を押付けて接触させると、突起同士が接触した後、ＳｉＣ砥粒３７，５９がＡｕめっき膜３６，５８をスクラッチしながらスライドする。この時、突起３５，５７の接触点では応力が大きく、通常のヘルツ接触に比べて接点が増加し、かつ、ミクロな金同士の凝着が起こるため、界面の熱抵抗は小さくなる。因みに、熱抵抗は１ＭＰaの圧力の場合、金めっきしたフラットな銅部材同士のヘルツ接触では２℃／Ｗであったが、本発明の実施例１では０．２℃／Ｗと、塑性変形させた場合の熱抵抗と同等の値が得られた。

このような構造にすることにより、ＣＰＵ等の発熱部品から発生した熱は筐体を介して外部の放熱部材に伝熱され、筐体内部の温度が必要以上に上昇することを防ぐことができる。また、電子機器内部の温度を低下させることができるため、内部の温度が上昇してしまうと電子部品のパフォーマンスを低下させる要因となる発熱を制御し、携帯機器の性能をフルに発揮させることが可能となる。また、温度劣化を防止し、電子機器の高信頼化に寄与することができる。

次に、図６を参照して、本発明の実施例２の電子機器を説明するが、金属被膜の構造が異なるだけで、基本的構成は上記の実施例１の電子機器と同じであるので、熱コネクタのコンタクト部の構成のみを説明する。

図６は本発明の実施例２の電子機器に用いる熱コネクタのコンタクト部の構成の説明図であり、図６（ａ）は熱コンタクト部の断面図であり、図６（ｂ）は突起の拡大図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、熱コンタクト部材３１は、銅部材の表面を切削して、一辺の長さ１００μｍ、高さ５０μｍとなる鋸波状の四角錐の突起３５を形成する。この突起３５の先端部にカーボンナノチューブ３８を分散させた金めっき液を用いて複合金めっきを行い、Ａｕめっき膜内にカーボンナノチューブ３８が混在した１μｍ厚のＡｕめっき膜３６を形成した。

一方、熱コンタクト部材５１も同様の構造とし、銅部材の表面を切削して、一辺の長さ１００μｍ、高さ５０μｍとなる鋸波状の四角錐の突起５７を形成する。この突起５７の先端部にカーボンナノチューブ６０を分散させた金めっき液を用いて複合金めっきを行い、Ａｕめっき膜内にカーボンナノチューブ６０が混在した１μｍ厚のＡｕめっき膜５８を形成した。

この熱コンタクト部材３１と熱コンタクト部材５１を互いに突起３５，５７を押付けて接触させると、突起同士が接触した後、露出したカーボンナノチューブ３８，６０によって、Ａｕめっき膜３６，５８がスクラッチされてミクロな金同士の凝着が起こる。因みに、熱抵抗は１ＭＰaの圧力の場合、金めっきしたフラットな銅部材同士のヘルツ接触では２℃／Ｗであったが、本発明の実施例２では０．５℃／Ｗの値を得た。この値は上記の実施例１の０．２℃／Ｗに比べて大きいが、これは、カーボンナノチューブ３８，６０の直径に応じてＡｕめっき膜３６，５８の厚さを薄くしたため、スクラッチ効果が小さくなったためと考えられる。

次に、図７を参照して、本発明の実施例３の電子機器を説明するが、熱コンタクト部の構造が異なるだけで、基本的構成は上記の実施例２の電子機器と同じであるので、熱コネクタのコンタクト部の構成のみを説明する。

図７は本発明の実施例３の電子機器に用いる熱コネクタのコンタクト部の構成の説明図であり、図７（ａ）は熱コンタクト部の断面図であり、図７（ｂ）は突起の拡大図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、熱コンタクト部材３１は、銅部材の表面を切削して、底辺の長さ１００μｍ、高さ５０μｍとなる二等辺三角形状の四角錐の突起３９を形成する。この突起３９の全面にカーボンナノチューブ３８を分散させた金めっき液を用いて複合金めっきを行い、Ａｕめっき膜内にカーボンナノチューブ３８が混在した１μｍ厚のＡｕめっき膜３６を形成した。

一方、熱コンタクト部材５１も同様の構造とし、銅部材の表面を切削して、底辺の長さ１００μｍ、高さ５０μｍとなる二等辺三角形状の四角錐の突起６１を形成する。この突起６１の全面にカーボンナノチューブ６０を分散させた金めっき液を用いて複合金めっきを行い、Ａｕめっき膜内にカーボンナノチューブ６０が混在した１μｍ厚のＡｕめっき膜５８を形成した。

この熱コンタクト部材３１と熱コンタクト部材５１を互いに突起３５，５７を押付けて接触させると、この場合も突起同士が接触した後、露出したカーボンナノチューブ３８，６０によって、Ａｕめっき膜３６，５８がスクラッチされてミクロな金同士の凝着が起こる。

ここで、実施例１乃至実施例３を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）複数の第１の突起部を有するとともに第１の金属材料からなり、前記複数の第１の突起部の表面の少なくとも一部が前記第１の金属材料より硬質の第１の粒子状部材を含む第１の金属被膜で覆われた第１の熱コネクタ要素と、前記複数の第１の突起部と摺動接触する複数の第２の突起部を有するとともに第２の金属材料からなり、前記複数の第２の突起部の表面の少なくとも一部が前記第２の金属材料より硬質の第２の粒子状部材を含む第２の金属被膜で覆われた第２の熱コネクタ要素とを有し、前記第１の金属被膜と前記第２の金属被膜は、摺動接触状態において凝着することを特徴とする熱コネクタ。
（付記２）前記第１の突起部と前記第２の突起部とを摺動接触する加圧部材を有することを特徴とする付記１に記載の熱コネクタ。
（付記３）前記第１の金属材料及び前記第２の金属材料が、銅からなることを特徴とする付記１または付記２に記載の熱コネクタ。
（付記４）前記第１の粒子状部材及び前記第２の粒子状部材が、ＳｉＣ、ダイヤモンド、アルミナ、シリカ、立方晶ＢＮ或いはカーボンナノチューブのいずれかからなることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の熱コネクタ。
（付記５）前記第１の金属被膜及び第２の金属被膜が、金、銀、銅のいずれかの金属、或いは、前記いずれかの金属を最大成分とする合金からなることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の熱コネクタ。
（付記６）前記第１の突起部及び第２の突起部が、先端部よりも底部の方が断面積が大きい錐状形状、先端部よりも底部の方が断面積が大きい錐台形状、或いは、先端部よりも底部の方が断面積が大きいストライプ形状であることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１に記載の熱コネクタ。
（付記７）電子部品を収容する筐体と、前記筐体の少なくとも一面に設けられ、複数の第１の突起部を有するとともに第１の金属材料からなり、前記複数の第１の突起部の表面の少なくとも一部が前記第１の金属材料より硬質の第１の粒子状部材を含む第１の金属被膜で覆われた第１の熱コネクタ要素と、前記筐体の収容する外側筐体と、前記外側筐体の一部に設けられた放熱部材と、前記放熱部材に接触し、前記複数の第１の突起部と摺動接触する複数の第２の突起部を有するとともに第２の金属材料からなり、前記複数の第２の突起部の表面の少なくとも一部が前記第２の金属材料より硬質の第２の粒子状部材を含む第２の金属被膜で覆われた第２の熱コネクタ要素とを有し、前記第１の金属被膜と前記第２の金属被膜は、摺動接触状態において凝着することを特徴とする電子機器。
（付記８）前記電子部品と前記第１の熱コネクタ要素とを熱的に接続する伝熱部材を有し、前記伝熱部材の一端側において高熱伝導性部材を介して前記電子部品と接触し、前記伝熱部材の他端側において高熱伝導性部材を介して前記第１の熱コネクタ要素と接触していることを特徴とする付記７に記載の電子機器。
（付記９）前記第２の熱コネクタ要素が、前記第１の突起部と前記第２の突起部とを摺動接触する加圧部材を有することを特徴とする付記８に記載の電子機器。
（付記１０）前記加圧部材が、前記第１の熱コネクタ要素を把持・固定する固定部材と、前記第２の突起部を前記第１の突起部側に押圧するバネ部材を有することを特徴とする付記９に記載の電子機器。

１１_１ 第１の熱コネクタ要素
１１_２ 第２の熱コネクタ要素
１２_１ 第１の突起部
１２_２ 第２の突起部
１３_１ 第１の金属被膜
１３_２ 第２の金属被膜
１４_１ 第１の粒子状部材
１４_２ 第２の粒子状部材
１５ 支持部材
１６ 固定部材
１７ 加圧部材
２０ モバイル機器本体部
２１ モジュール
２２ バッテリ
２３ 筐体
２４ 筐体底部
２５ グラファイトシート
２６，２７ ＴＩＭ
３０ 熱コネクタ要素
３１ 熱コンタクト部材
３２ 埋め込み伝熱部材
３３ 接続伝熱部材
３４ 係合用溝
３５ 突起
３６ Ａｕめっき膜
３７ ＳｉＣ砥粒
３８ カーボンナノチューブ
３９ 突起
４０ ジャケット
４１ 放熱部材
４２ ＴＩＭ
５０ 熱コネクタ要素
５１ 熱コンタクト部材
５２ 接続伝熱部材
５３ 支柱
５４ バネ部材
５５ 支持部材
５６ 係合部材
５７ 突起
５８ Ａｕめっき膜
５９ ＳｉＣ砥粒
６０ カーボンナノチューブ
６１ 突起

Claims (5)

1. 複数の第１の突起部を有するとともに第１の金属材料からなり、前記複数の第１の突起部の表面の少なくとも一部が前記第１の金属材料より硬質の第１の粒子状部材を含む第１の金属被膜で覆われた第１の熱コネクタ要素と、
   前記複数の第１の突起部と摺動接触する複数の第２の突起部を有するとともに第２の金属材料からなり、前記複数の第２の突起部の表面の少なくとも一部が前記第２の金属材料より硬質の第２の粒子状部材を含む第２の金属被膜で覆われた第２の熱コネクタ要素と
   を有し、
   前記第１の金属被膜と前記第２の金属被膜は、摺動接触状態において凝着することを特徴とする熱コネクタ。
2. 前記第１の粒子状部材及び前記第２の粒子状部材が、ＳｉＣ、ダイヤモンド、アルミナ、シリカ、立方晶ＢＮ或いはカーボンナノチューブのいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の熱コネクタ。
3. 前記第１の金属被膜及び第２の金属被膜が、金、銀、銅のいずれかの金属、或いは、前記いずれかの金属を最大成分とする合金からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱コネクタ。
4. 前記第１の突起部及び第２の突起部が、先端部よりも底部の方が断面積が大きい錐状形状、先端部よりも底部の方が断面積が大きい錐台形状、或いは、先端部よりも底部の方が断面積が大きいストライプ形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の熱コネクタ。
5. 電子部品を収容する筐体と、
   前記筐体の少なくとも一面に設けられ、複数の第１の突起部を有するとともに第１の金属材料からなり、前記複数の第１の突起部の表面の少なくとも一部が前記第１の金属材料より硬質の第１の粒子状部材を含む第１の金属被膜で覆われた第１の熱コネクタ要素と、 前記筐体の収容する外側筐体と、
   前記外側筐体の一部に設けられた放熱部材と、
   前記放熱部材に接触し、前記複数の第１の突起部と摺動接触する複数の第２の突起部を有するとともに第２の金属材料からなり、前記複数の第２の突起部の表面の少なくとも一部が前記第２の金属材料より硬質の第２の粒子状部材を含む第２の金属被膜で覆われた第２の熱コネクタ要素と
   を有し、
   前記第１の金属被膜と前記第２の金属被膜は、摺動接触状態において凝着することを特徴とする電子機器。

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