JP6090429B2 - ヒートシンク構造、半導体装置及びヒートシンク搭載方法 - Google Patents

ヒートシンク構造、半導体装置及びヒートシンク搭載方法 Download PDF

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Description

本発明は、ヒートシンク構造及びその搭載方法に関し、特に、複数の発熱部品を収容する電子機器の放熱技術に関する。
複数の発熱部品を収容する電子機器においては、発熱部品に高さのバラつきが存在する場合がある。一つの発熱部品の高さに対してヒートシンクの位置を最適化した場合、高さの異なる他の発熱部品とヒートシンクとの熱的接続のために、シート状の固形の熱伝導物質であるクールシートを他の発熱部品とヒートシンクとの間に挿入することがあった。特許文献１には発熱部品とヒートシンクとの間に挿入する関連するクールシートが記載されている。
クールシートは一般的に柔軟性と熱伝導性とがトレードオフの関係にある。クールシートはもともと固形であり、力を加えても変形させにくいものであるが、添加物を加える事により柔らかくすることができる。しかし一方で添加物の影響によりクールシートの熱伝導性は低下する。
特開平９−１７９２３
上述した関連するクールシートにおいては、発熱部品一つ一つに合わせた形状のクールシートを用意することは現実的ではない。そのため、発熱部品の高さのバラつきの大きさに合わせて変形できる柔軟性をもたせたクールシートを使用することになる。その結果、発熱部品の高さのバラつきが大きいほどヒートシンクの放熱性が悪くなる、という問題があった。
本発明は、上記の問題を解決することを目的とする。具体的には、本発明は高さの異なる複数の発熱部品の放熱性を同時に確保できるヒートシンク構造を提供することを目的とする。
本発明のヒートシンク構造は、第一のヒートシンクと、側面下部に突出部を有する第二のヒートシンクと、第一のヒートシンクの側面と第二のヒートシンクの側面とに挟まれる熱伝導物質と、第一のヒートシンクの底面と突出部の上面とに挟まれる柔軟性を持った緩衝材とを有する。
本発明のヒートシンク搭載方法は、第一の発熱部品及び第二の発熱部品を搭載し、その側面下部に設けた突出部の上面に柔軟性を持った緩衝材を設け、かつその側面に熱伝導物質を設けた第二のヒートシンクを、第二の発熱部品上に搭載し、第一の発熱部品上に第一のヒートシンクを設けることにより、第一のヒートシンクの側面と第二のヒートシンクの側面とに第一の熱伝導物質を挟み、かつ第一のヒートシンクの底面と突出部の上面とに緩衝材を挟む。
本発明は、高さの異なる複数の発熱部品の放熱性を同時に確保することができる。
第１の実施例において第二の発熱部品が高背である場合の断面図 第一のヒートシンクと第二のヒートシンクの接合部の部分拡大図 第一のヒートシンクと第二のヒートシンクの平面関係の一例を示す図 緩衝材の平面図 第１の実施例のヒートシンク構造を有する電子機器の製作工程の一部を示す図 第１の実施例において第二の発熱部品が低背である場合の断面図 第２の実施例において第二の発熱部品が高背である場合の断面図 ヒートパイプと第一のヒートシンクにおける収容部との部分図 ヒートパイプと第二のヒートシンクとの部分図 第２の実施例において第二の発熱部品が低背である場合の断面図
次に、本発明の第１の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施例において第二の発熱部品が高背である場合の断面図である。第一の発熱部品２および第二の発熱部品５は、ベース９に固定されたプリント基板８に表面実装されている。なお、この図では発熱部品の高さのバラつきにより、第二の発熱部品５の方が、第一の発熱部品２よりも高背であった場合について説明する。
第一の発熱部品２は、第一のヒートシンク１からゲル状の熱伝導物質であるサーマルコンパウンド３を介して、プリント基板８へ押し付ける向きに力を受けている。同様に、第二の発熱部品５は、第二のヒートシンク４からサーマルコンパウンド３を介して、プリント基板８へ押し付ける向きに力を受けている。
第一のヒートシンク１は、バネ１０から、ベース９へ押し付ける向きに力を受けている。
第二のヒートシンク４は、第一のヒートシンク１から柔軟性を持つ緩衝材６を介して、ベース９へ押し付ける向きに力を受けている。また、第一のヒートシンク１と第二のヒートシンク４とはサーマルコンパウンド７を介して熱的に接続されている。ここで、サーマルコンパウンド７はシリコーン入りのゲル状の熱伝導物質である。また緩衝材６の一例としてはゴム材がある。一般に、熱伝導性はヒートシンク、サーマルコンパウンド、緩衝材の順に高い。
図２は第一のヒートシンクと第二のヒートシンクの接合部の部分拡大図である。図に示すように、第二のヒートシンク４の接合面下部に突出部１３を設ける。また、突出部１３の上面に乗るように緩衝材６を取り付ける。また、第一のヒートシンク１の側面と第二のヒートシンク４の側面との間にはサーマルコンパウンド７が挟まれる。
図３は第一のヒートシンクと第二のヒートシンクの平面関係の一例を示す図である。この図で示すように、第一のヒートシンク１に設けられる開口部１１に、第二のヒートシンク４が挿入され、両者の間にサーマルコンパウンド７が挟まれる。その結果、第一のヒートシンク１と第２のヒートシンクとがサーマルコンパウンド７を介して密着し、熱的接続が実現している。なお、開口部１１、第１のヒートシンク１、第２のヒートシンク４の形状はこの図に示される形状に限定されるものではなく、発熱部品の形状や大きさ、部材成型の容易さ、その他の目的等に応じて変更してよい。例えば、ヒートシンクの接合部分が一本の直線で形成されていても良い。
図４は緩衝材６の平面図である。緩衝材６は額縁形状であり、開口１４を有する。開口１４を第一のヒートシンクが通るように、緩衝材６の内寸は第二のヒートシンクの寸法より大きくする。また、緩衝材６の外寸は突出部１３と近い寸法とする。緩衝材６の外寸は、突出部１３の寸法より大きくても小さくても良い。また、緩衝材６の内寸は突出部１３の寸法より小さい。
図５は第１の実施例のヒートシンク構造を有する電子機器の製作工程の一部を示す図である。
まず、ベース９上にプリント基板８を搭載し、さらにプリント基板８上に第一の発熱部品２及び第二の発熱部品５を搭載する。
次に、第一の発熱部品２及び第二の発熱部品５それぞれの上面のうち、後の工程で第一のヒートシンク又は第２のヒートシンクと接触する部分全体に、サーマルコンパウンド３を塗布する。
次に、第二のヒートシンク４の側面下部に設けた突出部１３の上面に乗るように緩衝材６を取り付ける。その後、第二のヒートシンク４の側面のうち露出している部分全体にサーマルコンパウンド７を塗布する。
次に、第二のヒートシンク４を第二の発熱部品５上に搭載する。
次に、第一のヒートシンク１を第一の発熱部品上に搭載する。この時、第一のヒートシンクに設けた開口部１１に第二のヒートシンクが当てはまるようにする。この時、サーマルコンパウンド７が開口部１１の内側側面と接触する。これにより、第二のヒートシンク４と第一のヒートシンク１とが熱的に接続される。その結果、ヒートシンク全体の温度が均一化される事になり、内部部品の放熱性が確保される。
最後に、第一のヒートシンク１をバネ１０でベース９に固定する。これにより、ヒートシンク全体がプリント基板８に押し付けられて固定される。
なお、サーマルコンパウンド３及びサーマルコンパウンド７の塗布の方法は、手付けであってもよいし、ディスペンサを使用しても、予め制作した専用の治具を使用してもよい。
第二の発熱部品５の方が、第一の発熱部品２よりも高背である場合、第二の発熱部品５の高さに応じて、第二のヒートシンク４は高くなる。第一のヒートシンク１と第二のヒートシンク４との間隔が狭くなる。この時緩衝材６が変形し、押しつぶされて第一のヒートシンク１の底面と突出部１３の上面とに挟まれる。これにより、第二の発熱部品５と高背の第二の発熱部品２との高さの差を吸収する。また、第一のヒートシンク１と第二のヒートシンク４とは、サーマルコンパウンド７を介して熱的に接続される。
図６は、第１の実施例において第二の発熱部品が低背である場合の断面図である。低背の第二の発熱部品１６の高さに応じて、第二のヒートシンク４は低くなる。この状態では、第一のヒートシンク１と第二のヒートシンク４との間隔が広くなる。この時緩衝材６はほとんど押し潰されることなく第一のヒートシンク１の底面と突出部１３の上面とに挟まれる。これにより、第一の発熱部品２と低背の第二の発熱部品１６との高さの差を吸収する。また、第一のヒートシンク１と第二のヒートシンク４との間は、サーマルコンパウンド７を介して熱的に接続される。
上述のように、本実施例では、第一のヒートシンク１と、側面下部に突出部１３を有する第二のヒートシンク４と、第一のヒートシンク１の側面と第二のヒートシンク４の側面とに挟まれるサーマルコンパウンド７と、第一のヒートシンク１の底面と突出部１３の上面とに挟まれる柔軟性を持った緩衝材６とを有する。これにより個々の発熱部品毎にヒートシンクとの熱的接続が実現できる。その結果、内部部品の放熱性が確保されるので、温度上昇が抑えられ、製品の長寿命化が期待できる。
ここでは発熱部品が２つの場合について説明したが、上述の第二のヒートシンク４を２つ以上設ける構成とすることにより、本発明は３つ以上の発熱部品に対しての放熱性を確保することができる。
次に、本発明の第２の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この第２の実施例について、上述の第一の実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、第１の実施例との共通部分の重複説明は省略する。
図７は、第２の実施例において第二の発熱部品５が高背である場合の断面図である。第二のヒートシンク４にはヒートパイプ１９が取り付けられ、第一のヒートシンク４にはヒートパイプ１９を収容する収容部２０が設けられている。
なお、ヒートパイプ（Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅ）とは、熱伝導性を上げる技術・仕組みの一つで、熱伝導性が高い材質からなるパイプ中に揮発性の液体（作動液、Ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｌｕｉｄ）を封入したものである。パイプ中の一方を加熱し、もう一方を冷却することで、作動液の蒸発・凝縮のサイクルが発生し熱を移動する。図８はヒートパイプと第一のヒートシンクにおける収容部との部分図である。ヒートパイプ１９は収容部２０の中で上下方向に移動する。ヒートパイプ１９と収容部２０の内壁との間は、サーマルコンパウンド２１を介し熱的に接続している。ヒートパイプの移動時も熱的な接続が常に維持されるように、サーマルコンパウンド２１の上下の幅には余裕をもたせる。また、ヒートパイプ１９は第二のヒートシンク４が第一のヒートシンク１よりも高熱である場合に第一のヒートシンク１へ熱伝導する。
図９は、ヒートパイプと第二のヒートシンクとの部分図である。ヒートパイプ１９は第二のヒートシンク４の中では周囲を囲われ、固定される。これにより第二のヒートシンク４とヒートパイプ１９とが熱的に接続される。
上述のような構成とすることで、第２の実施例においては、第二の発熱部品５から第二のヒートシンク４、ヒートパイプ１９を介して第一のヒートシンク１への放熱経路が確保される。また、ヒートパイプ１９を含む構成とすることで、第一のヒートシンク１と第二のヒートシンク４との熱伝導性が向上する。また、ヒートパイプ１９を上下に可動とすることで、発熱部品の高さのバラつきを吸収できる。また、ヒートパイプ１９の移動に合わせて、サーマルコンパウンド２１は形状を変えながら連動して動く。
第二の発熱部品５の方が、第一の発熱部品２よりも高背である場合、第二の発熱部品５の高さに応じて、第二のヒートシンク４は高くなる。第一のヒートシンク１と第二のヒートシンク４との間隔が狭くなる。これに伴いヒートパイプ１９は収容部２０内を上方に移動する。
図１０は、第２の実施例において第二の発熱部品が低背である場合の断面図である。低背の第二の発熱部品１６の高さに応じて、第二のヒートシンク４は低くなる。この状態では、第一のヒートシンク１と第二のヒートシンク４との間隔が狭くなる。これに伴いヒートパイプ１９は収容部２０内を下方に移動する。
以上、実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１３年３月２１日に出願された日本出願特願２０１３−０５８４７５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１ 第一のヒートシンク
２ 第一の発熱部品
３ サーマルコンパウンド
４ 第二のヒートシンク
５ 第二の発熱部品
６ 緩衝材
７ サーマルコンパウンド
８ プリント基板
９ ベース
１０ バネ
１１ 開口部
１３ 突出部
１４ 開口
１６ 低背の第二の発熱部品
１９ ヒートパイプ
２０ 収容部
２１ サーマルコンパウンド

Claims (9)

  1. 第一のヒートシンクと、
    側面下部に突出部を有する第二のヒートシンクと、
    前記第一のヒートシンクの側面と前記第二のヒートシンクの側面とに挟まれる第一の熱伝導物質と、
    前記第一のヒートシンクの底面と前記突出部の上面とに挟まれる柔軟性を持った緩衝材と、
    前記第二のヒートシンクの内部に設けられ、前記第二のヒートシンクの少なくともひとつの側面に、一部を露出するヒートパイプと、
    を有することを特徴とするヒートシンク構造。
  2. 前記第一のヒートシンクの内部に、前記ヒートパイプの一部が収容される収容部と、
    前記ヒートパイプと前記収容部とに挟まれる第二の熱伝導物質と、を有することを特徴とする
    請求項１に記載のヒートシンク構造。
  3. 前記第一のヒートシンクが開口部を有し、
    前記第二のヒートシンクが前記開口部にあてはまる形状であることを特徴とする
    請求項１又は２に記載のヒートシンク構造。
  4. 基板と、
    前記基板上に設けられる第一の発熱部品と、
    前記基板上に設けられる第二の発熱部品と、
    前記第一の発熱部品と接触する第一のヒートシンクと、
    前記第二の発熱部品と接触し、側面下部に突出部を有する第二のヒートシンクと、
    前記第一のヒートシンクの側面と前記第二のヒートシンクの側面とに挟まれる第一の熱伝導物質と、
    前記第一のヒートシンクの底面と前記突出部の上面とに挟まれる柔軟性を持った緩衝材と、
    前記第二のヒートシンクの内部に設けられ、前記第二のヒートシンクの少なくともひとつの側面に、一部を露出するヒートパイプと、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  5. 前記第一のヒートシンクの内部に、前記ヒートパイプの一部が収容される収容部と、
    前記ヒートパイプと前記収容部とに挟まれる第二の熱伝導物質と、
    を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記第一のヒートシンクが開口部を有し、
    前記第二のヒートシンクが前記開口部にあてはまる形状である
    ことを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置。
  7. 第一の発熱部品及び第二の発熱部品を搭載する工程と、
    その側面下部に設けた突出部の上面に柔軟性を持った緩衝材を設け、かつその側面に熱伝導物質を設け、さらに、少なくともひとつの側面に、一部を露出するヒートパイプを内部に設けた第二のヒートシンクを、前記第二の発熱部品上に搭載する工程と、
    前記第一の発熱部品上に、第一のヒートシンクを設けることにより、前記第一のヒートシンクの側面と前記第二のヒートシンクの側面とに第一の熱伝導物質が挟まれ、かつ前記第一のヒートシンクの底面と前記突出部の上面とに前記緩衝材が挟まれる工程と、
    を有することを特徴とするヒートシンク搭載方法。
  8. 前記第一のヒートシンクに設けた収容部に、前記ヒートパイプヒートパイプの一部が収容され、
    かつ前記収容部と前記ヒートパイプの間に第二の熱伝導物質が挟まれる
    ことを特徴とする請求項７に記載のヒートシンク搭載方法。
  9. 前記第一のヒートシンクが開口部を有し、
    前記第一のヒートシンクを搭載する工程において、前記第二のヒートシンクを前記開口部にあてはめる
    ことを特徴とする請求項７又は８に記載のヒートシンク搭載方法。
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