JP6828968B1

JP6828968B1 - 放熱部品及び電子部品

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Publication number: JP6828968B1
Application number: JP2019201460A
Authority: JP
Inventors: 博永井
Original assignee: NEC Platforms Ltd
Current assignee: NEC Platforms Ltd
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2039-11-06
Also published as: JP2021077696A

Abstract

【課題】電子部品等で発生した熱を効率的に放熱する。【解決手段】電子部品１の上面には、熱伝導性率高い材料により構成されて、電子部品１の表面で変形して容易に密着することができる、ヒートスプレッダ２が設けられ、ヒートスプレッダ２は、前記電子部品１の熱が伝達される受熱部３と、該受熱部３から突出して設けられて前記受熱部３から熱が伝達される複数の突出部４Ａ、４Ｂとを有する。ヒートスプレッダ２の上には、複数の熱伝導シート５Ａ、５Ｂが積層され、第１の突出部４Ａは、第１の熱伝導シート５Ａに熱伝導可能に接続され、第２の突出部４Ｂは、第２の熱伝導シート５Ｂに熱伝導可能に接続され、前記第２の突出部４Ｂは、前記第１の熱伝導シート５Ａとの間に間隙を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱部品及び電子部品に関する。

電子部品等の発熱体で発生した熱の放熱に利用される熱伝導性の材料として、銅やアルミニウム等の金属材料がある。この金属材料は、効率的に熱を拡散できず、さらに変形し難いという特性がある。また、これを解決する代替材料としてグラファイトがあるが、グラファイトは、炭素をシート状に加工したもので、熱伝導率が高く、熱伝導率は、ダイヤモンドに次ぎ、銅を上回る。このグラファイトシートは、大きな面積のものを容易に作ることができ、きわめて高い熱伝導率を持ち、柔軟性に富んでいる。

本発明に関連して、前記グラファイトシートを利用した技術として、特許文献１に記載の、グラファイト製のシートに保護フィルム等を重ね合わせた構造を持つグラファイトシートが知られている。このグラファイトシートは、高分子を熱処理してグラファイト化した層状構造とした高熱伝導層と、緩衝層とを粘着剤によって一体に接合して構成されている。
また、特許文献１の冷却効率を改善すべく提案された特許文献２に記載の、グラファイトシートと金属からなる複数のピンを備え、前記複数のピンは、グラファイト部に突き立って、前期発熱部に近接または接触するように配置される構造を持つグラファイトシートが知られている。

前記特許文献１、２で採用される熱伝導性の材料として、銅やアルミニウム等の金属材料が主に使われているが、金属材料は、効率的に熱を拡散することができず、さらに、変形し難いという弱点がある。また、これを解決する代替材料としてグラファイトがあり、このグラファイトは、炭素をシート状に加工したもので、熱伝導率が高く、熱伝導率は、ダイヤモンドに次ぎ、銅を上回る。このグラファイトシートは、大きな面積のものを容易に作ることができ、きわめて高い熱伝導率を持ち、柔軟性に富んでいる。

特開２００３−０９２３８４号公報特開２０１１−０１８７１５号公報

しかしながら、特許文献１、およびこれを改善した特許文献２のいずれにおいても、グラファイトシートを金属のピンが貫通する場合、金属のピンが貫通する箇所では、グラファイトシートの面方向の熱伝導率が金属の熱伝導に置き換わること、換言すれば、熱伝導率の高い金属のピンを経由して、本来は熱伝導効率が低いグラファイトシートの厚さ方向へ伝導される熱が多くなるため、放熱対象となる発熱体である電子部品の各部から複数のグラファイトシートの各々へ熱を分散して効率良く拡散させることが難しいという課題があった。

この発明は、上記課題に鑑み、グラファイトシートを用いた電子部品等の放熱において、グラファイトシートを経由する熱伝導を良好にすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本願の放熱部品は、発熱する電子部品の所定箇所に設けられて前記電子部品から熱が伝達される受熱部と、該受熱部から突出して設けられて前記受熱部から熱が伝達される複数の突出部とを有するヒートスプレッダと、このヒートスプレッダ上に積層される複数の熱伝導シートとを有する放熱部品であって、複数の前記突出部のうち第１の突出部は、複数の前記熱伝導シートのうち第１の熱伝導シートに熱伝導可能に接続され、複数の前記突出部のうち第２の突出部は、複数の前記熱伝導シートのうち第２の熱伝導シートに熱伝導可能に接続され、前記第２の突出部は、前記第１の熱伝導シートとの間に間隙を有することを特徴とする。

本発明によれば、電子部品で発生した熱を複数の突出部からそれぞれ熱伝導シートへ熱伝導することができる。

本発明にかかる最小構成例を示す断面図である。本発明の第１実施形態の断面図である。熱伝達の異方性の説明図である。本発明の第２実施形態の断面図である。本発明の第３実施形態の要部の断面図である。

本発明に係る放熱部品の最小構成例を図１により説明する。
符号１は、放熱部品が取り付けられる放熱対象、例えば、発熱体としての電子部品である。この電子部品１の上面には、熱伝導性率の高い材料により構成されて、電子部品１の表面に密着することができるヒートスプレッダ２が設けられている。このヒートスプレッダ２は、前記電子部品１から熱が伝達される受熱部３と、この受熱部３から突出して設けられて前記受熱部３から熱が伝達される複数の突出部４Ａ、４Ｂとを有する。

、
前記ヒートスプレッダ２の上には、例えばグラファイトシートにより構成された複数の熱伝導シート５Ａ、５Ｂが積層されている。
複数の前記突出部４Ａ、４Ｂのうち第１の突出部４Ａは、複数の前記熱伝導シート５Ａ、５Ｂのうち第１の熱伝導シート５Ａに熱伝導可能に接続され、複数の前記突出部４Ａ、４Ｂのうち第２の突出部４Ｂは、複数の前記熱伝導シート５Ａ、５Ｂのうち第２の熱伝導シート５Ｂに熱伝導可能に接続され、前記第２の突出部４Ｂは、前記第１の熱伝導シート５Ａとの間に間隙を有する。

上記構成の放熱部品にあっては、放熱対象である電子部品１で発生した熱が第１の突出部４Ａから第１の熱伝導シート５Ａに熱伝導され、該第１の熱伝導シート５Ａの面方向へ拡散することができる。また電子部品１で発生した熱は、第２の突出部４Ｂから第２の熱伝導シート５Ｂに熱伝導され、該第２の熱伝導シート５Ｂの面方向へ拡散することができる。
前記第２の熱伝導シート５Ｂは、第１の突出部４Ａとの間に間隙を有するため、第１の突出部４Ａから第２の熱伝導シート５Ｂへ伝導する熱が少なく、第２の突出部４Ｂから第２の熱伝導シート５Ｂへの熱伝導への影響を最小限にすることができる。
すなわち、電子部品１から第１の突出部４Ａに伝導された熱は第１の熱伝導シート５Ａを経由し、また、第２の突出部４Ｂに伝導された熱は第２の熱伝導シート５Ｂを経由して、それぞれ面方向へ拡散することができる。

次いで、図２、図３を参照して本発明の第１実施形態を説明する。なお、図中図１と共通の構成要素には同一符号を付し、説明を簡略化する。
図２の電子部品１は、回路基板、ヒートシンク、放熱フィン等の基板１０の上に設けられている。
前記電子部品１の上面には、ヒートスプレッダ２が設けられている。このヒートスプレッダ２は、熱伝導性が良好で、かつ、変形が容易で電子部品１の上面に密着することが可能な、例えば軟質の金属等により構成されている。またヒートスプレッダ２と電子部品１との間には、さらに、密着により熱伝導性を向上させるべく、サーマルグリース等の介在物（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）を設けて接触させても良い。
前記ヒートスプレッダ２は、前記電子部品１の上面に密着して設けられる受熱部３と、この受熱部３から上方へ突出する複数のピン状の突出部（第１、第２、第３の突出部）４Ａ、４Ｂ、４Ｃとを有する。

前記突出部４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、前記受熱部３の面方向に並べて、例えば、放熱の対象となる電子部品１の発熱箇所に対応して配置されている。図示例では、図２の左側に位置する第１の突出部４Ａが最も短く、第２、第３の突出部４Ｂ、４Ｃの順に長く（突出量が大きく）されている。
より具体的には、熱を逃がす方向に最も近い第１の突出部４Ａが一番短く、熱を逃がす方向から最も遠い第３の突出部４Ｃを長くしている。
前記ヒートスプレッダ２の上には、例えばグラファイトシートにより構成された複数の熱伝導シート（第１、第２、第３の熱伝導シート）５Ａ、５Ｂ、５Ｃが重ねて設けられている。
これらの熱伝導シート５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、これらの厚さ方向に、前記受熱部３との間、および、相互間が熱的に遮断された状態で、ヒートスプレッダ２の上に積層されている。なお、グラファイトシートを採用した場合、その熱伝導特性は、図３に矢印で示すように、グラファイトを構成する繊維に沿う面方向の熱伝導率が厚さ方向への熱伝導率より大きいため、上下に重ねられた熱伝導シート５Ａ〜５Ｃの相互間の熱伝導は小さい。したがって、熱伝導シート５Ａ〜５Ｃが直接重ねられていても良い。
図２にあっては、重ね合わせた第１〜第３の熱伝導シートの一番下のもの（５Ａ）に熱を伝えるように接触した状態で第１の突出部４Ａを貫通させ、その上の第２の熱伝導シート５Ｂには到達させない。一方、最も長い突出部４Ｃは、重ね合わせた熱伝導シートの一番上のもの（５Ｃ）まで貫通させてこの層へ接触した状態とされている。

前記突出部４Ｂは、前記熱伝導シート５Ｂを貫通して結合されることにより、該熱伝導シート５Ｂに熱的に結合されている。また前記熱伝導シート５Ａには、突出部４Ｂより大径の貫通孔１１Ａが厚さ方向に貫通して形成されていて、この貫通孔１１Ａを前記突出部４Ｂが通っている。なお図示例では、前記貫通孔１１Ａ内に熱伝導率の低い樹脂等を充填することにより、断熱性の断熱層が設けられていて、貫通孔１１Ａと突出部４Ｂとの半径方向への隙間を埋めているが、断熱層を省略して、貫通孔１１Ａと突出部４Ｂとの間が隙間となっていても良く、要は、突出部４Ｂから熱伝導シート５Ａへの熱伝導を抑制することができる態様であれば良い。

前記突出部４Ｃは、前記熱伝導シート５Ａに形成された貫通孔１１Ｂと、前記熱伝導シート５Ｂの前記貫通孔１１Ｂに対応する位置に形成された貫通孔１１Ｃとを通って、最も上の層の熱伝導シート５Ｃを貫通して結合されることにより、該熱伝導シート５Ｃに熱的に結合されている。なお図示例では、前記貫通孔１１Ｂ、１１Ｃ内に断熱性を有する断熱層が設けられていて、貫通孔１１Ｂ、１１Ｃと、突出部４Ｃとの間の半径方向への隙間を埋めているが、断熱層を省略して、貫通孔１１Ｂ、１１Ｃと突出部４Ｃとの間が隙間となっていても良く、要は、突出部４Ｃから熱伝導シート５Ａ、５Ｂへの熱伝導を最小限に抑制することができる態様であれば良い。

以上のように構成された放熱部品にあって、電子部品１から発生した熱は、図２に矢印ｄで示すように、第１の突出部４Ａから第１の熱伝導シート５Ａへ矢印Ａのように熱伝導されて、図２、３に示すように、第１の熱伝導シート５Ａの面方向へ拡散して放熱される。
また電子部品１から第２の突出部４Ｂへ熱伝導された熱は、第１の熱伝導シート５Ａに貫通孔１１Ａが形成されて第２の突出部４Ｂとの間に隙間が存在することから、第１の熱伝導シート５Ａへ熱伝導が無視できる程度に小さくなり、第２の熱伝導シート５Ｂへ矢印Ｂのように熱伝導されて面方向へ拡散する。

また電子部品１から第３の突出部４Ｃへ熱伝導された熱は、第１の熱伝導シート５Ａに貫通孔１１Ｂが形成され、第２の熱伝導シート５Ｂに貫通孔１１Ｃが形成されていることから、第１の熱伝導シート５Ａ、第２の熱伝導シート５Ｂには熱伝導さは極めて小さく、第３の熱伝導シート５Ｃに矢印Ｃのように熱伝導されて面方向へ拡散する。

このように、第１実施形態にあっては、電子部品１の各部で発生した熱をヒートスプレッダ２によって各熱伝導シート５Ａ、５Ｂ、５Ｃへ分散して各々拡散、放熱することができる。すなわち、グラファイトにより構成された熱伝導シート５Ａ〜５Ｃの面方向の熱伝導率を悪化させることなく熱を効率的に逃がすことができる。また、熱を逃がす方向に別の熱源（電子部品１の発熱部位）に結合すべき突出部４Ａ〜４Ｃが接触していないことから、熱を逃がす方向にある突出部４Ａ〜４Ｃの熱の影響を小さくすることができ、熱を逃がす方向の温度勾配（ΔＴ）を大きい状態に保つことができるため、熱伝導シートそのものの熱伝導率を生かして効率よく熱を伝えることが出来る。

図４は本発明の第２実施形態を示すものである。
この第２実施形態にあっては、第２の突出部４Ｂが第２の熱伝導シート５Ｂを貫通して熱的に結合された状態で、さらに上方の第３の熱伝導シート５Ｃを貫通して熱的に結合されている。なお第２の突出部４Ｂは、第１の熱伝導シート５Ａの貫通孔１１Ａを通ることから、第１の熱伝導シート５Ａへの熱伝導が遮断される。

また第３の突出部４Ｃは、第１の熱伝導シート５Ａの貫通孔１１Ｂ、第２の熱伝導シート５Ｂの貫通孔１１Ｃを通って第３の熱伝導シート５Ｃを貫通して熱的に結合される。

上記第２実施形態にあっては、前記電子部品１から第２の突出部４Ｂに熱伝導された熱が第２の熱伝導シート５Ｂ、第３の熱伝導シート５Ｃの両方へ熱伝導される。一方、第３の突出部４Ｃの熱は、第３の熱伝導シート５Ｃのみへ熱伝導される。
このように、第２実施形態にあっては、第２の突出部４Ｂが第２の熱伝導シート５Ｂと第３の熱伝導シート５Ｃとの両方に熱的に結合されているから、例えば、前記電子部品１における、前記第２の突出部４Ｂの直下の領域の発熱量が大きい場合に、この熱を第２の熱伝導シート５Ｂと第３の熱伝導シート５Ｃとの二つの経路を経由して拡散することができる。

図５は、熱伝導シート５Ａ、５Ｂ、５Ｃの間に断熱層１２Ａ、１２Ｂを設けた第３実施形態を示すものである。すなわち、これらの熱伝導シート５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、これらの厚さ方向に、前記受熱部３との間、および、相互間に間隔をおいて（空気層を介在させること）、あるいは、熱伝導率が低い材料で構成されたスペーサ等の断熱層１２Ａ、１２Ｂを挟んだ構成となっている。

ヒートスプレッダに設けられる突出部の数、配置、長さ、熱伝導シートの積層数、若しくは、いずれの突出部をいずれの層の熱伝導シートに接続するかは、上記第１、第２に実施形態に限定されるものではなく、電子部品の寸法、電子部品の各領域の発熱量の分布、およびこれに伴う温度分布の状況等に応じて変更して実施しても良いのはもちろんである。
また電子部品は、単一の電子部品に限られるものではなく、基板上に配置された複数の電子部品にまたがってヒートスプレッダを設けて、複数の電子部品から各々熱伝導を受ける構成としても良い。この場合、ヒートスプレッダの受熱部が柔軟に変形することにより、電子部品の高さや表面の凹凸にかかわらず密着することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は電子部品等の放熱に利用することができる。

１電子部品
２ヒートスプレッダ
３受熱部
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ突出部（第１、第２、第３の突出部）
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ熱伝導シート（第１、第２、第３の熱伝導シート）
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ貫通孔
１２Ａ、１２Ｂ断熱層

Claims

発熱する電子部品の所定箇所に設けられて前記電子部品から熱が伝達される受熱部と、この受熱部から突出して設けられて前記受熱部から熱が伝達される複数の突出部を有するヒートスプレッダと、
このヒートスプレッダ上に積層される複数の熱伝導シートと、
を有する電子部品の放熱部品であって、
複数の前記突出部のうち第１の突出部は、複数の前記熱伝導シートのうち第１の熱伝導シートに熱伝導可能に接続され、
複数の前記突出部のうち第２の突出部は、複数の前記熱伝導シートのうち第２の熱伝導シートに熱伝導可能に接続され、
前記第２の突出部は、前記第１の熱伝導シートとの間に間隙を有する、
放熱部品。
前記第１の熱伝導シートは、前記受熱部の上に配置され、
前記第２の熱伝導シートは、前記第１の熱伝導シートの上に配置され、
前記第１の突出部は、前記第１の熱伝導シートに接続され、
前記第２の突出部は、前記第１の熱伝導シートに設けられた貫通孔を貫通して前記第２の熱伝導シートに接続された、
請求項１に記載の放熱部品。
前記第２の突出部と前記貫通孔との間には、前記第１の熱伝導シートの面方向に沿う間隙が設けられた、
請求項２に記載の放熱部品。
前記第２の突出部と前記貫通孔との間に、前記第２の突出部より熱伝導率が低い断熱媒体を設けた、
請求項２または３のいずれか１項に記載の放熱部品。
前記第１、第２の熱伝導シートに加えて第３の熱伝導シートを有し、
前記第２の突出部は、前記第２、第３の熱伝導シートの両方に接続された、
請求項２〜４のいずれか１項に記載の放熱部品。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の放熱部品と、
前記受熱部に接触する発熱部品と、
を有する電子部品。
請求項６に記載の電子部品と、前記発熱部品が取り付けられる基板とを有する電子部品。
前記基板は、回路基板、ヒートシンク、または放熱フィンの少なくともいずれかである、請求項７に記載の電子部品。