JP6904389B2 - 放熱部品及び実装基板 - Google Patents

Description

本発明は、発熱部品を冷却する構造に関する。

近年、人工知能技術やビッグデータ解析技術が急速に広まっている。それにともない、コンピュータのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）における、より高速な演算処理の実行の需要が高まっている。ＣＰＵはより高速で演算処理を行うと発熱量が増大する。そのため、ＣＰＵのより高速な演算処理のためには、ＣＰＵが発生した熱を外部に放出する放熱部品の高性能化が必要である。

図１乃至図３は、ＣＰＵを冷却する放熱部品が設置された一般的な実装基板の例である実装基板１００の構成を表す概念図である。図１は実装基板１００の斜視図である。図２は、実装基板１００の図１に表される矢印９９１ａの向きを見た正面図である。また、図３は、実装基板１００の図１に表される矢印９９１ｂの向きを見た側面図である。

実装基板１００は、図２に表されるように、配線基板１０４と、ＣＰＵ１０５と、放熱部品１０８と、覆い部１０２とを備える。

配線基板１０４には図示されない配線が形成されている。それらの配線には、ＣＰＵ１０５以外にも図示されない電気部品が接続されている。

ＣＰＵ１０５は、配線基板１０４に固定され、前記配線の一部に接続されている。ＣＰＵ１０５は、発熱部品である。

覆い部１０２は、配線基板１０４上に放熱部品１０８を覆うように設置されている。覆い部１０２で覆われた放熱部品１０８の周囲には、図示されないファン等により、矢印９９１ａの向きに冷却流が流れる。覆い部１０２は、放熱部品１０８を覆うことにより、第一開口９４１から第二開口９４２への冷却流が放熱部品近傍を流れるようにする。覆い部１０２は、例えば、樹脂により形成されている。

放熱部品１０８は、図２に表されるように、受熱部１０７と、導熱板１０１と、放熱板群１０３とを備える。受熱部１０７は、ＣＰＵ１０５の上面に密着しており、ＣＰＵ１０５が発する熱を導熱板１０１に伝える。受熱部１０７は、例えば、銅板である。

導熱板１０１は、金属板であり、受熱部１０７から受け取った熱を放熱板群１０３に伝える。導熱板１０１は例えば銅板である。

放熱板群１０３は、図２に表されるように複数の放熱板１０３ａからなる。放熱板１０３ａは、金属の板である。放熱板１０３ａの各々は導熱板１０１に接続されている。放熱板１０３ａは、図３に表されるように、長方形の面を有する。放熱板１０３ａの長手方向は、矢印９９１ａに平行である。放熱板１０３ａの各々は、導熱板１０１から受け取った熱を、放熱板１０３ａの面の近傍を通過する冷却流に放出する。

上記により、実装基板１００においては、ＣＰＵ１０５が発生する熱の外部への放出が行われる。

ここで、特許文献１は、取付面と放熱面とを有し、当該取付面に少なくとも１の発熱体が取り付けられるベース、及び、前記ベースの放熱面に立設された複数の放熱板を含む放熱部を備える放熱部品を開示する。

また、特許文献２は、基礎体と、前記基礎体の一方の面に形成され、発熱性素子を熱源とする熱量を受熱する受熱領域と、前記基礎体の他方の面に形成され前記熱量を冷媒流体へ放熱させる複数の放熱板とを備える放熱部品を開示する。

また、特許文献３は、放熱板の冷却流流通方向の先端位置を、冷却ファン近傍以外の領域の放熱板先端位置を冷却ファン近傍の放熱板先端位置よりも下流側に位置させる放熱部品を開示する。

国際公開第２０１０／１０９７９９号 特開２０１６−０８６０１８号公報 特開２００８−１４０８０２号公報

しかしながら、図１乃至図３に表される実装基板１００においては、矢印９９１ａの向きの冷却流が、放熱板群１０３を通過しにくいという問題がある。これは、図３に表される放熱板群１０３の右方及び左方に渦状の流れが生じるためである。渦状の流れは、矢印９９１ａの逆向きの成分を有する。そのため、渦状の流れが生じると、冷却流は、矢印９９１ａの向きに流れにくくなる。そのため、冷却流の風量が減少し、放熱部品が冷却されにくくなる。風量を回復するためには、ファンにより矢印９９１ａの向きに送り出す冷却流の風圧を強めれば良い。しかしながら、そのためには、より大きな風圧を発生させ得るファンを用いることが必要になる。そのようなファンは、高価であり、騒音や駆動電力の増大を生じさせる。

本発明は、冷却流の流圧を高めることなしに、発熱部品のより良好な冷却を行い得る、放熱部品等の提供を目的とする。

本発明の放熱部品は、配線基板と第一開口と第二開口とを有する覆い部とにより囲まれることが想定され、前記配線基板に設置された発熱部品に接触する受熱部と、前記受熱部に熱的に接続された複数の放熱板と、を備え、前記放熱板の前記発熱部品と前記第一開口との間の部分である第一部分は、前記第一開口に近づくほど、前記配線基板からより離れた方の端部の前記配線基板からの距離が減少する。

本発明の放熱部品は、冷却流の流圧を高めることなしに、発熱部品のより良好な冷却を行い得る。

放熱部品が設置された一般的な実装基板の構成例を表す概念図（その１）である。 放熱部品が設置された一般的な実装基板の構成例を表す概念図（その２）である。 放熱部品が設置された一般的な実装基板の構成例を表す概念図（その３）である。 放熱部品が設置された本実施形態の実装基板の構成例を表す概念図（その１）である。 放熱部品が設置された本実施形態の実装基板の構成例を表す概念図（その２）である。 放熱部品が設置された本実施形態の実装基板の構成例を表す概念図（その３）である。 一般的な放熱板断面の熱流束の分布の熱流体シミュレーション結果例を表す図である。 放熱板の受熱部に近い箇所に温まる前の冷却流をより多く供給する実装基板の第一の構成例を表す概念図（その１）である。 放熱板の受熱部に近い箇所に温まる前の冷却流をより多く供給する実装基板の第一の構成例を表す概念図（その２）である。 流向調整部の働きを表す概念図である。 放熱板の受熱部に近い箇所に温まる前の冷却流をより多く供給する実装基板の第二の構成例を表す概念図である。 実施形態の放熱部品の最小限の構成を表す概念図である。

図４乃至図６は、本実施形態の実装基板の例である実装基板１００の構成を表す概念図である。図４は実装基板１００の斜視図である。図５は、実装基板１００の図４に表される矢印９９１ａの向きを見た正面図である。また、図６は、実装基板１００の図４に表される矢印９９１ｂの向きを見た側面図である。

図４乃至図６に表される実装基板１００は、放熱板群１０３を構成する放熱板１０３ａ（図５）の形状が、図１乃至図３に表される実装基板１００と異なる。

図５に表される放熱板１０３ａの正面形状は、図２に表されるものと同じである。しかしながら、図６に表される放熱板１０３ａの側面形状は、図３に表されるものと異なる。すなわち、図３に表される放熱板１０３ａの形状は長方形なのに対し、図６に表される放熱板１０３ａは、右方部１０３ａａと中央部１０３ａｂと左方部１０３ａｃとからなる。ただし、右方部１０３ａａと中央部１０３ａｂと左方部１０３ａｃとは一体化した金属板である。右方部１０３ａａの配線基板１０４からの高さは、右方にいくほど直線的に低くなっている。また、左方部１０３ａｃ上端の配線基板１０４からの高さは左方にいくほど直線的に低くなっている。

そのため、図１乃至図３に表される実装基板１００と比べて、矢印９９１ａの向きに冷却流が供給された場合に、図６における放熱板群１０３の右方及び左方で生じる渦状の流れが小さくなる。そのため、図４乃至図６に表される実装基板１００においては、冷却流がより多く放熱板群１０３の放熱板１０３ａの近傍を通過する。そのため、図４乃至図６に表される実装基板１００においては、放熱板群１０３のより良好な冷却を行うことができる。ここで、放熱板群１０３の熱は、導熱板１０１及び受熱部１０７を介して、ＣＰＵ１０５から供給されるものである。そのため、図４乃至図６に表される実装基板１００においては、ＣＰＵ１０５のより良好な冷却が可能である。

図７は、図１乃至図３に表される一般的な実装基板１００の、放熱板１０３ａの断面における熱流束の分布の熱流体シミュレーション結果例を表す図である。図７に表される曲線に付与されたＷ／ｃｍ^２付けられた数字は、その曲線に沿った位置における放熱板１０３ａ断面の熱流束（Ｗ／ｃｍ^２）を意味する。熱流束の値は受熱部１０７に近づくほど大きくなる傾向を示す。

従い、放熱板１０３ａのうち、熱流束の値の大きい受熱部により近い箇所に、温まる前の温度の低い冷却流をより多く供給できれば、より効果的に放熱板の冷却が行われることが考えられる。

図８及び図９は、放熱板１０３ａのうちの受熱部１０７に近い箇所に温まる前の冷却流をより多く供給し得る実装基板１００の第一の構成例を表す概念図である。図８は、実装基板１００の側面図である。また、図９は、実装基板１００の図８に表す矢印９９１ａの向きを見た正面図である。

図８及び図９に表す実装基板１００は、覆い部１０２の上部９２１の下面に流向調整部１０６を備えている。流向調整部１０６は、図８に表される左側の面が、受熱部１０７の在る向きに設定されている。

図１０は、流向調整部１０６の働きを表す概念図である。覆い部１０２により覆われた部分に入った冷却流の上方の部分である冷却流９８１ａは、流向調整部１０６の面１０６ａに当たり冷却流９８１ｃとなる。冷却流９８１ｃは、冷却流の中、下方の部分である冷却流９８１ｂと合わさり、放熱板１０３ａの受熱部１０７近傍に向かう。これにより、冷却流のより多くの部分は、放熱板１０３ａにより暖められる前に、放熱板１０３ａのうちの熱流束の大きい受熱部１０７近傍に到達する。そして、冷却流のより多くの部分は、放熱板１０３ａの受熱部１０７近傍から多くの熱を受け取り、図１０の左方に流れる。そのため、流向調整部１０６は、受熱部１０７のより効果的な冷却を可能にする。

図１１は、放熱板１０３ａのうちの受熱部１０７に近い箇所に温まる前の冷却流をより多く供給する実装基板１００の第二の構成例を表す概念図である。図１１は、実装基板１００の側面図である。

図１１に表される実装基板１００の放熱板１０３ａは、前端部９３１が直線ではなく、下に凸の左方ほど高さが高い曲線状である。すなわち、前端部９３１は、第一開口９４１に近づくほど配線基板１０４からの距離が減少するが、その減少の程度は、第一開口９４１に近づくほど小さい。このような形状の場合、左方からの冷却流のうち中央部を流れるものは、前端部が直線の場合と比較して、放熱板１０３ａにより温められる前に、放熱板１０３ａの受熱部１０７近傍に到達する割合が多い。そのため、放熱板１０３ａのうちの熱流束の大きい受熱部１０７近傍から、冷却流への熱の放出がより多く行われうる。そのため、図１１の実装基板１００は、図６の実装基板１００と比較して、ＣＰＵ１０５の冷却がより良好に行われ得る。
［効果］
本実施形態の実装基板は、放熱板の側面の高さが、冷却流の上流及び下流に向けて低くなっている。そのため、前記実装基板においては、放熱板群の前端近傍及び後端近傍により生じる渦の発生を抑えることができる。渦は、冷却流の向きと逆向きの成分を有するため、渦があると冷却流は覆い部で覆われた部分に入りにくくなる。しかしながら、前記実装基板においては渦の発生が抑えられるので、より多くの冷却流が、放熱板の周囲を通過する。そのため、前記実装基板においては放熱板から冷却流への放熱がより良好に行われ、その分、ＣＰＵがより良好に冷却される。

本実施形態の実装基板においては、覆い部上部の下面に冷却流を放熱板の受熱部近傍に導く流向調整部が設けられる場合がある。放熱板の受熱部近傍は、熱流束の値がより大きいことが熱流体解析シミュレーションにより理解されている。流向調整部は、温められていない冷却流をより多く、放熱板の、熱流束の大きい受熱部近傍に導き、当該部分を冷却する。そのため、流向調整部は、受熱部及びＣＰＵのより良好な冷却を可能にする。

本実施形態の実装基板においては、放熱板の受熱部より冷却流の上流の部分の側面形状が、下に凸の下流に向かって高さが高くなる形状である場合がある。その場合、実装基板においては、放熱板の受熱部近傍に温められていない冷却流がより多く供給され得る。そのため、放熱板の当該形状は、受熱部及びＣＰＵのより良好な冷却を可能にする。

なお、以上、放熱部品により冷却される発熱部品がＣＰＵである場合の例を説明したが、発熱部品はＣＰＵ以外のものであっても構わない。また、放熱板を冷却する冷却流は、典型的には空気流であるが、空気流以外の気流であってもよい。前記冷却流は、さらには、液体の流れであっても構わない。

また、以上の説明では、第一開口側及び第二開口側の両側において、放熱板の配線基板からの高さが受熱部から離れるほど小さくなる場合について説明した。しかしながら、第一開口側及び第二開口側のいずれかのみにおいて、放熱板の状上端の配線基板からの高さ（距離）が受熱部から離れるほど小さくなっていても、冷却流に生じる渦を抑える効果はある。従い、第一開口側及び第二開口側のいずれかのみにおいて、放熱板の上端の配線基板からの高さが受熱部から離れるほど小さくなっていても構わない。

図１２は、実施形態の放熱部品の最小限の構成である放熱部品１０８ｘの構成を表す概念図である。図１２は、放熱部品１０８ｘの一部を表す。

放熱部品１０８ｘは、図示されない、配線基板と第一開口と第二開口とを有する覆い部とにより囲まれることが想定されている。放熱部品１０８ｘは、前記配線基板に設置された発熱部品に接触する受熱部１０７ｘと、受熱部１０７ｘに熱的に接続された複数の放熱板１０３ａｘと、を備える。放熱板１０３ａｘの前記発熱部品と前記第一開口との間の部分である第一部分１０３ａａｘは、前記第一開口に近づくほど、前記配線基板からより離れた方の端部である端部９３１ｘの前記配線基板からの距離が減少する。

放熱部品１０８ｘの第一部分１０３ａａｘは、前記第一開口に近づくほどすぼまった形状をしている。そのため、前記第一開口から前記第二開口へ冷却流を流した場合にも、前記第二開口から前記第一開口へ冷却流を流した場合にも、第一部分１０３ａａｘにおいて発生する渦が抑えられる。そのため、ファン等により冷却流を送り出す力を増やさなくても、前記放熱板の周囲を通過する流量を増加させることができる。そのため、放熱部品１０８ｘは、前記放熱板をより良好に冷却することができる。前記放熱板の熱は、前記発熱部品から伝わるものである。従い、冷却流の流圧を高めなくても、前記発熱部品をより良好に冷却することができる。

そのため、放熱部品１０８ｘは、前記構成により、［発明の効果］の項に記載した効果を奏する。

以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の基本的技術的思想を逸脱しない範囲で更なる変形、置換、調整を加えることができる。例えば、各図面に示した要素の構成は、本発明の理解を助けるための一例であり、これらの図面に示した構成に限定されるものではない。

また、前記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記述され得るが、以下には限られない。
（付記１）
配線基板と第一開口と第二開口とを有する覆い部とにより囲まれることが想定され、
前記配線基板に設置された発熱部品に接触する受熱部と、
前記受熱部に熱的に接続された複数の放熱板と、
を備え、
前記放熱板の前記発熱部品と前記第一開口との間の部分である第一部分は、前記第一開口に近づくほど、前記配線基板からより離れた方の端部の前記配線基板からの距離が減少する、
放熱部品。
（付記２）
前記第一部分における前記距離の減少の程度は前記第一開口に近づくほど少なくなる、付記１に記載された放熱部品。
（付記３）
前記放熱板の前記発熱部品と前記第二開口との間の部分である第二部分の前記距離は、前記第二開口に近づくほど減少する、付記１又は付記２に記載された放熱部品。
（付記４）
前記放熱板の前記第一部分と前記第二部分との間の部分である第三部分は、前記距離が略一定である、付記３に記載された放熱部品。
（付記５）
前記第一開口から前記第二開口に向けて冷却流が流れることが想定されている、付記１乃至付記４のうちのいずれか一に記載された放熱部品。
（付記６）
前記覆い部をさらに備える、付記５に記載された放熱部品。
（付記７）
前記覆い部は前記冷却流を前記放熱板の前記受熱部の近傍へ導く流向調整部を備える、付記６に記載された放熱部品。
（付記８）
前記受熱部と前記放熱板とは、導熱板により接続されている、付記１乃至付記７のうちのいずれか一に記載された放熱部品。
（付記９）
前記放熱板は前記導熱板に略垂直である、付記８に記載された放熱部品。
（付記１０）
付記１乃至付記９のうちのいずれか一に記載された放熱部品と、前記配線基板とを備える、実装基板。
（付記１１）
前記発熱部品をさらに備える、付記１０に記載された実装基板。

１００ 実装基板
１０１ 導熱板
１０２ 覆い部
１０３ 放熱板群
１０３ａ、１０３ａｘ 放熱板
１０３ａａｘ 第一部分
１０４ 配線基板
１０５ ＣＰＵ
１０６ 流向調整部
１０６ａ 面
１０７、１０７ｘ 受熱部
１０８、１０８ｘ 放熱部品
９２１ 上部
９３１ 前端部
９３１ｘ 端部
９４１ 第一開口
９４２ 第二開口
９８１ａ、９８１ｂ、９８１ｃ 冷却流
９９１ａ、９９１ｂ 矢印

Claims (8)

1. 配線基板と第一開口と第二開口とを有する覆い部とにより囲まれることが想定され、
   前記配線基板に設置された発熱部品に接触する受熱部と、
   前記受熱部に熱的に接続された複数の放熱板と、
   を備え、
   前記放熱板の前記発熱部品と前記第一開口との間の部分である第一部分は、前記第一開口に近づくほど、前記配線基板からより離れた方の端部の前記配線基板からの距離が減少し、
   前記放熱板の前記発熱部品と前記第二開口との間の部分である第二部分の前記距離は、前記第二開口に近づくほど減少し、
   前記第一開口から前記第二開口に向けて冷却流が流れることが想定されており、
   前記第一開口における前記冷却流の向きと、前記第二開口における前記冷却流の向きとは、略等しい、
   放熱部品。
2. 前記第一部分における前記距離の減少の程度は前記第一開口に近づくほど少なくなる、
   請求項１に記載された放熱部品。
3. 前記放熱板の前記第一部分と前記第二部分との間の部分である第三部分は、前記距離が略一定である、請求項１又は請求項２に記載された放熱部品。
4. 前記覆い部をさらに備える、請求項１乃至請求項３のうちのいずれか一に記載された放熱部品。
5. 前記覆い部は前記冷却流を前記放熱板の前記受熱部の近傍へ導く流向調整部を備える、
   請求項４に記載された放熱部品。
6. 前記受熱部と前記放熱板とは、導熱板により接続されている、請求項１乃至請求項５のうちのいずれか一に記載された放熱部品。
7. 請求項１乃至請求項６のうちのいずれか一に記載された放熱部品と、前記配線基板とを備える、実装基板。
8. 前記発熱部品をさらに備える、請求項７に記載された実装基板。

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