JP6981637B2 - 熱伝導装置および電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導装置およびこれを備えた電子部品に関する。

集積回路の高密度化に伴い、その消費電力及び発熱量が増大する傾向がある。この発熱量の増大に応じ、集積回路の動作温度や寿命を考慮した効率的な放熱構造、すなわち、集積回路等の発熱部品から放熱部品へより効率的に熱伝導させ、放熱させることが必要とされている。

この放熱の問題を解決するため、特許文献１〜３のような放熱技術が提案されている。
特許文献１には、熱伝導ブロックにスライド可能に接触する熱伝導ディスクを半導体素子に接触させて熱伝導する技術が開示されている。
特許文献２には、ヒートシンクと半導体チップとの間に熱伝導面に沿って移動可能な熱伝導部材を配置し、この熱伝導部材が移動することにより、高さの異なる半導体チップを設けることによるヒートシンク内面との隙間を埋めて熱伝導性能を担保する技術が開示されている。
特許文献３には、熱伝導性を有するディスクをばねによってチップに押し付けて熱伝導性を向上させる技術が開示されている。

特開昭６３−２５０８４８号公報 特開２０１５−１１５４１６号公報 特開昭６１−０１５３５３号公報

しかしながら、特許文献１にあっては、半導体素子と熱伝導部材としての熱伝導ディスクとの間の接触圧力、接触面積が十分に大きくなければ、たとえ熱伝導性能の良い油脂等を接触面に介在させたとしても、熱伝導経路の熱抵抗が大きくなることが避けられない。
特許文献２にあっては、熱伝導部材が半導体チップに対してスライドすることが必須であるため、特許文献１と同様の課題があった。
特許文献３にあっては、チップがディスクに固定されているものの、ディスクから外側のハットへの接触抵抗を小さくするために、ディスクとハットとの間の接触圧力、接触面積を適切に維持しつつハットとディスクとを高精度に加工して密着状態に取り付けることは難しい。また、ばねは線径が小さいため熱抵抗が大きく、ばねを経由した熱伝導による放熱性能の向上に多くを期待することはできない。
また、発熱部品と放熱部品との間にシリコーン樹脂等の柔軟性の高い熱伝導性のシートを挟み込むことも考えられるが、シリコーン樹脂等の熱伝導性のシートは、特許文献１〜３に記載された金属製の熱伝導部材に比して熱伝導性能が悪く、近年の高密度の集積回路等、発熱量の大きな電子部品に適用することが難しいという課題がある。

この発明は、発熱部品と放熱部品との間で良好な熱伝導性を発揮する熱伝導装置および電子部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の熱伝導装置は、発熱部品または放熱部品のいずれか一方から熱伝導を受ける第一の熱伝導部材と、この第一の熱伝導部材から伝導される熱を前記発熱部品または放熱部品のいずれか他方へ伝導する第二の熱伝導部材と、これら第一、第二の熱伝導部材を相対的に回転する方向へ付勢する付勢部材と、前記第一の熱伝導部材と第二の熱伝導部材との間にあって、前記付勢部材から受けた力を前記第一の熱伝導部材と第二の熱伝導部材とが前記回転の中心軸線に沿って互いに離れる方向への力に変換する傾斜面とを有する。

本発明によれば、発熱部品から放熱部品へ良好に熱伝導することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱伝導装置の側面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱伝導装置の分解斜視図である。 第２実施形態の上方から見た斜視図である。 （Ａ）は、第２実施形態に係る熱伝導装置を基板と放熱部品との間に設けた電子部品の組立て前の状態における電子基板と直交方向の矢視図、（Ｂ）は、第２実施形態に係る熱伝導装置を基板と放熱部品との間に設けた電子部品の組立て後の状態における基板と直交方向の矢視図である。

＜第１実施形態＞
図１を参照して、本発明の最少構成を有する第１実施形態を説明する。
図１に符号１で示すものは、例えば半導体チップ等の発熱部品に接触させられて発熱部品の熱が伝導される第一の熱伝導部材、符号２で示すものは、例えばヒートシンク等の放熱部品に接触して放熱部品へ熱伝導する第二の熱伝導部材である。前記第一の熱伝導部材１は、付勢部材３から図１の矢印で示す反時計回りへの力を受け、第一の熱伝導面１１と、第二の熱伝導面２１とが傾斜面として互いに接触することにより、第一の熱伝導部材１と第二の熱伝導部材２とが離れる方向（図１の上下方向）へ付勢されるようになっている。

このように構成された第１実施形態の熱伝導装置にあっては、第一の熱伝導部材１が図１の上下（圧縮）方向への力を受けることにより、付勢部材３の付勢に抗して、傾斜面としての第一の熱伝導面１１と第二の熱伝導面２１とが接触しながら、図１の矢印と反対方向（時計回り）に回転し、発熱部品（図１において図示略）で発生した熱は、第一の熱伝導部材１から、傾斜面を介して第二の熱伝導部材２へ伝導する。さらに、第二の熱伝導部材２と接触する放熱部品に伝導する。

＜第２実施形態＞
図２〜図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る熱伝導装置を備えた電子部品を説明する。なお図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。

第一の熱伝導部材１は、例えばアルミニウム、銅合金のような熱伝導性の良好な金属材料により形成され、軸線Ｃ_１と直交する平面に対して傾斜した第一の熱伝導面１１を有する。第一の熱伝導面１１は、第二の熱伝導部材２の第二の熱伝導面２１と接するもので、第二の熱伝導面２１と同一の角度で傾斜している。また前記第一の熱伝導部材１には、図２に示すように、軸線Ｃ_１を中心とする円周方向に沿って、前記第一の熱伝導面１１が複数形成されている。また前記軸線Ｃ_１と交差する位置には、例えばぜんまいばねにより構成された付勢部材３が挿入される取付孔１２が形成されている。

この付勢部材３は、実施形態のようなぜんまいばねに限られるものではなく、第一の熱伝導部材１と第二の熱伝導部材２とを互いに軸線Ｃ_１を中心として回転させる方向へ付勢することができれば足り、例えば、コイルばねに代えることもできる。図３の場合、前記付勢部材３の中心には、案内軸４が挿通されており、この案内軸４には前記付勢部材３としてのぜんまいばねの一端（渦巻きの内側の小径側の端部）が連結されている。また、前記付勢部材３としてのぜんまいばねの他端（渦巻きの外側の大径径側の端部）は取付孔１２の近傍で前記第一の熱伝導部材１に連結されている。

前記第二の熱伝導部材２は、例えばアルミニウム、銅合金のような熱伝導性の良好な金属材料により形成され、傾斜した第二の熱伝導面２１と、付勢部材３を案内する案内軸４が連結される取付孔２２とを有する。前記第二の熱伝導面２１は、前記第一の熱伝導面１１に対応して、同一の個数、少なくとも一部が重なることができる平面形状、傾斜角度で、前記軸線Ｃ_１を中心とする円周上に形成されている。

次に、第二実施形態の熱伝導装置を備えた電子部品について、図４（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。
符号５は電子基板であって、この電子基板５の表面には、例えば半導体チップ等の発熱部品６が実装されている。この発熱部品６は、例えばはんだバンプ等により電子基板５と電気的および機械的に接続されている。前記発熱部品６の表面（図４の下面）は、前記第一の熱伝導部材１の上面に接している。前記発熱部品６と第一の熱伝導部材１とは、図４（Ｂ）に示すように電子基板５を放熱部品７に取り付けることによってこれらの間に挟み込まれる。
前記電子基板５には、ヒートシンクなどの放熱部品７が取り付けられている。この放熱部品７の上面７１には、前記第二の熱伝導部材２が接触している。また放熱部品７の下面には、複数の放熱フィン７２が突出して設けられている。すなわち、放熱部品７の下面には、表面積を大きくして放熱性を高めるためのフィン、凹凸、粗面加工等が施されている。

前記放熱部品７には、上方へ向けて側壁部７３が設けられている。この側壁部７３の上部には、前記電子基板５がボルト８によって取り付けられている。詳細には、放熱部品７と交差する方向（図４では直交する方向）へ向かう軸線Ｃ_２を中心として放熱部品７に形成されたボルト孔（図示略）に、電子基板５を貫通するボルト８をねじ込むことにより、電子基板５が放熱部品７に固定されている。

図４（Ａ）は、ボルト８をねじ込む前の状態、すなわち放熱部品７の上に、前記第二の熱伝導部材２、第一の熱伝導部材１を載せ、さらに、前記電子基板５の表面に取り付けられた発熱部品６を順次重ねた状態を示すものである。これらの自重（図４の矢印Ａ方向）は、傾斜した第一、第二の熱伝導面１１、２１を介して、第一の熱伝導部材１（およびこれに接する発熱部品６）と第二の熱伝導部材２（およびこれに接する放熱部品７）とを互いに接近させる方向に作用している。この状態では、矢印（Ａ）方向へ作用する重力により、第一、第二の熱伝導部材１、２が付勢部材３の付勢に抗して収縮方向へ僅かに弾性変形し、前記重力と弾性力とが釣り合っている。この状態において、放熱部品７の一方の面７１から電子基板５の下面までの高さは、一方の面７１から側壁部７３の上端までの高さよりわずかに大きく設定されていて、側壁部７３の上面と電子基板５の下面との間には、わずかに隙間が空いている。なお、この隙間の大きさは、付勢部材３のばね定数、必要な熱伝導性能、各部材の製造上許容される寸法誤差を勘案して決定されている。

この状態で前記ボルト８を軸線Ｃ_２に沿ってねじ込むことにより、電子基板５、発熱部品６、第一の熱伝導部材１が図４（Ａ）の矢印Ａ方向へ押し下げられる。このように、第一の熱伝導部材１を押し下げる力は、傾斜した第一の熱伝導面１１と第二の熱伝導面２１との接触により、第一の熱伝導部材１を図４（Ｂ）の矢印Ｂと反対方向に回転させようとする。この結果、付勢部材３へ反対方向（図３の矢印と反対の時計回り）の力が作用して第一の熱伝導部材１と第二の熱伝導部材２とが互いに噛み合う方向（より接触面積を大きくする）方向へ相対回転しながら接近して、図４（Ｂ）の状態となる。

すなわち、前記ボルト８をねじ込んで第一の熱伝導部材１を側壁部７３の上面と電子基板５の下面との間の隙間に相当する距離が押し下げると、第一の熱伝導部材１と第二の熱伝導部材２とが図４の矢印Ａ方向への力により、熱伝導面１１、２１を介して互いに密着した状態となる。
このように第一の熱伝導部材１が第二の熱伝導部材２に接近しようとする動作に伴い、前記付勢部材３としてのぜんまいばねは、渦巻きが縮む方向に弾性変形するとともに、軸線Ｃ_１方向に竹の子状にずれるよう変形する。なお案内軸４を第二の熱伝導部材２に対して回転を拘束し、かつ軸線Ｃ_１方向へのスライド移動可能に取付孔２２に挿入する支持構造としておくことにより、前記ぜんまいばねとして、軸線Ｃ１方向へ変形させることなく、単なる渦巻き状の変形（同一平面内の変形）のみが可能なものを採用することができる。

なお、前記ボルト８をねじ込む操作にあっては、複数のボルト８を少しずつねじ込んで、前記電子基板５を均一に、すなわち、電子基板５を放熱部品７に対して平行な角度に維持しつつ、放熱部品７に接近させることが、円滑な取付および熱伝導性の向上のために望ましい。

以上のように構成された電子部品にあっては、ボルト８をねじ込んで押し下げることにより、発熱部品６〜第一の熱伝導部材１〜第二の熱伝導部材２〜放熱部品７の各接触面に十分な接触圧力を与えて、良好な熱伝導性を確保することができる。この取付に伴い、傾斜した第一、第二の熱伝導面１１、２１の接触面積が大きくなって、より良好な熱伝導性を確保することができる。また前記第一の熱伝導部材１は、前記発熱部品６に比して十分に大きな平面形状を有しているので、前記発熱部品６と放熱部品７との間に配置しておけば、さほど細かな位置決めを必要とするとなく、発熱部品６に位置合わせして全面に接触させることができる。

また、発熱部品６が通電されない低温状態から動作状態となる際の温度変化、あるいは、動作状態における負荷の変動による温度変化による熱伸縮に対し、前記第二の熱伝導部材２の相対回転に伴う厚さの変化によって歪みを吸収して、発熱部品６および放熱部品７との密着状態を維持し、発熱部品６から放熱部品７への良好な熱伝導性を維持することができる。

前記第一の熱伝導面１１、第二の熱伝導面２１の数、形状、面積は、第２実施形態に限定されるものではなく、例えば、第一の熱伝導面１１、あるいは第二の熱伝導面２１の範囲を外周領域のみの一部に限定し、高い精度の表面処理を必要とする熱伝導面（傾斜面）の範囲を必要最小限にして製造コストを低減するようにしても良い。

前記発熱部品６、第一の熱伝導部材１、第二の熱伝導部材２、および放熱部品７の各々の接触面には、熱伝導性の油脂等を介在させて接触面への空気層の介在を防止することが望ましい。また、図４（Ａ）に示す状態において、熱伝導装置の第二の熱伝導部材２は、単に放熱部品７の上面７１に載置した状態であっても良いし、何らかの連結手段により放熱部品７に位置決めしても良い。さらに、第一の放熱材１と発熱部品６との間、第一の熱伝導面１１と第二の熱伝導面２１との間、第二の熱伝導部材２と放熱部品７の上面７１とのに間は、熱伝導性の良好な油脂等を介在させて密着させることが望ましい。また、付勢部材３、案内軸４、の位置、数は実施形態に限定されるものはなく、例えば、案内軸４を省略して付勢部材３を第一の熱伝導部材１，第二の熱伝導部材２に直接連結しても良い。

前記第二の熱伝導部材からの熱伝導を受ける放熱部品は、実施形態に示されたヒートシンクに限定されるものではなく、冷媒を循環させる方式の放熱部品や、ヒートパイプ等、密閉容器に収容された熱媒体の相変化に伴う熱の授受を利用する方式の放熱部品であっても良い。

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。

本発明は発熱部品の放熱を促進する目的に利用することができる。

１ 第一の熱伝導部材
２ 第二の熱伝導部材
３ 付勢部材
４ 案内軸
５ 電子基板
６ 発熱部品（半導体チップ）
７ 放熱部品（ヒートシンク）
８ 連結部材（ボルト）
１１ 第一の熱伝導面（傾斜面）
２１ 第二の熱伝導面（傾斜面）

Claims (7)

1. 発熱部品または放熱部品のいずれか一方から熱伝導を受ける第一の熱伝導部材と、この第一の熱伝導部材から伝導される熱を前記発熱部品または放熱部品のいずれか他方へ伝導する第二の熱伝導部材と、これら第一、第二の熱伝導部材を相対的に回転する方向へ付勢する付勢部材と、前記第一の熱伝導部材と第二の熱伝導部材との間にあって、前記付勢部材から受けた力を前記第一の熱伝導部材と第二の熱伝導部材とが前記回転の中心軸線に沿って互いに離れる方向への力に変換する傾斜面と、を有し、
   前記第一の熱伝導部材に前記中心軸線と直交する面に対して傾斜した第一の熱伝導面が設けられ、前記第二の熱伝導部材に前記中心軸線と直交する面に対して傾斜した第二の熱伝導面が設けられ、これら第一の熱伝導面と第二の熱伝導面との間で熱伝導が行われ、
   前記第一熱伝導面および第二の熱伝導面は、前記第一の熱伝導部材と第二の熱伝導部材の相対回転方向に沿って、複数個所に設けられた熱伝導装置。
2. 前記第一の熱伝導部材と第二の熱伝導部材との互いに対向する面の一部に前記第一の熱伝導面と第二の熱伝導面とが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導装置。
3. 前記付勢部材は、ぜんまいばねであって、前記第一の熱伝導部材と第二の熱伝導部材とのいずれか一方に外周端が連結され、いずれか他方に内周端が連結された請求項１または２のいずれか一項に記載の熱伝導装置。
4. 前記ぜんまいばねの内周端は、前記第一の熱伝導部材と第二の熱伝導部材とのいずれか他方と一体に回転する軸に連結された請求項３に記載の熱伝導装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱伝導装置と、
   前記第一の熱伝導部材と第二の熱伝導部材とのいずれか一方に接触する発熱部品と、
   いずれか他方に接触する放熱部品と、
   を有する電子部品。
6. 前記発熱部品は、前記第一の熱伝導部材または第二の熱伝導部材のいずれか一方に接触する面と反対側の面で電子基板に固定された請求項５に記載の電子部品。
7. 前記放熱部品は、前記第一の熱伝導部材または第二の熱伝導部材のいずれか他方に接触する面と反対側の面に放熱フィンを有する請求項５または６のいずれか一項に記載の電子部品。

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