JP7015532B2 - ヒートシンク及び電子部品パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、電子部品等の熱を放熱するようにしたヒートシンク及び電子部品パッケージに関するものである。

従来、この種の発明には、例えば特許文献１に記載されるように、電子部品に接触可能な板状のベース部と、このベース部の厚み方向の一方側の空間を囲む四枚の突片部と、各突片部から前記空間とは逆の方向へ突出する複数の筒状突起と、四枚の突片部の内側に形成された複数の溝とを有するヒートシンクがある。
このヒートシンクは、前記複数の筒状突起や複数の溝により、良好な放熱性能を得ることができる。

特開２０１８－１４５３９号公報

しかしながら、上記従来技術によれば、ベース部の輪郭から、複数の突起が水平方向へ突出する構造であるため、放熱能力を増大するためには、複数の突起の突出量を大きくする必要がある。このため、水平方向の取付けスペースが予め決められている場合には、対応が困難になることが想定される。

このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
一方の面を電子部品接触面とした板状のベース部と、このベース部の他方の面に複数段積み重ねられた放熱ユニットとを備え、各放熱ユニットは、外部空間へ連通する通気路を前記ベース部側に確保するとともに前記他方の面に沿って延設された放熱片と、この放熱片を前記ベース部に支持する支柱とを有し、前記放熱片には、前記通気路に連通し且つ前記他方の面へ臨む開口部が設けられ、前記開口部には、前記ベース部の端部側に対応して配置された第二の開口部を含むことを特徴とするヒートシンク。
また、このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
一方の面を電子部品接触面とした板状のベース部と、このベース部の他方の面に複数段積み重ねられた放熱ユニットとを備え、各放熱ユニットは、外部空間へ連通する通気路を前記ベース部側に確保するとともに前記他方の面に沿って延設された放熱片と、この放熱片を前記ベース部に支持する支柱とを有し、前記放熱片には、前記通気路に連通し且つ前記他方の面へ臨む開口部が設けられ、前記支柱には、前記各放熱ユニットに設けられた第一の支柱と、前記ベース部に設けられた第二の支柱とを含み、前記第一の支柱は、前記ベース部に開口を向けた筒状に形成され、前記第二の支柱は、前記ベース部の前記他方の面から突出して前記第一の支柱に挿通されていることを特徴とするヒートシンク。

本発明は、以上説明したように構成されているので、省スペースな形状により放熱能力の増大を容易にすることがきる。

本発明に係るヒートシンクの一例を示す斜視図である。 図１における（II）－（II）線に沿う断面図である。 本発明に係るヒートシンクの他例を示す斜視図である。 図３における（IV）－（IV）線に沿う断面図である。 本発明に係るヒートシンクの他例を示す斜視図である。 本発明に係るヒートシンクの他例を示す斜視図である。 図６に示すヒートシンクの分解斜視図である。 図７に示すヒートシンクを支柱の中心部に沿って切断した分解縦断面図である。 図１に示すヒートシンクについて、空気の流れを示す図である。 図３に示すヒートシンクについて、空気の流れを示す図である。

本実施の形態では、以下の特徴を開示している。
第一の特徴は、一方の面を電子部品接触面とした板状のベース部と、このベース部の他方の面に複数段積み重ねられた放熱ユニットとを備え、各放熱ユニットは、外部空間へ連通する通気路を前記ベース部側に確保するとともに前記他方の面に沿って延設された放熱片と、この放熱片を前記ベース部に支持する支柱とを有し、前記放熱片には、前記通気路に連通し且つ前記他方の面へ臨む開口部が設けられている（図１～図８参照）。

第二の特徴として、前記開口部には、前記ベース部の中央側に対応して配置された第一の開口部を含む（図１～図８参照）。

第三の特徴として、前記開口部には、前記ベース部の端部側に対応して配置された第二の開口部を含む（図３～図５参照）。

第四の特徴として、前記第二の開口部には、前記ベース部へ向かって突出する単数又は複数の突片部が設けられている（図５参照）。

第五の特徴として、前記支柱は、前記ベース部における外縁の内側に設けられている（図１～図８参照）。

第六の特徴として、前記支柱には、前記各放熱ユニットに設けられた第一の支柱と、前記ベース部に設けられた第二の支柱とを含み、前記第一の支柱は、前記ベース部に開口を向けた筒状に形成され、前記第二の支柱は、前記ベース部の前記他方の面から突出して前記第一の支柱に挿通されている（図６～図８参照）。

第七の特徴は、前記ヒートシンクを用いた電子部品パッケージであって、前記ベース部の電子部品接触面に、電子部品が接触している（図２、図４及び図８参照）。

＜第一の実施態様＞
次に、上記特徴を有する具体的な実施態様について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２に示すヒートシンクＡは、一方の面を電子部品接触面１１とした板状のベース部１０と、このベース部１０の他方の面１２に複数段積み重ねられ接続された放熱ユニットＵとを備える。
そして、このヒートシンクＡは、電子部品接触面１１を電子部品Ｘ（例えば、ＣＰＵや、トランジスタ、サイリスタ、その他の半導体や電子部品等）に接触させて電子部品パッケージ（図２参照）を構成する。なお、この電子部品パッケージの周囲には、必要に応じてファンを設けるようにしてもよい。
ベース部１０及び放熱ユニットＵは、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル又はマグネシウム等を含む金属材料から形成され、その表面にはアルマイト処理が施される。

ベース部１０は、矩形平板状（図示例によれば平面視正方形状）に形成され、その厚み方向の一方（図示例によれば下側）の面を、平坦状に形成して電子部品Ｘに接触させるための電子部品接触面１１としている。
このベース部１０の他方（反対側）の面１２は、図示例によれば、貫通孔や凹凸のない平坦状に形成されるが、必要に応じて、適宜形状の放熱フィン等を設けることも可能である。

各放熱ユニットＵは、外部空間Ｓ１に連通する通気路ｖ１をベース部１０側に確保するとともに他方の面１２に沿って延設された放熱片３０と、この放熱片３０をベース部１０側から支持する複数の支柱２０とを一体的に備えている。

放熱片３０は、ベース部１０に対し間隔を置いて略平行する平板状の部材であり、図示例によれば、ベース部１０と略同一の外形を有する矩形平板状に形成される。
この放熱片３０には、通気路ｖ１に連通し且つ他方の面１２の中央側部分へ臨む貫通状の第一の開口部３１が設けられる。
通気路ｖ１は、側方の外部空間Ｓ１と、第一の開口部３１の内側に確保された内部空間Ｓ２とを連通している（図２参照）。

支柱２０は、ベース部１０と同様の金属材料から円柱状又は円筒状に形成され、ベース部１０の四隅側、又は下段の放熱片３０の四隅側から反ベース側（図示例によれば上方）へ突出するように複数（図示例によれば四つ）設けられる。
これら複数の支柱２０は、ベース部１０における外縁の内側に位置するように設けられる。この配置によれば、当該ヒートシンクＡにおいて、水平方向へ突出する部分のない省スペースな構成にすることができ、その上、通気路ｖ１を流通する気体に支柱２０が接触するので、放熱性能の向上が期待できる。

二段目以降の放熱ユニットＵも、一段目の放熱ユニットＵと同様に、複数の支柱２０と単数の放熱片３０から一体的に構成され、各支柱２０を、ベース部１０側（下側）の放熱片３０に対し接続固定している。

次に、上記構成のヒートシンクＡについて、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。
ベース部１０の電子部品接触面１１を、発熱中の電子部品Ｘに接触させた状態（図２参照）において、ベース部１０上方側の内部空間Ｓ２には、ベース部１０の熱により上昇する空気の流れが形成される。このため、この上昇する気流に、比較的温度の低い外部空間Ｓ１の空気が引き込まれて、通気路ｖ１に沿う空気の流れが形成される。
したがって、通気路ｖ１に沿って流れる空気と、支柱２０及び放熱片３０との間で、熱交換が効率的に行われ、ベース部１０及び電子部品Ｘの温度上昇が抑制される。

しかも、放熱ユニットＵの数によって放熱能力を変化させることができ、例えば、電子部品Ｘの発熱量が比較的大きい場合には、放熱ユニットＵの数を増やして放熱能力を増大することができ、逆に、電子部品Ｘの発熱量が比較的小さい場合には放熱ユニットＵの数を減らして放熱能力を減らすことができる。
すなわち、水平方向の面積を変化させることのない省スペースな構成により、放熱能力を容易に増減することができる。

なお、上記実施態様では、各放熱ユニットＵをその下側の放熱ユニットＵ又はベース部１０に対し離脱不能に接続したが、他例としては、各放熱ユニットＵをその下側の放熱ユニットＵ又はベース部１０に対し着脱可能に接続してもよく、この場合には、電子部品Ｘの発熱量に応じた放熱能力の調整を、放熱ユニットＵの着脱によって容易に行うことができる。
前記着脱の手段は、例えば、ベース部１０又は放熱片３０に対し、支柱２０を嵌合やねじ止め等によって着脱可能に接続すればよい。

＜第二の実施態様＞
次に、本発明に係るヒートシンクの他の実施態様について説明する。なお、以下に示す実施態様は、上述した実施態様を一部変更したものであるため、主にその変更部分について詳述し、共通部分の説明は同一符号を用いる等して適宜省略する。

図３及び図４に示すヒートシンクＢは、上記構成のヒートシンクＡに対し、放熱片３０を放熱片３０’に置換したものである。
放熱片３０’は、他方の面１２の連続方向における端部寄りの部分に対応して、通気路ｖ１に連通し且つ他方の面１２へ臨む第二の開口部３２を有する。
詳細に説明すれば、第二の開口部３２は、平面視枠状の放熱片３０’の各辺側の部分に、それぞれ設けられる。各第二の開口部３２は、放熱片３０’の各辺に沿う長尺状の貫通孔であり、図示例によれば、隣接する支柱２０，２０の間に対応して平面視長方形状に形成される。そして、この放熱片３０’とその下側の複数の支柱２０は、一体的な放熱ユニットＵ’を構成する。
このヒートシンクＢによれば、上述した通気路ｖ１に加えて、外部空間Ｓ１から第二の開口部３２へ連通する通気路ｖ２が形成される（図４参照）。したがって、これら二つの通気路ｖ１，ｖ２に沿って流れる空気により、支柱２０及び放熱片３０’の放熱を効率的に行うことができ、ひいては、ベース部１０及び電子部品Ｘの温度上昇を効果的に抑制することができる。
また、上述したヒートシンクＡと同様に、電子部品Ｘの発熱量に応じて、放熱ユニットＵ’を増減し、適宜な放熱能力を得ることができる。

＜第三の実施態様＞
図５に示すヒートシンクＣは、上記構成のヒートシンクＢに対し、放熱片３０’を放熱片３０”に置換したものである。
放熱片３０”は、上記放熱片３０に加えて、第二の開口部３２に、ベース部１０へ向かって突出する突片部３３を複数有するものである。
突片部３３は、第二の開口部３２の長手方向を分割して仕切るように複数設けられる。各突片部３３は、第二の開口部３２を構成する一方の長辺から他方の長辺に跨る平板状の部材であり、ベース部１０側へ突出している。
そして、突片部３３を有する放熱片３０”と、その下側の複数の支柱２０は、一体的な放熱ユニットＵ”を構成する。
このヒートシンクＣによれば、上記ヒートシンクＢと同様に、二種類の通気路ｖ１，ｖ２を形成することができる上、これら通気路ｖ１，ｖ２中に位置する突片部３３によって効果的な放熱を行うことができる。
また、上述したヒートシンクＡと同様に、電子部品Ｘの発熱量に応じて放熱ユニットＵ”を増減すれば、適宜な放熱能力を得ることができる。
なお、他例としては、突片部３３を第二の開口部３２の短手方向を分割するように設けたたり、図示例以外の態様の突片部を設けたりすることも可能である。

＜第四の実施態様＞
図６～図８に示すヒートシンクＤは、上記ヒートシンクＡに対し、ベース部１０をベース部１０ｘに置換するとともに、放熱ユニットＵを放熱ユニットＵｘに置換したものであり、各放熱片をベース部１０ｘに支持する支柱を、各放熱ユニットＵｘに設けられた第一の支柱Ｕｘ２と、ベース部１０ｘに設けられた第二の支柱１０ｘ２とによって構成している。

ベース部１０ｘは、上記ベース部１０と略同構成のベース本体１０ｘ１と、このベース本体１０ｘ１の放熱側面（図示例によれば上面）から突出する第二の支柱１０ｘ２とから一体的に構成される。

ベース本体１０ｘ１は、その一方の面（図示例によれば下面）を電子部品接触面とし、他方の面の外縁よりも内側における四角側に、それぞれ第二の支柱１０ｘ２を固定している。

第二の支柱１０ｘ２は、ベース本体１０ｘ１と同様の金属材料から円柱状又は円筒状に形成される。この第二の支柱１０ｘ２を、ベース本体１０ｘ１に固定する手段は、例えば、溶接や嵌合とすればよい。また、プレス加工や鍛造等によって第二の支柱１０ｘ２をベース本体１０ｘ１と一体成型することも可能である。
この第二の支柱１０ｘ２は、放熱ユニットＵｘ側の第一の支柱Ｕｘ２に挿通され嵌り合っている。

放熱ユニットＵｘは、上記放熱片３０と略同形状の放熱片Ｕｘ１と、この放熱片Ｕｘ１の外縁よりも内側における四角側にそれぞれ固定された複数の第一の支柱Ｕｘ２とを一体に具備している。

放熱片Ｕｘ１は、その中央部側に、ベース部１０ｘの放熱側面に臨む矩形状の開口部Ｕｘ１１を有し、各角側に、後述する第一の支柱Ｕｘ２内に連通する貫通孔Ｕｘ１２を有する。

各第一の支柱Ｕｘ２は、円筒状に形成され、その一端側の開口をベース本体１０ｘ１面に向けるとともに、他端側の開口を放熱片Ｕｘ１の貫通孔Ｕｘ１２に連通している。
この第一の支柱Ｕｘ２は、放熱片Ｕｘ１の角側において、該放熱片Ｕｘ１からベース部１０ｘ側へ突出しており、その突端部を、対向するベース本体１０ｘ１又は放熱片Ｕｘ１に当接させることで、放熱片Ｕｘ１とベース本体１０ｘ１の間隔、又は隣接する放熱片Ｕｘ１，Ｕｘ１の間隔を略一定にするスペーサとして機能する。

そして、上記構成の放熱ユニットＵｘは、図７及び図８に示すように、ベース部１０ｘ側の各第二の支柱１０ｘ２に各第一の支柱Ｕｘ２を環状に嵌め合わせるようにして、複数段積み重ねられる。

この放熱ユニットＵｘによれば、複数の放熱ユニットＵｘを積み上げることができ、その組立性が良好である。このため、電子部品Ｘの発熱量に応じて、放熱ユニットＵｘの数を容易に調整することができる。

＜コンピュータ解析結果＞
次に、上記構成のヒートシンクＡ及びＢについて、空気の流れを可視化するようにしたコンピュータ解析の結果を説明する。このコンピュータ解析では、図９及び図１０に示すように、ヒートシンクＡ及びＢについて、ベース部１０を下方へ向けた縦置き姿勢とし、その下端の電子部品接触面１１に熱源が接触しているものとする。

この解析の結果、ヒートシンクＡでは、放熱片３０とベース部１０の間、及び上下の放熱片３０間に、外部空間Ｓ１から内部空間Ｓ２へ向かう空気の流れＦ１が確認でき、さらに、この流れＦ１の下流側に、内部空間Ｓ２を上昇して第一の開口部３１を上方ヘ通過する空気の流れＦ２が確認できた。
また、ヒートシンクＢでは、上述した空気の流れＦ１，Ｆ２に加えて、第二の開口部３２内を上方へ通過する空気の流れＦ３が確認できた。
これら解析結果より、外部空間Ｓ１の比較的低温の空気が、内部空間Ｓ２に引き込まれて、第一の開口部３１及び／又は第二の開口部３２ｂ内を上昇する過程において、この流れる空気に、各放熱片３０，３０’の熱が伝達して、効果的な放熱が行われるものと考えられる。

また、上記構成のヒートシンクＡ及びＢについて、放熱ユニットＵ，Ｕ’の数を二つ（同一数）とし、コンピュータ解析により、同一箇所（ベース部１０）の温度上昇値を求めたところ、ヒートシンクＡが８３．１℃、ヒートシンクＢが７７．９℃であった。さらに、ヒートシンクＢについては、放熱ユニットＵ’の数を二つから三つに増やしたところ、温度上昇値が７３．９℃であった。
これらの結果より、第二の開口部３２のないものよりも第二の開口部３２のあるものの方が放熱効果が高く、さらに、放熱ユニットの数を増やした方が放熱効果が高いものといえる。

なお、図３に示すヒートシンクＢによれば、放熱片３０’は、平面方向に隣接する支柱２０，２０間において平板状の放熱片３０’に平面視長方形の第二の開口部３２を設けたが、この放熱片の他例としては、平面方向に隣接する支柱２０，２０間に複数の棒状部材を架け渡した態様や、平板状の放熱片に多数の貫通孔を設けた態様等、図示例以外の態様とすることも可能である。

また、上記実施態様では、特に好ましい構成として、何れのヒートシンクにおいても第一の開口部３１を設けたが、他例としては、第一の開口部３１を省き、第二の開口部３２のみを設けた態様や、上記放熱片における図示例以外の位置に開口部を設けた態様とすることも可能である。

また、図５に示す実施態様では、突片部３３を第二の開口部３２に設けたが、他例としては、第一の開口部３１に内部空間Ｓ２側へ突出する突片部を設けた態様や、その他の適宜箇所に内部空間Ｓ２側へ突出する突片部を設けた態様とすることも可能である。

また、上記実施態様では、各放熱ユニットを、放熱片の下側に支柱を接続した構造としているが、他例としては、放熱片に対し曲げ加工により支柱を設けることも可能である。すなわち、この態様では、放熱片の周縁に放射状に突出する複数の支柱構成部を設け、各支柱構成部をベース部側へ曲げて上記支柱とする。この態様では、より生産性を向上することができる。

また、上記実施態様のヒートシンクＡ，Ｂ，Ｃによれば、特に好ましい使用例として、ベース部１０を下方へ向けた縦置き状に用いたが、他の使用例としては、ベース部１０を側方へ向けた横向き状に用いることも可能である。

また、本発明は上述した実施態様に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

１１：電子部品接触面
１０：ベース部
２０：支柱
３０，３０’，３０”：放熱片
３１：第一の開口部
３２：第二の開口部
３３：突片部
Ａ，Ｂ，Ｃ：ヒートシンク
Ｓ１：外部空間
Ｓ２：内部空間
Ｕ，Ｕ’，Ｕ”：放熱ユニット
ｖ１，ｖ２：通気路

Claims (10)

1. 一方の面を電子部品接触面とした板状のベース部と、このベース部の他方の面に複数段積み重ねられた放熱ユニットとを備え、
   各放熱ユニットは、外部空間へ連通する通気路を前記ベース部側に確保するとともに前記他方の面に沿って延設された放熱片と、この放熱片を前記ベース部に支持する支柱とを有し、
   前記放熱片には、前記通気路に連通し且つ前記他方の面へ臨む開口部が設けられ、
   前記開口部には、前記ベース部の端部側に対応して配置された第二の開口部を含むことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記開口部には、前記ベース部の中央側に対応して配置された第一の開口部を含むことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記第二の開口部には、前記ベース部へ向かって突出する単数又は複数の突片部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のヒートシンク。
4. 前記支柱は、前記ベース部における外縁の内側に設けられていることを特徴とする請求項１～３何れか１項記載のヒートシンク。
5. 一方の面を電子部品接触面とした板状のベース部と、このベース部の他方の面に複数段積み重ねられた放熱ユニットとを備え、
   各放熱ユニットは、外部空間へ連通する通気路を前記ベース部側に確保するとともに前記他方の面に沿って延設された放熱片と、この放熱片を前記ベース部に支持する支柱とを有し、
   前記放熱片には、前記通気路に連通し且つ前記他方の面へ臨む開口部が設けられ、
   前記支柱には、前記各放熱ユニットに設けられた第一の支柱と、前記ベース部に設けられた第二の支柱とを含み、
   前記第一の支柱は、前記ベース部に開口を向けた筒状に形成され、
   前記第二の支柱は、前記ベース部の前記他方の面から突出して前記第一の支柱に挿通されていることを特徴とするヒートシンク。
6. 前記開口部には、前記ベース部の中央側に対応して配置された第一の開口部を含むことを特徴とする請求項５記載のヒートシンク。
7. 前記開口部には、前記ベース部の端部側に対応して配置された第二の開口部を含むことを特徴とする請求項５又は６記載のヒートシンク。
8. 前記第二の開口部には、前記ベース部へ向かって突出する単数又は複数の突片部が設けられていることを特徴とする請求項７記載のヒートシンク。
9. 前記支柱は、前記ベース部における外縁の内側に設けられていることを特徴とする請求項５～８何れか１項記載のヒートシンク。
10. 前記ベース部の電子部品接触面には、電子部品が接触していることを特徴とする請求項１～９何れか１項記載のヒートシンクを用いた電子部品パッケージ。
    

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