JP7069866B2

JP7069866B2 - チップ放熱システム

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Publication number: JP7069866B2
Application number: JP2018045118A
Authority: JP
Inventors: 現徳山; 正服部
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2022-05-18
Anticipated expiration: 2038-03-13
Also published as: JP2019068029A

Description

本発明は、チップ放熱システムに関する。

高周波信号が利用される集積回路のチップや当該チップが固定される基板の周辺には電磁波が放射され得る。しかし、特定の周波数帯域において基準を超える電磁波の放射があると、他の機器に対する影響があるなどの問題が生じるため、放射される電磁波の強度や周波数を既定の範囲内に抑制する必要がある。なお、基板のグラウンド電位を一定電位にする技術として特許文献１のような技術が知られている。

特開平２－２１３１９１号公報

放射される電磁波に対する対策を行うためには、電磁波の強度を抑制したり、放射される電磁波の周波数をシフトさせたりするなどの対策が取られる。従来、電磁波吸収体や接点部品を多用することによって当該対策がとられてきたが、これらを多用して対策を行う場合、部品コストや製造コストが増加する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、放射される電磁波の周波数を簡易な構成によってシフトすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、チップ放熱システムは、基板と、基板に固定されるチップと、固定部によって基板に固定される放熱器であって、基板と当該放熱器との間に配置されたチップの熱を放熱させる放熱器と、を備えるチップ放熱システムであって、固定部と基板のグラウンド部とが絶縁されている。

すなわち、基板と放熱器との間にチップを配置し、当該放熱器でチップに生じた熱を放熱するシステムにおいては、放熱器がアンテナとして機能することで、放熱器から電磁波が放射されると見なすことができる。この場合において、放熱器の共振周波数が放射される電磁波の主な周波数であると見なすことができる。

放熱器の共振周波数は、放熱器を方形マイクロストリップアンテナと見なすことで見積もることができる。このモデルにおいて、等価素子長をＬ_ｅとすると、当該等価素子長Ｌ_ｅの一方の端部にチップの周辺の比誘電率でのコンデンサが接続され、等価素子長Ｌ_ｅの他方の端部に放熱器の固定部と基板のグラウンド部との間に形成されるコンデンサが接続された等価回路で共振周波数の特性を見積もることができる。

従来、放熱器の固定部と基板のグラウンド部とが導通されて等電位にされる構成が知られているが、この場合の共振周波数をｆ_r1と表現すると、固定部と基板のグラウンド部とが絶縁された場合、共振周波数ｆ_r0がｆ_r1の２倍になる。従って、放射される電磁波の周波数を簡易な構成によってシフトすることができる。

さらに、上記の目的を達成するために、チップ放熱システムは、基板と、基板に固定されるチップと、固定部によって基板に固定される放熱器であって、基板と当該放熱器との間に配置されたチップの熱を放熱させる放熱器と、を備えるチップ放熱システムであって、固定部と基板のグラウンド部との間にコンデンサが形成されている。

すなわち、放熱器の固定部と基板のグラウンド部とが導通されて等電位にされる構成における共振周波数をｆ_r1と表現すると、固定部と基板のグラウンド部との間に形成されるコンデンサの比誘電率を調整することで、理論的には、共振周波数ｆ_rcをｆ_r1～２×ｆ_r1の間で調整することができる。従って、簡易な構成で放射される電磁波の周波数をシフトすることができる。また、コンデンサを選択することで、放熱器から放射される電磁波の周波数を簡易な構成によって調整し、抑制すべき周波数帯域を簡単に避けることが可能になる。

図１Ａはチップ放熱システムを示す側面図であり、図１Ｂは方形マイクロストリップアンテナの説明図であり、図１Ｃはチップを示す斜視図である。図２Ａはチップ放熱システムの固定部とグラウンド部とが絶縁された場合のモデルを示す図、図２Ｂはチップ放熱システムの固定部とグラウンド部とが等電位である場合のモデルを示す図、図２Ｃはチップ放熱システムの固定部とグラウンド部との間にコンデンサが形成された場合のモデルを示す図である。図３Ａは基板を上方から眺めた図、図３Ｂ，図３Ｃは基板の断面図である。図４Ａは基板を上方から眺めた図、図４Ｂ，図４Ｃは基板の断面図である。図５Ａは基板を上方から眺めた図、図５Ｂ，図５Ｃは基板の断面図である。図６Ａは基板を上方から眺めた図、図６Ｂ，図６Ｃは基板の断面図である。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）チップ放熱システムの構成：
（２）他の実施形態：

（１）チップ放熱システムの構成：
本発明の一実施形態にかかるチップ放熱システム１０は、基板とチップと放熱器とを備えている。図１Ａは、チップ放熱システム１０の一例を示す図であり、基板２０に平行な方向からチップ放熱システム１０を眺めた状態を示している。本明細書においては、基板２０に垂直な方向をｚ方向、基板２０に平行な方向をｘ方向、ｙ方向として示している。

本実施形態において基板２０は多層基板であり、基板２０の表面や内部に配線が形成されている。基板２０には、パッケージ基板３０を介してチップ４０が固定される。すなわち、パッケージ基板３０は半田バンプを介して基板２０に固定され、チップ４０は半田バンプを介してパッケージ基板３０に固定されている。

パッケージ基板３０においても、表面や内部に配線が形成されており、パッケージ基板３０の半田バンプとチップ４０の半田バンプとが内部の配線を介して接続されている。チップ４０は、集積回路を内蔵したチップであり、クロック端子に入力されるクロック信号に同期して駆動し、各種の演算を実行可能である。むろん、パッケージ基板３０が利用されず、チップ４０が基板２０に直接的に固定される構成であっても良い。

チップ４０は略直方体であり、半田バンプの反対側には放熱シート５０が取り付けられる。また、放熱シート５０においては、チップ４０と反対側に放熱器として機能する放熱ファン６０が取り付けられる。すなわち、チップ４０が駆動されると、チップ４０が発熱するため、高い熱伝導性の素材で構成された放熱シート５０がチップ４０と放熱ファン６０との間に介在し、効率的にチップ４０の熱を放熱ファン６０側に伝達するように構成されている。

放熱ファン６０は、金属筐体を備えており、回転体の回転によってチップ４０側に気体を送ることでチップ４０の冷却を促進する装置である。放熱ファン６０は、各種の形状とすることができ、各種の固定部で基板２０に固定されて良い。本実施形態においては、放熱ファン６０から基板２０側に延びる柱状の固定部６０ａによって放熱ファン６０が基板２０に固定される。なお、本実施形態において放熱ファン６０には、放熱ファン６０をｚ方向からみた場合における４隅に固定部６０ａが設けられている。

固定部６０ａの一方の端部は放熱ファン６０の本体に取り付けられており、他方の端部は基板２０に固定される。固定部６０ａを基板２０に固定する手法としては、種々の手法を採用可能であるが、本実施形態においては、固定部６０ａが延びる方向に形成されたネジ穴と、基板２０に形成されたネジ穴とにネジを挿入することによって固定部６０ａが基板２０に固定される。

このような構成のチップを駆動すると、チップから電磁波が放射される。放射される電磁波の特性は、チップ放熱システム１０を単純なモデルと見なすことで説明することができる。例えば、放熱ファン６０が図１Ｂに示すような方形マイクロストリップアンテナであると見なし、方形マイクロストリップアンテナのＴＭ₁₀モードによってチップ放熱システム１０からの電磁波の放射特性を記述することができる。

すなわち、ＴＭ₁₀モードで動作する方形マイクロストリップアンテナの共振周波数の周辺で、放熱ファン６０から放射される電磁波の強度が強くなる。共振周波数は、例えば、電子情報通信学会『知識の森』（http://www.ieice-hbkb.org/）、４群－２編－５章等を参照すると、式（１）のようにして算出することができる。

ここで、ｆ_r0は共振周波数、ｃ₀は真空中の光速、ε_rは誘電体基板の比誘電率である。

また、Ｌ_eはフリンジング電界の影響を考慮に入れた場合の等価的な放射素子長（等価素子長）であり、以下の式（２）のようにして算出することができる。

ここで、Ｌは図１Ｂに示すような方形マイクロストリップアンテナの放射素子の縦方向（長手方向）の長さであり、Δは以下の式（３）、ε_re（ｘ）は以下の式（４）で与えられる。

なお、式（３）（４）におけるｈは、図１Ｂに示すように、方形マイクロストリップアンテナに設けられた縦方向の長さＬ、横方向の長さＷの放射素子の直下に形成される誘電体基板Ｂ₁の高さである（誘電体基板の直下には導体板Ｂ₂が形成される）。また、式（４）におけるｘはＬまたはＷのいずれかが代入される。

以上のような式に図１Ａに示すチップ放熱システム１０のスペックを代入して共振周波数を算出すると、チップ放熱システム１０から放射される電磁波の強度が相対的に強くなる周波数帯域を推定することができる。

具体的には、図１Ａに示すチップ放熱システム１０のスペックを式（３）に代入すると、Δを算出することができる。誘電体基板の比誘電率ε_rは、チップ放熱システム１０において実質的に誘電体として機能する部位の構造に基づいて決定される。図１Ａに示すチップ放熱システム１０において、誘電体として機能する部位は破線で示す領域である。当該部位はｘ方向に長さＺｘ、ｚ方向に長さＺｚ、ｙ方向に長さＺｙである。なお、図１Ｃにおいては、チップ放熱システム１０から放熱ファン６０を除いた状態の斜視図を示している。

図１Ａおよび図１Ｃにおいて破線で示された部位において、ｘ－ｙ平面方向には容量成分が並列に接続され、ｚ方向には容量成分が直列に接続されていると見なすことによって当該部位の比誘電率を算出することができる。例えば、放熱シート５０、チップ４０、パッケージ基板３０、基板２０が直列に接続された容量成分が形成されていると見なし、各部材の大きさに基づいて合成容量を算出すれば、破線部分の比誘電率を算出することができる。より具体的には、特定の周波数における放熱シート５０、チップ４０のシリコン部分、パッケージ基板３０のガラスエポキシ部分、基板２０の半田部分、プリプレグ部分における誘電率および大きさに基づいて合成容量を算出することができる。本実施形態において、合成容量から算出された比誘電率ε_rは１．７３である。

式（３），（４）において誘電体基板Ｂ₁の高さｈには、誘電体として機能する部分の高さＺzを代入する。本実施形態において高さＺzは１ｍｍである。また、放射素子の長手方向の長さＬは、放熱ファン６０の長手方向の長さであり、本実施形態において７５ｍｍである。また、図１Ａに示すチップ放熱システム１０のスペックを式（４）に代入すると、ε_re（Ｌ）、ε_re（Ｗ）を算出することができる。放射素子の短手方向の長さＷは、放熱ファン６０の短手方向の長さであり、本実施形態において５５ｍｍである。

以上のようにして、Δ、ε_re（Ｌ）、ε_re（Ｗ）を算出すると、比誘電率ε_rと放射素子の長手方向の長さＬとに基づいて、式（２）によって等価的な放射素子長Ｌ_eを算出することができる。上述の数値を代入した場合、放射素子長Ｌ_eは７７．１２１ｍｍとなった。この結果、等価的な放射素子長Ｌ_eと比誘電率ε_rが確定した状態になるため、真空中の光速ｃ₀に基づいて式（１）によって共振周波数ｆ_r0を算出することができる。上述の数値を代入した場合、共振周波数ｆ_r0は約１４８１ＭＨｚとなる。

以上のようなモデルは、図２Ａに示すような構造であると見なすことができる。すなわち、等価的な放射素子長Ｌ_eのアンテナの一方の端部とグラウンドとの間にチップ４０等で形成される比誘電率ε_rのコンデンサが接続され、アンテナの他方の端部とグラウンドとの間が絶縁された（従って比誘電率ε＝０）構造であると見なすことができる。ただし、このモデルにおいて、アンテナの他方の端部とグラウンドとの間が絶縁された状況であるため、固定部６０ａと基板２０のグラウンド部（基板２０内でグラウンド電位とされる銅配線層）とが絶縁されている必要がある。このように絶縁した状態であれば、方形マイクロストリップアンテナの共振周波数が上述の式（１）となる。

しかしながら、従来のチップ放熱システムにおいては、放熱ファン６０の電位を基板２０のグラウンド電位と合わせるため、ビア等を介して放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間の導通が確保されるような構成が一般的であった。この場合、チップ放熱システムをモデル化した方形マイクロストリップアンテナは、図２Ｂの上部に示す構造となる。

すなわち、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間が等電位である場合、等価的な放射素子長Ｌ_eのアンテナの一方の端部とグラウンドとの間にチップ４０等で形成される比誘電率ε_rのコンデンサが接続され、アンテナの他方の端部とグラウンドとの間の比誘電率ε＝∞である構造であると見なすことができる。この場合、図２Ｂの下部に示す等価回路で電気特性を表現することができ、共振周波数ｆ_r1は、図２Ｂに示すようにｆ_r1＝ｃ₀／（２・２Ｌ_e（ε_r）^1/2）となる。上述のチップ放熱システム１０における数値を代入した場合、共振周波数ｆ_r1は約７４０ＭＨｚとなる。

チップ４０が使用される種々の環境において、電磁波の放射を抑制すべき周波数帯が存在し得る。例えば、ＦＭ電波等が含まれる０～１０００ＭＨｚ帯の電波を抑制すべき場合を想定する。本実施形態にかかるチップ放熱システム１０において、従来のように放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間の電位を同電位にすると、共振周波数ｆ_r1である約７４０ＭＨｚが０～１０００ＭＨｚ帯に含まれてしまう。チップ放熱システム１０から放射される電磁波の周波数は共振周波数ｆ_r1の電磁波のみではなく、周囲の周波数の電磁波も含まれるが、多くの場合、共振周波数ｆ_r1の周辺で電磁波の強度が強くなる。このため、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間が等電位である場合、許容される強度を超える電磁波が０～１０００ＭＨｚ帯で発生する場合もある。

そこで、本実施形態にかかるチップ放熱システム１０においては、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部とが絶縁される。図３Ａ～図３Ｃは、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部とを絶縁するための構造を示す図である。図３Ａは、放熱ファン６０の１個の固定部６０ａと基板２０との接点付近の拡大図であり、基板２０に垂直な方向から固定部６０ａを取り外した状態で基板２０を眺めた状態を示す図である。図３Ｂは図３Ａに示すＡ－Ａ線で基板２０を切断した断面図、図３Ｃは図３Ａに示すＢ－Ｂ線で基板２０を切断した断面図である。

本実施形態において、基板２０にはネジ穴２０ｄが形成されており、固定部６０ａの下部６０ａ１にもネジ穴が形成されている。従って、固定部６０ａの下部６０ａ１とネジ６０ａ２との間に基板２０を挟み、ネジ６０ａ２を基板２０のネジ穴２０ｄと固定部６０ａの下部６０ａ１のネジ穴とに挿入することで、放熱ファン６０を基板２０に対して固定することができる。

基板２０は、多層基板であり、樹脂層と銅配線層が含まれている。また、基板２０にはビア２０ｃが形成されている部位があり、図３Ａにおいては、黒丸によってビア２０ｃが形成された位置を示している。基板２０の銅配線層には、回路配線として機能する層とグラウンド部となる層が含まれる。例えば、図３Ｂ、図３Ｃにおいて、表層から２番目の銅配線層Ｌgは、ビアを介して複数の層が接続され、グラウンド電位になるように構成された層である。図３Ｂ、図３Ｃにおいて、グラウンドとなる銅配線層Ｌgの周囲（上下）には、回路配線として機能する層である銅配線層Ｌcが形成されている。

本実施形態において、以上のようなグラウンドまたは回路配線としての銅配線層を固定部６０ａから絶縁するための構造が基板２０に設けられている。具体的には、基板２０においては、基板２０のネジ穴２０ｄと同軸であり、外周の径が固定部６０ａの下部６０ａ１の外周の径よりも大きい円筒状の部位２０ａが形成されている。また、円筒状の部位２０ａの内側には、銅配線層２０ｂと銅配線層２０ｂ間に位置する樹脂層とが形成されている。銅配線層２０ｂは、ビアを介して複数の層が接続された状態である。また、銅配線層２０ｂは、基板２０のｚ方向の両端にも形成されており、基板２０の表層（おもて面および裏面）に露出した状態となる。従って、固定部６０ａの下部６０ａ１をネジ６０ａ２によって基板２０に固定すると、固定部６０ａの下部６０ａ１とネジ６０ａ２と銅配線層２０ｂとが等電位となる。

しかし、銅配線層２０ｂの外周は円筒状の部位２０ａに囲まれている。また、円筒状の部位２０ａの外周の径は、固定部６０ａの下部６０ａ１の外周の径よりも大きい。そして、円筒状の部位２０ａは絶縁体である樹脂で構成されている。従って、固定部６０ａの下部６０ａ１とネジ６０ａ２と銅配線層２０ｂとのいずれもが、銅配線層Ｌｃ，Ｌｇと接触しておらず、絶縁された状態となっている。

以上の構成によれば、固定部６０ａと基板２０のグラウンド部とを絶縁することができ、チップ放熱システム１０が方形マイクロストリップアンテナであるとみなした場合の共振周波数をｆ_r1ではなく、ｆ_r0にすることができる。共振周波数ｆ_r0は、共振周波数ｆ_r1の２倍であり、上述のように実際のスペックで計算すると約１４８１ＭＨｚである。そして、チップ放熱システム１０から放射される電磁波の周波数は共振周波数ｆ_r0の電磁波のみではなく、周囲の周波数の電磁波も含まれるが、多くの場合、共振周波数ｆ_r0の周辺で電磁波の強度が強くなる。

このため、０～１０００ＭＨｚ帯の電波を抑制すべき場合において、０～１０００ＭＨｚ帯の電波を抑制することが可能である。以上のように、本実施形態によれば、固定部６０ａと基板２０のグラウンド部とを絶縁するという簡易な構成により、放射される電磁波の周波数をシフトすることができ、この結果、抑制すべき電磁波を抑制可能になる。

（２）他の実施形態：
以上の実施形態は本発明を実施するための一例であり、他にも種々の実施形態を採用可能である。例えば、固定部６０ａを基板２０に取り付けるための構成は、上述の実施形態に限定されず、固定部６０ａの先端に基板２０の穴に挿入可能であり、基板２０に挿入した後に基板に２０に係止される部位が固定部６０ａの先端に形成されている構成であってもよいし、接合や接着が行われる構成であっても良く、種々の構成が採用されてよい。むろん、放熱ファン６０や放熱シート５０、チップ４０の大きさや形状、数等は上述の実施形態に限定されず、種々の構成が採用されてよい。

基板は、チップが固定される基板であれば良く、各種の配線を含み得る。また、基板の内部に形成される層の数は任意であるが、固定部と基板のグラウンド部との間を絶縁したり、固定部と基板のグラウンド部との間に形成されるコンデンサの比誘電率を調整したりすることができればよい。

チップは、基板に固定される集積回路であれば良く、大きさ、種類、信号周波数等は限定されない。いずれにしても放熱器によって発熱が抑制され、電磁波を放射し得るチップであれば良い。

放熱器は、少なくとも固定部によって基板に固定されるが、他の部分において他の部品に固定されても良い。例えば、チップに取り付けられたヒートシンク等に固定されても良い。また、放熱器は、チップの熱を放熱（冷却）可能な部品であれば良く、アンテナとなり得る部品であればよい。従って、放熱器は放熱ファンであっても良いし、ヒートシンクであっても良いし、放熱ファンとヒートシンクとの組み合わせであっても良い。

さらに、放熱器は、基板と当該放熱器との間に配置されたチップの熱を放熱させることができればよい。すなわち、放熱器と基板との間にチップが挟まれた状態で利用されれば良い。

絶縁は、比誘電率が実質的に０と見なせるような状況で実現されていれば良く、上述の実施形態のように、基板の樹脂によって実現される構成以外にも種々の構成が採用されてよい。また、絶縁を行うための部材の形状や大きさ等も適宜調整可能である。例えば、固定部の大きさや形状等に応じて絶縁を実現する樹脂等の大きさや形状等が変化しても良い。

さらに、上述の実施形態においては、固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間が絶縁されていたが、固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間にコンデンサが形成された構成であっても良い。この構成においては、上述のチップ放熱システム１０において、放熱ファン６０と基板２０との間を絶縁せず、これらをグラウンド電位とせず、これらの間にコンデンサを形成する。この場合、チップ放熱システム１０をモデル化した方形マイクロストリップアンテナは、図２Ｃの上部に示す構造となる。

すなわち、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間に比誘電率εのコンデンサが形成されている場合、等価的な放射素子長Ｌ_eのアンテナの一方の端部とグラウンドとの間にチップ４０等で形成される比誘電率ε_rのコンデンサが接続され、アンテナの他方の端部とグラウンドとの間に比誘電率εのコンデンサが接続された構造であると見なすことができる。

この場合、図２Ｃの下部に示す等価回路で電気特性を表現することができる。当該等価回路において、放熱ファン６０と基板２０との間のコンデンサが比誘電率ε_choであると見なすと、このモデルにおける共振周波数ｆ_rcは、図２Ｃに示すようにｆ_rc＝ｆ_r0－ｆ_r0・ｃ₀／（（ε_cho）^1/2＋２）となる。なお、ｆ_r0は、上述の式（１）に示された、固定部６０ａと基板２０のグラウンド部とが絶縁された場合における共振周波数である。共振周波数ｆ_rcは、比誘電率ε_choを０から∞に変化させることでｆ_r0／２からｆ_r0に変化させることができる。すなわち、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間に形成されるコンデンサの比誘電率を調整することによって共振周波数ｆ_rcを変化させることができる。

本実施形態においても、ＦＭ電波等が含まれる０～１０００ＭＨｚ帯の電波を抑制すべき場合を想定する。上述のように、チップ放熱システム１０において、従来のように放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間の電位を同電位にすると、共振周波数ｆ_r1である約７４０ＭＨｚが０～１０００ＭＨｚ帯に含まれてしまう。チップ放熱システム１０から放射される電磁波の周波数は共振周波数ｆ_r1の電磁波のみではなく、周囲の周波数の電磁波も含まれるが、多くの場合、共振周波数ｆ_r1の周辺で電磁波の強度が強くなる。このため、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間が等電位である場合、許容される強度を超える電磁波が０～１０００ＭＨｚ帯で発生する場合もある。

そこで、本実施形態にかかるチップ放熱システム１０においては、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間にコンデンサを形成することにより、共振周波数をｆ_r0／２からｆ_r0に変化させることができる。また、上述のように放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間の電位を同電位にした場合の共振周波数ｆ_r1はｆ_r0／２であり、チップ放熱システム１０のスペックから共振周波数ｆ_r1を算出すると約７４０ＭＨｚであった。そこで、本実施形態においてコンデンサの比誘電率を調整することで、共振周波数をｆ_r0に近づけると、共振周波数が約１４８１ＭＨｚに近づき、０～１０００ＭＨｚ帯の電波を抑制することが可能になる。

放熱ファンの固定部と基板のグラウンド部との間に接続されたコンデンサの比誘電率を調整するための構成は種々の構成を採用可能である。図４Ａ～図４Ｃは、放熱ファン６０の１個の固定部６０ａと基板２００との接点付近の拡大図であり、放熱ファンの固定部６０ａと基板のグラウンド部との間にコンデンサを接続するための構造を示す図である。図４Ａは、基板２００に垂直な方向から固定部６０ａを取り外した状態で基板２００を眺めた状態を示す図である。図４Ｂは図４Ａに示すＡ－Ａ線で基板２００を切断した断面図、図４Ｃは図４Ａに示すＢ－Ｂ線で基板２００を切断した断面図である。なお、図４Ａ～図４Ｃにおいて、図３Ａ～図３Ｃと同様の構成には同一の符号を付して示している。

本実施形態において、基板２００にはネジ穴２００ｄが形成されており、固定部６０ａの下部６０ａ１にもネジ穴が形成されている。従って、固定部６０ａの下部６０ａ１とネジ６０ａ２との間に基板２００を挟み、ネジ６０ａ２を基板２００のネジ穴２００ｄと固定部６０ａの下部６０ａ１のネジ穴とに挿入することで、放熱ファン６０を基板２００に対して固定することができる。

基板２００は、多層基板であり、樹脂層と銅配線層が含まれている。また、基板２００にはビア２００ｃが形成されている部位があり、図４Ａにおいては、黒丸によってビア２００ｃが形成された位置を示している。基板２００の銅配線層には、回路配線として機能する層とグラウンド部となる層が含まれる。例えば、図４Ｂ、図４Ｃにおいて、ネジ６０ａ２よりもｘ軸正方向側で、基板２００の表層から２番目の銅配線層Ｌgはグラウンド層であり、ビアを介して複数の層が接続され、複数の層がグラウンド電位になるように構成されている。また、当該銅配線層Ｌgの周囲(上下）に形成された銅配線層Ｌcは、回路配線として機能する層である。

図４Ｂ、図４Ｃにおいて、ネジ６０ａ２よりもｘ軸負方向側の端部では、基板２００の表層から１番目および２番目の銅配線層Ｌgがグラウンド層であり、ビアを介して複数の層が接続され、複数の層がグラウンド電位になるように構成されている。当該銅配線層Ｌgの間に形成された銅配線層Ｌcは、回路配線として機能する層である。

本実施形態において、上述の銅配線層Ｌc，Ｌgに囲まれた位置にネジ穴２００ｄが設けられており、ネジ６０ａ２で固定部６０ａの下部６０ａ１が基板２００に固定される。当該ネジ穴２００ｄの周囲には、ネジ穴２００ｄの周囲と固定部６０ａとを等電位にするための構成が設けられている。具体的には、基板２００においては、基板２００のネジ穴２００ｄと同軸の円筒状の部位２００ａ１にｘ軸負方向に延びる突出部２００ａ２が結合された形状の樹脂の構造体２００ａが形成されている。

また、構造体２００ａの内側には、銅配線層２００ｂと銅配線層２００ｂ間に位置する樹脂層とが形成されている。銅配線層２００ｂは、ビアを介して複数の層が接続された状態である。また、銅配線層２００ｂは、基板２００のｚ方向の両端にも形成されており、基板２００の表層（おもて面および裏面）に露出した状態となる。従って、固定部６０ａの下部６０ａ１をネジ６０ａ２によって基板２００に固定すると、固定部６０ａの下部６０ａ１とネジ６０ａ２と銅配線層２００ｂとが等電位となる。

本実施形態においては、ｚ軸正方向の最上位に位置する銅配線層２００ｂ、すなわち、固定部６０ａの下部６０ａ１と接触する銅配線層２００ｂがｘ軸負方向側に延びており、コンデンサ素子３００ａに接続されている。また、コンデンサ素子３００ａには抵抗素子３００ｂが接続され、抵抗素子３００ｂは銅配線層Ｌgに接続されている。銅配線層Ｌgは、上述のように基板２００でのグラウンド層である。従って、以上の構成によれば、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２００のグラウンド部との間にコンデンサ素子３００ａが接続されている状態となっている。

従って、コンデンサ素子３００ａの比誘電率を選択することにより、チップ放熱システム１０が方形マイクロストリップアンテナであるとみなした場合の共振周波数をｆ_r0／２からｆ_r0に変化させることができる。共振周波数ｆ_r0は、共振周波数ｆ_r1の２倍であり、上述のように実際のスペックで計算すると、ｆ_r0／２からｆ_r0の範囲は約７４０ＭＨｚから約１４８１ＭＨｚの範囲になる。

このため、０～１０００ＭＨｚ帯の電波を抑制すべき場合において、コンデンサ素子の比誘電率を調整することで、共振周波数０～１０００ＭＨｚ帯の範囲にすることができ、０～１０００ＭＨｚ帯での電波を抑制することが可能である。以上のように、本実施形態によれば、固定部６０ａと基板２００のグラウンド部との間に接続されるコンデンサの比誘電率を調整するという簡易な構成により、放射される電磁波の周波数を調整することができ、この結果、抑制すべき電磁波を抑制可能になる。なお、抵抗素子３００ｂは、共振周波数特性の調整等のために設けられているが、省略されても良い。

さらに、固定部６０ａと基板２０のグラウンド部との間に形成されるコンデンサの態様は、上述の実施形態以外にも種々の態様を採用可能である。例えば、多層基板の樹脂層と配線層とを利用してコンデンサが形成されても良い。図５Ａ～図５Ｃは、基板２０内の層によってコンデンサが形成される構成例を示す図である。

図５Ａ～図５Ｃは、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２１０のグラウンド部との間にコンデンサを形成するための構造を示す図である。図５Ａは、放熱ファン６０の１個の固定部６０ａと基板２１０との接点付近の拡大図であり、基板２１０に垂直な方向から固定部６０ａを取り外した状態で基板２１０を眺めた状態を示す図である。図５Ｂは図５Ａに示すＡ－Ａ線で基板２１０を切断した断面図、図５Ｃは図５Ａに示すＢ－Ｂ線で基板２１０を切断した断面図である。なお、図５Ａ～図５Ｃにおいて、図３Ａ～図３Ｃと同様の構成には同一の符号を付して示している。

図５Ａ～図５Ｃに示す実施形態においては、基板２０に形成され、固定部６０ａに接続された第１導体（後述する銅配線層２１０ｂ）と、基板２０に形成され、基板２０のグラウンド部となる第２導体（後述する銅配線層Ｌｇ）と、第１導体と第２導体との間に形成された誘電体（後述する樹脂層２１０ｅ）とによってコンデンサが形成される。

本実施形態において、基板２１０にはネジ穴２１０ｄが形成されており、固定部６０ａの下部６０ａ１にもネジ穴が形成されている。従って、固定部６０ａの下部６０ａ１とネジ６０ａ２との間に基板２１０を挟み、ネジ６０ａ２を基板２１０のネジ穴２１０ｄと固定部６０ａの下部６０ａ１のネジ穴とに挿入することで、放熱ファン６０を基板２１０に対して固定することができる。

基板２１０は、多層基板であり、樹脂層と銅配線層が含まれている。また、基板２１０にはビア２１０ｃが形成されている部位があり、図５Ａにおいては、黒丸によってビア２１０ｃが形成された位置を示している。基板２１０の銅配線層には、回路配線として機能する層とグラウンド部となる層が含まれる。例えば、図５Ａにおいては、黒丸によってビア２１０ｃが形成された位置を示している。基板２１０の銅配線層には、回路配線として機能する層とグラウンド部となる層が含まれる。例えば、図５Ｂ、図５Ｃにおいて、表層から２番目の銅配線層Ｌgには、ビアを介して複数の層が接続されている。また、銅配線層Ｌgはグラウンド電位になるように構成された層である。図５Ｂ、図５Ｃにおいて、グラウンドとなる層の周囲（上下）には、回路配線として機能する層である銅配線層Ｌcが形成されている。

本実施形態において、以上のようなグラウンドまたは回路配線としての銅配線層を固定部６０ａから絶縁するための構造が基板２１０に設けられている。具体的には、基板２１０においては、基板２１０のネジ穴２１０ｄと同軸であり、外周の径が固定部６０ａの下部６０ａ１の外周の径よりも大きい円筒状の部位２１０ａが形成されている。

また、円筒状の部位２１０ａの内側には、銅配線層２１０ｂと銅配線層２１０ｂ間に位置する樹脂層とが形成されている。銅配線層２１０ｂは、ビアを介して複数の層が接続された状態である。また、銅配線層２１０ｂは、基板２１０のｚ方向の両端にも形成されており、基板２１０の表層（おもて面および裏面）に露出した状態となる。従って、固定部６０ａの下部６０ａ１をネジ６０ａ２によって基板２１０に固定すると、固定部６０ａの下部６０ａ１とネジ６０ａ２と銅配線層２１０ｂとが等電位となる。

以上のように、銅配線層２１０ｂは、固定部６０ａ（固定部６０ａの下部６０ａ１）に接する導体であるため、上述の第１導体である。なお、本実施形態においては、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、ネジ６０ａ２が挿入されるネジ穴２１０ｄの内径の大半の部分は樹脂である。すなわち、ネジ６０ａ２が基板２０の層の中で接する銅配線層は銅配線層２１０ｂのみであり、ネジ６０ａ２の他の部位には樹脂が接している。従って、ネジ６０ａ２や固定部６０ａ（固定部の下部６０ａ１）は第１導体である銅配線層２１０ｂと等電位になるが、他の銅配線層とは絶縁された状態である。

以上の構成において、基板２１０の表層に露出した（ｚ軸方向両端に位置する）銅配線層２１０ｂは、ネジ穴２０１ｄを除いて円形である。当該銅配線層２１０ｂには樹脂層２１０ｅが隣接しており、当該樹脂層２１０ｅにはグラウンド部となる銅配線層Ｌｇが隣接している。なお、図５Ｂ、図５ｃにおいては、銅配線層Ｌｇがビアによって分断されているように見えるが、ビアは一部に存在するのみであるため、図５Ａに示す円形の銅配線層２１０ｂの下方には大半の部分において樹脂層２１０ｅや銅配線層２１０ｂが存在する。

従って、本実施形態においては、固定部６０ａに接続された銅配線層２１０ｂとグラウンド部である銅配線層Ｌｇとの間に樹脂層２１０ｅが挟まれた状態になっている。このため、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２１０のグラウンド部との間にコンデンサが形成された状態になる。

従って、樹脂層２１０ｅの厚さや材質を調整したり、放熱ファン６０の固定部６０ａと基板２１０のグラウンド部との間に存在する樹脂層の形状や構造、層の数等を調整したりすることで、コンデンサの比誘電率を調整することができる。このため、チップ放熱システム１０が方形マイクロストリップアンテナであるとみなした場合の共振周波数をｆ_r0／２からｆ_r0に変化させることができる。共振周波数ｆ_r0は、共振周波数ｆ_r1の２倍であり、上述のように実際のスペックで計算すると、ｆ_r0／２からｆ_r0の範囲は約７４０ＭＨｚから約１４８１ＭＨｚの範囲になる。

このため、０～１０００ＭＨｚ帯の電波を抑制すべき場合において、コンデンサ素子の比誘電率を調整することで、共振周波数０～１０００ＭＨｚ帯の範囲にすることができ、０～１０００ＭＨｚ帯での電波を抑制することが可能である。以上のように、本実施形態によれば、固定部６０ａと基板２１０のグラウンド部との間に形成されるコンデンサの比誘電率を調整するという簡易な構成により、放射される電磁波の周波数を調整することができ、この結果、抑制すべき電磁波を抑制可能になる。

なお、固定部が接続された第１導体と、グラウンド部となる第２導体と、第１導体と第２導体の間に形成された誘電体と、によってコンデンサが形成されるための構造は、図５Ａ～図５Ｃに示す構造に限定されない。例えば、第１導体や第２導体、誘電体の構造、数、形状は図５Ａ～図５Ｃに示す例に限定されない。

図６Ａ～図６Ｃは、図５Ａ～図５Ｃに示す構造から第２導体として機能するグラウンド部の数を減らし、また、ネジ６０ａ２の周囲に存在するグラウンド部の面積を小さくした構成を示す図である。すなわち、図６Ａ～図６Ｃに示す例は、図５Ａ～図５Ｃに示す構造において、銅配線層２１０ｂの間に挟まれ、かつ、ネジ６０ａ２を囲むように円盤状に形成された銅配線層Ｌｇの数を６層から２層に減らし、かつ、面積を小さくした構造である。

この構造においては、銅配線層Ｌｇの数を減らしており、この結果、銅配線層２１０ｂと銅配線層Ｌｇとの間の距離が大きくなっている。また、銅配線層Ｌｇの面積を減らすことにより、コンデンサの実効的な大きさを小さくしている。このように、基板２１０の構造を変化させることにより、コンデンサの容量を調整することが可能である。むろん、この構成は一例であり、銅配線層の面積を大きくする構成等であっても良い。

以上の実施形態において、放熱ファンの固定部と基板のグラウンド部との間に形成されるコンデンサの比誘電率が調整されることによってチップ放熱システムがアンテナとして機能する際の共振周波数が調整される。また、チップ放熱システム１０の大きさや構造、材質等によって、上述の式（１）等における比誘電率ε_rを変化させることでも共振周波数は変化し得る。

そこで、チップ放熱システム１０の態様（すなわち、比誘電率ε_r）に合わせて、放熱ファンの固定部と基板のグラウンド部との間に形成されるコンデンサの容量(比誘電率であってもよい）を変化させることにより、チップ放熱システム１０に各種の電磁波放射特性を持たせることができる。

一方、チップ４０が使用される種々の環境において、電磁波の放射を抑制すべき周波数帯（電波管理領域）が存在する。例えば、ＦＭ電波等が含まれる０～１０００ＭＨｚ帯、ＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System)の電波等が含まれる１４５２～１６２６ＭＨｚ帯、道路交通情報通信システムの電波が含まれる２４０２～２５００ＭＨｚ帯、電子料金収受システムの電波が含まれる５７００～５９００ＭＨｚ帯などは電波の放射が抑制されるべきであり、各領域が電波管理領域となり得る。

そこで、チップ放熱システム１０が方形マイクロストリップアンテナと見なされた場合の共振周波数を１０００～１４５２ＭＨｚまたは１６２６～２４０２ＭＨｚまたは２５００ＭＨｚ～５７００ＭＨｚまたは５９００ＭＨｚ以上にする容量のコンデンサを放熱ファンの固定部と基板のグラウンド部との間に形成すれば、各電波管理領域での電磁波の放射を抑制することが可能になる。

１０…チップ放熱システム、２０…基板、２０ａ…部位、２０ｂ…銅配線層、２０ｃ…ビア、２０ｄ…ネジ穴、３０…パッケージ基板、４０…チップ、５０…放熱シート、６０…放熱ファン、６０ａ…固定部、６０ａ１…下部、６０ａ２…ネジ、２００…基板、２００ａ…構造体、２００ａ１…部位、２００ａ２…突出部、２００ｂ…銅配線層、２００ｃ…ビア、２００ｄ…ネジ穴、２０１ｄ…ネジ穴、２１０…基板、２１０ａ…部位、２１０ｂ…銅配線層、２１０ｃ…ビア、２１０ｄ…ネジ穴、２１０ｅ…樹脂層、３００ａ…コンデンサ素子、３００ｂ…抵抗素子

Claims

基板と、
前記基板に固定されるチップと、
固定部によって前記基板に固定される放熱器であって、前記基板と当該放熱器との間に配置された前記チップの熱を放熱させる放熱器と、を備えるチップ放熱システムであって、
前記固定部と前記基板のグラウンド部との間にコンデンサが形成されており、
前記コンデンサは、
前記基板に形成され、前記固定部が接続された第１導体と、
前記基板に形成され、前記グラウンド部となる第２導体と、
前記第１導体と前記第２導体の間に形成された誘電体と、
を備える、
チップ放熱システム。
前記コンデンサは、
前記放熱器が方形マイクロストリップアンテナと見なされた場合の共振周波数を１０００～１４５２ＭＨｚまたは１６２６～２４０２ＭＨｚまたは２５００ＭＨｚ～５７００ＭＨｚまたは５９００ＭＨｚ以上にする容量である、
請求項１に記載のチップ放熱システム。