JP7285993B1 - 放熱部品および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】液体金属の漏れが生じることがなく、しかも電気部品との間の熱抵抗を低減させることのできる放熱部品を提供する。【解決手段】放熱部品１０は発熱するＧＰＵ１４を放熱させるものであり、液体金属３２が含浸されたメッシュ３０と、メッシュ３０の両面を覆い、周囲が封止された２枚の膜体３６ａ，３６ｂとを有する。膜体３６ａには開口４０が形成されており、メッシュ３０は開口４０で露呈された露呈部分３０ａがＧＰＵ１４におけるダイ２４の表面に当接する。メッシュ３０は開口４０で露呈する部分が第１層４２ａと第２層４２ｂとの２層で構成されている。メッシュ３０は、開口４０で露呈される露呈部分３０ａの面積よりもそれ以外の部分の面積が大きい。【選択図】図５
Description
本発明は、発熱する電気部品を放熱させる放熱部品、および該放熱部品を備える電子機器に関する。
ノート型ＰＣなどの携帯用情報機器にはＧＰＵ、ＣＰＵなどの半導体チップが設けられている。ＧＰＵ、ＣＰＵは基板に実装させる部分であるサブストレートと、該サブストレートの表面に設けられた矩形のダイとを有する形状になっている。また、サブストレートの表面には小さいキャパシタがダイの周囲に設けられている場合がある。
ＧＰＵ、ＣＰＵなどの半導体チップは発熱体であり、その消費電力（特に高負荷時）によっては放熱させる必要がある。ＧＰＵ、ＣＰＵを放熱させる手段としてベーパーチャンバ、ヒートスプレッダまたはヒートシンクなどの放熱部品を用い、このような放熱部品を介してダイの表面に当接させて熱を拡散させることがある。ダイと放熱部品との間には、熱を効率的に伝達させるために熱伝導材を介在させる場合がある。熱伝導材はＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）と呼ばれ、例えば熱伝導シートや伝熱性グリスなどが挙げられる。また、近時はＴＩＭとして液体金属が適用されることがある（例えば、特許文献１）。
液体金属は伝熱性グリスよりも伝熱性が高く、ダイから放熱部品へ効果的に熱を伝えることができる。一方、液体金属は伝熱性グリスよりも流動性が高いという特性がある。電子機器は携帯して移動すると振動や衝撃を受けやすい。そうすると、流動性のある液体金属はダイおよび放熱部品から受ける繰り返しの力により、ダイと放熱部品との隙間から漏れ出る懸念がある。
また、液体金属は伝熱性に優れてはいるが、それでも発熱体と放熱部品との間に介在することにより多少の熱抵抗を生じ得る。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、液体金属の漏れが生じることがなく、しかも発熱する電気部品との間の熱抵抗を低減させることのできる放熱部品、および該放熱部品を備える電子機器を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第１態様に係る放熱部品は、発熱する電気部品を放熱させる放熱部品であって、液体金属が含浸されたメッシュと、前記メッシュの両面を覆い、周囲が封止された２枚の膜体と、を有し、２枚の前記膜体のうち少なくとも一方に開口が形成されており、前記メッシュは前記開口で露呈された部分が前記電気部品の表面に当接する。
また、本発明の第２態様に係る電子機器は、発熱する電気部品と、前記電気部品を放熱させる放熱部品と、を有し、前記放熱部品は液体金属が含浸されたメッシュと、前記メッシュの両面を覆い、周囲が封止された２枚の膜体と、を有し、２枚の前記膜体のうち少なくとも一方に開口が形成されており、前記メッシュは前記開口で露呈された部分が前記電気部品の表面に当接する。
本発明の上記態様によれば、液体金属により電気部品の熱を効果的に吸熱して放熱・冷却することができる。また、液体金属はメッシュに含浸されていることから漏れが生じることがない。さらに、放熱部品におけるメッシュの露呈部分はＴＩＭなどを介在させることなく電気部品に直接的に接触することから熱抵抗を低減させることができる。
以下に、本発明にかかる放熱部品および電子機器の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
図１は、本発明にかかる実施形態にかかる放熱部品１０および携帯用情報機器１２の一部を示す分解斜視図である。
携帯用情報機器（電子機器）１２は、例えばノート型ＰＣ、タブレット端末またはスマートフォンなどであり、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１４を備えている。放熱部品１０は携帯用情報機器１２に対して好適に用いられるが、据え置き型のデスクトップ型コンピュータなどの電子機器に適用することも可能である。ＧＰＵ１４はリアルタイム画像処理が可能な半導体チップである。ＧＰＵ１４は高速演算を行うことにより相応の発熱があるため放熱手段が必要となる。携帯用情報機器１２では、ＧＰＵ１４の放熱手段とし放熱部品１０を備えている。
図２は、ＧＰＵ１４の斜視図である。ＧＰＵ１４はサブストレート２２と、ダイ（電気部品）２４とを有する。サブストレート２２は基板２６に実装される薄い板状部であり、平面視で矩形となっている。ダイ２４は演算回路を含む部分であり、サブストレート２２の上面からやや突出するように設けられている。ダイ２４は、平面視でサブストレート２２よりも小さい矩形であり、該サブストレート２２の上面略中央に設けられている。ＧＰＵ１４は携帯用情報機器１２の中で最も発熱する部品の一つであり、その中でもダイ２４が特に発熱する。
換言すれば、ダイ２４が携帯用情報機器１２の中で最も発熱する電気部品の１つである。なお、携帯用情報機器１２はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を備えている。ＣＰＵはＧＰＵと同様にサブストレートおよびダイを備えており、放熱部品１０の適用が可能である。さらに、放熱部品１０はＧＰＵ１４やＣＰＵ以外の半導体チップ、またはその他の発熱する電気部品の放熱にも適用可能である。
サブストレート２２の上面には多くの小さいキャパシタ２８がダイ２４を取り囲むように配列されている。キャパシタ２８はダイ２４の四方を、場所によって１列または２列で配列されている。キャパシタ２８はダイ２４の比較的近傍に設けられている。キャパシタ２８の高さはダイ２４よりも低い。キャパシタ２８は絶縁材３４（図５参照）で覆われる。絶縁材３４は、例えば接着剤や紫外線硬化型のコーティング材であって膜状に形成される。
図３は、放熱部品１０の模式斜視図である。図４は、放熱部品１０の模式断面側面図である。放熱部品１０は発熱するＧＰＵ１４などの電気部品を放熱させるものであり、メッシュ３０と、該メッシュ３０の両面を覆う第１膜体３６ａおよび第２膜体３６ｂとを有する。メッシュ３０には液体金属３２が含浸されている。
メッシュ３０としては、ワイヤを編んだもの、または板材に対してエッチングなどによって多数の孔を設けたものなどが適用可能である。メッシュ３０は、ポリエステルやグラスファイバーなど樹脂材などでもよい。メッシュ３０は金属材で構成されていると好適な伝熱性能が得られる。メッシュ３０は樹脂材で構成されていると当接する電気部品に対して傷をつけにくい。メッシュ３０は、厚みが例えば０．０２５～０．０５ｍｍ程度であり、適度な可撓性および引っ張り強さを備える。
メッシュ３０を銅、アルミニウム材などの金属材とする場合、ニッケル材（ニッケルを主成分とする合金を含む）をメッキしたものを用いるとよい。つまり、メッシュ３０は少なくとも表面をニッケル材とすることにより、液体金属３２によって変質することが防止できる。メッシュ３０をニッケル材で構成することにより、メッキ処理を省略することができる。また、銅材やアルミニウム材をニッケルメッキすることにより、好適な熱伝導性が得られる。メッシュ３０は、液体金属３２を含浸させることのできる他の多孔質材、例えばスポンジなどの発泡体で置き換えてもよい。
液体金属３２は、例えばガリウムを主成分とするもので基本的には常温で液体となっている金属であるが、少なくとも携帯用情報機器１２の基板２６に通電され、ＧＰＵ１４が稼働した通常の使用状態の温度で液体となるフェーズチェンジマテリアルなどであってもよい。液体金属３２は金属であることから熱伝導性、導電性に優れる。また、液体金属３２は液体であることから流動性がある。液体金属３２は基本的にメッシュ３０のほぼ全面にわたって含浸されている。
含浸の手段は、例えば液体金属３２の槽内にメッシュ３０を浸漬させ、またはメッシュ３０に液体金属３２を塗布するとよい。液体金属３２はメッシュ３０に対して含浸しにくい場合もあるが、この時点ではメッシュ３０は放熱部品１０に組み入れる前段階の単体となっており扱いが容易であり、しかも上下前後左右の６面が開放されており液体金属３２を含浸させやすい。また、この時点ではメッシュ３０は単体であることから、液体金属３２が適正に含浸されているか目視または所定の手段により検査することができる。
膜体３６ａ，３６ｂは、例えばラバー材、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙ Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）材、ポリウレタン材、または銅箔などである。膜体３６ａ，３６ｂはシート状のものであり柔軟であって可撓性を有する。第１膜体３６ａと第２膜体３６ｂとは同じ大きさであり、周囲が封止部３８を形成して内部にメッシュ３０を封止している。封止部３８は、例えば溶着や接着によって形成される。膜体３６ａ，３６ｂは十分に薄く、内部に保持されているメッシュ３０の熱を外部に放散させることができる。膜体３６ａ，３６ｂの厚みは、材質にもよるが概ね０．２～０．３ｍｍ程度である。
封止部３８には放熱部品１０を固定するためのビス孔３８ａが形成されている。放熱部品はビス孔３８ａを挿通するビスによって所定のボス部に固定される。ビス孔３８ａの周囲には補強用のビス座やワッシャを設けてもよい。放熱部品１０の固定手段としては粘着テープなどを用いてもよい。メッシュ３０は、封止部３８の内周縁にほぼ沿いながらビス孔３８ａを避けるような形状となっている。
図５は、ＧＰＵ１４と、該ＧＰＵ１４のダイ２４に対して適用した放熱部品１０との模式断面側面図である。第１膜体３６ａには矩形（図３参照）の開口４０が形成されている。開口４０はダイ２４に対応した位置に形成されており（図１参照）、該ダイ２４の面積よりやや大きい。放熱部品１０は第１膜体３６ａと第２膜体３６ｂとが封止部３８によって封止されているが、開口４０が形成されていることから内部は完全な密閉状態ではない。
メッシュ３０は開口４０およびその周辺部が第１層４２ａと第２層４２ｂとの２層構造となっている。第１層４２ａは封止部３８（図３参照）の内周縁にほぼ沿う広い面積を有する。第２層４２ｂは開口４０よりやや大きい程度であり、第１層４２ａと比較するとかなり小さくなっている。ただし、設計条件により第２層４２ｂをさらに大きくしてもよい。
第２層４２ｂのほぼ全面は開口４０から露呈してダイ２４の表面に当接する。第１膜体３６ａにおける開口４０の周辺部３６ａａは第２層４２ｂの縁と重なっている。つまり、第１層４２ａおよび第２層４２ｂは、周辺部３６ａａと第２膜体３６ｂとによって層状に保持されている。第１層４２ａおよび第２層４２ｂにはそれぞれ液体金属３２が含浸されており、両者間には基本的に空隙が存在していない。ただし、液体金属３２の含浸工程の都合等の理由により僅かな空隙が生じても構わない。第１層４２ａと第２層４２ｂとは、特に固定されることなく第１膜体３６ａと第２膜体３６ｂとによって層状に保持されているが、設計条件によっては両者間の一部を溶接や接着などにより固定してもよい。
メッシュ３０は、開口４０で露呈されてダイ２４に当接する露呈部分３０ａの面積よりもそれ以外の部分の面積が相当に大きく、ダイ２４の熱を広範囲に拡散させて放熱・冷却することができる。露呈部分３０ａは第１層４２ａと第２層４２ｂの２層構造となっていることから液体金属３２が比較的多量に含浸されており熱容量が大きく、ダイ２４から吸熱しやすい。メッシュ３０は露呈部分３０ａを有するが、含浸された液体金属３２は毛管現象により保持されていることから、ある程度の振動などが加わっても漏れが生じることがない。メッシュ３０に含浸された液体金属３２は携帯用情報機器１２の傾きによって偏在してしまうことがない。
液体金属３２は基本的にキャパシタ２８に触れることがないが、該キャパシタ２８は絶縁材３４で覆うと一層信頼性が向上する。また、液体金属３２は基本的に基板２６に実装された他の電気部品に触れることがないがサブストレート２２の四周と放熱部品１０との間を弾性材４４で仕切ることによりさらに信頼性が向上する。弾性材４４は、例えばスポンジである。設計条件により絶縁材３４および弾性材４４は省略してもよい。
このように構成される放熱部品１０および携帯用情報機器１２によれば、液体金属３２によりダイ２４の熱を効果的に吸熱して拡散および冷却することができ、該液体金属３２はメッシュ３０に含浸されていることから漏れが生じることがない。
本実施の形態に係る放熱部品１０では露呈部分３０ａが直接的にダイ２４に当接することから、ＴＩＭを介在させる場合と比較して熱抵抗を低減させることができる。放熱部品１０はＴＩＭを兼ねていることから、部品点数が低減するとともに組み立てが容易となる。
メッシュ３０の厚みを０．０２５～０．０５ｍｍ程度とし、膜体３６ａ，３６ｂの厚みを０．２～０．３ｍｍ程度とすると、放熱部品１０は合計厚みを０．１ｍｍ程度に実現することができるため、メッシュ３０は十分な可撓性がある。そのため、メッシュ３０は携帯用情報機器１２の筐体内でのレイアウト自由度が高く、他の構成要素との干渉を回避して広い範囲に亘って設けることができる。放熱部品１０は薄いため狭い隙間にも配置可能である。放熱部品１０はメッシュ３０を含んでいることから適度な強度を有する。
従来技術にかかる放熱部品としては、例えばベーパーチャンバ、および銅板やグラファイトシートなどのヒートスプレッダが挙げられる。これらは基本的に発熱体との間にＴＩＭ材を介して熱接続されるため熱抵抗が生じ得る。また、ベーパーチャンバおよび銅板は熱伝達性に優れるが可撓性がないため、本実施の形態に係る放熱部品１０と比較してレイアウトの自由度が低い。グラファイトシートは可撓性に優れるが、本実施の形態に係る放熱部品１０と比較して熱容量が劣る。すなわち、放熱部品１０は従来技術にかかる放熱部品と比較して可撓性、熱容量および熱伝達性に優れている。
図６は、放熱部品１０を備える携帯用情報機器１２の模式断面側面図である。ここで例示する携帯用情報機器１２はいわゆるフォルダブル式であり、ヒンジ機構４６を介して折り畳み可能に接続された第１筐体４８ａと第２筐体４８ｂとを有するものである。携帯用情報機器１２は第１筐体４８ａと第２筐体４８ｂとの間に亘るディスプレイ５０を有する。ディスプレイ５０は有機ＥＬなどであって柔軟であり、第１筐体４８ａと第２筐体４８ｂとが相対的に回動することに応じて折り曲げられる。図６は、携帯用情報機器１２の折り畳み状態を示しているが、矢印で示すように第１筐体４８ａと第２筐体４８ｂとを開くことにより平面状となる。放熱部品１０は可撓性を有することから、このようなフォルダブル式の携帯用情報機器１２において第１筐体４８ａと第２筐体４８ｂとに亘って設けることができ、広い面積を確保することができる。これにより、ＧＰＵ１４は効果的に放熱され冷却される。また、第１筐体４８ａと第２筐体４８ｂとが放熱部品１０を介して熱的につながり温度が均一化される。
次に、放熱部品１０の変形例について説明する。各変形例については放熱部品１０と同様の構成要素について同符号を付して詳細な説明を省略する。変形例同士についても同様とする。
図７は、第１変形例に係る放熱部品１０Ａの模式断面側面図である。放熱部品１０Ａのメッシュ３０は上記の放熱部品１０における第１層４２ａ、第２層４２ｂに代えて４枚の第１層５２ａ、第２層５２ｂ、第３層５２ｃ、第４層５２ｄを有している。第４層５２ｄは上記の第２層４２ｂと同様に開口４０から露呈する露呈部分３０ａを形成してダイ２４に当接する。層５２ａ～５２ｃは上記の１枚の第１層４２ａを３枚に置き換えたものであるが、面積は第１層４２ａより小さく、ダイ２４および第４層５２ｄよりやや大きい程度となっている。
このような放熱部品１０Ａでは、メッシュ３０の面積は比較的小さいが多層構造によってある程度の体積をしており、各層５２ａ～５２ｄには液体金属３２が含浸されていることから大きい熱容量が確保され、ダイ２４の熱を効果的に吸熱することができる。
図８は、第２変形例に係る放熱部品１０Ｂの模式断面側面図である。放熱部品１０Ｂでは、第２膜体３６ｂにおける開口４０と対向する位置に開口５４が形成されており、第１層４２ａは開口５４から露呈部分３０ｂが露呈する。露呈部分３０ｂには他の放熱部品５６が当接する。つまり、開口４０が熱の入力側であるのに対し、開口５４は熱の出力側に相当する。他の放熱部品５６は、例えばヒートパイプ、ベーパーチャンバ、グラファイトシート、ヒートシンクなどである。
このように、放熱部品１０Ｂでは開口が複数個所に形成されており、ダイ２４が当接する開口４０以外の開口５４には、他の放熱部品５６を当接させている。これにより、放熱部品１０Ｂは他の放熱部品５６と組み合わせて使用することができ、一層効果的な放熱が可能となる。また、開口５４は開口４０と対向する箇所を含むように形成することで、他の放熱部品５６は発熱体であるダイ２４に対して第１層４２ａ、第２層４２ｂの厚み分だけを介して近接して接続されることになり、熱抵抗が少ない。
図９は、第３変形例に係る放熱部品１０Ｃの模式断面側面図である。放熱部品１０Ｃでは第２膜体３６ｂに上記の放熱部品１０Ｂと同様の開口５４が形成されているが、放熱部品１０Ｂの場合と異なり開口４０からは離れた位置に形成されている。開口５４から露呈する露呈部分３０ｂには他の放熱部品５６が当接する。
このように、他の放熱部品５６がレイアウトなどの都合により開口４０から離れた位置にある場合にも、その位置に合わせて開口５４を形成することにより、メッシュ３０を介してダイ２４の熱を他の放熱部品５６まで熱輸送することができる。また、ダイ２４と他の放熱部品５６がある程度離れていて、その間に何らかの構成部品５８（例えば基板２６に実装されたチョークコイルなどの大きい部品）が存在する場合にも、放熱部品１０Ｃは可撓性があることから該構成部品５８を回避するように配設することが可能である。さらに、図示を省略するが他の放熱部品５６と当接させるための開口５４は第１膜体３６ａに設けてもよい。
図１０は、第４変形例に係る放熱部品１０Ｄの模式断面側面図である。放熱部品１０Ｄでは、第１膜体３６ａにおける開口４０とは異なる位置に開口６０が形成されており、第２層４２ｂは開口６０から露呈部分３０ｃが露呈する。露呈部分３０ｃには他の発熱体６２が当接する。つまり、開口６０は開口４０と同様で熱の入力側に相当する。このように、適用される電子機器内で発熱する電気部品が複数設けられている場合には、開口４０，６０はこれらの複数の電気部品に対応した複数個所に形成するとよい。
発熱体６２は、例えば基板２６に実装されたＣＰＵである。放熱部品１０Ｄは可撓性を有することから、ＧＰＵ１４のダイ２４と他の発熱体６２との高さや当接面角度が異なる場合であっても適用が可能である。また、図示を省略するが他の発熱体６２と当接させるための開口６０は第２膜体３６ｂに設けてもよい。つまり、本実施の形態に係る放熱部品では、メッシュ３０を発熱する電気部品と当接させるための開口４０，６０が第１膜体３６ａおよび第２膜体３６ｂの少なくとも一方に形成される。なお、他の発熱体６２は基板２６に実装されるものに限られない。
図１１は、第５変形例に係る放熱部品１０Ｅの模式断面側面図である。放熱部品１０Ｅではメッシュ３０が単層構造となっている。つまり、上記の放熱部品１０ではメッシュ３０が第１層４２ａと第２層４２ｂとを有していたのに対して、面積の小さい第２層４２ｂを省略して第１層４２ａのみで構成されている。そして、第１層４２ａが開口４０からの露呈部分３０ａを形成する。このような放熱部品１０Ｅはメッシュ３０が単層構造であって上記の放熱部品１０よりも簡便構成となる。
上記の放熱部品１０，１０Ａ～１０Ｅの構造は互いに組み合わせて用いてもよく、例えば、放熱部品１０Ａ～１０Ｄにおける複数層のメッシュ３０を放熱部品１０Ｅのように単層としてもよい。メッシュ３０は、一部に液溜め用の孔を設けたり、または一部に金属板を入れるなど複合的構造としてもよい。第１膜体３６ａと第２膜体３６ｂとは外周部の封止部３８以外の箇所でメッシュ３０に形成した孔を介して補助的に溶着・接着してもよい。
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ 放熱部品
１２ 携帯用情報機器（電子機器）
１４ ＧＰＵ（電気部品）
２２ サブストレート
２４ ダイ（電気部品）
２６ 基板
３０ メッシュ
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 露呈部分
３２ 液体金属
３６ａ 第１膜体
３６ｂ 第２膜体
３８ 封止部
４０，５４，６０ 開口
４２ａ 第１層
４２ｂ 第２層
５６ 他の放熱部品
６２ 発熱体（電気部品）
１２ 携帯用情報機器（電子機器）
１４ ＧＰＵ（電気部品）
２２ サブストレート
２４ ダイ（電気部品）
２６ 基板
３０ メッシュ
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 露呈部分
３２ 液体金属
３６ａ 第１膜体
３６ｂ 第２膜体
３８ 封止部
４０，５４，６０ 開口
４２ａ 第１層
４２ｂ 第２層
５６ 他の放熱部品
６２ 発熱体（電気部品）
Claims (6)
- 発熱する電気部品を放熱させる放熱部品であって、
液体金属が含浸されたメッシュと、
前記メッシュの両面を覆い、周囲が封止された２枚の膜体と、
を有し、
２枚の前記膜体のうち少なくとも一方に開口が形成されており、前記メッシュは前記開口で露呈された部分が前記電気部品の表面に当接する
ことを特徴とする放熱部品。 - 請求項１に記載の放熱部品において、
前記メッシュは前記開口で露呈する部分が複数層で構成されている
ことを特徴とする放熱部品。 - 請求項１に記載の放熱部品において、
前記メッシュは、前記開口で露呈される部分の面積よりもそれ以外の部分の面積が大きい
ことを特徴とする放熱部品。 - 請求項１に記載の放熱部品において、
適用される電子機器内で前記電気部品は複数設けられており、
前記開口は複数の前記電気部品に対応した複数個所に形成されている
ことを特徴とする放熱部品。 - 請求項１に記載の放熱部品において、
前記開口は複数個所に形成されており、
前記電気部品が当接する箇所以外の開口には、他の放熱部品が当接する
ことを特徴とする放熱部品。 - 電子機器であって、
発熱する電気部品と、
前記電気部品を放熱させる放熱部品と、
を有し、
前記放熱部品は
液体金属が含浸されたメッシュと、
前記メッシュの両面を覆い、周囲が封止された２枚の膜体と、
を有し、
２枚の前記膜体のうち少なくとも一方に開口が形成されており、前記メッシュは前記開口で露呈された部分が前記電気部品の表面に当接する
ことを特徴とする電子機器。
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- 2023-07-19 CN CN202310886702.3A patent/CN117472157A/zh active Pending
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