JP7397921B1 - 放熱構造、および電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】発熱する電気部品と放熱体との間の伝熱性能の低下を防止することができ、さらに多孔質材の位置ずれを一層防止することのできる放熱構造、および電子機器を提供することを目的とする。【解決手段】放熱構造10は、GPU14におけるダイ24の表面に当接するメッシュ30と、メッシュ30が嵌り込む窪み部を備え、ダイ24の表面とともにメッシュ30を挟持する銅板21と、を有する。メッシュ30は、液体金属32が含浸されていて、ダイ24の表面に当接して受熱する発熱体当接範囲部30aと、発熱体当接範囲部30aと連続して形成され、ダイ24の表面と当接しない発熱体非当接範囲部30bと、を備える。発熱体非当接範囲部30bはスポンジテープ36によって銅板21に固定されている。発熱体非当接範囲部30bは発熱体当接範囲部30aから突出する形状である。【選択図】図3

Description

本発明は、発熱する電気部品の放熱構造、および該放熱構造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体を用い、このような放熱体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。ダイと放熱体との間には、熱を効率的に伝達させるために液体金属や伝熱性グリスなどの流動体を介在させる場合がある(例えば、特許文献1)。
特開2004-146819号公報
液体金属は伝熱性グリスよりも伝熱性が高く、ダイから放熱体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徴がある。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体から受ける繰り返しの力により、ダイと放熱体との隙間から漏れ出る懸念がある。
液体金属は、ガリウムを主成分とする場合があって銅やハンダと化学反応を起こしうる。また、液体金属は導電性があるため漏出して周辺のキャパシタなどの電気素子に触れるとショートするため、何らか対策が必要である。この対策として、例えばサブストレートに設けられている電気素子とダイとの間に絶縁壁を設けることが考えられる。しかし、電気素子とダイとが接近していると絶縁壁を設けるスペースが確保されない。また、漏出によりダイと放熱体との間に設けられている液体金属の量は減少してしまい、伝熱性能が低減する懸念がある。
そこで、本願発明者は半導体チップなどの発熱体とベーパーチャンバなどの放熱体との間に液体金属を含浸させたメッシュなどの多孔質材を設けて挟持させることを検討している。メッシュに含浸された液体金属はほとんど漏出することがなく維持される。一方、多孔質材は発熱体と放熱体とにより適度な押圧力で挟持されていればほとんど位置ずれを起こすことはないが、一層確実に固定されていることが望ましい。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、発熱する電気部品と放熱体との間の伝熱性能の低下を防止することができ、さらに多孔質材の位置ずれを一層防止することのできる放熱構造、および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態様に係る放熱構造は、発熱する電気部品の放熱構造であって、前記電気部品の表面に当接する多孔質材と、前記多孔質材が嵌り込む窪み部を備え、前記電気部品の表面との間で前記多孔質材を挟持する放熱体と、を有し、前記多孔質材は、伝熱性流体が含浸されていて、前記電気部品の表面に当接して受熱する発熱体当接範囲部と、前記発熱体当接範囲部と連続して形成され、前記電気部品の表面と当接しない発熱体非当接範囲部と、を備え、前記発熱体非当接範囲部は帯状粘着材によって前記放熱体に固定されている。
本発明の第2態様に係る電子機器は、放熱構造を備える電子機器であって、発熱する電気部品と、前記電気部品の表面に当接する多孔質材と、前記多孔質材が嵌り込む窪み部を備え、前記電気部品の表面との間に前記多孔質材を挟持する放熱体と、を有し、前記多孔質材は、伝熱性流体が含浸されていて、前記電気部品の表面に当接して受熱する発熱体当接範囲部と、前記発熱体当接範囲部と連続して形成され、前記電気部品の表面と当接しない発熱体非当接範囲部と、を備え、前記非当接範囲部が帯状粘着材によって前記放熱体に固定されている。
本発明の上記態様によれば、伝熱性流体は多孔質材に含浸および保持されていることから漏出が防止され、発熱する電気部品と放熱体との間の伝熱性能の低下を防止することができる。また、多孔質材は、窪み部に嵌り込むとともに帯状粘着材により発熱体非当接範囲部が固定されているため位置ずれを一層防止することができる。
図1は、本発明の実施形態にかかる放熱構造および携帯用情報機器の一部を示す分解斜視図である。 図2は、GPUの斜視図である。 図3は、本発明の実施形態にかかる放熱構造の模式断面側面図である。 図4は、組み立てられた銅板、メッシュおよびスポンジテープの模式斜視図である。 図5は、銅板、メッシュおよびスポンジテープの模式分解斜視図である。 図6は、第1変形例に係る放熱構造を示す模式斜視図である。 図7は、第2変形例に係る放熱構造を示す模式斜視図である。 図8は、第3変形例に係る放熱構造を示す模式斜視図である。 図9は、第4変形例に係る放熱構造を示す模式斜視図である。
以下に、本発明にかかる放熱構造、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構造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。放熱構造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が必要となる。携帯用情報機器12では、GPU14の放熱手段としてベーパーチャンバ(放熱体)16を備えている。
ベーパーチャンバ16は、2枚の金属プレート(例えば銅板)の周縁部を接合して内側に密閉空間を形成したプレート状のものであり、密閉空間に封入した作動流体の相変化によって熱を高効率に拡散可能である。ベーパーチャンバ16の密閉空間内には、凝縮した作動流体を毛細管現象で送液するウィックが配設される。
ベーパーチャンバ16には2本の略平行するヒートパイプ18が設けられ、さらに該ヒートパイプ18の端部はファン20に接続されている。ヒートパイプ18は、薄く扁平な金属パイプ内に形成された密閉空間に作動流体を封入したものであり、ベーパーチャンバ16と同様にウィックが設けられている。また、ベーパーチャンバ16とGPU14との間には受熱板としての銅板21が設けられる。銅板21は実質的にベーパーチャンバ16と一体の放熱体と見做すことができる。
GPU14等の発熱体の放熱手段としては、ベーパーチャンバ16以外にも、各種の放熱体が適用可能である。放熱体としては、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い金属プレート、グラファイトプレート、ヒートレーン、ヒートシンク等が挙げられる。
図2は、GPU14の斜視図である。図2では放熱構造10の構成要素を省略している。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、放熱構造10の適用が可能である。さらに、放熱構造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3参照)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、本発明の実施形態にかかる放熱構造10の模式断面側面図である。図4は、組み立てられた銅板21、メッシュ30およびスポンジテープ(帯状粘着材)36の模式斜視図である。図5は、銅板21、メッシュ30およびスポンジテープ36の模式分解斜視図である。放熱構造10は、上記のベーパーチャンバ16と、該ベーパーチャンバ16とダイ24の表面との間で銅板21を介して挟持されるメッシュ(多孔質材)30とを有する。
メッシュ30は、中央の矩形の発熱体当接範囲部30aと、該発熱体当接範囲部30aから十字状で四方に突出する形状の発熱体非当接範囲部30bとを備える。発熱体当接範囲部30aはダイ24の表面に当接する部分である。メッシュ30は、少なくとも発熱体当接範囲部30aのほぼ全面に液体金属(伝熱性流体)32が含浸されている。発熱体非当接範囲部30bには液体金属32が含浸されていなくてもよい。
液体金属32は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は基本的に発熱体当接範囲部30aのほぼ全面にわたって含浸されており、ダイ24の表面と銅板21とに接し、両者を良好に熱接続している。液体金属32は基本的に発熱体当接範囲部30aのほぼ全面にわたって含浸されているが、条件によっては余分量の吸収余地として発熱体当接範囲部30aの端部などには含浸されていない箇所があってもよい。
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は放熱構造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。また、放熱構造10の組み立て工程では、ダイ24の表面および窪み部21aの底部に予め液体金属32を塗布しておくと、メッシュ30に含浸された液体金属32と混じりあい、確実に熱接触する。
発熱体当接範囲部30aは、ダイ24の表面と同じか、またやや大きい矩形となっており、ダイ24の表面を覆っている。発熱体当接範囲部30aにはダイ24における発熱分布などに応じて多少の小さい孔を設けて、該孔を液体金属32の液溜まりとしてもよい。
発熱体非当接範囲部30bは発熱体当接範囲部30aから連続して形成されており、後述するスポンジテープ36の幅と同じか、またはそれよりやや長く突出している。発熱体非当接範囲部30bはダイ24の表面と当接しない。
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、樹脂材などでもよいが金属材とすると好適な伝熱性能が得られる。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。本願における多孔質材とは、樹脂、金属などを問わず液体金属32などの伝熱性流体を含浸させることのできる材質を指すものとする。多孔質材としてのスポンジは、樹脂および金属(金属たわしのようなもの)のいずれでもよい。また、本願における多孔質材は弾性体、剛体のいずれでもよい。
銅板21は縦横寸法ともメッシュ30より大きく、中央部にはメッシュ30が嵌り込む窪み部21aが形成されている。窪み部21aはメッシュ30がちょうど嵌り込むように、該メッシュ30とほぼ同形状になっている。ただし、メッシュ30の嵌め込み作業の便宜などの理由から、窪み部21aとメッシュ30とは大きさや形状が多少異なっていてもよい。窪み部21aの深さはメッシュ30の厚みとほぼ等しい。銅板21は、少なくとも窪み部21aの部分を予めニッケルメッキをしておくとよい。
スポンジテープ36は後述するシート状の粘着テープ38,48とは異なりある程度の厚みを有しているが、帯状粘着材と見做すことができる。つまり、スポンジテープ36はスポンジ状の帯状粘着材である。スポンジテープ36は枠形状であって、四辺が4つの発熱体非当接範囲部30bの箇所を横断して銅板21に貼られており、これによってメッシュ30が銅板21に固定されている。スポンジテープ36は銅板21および発熱体非当接範囲部30bに対して粘着されているが、少なくとも銅板21に粘着されていればよい。スポンジテープ36はダイ24の周囲で銅板21とサブストレート22との間を塞いでいる。
ベーパーチャンバ16は、基本的にダイ24の表面に沿って平行に設けられるが、銅板21の全面に当接するように設けられていればよく、メッシュ30および銅板21の僅かな弾性変形や厚みの不均一さに応じてわずかに非平行(略平行)であってもよい。また、液体金属32はメッシュ30に含浸されているため、図3では液体金属32単体の層を示していないが、ミクロ的にはダイ24とメッシュ30との間、又ダイ24とベーパーチャンバ16との間に液体金属32の層が存在していてもよい。
このような、放熱構造10および携帯用情報機器12では、ダイ24とベーパーチャンバ16とが銅板21を介してメッシュ30に含浸された液体金属32によって熱接続されていることから、好適な伝熱性能が得られる。また、携帯用情報機器12が携帯され移動する際に振動や衝撃を受けると、液体金属32にはダイ24および銅板21から繰り返し圧力が加えられるが、該液体金属32は流動性があるものの、メッシュ30に含浸されていることから該メッシュ30との濡れ性などの作用によって含浸された状態が維持され、周囲に漏出することがない。
このため、液体金属32はダイ24と銅板21との間に適量が保持されることから、伝熱性能の低下が防止できる。また、キャパシタ28や基板26に実装された他の電気部品に液体金属32が触れてしまうことが防止される。
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の四周をスポンジテープ36で仕切ることによりさらに信頼性が向上する。
また、メッシュ30は、ダイ24と銅板21との間で適度な圧力で挟持されていて、基本的には位置ずれを起こすことがないが、窪み部21aに嵌り込むとともにスポンジテープ36が発熱体非当接範囲部30bを横断して固定しているため位置ずれを一層防止することができる。さらに、メッシュ30は窪み部21aにほぼちょうど嵌り込んでおり、含浸している液体金属32が窪み部21a以外の範囲に広がることがない。
液体金属32はメッシュ30に含浸された状態で窪み部21aに嵌め込まれており、さらに該メッシュ30はスポンジテープ36によって固定されている。したがって、液体金属32は銅板21に含まれていることとなり、携帯用情報機器12の組み立て工程やメンテナンス作業において作業者は銅板21を単一部品として扱えばよく、液体金属32の塗布作業などの処理が不要であり、作業が容易となる。
次に、放熱構造10の変形例について説明する。図6は、第1変形例に係る放熱構造10Aを示す模式斜視図である。図7は、第2変形例に係る放熱構造10Bを示す模式斜視図である。図8は、第3変形例に係る放熱構造10Cを示す模式斜視図である。図9は、第4変形例に係る放熱構造10Dを示す模式斜視図である。
図6に示すように、第1変形例に係る放熱構造10Aは、上記の放熱構造10におけるスポンジテープ36を4つの短い粘着テープ(帯状粘着材)38で置き換えたものである。4つの粘着テープ38はそれぞれ突出した発熱体非当接範囲部30bの箇所を横断して銅板21に貼られており、これによってメッシュ30が銅板21に固定されている。このような粘着テープ38を適用した場合でもメッシュ30の位置ずれを好適防止することができる。
図7に示すように、第2変形例に係る放熱構造10Bでは、銅板40の中央に形成された窪み部40aにメッシュ42が嵌り込んでいる。メッシュ42は発熱体当接範囲部42aと、該発熱体当接範囲部42aから一文字状に対抗する二方向に突出する形状の発熱体非当接範囲部42bとを備える。窪み部40aはメッシュ42が嵌り込むように、該メッシュ42とほぼ同形状になっている。発熱体当接範囲部42aは上記の発熱体当接範囲部30aに相当する。発熱体非当接範囲部42bは上記の発熱体非当接範囲部30bに相当するが、本数が異なっている。発熱体非当接範囲部42bの部分は粘着テープ38が横断するように設けられて固定されている。このように、発熱体非当接範囲部42bは2本であってもメッシュ42は相応に安定して固定される。すなわち、突出する形状の発熱体非当接範囲部30b,42bは、複数が対称位置に設けられていればメッシュ30,42を安定して固定することができる。
図8に示すように、第3変形例に係る放熱構造10Cでは、銅板44の中央に形成された窪み部44aにメッシュ46が嵌り込んでいる。メッシュ46は発熱体当接範囲部46aと、該発熱体当接範囲部46aと、発熱体非当接範囲部46bとを備える。窪み部44aはメッシュ46が嵌り込むように、該メッシュ46とほぼ同じ矩形になっている。発熱体当接範囲部46aは上記の発熱体当接範囲部30aに相当する。図8では発熱体当接範囲部46aをドット地で示している。発熱体非当接範囲部46bは発熱体当接範囲部46aの周囲を囲むように設けられており、メッシュ46は矩形となっている。発熱体非当接範囲部46bの部分は枠状の粘着テープ(帯状粘着材)48が四周を囲むように設けられている。このように、発熱体非当接範囲部46bおよび粘着テープ48は枠状であってもよい。また、放熱構造10Cではメッシュ46を単純な矩形にすることができ、構造が簡便となる。
図9に示すように、第4変形例に係る放熱構造10Dでは、上記の放熱構造10Cと同様に銅板44とメッシュ46とが適用されているが、枠状の粘着テープ48に代えて4つの短い粘着テープ38が用いられている。4つの粘着テープ38は発熱体非当接範囲部46bの四隅を横断して銅板44に貼られている。放熱構造10Dは、メッシュ46の固定が短冊状で短い粘着テープ38を用いることができて構造が簡便となる。なお、各変形例10A~10Dでは、粘着テープ38,48の代わりに枠状または帯状のスポンジテープを適用してもよい。
本願発明者の実験結果によれば、従来構造において振動によってダイ24と放熱板との間から僅かながらも漏出するのは液体金属32だけに固有の現象ではなく伝熱性流体に共通する現象であることが分かった。したがって、本実施の形態にかかる放熱構造10,10A~10Dの多孔質材に含浸させるのは伝熱性グリスを含む伝熱性流体とすることで漏出を防止する作用が得られる。なお、本願でいう伝熱性流体とは液体だけにかぎらず、半固体や粘性体など流動性を有するものを指し、グリスやオイルコンパウンドなどを含む。多孔質材は、含浸させる伝熱性流体の粘性、流動性および濡れ性などに基づいて素材、厚みおよび微細孔の径などを選択するとよい。設計条件により銅板21,40,44は省略し、窪み部21a,40a,44aをベーパーチャンバ16に設けてもよい。メッシュを窪み部に保持する手段は、スポンジテープ36、粘着テープ38,48以外の帯状粘着材であってもよい。
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 放熱構造
12 携帯用情報機器(電子機器)
14 GPU(電気部品)
16 ベーパーチャンバ(放熱体)
21,40,44 銅板(放熱体)
21a,40a,44a 窪み部
22 サブストレート
24 ダイ
28 キャパシタ
30,42,46 メッシュ(多孔質材)
30a,42a,46a 発熱体当接範囲部
30b,42b,46b 発熱体非当接範囲部
32 液体金属
34 絶縁材
36 スポンジテープ(帯状粘着材)
38,48 粘着テープ(帯状粘着材)

Claims (8)

  1. 発熱する電気部品の放熱構造であって、
    前記電気部品の表面に当接する多孔質材と、
    前記多孔質材が嵌り込む窪み部を備え、前記電気部品の表面との間に前記多孔質材を挟持する放熱体と、
    を有し、
    前記多孔質材は、
    伝熱性流体が含浸されていて、前記電気部品の表面に当接して受熱する発熱体当接範囲部と、
    前記発熱体当接範囲部と連続して形成され、前記電気部品の表面と当接しない発熱体非当接範囲部と、
    を備え、
    前記発熱体非当接範囲部は帯状粘着材によって前記放熱体に固定されている
    ことを特徴とする放熱構造。
  2. 請求項1に記載の放熱構造において、
    前記発熱体非当接範囲部は前記発熱体当接範囲部から突出する形状であって、複数が対称位置に設けられており、
    前記帯状粘着材は前記発熱体非当接範囲部を横断するように設けられている
    ことを特徴とする放熱構造。
  3. 請求項1に記載の放熱構造において、
    基板および該基板に実装された半導体チップを備え、
    前記半導体チップはサブストレートおよびダイを備え、
    前記電気部品は前記ダイである
    ことを特徴とする放熱構造。
  4. 請求項3に記載の放熱構造において、
    前記帯状粘着材はスポンジ状であり、前記ダイの周囲で前記放熱体と前記サブストレートとの間を塞いでいる
    ことを特徴とする放熱構造。
  5. 請求項1に記載の放熱構造において、
    前記伝熱性流体は液体金属である
    ことを特徴とする放熱構造。
  6. 請求項1に記載の放熱構造において、
    前記多孔質材はメッシュである
    ことを特徴とする放熱構造。
  7. 請求項1に記載の放熱構造において、
    前記多孔質材は金属材であり、少なくとも表面がニッケルである
    ことを特徴とする放熱構造。
  8. 放熱構造を備える電子機器であって、
    発熱する電気部品と、
    前記電気部品の表面に当接する多孔質材と、
    前記多孔質材が嵌り込む窪み部を備え、前記電気部品の表面との間に前記多孔質材を挟持する放熱体と、
    を有し、
    前記多孔質材は、
    伝熱性流体が含浸されていて、前記電気部品の表面に当接して受熱する発熱体当接範囲部と、
    前記発熱体当接範囲部と連続して形成され、前記電気部品の表面と当接しない発熱体非当接範囲部と、
    を備え、
    前記発熱体非当接範囲部が帯状粘着材によって前記放熱体に固定されている
    ことを特徴とする電子機器。
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