JPH07263886A - 放熱装置 - Google Patents

放熱装置

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JPH07263886A
JPH07263886A JP7061510A JP6151095A JPH07263886A JP H07263886 A JPH07263886 A JP H07263886A JP 7061510 A JP7061510 A JP 7061510A JP 6151095 A JP6151095 A JP 6151095A JP H07263886 A JPH07263886 A JP H07263886A
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circuit board
heat dissipation
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plates
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JP7061510A
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Kaveh Azar
アザール カヴェー
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AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
AT&T Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 集積回路（ＩＣ）チップが発生する熱を効果
的に放散させるヒートシンクを実現することにより、従
来のヒートシンク設計によって与えられるよりも、ＩＣ
パッケージの冷却を改善する。 【構成】 放熱プレートからなるヒートシンクを回路板
に取り付けることによって回路板の表面積および熱伝導
率を実効的に増大させることにより、ＩＣパッケージか
ら回路板に伝導する熱を周囲の冷却流体に容易に放散さ
せる。放熱プレートは、素子の周囲の回路板に取り付け
られる。放熱プレートは、回路板に機械的に取り付けら
れるか、または、回路板に接着剤で接着された、高い熱
伝導率の材料からなる。素子からの熱の放散を改善する
ため、放熱プレートは、回路板に取り付けられるだけで
なく、素子自体、または、素子のリードにも取り付けら
れる。また、素子のリードは、リードからも放熱するよ
うに、拡張面と統合される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発熱電子素子の冷却に
関し、特に、回路板などにマウントされた電子素子を冷
却するヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】電子素子の動作によって発生する熱を効
果的に放散させることは、それらの素子が使用される回
路の性能を最適化する際に重要なことである。効果的な
放熱は、性能を最適化させるだけでなく、それらの素子
の寿命を延ばし、素子およびシステムの信頼性を高める
のにも有効である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】熱を放散させるため
に、電子素子には一般に、素子の外表面に取り付けられ
た高い熱伝導率の金属からなるヒートシンクが設けられ
る。このようなヒートシンクは、共通のプラットフォー
ム上に配列された細長いフィンのアレイを利用すること
が多い。ここでプラットフォームは、電子素子の上に接
着または機械的に取り付けられる。冷却流体（例えば空
気）は、強制または自然の対流によって素子から熱を伝
導し去る。空冷は簡単で低コストであるが、その冷却能
力は制限される。従って、一般の空冷ヒートシンクに
は、いくつかのアプリケーションにおける現在の高パワ
ー電子素子によって発生される熱を十分に放散させるこ
とができないものがある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の十分に高い放熱能
力の必要性は、電子素子によって発生され素子がマウン
トされる回路板に伝導される熱を放散する新しいヒート
シンクによって充足される。
【０００５】本発明の実施例では、放熱要素が、素子の
周囲の回路板に取り付けられる。放熱要素は、回路板に
機械的に取り付けられるか、または、回路板に接着剤で
接着された、高い熱伝導率の材料からなる複数のプレー
トを含む。素子からの熱の放散を改善するため、プレー
トは、回路板に取り付けられるだけでなく、素子自体、
または、素子のリードにも取り付けられる。本発明のも
う１つの実施例では、素子のリードは、リードに伝導す
る熱が放散するように、拡張した面と統合される。
【０００６】
【実施例】図１に、本発明によるヒートシンクの実施例
を示す。集積回路（ＩＣ）パッケージ１０は、周知の代
表的な発熱電子素子である。ＩＣパッケージ１０は、内
部ＩＣユニット（図示せず）および複数の導電性リード
２０を有する。導電性リード２０は、ＩＣパッケージ１
０内部の他の要素（図示せず）とともに、リードフレー
ム１６を形成する。あるいは、導電体はピングリッドア
レイのピンであることも可能である。導電性リード２０
は、銅または鉄−ニッケル合金のような周知の材料から
形成される。
【０００７】ＩＣユニットは、チップ、または、少なく
とも１つのチップならびにその他の要素および導体がハ
イブリッド集積チップを形成したモジュールである。Ｉ
Ｃパッケージは、一般にプラスチックまたはセラミック
材料からなるハウジングを有し、このハウジングは、Ｉ
Ｃユニットを包囲し保護する。ＩＣパッケージ１０は、
例えば、デュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）、プ
ラスチッククワッドフラットパック（ＰＱＦＰ）、プラ
スチックリードチップキャリア（ＰＬＣＣ）、またはそ
の他、電子パッケージ技術で一般に使用されるようない
くつかのリードフレームパッケージタイプのうちの任意
のものを利用することができる。ＩＣパッケージは、は
んだバンプまたはチップオンボード取付けのようなリー
ドなしすなわち直接チップ取付け方式を利用するもので
も可能である。あるいは、スルーホールパッケージタイ
プも使用可能である。
【０００８】ＩＣパッケージ１０は一般にプラットフォ
ーム上にマウントされる。本実施例では、プラットフォ
ームは回路板３０である。回路板３０は、本実施例で
は、リードやパッドのような導電要素（図示せず）を含
むプリントされたガラスエポキシタイプの回路板であ
る。ＩＣパッケージ１０内の導電性リード２０は、はん
だ、合金、金共晶接合、導電性接着剤、非導電性接着剤
などのような従来の方法で回路板３０の導電要素に固定
される。ＩＣパッケージ１０および回路板３０は回路パ
ック６０を形成する。回路パック６０はまた、回路板３
０にマウントされた他の電子回路および素子をも含むこ
とが可能である。
【０００９】ヒートシンク４０は、高い熱伝導性の材料
からなるプレート４５の形の複数の放熱要素を含む。こ
のような熱伝導性材料は当業者に周知であり、例えば、
アルミニウム、黒鉛、窒化ホウ素、ベリリウム、タング
ステンなどがある。応用によっては、複合放熱プレート
を形成するように、複数の熱伝導性材料から放熱プレー
ト４５を製造することが好ましいこともある。
【００１０】ヒートシンク４０における放熱プレート４
５のサイズ、形状、数、および位置は、当業者に周知の
通常のヒートシンク設計基準を使用して選択される。例
えば、ＩＣパッケージ１０のサイズ、形状、パッケージ
タイプ、および発熱量、ヒートシンク４０の熱伝導率、
強制対流を利用する場合に冷却流体の流れの方向、特定
の応用で必要とされる冷却量、ならびにその他の因子
が、ヒートシンク４０における放熱プレート４５の物理
的設計に影響する。このような設計基準は、例えば、エ
ー．ディ．クラウス(A. D. Kraus)、エー．バー−コー
エン(A. Bar-Cohen)、「電子機器の熱の解析と制御(The
rmal Analysis and Control of ElectronicEquipmen
t)」（１９８５年）に記載されている。本実施例では、
放熱プレート４５はＩＣパッケージ１０の周囲をほぼ包
囲することを意図している。しかし、都合によって、他
の詳細、特に導電性リード２０が図示されるようにする
ため、図１のＩＣパッケージ１０の前および右のエッジ
に沿ういくつかの放熱プレートは図示していない。応用
によっては、例えば自然対流冷却を利用する場合には、
放熱プレート４５がＩＣパッケージ１０の周囲の一部の
みを包囲することが有利なこともある。
【００１１】ヒートシンク４０は、ＩＣパッケージ１０
の周囲に、はんだまたは接着剤で回路板３０に固定され
ることが可能である。接着剤には、銅、アルミニウムな
どのような熱伝導性材料の粒子を分散させたエポキシの
ような接着剤が含まれる。このような熱伝導性接着剤の
１つは、エイエイヴィアイディ・エンジニアリング(AAV
ID Engineering)製のサーモボンド１６００(Thermobond
1600)として市販されている。ヒートシンク４０は、ヒ
ートシンクを回路板と密接に熱伝導接触させるネジ、バ
ネ、またはクリップのような機械的留め具で、回路板３
０に固定することも可能である。当業者には理解される
ように、応用によっては、ヒートシンクと回路板の間の
熱伝導接触をさらに高めるには、サーマロイ社(Thermal
loy Inc.)製のサーマルコート(Thermalcote)のような熱
接合化合物（すなわち、熱伝導グリース）を利用すると
有利である。図２は、図１のライン２−２に沿ってとっ
た、図１の実施例の断面図であり、回路板３０にヒート
シンク４０を取り付ける手段として接着剤２００が示さ
れている。
【００１２】図３は、図１に示した本発明の実施例の上
面図である。図３は、放熱プレート４５を電子素子１０
の周囲全体に配置した実施例である。応用によっては、
ヒートシンク４０に機械的強度を加えるために、また
は、ヒートシンク４０を回路板３０にマウントするのを
容易にするために、図示のようにスペーサ５６を使用し
て放熱プレート４５を隣接する放熱プレートと結合する
ことが好ましいこともある。スペーサ５６は、プラスチ
ックまたは金属のような任意の都合の良い材料から形成
したものが可能である。明確化のため、ただ１つの例示
的なスペーサ５６のみを図示してある。当業者には理解
されるように、スペーサ５６の幾何学的形態は、特定の
応用の要求に従って容易に決定される。放熱プレート４
５を隣接する放熱プレートに結合することは、例えば、
接着剤またはボルトもしくはネジのような機械的装置を
使用して容易に実現される。
【００１３】図４、図５、図６、および図７は、放熱プ
レート４５の面が本発明の３つの実施例に従ってとる幾
何学的形態のさまざまな例を示す。図４は長方形形態の
放熱プレート４５の例を示す。図５はピン形態を示す。
ピンは中実でも中空でもよい。図６は半円形態を示す。
図７は混合幾何学的形態を示す。もちろん、当業者は、
ここには明示的に開示していない形態を含めて、特定の
応用に最も適する形態を決定することが可能である。
【００１４】ヒートシンク４０を回路板３０に取り付け
ることによって、ＩＣパッケージ１０から周囲の冷却流
体（本実施例では空気である）への熱輸送を改善するこ
とが可能となる。当業者には理解されるように、ＩＣパ
ッケージ１０内のチップの表面からの熱輸送は、チップ
を包囲するプラスチックハウジングを通じて、および、
リードフレーム１６に沿っての回路板３０への伝導によ
って支配される。本発明の原理によれば、ヒートシンク
４０を回路板３０に取り付けることによって、ＩＣパッ
ケージ１０から回路板３０に伝導する熱は、回路板３０
の表面積および熱伝導率を実効的に増大させることによ
って、周囲の冷却流体に容易に放散されることが可能と
なる。経験的に、および、数学的モデル化によって観察
されたことであるが、代表的なプラスチックＩＣパッケ
ージ内のチップによって発生される熱全体の４０〜６０
％までが、リードフレームを通じて回路板に伝導する。
従って、本発明を実施することによって、従来のヒート
シンク設計によって与えられるよりも、ＩＣパッケージ
１０の冷却が大幅に改善される。
【００１５】図８に、本発明によるヒートシンクのもう
１つの実施例を示す。放熱プレート８８５の形態は、図
４〜図７に示したさまざまな幾何学的形態のうちの任意
のものが可能である。本発明のこの実施例では、放熱プ
レート８８５はＩＣパッケージ８９０および回路板８９
５の両方と熱伝導接触している。ＩＣパッケージ８９０
および回路板８９５は、図１に示した要素と同様の形態
および作用でよい。当業者には理解されるように、ＩＣ
パッケージ８９０内のチップによって発生される熱は２
つの経路を通じてヒートシンク８８０に伝導し、そこで
周囲の冷却流体へ放散される。すなわち、熱は、チップ
から、包囲するプラスチックハウジングを通じてヒート
シンク８８０へ伝導するか、または、チップからリード
フレーム、回路板８９５を通じてヒートシンク８８０へ
伝導する。ヒートシンク８８０は、上記のマウント技術
のうちの任意のものを使用して回路板８９５に取り付け
ることが可能である。応用によっては、同様の技術を使
用してヒートシンク８８０をＩＣパッケージ８９０に固
定することが好ましいことがある。あるいは、ヒートシ
ンク８８０は、所望される場合には、図９に示すように
ＩＣパッケージ８９０のプラスチックパッケージ内に形
成したスロット内に各放熱プレート８８５の一端を配置
することによってＩＣパッケージ８９０に固定すること
も可能である。放熱プレート８８５は、スロット内に、
機械的に留めることも、接着することも可能である。あ
るいは、スロットは、放熱プレートとＩＣパッケージの
間の摩擦嵌合によって接着または機械的に留める必要を
縮小または除去するのに適した寸法を有するようにする
ことも可能である。当業者には理解されるように、この
ようなスロットは、ＩＣパッケージ８９０の製造中にプ
ラスチックパッケージにモールドするか、または、例え
ば切削、打抜きなどの任意の通常の既知の製造工程を使
用してモールド工程の後に加えることも可能である。あ
るいは、図１０に示すように、放熱プレート８８５は、
ＩＣパッケージ８９０と熱伝導接触するように配置され
たスロット付き保持具５００によって保持することも可
能である。スロット付き保持具５００は、例えば、プラ
スチックまたはその他の高い熱伝導性の材料から１つま
たは複数の切片へとモールドまたは製造され、上記の任
意の技術を使用してエポキシでまたは機械的にＩＣパッ
ケージ８９０に留めて取り付けられる。上記のいずれか
またはすべての要素の間の熱伝導接触をさらに高めるた
めに、これらの要素の間の界面に熱接合化合物を利用す
ることも有利である。
【００１６】図１１に、本発明によるヒートシンクのも
う１つの実施例を示す。ヒートシンク１１０１は、図１
の実施例と同様にして回路板１１３０にマウントされた
複数の放熱プレート１１４５からなる。ＩＣパッケージ
１１１０および回路板１１３０は、図１に示した要素と
同様の形態および作用でよい。放熱プレート１１４５
は、図４〜図７に示したさまざまな幾何学的形態のうち
の任意のものでよい。本発明のこの実施例では、放熱プ
レート１１４５は、リードフレーム１１２５を形成する
導電性リード１１２０および回路板１１３０の両方と熱
伝導接触する。このような接触によって、ＩＣパッケー
ジ１１１０内に包摂されたチップからリードフレーム１
１２５へ伝導する熱が直接放散することが可能となる。
応用によっては、上記の取付け技術のうちの任意のもの
を使用して、ヒートシンク１１０１をリードフレーム１
１２５に取り付けることが好ましいこともある。さら
に、上記のいずれかまたはすべての要素の間の熱伝導接
触をさらに高めるために、これらの要素の間の界面に熱
接合化合物を利用することも有利である。
【００１７】図１２に、本発明によるヒートシンクのも
う１つの実施例を示す。ヒートシンク１２０１は、図１
の実施例と同様にして回路板１２３０にマウントされた
複数の放熱プレート１２２０からなる。ＩＣパッケージ
１２１０および回路板１２３０は、図１に示した要素と
同様の形態および作用でよい。放熱プレート１２２０
は、図４〜図７に示したさまざまな幾何学的形態のうち
の任意のものでよい。本実施例では、放熱プレート１２
２０は、ＩＣパッケージ１２１０内のチップによって発
生されプラスチックハウジングを通じて伝導した熱を放
散させるように、ＩＣパッケージ１２１０上に広がりか
つ接触するように形成されている。従って、ＩＣパッケ
ージ１２１０内のチップによって発生された熱は２つの
経路を通じてヒートシンク１２０１へ伝導し、そこで周
囲の冷却流体に放散される。すなわち、熱は、チップか
ら、包囲するプラスチックハウジングの上部を通じてヒ
ートシンク１２０１へ伝導するか、または、チップから
リードフレーム、回路板１２３０を通じてヒートシンク
１２０１へ伝導する。当業者には理解されるように、図
１２の実施例は、図１１を参照して説明したものと同様
に、放熱プレート１２２０がＩＣパッケージ１２１０の
側面およびリードフレーム１２２５の導電性リード１２
２０とも熱伝導接触をするようになっている。図１２の
いずれかまたはすべての要素の間の熱伝導接触をさらに
高めるために、これらの要素の間の界面に熱接合化合物
を利用することも有利である。
【００１８】図１３は、本発明による統合拡張面を有す
るリードフレームの実施例である。ＩＣパッケージ１３
１０および回路板１３３０は、図１に示した要素と同様
の形態および作用でよい。リードフレーム１３１６の各
導電性リード１３２０は、図１３に示したような拡張面
と統合される。統合拡張面は、例えば、図４〜図７に示
したさまざまな幾何学的形態のうちの任意のものでよ
い。このような、拡張面と導電性リードとの統合によっ
て、ＩＣパッケージ１３１０内のチップによって発生さ
れリードフレーム１３１６に伝導する熱の一部が、各導
電性リード１３２０の表面積が増大したことによって周
囲の冷却流体に効果的に放散することが可能となる。あ
るいは、当業者には理解されるように、このような拡張
面は、例えば、他の素子および装置との電気的接続を容
易にするために使用することも可能である。また、この
拡張面は、例えば、回路板１３３０上にＩＣパッケージ
１３１０をマウントするのを容易にするための便利な把
持点を提供することによって、他の機械的なパッケージ
要求のために使用することも可能である。
【００１９】以上が、本発明の実施例についての説明で
あるが、これらの実施例以外にも、本発明の原理に従っ
て、さまざまな変形例が可能である。例えば、本発明
は、例えば、ＩＣからマルチチップモジュールへ、ＩＣ
からソケットへ、およびその他のプラットフォームへの
接続のような、ＩＣから回路板への接続以外のＩＣ接続
にも容易に適用可能である。
【００２０】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、ヒ
ートシンクを回路板に取り付けることによって、ＩＣパ
ッケージから周囲の冷却流体（実施例では空気）への熱
輸送を改善することが可能となる。ヒートシンクを回路
板に取り付けることによって、ＩＣパッケージから回路
板に伝導する熱は、回路板の表面積および熱伝導率を実
効的に増大させることによって、周囲の冷却流体に容易
に放散されることが可能となる。経験的に、および、数
学的モデル化によって観察されたことであるが、代表的
なプラスチックＩＣパッケージ内のチップによって発生
される熱全体の４０〜６０％までが、リードフレームを
通じて回路板に伝導する。従って、本発明を実施するこ
とによって、従来のヒートシンク設計によって与えられ
るよりも、ＩＣパッケージの冷却が大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるヒートシンクの実施例の図であ
る。
【図２】図１のライン２−２に沿ってとった、図１の実
施例の断面図である。
【図３】図１に示した本発明の実施例の上面図である。
【図４】ヒートシンクを形成する放熱プレートの面が本
発明の３つの実施例によってとる幾何学的形態の例を示
す図である。
【図５】ヒートシンクを形成する放熱プレートの面が本
発明の３つの実施例によってとる幾何学的形態の例を示
す図である。
【図６】ヒートシンクを形成する放熱プレートの面が本
発明の３つの実施例によってとる幾何学的形態の例を示
す図である。
【図７】ヒートシンクを形成する放熱プレートの面が本
発明の３つの実施例によってとる幾何学的形態の例を示
す図である。
【図８】本発明によるヒートシンクのもう１つの実施例
の図である。
【図９】放熱プレートを受容するスロットを有する集積
回路パッケージに放熱プレートを取り付ける手段の例の
図である。
【図１０】スロット付き保持具を使用した集積回路パッ
ケージに放熱プレートを取り付ける手段のもう１つの例
の図である。
【図１１】本発明によるヒートシンクのもう１つの実施
例の図である。
【図１２】本発明によるヒートシンクのもう１つの実施
例の図である。
【図１３】本発明のもう１つの実施例による統合拡張面
を有するリードフレームの実施例の図である。
【符号の説明】
１０ 集積回路パッケージ １６ リードフレーム ２０ 導電性リード ３０ 回路板 ４０ ヒートシンク ４５ 放熱プレート ５６ スペーサ ６０ 回路パック ２００ 接着剤 ５００ スロット付き保持具 ８８０ ヒートシンク ８８５ 放熱プレート ８９０ ＩＣパッケージ ８９５ 回路板 １１０１ ヒートシンク １１１０ ＩＣパッケージ １１２０ 導電性リード １１２５ リードフレーム １１３０ 回路板 １１４５ 放熱プレート １２０１ ヒートシンク １２１０ ＩＣパッケージ １２２０ 放熱プレート １２３０ 回路板 １３１０ ＩＣパッケージ １３１６ リードフレーム １３２０ 導電性リード １３３０ 回路板

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発熱する素子によってプラットフォーム
    へ輸送される熱を放散するようにその素子に隣接した放
    熱要素からなることを特徴とする放熱装置。
  2. 【請求項２】 前記放熱要素が、少なくとも１種類の熱
    伝導材料からなる複数のプレートからなることを特徴と
    する請求項１の装置。
  3. 【請求項３】 前記複数のプレートが前記素子の周囲を
    ほぼ包囲することを特徴とする請求項２の装置。
  4. 【請求項４】 前記複数のプレートが前記素子の周囲を
    部分的に包囲することを特徴とする請求項２の装置。
  5. 【請求項５】 前記複数のプレートのうちの少なくとも
    １つの表面の形状がほぼ長方形であることを特徴とする
    請求項２の装置。
  6. 【請求項６】 前記複数のプレートのうちの少なくとも
    １つの表面の形状がほぼ半円形であることを特徴とする
    請求項２の装置。
  7. 【請求項７】 前記複数のプレートのうちの少なくとも
    １つの一部の表面の形状がほぼ円形であることを特徴と
    する請求項５の装置。
  8. 【請求項８】 前記複数のプレートのうちの少なくとも
    １つの形状が中実円筒のピンであることを特徴とする請
    求項２の装置。
  9. 【請求項９】 前記複数のプレートのうちの少なくとも
    １つの一部の形状が管状のピンであることを特徴とする
    請求項８の装置。
  10. 【請求項１０】 前記複数のプレートのうちの少なくと
    も１つの形状が管状のピンであることを特徴とする請求
    項２の装置。
  11. 【請求項１１】 前記放熱要素が前記素子のリードフレ
    ームと熱伝導接触することを特徴とする請求項１の装
    置。
  12. 【請求項１２】 前記放熱要素が前記素子と熱伝導接触
    することを特徴とする請求項１１の装置。
  13. 【請求項１３】 前記素子に前記放熱要素を取り付ける
    手段をさらに有することを特徴とする請求項１２の装
    置。
  14. 【請求項１４】 前記取り付ける手段は、前記放熱要素
    を受容するための、前記素子内の少なくとも１つのスロ
    ットからなることを特徴とする請求項１３の装置。
  15. 【請求項１５】 前記取り付ける手段は、前記放熱要素
    を受容するための少なくとも１つのスロットを有し前記
    素子と熱伝導接触する保持具からなることを特徴とする
    請求項１３の装置。
  16. 【請求項１６】 前記プラットフォームがマルチチップ
    モジュールであることを特徴とする請求項１の装置。
  17. 【請求項１７】 前記プラットフォームがソケットであ
    ることを特徴とする請求項１の装置。
  18. 【請求項１８】 前記プラットフォームが回路板である
    ことを特徴とする請求項１の装置。
  19. 【請求項１９】 回路板と、前記回路板上にマウントさ
    れた少なくとも１つの発熱する素子と、前記素子によっ
    て前記回路板に輸送される熱を放散するように、前記素
    子に隣接して前記回路板上にマウントされた放熱要素と
    からなることを特徴とする回路パック。
  20. 【請求項２０】 回路板上にマウントされたパッケージ
    内に包摂された少なくとも１つの電子素子と、前記電子
    素子を前記回路板に接続する少なくとも１つの熱伝導性
    かつ電気伝導性の材料の部材とからなる回路パックにお
    いて、この部材が、第１端および第２端と、前記電子素
    子と前記回路板の間で信号を導通させるための、前記第
    １端と前記第２端の間の信号導通路と、前記材料で形成
    され、前記パッケージの外部の前記信号導通路上に当該
    信号導通路と統合して配置された拡張面とを有すること
    を特徴とする回路パック。
  21. 【請求項２１】 前記拡張面が放熱プレートからなるこ
    とを特徴とする請求項２０の回路パック。
JP7061510A 1994-02-28 1995-02-27 放熱装置 Pending JPH07263886A (ja)

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