JPH09126670A - ヒートパイプ式ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】プリント基板の表面に実装された半導体素子の
熱を効率よく裏面に放熱する。 【解決手段】プリント基板の裏面側に設けられた吸熱板
２と、当該吸熱板に形成されプリント基板の裏面側から
基板のスルーホールに挿入される吸熱用突起６と、吸熱
板の熱を放熱部へ伝達するために吸熱板に熱的に接合さ
れたヒートパイプ４とを有するヒートパイプ式ヒートシ
ンク。プリント基板１００の表面に実装された半導体チ
ップ１０６から発生する熱を、プリント基板に開設され
たスルーホール１０８の銅メッキ層１１０に伝熱し、次
に、このスルーホールに挿入された吸熱用突起６に伝熱
し、吸熱板、およびヒートパイプに順次伝熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子機器などで用
いられている発熱部品のヒートシンクに関し、特にプリ
ント基板に用いて好ましいヒートパイプ式ヒートシンク
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器を構成する電子部品において、
ＩＣやＬＳＩなどの半導体素子あるいはモジュール等
は、高密度化、高速化が進んでおり、これにともなって
使用時における発熱量も大幅に増大している。ＣＰＵが
温度上昇すると、故障にはいたらないまでも、処理速度
の低下などは避けられない。そのため、電子機器の分野
においては放熱性の向上が現在重要な課題となってい
る。

【０００３】従来この種の放熱技術として、ヒートパイ
プを利用したものが知られている。これは、半導体素子
などの発熱体から生じた熱を吸熱体を介してヒートパイ
プに吸収し、この熱を放熱板に伝熱させて放散させるも
のである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにヒートパイプを利用したヒートシンクでも、吸熱体
と発熱体との熱的接触が問題となっている。発熱体とし
てＣＰＵなどの半導体素子を用いる場合には、この半導
体素子と吸熱体とを直接ハンダ付けすることは、半導体
素子の信頼性が低下することから好ましくなく、また同
様な理由で半導体チップに圧力をかけることも好ましく
ない。

【０００５】発熱体と吸熱体との間の熱的接触抵抗を低
くすることが、特に狭い空間に装着される電子部品の放
熱性向上のために重要である。ところで、プリント基板
の表面に実装された半導体素子の熱を放熱させる手法と
して、たとえば図５に示す放熱構造が提案されている
（日経ＢＰ社発行「日経バイト」第１０４頁〜１０５
頁，１９９５年６月）。この放熱構造では、プリント基
板１０２に開設されたスルーホール１０８を利用して裏
面に設けられた放熱フィン８に熱を逃がす。

【０００６】しかしながら、この方法では、半導体素子
の熱はスルーホールに施された銅メッキ層を介して放熱
板に伝わるものの、銅メッキの厚さは２５μｍ程度であ
るため、熱抵抗が大きく伝熱効率が小さいという問題が
あった。また、特開平４−２７３４６５号公報に示すよ
うに、発熱体としての半導体素子が装着された多層回路
基板に、半導体素子毎の貫通孔を形成し、この貫通孔に
放熱フィンの突起を差し込んだ放熱構造が提案されてい
る。

【０００７】しかしながら、この放熱構造では、貫通孔
にペーストを注入した後、突起を差し込むようにしてお
り、ペーストが溶融ハンダである場合には、半導体素子
に熱が加わり半導体素子の信頼性が低下する。また、ペ
ーストが単なる接着剤である場合には、半導体素子に熱
が加わることは防止できるが、突起が貫通孔に挿入され
る際に、ペーストによる圧力が半導体素子に加わり、端
子の接続が外れたり素子自体の破損のおそれがある。特
に突起の高さにばらつきがあった場合や、半導体素子が
傾斜して基板に取り付けられていた場合には、ペースト
による圧力により、半導体素子自体あるいは端子接続の
信頼性が低下する。

【０００８】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、基板の表面に実装された半
導体素子の熱を効率よく裏面に放熱することができ、し
かも半導体素子の信頼性、あるいはその端子接続の信頼
性を低下させないヒートパイプ式ヒートシンクを提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のヒートパイプ式ヒートシンクは、基板の表
面に実装された発熱体に向けて開口するスルーホールが
形成された基板と、前記スルーホールの内周面に形成さ
れた第１の伝熱層と、前記基板の裏面側に設けられた吸
熱部と、当該吸熱部に形成され、前記基板の裏面側から
前記スルーホールに挿入される吸熱用突起と、前記吸熱
部の熱を放熱部へ伝達するために前記吸熱部に熱的に接
合されたヒートパイプとを有し、基板の表面に実装され
た発熱体から発生する熱を、前記基板に開設されたスル
ーホールの周面に形成された第１の伝熱層を介して、前
記基板の裏面に装着された吸熱部に伝熱することを特徴
とする。

【００１０】本発明のヒートパイプ式ヒートシンクは、
基板の裏面からスルーホールに挿入される吸熱用突起が
吸熱部に形成してあるので、発熱体で発生した熱は、ス
ルーホールの周面に形成された第１の伝熱層から吸熱用
突起を伝わって吸熱部に伝熱し、この吸熱部からヒート
パイプを介して放熱部に伝熱される。したがって、スル
ーホールに形成された第１の伝熱層が薄くても（断面積
が小さくても）、発熱体からの熱は即座に吸熱用突起へ
伝わるので熱抵抗が小さくなる。

【００１１】本発明のヒートパイプ式ヒートシンクにお
いて、発熱体が装着される基板の表面に、第１の伝熱層
に接続してある第２の伝熱層が装着してあることがより
好ましい。ここに第２の伝熱層を介装することにより、
発熱体からの熱をスルーホールの第１の伝熱層へ、より
効率的に伝熱させることができるからである。本発明に
おいて、第１または第２の伝熱層として好ましく用いら
れるものは、メッキなどにより基板面に一体的に形成さ
れる銅層等である。

【００１２】本発明において、ヒートパイプの配置位置
は特に限定されないが、ヒートパイプを基板の側面に配
置した場合には、ヒートシンクを薄く構成することがで
きる。また、ヒートパイプを基板の裏面の下方に配置し
た場合には、吸熱部からヒートパイプに至る熱抵抗をよ
り小さくすることができる。

【００１３】本発明において、スルーホールは、単一の
発熱体に向けて複数個形成してあることが好ましい。ま
た、吸熱用突起はスルーホールに応じて複数形成するこ
とができ、発熱体の発熱量と最大許容温度を考慮して適
宜選択することができる。また、その断面積もスルーホ
ールの内径に応じて所望径に形成でき、全て同一の断面
積でなくとも発熱体からの温度分布に応じて、発熱量が
大きい領域には大きな断面積のスルーホールと吸熱用突
起を設けることがより好ましい。

【００１４】本発明に係る吸熱用突起は、基板の表面近
傍まで達する長さとすることが好ましく、当該表面から
僅かに突出させても良い。発熱体により近づけることに
より発熱体から吸熱用突起に至る熱抵抗が小さくなるか
らである。ただし、本発明において、半導体チップを基
板に取り付けた後に、基板のスルーホールに吸熱用突起
を挿入させる場合には、突起の高さは、発熱体としての
半導体チップに接触しないような高さであることが好ま
しい。なぜなら、突起を発熱体により近づけることによ
り発熱体から吸熱用突起に至る熱抵抗が小さくなるが、
突起の挿入時に、半導体チップから成る発熱体に圧力を
かけないようにするためであり、結果的に半導体チップ
の信頼性と端子接続の信頼性を向上させる。なお、基板
のスルーホールに吸熱用突起を挿入した後で発熱体とし
ての半導体チップを基板に装着する場合には、突起の先
端が多少基板から突出していても、問題は少ない。

【００１５】本発明に係るヒートパイプ式ヒートシンク
は、ＣＰＵなどの半導体チップを冷却する場合に特に適
しており、特に、狭い空間に配置される半導体チップ、
たとえばノート型パーソナルコンピュータなどに用いら
れるＣＰＵを冷却する場合に特に適している。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１（Ａ）は本発明の実施の形態
であるヒートパイプ式ヒートシンクを示す斜視図、図１
（Ｂ）は当該ヒートパイプ式ヒートシンクをプリント基
板に装着した状態を示す断面図、図２は図１（Ｂ）の要
部拡大断面図である。

【００１７】本実施の形態であるヒートパイプ式ヒート
シンク１０を取り付けるプリント基板１００にあって
は、図１（Ｂ）に示すように、ガラスエポキシやポリイ
ミドからなる基板１０２の表面に、導電材料からなるラ
ンドまたはパターン１０４が形成されており、このラン
ドまたはパターン１０４に半導体チップ１０６が実装し
てある。図示する半導体チップ１０６は、ＩＣチップを
フィルムに貼り付けた構造であるＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃ
ａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）により封止してある。
図１（Ｂ）中、符号１０５がテープを示し、符号１０７
が封止樹脂を示す。基板１０２は必要に応じて多層板と
することができる。

【００１８】プリント基板１００には、半導体チップ１
０６の下側に、複数のスルーホール１０８が形成されて
おり、当該スルーホール１０８の内周面には厚さ２５μ
ｍ程度の銅メッキ層（第１の伝熱層）１１０が形成して
ある。なお、本発明においては、伝熱用として専用にス
ルーホール１０８を形成する以外にも、基板１０２の表
面に形成されたパターン等と裏面に形成されたパターン
等との導通をとるために通常形成されるスルーホールを
伝熱用として兼用することも可能である。

【００１９】本実施の形態であるヒートパイプ式ヒート
シンク１０は、図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、
上記プリント基板１００の裏面に配置される吸熱板（吸
熱部）２と、この吸熱板２の一側にカシメまたはハンダ
により接続されたヒートパイプ４とを有している。吸熱
板２の表面には、上述したスルーホール１０８に対応し
た複数の吸熱用突起６が形成してある。

【００２０】吸熱用突起６の外径は、スルーホール１０
８の内径よりも僅かに小さく形成されており、その長さ
は、図１（Ｂ）および図２に示すように、プリント基板
１００の表面と面一かまたは僅かに突出する程度に形成
することが望ましい。たとえば、板厚１．６ｍｍのプリ
ント基板１００に対しては吸熱用突起６の長さを１．６
〜１．８ｍｍとする。また、吸熱用突起６は半導体チッ
プ１０６の発熱量に応じて全て同一形状とすることもで
きるし、発熱量の多い部分には外径が大きい吸熱用突起
６を形成しても良い。

【００２１】吸熱板２と吸熱用突起６とは、パーリング
加工や鋳造にて一体的に形成することが望ましく、熱伝
導性に優れた銅、アルミニウム、マグネシウム合金など
から構成してある。また、吸熱板２と吸熱用突起６は、
腐食防止を目的として、ニッケルメッキ、クロムメッキ
等のメッキ処理を行っても良い。

【００２２】吸熱板２の一側には、ヒートパイプ４がカ
シメまたはハンダにより固定されており、内部に熱伝導
性に優れた流体が封入してある。これにより、吸熱用突
起６から吸熱板２に伝わった熱は、ヒートパイプ４に伝
わった後、図示しない放熱板に伝熱することになる。な
お、吸熱板２の一側をカシメるだけで吸熱板２とヒート
パイプ４との熱的特性が満足できない場合は、ヒートパ
イプ４と吸熱板２との間にグリース等を塗布することが
好ましい。

【００２３】吸熱板２や放熱板は、発熱体である半導体
チップ１０６からの熱量や適用される電子機器等の設置
スペースに応じた大きさとされるが、ヒートパイプ４も
伝熱性を考慮して径、長さ等が選択される。たとえば、
ノート型パーソナルコンピュータに搭載されるプリント
基板１００に適用する場合には、φ１ｍｍ〜φ３ｍｍ程
度のヒートパイプ４を用いることが好ましい。また、ヒ
ートパイプ４は、図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように
断面円状に形成しても良いが、吸熱板２や放熱板との接
触面積を極力大きくして伝熱性を高める意味において、
断面扁平状とすることがより好ましい。さらに、図１
（Ｂ）に示すように、ヒートパイプ４を吸熱板２の一側
にカシメ固定する際においては、吸熱板２の上面にのみ
限定されず吸熱板２の下面にカシメ固定することも可能
である。

【００２４】本実施の形態であるヒートパイプ式ヒート
シンク１０をプリント基板１００に装着するにあたって
は、吸熱板２に形成された複数の吸熱用突起６をプリン
ト基板１００に開設された複数のスルーホール１０８
に、プリント基板１００の裏面側から挿入する。このと
き、プリント基板１００と吸熱用突起６とをハンダによ
り固定してもよく、また伝熱グリースを塗布してもよ
い。

【００２５】なお、半導体チップ１０６とプリント基板
１００の表面との間には、伝熱性に優れた伝熱シート１
１２を介在させておくことが望ましい。また、ヒートパ
イプ４に接続される放熱部としては、たとえばノート型
パーソナルコンピュータのシャーシを挙げることができ
る。

【００２６】次に作用を説明する。半導体チップ１０６
で発生した熱は、伝熱シート１１２からスルーホール１
０８に形成された銅メッキ層１１０に伝わり、吸熱用突
起６を介して吸熱板２に伝熱し、この吸熱板２からヒー
トパイプ４を介して放熱部に伝熱される。このように、
本実施の形態であるヒートパイプ式ヒートシンク１０で
は、プリント基板１００の裏面からスルーホール１０８
に挿入される吸熱用突起６が吸熱板２に形成してあるの
で、スルーホール１０８に形成された銅メッキ層１１０
が２５μｍ程度と薄くても、すなわち断面積が小さくて
も、半導体チップ１０６からの熱は即座に吸熱用突起６
へ伝わることとなり、熱抵抗が小さくなる。したがっ
て、半導体チップ１０６の熱を効率よく裏面に放熱する
ことができる。

【００２７】また、本実施の形態ではヒートパイプ４を
プリント基板１００の側面に配置しているのでヒートシ
ンク１０を薄く構成することができる。本発明は上述し
た実施の形態にのみ限定されることなく種々に改変する
ことができる。

【００２８】図３は本発明の他の実施の形態であるヒー
トパイプ式ヒートシンクを示す断面図、図４は本発明の
さらに他の実施の形態であるヒートパイプ式ヒートシン
クを示す断面図である。図３に示す実施の形態では、ヒ
ートパイプ４は吸熱板２の内部に配置されており、これ
により半導体チップ１０６からスルーホール１０８の銅
メッキ層１１０を介して吸熱用突起６、および吸熱板２
に伝わった熱は、そのままヒートパイプ４に伝熱し、放
熱部であるフィン８から放熱する。したがって、吸熱板
２の一側にヒートパイプ４を設けた場合に比べ、吸熱用
突起６からヒートパイプ４に至る距離が短くなるだけ、
伝熱効率が向上するという効果がある。

【００２９】図３に示す実施の形態では、吸熱板２の裏
面にフィン８を形成して放熱部としたが、図４に示す実
施の形態では、吸熱板２以外に放熱部を設けた例であ
る。この場合には、図１に示す実施の形態と同様に、ヒ
ートパイプ４と熱的に接合される放熱部（図示せず）
は、たとえばノート型パーソナルコンピュータのシャー
シなどとされている。

【００３０】なお、本発明は、上述した実施の形態に限
定されず、本発明の範囲内で種々に改変することができ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、発熱
体で発生した熱は、スルーホールの周面に形成された第
１の伝熱層から吸熱用突起を伝わって吸熱部に伝熱し、
この吸熱部からヒートパイプを介して放熱部に伝熱され
るので、スルーホールに形成された第１の伝熱層が薄く
ても（断面積が小さくても）、発熱体からの熱は即座に
吸熱用突起へ伝わるので熱抵抗が小さくなる。その結
果、プリント基板の表面に実装された発熱体からの熱を
効率よく裏面に放熱することができる。

【００３２】また、本発明では、特開平４−２７３４６
５号公報とは異なり、スルーホールへの突起の挿入時に
ペーストを押しつぶす構成ではないので、発熱体として
の半導体素子に圧力を加えることがなく、素子の信頼性
が向上する。また、本発明では、単一の半導体素子に対
して、複数のスルーホールが形成してあるので、放熱性
は格別に向上する。さらに、本発明では、特開平４−２
７３４６５号公報とは異なり、ヒートパイプを利用して
いることから、さらに放熱性が向上し、特に、狭い空間
に配置される半導体チップ、たとえばノート型パーソナ
ルコンピュータなどに用いられるＣＰＵを冷却する場合
に特に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の実施の形態であるヒートパイ
プ式ヒートシンクを示す斜視図、（Ｂ）は当該ヒートパ
イプ式ヒートシンクをプリント基板に装着した状態を示
す断面図である。

【図２】図１（Ｂ）の要部拡大断面図である。

【図３】本発明の他の実施の形態であるヒートパイプ式
ヒートシンクを示す断面図である。

【図４】本発明のさらに他の実施の形態であるヒートパ
イプ式ヒートシンクを示す断面図である。

【図５】従来のヒートシンクを示す断面図である。

【符号の説明】

２…吸熱板（吸熱部） ４…ヒートパイプ ６…吸熱用突起 １０…ヒートシンク １００…プリント基板 １０６半導体チップ（発熱体） １０８…スルーホール １１０…銅メッキ層（第１の伝熱層） １１２…伝熱シート（第２の伝熱層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 素谷 順二 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 岩根 典靖 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の表面に実装された発熱体に向けて
   開口するスルーホールが形成された基板と、 前記スルーホールの内周面に形成された第１の伝熱層
   と、 前記基板の裏面側に設けられた吸熱部と、 当該吸熱部に形成され、前記基板の裏面側から前記スル
   ーホールに挿入される吸熱用突起と、 前記吸熱部の熱を放熱部へ伝達するために前記吸熱部に
   熱的に接合されたヒートパイプとを有し、 基板の表面に実装された発熱体から発生する熱を、前記
   基板に開設されたスルーホールの周面に形成された第１
   の伝熱層から吸熱用突起を介して、前記基板の裏面に装
   着された吸熱部に伝熱することを特徴とするヒートパイ
   プ式ヒートシンク。
2. 【請求項２】 前記発熱体が接する前記基板の表面に、
   前記第１の伝熱層に接続してある第２の伝熱層が装着し
   てある請求項１に記載のヒートパイプ式ヒートシンク。
3. 【請求項３】 前記ヒートパイプが、前記基板の側面に
   配置してあることを特徴とする請求項１または２に記載
   のヒートパイプ式ヒートシンク。
4. 【請求項４】 前記ヒートパイプが、前記基板の裏面の
   下方に配置してあることを特徴とする請求項１または２
   に記載のヒートパイプ式ヒートシンク。
5. 【請求項５】 前記発熱体が半導体チップであり、前記
   スルーホールが、単一の半導体チップに向けて複数個形
   成してある請求項１〜４のいずれかに記載のヒートパイ
   プ式ヒートシンク。