JPWO2008120358A1

JPWO2008120358A1 - ヒートシンク

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Publication number: JPWO2008120358A1
Application number: JP2009507349A
Authority: JP
Inventors: 田中　義朗; 義朗田中; 吉長　寿; 寿吉長
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2010-07-15
Also published as: TW200839494A; US20090308581A1; CN101617401A; WO2008120358A1; KR20100005001A

Abstract

放熱面に放電現象が生じても、電子機器に与える電気的な影響を緩和するヒートシンクを提供することを課題とする。係る課題を解決するため、ヒートシンク１であって、電子部品１０の熱を空気に放つ導電性の放熱部５と、前記放熱部５の放熱面３Ａ上に配設され、該放熱面３Ａに近接する有体物８と該放熱部５との間で放電現象が生じた際、該有体物８と該放熱部５との間を流れる放電電流を制限する電流制限部１５と、を備える。

Description

本発明は、電子部品の熱を放熱させるヒートシンクに関する。

電子部品は、半導体素子等に電気が流れると発熱する。電子部品は、温度が上昇して設計値を超えると故障や性能低下を招く恐れがあるため、ヒートシンク等の冷却装置が取り付けられる。

例えば、特許文献１には、パワートランジスタやダイオードを挟んでいる部分の電極の厚さを薄くすることで、冷却体への熱伝達性能を高める技術が記載されている。また、特許文献２には、冷却風の流れをルーバで調整することで、発熱体に冷却風を均等に吹きかける技術が記載されている。また、非特許文献１には、様々なヒートシンクの形状が例示されている。また、非特許文献２および３には、ヒートシンクの選択方法あるいは設計方法等が記載されている。
特開２００６−２２９１８０号公報特開２００４−３１５０４号公報丸三電機［平成１９年３月１９日検索］（URL:http://www.lex.co.jp/Product/catalog/kogata.pdf）水谷電気工業株式会社［平成１９年３月１９日検索］（URL:http://mizuden.co.jp/KISO0.html）水谷電気工業株式会社［平成１９年３月１９日検索］（URL:http://mizuden.co.jp/KISO1.html）

昨今の電子機器は、クロック周波数の高速化、プリント板の高密度実装化、装置の軽量化等に伴い、電波対策（ＥＭＩ対策： Electromagnetic Interference）および静電気対策（ＥＳＤ対策：Electrostatic Discharge）がますます困難になっている。ノート型パーソナルコンピュータやプリンタなどに代表される情報機器は、内部に存在する様々な半導体やそのインターフェースにより、広範囲の周波数帯域で様々なノイズ（例えば、広帯域ノイズや狭帯域ノイズ等。）を放出する。その一方で、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やチップセット等は、省電力化のために小型化されて起電力が下がり、静電気放電に対する耐性が低下している。これらのノイズをＥＭＣ規制（ Electromagnetic Compatibility）で規定されている許容値以内に抑えないと、装置を出荷することはできない。また、装置出荷後のフィールド障害の発生を抑制するため、静電気放電に対する耐性も高めておく必要がある。

例えば、ノート型パーソナルコンピュータのヒートシンクは、伝熱性の高い銅またはアルミニウムで構成されている。また、ヒートシンクの多くは空冷式であるため、外部から視認可能な吸気口や排気口の近くに配置される。これら吸気口や排気口の内部には、帯電した人体等から静電気が侵入する可能性がある。ここで、ヒートシンクは、ニッケル等によるメッキ処理、または表面が平滑な状態で構成されており、静電気放電に対する配慮がされていない。よって、ヒートシンクにおける静電気の影響が、ＣＰＵやチップセットに直接的に伝わる。従って、吸気口や排気口の内部に配置されるヒートシンクに静電気が飛ぶと、起電力の低いＣＰＵやチップセットに静電気が流れ、装置全体が誤作動を起こしたり、ＣＰＵが破損したりする場合がある。これは、電子機器の品質に関わる問題であり、フィールド障害の一因となり得る。このようなヒートシンクにおける静電気放電に対抗するため、従来は、装置全体にその対策を施しており、製造コスト上昇の一因にもなっていた。

そこで、本発明は、放熱面に放電現象が生じても、電子機器に与える電気的な影響を緩和するヒートシンクを提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、放熱面に近接する有体物と放熱部との間を流れる放電電流を制限する。

詳細には、ヒートシンクであって、電子部品の熱を空気に放つ導電性の放熱部と、前記放熱部の放熱面上に配設され、該放熱面に近接する有体物と該放熱部との間で放電現象が生じた際、該有体物と該放熱部との間を流れる放電電流を制限する電流制限部と、を備える。

放熱面に近接する有体物と放熱部との間の電位差が広がり、この電位差が、該有体物と該放熱部との間にある空気が絶縁することが可能な電位差を上回ると、有体物と放熱部との間で放電現象が生じる。空気中における放電現象は、温度や湿度の条件によっても大きく左右されるが、一般的に、数キロボルトオーダーの電位差がある物同士の間で発生する。電源ユニットや通信線等を経由して侵入する異常電圧に対しては、これら異常電圧を吸収する回路を設けることで解決可能である。他方、ヒートシンクは、電子部品との間で熱交換を行う必要があるため、ヒートシンクと電子部品との間に異常電圧を吸収する回路を設けることはできない。

そこで、本発明に係るヒートシンクは、放熱部の放熱面上に放電電流を制限する電流制限部を備えることで、電子部品への電気的な影響を緩和する。すなわち、電流制限部を備えることで有体物と放熱部との間を流れる放電電流を制限し、放熱部の電位変動を抑制する。放電現象が生じた際、放熱部の電位変動が抑制されるので、放熱部と接続されている電子部品への電気的な影響が緩和される。

以上、本発明に係るヒートシンクによれば、放熱面に放電現象が生じても、電子機器に与える電気的な影響を緩和することが可能になる。

ここで、前記電流制限部は、前記放熱面上に凹凸加工を施すことによって形成された突起で構成され、該突起の電気抵抗によって前記放電電流を制限するようにしてもよい。

導電性の物質は、内部で存在可能な電子の量に限界があるため、流すことが可能な電流値に上限がある。よって、電流が流れる導電性物質の断面積を制限すれば、ここを流れる電流に抵抗が生じ、電位差が発生する。また、放電現象は、空気中の電気抵抗が最も小さい、直線距離が最も近い部位同士の間で発生する。よって、放熱面上に突起を設けることにより、放熱面に近接する有体物と突起の先端との間で放電現象を生じさせることができる。ここで、本発明は、突起を、例えば先端部分を細くしたり、あるいは突起全体を細くしたりすることにより、該突起が流すことが可能な電流を小さくする。これにより、放電現象が生じた際に流れる放電電流が制限され、放熱部の電位変動が抑制される。

ここで、前記電流制限部は、前記放熱面上に粗面加工を施すことによって形成され、粗面の電気抵抗によって該放電電流を制限するようにしてもよい。

これによれば、放熱面に近接する有体物と放熱部との間で放電電流が流れる際、粗面加工が施された放熱面の微小な凹凸によって電気的な抵抗が発生し、放熱部に流れる放電電流が制限され、放熱部の電位変動が抑制される。

ここで、前記電流制限部は、表面に防錆処理またはメッキ処理が施されていてもよい。

これによれば、電流制限部の表面が防錆処理またはメッキ処理によって保護されているので、放電による溶損等が抑制され、気中放電に対する耐性を高めることが可能となる。

ここで、前記放熱部は、電子機器の内部に配設された電子部品の熱を、該電子機器の外装に設けられた通気口を介して空気中に放ち、前記電流制限部は、前記放熱部と前記開口部との間に位置し、前記電子機器の周囲にある前記有体物と前記放熱部との間に放電現象が生じた際、該有体物と該放熱部との間を流れる放電電流を制限するようにしてもよい。

一般的に、電子機器に内蔵される空冷式のヒートシンクは、放熱部が外気に触れやすいようにするため、電子機器の外装に設けられた通気口付近に配設される。通気口は、空気を通過させる必要があるため、電気的なノイズや静電気等の侵入を防ぐことが困難である。この通気口から進入した電気的なノイズや静電気等がヒートシンクを経由して内部の電子回路に到達すると、機器の誤作動や故障を招く。そこで、本発明は、電流制限部が開口部と放熱部との間に配置されるようにする。これにより、通気口の付近にある有体物と放熱部との間で放電現象が生じた際、放熱部の電位変動が抑制され、電子機器の誤作動や故障を抑制することが可能になる。

ここで、前記電流制限部は、前記通気口を通して外部から目視可能な位置に配置されるようにしてもよい。

これによれば、通気口の付近にある有体物から放たれる放電電流が電流制限部を介して放熱部に伝達されるようになるので、放電電流が制限されて放熱部の電位変動が抑制される。

放熱面に放電現象が生じても、電子機器に与える電気的な影響を緩和するヒートシンクを提供することが可能となる。

実施形態に係るヒートシンクの斜め上から見た斜視図。実施形態に係るヒートシンクの斜め下から見た斜視図。実施形態に係る放熱板の放熱面の一部を拡大したＡ−Ａ断面図。突起が放電電流を制限する際の電気的な流れを示す図。放熱部の電圧と時間との関係を表したグラフ。ヒートシンクを搭載したノートＰＣの斜視図。ノートＰＣの通気口付近を外部から見た斜視図。実証試験を行う際の実験装置類の配置状態を示す図。実証試験の結果を示す表。変形例に係る放熱板の放熱面の一部を拡大した図。変形例に係る放熱板の放熱面の一部を拡大した図。

符号の説明

１ヒートシンク
２伝熱面
３放熱面
４放熱板
５冷却フィン
６伝熱部
７，１６突起
８有体物
９ノートＰＣ
１０ＣＰＵ
１１本体部
１２表示部
１３送風ファン
１４通気口
１５電流制限部
１７放電現象

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態に係るヒートシンクを説明する。本実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜構成＞
図１Ａ，Ｂにおいて、本発明の一実施形態に係るヒートシンク１の斜視図を示す。図１Ａ，Ｂにおいて示すように、ヒートシンク１は、熱源（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）。）との間で熱交換を行う伝熱面２、空気との間で熱交換を行う放熱面３Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを有する放熱板４が多数並べられた冷却フィン５（本発明でいう、放熱部に相当する。）、および伝熱面２と冷却フィン５との間の熱伝達を司る伝熱部６を備えている。なお、ヒートシンク１は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性部材で構成されており、導電性がある。

図２において、放熱板４の放熱面３Ａ付近を拡大したＡ−Ａ断面図を示す。図２において示すように、放熱板４の放熱面３Ａには、冷却フィン５の付近にある有体物と冷却フィン５との間で放電現象が生じた際に、この有体物と冷却フィン５との間を流れる放電電流を制限するための突起７が多数並べられた電流制限部１５が設けられている。このような多数の突起７は、例えば、放熱面３Ａにカッターのようなもので切り込みを入れることで形成する。なお、突起７は、冷却フィン５を成形する金型によって予め形成されるようにしてもよいし、放熱面３Ａにプレス加工あるいはレーザ加工を施すことで形成するようにしてもよい。

図３において、突起７が放電電流を制限する際の電気的な流れを示す。図３において示すように、冷却フィン５の付近にある有体物８（例えば、テーブルや人体の一部。）と冷却フィン５との間の電位差が、有体物８と冷却フィン５との間の空気中における絶縁破壊電圧を超えると、有体物８と冷却フィン５との間で放電現象１７が生じる。有体物８と冷却フィン５との間で最も絶縁破壊電圧が低いのは、空気中における距離が最も短い突起７の先端部分と有体物８との間である。よって、有体物８と冷却フィン５との間の電位差が大きくなると、突起７の先端部分と有体物８との間で最も早く放電現象が生ずる。

ここで、図３において示すように、突起７の先端部分は、極めて細く構成されている。よって、突起７は導電性の金属材料で構成されているものの、その先端部分が流すことが可能な電流はある程度制限される。従って、有体物８と冷却フィン５との間で放電現象が生じた際、過大な放電電流が流れる突起７の先端部分が抵抗としての機能を果たし、冷却フィン５を流れる電流が制限される。このように、有体物８と冷却フィン５との間で放電現象が生じた際、冷却フィン５を流れる電流が制限されるので、放電電圧が伝熱部６や伝熱面２を介してＣＰＵ等の熱源に伝わりにくくなる。

図４において、電流制限部１５が設けられたヒートシンク１に放電された場合と電流制限部１５が設けられていないヒートシンクに放電された場合とを比較した、冷却フィン５の電圧と時間との関係を表したグラフを示す。図４のグラフにおいて示すように、電流制限部１５が設けられているヒートシンク１の場合、放電電流が制限されるので、冷却フィン５の電圧上昇（電位変動）が抑制され、電流制限部が設けられていないヒートシンクよりも電圧の最大値が低くなる。

次に、ヒートシンク１の適用例について説明する。図５において、ヒートシンク１を搭載したノート型パーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣ９という。）の斜視図を示す。図５において示すように、ノートＰＣ９は、発熱原であるＣＰＵ１０等を内蔵した本体部１１と、液晶パネルを有する表示部１２とで構成されている。

ノートＰＣ９の本体部１１は、ＣＰＵ１０の熱を外部に放熱するためのヒートシンク１や送風ファン１３を内蔵しており、ＣＰＵ１０が過熱するのを防いでいる。図５において示すように、ヒートシンク１は、伝熱面２がＣＰＵ１０に接するように配設されており、また、冷却フィン５が通気口１４付近に配設されている。冷却フィン５が通気口１４付近に配設されていることにより、放熱面３Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが空気に晒されて冷却される。

ここで、冷却フィン５は、通気口１４付近に配設されているため、外部で発生する電気的ノイズや静電気等の影響を受けやすい。図６において、ノートＰＣ９の通気口１４付近を外部から見た斜視図を示す。図６において示すように、冷却フィン５は、ノートＰＣ９の通気口１４付近の、外部から視認しやすい位置に配置されている。ここで、例えば、静電気を帯びたユーザがノートＰＣ９の通気口１４付近に触れると、ユーザと冷却フィン５との間で放電現象が発生する。そこで、本実施形態に係るヒートシンク１は、放電電流を制限する突起７が通気口１４の外の方向を向くような姿勢でノートＰＣ９内に配設されている。

＜効果＞
以上により、本実施形態に係るヒートシンク１によれば、通気口１４のような外部から電気が侵入しやすい位置に冷却フィン５が配設されても、この冷却フィン５に入力される放電電流が制限されるので、ヒートシンク１と電気的に繋がれた電子部品に対する電気的な影響を緩和することが可能になる。特に、放熱面３に加工を施すことで放電電流を制限するようにしているので、放熱面３の冷却性能を低下させることなく、耐電圧特性を向上させることが可能になる。

また、過剰な静電気対策部材を追加することなく、装置全体の静電気放電に対する耐性を向上させて品質を維持することが可能となる。

また、過剰な静電気対策部材を追加することがないため、装置全体の電波評価やヒートシンク以外の静電気放電の評価等に影響を与えない。このため、ヒートシンク以外の部分を再試験して、静電気放電を評価し直すという問題も回避される。

また、本実施形態に係るヒートシンク１によれば、例えば、電波吸収シートをＣＰＵに貼付する等の追加対策が不要となり、装置の製造コストを抑制することが可能となる。

また、上記のような表面処理を行えば、ヒートシンク全体の表面積も大きくなるため、ヒートシンクの冷却効率が向上し、冷却性能が高まる。

＜実証試験＞
以下、電流制限部１５を有していないヒートシンクを搭載したノートＰＣ（富士通株式会社製ノートＰＣ：以下、試験体１という。）と、電流制限部１５を有するヒートシンク１を搭載したノートＰＣ９（以下、試験体２という。）と、を気中放電試験した際の試験方法、および試験結果について説明する。本実証試験は、国際規格ＩＥＣ６１０００−４−２（International Electrotechnical Commission）の試験方法に準拠している。この規格は、化学繊維の衣料等が使用されるような条件において、操作者あるいは近接有体物から発生する静電気放電に対する電子機器の耐性を評価するものである。

図７において、本実証試験を行う際の実験装置類の配置状態を示す。図７において示すように、木製テーブルの上には水平結合板を挟んで絶縁シートが載せられている。絶縁シートの上にはノートＰＣ、電源ケーブル、除電ブラシ等が載せられる。なお、木製テーブルの下にはＥＳＤ試験器（静電気放電試験器：BigBang社製ＥＳＤシミュレータ５３００）が設置されており、ＥＳＤ試験器の接地線が基準グランドプレーンに接続されている。また、この基準グランドプレーンは、抵抗器を介して木製テーブル上の絶縁シートと電気的に接続されている。なお、ＥＳＤ試験器には、電気を放電するための放電ガンが接続されている。

試験担当者は、放電ガンの先端をノートＰＣの通気口に向けてヒートシンクに放電し、データを採取する。採取するデータは、放電ガンから放電された電気の放電電圧、放電ピーク電流や電流値の時間変化である。これら採取したデータが、国際規格ＩＥＣ６１０００−４−２が定める特性を満たしていれば、合格と判定する。なお、国際規格ＩＥＣ６１０００−４−２は、耐電圧特性の条件を、試験レベル（すなわち、放電時の試験電圧。）に応じて段階的に定めている。よって、本実施形態に係る実証試験においては、試験体１と試験体２について、放電試験の試験レベルを段階的に上げていき、ＩＥＣ規格を満たすことが可能な放電電圧をそれぞれ調べる。

図８において、本実証試験の結果を示す。本実証試験において、試験体１と試験体２のそれぞれについて、ＩＥＣ規格を満たすことが可能な放電電圧を調べた結果、試験体１については放電電圧５ｋＶまで合格基準を満たしたが、試験体２については放電電圧７ｋＶまで合格基準を満たすことが確認された。すなわち、本発明を適用すると、静電気気中放電に対して２ｋＶ〜３ｋＶ程度、耐力が向上することが確認された。従って、本実証試験により、本発明に係る電流制限部を設けた場合、電流制限部を設けていないヒートシンクよりも電子機器に与える電気的な影響が緩和されることが立証された。

＜変形例＞
なお、上述の実施形態において、電流制限部１５は、先端部分が尖った形状の突起で構成されていたが、本発明はこれに限定されない。図９において、電流制限部１５の変形例を示す。電流制限部１５は、突起が放電電流さえ制限可能であれば、図９において示すような、先端部分が丸みを帯びた突起で構成してもよい。

また、本発明において、電流制限部１５は、突起で構成されるものに限定されるものではない。図１０において、電流制限部の変形例を示す。図１０において示すように、電流制限部は、放熱面に粗面加工を施すことで放熱面を粗面にし、電気的な抵抗を高めるようにしてもよい。この粗面は、放熱面をサンドペーパー等で研磨したり、サンドブラスト処理を施すことで形成する。

これら変形例によっても、放電現象が生じた際に放電電流が制限され、放熱部の電位変動を抑制することが可能になる。

なお、本発明は、静電気が気中放電され得る箇所、例えば、ノートＰＣのネジ穴や金属コネクタ等に適用しても効果的である。

Claims

電子部品の熱を空気に放つ導電性の放熱部と、
前記放熱部の放熱面上に配設され、該放熱面に近接する有体物と該放熱部との間で放電現象が生じた際、該有体物と該放熱部との間を流れる放電電流を制限する電流制限部と、を備える
ヒートシンク。
前記電流制限部は、前記放熱面上に凹凸加工を施すことによって形成された突起で構成され、該突起の電気抵抗によって前記放電電流を制限する、
請求項１に記載のヒートシンク。
前記電流制限部は、前記放熱面上に粗面加工を施すことによって形成され、粗面の電気抵抗によって該放電電流を制限する、
請求項１に記載のヒートシンク。
前記電流制限部は、表面に防錆処理またはメッキ処理が施されている、
請求項１から３の何れかに記載のヒートシンク。
前記放熱部は、電子機器の内部に配設された電子部品の熱を、該電子機器の外装に設けられた通気口を介して空気中に放ち、
前記電流制限部は、前記放熱部と前記開口部との間に位置し、前記電子機器の周囲にある前記有体物と前記放熱部との間に放電現象が生じた際、該有体物と該放熱部との間を流れる放電電流を制限する、
請求項１から４の何れかに記載のヒートシンク。
前記電流制限部は、前記通気口を通して外部から目視可能な位置に配置される、
請求項１から５の何れかに記載のヒートシンク。