JP2007329204A - 熱拡散装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子等の電子部品からの熱を広範囲に拡散させることができ、今後の半導体素子等の発熱量、発熱密度の増大に十分に対応可能な熱拡散装置、およびそれを用いた電子機器を提供する。
【解決手段】発熱面１０ａを有する発熱体１０と、前記発熱面に対向する前記発熱面より面積の大きい受熱面１２ａを有する放熱装置１１との間に介在させて、前記発熱体からの熱を前記放熱装置に拡散伝熱する熱拡散装置１５であって、下面１５ａが前記発熱体の発熱面にほぼ合致し、上面１５ｂが前記放熱装置の受熱面にほぼ合致する円乃至角錐台形状に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子等の各種電子部品の冷却のために使用される熱拡散装置およびそれを用いた電子機器に関する。

ノート型パソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯電話、デジタルカメラ、プロジェクタ、デジタルビデオ等に代表される電子機器は、各種機能や処理能力等が急速に向上しており、また、小型化も進んでいる。それに伴って、ＣＰＵ等として用いられる半導体素子をはじめとする電子部品の発熱量、発熱密度は増加する傾向にある。このため、半導体素子等の動作特性や信頼性等を保つ上で、効率的な冷却システム、放熱システムが求められている。

高発熱、高発熱密度の半導体素子等の冷却システム、放熱システムとしては、半導体素子等の電子部品からの熱を、銅やアルミなどの熱伝導性の良好な材料からなる平板状の、いわゆるヒートスプレッダと称する熱拡散装置で拡散して発熱密度を低くした後、広い受熱面積、放熱面積を有するヒートシンクやファン付きヒートシンク等の放熱装置に伝熱し、放熱する方法が知られている。また、熱拡散装置として、上記のような銅やアルミからなる平板に代えて、金属のパイプまたはプレート内部に水等の流体を封入し、その流体の相変化（気化／凝縮）を利用して熱を拡散するヒートパイプ、ヒートレーンを使用する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。いずれも、熱拡散装置を使用したことにより、発熱体を直接ヒートシンクなどに接触させ放熱させる場合よりも効率よく放熱することができ、より多くの発熱量に対応することができる。

ところで、このような方法では、小さな発熱体から多くの熱をいかに効率よく拡散させ、広い受熱面積に伝熱し放熱させることができるかが重要である。

しかしながら、従来の銅やアルミのような等方性の熱伝導性を示す材料からなるヒートスプレッダでは、広い範囲に熱を拡散させることはできず、また、ヒートパイプやヒートレーンも、熱の輸送量、輸送距離に限度がある。このため、いずれの方法も、高発熱、高発熱密度の半導体素子等の冷却システム、放熱システムとしては十分なものではなかった。
特開２００５−２９４６６５号公報

本発明はこのような従来技術の課題を解決するためになされたもので、半導体素子等の電子部品からの熱を広範囲に拡散させることができ、今後の半導体素子等の発熱量、発熱密度の増大に十分に対応可能な熱拡散装置、およびそれを用いた電子機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願の請求項１に記載の熱拡散装置は、発熱面を有する発熱体と、前記発熱面に対向する前記発熱面より面積の大きい受熱面を有する放熱装置との間に介在させて、前記発熱体からの熱を前記放熱装置に拡散伝熱する熱拡散装置であって、
下面が前記発熱体の発熱面にほぼ合致し、上面が前記放熱装置の受熱面にほぼ合致する円乃至角錐台形状に形成されていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の熱拡散装置において、熱伝導性に異方性を有する材料により形成され、その良好な熱伝導性を示す方向が前記発熱体からの熱の拡散方向に一致していることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項２記載の熱拡散装置において、前記熱の拡散方向の熱拡散率が、２００ｍｍ^２／ｓ以上であることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３記載の熱拡散装置において、前記熱伝導性に異方性を有する材料は、グラファイトであることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱拡散装置において、前記放熱装置は、ヒートシンクであることを特徴とするものである。

上記課題を解決するために、本願の請求項６に記載の電子機器は、請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱拡散装置を具備することを特徴とするものである。

本発明によれば、半導体素子等の電子部品からの熱を広範囲にかつ効率よく拡散させることができ、今後の半導体素子等の発熱量、発熱密度の増大に十分に対応可能な熱拡散装置、およびそのような熱拡散装置を備えた電子機器が提供される。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の熱拡散装置の一実施形態を示す斜視図であり、また、図２は、その使用形態、すなわち、図１に示す熱拡散装置を用いた電子部品用冷却装置の一例を示す側面図である。

図２において、１０は、発熱体としての半導体素子等の電子部品、１１は、放熱装置としてのヒートシンクを示している。ヒートシンク１１は、底板部１２と、この底板部１２に立設された互いに平行な複数の板状放熱フィン１３を有し、底板部１２の下面（受熱面１２ａ）が電子部品１０の上面（発熱面１０ａ）と対向するように配置されている。また、ヒートシンク１１の上方近傍には冷却ファン１４が配置されている。

本実施形態の熱拡散装置１５は、上記電子部品１０とヒートシンク１１の間に配置され、図１に示すように、受熱面１５ａと放熱面１５ｂを有し、全体として円乃至角錐台形状（図面の例では、角錐台形状）に形成されている。熱拡散装置１５の受熱面１５ａは、電子部品１０の発熱面１０ａに当接され、該発熱面１０ａとほぼ同形でほぼ同じ大きさを有している。一方、熱拡散装置１５の放熱面１５ｂは、ヒートシンク１１の受熱面１２ａに当接され、該受熱面１２ａとほぼ同形でほぼ同じ大きさを有している。

そして、本実施形態において、熱拡散装置１５は、熱伝導性に異方性を有し、その良好な熱伝導性を示す方向の熱伝導率が２５０〜８００Ｗ／ｍ・Ｋ、密度が１〜２．５ｇ／ｃｍ^３、比熱容量が６７０〜９８０Ｊ／ｋｇ・Ｋのグラファイトを主体とした材料により、その熱伝導性の良好な方向が水平方向、すなわち受熱面１５ａ、放熱面１５ｂに平行な方向に向くように加工成形されている。したがって、この熱拡散装置１５の水平方向の熱拡散率は、２００ｍｍ^２／ｓ以上である。本発明においては、水平方向の熱拡散率が、３００ｍｍ^２／ｓ以上になるようにすることがより好ましい。

このように構成される電子部品用冷却装置において、電子部品１０が発生した熱は、熱拡散装置１５の受熱面１５ａに伝熱され、水平方向に速やかに拡散され、熱拡散装置１５の放熱面１５ｂ全面に広げられた後、その放熱面１５ｂ全面から、ヒートシンク１１の受熱面１２ａ全面に伝熱され、板状放熱フィン１３の表面から放熱される。板状放熱フィン１３は、冷却ファン１４からの送風によって強制的に冷却される。

本実施形態では、熱拡散装置１５は、その受熱面１５ａおよび放熱面１５ｂがそれぞれ電子部品１０の発熱面１０ａおよびヒートシンク１１の受熱面１２ａとほぼ同形でほぼ同じ大きさとされ、円乃至角錐台形状に形成されているため、電子部品１０が発した熱をヒートシンク１１の放熱フィン１３から効率よく放熱することができる。

すなわち、一般にヒートシンクは受熱部で受けた熱を底板部内部の熱伝導によって拡散させていくが、底板部内部の拡散は熱分布をもってなされるので、受熱部上のフィンと受熱部から離れたヒートシンク端部のフィンとでは大きな熱分布を生じる。これはヒートシンク自体のフィン効率（放熱効率）の低下に繋がるため、ヒートシンクは自ずと余裕率を大きくとらなければならない。ヒートシンクのフィンの面積は、受熱部で受ける熱とヒートシンク自体の熱抵抗から換算されて算出され、その際、熱密度をできるだけ低減させる観点から、底板部面積を発熱体の発熱面の面積より大きくする。このとき、発熱体の発熱面からヒートシンクの底板部に効率よく熱を伝達できれば、フィン効率が向上し、ヒートシンク全体の熱抵抗も低下させることが可能となる。本実施形態では、上記のような円乃至角錐台形状に形成されており、発熱体の発熱面からヒートシンクの底板部に効率よく熱を伝達できる。したがって、ヒートシンクのフィン効率を向上させ、ヒートシンク全体の熱抵抗も低下させることができ、発熱体である電子部品１０発した熱をヒートシンク１１の放熱フィン１３から効率よく放熱することが可能となる。また、このようにヒートシンクのフィン効率を向上させ、ヒートシンク全体の熱抵抗を低下させることができるため、より小型のヒートシンクを使用することが可能となる。

しかも、本実施形態では、熱拡散装置１５が、熱伝導性に異方性を有し、その良好な熱伝導性を示す方向の熱伝導率が２５０〜８００Ｗ／ｍ・Ｋ、密度が１〜２．５ｇ／ｃｍ^３、比熱容量が６７０〜９８０Ｊ／ｋｇ・Ｋのグラファイトを主体とした材料により形成され、かつ、その熱伝導性の良好な方向が水平方向に向いているので、受熱面１５ａで受熱した電子部品１０からの熱は、水平方向全体により速やかに広がる。このため、ヒートシンク１１の放熱効率をより向上させることができるとともに、熱応答性も高めることができる。

上記熱拡散装置１５の製造にあたっては、フレーク状のグラファイトを圧縮成形するなどして所要の厚みのグラファイトを得、これを切削加工する方法や、フレーク状のグラファイトを所定の形状に押出成形する方法などを用いることができる。

なお、以上説明した例では、放熱装置として、底板部１２に複数の板状放熱フィン１３を互いに平行に立設した構造のヒートシンク１１を使用しているが、特にこのような例に限定されるものではなく、例えば底板部１２に多数の棒状の放熱フィン１３を立設した構造のヒートシンクであってもよい。また、ヒートシンク以外の放熱装置であってもよく、要は、発熱体の１つの発熱面に対向する受熱面を有するものであればよい。

また、本発明においては、必要に応じて、電子部品１０と熱拡散装置１５との界面、および、ヒートシンク１１と熱拡散装置１５との界面に、伝熱性の良好なグリース等を塗付するようにしてもよい。これにより、各界面における接触熱抵抗を低減し、放熱性能をより高めることができる。

次に、本発明の実施例を具体的に記載するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

実施例
予め酸処理したフレーク状の天然グラファイトを積層し、これを成型し、厚み方向への結晶配向して、厚さ約２０ｍｍのグラファイト厚板を製造した。このグラファイト厚板の熱伝導率、（長さ−幅方向および厚さ方向）、密度および比熱容量を測定したところ、長さ−幅方向の熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ方向の熱伝導率４００Ｗ／ｍ・Ｋ、密度１．７８ｇ／ｃｍ^３、比熱容量８２０Ｊ／ｋｇ・Ｋであった。

上記グラファイト厚板を切削加工して、下面が５０ｍｍ×５０ｍｍで、上面が１２０ｍｍ×６５ｍｍ、厚さ２０ｍｍの図１に示すような角錐台形状の熱拡散装置を作製した。

次いで、得られた熱拡散装置の下面中央に３０ｍｍ角のセラミックヒータ（１３０Ｗ）を配置するとともに、熱拡散装置の上面に下記に示すような市販の冷却ファン付銅製スカイブヒートシンクを、その底板部の下面を熱拡散装置の上面に合致させ配置し、上方より２０ｋｇｆの荷重をかけて固定した。
［冷却ファン付銅製スカイブヒートシンク］
放熱フィン：ピッチ１．５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、高さ５０ｍｍ
底板部：長さ１２０ｍｍ、幅６５ｍｍ、厚さ４ｍｍ

セラミックヒータに通電するとともに、ヒートシンクに冷却ファンにより０．５ｍ^３／ｍｉｎ（２５℃）の風を送り、セラミックヒータおよびヒートシンク上面の温度を測定した。測定は温度が定常状態に達したところで行った。

また、比較のために、セラミックヒータ上に冷却ファン付銅製スカイブヒートシンクを直接固定したものについて、同様の測定を行った。

結果は、表１に示した通りで、熱拡散装置を用いた実施例では良好な放熱効果が認められた。

本発明の熱拡散装置の一実施形態を示す斜視図。 図１に示す熱拡散装置を用いた電子部品の冷却装置の一例を示す側面図。

符号の説明

１０…電子部品、１０ａ…電子部品の発熱面、１１…ヒートシンク、１２…底板部、１２ａ…ヒートシンクの受熱面、１３…板状放熱フィン、１４…冷却フィン、１５…熱拡散装置、１５ａ…熱拡散装置の受熱面、１５ｂ…熱拡散装置の放熱面

Claims (6)

1. 発熱面を有する発熱体と、前記発熱面に対向する前記発熱面より面積の大きい受熱面を有する放熱装置との間に介在させて、前記発熱体からの熱を前記放熱装置に拡散伝熱する熱拡散装置であって、
   下面が前記発熱体の発熱面にほぼ合致し、上面が前記放熱装置の受熱面にほぼ合致する円乃至角錐台形状に形成されていることを特徴とする熱拡散装置。
2. 熱伝導性に異方性を有する材料により形成され、その良好な熱伝導性を示す方向が前記発熱体からの熱の拡散方向に一致していることを特徴とする請求項１記載の熱拡散装置。
3. 前記熱の拡散方向の熱拡散率が、２００ｍｍ^２／ｓ以上であることを特徴とする請求項２記載の熱拡散装置。
4. 前記熱伝導性に異方性を有する材料は、グラファイトであることを特徴とする請求項２または３記載の熱拡散装置。
5. 前記放熱装置は、ヒートシンクであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱拡散装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱拡散装置を具備することを特徴とする電子機器。

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