JP2010129759A

JP2010129759A - 電子機器用放熱器

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Publication number: JP2010129759A
Application number: JP2008302514A
Authority: JP
Inventors: Hideko Mukae; 英子迎; Nobuyuki Hironishi; 伸幸廣西
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: JP5151933B2

Abstract

【課題】小型で放熱効率のよい電子機器用放熱器を提供する。
【解決手段】電子部品２が実装されているプリント基板３にプリント基板３を貫通して電子部品２の端子４に繋がる導体柱５が設けられ、プリント基板３の電子部品２が実装された箇所の反対面に、導体柱５の端面を覆う絶縁シート６を介して放熱板７が押し当てられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型で放熱効率のよい電子機器用放熱器に関する。

一般に、電子機器は、電子回路を構成する電子部品がプリント基板に実装され、そのプリント基板が筐体に収容されている。筐体は、気密に密閉されているもの、外気が通るようにスリットなどで開放されているもの、ファンが内蔵されて筐体内に強制的に外気が取り込まれるようになったものなどがある。いずれの場合でも、ＣＰＵやＬＳＩなどの電力を多く消費する半導体素子からなる電子部品は、発熱しやすく、しかも高温環境で劣化しやすいため、この種の電子部品に対して積極的に冷却（放熱）手段を設ける必要がある。特に、航空エンジンの制御に使用される電子機器のように設置される環境の環境温度が高い場合、放熱手段は欠かせない。このため、特許文献１のような方法が提案されている。

特開２００１−２８４８６２号公報

ところで、ジェットエンジンの制御に使用される電子機器である航空エンジン用電子制御装置では、電気配線を最小限にして航空機を軽量化する目的で航空エンジン用電子制御装置は制御対象であるジェットエンジンの近傍に設置される。また、航空エンジン用電子制御装置とジェットエンジンとを一体化部品とすることでジェットエンジンのメンテナンス性を向上させる目的からも航空エンジン用電子制御装置はジェットエンジンの近傍に設置される。さらには、航空機の胴体には航空エンジン用電子制御装置を設置するスペースが確保できないという理由もあって上記のような設置となる。

航空エンジン用電子制御装置は、ジェットエンジンの近傍に設置されて環境温度が高いので、放熱手段を設ける必要がある。しかし、高度が高い場所では外気温は低いものの、空気の濃度が薄いため、空冷のみでは冷却効果が期待できない。そこで、空冷に頼るだけではなく、放熱器を設置して熱伝導による冷却をすることになる。

従来の航空エンジン用電子制御装置では、発熱の大きい電子部品とプリント基板との間に放熱板を挟んだり、発熱の大きい電子部品の表面に放熱板を設置したり、プリント基板の銅箔の面積を広くして銅箔による熱伝導を図るなどしている。いずれの場合も、航空エンジン用電子制御装置はプリント基板を収容した筐体が密閉又は半密閉構造であるため、筐体内の放熱板から筐体に熱伝導するように、放熱板は筐体に対して直接又は間接的に接する必要がある。

しかしながら、特許文献１のような従来の航空エンジン用電子制御装置では、基板の表側から放熱板を接するようにした場合、基板の工作精度に起因する高さの違いや部品自体の高さの違いがあるので、確実に接触するように圧接した場合はハンダ部分に応力が発生する場合があり、またエンジンの振動等が強く伝わる場合がある。また、基板の裏にはハンダの突起や実装された部品があるので、裏側から放熱板を確実に接するようにすることも難しい。また、高度が高く空気の濃度が薄い環境では空冷のみでは冷却効果が期待できない。このように、従来の航空エンジン用電子制御装置においては、熱伝導の経路が確保しづらく、放熱手段を小型で放熱効率よくすることが困難である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型で放熱効率のよい電子機器用放熱器を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、電子部品が実装されているプリント基板に上記プリント基板を貫通して上記電子部品の端子に繋がる導体柱が設けられ、上記プリント基板の上記電子部品が実装された箇所の反対面に、上記導体柱の端面を覆う絶縁シートを介して放熱板が押し当てられているものである。

上記電子部品が表面実装部品であり、上記電子部品の端子が固定されている実装用導体箔に上記導体柱が接してもよい。

上記プリント基板が両面実装基板であり、上記電子部品が実装された面の反対面に他の電子部品が実装されており、上記放熱板が上記プリント基板の上記他の電子部品の実装された箇所では上記プリント基板から離間した凹部と、上記電子部品が実装された箇所では上記プリント基板に接近した凸部とを有してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）小型で放熱効率がよく、基板の工作精度や回路設計に左右されない、空気の薄い環境でも使用可能な電子回路の冷却構造が得られる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る電子機器用放熱器１は、電子部品２が実装されているプリント基板３にプリント基板３を貫通して電子部品２の端子４に繋がる導体柱５が設けられ、プリント基板３の電子部品２が実装された箇所の反対面に、導体柱５の端面を覆う絶縁シート６を介して放熱板７が押し当てられているものである。

図１では、絶縁シート６がプリント基板３から離れて図示されているが、絶縁シート６がプリント基板３に密着するよう、放熱板７が矢印方向に押し付けられる。プリント基板３は、多層の絶縁体板を積層したものであり、プリント基板３の表裏面や絶縁体板間には、電源用、グランド用、信号用などの導体箔（図示せず）が設けられる。導体柱５は、ビアとも呼ばれ、従来より知られている電気的な接続をする部材である。本発明では、導体柱５が熱伝導性に優れた銅などの金属からなることを考慮し、導体柱５を熱伝導用の部材として利用する。

絶縁シート６は、電気的絶縁性を有すると共に、熱伝導性が良い材料、例えば、シリコーン樹脂からなる。絶縁シート６は、熱伝導性が良いといっても厚すぎると熱伝導が悪くなるので、できるだけ薄いのがよい。絶縁シート６は、電気的絶縁性を有するといっても、薄すぎると機械的破損によって導通が生じることがあるので、ある程度は厚いのがよい。

電子部品２は、表面実装部品である。電子部品２が実装された面には、電子部品２の端子４が固定されているはんだボールなどによる実装用導体箔（図示せず）が形成されており、この実装用導体箔に導体柱５が接合されている。導体柱５は、電子部品２の端子４の信号をプリント基板３の他の場所に伝送するための信号用導体箔（図示せず）に導通している。

プリント基板３は両面実装基板である。電子部品２が実装された面の反対面には他の電子部品８が実装されている。放熱板７は、他の電子部品８を回避するためにプリント基板３から離間した凹部１９と、電子部品２が実装された箇所ではプリント基板３に接近した凸部２０と（図５参照）を有する。

図２に示されるように、本発明に係る電子機器用放熱器１は、プリント基板３に、本発明の放熱板７の設置対象である電子部品２と、本発明の放熱板７の設置対象ではない電子部品９が実装されている。電子部品２は、素子集積密度が高い、動作クロックが速い、負荷電流が大きいなどの理由で消費電力が大きく、また、正常動作が維持できる温度に限界がある半導体素子からなる。

プリント基板３は、プリント基板３全体の放熱手段兼補強手段である放熱ブロック１０に取り付けられている。放熱ブロック１０は、例えば、アルミニウムで形成される。

図３に示されるように、本発明に係る電子機器用放熱器１は、プリント基板３が放熱ブロック１０に取り付けられている。放熱ブロック１０は、プリント基板３の厚さ方向に所定の高さを有する。放熱ブロック１０は、上面視縦横に適宜間隔で配置された複数のリブ１１，１２を有する。複数のリブ１１，１２は、プリント基板３の縦横の方向に伸びて交差することにより、格子状を呈する。縦のリブ１１と横のリブ１２が交差する場所には、ネジを嵌合可能なボス（図示せず）が形成され、このボスに対してプリント基板３の対応する場所にはネジ用貫通穴（図示せず）が形成される。

電子機器用放熱器１は、プリント基板３及び放熱ブロック１０を収容する筐体１３を有する。筐体１３は、図示しない蓋を閉じることで、密閉構造又は半密閉構造となる。密閉構造の場合、筐体１３に空気の出入りする穴がなく、筐体１３の内外を空気が出入りすることはない。半密閉構造の場合、筐体１３にスリット又はファンが設けられ、筐体１３の内外を空気が出入りする。

電子機器用放熱器１は、格子状の放熱ブロック１０を筐体１３に収容した構造を有する。これは、耐振動性などの機械的強度を強めるための構造である。反面、筐体１３は密閉構造又は半密閉構造であるため、空気の流入によるプリント基板３の空冷は期待できない。また、高高度では空気が薄いため空冷効率が低い。そこで、放熱ブロック１０を設けることにより、プリント基板３の熱を熱伝導により筐体１３に伝導するようにしてある。

図４に示されるように、放熱ブロック１０は、縦のリブ１１と横のリブ１２が交差する場所に、複数のボス１４が形成される。各ボス１４はプリント基板３をネジで固定するためのネジ穴を有する。放熱ブロック１０には、縦のリブ１１と横のリブ１２で囲まれた四角形の区域が多数形成される。これらの区域には、放熱板７が設けられて閉じられた区域と、放熱板７が設けられず上下に貫通している区域がある。

放熱ブロック１０は削り出しによって作製されており、放熱板７は放熱ブロック１０を削り出すとき、薄い板を削り残して作製されている。

図５に示されるように、本発明に係る電子機器用放熱器１は、電子部品２が実装されているプリント基板３が放熱ブロック１０にネジ止め固定されている。電子部品２は、例えば、ＣＰＵである。プリント基板３の電子部品２が実装された箇所の反対面に、導体柱５（図１参照）の端面を覆う絶縁シート６が設けられている。絶縁シート６は、放熱板７によってプリント基板３に押し当てられている。放熱板７は、放熱ブロック１０に一体的に設けられている。

プリント基板３の電子部品２が実装された面の反対面には他の電子部品８が実装されている。他の電子部品８は、例えば、コンデンサであり、上面視で電子部品２を取り囲むように多数個実装されている。放熱板７は、プリント基板３の他の電子部品８の実装された箇所ではプリント基板３から離間した凹部１９と、電子部品２が実装された箇所ではプリント基板３に接近した凸部２０とを有する。本実施形態では、凸部２０の上面視形状及びサイズは電子部品２の上面視形状及びサイズと同等である。これにより、放熱板７は、放熱ブロック１０の電子部品２の直下に臨む部分のみが***して凸部２０となり絶縁シート６をプリント基板３に押し当てている。放熱板７の凹部１９がプリント基板３から離間しているため、他の電子部品８は、放熱板７に干渉しない。

図６に示されるように、電子機器用放熱器１は、例えば、ジェットエンジン１６の制御に使用される航空エンジン用電子制御装置である。ジェットエンジン１６は、ファンケース１７の外周をナセルと呼ばれる外殻１８で囲んだ構造を有する。電子機器用放熱器１は、ファンケース１７の外側で外殻１８の内側に設置される。ファンケース１７の内部が高温であるため、電子機器用放熱器１の環境温度は高く、例えば、７０℃である。

以下、本発明の電子機器用放熱器１の動作を説明する。

電子部品２で発生した熱は、電子部品２の端子４に導体柱５が接していることから、導体柱５に伝導される。導体柱５は熱伝導性に優れる部材であるため、電子部品２からの熱が導体柱５の端面を覆う絶縁シート６に伝導する。絶縁シート６は熱伝導性に優れる部材であるため、導体柱５からの熱が放熱板７に伝導する。放熱板７及び放熱ブロック１０は熱伝導性に優れる部材であるため、放熱板７の熱は放熱ブロック１０を経由して筐体１３に伝導する。

このようにして電子部品２で集中的に発生した熱が広い表面積かつ大きい体積を有する筐体１３に拡がっていく。筐体１３は広い表面積を有するので、空気が薄い高高度においても空冷による冷却効果が大きい。よって、電子部品２の熱が筐体１３から外部に放出されることになり、電子部品２が効果的に冷却されることになる。

以上説明したように、本発明によれば、プリント基板３の電子部品２が実装された箇所の反対面に、導体柱５の端面を覆う絶縁シート６を介して放熱板７が押し当てられているので、放熱板７の構造が簡素になる。

本発明では、従来と異なり電子部品２に対して部材を取り付けないので、電子部品２に機械的ストレスを与えることがない。

本発明では、プリント基板３に追加工や設計変更を与えることなく放熱板７を組み込むことができると共に、いったん放熱板７を用いない電子機器を作製し、温度特性を調べた後に、必要であれば放熱板７を組み込むという、いわゆる後付けが可能である。

本発明は、放熱板７への熱伝導で冷却するので、空気の薄い環境（高高度や地上の真空設備内）における電子機器の冷却手段として有効である。

本発明では、放熱板７がプリント基板３を取り付ける放熱ブロック１０に設けられるので、プリント基板３の着脱が容易となり、メンテナンスが容易となる。

本発明では、放熱板７に電子部品８の実装された箇所ではプリント基板３から離間した凹部１９と、電子部品２が実装された箇所ではプリント基板３に接近した凸部２０とを有するので、電子部品２が実装された面の反対面に他の電子部品８が実装されていても、放熱板７が他の電子部品８に干渉するのを防ぐことができる。

本発明では、基板３の電子部品２が実装された箇所の反対面に、導体柱５の端面を覆う絶縁シート６を介して放熱板７が押し当てられているので、電子部品２の下面に格子状に端子４を並べてはんだボールにより電子部品２をプリント基板３に実装するＢＧＡタイプの電子部品２にも適用することができる。

本発明の一実施形態を示す電子機器用放熱器の要部断面図である。図１の電子機器用放熱器に用いるプリント基板の斜視図である。図１の電子機器用放熱器の立体組立図である。図１の電子機器用放熱器に用いる放熱板及び放熱ブロックの部分拡大斜視図である。図１の電子機器用放熱器の放熱ブロックを含めた断面図である。（ａ）は図１の電子機器用放熱器が配置されるジェットエンジンの正面図であり、（ｂ）は同ジェットエンジンの側面図である。

符号の説明

１電子機器用放熱器
２電子部品
３プリント基板
４端子
５導体柱
６絶縁シート
７放熱板
８他の電子部品
１０放熱ブロック
１３筐体

Claims

電子部品が実装されているプリント基板に上記プリント基板を貫通して上記電子部品の端子に繋がる導体柱が設けられ、上記プリント基板の上記電子部品が実装された箇所の反対面に、上記導体柱の端面を覆う絶縁シートを介して放熱板が押し当てられていることを特徴とする電子機器用放熱器。
上記電子部品が表面実装部品であり、上記電子部品の端子が固定されている実装用導体箔に上記導体柱が接することを特徴とする請求項１記載の電子機器用放熱器。
上記プリント基板が両面実装基板であり、上記電子部品が実装された面の反対面に他の電子部品が実装されており、上記放熱板が上記プリント基板の上記他の電子部品の実装された箇所では上記プリント基板から離間した凹部と、上記電子部品が実装された箇所では上記プリント基板に接近した凸部とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の電子機器用放熱器。