JP2014013849A

JP2014013849A - 電子装置用放熱構造

Info

Publication number: JP2014013849A
Application number: JP2012151008A
Authority: JP
Inventors: Randeep Singh; シンランディープ; Masataka Mochizuki; 正孝望月; Koichi Masuko; 耕一益子
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-01-23

Abstract

【課題】高さが異なる複数の電子部品を容易に冷却する電子装置用放熱構造を提供する。
【解決手段】通電することにより発熱する電子部品１，３が基板２上に実装され、複数の前記電子部品１，３の上面側を覆うように配置された熱拡散板６に前記複数の電子部品１，３から熱を伝達するように構成された電子装置用放熱構造であって、前記電子部品１，３には、前記基板２から計った高さが高い電子部品１と低い電子部品３とが含まれ、密閉されたコンテナ７ａの内部に加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体８が封入され、かつその作動流体が蒸発することにより前記コンテナ７ａが膨張する熱伝達部材７が、少なくとも、高さが低い前記電子部品３の上面と前記熱拡散板６の下面との間に介在させられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの電子部品から放熱させて、電子装置を冷却するための放熱構造に関するものである。

パーソナルコンピュータのＣＰＵなどの電子部品はその高速化、高性能化に伴ってその放熱量は年々増大する傾向にある。しかしながら反対に半導体のチップサイズは微細シリコン回路技術の進歩によって、従来と同等サイズかより小さいサイズとなり、単位面積あたりの熱流束は高くなっている。したがって、その温度上昇による不具合などを回避するために、電子部品を効果的に放熱・冷却することが求められている。そのため、電子部品にはヒートパイプやヒートスプレッダ（ＩＨＳ:Integrated Heat Spreader）などを備えた放熱構造が設けられる。このような放熱構造を備えた装置が特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載されている装置は、開孔部を有するプリント基板と、プリント基板の一方の側の開孔部上に搭載された発熱体と、プリント基板の他方の側に装着された平面型ヒートパイプとを有し、平面型ヒートパイプは吸熱部に凸部を有し、凸部が開孔部に挿入されて発熱体に熱的に接触するように装着されていることを特徴としている放熱構造を有している。

特開２０００−１５６５８４号公報

ところで、電子部品にヒートスプレッダを取り付けて冷却する場合、放熱面積が広いヒートスプレッダに熱を拡散させてから、そのヒートスプレッダに取り付けたヒートパイプやヒートシンクなどから放熱させる。ヒートスプレッダは、電子部品と良好な熱接触を保つために、平坦状に形成されている。しかしながら、基板上に配置されている複数の電子部品は、高さや配置場所がそれぞれ異なる。そのため、複数の電子部品を冷却する場合には、各電子部品にヒートスプレッダを取り付ける必要があり、コスト面で問題があった。また、複数の電子部品を一つのヒートスプレッダで冷却する場合には、各電子部品の高さおよび配置場所を考慮してヒートスプレッダを形成する必要があり、そのような構造ではヒートスプレッダの構造が複雑になるとともに、複数の電子部品に対して同時に適切に接触させた状態を継続できず、電子部品の熱を良好に放熱できないおそれがあった。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、高さが異なる複数の電子部品を容易に冷却する電子装置用放熱構造を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、通電することにより発熱する電子部品が基板上に実装され、複数の前記電子部品の上面側を覆うように配置された熱拡散板に前記複数の電子部品から熱を伝達するように構成された電子装置用放熱構造において、前記電子部品には、前記基板から計った高さが高い電子部品と低い電子部品とが含まれ、密閉されたコンテナの内部に加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入され、かつその作動流体が蒸発することにより前記コンテナが膨張する熱伝達部材が、少なくとも、高さが低い前記電子部品の上面と前記熱拡散板の下面との間に介在させられていることを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記コンテナの前記電子部品の上面に接触する第１伝熱面と、前記熱拡散板の下面に対向する第２伝熱面とが平坦面に形成され、これら第１伝熱面と第２伝熱面とを繋いでいる側壁部が前記コンテナの内部の圧力に応じて上下方向に伸縮するように構成されていることを特徴とする電子装置用放熱構造である。

さらに、請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記側壁部は、蛇腹状に形成されていることを特徴とする電子装置用放熱構造である。

この発明によれば、基板からの高さが異なる複数の電子部品の上面側を覆うように熱拡散板が配置されており、高さの低い電子部品の上面と熱拡散板の下面との間に熱伝達部材が介在されている。したがって、熱拡散板を単純な平板上に構成した場合、高さの高い電子部品は熱拡散板に熱伝達可能に直接接触し、かつ高さの低い電子部品は熱伝達部材を介して熱拡散板に熱伝達可能に接触する。言い換えれば、熱拡散板に対して熱を伝達する複数の電子部品の高さが異なっていても、熱拡散板はその高さの相違に合わせて折り曲げた形状とする必要がなく、単純な平板形状に構成することができる。

また、この発明においては、熱伝達部材が、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体をコンテナの内部に封入し、さらにその作動流体が加熱されて蒸発した場合にコンテナが膨張するように構成されている。したがって、電子部品が発熱して電子部品を冷却するべき状態になると、熱伝達部材のコンテナが膨張して電子部品の上面と熱拡散板の下面との間の隙間を埋めるように電子部品の上面と熱拡散板の下面とに密着し、そのため、電子部品と熱伝達材との間、および熱伝達部材と熱拡散板との間の熱抵抗を自動的に小さくすることができる。さらに、熱伝達部材は、そのコンテナの内部に封入した作動流体の潜熱として下面側から上面側に熱を伝達するから、電子部品側から熱拡散板側への熱の移動を促進でき、その結果、放熱特性もしくは電子部品の冷却効率の良好な放熱構造を得ることができる。

この発明に係る電子装置用放熱構造の一例を示す断面図である。そのベーパーチャンバーが収縮する過程を説明するための断面図である。そのベーパーチャンバーが膨張する過程を説明するための断面図である。この発明に係る電子装置用放熱構造の他の例を示す断面図である。

つぎに、この発明を具体例に基づいて説明する。この発明で対象とする電子部品は、集積回路やメモリあるいはＣＰＵなどの動作時に発熱する電子部品である。また、この発明における熱拡散板（ヒートスプレッダもしくは熱伝導板とも言う）は、高さが異なる複数の電子部品の上面側を覆うように配置されており、少なくとも一つの電子部品との間に隙間が存在している。また、この発明における熱伝達部材は、密閉構造のコンテナの内部に凝縮性の流体が作動流体として封入され、その作動流体の蒸発潜熱の形で熱を輸送するように構成されており、電子部品から熱を奪う蒸発部と、その熱をヒートスプレッダに伝達する凝縮部とがコンテナの一部として形成され、それら蒸発部と凝縮部との間の部分、あるいは蒸発部と凝縮部とを繋いでする側壁部が、コンテナの内部の圧力に応じて伸縮するように構成されている。すなわち、この発明で採用されている熱伝達部材は、ヒートパイプもしくはベーパーチャンバーによって構成されている。以下に説明する具体例では、重力によって作動流体を還流させるように構成されたサーモサイホン式のベーパーチャンバーが用いられている。さらに、このベーパーチャンバーは、ヒートスプレッダと電子部品との間に介在させられており、電子部品の熱に応じて膨張してその隙間を埋め、潜熱の形で熱輸送して電子部品の熱をヒートスプレッダに伝達するように構成されている。

図１にこの発明に係る電子装置用放熱構造の一例が示されている。電子部品の一例としてのＣＰＵ１は、従来知られているものと同様の構造であって、シリコンチップ上に回路を形成した厚さが数ｍｍ程度の断面が矩形状をなす部材である。このＣＰＵ１は基板２上に実装されており、その基板２上に他の電子部品としてメモリ３が実装されている。メモリ３は、従来知られているものと同様の構造であって、厚さが数ｍｍ程度の部材であり、基板２からの高さがＣＰＵ１よりも低い。また、基板２はマザーボード４にハンダダンプ５により取り付けられている。

このＣＰＵ１およびメモリ３の上面側を覆うようにヒートスプレッダ６が配置されている。このヒートスプレッダ６は、電子部品から生じた熱を放散させるためのものであって、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い素材によって形成されている。ヒートスプレッダ６は、図１に示すように、ＣＰＵ１およびメモリ３の上面側を覆う平板部６ａと、その平板部６ａの側縁部から基板２側に延びた脚部６ｂと、脚部６ｂの下端部に形成されたフランジ部６ｃとを備えており、そのフランジ部６ｃによって基板２に固定されている。

上記の脚部６ｂによって支えられている平板部６ａの高さは、ＣＰＵ１とメモリ３とのうち基板２からの高さの高いＣＰＵ１とほぼ等しくなっており、したがってＣＰＵ１の上面とヒートスプレッダ６の下面（平板部６ａの下面）とが互いに接近して対向し、あるいは密着している。これに対してメモリ３の基板２からの高さは、平板部６ａの高さより低いので、メモリ３の上面とヒートスプレッダ６の下面（平板部６ａの下面）とが大きく離れていて隙間が空いている。

ＣＰＵ１と平板部６ａとの間の熱抵抗を少なくするために、これらＣＰＵ１と平板部６ａとの間に、図示しない有機または無機の高熱伝導性部材（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）が設けられている。このＴＩＭは、ＣＰＵ１から生じる熱をヒートスプレッダ６に伝達するものであって、熱伝導性の高いサーマルグリスや伝熱性シートなどから構成されている。なお、ＣＰＵ１およびヒートスプレッダ６は、ハンダ付けやロー付けあるいは接着剤により互いに接合することもできる。

一方、メモリ３の上面と平板部６ａの下面との間の隙間には、この隙間を埋めるように熱伝達部材が介在させられている。この熱伝達部材は、ベーパーチャンバーやヒートパイプなどのように作動流体の蒸発潜熱の形で熱を輸送するように構成されてある。ベーパーチャンバー７は、図２に示すように、密閉構造のコンテナ７ａの内部に凝縮性の流体が作動流体８として封入されており、そのコンテナ７ａは、電子部品であるメモリ３から熱を奪う蒸発部９と、その熱をヒートスプレッダ６に伝達するように放熱する凝縮部１０と、蒸発部９と凝縮部１０とを接続するとともに内部の圧力に応じて伸縮する側壁部１１とによって構成されている。

作動流体８は、加熱されて蒸発し、かつ放熱して凝縮することにより、潜熱の形で熱を輸送する流体であり、ベーパーチャンバー７を使用する温度に応じて適宜に選択され、例えば空気などの非凝縮性ガスが脱気されているコンテナ７ａの内部で、３０℃前後の低温で蒸発または沸騰する流体であることが好ましい。その一例を挙げると、水やアルコール、代替フロンなどが作動流体８として使用される。この作動流体８は、ベーパーチャンバー７のコンテナ７ａから空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で、コンテナ７ａに封入される。作動流体８は加熱されて蒸発することにより、コンテナ７ａの内圧を上昇させ、それに伴ってベーパーチャンバー７が膨張するようになっている。

コンテナ７ａは、その全体が銅などの熱伝導率が高く、また作動流体８の濡れ性のよい金属材料によって形成されており、その蒸発部９は板状に形成された平坦壁部であって、熱伝導エポキシ樹脂またはハンダにより外面９ａがメモリ３に密着させられて固定されており、メモリ３で生じた熱を吸熱するようになっている。そして、蒸発部９に伝達された熱により、蒸発部９においてコンテナ７ａで液相の作動流体８が蒸発する。すなわち、潜熱として熱を吸収する。

凝縮部１０は、板状に形成された他の平坦壁部であって、蒸発部９と対向している。そして、凝縮部１０において作動流体８が放熱して凝縮する。作動流体８の上述した蒸発と凝縮とを伴う循環流動が発生して、メモリ３からヒートスプレッダ６に熱を移動させる（運搬する）。凝縮部１０で放熱して凝縮した液相の作動流体８は、凝縮部１０から滴り落ち、あるいは側壁部１１を伝って流れ落ちて蒸発部９に還流するように構成されている。

側壁部１１は、蒸発部９と凝縮部１０との端部同士を繋いでいる部分であって、蒸発部９と凝縮部１０との間隔が変化するように、すなわち凝縮部１０が上下動するように、湾曲した形状に形成されている。なお、側壁部１１は、コンテナ７ａの内圧の変化に応じて伸縮しやすいように、蒸発部９や凝縮部１０の厚さよりも薄く形成することができる。つまり、液相の作動流体８が加熱されて蒸発することによりベーパーチャンバー７の内圧が上昇すると、側壁部１１は、図３に示すように、その軸線方向に伸び上がって、ヒートスプレッダ６の下面６ｄと凝縮部１０とを密着させるように構成されている。また、ベーパーチャンバー７の内圧が低下すると、側壁部１１は、図２に示すように横広がりとなるように変形して、ヒートスプレッダ６の下面６ｄから凝縮部１０が離隔するように構成されている。なお、側壁部１１は、その軸線方向に伸縮しやすいように構成されていればよく、伸縮性を有するプラスチック樹脂によって形成されてもよい。

したがってこの発明に係る電子装置用放熱構造では、ＣＰＵ１で発生した熱は、これに接触しているヒートスプレッダ６に伝達され、さらにこのヒートスプレッダ６から周囲の空気に放散させられる。あるいはヒートスプレッダ６から図示しないヒートシンクに伝達されて外気に対して放熱する。結局、ＣＰＵ１の熱が空気中に放散させられて、ＣＰＵ１が冷却される。

一方、メモリ３が動作しておらず熱が発生していない場合、作動流体８は蒸発しないため、図２に示すように、ベーパーチャンバー７は膨張しない。また、メモリ３が動作して熱が発生した場合、その熱は、これに接触しているベーパーチャンバー７の蒸発部９に伝達される。作動流体８は低温で沸騰または蒸発するため、その熱によって作動流体８が蒸発し、その蒸気が温度および圧力の低い部分に流動する。すなわち作動流体８が蒸発することによりコンテナ７ａの内部の内圧が高まると、図３に示すように、ベーパーチャンバー７の側壁部１１が伸長し、凝縮部１０がヒートスプレッダ６の下面６ｄに接触する。このとき、凝縮部１０とヒートスプレッダ６とはそれぞれ平坦な面であることにより互いに面接触して密着する。つまり、ベーパーチャンバー７は、メモリ３の熱により作動流体８が蒸発することに伴って膨張し、その結果、ベーパーチャンバー７がヒートスプレッダ６とメモリ３との間のクリアランスを埋めるように作用する。

その後、作動流体８の蒸気が放熱して凝縮し、その作動流体８の有していた熱が凝縮部１０の上面１０ａ側からヒートスプレッダ６に伝達され、さらにこのヒートスプレッダ６から周囲の空気に放散させられる。あるいはヒートスプレッダ６から図示しないヒートシンクに伝達されて外気に対して放熱する。凝縮部１０でベーパーチャンバー７内の蒸気が冷却されると側壁部１１の内面を重力により作動液が蒸発部９に還流させられる。結局、メモリ３の熱が空気中に放散させられて、メモリ３を冷却することができる。

したがって、ＣＰＵ１で発生した熱がヒートスプレッダ６に伝達されて、ＣＰＵ１を冷却することができるとともに、メモリ３の熱により作動流体８が蒸発することに伴って膨張するベーパーチャンバー７は、メモリ３とヒートスプレッダ６との間のクリアランスを埋め、作動流体８の潜熱の形でメモリ３の熱をヒートスプレッダ６に伝達させることができ、その結果、平板部６ａに脚部６ｂを設けた単純な形状のヒートスプレッダ６であっても、高さが異なる複数の電子部品から容易に放熱させてその電子部品を冷却することができる。

なお、この発明は、上述した具体例に限られないのであって、ベーパーチャンバーは、その内部に凝縮性の流体が作動流体として封入されており、電子部品から熱を奪う蒸発部と、その熱をヒートスプレッダに伝達する凝縮部と、蒸発部と凝縮部とを接続するとともに電子部品の熱に応じて収縮および膨張可能な伸縮部とによって構成されたものであればよく、図４に示すように、ベーパーチャンバー１２の側壁部１３が伸縮可能な蛇腹状に形成されていてもよい。また、この発明では、少なくとも高さの低い電子部品と熱拡散板との間に上述した熱伝達部材が介在させられていればよく、したがって複数の電子部品のすべてと熱拡散板との間に熱伝達部材が介在されていてもよい。さらに、この発明では、熱伝達部材と熱拡散板との間に前述したＴＩＭを介在させてもよい。

１…ＣＰＵ（電子部品）、２…基板、３…メモリ（電子部品）、６…ヒートスプレッダ（熱拡散板）、７…ベーパーチャンバー（熱伝達部材）、７ａ…コンテナ、８…作動流体、９…蒸発部、１０…凝縮部、１１…側壁部。

Claims

通電することにより発熱する電子部品が基板上に実装され、複数の前記電子部品の上面側を覆うように配置された熱拡散板に前記複数の電子部品から熱を伝達するように構成された電子装置用放熱構造において、
前記電子部品には、前記基板から計った高さが高い電子部品と低い電子部品とが含まれ、
密閉されたコンテナの内部に加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入され、かつその作動流体が蒸発することにより前記コンテナが膨張する熱伝達部材が、少なくとも、高さが低い前記電子部品の上面と前記熱拡散板の下面との間に介在させられている
ことを特徴とする電子装置用放熱構造。
前記コンテナの前記電子部品の上面に接触する第１伝熱面と、前記熱拡散板の下面に対向する第２伝熱面とが平坦面に形成され、これら第１伝熱面と第２伝熱面とを繋いでいる側壁部が前記コンテナの内部の圧力に応じて上下方向に伸縮するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子装置用放熱構造。
前記側壁部は、蛇腹状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電子装置用放熱構造。