JP3414996B2 - 基板実装型熱交換構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、一般的にノート
パソコンのような限られた空間に収納される発熱素子に
対する基板実装型熱交換構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ノート型パソコンなどの可搬型情
報処理装置の処理能力向上の要求に答えるため、高機
能、高性能のＣＰＵが搭載されている。そのため、素子
や装置の消費電力は次第に大きくなっている。もちろん
高機能、高性能のＣＰＵを搭載するにあたって、低消費
電力モードの設定をできるようにしたり、低電力で駆動
できるようにしたりするなどの様々な工夫がされている
が、処理能力の向上に追い付いていないのが現状であ
る。

【０００３】図１３は従来技術の図（その１）を示すも
のである。同図において、筺体１２０に収納される電子
回路を構成する実装基板１０５は、例えばＣＰＵ等の高
発熱素子１１２と、他の発熱素子１１３とが実装されて
いる。高発熱素子１１２の上面には薄型のファンを内蔵
したファン付きヒートシンク１０１を取付けている。フ
ァン付きヒートシンク１０１からの暖気の排出は、筺体
１２０の２箇所に設けた開口部１２１から外部に放出さ
れる。なお、実装基板１０５は筺体１２０の角部近傍に
配置されており、さらに、ファン付きヒートシンク１０
１を筺体１２０の角部に配置していた。

【０００４】図１４は従来技術の図（その２）を示すも
のである。同図において、前述の図１３との違いは、フ
ァン付きヒートシンク１０１からの暖気の排出は、筺体
１２０の１箇所に設けた開口部１２１から外部に放出さ
れる。なお、実装基板１０５は筺体１２０の角部近傍に
配置する必要はないが、ファン付きヒートシンク１０１
は開口部１２１の近傍に配置する必要がある。

【０００５】図１３および図１４に示す従来技術では、
高発熱素子１１２の上にファン付きヒートシンク１０１
を取付けている。ファン付きヒートシンク１０１を高発
熱素子１１２の冷却と、他の発熱素子１１３が発生する
暖気の排出といった二つの目的を達成するために、高発
熱素子１１２はファン付きヒートシンク１０１の暖気が
筺体１２０の外に排出できる位置に実装していた。

【０００６】これはとりもなおさず、高発熱素子１１２
の実装位置を限定することであり、パターン配線上の自
由度がなくなることを示している。また、高発熱素子１
１２となるＣＰＵは、他のコンポーネントで暖められた
空気を受けることになり、冷却効率が悪いものとなって
いる。また、高発熱素子の上にファン付きヒートシンク
が取付けられるため、吸気スペースを含めると高さ効率
も決して良くない。例えば、厚さ寸法１０ｍｍのファン
付きヒートシンクの場合、吸気スペースは３〜５ｍｍは
必要となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記のごとく、従来の
技術では次のような問題点がある。

【０００８】１）高発熱素子の実装位置を限定する。

【０００９】２）高発熱素子の冷却効率が悪い。

【００１０】３）部品実装基板の高さ寸法が大きくな
り、スペース効率が悪い。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の問題点を解決する
ために、この発明では次のような手段を取る。

【００１２】熱交換部と受熱拡散部との熱的接続を行う
伝熱体としてヒートパイプと基板グランド層とを用い
る。なお、ここで受熱拡散部とは、発熱素子に熱拡散を
促進する機構を設けたものを指す。

【００１３】上記の手段を取ることにより、熱交換部と
受熱拡散部とを分離して配置することで、実装基板にお
ける実装高さを低くするとともに、ヒートパイプと熱的
接続された高発熱素子のみならず、基板グランド層と熱
的接続された他の発熱素子の熱をも、効率よく放出する
ように働く。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明は、次に示したような実
施の形態をとる。

【００１５】図１に示すごとく、複数の半導体素子を搭
載して電子回路を構成する実装基板５上で熱交換部１と
受熱拡散部２とを分離して構成され、ヒートパイプ３と
基板グランド層４とを通して熱交換部１と受熱拡散部２
との熱的接続を行う。また、熱拡散部６は基板グランド
層４を通して熱交換部１との熱的接続を行う。

【００１６】さらに、図３および図４に示すごとく、熱
交換部１は、多数の熱伝導性の良好な放熱ピン３１を持
ち、該放熱ピン３１を内層グランド３５にスルホール３
６を通して接続する。

【００１７】なお、熱交換部１は、はんだ接合が良好で
かつ熱伝導性の良好な部材で構成する。

【００１８】さらに、図５に示すごとく、熱交換部１
は、実装基板５の表面に露出させた内層グランド３５に
接合することが好ましい。

【００１９】またさらに、図６に示すごとく、熱交換部
１は、実装基板５に設けたサーマルＶＩＡ４１と、実装
基板５の表面層に設けた熱拡散用のベタ層４２とに接合
することも好ましい。

【００２０】さらに、図７に示すごとく、熱交換部１
は、空気を導入しかつ導出する冷却ファン５１と、ヒー
トパイプ３を取付ける溝５０を有し、冷却ファン５１の
ベンチュリーと冷却ファン５１の固定とを兼ねる熱伝導
性の良好な部材で構成されるカバー体５３と、熱拡散を
行うベース部５２ａと、ベース部５２ａを貫通するある
いはベース部５２ａから突出する放熱ピン５２ｂとから
なるヒートシンク５２とを持つことが好ましい。

【００２１】さらに、図８に示すごとく、熱交換部１
は、空気を導入しかつ導出する冷却ファン５１と、冷却
ファン５１のベンチュリーと冷却ファン５１の固定とを
兼ねるカバー体５３と、ヒートパイプ３を取付ける溝５
０を有し、熱拡散を行うベース部５２ａと、ベース部５
２ａを貫通するあるいはベース部５２ａから突出する放
熱ピン５２ｂとからなるヒートシンク５２とを持つこと
が好ましい。

【００２２】さらにまた、図８に示すごとく、熱交換部
１は、ヒートパイプ３と熱的接続されたヒートシンク５
２と、基板グランド層４と熱的接続された放熱ピン５２
ｂとを熱的に接合することが好ましい。

【００２３】さらに、図７および図８に示すごとく、前
記ヒートシンク５２と放熱ピン５２ｂとの上に冷却ファ
ン５１を持つファン組立体６６を備えることが好まし
い。

【００２４】さらに、図９に示すごとく、熱交換部１
は、ヒートパイプ３と熱的接続されたヒートシンク６１
と、基板グランド層４と熱的接続された放熱ピン６２と
を熱的に分離することも好ましい。

【００２５】さらにまた、図９に示すごとく、前記ヒー
トシンク６１と前記放熱ピン６２との間に冷却ファン６
６ａを持つファン組立体６６を備えることも好ましい。

【００２６】さらに、図２に示すごとく、受熱拡散部２
は、発熱体である半導体装置に受熱を促進する受熱板２
５と、ヒートパイプ３を前記受熱板２５に取付けるため
の固定金具２６とを有し、もしくは半導体装置下部にサ
ーマルＶＩＡ４１を有することが好ましい。

【００２７】また、図１０および図１１に示すごとく、
熱交換部１からの暖気の排出方向は、一方向または二方
向であることが好ましい。

【００２８】さらに、図１２に示すごとく、冷却ファン
７５の駆動モータ７６は、熱交換部１を囲うケース７７
に一体に取付けて、熱的に分離することが好ましい。

【００２９】上記の実施の形態をとることにより、以下
に示す作用が働く。

【００３０】図１ないし図１１に示す実施の形態では、
発熱の半分以上が流れ込む基板の銅箔層を伝熱体とし
て、積極的に利用することで、熱交換部をコンパクトに
するとともに受熱拡散部から分離して基板に実装でき
る。このため、高さを低くする熱交換構造を提供でき
る。さらにＣＰＵ等の高発熱部品の熱のみならず、基板
に実装された他の発熱部品の熱をも効率よく放出する。

【００３１】さらに、図５および図６に示す実施の形態
では、熱交換部と基板の銅箔層との熱的接続において、
接触面積を増大させてより積極的に銅箔層を熱伝導部材
として利用する。

【００３２】さらに、図７および図８に示す実施の形態
では、発熱量が大きい実装基板においても銅箔層を伝熱
体として、積極的に利用することで、熱交換部をコンパ
クトにするとともに受熱拡散部から分離して基板に実装
できる。このため、高さを低くする熱交換構造を提供で
きる。さらにＣＰＵ等の高発熱部品の熱のみならず、基
板に実装された他の発熱部品の熱をも効率よく放出す
る。また、高発熱素子からの熱量と、他の発熱素子が実
装された実装基板からの熱量とにおいて、これらの温度
差があまりない場合に有効な手段となる。

【００３３】さらに、図９に示す実施の形態では、階層
構造にすることで高発熱素子からの熱量と、他の発熱素
子が実装された実装基板からの熱量とに著しい差があっ
ても、それぞれの素子の冷却を他に熱的な影響を与えた
り、影響されたりすることなく冷却する。

【００３４】さらに、図１２に示す実施の形態では、暖
気の影響を小さくして冷却ファンの軸受け寿命を主とし
た信頼性が向上する。

【００３５】

【実施例】この発明による代表的な実施例を図２ないし
図１２によって説明する。

【００３６】図２は本発明の実施例の図（その１）であ
る。

【００３７】同図（ａ）および同図（ｂ）において、筺
体２０に収納される電子回路を構成する実装基板５は、
例えばＣＰＵ等の高発熱素子１２と、他の発熱素子１３
とが実装されている。高発熱素子１２の上面には受熱部
２２を設けてヒートパイプ３を用いて放熱部を形成する
熱交換部１へ伝熱する。さらに、前記の高発熱素子１２
および他の発熱素子１３は実装基板５に形成した、例え
ば銅箔層からなる基板グランド層４を用いて前記の熱交
換部１へ伝熱する。

【００３８】即ち、同図（ｃ）に示すように、高発熱素
子１２である半導体装置２４は、その表面に接着あるい
は圧接された受熱を促進するための受熱板２５が設けら
れている。この受熱板２５はヒートパイプ３の一端と熱
的接続されており、ヒートパイプ３を取付けるための固
定金具２６によってヒートパイプ３を固定している。ま
た、ヒートパイプ３の他端は熱交換部１に熱的接続され
ている。一方、半導体装置２４のリード２４ａは、例え
ばサーマルＶＩＡ４１に熱的接続され、サーマルＶＩＡ
４１を介して銅箔層からなる基板グランド層４を用いて
前記の熱交換部１へ伝熱されている。

【００３９】また、同図（ｄ）に示すように、他の発熱
素子１３である半導体装置２４のリード２４ａは、例え
ばサーマルＶＩＡ４１に熱的接続され、サーマルＶＩＡ
４１を介して銅箔層からなる基板グランド層４を用いて
前記の熱交換部１へ伝熱されている。

【００４０】図３は本発明の実施例の図（その２）であ
る。

【００４１】同図において、熱交換部１は放熱プレート
部３２と、多数の放熱ピン３１とで構成されており、例
えば銅やアルミニウム等の熱伝導性の良好な材料で形成
する。なお、放熱ピン３１は放熱プレート部３２に圧入
したり、放熱プレート部３２と放熱ピン３１とを鋳造や
鍛造、あるいは粉末成形によって一体成形したり、半導
体パッケージのＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒｅ
ｙ）のようにピンをはんだ接合することもできる。

【００４２】図４は本発明の実施例の図（その３）であ
る。

【００４３】同図において、前述の図３で示した熱交換
部１は、放熱ピン３１を実装基板５に形成したスルホー
ル３６に例えば、はんだ付けによって接続することで、
例えば銅箔層からなる内層グランド３５と熱的に接続す
るものである。なお、放熱ピン３１は同図（ａ）に示す
ごとく、スルホール３６を貫通させてもよいし、同図
（ｂ）に示すごとく、スルホール３６を貫通させなくて
もよい。また、放熱ピン３１は、例えば銅等のはんだ接
合が良好でかつ熱伝導性の良好な材料が好ましい。

【００４４】図５は本発明の実施例の図（その４）であ
る。

【００４５】同図において、前述の図３で示した熱交換
部１は、放熱プレート部３２を実装基板５の表面に露出
させた内層グランド３５にはんだ付けやネジ等によって
接合するものである。なお、はんだ付けによる接合にお
いては、放熱プレート部３２を例えば銅等のはんだ接合
が良好でかつ熱伝導性の良好な部材で形成することが好
ましい。

【００４６】図６は本発明の実施例の図（その５）であ
る。

【００４７】同図において、前述の図３で示した熱交換
部１は、放熱ピン３１を実装基板５に形成したサーマル
ＶＩＡ４１に、例えばはんだ付けによって接続する。さ
らに、放熱プレート部３２を実装基板５の表面層に形成
した、例えば銅箔層からなる熱拡散用のベタ層４２に接
合する。

【００４８】なお、放熱ピン、サーマルＶＩＡを使用し
て銅箔層からの熱を受熱したケースを述べたが、内層銅
箔を剥き出しにしてピンを形成していない放熱プレート
部のベースを直接はんだ接合することも可能である。

【００４９】図５および図６の構成において、熱交換部
１と実装基板５の表面に露出させた内層グランド３５や
ベタ層４２との接合面は接触面積を増大させることで、
熱交換部１への熱伝導を向上させることになる。

【００５０】図７は本発明の実施例の図（その６）であ
る。

【００５１】同図（ａ）および同図（ｂ）において、熱
交換部１は、実装基板５内の空気を導入しかつ導出する
軸流ファンからなる冷却ファン５１と、ヒートシンク５
２と、カバー体５３とで構成する。ヒートシンク５２は
ベース部５２ａと、実装基板５の基板グランド層４と熱
的接続されるために形成したスルホールに接続される多
数の放熱ピン５２ｂとを持ち、さらに、対向して配置さ
れる冷却ファン５１のほぼ半周部位を覆うように回転翼
５１ａと僅かに隙間を持った壁面５２ｃとで構成されて
いる。

【００５２】カバー体５３はコ字形の平板材で形成さ
れ、冷却ファン５１とヒートシンク５２の上面部を覆っ
て取付けられる。冷却ファン５１からの暖気は開口部５
３ａから放出される。なお、同図（ａ）および後述する
図８（ａ）はカバー体５３を省略して図示している。

【００５３】また、同図（ｃ）に示すように、カバー体
５３は熱伝導性の良好な部材で形成し、例えばその側壁
にヒートパイプ３を圧入するための断面が半円状の溝５
０を設けてヒートパイプ３と熱的接続する。なお、カバ
ー体５３の裏面に放熱フィン５３ｂを備えることもでき
る。さらに、冷却ファン５１はカバー体５３に固定され
てファン組立体６６を構成するが、冷却ファン５１への
熱の影響を受けないように熱的に分離することが好まし
い。

【００５４】図８は本発明の実施例の図（その７）であ
る。

【００５５】同図において、前述の図７との違いは、空
気導入流と暖気排気流とを分離する仕切り５２ｄをヒー
トシンク５２に設けて、実装基板５以外の外気を導入し
かつ導出する軸流ファンからなる冷却ファン５１を設け
ている点にある。さらに、同図（ｃ）に示すように、ヒ
ートシンク５２は、例えばベース部５２ａの側壁にヒー
トパイプ３を圧入するための断面が半円状の溝５０を設
けてヒートパイプ３と熱的接続する点にある。即ち、ヒ
ートシンク５２はヒートパンプ３と、基板グランド層４
とに熱的接続されている。

【００５６】図７および図８の構成において、高発熱素
子からの熱量と、他の発熱素子が実装された実装基板か
らの熱量とにおいて、これらの温度差があまりない場合
に有効となる。さらに、ファン組立体６６はヒートシン
ク５２と、放熱ピン５２ｂとの上に配置することで熱交
換部の高さ寸法を小さくすることができる。さらに、ヒ
ートパイプ３をカバー体５３あるいはヒートシンク５２
の側壁に配置することで、熱交換部は高さ寸法を抑えて
より薄く構成することができる。

【００５７】図９は本発明の実施例の図（その８）であ
る。

【００５８】同図において、熱交換部１はヒートパイプ
３と熱的接続された例えばベース部６１ａと放熱フィン
６１ｂとを持つヒートシンク６１と、基板グランド層４
と熱的接続された放熱ピン６２およびベース部６３とを
熱的に分離して構成している。従って、ヒートパイプ３
に接続された図示しない高発熱素子はヒートシンク６１
によって放熱され、他の発熱素子は放熱ピン６２および
ベース部６３によって放熱されることになり、高発熱素
子と他の発熱素子とは互いに熱的に干渉することなく放
熱することになる。

【００５９】また、ヒートシンク６１と放熱ピン６２お
よびベース部６３との間にはファン組立体６６を配置す
ることができる。

【００６０】ファン組立体６６は、例えば軸流ファンか
らなる冷却ファン６６ａを持ち、ファン動力部６６ｂ
と、冷却風の静圧を高めるために回転翼６６ｃの周囲に
僅かに隙間を持った隔壁６６ｄとで構成している。

【００６１】この構成では、例えば前述の放熱ピン６２
およびベース部６３側から空気を導入し、前述のヒート
シンク６１側へ排気するようにすることが好ましい。

【００６２】図１０は本発明の実施例の図（その９）で
ある。

【００６３】同図において、熱交換部１からの暖気の排
出方向を一方向に限定した例を示している。例えば冷却
ファンを備えた熱交換部１からの暖気の排出は、筺体２
０の１箇所に設けた開口部２０ａから外部に放出され
る。なお、実装基板５は筺体２０の角部近傍に配置する
必要はないが、熱交換部１を開口部２０ａの近傍に配置
する必要がある。

【００６４】図１１は本発明の実施例の図（その１０）
である。

【００６５】同図において、熱交換部１からの暖気の排
出方向を二方向に限定した例を示している。例えば冷却
ファンを備えた熱交換部１からの暖気の排出は、筺体２
０の２箇所に設けた開口部２０ａから外部に放出され
る。なお、実装基板５は筺体２０の角部近傍に配置され
ており、さらに、熱交換部１を開口部２０ａの近傍に配
置する必要がある。

【００６６】図１０および図１１の構成において、熱交
換部１のみを筺体２０の外に暖気を排出できる位置に実
装している。従って、高発熱素子１２の実装位置を自由
に選択することができる。また、高発熱素子１２となる
ＣＰＵは、他のコンポーネントで暖められた空気を直接
受けることがないので、他の発熱素子１３とともに冷却
することができる。

【００６７】図１２は本発明の実施例の図（その１１）
である。

【００６８】同図において、例えば軸流ファンからなる
冷却ファン７５と、ヒートシンク７１とからなる熱交換
部１において、冷却ファン７５の駆動モータ７６を熱交
換部１を囲うケース７７に一体に取付けて、ヒートシン
ク７１からの熱の影響を受けないように熱的に分離する
ことが好ましい。なお、ケース７７は合成樹脂等、熱伝
導性の低い材料で形成することが望ましい。

【００６９】なお、この実施例では、冷却ファンに軸流
ファンを用いた例で説明しているが、これに限定するも
のではなく例えばターボファン等を使用することも当然
可能である。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
に示すような効果がある。

【００７１】熱交換部と受熱拡散部とを分離して構成
し、ヒートパイプと基板グランド層とを通して熱交換部
と受熱拡散部との熱的接続を行うので、発熱の半分以上
が流れ込む基板の銅箔層を伝熱体として積極的に利用す
ることで、熱交換部をコンパクトにするとともに受熱拡
散部から分離して基板に実装できる。このため、高さを
低くした熱交換構造を提供することができる。さらにＣ
ＰＵ等の高発熱部品の熱のみならず、基板に実装された
他の発熱部品の熱をも効率よく放出することができる。

【００７２】さらに、ＣＰＵ等の高発熱部品を回路上の
最適な位置に配置することができる。そして、ＣＰＵ等
の高発熱部品が他の発熱部品を含むコンポーネントから
受ける熱の影響を最小限に抑えることができる。さら
に、ＣＰＵ等の高発熱部品を除く他の発熱部品を含むコ
ンポーネントの熱も効率よく放出することができる。加
えて、実装基板や実装基板を収納する装置をさらに薄く
形成することができる。

【００７３】また、熱交換部は、ヒートパイプと熱的接
続されたヒートシンクと、基板グランド層と熱的接続さ
れた放熱ピンとを熱的に分離するので、階層構造にする
ことで高発熱素子からの熱量と、他の発熱素子が実装さ
れた実装基板からの熱量とに著しい差があっても、それ
ぞれの素子の冷却を他に熱的な影響を与えたり、影響さ
れたりすることなく冷却することができる。

【００７４】また、冷却ファンの駆動モータは、熱交換
部を囲うケースに一体に取付けて熱的に分離するので、
暖気の影響を小さくして冷却ファンの軸受け寿命を主と
した信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構造図である。

【図２】本発明の実施例の図（その１）である。

【図３】本発明の実施例の図（その２）である。

【図４】本発明の実施例の図（その３）である。

【図５】本発明の実施例の図（その４）である。

【図６】本発明の実施例の図（その５）である。

【図７】本発明の実施例の図（その６）である。

【図８】本発明の実施例の図（その７）である。

【図９】本発明の実施例の図（その８）である。

【図１０】本発明の実施例の図（その９）である。

【図１１】本発明の実施例の図（その１０）である。

【図１２】本発明の実施例の図（その１１）である。

【図１３】従来技術の図（その１）である。

【図１４】従来技術の図（その２）である。

【符号の説明】

１：熱交換部 ２：受熱拡散部 ３：ヒートパイプ ４：基板グランド層 ２５：受熱板 ２６：固定金具 ３１：放熱ピン ３５：内層グランド ４１：サーマルＶＩＡ ４２：ベタ層 ５０：溝 ５１：冷却ファン ５２：ヒートシンク ５２ａ：ベース部 ５２ｂ：放熱ピン ５３：カバー体 ６１：ヒートシンク ６２：放熱ピン ６６：ファン組立体 ７５：冷却ファン ７６：駆動モータ ７７：ケース

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の半導体素子を搭載した電子回路基
   板における基板実装型熱交換構造であり、熱交換部と受
   熱拡散部とが存在し、それらは分離して構成され、ヒー
   トパイプと基板グランド層とを通して熱交換部と受熱拡
   散部との熱的接続を行う基板実装型熱交換構造におい
   て、 前記熱交換部は、空気を導入しかつ導出する冷却ファン
   と、 冷却ファンのベンチュリーと冷却ファンの固定とを兼ね
   るカバー体と、 熱拡散を行うベース部と、ベース部を貫通するあるいは
   ベース部から突出する放熱ピンとからなるヒートシンク
   とを持ち、 ヒートパイプを取付ける溝を熱伝導性の良好な部材で構
   成される前記カバー体あるいは前記ヒートシンクに設け
   る、 ことを特徴とする基板実装型熱交換構造。
2. 【請求項２】 前記熱交換部は、 前記ヒートシンクと放熱ピンとの上に冷却ファンを持つ
   ファン組立体を備える、 ことを特徴とする請求項１に記載の基板実装型熱交換構
   造。
3. 【請求項３】 前記熱交換部は、 ヒートパイプと熱的接続されたヒートシンクと、基板グ
   ランド層と熱的接続された放熱ピンとを熱的に分離す
   る、 ことを特徴とする請求項１に記載の基板実装型熱交換構
   造。
4. 【請求項４】 前記熱交換部は、 前記ヒートシンクと前記放熱ピンとの間に冷却ファンを
   持つファン組立体を備える、 ことを特徴とする請求項３に記載の基板実装型熱交換構
   造。
5. 【請求項５】 前記冷却ファンの駆動モータは、 熱交換部を囲うケースに一体に取付けて熱的に分離す
   る、 ことを特徴とする請求項１、２または４に記載の基板実
   装型熱交換構造。