JP5896124B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクに関し、詳しくは、板金加工により形成される放熱効率の優れたヒートシンクに関する。

ヒートシンクは、発熱する電子部品の温度上昇を抑えるものであって、電子部品の熱が効率良く伝わるように取り付けられ、電子部品が発熱した熱量を放熱するように構成されている。

ヒートシンクの主な製造法として、金型による押し出し成形、ダイカスト鋳造、板金加工などがあり、熱伝導性の高い材料が用いられる。

ところで、近年の電子機器の小型化、高速化、高機能化などに伴い、機器に搭載される電子部品の発熱量は増加し、多くの電子部品に対して放熱効率の高い放熱構造が求められている。

放熱構造を必要とする多種多様な電子部品について、限られたスペースで最適な効率で放熱させるためには、個々の電子部品、または複数の電子部品に合わせた放熱構造が必要であり、また機器の内部構造に合わせた最適な放熱構造も必要となっている。

そこで、ヒートシンクは、最適な放熱構造とするために、電子部品ごと、または電子機器ごとに特化された専用品として開発される場合が多い。

図６は、従来のヒートシンクの一例を示す構成説明図である。図６において、プリント配線板１０には、高さの異なる複数の電子部品１１〜１８が実装されている。

ヒートシンク２０は熱伝導率の良い金属材料、たとえばアルミニウムが押し出し成形部材として一体化されたものであって、上面には複数のフィン２１が等間隔で平行に形成され、下面にはプリント配線板１０に実装されている電子部品１１〜１８の１個または隣接する複数個と熱的に接触して放熱するようにそれぞれの大きさおよび高さに合わせた複数の段差部２２〜２７が形成されている。具体的には、電子部品１１〜１３は段差部２２〜２４に対応し、電子部品１４と１５は段差部２５に対応し、電子部品１６は段差部２６に対応し、電子部品１７と１８は段差部２７に対応するように切削加工により形成されている。

図７は従来のヒートシンクの他の例を示す構成説明図であり、図６と共通する部分には同一の符号を付けている。図７において、プリント配線板１０には図６と同様に高さの異なる複数の電子部品１１〜１８が実装されている。

ヒートシンク３０〜７０はそれぞれ熱伝導率の良い金属板、たとえばアルミニウム板が有底角筒状に折り曲げ加工されたものである。具体的には、ヒートシンク３０はその底面が電子部品１１の上面と熱的に接触し、ヒートシンク４０はその底面が高さの等しい電子部品１２と１３の上面と熱的に接触し、ヒートシンク５０はその底面が高さの等しい電子部品１４と１５の上面と熱的に接触し、ヒートシンク６０はその底面が電子部品１６の上面と熱的に接触し、ヒートシンク７０はその底面が高さの等しい電子部品１７と１８の上面と熱的に接触するように折り曲げ加工されている。

なお、図６および図７において、プリント配線板１０に実装されている電子部品１１〜１８と各ヒートシンク２０〜７０との熱的接触面には、熱伝達効率を向上させるために、たとえば熱伝導用シリコングリ−スなどを塗布したり、熱伝導シートを配置することも行われる。

図８も従来のヒートシンクの他の例を示す構成説明図であり、特許文献１に記載されている放熱構造を示している。図８において、基板８１上のＩＣ８２からの熱を放散させるための放熱板金８３と、ＩＣ８２および放熱板金８３間に介在する放熱シート８４を備えている。

図９は、図８の組立図である。図９において、基板８１上のＩＣ８２と放熱板金８３との間に放熱シート８４を配置して基板８１と放熱板金８３を対向させ、基板８１と放熱板金８３を所定の距離まで近接させてこの位置関係を固定することにより、図８の状態が形成される。

放熱板金８３の突出部８３ａは、図８の位置関係において、放熱シート８４の厚さのばらつきにも拘らず、放熱板金８３と放熱シート８４間の接触を確保するとともに、ＩＣ８２に対する所定以上の圧迫を生じないような形状、大きさ、数および配置を有する。図８では、突出部８３ａとして、球面の一部を平面で切り取ったような形状あるいはドーム形状であって適当な大きさのもの２つを、適当な２箇所に配置している。

特開２０１０−１２９９５４号公報

しかし、図６の構成は、プリント配線板１０やプリント配線板１０が組み込まれる電子機器の内部構造によっては、ヒートシンク２０の下面の形状を複雑に切削追加工しなければならない場合もあり、高価になってしまう。

また、大量生産品であれば、押し出し成形やダイカスト鋳造を行うための専用金型を用いて最適設計された専用のヒートシンクを製作することも可能であり、金型への投資を考慮しても十分安価となるが、少量生産品の場合には金型への投資回収が困難となる。

一方、図７の構成によれば、電子部品１１〜１８の高さが異なる場合には、高さに応じた複数のヒートシンク３０〜７０を設けなければならない。

また、実装スペースの問題から、曲げ構造により電子部品１１〜１８とヒートシンク３０〜７０との接触面積を増やすことにも限界があり、十分な放熱効率を得られない場合が多い。

さらに、図８の構成によれば、ＩＣ８２の熱を放熱シート８４を介して放熱板金８３に効率よく伝えるために放熱板金８３に突出部８３ａを設け、突出部８３ａを放熱シート８４に接触させたものであり、本発明のように放熱板金８３に伝わった熱を効率よく放熱するための具体的な構成については示していない。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、個々の電子部品または個々の電子機器に合わせた放熱効率の良いヒートシンクを板金構造により安価に提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
プリント配線板に実装された発熱電子部品の上面と熱的に接触するように取り付けられる金属放熱板を用いたヒートシンクにおいて、
前記発熱電子部品領域を除く領域には前記発熱電子部品の上面との接触面から他方の面に円錐台状の頂面が突出するように絞り加工され前記頂面のほぼ中央にはネジの挿入穴が設けられた同一形状の複数の第１の突起部が形成された第１の金属放熱板と、
これら第１の突起部の頂面と当接するように積層され、前記第１の突起部の挿入穴から挿入されるネジと螺合する複数の第１のネジ穴が設けられるとともに、前記第１の突起部と重ならない領域に前記第１の突起部と同一形状の複数の第２の突起部が前記第１の突起部と同一方向に形成された第２の金属放熱板、
を含むことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、
前記第１の金属放熱板と第２の金属放熱板は、１枚の金属板から所定の形状に切り出され折り曲げられて形成されることを特徴する。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のヒートシンクにおいて、
前記発熱電子部品の上面と前記第１の金属放熱板との間には放熱シートを介在させるとともに、前記第１の金属放熱板の前記発熱電子部品の上面との接触領域には複数の貫通穴が設けられていることを特徴する。

請求項４の発明は、請求項３に記載のヒートシンクにおいて、
前記放熱シートの厚さは、放熱シートを含む高さが等しくなるように前記発熱電子部品の高さに応じて選択することを特徴する。

これらにより、従来の板金構造のヒートシンクに比べてスペース当たりの表面積を大きくでき、放熱面への空気の流れの遮断も軽減できるので放熱効率の向上が図れる。

本発明に基づくヒートシンクの具体例を示す構成説明図である。 図１の組み立て図である。 本発明を構成する第１の金属放熱板２１０の構成説明図 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 図４の製造工程説明図である。 従来のヒートシンクの一例を示す構成説明図である。 従来のヒートシンクの他の例を示す構成説明図である。 従来のヒートシンクの他の例を示す構成説明図である。 図８の組立図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づくヒートシンクの具体例を示す構成説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。図２は図１の組み立て図である。

図１および図２において、プリント配線板１００には、たとえばＩＣなどの発熱電子部品１０１が実装されている。発熱電子部品１０１の上面には、所定の形状に形成されて順次積層されネジ止めされてヒートシンクとして一体化された３枚の金属放熱板２１０、２２０、２３０が、放熱シート３００を介して発熱電子部品１０１の上面と熱的に接触するように取り付けられている。

ヒートシンクを構成するこれら３枚の金属放熱板２１０、２２０、２３０には、板金加工により、それぞれの積層位置に応じて、貫通穴や絞り加工による突起部やネジ穴や通気穴などが設けられている。

図３は積層されるヒートシンクの最下層に位置する第１の金属放熱板２１０の構成説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は下面図である。図３において、金属放熱板２１０のほぼ中央部は、プリント配線板１００に実装されている発熱電子部品１０１の上面と対向する電子部品領域２１１である。この電子部品領域２１１には、複数の貫通穴２１２（本実施例では５個）が設けられている。

これらの貫通穴２１２は、積層されたヒートシンクをプリント配線板１００に取り付けるのにあたり、発熱電子部品１０１の上面と金属放熱板２１０との間に放熱シート３００を介在させる場合に、プリント配線板１００に過度の押付力が負荷としてかからないように適切に吸収分散させて緩和調整する機能を有するものである。

発熱電子部品１０１の上面と金属放熱板２１０との間に放熱シート３００を介在させて積層されたヒートシンクをプリント配線板１００に取り付けるのにあたっては、放熱シート３００を厚み方向に圧縮することにより確実な接触を保ち、放熱シート３００の熱抵抗を下げている。

しかし、放熱シート３００を厚み方向に圧縮する際の押付力が強すぎると、プリント配線板１００に過度の負荷がかかることになり、プリント配線板１００が変形して実装されている電子部品の接続ハンダがはがれてしまったり、プリント配線板１００が割れてしまう恐れがある。

ところが、電子部品領域２１１に貫通穴２１２を設けておくと、放熱シート３００を厚み方向に圧縮する際の押付け力に応じて放熱シート３００の一部は貫通穴２１２に押し出されることになり、プリント配線板１００にかかる負荷の一部を実質的に吸収分散させることができる。

したがって、放熱シート３００としてプリント配線板１００への押付力が多少強めになる厚みのものを選定し、貫通穴２１２の面積を適切に調整設定することにより、プリント配線板１００に対する適切な押付力と、確実な熱的接触と、放熱シート３００の熱抵抗の低減を実現できる。

なお、これら貫通穴２１２の面積は、貫通穴２１２と金属放熱板２１０の板厚の関係から穴の口径が小さいほど表面積が増すことになるため、貫通穴２１２は面積の小さな穴を複数個設けることが効果的である。

また、本発明に基づく１つのヒートシンクで、図６や図７に示したような高さの異なる複数の発熱電子部品を冷却する場合も考えられる。このとき、発熱電子部品ごとに高さを合わせた所定の厚みの放熱シート３００を選択することも不可能ではないが、市販されている入手可能な放熱シート３００の厚みは一般的に０．５ｍｍごとであるため、プリント配線板１００に対する負荷を放熱シート３００の厚みの選択のみにより調整することは現実的には困難である。

この場合にも、発熱電子部品ごとに放熱シート３００としてプリント配線板１００への押付力が強めになる厚みのものを選択し、貫通穴２１２により押付力を軽減する方向に調整することができる。

電子部品領域２１１の上下左右の近傍には、発熱電子部品の上面との接触面から他方の面に円錐台状の頂面が突出するように絞り加工された同一形状の複数の突起部２１３（本実施例では４個）が形成され、これら突起部２１３の頂面のほぼ中央にはネジの挿入穴２１４が設けられている。

さらに、これら上下左右の突起部２１３の中心を通る仮想平行線の交点位置には複数の通気穴２１５（本実施例では４個）が形成されている。なお、これらの通気穴２１５の穴径は、第２の金属放熱板２２０に第３の金属放熱板２３０を積層してネジ止め固着するための固定用ネジの頭部が通り抜けできる大きさに形成されている。

再び図１および図２において、第１の金属放熱板２１０に設けられた突起部２１３の頂面と当接するように積層される第２の金属放熱板２２０には、突起部２１３の挿入穴２１４から挿入されるネジと螺合する４個のネジ穴２２１が設けられるとともに、第１の金属放熱板２１０に設けられた突起部２１３と重ならない電子部品領域２１１および通気穴２１５の領域にこれら突起部２１３と同一形状の複数の突起部２２２（本実施例では５個）が突起部２１３と同一方向に形成され、これら突起部２２２の頂面のほぼ中央にはネジの挿入穴２２３が設けられている。

第１の金属放熱板２１０に設けられた突起部２１３の頂面と当接するように第２の金属放熱板２２０を積層した状態で、第１の金属放熱板２１０のプリント配線板１００と対向する面から突起部２１３の挿入穴２１４にネジ２１６を挿入し、第２の金属放熱板２２０に設けられているネジ穴２２１と螺合させる。これにより、第２の金属放熱板２２０は第１の金属放熱板２１０に積層固着される。

第１の金属放熱板２１０に積層固着された第２の金属放熱板２２０に設けられた突起部２２２の頂面と当接するように積層される第３の金属放熱板２３０には、突起部２２２の挿入穴２２３から挿入されるネジと螺合する５個のネジ穴２３１が設けられるとともに、第２の金属放熱板２２０に設けられた突起部２２２と重ならない領域すなわち第１の金属放熱板２１０と同様の領域にこれら突起部２２２と同一形状の複数の突起部２３２（本実施例では４個）が突起部２２２と同一方向に形成され、これら突起部２３２の頂面のほぼ中央にはネジの挿入穴２３３が設けられている。

第２の金属放熱板２２０に設けられた突起部２２２の頂面と当接するように第３の金属放熱板２３０を積層した状態で、第２の金属放熱板２２０のプリント配線板１００と対向する面から、第１の金属放熱板２１０に設けられた通気穴２１５を通り抜けるようにして突起部２２３の挿入穴２２４にネジ２２５を挿入し、第３の金属放熱板２３０に設けられているネジ穴２３１と螺合させる。これにより、第３の金属放熱板２３０は第２の金属放熱板２２０に積層固着されることになる。

このように３枚の金属放熱板２１０、２２０、２３０が積層固着されて図１に示すようにヒートシンクとして一体化され、ヒートシンクに設けられている図示しない取付穴に図示しない取付ネジを挿入してプリント配線板１００に実装されている発熱電子部品１０１の上面と熱的に接触するように放熱シート３００を介して取り付けられる。

本発明に基づくヒートシンクによれば、各金属放熱板２１０、２２０、２３０に円錐台状に絞り加工された複数の突起部２１３、２２２、２３２を設けているので、図７や図８に示すような従来の板金構造のヒートシンクに比べスペース当たりの表面積を大きくすることができ、また放熱面への空気の流れを遮ることも少なく、放熱効率が向上する。

また、図６のような切削加工を必要としない板金構造であり、製造工程の大半が絞りや抜き加工などのＮＣタレットパンチプレスにより形成可能であることから、少量生産であっても製造コストを比較的安価に抑制できる。

さらに、絞り加工に用いる金型は、電子機器の筐体カバーなどでネジの頭部を没頭させるために用いる皿打ち出し金型などを転用できることから、初期投資も抑えることが可能である。

また、上記実施例では、３枚の金属放熱板２１０、２２０、２３０を積層固着してヒートシンクとして一体化する例を説明したが、積層固着する金属放熱板は３枚に限るものではなく、４枚以上を積層固着してもよいし、少なくとも２枚の金属放熱板２１０、２２０を積層固着することにより図８に示した１枚だけの構造に比べてより高い放熱効率が得られる。

また、発熱電子部品１０１の上面とヒートシンクとの間に放熱シート３００を設けない場合には、第１の金属放熱板２１０の電子部品領域２１１における複数の貫通穴２１２を省略してもよいが、これらの貫通穴２１２を設けておくと貫通穴２１２の内壁部分による放熱効果も期待できる。

図４は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図５は図４のヒートシンクを１枚の金属板からＮＣタレットパンチプレスにより所定の形状に切り抜き加工して折り曲げ加工することにより製造する工程説明図であって、図１および図２と共通する部分には同一の符号を付けている。

図４および図５に示すように、所定の形状に切り抜き加工された１枚の金属板２００を順次所定の方向に折り曲げ加工することにより、図１および図２と同様に３枚の金属放熱板２１０、２２０、２３０が順次積層固着されたほぼ直方体状のヒートシンクが実現できる。

図５（ａ）は、１枚の金属板２００の板取り形状を示している。大きくは、中央部の第１の金属放熱板２１０と、第１の金属放熱板２１０の左側の第２の金属放熱板２２０と、第１の金属放熱板２１０の右側の第３の金属放熱板２３０よりなる３つの領域が切り抜きされていて、それぞれの金属放熱板２１０、２２０、２３０には図１および図２と同様な貫通穴や絞り加工による突起部やネジ穴や通気穴などが設けられているが、それらの具体的な説明は省略する。

また、それぞれの金属放熱板２１０、２２０、２３０には、図４に示すように、それぞれの主平面に対して積層方向に沿ってほぼ直角に折り曲げられる折り曲げ辺２１７、２２５、２２６、２３４、２３５の領域も設けられている。これらの折り曲げ辺２１７、２２５、２２６、２３４、２３５は、ヒートシンクとしての放熱面積を拡大するために設けられるものである。これらの折り曲げ辺２１７、２２５、２２６、２３４、２３５には、必要に応じてさらに放熱面積を拡大するためにたとえば折り曲げ辺２１７に示すように多数の貫通穴が設けられる。

図５（ｂ）は、第１の金属放熱板２１０の部分を、折り曲げ辺２１７の高さ分を残してほぼ直角に折り曲げた状態を示している。

図５（ｃ）は、第２の金属放熱板２２０の部分を、折り曲げ辺２２５、２２６の高さ分を残して第１の金属放熱板２１０の部分と同じ方向にほぼ直角に折り曲げた状態を示している。

図５（ｄ）は、第３の金属放熱板２３０の部分を、折り曲げ辺２３４、２３５の高さ分を残して第１の金属放熱板２１０の部分および第２の金属放熱板２２０の部分と同じ方向にほぼ直角に折り曲げた状態を示している。

図５（ｅ）は、第２の金属放熱板２２０の部分を、折り曲げ辺２１７に対して反時計方向にほぼ直角に折り曲げた状態を示している。この状態では、第１の金属放熱板２１０の部分に第２の金属放熱板２２０の部分が積層されることになる。

図５（ｆ）は、第３の金属放熱板２３０の部分を、折り曲げ辺２１７に対して時計方向にほぼ直角に折り曲げた状態を示している。

これにより、第２の金属放熱板２２０の部分に第３の金属放熱板２３０の部分が積層されることになり、図４に示すような３枚の金属放熱板２１０、２２０、２３０が順次積層固着されたほぼ直方体状のヒートシンクが実現できる。

なお、図４および図５の例では、第３の金属放熱板２３０の主平面は平坦のままで穴あけ加工を施しているが、第１の金属放熱板２１０や第２の金属放熱板２２０と同様な絞り加工による突起部を設けてもよいし、複数の切り溝やスリットなどを設けて放熱面積を拡大させてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、少量であっても、個々の電子部品または個々の電子機器に合わせた放熱効率の優れた板金構造のヒートシンクを安価に提供することができる。

１００ プリント配線板
１０１ 発熱電子部品
２００ 金属板
２１０ 第１の金属放熱板
２１１ 電子部品領域
２１２ 貫通穴
２１３ 突起部（絞り加工）
２１４ ネジ挿入穴
２１５ 通気穴
２１６ ネジ
２１７ 折り曲げ辺
２２０ 第２の金属放熱板
２２１ ネジ穴
２２２ 突起部（絞り加工）
２２３ ネジ挿入穴
２２４ ネジ
２２５、２２６ 折り曲げ辺
２３０ 第３の金属放熱板
２３１ ネジ穴
２３２ 突起部（絞り加工）
２３３ ネジ挿入穴
２３４、２３５ 折り曲げ辺
３００ 放熱シート

Claims (4)

1. プリント配線板に実装された発熱電子部品の上面と熱的に接触するように取り付けられる金属放熱板を用いたヒートシンクにおいて、
   前記発熱電子部品領域を除く領域には前記発熱電子部品の上面との接触面から他方の面に円錐台状の頂面が突出するように絞り加工され前記頂面のほぼ中央にはネジの挿入穴が設けられた同一形状の複数の第１の突起部が形成された第１の金属放熱板と、
   これら第１の突起部の頂面と当接するように積層され、前記第１の突起部の挿入穴から挿入されるネジと螺合する複数の第１のネジ穴が設けられるとともに、前記第１の突起部と重ならない領域に前記第１の突起部と同一形状の複数の第２の突起部が前記第１の突起部と同一方向に形成された第２の金属放熱板、
   を含むことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記第１の金属放熱板と第２の金属放熱板は、１枚の金属板から所定の形状に切り出され折り曲げられて形成されることを特徴する請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記発熱電子部品の上面と前記第１の金属放熱板との間には放熱シートを介在させるとともに、前記第１の金属放熱板の前記発熱電子部品の上面との接触領域には複数の貫通穴が設けられていることを特徴する請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記放熱シートの厚さは、放熱シートを含む高さが等しくなるように前記発熱電子部品の高さに応じて選択することを特徴する請求項３に記載のヒートシンク。

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