JP2013211369A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 宇宙空間における発熱素子の冷却には、一般的に空冷を利用することができないため、熱伝導により冷却することが多い。従来の熱伝導による冷却方法では、発熱素子を熱伝導性の悪いプリント基板上に実装しているため、冷却能力が十分に向上しなかった。
【解決手段】 発熱素子を有したＩＣパッケージ１の直下のプリント基板３に穴を設け、プリント基板３の穴から突出する冷却フレーム４を配置し、ＩＣパッケージ１の底面に熱伝導性のよい冷却フレーム４を接着して、発熱素子２の付近に取り付ける。これによって、冷却フレームからＩＣパッケージ１の発熱素子２の熱を効率的に排熱することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品の排熱機構を備えた電子機器に関する。

近年の電子部品の高性能化に伴い、電子部品の消費電力と発熱量が増加しており、電子部品が自身の発熱で故障に至る可能性が増している。このためプリント基板上の電子部品を効果的に冷却する必要があり、ヒートシンク、空冷ファン、水冷ポンプ等の対流を利用した冷却手段が用いられている。

しかし一部の特殊な環境下で使用される電子機器については、対流による冷却手段を用いることができない場合がある。一例として宇宙空間を挙げると、「低温、真空、無重力」の環境下であり、一般的に高発熱部品の冷却に用いられる空冷を使用できず、他の水冷による冷却手段を用いると構造が複雑となるため、対流を用いた冷却手段は電子機器への使用に必ずしも適していない。

このような対流を用いることが困難な環境下で使用される電子機器では、電子機器に放熱部を設け、プリント基板やヒートスプレッタ等を介して伝導による電子部品の冷却をすることが多い。このような伝導を用いた高発熱部品（ＩＣ）の冷却手段は、特許文献１乃至５に開示されている。

特開平５−１２９４９９号公報 特開平２−２４４６４８号公報 特開平５−１２１８５１号公報 特開−２００５−５６７１号公報 特開−２０００−３３２４７３号公報

熱伝導による電子部品の冷却手法は、対流を用いるのが困難な環境下においても使用されるが、従来の熱伝導を利用した冷却手法では冷却能力が不足する場合がある。

例えば特許文献１には、伝導を用いたＩＣの排熱手段として、プリント基板と発熱素子を接着して基板と電子部品間の熱伝導性を高め、排熱効率を向上させる手段が記載されている。しかし一般的に基板材料には熱伝導性のよくない絶縁材料が使われているため、プリント基板の熱伝導を利用する排熱手段では、高発熱部品に対しては排熱能力が十分でない場合があり、ＩＣの温度上昇を抑えられない。また、高発熱部品の熱をすべてプリント基板に放出するためにプリント基板の温度が上昇し、他の実装部品に動作不良や破壊等の影響を与えてしてしまうことがある。

同様の理由で、特許文献２に記載されている底面電極をプリント基板にハンダ付けする手法も、高発熱部品に対しては排熱能力が十分でないことがある。

また、特許文献４には、プリント基板にビアを設け、電子部品の上下からグリースを介してケースに排熱する手段が記載されている。しかし真空中では使用できるグリースの材質に制限があるため、一般的に排熱に用いられるグリースよりも熱伝導率が低いグリースを用いる必要があり、排熱能力が低下する問題がある。

特許文献５には、ＩＣのパッケージ上に放熱用のカバーを接着する排熱方法が記載されている。しかし発熱源のＩＣチップがパッケージの下面に取り付けられているＩＣの場合は、チップの熱を、熱伝導性の悪い素材でできたＩＣパッケージを伝って排熱することになるため、排熱能力が十分に向上せず、ＩＣの温度上昇を抑えられないことがある。

さらに伝導による排熱機構を用いることで、電子機器設計上の制約が大きくなる場合がある。例えば特許文献３には、宇宙機器プリント基板の熱伝導性を向上させる手段が記載されているが、電気部品の実装されるプリント基板の片側を全て金属板で覆うことで、電気部品の実装面積が低下し、搭載可能な部品数が減少するために、機器の設計が困難になる。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、発熱素子からの発熱を、熱伝導により効率的に放熱する排熱機構を得ることを目的とする。

本発明による電子機器は、発熱素子が底面に実装されたパッケージと、表面上に上記パッケージ及び他の電子部品が載置され、上記発熱素子の直下における上記パッケージの底面よりも下方に貫通穴の設けられたプリント基板と、上記プリント基板の裏面に取付けられ、上記貫通穴を通過して上記プリント基板の表面から上記パッケージの底面側に突出する突出部を有し、上記プリント基板よりも熱伝導率の高い冷却部材と、を備え、上記冷却部材の突出部の上面は、上記発熱素子の直下もしくは周辺における上記パッケージの底面に接着されたものである。

本発明によれば、発熱素子を収容したパッケージ直下のプリント基板に貫通穴を設け、発熱素子直下のパッケージに熱伝導率の高い素材からなる冷却部材を接着することで、発熱素子からの発熱を、熱伝導を用いてより効率的に放熱することができる。

実施の形態１による電子機器の構成を示す図である。 実施の形態１による電子機器の構成を示す分解図である。 従来のＩＣとプリント基板間の排熱経路を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１による電子機器の構成を示す図である。図２は、実施の形態１による電子機器の構成を示す分解図である。図１、２において、実施の形態１による電子機器は、ＩＣ（Integrated Circuit）パッケージ１と、プリント基板３と、冷却フレーム４と、金属ケース５から構成される。ＩＣ（Integrated Circuit）パッケージ１は、プリント基板３上に実装される高発熱電子部品（ＩＣ）である。また、プリント基板３は、冷却部材である冷却フレーム４に取付けられている。冷却フレーム４は、金属ケース５に固定されている。金属ケース５は、アルミニウムや炭素繊維強化プラスチック等からなり、ＩＣパッケージ１やプリント基板３を載置するまたは収容するための、筐体を構成する。金属ケース５は、外部機器の上に取付けられるように、図示しないねじ穴が設けられている。ＩＣパッケージ１及び冷却フレーム４は、実施の形態１による電子機器の排熱機構を構成している。

ＩＣパッケージ１は、発熱素子２と、発熱素子２を収容するパッケージ本体１０と、パッケージ本体１０に固定されたリード線であるリード１１と、を備えている。パッケージ本体１０は、底面に基板１３が設けられており、基板１３は金属や樹脂で形成された側壁及び上壁に囲まれている、もしくは包含されている。リード１１はＬ字形状に折れ曲がり、一端部が基板１３の上面に形成された配線パターン（図示せず）に接続されている。リード１１の一端部の上端面は、導電ワイヤや金リボン等の導電線１２を介して発熱素子２の信号電極に接続される。リード１１は、基板１３から垂直方向に突き出し、最上部でコの字形状に折れ曲がって垂直下方に垂れ下がり、最下部がパッケージ本体１０の底面よりも下方に位置したところで、リード１１の他端部がパッケージ本体１０から離れる外側方向にＬ字形状に折れ曲がっている。リード１１の他端部は、プリント基板３の上面に形成された導体パッド（図示せず）に対して、はんだ付けにより接続される。基板１３は、例えば窒化アルミのような熱伝導性の高い素材で形成されている。

なお、基板１３は、銅、銅タングステン、グラファイト等の素材から形成しても良い。この場合、リード１１の一端部の底面を基板１３の上面に接合する際に、リード１１と基板１３の間に非導電性の絶縁体を間に挟んでも良い。

プリント基板３は、ＩＣパッケージ１における発熱素子２の直下もしくは直近の周辺に、発熱素子２より若干大きいサイズを有した長方形状または円形状の貫通穴３０が設けられている。ＩＣパッケージ１におけるリード１１の他端部は、貫通穴３０の外側で、プリント基板３に接合されている。プリント基板３は、四隅にボルト穴が設けられている。プリント基板３は、ガラスエポキシ樹脂やポリイミド積層樹脂等の有機材料からなる。プリント基板３は、表面におけるＩＣパッケージ１の周辺や裏面に、複数の他の電子部品が実装されている。

冷却フレーム４は、長方板形状の基部４０と、基部４０から上方に突出した直方体塊形状の突出部４１と、基部４０の四隅からそれぞれ上方に突出した円筒形状の突起部４２と、基部４０の両短辺からそれぞれ横方向に突き出した２本の取手部４３と、基部４０の両長辺側の端縁と突出部４１との間に設けられた、例えば角形状あるいは丸形状の穴部４５とを備えている。冷却フレーム４は、アルミニウムや銅、銅タングステン、炭素系樹脂材料等の熱伝導性の良好な高熱伝導性素材から構成される。例えば、アルミニウムの熱伝導率は２３８Ｗ／［ｍ・Ｋ］、銅の熱伝導率は３９８Ｗ／［ｍ・Ｋ］、銅タングステンの熱伝導率は２３０〜２７０Ｗ／［ｍ・Ｋ］となっている。

突起部４２はねじ穴が形成されている。プリント基板３は、スペーサ７を間に挟んで冷却フレーム４の突起部４２の上面に接触し、４本のねじ６が係合して冷却フレーム４に締結されている。スペーサ７は薄膜板からなる。冷却フレーム４の突出部４１は、プリント基板３の貫通穴３０を通過して、プリント基板３の上面から上方に突出している。冷却フレーム４の取手部４３は、金属ケース５の壁面に取付けられている。

ＩＣパッケージ１の底面における発熱素子２の直下もしくは直近の周辺は、プリント基板３の貫通穴３０を通過して上方に突き出した冷却フレーム４における突出部４１の上面に接着される。この際、冷却フレーム４の突出部４１とＩＣパッケージ１の底面との間は、熱伝導性接着剤８を塗布して密着させている。これによって、ＩＣパッケージ１と冷却フレーム４間の接触熱抵抗が小さくなり、熱伝導特性（放熱特性）が向上する。熱伝導性接着剤８は冷却フレーム４と比べて熱伝導率が低いため、発熱素子２から冷却フレーム４への全体の排熱効率を向上させるためには、ＩＣパッケージ１と冷却フレーム４間での熱伝導性接着剤８の接着層をできる限り薄くする必要がある。そのため冷却フレーム４とＩＣパッケージ１間の加工誤差による隙間を最小（例えば０．１ｍｍ程度）として、冷却フレーム４をプリント基板３に固定した際の加工誤差による隙間は、冷却フレーム４とプリント基板３間に板厚の薄いスペーサ７を挟み込むことで吸収する。

図３は、従来のＩＣパッケージとプリント基板間の排熱経路を示す図である。図３において、従来の熱伝導を利用した冷却機構は、発熱素子から発生した熱は、ＩＣパッケージ１０１の底面からグリース１０８を介してプリント基板１０３に放熱され、プリント基板１０３から金属ケース１０５に伝導する。このように、熱伝導性の比較的悪いプリント基板１０３、グリース１０８、ＩＣパッケージ１０１を通じた排熱により、発熱素子を冷却していた。

これに対し実施の形態１による冷却機構では、ＩＣパッケージ１直下のプリント基板を刳り貫いて、冷却フレーム４と、層厚さ０．０１ｍｍから０．０２ｍｍのごく薄い熱伝導性接着剤８の接着層を通して、発熱素子２の直近に冷却フレームを取り付けることができる。このため発熱素子２から発生した熱は、ＩＣパッケージ１の底面から熱伝導性接着剤８を介して冷却フレーム４の突出部４１に放熱され、冷却フレーム４の取手部４３から金属ケース１０５に伝導する。この熱経路に介在する冷却フレーム４の熱伝導率は、プリント基板３の熱伝導率（例えば０．５Ｗ／［ｍ・Ｋ］）よりも１０倍以上高くし、より好ましくは１００倍以上高くする。このように冷却フレーム４に熱伝導性が相当良い素材を用いることで、冷却効率を大幅に向上させることができる。また、対流伝熱方式を用いずに、プリント基板３にはんだ付けされるＩＣパッケージ１の排熱効率を向上させることができる。また、突出部４１の周辺に穴部４５を設けることで、突出部４１から取手部４３への排熱効率を更に向上させることができる。なお、熱伝導性接着剤８の接着層は、０．１ｍｍ前後とすることで、加工費用を抑えたまま熱伝導率を向上させることができる。

冷却フレーム４はＩＣパッケージ１の底面に接着されることで、ＩＣパッケージ１が冷却フレーム４に押されて、ＩＣパッケージ１から伸びたリード線１１に少なからず負荷が発生する。これを防ぐため、冷却フレーム４はプリント基板３にねじ６のような締結部品により固定される。このとき、小さな電子部品をプリント基板３上の冷却フレーム４で覆われた部分に実装することができるように、冷却フレーム４はＩＣパッケージ１との接着部およびプリント基板固定部のみプリント基板３と接するように構成する。また、プリント基板３と冷却フレーム４の間には、突起部４２により所定の高さをなす空間を設けている。

プリント基板３の貫通穴３０のサイズ（又は穴径）を大きくするほど、冷却フレーム４の突出部４１を太くする（横幅を大きくする）ことができるので、プリント基板３に接着される接着面積及び熱が拡散する面積が大きくなり、冷却能力が向上する。但し、貫通穴３０を設けることによって、回路や、配線パターン、導通パターンをプリント基板３の表層または内層に配線することができなくなるため、貫通穴３０のサイズ（又は穴径）は冷却に必要な最小限の大きさとするのが良い。

また、冷却フレーム４は、熱抵抗を大きくしないように、金属ケース５に接着して固定される。また、金属ケース５は、ヒートパイプや電子機器を搭載する装置（外部機器）全体の放熱面に熱的に接続されており、電子機器内部で発生した熱を、電子機器を搭載する装置の外部に放出する。なお、金属ケース５にヒートパイプが設けられていても良い。

また、冷却フレーム４は、熱伝導性のよい素材から構成される他、必要に応じてヒートパイプを内蔵しても良い。

また、ＩＣパッケージ１とプリント基板３の間隙に放熱用のグリースを更に充填して、そこからの熱伝導で、プリント基板３からも放熱するようにしても良い。

以上説明した通り、実施の形態１による電子機器は、発熱素子２が底面に実装されたＩＣパッケージ１と、表面上に上記ＩＣパッケージ１及び他の電子部品が載置され、上記発熱素子２の直下における上記ＩＣパッケージ１の底面よりも下方に貫通穴３０の設けられたプリント基板３と、上記プリント基板３の裏面に取付けられ、上記貫通穴３０を通過して上記プリント基板３の表面から上記ＩＣパッケージ１の底面側に突出する突出部４１を有し、上記プリント基板３よりも熱伝導率の高い冷却フレーム（冷却部材）４と、を備え、上記冷却フレーム４の突出部４１の上面は、上記発熱素子２の直下もしくは周辺（直近）における上記ＩＣパッケージ１の底面に接着されたことを特徴とする。また、上記冷却フレーム４は、金属ケース５に固定される。また、上記冷却フレーム４は、金属ケース５と突出部４１の間を除く突出部４１の周辺に穴４５が形成される。また、上記ＩＣパッケージ１は、一端部が上記発熱素子２に接続され、他端部が上記ＩＣパッケージ１の底面よりも下方に突き出して上記プリント基板３に接続されるリード（リード線）１１が設けられ、上記プリント基板と上記パッケージの底面との間に間隙を有して配置される。

これによって、ＩＣパッケージ１直下のプリント基板３を刳り貫いて、発熱素子２直下のＩＣパッケージ１に熱伝導性のよい素材でできた冷却フレーム４を接着することで、従来のプリント基板、グリース、ＩＣパッケージ等の熱伝導を利用した排熱機構と比較して、発熱素子２の発熱を効率的に排熱することができる。

また、ＩＣパッケージ１の発熱の大部分を冷却フレーム４から排熱するため、プリント基板３の温度を低く抑えることができ、プリント基板３上の他の発熱素子２への熱的な影響を低減することができる。

また、プリント基板３にあける貫通穴３０は、最大でもＩＣパッケージ１下部の底面積程度の大きさに抑えることができるので、貫通穴３０の配置によるプリント基板３の部品実装面積の縮小を抑制することができる。

また、発熱素子２がＩＣパッケージ１の下面に取り付けられているＩＣを使用する際に、ＩＣの発熱部分から電子機器外部までの放熱経路上の熱抵抗を小さく抑えることができるので、熱伝導性が向上し、ＩＣをより効率的に冷却することができる。

更に、冷却用フレーム４にヒートパイプのような高排熱手段を内蔵することで、排熱能力を更に向上させることができる。

１ ＩＣパッケージ、２ 発熱素子、３ プリント基板、４ 冷却フレーム（冷却部材）、５ 金属ケース、６ ねじ、７ スペーサ、８ 熱伝導性接着剤、３０ 貫通穴、４１ 突出部、４３ 取手部、４５ 穴部。

Claims (4)

1. 発熱素子が底面に実装されたパッケージと、
   表面上に上記パッケージ及び他の電子部品が載置され、上記発熱素子の直下における上記パッケージの底面よりも下方に貫通穴の設けられたプリント基板と、
   上記プリント基板の裏面に取付けられ、上記貫通穴を通過して上記プリント基板の表面から上記パッケージの底面側に突出する突出部を有し、上記プリント基板よりも熱伝導率の高い冷却部材と、
   を備え、
   上記冷却部材の突出部の上面は、上記発熱素子の直下もしくは周辺における上記パッケージの底面に接着された電子機器。
2. 上記冷却部材は、金属ケースに固定された請求項１記載の電子機器。
3. 上記冷却部材は、金属ケースと突出部の間を除く突出部の周辺に穴が形成された請求項１記載の電子機器。
4. 上記パッケージは、一端部が上記発熱素子に接続され、他端部が上記パッケージの底面よりも下方に突き出して上記プリント基板に接続されるリード線が設けられ、上記プリント基板と上記パッケージの底面との間に間隙を有して配置された請求項１記載の電子機器。

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