JP5165017B2

JP5165017B2 - 電子機器の冷却構造

Info

Publication number: JP5165017B2
Application number: JP2010061782A
Authority: JP
Inventors: 正彦臼井; 貴文江波; 翔池田; 繁裕椿
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: US20110228485A1; US8564957B2; JP2011198868A

Description

本発明は、高さの異なる複数の発熱体を冷却するための冷却構造に関するものである。

電子機器に用いられる半導体、とりわけ情報処理装置のＣＰＵに代表されるような半導体は、小型化・高集積化が急速に進み、発熱量は増大している。しかし、半導体の一般的な性質として、熱に弱く、高温下で使用すると信頼性が大きく劣化すると言う問題がある。よって、半導体の冷却性能向上のため、これらに搭載されるヒートシンクサイズは、以前に比べて大型化する傾向にある。

また、近年ＣＰＵの性能向上に伴い、それらの部品に安定して電力を供給するための電源部品、とりわけ基板上に実装されるＭＯＳ−ＦＥＴやレギュレータ部品等の発熱量も飛躍的に増加している。一般的にこれらの部品は、電源種毎に複数個搭載される。これらの部品は、ＣＰＵに比べると発熱量は小さいが、部品面積も非常に小さいため、発熱密度で考えた場合、数十ワットのＬＳＩに匹敵する。更に、これらの部品は、その実装形態から部品温度と基板温度がほとんど同じとなる。したがって、基板の信頼性を確保する上でも、電源部品の冷却が必須となってきている。

上記課題の解決のためには、ヒートシンクを搭載し、放熱面積を拡大することが挙げられる。但し、これらの電源部品は非常に近い間隔で搭載されるため、冷却に必要なヒートシンクサイズを確保しようとすると、ヒートシンクが干渉する。また、これらの電源部品はサイズが非常に小さいため、接着面積を考慮した場合、熱伝導性接着剤や両面テープ等を使用してのヒートシンクの固定が難しい。そのため、ヒートシンク搭載時には、基板に貫通穴を開け、ネジやプッシュピン等でヒートシンクを固定することとなる。しかし、貫通穴の設置は、基板内の配線性に大きな制約を与えると言う問題がある。

また、基板上にＣＰＵ等の高発熱体及びＣＰＵに電力を供給するための電源部品が搭載される場合、電源部品はＣＰＵの近くに配置されることが多い。そのため、ＣＰＵヒートシンクを搭載した場合、電源部品の冷却に必要な放熱面積の確保が難しい。

この様な問題への解決方法として、例えば特許文献１では、発熱体で発生した熱をヒートスプレッダにより拡大させることで放熱面積の拡大を図っている。

特開2003-68943

例として、ＣＰＵ及びＣＰＵに電力を供給する複数の発熱部品との一括冷却について説明する。前述の通り、ＣＰＵ冷却ヒートシンクは大型化する傾向にあるため、周辺部の発熱部品の上空にまでヒートシンクが拡大される。そこでこの点に着目し、発熱部品から発生した熱をＣＰＵ冷却用のヒートシンク側に伝達し、ＣＰＵと一体で冷却させる冷却構造を検討した。

１つ目は、発熱体とＣＰＵ冷却用ヒートシンクの間に熱伝導性を持った材質（熱伝導シート等）を搭載し、ＣＰＵと発熱体の高さの差分を熱伝導シートにて吸収する方式である。発熱体から発生した熱は、熱伝導シートを介してヒートシンク側に伝わる。この構造は最も単純ではあるが、一般的にＣＰＵは、ソケット等複数の機構部品から構成されるため、他の発熱体に比べ部品高さが高い。そのため、高さの差分を吸収するためには非常に厚いシートが必要となり、現実的でない。また、シート部分での温度上昇が非常に大きくなってしまう。

２つ目は、発熱体の周辺のみＣＰＵのヒートシンクの底面をペデスタル形状とすることにより、熱伝導シートを介して発熱体と接触させる方式である。１つ目の案に比べると熱伝導シートの厚さは薄くなるものの、シート厚さはＣＰＵの高さ公差の影響を受けるため、シート厚さを公差以下にすることはできない。また、案１と同様、発熱体と熱伝導シートの接触面積がチップのサイズとなるため、この部分での温度上昇が大きくなり、発熱体の冷却性に課題が残る。

上記課題を解決するため、本発明における冷却構造は、同形状の複数の発熱体を冷却するための熱拡散板を備え、熱伝導シート１を介して熱拡散板と熱接続する。また、前述の発熱体とはサイズや高さの異なる、１つ以上の別形状の複数の発熱体に関しても、同様に１つ以上の熱拡散板を備える。これにより、発熱体から発生した熱の拡散を図っている。そして、これらの熱拡散板を、別の熱伝導シート２を介して1つの放熱体に接続し、発熱体から発生した熱を最終的に１つの放熱体にて放熱する冷却構造としている。

この構造により、放熱体と熱拡散板間の熱伝導シートで部品の公差を吸収し、各部品で発生した熱を一体型の放熱体にて冷却することが可能となる。熱伝導シート２の厚さは厚くなるものの、熱拡散板の採用により放熱体との接触面積を大きくすることができるため、この部分の温度上昇を抑えることが可能となる。また、熱伝導シート１に関しては、前述部の公差とは無関係となるため、厚さを薄くすることができ、この部分での温度上昇を抑えられる。

本発明の冷却構造を用いることにより、放熱体が干渉することなく、発熱体の冷却に必要な放熱面積を確保することが可能となる。また熱伝導シート分の温度上昇を少なくでき、発熱体の冷却性能が改善することにより、基板の信頼性確保につなげることができる。更に、一体型の放熱体を用いることにより貫通穴を極力少なくすることが可能となるため、基板の配線性向上にもつながる。

本発明における第一の実施形態となる，サイズや高さの異なる複数の冷却構造体を１つの放熱体にて冷却する冷却構造の構成図である。本発明における第一の実施形態の斜視図である。本発明における第二の実施形態となる，サイズや高さの異なる複数の冷却構造体を１つの放熱体にて冷却する冷却構造の構成図である。本発明における第三の実施形態となる，サイズや高さの異なる複数の冷却構造体を１つの放熱体にて冷却する冷却構造の構成図である。

以下、添付の図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明における、サイズや高さの異なる複数の冷却構造体を１つの放熱体にて冷却する冷却構造の第一の実施形態を示す。図２は第一の実施形態の斜視図である。基板１０１上に発熱体１０２〜１０８が搭載され、これら発熱体は１０２〜１０３，１０４〜１０６，１０７〜１０８の３つに分類される。

同じ分類のものは同一形状であるが、違う分類のものはサイズや高さなど全く異なるものである。これら発熱体に関し、同じ分類に属する１０２〜１０３・１０４〜１０６・１０７〜１０８で発生した熱は、それぞれ熱伝導シート１０９〜１１１を介して、熱拡散用の各熱拡散板１１２〜１１４に伝わる。熱拡散板１１２〜１１４によって広がった熱は、各熱伝導シート１１５〜１１７を通して放熱体１１８に伝わる。これにより、発熱体１０２〜１０８と放熱体１１８が熱的に接続した状態となり、発熱体で発生した熱を放熱板にて一括で冷却することが可能となる。なお、荷重を加えた時の各熱拡散板１１２〜１１４と放熱体１１８の接触性を考えると、熱拡散板１１２〜１１４の高さは揃っていることが望ましい。

なお、発熱体の温度を抑えるためには、熱伝導シート部で発生する温度上昇を抑えることが重要となる。温度上昇ΔＴは、発熱体の発熱量Ｑ及び熱抵抗Ｒを乗算することにより求めることができる。ここで、熱抵抗Ｒとは、熱の伝わりにくさを表すものでありＲ＝ｔ÷(λ×Ａ)の式で表される。ここでｔはその物体の持つ厚み(mm)、λは物体の熱伝導率(W/mK)、Ａは伝熱断面積(mm^２)である。これより熱抵抗Ｒはｔに比例しＡに反比例することが分かる。そのため、ΔＴの値を小さくするには、厚みｔを薄くするか伝熱断面積Ａを大きくする必要がある。

例えばＣＰＵ１１９との一体冷却を行う場合に関して説明する。熱伝導シート１１５〜１１７の厚さはＣＰＵ１１９の高さ寸法の公差の幅以上にしなければならないため、この部分の厚さｔは大きくなる。但し、熱拡散板により接触面積Ａを広げているため、この部分の温度上昇を抑えることができる。熱拡散板の形状は板やブロック形状，また材質は熱伝導性に優れた銅等が用いられる。

また、この構造を採用することにより、発熱体と熱拡散板間の熱伝導シート１０９〜１１１厚さは、ＣＰＵ１１９の高さ寸法の公差とは無関係となる。よって、この部分のシート厚さは発熱体の高さ寸法の公差のみ考慮すれば良い。そのため、接触面積Ａは小さいものの、シート厚さｔを非常に薄くすることが可能となり、同様にこの部分での温度上昇を抑えられる。熱伝導シート種が増えてしまう欠点はあるものの、面積が小さく温度差のつきやすい、発熱体−熱拡散板間の熱伝導シート厚さを薄くでき、また熱拡散板−放熱体間の熱伝導シート面積を拡大できることにより、結果として熱伝導シート部全体での温度上昇を抑え、冷却性能改善につなげることが可能となる。熱拡散板１１２〜１１４及び放熱体１１８固定方法に関しては，基板に穴を開けてネジやプッシュピンで固定する方法等がある。

図３は本発明における、サイズや高さの異なる複数の冷却構造体を１つの放熱体にて冷却する冷却構造の第二の実施形態を示す。実施例1に対し、放熱体１１８のベース部２０１に平板型ヒートパイプ２０２を使用することにより、放熱体１１８全体への熱拡散を促進する。その結果、発熱体自身の冷却性能改善及びヒートシンク排気面での温度均一化を可能とし、下流側に搭載されるＬＳＩの温度低減にもつながる。

図４は本発明における、サイズや高さの異なる複数の冷却構造体を１つの放熱体にて冷却する冷却構造の第三の実施形態を示す。発熱体１０２〜１０３と熱伝導シート１０９と熱拡散板１１２からなる冷却構造体を３０１、発熱体１０４〜１０５と熱伝導シート１１０と熱拡散板１１３からなる冷却構造体を３０２、発熱体１０６〜１０８と熱伝導シート１１１と熱拡散板１１４からなる冷却構造体を３０３とする。冷却構造体３０３は熱伝導シート１１７を介して、放熱体１１８に熱を伝えるが、確実に熱を伝えるためには熱伝導シート１１７の厚さは冷却構造体３０３の高さ寸法の最大公差値よりも厚くする必要がある。一方、熱伝導シート１１１は冷却構造体３０３の公差の影響を受けず、同一形状の発熱体１０６〜１０８の公差のみ考慮すれば良い。そのため、熱伝導シート１１１は熱伝導シート１１７に比べ十分に薄くすることが可能となる。例えば，構造体３０１がＣＰＵの場合、基板底面からＣＰＵ３０１の上面までの公差は±０．５ｍｍ程度であるため、圧縮率などを考慮すると、熱伝導シート１１７は１．５ｍｍ以上の厚みが必要となる。一方、熱伝導シート１１１は同一形状の複数の部品の公差のみ考慮すればよいため、０．３ｍｍ以上あればよい。図４の特徴としては，熱伝導シート１１７の厚さがＣＰＵ３０１の公差合計値よりも大きく，かつ熱伝導シート１１１が熱伝導シート１１７よりも薄いことであり，この点が図１とは異なる。

熱伝導シートの温度上昇は、前述の通り、熱伝導率の値に反比例するため、熱伝導率のより高いシートを選定する必要がある。また、荷重の上限値が規定される部品も多いため、少ない荷重で所定の厚みとなるような、圧縮特性に優れたものを選定する必要がある。冷却性も考慮した場合、熱伝導率が３[W/mK]、荷重０．３[MPa]時の圧縮率が３０％以上あることが望ましい。具体例としては，シリコンゴムと炭素繊維の組合せにより、圧縮特性と高熱伝導性を両立させる方法などがある。

１０１…基板，１０２〜１０８…発熱体，１０９〜１１１…熱伝導材１，１１２〜１１４…熱拡散板，１１５〜１１７…熱伝導材２，１１８…ヒートシンク，１１９…ＣＰＵ，２０１…ヒートシンクベース部，２０２…平板型ヒートパイプ，３０１〜３０３…構造体

Claims

同一形状の複数の発熱部品を第１の熱伝導部材を介して１つの熱拡散板に接続した冷却構造体を同一基板上に複数備え、前記複数の冷却構造体の各熱拡散板を第２の熱伝導部材を介して一つの放熱体に接続した電子機器の冷却構造であって、前記第１及び第２の熱伝導部材は弾性を有し、少なくとも２つの冷却構造体に含まれる発熱部品の高さが異なっている電子機器の冷却構造。
前記放熱体の内部に平板型ヒートパイプを用いた請求項１記載の電子機器の冷却構造。
各冷却構造体と前記放熱板体との間に設けられた各第２の熱伝導材は、各冷却構造体の高さ寸法の最大公差値よりも厚い請求項１記載の電子機器の冷却構造。
各冷却構造体の第１の熱伝導材は、各冷却構造体と前記放熱板体との間に設けられた各第２の熱伝導材より薄い請求項１記載の電子機器の冷却構造。
前記複数の冷却構造体の1つがＣＰＵを含んだ冷却構造体である場合、前記ＣＰＵを含んだ冷却構造体以外の冷却構造体と前記放熱板体との間に設けられた第２の熱伝導部材は、前記ＣＰＵを含んだ冷却構造体の高さ寸法の最大公差よりも厚い請求項１記載の電子機器の冷却構造。
前記ＣＰＵを含んだ冷却構造体以外の冷却構造体の第１の熱伝導材は前記第２の熱伝導材より薄い請求項５記載の電子機器の冷却構造。
前記第１及び第２の熱伝導部材は荷重０．３[MPa]時の圧縮率が３０％以上である請求項１記載の電子機器の冷却構造。
前記高さの異なる発熱部品はＣＰＵと該ＣＰＵに電力を供給するための電源部品である請求項１記載の電子機器の冷却構造。