JP6707960B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本出願は電子機器に関する。

近年、スマートフォン、タブレット、モバイルＰＣなどの携帯型の電子機器が普及している。一方、これらの電子機器は、処理能力の高速化と処理の多様化が進むにつれて、機器内部に実装されている電子回路において発生する熱量が増大する傾向にある。電子回路、特に集積回路は発熱量が大きい発熱体であるので、電子機器は発熱体の近傍の筐体温度が局部的に上昇する虞がある。そこで、発熱体の発生する熱を逃がすか、分散して、電子機器の筐体温度が局部的に上昇することを防ぐことが要望されている。

電子機器の筐体温度の局部的な上昇を防止する方法として、電子機器の筐体内にヒートパイプを設置し、電子回路で発生した熱を放熱部に運ぶ方法がある。ここで、電子機器がスマートフォン１０である場合のヒートパイプ１の設置について図１及び図２を用いて説明する。

図１（ａ）は、比較技術のスマートフォン１０におけるヒートパイプ１の実装位置を示す、スマートフォン１０の分解斜視図である。スマートフォン１０は、タッチパネル２を備える筐体３の内部に、放熱板４、基板５及びバッテリ６を備えると共に、筐体３の背面側を封止するリヤカバー７を備える。図１（ａ）に示す基板５には、リヤカバー７側に部品８Ａが実装された状態が示してあるが、発熱体８は基板５の放熱板４側の面に実装されている。部品８Ａは普通の集積回路（ＩＣ）であり、発熱するものもあるが、発熱しないものもある。部品８Ａについては、以後の説明を省略する。

ヒートパイプ１は、基板５の放熱板４側にある発熱体に一端が重ね合わされ、他端側は実装部品を避けるために、折り曲げられてバッテリ６の側面に沿って配置される。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したヒートパイプ１、基板５及びバッテリ６がスマートフォン１０の筐体３に取り付けられた状態を示す斜視図であり、ヒートパイプ１の配置位置が破線で示してある。

図２（ａ）は、基板５に実装された発熱体８の熱を放熱する、比較技術におけるヒートパイプ１の設置位置を示す断面図であり、図１（ｂ）に示したスマートフォン１０のＸ−Ｘ線における部分的な断面を示している。ただし、図２（ａ）には基板５の放熱板４側に実装された発熱体８だけを示してあり、基板５のリヤカバー７側にある部品８Ａの図示は省略してある。

基板５に実装された発熱体８は一般的にＣＰＵであり、電磁波の影響を避けるために発熱体８の周囲にはシールドフレーム１１が設けられており、シールドフレーム１１の開口部側はシールドキャップ１２で封止されている。そして、発熱体８が発生する熱をヒートパイプ１で放熱する場合は、シールドキャップ１２と放熱板４の間にヒートパイプ１が設置される。この場合、発熱体８とシールドキャップ１２の間と、シールドキャップ１２とヒートパイプ１の間に熱伝導シート１３が設けられて、発熱体８からヒートパイプ１への熱伝導が良好にされる。

一方、電子機器は小型化、薄型化が進んでおり、電子機器でヒートパイプ使用する場合の基板５の外側から放熱板４の外側の間の距離Ｄを小さくすることが望まれている。このため、ヒートパイプ１の実装スペースを小さくするため、図２（ｂ）に示すように、偏平型のヒートパイプ１の偏平度を大きくして肉厚を薄くした薄型のヒートパイプ１Ａが使用される。薄型のヒートパイプ１Ａを使用することにより、基板５の外側から放熱板４の外側の間の距離ｄは、通常のヒートパイプ１を使用した場合の距離Ｄよりも小さくすることができる。

特開２０１５−９５６２９号公報

ところが、薄型のヒートパイプ１Ａはヒートパイプ１を潰して作るため、潰しすぎると熱が伝わり難くなり、ヒートパイプ１Ａの熱伝導効果が小さくなっていた。しかも、ヒートパイプ１Ａは曲げて発熱部の熱を放熱部まで導くので、発熱体から放熱部までのヒートパイプの長さが長く、薄型化したヒートパイプでは、熱が伝わり難くなって、ヒートパイプの熱伝導効果が小さくなっていた。

１つの側面では、ヒートパイプを用いた電子機器において、ヒートパイプを薄型化することなく、電子機器の筐体の厚さを薄くすることができる電子機器を提供することを目的とする。

１つの形態によれば、電子機器であって、発熱体が実装された基板と、放熱板と、一端が発熱体から熱を受ける位置に配置され、他端側が放熱板に放熱するように配置されたヒートパイプを備え、放熱板が熱伝導率の異なる第１の放熱板と第２の放熱板とが積層されて形成され、発熱体の対向位置にある放熱板は、第１の放熱板が非積層状態であり、第１の放熱板と第２の放熱板は、特性の異なる異種金属で形成され、第１の放熱板は熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きい金属で形成され、第２の放熱板は第１の放熱板に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい金属で形成される電子機器が提供される。

開示の電子機器によれば、ヒートパイプを薄型化することなく、電子機器の筐体の薄型化を図ることができるという効果がある。

（ａ）は比較技術のスマートフォンにおけるヒートパイプの実装構造を示すスマートフォンの組立斜視図、（ｂ）は（ａ）に示したヒートパイプ、基板及びバッテリがスマートフォンの筐体に取り付けられた状態を示す斜視図である。 （ａ）は、図１（ｂ）のＸ−Ｘ線におけるヒートパイプの設置構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示したヒートパイプの設置構造において、ヒートパイプの厚さを変更した手法を示す断面図である。 開示の電子機器の内部に実装するヒートパイプの実装構造の、第１の実施例を説明する組立斜視図である。 （ａ）は、図３に示した放熱板の上にヒートパイプが実装された状態を示す組立斜視図、（ｂ）は（ａ）に示した放熱板の上に基板、ヒートパイプ及びバッテリが実装された状態を示す斜視図である。 （ａ）は図３に示した放熱板へのヒートパイプと基板及びバッテリを実装する手順を示す組立背面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における部分拡大断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂにおける部分拡大断面図である。 開示の電子機器の内部に実装するヒートパイプの実装構造の第２の実施例を説明する分解斜視図である。 図６に示した放熱板の上に、放熱板側シールドフレーム、ヒートパイプ、及びバッテリが実装された状態を示す組立斜視図である。 （ａ）は図６に示した放熱板に、ヒートパイプ、基板及びバッテリが実装された状態を示す背面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線における部分拡大断面図である。 開示の電子機器の内部に実装する放熱板の別の実施例を説明する斜視図である。 放熱板に発熱体が接触する場合の、放熱板における熱分布の一例を示す等温線図である。 放熱板を形成する第１と第２の放熱板の材質に応じた熱伝導率、縦弾性係数、引張強さ、比重及び発熱体温度の相違を比較する図である。

以下、添付図面を用いて本出願に係る電子機器の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。なお、図１及び図２を用いて説明した比較技術のスマートフォンにおけるヒートパイプの実装構造において説明された部材と同じ部材であって、開示の電子機器にも使用される部材については、同じ符号を付して説明する。

図３及び図４（ａ）は、開示の電子機器の内部に実装するヒートパイプ１の実装構造の第１の実施例を説明する組立斜視図であり、図１に示した電子機器の筐体の図示は省略してある。図１及び図２で説明した比較技術では、放熱板４は一枚板であったが、第１の実施例では、放熱板４０は第２の放熱板４２の上に第１の放熱板４１が重ね合わされて形成される。以後、第２の放熱板４２に第１の放熱板４１を重ね合わせることを、第２の放熱板４２に第１の放熱板４１を積層すると記すことがある。

第１の実施例の第１の放熱板４１には、ヒートパイプ１の高温部１Ｈが載置される位置の部分が矩形状に切り欠かれて貫通孔４３が形成されている。第２の放熱板４２の上に第１の放熱板４１が積層された状態では、図４（ａ）に示すように、貫通孔４３の中に第２の放熱板４２が露出する。貫通孔４３の寸法は、ヒートパイプ１の高温部１Ｈを、余裕をもって受け入れることが可能な寸法とすれば良い。

第１の放熱板４１と第２の放熱板４２は、同一金属を用いても良いが、異なる金属を積層して２層化することができる。第１の放熱板４１と第２の放熱板４２に、同一金属を使用した場合と、異種金属を使用した場合の、熱伝導率、縦弾性係数、引張強さ、比重及び発熱体温度を比較したものを図１１に示す。発熱体温度とは、同じ条件で発熱させた発熱体に、第２の放熱板４２に第１の放熱板４１を積層した放熱板４０を取り付けた場合に、放熱板４０によって低下した発熱体の温度のことである。

図１０は、放熱板４０の点Ｈに２Ｗの発熱体が接触し、点線の位置にヒートパイプ１が配置された場合の、放熱板４０の温度分布の一例を示すものである。放熱板４０の温度は点Ｈから離れるほど低くなるが、放熱板４０のヒートパイプ１が配置された側の長手方向の辺に沿った温度の方が、ヒートパイプ１が配置されていない側の長手方向の辺に沿った温度よりも高くなる。

図１１に示す放熱板Ａは、第１と第２の放熱板４１、４２が共にステンレス鋼で形成され、放熱板Ｂは第１と第２の放熱板４１、４２が共に銅で形成され、放熱板Ｃは第１の放熱板４１がステンレス鋼、第２の放熱板４２が銅で形成されている。放熱板Ｄと放熱板Ｅは、放熱板Ｃと同様に２種類の金属が積層されたものであり、第１の放熱板４１が共にステンレス鋼で形成され、第２の放熱板４２が、放熱板Ｄはアルミ合金、放熱板Ｅはマグネシウム合金で形成されている。但し、第１と第２の放熱板４１、４２の板厚はそれぞれ０．１ｍｍとする。

図１１から分かるように、第１と第２の放熱板４１、４２が共に、熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きいステンレス鋼で形成された放熱板Ａは、強度は強いが冷却能力が低い。また、第１と第２の放熱板４１、４２が共に、ステンレス鋼に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい銅で形成された放熱板Ｂは、強度は弱いが冷却能力が高い。

一方、放熱板Ｃは、第１の放熱板４１に熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きいステンレス鋼を使用し、第２の放熱板４２にステンレス鋼に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい銅を使用している。この組合せを備える異種金属で形成された放熱板Ｃは、冷却能力が銅と同程度に高く、且つ強度が銅よりも強くステンレス鋼よりもやや弱い程度である。なお、放熱板Ｃの物性値は、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４と銅Ｃ１０２０の物性値を足して２で割った値である。また、放熱板Ｄと放熱板Ｅについては、データを記載していないが、放熱板Ｃと同様に冷却能力が高く、且つ強度も強い。

以上から、第１の放熱板４１に熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きい金属を使用し、第２の放熱板４２に第１の放熱板４１に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい金属を使用すると冷却能力が高く、強度も強い放熱板が得られる。よって、開示の電子機器に使用する放熱板としては、第１と第２の放熱板４１、４２に、放熱板Ｃのような異種金属の組合せを使用すれば良い。

すなわち、第１の放熱板４１をステンレス合金で形成し、第２の放熱板４２を銅で形成した場合は、同じ厚さのステンレス合金のみの放熱板より熱伝導性が向上する。そして、この場合は、銅製のヒートパイプを銅製の第２の放熱板４２に半田付けすることになるので、ヒートパイプの第２の放熱板４２への半田付け時に、熱膨張率の相違により発生する反りを軽減できる。

なお、第１の放熱板４１に熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい金属を使用し、第２の放熱板４２に熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きい金属を使用する構造も可能である。本構造の放熱板の場合は、面方向への拡散力が低下するので、発熱体の温度は上昇する。しかし、本構造の放熱板を採用した場合は、タッチパネル面への熱が伝わり難くなるため、タッチパネルの温度が下がる可能性がある。

図３に戻って、第１と第２の放熱板４１、４２が積層された放熱板４０の上（電子機器の背面側）には、貫通孔４３から遠い側にバッテリ６が実装される。図４（ａ）にバッテリ６が放熱板４０の上に実装された状態を示す。比較技術と同様に、基板５には発熱体８が実装されており、発熱体８の周囲には電磁波の影響を避けるためにシールドフレーム１１が設けられている。シールドフレーム１１の開口部側は、熱伝導シート１３を挟んでシールドキャップ１２で封止される。この状態が図４（ａ）に示される。よって、基板５を放熱板４０に取り付けた時には、貫通孔４３の周囲の二点鎖線で示す位置には、基板５に実装された発熱体８を覆うシールドキャップ１２が配置される。

第１の実施例では、ヒートパイプ１の高温部１Ｈが、図４（ａ）に示すように、貫通孔４３の中に配置され、貫通孔４３の内部に露出する第２の放熱板４２に半田付けされて固定される。第２の放熱板４２が銅製である場合は、ヒートパイプ１を半田付けする場合のメッキが不要であり、コストダウンになる。また、ヒートパイプ１は、貫通孔４３の内部で第２の放熱板４２に半田付けされるので、半田のはみ出しを防ぐことができる。ヒートパイプ１は、高温部１Ｈに対して低温部１Ｌが直交する方向に折り曲げられており、ヒートパイプ１の低温部１Ｌは、第１の放熱板４１の上に実装されたバッテリ６の側面に配置される。ヒートパイプ１の第１の放熱板４１の上に実装される部分は、第１の放熱板４１に半田付けされて固定される。バッテリ６の放熱板４０の上への実装位置は、図５（ａ）に二点鎖線ＢＴで示される。

また、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、基板５を放熱板４０の上に実装する場合は、ヒートパイプ１の高温部１Ｈに熱伝導シート１３が取り付けられ、熱伝導シート１３にシールドキャップ１２が接触するように、基板５が放熱板４０の上に実装される。放熱板４０の上に、ヒートパイプ１、基板５及びバッテリ６が実装された状態が図４（ｂ）に示される。

図５（ｂ）は、図５（ａ）は図３に示した放熱板４０とヒートパイプ１及び基板５との接続構造を示すものであり、図５（ａ）のＡ−Ａ線における部分拡大断面図を示している。また、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂにおける部分拡大断面図を示しており、ヒートパイプ１の高温部１Ｈが折り曲げによって一段低くなった状態で貫通孔４３の内部に露出する第２の放熱板４２の上に取り付けられる状態が示されている。第１の実施例では、ヒートパイプ１の高温部１Ｈは、第２の放熱板４２に半田付けされて固定される。

ここで、第１の実施例における放熱板４０の厚さが図２（ａ）に示した比較技術における放熱板４の厚さと同じであり、ヒートパイプ１も同じであり、基板５に実装された部材も同じであるとする。すると、第１の実施例では、基板５の外側から放熱板４０の外側（第２の放熱板４２の外側）の間の距離Ｄ１を、図２（ａ）に示した基板５の外側から放熱板４の外側の間の距離Ｄに比べて、第１の放熱板４１の厚さ分（０．１ｍｍ程度）だけ低くすることができる。

すなわち、同じヒートパイプ１を使用しても、基板５の外側から放熱板４０の外側の間の距離Ｄ１を小さくすることができる。なお、発熱体８が実装されている基板５の部分以外の領域では、基板５の上に実装された他の部品９の背が低いので、第１の放熱板４１の上に配置されたヒートパイプ１には干渉しない。この結果、第１の実施例の電子機器では、筐体の厚さを比較技術の電子機器の筐体に比べて薄くすることができる。なお、筐体の厚さが第１の放熱板４１の厚さ分だけ低くなった分のうち、ヒートパイプ１の厚さを０．１ｍｍ程度厚くできれば、ヒートパイプ１の性能アップが見込める場合がある。

次に、図６から図８を用いて開示の電子機器の筐体における、ヒートパイプの実装構造の第２の実施例を説明する。図６に示すように、第２の実施例は、第１の実施例に比べて、発熱体８のシールド構造が異なる。第１の実施例では、基板５に実装された発熱体８の周囲にシールドフレーム１１が設けられており、シールドフレーム１１の開口部側が、シールドキャップ１２で封止されていた。一方、第２の実施例では、基板５に実装された発熱体８の周囲にシールドフレーム１１が設けられている点は第１の実施例と同じであるが、シールドキャップ１２の代わりに、放熱板側シールドフレーム１４が設けられる点が異なる。発熱体８の上に熱伝導シート１３が取り付けられる点は、第１の実施例と同じである。

放熱板側シールドフレーム１４は、その外寸が、第１の放熱板４１に設けられたシールドフレーム用貫通孔４４の内部に収まる寸法であり、第２の放熱板４２に第１の放熱板４１が積層された状態で、第２の放熱板４２に半田付けされて固定される。また、放熱板側シールドフレーム１４には、その１つの辺に、ヒートパイプ１を通すための切欠き１４Ｃが設けられている。第２の実施例に使用されるヒートパイプ１は第１の実施例に使用されるヒートパイプ１と同じであり、略Ｌ字状をしていて、短い辺が高温部１Ｈであり、長い辺が低温部１Ｌである。

第２の実施例では、ヒートパイプ１の高温部１Ｈが、図７に示すように、シールドフレーム用貫通孔４４の中に配置され、シールドフレーム用貫通孔４４の内部に露出する第２の放熱板４２に半田付けされて固定される。このとき、ヒートパイプ１の高温部１Ｈの低温部１Ｌに続く部分は、シールドフレーム用貫通孔４４に設けられた切欠き１４Ｃの中に配置される。そして、ヒートパイプ１の低温部１Ｌが、第１の放熱板４１の上に実装されたバッテリ６の側面に配置される。基板５は、この状態で、シールドフレーム１１を放熱板側シールドフレーム１４の内部に嵌め込んで放熱板４０の上に実装され、この状態が図８（ａ）に示される。

図８（ｂ）は、図８（ａ）は図３に示した放熱板４０とヒートパイプ１及び基板５との接続構造を示すものであり、図８（ａ）のＣ−Ｃ線における部分拡大断面図を示している。図８（ｂ）に示されるように、第２の実施例では、第１の実施例のシールドキャップ１２に対応する放熱板側シールドフレーム１４が、シールドフレーム用貫通孔４４の内部で、第２の放熱板４２の上に半田付けによって固定されている。すなわち、第２の実施例では、発熱体８を電磁波から遮蔽する第１の実施例のシールドキャップ１２の役割りを、金属製の第１の放熱板４１に受け持たせている。

ここで、第２の実施例における放熱板４０の厚さが、第１の実施例における放熱板４０の厚さと同じであり、ヒートパイプ１も同じであり、基板５に実装された部材も同じであるとする。すると、第２の実施例では、基板５の外側から放熱板４０の外側の間の距離Ｄ２を、第１の実施例における基板５の外側から放熱板４０の外側までの厚さＤ１に対して、シールドキャップ１２の厚さと、熱伝導シート１３の厚さ分だけ更に薄くできる。すなわち、第２の実施例の電子機器は、第１の実施例の電子機器に比べて、筐体の厚さを更に薄くすることができる。

なお、以上説明した第１と第２の実施例では、第１の放熱板４１が、ヒートパイプ１の高温部１Ｈのみを受け入れるように切り欠かれて貫通孔４３、４４が形成されて、第２の放熱板４２に積層されていた。このため、第２の放熱板４２に接するのは、ヒートパイプ１の高温部１Ｈだけであった。一方、図９に示す実施例では、第１の放熱板４１に、ヒートパイプ１の全長に渡って切欠き部４５が設けられている。このように、第１の放熱板４１に設ける切欠き部の大きさ、形状は特に限定されるものではない。

以上、本出願を特にその好ましい実施の形態を参照して詳細に説明した。本出願の容易な理解のために、本出願の具体的な形態を以下に付記する。

（付記１）電子機器であって、
発熱体が実装された基板と、
放熱板と、
一端が前記発熱体から熱を受ける位置に配置され、他端側が前記放熱板に放熱するように配置されたヒートパイプを備え、
前記放熱板が熱伝導率の異なる第１の放熱板と第２の放熱板とが積層されて形成され、
前記発熱体の対向位置にある前記放熱板は、前記第１の放熱板が非積層状態である電子機器。
（付記２） 前記放熱板は、前記電子機器の筐体の全域にわたって配置されており、前記発熱体の対向位置にある前記放熱板の前記第１の放熱板には、前記第２の放熱板を露出させる貫通孔が設けられている付記１に記載の電子機器。
（付記３） 前記第１の放熱板と前記第２の放熱板は、特性の異なる異種金属で形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の電子機器。
（付記４） 前記第１の放熱板は熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きい金属で形成され、前記第２の放熱板は前記第１の放熱板に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい金属で形成されることを特徴とする付記３に記載の電子機器。
（付記５） 前記ヒートパイプの前記一端は、貫通孔の内側で、前記第２の放熱板に半田付けによって固定されることを特徴とする付記２から４の何れかに記載の電子機器。

（付記６） 前記ヒートパイプの前記他端側は、前記一端側に対して折り曲げられ、前記放熱板の長手方向の辺に沿って配置されることを特徴とする付記１から５の何れかに記載の電子機器。
（付記７） 前記基板に実装された前記発熱体の周囲の前記基板には、電磁波を遮断するシールドフレームが実装されており、
前記シールドフレームの開口部はシールドキャップで封止されており、
前記基板が前記放熱板に取り付けられた状態では、前記シールドキャップを通じて前記発熱体の熱が前記ヒートパイプに伝えられることを特徴とする付記１から６の何れかに記載の電子機器。
（付記８） 前記基板に実装された前記発熱体の周囲の前記基板には、電磁波を遮断するシールドフレームが実装されており、
前記放熱板の前記貫通孔の内部には、前記基板の前記放熱板への取付時に、前記シールドフレームに嵌め合わされる放熱板側シールドフレームが半田付けされて取り付けられており、
前記基板が前記放熱板に取り付けられた状態では、前記発熱体の熱が直接前記ヒートパイプに伝えられることを特徴とする付記２から６の何れかに記載の電子機器。
（付記９） 前記放熱板側シールドフレームの１つの辺には、前記ヒートパイプの前記一端に続く部分を、前記貫通孔から外に出すための切欠きが設けられている付記８に記載の電子機器。

１ ヒートパイプ
５ 基板
６ バッテリ
８ 発熱体
１１ シールドフレーム
１２ シールドキャップ
１３ 熱伝導シート
１４ 放熱板側シールドフレーム
４０ 放熱板
４１ 第１の放熱板
４２ 第２の放熱板
４３、４４ 貫通孔

Claims (3)

1. 電子機器であって、
   発熱体が実装された基板と、
   放熱板と、
   一端が前記発熱体から熱を受ける位置に配置され、他端側が前記放熱板に放熱するように配置されたヒートパイプを備え、
   前記放熱板が熱伝導率の異なる第１の放熱板と第２の放熱板とが積層されて形成され、
   前記発熱体の対向位置にある前記放熱板は、前記第１の放熱板が非積層状態であり、
   前記第１の放熱板と前記第２の放熱板は、特性の異なる異種金属で形成され、
   前記第１の放熱板は熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きい金属で形成され、前記第２の放熱板は前記第１の放熱板に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい金属で形成されることを特徴とする電子機器。
2. 前記放熱板は、前記電子機器の筐体の全域にわたって配置されており、前記発熱体の対向位置にある前記放熱板の前記第１の放熱板には、前記第２の放熱板を露出させる貫通孔が設けられている請求項１に記載の電子機器。
3. 前記ヒートパイプの前記一端は、貫通孔の内側で、前記第２の放熱板に半田付けによって固定されることを特徴とする請求項２に記載の電子機器。

Images