JP2003124665A - 電子装置用放熱構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度変化が生じても電子部品と熱拡散板との
接合状態を維持して電子部品からの放熱特性を良好なも
のにすることのできる放熱構造を提供する。 【解決手段】 電子部品１０で生じた熱を熱拡散板１２
に伝達することにより電子部品を冷却する電子装置用放
熱構造であって、前記電子部品と熱拡散板との間に、電
子部品側の部分における熱膨張率が電子部品の熱膨張率
と同一もしくは近似し、かつ熱拡散板側の部分における
熱膨張率が熱拡散板の熱膨張率と同一もしくは近似する
ように熱膨張率が変化しているグレーディング層１４が
設けられている。

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、ＭＰＵなどの演
算処理装置あるいは画像処理装置などの電子装置から放
熱させて、電子装置を冷却するための放熱構造に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】演算処理装置や画像情報処理装置などの
電子装置の集積度がますます高度になり、また動作周波
数も高くなってきている。それに伴い、この種の電子装
置の発熱量が増大している。

【０００３】発熱により電子装置の温度が高くなると、
誤動作し、さらには破損することがあるので、電子装置
からの熱放散を積極的におこなう必要がある。従来、電
子装置の冷却のための手段として、例えば、ヒートシン
クが使用されている。

【０００４】ヒートシンクを介して熱を放散する場合、
電子装置からヒートシンクへ熱伝達させる必要があるか
ら、最も効率よく熱伝達するためには、両者を直接密着
されればよい。しかしながら、ＭＰＵなどの電子装置
は、シリコン製のダイに回路を形成したものであり、電
気的な特性を重視した構成であるから、これに放熱ため
のヒートシンクを直接密着させることは、困難である。

【０００５】そこで従来、電子装置の表面に熱拡散板
（heat spreader ）を密着して配置し、その熱拡散板に
ヒートシンクを密着させるように構成した放熱構造が開
発されている。その一例を図７に模式的に示してある。
ここに示す熱拡散板１は、一例として、陽極酸化処理し
たアルミニウムや銅等の金属によって形成され、電子装
置に密着させられる平板部分２から突出した突起部３を
備え、その突起部３をリードフレームあるいは基板など
の台座部分４に嵌め込むことにより、固定されるように
なっている。

【０００６】上記の熱拡散板１は、集積回路を含むダイ
５と共に台座部分４に固定され、かつダイ５の表面に熱
伝導性の高いグリース（もしくはジェリー）６を介して
接触させられる。しかも熱拡散板１は、銅などの熱伝導
率の良好な素材によって形成されるから、ダイ５やその
回路に損傷を与えずにダイ５の実質的な熱伝達面積を増
大させることができる。

【０００７】したがってこの熱拡散板１にヒートシンク
７を密着させて固定することにより、電子装置の放熱特
性を向上させることができる。

【０００８】上記の熱拡散板１を使用して放熱特性を向
上させるためには、ダイ５と熱拡散板１との間の熱抵抗
を可及的に低下させることが好ましいから、従来、ダイ
５と熱拡散板１との間に充填していた熱伝導性の高いグ
リース（もしくはジェリー）６に替えて、ダイ５と熱拡
散板１とを直接、ハンダ付けなどの手段で接合すること
が好ましい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ダイ５
などの電子部品は電気的特性を重視した素材（例えばシ
リコン）によって構成され、これに対して熱拡散板１
は、熱的特性を重視した素材（例えば銅）によって構成
されているので、両者の熱膨張率（線膨張係数）の差が
大きい。

【００１０】そのため、電子装置が動作して熱を発し、
それに伴って温度が上昇した場合に、ダイ５などの電子
部品と熱拡散板１との間に熱応力が生じ、これが原因で
破損する可能性がある。また、熱応力によって両者の接
着が剥がれてしまい、その結果、ダイ５と熱拡散板１と
の間の熱抵抗が大きくなってダイ５などの電子部品を充
分に冷却できなくなる可能性が多分にあった。

【００１１】この発明は、上記の技術的課題に着目して
なされたものであり、温度変化が生じても電子部品と熱
拡散板との接合状態を維持して電子部品からの放熱特性
を良好なものにすることのできる放熱構造を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、請求項１の発明は、電子部品で生
じた熱を熱拡散板に伝達することにより電子部品を冷却
する電子装置用放熱構造において、前記電子部品と熱拡
散板との間に、電子部品側の部分における熱膨張率が電
子部品の熱膨張率と同一もしくは近似し、かつ熱拡散板
側の部分における熱膨張率が熱拡散板の熱膨張率と同一
もしくは近似するように熱膨張率が変化しているグレー
ディング層が設けられていることを特徴とする放熱構造
である。

【００１３】したがって請求項１の発明では、電子部品
と熱拡散板との間に、熱膨張率が電子部品側と熱拡散板
側とで異なっているグレーディング層が設けられている
ため、電子部品とグレーティング層との接触部分での熱
膨張率の差、および熱拡散板とグレーティング層との接
触部分での熱膨張率の差が共に小さくなる。その結果、
温度が高くなっても熱応力が大きくならず、電子部品と
グレーティング層との接合が外れたり、熱拡散板とグレ
ーティング層との接合が外れたりすることが回避され
る。言い換えれば、電子部品と熱拡散板との間の熱抵抗
が増大することがなく、電子部品からの放熱特性を良好
な状態に維持できる。

【００１４】また、請求項２の発明は、電子部品で生じ
た熱を熱拡散板に伝達することにより電子部品を冷却す
る電子装置用放熱構造において、前記電子部品に接合さ
れる熱拡散板が、電子部品の熱膨張率に近似した素材に
よって構成されていることを特徴とする放熱構造であ
る。

【００１５】その熱拡散板は、請求項３に記載されてい
るように、シリコンを主体として電子部品に対して、ニ
ッケル鋼と窒化アルミニウムとのいずれかによって構成
することができる。そのニッケル鋼は、請求項４に記載
されているように、インバーであってもよい。

【００１６】さらに、請求項５に記載してあるように、
前記電子部品と熱拡散板とを、グラファイトを介して一
体化することができる。

【００１７】したがって、電子部品と熱拡散板との熱膨
張率の差が小さくなり、電子部品が動作してその温度が
上昇しても、両者の間の熱応力が小さく抑制される。そ
の結果、電子部品と熱拡散板との接合状態を良好に維持
し、電子部品を良好に冷却することができる。

【００１８】また一方、請求項６の発明は、電子部品で
生じた熱を熱拡散板に伝達することにより電子部品を冷
却する電子装置用放熱構造において、前記熱拡散板が、
蒸発および凝縮を繰り返すことにより潜熱として熱を輸
送する作動流体を封入した密閉構造のチャンバーを内部
に備えていることを特徴とする放熱構造である。

【００１９】したがって請求項６の発明では、熱拡散板
の内部での熱の移動が、熱伝導だけでなく、作動流体に
より潜熱の形での熱輸送によっても生じるので、熱拡散
板での熱抵抗が小さくなる。そのため、電子部品からの
放熱を促進し、電子部品を効率よく冷却することができ
る。

【００２０】さらに、請求項７の発明は、電子部品で生
じた熱を熱拡散板に伝達することにより電子部品を冷却
する電子装置用放熱構造において、前記熱拡散板がアル
ミニウムによって構成されるとともに、その熱拡散板の
前記電子部品側の面が、潤滑性部材を埋設した構成とさ
れていることを特徴とする放熱構造である。

【００２１】この請求項７における前記面は、請求項８
に記載されているように、陽極酸化処理されて該面に微
細なクラックが形成され、そのクラックに前記潤滑性部
材として硫化モリブンデンが充填されている構成とする
ことができる。

【００２２】したがって、請求項７の発明あるいは請求
項８の発明では、熱拡散板をアルミニウムによって形成
し、電子部品に接触する面を、潤滑性の部材を埋設した
構造とすることにより、熱拡散板を電子部品に直接接触
させた構成とすることができる。このような構成であれ
ば、電子部品と熱拡散板との間に介在物が存在しないの
で、両者の間の熱抵抗を小さくすることができる。ま
た、電子部品に接する面の熱膨張率が小さくなるので、
電子部品が動作してその温度が高くなっても熱応力を小
さく抑制することができ、その結果、電子部品と熱拡散
板との剥離が生じず、両者の間の熱抵抗の増大を防止で
きる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１において、微細な回路を形成
した電子部品であるダイ１０が、基板やソケットなどの
台座部分１１に固定されている。このダイ１０は、従来
知られているものと同様の構造であって、シリコンチッ
プ上に回路を形成した厚さが数ｍｍの矩形状の部材であ
る。

【００２４】このダイ１０を跨ぐように熱拡散板１２が
配置されている。この熱拡散板１２は、ダイ１０からヒ
ートシンク１３への熱の伝達を媒介するためのものであ
って、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い素材によ
って形成されている。この熱拡散板１２は、図１に示す
ように、ダイ１０の図での上面に対向する矩形の平板部
１２ａと、その左右両端部もしくは四つのコーナ部に形
成された脚部１２ｂとを備えており、その脚部１２ｂに
よって前記台座部分１１に固定されている。

【００２５】その脚部１２ｂの高さは、ダイ１０の厚さ
とほぼ等しく、したがって平板部１２ａの下面（裏面）
１２ｃとダイ１０とが接近して対向している。そして、
これら平板部１２ａとダイ１０との間に、グレーティン
グ層１４が設けられている。

【００２６】このグレーティング層１４は、上面側と下
面側とで熱膨張率が異なるように構成された層であっ
て、例えば図２に模式的に示すように、ダイ１０に接触
する下面側の第１層１４ａの熱膨張率が、ダイ１０の熱
膨張率に近似しており、中間の第２層１４ｂの熱膨張率
が、ダイ１０の熱膨張率と熱拡散板１２の熱膨張率との
中間の熱膨張率であり、さらに上面側の第３層１４ｃの
熱膨張率が、熱拡散板１２の熱膨張率に近似している。
このような多層構造は、異なる素材の板片を積層して作
ることができ、あるいは複数の材料からなる複合材の組
成をその厚さ方向に変化させることによって作ることが
できる。

【００２７】このグレーティング層１４を介してダイ１
０に接合された熱拡散板１２の図１での上面に、適宜の
構造のヒートシンク１３が密着して取り付けられる。そ
して、図１に示すように、ダイ１０の正面の面積よりも
熱拡散板１２の平板部１２ａの面積が広く、その平板部
１２ａの面積よりヒートシンク１３のベース部１３ａの
面積が広くなっている。なお、これらダイ１０およびグ
レーティング層１４ならびに熱拡散板１２は、ハンダ付
けやロー付けあるいは接着剤により互いに接合すること
ができる。

【００２８】上記の放熱構造において、ダイ１０が動作
して発熱すると、その熱がグレーティング層１４を介し
て熱拡散板１２に伝達される。その結果、熱拡散板１２
の温度が上昇するので、その熱が更にヒートシンク１３
に伝達され、そのヒートシンク１３から周囲の大気に放
散される。このようにダイ１０の熱が大気に放散させら
れるので、ダイ１０の温度上昇が抑制される。すなわち
ダイ１０が冷却される。

【００２９】その場合、ダイ１０と共に熱拡散板１２も
温度が高くなり、その温度に応じて熱膨張し、ダイ１０
の熱膨張量が、熱拡散板１２の熱膨張量より小さくな
る。しかしながら、ダイ１０が直接接触しているグレー
ティング層１４の第１層１４ａは、ダイ１０とほぼ等し
い熱膨張率であるため、両者の間に大きい熱応力は生じ
ない。また、熱膨張量が大きい熱拡散板１２が直接接触
しているグレーティング層１４の第３層１４ｃは、熱拡
散板１２とほぼ等しい熱膨張率であるため、両者の間に
大きい熱応力は生じない。結局、互いに接触している二
つの部材の間における熱応力が小さくなるので、それら
の二つの部材の接合が外れて隙間が生じたり、それに起
因して熱抵抗が大きくなったりすることがない。

【００３０】このように図１に示す構成では、ダイ１０
から熱拡散板１２に到る熱伝達経路に、熱の伝達を阻害
する隙間あるいは空気層が生じることが防止されるの
で、ダイ１０から熱拡散板１２に到る熱伝達経路での熱
抵抗を小さい熱抵抗に維持でき、その結果、ダイ１０か
らの放熱特性の良好な放熱構造とすることができる。

【００３１】つぎにこの発明の他の実施例を説明する。
図３において、ダイ１０を跨ぐように配置された熱拡散
板１２は、熱膨張率がダイ１０を構成しているシリコン
の熱膨張率に近い素材によって形成されている。具体的
には、窒化アルミニウムによって熱拡散板１２が形成さ
れている。あるいはＭn ：０．４％、Ｃ：０．２％、Ｎ
i ：３６％、残部Ｆe からなるニッケル鋼（すなわちイ
ンバー）によって形成されている。

【００３２】そして、この熱拡散板１２とダイ１０と
が、両者の間に介在させたグラファイト１５によって接
合されている。例えばダイ１０の上面と熱拡散板１２の
平板部１２ａの下面との間にグラファイト１５を介在さ
せ、その状態で加圧しつつ所定の熱を加えることによ
り、ダイ１０と熱拡散板１２とが接合されて一体化され
ている。

【００３３】この図３に示す構成であっても、上記の実
施例と同様に、ダイ１０が動作することにより発生した
熱は、熱拡散板１２を介してヒートシンク１３に伝達さ
れ、ここから大気に対して放散させられ、その結果、ダ
イ１０が効率よく冷却される。特に、ダイ１０と熱拡散
板１２とが接合されているので、両者の間の熱抵抗を小
さくして放熱効率を良好にすることができる。

【００３４】そして、ダイ１０の発熱によって温度が上
昇した場合、ダイ１０と熱拡散板１２との熱膨張率が近
似しているので、それぞれの熱膨張量に大きな差が生じ
ることがない。すなわちダイ１０と熱拡散板１２との間
に特には熱応力が生じないので、両者の接合状態が良好
に維持され、その結果、熱抵抗が小さく維持される。

【００３５】図４に示す実施例は、熱拡散板１２の熱伝
導率を高くして、全体としての熱抵抗を更に低下させた
例である。すなわち図４に示す熱拡散板１２は、その平
板部１２ａが中空構造になっている。その中空部１２ｄ
は、凹部のある本体部分に蓋体を取り付けることにより
構成することができる。そして、この中空部１２ｄは、
その内部から空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態
で、水などの凝縮性の流体が作動流体１２ｅとして封入
されている。すなわちヒートパイプ化され、ここにいわ
ゆるベーパーチャンバーが構成されている。

【００３６】なお、この熱拡散板１２とダイ１０との接
合は、上述した接合構造あるいは従来知られている接合
構造のいずれによっておこなってもよい。

【００３７】したがって図４に示す構造では、ダイ１０
で発生した熱は、これに接触している熱拡散板１２に伝
達される。その熱によってベーパーチャンバーにおける
作動流体１２ｅが蒸発し、その蒸気が温度および圧力の
低い部分すなわちヒートシンク１３に接触している上面
側に流動する。その後、作動流体１２ｅの蒸気が放熱し
て凝縮し、その作動流体１２ｅの有していた熱が熱拡散
板１２の上面側からヒートシンク１３に伝達され、さら
にこのヒートシンク１３から周囲の空気に放散させられ
る。結局、ダイ１０の熱が空気中に放散させられて、ダ
イ１０が冷却される。

【００３８】上述したように、熱拡散板１２において
は、ベーパーチャンバーに封入されている作動流体１２
ｅがその潜熱として熱を輸送する。その熱量は、熱伝導
によるよりもはるかに多量であるから、熱拡散板１２の
実質的な熱抵抗が極めて小さくなる。その結果、ダイ１
０からヒートシンク１３までの間の熱抵抗が小さくな
り、ダイ１０を効率よく冷却することができる。

【００３９】前述したように、銅やアルミニウムなどの
熱伝導性がよいことにより熱拡散板１２に適する金属
は、ダイ１０を構成しているシリコンよりも熱膨張率が
大きい。したがってダイ１０と熱拡散板１２とを熱伝達
可能に密着させた状態で、両者の相対的な移動を円滑化
すれば、ダイ１０と熱拡散板１２との間の熱応力の発を
抑制もしくは防止することができる。図５および図６は
その例を示しており、れらの図に示す熱拡散板１２は、
アルミニウムによって形成されており、その平板部１２
ａにおける裏面（図での下面）１２ｃに陽極酸化処理が
施され、その陽極酸化処理によって生じたクラック１６
に潤滑性のある軟質な材料、例えば硫化モリブデン１７
が充填され、その硫化モリブデン１７の一部が露出して
いる。この種の金属は、「フジマイト」（登録商標）と
して知られている。

【００４０】したがって図５および図６に示す構成で
は、ダイ１０と熱拡散板１２との密着性が良好になって
これらの間の熱抵抗が低減される。また、ダイ１０と熱
拡散板１２との熱膨張率の差が大きく、ダイ１０の発熱
によって温度が上昇した際の熱膨張量に相違が生じて
も、ダイ１０と熱拡散板１２との相対的な滑りが円滑に
生じるので、両者の間に熱応力が生じることはない。し
たがって図５および図６に示す構成であっても、ダイ１
０からの放熱特性すなわちダイ１０の冷却性能を良好な
ものとすることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、電子部品と熱拡散板との間に、熱膨張率が電子
部品側と熱拡散板側とで異なっているグレーディング層
が設けられているため、電子部品とグレーティング層と
の接触部分での熱膨張率の差、および熱拡散板とグレー
ティング層との接触部分での熱膨張率の差が共に小さく
なる。その結果、温度が高くなっても熱応力が大きくな
らず、電子部品とグレーティング層との接合が外れた
り、熱拡散板とグレーティング層との接合が外れたりす
ることが回避される。言い換えれば、電子部品と熱拡散
板との間の熱抵抗が増大することがなく、電子部品から
の放熱特性を良好な状態に維持できる。

【００４２】また、請求項２ないし５の発明によれば、
電子部品と熱拡散板との熱膨張率の差が小さくなり、電
子部品が動作してその温度が上昇しても、両者の間の熱
応力が小さく抑制される。その結果、電子部品と熱拡散
板との接合状態を良好に維持し、電子部品を良好に冷却
することができる。

【００４３】さらに、請求項６の発明によれば、熱拡散
板の内部での熱の移動が、熱伝導だけでなく、作動流体
により潜熱の形での熱輸送によっても生じるので、熱拡
散板での熱抵抗が小さくなる。そのため、電子部品から
の放熱を促進し、電子部品を効率よく冷却することがで
きる。

【００４４】またさらに、請求項７の発明あるいは請求
項８の発明によれば、熱拡散板をアルミニウムによって
形成し、電子部品に接触する面を、潤滑性の部材を埋設
した構造とすることにより、熱拡散板を電子部品に直接
接触させた構成とすることができる。このような構成で
あれば、電子部品と熱拡散板との間に介在物が存在しな
いので、両者の間の熱抵抗を小さくすることができる。
また、電子部品に接する面の熱膨張率が小さくなるの
で、電子部品が動作してその温度が高くなっても熱応力
を小さく抑制することができ、その結果、電子部品と熱
拡散板との剥離が生じず、両者の間の熱抵抗の増大を防
止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例を模式的に示す断面図で
ある。

【図２】 図１の放熱構造で使用するグレーティング層
の構造を説明するための模式的な断面図である。

【図３】 この発明の他の実施例を模式的に示す断面図
である。

【図４】 この発明の更に他の実施例を模式的に示す断
面図である。

【図５】 この発明のまた更に他の実施例を模式的に示
す断面図である。

【図６】 図５のVI部を拡大して示す模式図である。

【図７】 従来例を模式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１０…ダイ、 １２…熱拡散板、 １２ｄ…中空部、
１２ｅ…作動流体、１３…ヒートシンク、 １４…グー
ティング層、 １５…グラファイト、 １７…硫化モリ
ブデン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5E322 AA11 AB11 DB12 FA01 FA04 FA09 5F036 AA01 BA23 BB01 BB21

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子部品で生じた熱を熱拡散板に伝達す
   ることにより電子部品を冷却する電子装置用放熱構造に
   おいて、 前記電子部品と熱拡散板との間に、電子部品側の部分に
   おける熱膨張率が電子部品の熱膨張率と同一もしくは近
   似し、かつ熱拡散板側の部分における熱膨張率が熱拡散
   板の熱膨張率と同一もしくは近似するように熱膨張率が
   変化しているグレーディング層が設けられていることを
   特徴とする電子装置用放熱構造。
2. 【請求項２】 電子部品で生じた熱を熱拡散板に伝達す
   ることにより電子部品を冷却する電子装置用放熱構造に
   おいて、 前記電子部品に接合される熱拡散板が、電子部品の熱膨
   張率に近似した素材によって構成されていることを特徴
   とする電子装置用放熱構造。
3. 【請求項３】 前記電子部品は、シリコンを主体として
   構成され、 かつ前記熱拡散板は、ニッケル鋼と窒化アルミニウムと
   のいずれかによって構成されていることを特徴とする請
   求項２に記載の電子装置用放熱構造。
4. 【請求項４】 前記ニッケル鋼が、インバーである請求
   項３に記載の電子装置用放熱構造。
5. 【請求項５】 前記電子部品と熱拡散板とが、グラファ
   イトを介して一体化されていることを特徴とする請求項
   ２に記載の電子装置用放熱構造。
6. 【請求項６】 電子部品で生じた熱を熱拡散板に伝達す
   ることにより電子部品を冷却する電子装置用放熱構造に
   おいて、 前記熱拡散板が、蒸発および凝縮を繰り返すことにより
   潜熱として熱を輸送する作動流体を封入した密閉構造の
   チャンバーを内部に備えていることを特徴とする電子装
   置用放熱構造。
7. 【請求項７】 電子部品で生じた熱を熱拡散板に伝達す
   ることにより電子部品を冷却する電子装置用放熱構造に
   おいて、 前記熱拡散板がアルミニウムによって構成されるととも
   に、その熱拡散板の前記電子部品側の面が、潤滑性部材
   を埋設した構成とされていることを特徴とする電子装置
   用放熱構造。
8. 【請求項８】 前記面が陽極酸化処理されて該面に微細
   なクラックが形成され、そのクラックに前記潤滑性部材
   として硫化モリブンデンが充填されていることを特徴と
   する請求項７に記載の電子装置用放熱構造。