JP4807286B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

この発明は、高発熱性の電子部品を収容したケースから発生する熱を、冷媒流路の設けられた冷却板に放熱する電子機器に関するものである。

従来の電子機器において、熱伝導率の高い放熱シートを介在して、発熱性の電子部品が装着されたシャーシを、冷媒流路の設けられた冷却板に密着させる冷却技術が知られている（ 例えば、特許文献１参照）。この電子機器では、シャーシの内部に冷媒流路を設けて、電子部品の放熱性能を向上させている。

特開２００６−２４５１１４号公報（図２）

従来の電子機器では、シャーシ内に冷媒流路を設けているので、シャーシを構成するケースの構造が複雑化するという問題があった。

また、従来の冷却技術では、電子部品の収容された厚さの薄い平坦なケースを、冷却板に密着させる際、ケースの平面度や反りの状態によって、ケースと冷却板との密着性が悪くなるという問題があった。この場合、ケースと冷却板との間の接触熱抵抗が増大し、冷却性能が劣化してしまう。

この発明は、係る課題を解決するために為されたものであり、電子部品を収容するケースと冷却板との密着性を向上させ、接触熱抵抗を低減させることを目的とする。

この発明による電子機器は、高発熱性の電子部品と、搭載部に上記電子部品が載置され、当該搭載部における上記電子部品直下に突起部が形成された電子部品の収容ケースと、冷媒の流路が設けられた冷却板と、上記冷却板の流路における幅広面に対向し上記冷却板の外表面から突出して取り付けられ、弾性を有した放熱シートと、を備え、上記ケースの突起部が上記放熱シートを押圧した状態で、上記ケースが上記冷却板に取り付けられたものである。

この発明によれば、電子部品を収容したケースと冷却板との接触部分における熱抵抗を低減することができ、電子機器の冷却性能を向上させることができる。

実施の形態１．
以下、この発明に係る実施の形態１による電子機器について、図を用いて説明する。
図１は、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は電子機器の冷却構造を示す断面図であり、(a)は電子モジュールのケースと、冷却板とが接触する前の状態、（b）は(a)のハイパワーアンプ部を拡大したものである。なお、図１はケース２の上面に取り付けられる上面カバーや、他の基板が取り除かれた状態を示している。

図において、電子機器は、電子モジュールを構成するハイパワーアンプ１を収容した厚みの薄い平坦なケース２と、冷却板３を備えて構成される。ハイパワーアンプ１は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いて構成される高発熱性の電子部品から成る。ハイパワーアンプ１は、ケース２の内部に設けられた載置部（ケース底面）１５の上面に密着して載置される。ハイパワーアンプ１の固着には熱伝導率の高い熱良導性の接着剤が用いられる。ケース２は上面に上面カバー（上蓋）１１が取り付けられ、下面に底面カバー８が取り付けられている。ケース２、上面カバー１１、および下面カバー８は、アルミ素材から成型される。

冷却板３には、ハイパワーアンプ１の直下に冷媒４の流れる流路が形成されている。冷却板３は、アルミ素材の押し出し加工によって成型される。冷媒４としては、例えばエチレングリコール系の水溶液が用いられる。ケース２は締結部１０を介して冷却板３に締結される。締結部１０としてはボルトが用いられ、ボルトの雄ねじが冷却板３に設けられた雌ねじに係合する。冷却板３の上面には窪みが設けられ、この窪みに放熱シート６が取り付けられている。放熱シート６は、冷却板３の外表面よりも僅かに（例えば、０．１〜０．２ｍｍ程度）突出している。放熱シート６は弾性を有したものが用いられ、例えばシリコンラバーを用いると良い。放熱シート６としては、数十回以上のケース２の取り付け取り外しを行っても、シートに凹みを生じたり、弾力性が損なわれることがないものを用いる。

ケース２は載置部１５の上部および下部に、電子部品を実装するための空間が設けられている。これにより、載置部１５の上面および下面の両面に、基板１２が実装される。載置部両面の基板１２は、コネクタピンや電気ケーブルによって電気的に結合され、電気信号が授受される。また、載置部１５の上面において、ハイパワーアンプ１と基板１２とが導電線１３により電気的に結合される。導電線１３には導体ワイヤや導体リボンが用いられる。ケース２、上面カバー１１、下面カバー８、ハイパワーアンプ１、および基板１２と、締結部１０と、図示しないその他の電子部品によって、電子モジュールが構成される。

載置部１５におけるハイパワーアンプ１の直下には、その直下を含む周辺が突出した突起部７が設けられる。突起部７の最下面はケース２の底面カバー８の外表面から僅かに（例えば、０．１〜０．２ｍｍ程度）突出する。ケース２を冷却板３に取り付ける際、突起部７の最下面に傷が付き、突起部７の最下面の面粗さが粗くならないように、突起部７の最下面には、無電界ニッケルめっきから成るめっき層１４が施され、表面硬度を硬くする表面処理が行われている。また、締結部１０によって締結されるケース２の下面には、冷却板３と当接する座面が形成されている。この座面のケース厚み方向の高さは、突起部７のケース厚み方向の高さと同じ高さとなっている。なお、締結部１０は突起部７の周辺に少なくとも１つ配置されるとともに、ケース２の外周に沿って所定間隔で配置される。

ケース２の突起部７は冷却板３の放熱シート６に密着して取り付けられ、これによって、突起部７を介在してハイパワーアンプ１と冷却板３の冷媒４とが熱的に接続される。突起部７の最下面は、図２（ｂ）に示すように、ハイパワーアンプ１の搭載面から４５度の拡がり角を持つ領域内を内包するように成されている。また、突起部７の高さ（厚み）と最下面の面積は、ハイパワーアンプ１から放熱される熱が、充分な広がりを有して突起部７内を伝導し、その最下面まで効率的に伝わるように設定される。

図３は熱抵抗の設定例を示すものであり、（ａ）は放熱経路上の各部寸法と熱抵抗の関係を示し、（ｂ）は放熱モデルを示す図である。
ハイパワーアンプ１（ＦＥＴ）、接着剤（接着層）１６、突起部７、放熱シート６、冷却板３、および冷媒４において、放熱面の縦横（ａ_１〜ａ_６、ｂ_１〜ｂ_６）、厚さ寸法（ｔ_１〜ｔ_６）と、熱伝導率λ_１〜λ_５、および熱伝達率ｈが与えられ、各部の熱抵抗（Ｒ_１〜Ｒ_６）が図に示すように与えられたとする。このとき、ハイパワーアンプ１のジャンクション温度Ｔｊ、その発熱量Ｑに対し、各部の熱抵抗（Ｒ_１〜Ｒ_６）は、図に示すようになる。図において、Ｔｊが最小となるように、筐体（突起部７）のパラメータａ３、ｂ３、ｔ３が適宜設定される。なお、冷却板の肉厚が薄い（１ｍｍ程度）ので、熱抵抗Ｒ_６は図に示したように近似される。

この実施の形態１による電子機器は以上のように構成され、次のように動作する。
この電子機器は、電子モジュールを冷却板で冷却する間接冷却構造となっており、電子モジュールにおけるケース２のハイパワーアンプ１で発生した熱は、接着剤１６、突起部７の経路で放熱シート６に伝導され、冷却板３の筐体に伝達されて冷媒４に放熱される。接着剤１６、突起部７、放熱シート６、および冷却板３は放熱部を構成する。

ここで、ケース２の突起部７はハイパワーアンプ下の周辺部分のみがケース２から突出し、放熱シート６は突起部７に対応してハイパワーアンプ下の周辺部分のみが冷却板側に飛び出している。また、突起部７は締結部１０の締結力により、放熱シート６を間に挟んで冷却板に密着している。すなわち、ケース２を冷却板３に取り付けた状態では、図２（ｂ）に示すように突起部７が放熱シート６に押し付けられ、放熱シート６が圧縮される。例えば、０．５ｍｍ厚の放熱シート６を用いた場合、ケース２を冷却板３に取り付けた状態で放熱シート６の厚みが０．３５ｍｍ程度となって７０％程度に圧縮される。例えば、放熱シート６が圧縮されずに冷却板３に密着した場合の熱抵抗が３Ｗ／ｍ・Ｋである場合、圧縮後の熱抵抗は５Ｗ／ｍ・Ｋとなり、放熱シート６の性能値にほぼ近い熱抵抗を得ることが可能となる。このような構造により、ハイパワーアンプ下の密着性が増し、接触熱抵抗を低減させることができる。

なお、電子機器の性能向上を目的に高出力および高発熱のハイパワーアンプ１を用いる場合、部品の素材上の制約から部品のジャンクション保障温度は変わらないので、電子機器のケース２から冷媒４までの熱抵抗(温度差)を、更に小さくする必要がある。
この実施の形態では、ハイパワーアンプ１の直下から４５度の広がり角を有するように突起部７の厚みと面積を適切に設定しているので、ケース２を冷却板３に取り付けた状態では、図２（ｂ）に示すように放熱シート６、および冷却板３への放熱面積を広げることができ、全体の熱抵抗を更に低減することができる。
また、ケース２の突起部７以外の部分に、底面から掘り込まれた空間を成して底面カバー８を付けることで、冷却面側からの部品、基板等の実装が可能となる。このため、片面（上面）を冷却しつつ、両面実装による高密度実装を可能ならしめている。

以上説明したように、この実施の形態１による電子機器は、ケース底面を冷却板により冷却する間接冷却構造において、高発熱のハイパワーアンプ直下を突起させたケース２と、ケース２の突起部７に合わせてハイパワーアンプ直下の冷却板側に弾性を有した放熱シート６を飛び出させた状態で取り付けた構造を成している。このような冷却構造とすることで、電子モジュールを冷却板３に取り付けたときに、高発熱部下の密着性が向上し、接触熱抵抗を低減することができる。これによって、電子機器の冷却性能を向上させることができる。

また、ケース突起部の厚さ、幅を十分に熱が広がる適切な大きさに設定することにより、冷却板３への放熱面積を拡大でき、ケース２から冷却板３までの熱抵抗を更に低減することができる。また、このような構造により、突起部に充分な厚さが得られケース底面に空間を形成することができるので、ケース片面を冷却するとともにケース両面からの実装が可能となり、延いては高密度実装を可能とする。

実施の形態２．
この発明に係る実施の形態２では、ケース２の熱伝導性を更に高めるために、実施の形態１で示した突起部に、熱伝導性の高い別部材を用いたことを特徴とする。

図４は実施の形態２による電子機器の構造を示したものであり、実施の形態１で示したケース２のハイパワーアンプ下の突起部７を、別部材９で構成し、別部材９をケース２にねじ止め固定した構造となっている。別部材９を、銅やタングステン等から成る熱良導性の高熱伝導率の素材で形成することで、ハイパワーアンプ下の熱伝導率を更に高めることができる。また、銅やタングステンのような高密度の部材を別部材として、ケース２に部分的に取り付ける構造とすることで、電子機器全体の重量増加を避けることができる。

この実施の形態では、実施の形態１の構造において更に、ケースの突起部のみ銅やタングステン等の高熱伝導の別部材を用いて、当該別部材をケースにねじ止め固定した構造とすることで、高発熱部下のみを高熱伝導化することができるとともに、別部材を部分使用して全体の重量増加を押さえることができる。

この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。 この発明に係る実施の形態１による電子機器の冷却構造を示す断面図である。 この発明に係る実施の形態１による熱モデルを示す図である。 この発明に係る実施の形態２による電子機器の冷却構造を示す図である。

符号の説明

１ ハイパワーアンプ、２ ケース、３ 冷却板、４ 冷媒、６ 放熱シート、７ 突起部、８ 底面カバー、９ 別部材、１０ 締結部、１１ 上面カバー、１２ 基板、１４ めっき層、１５ 載置部、１６ 接着剤。

Claims (3)

1. 高発熱性の電子部品と、
   上記電子部品に電気的に接続される基板と、
   熱良導性の搭載部の表面に上記電子部品が載置され、当該熱良導性の搭載部の裏面における上記電子部品直下に突起部が形成されるとともに、当該電子部品に隣接して上記基板が載置された電子部品の収容ケースと、
   冷媒の流路が設けられ、当該流路の上面に窪みが形成された冷却板と、
   上記冷却板の窪みに設けられて当該冷却板の外表面から突出して取り付けられ、弾力性を有した放熱シートと、
   を備え、
   上記ケースの突起部が上記放熱シートを押圧した状態で、上記ケースが取り付け取り外し可能に上記冷却板に取り付けられたことを特徴とする電子機器。
2. 上記ケースの突起部は、上記放熱シートとの接触面内に上記電子部品の底面から４５度の拡がり角を有した放熱領域を含むことを特徴とする請求項１記載の電子機器。
3. 上記ケースは、上記電子部品を表面に載置するとともに裏面に突起部の形成された熱良導性の搭載部が、銅やタングステン等から成る別部材で構成されたことを特徴とする請求項１記載の電子機器。

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