特開 2024-145421 放熱器の構造及び放熱器の組み立て方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024145421

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】放熱器の構造及び放熱器の組み立て方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20241004BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H05K7/20 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023057759

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000100746

【氏名又は名称】アイコム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100084375

【弁理士】

【氏名又は名称】板谷 康夫

(74)【代理人】

【識別番号】100142077

【弁理士】

【氏名又は名称】板谷 真之

(72)【発明者】

【氏名】難波 正憲

(72)【発明者】

【氏名】杉本 展章

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA02

5E322AA11

5E322AB01

5E322AB02

5E322FA04

5F136BC03

5F136DA27

5F136EA13

5F136FA02

5F136FA03

(57)【要約】

【課題】放熱器の構造及び放熱器の組み立て方法であって、発熱部品の大きさによる制約を受けることなく、熱伝導の良い銅でなる放熱部材を必要に応じて大きくでき、しかも発熱部品と放熱部材との間の熱伝導を高めることができ、十分な放熱性能を得る。
【解決手段】放熱器１は、発熱部品４と、発熱部品４に接合されるヒートスプレッダとしての銅板５と、発熱部品４の端子４１がはんだ付け７２される回路基板３と、銅板５に接触されるヒートシンク６と、を備え、銅板５は、発熱部品４と接触する面の面積が発熱部品４の銅板５に接触する面の面積よりも大きく、銅板５は発熱部品４とヒートシンク６との間に介在させ、発熱部品４は銅板５にはんだ付け７１により接合されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発熱部品と、
前記発熱部品に接合されるヒートスプレッダと、
前記発熱部品の端子がはんだ付けされる回路基板と、
前記ヒートスプレッダに接触されるヒートシンクと、を備え、
前記ヒートスプレッダは、前記発熱部品と接触する面の面積が前記発熱部品の前記ヒートスプレッダに接触する面の面積よりも大きく、
前記ヒートスプレッダは前記発熱部品と前記ヒートシンクとの間に介在させ、
前記発熱部品は前記ヒートスプレッダにはんだ付けにより接合されていることを特徴とする放熱器の構造。

【請求項2】

前記発熱部品の周辺の前記回路基板は、左右に分割され、
左右に分割された前記回路基板の各々は、前記発熱部品の端子と前記銅板との間に差し込まれ組み立てられていることを特徴とする請求項１記載の放熱器の構造。

【請求項3】

前記銅板の前記発熱部品がはんだ付けされる面に、前記発熱部品の外形形状に沿ったはんだ対応の溝が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放熱器の構造。

【請求項4】

前記ヒートスプレッダは、銅板から成ることを特徴とする請求項３に記載の放熱器の構造。

【請求項5】

発熱部品と、
前記発熱部品に接合されるヒートスプレッダと、
前記発熱部品の端子がはんだ付けされる回路基板と、
前記ヒートスプレッダに接触されるヒートシンクと、を備えた放熱器の組み立て方法であって、
前記ヒートスプレッダは、前記発熱部品と接触する面の面積が前記発熱部品の前記ヒートスプレッダに接触する面の面積よりも大きいものを用い、
前記発熱部品を前記ヒートスプレッダにはんだ付けし、
その後、前記発熱部品がはんだ付けされた前記ヒートスプレッダを前記ヒートシンクに固定し、
その後、前記回路基板を前記ヒートスプレッダと前記発熱部品の端子との間に差し込んで、前記回路基板に前記発熱部品の端子をはんだ付けにより接合することを特徴とする放熱器の組み立て方法。

【請求項6】

前記発熱部品の周辺の前記回路基板は左右に分割されており、前記回路基板の各々を前記ヒートスプレッダと前記発熱部品の左右の端子との間に差し込んで組み立てることを特徴とする請求項５に記載の放熱器の組み立て方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、通信機器のパワーモジュールなどの発熱部品を冷却（放熱）するため放熱器の構造及び放熱器の組み立て方法に関する。

【背景技術】

【0002】

放熱器は、発熱部品の熱を熱伝導、熱伝達（対流）、熱放射（輻射）の現象を利用して放熱させる。その放熱性能を向上させるためには、（１）放熱器の放熱部材に熱伝導率の良い金属（銅など）を使用すること、（２）放熱器の表面積、体積を大きくすること、（３）発熱部品と放熱器との接触部分の熱抵抗を低くすること、が挙げられる。

【0003】

発熱部品と放熱器との接触部分の熱抵抗を低くするために、放熱器の発熱部品取り付け面に熱伝導グリスを塗布することも知られている。また、放熱部材として一般的にコスト、重量増を考慮してアルミを使用することが多いが、放熱が足りない場合は、必要最小限で熱伝導の良い銅を使用する。

【0004】

従来の放熱器の構造として、発熱部品を回路基板に仮付けし、発熱部品の放熱器（本願明細書におけるヒートスプレッダに対応する）にアルミのヒートシンクを取り付け（本願明細書では、ヒートスプレッダ、ヒートシンクを組み合わせた物を放熱器と称し、それぞれの区別の必要がない場合は放熱部品と称する）、発熱部品の端子を回路基板にはんだ付けするものが知られている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平７－３０２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、放熱部品の放熱部材として、コスト対策や重量軽減のため、熱伝導の良い銅の使用は、必要最小限としつつ、十分な放熱性能が得られるような大きさとすることが望まれる。上記特許文献１に示される構造においては、ヒートスプレッダを回路基板の切欠き穴に通す構成であるので、放熱性能を高めるためにヒートスプレッダの表面積、体積を大きくしたくても、ヒートスプレッダの平面視での大きさが発熱部品と同等（または発熱部品より僅かに大きい）程度が限度と成り、また、放熱性能を高めるために発熱部品と放熱器との間の熱伝導を高める工夫は成されていない。

【0007】

本発明は、上記課題に鑑みと成されたものであり、発熱部品の大きさによる制約を受けることなく、熱伝導の良い放熱部材である銅から成るヒートスプレッダ（銅板）の体積・表面積を必要に応じて大きくでき、しかも発熱部品と放熱器との間の熱伝導を高めることができ、十分な放熱性能を得ることができる放熱器の構造及び放熱器の組み立て方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、発熱部品と、前記発熱部品に接合されるヒートスプレッダと、前記発熱部品の端子がはんだ付けされる回路基板と、前記ヒートスプレッダに接触されるヒートシンクと、を備え、前記ヒートスプレッダは、前記発熱部品と接触する面の面積が前記発熱部品の前記ヒートスプレッダに接触する面の面積よりも大きく、前記ヒートスプレッダは前記発熱部品と前記ヒートシンクとの間に介在させ、前記発熱部品は前記ヒートスプレッダにはんだ付けにより接合されている放熱器の構造である。

【0009】

また、本発明は、発熱部品と、前記発熱部品に接合されるヒートスプレッダと、前記発熱部品の端子がはんだ付けされる回路基板と、前記ヒートスプレッダに接触されるヒートシンクと、を備えた放熱器の組み立て方法であって、前記ヒートスプレッダは、前記発熱部品と接触する面の面積が前記発熱部品の前記ヒートスプレッダに接触する面の面積よりも大きいものを用い、前記発熱部品を前記ヒートスプレッダにはんだ付けし、その後、前記発熱部品がはんだ付けされた前記ヒートスプレッダを前記ヒートシンクに固定し、その後、前記回路基板を前記ヒートスプレッダと前記発熱部品の端子との間に差し込んで、前記回路基板に前記発熱部品の端子をはんだ付けにより接合する放熱器の組み立て方法である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、発熱部品とヒートスプレッダとをはんだ付けにより接合させるので、熱伝導グリスよりも熱伝導率が良く、接触面の隙間も無くすることができ、接触部分の熱抵抗を低くすることができる。また、発熱部品と接触する面の面積が発熱部品のヒートスプレッダに接触する面の面積よりも大きいヒートスプレッダを、発熱部品とヒートシンクの間に介在させたので、発熱部品の熱を周りに拡散させてヒートシンクに効率良く伝達させ、放熱効果が高まる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る放熱器を搭載した通信機器の外観図。

【図2】同放熱器の構造を示す斜視図。

【図3】同放熱器の構造を示す概略断面図。

【図4】同放熱器において回路基板組み付け前の状態の分解斜視図。

【図5】同放熱器の組み立て途上を示す斜視図。

【図6】同放熱器の組み立て手順を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の一実施形態に係る放熱器の構造及び放熱器の組み立て方法について図面を参照して説明する。図１は、放熱器１を搭載した通信機器の外観を示す。図１において、放熱器１は、通信機器２の外装ケース内に設けられている。放熱器１は、回路基板３に搭載された発熱部品４（後述）から発生する熱を放熱するもので、ヒートスプレッダとしての銅板５（後述）及びアルミのヒートシンク６を備えている。ヒートシンク６は、熱放散のため回路基板３の上方に銅板５を介在して配置されている。

【0013】

図２は、発熱部品４側を上向きにした状態の放熱器１を示す。図２において、放熱器１は、発熱部品４と、発熱部品４の熱を放散するためのヒートスプレッダである銅板５と、発熱部品４を含む複数の部品が搭載される回路基板３と、アルミのヒートシンク６と、を備えている。銅板５は、発熱部品４よりも上方からの平面視での面積が大きく、換言すると、銅板５は、発熱部品４と接触する面の面積が発熱部品４の銅板５に接触する面の面積よりも大きい。ここに、発熱部品４と接触する面とは、接触する箇所を含めた面全体を言う。また、銅板５は、発熱部品４とヒートシンク６との間に介在させている。発熱部品４は、その底面が銅板５の平面にはんだ付けされ、接合させている。銅板５は、ヒートシンク６の底面（図示では上面）に設けた凹部６１に接触固定されている。回路基板３は、ヒートシンク６に設けた複数の支柱６２に支持され、ビス６３により締結されている。

【0014】

回路基板３は、本実施形態では、発熱部品４の周辺の左右に（発熱部品４を挟んで）分割されており、左右に分割された回路基板３の各々が、銅板５にはんだ付けされた発熱部品４の端子４１と銅板５との間に差し込まれ組み立てられる。発熱部品４は、その左右両側にある端子４１が回路基板３の配線パターンにはんだ付けされる。

【0015】

図３は、放熱器１の概略断面構成を示す。発熱部品４は、その底面が銅板５の上面（図面上）にはんだ付け７１され、銅板５は、その底面（図面上）がヒートシンク６の上面（図面上）に固定され、回路基板３は、発熱部品４の端子４１と銅板５との間に差し込まれ、発熱部品４の端子４１が回路基板３にはんだ付け７２される。

【0016】

図４は、回路基板３組み付け前の放熱器１を分解して示す。銅板５の発熱部品４がはんだ付けされる平面には、発熱部品４の外形形状に沿ったはんだ対応の溝５１が設けられている。発熱部品４は、溝５１で囲まれた内周側の平面にはんだ付け固定される。溝５１は、銅板５へ発熱部品４を取り付けの際の位置決めにもなる。銅板５は、酸化し易く、酸化するとはんだ付け性が悪くなるので、耐食性に優れたＣ１１００と防錆紙などを使用することが望ましい。ヒートシンク６の凹部６１内の面には、溝状の凹凸が設けられ、ここに熱伝導グリスを塗布して、銅板５が固定されたとき接触固定を高めるようにしている。銅板５は、ヒートシンク６にビス止めされる。

【0017】

図５は、放熱器１の組み立て途上であって、一方（図面で左側）の回路基板３を発熱部品４の端子４１と銅板５との間に差し込んだ状態を示す。発熱部品４は、平面視で左右側面に端子４１を、平面視で上下側面に取付金具４２を備えている。発熱部品４は、その底面が銅板５にはんだ付け固定される。

【0018】

ここに、発熱部品４を銅板５にはんだ付けした後に、回路基板３を組み立てることができるように、回路基板３を分割し、それらを発熱部品４の端子４１と銅板５の間に差し込んで組み立てる。そのため、左側の回路基板３は、発熱部品４の左側の複数の端子４１に対応した回路パターンを有しており、発熱部品４は、その端子４１が回路基板３の回路パターンにはんだ付け接続される。右側の回路基板３も同様に形成されている。

【0019】

図６は、放熱器１の組み立て手順（組み立て方法）を示す。手順としては、発熱部品４を銅板５にはんだ付けし（Ｓ１）、その後、発熱部品４がはんだ付けされた銅板５をヒートシンク６に固定する（Ｓ２）。その後、回路基板３を銅板５と発熱部品４の端子４１との間に差し込んで（Ｓ３）、回路基板３に発熱部品４の端子４１をはんだ付けする（Ｓ４）。ここに、発熱部品４の周辺の回路基板３は左右に分割されている構成の場合は、回路基板３の各々を銅板５と発熱部品４の左右の端子４１との間に差し込んで組み立てる。

【0020】

上述した本実施形態の放熱器１の構造または組み立て方法によれば、熱伝導の良いヒートスプレッダとしての銅板５は、発熱部品４の大きさによる制約を受けることがなく、必要に応じて大きくでき、しかも発熱部品４との熱伝導を高めることができ、高い放熱性能を得ることができる。また、発熱部品４と銅板５とをはんだ付けにより接合させるので、熱伝導グリスよりも熱伝導率が良く、接触面の隙間も無くすることができ、熱抵抗を低くすることができる。また、発熱部品４よりも表面積が大きい銅板５を発熱部品４とヒートシンク６の間に介在させているので、発熱部品４の熱を周りに拡散させてヒートシンク６に効率良く伝達させることができる。

【0021】

従来一般の発熱部品の取り付け構造においては、回路基板に発熱部品の外形形状の穴を開けておき、ヒートシンクに銅板と回路基板を取り付けた後に、穴を通してグリスを銅板に塗布して発熱部品を回路基板に取り付け、発熱部品の端子を回路基板にはんだ付けする。このように回路基板に発熱部品を取り付けた後は、発熱部品の銅板へのはんだ付けは、リフローの熱が回路基板に悪影響を及ぼすので、使用できない。

【0022】

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、左右に分割された回路基板３を用いたが、回路基板３は、分割形状に限られず、例えば、Ｕ字状の切り欠きを形成して、その切り欠きを用いて回路基板３を発熱部品４の端子４１と銅板５との間に差し込むようにしてもよい。このＵ字状の切り欠きは、発熱部品４の端子４１のある左右方向幅と同等の幅を持ち、左右方向と直交する方向に発熱部品４の長さ以上の長さを持つものとすればよい。また、本実施形態及び請求項に記載した「接触」は、直接的に接している形態でも間接的に接している形態でも構わない。

【符号の説明】

【0023】

１ 放熱器
２ 通信機器
３ 回路基板
４ 発熱部品
４１ 端子
４２ 取付金具
５ ヒートスプレッダである銅板
５１ 溝
６ ヒートシンク
６１ 凹部
６２ 支柱
６３ ビス
７１ はんだ付け
７２ はんだ付け

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】