特開 2024-75186 放熱シートを用いた放熱構造及び電子機器

(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】P2024075186

(43)【公開日】2024-06-03

(54)【発明の名称】放熱シートを用いた放熱構造及び電子機器

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20240527BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240527BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 Z

H05K7/20 F

H05K7/20 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022186442

(22)【出願日】2022-11-22

(71)【出願人】

【識別番号】308036402

【氏名又は名称】株式会社ＪＶＣケンウッド

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(72)【発明者】

【氏名】森本 輝之

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AB01

5E322FA04

5F136BA04

5F136BA32

5F136BC07

5F136DA42

(57)【要約】      （修正有）

【課題】コストアップを抑制し放熱シートの取り付け作業を短時間で行う放熱シートを用いた放熱構造を提供する。
【解決手段】放熱構造ＨＫは、基板２と、基板上の第１の高さＨ２１の第１発熱体２１及び第１の高さＨ２１以下の第２の高さＨ２２の第２発熱体２２と、基板並びに第１発熱体及び第２発熱体に対し、離隔して対向する対向面３ａを有して配置されたヒートシンク３と、基板並びに第１発熱体及び第２発熱体と、対向面との間に介在し厚さ方向に弾性を有する放熱シート５とを備える。対向面は、基板に直接対向する基板対向部３１Ｇと基板との距離が基板対向部よりも大きい、第１発熱体と対向する第１発熱体対向部３５及び第２発熱体と対向する第２発熱体対向部３６とを有し、放熱シートは、基板対向部並びに第１発熱体対向部及び第２発熱体対向部に接触している。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に取り付けられた第１の高さの第１発熱体及び前記第１の高さ以下の第２の高さの第２発熱体と、
前記基板、並びに、前記第１発熱体及び前記第２発熱体に対し、離隔して対向する対向面を有して配置されたヒートシンクと、
前記基板、並びに、前記第１発熱体及び前記第２発熱体と、前記対向面との間に介在し、厚さ方向に弾性を有する放熱シートと、
を備え、
前記対向面は、
前記基板に直接対向する基板対向部と、
前記基板との距離が前記基板対向部よりも大きい、前記第１発熱体と対向する第１発熱体対向部及び前記第２発熱体と対向する第２発熱体対向部と、
を有し、
前記放熱シートは、前記基板対向部、並びに、前記第１発熱体対向部及び前記第２発熱体対向部に接触している放熱構造。

【請求項2】

前記基板対向部と前記第１発熱体対向部及び前記第２発熱体対向部の少なくとも一方とが傾斜面によって接続されている請求項１記載の放熱構造。

【請求項3】

前記第１発熱体対向部と前記基板との距離が、前記第２発熱体対向部と前記基板との距離以上である請求項１又は請求項２記載の放熱構造。

【請求項4】

前記基板に、前記第１発熱体と前記第２発熱体とが、第１の間隔で隣接して取り付けられた第１発熱体組を備え、
前記対向面において、前記第１発熱体組に対向する前記第１発熱体対向部及び前記第２発熱体対向部は連結して形成されている請求項１記載の放熱構造。

【請求項5】

請求項１記載の放熱構造を備えた電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、放熱シートを用いた放熱構造及び電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、基板に実装された発熱体であるＩＣと、ヒートシンクである放熱板金との間に放熱シートを介在させ、ＩＣで生じた熱を、放熱シートを介して放熱板金に伝達して放熱する放熱構造が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－１２９９５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されている放熱構造では、基板と放熱板金との間の距離が一定であるため、高さの異なるＩＣがある場合、ＩＣ毎に放熱板金との間の隙間を埋めるのに適した厚さの放熱シートを用いる必要がある。従って、放熱シートの部品点数が増えてコストアップとなり、厚さの異なるＩＣそれぞれに独立して放熱シートを配置するため放熱シートの取り付け作業にも多くの時間を要する、という点で改善の余地がある。

【0005】

そこで、本発明が解決しようとする課題は、コストアップを抑制し、放熱シートの取り付け作業を短時間で行うことができる、放熱シートを用いた放熱構造及び電子機器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本発明は次の１）、２）の構成を有する。
１） 基板と、
前記基板に取り付けられた第１の高さの第１発熱体及び前記第１の高さ以下の第２の高さの第２発熱体と、
前記基板、並びに、前記第１発熱体及び前記第２発熱体に対し、離隔して対向する対向面を有して配置されたヒートシンクと、
前記基板、並びに、前記第１発熱体及び前記第２発熱体と、前記対向面との間に介在し、厚さ方向に弾性を有する放熱シートと、
を備え、
前記対向面は、
前記基板に直接対向する基板対向部と、
前記基板との距離が前記基板対向部よりも大きい、前記第１発熱体と対向する第１発熱体対向部及び前記第２発熱体と対向する第２発熱体対向部と、
を有し、
前記放熱シートは、前記基板対向部、並びに、前記第１発熱体対向部及び前記第２発熱体対向部に接触している放熱構造である。
２） １）に記載の放熱構造を備えた電子機器である。

【発明の効果】

【0007】

本発明の一態様によれば、コストアップを抑制し、放熱シートの取り付け作業を短時間で行うことができる、という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】図１Ａは、本発明の一態様に係る放熱構造ＨＫ及び電子機器９１を示す断面図である。

【図1B】図１Ｂは、放熱構造ＨＫが備えるヒートシンク３の下面図である。

【図1C】図１Ｃは、放熱構造ＨＫが備える放熱シート５の側面図である。

【図2】図２は、放熱構造ＨＫの第１変形例である放熱構造ＨＫＡを示す部分断面図である。

【図3】図３は、放熱構造ＨＫの第２変形例である放熱構造ＨＫＢを示す部分断面図である。

【図4】図４は、放熱構造ＨＫの第３変形例である放熱構造ＨＫＣを示す部分断面図である。

【図5A】図５Ａは、放熱構造ＨＫの第４変形例である放熱構造ＨＫＤを示す部分断面図である。

【図5B】図５Ｂは、放熱構造ＨＫＤが備えるヒートシンク３Ｄの下面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の一態様に係る放熱構造ＨＫを説明する。放熱構造ＨＫは、基板，基板に実装されたＩＣなどの発熱体，放熱シート，及びヒートシンクを備える。
放熱シートは、発熱体とヒートシンクとの間にそれぞれに接触するよう配置されて、発熱体で生じた熱をヒートシンクに伝達する。
放熱構造ＨＫは電子機器９１に用いられる。電子機器９１は、例えば、車載機器，通信装置，撮像装置などである。

【0010】

図１Ａ及び図１Ｂを参照して放熱構造ＨＫについて説明する。この説明において、上下左右前後の各方向を各図に示された矢印の方向で規定する。これらの方向は、説明の便宜上規定するものであって、電子機器９１における放熱構造ＨＫの搭載姿勢及び使用態様を限定するものではない。

【0011】

図１Ａに示されるように、放熱構造ＨＫは、基板２，基板２に取り付けられた複数の発熱体２１～２３，放熱シート５，及びヒートシンク３を有する。発熱体２１～２３は、例えば基板２に実装されたＩＣであるがＩＣに限定されない。
基板２は、電子機器９１が備えるシャーシベース１に立設されたボス１ａ，１ｂに対し、ねじなどの固定具Ｎ１によって締め付け固定されている。
シャーシベース１にはボス１ｃ，１ｄも立設されており、基板２に対しシャーシベース１とは反対側となる位置に、ヒートシンク３がねじなどの固定具Ｎ２によって締め付け固定されている。ヒートシンク３は、その下面で基板２と対向する対向面３ａが基板２の上面２ａに対し上方に距離Ｈ３ａだけ離隔するように取り付けられている。

【0012】

基板２の上面２ａには、３つの発熱体２１～２３が実装されている。この例において発熱体２１～２３はＩＣである。
発熱体２１，２２，２３は、それぞれ厚さが異なっている。すなわち、発熱体２１，２２，２３は、厚さに相当する基板２の上面２ａからの高さＨ２１，Ｈ２２，Ｈ２３が互いに異なっている。
この例において、高さＨ２２＜高さＨ２３＜高さＨ２１である。また、高さＨ２１＜距離Ｈ３ａとされている。
以下、発熱体２１を第１発熱体２１，発熱体２２を第２発熱体２２，発熱体２３を第３発熱体２３とも称する。また、高さＨ２１は第１の高さＨ２１，高さＨ２２は第２の高さＨ２２，高さＨ２３は第３の高さＨ２３とも称する。

【0013】

ヒートシンク３は、上面３ｂに、上方にリブ状に突出した複数のフィン３ｆを有する。
ヒートシンク３の対向面３ａは、相対的に、下方向に突出した部分（凸部）と上方向に陥没した部分(凹部)との凹凸形状３Ｍを有する。
具体的には、図１Ａにおいて、ヒートシンク３は、対向面３ａ，第１凸部３１，第１発熱体対向部３５，第２凸部３２，第２発熱体対向部３６，第３凸部３３，第３発熱体対向部３７，及び第４凸部３４を有する。
以下、第１凸部３１，第２凸部３２，第３凸部３３，及び第４凸部３４を纏めて基板対向部３１Ｇとも称する。また、第１発熱体対向部３５，第２発熱体対向部３６，及び第３発熱体対向部３７を纏めて発熱体対向部３５Ｇとも称する。

【0014】

基板対向部３１Ｇ及び発熱体対向部３５Ｇについて、図１Ｂも参照して詳細に説明する。図１Ｂはヒートシンク３の下面図であり、基板対向部３１Ｇ及び発熱体対向部３５Ｇの平面図としての形状と発熱体２１～２３の位置との関係の理解を容易にするため、発熱体２１～２３の形状を、その存在する位置で一点鎖線にて示してある。

【0015】

対向面３ａにおいて、平面視で少なくとも発熱体２１～２３に対向する範囲は凹部の発熱体対向部３５Ｇとされ、隣接する発熱体の間の基板２と直接対向する部分の一部が凸部の基板対向部３１Ｇとされている。
より詳しくは、発熱体対向部３５Ｇのうち、発熱体２１に対し上方で対向する部位は第１発熱体対向部３５とされ、発熱体２２に対し上方で対向する部位は第２発熱体対向部３６とされ、発熱体２３に対し上方で対向する部位は第３発熱体対向部３７とされている。

【0016】

第１発熱体対向部３５～第３発熱体対向部３７は、平面視において、それぞれ発熱体２１～２３に対応した領域を包含する範囲とされている。
ヒートシンク３の対向面３ａには、第１発熱体対向部３５～第３発熱体対向部３７のそれぞれを囲むように、相対的に下方に突出した基板対向部３１Ｇが設けられている。
基板対向部３１Ｇは、図１Ａにおいて第１凸部３１，第２凸部３２，第３凸部３３，及び第４凸部３４として示されるが、これらは、この例において同じ高さの凸部として繋がり発熱体対向部３５Ｇを囲んで形成されている。図１Ａに示されるように、基板対向部３１Ｇと基板２の上面２ａとの隙間の上下方向の距離は、距離Ｈ３１である。

【0017】

基板対向部３１Ｇから第１発熱体対向部３５，第２発熱体対向部３６，及び第３発熱体対向部３７それぞれに接続する面は、上下方向に対しなだらかになる方向に傾斜した傾斜面となっている。この傾斜面は、図１Ａにおいて、第１発熱体対向部３５については傾斜面３ｓ１，３ｓ２として、第２発熱体対向部３６については傾斜面３ｓ３，３ｓ４として、第３発熱体対向部３７については傾斜面３ｓ５，３ｓ６として示されている。傾斜面は、基板対向部３１Ｇと第１発熱体対向部３５及び第２発熱体対向部３６とを接続するすべての面に適用されていなくてもよい。基板対向部３１Ｇと第１発熱体対向部３５及び第２発熱体対向部３６との少なくとも一方が傾斜面によって接続されているものであってもよい。

【0018】

一方、第１発熱体対向部３５，第２発熱体対向部３６，及び第３発熱体対向部３７と基板２の上面２ａとの隙間の上下方向の距離Ｈ３５，距離Ｈ３６，及び距離Ｈ３７の大小は、それぞれが対向する発熱体２１，発熱体２２，及び発熱体２３の高さＨ２１，高さＨ２２，及び高さＨ２３の高低に対応する順となっている。
詳しくは、この例では、高さＨ２２＜高さＨ２３＜高さＨ２１であり、この順に対応して距離Ｈ３６＜距離Ｈ３７＜距離Ｈ３５となっている。

【0019】

第１発熱体対向部３５と発熱体２１との隙間の上下方向の距離Δ１は、（距離Ｈ３５－高さＨ２１）であり、第２発熱体対向部３６と発熱体２２との隙間の上下方向の距離Δ２は（距離Ｈ３６－高さＨ２２）であり、第３発熱体対向部３７と発熱体２３との隙間の上下方向の距離Δ３は（距離Ｈ３７－高さＨ２３）である。

【0020】

ところで、図１Ｃに示されるように、放熱シート５は平面視で矩形であって厚さＴ５の平板状に形成されている。放熱シート５は、可撓性を有し厚さ方向に弾性圧縮可能であり、材質は、例えば、シリコーン製で、硬さがデュロメータのタイプＯＯ（ＡＳＴＭＤ ２２４０）で「４０」である。具体的には“積水ポリマテック株式会社製 シリコーン放熱シート ＦＥＡＴＨＥＲ-Ｓ３Ｓ”である。

【0021】

厚さＴ５は、図１Ａにおける基板対向部３１Ｇと基板２の上面２ａとの隙間の距離Ｈ３１よりも大きい。また、厚さＴ５は、第１発熱体対向部３５と発熱体２１との隙間の距離Δ１，第２発熱体対向部３６と発熱体２２との隙間の距離Δ２，及び第３発熱体対向部３７と発熱体２３との隙間の距離Δ３のいずれに対しても大きい。

【0022】

従って、放熱構造ＨＫは、放熱シート５が基板対向部３１Ｇ及び発熱体対向部３５Ｇにおいて、必ず上下方向に弾性的に圧縮される。そのため、放熱シート５は、圧縮の反発力によって、基板２の上面２ａ及び発熱体２１～２３と、ヒートシンク３の対向面３ａにおける基板対向部３１Ｇ及び発熱体対向部３５Ｇとの両方に、良好に密着する。
これにより、放熱構造ＨＫは、発熱体２１～２３の高さが異なっていても、一つの放熱シート５を、発熱体２１～２３とヒートシンク３との間に介在するよう配置して、発熱体２１～２３に生じた熱をヒートシンク３に良好に伝達して放熱できる。よって、放熱構造ＨＫは、コストアップが抑制され、放熱シート５の取り付け作業を短時間で行うことができる。

【0023】

基板２の上面２ａと基板対向部３１Ｇとの隙間の距離Ｈ３１及び距離Δ１～Δ３は、互いに等しい或いは互いに近い値であるとよい。この場合、放熱シート５の圧縮量のばらつきが小さくなる。すなわち、放熱シート５に掛かる負荷のばらつきが少なくなるので放熱シート５が破断するなどの不具合が生じにくく、放熱構造ＨＫは、長期的信頼性が維持される。

【0024】

図１Ａに示されるように、ヒートシンク３は、発熱体対向部３５Ｇと基板対向部３１Ｇとがなだらかに接続するよう傾斜した傾斜面３ｓ１～３ｓ６を有する。
ヒートシンク３が傾斜面３ｓ１～３ｓ６を有することにより、放熱シート５はヒートシンク３の凹凸形状３Ｍに良好に追従して密着性が高くなるので、放熱効果が向上する。また、図１Ｂに示される放熱シート５のジグザグ状の変形が緩やかになるため、採用する放熱シート５の材質の選択肢が増え、使用された放熱シート５の耐久性が向上する。

【0025】

以上詳述した実施例は、その構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形した変形例としてもよい。

【0026】

基板対向部３１Ｇは連続して同じ高さに形成されている例を説明したが、高さは一様でなくてもよく、異なる高さの部分を有していてもよい。また、基板対向部３１Ｇは、発熱体２１～２３それぞれを完全に囲うように形成されているものに限定されず、部分的に欠落していてもよい。また、欠落した部位が発熱体対向部３５Ｇ或いは対向面３ａの一部となっていてもよい。

【0027】

放熱構造ＨＫは、変形例１として、図２に示されるように傾斜面３ｓ１～３ｓ６を有していないヒートシンク３Ａを備えた放熱構造ＨＫＡとしてもよい。
すなわち、ヒートシンク３Ａは、基板２に実装された発熱体２４，２５それぞれに上方で対向する第１発熱体対向部３５Ａ，第２発熱体対向部３６Ａと、発熱体２４，２５の間の基板２の上面２ａに対向する基板対向部３１ＧＡとを有する。
第１発熱体対向部３５Ａ，第２発熱体対向部３６Ａと基板対向部３１ＧＡとは、傾斜面ではなく上下方向に延在する壁部３ｈによって接続されている。
この変形例１は、発熱体同士が近接配置されて基板対向部３１ＧＡの幅が狭くなってしまう場合に用いると、基板対向部３１ＧＡの幅を減少させずに維持できる。

【0028】

また、発熱体２４，２５に高さの差があってもその差が小さい場合は、発熱体２４，２５それぞれに対応する第１発熱体対向部３５Ａ，第２発熱体対向部３６Ａについての距離Ｈ３５Ａ，Ｈ３６Ａは、図２に示されるように発熱体２４，２５の高さに対応して小さな差をつけてもよいし、同じとしてもよい。

【0029】

放熱構造ＨＫは、隣接する発熱体が、第１の間隔である所定値以下で近接配置されている場合に、変形例２のヒートシンク３Ｂを有する放熱構造ＨＫＢとしてもよい。放熱構造ＨＫＢは、図３に示されるように、近接配置された発熱体２４，２５に対して、ヒートシンク３Ｂの一つの発熱体対向部３５Ｂが対応するようになっている。換言するならば、近接配置された複数の発熱体は一つの発熱体組とみなし、ヒートシンクにはその発熱体組に対応した一つの凹部である発熱体対向部を設ける、というものである。
これは、二つの発熱体が近接配置されている場合、両発熱体の間の基板領域が狭く、その狭い基板領域に対向する凸部を形成することが難しくなるためである。
所定値は、基板２及びヒートシンク３Ｂの離隔距離，発熱体２４の高さＨ２４などに応じて適宜最適値を設定してよい。

【0030】

これにより、基板２が、第１発熱体２４と第２発熱体２５とが所定値以下の第１の間隔で隣接して取り付けられた第１発熱体組Ｋ１（図３参照）と、第１の間隔よりも大きい所定値を超える第２の間隔で隣接して取り付けられた第２発熱体組Ｋ２（図２参照）とを備えている場合、次のようにしてもよい。すなわち、ヒートシンク３の対向面３ａにおいて、図３に示される第１発熱体組Ｋ１に対向する前記第１発熱体対向部及び前記第２発熱体対向部は連結し、一つの発熱体対向部３５Ｂとして形成される。また、図２に示される前記第２発熱体組Ｋ２に対向する前記第１発熱体対向部３５Ａ及び前記第２発熱体対向部３６Ａは離隔して形成される。

【0031】

放熱構造ＨＫＢは、近接配置された二つの発熱体に対応する一つの凹部に、対向する発熱体の高さに応じて抉り量の異なる二つの領域を形成して変形例３の放熱構造ＨＫＣとしてもよい。
図４に示されるように、放熱構造ＨＫＣにおいて、近接配置された発熱体２６，２７は一つの発熱体とみなされて、ヒートシンク３Ｃは一つの凹部である発熱体対向部３５Ｃを有する。発熱体２６の高さＨ２６は、発熱体２７の高さＨ２７よりも高い。
この場合、発熱体対向部３５Ｃに、基板２との隙間の上下方向の距離が距離Ｈ３５Ｃａであって発熱体２６に対応した領域３５Ｃａと、基板２との隙間の上下方向の距離が距離Ｈ３５Ｃｂであって発熱体２７に対応した領域３５Ｃｂとを形成する。
距離Ｈ３５Ｃａと距離Ｈ３５Ｃｂの大小関係は、高さＨ２６と高さＨ２７との大小関係に対応して、距離Ｈ３５Ｃａ＞距離Ｈ３５Ｃｂとする。

【0032】

放熱構造ＨＫＣは、高さの大きく異なる二つの発熱体が近接配置されている場合に、放熱シート５の圧縮量をより均一化させることができるので、放熱シート５の耐久性が向上する。また、高さの低い発熱体２７とヒートシンク３Ｃとの間に挟まれた部分の圧縮量が増加するので、その分、放熱シート５の密着性が向上し放熱効果がより高く得られる。

【0033】

図５Ａ，図５Ｂに示されるように、放熱構造ＨＫは、発熱体５１～５３それぞれに対向するよう形成された第１発熱体対向部３５Ｄ，第２発熱体対向部３６Ｄ，及び第３発熱体対向部３７Ｄの上方となる底面に、下方に突出した複数のリブ３Ｒを有するヒートシンク３Ｄを備えた放熱構造ＨＫＤとしてもよい。
この例において、リブ３Ｒは、横断面形状が半円状であり、前後方向に直線状に延びるものであるが、横断面形状は半円状に限定されず、三角形状、四角形状であってもよい。また、直線状に延びるものに限定されず、曲線状に延びるものであってもよく、形成本数も限定されない。
リブ３Ｒを設けることで、ヒートシンク３Ｄと放熱シート５との間の接触面積が増えるので、放熱効果を向上させることができる。

【0034】

相対的に突出する基板対向部３１Ｇの横断面形状は、矩形又は台形に限定されない。横断面形状は段付き形状であってもよく、曲線を含む形状であってもよい。

【0035】

放熱構造ＨＫ及びその変形例は、発熱体に対向する凹部を有するヒートシンクを備えているが、凹部は、発熱しない実装部品に対向して形成されていてもよい。

【符号の説明】

【0036】

１ シャーシベース
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ ボス
２ 基板
２ａ 上面
２１～２７ 発熱体
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ ヒートシンク
３ａ 対向面
３ｂ 上面
３ｆ フィン
３ｈ 壁部
３Ｒ リブ
３１ 第１凸部
３２ 第２凸部
３３ 第３凸部
３４ 第４凸部
３１Ｇ，３１ＧＡ 基板対向部
３５，３５Ａ，３５Ｄ 第１発熱体対向部
３６，３６Ａ，３６Ｄ 第２発熱体対向部
３７，３７Ｄ 第３発熱体対向部
３５Ｇ，３５Ｂ，３５Ｃ 発熱体対向部
３５Ｃａ，３５Ｃｂ 領域
３ｓ１～３ｓ６ 傾斜面
３Ｍ 凹凸形状
５ 放熱シート
９１ 電子機器
ＨＫ，ＨＫＡ～ＨＫＤ 放熱構造
Ｈ２１～Ｈ２３，Ｈ２６，Ｈ２７ 高さ
Ｈ３ａ，Ｈ３１，Ｈ３５～Ｈ３７，Ｈ３５Ａ，Ｈ３６Ａ，Ｈ３５Ｃａ，Ｈ３５Ｃｂ 距離
Ｋ１ 第１発熱体組
Ｋ２ 第２発熱体組
Ｎ１，Ｎ２ 固定具
Ｔ５ 厚さ
Δ１～Δ３ 距離

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】