特開 2024-96546 情報処理装置

(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】P2024096546

(43)【公開日】2024-07-17

(54)【発明の名称】情報処理装置

(51)【国際特許分類】

   G06F 1/20 20060101AFI20240709BHJP

   H01L 23/427 20060101ALI20240709BHJP

【ＦＩ】

G06F1/20 A

G06F1/20 C

H01L23/46 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023000030

(22)【出願日】2023-01-04

(71)【出願人】

【識別番号】518133201

【氏名又は名称】富士通クライアントコンピューティング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002918

【氏名又は名称】弁理士法人扶桑国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 勇樹

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136BA01

5F136CA06

5F136CC26

5F136DA25

(57)【要約】

【課題】受熱効率の低下を抑制して冷却効率の向上を図る。
【解決手段】情報処理装置１は、プロセッサ１０と冷却部２０を有する。プロセッサ１０と冷却部２０は、情報処理装置１内の基板１ａ上に搭載される。冷却部２０は、冷却部材２１、熱伝導体２２および熱拡散板２３を備える。冷却部材２１には、相変化物質が封入されている。熱伝導体２２は、一端が冷却部材２１に接続されている。熱拡散板２３は、一方の面が放熱体である熱伝導体２２に接し、他方の面が発熱体であるプロセッサ１０のチップ表面に接して、プロセッサ１０からの熱を受熱して熱伝導体２２に向けて熱拡散を行う。また、冷却部材２１は、フローティング構造によって基板１ａに設置される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に搭載されたプロセッサと、
相変化物質が封入された冷却部材と、前記冷却部材に一端が接続される熱伝導体と、前記熱伝導体に一方の面が接し他方の面が前記プロセッサのチップ表面に接して、前記プロセッサからの熱を受熱して前記熱伝導体に向けて熱拡散を行う熱拡散板とを備え、前記冷却部材がフローティング構造によって前記基板に設置されている冷却部と、
を有する情報処理装置。

【請求項2】

前記冷却部は、前記熱伝導体の両端の間に取り付け部材が設けられ、前記取り付け部材と前記基板とがネジ締結されて前記基板に搭載される、請求項１記載の情報処理装置。

【請求項3】

前記冷却部材は、前記基板に設けられたスタッドに対してネジ締結される突起部を備え、ネジが前記突起部に設けられた孔に貫通して前記スタッドに嵌合した場合に前記ネジと前記突起部との間に段差が形成される前記フローティング構造によって前記基板に設置される、請求項１記載の情報処理装置。

【請求項4】

前記熱伝導体の他端には、前記基板に対して固定設置されている冷却フィンが接続される、請求項１記載の情報処理装置。

【請求項5】

前記冷却フィンの近傍には、空冷ファンが設置される、請求項４記載の情報処理装置。

【請求項6】

前記冷却部材の表面には、筐体と接する放熱ゴムが設けられる、請求項１記載の情報処理装置。

【請求項7】

前記熱伝導体の他端には、前記冷却部材がさらに接続され、前記熱伝導体の他端に接続される前記冷却部材は、前記基板に対して固定設置される、請求項１記載の情報処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、情報処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

情報処理装置が有するＣＰＵ（Central Processing Unit）は、高負荷な処理が継続するとＣＰＵの温度が上昇して発熱によって故障の原因となる場合がある。このため、情報処理装置には、ＣＰＵの温度上昇を抑えるための冷却機構が備えられている。

【0003】

関連技術としては、例えば、ＣＰＵが液相冷媒に浸漬された状態となるように筐体内で固定されてＣＰＵを冷却する技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２－１１６４８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＣＰＵの冷却機構として、ＣＰＵのチップ表面に一部が接することでＣＰＵからの熱を受熱して放熱させるヒートシンクがある。このようなヒートシンクを有する情報処理装置では、基板に対してヒートシンクがネジ締結により設置されるが、ネジの締め付け力には偏りが生じやすいため、ヒートシンクに歪み（ヒートシンク部品の変形）が生じる可能性がある。

【0006】

設置されたヒートシンクに歪みが生じていると、ＣＰＵのチップ表面に対してヒートシンクが偏当たりする状態になりやすく、ＣＰＵのチップ表面にヒートシンクが均等に接することができなくなるため、ＣＰＵからの受熱効率が低下してしまうという問題がある。

【0007】

１つの側面では、本発明は、受熱効率の低下を抑制して冷却効率の向上を図った情報処理装置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】

上記課題を解決するために、情報処理装置が提供される。情報処理装置は、基板に搭載されたプロセッサと、相変化物質が封入された冷却部材と、冷却部材に一端が接続される熱伝導体と、熱伝導体に一方の面が接し他方の面がプロセッサのチップ表面に接して、プロセッサからの熱を受熱して熱伝導体に向けて熱拡散を行う熱拡散板とを備え、冷却部材がフローティング構造によって基板に設置されている冷却部と、を有する。

【発明の効果】

【0009】

１側面によれば、受熱効率の低下を抑制して冷却効率を向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】情報処理装置に備えられる冷却部の一例を示す図である。

【図2】ヒートシンクの構成の一例を示す図である。

【図3】フローティング構造の一例を示す図である。

【図4】ＰＣＭパッケージの表面に放熱ゴムが設けられている構成の一例を示す図である。

【図5】情報処理装置の内部構成の一例を示す図である。

【図6】ヒートシンクの構成の変形例を示す図である。

【図7】冷却機構の改善前のＣＰＵの消費電力と温度の関係の一例を示す図である。

【図8】冷却機構の改善後のＣＰＵの消費電力と温度の関係の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において実質的に同一の機能を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する場合がある。

【0012】

図１は情報処理装置に備えられる冷却部の一例を示す図である。情報処理装置１は、ノートパソコンやタブレットパソコン等であり、プロセッサ１０と冷却部２０を有する。プロセッサ１０は例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等である。プロセッサ１０と冷却部２０は、情報処理装置１内の基板１ａ上に搭載される。

【0013】

冷却部２０は、冷却部材２１、熱伝導体２２および熱拡散板２３を備える。冷却部材２１には、相変化物質（ＰＣＭ：Phase Change Material）が封入されている。相変化物質は、例えば、パラフィン類を使用したマイクロカプセルであって、熱を繰り返し吸放出する特性を有しており、固体・液体へ相変化する場合には潜熱を放出し、固体が加熱される場合には融解熱を吸収し、液体が冷却される場合には凝固熱を放出する。相変化物質は、特定温度で相変化している場合はその特定温度を維持するという特性があるため、蓄熱蓄冷作用を発生させる。

【0014】

熱伝導体２２は、加わった熱（プロセッサ１０からの発熱）を熱伝導体２２の端部まで伝導する部品であり、図１では、熱伝導体２２の一端には、冷却部材２１が接続されている。熱伝導体２２としては、例えば、熱伝導性の高い銅やアルミニウム等で形成された中空状のパイプの中に揮発性の高い液体が封入されたヒートパイプを使用することができる。

【0015】

熱拡散板２３は、一方の面が放熱体である熱伝導体２２に接し、他方の面が発熱体であるプロセッサ１０のチップ表面に接して、プロセッサ１０からの熱を受熱して熱伝導体２２に向けて熱拡散を行う部品である。

【0016】

ここで、冷却部材２１は、フローティング構造によって基板１ａに設置されている。例えば、冷却部材２１は突起部２ａ１、２ａ２を備えており、突起部２ａ１、２ａ２に設けられた孔にネジが貫通して基板１ａに設置される場合に、ネジに対して冷却部材２１が所定の範囲で可動できる状態で締結される（フローティング構造の詳細は後述する）。

【0017】

このように、冷却部２０の端側に位置する冷却部材２１がフローティング構造により基板１ａに設置されるので、冷却部２０の所定箇所をネジ締結によって基板１ａに実装した場合に、ネジ締結によって生じていた冷却部２０の歪みを、フローティング構造によって発生させた公差によって吸収することができる。

【0018】

したがって、情報処理装置１の冷却機構では、冷却部２０を基板１ａに対して水平に保って実装することが可能になるので、プロセッサ１０のチップ表面に対して冷却部２０内の熱拡散板２３が偏当たりすることなく均等に接することができ、受熱効率の低下を抑制して冷却効率を向上させることが可能になる。

【0019】

次に冷却部２０の構成について詳しく説明する。なお、以降の説明では、プロセッサをＣＰＵ、冷却部材をＰＣＭパッケージ、熱伝導体をヒートパイプ、熱拡散板をヒートスプレッダ、冷却部をヒートシンクと呼ぶ場合がある。

【0020】

図２はヒートシンクの構成の一例を示す図である。ヒートシンク２０ａの平面図を示している。ヒートシンク２０ａは、ＰＣＭパッケージ２１ａ、ヒートパイプ２２ａ、ヒートスプレッダ２３ａ、冷却フィン２４ａおよび空冷ファン２５ａを備える。

【0021】

ヒートパイプ２２ａの一端にはＰＣＭパッケージ２１ａが接続され、ヒートパイプ２２ａの他端には冷却フィン２４ａが接続される。ＰＣＭパッケージ２１ａは突起部２ａ１、２ａ２を有している。

【0022】

ＰＣＭパッケージ２１ａは、突起部２ａ１、２ａ２を通じてフローティング構造によって基板１ａに設置される。冷却フィン２４ａは、基板１ａに対して固定設置され（非フローティング構造による設置）、冷却フィン２４ａの近傍には、空冷ファン２５ａが基板１ａに設置される。

【0023】

ヒートパイプ２２ａの両端の間の直下には、ヒートスプレッダ２３ａが配置される。ヒートスプレッダ２３ａの一方の面はヒートパイプ２２ａに接し、ヒートスプレッダ２３ａの他方の面は、基板１ａに搭載されているＣＰＵ１０ａのチップ表面に接する。

【0024】

また、ヒートシンク２０ａは、ヒートパイプ２２ａの両端の間に、取り付け部材２６ａ１、２６ａ２が設けられており、取り付け部材２６ａ１、２６ａ２と基板１ａとがネジ締結されて基板１ａに搭載される（非フローティング構造による設置）。

【0025】

図２の例では、取り付け部材２６ａ１、２６ａ２は、ヒートパイプ２２ａの両端の間に位置するヒートスプレッダ２３ａに接続されている。なお、以降では、突起部２ａ１、２ａ２を総称して突起部２ａと呼ぶ場合がある。また、取り付け部材２６ａ１、２６ａ２を総称して取り付け部材２６ａと呼ぶ場合がある。

【0026】

このような構成のヒートシンク２０ａでは、ＣＰＵ１０ａが発熱すると、ヒートパイプ２２ａを通じて熱がヒートパイプ２２ａの両端部に伝導する。ＣＰＵ１０ａの発熱初期時には、空冷ファン２５ａの回転数は上がらないために、空冷ファン２５ａによる冷却フィン２４ａを介した排熱量は低い。ただし、ＰＣＭパッケージ２１ａは潜熱を利用するため、空冷ファン２５ａの稼働を要さずにＰＣＭパッケージ２１ａ側にて排熱が行われる。

【0027】

その後、空冷ファン２５ａの回転数が上昇してくると、空冷ファン２５ａによる冷却も促進されていくので、ＰＣＭパッケージ２１ａおよび空冷ファン２５ａの両方で冷却が行われることになる。

【0028】

図３はフローティング構造の一例を示す図である。ＰＣＭパッケージ２１ａに設けられている突起部２ａにおけるネジ締結部分の横断面を示している。基板１ａには、突起部２ａに設けられている孔に対応する箇所にスタッド（Stud）ｓｄが埋設されている。

【0029】

基板１ａに対してＰＣＭパッケージ２１ａが設置される場合、ネジｓｒが突起部２ａに設けられた孔に貫通してネジｓｒがスタッドｓｄに嵌合する。この場合、スタッドｓｄと突起部２ａとの間に段差Δｄが形成された状態で、ネジｓｒがスタッドｓｄに嵌合して締結される。したがって、ＰＣＭパッケージ２１ａが基板１ａに設置された場合、段差Δｄの分だけＰＣＭパッケージ２１ａが可動することができる。

【0030】

仮に、ＰＣＭパッケージ２１ａの基板１ａへの実装をフローティング構造にせずに固定的なネジ締結で設置した場合、取り付け部材２６ａを介してネジ締結によって基板１ａに実装されているヒートシンク２０ａに対して、例えば、ヒートシンク２０ａがＰＣＭパッケージ２１ａ側に沈むような歪みが生じる可能性がある。この場合、ヒートスプレッダ２３ａがＣＰＵ１０ａのチップ表面に偏当たりしてしまい、受熱効率の低下が引き起こされる。

【0031】

これに対し、図３に示すようなフローティング構造による実装では、ヒートシンク２０ａが取り付け部材２６ａを介してネジ締結によって基板１ａに対して固定的に実装された場合、取り付け部材２６ａのネジ締結によって生じるヒートシンク２０ａの歪みを、フローティング構造によって発生させた公差によって吸収することができる。

【0032】

このため、ヒートシンク２０ａを基板１ａに対して水平に保って実装することが可能になる。したがって、ＣＰＵ１０ａのチップ表面に対してヒートシンク２０ａに備えられるヒートスプレッダ２３ａが偏当たりすることなく均等に接することができ、受熱効率の低下を抑制して冷却効率を向上させることが可能になる。

【0033】

図４はＰＣＭパッケージの表面に放熱ゴムが設けられている構成の一例を示す図である。ヒートシンク２０ａ－１は、ＰＣＭパッケージ２１ａの表面に放熱ゴム３が設けられている。その他の構成は図２と同じである。

【0034】

放熱ゴム３は、例えば、シリコーン系樹脂などが配合されている熱伝導性のゴムである。放熱ゴム３は、ＰＣＭパッケージ２１ａの表面に設けられるので一方の面がＰＣＭパッケージ２１ａに接する。また、放熱ゴム３の他方の面は、情報処理装置１の筐体（情報処理装置１の外装カバー）に対して接する。

【0035】

このような構成にすることにより、ＰＣＭパッケージ２１ａに封入されているＰＣＭの完全融解後にも筐体への熱伝達が可能になる。また、放熱ゴム３によりＰＣＭパッケージ２１ａと筐体とが熱的接続がなされることになるので、ＰＣＭが液体から個体になる過程においてＰＣＭの凝固スピードを速めることができる。

【0036】

さらに、放熱ゴム３によって、ＰＣＭパッケージ２１ａのフローティング構造による実装部分の厚み方向の部材のあばれを抑制できるという効果も奏している。なお、放熱ゴム３は、ＰＣＭパッケージ２１ａと筐体との両方に接することができる任意の位置および任意の個数で取り付けることができる。

【0037】

図５は情報処理装置の内部構成の一例を示す図である。冷却機構としてヒートシンク２０ａ－１を備える情報処理装置１の内部構成を示している。情報処理装置１がノートパソコンなどの場合にはバッテリ４などが内蔵されるために実装スペースに制限があるが、このような装置に対しても、本発明の構成のヒートシンク２０ａ－１を実装することができる。

【0038】

図６はヒートシンクの構成の変形例を示す図である。ヒートシンク２０ａ－２は、ＰＣＭパッケージ２１ａ－１、２１ａ－２、ヒートパイプ２２ａおよびヒートスプレッダ２３ａを備える。ヒートパイプ２２ａの一端にはＰＣＭパッケージ２１ａ－１が接続され、ヒートパイプ２２ａの他端にはＰＣＭパッケージ２１ａ－２が接続される。

【0039】

ＰＣＭパッケージ２１ａ－１は、基板１ａに対してフローティング構造により設置され、ＰＣＭパッケージ２１ａ－２は、基板１ａに対して固定設置される（非フローティング構造による設置）。

【0040】

このように、ヒートシンク２０ａ－２は、ヒートパイプ２２ａの一端と他端のそれぞれに対して、ＰＣＭパッケージ２１ａ－１、２１ａ－２を設ける構成としたものである。なお、ヒートシンク２０ａ－２の実装状態に応じて、ＰＣＭパッケージ２１ａ－１、２１ａ－２の両方をフローティング構造で基板１ａに設置してもよい。

【0041】

また、当初設置されていた冷却フィン２４ａおよび空冷ファン２５ａを除去してＰＣＭパッケージ２１ａ－２を設置した場合は、空冷ファン制御を無効とする設定を行ってファンエラーが発生しないようにする。

【0042】

次にＣＰＵのターボブースト機能を備えた情報処理装置に対して冷却機構の改善前と改善後の動作のシミュレーション結果について説明する。近年、ＣＰＵのターボブースト機能を備えた情報処理装置が開発されている。ターボブーストは、ＣＰＵのクロック周波数を動的に上げて高速に動作させる機能である。

【0043】

ＣＰＵをターボ駆動させた場合、クロック周波数が高いほどＣＰＵを高速に動作させることができるが、消費電力もその分高くなるので発熱量が増え、故障の原因となる可能性がある。このため、ＣＰＵをターボ駆動させたときの高消費電力を見据えた冷却が重要となる。

【0044】

図７は冷却機構の改善前のＣＰＵの消費電力と温度の関係の一例を示す図である。左縦軸は温度（°Ｃ）、右縦軸は消費電力（Ｗ）、横軸は時間である。また、太実線グラフｋ１は冷却機構の改善前のＣＰＵ１０ａの消費電力を示し、太点線グラフｋ２は冷却機構の改善前のＣＰＵ１０ａの温度を示している。

【0045】

（ＣＰＵ１０ａの消費電力）
〔時刻ｔ１－時刻ｔ２〕ＣＰＵ１０ａのターボ動作が開始されてクロック周波数が大きくなっていき消費電力が上昇する。

【0046】

〔時刻ｔ２－時刻ｔ４〕ＣＰＵ１０ａがターボ動作を行う。この場合、ターボ動作のクロック周波数が最大周波数に達して消費電力がピークになる。
〔時刻ｔ４－時刻ｔ７〕ＣＰＵ１０ａの温度がスロットリング温度（ＣＰＵ１０ａの温度が上昇しすぎたときにクロック周波数を低下させる温度）に達し、スロットリング温度に達してから一定時間経過後の時刻ｔ４でターボ動作が終了する。ターボ動作の終了に伴って、クロック周波数が小さくなっていき消費電力が下降する。

【0047】

〔時刻ｔ７－時刻ｔ１０〕ＣＰＵ１０ａは、低負荷状態におけるクロック周波数で動作し、低負荷時の消費電力が維持される。
（ＣＰＵ１０ａの温度）
〔時刻ｔ１－時刻ｔ３〕ＣＰＵ１０ａのターボ動作の開始により温度が上昇する。

【0048】

〔時刻ｔ３－時刻ｔ５〕時刻ｔ３でＣＰＵ１０ａの温度がスロットリング温度に達する。また、時刻ｔ４でＣＰＵ１０ａのターボ動作が終了しているが、時刻ｔ５までスロットリング温度の状態が持続している。

【0049】

〔時刻ｔ５－時刻ｔ６〕ＣＰＵ１０ａのターボ動作が終了しているため、温度が下降していく。
〔時刻ｔ６－時刻ｔ１０〕ＣＰＵ１０ａは、低負荷状態の動作における温度状態が持続する。

【0050】

ここで、冷却機構の改善前では、ＣＰＵ１０ａのターボ動作に伴いＣＰＵ１０ａの温度も急上昇している。このため、スロットリング温度に即座に達してしまうので、ターボ動作時間が短くなり、ＣＰＵ１０ａのターボブースト機能を充分に活用できていないことになる。

【0051】

図８は冷却機構の改善後のＣＰＵの消費電力と温度の関係の一例を示す図である。左縦軸は温度（°Ｃ）、右縦軸は消費電力（Ｗ）、横軸は時間である。また、太実線グラフｋ１ａは冷却機構の改善後のＣＰＵ１０ａの消費電力を示し、太点線グラフｋ２ａは冷却機構の改善後のＣＰＵ１０ａの温度を示している。

【0052】

（ＣＰＵ１０ａの消費電力）
〔時刻ｔ１－時刻ｔ２〕ＣＰＵ１０ａのターボ動作が開始されてクロック周波数が大きくなっていき消費電力が上昇する。

【0053】

〔時刻ｔ２－時刻ｔ８〕ＣＰＵ１０ａがターボ動作を行う。この場合、ＣＰＵ１０ａのターボ動作のクロック周波数が最大周波数に達して消費電力がピークになる。
〔時刻ｔ８－時刻ｔ１０〕ＣＰＵ１０ａの温度がスロットリング温度に達し、スロットリング温度に達してから一定時間経過後の時刻ｔ８でターボ動作が終了する。ＣＰＵ１０ａのターボ動作の終了に伴って、クロック周波数が小さくなっていき消費電力が下降する。

【0054】

（ＣＰＵ１０ａの温度）
〔時刻ｔ１－時刻ｔ２〕ＣＰＵ１０ａのターボ動作の開始により温度が上昇する。
〔時刻ｔ２－時刻ｔ６〕ＣＰＵ１０ａは、最大クロック周波数でターボ動作を行っているが本発明の冷却機構によってＣＰＵ１０ａの温度上昇が抑えられ、スロットリング温度以下の一定温度が持続している。

【0055】

〔時刻ｔ６－時刻ｔ７〕ＣＰＵ１０ａのターボ動作により温度が徐々に上昇していき、時刻ｔ７でＣＰＵ１０ａの温度がスロットリング温度に達する。
〔時刻ｔ７－時刻ｔ９〕時刻ｔ８でＣＰＵ１０ａのターボ動作が終了しているが、時刻ｔ９までスロットリング温度の状態が持続している。

【0056】

〔時刻ｔ９－時刻ｔ１０〕ＣＰＵ１０ａのターボ動作が終了しているため、温度が下降していく。
ここで、冷却機構の改善後では、ＣＰＵ１０ａのターボ動作に伴いＣＰＵ１０ａの温度の急上昇が抑制されているため、図７の場合と比べてターボ動作時間が延長している。このように、冷却部２０を備える情報処理装置１では、ターボ動作時間を延長させることができるので、ＣＰＵ１０ａのターボブースト機能の活用時間を増大させることができる。

【0057】

以上説明したように、本発明によれば、ＰＣＭパッケージ２１ａのフローティング構造による基板設置により、ヒートシンク２０ａの一部がＣＰＵ１０ａのチップ表面に対して均等に安定して接することができ、受熱効率の低下を抑制することができる。

【0058】

また、放熱ゴム３を設けることにより、ＰＣＭパッケージ２１ａと筐体との間の空気のギャップを無くして、ＰＣＭパッケージ２１ａからの放熱を放熱ゴム３が筐体に熱伝達させることができ、冷却効率をさらに向上させることが可能になる。さらに、冷却効率を高めたことにより、ＣＰＵ１０ａのターボ動作時間を延長させることができる。

【0059】

なお、上記では、プロセッサ１０の発熱の冷却を行う場合について説明したが、プロセッサ１０以外の発熱体に対しても、本発明の冷却部２０による冷却を適用することが可能である。

【0060】

以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。さらに、前述した実施の形態のうちの任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。

【符号の説明】

【0061】

１ 情報処理装置
１ａ 基板
２ａ１、２ａ２ 突起部
１０ プロセッサ
２０ 冷却部
２１ 冷却部材
２２ 熱伝導体
２３ 熱拡散板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】