JP2001177017A

JP2001177017A - 電子機器冷却装置

Info

Publication number: JP2001177017A
Application number: JP35548699A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Ohashi; 繁男大橋; Yoshihiro Kondo; 義広近藤; Takahiro Oguro; 崇弘大黒; Takayuki Uda; 隆之宇田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ポーラス状の材質でなるパッケージとヒートシ
ンクとの接触面に大きなうねりを有する場合において、
小さい接触熱抵抗で両者を接続する。【解決手段】油成分に対してバリア性を有する基材７０
にコンパウンド７１を塗布したシートをパッケージ側に
設置し、本シートとヒートシンクの間に熱伝導性のグリ
ースを介在させてパッケージとヒートシンクとを接続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュ−タなど
の電子機器装置に用いられる発熱素子とヒートシンクと
の熱接続構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュ−タ等の電子機器装置では、高
発熱の半導体等の発熱素子を冷却するため、発熱素子に
ヒートシンクを取り付ける。発熱素子とヒートシンクと
を接触させると、一般に、それぞれの表面での粗さ、う
ねりのため大きな接触熱抵抗が生じる。このため、両者
の間に熱伝導性のグリースを介在させたり、熱伝導性の
柔軟ゴムシート等を挟み込んでいる。前者の例は、たと
えば、特開昭64−12561号公報等に、後者の例は、特開
平2−196453 号公報等に見られる。また、アルミなどの
基材に熱融解性のコンパウンドを塗布したシートを挟み
込んで、コンパウンドが融解することによって表面での
粗さ，うねりを吸収するようにしたシートもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】コンピュ−タ等の電子
機器装置に用いられる半導体素子は、機械的な制約上、
セラミックなどのケースにパッケージされることが多
い。この場合、セラミックは高熱伝導性の材料である必
要があるが、材料によっては、ポーラス状になってい
る。ポーラス状の材質より成るパッケージとヒートシン
クの接触面に大きなうねりを有する場合、従来例にある
ような熱伝導性グリースを使用することによって、接触
熱抵抗の低減が可能である。しかし、グリース中の液
（油）成分がパッケージ内に入り込んでしまうという問
題点があった。

【０００４】一方、熱伝導性の柔軟ゴムシートやコンパ
ウンドを塗布したシートでは、大きなうねりを吸収する
ためには、ゴムシートもしくはコンパウンドの厚さを大
きくする必要があり熱抵抗を小さくすることが困難であ
る（これらは、一般に熱伝導性グリースより熱伝導率が
小さいため）という問題があった。

【０００５】これらの課題を解決するため、本発明の目
的は、ポーラス状の材質より成るパッケージとヒートシ
ンクの接触面に大きなうねりを有する場合においても、
小さい接触熱抵抗でパッケージとヒートシンクの接続が
できる構造を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、液（油）成分に対して非透過性のシート状基材の各
々の面に厚さの異なる流動性を有する熱伝導媒体層（少
なくとも一方は、パッケージに対して非浸透性を有す
る）を形成し、パッケージに対して非浸透性の熱伝導媒
体の層をパッケージ側にして、パッケージとヒートシン
クとの間に介在させて両者を接続した。この時、厚さの
厚い方の熱伝導媒体の熱伝導率を他方より大きくする。

【０００７】即ち、熱伝導媒体は、流動性があるため、
パッケージとヒートシンクの接触面に大きなうねりがあ
っても、両者の間にできる間隙に入り込むことができ
る。一方、シート状基材は、熱伝導媒体の圧力によっ
て、パッケージのうねった面に倣って変形できる。従っ
て、パッケージとヒートシンクの接触面でのうねりに起
因してできる間隙は、熱伝導媒体をシート状基材ととも
に用いても厚さの厚いほうの熱伝導媒体によって埋めら
れる。

【０００８】一方、パッケージとシート状基材の間に生
じるパッケージの表面粗さに起因してできる間隙は、厚
さの薄いほうの熱伝導媒体によって埋められる。このと
き、特に、厚さの厚いほうの熱伝導媒体の熱伝導率をよ
り大きくすることで放熱性能が高くなる。従って、パッ
ケージとヒートシンクの接触面に大きなうねりを有する
場合においても、小さい接触熱抵抗でパッケージとヒー
トシンクの接続ができる。

【０００９】また、シート状基材は、油成分に対してバ
リア性を有するので、熱伝導媒体（層厚の厚い方）に含
まれる油成分がパッケージ表面まで達することがない。
（パッケージ側の熱伝導媒体は、パッケージに対して非
浸透性である。）すなわち、パッケージの材質がポーラ
ス状であっても、熱伝導媒体中の油成分がパッケージ内
に入り込んでしまうということはない。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を示す。図
１，図２に本発明の電子装置の一実施例を示す。図１
は、パッケージされた高発熱の発熱素子４（例えばコン
ピュータのCPU等）が配線基板９上に実装された部分の
断面図を示している。発熱素子４は、配線拡大基板５上
に実装され、パッケージ３のキャップによって封止され
ている。発熱素子４とパッケージ３のキャップとはＡｇ
ペースト等により接着されており、発熱素子４で発生す
る熱は、小さい熱抵抗でパッケージ３のキャップに伝え
られ、パッケージ３のキャップに取り付けられたヒート
シンク１によって放熱される。

【００１１】パッケージ３のキャップは、熱伝導率の大
きいセラミック製であることが望ましく、ＡｌＳｉ等が
用いられる。パッケージは、ソケット６を介して配線基
板９に取り付けられ、電気的な接続が行われる。パッケ
ージ３とフィン１のフィンベース２とは、熱伝導媒体及
びシート状基材を組み合わせた熱伝導部材７を介在させ
て接続する。

【００１２】フィン１の固定は、ソケット６及び配線基
板９の裏側に設置したバックプレート１０とともにビス
８によって固定される。この時、スプリング１１を用い
てフィン１が常にパッケージ３に押し付けられるように
している。

【００１３】図２にフィンベース２とパッケージ３の接
続部の拡大図を示す。フィンベース２とパッケージ３と
の間には、熱伝導媒体としての熱伝導性グリース７２，
基材７０に熱伝導媒体としてコンパウンド７１を塗布し
たシートを介在させる。基材７０は、油成分に対してバ
リア性を有する例えばＡｌ箔などである。シート（コン
パウンド７１を塗布した側）をパッケージ３側に設置
し、本シートとフィンベース２の間に熱伝導性のグリー
ス７２を介在させる。

【００１４】熱伝導グリース７２は、Ｓｉオイルにフィ
ラー（高熱伝導率を有するセラミック等の微粒子）を混
入したものである。シートに塗布するコンパウンド７１
は、少なくともパッケージ３と接触する面に塗布される
（両面に塗布されてもよい）。コンパウンド７１は、例
えば５０℃前後で融解するワックスなどであり、厚さ
は、パッケージ３の表面に存在する表面粗さが吸収でき
る程度の薄い方が望ましい（厚さ１０〜２０μｍ程
度）。

【００１５】グリース７２の厚さは、うねりで生じる間
隙（フィンベース２とパッケージ３が持つうねりによっ
て生じる）の大きさが吸収できる程度の厚さとする。従
って、コンパウンド７１層の厚さより大きく、数１０μ
ｍ以上でもよい。コンパウンド７１に比べ熱伝導グリー
ス７２は、流動性があるため、パッケージ３とフィンベ
ース２の接触面でのうねりによって生じる間隙があって
も、両者の間にできる間隙に入り込むことができる。

【００１６】一方、コンパウンド７１を塗布したシート
は、グリース７２の圧力によって、パッケージ３のうね
った面に倣って変形できる。一方、パッケージとシート
の間に生じるパッケージ３の表面粗さに起因してできる
間隙は、シートに塗布されたコンパウンド７１が発熱素
子の動作に伴うパッケージ表面温度の上昇により融解
し、微小な凹凸に入り込んでいくことによって埋められ
る。なお、フィンベース２の表面粗さに起因してできる
間隙は、熱伝導グリース７２によって埋められる。

【００１７】従って、熱伝導グリースとＡｌ箔基材７０
からなるシートを同時に用いてもパッケージ３とフィン
ベース２の間に生じる間隙が埋められることになり、小
さな接触熱抵抗で両者が熱的に接続される。すなわち、
うねりに起因する大きな間隙は、層厚が厚く熱伝導率の
大きいグリースで吸収し、一方、表面粗さに起因する小
さい間隙は、層厚が薄いコンパウンド層で吸収するが、
コンパウンド層は、薄くできるので熱伝導率の特に大き
いものを選択する必要はない。

【００１８】また、シートの基材７０は、油成分に対し
てバリア性を有するので、熱伝導性グリース７２に含ま
れる油成分がパッケージ３表面まで達することがない。
すなわち、パッケージ３の材質がＡｌＳｉ等のようにポ
ーラス状であっても、グリース中の油成分がパッケージ
内に入り込んでしまうということはない。なお、コンパ
ウンドは、パッケージ材質に対して非浸透性であること
は、言うまでもない。

【００１９】次に、図３を用いて熱伝導グリース７２の
塗布方法について説明する。図３では、図１と同様なパ
ッケージの実装構造を簡略化して示す。熱伝導性グリー
ス７２は、流動性があるため接触面の凹凸に追従して間
隙を埋めていくことができる。しかし、特に、接触面が
大きいと、空気が残留し接触熱抵抗を増大させてしまう
ことがある。

【００２０】そこで、接触面の中心に概略円形の領域で
熱伝導性グリース７２をポッティングし、フィンベース
２を押し付けてグリース７２が中心から周辺に向かって
一様に広がるようにする。これにより、フィンベース２
と基材７０との間に空気が残留することがない。接触面
周囲からはみ出した過剰なグリースは、たとえば、フィ
ンベース２の接触面端部に設けたグリース溜（接触面の
周に沿って設けた溝）７３で吸収する。

【００２１】図４に本発明の他の実施例を示す。パッケ
ージの実装構造は、図１と同様な構造、または、ソケッ
トを用いない構造でもよい。本実施例では、油に対して
バリア性を有するＡｌ箔等の基材７０をパッケージ（ポ
ーラス状の材質）表面のフィンベース接続部に接着剤７
４によって貼り付けたものである。基材７０は、パッケ
ージ３のうねった面に倣って貼り付けられる。接着剤７
４は、熱伝導率が大きい方が望ましく、できるだけ薄い
方がよい。

【００２２】また、図１，図２で説明したコンパウンド
であってもよい。基材７０を接着したパッケージ３とフ
ィンベース２との間に熱伝導性グリース７２を介在させ
る。熱伝導性グリース７２は、図３で説明したのと同様
な方法で、中心から周辺部に広げるようにして塗布し、
フィンベース２とシートの基材７０との間に空気が残留
することがないようにする。

【００２３】本実施例によれば、パッケージ３と基材７
０の間に生じるパッケージ３の表面粗さに起因してでき
る間隙は、接着剤７４によって埋められる。一方、フィ
ンベース２とパッケージ３の接触面のうねりに起因して
生じる間隙は、熱伝導性グリースによって吸収できる。
また、基材７０は、油成分に対してバリア性を有するの
で、熱伝導性グリース７２に含まれる油成分がパッケー
ジ３表面まで達することがない。すなわち、パッケージ
３の材質がＡｌＳｉ等のようにポーラス状であっても、
グリース中の油成分がパッケージ内に入り込んでしまう
ということはない。

【００２４】図５に本発明の他の実施例を示す。本実施
例では、フィンベース２とパッケージ３との間に、袋状
に成形した基材７０（油に対するバリア性を有する）の
中に熱伝導性グリース７２を封入したものを挟み込んだ
ものである。基材７０の外表面には、コンパウンドが塗
布されている。フィン１とパッケージ３は、図１に示し
たようにスプリングを用いてばねで固定し、常にフィン
１がパッケージ３に押し付けられているようにしてもよ
い（図示せず）。袋内に封入された熱伝導グリース７０
は、フィンベース２とパッケージ３が押し付けられるこ
とにより圧力が加わり、フィンベース２とパッケージ３
の表面のうねりに倣って変形する。

【００２５】一方、フィンベース２及びパッケージ３の
接触面の表面粗さに起因する微少な間隙は、コンパウン
ド７１によって埋められる。コンパウンド７１は、図
１，図２で述べた実施例と同様である。本実施例によれ
ば、接触面のうねり及び表面粗さに起因して生じる隙間
を埋めて接触熱抵抗を小さく保つとともに、熱伝導性グ
リース７２が袋の中に保持されているため取り扱い性に
優れているという特徴がある。

【００２６】図６に本発明をマルチチップモジュールに
適用した例を示す。マルチチップモジュールは、電気信
号用のピン１４を備えた配線基板１４上に発熱素子を封
止した複数のパッケージ１３が実装され、キャップ１２
によって封止されている。キャップ１２の表面にヒート
シンクなどの放熱構造が接続される。なお、キャップ１
２自体がヒートシンクであってもよい。パッケージ１３
とキャップ１２との間には、熱伝導性グリース７２，油
に対してバリア性を有する基材７０，基材に塗布したコ
ンパウンド７１が介在されている。

【００２７】作業性及び過剰グリースの処理（過剰なグ
リースがパッケージ側に回り込むことがない）を考慮し
て、コンパウンド７１を塗布した基材７０は、すべての
パッケージを同時に接続できる一枚ものとし、熱伝導性
グリース７２をパッケージ１３の実装位置に対して１対
１で塗布する。コンパウンド７１を塗布した基材７０及
び熱伝導性グリース７２の機能は、これまでに述べたの
と同様である。特に、本実施例では、パッケージ１３の
表面及びキャップ１２の内面のうねりと同時にパッケー
ジ１３間の高さばらつきも吸収し、すべてのパッケージ
１３とキャップ１２とが小さい熱抵抗で接続される。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
るので以下に記載されるような効果を奏する。

【００２９】パッケージとヒートシンクの接触面でのう
ねりに起因してできる間隙及び、パッケージと基材の間
に生じるパッケージの表面粗さに起因してできる間隙が
熱伝導媒体によって埋められ、小さい接触熱抵抗でパッ
ケージとヒートシンクの接続ができるとともに、パッケ
ージの材質がポーラス状であっても、熱伝導媒体に含ま
れる油成分がパッケージ内に入り込んでしまうというこ
とはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である電子機器冷却装置の
断面図。

【図２】図１の接触面の拡大断面図。

【図３】第１実施例である熱伝導グリースを電子機器冷
却装置に施した場合の断面図。

【図４】本発明の第２実施例である熱伝導グリースを電
子機器冷却装置に施した場合の断面図。

【図５】本発明の第３実施例であるフィンベースとパッ
ケージ付近の断面図。

【図６】本発明の第４実施例であるフィンベースとパッ
ケージ付近の断面図。

【符号の説明】

１…フィン、２…フィンベース、３…パッケージ、４…
発熱素子、５…拡大基板、９…配線基板、７…熱伝導部
材、７０…基材、７１…コンパウンド、７２…熱伝導性
グリース。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大黒崇弘神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所エンタープライズサーバー事業部内 (72)発明者宇田隆之神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所エンタープライズサーバー事業部内Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB21 BC03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】配線基板上に搭載された発熱素子を内包し
たパッケージにヒートシンクを接続し、発熱素子を冷却
する電子機器において、基材の両面に厚さの異なる熱伝
導媒体層を形成して構成した熱伝導部材をパッケージと
ヒートシンクとの間に介在させたことを特徴とする電子
機器冷却装置。