JP2002314280A - 回路基板の冷却構造及び冷却方法 - Google Patents
回路基板の冷却構造及び冷却方法Info
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Abstract
の回路(2)、裏面には複数個の良熱伝導性突起物
(4)が形成され、セラミックス基板の下部がハウジン
グ(5)されている回路基板において、上記ハウジング
内に冷媒の流通経路変更機構(7)が設けられてなるこ
とを特徴とする回路基板の冷却構造。この回路基板の冷
却構造を用い、そのハウジング内に粘性率1.0mPa
・s以上の冷媒を供給し、流通経路変更機構(7)によ
って冷媒が良熱伝導性突起物(4)の下面に衝突するよ
うに冷媒の流通経路を変更させて流通させることを特徴
とする回路基板の冷却方法。
Description
造及び冷却方法に関する。
小型軽量化モジュールにおいて、半導体素子等の電子部
品から発生した熱をいかに効率よく速やかに系外に逃が
すかが重要課題の一つとなっている。更に近年は、モジ
ュールのコンパクト化の観点から、1枚のモジュールに
複数個の回路基板を形成した構造が主流となっており、
放熱特性に対する要求はますます厳しくなっている。
却板をモジュールに当接させる間接方式であったため
(たとえば、特開平7−154082号公報参照)、接
触面での熱抵抗が大きくなり、電子部品が良好に作動す
る温度までにモジュール温度を下げることができなかっ
た。この問題を解決するため、本出願人は、セラミック
ス基板の裏面に金属等の良熱伝導性突起物を設け、セラ
ミックス基板の下部をハウジングし、その中に冷媒を流
通させ、セラミックス基板の裏面と直接接触できるよう
な構造を提案した。
え、冷却効率は増大したが、複数の回路間に冷却効果が
ばらつきという問題が未解決であった。すなわち、図4
に示されるように、冷媒は良熱伝導性突起物の配列に沿
って流れるため、冷媒の出口付近に形成されている回路
ほど冷却効率は悪くなる。十分な冷媒流速とすればこの
問題を解決できるが、設置スペースの点から小型ポンプ
の使用を余儀なくされている現構造においては、十分な
流速を確保すること困難であり、冷媒の入り口付近の突
起物が出口側付近の冷媒流速を著しく低下させている。
とくに、エチレングリコール等、粘性率が1.0mPa
・s以上の高粘性冷媒を用いた場合、突起物の境膜抵抗
が増大するために、冷却効果は更に低減することにな
る。その結果、出口側になるほど冷却効果が小さくなり
回路間の温度差が大きくなった。
に鑑み、複数個の回路を有した回路基板に対して優れた
放熱特性をもつ回路基板の冷却構造及び冷却方法を提供
することである。
ラミックス基板(3)の表面には複数個の回路(2)、
裏面には複数個の良熱伝導性突起物(4)が形成され、
セラミックス基板の下部がハウジング(5)されている
回路基板において、上記ハウジング内に冷媒の流通経路
変更機構(7)が設けられてなることを特徴とする回路
基板の冷却構造である。また、本発明は、この回路基板
の冷却構造を用い、そのハウジング内に粘性率1.0m
Pa・s以上の冷媒を供給し、流通経路変更機構(7)
によって冷媒が良熱伝導性突起物(4)の下面に衝突す
るように冷媒の流通経路を変更させて流通させることを
特徴とする回路基板の冷却方法である。
更に詳しく本発明を説明する。
例を示す概略断面図、図2、図3、は、良熱伝導性突起
物(4)の一例を示す斜視図、図4は比較例の回路基板
の冷却構造の概略断面図である。図において、1は半導
体、2は回路、3はセラミックス板、4は良熱伝導性突
起物、5はハウジング、6は金属シール部、7は冷媒の
流通経路変更機構である。
るには、種々の方法があるが、本発明においては、導電
性ペーストを回路パターンに描いた後、乾燥・焼結する
厚膜ペースト法、金属回路パターンをセラミックス基板
に接合するパターン搭載法、金属板をセラミックス基板
に接合した後、回路パターンをエッチングによって形成
させるエッチング法等、を採用することができる(たと
えば、国際公開WO91/16805公報参照)。
性突起物(4)を形成させる方法についてもエッチング
法を採用することが望ましい。突起物の形状は、図2に
示したように、一連の溝を設けた角状物ないしは板状
物、図3に示したような単なる角状物ないしは板状物で
ある。本発明においては、図2に示したものにおいて、
一連の溝のかわりに格子状、リブ状、ジンプル状、窪み
状等の凹凸を設けたものであってもよい。突起物ないし
は凹凸の平面形状は、十字状、楕円状、円状、菱形状等
とすることができ、また突起物ないしは凹凸の側面形状
は、角柱、円柱等のように非斜面形状であってもよく、
また円錐、角錐、円錐台、角錐台等のように斜面形状で
あってもよい。
導性突起物(4)や、エッチングによって回路、金属シ
ール部、良熱伝導性突起物となる金属板と、セラミック
ス基板とを接合するには、硫化銅を用いる方法、セラミ
ックス基板をメタライズしてから接合する方法、表面を
酸化処理した窒化アルミニウム基板と銅板とを直接接触
させ共晶を形成させるDBC法(例えば特開昭56−1
63093号公報)、活性金属と呼ばれているチタン、
ジルコニウム、ハフニウム等のIV族元素金属を銅、
銀、銀−銅合金等のろう材に含有させた接合材を用いる
活性金属ろう付け法(例えば特開昭60−177634
号公報)等によって行うことができる。
質としては、炭化ケイ素、アルミナ、ベリリア、窒化ケ
イ素、窒化アルミニウム等をあげることができるが、中
でも高出力モジュールの場合には、熱履歴に対する信頼
性を十分にしておくため、熱伝導率50W/mK以上の
窒化アルミニウム又は窒化ケイ素が好適となる。更に好
ましくは、窒化アルミニウムに比べて熱伝導率の小さい
窒化ケイ素基板である。熱伝導率が50W/mK未満の
セラミックス基板では、高出力モジュールになるほど、
その温度管理が困難となる。セラミックス基板の厚み
は、0.2〜3mmが一般的である。このようなセラミ
ックス基板は、市販品があるのでそれを用いることがで
きる。
起物の材質は、銅又はその合金、アルミニウム又はその
合金が一般的であるが、これに限られるものではない。
しかしながら金属シール部は、ハウジングを取り付ける
際にねじ止め等によって圧接変形させてシール部を形成
させることが望ましいので、比較的軟らかい材質のも
の、例えばアルミニウム又はその合金であることが特に
好ましい。良熱伝導性突起物の熱伝導率は、セラミック
ス基板のそれよりも100W/mK以上大きいことがが
好ましい。回路の厚みは、通常、セラミックス基板の厚
みよりも薄く設計される。また、金属シール部、良熱伝
導性突起物の厚みは回路の厚みと同程度である。
る。従来の放熱構造は、セラミックス基板の裏面に放熱
板を貼り、それを半田付け等でヒートシンクに取り付け
た構造であるか、セラミックス基板の裏面に板状の冷却
管を当接し、その冷却管に通水する水冷式構造であっ
た。
示されるように、セラミックス基板(3)の裏面に良熱
伝導性突起物(4)が設けられており、直接、冷却水等
の冷媒と流通接触できるようにハウジング(5)されて
いるものであるが、その際、冷媒が良熱伝導性突起物
(4)の下面に衝突させるように流通させるため、ハウ
ジング内に冷媒の流通経路変更機構(7)が設けられて
いることが特徴である。
導性突起物(4)の下面に対応した位置にのみ冷媒が流
通するよう流通口の開けられた板状物である。図1には
ハウジング(5)と同材質、例えばアルミニウム製の流
通経路変更機構(7)を配設したことが示されている。
このように冷媒構造によって、各良熱伝導性突起物の下
面に従来構造以上に冷媒が衝突する結果、回路間の温度
差の少ない、均一な冷却特性が得られる。
割されていてもよい。ハウジングの形成に際しては、図
1に示されるように、金属シール部(6)とハウジング
(5)との当接面を、例えば一連の凸状や平面円錐状の
ような突起部を設けた嵌合構造とし、これを更にねじ止
め等により圧接して行うことが好ましい。このようにす
ることによって、シール部は従来のゴム製Oリング等を
使用する場合に比べ、締め込み時の圧力や使用環境下で
の温度変化により生じる応力に対して極めて安定であ
り、耐久性の優れたシール部が形成される。また、Oリ
ング等の部品を使用しないために、部品点数の削減、生
産性の良さから、モジュールの低コスト化にも有効であ
る。
ステンレス等の金属、各種のセラミックスやプラスチッ
クスのいずれであってもよく、またこれらの材料を適宜
組み合わせた構造であってもよい。本発明においては、
金属シール部(6)を変形させて形成させる場合には、
ハウジングは金属シール部よりも硬い材質、特にステン
レス、銅、硬質プラスチック等であることが好ましい。
本発明を説明する。
さ115×55mm角、厚さ0.8mm、熱伝導率70
W/mK)からなるセラミックス基板の表面に金属回路
(大きさ15×15mm角、厚さ0.4mm、個数と材
質は表1に示すとおりであり、回路の間隔は等間隔であ
る)を、また裏面には良熱伝導性突起物(突起高さ0.
4mm、突起物の個数・形状・材質は表1に示す)を、
裏面縁部には金属シール部(縁部幅5mm)を、活性金
属ろう付け法でセラミックス基板に接合された金属板の
エッチングによって形成させた。なお、活性金属ろう付
け法は、金属板が銅板である場合は銀、銅、ジルコニウ
ムを含むろう材ペーストを用い、アルミニウム板である
場合はAl−Cu−Mg系合金箔を用いた。良熱伝導性
突起物は、金属回路面積に相当する裏面部分に形成さ
せ、各形状は全て同じとした。
(13mm×13mm)を半田付けしワイヤボンディン
グをした。その後、セラミックス基板の下部には、ステ
ンレス製流通経路変更機構が配置された嵌合構造(嵌合
部分の深さ0.2mm)のステンレス製ハウジングをネ
ジ止めした。流通経路変更機構は、良熱伝導性突起物の
下面に対応した位置に、良熱伝導性突起物下面面積とほ
ぼ同面積の開口が形成されているステンレス板である。
ネジ止めは、セラミックス基板の表面縁部のせり出し部
(図示してなし)とハウジングに設けられたせり出し部
分とにネジを渡らせ締め付けることによって行った。
価するため、図1に示すように、流通経路変更機構の下
部から、65℃、40%エチレングリコール水溶液(B
rookfild式粘度計による粘性率は1.5mPa
・s)からなる冷媒を流速1.5m/sでハウジング内
に供給し、流通経路変更機構によって流通経路を変更さ
せ、それぞれの良熱伝導性突起物下面に衝突させながら
流通させた。この状態で半導体に通電(150W)し、
各半導体の表面温度と、それに対応して形成された各良
熱伝導性突起物下面付近の冷媒温度とを熱電対により測
定し、熱抵抗を算出した。それらの結果を表2に示す。
で、図4に示される冷却構造とし、同様な試験を行っ
た。
基板の冷却構造は、各回路毎に均一な放熱特性を有する
ことが確認された。
れた回路基板においても、各回路間の温度差がほとんど
なく、均一性に優れた放熱特性を示す回路基板の冷却構
造と冷却方法が提供される。
断面図。
示す斜視図。
例を示す斜視図。
Claims (2)
- 【請求項1】 セラミックス基板(3)の表面には複数
個の回路(2)、裏面には複数個の良熱伝導性突起物
(4)が形成され、セラミックス基板の下部がハウジン
グ(5)されている回路基板において、上記ハウジング
内に冷媒の流通経路変更機構(7)が設けられてなるこ
とを特徴とする回路基板の冷却構造。 - 【請求項2】 請求項1記載の回路基板の冷却構造を用
い、そのハウジング内に粘性率1.0mPa・s以上の
冷媒を供給し、流通経路変更機構(7)によって冷媒が
良熱伝導性突起物(4)の下面に衝突するように冷媒の
流通経路を変更させて流通させることを特徴とする回路
基板の冷却方法。
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JP2001110894A JP2002314280A (ja) | 2001-04-10 | 2001-04-10 | 回路基板の冷却構造及び冷却方法 |
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