JP2007042906A

JP2007042906A - ヒートシンク付き回路基板

Info

Publication number: JP2007042906A
Application number: JP2005226195A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Hanai; 伸明花井
Original assignee: Verigy Singapore Pte Ltd
Current assignee: Verigy Singapore Pte Ltd
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-02-15
Also published as: US20070030657A1; DE102006033724A1

Abstract

【課題】両面実装基板や階層構造型の回路基板に適した小型薄型の液冷型ヒートシンク付き回路基板を提供する。
【解決手段】両面に電子部品が配置された第１の回路基板と、第１の回路基板の表面側に所定パターン状に配置されたパイプと、パイプの周囲に沿って設けられた熱伝導性ブロックとを備えたヒートシンク付き回路基板であって、第１の回路基板が、パターンに沿って複数の貫通穴が設けられ、貫通穴を通して、ブロックの一部が前記第１の回路基板の裏面側に露出しているとするヒートシンク付き回路基板等により解決される。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートシンク付き回路基板に関し、特に液体の冷却媒体を用いたヒートシンクを有する回路基板に関する。

電子回路の過熱を防止する手段として、従来は空冷ファンによる強制空冷方式が採用されることが多かった。しかしながら、最近の電子計算機や測定機器などで採用されている高密度実装回路基板では、ＩＣ・ＬＳＩ等の発熱部品が高密度に実装されていて、発熱量が著しく増大する傾向にあるため、空冷ファンによる方式では冷却能力に限界があった。しかも、回路基板の小型化が急速に進むに伴って基板内での放熱ユニットの実装スペ−スはますます狭くなりつつあり、回路基板上で発生した熱の放熱は極めて困難な状況になってきている。

このような問題を解決するため、電子部品による発熱を熱伝導体で受け、その熱を当該電子部品から放熱させるヒートシンク機構が提案され、一部実用化されている。これは、特に冷却が必要な電子部品に熱伝導性ブロック等を接触させ、その熱を熱伝導性ブロック等に伝えることで当該電子部品の過剰な温度上昇を抑制しようとするものである。さらに、ブロック等に伝えられた熱を効率よく回路基板外に放出させるため、特許文献１のように熱伝導ブロックにパイプ状の流路を設け、当該流路中に冷却媒体を流すことにより放熱効率を高める液冷式のヒートシンクが提案されている。

ところで、電子機器の小型化に伴い、近年では回路基板の両面に電子部品を配置する両面実装基板やベース基板の上部にサブ基板を取り付ける階層構造型の回路基板が増えている。両面実装基板は、基板の両側に発熱部品が実装されるため、基板の両面に対して放熱効果をもつ冷却機構が必要となる。また、階層構造型基板は、各階層に対して放熱効果をもつ冷却機構が必要となる。このような目的を達成する最も簡単な冷却機構として、両面実装基板では基板の両面に、階層構造型回路基板では各階層ごとにヒートシンクを設ける方法が考えられる。

特開２００２−８１８７４号公報

ところが、液冷式のヒートシンクでは、ヒートシンクに流路を配設する必要があるために、相当の厚さが必要となる。すると、両面実装基板や階層構造により基板自体を小型化しても、当該基板を冷却するためにいくつものヒートシンクを設けては、かえって大型化してしまう。特に、大型電子機器や測定器などでは、定間隔で並んで配置された複数のバススロットに、それぞれ回路基板を差し込んでシステム構築を行う場合が多く、このよう場合には、各基板をスロット間隔に応じた厚さ以下とする必要がある。このため、小型で十分な冷却性能をもつ、ヒートシンク付き両面実装回路基板・階層構造回路基板が求められていた。

また、特許文献１のように２枚のプレートを重ねることによって冷却媒体の流路を構成した冷却機構の場合、冷却媒体に漏洩を防ぐために、相当の厚みのあるプレートを使用し、かつ、接合部分に液漏れ防止加工を行う必要があった。このため、ヒートシンクの薄型化には限界があるほか、構成が複雑で加工が難しいという問題があった。そこで、シンプルな構成で、かつ、冷却媒体漏洩防止可能な構造をもつヒートシンク付き回路基板が求められていた。

上述した課題は、両面に電子部品が配置された第１の回路基板と、前記第１の回路基板の表面側に所定パターン状に配置されたパイプと、前記パイプの周囲に沿って設けられた熱伝導性ブロックとを備えたヒートシンク付き回路基板であって、前記第１の回路基板が、前記パターンに沿って複数の貫通穴が設けられ、前記貫通穴を通して、前記ブロックの一部が前記第１の回路基板の裏面側に露出していることを特徴とするヒートシンク付き回路基板等より解決される。

すなわち、冷却媒体の流路をパイプで構成することにより、シンプルな構成で冷却媒体漏れを防止することができる。また、当該パイプに沿って熱伝導性ブロックを配置して、発熱性の高い電子部品からパイプまでの伝熱効率を高めることにより、放熱性能を確保することができる。さらに、熱伝導性ブロックを、回路基板に設けらた貫通穴を通して回路基板の裏面に露出させることにより、冷却媒体漏洩を防止しつつ、基板両面に実装された電子部品の冷却が可能となる。なお、両面実装基板の表面または裏面にサブ基板を設ける場合には、当該サブ基板上の発熱部品とヒートシンクとを直接接触または導熱板などを介して熱的に導通状態となるように接続することにより、階層構造を構成する各回路基板を効率よく冷却することができる。

両面実装基板や階層構造型の回路基板に適した小型薄型の液冷式ヒートシンク付き回路基板を提供することができる。

以下、図面参照下に、本発明の代表的な実施例を示す。
図１は本発明に係るヒートシンク付き回路基板１０の上面からの斜視図である。また、図２はヒートシンク付き回路基板を構成部品毎に分けて図示した分解図である。

ヒートシンク付き回路基板１０は、両面に部品が実装されたベース基板２０（図２（Ａ））と、冷却媒体が流れるパイプ３１と熱伝導性ブロック３２を有するヒートシンク３０（図２（Ｂ））と、ベース基板２０上に離間して配置されたサブ基板４０（図２（Ｃ））とにより構成されている。なお、図２では、図面を見やすさを考慮して、ベース基板２０上の電子部品は省略して表示してある。

パイプ３１は、アルミニウム金属で構成され、所定パターンに屈曲させて冷却媒体が流れる流路を形成している。本実施形態の回路基板１０では、図１に示すように、ベース基板２０表面の中央部から図面手前にサブ基板４０が配置されている。このサブ基板４０と同様のサブ基板（図示せず）が、長手方向中心に対してサブ基板４０と線対称位置に配置される。また、裏面にも同様にサブ基板４０が２枚配置される。図２（ｃ）には、このうちの１枚が描かれている。パイプ３１は、図１のように、ベース基板２０の右部手前（Ｐ点方向）から右部奥（Ｑ点方向）を経由して左部奥（Ｒ点方向）に至る２辺に沿って配置され、さらに、左部奥（Ｒ点方向）から左部手前（Ｓ点方向）までの間、左辺（Ｒ点−Ｓ点）と中央部との間を往復するように配置され、左部手前（Ｓ点方向）から右部手前（Ｐ点）に至るパターン状に配置されている。このように、パイプ３１が往復するように配置された部分に、サブ基板４０が配置されている。なお、上述したパターンは一例であり、発熱部品の位置によって適宜設計することになる。また、パイプ３１は必ずしもアルミ製である必要はなく、ＳＵＳや銅などの熱伝導性が高い部材であってもよい。

本実施例のヒートシンク３０は、冷却媒体の流路をパイプ状の部材で構成しているため、液漏れの心配が極めて小さい。また、パイプ３１の配置パターンは、ベース基板の表面側に沿った２次元的な配置パターンであるため、パイプの加工が容易であるほか、流体抵抗が小さいため、外部から回路基板１０に冷却媒体を供給／排出する冷却媒体循環装置（図示せず）の負荷が小さくなる。なお、本実施例の回路基板１０では、冷却媒体として水を利用しているが、液体窒素やＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）など他の冷却媒体でもよい。

図４に示すように、パイプ３１の周囲にはアルミニウム金属製の熱伝導性ブロック３２が設けられ、発熱量の特に大きな部品（図示せず）からパイプ３１までの熱輸送を担っている。熱伝導性ブロック３２の材料は、アルミに限らず、金、銀、銅、鉄など熱伝導性が高い物質であればよい。熱伝導性ブロック３２は、ベース基板２０に設けられた貫通穴２１を通して、図３のように、ベース基板２０の裏面側に露出するように配置されている。これにより、１つのヒートシンク３０で、ベース基板２０の両面および、ベース基板２０の表裏両面に離間して取り付けれられたサブ基板４０の全てを冷却することが可能となる。

このとき、貫通穴２１は、パイプ３１の全域にわたって設ける必要は無く、ベース基板２０の裏面や裏面側のサブ基板４０に配置された部品のうち、発熱量の大きな部品の近傍に熱導電性ブロック３２が露出するように配置すればよい。露出した導電性ブロック３２とベース基板２０の裏面の部品との間は、導熱性フィルムや金属のような熱伝導性の高い部品で接続してもよいが、発熱量が極端に大きな部品でなければ、特に導熱部材を設けずとも、パイプ３１に流れる冷却媒体で部品近傍の空気を冷却するだけでも、相当の放熱効果を奏する。このように、必要な部分のみに貫通穴２１を設けることにより、ベース基板の強度を維持することができる。

なお、熱伝導性ブロック３２には、サブ基板４０の取り付け穴３３があけられている。これにより、熱伝導性ブロック３２は、放熱機能とともに、サブ基板４０をベース基板１０に取り付ける取付部材としての役割も果たしている。熱伝導性ブロック３２にサブ基板４０を直接取り付けることにより、サブ基板４０と熱伝導性ブロック３２との熱伝導効率を高め、サブ基板４０で発生した熱をより効果的に放熱することができる。

サブ基板４０も両面実装基板であるが、発熱量の大きな電子部品は片面に集中するように設計されている。このため、サブ基板４０をヒートシンク３０の取り付け穴３３に取り付ける際には、ヒートシンク３０側に発熱量の大きな電子部品を配置した面が向くようにねじ止めして取付を行う。図１および図２に示すように、本実施例のパイプ３１は、サブ基板４０の３辺に沿って周回するようなパターンで形成されている。加えて、熱伝導性ブロック３２が、発熱量の大きな電子部品に直接接触するように配置されている。これにより、ヒートシンク１０は、ベース基板２０に対してだけでなく、サブ基板４０に対しても、高い放熱性能を発揮することができる。

最後に、パイプ３１と熱伝導性ブロック３２との接続部分の構造について、図５の断面図参照下に説明を行う。図５は、ヒートシンク３０にベース基板２０およびサブ基板４０ａ、４０ｂを取り付けた回路基板１０を、図４のＡ−Ａ’の部分で切断したときの断面図である。

熱伝導性ブロック３２には、パイプ３１が埋め込まれている。このパイプ３１は、完成状態よりも細径のパイプを、熱伝導性ブロック３２の上部に形成された溝に挿入してから、パイプ内部を高圧にして拡管することにより形成する。拡管後のパイプ３１の直径は、熱伝導性ブロック上面の開口幅よりも大きいため、パイプ３１が熱伝導性ブロック３２から外れることはない。パイプ３１と熱伝導性ブロック３２の間のは、熱伝導性を確保するため、銀粉末を混ぜた熱導電性接着剤３４が充填されている。なお、接着剤３４は、熱伝導性が高く、拡管時の高温に耐えるものであれば、他の接着材料でもよい。

ところで、パイプ３１は、熱伝導性ブロック３２の中心に配置されておらず、ベース基板２０の表面側に偏って配置されている。基板両面を均等に放熱するという観点から考えると、パイプ３１を熱伝導性ブロック３２の中心に配置するほうが好ましい。ところが、中心に配置し、かつ、同一面で周回させるように設計しようとすると、パイプ３１のパターンの全域にわたって、ベース基板２０貫通穴を設けなければならない。すると、ベース基板２０上の電子部品の設置面積が小さくなってしまうほか、ベース基板２０がパイプ３１により、内部と外部に二分されてしまい、両者間で信号を接続するために結線が必要となってしまう。そこで、本実施形態の回路基板１０では、パイプ３１をベース基板２０の表面側に偏って配置して、図３のように必要な部分のみ貫通穴２１を形成して熱伝導性ブロック３２を露出されることにより、必要な冷却性能を実現している。

熱伝導性ブロック３２の上面（ベース基板２０の表面側）は、サブ基板４０ａ上に取り付けられた発熱部品４１ａ（例えば、ＤＣ・ＤＣコンバータ、レギュレータ、パワーアンプなど）が直接接続されている。接続面には、導熱性を向上させるために、シリコンの熱伝導性グリス４２ａが塗布されている。同様に、熱伝導性ブロック３２の下面（ベース基板２０の裏面側）は、サブ基板４０ｂ上に取り付けられた発熱部品４１ｂが直接接続されており、接続面には熱伝導性グリス４２ｂが塗布されている。熱伝導性グリス４２ａ、４２ｂは、必ずしもシリコンである必要はなく、酸化金属やカーボンの粉末を混ぜたグリスなど他の熱伝導性グリスや、金属箔などのシーツ状の熱伝導部材、ギャップフィラーなどであってもよい。

熱伝導性ブロック３２は、ベース基板２０の表面側および裏面側に突出する高さが同じ高さとなるように設計されている。このため、ベース基板２０とサブ基板４０ａとの距離は、ベース基板２０とサブ基板４０ｂとの距離と等しくなる。このように、熱伝導性ブロック３２とサブ基板４０ａ、４０ｂをベース基板２０に対して面対称となるように構成することにより、表面側の冷却特性の分布と裏面側の冷却特性の分布とを等しくすることができる。

なお、ベース基板２０に関し、表面および裏面、熱伝導性ブロックについて上面および下面という言葉を使用して説明したが、図面を用いた説明の便宜上、理解をし易くするために、それらの言葉を使用したに過ぎず、技術上あるいは製品の構造上、特に、表裏、上下を区別する意味があるわけではない。したがって、表裏、上下をそれぞれ入れ替えても、本願発明の構造上、技術的な意義は、等価である。以上、本発明に係る技術的思想を特定の実施例を参照しつつ詳細にわたり説明したが、本発明の属する分野における当業者には、請求項の趣旨及び範囲から離れることなく様々な変更及び改変を加えることが出来ることは明らかである。

本発明の実施形態で説明する回路基板の上面からの斜視図である。図１の回路基板を構成部品ごとに分解した分解図である。図１の回路基板を底面からみた斜視図である。本発明の実施形態で説明したヒートシンクの拡大斜視図である。本発明の実施形態で説明する回路基板の一部の断面図である。

符号の説明

１０ヒートシンク付き回路基板
２０ベース基板
２１貫通穴
３０ヒートシンク
３１パイプ
３２熱伝導性ブロック
４０、４０ａ、４０ｂサブ基板

Claims

両面に電子部品が配置された第１の回路基板と、
前記第１の回路基板の表面側に所定パターン状に配置されたパイプと、
前記パイプの周囲に沿って設けられた熱伝導性ブロックとを備えたヒートシンク付き回路基板であって、
前記第１の回路基板が、前記パターンに沿って複数の貫通穴が設けられ、前記貫通穴を通して、前記ブロックの一部が前記第１の回路基板の裏面側に露出していることを特徴とするヒートシンク付き回路基板。
前記ヒートシンク付き回路基板が、さらに、
前記第１の回路基板の片面上または両面上に、前記第１の回路基板と離間して配置された第２の回路基板を備え、かつ、
前記第２の回路基板が、前記第２の回路基板上に配置された電子部品の一部と前記ブロックとが熱的に導通状態となるように配置されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付き回路基板。
前記第２の回路基板が、前記第１の回路基板から前記第２の回路基板までの距離が等しくなるように、前記第１の回路基板の両面上にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項２記載のヒートシンク付き回路基板。
前記所定パターンが、前記第２の回路基板の基板上を周回するように形成されていることを特徴とする請求項２または３記載のヒートシンク付き回路基板。
前記熱伝導性ブロックが、前記第２の回路基板の取付部材であることを特徴とする請求項２から４記載のヒートシンク付き回路基板。
前記貫通穴が、発熱量の大きな部品の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１から５記載のヒートシンク付き回路基板。