JP2008098556A

JP2008098556A - プリント板放熱装置

Info

Publication number: JP2008098556A
Application number: JP2006281212A
Authority: JP
Inventors: Michio Sumiyoshi; 未知夫住▲吉▼
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】本発明はプリント板放熱装置に関し、放熱フィン拡大やファン高回転処理をせずに、プリント板ユニット構造で放熱方法を工夫することにより、放熱効率を上げ、且つ低コスト、低騒音を実現することができるプリント板放熱装置を提供することを目的としている。
【解決手段】高発熱ＬＳＩ３の上部に接着された第１の放熱フィン４と、高発熱ＬＳＩ３がその上に搭載されているプリント板１の内部に高発熱ＬＳＩ３の熱を逃がす内層パターンと、該内層パターンから伝達された熱を放熱するために、プリント板１上に接着された第２の放熱フィン２５と、を設けて構成される。この結果、高発熱用ＬＳＩの十分な放熱が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明はプリント板板放熱装置に関する。

プリント板に発熱する回路部品が搭載されている場合に、該回路部品に放熱用のフィンを取り付け、温度上昇を抑えるようにした技術は周知である。図４は従来技術の構成例を示す図である。図において、１はプリント板、２は該プリント板１の表面に取り付けられたボールバンプ、３は該ボールバンプ２の上に載置された高発熱ＬＳＩである。該高発熱ＬＳＩ３としては、例えばＢＧＡが用いられる。ここで、ＢＧＡはＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙのことであり、ＩＣチップのパッケージ方法の一つである。平坦なパッケージの下面に外部入出力用のボールバンプが並んでいるタイプのものをいう。

４は高発熱ＬＳＩ３の上面にサーマルシート又は接着剤５を介して接触される放熱フィンである。６はボールバンプ２と接触し、放熱を行なう放熱ビア、７はボールバンプ２と接触し、信号が通る信号用一般ビア、８は放熱ビア６からプリント板１内に広がる内層銅パターンである。この従来タイプのものは、高発熱用ＬＳＩ３に接触した放熱フィン４に放熱用の機能を持たせたものであり、通常はシェルフ内を強制空冷ファンで引くことにより、風が放熱フィン４に吹き付けられ、放熱が行われる。図の矢印は放熱方向を示している。

従来のこの種の装置としては、半導体素子１と、該半導体素子１と接着する冷却フィン４と、半導体素子１とその裏面で接着した配線基板２とによりなり、配線基板２を表面積を大きくした銅板で構成せしめ、ファン３を吹き付けた時、前記冷却フィン４に加えて配線基板２からも放熱させるようにした技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−１６８１５８号公報（段落００１０〜００１２、図１）

近年では、ＬＳＩの発熱量増加に伴い、その放熱方法の効率化が求められている。ＬＳＩ等の高発熱部品の放熱は、部品上部に取り付けた放熱フィンによる熱放射や、プリント板への熱伝導によって行なってきたが、ＬＳＩの高密度化による多種多様のＬＳＩ部品の使用で、全ての高発熱ＬＳＩが、必ずしも風速の大きい位置に均等に実装されることは困難である。

また、プリント板上の高発熱ＬＳＩ上部に取り付けた放熱フィンを冷却するシェルフに設けられた複数の強制空冷ファンの１個が故障した場合での最悪ケースを想定すると、放熱フィンを必要以上に大きくすることや、強制空冷ファンを二重に直列配置すること、及びファンを高速回転する対策が必要であったが、放熱フィン拡大による部品実装領域縮小や、ファン二重直列配置によるシェルフ面積（領域）拡大及びコスト拡大、ファン高速回転による消費電力の増大や騒音拡大等のデメリットが発生する。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、放熱フィン拡大やファン高回転処理をせずに、プリント板ユニット構造で放熱方法を工夫することにより、放熱効率を上げ、且つ低コスト、低騒音を実現することができるプリント板放熱装置を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、高発熱ＬＳＩの上部に接着された第１の放熱フィンと、高発熱ＬＳＩがその上に搭載されているプリント板の内部に高発熱ＬＳＩの熱を逃がす内層パターンと、該内層パターンから伝達された熱を放熱するために、プリント板上に接着された第２の放熱フィンと、を設けて構成されることを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、前記第１の放熱フィンをネジ止めするために、プリント板の裏面に取り付けられた金属板を設け、該金属板に伝達された熱をプリント板内の放熱ビアを介して前記第２の放熱フィンに伝達することを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記高発熱ＬＳＩはＢＧＡタイプのものであることを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、前記プリント板が搭載されたユニットをシェルフに搭載した場合において、前記シェルフの上の面にエアーを前記第１及び第２の放熱フィンに吹き付けるための強制空冷ファンを設けたことを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、高発熱ＬＳＩに設けられた第１のフィンと、該第１のフィンの近くに設けられた前記高発熱ＬＳＩの熱を放熱させるための第２のフィンとを設けることにより、放熱効率を上げることができる。また、本発明によれば、強制空冷ファンの高回転化を必要としないので、低騒音、低コスト化を実現することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、前記放熱に加えて、プリント板裏面に設けた第１の放熱フィンをネジ止めするための金属板を高発熱ＬＳＩの熱を伝達する手段として用い、この熱を前記第２のフィンに逃がすことにより、更に放熱効率を向上させることができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、高発熱ＬＳＩとしてＢＧＡを用いる場合においても、第１の放熱フィンに加えて、ボールバンプを介して伝達される熱を放熱する第２の放熱フィンを設けることで、十分な放熱効果を上げることができる。
（４）請求項４記載の発明は、前記プリント板の放熱対策に加えて、該回路ユニットが搭載されるシェルフに組み込む場合において、強制空冷ファンを動作させ、前記第１及び第２放熱フィンに風を吹き付けることで、フィンを冷やすことができ、放熱対策を十分に行なうことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態を示す構成図である。図４と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１はプリント板で、その内部に配線を設けるために多層構造となっている。２はその上に高発熱ＬＳＩ３が搭載されるボールバンプ、３は高発熱ＬＳＩである。４は高発熱ＬＳＩ３と第１のサーマルシート（サーマルシート１）５を介して接着される第１の放熱フィン（放熱フィン１）である。放熱フィンとしては、熱伝導率のよい銅が用いられることが好ましいが、軽さとコストの面からアルミニウムが用いられることが多い。１４はプリント板１の裏面に取り付けられた第１の金属板（金属板１）、１５は該第１の金属板１４と接合される第２の金属板（金属板２）である。

２０は放熱フィン１に設けられたネジであり、金属板１，２との間でネジ締めが行なわれ、高発熱ＬＳＩ３と放熱フィン４をサーマルシート１を介して強く接着させるようになっている。１０はプリント板１と金属板１，２の間を熱的に接触させる第２のサーマルシート（サーマルシート２）である。１１はプリント板内に設けられた信号用一般ビア、１２，１８は同じくプリント板内に設けられた第１の放熱ビア（放熱ビア１）である。１６はプリント板内に設けられた第２の放熱ビア（放熱ビア２）であり、内層グランド銅パターン１３を介して放熱ビア１と熱的に接続されている。

２５は放熱ビア２と熱的に接続され、プリント板１に接着された第２の放熱フィン（放熱フィン２）である。図示されていないが、放熱フィン２も金属板１，２との間でネジ締めされ、プリント板１とで熱的に接着されるようになっている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

通常の動作状態において、放熱フィン１が無い場合には、高発熱ＬＳＩ３は２００゜Ｃまで上昇する。このままだと熱的に破壊されるので、高発熱ＬＳＩ３にはサーマルシート１を介して放熱フィン１が取り付けられている（第１のルート）。また、放熱ビア１にボールバンプ２を介して伝達された熱は、内層グランド銅パターン１３を介して放熱ビア２に熱が伝わる。一方、放熱ビア２は放熱フィン２と熱的に接触しており、放熱フィン２に熱が伝わる（第２のルート）。

また、放熱ビア１にボールバンプ２を介して伝達された熱は、サーマルシート２を介して金属板１に伝わる。金属板１に伝わった熱は図の矢印の方向に伝達され、金属板２又はネジを介して放熱フィン２に伝わる（第３のルート）。なお、放熱フィン１及び２には、図示しない強制冷気ファンを用いて風が吹き付けられるようになっている。高発熱ＬＳＩ３で発生した熱は、このように第１のルート〜第３のルートを介して放熱フィン１又は２に熱が伝達されるので、十分な放熱を行なうことができ、放熱効率を上げることができる。また、本発明によれば、強制空冷ファンの高回転化を必要としないので、低騒音を実現することができる。この結果、高発熱ＬＳＩ３の温度は、強制空冷ファンの効果とあいまって例えば８０゜Ｃ程度に抑えることができるので、回路による熱破壊は防止される。ここで、８０℃は環境温度（雰囲気温度）を４０℃とした時の値である。

また、本発明によれば、プリント板裏面に設けた、第１の放熱フィンをネジ止めするための金属板を高発熱ＬＳＩの熱を伝達する手段として用い、この熱を前記第２のフィンに逃がすことにより、更に放熱効率を向上させることができる。更に、高発熱ＬＳＩとしてＢＧＡを用いる場合においても、第１の放熱フィンに加えて、ボールバンプを介して伝達される熱を放熱する第２の放熱フィンを設けることで、十分な放熱効果を上げることができる。また、本発明によれば、特別な部品（例えばヒートレーンなど）及びさらに大型の放熱フィンを用いる必要がないので、装置を低コストに抑えることができる。

図２は本発明による風の流れを示す図である。図において、（ａ）は図１におけるＡからみた上面図、（ｂ）は図１におけるＢから見た側面図である。図において、１はプリント板、４は放熱フィン１、２５は放熱フィン２、２０は放熱フィン１の取り付けネジ、２７は放熱フィン２の取り付けネジである。図では、放熱フィン２５が２個設けられた例を示している。図では、放熱フィン１が１個しか設けられていないが、高発熱ＬＳＩが複数設けられた場合は、放熱フィン１がそれに応じて設けられる。強制空冷ファンによる風の流れは、図に示すような向きに流れ、放熱フィン１，２に吹き付けられ、放熱フィン１，２を冷却する。この結果、放熱フィン１，２が風により冷却される結果、高発熱ＬＳＩ３は約８０゜Ｃ程度に冷やされることになる。なお、ファン１個故障、例えば最悪のケースで、高発熱ＬＳＩ直上のファンが止まった場合でも、高発熱ＬＳＩの熱が伝わった放熱フィン２で、正常に動作しているファン１で冷却しているので、温度上昇が最小限で抑えられ、約９０℃程度まで抑えることができる。

図３は本発明によるシェルフ構造例を示す図である。図において、（ａ）はシェルフ全面立体図、（ｂ）はシェルフ正面図、（ｃ）はシェルフ側面図である。３０は筐体（シェルフ）であり、その内部には高発熱ＬＳＩをその内部に含む回路ユニット３１が取り付けられている。１は回路ユニット３１を構成するプリント板である。図では、回路ユニット３１は１〜１５の１５枚取り付けられている例を示している。筐体３０の後方には、プリント板（マザーボード）にコネクタが取り付けられており、このコネクタに回路ユニット３１が装着され、回路として動作するようになっている。なお、この場合において、回路ユニット３１は必ずしも同じ機能を有するものである必要はない。

３３は筐体３０の上面に取り付けられた強制空冷ファン、３５は筐体３０の前面下に設けられた強制空冷ファン用の風の導入孔である。（ｃ）に風の流れを示す。筐体下面に設けられた風の導入孔３５から導入された風は、筐体３０の上面に設けられた強制空冷ファン３３により排気される。この結果、筐体３０の下面の風の導入孔３５から導入された風は、放熱フィン１，２に吹き付けられてこれら放熱フィン１，２を冷却する。冷却することにより暖まった風は、筐体３０の上面に設けられた強制空冷ファン３３から排出される。ここでは、強制空冷ファン３３は、排気ファン（吸い込み用）として用いられているが、吐き出し用ファンを用いることもできる。

なお、強制空冷ファンを機能カードの下に配置して、かつプリント板上にフィン１，２をプリント板下部に配置すると、風の吸気は筐体３０の前面下部或いは筐体３０の底部で行ない、風の排気は筐体３０の上部で行なうこともできる。これにより、筐体３０内のそれぞれ（ファン、機能カード、吸排気部）の位置を替えることによっても同じ効果が得られる。

本発明によれば、このようにして放熱フィン１と２をプリント板１に取り付け、これら放熱フィン１，２を筐体内に導入された風で強制空冷することにより、高発熱ＬＳＩ３の温度上昇をふせぎ、その温度を８０゜Ｃ程度に抑えることができる。このように、本発明によれば、前記プリント板の放熱対策に加えて、該回路ユニットが搭載されるシェルフに組み込む場合において、強制空冷ファンを動作させ、前記第１及び第２放熱フィンに風を吹き付けることで、フィンを冷やすことができ、放熱対策を十分に行なうことができる。本発明によれば、放熱フィン１，２を用いることで、強制空冷ファンの回転を高速にしなくても放熱を十分に行なうことができ、低騒音を実現することができる。

以上、説明したように、本発明によれば、放熱フィン拡大やファン高回転処理をせずに、プリント板ユニット構造で放熱方法を工夫することにより、放熱効率を上げ、且つ低コスト、低騒音を実現することができるプリント板放熱装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態を示す構成図である。本発明による風の流れを示す図である。本発明によるシェルフ構造例を示す図である。従来技術の構成例を示す図である。

符号の説明

１プリント板
２ボールバンプ
３高発熱ＬＳＩ
４放熱フィン１
５サーマルシート１
１０サーマルシート２
１１信号用一般ビア
１２放熱ビア１
１３内層グランド銅パターン
１４金属板１
１５金属板２
１６放熱ビア
２０ネジ
２５放熱フィン２

Claims

高発熱ＬＳＩの上部に接着された第１の放熱フィンと、
高発熱ＬＳＩがその上に搭載されているプリント板の内部に高発熱ＬＳＩの熱を逃がす内層パターンと、
該内層パターンから伝達された熱を放熱するために、プリント板上に接着された第２の放熱フィンと、
を設けて構成されるプリント板放熱装置。
前記第１の放熱フィンをネジ止めするために、プリント板の裏面に取り付けられた金属板を設け、該金属板に伝達された熱をプリント板内の放熱ビアを介して前記第２の放熱フィンに伝達することを特徴とする請求項１記載のプリント板放熱装置。
前記高発熱ＬＳＩはＢＧＡタイプのものであることを特徴とする請求項１又は２記載のプリント板放熱装置。
前記プリント板が搭載されたユニットをシェルフに搭載した場合において、前記シェルフの上の面に、エアーを前記第１及び第２の放熱フィンに吹き付けるための強制空冷ファンを設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のプリント板放熱装置。