JP2008205250A - 冷却板および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子部品を効率よく冷却することのできる冷却板、およびその冷却板により効率よく電子部品が冷却される電子装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 信号入出力用の端子２２を備えた半導体装置２０と該半導体装置２０が実装されるプリント配線基板４０との間に配置される冷却板３０であって、内部に冷却液が流れる流路３３を有する絶縁材料からなる基体３１と、流路３３を貫通して基体３１の表裏面双方に露出した、上記電子部品の端子２２とプリント配線基板４０上の配線パターン４１とを電気的に接続する導体柱３２とを備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電子部品を冷却する冷却板、およびその冷却板により電子部品を冷却するように構成した電子装置に関する。

近年、電子部品の高速化、高機能化が進み、電子部品を実装した半導体装置の発熱量は増加傾向にあり、効率のよい半導体装置の冷却方法の開発が要請されている。

従来、高発熱量の電子部品を冷却する方法として、電子部品の上面に放熱フィンを取り付けファンで冷却する強制空冷方式や、冷媒を循環させて電子部品を冷却する液冷方式が広く採用されている。しかし、電子部品の発熱量が５０Ｗ／ｃｍ²を超えるようになってくると、空冷方式では対応が難しく、液冷方式を採用する必要が生じる。

図９は、従来の液冷方式の電子部品冷却装置の一例を示す図である。

図９（ａ）には、電子部品９１の上面に、ＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）９１ａを介して密着させた、内部に冷却液の流路が設けられた受熱部９３を備えた冷却装置９０が示されている。電子部品９１により加熱された受熱部９３内の冷却液はポンプ９７によって受熱部９３と放熱部９４との間を循環し、放熱部９４に取り付けられたフィン９５とファン９６によって冷却されるようになっている。

しかし、図９（ａ）に示す冷却装置９０では、電子部品９１とプリント配線基板９２とは熱抵抗の大きいＴＩＭ９１ａを介して熱接続されているので冷却効率が低い上に、電子部品９１の上面だけしか冷却されないため冷却が不十分であり、冷却手段としては限界に達している。

また、上記の冷却装置９０は、電子部品９１を冷却することはできるが、プリント配線基板９２上の電子部品を冷却することは難しいという問題がある。そこで、電子部品９１だけでなく、プリント配線基板９２を冷却できるようにした冷却装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

図９（ｂ）には、プリント配線基板９２’内の、電子部品９１’に対向する部位に、内部に冷却液が封入されたヒートシンク９３’を配備した冷却装置９０’が示されている。この冷却装置９０’は、ヒートシンク９３’および電子部品９１’側の金属部分に接触して熱結合を行う複数の金属柱状体９３ａを内蔵している。冷却液はポンプ９７によって受熱部９３と放熱部９４との間を循環し、放熱部９４に取り付けられたフィン９５およびファン９６によって冷却されるようになっている。
特許第３８１５２３９号明細書

しかし、上記の冷却装置９０’では、ヒートシンク９３’を埋め込んだ特殊なプリント配線基板９２’を必要とするため高コストとなりやすい。また、電子部品９１とプリント配線基板９２’との間の樹脂層による熱伝導の阻害を防止するために該樹脂層内に高熱伝導性のサーマルビアを配置する必要があり、プリント配線基板９２’の構造がさらに複雑となりコストをアップさせるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、電子部品を効率よく冷却することのできる冷却板、およびその冷却板により効率よく電子部品が冷却される電子装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の冷却板は、
信号入出力用の端子を備えた半導体装置と、該半導体装置が実装されるプリント配線基板との間に配置される冷却板であって、
内部に冷却液が流れる流路を有する絶縁材料からなる基体と、
上記流路を貫通して上記基体の表裏面双方に露出した、上記電子部品の端子と上記プリント配線基板上の配線パターンとを電気的に接続する導体柱とを備えたことを特徴とする。

本発明の第１の冷却板によれば、冷却板内の流路を貫通する導体柱を介して半導体装置上およびプリント配線基板上の電子部品の熱が冷却液に伝えられるので電子部品を効率よく冷却することができる。

また、上記目的を達成する本発明の第１の電子装置は、
内部に冷却液が流れる流路を有する絶縁材料からなる基体と、上記流路を貫通して上記基体の表裏面双方に露出してなる導体柱とを有する冷却板と、
信号入出力用の端子を備え、該端子が上記導体柱の露出端面に電気接続されてなる半導体装置と、
配線パターンが形成され、該配線パターンが上記導体柱に電気的に接続されてなるプリント配線基板と、
上記冷却板内の流路と接続され冷却液を循環させる冷却液循環経路と、
上記冷却液循環経路の途中に配備された、冷却液を該冷却液循環経路内で循環させるポンプと、
上記冷却液循環経路の途中に配備された、該冷却液循環経路内の熱を放熱する放熱部品とを備えたことを特徴とする。

本発明の第１の電子装置によれば、冷却板内の流路を貫通する導体柱を介して半導体装置上およびプリント配線基板上の電子部品の熱が冷却液に伝えられ、その冷却液はポンプにより冷却液循環経路を経て放熱部品に送られ、冷却液の熱は放熱部品により大気中に放熱されるので、電子部品を効率よく冷却することができる。

また、上記目的を達成する本発明の第２の冷却板は、
信号入出力用の柱状端子を備えた半導体装置と、該半導体装置が実装されるプリント配線基板との間に配置される冷却板であって、
内部に冷却液が流れる流路を有する絶縁材料からなるとともに上記半導体装置の柱状端子が挿通される貫通孔を有することを特徴とする。

本発明の第２の冷却板によれば、冷却板内の流路を貫通する柱状端子を介して半導体装置上およびプリント配線基板上の電子部品の熱が冷却液に伝えられるので電子部品を効率よく冷却することができる。

また、上記目的を達成する本発明の第２の電子装置は、
信号入出力用の柱状端子を備えた半導体装置と、
内部に冷却液が流れる流路を有する絶縁材料からなるとともに上記半導体装置の柱状端子が挿通される貫通孔を有する冷却板であって上記半導体装置が配置され上記柱状端子が上記貫通孔を貫通する冷却板と、
配線パターンが形成され上記冷却板に配置されて該配線パターンが上記柱状端子に電気的に接続されてなるプリント配線基板と、
上記冷却板内の流路と接続され冷却液を循環させる冷却液循環経路と、
上記冷却液循環経路の途中に配備された、冷却液を該冷却液循環経路内で循環させるポンプと、
上記冷却液循環経路の途中に配備された、該冷却液循環経路内の冷却液の熱を放熱する放熱部品とを備えたことを特徴とする。

本発明の第２の電子装置によれば、冷却板内の流路を貫通する柱状端子を介して半導体装置上およびプリント配線基板上の電子部品の熱が冷却液に伝えられ、その冷却液はポンプにより冷却液循環経路を経て放熱部品に送られ、冷却液の熱は放熱部品により大気中に放熱されるので、電子部品を効率よく冷却することができる。

本発明によれば、電子部品を効率よく冷却することのできる冷却板、およびその冷却板により効率よく電子部品が冷却される電子装置を実現することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の第１の電子装置の概略構成図である。

図１に示すように、この電子装置１０は、内部に冷却液が流れる流路３３を有する絶縁材料からなる板状の基体３１と、流路３３を貫通して基体３１の表裏面双方に露出してなる導体柱３２とを有する冷却板３０と、電子部品を実装したパッケージの裏面２１ｂに外部との間の信号入出力用の端子２２を備え、該裏面２１ｂが冷却板３０の表面に接して該端子２２が導体柱３２の冷却板３０表面３０ａの露出端面に電気接続されてなる半導体装置２０と、配線パターン４１が形成され、表面が冷却板３０の裏面３０ｂと接して配線パターン４１が導体柱３２の冷却板の裏面３０ｂ側の露出端面に電気的に接続されてなるプリント配線基板４０と、冷却板３０内の流路３３と接続され冷却液を循環させる冷却液循環経路８１と、冷却液循環経路８１の途中に配備された、冷却液を冷却液循環経路８１内で循環させるポンプ８２と、冷却液循環経路８１の途中に配備され、冷却液循環経路８１内の熱を放熱する放熱部品８３とを備えている。

本実施形態における絶縁材料からなる基体３１としては、プラスチックやＦＲ４（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｔａｒｄａｎｔ Ｔｙｐｅ ４）などの電気絶縁材料を用いることができる。

また、冷却液は、低誘電率で不活性な液体であるフロリナート（３Ｍ製）や、同じく低誘電率で不活性かつ温暖化係数の小さいノベック（３Ｍ製）などを用いることができる。

本実施形態における放熱部品８３として、図１には、放熱用フィン８３ｃが取り付けられ、内部に冷却液が流れる流路８３ｂを有する放熱部８３ａと、放熱用フィン８３ｃを冷却するファン８３ｄとが示されているが、本発明における放熱部品は必ずしも上記構成に限られるものではなく、要は冷却液循環経路内の冷却液の熱を効率的に放熱することができるものであればどのような構成のものであってもよい。

図２は、本発明の第１の冷却板の概略構成図である。

図２に示すように、この第１の冷却板３０は、電子部品を実装したパッケージの裏面２１ｂに外部との間の信号入出力用の端子２２を備えた半導体装置２０と該半導体装置２０が実装されるプリント配線基板４０との間に配置されるものであって、内部に冷却液が流れる流路３３を有する絶縁材料からなる板状の基体３１と、流路３３を貫通して基体３１の表裏面双方に露出した、上記電子部品の端子２２と上記プリント配線基板４０上の配線パターン４１との間の電気的配線を担う導体柱３２とを備えている。

この第１の冷却板３０を介して半導体装置２０とプリント配線基板４０とを電気的に接続するために、本実施形態では、半導体装置２０の外部との間の信号入出力用の端子２２および冷却板３０の導体柱３２のプリント配線基板４０側の外部との間の信号入出力用の端子３４をいわゆるＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）端子として構成しておき、半導体装置２０と冷却板３０とプリント配線基板４０とを重ね合わせた状態で半導体装置２０、冷却板３０、およびプリント配線基板４０をリフロー炉を用いてはんだ付け実装する。

これにより、ＢＧＡ端子２２およびＢＧＡ端子３４のはんだが溶融して半導体装置２０の外部との間の信号入出力用の端子２２と導体柱３２とがはんだ付けされるとともに、導体柱３２とプリント配線基板４０の配線パターン４１とがはんだ付けされ、半導体装置２０とプリント配線基板４０とは導体柱３２を介して電気的に接続される。

このように構成された第１の冷却板３０を含む第１の電子装置１０によれば、半導体装置２０およびプリント配線基板４０で発生した熱は冷却板３０の導体柱３２を介して冷却板３０の流路３３内を流れる冷却液に伝えられ、冷却液に伝えられた熱は放熱部品８３によって大気中に放熱されるので、半導体装置２０上およびプリント配線基板４０上の電子部品を効率よく冷却することができる。

以下に、本発明の第１の冷却板の実施例について説明する。
（実施例１）
図３は、本発明の第１の冷却板の一実施例の外観を示す平面図であり、図４は、本発明の第１の冷却板の一実施例の内部を示す切断図である。

この冷却板３０の基体３１は、４５ｍｍ×４５ｍｍ、厚さ５ｍｍ、ＦＲ４製の絶縁材料で作製されており、冷却板３０の表裏両面にはそれぞれ半導体装置２０に実装された電子回路の電極、およびプリント配線基板４０の端子と接続する銅箔の電極端子パターン３２ａが形成されている。この電極端子パターン３２ａと半導体装置２０の電子部品の端子とがはんだ付けされることによって、冷却板３０内の冷却液は密閉され漏洩が生じない構造となっている。

冷却板３０の内部には冷却液入口３９ａから冷却液出口３９ｂまで冷却液を案内する冷却液ガイド３９ｃによって冷却液が流れる流路３３が形成されている。この流路３３は、厚さ２．５ｍｍの２枚のＦＲ４板に深さ１．５ｍｍの流路の溝を対称に形成したものを張り合わせることで形成した。

図４に示すように、この冷却板３０内の流路３３内に、流路３３を貫通して冷却板３０の表裏両面の電極端子パターン３２ａ（図３参照）間に形成された導体柱３２が配備されており、この導体柱３２がその周囲を流れる冷却液によって冷却され、ひいては半導体装置２０上およびプリント配線基板４０上の電子部品が冷却される。

上記図３、図４に示した冷却板３０を作製し、図１に示したごとく、プリント配線基板４０上に冷却板３０を重ね、その上に、電子部品が実装された半導体装置２０を重ね合わせて実装した。半導体装置２０に実装された電子部品は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）であり、電子部品のはんだボール端子は冷却板３０の電極端子パターン３２ａ（図３参照）にはんだ付けされる。

また、冷却板３０下面の電極端子パターン３２ａには、はんだボールを設け、プリント配線基板４０上の端子にはんだ付けされる。

半導体装置２０、冷却板３０、およびプリント配線基板４０のはんだ付け実装は一般的に行われているリフロー炉を用いた表面実装方式により行った。

冷却液は低誘電率で不活性な液体であるフロリナート（３Ｍ製）を用いた。

こうして、図１に示すように、冷却板３０と、半導体装置２０と、プリント配線基板４０と、冷却液循環経路８１と、ポンプ８２と、放熱部品８３とを備えた電子装置１０を構成した。

これにより、半導体装置２０上およびプリント配線基板４０上の電子部品からの熱を導体柱３２を介して冷却板３０内の冷却液に効率的に伝えることができる電子装置１０が得られた。

次に、本発明の第２の電子装置の実施の形態について説明する。

図５は、本発明の第２の電子装置の概略構成図である。

図５に示すように、この電子装置５０は、電子部品を実装したパッケージの裏面に外部との間の信号入出力用のＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型の柱状端子６１を備えた半導体装置６０と、内部に冷却液が流れる流路７３を有する絶縁材料からなるとともに半導体装置６０の柱状端子６１が挿通される貫通孔（後述）を有する冷却板であって該冷却板表面側に半導体装置６０が配備され柱状端子６１が上記貫通孔を貫通して該冷却板裏面から露出してなる状態の冷却板７０と、配線パターン４１が形成され冷却板７０の裏面側に配備されて該配線パターン４１が柱状端子６１の冷却板７０の裏面７０ｂから露出した部分に電気的に接続されてなるプリント配線基板４０と、冷却板７０内の流路７３と接続され冷却液を循環させる冷却液循環経路８１と、冷却液循環経路８１の途中に配備された、冷却液を冷却液循環経路８１内で循環させるポンプ８２と、冷却液循環経路８１の途中に配備された、該冷却液循環経路８１内の冷却液の熱を放熱する放熱部品８３とを備えている。

本実施形態における放熱部品８３として、図５には、放熱用フィン８３ｃが取り付けられ、内部に冷却液が流れる流路８３ｂを有する放熱部８３ａと、放熱用フィン８３ｃを冷却するファン８３ｄとが示されているが、本発明における放熱部品は必ずしも上記構成に限られるものではなく、要は冷却液循環経路内の冷却液の熱を効率的に放熱することができるものであればどのような構成のものであってもよい。

図６は、本発明の第２の冷却板の概略構成図である。

図６に示すように、この第２の冷却板７０は、電子部品を実装したパッケージの裏面に外部との間の信号入出力用の柱状端子６１を備えた半導体装置６０と該半導体装置６０が実装されるプリント配線基板４０との間に配置されるものであって、内部に冷却液が流れる流路７３を有する絶縁材料からなる板状の基体７５で構成されるとともに上記半導体装置６０の柱状端子６１が挿通される貫通孔７６と、貫通孔７６の周囲に形成された銅箔パターン７８を備えている。

この第２の冷却板７０を介して半導体装置６０とプリント配線基板４０とを電気的に接続するには、予め、半導体装置６０の柱状端子６１の周囲にはんだ層を形成しておき、半導体装置６０の柱状端子６１を冷却板７０の貫通孔７６に挿通し、プリント配線基板４０の上に重ねた状態で、半導体装置６０、冷却板７０、およびプリント配線基板４０をリフロー炉ではんだ付け実装する。これにより、柱状端子６１に形成されていたはんだ層が溶融して柱状端子６１と銅箔パターン７８とがはんだ付けされるとともに、柱状端子６１とプリント配線基板４０上の配線パターン４１とがはんだ付けされる。

こうして、半導体装置６０とプリント配線基板４０とは柱状端子６１を介して電気的に接続される。

このように構成された第２の冷却板７０を含む第２の電子装置５０によれば、半導体装置６０およびプリント配線基板４０で発生した熱は冷却板７０の柱状端子６１を介して冷却板７０の流路７３内を流れる冷却液に伝えられ、冷却液に伝えられた熱は放熱部品８３によって大気中に放熱されるので、半導体装置６０上およびプリント配線基板４０上の電子部品を効率よく冷却することができる。

以下に、本発明の第２の冷却板の実施例について説明する。
（実施例２）
図７は、本発明の第２の冷却板の一実施例の外観を示す平面図であり、図８は、本発明の第２の冷却板の一実施例の内部を示す切断図である。

この冷却板７０の基体７１は、４５ｍｍ×４５ｍｍ、厚さ３．６ｍｍ、ＦＲ４製の絶縁材料で構成されるとともに半導体装置６０の柱状端子６１（図５参照）が挿通される貫通孔７６と、貫通孔７６の周囲に形成された銅箔パターン７８を備えている。この銅箔パターン７８と半導体装置６０の柱状端子６１とがはんだ付けされることによって、冷却板７０内の冷却液は密閉され漏洩が生じない構造となっている。

冷却板７０の内部には冷却液入口７９ａから冷却液出口７９ｂまで冷却液を案内する冷却液ガイド７９ｃによって冷却液が流れる流路７３が形成されている。この流路７３は、厚さ１．８ｍｍの２枚のＦＲ４板に深さ１ｍｍの流路の溝を対称に形成したものを張り合わせて形成した。

図８に示すように、この冷却板７０内の流路７３内に、流路７３を貫通する貫通孔７６が形成され、その貫通孔７６がその外側を流れる冷却液によって冷却されることにより、貫通孔７６内に挿通された半導体装置６０の柱状端子６１（図６参照）が冷却され、ひいては半導体装置６０上およびプリント配線基板４０上の電子部品が冷却される。

上記図７、図８に示した冷却板７０を作製し、図５に示したごとく、プリント配線基板４０上に冷却板７０を重ね、その上に、電子部品が実装された半導体装置６０を重ね合わせて実装した。半導体装置６０に実装された電子部品はＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）であり、電子部品の端子は長さ５ｍｍのピン形状の柱状端子６１である。ＰＧＡ部品の柱状端子６１は冷却板７０の貫通孔７６を貫通してプリント配線基板４０上の端子にはんだ付けされると共に冷却板７０を密閉構造にする。

半導体装置６０、冷却板７０、およびプリント配線基板４０のはんだ付け実装は一般的に行われているリフロー炉を用いた表面実装方式により行った。

冷却液は低誘電率で不活性な液体であるフロリナート（３Ｍ製）を用いた。

こうして、図５に示すように、冷却板７０と、半導体装置６０と、プリント配線基板４０と、冷却液循環経路８１と、ポンプ８２と、放熱部品８３とを備えた電子装置５０を構成した。

これにより、半導体装置６０上およびプリント配線基板４０上の電子部品からの熱を柱状端子６１を介して冷却板７０内の冷却液に効率的に伝えることができる電子装置５０が得られた。

本発明の第１の電子装置の概略構成図である。 本発明の第１の冷却板の概略構成図である。 本発明の第１の冷却板の一実施例の外観を示す平面図である。 本発明の第１の冷却板の一実施例の内部を示す切断図である。 本発明の第２の電子装置の概略構成図である。 本発明の第２の冷却板の概略構成図である。 本発明の第２の冷却板の一実施例の外観を示す平面図である。 本発明の第２の冷却板の一実施例の内部を示す切断図である。 従来の液冷方式の電子部品冷却装置の一例を示す図である。

符号の説明

１０，５０ 電子装置
２０，６０ 半導体装置
２１ｂ 裏面
２２ 端子
３０，７０ 冷却板
３０ｂ 裏面
３１，７５ 基体
３２ 導体柱
３２ａ 電極端子パターン
３３、７３ 流路
３４ ＢＧＡ端子
３９ａ，７９ａ 冷却液入口
３９ｂ，７９ｂ 冷却液出口
３９ｃ，７９ｃ 冷却液ガイド
４０ プリント配線基板
４１ 配線パターン
６１ 柱状端子
７６ 貫通孔
７８ 銅箔パターン
８１ 冷却液循環経路
８２ ポンプ
８３ 放熱部品
８３ａ 放熱部
８３ｂ 流路
８３ｃ 放熱用フィン
８３ｄ ファン
９０，９０’ 冷却装置
９１ 電子部品
９１ａ ＴＩＭ
９２，９２’ プリント配線基板
９３ 受熱部
９３’ ヒートシンク
９３ａ 金属柱状体
９４ 放熱部
９５ フィン
９６ ファン
９７ ポンプ

Claims (4)

1. 信号入出力用の端子を備えた半導体装置と、該半導体装置が実装されるプリント配線基板との間に配置される冷却板であって、
   内部に冷却液が流れる流路を有する絶縁材料からなる基体と、
   前記流路を貫通して前記基体の表裏面双方に露出した、前記電子部品の端子と前記プリント配線基板上の配線パターンとを電気的に接続する導体柱とを備えたことを特徴とする冷却板。
2. 内部に冷却液が流れる流路を有する絶縁材料からなる基体と、前記流路を貫通して前記基体の表裏面双方に露出してなる導体柱とを有する冷却板と、
   信号入出力用の端子を備え、該端子が前記導体柱の露出端面に電気接続されてなる半導体装置と、
   配線パターンが形成され、該配線パターンが前記導体柱に電気的に接続されてなるプリント配線基板と、
   前記冷却板内の流路と接続され冷却液を循環させる冷却液循環経路と、
   前記冷却液循環経路の途中に配備された、冷却液を該冷却液循環経路内で循環させるポンプと、
   前記冷却液循環経路の途中に配備された、該冷却液循環経路内の熱を放熱する放熱部品とを備えたことを特徴とする電子装置。
3. 信号入出力用の柱状端子を備えた半導体装置と、該半導体装置が実装されるプリント配線基板との間に配置される冷却板であって、
   内部に冷却液が流れる流路を有する絶縁材料からなるとともに前記半導体装置の柱状端子が挿通される貫通孔を有することを特徴とする冷却板。
4. 信号入出力用の柱状端子を備えた半導体装置と、
   内部に冷却液が流れる流路を有する絶縁材料からなるとともに前記半導体装置の柱状端子が挿通される貫通孔を有する冷却板であって前記半導体装置が配置され前記柱状端子が前記貫通孔を貫通する冷却板と、
   配線パターンが形成され前記冷却板に配置されて該配線パターンが前記柱状端子に電気的に接続されてなるプリント配線基板と、
   前記冷却板内の流路と接続され冷却液を循環させる冷却液循環経路と、
   前記冷却液循環経路の途中に配備された、冷却液を該冷却液循環経路内で循環させるポンプと、
   前記冷却液循環経路の途中に配備された、該冷却液循環経路内の冷却液の熱を放熱する放熱部品とを備えたことを特徴とする電子装置。

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