JP2008205251A - 冷却システム、電子部品、およびプリント配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子部品および電子部品を搭載したプリント配線板を効率よく冷却することのできる冷却システム、電子部品、およびプリント配線板を提供することを目的とする。
【解決手段】 電子回路が搭載されたパッケージ１１の裏面から下に向かって延在する信号入出力用の柱状端子１３と、パッケージ１１の周縁から下に延在するとともに柱状端子１３全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口１５および流出口１６が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜１８ａが形成されてなるスカート部１８を有する電子部品１０と、表面に、複数の柱状端子１３の各先端がそれぞれ接続されるパッド２１と、スカート部１８下端面の導体膜１８ａが一周に渡って接続され、スカート部１８内側を流入口１５および流出口１６を除いて密封する帯状のパッド２２とを有するプリント配線板２０とを備えた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電子部品および電子部品を搭載したプリント配線板を冷却するための冷却システム、およびその冷却システムにより冷却される電子部品およびプリント配線板に関する。

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、液体の冷媒を介し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を超えるような場合には空冷方式では対応が難しくなり、効率のよい液冷方式を採用する必要が生じる。

図６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６（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６（ａ）に示す冷却装置９０では、電子部品９１とプリント配線板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の上部を冷却することはできるが、電子部品９１の下部を冷却することができないという問題がある。そこで、電子部品９１の下部を冷却す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６（ｂ）には、プリント配線板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、電子部品および電子部品を搭載したプリント配線板を効率よく冷却することのできる冷却システム、およびその冷却システムにより冷却される電子部品およびプリント配線板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の冷却システムは、
電子回路が搭載されたパッケージの裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子と、該パッケージの周縁から下に延在するとともに上記複数の柱状端子全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口および流出口が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜が形成されてなるスカート部とを有する電子部品、および
表面に、上記複数の柱状端子の各先端がそれぞれ接続される複数のパッドと、上記スカート部下端面の導体膜が一周に渡って接続され、接続された状態で該スカート部内側を上記流入口および流出口を除いて密封する帯状のパッドとを有するプリント配線板を備えたことを特徴とする。

本発明の第１の冷却システムによれば、スカート部に形成した流入口から液体を流入させ流出口から流体を流出させることにより、スカート部内の複数の柱状端子を介して電子回路およびプリント配線板からの熱を流体に伝達させることができるので、電子部品および電子部品を搭載したプリント配線板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の冷却システムは、
電子回路が搭載されたパッケージの裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子と、該パッケージの周縁から下に延在するとともに上記複数の柱状端子全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口および流出口が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜が形成されてなるスカート部とを有する電子部品、
表面に、上記複数の柱状端子の各先端がそれぞれ接続される複数のパッドと、上記スカート部下端面の導体膜が一周に渡って接続され、接続された状態で該スカート部内側を上記流入口および流出口を除いて密封する帯状のパッドとを有するプリント配線板、
上記流入口および流出口と接続され冷却液を循環させる冷却液循環経路、
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、および
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を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の冷却システムによれば、スカート部に形成した流入口および流出口と接続された冷却液循環経路を用いて冷却液を循環させることにより、スカート部内の複数の柱状端子を介して電子回路およびプリント配線板からの熱は流体に伝達され、流体の熱は放熱部品により放熱することができるので、電子部品および電子部品を搭載したプリント配線板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電子部品は、
電子回路が搭載されたパッケージの裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子と、該パッケージの周縁から下に延在するとともに上記複数の柱状端子全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口および流出口が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜が形成されてなるスカート部とを有することを特徴とする。

また、上記目的を達成する本発明のプリント配線板は、
電子回路が搭載されたパッケージの裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子と、該パッケージの周縁から下に延在するとともに上記複数の柱状端子全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口および流出口が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜が形成されてなるスカート部とを有する電子部品が搭載されるプリント配線板であって、
表面に、上記複数の柱状端子の各先端がそれぞれ接続される複数のパッドと、上記スカート部下端面の導体膜が一周に渡って接続され、該スカート部内側を上記流入口および流出口を除いて密封する帯状のパッドとを有することを特徴とする。

本発明によれば、電子部品および電子部品を搭載したプリント配線板を効率よく冷却することのできる冷却システム、およびその冷却システムにより冷却される電子部品およびプリント配線板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の冷却システムの一実施形態を示す概略構成図であり、図２は、本発明の第１の冷却システムの一実施形態の断面図である。

図１および図２に示すように、この冷却システム１は、電子回路が搭載されたパッケージ１１と、該パッケージ１１の周縁１４から下に延在するスカート部１８とを有する電子部品１０、および上記スカート部１８の下端面が一周に渡って接続され、該スカート部１８を流体の流入口１５および流出口１６を除いて密封するプリント配線板２０を備えている。

図３は、本発明の第１の冷却システムの一実施形態の組立図である。

図３に示すように、この冷却システム１は、パッケージ１１の裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子１３と、該パッケージ１１の周縁１４から下に延在するとともに上記複数の柱状端子１３全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口１５および流出口１６が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜１８ａが形成されてなるスカート部１８とを有する電子部品１０を、表面に、上記複数の柱状端子１３の各先端１３ａがそれぞれ接続される複数のパッド２１と、上記スカート部１８の下端面の導体膜１８ａが一周に渡って接続され、該スカート部１８の内側を上記流入口１５および流出口１６を除いて密封する帯状のパッド２２とを有するプリント配線板２０と重ね合わせて半田接着処理を行うことにより組み立てられる。

このように電子部品１０とプリント配線板２０とが重ね合わされた状態で半田接着処理されることにより、電子部品１０の複数の柱状端子１３とプリント配線板２０の複数のパッド２１を半田接着されて電子部品１０とプリント配線板２０とが電気的に接続され、それと同時に電子部品１０の導体膜１８ａとプリント配線板２０の帯状のパッド２２が半田接着されることによりスカート部１８が密封されて冷却システム１が形成される。

こうして形成された冷却システム１の流入口１５からスカート部１８内に液体を流入させ流出口１６から流体を流出させることにより、スカート部１８内の複数の柱状端子１３を介して電子部品１０の下部が冷却され、一方、電子部品１０の上部は解放された空間への放熱により冷却されるので、電子部品１０全体を効率よく冷却することのできる冷却システム１が得られる。

電子回路が搭載されたパッケージ１１は、外形４５ｍｍ×４５ｍｍのＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）であり、パッケージ１１の下面（プリント配線板と向き合う面）には、高さ５ｍｍの柱状端子１３（ピン電極）が設置されており、これと同じ高さ５ｍｍの流路壁面を持つスカート部１８が設けてある。スカート部１８の流路壁面のプリント配線板２０と接する下端面にはＣｕパターンとして形成された導体膜１８ａが設けられており、この導体膜１８ａをプリント配線板２０の帯状のパッド２２に半田付けすることにより密閉された冷却液流路が形成される。

スカート部１８の材質は、パッケージ１１本体と同じモールド樹脂製であり、流路壁面の厚さは約１．５ｍｍである。

図４は、本発明の第１の冷却システムの一実施形態におけるスカート部内に形成された冷却液流路を示す断面図である。

スカート部１８内には流入口１５から流入した冷却液を流出口１６まで案内する冷却液ガイド１９ａを有する冷却液回路１９が形成されている。その冷却液回路１９内を冷却液が流通することにより冷却液回路１９内に並ぶ柱状端子１３が冷却される。柱状端子１３はＣｕにＮｉ／Ａｕめっきを施したものであり、従来の電子部品と同様、プリント配線板２０上の帯状のパッド２２に半田付けすることで、電子回路とプリント配線板２０と電気的に接続され、同時に柱状端子１３を介して電子部品からの発熱は冷却液に伝達される。なお、柱状端子１３とパッド２２とが半田付けされるときにスカート部１８の下端面の導体膜１８ａとプリント配線板２０上の帯状のパッド２２とが同時に半田付けされることで冷却液の漏洩が生じない構造となっている。

電子部品１０のプリント配線板２０への半田付け実装は、一般的に広く知られているリフロー炉を用いた表面実装方式により行うことができる。

図５は、本発明の第２の冷却システムの一実施形態を示す概略構成図である。

図５に示すように、この第２の冷却システム２は、電子部品１０、プリント配線板２０、冷却液循環経路８１、ポンプ８２、および放熱部品８３を備えている。

電子部品１０は、電子回路が搭載されたパッケージ１１の裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子１３と、該パッケージ１１の周縁１４から下に延在するとともに上記複数の柱状端子１３全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口１５および流出口１５が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜１８ａ（図３参照）が形成されてなるスカート部１８とを備えている。

プリント配線板２０は、表面に、上記複数の柱状端子１３の各先端がそれぞれ接続される複数のパッド２１（図３参照）と、上記スカート部１８下端面の導体膜１８ａが一周に渡って接続され、該スカート部１８内側を上記流入口１５および流出口１６を除いて密封する帯状のパッド２２（図３参照）とを備えている。

冷却液循環経路８１は、上記流入口１５および流出口１６と接続され冷却液を循環させるものである。

ポンプ８２は、上記冷却液循環経路８１の途中に配備された、冷却液を該冷却液循環経路８１内で循環させるものである。

放熱部品８３は、上記冷却液循環経路８１の途中に配備された、該冷却液循環経路８１内の熱を放熱するものである。

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８１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。

冷却液としては、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が小さいノベック（３Ｍ製）などを用いることができる。

このように構成された冷却システム２によれば、冷却液が電子回路が搭載されたパッケージ１１の内部を通過することにより、柱状端子１３を介して電子部品１０を冷却するとともに冷却液を加熱する。加熱された冷却液は、放熱部８３ａ、放熱用フィン８３ｃ、ファン８３ｄを有する放熱部品８３により冷却された後、再度冷却液循環経路８１を経由して電子部品１０内の冷却液回路１９（図４参照）に導かれる。

本発明の第１の冷却システムの一実施形態を示す概略構成図である。 本発明の第１の冷却システムの一実施形態の断面図である。 本発明の第１の冷却システムの一実施形態の組立図である。 本発明の第１の冷却システムの一実施形態におけるスカート部内に形成された冷却液流路を示す断面図である。 本発明の第２の冷却システムの一実施形態を示す概略構成図である。 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

１，２ 冷却システム
１０ 電子部品
１１ パッケージ
１３ 柱状端子
１４ 周縁
１５ 流入口
１６ 流出口
１８ スカート部
１８ａ 導体膜
１９ 冷却液回路
１９ａ 冷却液ガイド
２０ プリント配線板
２１，２２ パッド
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. 電子回路が搭載されたパッケージの裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子と、該パッケージの周縁から下に延在するとともに前記複数の柱状端子全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口および流出口が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜が形成されてなるスカート部とを有する電子部品、および
   表面に、前記複数の柱状端子の各先端がそれぞれ接続される複数のパッドと、前記スカート部下端面の導体膜が一周に渡って接続され、接続された状態で該スカート部内側を前記流入口および流出口を除いて密封する帯状のパッドとを有するプリント配線板を備えたことを特徴とする冷却システム。
2. 電子回路が搭載されたパッケージの裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子と、該パッケージの周縁から下に延在するとともに前記複数の柱状端子全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口および流出口が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜が形成されてなるスカート部とを有する電子部品、
   表面に、前記複数の柱状端子の各先端がそれぞれ接続される複数のパッドと、前記スカート部下端面の導体膜が一周に渡って接続され、接続された状態で該スカート部内側を前記流入口および流出口を除いて密封する帯状のパッドとを有するプリント配線板、
   前記流入口および流出口と接続され冷却液を循環させる冷却液循環経路、
   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、および
   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を備えたことを特徴とする冷却システム。
3. 電子回路が搭載されたパッケージの裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子と、該パッケージの周縁から下に延在するとともに前記複数の柱状端子全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口および流出口が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜が形成されてなるスカート部とを有することを特徴とする電子部品。
4. 電子回路が搭載されたパッケージの裏面から下に向かって延在する信号入出力用の複数の柱状端子と、該パッケージの周縁から下に延在するとともに前記複数の柱状端子全体を取り巻いて一周に渡って延在し、流体の流入口および流出口が形成されてなるとともに下端面に一周に渡って導体膜が形成されてなるスカート部とを有する電子部品が搭載されるプリント配線板であって、
   表面に、前記複数の柱状端子の各先端がそれぞれ接続される複数のパッドと、前記スカート部下端面の導体膜が一周に渡って接続され、該スカート部内側を前記流入口および流出口を除いて密封する帯状のパッドとを有することを特徴とするプリント配線板。

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