JP2009230505A

JP2009230505A - 基板ユニットおよび電子機器

Info

Publication number: JP2009230505A
Application number: JP2008075622A
Authority: JP
Inventors: Ketsu Gi; 杰魏; Keizo Takemura; 敬三竹村
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2009-10-08
Also published as: US20090237883A1; US7933125B2

Abstract

【課題】空気中への熱の放出を回避しつつ効率的に発熱部品を冷却することができる基板ユニットおよび電子機器を提供する。
【解決手段】第１伝熱板５１ａの内向き面には発熱部品４５が受け止められる。発熱部品４５の熱は第１伝熱板５１ａに受け渡される。第１伝熱板５１ａの外向き面には断熱材５３が重ね合わせられることから、第１伝熱板５１ａの外向き面から空気中に熱の放出は回避される。その結果、熱は第１伝熱板５１ａから第２伝熱板５４に伝達される。第２伝熱板５４は放熱面で受熱器２７を受け止める。熱は第２伝熱板５４から受熱器２７に受け渡される。受熱器２７内に冷媒の流通路が確立されることから、熱は冷媒に受け渡される。こうして発熱部品４５は効率的に冷却される。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば発熱部品を備える基板ユニットに関する。

例えばサーバコンピュータにはシステムボードユニットが組み込まれる。システムボードユニットはシステムボードを備える。システムボード上には複数のＬＳＩパッケージおよび複数のメモリボードが実装される。各メモリボードはシステムボード上に直立姿勢で配置される。メモリボード同士の間に気流の流通路が区画される。システムボードの表面に沿って流通する気流の働きでメモリボードから熱は奪われる。熱を帯びた気流はサーバコンピュータの外部空間に放出される。こうしてメモリボードは冷却される。
特開昭６０−１５９９５号公報特開昭５７−１５４４９号公報特許第２７７６９８１号公報

メモリボードの冷却にあたって、サーバコンピュータの設置環境の空調設備が利用される。空調設備は低温の気流に基づき設置環境の温度を低下させる。こうした低温の気流に基づきメモリボードから熱は奪われる。しかしながら、メモリボードの総発熱量は例えばＬＳＩパッケージの総発熱量の２倍程度に至る。したがって、メモリボードの冷却にあたって空調設備では膨大な量の電力が消費されてしまう。こうした電力量の抑制と効率的な冷却とを実現する術が模索される。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、空気中への熱の放出を回避しつつ効率的に発熱部品を冷却することができる基板ユニットおよび電子機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、基板ユニットは、基板と、前記基板の表面に実装される発熱部品と、内向き面で前記基板の表面に向き合わせられて、内向き面で前記発熱部品に受け止められる第１伝熱板と、前記第１伝熱板の外向き面に重ね合わせられて、熱の伝達を遮断する断熱材と、前記第１伝熱板に連続しつつ放熱面を規定する第２伝熱板と、前記第２伝熱板の放熱面に受け止められて、冷媒の流通路を区画する受熱器とを備えることを特徴とする。

こうした基板ユニットでは、第１伝熱板の内向き面には発熱部品が受け止められる。発熱部品の熱は第１伝熱板に受け渡される。第１伝熱板の外向き面には断熱材が重ね合わせられることから、第１伝熱板の外向き面から空気中に熱の放出は回避される。その結果、熱は第１伝熱板から第２伝熱板に伝達される。第２伝熱板は放熱面で受熱器を受け止める。熱は第２伝熱板から受熱器に受け渡される。受熱器内に冷媒の流通路が確立されることから、熱は冷媒に受け渡される。こうして発熱部品は効率的に冷却される。なお、発熱部品には例えばメモリチップが含まれる。

こういった基板ユニットでは、前記発熱部材および前記第１伝熱板の間には熱伝導材が挟み込まれる。同様に、前記第２伝熱板および前記受熱器の間には熱伝導材が挟み込まれる。こうした熱伝導材の働きで発熱部品から第１伝熱板、および、第２伝熱板から受熱器に熱は効率的に伝達される。

基板ユニットは、前記基板の裏面に実装される発熱部品と、内向き面で前記基板の裏面に向き合わせられて内向き面で前記発熱部品に受け止められ、前記前記第２伝熱板に連続する第３伝熱板と、前記第３伝熱板の外向き面に重ね合わせられて、熱の伝達を遮断する断熱材とをさらに備えてもよい。このとき、前記基板の裏面の前記発熱部材および前記第３伝熱板の間には熱伝導材が挟み込まれればよい。以上のような基板ユニットは例えば電子機器に組み込まれる。

基板ユニットは、相互に並列に広がる複数の基板と、各前記基板の表面に実装される複数の発熱部品と、内向き面で各前記基板の表面に向き合わせられて、内向き面で各前記発熱部品に受け止められる複数の第１伝熱板と、各前記第１伝熱板の外向き面に重ね合わせられて、熱の伝達を遮断する複数の断熱材と、各前記第１伝熱板に連続しつつ放熱面を規定する複数の第２伝熱板と、すべての前記第２伝熱板の放熱面に受け止められて、冷媒の流通路を区画する受熱器とを備えることを特徴とする。こうして相互に並列に複数の基板が配列されてもよい。こうした基板ユニットでは前述と同様の作用効果が実現される。こうした基板ユニットは例えば電子機器に組み込まれる。

以上のような基板ユニットおよび電子機器は、空気中への熱の放出を回避しつつ効率的に発熱部品を冷却することができる。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明に係る電子機器の一具体例すなわちサーバコンピュータ１１の外観を概略的に示す。このサーバコンピュータ１１は外部筐体１２を備える。外部筐体１２の正面には正面扉１３が配置される。外部筐体１２の背面には背面扉１４が配置される。正面扉１３および背面扉１４の開閉に基づき外部筐体１２の正面や背面は開放される。外部筐体１２の側面には例えば化粧カバー１５が取り付けられる。外部筐体１２は例えば４本の支持脚１６で支持される。支持脚１６に基づき外部筐体１２の底面は床面から所定の高さに配置される。

図２に示されるように、外部筐体１２の下段には複数台のシステムボードユニット１７が搭載される。システムボードユニット１７はハウジング１８を備える。ハウジング１８の内部空間には後述のシステムボードが組み込まれる。システムボードは、床面に直交する垂直方向に直立する。こうしたシステムボードユニット１７は外部筐体１２の正面のスロットから差し込まれる。外部筐体１２内にはバックパネルが収容される。システムボードユニット１７がスロットから差し込まれると、システムボードユニット１７の後端に配置されるコネクタはバックパネルに接続される。

外部筐体１２の中段や上段には入出力ユニットやファンユニット、電源ユニットといった各種のユニット１９が搭載される。ファンユニットは例えば軸流ファンの回転に基づき外部筐体１２内で気流を生成することができる。気流は、例えば外部筐体１２の底面から上面に向かって垂直方向に流通する。外部筐体１２の底面から外気が導入される。こうした気流は例えばシステムボードユニット１７から熱を奪う。電源ユニットには電源ケーブルに基づき例えば商用コンセントが接続される。電源ユニットはシステムボードユニット１７に電力を供給する。

図３はシステムボードユニット１７の構造を概略的に示す斜視図である。このシステムボードユニット１７ではハウジング１８は例えば直方体の内部空間を区画する。ハウジング１８は例えばステンレス鋼板といった金属板から形成される。ハウジング１８の正面側の側板には把手２１が取り付けられる。管理者は、把手２１を把持してシステムボードユニット１７をサーバコンピュータ１１から引き出すことができる。システムボードユニット１７が外部筐体１２のスロットから差し込まれると、ハウジング１８は鉛直方向に直立姿勢を確立する。

直立姿勢のハウジング１８の底面には吸気口２２が形成される。吸気口２２から気流が導入される。直立姿勢のハウジング１８では吸気口２２は床面に向き合わせられる。同様に、ハウジング１８の上面には排気口２３が形成される。排気口２３から気流が排出される。こうして吸気口２２から排気口２３に向かって気流の流通路が確立される。ハウジング１８の一方の側面は開放される。システムボードユニット１７はこの側面で、隣接するシステムボードユニット１７のハウジング１８の底板に向き合わせられる。底板との間には所定の間隔が規定される。

ハウジング１８の内部空間にはプリント基板ユニット２４が収容される。プリント基板ユニット２４はシステムボード２５を備える。システムボード２５はハウジング１８の底板に固定される。システムボード２５の表面には複数のＬＳＩ（大規模集積回路）パッケージ（図示されず）が実装される。ＬＳＩパッケージでは例えば小型のセラミック基板上にＣＰＵ（中央演算処理装置）チップが実装される。ＣＰＵチップは、例えばメモリに一時的に格納されるアプリケーションソフトウェアやデータに基づき様々な演算処理を実行する。

ＬＳＩパッケージ上にはヒートシンク２６が受け止められる。ヒートシンク２６は、平板状の本体すなわち受熱部と、この受熱部から垂直方向に立ち上がる複数枚のフィンとが形成される。隣接するフィン同士の間には同一方向に延びる通気路が区画される。通気路は吸気口２２から排気口２３に向かって延びる。その他、ＬＳＩパッケージの外側でシステムボード２５の表面にはＤＣ−ＤＣコンバータやメモリボードといった複数の電子回路素子が実装される。こうした電子回路素子上には例えば箱形の受熱器２７が受け止められる。

受熱器２７は例えばアルミニウムといった熱伝導性の金属材料から形成される。後述のように、電子回路素子の熱は受熱器２７に受け渡される。その結果、受熱器２７は電子回路素子の熱を奪う。受熱器２７の内部空間には冷媒の流通路が確立される。冷媒には例えばプロピレングリコール系の不凍液が用いられればよい。電子回路素子の熱は冷媒に受け渡される。受熱器２７には冷媒の導入口および冷媒の排出口を区画する１対のニップル２８が一体化される。各ニップル２８には弾性チューブ２９の一端が接続される。弾性チューブ２９は例えばゴムといった可撓性の弾性樹脂材料から形成される。

図４に示されるように、サーバコンピュータ１１は各受熱器２７に個別に接続される液冷ユニット３１を備える。液冷ユニット３１では、受熱器２７から一巡する冷媒の循環経路が確立される。液冷ユニット３１は、サーバコンピュータ１１の設置室とは別室に配置されるチラー３２を備える。チラー３２は受熱器２７の下流で熱交換器２７に接続される熱交換器３３を備える。熱交換器３３は例えばファン（図示されず）の気流に曝される。冷媒の熱は気流に受け渡される。熱交換器３３は冷媒から熱を奪う。その結果、熱交換器３３の熱は別室で大気中に放出される。

循環経路にはタンク３４が組み込まれる。タンク３４は熱交換器３３の下流で熱交換器３３に接続される。タンク３４は循環経路内で冷媒を貯蔵する。循環経路にはポンプ３５が組み込まれる。ポンプ３５はタンク３４の下流でタンク３４に接続される。ポンプ３５の下流には受熱器２７が接続される。ポンプ３５には例えば圧電式のポンプが用いられる。こうしたポンプの働きでタンク３４からポンプ３５に冷媒が供給される。同様に、ポンプ３５から受熱器２７に向かって冷媒が吐き出される。こうしてポンプ３５は循環経路で冷媒を循環させる。

図５に示されるように、システムボード２５にはその表面から垂直方向に立ち上がる複数のコネクタ４１が所定の間隔で相互に並列に実装される。各コネクタ４１にはメモリボード４２が差し込まれる。コネクタ４１はいわゆるカードエッジコネクタを構成する。メモリボード４２はいわゆるＤＩＭＭ（Dual Inline Memory Module）を構成する。コネクタ４１の働きで各メモリボード４２はシステムボード２５に電気的に接続される。メモリボード４２はシステムボード２５に対して垂直姿勢に保持される。

図６を併せて参照し、各メモリボード４２には伝熱部材４３が装着される。各伝熱部材４３上に前述の受熱器２７が受け止められる。伝熱部材４３は例えば銅やアルミニウムといった熱伝導性の金属材料から形成される。各メモリボード４２はプリント基板４４を備える。プリント基板４４の表面および裏面にはメモリチップ４５といった発熱部品が実装される。各メモリチップ４５はコネクタ４１の働きで例えば前述のＬＳＩパッケージに電気的に接続される。こうしてメモリボード４２はメインメモリとして機能する。

図７に示されるように、隣接する伝熱部材４３同士は所定の間隔で相互に向き合わせられる。各伝熱部材４３は板状の第１伝熱板５１ａ、５１ｂを備える。第１伝熱板５１ａはプリント基板４４の表面に内向き面で向き合わせられる。同様に、第１伝熱板５１ｂはプリント基板４４の裏面に内向き面で向き合わせられる。第１伝熱板５１ａは内向き面でプリント基板４４の表面のメモリチップ４５上に受け止められる。同様に、第１伝熱板５１ｂは内向き面でプリント基板４４の裏面のメモリチップ４５上に受け止められる。第１伝熱板５１ａ、５１ｂは、システムボード２５の表面に直交する仮想平面に沿って広がる。第１伝熱板５１ａ、５１ｂは相互に平行に広がる。

第１伝熱板５１ａ、５１ｂの内向き面およびメモリチップ４５の間には例えばシート状の熱伝導材５２がそれぞれ挟み込まれる。熱伝導材５２は少なくともメモリチップ４５の表面の全面に接触すればよい。ここでは、熱伝導材５２はメモリチップ４５の表面よりも大きく広がる。こうした熱伝導材５２の働きでメモリチップ４５から第１伝熱板５１ａ、５１ｂに熱が効率的に受け渡される。その結果、第１伝熱板５１ａ、５１ｂはメモリチップ４５から熱を奪う。熱伝導材５２には例えばサーマルシートが用いられる。熱伝導材５２は例えば０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の厚みを有する。

その一方で、第１伝熱板５１ａ、５１ｂの外向き面にはそれぞれ例えばシート状の断熱材５３が貼り付けられる。断熱材５３は熱の伝達を遮断する。断熱材５３は第１伝熱板５１ａ、５１ｂの外向き面の全面に貼り付けられればよい。貼り付けにあたって例えば接着剤が用いられる。断熱材５３には例えばゴムや樹脂といった材料が用いられる。断熱材５３は例えば０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の厚みを有する。断熱材５３の働きで第１伝熱板５１ａ、５１ｂの外向き面からハウジング１８の内部空間に向かって伝熱部材４３の熱の放出は防止される。

伝熱部材４３は、第１伝熱板５１ａの上端および第１伝熱板５１ｂの上端同士を相互に接続する第２伝熱板５４を備える。第２伝熱板５４は例えば一体成型に基づき第１伝熱板５１ａ、５１ｂに連続する。第２伝熱板５４は例えばシステムボード２５の表面に平行に広がる。第２伝熱板５４は内向き面でプリント基板４４の上端に受け止められればよい。ここでは、各メモリボード４２に装着される各伝熱部材４３の間で第２伝熱板５４の外向き面すなわち放熱面の高さは等しく設定される。各第２伝熱板５４の放熱面は１仮想平面に沿って広がる。

各第２伝熱板５４の放熱面には前述の受熱器２７の底面が受け止められる。各第２伝熱板５４の上面および受熱器２７の底面の間には共通に１つの熱伝導材５５が挟み込まれる。熱伝導材５５は前述の熱伝導材５２と同様の構成を有する。こうした熱伝導材５２の働きで第２伝熱板５４の熱は受熱器２７の効率的に受け渡される。受熱器２７は例えば４本のねじ４６に基づきシステムボード２５に固定されればよい。ねじ４６は例えば受熱器２７の四隅に配置されればよい。受熱器２７の内部空間には冷媒の流通路が形成される。ここでは、メモリボード４２、伝熱部材４３および受熱器２７は本発明に係る基板ユニットを構成する。

こうしたサーバコンピュータ１１ではシステムボードユニット１７の稼働中、例えばファンユニットの駆動に基づき外部筐体１２の底面から外気が導入される。システムボードユニット１７では吸気口２２から排気口２３に向かって気流が流通する。稼働時のＣＰＵチップは発熱する。ＣＰＵチップの熱はヒートシンク２６に伝達される。気流の流通に基づきヒートシンク２６から熱は奪われる。熱を帯びた気流は排気口２３から排出される。その後、熱を帯びた気流は外部筐体１２の外部空間へ放出される。こうしてＬＳＩパッケージは冷却される。

その一方で、外部筐体１２の外側に配置されるチラー３２の働きで液冷ユニット３１の循環経路で冷媒の流れが作り出される。受熱器２７内の流通路には冷媒が流通する。稼働時のメモリチップ４５は発熱する。メモリチップ４５の熱は熱伝導材５２を介して第１伝熱板５１ａ、５１ｂに受け渡される。第１伝熱板５１ａ、５１ｂの外向き面には断熱材５３が貼り付けられることから、第１伝熱板５１ａ、５１ｂからハウジング１８の内部空間に熱の放出は回避される。その結果、メモリチップ４５の熱は第１伝熱板５１ａ、５１ｂから第２伝熱板５４に伝達される。

熱伝導材５５の働きで熱は各第２伝熱板５４から受熱器２７に受け渡される。受熱器２７の熱は流通路内の冷媒に受け渡される。こうしてメモリチップ４５は冷却される。冷媒は受熱器２７からチラー３２の熱交換器３３に流入する。熱交換器３３で熱は別室で大気中に放出される。冷媒は冷却される。冷媒はタンク３４に流れる。その後、タンク３４からポンプ３５に冷媒は流入する。ポンプ３５の働きで受熱器２７に向かって冷媒が吐き出される。こうして循環経路で冷媒の循環が繰り返される。メモリチップ４５は効率的に冷却される。

以上のようなシステムボードユニット１７では、メモリチップ４５の熱は第１伝熱板５１ａ、５１ｂに受け渡される。第１伝熱板５１ａ、５１ｂの外向き面には断熱材５３が貼り付けられることから、第１伝熱板５１ａ、５１ｂの外向き面からハウジング１８の内部空間に熱の放出は回避される。その結果、ハウジング１８内で吸気口２２から排気口２３に向かって流通する気流は例えばＬＳＩパッケージから効率的に熱を奪うことができる。その一方で、熱は第１伝熱板５１ａ、５１ｂから第２伝熱板５４を介して受熱器２７に受け渡される。こうしてメモリチップ４５は効率的に冷却される。

本発明に係る電子機器の一具体例すなわちサーバコンピュータの外観を概略的に示す斜視図である。本発明に係る電子機器の一具体例すなわちサーバコンピュータの外観を概略的に示す斜視図である。システムボードユニットの構造を概略的に示す斜視図である。液冷ユニットの構成を概略的に示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る基板ユニットの構造を概略的に示す部分拡大斜視図である。本発明の一実施形態に係る基板ユニットの構造を概略的に示す部分拡大分解斜視図である。図５の７−７線に沿った断面図である。

符号の説明

１１電子機器（サーバコンピュータ）、２７受熱器、４４基板（プリント基板）、４５発熱部品・メモリチップ、５１ａ第１伝熱板、５１ｂ第３伝熱板（第１伝熱板）、５２熱伝導材、５３断熱材、５４第２伝熱板、５５熱伝導材。

Claims

基板と、
前記基板の表面に実装される発熱部品と、
内向き面で前記基板の表面に向き合わせられて、内向き面で前記発熱部品に受け止められる第１伝熱板と、
前記第１伝熱板の外向き面に重ね合わせられて、熱の伝達を遮断する断熱材と、
前記第１伝熱板に連続しつつ放熱面を規定する第２伝熱板と、
前記第２伝熱板の放熱面に受け止められて、冷媒の流通路を区画する受熱器とを備えることを特徴とする基板ユニット。
請求項１に記載の基板ユニットにおいて、前記発熱部材および前記第１伝熱板の間には熱伝導材が挟み込まれることを特徴とする基板ユニット。
請求項１または２に記載の基板ユニットにおいて、前記第２伝熱板および前記受熱器の間には熱伝導材が挟み込まれることを特徴とする基板ユニット。
請求項１に記載の基板ユニットにおいて、
前記基板の裏面に実装される発熱部品と、
内向き面で前記基板の裏面に向き合わせられて内向き面で前記発熱部品に受け止められ、前記前記第２伝熱板に連続する第３伝熱板と、
前記第３伝熱板の外向き面に重ね合わせられて、熱の伝達を遮断する断熱材とをさらに備えることを特徴とする基板ユニット。
請求項４に記載の基板ユニットにおいて、前記基板の裏面の前記発熱部材および前記第３伝熱板の間には熱伝導材が挟み込まれることを特徴とする基板ユニット。
請求項１〜５のいずれかに記載の基板ユニットにおいて、前記発熱部品はメモリチップであることを特徴とする基板ユニット。
基板と、前記基板の表面に実装される発熱部品と、内向き面で前記基板の表面に向き合わせられて、内向き面で前記発熱部品に受け止められる第１伝熱板と、前記第１伝熱板の外向き面に重ね合わせられて、熱の伝達を遮断する断熱材と、前記第１伝熱板に連続しつつ放熱面を規定する第２伝熱板と、前記第２伝熱板の放熱面に受け止められて、冷媒の流通路を区画する受熱器とを備えることを特徴とする電子機器。
相互に並列に広がる複数の基板と、
各前記基板の表面に実装される複数の発熱部品と、
内向き面で各前記基板の表面に向き合わせられて、内向き面で各前記発熱部品に受け止められる複数の第１伝熱板と、
各前記第１伝熱板の外向き面に重ね合わせられて、熱の伝達を遮断する複数の断熱材と、
各前記第１伝熱板に連続しつつ放熱面を規定する複数の第２伝熱板と、
すべての前記第２伝熱板の放熱面に受け止められて、冷媒の流通路を区画する受熱器とを備えることを特徴とする基板ユニット。
相互に並列に広がる複数の基板と、各前記基板の表面に実装される複数の発熱部品と、内向き面で各前記基板の表面に向き合わせられて、内向き面で各前記発熱部品に受け止められる複数の第１伝熱板と、各前記第１伝熱板の外向き面に重ね合わせられて、熱の伝達を遮断する複数の断熱材と、各前記第１伝熱板に連続しつつ放熱面を規定する複数の第２伝熱板と、すべての前記第２伝熱板の放熱面に受け止められて、冷媒の流通路を区画する受熱器とを備えることを特徴とする電子機器。