JP3358378B2 - 発熱素子の冷却構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集積回路などの動作に
ともなう発熱を、放熱部材と冷却用媒体の送風手段との
組み合わせによって、放熱冷却させる発熱素子の冷却構
造に関する。

【０００２】電子計算機ならびにこれらの関連装置には
高密度な構成として高性能化が推進され、各種の情報処
理が高速度で行なわれるが、このような装置においてＣ
ＰＵの回路ボード、メモリ回路ボードなどは、高密度実
装による回路の発熱が増加傾向にあり、このための有効
かつ効果的な冷却手段として強制空冷方式採用される。
このようなことは、通信分野ならびにその他の分野にお
ける各種装置においても同様である。

【０００３】

【従来の技術】本発明が適用対象とされる従来の発熱素
子の冷却構造は、図１５の側断面図に示されるようであ
る。すなわち、多層のプリント配線板でなる回路基板１
上に、裏面に発熱素子２の搭載実装された基板３が多数
のリード端子４によって搭載実装され、この基板３上に
は放熱部材５が取り付けられている。

【０００４】回路基板１上には、基板３および放熱部材
５の周囲を取り囲むように、両端に開口する通風用の断
面矩形のダクト６が取り付けられるとともに、一方の開
口端には両開口の形が方矩形または円矩形である開口形
変換用の変換ダクト７を介して、送風手段である電動送
風機８が配置されている。

【０００５】電動送風機８により冷却用媒体であるとこ
ろの、外部空気が取り入れられて矢印Ａ方向へ送出さ
れ、この冷却用空気は矢印Ｂ方向へ変換ダクト７からダ
クト６内に流動されることにより、放熱部材５の表面に
接触し発熱素子２の発熱で高温度となる放熱部材５の熱
を奪いながら、ダクト６内を流動して他方の開口から矢
印Ｃ方向外部へ流出される。

【０００６】図示されるように、放熱部材５の長さに比
してダクト６の長さが長いのは、電動送風機８による冷
却用媒体である空気の送出気流が、放熱部材５に接する
までに可能なかぎり乱流を抑制した層流となり、放熱部
材５の熱を効果的に奪うように流れることと、放熱部材
５に接触した後においても層流となって円滑に排出され
るような配慮がなされていることにある。

【０００７】発熱素子２、基板３ならびに放熱部材５に
ついて図１６の外観図および、図１７の外観斜視図を参
照して説明する。図１６の図（ａ）は平面図、図（ｂ）
は正面図、である。

【０００８】基板３としての窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）基板面に接合形成されるポリイミド絶縁膜からなる
薄膜回路基板９上に、銅パターンによる回路が形成さ
れ、この回路上にベアチップのＬＳＩ１１が複数、アレ
イ状に設けられた半田バンプ１２で接続実装されてい
る。符号の１３は回路部品としての容量あるいは抵抗な
どである。また、符号の４は周囲に設けられた多数の入
出力用リード端子である。

【０００９】複数のＬＳＩ１１は一体的に合成樹脂など
で薄膜回路基板９面に対して被覆されて、外部の空気の
雰囲気に触れないように絶縁保護され、本実施例におい
ては、基板３ならびに放熱部材５を含んでマルチ・チッ
プ・モジュール（ＭＣＭ）に構成される。

【００１０】放熱部材５は図示されるように、基板３の
面に接して取り付けられる複数の基部１５と、基板３面
上を空間を介して覆う自由端部１６とを交互配置とな
し、基部１５と自由端部１６それぞれの両側が、冷却用
媒体の放熱体外面間流路１７，放熱体内面間流路１８を
構成する放熱体１９で一体に連結形成されてなるもので
ある。

【００１１】この放熱部材５は熱伝導率が良好で軽量、
かつ製造加工性ならびに形状寸法精度にすぐれるアルミ
ニウム（Ａｌ）合金の押し出し成型品を、適宜必要長さ
に切断することにより容易に得ることができ、表面を黒
化化成処理したものである。あるいは、ダイカスト鋳造
法によって個々に製作し得る。

【００１２】放熱部材５を基板３に取り付けるには材質
の相違によることから、熱伝導性と耐熱性が良好で、適
宜の弾性力を有するエポキシ樹脂系などの接着剤を適用
して接合一体化される。

【００１３】このような、正面視折り返し形状とする理
由は、ダクト６の内部に流動される冷却用媒体の気流
が、放熱部材５の端部から放熱体外面間流路１７，放熱
体内面間流路１８内に流入することで、放熱体表面から
熱を奪うのであるが、この際、狭幅な放熱体外面間流路
１７，放熱体内面間流路１８内の流体抵抗のために流速
が低下し、必要とする所要の流量が得られないものとな
る。

【００１４】基部１５と自由端部１６間の開口部分とで
形成される放熱体外面間流路１７間の気流は、放熱部材
５の入力端から流入し放熱体１９に接触しながら流動す
るにしたがって、流体抵抗を生じるのであるが、流体抵
抗の少ないダクト６上面との空間部内に逃げ出るように
なり、放熱部材５の出力端から流出される気流が少なく
なって冷却効率が低下することとなる。

【００１５】基板３と自由端部１６とで囲まれる放熱体
内面間流路１８内の気流は、終始入力端から出力端まで
放熱体１９面に接触しながら流動するのであるが、この
ために、かえって全長での流速ならびに絶対流量の低下
をきたすこととなるが、全長での冷却作用が得られるも
のである。

【００１６】ちなみに、放熱部材５の正面視幅は約５０
ｍｍ、高さは約２０ｍｍ、側面視長さは約７０ｍｍ、放
熱体の厚さは約１ｍｍ、放熱体間流路幅は約４ｍｍ、基
部１５の厚さは伝熱性を良好ならしめるために放熱体の
厚さよりも厚い。

【００１７】以上のようにして冷却されるのであるが、
基板３と放熱部材５との間には常温からの温度上昇にと
もなって、材質の相違による熱膨張率差で寸法変化を生
じることから、これによる基板３の変形を防止するため
に、放熱部材５を折り返し形状として連続した面接合を
避けるようにしているものでもある。

【００１８】以上のようにして熱変形による障害発生の
防止がなされるものであるが、放熱部材５の流路方向の
長手方向については同様の事態の生じるものとなる。こ
れを防止するためには全長にわたって、基部１５側に放
熱体外面間流路１７，放熱体内面間流路１８を横断する
ように適宜間隔でスリット（溝）を形成することで対応
し得る。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】図１６、図１７に示さ
れるような放熱部材５をそなえたＭＣＭを、図１５に示
されるように、ダクト６内に配置させて冷却させるよう
な構成が採用されるのであるが、装置の実装形態によっ
ては必ずしもこのように図１５の配置形態を採ることが
できない場合がある。たとえば、ダクト６の一方に電動
送風機８を配置させることができないといった事情の場
合もある。

【００２０】また、上述したように放熱体外面間流路１
７，放熱体内面間流路１８構成による冷却用媒体の不規
則な流通状態や、流体速度の遅速が生じることを、より
よく改善する要求などもある。

【００２１】そこで、図１に図（ａ）の平面図、図
（ｂ）の側断面図、で示されるようなダクト２１の上面
に放熱部材５に相当する大きさの開口２２を形成し、こ
の上部に図２の正面視断面図、ならびに図３の側断面
図、に示されるように、送風手段であるところの電動送
風機８を、両開口形状を円方形に変換させる変換ダクト
２３を介して配置させることが考えられる。

【００２２】このような配置構成とさせることで、ダク
ト２１の両端開口を冷却用媒体の流出口とすることがで
きる。すなわち、冷却用媒体であるところの気流を放熱
部材５の上面から矢印Ａに示されるように全面に吹き付
けることで、気流は放熱体外面間流路１７に添って矢印
Ｄ方向へ押し込まれるようにして、矢印ＥならびにＦ方
向の両側に分岐され、それぞれ同方向のＥ，Ｆ方向へ排
出されることから、従来のような不規則な流通状態がな
くなるものと考えられた。

【００２３】また、冷却用媒体はダクト２１の上部の中
央部から供給し、冷却後の排出はダクト２１の両端から
行なわせることから、ダクト２１両端部のいずれかに送
風手段の配置、ならびに冷却用媒体の取り入れ場所の確
保を要することもないこととなる。

【００２４】このような格別な構成手段とした冷却状態
がどのようなものかを、熱流体解析シミュレーション手
法によって分析確認を行なった結果は、ダクト２１の開
口２２、すなわち放熱部材５上部における冷却用媒体の
供給流速が１．５ｍ／ｓで、常温の場合において、放熱
部材５の放熱体内面間流路１８内の流速は０．００８ｍ
／ｓであり、発熱素子であるＬＳＩチップのジャンクシ
ョン温度（Ｔｊ）は５５．７°Ｃであることが判明し
た。なお、発熱素子２部の消費電力量は２０Ｗとしたも
のである。

【００２５】放熱体内面間流路１８内の冷却用媒体の空
気温度は５０°Ｃを越えている部分が多いが、流れがほ
とんどなく滞留状態であるために、この放熱体内面間流
路１８内では放熱体１９から冷却用媒体への熱伝導が行
なわれないことが判明した。

【００２６】図４を参照すると、図（ａ）の側断面図は
放熱部材５における放熱体外面間流路１７の部分であ
り、図（ｂ）はおなじく放熱体内面間流路１８の部分が
示される。図（ａ）に示されるように、冷却用媒体が変
換ダクト２３内を矢印Ａ方向から供給されて放熱部材５
の自由端部１６間から流入し、押し込まれるようにして
基部１５方向の矢印Ｄに到ることで流路が図示左右の両
矢印ＥおよびＦ方向に分岐偏向される。

【００２７】このようであるから、従来技術とは異な
り、基部１５と自由端部１６間の放熱体１９の全面に冷
却用媒体が接触して効果的に放熱体１９の熱を奪い、冷
却させることになる。

【００２８】図（ｂ）に示されるように、自由端部１６
上に供給される冷却用媒体は、この自由端部１６上面に
おいて流路が図示Ｄ方向からＥおよびＦの左右両方向に
分岐偏向されることとなり、放熱体外面間流路１７を流
動排出される冷却用媒体と合流して、そのままダクト２
１内をＥおよびＦの両方向に流動する。このようである
から、自由端部１６と基板３間の空間で構成される放熱
体内面間流路１８内を移動する冷却用媒体の存在はほと
んどない状態となり、両Ｅ，Ｆ方向の圧力差にもとづく
移動のみとなる。したがって、この空間内においては放
熱体１９面の積極的な冷却が行なわれない。

【００２９】以上のように、従来技術の問題点と改善要
求を達成しようとした改善技術に対する本発明の目的
は、このような構成技術において反面した新しい問題点
を解決する新規なる発熱素子の冷却構造を実現させるこ
とにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明手段の構成要旨とするところは、第１の構成手
段によると、発熱素子が取り付けられる基板と、上記基
板の面に接して取り付けられる複数の基部と上記基板面
上を空間を介して覆う自由端部とを交互配置となし該基
部ならびに自由端部それぞれの両側が冷却用媒体流路を
構成する放熱体で一体に連結形成されてなる放熱部材
と、上記放熱部材に対して上記基板の対向方向から冷却
用媒体を供給させる送風手段と、上記放熱部材の一方の
開口側に設けられ上記送風手段から供給される冷却用媒
体を折り返すための閉鎖空間と、を設けてなり、上記送
風手段から供給される冷却用媒体が上記放熱部材の自由
端部間と基部との間に形成される放熱体外面間流路に添
って両側に分岐流動され、上記閉鎖空間側に流出される
冷却用媒体が折り返され上記放熱部材の自由端部と基板
間で囲まれる放熱体内面間流路に添って流動される発熱
素子の冷却構造である。

【００３１】第２の構成手段によると、発熱素子が取り
付けられる基板と、上記基板の面に接して取り付けられ
る複数の基部と上記基板面上を空間を介して覆うととも
に一部に開口の形成された自由端部とを交互配置となし
該基部ならびに自由端部それぞれの両側が冷却用媒体流
路を構成する放熱体で一体に連結形成されてなる放熱部
材と、上記放熱部材に対して上記基板の対向方向から冷
却用媒体を供給させる送風手段と、を設けてなり、上記
送風手段から供給される冷却用媒体が上記放熱部材の自
由端部間と基部との間に形成される放熱体外面間流路に
添って両側に分岐流動される冷却用媒体と上記放熱部材
の自由端部に形成された開口から流入されて自由端部と
基板間に形成される放熱体内面間流路の両側に分岐流動
される冷却用媒体とになるようにさせる発熱素子の冷却
構造である。

【００３２】

【作用】上記本発明の第１の構成手段によれば、送風手
段から供給される冷却用媒体が放熱部材の自由端部間と
基部との間に形成される放熱体外面間流路に添って両側
に分岐流動され、閉鎖空間側に流出される冷却用媒体が
折り返され、放熱部材の自由端部と基板間で囲まれる放
熱体内面間流路に添って流動されるような構成としたこ
とにより、放熱部材の自由端部間と基部との間の放熱体
外面間流路で分岐された一方の冷却用媒体を、閉鎖空間
内に一旦蓄積させるようにして折り返すことで、放熱部
材の自由端部と基板間の囲まれた放熱体内面間流路に冷
却用媒体を流動させることができる。

【００３３】この折り返された冷却用媒体は、放熱部材
の自由端部間と基部との間で両側に分岐された他方の冷
却用媒体に合流されるから、重畳されて一層加速的に排
出される。閉鎖空間内に蓄積される冷却用媒体は圧力が
蓄勢されることから、自由端部と基板間の囲まれた放熱
体内面間流路への流入移動速度は高く放熱部材の冷却作
用は顕著に行なわれる。このようにして放熱部材の放熱
体の両面で効果的な冷却が行なわれるものである。

【００３４】おなじく、第２の構成手段によれば、送風
手段から供給される冷却用媒体が放熱部材の自由端部間
と基部との間に形成される放熱体外面間流路に添って両
側に分岐流動される冷却用媒体と、放熱部材の自由端部
に形成された開口から流入されて自由端部と基板間に形
成される放熱体内面間流路の流路側に分岐流動される冷
却用媒体とになるような構成としたことにより、送風手
段から供給される冷却用媒体は同時に放熱部材の表面側
と裏面側に流入供給される。

【００３５】流入される冷却用媒体は基板側に向けて押
し込まれるようであり、さらには両側に分岐されること
から、従来のような不規則な放熱体との接触状態はな
く、放熱部材の全長の半分の長さの接触となって冷却さ
せるので圧力損失、すなわち流路抵抗が少ない。放熱部
材の排出端では表面側と裏面側との冷却用媒体が同方向
に送出されるから、やはり重畳されて一層加速的に排出
移動される。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の発熱素子の冷却構造につい
て、好適実施例により図を参照して詳細に説明する。な
お、全図を通じて同一部分には同一符号を付して示すこ
ととする。

【００３７】図５は、本発明の第１実施例の側断面図が
示される。図において、多層のプリント配線板でなる回
路基板１上に、裏面に発熱素子２の搭載実装された基板
３が多数のリード端子４によって搭載実装され、この基
板３上には放熱部材５が取り付けられている。

【００３８】回路基板１上には、基板３および放熱部材
５の周囲を取り囲むように、断面矩形の通風用のダクト
３１が取り付けられている。このダクト３１の上面に放
熱部材５に相当する大きさの開口３２が形成されてお
り、、この上部に送風手段であるところの電動送風機８
を、両開口形状を円方形に変換させる変換ダクト２３を
介して配置させる。ダクト３１の一方端部は開口３３さ
れており、他方端部は閉鎖端部３４により閉鎖されてい
る。

【００３９】放熱部材５は、基本的に図１６ならびに図
１７により説明したものであり、本実施例においても同
様であることから、必要に応じて同図および同図に関連
する既述の説明を参照されたい。

【００４０】電動送風機８により冷却用媒体であるとこ
ろの、外部空気が取り入れられて矢印Ａ方向へ供給さ
せ、気流を放熱部材５の上面から全面に吹き付けること
で、気流は放熱体外面間流路１７に添って矢印Ｄ方向へ
押し込まれるようにして、矢印Ｅ方向ならびにＦ方向の
両側に分岐され、それぞれの方向へ流動される。

【００４１】矢印Ｆ方向へ分岐偏向される冷却用媒体
は、放熱部材５の基部１５、自由端部１６および、基部
１５と自由端部１６間を連結している放熱体１９の各面
と接触しながら、放熱体外面間流路１７を経てダクト３
１内を流動し開口３３から流出される。

【００４２】矢印Ｅ方向へ分岐偏向される冷却用媒体
は、放熱部材５の基部１５、自由端部１６および、基部
１５と自由端部１６間を連結している放熱体１９の各面
と接触しながら、放熱体外面間流路１７を経て閉鎖端部
３４方向のダクト２１内に流入されるが、閉鎖端部３４
に阻止されて矢印Ｅ側のダクト３１内、すなわち閉鎖空
間３５内に蓄積蓄勢される。

【００４３】このようにして蓄勢される冷却用媒体は基
板３と自由端部１６とで構成されるところの、放熱体内
面間流路１８内に閉鎖空間３５内から矢印Ｆ方向に向け
て流入し、基板３、自由端部１６内面および放熱体１９
内面に接触しながら、放熱体内面間流路１８を経てダク
ト３１内を流動し開口３３から流出される。

【００４４】つまり、閉鎖空間３５側に流入された冷却
用媒体は閉鎖空間３５によって、矢印Ｅ方向に流入され
た冷却用媒体が矢印Ｆ方向に折り返され、放熱体内面間
流路１８内に流入され、その内部から放熱部材５を再度
冷却しながら、放熱体外面間流路１７からＦ方向に流出
される冷却用媒体と合流して開口３３から流出されるこ
とになる。

【００４５】図示されるように、放熱部材５の長さに比
してダクト３１の長さが長いのは、閉鎖空間３５側にあ
っては、冷却用媒体が不連続状態を安定化させ十分な蓄
積圧力を蓄勢させるに効果的であり、開口３３側にあっ
ては合流を円滑に行なわせるとともに層流として排出さ
せるに益する。

【００４６】以上のことを、図６の側断面図を参照して
より具体的に説明する。図（ａ）は放熱部材５の放熱体
外面間流路１７の部分であり、図（ｂ）は放熱体内面間
流路１８の部分が示される。

【００４７】図（ａ）に示されるように、冷却用媒体が
変換ダクト２３内を矢印Ａ方向から供給されて放熱部材
５の自由端部１６間から流入し、押し込まれるようにし
て基部１５方向の矢印Ｄに到ることで、流路が図示左右
の矢印ＥおよびＦ方向に分岐偏向される。このようにし
て、基部１５と自由端部１６間の放熱体１９全面に冷却
用媒体が接触して効果的に放熱体１９などの熱を奪い、
冷却させる。

【００４８】図（ｂ）に示されるように、自由端部１６
上に供給される冷却用媒体は、この自由端部１６上面に
おいて流路が図示Ｄ方向からＥおよびＦの左右両方向に
分岐偏向されることとなり、放熱体外面間流路１７を流
動排出される冷却用媒体と合流して、そのままダクト３
１内をＥおよびＦの両方向に流動する。

【００４９】矢印Ｆ方向に流動される冷却用媒体は前述
したように、ダクト２１内をとおって開口３３から流出
されるが、矢印Ｅ方向に流動される冷却用媒体は同様
に、閉鎖空間３５内に蓄積蓄勢される。

【００５０】その結果、図（ｂ）に示されるように、閉
鎖空間３５内に流動蓄積される冷却用媒体は、基板３と
放熱部材５の自由端部１６間の放熱体内面間流路１８内
に流入して、この内部を矢印Ｆ方向として流動すること
になる。すなわち、放熱体外面間流路１７を矢印Ｅ方向
に流動する冷却用媒体は、閉鎖空間３５によって蓄勢さ
れるとともに、折り返されて放熱体内面間流路１８へ矢
印Ｆ方向として流入され、この内部を積極的に内面から
冷却させることになる。

【００５１】このような構成ならびに作用による冷却状
態がどのようなものかを、熱流体解析シミュレーション
手法によって分析確認を行なったところ、ダクト３１の
開口３２、すなわち放熱部材５の上部における冷却用媒
体の供給流速が１．５ｍ／ｓで、温度２３°Ｃの場合に
おいて、放熱部材５の中央位置の放熱体内面間流路１８
内空間の冷却用媒体の流速は４．６７ｍ／ｓと格段なも
のであり、温度は、ほぼ供給温度の２３°Ｃであって、
発熱素子であるＬＳＩチップのジャンクション温度（Ｔ
ｊ）は４７．５°Ｃ、であることが判明した。なお、発
熱素子２部の消費電力は既述技術と同様に２０Ｗとした
ものである。

【００５２】以上のようであって、本実施例によればダ
クト３１の一方を閉鎖空間３５とするのみで、発熱素子
であるところの、ＬＳＩチップのジャンクション温度を
本発明に到る改良技術に比して、約７〜８°Ｃ低減させ
ることができるものとなった。

【００５３】このように改善された作用にもとづくデー
タを図７に示す。図７によると、横軸に放熱部材５の上
部開口３２における冷却用媒体の供給流速を（フイン入
口風速 Ｖｉｎ ｍ／ｓで）示し、縦軸にＬＳＩチップ
のジャンクション温度を（チップジャンクション温度
Ｔｊ °Ｃで）示してある。

【００５４】図示データの曲線で太い実線に示されるの
が、図３のようにして改善をしようとした状態のもので
あり、データの曲線で点線に示されるのが、本実施例に
よって確認されたものである。すなわち、冷却用媒体の
供給流速を、１ｍ／ｓから５ｍ／ｓの範囲変化させる確
認データでは、いずれの箇所においても、ほぼ均一状態
に７〜８°Ｃも低減されることが、よく示されている。

【００５５】放熱体内面間流路１８内における冷却用媒
体の温度上昇が少ないのは、閉鎖空間３５内における冷
却用媒体の蓄勢圧力が正圧であり、放熱体外面間流路１
７を経て開口３３方向に流出される冷却用媒体の流動に
よって、合流効果とともに放熱体内面間流路１８内のＦ
方向への圧力が負圧傾向となることから、加速的な流速
が得られ冷却効率の増加推進にもかかわらず、温度上昇
がすくないものと推定される。

【００５６】図８は、本発明の第２実施例の側断面図が
示される。図において、多層のプリント配線板でなる回
路基板１上に、裏面に発熱素子２の搭載実装された基板
３が多数のリード端子４によって搭載実装され、この基
板３上には放熱部材５１が取り付けられている。

【００５７】回路基板１上には、基板３および放熱部材
５１の周囲を取り囲むように、断面矩形の通風用ダクト
２１が取り付けられている。このダクト２１の上面に放
熱部材５１に相当する大きさの開口２２が形成されてお
り、この上部に送風手段であるところの電動送風機８
を、両開口形状を円方形に変換させる変換ダクト２３を
介して配置させる。ダクト２１の両端部は開口させて冷
却用媒体の流出口に形成されている。

【００５８】放熱部材５１の自由端部１６側には、放熱
体外面間流路１７および放熱体内面間流路１８を横断す
る方向に欠如されており、これによって放熱体内面間流
路１８の部分に通じる開口５２が形成されている。

【００５９】発熱素子２、基板３ならびに放熱部材５１
について図９の外観図および図１０の外観斜視図を参照
して説明する。図９の図（ａ）は平面図、図（ｂ）は正
面図、である。

【００６０】基板３としての窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）基板面に接合形成されるポリイミド絶縁膜からなる
薄膜回路基板９上に銅パターンによる回路が形成され、
この回路上にベアチップのＬＳＩ１１が複数、アレイ状
に設けられた半田バンプ１２で接続実装されている。符
号の１３は回路部品としての容量あるいは抵抗などであ
る。また、符号の４は周囲に設けられた多数の入出力用
のリード端子である。

【００６１】複数のＬＳＩ１１は一体的に合成樹脂など
で薄膜回路基板９面に対して被覆されて、外部の空気の
雰囲気に触れないように絶縁保護され、本実施例におい
ては、基板３ならびに放熱部材５１を含んでマルチ・チ
ップ・モジュール（ＭＣＭ）に構成される。

【００６２】放熱部材５１は図示されるように、基板３
の面に接して取り付けられる複数の基部１５と、基板３
面上を空間を介して覆う自由端部１６とを交互配置とな
し、基部１５と自由端部１６それぞれの両側が冷却用媒
体流路１７，放熱体内面間流路１８を構成する放熱体１
９で一体に連結形成されてなるものである。

【００６３】放熱部材５１の上面である自由端部１６の
中央部分には、放熱体外面間流路１７，放熱体内面間流
路１８を横断する方向に所定幅Ｌａでもって開口され、
これによって放熱体内面間流路１８に対する開口５２が
形成されている。

【００６４】この放熱部材５１は熱伝導率が良好で軽
量、かつ製造加工性ならびに形状寸法精度にすぐれるア
ルミニウム（Ａｌ）合金の押し出し成型品を、適宜必要
長さに切断することにより容易に得ることができ、表面
を黒化化成処理したものである。あるいは、ダイカスト
鋳造法によって個々に製作し得る。

【００６５】放熱部材５１を基板３に取り付けるには材
質の相違によることから、熱伝導性と耐熱性が良好で、
適宜の弾性力を有するエポキシ樹脂系などの接着剤を適
用して接合一体化される。

【００６６】このような、正面視折り返し形状とする理
由は、ダクト２１の内部に流動される冷却用媒体が、放
熱部材５１の端部から放熱体外面間流路１７，放熱体内
面間流路１８内に流入することで、放熱体表面から熱を
奪うのであるが、基板３と放熱部材５との間には常温か
らの温度上昇にともなって、材質の相違による熱膨張率
差で寸法変化を生じることから、これによる基板３の変
形を防止するために、放熱部材５１を折り返し形状とし
て連続した面接合を避けるようにしているものである。

【００６７】以上のようにして熱変形による障害発生の
防止がなされるものであるが、放熱部材５１の流路方向
の長手方向については同様の事態の生じるものとなる。
これを防止するためには全長にわたって、基部１５側に
放熱体外面間流路１７，放熱体内面間流路１８を横断す
るように適宜間隔でスリット（溝）を形成することで対
応し得る。

【００６８】一例として、放熱部材５１の正面視幅は約
５０ｍｍ、高さは約２０ｍｍ、側面視長さは約７０ｍ
ｍ、放熱体の厚さは約１ｍｍ、放熱体間流路幅は約４ｍ
ｍ、基部１５の厚さは伝熱性を良好ならしめるために放
熱体の厚さよりも厚い。

【００６９】図８を参照して、電動送風機８により冷却
用媒体であるところの、外部の空気が取り入れられて矢
印Ａ方向へ供給されることで、気流を放熱部材５１の上
面から全面に吹き付けることで、一部の気流は放熱体外
面間流路１７に添って矢印Ｄ方向へ押し込まれるように
して、矢印Ｅ方向ならびにＦ方向の両側に分岐され、そ
れぞれの方向へ流動される。

【００７０】矢印ＥならびにＦ方向へ分岐される冷却用
媒体は、放熱部材５１の基部１５、自由端部１６およ
び、基部１５と自由端部１６間を連結している放熱体１
９の各面と接触しながら、放熱体外面間流路１７を経て
ダクト２１内を流動し両端の開口から流出される。

【００７１】一方、放熱部材５１の上面から全面に吹き
付けられる気流のうち、放熱部材５１の開口５２から内
部に入り込む気流は、放熱体内面間流路１８に添って矢
印Ｄへ押し込まれるようにして、矢印Ｅ方向ならびにＦ
方向の両側に分岐され、それぞれの方向へ流動される。

【００７２】矢印ＥならびにＦ方向へ分岐される冷却用
媒体は、基板３の上面、自由端部１６の下面および、放
熱体１９の内面、と接触しながら、放熱体内面間流路１
８を経てダクト２１内を流動し両端の開口から流出され
る。

【００７３】以上のことを、図１１の側断面図を参照し
てより具体的に説明する。図１１は放熱部材５１の放熱
体内面間流路１８の部分が示される。なお、放熱体外面
間流路１７の部分に流入される冷却用媒体については、
図８の説明で理解されようことから、ここでの詳細説明
は省略することにするが、放熱体外面間流路１７に流入
される冷却用媒体は放熱部材５１の開口５２間において
も行なわれることは、あえて説明するまでもなく当然の
ことである。

【００７４】図１１に示されるように、冷却用媒体が変
換ダクト２３内を矢印Ａ方向から供給されて放熱部材５
１の自由端部１６上に流入供給される冷却用媒体は矢印
Ｄに到ることで流路が図示左右の矢印ＥおよびＦ方向に
分岐偏向される。

【００７５】一方、放熱部材５１の開口５２から放熱体
内面間流路１８に流入する冷却用媒体は、矢印Ｄ方向に
押し込まれるようにして基板３上面に到ることで、流路
が矢印ＥおよびＦ方向に分岐偏向される。このようにし
て、基板３と自由端部１６の内面および放熱体内面間流
路１８内の放熱体１９全面に冷却用媒体が接触して、内
面からも効果的に熱を奪い冷却させる。

【００７６】以上のようにして、放熱部材５１の放熱体
内面間流路１８内をそれぞれＥならびにＦ方向に流動す
るする冷却用媒体は放熱体外面間流路１７内を流動し、
それぞれ放熱部材５１を通過した後に、ダクト２１内で
合流し両端の開口から外部に流出する。

【００７７】このような構成ならびに作用による冷却状
態がどのようなものかを、熱流体解析シミュレーション
手法によって分析確認を行なったところ、ダクト２１の
開口２２、すなわち放熱部材５１の上部における冷却用
媒体の流速が１．５ｍ／ｓで、冷却用媒体の温度が常温
の場合において、図１２に示されるようなデータが得ら
れた。なお、発熱素子２部の消費電力は既述技術と同様
に２０Ｗとしたものである。

【００７８】図１２によると、横軸に放熱部材５１の開
口幅Ｌａを変化させた場合の値を（フインＢｒｉｇｅ開
口幅 Ｌａ ｍｍで）示し、縦軸にＬＳＩチップのジャ
ンクション温度を（チップジャンクション温度 Ｔｊ
°Ｃで）示してある。

【００７９】さらには、図１２の詳細な値は下記のよう
である。 以上のようであって、本実施例によれば放熱部材５１の
中央部に開口５２を形成するのみで、発熱素子であると
ころの、ＬＳＩチップのジャンクション温度を、本発明
に到る改良技術に比して約７〜８°Ｃ低減させることが
できるものとなった。

【００８０】開口５２幅を大きくすると、開口５２から
放熱体内面間流路１８に流入される冷却用媒体の流量は
増加するが、流速はかえって減少することも判明した。
これは中央部分の冷却用媒体の流動が阻害されて円滑に
両方向に移動し得ないものと考えられる。したがって、
開口５２の幅が約１０ｍｍ（全長に対して約１４％）程
度以上確保されている限り、Ｔｊの温度に大きな変化は
ないものとなる。

【００８１】図１３は回路基板１上へ設けられるダクト
２１または３１の具体的構造の第１実施例の正面視断面
図が示される。図１３において、既述したと同様に、多
層のプリント配線板でなる回路基板１上に、裏面に発熱
素子２の搭載実装された基板３が多数のリード端子４に
よって半田付け５５されて搭載実装され、この回路基板
３上には放熱部材５または５１が取り付けられるのであ
るが、これにさきだってダクト基部６１が回路基板１上
にねじ６２で取り付け固定される。

【００８２】ダクト基部６１が回路基板１面と接触する
部分には、回路基板１上に回路パターンが形成されてい
る場合、この回路パターンと接触しないよう、必要に応
じて電気絶縁シートが介挿される。

【００８３】ダクト基部６１にはリード端子４の接触を
避けるよう、リード端子４の大きさよりも十分に大きな
孔６３が設けられている。また、ねじ６２によるねじ止
め用のかしめナット６４が回路基板１側の要所に取り付
けられている。

【００８４】ダクト基部６１はネジ６２によるねじ止め
箇所以外は図示されるように、回路基板１面と接触しな
いように折曲されて所要の間隔が隔てられている。とく
に、図示左右端部には回路基板１面との間にかしめナッ
ト６５が要所に取り付けられている。

【００８５】発熱素子２ならびに放熱部材５の取り付け
られた基板３を回路基板１上に取り付け実装させた後
に、カバーダクト６６がダクト基部６１を覆うようにし
て被せられ、図示左右端部の縁部６７の部分によってカ
バー基部６１とねじ６８で取り付け固定されるようにな
っている。

【００８６】これらのダクト基部６１ならびにカバーダ
クト６６は、薄板の金属板でなるものである。図１４は
回路基板１上へ設けられるダクト２１または３１の具体
的構造の第２の実施例の正面視断面図が示される。

【００８７】図１４において、既述したと同様に、多層
のプリント配線板でなる回路基板１上に、裏面に発熱素
子２の搭載実装された基板３が多数のリード端子４によ
って半田付け５５されて搭載実装され、この回路基板３
上に放熱部材５または５１が取り付けられるている。

【００８８】薄板の金属板でなる、ダクト７１は、回路
基板１上を覆うようにして取り付けられるのであるが、
図示左右の縁部７２の部分によってねじ６８で取り付け
固定される。回路基板１側にはねじ６８によるねじ止め
用のかしめナット６９が、回路基板１側の要所に取り付
けられている。

【００８９】以上のようなダクトを、図１３，図１４の
ように回路基板１上に取り付けることにより、断面係数
の大きなダクトによって回路基板１の補強ともなる。以
上、本発明の実施例を述べたが、これらの各実施例の構
成は本発明を好適とするものであって、それぞれの実施
例における構成要件は必ずしも必須のものではない。

【００９０】たとえば、送風手段としての電動送風機は
放熱部材の直上に配置させる要はなく、離間配置させる
ことであってもよく、複数の冷却を要する放熱部材上部
分に適宜離間さた箇所から分岐供給することでもよいも
のである。このようにすると、攪拌された乱流でなる平
滑された層流を均一に供給し得るものとなり、開口形変
換用ダクトを要しない。

【００９１】またダクトについても、放熱部材に適正に
冷却用媒体が供給し得る状態が満足され得るならば、必
要とするものでもなく、擬似的なダクト作用を奏するも
のであってもよい。

【００９２】冷却用媒体を折り返すための閉鎖空間もダ
クト部分で構成することなく、別体構成とすることも可
能であり、その形状構成についても実施例に限定される
ことなく目的、要望などに応じて任意に構成し得る。

【００９３】放熱部材面に供給される冷却用媒体の供給
口は、放熱部材全面に等しい大きさである要はなく、両
流路に冷却用媒体が流通し得るように設定させることが
可能なような大きさ、形状に設定し得ることも含まれ
る。

【００９４】そのほか、上下の関係は特定されるもので
はなく、実装の要望に応じて任意方向に配置し得るもの
であり、たとえば、冷却用媒体を上方向に向けて供給さ
せる場合や、斜め方向とするなど、がある。

【００９５】つまり、本発明の要件は、発熱素子が取り
付けられる基板の面に接して取り付けられる複数の基部
と、基板面上を空間を介して覆う自由端部とを交互配置
となし、上記基部ならびに自由端部それぞれの両側を冷
却用媒体流路を構成する放熱体で一体に連結形成される
放熱部材に対して、基板方向へ向けて衝突させるように
冷却用媒体を供給させ、それによって、放熱部材の放熱
体外面間流路ならびに、放熱体内面間流路の双方に冷却
用媒体を流通冷却させることにあるものである。

【００９６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の発
熱素子の冷却構造によれば、第１の構成手段では、放熱
部材の自由端部間と基部との間の放熱体外面間流路内に
押し込まれて分岐された一方の冷却用媒体を、閉鎖空間
内に一旦蓄積させるようにして折り返すことで、放熱部
材の自由端部と基板間に囲まれた放熱体内面間流路に冷
却用媒体を流動させることができるので、折り返された
冷却用媒体は、放熱部材の自由端部間と基部との間で両
側に分岐された他方の冷却用媒体に合流されるから、重
畳されて一層加速的に排出される。

【００９７】閉鎖空間内に蓄積される冷却用媒体は圧力
が蓄勢されることから、自由端部と基板間の囲まれた放
熱体内面間流路への流入移動速度は高くなる。このよう
にして、放熱部材の放熱体の両面で効果的にして顕著な
冷却が行なわれる。

【００９８】第２の構成手段では、送風手段から供給さ
れる冷却用媒体は、同時に放熱部材の表面側と裏面側に
流入供給されることとなる。流入される冷却用媒体は基
板側に押し込まれるようであり、両側に分岐されること
から、従来のような不規則な放熱体との接触状態ではな
いものとなる。冷却用媒体は放熱部材とは全長の半分の
長さにわたっての接触であるから、流路抵抗による圧力
損失がきわめて少ないものである。

【００９９】放熱部材の排出開口端部では表面側と裏面
側の冷却用媒体が同方向に送出されるので、重畳効果で
加速的に排出される。このようにして、放熱部材の放熱
体の両面で両方向に向けての冷却用媒体により、効果的
にして顕著な冷却が行なわれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術を改善しようとした発熱素子の冷却構
造（その１）

【図２】従来技術を改善しようとした発熱素子の冷却構
造（その２）

【図３】従来技術を改善しようとした発熱素子の冷却構
造（その３）

【図４】改善技術の問題点説明図

【図５】本発明第１実施例の側断面図

【図６】図５の要部拡大説明図

【図７】本発明第１実施例の効果説明図

【図８】本発明第２実施例の側断面図

【図９】本発明第２実施例のＭＣＭ外観図

【図１０】図９のＭＣＭの斜視図

【図１１】図８の要部拡大説明図

【図１２】本発明第２実施例の効果説明図

【図１３】本発明に適用されるダクトの第１実施例

【図１４】本発明に適用されるダクトの第２実施例

【図１５】従来の発熱素子の冷却構造

【図１６】ＭＣＭの外観図

【図１７】図１６のＭＣＭの斜視図

【符号の説明】

１ 回路基板 ２ 発熱素子 ３ 基板 ４ リード端子 ５ 放熱部材 ８ 電動送風機 ９ 薄板回路基板 １１ ＬＳＩ １２ 半田バンプ １５ 基部 １６ 自由端部 １７ 放熱体外面間流路 １８ 放熱体内面間流路 １９ 放熱体 ２１ ダクト ２２ 開口 ２３ 変換ダクト ３１ ダクト ３２，３３ 開口 ３４ 閉鎖端部 ３５ 閉鎖空間 ５１ 放熱部材 ５２ 開口 ５５ 半田付け ６１ ダクト基部 ６２ ねじ ６３ 孔 ６４，６５ かしめナット ６６ カバーダクト ６８ ねじ ６９ かしめナット ７１ ダクト ７２ 縁部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/367 H01L 23/467 H05K 7/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱素子が取り付けられる基板と、上記
   基板の面に接して取り付けられる複数の基部と上記基板
   面上を空間を介して覆う自由端部とを交互配置となし該
   基部ならびに自由端部それぞれの両側が冷却用媒体流路
   を構成する放熱体で一体に連結形成されてなる放熱部材
   と、上記放熱部材に対して上記基板の対向方向から冷却
   用媒体を供給させる送風手段と、上記放熱部材の一方の
   開口側に設けられ上記送風手段から供給される冷却用媒
   体を折り返すための閉鎖空間と、を設けてなり、 上記送風手段から供給される冷却用媒体が上記放熱部材
   の自由端部間と基部との間に形成される放熱体外面間流
   路に添って両側に分岐流動され、上記閉鎖空間側に流出
   される冷却用媒体が折り返され上記放熱部材の自由端部
   と基板間で囲まれる放熱体内面間流路に添って流動され
   ることを特徴とする発熱素子の冷却構造。
2. 【請求項２】 発熱素子が取り付けられる基板と、上記
   基板の面に接して取り付けられる複数の基部と上記基板
   面上を空間を介して覆うとともに一部に開口の形成され
   た自由端部とを交互配置となし該基部ならびに自由端部
   それぞれの両側が冷却用媒体流路を構成する放熱体で一
   体に連結形成されてなる放熱部材と、上記放熱部材に対
   して上記基板の対向方向から冷却用媒体を供給させる送
   風手段と、を設けてなり、 上記送風手段から供給される冷却用媒体が上記放熱部材
   の自由端部間と基部との間に形成される放熱体外面間流
   路に添って両側に分岐流動される冷却用媒体と上記放熱
   部材の自由端部に形成された開口から流入されて自由端
   部と基板間に形成される放熱体内面間流路の両側に分岐
   流動される冷却用媒体とになるようにさせることを特徴
   とする発熱素子の冷却構造。