JP4089098B2 - プリント基板の冷却構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の電子デバイスを実装したプリント基板の冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板に実装される集積回路の高密度化に伴い、集積回路の発熱量も増加している。したがって、集積回路を強制的に冷却する必要がある。
ここで、従来の集積回路の冷却構造の一例を図５及び図６に示す。
図５は、プリント基板冷却装置の分解斜視図であり、プリント基板の冷却装置は、電子デバイス３１、円柱状熱伝導体３２、スペーサ３３、コイルばね３４、冷却ブロック３５、冷却パイプ３６、ねじ３７から構成されている。
電子デバイス３１のパッケージ部上面３１ａには、熱伝導性コンパウンド３９ａが塗布され、冷却ブロック３５に設けられた円柱状熱伝導体３２用の挿入穴３５ａの円柱状熱伝導体３２との接触面にも熱伝導性コンパウンド３９ｂが塗布されている。また、冷却ブロック３５は、スペーサ３３を介して、プリント基板３８に固定されている。
冷却ブロック３５の上面２カ所にねじ穴３５ｂが設けられている。２本のねじ３７でコイルばね３４の両端が冷却ブロック３５に取り付けられる。コイルばね３４の引張力により、円柱状熱伝導体３２の底面は、熱伝導性コンパウンド３９ａを介して、電子デバイス３１のパッケージ部上面３１ａに熱的接続する。
図６は、冷却装置の実装状態を示す図である。プリント基板３８は、コネクタ４１、ガイドレール４２、固定ブロック４３、開閉型カプラ４４、引抜きプレート４５で構成される。冷媒４０が流れる冷却パイプ３６は、プリント基板３８縁部の引抜きプレート４５に取り付けられた固定ブロック４３に取り付けられている。
冷却パイプ３６に冷媒４０を流すことにより、冷却パイプ３６の周囲の冷却ブロック３５が冷やされ、円柱状熱伝導体３２を介して電子デバイス３１及びプリント基板３８を冷却する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、多数の電子デバイス３１の実装高さにはばらつきがあるため、均一に冷却するには、円柱状熱伝導体３２の底面と電子デバイス３１のパッケージ部上面３１ａとの間に、高さを吸収する熱伝導性ゲルやばね等の接触子が必要となる。しかしながら、電子デバイス３１の発熱密度が高くなるにつれ、熱伝導性ゲルやばね等の接触子では熱抵抗が大きいので、発生温度のばらつきを小さくすることが困難となる。
また、電子デバイスを実装後のプリント基板３８に不良の電子デバイスが発生した場合、電子デバイスを個々に検査または交換する必要がある。電子デバイス３１を検査または交換する場合に、水冷部品（冷却ブロック３５）が電子デバイス３１の上面をおおっているため、検査が困難であったり、交換するために水冷部品を全て取り外す必要があった。このため、検査や交換および再組立に多大な工数がかかっていた。
また、従来の冷却構造は実装高さが大きく、重い冷却ブロック３５を必要とするものであった。
【０００４】
本発明の目的は、プリント基板上に実装される電子部品の高さに追従して確実に冷却できる冷却構造を提供することである。さらに、薄型で軽量であり、実装電子部品の検査およびメンテナンスが容易である冷却構造を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決すべく請求項１記載の発明は、例えば図１に示すように、電子部品（例えば、電子デバイス７）を実装したプリント基板（６）上に、冷媒通路（例えば、冷却パイプ１）を有する冷却部材を熱的接続し、電子部品上に熱伝導部材を熱的接続するとともに、冷却部材に形成された挿入穴に熱伝導部材（４）を挿入して熱的接続し、プリント基板及び電子部品を冷却する構造であって、
複数の電子部品の個々にそれぞれ対応する熱伝導部材が設けられ、
冷却部材は、プリント基板上に固定され、冷媒通路を有する枠状の冷却プレート（２）と、
前記冷却プレート上に固定され、挿入穴（９）を有する熱伝導プレート（３）と、
で構成されることを特徴としている。
【０００６】
ここで、熱伝導部材の断面は電子部品よりも大きいものとする。また、熱伝導部材は、冷却部材に形成された挿入穴内を上下に摺動できるものとする。
【０００７】
以上のように、請求項１記載の発明によれば、プリント基板上の冷却部材の挿入穴に挿入する熱伝導部材として、電子部品の個々にそれぞれ対応する熱伝導部材を設けたことにより、各電子部品の高さに合う位置に熱伝導部材を配置することができるので、電子部品と熱伝導部材との間に接触子を介在させる必要がなく、各電子部品を均一に冷却することが可能である。
また、請求項１記載の発明によれば、冷却部材を冷却プレートと熱伝導プレートから構成することにより、プリント基板の冷却構造を薄く、軽量なものにすることができる。また、冷却プレートは枠状であるので、熱伝導プレートを取り外すだけで電子部品の取り替え作業を行うことが可能である。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のプリント基板の冷却構造であって、例えば図２に示すように、冷却部材に対し熱伝導部材を電子部品上に押圧付勢するばね部材（例えば、板ばね５）が設けられるとともに、
冷却部材がプリント基板上に熱伝導性弾性部材（例えば熱伝導性ゲル８）を介装して取り付けられてなること、
を特徴としている。
【０００９】
ここで、ばね部材による押圧力は１ｋｇ以下の低荷重とする。また、熱伝導性弾性部材としては、熱伝導性に優れたゲルやばね等が挙げられる。
【００１０】
このように、請求項２記載の発明によれば、ばね部材で熱伝導部材を電子部品上に押圧付勢することにより、熱伝導部材を電子部品の高さに追従させることができ、常に熱伝導部材と電子部品とを熱的接続させることができる。また、ばね部材の押圧力を低荷重とすれば、電子部品へかかるストレスも最小限に抑えることができる。
また、冷却部材をプリント基板上に熱伝導性弾性部材を介して取り付けたことにより、冷却部材とプリント基板も常に熱的接続させることができる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載のプリント基板の冷却構造であって、例えば図２に示すように、冷媒通路を形成する冷却パイプ（１）を冷却プレートに結合するとともに、
冷却パイプとプリント基板間に熱伝導性弾性部材が介装されてなることを特徴としている。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載のプリント基板の冷却構造であって、熱伝導部材は、円筒状で、表面にフッ素樹脂コーティングまたはポリイミドテープによる電気的絶縁層を有することを特徴としている。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項１記載のプリント基板の冷却構造であって、例えば図２に示すように、熱伝導部材と電子部品及び冷却部材との間に熱伝導性コンパウンド（１１）が充填されてなること、
を特徴としている。
【００１６】
このように、請求項５記載の発明によれば、熱伝導部材と電子部品及び冷却部材との間に熱伝導性コンパウンドを充填することにより、熱伝導性を確保した状態で熱伝導部材を上下に可動可能となり、かつ、安定して熱抵抗を低く保つことが可能となる。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項１記載のプリント基板の冷却構造であって、例えば図３に示すように、熱伝導部材は、一部を切り欠いた切欠部（１０）を有する円柱状であることを特徴としている。
【００１８】
このように、請求項６記載の発明によれば、熱伝導部材を円柱状とし、一部に切欠部を設けたことにより、熱伝導部材を回動させることによって、切欠部の位置を変えることができ、この切欠部を通して、電子部品を直接見ることができる。また、この切欠部からプローブ等を入れて電子部品の検査をすることもできる。従って、プリント基板の冷却構造を取り付けた実動作状態での電子部品の検査が可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るプリント基板の冷却構造の実施の形態例を図１から図４に基づいて説明する。
先ず、図１はプリント基板の冷却構造を示す、分解斜視図であり、図２はプリント基板の冷却構造の断面図である。
プリント基板の冷却構造は冷却パイプ１、冷却プレート２、熱伝導プレート３、熱伝導部材４、板ばね５から概略構成されている。
冷却パイプ１は、プリント基板６上に実装された複数の電子デバイス７の周囲にコの字型に配置され、冷却パイプ１とプリント基板６との間には、熱伝導性ゲル８を挟み込んでいる。
また、冷却パイプ１は、冷却プレート２にカシメ接合しており、冷却プレート２とプリント基板６とで、冷却パイプ１を挟んでいる。
【００２０】
冷却プレート２は４つの支柱１３でプリント基板６上に固定されており、冷却プレート２とプリント基板６とが当接する部分には熱伝導性ゲル８が挟み込まれている。
冷却プレート２は枠状であり、冷却プレート２に上方からはめ込むように、熱伝導プレート３が固定されている。冷却プレート２と熱伝導プレート３との接合部には、熱伝導性コンパウンド１１を充填している。
【００２１】
熱伝導プレート３は、プリント基板６上に実装された電子デバイス７の直上に、円形の貫通した挿入穴９を有している。挿入穴９には、一部に切欠部１０を有した円筒状の熱伝導部材４が挿入されている（図３参照）。ここで、熱伝導部材４の断面は、電子デバイス７より大きいものとする。
挿入穴９と熱伝導部材４との間の隙間には、熱伝導性コンパウンド１１が充填されており、熱伝導部材４は挿入穴９内で、上下に摺動可能であり、かつ、左右に回動可能となっている。ここで、挿入穴９と熱伝導部材４との間の隙間を例えば５０μｍ前後とすると、安定した低熱抵抗を実現できる。
【００２２】
熱伝導プレートの上面には、挿入穴９付近に板ばね５が設置されており、板ばね５の押圧力により、熱伝導部材４が電子デバイス７に押圧付勢される。
熱伝導部材４は、表面にフッ素樹脂コーティングまたはポリイミドテープ等による電気的絶縁層が施されており、電子デバイス７側の面には熱伝導性コンパウンド１１が施されている。この絶縁層による熱抵抗はほぼ無視することができ、絶縁性能は直流５００Vで１０００MΩを確保できる。
【００２３】
次に、上記プリント基板の冷却構造を用いた、プリント基板の冷却方法を説明する。
プリント基板６上に実装された複数の電子デバイス７のそれぞれに、熱伝導部材４が１つずつ対応するように、プリント基板の冷却構造を複数設置する（図４参照）。前記冷却構造はプリント基板の両面に設置してもよい。このとき、冷却パイプ１は一本で複数の冷却プレート２にカシメ接合しているものとする。
プリント基板の冷却構造は、プリント基板６上に設置されると、板ばね５の押圧力により、熱伝導部材４が押し下げられ、対応する電子デバイス７に当接する。
冷却パイプ１内に冷媒を循環させると、冷媒の熱はパイプからプリント基板６と冷却プレート２に伝わり、冷却プレート２に伝わった熱は、プリント基板６を冷却すると同時に、熱伝導プレート３に伝わる。さらに、熱は熱伝導プレート３から、板ばね５によって、電子デバイス７に当接している熱伝導部材４に伝わることで、複数の電子デバイス７を冷却する。
【００２４】
電子デバイス７を検査する場合は、図４に示すように、検査する電子デバイス７に対応している熱伝導部材４を回動させ、電子デバイス７の検査すべき位置に熱伝導部材４の切欠部１０を移動させる。切欠部１０から、プローブ１２等を挿入し、検査する。
また、一部の電子デバイス７を取り替える場合は、熱伝導プレート３を冷却プレート２から取り外し、電子デバイス７を交換する。
【００２５】
このように、上記実施の形態のプリント基板の冷却構造によれば、各電子デバイス７に対応する熱伝導部材４を設け、板ばね５で、熱伝導部材４を各電子デバイス７に押圧付勢することにより、高さの異なる電子デバイス７にも各熱伝導部材４を追従させることができ、ばねやゲルなどの接触子用いる必要が無いので、各電子デバイス７を均一に冷却することができる。（例えば、大きさが１４ｍｍ×１４ｍｍで、消費電力１０Ｗの電子デバイスに、本プリント基板の冷却構造を適用した場合、各電子デバイスごとの温度のばらつきを５℃以内に抑えることができた。）
また、板ばね５の押圧力を低荷重とすることで、電子デバイス７にかかるストレスも最小限に抑えることができ、電気的断線が生じにくい。板ばね５による押圧力も調整し易い。
枠状の冷却プレート２と熱伝導プレート３とを用いたことにより、ブロック状の冷却部材を用いる場合に比べ、薄く、軽量なプリント基板の冷却構造を実現でき、プリント基板の３次元実装や、高密度実装化などが可能となる。（例えば、本プリント基板の冷却構造の高さは１２ｍｍ程度に抑えることができるので、プリント基板の両面に電子デバイスを実装し、プリント基板の冷却構造を設置しても約３０ｍｍピッチでプリント基板を実装することができる。）
また、熱伝導部材４は切欠部１０を有しているため、プリント基板の冷却構造を取り外すこと無く検査できる。電子デバイス７を交換する場合は、冷却プレート２が枠状であるので、熱伝導プレート３を取り外すだけで取り替え作業が容易となる。
プリント基板６と冷却パイプ１及び冷却プレート２との間に熱伝導性ゲル８を介在させたことにより、プリント基板６自体も常に冷却することができる。また、各部品間に熱伝導性コンパウンド１１を充填したことにより、熱抵抗を安定して低く保つことができ、冷却効率を向上できる。
【００２６】
なお、以上の実施の形態例においては、１つの熱伝導プレートに、３つの熱伝導部材を設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、適用するプリント基板及び電子デバイスの数に合せて、適宜設定しても良い。また、板ばねも１つで３つの熱伝導部材を抑えるようにしたが、１つずつ抑えるようにしても良いし、さらに複数の熱伝導部材を１つで抑えるようにしても良く、熱伝導部材を確実に押圧付勢できれば、板ばねの構造も任意である。
また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明に係るプリント基板の冷却構造によれば、プリント基板上の冷却部材の挿入穴に挿入する熱伝導部材を、各電子部品ごとに設けたことにより、各電子部品の高さに合せて、対応する熱伝導部材の設置位置を変えることが可能である。したがって電子部品の高さに係らず、熱伝導部材で直接電子部品を冷却することが可能であり、各電子部品を均一に冷却することができる。
また、請求項１記載の発明に係るプリント基板の冷却構造によれば、枠状の冷却プレートと熱伝導プレートから冷却部材を構成したことにより、プリント基板の冷却構造の軽量化を図ることができると同時に、プリント基板の冷却構造の厚さも薄くすることが可能である。また、熱伝導プレートのみを取り外し、冷却プレートを取り付けたままで電子部品の取り替え作業を行うことができる。
【００２８】
請求項２記載の発明に係るプリント基板の冷却構造によれば、ばね部材の押圧力により熱伝導部材を電子部品の高さに追従させることができるので、電子部品の高さにかかわらず、熱伝導部材と電子部品との熱的接続を常に保つことができる。
また、冷却部材とプリント基板との間に熱伝導性弾性部材を設けたことにより、プリント基板も冷却部材に常に熱的接続させることができ、プリント基板を効率よく冷却することができる。
【００３０】
請求項５記載の発明に係るプリント基板の冷却構造によれば、熱伝導性コンパウンドを、熱伝導部材と電子部品及び冷却部材との間に充填することにより、熱抵抗を低く保つことができ、効率よく電子部品を冷却することができる。また、熱伝導部材が上下に移動する際も熱伝導性を確保することができる。
【００３１】
請求項６記載の発明に係るプリント基板の冷却構造によれば、熱伝導部材に切欠部を設けたことにより熱伝導部材を取り付けた状態で電子部品の一部を見ることができる。さらに、熱伝導部材を円柱状としたことにより、熱伝導部材が挿入穴内で回動可能となるので、熱伝導部材を回動させることによって、電子部品の必要な部分を見ることができる。また、プローブ等をこの切欠部に挿入し、電子部品の検査を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した一例としてのプリント基板の冷却構造を示す分解斜視図である。
【図２】図１におけるプリント基板の冷却構造を組み立てた場合の断面図である。
【図３】電子デバイスを検査する場合の電子デバイスと熱伝導部材の状態を示す、熱伝導プレート部分の概略上面図である。
【図４】図１におけるプリント基板の冷却構造を、プリント基板上に設置した状態を示す斜視図である。
【図５】従来のプリント基板の冷却構造を示す分解斜視図である。
【図６】図５における従来のプリント基板の冷却構造を、プリント基板上に設置した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 冷却パイプ
２ 冷却プレート
３ 熱伝導プレート
４ 熱伝導部材
５ 板ばね
６ プリント基板
７ 電子デバイス
８ 熱伝導性ゲル
９ 挿入穴
１０切欠部
１１熱伝導性コンパウンド
１２プローブ
１３支柱

Claims (6)

1. 電子部品を実装したプリント基板上に、冷媒通路を有する冷却部材を熱的接続し、電子部品上に熱伝導部材を熱的接続するとともに、冷却部材に形成された挿入穴に熱伝導部材を挿入して熱的接続し、プリント基板及び電子部品を冷却する構造であって、
   複数の電子部品の個々にそれぞれ対応する前記熱伝導部材が設けられ、
   前記冷却部材は、前記プリント基板上に固定され、前記冷媒通路を有する枠状の冷却プレートと、前記冷却プレート上に固定され、前記挿入穴を有する熱伝導プレートと、で構成されること、
   を特徴とするプリント基板の冷却構造。
2. 前記冷却部材に対し前記熱伝導部材を電子部品上に押圧付勢するばね部材が設けられるとともに、
   前記冷却部材が前記プリント基板上に熱伝導性弾性部材を介装して取り付けられてなること、
   を特徴とする請求項１記載のプリント基板の冷却構造。
3. 前記冷媒通路を形成する冷却パイプが前記冷却プレートに結合するとともに、
   前記冷却パイプと前記プリント基板間に熱伝導性弾性部材が介装されてなること、
   を特徴とする請求項１記載のプリント基板の冷却構造。
4. 前記熱伝導部材は、円筒状で、表面にフッ素樹脂コーティングまたはポリイミドテープによる電気的絶縁層を有すること、
   を特徴とする請求項１記載のプリント基板の冷却構造。
5. 前記熱伝導部材と前記電子部品及び前記冷却部材との間に熱伝導性コンパウンドが充填されてなること、
   を特徴とする請求項１記載のプリント基板の冷却構造。
6. 前記熱伝導部材は、一部を切り欠いた切欠部を有する円柱状であること、
   を特徴とする請求項１記載のプリント基板の冷却構造。

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