JP5094045B2 - 冷却機能を有する電子回路装置とその製造方法 - Google Patents

冷却機能を有する電子回路装置とその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電子部品から発生する熱を基板、熱媒体流路を介して外気に放出させることができる冷却機能を有する電子回路装置とその製造方法に関する。さらに詳しくは、基板本体、冷却フィン、熱媒体流路などが一体に設けられた冷却機能を有する電子回路装置とその製造方法に関する。
一般に、ICチップ等の熱を発生する電子部品においては、この電子部品を冷却するために従来からそれなりの対策が種々施されている。最近は、高速化、大容量化等に伴い、発熱量の大きい電子部品も多くなっている。発熱量が大きくなると、電子部品の高速性や安定性の特性に影響を及ぼす。近年の電子部品は、CPU(中央処理装置)に代表されるように集積密度が高くなり発熱量が大きくなっている。このために特に熱を発生する源である電子部品の上面にこの電子部品を冷却するための冷却プレート等を配置すること、あるいは、板状の放熱基板の下面側に複数の放熱フィンを備えて半導体素子を冷却させることなどが行われている。又、基板の側面にファンを設け、電子部品に強制的に冷気を流し電子部品を放熱させるもの等が従来から行われている。
このような従来の種々の方法に対し、更に改善し特許出願された技術としては、ヒートシンク基板を設け放熱特性を改善した技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。又、異なる高さのICに対応し、ペルチェ素子の吸熱体を用いて発熱体を冷却する技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。
更に、発熱体である電子素子等の上面に対し、内部中空孔に冷却水を流通させた冷却装置を設け、この冷却装置にフレキシブルリードを介してICチップ等をこの冷却装置にフレキシブルに押し付けて固定するようにして冷却する技術が知られている(例えば、特許文献3参照)。又、ヒートシンクをコネクターに固定して冷却する技術も知られている(例えば、特許文献4参照)。更に、複数のフィンを突出するように形成された回路装置の発熱体である素子を囲むように壁部を設け、他の電子部品配置空間に熱い空気が対流するのを防止して電子部品の温度上昇を低減するようにした技術が知られている(例えば、特許文献5参照)。
このように、電子部品を冷却、放熱させる技術は、従来から種々なされているが、大半は熱を直接発生する電子部品に対してなされている。この電子部品は、基板の片面(表面と称する)に集中して複数個配置されており、これら電子部品の放熱量も個々に異なっている。又、形状もまちまちであり、配置も一様ではなく、基板上の高さも電子部品によって異なってくる。このため冷却効果を高めるために、電子部品に合わせる形態となり、現状は冷却のための装置が極めて複雑になっている。
従って、電子部品を直接冷却する装置は、前述のとおり構成が複雑な上、スペースを多く要し、又、例えばヒートシンク等の占める体積割合も大きくなっている。又、冷却装置も専用的なものになり、さらにICチップの配置に制約を受け、ICチップ間の信号配線距離も長くなるなどの不具合も生じている。他方、基板の電子部品の反対側の面(裏側と称する)においては、電子部品の取り付けられていない面であることから、従来から積極的に冷却するための対策が施されることは少なく、冷気を送風する程度のものであった。
電子回路装置を冷却することを考慮すると、熱は分散していくので、全体的に冷却を施し電子回路装置全体を効率よく冷却することが必要となる。従って、熱のこもる基板の裏面も冷却し、電子部品の熱を吸熱し放熱するようにすれば、一層効率よく電子回路装置全体を冷却することが可能となる。又、この冷却装置そのものを熱伝導の高いものにすれば、特に大容量の熱容量をもつICチップ等の吸熱には効果的である。
このような従来の種々の方法に対し、更に改善するために特許出願された技術の一つとして、ヒートパイプを利用したものがある。その例として、ヒートパイプを内蔵した放熱板を積層するチップの間に設置し、放熱板がチップの一面と接し、チップからの熱を放熱板に伝導させるとともに横方向に伝播し、放熱板の端部から放散する冷却器付半導体集積回路装置に関するものが知られている(例えば、特許文献6参照)。また、回路基板自身が冷却機能を有するように、ヒートパイプの一面に絶縁層、回路パターンを備えたヒートパイプ回路基板に関するものも知られている(例えば、特許文献7参照)。
さらに、大容量のパワー半導体デバイスに適用するものとして、金属基板に伝熱媒体が充填される空間を形成し、電子部品の熱を移動させる金属基板に関するものも知られている(例えば、特許文献8参照)。
特開2001−053212号公報 特開平08−306832号公報 特開平06−69398号公報 特開2001−251074号公報 特開2005−252175号公報 特開2001−168255号公報 特開2003−329379号公報 特開2002−289995号公報
しかしながら、特許文献6の技術は、基板に複数の電子部品が設けられている場合、チップと放熱板が確実に接触しない恐れが大きく、熱の伝達が効率よく行われない恐れがあった。また、ヒートパイプを平板と溝付き板で構成するもので、熱伝導性接着剤または「はんだ溶着」により接合することが必要なものであり製造が容易でなく、熱による影響、接合強度の問題、信頼性低下の問題等が発生するおそれがあるという問題点があった。
また、特許文献7の技術は、基板自体がヒートパイプであり、特許文献6が抱える熱の伝達に関する問題は発生しない。しかしながら、この技術の基板も、一方の板材に凹部を設けた2枚の板材を、摩擦攪拌接合法によって接合したものであり、特許文献6と接合法は異なるが接合強度の問題、信頼性などに関して、同様な問題点を有する恐れがあった。また、簡素な工程で製造されるものでないため、基板がコスト高になり、経済性がよくない。
さらに、特許文献8の技術は、押出成形された金属絶縁基板の金属基板に絶縁層、配線パターンを設けたものであり、金属基体は、平行な方向に伸びる互いに独立な複数の長孔から構成されている空間を有している。すなわち、空間を密閉するためには封止部材などが必要であった。また、熱媒体流路を塑性加工等で所望の形状に容易に製作することができないという問題点があった。さらに、電子部品から放熱は、金属基体のみから行うものであり効率がよくないおそれがあった。
言い換えると、基板本体に冷却フィン、熱媒体流路等を一体に低コストで設けられるようにしたものはなく、開発が要望されていた。
一方、金属基板を冷却する熱媒体として、フロン等が地球温暖化、オゾン層破壊、地球環境破壊などのため使用することができず、水を利用することが多くなってきている。しかしながら、水を利用すると、金属基板に形成された熱媒体流路等がつまってしまうおそれがあるという問題点が生じた。そのため、冷却機能を備えた電子回路装置において、水を熱媒体として利用してもつまりなどを発生しにくい金属製の基板本体の開発が要望されてきた。前述した技術は、この問題を解決するためのものでなかった。
本発明は、このような従来の技術の問題点を解決するために開発されたものであり、次の目的を達成する。
本発明の目的は、基板本体、冷却フィン、熱媒体流路等を一体に形成し、構成の簡素化、低コスト化を図った冷却機能を有する電子回路装置とその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、電子部品が実装された基板本体から離れた位置に冷却部を設けることにより、電子部品の冷却効果を向上させた冷却機能を有する電子回路装置を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、押出成形された素材を機械加工することで、基板本体、冷却フィン、熱媒体流路等を一体に形成することができる冷却機能を有する電子回路装置とその製造方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、基板本体に形成された熱媒体流路の熱媒体に水を採用することができる冷却機能を有する電子回路装置とその製造方法を提供することにある。
本発明は前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明1の冷却機能を有する電子回路装置は、
電子部品が実装配置される電子回路部と、前記電子回路部から発生する熱を吸熱するためその一面に前記電子回路部が載置される金属製の基板本体と、前記熱を熱媒体により前記基板本体の外部側へ移動させるため前記基板本体内に形成された熱媒体流路である第1流路と、前記第1流路と連通し、前記電子回路部の発熱を、熱媒体により前記基板本体の外部へ移動させるために前記基板本体外に形成された熱媒体流路である第2流路と、前記基板本体と所定量離隔した位置に、前記第2流路と連通する第3流路が形成され前記基板本体と一体に設けられた冷却部とからなり、前記第1流路、前記第2流路、前記第3流路及び冷却部は、前記基板本体と同一素材で押出成形により一体に形成され更に機械加工のみにより前記基板本体、前記第1流路、前記第2流路、前記第3流路及び冷却部とが一体に形成されていることを特徴とする。
本発明の冷却機能を有する電子回路装置は、本発明1において、
前記金属製の基板本体は、アルミニウム合金製の基板本体であることを特徴とする。
本発明の冷却機能を有する電子回路装置は、本発明において、
前記基板本体は、外気に前記熱を放出するための冷却フィンが一体に形成されているものであることを特徴とする。
本発明の冷却機能を有する電子回路装置は、本発明1において、
前記第1流路、前記第2流路と前記第3流路で構成される熱媒体流路は、両端が封止され、前記熱媒体が封入されているものであることを特徴とする。
本発明の冷却機能を有する電子回路装置は、本発明1において、
前記冷却体には、前記熱媒体を冷却する熱交換装置が配置されていることを特徴とする。
本発明の冷却機能を有する電子回路装置は、本発明において、
前記熱交換装置は、ペルチェ効果により前記熱媒体を冷却するペルチェ素子であることを特徴とする。
本発明の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法は、
電子部品が実装配置される電子回路部と、前記電子回路部から発生する熱を吸熱するためその一面に前記電子回路部を載置する金属製の基板本体と、前記熱を熱媒体により前記基板本体の外部側へ移動させるため前記基板本体内に形成された熱媒体流路である第1流路と、前記第1流路と連通し、前記電子回路部の発熱を、熱媒体により前記基板本体の外部へ移動させるために前記基板本体外に形成された熱媒体流路である第2流路と、前記基板本体と所定量離隔した位置に、前記第2流路と連通する第3流路が形成され前記基板本体と一体に設けられた冷却部とからなる冷却機能を有する電子回路装置の製造方法であって、前記電子回路部を載置する金属製の基板本体、前記電子部品から発生する熱を熱媒体を介して移動可能な流路、及び前記冷却部が押出成形方向に延在するように金属材料を押出成形により成形素材を形成する工程と、前記成形素材の一部を切除することにより、電子回路部を介して前記電子部品が実装配置される基板本体、この基板本体内に形成された熱媒体流路である第1流路、及び、この第1流路と連通するとともに前記基板本体外に形成された熱媒体流路である第2流路、更に、前記基板本体と所定量離隔した位置に設けられ、前記第2流路と連通する第3流路が一体に形成された冷却部が一体にかつ同一素材で形成された基板用加工部材に機械加工する工程とからなることを特徴とする。
本発明の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法は、本発明において、
前記金属材料は、アルミニウム合金であることを特徴とする。
本発明の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法は、本発明において、
前記成形素材を形成する工程は、同時に外気に前記熱を放出するための冷却フィンが一体に設けられる工程であることを特徴とする。
本発明10の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法は、本発明において、
前記機械加工は、切断加工、せん断加工、切削加工のいずれかの加工であることを特徴とする。
本発明11の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法は、本発明において、
前記機械加工する工程の後に、前記第1流路と前記第流路で構成される熱媒体流路は、前記熱媒体が注入された後、両端を封止する工程を有していることを特徴とする。
本発明12の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法は、本発明において、
前記第2流路を形成した後、前記第2流路を形成する管体を所定の方向に曲げる塑性加工を行う工程を有していることを特徴とする。
本発明は、以上のことから次のような効果を奏することとなった。
本発明の冷却機能を有する電子回路装置は、基板本体、冷却フィン、熱媒体流路が一体に設けられ、この基板本体に電子部品が直接実装されるため、電子部品を効率よく冷却することができる。また、電子回路装置は、構成が簡素で、コンパクトである。熱媒体流路は押出成形で一体に形成されたものであり、流路を製作するための部材を接合する作業などが不要で、接合部等から熱媒体の漏洩等が生じることがなく信頼性を向上を図ることができた。さらに、大量生産のし易い構成で、低コストの冷却機能を有する電子回路装置とすることができた。
また、本発明の電子回路装置の製造方法は、押出成形されたアルミニウム合金である成形素材の一部を、機械加工で切除することで、基板本体と、基板本体外に形成された熱媒体流路を製作することが可能であり、大量生産がしやすくなり、低コスト化を図ることができた。さらに、押出成形された成形素材は、基板本体、冷却フィン、熱媒体流路等が形成される部位が一体に形成されたものであり、成形素材に機械加工を行うことで基板本体、冷却フィン、熱媒体流路等を製造することが可能であり、この面でも低コスト化を図ることができる。
また、電子部品が実装された基板本体より離れた位置に冷却部(冷却体)を設けたものは、電子部品の熱を電子部品から離れた位置で外気に放出し電子回路装置の冷却効率を向上させることができる。さらに、熱媒体流路の第2流路(第1管体)は、塑性加工可能なものであり、実装部の形状に合わせて、いろいろな形状に曲げることができるため、電子回路装置の実装を容易にすることができる。また、冷却部(冷却体)に熱交換装置を設けることでさらに冷却効率を向上させることができる。言い換えると、電子回路装置全体のコンパクト化が図れる。
さらに、基板本体のパイプ挿入用穴に金属製のパイプを挿入し、基板本体と金属製のパイプとを密着させたものは、熱媒体にフロン等を使用しないで、水、純水等熱媒体を使用することができ、環境破壊を生じさせることなく地球環境に優しい電子回路装置を提供することができる。また、金属製のパイプを内側から加圧して拡径させ固着させているため、基板基体のパイプ挿入用穴と金属製のパイプ外周面とが確実に密着し、熱伝導率を低下させることがない。
以下、本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
〔実施の形態1〕
図1は、本発明の電子回路装置の実施の形態1を示す部分断面図である。電子部品1はいわゆるICチップであり、基板2上の片側の面(以下、表面と称す)に実装されている。電子部品の基板2は、後述する基板本体である冷却装置7に絶縁性の基体3が設けられたもので構成されている。絶縁性の基体3には絶縁体4の層が施されている。又、絶縁性の基体3には回路配線6が配置されており、基体3は絶縁体でもある。なお、電子部品はLED(発光ダイオード)、CPU(中央処理装置)、LSIなどであってもよい。
電子部品1は絶縁体4上に設けられ、電子部品1からリード線5が回路配線6側に張り出し接続されている。リード線5と回路配線6の接続は、一般にハンダ付で行われる。一方、基板2は、電子部品1の取り付けられている表面に対し反対側の面(以下、裏面と称す)に本発明の主要部をなす基板本体である冷却装置7が設けられている。この冷却装置7は熱伝導率のよい金属製であることが好適である。
本実施の形態1においては、アルミニウム合金であり、基板2は成形された冷却部材8を骨子としている。この基板2は板状の部分が基板部になっていて、基板2全体を支持する構成になっている。この基板本体である冷却装置7は、熱伝導特性が良いものであれば、銅合金、マグネシウム合金等であってもよい。アルミニウム合金の場合は押出成形で成形されるが、ダイキャストによって形成されてもよい。銅合金の場合は、溶接等接着構成で形成される。この冷却部材8は板状の形状を有し、平坦部に基板2の絶縁性の基体3が、密着固定されている。すなわち、基板2自体が冷却機能を備え、発熱する電子部品1が直接冷却され冷却効率の向上が図られている。
冷却部材8は、電子部品1等を支持する板状部材である。従来基板の材質としてガラエボ樹脂のものが多く採用されていたが、本実施の形態1においてはアルミニウム合金を使用しており、従来のガラエボ樹脂に替わるものと考えてよい。本実施の形態1においては、理解を容易にするため電子部品1を直接取り付ける方を絶縁性の基体3とし、この絶縁性の基体3を支持する基板本体を冷却部材7とした。すなわち、絶縁性の基体3と冷却部材(基板本体)7が一体になったものを電子部品の基板2と称している。
冷却部材8は、冷却用の熱媒体を流通できるように流路9が設けられた構成となっている。この流路9は、板状の冷却部材8の一部が張り出すように一体に配置されている。この流路9は、冷却部材8を貫通する中空孔であり、これが流路体10として形成されていて、この流路9は丸穴で冷却部材8を貫通して密封状態で循環密封回路を構成している。図2は、冷却機能を有する電子回路装置の外観図である。冷却部材8に設けられる端部11は、流路体10の端部に張り出し、他の接続体、例えばパイプ材(管体)12が接続可能な構成になっている。この端部11は流路体10と異なる部材、例えばパイプ材を接着した構成となっている。熱媒体はこの端部11から注入され封印し流路体10内に密封される。なお、パイプ材は、所定の形状に、曲げ加工(例えば、ベンディング加工)等で変形可能なものであってもよい。
装置の冷却はこのパイプ材12を介して熱媒体を流路9に流通させることにより行われる。熱媒体は水であるが、空気であってもよく、他の熱媒体であってもよい。強制的に流通させる場合にはポンプ等を使用して熱媒体を送り込むことも考慮されるが、本実施の形態1においては、循環密封回路構成としている。この熱媒体が循環するパイプ材12の途中に熱交換装置であるペルチェ素子の吸熱体13を配置する。基板2を介して電子部品1の熱は冷却部材8に取り込まれるが、その熱は冷却部材8に循環する熱媒体によりペルチェ素子の吸熱体13にもたらされる。
取り込まれた熱は流路過程でペルチェ素子の吸熱体13によって吸熱、放熱される。冷却された熱媒体は再び流路体10に移動し循環して熱交換を行なう。ペルチェ素子による熱交換は公知の技術であるので詳細説明は省略するが、P形とN形の熱電半導体を銅電極で接合したもので、N形の方から電流を流すとP形とN形を結ぶ接合面側から吸熱して熱を移動させ放熱する原理を利用するものである。従って、パイプ材内の熱媒体の熱はこの接合面から吸熱されることになる。このようにして、電子部品の熱を基板を介して連続的に吸熱し放熱する。なお、熱交換装置は、冷却ファン等であってもよい。
冷却部材8は流路体10を含めて基板の板状部8aと一体的な部材として成形される。従って、冷却部材8は単体構成であり、極めてシンプルである。前述のとおり、冷却部材8に設けられる端部11は、流路体10の端部に張り出し接続部を構成する。その形状は、成形により種々の形状が可能である。図3は、冷却装置の流路体の丸形形状端部を示す外観図であり、図3の流路体の端部14は、丸形である。図4は、冷却装置の流路体の角形形状端部を示す外観図であり、図4に示す流路体の端部15は、角形である。いずれも穴は丸穴となっている。図5は、冷却装置の一体化された複数個の流路体の端部を示す外観図であり、流路体10が複数個隣接して一体化された構成となった端部16を示している。図5の流路体の外形は複数の流路体10を一体化した形状となっているが、各々の流路9は丸穴となっている。
図6は、流路体10の端部11にパイプ材12を接続した構成の部分断面図である。流路体10の端部11には、パイプ材12の外径に合う穴9aが設けられていて、この穴9aにパイプ材12を差し込む。差し込まれた後、パイプ材12と端部11との間の外側接続部に樹脂17を成形等により被覆させて固定体を構成し、パイプ材12と端部11を固定する。この樹脂17による成形固定は、接続を確実にし、熱媒体の漏れを防止するのに効果的である。
この固定方法は、シーリング材として使用されるプライマーで接着させる方法であってもよい。プライマーは複数種類あり、被接着部材により適正なものを選定する必要がある。本実施の形態においては、アルミニウム合金の接着に合うプライマーを選定することになる。又、固定方法は、本出願人が提案しているアルミニウムやその合金等である軽合金で形成された形状物を、表面に特殊な浸漬処理を施した後、金型にインサートし、これに熱可塑性樹脂を射出して一体に接合する方法(射出接合法、ナノモールディングテクノロジーなどと称す)であってもよい。更に、固定方法は、溶接による方法等であってもよい。
図7は、冷却装置の他の実施の形態を示す外観図である。この形態は、冷却部材に冷却フィン18を設けた例である。熱の一部はこの冷却フィン18を介して外気に放熱されるので、より冷却が効率的に行われる。
一般に電子回路装置は大量生産されるので、押出成形のための専用的な装置を準備すると、生産性が向上し、結果的に製造コストを低減させることができる。接続体をパイプ材としたが、流路体の接続部を相互に雄雌構成にすれば、複数の基板の冷却部材をパイプを使用しないで直接接続させることも可能である。又、冷却部材を基板の裏面側に設けることで説明したが、この冷却作用と同時に電子部品の取り付けられた表面側も冷気を流すなりの冷却手段を施すと冷却効果が一層高まることはいうまでもない。
図8は、冷却装置の更に他の実施の形態を示す外観図である。前述した冷却装置7は、冷却部材8と突出した端部11が形成されている。このために前述した冷却装置7は、図8のように連結して使用できない。図8に示した冷却部材8は、押出加工で製造された押出成形品であり、突出した端部11が形成されていない。このような形状のものであると、例えば、液晶表示器のバックライトのように長い基板となる場合、冷却部材8を連結して使用することができる。冷却部材8と冷却部材8の連結は、連結パイプ20を使用するとよい。連結パイプ20の外周の両端の2箇所には、Oリング21などシール部材が取り付けられている。
連結パイプ20の両端は、それぞれ冷却部材8の流路9に挿入して固定する。従って、必要数の冷却部材8を連結することにより、所望の長さの基板を作ることができる。また、連結パイプ20の連結により、熱媒体の流路も確保できる。なお、本実施の形態1では、連結パイプ20の外周にOリング21を配置したが、これを配置せずに接着剤、溶接等で固定したものでも良い。本実施の形態の冷却装置は、押出加工で製造された押出成形品を使用したので、生産性が高く加工工程、加工材料コストを安くすることができる利点がある。
〔実施の形態2〕
図9は本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態2を示す側面図、図10は、電子回路装置の基板用加工部材を示す下面図(底面図)、図11は、電子回路装置の基板用加工部材を示す斜視図である。図12(a)は、押出成形で製造された成形素材を示す下面図(底面図)、図12(b)は側面図、図13は、成形素材を機械加工した基板用加工部材を示す下面図(底面図)である。図14は、図13をB−B線で切断した断面図で、第2流路を切断、せん断加工で形成した状態を示す図、図15は、図13をB−B線で切断した断面図で、第2流路をプレス機械で押圧成形した後の状態を示す図である。図16は、電子回路装置の基板用加工部材に冷却部を設けた形態を示す説明図である。なお、実施の形態2の説明では、実施の形態1と同一の部位には、同一の符号を付与し詳細な説明を省略している。実施の形態1は、熱媒体を循環するものであったが、実施の形態2は流路の両端を封止して熱媒体を封入しているものである。
実施の形態2の電子回路装置101の基板用加工部材105は、アルミニウム合金を押出成形して製造された成形素材Aを機械加工で一部が切除されて製造されたものである。なお、成形素材は、熱伝導特性が良いものであれば、銅合金、マグネシウム合金等であってもよい。機械加工としては、鋸切断機、レーザー加工機、プラズマ加工機、ウォータジェット加工機、プレス機械などによる切断加工、シャーリング機、プレス機械等によるせん断加工、旋盤、マシニングセンタ等による切削加工などが好適である。電子回路装置101は、基板板状部111の表面に絶縁層部113、電子回路部112が配置されている。電子部品130は、電子回路部112に実装されている。
成形素材Aは、表面側に基板板状部111、他方の面(裏面と称す)側に冷却フィン115、流路体125を形成するための部位が一体に成形されている。流路体125には、熱媒体流路120が形成されている。成形素材Aは、基板板状部111、冷却フィン115、流路体125、熱媒体流路120等を形成するための部位が、押出成形方向に延びた形状をしている。冷却フィン115は、電子部品130が発生する熱を外気に放出するためのものである。電子部品130は絶縁層113上に設けられ、電子部品130からリード線131が電子回路部112側に張り出し接続されている。リード線131と電子回路部112の接続は、一般にハンダ付けで行われる。基板用加工部材105の熱媒体流路に作動液(熱媒体)を封入する技術、基板本体110に絶縁層部113を作成する技術、絶縁層部113に電子回路部112を作成する技術、電子回路部112に電子部品130を実装する技術等は、公知の技術であるので詳細説明は省略する。
熱媒体流路120は、基板本体110の基板板状部111の裏面に、基板本体内に設けられた流路体125に形成された基板本体110内に形成された熱媒体流路である第1流路121と、基板本体110から一方の側に突き出た第1管体(第1流路体)126に形成される基板本体110外に形成された熱媒体流路である第2流路122、他方の側に突き出た第2管体(第2流路体)127に形成された熱媒体流路である第流路123とからなっている。第1管体126、第2管体127の先端部126a,127aは、圧潰、圧接等されていて封止されている。このようにすることで、第1流路121、第2流路122を少なくとも含み、両端が封止された熱媒体流路120を形成することができる。熱媒体流路120内には、所定量の熱媒体である作動液が封入され、いわゆるヒートパイプを形成している。すなわち、作動液は、熱媒体流路120内に密封状態となる。そして、熱媒体流路120内に封入された作動液の蒸発と凝縮の潜熱を利用して熱移動を行うものである。なお、管体の先端部を圧潰、圧接等して封止する技術は、公知な技術であるので詳細説明は省略する。また、作動液としては、水、純水、アルコール、ブタン等炭素・水素系作動液、代替フロン系作動液などが使用できる。
第2流路122の先端側には、冷却体140(図16参照)が設けられている。冷却体140には、ペルチェ素子145や冷却ファン等である熱交換装置が設けられており、基板本体110側から熱媒体流路120を介して移動した熱を、外気に放出する。すなわち、電子部品130が発生する熱を、基板本体110側から冷却体140側に移動させ、冷却体140から外気に放出している。
例えば、冷却体140に熱交換装置であるペルチェ素子145の吸熱体を配置すると、基板板状部111、熱媒体流路120等を介して電子部品130の熱は冷却体140に熱移動する。その熱はペルチェ素子145の吸熱側の接合面から、ペルチェ素子145の放熱側の接合面に移動し、外気に放熱される。
次に、成形素材Aから基板用加工部材105を製造する製造方法について説明する。
図12(a),(b)に示すように、押出成形工程で、基板板状部、冷却フィン、流路体及び熱媒体流路を形成するための部位等が一体になり押出成形方向に延在した成形素材Aが成形される。
図13に示すように、機械加工工程で、成形素材Aから、所定の長さ分、切削加工、切断加工、せん断加工等の機械加工で切除し、基板本体110、第1管体126(第2流路122)、第2管体127(第流路123)のみを残す。すなわち、第1管体126、第2管体127の部位は、第1管体126、第2管体127を除く基板板状部111、冷却フィン部115が図13に示すように切除されている。さらに具体的に述べると、基板用加工部材105は、図13の符号e、fで示したハッチング部が成形素材Aから切除されている。
このような工程で加工することで、押出成形品である成形素材Aから、容易に、図11に示すような基板用加工部材105を製造することができる。この基板用加工部材105に、作動液(熱媒体)を封入する熱媒体封入工程、基板本体110に絶縁層部113を作成する絶縁層部作成工程、絶縁層部113に電子回路部112を作成する電子回路部作成工程、電子回路部112に電子部品130を実装する電子部品実装工程等を行うことで、電子回路装置101の製造を行うことができる。すなわち、冷却機能を有する電子回路装置101を、低コストで、容易に製造することができる。
もし、基板本体110と冷却体140の向きを変えたほうが、電子回路装置101の実装がしやすい場合には、第1管体126(第2流路122)をベンダ等で塑性加工して曲げることもできる。もし、第1管体126が、切断、せん断加工で切除され断面が図14に示すように円形状でない場合、プレス機械等で押圧成形の加工をし、図15に示すような円形状または略円形状の管体126aのようにすると曲げ加工(塑性加工)が容易となり好ましい。なお、第1管体126を切削加工で形成した場合、切除した断面が図15のようになるので、プレス機械による押圧成形加工は必要でない。
なお、冷却体140は、一つまたは複数の基板本体(例えば、図16では、基板本体110A、110Bの二つ)に対して設けられていればよく、基板本体側で発生する熱が外気に放熱できるものであればよい。図16では、基板本体110A、110B側の熱が、流路体125A、125B、第1管体126A、126B内の熱媒体を介して、冷却体140側に移動し、放熱される。
〔電子回路装置の本体の実施の形態3,4,5〕
実施の形態2で説明を行った冷却機能を有する電子回路装置は、基板本体と冷却体が別体のものであった。実施の形態3の冷却機能を有する電子回路装置は、図17に示すように、実施の形態3の基板用加工部材205は、基板本体110と冷却部240とを一体に構成したものである。
図17は、本体の実施の形態3の基板用加工部材を示す斜視図、図18(a)は、押出成形された成形素材を示す下面図(底面図)、図18(b)は、側面図である。図19は、成形素材を機械加工した基板用加工部材を示す下面図(底面図)、図20は、機械加工した基板用加工部材を塑性加工して、基板本体と冷却部の向きを変えた状態を示す下面図(底面図)である。図21は、実施の形態4の基板用加工部材を示す下面図(底面図)、図22は、実施の形態5の基板用加工部材を示す下面図(底面図)である。
実施の形態3の電子回路装置は、基板用加工部材205に冷却部240が一体に形成されていることが、実施の形態2の電子回路装置101と異なるものである。すなわち、基板用加工部材205は、冷却部240、基板本体110、第1管体(第1流路体)226、第2管体(第2流路体)127、第3管体(第3流路体)128、熱媒体流路等が一体に形成されている。
実施の形態3の基板用加工部材205は、アルミニウム合金を押出成形された成形素材Aの一部が機械加工で切除されたものである。機械加工としては、鋸切断機、レーザー加工機、プラズマ加工機、ウォータジェット加工機、プレス機械などによる切断加工、シャーリング機、プレス機械等によるせん断加工、旋盤、マシニングセンタ等による切削加工などが利用できる。
基板用加工部材205は、押出成形された成形素材Aから、基板本体110、第1流路体125、第1流路121、第1管体226、第2流路222、冷却部240、第2流路体228、第3流路224、第2管体127等が一体に形成されたものである。冷却部240の第2流路体228に、第1管体226の第2流路222と連通する第3流路224が一体に形成されている。第2管体127、第3管体128の先端は、圧潰、圧接等されていて封止されている。このようにすることで、第1流路121、第2流路222を少なくとも含み、両端が封止された熱媒体流路を形成することができる。第1流路121、第2流路222、第3流路224などからなる熱媒体流路内には、所定量の熱媒体である作動液が封入され、いわゆるヒートパイプを形成している。作動液としては、水、純水、アルコール、ブタン等炭素・水素系作動液、代替フロン系作動液などが好ましい。そして、この基板用加工部材205の基板本体110に、絶縁層部、電子回路部等を設け、電子回路装置が製造される。
実施の形態3の基板用加工部材205の製造方法について説明を行う。
図18(a),(b)に示すように、押出成形工程で、基板板状部、冷却フィン、流路体及び熱媒体流路を形成するための部位等が一体に成形された成形素材Aが成形される。
図19に示すように、成形素材Aから、中間部を所定の長さ分、切削加工、切断加工、せん断加工等の機械加工で切除し、基板本体110、第1管体226、冷却部240、第2管体127、第3管体128等を残し、他の部分を切除した基板用加工部材205を製造する。さらに具体的に述べると、実施の形態3の基板用加工部材205は、図19の符号g、h、iで示したハッチング部が成形素材Aから切除されているものである。
もし、基板本体110と冷却部240の向きを変えたほうが、電子回路装置の実装がしやすい場合には、図20に示すように、第1管体226aをベンダ等で塑性加工して曲げた基板用加工部材205aにするとよい。第1管体226aが、切断、せん断で加工され断面が円形状でない場合、プレス機械等で押圧成形加工し、円形状または略円形状にするとよい。第1管体226aを、切削加工で形成した場合、プレス機械による押圧成形加工は必要でない。
図21、22は、実施の形態4,5の基板用加工部材を示す図である。すなわち、ベンダ等で第1管体226bを塑性加工してさらに曲げることにより、図21のように基板本体110と冷却部240との位置関係をさらに変えた実施の形態4の基板用加工部材205bを製造することができる。また、図22のように、基板本体110、第1管体226cと一体の冷却部340を基板本体110より小さくした実施の形態5の基板用加工部材205cを製造することもできる。このようにすることで、電子回路装置の実装がさらに容易となる。
このような製造工程で加工することで、押出成形品である成形素材Aから、容易に、図17、図19〜22に示すような電子回路装置の基板用加工部材205、205a、205b、205cを製造することができる。この基板用加工部材205、205a、205b、205cに、作動液封入工程、絶縁層部作成工程、電子回路部作成工程、電子部品実装工程等を行うことで電子回路装置が製造される。すなわち、このような工程で、冷却機能を有する電子回路装置を、低コストで、容易に製造することができる。
冷却部240,340にペルチェ素子、冷却ファン等である熱交換装置を配置することが好ましい。例えば、冷却部240にペルチェ素子を配置すると、基板本体110に実装された電子部品130の熱は、熱媒体流路内の熱媒体を介して冷却部240に移動し、その移動した熱は、冷却部240に設けられたペルチェ素子により外気に放出される。
この実施の形態3から5の電子回路装置でも、第3流路224と第1流路121を連結可能な構成にし、熱媒体(例えば、冷媒)が循環可能な循環流路を形成できるようにしてもよい。言い換えると、第3管体128の端部と第2管体127の端部、第3管体128と基板本体110とを連結可能な構成としてもよい。このようにすることで、第1流路121、第2流路222を少なくとも含む熱媒体の循環流路を形成することができる。連結する構成としては、例えば、管体、基板本体の接続部を相互に雌雄関係となるように構成したり、連結部材を介在させるとよい。この連結部は、シーリング材として使用されるプライマーで接着させる方法、Oーリング等シール部材を設け連結する方法、接着剤による方法、溶接による方法、前述した射出接合による方法など他の連結方法であってもよい。
本実施の形態の電子回路装置は、押出成形された成形品を成形素材として使用し、この成形素材の一部を機械加工で切除することで基板本体、冷却部等を製造できるので、生産性が高く加工コスト、材料コストを安価にすることができる利点がある。また、熱媒体流路は、押出成形で一体に成形された成形素材のときに作成されており、流路作成のための接合等を必要としない。そのため、接合部から作動液が漏洩することが生じない。すなわち、信頼性を向上させることができる。
〔実施の形態6〕
本実施の形態6について、説明を行う。
この実施の形態6の説明では、前述した実施の形態1から5と同一な部位には、同一の符号を付与し、詳細な説明を省略する。
図23は、本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態6を斜視図として示す外観図である。図24は、押出成形で製造された成形素材を所定の長さの基板本体に切断した状態を示す下面図、図25は、基板本体に金属製のパイプを挿入した状態を示す断面図、図26は、基板本体と金属製のパイプとを固着させた状態を示す断面図である。
金属製(例えば、アルミニウム合金製)の基板本体500の成形素材は、押出成形工程で、基板板状部508、冷却フィン515、パイプ挿入用穴510、流路体525を形成するための部位等が一体に押し出し成形されたものである。この成形素材を、所定の長さに切断、または、所定の形状に加工等する機械加工が行われ、基板本体500が作成される。そして、パイプ挿入用穴510に、金属製のパイプである銅製のパイプ550を挿入する。その後、銅製のパイプ550の内周部(管内)に圧力流体を供給し、銅製のパイプ550の内側から加圧する。銅製のパイプ550を加圧すると、銅製のパイプ550が拡径し、パイプ挿入用穴510の内周部と銅製のパイプ550の外周部550aとが密着して固着される。すなわち、基板本体500と銅製のパイプ550とが密着し、熱伝導の低下を生じさせない。
銅製のパイプ550には、水、純水等の熱媒体が循環可能に流入され、又は両端が封止された流路内に封入されており、基板本体500側で発生した熱を、基板本体500の外部に移動させるようになっている。また、銅製のパイプ550は、加工が容易であり、耐蝕性などを有し、水、純水などを流通させてもシリカ等が固まり、つまることが生じにくい。従って、電子回路装置の金属基板500に使用するものとして好適なものとすることができる。なお、金属製のパイプは、銅合金製のパイプ等他のものであってもよい。すなわち、加工が容易であり、耐蝕性などを有し、水、純水などを流通させてもシリカ等が固まり、つまることが生じにくいものであればよい。
基板本体500と離れた位置には、冷却体570が設けられている。冷却体570には、ペルチェ素子や冷却ファン等である熱交換装置が設けられており、基板本体500側から銅製のパイプ550内の熱媒体を介して移動した熱を、外気に放出する。すなわち、電子部品1が発生する熱を、基板本体500側から冷却体570側に移動させ、冷却体570から外気に放出している。
なお、銅製のパイプ550が挿入され、固着されるものは、前述したような第2流路が基板本体と一体に形成されたもの(例えば、第2の実施の形態)、第2流路、冷却部が基板本体と一体に形成されたもの(例えば、第3、4、5の実施の形態)などであってもよいことはいうまでもない。
銅製のパイプ550は、循環流路を形成しても、両端が封止されてもよい。
この実施の形態6の製造方法について説明を行う。
基板板状部508、冷却フィン515、パイプ挿入用穴510、流路体525などを形成するための部位等が一体に押し出し成形されて成形素材を作成する。成形素材を所定の長さに切断、または、所定の形状に加工等する機械加工を行い、基板本体500を製造する(図24参照)。
この基板本体500のパイプ挿入用穴510に銅製のパイプ550を挿入する(図25参照)。この銅製のパイプ550の外径寸法は、パイプ挿入用穴510の内径寸法より小さいので容易に挿入できる。もし、必要があれば冷却部材570の穴にも銅製のパイプ550を挿入する。
銅製のパイプ550の管内に所定の圧力の圧力流体を供給し、銅製のパイプ550を内側から加圧する。すると、銅製のパイプ550が拡径し、パイプ挿入用穴510の内周部と銅製のパイプ550の外周部550aとがを密着して固着する(図26参照)。もし、冷却部材570の穴に銅製のパイプ550を挿入してある場合、冷却部材570の穴と銅製のパイプ550も拡径させて固着する。このように、基板本体500と銅製のパイプ55、冷却部材570と銅製のパイプ550を一体化させることで、基板本体500等と銅製のパイプ550とを密着させ、熱伝導の低下を生じさせない。
その後、基板本体500に、絶縁層部、電子回路部等を設け、電子回路装置が製造される。そして、電子回路装置に電気部品1が実装される。
なお、銅製のパイプなどを拡径させる方法は、銅製のパイプ内に、内径寸法より所定寸法大きい外周部が形成された拡径部材を圧挿して拡径する方法等他の方法であってもよい。
さらに、前述した説明では、基板本体に、銅製のパイプを拡径させて固着しているが、他の固着方法であってもよい。例えば、基板本体のパイプ挿入用穴に銅製のパイプ(金属製のパイプ)をろう付け等で固着してもよく、基板本体のパイプ挿入用穴に銅製のパイプ(金属製のパイプ)を圧入させて固着してもよい。さらに、基板本体側を加熱するとともに、銅製のパイプ(金属製のパイプ)側を冷却しておいて、基板本体のパイプ挿入用穴に銅製のパイプ(金属製のパイプ)を挿入し、両方が常温に戻ったときの熱収縮、熱膨張を利用して嵌め合う固着方法にしてもよい。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されることはない。本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内で変更が可能なことはいうまでもない。例えば、前述した実施の形態では熱媒体流路は1つ設けられたものであったが、熱媒体流路が2つ以上設けられた基板本体、冷却部等からなる冷却機能を有する電子回路装置であってもよい。
図1は、本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態1を示す断面図である。 図2は、本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態1を示す外観図である。 図3は、冷却装置の流路体の丸形形状端部を示す外観図である。 図4は、冷却装置の流路体の角形形状端部を示す外観図である。 図5は、冷却装置の一体化された複数個の流路体の端部を示す外観図である。 図6は、冷却装置の端部とパイプ材を接続させた状態を示す部分断面図である。 図7は、冷却装置の他の実施の形態を示し、冷却部材に冷却フィンを設けた構成の外観図である。 図8は、冷却装置の他の実施の形態を示し、押出成型品の冷却部材を用いた構成の外観図である。 図9は、本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態2を示す正面図である。 図10は、実施の形態2の電子回路装置の基板用加工部材を示す下面図である。 図11は、電子回路装置の基板用加工部材を示す斜視図である。 図12は、(a)が押出成形で製造された成形素材を示す下面図、(b)が側面図である。 図13は、成形素材が機械加工された基板用加工部材を示す下面図である。 図14は、図5をB−B線で切断した断面図で、第1管体(第2流路)を切断、せん断加工で形成した状態を示す図ある。 図15は、図5をB−B線で切断した断面図で、第1管体(第2流路)をプレス押圧で成形した状態を示す図である。 図16は、基板用加工部材に冷却部を設けた形態を示す説明図である。 図17は、本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態3の基板用加工部材を示す斜視図である。 図18は、(a)が押出成形された成形素材を示す下面図、(b)が側面図である。 図19は、成形素材を機械加工した基板用加工部材を示す下面図である。 図20は、本体の管体を塑性加工した状態を示す下面図である。 図21は、本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態4の基板用加工部材を示す下面図である。 図22は、本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態5の基板用加工部材を示す下面図である。 図23は、本発明の冷却機能を有する電子回路装置の実施の形態6を斜視図として示す外観図である。 図24は、押出成形で製造された成形素材を所定の長さに切断した状態を示す下面図である。 図25は、金属基体に金属製のパイプを挿入した状態を示す断面図である。 図26は、基板本体と金属製のパイプとを固着させた状態を示す断面図である。
符号の説明
1,130 … 電子部品
2 … 基板
3 … 絶縁性の基体
4 … 絶縁体
5 … リード線
6 … 回路配線
7 … 冷却装置(基板本体)
8 … 冷却部材
9 … 流路
10 … 流路体
12 … パイプ材(管体)
13 … 吸熱体
101 … 電子回路装置
105,205,205a,205b,205c … 基板用加工部材
110,500 … 基板本体
111 … 基板板状部
112 … 電子回路部
113 … 絶縁層部
115 … 冷却フィン部
120 … 熱媒体流路
121 … 第1流路(基板本体内の熱媒体流路)
122,222 … 第2流路(基板本体外の熱媒体流路)
224 … 第3流路
125 … 流路体
126,226 … 第1管体
127 … 第2管体
128 … 第3管体
140,570 … 冷却体
145 … 熱交換装置(ペルチェ素子)
240,340 … 冷却部
510 … パイプ挿入用穴
550 … 金属製のパイプ
A … 成形素材

Claims (12)

  1. 電子部品が実装配置される電子回路部と、
    前記電子回路部から発生する熱を吸熱するためその一面に前記電子回路部が載置される金属製の基板本体と、
    前記熱を熱媒体により前記基板本体の外部側へ移動させるため前記基板本体内に形成された熱媒体流路である第1流路と、
    前記第1流路と連通し、前記電子回路部の発熱を、熱媒体により前記基板本体の外部へ移動させるために前記基板本体外に形成された熱媒体流路である第2流路と、
    前記基板本体と所定量離隔した位置に、前記第2流路と連通する第3流路が形成され前記基板本体と一体に設けられた冷却部とからなり、
    前記第1流路、前記第2流路、前記第3流路及び冷却部は、前記基板本体と同一素材で押出成形により一体に形成され
    更に機械加工のみにより前記基板本体、前記第1流路、前記第2流路、前記第3流路及び冷却部とが一体に形成されている
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置。
  2. 請求項1に記載の冷却機能を有する電子回路装置において、
    前記金属製の基板本体は、アルミニウム合金製の基板本体である
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置。
  3. 請求項1に記載の冷却機能を有する電子回路装置において、
    前記基板本体は、外気に前記熱を放出するための冷却フィンが一体に形成されているものである
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置。
  4. 請求項1に記載の冷却機能を有する電子回路装置において、
    前記第1流路、前記第2流路と前記第3流路で構成される熱媒体流路は、両端が封止され、前記熱媒体が封入されているものである
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置。
  5. 請求項1に記載の冷却機能を有する電子回路装置において、
    前記冷却体には、前記熱媒体を冷却する熱交換装置が配置されている
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置。
  6. 請求項5に記載の冷却機能を有する電子回路装置において、
    前記熱交換装置は、ペルチェ効果により前記熱媒体を冷却するペルチェ素子である
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置。
  7. 電子部品が実装配置される電子回路部と、
    前記電子回路部から発生する熱を吸熱するためその一面に
    前記電子回路部を載置する金属製の基板本体と、
    前記熱を熱媒体により前記基板本体の外部側へ移動させるため前記基板本体内に形成された熱媒体流路である第1流路と、
    前記第1流路と連通し、前記電子回路部の発熱を、熱媒体により前記基板本体の外部へ移動させるために前記基板本体外に形成された熱媒体流路である第2流路と、
    前記基板本体と所定量離隔した位置に、前記第2流路と連通する第3流路が形成され前記基板本体と一体に設けられた冷却部とからなる
    冷却機能を有する電子回路装置の製造方法であって、
    前記電子回路部を載置する金属製の基板本体、前記電子部品から発生する熱を熱媒体を介して移動可能な流路、及び前記冷却部が押出成形方向に延在するように金属材料を押出成形により成形素材を形成する工程と、
    前記成形素材の一部を切除することにより、電子回路部を介して前記電子部品が実装配置される基板本体、この基板本体内に形成された熱媒体流路である第1流路、及び、この第1流路と連通するとともに前記基板本体外に形成された熱媒体流路である第2流路、更に、前記基板本体と所定量離隔した位置に設けられ、前記第2流路と連通する第3流路が一体に形成された冷却部が一体にかつ同一素材で形成された基板用加工部材に機械加工する工程とからなる
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置の製造方法。
  8. 請求項に記載の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法において、
    前記金属材料は、アルミニウム合金である
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置の製造方法。
  9. 請求項に記載の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法において、
    前記成形素材を形成する工程は、同時に外気に前記熱を放出するための冷却フィンが一体に設けられる工程である
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置の製造方法。
  10. 請求項に記載の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法において、
    前記機械加工は、切断加工、せん断加工、切削加工から選択されるいずれかの加工である
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置の製造方法。
  11. 請求項に記載の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法において、
    前記機械加工する工程の後に、前記第1流路と前記第流路で構成される熱媒体流路は、前記熱媒体が注入された後、両端を封止する工程を有している
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置の製造方法。
  12. 請求項に記載の冷却機能を有する電子回路装置の製造方法において、
    前記第2流路を形成した後、前記第2流路を所定の方向に曲げる塑性加工を行う工程を有している
    ことを特徴とする冷却機能を有する電子回路装置の製造方法。
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