JPH05235572A

JPH05235572A - 回路基板の冷却装置

Info

Publication number: JPH05235572A
Application number: JP3370992A
Authority: JP
Inventors: Seizou Masukawa; 清慥桝川; Ryuichi Arakawa; 龍一荒川; Shinei Sato; 進英佐藤
Original assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Priority date: 1992-02-20
Filing date: 1992-02-20
Publication date: 1993-09-10

Abstract

(57)【要約】【目的】回路基板と対向して配置され、回路基板上の
素子を冷却する装置において、構造を単純化し製造コス
ト低減を図るとともに、冷却効率を高める。【構成】固定基板２の表面に、金属薄板４の周縁部を
接合するとともに中央に仕切部８を形成し、固定基板２
と金属薄板４との間に気密的な空間Ｓを形成し、この空
間Ｓに連通する一対のパイプ１４を固定した。金属薄板
４は、純銅，銅合金またはアルミニウム合金で形成さ
れ、その厚さは０．１〜０．５ｍｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多数の半導体素子が固
定されている回路基板を水冷するための冷却装置に係わ
り、特に、個々の半導体素子と冷媒との熱交換効率を高
めるための改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の高集積度化に伴い、
半導体素子の単位体積当たりの発熱量も増大しつつあ
り、超大形コンピュータなどの一部の回路では、空冷方
法では冷却能が不足する状態となっている。

【０００３】そこで、空冷式よりも冷却能の高い水冷式
により回路基板の半導体素子を冷却する試みが最近行な
われており、その多くは、内部に冷却水が循環される金
属製の冷却体を、回路基板上の半導体素子に当接させて
配置する構造を採っている。

【０００４】しかし、実際には回路基板上の半導体素子
の高さは均一ではないから、基板表面からの高さの違い
により、一部の半導体素子と冷却体との間に空隙が生じ
て、その半導体素子と冷却体との熱交換効率が低下する
ことが避けられない。

【０００５】これを改善するために、半導体素子と冷却
体との間に伝熱性の高いグリースを充填したり、冷却体
に金属製の弾性部材(例えば板ばねなど)を多数固定し、
これら弾性部材を各半導体素子にそれぞれ当接させる構
造も提案されている。しかし、グリースや弾性部材によ
って伝熱させる構造は、あくまでも間接的であるから熱
交換効率の点で限界があり、水冷式本来の高い冷却効率
を得ることはできなかった。

【０００６】上記欠点を改善しうる冷却装置として、特
開平２−２５０６０号公報に記載された冷却装置があ
る。この冷却装置は、回路基板に対向して配置されたク
ーリングヘッダに、回路基板上の半導体素子に向けて伸
縮可能なベローズを取り付け、このベローズの半導体素
子との当接面を伝熱板で構成するとともに、ベローズの
内部に冷却水を循環させるための冷却水供給部および冷
却水排出部を設けたものである。

【０００７】これによれば、冷却水をある程度以上の圧
力でベローズ内に循環させると、ベローズが伸びて、そ
の先端の伝熱板が直接、各半導体素子に当接する。伝熱
板は内側から冷却水で冷やされるので、グリースや板ば
ねによって伝熱させる構造よりも高い冷却効率が得られ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の冷却
装置は部品点数が多く、ベローズなど形状の複雑な部品
を要し、しかもベローズ内への冷却水路が複雑であるか
ら、複数の半導体素子を同時に冷却しようとすると、冷
却体の構造が極めて複雑かつ製造コストが著しく高くな
り、現実的とはいいがたかった。

【０００９】また、個々の半導体素子に対向させてそれ
ぞれベローズを設けなければならないから、半導体素子
の配列が異なる回路基板には使用できず、凡用性に乏し
い。さらに、ベローズ内に満たされる冷却水量が多いの
で、使用時は冷却装置全体としての重量が大きくなり、
この冷却装置を支持するための構造への負担が大きいう
え、占有スペースも大きいという欠点を有している。

【００１０】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、構造が単純で、製造コストが安く、しかも冷却効率
が高い回路基板の冷却装置を提供することを課題として
いる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたもので、固定基板の表面に、この固
定基板と平行に配置された弾性変形可能な金属薄板の周
縁部を接合し、前記固定基板と金属薄板との間に気密的
な空間を形成したうえ、この空間に連通する冷媒供給口
および冷媒排出口をそれぞれ設けたことを特徴とする。

【００１２】なお、前記金属薄板は、純銅，銅合金また
はアルミニウム合金から選択される材質で形成され、そ
の厚さは０．１〜０．５ｍｍであってもよい。また、前
記固定基板は、軟鋼，ステンレス鋼，銅合金，アルミニ
ウム合金またはプラスチックから選択される材質で形成
されていてもよい。

【００１３】

【作用】本発明の回路基板の冷却装置によれば、冷媒を
大気圧以上の圧力で循環させると、金属薄板が弾性変形
または塑性変形して膨らみ、それと対向して配置された
回路基板の半導体素子のそれぞれに密着するから、回路
基板上の半導体素子の高さが若干異なっていても、半導
体素子との間に隙間が空くことはない。この密着状態で
は、金属薄板のみを隔てて冷媒と半導体素子とが熱交換
するので、両者の熱交換効率が高く、良好な冷却効率が
得られる。

【００１４】

【実施例】図１ないし図３は、本発明に係わる回路基板
の冷却装置の一実施例を示し、図１は平面図、図２は正
面図、図３は側面図である。この冷却装置１は、矩形状
の固定基板２と、この固定基板２と同寸法で固定基板２
に接合された金属薄板４と、これら固定基板２および金
属薄板４の間に一端側から挿入固定された一対のパイプ
（冷媒供給口および冷媒排出口）１４とから主構成され
ている。

【００１５】金属薄板４の外周部は、パイプ挿入部を除
く全周が固定基板２の外周部に接合され、固定基板２と
金属薄板４との間には、各パイプ１４に連通する気密的
な空間Ｓが形成されている。また、金属薄板４の、各パ
イプ挿入部の間から固定基板２の長手方向に延びる直線
状部分は固定基板２に接合され、仕切部８とされてい
る。この仕切部８により、空間Ｓは、連通部６Ａを介し
て連通する同寸法の２室に仕切られている。

【００１６】一方、金属薄板４の仕切部８および外周部
を除く部分は、固定基板２とは反対側に向けて膨出加工
され、平面視Ｕ字状をなす膨出部６が形成されている。
また、固定基板２および金属薄板４の各パイプ挿入部に
は断面半円形の樋状部１０，１２が形成され、これら樋
状部１０，１２の間に前記パイプ１４が差し込まれて溶
接固定されている。

【００１７】固定基板２は、軟鋼，ステンレス鋼，銅合
金，アルミニウム合金またはプラスチック等の材質によ
って形成されていることが望ましく、特に強度，耐食
性，製造容易さおよび熱伝導性の良好さの観点から銅合
金が好適である。固定基板２の厚さは限定されないが、
金属材料で形成されている場合には、冷却装置１の変形
を防ぎつつ重量を抑えるうえで１〜３ｍｍ程度が好適で
ある。

【００１８】固定基板２をプラスチックで成形する場合
には、材質としてエポキシ樹脂，ＡＢＳ樹脂，アクリル
樹脂などが好適であり、その厚さは材質に合わせて適宜
設定される。なお、固定基板２の材質は、前記金属およ
びプラスチックのみに限定されるものではなく、金属薄
膜２が接合可能であればセラミックス、各種複合材料な
どいかなる材質を使用してもよい。

【００１９】金属薄板４の材質としては、純銅，銅合金
またはアルミニウム合金から選択される金属が好適であ
り、その厚さは０．１〜０．５ｍｍであることが好まし
い。上記金属は弾性に富み、耐食性および熱伝導度が良
好で、膨出加工も容易である。

【００２０】金属薄板４の厚さが０．１ｍｍ未満である
と、使用時に金属薄板４が破れるおそれがある。また、
０．５ｍｍより厚いと弾性変形が困難になって、回路基
板上の高さの異なる半導体素子に、ほぼ均等な圧力で金
属薄板４を当接させることが困難になる。ただし上記厚
さ範囲は、膨出部６が１００ｍｍ角程度の寸法で、しか
も内圧が２ｋｇ／ｃｍ² 程度の場合に適する値であり、
膨出部６の寸法および内圧が異なる場合には適宜変更し
てよい。

【００２１】なお、金属薄板４をアルミニウム合金で形
成する場合には、冷媒と触れる内面および露出面に化成
処理液を作用させ、化成被膜を形成して耐食性を高める
ことも有効である。化成被膜の種類としては、例えばク
ロム系化成被膜、ジルコニウム系化成被膜などが挙げら
れる。この種の化成被膜はきわめて薄いため、塗料のよ
うに素子冷却効率を低下させるおそれはない。

【００２２】固定基板２と金属薄板４の接合方法は、圧
延接合、ろう付け、接着剤による接着など周知のいかな
る接合方法を使用してもよい。具体的な製造方法として
は例えば以下の方法が可能である。

【００２３】（製造方法１）固定基板２に、各パイプ１
４を嵌め込むための樋状部１０をプレス等により形成す
る一方、金属薄板４に、パイプ１４を嵌め込む樋状部１
２および膨出部６を同様に形成する。次に、固定基板
２、各パイプ１４および金属薄板４を、適宜ろう材を間
に挟みつつ組み立て、全体または部分的に加熱して３者
を相互にろう付けする。

【００２４】（製造方法２）固定基板２となる金属板、
あるいは金属薄板４となる金属板の表面の、膨出部６，
パイプ挿入部および仕切部８と対応する部分に、剥離剤
(例えばカーボン粉を含む塗料)を塗布したうえ、両金属
板を重ねて圧延し、前記剥離剤を塗布していない外周部
および仕切部８を圧延接合する。

【００２５】次いで、両金属板の前記パイプ挿入部を治
具を用いてこじ開け、各パイプ１４を差し込んで蝋付け
したのち、この金属複合板を、開閉操作される膨管型内
にセットする。この膨管型の内面には、膨出部６と相補
形状をなす凹部が形成されており、膨管型を型閉めした
状態で前記パイプ１４から高圧水等を注入することによ
り金属薄板４を前記凹部に沿って膨らませ、膨出部６を
形成する。

【００２６】上記構成からなる回路基板の冷却装置１を
使用するには、図３に示すように、回路基板Ｂ上の各素
子Ｄと対向させて冷却装置１を配置したうえ、各パイプ
１４を通じて大気圧よりも高い圧力で水等の冷媒を循環
させる。通水圧力として、具体的には１〜３ｋｇ／ｃｍ
² 程度が好ましいが、この範囲に限定されることはな
い。

【００２７】冷媒を循環させると、金属薄板４の膨出部
６が弾性変形または塑性変形して各素子Ｄに向けてさら
に膨らみ、素子Ｄのそれぞれに密着するから、基板Ｂの
表面からの素子Ｄの高さが若干異なっても、金属薄板４
と各素子Ｄとの間に隙間が空くことはない。そしてこの
密着状態においては、金属薄板４一枚のみを隔てて冷媒
と素子Ｄとが熱交換するので、両者の熱交換効率が高
く、良好な冷却効率が得られる。

【００２８】また、膨出部６と各素子Ｄとが対向してさ
えいれば、素子Ｄの配置に拘わりなく均一な冷却効果が
得られるので、汎用性が高いうえ、構造が単純であるか
ら製造コストが安くて大形化しやすい。さらに、薄型な
ので大形化しても冷媒循環時にも比較的軽量で、コンピ
ューター等に組み込んだ場合にも、冷却装置１の支持構
造に対する負担が小さいという利点も有する。

【００２９】さらに、この実施例では、細長い仕切部８
を形成したことにより、膨出部６の面積を広く確保しつ
つ、同時に冷媒流路を長く設定できるため、仕切部８を
形成しない場合に比して熱交換効率が高められる。

【００３０】次に、図４および図５は本発明の第２実施
例を示し、この例では、前記実施例と同様の仕切部８を
冷媒排出側のパイプ１４の近傍に形成し、膨出部６の冷
媒供給側部分６Ｂの面積を冷媒排出側部分６Ｃよりも広
くしたことを特徴とする。この場合、冷媒供給側部分６
Ｂと対向させて各素子を配置し、冷媒供給により前記部
分６Ｂを膨出させて素子に密着させるが、前記部分６Ｂ
の面積が広いため、その膨出可能量が大きく、素子の高
さばらつきが大きくても対応できるという利点を有す
る。

【００３１】図６ないし図８は本発明の第３実施例を示
し、この例では、金属薄板４に膨出部を形成せず、逆
に、固定基板２に第１実施例の膨出部６と同形状の膨出
部１６、および前記仕切部８と同形状の仕切部１８を形
成したことを特徴としている。１６Ａは連通部である。
この例においては、各パイプ１４間に高圧の冷媒を循環
させると、膨出部１６と対向する金属薄板４の各変形領
域２０が膨出し、これらに対向して配置される素子に変
形領域２０が密着し、素子を冷却する。

【００３２】この例では、変形領域２０が平坦であるか
ら、素子との接触面積が大きく確保できるうえ、変形領
域２０にかかる応力が広範に分散され、応力集中が起き
にくく、応力集中による破裂の可能性が小さい。また、
変形領域２０が平坦であるから、変形領域２０と素子と
の位置決めが容易である。

【００３３】金属薄板４の変形領域の周縁に突条または
溝を形成し、変形領域の変形を容易化することも可能で
ある。図９ないし図１２はそのような２例を示す。

【００３４】図９および図１０に示す第４実施例は、図
１ないし図３に示した第１実施例の構成に加え、膨出部
６の外周縁に沿って溝２２を形成したものである。この
溝２２は仕切部８と交差する箇所で途切れている。この
例によれば、溝２２を境として膨出部６が突出方向に弾
性変形しやすく、冷媒の循環圧力が小さくとも十分な膨
出量が得られる。仕切部８を固定基板２に接合せず、冷
媒循環時に仕切部８が固定基板２から離れるようにして
もよい。その方が膨出量が大きくなる。

【００３５】一方、図１１および図１２に示した第５実
施例は、図６ないし図８に示した第３実施例の構成に加
え、金属薄板４に前記同様の溝２２を形成したものであ
り、仕切部１８は金属薄板４に対して接合されていな
い。したがって、冷媒循環時には、図１２の二点鎖線に
示すように溝２２で囲まれる変形領域２４全体が膨出
し、膨出面積および膨出量のいずれもが大きくなる。

【００３６】なお、前記溝２２の代わりに、金属薄板４
の変形領域の全面に格子模様をなす溝を形成してその膨
出量を増大したり、変形領域の長手方向に延びる一対の
直線状溝を形成する構成としてもよい。またパイプの固
定位置や冷却装置全体の形状は、図示した実施例の形状
のみに限定されず、回路基板の形状に合わせて適宜変更
してよいし、パイプ１４の代わりに固定基板２に冷媒供
給孔および排出孔を形成した構成としてもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明の回路基板の冷却装置では、その
内部に大気圧以上の圧力で冷媒を循環させると、金属薄
板の変形領域が弾性変形または塑性変形して膨らみ、そ
れと対向配置された回路基板の半導体素子のそれぞれに
密着し、回路基板上の半導体素子の高さが若干異なって
いても、半導体素子との間に隙間が空くことはない。そ
してこの密着状態では、金属薄板のみを隔てて冷媒と半
導体素子とが熱交換するので、両者の熱交換効率は高
く、良好な冷却効率が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる回路基板の冷却装置の第１実施
例を示す平面図である。

【図２】同冷却装置の正面図である。

【図３】同冷却装置の側面図である。

【図４】本発明の第２実施例を示す平面図である。

【図５】第２実施例の正面図である。

【図６】本発明の第３実施例を示す平面図である。

【図７】第３実施例の正面図である。

【図８】第３実施例の側面図である。

【図９】本発明の第４実施例を示す平面図である。

【図１０】第４実施例の縦断面図である。

【図１１】本発明の第５実施例を示す平面図である。

【図１２】第５実施例の縦断面図である。

【符号の説明】

１冷却装置２固定基板４金属薄板６膨出部（変形領域）６Ａ流路８仕切部１４パイプ（冷媒供給口，冷媒排出口）Ｓ空間Ｂ回路基板Ｄ半導体素子１６膨出部１８仕切部２０変形領域２２膨出を容易化するための溝２４変形領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定基板の表面に、この固定基板と平行に
配置された弾性変形可能な金属薄板の周縁部を接合し、
前記固定基板と金属薄板との間に気密的な空間を形成し
たうえ、この空間に連通する冷媒供給口および冷媒排出
口をそれぞれ設けたことを特徴とする回路基板の冷却装
置。
【請求項２】前記金属薄板は、純銅，銅合金またはアル
ミニウム合金から選択される材質で形成され、その厚さ
は０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１
記載の回路基板の冷却装置。
【請求項３】前記固定基板は、軟鋼，ステンレス鋼，銅
合金，アルミニウム合金またはプラスチックから選択さ
れる材質で形成されていることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の回路基板の冷却装置。