JPH06237089A - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 間接冷却による省スペース化を図ると共に、
発熱体の冷却性能を向上する。 【構成】 内部に冷却水が流れる流路を有する内筒１４
と外筒１６とを同心円状に設ける。この内外筒１４、１
６間に形成される環状空間Ｓに放射状配列のプリント基
板１２を多数納める。各プリント基板１２上に実装され
た発熱体のうち、特に強制冷却の必要な所定の発熱体１
３に放熱板２３を取り付け、その延出した端部を内筒１
４及び外筒１６に接続する。これにより内外筒から放熱
板２３に冷熱を伝えて発熱体１３を間接冷却させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はテストヘッド等の電子機
器の冷却装置に係り、特に水等の冷媒を使って冷却性能
を大幅に改善したものに関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器、例えばＩＣテスタのテストヘ
ッドのある種のものでは、小型化のためにプリント基板
が放射状に配列されている。このように放射状配列のプ
リント基板を冷却するには、従来、図９に示すように、
ブロア吸引による強制空冷方式が採用されていた（例え
ば、特開昭６３−１８１９７３号公報、実開平４−５６
３９１号公報など）。すなわち、プリント基板９２上の
発熱体９３を均一に冷却するために、ブロア９４でテス
トヘッド中央からテストヘッド９１内へ空気９７を吸引
して排出路へ流出させるとともに、排出路に仕切板９８
などを設けてブロア９４に近い側と遠い側とで風量差が
出ないようにして不均一化を防止している。このような
ブロア吸引方式によれば、それまでのファン冷却方式の
ものに比べて各プリント基板９２をほぼ等しく冷却でき
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
のブロア吸引方式の冷却装置では、ファン冷却方式のも
のに比して冷却性能は改善されているとはいえ、空冷に
よっているため冷却に限界がある。また、テストヘッド
が大容量化すると流速や流量の不均一化が一層顕在化す
るため経験的な要素が大きい仕切板９８などの調整では
限界がくることは明らかである。さらに、冷却能力を上
げるにはブロア能力を高める必要があるが、そうすると
騒音が一層大きくなり、環境が悪化するという問題があ
った。

【０００４】そこで、これらの問題を一挙に解決するた
めに、本発明者は先に間接水冷方式を採用した放射状配
列基板の冷却装置を提案した（特願平４−２６１１３６
号公報）。これは、ベースを金属とした金属ベース基板
を採用するとともに、冷却水を流した内筒及び外筒間に
この金属ベース基板を放射状に配列支持させて、内外筒
に流れる冷却水により冷却された基板の金属ベースを通
じて、基板上の発熱体を間接冷却するようにしたもので
ある。これによれば、省スペース化を図りながら、騒音
や環境を悪化させることなく冷却能力を高めることがで
きる。

【０００５】しかし、金属ベース基板には、金属ベー
スの存在により多層化は６層が限度である、スルーホ
ールの形成が困難であるため両面実装ができない、許
容電力に限回がある、インピーダンスを所望値に設定
できない、等の金属ベース基板固有の問題がある。この
ため、金属ベース基板を使う限り、益々大容量化する電
子機器の冷却に十分に対処できないという欠点があっ
た。

【０００６】また、冷却性能が十分でないと発熱体間で
温度差が形成されて信号のタイミングが乱れる等、装置
性能に問題が生じる。従来は、この温度差による特性の
差異を是正するため、設計段階で、そのようなばらつき
を前提としたタイミング調整装置、例えばトリマなどを
用意し、特性が揃うように組立て後トリマ調整を行なう
必要があり、これが作業性を低下させる原因となってい
た。

【０００７】本発明の目的は、冷媒を用いた間接冷却方
式において、放熱用の金属板が内付けされた金属ベース
基板を使う代りに通常のプリント基板を使うようにし、
これに放熱用の金属板を外付けすることによって、上述
した従来技術の欠点を解消して、省スペース化を図りな
がら大容量化に十分対処でき、より大きな冷却性能をも
たせることができると共に、より均一な冷却が可能な電
子機器の冷却装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の電子機器の冷却
装置は、同心円状に設けられ筒内部に冷媒が流れる流路
を有する内筒及び外筒と、この内筒及び外筒間に形成さ
れる環状空間に放射状に配列された複数のプリント基板
と、各プリント基板の所定の発熱体と内筒もしくは外筒
またはその両方とを連結して上記所定の発熱体を冷却す
る放熱板とを備えたものである。

【０００９】また、本発明の電子機器の冷却装置は、内
筒及び外筒間に形成される環状空間に設けられ、内外筒
の流路を連通する連通路とプリント基板を放射状に配列
支持する支持部とを有する基板配列体をさらに備え、所
定の発熱体が基板配列体に密接するように各プリント基
板を取り付けたものである。

【００１０】ここで、電子機器は放射状配列のプリント
基板を備えたものであれば、ＩＣテスタのテストヘッド
を始めとして何れも含まれる。プリント基板の所定の発
熱体は、例えば、強制冷却を必要とする発熱量の大きな
ＩＣ等である。また、冷媒を流す内筒または外筒は、熱
放散性の高いアルミニウムや銅等の金属が好ましい。冷
媒は、熱伝達、温度保持、熱容量が大きく、装置部品に
対する腐食も少なく、好ましくは不燃性で安価、無毒な
物質がよく、また液状に限定されずガス状であってもよ
い。水が最も安易かつ安価な冷媒となる。

【００１１】発熱体と内筒または外筒とを連結する放熱
板は、熱伝導性の良好な銅板等の金属が好ましい。ま
た、プリント基板を内外筒間に着脱自在とするために、
内筒と外筒の対向面に放熱板端部を係合する係合部を設
けたり、この係合部に放熱板端部を圧接する圧接部材を
設けたりすることが好ましい。また、プリント基板が両
面実装であれば、放熱板は両側に設けるようにする。

【００１２】基板配列体は、内外筒あるいは放熱板と同
じ材質で構成し、その形状は、例えば中央にプリント基
板挿入用の溝が開けられて、溝の両側に沿って冷媒がな
れるようにポケット状になるようにし、その溝にプリン
ト基板を挿入すると、プリント基板に設けた放熱板が溝
内壁と接して、冷媒の冷熱を直接受けられるようにす
る。

【００１３】

【作用】各プリント基板の所定の発熱体から出た熱は放
熱板で吸い上げられ、放熱板を伝わって内筒側と外筒側
の一方または両方向に熱伝達され後、内筒及び外筒の流
路に流れる冷媒に奪われる。その結果、発熱体は有効に
冷却される。

【００１４】プリント基板を内外筒間に支持する基板配
列体を更に備えた場合には、放熱板で吸い上げられた発
熱体の熱は、直ちに基板配列体の連通路に流れる冷媒に
奪われるため、発熱体はより均一に冷却される。

【００１５】

【実施例】以下、本発明をＩＣテスタのテストヘッドに
適用した実施例を図１〜図８を用いて説明する。

【００１６】［実施例１］図１は放射状配列のプリント
基板をもつテストヘッドの冷却装置を示す。テストヘッ
ドの外郭を構成するケーシング１１の中央には上下を貫
通する顕微鏡挿通用孔１５が設けられる。この顕微鏡挿
通孔１５は、ウェハチェック時に顕微鏡を挿通してウェ
ハを観察するために、テストヘッドに通常設けられてい
るものであり、内筒１４によって区画形成される。この
内筒１４は、ケーシング下部のマザーボード１９に開け
た円形の穴に挿通固定されている。このマザーボード１
９上の内筒１４の外周に多数のプリント基板１２が放射
状に配列される。プリント基板１２は通常の多層基板
で、その両面にはＩＣなどから構成される発熱体１３が
多数実装されている。放射状配列されたプリント基板１
２の外周部に、プリント基板１２の内周部に位置する内
筒１４と同心円状に配置された外筒１６が設けられる。
従って、丁度、内外筒１４、１６間に形成される環状空
間Ｓに放射状配列のプリント基板１２が収る恰好とな
る。これら内筒１４および外筒１６の材質は熱放散性の
高い金属、例えば銅が好適である。

【００１７】内筒１４、外筒１６間に形成される環状空
間Ｓに放射状に配列したプリント基板１２には、図右上
に例示したように、発熱体１３と内外筒１４、１６とを
熱的に連結する放熱板２３が取り付けられ、その両端部
によって内外筒に支持されるようになっている。プリン
ト基板１２を支持した内筒１４、外筒１６は冷却水循環
路の一部を構成し、これらに冷却水が供給されることに
よりプリント基板１２を冷却できるようになっている。
すなわち、内筒１４内には内筒全体を巡る冷却水流路が
設けられ、この冷却水流路を送りホース１７ａ、リター
ンホース１７ｂに接続してある。また、同じく外筒１６
内にも外筒全体を巡る冷却水流路が設けられ、この冷却
水流路を送りホース１８ａ、リターンホース１８ｂに接
続してある。これら送りホース１７ａ、１８ａ及びリタ
ーンホース１７ｂ、１８ｂは循環ポンプ２１、２２を介
して熱交換器２０に接続され、内筒１４、外筒１６にそ
れぞれ冷却水を循環させて内筒１４及び外筒１６を個別
に冷却するようになっている。

【００１８】図２は、放熱板２３を取り付けたプリント
基板１２の具体的構成を示しており、（Ａ）は断面図、
（Ｂ）は正面図である。プリント基板１２の両面にはＩ
Ｃ等の多数の発熱体が実装される。発熱体の中でも、例
えばＬＳＩやＨＩＣ（ハイブリッドＩＣ）のように特に
消費電力が大きいものは、自然冷却では動作条件を満た
すことができないため、強制冷却が必要となる。このよ
うな強制冷却を必要とする所定の発熱体１３の配列は、
列状配列と点状配列の２種類の配列にまとめられる。列
状配列は、複数の発熱体１３が隣接しているか、互に近
接していて、１枚の直状の放熱体１３で共通接続するの
が合理的であるように配列されている２個以上の配列を
いう。したがって、千鳥状でも、斜めでも、あるいは曲
線上に並んでいても、横配列でも構わない。また、塊状
となって集められている塊状配列でもよい。点状配列
は、これら列状配列に含まれず、プリント基板１２上に
孤立して点在している、例えば１３ａ、１３ｂで示すよ
うな発熱体配列をいう。

【００１９】図２に示すように、列状配列された発熱体
１３は、それらの上に共通の放熱板２３が取り付けられ
る。放熱板２３は、図示例のものは、発熱体１３が列状
配列された基板１２の一部を横切って基板両端部に張り
出すような略Ｈ字形をした１枚の板で構成される。材質
は熱伝導性の良好な銅やアルミニウムなどが好ましい。
この１枚の板状の放熱板２３を、列状配列されている発
熱体１３上に、これを丁度橋脚とするかのように架け渡
す。架け渡した放熱板２３は、プリント基板１２にビス
２４等で止めて、放熱板２３を発熱体１３上に密着固定
する。放熱板２３と発熱体１３との間には、密着性を良
くして熱伝導性を良好とするためにシリコングリースや
弾力性があり熱伝導性の良好なフィルム状の伝熱シート
などの介在物２５を介在させる。弾力性をもたせること
により発熱体１３間の段差を吸収し、平らな放熱板２３
でも各発熱体１３に均一に密着できるようにする。放熱
板２３の表面積や厚さ、材質は、放熱板２３を付けて水
冷したときの温度特性を予めとっておき、これらから決
定する。放熱板２３は、単なるフラット板で構成しても
よいが、放熱面積を高めるために縦方向あるいは横方向
等に溝を設けたフィンとしてもよい。このような放熱板
２３は裏面にも同様に取り付けられる。

【００２０】なお、点状配列の発熱体１３ａ、１３ｂに
あっては、列状配列のように放熱板を別個に用意しても
（点線で示した２３ｂ）、あるいは列状配列の放熱板２
３の一部を延設してその点状配列の発熱体１３ａを繋ぐ
ようにしてもよい（点線で示した２３ａ）。なお、点状
配列発熱体１３ｂのために放熱板２３ｂを別個に用意す
る場合には、図示例のように両端とも延出するのではな
く、いずれかに近い方の一端をのみを延出し、一方の筒
にだけ接続するようにしてもよい。

【００２１】プリント基板１２に設けられた発熱体１３
上に重ねられた表裏の放熱板２３、２３の両端部はプリ
ント基板１２のエッジでスペーサ２６等を介在させて貼
り合わせる。この貼り合わせた放熱板端部を、図３に示
すように流路３４、３５を有する内筒１４と外筒１６間
に係止固定してプリント基板１２を支持する。そのため
に内筒１４の外周面および外筒１６の内周面に、プリン
ト基板１２の端部を係合する凹状の係止部３１、３２を
それぞれ設ける。プリント基板１２に取り付けた放熱板
の両端部３３、３３を凹状係止部３１、３２にそれぞれ
係合する。これにより放熱板２３と内外筒１４、１６と
は熱的、機械的に連結され、内外筒１４、１６の冷熱が
直接熱伝導で放熱板２３に伝達されることになる。凹状
の係止部３１、３２内には、例えば板バネなどで構成さ
れた圧接部材を設け、凹状係止部３１、３２内に挿通さ
れた放熱板端部３３、３３を凹状係止部３１、３２内に
圧接固定する。これによりプリント基板１２は、内外筒
１４、１６間に確実に固定されることになる。

【００２２】このように発熱体上に放熱板２３を重ね
て、その端部を冷却水が循環する内筒１４及び外筒１５
に連結するようにしたので、複数の発熱体の冷却効果を
一度に高めることができる。また、列状配列された各発
熱体に放熱板を個別に取り付けるのではなく、一括して
取り付けることができるので、取り付けが容易である。
また、良好な熱伝導部材により発熱体間が連結されるの
で、基板配置により生じる冷却温度差もある程度解消す
ることができる。それにより発熱体に要求される特性合
わせのためのトリマ調整作業が不要となるか、簡単にな
る。

【００２３】さて、上記のような構成において、プリン
ト基板に通常の多層基板を用いているので、金属ベース
基板よりも高多層化が可能で、両面実装とすることもで
き、遥かに大きな電力を許容できるため、テストヘッド
の大容量化に容易に対処できる。因みに、本実施例によ
れば、インピーダンス５０Ω、両面実装、８層構造から
なる複数枚のプリント基板の総合発熱量を、１枚の放熱
板で２５０Ｗまで許容できる。

【００２４】また、内筒１４および外筒１６に冷却水を
循環ポンプ２１、２２により流すと、これらの間に支持
された放熱板２３の端部を介して放熱板２３が両端から
直接冷却されるので、放熱板２３に密着した発熱体１３
を有効に冷却することができる。また、密閉系中に組み
込まれた循環ポンプにより冷却水を循環させているので
作動音が極めて静穏であり、開放系であるブロアやファ
ンによる環境問題をもたらす騒音を無くすことができ、
快適環境を作ることができる。また、本実施例によれ
ば、内筒１４に関してはこれを特に新規に設けるのでは
なく、顕微鏡用挿通孔を形成している既存の円筒体を改
造して利用できるので、構成を簡素化でき省スペース化
が図れる。

【００２５】［実施例２］上記実施例では発熱体の上に
放熱板を取り付けた場合について説明したが、発熱体の
下に放熱板を取り付けるようにしてもよい。この例を図
４及び図５を用いて説明する。

【００２６】図４に示すように、ガラスエポキシ製のプ
リント基板４１上に、その一部を横切って基板両端部に
張り出すような略Ｈ字形の放熱板４２を貼りつけ、その
上に強制冷却の必要な所定のＨＩＣ４３を搭載する。こ
のＨＩＣ４３は、図５に示すように、フラットタイプで
構成され、ベース４４をガラスエポキシ基板とし、そこ
に開けたデバイスホールを塞いだ金属片４５にチップ４
６が搭載され、さらに保護キャップ４７で保護されてい
る。ベース４４の四隅にネジ孔４８が形成されている。
放熱板４２へは金属片４５を介してネジ５０で止めるよ
うになっている。リード５１はプリント基板４１上の配
線に接続される。これによれば、ＨＩＣ４３のチップが
放熱板４２に直接取り付けられるので、冷却効果は一層
高まり、均一化が図れる。なお、図６に示すように放熱
板２３を発熱体上に被せる第１実施例と、放熱板４２を
発熱体下に敷く第２実施例とを組み合わせるようにする
こともできる。

【００２７】［実施例３］上記何れの実施例も放熱板を
プリント基板側に取り付けるようにしたが、ここではプ
リント基板側に放熱板を必要としない実施例を説明す
る。

【００２８】図７に示すように、内筒１４及び外筒１６
間に形成される環状空間Ｓに、内外筒を連結する金属製
の基板配列体７１を放射状に設け、この基板配列体７１
に内外筒１４、１６の流路７２、７３を連通する連通路
７４と、プリント基板７５を挿入して支持する支持部と
しての挿入溝７６とを形成する。そして、その挿入溝７
６にプリント基板７５を挿入し支持する。この場合、プ
リント基板７５に設けられた所定の発熱体７７上には、
発熱体７７が挿入溝内壁と密接するように弾力性のあ
る、例えば金属製バネ、熱伝導性ラバー７８等を取り付
け、挿入により自動的に密着支持できるようになってい
る。なお、プリント基板が片面実装である場合には、基
板配列体７１に挿入溝７６を設ける必要はなく、基板配
列体７１の外壁に実装面を押しつけるように取り付けれ
ばよい。

【００２９】この実施例ではより均一な冷却が可能であ
り、また内外筒の流路を連通するようにしたので、送り
ホース、リターンホース、循環ポンプが１組で済み、構
成を簡素化することができる。

【００３０】［実施例の効果］図８に上述した放熱板を
設けた上記実施例と、放熱板を設けない比較例との冷却
特性の結果を示す。比較例では発熱体サンプルのパワー
のばらつきによる温度差がそのまま現われている。実施
例１、２では内外筒の何れからも遠い、中間位置にある
サンプルの冷却が他の位置にあるものに比してやや悪い
が、比較例に対して全体的に温度が低い方にシフトして
おり、実施例３では全て良好で均一化されている。

【００３１】

【発明の効果】

(1)請求項１に記載の電子機器の冷却装置によれば、放
射状配列のプリント基板を内筒と外筒間に納めてこれら
に冷媒を流して間接冷却するようにしたので、省スペー
ス化が図れ、またプリント基板の発熱体と内筒または外
筒を放熱板で連結したので、冷媒流から離れた発熱体の
冷却を有効に行うことができる。

【００３２】(2)請求項２に記載の電子機器の冷却装置
によれば、内筒及び外筒間に冷媒の流れる基板配列体を
さらに備えたので、発熱体の均一冷却をより有効に行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すテストヘッドの水冷
装置の構成図。

【図２】第１実施例による放熱板を取り付けたプリント
基板の断面図及び正面図。

【図３】第１実施例による放熱板を取り付けたプリント
基板の内外筒への取り付け状況を示す断面図。

【図４】第２実施例による放熱板を取り付けたプリント
基板の正面図。

【図５】第２実施例によるＨＩＣの平面図と、ＨＩＣ及
び放熱板を取り付けたプリント基板の断面図。

【図６】第１実施例と第２実施例を組み合わせた放熱板
を取り付けたプリント基板の斜視図。

【図７】第３実施例によるテストヘッドの水冷装置の要
部構成図。

【図８】第１実施例〜第３実施例および比較例の冷却特
性図。

【図９】従来例によるテストヘッドの冷却装置の構成
図。

【符号の説明】

１２ プリント基板 １３ 発熱体 １４ 内筒 １６ 外筒 １７ａ 送りホース １７ｂ リターンホース １８ａ 送りホース １８ｂ リターンホース ２０ 熱交換器 ２１ 循環ポンプ ２２ 循環ポンプ ２３ 放熱板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同心円状に設けられ筒内部に冷媒が流れ
   る流路を有する内筒及び外筒と、 この内筒及び外筒間に形成される環状空間に放射状に配
   列された複数のプリント基板と、 各プリント基板の所定の発熱体と内筒もしくは外筒また
   はその両方とを連結して上記所定の発熱体を冷却する放
   熱板とを備えたことを特徴とする電子機器の冷却装置。
2. 【請求項２】 上記内筒及び外筒間に形成される環状空
   間に設けられ、内外筒の流路を連通する連通路と上記プ
   リント基板を放射状に配列支持する支持部とを有する基
   板配列体を備え、各プリント基板を所定の発熱体が上記
   基板配列体に密接するように取り付けた請求項１に記載
   の電子機器の冷却装置。