JPH02504207A - 低応力液体冷却アセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 低応力液体冷却アセンブリ 背景 に、それは基板に過大な応力を加えることなく印刷回路基板上の集積回路パッケ ージを液体冷却するための機構に関する。

過去において、集積回路パッケージは、それぞれが集積回路パッケージにコンタ クトする複数個の冷却ジャケットを設けることにより液体冷却されてきた。液体 のクーラントが伝導により集積回路パッケージから熱を運び去るために冷却ジャ ケットを通過する。液体は入力マニホルドによって冷却ジャケットへ供給され、 液体は出力マニホルドによつて冷却ジャケットから取られる。１つのそのような 液体冷却機構が「自己整列する液体冷却アセンブリ」と題された特許出願連続番 号１０８，３６７号で図示され記述される。

しかしながら、上に参照された液体冷却機構が扱わない問題は印刷回路基板にお いてどのように機械的応力を低減し最少化するかである。この出願が示すように 、それらの応力は冷却ジャケットが集積回路パッケージに働かせる成る一定の力 のため発生するであろう。もしこれらの応力が適当に扱われなく大きくなりすぎ ると、印刷回路基板は誤動作が起こり始める点まで曲がり得る。具体的に言うと 、集積回路パッケージを相互接続する基板上の導体は壊れることがある。また、 集積回路パッケージとその冷却ジャケットとの間で発生する熱伝導は劣化される ことがあり、集積回路パッケージが熱くなり適当に動作しないようにする。

したがって、この発明の主要な目的は、基板の中の機械的応力および撓みが非常 に低減される、印刷回路基板上の集積回路パッケージを冷却するための改良され た機構を提供することである。

図面の簡単な説明 この発明の種々の特徴および利点は添付の図面に従ってここに記述される。

第１図はこの発明の１つの好ましい実施例の構造の詳細を図示する。

第２図は第１図の実施例のもう１つの図を図示し、それはその実施例のコンタク トの配置を図解する。

第３Ａ図ないし第３Ｄ図は第１図の実施例に働いている種々の力および応力の物 理的分析を図示する。

第４図は第１図の実施例の略図であり、それは印刷回路基板が反らされる状態の 下でどのようにそれが動作するかを図示する。

第５図はこの発明のもう１つの好ましい実施例の物理的詳細を図示する。

第６図はこの発明のなおもう１つの好ましい実施例の詳細を図示する。

発明の詳細な説明 ここで第１図を参照すると、この発明の好ましい実施例が詳細に記述される。第 １図において、参照番号１０は２つの主表面１０ａおよび１０ｂを有する印刷回 路基板を示す。たとえば集積回路パッケージ１１のような電気的部品は表面１０ ａ上に装着される。それらのパッケージはそれらが動作するとき熱を消散する。

それでパッケージ１１を冷却するために、部品１２ｇないし１２ｄを含む導管１ ２が設けられる。部品１２ａの各々は冷却ジャケットであり、それはそれぞれの 集積回路パッケージ１１にコンタクトしそれを冷却する。液体のクーラントは入 力マニホルド１２ｂ１複数個のホース１２ｃ１および出力マニホルド１２ｄによ って冷却ジャケット１２ａを通って経路づけされる。

Ｎ１図はパッケージ１１および冷却ジャケット１２Ｂの１つの柱のみ図示するが 、しかし他の同じ平行な柱がほとんど全体の表面１０ａにわたって配置される。

ここでこの発明に従って、第１図のアセンブリはまた、２０番台で番号をつけら れたすべての部品（すなわち、部品２１．２１ａ、２２．２２ａ、２Ｂ、２４） でできたフレーム２０を含む。このフレームは、印刷回路基板１０に過大な応力 を加えることなく、集積回路パッケージ１１に寄り掛って冷却ジャケット１２ａ をこぢんまりと保持するように働く。部品２１および２２は１対のビームである 。

ビーム２１は冷却ジャケット１２ｇの各々と係合する１組のコイルばねコンタク ト２１ａを有し、ビーム２２は、印刷回路基板に向かって突出し、かつ基板の周 囲から予め定められた距離である間隔を保った位置でその表面１０ｂに係合する もう１つの組の円筒形のコンタクト２２ａを有する。フレーム２０はまた、ビー ム２１および２２の端部を通過する数個のボルト２３を含む。それぞれのナツト ２４はボルトに締着されコンタクト２１ａおよび２２ａをお互いに向かうように 移動する。この移動は、引き続いて、冷却ジャケット１２ａ１集積回路パッケー ジ１１、および印刷回路基板１０を一緒に圧搾する。

ここで第２図を考察すると、それは印刷回路基板の表面１０ｂ上のコンタクト２ ２ｇの１つの好ましい構成および配置を非常に詳細に図示する。第２図の中に、 合計４つのコンタクト２２ａがある。表面１０ｂの左半分上の２つのコンタクト ２２ａは１つのビーム２２により設けられ、表面１０ｂの右半分上の残りの２つ のコンタクトはもう１つのビーム２２により設けられる。これらのコンタクト２ ２ａは、ＬおよびＷがそれぞれ基板の長さおよび幅であるとき、基板の周囲から およそ０．２Ｌおよび０．２Ｗの距離に位置する。そのようなコンタクト構成は 、第３八図ないしＭ３Ｄ図に関連してここで記述されるであろうように、基板１ ０における応力を非常に減じる効果を有する。

ｍＥＡ図は基板１０の左半分および右半分に働く力を図示する。基板１０の両半 分は等しく荷重を加えられ、それで基板の各半分の分析は同じである。分布した 力ＷＯが表面ＸＯａに働かされ、なぜならビーム２１のコンタクト２１ａは冷却 ジャケット１２ａおよび集積回路パッケージ１］、を、本質的にその全体の表面 に寄り掛って圧搾するからである。この分布した力Ｗｏは（ＮＦ）／Ｌの単位長 あたりの大きさを有し、そこではＮは印刷回路基板上の冷却ジャケットの半分の 数であり、Ｆは単一のコンタクト２１ａが単一の冷却ジャケットに寄り掛って働 かす力である。表面１０ｂ上の２つの集中した力３１が表面１０ａ上の分布した 力と釣り合う。それらの力３１は２つのコンタクト２２ａによって働かされ、そ れらは各々が（Ｗｏ　Ｌ）／２の大きさを有する。

ここで第３Ｂ図を考察すると、それは基板の長さに沿って取られた第３Ａ図にお ける荷重の積分である曲線３２を含む。長さに沿った任意の点におけるこの積分 はその同じ点において印刷回路基板１０に存在する剪断応力に比例する。第３Ｃ 図におけるもう１つの曲線３３は基板の長さに沿って取られた曲線３２の積分で ある。曲線３３は重要であり、なぜなら任意の点におけるその大きさはその同じ 点における印刷回路基板１０の中の曲げ応力に比例するからである。

曲線３３は距ＭｒａＪ、ｒＬ／２Ｊ、ｒＬ−ａＪで起こる３つのピークを有する 。それらのピークは項３４ａおよび３４ｂにより示される大きさを有する。項３ ４ａおよび３４ｂの検査は、距離ｒａＪが減するにつれて、項３４ａは小さくな り、かつ項３４ｂは大きくなるということを示す。逆に、距離ｒａＪが増すにつ れて、項３４ａは大きくなり、かつ項３４ｂは小さくなる。

印刷回路基板１０におけるピークの曲げ応力を最小にするために、項３４Ｂおよ び３４ｂは大きさがお互いに等しく作られるべきである。この相等は第３Ｄ図に おいて等式１により述べられる。距離ｒａＪについて等式１を解くと等式２を生 じる。このように、等式２が示すように、ピークの曲げ応力は、距離ｒａＪがお およそ０．２Ｌに等しくされるとき、基板１０において最小にされるであろう。

同様の分析が基板の幅Ｗに沿って取られる基板１０の断面に関してなされ得、そ の分析の結果は距Ｍ「ｂ」が０．２Ｗに等しくあるべきであるということである 。

項３４ａの中に等式２の結果を置換すると等式３を生じる。その等式において、 項「Ｋ１」はａ−０，２Ｌの拘束が満たされるとき印刷回路基板１０において発 生するであろう最大の曲げ応力に比例する。比較して、項３４ｂの中でｒａＪを ０に等しくすると、ビーム２２およびそのコンタクト２２ａが除去され、導管１ ２ｃおよび１２ｄが基板の端部にボルトで留められる状況の下で印刷回路基板１ ０の中で発生する最大の曲げ応力のための式を提供する。項３４ｂの中でｒａＪ を０に等しくすると等式４が生じる。それから、等式３を等式４で除算すると等 式５が生じ、等式２が満たされるときの基板１０の中のピークの曲げ応力は導管 が基板の周囲で支えられるときの基板１０の中のピークの曲げ応力のたった１７ ％であるということを示す。

印刷回路基板］０の中で応力を生み出す他にも、それに作用する力はまた基板を 撓ませる。しかし第１図で与えられるようなフレーム２０の構造で、それらの撓 みはビーム２２が除去され導管１２Ｃおよび１２ｄが基板の周囲の上へボルトで 止められるならば起こるであろうことにより実質上低減される。この点を図解す るのに、撓みが第３Ｃ図の曲線３３から計算された。撓みは長さに沿って曲線３ ３の二重積分に比例し、この計算はコンピュータを介して行なわれた。下の表１ はこの計算の結果を示す。

表１ Ｘ／Ｌ　　　　この発明での正規化　この発明なしでのされた撓み　　　　　正 規化された撓み０．０００００　　０．０００２０　　　０．００００００．０ ５０００　　０．０００１７　　−０．００２０７０．１００００　　０．００ ０１４．　　−０．００４０９０．１５０００　　０．００００９　　−０．０ ０５９９０．２００００　　０．００００１　　−０．００７７３０．２５００ ０−０．０００１１　　−０．００９２３０．３００００−０．０００２５　　 −０．０１．０５９０．３５０００−０．０００３９　　−０．０１１６４０． ４００００　−０．・０００５１　−０．０１２４００．４５０００−０．００ ０５９　　　−０．０１２８６０．５００００−０．０００６１　　　−０．０ １３０２０．５５０００−０．０００５９　　　−０．０１２８６０、　６００ ００　　−０、０００５１　　　−０．０１２４００．６５０００−０．０００ ５９　　　−０．０１１６４０．７００００−０．０００２５　　　−０．０１ ０５９０．７５０００−０．０００１１　　　−０．００９２８０．８００００ 　　　０．００００１　　　−０．００７７３０．８５０００　　　０．０００ ０９　　　−０．００５９９０．９００００　　　０．０００１４　　　−０． ００４０９０．９５０００　　　０．０００１．７　　　−０．００２０７１、 ０００００　　　０．０００２０　　　−０．０００００表１において、１番左 の列はＬに対するＸの比として基板１０の長さに沿った任意の点ｒＸＪを規定す る。フレーム２０が使用され基板を支え、かつコンタクト２２ａが第２図に図示 されるように位置される状態について、点Ｘでの基板１０における正規化された 撓みは真中の列により示される。比較のため、表１の最も右の列はビーム２２お よびそのコンタクト２２ａが除去され、ボルト２３ａおよび２３ｂが基板の周囲 に直接に接続する状態の下での点Ｘにおける正規化された撓みを示す。正規化さ れた撓みはそれを（Ｗｏ　Ｌ’　）　／　Ｅ　］により乗算することにより実際 の撓みに変換され得、そこではｒＥＪはそれから基板１０が作られている材料の 曲げモジユラスであり、かつｒｌＪは基板１０の慣性の面積モーメントであると いうことは注目されたい。

具申の列を１香石の列と比較することは、基板１０におけるピークの撓みは２０ を越える因数によりこの発明で低減されるということを示す。このことは重要で あるが、なぜなら基板１０における撓みが増加するにつれて、ばねコンタクト２ １ａは長くされなければならないからである。

しかも、そのような長くすることは冷却ジャケットとその集積回路チップとの開 の圧縮力を低くするであろうし、そのことは引き続いてそれらの間の熱伝達を妨 げるであろう。

第１図の構造から結果として生じるもう１つの重要な特徴は第４図に図解される 。そこでは、第１図の部材は概略的に図解され、基板１０は反り１０Ｃを有する ように図示される。フレーム２０はその基板が反らされているか平坦かであるか にかかわらず基板１０において本質的に同じ応力を生み出すであろうということ をこの図は図示する。基板の反りはフレーム２０が使用されるとき応力に影響し ないであろうが、なぜならコンタクト２２ａはビーム２２を基板の表面１０ｂか ら離して保持するからである。そのような空間なしでは、ビーム２２は表面１０ ｂ上に直接に乗るであろうし、したがってビーム２２は表面１０ｂのどんな反り も平らにするのに資するであろう。しかし表面１０ｂの反りを平らにすることは 基板に応力を生み出し、応力の大きさは平らにされる反りの曲率半径の逆に比例 するであろう。いかなるそのような平らにすることもコンタクト２２ａの下で発 生しないということを確実にするためには、各コンタクトのための係合の面積は 好ましくは０．２５平方インチ未満である。

この発明の１つの好ましい実施例はここで詳細に記述された。さらに、しかしな がら、多くの変更および修正がこの発明の性質および精神から逸脱することなく この実施例になされ得る。たとえば、修正された実施例が第５図に図示される。

そこでは、ビーム２２は除去され、穴が基板の周囲から０．２Ｌおよび０．２Ｗ の距離で基板］０の中に位置し、ボルト２３がそれらの穴を通過しビーム２１に 付着する。このようにボルトの頭はコンタクト２２ａとして作用する。この実施 例は第３八図ないしＭＢＤ図と同じ示力図を有し、したがって、それは同じ応力 減少特徴を有する。また、第５図の実施例におｌブる応力は基板の反りから独立 している。しかしながら、第５図の実施例の中のボルトのための穴は成る一定の 量の基板の空間をとる。

上記の実施例へのさらにもう１つの修正として、コンタクト２２ａの総数は増加 され得る。好ましくは、コンタクト２２ａの総数は４から２５に及ぶ。コンタク トの数を増加することは基板１０の中で発生するピークの曲げ応力を低くするが 、しかしそれはまた材料を追加し、したがって費用を増す。第６図は３つのビー ム２２を有する実施例を図示し、各ビームは３つのコンタクト２２ａを有し、総 計９つのコンタクト２２ａを生じる。第６図において、距離ａ１は２／１４Ｌで あり、距離ａ２は５／１４Ｌであり、距Ｍｂ１は２．５／１５Ｗであり、距Ｍｂ ２は５／１５Ｗである。９つのコンタクト２２ｇのためのこれらの位置はコンタ クト２２ａにおいて基板１０の中で発生する正のおよび負の曲げ応力ピークの大 きさを等しくし、第３Ａ図ないし第３Ｄ図において行なわれたそれと同様の分析 により図示され得るようなものである。

さらにもう１つの修正として、コンタクト２２ａの円筒形の形状は変更され得る 。たとえば、それらは半球形に形作られることができ、またはコイルばねとして 形作られることができる。また、コンタクト２２ａは種々の材料で作られ得るが 、しかし好ましくは、ばね２１！よりも硬い、たとえばゴムのような弾性材料で 作られる。また、たとえば抵抗器またはキャパシタのような種々の電気的部品が 印刷回路基板の表面１０ｂ上のコンタクト２２ａの間に装着され得る。

したがって、この発明は上記の詳細に制限されるのではなく添付の請求の範囲に より規定されるということが理解されるべきである。

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Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．２つの逆に面する主表面を有する印刷回路基板、前記２つの表面の１つの上 に装着された電子的部品、および液体を運びかつ前記電子的部品に接触しそれら を冷却する導管を含む型の改良された液体冷却される電子的回路アセンブリにお いて、改良点は前記印刷回路基板に過大な応力を加えることなく前記部品に寄り 掛って前記導管をこぢんまりと保持するためのフレームを含み、前記フレームは （ａ）前記導管と係合する第１の組のコンタクトと、（ｂ）前記１つの表面と反 対側の前記印刷回路基板の表面と係合する第２の組のコンタクトとを有し、（ｃ ）前記第２の組の前記コンタクトは間隔を保ちかつ基板の周囲から予め定められ た距離に位置し、さらに（ｄ）それの間にある前記導管、前記電子的部品、およ び前記印刷回路基板とともにお互いの方に向かって前記第１のおよび第２の組の コンタクトを移動することにより前記電子的部品に寄り掛って前記導管を付勢す るための手段を有することを特徴とするアセンブリ。
2. ２．前記フレームが、前記導管に係合する前記第１の組のコンタクトを有トする 第１のビーム、前記１つの表面の反対側の前記印刷回路基板の表面に係合する前 記第２の組のコンタクトを有する第２のビーム、および前記第１のおよび第２の ビームをつなぎかつお互いの方に向かって移動するファスナとを含む請求項１に 記載のアセンブリ。
3. ３．前記フレームが、前記導管と係合する前記第１の組のコンタクトを有するビ ーム、および前記第１のビームと結合しかつ前記予め定められた位置で前記基板 を貫通しそこで前記第２の組のコンタクトを形成するファスナを含む請求項１に 記載のアセンブリ。
4. ４．前記第２の組の前記コンタクトが前記基板における正のおよび負の曲げ応力 のピーク振幅を等しくするパターンで間隔を保つ請求項１に記載のアセンブリ。
5. ５．総計４つのコンタクトが前記第２の組にあり、前記４つのコンタクトはしお よびＷがそれぞれ基板の長さおよび幅であるとき前記基板の周囲からおおよそ０ ．２しおよび０．２Ｗの距離に位置する請求項１に記載のアセンブリ。
6. ６．総計９つのコンタクトが前記第２の紐にあり、前記９つのコンタクトはしお よびＷがそれぞれ基板の長さおよび幅であるとき前記基板の周囲からおおよそ（ ２／１４）Ｌ、（７／１４）Ｌ、（２．５／１５）Ｗ、および（７．５／１５） Ｗの距離に位置する請求項１に記載のアセンブリ。
7. ７．前記第２の組の各コンタクトが前記基板上の０．２５平方インチ未満の面積 に接触する請求項１に記載のアセンブリ。
8. ８．前記第２の組のコンタクトが４ないし２５のコンタクトからなる請求項１に 記載のアセンブリ。
9. ９．前記第２の組の前記コンタクトが円筒形の部材である請求項１に記載のアセ ンブリ。
10. １０．前記第２の組の前記コンタクトがコイルばねである請求項１に記載のアセ ンブリ。
11. １１．前記第１のおよび第２の組の前記コンタクトが弾性材料で作られ、前記第 ２の組の前記コノタクトは前記第１の組のコンタクトよりも硬い請求項１に記載 のアセンブリ。
12. １２．基板に過大な応力を加えることなく印刷回路基板の１つの表面上の電子的 部品に寄り掛って冷却部材をこぢんまりと保持するための機構であって、前記機 構は（ａ）前記冷却部材と係合する第１の組のコンタクトと、（ｂ）前記１つの 表面と反対側の前記印刷回路基板の表面と係合する第２の組のコンタクトとを有 し、（ｃ）前記第２の組の前記コンタクトが間隔を保ちかつ基板の周囲から予め 定められた距離に位置し、さらに（ｄ）それの間にある前記冷却部材、前記電子 的部品、および前記印刷回路基板とともに前記第１のおよび第２の組のコンタク トをお互いに向かって移動することにより前記電子的部品に寄り掛って前記冷却 部材を付勢するための手段を有することを特徴とする機構。