JPH0472795A - 回路基板用冷却体および回路基板の冷却構造 - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、各種ＯＡ機器やＦＡ機器などにおける回路基
板の過熱を防ぐための冷却体および冷却構造に関する。

「従来の技術」 上記ＯＡ機器、ＦＡ機器における素子の高集積度化の要
望は年々高まっており、機器内部での回路基板の配置ス
ペースも縮小される傾向にある。

同時に、比較的大電力を制御する発熱量の大きいパワー
素子の配置密度を高める要望も高まりつつある。このた
め、各回路基板の素子温度を適正範囲に保つには、効率
の良い冷却手段を設ける必要がある。

従来は、この種の冷却手段として、回路基板の裏面に金
属板等のヒートシンクを一体固造し、回路基板の放熱を
高めたり、冷却ファンにより機器内の空気を強制的に循
環させ、回路基板を強制的に空冷する等の方法が採られ
ている。

そして従来の機器等では、上記の手段を用いることによ
り、多数の回路基板を２０〜３０＋ｕ程度の間隔で配置
しているのが一般的である。

「発明が解決しようとする課題Ｊ しかし、上記の冷却手段では、回路基板の配置密度があ
る程度以上（例えば配置間隔２０ｘｘ以下）になると、
冷却効果が急激に低下することが避けられず、環境温度
が上がった場合に素子の過熱により誤動作を生じるおそ
れが生じ、機器の小形化・高密度化に対応しきれない問
題があった。

また、ファンで強制空冷する方法では、風の当たる箇所
と当たらない箇所で冷却能力が不均一になるうえ、ファ
ン自体の発熱や漏れ磁気による回路基板への影響、およ
び振動や駁音による環境悪化等の問題も無視できなかっ
た。

そこで本発明者らは、実願昭６３−１０４７１２号にお
いて、水冷式の薄板型冷却体を各回路基板に隣接して配
置し、回路基板を強制的に冷却する構造を発案した。冷
却体としては、一対の金属板を張り合わせ、これらの間
に中空の冷却材通路を形成したものを使用する。

ところが、本発明者らが実際に純銅等の材質でこのよう
な冷却体を試作し、実験を行なったところ、冷却体と回
路基板との間に介装した伝熱スプリングの付勢力を受け
て冷却体に撓みが生じ、平面性が悪化して回路基板との
間隔を適正に維持できず、冷却効果にむらが生じるだけ
でなく、場合によっては回路基板に冷却体が接触して悪
影響を与えるおそれもあった。したがって、回路基板の
間隔をある程度以下に狭めることは困難だった。

そこで、本発明者らは種々の合金を用いて冷却体を多数
試作し、それぞれの特性を測定して最適な材質を検討し
た。なお、冷却体の材質として望まれる特性をまとめる
と以下の通りである。

■　熱伝導性が高い ■　成形容易でコストが安い ■　冷却水に対する耐食性に優れる ■　剛性が高く、平坦度が保たれる。

このような検討を行なった結果、本発明者らは、Ｃｕ−
Ｆｅ系合金を用いて冷却体を成形した場合に、前記■〜
■の要求特性がいずれも十分に満たされ、回路基板用冷
却体として極めて良好な特性が得られるという新規な知
見を得るに至った。

「課題を解決するための手段」 本発明は上記知見に基づいてなされたもので、まず請求
項１記載の回路基板用冷却体は、一対の金属板を張り合
わせ、これら金属板の間に中空の冷却材通路を形成して
なり、前記金属板はいずれも、Ｆｅ：０．０５〜３ｗｔ
％、Ｐ：０．０１〜０．１５ｖｔ％、残部Ｃｕの組成を
有する銅合金で成形されていることを特徴とする。

また、請求項２記載の回路基板用冷却体は、金属板の一
方をＦｅ：０．０５〜３ｖｔ％、Ｐ：０．０１〜０．１
５ｖｔ％、残部Ｃｕの組成を有する銅合金で成形すると
ともに、金属板の他方は純銅で成形したことを特徴とす
る。

なお、冷却材通路は、金属板のいずれか一方を断面半円
状に膨出させて形成されていてもよい。

また、膨出側の金属板の厚さは０．３〜２　、　Ｏｘｚ
。

前記冷却材通路の断面の幅は６〜１５ｘｘ、冷却材通路
の断面の高さは０．５〜３．Ｏｚｘとされる一方、他方
の金属板の厚さは０．３〜５　、　Ｏｘｘとされている
ことが望ましい。

一方、本発明の回路基板の冷却構造は、前記の回路基板
用冷却体を、互いに間隔を空けて平行に配置された複数
の回路基板の間に平行に配置したことを特徴としている
。

なお、回路基板用冷却体は、伝熱部材を介して隣接する
回路基板に連結されていてもよい。

また、回路基板と冷却体との離間距離は０．５ＸＸ以下
とされていてもよい。

「作　用」 本発明の回路基板用冷却体においては、金属板の材質を
前記のように限定したことにより、冷却体の剛性が純銅
等の通常の伝熱材料より格段に大きい。したがって、自
重や冷却材圧力、および伝熱部材の付勢力等により冷却
体の平面性が悪化することが防止でき、隣接する回路基
板と冷却体の距離が変化して冷却効率が不均一になった
り、回路基板に冷却体が接触して悪影響を及ぼす等の問
題が生じない。

また、本発明の回路基板の冷却構造では、前記のように
冷却体に変形が生じない分、回路基板の配置間隔を小さ
くすることができ、冷却体による冷却効果が向上できる
とともに、回路基板の集積密度を高めて装置の小形化が
図れる。

「実施例」 第１図は本発明に係わる回路基板の冷却構造の一実施例
を示し、図中符号ｌは、図示しないケーシングの内部で
多数枚間隔を空けて平行に配置された回路基板、２は各
回路基板ｌの間に互いに間隔を空けて平行に配置された
冷却体である。

この冷却体２は、第２図および第３図に示すように、２
枚の金属板３Ａ、３Ｂを接合し、一方の金属板３Ｂを連
続した断面半円状に膨出させ、その内部に冷却材通路４
を形成したもので、図示の例では冷却材通路４が互いに
平行な直線部を有する蛇行形状に形成されている。

冷却材通路４の平面形状は、回路基板１の熱分布や必要
とされる冷却効率、冷却材種を考慮して決定すべきであ
り、例えば発熱量の大きな大電力素子の周囲では冷却材
通路４の配置密度を高め、冷却効率を高めるとよい。

なお、前記のような冷却材通路４を形成するには、一方
の金属板３Ｂに冷却材通路４の形状をなす凸部を予めプ
レス成形したうえ、これに他方の金属板３Ａを拡散接合
またはろう付けする方法や、あるいはいずれか一方の金
属板３Ａ（３Ｂ）にカーボン、インク、塗料等の圧着防
止剤の皮膜を冷却材通路４の形状にプリントした後、こ
の上に他方の金属板３Ｂ（３Ａ）を圧延接合し、この接
合板を、形成すべき冷却材通路４と同形状の凹部を有す
る金型（図示路）にセットし、前記圧着防止剤皮膜に沿
って接合板の端部から高圧空気を吹き込む膨管加工等が
採゛られる。

各金属板３Ａ、３Ｂのうち、少なくとも平坦な側の金属
板３Ａは、Ｆｅ：０．０５〜３ｗｔ％、Ｐ：０゜Ｏ１〜
０．１５ｗｔ％、残部Ｃｕの組成を有する銅合金で成形
されている。ただしＺｎ、Ｂ　、Ｍｇ、ＡＩ、Ｓ　ｉ。

Ｐｂ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｓｎ等の元素を
一種または複数種を０，５ｗｔ％以下含有した場合にも
、本発明の冷却体２の性能に本質的な悪影響を及ぼさな
い。

前記組成のうち、Ｆｅは金属板の強度を高めてばね性を
向上するために添加されており、その含有量が０．０５
ｗｔ％未満では十分な効果は得られない。また３ｖｔ％
未満では冷却体２の熱伝導性を低下させる。

Ｐは素材を製造する過程での脱酸剤として使用され、含
有量０．０１ｗｔ％未満では効果が得られず、０．１５
ｗｔ％より大では効果が飽和するうえ熱伝導性を低下さ
せる。

金属板の一方３Ａのみを上記銅合金で成形することも可
能であり、この場合、他方の金属板３Ｂは熱伝導性およ
び成形性の良好な純銅で成形されることが望ましい。こ
こでいう純銅とは、Ｃｕ含有量が９９．９ｗｔ％以上の
鋼材を示す。純銅製の金属板３Ｂは膨管等の加工が容易
である一方、前記Ｆｅ−Ｃｕ系合金製の金属板３Ａによ
り冷却材２全体としての剛性が向上される。

第３図に示すように、膨出側の金属板３Ｂの厚さＴ２は
０．３〜２．Ｏｚｘ、望ましくは０３〜１、Ｑｚｚとさ
れる。０．３ｚｍ未満では剛性が低下し、平面度が維持
できない。また２、０’ｚｉより大では膨出加工が困難
になる。他方の金属板３Ａの厚さＴ１は０．３〜５．Ｏ
ｚｚ、望ましくは０．５〜２．Ｏｚｚとされる。０．３
＊ｘ未満では剛性が低下して平面度が維持できない。ま
た５、（Ｊｏｙより大では膨出加工が困難になる。

また、各板厚が上記範囲に設定された場合には、冷却材
通路４の断面の幅Ｗは６〜１５ｘｚ、断面の高さＨは０
．５〜３．０＊ｘとされることが望ましい。断面の幅Ｗ
が６＊ｘ未満では膨管加工の高さが小さくなる問題が生
じ、１５ｘｘより大では膨管加工しない側の金属板３Ａ
の平面度が維持できない問題を生じる。

上記寸法の冷却体２によれば、回路基板ｌ同士の配ｆＩ
１間隔が従来の空冷手段では２０〜３０ｘｘであったの
に対し、本発明者らの実験によれば、冷却材として冷却
水を循環使用した場合、効果的に冷却が行なえる回路基
板Ｉと冷却体２の配置間隔は０．５ｉｚ以下であること
が判明した。したがって、回路基板ｌの配置密度は２倍
程度にまで高められることになる。

なお、冷却体２の冷却材通路４の両端開口部のみは断面
円形に膨管加工されており、その内部にそれぞれ銅製等
の接続バイブロが差し込まれ、銀ろう等によりろう付け
されている。これら接続バイブロにはそれぞれチューブ
５が接続され、これらチューブ５を介して、機器外の図
示しない冷媒供給機構からフロンガスや水、各種液体等
が循環供給されるようになっている。

供給する冷却材の種類、温度、流量は、回路基板ｌが素
子の適正温度範囲に保たれるように、かつ冷却体２およ
びチューブ５等に結露が生じないように考慮して決定さ
れる。

なお、結露を防止するには、冷却体２に結露センサーを
取り付け、結露を検出すると冷媒流量を低減または停止
する流量制御機構を設けたり、あるいは温度センサーを
冷却体２に取り付け、環境温度が変わっても冷却体２の
温度を一定に保つ温度制御機構を設けてもよい。

上記構成によれば、冷却体２を構成する金属板の少なく
とも一方が前記組成からなるので、長期使用後にも冷却
体２全体としてのばね性が低下せず、剛性が純銅等の通
常の伝熱材料を用いた場合よりも大きいため、長期使用
後にも、自重や冷却材圧力による冷却体２の平面性悪化
が生じにくい。

したがって、回路基板ｌと冷却体２の距離が変化して冷
却効率が不均一になったり、回路基板１に冷却体２が接
触して悪影響を及ぼす等の問題が生じにくく、信頼性を
向上することができる。

また、冷却体２に変形が生じない分、回路基板ｌの配置
間隔を小さくすることができ、冷却体２による冷却効果
が向上できるとともに、回路基板ｌの集積密度を高めて
装置の小形化が図れる。

また、ファン等で機器内を冷却する構造と異なり、騒音
や磁気影響のおそれがないうえ、冷却体２の配置や冷却
材通路４の平面形状（密度）等を調節することにより、
例えば発熱量の大きい素子の近傍では冷却効率を高め、
発熱量の小さい部分では冷却効率を下げる等の対応が容
易であり、回路基板１の局部的な過熱や冷却しすぎによ
る誤動作を低減するとともに、温度補正が困難な素子も
、素子の温度をより狭い一定範囲に保つことが容易で、
機器の動作安定性を格段に向上できる。

なお、上記実施例では冷却材通路４を蛇行形状に形成し
ていたが、第４図に示すように複数の流路４Ｂを並列に
形成した形状も実施可能である。

この場合、冷却材の通過距離および時間が短くなるため
、冷却体２の温度分布がより均一になる利点を有する。

また、空気の流通性を向上するために、冷却体２の冷却
材通路−４以外の部分に、多数の通孔を形成してもよい
。さらに、冷却体２に小さなフィンを多数固定し、空気
との熱交換を促進してもよい。

次に、第５図は冷却体２の異なる固定構造を示し、この
例では回路基板１の裏面にヒートシンク７を固定したう
え、このヒートシンク７に直接、冷却体２を固定してい
る。この例によれば、回路基板ｌのヒートシンク７を通
じて回路基板ｌの全面を直接効率良く冷却することがで
き、特に発熱量の大きい回踏基板ｌに対して効果的に冷
却が行なえる。

また、第６図に示す実施例では、各回路基板１に固定さ
れた比較的突出量の大きい素子８と、冷却体２の冷却材
通路４との干渉を防ぐために、素子８と対向する箇所の
冷却材通路４を、冷却体２の反対面側に突出させたこと
を特徴とする。このような冷却体２も、前述した製造方
法によって容易に製造できる。

次に、第７図に示す実施例では、冷却体２を直接、回路
基板ｌに固定する代わりに、冷却体２の裏面に伝熱板Ｉ
Ｏを固定し、この伝熱板ＩＯを介して回路基板ｌ上の素
子９を冷却するようにしたことを特徴とする。

前記伝熱ＩＯには、等間隔毎に多数のコ字状をなす切り
込み１２が打ち抜き加工あるいはレーザー加工等により
形成され、これら切り込み！２の内部の舌片ＩＩが曲げ
られ突出したもので、熱導電性の良好な材質で成形され
ている。そして、各舌片１１の先端部１１Ａは、各素子
９の上面に弾性的に面接触している。

この例では、回路基板Ｉの各素子９を効果的に冷却でき
るうえ、第５図の構成に比して、回路基板ｌと冷却体２
との着脱か容易に行なえる利点を有する。

なお、舌片１１の形状や配置は素子９の大きさや配置に
合わせて適宜変更してよいのは勿論である。

次に、第９図は冷却体２と回路基板Ｉとの間に、柔軟な
伝熱体シート１３を着脱自在にはさんだことを特徴とす
る。伝熱体１３としては、シリコーン樹脂等が使用可能
である。

次に、第１θ図は回路基板１上の特に発熱量の大きい素
子１５に、放熱板１４を固定し、この放熱板１４を冷却
体２の裏面に当接させたことを特徴とする。この例によ
れば、特に発熱量の大きい素子・１５を、他の素子９よ
りも重点的に冷却することが可能である。

次に、第１１図は、各回路基板１の裏面Ｉこ当接するよ
うに、長い冷却体２を蛇行させて配置した例を示す。

また、第１２図は、冷却体２に多数の通風孔（図示路）
を形成するとともに、ケーシング１７内で空気を循環さ
せる送風ファン１６を設け、冷却体２を通って冷却され
た空気をファン１６で送り、各回路基板ｌの間隙を通す
ようにした構成を示す。

この場合も、ファンのみで強制冷却していた従来構造に
比べて送風量が小さくて済むため、ファンの騒音や磁気
影響等が軽減できる。さらに、本発明は上記実施例のみ
に限られず、回路基板の配置や形状Ｚこ応じて適宜構成
を変更してよい。

「実験例」 次に、実験例を挙げて本発明の効果を実証する。

（実験例１） 純銅とＦｅ含有量の異なるＣｕ−Ｆｅ系合金におけるヤ
ング率および導電率の変化を調べた。

ヤング率の測定は金属材料引張試験方法（ＪＩＳ　　Ｚ
　　２２４１）により行なった。試料の材質は純＃４：
銅純度９９．９ｗｔ％以上 Ｃｕ−Ｆｅ系合金： Ｐ：０．０３ｗｔ％　Ｆｅ：後記　　残部Ｃｕ試料の寸
法はＪＩＳ５号片とし、伸び計を用いて応力と延び量と
の関係線図を求めたうえ、初期の直線部分に平行線を引
き、交わる点の示す応力と弾性の関係からヤング率（Ｅ
）を求めた。結果を第１表に示す。なお、導電率はその
材質の熱伝導率と比例するため、熱伝導率の評価値とし
て挙げてあり、純銅を１００％とした場合の相対値を示
している。

第１表 （実験例２） 純銅およびＣｕ−Ｆｅ系合金の肉厚の変化による撓み量
の変化を測定した。純銅は実験例１と同じもの、合金と
してはＦｅ：　０．　１ｗｔ％、Ｐ：０．０３ｗｔ％、
残部Ｃｕの組成のものを使用した。

測定試料の寸法はＪＩＳＳ号片とし、両端支持梁のスパ
ンの中央部に荷重をかけて撓み量の変化を測定した。な
お、梁のスパンはＩ　００　ｚｘ、荷重は１００９ｆと
した。結果を第２表に示す。

第２表 （実験例３） 実際の使用状態を模すため、純銅とＣｕ−Ｆ　ｅ系合金
の板材（１０ｏｘ１３５ｘ１．０ｘｘ）を使用し、これ
ら板材の１３５ｚｘ方向の両端を支持したうえで、板材
の全面に均一な圧力分布で４０１Ｆの荷重をかけ、中央
部での撓み量を測定した。合金の組成は実験ｆ！′Ｊ２
と同一である。その結果を第３表に示す。

第３表 「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係わる回路基板用冷却体
は、構成する一対の金属板の少なくとも一方がＦｅ−Ｃ
ｕ系合金で成形されているので、純銅など通常の伝熱材
料によって冷却体を成形した場合に比してばね性および
剛性が格段に高く、長期使用後にも冷却体の平面性が悪
化することが少ない。

また、本発明の回路基板の冷却構造によれば、前記のよ
うに回路基板用冷却体の平面度が長期に互って高く維持
されるので、回路基板と冷却体の距離が変化して冷却効
率が不均一になったり、回路基板に冷却体が接触して悪
影響を及ぼす等の問題が生じにくく、信頼性を向上する
ことができる。

また、冷却体に変形が生じない分、回路基板の配置間隔
を小さくすることができ、冷却体による冷却効果が向上
できるとともに、回路基板の集積密度を高めて装置の小
形化が図れる。

さらに、ファン等で機器内の回路基板を冷却する構造と
異なり、素子への磁気影響や騒音発生のおそれもないう
え、冷却体の配置や冷却材通路の平面形状（密度）等を
調節することにより、回路基板の局部的な過熱や冷却し
すぎを防ぎ、素子の温度をより狭い範囲に保つことが容
易で、機器の動作安定性を格段に向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図なＮ）シ第３図は本発明に係わる回路基板の冷却
構造および回路基板用冷却体の一実施例を示し、第１図
は回路基板の冷却構造の正面図、第２図は冷却体の裏面
を示す平面図、第３図は冷却材通路の断面拡大図である
。 また、第４図は本発明の回路基板用冷却体の他の実施例
を示す平面図、第５図は本発明に係わる回路基板の冷却
構造の第２実施例を示す正面図、第６図は回路基板の冷
却構造の第３実施例を示す正面図、第７図および第８図
は回路基板の冷却構造の第３実施例を示す正面図および
平面図、第９図ないし第１２図は回路基板の冷却構造の
第４実施例ないし第７実施例を示す正面図である。 １・・・回路基板、　　　　２・・・回路基板、３　Ａ
、３　Ｂ・・・金属板、　４・・・冷却材通路、５・・
・チューブ、　　　　６・・・接続パイプ、７・・・ヒ
ートシンク、　８，９．１５・・・素子、１０．１３．
１４・・・伝熱部材。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）　一対の金属板を張り合わせ、これら金属板の間
   に中空の冷却材通路を形成してなる回路基板用冷却体で
   あって、 前記金属板はいずれも、Ｆｅ：０．０５〜３ｗｔ％、Ｐ
   ：０．０１〜０．１５ｗｔ％、残部Ｃｕの組成を有する
   銅合金で成形されていることを特徴とする回路基板用冷
   却体。
2. （２）　一対の金属板を張り合わせ、これら金属板の間
   に冷却材通路を形成してなる回路基板用冷却体であって
   、 前記金属板の一方は、Ｆｅ：０．０５〜３ｗｔ％、Ｐ：
   ０．０１〜０．１５ｗｔ％、残部Ｃｕの組成を有する銅
   合金で成形され、前記金属板の他方は純銅から成形され
   ていることを特徴とする回路基板用冷却体。
3. （３）　前記冷却材通路は、前記金属板のいずれか一方
   を断面半円状に膨出させて形成されていることを特徴と
   する請求項１または２記載の回路基板用冷却体。
4. （４）　前記膨出側の金属板の厚さは０．３〜２．０ｍ
   ｍ、前記冷却材通路の断面の幅は６〜１５ｍｍ、冷却材
   通路の断面の高さは０．５〜３．０ｍｍとされる一方、
   他方の金属板の厚さは０．３〜５．０ｍｍとされている
   ことを特徴とする請求項３記載の回路基板用冷却体。
5. （５）　請求項１、２、３または４記載の回路基板用冷
   却体を、互いに間隔を空けて平行に配置された複数の回
   路基板の間に平行に配置したことを特徴とする回路基板
   の冷却構造。
6. （６）　前記回路基板用冷却体は、伝熱部材を介して隣
   接する回路基板に連結されていることを特徴とする請求
   項５記載の回路基板の冷却構造。
7. （７）　前記各回路基板と前記回路基板用冷却体の離間
   距離は０．５ｍｍ以下とされていることを特徴とする請
   求項５または６記載の回路基板の冷却構造。