回路基板のヒートパイプ式冷却装置

【目的】半導体素子等の発熱部品を実装する回路基板の冷却効率を損なうことなく、板厚を薄くすると共にヒートパイプの取外しを可能にしたこと。
【構成】表面に回路パターン１２を有する基板１８上部の放熱プレート１９に、ヒートパイプ１７の偏平部を接続して設けた回路基板のヒートパイプ式冷却装置。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子等の発熱量の多い部品を実装する回路基板を冷却するヒートパイプを用いた冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ヒートパイプを用いた回路基板は、冷却効率の良いこと、動力を必要としないこと等の利点があり、半導体素子等の発熱量の多い部品の冷却に用いられている。その一例として先に本発明者等は特願平２−２４８６４４号において、「ヒートパイプ埋込み回路基板とその製造方法」を提案した。この回路基板は図８に示すように基板１８の表面に回路パターン１２を有する絶縁シート１３と、接着材層１４と、均熱用の金属板１５と絶縁基板１６とが積層一体化され、絶縁基板１６内に、基板１８面と平行な平面を有するように偏平に成形されたヒートパイプの吸熱部１７ａが埋込まれているものである。
【０００３】そして回路パターンの表面に取付けられた半導体素子（図示せず）の発熱を偏平に成形されたヒートパイプの吸熱部より吸熱し、その端部の放熱部より放熱して冷却するものである。この回路基板は、偏平ヒートパイプの巾広面を発熱面側に埋込んでいるので、吸熱部への熱伝導性が良く、従来の円形のヒートパイプを用いたものに比較して冷却効果が向上する利点がある。しかし上記のヒートパイプ埋込み回路基板は、板厚が厚くなり、例えば厚み３．０ｍｍの場合、部品のリード線が基板を貫通することが困難であり、部品の実装が容易ではなかった。またヒートパイプの取外しが不可能なため、設計、製作および保守上不利となる問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題について検討の結果、回路基板の厚さが薄く、部品の実装が容易で、かつヒートパイプの取外しが可能な回路基板の冷却装置を開発したものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、表面に回路パターンを有する基板上部の放熱プレートに、ヒートパイプの偏平部を接続して設けたことを特徴とする回路基板のヒートパイプ式冷却装置を請求項１とし、前記放熱プレートのヒートパイプ接続面に、窪みを形成したことを特徴とする請求項１記載の回路基板のヒートパイプ式冷却装置を請求項２とし、前記放熱プレートのヒートパイプ接続面に、凹凸もしくは粗面を形成したことを特徴とする請求項１記載の回路基板のヒートパイプ式冷却装置を請求項３とし、前記のヒートパイプは、ヒートパイプの少くとも１箇所を、回路基板の上方に折り曲げて形成したことを特徴とする請求項１記載の回路基板のヒートパイプ式冷却装置を請求項４とするものである。
【０００６】
【作用】すなわち本発明の回路基板の冷却装置は、回路基板の吸熱部の放熱プレート表面に、ヒートパイプの偏平部を直接に接続して、発熱素子の熱を放熱プレートを介してヒートパイプにより吸熱し、ヒートパイプの他端の放熱部より放熱させて回路基板を冷却するものである。このヒートパイプは、発熱素子の隣接した放熱プレート表面と半田もしくは接着材により接続されているため、取外しが可能であり、設計、製作が容易になる。そしてヒートパイプは、回路基板内に埋込まれていないので、この分だけ回路基板の厚みが薄くなるため、部品の実装が容易になる。またヒートパイプの吸熱部が偏平に成形され、その巾広面が放熱プレートと接触しているので熱伝導性がよい。
【０００７】また前記の放熱プレートのヒートパイプ接続面に窪みを形成することにより、ヒートパイプとの接触面積が増大し、一層熱伝導性がよくなる。さらに前記の放熱プレートのヒートパイプ接続面に、凹凸もしくは粗面を形成することにより、ヒートパイプとの接触面積が増加し、熱伝導性が向上する。なお上記の窪みを設け、さらに凹凸もしくは粗面を形成してもよい。そして、前記の放熱プレートの表面に接続するヒートパイプを、回路基板の上方に折り曲げて形成すると、この空間部に回路パターンを設けることができる利点がある。
【０００８】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る回路基板のヒートパイプ式冷却装置の一実施例を示す部分断面図である。この回路基板１１は、基板１８の表面に銅箔等の回路パターン１２を有し、絶縁シート１３と、放熱用の無酸素銅からなる放熱プレート１９と、この放熱プレートの下部のガラスエポキシ樹脂等の絶縁基板１６からなっている。上記の回路パターン１２と絶縁シート１３と放熱プレート１９と絶縁基板１６は、図示しない接着材によりそれぞれ接着されている。そして前記の放熱プレート１９の表面に、断面が偏平に成形されたヒートパイプ１７が、半田２０または接着材等により接続されている。
【０００９】このようにして形成された回路基板１１の上面には、半導体素子３１が載置され、その下面の発熱部３２は、接着材３３により、発熱部品実装部１２ａに接着され、リード部３４は、回路パターン１２に接続され、半導体素子用として使用される。発熱部品実装部の熱は、放熱プレートを介して、ヒートパイプに伝わり、ヒートパイプの放熱部より放熱される。
【００１０】この回路基板の放熱プレート１９には、０．５ｍｍ厚さで１５０×１５０ｍｍの無酸素銅またはタフピッチ銅を用いた。ヒートパイプは銅製の３ｍｍφ、長さ１１０ｍｍのものを焼鈍し、厚さ２ｍｍに偏平加工し、表面にニッケルメッキを施したものを用いた。回路パターン１２の銅箔は３５μｍの電解銅を用い、絶縁基板１６はガラスエポキシ樹脂のＦＲ−４を用いた。前記の放熱プレート１９とヒートパイプ１７との接続は、図２に示すように偏平に成形されたヒートパイプ１７を放熱プレート１９の表面に載置し、半田２０または、熱伝導性の良い接着材を用いて接着する。これらを図１のように積層し、ホットプレスで接着して回路基板１１を作成した。
【００１１】このようにして作成された回路基板１１を用い、発熱部品実装部１２ａに、図３に示すように発熱量２Ｗの半導体素子３１を実装し、２０分経過後の温度を測定した結果、従来の図８に示す埋込み回路基板と略同等の温度を示した。また本実施例の回路基板の厚さは１．５ｍｍであり、従来の３ｍｍの１／２にすることができた。なお図中１７ｂはヒートパイプの放熱部で、フィン２３により放熱性を高める。
【００１２】前記の放熱プレート１９とヒートパイプ１７の接続の他の例としては、図４に示すように、放熱プレート１９のヒートパイプ１７が接続する面に、ハーフエッチング等により窪み２１を形成することにより、放熱プレートとヒートパイプの接触面積を増大させ、かつヒートパイプの位置決めが容易になる。また他の例として、図５に示すように、放熱プレート１９のヒートパイプ１７との接続面に、ハーフエッチング等により凹凸部２２を形成すると、上記と同様に接触面積を増大させることができる。
【００１３】上記のヒートパイプの形状は、図６に示すように、放熱プレート１９より上方に折り曲げて形成してもよい。この場合は、その空間部に回路パターン１２を配置できる設計上の利点がある。
【００１４】また上記のヒートパイプの断面形状は、全体が偏平でもよいが、図７に示すようにヒートパイプの吸熱部１７ａの断面形状は偏平とし、放熱部１７ｂの断面形状は円形とすることができる。そして放熱部１７ｂには放熱のためのフィン２４を取付けたり、水冷ジャケット（図示せず）を取付けて放熱を促進する。
【００１５】
【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、回路基板の放熱性を損なうことなく、基板厚を薄くでき、発熱素子の実装を容易にすると共に、ヒートパイプの取外しが可能になるため、設計、製作および保守が容易になる等の工業上顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る回路基板のヒートパイプ式冷却装置の部分断面図
【図２】本発明の一実施例に係るヒートパイプ取付け部の拡大断面図
【図３】本発明の一実施例に係る回路基板のヒートパイプ式冷却装置の概略を示す斜視図
【図４】本発明の一実施例に係るヒートパイプ取付け部の他の例の拡大断面図
【図５】本発明の一実施例に係るヒートパイプ取付け部のさらに他の例の拡大断面図
【図６】本発明の一実施例に係るヒートパイプの形状を示す側面図
【図７】本発明の一実施例に係るヒートパイプの形状の他の例を示す側面図
【図８】従来のヒートパイプ埋込み回路基板の断面図
【符号の説明】
１１回路基板
１２回路パターン
１２ａ発熱部品実装部
１３絶縁シート
１４接着材層
１５金属板
１６絶縁基板
１７ヒートパイプ
１７ａヒートパイプ吸熱部
１７ｂヒートパイプ放熱部
１８基板
１９放熱プレート
２０半田
２１窪み
２２凹凸部
２３フィン
３１半導体素子
３２発熱部
３３接着材
３４リード部

【特許請求の範囲】
【請求項１】表面に回路パターンを有する基板上部の放熱プレートに、ヒートパイプの偏平部を接続して設けたことを特徴とする回路基板のヒートパイプ式冷却装置。
【請求項２】前記放熱プレートのヒートパイプ接続面に、窪みを形成したことを特徴とする請求項１記載の回路基板のヒートパイプ式冷却装置。
【請求項３】前記放熱プレートのヒートパイプ接続面に、凹凸もしくは粗面を形成したことを特徴とする請求項１記載の回路基板のヒートパイプ式冷却装置。
【請求項４】前記のヒートパイプは、ヒートパイプの少くとも１箇所を、回路基板の上方に折り曲げて形成したことを特徴とする請求項１記載の回路基板のヒートパイプ式冷却装置。

【図１】