電子機器の冷却装置

【目的】水冷間接冷却により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】内部に冷却水が蛇行して流れる冷媒配管１４を有する金属ブロック１４を備えた冷却体８を、放射状配列されたプリント基板５、５間の楔形隙間７に設ける。送りホース１１から送り環状路９ａに送られ、チューブ１９ａを通って冷媒配管１５に供給された冷却水は、金属ブロック１４を均一冷却して、各プリント基板５上に実装された発熱体６に冷熱を伝えて、発熱体６を間接冷却させる。冷却水はフレキシブルチューブ１９ｂを通って戻り環状路９ｂ、リターンホース１２を経て熱交換器に戻り、再度冷却されて再度冷却体８に送られて循環する。

【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。このような放射状配列のプリント基板を冷却するには、従来、図３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る（例えば、特開昭６３−１８１９７３号公報、実開平４−５６３９１号公報など）。すなわち、プリント基板３２上の発熱体３３を均一に冷却するために、ブロア３４でテストヘッド中央からテストヘッド３１内へ空気３７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３８などを設けてブロア３４に近い側と遠い側とで風量差が出ないようにしている。この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３２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３８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、■許容電力に限界がある、■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っているが、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、基板には金属ベース基板ではなく、通常のプリント基板を使うようにし、このプリント基板間に冷却体を挟むことによって、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ち、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】本発明は、複数のプリント基板が配列された電子機器の冷却装置において、各プリント基板間に形成される隙間に、各プリント基板上に実装された発熱体に接してこの発熱体を冷却する冷却体を設け、この冷却体を、蛇行する冷媒配管を内部に有する金属ブロックで構成したものである。
【０００９】この場合において、冷却体とこれと接する発熱体との間に両者を密接する熱的連結材を介在させたり、冷却体との間で循環させる冷媒を冷却する熱交換器を、電子機器の外部に備えたりすることが好ましい。
【００１０】また、本発明はプリント基板の配列が平行配列でも放射状配列でもよいが、特に、プリント基板が放射状に配列されており、上記冷却体の形状が、各プリント基板間に形成される隙間形状に合せて楔形をしていたり、冷媒配管と熱交換器とを接続する接続系が、放射状配列された複数のプリント基板の周りに配設され、送り路と戻り路が分離されている環状路と、この分離されている環状路と熱交換器の出入口とをそれぞれ接続する一対の接続パイプと、分離されている環状路にそれぞれ一端が接続され、他端が各冷却体の冷媒配管のと出入口にそれぞれ接続される一対のフレキシブルチューブとから構成されていたりすることが好ましい。
【００１１】冷却体を構成する金属ブロックとしては、銅または銅合金、もしくはアルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましく、金属ブロック内に設けられる冷媒配管も同じ材料で構成されることが好ましい。また、メンテナンス上、冷却体およびフレキシブルチューブは着脱自在とすることが好ましい。
【００１２】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である。
【００１３】電子機器としては例えばＩＣテスタのテストヘッドを挙げることができるが、これに限定されないことは勿論である。
【００１４】
【作用】冷媒がプリント基板間の隙間に納められている各冷却体の冷媒配管に入ると、ここで蛇行しながら金属ブロックと熱的に接触しているプリント基板上の発熱体の熱を奪って発熱体を冷却する。昇温した冷媒は、冷媒配管から出ていく。
【００１５】通常、各プリント基板は密着させずに離して配列するので、プリント基板間には隙間が形成される。冷却体はこの隙間に納められるので、隙間が有効利用される。冷却体がプリント基板の発熱体と熱的に連結していると、金属ブロックから発熱体に冷熱が有効に伝達されるため、発熱体に発生した熱を金属ブロックが有効に奪うことができる。金属ブロック内に設けた冷媒配管が蛇行していると、金属ブロックが均一に冷却され、プリント基板上の発熱体も均一に冷却される。
【００１６】特に、プリント基板が放射状に配列された電子機器であって、熱交換器が電子機器の外部に設置されている場合は、冷媒は熱交換器から接続パイプを通して放射状配列のプリント基板を取り巻く環状路に送られる。冷媒は、さらに環状路からフレキシブルチューブを通った後、基板間の隙間に納められている各冷却体の冷媒配管に送り込まれる。
【００１７】ここで蛇行しながら金属ブロックと熱的に接触しているプリント基板上の発熱体の熱を奪って発熱体を冷却する。昇温した冷媒は、フレキシブルチューブから環状路を経て接続パイプを通り熱交換器に返る。ここで、熱交換されて冷却された後、再度冷却体に送られ循環する。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図２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１の中央には上下を貫通する顕微鏡挿通用孔２が設けられる。この顕微鏡挿通孔２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、円筒３によって区画形成される。この円筒３は、ケーシング下部のマザーボード４に開けた円形の穴に挿通固定されている。
【００１９】マザーボード４上の円筒３の外周に多数のプリント基板５が放射状に配列される。プリント基板５は、金属ベース基板ではなく、通常の多層基板であり、その表裏両面にはＩＣなどから構成される発熱体６が多数実装されている。
【００２０】これらのプリント基板５の表裏に実装された多数の発熱体６を冷却するために、放射状配列された各プリント基板５間に形成される楔形の隙間７に冷却体８が、発熱体６と接するように納められている。この冷却体８は、後に述べるが、内部に循環路の一部をなす冷媒配管が設けられ、冷却水を循環供給することで、間接的に発熱体６を冷却するようになっている。
【００２１】この冷却体８に冷却水を循環供給するために、放射状配列されたプリント基板５の外周部に、円筒３と同心円状に配置された環状路９が、送り路と戻り路とに分離されて２本（９ａ、９ｂ）設けられる。２本の環状路９ａ、９ｂは冷却体８に連結され、冷却体８内に冷却水を供給する。
【００２２】テストヘッドの外部に熱交換器１０が備えられ、２本の環状路９ａ、９ｂは、この熱交換器１０に送りホース１１、リターンホース１２で接続されて、循環ポンプ１３を介して熱交換器１０を介して、常に所定温度に冷却された水を環状路９ａ、９ｂに循環させるようになっている。
【００２３】本実施例の要部分解斜視図を示す図１を用いてさらに詳細に説明する。各プリント基板５間に形成される楔形隙間７に納められる冷却体８は、この隙間７に嵌合する隙間７と同形の楔形をした金属ブロック１４と、この金属ブロック１４内に蛇行して設けられた冷媒配管１５とから構成される。省スペース化のために冷媒配管１５は入口、出口を除いて金属ブロック１４内に埋設してある。金属ブロック１４の表裏両面にプリント基板５が位置し、各プリント基板５に実装された発熱体６と熱的に連結して、発熱体６を冷却するようになっている。金属ブロック１４および冷媒配管１５は、本実施例では最も熱伝導性の良い銅または銅合金から構成してある。
【００２４】冷却体８は、その下部に位置決め用のガイドピン１６、１６をもち、マザーボード４に設けたピン穴１７、１７に差込むことにより、冷却体８の位置決めと固定を容易にしている。
【００２５】金属ブロック１４と各プリント基板５との間には、両者の熱的連結を高めるために、熱的連結材であるウレタンヒートシンク１８を介在させてある。このウレタンヒートシンク１８はシート状をしており、熱伝導性の良好なシート状のスポンジないしゴムの表裏面に銅箔を貼り付けたものである。したがって、このウレタンヒートシンク１８がプリント基板５と冷却体８との間に介在すると、基板５上に実装された発熱体６の凹凸が吸収されて、各発熱体６が冷却体８に密着するようになる。なお、ウレタンヒートシンク１８は、少なくとも発熱体６との間に介在すればよく、基板５全面に介在させなくてもよい。またウレタンヒートシンク１８の押し付けによるＩＣ等発熱体６のピン間、または基板上の回路配線間の絶縁の確保は、樹脂コーティング等により行う。
【００２６】放射状に配列された複数のプリント基板５の周りに配設された環状路９は、冷却水の送り込まれる送り環状路９ａと、発熱体６からの吸熱で昇温した冷却水を戻す戻り環状路９ｂとに分離されている。
【００２７】この分離されている環状路９と各冷却体８とを接続するために、冷却体１個につき、２本のフレキシブルチューブ１９ａ、１９ｂが用意され、その内の１本のフレキシブルチューブ１９ａの一端は送り環状路９ａに接続され、他端は冷却体８の冷媒配管１５の入口と接続される。他の１本のフレキシブルチューブ１９ｂの一端は戻り環状路９ｂに接続され、他端は冷却体８の冷媒配管１５の出口と接続される。各接続部には、フレキシブルチューブ１９を着脱自在とするために取外し継手２０で接続してある。
【００２８】さて、上記の様なプリント基板５が放射状に配列されたテストヘッドにおいては、冷却水は熱交換器１０から送りホース１１を通して放射状配列のプリント基板５を取り巻く送り環状路９ａに送られる。冷却水は、さらに送り環状路９ａから一方のフレキシブルチューブ１９ａを通った後、基板５、５間の隙間に納められている各冷却体８内の蛇行状の冷媒配管１５に送り込まれる。
【００２９】ここで、冷却水は蛇行しながら金属ブロック１４と熱的に接触しているプリント基板５上の発熱体６の熱を奪って発熱体６を冷却する。このとき、面的な広がりをもつ冷却体８を発熱体６に接するようにしたので、複数の発熱体６の冷却効果を一度に高めることができる。昇温した冷却水は、他方のフレキシブルチューブ１９ｂから戻り環状路９ｂを経てリターンホース１２を通り熱交換器１０に返る。熱交換されて冷却された後、再度冷却体８に送られ循環する。
【００３０】放射状配列のプリント基板５は密に配列しても、必然的にプリント基板５間には楔形隙間７が形成されて、これがデッドスペースとなるが、この隙間７に同じ形状の楔形の冷却体８が格納されるので、隙間７が有効利用される。隙間７に格納した冷却体８内に設けた冷媒配管１５が蛇行していると、金属ブロック１４の全面に冷熱が均一にゆきわたるので、これと接触している発熱体６は、プリント基板５上の実装位置に関わらず、むらなく均一に冷却される。したがって、発熱体６間の温度差も解消することができる。それにより発熱体６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。
【００３１】そして、ウレタンヒートシンク１８により金属ブロック１４がプリント基板５の発熱体６と熱的に密に連結していると、金属ブロック１４から発熱体６に冷熱が有効に伝達されるため、発熱体６に発生した熱を金属ブロック１４が有効に奪うことができる。また、冷却体８の表裏にプリント基板５を密着させるから、１枚の冷却体８で相隣るプリント基板５の表裏を同時に冷却できる。
【００３２】このように放射状配列のテストヘッドに適用した本実施例によれば、プリント基板を高密度実装したために冷却のための隙間に余裕がなくなっても、基板間の僅かな隙間を利用して冷却体を介在させ、間接水冷による冷却を行うようにしたので、より大きな冷却性能をもち、より均一な冷却が可能となる。しかも、循環ポンプや熱交換器はテストヘッドの外部に設けるようにしたので、コンパクトな冷却装置を実現することができる。また、プリント基板に通常の多層基板を用いることができるので、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。さらに、閉鎖密閉系中に組み込まれた循環系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。
【００３３】具体的には、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枚の放熱体で最大２５０Ｗ程度まで許容できる。また、装置全体的にみて、プリント基板枚数が全部で７２枚放射状に配列され、プリント基板間隔が５度、全ワット数が５ＫＷとした場合、ΔＴの温度上昇を１５〜２０℃に抑えるには、熱交換器から送り出す水量は１０ｌ／ｍｉｎ程度必要であり、その場合、冷却水の温度は常温の２０℃で足りる。なお、冷却水温度は低いと水滴が発生するので好ましくなく、高過ぎると今度は冷却ができなくなる。
【００３４】ところで、本実施例のテストヘッドの冷却装置を長期に使用していると、冷媒配管等の詰り現象が生じるおそれがあり、メンテナンスを要する。もし、冷媒配管１５の詰りにより、ある冷却体８が全然冷えなくなった場合には、冷却水の供給を停止し、管路の水抜きを行ってから、当該冷却体８側の接続部である取外し継手２０よりフレキシブルチューブ１９ａ、１９ｂを外す。また、ガイドピン１６をピン穴１７から抜き取って、冷却体８をマザーボード４から取り外し、新しい冷却体８と交換し、逆の手順で取り付ける。このように、冷却体はフレキシブルチューブの継手を利用して単独に着脱自在とすることが出来るから、メンテナンスが容易となる。また、冷却体８と環状路９とをフレキシブルチューブ１９で接続しているので、両者の位置が多少ずれていても、そのずれが許容でき、接続作業、取外し作業が容易になる。また、冷却体８はガイドピン１６によりマザーボード４上に取り付けられるので、位置決め、取り付けが容易である。
【００３５】なお、上記実施例によれば、２本の環状路を共にプリント基板の外周に設けるようにしたが、これを内周に設けたり、あるいは１本を内周に他の１本を外周に設けるようにしてもよい。また、プリント基板の配列が放射状配列の場合について述べたが、平行配列のプリント基板の冷却にも本発明を適用できることは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】（１）請求項１に記載の本発明によれば、プリント基板間に形成される隙間に冷却体を設けたので、隙間の有効利用が図れ、装置をコンパクトにすることができる。また、冷媒による冷却方式を採っているので、ファン方式やブロア方式に比して冷却性能を高めることができる。また、冷却体がプリント基板の発熱体と接しているので、発熱体を有効に冷却でき、さらに、金属ブロック内に蛇行する冷媒配管が設けられているので、金属ブロックが均一に冷却されて、プリント基板上のいずれの位置にある発熱体をより均一に冷却できる。その結果、装置の大容量化にも十分対処できる。
【００３７】（２）請求項２に記載の本発明によれば、金属ブロックとプリント基板の間を熱的連結材を用いて熱的に連結するようにしたので、熱的連結が容易である。
【００３８】（３）請求項３に記載の本発明によれば、冷却体に比して大きな熱交換器を電子機器の外部に備えるようにしたので、電子機器の小型化を図ることができる。
【００３９】（４）請求項４に記載の本発明によれば、放射状配列されたプリント基板間に、その隙間形状に合わせた楔形の冷却体を設けているので、特に放射状配列の場合に、径方向によって生じる広狭の隙間を有効に埋めることができる。
【００４０】（５）請求項５に記載の本発明によれば、環状路と冷却体の冷媒配管とをフレキシブルチューブで接続するようにしたので、組立てやメンテナンスが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるテストヘッドの水冷装置の要部構成図。
【図２】本実施例の全体構成図。
【図３】従来のブロア方式を用いたテストヘッドの冷却装置の構成図。
【符号の説明】
４マザーボード
５プリント基板
６発熱体
７隙間
８冷却体
９環状路
９ａ送り環状路
９ｂ戻り環状路
１１送りホース
１２リターンホース
１４金属ブロック
１５冷媒配管
１６ガイドピン
１７ピン穴
１８ウレタンヒートシンク
１９フレキシブルチューブ
１９ａフレキシブルチューブ
１９ｂフレキシブルチューブ
２０取外し継手

【特許請求の範囲】
【請求項１】複数のプリント基板が配列された電子機器の冷却装置において、各プリント基板間に形成される隙間に、各プリント基板上に実装された発熱体に接してこの発熱体を冷却する冷却体を設け、この冷却体を、蛇行する冷媒配管を内部に有する金属ブロックで構成したことを特徴とする電子機器の冷却装置。
【請求項２】上記冷却体とこれに接する発熱体との間に両者を密接する熱的連結材を介在させた請求項１に記載の電子機器の冷却装置。
【請求項３】上記冷却体との間で循環させる冷媒を冷却する熱交換器を、電子機器の外部に備えた請求項１または２に記載の電子機器の冷却装置。
【請求項４】上記プリント基板が放射状に配列されており、上記冷却体の形状が各プリント基板間に形成される隙間形状に合せて楔形をしている請求項１ないし３のいずれかに記載の電子機器の冷却装置。
【請求項５】上記冷媒配管と熱交換器とを接続する接続系が、放射状配列された複数のプリント基板の周りに配設され、送り路と戻り路が分離されている環状路と、この分離されている環状路と熱交換器の出入口とをそれぞれ接続する一対の接続パイプと、上記分離されている環状路にそれぞれ一端が接続され、他端が各冷却体の冷媒配管のと出入口にそれぞれ接続される一対のフレキシブルチューブとから構成される請求項４に記載の電子機器の冷却装置。

【図１】