JP2004343112A - 電気コンポーネントの冷却が改良されたプリント回路基板 - Google Patents

電気コンポーネントの冷却が改良されたプリント回路基板 Download PDF

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Abstract

【課題】 プリント回路基板に実装された電気コンポーネントを冷却するための改良された方法を提供する。
【解決手段】 基板本体の上側３と下側７との間にスルーホール６を備え、上側３に取り付けられた少なくとも１つの電気コンポーネント２と、スルーホール６内に挿入され、上
側３から下側７に延在し、電気コンポーネント２に熱的に結合されている少なくとも１つの熱伝導部材８とを備え、熱伝導部材８は、平坦な上部部分と、テーパが付いているかまたは凹部が設けられた下部部分とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、集積回路（ＩＣ）などの多数の電気コンポーネントが搭載されるプリント回路基板（ＰＣＢ）に関する。
動作時、これらのコンポーネントは熱を発生する。こうした熱は、コンポーネントの性能を改善して寿命を延長するために、コンポーネントから除去しなければならない。現在の電子デバイスは、一般に、数個のプリント回路基板が設けられ、熱を重要コンポーネントから除去するためのヒートシンクを提供する冷却デバイスを備えている。
本発明の目的は、プリント回路基板に実装された電気コンポーネントを冷却するための改良された方法を提供することである。この目的は、独立請求項により解決される。好ましい実施態様は、従属請求項に記載する。
本発明は、冷却される各コンポーネントのための熱伝導部材（ＨＣＭ）であって、プリント回路基板に設けられたスルーホール内に配置され、コンポーネントと熱的に接触し、スルーホール内でプリント回路基板の上側からプリント回路基板の下側まで延在する熱伝導部材を提供する。したがって、熱伝導部材は、プリント回路基板の熱伝導性を局所的に改善することにより、プリント回路基板の上側に配置された部品からプリント回路基板の下側に熱を伝達している。プリント回路基板の下側では、熱伝導部材は、冷却デバイスなどの適切なヒートシンクに接触することができる。したがって、コンポーネントを冷却する効果を明らかに改善することができる。熱伝導部材は、適切な熱伝導性材料、たとえば黄銅、銅または銅合金から製造されている。熱伝導部材は、実質的に平坦な上部部分と、テーパが付いているかまたは凹部が設けられた底部部分を備え、その結果、熱伝導部材をスルーホール内に圧力嵌めする時に、実質的に熱伝導部材の上側（上面）から離れた方に向いた領域のみが変形するようになる。
ヒートシンクを使用する場合、本発明は、個々のコンポーネントとほぼ直接接触することを可能にし、こうした冷却の効果を改善する。
好ましい一実施態様によると、スルーホールは、被冷却コンポーネントの下の中心に配置され、熱伝導部材の上面は、コンポーネントの下側（下面）に直接熱的に接触している。コンポーネントを熱伝導部材に直接接触させることにより、熱経路内における熱の損失を減少させることができる。コンポーネントの下面と熱伝導部材の上面との間には、半田などの適切な熱伝導接触物質を配置して、熱伝導部材とコンポーネントとの間の熱的接触を改善することができる。好ましくは、コンポーネントの下面には、金属表面などの発熱表面を設けて、コンポーネントと熱伝導部材との間の熱交換を改善している。
熱流効果を改善するため、熱伝導部材の上面をプリント回路基板の上側と明確に整列させ、および／または熱伝導部材の下面をプリント回路基板の下側と明確に整列させると良い。こうした特徴によって、熱伝導部材の上面とコンポーネントの下面との間、および／または熱伝導部材の下面とヒートシンクの上面との間の直接的な接触、ひいては熱伝導性を改善することができる。また、これらの特徴は、プリント回路基板、およびこうしたプリント回路基板を設けられた電気デバイスの連続生産を単純化する。
製造公差により、一般に多層で構成されたプリント回路基板の厚さは、比較的広範な公差範囲内で変更することができる。熱伝導部材の上面とプリント回路基板の上側との間、および熱伝導部材の下面とプリント回路基板の下側との間に実質的に正確な平面整列を提供するため、好ましい製造方法は、熱伝導部材をスルーホール内に圧力嵌めする前に、熱伝導部材に本来の形状を与えており、この本来の形状では、熱伝導部材の上面と下面との間の寸法が、プリント回路基板の厚さより大きい。したがって、圧力嵌めは、熱伝導部材およびプリント回路基板の個々の側が互いに整列する限り、熱伝導部材をスルーホール内に圧入するために行うことができる。
本発明のその他の目的および多くの付随する利点は、以下の詳細な説明を添付の図面に関連して考察すると、容易に評価され、より容易に理解されるであろう。実質的に、または機能的に等しいかまたは類似する構成は、同一の参照符号で記載する。
図１〜図３を参照すると、本発明によるプリント回路基板１（ＰＣＢ１）には、少なくとも１個の電気コンポーネント２が設けられている。このコンポーネント２は、動作モードにある時に熱を生成する。コンポーネント２は、たとえばマイクロプロセッサ、またはもう１つの任意のＩＣで良い。プリント回路基板１は、上側３を備え、この上側３にはコンポーネント２が下面４を下にして配置されている。コンポーネント２のこの下面４は、好ましくは発熱表面が形成され、たとえば、適切な金属または合金から製造されている。この発熱表面は、コンポーネント２の筐体の内部に配置された半導体に直接接続することが好ましい。
プリント回路基板１は、適切な基板材料の数個の層５から構成され、その結果、プリント回路基板１は多層構造を備えている。これらの層５には、一般にプリント回路が形成されている。コンポーネント２の下側であって、プリント回路基板１には、プリント回路基板１の上側３から下側７に延在するスルーホール６が設けられている。本発明では、このスルーホール６内に、上面９および下面１０を備えた熱伝導部材８（ＨＣＭ８）が挿入されている。熱伝導部材８は、上面９がコンポーネント２の下面４と熱的に接触し（たとえば、標準の半田プロセスにより）、スルーホール６内でプリント回路基板１の上側３からプリント回路基板１の下側７に延在している。熱伝導部材８は、熱伝導に特に適する材料、たとえば銅または銅合金から製造されている。
プリント回路基板１に冷却デバイス１３であるヒートシンク１２を設ける場合（共に、破線で示す）、ヒートシンク１２は、プリント回路基板１の下側７に配置されるようになる。好ましくは、ヒートシンク１２は、その上面１４がプリント回路基板１の下側７に直接接触している。熱伝導部材８は、プリント回路基板１の下側７に延在しているため、熱伝導部材８の下面１０がヒートシンク１２の上面１４と熱的に接触している。したがって、熱伝導部材８は、コンポーネント２からの熱を熱伝導部材８によりヒートシンク１２に直接伝達する非常に効果的な熱伝達経路を提供することになる。熱伝導部材８に助けられて、コンポーネント２の冷却を大幅に改善することができる。したがって、コンポーネント２の性能および寿命を相応に改善することができる。
任意の適切な熱伝導性接触物質、たとえば半田をコンポーネント２の下面４と熱伝導部材８の上面９との間、および熱伝導部材８の下面１０とヒートシンク１２の上面１４との間にそれぞれ配置すると、それぞれ熱伝導部材８とコンポーネント２との間および熱伝導部材８とヒートシンク１２との間の直接的な熱的接触を改善する点で適している。
図１〜図３を参照すると（同様に図４〜図８も参照）、熱伝導部材８には、上部部分１５と下部部分１６とが設けられている。上部部分１５は、中心が閉鎖されたディスク形であり、熱伝導部材８の上面９を備えている。したがって、熱伝導部材８の上面９は、コンポーネント２の下面４との接触を改善するための大きい表面になっている。外縁（外縁部）１７の上部部分１５には、外縁１７から半径方向に延在する数個の突出部１８が設けられている。これらの突出部１８は、歯システム(tooth system)またはローレットとして形成することができる。熱伝導部材８が、スルーホール６内に挿入されると、突出部１８はプリント回路基板１の内壁１９で、スルーホール６を囲む内壁１９を貫通するようになる。したがって、突出部１８は熱伝導部材８をプリント回路基板１に取り付けることになる。
下部部分１６は、中心が開放したリング形に形成され、熱伝導部材８の下面１０を備えている。下部部分１６は、上部部分１５から延在している。熱伝導部材８をスルーホール６に挿入する前、熱伝導部材８は、図４〜図６に示す本来の形状を有している。この本来の形状では、下部部分１６は、上部部分１５までの距離にテーパが付いている切頭円錐形状(truncated conical profile)を有している。熱伝導部材８をスルーホール６に挿入した後、下部部分１６は可塑的に変形するようになる。
熱伝導部材８は、実質的に回転対称形に形成されている。したがって、スルーホール６は円筒形になっている。好都合な実施態様では、熱伝導部材８は一体形の要素(one-piece element)として製造されている。
図４〜図８を参照して、プリント回路基板１を製造するために好ましい方法を以下に記載する。
図４によると、本来の形状を備える熱伝導部材８は、圧入デバイス２１の第１圧入ツール２０上に配置されている。第１圧入ツール２０は、好ましくは平面を備え、第１圧入ツール２０の中心において長手方向に調節可能な心出しマンドレル２２を備えている。図４の状態では、心出しマンドレル２２は第１圧入ツール２０から突出している。熱伝導部材８は、心出しマンドレル２２が熱伝導部材８の中心キャビティ２３内を貫通するように第１圧入ツール２０上に配置され、前記キャビティ２３はリング形の下部部分１６により囲まれるようになる。心出しマンドレル２２は、図５に示すように、熱伝導部材８を予め決められた中心位置内に圧入している。心出しマンドレル２２の上部２４は心出し機能を支持するために適切な形状に形成されていて良いことが分かるであろう。たとえば、上部２４は、切頭円錐形およびテーパ形に形成されても良い。
熱伝導部材８を第１圧入ツール２０に対して位置決めした後、既にスルーホール６が形成されているプリント回路基板１は、第１圧入ツール２０に対して位置決めされる（図５参照）。このとき、熱伝導部材８の下側７は、熱伝導部材８および第１圧入ツール２０方向に向けられる。プリント回路基板１および熱伝導部材８の位置決めは、他の順序で行うか、または同時に行うことができる。この位置決め手順が終わると、熱伝導部材８はスルーホール６と整列するようになる。
熱伝導部材８およびスルーホール６を整列させた後、熱伝導部材８は、押込み力によりスルーホール６内に圧入または圧力嵌めされるようになる。このため、圧入デバイスには、プリント回路基板１の上側３と協働する第２圧入ツール２５が設けられている（図６参照）。第２圧入ツール２５も、好ましくは、第１圧入ツール２０の表面と平行に延在する平面を備えている。次に、圧入ツール２０および２５は、矢印２６に従って互いの方向に圧迫されるようになる。この圧迫は、圧入ツール２０、２５の平面に垂直な方向に行なわれる。同時に、心出しマンドレル２２は、矢印２７に従って第１圧入ツール２０内に後退する。図６に示すように、熱伝導部材８の上部部分１５の外径は、突出部１８によりスルーホール６の内径より大きくなっている。したがって、突出部１８はスルーホール６の内壁１９内を半径方向に侵入(貫通、penetrate)し、熱伝導部材６はスルーホール６内に圧入されることになる。このため、突出部１８は内壁１９を変形させ、プリント回路基板１内の熱伝導部材８を強力に固定するあごのように作用する。
本発明の好ましい実施態様によると、熱伝導部材８の本来の形状は、熱伝導部材８の厚さ２８がプリント回路基板１の厚さ２９より大きくなるように選択されている（図５参照）。熱伝導部材８の厚さ２８は、その上面９と下面１０との間の距離である。プリント回路基板１の厚さ２９は、その上側３と下側７との間の距離である。プリント回路基板１は多層構造なので、プリント回路基板１の厚さ２９は、厚さまたは距離２９の最大値および最小値を有する比較的大きい公差範囲内で変化する。好ましくは、熱伝導部材８の距離または厚さ２８は、本来の形状では、上記の公差間隔の最大値より大きく形成されている。
図７に示すように、圧入ツール２０、２５は、熱伝導部材８の上面９が第２圧入ツール２５に当接するまで互いに圧迫されるようになる。この手順状態における熱伝導部材８の厚さ２８は、プリント回路基板１の厚さ２９よりまだ大きいため、圧入ツール２０、２５の前進運動により熱伝導部材８が変形し、熱伝導部材８の最終的な形状が形成されるようになる。圧入ツール２０、２５の運動は、両方の圧入ツール２０、２５がプリント回路基板１の個々の側部３、７に接触している限り進行する。したがって、圧入ツール２０、２５は、熱伝導部材８を可塑的に変形させている。圧入プロセスが終わると、熱伝導部材８はプリント回路基板１と同じ厚さ２９を有することになる。したがって、熱伝導部材８の上面９は、プリント回路基板１の上側３と平面的に整列（配置）し、熱伝導部材８の下面１０はプリント回路基板１の下側７と平面的に整列（配置）する。その結果、熱伝導部材８の厚さ寸法は、プリント回路基板１の厚さ寸法に関係なく公差範囲内でプリント回路基板１の厚さに応じて校正されるようになる。
閉鎖ディスク形の上部部分１５は非常に堅牢であり、熱伝導部材８の平らな上面９が、熱伝導部材８をスルーホール６内に圧力嵌めする時に変形しないか、または本質的に変形しないように作用している。開放リング形の下部部分１６の切頭円錐およびテーパプロファイルは、熱伝導部材８の上面９から離れた方向に向いている領域が最初に変形し、上部部分付近の領域が変形しないか、または変形しにくいように作用する。
図７および図８に示すように、熱伝導部材８は、熱伝導部材８をスルーホール６内に圧力嵌めした後、リング形の半径方向隙間１１が下部部分１６と内壁１９との間に形成されるように構成されている。この構造上の特徴により、熱伝導部材８をスルーホール６内に圧力嵌めする時に、プリント回路基板１の破損を防止することができる。熱伝導部材８の圧力嵌めは、圧入ツール２０、２５の運動を制御することにより行うことができる。好ましい実施態様では、熱伝導部材８の圧入は力が制御され、つまり圧入ツール２０、２５は、熱伝導部材８を可塑的に変形させるために十分に高く、かつ非常に低いためにプリント回路基板１が破損することがない予め決められた一定の押込み力で互いに圧迫される。したがって、この制御は、プリント回路基板１の変化する厚さ２９には関係がない。
スルーホール６内への熱伝導部材８の圧力嵌めが完了すると、圧入ツール２０、２５は後退し、プリント回路基板１を圧入デバイス２１から取り出すことができる。その後、プリント回路基板１にはコンポーネント２を取り付けることができ、追加の熱的接触物質が熱伝導部材８とコンポーネント２との間に適用され、大きい表面全体の平面接触を改善する。
図４〜図８は、１個の熱伝導部材８を個々のスルーホール６内に挿入する状態を示すが、挿入プロセスは、特定のプリント回路基板１の少なくとも２個の熱伝導部材８、または特に全部の熱伝導部材８を個々のスルーホール６内に同時に挿入できるように行うことが可能であることは明白である。
図１〜図３は、熱伝導部材８をプリント回路基板１のスルーホール６内に挿入することにより生じる３種類の構成を示している。図１では、プリント回路基板１は、その厚さ２９の最小値を示している。したがって、熱伝導部材８の圧力嵌めにより、熱伝導部材８またはその下部部分１６は、それぞれ最大限に変形する。図面から分かるように、熱伝導部材８の本来の寸法は、この境界例でも、隙間１１が形成されるように選択することが好ましい。
図３は、プリント回路基板１の厚さ２９が最大値を有する他の境界例を示している。したがって、熱伝導部材８の圧力嵌めにより、熱伝導部材８の下部部分１６は最小限に変形する。好ましくは、熱伝導部材８の本来の形状の寸法は、この境界例でも、熱伝導部材８の変形がなお生じるように選択する。
最後に、図２は、圧力嵌め手順時に、熱伝導部材８が中程度変形する図１と図３の境界例との間の構成を示している。
本発明によるプリント回路基板であって、例示する１つの構成の被冷却コンポーネントが１つの領域に設けられている状態の断面図である。 本発明によるプリント回路基板であって、例示する１つの構成の被冷却コンポーネントが１つの領域に設けられている状態の断面図である。 本発明によるプリント回路基板であって、例示する１つの構成の被冷却コンポーネントが１つの領域に設けられている状態の断面図である。 様々な製造状態における図１〜図３に示す断面を示す。 様々な製造状態における図１〜図３の断面図である。 様々な製造状態における図１〜図３の断面図である。 様々な製造状態における図１〜図３の断面図である。 様々な製造状態における図１〜図３の断面図である。
符号の説明
１ プリント回路基板
２ コンポーネント
２ 電気コンポーネント
３ 上側
３ 側部
４ 下面
５ 層
６ スルーホール
７ 下側
８ 熱伝導部材
９ 上面
１０ 下面
１１ 半径方向隙間
１２ ヒートシンク
１３ 冷却デバイス
１４ 上面
１５ 上部部分、閉鎖ディスク形上部部分
１６ 下部部分、開放リング形下部部分
１７ 外縁（外縁部）
１８ 突出部
１９ 内壁
２０ 圧入ツール
２１ 圧入デバイス
２２ マンドレル
２３ キャビティ、中心キャビティ
２４ 上部
２５ 圧入ツール
２６ 矢印
２７ 矢印
２８ 距離
２９ 距離

Claims (18)

  1. 基板本体の上側と下側との間にスルーホールが設けられ、
    前記上側に取り付けられた少なくとも１つの電気コンポーネントと、
    前記スルーホール内に挿入され、前記上側から前記下側に延在し、前記電気コンポーネントに熱的に結合されている少なくとも１つの熱伝導部材とを備え、
    前記熱伝導部材は、平坦な上部部分と、テーパが付いているかまたは凹部が設けられた下部部分とを備えているプリント回路基板。
  2. 前記スルーホールが前記電気コンポーネントの下側の中心に配置され、
    前記熱伝導部材の上側が、前記電気コンポーネントの下側と熱的に結合されている、請求項１に記載のプリント回路基板。
  3. 前記熱伝導部材が、ディスク形の上部部分と、前記上部部分から延在するリング形の下部部分とを備え、
    前記上部部分が前記電気コンポーネントと熱的に結合されている、請求項１または請求項２に記載のプリント回路基板。
  4. 前記上部部分は、前記上部部分の外縁部から半径方向に延在する複数個の突出部を備え、
    前記スルーホールを囲む内壁内に前記突出部が侵入して入り込むことにより、前記熱伝導部材が前記プリント回路基板に取り付けられている、請求項３に記載のプリント回路基板。
  5. 前記下部部分と前記スルーホールを囲む内壁との間にリング形の隙間が形成されている、請求項１から請求項４の何れか１項に記載のプリント回路基板。
  6. 平面を備えた圧入ツールを用いて前記熱伝導部材を前記上部部分に対して垂直に前記下部部分に圧迫することにより、前記下部部分の本来の形状を可塑的に変形させ、前記下部部分を最終的な形状に形成している、請求項１から請求項５の何れか１項に記載のプリント回路基板。
  7. 前記熱伝導部材の上側が、前記プリント回路基板の前記上側と面一に配置され、および／または、前記熱伝導部材の下側が、前記プリント回路基板の下側と面一に配置されている、請求項１から請求項６の何れか１項に記載のプリント回路基板。
  8. 前記熱伝導部材が回転対称形に形成されている、請求項１から請求項７の何れか１項に記載のプリント回路基板。
  9. 前記熱伝導部材が、ヒートシンクと、前記プリント回路基板の下側に取り付けられた冷却デバイスとの少なくとも一方と熱的に接触している、請求項１から請求項８の何れか１項に記載のプリント回路基板。
  10. 請求項１から請求項９の何れか１項に記載のプリント回路基板を製造する方法であって、
    少なくとも１個のスルーホールを備えた前記プリント回路基板を用意するステップと、
    熱伝導部材を前記スルーホール内に挿入するステップであって、前記熱伝導部材が実質的に平坦な上部部分と、テーパが付いているか、または凹部が形成された下部部分とを備えるステップと、
    前記熱伝導部材の上側から離れる方向に向いた領域のみが変形するように、前記熱伝導部材を圧力嵌めするステップと、
    前記電気コンポーネントが前記熱伝導部材と熱的に結合するように、電気コンポーネントをプリント回路基板に取り付けるステップとを含む方法。
  11. 前記圧入の力が制御されている、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記熱伝導部材が前記スルーホール内に圧力嵌めされる前に、本来の形状を用意するステップであって、本来の形状では、前記熱伝導部材の上側と、前記熱伝導部材の下側との間の距離が、前記プリント回路基板の上側と前記プリント回路基板の下側との間の距離より大きいステップと、
    前記熱伝導部材が前記スルーホール内に圧力嵌めされた後に最終的な形状を有するように圧力嵌めを行なうステップであって、前記最終的な形状は、前記熱伝導部材の上側と下側との間の距離が、前記プリント回路基板の上側と下側との間の距離と同程度の大きさであるステップとを含む、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
  13. 前記熱伝導部材の本来の形状が、
    前記熱伝導部材の上側と下側との間の距離が、前記プリント回路基板の上側と下側との間の許容可能な距離の製造公差範囲の最大値より大きく、および／または、
    前記熱伝導部材を前記スルーホール内に圧入した後に、リング形の隙間が、前記熱伝導部材の最終的な形状の下部部分と、前記スルーホールを囲む内壁との間に形成されている、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記熱伝導部材には切頭円錐プロファイルを有するリング形の下部部分が設けられ、前記切頭円錐プロファイルには、前記熱伝導部材のディスク形の上部部分からの距離が増加すると共にテーパが形成されている、請求項１０から請求項１３の何れか１項に記載の方法。
  15. 前記スルーホール内への前記熱伝導部材の圧力嵌めが、前記プリント回路基板の一方の側に配置された第１圧入ツールと、前記プリント回路基板の反対側に配置された第２圧入ツールとにより行なわれ、
    前記第２圧入ツールが前記プリント回路基板を支持し、前記第１圧入ツールが前記プリント回路基板の側に接触することにより、前記第１圧入ツールが前記熱伝導部材を前記スルーホール内に圧入する、請求項１０から請求項１４の何れか１項に記載の方法。
  16. 前記第１圧入ツールがマンドレルを備え、前記マンドレルは、前記第１圧入ツールから突出して前記熱伝導部材の中心キャビティ内を貫通し、前記熱伝導部材が前記スルーホールと整列されており、
    前記マンドレルは、前記整列した熱伝導部材を前記スルーホール内に圧入する前に、前記第１圧入ツール内に後退している、請求項１５に記載の方法。
  17. 請求項１から請求項１６の何れか１項に記載のプリント回路基板用の熱伝導部材であって、
    前記熱伝導部材が、前記熱伝導部材を前記プリント回路基板の前記スルーホール内に挿入する前に本来の形状を有し、挿入後、可塑的に変形する最終的な形状を有し、
    前記熱伝導部材が、ディスク形の上部部分と、前記上部部分から延在するリング形の下部部分とを備えている熱伝導部材。
  18. 前記上部部分が、前記上部部分の外縁部から半径方向に延在する数個の突出部を備え、
    本来の形状では、前記下部部分が、前記上部部分からの距離の増加と共にテーパが付いている切頭円錐プロファイルに形成され、
    前記熱伝導部材が、実質的に回転対称形に形成され、
    前記熱伝導部材が一体形の要素として製造されている、請求項１７に記載の熱伝導部材。
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