JPH06302982A

JPH06302982A - 電子機器の冷却装置

Info

Publication number: JPH06302982A
Application number: JP5089632A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Takagi; 悦義高木
Original assignee: Asia Electronics Co
Current assignee: Asia Electronics Co
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【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。

Description

【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４−５６
３９１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９
ａ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１
０ｌ／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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ１２Ｂ 15/02 6947−2Ｆ

Claims

【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。