JPH073914B2 - 回路基板用冷却体および回路基板の冷却構造 - Google Patents

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定し、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20〜30mm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」 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20mm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加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
び振動や騒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場合、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
〜0.15wt％、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。

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:0.05〜3wt％、P:0.01〜0.15wt％、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
状に膨出させて成形されていてもよい。

また、膨出側の金属板の厚さは0.3〜2.0mm、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0.5mm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、図号符号１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１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，塗料等の圧力防止剤の皮
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
略）にセットし、前記圧着防止剤皮膜に沿って接合板の
端部から圧力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:0.01〜0.15wt％、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,Al,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0.05wt％未
満では十分な効果は得られない。また3wt％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、0.15wt％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％以上の銅材を示す。
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
〜2.0mm、望ましくは0.3〜1.0mmとされる。0.3mm未満で
は剛性が低下し、平面度が維持できない。また2.0mm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0.3〜5.0mm、望ましくは0.5〜2.0mmとされる。0.3m
m未満では剛性が低下して平面度が維持できない。また
5.0mm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６〜15mm、断面の高さＨは0.5〜
3.0mmとされることが望ましい。断面の幅Ｗが6m未満で
は膨管加工の高さが小さくなる問題が生じ、15mm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１同士の配置間
隔が従来の空冷手段では20〜30mm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１と冷却
体２の配置間隔は0.5mm以下であることが判明した。し
たがって、回路基板１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
の接続パイプ６が差し込まれ、銀ろう等によりろう付け
されている。これら接続パイプ６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１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１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１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１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１のヒートシンク７を通
じて回路基板１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路基板１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１に固定する代わりに、冷却体２の裏面に伝熱板10
を固定し、この伝熱板10を介して回路基板１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10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12の内部の舌片11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１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１と冷却体２
との着脱が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１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10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の裏面に当接するよう
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（図示略）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１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に応
じて適宜構成を変更してよい。

「実施例」 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向（JIS Z 2241）
により行なった。試料の材質は 純銅：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伸び
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。

（実施例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JIS5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100mm、荷重は100gfとした。結果を第２表
に示す。

（実験例３） 実際の使用状態を模すため、純銅とCu-Fe系合金の板材
（100×135×1.0mm）を使用し、これら板材の135mm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400gfの荷重をかけ、中央部での撓み量を測定した。
合金の組成は実験例２と同一である。その結果を第３表
に示す。

「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-Cu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亙って高く維持
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加熱や冷却し
すぎを防ぎ、素子の温度をより狭い範囲に保ことが容易
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図ないし第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、3A,3B……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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−45900（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−6893（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭51−140449（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−26289（ＪＰ，Ｕ)

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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:0.01〜0.15
   wt％、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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項４】前記膨出側の金属板の厚さは0.3〜2.0mm、
   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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。