冷却板

【課題】発熱部品との接触面の面精度が高く、構造簡単で、容易かつ安価に製造できるようにする。
【解決手段】冷却板は、凹部１６を設けた銅板１５を銅基板１３にろう付けして製作する。このろう付けにより、凹部１６の開口１７を銅基板１３で塞ぎ、銅基板１３を底部とする冷却液体流通路１８を形成する。凹部１６は絞り加工により形成する。銅基板１３の裏面は発熱部品と密接する平滑面１４とする。ろう付けによっても、銅板１５や銅基板１３は変形はせず、平滑面１４は保たれる。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プリント基板に実装した発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に冷却液体を流して発熱部品を冷却する冷却板に係り、特に構造を簡素化して接触面の面精度を向上したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】プリント基板に実装した発熱部品を効率よく液冷するには、空冷よりも液冷の方がよい。このため、最近は液冷方式の冷却装置が開発されるようになってきた。液冷方式の冷却装置は、内部に冷却液体流通路を形成した冷却板を発熱部品に接触させ、冷却液体流通路に冷却液体を流して発熱部品から発生した熱を奪うようにする。通常は、１枚の冷却板で同時に複数の発熱部品を冷却するようになっているため、冷却板面積は大型化している。
【０００３】従来の冷却板は、図９に示すように、上下面が平坦な比較的薄いアルミニウムブロック１で銅管２を鋳固めした構造のものが用いられている。これは、銅よりもアルミニウムの方が融点が低いことを利用して、銅管２を所定の金型に入れ、溶融したアルミニウムを金型内に流し込み、冷却固化して製作する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したアルミニウムブロックで銅管を鋳固めした従来の冷却板には次のような欠点があった。
【０００５】(1) 冷却板を製作するには、高価な金型を必要とする。ブロックが大きくなると、金型の形成が難しく非常に高価となるため、冷却板の製作が困難となる。
【０００６】(2) アルミニウムを溶かして金型に流すと、金型内に入れてある銅管が熱で曲ってしまうため、出来あがったアルミニウムブロックが波を打ってしまう。プリント基板に実装した発熱部品に冷却板を密接させるためには、冷却板の接触面を平滑にする必要がある。そこで、波打ったアルミニウムブロックを平滑にするために研削しようとすると、もともとブロック厚は薄いので、銅管も削ってしまう。このため、発熱部品に密接させるための面精度がとれず、冷却効率が悪かった。
【０００７】本発明の目的は、発熱部品に接触させて発熱部品を液冷する冷却板において、接触の面精度を確立することができ、構造が簡単でかつ製造法も容易で安価な冷却板を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有する銅基板と、凹部を絞り加工した銅板とを備え、銅板を銅基板の表面にろう付けして凹部の開口を塞ぐことにより上記冷却液体流通路を形成した冷却板である。
【０００９】第２の発明は、発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有し、表面に溝を設けた銅基板と、銅板とを備え、銅板を銅基板の表面にろう付けして溝の開口を塞ぐことにより上記冷却液体流通路を形成した冷却板である。
【００１０】第３の発明は、発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記冷却液体流通路となる銅管と、銅管を入れる半円状の溝を表面に設け、裏面に発熱部品に密接する平滑面を有する２枚のアルミニウム板とを備え、２枚のアルミニウム板を重ねて形成される断面円形の孔内に銅管を入れてねじ止めした冷却板である。
【００１１】第４の発明は、発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記冷却液体流通路となる銅管と、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有する銅基板とを備え、銅基板の表面に銅管をろう付けした冷却板である。
【００１２】第５の発明は、請求項４に記載の冷却板において、上記銅基板の表面に溝を設け、この溝に銅管を入れてろう付けした冷却板である。
【００１３】第６の発明は、発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記冷却液体流通路となる銅管と、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有する銅基板と、銅管を銅基板上に押しつけて固定する固定具とを備え、固定具を用いて銅基板上に銅管をねじ止めした冷却板である。
【００１４】第７の発明は、スタッドボルトが取り付けられている発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記冷却液体流通路となる銅管と、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有する銅基板と、銅管を銅基板上に押しつけて固定する固定具とを備え、固定具を用いて銅基板上に銅管をねじ止めし、そのねじ止めを上記スタットボルトで行なった冷却板である。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下に本発明の冷却板の実施の形態を説明する。本実施の形態は、溶融金属を鋳固めせずに、冷却板に冷却液体流通路を付設、すなわち冷却液体流通路を形成または取り付けるようにしたものである。冷却液体流通路の形成、取付けは、鋳固めよりも温度の低いろう付け、または簡単なねじ止めで行うため、発熱部品と接触する面の面精度が高く、構造が簡単で、容易かつ安価に製造できる。
【００１６】第１の実施の形態例えば、半導体試験装置のテストヘッドには、多数のプリント基板が配設されている。図７に示すように、各プリント基板３上の所定位置に、横一列に発熱部品を構成する複数のＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）４が実装されている。これらのＭＣＭ４を水冷するために、これらにＵ字形に走る冷却液体流通路５を設けた冷却板６を接触、固定する。ここに図７（ａ）は正面図、（ｂ）はｂ−ｂ′断面図である。
【００１７】各ＭＣＭ４には、その上面のヒートスプレッダにスタッドボルト７が取り付けられている。したがって、スタッドボルト７を挿通するための挿通孔８を冷却板６に開けておく。冷却板６の挿通孔８にスタッドボルト７を差し込み、ナット９を締め付けて冷却板６をＭＣＭ４に接触、固定する。
【００１８】冷却液体流通路５に水１０を流すと、各ＭＣＭ４から発生した熱は水１０に奪われ、ＭＣＭ４は冷却される。なお同図（ａ）では、冷却液体流通路５を点線で示してあるが、これは他の実施の形態も包括的に説明するためである。符号１１、１２は冷却板６の一端側に取り付けられた冷却液体流通路５の入口、出口である。
【００１９】本実施の形態の冷却板６は図１に示すように構成される。表裏ともに平滑面１４を有する銅基板１３と、冷却液体流通路１８の要部を構成する凹部１６を絞り加工した銅板１５とから構成される。銅基板１３および銅板１５をアルミニウムとしなかったのは、水の中に溶けている銅イオンが反応して、冷却液体流通路が腐食するのを防止するためである。なお、この腐食はアルミニウムをアルマイト加工しても防ぐことはできない。銅基板１３および銅板１５は銅合金でも良いが、熱伝導特性上、純銅または無酸素銅を用いることが好ましい。
【００２０】銅基板１３の表裏面は平滑で厚さは１ｍｍ〜２ｍｍ程度、銅板１５の厚さは０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度である。銅板１５にプレス加工する凹部１６の断面形状は任意であるが、通水抵抗を減らすために断面Ｕ字形または断面半円形であることが好ましい。
【００２１】銅板１５を銅基板１３の表面にろう付けして、凹部１６の開口１７を銅基板１３で塞ぎ、銅板１５と銅基板１３間に、銅基板１３を底部とする断面Ｕ字形または断面半円形の冷却液体流通路１８を形成する。このとき、ろう付けは銅を使って行ない、ろう付け箇所１９は、凹部１６を除いた銅板１５の裏面全面、または、少なくとも凹部１６の外周部とし、水漏れがないようにする。また銅板１５と銅基板１３間に熱伝導性グリースを塗ることが好ましい。
【００２２】このように冷却板を製作する上での加熱処理は、全体が加熱される鋳固めと異なり、部分的に加熱されるろう付け処理なので、銅板および銅基板は変形せず、波打つことが少なくなる。したがって、ＭＣＭに接触させる冷却板の裏面に高い面精度が得られ、その結果、ＭＣＭへの密接性が良く、熱伝導性が向上し、高い冷却効果を得ることができる。なお、かりに冷却板に初期の面精度が得られなくても、銅は柔らかいので、ＭＣＭに押しつけた時、容易に変形してＭＣＭと密接させることができる。
【００２３】また、絞り加工により冷却液体流通路の主要部が形成でき、絞り加工した銅板を銅基板にろう付けするだけで、冷却液体流通路を完成できるので、冷却液体流通路付きの冷却板を容易に製造できる。また、基板を銅で構成したので、アルミニウムを用いた場合に比して熱伝導性を向上でき、より高い冷却効果が得られる。
【００２４】また、これらをアルミニウムで構成した場合には、ろう付けや、溶接は技術的に困難であるが、銅で構成したので、ろう付けにより簡単に銅板を銅基板に固定することができる。さらに銅板はプレス加工によって凹部を形成するだけとし、基板は何も形成しない平板で済むようにしたので、銅板、基板ともに薄く形成することができ、全体を軽量化することができる。
【００２５】また、絞り加工により液体流通路を形成するので、管路を折り曲げる場合のような制約がなく、任意形状の通路を容易に形成することができる。
【００２６】第２の実施の形態第１の実施の形態では冷却液体流通路を銅板に形成するようにしたが、第２の実施の形態では、これを基板側に形成する。冷却板は、裏面に発熱部品と密接する平滑面２２を有し、同じく平滑面２２とした表面には冷却液体流通路２３を構成する溝２４を設けた銅基板２１と、銅板２５とから構成される。銅基板２１の溝２４は、フライス加工により形成し、その断面形状は任意でありＵ字形としても、矩形としても良い。銅板２５を、銅基板２１の表面の溝２４の外周線２６上にろう付けして溝２４の開口２７を銅板２５で塞ぎ、銅板２５と基板２１間に冷却液体流通路２３を形成して、冷却板を構成する。
【００２７】これによれば、銅基板２１に溝２４を形成するために、基板厚が厚くなりやや重量が増えるが、却って冷却効果が高くなる。また、第１の実施の形態ではプレス加工用の金型を必要とするが、この第２の実施の形態では金型が不要となり、加工もより容易になる。
【００２８】第３の実施の形態第１および第２の実施の形態では、銅板と基板とで冷却液体流通路を形成するようにしたが、第３の実施の形態では冷却液体流通路に銅管を用いる。この銅管も銅合金よりは、純銅または無酸素銅を使用することが好ましい。
【００２９】図３に示すように、冷却板は、冷却液体流通路となるＵ字形に成形した断面円形の銅管３１と、銅管３１の径方向の半分を入れる半円状の溝３４を加工し、裏面にＭＣＭと密接する平滑面３５を有する２枚のアルミニウム板３２、３３とから構成される。アルミニウム板３２、３３は同一形状でよいため、部品の種類が少なくて済む。板３２、３３をともにアルミニウムで構成したのは軽量化のためであり、プリント基板自体が重いため、これにさらに冷却板をつけることにより、コネクタに負担が掛かりすぎたり、装置全体が重くならないようにするためである。
【００３０】２枚のアルミニウム板３２、３３を重ねることにより形成される断面円形の孔内に銅管３１を入れて、両者をねじ３６で止める。このとき熱伝導性グリースを間に介在させると良い。アルミニウムだと、銅よりも加工性に優れ、軽量で、コストも安いというメリットがある。さらに、２枚のアルミニウム板３２、３３に二分して溝３４を形成するため、１枚当たりの厚さを薄くできる。
【００３１】第４の実施の形態第３の実施の形態では、銅管を上下から挟み込むようにしたが、この第４の実施の形態では、単に基板に取り付けるだけの構成としている。
【００３２】図４（ａ）に示すように、冷却板は、冷却液体流通路となる銅管４１と、裏面に発熱部品と密接する平滑面４３を有する銅基板４２とから構成される。そして、図４（ｂ）に示すように、同じく平滑面４４とした銅基板４２の表面に、銅管４１をそのままろう付けする。銅管４１を平面に直づけするため、ろう付け状態によっては基板４２と銅管４１とは線接触に近い状態になり、熱伝導性が若干悪くなることが懸念される。
【００３３】そこで、図４（ｃ）では、銅基板４２の表面に銅管４１を面接触させるための溝４５を形成する。この溝４５に銅管４１を入れて、溝４５内にろう４６を流し込んでろう付けする。この溝４５は、溝内にろう４６を流し込んで、ろう４６を介して銅管４１との面接触を確保するためのものであるから、銅管３４の半外周を包み込むほど深く形成する必要はなく、極く浅いものでよい。したがって、銅基板４２を薄く形成することができ、軽量化を確保できる。また、溝４５の断面形状は任意であり、矩形としたり、銅管の形状に合わせて半円形としたりすることができる。これによれば、銅管４１と銅基板４２とは面接触となるので熱伝導を図４（ｂ）のものよりも高めることができる。なお、基板は銅とする。アルミニウムにすると銅管と基板が異金属となるため、ろう付けすることができないからである。
【００３４】このように銅基板に銅管をろう付けするだけの簡単な構造で、ＭＣＭ接触面に高い面精度をもつ冷却板を容易に製造することができる。なお、後の実施例で明らかにするが、銅板のない本実施の形態の冷却板でも、銅板のある冷却板の冷却効果と遜色はない。
【００３５】第５の実施の形態第４の実施の形態はろう付けを必要とするが、第５の実施の形態はねじ止めにより銅管を銅基板に取り付けるので、ろう付けを必要としない。
【００３６】図５に示すように、冷却板は、冷却液体流通路となる銅管５１と、裏面に発熱部品と密接する平滑面５３を有する銅基板５２と、銅管５１を銅基板５２上に押し付けて固定する固定具５４とを備える。固定具５４は、裏面に銅管５１を入れる溝５５が形成されており、その溝５５に銅管５１を入れて、ねじ止めにより銅基板５２の所定位置に固定具５４で銅管５１を固定する。固定具５４は銅製とすることが好ましい。また、銅基板５２よりも小さいブロック片ないし板片で構成し、銅管５１を潰すことなく、銅基板５２に固定するものであればよく、その形状、個数は任意でよい。
【００３７】このように、ろう付けが不要になるので、面精度がさらに向上し、製造がより簡単になる。
【００３８】第６の実施の形態第５の実施の形態は固定具を固定するためのねじが別途必要であったが、第６の実施の形態では、これを不要とし、ＭＣＭに取り付けられているスタッドボルトを固定具の固定ネジに利用したものである。
【００３９】図６に示すように、冷却板は、冷却液体流通路となる銅管６１と、プリント基板７０上のＭＣＭ６２に取り付けられたスタッドボルト６３を挿通する挿通孔６４と裏面に発熱部品に密接する平滑面６６とを有する銅基板６５と、スタッドボルト６３を挿通する挿通孔６７を有し、銅管６１を銅基板６５に固定する固定具６８とから構成される。銅基板６５上の所定位置に銅管６１と固定具６８とを載せ、銅基板６５と固定具６８の両挿通孔６４、６７にスタッドボルト６３を差し込み、そのスタッドボルト６３にナット６９をねじ込んで、固定具６８により銅管６１を銅基板６５に固定する。
【００４０】これによれば、スタッドボルト６３を固定具６８の固定用ねじとして利用するので、冷却板の部品点数およびＭＣＭへの取付作業が容易になる。
【００４１】
【実施例】冷却液体流通路を付設した冷却板において、冷却液体流通路が板材と基板とに周囲を完全に囲まれている場合と、基板のみに取り付けられて外周が空気にさらされている場合について、冷却特性の差を調べるために、つぎのような比較実験を行なった。
【００４２】抵抗加熱ヒータを貼り付けた銅板をＭＣＭとみなし、これを８個、熱伝導性グリースを介在してねじで冷却板に締め付け、ヒータに計１６０Ｗの発熱量を加えて、図８に示すように１０分間、冷却板を直接加熱した後、冷却液体流通路に水を流し、冷却板の冷却温度がほぼ安定する５分後に冷却板各部の温度を熱電対で読み取り、それらの平均値を取った。
【００４３】冷却板には、第２の実施の形態の冷却板（図２）と、第４の実施の形態の冷却板（図４（ｂ））とを用いた。銅基板の寸法は４６０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、銅管の内径３ｍｍ、肉厚０．５ｍｍである。銅管に流す水量は５００ｃｃ／分である。部材間に介在させた熱伝導性グリースは０．１ｇとした。また、ねじの締付けトルクは１２．５ｋｇｆ・ｃｍとした。実験結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】

一見したところ図４（ｂ）の方が冷却温度が高いように見えるが、その差はたかだか１℃以下であり、計測器の誤差範囲内とみなすことができる。したがって、冷却液体流通路の下部のみを基板と接触させ、残部を露出させるタイプの冷却板でも、冷却液体流通路の全周を囲んだ冷却板と同等の冷却効果があることが分かる。
【００４５】
【発明の効果】
(1) 請求項１に記載の発明によれば、銅板に凹部を形成して銅基板にろう付けするだけの簡単な構造なので、容易かつ安価に製造できる。また、ろう付けは鋳固めと異なり加熱が部分的で済むため、銅板や銅基板の変形は少なく、高い面精度が得られる。さらに、銅基板に加工を施す必要がなく、銅基板を薄く形成できるので軽量化が図れる。
【００４６】(2) 請求項２に記載の発明によれば、請求項１と異なり、銅基板側に溝を設けるため、その分、銅基板を厚く形成する必要があるが、金型を必要としないためより容易かつ安価に製造できる。
【００４７】(3) 請求項３に記載の発明によれば、銅管を２枚のアルミニウム板の間に挟んでねじ止めするので、ろう付けする必要がない。また、アルミニウムを使っているのでより軽量にできる。
【００４８】(4) 請求項４に記載の発明によれば、銅基板に銅管をろう付けするだけなので、一層容易かつ安価に製造することができる。
【００４９】(5) 請求項５に記載の発明によれば、請求項４の銅基板に溝を形成して銅管を面接触させるようにしたので、冷却効果をより高めることができる。
【００５０】(6) 請求項６に記載の発明によれば、銅基板に固定具を用いて銅管を固定するので、ろう付けする必要がなく、さらに製造が簡単になる。
【００５１】(7) 請求項７に記載の発明によれば、請求項６に記載の効果に加え、発熱部品に取り付けられたスタッドボルトを利用して、銅管を銅基板に取り付けるので、固定具専用のボルトを必要とせず、部品点数を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す冷却板の分解断面図である。
【図２】第２の実施の形態を示す冷却板の分解斜視図である。
【図３】第３の実施の形態を示す冷却板の分解斜視図である。
【図４】第４の実施の形態を示す冷却板の説明図であって、（ａ）は組立斜視図、（ｂ）は基板に溝を設けない場合のａ−ａ′断面図、（ｃ）は基板に溝を設けた場合のａ−ａ′断面図である。
【図５】第５の実施の形態を示す冷却板の分解斜視図である。
【図６】第６の実施の形態を示す冷却板の分解斜視図である。
【図７】本実施の形態の冷却板を基板上に実装されたＭＣＭに取り付けた状態を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図８】本実施例による冷却板の冷却特性の評価方法を示す説明図である。
【図９】従来例の冷却板の斜視図である。
【符号の説明】
１３銅基板
１４平滑面
１５銅板
１６凹部
１７開口
１８冷却液体流通路
１９ろう付け箇所

【特許請求の範囲】
【請求項１】発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有する銅基板と、凹部を絞り加工した銅板とを備え、銅板を銅基板の表面にろう付けして凹部の開口を塞ぐことにより上記冷却液体流通路を形成した冷却板。
【請求項２】発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有し、表面に溝を設けた銅基板と、銅板とを備え、銅板を銅基板の表面にろう付けして溝の開口を塞ぐことにより上記冷却液体流通路を形成した冷却板。
【請求項３】発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記冷却液体流通路となる銅管と、銅管を入れる半円状の溝を表面に設け、裏面に発熱部品に密接する平滑面を有する２枚のアルミニウム板とを備え、２枚のアルミニウム板を重ねて形成される断面円形の孔内に銅管を入れてねじ止めした冷却板。
【請求項４】発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記冷却液体流通路となる銅管と、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有する銅基板とを備え、銅基板の表面に銅管をろう付けした冷却板。
【請求項５】請求項４に記載の冷却板において、上記銅基板の表面に溝を設け、この溝に銅管を入れてろう付けした冷却板。
【請求項６】発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記冷却液体流通路となる銅管と、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有する銅基板と、銅管を銅基板上に押しつけて固定する固定具とを備え、固定具を用いて銅基板上に銅管をねじ止めした冷却板。
【請求項７】スタッドボルトが取り付けられている発熱部品に接触させ、付設の冷却液体流通路に液体を流して発熱部品を冷却する冷却板であって、上記冷却液体流通路となる銅管と、上記発熱部品に密接する平滑面を裏面に有する銅基板と、銅管を銅基板上に押しつけて固定する固定具とを備え、固定具を用いて銅基板上に銅管をねじ止めし、そのねじ止めを上記スタットボルトで行なった冷却板。

【図１】