(57)【要約】本発明による電子機器の冷却装置は、第１面（２Ａ）及び第２面（２Ｂ）並びに第１面から第２面に貫通する開口（２Ｃ）を有するプリント配線板（２）と、開口内に充填された熱伝導率の良好な材質からなるフィラー（４）と、フィラーに熱的に接触するようにプリント配線板の第１面に実装された発熱部品（６）と、フィラーに熱的に接触するようにプリント配線板の第２面に設けられた熱拡散板（２０）と、熱拡散板に熱的に接触するように設けられたヒートパイプ（２２）とを備えている。この構成によると、装置の小型化に適した効果的な発熱部品の冷却が可能な冷却装置を提供することができる。
2005013657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面及び第２面並びに前記第１面から前記第２面に貫通する開口を有するプリント配線板と、
前記開口内に充填された熱伝導可能な材質からなるフィラーと、
前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板の第１面に実装された発熱部品と、
前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板の第２面に設けられた熱拡散板と、
前記熱拡散板に熱的に接触するように設けられたヒートパイプとを備えた装置。
【請求項２】
前記発熱部品は、サーマルビアが埋設された基材と、前記サーマルビアに熱的に接触するように前記基材上に搭載された半導体チップとを備えており、
前記基材は前記サーマルビアが前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板に実装されている請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項３】
前記発熱部品はフリップチップボンディングにより前記プリント配線板上に搭載される請求の範囲第２項記載の装置。
【請求項４】
突起を有するフィンと、前記ヒートパイプの先端を前記フィンに熱的に接続する熱接続ユニットとを更に備えた請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項５】
前記熱接続ユニットは、各々軸を中心に揺動可能且つスライド可能に設けられた一対の平面型ヒートパイプと、前記一対の平面型ヒートパイプの両端がそれぞれ前記ヒートパイプ及び前記フィンの突起を挟み込むように前記一対のヒートパイプを付勢するバネとを含む請求の範囲第４項記載の装置。
【請求項６】
前記熱接続ユニットは前記プリント配線板を他のプリント配線板その他と電気的に接続するためのバックワイヤリングボードに設けられており、それにより前記フィンが筐体の最も外側に位置する請求の範囲第４項記載の装置。
【請求項７】
筐体と、
前記筐体の外側に向くように設けられた放熱部及び前記筐体の内側に向くように設けられた突起を有するフィンと、
前記フィンの突起に対向する開口を有するバックワイヤリングボードと、
前記バックワイヤリングボードに対して概ね垂直に装着されたプリント配線板と、
前記プリント配線板に実装された発熱部品と、
前記発熱部品に熱的に接続される第１端を有する熱伝導体と、
前記熱伝導体の第２端を前記フィンの突起に熱的に接続するように前記プリント配線板に設けられた熱接続ユニットとを備えた装置。
【請求項８】
前記熱接続ユニットは前記バックワイヤリングボードの開口を貫通するように設けられた一対の平板型ヒートパイプを含む請求の範囲第７項記載の装置。
【請求項９】
発熱体に熱的に接続される伝熱性を有する材質からなる軸受けと、
前記軸受けに回転可能に設けられたヒートパイプと、
前記ヒートパイプに熱的に接続されたファンユニットとを備え、
前記ファンユニットは、ステータと、ファンブレードを有し前記ステータに対して回転駆動されるロータとを含み、
前記ヒートパイプは前記ロータの回転中心に熱的に接続されている装置。
【請求項１０】
第１面及び第２面並びに前記第１面から前記第２面に貫通する開口を有するプリント配線板と、
前記開口内に充填された熱伝導率の良好な材質からなるフィラーとを更に備え、
前記発熱体は前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板の第１面に実装され、
前記軸受けは前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板の第２面に固定されている請求の範囲第９項記載の装置。
【請求項１１】
前記ヒートパイプは、螺旋溝が形成された内壁を有するパイプと、前記パイプの内部に封入された流体とを含む請求の範囲第１０項記載の装置。
【請求項１２】
回転して使用されるヒートパイプを有する装置であって、
前記ヒートパイプは、螺旋溝が形成された内壁を有するパイプと、前記パイプの内部に封入された流体とを含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、通信装置等の電子機器に適用可能な冷却装置に関する。
【背景技術】  通信装置等の電子機器においては、発熱部品の温度をその許容温度範囲内に抑えるために、その発熱部品に放熱フィンを付けたり、ファンを用いて強制空冷したりしている。局舎内に設けられる通信装置では、それを構成する複数のプリント配線板ユニットがラックに搭載されるので、下段からの熱のあおりが考慮される。例えば、上段に積まれた通信装置では、流入空気の温度が高くなっているので、放熱フィンやファンを用いたとしてもその効果は小さい。
一般的に、電子機器に搭載されるデバイスには許容最高温度がある。例えば、半導体チップの接合部では、温度が高くなると不純物イオンが振動を始めて電気的な特性にくるいが生じることが知られている。
いま、その半導体チップの消費電力を“Ｐｏｗｅｒ”、熱抵抗を“Ｒｊａ”、冷却用空気の温度を“Ｔａ”とすると、接合部の温度“Ｔｊ”は次式で与えられる。
Ｔｊ＝Ｐｏｗｅｒ・Ｒｊａ＋Ｔａ
この半導体チップの冷却に放熱フィンを採用したりファンによる風速を上げることは熱抵抗Ｒｊａを小さくすることに相当する。しかし、下段からの熱のあおりが大きい場合には冷却用空気の温度Ｔａが高いので、熱抵抗Ｒｊａを小さくすることによる冷却効果の拡大には限度がある。
一方、電子機器の発熱量が大きくなると、それに対応して冷却のためのファンや放熱フィンのためのスペースも大きくなってしまうので、全体のサイズが決まっている場合には、デバイスの実装面積が小さくなってしまう。このため、ファンと放熱フィンを一体化する等により、デバイスの実装面積を確保することが要求される。
ところで、ノート型パーソナルコンピュータでは、本体側の発熱源で発生した熱をディスプレー側の金属製ケースから放熱するために、ヒートパイプを用いた継ぎ手が採用されることがある。
ヒートパイプは、一般的には、真空脱気した金属パイプの内部に水やアルコール、フロン等の凝縮性の流体を作動流体として封入して構成される。ヒートパイプは温度差が生じることにより動作し、高温部で蒸発した作動流体が低温部に流動して放熱・凝縮することにより作動流体の潜熱として熱輸送を行う。
電子機器における実装上の理由により、ヒートパイプをトップヒートで使用せざるを得ない場合がある。即ち、ヒートパイプをほぼ垂直な状態に配置し、且つその上端部を高温部として用いる場合である。この場合、低温部（下端部）で凝縮した作動流体が重力に逆らって高温部まで上がらなければならず、毛細管現象を利用した構造ではどうしても熱輸送能力が落ちてしまう。
【特許文献１】特開平１０−３１３１８５号
【特許文献２】特開平７−２８６７９１号
【特許文献３】特開２００２−１６４６８３
【発明の開示】
よって、本発明の目的は、装置の小型化に適した効果的な発熱部品の冷却が可能な冷却装置を提供することである。
本発明の他の目的は以下の説明から明らかになる。
本発明によると、第１面及び第２面並びに前記第１面から前記第２面に貫通する開口を有するプリント配線板と、前記開口内に充填された熱伝導可能な材質からなるフィラーと、前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板の第１面に実装された発熱部品と、前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板の第２面に設けられた熱拡散板と、前記熱拡散板に熱的に接触するように設けられたヒートパイプとを備えた装置が提供される。
望ましくは、前記発熱部品は、サーマルビアが埋設された基材と、前記サーマルビアに熱的に接触するように前記基材上に搭載された半導体チップとを備えており、前記基材は前記サーマルビアが前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板に実装されている。
また、望ましくは、前記発熱部品はフリップチップボンディングにより前記プリント配線板上に搭載される。
この装置は、望ましくは、突起を有するフィンと、前記ヒートパイプの先端を前記フィンに熱的に接続する熱接続ユニットとを更に備えている。
望ましくは、前記熱接続ユニットは、各々軸を中心に揺動可能且つスライド可能に設けられた一対の平面型ヒートパイプと、前記一対の平面型ヒートパイプの両端がそれぞれ前記ヒートパイプ及び前記フィンの突起を挟み込むように前記一対のヒートパイプを付勢するバネとを含む。
また、望ましくは、前記熱接続ユニットは前記プリント配線板を他のプリント配線板その他と電気的に接続するためのバックワイヤリングボードに設けられており、それにより前記フィンが筐体の最も外側に位置する。
本発明の他の側面によると、筐体と、前記筐体の外側に向くように設けられた放熱部及び前記筐体の内側に向くように設けられた突起を有するフィンと、前記フィンの突起に対向する開口を有するバックワイヤリングボードと、前記バックワイヤリングボードに対して概ね垂直に装着されたプリント配線板と、前記プリント配線板に実装された発熱部品と、前記発熱部品に熱的に接続される第１端を有する熱伝導体と、前記熱伝導体の第２端を前記フィンの突起に熱的に接続するように前記プリント配線板に設けられた熱接続ユニットとを備えた装置が提供される。
望ましくは、前記熱接続ユニットは前記バックワイヤリングボードの開口を貫通するように設けられた一対の平板型ヒートパイプを含む。
本発明の更に他の側面によると、発熱体に熱的に接続される伝熱性を有する材質からなる軸受けと、前記軸受けに回転可能に設けられたヒートパイプと、前記ヒートパイプに熱的に接続されたファンユニットとを備え、前記ファンユニットは、ステータと、ファンブレードを有し前記ステータに対して回転駆動されるロータとを含み、前記ヒートパイプは前記ロータの回転中心に熱的に接続されている装置が提供される。
この装置は、望ましくは、第１面及び第２面並びに前記第１面から前記第２面に貫通する開口を有するプリント配線板と、前記開口内に充填された熱伝導率の良好な材質からなるフィラーとを更に備えており、前記発熱体は前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板の第１面に実装され、前記軸受けは前記フィラーに熱的に接触するように前記プリント配線板の第２面に固定されている。
望ましくは、前記ヒートパイプは、螺旋溝が形成された内壁を有するパイプと、前記パイプの内部に封入された流体とを含む。
本発明の別の側面によると、回転して使用されるヒートパイプを有する装置であって、前記ヒートパイプは、螺旋溝が形成された内壁を有するパイプと、前記パイプの内部に封入された流体とを含む装置が提供される。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明による冷却装置の実施形態を示す断面図；
図２及び図３は図１に示される冷却装置に適した放熱システムの斜視図；
図４は図２及び図３に示される放熱システムにおける熱接続ユニットの断面図；
図５は図４に示される熱接続ユニットのＶ−Ｖ線断面図；
図６及び図７はそれぞれ本発明による冷却装置の他の実施形態を示す断面図及び斜視図；
図８は図６及び図７に示される冷却装置を通信装置に適用した例を示す図；
図９は本発明による冷却装置の更に他の実施形態を示す断面図；そして
図１０は図９に示されるヒートパイプのパイプの端面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明による冷却装置の実施形態を示すその主要部の断面図である。この装置は、第１面２Ａ及び第２面２Ｂを有するプリント配線板２に実装される発熱部品の冷却に適している。
プリント配線板２の部品実装位置の概ね中央には開口（ビア）２Ｃが形成されており、開口２Ｃの内部にはメッキ層２Ｄを介して導電性で且つ伝熱性のフィラー４が充填されている。フィラー４は、プリント配線板２の第１面２Ａから第２面２Ｂへの放熱性を向上させるために設けられており、メッキ層２Ｄはフィラー４を開口２Ｃ内に保持するため、即ち製造技術上の要請から設けられている。
プリント配線板２の第１面２Ａ上には、発熱部品としての半導体チップ部品６がフィラー４に熱的に接触するように設けられている。この実施形態では、半導体チップ部品６は、複数の半田バンプ８を用いたフリップチップボンディングによりプリント配線板２に表面実装されており、それにより半導体チップ部品６とフィラー４の熱的な接触が得られている。
尚、本明細書において、「熱的に接触する」というのは、直接接触するしないに拘わらず、十分小さな熱抵抗の下で二者の位置が確定していることを言う。
半導体チップ部品６は、複数のサーマルビア１０が埋設された絶縁体からなる基材１２と、基材１２上に固着された半導体チップ１４とを備えている。半導体チップ１４はボンディングワイヤ１６及び半田バンプ８を介してプリント配線板２上の図示しない配線パターンに電気的に接続されている。符号１８は半導体チップ１４及びボンディングワイヤ１４を保護するために基材１２上に設けられた樹脂を示している。
プリント配線板２の第２面２Ｂには、フィラー４を介して伝えられた熱を広範囲に拡散するための熱拡散板２０がフィラー４に熱的に接触するように固定されており、熱拡散板２０は、熱を外部に放出するためのヒートパイプ２２に熱的に接触している。熱拡散板２０としては伝熱性が良好な金属板を用いることができ、ヒートパイプ２２としては、実装性を考慮して平面型のヒートパイプが望ましい。
この実施形態によると、プリント配線板２の開口２Ｃをメッキ層２Ｄ及びフィラー４で充填し、上述のように各部材を熱的に接触させているので、半導体チップ１４で発生した熱は、サーマルビア１０、半田バンプ８、フィラー４及び熱拡散板２０をこの順で通って低熱抵抗でヒートパイプ２２に達することができるので、半導体チップ１４からの熱を高効率で放熱システム（詳細は後述）に伝えることができ、発熱体の効果的な冷却が可能な冷却装置の提供が可能になる。
図２及び図３は図１に示される冷却装置に適した放熱システムの実施形態を示す透視図である。プリント配線板２はその第２面２Ｂ側から見ているので、図１に示される半導体チップ部品６は見えておらず、熱拡散板２０及びヒートパイプ２０が見えている。この実施形態では、熱拡散板２０及びヒートパイプ２２は金具２４によりプリント配線板２に固定されており、ヒートパイプ２２は熱的な接続のために、プリント配線板２の一方の縁よりも外側まで延在している。
符号２６は電子機器としての通信装置の筐体を示しており、筐体２６の内部にはその背面側にバックワイヤリングボード２８が立設されている。バックワイヤリングボード２８は、プリント配線板２が複数あるときの相互の電気的接続及び外部装置との電気的な接続を行うためのものである。バックワイヤリングボード２８の更に背面側には、これと平行にフィン３０が設けられており、ヒートパイプ２２のプリント配線板２の縁から突出している先端をフィン３０に熱的に接続するための熱接続ユニット３２がバックワイヤリングボード２８に設けられている。
尚、図２及び図３はそれぞれプリント配線板２をバックワイヤリングボード２８に装着する前及び後の様子を示している。
図４は図２及び図３に示される熱接続ユニット３２の断面図、図５は図４におけるＶ−Ｖ線断面図である。フィン３０には冷却されるべき発熱部品が搭載されているプリント配線板毎に突起３４が形成されており、熱接続ユニット３２は、突起３４に対向して形成されたバックワイヤリングボード２８の開口２８Ａに設けられている。
熱接続ユニット３２は、バックワイヤリングボード２８の開口２８Ａの周囲でフィン３０とは反対の側に設けられたハウジング３６と、ハウジング３６内で各々軸３８を中心に揺動可能且つスライド可能に設けられた一対の平面型ヒートパイプ４０と、平面型４０の両端がそれぞれフィン３０の突起３４及びヒートパイプ２２を挟み込むように平面型ヒートパイプ４０を付勢する一対のバネ４２とを含む。
軸３８は各平面型ヒートパイプ４０の側面に形成された突起により提供されており、この軸３８は、ハウジング３６の内壁に形成された溝３６Ａ内で直線的にスライドすることができるようになっている。従って、プリント配線板２側のヒートパイプ２２を図４に示されるように平面型ヒートパイプ４０の間に挟み込むと、バネ４２によってその挟み込みの力が得られ、それと同等の力でもってフィン３０の突起３４も平面型ヒートパイプ４０の間に挟み込まれることとなる。
この冷却システムを例えば図１に示される装置に適用した場合、半導体チップ１４で発生した熱は、サーマルビア１０、半田バンプ８、フィラー４、熱拡散板２０、ヒートパイプ２２、平面型ヒートパイプ４０及びフィンの突起３４をこの順で通って低熱抵抗でフィン３０に達することができるので、半導体チップ１４からの熱を高効率で装置の外部に伝えることができ、発熱体の効果的な冷却が可能になる。
また、この実施形態によると、フィン３０を筐体２６内の最も外側に位置させることができるので、発熱により温められた空気ではなく外部の温度が低い空気に放熱を行うことができ、冷却効率を高めることができる。
図６及び図７はそれぞれ本発明による電子機器の冷却装置の他の実施形態を示す断面図及び斜視図である。この冷却装置は、発熱体に熱的に接続される伝熱性を有する材質からなる軸受け４４と、軸受け４４に回転可能に設けられた円柱状のヒートパイプ４６と、ヒートパイプ４６に接続されたファンユニット４８とを備えている。
この実施形態では、発熱体としては、図１に示される半導体チップ部品６が用いられており、これを軸受け４４に熱的に接続するために、図１におけるのと同様にフィラー４が充填されたプリント配線板２が用いられている。軸受け４４は、図７に示されるように、２つのネジ４５によりプリント配線板２に固定されている。
ファンユニット４８は、そのハウジング５０と、ハウジング５０に固定されたステータ５２と、ステータ５２に対して回転駆動されるロータ５４とを有している。ロータ５４の周囲には複数のファンブレード５６が設けられており、ロータ５４が回転することによりファンブレード５６が周囲の空気を攪拌して空気流が生じる。ロータ５４の内部には永久磁石６２が固定されており、ステータ５２には永久磁石６２に対向するようにコイル（電磁石）６０が設けられている。そして、コイル６０に所定の交流電流を流すことにより、その周波数及びコイル６０の形態に応じて決定される回転数でロータ５４はステータ５２の周りで回転する。
ヒートパイプ４６はロータ５４の回転中心に形成された穴に例えばろう付けにより固定され、これにより熱的な接続と機械的な固定が両立されている。また、ロータ５４はベアリング等を用いて構成される軸受け５８によりステータ５２に対して最小限の摩擦で回転可能にされている。軸受け４４、ロータ５４及びファンブレード５６は熱伝導率が高い例えばアルミニウムにより形成されている。
この実施形態によると、ファンブレード５６が高速に回転しているので、例えば図３に示されるフィン３０に高速の空気流が供給されているのと同じ状況を得ることができ、発熱部品の効果的な冷却が可能になる。
また、軸受け４４内でヒートパイプ４６が高速で回転するので、軸受け４４とヒートパイプ４６の間の熱抵抗を大幅に小さくすることができる。即ち、軸受け４４の内壁とヒートパイプ４６の間には潤滑油が存在しており、ヒートパイプ４６の高速回転により潤滑油の乱流が生じ、軸受け４４からヒートパイプ４６に熱が伝わり易くなるものである。
この実施形態では、発熱体としての半導体チップ部品６からの熱をフィラー４及び軸受け４４によりヒートパイプ４６に伝達するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、プリント配線板２のヒートパイプ４６側に発熱部品としての光モジュールを実装し、そのハウジングの材質として熱伝導率の高いアルミニウムを用い、ハウジングに直接軸受けを形成して、その軸受けにヒートパイプ４６を回転可能に接続してもよい。光モジュール内には例えば発熱部品としてレーザダイオードが内蔵されており、その温度は７０℃程度の許容温度以下に制御されるので、このような光モジュールに本発明を適用することによって、発熱部品の効果的な冷却が可能になる。
図８は図６及び図７に示される冷却装置を通信装置に適用した場合を示している。筐体２６内のバックワイヤリングボード２８にはコネクタ６４によりプリント配線板２が縦置きに実装されており、冷却装置はそのヒートパイプ４６が垂直方向に対して概ね４５°傾斜するように斜めに設けられている。尚、ここでは、ヒートパイプ４６が傾斜した構造を例示しているが、これはプリント配線板２への実装密度等を考慮した結果であり、本発明はこれに限定されるものではない。
筐体２６に対してオペレータが向かう側には前面板６８が設けられており、前面板６８の下方の位置から斜め下側を向くようにファンユニット４８が配置されている。ファンユニット４８は、外部からの空気が筐体２６内部に取り込まれるようにそのファン５６の回転方向が設定されており、ファンユニット４８に対向して、異物が筐体２６内部に吸い込まれることを防止するためのフィルタ７２が設けられている。
符号７４は吸入空気の流れを示しており、筐体２６内に導入された空気は矢印７６で示されるように斜め上方に進み、矢印７８で示されるように、筐体２６の上方に設けられたバッフル７０を介して外部に放出される。従って、ファンユニット４８は、軸受け４４が熱的に接続される発熱部品に対してだけではなく、その送風能力を他の発熱部品に対しても行使することができる。
また、発熱部品に対して図２等に示されるフィン３０が不要になるので、装置の小型化が可能になる。
尚、符号８０で示される矢印は装置高さを示しており、装置としてファンを独立に設けていない分だけ装置高さが小さくて済むことがわかる。
図９は本発明による冷却装置の更に他の実施形態を示す断面図である。この実施形態は、図６に示される実施形態と対比して、内部形状に特徴を有するヒートパイプ８２が採用されている点で特徴付けられる。ヒートパイプ８２は、螺旋溝８６が形成された内壁を有するパイプ８４と、パイプ８４内部に封入された図示しない作動流体とを含む。パイプ８４の上端には、軸受け４４における潤滑油を逃がさないためのシール８８が設けられている。
図１０は図９に示されるパイプ８４の端面図である。パイプ８４の一方の端面から他方の端面を見て、パイプ８４の内壁に複数の線条痕様の螺旋溝８６が形成されていることがわかる。
図示されるように、縦に配置されたヒートパイプ８２の上部が熱を受け下部が熱を放出する所謂トップヒートでヒートパイプ８２が使用されている。ヒートパイプ８２の上部が加熱されるとその内部に封入されている作動流体が蒸発して下部に流動し、そこで放熱・凝縮することにより、作動流体の潜熱として熱輸送が行われる。従って、ヒートパイプ８２の下部で凝縮した作動流体が重力に逆らって上部まで上がることが、効率的な熱輸送を可能にするために要求される。
この実施形態では、ヒートパイプ８２は回転駆動されているので、ヒートパイプ８２の下部で凝縮した作動流体は、ヒートパイプ８２の回転により生じる遠心力を利用したポンプ効果により、パイプ８４の溝８６に沿って上部に向かって移動することができる。そして、そのような動作がなされるように、溝８６の向きとヒートパイプ８２の回転方向の組合わせが選択されている。
このように本実施形態によると、特定の構造を有するヒートパイプ８２の回転によるポンプ効果を利用して凝縮した作動流体を重力に逆らってヒートパイプ８２の上部に移動させるようにしているので、トップヒートの場合であっても極めて効率的な熱輸送が可能になる。
【産業上の利用可能性】  以上詳述したように、本発明によると、装置の小型化に適した効果的な発熱部品の冷却が可能な冷却装置の提供が可能になるという効果が生じる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2005013657.tif 000014
2005013657.tif 000015
2005013657.tif 000016
2005013657.tif 000017
2005013657.tif 000018
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