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【発明の名称】 電子装置
【発明者】 【氏名】椿 繁裕

【氏名】大黒 崇弘

【氏名】林 義人
【要約】 【課題】冷却効率を向上することができる電子装置を提供することにある。

【解決手段】基板１２には、複数の発熱部材である半導体素子２０，２２，２４，２６が搭載されている。半導体素子２０，２２，２４，２６の上部には、バイパス流路４０が設けられている。バイパス流路４０の流出口４４，４６は、冷却風の流れ方向において、半導体素子２４，２６の上流側に開口していて、冷却風を半導体素子２４，２６に供給する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】複数の発熱部材が搭載された基板と、この配線基板上の発熱部材に冷却流体を流通させて冷却するファンとを有する電子装置において、上記基板に搭載された発熱部材の上部に取り付けられ、その内部を冷却流体が流通するとともに、上記冷却流体の流れの方向において上記発熱部材の上流側に開口した流出口を有する流体通路を備えることを特徴とする電子装置。
【請求項２】複数の発熱部材が搭載された基板と、この配線基板上の発熱部材に冷却流体を流通させて冷却するファンとを有する電子装置において、上記複数の発熱部材は、発熱量の大きな第１の発熱部材と、発熱量の小さな第２の発熱部材を有し、上記第１の発熱部材と上記第２の発熱部材の間を、上記冷却流体の流れ方向に平行する方向に仕切る仕切り板を備えることを特徴とする電子装置。
【請求項３】請求項２記載の電子装置において、さらに、上記第２の発熱部材の上流側に配置され、上記第２の発熱部材に流れる冷却流体の流量を調整する調整板を備えることを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子などの発熱部材が実装された電子装置に係り、特に、実装された半導体素子等の発熱部材を冷却するに好適な電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の電子装置の冷却構造としては、例えば、特開平３−２５０８８０号公報に記載されているように、発熱量の大きい半導体素子と発熱量の小さい半導体素子が混在されている電子装置の基板内部の風量分布を制御するために、発熱量の小さい半導体の上流側に、冷却抵抗板を設けるものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の電子装置の冷却構造では、冷却抵抗板の下流側で、冷却風が発熱量の小さい半導体素子に流れ込み、冷却効率が低下するという問題があった。また、冷却風が、半導体素子の上部を通過することにより、冷却効率が低下するという問題があった。
【０００４】本発明の目的は、冷却効率を向上することができる電子装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、複数の発熱部材が搭載された基板と、この配線基板上の発熱部材に冷却流体を流通させて冷却するファンとを有する電子装置において、上記基板に搭載された発熱部材の上部に取り付けられ、その内部を冷却流体が流通するとともに、上記冷却流体の流れの方向において上記発熱部材の上流側に開口した流出口を有する流体通路を備えるようにしたものである。かかる構成により、冷却流体を効率的に発熱部材に供給して、発熱部材に対する冷却効率を向上し得るものとなる。
【０００６】また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の発熱部材が搭載された基板と、この配線基板上の発熱部材に冷却流体を流通させて冷却するファンとを有する電子装置において、上記複数の発熱部材は、発熱量の大きな第１の発熱部材と、発熱量の小さな第２の発熱部材を有し、上記第１の発熱部材と上記第２の発熱部材の間を、上記冷却流体の流れ方向に平行する方向に仕切る仕切り板を備えるようにしたものである。かかる構成により、発熱量の異なる発熱部材間の冷却流体の流通を妨げて、発熱部材に対する冷却効率を向上し得るものとなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図３を用いて、本発明の第１の実施形態による電子装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による電子装置のパッケージの構成を示す斜視図であり、図２は、本発明の第１の実施形態による電子装置の全体構成を示す平面断面図であり、図３は、本発明の第１の実施形態による電子装置の全体構成を示す側面断面図である。
【０００８】パッケージ１０を構成する基板１２の上には、発熱部材であるＬＳＩチップなどの半導体素子２０，２２，２４，２６が搭載され、固定されている。基板の両側には、側壁３０，３２が固定されている。ここで、半導体素子２０は、発熱量の大きな素子であり、例えば、複数のＬＳＩチップがモジュール化されたものである。一方、半導体素子２２，２４，２６は、発熱量の小さな素子であり、例えば、単一のＬＳｉチップである。また、半導体素子２０は、高さの高い素子であり、半導体素子２２，２４，２６は、高さの低い素子である。なお、図中の半導体素子はヒートシンク無しで描かれているが、ヒートシンクが取り付けられた場合にも適用される。
【０００９】半導体素子２２，２４，２６の上部には、流体通路となるバイパス流路４０が取り付けられている。バイパス流路４０は、直方体の箱形形状であり、側壁３２の上部に固定されている。バイパス流路４０は、冷却風の導入口となる開口４２と、冷却風の排出口となる開口４４，４６を備えている。これらの開口４２，４４，４６以外の部分は、閉じられた形状である。開口４２は、バイパス流路４０の端面に設けられている。開口４４，４６は、バイパス流路４０の下面に設けられている。矢印Ａ１方向に開口４２からバイパス流路４０内に流入した冷却風は、開口４４，４６から矢印Ａ２，Ａ３方向に流れて、バイパス流路４０から流出して、半導体素子２４，２６を冷却する。また、開口４２の下側からは、矢印Ｂ１方向に冷却風が流入して、半導体素子２２及び、半導体素子２２の下流側に位置する半導体素子２４，２６を冷却する。
【００１０】また、発熱量の大きな半導体素子２０と、発熱量の小さな半導体素子２２，２４，２６の間には、仕切り板５０が設けられている。仕切り板５０は、発熱量の大きな半導体素子２０と、発熱量の小さな半導体素子２２，２４，２６の間の冷却風の流通を遮るものであり、半導体素子２０と半導体素子２２，２４，２６の間に、冷却風の流れ方向に平行する方向に配置されている。仕切り板５０は、バイパス流路４０に取り付けられている。また、仕切り板５０の下端と基板１２の間の部分Ｄは、直接接触しておらず、仕切り板５０の荷重が基板１２に掛からないような構造となっている。
【００１１】本実施形態では、基板１２、半導体素子２０，２２，２４，２６、側壁３０，３２、バイパス流路４０、仕切り板５０によって、電子装置のパッケージ１０を構成している。
【００１２】次に、図２及び図３を用いて、本実施形態の電子装置の全体構成について説明する。図２は、図３のＹ−Ｙ断面を示し、図３は、図２のＸ−Ｘ断面を示している。
【００１３】図２に示すように、パッケージ１０は、筐体６０の内部に収納されている。また、筐体６０の内には、パッケージ１０に冷却風を送風するためのファン６２と、パッケージ１０の内部から空気を流出させるためのファン６４とが設けられている。ファン６２とファン６４より、パッケージ１０の内部には、図示の右側から左側に向けて流れる冷却風の流れが形成される。
【００１４】パッケージ１０の内部は、仕切り板５０によって、図示の上下方向に２分割されている。上半分には、発熱量の大きなＬＳｉなどのチップなどの半導体素子２０が基板１２の上に搭載され、固定されている。また、下半分には、発熱量の小さなＬＳｉなどのチップなどの半導体素子２２，２４，２６が基板１２の上に搭載され、固定されている。なお、半導体素子２２は、実際には、複数の半導体素子２２Ａ，２２Ｂ，…，２２Ｈから構成されている。半導体素子２４，２６についても、同様にして、それぞれ、複数の半導体素子２４Ａ，２４Ｂ，…，２４Ｈ、半導体素子２６Ａ，２６Ｂ，…，２６Ｈから構成されている。半導体素子２２と半導体素子２４の間には、さらに発熱量の小さな半導体素子であるＲＡＭボード２７（27A,27B,…,27H）が基板１２の上に搭載されている。また、半導体素子２４と半導体素子２６の間には、さらに発熱量の小さな半導体素子であるＲＡＭボード２８（28A,28B,…,28H）が基板１２の上に搭載されている。
【００１５】次に、図３に示すように、半導体素子２２，２４，２６の上部には、バイパス流路４０が取り付けられている。バイパス流路４０は、冷却風の導入口となる開口４２と、冷却風の排出口となる開口４４，４６を備えている。これらの開口４２，４４，４６以外の部分は、閉じられた形状である。開口４２は、バイパス流路４０の端面に設けられている。開口４４，４６は、バイパス流路４０の下面に設けられている。開口４４は、冷却風の流れ方向（ファン６２からファン６４の方向）において、主たる冷却対象である半導体素子２４の上流側に設けられている。また、開口４６は、冷却風の流れ方向において、主たる冷却対象である半導体素子２６の上流側に設けられている。
【００１６】次に、図２及び図３を用いて、冷却風の流れについて説明する。図２に示すように、ファン６２によって作り出された冷却風は、矢印Ｃ１方向にパッケージ１０の側端部から流入し、そのまま直進して、発熱量の大きな半導体素子２０に突き当たり、半導体素子２０を冷却する。半導体素子２０を冷却した空気流は、さらに、ファン６４によって吸引され、矢印Ｃ２方向に流出し、筐体６０の外部に排出される。
【００１７】また、ファン６２によって作り出された冷却風は、矢印Ｂ１方向にパッケージ１０の側端部からバイパス流路４０の下端部の内部に流入し、そのまま直進して、発熱量の小さな半導体素子２２に突き当たり、半導体素子２０を冷却する。さらに、半導体素子２２を冷却した空気流は、ＲＡＭボード２７を冷却する。さらに、半導体素子２４にも、矢印Ｂ２方向の空気流が当たる。しかしながら、矢印Ｂ２方向の空気流は、半導体素子２２によって加熱されているため、このままでは、半導体素子２４の冷却のために不十分である。
【００１８】一方、ファン６２によって作り出された冷却風は、矢印Ａ１方向にパッケージ１０の側端部からバイパス流路４０の内部に流入する。バイパス流路４０の下面には、開口４４と開口４６が形成されているため、矢印Ａ１方向の冷却風は、矢印Ａ２方向の冷却風と、矢印Ａ３方向の冷却風とに分離される。半導体素子２４には、矢印Ｂ２方向の冷却風と、矢印Ａ２方向の冷却風が当たるが、矢印Ａ２方向の冷却風の温度は低いため、半導体素子２４を十分に冷却することができる。
【００１９】半導体素子２４を冷却した空気流は、ＲＡＭボード２８を冷却する。さらに、半導体素子２６にも、矢印Ｂ３方向の空気流が当たる。また、バイパス流路４０の下面の開口４６からの矢印Ａ３方向の冷却風も、半導体素子２６に当たることにより、半導体素子２６は、矢印Ｂ３方向の冷却風と、矢印Ａ３方向の冷却風によって冷却される。
【００２０】ここで、各部の発熱量と各部の寸法の一例について説明する。半導体素子２０の発熱量は、例えば、８５０Ｗである。半導体素子２２Ａ，２２Ｂ，…，２２Ｈの個々の発熱量は、例えば、１０Ｗとあり、８個の半導体素子があるため、合計の発熱量は８０Ｗである。半導体素子２４Ａ，２４Ｂ，…，２４Ｈの個々の発熱量は、例えば、１６Ｗとあり、８個の半導体素子があるため、合計の発熱量は１２８Ｗである。半導体素子２６Ａ，２６Ｂ，…，２６Ｈの個々の発熱量は、例えば、１８Ｗとあり、８個の半導体素子があるため、合計の発熱量は１４４Ｗである。また、ＲＡＭボード２７Ａ，２７Ｂ，…，２７Ｈ，２８Ａ，２８Ｂ，…，２８Ｈの個々の発熱量は、例えば、１Ｗとあり、１６個のＲＡＭボードがあるため、合計の発熱量は１６Ｗである。半導体素子２０以外の発熱部品の発熱量の合計は、３９０Ｗである。
【００２１】パッケージ１０の長さＬ１は、５６０ｍｍである。パッケージ１０の幅Ｗ１は、３６０ｍｍであるとともに、仕切り板５０によって仕切られた半導体素子２０側の部分の幅Ｗ２は、１８０ｍｍであり、残りの部分の幅Ｗ３は、１８０ｍｍである。パッケージ１０の高さＨ１は、７５ｍｍである。半導体素子２０の高さＨ２は、７０ｍｍである。筐体６０の内部には、複数のパッケージが上下方向に積み重ねるようにして配置されるため、パッケージ１０の上には、他のパッケージの基板が配置されることになり、半導体素子２０の上面には、５ｍｍ程度の隙間が形成されている。また、バイパス流路４０の高さＨ３は、３５ｍｍであり、半導体素子２２，２４，２６等が配置される部分の高さＨ４は、４０ｍｍである。また、バイパス流路４０の出口側の開口４４の長さＬ２は、２０ｍｍとし、開口４６の長さＬ３は、１０ｍｍとしている。開口４４，４６の幅は、幅Ｗ３より僅かに狭いものである。
【００２２】以上、発熱量と各部の寸法について述べたが、上述した構成とすることにより、発熱部材である半導体素子２０，２２，２４，２６等をほぼ同じ温度まで冷却して、冷却効率を向上することができる。バイパス流路の入口の高さＨ３については、基板上に配置される半導体素子２２，２４，２６等の高さによって制限されるので、出口の開口４４，４６の長さＬ２，Ｌ３については、半導体素子２２，２４，２６が配置される部分の流路抵抗や矢印Ｂ２，Ｂ３方向の冷却風による冷却効率を勘案して、設定されるものである。
【００２３】なお、以上の説明では、矢印Ａ１方向の冷却風の流量ＱA1と矢印Ｂ１方向の冷却風の流量ＱB1とは、ほぼ等しいものとしているが、例えば、矢印Ｂ１方向の冷却風の流量ＱB1を、矢印Ａ１方向の冷却風の流量ＱA1よりも小さくしたい場合（ＱB1＜ＱA1）には、バイパス流路４０の下側の部分の入口に、破線で示すように、冷却風調整板７０を設けるようにすればよいものである。冷却風調整板７０の構成については、図５を用いて後述するが、平板に等間隔で円形の開口を形成したものや、入口の一部を閉鎖するような板材である。
【００２４】以上のようにして、配線基板上に実装された複数個の半導体の発熱量及び部品高さに顕著な差がある場合にも、発熱量の大きい半導体素子にターゲットを合わせて基板全体に対する冷却風量の設計を行う必要がなく、それぞれの半導体素子の発熱量に合わせた風量の最適化が可能となり、効率的な配線基板の冷却を行うことができる。また、上流部と下流部に位置する半導体素子の温度差を小さくすることにより、半導体素子の動作の安定性を高めることができる。
【００２５】以上説明したように、本実施形態によれば、発熱量の異なる半導体素子２０と、半導体素子２２，２４，２６の間を仕切り板５０によって仕切り、両者の間の空気流の流れを遮断することにより、それぞれの流路の冷却風によって半導体素子等の発熱部材を効率的に冷却することができる。また、半導体素子の上部に、バイパス流路を設け、バイパス流路の出口の開口を冷却対象の発熱部材である半導体素子２４，２６の上流側に設けることにより、冷却風を、発熱部材に効率的に導いて、発熱部材の冷却効率を向上することができる。さらに、仕切り板は、基板１２からは浮いた状態で保持されているため、電子回路基板内部の配線の都合あるいは半導体素子の実装位置の制約により、直付けできない場合にも、設置することが可能である。
【００２６】次に、図４〜図６を用いて、本発明の第２の実施形態による電子装置の構成について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態による電子装置のパッケージの構成を示す平面図であり、図５は、図４の正面図である。なお、図１〜図３を同一符号は、同一部分を示している。
【００２７】図４に示すように、パッケージ１０Ｊを構成する基板１２Ｊの上には、ＬＳＩチップなどの半導体素子２０Ｊ，２２Ｊ，２４Ｊや、ＲＡＭボードのような半導体素子２７Ｊ，２７Ｋ，２７Ｌが搭載され、固定されている。基板の両側には、側壁３０，３２が固定されている。ここで、半導体素子２０Ｊは、発熱量の大きな素子である。一方、半導体素子２２Ｊ，２４Ｊは、発熱量の小さな素子である。
【００２８】発熱量の大きな半導体素子２０Ｊと、発熱量の小さな半導体素子２２Ｊ，２４Ｊの間には、仕切り板５０が設けられている。仕切り板５０は、半導体素子２０Ｊと、半導体素子２２Ｊ，２４Ｊの間の冷却風の流通を遮るものである。
【００２９】半導体素子２０Ｊは、矢印Ｄ１で示される冷却風によって冷却される。また、半導体素子２２Ｊ，２４Ｊ，２７Ｊ，２７Ｋ，２７Ｌは、矢印Ｄ１で示される冷却風によって冷却される。さらに、仕切り板５０と側壁３２の右側端部には、風量調整板７０が設けられている。
【００３０】ここで、図５を用いて、風量調整板７０の構成について説明する。図５は、図４の矢印Ｄ１，Ｅ１方向から見た正面図である。風量調整板７０は、複数の円形の開口７２が形成されている。開口７２の数や開口径を変えることにより、開口面積率を変えることができる。風量調整板７０は、矢印Ｅ１の冷却風の流れを一部を遮り、半導体素子２２Ｊに当たる風量を調整するものである。発熱量の大きな半導体素子２０Ｊと、発熱量の小さな半導体素子２２Ｊ，２４Ｊ，２７Ｊのように、発熱量が相違するとき、冷却に必要な風量も異なるので、風量調整のために、風量調整板７０を設けている。風量調整板７０の開口形状として、円形開口７２を板材に均一に形成することにより、風量調整板７０を通過して、半導体素子２２Ｊ，２４Ｊ，２７Ｊ等に当たる風量を均一化することができる。特に、半導体素子２７Ｊ，２７Ｋ，２７Ｌのように、高さが高い素子があるときは、風量を均一化することは冷却を均一化する上で、効果的である。
【００３１】図６は、他の形態の風量調整板７０Ａを示している。図６は、本発明の第２の実施形態による電子装置のパッケージに用いる風量調整板の他の構成を示す正面図である。なお、図４及び図５と同一符号は、同一部分を示している。
【００３２】風量調整板７０Ａは、風の流通を遮るための板材部７３と、開口部７４とを備えている。このように、開口面積の一部を遮蔽することにより、風量を調整することができる。この例では、ＲＡＭボードのような高さの高い素子がなく、ＬＳＩチップのように高さの低い素子だけの場合に、効率よく、半導体素子を冷却することができる。
【００３３】以上説明したように、本実施形態によれば、発熱量の異なる半導体素子と、半導体素子の間を仕切り板５０によって仕切り、両者の間の空気流の流れを遮断することにより、それぞれの流路の冷却風によって半導体素子等の発熱部材を効率的に冷却することができる。また、半導体素子の上流側に風量を調整する風量調整板７０を設けることにより、半導体素子を効率よく冷却することができる。
【００３４】次に、図７及び図８を用いて、本発明の第３の実施形態による電子装置の構成について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態による電子装置のパッケージの構成を示す斜視図であり、図８は、本発明の第３の実施形態による電子装置のパッケージの構成を示す側面図である。
【００３５】パッケージ１０Ｍを構成する基板１２の上には、ＬＳＩチップなどの半導体素子２２Ｍ，２４Ｍ，２６Ｍが搭載され、固定されている。基板の両側には、側壁３０，３２が固定されている。
【００３６】半導体素子２２Ｍ，２４Ｍ，２６Ｍの上部には、バイパス流路４０Ｍが取り付けられている。バイパス流路４０Ｍは、直方体の箱形形状であり、側壁３０，３２の上部に固定されている。バイパス流路４０Ｍは、冷却風の導入口となる開口４２Ｍと、冷却風の排出口となる開口４４Ｍを備えている。これらの開口４２Ｍ，４４Ｍ以外の部分は、閉じられた形状である。開口４２Ｍは、バイパス流路４０Ｍの端面に設けられている。開口４４Ｍは、バイパス流路４０Ｍの下面に設けられている。矢印Ｆ１方向に開口４２Ｍからバイパス流路４０Ｍ内に流入した冷却風は、開口４４Ｍから矢印Ｆ２方向に流れて、バイパス流路４０Ｍから流出して、半導体素子２４Ｍ，２６Ｍを冷却する。また、開口４２Ｍの下側からは、矢印Ｇ１方向に冷却風が流入して、半導体素子２２Ｍ及び、半導体素子２２Ｍの下流側に位置する半導体素子２４Ｍ，２６Ｍを冷却する。
【００３７】さらに、図８に示すように、パッケージ１０Ｍの入口側の端部には、風量調整板７０Ｍ，７０Ｎが設けられている。風量調整板７０Ｍは、バイパス流路４０Ｍの入口に設けられており、風量調整板７０Ｎは、バイパス流路４０Ｍの下側の流路入口に設けられている。風量調整板７０Ｍ，７０Ｎは、図５に示したように、板材の全面に複数の円形開口が均一に形成されているものや、図６に示したように入口の一部を遮る形状のものが用いられる。
【００３８】ファン等によって作り出された冷却風は、矢印Ｇ１方向にパッケージ１０Ｍの側端部からバイパス流路４０Ｍの下端部の内部に流入し、そのまま直進して、半導体素子２２Ｍに突き当たり、半導体素子２２Ｍを冷却する。さらに、半導体素子２２Ｍを冷却した空気流は、半導体素子２４Ｍ，２６Ｍにも、矢印Ｇ２方向の空気流が当たる。一方、ファン等によって作り出された冷却風は、矢印Ｆ１方向にパッケージ１０Ｍの側端部からバイパス流路４０Ｍの内部に流入する。バイパス流路４０Ｍの下面には、開口４４Ｍが形成されているため、矢印Ｆ１方向の冷却風は、開口４４Ｍから半導体素子２４Ｍ，２６Ｍに辺り、半導体素子２４Ｍ、２６Ｍを十分に冷却することができる。
【００３９】以上説明したように、本実施形態によれば、半導体素子の上部に、バイパス流路を設け、バイパス流路の出口の開口を冷却対象の発熱部材である半導体素子の上流側に設けることにより、冷却風を、発熱部材に効率的に導いて、発熱部材の冷却効率を向上することができる。さらに、半導体素子の上流側に風量を調整する風量調整板を設けることにより、半導体素子に当たる風量を調整して、半導体素子を効率よく冷却することができる。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば、電子装置における冷却効率を向上することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１２年１０月５日（２０００．１０．５）
【代理人】 【識別番号】１０００７７８１６
【弁理士】
【氏名又は名称】春日 讓
【公開番号】 特開２００２−１１８３８６（Ｐ２００２−１１８３８６Ａ）
【公開日】 平成１４年４月１９日（２００２．４．１９）
【出願番号】 特願２０００−３０５９５０（Ｐ２０００−３０５９５０）