JP2015060923A - 電子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板に実装される巻線部品から発生する熱を効率的に放熱させる構造を備えて、さらなる小型化や高出力化にも対応可能な電子モジュールを提供する。
【解決手段】板状の絶縁性基材５の上面３側と下面４側に導電層６が形成されているとともに、少なくとも上面側に導電層をパターニングしてなる回路配線が形成された回路基板２と、回路基板上に実装される電子部品とによって構成される電子モジュール１ａであって、電子部品には巻線部品２０が含まれ、回路基板の下面に放熱板４０が対向配置され、巻線部品の下面と回路基板の上面との間に熱伝導体４１が充填され、巻線部品のコイル部２２を構成する導線の端部となるリード線２３が回路基板上に形成された端子パッド６０に半田付けされ、基板前記端子パッドには、回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビア３０が形成されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、電子モジュールに関し、具体的には電子モジュールに搭載されている巻線部品から生じる熱を効率よく放熱するための技術に関する。

現在、高出力型ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電子モジュールは、小型化と高出力化が進み、例えば、１／４Ｂｒｉｃｋのサイズで３５０Ｗ〜４００Ｗもの出力が可能なものも実現している。周知のごとく、高出力型ＤＣ−ＤＣコンバータのように大電流を扱う電子モジュールでは、パワートランジスタやパワーダイオード等の高出力の電子部品をより高密度で実装することから高い放熱性能が求められている。

なお、本発明の技術分野に関連して、以下の特許文献１や２には、回路基板の表面に実装した電子部品が発する熱を放熱させるための技術について記載されている。引用文献１には、回路基板のおもて面側に実装されている電子部品が発する熱を、基板の裏面側の放熱板に熱伝導シート（熱伝導体）を介して伝える放熱構造について記載されている。特許文献２に記載の技術では、基板に形成されたスルーホール内にも熱伝導体を充填することで、基板のおもて面から基板の裏面に熱伝導体が配置されていることが確認できるようにしている。いずれにしても、特許文献１や２に記載の技術は、基板のおもて面に実装された熱源となる半導体部品のパッケージ部分を基板に接触させ、その熱を基板の裏面に配置された放熱板に熱伝導体を介して伝えることで放熱させている。また、非特許文献１には熱伝導体として機能する熱抵抗が低い接着剤（熱伝導性接着剤）について記載されている。

特開平８−２０４０７２号公報 特開２０１１−１３４７７９号公報

横浜ゴム株式会社、"熱伝導性接着剤"、[online]、[平成２５年８月２７日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.yrc-denzai.jp/product/seal/tabid/70/Default.aspx＞

近年、電子機器に対する小型化、高性能化への要求がさらに高くなってきている。したがって、電子機器に組み込まれる電子モジュールには、更なる小型化や高出力化が必要となり、結果として、従来に増して極めて高い放熱性能が求められることになる。しかしながら、電子モジュールにトランスやインダクタなどの巻線部品が実装されている場合、電子モジュールをさらに高出力化すると、半導体部品の発熱より巻線部品の発熱が大きな問題となり、規定の温度以下に制御することが難しくなることが本発明者によって知見された。概略的には、巻線部品は、実質的に巻回された導線そのものからなり、その導線に電流が流れることによって発熱する。そして、従来の技術では、巻回状態にある導線の熱を基板などに効率よく伝えて放熱させることができないことが判明した。

また、導線は熱伝導率の低いフェライト材料からなるコアに巻回されている場合が多く、実装時には、そのコアが基板に接触した状態となるため、巻回された状態の導線部分（コイル部）の熱を直接基板に伝えることができず、巻線部品の放熱をさらに難しくしている。しかも、巻線部品は回路構成や構造自体が単純であるため、それらの構成や構造を工夫することによって部品自体の発熱を抑えることも難しい。したがって、電子モジュールのさらなる小型化や高出力化を達成するためには、従来の放熱構造の延長線上では巻線部品の熱を効果的に放熱させることができない。

そこで本発明は、回路基板に実装される巻線部品から発生する熱を効率的に放熱させる構造を備えて、さらなる小型化や高出力化にも対応可能な電子モジュールを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、板状の絶縁性基材の一主面側と他面側に導電層が形成されているとともに、少なくとも一主面側に前記導電層をパターニングしてなる回路配線が形成された回路基板と、当該回路基板上に実装される電子部品とによって構成される電子モジュールであって、
前記電子部品には導線を巻回してなるコイル部を備えた巻線部品が含まれ、
前記一主面側を上面として、前記回路基板の下面に放熱板が対向配置され、
前記巻線部品の下面と前記基板の上面との間に熱伝導体が充填され、
前記コイル部を構成する導線の端部となるリード線が前記回路基板上に形成された端子パッドに半田付けされ、
基板前記端子パッドには、前記回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビアが形成されている、
ことを特徴とする電子モジュールとしている。

また、前記基板の下面と前記放熱板との間に熱導電体が充填されている電子モジュールとしてもよい。前記回路基板の上面に第２の放熱板が対向配置されているとともに、前記巻線部品の上面と前記当該第２の放熱板との間に熱伝導体が充填されている電子モジュールとすることもできる。

前記巻線部品の下面と前記回路基板の上面との間に充填されている前記熱伝導体は、その下面が前記回路基板の上面に形成されている前記導電層に直に接触している電子モジュールとすることもできる。

前記回路基板において、前記巻線部品の下面に対向する領域に当該回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビアが形成されている電子モジュールとしてもよい。

本発明の電子モジュールによれば、回路基板に実装される巻線部品から発生する熱を効率的に放熱させる構造を備えて、さらなる小型化や高出力化にも対応することが可能となる。なお、その他の効果については以下の記載で明らかにする。

巻線部品の一例であるトランスを示す外観図である。 トランスの一般的な実装構造を示す図である。 本発明の実施例に係る電子モジュールを示す図である。 本発明の比較例に係る電子モジュールを示す図である。 本発明の変形例に係る電子モジュールを示す図である。 本発明の変形例に係る電子モジュールを示す図である。 本発明の変形例に係る電子モジュールを示す図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。

＝＝＝巻線部品＝＝＝
本発明の対象は、各種電子部品が回路基板（以下、基板とも言う）に実装されてなる電子モジュールであり、電子部品としてトランスやインダクタなどの巻線部品を含むものである。図１に巻線部品の一例であるトランス２０の外観を示した。ここに示したトランス２０では、コア２１の形状が、周知のＥＥ型（ＥＩ型でもよい）であり、トランス２０の一次巻線と二次巻線のそれぞれに対応する導線がコア２１の「Ｅ」字の中央の軸周りに巻回されて筒状のコイル部２２が形成されている。一次巻線と二次巻線を構成する導線の端部はリード線２３としてコイル部２２から導出されている。リード線２３は、基板上の回路配線に半田付けなどによって接続される。ここで、便宜的に、コイル部２２の軸方向を上下方向とし、コア２１の「Ｅ」字が形成される面を前面あるいは後面とするとともに、上下前後左右の各方向を図示したように規定すると、筒状のコイル部２２は、その外周がコア２１の前後両端から外方に向かって突出することになる。

図２は従来の電子モジュール１におけるトランス２０の実装状態の一例を示す側面図である。ここでは、基板２においてトランス２０を含む電子部品が実装される一主面３を上面として上下方向を規定している。トランス２０は、図１と同様に上下前後左右の各方向が規定された状態で基板２の上面３に実装されて、この図２ではトランス２０を左方あるいは右方から見たときの実装状態を側面図として示している。なお、基板２については、内部構造を説明するために断面図によって示している。

基板２は、ガラスエポキシ材料などからなる絶縁性基材（以下、基材とも言う）５の上下両面に銅箔などによる導電層６が形成された構造を有し、少なくとも、電子部品が実装される側となる基板上面３にはその導電層６がパターンニングされてなる回路配線が形成されている。また、少なくとも上面３側の導電層６には回路配線の保護膜となるソルダーレジスト膜７が形成されている。回路配線において、基板２に実装される各種電子部品の端子やトランス２０のリード線２３は、半田８によって端子パッド６０と接続される。したがって端子パッド６０の形成領域ではそのソルダーレジスト膜７が開口している。なお、この例では、トランス２０が実装される領域には、一次側と二次側を隔離するための絶縁部９が基材５と同じ材料によって設けられている。

トランス２０は、基板２に実装されている状態では、コイル部２２を構成する導線が上下方向を軸として巻回されている。さらに、コイル部２２の上面２４と下面２５がコア２１によって挟持されているため、コア２１の下面２６が基板２の上面３に接している。導線の端部であるリード線２３は、基板上面３の端子パッド６０に半田付けされている。

ところで巻線部品は、リード線２３を電流の入出力端として導線に電流が流れることよって発熱する。しかし、その導線に発生した熱を直接外部に放出することが難しい。そこで本発明の実施例に係る電子モジュールでは、巻線部品にて発生する熱を放熱させるのに適した放熱構造を備えている。

＝＝＝実施形態＝＝＝
本発明の一実施形態に係る電子モジュールとしてＤＣ−ＤＣコンバータを挙げる。図３にその実施形態に係る電子モジュール（以下、実施例ともいう）１ａを示した。図３（Ａ）は、本実施例の放熱構造の概略を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）における円１００内を拡大した図である。図３（Ａ）に示したように、本実施例１ａでは、巻線部品としてトランス２０が実装されている。もちろん、巻線部品は図示したトランス２０に限らず、たとえば、トロイダル型のコイル部を備えたものであってもよい。

実施例１ａでは、トランス２０の下面、すなわちコイル部２２およびコア２１の下面（２５、２６）と基板上面３との間に熱伝導体として熱伝導性接着剤４１が充填されている。また、この例では、基板上面３において、熱伝導性接着剤４１が充填されている領域に導電層６１が形成されている。基板２の下面４には熱伝導性接着剤４２を介してアルミプレートなどによって構成される放熱板４０が接着されている。

熱源そのものである導線の一部であるリード線２３は、端子パッド６０に半田８によって接続されている。そしてこの端子パッド６０には貫通ビア（スルーホールビア、スルーホールなどとも言う）３０が形成されている。周知のごとく、貫通ビア３０は基板２の上下面（３、４）を貫通する孔３０の内面に金属メッキを施したり、孔３０に導電体を充填したりしたものである。

図３（Ｂ）は実施例１ａにおける放熱動作を示しており、熱の伝導経路を矢印（５０、５１）にて示した。まず、矢印５０で示したように、熱源そのものである導線にて発生した熱はリード線２３を経由して半田付けされた端子パッド６０に伝わる。端子パッド６０には貫通ビア３０が形成されており、貫通ビア３０の金属メッキ３２を介して導線の熱が基板２の下面４に導かれる。基板２の下面４に伝わった熱は、基板２の面方向に分散しつつ熱伝導性接着剤４２を介して放熱板４０に伝わって大気中に放出される。このように本実施例１ａの放熱構造によれば、熱源となる導線から基板２の下面４までの放熱経路が全て熱伝導率の高い金属で形成されており、巻線部品での発熱を極めて効率よく放熱させることができる。

実施例１ａでは、上記のリード線２３から貫通ビア３０を介して放熱板４０経路で放熱させる構造に加え、筒状のコイル部２２の熱、およびコイル部２２からコア２１に伝導した熱を、矢印５１で示した経路で放熱させる補助的な放熱構造を備えている。具体的には、コイル部２２、およびコア２１の下面（２５、２６）と基板上面３との間に充填された熱伝導性接着剤４１、および当該熱伝導性接着剤４１の直下の導電層６１を経由して基板２に伝わり、その熱が基板２の下面４に伝達する。そして、その基板下面に伝わった熱が基板の面方向に分散しつつ熱伝導性接着剤を介して放熱板に伝わり、最終的には大気中に放出される。

＝＝＝比較例＝＝＝
上記実施例に係る電子モジュール１ａに対する比較例として、図４に示した電子モジュール１ｂを作製した。この比較例に係る電子モジュール（以下、比較例ともいう）１ｂでは、放熱板４３が基板２の下面４ではなく、トランス２０の上方に配置されている。そしてコア２１とコイル部２２の上面（２７、２４）と放熱板４３の下面４４との間に熱伝導体として実施例１ａにて用いたもの同様の熱伝導性接着剤４５が充填されている。すなわち、比較例１ｂでは、コイル部２２の熱を、基板２において熱伝導率が低い基材５を経由させず、主に、最も熱が伝わりやすい経路(矢印５１)で放熱させる放熱構造を採用している。

なお、熱伝導接着剤４５の種類、充填量などは、実施例１ａにおけるトランス２０の下面と基板上面３との間に充填されている熱伝導接着剤４１と同じ条件としている。また、基板２の上面３に形成されている回路配線において、トランス２０のリード線２３が半田付けされる端子パッド６０には貫通ビアが形成されていない。

＝＝＝放熱性能＝＝＝
実施例１ａと比較例１ｂのそれぞれに対応する電子モジュールとして、１／４ブリックサイズ、３５０Ｗ出力（５０Ｖ、７Ａ）のＤＣ−ＤＣコンバータを実際に作製し、双方の電子モジュール（１ａ、１ｂ）に通電して動作させた。そして、図３（Ａ）および図４に小円で示した測定点（Ｐ１〜Ｐ３）における温度を測定した。なお、電子部品の過熱を防止するために、トランス２０を含む各電子部品の上限温度を１２０℃に設定した。

以下の表１に温度の測定条件を示した。また表２にその測定結果を示した。

温度測定条件としては、表１に示したように、周囲温度Ｔａ＝３０℃の下、放熱板（４０、４３）を空気対流によって冷却しながら各測定点（Ｐ１〜Ｐ３）の温度を測定した。空気対流による風速（air）は１００ＬＦＭとした。ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する回路への入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔは、それぞれＶｉｎ＝４８Ｖ、Ｖｏｕｔ＝５０Ｖとした。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータにおける入力電流Ｉｉｎ、および出力電流Ｉｏｕｔは、実施例１ａと比較例１ｂとで異なっている。これは、表２にも示したように、比較例１ａでは、出力電流Ｉｏｕｔが定格の７Ａより小さい６．５Ａとなった時点でトランス２０の温度が１２０℃近く（１１９．３℃）となり、最大定格の７Ａの電流を出力することができなかったためである。そのため、比較例１ｂにおける入力電流Ｉｉｎは、実施例１ａの７．８Ａに対して７．４Ａであった。

表２では、温度測定位置（Ｐ１、Ｐ３）での放熱板（４０、４３）の温度、測定位置Ｐ２でのコイル部２２の温度、および実施例１ａと比較例１ｂのそれぞれにおけるコイル部２２の温度と放熱板（４０、４３）との温度差とを示している。この表２に示したように、比較例１ｂではトランスの温度が１１９．３℃で上限の１２０℃近くまで上昇している。そしてこの温度は上述したように、最大定格の７Ａの電流よりも小さな電流６．５Ａで出力したときのものである。放熱板の温度は６７．１℃であり、トランス２０と放熱板４３とは５０℃以上の温度差が発生した。すなわち、トランス２０のコイル部２２にて発生した熱が放熱板４３に効率よく伝わっていない。

一方、実施例１ａでは、定格通り７Ａの電流を出力することができた、そして、トランス２０の温度は１０７．７度であり、比較例１ｂに対して１０℃以上も温度を下げることができた。放熱板４０の温度は７８．４度であり、トランス２０のコイル部２２における温度との差が３０℃以下であった。すなわち、放熱板（４０、４３）とトランス２０との温度差が、実施例１ａと比較例１ｂとでは２０℃以上の差があり、実施例１ａでは効率的に放熱されていることがわかった。もちろん、表１にも示したように、放熱効率の向上に伴ってＤＣ−ＤＣコンバータとしての電力損失が少なくなり、電力変換効率を向上させることができた。

以上より、比較例１ｂでは、コイル部２２の熱を最も効率が高いと思われる経路５３で放熱板４３に伝える放熱構造を採用しているのにも拘わらず、コイル部２２の熱を基板２を介して放熱板４０に伝える放熱構造を採用した実施例１ａよりも放熱性能が劣っていた。このことは、熱源となるコイル部２２の導線は熱伝導率が高い金属からなり、リード線２３はその導線そのものであり、コイル部２２を構成する導線で発生した熱は、導線と同様に熱伝導率の高い経路を通って放熱させたほうが放熱効果が高い、ということを示している。

実施例１ａでは、導線にて発生した熱がリード線２３を経由し、導線と同様に熱伝導率が高い金属からなる端子パッド６０とそれに連続する貫通ビア３０の金属メッキ３２を通ってより速やかに基板下面４に配設されている放熱板４０に至る。また、基板下面４には全面に亘って熱伝導性接着剤４２が放熱板４０との間に充填されており、基板下面４に伝わった熱が熱伝導性接着剤４２の充填領域に分散されて、放熱板４０に伝わる熱が一箇所に集中しないことも優れた放熱性能に寄与しているものと思われる。

＝＝＝その他の実施例、変形形態＝＝＝
端子パッド６０に形成されている貫通ビア３０の形成位置は上記実施例１ａに限らず、リード線２３が半田付けされる位置の直下に形成してもよい。それによって導線の熱を最短距離で基板下面４に伝えることができ、放熱効果をさらに向上させることが期待できる。もちろん、貫通ビア３０の上端自体が端子パッド６０を兼ねていてもよい。

上記実施例１ａでは、放熱板４０と基板下面４との間に熱伝導性接着剤４２が充填されていたが、基板２の下面４に熱伝導接着剤４２を介在させずに放熱板４０を配置してもよい。

上記実施形態に係る電子モジュール１ａには様々な変形形態が存在する。図５〜図７にその変形形態を例示した。これらの変形形態では、図３（Ｂ）に示したリード線２３を介した放熱経路５０による放熱を補助する構造が上記実施例１ａとは異なっている。まず、図５に示した電子モジュール１ｃでは、上記実施例１ａと上記比較例１ｂの放熱構造をともに備えている。また、図６に示した電子モジュール１ｄのように、基板上面３において、巻線部品２０のコイル部２２と対向する領域に導電層６を配置するとともに、その領域のソルダーレジスト７を開口させておいてもよい。すなわち、コイル部２２と基板上面３との間に充填されている熱伝導性接着剤４１をその直下に形成されている導電層６１に直に接触させてもよい。それによって、熱伝導性接着剤４１から熱伝導率の高い導電層６１に熱が直接伝達する。

さらに、図７に示した電子モジュール１ｅのように、基板２において、トランス２０の下面（２５、２６）と対向する領域、すなわち基板２において、トランス２０の下方に充填されている熱伝導性接着剤４１と接触している領域に貫通ビア３０ｅを形成してもよい。それによって、コイル部２２の熱が熱伝導性接着剤４１、導電層６１、および貫通ビア３０の順に形成される経路で熱が基板下面４に伝達される。もちろん、実施例１ａおよび図５〜図７に示した電子モジュール（１ｃ〜１ｅ）の放熱構造を適宜に組み合わせることもできる。

この発明は、小型大出力のＤＣ−ＤＣコンバータなどに好適である。

１，１ａ〜１ｅ 電子モジュール、２ 回路基板、３ 基板上面、４ 基板下面、
５ 基材、６，６１ 導電層、２０ 巻線部品（トランス）、２１ コア、
２２ コイル部、３０，３０ｅ 貫通ビア、４０，４３ 放熱板、
４１〜４３ 熱伝導体（熱伝導性接着剤）、６０ 端子パッド

Claims (5)

1. 板状の絶縁性基材の一主面側と他面側に導電層が形成されているとともに、少なくとも一主面側に前記導電層をパターニングしてなる回路配線が形成された回路基板と、当該回路基板上に実装される電子部品とによって構成される電子モジュールであって、
   前記電子部品には導線を巻回してなるコイル部を備えた巻線部品が含まれ、
   前記一主面側を上面として、前記回路基板の下面に放熱板が対向配置され、
   前記巻線部品の下面と前記基板の上面との間に熱伝導体が充填され、
   前記コイル部を構成する導線の端部となるリード線が前記回路基板上に形成された端子パッドに半田付けされ、
   基板前記端子パッドには、前記回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビアが形成されている、
   ことを特徴とする電子モジュール。
2. 前記基板の下面と前記放熱板との間に熱導電体が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の電子モジュール。
3. 前記回路基板の上面に第２の放熱板が対向配置されているとともに、前記巻線部品の上面と前記当該第２の放熱板との間に熱伝導体が充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子モジュール。
4. 前記巻線部品の下面と前記回路基板の上面との間に充填されている前記熱伝導体は、その下面が前記回路基板の上面に形成されている前記導電層に直に接触していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子モジュール
5. 前記回路基板において、前記巻線部品の下面に対向する領域に当該回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビアが形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子モジュール。

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