JP2016076622A - 回路基板および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを増大させることなく熱伝導部材を回路基板の貫通穴に組み付け得る回路基板および電子装置を提供する。【解決手段】回路基板２０では、発熱部品４０に対する放熱用の熱伝導部材３０の外周面に雄ねじ部３２が形成されており、この熱伝導部材３０は、貫通穴２２にねじ込まれることで組み付けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、発熱部品の放熱を促す熱伝導部材が設けられる回路基板および電子装置に関するものである。

モーター、オルタネータ、アクチュエータ等を制御するための回路基板として、樹脂プリント基板にはんだ等を用いて電子部品を実装した回路基板が一般的に用いられている。近年、製品全体の小型軽量化、高性能化などの要請から、モーター等のメカ構造に対して上記回路基板等の電子制御回路構造を直接搭載した機電一体製品が増加している。このように従来別体であったモーター等のメカ構造と電子制御回路構造とを一体化することで、電子制御回路構造における熱環境が悪化する場合がある。

熱環境の悪化を改善するため、発熱部品の放熱性能向上が必要である。発熱部品の放熱性を高めた回路基板に関する技術として、下記特許文献１に開示されるプリント基板の熱伝導構造が知られている。このプリント基板の熱伝導構造では、両面に導体層が接着された絶縁基板材に貫通穴を形成し、この貫通穴に対して熱伝導部材を挿入した状態で拡径変形して圧接する。そして、基板面を研磨加工してメッキおよびエッチング等によって所要の回路パターンを形成した後に、発熱部品を実装する。これにより、発熱部品の放熱が熱伝導部材を介すことで促進される。

特開２０１０−２６３００３号公報

ところで、上述のような構成では、熱伝導部材の拡径変形や基板面の研磨加工等、通常の基板製造工程では不要な工程が必要となる。そうすると、製造コストが増大してしまうという問題が生じる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、製造コストを増大させることなく熱伝導部材を回路基板の貫通穴に組み付け得る回路基板および電子装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、発熱部品（４０）に対して放熱用の熱伝導部材（３０，３０ａ〜３０ｅ）が貫通穴（２２，２２ａ）に組み付けられる回路基板（２０）であって、前記熱伝導部材は、外周面に雄ねじ部（３２，３２ａ）が形成されており、前記貫通穴にねじ込まれることで組み付けられることを特徴とする。

請求項７に記載の電子装置（１０）は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の回路基板を備えたことを特徴とする。
なお、特許請求の範囲および上記手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

請求項１の発明では、発熱部品に対する放熱用の熱伝導部材の外周面に雄ねじ部が形成されており、この熱伝導部材は、貫通穴にねじ込まれることで組み付けられている。これにより、熱伝導部材の拡径変形や基板面の研磨加工等を要することなく、すなわち、製造コストを増大させることなく、熱伝導部材を回路基板の貫通穴に容易に組み付けることができる。

請求項７の発明では、上述のような回路基板を備えるように電子装置が構成されるため、製造コストを増大させることなく熱伝導部材を回路基板の貫通穴に組み付けることができるという作用効果を奏する電子装置を実現することができる。

第１実施形態に係る回路基板および電子装置の概略構成を示す断面図である。 第１実施形態における熱伝導部材の組み付け工程を説明するための断面図である。 第１実施形態の変形例に係る回路基板の概略構成を示す断面図である。 第２実施形態に係る回路基板および電子装置の概略構成を示す断面図である。 第２実施形態における熱伝導部材の組み付け工程を説明するための断面図である。 第３実施形態に係る回路基板および電子装置の概略構成を示す断面図である。 第３実施形態の変形例に係る回路基板の概略構成を示す断面図である。 第４実施形態に係る回路基板および電子装置の概略構成を示す断面図である。 第５実施形態に係る回路基板および電子装置の概略構成を示す断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明に係る回路基板および電子装置を具現化した第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す電子装置１０は、例えば、車両に搭載されたエンジン等の車載機器を制御する電子制御装置（Electronic Control Unit）など、その制御に応じて発熱する発熱部品が回路基板に実装される装置として構成されている。この電子装置１０は、外郭を構成する金属製（例えば、アルミニウム製）の筐体１１と、この筐体１１内に収容される回路基板２０等を備えている。なお、図１では、便宜上、筐体１１および回路基板２０の一部を断面にて図示している。

回路基板２０は、エポキシ樹脂等からなる絶縁層と導電層とが交互に積層される多層の回路配線基板の実装面２１ａに、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴなど所定の制御の際に発熱する電子部品（以下、発熱部品４０ともいう）やコネクタ等がリフロー処理等を経て実装されることで構成されている。回路基板２０は、筐体１１の底面１２に設けられる台座１３等を用いて所定の位置にて支持された状態で筐体１１内に収容されている。

回路基板２０の回路配線基板には、発熱部品４０の放熱を促すための熱伝導部材３０が組み付けられている。熱伝導部材３０は、銅等の熱伝導性の高い材料を用いて構成される略円柱状のインレイであって、外周面に雄ねじ部３２が形成されている。熱伝導部材３０は、発熱部品４０の端子４１の直下となる位置であって、回路基板２０の実装面２１ａに対する反対側の面（以下、単に裏面２１ｂともいう）から実装面２１ａにかけて形成される貫通穴２２にねじ込まれることで、埋め込まれるように組み付けられる。

本実施形態では、雄ねじ部３２は、発熱部品側３１ａから反発熱部品側３１ｂにかけて有効径がほぼ一定となるように形成されている。そして、熱伝導部材３０は、発熱部品側３１ａと実装面２１ａのランド２３の表面とがほぼ面一であって反発熱部品側３１ｂと裏面２１ｂとがほぼ面一となるようにねじ込まれている（図１参照）。なお、熱伝導部材３０の反発熱部品側３１ｂには、例えば、十字溝などのねじ込み用の係合溝（図示略）が形成されている。

上述のように構成される熱伝導部材３０は、回路基板２０に埋め込まれた状態で発熱部品側３１ａにてはんだ２４を介して発熱部品４０の端子４１に熱的に接続されている。これにより、熱伝導部材３０は、発熱部品４０からの熱を裏面２１ｂ側へ促すように機能する。なお、端子４１は、放熱性を高めるためにその表面積が大きくなるように形成されている。

次に、熱伝導部材３０の組み付け工程について、図２を用いて詳述する。なお、図２は、熱伝導部材３０の組み付け工程を説明するための断面図であり、図２（Ａ）は貫通穴２２が形成された状態を示し、図２（Ｂ）は貫通穴２２に熱伝導部材３０がねじ込まれる状態を示す。

まず、回路基板２０を形成するための基材２０ａと上述のように形成される熱伝導部材３０とを用意する。そして、図２（Ａ）に示すように、めっき処理等により実装面２１ａの所定の位置にランド２３等が形成された基材２０ａに対して、ドリル穴加工を用いて、上述した位置に断面円形状の貫通穴２２を形成する。本実施形態では、貫通穴２２は、実装面２１ａから裏面２１ｂにかけてほぼ一定の内径であって、その内径が雄ねじ部３２の有効径よりもわずかに小さくなるように形成される。

そして、図２（Ｂ）に示すように、予め用意した熱伝導部材３０を、基材２０ａの貫通穴２２に裏面２１ｂ側からねじ込む。具体的には、熱伝導部材３０を、反発熱部品側３１ｂに形成されるねじ込み用の係合溝を用いて回転させながら、発熱部品側３１ａがランド２３の表面とほぼ面一となる位置までねじ込む。その際、貫通穴２２は、その内径が雄ねじ部３２の有効径よりも小さくなるように形成されているため、熱伝導部材３０は、貫通穴２２の内周面を削るようにしてねじ込まれることとなる。

上述のように熱伝導部材３０が基材２０ａに埋め込まれた回路配線基板を用い、はんだペーストを所定の位置に印刷した後、発熱部品４０等を搭載してリフロー処理を行う。これにより、熱伝導部材３０が発熱部品側３１ａにてはんだ２４を介して発熱部品４０の端子４１に熱的に接続するようにして、回路基板２０が完成する（図１参照）。

以上説明したように、本実施形態に係る回路基板２０では、発熱部品４０に対する放熱用の熱伝導部材３０の外周面に雄ねじ部３２が形成されており、この熱伝導部材３０は、貫通穴２２にねじ込まれることで組み付けられている。これにより、熱伝導部材３０の拡径変形や基板面の研磨加工等を要することなく、すなわち、製造コストを増大させることなく、熱伝導部材３０を回路基板２０の貫通穴２２に容易に組み付けることができる。

そして、本実施形態に係る電子装置１０では、上述のような回路基板２０を備えるように構成されるため、製造コストを増大させることなく熱伝導部材３０を回路基板２０の貫通穴２２に組み付けることができるという作用効果を奏する電子装置を実現することができる。

また、熱伝導部材３０は、発熱部品４０の直下に位置するように貫通穴２２にねじ込まれているため、発熱部品４０の熱が熱伝導部材３０に伝わりやすくなり、熱伝導部材３０による放熱効果を高めることができる。なお、熱伝導部材３０は、少なくとも一部が発熱部品４０の直下に位置する場合でも発熱部品４０の熱が熱伝導部材３０に伝わるので、熱伝導部材３０による放熱効果を奏することができる。

特に、熱伝導部材３０の雄ねじ部３２は、発熱部品側３１ａから反発熱部品側３１ｂにかけて有効径が一定となるように形成されるため、雄ねじ部３２を熱伝導部材３０の外周面に容易に形成することができる。

図３は、第１実施形態の変形例に係る回路基板の概略構成を示す断面図である。
熱伝導部材３０は、発熱部品側３１ａと実装面２１ａのランド２３の表面とがほぼ面一となるように貫通穴２２にねじ込まれることに限らず、例えば、発熱部品側３１ａと実装面２１ａとがほぼ面一となるように貫通穴２２にねじ込まれてもよい。この場合には、図３に例示するように、熱伝導部材３０とはんだ２４との間にランド２３を構成するめっき膜が介在するため、熱伝導部材３０のねじ込み位置が実装面２１ａから多少ずれたとしても熱伝導部材３０とはんだ２４とが確実に熱的に接続される。これにより、熱伝導部材３０のねじ込み位置に関して必要な組付精度を低下させることができる。後述する他の実施形態においても同様の効果を奏する。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る回路基板および電子装置について、図４および図５を用いて説明する。なお、図４は、第２実施形態に係る回路基板２０および電子装置１０の概略構成を示す断面図である。図５は、第２実施形態における熱伝導部材３０ａの組み付け工程を説明するための断面図であり、図５（Ａ）は貫通穴２２ａが形成された状態を示し、図５（Ｂ）は貫通穴２２ａに熱伝導部材３０ａがねじ込まれる状態を示す。
本第２実施形態では、上述した熱伝導部材３０に代えて熱伝導部材３０ａを採用する点が主に上記第１実施形態と異なる。このため、第１実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る熱伝導部材３０ａは、図４に示すように、その雄ねじ部３２ａが、発熱部品側３１ａから反発熱部品側３１ｂにかけて有効径が徐々に拡大するように形成されている。具体的には、雄ねじ部３２ａは、例えば、有効径の広がり角度θがほぼ４５°となるように円錐台状に形成されている。

発熱部品側３１ａから反発熱部品側３１ｂにかけて有効径が徐々に拡大することで、発熱部品側３１ａから伝わる熱が拡散されやすくなるため、熱伝導部材３０ａによる放熱効果を高めることができる。一般に、広がり角度θを広げるほど熱が拡散しやすくなる一方で、広がり角度θが４５°を超えても拡散効果は変わらない。そこで、本実施形態では、雄ねじ部３２ａの有効径の広がり角度θを４５°に設定することで、熱伝導部材３０ａによる放熱効果の最大化を図り、かつ、熱伝導部材３０ａが占める領域を小さくして回路基板２０の小型軽量化を図ることができる。

上述のように形成される熱伝導部材３０ａは、図５（Ａ）に示すように、貫通穴２２ａを基材２０ａに形成した後、図５（Ｂ）に示すように、熱伝導部材３０ａを基材２０ａの貫通穴２２ａに対して裏面２１ｂ側からねじ込むことで、基材２０ａに埋め込まれる。なお、貫通穴２２ａは、その内径が実装面２１ａから裏面２１ｂにかけて徐々に拡大し、かつ、雄ねじ部３２ａの有効径よりもわずかに小さくなるように形成されている。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る回路基板および電子装置について、図６を用いて説明する。なお、図６は、第３実施形態に係る回路基板２０および電子装置１０の概略構成を示す断面図である。
本第３実施形態では、上述した熱伝導部材３０ａに代えて熱伝導部材３０ｂを採用する点が主に上記第２実施形態と異なる。このため、第２実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る熱伝導部材３０ｂは、図６に示すように、反発熱部品側３１ｂが裏面２１ｂから突出部３３として突出するように形成されている。これにより、熱伝導部材３０ｂの体積が突出部３３の分だけ上記熱伝導部材３０ａよりも増加するので、熱伝導部材３０ｂによる放熱効果を上記熱伝導部材３０ａよりも高めることができる。なお、本実施形態では、突出部３３は、反発熱部品側３１ｂにかけて外径が一定となるように形成されている。

図７は、第３実施形態の変形例に係る回路基板の概略構成を示す断面図である。
熱伝導部材は、裏面２１ｂから突出する突出部が拡径するように形成されてもよい。具体的には、例えば、図７に例示する熱伝導部材３０ｃの突出部３３ａのように、広がり角度θが４５°にて拡径するように形成されることで、突出部３３ａを利用した熱伝導部材３０ｃによる放熱効果の最大化を図り、かつ、熱伝導部材３０ｃが占める領域を小さくして回路基板２０の小型化を図ることができる。なお、突出部３３ａの外周面には、雄ねじ部が形成されなくてもよい。

なお、上記第１実施形態にて述べた熱伝導部材３０においても上述のように突出部３３，３３ａを設けることでその放熱効果を高めることができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る回路基板および電子装置について、図８を用いて説明する。なお、図８は、第４実施形態に係る回路基板２０および電子装置１０の概略構成を示す断面図である。
本第４実施形態では、熱伝導部材を利用して回路基板を筐体に支持する点が主に上記第３実施形態と異なる。このため、第３実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る熱伝導部材３０ｄは、図８に示すように、突出部３３の反発熱部品側（筐体側）３１ｂの端面（以下、突出端面３４ともいう）に雌ねじ部３５が形成されている。また、本実施形態に係る筐体１１ａは、回路基板２０の収容時に熱伝導部材３０ｄの雌ねじ部３５が対向する底面１２に、貫通穴１４が形成されている。

そして、突出端面３４と貫通穴１４の周囲の底面１２との間に熱伝導性を有する柔軟な部材として放熱ゲル１６が塗布された後、貫通穴１４を挿通するねじ１５が雌ねじ部３５に締結されることで、熱伝導部材３０ｄが筐体１１ａに固定される。

これにより、熱伝導部材３０ｄに伝わった熱が突出端面３４を介して筐体１１ａに放熱されやすくなるので、熱伝導部材３０ｄによる放熱効果を高めることができる。特に、熱伝導部材３０ｄを利用して締結することによって、締結に起因する非実装領域が形成されないので、単なる基板面へのねじ止めにより非実装領域が形成されてしまう場合と比較して、実装密度が高くなり回路基板２０の小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、突出端面３４と貫通穴１４の周囲の底面１２との間には、放熱ゲル１６が塗布されている。これにより、ねじ１５が雌ねじ部３５に締結される際の締結力に応じて突出端面３４と底面１２とが放熱ゲル１６を介して密着するので、筐体１１ａへの放熱をさらに促進することができる。なお、放熱ゲル１６に代えて、放熱接着剤など他の熱伝導性を有する柔軟な部材を、突出端面３４と貫通穴１４の周囲の底面１２との間に配置しても上記効果を奏する。

なお、熱伝導部材３０ｄの突出部は、放熱効果を高めるために反発熱部品側３１ｂほど拡径するように形成されてもよいし、上述した突出部３３ａのように、放熱効果の最大化を図るために広がり角度θが４５°にて拡径するように形成されてもよい。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る回路基板および電子装置について、図９を用いて説明する。なお、図９は、第５実施形態に係る回路基板２０および電子装置１０の概略構成を示す断面図である。
本第５実施形態では、熱伝導部材を利用して回路基板を筐体に支持する構成に関して防水性を向上させた点が主に上記第４実施形態と異なる。このため、第４実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る熱伝導部材３０ｅは、図９に示すように、上記熱伝導部材３０ｄに対して、突出部３３の突出端面３４に環状の突起部（以下、環状突起部３６ともいう）を新たに備えるように形成されている。環状突起部３６は、雌ねじ部３５を囲うように円環状に形成されている。また、筐体１１ａの底面１２には、環状突起部３６が挿入する円環状の溝部（以下、環状溝部１７ともいう）が貫通穴１４を囲うように形成されている。なお、熱伝導部材３０ｅによるシール性を高めるためには、環状溝部１７は、貫通穴１４の近くに配置することが望ましい。

そして、環状溝部１７内に所定量の熱伝導性を有するシール材１８を塗布した後、環状溝部１７内に環状突起部３６を挿入させるように熱伝導部材３０ｅを筐体１１ａに組み付けて、貫通穴１４を挿通するねじ１５を雌ねじ部３５に締結する。これにより、環状溝部１７内にて環状突起部３６との間にシール材１８が充填された状態で、熱伝導部材３０ｅが筐体１１ａに固定される（図９参照）。

このように、環状溝部１７内にて環状突起部３６との間にシール材１８が充填された状態でねじ１５が雌ねじ部３５に締結されるため、この締結力によってシール材１８を環状突起部３６と環状溝部１７との間に確実に介在させることができる。これにより、環状溝部１７から外周側でのシール性を確保しつつ、シール材１８を介した筐体１１ａへの放熱をさらに促進することができる。

なお、環状突起部３６および環状溝部１７は、円環状に形成されることに限らず、例えば、雌ねじ部３５や貫通穴１４を囲うように四角環状に形成されてもよい。

また、熱伝導部材３０ｅの突出部は、放熱効果を高めるために反発熱部品側３１ｂほど拡径するように形成されてもよいし、上述した突出部３３ａのように、放熱効果の最大化を図るために広がり角度θが４５°にて拡径するように形成されてもよい。

［他の実施形態］
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のように具体化してもよい。
（１）熱伝導部材３０，３０ａ〜３０ｅは、銅インレイとして構成されることに限らず、例えば、アルミニウム製の部材やセラミック系の部材など、他の熱伝導性の高い材料からなる部材により構成されてもよい。

（２）上述のように構成される回路基板２０は、シール性が求められる筐体に収容されることに限らず、シール性の要求が低い筐体またはシール性が不要な筐体に収容されてもよい。

（３）筐体１１は、アルミニウムなどの金属、すなわち、熱伝導性の高い材料からなる部材により形成されることに限らず、上記第１実施形態のように単に回路基板２０を台座１３等を用いて支持する構成であれば、樹脂材料のように比較的熱伝導性の低い材料からなる部材により形成されてもよい。

１０…電子装置
１１，１１ａ…筐体
２０…回路基板
２２，２２ａ…貫通穴
３０，３０ａ〜３０ｅ…熱伝導部材
３２，３２ａ…雄ねじ部
３３，３３ａ…突出部
３５…雌ねじ部
４０…発熱部品

Claims (11)

1. 発熱部品（４０）に対して放熱用の熱伝導部材（３０，３０ａ〜３０ｅ）が貫通穴（２２，２２ａ）に組み付けられる回路基板（２０）であって、
   前記熱伝導部材は、外周面に雄ねじ部（３２，３２ａ）が形成されており、前記貫通穴にねじ込まれることで組み付けられることを特徴とする回路基板。
2. 前記熱伝導部材は、少なくとも一部が前記発熱部品の直下に位置するように前記貫通穴にねじ込まれることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記雄ねじ部（３２）は、発熱部品側（３１ａ）から反発熱部品側（３１ｂ）にかけて有効径が一定となるように形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板。
4. 前記雄ねじ部（３２ａ）は、発熱部品側（３１ａ）から反発熱部品側（３１ｂ）にかけて有効径が徐々に拡大するように形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板。
5. 前記熱伝導部材は、前記発熱部品が実装される実装面（２１ａ）に対する反対側の面（２１ｂ）から突出していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路基板。
6. 前記熱伝導部材は、前記反対側の面から突出する突出部（３３ａ）が拡径していることを特徴とする請求項５に記載の回路基板。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の回路基板を備えたことを特徴とする電子装置（１０）。
8. 前記回路基板が収容される筐体（１１，１１ａ）を備え、
   前記熱伝導部材は、前記筐体に固定されることを特徴とする請求項７に記載の電子装置。
9. 前記熱伝導部材の筐体側の端面（３４）には、雌ねじ部（３５）が形成され、
   前記熱伝導部材は、前記雌ねじ部を利用して締結されることで前記筐体に固定されることを特徴とする請求項８に記載の電子装置。
10. 前記熱伝導部材と前記筐体との間には、熱伝導性を有する柔軟な部材（１６）が配置されることを特徴とする請求項８または９に記載の電子装置。
11. 前記熱伝導部材の筐体側の端面には、環状の突起部（３６）が形成され、
    前記筐体には、前記突起部が挿入する環状の溝部（１７）が形成され、
    前記溝部内には、熱伝導性を有するシール材（１８）が充填されることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の電子装置。

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