JP4851154B2 - 回路基板内蔵筐体 - Google Patents

Description

本発明は、電源系部品及び／あるいは信号系部品を搭載した回路基板を内蔵した回路基板内蔵筐体に関するものであり、特に前記回路基板からの放熱を行う放熱手段の技術分野に関するものである。

近年、自動車には多数の電装品が搭載されており、これらの電装品に対して電力を供給するための給電線や信号を送信するための信号線が車体内に配索されている。また、このような給電線や信号線を各電装品に接続するために、車体内の主要箇所にジャンクションボックスが搭載されている。

ジャンクションボックスは、電源分配を行うための電源回路や制御信号を分配するための信号回路が形成された回路基板、制御信号の処理を行うリレー、電源保護を行うためのヒューズ、外部の電装品と接続するためのコネクタ、及びＥＣＵ等を内蔵している。

回路基板には、コネクタからの端子が接続されており、さらにはリレー等の回路部品も搭載されている。そのため、回路部品等から放出される熱によって回路基板の温度が上昇しないよう、回路基板からの放熱を適切に行う必要がある。回路基板に加えられる熱は基板上で一様ではなく、発熱量の大きい部品が搭載された位置にヒートスポットが生じている。

従来、回路基板からの放熱手段として、回路基板にメタルコア基板を用いたものがある。これは、中心に金属板を有し、該金属板を樹脂で挟んだ構造を形成しており、回路基板の伝熱性を向上させてヒートスポットにおける温度上昇を抑制する効果がある。また、メタルコア基板の周縁部で中心の金属板を露出させ、該金属板から直接外部に放熱させるような構造のものも知られている。

回路基板から放熱させるための別の手段として、たとえば図１１に示すような放熱フィン１０４を設けた構造のものが開示されている（特許文献１）。同図に示す放熱手段では、電子部品１０１を実装した回路基板１０２の全面が、放熱シート１０３を介して放熱フィン１０４と接触するように設けられている。放熱フィン１０４は、筐体１０５の一部から外部に露出されており、これによって外部に放熱される構造となっている。
特開平９−１８１７６号

しかしながら、上記従来の放熱手段では以下のような問題があった。
メタルコア基板の周縁部で中心の金属板を露出させ、該金属板から直接外部に放熱させる構造では、回路を形成する部分以外に露出部分を設ける必要があるため、回路基板を大きくしなければならず、ジャンクションボックスの小型化を進めるうえでの大きな支障となっていた。また、金属板を露出させる工程が必要となり、製造コストをアップさせる要因ともなっていた。

また、図１１に示した放熱構造では、ヒートスポットにおける温度上昇を抑えるために、回路基板１０２の全面に放熱シート１０３を介して放熱フィン１０４を設ける必要があるが、放熱フィン１０４が大きくなってコストアップになるという問題があった。また、放熱フィン１０４を筐体１０５の表面より外側に突出させる必要があるが、放熱フィン１０４を突出させた分だけ筐体全体の高さが大きくなってしまうという問題もあった。

さらに、回路基板１０２の放熱シート１０３を設けた面には、電子部品１０１を設けないで回路基板１０２と放熱シート１０３とが直接接するようにするか、または発熱の大きい電子部品１０１を放熱シート１０３側に設け、該電子部品１０１を放熱シート１０３と直接接するようにして放熱させる必要があった。また図１１の放熱構造は、端子のスルーホール接続をなんら考慮していない。端子をスルーホール接続すると端子の先端と放熱フィン１０４とが短絡してしまう懸念があった。
そのため、回路基板１０２への電子部品１０１の配置に大きな制約が課せられるといった問題があった。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、回路基板からの放熱を効率的に行うとともに、回路基板への搭載部品の配置に関する制約を低減し、かつ小型化が容易な回路基板内蔵筐体を提供することを目的とする。

この発明の回路基板内蔵筐体の第１の態様は、第一の面と第二の面を備える回路基板をケース内に内蔵した回路基板内蔵筐体であって、前記回路基板にはメタルコア基板を用い、前記メタルコア基板の第一の面に固定された熱伝導シートと、前記熱伝導シートの、前記メタルコア基板の固定面とは反対の面に固定され、複数の突起が突出する放熱部品とを備え、前記放熱部品は、前記ケースに設けられた開口部を介して、前記ケース外に一部露出した状態に設置され、前記ケースの、前記放熱部品を固定する部分が、前記ヒートシンクの複数の突起のうちの少なくとも１つの突起を超えて、突起の間にある底部まで延在するラビリンス構造になっていることを特徴とする回路基板内蔵筐体である。

第２の態様は、前記メタルコア基板にはスルーホールが形成され、前記メタルコア基板の第二の面には搭載部品が配置され、前記スルーホール内には、前記搭載部品の端子が、その先端が前記第一の面から突出形成された状態に、挿通固定され、前記熱伝導シートは絶縁性材料から構成されるとともに前記メタルコア基板から突出された端子の先端長さを超える厚さで形成されていることを特徴とする回路基板内蔵筐体である。

第３の態様は、前記メタルコア基板の、前記端子が突出した側の面上において、対向する両側縁エリアにそれぞれコネクタが対向状態に表面実装され、前記熱伝導シートは該コネクタ実装エリアの間の中央エリアに配置されていることを特徴とする回路基板内蔵筐体である。

本発明によれば、回路基板からの放熱を効率的に行うとともに、回路基板への搭載部品の配置に関する制約を低減し、かつ小型化が容易な回路基板内蔵筐体を提供することができる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における回路基板内蔵筐体の構成について詳細に説明する。以下では、回路基板内蔵筐体として、自動車に搭載されるジャンクションボックスを例に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

図１〜図３は、本発明の第一の実施形態に係る回路基板内蔵筐体であるジャンクションボックスの構成を示す図である。図１はジャンクションボックス１を横から見た側面図、図２は上方から見た上面図、図３は下方から見た下面図、をそれぞれ示している。なお、図１〜図３ではジャンクションボックス１の内部構造を示しており、外壁を形成している上部ケース及び下部ケースを省略している。

図２のＡ−Ａ断面で見たジャンクションボックス１の断面図を図４に示す。図５は図４の一部拡大図である。図４では、ジャンクションボックス１の内部構造に加えて上部ケース１１と下部ケース１２も表示している。

ジャンクションボックス１は、上部ケース１１及び下部ケース１２の内部に、電源系部品及び信号系部品を搭載したメタルコア基板２、基板コネクタ３、ヒューズホルダー４、及びＥＣＵ５を内蔵している。また、放熱部品として熱伝導シート６及びヒートシンク７が備えられている。

ジャンクションボックス１では、回路基板としてメタルコア基板２を用いている。メタルコア基板２には、第一の面２ａと第二の面２ｂを有する。第一の面２ａには、基板コネクタ３ａや半導体リレー１０などの、表面実装による搭載部品が搭載されている。第二の面２ｂには、基板コネクタ３ｂやヒューズホルダー４やＥＣＵ５などのスルーホール接続による搭載部品が搭載されている。
このように、メタルコア基板２には各種部品が搭載されており、各搭載部品からの発熱がメタルコア基板２に伝えられる。

メタルコア基板２は例えば、図５に示すように、銅などの熱伝導性の良好な金属からなる板状の芯材４１を、２枚の絶縁被覆４２、４２でサンドイッチ状に挟み込んだものであり、その第一の面２ａと第二の面２ｂに貫通するスルーホール４３を形成し、その表面に銅箔部４４を形成するとともに、絶縁被覆４２，４２上に回路パターン４５を適宜形成し、それらを絶縁性のソルダーレジスト４８でさらに被覆し、スルーホール４３内にヒューズホルダー４等の端子１４を挿通し、はんだ４７で固定した構造である。

メタルコア基板２は、中心に金属からなる芯材４１を有していることから、均熱化特性に優れている。
図５に示すように、ジャンクションボックス１では、メタルコア基板２における第一の面２ａの一部に熱伝導シート６が密着状態に貼着固定されており、さらに熱伝導シート６のメタルコア基板２の固定面とは反対側の面にはヒートシンク７が密着状態に貼着固定されている。

図２に示すように、メタルコア基板２の第一の面２ａにおいては、各搭載部品（基板コネクタ３ａや半導体リレー１０）は、対向する端縁エリアＡ１，Ａ２に配置され、表面実装用の端子１５で基板上の回路パターンと電気的に接続されている。そして熱伝導シート６はその端縁エリアＡ１と端縁エリアＡ２の間の中央エリアＡ３に一直線状に配置されている。

熱伝導シート６は、たとえばエフコＴＭシート（エフコ社製）などの高熱伝導性粘着シートであり、メタルコア基板２の熱をヒートシンク７に効率良く伝える熱伝導材として機能する。

ヒートシンク７は、熱伝導シート６と接触する板状の基部から突起を複数突出させたアルミニウムなどの高熱伝導性の金属製部材である。

ここで図５に示すように、ジャンクションボックス１では、メタルコア基板２の基板コネクタ３ｂやヒューズホルダー４のスルーホール接続用の端子１４の先端側が第一の面２ａから突出している（以下、この部分を突出部１４ａと称する）。この突出部１４ａがヒートシンク７と接触すれば短絡が生じ、電気的な不具合となり得る。

そこで本実施形態のジャンクションボックス１では、該端子１４の突出部１４ａの突出長Ｌよりも大きな厚さＴを有する絶縁性の熱伝導シート６を用い（すなわちＴ＞Ｌ）、該熱伝導シート６を、端子１４の突出部１４ａに突き刺した状態にしてメタルコア基板２の第一の面２ａに密着状態にして、メタルコア基板２に貼着固定している。

例えば端子１４の突出部１４ａの突出長Ｌが例えば３ｍｍのときに、熱伝導シート６の厚さを５．５ｍｍ程度とする。
これにより、熱伝導シート６によって端子１４とヒートシンク７の間隔が厚さ（ＴーＬ）の分だけ確保され、両者の接触による短絡が防止される。またこれにより、ヒートシンク７を端子１４の突出部１４ａ形成エリアに配置することができるので、ジャンクションボックス１の小型化の観点でも好ましい。

上記のとおり、本発明のジャンクションボックス１では、回路基板として均熱化特性の優れたメタルコア基板２を用いて、該メタルコア基板２上で発生した熱を均熱化し、メタルコア基板２の第一の面２ａに貼着固定された熱伝導シート６とヒートシンク７を介して放熱することにより、メタルコア基板２上で発生した熱を効率良くジャンクションボックス１外に放出することができる。

このような構成としたことにより、熱伝導シート６及びヒートシンク７をメタルコア基板２の一部のみに接続するようにしても、メタルコア基板２の金属板を経由してヒートシンク７に集熱させることが可能となり、優れた放熱効果を得ることができる。

特に、近年は高機能化のために発熱の大きい半導体リレー１０などのリレーが数多く用いられるようになってきているが、上述のようにメタルコア基板２から熱伝導シート６を介してヒートシンク７に放熱する構成とすることにより、そのように大きな熱を効率良くジャンクションボックス１の外部に放出することができる。

また上記で説明したように、本実施形態のジャンクションボックス１では、熱伝導シート６及びヒートシンク７をメタルコア基板２の一部のみに接続しても十分な放熱が可能なことから、ヒートシンク７が接続されている側の面にも種々の搭載部品を搭載することが可能となり、回路基板の実装密度を高くすることができる。

例えば図１〜図５に示す通り本実施形態では、熱伝導シート６及びヒートシンク７をメタルコア基板２の第一の面２ａにおける中央エリアＡ３に接続し、ヒートシンク７を挟んだ両側のエリアＡ１、Ａ２にも基板コネクタ３を搭載することができる。

尚、熱伝導シート６およびヒートシンク７の配置位置は、本実施形態のように中央エリアＡ３に配置するのが最も効果的であるものの、メタルコア基板２の均熱化特性のため、メタルコア基板２上で自由に設定可能である。

例えば上記では熱伝導シート６及びヒートシンク７をメタルコア基板２の中央エリアＡ３に接続し、その周辺に部品を搭載する例を説明したが、メタルコア基板２上の搭載部品の配置を先に決定し、その後に部品が搭載されない空きスペースにヒートシンク７などの放熱部品を空きスペースに合致した所定の形状で接続するようにしてもよい。このように、本発明のジャンクションボックス１では、メタルコア基板２の回路設計に対して高い自由度を持たせることが可能となる。

次に、ヒートシンク７の設置方法を、図６を用いて詳細に説明する。図６は、ヒートシンク７を含むジャンクションボックス１の一部を拡大して表示したものである。本実施形態では、上部ケース１１の中央に開口部１１ａが設けられており、該開口部にヒートシンク７が外部に露出した形状で設置されている。このように、ヒートシンク７を上部ケース１１の外部（すなわちジャンクションボックス１の外部）に露出させることで、放熱を効率的に行えるようにしている。

また、ヒートシンク７の端部を固定している上部ケース１１の固定部１３の形状を、図６に示すようなラビリンス構造としている。上部ケース１１の固定部１３をこのようなラビリンス構造とすることにより、防水・防塵効果を高め、ジャンクションボックス１の内部に雨水や砂埃等が入りにくくなるようにしている。

さらに、本実施形態のジャンクションボックス１では、メタルコア基板２のヒートシンク７が接続されているのと同じ第一の面２ａ上にも部品を搭載できることから、該面２ａ上に背の高い部品を搭載するようにするのが好ましい。
図６では、最も背の高い基板コネクタ３を、メタルコア基板２のヒートシンク７と同じ面上に搭載している。

上記のように、ヒートシンク７と最も背の高い基板コネクタ３とをメタルコア基板２の同じ面上に設けることにより、上部ケース１１の最頂部とヒートシンク７の先端部の高さを同じとするか、あるいはヒートシンク７の先端部の方が低くなるように構成することができる。その結果、ヒートシンク７の先端部を外部に露出させても、ジャンクションボックス１の高さが大きくなることはなくなる。

次に本発明の第二の実施形態となる回路基板内蔵筐体について、図７〜図９を用いて以下に説明する。第二の実施形態の回路基板内蔵筐体として、ここでも自動車用のジャンクションボックスを例に説明する。

図７〜図９は、本発明の第二の実施形態となるジャンクションボックス２１を示す構成図である。図７はジャンクションボックス２１を横から見た側面図、図８は上方から見た上面図、図９は下方から見た下面図、をそれぞれ示している。

上記した第一の実施形態のジャンクションボックス１では、放熱部品としてヒートシンク７を用いていたが、本実施形態のジャンクションボックス２１では、放熱部品としてヒートパイプ２２を用いるようにしている。ヒートパイプ２２には、一端に集熱板２４が備えられ、該集熱板２４は熱伝導シート６を介してメタルコア基板２に接続されて、メタルコア基板２で均熱化された熱を集熱する。ヒートパイプ２２の他端には自動車のボディへの接触部２３が備えられており、該接触部２３が自動車のボディに接続されて熱を外部に逃がすように構成される。

従って、ヒートパイプ２２を用いた場合でも、ヒートシンク７を用いた場合と同様の放熱効果が得られる。また第一の実施形態と同様、熱伝導シート６及びヒートパイプ２２をメタルコア基板２の一部のみに接続しても、所定の放熱効果を実現することが可能である。その結果、第一の実施形態の場合と同様に、メタルコア基板２への搭載部品の配置を高い自由度で行うことができる。

本発明の第三の実施形態となる回路基板内蔵筐体について、図１０を用いて以下に説明する。ここでも自動車用のジャンクションボックスを例に説明する。

図１０は、本発明の第三の実施形態となるジャンクションボックス３１を示す構成図である。ジャンクションボックス３１は、メタルコア基板２の一方の面に熱伝導シート６を介してヒートシンク７を接続するとともに、他方の面には熱伝導シート６を介してヒートパイプ２２を接続している。

上記の第一の実施形態及び第二の実施形態で説明したとおり、回路基板にメタルコア基板２を用いていることから、熱伝導シート６とヒートシンク７またはヒートパイプ２２をメタルコア基板２の一部のみに接続することが可能であった。その結果、熱伝導シート６とヒートシンク７またはヒートパイプ２２が接続されているメタルコア基板２の面にも、搭載部品を配置することが可能であった。

そこで、本実施形態では、メタルコア基板２の両面の各々の一部に、熱伝導シート６を介してヒートシンク７とヒートパイプ２２とをそれぞれ接続しており、ヒートシンク７及びヒートパイプ２２が接続されていない位置に搭載部品を配置している。これにより非常に放熱性の高い回路基板内蔵筐体を得ることが出来る。

あるいは、メタルコア基板２の両面のそれぞれに、搭載部品を適切に配置し、各面の空スペースに熱伝導シート６を介してヒートシンク７とヒートパイプ２２とをそれぞれ接続するようにすることも可能である。この場合には、搭載部品の配置に高い自由度が得られる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る回路基板内蔵筐体の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における回路基板内蔵筐体の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る回路基板内蔵筐体であるジャンクションボックス１を横から見た側面図である。 図２は、本発明の第一の実施形態に係る回路基板内蔵筐体であるジャンクションボックス１を上方から見た上面図である。 図３は、本発明の第一の実施形態に係る回路基板内蔵筐体であるジャンクションボックス１を下方から見た下面図である。 図４は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面で見たジャンクションボックス１の断面図を示す。 図５は図４の一部拡大図である。 図６は、ヒートシンク７の設置方法を詳細に説明する図である。 図７は、本発明の第二の実施形態のジャンクションボックスを横から見た側面図である。 図８は、本発明の第二の実施形態のジャンクションボックスを上方から見た上面図である。 図９は、本発明の第二の実施形態のジャンクションボックスを下方から見た下面図である。 図１０は、本発明の第三の実施形態のジャンクションボックスを示す構成図である。 図１１は、従来の放熱フィンを設けた構造の放熱手段を示す図である。

符号の説明

１、２１、３１・・・ジャンクションボックス
２・・・メタルコア基板
３・・・基板コネクタ
４・・・ヒューズホルダー
５・・・ＥＣＵ
６・・・熱伝導シート
７・・・ヒートシンク
８・・・基板コネクタ３の端子
９・・・ヒューズ端子
１０・・・半導体リレー
１１・・・上部ケース
１２・・・下部ケース
１３・・・固定部
２２・・・ヒートパイプ
２３・・・接触面
４１・・・芯材４１
４２・・・絶縁被覆
４３・・・スルーホール
４４・・・銅箔部
４５・・・回路パターン
４７・・・はんだ
４８・・・ソルダーレジスト
１０１・・・電子部品
１０２・・・回路基板
１０３・・・放熱シート
１０４・・・放熱フィン
１０５・・・筐体
１０６・・・封止プラスチック

Claims (3)

1. 第一の面と第二の面を備える回路基板をケース内に内蔵した回路基板内蔵筐体であって、
   前記回路基板にはメタルコア基板を用い、
   前記メタルコア基板の第一の面に固定された熱伝導シートと、
   前記熱伝導シートの、前記メタルコア基板の固定面とは反対の面に固定され、複数の突起が突出する放熱部品とを備え、
   前記放熱部品は、前記ケースに設けられた開口部を介して、前記ケース外に一部露出した状態に設置され、
   前記ケースの、前記放熱部品を固定する部分が、前記ヒートシンクの複数の突起のうちの少なくとも１つの突起を超えて、突起の間にある底部まで延在するラビリンス構造になっていることを特徴とする回路基板内蔵筐体。
2. 前記メタルコア基板にはスルーホールが形成され、
   前記メタルコア基板の第二の面には搭載部品が配置され、
   前記スルーホール内には、前記搭載部品の端子が、その先端が前記第一の面から突出形成された状態に、挿通固定され、
   前記熱伝導シートは絶縁性材料から構成されるとともに前記メタルコア基板から突出された端子の先端長さを超える厚さで形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の回路基板内蔵筐体。
3. 前記メタルコア基板の、前記端子が突出した側の面上において、対向する両側縁エリアにそれぞれコネクタが対向状態に表面実装され、
   前記熱伝導シートは該コネクタ実装エリアの間の中央エリアに配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路基板内蔵筐体。