JP6025614B2 - 発熱部品の放熱構造およびこれを用いたオーディオ装置 - Google Patents

Description

この発明は、基板に面実装する発熱部品の放熱構造およびこれを用いたオーディオ装置に関する。

ガラスエポキシ基板などでは、樹脂と銅箔とが交互に積層された構成であることから、基板の厚み方向の熱伝導率が面方向と比較して低い特性を有する。
ＬＳＩやパワーＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などの高発熱部品を、ガラスエポキシ基板に実装する場合、高発熱部品の表面部分に熱伝導ラバーを圧接し、この熱伝導ラバーを介して放熱板に放熱する構造や、高発熱部品を実装した基板部分にサーマルビアを形成し、この基板部分の裏面に設けた放熱板にサーマルビアを介して放熱する構造が一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２６６６０号公報

特許文献１に開示される放熱構造では、上述した前者および後者の構造の双方を有しているが、前者の構造は、高発熱部品が樹脂材でモールドされている場合や表面積が小さい場合には大きな熱抵抗を有するため、十分に放熱させることができない。
また、後者の構造では、高発熱部品を実装した部分に対応する基板裏面に放熱板を設ける必要があり、構造上の制約が大きいという課題があった。
なお、後者の構造は、基板が多層基板である場合、サーマルビアを介して基板の厚み方向に伝導した熱が各銅箔層に伝わって基板の面方向にも放熱される。
しかしながら、基板が高発熱部品以外の複数の発熱源を有する場合は、基板自体の温度が高くなり、十分な放熱効果が得られなくなる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、発熱部品で発生した熱を効率的に放熱することができる発熱部品の放熱構造およびこれを用いたオーディオ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る発熱部品の放熱構造は、多層基板に面実装した発熱部品で発生した熱を、サーマルビアを介して発熱部品から多層基板の厚み方向と面方向に伝えて多層基板に圧接された伝熱部材へ導き、伝熱部材を介して放熱部材へ放熱する発熱部品の放熱構造において、発熱部品が面実装された領域を多層基板の厚み方向に熱伝導させる領域とし、多層基板の厚み方向に熱伝導させる領域のサーマルビアを、多層基板のパターンに沿って面方向に熱伝導させる領域より高密度に配置するとともに、伝熱部材が圧接された領域のサーマルビアを、発熱部品に近い側から遠ざかるに連れて高密度に配置したことを特徴とする。

この発明によれば、発熱部品で発生した熱を効率的に放熱することができるという効果がある。

この発明の実施の形態１に係る発熱部品の放熱構造を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る発熱部品の放熱構造を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る発熱部品の放熱構造を示す図であり、図１（ａ）は発熱部品１の放熱構造の側面図、図１（ｂ）は発熱部品１の放熱構造の上面図である。なお、図１（ａ）においては、サーマルビア５の配置密度を濃淡で表しており、密度が高くなるにつれて色が濃くなるように記載している。
また、図１（ｂ）においては、基板２の実装面上の構成を示すため、発熱部品１、放熱板３および熱伝導ラバー４の記載を省略している。
実施の形態１に係る放熱構造は、例えば、車載用のオーディオ装置の増幅器などに利用され、図１（ａ）のように、発熱部品１、基板２、放熱板３、熱伝導ラバー４およびサーマルビア５を備えて構成される。

発熱部品１は、駆動時などに高発熱となる面実装部品であって、ＬＳＩやパワーＦＥＴなどである。基板２において、発熱部品１が面実装された領域２ａが、基板２の厚み方向に熱伝導させる領域となる。例えば、パワーＦＥＴは、大電流制御によって高発熱になるため、ドレイン端子が本体部の背面に大きく形成されている。発熱部品１がパワーＦＥＴである場合に、このドレイン端子が面接合する領域が、基板２の厚み方向に熱伝導させる領域となる。

基板２は、発熱部品１を面実装する基板であって、汎用的なガラスエポキシ基板などの銅箔が積層された多層基板が用いられる。
基板２の外表面の銅箔パターンは、発熱部品１が面実装された領域２ａの周囲または近傍まで拡張される。また、基板２の内層の銅箔パターンは、少なくとも基板面における発熱部品１が面実装した領域２ａから熱伝導ラバー４が圧接された領域２ｃまでに対応する領域の全面に形成されているものとする。

放熱板３は、熱伝導ラバー４を介して伝えられた熱を放熱する放熱部材であり、アルミニウムなどの熱伝導率が高い材料から構成される。例えば、放熱板３には、オーディオ装置筐体の一部などが用いられる。

熱伝導ラバー４は、発熱部品１で発生した熱を放熱板３へ伝える伝熱部材であり、熱伝導性が良好な弾力性を有する薄い材料から構成される。
また、弾力性を有する熱伝導ラバー４を、図１（ａ）に示すように、放熱板３によって基板２に圧接することで、熱伝導ラバー４と基板面との間および熱伝導ラバー４と放熱板３との間の接触面積を確保することができ、効率よく伝熱することができる。

図１（ｂ）に示すように、基板２には、複数のサーマルビア５が形成されている。
サーマルビア５は、基板２を貫通する小孔に伝熱材を充填した構成であるか、または、基板２に形成した微小なスルーホールである。基板２の外表面の銅箔パターンと基板２の内層の銅箔パターンとは、サーマルビア５によって熱的に結合する。

なお、サーマルビア５を設けると基板２の厚み方向の熱伝導率は増加するが、銅箔層に穴が開き、伝熱媒体である銅の量が減るため、銅箔パターンに沿った面方向の熱伝導率が低下する。このように、発熱部品１から放熱板３へ効率的に熱伝導させるためには、発熱部品１の周辺におけるサーマルビア５の密度（配置密度）を考慮する必要がある。

この発明では、発熱部品１で発生した熱を、発熱部品１の直下にあるサーマルビア５で基板２の各銅箔層に伝熱し、発熱部品１の周囲の領域では銅箔パターンに沿って面方向に伝熱させて熱伝導ラバー４に導き、熱伝導ラバー４を介して放熱板３へ放熱する。
例えば、熱源である発熱部品１を中心とした同心円を想定して、熱伝導ラバー４が配置された領域（熱伝導ラバー４が圧接された領域２ｃ）が中心からどれだけ離間した同心円上にあるかによって、中心から熱伝導ラバー４を圧接した領域２ｃまでのサーマルビア５の密度を決定する。

なお、発熱部品１で発生した熱を効率的に放熱するためには、発熱部品１から放熱板３が接触する位置（熱伝導ラバー４が圧接された領域２ｃに対応する位置）までの距離が短い方がよい。
しかしながら、発熱部品１と放熱板３との間は、組み立て性および実装ずれを考慮した場合に、ある程度の距離を確保しておく必要がある。
このように発熱部品１と放熱板３との間が離間した場合に、これらの間に介在する領域２ｂにおいては、基板２の各層の銅箔パターンの温度を均一化しつつ、面方向の熱伝導率を確保する必要がある。

そこで、領域２ａにおいては、発熱部品１で発生した熱を、基板２の厚み方向、すなわち各層の銅箔パターンに伝えるため、サーマルビア５を均一なピッチａで高密度に形成する。例えば、サーマルビア５の穴径がφ０．５ｍｍである場合に、ピッチａを１．０ｍｍとする。
また、領域２ｂを含む領域２ａの周囲領域においては、基板２の各層の銅箔パターンの温度を均一化しつつ、発熱部品１で発生した熱を面方向に伝えるために、領域２ａよりも広いピッチｂでサーマルビア５を低密度に形成する。例えば、領域２ａと同様にサーマルビア５の穴径がφ０．５ｍｍである場合は、ピッチｂを１．５〜２．０ｍｍに広げてサーマルビア５を形成する。このようにすることで、図１（ｂ）に示すようなサーマルビア５の配置となる。

一方、領域２ｃにおいては、基板２の各層で銅箔パターンに沿って面方向に伝わった熱を熱伝導ラバー４へ導くため、基板２の厚み方向の熱伝導率を確保する必要がある。
しかしながら、放熱板３が基板２に大面積で接触している場合には、領域２ｃが大面積になるため、領域２ａと同様に、サーマルビア５を高密度に形成すると、領域２ｃ内での面方向の熱伝導率が確保できなくなる場合がある。

そこで、図１（ｂ）に示すように、領域２ｃに形成するサーマルビア５の密度を、発熱部品１に近い側から遠ざかるに連れて高くする。
このように構成することで、発熱部品１で発生した熱を、効率的に放熱板３へ放熱することが可能となる。特に、サーマルビア５をピッチａで高密度に配置した構成と比べて、発熱部品１から熱伝導ラバー４までの熱伝導経路における熱抵抗を格段に低下させることができる。

なお、サーマルビア５の密度分布は、例えば、熱源である発熱部品１を中心とした同心円を想定し、様々なピッチでサーマルビア５を形成した場合の熱伝導経路における銅箔の量から熱抵抗をシミュレーションして決定する。

領域２ｃでサーマルビア５に密度分布を持たせる場合を示したが、放熱板３が基板２に接触する面積が小さい場合、すなわち、領域２ｃの面積が小さい場合は、領域２ａと同様な密度でサーマルビア５を形成してもよい。

また、図１では、放熱板３が基板２の表面側に配置されて、この面に圧接された熱伝導ラバー４を介して放熱板３へ放熱する構造を示したが、放熱板３は基板２の裏面側に配置してもよい。この場合、発熱部品１で発生した熱は、サーマルビア５を介して裏面に圧接された熱伝導ラバー４を介して放熱板３へ放熱される。

以上のように、この実施の形態１によれば、発熱部品１が面実装された領域２ａを基板２の厚み方向に熱伝導させる領域とし、基板２の厚み方向に熱伝導させる領域のサーマルビア５を、基板２のパターンに沿って面方向に熱伝導させる領域より高密度に配置して、発熱部品１で発生した熱を、サーマルビア５を介して発熱部品１から多層基板２の厚み方向と面方向に伝えて熱伝導ラバー４へ導き、熱伝導ラバー４を介して放熱板３へ放熱する。このように構成することで、発熱部品１から熱伝導ラバー４までの熱伝導経路の熱抵抗が低下するため、発熱部品１で発生した熱を効率的に放熱板３へ放熱することができる。

また、この実施の形態１によれば、熱伝導ラバー４を圧接した領域２ｃのサーマルビア５を、発熱部品１に近い側から遠ざかるに連れて高密度に配置したので、領域２ｃ内における熱伝導率を確保できるため、発熱部品１で発生した熱を効率的に放熱板３へ放熱することができる。

さらに、この実施の形態１によれば、多層基板２のパターンに沿って面方向に熱伝導させる領域が、発熱部品１を面実装した領域２ａと熱伝導ラバー４を圧接した領域２ｃとの間に介在する領域２ｂであるので、領域２ａから領域２ｃまでの間に介在する領域２ｃの面方向の熱伝導率を確保することができ、発熱部品１で発生した熱を効率的に放熱板３へ放熱することができる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係る発熱部品の放熱構造を示す図であり、図２（ａ）は発熱部品１の放熱構造の側面図、図２（ｂ）は発熱部品１の放熱構造の上面図である。なお、図２（ａ）においては、サーマルビア５の配置密度を濃淡で表しており、密度が高くなるにつれて色が濃くなるように記載している。
また、図２（ｂ）においては、基板２Ａの実装面上の構成を示すため、発熱部品１、放熱板３および熱伝導ラバー４の記載を省略している。
実施の形態２に係る放熱構造は、例えば、車載用のオーディオ装置の増幅器などに利用され、図２（ａ）のように、発熱部品１、基板２Ａ、放熱板３、熱伝導ラバー４、およびサーマルビア５を備えて構成される。

実施の形態１では、領域２ｂを含む領域２ａの周囲領域にもサーマルビア５を形成する場合を示したが、実施の形態２では、図２（ｂ）に示すように、図１に示した領域２ｂを含む領域２ａの周囲領域にサーマルビア５を形成しない。これは、図２の構成は、図１の構成と比較して発熱部品１から放熱板３までの距離が短く、領域２ａに形成したサーマルビア５によって基板２の各層の銅箔パターンの温度が均一化された状態で発熱部品１からの熱が領域２ｃまで面方向に伝わるためである。
なお、サーマルビア５を多数形成することは基板２Ａの製造コストを増加させるため、放熱性能を考慮しつつ、サーマルビア５の数の増加を抑制させることが望ましい。
そこで、実施の形態２では、発熱部品１と放熱板３の位置関係に応じてサーマルビア５の形成を省略している。このようにすることでも、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、オーディオ装置が実施の形態１または実施の形態２の放熱構造を用いることで、発熱部品１の発熱が低減されるため、安定した動作を期待できる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 発熱部品、２，２Ａ 基板、２ａ，２ｂ，２ｃ 領域、３ 放熱板、４ 熱伝導ラバー、５ サーマルビア。

Claims (3)

1. 多層基板に面実装した発熱部品で発生した熱を、サーマルビアを介して前記発熱部品から前記多層基板の厚み方向と面方向に伝えて前記多層基板に圧接された伝熱部材へ導き、前記伝熱部材を介して放熱部材へ放熱する発熱部品の放熱構造において、
   前記発熱部品が面実装された領域を前記多層基板の厚み方向に熱伝導させる領域とし、前記多層基板の厚み方向に熱伝導させる領域の前記サーマルビアを、前記多層基板のパターンに沿って面方向に熱伝導させる領域より高密度に配置するとともに、
   前記伝熱部材が圧接された領域の前記サーマルビアを、前記発熱部品に近い側から遠ざかるに連れて高密度に配置したことを特徴とする発熱部品の放熱構造。
2. 前記多層基板のパターンに沿って面方向に熱伝導させる領域は、前記発熱部品が面実装された領域の周囲の領域であることを特徴とする請求項１記載の発熱部品の放熱構造。
3. 請求項１または請求項２記載の発熱部品の放熱構造を備えたオーディオ装置。

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