JP2006019660A - Circuit board for surface mounting of power element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放熱フィン部を有するパワー素子を面実装し、面実装したパワー素子の放熱を効率的に行うことのできる回路基板に関するものである。 The present invention relates to a circuit board on which a power element having a radiation fin portion is surface-mounted, and heat dissipation of the surface-mounted power element can be efficiently performed.
従来から、電源回路、モータ駆動回路、インバータ回路等の電力制御回路には、パワートランジスタ、パワーMOS FET、IGBT等のパワー素子が用いられている。パワー素子は素子自身の電力消費によって発熱し、パワー素子で扱う電圧が高く、電流が大きくなるほど電力消費も大きくなり発熱も増大する。パワー素子の故障率は、温度に著しく影響を受けることが知られており、パワー素子における温度が高くなるにつれてパワー素子としての故障率も増大する。 Conventionally, power elements such as power transistors, power MOS FETs, and IGBTs have been used in power control circuits such as power supply circuits, motor drive circuits, and inverter circuits. The power element generates heat due to the power consumption of the element itself, and the voltage handled by the power element is high. As the current increases, the power consumption increases and the heat generation also increases. The failure rate of a power element is known to be significantly affected by temperature, and the failure rate as a power device increases as the temperature of the power device increases.
このため、パワー素子を実装した回路基板においては、パワー素子の温度上昇を抑える方法として、パワー素子からの熱を効率よく速やかに外部に放出できるように種々の放熱手段が講じられている。そのなかでも、放熱板や放熱器などにパワー素子を取り付ける方法が一般的に行われていた。 For this reason, in the circuit board on which the power element is mounted, various heat radiating means are provided as a method for suppressing the temperature rise of the power element so that heat from the power element can be efficiently and promptly released to the outside. Among them, a method of attaching a power element to a heat radiating plate, a heat radiator or the like has been generally performed.
基板上に実装される電界効果トランジスタ(FET)の実装面積を短縮するとともに、基板上に実装されるFETで発生する熱の放熱を行うことのできる電子装置(特許文献1参照。)が提案されている。
図7に示すように特許文献1に記載された電子装置では、配線基板31に中空のスルーホール37を設け、同スルーホール37の内側に金属メッキ層32を施すとともに、同スルーホール37における金属メッキ層32の内部に強磁性材料33を充填している。前記充填する強磁性材料33として磁化率の異なる磁性材料を用いることで、FET35を用いた高周波回路におけるインダクタンスの大きさを変えることができるようになっている。
An electronic device (see Patent Document 1) that can reduce the mounting area of a field-effect transistor (FET) mounted on a substrate and can radiate heat generated by the FET mounted on the substrate is proposed. ing.
As shown in FIG. 7, in the electronic device described in
また、内側に金属メッキ層32を施した中空のスルーホール37上にFET35を搭載し、前記FET35のソース電極とスルーホール37の金属メッキ層32とを配線34を介して電気的に接続するとともに、前記スルーホール37の金属メッキ層32をグランド36に接続した構成となっている。
特許文献1に示すような電子装置では、FET35の直下に配したスルーホール37の金属メッキ層32を介して、FET35で発生した熱をグランド36に熱伝導することができる。しかし、FET35をスルーホール37に接続した配線基盤31上の配線34に対して密接固定するために使用される半田は、FET35直下のスルーホール37内に流れ込んでしまい、FET35をフラットな状態で配線34に固定することが難しかった。
In an electronic device as disclosed in
また、FET35の直下に配するスルーホール数は、配線34の大きさの制約から多数形成しておくことができなかった。そのためFET35で発生した熱を配線基板31の裏面側に大量に伝導することができず、スルーホール37は熱伝導としては十分な作用を奏するものではなかった。
In addition, a large number of through holes arranged directly under the FET 35 cannot be formed due to the restriction of the size of the
更に、スルーホール37の形成個数や形成位置については、なんら考慮もされておらず、配線基板31の表裏両面における配線34間の熱伝導性が必ずしも良好のものではなかった。
Further, no consideration is given to the number and positions of the through holes 37 formed, and the thermal conductivity between the
本願発明では、上記従来技術における問題点を解決し、面実装した放熱フィン部を有するパワー素子の放熱を効率的に行うことのできる回路基板を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a circuit board that solves the above-described problems in the prior art and that can efficiently dissipate heat from a power element having a surface-mounted heat dissipating fin portion.
本願発明の課題は請求項1〜2に記載された各発明により達成することができる。
即ち、本願発明の回路基板では請求項1に記載したように、それぞれに放熱フィン部を有する複数のパワー素子を面実装する回路基板と、前記放熱フィン部をそれぞれ区分けして面実装する前記回路基板の表面に形成した第1導体パターンと、前記回路基板の裏面に形成した第2導体パターンと、前記第1導体パターンと第2導体パターンとの間を熱伝導可能に接続する多数のスルーホールとを備え、前記第1導体パターンが、前記放熱フィン部を載置して密着固定する固定領域と、同固定領域から前記回路基板の面方向において前記パワー素子から外方に延設した放熱領域とを有し、前記多数のスルーホールが、前記放熱領域において前記放熱フィン部の端縁と略平行に配列して形成されてなり、前記回路基板の裏面が、伝熱性を有する電気絶縁シートを介して前記回路基板を収納する機器フレーム又は放熱器との間で面接触状態に配設されてなることを最も主要な特徴となしている。
The object of the present invention can be achieved by the inventions described in
That is, in the circuit board of the present invention, as described in
また、本願発明では請求項2に記載したように、前記各第1導体パターンが形成された前記回路基板の部位に対応する前記回路基板の裏面側の部位にそれぞれ第2導体パターンが形成され、少なくとも1組の隣接する第2導体パターン同士が一体的に形成されてなることを主要な特徴となしている。
Further, in the present invention, as described in
本願発明の回路基板では、放熱フィン部を有するパワー素子を面実装する第1導体パターンは、同第1導体パターンに面実装するパワー素子毎に区分けした配置構成となるように回路基板の表面に形成している。また、回路基板の裏面側に形成した第2導体パターンと第1導体パターンとは、多数のスルーホールを介して熱伝導可能に接続している。 In the circuit board according to the present invention, the first conductor pattern for surface mounting the power element having the radiation fin portion is arranged on the surface of the circuit board so as to be arranged for each power element surface mounted on the first conductor pattern. Forming. Further, the second conductor pattern and the first conductor pattern formed on the back side of the circuit board are connected so as to be capable of conducting heat through a large number of through holes.
また、回路基板の裏面と回路基板を収納する機器フレーム又は放熱器との間には、伝熱性を有する電気絶縁シートを配設することができる。同電気絶縁シートを介して、回路基板の裏面と回路基板を収納する機器フレームの面との間又は回路基板の裏面と放熱器の面との間で面接触状態となるように配設することができる。第1導体パターンとしては、前記放熱フィン部を載置して密着固定する固定領域と、同固定領域から前記回路基板の面方向において前記パワー素子から外方に延設した放熱領域とを備えた構成に形成している。しかも、第2導体パターンと第1導体パターンとを熱伝導可能に接続する多数のスルーホールを、前記放熱領域において形成するとともに、スルーホールの形成状態が前記放熱フィン部の端縁と略平行な配列状態となるように形成している。 In addition, an electrically insulating sheet having heat conductivity can be disposed between the back surface of the circuit board and the equipment frame or the radiator that houses the circuit board. Arranged so as to be in surface contact between the back surface of the circuit board and the surface of the equipment frame that houses the circuit board or between the back surface of the circuit board and the surface of the radiator via the electrical insulating sheet. Can do. The first conductor pattern includes a fixed region for mounting and fixing the heat dissipating fin portion, and a heat dissipating region extending outward from the power element in the surface direction of the circuit board from the fixed region. It is formed into a configuration. In addition, a number of through holes that connect the second conductor pattern and the first conductor pattern so as to allow heat conduction are formed in the heat dissipation region, and the formation state of the through holes is substantially parallel to an edge of the heat dissipation fin portion. It forms so that it may become an arrangement | sequence state.
これにより、放熱フィン部の端縁と略平行な配列状態とした多数のスルーホールによって、放熱フィン部から放出された熱を、放熱フィン部の近傍から略平行に配列したスルーホールから略直線的に取り出して、第2導体パターンに熱伝導させることができる。第2導体パターンにおいては、略直線的に配列したスルーホールから第2導体パターンの面に沿って面状に熱伝導させることができる。 As a result, the heat released from the heat radiating fin portion is substantially linear from the through holes arranged substantially in parallel from the vicinity of the heat radiating fin portion by a large number of through holes arranged in parallel with the edges of the heat radiating fin portion. And can be thermally conducted to the second conductor pattern. In the second conductor pattern, heat conduction can be performed in a planar shape along the surface of the second conductor pattern from through holes arranged substantially linearly.
このため、放熱フィン部から第1導体パターンに伝達された熱に対して、第1導体パターンにおける温度分布をスルーホールが形成された部位において急激に減少させて、第2導体パターンに熱伝導することができ、熱の取り出しをより効率的に行うことができる。しかも、放熱フィン部の端縁と略平行に配列したスルーホールを複数列配列することにより、第1導体パターンにおける前記温度分布をスルーホールの列毎に段階的に減少させることができる。これにより、第1導体パターンにおける温度を常に低い状態に保つことができ、放熱フィン部から第1導体パターンへの熱の取り出しを更に効率的に行うことができる。 For this reason, with respect to the heat transferred from the radiating fin portion to the first conductor pattern, the temperature distribution in the first conductor pattern is rapidly reduced at the portion where the through hole is formed, and the heat is conducted to the second conductor pattern. And heat can be extracted more efficiently. In addition, by arranging a plurality of through holes arranged substantially in parallel with the edges of the radiating fin portions, the temperature distribution in the first conductor pattern can be reduced stepwise for each row of through holes. Thereby, the temperature in a 1st conductor pattern can always be kept low, and the taking-out of the heat | fever from a radiation fin part to a 1st conductor pattern can be performed still more efficiently.
また、伝熱性を有する電気絶縁シートを回路基板の裏面と回路基板を収納する機器フレーム又は放熱器との間で面接触状態となるように配設しているので、第2導体パターンから電気絶縁シートを介して熱を機器フレーム又は放熱器に伝導させ、熱伝導された機器フレーム又は放熱器から外気に熱放出させることができる。しかも、第2導体パターン及び回路基板は絶縁シートによって、機器フレーム又は放熱器とは電気的に絶縁されているので、機器フレーム又は放熱器をアース部材として使用することが可能となる。 In addition, since the electrically insulating sheet having heat conductivity is arranged so as to be in surface contact between the back surface of the circuit board and the equipment frame or radiator that houses the circuit board, it is electrically insulated from the second conductor pattern. Heat can be conducted to the equipment frame or radiator through the sheet, and the heat can be released from the thermally conducted equipment frame or radiator to the outside air. In addition, since the second conductor pattern and the circuit board are electrically insulated from the device frame or the radiator by the insulating sheet, the device frame or the radiator can be used as the ground member.
更に、放熱フィン部を載置する固定領域にはスルーホールを形成していないので、パワー素子の面実装時に半田等がスルーホール内に流入して、放熱フィン部の実装面に半田等が不均一に分布してしまうのを防止することができる。したがって、常に半田等を均一に分布させた状態でパワー素子を回路基板に面実装することができ、パワー素子を回路基板上においてフラットに実装することができるようになる。 Furthermore, since a through hole is not formed in the fixed region on which the radiating fin portion is placed, solder or the like flows into the through hole during surface mounting of the power element, and solder or the like is not formed on the mounting surface of the radiating fin portion. Uniform distribution can be prevented. Therefore, the power element can be surface-mounted on the circuit board in a state where solder and the like are always uniformly distributed, and the power element can be mounted flat on the circuit board.
本願発明においては本願請求項2のように、回路基板の表面に形成した各第1導体パターンの形成部位に対応する前記回路基板の裏面側の部位にもそれぞれ第2導体パターンを形成しておくことができ、少なくとも1組の隣接する第2導体パターン同士については一体的に形成しておくことができる。 In the present invention, as in the second aspect of the present invention, the second conductor pattern is also formed on the back side portion of the circuit board corresponding to the forming portion of the first conductor pattern formed on the surface of the circuit board. In other words, at least one pair of adjacent second conductor patterns can be integrally formed.
これにより、第2導体パターンは、第1導体パターンと対応した位置関係で回路基板の表裏両面に形成することができるので、スルーホールの形成位置も第1導体パターン毎に所望数形成することができる。しかも、第2導体パターンとしては、隣接する第2導体パターン同士を一体的に形成することができるので、放熱するに十分な面積を備えた第2導体パターンとして形成することができる。 As a result, the second conductor pattern can be formed on both the front and back surfaces of the circuit board in a positional relationship corresponding to the first conductor pattern, so that a desired number of through hole formation positions can be formed for each first conductor pattern. it can. Moreover, since the adjacent second conductor patterns can be integrally formed as the second conductor pattern, the second conductor pattern can be formed as a second conductor pattern having an area sufficient to dissipate heat.
本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて以下において具体的に説明する。本願発明のパワー素子面実装用の回路基板の構成としては、以下で説明する形状、配置構成以外にも本願発明の課題を解決することができる形状、配置構成であれば、それらの形状、配置構成を採用することができるものである。このため、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではなく、多様な変更が可能である。 Preferred embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings. As the configuration of the circuit board for power element surface mounting of the present invention, in addition to the shape and arrangement described below, if the shape and arrangement can solve the problems of the present invention, those shapes and arrangement The configuration can be adopted. For this reason, this invention is not limited to the Example demonstrated below, A various change is possible.
図1は、本発明の実施形態に係わるパワー素子実装面における回路基板のパターン図である。図2は、回路基板の裏面における回路構成をパワー素子実装面から透視して見たときの図である。図3は、パワー素子実装面から見たパワー素子と第1導体パターンとの配置関係を示す要部概略図である。図4は、図3におけるIV−IV断面図である。図5は、回路基板の裏面から見た第2導体パターンの要部概略図である。図6は、機器フレームと回路基板との配置関係を示した断面図である。 FIG. 1 is a pattern diagram of a circuit board on a power element mounting surface according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view of the circuit configuration on the back surface of the circuit board as seen through the power element mounting surface. FIG. 3 is a main part schematic diagram showing the arrangement relationship between the power element and the first conductor pattern as viewed from the power element mounting surface. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. FIG. 5 is a schematic view of the main part of the second conductor pattern as viewed from the back surface of the circuit board. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the positional relationship between the device frame and the circuit board.
図1に示すように、ガラスエポキシ基板等の絶縁性基板から形成された回路基板1のパワー素子実装面1A上には、電気的に接続された各種配線と第1導体パターン4、パワー素子駆動回路5等が形成されている。また、第1導体パターン4には、パワーMOS FETからなるパワー素子2がその放熱フィン部3(パワー素子2、放熱フィン部3については図3〜5参照。)を介して半田付けにより密着固定することができる。
As shown in FIG. 1, on a power
なお、図示例においては、パワー素子2を第1導体パターンに密着固定する前の状態を示しており、また、配線の一部については省略して示している。また、パワー素子2としてパワーMOS FETを用いた例について以下に説明を行うが、本願発明において使用することのできるパワー素子はパワーMOS FETに限定されるものではなく、素子自身の電力消費によって発熱するものであれば他のパワー素子を使用することができるものである。
In the illustrated example, a state before the
第1導体パターン4は、それぞれ載置して密着固定するパワー素子2毎に区分けして形成されている。各第1導体パターン4は、パワー素子2の放熱フィン部3を密着固定する固定領域13と放熱フィン部3から熱伝導された放熱領域14とが形成され、放熱領域14には多数のスルーホール6が形成されている。図3に示すように放熱フィン部3は、その前方方向及び側方向において放熱領域が存在するように、半田等の適宜の固定手段によって固定領域13に密着固定することができる。
The
多数のスルーホール6は、放熱フィン部3の端縁と略平行状態となるように配列した状態に形成されている。放熱フィン部3を取り囲むようにスルーホール6を形成しておくことができる。図3においては、スルーホール6を放熱フィン部3の前方において2列形成し、放熱フィン部3の両側方において1列形成した例を示している。
A large number of through
なお、図1においては、放熱フィン部3の前方に5列から3列形成し、放熱フィン部3の側方に1列形成した例を示している。また、各列におけるスルーホールの個数も2個から9個形成しているように、スルーホール6を形成する列の数及び各列における形成個数は、第1導体パターン4の大きさ及び形状に応じて適宜の数形成することができるものである。
FIG. 1 shows an example in which five to three rows are formed in front of the radiating
図2には、パワー素子2の実装面から透視して見たときにおける回路基板1の裏面1Bにおける状態を示している。図1においては、回路基板1の上部側において第1導体パターン4が横一列に5個形成され、回路基板1の中間部においても第1導体パターン4が横一列に5個形成されている。回路基板1の上部側に形成した第1導体パターン4に対応した回路基板1の裏面1Bには、第2導体パターン7がそれぞれ上部側の第1導体パターン4と同様に区分けして5個形成している。
FIG. 2 shows a state on the
回路基板1の中間部に形成した第1導体パターン4に対応した回路基板1の裏面1Bには、第2導体パターン7が一体的に接続して1個形成されている。第2導体パターン7としては、回路基板1の裏面1B側の配置構成に応じて、また、第1導体パターン4に密着固定するパワー素子2を用いた回路構成等に応じて、隣接する第2導体パターン7同士を適宜数一体的に形成しておくことができる。
On the
なお、回路基板1における第1導体パターン4の形成数及び第2導体パターン7の形成数は、例示のために記載したものであり、回路基板1における第1導体パターン4の形成数及び第2導体パターン7の形成数及び第1導体パターン4と第2導体パターン7の形状としては、適宜数及び適宜な形状に形成することができるものである。
In addition, the number of
図4に示すように、第1導体パターン4と第2導体パターン7とはスルーホール6により熱伝導可能に接続されている。第1導体パターン4、第2導体パターン7及びスルーホール6は、銅金属等の熱伝導性の高い金属層15が形成されている。金属層15の形成は、メッキ塗装等の適宜の形成方法により形成されている。回路基板1の裏面1Bは、伝熱性を有する電気絶縁シート8を介して面接触状態で、機器フレーム9に取り付けられている。
As shown in FIG. 4, the
また、図5に示すように第2導体パターン7は、第1導体パターン4の回路基板1における形成部位を包み込む形で回路基板1の裏面1Bに形成され、第2導体パターン7からの熱の放出を広い面積で行えるように形成されている。
Further, as shown in FIG. 5, the
図3、図5においては、第1導体パターン4と第2導体パターン7との大きさが略同じ大きさに形成した例を示しているが、第2導体パターン7は第1導体パターン4と同じ大きさとして形成しなければならないものではない。図2に示すように第2導体パターン7の大きさを第1導体パターン4の大きさよりも大きく形成しておくことが、第2胴体パターン7からの放熱を確実に行うため望ましい形態となる。
3 and 5 show an example in which the
図6に示すように、伝熱性を有する電気絶縁シート8を介在させて回路基板1を機器フレーム9に対して面接触状態に搭載することができる。これにより、パワー素子2から放熱フィン部3を通って第1導体パターン4に伝導された熱は、スルーホール6を介して第2導体パターン7に伝導され、第2導体パターン7の面から絶縁シート8を介して機器フレーム9に熱伝導することで、機器フレーム9から外気に熱放出することができる。
As shown in FIG. 6, the
図6に示すように、電子機器を構成する他の回路基板10が支柱11により層状に構成されている。本願発明による回路基板1を用いることにより、複数の回路基板10も層状に配置することができ、電子機器としての形状もコンパクトに構成することができるようになる。
As shown in FIG. 6, another
機器フレーム9に熱伝導する代わりに、放熱器等に熱伝導して熱放出を行うこともできる。放熱器等を用いる場合でも、放熱器等と回路基板1の裏面1Bとの間に伝熱性を有する電気絶縁シート8を介在させておくことが望ましい。放熱フィン部3としてドレインフィン部を共用する場合には、第2導体パターン7と放熱器又は機器フレーム等とを電気的にも導通させておくこともできる。
Instead of conducting heat to the
これにより、放熱フィン部3から取り出したパワー素子2の発熱は、第1導体パターン4に取り出すことができ、第1導体パターン4に伝熱された熱も放熱フィン部3の端縁と略平行に形成したスルーホール6の列によって、第2導体パターン7に熱伝達することができる。しかも、スルーホール6から第2導体パターン7に伝導された熱は、第2導体パター7の面内で面状に拡散した熱分布を示すことができる。絶縁シート8を介して機器フレーム9等に放出することができる。
As a result, the heat generated by the
このため、第1導体パターン4における熱分布は、放熱フィン部3を高温部とすると、列状のスルーホール6によって第1導体パターン4上の温度分布を急激に減少させることができる。しかも、多段列にわたってスルーホール6を形成することにより、温度分布の減少の割合を大きくすることができる。これによって、常に第1導体パターン4によって放熱フィン3から熱を取り除くことができるようになり、パワー素子2における温度上昇を抑えることができ、常に安定した状態でパワー素子2を使用することができるようになる。
For this reason, the heat distribution in the
更に、第2導体パターン7に伝導された熱は、第2導体パターン7の面状に拡散するとともに、絶縁シート8を介して面から面に伝導される形で、機器フレーム9等の熱放出部に伝導することができる。これにより、パワー素子2の温度上昇を効率的に抑えることができるようになり、長時間にわたってパワー素子を安定した状態で使用することができる。
Further, the heat conducted to the
本願発明は、パワー素子以外にも発熱体を配設した回路基板に対して、本願発明の技術思想を適用することができる。 In the present invention, the technical idea of the present invention can be applied to a circuit board provided with a heating element in addition to a power element.
1 回路基板
1A パワー素子実装面
1B 裏面
2 パワー素子
3 放熱フィン部
4 第1導体パターン
5 パワー素子駆動回路
6 スルーホール
7 第2導体パターン
8 絶縁シート
9 機器フレーム
10 回路基板
11 支柱
13 固定領域
14 放熱領域
15 金属層
31 配線基板
32 金属メッキ層
33 強磁性材料
34 配線
35 FET
36 グランド
37 スルーホール
DESCRIPTION OF
36 Ground 37 Through hole
Claims (2)
前記放熱フィン部をそれぞれ区分けして面実装する前記回路基板の表面に形成した第1導体パターンと、
前記回路基板の裏面に形成した第2導体パターンと、
前記第1導体パターンと第2導体パターンとの間を熱伝導可能に接続する多数のスルーホールと、
を備え、
前記第1導体パターンが、前記放熱フィン部を載置して密着固定する固定領域と、同固定領域から前記回路基板の面方向において前記パワー素子から外方に延設した放熱領域とを有し、
前記多数のスルーホールが、前記放熱領域において前記放熱フィン部の端縁と略平行に配列して形成されてなり、
前記回路基板の裏面が、伝熱性を有する電気絶縁シートを介して前記回路基板を収納する機器フレーム又は放熱器との間で面接触状態に配設されてなることを特徴とするパワー素子面実装用の回路基板。 A circuit board for surface mounting a plurality of power elements each having a radiation fin portion;
A first conductor pattern formed on the surface of the circuit board for surface mounting by dividing the radiating fin portion,
A second conductor pattern formed on the back surface of the circuit board;
A plurality of through-holes connecting the first conductor pattern and the second conductor pattern so as to allow heat conduction;
With
The first conductor pattern has a fixed region on which the heat dissipating fin portion is placed and fixed in close contact, and a heat dissipating region extending outward from the power element in the surface direction of the circuit board from the fixed region. ,
The plurality of through holes are formed by being arranged substantially parallel to the edge of the heat radiating fin portion in the heat radiating region,
A power element surface mounting characterized in that the back surface of the circuit board is disposed in surface contact with a device frame or a radiator that houses the circuit board via an electrically insulating sheet having heat conductivity. Circuit board.
A second conductor pattern is formed on a portion of the back side of the circuit board corresponding to the portion of the circuit board on which each of the first conductor patterns is formed, and at least one pair of adjacent second conductor patterns is integrated. The circuit board according to claim 1, wherein the circuit board is formed.
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