JP2009200212A

JP2009200212A - プリント基板の放熱構造

Info

Publication number: JP2009200212A
Application number: JP2008039741A
Authority: JP
Inventors: Shinya Yamaya; 慎也山家; Kazuo Maruyama; 和男丸山; Takashi Ikeda; 隆池田; Satoru Miyamoto; 哲宮本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Keihin Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Keihin Corp
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-09-03
Also published as: US20090211788A1; US8039752B2

Abstract

【課題】実装される電子部品において、所望の半田付け強度を確保すると共に、放熱性を向上させることにある。
【解決手段】第１層１４ａ〜第６層１４ｆからなる銅箔パターン２２によって構成されたプリント回路基板１４の表層には、積層方向に沿って延在し前記プリント回路基板１４の内層と非貫通に形成されたインナビア３０が設けられ、さらに、前記プリント回路基板１４の内層には、積層方向に沿って延在し前記プリント回路基板１４の表層と非貫通に形成されたコアビア３２が設けられ、前記インナビア３０と前記コアビア３２とは、積層面に設けられた銅箔パターン２２に沿って所定間隔だけオフセットして配置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、プリント基板の放熱構造に関する。

近年、電子機器の小型・高密度化に伴って、電子機器の発熱密度が高くなると共に、電子機器内がますます高温化されるようになっている。このため、電子機器内に搭載された電子部品が許容温度を超えないように、発熱部品から発生する熱を効率的に放熱させる技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、回路基板上の発熱部品（発熱部）の当接面に複数のスルーホールを設けて前記スルーホールの周囲に導電メッキを施す構成とし、前記回路基板の裏面に複数の孔が形成された放熱部材を設け、前記発熱部品と放熱部材とを半田によって接合した回路基板上での放熱構造が開示されている。

また、特許文献２には、ＩＣの放熱パッドと接触させるための放熱パターンがプリント基板表面に形成され、且つ放熱パターン及びプリント基板を貫通する１又は複数のスルーホールが形成されたプリント基板において、前記スルーホール内に、例えば、半田からなる導熱材を充填する放熱構造が開示されている。
特開２００１−１６８４７６号公報特開２００５−１５８９１４号公報

しかしながら、前記特許文献１及び特許文献２に開示されたスルーホールを有する放熱構造では、半田付けを行う際、前記スルーホールを通じて半田（例えば、後記するクリーム半田）が流出して半田不足となるおそれがある。このため、特許文献１及び特許文献２に開示された放熱構造では、半田不足による電子部品の電気的接続不良及び半田クラックを誘発する蓋然性が高くなる。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、実装される電子部品において、所望の半田付け強度を確保すると共に、放熱性を向上させることが可能なプリント基板の放熱構造を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、発熱部品を含む電子部品が実装された実装面を有し、積層された複数の層によって構成されたプリント基板の放熱構造であって、前記プリント基板の表層には、積層方向に沿って延在し前記プリント基板の内層と非貫通に形成されたインナビアが設けられ、前記プリント基板の内層には、積層方向に沿って延在し前記プリント基板の表層と非貫通に形成されたコアビアが設けられ、前記インナビアと前記コアビアとは、積層面に沿って所定間隔だけオフセットした位置に配置されることを特徴とする。

この場合、前記電子部品と前記プリント基板とは、半田によって電気的に接続され、前記半田は、前記プリント基板の表層に形成された前記インナビアに沿って流動すると共に、前記インナビアで封止されるとよい。

本発明によれば、電子部品とプリント基板とを電気的に接続する半田（例えば、クリーム半田）が設けられた場合、前記クリーム半田は、プリント基板の実装面の表層に非貫通に形成されたインナビア内に流入して前記インナビアの底部で封止されるため、前記半田が実装面から外部に流出することが好適に阻止される。

この結果、本発明では、プリント基板の実装面に対して、発熱部品を含む電子部品の電気的接続に必要十分な半田量を確保することができ、半田クラックの発生を抑止することができる。

また、本発明によれば、発熱部品で発生した熱が、プリント基板の実装面の表層に形成され半田が充填されたインナビアに伝達された後、さらに、前記インナビアから所定間隔オフセットされて近接配置され内層に形成されたコアビアの内壁近傍に沿って伝達される。続いて、前記熱は、プリント基板の非実装面の表層に形成され半田が未充填の他のインナビアの内壁近傍に伝達され、発熱部品で発生した熱が、オフセットして配置されたインナビア及びコアビアを介して拡散されて外部に放熱されることにより、放熱性を向上させることができる。

本発明では、実装される電子部品において放熱性を向上させることが可能なプリント基板の放熱構造が得られる。また、本発明では、電子部品とプリント基板とを電気的に接続する半田がインナビアで封止されることにより、前記半田の外部への流出が阻止されて所望の半田付け強度が確保される。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るプリント基板の放熱構造が適用された電子制御装置の一部断面分解斜視図、図２は、図１に示すプリント回路基板の一部省略拡大縦断面図、図３は、図２に示すＡ部の拡大縦断面図である。

図１に示されるように、電子制御装置１０は、例えば、アルミニウム等の金属製材料によって形成された上部ケース１２ａ及び下部ケース１２ｂからなる筐体１２と、前記筐体１２の内部空間内に収容されるプリント回路基板（プリント基板）１４とを備えて構成される。なお、前記筐体１２は、アルミニウムで形成されることが好ましく、ヒートシンクとしての機能をも併有する。

前記プリント回路基板１４の上面には、図２に示されるように、例えば、集積回路（ＩＣチップ）、トランジスタ、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の発熱素子１６を有する発熱部品１８ａ〜１８ｃや図示しない抵抗素子、コンデンサ等を含む複数の電子部品が実装される。なお、図１中では、発熱素子１６（図２参照）として集積回路を有する発熱部品１８ａ〜１８ｃのみを図示し、その他の電子部品の図示を省略している。

図２に示されるように、各発熱素子１６とプリント回路基板１４との間には、発熱素子１６の発熱作用が伝熱される背面電極２０と、前記背面電極２０の下方側に順次積層されて設けられたクリーム半田（半田）３８及び銅箔パターン２２と、前記発熱部品１８ａ〜１８ｃとプリント回路基板１４とを電気的に接続する複数の接続端子２３とがそれぞれ設けられる。なお、前記銅箔パターン２２を除いたプリント回路基板１４の上面には、ソルダレジストが塗布されてレジスト処理された第１レジスト面２４ａが設けられる。

プリント回路基板１４の下面には、ソルダレジストが塗布されてレジスト処理された第２レジスト面２４ｂが設けられ、さらに、前記第２レジスト面２４ｂには、下部ケース１２ｂの内壁に形成された矩形状の凸面２６（図１参照）に位置決めされて貼着され、高熱伝導材料で形成されて柔軟性を有する放熱シート２８が面接触状態で設けられる。

プリント回路基板１４は、図３に示されるように、両面又は片面に銅箔パターン２２が形成され、例えば、ガラス繊維やエポキシ樹脂等の非導電性材料からなる絶縁板２９が複数枚（本実施形態では、５枚）積層されて構成される。隣接する絶縁板２９の積層間には、放熱シート２８側で最下層の第１層目１４ａから最上層の第６層目１４ｆまでが順次積層される。また、前記プリント回路基板１４には、その上面及び下面にそれぞれ連通し前記上下面間を非貫通に形成された複数のインナビア３０と、前記プリント回路基板１４の銅箔パターン２２に沿って前記インナビア３０から所定間隔だけオフセットした位置に近接配置され前記上下面を非貫通に形成された複数のコアビア３２とを有する。前記インナビア３０及びコアビア３２の内壁には、例えば、銅メッキ等の導電性材料によってメッキ処理された導電部３３が設けられる。なお、図３中では、コアビア３２を閉塞する樹脂体３４（後記する）の図示を、便宜上、省略している。

本実施形態では、第１層目１４ａ〜第６層目１４ｆからなる銅箔パターン２２が積層されたプリント回路基板１４を用いて説明しているが、これに限定されるものではなく、各種配線パターンが複数積層された多層プリント基板であればよい。

この場合、図３に示されるように、プリント回路基板１４の銅箔パターン２２である第１層目１４ａと第２層目１４ｂとの間を連通するように積層方向に沿って延在する上層側のインナビア３０が形成され、また、第２層目１４ｂの銅箔パターン２２に沿って前記インナビア３０から所定間隔だけオフセットしプリント回路基板１４の第２層目１４ｂから第５層目１４ｅまでの間を連通（貫通）するように積層方向に沿って延在するコアビア３２が形成され、さらに、第１層目１４ａ及び第２層目１４ｂ間の上層側のインナビア３０と略同軸状に設けられプリント回路基板１４の第５層目１４ｅと第６層目１４ｆとの間を連通（貫通）するように積層方向に沿って延在する下層側の他のインナビア３０が形成される。

換言すると、各発熱部品１８ａ（１８ｂ、１８ｃ）の直下でプリント回路基板１４の上部側及び下部側の表層（第１層目１４ａ、第２層目１４ｂ、及び、第５層目１４ｅ、第６層目１４ｆ）には、前記プリント回路基板１４の内層（第２層目１４ｂ〜第５層目１４ｅ）と非貫通に形成されたインナビア３０が配置され、一方、プリント回路基板１４の内層（第２層目１４ｂ〜第５層目１４ｅ）には、前記表層（第１層目１４ａ、第２層目１４ｂ、及び、第５層目１４ｅ、第６層目１４ｆ）と非貫通に形成されたコアビア３２が配置される。しかも、前記インナビア３０と前記コアビア３２とは、積層面（銅箔パターン２２）に沿った水平方向（インナビア３０及びコアビア３２が延在する縦方向と直交する横方向）において所定間隔だけオフセットした近接位置に配置される。

インナビア３０とコアビア３２とに関し、積層別に着目すると、最下層の第１層目１４ａでは、図４（ａ）に示されるように、複数のインナビア３０のみが縦横に所定間隔離間して穿孔されると共に、前記複数のインナビア３０を被覆する銅箔パターン２２が形成される。前記第１層目１４ａに積層される第２層目１４ｂでは、図４（ｂ）に示されるように、インナビア３０とコアビア３２とが併存し、前記第１層目１４ａのインナビア３０に連通する複数のインナビア３０が縦横に穿孔されると共に、前記複数のインナビア３０で囲繞された略正方形状部位の中心部には、前記インナビア３０よりも大径な単一のコアビア３２が穿孔され、前記コアビア３２が所定間隔離間した縦横に複数個配置されている。なお、前記第２層目１４ｂには、前記インナビア３０及びコアビア３２を被覆する銅箔パターン２２が形成される。

前記第２層目１４ｂに順次積層される第３層目１４ｃ及び第４層目１４ｄは、図４（ｃ）に示されるように、それぞれ、コアビア３２のみが穿孔された同一構造からなり、第２層目１４ｂのコアビア３２に連通する複数のコアビア３２が所定間隔離間した縦横に複数個配置されると共に、前記コアビア３２を被覆する銅箔パターン２２が形成される。

前記第４層目１４ｄに積層される第５層目１４ｅでは、図４（ｄ）に示されるように、インナビア３０とコアビア３２とが併存し、複数のインナビア３０が縦横に穿孔されると共に、前記複数のインナビア３０で囲繞された略正方形状部位の中心部には、前記第３層１４ｃ目及び第４層１４ｄ目のコアビア３２に連通する単一のコアビア３２が穿孔され、前記コアビア３２が所定間隔離間した縦横に複数個配置されている。なお、前記第４層目１４ｄ及び第５層目１４ｅには、前記前記インナビア３０及びコアビア３２を被覆する銅箔パターン２２が形成される。

前記第５層目１４ｅに積層される最上層の第６層目１４ｆでは、図４（ｅ）に示されるように、前記第５層目１４ｅのインナビア３０に連通する複数のインナビア３０のみが縦横に所定間隔離間して穿孔されている。なお、第６層目１４ｆには、前記インナビア３０全体を被覆する銅箔パターン２２が形成される。

なお、第１〜第６層目１４ａ〜１４ｆにそれぞれ形成された銅箔パターン２２は、放熱用パターンとして形成されたものであり、各種電子部品にそれぞれ導通する回路パターン（図示せず）は、プリント回路基板１４の他面に形成されているものとする。また、本実施形態では、上記したように、第１層目１４ａ、第２層目１４ｂ、第５層目１４ｅ及び第６層目１４ｆからなる上部側及び下部側の表層にインナビア３０を形成すると共に、第２層目〜第５層目１４ｂ〜１４ｅからなる内層にコアビア３２を形成している場合を例示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、第１層目１４ａ〜第３層目１４ｃ、第４層目１４ｄ〜第６層目１４ｆからなる表層にインナビア３０をそれぞれ形成すると共に、第３層目１４ｃ及び第４層目１４ｄからなる内層にコアビア３２を形成するようにしてもよい。

要は、表層に非貫通のインナビア３０が形成されると共に、前記インナビア３０からオフセットした内層に非貫通のコアビア３２が形成されていればよい。なお、内層に形成されたコアビア３２は、溶融した樹脂製材料が充填された後、前記樹脂製材料が固化された樹脂体３４によって閉塞される（図６参照）。前記コアビア３２が樹脂体３４によって充足されることにより、発熱部品１８ａ〜１８ｃの熱が伝熱される際、前記コアビア３２の内圧が上昇することを好適に防止することができる。

筐体１２の下部ケース１２ｂの底面部には、図１に示されるように、交互に隣接配置された複数の凹部及び凸部によって放熱フィン３６が形成され、後記するように、発熱部品１８ａ〜１８ｃで発生した熱は、前記放熱フィン３６を通じて外部へ熱拡散される。

本実施形態に係るプリント基板の放熱構造が適用された電子制御装置１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

先ず、プリント回路基板１４に対してクリーム半田（ＣｒｅａｍＳｏｌｄｅｒ）３８を用いて各発熱部品１８ａ〜１８ｃ（電子部品）を実装する基板実装工程について説明する。なお、前記クリーム半田３８とは、半田の粒子を溶剤とフラックスとによって練り上げたクリーム状のものをいう。

基板実装工程の一例を概略説明すると、図示しないロボット（又はクリーム半田印刷機）を介してプリント回路基板１４（未だ電子部品が搭載されていない生基板）の実装面に対して所定量のクリーム半田３８を塗布（印刷）した後、図示しないマウンタ（チップマウンタ）を介して前記実装面に対して電子部品（発熱部品１８ａ〜１８ｃを含む）を搭載し、続いて、図示しないリフロー炉で加熱されることにより、所望の電子部品が半田付けされた実装基板からなるプリント回路基板１４が完成する。

この場合、図５（ａ）に示されるように、プリント回路基板４０の上下面を貫通する複数のスルーホール４２のみが形成された比較例では、プリント回路基板４０の実装面に塗布されたクリーム状のクリーム半田３８が前記スルーホール４２に沿って流動し、クリーム半田３８が前記スルーホール４２の下部側から外部に流出して落下するという不具合がある。

この結果、比較例では、プリント回路基板４０の実装面に塗布される所定の半田量を確保することができないおそれがあり、プリント回路基板４０に対して実装された電子部品（発熱部品１８ａ〜１８ｃを含む）の電気的接続不良や半田クラックを誘発する蓋然性が高くなる。

これに対して、図５（ｂ）に示されるように、本実施形態では、クリーム状からなるクリーム半田３８は、プリント回路基板１４の上部側の表層に非貫通に形成されたインナビア３０内に流入して前記インナビア３０の底部の積層面で封止されるため、前記クリーム状のクリーム半田３８が実装面から外部に流出することが好適に阻止される。

この結果、本実施形態では、プリント回路基板１４の実装面に対して、電子部品（発熱部品１８ａ〜１８ｃを含む）の電気的接続に必要十分な半田量（所定の厚さＴを有する半田層３８ａ）を確保することができ、半田クラックに対する耐性を向上させることができる。

次に、図６に基づいて各発熱部品１８ａ〜１８ｃで発生した熱の伝熱経路について説明する。

図示しない電源から通電されて各発熱部品１８ａ〜１８ｃの発熱素子１６で発生した熱は、各発熱部品１８ａ〜１８ｃの下部側に設けられた背面電極２０に伝達された後、前記背面電極２０と電気的に接続された半田層３８ａ及び銅箔パターン２２（第６層目１４ｆ）を介して、プリント回路基板１４の上部側の表層に形成されたインナビア３０（インナビア３０内に充填されたクリーム半田３８）に伝熱される。

前記インナビア３０（クリーム半田３８）に伝達された熱は、さらに、第５層目１４ｅの銅箔パターン２２を通じて、前記インナビア３０に近接配置されたコアビア３２の内壁の導電部３３に伝達される。前記導電部３３では、前記コアビア３２の延在方向（軸方向）に沿って熱が伝熱した後、第２層目１４ｂの銅箔パターン２２を通じて前記コアビア３２に近接配置され下部側の表層に形成された他のインナビア３０の内壁の導電部３３に伝熱される。

前記下部側の表層に形成されたインナビア３０に伝達された熱は、さらに、第２レジスト面２４ｂを介して放熱シート２８に伝達された後、金属製の筐体１２の下部ケース１２ｂ及び放熱フィン３６を通じて外部に放熱される。

このように本実施形態では、プリント回路基板１４の表層に形成されたインナビア３０と内層に形成されたコアビア３２を介して、各発熱部品１８ａ〜１８ｃで発生した熱が好適に外部に放熱されることにより、放熱性を向上させることができる。

この結果、本実施形態では、実装される電子部品（発熱部品１８ａ〜１８ｃを含む）において、所望の半田付け強度の確保と、放熱性の向上との両者を共に達成することができる。

なお、本実施形態では、図６中の矢印で示されるように、各発熱部品１８ａ（１８ｂ、１８ｃ）で発生した熱の伝熱経路が下方側に向かって徐々に拡散される熱放射特性を有し、プリント回路基板１４に接触する放熱シート２８の面積を最小範囲に抑制することができる利点がある。

本発明の実施形態に係るプリント基板の放熱構造が適用された電子制御装置の一部断面分解斜視図である。図１に示すプリント回路基板の一部省略拡大縦断面図である。図２に示すＡ部の拡大縦断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、プリント回路基板の１層目〜６層目（３−４層目共通）のインナビア及びコアビアの配置構造を示す平面図である。（ａ）は、比較例に係るプリント回路基板に対してクリーム半田を塗布して電子部品を実装した状態を示す縦断面図、（ｂ）は、本実施形態に係るプリント回路基板に対してクリーム半田を塗布して電子部品を実装した状態を示す縦断面図である。本実施形態に係るプリント回路基板において、各発熱部品で発生した熱の伝熱経路を示す縦断面図である。

符号の説明

１０電子制御装置
１４プリント回路基板（プリント基板）
１４ａ〜１４ｆ層目
１８ａ〜１８ｃ発熱部品
３０インナビア
３２コアビア
３８クリーム半田（半田）

Claims

発熱部品を含む電子部品が実装された実装面を有し、積層された複数の層によって構成されたプリント基板の放熱構造であって、
前記プリント基板の表層には、積層方向に沿って延在し前記プリント基板の内層と非貫通に形成されたインナビアが設けられ、
前記プリント基板の内層には、積層方向に沿って延在し前記プリント基板の表層と非貫通に形成されたコアビアが設けられ、
前記インナビアと前記コアビアとは、積層面に沿って所定間隔だけオフセットした位置に配置されることを特徴とするプリント基板の放熱構造。
請求項１記載のプリント基板の放熱構造において、
前記電子部品と前記プリント基板とは、半田により電気的に接続され、前記半田は、前記プリント基板の表層に形成された前記インナビアに沿って流動すると共に、前記インナビアで封止されることを特徴とするプリント回路基板の放熱構造。