JP2014127522A - プリント基板の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導材に放熱グリス等の流動性物質を用いた場合であっても漏れ出し難く、また、放熱効率の低下を抑制できるプリント基板の放熱構造の提供。
【解決手段】貫通ビア７を有するプリント基板２と、プリント基板２に対向する位置に配置された筐体４と、プリント基板２と筐体４との隙間を埋める熱伝導材５と、を備えるプリント基板の放熱構造１であって、熱伝導材５と対向する貫通ビア７には、熱伝導材５の流入を阻止するための充填材８が充填されている、という構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板の放熱構造に関するものである。

従来から電子制御装置等は、電子部品がプリント基板に実装され、このプリント基板が金属筐体に収容されて構成されている。このような電子制御装置では、半導体素子などからなる電子部品を動作させると、電子部品が電力を消費することで熱を発生する。発生した熱の量が多くなり、温度が高くなり過ぎると、電子部品の機能や特性が低下し、また、電子部品の製品寿命が縮まることがある。このため、電子制御装置等では、プリント基板の放熱構造を備えている。

プリント基板の放熱構造としては、例えば、電子部品の周辺に放熱用貫通穴（貫通ビア）を設けるものや、放熱グリス（熱伝導材）を塗布し、プリント基板から金属筐体（放熱部材）に熱を逃がすものがある。
特許文献１には、発熱性電子部品の実装域の周りの絶縁基板に多数の通し穴を穿設し、多数の通し穴の内周面に、表裏の放熱兼用の導電ランドと連通するよう放熱皮膜を形成して、発熱性電子部品で発生した熱を放熱する技術が開示されている。
特許文献２には、集積回路の実装部分のパターンからプリント基板の裏面に向かって設けられた導通孔に熱伝導性のグリスを充填し、集積回路より発生した熱を、導通孔を介してプリント基板の裏面パターンに伝えて放熱する技術が開示されている。

実開平４−１０３５６号公報 実開平４−５６８６号公報

ところで、プリント基板から放熱部材への熱伝導効率を向上させるためには、プリント基板と放熱部材との隙間を熱伝導材で埋める必要がある。この場合には、放熱部材に熱伝導材を塗布し、プリント基板を当該熱伝導材に押し付け、両者の隙間に熱伝導材を充填させる手法が用いられる。
しかしながら、放熱用貫通穴を有するプリント基板の場合、放熱用貫通穴を介して熱伝導材が反対面側に漏れ出すことがある。熱伝導材が漏れ出すと、プリント基板と放熱部材との隙間を適切に埋めるための熱伝導材の塗布量の管理が難しくなる。また、この熱伝導材の漏れ出し量を考慮すると、熱伝導材の塗布量が多くなってコストが増大する。さらに、プリント基板に隙間無く熱伝導材を付着させるために、所定の治具を用いてプリント基板を押し付ける場合、漏れ出した熱伝導材が当該治具を伝って、放熱部位以外の領域に垂れ落ちてしてしまうことがある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、熱伝導材に放熱グリス等の流動性物質を用いた場合であっても漏れ出し難く、また、放熱効率の低下を抑制できるプリント基板の放熱構造の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、放熱用貫通穴を有するプリント基板と、前記プリント基板に対向する位置に配置された放熱部材と、前記プリント基板と前記放熱部材との隙間を埋める熱伝導材と、を備えるプリント基板の放熱構造であって、前記熱伝導材と対向する前記放熱用貫通穴には、前記熱伝導材の流入を阻止するための充填材が充填されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記プリント基板には、電子部品が実装されており、前記充填材が充填されている前記放熱用貫通穴は、前記電子部品の周辺に設けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記充填材は、前記プリント基板の熱膨張係数に対応する熱膨張係数を有している、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記プリント基板は、多層基板であり、前記放熱用貫通穴は、貫通ビアである、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記充填材が充填されている前記放熱用貫通穴は、ソルダーレジストで覆われている、という構成を採用する。

本発明のプリント基板の放熱構造においては、熱伝導材と対向する放熱用貫通穴に、熱伝導材の流入を阻止するための充填材が充填されているので、熱伝導材が放熱グリス等の流動性物質からなる場合であっても、放熱用貫通穴を介して熱伝導材が反対面側に漏れ出すことを防止することができ、これによってプリント基板と放熱部材との隙間を埋める熱伝導材の量を十分に確保できる。したがって、熱伝導材の厚みが不均衡になりプリント基板または放熱部材と、熱伝導材の間に隙間が生じること等を防止でき、放熱効率の低下を抑制することができる。
このように、本発明によれば、熱伝導材に放熱グリス等の流動性物質を用いた場合であっても漏れ出し難く、また、放熱効率の低下を抑制できるプリント基板の放熱構造が得られる。

本発明の実施形態におけるプリント基板の放熱構造を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるプリント基板を示す平面図である。 本発明の実施形態におけるプリント基板の放熱構造の作用を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態のプリント基板の放熱構造について図面を参照して説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明の実施形態におけるプリント基板の放熱構造１を示す断面図である。図２は、本発明の実施形態におけるプリント基板２を示す平面図である。なお、図１は、図２に示す矢視Ｘ−Ｘ断面に対応している。

本実施形態のプリント基板の放熱構造１は、車両に搭載される電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）にかかるものである。図１に示すように、プリント基板の放熱構造１は、プリント基板２と、プリント基板２に実装された電子部品３と、電子部品３を実装したプリント基板２を収容する筐体（放熱部材）４と、プリント基板２と筐体４との隙間を埋める熱伝導材５と、を有する。

なお、図１では、筐体４のうちの下側ケースのみを示しているが、この下側ケースに上側ケース（図示せず）が被着されることで、筐体４の全体が構成される。筐体４の下側ケースは、プリント基板２に対向する位置に配置されており、放熱部材として機能するようになっている。筐体４は、放熱性が高い金属部材（例えば、アルミダイキャスト等）から形成されている。

プリント基板２は、積層構造を有する多層基板であり、例えばビルトアップ工法を用いて形成されている。プリント基板２の各層には、銅箔等からなる導電パターン６が形成されている。このプリント基板２の表面２ａは、電子部品３が実装される実装面となっている。本実施形態の電子部品３は、集積回路等の発熱部３ａを内包したパッケージ部品である。電子部品３は、導電パターン６と電気的に接続する端子部３ｂを有する。

なお、プリント基板２には、電子部品３の他に、電解コンデンサ、ＦＥＴ（Field effect transistor）、抵抗等からなる不図示の電子部品が、表面２ａ及び裏面２ｂの少なくともいずれか一方に実装されている。
熱伝導材５は、このプリント基板２と筐体４との隙間を埋めるように配設されている。本実施形態の熱伝導材５は、流動性及び所定の粘性を有する放熱グリスからなる。この放熱グリスとしては、シリコングリスを好適に用いることができる。

プリント基板２は、貫通ビア（放熱用貫通穴）７を有する。貫通ビア７は、プリント基板２の厚み方向において表面２ａ側から裏面２ｂ側に貫通して設けられている。貫通ビア７は、例えばレーザー加工によって穴あけされ、内面及びその開口周辺がメッキされて導体７ａが設けられたものである。貫通ビア７は、導体７ａによって各層の導電パターン６もしくは必要に応じ少なくともいずれかの層を電気的に接続すると共に、熱的にも接続し、電子部品３で発生した熱を裏面２ｂ側に熱伝導する放熱用として機能するようになっている。

図１に示すように、熱伝導材５と対向する位置に配置された貫通ビア７においては、充填材８が充填されている。充填材８は、貫通ビア７への熱伝導材５の流入を阻止するためのものである。この充填材８は、例えば樹脂等からなる栓部材であり、貫通ビア７を塞ぐことで、プリント基板２の表面２ａと裏面２ｂとを非連通とさせるようになっている。充填材８としては、貫通ビア７に液状で注入でき、その後固化するものが好ましいが、当初から固化しており、貫通ビア７に挿入するものであってもよい。

充填材８は、電子部品３の発熱により熱膨張するプリント基板２と共に適切に熱膨張するために、プリント基板２の熱膨張係数に対応する熱膨張係数を有している。一般的にプリント基板２の熱膨張係数は３０〜７０［ｐｐｍ／℃］の範囲である。よって基板２の熱膨張係数に対応させた樹脂材を選択する。具体的には、本実施形態のプリント基板２は、基材がガラスエポキシ材（エポキシ樹脂＋ガラスクロス＋硬化剤）から形成されており、熱膨張係数は４０［ｐｐｍ／℃］程度である。充填材８は、これに対応した樹脂材（エポキシ樹脂＋硬化剤＋銅フィラー）から形成されており、熱膨張係数は３６［ｐｐｍ／℃］程度で略同一のものとなっている。

上述した充填材８が充填されている貫通ビア７は、図２に示すように、電子部品３の周辺に設けられている。すなわち、充填材８が充填されている貫通ビア７は、平面視で電子部品３と重ならない領域、電子部品３の実装領域ではない領域に設けられている。
図１に戻り、このような領域に設けられ、充填材８が充填されている貫通ビア７は、ソルダーレジスト９に覆われている。ソルダーレジスト９は、周知のように導電パターン６等を形成するためのものである。

本実施形態の貫通ビア７は、充填材８で充填されているため、貫通ビア７の内部にソルダーレジスト９が落ち込むことがなく、図１に示すように、貫通ビア７を覆うようにソルダーレジスト９を形成することができる。本実施形態のソルダーレジスト９は、プリント基板２の表面２ａ側及び裏面２ｂ側に設けられている。このため、充填材８が充填されている貫通ビア７は、表面２ａ側の開口と、裏面２ｂ側の開口とが、共にソルダーレジスト９によって閉塞されている。

続いて、上記構成のプリント基板の放熱構造１の作用について、図３を参照して説明する。
図３は、本発明の実施形態におけるプリント基板の放熱構造１の作用を説明するための図である。

上述したようにプリント基板の放熱構造１は、プリント基板２と筐体４との隙間を熱伝導材５で埋めて、放熱部材としての筐体４への熱伝導効率を向上させている。このプリント基板の放熱構造１を形成するためには、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、筐体４に熱伝導材５を塗布し、プリント基板２を塗布された熱伝導材５に押し付ける必要がある。なお、プリント基板２に隙間無く熱伝導材５を付着させるために、不図示の治具を用いてプリント基板２に均一に圧をかける場合もある。

すなわち、図３（ａ）に示すように、筐体４に塗布された熱伝導材５上にプリント基板２を位置合わせしつつ載置し、図３（ｂ）に示すように、プリント基板２を押圧することで、プリント基板２と筐体４との隙間に熱伝導材５を充填させる。その後、筐体４にプリント基板２をネジ固定することでプリント基板の放熱構造１が形成される。これにより、電子部品３の熱が、プリント基板２の表面２ａから貫通ビア７を介してプリント基板２の裏面２ｂに伝わり、さらに熱伝導材５、筐体４を介して外部に放熱されるようになる。

本実施形態のプリント基板の放熱構造１においては、熱伝導材５と対向する貫通ビア７に、熱伝導材５の流入を阻止するための充填材８が充填されている。この構成によれば、熱伝導材５が放熱グリス等の流動性物質からなる場合であっても、貫通ビア７を介して熱伝導材５が表面２ａ側に漏れ出すことを防止することができる（図３（ｂ）参照）。また、本実施形態では、図２に示すように、電子部品３の周辺に設けられている貫通ビア７に充填材８を充填しているため、漏れ出した熱伝導材５が、予期せずに電子部品３に付着してしまうことを効果的に防止できる。

また、プリント基板２の押圧のために不図示の治具を用いている場合でも、表面２ａ側に漏れ出した熱伝導材が当該治具を伝って、例えば放熱部位以外の領域に垂れ落ちてしてしまう、といったことを防止できる。
このように、本実施形態によれば、貫通ビア７を介した熱伝導材５の表面２ａ側への漏れ出しを防止できるため、プリント基板２と筐体４との隙間を埋める熱伝導材５の量の管理が容易になり、コスト増を抑制できる。また、熱伝導材５の量を十分に確保できるため、熱伝導材５の厚みが薄くなる等を防止でき、放熱効率の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、充填材８が、プリント基板２の熱膨張係数に対応する熱膨張係数を有している。このように、充填材８とプリント基板２との熱膨張係数を略同一とすることによって、プリント基板２が電子部品３の熱により熱伸びしても、充填材８がそれに追従して熱伸びするため、貫通ビア７の導体７ａに過大な熱応力がかからないようにすることができる。このため、導体７ａの破損等を防止でき、また、充填材８の貫通ビア７に対する剥離等の発生を防止することができる。

さらに、本実施形態では、充填材８が充填されている貫通ビア７は、ソルダーレジスト９で覆われている。この構成によれば、貫通ビア７が充填材８の材料特性等によって完全に閉塞されていない場合、例えば上述した熱伸びに起因する剥離により隙間が生じている場合や、注入の際に充填材８に気泡等が含まれており、固化した際に微小な穴が形成される場合等に、その隙間や穴を閉塞することができる。このため、熱伝導材５の漏れ出しをより確実に防止することができる。

したがって、上述の本実施形態によれば、貫通ビア７を有するプリント基板２と、プリント基板２に対向する位置に配置された筐体４と、プリント基板２と筐体４との隙間を埋める熱伝導材５と、を備えるプリント基板の放熱構造１であって、熱伝導材５と対向する貫通ビア７には、熱伝導材５の流入を阻止するための充填材８が充填されている、という構成を採用することによって、熱伝導材５に放熱グリス等の流動性物質を用いた場合であっても漏れ出し難く、また、放熱効率の低下を抑制できるプリント基板の放熱構造１が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、本発明を車両用の電子制御装置に用いられるプリント基板の放熱構造に適用した場合について説明したが、本発明のプリント基板の放熱構造はこれ以外の電子装置にも適用可能である。

１…プリント基板の放熱構造、２…プリント基板、３…電子部品、４…筐体（放熱部材）、５…熱伝導材、７…貫通ビア（放熱用貫通穴）、８…充填材、９…ソルダーレジスト

Claims (5)

1. 放熱用貫通穴を有するプリント基板と、前記プリント基板に対向する位置に配置された放熱部材と、前記プリント基板と前記放熱部材との隙間を埋める熱伝導材と、を備えるプリント基板の放熱構造であって、
   前記熱伝導材と対向する前記放熱用貫通穴には、前記熱伝導材の流入を阻止するための充填材が充填されている、ことを特徴とするプリント基板の放熱構造。
2. 前記プリント基板には、電子部品が実装されており、
   前記充填材が充填されている前記放熱用貫通穴は、前記電子部品の周辺に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板の放熱構造。
3. 前記充填材は、前記プリント基板の熱膨張係数に対応する熱膨張係数を有している、ことを特徴とする請求項１または２に記載のプリント基板の放熱構造。
4. 前記プリント基板は、多層基板であり、
   前記放熱用貫通穴は、貫通ビアである、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプリント基板の放熱構造。
5. 前記充填材が充填されている前記放熱用貫通穴は、ソルダーレジストで覆われている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプリント基板の放熱構造。

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