JP2017069310A - 電子部品の冷却構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線基板に実装された複数の電子部品を放熱板に取り付ける際の困難性を低減しうる電子部品の冷却構造を提供する。【解決手段】配線基板３０の表面３２に取り付けられ、表面と対向する頂壁１２と、一端部が頂壁１２につながり他端部が表面３２に取り付けられる側壁１４、１４とを有し、頂壁１２に電子部品２０が接触して電子部品２０からの熱が伝達される放熱部材１０と、配線基板３０から離間し、放熱部材１０、１０Ａが接触することで放熱部材１０、１０Ａからの熱が伝達される放熱板４０と、を備え、放熱板４０は、放熱部材１０よりも熱容量が大きい、配線基板３０に実装された電子部品２０を冷却する、電子部品の冷却構造。【選択図】図４

Description

本発明は、配線基板上の電子部品を冷却する構造およびその製造方法に関する。

従来、表面に電子部品が装着された配線基板では、半導体部品など通電時に発熱が多い電子部品の放熱のために、ヒートシンク等の放熱用部品を上記電子部品に接触させて実装する場合がある。この場合、放熱用部品を電子部品に取り付けてから、電子部品を配線基板に実装する。そのような放熱用部品として、電子部品を取り付けるための取付孔が設けられたヒートシンクが知られている（例えば特許文献１）。

特開平１１−３４５９２５号公報

放熱を要する電子部品が配線基板上に複数存在する場合には、１枚の広い放熱板にそれら複数の電子部品を取り付ける場合がある。この場合、これらの複数の電子部品が、配線基板に半田付けされるよりも前に放熱板にまず位置合わせされて取り付けられてから、各電子部品の通電用の端子であるリード線が、配線基板上のスルーホールとも呼ばれる取付部の挿通孔に各々挿通されて、配線基板に半田付けされる（以下、組立手順という）。これに対し、複数の電子部品をまず配線基板に半田付けしてから放熱板に取付け固定する手法（以下、比較手法という）では、放熱板への取付け固定時に電子部品が位置ずれして外力が電子部品のリード線に付加されて半田付け部分に応力が生じ、半田付け不良となることがある。そこで、この半田付け不良を避けるために、上記組立手順が採用されている。

一方で、上記組立手順において、スルーホールの直径がリード線の外径より若干大きい程度にすぎないことに加え、リード線に歪みが存在して全てが平行になるとは限らないので、放熱板に取付け固定された電子部品のリード線全てを、位置合わせしてから配線基板上のスルーホールに挿通させるのは、困難な作業となる。電子部品の数が多くなるほど、リード線の上記位置合わせは一層困難となる。しかしながら、特許文献１の技術は、１つの電子部品に対して取付け固定される放熱用部品しか開示していないので、こうした困難性を解消できない。

そこで、本発明は、配線基板に実装された複数の電子部品を放熱板に取り付ける際の困難性を低減しうる電子部品の冷却構造およびその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明にかかる電子部品の冷却構造は、配線基板に実装された電子部品を冷却する冷却構造であって、
前記配線基板の一方の主面に取り付けられ、前記一方の主面と対向する頂壁と、一端部が前記頂壁につながり他端部が前記一方の主面に取り付けられる側壁とを有し、かつ前記頂壁に前記電子部品が接触して前記電子部品からの熱が伝達される放熱部材と、
前記配線基板から離間し、前記放熱部材が接触することで前記放熱部材からの熱が伝達される放熱板と、を備え、
前記放熱板は、前記放熱部材よりも熱容量が大きくなっている。

本発明によれば、配線基板に実装された電子部品の放熱用に、当該電子部品に接触する放熱部材が配線基板の一方の主面に取り付けられ、電子部品ではなく、この放熱部材が配線基板から離間した放熱板に接触される。この構成では、例えば、電子部品および放熱部材が配線基板に半田付けされてから、当該放熱部材が放熱板に取付け固定される上記比較手法に近い手法でも、取付け固定の際の外力は放熱部材に吸収されるので、取付け固定の際の外力が電子部品に付加されて半田付け部分に応力が生じることは無く、半田付け部分に不具合が発生して半田付けが不良となることは無い。すなわち、電子部品を、配線基板に半田付けするよりも前に放熱板にまず取り付けてから、電子部品のリード線をスルーホールに挿通して、配線基板に半田付けする、という前述の組立手順を採用する必要がない。このように、本発明によれば、電子部品のリード線を配線基板上のスルーホールに挿通させて配線基板に半田付け固定する本作業の前に、当該電子部品を放熱板に仮止めで取付けて、スルーホールにリード線を一旦挿通させて電子部品の位置合わせするという困難な前作業を必要としないので、配線基板に実装された複数の電子部品を放熱板に取り付ける際の困難性を低減できる。

前記配線基板の一方の主面に、前記放熱部材と、前記放熱部材の前記頂壁に接触して取り付けられた前記電子部品と、前記一方の主面からの高さが前記放熱部材の前記頂壁の高さよりも低い前記電子部品とが実装され、前記配線基板の他方の主面に、前記他方の主面からの高さが前記放熱部材の前記頂壁の前記高さよりも高い前記電子部品が実装されることが好ましい。放熱部材の頂壁の前記高さよりも高い前記電子部品と放熱部材とが配線基板の同じ面に実装されると、当該電子部品が放熱板に頭打ちして、放熱部材が放熱板に接触することができない非接触状態が生じる。しかし、上記構成によると、放熱部材および放熱部材に取り付けられた電子部品と、高さが放熱部材の頂壁の前記高さよりも低い電子部品とが同じ面である一方の主面に実装され、一方の主面とは逆の面である他方の主面に、高さが放熱部材の頂壁の前記高さよりも高い電子部品が実装されるので、上記非接触状態を解消できる。

前記配線基板の他方の主面における前記放熱部材に対応する位置に、他の電子部品が実装され、その取付部が前記配線基板を貫通して前記一方の主面に露出しており、前記放熱部材の前記頂壁に、前記一方の主面に露出している取付部へアクセスするための開口部が形成されていることが好ましい。前記他の電子部品の、一方の主面側に露出した取付部は、一方の主面に存在する放熱部材に覆われる形となるが、放熱部材の頂壁の開口部を通して前記取付部へアクセスできるので、当該取付部への半田付けが容易となる。したがって、他方の主面における他の電子部品の配置の制約が軽減される。

本発明にかかる電子部品の冷却構造の製造方法は、前記電子部品を前記放熱部材の前記頂壁に接触させて取り付ける第１工程と、前記放熱部材と、前記放熱部材の前記頂壁に取り付けられた前記電子部品とを前記配線基板に半田付けする第２工程と、前記第２工程の半田付け後に、複数の前記放熱部材を前記放熱板へ取り付ける第３工程と、を有する。

上記の各電子部品の冷却構造では、既に上で述べた理由により前述の組立手順を採用する必要がないから、本発明の製造方法を採用しても、放熱板に取付け固定された電子部品のリード線を、位置合わせして配線基板上のスルーホールに挿通させるという困難な作業を必要としない。よって、本発明にかかる電子部品の冷却構造の製造方法は、配線基板に実装された複数の電子部品を放熱板に取り付ける際の困難性を低減することができる。

上記製造方法の前記第２工程は、前記配線基板の一方の主面に、前記放熱部材と、前記放熱部材の前記頂壁に取り付けられた前記電子部品と、前記一方の主面からの高さが前記放熱部材の前記頂壁の高さよりも低い前記電子部品とを半田付けし、前記配線基板の他方の主面に、前記他方の主面からの高さが前記放熱部材の前記頂壁の前記高さよりも高い前記電子部品を半田付けする工程を有することが好ましい。この構成によれば、高さが放熱部材の頂壁の前記高さよりも高い電子部品が放熱部材と同じ面に実装されることで、当該電子部品が放熱板に頭打ちして、放熱部材が放熱板に接触することができない上記の非接触状態を解消できる。

前記第２工程は、前記開口部を通じて、前記他の電子部品の前記取付部へ半田付けを行う工程を有することが好ましい。この構成により、既に上で述べた理由により、他方の主面における他の電子部品の配置の制約が軽減される。

本発明に係る電子部品の冷却構造およびその製造方法によると、配線基板に実装された複数の電子部品を放熱板に取り付ける際の困難性を低減することができる。

第１実施形態に係る放熱部材を示す斜視図である。 第２実施形態に係る放熱部材を示す斜視図である。 第１、第２実施形態に係る放熱部材および電子部品を配線基板に取付けた状態を示す正面図である。 配線基板に取付けられた第１および第２実施形態に係る放熱部材を放熱板に接触させた状態を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号は、同一または相当部分を示し、特段変更等の説明がない限り、適宜その説明を省略する。

図１に、第１実施形態に係る放熱部材の斜視図を示す。放熱部材１０は、例えば、電子部品２０が接触して通電時に電子部品２０からの熱が伝達され、放熱面積を増加させることで、電子部品２０の発熱の冷却を促進するために使用される部材である。放熱部材１０は、頂壁１２と、その両端に連なる一対の側壁１４、１４とを有し、図３の配線基板３０の一方の主面である表面３２に取り付けられる。頂壁１２は、表面３２と対向し、各側壁１４は、一端部が頂壁１２につながり、他端部が表面３２に取り付けられる。なお、放熱部材１０には、表面積を拡大するために、図１に二点鎖線で示す冷却フィン１５が設けられてもよい。

放熱部材１０の材料として、例えば、伝熱特性の良いアルミニウム、鉄、銅の金属またはそれらの合金などが用いられ、他に熱伝導率の高いセラミックが用いられる。コスト面および生産性の面から、本実施形態では、長尺なほぼ矩形状のアルミ板にプレス加工を施して、正面視でいわゆるＵ字形状に塑性加工したものを、放熱部材１０として使用する。

頂壁１２は、具体的には、上下方向の平面視で矩形状をなし一組の対辺の各々から下方に向けてほぼ矩形形状の側壁１４が伸びている。各側壁１４は、配線基板３０の係止孔（不図示）に半田付けされて係止される突片である２つの係止片１６、１６を、下方に突出して有している。頂壁１２には、電子部品２０を取り付けるためのねじ孔１８が形成されている。ここで、電子部品２０は、頂壁１２に対して接触して、電子部品２０からの熱が、放熱部材１０に伝播する。

電子部品２０は、通電時に発熱が多く放熱が必要とされる半導体部品のようなものであり、本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、３本の通電用端子すなわちリード線２２、２２、２２を有する。３本のリード線２２、２２、２２は、図３に示す配線基板３０上の所定の取付部のスルーホールＴＨに半田付けされて、配線基板上の電気配線（配線パターンともいう）に電気的に結合される。なお、スルーホールＴＨは、通常、配線パターンに接続された金属製の筒状の導通部等を孔の内部に有しており、電子部品のリード線が孔内部に挿通されて導通部に半田付けされるが、孔の内部の当該導通部を有することなく、孔内部にはリード線が挿通されるのみで半田付けは基板の表面のみでなされてもよい。リード線２２、２２、２２を除く電子部品２０の本体部分の該リード線とは反対側の端部付近に、挿通孔２４が設けられており、ねじ体ＢＳが挿通孔２４に挿通されて頂壁１２のねじ孔１８に螺合されることにより、電子部品２０が放熱部材１０にねじ止め固定されている。但し、このねじ止め固定に代えて、電子部品２０は、放熱部材１０に伝熱性接着剤等で固定されてもよく、また両方の方法で固定されてもよい。

図２に、第２実施形態に係る放熱部材の斜視図を示す。第２実施形態の放熱部材１０Ａの頂壁１２Ａには、放熱部材１０の頂壁１２とは異なり、ほぼ矩形状の貫通孔である開口部１８Ｂが設けられている。開口部１８Ｂについては、後で詳述する。放熱部材１０Ａは、これ以外の点では、図１の放熱部材１０と同じである。

図３に、第１実施形態に係る第１の放熱部材１０、第２実施形態に係る第２の放熱部材１０Ａ、および電子部品を、配線基板３０に取付けた状態の正面図を示す。配線基板３０の一方の主面である表面３２に、第１および第２の放熱部材１０、１０Ａと、第１の放熱部材１０の頂壁１２に接触して取り付けられた電子部品２０および第２の放熱部材１０Ａの頂壁１２Ａに接触して取り付けられた電子部品（図３では図示を省略）と、複数の他の電子部品２０Ａとが実装されている。他の電子部品２０Ａは、各々、表面３２からの高さが放熱部材１０、１０Ａの頂壁の高さ（以下、単に高さという）Ｈ１よりも低くなっている。

一方、配線基板３０の他方の主面である裏面３４に、裏面からの高さＨ２が両放熱部材１０、１０Ａの高さＨ１よりも高い（高さＨ２＞高さＨ１）他の電子部品２０Ｂが、リード線２２Ｂ、２２Ｂが配線基板３０に半田付けされることで、実装される。背の高い電子部品２０Ｂのリード線２２Ｂ、２２Ｂの半田付けは、電子部品２０Ｂが裏面３４側に存在しているので、配線基板３０の表面３２側で施される。

電子部品２０Ｂのリード線２２Ｂ、２２Ｂが配線基板３０に半田付けされる部分、すなわち２つのスルーホールＴＨ、ＴＨは、配線基板３０の他方の主面３４における第２の放熱部材１０Ａに対応する位置にある。さらに、スルーホールＴＨ、ＴＨは、頂壁１２Ａの開口部１８Ｂの直下、つまり、配線基板３０の表面３２、裏面３４に直交する方向から見て開口部１８Ｂと重なる位置にある。すなわち、表面３２側から開口部１８Ｂを通じて２つのスルーホールＴＨ、ＴＨが視認可能となっている。よって、図３に示すように、開口部１８Ｂを通じて、２つのスルーホールＴＨ、ＴＨへのアクセスＡＣＳ、ＡＣＳが可能となる。このことにより、開口部１８Ｂに挿入した半田ごてによって、表面３２側から、各リード線２２Ｂ、２２Ｂを２つのスルーホールＴＨ、ＴＨに半田付けが可能である。以上により、他方の主面３４における他の電子部品２０Ｂの配置の制約が軽減される。なお、図３に示す第２の放熱部材１０Ａは、手前側（配線基板３０に平行な向きで紙面上方側）の側壁１４Ａが部分的に切欠され、開口部１８Ｂが露出した断面図で表され、配線基板３０の表面３２から突出したリード線２２Ｂ、２２Ｂの先端部が示されている。

図４に、配線基板３０に取付けられた第１および第２実施形態に係る放熱部材１０、１０Ａを放熱板に接触させた状態の正面図を示す。配線基板３０は、上下が反転されて、表面３２が下面となり、裏面３４が上面となっている。この状態の時、放熱部材１０、１０Ａの高さＨ１よりも高い高さＨ２である電子部品２０Ｂは裏面３４に実装されており、表面３２の放熱部材１０、１０Ａが同じ高さＨ１であり、同じ表面３２の電子部品２０Ａの各々の高さが高さＨ１よりも低くなっている。したがって、放熱部材１０、１０Ａは、配線基板３０から下方に離間して存在する放熱板４０に、両方同時に接触することが可能である。この放熱板４０は、放熱部材１０、１０Ａを合わせた熱容量よりも大きい熱容量の材料が使用され、主面が平坦なテーブル状であり、この放熱部材１０、１０Ａと放熱板４０との接触により、電子部品２０、２０で発生した熱は、放熱部材１０、１０Ａから放熱板４０に伝導され、放熱板４０から放出される。ここで、放熱部材１０、１０Ａと放熱板４０との接触の際、放熱部材１０、１０Ａの頂壁１２、１２Ａ上の各ねじ体ＢＳの先端部が邪魔となるので、放熱板４０にはこれらの先端部を完全に収納する凹部４２Ａ、４２Ａが設けられている。

放熱部材１０、１０Ａの高さＨ１よりも高い高さＨ２の電子部品２０Ｂが、配線基板３０の裏面３４に実装され、同じ高さＨ１の放熱部材１０、１０Ａと放熱部材１０、１０Ａの高さＨ１よりも低い高さの電子部品２０Ａとが、配線基板３０の同じ表面３２に実装されることで、電子部品２０Ｂが放熱板４０に頭打ちして、放熱部材１０、１０Ａが放熱板４０に接触することができない上記非接触状態は発生しない。なお、裏面３４の電子部品２０Ｂの高さは、放熱部材１０、１０Ａの高さＨ１よりも低くてもよく、この場合でもやはり、放熱部材１０Ａの開口部１８Ｂを通じて電子部品２０Ｂの半田付けが可能であり、裏面３４における他の電子部品の配置の制約が軽減される。

本実施形態では、放熱部材１０、１０Ａと放熱板４０とは、伝熱性接着剤等が用いられて接触して固定されているが、放熱部材１０Ａが、仮想線で示すような固定片１１、１１を有し、ねじ体ＢＳ１で各固定片１１が放熱板４０に対してねじ止めされることで、放熱板４０に接触して固定されてもよい。このことは、放熱部材１０も同様である。このねじ止めがある場合は、配線基板３０の放熱板４０に対するねじ止めの代わりとすることができ、配線基板３０を放熱板４０へ固定するためのスペーサを取り付けるのに従来必要であった配線基板３０上のスペースを不要とできる。

以上の放熱部材１０または放熱部材１０Ａと、放熱板４０とで、電子部品の冷却構造が構成される。この電子部品の冷却構造は、以下の工程、すなわち、図１に示すような、電子部品２０を放熱部材１０の頂壁１２に接触させて取り付ける第１工程Ｓ１と、図３に示すような、放熱部材１０、１０Ａと、放熱部材１０、１０Ａの頂壁１２、１２Ａに取り付けられた電子部品２０、２０とを配線基板３０に半田付けする第２工程Ｓ２と、図４に示すような、この第２工程Ｓ２の半田付け後に、複数の放熱部材１０、１０Ａを放熱板４０へ取り付ける第３工程Ｓ３、を経て製造される。なお、上記第１工程Ｓ１では、放熱部材１０と同様に、電子部品２０を図２の放熱部材１０Ａの頂壁１２Ａに接触させて取り付ける。

第２工程Ｓ２には、放熱部材１０、１０Ａの高さＨ１よりも低い高さの他の電子部品２０Ａを、配線基板３０の放熱部材１０、１０Ａと同じ表面３２に半田付けされる工程Ｓ２ａが含まれる。このような半田付けは、例えばフローはんだ付けで行われる。さらに、第２工程Ｓ２には、例えばこのフローはんだ付けの後に実行される、図３に示すような、放熱部材１０、１０Ａの高さＨ１よりも高い高さＨ２の他の電子部品２０Ｂが、配線基板３０の裏面３４に半田付けされる工程Ｓ２ｂが含まれる。このとき、電子部品２０Ｂの各リード線は、いわゆる手はんだ付けにより、放熱部材１０Ａの頂壁１２Ａの開口部１８Ｂを通じて、配線基板３０上の所定のスルーホールＴＨに表面３２側で半田付けされる。第３工程Ｓ３には、既に述べたような図４に示す配線基板３０の反転工程Ｒが含まれる。

以上の電子部品の冷却構造により、配線基板３０に実装された電子部品２０の放熱用に、放熱部材１０、１０Ａが配線基板３０の表面３２に取り付けられ、電子部品２０ではなく、この放熱部材１０、１０Ａが配線基板３０から離間した放熱板４０に接触される。この電子部品の冷却構造は、上記製造工程の様に、電子部品２０および放熱部材１０、１０Ａが配線基板３０に半田付けされてから、放熱部材１０、１０Ａが放熱板４０に取付け固定される前述した比較手法に近い手法で製造されるが、この構成では、この放熱板４０への取付け固定の際の外力は放熱部材１０、１０Ａに吸収されるので、取付け固定の際の外力が電子部品２０に付加されて半田付け部分（不図示）に応力が生じることは無く、半田付け部分に不具合が発生して半田付けが不良となることは無い。

また、電子部品２０を、配線基板３０に半田付けするよりも前に放熱板４０にまず取り付けてから、電子部品２０のリード線２２、２２、２２をスルーホールＴＨに挿通して、配線基板３０に半田付けする、という前述の組立手順を採用する必要がない。よって、放熱板４０に取付け固定された電子部品２０のリード線２２、２２、２２を、位置合わせして配線基板３０上のスルーホールＴＨに挿通させるという困難な作業を必要としないので、配線基板３０に実装された複数の電子部品２０を放熱板４０に取り付ける際の困難性を低減できる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。例えば、放熱部材１０、１０Ａは、上記実施形態の形状に制限されること無く、また一つの放熱部材１０または放熱部材１０Ａに複数の電子部品２０が取り付けられてもよい。高さＨ１より低い高さの電子部品２０Ａが、放熱部材１０、１０Ａとは異なる裏面３４に実装されてもよい。こうした構成も本発明の範囲内に含まれる。

１０、１０Ａ：放熱部材
１２、１２Ａ：頂壁
１４，１４Ａ：側壁
１８Ｂ：開口部
２０、２０Ａ、２０Ｂ：電子部品
２２、２２Ｂ：リード線
３０：配線基板
３２：表面（一方の主面）
３４：裏面（他方の主面）
４０：放熱板
Ｓ１：第１工程
Ｓ２：第２工程
Ｓ３：第３工程
ＴＨ：スルーホール

Claims (6)

1. 配線基板に実装された電子部品を冷却する冷却構造であって、
   前記配線基板の一方の主面に取り付けられ、前記一方の主面と対向する頂壁と、一端部が前記頂壁につながり他端部が前記一方の主面に取り付けられる側壁とを有し、かつ前記頂壁に前記電子部品が接触して前記電子部品からの熱が伝達される放熱部材と、
   前記配線基板から離間し、前記放熱部材が接触することで前記放熱部材からの熱が伝達される放熱板と、を備え、
   前記放熱板は、前記放熱部材よりも熱容量が大きい、
   電子部品の冷却構造。
2. 請求項１に記載の電子部品の冷却構造であって、
   前記配線基板の一方の主面に、前記放熱部材と、前記放熱部材の前記頂壁に接触して取り付けられた前記電子部品と、前記一方の主面からの高さが前記放熱部材の前記頂壁の高さよりも低い前記電子部品とが実装され、
   前記配線基板の他方の主面に、前記他方の主面からの高さが前記放熱部材の前記頂壁の前記高さよりも高い前記電子部品が実装される、電子部品の冷却構造。
3. 請求項１に記載の電子部品の冷却構造であって、
   前記配線基板の他方の主面における前記放熱部材に対応する位置に、他の電子部品が実装され、その取付部が前記配線基板を貫通して前記一方の主面に露出しており、
   前記放熱部材の前記頂壁に、前記一方の主面に露出している取付部へアクセスするための開口部が形成されている、電子部品の冷却構造。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電子部品の冷却構造を製造する方法であって、
   前記電子部品を前記放熱部材の前記頂壁に接触させて取り付ける第１工程と、
   前記放熱部材と、前記放熱部材の前記頂壁に取り付けられた前記電子部品とを前記配線基板に半田付けする第２工程と、
   前記第２工程の半田付け後に、前記放熱部材を前記放熱板へ取り付ける第３工程と、
   を有する電子部品の冷却構造の製造方法。
5. 請求項２に記載の電子部品の冷却構造を製造する、請求項４に記載の電子部品の冷却構造の製造方法であって、
   前記第２工程は、
   前記配線基板の一方の主面に、前記放熱部材と、前記放熱部材の前記頂壁に取り付けられた前記電子部品と、前記一方の主面からの高さが前記放熱部材の前記頂壁の高さよりも低い前記電子部品とを半田付けし、
   前記配線基板の他方の主面に、前記他方の主面からの高さが前記放熱部材の前記頂壁の前記高さよりも高い前記電子部品を半田付けする工程を有する、電子部品の冷却構造の製造方法。
6. 請求項３に記載の電子部品の冷却構造を製造する、請求項４に記載の電子部品の冷却構造の製造方法であって、
   前記第２工程は、前記開口部を通じて、前記他の電子部品の前記取付部へ半田付けを行う工程を有する、電子部品の冷却構造の製造方法。

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