JP2017188597A - 基板ユニットおよび基板ユニットの製造方法 - Google Patents

基板ユニットおよび基板ユニットの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】製造コストを抑えつつ、安全保持部品が配線基板に実装された基板ユニットの放熱性を向上させる。【解決手段】本発明に係る基板ユニット（１００）は、配線基板（１）と、配線基板上に配置された安全保持部品としての電子部品（２＿１，２＿２）と、配線基板上に、安全保持部品としての電子部品と本質安全防爆構造の要件を満たす距離をあけて配置された複数の金属部品（３Ｃ〜３Ｆ，４）と、配線基板上に、複数の金属部品の少なくとも一つと安全保持部品としての電子部品とを覆う樹脂膜（７）とを有し、上記樹脂膜は、少なくとも１．０Ｗ／ｍｋの熱伝導率と少なくとも３．０ｋＶ／ｍｍの絶縁破壊強さとを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、配線基板に電子部品が実装された基板ユニットに監視し、例えば本質安全防爆構造が要求されるポジショナ等に搭載する基板ユニットおよび基板ユニットの製造方法に関する。
流量のプロセス制御に用いられる調節弁を制御するためのポジショナや圧力発信器等の化学プラント等で用いられる工業製品は、可燃性ガスが充満した爆発性雰囲気の環境下で使用される場合があるため、本質安全防爆構造が求められている。
工業製品が本質安全防爆構造として認められるための一つの要件として、工業製品内部に用いられるツェナダイオード等の電気エネルギーを制限する電子部品を電気エネルギーの総量を所定値以下に抑えて動作させる安全保持部品として設計する必要がある（規格ＩＥＣ６００７９−１１）。
安全保持部品は、回路設計上印加されうる最大電力の１．５倍を与えても定格範囲内で動作することが求められている。
しかしながら、ツェナダイオードの場合、実際に配線基板（プリント基板）に実装した後に、本質安全防爆性能の評価のために実施される電力印加試験において、定格を超える温度上昇が発生し、追加の放熱対策が必要となることがある。
一般的な放熱対策としては、プリント基板上の放熱対象の電子部品（ツェナダイオード）周辺の配線としての配線パターン（銅箔パターン）の面積を大きくする方法や、プリント基板を収容した放熱板の内側に熱伝導性の高いポッティング剤を大量に充填する方法（特許文献１参照）等が知られている。
特開２００６−２４７４６号公報
しかしながら、上述した従来の放熱対策は、以下に示すように、安全保持部品が実装された基板ユニットの放熱性を高めるための適切な方法とは言えない。
例えば、本質安全防爆では、安全保持部品を確実に機能させるために、安全保持部品そのものと周辺導体との絶縁性を高めることや、安全保持部品の周辺の導体間にて絶縁性を高めること等が必要である。具体的には、安全保持部品や周囲導体において高い絶縁性が必要とされる部位を、周囲導体から所定の距離だけ離間して配置する必要がある。そのため、安全保持部品の周辺の配線パターンの面積を大きくする方法では、本質安全防爆が要求されていない一般的な工業製品に比べて、放熱のための配線パターンの面積を大きくする必要があり、プリント基板のサイズの増大を招く。これは、近年、増加している製品の小型化要求に反することになり、現実的ではない。
また、特許文献１に開示された放熱板の内側に熱伝導性の高いポッティング剤を大量に充填する方法では、放熱板が別途必要になるとともに、大量のポッティング剤が必要となり、部品コストの増大を招く。
更に、上述したように、本質安全防爆構造が要求される基板ユニットの放熱対策は本質安全防爆性能の評価試験を行った後に必要となることが多いため、上述した従来のいずれの方法も、プリント基板の再設計や放熱板等の追加に伴う基板ユニットの作り直しや再評価が必要となり、作業工数の増加を招く。
このように、従来の放熱対策は、作業工数や部品コスト等の製造コストの増大を招くため、安全保持部品が配線基板に実装された基板ユニットの放熱性を高めるための適切な方法とは言い難い。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、製造コストを抑えつつ、安全保持部品が配線基板に実装された基板ユニットの放熱性を向上させることにある。
本発明に係る基板ユニット（１００，１００Ａ）は、配線基板（１）と、配線基板上に配置された安全保持部品としての電子部品（２＿１，２＿２）と、配線基板上に、安全保持部品としての電子部品と本質安全防爆構造の要件を満たす距離をあけて配置された複数の金属部品（３Ｃ〜３Ｆ，４）と、配線基板上に、複数の金属部品の少なくとも一つと安全保持部品としての電子部品とを覆う樹脂膜（７）とを有し、上記樹脂膜は、少なくとも１．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率と少なくとも３．０ｋＶ／ｍｍの絶縁破壊強さとを有することを特徴とする。
上記基板ユニットにおいて、樹脂膜に覆われる金属部品は、配線基板上に形成された配線（３Ｃ〜３Ｆ）を含んでもよい。
上記基板ユニットにおいて、配線（３Ｃ）は、安全保持部品としての電子部品と異なる他の電子部品と接続されていなくてもよい。
上記基板ユニットにおいて、配線は、配線基板の表面（１Ｘ）に垂直方向に形成された穴（３０ａ〜３０ｃ）を有していてもよい。
上記基板ユニットにおいて、樹脂膜に覆われる金属部品は、配線基板を筐体に固定するための、金属から成る固定部品（４）を含んでもよい。
上記基板ユニットにおいて、上記樹脂は、硬化させる前の粘度が少なくとも５０Ｐａ・ｓであってもよい。
上記基板ユニットにおいて、安全保持部品としての電子部品は、ツェナダイオード（２＿１，２＿２）であってもよい。
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を括弧を付して記載している。
以上説明したことにより、本発明によれば、製造コストを抑えつつ、安全保持部品が配線基板に実装された基板ユニットの放熱性を向上させることが可能となる。
図１は、本発明の一実施の形態に係る基板ユニットの構成を模式的に示す平面図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る基板ユニットの放熱経路を模式的に示す平面図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る基板ユニットの別の構成を模式的に示す平面図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る基板ユニットの製造方法を示すフロー図である。 図５は、樹脂膜が形成される前の基板ユニットの構成を模式的に示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る基板ユニットの構成を模式的に示す平面図である。
図１に示される基板ユニット１００は、本質安全防爆構造が要求される工業製品の一部を構成する電子回路が配線基板上に形成された１つの電子回路モジュールである。基板ユニット１００は、配線基板１と、配線基板１に実装された電子部品および金属部品と、樹脂膜７とを有する。
配線基板１は、例えばプリント基板であり、金属材料（例えば銅を含む金属材料）から成るメタル配線としての配線パターンが基板表面（裏面）や基板内部に形成されている。図１には、上記メタル配線の一例として、配線パターン３Ａ〜３Ｆが図示されている。また、配線基板１には、例えば基板ユニット１００を収容するための筐体（金属ケース，図示せず）に、配線基板１を固定するための金属から成る固定部品（例えば、ねじ、およびナット）４が実装されている。
上記電子部品は、配線基板１上に形成された配線に適宜半田付けされて、実装されている。上記電子部品としては、マイコン、トランジスタ、ツェナダイオード、容量、抵抗、およびコイル等を例示することができる。図１には、上記電子部品として、並列接続された２つのツェナダイオード２＿１，２＿２と、抵抗６とが、配線基板１の表面に実装された場合が図示されている。
ここで、ツェナダイオード２＿１，２＿２は、安全保持部品として設計されている。これらを確実に機能させるため、ツェナダイオード２＿１，２＿２が配置されるエリア１Ａとその周辺導体とは、本質安全防爆構造の要件を満たす距離だけ離して配置されている。例えば、図１に示すように、安全保持部品としてのツェナダイオード２＿１，２＿２が配置されるエリア１Ａと他の配線パターン３Ｂ〜３Ｅとが、所定の距離ｄ１〜ｄ３を離して配置されている。
樹脂膜７は、安全保持部品の放熱経路を形成する。樹脂膜７は、配線基板１に必要な配線パターンが形成され電子部品が実装された後に、樹脂から成るポッティング剤を配線基板１上の必要な箇所に連続的に塗布することによって形成される。
樹脂膜７は、できるだけ高い熱伝導率および絶縁破壊強さを有していることが望ましい。具体的には、硬化後の樹脂から成るポッティング剤、すなわち樹脂膜７は、少なくとも１．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有していることが望ましい。
また、防爆規格において本質安全回路と非本質安全回路との間は最低でも１５００Ｖｒｍｓの耐電圧特性が要求されるため、その間の距離を考慮すると、樹脂膜７は、例えば、少なくとも３．０ｋＶ／ｍｍの絶縁破壊強さを有していることが望ましい。
上記樹脂としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、またはウレタン樹脂等を例示することができる。また、上記樹脂は、硬化前の粘度が少なくとも５０Ｐａ・ｓであることが望ましい。
樹脂膜７を形成するための樹脂（ポッティング剤）としては、例えば、熱伝導率２．８Ｗ／ｍＫ，絶縁破壊強さ１９ｋＶ／ｍｍ、硬化前の粘度２３０Ｐａ・ｓの熱伝導性シリコーン接着剤（ＳＥ ４４８５，東レ・ダウコーニング製）を用いることができる。
上記ポッティング剤を、安全保持部品であるツェナダイオード２＿１，２＿２から配線基板１上に存在する少なくとも一つの金属部品まで連続的に塗布し、硬化させることにより、樹脂膜７を、ツェナダイオード２＿１，２＿２と上記金属部品とを覆って形成することができる。例えば、ツェナダイオード２＿１，２＿２と、電子部品が接続されていない配線パターン３Ｃ，３Ｆと、抵抗６が接続された配線パターン３Ｅと、固定部品４とを覆って上記ポッティング剤を塗布することにより、図１に示すように、樹脂膜７をツェナダイオード２＿１，２＿２と周辺の金属部品とを一体に覆って形成することができる。
樹脂膜７を形成することにより、図２に示すように、ツェナダイオード２＿１，２＿２から、配線パターン３Ｃ、配線パターン３Ｅ、および固定部品４への放熱経路を形成することができる。これにより、ツェナダイオード２＿１，２＿２と、配線パターン３Ｃ、配線パターン３Ｅ、および固定部品４との絶縁性を保ちつつ、ツェナダイオード２＿１，２＿２で発生した熱を配線パターン３Ｃ、配線パターン３Ｅ、および固定部品４に逃がすことができ、基板ユニット１００の放熱性を高めることができる。
また、図１に示すように、配線パターン３Ｃ，３Ｆに形成されたスルーホールやビア等の配線基板１の表面１Ｘに垂直方向な方向に形成された穴３０ａ〜３０ｃを覆うように樹脂膜７を形成することにより、配線基板１の表面のみならず、配線基板１の裏面や中間層に形成された配線パターン等にも熱を逃がすことができるので、放熱性の更なる向上が期待できる。
なお、樹脂膜７は、放熱先の銅箔パターン（配線パターン）等の金属部品に直接接触させて形成することが好ましいが、銅箔パターンの表層にレジスト膜が形成されている場合には、そのレジスタ膜上に樹脂膜７を形成してもよい。一般に、上記レジスト膜の膜厚は十分に小さいので、銅箔パターンのレジスト膜上に樹脂膜７を形成した場合であっても、一定以上の放熱効果が期待できる。
樹脂膜７を形成する配線基板１上の位置は、図１に示す例に限定されず、安全保持部品であるツェナダイオード２＿１，２＿２の放熱経路を形成したい位置に、上記ポッティング剤を連続的に塗布すればよい。例えば、放熱対象の安全保持部品以外の他の電子部品への熱の伝搬を避けたい場合には、放熱対象の安全保持部品と他の電子部品が接続されていない金属部品とを一体に覆う樹脂膜７を形成すればよい。例えば、ツェナダイオード２＿１，２＿２で発生した熱の抵抗６への伝搬を回避したい場合には、抵抗６を避けて、ツェナダイオード２＿１，２＿２から配線パターン３Ｃおよび固定部品４へ上記ポッティング剤を連続的に塗布することにより、図３に示す基板ユニット１００Ａのように、ツェナダイオード２＿１，２＿２、配線パターン３Ｃ、および固定部品４を覆う樹脂膜７Ａを形成すればよい。これによれば、耐熱性が低い電子部品や温度変化に敏感な電子部品等への悪影響を低減しつつ、放熱性を高めることができる。
次に、本質安全防爆の要件を満たす基板ユニット１００の製造方法について説明する。
図４は、本発明の一実施の形態に係る基板ユニット１００の製造方法を示すフロー図である。
図４に示すように、先ず、本質安全防爆の要件を満たすように、必要なメタル配線（配線パターン３Ａ〜３Ｆ）を配線基板１上にパターニングして形成し、配線基板１に安全保持部品としての電子部品（ツェナダイオード２＿１，２＿２等）を実装することにより、基板ユニット１００を作製する（Ｓ１）。
次に、ステップＳ１で作製した基板ユニット１００が実際に本質安全防爆の要件を満たしているか否かを判定するために、上述した電力印加試験を含む本質安全防爆性能の評価試験を実施する（Ｓ２）。
次に、ステップＳ２で実施した評価試験（例えば電力印加試験）において、ツェナダイオード２＿１，２＿２から定格を超える温度上昇が発生した場合には、上述したポッティング剤をツェナダイオード２＿１，２＿２から配線基板１上の金属部品の少なくとも一つへ上記ポッティング剤を連続的に塗布することにより、樹脂膜７を形成する（Ｓ３）。その後、必要に応じて、ステップＳ２に戻って評価試験を実行し、基板ユニット１００の放熱性能が向上して問題が発生していないことが確認できるまで、放熱が必要な箇所に樹脂膜７を追加で形成する。
以上のように、本発明に係る基板ユニットによれば、本質安全防爆性能の評価試験を行った後に、放熱が必要な箇所に樹脂膜を形成することにより、基板ユニットの放熱性を向上させることができるので、従来の放熱対策のような配線基板の再設計や放熱板等の部品の追加が不要となる。また、放熱板に樹脂を充填する従来手法のように、大量の樹脂や樹脂を収容するための筐体等は不要である。すなわち、本発明に係る基板ユニットによれば、作業工数や部品コスト等の製造コストを抑えることが可能となる。
また、高い熱伝導率と高い絶縁破壊強さを有する樹脂膜を配線基板上に形成することにより、安全保持部品と配線基板上に配置された他の金属部品との絶縁性を保ちつつ、上記安全保持部品の放熱経路を形成することができる。
したがって、本発明に係る基板ユニットによれば、製造コストを抑えつつ、安全保持部品が配線基板に実装された基板ユニットの放熱性を向上させることが可能となる。
また、高粘性の樹脂を用いて樹脂膜を形成することにより、硬化する前の上記樹脂が配線基板上を流れて、望まない箇所に樹脂膜が形成されることを防ぐことができるので、配線基板上の所望の位置に、所望の形状の樹脂膜を形成することが容易となる。
また、本質安全防爆の要件を満たすためには、導体間の短絡故障を防ぐためのワニスなどによるコーティングが必要となるが、上述の樹脂膜を配線基板上に形成することにより、コーティングの機能をも持たせることができるので、樹脂膜を形成した領域のワニス処理を省くことができる。
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施の形態において、放熱対象の電子部品としてツェナダイオード２＿１，２＿２を例示したが、これに限られず、抵抗やダイオード等のその他の電子部品であってもよい。
また、樹脂膜７によって覆われる金属部品として、固定部品４や配線パターン３Ｃ等を例示したが、これに限られず、配線基板１上に存在する他の金属部品であってもよい。例えば、配線基板１上に形成されたベタアースであってもよい。また、樹脂膜７を、放熱対象の電子部品から配線基板１上を経由して、基板ユニット１００を収容するための金属ケースまで伸ばして形成してもよい。
１００，１００Ａ…基板ユニット、１…配線基板、２＿１，２＿２…ツェナダイオード、３Ａ〜３Ｆ…配線パターン、４…固定部品、６…抵抗、７，７Ａ…樹脂膜、３０ａ〜３０ｃ…穴。

Claims (10)

  1. 配線基板と、
    前記配線基板上に配置された安全保持部品としての電子部品と、
    前記配線基板上に、前記電子部品と本質安全防爆構造の要件を満たす距離をあけて配置された複数の金属部品と、
    前記配線基板上に、前記複数の金属部品の少なくとも一つと前記安全保持部品としての電子部品とを覆う樹脂膜とを有し、
    前記樹脂膜は、少なくとも１．０Ｗ／ｍｋの熱伝導率と少なくとも３．０ｋＶ／ｍｍの絶縁破壊強さとを有する
    基板ユニット。
  2. 請求項１に記載の基板ユニットにおいて、
    前記樹脂膜に覆われる前記金属部品は、前記配線基板上に形成された配線を含む
    ことを特徴とする基板ユニット。
  3. 請求項２に記載の基板ユニットにおいて、
    前記配線は、前記安全保持部品としての電子部品と異なる他の電子部品と接続されていない
    ことを特徴とする基板ユニット。
  4. 請求項２または３に記載の基板ユニットにおいて、
    前記配線は、前記配線基板の表面に垂直な方向に形成された穴を有する
    ことを特徴とする基板ユニット。
  5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の基板ユニットにおいて、
    前記樹脂膜に覆われる前記金属部品は、前記配線基板を筐体に固定するための、金属から成る固定部品を含む
    ことを特徴とする基板ユニット。
  6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の基板ユニットにおいて、
    前記樹脂は、硬化させる前の粘度が少なくとも５０Ｐａ・ｓである
    ことを特徴とする基板ユニット。
  7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の基板ユニットにおいて、
    前記安全保持部品としての電子部品は、ツェナダイオードである
    ことを特徴とする基板ユニット。
  8. 配線基板に、安全保持部品としての電子部品と複数の金属部品とを本質安全防爆構造の要件を満たす距離を離して配線基板に実装することにより、基板ユニットを作製する第１工程と、
    前記基板ユニットに対して本質安全防爆性能の評価試験を行う第２工程と、
    少なくとも１．０Ｗ／ｍｋの熱伝導率と少なくとも３．０ｋＶ／ｍｍの絶縁破壊強さを硬化後に有する樹脂を前記配線基板上に塗布することにより、前記複数の金属部品の少なくとも一つと前記安全保持部品としての電子部品とを覆う樹脂膜を一体に形成する第３工程と、
    を含む
    基板ユニットの製造方法。
  9. 請求項８に記載の基板ユニットの製造方法において、
    前記樹脂膜に覆われる前記金属部品は、前記配線基板上に形成された配線を含む
    ことを特徴とする基板ユニットの製造方法。
  10. 請求項８または９に記載の基板ユニットの製造方法において、
    前記樹脂膜に覆われる前記金属部品は、前記配線基板を筐体に固定するための、金属から成る固定部品を含む
    ことを特徴とする基板ユニットの製造方法。
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