JP2017536693A - Ｅｍｉシールド構造と放熱パッドとを備える電子回路基板組立体 - Google Patents

Abstract

電子回路基板組立体を提供する。電子回路基板組立体は、電子回路基板と、電子回路基板上に設けられた複数の電子回路デバイスと、複数の電子回路デバイスから生じる電磁波を遮蔽するように構成された電磁障害（ＥＭＩ）シールド構造と、複数の電子回路デバイスから生じる熱を放散するように構成された放熱パッドと、を備える。ＥＭＩシールド構造は、複数の電子回路デバイスを覆うとともに電子回路基板に取り付けられている。放熱パッドは、複数の電子回路デバイスとＥＭＩシールド構造との間に設けられ、複数の電子回路デバイスとＥＭＩシールド構造とに接触し、それにより、複数の電子回路デバイスから発生した熱をＥＭＩシールド構造へと移すことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁障害（ＥＭＩ）シールド構造及び放熱パッドを備える電子回路基板組立体に関し、特に、ＥＭＩシールドテープと高い柔軟性を有する放熱パッドとを使用した非常に薄く製造された電子回路基板組立体、及びそれを備える携帯用電子機器に関する。

電気通信産業の発展及び情報社会の確立により、最近の消費者は、多くの機能を有する電子機器やどこでも簡単に利用できる優れた情報処理機能を求めている。電子機器の製造者は、こうした消費者の要望をみたすため、コンパクトで優れた情報処理機能を有する電子機器を競うように発表している。

例えば、「スマートフォン」と一般に呼ばれている電子機器において、携帯電話の基本機能はもちろん、ＧＰＳ受信機、カメラ、及びローカルエリアネットワーク接続装置などのあらゆる補助機器が、高性能なデータ処理装置、メモリ、高解像度ディスプレイ、及び画像処理チップを適用することによって、統合されている。また、スマートフォンは、本格的なインターネット接続、高解像度の動画などのサービス、ナビゲーション、及びインターネットバンキングなどの様々な機能をポケットサイズの装置において提供することもできる。よって、スマートフォンなどの携帯用電子機器において、数多くの電子回路デバイスを狭いスペースに実装し、その電子回路デバイスをよりコンパクトな構成に配置するという要望が、携帯用電子機器の急速な開発に伴ってますます強くなってきている。

小型化された電子機器においては多くの回路が狭いスペースに統合されているため、電波ノイズからの影響を受けやすいという不利な点がある。また、その電子機器には、その電子機器自体から発生したり、外部からその電子機器に侵入したり、接続されている回路配線を介して流れたりする電磁波によってＥＭＩが発生する。電磁波によって発生する有害な影響を抑制するために、従来、その電磁波を遮蔽する導電材料からなるＥＭＩシールド構造を装着し、電子回路基板の所定の領域を覆う方法が用いられている。

一方、電子機器は、材料自体の特性や機器動作時に各部品の接続部分で発生する電気抵抗によって必然的に熱を発生する。発生する熱は動作部品の温度を上昇させるため、この発熱はその電子機器の耐用年数減少の要因となる。特に、この発熱は、規定温度を超えると動作不良を発生しやすくし、その影響を受ける部品は性能を最大限に示すことが難しくなる。また、電子機器の小型化や統合が単位面積当たりに含まれる回路数の増加や更に深刻な発熱の問題に繋がることを考慮すると、小型化された電子機器の発熱は深刻な問題である。冷却手段として冷却ファンを使用する積極的な冷却方法によれば、冷却性能は最大となるが、冷却ファンからの騒音や冷却装置を動作させるために必要な電力消費などの問題を伴う。また、追加の電子回路及び部品スペースが必要となるので、電子機器の最近の傾向である製品の小型化が難しくなるといった問題点もある。したがって、放熱パッド等を使用して外部に熱を放出する消極的な冷却方法が主に使われている。この消極的な冷却方法によれば、冷却ファンを使用する方法と比べて、熱が単に放熱パッド等を通して外部に放出されるので、装置を動作させるための電力は必要なく、騒音も発生せず、電子機器の設計自由度を増すことができる。

熱伝導による熱移動を利用した放熱パッドは電子回路に密着していることが重要である。しかし、電子回路と放熱パッドとの間に隙間がある場合、熱移動効率はその隙間において減少し、温度が部分的に上昇して、電子回路の不具合と耐久性の低下とに繋がる。よって、放熱パッドには、電子機器との粘着性を確実にすることが可能な材料を使用する必要がある。

また、金属材料製の放熱プレート又は製品の外表面上で漏れ電流が発生すると、機器の不具合と耐久性の低下、事故発生のリスク、電力の無駄が起こる場合があるため、放熱パッドは、高い冷却効果だけではなく、高い電気絶縁性を備えている必要がある。よって、特に小型化された電子機器に適用可能であり、従来の放熱パッドより優れた熱伝導性と電気絶縁性とを有する新しい放熱パッドの開発が必要である。

本発明は、電磁障害（ＥＭＩ）シールド構造と放熱パッドとを備えながら、極薄タイプに製作されることができる電子回路基板組立体を提供するものである。

本発明の１つの側面によれば、電子回路基板組立体が提供され、この電子回路基板組立体は、電子回路基板と、電子回路基板上に設けられた複数の電子回路デバイスと、複数の電子回路デバイスから生じる電磁波を遮蔽するように構成された電磁障害（ＥＭＩ）シールド構造と、複数の電子回路デバイスから生じる熱を放散するように構成された放熱パッドと、を備える。ＥＭＩシールド構造は、複数の電子回路デバイスを覆うとともに電子回路基板に取り付けられていてもよい。放熱パッドは、複数の電子回路デバイスとＥＭＩシールド構造との間に設けられ、複数の電子回路デバイスとＥＭＩシールド構造とに接触し、それにより、複数の電子回路デバイスから発生した熱をＥＭＩシールド構造へと移してもよい。

複数の電子回路デバイスのうちの少なくとも１つは、他の電子回路デバイスとは高さが異なってもよい。ＥＭＩシールド構造は、少なくとも１つのＥＭＩシールド領域に分けられてもよい。各ＥＭＩシールド領域に設けられた放熱パッドは、１枚のシートを含んでもよく、また圧縮されてＥＭＩシールド構造と複数の電子機器回路デバイスとの間の隙間を埋めてもよい。

放熱パッドの圧縮永久歪みは、７０％以上であることが好ましい。

ＥＭＩシールド構造は、ＥＭＩシールドテープであってもよい。

放熱パッドは、ポリマーマトリックスと充填剤とを含んでもよい。ポリマーマトリックスは、シリコーンエラストマー及びアクリルポリマーのうちの少なくとも１つを含んでもよい。充填剤は、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び窒化ホウ素のうちの少なくとも１つを含んでもよい。

本発明による電子回路基板組立体を備える電子機器は、スマートフォン、スマートパッド、又は携帯用コンピュータであってもよい。

本発明によると、電磁障害（ＥＭＩ）シールド構造と放熱パッドは、電子回路基板上に低コストで利便性がよく装着されることができる。また、ＥＭＩシールドテープと１枚の放熱パッドが用いられるので、電子回路基板組立体を極薄タイプに製造することができる。

本発明の第１の例示的実施形態に従って、シールド缶と放熱パッドが適用された電子回路基板組立体を示す図である。 本発明の第２の例示的実施形態に従って、シールドテープと放熱パッドが適用された電子回路基板組立体を示す図である。 本発明の第３の例示的実施形態に従って、シールドテープと放熱パッドが適用された電子回路基板組立体を示す図である。 本発明の例示的実施形態に従って、放熱パッドの圧縮永久歪みを計測する方法を示す図である。

以下に、本発明の例示的実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。以下の実施形態は、本発明の趣旨及び範囲が例示的実施形態に限定されないことを理解するために、単に説明的な意味として考えられるべきである。

図１は、本発明の第１の例示的実施形態において、放熱パッド３００とシールド缶２１０が、複数の電子回路デバイス４０１、４０２、４０３が設けられた電子回路基板１００上に装着されている構成を示す図である。電子機器、例えば移動体装置などにおいて、ＥＭＩを遮り、回路デバイスを保護するために電子回路基板上に金属製シールド缶を設ける従来技術が知られている。シールド缶２１０は、上部プレート２１１と、ピラー２１２と、連結部品２１３とを備える。シールド缶２１０は、様々な機能部品を互いから分離するための複数の領域に分けられており、縁部を形成し、そしてこの縁部は、電子回路基板に連結される。

小型化された移動体装置において、回路デバイスの厚さと幅は小さいため、金属製シールド缶は、その中で高密度に統合されたデバイスと接触することがある。金属製シールド缶が内部デバイスと接触すると、短絡が発生したり、誘導現象による損傷や不具合が発生したりすることがあるため、電気絶縁性を持つパッド、絶縁テープ、又は絶縁フィルムをシールド缶と回路デバイスとの間に設けることが好ましい。

上述したパッドが熱伝導を持つ場合、回路デバイスから発生した熱をこの金属製シールド缶を介して外部に放散することができる。よって、放熱パッドは電気絶縁性を持つとともに優れた熱伝導を持つ材料で製造されることが好ましい。熱伝導とは、熱エネルギーが、材料の移動を伴わずに高温度部から低温度部へと連続的に伝わる現象である。固体の熱伝導は、電子による熱伝導と格子振動による熱伝導とに分類することができる。金属などの自由電子を持つ材料の場合、熱エネルギーは、自由電子によって主に移動する。しかし、絶縁体の場合、熱によって局部的に発生した原子と分子の変化はある種の波の性質を持つため、この波が表面で反射し、定常波を作り、全体の定常波エネルギーが内部エネルギーを一様に増加させるという動作原理によりこの熱が伝わることとなる。このような変化は、格子振動と呼ばれる。金属は、高い熱伝導性を有する。しかし、金属は自由電子による導電性を有するため、金属を本発明の放熱パッドの充填剤として使用することは好ましくない。セラミック系の材料は、金属より低い熱伝導性を有する。しかし、セラミック系の材料は、金属以外の材料に比べて比較的良好な熱伝導性を有し、かつ電気絶縁性も有するので、セラミック系の材料を本発明の例示的実施形態による放熱パッドの熱伝導性充填剤として使用することは適切である。

以下、本発明の例示的実施形態による放熱パッドを製造する方法を説明する。本発明の例示的実施形態による放熱パッドは、ポリマーマトリックスとセラミック充填剤を含んでいてもよい。ポリマーマトリックスは、シリコーンエラストマー及びアクリルポリマーなどを含んでもよく、また、充填剤は、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び窒化ホウ素などを含んでもよい。放熱パッドの原材料が混合され、そして放熱パッドは、シート形状に形成される。シート形状に形成されたパッドは、熱硬化及びＵＶ硬化によって処理され、所定の寸法に切断され、本発明の例示的実施形態による放熱パッドが製造されてもよい。

図１に示すように、放熱パッド３００は、シールド缶２１０と電子回路デバイス４０１、４０２、４０３との間に配置されている。複数の回路デバイス４０１、４０２、４０３はそれぞれ異なる高さを有するので、シールド缶と電子回路デバイスとの間の間隔は一様ではない。異なる厚さを有する複数の放熱パッドを使用して異なる間隔の隙間を埋めると、処理回数は増加し、したがって、その組立体の製造コストは増加する。一方、単一のシートのパッドを使用すると、パッドの弾力性つまりパッドの復元力によって、シールド缶が変形したり、シールド缶と回路基板との間の接続部が容易に離間したりする問題が発生する場合がある。本発明の例示的実施形態によって製造された放熱パッドは、実質的に復元力を持たないため、上記の問題を防止することができる。よって、好ましくは、本発明の例示的実施形態による放熱パッドは、７０％以上の圧縮永久歪み、より好ましくは９５％以上の圧縮永久歪みを有する。

図４に示すように、本発明の例示的実施形態によって製造される放熱パッド３００の圧縮永久歪みは、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）Ｄ３９５に従って計測された。幅２０ｍｍ、高さ２０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの試料をテスト治具８００に取り付け、０．７ｍｍになるまで圧縮された状態で７２時間放置した。その後、テスト治具８００を取り除き、試料を室温で３０分間放置し、試料の厚さを測定した。圧縮永久歪みは、以下のように計算した。
圧縮永久歪み（％）＝（Ｔ_０−Ｔ_２）／（Ｔ_０−Ｔ_１）＊１００
なお、Ｔ_０は、試料の初期の厚さ、Ｔ_１は、治具上で圧縮された試料の厚さ、Ｔ_２は、治具を取り除いた後に３０分経過し復元した試料の厚さを示す。

本発明の例示的実施形態によって製造された放熱パッドは、圧縮永久歪みが約９８％であった。本発明の例示的実施形態による放熱パッドは実質的に復元力を持たないので、例えば３Ｍ社の３Ｍ５５７０パッドが約４０％の圧縮永久歪みを示し、３Ｍ５５１６パッドが約５０％の圧縮永久歪みを示すような従来の放熱パッドと比べて、本発明の例示的実施形態による放熱パッドは、パッドの復元力などによってシールド缶が変形するなどの問題が起こらない。即ち、たとえ単一シートで構成されている放熱パッドでシールド缶と複数の回路デバイスとの間の異なる大きさの隙間を埋める場合でも、回路デバイスの高さに応じて異なる大きさの複数のパッドを使用する必要がない。また、この放熱パッドは、実質的に復元力を持たないので、シールド缶変形の問題は発生しない。

図２と図３は、シールド缶２１０の替わりにシールドテープ２２０を適用した電子回路基板組立体をそれぞれ示している。図１の例示的実施形態において説明したように、ＥＭＩシールドとしてシールド缶２１０が使われた場合は上部プレート２１１とピラー２１２とを連結するために連結部品２１３が必要となるので、電子回路基板組立体全体の厚さを減少させるのには限界がある。また、シールド缶を使用する場合は回路基板結合部品が必要なため、シールド缶を製造することに加えて、シールド缶を回路基板に固定するため新たに様々な処理が必要となる。しかし、シールドテープを使用する場合、その表面に塗布された接着剤を使用してシールドテープを取り付けるので、新たな結合部品は必要なく、また取り付け処理も簡易化できる。よって、シールド缶２１０の替わりにシールドテープ２２０を使用する場合は、電子回路基板組立体の厚さを更に大幅に減少させることができる。シールドテープ２２０を使用する場合は、図２に示すように電子回路基板上にピラー２１２を据え付けた後に、シールドテープ２２０をピラー２１２に取り付けてもよく、図３に示すように電子回路基板に直接シールドテープ２２０を取り付けてもよい。図２及び図３に示すようにシールドテープ２２０を使用する場合、異なる高さの空間が複数の回路デバイス４０１、４０２、４０３とシールドテープ２２０との間に存在する。ＥＭＩシールド構造がシールドテープ２２０を使用して構成される場合、シールド缶２１０の固定力に比べて、シールドテープ２２０の固定力は比較的弱いので、放熱パッドの復元力によってテープは容易に取れてしまう。しかし、復元力がほとんど存在しない本発明の例示的実施形態による放熱パッドを使用した場合、テープが容易に外れてしまうという問題は発生しない。更に、放熱パッド３００が回路デバイスとテープとの間に配置されているので、回路デバイスから発生する熱を、シールドテープを介して外部に放散することができる。

電子回路基板を複数のＥＭＩシールド領域（図示せず）に分ける場合、ＥＭＩシールド構造と放熱パッドが形成されている電子回路基板組立体は、適切な寸法に切断された放熱パッドとシールドテープのみを使用して製造することができる。従来のＥＭＩシールド構造においては、回路基板の構造に応じて複数のＥＭＩシールド領域に分けられているシールド缶を製造しなくてはならず、そして異なる厚さや寸法を有する複数の放熱パッドが切断され、取り付けられる必要があった。しかし、本発明の例示的実施形態によるシールドテープと放熱パッドを使用する場合、テープとパッドを適切な寸法に切断する工程とそれに続くテープとパッドを取り付ける工程だけで、ＥＭＩシールド構造と放熱パッドを簡単に適用することができる。

本発明の例示的実施形態によるシールドテープは、銅又はアルミニウムの金属シート上にアクリルポリマー接着剤を塗布し、例えばニッケルや銀、銅、アルミニウムなどの充填剤である導電性充填剤を添加することによって、製造することができる。このシールドテープは、接着剤と充填剤との混合物を金属シート上に塗布する方法によって製造してもよい。

本発明について、それらの様々な例示的実施形態に関連して示し説明してきたが、当業者であれば、形状及び細部における様々な変更が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、なされ得ることが理解されよう。よって、例示的実施形態は、限定を目的とするのではなく、説明的な意味のみとして考えられるべきである。本発明の範囲は、発明の詳細な説明ではなく添付された請求の範囲によって規定され、添付された請求の範囲内における全ての変更や等価物を含む。

Claims (7)

1. 電子回路基板と、
   前記電子回路基板上に設けられた複数の電子回路デバイスと、
   前記複数の電子回路デバイスから生じる電磁波を遮蔽するように構成された電磁障害（ＥＭＩ）シールド構造と、
   前記複数の電子回路デバイスから生じる熱を放散するように構成された放熱パッドと、を備え、
   前記ＥＭＩシールド構造は、前記複数の電子回路デバイスを覆うとともに前記電子回路基板に取り付けられていて、前記放熱パッドは、前記複数の電子回路デバイスと前記ＥＭＩシールド構造との間に設けられ、前記複数の電子回路デバイスと前記ＥＭＩシールド構造とに接触し、それにより、前記複数の電子回路デバイスから発生した前記熱を前記ＥＭＩシールド構造へと移す、電子回路基板組立体。
2. 前記複数の電子回路デバイスのうちの少なくとも１つは、他の電子回路デバイスとは高さが異なり、前記ＥＭＩシールド構造は、少なくとも１つのＥＭＩシールド領域に分けられ、各ＥＭＩシールド領域に設けられた前記放熱パッドは、１枚のシートを含み、圧縮されて前記ＥＭＩシールド構造と前記複数の電子機器回路デバイスとの間の隙間を埋める、請求項１に記載の組立体。
3. 前記放熱パッドの圧縮永久歪みは、７０％以上である、請求項２に記載の組立体。
4. 前記ＥＭＩシールド構造は、ＥＭＩシールドテープである、請求項１又は請求項２に記載の組立体。
5. 前記放熱パッドは、ポリマーマトリックスと充填剤とを含み、
   前記ポリマーマトリックスは、シリコーンエラストマー及びアクリルポリマーのうちの少なくとも１つを含み、前記充填剤は、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び窒化ホウ素のうちの少なくとも１つを含み、かつ電気絶縁体である、請求項１又は請求項２に記載の組立体。
6. 請求項１又は請求項２に記載の電子回路基板組立体を備える電子機器。
7. 前記電子機器は、スマートフォン、スマートパッド、又は携帯用コンピュータである、請求項６に記載の機器。

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