JP2019009180A - 基板モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板に実装された発熱素子の放熱と回路基板に対する絶縁とを回路基板と発熱素子との間の空間を利用して達成する。【解決手段】回路基板３の実装面３１に抵抗素子１を実装した基板モジュールの、抵抗素子１の素子本体１１と実装面３１の凹部３３との間の空間（隙間）を、放熱用シリコン５で埋めるだけでなく、回路基板３の貫通孔４５にも放熱用シリコン５を充填して、さらに、回路基板３のベース面４１の放熱部４３の一部にも放熱用シリコン５を塗布した。そして、一般的には発熱源と放熱器との間の隙間を埋めて両者間の熱伝導性を高めるために用いられる放熱用シリコン５を、抵抗素子１の素子本体１１から回路基板３の貫通孔４５を経てベース面４１の放熱部４３に至る伝熱経路を構成する材料として使用した。【選択図】図２

Description

本発明は、通電により発熱する発熱素子が実装された基板を有する基板モジュールに関する。

例えば、大電力用のセメント抵抗器として、抵抗素子を熱拡散板に当接させて絶縁ケースに収容し、絶縁ケースと熱拡散板との間に充填したセメントで両者を絶縁させると共に、絶縁ケースの外に導出させた熱拡散板の一部を介して、抵抗素子の発する熱を絶縁ケース外に放熱する構造が、従来から知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−１０６５９８号公報

ところで、発熱素子の絶縁と放熱とを同時に達成する構成は、回路基板に実装された発熱素子に対しても求められることがある。

しかし、回路基板と発熱素子との間にはほとんど空間がなく、ここに、上述したセメント抵抗器の構成を適用するのはスペース的に無理がある。

そこで、回路基板に実装された発熱素子の放熱構造としてよく知られたヒートスプレッダやヒートシンクを用いる放熱構造に、発熱素子と回路基板との絶縁機能を追加することも考えられる。

しかし、ヒートスプレッダの放熱構造の場合は、セメント抵抗器の場合と同じく、回路基板と発熱素子との間に絶縁のための構成を追加する空間の余裕がない。また、ヒートシンクの放熱構造の場合は、発熱素子の回路基板側とは反対側の開放面にヒートシンクに加えて絶縁用の構成を追加する空間がさらに必要となり、構成の大型化が避けられない。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、回路基板に実装された発熱素子の放熱と回路基板に対する絶縁とを回路基板と発熱素子との間の空間を利用して達成することができる基板モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の１つの態様による基板モジュールは、
通電により発熱する発熱素子と、
前記発熱素子が実装された実装面の前記発熱素子に対向する部分に、内部を貫通して裏側に至る貫通孔の開口を臨ませた回路基板と、
前記貫通孔に充填されて前記発熱素子に密着し、前記発熱素子の熱を前記貫通孔を通して前記回路基板の裏側に放熱する、絶縁性を有する放熱材料と、
を備える。

本発明によれば、回路基板に実装された発熱素子の放熱と回路基板に対する絶縁とを回路基板と発熱素子との間の空間を利用して達成することができる。

本発明の一実施形態に係る基板モジュールの概略構成を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１の基板モジュールを製造する際の各工程における基板モジュールの状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。まず、本発明の第１実施形態に係る基板モジュールについて、図１を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る基板モジュールの概略構成を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図１（ａ）に示す本実施形態の基板モジュールは、抵抗素子１と、抵抗素子１が実装される回路基板３と、抵抗素子１と回路基板３との間に充填される放熱用シリコン５とを有している。

抵抗素子１（請求項中の発熱素子に相当）は、図１（ｂ）に示すように、通電することで発熱する平面視矩形の素子本体１１と、素子本体１１の長辺方向の両端から延設された複数本の端子１３とを有している。素子本体１１は複数の抵抗器を直列及び並列接続して構成されており、各直列回路単位で端子１３がそれぞれ設けられている。

回路基板３は、セラミックやエポキシ樹脂等の絶縁部材で抵抗素子１よりも大きい平面視矩形状に形成されている。

回路基板３の表側の実装面３１は、抵抗素子１の素子本体１１よりも一回り大きい平面視矩形の凹部３３を、回路基板３の長辺方向及び短辺方向における中央部に有している。回路基板３の長辺方向における凹部３３の外側には、図１（ａ）に示すように、抵抗素子１の各端子１３に対応するランド３５が形成されている。

回路基板３の実装面３１には、各ランド３５に抵抗素子１の対応する各端子１３をそれぞれ半田付けＳにより接合することで、抵抗素子１が実装されている。実装面３１に実装された抵抗素子１の素子本体１１は、絶縁のために実装面３１から浮かせた位置に配置されている。

回路基板３の実装面３１に対向する抵抗素子１の素子本体１１の背面１５と、実装面３１の凹部３３の底面３７との間には、凹部３３の深さ方向に間隔Ｈを有する空間が形成されている。また、図１（ａ），（ｂ）に示すように、実装面３１に実装された抵抗素子１の素子本体１１と凹部３３の四方の側壁面３９との間には、回路基板３の長辺方向及び短辺方向にそれぞれ間隔Ｗ，Ｄを有する平面視矩形枠状の空間が形成されている。

図１（ａ）に示すように、回路基板３の裏側のベース面４１には、一面に亘って銅箔による放熱部４３が形成されている。ベース面４１と凹部３３の底面３７との間には、回路基板３を表裏方向に貫通する貫通孔４５が形成されている。貫通孔４５の開口は、図１（ｂ）に示すように、回路基板３の長辺方向及び短辺方向における凹部３３の中央部に配置されている。

放熱用シリコン５は、基材のシリコンに、熱伝導率の高い銅や銀、アルミ等の金属又は金属酸化物の粒子を混入して均一に分散させたものである。本実施形態の放熱用シリコン５では、基材のシリコンとして、放置しても原形を維持することができる程度の粘度を有するものが用いられている。

そして、放熱用シリコン５は、回路基板３の長辺方向及び短辺方向における、抵抗素子１の素子本体１１と回路基板３の凹部３３の側壁面３９との間の間隔Ｗ，Ｄの空間や、凹部３３の深さ方向における、素子本体１１と凹部３３の底面３７との間隔Ｈの空間に、それらの空間を埋めるように充填されている。

また、放熱用シリコン５は、上述した各空間と連なる回路基板３の貫通孔４５内の空間にも充填されている。さらに、放熱用シリコン５は、回路基板３のベース面４１の放熱部４３のうち、貫通孔４５の周縁に位置する一部分にも、その部分の放熱部４３を覆うように充填（塗布）されている。

このように、本実施形態では、回路基板３の実装面３１に抵抗素子１を実装した基板モジュールの、抵抗素子１の素子本体１１と実装面３１の凹部３３との間の空間（隙間）を、放熱用シリコン５で埋めるだけでなく、回路基板３の貫通孔４５にも放熱用シリコン５を充填して、さらに、回路基板３のベース面４１の放熱部４３の一部にも放熱用シリコン５を塗布した。

そして、一般的には発熱源と放熱器との間の隙間を埋めて両者間の熱伝導性を高めるために用いられる放熱用シリコン５を、抵抗素子１の素子本体１１から回路基板３の貫通孔４５を経てベース面４１の放熱部４３に至る伝熱経路を構成する材料として使用した。

このため、回路基板３に実装した抵抗素子１の絶縁のために実装面３１から浮かせた素子本体１１と実装面３１との間に、僅かな間隔の空間しか存在しなくても、その空間に放熱用シリコン５の流動性を活用して伝熱経路の一部を構成する材料として充填することができる。

そして、貫通孔４５にも放熱用シリコン５を充填することで、回路基板３の実装面３１との間の空間（隙間）に充填した放熱用シリコン５が抵抗素子１の素子本体１１から受け取った熱を、貫通孔４５の放熱用シリコン５により回路基板３のベース面４１側（裏側）に伝達させて、ベース面４１の放熱部４３から放熱させることができる。

また、放熱用シリコン５が絶縁性のシリコンを基材とした絶縁体であることから、抵抗素子１の素子本体１１と回路基板３との絶縁性を、放熱用シリコン５の上記した部分への充填によって、放熱と同時に容易に達成することができる。

このため、例えば、回路基板３との間の空間（隙間）に余裕がない素子本体１１の背面１５とは反対側の、素子本体１１の開放面１７（図１（ａ），（ｂ）参照）にヒートシンクを取り付けて放熱を図るよりも、基板モジュールとしての構成を大型化することなく、抵抗素子１と回路基板３との間の空間（隙間）を利用して、抵抗素子１の放熱と回路基板３に対する絶縁とを達成することができる。

なお、このように構成された本実施形態の基板モジュールは、例えば、図２（ａ）〜（ｃ）の断面図に示す手順によって製造することができる。

まず、図２（ａ）に示すように、回路基板３の実装面３１のランド３５に抵抗素子１の端子１３を半田付けＳにより接合して、実装面３１に抵抗素子１を実装する。

このとき、抵抗素子１の素子本体１１と回路基板３の凹部３３の側壁面３９との間の空間（隙間）の間隔Ｗ，Ｄが、素子本体１１と凹部３３の底面３７との空間の間隔Ｈよりも狭くなるように、凹部３３に対して素子本体１１を位置決めした状態で、実装面３１に抵抗素子１を実装する。

次に、抵抗素子１を実装した回路基板３を天地方向にひっくり返し、回路基板３のベース面４１側から貫通孔４５に放熱用シリコン５を充填する。すると、貫通孔４５に充填された放熱用シリコン５が、素子本体１１と凹部３３の底面３７との間の間隔Ｈの空間に流入する。

このとき、素子本体１１と凹部３３の底面３７との間の空間（隙間）に存在していた気体は、その空間の間隔Ｈよりも間隔Ｗ，Ｄが狭い、抵抗素子１の素子本体１１と回路基板３の凹部３３の側壁面３９との間の空間（隙間）から、基板モジュールの外に排出される。このため、素子本体１１と凹部３３の底面３７との間の空間（隙間）内は、元々存在していた気体から、図２（ｂ）に示すように、貫通孔４５から充填された放熱用シリコン５に置換される。

また、素子本体１１と凹部３３の底面３７との間の空間（隙間）の間隔Ｈよりも、その空間内に存在していた気体が排出される、抵抗素子１の素子本体１１と回路基板３の凹部３３の側壁面３９との間の空間（隙間）の間隔Ｗ，Ｄの方が狭いので、貫通孔４５から充填されて素子本体１１と凹部３３の底面３７との間の空間（隙間）に流入した放熱用シリコン５が、抵抗素子１の素子本体１１と回路基板３の凹部３３の側壁面３９との間の空間（隙間）から、基板モジュールの外に排出されることはない。

そして、貫通孔４５に充填した放熱用シリコン５が、素子本体１１と凹部３３の底面３７との間の空間（隙間）にも充填され、さらに、貫通孔４５に充填されて貫通孔４５から溢れた放熱用シリコン５が、回路基板３のベース面４１の放熱部４３のうち、貫通孔４５の周縁に位置する部分を覆うようになったら、放熱用シリコン５の充填を終了する。

この状態では、素子本体１１と凹部３３の底面３７との間の空間（隙間）に充填された放熱用シリコン５が、抵抗素子の素子本体１１の背面１５の全体に密着している。このため、素子本体１１で発生した熱は、高い伝熱効率で放熱用シリコン５に伝わる。

なお、放熱用シリコン５の充填後に暫く放置した方が、放熱用シリコン５の粘度が高まる場合や、放熱用シリコン５が硬化する場合は、充填後の放熱用シリコン５を暫く放置する時間を設けても良い。

このようにして製造した基板モジュールは、図２（ｃ）に示すように、再び天地方向にひっくり返して元の向きに戻して使用することができる。

そして、使用に伴い抵抗素子１の素子本体１１から熱が発生すると、素子本体１１の背面１５から放熱用シリコン５に伝わった熱が、図２（ｃ）中の太い矢印で示すように、回路基板３の貫通孔４５内の放熱用シリコン５や、回路基板３のベース面４１の放熱部４３に接触した放熱用シリコン５を介して、放熱部４３に伝達される。そして、放熱部４３において基板モジュールの周辺雰囲気等に放熱される。

なお、上述した実施形態では、回路基板３の実装面３１に凹部３３を形成して、抵抗素子１の素子本体１１と実装面３１との間の空間（隙間）の間隔Ｈを、放熱用シリコン５の充填に十分な間隔に実質的に拡げる構成とした。しかし、必要な間隔が確保されるのであれば、実装面３１の凹部３３は省略してもよい。

また、凹部３３を設ける場合でも、凹部３３の四方の側壁面３９と素子本体１１との間にそれぞれ間隔Ｗ，Ｄを全て確保するのではなく、例えば、回路基板３の長辺方向と短辺方向のどちらかについてだけ、凹部３３の側壁面３９と素子本体１１との間に間隔Ｗ，Ｄを設けるようにしてもよい。

さらに、本発明を適用して放熱を図る回路基板３への実装素子は、通電によって発熱する素子であれば、本実施形態で説明した抵抗素子１に限らず任意である。

そして、本発明は、通電により発熱する発熱素子が実装された基板を有する基板モジュールに広く適用可能である。

本発明は、通電により発熱する発熱素子が実装された基板を有する基板モジュールにおいて利用することができる。

１ 抵抗素子（発熱素子）
３ 回路基板
５ 放熱用シリコン
１１ 素子本体
１３ 端子
１５ 素子本体背面
１７ 素子本体開放面
３１ 回路基板実装面
３３ 実装面凹部
３５ ランド
３７ 凹部底面
３９ 凹部側壁面
４１ 回路基板ベース面
４３ 放熱部
４５ 貫通孔
Ｈ，Ｗ，Ｄ 間隔

Claims (7)

1. 通電により発熱する発熱素子（１）と、
   前記発熱素子（１）が実装された実装面（３１）の前記発熱素子（１）に対向する部分に、内部を貫通して裏側に至る貫通孔（４５）の開口を臨ませた回路基板（３）と、
   前記貫通孔（４５）に充填されて前記発熱素子（１）に密着し、前記発熱素子（１）の熱を前記貫通孔（４５）を通して前記回路基板（３）の裏側に放熱する、絶縁性を有する放熱材料（５）と、
   を備える基板モジュール。
2. 前記回路基板（３）の裏側に配置されて前記放熱材料（５）と接触した放熱部（４３）をさらに備える請求項１記載の基板モジュール。
3. 前記開口は、前記発熱素子（１）側から見た前記回路基板（３）の前記実装面（３１）における前記発熱素子（１）の背後に位置する部分に形成されている請求項１又は２記載の基板モジュール。
4. 前記発熱素子（１）と前記実装面（３１）との間の空間に前記放熱材料（５）がさらに充填されている請求項１、２又は３記載の基板モジュール。
5. 前記実装面（３１）は前記発熱素子（１）側に開放された凹部（３３）を有しており、前記空間は、前記凹部（３３）の深さ方向における該凹部（３３）の底面（３７）と前記発熱素子（１）との間の隙間を含んでいる請求項４記載の基板モジュール。
6. 前記空間は、前記底面（３７）と前記発熱素子（１）との間の前記深さ方向における隙間よりも狭い間隔の、前記底面（３７）の延在方向における前記凹部（３３）の側壁面（３９）と前記発熱素子（１）との間の隙間を含んでいる請求項５記載の基板モジュール。
7. 前記放熱材料（５）は放熱用シリコンである請求項１、２、３、４、５又は６記載の基板モジュール。

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