JP2019016758A

JP2019016758A - 回路基板

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Publication number: JP2019016758A
Application number: JP2017135244A
Authority: JP
Inventors: 和幸橋詰; Kazuyuki Hashizume
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: CN109244047A; JP6881115B2; US20190021160A1; CN109244047B; US10477669B2

Abstract

【課題】発熱源からの熱による起電力の影響を簡単な構成で抑制することができる回路基板を提供する。
【解決手段】回路基板１には、基板本体１００の表面１０１に金属薄膜１０が形成されている。金属薄膜１０は、直線状のスリット１３が形成されることにより、スリット１３を挟んで第１領域１１及び第２領域１２に分離されている。回路基板１は、第１領域１１に配置された発熱源（例えばＩＣ２０）と、第２領域１２に配置された素子４０とを備える。素子４０には、スリット１３に対して平行方向に電流が流れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板本体の表面に金属薄膜が形成された回路基板に関するものである。

例えば熱分析装置などのように、検出器から出力される微小な信号を測定して分析を行う分析装置には、検出器からの信号を増幅するアンプが実装された回路基板が備えられている。このような回路基板には、アンプ以外にも、電気抵抗やコンデンサといった各種素子が実装されている。

各素子を回路基板に実装する際には、例えば各素子に設けられた端子が、回路基板に対して半田付けなどにより接続される。このとき、異種金属同士が接続されるため、その接続点において熱電対効果が生じ、温度変化に伴って接続点に起電力が発生する。このような起電力はノイズやドリフトの原因となり、特に、微小な信号を検出する検出回路においては起電力の影響が無視できなくなる（例えば、下記特許文献１参照）。

従来は、回路基板の周囲を断熱したり、基板自体を温調したり、発熱源と重要部品との距離を離したりすることにより、上記のような起電力の発生を回避するための工夫が図られている。

特許第２９０３００５号公報

しかしながら、回路基板の周囲の断熱や、基板自体を温調する場合には、部品を追加するなど構造が複雑になり、装置が大型化するといった問題がある。また、微小な信号への熱起電力の影響を十分に低減することができないといった問題がある。また、発熱源と重要部品との距離を離す場合にも、同様に装置が大型化するといった問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、発熱源からの熱による起電力の影響を簡単な構成で抑制することができる回路基板を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、装置の大型化を防止しつつ、発熱源からの熱による起電力の影響を大きく抑制することができる回路基板を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る回路基板は、基板本体の表面又は内層に金属薄膜が形成された回路基板であって、前記金属薄膜に直線状のスリットが形成されることにより、前記金属薄膜が前記スリットを挟んで第１領域及び第２領域に分離されている。前記回路基板は、前記第１領域に配置された発熱源と、前記第２領域に配置された素子とを備える。前記素子には、前記スリットに対して平行方向に電流が流れる。

このような構成によれば、直線状のスリットにより金属薄膜が第１領域及び第２領域に分離されているため、発熱源からの熱は、第１領域からスリットに到達した時点で、当該スリットに沿った直線状に均一化される。したがって、スリットを介して第１領域から第２領域に伝達される熱は、スリットに対して平行な等温線を保ったまま第２領域を伝達される。これにより、第２領域に配置された素子を流れる電流の方向は、等温線に対して平行となるため、熱電対効果による起電力の影響が抑制される。

このように、金属薄膜に直線状のスリットを形成し、当該スリットに対して平行方向に電流が流れるように素子を配置することにより、発熱源からの熱による起電力の影響を簡単な構成で抑制することができる。また、スリットを挟んで第１領域及び第２領域を近接配置すれば、装置の大型化を防止しつつ、発熱源からの熱による起電力の影響を大きく抑制することができる。

（２）前記素子は、電気的な接続を行うための１対の接続部を有していてもよい。この場合、前記１対の接続部が、前記スリットに対して平行方向に並ぶことが好ましい。

このような構成によれば、素子に備えられた１対の接続部が、第２領域における等温線に対して平行方向に並ぶ。そのため、１対の接続部により異種金属同士の接続点が構成される場合であっても、それらの接続点が等温線に沿って並ぶため、熱電対効果による起電力の影響が抑制される。

（３）前記素子が、２０ｎＶ以下の微小電圧を取り扱うものであってもよい。より好ましくは、前記素子が１０ｎＶ以下の微小電圧を取り扱うものであってもよいし、さらに好ましくは、前記素子が１ｎＶ以下の微小電圧を取り扱うものであってもよい。

このような構成によれば、微小電圧を取り扱う素子において、熱電対効果による起電力の影響が抑制されるため、起電力がノイズやドリフトして大きな影響を与えるのを防止することができる。

（４）前記回路基板は、前記素子を介して入力される信号を増幅させるアンプをさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、アンプにより増幅される前の微小信号にノイズやドリフトが影響するのを防止することができるため、熱電対効果による起電力がノイズやドリフトとして大きな影響を与えるのを効果的に防止することができる。

（５）前記発熱源は、ＩＣであってもよい。

このような構成によれば、ＩＣから発生する熱が起電力の原因となるのを防止することができる。

（６）前記素子は、電気抵抗であってもよい。

このような構成によれば、第２領域に配置された電気抵抗を流れる電流の方向が、等温線に対して平行となるため、当該電気抵抗における起電力の影響を防止することができる。

（７）前記第１領域及び前記第２領域は、それぞれ接地されていてもよい。

このような構成によれば、第１領域及び第２領域における熱抵抗が小さいため、発熱源からの熱がスリットに沿って良好に均一化されるとともに、スリットを介して第１領域から第２領域に伝達される熱が、スリットに対して平行な等温線を保ったまま第２領域を良好に伝達される。また、基板上の発熱源からの影響だけでなく、周囲温度変化により装置筐体から接地点を介して基板に熱が流入することに対しても、効果を有する。なお、前記第２領域は、温度的に十分に分離された上で、前記第１領域と接続されていてもよい。

本発明によれば、金属薄膜に直線状のスリットを形成し、当該スリットに対して平行方向に電流が流れるように素子を配置することにより、発熱源からの熱による起電力の影響を簡単な構成で抑制することができる。また、本発明によれば、スリットを挟んで第１領域及び第２領域を近接配置することにより、装置の大型化を防止しつつ、発熱源からの熱による起電力の影響を大きく抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る回路基板の構成例を示した概略平面図である。第２領域に設けられた電気回路の一部を示した回路図である。電源投入後における入力を短絡した場合の回路基板からの出力信号の変化を示した図である。恒温槽内で周囲環境温度を変化させ、入力を短絡した場合の回路基板からの出力信号の変化を示した図である。

１．回路基板の全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る回路基板１の構成例を示した概略平面図である。この回路基板１は、例えば複数層の絶縁体が積層された積層体により構成される多層基板であり、積層体からなる基板本体１００の両面に導電体が形成されるとともに、基板本体１００の内部にも各絶縁体の間に導電層が適宜形成されている。この回路基板は、例えば熱分析装置に用いられ、検出器（図示せず）から出力される微小信号を取り扱うための回路を構成している。

上記絶縁体は、例えばガラスエポキシ樹脂などの樹脂により形成された板状の部材である。各絶縁体には貫通孔が適宜形成され、その貫通孔に導電体が埋設されることにより、各絶縁体の間に形成された導電層を電気的に導通させ、所望の電気回路を構成することができる。

図１では、回路基板１を構成する基板本体１００の一方の表面１０１が平面図で示されている。この基板本体１００の表面１０１には、例えば銅などの導電性材料により金属薄膜１０が形成されている。金属薄膜１０は均一な厚みを有しており、回路基板１を構成する各種素子が金属薄膜１０上に配置される。ただし、金属薄膜１０は、基板本体１００の表面１０１に形成された構成に限らず、基板本体１００の内層（積層された絶縁体の間）に形成された構成であってもよい。

金属薄膜１０は、第１領域１１及び第２領域１２に分割されている。具体的には、金属薄膜１０に対して直線状に延びるスリット１３が形成されることにより、スリット１３を挟んで第１領域１１及び第２領域１２が電気的に分離されている。スリット１３の幅、すなわち第１領域１１と第２領域１２との間隔は、例えば１〜数ｍｍ程度である。この例では、基板本体１００が角部に切欠きを有する矩形状に形成されており、基板本体１００のいずれかの辺に対して平行に延びるようにスリット１３が形成されているが、基板本体１００の各辺に対して傾斜する方向にスリット１３が延びていてもよい。

第１領域１１は、例えば矩形状の領域からなり、ＩＣ（Integrated Circuit）２０などの各種電気部品が配置されている。また、第１領域１１の少なくとも一部（この例では４つの角部）には、貫通孔が形成されており、当該貫通孔に挿通されたネジなどの固定具３０により基板本体１００が固定位置（板金など）に固定されている。第１領域１１に配置されたＩＣ２０などの電気部品や、固定位置に連結された固定具３０は、発熱源となり得る部品であり、図１に矢印で示すように、これらの発熱源から第１領域１１に熱が伝達される。ただし、発熱源は、ＩＣ２０や固定具３０に限らず、装置の動作に伴い熱を発生する他の部品であってもよい。

第２領域１２は、例えば第１領域１１よりも小さい矩形状の領域からなり、電気抵抗などの素子４０が配置されている。各素子４０には１対の接続部４１が設けられており、これらの接続部４１が、基板本体１００の表面１０１に形成されたランド（図示せず）に半田付けされることにより、異種金属同士の電気的な接続が行われる。ランドは、第２領域１２に対して電気的に分離されている。これにより、基板本体１００における各絶縁体の間に形成された導電層に対して各素子４０が電気的に導通され、当該素子４０により電気回路の一部が構成される。

各素子４０における１対の接続部４１は、スリット１３が延びる方向Ｄに対して平行方向に並んでいる。この例では、複数（例えば２つ）の素子４０の各接続部４１が、上記平行方向に沿って一直線上に並んでいる。これにより、各素子４０には、スリット１３が延びる方向Ｄに対して平行方向に電流が流れるようになっている。

ただし、第２領域１２は、第１領域１１よりも小さい面積を有する領域に限らず、第１領域１１と同じ、又は、第１領域１１よりも大きい面積を有する領域であってもよい。また、素子４０は、電気抵抗に限らず、一定方向に電流が流れる他の素子であってもよい。第２領域１２のスリット１３に沿った横幅は、第１領域１１の横幅以下であることが好ましい。

本実施形態では、第１領域１１及び第２領域１２が、それぞれ接地されることによりＧＮＤ層（ベタ層）を構成している。このような第１領域１１は熱抵抗が小さいため、ＩＣ２０や固定具３０といった第１領域１１上の発熱源から発生する熱は、第１領域１１全体に広がるように伝達されるが、第１領域１１よりも熱抵抗が大きい基板本体１００の表面１０１との境界で均一化される。そのため、第１領域１１におけるスリット１３側の辺１１１では、その辺１１１に沿って直線状に等温線が延びることとなる。

第１領域１１からの熱は、スリット１３側の辺１１１からスリット１３（基板本体１００の表面１０１）を通って第２領域１２に伝達される。これにより、スリット１３を介して第１領域１１から第２領域１２に伝達される熱は、スリット１３に対して平行な等温線を保ったまま第２領域１２を伝達される。したがって、第２領域１２上の各素子４０が配置されている領域では、図１に破線で示すように、スリット１３が延びる方向Ｄに対して平行に等温線Ｌが延びることとなる。

２．具体的な回路構成
図２は、第２領域１２に設けられた電気回路２００の一部を示した回路図である。この電気回路２００には、２つの入力部２０１，２０２から信号が入力され、これらの入力信号の電圧差が差動信号としてアンプ２０３により増幅される。アンプ２０３により増幅される前の差動信号は、２０ｎＶ以下（より好ましくは１０ｎＶ以下、さらに好ましくは１ｎＶ以下）の微小電圧からなる。

一方の入力部２０１とアンプ２０３との間には、電気抵抗２０４が接続されている。また、他方の入力部２０２とアンプ２０３との間には、電気抵抗２０５が接続されている。各入力部２０１，２０２からの信号は、各電気抵抗２０４，２０５を介してアンプ２０３に入力され、当該アンプ２０３により増幅される。この場合、各電気抵抗２０４，２０５は、２０ｎＶ以下（より好ましくは１０ｎＶ以下、さらに好ましくは１ｎＶ以下）の微小電圧を取り扱う素子である。

この例では、各電気抵抗２０４，２０５が、図１における各素子４０を構成している。すなわち、各電気抵抗２０４，２０５の両端部が、図１における各素子４０の接続部４１を構成している。各電気抵抗２０４，２０５を図１に示す各素子４０のような配置で設けることにより、各電気抵抗２０４，２０５において、スリット１３が延びる方向Ｄに対して平行方向に電流を流すことができる。

３．実験結果
図３は、電源投入後における入力を短絡した場合の回路基板からの出力信号の変化を示した図である。図３では、本発明の回路基板を８つ準備し、それぞれにおいて、２５℃の恒温槽内に設けられた回路基板からの出力信号を電源投入後に測定した結果が示されている。

図３に示す測定結果によれば、電源投入後１分以内で出力信号が安定しており、安定するまでの出力信号の変動は１０ｎＶ程度である。本発明が適用されていない従来の回路基板を用いた場合には、出力信号が安定するまでに２〜３時間かかり、安定するまでの出力信号の変動も２００ｎＶ程度であったことから、本発明により回路基板からの出力信号を短時間で安定させることができ、出力信号の変動も抑制できることが分かる。

図４は、恒温槽内で周囲環境温度を変化させ、入力を短絡した場合の回路基板からの出力信号の変化を示した図である。図４では、本発明の回路基板を８つ準備し、それぞれにおいて、恒温槽の温度を５℃で安定させた後、１時間かけて６０℃まで昇温させたときの回路基板からの出力信号の測定結果が示されている。

図４に示す測定結果によれば、回路基板の周囲環境温度を変化させたときの回路基板からの出力信号の変化量が、０．８ｎＶ／℃程度であった。本発明が適用されていない従来の回路基板を用いた場合には、同じ周囲環境温度の変化における回路基板からの出力信号の変化量が１００ｎＶ／℃程度であったことから、本発明により回路基板からの出力信号のドリフトを小さくすることができ、ベースラインがずれにくくなることが分かる。

４．作用効果
（１）本実施形態では、図１に示すように、直線状のスリット１３により金属薄膜１０が第１領域１１及び第２領域１２に分離されている。そのため、発熱源（ＩＣ２０など）からの熱は、第１領域１１からスリット１３に到達した時点で、第１領域１１のスリット１３側の辺１１１において、当該スリット１３に沿った直線状に均一化される。したがって、スリット１３を介して第１領域１１から第２領域１２に伝達される熱は、スリット１３に対して平行な等温線Ｌを保ったまま第２領域１２を伝達される。これにより、第２領域１２に配置された素子４０を流れる電流の方向は、等温線Ｌに対して平行となるため、熱電対効果による起電力の影響が抑制される。

このように、金属薄膜１０に直線状のスリット１３を形成し、当該スリット１３に対して平行方向に電流が流れるように素子４０を配置することにより、発熱源からの熱による起電力の影響を簡単な構成で抑制することができる。また、スリット１３を挟んで第１領域１１及び第２領域１２を近接配置すれば、装置の大型化を防止しつつ、発熱源からの熱による起電力の影響を大きく抑制することができる。

（２）また、本実施形態では、図１に示すように、各素子４０に備えられた１対の接続部４１が、第２領域１２における等温線Ｌに対して平行方向に並ぶ。そのため、１対の接続部４１により異種金属同士の接続点が構成される場合であっても、それらの接続点が等温線Ｌに沿って並ぶため、熱電対効果による起電力の影響が抑制される。

（３）特に、本実施形態では、２０ｎＶ以下（より好ましくは１０ｎＶ以下、さらに好ましくは１ｎＶ以下）の微小電圧を取り扱う素子４０において、熱電対効果による起電力の影響が抑制されるため、起電力がノイズやドリフトとして大きな影響を与えるのを防止することができる。

（４）また、本実施形態では、図２に示すように、アンプ２０３により増幅される前の微小信号（差動信号）にノイズやドリフトが影響するのを防止することができるため、熱電対効果による起電力がノイズやドリフトとして大きな影響を与えるのを効果的に防止することができる。

（５）また、本実施形態では、図１に示すように、発熱源としてのＩＣ２０から発生する熱が起電力の原因となるのを防止することができる。

（６）さらに、本実施形態では、図１及び図２に示すように、第２領域１２に配置された素子４０としての電気抵抗２０４，２０５を流れる電流の方向が、等温線Ｌに対して平行となるため、当該電気抵抗２０４，２０５における起電力の影響を防止することができる。

（７）また、本実施形態では、それぞれ接地された第１領域１１及び第２領域１２における熱抵抗が小さいため、発熱源からの熱がスリット１３に沿って良好に均一化されるとともに、スリット１３を介して第１領域１１から第２領域１２に伝達される熱が、スリット１３に対して平行な等温線Ｌを保ったまま第２領域１２を良好に伝達される。

５．変形例
以上の実施形態では、１つのスリット１３により、金属薄膜１０が第１領域１１及び第２領域１２の２つの領域に分離された構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、例えば２つ以上のスリット１３が形成されることにより、金属薄膜１０が３つ以上の領域に分離されていてもよい。

回路基板１の基板本体１００は、多層基板により構成されるものに限らず、例えば単層基板であってもよい。また、本発明に係る回路基板１は、熱分析装置に限らず、他の各種装置に適用可能である。

１回路基板
１０金属薄膜
１１第１領域
１２第２領域
１３スリット
２０ＩＣ
３０固定具
４０素子
４１接続部
１００基板本体
１０１表面
１１１辺
２００電気回路
２０１入力部
２０２入力部
２０３アンプ
２０４電気抵抗
２０５電気抵抗

Claims

基板本体の表面又は内層に金属薄膜が形成された回路基板であって、
前記金属薄膜に直線状のスリットが形成されることにより、前記金属薄膜が前記スリットを挟んで第１領域及び第２領域に分離されており、
前記第１領域に配置された発熱源と、
前記第２領域に配置され、前記スリットに対して平行方向に電流が流れる素子とを備えることを特徴とする回路基板。
前記素子は、電気的な接続を行うための１対の接続部を有し、
前記１対の接続部が、前記スリットに対して平行方向に並ぶことを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
前記素子が、２０ｎＶ以下の微小電圧を取り扱うものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の回路基板。
前記素子を介して入力される信号を増幅させるアンプをさらに備え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回路基板。
前記発熱源は、ＩＣであ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回路基板。
前記素子は、電気抵抗であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回路基板。
前記第１領域及び前記第２領域は、それぞれ接地されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回路基板。