JP2020009909A - 回路基板の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子が発生するノイズをコンデンサに吸収させ易くすると共に、コンデンサが受ける熱の影響を低減できる回路基板の放熱構造を提供する。【解決手段】スイッチング動作により負荷に通電する電流を制御するＦＥＴ６と、駆動用電源の端子間に接続されるアルミ電解コンデンサ８とが、多層基板１１の異なる面において対応する実装領域にそれぞれ表面実装される。そして、多層基板１１の内層では、前記実装領域に対応する部位を避けて銅箔パターン１５及び１６を配置する。【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチング素子と、当該素子に駆動用電源を供給する電源端子間に接続されるコンデンサとが、それぞれ異なる側に表面実装される回路基板の放熱構造に関する。

例えばＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子としてモータを駆動するインバータ回路を構成する場合に、アルミ電解コンデンサを駆動用電源の平滑するために用いることがある。そして、各回路素子等を両面基板に実装する際に、例えば以下のような実装構造を想定する。ＦＥＴを一方の面側に実装し、アルミ電解コンデンサを他方の面側に実装する。この時、ＦＥＴ，アルミ電解コンデンサの各面における実装領域を対応させることでコンデンサ−ＦＥＴ間のインピーダンスを低減すれば、ＦＥＴをスイッチング動作させた際に発生するノイズをコンデンサによって効率的に吸収できる。

特開２００５−１９１３７８号公報

しかしながら、ＦＥＴをスイッチング動作させた際に発生する熱量はアルミ電解コンデンサの発熱量に比較して大きい。そのため、上述した実装形態を採用すると、ＦＥＴが発生した熱がコンデンサ側に伝達され易くなり、コンデンサの温度が上昇することが懸念される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチング素子が発生するノイズをコンデンサに吸収させ易くすると共に、コンデンサが受ける熱の影響を低減できる回路基板の放熱構造を提供することにある。

請求項１記載の回路基板の放熱構造によれば、スイッチング動作により負荷に通電する電流を制御するスイッチング素子と、駆動用電源の端子間に接続されるコンデンサとが、回路基板の異なる面において対応する実装領域にそれぞれ表面実装される。そして、回路基板の内層では、前記実装領域に対応する部位を避けて導電パターンを配置する。

このように構成すれば、回路基板の内層において、スイッチング素子及びコンデンサの実装領域に対応する部位には熱伝導率が高い導電パターンが存在しなくなる。したがって、スイッチング素子が発生させた熱は、内層を介してコンデンサ側に伝達され難くなり、コンデンサが受ける熱の影響を低減できる。

請求項２記載の回路基板の放熱構造によれば、内層の実装領域に対応する部位に、基板材料よりも熱伝導率が低い物質で断熱層を形成する。このように構成すれば、スイッチング素子が発生させた熱は、内層を介してコンデンサ側に一層伝達され難くなり、コンデンサが受ける熱の影響をより低減できる。

請求項３記載の回路基板の放熱構造によれば、請求項１と同様に、スイッチング素子とコンデンサとが、回路基板の異なる面において対応する実装領域にそれぞれ表面実装される。そして、回路基板の内部で前記実装領域に対応する部位に、基板材料よりも熱伝導率が低い物質からなる断熱層を形成する。このように構成すれば、請求項２と同様に、スイッチング素子が発生させた熱は、回路基板の内部に断熱層が形成されていることでコンデンサ側に伝達され難くなる。したがって、コンデンサが受ける熱の影響を低減できる。

請求項４記載の回路基板の放熱構造によれば、前記実装領域に係る部位の層構造を、一方の面から他方の面にかけて、導電パターン，断熱層，導電パターンとする。このように構成すれば、各面における導電パターンの間に直接断熱層が配置されるので、熱伝導率を大きく低減できる。

第１実施形態であり、一部を透視して示す多層基板の平面図 多層基板の模式的な断面図 一部を透視して示す多層基板の底面図 断熱層の一構成例を示す図 可変バルブタイミングシステムを示す回路図 第２実施形態であり、一部を透視して示す多層基板の平面図 多層基板の模式的な断面図 第３実施形態であり、両面基板の模式的な断面図 第４実施形態であり、６個のＦＥＴに対し３個のアルミ電解コンデンサを両面実装する場合のレイアウトの一例を示す図

（第１実施形態）
本実施形態では、回路基板の放熱構造を、例えば図５に示すように、車両に搭載される可変バルブタイミングシステムを構成するＥＤＵ（Electronic Driver Unit）に適用する。尚、図５については、本発明の要旨に係る部分のみ説明する。ＥＤＵ１は、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２から入力される制御指令に基づいてモータ３を駆動する。モータ３の回転軸は、図示しない吸気バルブに連結されており、モータ３により吸気バルブを開閉制御する。ＥＤＵ１はモータ駆動装置に相当する。

ＥＤＵ１は、制御回路４及びインバータ回路５を備えている。インバータ回路５は、６個のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６を三相ブリッジ接続して構成されている。インバータ回路５の各相出力端子は、モータ３の各相巻線端子にそれぞれ接続されている。ＥＤＵ１には、車両のバッテリ７より電源ＶＢが供給されている。電源ＶＢは、２つのアルミ電解コンデンサ８ａ，８ｂ及びコイル９からなるπ型フィルタを介してインバータ回路５に供給されている。

図１から図３に示すように、ＦＥＴ６とアルミ電解コンデンサ８とは、多層基板１１の一方の面側と他方の面側とに、それぞれ表面実装されている。多層基板１１は、図２に示す上方から下方側に、第１樹脂基板１２，第２樹脂基板１３及び第３樹脂基板１４を有している。第１樹脂基板１２と第２樹脂基板１３との間には、銅箔パターン１５が配置されている。また、第２樹脂基板１２と第３樹脂基板１４との間には、銅箔パターン１６が配置されている。銅箔パターン１５及び１６は、導電パターンに相当する。尚、図２は断面図であるが、熱やノイズの伝達経路を示すため一部のハッチングは省略している。

第１樹脂基板１２の表面側には厚銅パターン１７が形成されており、第３樹脂基板１４の表面側には厚銅パターン１８が形成されている。すなわち、多層基板１１は、４つの配線層を有する４層基板となっている。ここで、基板１２〜１４の厚さ寸法は０．２〜０．６ｍｍ程度であり、銅箔パターン１５及び１６の厚さ寸法は３０〜４０μｍ程度である。厚銅パターン１７及び１８の厚さ寸法は、例えば１００μｍ程度である。尚、図２では、厚銅パターン１７，１８が、それぞれ基板１２，１３の樹脂部分に埋設された状態で形成されている。これは、多層基板１１を一体的に構成する際に、上下方向よりプレスして圧力を加えた結果として、このような形態になっている。

コンデンサ８とＦＥＴ６とは、それぞれの位置が図２における上下方向で重なるように表面実装されている。そして、第２樹脂基板１３において、コンデンサ８及びＦＥＴ６の実装領域に対応する部分には、樹脂よりも熱伝導率が低い材料により断熱層１９が形成されている。尚、断熱層１９は、空気を材料とした空洞であっても良い。断熱層１９の上面側，下面側には、銅箔パターン１５，１６が配置されておらず、断熱層１９の上面側，下面側は、それぞれ第１樹脂基板１２，第３樹脂基板１４に直接接している。

ここで、例えば基板１２，１３が、熱伝導率が約０．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）のガラスエポキシ基板（ＦＲ４）であるとすると、断熱層１９は、熱伝導率が約０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）でより低いＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等を用いる。また、図４に示すように、ガラスエポキシ基板に複数の貫通孔２６，空気穴を形成しても良い。これにより、空気を材料として断熱層１９を形成した場合、多層基板１１の中に空気が閉じ込められているため、温度が上昇した際には内圧が上昇することで基板１１が変形してしまう。それを防ぐために、貫通孔２６において空気の内圧上昇を抑制することで、基板の変形を防止できる。また、エポキシ樹脂のみの熱伝導率約０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるから、ガラス繊維とエポキシ樹脂との混合比率により、熱伝導率を０．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）より低下させた断熱層１９用の材料を形成することもできる。

第３樹脂基板１４には、厚銅パターン１８ａ，１８ｂ及び１８ｃが形成されている。これらのうち、厚銅パターン１８ｂは、ＦＥＴ６のパッケージから延びるリードに接続される配線パターンである。厚銅パターン１８ｃは、ＦＥＴ６のパッケージの直下から図中右方向に伸びるようにして、ＦＥＴ６が発した熱を放熱するために形成されている。

コンデンサ８の正側のリードは図中右側の厚銅パターン１７（＋）に接続され、同負側のリードは図中左側の厚銅パターン１７（−）に接続されている。そして、厚銅パターン１７（−）と厚銅パターン１８ａとは、基板１２，１３，１４に形成されている銅インレイ２０を介して熱的に接続されている。また、厚銅パターン１７（−）と厚銅パターン１８ｃとは、基板１２〜１４に形成されている複数のビア２３を介して電気的に接続されている。尚、ビア２３は、第２樹脂基板１３部分では断熱層１９を経由している。銅インレイ２０は熱伝導部に相当する。

第３樹脂基板１４の表面側は、アルミ筐体２４によって覆われるが、両者の間には放熱用ゲル剤２５が充填されている。これにより、ＦＥＴ６が発した熱は、放熱用ゲル剤２５を介してアルミ筐体２４に伝達されて放熱される。尚、図３は、放熱用ゲル剤２５及びアルミ筐体２４を除いた状態を示している。

次に、本実施形態の作用について説明する。インバータ回路５がモータ３を駆動する際には、ＦＥＴ６がスイッチング動作して電流を制御する。この際に、ＦＥＴ６のＯＮ抵抗による発熱が生じることに加えて、スイッチングロスによる発熱が生じる。例えば２０Ａ程度の大電流を流すと３Ｗ程度の発熱がある。そこで、上述したように、ＦＥＴ６→放熱用ゲル剤２５→アルミ筐体２４→車両のエンジンという熱経路により放熱を行う。加えて、ＦＥＴ６→厚銅パターン１８ｃ→放熱用ゲル剤２５→アルミ筐体２４→エンジンという熱経路により放熱を行う。これらの放熱経路により、低い熱抵抗でＦＥＴ６の自己発熱を放熱する。

また、モータ３を駆動する際に、ＦＥＴ６を例えば１００ｋＨｚ程度の高周波でスイッチング動作させるとスイッチングノイズが発生する。このスイッチングノイズを抑制するには、スイッチング動作に伴う電源電流の変動を抑制する必要がある。そのため、ＦＥＴ６の近傍にアルミ電解コンデンサ８を配置すれば、当該コンデンサ８が、負荷に供給する電流が不足した時には放電し、電流が余剰になった時には充電することで、電源電流及び電圧の変動が緩和される。

上記のコンデンサ８によるノイズ吸収効果を高めるには、ＦＥＴ６とコンデンサ８との間のインピーダンスを極力低下させることが望ましい。そこで、図２に示すように、両者の実装領域が重なるように、多層基板１１の一方の面側にＦＥＴ６を実装し、他方の面側にコンデンサ８を実装する。これにより、両者間のインピーダンスを低下させている。

しかしながら、上記のように実装を行うと熱の問題が発生する。耐熱温度は、ＦＥＴ６が一般的に１７５℃程度であるのに対し、アルミ電解コンデンサ８は一般的１３０℃程度である。したがって、両者間の距離が狭まると、ＦＥＴ６の発熱温度が上昇した際に、その熱がコンデンサ８に及んで耐熱温度を超えたり、素子の寿命が短くなるおそれがある。

そこで、本実施形態では、多層基板１１に、コンデンサ８がＦＥＴ６の発熱の影響を極力受けない構造を採用している。
（１）ＦＥＴ６とコンデンサ８との間に、多層基板１１の内部で断熱層１９が位置するようにして、ＦＥＴ６からコンデンサ８への貰い熱を低減する。また、ＦＥＴ６とコンデンサ８とは、ビア２３を介して電気的に接続されているが、熱抵抗が下がらないようにビア２３のサイズを最小限にしている。すなわち、
（ＦＥＴ６→ビア２３→コンデンサ８の熱抵抗）
≫（ＦＥＴ６→厚銅パターン１８→放熱ゲル２５→アルミ筐体２４の熱抵抗）
となるように設定する。

（２）ＦＥＴ６の発熱を、ＦＥＴ６→厚銅パターン１８ｃ→放熱用ゲル剤２５→アルミ筐体２４，という図中の右方向に伸びる熱経路により放熱させる。この熱経路は第１放熱経路に相当する。

（３）インバータ回路５がモータ３を駆動する際には、コンデンサ８自体も発熱する。そこで、コンデンサ８→厚銅パターン１７（−）→銅インレイ２０→厚銅パターン１８ａ→放熱用ゲル剤２５→アルミ筐体２４，という図中の左方向に伸びる熱経路により放熱させる。この熱経路は第２放熱経路に相当する。

以上のように本実施形態によれば、スイッチング動作により負荷に通電する電流を制御するＦＥＴ６と、駆動用電源の端子間に接続されるアルミ電解コンデンサ８とが、多層基板１１の異なる面において対応する実装領域にそれぞれ表面実装される。そして、多層基板１１の内層では、前記実装領域に対応する部位を避けて銅箔パターン１５及び１６を配置する。これにより、ＦＥＴ６が発生させた熱は、内層を介してコンデンサ８側に伝達され難くなり、コンデンサ８が受ける熱の影響を低減できる。

そして、内層の実装領域に対応する部位に、基板材料よりも熱伝導率が低い物質で断熱層１９を形成したので、ＦＥＴ６が発生させた熱がコンデンサ８側に一層伝達され難くなり、コンデンサ８が受ける熱の影響をより低減できる。

また、ＦＥＴ６の実装面に、ＦＥＴ６が発生した熱を図中右方向に伝達させる第１放熱経路を形成し、コンデンサ８の実装面には、コンデンサ８が発生した熱を放熱させる第２放熱経路を第１放熱経路とは逆方向となるように形成した。これにより、互いが発生した熱の影響を受けることなく、それぞれ放熱を行うことができる。

また、ＦＥＴ６の実装面側に、アルミ筐体２４を配置し、前記第１放熱経路が、放熱用ゲル剤２５を介してアルミ筐体２４に接するようにした。これにより、ＦＥＴ６の放熱効率を向上させることができる。また、前記第２放熱経路に、ＦＥＴ６の実装面に熱を伝導させる銅インレイ２０を形成し、前記実装面には、厚銅パターン１８ａにより第２放熱経路の延長放熱経路を形成した。これにより、コンデンサ８の放熱効率を向上させることができる。そして、第１放熱経路の厚銅パターン１８ｃ及び第２放熱経路の厚銅パターン１８ａも、放熱用ゲル剤２５を介してアルミ筐体２４に熱的に接するようにしたので、放熱効率を更に向上させることができる。

加えて、多層基板１１に実装されたＦＥＴ６によりインバータ回路５を構成し、ＥＤＵ１は、モータ３の各相巻線に通電を行う。したがって、可変バルブタイミングシステムを構成するモータ３を駆動する際に、インバータ回路５が発した熱を効率的に放熱させることができる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第２実施形態は、断熱層３１の構成が第１実施形態と相違している。すなわち、図６及び図７に示すように、第１実施形態では断熱層１９が形成されていた部分には、第２樹脂基板１３の樹脂部に多数の貫通孔３２が形成されている。そして、貫通孔３２の内部には、第１実施形態と同様の断熱材３３が充填されている。尚、図６では貫通孔３２のみを図示しており、図７では断熱材３３をハッチングで示している。

以上のように第２実施形態によれば、断熱層３１を、第２樹脂基板１３に複数の貫通孔３２を形成し、これらの貫通孔３２に断熱材３３を充填することで構成した。このように構成すれば、貫通孔３２を形成する数や断熱材３３の材料によって断熱層３１の熱伝導率を調整できる。

（第３実施形態）
図８に示すように、第３実施形態は、第１実施形態のような多層基板ではなく、単一の樹脂基板からなる両面基板４１を用いた場合を示す。両面基板４１における樹脂基板４２の上面側には厚銅パターン１７が形成されており、下面側には厚銅パターン１８が形成されている。

樹脂基板４２において、コンデンサ８及びＦＥＴ６の実装領域に対応する部位には、断熱層４３が形成されている。厚銅パターン１７（−）と厚銅パターン１８ａとは、樹脂基板４２に形成された銅インレイ４４により熱的に接続されている。また、厚銅パターン１７（＋）と厚銅パターン１８ｃとは、第１実施形態と同様に、樹脂基板４２に形成されたビア４５により電気的に接続されている。
以上のように第３実施形態によれば、両面基板４１を用いた場合にも、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第４実施形態）
第４実施形態は、図５に示したように、６個のＦＥＴ６によりインバータ回路５が形成されている場合に、電源に３個のアルミ電解コンデンサ８ａ〜８ｃを接続する場合のレイアウトの一例を示したものである。図９に示すように、基板の裏面には、６個のＦＥＴ６ａ〜６ｆが２×３の行列状に配置されている。それに対して基板の表面には、コンデンサ８ａがＦＥＴ６ａ及び６ｄの間に配置され、コンデンサ８ｂがＦＥＴ６ｂ及び６ｅの間に配置され、コンデンサ８ｃがＦＥＴ６ｃ及び６ｆの間に配置されている。そして、これらの実装領域に対応する基板の内部には、一点鎖線で示す断熱層５１が形成されている。二点鎖線はアルミ筐体２４を示している。また、厚銅パターン１７（−）と厚銅パターン１８ａとは、複数のビアにより熱的に接続されている。

以上のように第４実施形態によれば、６個のＦＥＴ６ａ〜６ｆに対して３個のコンデンサ８ａ〜８ｃを接続する構成について、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（その他の実施形態）
４層基板に限ることなく、３層基板や５層以上の基板に適用しても良い。
第２実施形態の構成を、第３実施形態に適用しても良い。
スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴに限ることなく、パワートランジスタやＩＧＢＴなどでも良い。
可変バルブタイミングシステムを構成するＥＤＵ以外に適用しても良い。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１はＥＤＵ、３はモータ、５はインバータ回路、６はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、８はアルミ電解コンデンサ、１１は多層基板、１２〜１４は第１〜第３樹脂基板、１５及び１６は銅箔パターン、１７及び１８は厚銅パターン、１９は断熱層、２０は銅インレイ、２４はアルミ筐体、２５は放熱用ゲル剤を示す。

Claims (12)

1. スイッチング動作により負荷に通電する電流を制御するスイッチング素子（６）と、
   このスイッチング素子に駆動用電源を供給する電源端子間に接続されるコンデンサ（８）と、
   前記スイッチング素子と前記コンデンサとが、一方の面と他方の面との対応する実装領域にそれぞれ表面実装される回路基板（１１）とを備え、
   前記回路基板は、１層以上の内層を有しており、
   前記内層の導電パターン（１５，１６）は、前記実装領域に対応する部位を避けて配置されている回路基板の放熱構造。
2. 前記内層の実装領域に対応する部位に、基板材料よりも熱伝導率が低い物質により断熱層（１９）が形成されている請求項１記載の回路基板の放熱構造。
3. 前記一方の面及び前記他方の面のそれぞれに形成されている導電パターン（１７，１８）と前記断熱層との間に、それぞれ基板（１２，１４）が介在する請求項２記載の回路基板の放熱構造。
4. スイッチング動作により負荷に通電する電流を制御するスイッチング素子（６）と、
   このスイッチング素子に駆動用電源を供給する電源端子間に接続されるコンデンサ（８）と、
   前記スイッチング素子と前記コンデンサとが、一方の面と他方の面との対応する実装領域にそれぞれ表面実装される回路基板（４１）と、
   この回路基板の内部で前記実装領域に対応する部位に形成され、基板材料よりも熱伝導率が低い物質からなる断熱層（３１）とを備える回路基板の放熱構造。
5. 前記実装領域に係る部位の層構造は、一方の面から他方の面にかけて、導電パターン（１７），断熱層，導電パターン（１８）となっている請求項４記載の回路基板の放熱構造。
6. 前記断熱層（３１）は、基板に形成される複数の貫通孔（３２）と、
   これら複数の貫通孔に充填される断熱材（３３）とを備えている請求項２から５の何れか一項に記載の回路基板の放熱構造。
7. 前記スイッチング素子の実装面には、前記導電パターンと同じ金属材料によって、前記スイッチング素子が発生した熱を所定方向に伝達させる第１放熱経路（１８ｃ）が形成されており、
   前記コンデンサの実装面には、前記金属材料によって、前記コンデンサが発生した熱を放熱させる第２放熱経路（１７（−），２０，１８ａ）が、熱の伝達方向が前記第１放熱経路とは逆方向となるように形成されている請求項１から６の何れか一項に記載の回路基板の放熱構造。
8. 前記スイッチング素子の実装面側には、金属製の筐体（２４）が配置され、
   前記第１放熱経路は、放熱用ゲル剤（２５）を介して前記筐体に接している請求項７記載の回路基板の放熱構造。
9. 前記第２放熱経路には、前記スイッチング素子の実装面に到達する熱伝導部（２０）が形成されており、
   前記スイッチング素子の実装面には、前記金属材料によって前記第２放熱経路の延長放熱経路（１８ａ）が形成されている請求項７又は８記載の回路基板の放熱構造。
10. 前記延長放熱経路は、放熱用ゲル剤を介して前記筐体に接している請求項８を引用する請求項９記載の回路基板の放熱構造。
11. 前記放熱経路は、層方向厚さが前記導電パターンよりも厚くなるように形成されている請求項７から１０の何れか一項に記載の回路基板の放熱構造。
12. 請求項１から１１の何れか一項に記載の回路基板の放熱構造を伴う１つ以上のスイッチング素子を備え、モータ（３）の巻線に通電を行うモータ駆動装置。

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