JP2023075677A - 実装基板、及び実装基板を搭載した電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的な性能を悪化させることなくプリント基板の放熱性を向上させることができる実装基板、及び当該実装基板を搭載した電気機器を提供する。
【解決手段】実装基板は、放熱性を有する放熱パッドが内部に配置された電子部品と、熱伝導性を有する金属を主成分とするインレイが内部に配置され、放熱パッドとインレイとが接続されて電子部品が実装されたプリント基板と、プリント基板が接合された冷却構造部と、を備え、電子部品は、放熱パッドが配置された面と同じ面に、放熱パッドと同電位である、または不使用の電極である第１の電極を有し、インレイは、第１の電極に接触していることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、実装基板、及び実装基板を搭載した電気機器に関する。

従来、電子部品の放熱性を大幅に高めることのできる半導体装置が公知である。当該半導体装置は、電子部品と、電子部品を実装する基板と、基板を搭載する下部筐体と、第１の表面に、接合材を介して電子部品が金属接合されるヒートスプレッダと、を有する。下部筐体は、ヒートスプレッダを係合させる開口部を有し、ヒートスプレッダは、開口部に接合材を介して接合される。そして、ヒートスプレッダは、第１の表面に対向する第２の表面が下部筐体から露出している（例えば、特許文献１参照）。

また、発熱源から発せられる熱を、低コストで、効率良く外部へ放熱する回路モジュールも公知である。当該回路モジュールは、一主面に発熱体を搭載した回路基板と、回路基板を支持する筐体と、回路基板の他主面に配置され、面内方向に熱を拡散する放熱シートを備え、発熱体が発する熱を筐体に伝える熱伝導部と、を有する（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４－００３２５８号公報 特開２０２０－１９１３１６号公報

上記特許文献１において開示されているような半導体装置においては、電流を流した際の発熱量が多い電子部品の放熱性を大幅に高めるために、電子部品が接合材を介して、熱を大気中に拡散する性質を有するヒートスプレッダに接着している。しかしながら、電子部品から発生した熱が、電子部品を実装した基板に伝達し、基板の放熱性が十分でない場合には基板の温度が過度に上昇する虞がある。基板の温度が過度に上昇すると、例えば発熱している電子部品の近くにある他の電子部品の温度が上昇し、性能低下や損傷を引き起こす虞がある。また、上記特許文献２において開示されているような回路モジュールにおいては、プリント基板の開口に圧入された銅インレイと、高周波デバイスの放熱パッドとが、はんだ層により接続されている。これによって、高周波デバイスから発生した熱は銅インレイを伝達し、プリント基板から放熱する。しかしながら、当該回路モジュールにおいては、放熱パッドの面積に対する銅インレイの面積の大きさが不明確であり、例えば、プリント基板において銅インレイが設置された箇所には配線を形成することができない、あるいは銅インレイの面積を大きくすることにより、プリント基板を製造する難易度が上がるといった実状を鑑みて、銅インレイの面積を放熱パッドの面積と同等にせざるを得ない場合が考えられる。放熱パッドの面積と銅インレイの面積とが同等である場合、プリント基板から効率的に放熱することができない。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、電気的な性能を悪化させることなく電子部品において発生する熱の放熱性を向上させることができる実装基板、及び当該実装基板を搭載した電気機器及び、それらに使用されるプリント基板を提供することを最終的な目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、
電子素子を含み、放熱性を有する放熱パッドを有する電子部品と、
金属を主成分とするインレイが内部に配置され、前記放熱パッドと当該インレイとが接続されて前記電子部品が実装されたプリント基板と、を備え、
前記電子部品は、前記放熱パッドと同電位である、または不使用の電極である第１の電極を有し、
前記インレイは、前記第１の電極に接触していることを特徴とする、実装基板である。

本発明によれば、第１の電極は、放熱パッドと同電位であるか、または不使用の電極であるため、放熱パッドと接続されたインレイが第１の電極に接触しても短絡が生じることはない。インレイの面積を大きくすることで、インレイが電子部品における電極に接触して短絡が生じる虞があるが、接触する電極を第１の電極とすることで、短絡が生じ得る問題が解消される。

また、本発明においては、放熱性を有し、接合材を介して前記プリント基板が接合された冷却構造部をさらに有する、実装基板としてもよい。これによれば、放熱パッドから吸収した熱を冷却構造部から拡散することもできる。

また、本発明においては、前記電子部品は、前記第１の電極以外に、前記放熱パッドと電位が異なる第２の電極を有することを特徴とする、実装基板としてもよい。これによれば、インレイが第２の電極に接触しないため、短絡が生じることを防止できる。

また、本発明においては、前記インレイの面積は、前記放熱パッドの面積と比較して大きいことを特徴とする、実装基板としてもよい。これによれば、インレイが放熱パッドから吸収した熱は、冷却構造部のみならず、プリント基板からも拡散しやすい。インレイの面積を大きくすることによって、熱の拡散効率を向上させることができる。

また、本発明においては、前記インレイは、複数の前記電子部品の各々の前記放熱パッドと接続されており、各々の前記第１の電極に接触していることを特徴とする、実装基板としてもよい。これによれば、プリント基板に複数の電子部品を高密度に搭載することができ、実装基板の小型化を図ることができる。

また、本発明においては、電力供給装置から供給される電力の電力変換を行う電気機器であって、上記に記載の実装基板を搭載した電気機器としてもよい。これによれば、冷却構造部から発生した熱を電気機器の外部の空気中に拡散することや、電気機器において外気によって冷却することができる。また、プリント基板の回路パターンを電気機器に搭載できる。

また、本発明においては、
金属を主成分とするインレイが内部に配置され、放熱性を有する放熱パッドが内部に配置された電子部品を実装可能なプリント基板であって、
前記インレイは、前記電子部品を実装する際に、前記放熱パッドと接続されるとともに、前記電子部品が有する、前記放熱パッドと同電位である、または不使用の電極である第１の電極に接触することを特徴とする、プリント基板としてもよい。

本発明によれば、電子部品をプリント基板に実装した後において、インレイの面積が大きいことに起因してインレイが第１の電極に接触しても、短絡が生じることを防止できる。また、放熱パッドから吸収した熱を冷却構造部から拡散することもできる。

また、本発明においては、前記電子部品に設けられた、前記放熱パッドと電位が異なる
第２の電極を接続する電極パッドを備え、前記電極パッドは、前記電極パッドに前記電子部品の前記第２の電極が接続された際に、前記インレイが、前記放熱パッドと接続されるとともに前記第１の電極に接触するような位置に配置されたことを特徴とする、プリント基板としてもよい。これによれば、電子部品をプリント基板に実装した後において、インレイが第２の電極に接触しないため、短絡が生じることを防止できる。

また、本発明においては、前記インレイの面積は、前記放熱パッドの面積と比較して大きいことを特徴とする、プリント基板としてもよい。これによれば、電子部品をプリント基板に実装した後において、インレイが放熱パッドから吸収した熱は、プリント基板から拡散しやすい。インレイの面積を大きくすることによって、熱の拡散効率を向上させることができる。

また、本発明においては、前記インレイは、複数の前記電子部品を実装する際に、複数の前記電子部品の各々の前記放熱パッドと接続され、各々の前記第１の電極に接触することを特徴とする、プリント基板としてもよい。これによれば、プリント基板に複数の電子部品を高密度に搭載できる。

なお、上記の課題を解決するための手段は、可能な限り互いに組み合わせて用いることができる。

本発明によれば、実装基板において、電気的な性能を悪化させることなくプリント基板の放熱性を向上させることができる。また、当該実装基板を電気機器に搭載することもできる。

図１は、本発明の実施例に係る実装基板の全体の一例を示す断面模式図である。 図２Ａは、図１に示す電子部品の底面を矢印の方向から見た平面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す電子部品の斜視図である。 図３は、本発明の実施例に係るプリント基板のうち銅インレイが配置された部分の一例を示す平面図である。 図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、銅インレイの面積の違いによる放熱性（熱抵抗）の測定値の差を示す比較評価の結果である。 図５は、本発明の実施例に係る実装基板を搭載したパワーコンディショナの一例を示す断面模式図である。

〔適用例〕
以下に本発明の適用例の概要について一部の図面を用いて説明する。本発明は図１に示すような実装基板１に適用することができる。また、図１に示すような実装基板１を搭載することで、本発明は図５に示すような電気機器の例としてのパワーコンディショナ７に適用することもできる。

図１は、本発明が適用可能な実装基板１の全体の一例を示す断面模式図である。本適用例における実装基板１は、電子部品２、及びプリント基板３、及びヒートシンク４等を含んで構成される。電子部品２は、例えばＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の半導体部品やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体であり、電子素子（不図示）を含んで構成される。電
子素子に電流を流すことによって、電子部品２は発熱する。実装基板１には電子部品２以外の他の電子部品（例えばコンデンサ等）も含まれるが、電子部品２は他の電子部品と比較して発熱量が大きい。

また、電子部品２の内部には、放熱性を有する放熱パッド２１が配置されている。放熱パッド２１は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた半導体チップがマウントされたリードフレーム（不図示）と一体に形成されている。放熱パッド２１は、例えばはんだ印刷機によって印刷されるはんだ層５を介して、後述の銅インレイ３１に接続されている。放熱パッド２１と銅インレイ３１が接続されて電子部品２がプリント基板３に実装される。

プリント基板３は、例えば多層構造を有し、熱硬化性エポキシ樹脂を基材とするビルドアッププリント配線板である。プリント基板３は開口部（図示略）を有し、開口部には熱伝導性の高い銅を主成分とする柱状の銅インレイ３１が圧入されて配置されている。本適用例におけるプリント基板３の厚さは１．６ｍｍであり、銅インレイ３１はプリント基板３と同一の厚さに形成されている。なお、熱伝導性の高い金属であれば、銅インレイ３１でなく、銅以外の金属を主成分とするインレイを用いてもよい。銅インレイ３１は、本発明におけるインレイに相当する。上述の通り、はんだ層５を介して放熱パッド２１と銅インレイ３１が接続される。なお、電気回路が形成されていれば、プリント基板３以外の回路基板を用いてもよい。

ヒートシンク４は、熱伝導性の高い金属を主成分とし、吸収した熱を周囲に拡散する性質を有する。プリント基板３は、放熱シート６を介してヒートシンク４に接合されている。電子部品２から放熱パッド２１及びはんだ層５を経て銅インレイ３１に伝達した熱は、銅インレイ３１をさらに伝達してプリント基板３から拡散される（以下の実施例の図２Ａ、図２Ｂにおいて詳細に説明する）以外に、放熱シート６を経てヒートシンク４からも拡散される。放熱シート６は、窒化ホウ素やアルミナ等の充填剤を含んでいて高い熱伝導性を有する。本適用例における放熱シート６の厚さは３０～４０μｍである。ヒートシンク４は硬く、加圧しても変形しにくいのに対して、放熱シート６は緩衝材としての性質も有し、加圧すると変形しやすい。このため、プリント基板３が直接ヒートシンク４に接合される場合と比較して、プリント基板３が放熱シート６に接することによって、プリント基板３が密着しやすく、プリント基板３の内部の銅インレイ３１から熱が吸収されやすい。結果的にヒートシンク４が周囲に拡散する熱の量も多くなる。プリント基板３をヒートシンク４に接合させる方法として、例えば放熱シート６が粘着性を有するものであってもよく、あるいはプリント基板３とヒートシンク４の各々に、ネジを通すための孔とネジを締めるための孔を形成し、ネジによって固定してもよい。ここで、ヒートシンク４は、本発明における冷却構造部に相当する。また、放熱シート６は、本発明における接合材に相当する。

図２Ａは、図１に示す電子部品２の底面を矢印の方向から見た平面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す電子部品２の斜視図である。図２Ａ、図２Ｂにおいて、銅インレイ３１に相当するエリアは破線で示す。銅インレイ３１は、図２Ａ、図２Ｂの向きで電子部品２より上の面に配置されている。電子部品２は、放熱パッド２１が配置された面と同じ面に、複数の第１の電極２２及び第２の電極２３を有する。放熱パッド２１と接続された銅インレイ３１は、二の第１の電極２２に接触する。第１の電極２２は、放熱パッド２１と同電位であるか、あるいは不使用の電極であるかのいずれかである。第１の電極２２が放熱パッド２１と同電位である場合は、電子部品２の内部で放熱パッド２１と第１の電極２２が接続しており、第１の電極２２は例えばグランドに接地している。これによって、銅インレイ３１が第１の電極２２に接触しても短絡が生じない。第２の電極２３は放熱パッド２１と電位が異なり、銅インレイ３１は、第２の電極２３には接触しない。なお、本適用例における電子部品２が有する第１の電極２２及び第２の電極２３の数や位置は、図２Ａ、
図２Ｂに示す限りではない。また、第１の電極２２及び第２の電極２３は、不図示の端子と電気的に接続している。また、第１の電極２２及び第２の電極２３は、必ずしも図２Ａ、図２Ｂに示すように電子部品２の底面に設けられるのではなく、電子部品２の側面からリードを延出することで形成されてもよい。

〔実施例〕
以下、本発明の実施例に係る実装基板１、及び電気機器の例としてのパワーコンディショナ７について、図面（上記の適用例で一旦説明した図面も含む）を用いてより詳細に説明する。なお、本発明に係る実装基板１、及びパワーコンディショナ７は、以下の構成に限定する趣旨のものではない。

＜プリント基板の構成＞
ここで、図２Ａ、図２Ｂの説明に戻る。放熱パッド２１と接続された銅インレイ３１は、第１の電極２２に接触していることに加えて、銅インレイ３１の面積は、放熱パッド２１の面積と比較して大きい。上述の通り、電子部品２から銅インレイ３１に伝達した熱は、銅インレイ３１をさらに伝達してプリント基板３から拡散されるため、銅インレイ３１の面積が大きい程、電子部品２からの発熱を拡散しやすくなる。これによって、より確実に電子部品２のオーバーヒートを防止することができる。また、本実施例における実装基板１において、銅インレイ３１は複数の電子部品２と共有していてもよい。すなわち、銅インレイ３１が複数の電子部品２の各々の放熱パッド２１と接続されており、各々の第１の電極２２に接触していてもよい。

図３は、本発明の実施例に係るプリント基板３のうち銅インレイ３１が配置された部分の一例を示す平面図である。図３において、電子部品２及び放熱パッド２１に相当するエリアは破線で示す。プリント基板３は、銅インレイ３１が配置されていない箇所に電極パッド３２を備えており、電子部品２をプリント基板３に実装する際には、電極パッド３２が電子部品２の第２の電極２３と接続される。同時に、銅インレイ３１は、放熱パッド２１と接続されるとともに、第１の電極２２に接触するような位置に配置される。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、銅インレイ３１、３１ａ、３１ｂの面積の違いによる放熱性（熱抵抗）の測定値の差を示す比較評価の結果である。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃにおいて、銅インレイ３１、３１ａ、３１ｂ以外の構成要素は同一である。図４Ａには、本実施例における銅インレイ３１を示す。図４Ｂに示す銅インレイ３１ａの面積は、本実施例と同様に、放熱パッド２１の面積と比較して大きいが、銅インレイ３１ａは第１の電極２２に接触していない。図４Ｃに示す銅インレイ３１ｂの面積は、放熱パッド２１の面積と同等であり、さらに銅インレイ３１ｂは第１の電極２２に接触していない。銅インレイ３１、３１ａ、３１ｂの熱抵抗の測定値は、それぞれ３．２Ｋ／Ｗ、４．１Ｋ／Ｗ、４．５Ｋ／Ｗであり、銅インレイ３１の放熱量が最も多かった。以上の比較評価の結果より、銅インレイ３１は第１の電極２２と接触しており、且つ、銅インレイ３１の面積を放熱パッド２１の面積と比較して大きくすることによって、銅インレイ３１の電気的な性能を悪化させることなくプリント基板３の放熱性を向上させることができる。

＜パワーコンディショナの構成＞
図５は、本発明の実施例に係る実装基板１を搭載したパワーコンディショナ７の一例を示す断面模式図である。実装基板１は電気機器に搭載されてよく、電気機器は、例えば、パワーコンディショナ７等の電力変換装置、モータ駆動機器、電源機器等でよい。パワーコンディショナ７は、太陽光電池等の電力供給装置（不図示）に接続され、電力供給装置から供給される電力の電圧を昇圧し、交流に変換し、ノイズを除去して波形を整えた後に、負荷（不図示）や連系する電力系統（不図示）に交流電力を供給する。

パワーコンディショナ７の筐体７１の一側面には、熱伝導性を有する金属ベース７２が設置されている。プリント基板３を接続したヒートシンク４は、ネジ８によって金属ベース７２にネジ締めされる。このようにして電子部品２から発生した熱を吸収したヒートシンク４は、外部の空気中に熱を伝達しやすくなる。金属ベース７２に伝達した熱は、さらに筐体７１に伝達され、外気によって冷却される。

プリント基板３は、スペーサ７３を介してヒートシンク４にネジ締めされる。また、一端がスペーサ７４を介してプリント基板３にネジ締めされ、他端がスペーサ７５を介して金属ベース７２にネジ締めされたベース７６には、端子台７７が固定されて取り付けられる。さらに、プリント基板３の表面と反対側の面には、コネクタ（不図示）を介して制御回路基板（不図示）が取り付けられるようにしてもよい。このようにして、プリント基板３における回路パターンが金属ベース７２に接続される。

＜付記１＞
電子素子を含み、放熱性を有する放熱パッド（２１）を有する電子部品（２）と、
金属を主成分とするインレイ（３１）が内部に配置され、前記放熱パッドと当該インレイとが接続されて前記電子部品が実装されたプリント基板（３）と、を備え、
前記電子部品は、前記放熱パッドと同電位である、または不使用の電極である第１の電極（２２）を有し、
前記インレイは、前記第１の電極に接触していることを特徴とする、実装基板（１）。

＜付記２＞
金属を主成分とするインレイ（３１）が内部に配置され、放熱性を有する放熱パッド（２１）が内部に配置された電子部品（２）を実装可能なプリント基板（３）であって、
前記インレイは、前記電子部品を実装する際に、前記放熱パッドと接続されるとともに、前記電子部品が有する、前記放熱パッドと同電位である、または不使用の電極である第１の電極（２２）に接触することを特徴とする、プリント基板（３）。

１ ：実装基板
２ ：電子部品
２１ ：放熱パッド
２２ ：第１の電極
２３ ：第２の電極
３ ：プリント基板
３１、３１ａ、３１ｂ ：銅インレイ
３２ ：電極パッド
４ ：ヒートシンク
５ ：はんだ層
６ ：放熱シート
７ ：パワーコンディショナ
７１ ：筐体
７２ ：金属ベース
７３―７５ ：スペーサ
７６ ：ベース
７７ ：端子台
８ ：ネジ

Claims (10)

1. 電子素子を含み、放熱性を有する放熱パッドを有する電子部品と、
   金属を主成分とするインレイが内部に配置され、前記放熱パッドと当該インレイとが接続されて前記電子部品が実装されたプリント基板と、を備え、
   前記電子部品は、前記放熱パッドと同電位である、または不使用の電極である第１の電極を有し、
   前記インレイは、前記第１の電極に接触していることを特徴とする、実装基板。
2. 放熱性を有し、接合材を介して前記プリント基板が接合された冷却構造部をさらに有する、請求項１に記載の実装基板。
3. 前記電子部品は、前記第１の電極以外に、前記放熱パッドと電位が異なる第２の電極を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の実装基板。
4. 前記インレイの面積は、前記放熱パッドの面積と比較して大きいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の実装基板。
5. 前記インレイは、複数の前記電子部品の各々の前記放熱パッドと接続されており、各々の前記第１の電極に接触していることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の実装基板。
6. 電力供給装置から供給される電力の電力変換を行う電気機器であって、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の実装基板を搭載した電気機器。
7. 金属を主成分とするインレイが内部に配置され、放熱性を有する放熱パッドが内部に配置された電子部品を実装可能なプリント基板であって、
   前記インレイは、前記電子部品を実装する際に、前記放熱パッドと接続されるとともに、前記電子部品が有する、前記放熱パッドと同電位である、または不使用の電極である第１の電極に接触することを特徴とする、プリント基板。
8. 前記電子部品に設けられた、前記放熱パッドと電位が異なる第２の電極を接続する電極パッドを備え、
   前記電極パッドは、前記電極パッドに前記電子部品の前記第２の電極が接続された際に、前記インレイが、前記放熱パッドと接続されるとともに前記第１の電極に接触するような位置に配置されたことを特徴とする、請求項７に記載のプリント基板。
9. 前記インレイの面積は、前記放熱パッドの面積と比較して大きいことを特徴とする、請求項７または８に記載のプリント基板。
10. 前記インレイは、複数の前記電子部品を実装する際に、複数の前記電子部品の各々の前記放熱パッドと接続され、各々の前記第１の電極に接触することを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載のプリント基板。

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