JP3975203B2 - 放熱器付きコンデンサ基板 - Google Patents

Description

本発明は、冷却用ヒートシンクを備えたプリント基板に関し、特に車載用インバータモジュールに使用して冷却性と耐震性の向上に効果のある放熱器付きコンデンサ基板に関する。

電子部品の多くはいわゆるプリント基板（以下基板とも言う）に取付けられる。取付けにより部品の機械的保持と配線とが同時に完了するというメリットが得られるからである。ところで、電子部品の中には自体が発熱し、その熱の放散を考慮しなければならない部品も多い。そして効率よく放熱させるには多くの場合、アルミや銅製のいわゆるヒートシンク（金属製放熱器）が用いられる。
冷却すべき電子部品が大型の半導体である場合には、その半導体に直接ヒートシンクをとりつけることができる。しかし、冷却すべき半導体や部品が小さく、しかもそれが多数存在するばあいとか、あるいは、本発明で説明するコンデンサの場合には直接その部品にヒートシンクを取付けることがむつかしく、この部品をとりつけたプリント基板をヒートシンクに密着するように取付けて冷却する必要がある。とくにコンデンサの場合にはその構造上、コンデンサの電極を通じて放熱させる必要があるが、当然、電極に金属性放熱器を接触させると短絡などの機会が増えるため、金属製放熱器を放熱効率がよくなるように取り付けるのは容易ではない。
即ち、プリント基板の表面／裏面には、部品の電極が突出しているので、これを他の金属に接触させることはできないし、仮にできたとしても半田の突起が多数存在してでこぼこであるためヒートシンクの面に密着させることは不可能である。

上記のように、密着させ難いプリント基板をヒートシンクに取付ける例が特許文献１に開示されている。特許文献１の図１と図２には半導体素子２を取付けた基板１をライザー１０を介して微少な隙間をあけてヒートシンク２０に取付け、この隙間にコンパウンド３０を充填してヒートシンク２０と基板１の間の熱伝導を確保するものが示されている。
しかし、ここで用いるコンパウンド３０は不規則な基板表面との密着性を得るため柔軟性の高いものでなければならない。このため、コンパウンド３０は、一見、基板１とヒートシンク２０とを接着しているようには見えても、基板１を機械的に保持する役目を担い得るものとはならない。したがって基板１の面積が大きかったり、取付けられた部品の重量が大きかったりして、基板１に振動や曲がりが生じた場合、コンパウンド３０はこれを防止することができないだけでなく、コンパウンド３０と基板１との密着性が損なわれ、冷却性能そのものが損なわれることにつながる結果となる。
無論、取付けねじの本数を増やし、ねじ間隔を狭くすれば振動や曲がりには対処できるが、作業性が悪くなる、基板面積が増大する、基板パターンの作成自由度が低下するなどの問題が増大するという課題があった。
特公平７−１１２０２９号公報、図１、図２

基板の熱をヒートシンクに有効に伝達するため、基板とヒートシンクとの間にコンパウンドの層をもうけると、やわらかなコンパウンドには機械的な保持能力がないため、ヒートシンクの面積が大きいほど、あるいは部品の重量が大きいほど、基板が振動したり曲がったりしやすくなり、耐震性能が低下する。そして、このような振動や板の曲がりによりコンパウンドが基板からはがれ冷却能力も低下するという課題があった。特にインバータの平滑コンデンサは容量が大きく、その重量とサイズが一般の電子部品の中ではひときわ大きいため、冷却性と耐震性をともに満たす取付け構造をもつ放熱器つきコンデンサ基板が望まれているという課題があった。

この発明の放熱器付きコンデンサ基板は、平面を有する金属製放熱器、
貫通穴を有し１面が前記平面に接して配置された底板と、この底板の他の１面に周囲を囲うように設けられた囲い部とを有するインサートケース、
コンデンサが取付けられ、所定の厚みのスペーサを介して前記底板に取り付けられたコンデンサ基板、
前記コンデンサ基板と前記平面とを前記貫通穴を介して互いに接着するように、前記囲い部の中に充填された接着剤を備えたものである。

この発明の放熱器付きコンデンサ基板は、コンデンサ基板を接着剤により直接ヒートシンクに接着しているので、放熱性が向上するとともに、機械的な保持機能も向上し、耐震性、冷却性がともに向上する。

この発明の放熱器付きコンデンサ基板の構造の最良の実施形態について以下に説明する。
実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１の放熱器付きコンデンサ基板の構成を説明する分解斜視図を示す。また、図１の構成の理解を助けるため図２に図１のものを組み立てた後の断面図を示す。なお、以下の各図において同符号は同一または相当部分を示す。
ヒートシンク（金属製放熱器）５は平面５ａを備えている。ヒートシンク５は一般には単なる板であるとか、多数のフィンを備えているとか、強制的に空冷するためのファンを備えていたりするが、どのような冷却機構を持つかは、この発明の要点には関係しないのでここでは問わないものとする。ただ、図１は多数のフィンを持つ構造として図示している。この平面５ａに樹脂、セラミック又は金属製のインサートケース４を載せ、ねじ１０で固定する。インサートケース４はヒートシンク５の平面５ａに接する底板４ａと、この底板４ａの周囲を囲み接着剤（後述）の流出を防止するための囲い部４ｂを備えている。また底板４ａには貫通穴４ｃが設けてある。貫通穴（以下穴という）４ｃは図では２個示しているがもっと多くてもよい。
貫通穴４ｃの位置はコンデンサ基板２を取り付けたとき、丁度コンデンサ１の電極１２の真下の位置に設けておくことが好ましい。
また、インサートケース４の内側の端部（必ずしも端部である必要はないがこの方が取付け作業が容易となる）にはコンデンサ基板２をヒートシンク５から所定の距離に保持して支えるため、所定の厚みのスペーサ１１が設けられている。ここでスペーサ１１は馬鹿穴を持つ、この馬鹿穴の下のヒートシンク５には雌ねじ穴（図示しない）がきられている。スペーサ１１は必ずしもインサートケース４に取り付けられていなくても、単に所定の厚みのあるワッシャ状のものでもよい。

コンデンサ基板２にはコンデンサ１がその電極１２を介して取り付けられ、また電極１２には配線（リード）６があらかじめ取付けられている。リード６はインサートケースの側面から外部に引き出されているが本発明の要点には関係しないので詳細な説明を省略する。
コンデンサ基板２をヒートシンク５に取付けるには、まず、ヒートシンク５にねじ１０で固定されたインサートケース４の中に、接着剤３（例えばシリコン系接着剤）を流し込んでから直ちにコンデンサ基板２をインサートケース４内にはめ込む。このとき配線６が接着剤３に埋もれてしまわないように注入量を加減する。そしてねじ１３により基板２をヒートシンク５に取り付けるとともに配線６もねじ止めする。コンデンサ基板２はインサートケース４内のスペーサ１１に当たって、底板４ａとの間に一定の距離（電極１２とヒートシンクとの絶縁が確保される距離、例えば３ｍｍ）が保持される。そしてヒートシンク５とコンデンサ基板２の間の空間に隙間なく接着剤を充填する。図１は接着剤３の注入前の図なので接着剤は図示していない。図ではインサートケース４をヒートシンクに止めるねじ１０と、コンデンサ基板２をインサートケースに止めるねじ１３とを記載しているが、共用、即ち、基板２、インサートケース４、ヒートシンク５を共締めする構造であってもよい。

注入された接着剤３はインサートケース４の内側に溜まるが囲い部４ｂがあるので、外部に流れ出すことはない。図面では詳細を示し得ないが、接着剤３は穴４ｃからインサートケース４とヒートシンク５の隙間（隙間があれば）に流入し得る。コンデンサ基板２はねじ１３による締結だけでなく、接着により強固にヒートシンク５に接着保持される。これによりコンデンサ基板２の耐震性が向上するとともに、コンデンサ基板２の発熱もヒートシンク５へ接着剤３を介して、インサートケースを介することなく伝達されて放熱性が向上する。

なお、図２に於いて接着剤３は穴４ｃの部分にのみあるように図示しているが、穴４ｃからはみ出て、インサートケース４の中全体に充填されていてもよい。底穴４ｃは図１に示すような形でなければならぬということはなく、例えば大きい１個の穴でも、また蜂の巣状に小さな多数の穴があってもよい。
また、囲い部４ｂの高さは、取り付けられたコンデンサ基板２の下面よりも上まであることが好ましい、これにより注入した接着剤３が基板２と囲い部４ｃとの隙間から流れ出ることが防止できる。このようにしてあれば、基板２の端部と囲い部４ｃとの間に相当程度の隙間があってもかまわない。
また、インサートケース４の底板４ａのヒートシンクの平面５ａと接する部分に熱の伝導を高める公知のコンパウンドを塗布してもよい。
図２において、コンデンサ１は基板の上面から少し離れて記載してあるが、これはリード１２を説明するためにこのように記載したのであって、耐震性を高めるためにはコンデンサの本体部分を基板に密着させた方がよい。
このように実施の形態１のコンデンサ基板２の取付け構造は、ヒートシンク５とインサートケース４とコンデンサ基板２が互いに１度の接着剤注入により接着されているので、作業手順も簡素化されるという効果も得られる。

実施の形態２．
実施の形態１の図１ではコンデンサ基板２とインサートケース４とヒートシンク５の３つを互いに接着している。これら３つのものはそれぞれを構成する素材が異なる場合が多く、その場合にはそれぞれの熱膨張率も異なる。即ち、ヒートシンク５は熱伝導性と価格の点からアルミニュウムが使用されることが多い。そしてインサートケース４は前述のとおり樹脂、セラミック、金属などが使用される。そして基板２には例えばガラスエポキシまたはベークライトなどが使用される。ヒートシンク５の熱膨張率とインサートケース４の熱膨張率は類似したものを使用すべきであるが、その他の条件から熱膨張率が大きく異なる組み合わせのものを使用せざるを得ない場合がある。ヒートシンク５とインサートケース４の間の接着剤層はきわめて薄いので、互いの熱膨張率が大きく異なると、長期の使用にともない接着が徐々にはがれ熱伝導性と機械的保持力が低下したり、インサートケース４にクラックが生じる恐れがある。
一方コンデンサ基板２とインサートケース４との間、およびコンデンサ基板２とヒートシンク５との間の接着層はそれぞれ厚みがあり、互いの熱膨張率が異なっていても温度変化による変形を吸収することができ、長期の使用によりはがれが進行するということはない。

そこで、このような問題を解決した放熱器付きコンデンサ基板を図３および図４に示す。
ヒートシンク（金属製放熱器）５は平面５ａを備えている。この平面５ａに樹脂、セラミック又は金属製のインサートケース４０を載せ、ねじ１０により固定する。インサートケース４０はヒートシンク５の平面５ａに接する底板４０ａと、この底板４０ａの周囲を囲み接着剤３の流出を防止するための囲い部４０ｂを備えている。ただし底板４０ａには実施の形態１の図１に示した穴４ｃが設けられていない。また、インサートケース４０の内側の端部にはコンデンサ基板２をヒートシンク５から所定の距離（実施の形態１の説明と同じ）に保持して支えるためのスペーサ１１が取り付けられている。ここでスペーサ１１は雌ねじ穴を持つ、

コンデンサ基板２の構造は実施の形態１で説明したものと同じなので詳細な説明は省略する。コンデンサ基板２をヒートシンク５に取付けるには、まず、インサートケース４０を図４のねじ１０によりヒートシンク５に取り付ける。このとき底板４０ａとヒートシンク５との接着面に公知の熱伝導率向上のためのコンパウンド（図示しない）を塗布してもよい。
次に、インサートケース４０の中に接着剤３（例えばシリコン系接着剤）を流し込んでから直ちにコンデンサ基板２をインサートケース４０内にはめ込む。そしてねじ１３によりインサートケース４０に取り付ける。コンデンサ基板２はインサートケース内のスペーサ１１に当たって底板４０ａとの間に一定の距離が保持される。そして底板４０ａとコンデンサ基板２の間の空間に隙間なく接着剤３を充填する。図３は接着剤３の注入前の図として接着剤３は図示していない。ねじ１３はコンデンサ基板２とインサートケース４０とをヒートシンク５に共締めするものであってもよい。その場合、スペーサ１１には馬鹿穴がもうけてある必要がある。接着後ただちにねじ止めしないとねじ穴に接着剤が流入する恐れがあるため、別のねじとしてあるほうが作業は容易となる。

注入された接着剤３はインサートケース４０の内側に溜まるが囲い部４０ｂがあるので流れ出すことはない。コンデンサ基板２はねじ１３による締結だけでなく、強固にインサートケース４０に接着保持される。これによりコンデンサ基板２の耐震性が向上するとともに、コンデンサ基板２の発熱もインサートケース４０に伝達されて放熱性が向上する。

なお、図４に於いて接着剤３はコンデンサ１の下部付近にのみあるように図示しているが、インサートケース４０の中全体に充填されていてもよい。
インサートケース４０はねじ止めなのでヒートシンク５に対して微小な熱的伸縮変形が可能となり、はがれなどを考慮する必要はなくなる。
インサートケース４０の材質は前述のとおり各種のものが使用できるので、コンデンサ基板２の熱膨張率と近い材質のものを選定することが容易である。したがってコンデンサ基板２がインサートケース４０からはがれるということはない。

実施の形態３．
実施の形態１、実施の形態２ではインサートケース４、４０にはいずれも底板が設けてある。
この構成を更に簡素にした実施の形態３の放熱器付きコンデンサ基板の構造を図５に示す。
平面５ａを有するヒートシンク５は実施の形態１のものと同じである。この平面５ａに樹脂、セラミック又は金属製のインサートケース４００を載せる。インサートケース４００は周囲を囲う囲い部４００ｂと、その外側に設けられヒートシンク５の平面５ａに接するつば（つば部）４００ａとを備えている。つば４００ａには馬鹿穴４００ｃが数箇所設けられ、ねじ１０によりヒートシンク５に取り付けることができる。インサートケース４００の内側は底抜け構造となっている。囲い部４００ｂの内側にはコンデンサ基板２をヒートシンク５から所定の距離に保持して支えるためのスペーサ１１が設けられ、スペーサ１１には雌ねじを持つ。ただし、図６の右寄りに図示するごとく、ヒートシンク５に設けた雌ねじにねじ込む構造としてもよい。

コンデンサ基板２の構造は実施の形態１で説明したものと同じなので詳細な説明は省略する。コンデンサ基板２をヒートシンク５に取付けるには、まず、インサートケース４００を図５のねじ１０によりヒートシンク５に取り付ける。
次に、インサートケース４００の中に接着剤３（例えばシリコン系接着剤）を流し込んでから直ちにコンデンサ基板２をインサートケース４００内にはめ込む。そしてねじ１３によりインサートケース４００又はヒートシンク５に取り付ける。コンデンサ基板２はインサートケース内のスペーサ１１に当たってヒートシンク５の平面５ａとの間に一定の距離が保持される。そして平面５ａとコンデンサ基板２の間の空間に隙間なく接着剤３を充填する。図５は接着剤３の注入前の図として接着剤３は図示していない。

注入された接着剤３はインサートケース４００の内側に溜まるが囲い部４００ｂがあるので流れ出すことはない。コンデンサ基板２はねじ１３による締結だけでなく、強固にヒートシンク５の平面５ａに接着保持される。これによりコンデンサ基板２の耐震性が向上するとともに、コンデンサ基板２の発熱も接着剤３を介してヒートシンク５に伝達されて放熱性（冷却性とも言う）が向上する。

なお、図６に於いて接着剤３はコンデンサ１の下部付近にのみあるように図示しているが、インサートケース４００の中側全体に充填されていてもよい。
本実施の形態ではインサートケースの構造が簡単で軽量化されているとともに、コンデンサ基板の熱が接着剤を介して直接ヒートシンクに伝わるので方熱効果が大きい。
ヒートシンク５の平面５ａは全面にある必要はなく、インサートケース４００のつば４００ａが接する部分、即ちヒートシンク５の周辺部分のみにあればよいので、ヒートシンクが安価に製造できるという効果も得られる。

この発明はコンデンサ基板に限定されず、ヒートシンクを用いて放熱を行う全ての電子部品取付け用基板に適用することができる。また、車載用電子装置に適用してその耐震性をよりよく活用することができる。

本発明の実施の形態１の放熱器付きコンデンサ基板の構造の分解斜視図である。 図１の放熱器付きコンデンサ基板の断面図である。 本発明の実施の形態２の放熱器付きコンデンサ基板の構造の分解斜視図である。 図３の放熱器付きコンデンサ基板の断面図である。 本発明の実施の形態３の放熱器付きコンデンサ基板の構造の分解斜視図である。 図５の放熱器付きコンデンサ基板の断面図である。

符号の説明

１ コンデンサ、 ２ コンデンサ基板、 ３ 接着剤、
４ インサートケース、 ４ａ 底板、 ４ｂ 囲い部、
４ｃ 穴、 ５ ヒートシンク、
５ａ 平面、 ６ 配線（リード）、 １０ ねじ、 １１ スペーサ、
１２ 電極、 １３ ねじ、 ４０ インサートケース、 ４０ａ 底板、
４０ｂ 囲い部、 ４００ インサートケース、 ４００ａ つば、
４００ｂ 囲い部。

Claims (5)

1. 平面を有する金属製放熱器、
   貫通穴を有し１面が前記平面に接して配置された底板と、この底板の他の１面に周囲を囲うように設けられた囲い部とを有するインサートケース、
   コンデンサが取付けられ、所定の厚みのスペーサを介して前記底板に取り付けられたコンデンサ基板、
   前記コンデンサ基板と前記平面とを前記貫通穴を介して互いに接着するように、前記囲い部の中に充填された接着剤を備えたことを特徴とする放熱器付きコンデンサ基板。
2. 平面を有する金属製放熱器、
   １面が前記平面に接して配置された底板と、この底板の他の１面に周囲を囲うように設けられた囲い部とを有するインサートケース、
   コンデンサが取付けられ、所定の厚みのスペーサを介して前記底板に取り付けられたコンデンサ基板、
   前記コンデンサ基板と前記底板とを互いに接着するように、前記囲い部の中に充填された接着剤を備えたことを特徴とする放熱器付きコンデンサ基板。
3. 平面を有する金属製放熱器、
   前記平面に接して前記金属性放熱器にねじ止めされるつば部と、このつば部の周囲に設けられた囲い部と、所定の厚みのスペーサとを有するインサートケース、
   コンデンサが取付けられ、前記スペーサに取り付けられたコンデンサ基板、
   前記コンデンサ基板と前記金属性放熱器とを互いに接着するように、前記囲い部の中に充填された接着剤を備えたことを特徴とする放熱器付きコンデンサ基板。
4. 前記接着剤はシリコン系接着剤である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放熱器付きコンデンサ基板。
5. 前記平面は前記金属製放熱器の周辺部に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の放熱器付きコンデンサ基板。

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