JP4452888B2

JP4452888B2 - 電子回路装置

Info

Publication number: JP4452888B2
Application number: JP2005215699A
Authority: JP
Inventors: 晃松下
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: JP2007035843A

Description

本発明は、発熱を伴う電子部品と、それを実装する絶縁基板と、これらを接合する半田からなる電子回路基板と、前記電子回路基板の熱を基板外へ放熱するための放熱用部材からなる電子回路装置における、電子回路基板から電子回路基板外への放熱構造に関する。

自動車用電子回路装置は、装置の高機能化と小型化が進み、より大きな熱が小スペース内で発生し、発熱密度が増大する傾向にあるため、電子部品を正常に作動させるには、電子部品および電子回路基板からの放熱構造が重要となっている。

発熱を伴う電子部品の熱を、その電子部品を実装する電子回路基板へ放熱する方法は、例えば、特開２００３−１５２２８８号公報（特許文献１）に記載がある。

発熱を伴う電子部品とその電子部品を実装するプリント配線板からなる電子回路基板の熱を電子回路基板の外部へ放熱する構造には、例えば、熱伝導グリースを用いる放熱方法として特開２００５−５６７１号公報（特許文献２）に記載がある。

熱伝導接着剤を用いる放熱方法の例が特開２００１−２５７４９１号公報（特許文献３）に記載がある。また、熱伝導シートを用いる方法もある。

特開２００３−１５２２８８号公報特開２００５−５６７１号公報特開２００１−２５７４９１号公報

自動車用電子回路装置の電子回路基板の熱を効率よく放熱する方法には、前記のとおり、熱伝導グリースや熱伝導接着剤を用いる方法がある。

しかし、これらの材料を用いるには、使用部材の増加、組立て工程の増加および複雑化につながる。また、熱伝導グリースや熱伝導接着剤を使う場合には、これらの厚さ管理が必要となる。

さらに、特に熱伝導グリースを用いる場合には、経時変化によって熱伝導グリースが流れ出し、放熱能力が低下する恐れがある。

本発明は、熱伝導グリースや熱伝導接着剤のような厚さ管理が必要なく、流動性の小さいまたは無い熱伝導材料を用いることで、経時変化による放熱能力の低下を最小限に留めることができる高信頼性を有する電子回路装置を提供することを目的とする。

本発明は、発熱が伴う発熱電子部品と、前記発熱電子部品を装着する絶縁基板と、前記発熱電子部品と前記絶縁基板とを接合する半田層を有する電子回路基板と、前記電子回路基板の熱を電子回路基板の外部へ放熱するための放熱用部材と、前記電子回路基板を内置する外部ケース、および外カバーを有する電子回路装置において、前記放熱用部材を熱伝導が良好な金属材料で形成し、前記絶縁基板に前記放熱用部材が挿入される挿入孔を設け、前記放熱用部材は、一方を前記挿入孔に挿入し、他方を前記外部ケースに接合し、前記挿入孔内と前記放熱用部材の外周に充填され、挿入孔と放熱用部材を接合または接着するとともに熱が伝わる接合材料で前記絶縁基板の熱を前記放熱用部材に伝えることを特徴とする。

本発明によれば、放熱用部材を熱伝導が良好な金属材料で形成したので、熱伝導グリースや熱伝導接着剤のような厚さ管理が必要なく、経時変化による放熱能力の低下を解消することができる。

以下、本発明の放熱構造の実施例を図に基づいて説明する。

〔実施例１〕
図１は、絶縁基板であるプリント配線板１の上に発熱を伴う発熱電子部品２を装着した電子回路基板１０の断面を示す。

発熱を伴う発熱電子部品２には、電源レギューレタＩＣやパワートランジスタ等がある。発熱を伴う発熱電子部品２には、一般に、部品内部の素子で発生する熱を部品外部へ放熱するための銅やアルミニュームの放熱板２ａが取付けられており、さらに、放熱板２ａとプリント配線板１（絶縁基板）の間には放熱用の半田層３ａが印刷・充填され、発熱電子部品２の熱をプリント配線板１へ伝える。

尚、発熱を伴う発熱電子部品２の内部構造を示す図示は省略する。

プリント配線板１において、発熱を伴う発熱電子部品２の直下（発熱電子部品２に対向する位置）に位置する部位には、１ヶ以上のスルーホール７（挿入孔）を設け、そのスルーホール７の内部には放熱用部材である放熱用ピン４を挿入している。この放熱用ピン４は、熱伝導性が良好な金属材料（銅または銅合金ないし銅または銅合金に鍍金を施した材料）で形成される。

さらに、放熱用ピン４の外周には、半田３ｂが充填されており、プリント配線板１の熱を放熱ピン４へ伝えるとともに、放熱ピン４をプリント配線板１へ接合・固定する。

尚、半田３ｂには、半田層３ａの一部がスルーホール７内に流れ込んだものを含む。

放熱ピン４をプリント配線板１へ半田接続する方法は、既存の発熱電子部品やコネクタおよびコネクタピンをプリント配線板へ半田接続するための半田リフローまたは半田フロープロセスで実現可能であり、熱伝導接着剤のように硬化する必要が無いため、組立て時間を短縮できる。

また、半田３ｂは、プリント配線板へ印刷する半田層３ａと同時に印刷しておくことが可能である。

放熱ピン４と半田３ｂの接合面積、接合強度、および接合部の信頼性、また、プリント配線板１から放熱ピン４への伝熱効率、およびスルーホール内への半田充填率を考慮し、放熱ピン４はスルーホール内に、プリント配線板１の厚さの１／２以上挿入することが望ましい。

また、スルーホール径は、半田充填性を考慮し、基板厚さの２倍以下とすることが望ましい。スルーホール径が基板厚さの２倍を越えると、半田印刷時には半田充填できるが、その後、自重によって半田がスルーホールより流れ出す恐れがある。

また、基板厚さの２倍を上限とするスルーホールを規則的に配置することで、基板厚さの２倍以上のスルーホールを配置する場合に比べて、スルーホールの配置密度を高めることができ、放熱効率を向上できる。

図２に示すように、放熱ピン４の先端は外部ケース５へ接続し、電子回路基板１０の熱を基板外へ放熱する。放熱ピン４の一部をケース５の外部へ露出することによって、さらに放熱効率を向上できる。

外カバー１５は、外部ケース５と抱き合うように合わされる。この外部ケース５と外カバー１５の内部に電子回路基板１０を内置して電子回路装置２０が構成される。

発熱電子部品２が発生した熱は、外部ケース５と外カバー１５の内部に篭る。それにより、電子回路装置２０の内部温度は上昇する。しかし、発熱電子部品２が発生した熱は、放熱ピン４を介して外部ケース５に伝わり、外部ケース５や外カバー１５の表面から外部に放熱さえる。これにより、電子回路装置２０の温度上昇は抑えられる。

また、図２に示すように、放熱ピン４を途中から曲げることで、外部への露出面積を拡大できる。

外部ケース５は、電子回路装置を構成する、外気に接している構造体の一例である。このような構造体には、樹脂ケース、アルミダイキャストケース、金属ケースおよびブラケット、等がある。

このような構造体との一体化の方法には、モールド、ダイキャスト成形、圧入、溶接、等がある。

尚、外カバー１５は、外部ケース５と同様、樹脂、アルミダイキャスト等で形成される。

図３（比較参考図）と対比しながら、本発明の良さについて説明する。

図３に示すように、熱伝導グリース８や熱伝導接着剤を用いて電子回路基板配線板１０から外部ケース５へ放熱する場合、プリント配線板１の裏面への半田だれは熱伝導グリース８や熱伝導接着剤の厚さを増加させ、放熱性を悪化させる原因となるため、これら部材の厚さ管理が必要であり、また、半田だれを防止するプロセス条件の検討が必要となる。

一方、図１や図２に示すように放熱ピン４を用いる場合は、図３に示す熱伝導グリース８や熱伝導接着剤の場合に対し、熱伝導グリース８や熱伝導接着剤の厚さ管理は不要となる。

また、半田３ｂのだれはスルーホール内を経由して放熱ピン４へ付着させるため、半田だれを許容できる放熱構造を実現できる。

さらに、図３に示すように、熱伝導グリース８や熱伝導接着剤を用いる場合は、熱伝導グリース８や熱伝導接着剤をプリント配線板１と平面的に接合するため、これらを塗布する部位に対応するプリント配線板側の部位には発熱電子部品を実装できないため、実装密度が低下する。

一方、図２に示すように、放熱ピン４による放熱構造では、スルーホール外周に発熱電子部品９を実装でき、実装密度を向上できる。

放熱ピン４は、熱伝導性の良好な金属で形成したので、従来用いた熱伝導グリースのような流れ出しが生じない。これにより、熱伝導グリースの経時変化による放熱能力低下の問題は解消された。

図４は、複数の放熱ピン４を外部ケース５と一体モールドした電子回路装置の断面を示す。複数の放熱ピン４を、発熱電子部品２の形状やケース５の形状に合わせて配置、一体化することができる。

放熱ピン方式では、熱伝導グリースや熱伝導接着剤、熱伝導シートのように厚さ変化が発生しないため、形状変化に対して安定した放熱構造とできる。

図５に示すように、放熱ピン４は発熱電子部品２の直下および外周に配置することが好ましい。

図６はプリント配線板１への放熱ピン４の挿入状態の例を示す。図６（ａ）では放熱ピン４がプリント配線板１を貫通しており、図６（ｂ）では放熱ピン４はプリント配線板１のスルーホール内で止めてある。

図６（ａ）に示す挿入状態は、発熱電子部品２の外周に配置するピンに適用できる。図６（ｂ）の挿入状態は、発熱電子部品２の下部に配置するピンに適用できる。

また、放熱ピン４の長さは短く、またピン径は太いほど、熱抵抗を低減できるため、部品下部に配置するピンには図６（ｂ）の挿入状態が適する。

発熱電子部品２の直下の放熱ピン４の径とスルーホール径のクリアランスを小さく取り、部品外周の放熱ピン４の径とスルーホール径のクリアランスを大きく取ることで、組立て性を犠牲にすることなく、高い放熱効率を実現できる。

例えば、放熱ピン４の径は全ピンにおいて共通とし、部品外周のスルーホール径を部品直下のスルーホール径より大きくする、という方法がある。また、逆にスルーホール径を共通にし、部品外周に配置する放熱ピン４の径を細くする方法もある。

放熱ピンの材質は銅または銅合金、および、半田との接合強度の向上、外部露出部の耐腐食性を向上させるために、これらに金、スズ、ニッケルなどの鍍金を施した材料が望ましい。

図７に放熱ピン４の形状の例を示す。

図７（ａ）は円筒状の放熱ピンを示し、図７（ｂ）は図７（ａ）の円筒ピンの一部をプレスなどによって平面状につぶし、ピン表面からの放熱面積を拡大している。放熱ピンの、プリント配線板のスルーホールへ挿入する部位は図７（ａ）のように円筒状とし、組立て性を向上することが好ましい。

放熱ピン４の、外部へ露出する部位は図７（ｂ）のように平面状のつぶし部４ａを設けることによって放熱効率を向上できる。放熱ピン４をつぶす部位を変えることによって、プリント基板への挿入深さを調整することができる。

図７（ａ）に示すピンは、その端部をテーパ状にすることによって、スルーホールへの挿入性を向上すると同時に、半田と放熱ピン４の接合面積を拡大することもできる。

〔実施例２〕
図８に第２の実施例を示す。

本実施例では、放熱ピンとプリント配線板の接合に、絶縁性の熱伝導接着剤６を使うことで、半田に比べて電気的な絶縁性を向上し、電気的なショートの発生防止を図る。

また、絶縁性の熱伝導接着剤６を用いることで、電気的に導通しているスルーホールを放熱用のスルーホールと兼用することができ、放熱性を保ったまま、実装密度の向上、および基板サイズの縮小が可能である。

絶縁性熱伝導接着剤６を使う場合、加熱硬化が必要となる場合もあるが、放熱ピンを用いる方式である限り、厚さ管理を省くことができ、作業性および歩留まりを向上できる。

上記実施例の主な特徴を以下に列挙する。
（１）．熱伝導が良好な金属材料で作られた放熱用部材の一方を絶縁基板に設けた挿入孔内に挿入して接合することによって、絶縁基板から放熱用部材へ効果的に熱を伝達する放熱構造を提供する。発熱電子部品内部のチップで発生した熱は、一般には、発熱電子部品の下部に設けられた放熱板等を経由して、絶縁基板に伝わる。絶縁基板に達した熱は、例えば、絶縁基板に設けたスルーホールなどの挿入孔へ至り、スルーホール表面の銅鍍金を経て、絶縁基板下面へ至る。このとき、スルーホール内に放熱用部材を挿入することで、スルーホール表面より放熱用部材へ熱を伝え、発熱電子部品の熱を絶縁基板の外へ伝達する。

放熱用部材の一方をプリント配線板に接合した後に、放熱用部材の他方を外部ケース等に取り付けて接合する。予め外部ケースに取り付けておくことも可能である。放熱用部材は外部ケースと一体化しておくことが伝熱の面で最も効果的である。
（２）．絶縁基板に設ける挿入孔および挿入孔へ挿入する放熱用部材は、発熱を伴う発熱電子部品の下部および周囲に配置することが望ましい。放熱用部材による放熱効率が向上するのである。
（３）．放熱用部材は銅または銅合金およびこれらに鍍金を施した材料とすることが好ましい。伝熱がよく、経年変化が生じないからである。
（４）．放熱用部材は、円筒、または円筒部と円筒をつぶした平面部分からなる形状とすることが好ましい。

円筒、または円筒部の径が大きいほど放熱用部材内部の熱抵抗を低減できるため、円筒または円筒部の径はスルーホール内に挿入できる大きさで、可能な限り大きくすることが望ましい。

円筒または円筒部の径は、スルーホール径以下に限定するものではなく、スルーホール内に挿入可能であれば、スルーホール径以上であってもよい。
（５）．放熱用部材の一端を外気へ接する構造体（外部ケース）と一体化することによって、発熱電子部品の熱を効果的に電子回路装置の外部へ放熱する構造を提供できる。

それとともに、放熱用部材を外部環境から保護し、振動などに対する耐久性を向上する。

複数の放熱用部材を一体化することにより、放熱効率をさらに向上できる。特に、複数の放熱用部材を一体モールドする場合は、上述した放熱用部材の配置と組み合わせることで、放熱効率をさらに向上できる。
（６）．放熱用部材と絶縁基板の接合材料に半田を用いることで、電子回路装置を構成する発熱電子部品の装着に使用する半田印刷と同時に、放熱用部材を接合固定できる。作業性の向上である。

また、半田は熱伝導性に優れるため、絶縁基板から放熱用部材への放熱効率が向上するさらに、従来の半田付け技術および製造プロセスを用いることができる。
（７）．放熱用部材と絶縁基板の接合材料に絶縁性の熱伝導接着剤を用いることで、半田に比べて電気的な絶縁性の向上および電気的なショートの発生防止を図る。

また、絶縁性の熱伝導接着剤を用いることで、電気的に導通しているスルーホールを、放熱用部材を挿入する孔と兼用することができ、絶縁基板の実装密度の向上、および基板サイズの縮小を可能とする。

尚、熱伝導性接着剤を用いているが、絶縁基板と外部ケース等を平面的に接着していないため、厚さ管理は省略できる。
（８）．発熱電子部品は絶縁基板との対向面側に半田層と接合する放熱板を有する。これにより、発熱電子部品の発熱が放熱用部材に良く伝達され、放熱効果が向上する。
（９）．挿入孔内に挿入される方の放熱用部材の端部を半田層に接合することにより、発熱電子部品の発熱が放熱用部材に良く伝達され、放熱効果が向上する。

本発明は、特に、自動車用電子制御装置に用いる、発熱を伴う発熱電子部品およびこれら部品を実装した電子回路基板の放熱構造として利用できる。

発熱を伴う発熱電子部品を実装した電子回路基板の断面を示す図。放熱ピンの一端を電子回路基板へ接続し、他端を外部ケースへ接続した電子回路装置の断面を示す図。本発明の良さを説明するための比較参考図で、電子回路基板と外部ケースを熱伝導グリースで接続した電子回路装置の断面を示す。複数の放熱ピンを一体モールドした電子回路装置の断面を示す図。発熱を伴う発熱電子部品の直下および外周へ配置したスルーホールおよび放熱ピンの配置例を示す図。放熱ピンの挿入深さの例を示す図。（ａ）では放熱用部材は基板を貫通している状態、（ｂ）では放熱用部材は基板内で止めている状態である。放熱ピンの形状例を示す図。（ａ）は円筒状、（ｂ）は円筒の一部をつぶして平面した形状である。複数の放熱ピンを一体モールドし、電子回路基板と放熱ピンを絶縁性熱伝導接着剤で接合した電子回路装置の断面を示す図。

符号の説明

１…プリント配線板、２…発熱を伴う発熱電子部品、２ａ…発熱を伴う発熱電子部品に設けられた放熱板、３ａ…半田層（発熱を伴う発熱電子部品の熱をプリント配線板へ伝達する）、３ｂ…半田（プリント配線板の熱を放熱用部材に伝達する）、４…放熱用ピン（放熱用部材）、４ａ…放熱用部材のつぶし部（平面部分）、５…外部ケース、６…絶縁性熱伝導接着剤、７…スルーホール、８…熱伝導グリース、９…プリント配線板の裏面に実装した発熱電子部品、１０…電子回路基板、１５…外カバー、２０…電子回路装置。

Claims

発熱が伴う発熱電子部品と、前記発熱電子部品を装着する絶縁基板と、前記発熱電子部品と前記絶縁基板とを接合する半田層を有する電子回路基板と、前記電子回路基板の熱を電子回路基板の外部へ放熱するための放熱用部材と、前記電子回路基板を内置する外部ケース、および外カバーを有する電子回路装置において、
前記放熱用部材を熱伝導が良好な金属材料で形成し、
前記絶縁基板に前記放熱用部材が挿入される挿入孔を設け、
前記放熱用部材は、一方を前記挿入孔に挿入し、他方を前記外部ケースに接合し、
前記挿入孔内と前記放熱用部材の外周に充填され、挿入孔と放熱用部材を接合または接着するとともに熱が伝わる接合材料で前記絶縁基板の熱を前記放熱用部材に伝えることを特徴とする電子回路装置。
請求項１記載の電子回路装置において、
前記挿入孔、および前記放熱用部材は、前記発熱電子部品に対向する位置および／また
は周囲に設けたことを特徴とする電子回路装置。
請求項１または２に記載の電子回路装置において、
放熱用部材は、銅または銅合金ないし銅または銅合金に鍍金を施した材料で形成したこ
とを特徴とする電子回路装置。
請求項１〜３の何れに記載された電子回路装置において、
放熱用部材の形状は円筒および／または円筒をつぶした平面を有する形状であることを
特徴とする電子回路装置。
請求項１〜４の何れに記載された電子回路装置において、
前記放熱用部材と前記外部ケースとの前記接合により前記放熱用部材と前記外カバーを
一体化したことを特徴とする電子回路装置。
請求項１〜５の何れに記載された電子回路装置において、
前記挿入孔内に挿入する放熱用部材を前記絶縁基板に接合固定する前記接合材料は半田であることを特徴とする電子回路装置。
請求項１〜５の何れに記載された電子回路装置において、
前記挿入孔内に挿入する放熱用部材を前記絶縁基板に接合固定する前記接合材料は絶縁性の熱伝導接着剤であることを特徴とする電子回路装置。
請求項１〜７の何れに記載された電子回路装置において、
前記発熱電子部品と前記絶縁基板との間に放熱板を設け、さらに前記放熱板と前記絶縁基板との間に前記半田層を介在したことを特徴とする電子回路装置。
請求項１〜８の何れに記載された電子回路装置において、
前記挿入孔内に挿入される方の放熱用部材の端部を前記半田層に接合することを特徴と
する電子回路装置。