JP4860800B2 - パワー回路配線構造の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、パワー回路配線構造の製造方法に関し、詳細にはプリント基板上の銅箔パターンに大電流を流した場合に発生するプリント基板の銅箔パターンにおける温度上昇を低減する対策を講じたパワー回路配線構造の製造方法に関するものである。

パワーエレクトロニクス機器などのようにプリント基板の銅箔パターンに大電流が流れる事例おいては、機器動作時に銅箔パターンに温度上昇・下降が発生しはんだ付け部へと伝導してはんだ付け部にヒートサイクルを発生させる。このはんだ付け部のヒートサイクルは、はんだ付け部にクラックを生じさせる原因ともなり、品質トラブルを招く虞がある。

また、パワーエレクトロニクス機器などのようにプリント基板の銅箔パターンに大電流が流れる事例おいては、機器動作時に銅箔パターンの温度がどの程度まで上昇するかを製品開発時に十分検証する必要がある。なぜなら、一般的なプリント基板では、使用温度範囲が１００℃程度と制限されている。

従来、一般的なプリント基板上の銅箔パターンにおいて、銅箔パターンを補強する対策として、例えば、特許文献１に示されるように、銅箔パターンの電子部品ハンダ付け領域以外のパターン上に、ハンダによる突起部を設け導体断面積を向上することで導体の抵抗値を軽減し、銅箔パターンの温度上昇を軽減していた。同様の効果のある対策としては、銅箔パターン上にハンダによる突起部を形成する代わりに、導線を銅箔パターン上に複数に実装する方法もある。しかし、これらの方法では銅箔パターンからの放熱面積が小さく、銅箔パターンの温度上昇を軽減する効果が十分なものではない。

そこで、例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４に示されるように、プリント基板の銅箔パターン上に熱的に結合された放熱部材を実装することで放熱面積を積極的に拡大して銅箔パターン部の温度上昇を軽減していた。

実開昭６２−１１６５７２号公報（第１頁、第１図） 実開平３−１０４７９３号公報（第１頁、第１図） 実開平４−８４８号公報（第１頁、第１図） 特開２００７−２５８５３９号公報（第３−第４頁、図１、図２）

上述のように、プリント基板の銅箔パターンの温度上昇を軽減する対策として、上記特許文献２及び特許文献４に示されているように、放熱部材をプリント基板の銅箔パターンにはんだ付けする事例があるが、実際には、放熱部材を銅箔パターンにはんだ付けすることは困難である。なぜなら、通常、大電流が流れる銅箔パターンは、制御信号ラインなどの銅箔パターンに比べ、非常に太いパターン幅で引き回しされ、かつ厚箔（７０μｍなど）の銅箔を使用しているので大電流が流れる銅箔パターン自身の熱容量は既に大きく、更に熱容量の大きな放熱部材を銅箔パターンへはんだ付けする必要があるからである。また、放熱部材は放熱特性が優れているが故に、はんだ付け温度まで上昇しにくく、はんだ付け性が悪いからである。

従って、上記特許文献２または特許文献４に示すような放熱部材を用いる方法は、フローもしくはリフローと呼ばれる通常のはんだ付け工程ではんだ付けできないため、別途、人手によるはんだ付け作業が必要となり、コストアップの要因となるという問題がある。

また、放熱部材に一層の放熱効果を期待すべく、放熱部材を大型化しようとしても、上記と同様、銅箔パターン自身の熱容量及び放熱部材の放熱特性の理由から、銅箔パターンへの放熱部材のフローもしくはリフローと呼ばれる通常のはんだ付け自体ができないという事態に陥ってしまう。故に、放熱部材には、はんだ付け性という製造上の制約を抜きにして考えることができないという課題がある。

また、上記特許文献３では、銅箔パターンにピンを実装することで放熱対策を実施しているが、金属ピンは銅箔パターン上での自立性が悪く、また、大きな放熱効果を期待する場合はよりいっそう長尺とすることが必要になるが、組み立て性の点から十分な長さにすることができないという問題がある。

さらに、一旦放熱部材を銅箔パターンにはんだ付けした後は、放熱部材の形状・種類等を変更することができないという問題もある。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、放熱部材を別途、人手で銅箔パターンにはんだ付けするという作業を不要にし、他の部品と同様に通常のはんだ付け工程ではんだ付けができるようにした放熱部材を用いたパワー回路配線構造の製造方法を提供することを目的とするものである。

また、放熱部材の大きさ・形状・種類等を変更することができるようにするものである。

この発明に係るパワー回路配線構造の製造方法は、プリント基板上に配線された銅箔パターンに発生する熱を放熱する放熱部材を備えたパワー回路配線構造の製造方法において、
前記放熱部材を主放熱部材と主放熱部材取り付けベース部材とに分割し、
前記主放熱部材には前記主放熱部材取り付けベース部材を嵌合する嵌合部を形成し、
前記主放熱部材取り付けベース部材を前記銅箔パターンにはんだ付けにより接合し、
前記嵌合部において、前記主放熱部材と前記主放熱部材取り付けベース部材とを熱伝導性のよい電気的絶縁物で絶縁して、前記主放熱部材の前記嵌合部に前記はんだ付けされた主放熱部材取り付けベース部材を嵌め合わせることにより、前記主放熱部材が前記主放熱部材取り付けベース部材を介して前記銅箔パターンと熱的に結合されるようにしたものである。

この発明に係るパワー回路配線構造の製造方法によれば、プリント基板上に配線された銅箔パターンに発生する熱を放熱する放熱部材を備えたパワー回路配線構造の製造方法において、
前記放熱部材を主放熱部材と主放熱部材取り付けベース部材とに分割し、
前記主放熱部材には前記主放熱部材取り付けベース部材を嵌合する嵌合部を形成し、
前記主放熱部材取り付けベース部材を前記銅箔パターンにはんだ付けにより接合し、
前記嵌合部において、前記主放熱部材と前記主放熱部材取り付けベース部材とを熱伝導性のよい電気的絶縁物で絶縁して、前記主放熱部材の前記嵌合部に前記はんだ付けされた主放熱部材取り付けベース部材を嵌め合わせることにより、前記主放熱部材が前記主放熱部材取り付けベース部材を介して前記銅箔パターンと熱的に結合されるようにしたので、銅箔パターンに接合する主放熱部材取り付けベース部材の熱容量を小さくしてフローもしくはリフロー等の通常のはんだ付け工程ではんだ付けができるようになり、熱容量の大きな主放熱部材を主放熱部材取り付けベース部材に嵌め合わせることによって放熱特性のよい放熱部材が得られる。

また、主放熱部材を換えることにより、放熱部材の大きさ・形状・種類等を変更することができるようになる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態１を示す斜視図であり、図２は、この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態１の他の例を示す側面図である。図１及び２において、パワー回路配線構造は、主放熱部材１と銅箔パターン２とプリント基板３と主放熱部材取り付けベース部材４を備えている。大電流がプリント基板３上の銅箔パターン２に流れており、銅箔パターン２が発熱する。図１において、銅箔パターン２は両面に配線されている場合を図示しているが、図２に示したように、片面に配線した場合またはプリント板３内層にも配線した多層プリント基板の場合であってもよい。

放熱部材７は、主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４とに分割されており、主放熱部材１は主放熱部材取り付けベース部材４を嵌合する嵌合部１ａが形成されている。主放熱部材取り付けベース部材４は、プリント基板３に配線された銅箔パターン２及びプリント基板３に形成された孔に挿入され銅箔パターン２にはんだ付けにより接合される。主放熱部材取り付けベース部材４の先端は、銅箔パターン２の発熱が及ぶ範囲である銅箔パターン２周囲の温度境界層から突出させる。主放熱部材１の嵌合部１ａに箔パターン２にはんだ付けした主放熱部材取り付けベース部材４を嵌め合わせることにより、主放熱部材１は銅箔パターン２と主放熱部材取り付けベース部材４を介して熱的に結合される。なお、図１及び２において、主放熱部材取り付けベース部材４は、棒状の形状を示しているが、形状は任意である。但し、主放熱部材取り付けベース部材４の熱容量は小さくする、あるいは放熱する外表面積を小さくする。従来のように、例えば、銅箔パターン２に主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４が一体となった部材をはんだ付けする場合、部材の熱容量が大きく、他の部品と同様のフローまたはリフローなどの通常のはんだ付けが困難となり、別途、人手によるはんだ付け作業が必要となってしまう。一方、上記のように主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４が分割されている場合、銅箔パターン２に主放熱部材取り付けベース部材４をはんだ付けする際、熱容量の小さい、あるいは外表面積の小さい主放熱部材取り付けベース部材４をはんだ付けすることができるため、他の部品と同様のフローまたはリフローなどの通常のはんだ付けが可能となり、人手によるはんだ付け作業が不要となる。

さらに、放熱部材７を主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４とに分割したことにより、主放熱部材１は主放熱部材取り付けベース部材４のはんだ付け後の工程で、主放熱部材取り付けベース部材４と熱的に結合できるため、主放熱部材１の大きさ・形状・種類は任意のものを選択できる。

主放熱部材１及び主放熱部材取り付けベース部材４は、例えば、熱伝導性のよい銅や黄銅やアルミニウムなどの金属部材あるいはこれらの組み合わせで構成される。

主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４間の熱抵抗を軽減するため、主放熱部材１の嵌合部１ａの穴径を主放熱部材取り付けベース部材４の外径より小さくすることで、主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４間の熱抵抗を軽減できるという効果がある。

同様の効果を奏する方法としては、主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４間に熱伝導性のよいシリコングリスなどの電気的絶縁物を塗布してもよい。この場合、嵌合部１ａにおいて、主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４とが電気的絶縁される。このように主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４とが電気的に絶縁されることで主放熱部材１に回路電流が流れず、主放熱部材１の自己発熱はなく、主放熱部材１の放熱効果を最大限利用できるようになる。

実施の形態２．
図３は、この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態２の斜視図である。図３において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付して示している。図１と異なる部分は、主放熱部材１と複数の主放熱部材取り付けベース部材４とが嵌合部１ａで結合されている点であり、また、主放熱部材取り付けベース部材４を、主放熱部材１と嵌合する突起部４ａと突起部４ａを銅箔パターン２に対して垂直に保持するために突起部４ａが貫通する孔を有する平板部４ｂとで構成した点である。

この実施の形態２によれば、主放熱部材１と複数の主放熱部材取り付けベース部材４とが嵌合部１ａで結合されているので、主放熱部材取り付けベース部材４から主放熱部材１への熱伝導が向上し、また、主放熱部材１と複数の主放熱部材取り付けベース部材４との結合における摩擦抵抗が増えて振動等の外部要因に対する機械的強度が大きくなる。

また、主放熱部材取り付けベース部材４を主放熱部材１と嵌合する突起部４ａと突起部４ａを銅箔パターン２に対して垂直に保持する平板部４ｂとで構成したされているので、はんだ付け時における突起部４ａの自立性を確保することができる。

実施の形態３．
図４は、この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態３を示す側面図である。図４において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付して示している。図２に示すように、上記実施の形態１では、主放熱部材取り付けベース部材４がプリント基板３の一方の面から他方の面に貫通していたのに対し、図４においては、主放熱部材取り付けベース部材４と銅箔パターン２表面とが突き合わせられて、主放熱部材取り付けベース部材４が銅箔パターン２の表面で接合されている。

この実施の形態３によれば、主放熱部材取り付けベース部材４と銅箔パターン２とが銅箔パターン２の表面で突き合わせて接合することにより、プリント基板３におけるこの接合部の背面には突起部４ａがないので、この背面側のスペースを有効に活用することができる。

実施の形態４．
図５は、この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態４の側面図である。図５において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付して示している。図１と異なる部分は、主放熱部材１の表面が、例えば、熱伝導性のよいシリコーン樹脂のような電気的絶縁被膜５で覆われている点である。この発明では、主放熱部材１は、はんだ付け後に取りつけられるため、大きさ・形状・表面性状に制約がなく自由に設計可能ある。

この実施の形態４によれば、主放熱部材１を絶縁被膜５で覆うことにより、他の部品と接触する限界まで主放熱部材１を大きくすることができる。

また、主放熱部材１を絶縁被膜５で覆うことにより、銅箔パターン２の熱を周辺へ放熱するとともに、主放熱部材１を他の部品や筐体に接触させて、熱を他の部品や筐体などへ伝え、放熱することが可能となる。

また、絶縁被膜５で電気的絶縁を確保することにより、製品のメンテナンス時など、誤って人が主放熱部材１に触れることがあっても、未然に感電事故を防止できるという効果がある。

実施の形態５．
図６は、この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態５の側面図である。図６において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付して示している。図１と異なる部分は、放熱部材が、主放熱部材取り付けベース部材４と主放熱部材１とをロックするロック機構６を有する点である。

図６に示したように、主放熱部材１に切り欠き部１ｂを設け、主放熱部材取り付けベース部材４の平板部４ｂに切り欠き部１ｂに嵌り込む形状の突起を設け、突起部４ａが主放熱部材１の嵌合部１ａと嵌合する際に、切り欠き部１ｂに平板部４ｂの突起が嵌り込むようにする。このようにすることにより、振動など外部要因により主放熱部材１が主放熱部材取り付けベース部材４から外れないようにすることができ、主放熱部材取り付けベース部材４と主放熱部材１の熱的な結合が損なわれないようにすることができる。

実施の形態６．
図７は、この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態６の側面図である。図７において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付して示している。図１と異なり、複数の主放熱部材１と主放熱部材取り付けベース部材４とからなる２つの放熱部材を所定の間隔を介して対向して配置することで風路を形成する。これにより、対向する主放熱部材１の壁面から上昇する空気の対流を利用して、主放熱部材１の冷却能力を向上させることができる。

この発明に係るパワー回路配線構造の製造方法は、車両用等のパワーエレクトロニクス機器に有効に利用することができる。

この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態１の斜視図である。 この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態１の他の例を示す側面図である。 この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態２の斜視図である。 この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態３の側面図である。 この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態４の側面図である。 この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態５の側面図である。 この発明に係るパワー回路配線構造の実施の形態６の側面図である。

符号の説明

１ 主放熱部材、１ａ 嵌合部、１ｂ 切り欠き部、２ 銅箔パターン、
３ プリント基板、４ 主放熱部材取り付けベース部材、４ａ 突起部、４ｂ 平板部、５ 絶縁被膜、６ ロック機構、７ 放熱部材。

Claims (7)

1. プリント基板上に配線された銅箔パターンに発生する熱を放熱する放熱部材を備えたパワー回路配線構造の製造方法において、
   前記放熱部材を主放熱部材と主放熱部材取り付けベース部材とに分割し、
   前記主放熱部材には前記主放熱部材取り付けベース部材を嵌合する嵌合部を形成し、
   前記主放熱部材取り付けベース部材を前記銅箔パターンにはんだ付けにより接合し、
   前記嵌合部において、前記主放熱部材と前記主放熱部材取り付けベース部材とを熱伝導性のよい電気的絶縁物で絶縁して、前記主放熱部材の前記嵌合部に前記はんだ付けされた主放熱部材取り付けベース部材を嵌め合わせることにより、前記主放熱部材が前記主放熱部材取り付けベース部材を介して前記銅箔パターンと熱的に結合されるようにしたことを特徴とするパワー回路配線構造の製造方法。
2. 前記主放熱部材は、複数個の前記主放熱部材取り付けベース部材を介して前記銅箔パターンと熱的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー回路配線構造の製造方法。
3. 前記主放熱部材取り付けベース部材は、前記嵌合部と嵌り合う突起部と前記銅箔パターンと面接触する板状部とからなり、前記板状部は前記突起部を立設し保持する孔を有することを特徴とする請求項１に記載のパワー回路配線構造の製造方法。
4. 前記主放熱部材取り付けベース部材は、前記銅箔パターン表面と突き合わせて前記銅箔パターンと接合されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー回路配線構造の製造方法。
5. 前記主放熱部材の外表面が熱伝導性のよい電気的絶縁被膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載のパワー回路配線構造の製造方法。
6. 前記放熱部材は、前記主放熱部材と前記主放熱部材取り付けベース部材とをロックするロック機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載のパワー回路配線構造の製造方法。
7. ２つの前記放熱部材を所定の間隔を介して対向させて前記銅箔パターンに配置したことを特徴とする請求項１に記載のパワー回路配線構造の製造方法。

Images