JP5384197B2 - 放熱構造を有するプリント配線板 - Google Patents

Description

本発明は放熱構造を有するプリント配線板、特に放熱構造を備えた多層基板に関する。

電子製品の小型化、高機能化の急速な進展に伴って、プリント配線板において、搭載部品をより小さなスペースに実装することが求められている。このような要望に応えるために、多層基板を備えた積層型電子部品が用いられるようになってきている。その一方で、集積化に伴い、基板に発生する熱も増大している。特に、多層基板の場合は基板の内部に熱がこもりやすい。

特に、車両の制御に用いられる電子制御装置（ＥＣＵ）のプリント配線板においては、大電流を通電させて使用される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの発熱体を有しており、基板の放熱効率が重要な設計課題となっている。

一般に、プリント配線板の発熱量は、配線の導体幅に依存する。導体幅が大きいほど、導体の電気抵抗が小さくなって発熱量が減少するので、発熱量を小さくさせるという観点からは導体幅を大きくすることが望ましい。一方で、導体幅が小さいほど、プリント配線板を小型化できるので、導体幅をできるだけ小さくすることが望まれる。そこで、プリント配線板の小型化の要請を実現しつつ、プリント配線板の発熱量を抑え、放熱効率を最大化することが望まれる。

プリント配線板の放熱効率を向上させる技術として、プリント配線板の上に搭載される発熱部品の当接面に複数のスルーホールを設け、スルーホールの周囲に導電めっきを施す技術がある（たとえば、特許文献１）。そして、このプリント配線板は、裏側に複数の穴の空いた放熱部材を設けて、放熱部材から放熱できるように構成することでプリント配線板の放熱性を向上させている。

また、プリント配線板に搭載される発熱部品の近傍に基板表面から突出する放熱板を設け、発熱部品と放熱板を熱的に接続し、突出する放熱板から周囲の空気に放熱する技術もある（たとえば、特許文献２）。

また、特許文献３には、プリント配線板の表面に放熱パターンとして金属箔を形成し、プリント配線板に搭載される発熱部品から発生する熱を、ビアホールを介してプリント配線板の表面に伝達して放熱する技術が開示されている。
特開２００１−１６８４７６号公報 特開２００２−１５１６３４号公報 特開２００６−８０２１４号公報

しかし、特許文献１及び２に開示されているような、プリント配線板の放熱に放熱板を用いる場合は、基板に搭載する部品点数が増えることになり、小型化の要請および製造コストの観点からは好ましくない。また、特許文献３のように、放熱パターンとしてプリント配線板の表面に金属箔を形成したとしても、必ずしも放熱効果が十分ではない。そこで、プリント配線板に搭載する部品点数を増大させずに、プリント配線板の放熱効率を増大させることが有利である。

以上の課題を解決するために、本発明によるプリント配線板は、プリント配線板の配線の少なくとも一部において、導体幅が所定値よりも大きな領域を有する。そして、導体幅の大きな領域内に、プリント配線板の厚さの少なくとも一部を貫通する複数のスルーホールを有する。ここで、複数のスルーホールの開口面積は所定値よりも大きく、隣接するスルーホール間の間隔は所定値以下である。本発明において、導体幅、スルーホールの開口面積、スルーホール間の間隔は、プリント配線板の発熱量を小さくし、放熱効率を大きくすることができるように決定すべきである。

また、本発明の一側面によれば、プリント配線板は多層基板であり、導体幅が所定値よりも大きな領域が、多層基板の各層の対応する領域に形成されており、スルーホールの内面が導体により覆われており、多層基板の各層に形成された導体幅の大きな領域が、スルーホールの内面に形成された導体により電気的に接続されている。

また、本発明の一側面によれば、本発明のプリント配線板は、導体幅の大きな領域の導体幅が４ｍｍ以上であり、スルーホールが直径０．９ｍｍ以上の円形の開口を有し、隣接するスルーホールの間隔が０．５ｍｍ以下であることが望ましい。

また、本発明の一側面によれば、本発明のプリント配線板は、導体幅の大きな領域の導体幅が８ｍｍ以上であり、スルーホールが直径０．５ｍｍ以上の円形の開口を有し、隣接するスルーホールの間隔が０．５ｍｍ以下であることが望ましい。

プリント配線板の試験片を示す図である。 スルーホールを設けない場合において、各導体幅Ｌに対する電流値と試験片の上昇温度との関係を示すグラフである。 導体幅Ｌ＝約１．０ｍｍ〜約８．０ｍｍの条件で、スルーホール径Ｄ、スルーホール間隔Ｇをそれぞれ変化させたときの、通電電流と導体上昇温度との関係を示すグラフである。 導体幅Ｌ＝約４．０ｍｍの条件で、スルーホール径Ｄ及びスルーホール間隔Ｇを変化させ、６０Ａの電流を通電したときの導体温度を示すグラフである。 導体幅Ｌ＝８．０ｍｍの条件で、スルーホール径Ｄ及びスルーホール間隔Ｇを変化させ、６０Ａの電流を通電したときの導体温度を示すグラフである。 本発明によるプリント配線板の上面図である。 本発明によるプリント配線板の斜視図である。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。

まず、本発明の基本的な考え方を説明し、その後、本発明のプリント配線板の実施態様について説明する。

本発明の一つの目的は、プリント配線板の発熱量を抑えつつ、放熱効率を最大化させることである。

まず、プリント配線板から発生する発熱量を小さくする方法として、配線の電気抵抗を小さくすることが考えられる。導体の電気抵抗は導体の断面積に反比例するので、プリント配線板の導体の幅を大きくすれば、導体の断面積が大きくなるので導体の電気抵抗は小さくなり、結果としてプリント配線板の配線の電気抵抗による発熱量が小さくなる。

次に、プリント配線板から周囲の空気への放熱量を大きくする方法として、プリント配線板の導体と周囲空気との接触表面積を大きくすることが考えられる。導体の周囲空気への接触表面積を大きくすれば、導体から周囲空気への熱伝達が促進され、放熱効率が向上するからである。

そこで、プリント配線板において、配線の導体幅を大きくすれば、導体の断面積を大きくできるので、プリント配線板の導体の電気抵抗が小さくなり、結果としてプリント配線板からの発熱量が小さくすることができる。また、導体幅を大きくすれば、空気との接触表面積が大きくなるので、放熱効率も向上する。さらに、限られたプリント配線板の占有面積（あるいは体積）を有効利用するために、配線の導体幅の大きな領域に、複数のスルーホールを設けることでさらに導体と周囲空気との接触表面積を大きくすることができ、放熱効率をさらに向上させることができる。

以上の考察によれば、プリント配線板の少なくとも一部（たとえば大電流を通電させる領域）の配線の導体幅を大きくし、その領域に導体で内側が覆われた複数のスルーホールを設けることで、プリント配線板の小型化を実現しつつ、発熱量を抑え、放熱効率を最大化できると考えられる。

プリント配線板の配線の導体と周囲空気との接触表面積を大きくするという観点からは、導体幅を大きくした領域に、できるだけ径の小さなスルーホールを無数に設けることが有利であると考えられる。しかし、スルーホールを設けると、導体の断面積が減少するので導体の電気抵抗が大きくなり配線抵抗による発熱量が大きくなると考えられる。また、スルーホールの径が小さいと、スルーホール内の空気の対流性が悪くなるので、スルーホールの径を小さくして接触表面積を増大させても実際には放熱効率が向上するとは限らない。従って、プリント配線板の配線の導体の幅、そこに設けるスルーホールの径の大きさ、スルーホール間の間隔を調節することで、プリント配線板の発熱量及び放熱量を最適化することができると考えられる。

以上のような考え方に基づいて、本発明者らは、プリント配線板の導体の幅、スルーホールの径、スルーホール間の間隔が発熱量及び放熱量に与える影響を調べるために以下の試験を行った。

まず、スルーホール径Ｄ、スルーホール間隔Ｇ、導体幅Ｌの異なる複数のプリント配線板試験片１０を用意し、それぞれに定電流を通電し、それぞれの導体温度変化（導体温度−室温）を計測した。図１は試験片１０の概略図を示している。試験片１０は、エポキシ基材からなり、基板からソルダーレジストを剥離して銅箔を露出させ、その上にはんだを塗布して作成することができる。図１において、導体領域１２はハッチングが施されている。導体領域１２には、複数のスルーホール１４が設けられる。導体幅Ｌ、スルーホール径Ｄ、スルーホール間隔Ｇが異なる複数の試験片１０を用意し、これらに一定の電流を通電して、試験片１０の温度変化を観察した。なお、本明細書でいう「スルーホール径Ｄ」は直径であり、「スルーホール間隔Ｇ」は、隣接するスルーホール１４の外縁間の最小距離である。また、本明細書でいう「導体幅」とは、電流の流れる方向に直交する方向の導体の幅である。

図２は、Ｄ＝０、即ちスルーホール１４を設けずに、導体幅ＬをＬ＝約０．５ｍｍ〜約８．０ｍｍまで変化させたときの通電電流と導体温度との関係を示すグラフである。図２から、導体幅Ｌが大きいほど、導体の上昇温度が小さくなることが分かる。これは、導体の断面積が大きくなることにより導体の抵抗が減少して発熱量が減少し、また空気との接触表面積が大きくなるので放熱量が大きくなるからであると考えられる。従って、導体幅Ｌが大きいほどプリント配線板の放熱効率を大きくできると考えられる。

図３は、導体幅Ｌ＝約１．０ｍｍ〜約８．０ｍｍの条件で、スルーホール径Ｄ、スルーホール間隔Ｇをそれぞれ変化させたときの、通電電流と導体上昇温度との関係を示すグラフである。なお、図３のグラフは、導体上昇温度が最も小さくなったときのスルーホール径Ｄ、スルーホール間隔Ｇのときの結果と、スルーホール径Ｄ＝０（すなわちスルーホール無し）のときの結果とを示したものである。図３のグラフより、導体幅Ｌ＝約１．０ｍｍ、Ｌ＝約２．０ｍｍのときは、スルーホール１４を設けることにより、かえって導体上昇温度が大きくなっていることがわかる。Ｌ＝約４．０ｍｍの条件では、スルーホール１４を設けることで、僅かに導体上昇温度の低下が観察された。Ｌ＝約８．０ｍｍの条件では、スルーホール１４を設けることで導体温度の低下が観察された。これは、導体幅Ｌが小さいときは、スルーホール１４を設けることにより導体の電気抵抗が大きくなり、電気抵抗の上昇による発熱量の増大分が、スルーホール１４を設けることによる放熱量の増大分を上回っているからであると考えられる。従って、導体幅Ｌが一定値以上の場合（本試験結果では、導体幅Ｌがおそよ４．０ｍｍ程度以上の場合）に、プリント配線板にスルーホール１４を設ければ、放熱効率を有意に向上させることができる。

次に、スルーホール径Ｄが導体温度に与える影響について説明する。図４及び図５は、導体幅Ｌ＝約４．０ｍｍ及びＬ＝８．０ｍｍの条件で、スルーホール径Ｄ及びスルーホール間隔Ｇを変化させ、６０Ａの電流を通電したときの導体温度を示すグラフである。図４に示す導体幅Ｌ＝約４．０ｍｍの条件では、スルーホール間隔Ｇ＝約０．５ｍｍ、スルーホール径Ｄが約０．９ｍｍのときに、スルーホール１４なしの場合（Ｇ，Ｄ＝０の場合）に比べて、僅かに導体温度の低下が観察された。図５に示す導体幅Ｌ＝約８．０ｍｍの条件では、スルーホール間隔Ｇ＝約０．５ｍｍ、スルーホール径Ｄ＝約０．５ｍｍ以上において、スルーホール１４なしの場合（Ｇ，Ｄ＝０の場合）と比べて、導体温度の低下が観察された。これらの結果は、上述した導体幅Ｌが一定値以上の場合において、スルーホール間隔Ｇが小さいほど、そしてスルーホール径Ｄが大きいほど、試験片１０の放熱効率が大きくなることを示している。これは、スルーホール間隔Ｇが小さいほど、一定面積に設けられるスルーホール１４の数が多くなり、導体と周囲空気との接触表面積が大きくなり、結果として放熱効率が上昇するからであると考えられる。また、スルーホール径Ｄが大きいほど、スルーホール１４内の空気の対流性がよくなり、導体から空気への熱伝達が促進されるからであると考えられる。

以上のような試験結果を基に、本発明のプリント配線板の実施形態を以下に説明する。

図６、７は、本発明による多層基板のプリント配線板１００を模式的に示している。図６はプリント配線板１００の概略上面図である。図７は、多層基板であるプリント配線板１００の斜視図であり、説明の便宜のために、各層を分離した状態で示している。本実施形態におけるプリント配線板１００は、３層構成の多層基板であり、最上部の層１０２、中間層１０４、最下部の層１０６からなる。本明細書において、プリント配線板は、車両の制御に用いられる電子制御装置（ＥＣＵ）のプリント配線板を想定している。もちろん、本発明は、ＥＣＵのプリント配線板以外のプリント配線板にも適用できる。

図６、７に示すプリント配線板１００は、配線の一部に導体幅Ｌの大きな領域１０８が設けられている。図６、７において、導体幅Ｌの大きな領域１０８は、ハッチングが施されている。同図において、導体幅の大きな領域１０８は、プリント配線板の縁部に設けられている。もちろん、導体幅の大きな領域１０８を、必ずしもプリント配線板の縁部に設けなくてもよく、所望の位置にもうけることができる。プリント配線板１００の導体幅Ｌの大きな領域１０８は、大きな電流を通電する領域とすることが有利である。また、通電する電流の大きさに応じて、導体幅Ｌを変化させてもよい。例えば、大きな電流が流れる部分の導体幅Ｌを他の部分よりも大きくすることができる。なお、本発明において、導体幅Ｌの大きな領域とは、本発明により放熱効率（または発熱量）を大きく（または小さく）するために、所定値以上の幅を持つ配線領域である。導体幅Ｌの大きな領域１０８は、基板からソルダーレジストを剥離して銅箔を露出させ、その上にはんだを塗布して作成することができる。もちろん他の方法で導体幅Ｌの大きな領域１０８を作成してもよい。

プリント配線板１００の最上部の層１０２の部品搭載領域には、回路部品１１０が搭載される。基板に搭載される回路部品１１０は公知であり、プリント配線板の目的に応じて所望の部品を搭載することができる。図示した回路部品１１０は、単に模式的な例示であり、実際の回路部品およびその配置は必要に応じて決定すればよい。ＥＣＵに用いられるプリント配線板の配線パターンおよび回路部品のレイアウト等は、公知であり、当業者が自由に設計できる。従って、本明細書では、プリント配線板の配線パターンおよび回路部品のレイアウト等については説明しない。

図６、７の実施形態において、多層基板１００の中間層１０４にも、最上部の層１０２の導体幅Ｌの大きな領域１０８に対応する領域に、同様に導体幅Ｌの大きな領域１０８が形成される。なお、本発明において中間層１０４および最下部の層１０６は、必ずしも存在しなくてもよい。また、中間層１０４を形成するとしても、必ずしも１つである必要はなく、必要な数だけ中間層１０４を用意することができる。

図６、７に示す導体幅Ｌの大きな領域１０８には、多層基板１００を貫通する複数のスルーホール１１２が設けられている。スルーホール１１２の内面には、はんだが塗布されており、各層の導体幅Ｌの大きな領域１０８は電気的・熱的に接続されている。従って、各層で発生した熱は、スルーホール１１２の内面に塗布されたはんだを通って、多層基板の表面に伝達され、最上部の層１０２の導体幅Ｌの大きな領域１０８から周囲空気に放熱される。また、スルーホール１１２内でも空気に放熱される。スルーホール１１２は必ずしも、多層基板１００の全てを貫通しなくてもよく、例えば、多層基板１００の最上部の層１０２から、いくつかの中間層１０４の間だけを貫通するようなスルーホールとしてもよい。

導体幅Ｌの大きな領域１０８にスルーホール１１２を設ける場合、導体幅Ｌの大きな領域１０８は、導体幅Ｌが所定値以上であることが望ましい。前述の試験結果で示したように、スルーホール１１２を設けることで、逆に放熱量が低下あるいは発熱量が増加することがあるからである。前述の試験結果から、導体幅Ｌは約４．０ｍｍ以上であることが好ましく、約８ｍｍ以上であることがより好ましい。ただし、この所定値は、本発明を適用する基板の性質等により変わり得ることを考慮すべきである。従って、かかる所定値は、本発明を適用するプリント配線板の種類（例えば、セラミック基板やエポキシ基材）、層の数、基板全体の厚さ、想定される電流量等の諸条件を考慮して決める必要がある。重要なのは、本発明を適用するに際して、スルーホールを設けることで、放熱効率をさらに大きくできる条件であることである。必要であれば、本発明を適用する基板と同条件のもとで、前述の試験と同様の試験を行い、かかる導体幅Ｌを決定すればよい。

本発明において、スルーホール１１２の径Ｄは所定値以上であることが望ましい。前述の試験結果から分かるように、スルーホール１１２の径Ｄが所定値以上でないと、放熱効率を有意に向上させることができないからである。前述の試験結果から、スルーホール１１２の径Ｄは約０．５ｍｍ以上であることが好ましく、約０．９ｍｍ以上であることがより好ましい。スルーホール１１２の径Ｄは、導体幅Ｌ、基板の厚さ、スルーホール１１２間の間隔Ｇ等の諸条件を考慮して決定すればよい。また、スルーホール１１２は必ずしも円形でなくてもよい。開口面積を所定値以上にすれば、空気の対流性を損なわずに放熱効率を有意に向上させることができる。必要であれば、本発明を適用する基板と同様の条件で、前述の試験を行ってスルーホール１１２の径Ｄを決定すればよい。

また、本発明において、スルーホール１１２間の間隔Ｇは、所定値以下であることが好ましい。前述の試験結果から分かるように、スルーホール１１２の間隔Ｇは、約０．５ｍｍ以下であることが好ましい。スルーホール１１２間の間隔Ｇもまた、スルーホール１１２の径Ｄと同様に、導体幅Ｌ、基板の厚さ、スルーホール１１２間の間隔Ｇ等の諸条件を考慮して決定すればよい。必要であれば、本発明を適用する基板と同様の条件で、前述の試験を行って、スルーホール１１２の間隔Ｇを決定すればよい。

以上のように、本発明によれば、プリント配線板の一部の導体幅を大きくし、そこに所定の大きさの複数のスルーホールを所定の間隔で設けることで、プリント配線板の限られた占有面積において、発熱量と放熱量を最適化することができる。

１００ プリント配線板
１０８ 導体幅Ｌの大きな領域
１１２ スルーホール

Claims (3)

1. プリント配線板であって、
   前記プリント配線板の電流が流れる配線の少なくとも一部において、導体幅が所定値よりも大きな領域を有し、
   前記導体幅の大きな領域内に、前記プリント配線板の厚さの少なくとも一部を貫通する複数のスルーホールを有し、
   前記複数のスルーホールの開口面積は所定値よりも大きく、
   隣接するスルーホール間の間隔が所定値以下であり、
   前記プリント配線板は多層基板であり、前記導体幅が所定値よりも大きな領域が、前記多層基板の各層の対応する領域に形成されており、
   前記スルーホールの内面が導体により覆われており、
   前記各層に形成された前記導体幅の大きな領域が、前記スルーホールの内面に形成された導体により電気的に接続されている、プリント配線板。
2. 請求項１に記載のプリント配線板であって、
   前記導体幅の大きな領域の導体幅が４ｍｍ以上であり、前記スルーホールが直径０．９ｍｍ以上の円形の開口を有し、前記隣接するスルーホールの間隔が０．５ｍｍ以下である、プリント配線板。
3. 請求項１に記載のプリント配線板であって、
   前記導体幅の大きな領域の導体幅が８ｍｍ以上であり、前記スルーホールが直径０．５ｍｍ以上の円形の開口を有し、前記隣接するスルーホールの間隔が０．５ｍｍ以下である、プリント配線板。

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