JP5593074B2 - ヒートシンク取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、半導体スイッチング素子を搭載したプリント配線板に対するヒートシンクの取付構造に関する。

半導体スイッチング素子を表面実装したプリント配線板では、半導体スイッチング素子が頻繁にスイッチングを行う断続運転時には、スイッチングに伴い半導体スイッチング素子での発熱量が増大する。これに対し、スイッチングの頻度が少ない連続駆動時には、断続駆動時ほど半導体スイッチング素子で発熱が生じないものの、スイッチングでオンされた負荷に対して電流が継続して供給されることから、半導体スイッチング素子の出力側に接続された配線パターン（以下、配線パターンの中で特に発熱量が多いものを通電パターンという）での発熱量が増大する。

このため、半導体スイッチング素子を備えた従来の電子機器では、プリント配線板に固定されたヒートシンクに半導体スイッチング素子を取り付けたり、通電パターンの拡幅化や厚肉化を行い、半導体スイッチング素子や通電パターンで発生する熱を放熱している。また、特許文献１のプリント基板では、パワー半導体モジュールからの放熱を行うためのヒートシンクにパターン形成面に取り付けた放熱用端子を接触させ、通電パターンで発生した熱を放熱用端子を介してヒートシンクで放熱している。

特開２００９−１７６２４号公報

上記従来のプリント配線板では、通電パターンを幅広や肉厚にし、又は、放熱用の端子を別途設けることで通電パターンからの放熱をしていたことから、プリント配線板を備えた電子機器がその分大型化し、製造コストも増大していた。

本発明は斯かる課題に鑑みてなされたもので、上記課題を解決することのできるヒートシンク取付構造を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明のヒートシンク取付構造は、一端側にて、通電パターン及び前記通電パターン上の半導体スイッチング素子が配置される基板と、前記基板の他端側にて、通電パターンの一部および前記半導体スイッチング素子に対向する位置に取り付けられるヒートシンクと、を備えたヒートシンク取付構造であって、前記半導体スイッチング素子の断続駆動時には、少なくとも前記半導体スイッチング素子の発熱を前記ヒートシンクにより放熱し、前記半導体スイッチング素子の連続駆動時には、その連続駆動に伴う前記通電パターンの発熱を、前記半導体スイッチング素子の発熱と共に前記ヒートシンクにより放熱し、
前記通電パターンは、前記基板の前記一端側に形成された第１の通電パターンと、前記基板の前記他端側における前記第１の通電パターン及び前記半導体スイッチング素子の配置位置と対向する箇所に形成された第２及び第３の通電パターンとを有し、
前記第１の通電パターンは、前記半導体スイッチング素子と隣り合って配置され、
前記ヒートシンクは、前記基板の前記他端側における前記第１の通電パターン及び前記半導体スイッチング素子の配置位置と対向する箇所に、前記第２及び第３の通電パターンを覆うようにして前記基板に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、半導体スイッチング素子及び通電パターンからプリント配線板に放熱された熱をヒートシンクで放熱できるため、半導体スイッチング素子の断続駆動時にも連続駆動時にも、ヒートシンクのみで効果的に半導体スイッチング素子及び通電パターンの温度上昇を抑えることができる。

本発明の一実施形態の電子機器を示す図であり、（ａ）は上面側からの斜視図，（ｂ）は下面側からの斜視図，（ｃ）はプリント配線板の拡大断面図である。 プリント配線板へのヒートシンクの取付構造を示す図であり、（ａ）は基板の上面側，（ｂ）は下面側から見たヒートシンクの取付位置を示している。 プリント配線板からの放熱状態を示す図であり、（ａ）は半導体スイッチング素子の断続駆動時，（ｂ）は連続駆動時を示している。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本実施形態の電子機器１を示す図である。図２は、ヒートシンク４の取付構造を示す図である。図３は、通電パターン２０ａ〜２０ｃからの放熱状態を示す図である。なお、以下の説明で用いる上下の各方向は説明に用いる各図に示している。この上下は説明のために記載したもので、実際の配置と異なってよいことはもちろんである。

図１に示す電子機器１は、モータ駆動回路をプリント配線板２に搭載して構成されたモータ駆動ユニットであり、図１（ｂ）に示すように、プリント配線板２の下面（一端側）に半導体スイッチング素子５１を搭載して構成されている。プリント配線板２は、図１（ｃ）に示すように、基板２Ａの上面及び下面に銅箔部２Ｂを形成し、各銅箔部２Ｂを覆うようにして基板２Ａの上面（他端側）及び下面にレジスト層２Ｃを設けて構成されている。プリント配線板２の上面には、駆動対象となるモータに対する電源供給線にプリント配線板２上の回路を接続するための出力コネクタ３が取り付けられている。

出力コネクタ３は、相手側のコネクタが被着される被着部３１と、被着部３１から延びた接続端子３２とを備えており、プリント配線板２の銅箔部２Ｂに接続端子３２が接続されている。プリント配線板２の上面には、プリント配線板２から放熱を行うためのヒートシンク４が取り付けられている。ヒートシンク４は、平板状を呈した本体４１の上面に複数の放熱板４２を備えており、本体４１の下面に貼着された熱伝導シート（不図示）を介して本体４１をプリント配線板２に密着させ、本体４１をネジ４３でプリント配線板２にネジ止めされている。

図２に示すように、プリント配線板２の上面及び下面には、銅箔部２Ｂで配線パターンが構成されたパターン形成部２ａ〜２ｎが備えられている。各パターン形成部２ａ〜２ｎは、上面及び下面に実装された半導体スイッチング素子５１等の電子部品、又は、他のパターン形成部２ａ〜２ｎと銅箔部２Ｂで形成された配線パターン（不図示）で接続されている。また、プリント配線板２の上面及び下面には、銅箔部２Ｂで形成された通電パターン２０ａ〜２０ｃが備えられている。

通電パターン２０ａ〜２０ｃは、出力コネクタ３の接続端子３２と駆動対象となるモータとを接続する配線パターンである。半導体スイッチング素子５１は、通電パターン２０ａ〜２０ｃを通したモータへの電源供給のオン・オフを切り換えるためのものであり、通電パターン２０ａ〜２０ｃを含むプリント配線板２の配線パターンに接続端子５１ａで接続されている。半導体スイッチング素子５１は、プリント配線板２上に形成された制御回路の制御により、通電パターン２０ａ〜２０ｃを通した電源供給のオン・オフを切り換えるスイッチング動作を行い、通電パターン２０ａ〜２０ｃを通した電源供給のオン・オフを切り換える。

プリント配線板２の下面に形成されたプリント配線板２０ｃは、半導体スイッチング素子５１と隣り合って配置されている。プリント配線板２０ｃには矩形の切欠部２０ｃ１が設けられており、この切欠部２０ｃ１に半導体スイッチング素子５１が配置されている。ヒートシンク４は、プリント配線板２の上面の通電パターン２０ｃ及び半導体スイッチング素子５１の配置位置と対向する箇所に、通電パターン２０ａ，２０ｂを本体４１で覆うようにしてプリント配線板２に固定されている。

プリント配線板２上のモータ駆動回路は、半導体スイッチング素子５１をスイッチング動作させ、通電パターン２０ａ〜２０ｃを通して出力コネクタ３からモータに電源を供給し、モータを駆動する。半導体スイッチング素子５１は、モータに対し連続的に電源を供給する矩形波駆動の際にはスイッチングを行わない連続駆動を行い、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御時にはスイッチングを連続して行う断続駆動を行う。

半導体スイッチング素子５１では、半導体スイッチング素子５１の連続駆動時には定常発熱Ａ（図３（ｂ）参照）が発生し、断続駆動時にはスイッチング動作に伴いスイッチング発熱Ｂ（図３（ａ）参照）も発生する。通電パターン２０ａ〜２０ｃでは、半導体スイッチング素子５１の連続駆動時にはモータに対し連続的に電源を供給し、断続駆動時には断続的に電源を供給する。

このため、半導体スイッチング素子５１の断続駆動時には半導体スイッチング素子５１での発熱量が連続駆動時に比べ増大する。また、半導体スイッチング素子５１の連続駆動時の通電パターン２０ａ〜２０ｃでの発熱量Ｃ（図３（ｂ）参照）は、断続駆動時の通電パターン２０ａ〜２０ｃでの発熱量Ｄ（図３（ａ）参照）に比べ増大する。この結果、半導体スイッチング素子５１の連続駆動時には半導体スイッチング素子５１に比べて通電パターン２０ａ〜２０ｃでの発熱量が多くなり、断続駆動時には半導体スイッチング素子５１に比べて通電パターン２０ａ〜２０ｃでの発熱量が少なくなる。

このように、プリント配線板２での発熱状態は、モータの駆動制御に伴い変化するが、半導体スイッチング素子５１での発熱も、通電パターン２０ａ〜２０ｃでの発熱も、通電パターン２０ａ〜２０ｃの延設経路に沿うようにして、半導体スイッチング素子５１及び通電パターン２０ａ〜２０ｃの形成位置に対向する位置に配置されたヒートシンク４により、プリント配線板２から外部に放熱される。

以上説明したように、本実施形態によれば、半導体スイッチング素子５１の出力側に接続された通電パターン２０ｃの延設経路に沿うようにして、半導体スイッチング素子５１及び通電パターン２０ｃの形成位置に対向する位置にヒートシンク４が配置されていることから、半導体スイッチング素子５１及び通電パターン２０ｃからプリント配線板２に放熱された熱を、ヒートシンク４で放熱することができる。このため、半導体スイッチング素子５１の断続駆動時にも連続駆動時にも、ヒートシンク４のみで効果的に半導体スイッチング素子５１及び通電パターン２０ｃの温度上昇を抑えることができる。従って、通電パターン２０ａ〜２０ｃの拡幅化や肉厚化、及び、放熱用の部品点数を抑えることで、プリント配線板２を備えた電子機器１の小型化及び低コスト化を測ることが可能となる。

上記実施形態では、ヒートシンク４の配置される上面にも通電パターン２０ａ，２０ｂを備えている場合について説明したが、上面には通電パターンを備えていない構成としてもよい。また、通電パターン２０ａ〜２０ｃの形状も任意である。

また、上記実施形態では、通電パターンを電源供給線と接続するための出力コネクタ３がプリント配線板２に配置されている場合について説明したが、出力コネクタ３を備えていなくてもよい。また、上記実施形態では、モータ駆動回路が形成されたプリント配線板２に本発明を適用した場合について説明したが、半導体スイッチング素子５１を用いて負荷を駆動させる他のプリント配線板にも本発明は適用することができる。

１ 電子機器
２ プリント配線板
２Ａ 基板
２Ｂ 銅箔部
２Ｃ レジスト層
２ａ〜２ｎ パターン形成部
２０ａ〜２０ｃ 通電パターン
３ 出力コネクタ
３１ 被着部
３２ 接続端子
４ ヒートシンク
４１ 本体
４２ 放熱板
４３ ネジ
５１ 半導体スイッチング素子
５１ａ 接続端子

Claims (1)

1. 一端側にて、通電パターン及び前記通電パターン上の半導体スイッチング素子が配置される基板と、
   前記基板の他端側にて、通電パターンの一部および前記半導体スイッチング素子に対向する位置に取り付けられるヒートシンクと、
   を備えたヒートシンク取付構造であって、
   前記半導体スイッチング素子の断続駆動時には、少なくとも前記半導体スイッチング素子の発熱を前記ヒートシンクにより放熱し、
   前記半導体スイッチング素子の連続駆動時には、その連続駆動に伴う前記通電パターンの発熱を、前記半導体スイッチング素子の発熱と共に前記ヒートシンクにより放熱し、
   前記通電パターンは、前記基板の前記一端側に形成された第１の通電パターンと、前記基板の前記他端側における前記第１の通電パターン及び前記半導体スイッチング素子の配置位置と対向する箇所に形成された第２及び第３の通電パターンとを有し、
   前記第１の通電パターンは、前記半導体スイッチング素子と隣り合って配置され、
   前記ヒートシンクは、前記基板の前記他端側における前記第１の通電パターン及び前記半導体スイッチング素子の配置位置と対向する箇所に、前記第２及び第３の通電パターンを覆うようにして前記基板に固定されている
   ことを特徴とするヒートシンク取付構造。

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