JP6513918B2 - プリント基板及び回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板及びそれに電子部品を実装した回路基板に関し、特に回路基板に実装される電子部品からの発熱を回路パターンから効率よく放熱させることに関する。

電話交換機システムに置いて近年、高速化・小型化により電子部品実装密度が増大し発熱量が上昇している。これは、低電圧にて動作させる電子機器が主流化する中、電話交換機システムに置いては−４８Vなど比較的高い電圧を使用して回線給電を行う必要があり、回路基板上の配線に流れる電圧・電流が大きくなるため、発熱量が大きくなる。これらの発熱量の増加は動作不具合・動作故障の原因となっている。これらの温度上昇を減少させるために、放熱性に対する要求が大きくなっている。

特開2008−53328号公報 特開2006−100483号公報

回路基板には電子部品が実装されており、通電中は発熱をする。電子部品を正常に動作させるためには電子部品を規定の温度以下で動作させることが求められる。電話交換機では前記の通り、比較的高い電圧を使用する必要があり、また電話交換機に接続され、かつ電話交換機から給電をされている電話端末などが、大型の表示装置やより高度なサービスを提供するための高集積半導体などを搭載することにより消費電流値が大きくなっているため、電話交換機の消費電力が増している傾向がある。電話交換機の消費電力が増すことによって電話交換機の発熱量が増加し、放熱性に対する要求がさらに高くなっている。

電話交換機は近年小型化が進み、装置のサイズを縮小するために回路基板への電子部品の実装密度を向上させることが求められている。上述の通り回路基板上に実装された電子部品は通電中には発熱をするが、回路基板上に高密度に電子部品を実装する事によって、電子部品の発熱した熱量の放熱効率が悪化し、放熱性に対する要求が高くなっている。

特許文献１では、プリント基板の回路パターンを形成する工程で、放熱板３０２，０３０を形成し、放熱板表面のレジストを網状に抜くことによって、銅箔露出部３０４を形成している。さらに銅箔露出部３０４に放熱用ハンダを盛り付け、その後銅箔露出部３０４上に部品を実装している。（（００３３）〜（００３４）段落、（００４３）〜（００４４）段落、図４、図７）
また特許文献２では、発熱部品２と耐熱性に乏しいＩＣ１５の間を接続する回路パターン４の途中に放熱部５Ｃを形成している。放熱部５Ｃは放熱パターン１４を有し、複数のスルーホール９Ｂが設けられる。スルーホール９Ｂ内は半田で充填される。（（００４４）〜（００４７）、（００６５）〜（００６７）段落、図３、図７）
電子基板における発熱は主に部品が電流を消費する事による。現在は表面実装部品が主流となっており、部品から発生した熱は部品表面および熱伝導効率のよい金属銅箔部を通して気中に放熱される。この場合、現在の主流である強制空冷および自然空冷方式では部品実装側に熱がこもりやすく、周辺温度が上昇し部品故障率が上がる。

特許文献１のように小さな銅箔露出部にハンダを盛るだけでは、周囲の銅箔露出部に盛られたハンダからも気中に放熱がなされるため周囲温度は上昇しており効率的な放熱は難しい。また特許文献２のようにスルーホールにハンダを充填する事により、熱伝導率のよい金属で電子基板の上下面を繋ぐことができ、熱を流動させることができる。しかし、スルーホールの径は一般的に1mm程度以下なので空気面に触れる面積が狭く、効果的な気中への放熱は望めない。

ヒートシンクなどの放熱のための部品を追加使用すれば放熱性は高まるが、相応の費用が必要であり、また部品容積が増大してしまう。本発明は、こうした課題にかんがみ、基板の放熱性をより向上させる技術を提供する事を目的とする。

本発明は、電子部品を実装するための基板と、前記基板上に形成された回路パターンを備えたプリント基板であって、前記回路パターンの一部を拡大にして放熱部とし、前記放熱部を絶縁体で被覆し、被覆した絶縁体に複数の開口部を形成し、前記開口部にハンダを盛り付け、前記開口部以外の前記絶縁体部を開口して複数のスルーホールを設け、前記スルーホールにハンダを盛り付けたことを特徴とするプリント基板である。

本発明によれば、基板の放熱性がより向上するという効果が得られる。

本発明の実施形態の回路基板を示す平面図である。 図１から電子部品を取り除いた状態を示す平面図である。 図２から回路基板表面に塗布されたソルダーレジスト層及びハンダを取り除いた銅箔による回路パターンを示す平面図である。 本発明の実施形態で回路パターン上に形成される銅箔露出部の外形の一例を示す平面図である。 図１におけるａ−ａ’の断面図である。 図１におけるｂ−ｂ’の断面図である。 図１におけるｃ−ｃ’の断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１，２，３は回路基板１００を示す平面図で、図４は本実施形態で回路パターン上に形成される銅箔露出部の外形の一例を示す平面図、図５，６，７はそれぞれ図１，２，３の断面を示す図である。以下実施形態では、「基板」とは電子部品を実装するためにガラスエポキシ等の樹脂で形成された板材を意味する用語として用いる。これに銅等で回路パターンを形成したものを「プリント基板」と称し、電子部品を実装したものを「回路基板」と称するものとする。

本実施形態は、図１のとおり、回路基板１００、回路基板１００上に実装されたＬＳＩなどの発熱量が大きい電子部品１０２、回路パターン１０３上に設けられた小面積の銅箔露出部に盛られたハンダ１０５（クリームハンダ）及び放熱用のスルーホール１０６を備えている。電子部品１０２は表面実装型部品とする。回路パターン１０３は、２つの電子部品１０２の間を電気的に接続する回路パターン１０８の途中に１０８よりも幅広に設けたもので、この拡大した回路パターン１０３が放熱部である。回路パターン１０３は回路パターン１０８より幅を約二倍に広げている。どの程度拡大するかは電子部品１０２の放熱量と放熱部である回路パターン１０３の放熱能力に応じて設計する。

またハンダ１０５とスルーホール１０６は、回路パターン１０３上のほぼ全ての場所に形成している。なお２つの電子部品１０２の片方だけが放熱部品でもよいし、両方とも放熱部品でもよい。また本実施形態では放熱部を２つの電子部品１０２から等距離に設けているが、より放熱量の大きな部品の方に近づけて設けても良い。また放熱部は回路基板上の全ての電子部品に対して設けなくてもよく、特に発熱量の大きい一部の電子部品に対してだけ形成してもよい。

回路基板の表面は、部品の電極部をハンダにより接続する箇所と基板を垂直に貫くスルーホール以外は絶縁体（通常はソルダーレジスト）によって覆われているのが一般的である。しかしソルダーレジストは回路パターンに使用される金属よりも熱伝導性が低いため、回路基板の表面層からの放熱効果は低くなる。回路基板表面層からの放熱効果を高めるため、発熱部品に接続する回路パターンを図１の様に太く・広くし、しかも回路パターン上のソルダーレジストで被覆された面積を小さくして回路パターンに使用されている金属を露出させると、より大きな放熱効果を得ることができる。

図１、２、３において、ハーフトーンの箇所はソルダーレジスト塗布面１０１である。また白い箇所は銅箔またはハンダが露出している面である。この露出面はハンダ１０５、スルーホール１０６（正確にはスルーホール１０６上に盛り付けたハンダ）及び回路パターン１０８である。回路パターン１０３上ではハンダ１０５とスルーホール１０６以外の箇所にはソルダーレジストが塗布されている。なお図１は電話交換機にて使用される回路基板の一例である。

図２は図１の状態から電子部品１０２及びハンダ１０５を取り除いた状態にしたときの平面図である。図２ではハンダ１０５の下部にある銅箔露出部１０４が見えている。また図３は図２から回路基板１００の表層を覆っているソルダーレジスト層及びハンダ１０５を取り除いた状態を表した平面図である。

まず、発熱量が大きい電子部品に接続する回路パターン１０３は、回路パターンそのものの抵抗成分に対しても発熱が発生するため、ベタで可能な限り面積を広く取ることが好ましい。

また回路パターン１０３上に設けられた小面積の銅箔露出部１０４の形状は、特許文献１に示されているマトリクス形状よりも、前述の小面積の銅箔露出部に盛られるハンダによって表面積が大きくなる形状にすることが好ましい。その例として図４に銅箔露出部１０４の平面形状を示す。図４の例では平面形状が略Ｉ字状、より正確には両凹レンズの断面に類似した形状であり、この銅箔露出部１０４をスルーホール１０６の間に多数形成している。露出させる金属面の面積を小さくかつ多数にし、露出した金属面つまり銅箔露出部１０４の上に銅箔露出部１０４とほぼ同形状の放熱用のハンダ１０５がそれぞれ盛り付けられている。ハンダ１０５を盛る事によってハンダが空気に触れる表面積を増やし放熱効果をより高める。図４の形状は曲面があるので、特許文献１で開示されているマトリクス形状よりも効率的に表面積を増やすことができる。

また特許文献１では銅箔露出部をマトリクス状に形成し、放熱用ハンダを盛り付けているが、電子部品は銅箔露出部上に実装されている。そのため適用できる発熱部品はディップ部品つまり部品下部と基板の間に空間のある部品であり、表面実装部品には適用できない。また熱は空間の中で上に上昇するため、特許文献１では、小面積の銅箔露出部から空気上に放射された熱が、回路基板と部品と部品足に囲まれた空間に溜まってしまう。しかし本実施形態では部品下部ではなく回路パターン１０３上に小面積の銅箔露出部１０４を作成するので、特許文献１のような問題は生じない。

なお、前述の部品実装用の回路パターン１０８と銅箔露出部１０４が回路パターン１０８と相対する箇所には、ソルダーレジストを剥離しない分離帯１０７を設けておくとよい。分離帯１０７の幅を十分にとれば、部品実装時のリフローハンダが銅箔露出部１０４に流出するのを防ぐことができ、また反対に銅箔露出部１０４にハンダを盛る際のリフローハンダが回路パターン１０８に流出することもない。またリフローハンダが流出しないため、部品の実装位置ずれを防ぐこともできる。

図５は図１の回路基板１０１のａ−ａ’切断面を示す図である。ガラスエポキシ等の樹脂で形成された板材である基板５０１と、基板５０１の表面に塗布されたソルダーレジスト層５０２と、基板５０１の表面に銅箔回路パターン層５０３を備える。図５では銅箔回路パターン層５０３として、表面に最も近い層だけを示しているが多層パターンになる場合が多い。また図５の回路基板は、基板５０１の裏面の表面にもソルダーレジスト層５０４が塗布されている。またスルーホール５０５が回路基板１０１を貫通して形成されている。さらに、ソルダーレジスト層５０４の開口部である銅箔露出部１０４にハンダ５０６が盛り付けられている。またスルーホール５０５の表面および裏面の銅箔露出部にそれぞれハンダ５０７、５０９が盛り付けられている。

図６は図１のｂ−ｂ’切断面を示す図であり、スルーホール５０５がない場所の切断面を表示している。基板５０１、銅箔回路パターン層５０３、それぞれ回路基板の表面及ぶ裏面に塗布されたソルダーレジスト層５０２、５０４は図５と同様である。ただしｂ−ｂ’切断面では銅箔露出部１０４端部に近いため、ａ−ａ’切断面よりもハンダ５０６の背が高く幅が広い。

図７は図１のｃ−ｃ’切断面を示す図である。ｃ−ｃ’はａ−ａ’、ｂ−ｂ’と直交している。

（発明が解決しようとする課題）の欄でも述べたが、特許文献１のように小さな銅箔露出部にハンダを盛るだけでは、周囲の銅箔露出部に盛られたハンダからも気中に放熱がなされるため周囲温度は上昇しており効率的な放熱は難しい。また特許文献２のようにスルーホールにハンダを充填する事により、熱伝導率のよい金属で電子基板の上下面を繋ぐことができ、熱を流動させることはできるが、スルーホールの径は一般的に1mm程度以下なので空気面に触れる面積が狭く、効果的な気中への放熱は望めない。

しかし本実施形態ではスルーホール５０５の裏面側にハンダ５０９を盛っている。発熱部品のない（または少ない）裏面であれば周囲温度が相対的に低いため、効果的に放熱できる。特許文献１でも裏面にハンダを平面状に広く形成して、スルーホール経由で表面から伝わってきた熱を広く拡散している。しかし本実施形態ではスルーホールの逆面の直上にハンダ５０９を盛り付けている。盛り付けたハンダは平面ベタのハンダよりも面積が狭くて済む。更に、盛り付けたハンダ５０９は平面ベタハンダよりも背が高いため、空冷時（強制空冷と自然空冷両方）に空気に触れやすく、放熱効果が高い。従ってハンダ５０９は狭い面積でも放熱効果が高い。

また本実施形態の回路基板の製造過程は通常の回路基板とほぼ同様であり安価である。製造過程は概ね次の通りである。ガラスエポキシ等の樹脂で形成された板材に貼られた銅箔上の配線となる部位上にエッチングレジストを塗布し、エッチングレジストを塗布されていない部位の銅箔を除去する。エッチングレジストを剥離した後に、ソルダーレジストをシルク印刷しUV硬化させる。

小面積の金属パターンつまり銅箔露出部１０４を露出させる事は容易であり、特別な費用および工数を必要としない。また、小面積の露出部に盛るハンダは自動SMT(Surface mount technology)マウンターにて行うため、ハンダの増加分のみの追加費用となり安価である。
（実施例１）
電話交換機システムにおいて、電話端末装置の制御および回線インターフェースを行い、電話端末装置を接続する通信配線に電圧を重畳する事により給電を行う回路基板がある。電話交換機システムの回路基板は前述のように比較的高い電圧および電流が流れる。するとその回路基板上に実装された電子部品による発熱が高くなり、電子部品の温度が規定値外となってしまう恐れがある。

このような回路基板において電子部品の温度を規定値内とするために、図１〜７で述べたような放熱部を設けたところ、放熱部を設けない場合に比べて、電子部品の温度を約１０℃低下させることができた。
（他の実施形態）
上で述べた実施形態ではリジッド基板を用いた。しかし一般的な部品を表面実装できるフレキシブル基板であれば本発明を適用できる。

本発明は種々の電子部品および回路パターンに適用可能であるが、特に比較的大きな電圧および電流が流れる電子部品および回路パターンにおいては発熱量が大きいため有用性が高い。例としては電源回路や配線給電回路などが該当する。

１０１ 回路基板
１０２ 電子部品
１０３、１０８ 回路パターン
１０４ 銅箔露出部
１０５、５０６、５０７ ハンダ
１０６、５０５ スルーホール
５０１ 基板
５０２ ソルダーレジスト層
５０３ 銅箔回路パターン層

Claims (6)

1. 複数の電子部品を実装するための基板と、前記電子部品と電子部品の間の前記基板上に形成された回路パターンを備えたプリント基板であって、
   前記回路パターンの一部を拡大して放熱部とし、前記放熱部を絶縁体で被覆し、被覆した絶縁体に複数の開口部を形成し、前記開口部は平面形状が曲線により端部が中央部より幅広である略Ｉ字状であり、前記開口部に前記中央部より前記端部の方が背が高いハンダを盛り付け、前記開口部以外の前記絶縁体を開口して複数のスルーホールを設け、前記スルーホールにハンダを盛り付けたことを特徴とするプリント基板。
2. 前記開口部に盛り付けたハンダの表面を曲面にした請求項１に記載のプリント基板。
3. 前記スルーホールに盛り付けたハンダは、少なくとも前記電子部品実装側とは反対面に盛り付けている請求項１または２に記載のプリント基板。
4. 前記電子部品を実装する箇所と前記放熱部の間に絶縁体の分離帯を設ける請求項１から３のいずれか１項に記載のプリント基板。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のプリント基板に電子部品が実装された回路基板。
6. 前記電子部品は表面実装型部品である請求項５に記載の回路基板。

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