JP7400074B2 - 回路基板アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、限定はしないが、特にレーダーシステム用の回路基板アセンブリに関する。

米国特許第６５１００５３号には、２つの回路基板から熱を奪い放散させるために、熱伝導性要素が前述の基板間に挟まれている回路基板アセンブリが記載されている。熱伝導性要素は、回路基板のトポグラフィに適合するように、凹部または開口部を有して輪郭形成され（profiled with）得る。

欧州特許第０８４４８０８号にも同様に、２つの回路基板の間のヒートシンクのサンドイッチ状の配置が記載されている。ヒートシンクは、改善された冷却機能を提供するために、クーラントを通すための閉流路を備える。米国特許第５１０１３２２号、米国特許第６０５５１５７号、及びドイツ特許２９６２２０９７号は、他の既知の回路基板アセンブリが記載されている。

米国特許第９４０２３０３号、米国特許第３８１８１２２号および国際公開第２０１８１３３８９３号には、導体対間に長手方向スリットを含むフレキシブルプリント回路相互接続ケーブルが記載されている。米国２０１８／０１３９３８及びドイツ１０ ２０１３ ２１２９９０もフレキシブルケーブルが記載されている。

本発明によれば、請求項１記載の回路基板アセンブリが提供される。

本発明は、ヒートシンク外部にコネクタなしに、基板間の電気的接続を可能にする。この囲まれたサンドイッチ状の配置は、コンパクトであり、例えば、航空機の機首内等、空間が限られている場所に取り付けられる必要があるレーダーシステムにおける使用に適している。

電子走査フェーズドアレイを備えるレーダーシステムにおいて実装される場合、２つの回路基板のうちの第１の回路基板が、電子走査アレイのアンテナ素子のアレイを提供する回路を担持し得、２つの回路基板のうちの第２の回路基板が、第１の回路基板上の回路に電力を供給するために使用される電力回路を担持し得る。第１の基板はまた、アンテナアレイによって送信されるべき信号および／またはアンテナアレイから受信された信号を増幅および／または位相シフトするように配置された送信および／または受信モジュールを担持し得る。第２の基板はまた、送信および／または受信モジュールの動作を制御するための制御回路を担持し得る。

電気ケーブルは、２つの回路基板間のデータ接続、２つの回路基板間の電力接続、またはその両方を提供し得る。

アセンブリは、第１の回路基板と第２の回路基板との間の電気的接続をそれぞれ提供する複数の電気ケーブルを備え得る。各ケーブルは、ヒートシンク内の異なる開口部を通って延在し得る。

このような配置は、本発明が、アンテナアレイ素子が基板全体にわたって広く間隔を置いて配置されているので、アンテナの各アレイ素子に関連付けられたデータ接続部を単一の開口部に通すこと（run data connections associated with each array element of the antenna through a single aperture）が実現困難であろう電子走査フェーズドアレイレーダーシステムにおいて実装される場合に、特に有利である。

このような場合、ケーブルのコネクタの各々を、回路基板上の対応するコネクタと位置合わせする際に困難が生じる。１つの解決策は、各ケーブルのコネクタが回路基板上のその対応するコネクタと嵌合され得るに十分な長さを有する電気ケーブルを設けることである。そうすると今度は、ケーブルがヒートシンク内に保持され得るように、ケーブルの各々を折り畳むよう試みるという困難が生じる。より好ましくは、より短い電気ケーブルが使用されるが、その場合、これは、全てのコネクタへのマニュアルアクセスを提供するものではない。この困難を改善するために、各ケーブルの基板コネクタの少なくとも１つが、回路基板の面に対して垂直方向におけるコネクタの移動を制限しながら、電気ケーブルのコネクタが回路基板の面にわたって移動することを可能にする浮動配置において、ヒートシンクに保持されることが好ましい。この配置では、第２の基板がヒートシンク上に着座され、ケーブルのコネクタと基板のコネクタとを互いに嵌合させるために圧力が加えられると、電気ケーブルのコネクタは、第２の基板上の対応するコネクタと自己位置合わせするように移動し得る。これにより、ヒートシンクを通じて２つの基板をブラインド嵌合することが可能になる。

電気ケーブルは、可撓性であることが好ましく、一実施形態では、該または各電気ケーブルは、フレキシブル（例えば、フィルム）基板上に形成された導電性トレースを備え得る。

フレキシブル基板は、異なる隣接する導電性トレース間にそれぞれ位置する複数のスリットを備え得る。スリットを設けることにより、他のケーブルに独立して撓み得る複数の細い平行なケーブルを効果的に作り出す。これにより、フレキシブルフィルム基板の主面に位置し、かつケーブルの長手方向軸に対して垂直である軸における可撓性が増大した電気ケーブルが提供される。

電気ケーブルは、２つの回路基板のうちの一方の面に設けられた対応するコネクタと電気的接続を行うための基板コネクタを備え得る。電気ケーブルは、両方の基板に接続するための２つの基板コネクタを備えることが好ましい。（１つまたは複数の）基板コネクタは、フレキシブルフィルム基板上に取り付けられることが好ましい。

基板コネクタは、基板コネクタが回路基板の面と平行または一致する平面に位置して、ヒートシンクに対して直交方向に移動することを可能にする接続部を通じて、ヒートシンクに取り付けられ得る。

回路基板アセンブリは、電気ケーブルをヒートシンクに保持するために、ケーブルの開口部を貫通する締結具と、締結具とケーブルとの間に配置されたスペーサ軸受と、を備え得、スペーサ軸受は、電気ケーブルの開口部内に少なくとも部分的に位置する。スペーサ軸受の存在は、電気ケーブルが、その移動の自由を阻止するような方法で、ヒートシンクに対して押し付けられることを回避する。

ヒートシンクは、熱交換器を冷却するためのクーラント流体用の経路を提供する内部流路を備え得る。これにより、冷却能力の向上が可能になる。

次に、本発明は、以下の図面を参照して、例として説明される。

図１は、２つのプリント回路基板の間にサンドイッチ構成で配置されたヒートシンクを備える回路基板アセンブリの斜視図である。 図２は、図１の回路基板アセンブリの分解斜視図である。 図３は、ヒートシンク内の冷却流路と、プリント回路基板を互いに接続するためにヒートシンクを通って延在するフレキシブル電気コネクタと、を示す側断面図である。 図４は、フレキシブル電気コネクタのうちの１つの斜視図である。 図５は、図３の一部の拡大図であり、プリント回路基板上の相補的なコネクタとの位置ずれを補償するための、ケーブルコネクタの移動を可能にするように、どのようにフレキシブル電気コネクタがヒートシンクに保持されるかを例示する。

図１～図３は、第１および第２のプリント回路基板（ＰＣＢ）３、４の間に挟まれたヒートシンク２を備える回路基板アセンブリ１を例示する。

ヒートシンク２は、高い熱伝導性を有する材料、典型的には金属から構成され、アルミニウムおよび銅が好適な例である。好ましい一実施形態では、ヒートシンクは、アルミニウム、銅またはチタンのうちの１つまたは複数等の金属の固体ブロックを備える。

ヒートシンク２は、鋳造、ブレイズまたは機械加工された部品から構成され得る。代替として、それは、積層造形プロセスを通じて作製され得る。

ヒートシンク２は、ヒートシンク２の両側に面２Ａ、２Ｂを有する。面２Ａ、２Ｂは、ＰＣＢ３、４への良好な熱接続を提供するために、ＰＣＢ３、４のそれぞれの内面側３Ａ、４Ａと直接接触して位置する。面２Ａ、２Ｂは、ＰＣＢ３、４のそれぞれの内面側３Ａ、４Ａに取り付けられている部品、例えばマイクロチップおよび他の個別の電子部品に形状および位置が対応する凹部のパターンを提供するように輪郭形成されている。これは、ＰＣＢ３、４との接触面積を増大させるか、または少なくともヒートシンク２がＰＣＢ上の発熱部品をより密接に取り囲むことを可能にして、ＰＣＢ３、４からヒートシンク２への熱伝達を改善する。

ヒートシンク２は、空気または水等のクーラント流体がヒートシンク２を通って流れるための経路、例えば迂回経路（circuitous pathway）を提供する、図３に見られる内部流路２Ｃを画定する。これは、ヒートシンク２から熱が放散され得る速度を増大させる手段を提供する。

内部流路２Ｃは、例えば、クーラント流体（液体および／または気体）を、ヒートシンク２を通して移動させ、オプションとして、クーラントを冷却するために、ヒートシンク２とは別個の熱交換器にも通して移動させるためのポンプまたはファンを備えるクーラントシステム（図示せず）に接続され得る。クーラントシステムは、一般に従来型となるので、その構造および動作の更なる詳細は、これ以上説明されない。

ヒートシンク２は、第１および第２のＰＣＢ３、４間でヒートシンク２を通って延在するいくつかの（この例では、８つであるが、その数は異なり得る）更なる内部流路２Ｄ（図３および図５を参照）を備える。

更なる内部流路２Ｄは、第１および第２のＰＣＢ３、４間を接続する相互接続ケーブル５（この例では、８つのケーブルであり、流路２Ｄごとに１つであるが、その数は異なり得る）のための導管を提供する。各ケーブル５は、ＰＣＢ３、４間の電力接続を提供し得るか、データ接続を提供し得るか、または電力接続とデータ接続との両方を提供し得る。

図４を参照すると、各ケーブル５は、フレキシブルフィルム基板５Ａの両端に取り付けられた基板コネクタ５Ｃ（ヘッダまたはソケット）の端子間に延在しかつそれらの間を接続する複数の平行な導電性トレース５Ｂが印刷または他の方法で配設された（例えば、電気絶縁性ポリマー材料の）フレキシブルフィルム基板５Ａから構成される。各トレースは、単一のデータ接続または電力接続を提供する。各基板コネクタ５Ｃは、それぞれのＰＣＢ３、４上に取り付けられた対応する基板コネクタ３Ｂ、４Ｂと嵌合するように配置されている。

フレキシブルフィルム基板５Ａは、図３に示される内面３Ａ、４ＡのＸ軸におけるそれぞれのＰＣＢ３、４のコネクタ３Ｂ、４Ｂ間の位置ずれを補償するために、基板コネクタ５Ｃ間の相対移動を可能にする。しかしながら、フィルム基板５Ａの幅（width）は、内面３Ａ、４ＡのＹ軸を通って基板コネクタ５Ｃを移動させるためにより大きな力が必要であることを意味する。フィルム基板５Ａが多くのトレースを担持する場合、基板５Ａの幅は、導体をＹ軸方向に移動させるのに必要な力が、ブラインド嵌合をＰＣＢ３、４またはコネクタ５を損傷する恐れのある程度の力を加えることなく可能にするには大きすぎるようなものになり得る。

これに対処するために、フレキシブルフィルム基板５Ａには、複数のスリット５Ｄが設けられている。各スリット５Ｄは、平行なトレース５Ｂの間に位置し、それらの長さの大部分にわたって、トレース５Ｂと平行に延在する。スリット５Ｄは、１つまたは複数の導電性トレース５Ｂをそれぞれが担持する一連の細い平行なケーブルを効果的に作り出し、これらのケーブルは、他のケーブルに独立して撓み得、各々がＹ軸方向により容易に撓み得る。これは、ケーブル５を全体としてＹ軸方向により可撓性にし、基板コネクタ５Ｃ間の増大された相対移動を可能にする。

フィルム基板５Ａの可撓性およびスリット５Ｄを設けることは、基板対基板コネクタ（board-to-board connector）５Ｃの相対移動を提供し、基板の面３Ａ、４Ａに関してＸ軸またはＹ軸のいずれかにおけるＰＣＢ３、４のコネクタ間の任意の位置ずれを補償する。

図２および図５に最も明確に見られるように、組み立てられると、各ケーブル５は、基板コネクタ５Ｃ（ヘッダまたはソケット）がボード３、４上のそれらの対応部分３Ｂ、４Ｂへの接続のために互いに反対方向に外側に面している状態で、それ自体の上に折り重ねられる。

スペーサ６が、基板コネクタ５Ｃ間に直接配置されており、これは、同じケーブル５の基板コネクタ５Ｃ間の最小分離距離を提供するように機能する。

図５を参照すると、ケーブル５は、一端に少なくとも１つの開口部５Ｅを備え、ケーブル５の端部は、この開口部５Ｅの周りで締結具７、例えばねじ式締結具によって、ヒートシンク２に保持される。締結具７は、開口５Ｅを貫通して、折り重ねられたケーブル５の基板コネクタ間の空間に突出するヒートシンク２の部分２Ｂに固定される。

さらに、締結具７とケーブル５との間に保持されるベアリングスペーサ８が設けられている。ベアリングスペーサ８は、フレキシブル基板５Ａの開口部５Ｅ内に位置する幅狭部８Ａと、締結具の頭部７Ａとケーブル５との間に挟まれた幅広部８Ｂと、を有する。その内にケーブル５が位置し、幅狭部８Ａの高さによって規定される、幅広部８Ｂとヒートシンク２との間の間隔は、ケーブルの移動をその締結ポイントにおいて阻止するように設定されており、したがって、依然としてＸ軸およびＹ軸方向における相対移動を許容しながらも、締結具７に近接した基板コネクタ５Ｃのヒートシンク２から離れる方への移動も阻止するように設定されている。

幅狭部８Ａは、開口５Ｅに面するケーブル５の壁５Ｆと幅狭部８Ａとの間に自由空間９を設けるように、開口５Ｅよりも狭い。

この構成により、各ケーブル５の基板コネクタ５Ｃの一方は、浮動構成で保持され、第２の基板４の面４Ａに垂直な方向において局限される（confined）が、ＰＣＢのコネクタ４Ｂとの位置合わせを可能にするために、締結具に対して、したがって、Ｘ軸およびＹ軸に対して（about）、自由に移動できる。

組み立てるために、各ケーブル５の一端は、上述したように、締結具７を使用してヒートシンク２に保持される。ケーブル５の自由端、すなわち、ヒートシンク２に取り付けられていない端部の各々における基板コネクタ５Ａは、第１の基板３上のそれらの対応するコネクタ３Ｂに個々に嵌合される。ヒートシンク２および第１の基板３は合わされ、締結具および／または熱伝導性接着剤、例えば熱伝導性エポキシで固定される。

第２の基板４は、開口部２Ｄ内の露出された基板コネクタ５Ｃが、第２の基板４上の対応するコネクタ４Ｂと実質的に位置合わせされるように、ヒートシンク２の他方の側に持ってこられる（brought against）（またはその逆も同様である）。基板コネクタ５Ｃの浮動特性は、コネクタ５Ｃ、４Ｂを合わせるために加えられた力に応答して、基板コネクタ５Ｃがコネクタ４Ｂにわたって横方向に移動することを可能にして、これら２つの間の任意の初期の位置ずれを補償し、２つのコネクタが正確に嵌合し合うことを確実にする。コネクタ５Ｃ、４Ｂをブラインド嵌合させるこの能力は、短い基板コネクタ５を使用して、複数の基板コネクタ５Ｃを第２の基板３に同時に嵌合させることを可能にする。

各ケーブル５の両端を、上述した締結具７およびスペーシングベアリング８の配置を使用して、ヒートシンク２に接続することが可能である。とはいえ、前述の方法を通じて、ケーブル５の自由端における基板コネクタ５Ｃは、ケーブル５の可撓性によって個々に操作され、第１の基板３とヒートシンク２とが互いに接合される前に、第１の基板３に嵌合され得るので、これは不要であると考えられる。これは、ケーブル５が開口部２Ｄよりもはるかに長くない限り（これは、開口部２Ｄ内に収容することが困難であろう）、第２の基板４を同時に取り付けながら複数のケーブルコネクタ５Ｃを操作することは困難であるので、後に第２の基板４をヒートシンク２に結合する場合とは対照的である。

例となる適用例では、回路基板アセンブリ１は、レーダーシステムの一部を形成する。第１のＰＣＢ３は、電子走査アレイのアンテナ素子のアレイを提供する回路を担持し、前述の素子は、第１のＰＣＢ３の外側に面している（すなわち、ヒートシンク２とは反対に面している）表面３Ｃ上に設けられている。第１のＰＣＢ３はまた、アンテナ素子から送信されるべき信号および／またはアンテナ素子から受信された信号の位相および／またはタイミングを増幅および／または変更する送信および／または受信モジュールを担持する。

第２のＰＣＢ４は、第１のＰＣＢ３上の回路に電力を供給するために使用される電力回路、ならびに送信および／または受信モジュールを制御するための上位制御回路を担持する。

ケーブル５は、上位制御回路から送信および／または受信モジュールへの制御信号と、第２のＰＣＢ４上の電力回路から第１のＰＣＢ３の回路への電力との両方を搬送するように機能する。

代わりに、第２の基板４がアンテナ素子と送信／受信モジュールとを担持し、第１の基板３が電力回路と上位制御回路とを担持し得ることが理解されよう。

回路基板とヒートシンク２とのサンドイッチ状の配置は、コンパクトな配置を提供し、これは、レーダーシステムが、空中プラットフォーム、例えば、航空機またはヘリコプターの機首内等の、空間が限られている場所に取り付けられるべきである場合に有利である。
以下に本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
２つの回路基板と、前記２つの回路基板から熱を吸収するように配置されたヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクが、前記２つの回路基板間に位置し、かつ前記２つの回路基板の両方と接触している、回路基板アセンブリにおいて、システムが、前記２つの回路基板間の電気的接続を提供するために、前記ヒートシンクにおける開口部を通って延在する電気ケーブルを備えることを特徴とし、ここにおいて、前記電気ケーブルは、フレキシブル基板上に形成された導電性トレースによって少なくとも部分的に設けられた複数のワイヤを備え、前記フレキシブル基板には、前記フレキシブル基板が前記導電性トレースのうちの１つまたは複数の少なくとも一部をそれぞれ担持する複数の平行なストリップを備えるように、複数の平行なスリットが設けられている、回路基板アセンブリ。
［Ｃ２］
前記電気ケーブルは、前記２つの回路基板間のデータ接続を提供する、Ｃ１に記載の回路システム。
［Ｃ３］
前記電気ケーブルは、前記２つの回路基板間の電力接続を提供する、Ｃ１または２に記載の回路基板アセンブリ。
［Ｃ４］
前記電気ケーブルは、前記２つの回路基板のうちの一方の面に設けられた対応するコネクタと電気的接続を行うための基板コネクタを備え、前記基板コネクタは、前記基板コネクタが前記回路基板の前記面と平行または一致する平面に位置して、前記ヒートシンクに対して直交方向に移動することを可能にする接続部を通じて、前記ヒートシンクに取り付けられている、Ｃ１～３のいずれか一項に記載の回路基板アセンブリ。
［Ｃ５］
前記電気ケーブルを前記ヒートシンクに保持するために、前記ケーブルの開口部を貫通する締結具と、前記締結具と前記ケーブルとの間に配置されたスペーサ軸受と、を備え、前記スペーサ軸受は、前記電気ケーブルの前記開口部内に少なくとも部分的に位置する、Ｃ４に記載の回路基板アセンブリ。
［Ｃ６］
前記ヒートシンクは、前記熱交換器を冷却するためのクーラント流体用の経路を提供する内部流路を備える、Ｃ１～５のいずれか一項に記載の回路基板アセンブリ。
［Ｃ７］
複数の前記電気ケーブルを備え、前記電気ケーブルの各々は、第１の回路基板と第２の回路基板との間の電気的接続を提供し、各電気ケーブルが、前記ヒートシンク内の異なる開口部を通って延在する、Ｃ１～６のいずれか一項に記載の回路基板アセンブリ。
［Ｃ８］
前記２つの回路基板のうちの第１の回路基板が、電子走査アレイのアンテナ素子のアレイを提供する回路を担持し、前記２つの回路基板のうちの第２の回路基板が、前記第１の回路基板上の前記回路に電力を供給するために使用される電力回路を担持する、Ｃ１～７のいずれか一項に記載の回路基板アセンブリ。

Claims (7)

1. ２つの回路基板と、前記２つの回路基板から熱を吸収するように配置されたヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクが、前記２つの回路基板間に位置し、かつ前記２つの回路基板の両方と接触している、回路基板アセンブリにおいて、システムが、前記２つの回路基板間の電気的接続を提供するために、前記ヒートシンクにおける開口部を通って延在する電気ケーブルを備えることを特徴とし、ここにおいて、前記電気ケーブルは、フレキシブル基板上に形成された導電性トレースによって少なくとも部分的に設けられた複数のワイヤを備え、前記フレキシブル基板には、前記フレキシブル基板が前記導電性トレースのうちの１つまたは複数の少なくとも一部をそれぞれ担持する複数の平行なストリップを備えるように、複数の平行なスリットが設けられており、ここにおいて、前記電気ケーブルは、前記２つの回路基板のうちの一方の面に設けられた対応するコネクタと電気的接続を行うための基板コネクタを備え、前記基板コネクタは、前記基板コネクタが前記回路基板の前記面と平行または一致する平面に位置して、前記ヒートシンクに対して直交方向に移動することを可能にする接続部を通じて、前記ヒートシンクに取り付けられている、回路基板アセンブリ。
2. 前記電気ケーブルは、前記２つの回路基板間のデータ接続を提供する、請求項１に記載の回路システム。
3. 前記電気ケーブルは、前記２つの回路基板間の電力接続を提供する、請求項１または２に記載の回路基板アセンブリ。
4. 前記電気ケーブルを前記ヒートシンクに保持するために、前記ケーブルの開口部を貫通できる締結具と、前記締結具と前記ケーブルとの間に配置されたスペーサ軸受と、を備え、前記スペーサ軸受は、前記電気ケーブルの前記開口部内に少なくとも部分的に位置する、請求項１～３のいずれか一項に記載の回路基板アセンブリ。
5. 前記ヒートシンクは、前記ヒートシンクを冷却するためのクーラント流体用の経路を提供する内部流路を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の回路基板アセンブリ。
6. 複数の前記電気ケーブルを備え、前記電気ケーブルの各々は、第１の回路基板と第２の回路基板との間の電気的接続を提供し、各電気ケーブルが、前記ヒートシンク内の異なる開口部を通って延在する、請求項１～５のいずれか一項に記載の回路基板アセンブリ。
7. 前記２つの回路基板のうちの第１の回路基板が、電子走査アレイのアンテナ素子のアレイを提供する回路を担持し、前記２つの回路基板のうちの第２の回路基板が、前記第１の回路基板上の前記回路に電力を供給するために使用される電力回路を担持する、請求項１～６のいずれか一項に記載の回路基板アセンブリ。

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