JP2005191378A - プリント基板における放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 プリント基板の小型化を図りつつ、部品を配置する際の制約の少ない放熱構造を提供する。
【解決手段】 プリント基板１の表面層（表）１１には配線パターン１１ａ、１１ｂが形成されており、内層１２には配線パターン１２ａが形成されている。発熱部品２は、配線パターン１１ａに電気的に接続されている。ネジ３１は、配線パターン１１ｂと接触しながらプリント基板１を筐体３２に固定する。発熱部品２で発生した熱は、配線パターン１１ａ、配線パターン１２ａ、配線パターン１１ｂ、ネジ３１を介して筐体３２に伝達される。配線パターン間の熱の受け渡しは、絶縁層を介して行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気回路または電子回路を構成する部品が搭載された多層プリント基板における放熱構造に係わる。

各種電気回路または電子回路は、通常、プリント基板上に実装される。このとき、実装される回路によっては、大電流を流す部品が搭載されることもある。この場合、大電流を流す部品（例えば、ヒューズ、大型の抵抗、パワートランジスタ等）は、しばしば、発熱体となる。なお、以下では、発熱体となる部品を「発熱部品」と呼ぶことがある。

一方、プリント基板上には、ＩＣ等の高温に弱い部品（或いは、周囲が高温になることが好ましくない部品）が搭載されることが多々ある。このため、上述のような発熱部品および高温に弱い部品がプリント基板上に混在する場合には、高温に弱い部品を保護する対策が必要になる。

高温に弱い部品を保護するための最も単純な方法は、発熱部品からの距離が大きくなるように部品の配置を設計することである。
また、図５に示すように、プリント基板１０１上において発熱部品１０２に伝熱板１０３を取り付け、その伝熱板１０３をヒートシンク等の放熱器１０４に接触させることで、発熱部品１０２で発生する熱を外部に逃がすことにより高温に弱い部品１０５を保護する構造も実施されている。

さらに、特許文献１には、プリント基板上に実装されている発熱部品から発せられる熱を、放熱用パターンおよびナットを介して裏面カバーから外部に放出させる構造が記載されている。
さらに、特許文献２には、プリント基板の一方の面に放熱部品を設けるとともに、他方の面に絶縁シートを介して放熱板を設けた構成において、その基板の両面を貫通ビアにより熱的に接続した構造が記載されている。
特開平９−３２１４６７号公報（図１、段落００１１〜００１６） 特開２００２−９４２７４号公報（図１〜図４、段落０００６〜０００９）

上述した公知の技術のうち、発熱部品から高温に弱い部品までの距離を大きくする構造では、プリント基板の小型化を図ることが困難である。また、図５に示すように、発熱部品１０２で発生する熱を伝熱板１０３を介してヒートシンク等の放熱器１０４に導く構造では、伝熱板１０３や放熱器１０４が必要となり部品数が増加し、また、そのためのスペースも必要になる。

特許文献１に記載の構造では、発熱部品の絶縁部分を放熱パターンに接触させるようになっている。すなわち、配線パターンとは別に放熱のためのパターンを形成する必要がある。また、特許文献２に記載の構造では、放熱板や絶縁シート等の放熱のための専用部品が必要になる。

本発明は、これらの課題を考慮してなされたものであり、プリント基板の小型化を図りつつ、部品の配置に制約が少ない放熱構造を提供することを目的とする。

本発明の放熱構造は、配線パターンを形成した層を２以上有するプリント基板を前提とする。そして、上記プリント基板に搭載される発熱部品が、そのプリント基板の第１の層に形成されている第１の配線パターンに電気的に接続される。また、上記発熱部品から上記第１の配線パターンに伝達される熱が上記プリント基板の第２の層に形成されている第２の配線パターンに受け渡されるようにそれらの配線パターンが形成される。そして、上記熱が上記第２の配線パターンを介して放出される。

上記構造において、発熱部品で発生する熱は、異なる層に形成されている配線パターン間で受け渡されて基板の外部に放出される。
上記発明において、上記第１の配線パターンおよび上記第２の配線パターンは、互いに電気的に絶縁されているようにしてもよい。この場合、発熱部品で発生した熱は、その一部が電気的に絶縁された経路を介して熱が放出される。

また、上記発明において、上記熱が上記第２の配線パターンに受け渡された後、さらに上記第２の層以外の層に形成されている第３の配線パターンを介して放出されるようにしてもよい。この場合、発熱部品で発生する熱は、第１の配線パターンから第２の配線パターンへ、さらに第２の配線パターンから第３の配線パターンへ次々と受け渡されてゆく。

さらに、上記発明において、上記プリント基板を放熱材に固定するための固定手段を設け、上記熱が上記第２の配線パターンおよびその固定手段を介して上記放熱材に伝達されるようにしてもよい。
本発明の他の態様の放熱構造は、配線パターンを形成した層を２以上有するプリント基板を前提とし、上記プリント基板に搭載される発熱部品がそのプリント基板の第１の層に形成されている第１の配線パターンに電気的に接続される。また、上記発熱部品から上記第１の配線パターンに伝達される熱が上記プリント基板の第２の層に形成されている第２の配線パターンと重なり合う部分が形成される。そして、上記熱が上記第２の配線パターンを介して放出される。なお、この放熱構造の作用は、基本的に、上述の放熱構造の作用と同じである。

本発明によれば、発熱部品で発生する熱は、配線パターン間で受け渡されて基板の外部に放出されるので、それらの配線パターンの形状および配置を適切に設計するだけで、放熱のための専用部品を設けることなく、放熱構造を実現できる。よって、プリント基板の小型化が図れる。

また、熱の受け渡しを行う配線パターン間が絶縁されているので、特許文献１に記載されている熱伝導のための専用の放熱用パターンを形成する必要がなく、発熱部品に電力を供給するため又は発熱部品に信号入出力のためにその発熱部品に電気的に接続される配線パターンを利用して放熱を行うことができる。

図１は、本発明の実施形態の放熱構造について説明する図である。ここで、プリント基板１には、発熱部品２およびＩＣ３を含む電気回路／電子回路が実装されている。なお、発熱部品２は、上記電気回路／電子回路の動作時に大電流が流れて発熱し得る部品であって、特に限定されるものではないが、例えば、ヒューズ、大型の抵抗、パワートランジスタ等に相当する。また、ＩＣ３は、高温に弱い部品の一例であり、周囲温度が上昇したときにその特性が劣化したり或いは破壊に至るおそれがある。

プリント基板１は、いわゆる４層基板であり、４つの層にそれぞれ配線パターンが形成されている。４層基板は、例えば、それぞれその両面に配線パターンが形成された２枚の基板を接合することにより形成される。この場合、一方の基板の表面および裏面がそれぞれプリント基板１の表面層（表）１１および内層１２になる。また、他方の基板の表面および裏面が、それぞれプリント基板１の表面層（裏）１４および内層１３になる。なお、これら２枚の基板が接合される面（すなわち、内層１２、１３）は、例えば、絶縁樹脂等によりコーティングされて互いに電気的に絶縁されている。

プリント基板１の表面層（表）１１には、配線パターン１１ａおよび１１ｂが形成されている。また、プリント基板１の表面層（裏）１４には、配線パターン１４ａおよび１４ｂが形成されている。さらに、プリント基板１の内層１２には配線パターン１２ａが形成されており、内層１３には配線パターン１３ａが形成されている。なお、これらの配線パターンは、例えば、プリント基板１に実装されている電気回路／電子回路の信号を伝達するための導電パターンおよび／または電力を供給するための導電パターンである。また、これらの配線パターンは、電気伝導性および熱伝導性の良好な材料（例えば、銅）で形成されている。さらに、プリント基板１を構成する基板自体は、ガラスエポキシ樹脂等の絶縁材料により形成されている。

このように、プリント基板１の表面層（表）１１に形成されている配線パターン（１１ａ、１１ｂ）と内層１２に形成されている配線パターン（１２ａ）との間は、絶縁層（上述の例では、基板自体）２１により互いに絶縁されている。同様に、プリント基板１の表面層（裏）１４に形成されている配線パターン（１４ａ、１４ｂ）と内層１３に形成されている配線パターン（１３ａ）との間も、絶縁層（上述の例では、基板自体）２２により互いに絶縁されている。

発熱部品２は、リード（端子）２ａがプリント基板１を貫通するようにして実装されている。ここで、リード２ａは、発熱部品２の主電流を入力または出力するための端子である。そして、リード２ａは、配線パターン１１ａおよび配線パターン１４ａに半田付けされている。すなわち、発熱部品２は、表面層（表）１１に形成されている配線パターン１１ａおよび表面層（裏）１４に形成されている配線パターン１４ａに電気的に接続されている。ただし、発熱部品２は、内層１２または内層１３に形成されている配線パターン１２ａおよび１３ａには、接続されていない。

プリント基板１は、ネジ（固定手段）３１により筐体（放熱材）３２に固定される。ここで、ネジ３１は、熱伝導性の良好な材料で形成されているものとする。そして、ネジ３１は、表面層（表）１１に形成されている配線パターン１１ｂに接触している。また、表面層（裏）１４に形成されている配線パターン１４ｂが筐体２３のネジ座に押し付けられている。

図２（ａ）は、発熱部品２の実装構造を示す図である。ここでは、プリント基板１の断面図において各層の配線パターンが模式的に描かれている。
プリント基板１には、発熱部品２のリード２ａを貫通させるためのホールが設けられている。ここで、表面層（表）１１および表面層（裏）１４においては、それぞれ配線パターン１１ａおよび１４ａがそのホールに接する領域まで形成されている。一方、内層１２および内層１３においては、リード２ａが配線パターン１２ａおよび１３ａに接することなく貫通するように形成されている。よって、発熱部品２のリード２ａは、配線パターン１１ａおよび１４ａに電気的に接続することとなるが、配線パターン１２ａおよび１３ａには接続されない。なお、配線パターン１１ａ、１２ａ間、および配線パターン１３ａ、１４ａ間は、それぞれ電気的に絶縁されているものとする。

図２（ａ）では、発熱部品２と配線パターン１１ａ〜１４ａとの接続関係を示したが、ネジ３１と各配線パターン１１ｂ〜１４ｂとの接続関係も基本的に同じである。即ち、ネジ３１は、配線パターン１２ｂ、１３ｂには接触していない。
図２（ｂ）は、配線パターンの構成を示す図であり、プリント基板１を上方から見た様子を模式的に描いている。ここでは、表面層（表）１１に形成されている配線パターン１１ａ、および内層１２に形成されている配線パターン１２ａのみが描かれている。

配線パターン１１ａは、プリント基板１の表面層（表）１１に形成されている。一方、配線パターン１２ａは、プリント基板１の内層１２に形成されている。ここで、配線パターン１１ａおよび配線パターン１２ａは、少なくともそれらの領域の一部が互いにオーバラップするように形成されている。なお、図示しないが、配線パターン１３ａおよび配線パターン１４ａも、同様に、少なくともそれらの領域の一部が互いにオーバラップするように形成されている。さらに、配線パターン１１ｂおよび配線パターン１２ａもその一部が互いにオーバラップするように形成されており、また、配線パターン１４ｂおよび配線パターン１３ａもその一部が互いにオーバラップするように形成されている。

次に、図１を参照しながら、実施形態のプリント基板における放熱作用を説明する。
発熱部品２において発生した熱は、リード２ａを介して配線パターン１１ａ、１４ａに伝達される。続いて、配線パターン１１ａ、１４ａに伝達された熱は、それぞれ、絶縁層２１、２２を挟んで対向する領域に形成されている配線パターン１２ａ、１３ａに受け渡される。このとき、配線パターン１１ａ、１２ａ間には絶縁層２１が存在し、配線パターン１４ａ、１３ａ間には絶縁層２２が存在するが、絶縁層２１、２２は、断熱材料で形成されているものではなく、また、その厚さも１ミリ以下である。さらに、図２（ｂ）に示すように、配線パターン１１ａ、１２ａが形成されている領域が互いにオーバラップしており、また、配線パターン１４ａ、１３ａが形成されている領域が互いにオーバラップしている。よって、発熱部品２から配線パターン１１ａ、１４ａに伝達された熱は、それぞれ、容易に配線パターン１２ａ、１３ａに受け渡される。

配線パターン１２ａ、１３ａに受け渡された熱は、図１の紙面上で左側に向かう方向に伝達された後、それぞれ、配線パターン１１ｂ、１４ｂに受け渡される。ここで、配線パターン１２ａ、１３ａから配線パターン１１ｂ、１４ｂに熱が受け渡される作用は、配線パターン１１ａ、１４ａから配線パターン１２ａ、１３ａに熱が受け渡される作用と同じである。そして、配線パターン１１ｂに受け渡された熱は、ネジ３１を介して筐体３２に伝達される。また、配線パターン１４ｂに受け渡された熱は、直接的に筐体３２に伝達される。

このように、実施形態の放熱構造においては、発熱部品で発生した熱は、絶縁層を介して配線パターン間で受け渡されて放熱材としての筐体に伝達される。したがって、各層の配線パターンの形状を適切に設計（具体的には、熱の受け渡しが行われる配線パターンが互いにオーバラップするような設計）することで、放熱構造を実現できる。すなわち、放熱のための専用部品を設ける必要がなく、プリント基板の小型化および部品点数の削減に寄与する。

また、実施形態の放熱構造は、発熱部品自体の温度を直接的に低下させるものではないが、発熱部品で発生した熱が高温に弱い部品に伝達されないように放熱材へ逃がすことができる。よって、発熱部品および高温に弱い部品を隣接して配置することが可能になり、部品配置の自由度が高くなる。なお、この効果を高めるためには、たとえば、図１において、配線パターン１２ａ、１３ａがＩＣ３の近傍領域にまで形成されていないことが望ましい。

さらに、実施形態の放熱構造においては、電気的に絶縁された２以上の配線パターン間で熱を受け渡すことにより、発熱部品２で発生した熱が放熱材としての筐体３２に導かれる。したがって、発熱部品２を筐体３２に短絡させることなく、発熱部品２に電気的に接続される配線パターン（実施例では、配線パターン１１ａ、１４ａ）を利用して放熱構造を実現できる。すなわち、プリント基板１の設計の自由度が高くなる。

なお、図１に示す例では、発熱部品２のリード２ａが配線パターン１１ａ、１４ａの双方に電気的に接続されているが、配線パターン１１ａ、１４ａのいずれか一方に接続されているだけでもよい。
また、図１に示す例では、発熱部品２のリード２ａが表面層１１、１４に形成されている配線パターンに電気的に接続されているが、リード２ａが表面層１１、１４に形成されている配線パターンに接続されることなく、内層１２、１３に形成されている配線パターンに接続される場合にも同様の作用が働く。ただし、この場合は、発熱部品２から内層１２、１３に形成されている配線パターンに伝達された熱は、絶縁層２１、２２を介して表面層１１、１４に形成されている配線パターンに受け渡されて放熱材に放熱される。

さらに、上述の実施例では、発熱部品で発生した熱が第１の配線パターン（例えば、配線パターン１１ａ）から第２の配線パターン（例えば、配線パターン１２ａ）へ受け渡され、第２の配線パターンから第３の配線パターン（例えば、配線パターン１１ｂ）へ受け渡されるようになっているが、これらの配線パターン間がすべて互いに絶縁されている必要はない。例えば、第１の配線パターンと第２の配線パターンとの間、または第２の配線パターンと第３の配線パターンとの間のいずれか一方がスルーホールやビアホール等を介して電気的に接続されていてもよい。

なお、特許請求の範囲に記載されている「第１の層に形成されている第１の配線パターン」は、図１においては、表面層（表）１１に記載されている配線パターン１１ａまたは表面層（裏）１４に形成されている配線パターン１４ａに相当する。また、「第２の層に形成されている第２の配線パターン」は、図１においては、内層１２に記載されている配線パターン１２ａまたは内層１３に形成されている配線パターン１３ａに相当する。さらに、「第３の配線パターン」は、配線パターン１１ｂまたは配線パターン１４ｂに相当する。

図３は、本発明の効果を示す具体的な実施例である。この例では、発熱部品２は、３Ｗのヒューズであり、また、発熱部品２とＩＣ３との間の距離が３９ｍｍである。
本発明の放熱構造を導入しない場合は、図３（ａ）に示すように、ＩＣ３の周辺温度は１０９．８度にまで上昇した。これに対して、図３（ｂ）に示すように、ネジ３１を発熱部品２付近に設け、発熱部品で発生する熱をネジ３１から筐体３２に逃がす構造を導入した場合には、ＩＣ３の周辺温度は１０３．６度であった。すなわち、本発明の放熱構造を導入することによりＩＣ３の周辺温度が６．２度低下した。

なお、「６．２度」という温度差は、プリント基板を設計するうえで大きな値である。すなわち、例えば、ＩＣの周囲温度の許容上限温度が１１０度であったものとすると、本発明を導入すれば、製造ばらつき等を考慮しても十分なマージンが得られる。これに対して、本発明を導入しなければ、十分なマージンが得られず、部品配置の変更や、専用の放熱部品の使用が必要になることも考えられる。

なお、図１に示した実施形態では、４層基板における放熱構造を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、２層以上の多層基板に適用可能である。たとえば、図４には、本発明を２層基板に適用した場合の実施例が描かれている。この場合、発熱部品２で発生した熱は、リード２ａを介して配線パターン１４ａ、配線パターン１１ｂ、ネジ３１を介して筐体３２に導かれる。このとき、配線パターン１４ａ、１１ｂ間では、絶縁層を介して熱が受け渡される。

本発明の実施形態の放熱構造について説明する図である。 （ａ）は、発熱部品の実装構造を示す図である。（ｂ）は、配線パターンの構成を示す図である。 本発明の効果を示す具体的な実施例である。 本発明を２層基板に適用した場合の実施例である。 従来の放熱構造の一例を示す図である。

符号の説明

１ プリント基板
２ 発熱部品
３ ＩＣ（高温に弱い部品）
１１ 表面層（表）
１１ａ、１１ｂ 配線パターン
１２、１３ 内層
１２ａ、１３ａ 配線パターン
１４ 表面層（裏）
１４ａ、１４ｂ 配線パターン
２１、２２ 絶縁層
３１ ネジ
３２ 筐体

Claims (8)

1. 配線パターンを形成するための層を２以上有するプリント基板における放熱構造であって、
   上記プリント基板に搭載される発熱部品がそのプリント基板の第１の層に形成されている第１の配線パターンに電気的に接続されており、
   上記発熱部品から上記第１の配線パターンに伝達される熱が上記プリント基板の第２の層に形成されている第２の配線パターンに受け渡されるようにそれらの配線パターンが形成されており、
   上記熱が上記第２の配線パターンを介して放出される
   ことを特徴とするプリント基板における放熱構造。
2. 上記第１の配線パターンおよび上記第２の配線パターンは、互いに電気的に絶縁されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板における放熱構造。
3. 上記熱が上記第２の配線パターンに受け渡された後、さらに上記第２の層以外の層に形成されている第３の配線パターンを介して放出される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプリント基板における放熱構造。
4. 上記プリント基板を放熱材に固定するための固定手段をさらに有し、
   上記熱が上記第２の配線パターンおよび上記固定手段を介して上記放熱材に伝達される
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプリント基板における放熱構造。
5. 配線パターンを形成するための層を２以上有するプリント基板における放熱構造であって、
   上記プリント基板に搭載される発熱部品がそのプリント基板の第１の層に形成されている第１の配線パターンに電気的に接続されており、
   上記第１の配線パターンと上記プリント基板の第２の層に形成されている第２の配線パターンとが重なり合う部分が形成されている
   ことを特徴とするプリント基板における放熱構造。
6. 上記第１の配線パターンおよび上記第２の配線パターンとの間に絶縁層が設けられている
   ことを特徴とする請求項５に記載のプリント基板における放熱構造。
7. 上記第２の配線パターンと、さらに上記第２の層以外の層に形成されている第３の配線パターンとが重なり合う部分が形成されている
   ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のプリント基板における放熱構造。
8. 上記プリント基板を放熱材に固定するための固定手段をさらに有し、
   上記第２の配線パターンと上記固定手段とが接続されている
   ことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のプリント基板における放熱構造。
   
   
   

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