JP2011129581A - プリント配線板の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効果の大部分を保持しつつ、高熱伝導絶縁材の使用量を必要最小限に抑えることが可能なプリント配線板の放熱構造の提供。
【解決手段】発熱源と、特定幅のクリアランスを介して設けられる複数の導体べたパターンとから成る配線層を有するプリント配線板の放熱構造であって、クリアランスに、このクリアランスの両側の導体べたパターンにオーバーラップさせるように電気絶縁性のある熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導絶縁材を設けてクリアランスの両側の導体べたパターンにブリッジ状に接触させるか、若しくは、クリアランスにのみこのクリアランスの両側の導体べたパターンに接触するように高熱伝導絶縁材を設け、この高熱伝導絶縁材を部品搭載面積を除くプリント配線板の発熱源側表層面の全表面積の８０％未満の面積で設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、樹脂と銅を主たる構成要素とし、実装される電子部品または回路パターンを発熱源とする配線層数が単層以上のプリント配線板の放熱構造に関する。

近年、ＩＣ，ＬＳＩさらにパワートランジスタをはじめとする電子素子の発熱密度は増しており、それらを搭載及び接続するプリント配線板の配線パターンからの発熱も無視できなくなってきている。

上記した背景により、電子素子や配線パターンを包含するところのプリント配線板による放熱対策も重要となってきている。

従来、プリント配線板の放熱対策のための一つの方法として、表層の配線層において、信号パターンに対して、その周辺に特定幅のクリアランスを設けて、べたパターンを合成した上で、表層面に対して、部品接続用のパッド部のみは除外した上で、例えば特許文献１に開示されるような電気絶縁性のある高熱伝導材料（以下、高熱伝導絶縁材と称する）を全面に塗布または配置する方法が採られていた。本従来法では、高熱伝導絶縁材を表層のほぼ全ての面積に対して塗布または配置するため、必要な材料の量が多くなってしまうという問題点があった。

一般的に、上記高熱伝導絶縁材は、価格が非常に高いため、結果としてプリント配線板トータルのコストを引き上げてしまう事態を招いていた。

特開２００７−４９０６４号公報

本発明は、上述の問題点に鑑み完成したものであり、その目的は、放熱（温度低減）効果の大部分を保持しつつ、コストの高い高熱伝導絶縁材の使用量を必要最小限に抑えることが可能な極めて実用性に優れたプリント配線板の放熱構造を提供することにある。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

発熱源となる電子部品若しくは回路パターンと、特定幅のクリアランスを介して設けられる複数の導体べたパターンとから成る配線層を少なくとも１層以上有するプリント配線板の放熱構造であって、温度低減を図りたい発熱源側表層面において、前記導体べたパターン間の前記クリアランスに、このクリアランスの両側の導体べたパターンにオーバーラップさせるように電気絶縁性のある熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導絶縁材を設けて前記クリアランスの両側の導体べたパターンにブリッジ状に接触させるか、若しくは、前記クリアランスにのみこのクリアランスの両側の導体べたパターンに接触するように前記高熱伝導絶縁材を設け、この高熱伝導絶縁材を部品搭載面積を除くプリント配線板の前記発熱源側表層面の全表面積の８０％未満の面積で設けたことを特徴とするプリント配線板の放熱構造に係るものである。

また、前記高熱伝導絶縁材が接触している前記クリアランスの両側の各導体べたパターンをネットとし、全ネット間の総当り組み合わせにおいて絶縁抵抗を測定した際、絶縁抵抗が全ての組み合わせで１０^６Ω以上となるように前記高熱伝導絶縁材を設けたことを特徴とする請求項１記載のプリント配線板の放熱構造に係るものである。

また、前記発熱源側表層面の全表面積のうち、前記高熱伝導絶縁材を設ける領域下に前記導体べたパターンがある面積に比べて、前記高熱伝導絶縁材を設ける領域下に前記導体べたパターンのない面積の方が大きいことを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載のプリント配線板の放熱構造に係るものである。

また、前記高熱伝導絶縁材は、導体べたパターンのパターン設計データをポジネガ反転して得られたデータか、若しくは、この導体べたパターンのパターン設計データのアパーチャサイズを修正して得られたデータを高熱伝導絶縁材パターンデータとし、この高熱伝導絶縁材パターンデータに基づいて設けられたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプリント配線板の放熱構造に係るものである。

本発明は上述のように構成したから、放熱（温度低減）効果の大部分を保持しつつ、コストの高い高熱伝導絶縁材の使用量を必要最小限に抑えることが可能な極めて実用性に優れたプリント配線板の放熱構造となる。

サンプル配線パターンを示す概略説明図である。 従来例の高熱伝導絶縁材の塗布領域を示す概略説明図である。 本実施例の高熱伝導絶縁材の塗布領域を示す概略説明図である。 本実施例の高熱伝導絶縁材の塗布領域を示す概略説明図である。 本実施例の高熱伝導絶縁材の塗布領域を示す概略説明図である。 本実施例の高熱伝導絶縁材の塗布領域を求める手順を説明する概略説明図である。 本実施例の高熱伝導絶縁材の塗布領域を求める手順を説明する概略説明図である。 本実施例の高熱伝導絶縁材の塗布領域を求める手順を説明する概略説明図である。 模擬実験例の解析条件を説明する説明図である。 模擬実験例の解析結果を示すグラフである。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

発熱源と部品接続用のパッド部とを除外した表層のほぼ全面積に塗布した場合（図２）は、温度低減効果は最大となるものの、高熱伝導絶縁材の使用量が圧倒的に多くなってしまう。

この点、高熱伝導絶縁材をクリアランスのみに優先的に設けた場合（図３，４）、若しくはクリアランスの両側の導体べたパターンにオーバーラップさせた場合（図５）では、温度低減効果は１／４以上確保できるのに対し、使用する絶縁材使用量は数パーセントで良いことを確認した（図１０）。

即ち、導体べたパターン間のクリアランス部分の断熱性が高いため、その部分にのみ選択的に高熱伝導絶縁材を配置して熱伝導を補うことで、発熱源から近い導体べたパターンから発熱源から遠い導体べたパターンへと熱伝導により、導体べたパターン間をブリッジさせることになるため、最適に熱を逃がすことが可能となる。

従って、本発明は、上述の問題点を克服して、従来方法に比較して低コストなプリント配線板の放熱構造を実現できることになる。

即ち、例えば一つ以上の配線層が絶縁層を介して積層されるプリント配線板において、温度低減を図りたい熱源側表層面の配線層において、べたパターンが特定幅のクリアランスをもって合成されており、合成後の銅のないクリアランス部分に、電気絶縁性のある熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導絶縁材を、クリアランスの両側のパターンにオーバーラップさせながらブリッジさせるか、銅のパターンに背反で銅に接するように塗布または配置させる。これにより、クリアランス部分から優先的に塗布または配置して、逆に表層の銅べた上の塗布または配置を控えることで、表層に塗布または配置する高熱伝導絶縁材の量が、部品搭載面積を除くプリント配線板表面積の８０％よりも少ない面積に抑えられ、結果として高熱伝導絶縁材の使用量を少なく抑えることが可能となり、それだけ低コスト化を図れることになる。

また、本発明は、熱対策の必要性とプリント配線板のコスト制約に応じて、段階的に高熱伝導絶縁材パターンデータを選択することも可能となるため、常に高熱伝導絶縁材を表層のほぼ全ての面積に対して塗布または配置していた従来法に比し、より融通性に優れたものとなる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、発熱源となる電子部品若しくは回路パターンと、特定幅のクリアランスを介して設けられる複数の導体べたパターンとから成る配線層を少なくとも１層以上有するプリント配線板の放熱構造であって、温度低減を図りたい発熱源側表層面において、前記導体べたパターン間の前記クリアランスに、このクリアランスの両側の導体べたパターンにオーバーラップさせるように電気絶縁性のある熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導絶縁材を設けて前記クリアランスの両側の導体べたパターンにブリッジ状に接触させるか、若しくは、前記クリアランスにのみこのクリアランスの両側の導体べたパターンに接触するように前記高熱伝導絶縁材を設け、この高熱伝導絶縁材を部品搭載面積を除くプリント配線板の前記発熱源側表層面の全表面積の８０％未満の面積で設けたものである。

本実施例は、配線層が単層以上のプリント配線板において、べた合成した表層に、高熱伝導絶縁材を塗布または配置するエリアを最適化して、トータルコストを抑えるものである。尚、配線層が複数の場合には、各配線層間に（高熱伝導絶縁材とは別に）絶縁層を設ける。

本実施例で使用する高熱伝導絶縁材とは、例えば、既に上市されている、樹脂接着剤（例えばエポキシ樹脂）にセラミックス等のフィラー（例えば酸化アルミニウム粒子）を配合したものなどがあり、少なくとも配合後の等価熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものである。また、導体べたパターンとしては銅パターンを採用している。

以下、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施例の効果を従来法と比較して示すためのサンプル配線パターンである。図中、符号１はプリント配線板（１５０ｍｍ四方で厚さ１．５ｍｍの２層板）、２は発熱源（１０ｍｍ四方で厚さ２ｍｍの電子部品若しくは回路パターン）、３は元の銅パターン（厚さ４０μｍ）、４は合成された銅パターン（厚さ４０μｍ）、５はクリアランス（幅０．５ｍｍ）である。

図２は、従来法での高熱伝導絶縁材６の塗布領域を表し、図３〜５は、図２と対照的に本発明の特徴的な塗布領域（配置領域）を示している。図３の高熱伝導絶縁材６の塗布領域は、図２においてプリント配線板１の表層のほぼ全面積に機械的に塗布するのに対し、表層配線パターンを局所的に見て、銅のパターンがネット分割されている場合には、その間隙部分（クリアランス５、ギャップ部分）の断熱性が高いため、その部分（クリアランス上）にのみ選択的に高熱伝導絶縁材６を両側の銅パターンに接触するように配置して補えば、発熱源２から近いネット３から発熱源２から遠いネット４へと熱伝導により、銅パターン３，４間を連結することになるため、最適に熱を逃がすことが可能である。図３においては、クリアランス５を全て覆うように高熱伝導絶縁材６を塗布している。

尚、本実施例においてネットとは、銅（導体）がスルーホールやパターンにより、一つに繋がっているものを指し、ネット内のどこの場所も略同じ電位になるものを言う。

図４は、図３における高熱伝導絶縁材６の塗布領域を一箇所（４辺のうち一つ）で代表させたものであり、もっとも集中的に配置し、使用量は最も少ない。即ち、発熱源側表層面の全表面積のうち、高熱伝導絶縁材を設ける領域下に導体べたパターンがある面積に比べて、高熱伝導絶縁材を設ける領域下に導体べたパターンのない面積の方が大きくなるように設定した場合、使用量をより少なくできる。

逆に、図５は、図３における高熱伝導絶縁材６の塗布領域から、銅パターンとの接触面積を、両側の銅パターンにオーバーラップさせてブリッジさせることにより、図３の場合よりも高熱導材の使用量は若干大きくなるが、ブリッジさせようとするネット間の熱抵抗が下がるため、温度低減効果の上積みが期待できる。例えば、両側の銅パターンに夫々１〜５ｍｍ程度（好ましくは３ｍｍ程度）オーバーラップするように高熱伝導絶縁材６を塗布する。

尚、全ネット間の総当り組み合わせにおいて絶縁抵抗を測定した際、絶縁抵抗が全ての組み合わせで１０^６Ω以上となるように前記高熱伝導絶縁材を設けるのが好ましい。所定の絶縁性を確保するためである。

図１のサンプルパターンは、非常にシンプルな例であるが、もう少し複雑なパターンに対して、本発明の塗布領域（高熱伝導絶縁材パターン）を求める手順を説明する。図６、図７及び図８は、その説明図である。

図３に相当するデータは、図６により説明でき、対象となる表層合成パターン（導体べたパターン）に対してポジネガ反転することにより得られる。

同様に、図５に相当するデータは、図７により説明できる。

ブリッジ対象となる表層の配線層に対して、ガーバデータの全アパーチャ（配線・ラインまたはパッドの幅や大きさを規定するもの）をオーバーラップさせる幅だけ減じて補正する。

そのパターンをポジネガ反転した際のポジデータからブリッジパターンのベースデータを得る。

そのベースデータには、べたパターンの内部に細らせた分のスリットが残るため、ブリッジ対象となる元のべたパターンと重ね合わせてみて、べたパターンの輪郭ポリゴン内側に完全に内包される場合には、それらの必要のないスリットパターンを除去する。このようにして得られたブリッジパターンを最後にパッド（部品が半田により接続される部分）で抜くことにより、所望の本発明によるブリッジパターンを得ることができる。図６で得られる生成パターンとの大きな違いは、銅パターンに接しているか、銅パターンの上に一部オーバーラップしてブリッジされているかである。

図４に相当するデータは、図８により説明でき、図８で得られたパターンに対して、例えばハッチパターンを２次元ブールＡＮＤ演算して、梳いて代表化させることで、さらに高熱伝導絶縁材の使用量を減らすことが可能となる。

よって、ブリッジ対象となる表層の配線層に対して、上記手順で得られたパターンを、対象となる層の上に高熱伝導絶縁材を重ねて塗布または配置することにより、本発明のプリント配線板の放熱構造を実現できる。

即ち、高熱伝導絶縁材は、導体べたパターンのパターン設計データをポジネガ反転して得られたデータか、若しくは、この導体べたパターンのパターン設計データのアパーチャサイズを修正して得られたデータを高熱伝導絶縁材パターンデータとし、この高熱伝導絶縁材パターンデータに基づいて設けることが可能である。

本実施例は上述のように構成したから、放熱（温度低減）効果の大部分を保持しつつ、コストの高い高熱伝導絶縁材の使用量を必要最小限に抑えることが可能な極めて実用性に優れたものとなる。

以下、本発明の効果を裏付ける模擬実験例について説明する。

図１０は、模擬実験（解析）結果のグラフである。図１のプリント配線板のベースモデルに対して、図２から図５の高熱伝導絶縁材６の塗布領域を組み合わせて熱流体解析モデルを作り、輻射を考慮せずに自然対流条件で解析を行い（図９）、温度上昇の値［℃］と高熱伝導絶縁材の塗布使用面積［ｍｍ^２］をプロットしたものである。

塗布膜厚条件は、均一４０μｍであるので、塗布面積は使用量に比例し、その使用量は通常追加コストという形で顕れてくる。本解析データから明らかなように、熱源とパッドとを除外したほぼ表層の全面積に塗布した場合は（図２）、温度低減効果は最大となるものの、使用量が圧倒的に大きくなってしまう。

これに対して、本発明のパターン間のクリアランスのみを優先的に塗布した場合では、温度低減効果は１／４以上確保できるのに対し、使用する絶縁材使用量は数パーセントで良い。このことにより、前述した問題点を克服して、従来法に比較して低コストなプリント配線板による放熱が可能となる。その他、本発明は、熱対策の必要性とプリント配線板のコスト制約に応じて、段階的にデータのパターンを選択することもできる点からも優れているといえる。

Claims (4)

1. 発熱源となる電子部品若しくは回路パターンと、特定幅のクリアランスを介して設けられる複数の導体べたパターンとから成る配線層を少なくとも１層以上有するプリント配線板の放熱構造であって、温度低減を図りたい発熱源側表層面において、前記導体べたパターン間の前記クリアランスに、このクリアランスの両側の導体べたパターンにオーバーラップさせるように電気絶縁性のある熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導絶縁材を設けて前記クリアランスの両側の導体べたパターンにブリッジ状に接触させるか、若しくは、前記クリアランスにのみこのクリアランスの両側の導体べたパターンに接触するように前記高熱伝導絶縁材を設け、この高熱伝導絶縁材を部品搭載面積を除くプリント配線板の前記発熱源側表層面の全表面積の８０％未満の面積で設けたことを特徴とするプリント配線板の放熱構造。
2. 前記高熱伝導絶縁材が接触している前記クリアランスの両側の各導体べたパターンをネットとし、全ネット間の総当り組み合わせにおいて絶縁抵抗を測定した際、絶縁抵抗が全ての組み合わせで１０^６Ω以上となるように前記高熱伝導絶縁材を設けたことを特徴とする請求項１記載のプリント配線板の放熱構造。
3. 前記発熱源側表層面の全表面積のうち、前記高熱伝導絶縁材を設ける領域下に前記導体べたパターンがある面積に比べて、前記高熱伝導絶縁材を設ける領域下に前記導体べたパターンのない面積の方が大きいことを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載のプリント配線板の放熱構造。
4. 前記高熱伝導絶縁材は、導体べたパターンのパターン設計データをポジネガ反転して得られたデータか、若しくは、この導体べたパターンのパターン設計データのアパーチャサイズを修正して得られたデータを高熱伝導絶縁材パターンデータとし、この高熱伝導絶縁材パターンデータに基づいて設けられたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプリント配線板の放熱構造。