(57)【要約】  【課題】面実装した放熱フィン部を有するパワー素子の放熱を効率的に行うことのできる回路基板を提供する。  【解決手段】ガラスエポキシ基板等から形成された回路基板１のパワー素子実装面１Ａには、パワー素子２の放熱フィン部３を半田等により密接固定する第１導体パターン４が形成され、回路基板１の裏面１Ｂにはスルーホール６により第１導体パターン４と熱伝導可能に接続された第２導体パターン７が形成されている。回路基板１の裏面１Ｂは、伝熱性を有する電気絶縁シート８を介して面接触状態で、機器フレーム９に取り付けられている。放熱フィン部３からの熱は、第１導体パターン４によって常に安定した状態で取り出すことができ、パワー素子の温度上昇を効率的に抑えることができる。  【選択図】図４
2006019660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれに放熱フィン部を有する複数のパワー素子を面実装する回路基板と、
前記放熱フィン部をそれぞれ区分けして面実装する前記回路基板の表面に形成した第１導体パターンと、
前記回路基板の裏面に形成した第２導体パターンと、
前記第１導体パターンと第２導体パターンとの間を熱伝導可能に接続する多数のスルーホールと、
を備え、
前記第１導体パターンが、前記放熱フィン部を載置して密着固定する固定領域と、同固定領域から前記回路基板の面方向において前記パワー素子から外方に延設した放熱領域とを有し、
前記多数のスルーホールが、前記放熱領域において前記放熱フィン部の端縁と略平行に配列して形成されてなり、
前記回路基板の裏面が、伝熱性を有する電気絶縁シートを介して前記回路基板を収納する機器フレーム又は放熱器との間で面接触状態に配設されてなることを特徴とするパワー素子面実装用の回路基板。
【請求項２】
前記各第１導体パターンが形成された前記回路基板の部位に対応する前記回路基板の裏面側の部位にそれぞれ第２導体パターンが形成され、少なくとも１組の隣接する第２導体パターン同士が一体的に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱フィン部を有するパワー素子を面実装し、面実装したパワー素子の放熱を効率的に行うことのできる回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電源回路、モータ駆動回路、インバータ回路等の電力制御回路には、パワートランジスタ、パワーＭＯＳ  ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のパワー素子が用いられている。パワー素子は素子自身の電力消費によって発熱し、パワー素子で扱う電圧が高く、電流が大きくなるほど電力消費も大きくなり発熱も増大する。パワー素子の故障率は、温度に著しく影響を受けることが知られており、パワー素子における温度が高くなるにつれてパワー素子としての故障率も増大する。
【０００３】
このため、パワー素子を実装した回路基板においては、パワー素子の温度上昇を抑える方法として、パワー素子からの熱を効率よく速やかに外部に放出できるように種々の放熱手段が講じられている。そのなかでも、放熱板や放熱器などにパワー素子を取り付ける方法が一般的に行われていた。
【０００４】
基板上に実装される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の実装面積を短縮するとともに、基板上に実装されるＦＥＴで発生する熱の放熱を行うことのできる電子装置（特許文献１参照。）が提案されている。
図７に示すように特許文献１に記載された電子装置では、配線基板３１に中空のスルーホール３７を設け、同スルーホール３７の内側に金属メッキ層３２を施すとともに、同スルーホール３７における金属メッキ層３２の内部に強磁性材料３３を充填している。前記充填する強磁性材料３３として磁化率の異なる磁性材料を用いることで、ＦＥＴ３５を用いた高周波回路におけるインダクタンスの大きさを変えることができるようになっている。
【０００５】
また、内側に金属メッキ層３２を施した中空のスルーホール３７上にＦＥＴ３５を搭載し、前記ＦＥＴ３５のソース電極とスルーホール３７の金属メッキ層３２とを配線３４を介して電気的に接続するとともに、前記スルーホール３７の金属メッキ層３２をグランド３６に接続した構成となっている。
【特許文献１】特開平１０−２６１７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示すような電子装置では、ＦＥＴ３５の直下に配したスルーホール３７の金属メッキ層３２を介して、ＦＥＴ３５で発生した熱をグランド３６に熱伝導することができる。しかし、ＦＥＴ３５をスルーホール３７に接続した配線基盤３１上の配線３４に対して密接固定するために使用される半田は、ＦＥＴ３５直下のスルーホール３７内に流れ込んでしまい、ＦＥＴ３５をフラットな状態で配線３４に固定することが難しかった。
【０００７】
また、ＦＥＴ３５の直下に配するスルーホール数は、配線３４の大きさの制約から多数形成しておくことができなかった。そのためＦＥＴ３５で発生した熱を配線基板３１の裏面側に大量に伝導することができず、スルーホール３７は熱伝導としては十分な作用を奏するものではなかった。
【０００８】
更に、スルーホール３７の形成個数や形成位置については、なんら考慮もされておらず、配線基板３１の表裏両面における配線３４間の熱伝導性が必ずしも良好のものではなかった。
【０００９】
本願発明では、上記従来技術における問題点を解決し、面実装した放熱フィン部を有するパワー素子の放熱を効率的に行うことのできる回路基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明の課題は請求項１〜２に記載された各発明により達成することができる。
即ち、本願発明の回路基板では請求項１に記載したように、それぞれに放熱フィン部を有する複数のパワー素子を面実装する回路基板と、前記放熱フィン部をそれぞれ区分けして面実装する前記回路基板の表面に形成した第１導体パターンと、前記回路基板の裏面に形成した第２導体パターンと、前記第１導体パターンと第２導体パターンとの間を熱伝導可能に接続する多数のスルーホールとを備え、前記第１導体パターンが、前記放熱フィン部を載置して密着固定する固定領域と、同固定領域から前記回路基板の面方向において前記パワー素子から外方に延設した放熱領域とを有し、前記多数のスルーホールが、前記放熱領域において前記放熱フィン部の端縁と略平行に配列して形成されてなり、前記回路基板の裏面が、伝熱性を有する電気絶縁シートを介して前記回路基板を収納する機器フレーム又は放熱器との間で面接触状態に配設されてなることを最も主要な特徴となしている。
【００１１】
また、本願発明では請求項２に記載したように、前記各第１導体パターンが形成された前記回路基板の部位に対応する前記回路基板の裏面側の部位にそれぞれ第２導体パターンが形成され、少なくとも１組の隣接する第２導体パターン同士が一体的に形成されてなることを主要な特徴となしている。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明の回路基板では、放熱フィン部を有するパワー素子を面実装する第１導体パターンは、同第１導体パターンに面実装するパワー素子毎に区分けした配置構成となるように回路基板の表面に形成している。また、回路基板の裏面側に形成した第２導体パターンと第１導体パターンとは、多数のスルーホールを介して熱伝導可能に接続している。
【００１３】
また、回路基板の裏面と回路基板を収納する機器フレーム又は放熱器との間には、伝熱性を有する電気絶縁シートを配設することができる。同電気絶縁シートを介して、回路基板の裏面と回路基板を収納する機器フレームの面との間又は回路基板の裏面と放熱器の面との間で面接触状態となるように配設することができる。第１導体パターンとしては、前記放熱フィン部を載置して密着固定する固定領域と、同固定領域から前記回路基板の面方向において前記パワー素子から外方に延設した放熱領域とを備えた構成に形成している。しかも、第２導体パターンと第１導体パターンとを熱伝導可能に接続する多数のスルーホールを、前記放熱領域において形成するとともに、スルーホールの形成状態が前記放熱フィン部の端縁と略平行な配列状態となるように形成している。
【００１４】
これにより、放熱フィン部の端縁と略平行な配列状態とした多数のスルーホールによって、放熱フィン部から放出された熱を、放熱フィン部の近傍から略平行に配列したスルーホールから略直線的に取り出して、第２導体パターンに熱伝導させることができる。第２導体パターンにおいては、略直線的に配列したスルーホールから第２導体パターンの面に沿って面状に熱伝導させることができる。
【００１５】
このため、放熱フィン部から第１導体パターンに伝達された熱に対して、第１導体パターンにおける温度分布をスルーホールが形成された部位において急激に減少させて、第２導体パターンに熱伝導することができ、熱の取り出しをより効率的に行うことができる。しかも、放熱フィン部の端縁と略平行に配列したスルーホールを複数列配列することにより、第１導体パターンにおける前記温度分布をスルーホールの列毎に段階的に減少させることができる。これにより、第１導体パターンにおける温度を常に低い状態に保つことができ、放熱フィン部から第１導体パターンへの熱の取り出しを更に効率的に行うことができる。
【００１６】
また、伝熱性を有する電気絶縁シートを回路基板の裏面と回路基板を収納する機器フレーム又は放熱器との間で面接触状態となるように配設しているので、第２導体パターンから電気絶縁シートを介して熱を機器フレーム又は放熱器に伝導させ、熱伝導された機器フレーム又は放熱器から外気に熱放出させることができる。しかも、第２導体パターン及び回路基板は絶縁シートによって、機器フレーム又は放熱器とは電気的に絶縁されているので、機器フレーム又は放熱器をアース部材として使用することが可能となる。
【００１７】
更に、放熱フィン部を載置する固定領域にはスルーホールを形成していないので、パワー素子の面実装時に半田等がスルーホール内に流入して、放熱フィン部の実装面に半田等が不均一に分布してしまうのを防止することができる。したがって、常に半田等を均一に分布させた状態でパワー素子を回路基板に面実装することができ、パワー素子を回路基板上においてフラットに実装することができるようになる。
【００１８】
本願発明においては本願請求項２のように、回路基板の表面に形成した各第１導体パターンの形成部位に対応する前記回路基板の裏面側の部位にもそれぞれ第２導体パターンを形成しておくことができ、少なくとも１組の隣接する第２導体パターン同士については一体的に形成しておくことができる。
【００１９】
これにより、第２導体パターンは、第１導体パターンと対応した位置関係で回路基板の表裏両面に形成することができるので、スルーホールの形成位置も第１導体パターン毎に所望数形成することができる。しかも、第２導体パターンとしては、隣接する第２導体パターン同士を一体的に形成することができるので、放熱するに十分な面積を備えた第２導体パターンとして形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて以下において具体的に説明する。本願発明のパワー素子面実装用の回路基板の構成としては、以下で説明する形状、配置構成以外にも本願発明の課題を解決することができる形状、配置構成であれば、それらの形状、配置構成を採用することができるものである。このため、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではなく、多様な変更が可能である。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係わるパワー素子実装面における回路基板のパターン図である。図２は、回路基板の裏面における回路構成をパワー素子実装面から透視して見たときの図である。図３は、パワー素子実装面から見たパワー素子と第１導体パターンとの配置関係を示す要部概略図である。図４は、図３におけるIV−IV断面図である。図５は、回路基板の裏面から見た第２導体パターンの要部概略図である。図６は、機器フレームと回路基板との配置関係を示した断面図である。
【００２２】
図１に示すように、ガラスエポキシ基板等の絶縁性基板から形成された回路基板１のパワー素子実装面１Ａ上には、電気的に接続された各種配線と第１導体パターン４、パワー素子駆動回路５等が形成されている。また、第１導体パターン４には、パワーＭＯＳ  ＦＥＴからなるパワー素子２がその放熱フィン部３（パワー素子２、放熱フィン部３については図３〜５参照。）を介して半田付けにより密着固定することができる。
【００２３】
なお、図示例においては、パワー素子２を第１導体パターンに密着固定する前の状態を示しており、また、配線の一部については省略して示している。また、パワー素子２としてパワーＭＯＳ  ＦＥＴを用いた例について以下に説明を行うが、本願発明において使用することのできるパワー素子はパワーＭＯＳ  ＦＥＴに限定されるものではなく、素子自身の電力消費によって発熱するものであれば他のパワー素子を使用することができるものである。
【００２４】
第１導体パターン４は、それぞれ載置して密着固定するパワー素子２毎に区分けして形成されている。各第１導体パターン４は、パワー素子２の放熱フィン部３を密着固定する固定領域１３と放熱フィン部３から熱伝導された放熱領域１４とが形成され、放熱領域１４には多数のスルーホール６が形成されている。図３に示すように放熱フィン部３は、その前方方向及び側方向において放熱領域が存在するように、半田等の適宜の固定手段によって固定領域１３に密着固定することができる。
【００２５】
多数のスルーホール６は、放熱フィン部３の端縁と略平行状態となるように配列した状態に形成されている。放熱フィン部３を取り囲むようにスルーホール６を形成しておくことができる。図３においては、スルーホール６を放熱フィン部３の前方において２列形成し、放熱フィン部３の両側方において１列形成した例を示している。
【００２６】
なお、図１においては、放熱フィン部３の前方に５列から３列形成し、放熱フィン部３の側方に１列形成した例を示している。また、各列におけるスルーホールの個数も２個から９個形成しているように、スルーホール６を形成する列の数及び各列における形成個数は、第１導体パターン４の大きさ及び形状に応じて適宜の数形成することができるものである。
【００２７】
図２には、パワー素子２の実装面から透視して見たときにおける回路基板１の裏面１Ｂにおける状態を示している。図１においては、回路基板１の上部側において第１導体パターン４が横一列に５個形成され、回路基板１の中間部においても第１導体パターン４が横一列に５個形成されている。回路基板１の上部側に形成した第１導体パターン４に対応した回路基板１の裏面１Ｂには、第２導体パターン７がそれぞれ上部側の第１導体パターン４と同様に区分けして５個形成している。
【００２８】
回路基板１の中間部に形成した第１導体パターン４に対応した回路基板１の裏面１Ｂには、第２導体パターン７が一体的に接続して１個形成されている。第２導体パターン７としては、回路基板１の裏面１Ｂ側の配置構成に応じて、また、第１導体パターン４に密着固定するパワー素子２を用いた回路構成等に応じて、隣接する第２導体パターン７同士を適宜数一体的に形成しておくことができる。
【００２９】
なお、回路基板１における第１導体パターン４の形成数及び第２導体パターン７の形成数は、例示のために記載したものであり、回路基板１における第１導体パターン４の形成数及び第２導体パターン７の形成数及び第１導体パターン４と第２導体パターン７の形状としては、適宜数及び適宜な形状に形成することができるものである。
【００３０】
図４に示すように、第１導体パターン４と第２導体パターン７とはスルーホール６により熱伝導可能に接続されている。第１導体パターン４、第２導体パターン７及びスルーホール６は、銅金属等の熱伝導性の高い金属層１５が形成されている。金属層１５の形成は、メッキ塗装等の適宜の形成方法により形成されている。回路基板１の裏面１Ｂは、伝熱性を有する電気絶縁シート８を介して面接触状態で、機器フレーム９に取り付けられている。
【００３１】
また、図５に示すように第２導体パターン７は、第１導体パターン４の回路基板１における形成部位を包み込む形で回路基板１の裏面１Ｂに形成され、第２導体パターン７からの熱の放出を広い面積で行えるように形成されている。
【００３２】
図３、図５においては、第１導体パターン４と第２導体パターン７との大きさが略同じ大きさに形成した例を示しているが、第２導体パターン７は第１導体パターン４と同じ大きさとして形成しなければならないものではない。図２に示すように第２導体パターン７の大きさを第１導体パターン４の大きさよりも大きく形成しておくことが、第２胴体パターン７からの放熱を確実に行うため望ましい形態となる。
【００３３】
図６に示すように、伝熱性を有する電気絶縁シート８を介在させて回路基板１を機器フレーム９に対して面接触状態に搭載することができる。これにより、パワー素子２から放熱フィン部３を通って第１導体パターン４に伝導された熱は、スルーホール６を介して第２導体パターン７に伝導され、第２導体パターン７の面から絶縁シート８を介して機器フレーム９に熱伝導することで、機器フレーム９から外気に熱放出することができる。
【００３４】
図６に示すように、電子機器を構成する他の回路基板１０が支柱１１により層状に構成されている。本願発明による回路基板１を用いることにより、複数の回路基板１０も層状に配置することができ、電子機器としての形状もコンパクトに構成することができるようになる。
【００３５】
機器フレーム９に熱伝導する代わりに、放熱器等に熱伝導して熱放出を行うこともできる。放熱器等を用いる場合でも、放熱器等と回路基板１の裏面１Ｂとの間に伝熱性を有する電気絶縁シート８を介在させておくことが望ましい。放熱フィン部３としてドレインフィン部を共用する場合には、第２導体パターン７と放熱器又は機器フレーム等とを電気的にも導通させておくこともできる。
【００３６】
これにより、放熱フィン部３から取り出したパワー素子２の発熱は、第１導体パターン４に取り出すことができ、第１導体パターン４に伝熱された熱も放熱フィン部３の端縁と略平行に形成したスルーホール６の列によって、第２導体パターン７に熱伝達することができる。しかも、スルーホール６から第２導体パターン７に伝導された熱は、第２導体パター７の面内で面状に拡散した熱分布を示すことができる。絶縁シート８を介して機器フレーム９等に放出することができる。
【００３７】
このため、第１導体パターン４における熱分布は、放熱フィン部３を高温部とすると、列状のスルーホール６によって第１導体パターン４上の温度分布を急激に減少させることができる。しかも、多段列にわたってスルーホール６を形成することにより、温度分布の減少の割合を大きくすることができる。これによって、常に第１導体パターン４によって放熱フィン３から熱を取り除くことができるようになり、パワー素子２における温度上昇を抑えることができ、常に安定した状態でパワー素子２を使用することができるようになる。
【００３８】
更に、第２導体パターン７に伝導された熱は、第２導体パターン７の面状に拡散するとともに、絶縁シート８を介して面から面に伝導される形で、機器フレーム９等の熱放出部に伝導することができる。これにより、パワー素子２の温度上昇を効率的に抑えることができるようになり、長時間にわたってパワー素子を安定した状態で使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本願発明は、パワー素子以外にも発熱体を配設した回路基板に対して、本願発明の技術思想を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】パワー素子実装面における回路基板のパターン図である。（実施例）
【図２】パワー素子実装面から透視して見たときにおける回路基板の裏面の状態を示した図である。（実施例）
【図３】パワー素子実装面から見たパワー素子と第１導体パターンとの配置関係を示す要部概略図である。（実施例）
【図４】図３におけるIV−IV断面図である。（実施例）
【図５】回路基板の裏面から見た第２導体パターンの要部概略図である。（実施例）
【図６】機器フレームと回路基板との配置関係を示した断面図である。（実施例）
【図７】高周波電力増幅器の概略構成を示す断面図である。（従来例）
【符号の説明】
【００４１】
１          回路基板
１Ａ        パワー素子実装面
１Ｂ        裏面
２          パワー素子
３          放熱フィン部
４          第１導体パターン
５          パワー素子駆動回路
６          スルーホール
７          第２導体パターン
８          絶縁シート
９          機器フレーム
１０          回路基板
１１          支柱
１３          固定領域
１４          放熱領域
１５          金属層
３１          配線基板
３２          金属メッキ層
３３          強磁性材料
３４          配線
３５          ＦＥＴ
３６          グランド
３７          スルーホール
【図１】
2006019660.tif 000003
【図２】
2006019660.tif 000004
【図３】
2006019660.tif 000005
【図４】
2006019660.tif 000006
【図５】
2006019660.tif 000007
【図６】
2006019660.tif 000008
【図７】
2006019660.tif 000009