(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電灯を点灯させる点灯回路の電子部品を実装したプリント基板からなる回路基板が収納された容器内に放熱用のウレタン樹脂が充填された電気機器であって、回路基板の一面において電子部品が半田固定されるとともに発熱量の大きい電子部品であるスイッチング素子が前記一面に表面実装され、コンタクトを設けた端子およびリードを有する電子部品が回路基板の他面に実装され、回路基板の前記一面と容器の内側底面との間にのみウレタン樹脂が充填されており、回路基板の前記一面と容器の内側底面との間にウレタン樹脂が充填されない空洞部が設けられていることを特徴とする電気機器。
【請求項２】
前記ウレタン樹脂の粘度は１００Ｐａ・ｓ以上であり、構造粘性比は１．５以上２．０以下であり、前記回路基板の前記一面と前記容器の内側底面との距離は４ｍｍ以上６．３ｍｍ以下であり、前記空洞部は回路基板の前記一面と容器の内側底面との間であって前記電子部品の放熱経路に影響しない部位に設けられ、回路基板には空洞部と連通する貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１記載の電気機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板を収納する容器内に電子部品の放熱を促すように樹脂が充填された電気機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、放電灯点灯装置のように発熱部品を有する電気機器では、発熱量を抑制するとともに熱破壊を防止するために定格の大きい電子部品を使用している。その結果、電子部品を実装する回路基板の基板面積が大きくなり電気機器の大型化を招いている。また、発熱部品には放熱を促すために放熱板を取り付けるのが一般的であって、このことも電気機器の大型化の原因になっている。
【０００３】
そこで、発熱部品の放熱対策を行いながらも電気機器を小型するために、電子部品を実装した回路基板を放熱用の樹脂で覆う技術が、特開平１−２２０８８９号公報などにおいて提案されている。この公報に記載された技術は、図９に示すように、電子部品４を実装した回路基板１を納装した容器２に樹脂３が充填されているものであって、回路基板１が樹脂３に埋入する程度に樹脂３を充填してある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように回路基板１を樹脂３に埋入する構成とすると、樹脂３を充填すると回路基板１と電子部品４との間に樹脂３が回り込むから、温度変化による樹脂３の膨張・収縮によって、図１０に示すように、回路基板１と電子部品４との間に力Ｆが作用することになる。この力Ｆは電子部品４のリード５を通して回路基板１の表面に直交する方向において半田６に伝達されるから半田６に剪断力が作用して半田６が剥離するなどの問題が生じるおそれがある。たとえば、低温時に樹脂３が収縮すると電子部品４を回路基板１に近付ける向きに力が生じるから、半田６に剪断応力が生じて半田６にクラックを生じることがある。
【０００５】
また、可変抵抗器や端子のように周囲に隙間のある電子部品４では、樹脂３を容器２に充填する際に硬化前の樹脂３が毛細管現象によって隙間から電子部品４の内部に浸入することがあり、接触不良などを生じることがある。たとえば、図１１に示すような合成樹脂成型品のハウジング１１の中にコンタクトとなる金属部品１２が設けられた端子１０では、ハウジング１１と金属部品１２との間の隙間から充填用の樹脂３が浸入することがある（浸入部位をＸで示す）。このような問題を回避するために可変抵抗器や端子のような電子部品４を回路基板１から浮かせて配置することも考えられているが、電子部品４の実装に手間がかかることになる。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発熱部品の放熱を効率よく行うための樹脂を充填しながらも、樹脂による上述のような悪影響を防止した電気機器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、放電灯を点灯させる点灯回路の電子部品を実装したプリント基板からなる回路基板が収納された容器内に放熱用のウレタン樹脂が充填された電気機器であって、回路基板の一面において電子部品が半田固定されるとともに発熱量の大きい電子部品であるスイッチング素子が前記一面に表面実装され、コンタクトを設けた端子およびリードを有する電子部品が回路基板の他面に実装され、回路基板の前記一面と容器の内側底面との間にのみウレタン樹脂が充填されており、回路基板の前記一面と容器の内側底面との間にウレタン樹脂が充填されない空洞部が設けられているものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ウレタン樹脂の粘度が１００Ｐａ・ｓ以上であり、構造粘性比が１．５以上２．０以下であり、前記回路基板の前記一面と前記容器の内側底面との距離が４ｍｍ以上６．３ｍｍ以下であり、前記空洞部は回路基板の前記一面と容器の内側底面との間であって前記電子部品の放熱経路に影響しない部位に設けられ、回路基板には空洞部と連通する貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（基本構成）
本例における電気機器は、図１に示すように、プリント基板からなる回路基板１に電子部品４が実装され、この回路基板１が合成樹脂成形品である一面（図１の上面）が開放された容器２に納装されるとともに、容器２の一部に放熱用の樹脂３が充填されたものであって、回路基板２において電子部品４を半田固定している面と容器２の内側面との間にのみ樹脂３を充填したものである。本例では回路基板１に放電灯を点灯させる放電灯点灯回路が実装される。この種の回路はスイッチング素子のような発熱量の大きい電子部品４を含む。樹脂３にはウレタン樹脂を用いる。この構成を採用することによって、回路基板１と電子部品４との間に回り込んだ樹脂３の膨張・収縮によって半田にクラックが生じたりするのを防止することができる。なお、容器２は放熱効率を高めるために金属製としてもよい。
【００１８】
ところで、図１のように、回路基板１と容器２の内周面との間にのみ樹脂３を充填するために、以下の手順を採用している。まず、図２（ａ）のように上面が開放された容器２の底面に中央部を周部よりも高くした形で樹脂３を盛り上げておき、その後、図２（ｂ）のように電子部品４を実装した回路基板１で樹脂３を押し広げる。ここで、回路基板１としては片面に導電パターンを有する片面基板を用いており、電子部品４は主として回路基板１の一面側に配置され、電子部品４のリードを他面側に引き出して半田固定してある。また、一部の電子部品（とくに発熱量の大きい電子部品）４は回路基板１の他面側に表面実装される。このような回路基板１を用いて電子部品４を半田固定している面を樹脂３に接触させて樹脂３を押し広げる。こうして、図２（ｃ）のように、容器２の内周面と回路基板１との間に樹脂３をほぼ均一に広げて充填する。上述の手順で回路基板１に実装した電子部品４に樹脂３を密着させることができ、樹脂３を通して放熱することが可能になる。
【００１９】
図２（ａ）のように樹脂の中央部を盛り上げるために、チキソトロピを呈する樹脂３を用いる。チキソトロピは、継続ないし繰り返して力が加えられると粘度が低下してゲルからゾルに変わって流動性が増し、力を取り去るとゾルからゲルに戻る性質ないし現象を意味している。チキソトロピの特性は構造粘性比を用いて表される。本例では構造粘性比が１．５を下回らない樹脂３を選択してあり、このような樹脂３を用いることによって、図２に示した工程を実現することができる。ここに、構造粘性比とは、回転粘度計により２ｒｍｓで測定した粘度と２０ｒｍｓで測定した粘度との比を意味する。
【００２０】
ちなみに、樹脂の構造粘性比を１．０〜３．０の範囲で増加させ、５０℃に加熱した３０ｇの樹脂を平板上に垂らしたときの樹脂の高さを確認したところ、表１の結果が得られた。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
構造粘性比の選択は容器２の大きさや容器２の内周面（底面）と回路基板１との距離にもよるが、本例では容器２の底面と回路基板１との距離を４ｍｍ以上とし、１ｍｍの余裕を持たせて樹脂３の高さが５ｍｍ以上であれば使用可能と判断した。この条件は構造粘性比が１．５を下回らなければ満足される。
【００２３】
上述の構成によって、回路基板１の上面に配置されている電子部品４と回路基板１との間には樹脂３が入り込まないから、樹脂３の膨張・収縮によって電子部品４を実装している半田にクラックが生じるのを防止することができる。
【００２４】
一方、可変抵抗器や端子のような電子部品４に形成された隙間から樹脂３が浸入するのを防止するために、粘度が１００Ｐａ・ｓを下回らない樹脂３を選択している。
【００２５】
ちなみに、実際に端子を実装した回路基板１を容器２に納装するとともに樹脂３を充填した後、端子の断面を見ることができるように端子を切断して樹脂３の浸入の有無を確認したところ、表２の結果が得られた。ここに、樹脂３として粘度が１０〜５００Ｐａ・ｓの範囲のものを用いた。なお、表２において、○は樹脂３の浸入が認められなかったもの、×は樹脂３の浸入があったものを意味する。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
表２から明らかなように、粘度が１００Ｐａ・ｓを下回らない樹脂３を用いると電子部品としての端子への樹脂の浸入を防止することができた。これは、粘度が大きい樹脂３は分子間の結合力が強く流動性が小さくなるからであると考えられる。いま単純なモデルとして、図３に示すように、樹脂３の液面に直交するように壁１３を配置した場合を考える。従来用いていた粘度の小さい樹脂３では図３（ａ）のように壁１３に対して上向きに力ｆ１が作用して樹脂３と壁１３との接触部位は樹脂３の液面Ｓよりも高くなり、逆に粘度の大きい樹脂３では図３（ｂ）のように壁１３に対して下向きに力ｆ２が作用して樹脂３と壁１３との接触部位は樹脂３の液面Ｓよりも低くなる。つまり、比較的高い粘度を有する樹脂３を用いることで電子部品４への浸入を防止することが可能になる。
【００２８】
以上説明したように、容器２に充填する樹脂３としては、粘度が１００Ｐａ・ｓを超えるとともに構造粘性比が１．５を超える樹脂を選定すれば、電子部品４への樹脂３の浸入が防止され、かつ樹脂３の膨張・収縮により半田にクラックが生じることが防止される。ところで、樹脂３は放熱を目的としているのであるから、樹脂３として熱伝導率の比較的高い材料を用いることが必要である。そこで、樹脂３にはフィラ（充填剤）を添加することによって樹脂３の熱伝導率を高めているのであるが、フィラが添加されていることによって樹脂３の硬さが増すことになる。ここにおいて、低温時には、回路基板１が収縮するとともに樹脂３も収縮するのであって、樹脂３の収縮率は一般に回路基板１よりも大きいから、回路基板１に密着した樹脂３の収縮によって回路基板１には表面に沿う方向の外力が作用し、回路基板１において電子部品４を半田固定している面に面に沿った応力が生じて半田が剪断される可能性がある（この場合には半田にリングクラックと称するクラックが生じる）。とくに、樹脂３の硬さが増すと回路基板１との収縮率の差が大きくなることが知られており、樹脂３の膨張・収縮によって半田が剪断される可能性が高くなる。
【００２９】
上述の説明から明らかなように、樹脂３にフィラを添加することによって生じる半田の剪断を防止するには、樹脂３の硬さを制限すればよいと言える。そこで、樹脂３の硬さの評価方法として、ＪＩＳ  Ｋ−６２５３に規定されたタイプＡデュロメータ硬さ試験を適用し、硬さに上限値を設定した。すなわち、以下に示す評価試験の結果に基づいて、電気機器の使用温度範囲の下限温度（−４０℃）で硬さが８８を超えないように設定した。
【００３０】
評価試験として樹脂３の硬さを６０〜１０５の範囲で変化させ、試験温度を−４０℃と８０℃として放置時間が各３０分、５００サイクルである温度変化試験を行った。その結果、表３に示すように、硬さが１０５では半田にクラックが生じたが、硬さが８８を超えない範囲では半田にクラックが生じないという結果が得られた。そこで、硬さが８８を超えないようにフィラを添加した樹脂を用い、これによって樹脂３の膨張・収縮による半田の剪断を防止することができた。なお、表３において「クラック有」はリングクラックの発生を意味する。ここに、樹脂３は回路基板１の下面（半田固定した面）と容器２の内周面との間にのみ充填し、弾性率と硬さとは−４０℃において測定した。表３における「ＪＩＳ  Ａ」は、ＪＩＳ  Ｋ−６２５３に規定されたタイプＡデュロメータ硬さ試験による硬さ測定を意味する。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
硬さを制限することによって温度変化で半田にクラックが生じるのを防止することができる理由について説明する。いま、温度がＴ１からＴ２（＜Ｔ１に変化したときに樹脂の長さがｌ１からｌ２（＜ｌ１）に変化したとする。この変形を樹脂の応力との関係で表せば以下のように考えることができる。すなわち、一般に物体は変形が充分に小さい範囲ではフックの法則が成立するから、樹脂の変形もフックの法則に従うものとみなす。この場合、物質ごとに決まる定数である弾性率は、元の長さに対する伸縮量と、物質に生じた単位断面積当たりの応力と比例関係を表すから、弾性率＝（単位断面積当たりの応力）／（元の長さに対する伸縮量）の関係になる。すなわち、温度Ｔ２における弾性率をＥ、断面積Ａの熱応力をＦ／Ａと表すれば、次式が成立する。
Ｆ／Ａ＝Ｅ（Δｌ／ｌ１）                  …（１）
一方、樹脂の変形を温度変化による変形として考え、熱線膨張係数をαとすれば、次式が成立する。
Δｌ／ｌ１＝α（Ｔ１−Ｔ２）＝α・ΔＴ    …（２）
（１）式に（２）式を代入すれば次式が得られる。
Ｆ／Ａ＝Ｅ・α・ΔＴ                      …（３）
要するに単位断面積当たりの応力は温度差ΔＴに比例することになる。半田の状態を確認するための温度変化に関する試験条件として、−４０〜８０℃の範囲を考えると、ウレタン樹脂では図４に示すように周囲温度の変化に対して熱線膨張係数αは一定であるとみなせるのに対し、図５に示すように弾性率Ｅは低温であるほど増加し、試験条件の温度範囲では下限値である−４０℃のときに弾性率Ｅが最大になる。したがって、（３）式によれば、樹脂３の熱応力の最大値は−４０℃の弾性率Ｅにより決まることになる。つまり、樹脂３の弾性率Ｅを考慮することによって半田にクラックが生じるのを防止することが可能になる。樹脂の弾性率Ｅは変形しにくさを表しているから、弾性率Ｅを樹脂３の硬さとみなすことができる。実際に図６に示すように弾性率と硬さとは同傾向の温度特性を示す。したがって、弾性率ではなく、樹脂の一般的な物性として測定される硬さを樹脂３の条件として用い、この硬さを制限することによって半田にクラックが生じるのを防止しているのである。
【００３３】
一例として、樹脂３の構造粘性比を２．０とし、−４０℃における硬さを８０としたところ、本例の樹脂３の条件が満たされ、温度変化による半田のクラックを防止できた。
【００３４】
（第１の実施の形態）
図７に本実施形態の構成を示す。本実施形態では、回路基板１の下面側であって容器２の内周面との間に樹脂３を充填しない空洞部７を設けてある。樹脂３であるウレタン樹脂は、ポリイソシアネートとポリオールとの化学反応によってウレタン結合を生成し硬化する。ここに、ポリイソシアネートは反応性の高い材料であり、水と反応して炭酸ガス（ＣＯ２  ）を発生させる。一方、回路基板１には微量の水分が含まれているものであるから、回路基板１に含まれた水分によって回路基板１と樹脂３との接触面に炭酸ガスが発生し気泡ができ、結果的に回路基板１や電子部品４と樹脂３とが密着しなくなって放熱性が低下することになる。そこで、電子部品４からの放熱経路への影響が少ない箇所に空洞部７を設けているのであって、発生した炭酸ガスを空洞部７に逃がすことによって電子部品４と樹脂３との密着度の低下を防止しているのである。ここで、図８のように、回路基板１において空洞部７に対応する箇所に貫通孔８を形成し、貫通孔８を通して回路基板１の上面側と空洞部７とを連通させるようにすれば、ポリイソシアネートと水との反応により生成された炭酸ガスを貫通孔８を通して外気に逃がすとともに空洞部７の内部の空気の膨張・収縮による回路基板１へのストレスを防止することができ、結果的に半田へのストレスを軽減することができる（図８に炭酸ガスの泡Ｇが空洞部７に向かう様子を矢印で示してある）。なお、図８では貫通孔８を設けやすくするために、樹脂３において空洞部７との境界部分の傾斜方向を図７とは変更してある。基本構成で説明したように樹脂３の中央部を盛り上げた形で樹脂３を容器２に導入するから、図８に示す形状のほうが図７に示す形状よりも実現が容易である。
【００３５】
（参考例）
基本構成では樹脂３としてウレタン樹脂を用いる例を示したが、ここでは樹脂３としてシリコン樹脂を用いる例を示す。基本的な構成については基本構成と同様であるから、以下では主として基本構成との相違点について説明する。基本構成と同様に、樹脂３にはチキソトロピを呈し構造粘性比が１．５を下回らず、また粘度が１００Ｐａ・ｓを下回らないものを用いる。ただし、樹脂３の硬さについては、基本構成ではＪＩＳ  Ｋ−６２５３に規定されたタイプＡデュロメータ硬さ試験による硬さのみで樹脂３の特性を規定したが、本例では硬さと熱線膨張係数との積が使用温度範囲の下限温度（−４０℃）で０．０１１３を超えないように設定している。
【００３６】
すなわち、評価試験として硬さと熱線膨張係数との積を０．００８０〜０．０１３０の範囲で変化させ、試験温度を−４０と８０℃として放置時間が各３０分、５００サイクルである温度変化試験を行った。その結果、表３と同じ結果が得られた。上記積が０．０１３０では半田にクラックが生じたが、上記積が０．０１１３を超えない範囲では半田にクラックが生じないという結果が得られた。そこで、本例では硬さと熱線膨張率との積が０．０１１３を超えない樹脂を用い、これによって樹脂３の膨張・収縮による半田の剪断を防止することができた。
【００３７】
本例についても基本構成において説明したように、（３）式が成立するのであるが、ウレタン樹脂では熱線膨張係数αが試験条件の温度範囲（つまり使用温度範囲）では一定とみなすことができたのに対して、シリコン樹脂では弾性率が周囲温度の影響を受けるだけではなく、熱線膨張係数αがフィラの増加に伴って小さくなるから、弾性率と熱線膨張係数との両方を考慮することが必要になる。つまり、（３）式によれば樹脂３の熱応力の最大値は弾性率Ｅと熱線膨張率αとの積により決まるから、弾性率Ｅと熱線膨張率αとの積を考慮することによって、半田にクラックが生じるという問題を解決することが可能になる。他の構成および機能については基本構成と同様である。
【００３８】
本例においては、樹脂３の硬さと熱線膨張率の積を０．０１としたところ、樹脂３の熱応力を抑えることができ、回路基板１と電子部品４のリードとの間で生じる応力を抑制し半田に剪断力によるクラックが生じるのを防止することができた。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明の構成によれば、回路基板において発熱量の大きい電子部品であるスイッチング素子を実装している面と回路基板を収納した容器の内周面との間に放熱用の樹脂を充填しているので、電子部品からの熱を樹脂を通して放熱させることができ、電子部品の温度上昇を抑制することができるのはもちろんのこと、回路基板において樹脂と接触していない面にリードを有する電子部品を実装し、さらに可変抵抗器や端子のような隙間を有した電子部品を実装することによって、これらの電子部品に樹脂が浸入するのを防止することができる。その結果、これらの電子部品を回路基板から浮かせて配置するなどの面倒な作業が不要になり、製造が容易になって製造コストが低減されるとともに、容器の低背化につながる。また、樹脂が充填されない空洞部を設けているから、ウレタン樹脂を生成する物質に水分が反応することによって生じる炭酸ガスを空洞部に逃がすことができ、炭酸ガスの発生によって樹脂と電子部品や回路基板との密着度が低下するのを防止することができる。その結果、発熱量の大きい電子部品であるスイッチング素子に樹脂を密着させて効率よく放熱させることが可能になる。しかも、点灯装置を構成する発熱部品からの放熱を樹脂を用いて効率よく行うことができるから、点灯装置の小型化につながる。その上、ウレタン樹脂を生成する物質に水分が反応することによって生じる炭酸ガスを空洞部に逃がすことができ、炭酸ガスの発生によって樹脂と電子部品や回路基板との密着度が低下するのを防止することができる。その結果、電子部品に樹脂を密着させて効率よく放熱させることが可能になる。
【００４０】
請求項２の発明の構成によれば、可変抵抗器や端子のような隙間を有する電子部品であっても樹脂が内部に浸入しにくくなり、接触不良や動作不良を生じる可能性が低減され、結果的に歩留まりが向上する。また、容器に樹脂の中央部を周部よりも盛り上げた形で導入することが可能になり、その後、回路基板で樹脂を押し付けながら容器に充填することによって、樹脂と回路基板および回路基板に面実装した電子部品とを密着させることができ、樹脂による電子部品の放熱を効率よく行うことができる。その上、空洞部に入った炭酸ガスを貫通孔を通して外気に放出することができ、空洞部の内部の空気が周囲温度によって膨張・収縮しても回路基板に圧力が作用せず、結果的に電子部品を実装する半田に機械的ストレスが作用するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  基本構成を示す断面図である。
【図２】  同上の製造工程を示す工程図である。
【図３】  同上の原理説明図である。
【図４】  同上の原理説明図である。
【図５】  同上の原理説明図である。
【図６】  同上の原理説明図である。
【図７】  本発明の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図８】  同上の要部拡大断面図である。
【図９】  従来例を示す拡大断面図である。
【図１０】  同上の問題点を示す断面図である。
【図１１】  同上の問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
１  回路基板
２  容器
３  樹脂
４  電子部品
５  リード
６  半田
７  空洞部
８  貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003958927.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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