JP2004186294A

JP2004186294A - 電子装置

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Publication number: JP2004186294A
Application number: JP2002349486A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Okuda; 良一奥田; Hiroki Iwamiya; 広記岩宮; Toshio Suzuki; 俊夫鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】発熱素子の一面側から付勢部材を介して放熱を行うようにした電子装置において、放熱性の更なる向上を実現する。
【解決手段】動作することで発熱する発熱素子１０と、発熱素子１０における一面に対向して配置されたプレート５０と、プレート５０と発熱素子１０との間に介在し、発熱素子１０の一面に弾性的に接して押し付けられる付勢部材としてのバネ６０とを有し、発熱素子１０の一面からバネ６０を介してプレート５０へ放熱を行うようにした電子装置において、バネ６０は、発熱素子１０の一面に接する面６０ａからプレート５０の方へ複数に分岐した分岐部６０ｂを有し、これら分岐部６０ｂの終端部６０ｃがプレート５０に接続されたものである。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーＩＣ等の発熱素子の一面側から放熱を行うようにした電子装置に関し、特に、基板等の上に実装された発熱素子の上面から放熱させるものに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の電子装置としては、基板等の上に動作することで発熱する発熱素子を実装し、この発熱素子における上面に対向して金属等からなるプレートを配置し、このプレートと発熱素子との間に付勢部材を介在させ、付勢部材を発熱素子の上面に弾性的に接して押し付けるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、このような電子装置においては、発熱素子の上面から付勢部材を介してプレートへ放熱を行うようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２０２０８３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電子装置においては、付勢部材はコの字型バネが用いられており、発熱素子からプレートへの放熱経路は、コの字に沿った一つの経路であるため、放熱性の更なる向上のためには問題があった。
【０００６】
発熱素子となるＩＣチップ等においては、ＩＣの高集積化、高機能化に伴い、チップ内における発熱領域が部分的に複数個存在する場合が多くなってきている。
【０００７】
そのような素子内に部分的に複数個の発熱領域が存在する場合、従来のように放熱経路が一つでは、発熱素子の発熱領域と付勢部材との位置関係等を考慮して組み付けたとしても、素子内の或る発熱領域に対しては放熱性が不十分となる可能性が大きい。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、発熱素子の一面側から付勢部材を介して放熱を行うようにした電子装置において、放熱性の更なる向上を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、動作することで発熱する発熱素子（１０）と、発熱素子における一面に対向して配置されたプレート（５０）と、プレートと発熱素子との間に介在し、発熱素子の一面に弾性的に接して押し付けられる付勢部材（６０）とを有し、発熱素子の一面から付勢部材を介してプレートへ放熱を行うようにした電子装置において、付勢部材は、発熱素子の一面に接する面からプレートの方へ複数に分岐した分岐部（６０ｂ）を有し、これら分岐部の終端部（６０ｃ）がプレートに接続されたものであることを特徴とする。
【００１０】
それによれば、付勢部材において、発熱素子の一面に接している面から複数個の分岐部がプレートにまで延びて接しているため、発熱素子からプレートへの放熱経路は、これら複数個の分岐部によって複数個確保されていることになる。
【００１１】
そのため、本発明によれば、従来の付勢部材を介した放熱経路が一つであるものに比べて、放熱性の更なる向上を実現することができる。
【００１２】
また、付勢部材（６０）は、請求項２に記載の発明のように、分岐部（６０ｂ）の終端部（６０ｃ）がプレート（５０）に摺動可能に接した形で接続されているものにできる。
【００１３】
それによれば、分岐部の終端部がプレートに摺動することで、付勢部材の弾性変形を適切に可能とすることができる。
【００１４】
また、付勢部材（６０）は、請求項３に記載の発明のように、分岐部（６０ｂ）の終端部（６０ｃ）がプレート（５０）に接合固定されているものであって、分岐部の中間部に弾性変形可能な可動部（６０ｄ）を有するものにできる。
【００１５】
それによれば、分岐部の終端部がプレートに接合固定されているものの、分岐部の中間部に弾性変形可能な可動部を有することで、付勢部材の弾性変形を適切に実現することができる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態相互において同一部分には、説明の簡略化を図るため、図中、同一符号を付してある。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電子装置Ｓ１の概略断面図である。発熱素子１０は動作することにより発熱する素子であり、大出力のトランジスタ等を有するパワーＩＣとしてのベアチップやモールドパッケージ等である。
【００１９】
具体的には、発熱素子１０はフリップチップ、ＣＳＰ（チップサイズパッケージ）等とすることができ、本例では、シリコン基板からなるフリップチップである。つまり、本例の発熱素子１０は図１中の下面に図示しない半導体素子等が形成されるとともに、はんだボール等からなるバンプ１１が形成されており、上面が本発明でいう発熱素子の一面として構成されている。
【００２０】
本実施形態では、複数個（図示例では２個）の発熱素子１０が設けられており、これら発熱素子１０は回路基板２０の一面上に搭載され実装されている。そして、発熱素子１０と回路基板２０とはバンプ１１を介して電気的・機械的に接続されている。この回路基板２０はセラミック基板やプリント基板等の一般的な回路基板を採用することができる。
【００２１】
回路基板２０の他面（図１中の下面）には、金属製のケース３０が設けられており、回路基板２０はこのケース３０に熱伝導性接着剤４０を介して接着されている。このケース３０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）や鉄等から作られているもので、回路基板２０の固定・収納および放熱の役目をなしている。
【００２２】
また、発熱素子１０における一面すなわち発熱素子１０の上面には、鉄やＡｌ等の金属等からなるプレート５０が対向して配置されている。このプレート５０はケース３０のカバーとして形成されており、ケース３０に対して図示しないネジや接着剤等により固定されている。
【００２３】
また、プレート５０と発熱素子１０との間には、付勢部材としてのバネ６０が介在されており、このバネ６０は発熱素子１０の上面に弾性的に接して押し付けられている。このバネ６０は、例えばリン青銅等のバネ材等からなる。このバネ６０の弾性力により、プレート５０と複数個の発熱素子１０との間隔のばらつきが吸収され、両者１０、５０はバネ６０を介して確実に接した形となっている。
【００２４】
ここで、図示しないが、コネクタあるいはワイヤハーネスで回路基板２０から信号線あるいは電源が外部に引き出されている。この電子装置Ｓ１を動作させると、発熱素子１０は消費電力で発熱し、温度上昇する。
【００２５】
発熱素子１０で発生した熱は、バンプ１１によって回路基板２０へ放熱され、回路基板２０から熱伝導性接着剤４０を介してケース３０へと放熱され、されには、ケース３０からあるいは図示しないブラケット等を介して、この電子装置Ｓ１の搭載場所へと放熱される。
【００２６】
自動車用の電子装置等、搭載環境が高温環境となるものでは、この放熱効率を少しでも良くすることで、より規模の大きな回路構成とできるし、信頼性の向上も図れる。
【００２７】
その点、本実施形態では、発熱素子１０は回路基板２０側つまり発熱素子１０の下面からのみでなく、発熱素子１０の上面側からも行われる。すなわち、発熱素子１０の上面から付勢部材としてのバネ６０を介してプレート５０へ放熱を行うようにしている。
【００２８】
ここで、バネ６０およびそのプレート５０への組み付けの具体的構成について図２〜図３を参照して述べる。図２はプレート５０単体の要部を示す構成図であって、（ａ）は発熱素子対向面と反対側からみた平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図単体図であり、図３（ａ）はバネ６０単体の斜視図、図３（ｂ）および（ｃ）は組み付け方法を示す概略断面図である。
【００２９】
図３に示すように、バネ（付勢部材）６０は、発熱素子１０の一面に接する面（素子接触面）６０ａからプレート５０の方へ四つに分岐した分岐部６０ｂを有した形状となっている。そして、分岐部６０ｂの終端部６０ｃがプレート５０に摺動可能な形で接続される部分である。
【００３０】
プレート５０には、バネ６０の各終端部６０ｃが挿入されてはめ込まれるスペースを有するはめ込み部５１が形成されている（図２参照）。このようなはめ込み部５１はプレス加工等にて形成することができる。
【００３１】
そして、図３（ｂ）に示すように、バネ６０の分岐部６０ｂをすぼめた形状に弾性変形させ、その終端部６０ｃをはめ込み部５１のスペースに挿入する。すると、図３（ｃ）に示すように、バネ６０の分岐部６０ｂが拡がり、バネ６０がプレート５０に対して取り付けられる。
【００３２】
一方、図１に示すように、発熱素子１０は、バンプ１１を介して回路基板２０の一面上に実装され、さらに回路基板２０は、熱伝導性接着剤４０を介してケース３０に収納・固定される。そして、このような状態で、バネ６０が取り付けられたプレート５０をケース３０に取り付ける。
【００３３】
このとき、プレート５０を発熱素子１０の上面から発熱素子１０に近づけていくと、バネ６０の素子接触面６０ａが発熱素子１０の上面に押しつけられる。そして、図３（ｃ）中の矢印に示すように、四つの分岐部６０ｂが広がる方向へ終端部６０ｃが摺動し、バネ６０の弾性力による発熱素子１０の押しつけがなされる。
【００３４】
そして、上述したように、このバネ６０の弾性力により、プレート５０と複数個の発熱素子１０との間隔のばらつきが吸収され、両者はバネ６０を介して確実に接した形となっている。また、バネ６０の弾性力により、発熱素子１０のダメージが防止され、発熱素子１０の回路基板２０への実装接続部への応力が緩和される。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、付勢部材としてのバネ６０において、素子接触面６０ａから複数個の分岐部６０ｂがプレート５０にまで延びて接しているため、発熱素子１０からプレート５０への放熱経路は、これら複数個の分岐部６０ｂによって複数個確保されている。そのため、従来の付勢部材を介した放熱経路が一つであるものに比べて、放熱性の更なる向上を実現することができる。
【００３６】
ここで、本実施形態のバネ６０では、各分岐部６０ｂの終端部６０ｃがプレート５０に摺動可能に接した形で接続されているため、この終端部６０ｃがプレート５０に摺動することで、バネ６０の弾性変形を適切に可能としている。
【００３７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図４に示す。本実施形態は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すような付勢部材としてのバネ６０の変形例を示すものである。なお、図４において、（ｄ）は（ｃ）中のバネ６０の単体斜視図である。
【００３８】
図４に示す各バネ６０は、各分岐部６０ｂの終端部６０ａがプレート５０に接合固定されているものであって、各分岐部６０ｂの中間部に弾性変形可能な可動部６０ｄを有するものである。ここで、分岐部６０ｂの終端部６０ａとプレート５０との接合は、溶接や接着等により適切に実現され、プレート５０には上記したはめ込み部を形成する必要はなくなる。
【００３９】
そして、可動部６０ｄとしては、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、曲げ部やＲ部形状とすることができる。また、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、バネ６０を、対向する平坦面を有しこれら両平坦面間が湾曲面となっている筒状としても良い。
【００４０】
この図４（ｃ）、（ｄ）に示すものでは、湾曲面の部分が分岐部６０ｂおよび可動部６０ｄとなり、一方の平坦面が発熱素子１０の上面と接する素子接触面６０ａとなり、他方の平坦面が分岐部６０ｂの終端部６０ｃとなる。
【００４１】
これら図４に示されるバネ６０によれば、分岐部６０ｂの終端部６０ｃがプレート５０に接合固定されているものの、分岐部６０ｂの中間部に弾性変形可能な可動部６０ｄを有することで、バネ６０の弾性変形を適切に実現することができる。
【００４２】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。本実施形態は、付勢部材としてのバネ６０における素子接触面６０ａに、大熱容量部材７０を介在させて発熱素子１０の上面に接触させたものである。
【００４３】
この大熱容量部材７０は、バネ６０よりも熱容量の大きな材料（例えば銅等）からなる例えばシート状のものであり、過渡的な熱抵抗の低減を行うためのものである。つまり、発熱素子１０に瞬間的に大きな熱が発生したときに熱容量の大きな大熱容量部材７０によって、その熱を急速に吸収させることができる。
【００４４】
図５（ａ）は、上記図２に示したバネ６０について、図５（ｂ）は上記図４（ａ）に示したバネ６０について、図５（ｃ）は上記図４（ｂ）に示したバネ６０について、それぞれ大熱容量部材７０を設けた例を示すものである。
【００４５】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図６〜図９に示す。本実施形態は、付勢部材としてのバネ６０における素子接触面６０ａの接触性向上を図った種々の変形例を示すものである。
【００４６】
図６に断面図として示す第１の例は、バネ６０の素子接触面６０ａに、はんだボール６０ｅを形成したもので、このはんだボール６０ｅの塑性変形によって素子接触面６０ａと発熱素子１０の上面との接触性向上がなされる。
【００４７】
図７に断面図として示す第２の例は、バネ６０の素子接触面６０ａをプレス加工等により波形に加工したもので、この波形部分の変形によって素子接触面６０ａと発熱素子１０の上面との接触性向上がなされる。
【００４８】
図８は第３の例を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の下視図である。この図８に示すものでは、バネ６０の素子接触面６０ａに複数のスリット６０ｆを形成することで、当該素子接触面６０ａを短冊状に形成したもので、各短冊部分の弾性変形によって素子接触面６０ａと発熱素子１０の上面との接触性向上がなされる。
【００４９】
図９に断面図として示す第４の例は、バネ６０の素子接触面６０ａに金属製の網部材（メッシュ）６０ｇを溶接や接着等により接合したもので、この網部材６０ｇの弾性変形によって素子接触面６０ａと発熱素子１０の上面との接触性向上がなされる。
【００５０】
これら図６〜図９に示す各バネ６０によれば、発熱素子１０とバネ６０の素子接触面６０ａとが平行状態から傾いて配置されていても、その傾きに対応して良好な接触を実現することが可能である。
【００５１】
なお、図６〜図９に示す各バネ６０において、終端部６０ｃとプレート５０との接続は、上述した摺動状態のものでも良いし、接合固定したものでも良い。接合固定の場合は、上記した可動部を設けることが好ましい。
【００５２】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１０に示す。本実施形態は、バネ６０における各分岐部６０ｂの終端部６０ｃがプレート５０に摺動可能に接した形で接続されている場合の変形例を示すものである。
【００５３】
図１０に示す摺動構造では、バネ６０の終端部６０ｃよりも大きな凹部５２をプレート５０に形成して、その凹部５２の底部に終端部６０ｃを接するようにしている。
【００５４】
この場合、バネ６０の弾性力によって、上記図２に示すバネ６０と同様に、バネ６０の素子接触面６０ａは、発熱素子１０の上面に弾性的に接して押し付けられる。そして、この場合、上記実施形態に示したような発熱素子１０とプレート５０とのはめ込みや溶接等による接続が不要となり、単に、バネ６０を置くだけで容易に配置することができるという工程簡略化の利点がある。
【００５５】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態を図１１に示す。図１１において、（ａ）は本実施形態に係る電子装置の概略断面図、（ｂ）は（ａ）中のプレート５０単体の斜視図である。上記各実施形態では、バネ６０とプレート５０とは別体の部材であったが、本実施形態では、プレート５０の一部を付勢部材として用いるものである。
【００５６】
この場合、プレート５０の一部をプレス加工等により、発熱素子１０の上面に接するように打ち抜く。この打ち抜いた部分が本実施形態における付勢部材としてのバネ６０として構成される。そのため、部品点数の低減が図れるという利点がある。
【００５７】
本バネ６０は、発熱素子１０の一面に接する素子接触面６０ａからプレート５０の方へ二つに分岐した分岐部６０ｂを有した形状となっている。そして、分岐部６０ｂの終端部６０ｃは、プレート５０と一体になって固定された形で接続された状態となっている。また、分岐部６０ｂには曲げられた可動部６０ｄが形成されることにより、バネ６０において適切な弾性力が発揮されている。
【００５８】
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態を図１２に示す。図１２において、（ａ）は本実施形態に係る電子装置の概略断面図、（ｂ）は（ａ）中のプレート５０単体の斜視図である。
【００５９】
本実施形態は、上記第６実施形態を一部変形したものである。上記第６実施形態におけるバネ６０は、プレート５０と一体であり、同様の材質からなるものとしていた。このような場合、プレート５０の材質が付勢部材としての弾性力に不足することもある。
【００６０】
そのような場合、図１２に示すように、バネ６０とプレート５０との間にゴムなどの弾性体８０を介在設置し、この弾性体８０の弾性力を利用する。それによって、バネ６０の弾性力を十分なものにでき、バネ６０の素子接触面６０ａと発熱素子１０の上面との接触性を確保することができる。
【００６１】
（第８実施形態）
本発明の第８実施形態を図１３に示す。図１３は、本実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【００６２】
本実施形態は、付勢部材としてのバネ６０における素子接触面６０ａに、グリース、熱伝導シート、熱伝導性接着剤等の熱伝導性部材９０を介在させて発熱素子１０の上面に接触させたものである。それによって、発熱素子１０が傾いた状態となっても、この熱伝導性部材９０によって熱伝導をよりスムーズにし、放熱性を確保することができる。
【００６３】
（第９実施形態）
本発明の第９実施形態を図１４に示す。図１４は、本実施形態に係る電子装置の概略断面図である。図１４に示す電子装置では、回路基板２０の他面（裏面）への部品配置も可能な形態、すなわち回路基板２０の両面に部品を実装した構成としている。
【００６４】
図１４に示すように、ケース３０の一部に凹部３１を形成し、回路基板２０の他面とケース３０との間に隙間を設けることで、この隙間にて回路基板２０の他面に部品２１を実装している。
【００６５】
発熱素子１０の上面からバネ６０を介して直接放熱させることで、良好な放熱性を確保できれば、回路基板２０における発熱素子１０の実装面とは反対側の面からケース３０へ放熱することは、必ずしも必要ではない。そのような場合、本実施形態のような回路基板２０における両面実装構造を採用することができる。
【００６６】
（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態を図１５に示す。図１５は、本実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【００６７】
上記の各実施形態では、ケース３０に回路基板２０を組み付けた構成であったが、いずれの実施形態においても、図１５に示す電子装置のように、ケース３０を平板形状にして、ケース３０とプレート５０との間を樹脂１００にてモールドすることが可能である。なお、図１５では、ケース３０はヒートシンクとして構成されている。
【００６８】
また、図１５では、プレート５０とバネ６０とが一体の例を示しているが、上記した摺動構造や接合構造のようにバネ６０とプレート５０とが別体のものでも良い。いずれの場合も、バネ６０と発熱素子１０とを接触させた状態で、樹脂モールドを行えばよい。
【００６９】
また、図１５では示さないが、このモールド構造においても、回路基板２０からの信号端子や電源端子等は、樹脂１００から引き出されているか、もしくは樹脂１００で形成されたコネクタ部に形成されたものとしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図２】プレートの単体の要部構成図である。
【図３】（ａ）は付勢部材としてのバネ単体の斜視図、（ｂ）および（ｃ）はバネのプレートへの組み付け方法を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る付勢部材としてのバネを示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る付勢部材に大熱容量部材を設けた構成を示す図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る付勢部材の第１の例を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る付勢部材の第２の例を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る付勢部材の第３の例を示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る付勢部材の第４の例を示す図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係る付勢部材としてのバネを示す図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第６実施形態に係る電子装置の概略断面図、（ｂ）は（ａ）中のプレート単体のの斜視図である。
【図１２】（ａ）は本発明の第７実施形態に係る電子装置の概略断面図、（ｂ）は（ａ）中のプレート単体のの斜視図である。
【図１３】本発明の第８実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図１４】本発明の第９実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図１５】本発明の第１０実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１０…発熱素子、５０…プレート、６０…付勢部材としてのバネ、
６０ａ…付勢部材における発熱素子の一面に接する面としての素子接触面、
６０ｂ…分岐部、６０ｃ…終端部、６０ｄ…可動部。

Claims

動作することで発熱する発熱素子（１０）と、
前記発熱素子における一面に対向して配置されたプレート（５０）と、
前記プレートと前記発熱素子との間に介在し、前記発熱素子の一面に弾性的に接して押し付けられる付勢部材（６０）とを有し、
前記発熱素子の一面から前記付勢部材を介して前記プレートへ放熱を行うようにした電子装置において、
前記付勢部材は、前記発熱素子の一面に接する面から前記プレートの方へ複数に分岐した分岐部（６０ｂ）を有し、これら分岐部の終端部（６０ｃ）が前記プレートに接続されたものであることを特徴とする電子装置。
前記付勢部材（６０）は、前記分岐部（６０ｂ）の終端部（６０ｃ）が前記プレート（５０）に摺動可能に接した形で接続されているものであることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
前記付勢部材（６０）は、前記分岐部（６０ｂ）の終端部（６０ｃ）が前記プレート（５０）に接合固定されているものであって、前記分岐部の中間部に弾性変形可能な可動部（６０ｄ）を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。