JP2014013811A - 電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】動作時に発熱を伴う電子部品を実装した多層基板を筐体内に収容してなる電子装置において、電子部品で生じた熱を効率的に放散可能としつつ筐体に印加される外乱ノイズの影響を抑えることが可能な構成を提供することを目的とする。
【解決手段】電子部品2が一方面上に実装された多層基板20が、金属製の筐体4内に収容されている。また、多層基板20の内層に金属層からなる伝熱パターン28が配置されている。そして、筐体4の一部をなす押圧固定部6を多層基板20の板面に対して押し当てた状態で押圧固定部6と多層基板20とをねじ10により締結しており、伝熱パターン28は、多層基板20内において電子部品2の内層側の位置から押圧固定部6によって押圧荷重を受ける位置まで連続的に配されている。さらに、伝熱パターン28は、ねじ10及び筐体4と電気的に分離されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、動作時に発熱を伴う電子部品を実装した多層基板を筐体内に収容してなる電子装置に関する。
従来、動作時に発熱を伴う電子部品を実装した多層基板を、筐体内に収容して構成される電子装置の放熱に関する技術として、例えば、下記特許文献1がある。
特許文献1には、ダイオード(2)(発熱電子素子)が発生する熱を、多層基板(3)の内部の内層側伝熱導体(32A)およびビア(4)を介して多層基板(3)の表面(30A)の接地導体(31D)に伝達させ、さらに、接地導体(31D)から筺体であるカバー(6)へ伝達させそこから空気中に放熱するように構成された電子回路装置が開示されている。この特許文献1の構成では、放熱ゲルなどの別部材を別途設けることなく、多層基板を構成する部材を利用して放熱構造を実現しているため、部品点数を抑えることができるといえる。
特開2008−130684号公報
ところで、このような電子装置では、実装される発熱素子からの発熱を放散させる構成に加え、外乱ノイズを受けにくい構成が求められる。特に、電界効果トランジスタ(FET)やダイオードなどの半導体素子は、静電気や電磁波等に起因する外乱ノイズが近傍に付加されると、誤動作を招く虞があるため、なんらかのノイズ対策を施すことが望ましいといえる。しかしながら、特許文献1の構成では、電子部品の近傍に配される内層側伝熱体32Aがビア4を介して筐体と電気的に接続された構成であるため、筐体に外乱ノイズが印加された場合に、電子部品近傍の内層側伝熱体32Aにノイズが伝搬してしまうため、電子部品が外乱ノイズの影響を受けやすいという問題があった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、動作時に発熱を伴う電子部品を実装した多層基板を筐体内に収容してなる電子装置において、電子部品で生じた熱を効率的に放散可能としつつ筐体に印加される外乱ノイズの影響を抑えることが可能な構成を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、複数の層が積層されてなる多層基板と、前記多層基板の一方面上に実装され、動作時に発熱を伴う電子部品と、前記電子部品を実装した前記多層基板を内部に収容する金属製の筐体と、前記筐体の一部をなす押圧固定部を前記多層基板の板面に対して押し当てた状態で、前記押圧固定部と前記多層基板とを締結する締結部材と、前記多層基板において前記電子部品が実装される層を最外層としたときの当該最外層よりも内層に配置された金属層からなり、且つ前記多層基板内において前記電子部品の内層側の位置から前記押圧固定部によって押圧荷重を受ける位置まで連続的に配され、前記締結部材及び前記筐体と電気的に分離された伝熱パターンと、を有することを特徴とする。
請求項1の発明では、電子部品の内層側の位置から押圧固定部によって押圧荷重を受ける位置まで連続的に配される構成で伝熱パターンが設けられているので、電子部品で発生した熱を、伝熱パターンを介して押圧固定部側に伝達しやすくなる。特に、伝熱パターンが、押圧荷重を受ける位置まで配されているので、押圧固定部側から伝熱パターン側に付加される押圧荷重(押し付け圧力)が大きくなり、接触熱コンダクタンスを増大させることができる。このため、伝熱パターンの熱が押圧固定部に伝達されやすくなり、その熱が筐体を介して外部により効率よく放散されやすくなる。一方、この伝熱パターンは、押圧荷重を受けつつも締結部材や筐体とは電気的に分離されているため、筐体に外乱ノイズが印加されても、この外乱ノイズが伝熱パターンに伝搬しにくくなる。このため、外乱ノイズが電子部品近傍まで伝搬してしまうことをより確実に防ぐことができ、外乱ノイズに起因する電子部品の不具合(誤動作等)を効果的に抑えることができる。
請求項2の発明では、締結部材は、ねじ頭部と、ねじ頭部から軸状に延び、ねじ頭部とは反対側において押圧固定部に連結される螺合部とを備えている。そして、伝熱パターンは、多層基板の板面方向においてねじ頭部の直下の位置まで引き回されている。この構成によれば、ねじ頭部からの押圧荷重が特に加わりやすい位置に伝熱パターンを配置することができるため、接触熱コンダクタンスをより増大させることができ、放熱効果をより一層高めることができる。
請求項3の発明では、多層基板における電子部品が実装される領域から当該多層基板の積層方向に延びるように金属材料が埋め込まれてなるビアが形成されている。この構成によれば、電子部品で発生した熱を、ビアによって積層方向に効果的に逃がすことができる。更に、伝熱パターンが少なくともビアの周囲を取り囲むように環状に形成されているので、ビアによって積層方向に逃がされた熱が伝熱パターンによって筐体側に放散されやすくなり、このようなビアと伝熱パターンの相乗効果により、放熱性をより高めることができる。
請求項4の発明では、伝熱パターンは、電気的に切り離された切断部を部分的に備えた構成で、ビアの周囲において環状に設けられている。通常、金属導体を環状(ループ状)に配置すると、この環状の金属導体がループアンテナを形成し、周波数帯域によってはノイズを増幅してしまう場合がある。一方、このように、伝熱パターンの環状部分の一部を電気的に切り離すように構成することで、ノイズが増幅されるのを抑えることができる。
請求項5の発明では、伝熱パターンは、多層基板の内層を構成する複数段の配線層のうち、電子部品が実装された最外層寄りの配線層に少なくとも形成されている。このように、伝熱パターンを配置することで、電子部品で発生した熱がより伝熱パターンに伝わりやすくなり、一層効果的に放熱することができる。
図1は、第1実施形態に係る電子装置の多層基板において伝熱パターンが形成された層の平面図である。 図2は、図1のA−A断面概略図であり、筐体を省略して示している。 図3は、図1のB−B断面概略図である。 図4は、第1実施形態に係る電子装置の多層基板において電子部品が実装された最外層の平面図である。 図5は、締め付けトルクを所定値(1.7N・m)としたときの電子装置の放熱特性の測定結果を示すグラフである。 図6は、締め付けトルクを図5のときよりも大きい値(2.2N・m)としたときの電子装置の放熱特性の測定結果を示すグラフである。
[第1実施形態]
以下、本発明の電子装置を具現化した第1実施形態について、図面を参照して説明する。
本第1実施形態の電子装置1は、例えば、車両の制御に用いられる電子制御装置(ECU)などとして構成されるものである。
この電子装置1は、複数の層が積層されてなる多層基板20と、この多層基板20の一方面20a上に実装され、動作時に発熱を伴う電子部品2と、電子部品2を実装した多層基板20を内部に収容する金属製の筐体4とを備えている。また、本発明では、多層基板20の所定の領域に金属層からなる伝熱パターン28が設けられており、筐体4の一部をなす押圧固定部6を多層基板20の板面に対して押し当てた状態で、押圧固定部6と多層基板20とをねじ10で締結固定することで、効果的な放熱構造を実現している。
多層基板20は、一般的な積層配線板の形成手法により製造されるものである。この多層基板20は、図2に示すように、複数の配線層L1〜L6が積層されてなる配線基板であり、たとえば、絶縁部材であるガラスエポキシ樹脂の樹脂シート21a〜21eと電気導体である配線層L1〜L6とを交互に重ねて熱プレスすることにより製造することができる。なお、図2では、説明の都合上、筐体4を省略して示している。この配線層L1〜L6は、例えば、銅や銀、金などの良導体により構成することができ、パターニングされた金属箔や印刷された導体ペーストなどから構成することができる。
また、多層基板20の一方面20a(すなわち、L1層)側には、図4に示すように、取付孔23(後述)近傍において、配線層L1の一部が他の部位から独立するようにパターンニングされており、この部位に重なるように、バイパスコンデンサCが設けられている。そして、このように、バイパスコンデンサCを設けることで、ノイズなどの交流成分をグランドに流すことが出来る。
多層基板20の内部には、多層基板20における電子部品2が実装される領域から当該多層基板20の積層方向に延びるように金属材料が埋め込まれてなるビア26が形成されている。具体的に、ビア26は、図2に示すように、多層基板20の配線層L1側からL6側まで、貫通するように設けられており、内部に導体ペーストなどが充填されている。そして、このビア26によって、各配線層L1〜L6は、それぞれ電気的に接続されている。また、多層基板20には、筐体4に取り付けるための取付孔23が、一方面20aから他方面20bへ貫通して設けられている。この取付孔23の径の大きさは、ねじ10(後述)が挿通可能な大きさに構成されている。
電子部品2は、動作時に熱を発生する電気的な素子であり、例えば、MOSFETなどのトランジスタ、ダイオードやIC等の半導体などから構成されている。そして、この電子部品2は、図1、図2に示すように、多層基板20の一方面20a(すなわち、L1層の外表面)に実装されている。
筐体4は、アルミニウムなどの金属から構成されており、複数のケース部材が結合されてなるものである。本構成では、筐体4は、例えば、上ケース4aと下ケース4bとから構成され、これらが結合した箱状形態をなしている。そして、この筐体4の内部に、多層基板20がねじ10によって固定されている。また、筐体4には、図3に示すように、ねじ10を筐体4に締結固定するための押圧固定部6が形成されている。この押圧固定部6は、下ケース4bの四隅近傍に設けられ、ボス形状を有しており、ねじ10の螺合部14(後述)が連結されるようになっている。すなわち、図3に示すように、筐体4の一部をなす押圧固定部6を多層基板20の板面に対して押し当てた状態で、押圧固定部6と多層基板20とがねじ10によって締結固定されている。
ねじ10は、金属材料より構成されて導電性を有してなり、図3に示すように、ねじ頭部12と、ねじ頭部12から軸状に延び、ねじ頭部12とは反対側において押圧固定部6に連結される螺合部14とを備えて構成されている。ねじ頭部12は、取付孔23よりも径が大きく構成されており、ねじ10を多層基板20の板面に対して押し当てたときに、一方面20aと当接して固定されるようになっている。また、螺合部14は、多層基板20の厚みよりも長く構成されており、多層基板20の取付孔23内に差し込まれた状態で、押圧固定部6に固定されている。
ここで、放熱構造の設計指標となる関係式として、例えば下記の数式1(「橘の式」)が、一般的に知られている。
Figure 2014013811
また数式1の各パラメータは、以下の通りである。
H:柔かい方の固体の硬さ[kg/mm2]
P:接触面の押付け圧力[MPa]
α:接触熱コンダクタンス[W/(m2・K)]
γ:接触熱抵抗[( m2・K )/W]
λ:接触面を構成する一方の部材の熱伝導率[W/(m・K)]
λ:接触面を構成する他方の部材の熱伝導率[W/(m・K)]
λf:介在物質の熱伝導率[W/(m・K)]
δ:接触面を構成する一方の部材の表面粗さの最大高さ[μm]
δ:接触面を構成する他方の部材の表面粗さの最大高さ[μm]
この数式1の関係から、押し付け圧力Pが大きいほど、接触熱コンダクタンスα(熱の伝達のし易さ)が大きくなることがわかる。すなわち、ねじ10の加締める力を大きくすることで、電子部品2からの熱が伝熱パターン28により伝わりやすくなり、放熱効果をより向上させることができる。例えば、各接触面の表面粗さは1〜30μm程度、押付け圧力は0.5〜10MPa程度とすることができる。
また、ねじ10の締め付けトルクを変えた時の放熱特性を相対的に評価した測定データを図5及び図6に示す。なお、図5及び図6において、一点鎖線は、ねじ10を加締めていない状態の電子部品2の表面温度の測定データであり、点線は、それぞれねじ10を1.7N・m、2.2N・mの締め付けトルクを加締めたときの電子部品2の表面温度の測定データであり、実線は、点線の測定データの値から一点鎖線の測定データの値を引いた値である。すなわち、この実線の値(絶対値)が大きければ大きいほど、放熱効果が高いことを示している。また、横軸は、測定開始からの経過時間を示している。
図5から、トルク1.7N・mでねじ10を加締めたときには、電子部品2の表面温度が最大で2.3℃減少していることがわかる。また、図6から、トルク2.2N・mでねじ10を加締めたときには、電子部品2の表面温度が最大で2.6℃減少していることがわかる。さらに、締め付けトルク2.2N・mのときのほうが、締め付けトルク1.7N・mのときよりも電子部品2の表面温度が減少していることが確認できる。すなわち、この結果からも、ねじ10の締め付けトルク(押し付け圧力)が大きい方が、放熱効果が高いことがわかる。したがって、ねじ10の締め付けトルクは、放熱性の観点から、大きいほうが望ましい。
伝熱パターン28は、多層基板20において電子部品2が実装される層(L1層)を最外層としたときの当該最外層よりも内層に配置された金属層から構成されている。具体的に、図2に示すように、伝熱パターン28は、多層基板20の内層を構成する複数段の配線層L2〜L5のうち、電子部品2が実装された最外層(L1層)寄りの配線層(L2層)の一部として形成されている。本構成では、例えば内層L2〜L5のうちの一方の最外層(L1層)寄りの配線層(L2層)の大部分が電源層L2’となっており、他方の最外層(L6層)寄りの配線層(L5層)の大部分がグランド層となっている。そして、図1に示すように電源層L2’と電気的に分離した浮島状態で伝熱パターン28が形成されている。なお、図1に示す配線層L2のレイアウトにおいて、電源層L2’及び伝熱パターン28以外の部分(即ち、ハッチング領域以外の部分)には、例えば配線層L2の上層又は下方の絶縁層から一部が入り込むようになっており、これにより例えば電源層L2’と伝熱パターン28との絶縁が図られるようになっている。
この伝熱パターン28は、配線層L1〜L6と同材料で構成することができ、さらに、電源層L2’と同一工程で形成することができる。例えば、配線層L2の基となる金属層を所定の形状にパターンニングすることで、電源層L2‘と伝熱パターン28とを同一面上に形成することができる。そして、図1、図3に示すように、伝熱パターン28は、多層基板20内において電子部品2の内層側の位置から押圧固定部6によって押圧荷重を受ける位置まで連続的に配されている。「電子部品の内層側の位置」とは、具体的には、図1に示すように、例えば電子部品2の直下(多層基板20の板面方向において電子部品2と重なる位置)に伝熱パターン28の少なくとも一部が配されるようになっていることが望ましい。また、電子部品2の直下(多層基板20の板面方向において電子部品2と重なる位置)に伝熱パターン28の一部が配されていなくても、電子部品2の直下近傍に伝熱パターン28が配されていれば一定の伝熱効果が得られる。
また、伝熱パターン28は、多層基板20の板面方向においてねじ頭部12の直下の位置まで引き回されている。即ち、多層基板20の板面方向において所定領域C1がねじ頭部12による押圧領域(ねじ頭部12が一方面20aと接触する領域)となっており、伝熱パターン28は、板面方向においてこの押圧領域C1内に一部が配されるように配線層L2において引き回されている。このように構成されているため、ねじ頭部12と押圧固定部6との間に挟まれた状態で伝熱パターン28の一部が配されるようになっている。また、図1に示すように、伝熱パターン28は、素子を通常配置することができない禁止領域上(多層基板20の端部寄りの領域)にも、引き回されている。
上述したように、伝熱パターン28と電源層L2’との間には、樹脂材が埋め込まれており、伝熱パターン28は、ねじ10及び筐体4と電気的に分離されるように形成されている。なお、この樹脂材は、樹脂シート21a、22bを熱プレスする際に、この樹脂シートが伝熱パターン28と配線層L2との間に埋め込まれるようになっている。
さらに、伝熱パターン28は、電子部品2の直下領域に配置されるビア26を取り囲むように環状に形成されている。経験上、熱源から45度程度(図2中の一点鎖線は、電子部品2直下から45度の広がりを表している)の広がりをもって熱が伝達されることがわかっている。このため、このように伝熱パターン28を電子部品2の直下領域から多少離れた位置に配置しても、電子部品2で発生した熱が伝熱パターン28へ効果的に放熱することができる。また、伝熱パターン28は、電気的に切り離された切断部28aを部分的に備えている。この切断部28aは、環状を切り欠くように設けられていれば、とくに、位置は限定されない。また、切断部28aは、環状部分に2カ所以上設けられていてもよい。
(本実施形態の主な効果)
以上説明したように、本第1実施形態に係る電子装置1は、電子部品2の内層側の位置から押圧固定部6によって押圧荷重を受ける位置まで連続的に愛される構成で伝熱パターン28が設けられているので、電子部品2で発生した熱を、伝熱パターン28を介して押圧固定部6側に伝達しやすくなる。特に、伝熱パターン28が、押圧荷重を受ける位置まで配されているので、押圧固定部6側から伝熱パターン28側に付加される押圧荷重(押し付け圧力)が大きくなり、接触熱コンダクタンスを増大させることができる。このため、伝熱パターン28の熱が押圧固定部6に伝達されやすくなり、その熱が筐体4を介して外部に効率的に放散されやすくなる。一方、この伝熱パターン28は、押圧荷重を受けつつもねじ10や筐体4とは電気的に分離されているため、筐体4に外乱ノイズが印加されても、この外乱ノイズが伝熱パターン28に伝搬しにくくなる。このため、外乱ノイズが電子部品2近傍まで伝搬してしまうことをより確実に防ぐことができ、外乱ノイズに起因する電子部品2の不具合(誤動作等)を効果的に抑えることができる。
また、ねじ10は、ねじ頭部12と、ねじ頭部12から軸状に延び、ねじ頭部12とは反対側において押圧固定部6に連結される螺合部14とを備えている。そして、伝熱パターン28は、多層基板20の板面方向においてねじ頭部12の直下の位置まで引き回されている。この構成によれば、ねじ頭部12からの押圧荷重が特に加わりやすい位置に伝熱パターン28を配置することができるため、接触熱コンダクタンスをより増大させることができ、放熱効果をより一層高めることができる。
また、多層基板20における電子部品2が実装される領域から当該多層基板20の積層方向に延びるように金属材料が埋め込まれてなるビア26が形成されている。この構成によれば、電子部品2で発生した熱を、ビア26によって積層方向に効果的に逃がすことができる。更に、伝熱パターン28が少なくともビア26の周囲を取り囲むように環状に形成されているので、ビア26によって積層方向に逃がされた熱が伝熱パターン28によって筐体4側に放散されやすくなり、このようなビア26と伝熱パターン28の相乗効果により、放熱性をより高めることができる。
また、伝熱パターン28は、電気的に切り離された切断部28aを部分的に備えた構成で、ビア26の周囲において環状に設けられている。通常、金属導体を環状(ループ状)に配置すると、この環状の金属導体がループアンテナを形成し、周波数帯域によってはノイズを増幅してしまう場合がある。一方、このように、伝熱パターン28の環状部分の一部を電気的に切り離すように構成することで、ノイズが増幅されるのを抑えることができる。
また、伝熱パターン28は、多層基板20の内層を構成する複数段の配線層L2〜L5のうち、電子部品2が実装された最外層寄りの配線層L2に少なくとも形成されている。このように、伝熱パターン28を配置することで、電子部品2で発生した熱がより伝熱パターン28に伝わりやすくなり、一層効果的に放熱することができる。
[他の実施形態]
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記第1実施形態では、締結部材としてねじ10を用いた構成を例示したが、締結部材の構成は、多層基板20を筐体4に押圧固定できる構成であれば、特にこれに限定されない。
上記第1実施形態では、伝熱パターン28が多層基板20の内層(L2〜L5層)を構成する複数段の配線層のうち、電子部品2が実装された最外層(L1層)寄りの配線層(L2層)に設けられた構成を例示したが、伝熱パターン28は、L2層以外の内層に形成されていてもよい。また、伝熱パターン28は、内層(L2〜L5層)を構成する複数段の配線層のうち、2層以上に形成されていてもよい。
1…電子装置
2…電子部品
4…筐体
6…押圧固定部
10…ねじ(締結部材)
12…ねじ頭部
14…螺合部
20…多層基板
20a…一方面
20b…他方面
21a〜21e…樹脂シート
23…取付孔
26…ビア
28…伝熱パターン
28a…切断部
C…カップリングコンデンサ
L1〜L6…配線層

Claims (5)

  1. 複数の層が積層されてなる多層基板(20)と、
    前記多層基板(20)の一方面(20a)上に実装され、動作時に発熱を伴う電子部品(2)と、
    前記電子部品(2)を実装した前記多層基板(20)を内部に収容する金属製の筐体(4)と、
    前記筐体(4)の一部をなす押圧固定部(6)を前記多層基板(20)の板面に対して押し当てた状態で、前記押圧固定部(6)と前記多層基板(20)とを締結する締結部材(10)と、
    前記多層基板(20)において前記電子部品(2)が実装される層を最外層としたときの当該最外層よりも内層に配置された金属層からなり、且つ前記多層基板(20)内において前記電子部品(2)の内層側の位置から前記押圧固定部(6)によって押圧荷重を受ける位置まで連続的に配され、前記締結部材(10)及び前記筐体(4)と電気的に分離された伝熱パターン(28)と、
    を有することを特徴とする電子装置。
  2. 前記締結部材(10)は、ねじ頭部(12)と、前記ねじ頭部(12)から軸状に延び、前記ねじ頭部(12)とは反対側において前記押圧固定部(6)に連結される螺合部(14)とを備えており、
    前記伝熱パターン(28)は、前記多層基板(20)の板面方向において前記ねじ頭部(12)の直下の位置まで引き回されていることを特徴とする請求項1に記載の電子装置。
  3. 前記多層基板(20)における前記電子部品(2)が実装される領域から当該多層基板(20)の積層方向に延びるように金属材料が埋め込まれてなるビア(26)が形成されており、
    前記伝熱パターン(28)は、少なくとも前記ビア(26)の周囲を取り囲むように環状に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電子装置。
  4. 前記伝熱パターン(28)は、電気的に切り離された切断部(28a)を部分的に備えた構成で、前記ビア(26)の周囲において環状に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の電子装置。
  5. 前記伝熱パターン(28)は、前記多層基板(20)の内層を構成する複数段の配線層(L2〜L5)のうち、前記電子部品(2)が実装された最外層寄りの配線層(L2)に少なくとも形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電子装置。
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