JP2014135418A - 車載用電子制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性の向上した車載用電子制御装置を提供することにある。
【解決手段】
【請求項１】金属ベース３は、貫通ビア６の設けられたプリント基板２を支持する。発熱素子であるＩＣ１は、配線基板２の貫通ビア６の設けられた位置に搭載される。放熱部材８は、配線基板の貫通ビアの設けられた位置に搭載されるとともに、金属ベースの方に向かって凸形状を有し、金属ベース３に設けられた凹凸部の凹部に挿入され、対向する。放熱材７は、放熱部材の凸部と金属ベースの凹部との対向面の間に充填され、両者を熱的に接触させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板と基板を搭載する金属ベースとを有する車載用電子制御装置に係り、特に、回路基板に搭載された発熱素子の熱を、金属ベースへ放熱させる放熱構造に特徴を有する車載用電子制御装置に関する。

車の電動化に伴い、ＥＣＵやＡＴＣＵをはじめとする車載用電子制御装置は、高機能化は勿論のこと、制御するシステムも増加し、車一台当たりの電子制御装置の数も、増加の一歩をたどっている。そのため、車載用電子制御装置は、小型化技術が重要となっており、部品点数の削減や、高密度実装が行われている。

近年は、ＳｉＰ（Sytem in Package）やＳＯＣ（Sytem on a Chip）に代表されるような複数の回路機能を集約し、一つの半導体パッケージや半導体素子に機能を集約する手法は、実装密度の向上を図ることで小型化が達成できるため、民生機器の分野では広く行われ、車載用途としても普及しつつある。

しかし、一つの半導体パッケージや半導体素子に回路機能を集約することで、半導体の発熱量が増加するために、温度上昇による誤動作や、故障を防止する必要があるため、半導体素子が発生する熱を放熱させるための放熱構造が必要となる。

従来の電子制御装置では、例えば、プリント基板に実装されたＩＣの熱は、プリント基板の貫通ビア，熱伝導材，金属ベースを経て外部に放出する構造のものが知られている（例えば、特許文献１の図２参照）。

特開２００３−２８９１９１号公報

特許文献１記載の放熱構造にあって、貫通ビアや金属ベースは金属製であるため、熱伝導率が高く放熱性に優れている。一方、プリント基板と金属ベースを接触させるための熱伝導材としては、柔軟性を有するシリコンゲル等が用いられるが、シリコンゲル自体の熱伝導率は金属よりも低いため、シリコンゲルに金属フィラー等を内蔵させることで、熱伝導率を上げるようにしている。それでも、金属に比べると熱伝導率は低く、放熱を妨げる原因となっている。

本発明の目的は、放熱性の向上した車載用電子制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、貫通ビアの設けられた配線基板と、該配線基板を支持する金属ベースと、前記配線基板の一方の面であり、前記金属ベースに対向する面とは反対の面であり、前記貫通ビアの設けられた位置に搭載される発熱素子と、前記配線基板の他方の面であり、前記貫通ビアの設けられた位置に搭載されるとともに、前記金属ベースの方に向かって凸形状を有し、前記金属ベースに設けられた凹凸部の凹部に挿入され、対向する放熱部材と、前記放熱部材の凸部と前記金属ベースの凹部との対向面の間に充填され、両者を熱的に接触させる放熱材とを備えるようにしたものである。
かかる構成により、放熱性を向上し得るものとなる。

本発明によれば、放熱性を向上することができる。

本発明の第１の実施形態による車載用電子制御装置の要部の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による車載用電子制御装置の構成を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態による車載用電子制御装置の要部の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による車載用電子制御装置の構成を示す部分断面図である。 本発明の第３の実施形態による車載用電子制御装置の要部の構成を示す断面図である。

以下、図１及び図２を用いて、本発明の第１の実施形態による車載用電子制御装置の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による車載用電子制御装置の要部の構成を示す断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態による車載用電子制御装置の構成を示す部分断面図である。

図１に示すように、本実施形態における電子制御装置では、発熱するＩＣ１は、プリント基板２に実装されている。ＩＣ１は、電子負荷等を制御する小信号系の制御回路や、電源を駆動させるパワー系の電源回路等の機能を集約した半導体素子を樹脂でパッケージングしたＳＯＰ（Small Outline Package）型ＩＣであり、半導体素子下面には、銅のヒートシンク１ｂがある。なお、図１では図示を省略しているが、プリント基板２には、ＩＣ１の他に、半導体素子や抵抗コンデンサの電子部品が一緒にはんだリフローにより実装される。

プリント基板２は、配線基板であり、４層からなる銅張り積層板である。プリント基板２としては、例えば、２ｍｍ以下の、ＡＮＳＩ規格における難燃性のＦＲ４グレードの銅張り積層板が用いられる。

ＩＣ１のヒートシンク１ｂは、プリント基板４の銅のランドと、はんだ５によって接合されている。はんだ５は、はんだリフローによって形成される。ヒートシンク１ｂの基板搭載箇所において、プリント基板４には、熱を伝える直径０．４ｍｍの貫通ビア６が複数設けられている。貫通ビア６は、プリント基板４の表面から裏面への伝熱経路を形成している。貫通ビア６の内部にもはんだや銀ペーストの熱伝導材が、充填されることが熱伝導性向上の観点から好ましいが、あらかじめ、貫通ビア６内部に金属めっきや、熱伝導性の充填材を充填しておいてもよい。プリント基板２は、ガラス−エポキシ基板であるが、他の樹脂系の有機基板、セラミック基板のような無機基板、金属基板のように金属に絶縁層を貼り合わせたものでもよく、材質や大きさは特に限定されるものではない。

発熱するＩＣ１を実装したプリント基板２の裏面に、凸形状の放熱部材８が実装されている。放熱部材８は、はんだ５によりプリント基板２に接合されている。プリント基板２に対して、ＩＣ１と放熱部材８とははんだの両面リフロープロセスにより接合される。この構成により、ＩＣ１の熱は、ヒートシンク１ｂ−貫通ビア６を経て、放熱部材８に伝熱される。

放熱部材８は、熱伝導率の良い銅が最適であるが、アルミや鉄、ニッケル等の純金属、もしくはそれら合金を用いることもできる。また、はんだと結合しずらいアルミ等を放熱部材として用いるときは、はんだと金属間化合物を形成するめっきを事前に施すことが好ましい。また、アルミ以外の金属の場合でも、はんだと金属間化合物を形成するめっきを事前に施すことができる。こうして、ＩＣ１と放熱部材８は、同一はんだの両面リフロープロセスにより接合すれば、製造が容易になる。なお、放熱部材８の自重により、両面はんだリフロープロセスが実施困難な場合は、予め、放熱部材８を熱硬化性の接着剤による仮固定を行い、その後はんだリフローしても良いし、銀ペーストのような熱伝導性の熱硬化性接着剤により接合しても良い。

放熱部材８は、１０．８×１０．８ｍｍの表面積の面が６面ある直方体形状であり、ＩＣ１のヒートシンク１ｂの放熱面積とほぼ同一である。

これ以上大きくしても、放熱性の大きな改善は望めなかったため、ヒートシンクの放熱面積を投影した面積程度に放熱部材８の大きさを設定すると、実装面積が低下することないので好ましい。

一方、プリント基板２を支持し、プリント基板２が搭載される金属ベース３には、放熱部材３の位置に対応して凹凸部３ｂが形成されている。凹凸部３ｂは、図２を参照すると理解されるように、四角形状の枠体となる凸部と、その内側の直方体形状の凹部とからなる。凹部の寸法は、凸形状の放熱部材８が挿入可能なものとなっている。放熱材７が塗布された金属ベース３の凹凸部３ｂの凹部に、凸形状の放熱部材８が挿入される。ここで、凹凸部３ｂの内部には電気絶縁性であるが、熱伝導性を有する放熱材７が充填されているため、放熱部材８と金属ベースとが熱的に接することになる。これにより、放熱部材８と金属ベース凹凸部３ｂの各面が対抗配置し、放熱材７を介して熱的に接触した構造となっている。

このとき、図２に示すように、放熱部材の各面と金属ベースの各面が対抗するように金属ベースの凹部の形状を形成すると、放熱面積を有効に利用することができる。本例では、放熱部材８は６面を有する直方体形状であり、一面が基板とはんだにより接合しており、残り５面が金属ベースの凹凸部３ｂの凹面と対抗している。放熱部材８と金属ベース３の凹凸部３ｂの各面の距離ｄ１〜ｄ５は、同一ではなくてよいが１ｍｍ以下にすることが好ましい。放熱材７はシリコーンにフィラーを含有したシリコーングリスを用いる。フィラー入りのシリコーングリスの熱伝導率は、２．３Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。放熱材７は、ゲル、接着剤などでもよい。なお、ＩＣ１の発熱量が小さい場合には、フィラーを内蔵してないシリコーングリスを用いることもできる。

金属ベース３は材料費が安く、かつ放熱性に優れるアルミダイカスト（ＡＤＣ１２）であり、アルミ合金を鋳造することにより凹凸部３ｂを形成する。機械加工無しの無垢のダイカストの状態では、通常０．３ｍｍ程度の寸法ばらつきがあるが、放熱部材８と金属ベース凹凸部３ｂの壁面の距離ｄをそれ以上設けることで、互いに物理的に接触しないため、基板２や放熱部材の接合面に余計な外力をかけることはない。本実施例では、ｄ１〜ｄ５はおおよそ０．３ｍｍ〜０．８ｍｍ程度であった。

放熱部材８は、金属ベース３に設けられた凹凸部３ｂの凹部に挿入するように、プリント基板２を金属ベース３に搭載する。なお、特に図示はしていないが、プリント基板２と金属ベース３は、ねじ等で複数個所固定し、基板をベースに拘束したほうが、外部の振動や熱応力に対して基板の反りや、変位を拘束できるのでよい。

このように作成した電子制御装置は、発熱素子であるＩＣ１から金属ベース３への熱伝導経路となる放熱面積が増えるため、発熱素子の放熱を容易に行え、放熱性に優れる。これは、以下に示す考え方に基づいている。

熱の伝わり方は、電気の伝わり方を電気抵抗で表すのと同様に、熱抵抗を用いて示され、熱抵抗を小さくすれば、熱の伝わりがよく、発熱量を小さくすることができる。熱抵抗Ｒ（Ｋ／Ｗ）は、一般的に次式（１）によって表される。

Ｒ＝１／λ×ｄ／Ｓ …（１）

ここで、λ：熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］、ｄ：厚さ［ｍ］、Ｓ：放熱面積［ｍ^２］である。

したがって、熱抵抗を低減するには、熱伝導率の高くするか、放熱物体の厚さを薄くするか、放熱面積をあげることが有効である。

本例では、放熱部材８の５面分を放熱面積を利用できるため、各面が同一面積であるとすると、理論上であるが１面からの放熱と比較し、５倍の放熱面積を有することになる。したがって、放熱面積Ｓが５倍になれば、放熱材の厚さｄは、５倍の厚さになっても理論上の放熱性が変わらないということである。

したがって、本実施形態により放熱材７の厚さｄが、厚くばらついても放熱性に優れるため、金属ベース３を機械加工することなく安価に放熱性に優れる電子制御装置を提供できる。

ここで、従来例の問題点について補足的に説明する。

例えば、特許文献１の図２に示す構造の放熱性は、基板（プリント基板３３）と金属ベース（カバー３７の突出部５９）の間に配置される放熱材（熱伝導材６１）の厚さｄと熱伝導率に大きく影響を受ける。すなわち、放熱材の厚さｄが厚くなれば、極端に放熱性が悪くなり、一方で、放熱材の厚さｄを薄くすると、基板と金属ベース（カバー３７の突出部５９）を突き当てる可能性があり、基板に応力をかけ、反りが発生してしまう恐れがあった。

したがって、基板と金属ベースをねじで固定する金属ベースの面と、放熱材を塗布する金属ベースの面は、精度の高い寸法精度が必要であった。

金属ベースを一般的なアルミダイカストで作成した場合は、ダイカスト後に精度の高い機械加工を金属ベースの各面におこなって、放熱材の厚さｄを一定の公差内で管理する必要があった。このとき、厚さｔは±０．１ｍｍ程度の公差のばらつき内にあることが放熱性の観点から好ましく、ダイカスト後の無加工状態では、±０．３程度の公差のばらつきがあった。このような精度の高い金属の機械加工は、アルミダイカストの材料費と比較し、格段コストアップとなっている。

それに対して、本実施形態では、放熱材７の厚さｄが、厚くばらついても放熱性に優れるため、金属ベース３を機械加工することなく安価に放熱性に優れる電子制御装置を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、放熱材の厚さがばらついても、放熱性に優れる電子制御装置を提供することが可能となるため、放熱材の厚さを管理するための高精度な金属ベースの機械加工をする必要がないため低コストである。

また、放熱材は高い熱伝導率をもった特別な放熱材ではなく、１Ｗ／ｍ・Ｋ 程度の放熱材でも、従来同等以上の放熱性を確保できるため、低コストになる。

したがって、安価な構成で放熱性に優れる車載用電子制御装置を容易に提供できる。

次に、図３及び図４を用いて、本発明の第２の実施形態による車載用電子制御装置の構成について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態による車載用電子制御装置の要部の構成を示す断面図である。図４は、本発明の第２の実施形態による車載用電子制御装置の構成を示す部分断面図である。なお、図３及び図４において、図１及び図２を同一符号は、同一部分を示している。

第１の実施形態との違いは、放熱部材８Ａは、凸形状であるが、図１のような直方体形状ではなく、球面形状となっている。また、放熱部材８Ａの球面形状の面８ａに対向する、金属ベース３Ａの凹凸面３ｂＡも、球面上の凹部に湾曲させ、対向配置している。

放熱部材８Ａの凸面８ａの球面形状は、その断面形状が、半円形状に限らず、これよりも突出した半長円形状や、半円形状よりも平べったい半短円形状でもよいものである。そして、放熱部材８Ａの凸面８ａに対向した金属ベース３Ａの凹凸面３ｂＡの凹部は、放熱部材８Ａの凸面８ａの球面形状に対応した形としている。そして、両者が対向したとき、両者の隙間は、ほぼ一定になる。そして、この隙間には放熱材７が充填される。このとき、放熱材の厚さｄは、おおよそ、０．５ｍｍ程度であった。これは、放熱面を球面上に湾曲させることで、平面の放熱面積の場合と比較し、放熱面積を増やしている。

その他の構成、製造方法は第１の実施形態と同様である。

このように作成した電子制御装置は、発熱素子から金属ベースへの熱伝導経路となる放熱面積が増えるため、発熱素子の放熱を容易に行え、放熱性に優れる。

したがって、本実施形態により放熱材の厚さが、厚くばらついても放熱性に優れるため、金属ベースの機械加工することなく安価に放熱性に優れる電子制御装置を提供できる。

次に、図５を用いて、本発明の第３の実施形態による車載用電子制御装置の構成について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態による車載用電子制御装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図５において、図１〜図４を同一符号は、同一部分を示している。

第１の実施形態との違いは、放熱部材８Ｂが６面の直方体ではなく凹凸形状により６面以上の複数の面があることである。すなわち、図１に示した放熱部材８は直方体形状であり、凸形状である。それに対して、本実施形態の放熱部材８Ｂは、図１に示した放熱部材８は直方体形状であるとともに、金属ベース３Ｂと対向する面の中央付近に凹部が形成されている。また、放熱部材８Ｂの各面と金属ベース３Ｂの凹凸部３ｂＢの各面が対抗するように金属ベースの凹部の形状を形成し、対向配置している。すなわち、金属ベース３Ｂの凹凸部３ｂＢも、放熱部材８Ｂの凹部に対向する位置に、凸部が形成されている。

かかる構成により、図１に示した例に比べて、放熱部材８Ｂと金属ベース３Ｂとが対向する対向面積が増え、放熱面積が増加するものである。

その結果、放熱材７は、一般的なシリコーン接着剤であり、熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋ程度と第１や第２の実施形態と比較して低いものを用いることができる。

このとき、放熱材の厚さｄの平均は、おおよそ０．５ｍｍ程度であった。

その他の構成、製造方法は第１の実施形態と同様である。

以上説明したように、本実施形態によれば、放熱材の厚さがばらついても、放熱性に優れる電子制御装置を提供することが可能となるため、放熱材の厚さを管理するための高精度な金属ベースの機械加工をする必要がないため低コストである。

したがって、本実施形態により放熱材の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋと低い、シリコーン接着剤を使用しても放熱性に優れるため、安価に放熱性に優れる車載用電子制御装置を提供できる。

なお、以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。例えば、本発明の電子制御装置は、例えば、車載用ＥＣＵとして用いられるものであるが、その他、車載用電子制御用途であってもかまわない。また、本発明の車載用電子制御装置は、要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更して実施することができる。例えば、ＩＣ１はＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプのＩＣでも、樹脂でパッケージングしないベアチップでもよいし、複数のＩＣや電子部品が実装されていてもよい。

１…発熱体ＩＣ
２…プリント基板
３，３Ａ，３Ｂ…金属ベース
４…ねじ
５…はんだ
６…貫通ビア
７…放熱材
８，８Ａ，８Ｂ…放熱部材

Claims (10)

1. 貫通ビアの設けられた配線基板と、
   該配線基板を支持する金属ベースと、
   前記配線基板の一方の面であり、前記金属ベースに対向する面とは反対の面であり、前記貫通ビアの設けられた位置に搭載される発熱素子と、
   前記配線基板の他方の面であり、前記貫通ビアの設けられた位置に搭載されるとともに、前記金属ベースの方に向かって凸形状を有し、前記金属ベースに設けられた凹凸部の凹部に挿入され、対向する放熱部材と、
   前記放熱部材の凸部と前記金属ベースの凹部との対向面の間に充填され、両者を熱的に接触させる放熱材とを備えることを特徴とする車載用電子制御装置。
2. 請求項１記載の車載用電子制御装置において、
   前記放熱部材は、直方体形状を有し、
   前記金属ベースの凹部は、その断面形状が直方体形状であることを特徴とする車載用電子制御装置。
3. 請求項２記載の車載用電子制御装置において、
   前記放熱部材は、前記金属ベースの凹部と対向する面に設けられた凹部を備え、
   前記金属ベースの凹部は、前記放熱部材の凹部に対向する位置に設けられた凸部を備え、
   前記放熱部材の凹部に、前記金属ベースの凸部が挿入され、対向することを特徴とする車載用電子制御装置。
4. 請求項１記載の車載用電子制御装置において、
   前記放熱部材は、半球状を有し、
   前記金属ベースの凹部は、半球状であることを特徴とする車載用電子制御装置。
5. 請求項１記載の車載用電子制御装置において、
   前記金属ベースは、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を鋳造して作製したアルミダイカストであることを特徴とする記載の車載用電子制御装置。
6. 請求項１記載の車載用電子制御装置において、
   前記放熱部材は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、もしくは、それら合金であることを特徴とする車載用電子制御装置。
7. 請求項６に記載の車載用電子制御装置において、
   前記放熱部材は、はんだと金属間結合を形成するめっきが施されていることを特徴とする車載用電子制御装置。
8. 請求項１記載の車載用電子制御装置において、
   前記放熱材は、シリコーンにフィラーを含有した、接着剤、グリス、ゲルのいずれかであることを特徴とする車載用電子制御装置。
9. 請求項１記載の車載用電子制御装置において、
   前記放熱部材は、はんだリフローにより基板と接続されていることを特徴とする電子制御装置。
10. 請求項９記載の車載用電子制御装置において、
    前記貫通ビア部の少なくとも一部には、前記はんだリフロー時のはんだが充填されていることを特徴とする車載用電子制御装置。

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