JP2019102738A - 電子部品の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱シートに生じる応力を抑制しつつ、放熱性を向上させることのできる電子部品の放熱構造を提供する。【解決手段】ＰＬＣ１０は、互いに高さの異なる電子部品２１（２３），２２を含む複数の電子部品２１，２２，２３が所定面２０ａに実装された基板２０と、各電子部品に対向する平面状の頂面３１ａ，３２ａ，３３ａを有し且つ対向する各電子部品２１，２２，２３の高さが低いほど大きく突出した各突出部３１，３２，３３を備える筐体３０と、各電子部品と各突出部との間に挟み込まれ、各電子部品に当接し、基板における各電子部品の間部分２０ｃ，２０ｄに対して隙間を形成し、各突出部及び筐体における各突出部の間部分に当接した伝熱シート４０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、基板に実装された電子部品の熱を筐体へ放出させる放熱構造に関する。

従来、電子部品を実装した基板を収納するケースの平面部において電子部品間に溝を形成し、電子部品と平面部との間に伝熱シートを挟み込んだ放熱構造がある（特許文献１参照）。特許文献１に記載の放熱構造では、伝熱シートの一部を、ケースに接触させずに溝の内側の空間に入り込む緩み形状部としている。そして、この緩み形状部により伝熱シートに加わる応力を吸収して、電子部品が伝熱シートから受ける反力を小さくしている。

特許第５６４０６１６号公報

ところで、特許文献１に記載の放熱構造では、ケースに接触させずに溝の内側の空間に入り込む緩み形状部を伝熱シートに形成しているため、電子部品が伝熱シートから受ける反力は小さくなるものの、放熱性が低下することとなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、伝熱シートに生じる応力を抑制しつつ、放熱性を向上させることのできる電子部品の放熱構造を提供することを主たる目的とする。

上記課題を解決するための第１の手段は、電子部品の放熱構造であって、
互いに高さの異なる電子部品を含む複数の電子部品が所定面に実装された基板と、
各電子部品に対向する平面状の頂面を有し且つ対向する前記各電子部品の高さが低いほど大きく突出した各突出部を備える筐体と、
前記各電子部品と前記各突出部との間に挟み込まれ、前記各電子部品に当接し、前記基板における前記各電子部品の間部分に対して隙間を形成し、前記各突出部及び前記筐体における前記各突出部の間部分に当接した伝熱シートと、
を備える。

上記構成によれば、基板の所定面には、互いに高さの異なる電子部品を含む複数の電子部品が実装されている。筐体は、各突出部を備えている。各突出部は、各電子部品に対向する平面状の頂面を有し、且つ対向する各電子部品の高さが低いほど大きく突出している。このため、高さの低い電子部品であっても、対向する突出部までの距離が長くなることを抑制することができる。そして、各電子部品と各突出部との間に、伝熱シートが挟み込まれている。伝熱シートは各電子部品に当接しているため、各電子部品から伝熱シートに熱が伝達され、伝熱シートから各突出部へと効率的に熱を伝達することができる。

ここで、伝熱シートは、基板における各電子部品の間部分に対して隙間を形成している。このため、伝熱シートにおいて各電子部品により押されて寄せられた部分を、各電子部品の間の空間に逃がすことができる。したがって、伝熱シートに生じる応力を抑制することができる。また、伝熱シートは、各突出部、及び筐体における各突出部の間部分に当接している。このため、伝熱シートから、各突出部だけでなく筐体における各突出部の間部分へも効率的に熱を伝達することができる。したがって、伝熱シートから筐体への熱伝達効率を向上させることができ、放熱性を向上させることができる。

第２の手段では、前記複数の電子部品は、第１電子部品と、前記第１電子部品の高さよりも高さの高い第２電子部品とを含み、前記所定面に平行な方向において、前記第１電子部品に対向する前記突出部である第１突出部の頂面と前記第２電子部品との距離は、前記第２電子部品に対向する前記突出部である第２突出部の頂面と前記第１電子部品との距離よりも短い。

上記構成によれば、複数の電子部品は、第１電子部品と第２電子部品とを含んでいる。第２電子部品の高さは、第１電子部品の高さよりも高くなっている。このため、第１電子部品に対向する突出部である第１突出部は、第２電子部品に対向する突出部である第２突出部よりも大きく突出している。そして、基板の所定面に平行な方向において、第１突出部の頂面と第２電子部品との距離は、第２突出部の頂面と第１電子部品との距離よりも短くなっている。このため、第１電子部品と第２電子部品との間において、より大きく突出した第１突出部の占める割合を、第２突出部の占める割合よりも大きくすることができる。したがって、伝熱シートから筐体への熱伝達効率をさらに向上させることができる。

第３の手段では、前記筐体には、前記第１突出部の前記頂面と前記第２突出部の前記頂面との間に、前記第２電子部品に対する最短距離が、前記第２電子部品と前記第２突出部の前記頂面との最短距離よりも短い斜面が形成されている。

上記構成によれば、筐体には、第１突出部の頂面と第２突出部の頂面との間に、斜面が形成されている。第２電子部品と斜面との最短距離が、第２電子部品と第２突出部の頂面との最短距離よりも短くされている。このため、第２電子部品から伝熱シートを介して斜面へ効率的に熱を伝達することができ、放熱性をさらに向上させることができる。

第４の手段では、前記伝熱シートは、前記各電子部品と前記各突出部との間に挟み込まれる前の状態において、均一の厚みに形成されている。このため、厚みが均一の一般的な伝熱シートを用いた放熱構造において、伝熱シートに生じる応力を抑制しつつ、放熱性を向上させることができる。

第５の手段では、対向する前記各電子部品と前記各突出部の頂面との距離は、互いに等しくなっている。このため、複数の電子部品において、放熱性の低い電子部品が生じることを抑制することができる。

第１実施形態の放熱構造の断面図。 第１比較例の放熱構造の断面図。 第２比較例の放熱構造の断面図。 第２実施形態の放熱構造の断面図。 第３実施形態の放熱構造の断面図。 第４実施形態の放熱構造の断面図。

（第１実施形態）
以下、ＰＬＣ（programmable logic controller）に具現化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態のＰＬＣは、例えば工場等において複数のロボットを有するロボットシステムを制御する制御装置として用いられる。

図１に示すように、ＰＬＣ１０は、基板２０、筐体３０、伝熱シート４０等を備えている。なお、基板２０、筐体３０、及び伝熱シート４０により、電子部品２１，２２，２３の放熱構造が形成されている。

基板２０は、硝子エポキシ等の絶縁材料により、板状に形成されている。基板２０の第１面２０ａ及び第２面２０ｂには、銅箔により配線パターン（図示略）が形成されている。第１面２０ａ（所定面）には、電子部品２１，２２，２３が実装されている。具体的には、第１面２０ａの配線パターンに、電子部品２１，２２，２３が半田付けにより接合されている。電子部品２１，２２，２３は、ＣＰＵを構成するＩＣや、ＦＥＴ等、動作時に発熱する部品である。電子部品２１の高さｈ１は、電子部品２２の高さｈ２よりも低く、電子部品２３の高さｈ３と等しくなっている。すなわち、電子部品２１，２２，２３には、互いに高さｈ１（ｈ３），ｈ２の異なる電子部品２１（２３），２２が含まれている。なお、基板２０には、電子部品２１，２２，２３以外にも、他の電子部品や、抵抗、コンデンサ、スイッチ等の素子が実装されている。電子部品や素子が、基板２０の第２面２０ｂにも実装されていてもよい。

筐体３０は、金属等、熱伝導性の高い材料により、中空の直方体状（箱型）に形成されている。筐体３０の底部３０ａには、突出部３１，３２，３３が形成されている。突出部３１，３２，３３は、それぞれ平面状の頂面３１ａ，３２ａ，３３ａを有している。頂面３１ａ，３２ａ，３３ａは平面に形成されている。頂面３１ａ，３２ａ，３３ａは、それぞれ電子部品２１，２２，２３に対向している。すなわち、突出部３１，３２，３３は、筐体３０において、基板２０に実装された電子部品２１，２２，２３の位置に対応する位置に形成されている。頂面３１ａ，３２ａ，３３ａの形状は、対向する電子部品２１，２２，２３の形状に対応して形成されている。頂面３１ａ，３２ａ，３３ａの面積は、電子部品２１，２２，２３の対向部の面積よりも大きくなっている。突出部３１の突出量ｔ１は、突出部３２の突出量ｔ２よりも大きく、突出部３３の突出量ｔ３と等しくなっている。すなわち、突出部３１，３２，３３は、それぞれ対向する電子部品２１，２２，２３の高さｈ１，ｈ２，ｈ３が低いほど大きく突出している。

電子部品２１と突出部３１の頂面３１ａとの距離ｘ１と、電子部品２２と突出部３２の頂面３２ａとの距離ｘ２と、電子部品２３と突出部３３の頂面３３ａとの距離ｘ３とは、等しくなっている（ｘ１＝ｘ２＝ｘ３）。すなわち、それぞれ対向する電子部品２１，２２，２３と突出部３１，３２，３３の頂面３１ａ，３２ａ，３３ａとの距離ｘ１，ｘ２，ｘ３は、互いに等しくなっている。

伝熱シート４０は、シリコンゴム等、熱伝導性が高く、弾力性がある材料により、シート状に形成されている。伝熱シート４０の熱伝導率は、筐体３０の熱伝導率よりも小さい。伝熱シート４０は、電子部品２１，２２，２３と突出部３１，３２，３３との間に挟み込まれる前の状態において、均一の厚みに形成されている。伝熱シート４０は、電子部品２１，２２，２３と突出部３１，３２，３３との間に挟み込まれている。そして、電子部品２１，２２，２３及び突出部３１，３２，３３により伝熱シート４０が所定量圧縮された状態で、基板２０が筐体３０に固定されている。

ここで、伝熱シート４０は、電子部品２１，２２，２３に当接している。そして、伝熱シート４０は、基板２０における電子部品２１，２２，２３の間部分２０ｃ，２０ｄに対して、隙間を形成している。一方、伝熱シート４０は、突出部３１，３２，３３、及び筐体３０における突出部３１，３２，３３の間部分（図１では表示されていない）に当接している。図１の断面に限らず、基板２０に垂直な他の断面においても、同様の放熱構造が形成されている。

図２は、第１比較例の放熱構造の断面図である。なお、上記第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

同図に示すように、筐体１３０の底部１３０ａに上記突出部３１，３２，３３が形成されていない場合は、電子部品２１，２２，２３の高さｈ１，ｈ２，ｈ３に応じて、伝熱シート１４１，１４２，１４３の厚みを変更する必要がある。このため、複数種類の伝熱シート１４１，１４２，１４３を用意する必要があり、部材の種類と数が増えるとともに、組み立て作業が繁雑となる。

図３は、第２比較例の放熱構造の断面図である。なお、上記第１実施形態及び第１比較例と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

同図に示すように、筐体１３０の底部１３０ａに上記突出部３１，３２，３３が形成されていない場合に、電子部品２１，２２，２３の高さｈ１，ｈ２，ｈ３の差を伝熱シート２４０により吸収することもできる。伝熱シート２４０は、電子部品２１，２２，２３と突出部３１，３２，３３との間に挟み込まれる前の状態において、均一の厚みに形成されている。伝熱シート２４０の厚みは、第１実施形態の伝熱シート４０の厚みよりも大きくなっている。この場合、伝熱シート２４０において、電子部品２１，２３と底部１３０ａとの間部分が厚くなる。このため、電子部品２１，２３から底部１３０ａへの熱伝導性が低下し、放熱性が低下することとなる。

これに対して、上記第１実施形態は、以下の利点を有する。

・突出部３１，３２，３３は、それぞれ電子部品２１，２２，２３に対向する平面状の頂面３１ａ，３２ａ，３３ａを有し、且つ対向する電子部品２１，２２，２３の高さｈ１，ｈ２，ｈ３が低いほど大きく突出している。このため、高さｈ１，ｈ３の低い電子部品２１，２３であっても、それぞれ対向する突出部３１，３３までの距離ｘ１，ｘ３が長くなることを抑制することができる。そして、電子部品２１，２２，２３と突出部３１，３２，３３との間に、伝熱シート４０が挟み込まれている。伝熱シート４０は電子部品２１，２２，２３に当接しているため、電子部品２１，２２，２３から伝熱シート４０に熱が伝導（伝達）され、伝熱シート４０から突出部３１，３２，３３へと効率的に熱を伝達することができる。そして、筐体３０から外部へ熱が放出される。

・伝熱シート４０は、基板２０における電子部品２１，２２，２３の間部分２０ｃ，２０ｄに対して隙間を形成している。このため、伝熱シート４０において電子部品２１，２２，２３により押されて寄せられた部分を、電子部品２１，２２，２３の間の空間に逃がすことができる。したがって、伝熱シート４０に生じる応力を抑制することができる。

・伝熱シート４０は、突出部３１，３２，３３、及び筐体３０における突出部３１，３２，３３の間部分に当接している。このため、伝熱シート４０から、突出部３１，３２，３３だけでなく筐体３０における突出部３１，３２，３３の間部分へも効率的に熱を伝達することができる。したがって、伝熱シート４０から筐体３０への熱伝導効率（熱伝達効率）を向上させることができ、放熱性を向上させることができる。

・伝熱シート４０は、電子部品２１，２２，２３と突出部３１，３２，３３との間に挟み込まれる前の状態において、均一の厚みに形成されている。このため、厚みが均一の一般的な伝熱シート４０を用いた放熱構造において、伝熱シート４０に生じる応力を抑制しつつ、放熱性を向上させることができる。さらに、１枚の伝熱シート４０により、放熱構造を形成することができる。

・対向する電子部品２１，２２，２３と突出部３１，３２，３３の頂面３１ａ，３２ａ，３３ａとの距離ｘ１，ｘ２，ｘ３は、互いに等しくなっている。このため、複数の電子部品２１，２２，２３において、放熱性の低い電子部品が生じることを抑制することができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図４に示すように、基板２０の第１面２０ａ（所定面）に平行な方向において、電子部品２１（第１電子部品）に対向する突出部３１（第１突出部）の頂面３１ａと電子部品２２（第２電子部品）との距離ｙ１は、電子部品２２に対向する突出部３２（第２突出部）の頂面３２ａと電子部品２１との距離ｙ２よりも短くなっている。なお、電子部品２２，２３と突出部３２，３３との関係も同様である。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上記構成によれば、第１実施形態と同様の利点の他に、以下の利点を有する。複数の電子部品２１，２２，２３は、電子部品２１と電子部品２２とを含んでいる。電子部品２２の高さｈ２は、電子部品２１の高さｈ１よりも高くなっている。このため、電子部品２１に対向する突出部３１は、電子部品２２に対向する突出部３２よりも大きく突出している。そして、第１面２０ａに平行な方向において、突出部３１の頂面３１ａと電子部品２２との距離ｙ１は、突出部３２の頂面３２ａと電子部品２１との距離ｙ２よりも短くなっている。このため、電子部品２１と電子部品２２との間において、より大きく突出した突出部３１の占める割合を、突出部３２の占める割合よりも大きくすることができる。したがって、伝熱シート４０から筐体３０への熱伝達効率をさらに向上させることができる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について、上記第１，第２実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第１，第２実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図５に示すように、基板２０の第１面２０ａ（所定面）に平行な方向において、電子部品２１（第１電子部品）に対向する突出部３１（第１突出部）の頂面３１ａと電子部品２２（第２電子部品）との距離ｙ１は、電子部品２２に対向する突出部３２（第２突出部）の頂面３２ａと電子部品２１との距離ｙ２よりも短くなっている。なお、電子部品２２，２３と突出部３２，３３との関係も同様である。

さらに、筐体３０には、突出部３１の頂面３１ａと突出部３２の頂面３２ａとの間に、電子部品２２に対する最短距離ｚ１が、電子部品２２と突出部３２の頂面３２ａとの最短距離ｚ２よりも短い斜面３５が形成されている（ｚ１＜ｚ２）。斜面３５（筐体３０における突出部３１，３２の間部分）は、頂面３１ａと頂面３２ａとを接続している。

上記構成によれば、第２実施形態と同様の利点の他に、以下の利点を有する。筐体３０には、突出部３１の頂面３１ａと突出部３２の頂面３２ａとの間に、斜面３５が形成されている。電子部品２２と斜面３５との最短距離ｚ１が、電子部品２２と突出部３２の頂面３２ａとの最短距離ｚ２よりも短くされている。このため、電子部品２２から伝熱シート４０を介して斜面３５へ効率的に熱を伝達することができ、放熱性をさらに向上させることができる。

なお、第２，第３実施形態に対して、第１面２０ａに平行な方向において、突出部３１の頂面３１ａと電子部品２２との距離ｙ１と、突出部３２の頂面３２ａと電子部品２１との距離ｙ２とを、等しくすることもできる。

（第４実施形態）
以下、第４実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態でも、突出部３１の突出量ｔ４は、突出部３２の突出量ｔ５よりも大きく、突出部３３の突出量ｔ６と等しくなっている。すなわち、突出部３１，３２，３３は、それぞれ対向する電子部品２１，２２，２３の高さが低いほど大きく突出している。

しかしながら、電子部品２１と突出部３１の頂面３１ａとの距離ｘ４は、電子部品２２と突出部３２の頂面３２ａとの距離ｘ５よりも短く、電子部品２３と突出部３３の頂面３３ａとの距離ｘ６と等しくなっている（ｘ４＝ｘ６＜ｘ５）。

また、伝熱シート４０Ａは、電子部品２１，２２，２３と突出部３１，３２，３３との間に挟み込まれる前の状態において、均一の厚みに形成されていない。詳しくは、突出部３１の頂面３１ａに当接する部分の厚みは、突出部３２の頂面３２ａに当接する部分の厚みよりも小さく、突出部３３の頂面３３ａに当接する部分の厚みと等しくなっている。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上記構成によれば、筐体３０の底部３０ａと電子部品２２との距離よりも、筐体３０の底部３０ａと電子部品２１，２３との距離が長い構成において、電子部品２１，２３の放熱性を向上させることができる。また、伝熱シート４０Ａにおいて、突出部３１，３３の頂面３１ａ，３３ａに当接する部分の厚みは、突出部３２の頂面３２ａに当接する部分の厚みよりも小さくなっている。このため、電子部品２１，２３及び頂面３１ａ，３３ａにより、伝熱シート４０Ａが過度に圧縮されることを抑制することができる。その他は、第１実施形態に準じた利点を有する。

なお、上記各実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記各実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・伝熱シート４０，４０Ａの材料として、シリコンゴムに限らず、熱伝導性の高いアクリルゴム等を用いることもできる。

・突出部３１，３２，３３の頂面３１ａ，３２ａ，３３ａの形状は、電子部品２１，２２，２３の対向部に対応した形状に限らず、任意に変更することができる。ただし、電子部品２１，２２，２３における頂面３１ａ，３２ａ，３３ａ側の面全体が、それぞれ頂面３１ａ，３２ａ，３３ａに対向していることが望ましい。

・基板２０の第２面２０ｂ（所定面）にも電子部品２１，２２，２３等が実装されている場合は、第２面２０ｂ側にも上記各実施形態と同様の放熱構造を形成してもよい。

・ＰＬＣ１０の基板２０及び筐体３０に限らず、その他のＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の基板及び筐体に、上記各実施形態の電子部品の放熱構造を適用することもできる。

２０…基板、２０ａ…第１面、２０ｃ…間部分、２０ｄ…間部分、２１…電子部品、２２…電子部品、２３…電子部品、３０…筐体、３０ａ…底部、３１…突出部、３１ａ…頂面、３２…突出部、３２ａ…頂面、３３…突出部、３３ａ…頂面、３５…斜面、４０…伝熱シート、４０Ａ…伝熱シート。

Claims (5)

1. 互いに高さの異なる電子部品を含む複数の電子部品が所定面に実装された基板と、
   各電子部品に対向する平面状の頂面を有し且つ対向する前記各電子部品の高さが低いほど大きく突出した各突出部を備える筐体と、
   前記各電子部品と前記各突出部との間に挟み込まれ、前記各電子部品に当接し、前記基板における前記各電子部品の間部分に対して隙間を形成し、前記各突出部及び前記筐体における前記各突出部の間部分に当接した伝熱シートと、
   を備える電子部品の放熱構造。
2. 前記複数の電子部品は、第１電子部品と、前記第１電子部品の高さよりも高さの高い第２電子部品とを含み、
   前記所定面に平行な方向において、前記第１電子部品に対向する前記突出部である第１突出部の頂面と前記第２電子部品との距離は、前記第２電子部品に対向する前記突出部である第２突出部の頂面と前記第１電子部品との距離よりも短い、請求項１に記載の電子部品の放熱構造。
3. 前記筐体には、前記第１突出部の前記頂面と前記第２突出部の前記頂面との間に、前記第２電子部品に対する最短距離が、前記第２電子部品と前記第２突出部の前記頂面との最短距離よりも短い斜面が形成されている、請求項２に記載の電子部品の放熱構造。
4. 前記伝熱シートは、前記各電子部品と前記各突出部との間に挟み込まれる前の状態において、均一の厚みに形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子部品の放熱構造。
5. 対向する前記各電子部品と前記各突出部の頂面との距離は、互いに等しくなっている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子部品の放熱構造。

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