JP2022082834A - 電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型化を図りつつ、その性能を最大限に引き出すことが可能な電子装置を提供することを目的とする。【解決手段】電子装置１、１１、２１は、基板２と、該基板の一方の面２Ａに搭載される発熱部品３と、基板２の他方の面２Ｂに重なって設けられて、発熱部品の熱を伝達する熱伝導部材４、１４、２４と、該熱伝導部材の基板２から離れた側に設けられ、熱伝導部材により伝達された熱を放出する放熱部材５、１５と、を備え、熱伝導部材は、基板と放熱部材との間に挟まれる板状の熱伝導部本体４１と、該熱伝導部本体から立設して、基板２と放熱部材のうち何れか一方の四方を囲うベースプレート枠状部４２と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、電子装置に関する。

従来、半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、パワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板に接合されるヒートシンクと、を備えている。パワーモジュール用基板においては、エッチング等により所定の回路パターン状に成形された回路層の上に電子部品がはんだ材等によって接合されている。以下では、パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及びパワーモジュール用基板に搭載される電子部品を総称して、パワーモジュールと記す場合がある。

特開２０１４－１４３３５１号公報

しかしながら従来のパワーモジュールは、駆動中に高温になる場合がある。高温になると熱負荷がかかり、パワーモジュールの動作が悪化する虞がある。この問題を解決するためパワーモジュールの放熱性能を向上させて自然空冷することが考えられる。しかし、放熱性能を向上させるためにヒートシンクを大きくすると、パワーモジュールが大型化する。他方、ヒートシンクを小さくすると、所望の自然空冷効果を得ることができず、パワーモジュールの性能を最大限に引き出すことができない。即ち、小型化を図りつつ、その性能を最大限に引き出すことが求められていた。

本発明は、小型化を図りつつ、その性能を最大限に引き出すことが可能な電子装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、基板と、該基板の一方の面に搭載される発熱部品と、基板の他方の面に重なって設けられて、発熱部品の熱を伝達する熱伝導部材と、該熱伝導部材の基板から離れた側に設けられ、熱伝導部材により伝達された熱を放出する放熱部材と、を備え、熱伝導部材は、基板と放熱部材との間に挟まれる板状の熱伝導部本体と、該熱伝導部本体から立設して、前記基板と前記放熱部材のうち何れか一方の四方を囲う第１枠状部と、を備えていることを特徴とする電子装置である。

本発明の電子装置により、小型化を図りつつ、発熱部品の性能を最大限に引き出すことができる。

本発明の第１実施形態に係る電子装置を示す図（Ａ）平面図（Ｂ）（Ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図（Ｃ）（Ａ）の底面図 比較例としての電子装置を示す図（Ａ）平面図（Ｂ）（Ａ）のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図（Ｃ）（Ａ）の底面図 熱抵抗と包絡体積の関係を示すグラフ 本発明品としての第１実施形態に係る電子装置の効果を示すグラフ 本発明の第１実施形態の変形例に係る電子装置を示す図（Ａ）平面図（Ｂ）（Ａ）のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図（Ｃ）（Ａ）の底面図 本発明の第２実施形態に係る電子装置を示す図（Ａ）平面図（Ｂ）（Ａ）の側面図（Ｃ）（Ａ）の底面図 本発明品としての第２実施形態に係る電子装置の効果を示すグラフ

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１～４に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る電子装置を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図であり、（Ｃ）は底面図である。図２は、比較例を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図であり、（Ｃ）は底面図である。図３は、熱抵抗と包絡体積の関係を示すグラフである。図４は、本発明品としての第１実施形態に係る電子装置１の効果を示すグラフである。

本実施形態に係る電子装置１は、図１に示すように、長方形板状の基板２と、該基板２の上面２Ａ（一方の面）に搭載されるデバイスチップ３（電子部品）と、基板２の下面２Ｂ（他方の面）に重なって設けられるベースプレート４（熱伝導部材）と、ヒートシンク５（放熱部材）と、を備える。なお、図面において、矢印Ｘ、矢印Ｙ、矢印Ｚは、互いに直交する方向であり、本実施形態では、基板２の面延在方向を矢印ＸＹで示し、矢印Ｙを「前後方向」と記し、矢印Ｘを「左右方向」と記す場合がある。また、基板２の板厚方向を矢印Ｚで示し、「上下方向」と記す場合がある。

基板２は、セラミック基板であり、このセラミック基板には、銅などの導電性部材から成る所望の回路パターンが形成されている。この基板２には、図１(Ａ) (Ｂ)に示すように、一対のデバイスチップ３が搭載されている。一対のデバイスチップ３は、左右方向Ｘに離間して設けられ、基板２の上面２Ａの中央部において、基板２の周縁から離間した位置に設けられている。

デバイスチップ３は、不図示の機器間の接続をオンオフの切り替えにより導通又は遮断させる半導体素子であって、電気エネルギーの制御や供給に用いられるものである。このデバイスチップ３は、電流が流れると、オン抵抗に応じた熱を発生する。

ベースプレート４は、例えば、線膨張係数の小さい銅モリステンや銅モリブデン等の金属から構成されている。このベースプレート４は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、長方形板状のベースプレート本体４１(熱伝導部本体）と、該ベースプレート本体４１の周縁に立設されるベースプレート枠状部４２（第１枠状部）と、を備えて構成されている。本実施形態では、ベースプレート本体４１の厚みＴ（図１（Ａ）に示す）は５ｍｍに形成されている。

ベースプレート枠状部４２は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、４つの側壁４３、４４、４５、４６を有して構成されている。４つの側壁４３、４４、４５、４６のうち、側壁４３、４４は、左右方向Ｘに対向して設けられ、側壁４５、４６は、前後方向Ｙに対向して設けられている。このベースプレート枠状部４２を構成する側壁４３、４４、４５、４６と、基板２の４つの側面２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆは、僅かに離間するとともに対向して設けられている。即ち、図１（Ｂ）に示すように、基板２の下面２Ｂ、および該下面２Ｂに連続する４つの側面２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆは、ベースプレート４により覆われている。

各側壁４３、４４、４５、４６は、図１（Ｂ）に示すように、同じ高さ寸法となるように形成されていて、各側壁４３、４４、４５、４６の上端部４ａは、デバイスチップ３の上面３Ａより高い位置にあるように設けられている。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、各側壁４３、４４、４５、４６の上端部４ａは、基板２の上面２Ａより低い位置にあるように形成されていてもよい。少なくとも、ベースプレート枠状部４２により基板２の高さ方向Ｚの一部が囲われていればよい。

ヒートシンク５は、例えば、熱抵抗が小さい金属材料（例えば、アルミニウム合金）を用いて構成され、アルマイト処理をして放射熱が上げられて構成されている。このヒートシンク５は、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ベースプレート４の下面４Ｂに重なって設けられる矩形板状のヒートシンク本体５０と、該ヒートシンク本体５０から下方に板状に突出して設けられた複数のフィン部５１と、を有して構成されている。ヒートシンク５におけるヒートシンク本体５０の上面５Ａ（図１（Ｂ）に示す）は、ベースプレート４の下面４Ｂと略同一形状を有して構成され、ヒートシンク５は、ベースプレート４の下面４Ｂに重なって設けられている。複数のフィン部５１は、ヒートシンク５の表面積が大きくなるように形成されている。さらに、放熱効果を高めるためにファンを取り付けてもよい。

上述した実施形態によれば、基板２の四方が、ベースプレート４（熱伝導部材）のベースプレート枠状部４２（第１枠状部）により覆われていることにより、デバイスチップ３から生じた熱が基板２を介してベースプレート４に伝達される。また、ベースプレート４がベースプレート枠状部４２を有していることにより、ベースプレート４の表面積を大きくできる。したがって、ベースプレート４の温度が均一化されるとともに、温度が下がり、放熱性能が向上してベースプレート４の自然空冷の効果の向上が図られる。これにより、熱抵抗値が下がって、デバイスチップ３(発熱部品)の性能を最大限に引き出すことができる。

次に、本発明の発明者は、本発明品の電子装置１と、ベースプレート４にベースプレート枠状部４２を設けない比較例としての電子装置１０１（図２に示す）を作成し、図３の関係式を用いて、それぞれの体積を算出して、比較した。結果を図４に示す。

図２に示すように、比較例としての電子装置１０１は、長方形板状の基板２と、該基板２の上面２Ａに搭載されるデバイスチップ３と、基板２の下面２Ｂに設けられる板状のベースプレート１０４と、ヒートシンク５と、を備える。比較例としての電子装置１０１と本発明品としての電子装置１は、ベースプレート４の形状が異なる。電子装置１０１のベースプレート１０４はベースプレート枠状部４２を有さない。なお、図２に示された比較例としての電子装置１０１おいて、本発明品としての電子装置１と同一構造乃至同一機能を有する部位には、同一符号を付して説明を省略する。

ここで、シミュレーション結果により、ベースプレート枠状部４２を有さない比較例のジャンクション温度（Ｔｊ、図２（Ｂ）に示す）は２４７℃、ヒートシンクの下面温度（Ｔｃ２、図２（Ｂ）に示す）は２２４℃であった。周囲温度（Ｔａ、図２（Ｂ）に示す）を２５℃で、デバイスチップ３の消費電力を１００Ｗとした場合の比較例の体積を求める。即ち、比較例のθｊａ(ジャンクション温度（Ｔｊ）と周囲温度（Ｔａ）間の熱抵抗)、および、θｊｃ(ジャンクション温度（Ｔｊ）とヒートシンクの下面温度（Ｔｃ２）間の熱抵抗)から、比較例のθｃａ(ヒートシンク温度（Ｔｃ、図２（Ｂ）に示す）と周囲温度（Ｔａ）間の熱抵抗)を求める。比較例のθｃａを図３の関係式に代入することで、比較例の体積３３５ｃｃが導出される。

続いて、本発明品の体積を算出する。比較例に比して、本発明品の体積がどれだけ小さくなったかを確認するため、本発明品のθｊａに、比較例のθｃａを用いた時のθｊａを算出して、本発明品の体積を求める。シミュレーション結果により、ベースプレート枠状部４２を有する本発明品のジャンクション温度（Ｔｊ、図１（Ｂ）に示す）は２３６℃であった。本発明品のθｃａを図３の関係式に代入することで、本発明品の体積３０８ｃｃが導出される。

図４に示すように、比較例の体積３３５ｃｃに対して、本発明品の体積３０８ｃｃであることから、本発明品は、比較例に対して、自然空冷の効果の向上が図られて、小型化されることがわかった。

尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

即ち、前記実施形態において、基板２の下面２Ｂ、および該下面２Ｂに連続する４つの側面２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆがベースプレート４により覆われているが、図５に示すように、ヒートシンク５の４つの側面が、ベースプレート１４により覆われていてもよい。この場合、図５(Ｂ)に示すように、ベースプレート１４のベースプレート枠状部４２を構成する各側壁４３、４４、４５、４６の上端部５ａは、ヒートシンク５の下端部５ｂと略同じ高さとなるように設けられていてもよい。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、各側壁４３、４４、４５、４６の上端部４ａは、ヒートシンク５の下端部５ｂより高い位置にあるように形成されていてもよい。少なくともベースプレート枠状部４２によりヒートシンク５の高さ方向Ｚの一部が囲われていればよい。

上述した実施形態によれば、ヒートシンク５（放熱部材）の四方が、ベースプレート１４（熱伝導部材）のベースプレート枠状部４２により覆われていることによれば、ベースプレート１４の表面積を大きくできる。これにより、ベースプレート１４の温度が均一化されるとともに、温度が下がり、放熱性能が向上してベースプレート１４の自然空冷の効果の向上が図られる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態を図６、７に基づいて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る電子装置を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図であり、（Ｃ）は（Ａ）の底面図である。図７は、本発明品としての第２実施形態に係る電子装置の効果を示すグラフである。

本実施形態に係る電子装置２１は、図６に示すように、長方形板状の基板２と、該基板２の上面２Ａに搭載されるデバイスチップ３（電子部品）と、基板２の下面２Ｂに設けられるベースプレート２４（熱伝導部材）と、ヒートシンク１５（放熱部材）と、を備える。なお、第２実施形態に係る電子装置２１と第１実施形態に係る電子装置１は、熱伝導部材としてのベースプレート２４（４）と、放熱部材としてのヒートシンク１５（５）の構成が異なる。ベースプレート２４は、長方形板状に形成されている。

ヒートシンク１５は、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、ベースプレート２４の下面に重なって設けられる矩形板状のヒートシンク本体５０（放熱部本体）と、該ヒートシンク本体５０から下方に板状に突出して設けられた複数のフィン部５１と、該ヒートシンク本体５０の周縁に立設されるヒートシンク枠状部５２（第２枠状部）と、を備えて構成されている。即ち、図６（Ｂ）に示すように、基板２、デバイスチップ３及びベースプレート２４の四方は、ヒートシンク１５のヒートシンク枠状部５２により覆われている。

ヒートシンク枠状部５２は、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、４つの側壁５３、５５、５６を有して構成されている。４つの側壁５３、５４、５５、５６のうち、側壁５３、５４は、左右方向Ｘに対向して設けられ、側壁５５、５６は、前後方向Ｙに対向して設けられている。各側壁５３、５４、５５、５６は、図６（Ｂ）に示すように、同じ高さ寸法となるように形成されていて、各側壁５３、５４、５５、５６の上端部５ａは、デバイスチップ３の上面３Ａより高い位置にある。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、各側壁５３、５４、５５、５６の上端部５ａは、デバイスチップ３の上面３Ａより低い位置にあるように形成されていてもよい。少なくともヒートシンク枠状部５２によりベースプレート２４の高さ方向Ｚの一部が囲われていればよい。

図６（Ｂ）に示すように、各側壁５３、５４、５５、５６には、複数の通気孔１５０が形成されている。各通気孔１５０は、平面視が縦長の長方形状に形成されている。本実施形態では、側壁５３には、７個の通気孔１５０が、左右方向Ｘに並んで設けられているが、通気孔１５０は１以上形成されていればよい。

上述した実施形態によれば、基板２及びデバイスチップ３（発熱部品）、ベースプレート２４の四方が、ヒートシンク１５のヒートシンク枠状部５２（第２枠状部）により覆われていることにより、デバイスチップ３から生じた熱が基板２とベースプレート２４を介してヒートシンク１５に効率よく伝達され、放熱性能の向上を図ることができる。

また、ヒートシンク枠状部５２（第２枠状部）を構成する側壁５３、５４、５５、５６には、通気孔１５０が設けられていることにより、ヒートシンク１５の表面積を大きくできる。これにより、ヒートシンク１５（放熱部材）の温度が均一化されるとともに、温度が下がり、放熱性能が向上して、ヒートシンク１５の自然空冷の効果の向上が図られる。これによれば、小型化を図りつつ、デバイスチップ３の性能を最大限に引き出すことができる。また、ヒートシンク１５のヒートシンク枠状部５２を構成する各側壁５３、５４、５５、５６に通気孔１５０を設けない場合には、ヒートシンク枠状部５２の内側に熱がこもって温度が上がりやすいが、通気孔１５０を設けることで、温まった空気の逃げ道ができるため温度上昇の抑制が図られる。

次に、本発明の発明者は、本発明品の電子装置２１と、比較例としての電子装置１０１（図２に示す）、を作成し、図３の関係式を用いて、それぞれの体積を算出して、比較した。結果を図７に示す。

なお、第１実施形態と同様に比較例に比して、本発明品の体積がどれだけ小さくなったかを確認するため、本発明品のθｊａ（１．８４℃／Ｗ）に、比較例のθｃａを用いた時のθｊｃを算出して、本発明品の体積を求める。なお、第１実施形態における本発明品の体積の算出方法と異なり、比較例のθｊａおよび比較例の体積３３５ｃｃの比率から、比較例のθｊａを用いて本発明品の体積を算出してもよい。（比較例のθｊａ：比較例の体積＝本発明品のθｊａ：本発明品の体積）

図６に示すように、比較例の体積３３５ｃｃに対して、本発明品の体積２７８ｃｃであることから、本発明品は、比較例に対して、自然空冷の効果の向上が図られて、小型化されることがわかった。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１、１１、２１ 電子装置
２ 基板
２Ａ 基板の上面(一方の面)
２Ｂ 基板の上面(他方の面)
３ デバイスチップ(発熱部品)
４、１４、２４ ベースプレート(熱伝導部材）
４１ ベースプレート本体(熱伝導部本体）
４２ ベースプレート枠状部（第１枠状部）
５、１５ ヒートシンク(放熱部材)
５０ ヒートシンク本体（放熱部本体）
５２ ヒートシンク枠状部（第２枠状部）
５３ 側壁
５４ 側壁
５５ 側壁
５６ 側壁
１５０ 通気孔

Claims (3)

1. 基板と、
   該基板の一方の面に搭載される発熱部品と、
   前記基板の他方の面に重なって設けられて、前記発熱部品の熱を伝達する熱伝導部材と、
   該熱伝導部材の前記基板から離れた側に設けられ、前記熱伝導部材により伝達された熱を放出する放熱部材と、を備え、
   前記熱伝導部材は、前記基板と前記放熱部材との間に挟まれる板状の熱伝導部本体と、該熱伝導部本体から立設して、前記基板と前記放熱部材のうち何れか一方の四方を囲う第１枠状部と、を備えていることを特徴とする電子装置。
2. 基板と、
   該基板の一方の面に搭載される発熱部品と、
   前記基板の他方の面に重なって設けられて、前記発熱部品の熱を伝達する熱伝導部材と、
   該熱伝導部材の前記基板から離れた側に設けられ、前記熱伝導部材により伝達された熱を放出する放熱部材と、を備え、
   前記放熱部材は、板状の放熱部本体と、該放熱部本体から立設して、少なくとも前記熱伝導部材の四方を囲う第２枠状部と、を備えていることを特徴とする電子装置。
3. 前記第２枠状部を構成する側壁には、通気孔が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電子装置。

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