JP6307093B2 - 電子制御装置、電子制御装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電子部品が搭載された回路基板を有する車載用電子制御装置の実装構造に係り、特に、回路基板に搭載された電子部品の放熱構造に関するものである。
エンジンコントロールユニット(以下、ECUと称す）、自動変速制御装置(以下、ATCUと称す）を始めとする車載用電子制御装置は、取り付けハーネスの削減による軽量化や、より高精度な電子制御を行うため、搭載位置が車室内からエンジンルーム内、さらには、エンジン直付け、ミッション直付け搭載が求められている。エンジンやミッション直付けとなる搭載環境は、従来の車室内、エンジンルーム内と比較し、苛酷な搭載環境であり、特に、環境温度が高い。
したがって、エンジンやミッション直付け搭載となる電子制御装置は、電子制御装置の電子回路を形成する電子部品自体の発熱により、電子部品の耐熱温度を超える場合があり、発熱温度を抑えるための放熱構造が必要となる。
特に、半導体素子や、チップ抵抗、チップコンデンサ等の受動態素子を含めた電子部品の耐熱温度は、使用温度の上限が150℃であるのに対し、電解コンデンサは電解液を使った部品の構造上、使用温度の上限が125℃と低かった。また、電解コンデンサは他の半導体素子と比較し、発熱量が小さくこれまで放熱構造を必要としていなかったが、エンジン直付け、ミッション直付けの使用環境温度下で、耐熱温度の低い電解コンデンサを使用するためには、電解コンデンサも放熱構造が必要となっている。
放熱構造として、例えば、特許文献1に記載の発明では、半導体素子の下面と回路基板の導体パターンとに接触する状態で高熱伝導性の樹脂材を装填し、回路基板の導体パターンと接続されたスルーホールにも高熱伝導性の樹脂材を充填することで、半導体素子の熱を半導体素子の下面から回路基板に放熱させる構造が開示されている。
また、電解コンデンサの放熱構造として、例えば、特許文献2に記載の発明では、電解コンデンサを放熱接着材に埋め込み、電解コンデンサのボディ本体からの放熱させる構造が開示されている。
しかしながら、特許文献1に示す構造は以下の課題がある。
すなわち、発熱する素子の熱を素子の下面から放熱する構造は、電解コンデンサの場合素子の下面に封口ゴムがあり、封口ゴムの熱伝導性が悪いため、放熱性が悪い。
さらに、特許文献2に示す構造は、以下の課題がある。
電解コンデンサの金属キャップは、絶縁のため外周を絶縁塗装しており熱伝導性が悪いので、電解コンデンサボディからの放熱は十分な放熱効果が得られない。さらに、電解コンデンサの金属キャップの上部には防爆弁があり、金属キャップの上部を放熱接着剤等で塞ぐと、電解コンデンサ内部の内圧を調整することができず、気化した電解液等のガスにより部品内部の内圧が上昇し、最悪の場合、部品が破裂、破損してしまう恐れがある。
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、放熱性に優れる電子部品の実装構造を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明者らが種々検討した結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、少なくとも1つの貫通孔が設けられた配線基板と、前記配線基板の第1面に搭載され、前記配線基板と電気的に接続されるリード端子が一方向に突出した電子部品と、前記配線基板の第1面と対抗する第2面に搭載され、前記電子部品と前記貫通孔に対して対抗する状態で取り付けられる放熱部材とからなる電子制御装置であって、前記電子部品の前記リード端子を覆う接着材と、前記貫通孔内部を充填する高熱伝導性の充填材とを具備し、前記接着材は前記充填材とは接触しており、さらに、前記放熱部材へ熱的に接触させることで、前記リード端子から前記放熱部材へ放熱経路を設けた電子制御装置の実装構造とする。
以上述べたように、本発明によれば、部品自体に放熱構造を持たない電子部品の放熱性を向上させ、かつ、量産性に優れる電子制御装置の実装構造を提供することができる。したがって、エンジン、ミッション直付けとなる搭載環境のように、環境温度の高い搭載場所においても、使用可能な電子制御装置が提供できる。
以下、本実施形態である電子制御装置の実装構造を図面を参照しながら説明する。
まず、実施例1の電子制御装置の実装構造を図1から図6、および図11に基づいて説明する。
本実施例の電子制御装置は、トランスミッションに直付け搭載されるATCUの一例であり、車両走行状態に応じ、各種センサからの入力信号、入力スイッチの状態、およびCAN通信により他制御ユニットの情報を取り込む。そして、複数のソレノイドを制御することで、ATの変速、油圧の調整をおこない適切な車両走行状態を実現するものである。
図11は本実施例に係る電子制御装置の一例を示す断面図である。
電子制御装置100は配線基板1と、外部と電気的に接続するコネクタ端子200aを具備したコネクタ200と、配線基板1を搭載する金属ベース2と、ケース300とで構成されている。ケース300と金属ベース2は、防水シール材400で接着されており、配線基板1を密閉した構造である。
トランスミッションに直付け搭載であるので、コネクタ200と勘合するトランスミッション側のハーネスを短くでき、より高精度なソレノイドの制御が可能となる。
配線基板1には、電解コンデンサ20、マイクロコンピュータ41、FET42、IC43、セラミックコンデンサ44、チップ抵抗45、クリスタル(図示せず)等の電子部品が、鉛フリーはんだを用いて実装され、電子回路を形成している。
図10に電解コンデンサの一例を示す一部断面図と底面図を示す。電解コンデンサ20は、素子25と、素子25と接続され外部と接続するためのリード端子20a、20bと、電解液26とを金属キャップ23と封口ゴム22で密閉した構造である。金属キャップ23の上部には、電解コンデンサ20の内部の内圧を調整する防爆弁24がある。さらに、電解コンデンサ20は、基板上に部品を搭載した際に倒れたりしないように、座りを良くするために、樹脂製の台座21に搭載されている。
図1は本実施形態に係る電子制御装置の実装構造を示す一部断面図であり、図11に示すA領域の部分拡大図である。
電解コンデンサ20の耐熱温度は125℃であり、それ以外の電子部品の耐熱温度は150℃となっている。したがって、耐熱性の低い電解コンデンサ20は、リード端子20a、20bから金属ベースへ放熱接着材5を介して、放熱構造を設けた。
配線基板1の第1面1aの貫通孔11の上には、電解コンデンサ20が搭載され、リード端子20a、20bと鉛フリーはんだで電気的に接続されている。電解コンデンサの構造は図10に示すものと同一であり、電解コンデンサの外形は金属キャップ23がφ10mmであり、高さが10mmである。
放熱接着材5は電解コンデンサ20のリード端子20a、20bを覆うように塗布され、貫通孔11の内部にも放熱接着材5が充填されている。
さらに、配線基板1の第2面1bの貫通孔11の下には、放熱部材となる金属ベース2の突起部2aがあり、放熱接着材5を介して配線基板1と突起部2aが熱的に接触している。このように構成することで、電解コンデンサ20で発生した熱を放熱するための放熱経路がリード端子20a、20bから金属ベース2へと形成することができる。
電解コンデンサ20のように、部品自体に放熱構造を持たない部品は、電気的に接続するリード端子以外の部品のボディは絶縁部材で被覆されている。通常、絶縁部材は電気伝導性が低いのと同様に、熱伝導性も低いため、部品のボディからの放熱させる放熱構造は効率的ではない。したがって、このように部品自体に放熱構造を持たない部品は、発熱体となる素子と接続されたリード端子から放熱させる構造が最も有効な放熱構造となる。特に、半導体部品のようにチップ素子とリード端子が金ワイヤでつながっていると場合と比較し、電解コンデンサは発熱体となる素子とリード端子が直接接続されているため、発熱体に最も近いリード端子から放熱させる構造が有効である。
配線基板1は難燃性がFR4グレードに相当するプリント基板で、4層からなる銅張り積層基板である。この配線基板はエポキシ樹脂にガラスクロスを含浸した、銅張り積層基板である。トランスミッションへの搭載や、鉛フリーはんだによる実装プロセスになるため、配線基板のガラス転移温度は150℃の基材を選定した。
貫通孔11は、通常の基板作製プロセスで作成した、直径1.0mmの貫通スルーホールで銅めっきがされているが、めっき等がされていない、ただ単にドリルやレーザーであけた貫通孔でも構わない。
放熱部材の金属ベース2はアルミダイカスト(ADC12)であり、その他、鉄やアルミ、もしくはそれら合金からなる板金であっても良い。
放熱接着材5はフィラーとしてアルミナを含有した熱硬化性のシリコーン接着材であり、粘度が常温で30Pa・sで、熱伝導率が2.2W/m・Kの放熱接着材である。シリコーン接着材としては、湿気硬化型あるいは熱硬化型でもよく、放熱性の機能を付与するフィラーは、その他、シリカ、酸化マグネシウム、窒化アルミ、窒化ボロン、窒化シリコン、炭化シリコン等の絶縁性かつ熱伝導性の無機物フィラーであればよい。
放熱接着材5はリード端20a、20bと接着するので、電気伝導性の材料を使用するとリード端子間がショートしてしまうため、放熱接着材5は絶縁性の材料でなければならない。
配線基板に搭載された電子部品の発熱を、熱源に最も近い電子部品のリード端子から配線基板を介することなく、放熱部材へ放熱するため、電子部品の発熱を効率的に放熱することができる。
上記発明の電子部品は、外部と接続するリード付きの電子部品であれば良いが、特に、部品自体に放熱構造を持たない、電解コンデンサに好適な放熱構造とすることができる。ここで、放熱構造を持たない電子部品とは、配線基板と接続するリード端子以外に、外部へ熱を放熱させるために設けたヒートシンク部材を有していない部品のことである。
また、本実施例の電解コンデンサ20の放熱構造は、電子制御装置100に振動がかかった際に、振動を抑制する制振機構としての効果もある。電解コンデンサ20は他の電子部品と比較し、高背であるため、振動がかかったときに図9に示すように電解コンデンサの頭部が揺すられる。このとき、構造上、最も負荷のかかるところは、端子の根本の曲げ部20cである。この曲げ部20cはプレス加工により折り曲げられており、過大な外力がかかった際には、この曲げ部20が折れてしまい、オープン故障となる。
図5は本実施形態に係る電子制御装置の実施例1の放熱接着材の塗布箇所の一部を説明する図である。
図5に示す、電解コンデンサ20の台座21とリード端子20a、20bは固定されておらず、台座21の挿入孔210に挿入されているだけとなっている。したがって、挿入孔210にはリード端子20a、20bと台座21の隙間部21a、21bが存在するため、揺すられた際に、隙間部21a、21bががたつきとなり振動に弱い構造となっていた。したがって、シリコーン接着材は、隙間部21a、21bを埋めるように塗布することが耐振性の観点からも好ましい。放熱接着材5の塗布方法に関しては、後述する。
一般的に、両面実装する際の部品が落下しないように仮固定する際や、耐振性向上のためにエポキシ接着材が使用されることがある。シリコーン接着材は、エポキシ樹脂と比較し、ヤング率が1/1000以下と低弾性で柔らかい接着材である。したがって、エポキシ樹脂は振動や外力に対し、リジッドに基板と固定する構造であるのに対し、シリコーン接着材は振動や外力を、吸収・抑制する制振構造とすることができる。
したがって、振動や外力が働いたとしても、リード端子20a、20bの曲げ部20cにかかる外力を低減することができる。
また、エポキシ樹脂によるリジッドに基板と固定した構造は、エポキシ接着材と基板の線膨張係数の差による、熱応力により、基板へストレスを与え基板基材や、基板表層に保護膜となるレジストへのクラックを発生する懸念があった。したがって、使用する基板基材にあわせてエポキシ接着材を選定することや、塗布量に注意する必要があった。その点、シリコーン接着材は低弾性の柔らかい接着材であるため、基板へストレスを与えることが少ない。
このように、本実施例のシリコーン接着材による放熱構造は、振動に対し制振構造とすることができるため、耐振性が向上する。したがって、トランスミッションに直付け搭載となる電子制御装置のように、トランスミッションの振動の影響を受けるために、高い耐振性が求められる用途においても、使用可能となる。さらに、前記貫通孔に充填する前記充填材は、前記放熱接着材であることが好ましい。かかる手段は、同一の放熱接着材により放熱経路を形成しているので、生産性が容易となるため量産性に優れる。さらに、前記放熱接着材は前記電子部品の外形を投影した面積からはみでるように、塗布されていることを特徴としている。かかる手段は、放熱接着材が確実に端子周囲に塗布されたことを検査可能となる。
次に本実施例を具現化するための製造方法を以下に示す。
図2は本実施形態に係る電子制御装置の実施例1の製造方法の一部を示す一部断面図である。始めに、配線基板1にはんだ40を印刷し(3-1)、配線基板1の第一面1aに電解コンデンサ20を搭載する(3-2)。
次に、金属ベースの突起部2aに、予め放熱接着材5を塗布(3-3)し、放熱接着材5を塗布した金属ベース2の突起部2aに、貫通孔11がある配線基板1の第二面1bを押し当て配線基板1を搭載する。この工程により、金属ベース2に塗布した放熱接着材5が、貫通孔11に充填され、さらに、貫通孔11から押し出されるように、電解コンデンサ20の下面から、リード端子20a、20b周囲を覆うように放熱接着材5が濡れ広がる(3-4)。このとき、前述の隙間部21a、21bにも放熱接着材5を充填させることができる。また、本実施例の電子制御装置の実装構造を具現化する製法は以下のようにも記述できる。すなわち、前記配線基板の第1面に前記電子部品を搭載する第1の工程と、前記放熱部材に前記接着材を塗布する第2の工程と、前記放熱部材の接着材塗布面に前記配線基板の第2面を機械的に押しあてる第3の工程とからなり、前記配線基板の前記貫通孔を通して、前記接着材を前記配線基板の第1面に突出させ、前記電子部品の前記リード端子部と接するように前記接着材を配置させたこと特長とする電子制御装置の製造方法である。
図6は本実施形態に係る電解コンデンサと配線基板の間の空間部を説明する図である。
電解コンデンサ20を配線基板1に搭載後、台座21と配線基板1の間の空間部30の高さhは、200μm程度であり非常に小さい。
したがって、電解コンデンサ20を配線基板1に搭載後に、空間部30に放熱接着材5を塗布することが難しい。さらに、あらかじめ配線基板1に放熱接着材5を塗布し、電解コンデンサ20を搭載する製造方法は、その後の電解コンデンサ20のはんだ付けを阻害する可能性がある。したがって、上述した電解コンデンサ20を配線基板1に搭載後に、放熱接着材5を塗布した金属ベース2に機械的に押し当て、放熱接着材5を塗布する製造方法が最も好ましい製造方法である。
さらに、上記製造方法は配線基板1を放熱接着材5があらかじめ塗布された金属ベース2に押しあてることで、放熱接着材5を貫通孔11から押し出しだしているので、放熱接着材5内のボイドも押し出すことができるため、ボイドによる放熱性の悪化を低減することができる。
このとき、図4に示すように放熱接着材5が、配線基板1上の電解コンデンサ20の外形を投影した面積からはみでるように、塗布されていることが好ましい。これにより、放熱接着材5が貫通孔11に充填されるともに、リード端子20a、20bを覆うように濡れ広がっていることを検査することが容易となる。
図3は本実施形態に係る電子制御装置の実施例1の配線基板の貫通孔を示す図である。である。20Aは電解コンデンサ20の外形線であり、リード端子20a、20bが接続する配線基板1上のランド10a、10bに対し、図3のように貫通孔11が配置されている。放熱接着材5の塗布性は放熱接着材5の粘度、貫通孔11の径や配置位置、数により決まるので、放熱接着材5の粘度等の特性により、適宜、貫通孔11の径や配置位置を決定すればよい。
放熱接着材5は熱硬化タイプのシリコーン接着材であるため、放熱接着材5の塗布後は硬化炉に入れ、熱を加えて硬化させる工程が必要になる。本実施例では、放熱接着材5を塗布後、はんだリフローを行うことにより、電解コンデンサ20のはんだ接続と放熱接着材5の硬化を同時に行ったので、生産性が向上し硬化炉等の設備も不要となるため量産性に優れる。
このように作成した電子制御装置100は、電子部品で発生した熱を発熱源から最も近いリード端子から熱を放熱する放熱構造となり、放熱性に優れる。また、低弾性の接着材で電子部品を保持した制振構造により、耐振性に優れる。これらの効果により、本実施例の電子制御装置は、トランスミッション直付けの環境でも使用できる信頼性を有しており、組立て性も容易であり、量産性に優れている。
本実施形態に係わる第2の実施例を、図7に基づいて説明する。図7は、本実施形態に係る電子制御装置の実施例2の実装構造を示す一部断面図である。
実施例1との違いは、電解コンデンサ20のリード端子20a、20bを覆う放熱接着材5と、配線基板1と金属ベース2の突起部2aを接着する放熱接着材5は、実施例1と同じシリコーン接着材であるが、電解コンデンサ20を搭載した配線基板1の貫通孔11内には、充填材9が充填されていることである。
充填材9はエポキシ接着材であり、熱伝導性をあげるため、絶縁性かつ熱伝導性の無機物フィラーであるアルミナを含有しており、3W/m・Kの熱伝導率がある。この充填材9は、あらかじめ充填されているものであり、充填材9の上面には、銅めっきによるパッド10a、10bが形成されている。充填材9は基板購入時にはじめから充填されているもので、基板購入時に多少コストUPになるが、貫通孔11内に放熱接着材5を充填するプロセスが不要となる。
図8は、本実施形態に係る電子制御装置の実施例2の配線基板の貫通孔を示す図である。
貫通孔11は直径0.4mmの貫通スルーホールであり、貫通孔11上には電解コンデンサ20のリード端子20a、20bとはんだ接続する銅のパッド10a、10bが配置されている。したがって、貫通孔11の上にあるパッド10a、10bと電解コンデンサ20のリード端子20a、20bが接続されるパッドオンビア構造となっている。
放熱接着材5は電解コンデンサ20を搭載後に、塗布することになるため、図7に示すように、リード端子20a、20bを覆い、かつ台座21も覆うように塗布することが好ましく、放熱性はもちろんのこと耐振性を向上させることができる。
このように作成した電子制御装置は、電子部品で発生した熱を発熱源から最も近いリード端子から熱を放熱する放熱構造となり、放熱性に優れる。また、低弾性の接着材で電子部品を保持した制振構造により、耐振性に優れる。これらの効果により、本実施例の電子制御装置は、トランスミッション直付けの環境でも使用できる信頼性を有している。
なお、本実施形態の電子制御装置の実装構造は、例えば、車載用のECUやATCU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、本発明の電子制御装置の実装構造は、要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を実施することができる。例えば、電解コンデンサ20は部品自身に放熱構造を持たない、コイル等でもかまわない。
100 電子制御装置
200 コネクタ
200a コネクタ端子
300 ケース
400 防水シール材
1 配線基板
1a 配線基板第一面
1b 配線基板第二面
10a、10b パッド
11 貫通孔
2 金属ベース(放熱部材)
2a 突起部
20 電解コンデンサ
20a、20b リード端子
20c 曲げ部
21 台座
210 挿入孔
21a、21b 隙間部
21 曲げ部
22 封口ゴム
23 金属キャップ
24 防爆弁
25 素子
26 電解液
30 空間部
5 放熱接着材
40 はんだ
41 マイクロコンピュータ
42 FET
43 IC
44 セラミックコンデンサ
45 チップ抵抗
9 充填材
200 コネクタ
200a コネクタ端子
300 ケース
400 防水シール材
1 配線基板
1a 配線基板第一面
1b 配線基板第二面
10a、10b パッド
11 貫通孔
2 金属ベース(放熱部材)
2a 突起部
20 電解コンデンサ
20a、20b リード端子
20c 曲げ部
21 台座
210 挿入孔
21a、21b 隙間部
21 曲げ部
22 封口ゴム
23 金属キャップ
24 防爆弁
25 素子
26 電解液
30 空間部
5 放熱接着材
40 はんだ
41 マイクロコンピュータ
42 FET
43 IC
44 セラミックコンデンサ
45 チップ抵抗
9 充填材
Claims (8)
- 少なくとも１つの貫通孔が設けられた配線基板と、
前記配線基板の第１面に搭載され、前記配線基板と電気的に接続されるリード端子が一方向に突出した電子部品と、
前記配線基板の第１面と対向する第２面に搭載され、前記電子部品と前記貫通孔に対して対向する状態で取り付けられる放熱部材と、
を備える電子制御装置であって、
前記電子部品は電解コンデンサであって、電気的に外部と接続するリード端子が一方向に突出した電解コンデンサ本体と、前記電解コンデンサと当接されるように配置され、かつ、前記リード端子が挿入される挿入孔を備えた台座とを備え、前記リード端子の先端部は台座の外表面に沿って折り曲げられた電解コンデンサであり、
前記電解コンデンサ本体は発熱素子を有し、前記リード端子は前記発熱素子と直接接続されており、
前記電子制御装置はさらに、前記電子部品の前記リード端子を覆う放熱接着材と、前記貫通孔内部を充填する高熱伝導性の充填材とを具備し、
前記放熱接着材は前記充填材と接触しており、
前記台座の前記挿入孔に前記放熱接着材が充填されており、
前記放熱接着材は、前記放熱部材へ熱的に接触して配置されていることにより、前記リード端子から前記放熱部材に対する放熱経路を形成している
ことを特徴とする電子制御装置。 - 請求項１記載の電子制御装置において、前記充填材は前記放熱接着材であることを特徴とする電子制御装置。
- 請求項２記載の電子制御装置の実装構造において、前記放熱接着材は前記電子部品の外形を投影した面積からはみでるように、塗布されていることを特徴とする電子制御装置。
- 請求項１記載の電子制御装置において、前記リード端子が接続する前記配線基板のパッドの直下に前記貫通孔を設けたことを特徴とする電子制御装置。
- 請求項１記載の電子制御装置において、前記放熱部材はアルミダイカスト、もしくは、アルミ、鉄、それら合金からなる板金のいずれかであることを特徴とする電子制御装置。
- 請求項１記載の電子制御装置において、前記放熱接着材は、絶縁性かつ熱伝導性のある無機物フィラーを含有したシリコーン接着材であることを特徴とする電子制御装置。
- 請求項１記載の電子制御装置の製造方法であって、
前記配線基板の第１面に前記電子部品を搭載する第１の工程と、
前記放熱部材に前記放熱接着材を塗布する第２の工程と、
前記放熱部材の前記放熱接着材塗布面に前記配線基板の第２面を機械的に押しあてる第３の工程と、
を有し、
前記第３の工程において前記第２面を押し当てることにより、前記配線基板の前記貫通孔を通して、前記放熱接着材を前記配線基板の第１面に突出させ、前記電子部品の前記リード端子を覆うように、前記第２の工程において前記放熱接着材を塗布する
ことを特徴とする電子制御装置の製造方法。 - 請求項７記載の電子制御装置の製造方法であって、前記電子部品のはんだ接続工程と、前記放熱接着材の硬化工程を、はんだリフローにより同時に実施することを特徴とする電子制御装置の製造方法。
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