JP6583522B2 - 電子電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、電子電気機器から発生する放射ノイズを少なくとも低減することが可能な電子電気機器に関する。

近年、電子電気機器に搭載する半導体の高速化などにより、電子電気機器からの放射ノイズによる他の電子電気機器への影響が問題になっている。この放射ノイズによる他の電子電気機器への影響はＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）と呼ばれ、主に無線機器、通信機器の受信障害や、電子電気機器の誤動作を引き起こす。そのため、各国では３０ＭＨｚ〜１ＧＨｚ、あるいは使用する周波数によっては、それ以上の周波数帯域において、電子電気機器から発生する放射ノイズの規制を行っている。

電子電気機器から発生する放射ノイズを抑制するために、電子電気機器内の回路基板、モジュール配線、ヒートシンクなどのノイズ放射源を、金属、導電性樹脂、メッキされた樹脂などのシールド筐体で覆う方法が広く用いられる。しかしながら、ノイズ放射源をシールド筐体で覆いシールドする方法は、冷却性能との両立性が課題となる。

これに対して、以下に示す特許文献１においては、筐体の外周に放熱性能を向上させるためにフィン構造を形成し、冷却性能を向上させる方法を提示している。

放射ノイズは、ノイズ放射源における共振や定在波が発生する周波数において高レベルとなる。このような特性に対する放射ノイズ抑制法として、以下に示す特許文献２においては、ヒートシンクから発生する放射ノイズの低減法が示されている。

図７に示されるように、一般に、半導体素子（スイッチング素子）１００によって発生したノイズとヒートシンク２００とが静電容量などを介して電気的に結合すると、導体であるヒートシンク２００は放射ノイズを発生するアンテナとして作用する。そして、ヒートシンク２００の寸法が波長の１／２となる周波数では、ヒートシンク２００に定在波４００が発生し、放射ノイズの放射効率は高まる。

このようにして発生する放射ノイズへの対策として、ノイズ放射源をシールド筐体で覆うのでなく、ヒートシンクのベース部に定在波が発生しないように、ヒートシンクの導電経路長を設計することで、放射ノイズの放射効率自体を低減する方法が提案されている。

また以下に示す特許文献３においては、半導体パワースイッチング素子とヒートシンク間の浮遊容量を低減し、あるいはヒートシンクとインバータの筐体との間の電気抵抗を高くして、高い電圧変化による漏れ電流を抑制し、放射ノイズを低減する方法を提示している。

図８は、従来の電子電気機器を構成する、半導体素子、ヒートシンク、筐体間の配置における電磁結合の発生の様子を示す図である。また図９は、図８に示した従来構成例における放射電界強度の観測例を示す図である。

図８および図９において、半導体素子１００のスイッチングにより発生したノイズ成分は、浮遊容量を介してヒートシンク２００に伝搬する。このとき、ヒートシンク近傍の金属筐体との電磁結合３３０により、ヒートシンク２００と筐体３００の間に共振が発生する。するとこの共振周波数において、ヒートシンク２００に伝搬したノイズ成分は大きな電界振動を発生し、高レベルの放射ノイズとして外部で観測される。図９は、その様子を示すもので、１２０ＭＨｚにおけるピークが、上述した共振に起因する電界成分として観測される。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、半導体素子と、該半導体素子の発熱を放熱するヒートシンクと、導電性材料からなる筐体を具備する従来の電子電気機器における通風の様子を示す図である。

すなわち図１０（ａ）においては、ファン３５０から排気される、開口部から吸い込まれた冷媒となる外気が、通風抵抗の小さいヒートシンク２００の側部を通ることで、半導体素子１００を冷やすためのヒートシンク２００中を十分に外気(冷気)が流れていない様子が示されている。

また図１０（ｂ）においては、ファン３５０から排気される、開口部から吸い込まれた冷媒となる外気が、通風抵抗の小さいヒートシンク２００の下部を通ることで、半導体素子１００を冷やすためのヒートシンク２００中を十分に外気(冷気)が流れていない様子が示されている。

特開２００６−０４９５５５号公報 特開２００８−１０３４５８号公報 特許第３６４９２５９号公報

シールド筐体で回路を完全に覆うことにより放射ノイズを低減する方法は、前述した冷却性能との両立性の他にも、機器の重量化、高コスト化などで問題がある。

一方、特許文献２に示されるような手法によってノイズ放射効率を低減する方法は、ヒートシンク構造の複雑化やそれに伴う高コスト化などの問題がある。また特許文献２におけるその他の問題として、前述したヒートシンク単体のみならず、ヒートシンクと周囲の筐体構造の共振に起因する放射ノイズのピークが発生するため、特許文献２が提示する方策のみでは、放射ノイズ対策として十分な効果が得られないことがある。

またヒートシンクと周囲の筐体構造に関わる問題として、ヒートシンク上に配置された半導体素子が十分に冷却されないという問題がある。すなわち図１０（ａ）、（ｂ）に示されるように、ファン３５０から排気される、開口部から吸い込まれた冷媒となる外気が、通風抵抗の小さいヒートシンクの側部や下部を通ることで、ヒートシンク２００中を十分に外気(冷気)が流れなくなるため、ヒートシンク２００で十分に放熱されずに、半導体素子１００の冷却が不十分となる。

そこで本発明は、半導体素子、ヒートシンク、筐体の配置を含む電子電気機器から発生する放射ノイズを低減するとともに冷却性能をさらに向上させることができる電子電気機器を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明の電子電気機器は、半導体素子と、前記半導体素子の発熱を放熱するヒートシンクと、導電体からなる筐体とを具備する電子電気機器において、上記ヒートシンクは、導電体からなるベース部と、該ベース部に立設又は該ベース部の嵌合用凹部に装着された少なくとも二以上のフィンにより構成されるフィン部とを備え、冷媒が前記少なくとも二以上のフィン間を通過するが上記フィン部の底面と上記筐体との間の隙間を通過しないよう、かつ、前記フィン部の底面と前記筐体との間の浮遊容量を大きくして放射ノイズを低減するよう、前記隙間に、前記冷媒の通風経路をガイドする非導電性材料を配置したことを特徴とする。

本発明によれば、熱及び電磁波の発生源たる半導体素子を取り巻くヒートシンクや筐体構造に関わる放射ノイズを、簡素かつ効果的に低減し得るとともに、冷媒となる外気をガイドすることでヒートシンクが十分に冷却されることで半導体素子が冷却されることが可能となる。

特に、冷媒の通風経路をガイドするために非導電性部材をヒートシンクと筐体間に配置するようにしているので、ヒートシンクと筐体間の共振を抑制しつつ、冷却性能を向上させることができる。

本発明の実施形態１に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、および筐体の配置関係の例を示す図である。 本発明の実施形態２に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、および筐体の配置関係の例を示す図である。 本発明の実施形態３に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、筐体、およびノイズ低減用導体の配置関係の例を示す図である。 本発明の実施形態４に係る電子電気機器のファン、半導体素子、ヒートシンク、筐体、およびノイズ低減用導体の配置関係の例を示す図である。 本発明の実施形態５に係る電子電気機器のファン、半導体素子、ヒートシンク、筐体、および共振ピーク抑制用非導電性材料の配置関係の例を示す図である。 本発明の第３ないし第５の実施形態に係る電子電気機器における放射電界強度の低減効果を示す図である。 従来の電子電気機器を構成する、半導体素子、ヒートシンク、筐体間の配置におけるヒートシンクに発生する定在波の様子を示す図である。 従来の電子電気機器を構成する、半導体素子、ヒートシンク、筐体間の配置における電磁結合の発生の様子を示す図である。 図８に示す従来構成例における放射電界強度の観測例を示す図である。 半導体素子と、該半導体素子の発熱を放熱するヒートシンクと、導電性材料からなる筐体を具備する従来の電子電気機器における通風の様子を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、および筐体の配置関係の例を示す図である。

すなわち、図１は、ヒートシンク２０のフィン部底面２３と筐体３０を面接触させた構造とすることで、ヒートシンク２０と筐体３０を電気的に導通させ、非所望の共振を抑制している。すなわち、半導体素子１０と最も離れたフィンを長くして筐体３０と直接接触させることにより、ノイズを低減させるとともに、半導体素子１０付近のフィンは相対的にフィンが短くなり、冷媒となる外気(冷気)が通りやすくなるようにガイドするため、冷却性能を向上させることができる。

なお、構成は図示したものに限らず、冷却効果とノイズ低減効果を両立させる構造であれば他の構造であっても良い。

［実施形態２］
図２は、本発明の実施形態２に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、および筐体の配置関係の例を示す図である。

すなわち図２は、ヒートシンク２０のフィンの一部（例．最外部）に折り曲げ(例．Ｌ字型)部２５を形成し、折り曲げ部２５の筐体と並行する部位を筐体３０と面接触させる構造とすることで、ヒートシンク２０と筐体３０を電気的に導通させ、非所望の共振を抑制している。

折り曲げ(例．Ｌ字型)部２５と筐体３０とが接触する部位を、必要に応じてネジ、接着剤、導電性テープ、および導電性ペースト等を用いて固着できるようにしても良い。なお図２においては、折り曲げ(例．Ｌ字型)部２５を直角に曲げているが、これに限定されず、折り曲げ部２５に適度の曲率（ｒ）を持たせる構造であっても良い。

［実施形態３］
図３は、本発明の実施形態３に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、筐体、およびノイズ低減用導体の配置関係の例を示す図である。

すなわち図３(ａ)〜図３(ｃ)は、ヒートシンク２０のフィン部２４の側面と筐体３０を面接触させることで電気的に導通させ、非所望の共振を抑制している。

さらに本実施形態においては、筐体側面部３２からヒートシンク２０のフィン部２４の側面に渡ってノイズ低減用導体４０を配置して、ファン５０から排気される外気によってヒートシンク２０が効率良く冷却するように通風経路をガイドする。

このように構成することによって図３(ａ)に示すような、ヒートシンク２０のフィン部２４の側面への外気集中を緩和し、ヒートシンク２０や冷却ファン５０の大型化を伴うことなくヒートシンクの放熱効率を上げ、半導体素子を十分に冷却することができる。

また、ヒートシンクの冷媒を吸気する開口部を設けた筐体側面部（図３(ｃ)参照）が非導電体の場合は、図３(ｂ−１)の様に金属筐体の平板面３５に接触させることにより、ノイズ低減効果を持たせることができる。

その一方、ヒートシンクの冷媒を吸気する開口部を設けた筐体側面部（図３(ｃ)参照）が導電体の場合は、図３(ｂ−２)の様に開口部を有する金属筐体部のみにノイズ低減用導体４０を接触させても良い。 さらに、ノイズ低減用導体４０はヒートシンク２０のフィン部２４の側面全長に渡って密着しなくても、同等の冷却効果が得られることから、図３(ｂ−３)や図３(ｂ−４)に示すような形状としても良い。

また、図３(ｂ−１)や図３(ｂ−２)では、ノイズ低減用導体４０を垂直に折り曲げている例を示しているが、図３(ｂ−３)や図３(ｂ−４)に示す様に、折り曲げ部に適度の曲率（ｒ）を持たせる構造であっても良い。

［実施形態４］
図４は、本発明の実施形態４に係る電子電気機器のファン、半導体素子、ヒートシンク、筐体、およびノイズ低減用導体の配置関係の例を示す図である。

すなわち図４(ａ)、図４(ｂ)は、ヒートシンク２０のフィン部底面２３と筐体底面部３４を面接触させることで電気的に導通させ、非所望の共振を抑制している。

さらに本実施形態は、筐体底面部３４とヒートシンクの間の隙間に、ファン５０から排気される外気を通風させないように湾曲凸部を有するノイズ低減用導体４２を配置して、ヒートシンク２２を効率良く冷却するような通風経路をガイドする。

これによって図１０(ｂ)に示すような、ヒートシンク２０と筐体底面部３４間の隙間への外気の集中を緩和し、ヒートシンク２０や冷却ファン５０の大型化を伴うことなくヒートシンクの放熱効率を上げ、半導体素子を十分に冷却することができる。

［実施形態５］
図５は、本発明の実施形態５に係る電子電気機器のファン、半導体素子、ヒートシンク、筐体、および共振ピーク抑制用非導電性材料の配置関係の例を示す図である。

すなわち図５に示すように、ヒートシンク２０のフィン部底面２３と筐体３０間に共振ピーク抑制用非導電性材料６２を配置すると、ヒートシンク２０と筐体３０間の浮遊容量値や抵抗値(浮遊容量中の損失成分)に影響を及ぼす。つまり図５に示すような共振ピーク抑制用非導電性材料６２を備えていない場合に比べ、浮遊容量値は、共振ピーク抑制用非導電性材料の比誘電率に応じて増加する。一方で抵抗値成分は、共振ピーク抑制用非導電性材料の比誘電率と誘電正接に応じて増加する。

このため、共振ピーク抑制用非導電性材料６２を備えさせることによって、非所望の共振発生要因となる浮遊容量成分の値を大きくし、共振発生周波数をコントロールすることができる。一例として共振周波数をノイズ源レベルの小さい周波数付近に設定するようにして、発生するノイズレベルを低減することができる。

また共振ピーク抑制用非導電性材料６２を備えさせることによって、共振のＱ値が低減し共振に起因するノイズピークレベルを低減させることができる。共振ピーク抑制用非導電性材料６２は誘電正接が大きいほどそのＱ値の低減効果、すなわち共振ピークの抑制効果は高いため、誘電正接の大きい材料、例えばビニル系材料(ポリ塩化ビニル等)やエポキシ樹脂やその複合材料などを採用することが望ましい。

もしくは前述した共振周波数において、共振に関わる抵抗値の主要成分である、ヒートシンク固有の抵抗値、すなわちヒートシンク２０の半導体素子接合部(不図示)からヒートシンク２０の筐体近接部(図５においてはフィン底面部２３)間の抵抗値よりも、共振ピーク抑制用非導電性材料６２の誘電正接によって生じる抵抗値の方が大きくなるよう、共振ピーク抑制用非導電性材料の形状や誘電率および誘電正接を選択・決定する。これによって有意な共振ピーク抑制効果を実現することができる。

さらに、本非導電性材料は、筐体底面部(フィン底面部２３)とヒートシンク２０の間の隙間に、ファン５０により排気される外気を通風させないように配置しているため、ヒートシンクが効率良く冷却するような通風経路をガイドすることができる。

これによって図１０(ｂ)に示すような、ヒートシンクと筐体間の隙間への外気の集中を緩和し、ヒートシンク２０や冷却ファン５０の大型化を伴うことなくヒートシンクの放熱効率を上げ、半導体素子を十分に冷却することができる。

図６は、上記した本発明の第３ないし第５の実施形態による放射ノイズの抑制効果を従来構成との比較により示しており、従来構成における外部放射電界強度を表す図９で生じている１２０ＭＨｚのピーク成分が本発明の第３ないし第５の実施形態を適用することにより低減することがわかる。

１０ 半導体素子
２０ ヒートシンク
２２ ヒートシンク(ベース部)
２３ フィン部底面
２４ ヒートシンク(フィン部)
２５ フィン折り曲げ部
３０、３７ 筐体
３２ 筐体側面部
３４ 筐体底面部
３５ 平板面
４０、４２ ノイズ低減用導体
５０ ファン
６２ 非導電性材料(共振ピーク抑制用)
８０ ネジ

Claims (3)

1. 半導体素子と、前記半導体素子の発熱を放熱するヒートシンクと、導電体からなる筐体とを具備する電子電気機器において、
   前記ヒートシンクは、導電体からなるベース部と、該ベース部に立設又は該ベース部の嵌合用凹部に装着された少なくとも二以上のフィンにより構成されるフィン部とを備え、
   冷媒が前記少なくとも二以上のフィン間を通過するが前記フィン部の底面と前記筐体との間の隙間を通過しないよう、かつ、前記フィン部の底面と前記筐体との間の浮遊容量を大きくして放射ノイズを低減するよう、前記隙間に、前記冷媒の通風経路をガイドする非導電性材料を配置したことを特徴とする電子電気機器。
2. 前記非導電性材料が、前記フィン部の底面と前記筐体との間の全面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電子電気機器。
3. 前記ヒートシンクと前記筐体との間の浮遊容量に起因する共振が発生する周波数において、前記非導電性材料の誘電正接に伴って生じる前記ヒートシンクと前記筐体との間の抵抗値が、前記ヒートシンクに固有の抵抗値よりも大きくなるように、前記非導電性材料の形状、誘電率、および誘電正接のうちの少なくとも１つを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子電気機器。