JP7531718B2 - 電子装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
実施の形態を説明する前に、熱設計の基本的な事項について述べる。
半導体プロセスの進化に伴って、パワーMOS-FETに代表されるような発熱素子の小型化が進んでいる。現在の発熱素子が備える性能と同等以上の性能を有する発熱素子が小型化すると、発熱素子を備えた部品を使用した電子装置の実装密度が向上し、電子装置の小型化が図れる。
一例として、ヒートスプレッダを上面に備えるFET(発熱素子、発熱部品)と、FETが実装された基板と、ヒートシンクと、FETとヒートシンクとの間に設けられた熱伝導絶縁部材とを備えた構造において、FETがヒートシンクに放熱する場合を考察する。
RΘ=t/(S×λ) [℃/W]
ここで、“t”は、熱伝導絶縁体の厚さ[m]を示す。
“S”は、熱伝導絶縁体の面積(ヒートスプレッダの面積)[m2]を示す。
“λ”は、熱伝導絶縁体の熱伝導率[W/m・K]を示す。
なお、ここでは、ヒートスプレッダの熱抵抗は無視している。
ヒートスプレッダは、通常、銅で形成されている。銅の熱伝導率は、およそ400W/m・Kである。熱伝導絶縁体の熱伝導率は、通常、数~10W/m・K程度である。このため、熱伝導絶縁体の熱伝導率は、銅の熱伝導率とは桁が異なる。この理由から、ヒートスプレッダの熱抵抗を無視しても、熱抵抗RΘへの影響は無視できる。
(手法1)熱伝導絶縁体の厚さtを小さくする。
(手法2)熱伝導絶縁体の面積Sを大きくする。
(手法3)熱伝導絶縁体の熱伝導率λを大きくする。
次に、上記3つの手法の各々について検討する。
FETのヒートスプレッダは、通常、FETの内部電極と電気的に導通している。ヒートスプレッダは、ヒートシンクとは電気的に絶縁されている必要がある。従って、電気絶縁性を得るために、一般的に、熱伝導絶縁グリス、接着剤、シート等が使用される。電気絶縁性を確保しながら熱伝導絶縁体の厚さtを小さくするには、放熱系(放熱部材、放熱構造、放熱経路)を形成する構造物の加工及び組み立てにおいて、高い精度が要求される。さらに、熱伝導絶縁体の厚さtを小さくするには、限界があるだけでなく、高い加工精度が求められる。
熱伝導絶縁体の面積Sは、FETのヒートスプレッダの面積で決まる。このため、面積Sを大きくすることは不可能である。さらに、FETパッケージを大きくしてヒートスプレッダの面積も大きくすることは、FETパッケージの小型化に逆行することになり、非現実的である。
熱伝導絶縁グリス、接着剤およびシートの熱伝導率は、通常、数~10W/m・K程度である。この数値よりも高い熱伝導率を有する熱伝導絶縁体は存在するが、そのような熱伝導絶縁体は非常に高価であり、量産設計には向かない。
次に、実施の形態1に係る電子装置1について、図1を参照しながら説明する。
後述する実施の形態1~4及び変形例の説明では、電子装置1の厚さ方向(換言すると、基板100の厚さ方向)をZ方向と定義し、Z方向に直交する方向をX方向及びY方向と定義する。
また、後述する各部材の寸法に関し、「厚さ」とは、Z方向における距離を意味し、「面積」とは、X方向及びY方向に平行な面の面積を意味する。
また、「接触面積」とは、2つの部材が接触する面積を意味する。
基板100は、例えば、公知のプリント基板である。基板100上には、回路パターン100Pが形成されている。図1に示す例では、基板100の一方の面100F(第1面、上面)上に、回路パターン100Pが形成されている。基板100の一方の面100Fには、上述した複数の部材200、300、400、500、600が順に積層された構造が示されている。以下の説明では、一方の面100Fを第1面100Fと称する。
発熱素子200は、基板100上に配置されている。発熱素子200は、基板100の第1面100Fに実装されている。発熱素子200は、例えば、パワーMOS-FETである。また、発熱素子200は、パワー素子と称することができる。パワーMOS-FETには、FETチップが内蔵されている。以下の説明においては、発熱素子をパワーMOS-FET、或いは、FETと称する場合がある。発熱素子200は、ドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極(制御端子)を有する。
換言すると、上面ヒートスプレッダ201は、基板100の第1面100Fとは反対側に位置する。
図1に示す例では、発熱素子200が下面ヒートスプレッダ202を備える構造が示されているが、本実施の形態では、上面ヒートスプレッダ201から金属板400に向かう放熱について説明する。
熱伝導部材300は、上面ヒートスプレッダ201上に配置されている。熱伝導部材300は、上面ヒートスプレッダ201と金属板400との間に設けられている。熱伝導部材300は、上面ヒートスプレッダ201と金属板400とを熱的及び機械的に結合する。つまり、熱伝導部材300は、上面ヒートスプレッダ201と金属板400とを接合する熱結合部材である。熱伝導部材300の材料としては、熱伝導率が高い材料が採用され、例えば、半田、銀ペースト等の金属系材料が用いられる。また、熱伝導部材300の材料としては、電気伝導性を有する材料が用いられてもよい。
例えば、熱伝導部材300として半田を用いる場合、半田の熱伝導率は、約50W/m・Kである。さらに、半田の厚さは自由に設定することが可能であり、半田の厚さを薄くすることができる。このため、半田の熱抵抗を小さくすることができる。
金属板400は、上面ヒートスプレッダ201上に配置されている。
金属板400を構成する材料としては、熱伝導性に優れた金属材料が用いられ、例えば、銅等が採用される。金属板400として銅を用いる場合、銅の熱伝導率は、約400W/m・Kである。金属板400の厚さは、例えば、0.5mm~1.0mmの範囲内であることが好ましい。金属板400の厚さは、この厚さの範囲に限定されない。
金属板400は、第1金属面400Fと、第1金属面400Fとは反対の面である第2金属面400Sとを有する。第1金属面400Fは、熱伝導絶縁体500と接触している。第2金属面400Sは、熱伝導部材300と接触している。
金属板400の形状は平板であるため、第1金属面400F及び第2金属面400Sの各々は、平坦面である。
金属板400の厚さは、金属板400の熱伝導性を鑑みて設定される。
熱伝導絶縁体500は、金属板400上に配置されている。熱伝導絶縁体500は、金属板400とヒートシンク600との間に充填されている。
熱伝導絶縁体500は、金属板400からヒートシンク600への熱を伝導させる部材である。さらに、熱伝導絶縁体500は、金属板400とヒートシンク600とを電気的に絶縁する部材である。熱伝導絶縁体としては、公知の材料が用いられ、例えば、熱伝導グリス又は熱伝導接着剤が用いられる。熱伝導絶縁体500の熱伝導率は、一般的に、数~10W/m・K程度である。
ヒートシンク600は、熱伝導絶縁体500上に配置されている。ヒートシンク600の構造としては、例えば、複数のフィンを備えた公知の構造が採用される。ヒートシンク600を構成する材料としては、熱伝導性に優れた金属材料が用いられ、例えば、銅やアルミニウム等が採用される。
次に、電子装置1における作用効果を説明する。
基板100から発熱素子200への制御信号の供給に伴って、発熱素子200は、発熱する。発熱素子200から発生する熱は、熱伝導部材300を通じて、上面ヒートスプレッダ201から金属板400に伝わる。金属板400は、高い熱伝導率を有するため、金属板400に伝わった熱は、まず、X方向及びY方向に拡散する。
図2に示すように、金属板400は、凸部401を有する。
凸部401は、第2金属面400Sから発熱素子200に向けて突出した部位である。
凸部401の高さ、つまり、Z方向における第2金属面400Sから凸部401の端面400Tまでの距離は、適宜、調整可能である。第2金属面400Sと端面400Tとの間には、傾斜面400Iが形成されている。
この構成によれば、上述した実施の形態1に係る電子装置1と同様又は類似の効果が得られるだけでなく、例えば、基板100と金属板400の第2金属面400Sとの距離を大きくする場合に有効である。
具体的に、ヒートシンク600と金属板400との間には、スペーサ501と、熱伝導絶縁体500とが配置されている。スペーサ501の材料としては、公知の絶縁材料が用いられる。スペーサ501は、ヒートシンク600と金属板400との間に形成される隙間を維持するために必要な強度を有する。
図3に示すように、金属板400は、凸部401と、凹部402と、傾斜面400Iとを有する。
凸部401は、図2に示す構造と同様に、第2金属面400Sから発熱素子200に向けて突出した部位である。傾斜面400Iは、図2に示す構造と同様に、第2金属面400Sと端面400Tとの間に形成されている。
凹部402の形成方法としては、公知のプレス加工法等を用いて、図1に示す平板の金属板400に凹部402を形成する方法が挙げられる。
さらに、凹部402に熱伝導絶縁体500を充填することができるため、金属板400とヒートシンク600との接続信頼性を向上させることができる。
上述した実施の形態1では、電子装置1が1つの発熱素子200を備える場合について説明した。実施の形態2では、図4A~図4Cを参照し、電子装置が複数の発熱素子を備える場合について説明する。
図4A~図4Cにおいて、図1~図3に示す電子装置1における同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。
8つの発熱素子200の各々の上面ヒートスプレッダ201は、ドレイン電極として機能する。
第1素子グループ200G1を構成する4つの発熱素子200(複数の第1発熱素子、複数の発熱素子)は、熱伝導部材300を介して、4つの第1金属板400Aに接続されている。4つの発熱素子200各々は、基板100とは反対側に位置する上面ヒートスプレッダ201(第1上面放熱部、上面放熱部)を有する。4つの第1金属板400Aは、熱伝導部材300上に配置され、4つの発熱素子200の配列方向(X方向)に沿って配置されている。4つの第1金属板400Aは、互いに分離している。
第1素子グループ200G1において、上面ヒートスプレッダ201は、熱伝導部材300を介して、4つの第1金属板400Aの各々に接続されている。つまり、1つの発熱素子200の上面ヒートスプレッダ201は、熱伝導部材300を介して、1つの第1金属板400Aと電気的に接続されている。4つの第1金属板400Aは、互いに電気的に独立しているため、4つの発熱素子200の上面ヒートスプレッダ201は、互いに導通していない。したがって、4つの発熱素子200の4つの上面ヒートスプレッダ201の電位は、互いに異なる。つまり、第1素子グループ200G1においては、上面ヒートスプレッダ201(ドレイン電極)は、電位的に互いに独立している。
第2素子グループ200G2を構成する4つの発熱素子200(複数の第2発熱素子、複数の発熱素子)は、熱伝導部材300を介して、1つの第2金属板400Bに接続されている。4つの発熱素子200各々は、基板100とは反対側に位置する上面ヒートスプレッダ201(第2上面放熱部、上面放熱部)を有する。第2金属板400Bは、熱伝導部材300上に配置され、4つ発熱素子200の配列方向(X方向)に沿って延在している。第2金属板400Bは、4つ発熱素子200を互いに導通させている。第2金属板400Bは、第1金属板400Aから電気的に独立している。
図4Aに示す第2金属板400Bは、例えば、後述する図6に示す回路ブロック図に示す符号400aに相当する配線である。
シャント抵抗器204は、電極204Eを有する。シャント抵抗器204の電極204Eは、半田付けにより基板100の回路パターン100Pに接合されている。電極204Eが回路パターン100Pに接合された位置204Rと、熱伝導絶縁体500との間には、第3金属板400Cが設けられている。
図4Aに示すように、3つのシャント抵抗器204に電気的に接続されている第3金属板400Cは、互いに独立している。つまり、互いに隣り合う2つのシャント抵抗器204の間において、2つの第3金属板400Cは、電気的に接続されていない。
換言すると、X方向に沿って配置された複数の第1金属板400Aの列の数は、2つ以上であってもよい(複数の金属板400)。また、X方向に延在する第2金属板400Bの列の数も、2つ以上であってもよい(複数の金属板400)。金属板の列の数が3つ以上である場合、選択される2つの金属板の列が、複数の第1金属板400Aの列、及び、第2金属板400Bの列に対応する。
具体的に、位置204Rに配置された第3金属板400Cの部分は、断面視においてS字形状を形成するように折り曲げられている。折り曲げられた第3金属板400Cは、位置204Rにおいて回路パターン100Pに接合されている。これにより、シャント抵抗器204や回路パターン100Pから発生した熱は、電極204Eの位置204R、第3金属板400C、及び熱伝導絶縁体500を介して、ヒートシンク600から放熱される。
なお、図5A及び図5Bでは、基板100及び発熱素子は省略されている。
絶縁部材800は、金属板400A、400B、400Cを互いに絶縁し、固定している。金属板400A、400B、400C、及び絶縁部材800によって、1つの部品が構成されている。図5Bに示す寸法Aは、熱伝導絶縁体500の厚さを示している。上述したとおり、この厚さ(寸法A)が薄いほど、熱抵抗を小さくすることができ、放熱性能を向上させることができる。
リブ801を備える絶縁部材800を用いる構造においては、リブ801に対応する位置に、ヒートシンク600に溝600Gが設けられている。
次に、電子装置2における作用効果を説明する。
電子装置2によれば、上述した実施の形態1に係る電子装置1と同様又は類似の作用効果を得ることができる。さらに、電子装置2が複数の発熱素子200を備えた場合でも、第1金属板400A、第2金属板400B、及び第3金属板400Cを一体化することができる。さらに、複数の金属板400A、400B、400Cを絶縁部材800で固定することで、熱伝導絶縁体500の厚さを絶縁部材800の厚さで決まるように薄く設定することができる。これにより、高放熱構造を達成することができる。基板100の第2面100S上に他の制御回路等の部品を配置することで、小型かつ低価格な電子装置2を実現することができる。
次に、図4D~図4Fを参照し、上述した実施の形態2の変形例について説明する。実施の形態2の変形例は、第3金属板300Cの接続構造の点で、実施の形態2と相違している。図4D~図4Fにおいて、図1~図3に示す電子装置1及び図4A~図4Cに示す電子装置2における同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。
発熱素子250は、図1に示す発熱素子200と同様の構造を有しており、下面ヒートスプレッダ202を備えている。下面ヒートスプレッダ202は、発熱素子250のドレイン電極又はソース電極である。発熱素子250は、X方向において、3つのシャント抵抗器204のうちの最も右側に位置する右側シャント抵抗器304の隣に配置されている。
第3金属板400Cは、回路パターン100Pを介して、右側シャント抵抗器304の一方の電極304Eと発熱素子250の下面ヒートスプレッダ202とを接続している。図4E及び図4Fに示すように、第3金属板400Cは、熱伝導絶縁体500を介して、ヒートシンク600に接続されている。第3金属板400Cは、上述した金属板400と同様の材料で形成されている。
次に、電極304Eと第3金属板400Cとの接続構造、及び、下面ヒートスプレッダ202と第3金属板400Cとの接続構造について、以下に具体的に説明する。
さらに、右側シャント抵抗器304及び発熱素子250の両部品は、発熱部品であり、これらの部品から発生した熱は、第3金属板400C及び熱伝導絶縁体500を介して、ヒートシンク600に放熱される。また、回路パターン100Pから発生する熱も第3金属板400C及び熱伝導絶縁体500を介して、ヒートシンク600に放熱される。
実施の形態1及び2では、電子装置1が1つの発熱素子200を備える場合、及び、電子装置2、2Aが複数の発熱素子200を備える場合について説明した。実施の形態3では、複数の発熱素子を備えた電子装置が電動パワーステアリング装置に適用された場合について説明する。
図6~図8Bにおいて、図1~図5Bに示す構成における同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。
図7に示すように、電動パワーステアリング装置3は、電動パワーステアリング装置3を構成するモータ及びコントローラの展開図である。図8A及び図8Bは、電動パワーステアリング装置3を構成する基板部を示す斜視図である。
さらに、制御装置3Cは、回転センサ6と、マイクロコンピュータ10と、駆動回路11と、基板100とを備えている。
コンデンサ15a、15bは、電動モータ5に流れるモータ電流IMのリップル成分を吸収するための大容量のコンデンサである。コンデンサ15a、15bは、例えば、リップルコンデンサである。
シャント抵抗器208U、208V、208Wは、モータ電流IMを検出する。
なお、以下の説明では、シャント抵抗器208U、208V、208Wをシャント抵抗器208と称する場合がある。
制御装置3Cを構成する半導体スイッチング素子は、上述した発熱素子200(例えば、FET)である。
半導体スイッチング素子206U、206V、206W、207U、207V、207Wは、3相のブリッジ回路を構成する。この半導体スイッチング素子は、補助トルクの大きさ及び方向に応じてモータ電流IMを切り替える。
半導体スイッチング素子205a、205bは、電源リレーを構成する。この電源リレーは、バッテリ9からブリッジ回路に供給されるバッテリ電流IBを通電・遮断するスイッチとして機能する。
なお、以下の説明では、半導体スイッチング素子209U、209V、209Wを半導体スイッチング素子209と称する場合がある。
コイル14aは、半導体スイッチング素子206、207のスイッチング動作時に発生する電磁ノイズが外部へ流出してラジオノイズになることを防止する。
回転センサ6は、回転子18の回転位置を検出する回転位置センサである。
マイクロコンピュータ10は、トルクセンサ8から出力される操舵トルク信号に基づいて、補助トルクを演算する。マイクロコンピュータ10は、電動モータ5に流れるモータ電流IM及び回転センサ6で検出された電動モータ5の回転子の回転位置に基づいてフィードバック制御を行う。マイクロコンピュータ10は、補助トルクに相当する電流を演算する。
駆動回路11は、マイクロコンピュータ10から出力された指令に基づき、半導体スイッチング素子206、207の作動を制御する駆動信号を出力する。
実施の形態1、2で述べたように、基板100上には複数の発熱素子200が実装されている。さらに、基板100は、シャント抵抗器208、マイクロコンピュータ10、及び駆動回路11を搭載する。
具体的に、図8A及び図8Bに示すように、基板100上には、図6に示すコイル14a(EMIノイズフィルタ)、電源リレー205a、205b、インバータ部の半導体スイッチング素子206、207、電流検出用のシャント抵抗器208、コンデンサ15a、15b、及び半導体スイッチング素子209で構成されている部分が実装されている。
次に、電動パワーステアリング装置3における作用効果を説明する。
電動パワーステアリング装置3によれば、上述した電子装置1、2、2Aと同様又は類似の作用効果を得ることができる。電動パワーステアリング装置3は、発熱素子である複数の半導体スイッチング素子を備えるが、金属板400(400A、400B、400C)、熱伝導絶縁体500、及びヒートシンク600を介して、半導体スイッチング素子から発生する熱を電動パワーステアリング装置3の外部に放熱することができる。
図9は、完全2重系を想定した冗長電動パワーステアリング装置3Aを構成するモータ及びコントローラの展開図である。
これに対し、冗長電動パワーステアリング装置3Aにおいて、半導体スイッチング素子から発生する熱は、金属板400(400A、400B、400C)、熱伝導絶縁体500、及びヒートシンク600を介して、冗長電動パワーステアリング装置3Aの外部に放熱することができる。これによって、部品点数の増加に伴う基板100の面積あるいは体積の増大を最小限に止めることができる。さらに、放熱性能を犠牲にせず、冗長電動パワーステアリング装置3Aを小型化することができ、かつ、低価格な冗長電動パワーステアリング装置3Aを達成できる。
Claims (12)
- 回路パターンを有する基板と、
前記基板上に配置され、前記基板とは反対側に位置する上面放熱部と、半田付けにより前記回路パターンに接合されている電極とを有する発熱素子と、
前記上面放熱部上に配置された熱伝導部材と、
前記熱伝導部材上に配置された第1金属板と、
前記熱伝導部材上に配置され、かつ、前記第1金属板から電気的に独立した第2金属板と、
第3金属板と、
前記第1金属板、前記第2金属板、及び前記第3金属板を絶縁する絶縁部材と、
前記第1金属板、前記第2金属板、及び前記第3金属板上に配置された熱伝導絶縁体と、
前記熱伝導絶縁体上に配置されたヒートシンクと、
を備え、
前記第3金属板は、前記電極が前記回路パターンにより接合された位置と、前記熱伝導絶縁体との間に設けられ、
前記第1金属板、前記第2金属板、前記第3金属板、及び前記絶縁部材によって、1つの部品が構成されている、
電子装置。 - 前記熱伝導部材の熱伝導率は、前記熱伝導絶縁体の熱伝導率より大きい、
請求項1に記載の電子装置。 - 前記第1金属板と前記熱伝導絶縁体が接する面積は、前記発熱素子と前記熱伝導部材が接する面積より大きい、
請求項1に記載の電子装置。 - 前記熱伝導部材は、前記上面放熱部と前記第1金属板との間に設けられており、
前記熱伝導部材の材料は、半田である、
請求項1に記載の電子装置。 - 前記熱伝導絶縁体は、前記第1金属板と前記ヒートシンクとの間に設けられており、
前記熱伝導絶縁体の材料は、熱伝導グリス又は熱伝導接着剤である、
請求項1に記載の電子装置。 - 前記第1金属板と前記ヒートシンクとの間の隙間を決定するスペーサを備え、
前記スペーサで決定された前記第1金属板と前記ヒートシンクとの間の隙間に、前記熱伝導絶縁体が充填されている、
請求項1に記載の電子装置。 - 各々が、前記基板とは反対側に位置する上面放熱部を有し、かつ、前記発熱素子に対応する、複数の発熱素子と、
各々が、前記第1金属板に対応する複数の第1金属板と、
を備え、
前記複数の第1金属板は、前記熱伝導部材上に配置され、前記複数の発熱素子の配列方向に沿って配置され、互いに分離しており、
前記上面放熱部は、前記熱伝導部材を介して、前記複数の第1金属板の各々に接続されている、
請求項1に記載の電子装置。 - 各々が、前記基板とは反対側に位置する上面放熱部を有し、かつ、前記発熱素子に対応する、複数の発熱素子と、
を備え、
前記第2金属板は、前記熱伝導部材上に配置され、前記複数の発熱素子の配列方向に沿って延在し、前記複数の発熱素子を互いに導通させ、
前記上面放熱部は、前記熱伝導部材を介して、前記第2金属板に接続されている、
請求項1に記載の電子装置。 - 前記第3金属板は、半田付けにより前記回路パターンに接合されている、
請求項1に記載の電子装置。 - 前記絶縁部材の厚さによって、前記熱伝導絶縁体の厚さが決定されている、
請求項1に記載の電子装置。 - 前記絶縁部材は、前記ヒートシンクに面する端面に設けられたリブを備え、
前記ヒートシンクは、前記リブに対応する位置に設けられた溝を備え、
前記溝に前記リブが挿入されている、
請求項1に記載の電子装置。 - 回路パターンを有する基板と、
前記基板上に配置され、前記基板とは反対側に位置する上面放熱部と、半田付けにより前記回路パターンに接合されている電極とを有する発熱素子と、
前記上面放熱部上に配置された熱伝導部材と、
前記熱伝導部材上に配置された第1金属板と、
前記熱伝導部材上に配置され、かつ、前記第1金属板から電気的に独立した第2金属板と、
第3金属板と、
前記第1金属板、前記第2金属板、及び前記第3金属板を絶縁する絶縁部材と、
前記第1金属板、前記第2金属板、及び前記第3金属板上に配置された熱伝導絶縁体と、
前記熱伝導絶縁体上に配置されたヒートシンクと、
を備え、
前記第3金属板は、前記電極が前記回路パターンにより接合された位置と、前記熱伝導絶縁体との間に設けられ、
前記第1金属板、前記第2金属板、前記第3金属板、及び前記絶縁部材によって、1つの部品が構成されている、
電動パワーステアリング装置。
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