JPWO2020148800A1

JPWO2020148800A1 - 制御装置

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Publication number: JPWO2020148800A1
Application number: JP2019522590A
Authority: JP
Inventors: 裕次根本; 中川　光; 光中川; 小川　徹; 徹小川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2021-02-18
Also published as: WO2020148800A1

Abstract

表面実装タイプのスイッチング素子を用いた制御装置において、プリント配線板を経由する放熱特性を向上させることを目的とする。プリント配線板（４）と、プリント配線板に配置されたスイッチング素子（５）と、スイッチング素子のプリント配線板と対向する面と反対側の面でスイッチング素子と熱的に接続された熱伝導部材（６）とを備えた制御装置である。プリント配線板は、複数の熱伝導層（２）が絶縁層内に積層された多層構造であり、スイッチング素子は、最上層の熱伝導層（２ａ）の所定の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されており、熱伝導部材は、所定の領域以外の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されている。プリント配線板は、スイッチング素子の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第１ビア（９ａ）と、熱伝導部材の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第２ビア（９ｂ）とを備えている。

Description

本願は、制御装置に関する。

電動化が進む自動車では、エンジンを電子制御するための制御装置が取り付けられている。近年、制御装置の小型化のため、インバータ部などに用いられるスイッチング素子をプリント基板の表面に実装した制御装置が用いられている。スイッチング素子は大電流が流れるため発熱する。そのため、スイッチング素子を冷却する必要がある。この表面実装タイプのスイッチング素子を用いた制御装置では、スイッチング素子をヒートシンクに固定した従来の制御装置と異なり、プリント配線板を経由した放熱構造が必要となる。

従来の表面実装タイプのスイッチング素子を用いた制御装置は、プリント配線板の表面に形成された熱伝導パターンにスイッチング素子を熱的に接続し、スイッチング素子の発熱を熱伝導パターンを経由して周囲に拡散していた（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２０１６−１００３９３号公報特開２０１８−６７６５号公報

プリント配線板では、一般に厚さが３５μｍあるいは１８μｍの銅箔が用いられている。この銅箔が配線パターンおよび熱伝導パターンとして用いられている。従来の制御装置では、この厚みの薄い銅箔を熱伝導パターンとして用いているため熱抵抗が高く、プリント配線板を経由する放熱特性が低かった。

本願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、表面実装タイプのスイッチング素子を用いた制御装置において、プリント配線板を経由する放熱特性を向上させることを目的とする。

本願の制御装置は、プリント配線板と、プリント配線板に配置されたスイッチング素子と、スイッチング素子のプリント配線板と対向する面と反対側の面でスイッチング素子と熱的に接続された熱伝導部材とを備えたものである。また、このプリント配線板は、複数の熱伝導層が絶縁層内に積層された多層構造であり、スイッチング素子は、最上層の熱伝導層の所定の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されており、熱伝導部材は、所定の領域以外の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されている。さらに、このプリント配線板は、スイッチング素子の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第１ビアと、熱伝導部材の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第２ビアとを備えたものである。

本願の制御装置は、複数の熱伝導層が絶縁層内に積層された多層構造のプリント配線板が、スイッチング素子の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第１ビアと、熱伝導部材の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第２ビアとを備えているので、プリント配線板を経由する放熱特性を向上させることができる。

実施の形態１に係る制御装置の断面図である。実施の形態１に係るプリント配線板の上面図である。実施の形態１に係る制御装置の断面図である。実施の形態１に係る制御装置の断面図である。実施の形態２に係る制御装置の断面図である。実施の形態３に係る制御装置の断面図である。

以下、本願を実施するための実施の形態に係る制御装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしく相当部分を示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る制御装置の断面図である。本実施の形態の制御装置１は、例えば自動車のボンネット内に設置された制御装置であり、この制御装置の周囲に配置されるモータ１０などを駆動するためのものである。発熱源となるモータ１０が下部にある場合、プリント配線板の下部への放熱は期待できない。したがって、スイッチング素子で発生した熱は、モータ１０と対向した面と反対側の面へ放熱させることが必要となる。

図１に示すように、制御装置１は、複数の熱伝導層２が絶縁層３内に積層されたプリント配線板４と、最上層の熱伝導層２ａと熱的および電気的に接続されたスイッチング素子５と、スイッチング素子５の周囲で最上層の熱伝導層２ａと熱的に接続された熱伝導部材６とで構成されている。熱伝導部材６と最上層の熱伝導層２ａとの間には、絶縁性の熱伝導性挿入層７ａが挿入されている。複数の熱伝導層２は、最上層の熱伝導層２ａとプリント配線板４の絶縁層３に内包された内部の熱伝導層２ｂとで構成されている。熱伝導部材６は、最上層の熱伝導層２ａと熱的に接続された２つの凸部６ａと、この２つの凸部６ａの間に形成された凹部６ｂとを備えている。この熱伝導部材６の凹部６ｂとスイッチング素子５の上面とは、熱伝導性挿入層７ｂを介して熱的に接続されている。

プリント配線板４は、絶縁層３と、最上層の熱伝導層２ａおよび絶縁層３に内包された内部の熱伝導層２ｂで構成された複数の熱伝導層２と、下面の全面および上面の最上層の熱伝導層２ａ以外の面を覆うレジスト８と、最上層の熱伝導層２ａと内部の熱伝導層２ｂとを熱的に接続するビア９とを備えている。ビア９は、スイッチング素子５の下部において、複数の熱伝導層２を熱的に接続する第１ビア９ａと、熱伝導部材６の下部において、複数の熱伝導層２を熱的に接続する第２ビア９ｂとで構成されている。

複数の熱伝導層２は、例えば銅箔で構成されている。プリント配線板４の絶縁層３は、エポキシ樹脂などで構成されている。スイッチング素子５は、例えば半導体素子を備えた回路素子である。熱伝導部材６は、例えばアルミニウムで構成された放熱部品、あるいは金属製の筐体である。絶縁性の熱伝導性挿入層７ａ、７ｂは、例えば放熱グリス、サーマルグリス、放熱用シリコーンオイルコンパウンドあるいは放熱性シリコーンゴムなどである。

図２は、プリント配線板４の上面図である。図２に示すように、最上層の熱伝導層２ａは、破線で示したスイッチング素子５の下部とその周囲に広がって形成されている。スイッチング素子５の周囲の最上層の熱伝導層２ａの上には、破線で示した熱伝導部材６の凸部６ａが熱的に接続されている。スイッチング素子５の下部の位置には、最上層の熱伝導層２ａと内部の熱伝導層２ｂとを熱的に接続する第１ビア９ａが形成されている。また、凸部６ａの下部の位置には、最上層の熱伝導層２ａと内部の熱伝導層２ｂとを熱的に接続する第２ビア９ｂが形成されている。なお、図２において、スイッチング素子５および熱伝導部材６の凸部６ａが上部に配置された部分以外の最上層の熱伝導層２ａの表面の一部は、レジスト８で覆われている。

このように構成された制御装置１における熱伝導の経路について説明する。大電流が流れるスイッチング素子５で発生した熱は、２つの経路で外気に放出される。１つ目の経路は、スイッチング素子５の上部から熱伝導性挿入層７ｂを経由して熱伝導部材６の凹部６ｂに至る経路であり、熱伝導部材６から外気に熱が放出される。２つ目の経路は、スイッチング素子５の下部から最上層の熱伝導層２ａおよび熱伝導性挿入層７ａを経由して熱伝導部材６の凸部６ａに至る経路であり、熱伝導部材６から外気に熱が放出される。

この２つ目の経路において、最上層の熱伝導層２ａの面内方向の経路だけでなく、スイッチング素子５の下部の最上層の熱伝導層２ａから第１ビア９ａ、内部の熱伝導層２ｂおよび第２ビア９ｂを経由して熱伝導部材６の凸部６ａの下部の最上層の熱伝導層２ａまで至る経路が存在する。

従来の制御装置では、最上層の熱伝導層しか存在しなかった。つまり、スイッチング素子から熱伝導部材までの熱伝導の経路は、最上層の熱伝導層の面内方向の経路のみであった。そのため、プリント配線板で一般に使用される厚さが３５μｍの銅箔を熱伝導層に用いた場合、熱伝導層の熱抵抗が高く放熱特性が十分ではなかった。

本実施の形態の制御装置では、スイッチング素子からの熱伝導の経路を最上層の熱伝導層の面内方向の経路に加えて、プリント配線板の内部に形成された複数の熱伝導層を経由した経路が存在するので、熱伝導層の熱抵抗を低くすることができ、十分な放熱特性が得られる。

また、銅箔の厚さが１０５μｍの高価なプリント配線板を用いることなく、一般に用いられている銅箔の厚さが３５μｍの安価な多層のプリント配線板を用いることができる。

スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子の場合、図２に示すように、スイッチング素子５のドレイン端子側（図２のスイッチング素子５の上側）とソース端子側（図２のスイッチング素子５の下側）とでは、最上層の熱伝導層２ａの露出面積が異なるのが一般的である。熱伝導部材６の凸部６ａと最上層の熱伝導層２ａとの熱的な接続は、ドレイン端子側およびソース端子側の両方の最上層の熱伝導層２ａを利用することが好ましい。ただし、最上層の熱伝導層２ａの露出面積が広いドレイン端子側だけを利用してもよい。

なお、本実施の形態では、複数の熱伝導層は電気的な接続のための配線を兼ねている。熱伝導層が厚さ３５μｍの銅箔である場合、幅１ｍｍで最大１Ａの電流を流すとしたとき、電流密度は２８．６Ａ／ｍｍ^２となる。この電流密度以下となるように熱伝導層の幅を決定するが、本実施の形態のように、多層の熱伝導層を配線に用いることで、各熱伝導層の電流密度は、確実に１４．３Ａ／ｍｍ^２以下となる。このような低い電流密度であるにもかかわらずあえて複数層の熱伝導層を用いることで、面内方向の熱抵抗を下げることができ、スイッチング素子の下部からの放熱効果を増大させることができる。

熱伝導層を配線としても利用するため、熱伝導層と熱伝導部材との間の電気絶縁性が問題となる。図３は、本実施の形態１に係る別の制御装置の断面図である。図３に示すように、プリント配線板の製造工程において、熱伝導部材６の凸部６ａの下部の位置に対応する最上層の熱伝導層２ａの上のレジスト８を除去せずに残しておく。このようにすれば、熱伝導層と熱伝導部材との間の電気絶縁性がさらに向上する。

なお、複数の銅箔を接続するビアは、電気回路の配線としての機能で考える場合は２個あれば十分であるが、熱伝導層としての機能で考える場合はできるだけ多数あった方がよい。また、ビアは、プリント配線板の上下を突き抜ける貫通ビアであっても、絶縁層の途中まで配置されるインナービアであってもよい。

また、絶縁層内に積層された複数の熱伝導層は、同じ形状である必要はない。電気回路の配線として用いるためにプリント配線板の周辺部まで伸ばした形状であっても、他の部品、他の配線などを避けた形状であってもよい。複数の熱伝導層に必要なことは、スイッチング素子の下部に配置された最上層の熱伝導層と熱伝導部材の凸部の下部に配置された最上層の熱伝導層とを第１ビアおよび第２ビアを介して熱的に接続することである。

なお、図１に示すように、プリント配線板４の裏面、すなわちモータ１０と対向した面は、熱伝導層が露出していないことが好ましい。図１に示す例では、プリント配線板４の裏面はレジスト８で覆われている。モータ１０と対向した面に熱伝導層が露出していると、モータ１０からの熱の影響で熱伝導層の温度が上昇し、熱伝導層の放熱効果が低下するからである。

また、本実施の形態においては、熱伝導層が３層のプリント配線板を示したが、２層以上であればプリント配線板の内部の熱伝導層を経由した経路が存在するので、熱伝導層の熱抵抗を低くすることができる。

また、図１に示す熱伝導部材６は、最上層の熱伝導層２ａと熱的に接続された２つの凸部６ａと、この２つの凸部６ａの間に形成された凹部６ｂとを備えていたが、これに限るものではない。図４は、本実施の形態１に係る別の制御装置の断面図である。図４に示すように、この制御装置１においては、熱伝導部材６と最上層の熱伝導層２ａとの間に挿入される絶縁性の熱伝導性挿入層７ａを厚くしている。熱伝導部材６の下部は平坦な形状である。熱伝導部材６は、この平坦面と熱伝導性挿入層７ｂを介してスイッチング素子５の上面と熱的に接続されると共に、熱伝導性挿入層７ａを介して最上層の熱伝導層２ａと熱的に接続されている。

このように構成された制御装置は、熱伝導部材６が凸部および凹部を備える必要がなく、熱伝導部材６の構造が簡素になる。なお、熱伝導性挿入層として低硬度な素材を用いて、熱伝導性挿入層７ａおよび熱伝導性挿入層７ｂを一体とすることもできる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る制御装置の断面図である。図５に示すように、本実施の形態の制御装置１は、熱伝導部材６の凸部６ａの部分に、熱伝導部材６とプリント配線板４とを締結する締結部１１を備えている。制御装置のそれ以外の構成は、実施の形態１の制御装置と同様である。締結部１１は、例えばネジであり、プリント配線板４を貫通して熱伝導部材６の凸部６ａとプリント配線板４とを締結している。

このように構成された制御装置は、熱伝導部材６と最上層の熱伝導層２ａとの熱的な接続が確実となり熱抵抗が低下する。また、通常の制御装置では熱伝導部材６とプリント配線板４との締結部は別の箇所に配置されているが、本実施の形態の制御装置は熱的な接続の箇所に締結部を備えているので、別の箇所の締結部をなくすことができる。なお、図５では、熱伝導部材の一方の凸部に締結部を備えた例を示したが、両側の凸部に締結部を備えていてもよい。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る制御装置の断面図である。図６に示すように、本実施の形態の制御装置１は、上面に金属端子１２が露出したスイッチング素子５を用いている。スイッチング素子５の金属端子１２は、熱伝導性挿入層７ｂを介して熱伝導部材６と熱的に接続されている。

このように構成された制御装置は、スイッチング素子５の上面と熱伝導部材６との間の熱抵抗が低下し、スイッチング素子５の冷却能力が向上する。

本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１制御装置、２、２ａ、２ｂ熱伝導層、３絶縁層、４プリント配線板、５スイッチング素子、６熱伝導部材、６ａ凸部、６ｂ凹部、７ａ、７ｂ熱伝導性挿入層、８レジスト、９ビア、９ａ第１ビア、９ｂ第２ビア、１０モータ、１１締結部、１２金属端子。

本願の制御装置は、プリント配線板と、プリント配線板に配置されたスイッチング素子と、スイッチング素子のプリント配線板と対向する面と反対側の面でスイッチング素子と熱的に接続された熱伝導部材とを備えたものである。また、このプリント配線板は、複数の熱伝導層が絶縁層内に積層された多層構造であり、スイッチング素子は、最上層の熱伝導層の所定の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されており、熱伝導部材は、所定の領域以外の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されている。さらに、このプリント配線板は、スイッチング素子の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第１ビアと、熱伝導部材と最上層の熱伝導層とが熱的に接続された領域の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第２ビアとを備えたものである。

本願の制御装置は、複数の熱伝導層が絶縁層内に積層された多層構造のプリント配線板が、スイッチング素子の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第１ビアと、熱伝導部材と最上層の熱伝導層とが熱的に接続された領域の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第２ビアとを備えているので、プリント配線板を経由する放熱特性を向上させることができる。

本願の制御装置は、プリント配線板と、プリント配線板に配置されたスイッチング素子と、スイッチング素子のプリント配線板と対向する面と反対側の面でスイッチング素子と熱的に接続された熱伝導部材とを備えたものである。また、このプリント配線板は、複数の熱伝導層が絶縁層内に積層された多層構造であり、スイッチング素子は、最上層の熱伝導層の所定の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されており、熱伝導部材は、所定の領域以外の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されている。さらに、このプリント配線板は、スイッチング素子の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第１ビアと、熱伝導部材と最上層の熱伝導層とが熱的に接続された領域の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第２ビアとを備えたものであって、さらに、プリント配線板のスイッチング素子が配置される面と反対側の面は、発熱源と対向しており、プリント配線板の最下層の熱伝導層は、プリント配線板の発熱源と対向する面において、絶縁層及びレジストの少なくともいずれか一方によって覆われていることを特徴とするものである。
別の本願の制御装置は、プリント配線板と、プリント配線板に配置されたスイッチング素子と、スイッチング素子のプリント配線板と対向する面と反対側の面でスイッチング素子と熱的に接続された熱伝導部材とを備えたものである。また、このプリント配線板は、複数の熱伝導層が絶縁層内に積層された多層構造であり、スイッチング素子は、最上層の熱伝導層の所定の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されており、熱伝導部材は、所定の領域以外の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されている。さらに、このプリント配線板は、スイッチング素子の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第１ビアと、熱伝導部材と最上層の熱伝導層とが熱的に接続された領域の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第２ビアとを備えたものであって、さらに、熱伝導部材は、凸部を有しており、第２ビアは、熱伝導部材の凸部と最上層の熱伝導層とが熱的に接続された領域の直下において、複数の熱伝導層を熱的に接続することを特徴とするものである。
さらに別の本願の制御装置は、プリント配線板と、プリント配線板に配置されたスイッチング素子と、スイッチング素子のプリント配線板と対向する面と反対側の面でスイッチング素子と熱的に接続された熱伝導部材とを備えたものである。また、このプリント配線板は、複数の熱伝導層が絶縁層内に積層された多層構造であり、スイッチング素子は、最上層の熱伝導層の所定の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されており、熱伝導部材は、所定の領域以外の領域で最上層の熱伝導層と熱的に接続されている。さらに、このプリント配線板は、スイッチング素子の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第１ビアと、熱伝導部材と最上層の熱伝導層とが熱的に接続された領域の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続する第２ビアとを備えたものであって、さらに、熱伝導部材は、２つの凸部と２つの凸部の間に形成された凹部とを有しており、第２ビアは、熱伝導部材の２つの凸部と最上層の熱伝導層とが熱的に接続されたそれぞれの領域の下部において、複数の熱伝導層を熱的に接続し、スイッチング素子は、熱伝導部材の凹部と熱的に接続されることを特徴とするものである。

Claims

プリント配線板と、
前記プリント配線板に配置されたスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の前記プリント配線板と対向する面と反対側の面で前記スイッチング素子と熱的に接続された熱伝導部材と
を備えた制御装置であって、
前記プリント配線板は、複数の熱伝導層が絶縁層内に積層された多層構造であり、
前記スイッチング素子は、最上層の熱伝導層の所定の領域で前記最上層の熱伝導層と熱的に接続されており、
前記熱伝導部材は、前記所定の領域以外の領域で前記最上層の熱伝導層と熱的に接続されており、
前記プリント配線板は、
前記スイッチング素子の下部において、前記複数の熱伝導層を熱的に接続する第１ビアと、
前記熱伝導部材の下部において、前記複数の熱伝導層を熱的に接続する第２ビアと
を備えたことを特徴とする制御装置。
前記最上層の熱伝導層は、前記プリント配線板の表面に露出していることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記最上層の熱伝導層と前記スイッチング素子との間、および前記最上層の熱伝導層と前記熱伝導部材との間には、熱伝導性挿入層が挿入されている
ことを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
前記所定の領域以外の領域において、前記熱伝導部材と前記プリント配線板とを締結する締結部を備えた
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置。
前記プリント配線板の最下層の熱伝導層は、前記絶縁層に内包されている
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の制御装置。