WO2016110914A1

WO2016110914A1 - 車両用電子機器

Info

Publication number: WO2016110914A1
Application number: PCT/JP2015/006337
Authority: WO
Inventors: 哲也末吉; 公彰安藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: JP6455154B2; JP2016127237A; US20170352608A1; US10256170B2

Abstract

　車両用電子機器は、基板（１７）と、半導体パッケージ（１８）と、を備える。基板（１７）は、ファンユニット（３）による風の流通経路に沿って配置されている。半導体パッケージ（１８）は、基板（１７）に搭載され風により冷却される。半導体パッケージ（１８）は、ファンユニット（３）により吸入される風の流入口（２７）の流通経路の断面積を第１断面積（Ｗ１）としたとき、第１断面積よりも広い断面積（Ｗ２）となる風の流通経路を備える領域（Ｒ１）に配置されている。

Description

車両用電子機器

関連出願の相互参照

　本出願は、２０１５年１月８日に出願された日本特許出願２０１５－２３６１号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、車両用電子機器に関する。

　車両用電子機器は、マイクロコンピュータを搭載し各種機器（センサ、アクチュエータ）を制御する。近年では、車両用制御機器の電子化が進み、例えば、従来のナビゲーション機能に留まらず、車外のセンター装置との連携、挙動制御などの多種多様なサービスも実現されている。

　車両用電子機器には、その搭載位置として体格的な制約がある。車両用電子機器は、各種機能を搭載するため、車両に搭載される各種のＥＣＵ（Electronic Control Unit）、カメラ、オーディオ機器、さらに、車両持込可能な携帯端末、など複数の電子機器と情報を授受する処理機能を搭載することがある。さらに、この車両用電子機器は、車両メーカから要求される種々な電子機器との間でデジタルデータを処理する処理機能を搭載することがある。

特開２０１４－１７０８３７号公報特開平９－１７６１４７号公報

　車両用電子機器は、車両内の限られた空間に搭載されるため、設置位置には厳しい制約を生じる。しかし、体格が縮小化することで熱がこもる。このため、発明者らは放熱対策を施すため冷却ファンを用いて基板の両面に沿って風を通過させて冷却することを検討している。出願人は、複数の基板の面に沿って部品を配置し、これらの複数の基板に部品を配置することで冷却化する技術を提供している（例えば、特許文献１参照）。

　発明者らは、半導体パッケージの冷却化を推進することを検討しており、外部から風が流入する流入口に半導体パッケージを搭載することを検討した。しかしながら、半導体パッケージに結露が発生する虞があることが判明した。

　本開示の目的は、結露の発生を抑制しつつ半導体パッケージが発生する熱を適切に放熱できるようにした車両用電子機器を提供することにある。

　本開示の一態様によれば、基板が冷却用ファンによる風の流通経路に沿って配置されており、半導体パッケージがこの基板に搭載されている。このとき、風の流通経路の断面積が小さいと風速が速くなるため冷却効果が大きくなり、逆に風の流通経路の断面積が大きいと風速が遅くなるため冷却効果が小さくなる。

　半導体パッケージは、冷却用ファンの風の流入口の流通経路の断面積を第１断面積としたとき第１断面積よりも広い断面積となる風の流通経路を備える領域に配置されているため、風は第１断面積の流入口を通過するときより、より広い断面積の流通経路の領域を通過するときに風速が遅くなる。

　結露によるマイグレーションなどの発生を防止するため、半導体パッケージは急激に温度が変化しにくい領域に配置されていることが望ましいが、半導体パッケージが第１断面積よりも広い断面積の流通経路の領域に配置されているため、当該領域では急激に温度変化を生じることが少なくなり、結露しにくくなる。

　第１断面積より広い断面積（第２断面積）は、流入口から風が直接的に流れ込む流通経路の第２領域における断面積（第３断面積）よりも広い場合、半導体パッケージの搭載領域は、基板に直接的に流れる流通経路の領域よりも風速が弱くなる。これにより温度変化を生じることが少なくなり、結露しにくくなる。

　風が基板に反射し風の通過主経路が当該基板から離れて通過する場合、基板に搭載された半導体パッケージは風の通過主経路から離れた場所に配置されることになる。したがって半導体パッケージの搭載部では温度変化を生じることが少なくなり、結露しにくくなる。

　本開示についての上記およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
一実施形態にかかる車両用電子機器を前面側から概略的に示す分解斜視図である。車両用電子機器の下部断面を図１のII－II線に沿って概略的に示す縦断面図である。車両用電子機器を概略的に示す背面斜視図である。車両用電子機器の下部断面における風速を概略的に示す説明図である。

　一実施形態について図１～図４を参照して説明する。図１は車両電子機器１の分解斜視図を概略的に示している。図１に示すように、車両用電子機器１は、金属製部材による背面カバー２を最裏部に備え、この背面カバー２の表側（前側）に位置して、ファンユニット３、プリント配線基板４、フレーム５、ＬＣＤユニット６、エラストマ７、タッチパネル８、タッチパネルカバー９をこの順で組付けされて構成されている。また、これらの各部品２～９の側部には、右側板１０、左側板１１がネジ（図示せず）により組付けされる。ＬＣＤユニット６は、後側（裏側、背面側）から、バックライト１２、ＴＦＴガラスセル１３及びＬＣＤカバー１４を備える。

　部品２～９のうち、プリント配線基板４、フレーム５、バックライト１２、ＴＦＴガラスセル１３、及び、タッチパネル８は、概ね平板状に成形されている。図２（ａ）には車両用電子機器１の内部部品が組付けされたときの下部縦断面図を図１のII－II線に沿って概略的に示しており、図２（ｂ）にはプリント配線基板４に搭載される部品２０、２２、３０～３４を概略的に示している。また図３は車両用電子機器１の内部部品がネジ１５を用いて一体化されたときの車両用電子機器１の背面斜視図を概略的に示している。

　図２に大凡の各部品２～９間の表裏方向の離間距離を示すように、正面側から、タッチパネルカバー９、タッチパネル８、エラストマ７、及びＬＣＤユニット６が設置されており、これらの部品６～９は概ね密接して設置されている。

　タッチパネルカバー９は矩形枠状に成型され、このタッチパネルカバー９の内側が、静電タッチパネル８のユーザ操作入力可能な領域として構成されると共に、ＴＦＴガラスセル１３による画面表示領域として設けられる。タッチパネル８は、矩形箱状をなした所謂静電容量方式のタッチパネルであり、ユーザ操作面を表側としてタッチパネルカバー９の内裏側に配設される。タッチパネル８の下部の一部にはフレキシブル基板１７が接続されている。フレキシブル基板１７は、図２に示すように、タッチパネル８に固定された部分１７ａから一旦下方に延設され当該延設端１７ｂから斜上後方（裏面斜上方向）に向けて延設される。このフレキシブル基板１７には当該フレキシブル基板１７の機械的強度を補助するための補強板１６が係合する。補強板１６は、各部品２～９の組付後にはプリント配線基板４の下端の下方一部領域に向けて延びるように設けられる。

　フレキシブル基板１７の下面には配線パターン（図示せず）が形成され、このフレキシブル基板１７の下面には半導体パッケージ１８が搭載されている。半導体パッケージ１８は、タッチパネル駆動ＩＣチップ（図示せず）を内蔵し、電気的には、プリント配線基板４に搭載される制御回路などの部品３０とタッチパネル８との間に介在して配置されている。

　フレキシブル基板１７は可撓性があるため、タッチパネル８とプリント配線基板４との間に狭い経路しか存在しない場合、当該部品８及び４間を電気的接続するには都合が良い。また、このフレキシブル基板１７にタッチパネル駆動ＩＣの半導体パッケージ１８を搭載すれば、電気配線や制御上においても都合が良い。しかし、逆にフレキシブル基板１７は可撓性があるため、半導体パッケージ１８を搭載した場合には、その設置場所が安定しない。このため、補強板１６がフレキシブル基板１７の機械的強度を補助するために設けられる。なお、図示しないが、図１及び図２に示す車両用電子機器１の下部から半導体パッケージ１８を押圧する押え板を設け、フレキシブル基板１７及び補強板１６をフレーム５の屈曲部５ｂに固定しても良い。

　タッチパネル８の裏側にはエラストマ７を介してＬＣＤユニット６が配設されている。ＬＣＤカバー１４は矩形枠状に成型され、そのＬＣＤカバー１４の内裏側にＴＦＴガラスセル１３を配設している。ＴＦＴガラスセル１３はタッチパネル８の裏側に配設される。バックライト１２はＴＦＴガラスセル１３の裏側に配設されており、当該ＴＦＴガラスセル１３に裏面から光を照射する。バックライト１２及びＴＦＴガラスセル１３間はフレキシブル基板１７により結合されており、これらの部品１２及び１３間は電気的に接続されている。

　フレーム５は金属製部材を用いて所定形状に成型され、バックライト１２の裏側に配設される。図２（ａ）に示すように、このフレーム５は、平板部５ａ及びこの平板部５ａの下端から裏側に屈曲して延びる屈曲部５ｂを備える。屈曲部５ｂは、平板部５ａの下端から金属製部材が裏面斜上方側に折曲成形されることで構成される。この屈曲部５ｂは、補強板１６の上面に沿って形成され、半導体パッケージ１８の搭載領域におけるフレキシブル基板１７の機械的強度を補強する。フレーム５の屈曲部５ｂの背面側先端及び補強板１６の背面側先端は、プリント配線基板４と背面カバー２の背面板２ａとの間の所定位置に保持される。

　また、この屈曲部５ｂ、補強板１６及びフレキシブル基板１７が冷却用の風の流路を構成する（後述参照）。その他、フレーム５は、当該フレーム５とバックライト１２やプリント配線基板４の表面側の電子部品３０～３４（例えば、半導体パッケージ、チップ部品等）との距離を確保するための立脚部（図示せず）を備えている。フレーム５の平板部５ａは、バックライト１２の裏面側に立脚する立脚部を介して離間して配置されている。さらに、フレーム５の裏面側に立脚する立脚部を介してプリント配線基板４が配置されている。プリント配線基板４の裏面側には背面カバー２が装着されている。

　プリント配線基板４は、例えば多層配線基板により形成され、電源制御機能を備える例えばＩＣ、コンデンサなどの電源用部品（図示せず）、エンタテインメント系の情報処理機能、画像制御機能、表示制御機能を構成する複数のＩＣ、チップ部品などの電子部品３０～３４、さらに、複数のコネクタ１９～２２、が当該プリント配線基板４の表面又は裏面に実装されている。

　ここで、例えば電子部品３０～３４は、各種車載機器（図示せず）とのインタフェースを行うインタフェース部（ＩＦ）、ＣＡＮドライバ、車載機器と入出力制御するマイコン、フラッシュメモリ、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）、ビデオデコーダ、ＰＭＩＣ（パワーマネージメント用ＩＣ）、メインＣＰＵ、ＳＤＲＡＭ及びフラッシュメモリなどのメモリ、その周辺回路などである。

　複数のコネクタ１９～２２は、プリント配線基板４の裏面に配設されると共に、当該プリント配線基板４の背面側に突設するように配設され、電源用部品や電子部品３０～３４（ＣＰＵなどのＩＣパッケージ）などと比較して背高に構成されている。図３に背面斜視図を概略的に示すように、これらのコネクタ１９～２２は、プリント配線基板４の上端辺の内側に沿って配設されている。このコネクタ１９～２２は、背面側にケーブル（図示せず）が接続されることで、車両内装置（例えば、バッテリ、外部カメラ、ＤＶＤ／ＤＴＶ、ＤＣＭ（Data Communication Module）、車両ネットワーク、及びマイク）などに電気的に接続可能になっている。コネクタ１９～２２は、プリント配線基板４の上端辺に沿って配列されているため、プリント配線基板４の中央側に風の流路を設けることができ、風通しの性能を良好にできる。

　図１に示すように、背面カバー２は、例えば金属製部材が所定形状に板金加工形成されるもので、平板上の背面板２ａからネジ装着位置決め用の突設部２ｂが車両用電子機器１の内方に向けて成形されている。背面カバー２が、プリント配線基板４、フレーム５、ＬＣＤユニット６などの各部等と突設部２ｂに設けられたネジ（図示せず）により締結されることで、各部品が一体に組付けされる。

　この組付状態では図２に示すように、バックライト１２の裏面側に配置されたフレーム５及びプリント配線基板４が、前述の順に互いに所定距離だけ表裏方向に離間しつつ配置される。ネジ装着用の突設部２ｂ等が背面カバー２に設けられるため、当該背面カバー２とプリント配線基板４との間に空間を設けることができる。

　また、背面カバー２には背面板２ａの上端辺に位置して、複数のコネクタ１９～２２を挿通するための孔部２３が形成され、コネクタ１９～２２が当該孔部２３～２５を挿通し背面側にケーブルの接続部を露出させている。

　図３に示すように、この背面カバー２は背面中央部２ｇにおいて正面側に迫り出すように迫出部２ｆが形成されると共に、この迫出部２ｆに隣接して風の排気口（通風口）となる開口部（窓部）２ｅを備え、当該開口部２ｅに面してファンユニット３が固定されている。

　ファンユニット３は、内部に羽根（ファン）３ａを備え、そのファンユニット３の筐体側面に一部切欠を設けることで、当該側方に排気する排気口が確保されている。ファンユニット３は例えば遠心吸気ファンユニットにより構成され、プリント配線基板４に搭載された電源用部品から電源供給されることによりファン３ａを回転する。ファンユニット３の排気口が、背面カバー２の開口部２ｅに面しているため、この開口部２ｅを通じて放熱空気を排出できる。

　車両用電子機器１が、ネジ１５により一体に組付けられると、各部品２～９間には僅かに隙間（クリアランス）が設けられる。この隙間は多数存在するが、この隙間が風の吸気口となる。図１に示すように、背面カバー２は、矩形状の背面板２ａの上端辺に上端辺屈曲部２ｃを前方に屈曲するように成型されると共に、背面板２ａの下端辺に下端辺屈曲部２ｄを前方に屈曲するように成型されている。この上端辺屈曲部２ｃ又は下端辺屈曲部２ｄと他の部品（例えばＬＣＤユニット６等）との間に隙間を生じ、この隙間から風を吸気可能になっている。ファン３ａが回転すると、この隙間を通じて空気が車両用電子機器１内に吸気され、背面カバー２の開口部２ｅから迫出部２ｆに沿って風を背面側に放出可能になっている。

　上記構成において車両用電子機器１の内部の風の流れについて説明する。プリント配線基板４、フレーム５およびＬＣＤユニット６は表裏方向に所定高さを確保して配設されている。ファンユニット３のファン３ａが回転することで空気が隙間となる流入口２７を通じて車両用電子機器１内に吸込まれる（図２の流路Ａ１、Ａ２参照）。風は、フレキシブル基板１７及び半導体パッケージ１８の下面に沿って流れる（図２の流路Ａ３参照）。さらに、風はプリント配線基板４及び背面カバー２の背面板２ａ間を流れる（図２の流路Ａ４参照）。さらに、風はプリント配線基板４及びフレーム５の屈曲部５ｂ並びに平板部５ａ間を流れる（図２の流路Ａ５及びＡ６参照）。

　風はプリント配線基板４の電子部品３０～３４を冷却し、この放熱空気が背面カバー２の排気口となる開口部２ｅから放出される。風は、これらの電子部品３０～３４の外面に沿って流れることで当該部品を冷却できる。

　また主に本願に係る特徴部分における風の流れについて図４を参照して説明する。図４は図２に対応した領域について風の流れのシミュレーション結果を概略的に示す。ハッチングの目が粗い領域は風の流れが比較的速い領域を示し、逆にハッチングの目が細かい領域は風の流れが比較的遅い領域を示している。

　図４に示すように、車両用電子機器１の下方には、車両用電子機器１の装着対象物２６が車両内のダッシュボードなどに設けられている。この装着対象物２６は、車両用電子機器１の下部を支えるように設けられ、この装着対象物２６に車両用電子機器１が設置される。車両用電子機器１が装着対象物２６に設置されると、車両用電子機器１と装着対象物２６との接触部以外の部分に流入口２７を構成し、この流入口２７から風を流入する。この図４に示す領域においては、風が背面カバー２と装着対象物２６との間に設けられた流入口２７から風が流入することになる。

　ファンユニット３が作動すると、吸入空気はタッチパネルＩＣの補強板１６及びフレーム５の屈曲部５ｂに沿って流入し、当該補強板１６及び屈曲部５ｂに沿って背面側に向けて流れる。この風は、補強板１６の先端及びフレーム５の屈曲部５ｂの先端を折り返し、プリント配線基板４の表面及び裏面の全体に沿って流れる。なお、補強板１６及び屈曲部５ｂがガードしているため、風はＬＣＤユニット６側にほとんど流れない。

　図４に示すように、フレキシブル基板１７は、ファンユニット３による風の流通経路に沿って配置されており、半導体パッケージ１８はフレキシブル基板１７に搭載されている。このため、風が半導体パッケージ１８に当たりやすくなる。

　一般に、風の流通経路の断面積が小さいと、風速が強くなるため冷却度が高くなり、逆に風の流通経路の断面積が大きいと、風速が弱くなるため冷却度が低くなる。したがって、冷却度を高くするためには、風の流通経路の断面積が流入口２７の第１断面積Ｗ１程度となる近辺に配置することが望ましい。冷却度が極端に高いと急激に温度が変化し、結露しやすくなるため、半導体パッケージ１８は冷却度が低く温度変化が緩やかな領域に配置されていると良い。

　風の流入口２７の流通経路の第１断面積をＷ１としたとき、半導体パッケージ１８は第１断面積Ｗ１より広い第２断面積Ｗ２となる第１領域Ｒ１に設置されている。このため、風は第１断面積Ｗ１の流入口２７を通過するときよりも、第２断面積Ｗ２の流通経路の第１領域Ｒ１を通過するときに風速が弱くなる。

　発明者らによる検討結果によれば、ファン３ａの回転数を３１００［ｒｐｍ］、風量を０．３１６［ｍ^３／ｍｉｎ］としたとき、流入口２７では０．１３［ｍ／ｓ］と得られるのに対し、半導体パッケージ１８の搭載領域Ｒ１における風速は０．０６［ｍ／ｓ］と比較的弱くなる。このとき半導体パッケージ１８は温度が変化しにくい領域に配置されているため適度に冷却されつつも結露しにくい。

　風の流通経路の第２断面積Ｗ２は流入口２７から風が直接的に流れ込む領域の第３断面積Ｗ３より広い。このため、半導体パッケージ１８が搭載された第１領域Ｒ１では、フレキシブル基板１７に直接的に流れ込む領域より風速が弱くなる。

　また、図４に示すように、風が流入口２７から流れ込むとフレキシブル基板１７に当たって反射し、風の通過主経路Ｂ１が、フレキシブル基板１７から下方に遠ざかり当該基板１７から離れるようになる（図４の矢印に示す風の通過主経路Ｂ１参照）。風の通過経路は、第２断面積Ｗ２の中央部分を通過主経路Ｂ１、Ｂ２としている。このため、半導体パッケージ１８は、風の通過主経路Ｂ１、Ｂ２が当該半導体パッケージ１８から適度に離れる条件を満たす場所に配置され適度に冷却されるものの、急激に温度が変化しにくくなり結露しにくい。

　また、風が通過主経路Ｂ１からフレーム５の屈曲部５ｂの先端方向に向かうと、風の通過主経路Ｂ２は、その第４断面積Ｗ４が第２断面積Ｗ２より狭くなる。このため、風の通過主経路Ｂ２がフレキシブル基板１７の面側に向かうことになる。このため、仮に半導体パッケージ１８がフレーム５の先端側の第３領域Ｒ３に搭載されていると、当該半導体パッケージ１８の冷却度を高くできる。また、この第３領域Ｒ３においては、風が車両用電子機器１の内方に入り込んでいるため、急激に温度が変化しにくくなり結露しにくくなる。

　以上説明したように、本実施形態では下記のような効果を奏する。半導体パッケージ１８が風の流入口２７に設置されていると新鮮な外気を取り入れることができ、半導体パッケージ１８の冷却性能を増すことができるため望ましい。逆に、冷却度を極端に高くすぎると急激に温度が変化して、結露しやすい。このため、半導体パッケージ１８の冷却性能を適度に保持しつつ結露しにくくするため、本実施形態では、風が通過する断面積が比較的広い第２断面積Ｗ２となる第１領域Ｒ１に半導体パッケージ１８を搭載している。これにより、半導体パッケージ１８の蓄熱を適度に放熱できると共に結露を防止できる。

　風の流通経路の第２断面積Ｗ２は、流入口２７から風が直接的に流れ込む流通経路の第２領域Ｒ２における第３断面積Ｗ３よりも広いため、急激な温度変化を避けることができ結露しにくくできる。

　半導体パッケージ１８は、風の通過主経路Ｂ１がフレキシブル基板１７から離れる条件を満たす第１領域Ｒ１に配置されているため、急激な温度変化を避けることができ結露しにくくできる。

　また、フレキシブル基板１７は、タッチパネル８と電子部品３０～３４が搭載されたプリント配線基板４との間を電気的に接続しているが、補強板１６は、半導体パッケージ１８が搭載された第１領域Ｒ１のフレキシブル基板１７を補強するように構成されている。このため、半導体パッケージ１８を固定的に設置することができ、半導体パッケージ１８を車両の振動等から保護できる。

　プリント配線基板４には、複数のコネクタ１９～２２がプリント配線基板４の裏面側に突出して併設され、複数のコネクタ１９～２２はプリント配線基板４の上端辺の内脇に沿って配設されているため、風はプリント配線基板４の上端辺のさらに内側に沿って流通でき、風の流れが良好になり適切に放熱できる。

　車両用電子機器１は、ファンユニット３、プリント配線基板４、フレーム５、ＬＣＤユニット６、エラストマ７、タッチパネル８、タッチパネルカバー９、などにより、直方体形状のアッセンブリに収めることができるためコンパクトに構成でき、たとえ搭載スペースが限られていたとしても当該スペース内に収納できる。

　本開示は前述実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形又は拡張が可能である。ファンユニット３は、例えば遠心ファン３ａを備えた構成を示したが、軸心ファンを採用しても良い。

　「基板」はフレキシブル基板１７に限られず平板状のプリント配線基板であっても良い。半導体パッケージ１８は流入口２７の第１断面積Ｗ１よりも広い領域に配置されていれば良く、例えば流入口２７から離れた第３断面積Ｗ３（＞Ｗ１）の第２領域Ｒ２に配置しても良いし、第４断面積Ｗ４の第３領域Ｒ３に配置しても良い。これは、半導体パッケージ１８の内蔵ＩＣチップが熱に強いか弱いかに応じて適切な搭載位置を決定すると良い。

Claims

　ファンユニット（３）による風の流通経路に沿って配置された基板（１７）と、
　前記基板（１７）に搭載され前記風により冷却される半導体パッケージ（１８）と、を備え、
　前記半導体パッケージは、前記ファンユニットにより吸入される風の流入口（２７）の流通経路の断面積を第１断面積（Ｗ１）としたとき、前記第１断面積よりも広い断面積（Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４）となる風の流通経路を備える領域（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）に配置されている車両用電子機器。
　前記第１断面積より広い断面積（Ｗ２）は、前記流入口（２７）から風が直接的に流れ込む流通経路の第２領域（Ｒ２）における断面積（Ｗ３）よりも広い請求項１に記載の車両用電子機器。
　前記半導体パッケージ（１８）は、前記風が前記基板に反射することで当該風の通過主経路（Ｂ１）が前記基板から離れる条件を満たす前記領域（Ｒ１）に配置されている請求項１または２に記載の車両用電子機器。
　前記基板は、ユーザが操作入力可能なタッチパネル（８）と電子部品が搭載されたプリント配線基板（４）との間を電気的に接続するフレキシブル基板（１７）により構成され、
　前記半導体パッケージが搭載される領域の前記フレキシブル基板を補強する補強板（１６）を設けた請求項１～３の何れか一項に記載の車両用電子機器。