WO2019087743A1

WO2019087743A1 - 電子制御装置

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Publication number: WO2019087743A1
Application number: PCT/JP2018/038223
Authority: WO
Inventors: 吉田　勇; 勝鴨志田; 俊和執行; 山下　志郎
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2019-05-09
Also published as: US11266044B2; DE112018005000T5; JP2019083257A; US20200352056A1; JP6921710B2; CN111279807A; CN111279807B

Abstract

電子部品を含む発熱体と、発熱体を搭載する基板と、基板を基板固定部を介して固定する筐体と、を有する電子制御装置であって、筐体は、基板と対向する面であって、筐体の高さの基準となる基準面から基板側に突出し、基準面からの高さが相異なる複数の凸部を有し、複数の凸部のうち基準面からの高さが最も高い凸部は、基板の発熱体が搭載された面とは逆側の面と放熱部材を介して接している。

Description

電子制御装置

　本発明は、電子制御装置に関する。

　電子制御装置は、金属製の筐体と蓋、筐体内に搭載される回路基板によって構成されている。回路基板には、さまざまな電子部品が搭載され、電源系、駆動系、入出力系など機能ごとにまとまって電子部品が搭載されるのが一般的である。電子部品は、動作することにより発熱する。この熱を逃がさないと電子部品は、温度が上昇し誤動作や故障の原因になる。そのため、発熱量が大きい電子部品が搭載されている位置の回路基板の裏面側は、筐体と導電性接着剤などを介して接着させ、強制的に筐体外部に放熱する構造になっていた。また、筐体の表面に熱の吸収や放射を促進させる表面処理を施すことにより、放射熱を効率よく伝達することにより放熱性を向上させる構造となっていた。

　上記のような筐体の構造により、電子部品で発生した熱を筐体の外側に放熱する構造としては、特開２０１１－１９２９３７号公報（特許文献１）がある。

特開２０１１－１９２９３７公報

　しかしながら、特許文献１の構造において、発熱量が大きい電子部品が搭載されている位置の回路基板の裏面側は、筐体と導電性接着剤などを介して接着させ、強制的に筐体外部に放熱する構造になっていた。発熱量が大きい部品が孤立している場合は、筐体からその部分に対応する大きさの突起を設けて放熱するが、機能ごとに電子部品を搭載すると、発熱量が大きい部品が近接する場合がある。その場合は、その周辺も含めて複数の電子部品をまとめた大きな突起などで放熱する。大きな突起が電子部品が搭載されている面に対応する回路基板の裏面に導電性接着剤などを介して筐体が接着されていると、回路基板の変形は筐体の変形の影響を大きく受け、電子部品の信号端子のはんだ接合部に発生するひずみは、大きくなり、接続信頼性が低下するという課題があった。また、筐体に熱の吸収や放射を推進させる表面処理を施すことは、製造工程が増加するのでコストがアップするという課題があった。

　本発明の目的は、上記記載した従来技術の課題を解決し、基板に搭載される発熱体に作用するひずみを低減させ、接続信頼性の向上を図ることにある。

　本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

　本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

　本発明では、上記課題を解決するために、電子部品を含む発熱体と、前記発熱体を搭載する基板と、前記基板を基板固定部を介して固定する筐体と、を有する電子制御装置であって、前記筐体は、前記基板と対向する面であって、前記筐体の高さの基準となる基準面から前記基板側に突出し、前記基準面からの高さが相異なる複数の凸部を有し、前記複数の凸部のうち前記基準面からの高さが最も高い凸部は、前記基板の前記発熱体が搭載された面とは逆側の面と放熱部材を介して接していることを特徴とする。

　本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

　本発明によれば、基板に搭載される発熱体に作用するひずみを低減させ、接続信頼性の向上を図ることができる。

第１の実施形態における電子制御装置の展開図である。第１の実施形態における電子制御装置の裏面斜視図である。第１の実施形態における電子制御装置の筐体の斜視図である。第１の実施形態における電子制御装置のＡ－Ａ断面図である。第１の実施形態における電子制御装置の回路基板の要部拡大断面図である。第２の実施形態における電子制御装置の回路基板の要部拡大断面図である。検証に用いた解析モデルの図であって、（ａ）は、モデルＡの要部断面図、（ｂ）は、モデルＢの要部断面図、（ｃ）は、モデルＣの要部断面図である。解析モデルの解析結果を示す図である。

〔第１の実施形態〕
　本発明による電子制御装置の第１の実施形態について、図１～図５を参照して説明する。図１は、第１の実施形態における電子制御装置の展開図である。図１において、電子制御装置は、筐体１と、シール材６と、蓋７とを備えている。筐体１は、略長方形形状の回路基板２を収納するための容器として構成され、筐体１には回路基板２が搭載される。回路基板２上は、主に、電子部品配置領域２ａとコネクタピン配置領域２ｂに分割されており、電子部品配置領域２ａに、複数の電子部品３等が分散して搭載され、コネクタピン配置領域２ｂに、複数のコネクタピン５等の部品が分散して搭載される。図中に記載されている電子部品３は、搭載される部品の中で発熱が大きく、積極的に放熱が必要な部品（発熱体となる部品）である。よって、回路基板２には、記載されていない多種多様な部品が多数搭載されているのは言うまでもない。回路基板２は、一般的に機能ごとにエリアを分割して設計することが多い。そのため、図１に示すように、同様な部品が密集して搭載される場所が発生する。筐体１の裏面には、外部装置と接続するためのコネクタ４が複数個搭載されており、各コネクタ４の接続端子（図示せず）は、回路基板２とは、各コネクタピン５により電気的に接続される。電子制御装置は、水分による腐食を防止する必要があり、筐体１は、略長方形形状のシール材６を介して蓋７に接着される。この際、筐体１と蓋７とを強固に固定するために、筐体１の四隅に形成された各固定部８ａと、蓋７の四隅に形成された各固定部８ｂとがネジ（図示せず）により固定される。

　図２は、電子制御装置の裏面斜視図である。図２において、筐体１の裏面側のうち、回路基板２のコネクタピン配置領域２ｂに対応した領域（回路基板２のコネクタピン配置領域２ｂの裏面側の領域）には、複数のコネクタ装着部４ａが筐体１と一体に形成されており、各コネクタ装着部４ａには、それぞれコネクタ４が搭載されている。各コネクタ４には、電子制御装置を外部装置と接続するオス型コネクタが接続される。また、筐体１の裏面側のうち、回路基板２の電子部品配置領域２ａに対応した領域（回路基板２の電子部品配置領域２ａの裏面側の領域）には、電子制御装置の冷却のために、筐体１から突出した複数の冷却フィン９が筐体１と一体に形成されている。各冷却フィン９間に気体を流すことにより、各電子部品３で発生した熱を放熱し、各電子部品３の温度が上昇するのを防止することができる。冷却方法としては、空冷と水冷方式があり、図に示した構造は、空冷方式である。水冷方式を採用する場合は、冷却水が漏水しない構造にする必要があることは、言うまでもない。

　図３は、電子制御装置の筐体の斜視図である。図３において、筐体１の表面側には、回路基板２を固定するための突起であって、基準面１１から回路基板２側に突出した複数の基板固定部１０が、７箇所（固定部８ａより内側に４箇所、中ほどに３箇所）に分散して設けられている。各基板固定部１０には、ネジを用いて回路基板２が固定される。また、筐体１の表面側のうち、回路基板２のコネクタピン配置領域２ｂの裏面側に対応した領域には、複数のコネクタ装着部４ａが筐体１と一体に形成されており、回路基板２の電子部品配置領域２ａの裏面側に対応した領域には、基準面１１からの高さが相異なる複数の凸部１２、１３、１４が筐体１と一体に形成されている。

　即ち、発熱量が大きく、放熱が必要な電子部品３が点在する領域となる、回路基板２の直下の筐体１には、筐体１の表面で最大の面積を有する基準面１１よりも上側（回路基板２側）に突出した突起となる、凸部１２が設置されている。また、放熱が必要な電子部品３が密集している領域となる、回路基板２の直下の筐体１には、基準面１１よりも上側に突出した突起となる、凸部（第一の凸部）１３が設置されている。さらに、凸部（第一の凸部）１３の一部の領域であって、放熱が必要な電子部品３が存在する領域となる、回路基板２の直下の筐体１には、複数の凸部（第二の凸部）１４が複数個分散して設けられている。放熱が必要な電子部品３で発生した熱は、凸部１２を介して冷却フィン９まで伝導すると共に、凸部１４から凸部１３を介して冷却フィン９まで伝導し、電子制御装置の外に放出される。凸部１３は、回路基板２の変形を低減するために、筐体１の中ほどの基板固定部１０の周辺に配置される構造になっている。また、筐体１のうち、発熱量が大きく、放熱が必要な電子部品３が密集している箇所に、凸部１３と凸部１４を配置する構成とすることにより、筐体１の製造工程において、ダイキャストの金型の深い溝を低減できると共に、湯流れを阻害する箇所が低減でき、引け巣やボイドなどの製造不良を低減できる効果がある。また、凸部１３の周辺に、基板固定部１０を配置することにより、回路基板２の変形を低減できる効果がある。

　図４は、図３のＡ－Ａの位置に対応した電子制御装置の断面図（電子制御装置のＡ－Ａ断面図）である。図４において、筐体１の上側には、回路基板２が配置され、回路基板２上には、複数の電子部品３が搭載されている。回路基板２の上方には、シール材６を介して蓋７が配置されており、蓋７の両端側の固定部８ｂが、筐体１の固定部８ａに固定されている。筐体１には、基準面１１を基準の高さとして、基準面１１より上方（回路基板２側）に突出した、凸部１２、１３が形成されていると共に、凸部１３の上側の一部には、基準面１１より上方に突出した凸部１４が形成されている。凸部１４は、放熱部材１６を介して、回路基板２の裏面（電子部品３が存在する領域の裏面）に接して配置されている。筐体１の下側には、複数の冷却フィン９が相隣接して形成されている。各冷却フィン９間には、溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃが形成されている。溝１５ａは、凸部１４を含む凸部１３の裏面に形成されており、この溝１５ａは、他の溝、例えば、基準面１１の裏面に形成された溝１５ｃよりも、その深さ（長さ）が、深く（長く）なるように形成されている。即ち、凸部１４を含む凸部１３の裏面に形成された冷却フィン（第一の冷却フィン）９は、電子部品３の熱を、より少ない熱抵抗で放熱するために、他の部位（基準面１１の裏面側）の冷却フィン（第二の冷却フィン）９よりも長くなっている。これにより、筐体１のうち凸部１３の部分の熱抵抗を低減でき、放熱効率を向上させることができる。

　図５は、第１の実施形態における電子制御装置の回路基板の要部拡大断面図である。図５において、回路基板２の上面には、複数のランド１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが形成されている。電子部品３の両端側に位置するランド１７ａ、１７ｄは、はんだ１８を介して、電子部品３の端子（信号端子）１９に接続され、電子部品３の底部側中ほどに位置するランド１７ｂ、１７ｃは、はんだ１８を介して、電子部品３底部のヒートシンク（図示せず）に接続される。回路基板２の下面（裏面）のうち、ランド１７ｂ、１７ｃ下方の領域には、放熱部材１６を介して、筐体１の凸部１４が接している。この際、凸部１４は、その上面が、ランド１７ａ、１７ｄの下方の領域から外れた領域に位置するように配置されている。凸部１４を、その上面が、ランド１７ａ、１７ｄの下方の領域から外れた領域に位置するように配置することにより、温度変化によってはんだ１８にひずみが生じても、回路基板２が変形しやすくなり、はんだ１８のひずみによるストレスを回路基板２側にも分担させることができ、はんだ１８のひずみによるストレスが電子部品３の端子１９に作用するのを低減することができる。また、凸部１４のうち回路基板２と対向する面の面積は、回路基板２に搭載されている電子部品（発熱体）３の搭載面積より小さく、筐体１と回路基板２とが接する面積を小さくできるので、放熱部材１６の量を削減することもできる。

　本実施形態によれば、電子部品３の周りの回路基板２は、凸部１４の上面だけが放熱部材１６を介して接するので、回路基板２の変形を阻害することがなく、電子部品３の端子（信号端子）１９のはんだ接合部のはんだ１８にかかるひずみを低減でき、接続信頼性を向上することができる。

〔第２の実施形態〕
　本発明による電子制御装置の第２の実施形態について、図６を参照して説明する。図６は、第２の実施形態における電子制御装置の回路基板の要部拡大断面図である。図６において、本実施形態では、回路基板２の上面には、図５と同様に、複数のランド１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが形成されており、ランド１７ａ、１７ｄは、はんだ１８を介して、電子部品３の端子（信号端子）１９に接続され、ランド１７ｂ、１７ｃは、はんだ１８を介して、電子部品３底部のヒートシンクに接続される。一方、回路基板２の下面（裏面）側に配置される、筐体１の凸部１４は、図５とは異なり、その上部側が３つの支持部１４ａ、１４ｂ、１４ｃに分割されている。支持部１４ａと支持部１４ｂとの間に、回路基板２との間の空間部となる凹部２０ａが形成され、支持部１４ｂと支持部１４ｃとの間に、回路基板２との間の空間部となる凹部２０ｂが形成されている。凸部１４は、各支持部１４ａ、１４ｂ、１４ｃがそれぞれ放熱部材１６を介して、回路基板２の下面に接している。

　この際、凸部１４の支持部１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、その全体の表面積が、端子１９に接続されるランド１７ａ、１７ｄ全体の表面積よりも大きくなるように形成されている。凸部１４の支持部１４ａは、ランド１７ａの下方の領域から外れた領域に位置するように配置され、凸部１４の支持部１４ｂは、ランド１７ｂ、１７ｃの下方の領域に位置するように配置され、凸部１４の支持部１４ｃは、ランド１７ｄの下方の領域から外れた領域に位置するように配置される。即ち、電子部品３の各端子１９に接続されるランド１７ａ、１７ｄの下方の領域に、凸部１４の凹部２０ａ、２０ｂが位置するようになっている。また、電子部品３の両端側を、回路基板２を介して、凸部１４の支持部１４ａ、１４ｃが支持するようになっている。このような構造を採用することにより、温度変化によってはんだ１８にひずみが生じても、回路基板２が、凹部２０ａ、２０ｂ側に変形しやすくなり、はんだ１８のひずみによるストレスを回路基板２側にも分担させることができ、はんだ１８のひずみによるストレスが電子部品３の端子１９に作用するのを低減することができる。

　本実施形態によれば、電子部品３の周りの回路基板２は、凸部１４上面の支持部１４ａ、１４ｂ、１４ｃだけが放熱部材１６を介して接するので、温度変化によってはんだ１８にひずみが生じても、回路基板２が、凹部２０ａ、２０ｂ側に変形しやすくなり、電子部品３の端子（信号端子）１９のはんだ接合部のはんだ１８にかかるひずみをより低減でき、接続信頼性を向上することができる。

　（第１、第２の実施形態の効果の検証）
　第１、第２の実施形態の効果について、図７、図８を参照して説明する。図７は、電子制御装置の１／４モデルの解析モデルを説明するための図であって、図７（ａ）は、モデルＡの要部断面図、図７（ｂ）は、モデルＢの要部断面図、図７（ｃ）は、モデルＣの要部断面図である。モデルＡは、筐体１の凸部１４が、端子１９の下方の領域の回路基板２に接続される場合を模擬したモデルである。モデルＢは、第２の実施形態を模擬したモデルである。モデルＣは、第１の実施形態を模擬したモデルである。このモデルＡ、Ｂ、Ｃを用いて熱応力解析を行ったところ、図８に示すよう解析結果が得られた。

　図８は、各モデルのひずみ振幅比を示す特性図である。図８において、各モデルＡ、Ｂ、Ｃのひずみ振幅比は、はんだの寿命を評価する指標として、各モデルＡ、Ｂ、Ｃについて熱衝撃を模擬した熱応力解析を行い、最低温度のときの相当塑性ひずみと最高温度の相当塑性ひずみとから、両者のひずみ振幅の比を求めたものである。この際、モデルＡのひずみ振幅を１としたときのモデルＢ、Ｃのひずみ振幅を求めた。その結果、モデルＢ（第２の実施形態）では５％、モデルＣ（第１の実施形態）では２０％強の効果を確認した。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　1　筐体、２　回路基板、３　電子部品、７　蓋、１０　基板固定部、１１　基準面、１２、１３、１４　凸部、１６　放熱部材、２０　凹部

Claims

　電子部品を含む発熱体と、前記発熱体を搭載する基板と、前記基板を基板固定部を介して固定する筐体と、を有する電子制御装置であって、
　前記筐体は、
　前記基板と対向する面であって、前記筐体の高さの基準となる基準面から前記基板側に突出し、前記基準面からの高さが相異なる複数の凸部を有し、
　前記複数の凸部のうち前記基準面からの高さが最も高い凸部は、前記基板の前記発熱体が搭載された面とは逆側の面と放熱部材を介して接していることを特徴とする電子制御装置。
　請求項１に記載の電子制御装置であって、
　前記複数の凸部は、
　前記基準面上に形成された第一の凸部と、
　前記第一の凸部の上に形成された第二の凸部を有し、
　前記第二の凸部は、前記基板の前記発熱体が搭載された面とは逆側の面と前記放熱部材を介して接していることを特徴とする電子制御装置。
　請求項２に記載の電子制御装置であって、
　前記第二の凸部は、前記基板を間にして、その上側に前記発熱体が存在する領域に配置されることを特徴とする電子制御装置。
　請求項２又は３に記載の電子制御装置であって、
　前記筐体は、
　前記基準面とは逆側の面に複数の冷却フィンを備えることを特徴とする電子制御装置。
　請求項４に記載の電子制御装置であって、
　前記複数の冷却フィンは、
　前記基準面を基準にして前記第一の凸部とは逆側に形成された第一の冷却フィンと、
　前記第一の冷却フィンに隣接して形成された第二の冷却フィンを有し、
　前記第一の冷却フィンは、その溝の深さが、前記第二の冷却フィンの溝よりも深く形成されていることを特徴とする電子制御装置。
　請求項２、３、４、５のうちいずれ１項に記載の電子制御装置であって、
　前記第二の凸部には、
　前記基板と対向する面に、前記基板との間の空間部となる複数の凹部が形成されていることを特徴とする電子制御装置。
　請求項６に記載の電子制御装置であって、
　前記複数の凹部は、
　前記発熱体の前記電子部品の端子に対応する領域に形成されていることを特徴とする電子制御装置。
　請求項２～７のうちいずれか１項に記載の電子制御装置であって、
　前記第二の凸部のうち前記基板と対向する面の面積は、前記基板に搭載されている前記発熱体の搭載面積より小さいことを特徴とする電子制御装置。