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公開番号2020202329
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201217
出願番号2019109661
出願日20190612
発明の名称電子制御装置
出願人日立オートモティブシステムズ株式会社
代理人特許業務法人サンネクスト国際特許事務所
主分類H01L 23/36 20060101AFI20201120BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】電子部品が伝熱部と熱結合されていない領域の放熱性を向上し、以って、電子部品全体の放熱性を向上する電子制御装置を提供する。
【解決手段】電子制御装置100は、電子部品4と放熱部との間に設けられ、電子部品4に熱結合する伝熱材5と、電子部品4の伝熱材5と熱結合されていない領域と伝熱材5との間に設けられた介装部7aを有し、電子部品4と伝熱材5に熱結合された伝熱部材7とを備える。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
放熱部と、
前記放熱部の一面側に配置された基板と、
前記基板の、前記放熱部の前記一面側との対向面側に実装された電子部品と、
前記電子部品と前記放熱部との間に設けられ、前記電子部品に熱結合する第一の伝熱部と、
前記電子部品の前記第一の伝熱部と熱結合されていない領域と前記第一の伝熱部との間に設けられた介装部を有し、前記電子部品と前記第一の伝熱部に熱結合された第二の伝熱部とを備える電子制御装置。
続きを表示(約 1,200 文字)【請求項2】
請求項1に記載の電子制御装置において、
前記第二の伝熱部は、前記介装部と一体に形成され、前記基板に実装される実装部
を有する電子制御装置。
【請求項3】
請求項2に記載の電子制御装置において、
前記第二の伝熱部は、可撓性を有する電子制御装置。
【請求項4】
請求項2に記載の電子制御装置において、
前記第二の伝熱部の前記実装部は、熱伝導性を有する接合材により前記基板に実装されている電子制御装置。
【請求項5】
請求項1に記載の電子制御装置において、
前記基板は、内層にグランドパターンを有する多層配線基板であり、
前記基板には、前記グランドパターンに接続されたスルーホールが形成され、
前記第二の伝熱部は、前記スルーホールに電気的に接続されている電子制御装置。
【請求項6】
請求項1に記載の電子制御装置において、
前記基板は、前記基板の表面から裏面に貫通するスルーホールを有し、
前記スルーホールは、前記基板の前記放熱部と反対側に配置された伝熱部に熱結合している電子制御装置。
【請求項7】
請求項1に記載の電子制御装置において、
前記電子部品は、上部および前記上部の上面よりも低い位置に表面を有する下部を有し、
前記第二の伝熱部の前記介装部は、前記下部の前記表面と前記第一の伝熱部との間に設けられている電子制御装置。
【請求項8】
請求項7に記載の電子制御装置において、
前記第二の伝熱部は複数の分割伝熱部を含む電子制御装置。
【請求項9】
請求項8に記載の電子制御装置において、
前記第二の伝熱部は、前記複数の分割伝熱部を連結して一体化する連結部を有する電子制御装置。
【請求項10】
請求項1に記載の電子制御装置において、
前記第一の伝熱部は、常温で柔軟性を有する樹脂を含む層である電子制御装置。
【請求項11】
請求項1から10までのいずれか一項に記載の電子制御装置において、
前記放熱部は、前記第一の伝熱部に熱結合する突出部、および前記第一の伝熱部側と反対側に設けられた放熱フィンを有する放熱ケースを有する電子制御装置。
【請求項12】
放熱部と、
前記放熱部の一面側に配置された基板と、
前記基板の、前記放熱部の前記一面側との対向面側に実装された電子部品と、
前記電子部品と前記放熱部との間に設けられ、前記電子部品に熱結合する第一の伝熱部と、
前記電子部品の前記第一の伝熱部と熱結合されていない領域と前記基板とを熱結合する第二の伝熱部とを備える電子制御装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電子制御装置に関する。
続きを表示(約 8,500 文字)【背景技術】
【0002】
車載用等の電子制御装置に用いられる電子制御装置は、小型化、高性能化が図られており、発熱量増大および高周波ノイズへの対応が課題となっている。
例えば、特許文献1に示す電子機器は、冷却性を確保する構造を有している。この電子機器を特許文献1の図1の符号を参照して説明すると、フィンを有する放熱部材16と、傾斜面を有する伝熱板20との間に熱接合材22を設け、伝熱板20と基板14との間に設けたケース24内に電子部品26を挿入して、電子部品26により傾斜面を介して伝熱板20を放熱部材16側に押圧する構造が知られている。この構造では、伝熱板20が電子部品26に押し付けられた状態で接触するので、伝熱板20と電子部品26との間の接触熱抵抗を抑えることができ、電子部品26の熱を、伝熱板20および熱接合材22を介して放熱部材16に効率よく伝えることができると記載されている。この構造では、伝熱板20の電子部品26に接触する面の面積は、電子部品26の面積より小さく形成されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2018−195633号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記特許文献1に記載された放熱構造では、伝熱板20の電子部品26に接触する面の面積が電子部品26の面積より小さい。つまり、電子部品26は、伝熱板20に接触しない領域を有している。このため、電子部品26の伝熱板20に接触しない領域からの放熱性が低く、電子制御装置全体の放熱性が低い。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の第一の態様によると、電子制御装置は、放熱部と、前記放熱部の一面側に配置された基板と、前記基板の、前記放熱部の前記一面側との対向面側に実装された電子部品と、前記電子部品と前記放熱部との間に設けられ、前記電子部品に熱結合する第一の伝熱部と、前記電子部品の前記第一の伝熱部と熱結合されていない領域と前記第一の伝熱部との間に設けられた介装部を有し、前記電子部品と前記第一の伝熱部に熱結合された第二の伝熱部とを備える。
本発明の第二の態様によると、電子制御装置は、放熱部と、前記放熱部の一面側に配置された基板と、前記基板の、前記放熱部の前記一面側との対向面側に実装された電子部品と、前記電子部品と前記放熱部との間に設けられ、前記電子部品に熱結合する第一の伝熱部と、前記電子部品の前記第一の伝熱部と熱結合されていない領域と前記基板とを熱結合する第二の伝熱部とを備える。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、電子部品の第一の伝熱部と熱結合されていない領域の放熱性が向上し、以って、電子部品全体の放熱性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本発明の電子制御装置の第1の実施形態の外観斜視図。
図1に図示された電子制御装置のII−II線断面図。
図2に図示された電子制御装置の領域IIIの拡大断面図。
本発明の電子部品と伝熱部材の組付け状態を上方からみた平面図。
本発明の第1の実施形態に基づく電子制御装置の実施例1を示す外観斜視図。
本発明の電子制御装置の第2の実施形態を示し、第1の実施形態の図3に相当する拡大断面図。
本発明の電子部品と伝熱部材の組付け状態の変形例1を示し、第1の実施形態の図4に相当する図。
本発明の電子部品と伝熱部材の組付け状態の変形例2を示し、第1の実施形態の図4に相当する図。
本発明の電子部品と伝熱部材の組付け状態の変形例3を示し、第1の実施形態の図4に相当する図。
本発明の実施例1および実施例2と比較例の放熱効果を示す図。
比較例の電子部品と伝熱部材の組付け状態の断面図であり、第1の実施形態の図3に相当する図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
【0009】
−第1の実施形態−
以下、図1〜図4を参照して、本発明の第1の実施形態を説明する。
図1は、本発明の電子制御装置の外観斜視図であり、図2は、図1に図示された電子制御装置のII−II線断面図である。
電子制御装置100は、上部筐体1と下部筐体2とからなる筐体を有する。上部筐体1と下部筐体2は、不図示のねじ等の締結部材により固定されている。筐体の前面には、1つまたは複数のコネクタ8と、複数のイーサネット(登録商標)ターミナル9が配置されている。筐体の内部には、回路基板(基板)3と、マイコン等の半導体素子を含む電子部品4と、伝熱材(第一の伝熱部)5および伝熱部材(第二の伝熱部)7と、が収容されている。
【0010】
上部筐体1は、アルミニウム(例えば、ADC12)等の熱伝導性に優れた金属材料により形成されている。上部筐体1は、鉄などの板金、あるいは樹脂材料やCFRP等の非金属材料により形成し、低コスト化および軽量化を図ることもできる。図2に示されるように、上部筐体1は、周囲に側壁を有し、下面側(回路基板3側)が開放されたボックス状に形成されている。上部筐体1には、内方に突出する突出部12が形成されている。上部筐体1内の4つのコーナー部、あるいは中央部には、回路基板3側に突出するボス部10が設けられている。回路基板3は、ねじ11によりボス部10の端面に固定されている。上部筐体1の上面には、上方に向けて突出する板状の複数の放熱フィン6が設けられている。
【0011】
図1に図示されるように、上部筐体1の上面の前面側は平坦部とされており、各放熱フィン6は、電子制御装置100の低背化構造を実現するために、全体が平坦部と同一の高さに形成されている。放熱フィン6、ボス部10および突出部12は、ダイキャスト等の鋳造により上部筐体1に一体に形成される。但し、放熱フィン6、ボス部10および突出部12を上部筐体1とは別部材として作製して、上部筐体に取り付けるようにしてもよい。
【0012】
上部筐体1の前面側の側壁には、コネクタ8およびイーサネットターミナル9を挿通するための孔または切欠き(図示せず)が形成されており、該孔または切欠きを通してコネクタ8およびイーサネットターミナル9が回路基板3に形成された配線パターン(図示せず)に接続されている。コネクタ8およびイーサネットターミナル9を介して、外部と電子制御装置100間との電力や制御信号の送受信が行われる。
【0013】
回路基板3上には、電子部品4および伝熱部材7が実装されており、上部筐体1の上部内面には、回路基板3側に向けて突出する突出部12が形成されている。突出部12は、回路基板3側よりも放熱フィン6側に幅広い裾部を有する断面ほぼ台形形状を有し、周囲よりも肉厚に形成されている。上部筐体1の突出部12と電子部品4との間、および上部筐体1の突出部12と伝熱部材7との間には伝熱材5が介装されている。伝熱材5および伝熱部材7の構造については後述する。
【0014】
下部筐体2は、上部筐体1と同様に、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属材料により形成されている。下部筐体2は、上部筐体1と同様に、鉄などの板金、あるいは樹脂材料等の非金属材料により形成し、低コスト化および軽量化を図ることもできる。コネクタ8またはイーサネットターミナル9を挿通するための孔または切欠きを下部筐体2に形成するようにしてもよい。あるいは、上部筐体1および下部筐体2のそれぞれに、両部材を組付けた状態で1つの孔となる切欠きを形成するようにしてもよい。
【0015】
図3は、図2に図示された電子制御装置の領域IIIの拡大図であり、本実施形態の放熱構造の詳細を示す。
熱伝導性に優れた金属材料により形成され、複数の放熱フィン6を有する上部筐体1は、放熱部を構成する。上述したように、伝熱材5は、上部筐体1の突出部12と電子部品4との間に介装されている。上部筐体1の突出部12は、平面視で、電子部品4よりも大きい面積の矩形形状を有し、電子部品4は、全体が、上部筐体1の突出部12の外周の内側に配置されている。伝熱材5は、上部筐体1の突出部12のほぼ全面に設けられている。従って、電子部品4は、全体が、伝熱材5の外周の内側に配置されている。
【0016】
伝熱材5は、上部筐体1の突出部12に熱伝導可能に結合、すなわち、熱結合されている。また、伝熱材5は、電子部品4の上部4aの上面4a1に熱結合されている。すなわち、伝熱材5は、電子部品4の上部4aの上面4a1の全面を上部筐体1の突出部12に熱結合する。
【0017】
伝熱材5には、グリース状、ジェル状、シート状等さまざまな種類の材料が用いられている。一般的に使用されているのはグリース状の伝熱材であり、接着性を有する熱硬化樹脂や、低弾性を有する半硬化樹脂等がある。伝熱材5は、金属、カーボン、セラミック等により形成された熱伝導性が良好なフィラーが含有されている。伝熱材5は、常温で柔軟性を有しており、上部筐体1の突出部12の表面および電子部品4の表面等の微細な凹部に入り込み、結合面積を増大する。このため、伝熱材5により、電子部品4と上部筐体1の突出部12間の熱伝導性が向上し、放熱効果が増大する。また、伝熱材5は、回路基板3の熱による変形や振動により電子部品4に作用する負荷を軽減する。さらに、伝熱材5により、製造時の上部筐体1の突出部12と電子部品4の上部4aの上面4a1間の隙間のばらつきを吸収し、隙間の公差に余裕を持たせることができる。伝熱材5の材料として、例えば、セラミックフィラーが含有されたシリコン系樹脂を用いた半硬化樹脂が好ましいが、これに限定されるものではない。
【0018】
回路基板3上には、上述したように、電子部品4がひとつもしくは複数実装されている。回路基板3上には、図示しないが、コンデンサ等の受動素子も実装され、これらの電子部品とコネクタ8およびイーサネットターミナル9とを接続する配線パターンも形成されている。回路基板3は、例えば、エポキシ樹脂等の有機材料や、金属材料により形成されており、FR4材料が好ましい。回路基板3は、単層配線基板または多層配線基板とすることができる。本実施形態では、図示はしないが、グランドパターンが内層として形成された多層配線基板を用いた構造として例示する。グランドパターンを内層として形成することにより、回路基板3の表面および裏面に設ける配線パターンを高密度化することができる。
【0019】
電子部品4と上部筐体1の突出部12間に伝熱材5が設けられていることで、伝熱材5を介して上部筐体1へ高周波電流が流れ、電子部品4から発生する高周波ノイズが電子制御装置100外へと放射し、周辺の電子機器に弊害を引き起こす虞がある。そこで、本実施形態では、回路基板3に、内層として形成されたグランドパターンに接続される複数のスルーホール15を形成し、各スルーホール15に接合材14により伝熱部材7を接合した。スルーホール15は、サーマルビアとも呼称されており、基板の貫通孔の内径にCu等のめっきが施されている。このため、高周波電流は、伝熱部材7およびスルーホール15を介してグランドパターンに流れるため、電子制御装置100外への放射を抑制することができる。スルーホール15は、電子部品4の周囲に形成することが好ましい。
【0020】
電子部品4は、上部4aと、上部4aより面積が大きい下部4bを有する段付き直方体形状を有する。つまり、電子部品4は、直方体形状で低背部である下部4bの中央部に、直方体形状の上部4aが設けられた構造を有する。上部4aの上面4a1と、低背部である下部4bの上面4b1との間には段差があり、下部4bの上面4b1は、上部4aの上面4a1より低い位置に位置している。電子部品4は、パワー半導体素子等の発熱を伴う半導体素子(図示せず)を含む。電子部品4は、半導体素子が、例えば、FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array)型のパッケージとされた半導体装置が好ましい。FCBGA型の半導体装置では、不図示の半導体素子は、はんだ等の接合材により不図示のインターポーザ基板にフリップチップ実装され、インターポーザ基板と共に樹脂により封止されている。電子部品4は、複数のはんだボール13により、回路基板3に接合されている。
なお、電子部品4は、平面視で矩形形状を有するものに限られるものではなく、平面視で、多辺形形状であればよい。
【0021】
伝熱部材7は、介装部7aと、実装部7bと、中間部7cとを有する。介装部7aは、電子部品4の下部4bと伝熱材5との間に配置されている。介装部7aは、伝熱材5に熱伝導可能に結合、すなわち、熱結合されている。また、介装部7aは、電子部品4の下部4bの上面4b1に熱結合されている。すなわち、伝熱部材7の介装部7aは、伝熱材5が接触することができない電子部品4の下部4bの上面4b1に接触して、電子部品4の下部4bと上部筐体1の突出部12とを熱結合する。従って、電子部品4の上部筐体1の突出部12に対向する面の全体である、上部4aの上面4a1および下部4bの上面4b1が伝熱材5および伝熱部材7により、上部筐体1の突出部12に熱結合される。このため、本実施形態によれば、電子部品4の上部4aのみが上部筐体1の突出部12に熱結合される構造に比し、放熱性を向上することができる。
【0022】
上述したように、実装部7bは、回路基板3にはんだなどの熱伝導性を有する接合材14により接合されている。実装部7bは、各スルーホール15に対応する位置に配置されており、接合材14を介して対応するスルーホール15に電気的に接続されている。従って、伝熱部材7は、回路基板3のグランドパターンと同電位である。
【0023】
なお、実装部7bはスルーホール15の直上に設けられている構造として図示されているが、スルーホール15とは、ずれた位置に配置されていてもよい。実装部7bの直下に接合材14が分割して図示されているが、接合材14は実装部7b直下の全面に配置されていてもよい。要は、実装部7bと接合材14とは、直接、または配線パターン(図示せず)を介してスルーホール15に電気的に接続されていればよい。
中間部7cは、介装部7aと実装部7bを接続する部分であり、介装部7aおよび実装部7bそれぞれに、ほぼ直交する方向に延在して形成されている。
【0024】
実装部7bは、回路基板3に熱伝導性を有する接合材14を介して接合されているため、電子部品4の下部4bから発生される熱を、回路基板3に伝熱する。つまり、電子部品4から発生される熱は、伝熱部材7の介装部7aおよび伝熱材5を介して上部筐体1に伝熱されると共に伝熱部材7の実装部7bを介して回路基板3に放熱される。従って、本実施形態によれば、電子部品4から発生される熱が、上部筐体にのみに伝熱される構造に比し、放熱性能を向上することができる。
【0025】
伝熱部材7の実装部7bを回路基板3に接合する接合材14をはんだとする場合、電子部品4をはんだボール13により回路基板3に接合する工程と同時に行うことができる。すなわち、回路基板3の、電子部品4および伝熱部材7の実装部7bを接合する接続パッド上にはんだペーストを塗布し、はんだペースト上に、それぞれ、電子部品4および伝熱部材7を載置してリフロー炉に投入する。これにより、はんだペーストが溶融して、電子部品4および伝熱部材7が、それぞれ、回路基板3の接続パッドに接合される。このような接合方法を用いることにより、接合工程の効率化を図ることができる。
【0026】
なお、伝熱部材7の介装部7aの上面を、伝熱材5を介さずに、直接、上部筐体1の突出部12に熱結合する構造とすることも可能である。しかし、このようにすると、上述した熱結合する部材間に介装される伝熱材5の効果がなくなり、伝熱部材7の介装部7aと上部筐体1の突出部12との熱伝導性が低下し、放熱性が低下したり、回路基板3の熱による変形や振動により電子部品4に作用する負荷を軽減する効果が失われたりする。
【0027】
図4は、本発明の電子部品と伝熱部材の組付け状態を上方からみた平面図である。
伝熱部材7は、電子部品4の上部4aの周囲に配置された複数(本実施形態では4つ)の分割伝熱部材71を含む。各分割伝熱部材71は、電子部品4のコーナー部およびその周囲を覆って設けられている。各分割伝熱部材71は、隣接する分割伝熱部材71と隙間72が形成されるように離間して設けられている。各分割伝熱部材71の介装部7aの内端7a1と電子部品4の上部4aの側面4a2との間には隙間73が形成されている。
【0028】
実施形態の分割伝熱部材71は、導電性を有し、可撓性を有する薄い金属板などにより形成されている。金属としては、例えば、熱伝導率が高いCu材料にNiめっきを施したものが適するが、これに限られるものではない。分割伝熱部材71は、可撓性を有しており、実装部7bに対して、中間部7cおよび介装部7aが弾性変形する。各分割伝熱部材71の介装部7aは、伝熱材5および、電子部品4の下部4bの上面4b1に接触する。分割伝熱部材71に可撓性を持たせることにより、各分割伝熱部材71の実装部7bを回路基板3上に実装した状態では、分割伝熱部材71の介装部7aが電子部品4の下部4bの上面4b1に接触させる必要がなくなる。この理由は、上部筐体1と下部筐体2とを組み付けると、伝熱材5を介して上部筐体1の突出部12により各分割伝熱部材71の介装部7aが押圧されて変形し、該介装部7aが電子部品4の下部4bの上面4b1に接触するからである。このため、分割伝熱部材71に可撓性を持たせることにより、電気的接続の信頼性が向上し、組立てが容易となり、以って、組立ての能率が向上する。
【0029】
なお、上記実施形態では、電子部品4は、下部4bの周縁部全体の上面4b1が、上部4aの上面4a1より低く、伝熱材5に直接、接触できない構造として例示した。しかし、本発明は、電子部品4の下部4bの周縁部の一部、例えば、1〜3つの側縁部の上面4b1が上部4aの上面4a1より低い構造の電子部品に対しても適用することができる。また、電子部品4の上部4aに上面4a1が局部的に凹んでいる電子部品4に対しても適用することができる。
【0030】
上記実施形態では、伝熱部材7は、介装部7a、実装部7bおよび中間部7cを有する構造として例示した。伝熱部材7の介装部7aは、伝熱材5が接触することができない電子部品4の下部4bの上面4b1に接触して、電子部品4の下部4bと上部筐体1の突出部12とを熱結合する。また、実装部7bは、電子部品4の下部4bから発生される熱を、回路基板3に伝熱する。しかし、伝熱部材7は、実装部7bを有しておらず、介装部7aのみを有している構造でも、伝熱材5が接触することができない電子部品4の下部4bを上部筐体1の突出部12に熱結合する。このため、伝熱部材7は、介装部7aのみを有するものであってもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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