JP2013138078A - 電子制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子制御装置において、放熱効率を保ちながら、電子部品に作用する応力を低減する。
【解決手段】実装される高さが異なる複数の発熱部品と、当該発熱部品が実装される基板と、上記基板及び上記発熱部品を収容する筐体とを備える電子制御装置であって、実装高さが異なる複数の発熱部品５Ａ，５Ｃ，５Ｄの上面と、当該複数の発熱部品５Ａ，５Ｃ，５Ｄの上面と各々対向する筐体３の内面３１との間隔が所定幅内に収まるように筐体３を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子制御装置に関するものである。

例えば、車両には、エンジンやトランスミッション等を制御するための電子制御装置が搭載されている。このような電子制御装置は、一般的に、電子部品が基板に実装されてなる電子回路基板と、この電子回路基板を収容する金属製の筐体とを備えている（特許文献１参照）。

電子回路基板は、様々な電子部品が実装されている。この電子部品のなかにはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の発熱量が大きなものがある。電子制御装置では、このような発熱量の大きな電子部品の損傷を防ぐために、電子部品からの熱を外部に放射する必要がある。
例えば、特許文献１では、筐体の一部を電子部品に向けて突出させ、この突出部と電子部品とを放熱シートを介して接続している。このような電子制御装置によれば、電子部品の熱が放熱シートを介して筐体に伝導され、この熱が筐体から外部に放射される。

特開２００２−２８０７７６号公報

しかしながら、放熱シートを介して筐体と電子部品とを接続する場合には、電子部品に対して放熱シートが物理的に接触する。このため、電子制御装置の組み付け時や電子制御装置が振動したときには、放熱シートがない場合よりも電子部品あるいは電子部品の接合箇所に作用する応力が増大する。
ＡＳＩＣ等の半導体素子を収容するパッケージを備える電子部品は、パッケージが薄く、強度が低い。また、多くのリード線を有していることから、はんだ付けによる接合箇所が多く、接合強度が低い。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、電子制御装置において、放熱効率を保ちながら、電子部品に作用する応力を低減することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
第１の発明は、実装される高さが異なる複数の発熱部品と、当該発熱部品が実装される基板と、上記基板及び上記発熱部品を収容する筐体とを備える電子制御装置であって、上記実装される高さが異なる複数の発熱部品の上面と、当該複数の発熱部品の上面と各々対向する上記筐体の内面との各々の間隔が全て所定幅内に収まるように上記筐体を形成したという構成を採用する。
第２の発明は、上記第１の発明において、上記所定幅が２〜４ｍｍであるという構成を採用する。
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記複数の発熱部品が、複数のリードまたは複数のはんだボールを介して上記基板に実装される半導体パッケージを含むという構成を採用する。
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記筐体の外面には放熱フィンが配置されているという構成を採用する。
第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記複数の発熱部品の上面と対向する上記筐体の内面が粗面とされているという構成を採用する。
第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、上記筐体には、上記発熱部品の上面と対向する上記筐体の内面に窪みが形成されているという構成を採用する。
第７の発明は、上記第１〜第６いずれかの発明において、上記発熱部品の上面と対向する上記筐体の内面に設けられる共に流体を案内する案内壁を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、実装高さが異なる複数の発熱部品の上面と各々対向する筐体の内面との全ての間隔が所定幅内に収まるようにしたため、複数の発熱部品と各々対向する筐体の内面との間の各々の空間で冷却に最適な循環する対流が形成される。このため、複数の発熱部品に応じて間隔を変更しない場合（発熱部品によっては筺体の内面との間隔が、冷却に最適な循環する対流を形成するのに狭すぎたり広すぎる場合）と比較して、実装高さが異なる複数の発熱部品各々において空気への熱伝達率が向上すると共に、当該空気から筐体への熱伝達率が向上する。よって、本発明によれば、放熱シート等の熱伝導材を介することなく放熱効率を向上させることができ、放熱シート等の熱伝導材を設置しなくとも放熱効率を保つことができる。
また、本発明によれば、発熱部品に対して物理的に接触する放熱シート等の熱伝導材を有していないため、発熱部品や発熱部品の接合箇所に大きな応力が作用することを防止することができる。よって、本発明によれば、放熱シート等の熱伝導材を設置する場合と比較して発熱部品に作用する応力を低減することができる。
このように、本発明によれば、電子制御装置において、放熱効率を保ちながら、発熱部品に作用する応力を低減することが可能となる。
また、本発明によれば、放熱シート等の熱伝導材を設置しないためコストダウンが可能となっている。

本発明の一実施形態における電子制御装置の概略構成を模式的に示す縦断面図である。 本発明の第１実施形態における電子制御装置の解析結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る電子制御装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の電子制御装置１の概略構成を模式的に示す縦断面図である。本実施形態の電子制御装置１は、電子回路基板２と、筐体３とを備えている。この電子制御装置１は、例えば、エンジンやトランスミッション等の動作を制御するＥＣＵ（Electrical Control Unit）として車両に搭載される。

電子回路基板２は、プリント配線板４（基板）と電子部品５とから構成されている。プリント配線板４は、ガラスエポキシ材やガラスコンポジット材等の絶縁材料からなる絶縁層と、銅からなる配線層とを備えている。この配線層の一部が、電子部品５と電気的に接続するためのパッド４ａとされている。

電子部品５は、プリント配線板４に対してはんだ付けにより接合される部品である。本実施形態においては、電子部品５として、第１のＩＣ５Ａと、コネクタ５Ｂと、第２のＩＣ５Ｃと、第３のＩＣ５Ｄと、が実装されている。第１のＩＣ５Ａは、半導体集積回路（半導体パッケージ）であり、半導体素子、この半導体素子を収容するパッケージ、及び、半導体素子とプリント配線板４とを接続するリード線を備えている。つまり、第１のＩＣ５Ａは、リード線を介してプリント配線板４に実装されている。この第１のＩＣ５Ａは、駆動されることにより多くの熱を発する部品（発熱部品）である。また、第１のＩＣ５Ａは、プリント配線板４に対して表面実装されている。コネクタ５Ｂは、本実施形態の電子制御装置１を外部機器と接続するための電子部品である。このコネクタ５Ｂは、プリント配線板４に対して表面実装されている。第２のＩＣ５Ｃは、半導体集積回路（半導体パッケージ）であり、半導体素子、この半導体素子を収容するパッケージ、及び、半導体素子とプリント配線板４とを接続するはんだボールを備えている。つまり、第２のＩＣ５Ｃは、はんだボールを介してプリント配線板４に実装されている。この第２のＩＣ５Ｃは、駆動されることにより多くの熱を発する部品（発熱部品）である。第３のＩＣ５Ｄは、半導体集積回路（半導体パッケージ）であり、半導体素子、この半導体素子を収容するパッケージ、及び、半導体素子とプリント配線板４とを接続するリード線を備えている。つまり、第３のＩＣ５Ｄは、リード線を介してプリント配線板４に実装されている。この第３のＩＣ５Ｄは、駆動されることにより多くの熱を発する部品（発熱部品）である。また、第３のＩＣ５Ｄは、プリント配線板４に対して表面実装されている。

なお、本実施形態の電子制御装置１は、理解及び説明を容易とするために、電子部品５として第１のＩＣ５Ａ、コネクタ５Ｂ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄのみを備える構成としている。実際の電子制御装置１は、これらの第１のＩＣ５Ａ、コネクタ５Ｂ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄ以外にも、多数の電子部品（他の半導体集積回路、コンデンサ、スイッチング部品等）を備えている。

また、本実施形態の電子制御装置１では、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄが異なる高さに設定されている。具体的には、図１に示すように、第２のＩＣ５Ｃが第１のＩＣ５Ａよりも高く、第３のＩＣ５Ｄが第１のＩＣ５Ａよりも低く設定されている。つまり、本実施形態の電子制御装置１では、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄの実装高さが異なる。なお、ここでの実装高さとは、プリント配線板４から第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄの上面までの距離を意味している。

筐体３は、電子回路基板２を収容するケースであり、電子回路基板２を支持する容器状の基部３ａと蓋部３ｂとの２つのパーツから構成されている。この筐体３は、例えば、アルミダイカストから形成されている。なお、電子回路基板２は、不図示のネジ等によって基部３ａと締結されており、電子制御装置１が傾く等した場合であっても、基部３ａから脱落しないように固定されている。

筐体３の蓋部３ｂは、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄに向けて突出する突出部６と、突出部６の内壁に形成される窪み７と、突出部６の外壁に形成される放熱フィン８とを備えている。

突出部６は、筐体３の一部を第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄに近づけることによって、第１のＩＣ５Ａ及び第２のＩＣ５Ｃから発せられた熱が筐体３に伝達されやすくようにするものである。窪み７は、上方から見て第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄに重なるようにして設けられており、例えば上方から見た形状が円形や矩形とされている。この窪み７は、第１のＩＣ５Ａによって温められることによって上昇（蓋部３ｂ側に移動）する空気を受け、筐体３に熱が奪われて冷却されることによって下降（基部３ａに向けて移動）する空気を第１のＩＣ５Ａに向けて案内する。窪み７は、このように空気を案内することによって、図１の拡大図に示すように、第１のＩＣ５Ａと筐体３の内面３１との間で循環する対流Ｒ（自然対流）を形成する。

また、本実施形態の電子制御装置１においては、第１のＩＣ５Ａの上面と筐体３の内面３１との間隔、第２のＩＣ５Ｃの上面と筐体３の内面３１との間隔及び第３のＩＣ５Ｄの上面と筐体３の内面３１との間隔が所定幅内に収まるように筐体３が形成されている。この所定幅は後に詳説するが２〜４ｍｍであることが好ましい。
本実施形態では、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄが異なる高さに設定され、これらの第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄの上面と筐体３の内面３１との間隔が全て所定幅内に収まるように筐体３が形成されている。この結果、筐体３の内面３１には、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄに対応した段差が設けられている。

放熱フィン８は、筐体３の外面に形成されており、筐体３に伝達された熱を外部に効率的に放熱するための板部であり、複数設けられている。

このような本実施形態の電子制御装置１においては、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄの上面と筐体３の内面３１との間隔が所定幅内に収まるようにしたため、各々の空間で冷却に最適な循環する対流Ｒが形成される。このため、第１のＩＣ５Ａ、第３のＩＣ５Ｃ及び第２のＩＣ５Ｄの上面と筐体３の内面３１との間に上述の循環する対流Ｒが形成されない場合と比較して、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄら空気への熱伝達率が向上すると共に、当該空気から筐体３への熱伝達率が向上する。よって、本実施形態の電子制御装置１によれば、放熱シート等の熱伝導材を介することなく放熱効率を向上させることができ、放熱シート等の熱伝導材を設置しなくとも放熱効率を保つことができる。
また、本実施形態の電子制御装置１によれば、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄに対して物理的に接触する放熱シート等の熱伝導材を有していないため、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄや第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄの接合箇所に大きな応力が作用することを防止することができる。よって、本実施形態の電子制御装置１によれば、放熱シート等の熱伝導材を設置する場合と比較して第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄに作用する応力を低減することができる。
このように、本実施形態の電子制御装置１によれば、放熱効率を保ちながら、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄに作用する応力を低減することが可能となる。
また、本実施形態の電子制御装置１によれば、放熱シート等の熱伝導材を設置しないためコストダウンが可能となっている。

また、本実施形態の電子制御装置１においては、窪み７によって、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄと筐体３との間の空間で循環する対流Ｒが形成される。このため、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄと筐体３との間に上述の循環する対流Ｒが形成されない場合と比較して、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄから空気への熱伝達率が向上すると共に、当該空気から筐体３への熱伝達率が向上する。よって、本実施形態の電子制御装置１によれば、放熱シート等の熱伝導材を介することなく放熱効率を向上させることができ、放熱シート等の熱伝導材を設置しなくとも放熱効率を保つことができる。

図２は、本実施形態の電子制御装置１について解析した結果を示すグラフである。本解析では、内面３１と第１のＩＣ５Ａとの離間距離を変化させた場合の第１のＩＣ５Ａの温度変化を算出した。
この図に示すように、第１のＩＣ５Ａの温度は、離間距離が３ｍｍ程度である場合に最も低くなる。これは、離間距離が３ｍｍから短くなるに連れて、筐体３と第１のＩＣ５Ａとの間の空間が狭くなり、循環する対流Ｒの形成が難しくなり、熱伝達率が低下すると考えられる。また、離間距離が３ｍｍから長くなるに連れて、筐体３と第１のＩＣ５Ａとの間の空間が広くなり、循環する対流Ｒが第１のＩＣ５Ａから筐体３に届き難くなるためと考えられる。したがって、筐体３の内面３１と発熱部品（第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄ）との間隔は、２〜４ｍｍ、さらには３ｍｍであることが好ましい。

また、本実施形態の電子制御装置１によれば、窪み７によって循環する対流Ｒを形成する。このため、筐体３の一部を変形させることで形成できる簡易な構造で容易に循環する対流Ｒを形成することが可能となる。

また、本実施形態の電子制御装置１においては、内面３１が粗面とされていることが好ましい。このような粗面は、例えば、砂あるいは金属球を用いたバレル研磨やショットブラストにて処理を行うことによって形成する。
このような構成を有する本実施形態の電子制御装置によれば、内面３１の表面積が、平滑面である場合と比較して増大し、熱伝達率がさらに向上する。

また、本実施形態の電子制御装置１においては、窪み７の内部に収容されるガイド９（案内壁）を備えている。このガイド９は、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄの上面と対向する筐体３の内面３１を取り囲むと共に対流Ｒの流れ方向に沿って湾曲されており、対流Ｒに沿って流体を案内するものである。
このような構成を有する本実施形態の電子制御装置によれば、ガイド９によってより強い循環流を形成することができ、熱伝達率がさらに向上する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、窪み７によって対流Ｒを形成する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、突起等の他の部材等を用いて対流Ｒを形成しても良い。

また、上記第２実施形態においては、内面３１を粗面とする構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、内面３１の凹凸をさらに大きくし、フィン状の凹凸を設けるようにしても良い。これによって、内面の表面積がさらに増大し、熱伝達率をさらに向上させることが可能になると考えられる。
ただし、このときの凹凸の高さ及び形状は、循環する対流Ｒを壊すことのないように設定する。

また、上記実施形態においては、第１のＩＣ５Ａ、第２のＩＣ５Ｃ及び第３のＩＣ５Ｄの対向箇所に対してのみ窪み７を設ける構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の集積回路等の発熱量の大きな電子部品にも適用可能である。

１……電子制御装置、２……電子回路基板、３……筐体、３ａ……基部、３ｂ……蓋部、４……配線板、４ａ……パッド、５……電子部品、５Ａ……第１のＩＣ（発熱部品）、５Ｂ……コネクタ（電子部品）、５Ｃ……第２のＩＣ（発熱部品）、５Ｄ……第３のＩＣ（発熱部品）、６……突出部、７……窪み、８……放熱フィン、９……ガイド（案内壁）、Ｒ……対流、３１……内面

Claims (7)

1. 実装高さが異なる複数の発熱部品と、当該発熱部品が実装される基板と、前記基板及び前記発熱部品を収容する筐体とを備える電子制御装置であって、
   前記実装高さが異なる複数の発熱部品の上面と、当該複数の発熱部品の上面と各々対向する前記筐体の内面との各々の間隔が全て所定幅内に収まるように前記筐体を形成したことを特徴とする電子制御装置。
2. 前記所定幅は２〜４ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の電子制御装置。
3. 前記複数の発熱部品は、複数のリードまたは複数のはんだボールを介して前記基板に実装される半導体パッケージを含むことを特徴とする請求項１または２記載の電子制御装置。
4. 前記筐体の外面には放熱フィンが配置されていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の電子制御装置。
5. 前記複数の発熱部品の上面と対向する前記筐体の内面が粗面とされていることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の電子制御装置。
6. 前記筐体には、前記発熱部品の上面と対向する前記筐体の内面に窪みが形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の電子制御装置。
7. 前記発熱部品の上面と対向する前記筐体の内面に設けられる共に流体を案内する案内壁を備えることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の電子制御装置。

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