JP4029822B2 - 電子回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱性の電子部品が樹脂封止された電子回路装置における、特に放熱性に優れたパッケージ構造に関するものである。

従来の電子回路装置は、第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面のみに電子部品が実装された金属基板と、前記金属基板を蓋として格納するケースと、前記金属基板と前記ケースとの間に充填された樹脂とを含み、特に前記ケースに放熱フィンを一体に形成することにより、前記電子部品から発せられる熱を前記放熱フィンと前記金属基板の第２の面との両方から外部に放出されるものである（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３５４９５６号公報（第１頁）

上記従来の電子回路装置において、ケースを金属基板に接近するように形成することにより熱伝導を良好にしようとする工夫がなされているが、電子部品が実装された領域の金属基板とケースとの間隔は、金属基板に実装される電子部品の上面部が最も高い部品の高さで一様に規定されている。
そのため、上記上面部が低い電子部品においては、電子部品とケースとの間に介在するモールド樹脂の熱抵抗のため、放熱性の向上に限界があるという課題がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、放熱性に優れ電子部品の温度上昇が抑制される電子回路装置を得ることを目的とする。

本発明に係る第１の電子回路装置は、発熱性の電子部品を実装した回路基板と、上記発熱性の電子部品を内設するケースと、このケース内に充填され、上記発熱性の電子部品をモールドするモールド樹脂とを備えた電子回路装置において、回路基板からの上面部高さが異なる複数の発熱性の電子部品が実装され、上記発熱性の電子部品に対向する上記ケース部材の内壁が、上記発熱性の電子部品の側壁に間隙を介して近接する凸部を有し、上記電子部品の上面部に間隙を介して近接し、上記電子部品の上面部に沿った凹凸を有し、発熱性の電子部品が非定常発熱性の電子部品であり、この電子部品に対向するケース部材の内壁に、上記電子部品の仕様上の上限温度より低い融点を有する金属からなる蓄熱材が設けられているものである。

本発明の第１の電子回路装置は、特に発熱性の電子部品が非定常発熱性の電子部品であり、この電子部品に対向するケース部材の内壁に、上記電子部品の仕様上の上限温度より低い融点を有する金属からなる蓄熱材が設けられていることにより、上記電子部品からの熱の放熱性に優れ、上記電子部品の温度上昇が抑制され、上記電子部品が熱的に破壊されることが防止できるという効果がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の電子回路装置１の断面図であり、電子回路装置１は、ケース２内に、回路基板５に実装した発熱性の電子部品６が設けられ、上記ケース２内にモールド樹脂８が充填されて上記電子部品６がモールドされているものである。
なお、図はケース２として回路基板を固定する第１のケース部材２１と、第１のケース部材２１の蓋となる第２のケース部材２２とで構成されているが、第１のケース部材２１は回路基板５で兼ねることもできる。
また、上記モールド樹脂８は樹脂製のカバー９を取り付けるための開口部１０から、ケース２内部の空間に充填されて後、図示しないモーターおよびバッテリー等と接続するためのコネクタ端子７を貫通し、開口部１０を塞ぐようにカバー９を固定し、モールド樹脂８を硬化させる構成になっている。

本発明の実施の形態に係わるケース２の電子部品６に対向する第２のケース部材２２の内壁には凸部４が設けられており、上記凸部４は電子部品６の側壁６ｂに間隙を介して近接しており、上記凸部４は電子部品６からの熱をケース２の外へ放熱する放熱手段となる。
図に示すように、内壁の凸部４と電子部品６との間隙にはモールド樹脂８が充填され、電子部品６からの熱を凸部４に伝える役割を有するが、上記モールド樹脂８はその厚みが薄いほど放熱効果が高くなり、厚くなれば放熱効果が小さくなる。しかし、組み立て精度とのかかわりにより、薄くするにも限界があり電子部品の側壁６ｂと内壁の凸部４との間隙は０．１〜０．２ｍｍが最低値となるのが望ましい。
また放熱性能から、上記間隙が電子部品のパッケージの樹脂の厚さを越えると急激にその放熱性能が悪くなることが確認され、充填するモールド樹脂は２ｍｍ以下の厚みを維持することが重要で望ましくは１ｍｍ以下の厚みがよい。
以上のことから、本発明において、上記間隙とは０．１〜２ｍｍ、望ましくは０．１〜１ｍｍをさすものとする。

以上のように、本実施の形態においては、発熱性電子部品６の側壁６ｂにケース部材の内壁面が近接するため、従来と比して電子部品６とケース部材の間に充填されるモールド樹脂８が減少することにより熱抵抗が、小さく抑えられるため、電子部品６の発する熱が良好に第２のケース部材２２に伝達されることにより、効率良く電子部品の温度上昇を抑制することが可能になる。

また、ケース部材に用いられる材料としては、金属相当の高い熱伝導率を有するものを用いることが望ましく、電子部品６が発する熱を良好に外部に放出することが可能であり、例えばダイカスト合金のＡＤＣ１２に代表されるＡｌ−Ｓｉ系合金または押し出し材料のアルミ合金を用いることができる。

本発明の実施の形態に係わる発熱性の電子部品６としては、電解コンデンサ、チョークコイル、駆動回路を構成するスイッチング素子、または制御回路を構成するＣＰＵもしくはドライバＩＣ等があり、コネクタ端子７とともに回路基板５に半田接合されている。
また、本発明の実施の形態に係わる回路基板５としては、多層セラミックス基板が好適に用いられ、樹脂材料からなるプリント配線板と比べて高熱伝導性および低熱膨張性を有するため、電子部品の発する熱を良好にケース部材に伝達することが可能であると同時に、ベアチップの実装が可能である。
上記回路基板としてガラスファイバで強化、低熱膨張化した樹脂基板、いわゆるガラスエポキシ基板を使用する場合は、ベアチップと樹脂基板の間に低熱膨張の金属材料例えばＣｕ−Ｗ合金の薄板を挟むことでベアチップの実装が可能となる。
なお、回路基板５は、ＡｌＮなどのセラミックスまたは酸化銅などの金属酸化物からなるフィラーを含む高熱伝導性の接着剤を用いてケース部材に固定することで、回路基板５とケース２の間の接触熱抵抗を低減するのが好ましい。

本発明の実施の形態に係わるモールド樹脂８としては、シリコーン、エポキシまたはウレタン等の熱硬化性樹脂が用いられ、ケース部材の内壁、電子部品６および回路基板５と接するように充填され、電子部品６が発する熱をケース部材に良好に伝達する効果がある。
なお、モールド樹脂８の熱伝導率は、１Ｗ／ｍ・Ｋ以下と小さいが、金属酸化物やセラミックス等のフィラーを混入することで、熱伝導率を向上させることが可能である。また、モールド樹脂８は耐熱性、耐湿性、振動・衝撃吸収性を有するため、エンジンルーム内における高温、湿度、振動・衝撃等から回路基板５や電子部品６を保護する効果もある。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２の電子回路装置１の断面図であり、本実施の形態の電子回路装置１は、実施の形態１において、回路基板５に実装された複数の電子部品６の上記回路基板５からの上面部６ａの高さが異なる場合で、電子部品６に対向する第２のケース部材２２の内壁が図２に示すような構成である他は実施の形態１と同様のものである。

つまり、本発明の実施の形態に係わる第２のケース部材２２の内壁は、電子部品６の上面部６ａに沿った凹凸を有し、上記凹凸面が実施の形態１に示すように電子部品６の側壁６ｂだけでなく、上面部６ａとも実施の形態１と同様の間隙を介して対向している。
本実施の形態では、複数の発熱性の電子部品６の、回路基板５からの上面部高さが異なる場合に対応して、電子部品６に対向するケース部材２２の内壁の形状が上記のように凹凸に形成されているため、実施の形態１よりさらに、電子部品の発する熱が良好に第２のケース部材２２に伝達される。また、電子回路装置１の内部空間が実施の形態１よりさらに少なくなるため、充填するモールド樹脂８の量をさらに削減でき、電子部品とケースの間に充填されるモールド樹脂による熱抵抗が、電子部品の高さによらず一様に小さく抑えられ、効率良く電子部品の温度上昇を抑制することが可能になる。

図２において、第２のケース部材２２の内壁の凹面４ａの面積は、対向する電子部品６の上面部６ａの面積および電子部品６と上記凹面４ａとの間隙を考慮して設計されている。
例えば電子部品６の上面部６ａの面積が５×５ｍｍで電子部品６と凹面４ａとの間隙が１ｍｍの場合、凹面４ａの面積は、上面部６ａの面積に電子部品６と凹面４ａとの距離分以上の値が加えられた７×７ｍｍ程度とすることで、放熱効率が向上する。
つまり、電子部品からの熱は、通常４５°で広がりながら周囲に伝導されていく。このことを考慮すると、ケース部材２２の内壁の凹凸の電子部品の上面部６ａに対向する凹面４ａの各辺の寸法を、電子部品の上面部６ａの各辺の長さに凹面４ａと電子部品上面部６ａとの距離以上の値を加えた値とすることで、放熱効率が向上するのである。

さらに、図３に示すように、第１、第２のケース部材２１、２２の内部に銅またはＳＵＳ製のパイプを通すか、機械加工にて冷却液流路１１を設け、この冷却液流路１１に主として水が主成分となる自動車エンジン冷却用クーラントを流すことで、装置の冷却性能を高めることが可能になる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３の電子回路装置は、実施の形態２における電子部品６として非定常的な発熱を示す例えばスイッチング素子を実装したもので、例えば車両のエンジンルーム内に搭載される電動パワーステアリング装置のコントロールユニットに用いられるものである。つまり、電動パワーステアリング装置は、モーターとコントロールユニットで構成され、コントロールユニットによりモーターを駆動する電流を制御することで、モーターに操舵補助トルクを発生させるものである。
コントロールユニットは、モーターを駆動する駆動回路、駆動回路を制御する制御回路およびバッテリーの電圧を制御回路に供給する電源回路により構成される。
ステアリングの操舵状況によっては、駆動回路に８０Ａ程度の電流が流れることもあり、このとき駆動回路に実装されるスイッチング素子の発熱量は５０Ｗ程度に達する。従ってコントロールユニットには、良好な放熱構造が要求されると同時に、エンジンルーム内に搭載されるため、耐湿性、耐熱性、振動・衝撃吸収性も要求される。
つまり、電動パワーステアリング装置のコントロールユニットに実装されるスイッチング素子６の消費電力は、車両の車庫入れや幅寄せ等において行われる据え切り操舵の際に急激に増加して５０Ｗ程度に達し、その後急激に低下する。据え切り操舵時以外におけるスイッチング素子６の消費電力は、せいぜい１０Ｗ以下であり据え切り操舵時におけるスイッチング素子６の温度上昇を低減することが必要である。

このような消費電力パターンを示すコントロールユニットにスイッチング素子を実装した場合、図２において、スイッチング素子６の上面部６ａの面積を５×５ｍｍ、スイッチング素子６と対向するケース部材２２の凹面４ａとの距離を１ｍｍ、凹面４ａの面積を７×７ｍｍ、スイッチング素子６の側壁６ｂとケース部材の凸部４との距離１ｍｍ、充填するモールド樹脂８の熱伝導率を１Ｗ／ｍ・Ｋ、回路基板５の熱伝導率を６０Ｗ／ｍ・Ｋとして、上記最大消費電力時におけるスイッチング素子６の温度上昇を測定したところ、図８に示すように、スイッチング素子６１〜６３に対向する第２のケース部材２２の内壁を、最も上面部の高さが高いスイッチング素子６１の高さで規定した他は本実施の形態と同様である電子回路装置の場合と比べて５℃以上低減する効果がある。

実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４の電子回路装置１の断面図であり、電子部品６の上面部６ａに対向する第２のケース部材２２の凹面４ａに、蓄熱材１７として電子部品６の仕様上の上限温度より融点が低い低融点金属材を備えたものである。
本実施の形態の電子回路装置が、実施の形態３におけるスイッチング素子のように発熱量が一時的に非常に大きくなり、温度が急上昇する非定常発熱性の電子部品６を実装していると、電子部品６の発熱時には融解潜熱として電子部品６からの熱を吸収して電子部品６の温度を上記金属材の融点付近の一定値に保ち、電子部品６が熱的に破壊されることを防止することができる。また、電子部品６の発熱量が低下して電子部品６の温度が低下すると低融点金属材も放熱して凝固し元の固体状態に戻る。
つまり、非定常発熱性の電子部品では上記サイクルが繰り返され、これに対して本実施の形態に係わる低融点金属材が溶融と凝固を繰り返すことにより上記発熱サイクルに有効に対応することができるのである。

また、図４に示すように、低融点金属材１７が第２のケース部材２２内壁の凹面４ａに固定されていると、凹面４ａ以外の面はモールド樹脂８に覆われているため、融解しても周囲に流れ出すことがないばかりでなく、融解に伴う体積膨張に対しても、モールド樹脂８の弾性変形により、応力を吸収することが可能である。
さらに低融点金属材１７は、第２のケース部材２２に設けられているため、凝固する際には素早く第２のケース部材２２本体に放熱することが可能である。そのため比較的早いサイクルで電子部品６の温度の急上昇が生じる場合においても、上記の放熱システムを繰り返すことが可能である。

なお、電子部品の上限温度または使用において電子部品が達する最高温度と、低融点金属の融点との差が本実施の形態の効果となるが、例えば本実施の形態に係わる低融点金属材を用いない場合、上記スイッチング素子の温度は２００℃近くに達するのに対して、本実施の形態のように、融点が１７０℃の低融点金属材１７を使用することでスイッチング素子の温度は１７０℃付近に抑えられ、３０℃の温度低減効果がある。
また、低融点金属材１７は本実施の形態に示すように、電子部品６の上面部に対向するケースの内壁に設けているが、発熱性の電子部品においては、上面部に発熱する可能性が高いからである。

実施の形態５．
図５は本発明の実施の形態５に係る電子回路装置１の断面図で、実施の形態２の電子回路装置において、ケース２より大きな熱容量を有する畜熱材１６をケース部材に設けたもので、蓄熱材１６は、図５に示すように発熱体である電子部品６の近傍に設けるのがより効果的であるが、熱の流路であればよい。
本実施の形態に係わる蓄熱材１６が設けられたケース２は、例えばアルミを用いてダイカスト等で製作されたものに、上記アルミ製のケースより大きい熱容量を持つ銅板を蓄熱材として埋め込むことにより得たものである。つまり、同一容積の熱容量として換算すると、アルミ材より銅材の方が熱容量が大きくなるため、アルミ製のケースに銅板を埋め込むことにより、同一サイズのケースで比較すると熱容量を大きくすることができる。
本実施の形態においては、ケース２を畜熱材１６とともに一体に成形することで、実施の形態４と同様、電子部品６から回路基板５に伝達された熱を、一時的に畜熱材１６に吸収させ、徐々に外部に放出させることができる。従って電子部品６の発熱が一時的に非常に大きくなる非定常発熱性の場合などに、電子部品６の温度が急激に上昇することを効率良く抑制できる。

実施の形態６．
図６は本発明の実施の形態６の電子回路装置の断面図で、実施の形態２の電子回路装置１（図２）において、第１、第２のケース部材２１、２２の外壁１４に放熱フィン１５を設けたものである。
図６に示すように、第１、第２のケース部材の外壁１４に放熱フィン１５を一体に形成することで、電子部品６からケース部材に伝達された熱を効率的に外部に放出することが可能になる。
放熱フィン１５の形状としては自然対流で冷却する場合、電子回路装置１の設置方向が決まっていると図６に示すようなストレートフィンでよい。また設置方向が決まっていない場合には棒状または短冊状の独立した複数のフィンからなる放熱フィンが有利となる。
さらに外部の放熱フィンに強制冷却できる電動ファンを取り付けることで、放熱性能が向上することはいうまでもない。
例えば、寸法が８０×８０×２０ｍｍの電子回路装置１の外壁１４に、ストレート形状で寸法が５×５×５０ｍｍ、ピッチが５ｍｍの放熱フィン１５を設けた場合、全電子部品の消費電力が定常的に１０Ｗであるとすると、電子部品６から電子回路装置１の周囲空気までの熱抵抗を７％程度低減する効果がある。

実施の形態７．
図７は本発明の実施の形態７の電子回路装置１の断面図である。実施の形態６の電子回路装置１（図６）において、第２のケース部材２２の外壁１４の形状を第２のケース部材の内壁の凹凸形状に略一致させたことで、第２のケース部材の肉厚を薄くすることが可能になり、使用材料の削減および軽量化が可能になる。さらに放熱フィンの面積も制御ユニットの外形体積を維持しながら拡大することが可能となる。

なお、実施の形態１〜５の電子回路装置に実施の形態６、７に示したような放熱フィンを設けたり、ケース部材の外壁の形状をケース部材の内壁の凹凸形状に一致させると、さらに実施の形態６、７に示す効果が得られるのはいうまでもない。

本発明の実施の形態１の電子回路装置の断面図である。 本発明の実施の形態２の電子回路装置の断面図である。 本発明の実施の形態２にさらに冷却流路を設けた電子回路装置の断面図である。 本発明の実施の形態４の電子回路装置の断面図である。 本発明の実施の形態５に係る電子回路装置の断面図である。 本発明の実施の形態６の電子回路装置の断面図で断面図である。 本発明の実施の形態７の電子回路装置の断面図である。 比較例の電子回路装置の断面図である。

符号の説明

１ 電子回路装置、２ ケース、２１ 第１のケース部材、２２ 第２のケース部材、４ 凸部、４ａ ケース部材の凹面、６ 電子部品、６ａ 電子部品の上面部、６ｂ 電子部品の側壁部、８ モールド樹脂、１４ ケース部材の外壁、１５ 放熱フィン、１６ 蓄熱材、１７ 蓄熱材。

Claims (3)

1. 発熱性の電子部品を実装した回路基板と、上記発熱性の電子部品を内設するケースと、このケース内に充填され、上記発熱性の電子部品をモールドするモールド樹脂とを備えた電子回路装置において、回路基板からの上面部高さが異なる複数の発熱性の電子部品が実装され、上記発熱性の電子部品に対向する上記ケース部材の内壁が、上記発熱性の電子部品の側壁に間隙を介して近接する凸部を有し、上記電子部品の上面部に間隙を介して近接し、上記電子部品の上面部に沿った凹凸を有し、発熱性の電子部品が非定常発熱性の電子部品であり、この電子部品に対向するケース部材の内壁に、上記電子部品の仕様上の上限温度より低い融点を有する金属からなる蓄熱材が設けられていることを特徴とする電子回路装置。
2. ケースの外壁形状が、上記ケースの内壁形状に沿っていることを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
3. ケースの外壁に、放熱フィンが形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子回路装置。

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