JP2004363183A - 電子部品の放熱構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】樹脂基板などに素子をハンダ付けして実装する電子部品であって、樹脂基板を放熱板に取付けるとともに、ハウジングにより樹脂基板を覆う電子部品において、該電子部品の排熱効率を向上させる放熱構造を構成することを課題とする。
【解決手段】基板８に放熱板２に接続するサーマルビア９を複数個形成するとともに、高熱伝導層である銅層２２を樹脂基板８の内層に構成し、基板８の一部において、該高熱伝動層である銅層の一部を基板８の表面に露出させ、該高熱伝動層である銅層２２とハウジング５とを、放熱ゲル７を介して接続し、基板８に実装された素子４とハウジング５との間に放熱ゲル７を充填して電子部品の放熱効率を向上させる。
【選択図】 図 １
【解決手段】基板８に放熱板２に接続するサーマルビア９を複数個形成するとともに、高熱伝導層である銅層２２を樹脂基板８の内層に構成し、基板８の一部において、該高熱伝動層である銅層の一部を基板８の表面に露出させ、該高熱伝動層である銅層２２とハウジング５とを、放熱ゲル７を介して接続し、基板８に実装された素子４とハウジング５との間に放熱ゲル７を充填して電子部品の放熱効率を向上させる。
【選択図】 図 １
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の放熱構造に関する。より詳しくは、基板に素子をハンダ付けする電子部品における、素子の放熱効率を向上させるための放熱構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，半導体回路を設けた電子部品では、作動中の発熱を冷却して半導体回路動作を安定させる必要がある。電子部品としての半導体は一般に熱に弱く、温度変化により抵抗値やタイミング変化などが起こり誤動作することがある。このため、半導体素子の熱を排出して一定の温度範囲に維持する必要がある。
従来の素子の冷却構造としては、素子をはんだ付けにより絶縁基板上に配設し、この絶縁基板と放熱板とをはんだにより接続する。そして放熱板にシリコングリスを塗布して冷媒を保持する冷却ケースに取付けるものである。
このほかにも、素子直下の基板に大型のスルーホールを設けて基板下面に熱を導出したり、電子部品を覆うカバーを素子に当接させて熱を導出する構成が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
また、多層配線基板において銅層を形成してヒートシンクに熱を導く構成（例えば、特許文献２を参照）や、素子の表面に金属箔をのせて、この金箔を介して封止キャップを当接させ、封止キャップに排熱させる構成も知られている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５１９５２号公報
【特許文献２】
特開平１１―３３０７０８号公報
【特許文献３】
特開平１１−１２１６４０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電子制御装置の小型化および高密度実装を考慮した場合に、基板内のパターン配線を微細化でき、表面ランドパターンの公差を小さくできることから、ガラスエポキシ基板を利用することが望まれている。しかしながら，通常のガラスエポキシ基板などの樹脂基板では、熱伝動性が低く放熱を効率的に行うことが困難である。
半導体素子において、素子本体の一側面は素子放熱板に取付けられており、他の部分はモールド樹脂により覆われている。一般的な素子の冷却構造において、素子はハンダにより樹脂基板上に取付けられ、樹脂基板にはアルミニウム製のヒートシンクが取付けられる。これらの熱伝導率は、それぞれ、モールド樹脂０．９Ｗ／ｍ・Ｋ、素子本体２．６Ｗ／ｍ・Ｋ、素子放熱板３７２Ｗ／ｍ・Ｋ、はんだ３６Ｗ／ｍ・Ｋ、樹脂基板０．３８Ｗ／ｍ・Ｋ、アルミヒートシンク９２Ｗ／ｍ・Ｋである。ここにおいて、モールド樹脂と樹脂基板の熱伝導率が極端に低くく、放熱効率を低減する要因となっている。
このため、樹脂基板を用いた電子部品では、配設可能な雰囲気の温度範囲が狭、電子部品を配置可能な環境に制限がある。
【０００５】
そして、特許文献１に記載された技術におけるスルーホールのみでの放熱では十分な放熱性を得ることができない。素子にカバーを当接させる場合においてもカバーと素子との取付け位置やカバーの成形精度など、高い精度が要求され、製造が困難となる。特許文献２、３においても同様に高い成形精度と組み付け精度が要求される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決すべく、本発明は次のような手段を用いる。
請求項１に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成し、該基板もしくは素子を基板に接続するハンダ層と、前記ハウジングとを放熱ゲルを介して接続した。
【０００７】
請求項２に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、該高熱伝動層とハウジングとを接続した。
【０００８】
請求項３に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、該高熱伝動層とハウジングとを接続し、基板に実装された素子とハウジングとの間に放熱ゲルを充填した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図１は電子制御ユニットの一部破断面図、図２は電子制御ユニットの組立て構成を示す斜視図、図３は電子制御ユニットの側面断面図である。
本実施例においては、電子部品の一例として、電子制御ユニットを用いて説明する。本発明に利用される電子部品としては、基板に素子を実装し、放熱板およびハウジングにより基板を覆うものであれば良く、特に限定されるものでははい。
電子制御ユニット１は、素子４、基板８、放熱板２およびハウジング５により構成されている。素子４は基板８にハンダ付けにより取付けられており、素子４はハンダ層３を介して基板８に配設されている。基板８は放熱板２の上面に取付けられており、基板８の上方はハウジング５が配置される。放熱板２の上面縁部はハウジング５の下部に当接しており、ハウジング５の下部は基板８の外周縁に沿った形状となっている。これにより、基板８は、放熱板２とハウジング５とにより覆われる構成となっている。
【００１０】
基板８において、ハンダ層３の下にはサーマルビア９が複数個構成されている。ハンダ層３は上部に配設される素子４より広く構成されており、平面視において素子４の周囲にハンダ層３が構成されている。このようにハンダ層を構成することで、ハンダ層３が基板８と接触する面積を拡大でき、素子が実装されていない部分にも熱を伝動させ、ハンダ層３を介した放熱量を増大させるものである。
そして、ハンダ層３を拡大することにより、サーマルビア９を配置可能な面積が増大できる。これにより、ハンダ層３と放熱板２とを接続する熱伝導度の高い経路を拡大して素子の放熱性を向上できる。
【００１１】
ハウジング５の内側面には、当接部６が下方に延出されている。当接部６はハウジング５と一体的に構成されており、当接部６の下端部は平面視においてハンダ層３の縁部に沿った位置に構成されている。
ハンダ層３の縁部上面には放熱ゲル７が塗布されており、ハンダ層３と当接部６とは放熱ゲル７を介して接続する。放熱ゲルとしては、放熱シリコーンゲル等を利用するものである。
放熱ゲル７をハンダ層３と当接部６との間に配置させ、放熱ゲル７をハンダ層３と当接部６とに密着させる。これにより、ハンダ層３から当接部６への熱伝導経路を確保できる。放熱ゲル７は低硬度でありながら密着性が高く、粘性を有する。このため、振動や衝撃を受けた場合にも、放熱ゲルが塗布位置よりずれ難い。放熱ゲル７はハンダ層３の上面において塗布位置に保持され、ハンダ層３と当接部６とに密着して熱伝動経路を確保する。これにより、熱および振動に対しても熱伝導経路を安定して維持できる。
なお、放熱ゲル７としては熱伝導性の高いものを利用するものであり、高い熱伝動性を有するとともに、密着性、振動に対する位置の保持性能などが同様であれば他のものを利用することも可能である。
【００１２】
図４はハンダ層と当接部の位置関係を示す図であり、図４（ａ）は当接部が基準位置にある状態を、図４（ｂ）は基準位置より高い状態を、図４（ｃ）は基準位置より低い状態をそれぞれ示す図である。
放熱ゲル７をハンダ層３と当接部６との間に配設することにより、ハンダ層３と当接部６との位置が一定しない場合においてもハンダ層３と当接部６とを接続できるものである。
当接部６が図４（ｂ）に示すごとく、基準位置より高い位置である場合にも放熱ゲル７の密着性および追従性によりハンダ層３と当接部６との接続が確保される。
また、図４（ｃ）に示すごとく、当接部６が基準位置より低い位置にある場合においても、放熱ゲル７が低硬度であるという特性から、放熱ゲル７は変形しながらハンダ層３と当接部６との接続を行うものである。
そして、当接部６がさらに低い位置にある場合においても、ハンダ層３と当接部６の間において放熱ゲル７が当接部６のハンダ層３の押さえつけを緩和する。
すなわち、放熱ゲル７によりハンダ層３と当接部６との接続を確実にするとともに、基板８の保護も行うものである。そして、ハウジング５および素子４のハンダ付けにおいて高い精度を必要とせず、容易に素子４の放熱性の高い電子部品を構成することができる。また、ハンダ層３と当接部６の形状に関係なく、熱伝導経路を確保できる。
【００１３】
次に、ハンダ層３と当接部６との接着性をさらに向上させる構成について、図５を用いて説明する。
図５はハンダ層と当接部との他の接続構成を示す図であり、図５（ａ）は当接部をハンダ層上面形状に沿わせた構成を示す図、図５（ｂ）はハンダ層に凹部を構成した状態を示す図、図５（ｃ）は当接部に突起を設けた構成を示す図である。
図５（ａ）に示す構成においては、当接部６の下端はハンダ層３の上面に沿った形状に構成されており、ハンダ層３の外側に向けて下がるように傾斜させているものである。当接部６の下面とハンダ層３の上面との間隔をほぼ一定にすることにより、放熱ゲル７と当接部６との接触面積を大きくし、放熱ゲル７の流動性を低減させ、保持性を向上させるものである。
【００１４】
図５（ｂ）に示す構成においては、ハンダ層３に、当接部６の下端形状にあわせた凹部を構成するものである。そして、この凹部に当接部６の下端を位置させることにより、放熱ゲル７とハンダ層３との接触面積を大きくし、放熱ゲル７の流動性を低減させ、保持性を向上させるものである。
図５（ｃ）に示す構成においては、当接部６の下端に突起部を設ける物である。これにより、放熱ゲル７と当接部６との接触面積を大きくし、放熱ゲル７の流動性を低減させ、保持性を向上させるものである。さらに、当接部６がハンダ層３に接触した場合においても当接部６によりハンダ層３を変形させやすく基板８に影響を与えない。
【００１５】
次に、図６から図１０において放熱ゲルの接続性を確認する手段を設けたハウジングの構成について説明する。
図６は素子を放熱ゲルで覆う構成を示す断面図である。
図６において、確認手段を設けた電子制御ユニットの全体構成について説明する。電子制御ユニット１のハウジング５は、素子４の上方に位置する部分を素子４に近づけた構成となっており、素子４の配置位置に相当する部分が凹んだ形状となっている。そして、素子４の側部を囲むようにハウジング５の内側面に延出部１１が設けられている。延出部１１はハウジング５内側面より下方に延出されている。
素子４は、延出部１１および素子４の上方に位置するハウジング５により上面および側面を囲まれている。そして、素子４とハウジング５の間に放熱ゲル７が充填されている。素子４にハウジング５を近づけることにより、必要となる放熱ゲル７の量を低減でき、素子４の放熱効率を向上できる。
【００１６】
ハウジング５には、延出部１１の下端面からハウジング５上面にいたる位置確認用孔１４が設けられており、位置確認用孔１４の延長線上であって基板８上にマーク１２が配置されている。図６において、位置確認用孔１４は延出部１１に沿って垂直方向に構成されており、延出部１１の直下にマーク１２が配設されている。
位置確認用孔１４は、素子４に対するハウジング５の位置を確認するためのものである。位置確認用孔１４によりマーク１２が確認される場合には、ハウジング５の位置のズレが許容範囲であり、延出部１１と素子４との間に隙間が存在することを示すものである。
これにより、素子４よりの放熱効率を向上させながら、電子制御ユニット１の組立て効率を向上できるものである。
【００１７】
ハウジング５には、放熱ゲル７が充填される空間に連通する充填確認孔１５が設けられている。図６において充填確認孔１５は、ハウジング５の素子４直上位置に、垂直方向に設けられている。
充填確認孔１５による、放熱ゲル７の充填確認方法について説明する。
図７は放熱ゲルが充填された状態を示す充填確認孔の構成を示す断面図である。図７に示すごとく、素子４とハウジング５との間に充填される放熱ゲル７は、充填確認孔１５にも充填されるものである。充填確認孔１５が放熱ゲル７により満たされるので、ハウジング５の外側より放熱ゲル７の状態を認識可能である。
【００１８】
図８はゲル不足状態と充填状態とを示す模式図、図８（ａ）はゲル不足状態を示す図、図８（ｂ）はゲルが十分な状態を示す図である。
図８に示すごとく、放熱ゲル４が不足している場合には、充填確認孔１５が放熱ゲルにより満たされない。そして、素子４とハウジング５との間に放熱ゲル７が十分に充填されている場合には、充填確認孔１５よりハウジング５の外面に放熱ゲル７が溢れ出し、外部より放熱ゲル７が十分に充填されていることを確認できるものである。ハウジング５より放熱ゲル７を溢れ出させるので、容易に放熱ゲル７の充填を認識できるものである。
【００１９】
放熱ゲル７の充填を確認する充填確認孔１５の構成としては、図８に示す構成の他にも様々なものを用いることができる。
図９は充填確認孔の他の構成例を示す図であり、図９（ａ）は上部をすり鉢状に構成した充填確認孔の構成を示す図、図９（ｂ）は円錐状に構成した充填確認孔の構成を示す図である。
充填確認孔１５の上部構成としては、図９（ａ）に示すごとく、上部をすり鉢上に構成することができる。これにより、放熱ゲル７があふれ出る前に、放熱ゲル７の露出面積を拡大して、認識しやすくできるものである。
また、図９（ｂ）に示すごとく、充填確認孔１５を円錐形状に構成することも可能である。充填確認孔１５を円錐形状に構成することにより、放熱ゲル７の上面位置と界面面積とを対応させて、放熱ゲル７の界面位置を認識可能となるものである。
このほかに、充填確認孔１５をハウジング５に複数個設けて、複数個所において放熱ゲル７の充填を確認することにより、放熱ゲル７の充填確認の確実性を向上できるとともに、部分的な放熱ゲル７の充填むらを認識可能である。
【００２０】
充填確認孔１５を設けたハウジング５において、ハウジング５内を放熱ゲル７により満たし、これを確認することも可能である。
図１０はハウジング内を放熱ゲルにより満たした構成を示す図である。図１０に示すごとく、ハウジング５は素子４の近傍において素子４の側方および上方を包むように構成されている。そして、下端部を放熱板２に当接させて、基板８をハウジング５および放熱板２により覆う。さらに、素子４を実装した基板８とハウジング５の間に放熱ゲル７を満たす。
これにより、放熱ゲル７を素子４および基板８の放熱部に接触させて、電子制御ユニット１の放熱性を向上できる。
なお、放熱ゲルを目視しやすくすべく、放熱ゲルに着色をしたり、充填確認孔１５の内周面を着色したり、充填確認孔１５周囲のハウジング５を着色することも可能である。
【００２１】
次に、素子４を実装する基板に、高熱伝動率を有する層を設けて基板の熱伝導性を向上させる構成について説明する。この構成においては、基板内に熱伝動度の高い層を設け、この層を介して基板側部よりハウジングに熱を放出させるものである。ここにおいては、高熱伝導率層として銅層を用いる。
図１１は基板に銅層を設けた構成を示す図である。
図１１に示すごとく、基板８には銅層２２が構成されている。銅層２２は基板８の内層に埋め込む構成となっており、銅層２２は基板８の側面に露出しているものである。銅層２２は素子４実装部の直下および周囲に構成されたサーマルビア９・９・・に接続しており、サーマルビア９は基板８の上面から下面にかけて上下方向に構成されている。
銅層２２を有する基板８は、下面を放熱板２の上面にあわせた状態で配設されており、基板８の側面および上面はハウジング５により覆われるものである。
【００２２】
基板８の側面には放熱ゲル７が塗布されており、放熱ゲル７は基板８の側面およびハウジング５の内側面に密着している。これにより、基板８の銅層２２が放熱ゲル７を介してハウジング５に接続する構成となる。これにより、素子４において発生した熱は、ハンダ層３、サーマルビア９、銅層２２を介して、基板８の側面および下面に伝達され、ハウジング５および放熱板２より排熱される。
このように、基板８の側部を利用してハウジング５に熱を伝達するので、電子制御ユニットにおいて熱伝導性の高い熱排出経路を拡大して、排熱効率を向上できる。また、基板８側部とハウジング５とを放熱ゲル７により接続するので、基板８およびハウジング５の内面形状に関係なく、熱排出経路を確実に確保できる。
【００２３】
基板に銅層を設ける構成において、銅層の露出面積を拡大して放熱性を向上させることも可能である。
図１２は銅層上面に露出部を設けた構成を示す図である。図１２に示すごとく、基板８において、内層に銅層２２が埋め込まれている。基板８の側部は階段状に構成されており、銅層２２の上面が基板８の縁部において露出する構成となっている。基板８を覆うハウジング５の下部においても、基板８の縁部形状に沿って階段状に構成されている。そして、ハウジング５と基板８の側部との間には放熱ゲル７が充填される。
【００２４】
このように構成することにより、基板８側部において、基板８とハウジング５との接触面積を増大でき、銅層２２の露出面積を増大できる。これにより、ハウジング５への熱伝達効率を向上させて、排熱効果を向上できる。
さらに、基板８の縁部を階段形状に構成し、ハウジング５を基板８の周部に沿って階段形状とすることにより、基板８とハウジング５の位置決めがこの段差形状により容易となるものである。
また、ハウジング５の側部に充填確認孔１５を設けて、放熱ゲル７の充填確認をすることも可能である。
【００２５】
次に、電子制御ユニットにおいて、ハウジング５に基板８に向けて延出された当接部を基板８の内層に銅層を設けた構成について、図１３から図１５を用いて説明する。
図１３はハウジングに当接部を設けるとともに基板に銅層を設けた構成を示す図である。
図１３に示すごとく、ハウジング５の上部内側面には、下方に延出された当接部６が構成されている。当接部６は垂直方向に、基板８の上面位置まで延出されている。そして、基板８には銅層２２が内層に埋め込まれた構成となっており、銅層２２は基板８の側面に露出している。銅層２２は基板８の上面から下面にかけて上下方向に設けられたサーマルビア９・９・・に接続しており、基板８の上面より銅層２２に至るビア２３が接続している。
【００２６】
ビア２３は、平面視において、当接部６の下端と重なる位置に設けられている。そして、ハウジング５が閉じた状態において、当接部６とビア２３とを放熱ゲル７を介して接続する。
これにより、素子４より発生する熱を、銅層２２を介して、ハウジング５および放熱板２に伝達して、ユニットの排熱効率を向上することができるものである。
【００２７】
図１４は基板に凹部を設けた構成を示す図であり、図１４（ａ）は電子制御ユニットの断面図、図１４（ｂ）は基板の断面図である。
図１４に示すごとく、ハウジング５の上部内側面には、下方に延出された当接部６が構成されている。基板８には銅層２２が内層に埋め込まれた構成となっており、銅層２２は基板８の側面に露出している。銅層２２は基板８の上面から下面にかけて上下方向に設けられたサーマルビア９・９・・に接続している。
基板８の上面には凹部２４が構成されており、凹部２４に当接部６の下端が挿入される構成となっている。凹部２４の底面にはビア２３の上面が露出しており、ビア２３は銅層２２と接続している。ハウジング５の当接部６はビア２３の上面位置まで延出されている。
凹部２４には放熱ゲル７が注入され、当接部６とビア２３の接続を行うものである。放熱ゲル７は変形しやすく、当接部６の凹部２４への挿入によりビア２３と当接部６の下端とを確実に接続するものである。
このように構成することにより、放熱ゲル７の流動性を低減し、熱伝導における接続の信頼性を向上できる。さらに、凹部２４により、ハウジング５により基板８の位置決めを行うことができる。
【００２８】
図１５は基板にハウジング位置決め穴を設けた構成を示す図であり、図１５（ａ）は電子制御ユニットの断面図であり、図１５（ｂ）は基板の断面図である。
図１５に示すごとく、ハウジング５の上部内側面には、下方に延出された当接部６が構成されている。基板８には銅層２２が内層に埋め込まれた構成となっており、銅層２２は基板８の側面に露出している。銅層２２は基板８の上面から下面にかけて上下方向に設けられたサーマルビア９・９・・に接続している。
基板８の上面には穴２５が構成されており、穴２５により銅層２２が基板８の上面側に露出している。そして、ハウジング５の当接部６が銅層２２の上面位置まで延出されている。
穴２５には当接部６の下端が挿入される構成となっている。穴２５において露出した銅層２２の上面に当接部６が当接するものである。
穴２５には放熱ゲル７が注入され、当接部６と銅層２２の接続を行うものである。放熱ゲル７は変形しやすく、当接部６の穴２５への挿入により銅層２２と当接部６の下端とを確実に接続するものである。
このように構成することにより、放熱ゲル７の流動性を低減し、熱伝導における接続の信頼性を向上できる。さらに、穴２５により、ハウジング５により基板８の位置決めを行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成し、該基板もしくは素子を基板に接続するハンダ層と、前記ハウジングとを放熱ゲルを介して接続したので、
ハウジングとハンダ層との接続を確実に行うことが可能となる。そして、ハウジングの成形や組立てにおける公差が大きい場合でも確実に熱伝導経路を確保でき、冷却効果を向上できる。そして、振動に強く安定して作動可能な熱環境を増大できる。
【００３０】
請求項２に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、該高熱伝動層とハウジングとを接続したので、
熱伝導度の低い基板において、熱伝導度の高い経路を構成可能となり、電子部品における熱伝導経路を拡大できる。
【００３１】
請求項３に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、該高熱伝動層とハウジングとを接続し、基板に実装された素子とハウジングとの間に放熱ゲルを充填したので、
素子よりの放熱経路を拡大して、素子４の冷却効率を直接向上することが可能となる。また、基板を利用した排熱経路を構成できるので電子部品の冷却効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子制御ユニットの一部破断面図。
【図２】電子制御ユニットの組立て構成を示す斜視図。
【図３】電子制御ユニットの側面断面図。
【図４】ハンダ層と当接部の位置関係を示す図。
【図５】ハンダ層と当接部との他の接続構成を示す図。
【図６】素子を放熱ゲルで覆う構成を示す断面図。
【図７】放熱ゲルが充填された状態を示す充填確認孔の構成を示す断面図。
【図８】ゲル不足状態と充填状態とを示す模式図。
【図９】充填確認孔の他の構成例を示す図。
【図１０】ハウジング内を放熱ゲルにより満たした構成を示す図。
【図１１】基板に銅層を設けた構成を示す図。
【図１２】銅層上面に露出部を設けた構成を示す図。
【図１３】ハウジングに当接部を設けるとともに基板に銅層を設けた構成を示す図。
【図１４】基板に凹部を設けた構成を示す図。
【図１５】基板にハウジング位置決め穴を設けた構成を示す図。
【符号の説明】
１ 電子制御ユニット
２ 放熱板
３ ハンダ層
４ 素子
５ ハウジング
６ 当接部
７ 放熱ゲル
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の放熱構造に関する。より詳しくは、基板に素子をハンダ付けする電子部品における、素子の放熱効率を向上させるための放熱構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，半導体回路を設けた電子部品では、作動中の発熱を冷却して半導体回路動作を安定させる必要がある。電子部品としての半導体は一般に熱に弱く、温度変化により抵抗値やタイミング変化などが起こり誤動作することがある。このため、半導体素子の熱を排出して一定の温度範囲に維持する必要がある。
従来の素子の冷却構造としては、素子をはんだ付けにより絶縁基板上に配設し、この絶縁基板と放熱板とをはんだにより接続する。そして放熱板にシリコングリスを塗布して冷媒を保持する冷却ケースに取付けるものである。
このほかにも、素子直下の基板に大型のスルーホールを設けて基板下面に熱を導出したり、電子部品を覆うカバーを素子に当接させて熱を導出する構成が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
また、多層配線基板において銅層を形成してヒートシンクに熱を導く構成（例えば、特許文献２を参照）や、素子の表面に金属箔をのせて、この金箔を介して封止キャップを当接させ、封止キャップに排熱させる構成も知られている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５１９５２号公報
【特許文献２】
特開平１１―３３０７０８号公報
【特許文献３】
特開平１１−１２１６４０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電子制御装置の小型化および高密度実装を考慮した場合に、基板内のパターン配線を微細化でき、表面ランドパターンの公差を小さくできることから、ガラスエポキシ基板を利用することが望まれている。しかしながら，通常のガラスエポキシ基板などの樹脂基板では、熱伝動性が低く放熱を効率的に行うことが困難である。
半導体素子において、素子本体の一側面は素子放熱板に取付けられており、他の部分はモールド樹脂により覆われている。一般的な素子の冷却構造において、素子はハンダにより樹脂基板上に取付けられ、樹脂基板にはアルミニウム製のヒートシンクが取付けられる。これらの熱伝導率は、それぞれ、モールド樹脂０．９Ｗ／ｍ・Ｋ、素子本体２．６Ｗ／ｍ・Ｋ、素子放熱板３７２Ｗ／ｍ・Ｋ、はんだ３６Ｗ／ｍ・Ｋ、樹脂基板０．３８Ｗ／ｍ・Ｋ、アルミヒートシンク９２Ｗ／ｍ・Ｋである。ここにおいて、モールド樹脂と樹脂基板の熱伝導率が極端に低くく、放熱効率を低減する要因となっている。
このため、樹脂基板を用いた電子部品では、配設可能な雰囲気の温度範囲が狭、電子部品を配置可能な環境に制限がある。
【０００５】
そして、特許文献１に記載された技術におけるスルーホールのみでの放熱では十分な放熱性を得ることができない。素子にカバーを当接させる場合においてもカバーと素子との取付け位置やカバーの成形精度など、高い精度が要求され、製造が困難となる。特許文献２、３においても同様に高い成形精度と組み付け精度が要求される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決すべく、本発明は次のような手段を用いる。
請求項１に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成し、該基板もしくは素子を基板に接続するハンダ層と、前記ハウジングとを放熱ゲルを介して接続した。
【０００７】
請求項２に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、該高熱伝動層とハウジングとを接続した。
【０００８】
請求項３に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、該高熱伝動層とハウジングとを接続し、基板に実装された素子とハウジングとの間に放熱ゲルを充填した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図１は電子制御ユニットの一部破断面図、図２は電子制御ユニットの組立て構成を示す斜視図、図３は電子制御ユニットの側面断面図である。
本実施例においては、電子部品の一例として、電子制御ユニットを用いて説明する。本発明に利用される電子部品としては、基板に素子を実装し、放熱板およびハウジングにより基板を覆うものであれば良く、特に限定されるものでははい。
電子制御ユニット１は、素子４、基板８、放熱板２およびハウジング５により構成されている。素子４は基板８にハンダ付けにより取付けられており、素子４はハンダ層３を介して基板８に配設されている。基板８は放熱板２の上面に取付けられており、基板８の上方はハウジング５が配置される。放熱板２の上面縁部はハウジング５の下部に当接しており、ハウジング５の下部は基板８の外周縁に沿った形状となっている。これにより、基板８は、放熱板２とハウジング５とにより覆われる構成となっている。
【００１０】
基板８において、ハンダ層３の下にはサーマルビア９が複数個構成されている。ハンダ層３は上部に配設される素子４より広く構成されており、平面視において素子４の周囲にハンダ層３が構成されている。このようにハンダ層を構成することで、ハンダ層３が基板８と接触する面積を拡大でき、素子が実装されていない部分にも熱を伝動させ、ハンダ層３を介した放熱量を増大させるものである。
そして、ハンダ層３を拡大することにより、サーマルビア９を配置可能な面積が増大できる。これにより、ハンダ層３と放熱板２とを接続する熱伝導度の高い経路を拡大して素子の放熱性を向上できる。
【００１１】
ハウジング５の内側面には、当接部６が下方に延出されている。当接部６はハウジング５と一体的に構成されており、当接部６の下端部は平面視においてハンダ層３の縁部に沿った位置に構成されている。
ハンダ層３の縁部上面には放熱ゲル７が塗布されており、ハンダ層３と当接部６とは放熱ゲル７を介して接続する。放熱ゲルとしては、放熱シリコーンゲル等を利用するものである。
放熱ゲル７をハンダ層３と当接部６との間に配置させ、放熱ゲル７をハンダ層３と当接部６とに密着させる。これにより、ハンダ層３から当接部６への熱伝導経路を確保できる。放熱ゲル７は低硬度でありながら密着性が高く、粘性を有する。このため、振動や衝撃を受けた場合にも、放熱ゲルが塗布位置よりずれ難い。放熱ゲル７はハンダ層３の上面において塗布位置に保持され、ハンダ層３と当接部６とに密着して熱伝動経路を確保する。これにより、熱および振動に対しても熱伝導経路を安定して維持できる。
なお、放熱ゲル７としては熱伝導性の高いものを利用するものであり、高い熱伝動性を有するとともに、密着性、振動に対する位置の保持性能などが同様であれば他のものを利用することも可能である。
【００１２】
図４はハンダ層と当接部の位置関係を示す図であり、図４（ａ）は当接部が基準位置にある状態を、図４（ｂ）は基準位置より高い状態を、図４（ｃ）は基準位置より低い状態をそれぞれ示す図である。
放熱ゲル７をハンダ層３と当接部６との間に配設することにより、ハンダ層３と当接部６との位置が一定しない場合においてもハンダ層３と当接部６とを接続できるものである。
当接部６が図４（ｂ）に示すごとく、基準位置より高い位置である場合にも放熱ゲル７の密着性および追従性によりハンダ層３と当接部６との接続が確保される。
また、図４（ｃ）に示すごとく、当接部６が基準位置より低い位置にある場合においても、放熱ゲル７が低硬度であるという特性から、放熱ゲル７は変形しながらハンダ層３と当接部６との接続を行うものである。
そして、当接部６がさらに低い位置にある場合においても、ハンダ層３と当接部６の間において放熱ゲル７が当接部６のハンダ層３の押さえつけを緩和する。
すなわち、放熱ゲル７によりハンダ層３と当接部６との接続を確実にするとともに、基板８の保護も行うものである。そして、ハウジング５および素子４のハンダ付けにおいて高い精度を必要とせず、容易に素子４の放熱性の高い電子部品を構成することができる。また、ハンダ層３と当接部６の形状に関係なく、熱伝導経路を確保できる。
【００１３】
次に、ハンダ層３と当接部６との接着性をさらに向上させる構成について、図５を用いて説明する。
図５はハンダ層と当接部との他の接続構成を示す図であり、図５（ａ）は当接部をハンダ層上面形状に沿わせた構成を示す図、図５（ｂ）はハンダ層に凹部を構成した状態を示す図、図５（ｃ）は当接部に突起を設けた構成を示す図である。
図５（ａ）に示す構成においては、当接部６の下端はハンダ層３の上面に沿った形状に構成されており、ハンダ層３の外側に向けて下がるように傾斜させているものである。当接部６の下面とハンダ層３の上面との間隔をほぼ一定にすることにより、放熱ゲル７と当接部６との接触面積を大きくし、放熱ゲル７の流動性を低減させ、保持性を向上させるものである。
【００１４】
図５（ｂ）に示す構成においては、ハンダ層３に、当接部６の下端形状にあわせた凹部を構成するものである。そして、この凹部に当接部６の下端を位置させることにより、放熱ゲル７とハンダ層３との接触面積を大きくし、放熱ゲル７の流動性を低減させ、保持性を向上させるものである。
図５（ｃ）に示す構成においては、当接部６の下端に突起部を設ける物である。これにより、放熱ゲル７と当接部６との接触面積を大きくし、放熱ゲル７の流動性を低減させ、保持性を向上させるものである。さらに、当接部６がハンダ層３に接触した場合においても当接部６によりハンダ層３を変形させやすく基板８に影響を与えない。
【００１５】
次に、図６から図１０において放熱ゲルの接続性を確認する手段を設けたハウジングの構成について説明する。
図６は素子を放熱ゲルで覆う構成を示す断面図である。
図６において、確認手段を設けた電子制御ユニットの全体構成について説明する。電子制御ユニット１のハウジング５は、素子４の上方に位置する部分を素子４に近づけた構成となっており、素子４の配置位置に相当する部分が凹んだ形状となっている。そして、素子４の側部を囲むようにハウジング５の内側面に延出部１１が設けられている。延出部１１はハウジング５内側面より下方に延出されている。
素子４は、延出部１１および素子４の上方に位置するハウジング５により上面および側面を囲まれている。そして、素子４とハウジング５の間に放熱ゲル７が充填されている。素子４にハウジング５を近づけることにより、必要となる放熱ゲル７の量を低減でき、素子４の放熱効率を向上できる。
【００１６】
ハウジング５には、延出部１１の下端面からハウジング５上面にいたる位置確認用孔１４が設けられており、位置確認用孔１４の延長線上であって基板８上にマーク１２が配置されている。図６において、位置確認用孔１４は延出部１１に沿って垂直方向に構成されており、延出部１１の直下にマーク１２が配設されている。
位置確認用孔１４は、素子４に対するハウジング５の位置を確認するためのものである。位置確認用孔１４によりマーク１２が確認される場合には、ハウジング５の位置のズレが許容範囲であり、延出部１１と素子４との間に隙間が存在することを示すものである。
これにより、素子４よりの放熱効率を向上させながら、電子制御ユニット１の組立て効率を向上できるものである。
【００１７】
ハウジング５には、放熱ゲル７が充填される空間に連通する充填確認孔１５が設けられている。図６において充填確認孔１５は、ハウジング５の素子４直上位置に、垂直方向に設けられている。
充填確認孔１５による、放熱ゲル７の充填確認方法について説明する。
図７は放熱ゲルが充填された状態を示す充填確認孔の構成を示す断面図である。図７に示すごとく、素子４とハウジング５との間に充填される放熱ゲル７は、充填確認孔１５にも充填されるものである。充填確認孔１５が放熱ゲル７により満たされるので、ハウジング５の外側より放熱ゲル７の状態を認識可能である。
【００１８】
図８はゲル不足状態と充填状態とを示す模式図、図８（ａ）はゲル不足状態を示す図、図８（ｂ）はゲルが十分な状態を示す図である。
図８に示すごとく、放熱ゲル４が不足している場合には、充填確認孔１５が放熱ゲルにより満たされない。そして、素子４とハウジング５との間に放熱ゲル７が十分に充填されている場合には、充填確認孔１５よりハウジング５の外面に放熱ゲル７が溢れ出し、外部より放熱ゲル７が十分に充填されていることを確認できるものである。ハウジング５より放熱ゲル７を溢れ出させるので、容易に放熱ゲル７の充填を認識できるものである。
【００１９】
放熱ゲル７の充填を確認する充填確認孔１５の構成としては、図８に示す構成の他にも様々なものを用いることができる。
図９は充填確認孔の他の構成例を示す図であり、図９（ａ）は上部をすり鉢状に構成した充填確認孔の構成を示す図、図９（ｂ）は円錐状に構成した充填確認孔の構成を示す図である。
充填確認孔１５の上部構成としては、図９（ａ）に示すごとく、上部をすり鉢上に構成することができる。これにより、放熱ゲル７があふれ出る前に、放熱ゲル７の露出面積を拡大して、認識しやすくできるものである。
また、図９（ｂ）に示すごとく、充填確認孔１５を円錐形状に構成することも可能である。充填確認孔１５を円錐形状に構成することにより、放熱ゲル７の上面位置と界面面積とを対応させて、放熱ゲル７の界面位置を認識可能となるものである。
このほかに、充填確認孔１５をハウジング５に複数個設けて、複数個所において放熱ゲル７の充填を確認することにより、放熱ゲル７の充填確認の確実性を向上できるとともに、部分的な放熱ゲル７の充填むらを認識可能である。
【００２０】
充填確認孔１５を設けたハウジング５において、ハウジング５内を放熱ゲル７により満たし、これを確認することも可能である。
図１０はハウジング内を放熱ゲルにより満たした構成を示す図である。図１０に示すごとく、ハウジング５は素子４の近傍において素子４の側方および上方を包むように構成されている。そして、下端部を放熱板２に当接させて、基板８をハウジング５および放熱板２により覆う。さらに、素子４を実装した基板８とハウジング５の間に放熱ゲル７を満たす。
これにより、放熱ゲル７を素子４および基板８の放熱部に接触させて、電子制御ユニット１の放熱性を向上できる。
なお、放熱ゲルを目視しやすくすべく、放熱ゲルに着色をしたり、充填確認孔１５の内周面を着色したり、充填確認孔１５周囲のハウジング５を着色することも可能である。
【００２１】
次に、素子４を実装する基板に、高熱伝動率を有する層を設けて基板の熱伝導性を向上させる構成について説明する。この構成においては、基板内に熱伝動度の高い層を設け、この層を介して基板側部よりハウジングに熱を放出させるものである。ここにおいては、高熱伝導率層として銅層を用いる。
図１１は基板に銅層を設けた構成を示す図である。
図１１に示すごとく、基板８には銅層２２が構成されている。銅層２２は基板８の内層に埋め込む構成となっており、銅層２２は基板８の側面に露出しているものである。銅層２２は素子４実装部の直下および周囲に構成されたサーマルビア９・９・・に接続しており、サーマルビア９は基板８の上面から下面にかけて上下方向に構成されている。
銅層２２を有する基板８は、下面を放熱板２の上面にあわせた状態で配設されており、基板８の側面および上面はハウジング５により覆われるものである。
【００２２】
基板８の側面には放熱ゲル７が塗布されており、放熱ゲル７は基板８の側面およびハウジング５の内側面に密着している。これにより、基板８の銅層２２が放熱ゲル７を介してハウジング５に接続する構成となる。これにより、素子４において発生した熱は、ハンダ層３、サーマルビア９、銅層２２を介して、基板８の側面および下面に伝達され、ハウジング５および放熱板２より排熱される。
このように、基板８の側部を利用してハウジング５に熱を伝達するので、電子制御ユニットにおいて熱伝導性の高い熱排出経路を拡大して、排熱効率を向上できる。また、基板８側部とハウジング５とを放熱ゲル７により接続するので、基板８およびハウジング５の内面形状に関係なく、熱排出経路を確実に確保できる。
【００２３】
基板に銅層を設ける構成において、銅層の露出面積を拡大して放熱性を向上させることも可能である。
図１２は銅層上面に露出部を設けた構成を示す図である。図１２に示すごとく、基板８において、内層に銅層２２が埋め込まれている。基板８の側部は階段状に構成されており、銅層２２の上面が基板８の縁部において露出する構成となっている。基板８を覆うハウジング５の下部においても、基板８の縁部形状に沿って階段状に構成されている。そして、ハウジング５と基板８の側部との間には放熱ゲル７が充填される。
【００２４】
このように構成することにより、基板８側部において、基板８とハウジング５との接触面積を増大でき、銅層２２の露出面積を増大できる。これにより、ハウジング５への熱伝達効率を向上させて、排熱効果を向上できる。
さらに、基板８の縁部を階段形状に構成し、ハウジング５を基板８の周部に沿って階段形状とすることにより、基板８とハウジング５の位置決めがこの段差形状により容易となるものである。
また、ハウジング５の側部に充填確認孔１５を設けて、放熱ゲル７の充填確認をすることも可能である。
【００２５】
次に、電子制御ユニットにおいて、ハウジング５に基板８に向けて延出された当接部を基板８の内層に銅層を設けた構成について、図１３から図１５を用いて説明する。
図１３はハウジングに当接部を設けるとともに基板に銅層を設けた構成を示す図である。
図１３に示すごとく、ハウジング５の上部内側面には、下方に延出された当接部６が構成されている。当接部６は垂直方向に、基板８の上面位置まで延出されている。そして、基板８には銅層２２が内層に埋め込まれた構成となっており、銅層２２は基板８の側面に露出している。銅層２２は基板８の上面から下面にかけて上下方向に設けられたサーマルビア９・９・・に接続しており、基板８の上面より銅層２２に至るビア２３が接続している。
【００２６】
ビア２３は、平面視において、当接部６の下端と重なる位置に設けられている。そして、ハウジング５が閉じた状態において、当接部６とビア２３とを放熱ゲル７を介して接続する。
これにより、素子４より発生する熱を、銅層２２を介して、ハウジング５および放熱板２に伝達して、ユニットの排熱効率を向上することができるものである。
【００２７】
図１４は基板に凹部を設けた構成を示す図であり、図１４（ａ）は電子制御ユニットの断面図、図１４（ｂ）は基板の断面図である。
図１４に示すごとく、ハウジング５の上部内側面には、下方に延出された当接部６が構成されている。基板８には銅層２２が内層に埋め込まれた構成となっており、銅層２２は基板８の側面に露出している。銅層２２は基板８の上面から下面にかけて上下方向に設けられたサーマルビア９・９・・に接続している。
基板８の上面には凹部２４が構成されており、凹部２４に当接部６の下端が挿入される構成となっている。凹部２４の底面にはビア２３の上面が露出しており、ビア２３は銅層２２と接続している。ハウジング５の当接部６はビア２３の上面位置まで延出されている。
凹部２４には放熱ゲル７が注入され、当接部６とビア２３の接続を行うものである。放熱ゲル７は変形しやすく、当接部６の凹部２４への挿入によりビア２３と当接部６の下端とを確実に接続するものである。
このように構成することにより、放熱ゲル７の流動性を低減し、熱伝導における接続の信頼性を向上できる。さらに、凹部２４により、ハウジング５により基板８の位置決めを行うことができる。
【００２８】
図１５は基板にハウジング位置決め穴を設けた構成を示す図であり、図１５（ａ）は電子制御ユニットの断面図であり、図１５（ｂ）は基板の断面図である。
図１５に示すごとく、ハウジング５の上部内側面には、下方に延出された当接部６が構成されている。基板８には銅層２２が内層に埋め込まれた構成となっており、銅層２２は基板８の側面に露出している。銅層２２は基板８の上面から下面にかけて上下方向に設けられたサーマルビア９・９・・に接続している。
基板８の上面には穴２５が構成されており、穴２５により銅層２２が基板８の上面側に露出している。そして、ハウジング５の当接部６が銅層２２の上面位置まで延出されている。
穴２５には当接部６の下端が挿入される構成となっている。穴２５において露出した銅層２２の上面に当接部６が当接するものである。
穴２５には放熱ゲル７が注入され、当接部６と銅層２２の接続を行うものである。放熱ゲル７は変形しやすく、当接部６の穴２５への挿入により銅層２２と当接部６の下端とを確実に接続するものである。
このように構成することにより、放熱ゲル７の流動性を低減し、熱伝導における接続の信頼性を向上できる。さらに、穴２５により、ハウジング５により基板８の位置決めを行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成し、該基板もしくは素子を基板に接続するハンダ層と、前記ハウジングとを放熱ゲルを介して接続したので、
ハウジングとハンダ層との接続を確実に行うことが可能となる。そして、ハウジングの成形や組立てにおける公差が大きい場合でも確実に熱伝導経路を確保でき、冷却効果を向上できる。そして、振動に強く安定して作動可能な熱環境を増大できる。
【００３０】
請求項２に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、該高熱伝動層とハウジングとを接続したので、
熱伝導度の低い基板において、熱伝導度の高い経路を構成可能となり、電子部品における熱伝導経路を拡大できる。
【００３１】
請求項３に記載のごとく、素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、該高熱伝動層とハウジングとを接続し、基板に実装された素子とハウジングとの間に放熱ゲルを充填したので、
素子よりの放熱経路を拡大して、素子４の冷却効率を直接向上することが可能となる。また、基板を利用した排熱経路を構成できるので電子部品の冷却効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子制御ユニットの一部破断面図。
【図２】電子制御ユニットの組立て構成を示す斜視図。
【図３】電子制御ユニットの側面断面図。
【図４】ハンダ層と当接部の位置関係を示す図。
【図５】ハンダ層と当接部との他の接続構成を示す図。
【図６】素子を放熱ゲルで覆う構成を示す断面図。
【図７】放熱ゲルが充填された状態を示す充填確認孔の構成を示す断面図。
【図８】ゲル不足状態と充填状態とを示す模式図。
【図９】充填確認孔の他の構成例を示す図。
【図１０】ハウジング内を放熱ゲルにより満たした構成を示す図。
【図１１】基板に銅層を設けた構成を示す図。
【図１２】銅層上面に露出部を設けた構成を示す図。
【図１３】ハウジングに当接部を設けるとともに基板に銅層を設けた構成を示す図。
【図１４】基板に凹部を設けた構成を示す図。
【図１５】基板にハウジング位置決め穴を設けた構成を示す図。
【符号の説明】
１ 電子制御ユニット
２ 放熱板
３ ハンダ層
４ 素子
５ ハウジング
６ 当接部
７ 放熱ゲル
Claims (3)
- 素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、
該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成し、
該基板もしくは素子を基板に接続するハンダ層と、
前記ハウジングとを放熱ゲルを介して接続した
ことを特徴とする電子部品における放熱構造。 - 素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、
該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、
高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、
該高熱伝動層とハウジングとを接続した
ことを特徴とする電子部品における放熱構造。 - 素子を実装した基板を、放熱板とハウジングとで覆う電子部品の放熱構造において、
該基板に放熱板に接続するサーマルビアを複数個形成するとともに、
高熱伝導層を構成し、該高熱伝動層を基板表面に露出させ、
該高熱伝動層とハウジングとを接続し、
基板に実装された素子とハウジングとの間に放熱ゲルを充填した
ことを特徴とする電子部品における放熱構造。
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