JP7529536B2 - 電子制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電子制御装置に係り、特にヒートシンク機能を備えた電子制御装置に関する。

自動車等の車両には、例えば、エンジン制御用、モータ制御用等の電子制御装置が搭載されている。このような車載用の電子制御装置は、通常、回路基板の上に、半導体部品からなる電子部品や電子回路等(以下、単に電子部品と表記する)の発熱部品を備えている。特に、最近の車載用の電子制御装置に用いられる電子部品は、高性能化により発熱量が増加する傾向にある。このため、電子制御装置の放熱性能をより向上することが要請されている。

電子部品の放熱性能を向上する放熱構造として、冷却機能を備えた筐体に回路基板を取り付け、回路基板上に実装された複数の電子部品からの熱を筐体に放熱することが有効である。例えば、特開２０１６－１２７２２５号公報(特許文献１)には、外装筐体に、発熱量の異なる複数の電子部品を備えた回路基板を熱的に接続する撮像装置が示されている。

そして、特許文献1の撮像装置においては、回路基板上に実装された発熱量が大きい第１の電子部品は、放熱材を介して外装筐体と熱的に接続され、発熱量が小さい第２の電子部品は、回路基板外周の導電性部材に回路基板を介して接続されている。これにより、発熱量の異なる複数の発熱体間での伝熱を抑制しつつ、放熱性能の向上を図っている。

特開２０１６－１２７２２５号公報

しかしながら、特許文献1の撮像装置においては、第１及び第２の電子部品の間の距離は、第２の電子部品と導電性部材との距離よりも長いため、夫々の電子部品の実装位置の制限によって高密度実装が困難となり、回路基板及び外装筐体の大型化の原因となる。

また、第２の電子部品の放熱経路は、回路基板及び導電性部材を通って第１の電子部品と同じ外装筐体で放熱されるため、夫々の電子部品の発熱量が十分に大きい場合、或いは夫々の電子部品を近接して配置する場合に、回路基板内及び外装筐体間を介した電子部品同士の熱干渉が起こる恐れがある。

本発明の目的は、上述した課題の少なくとも1つ以上の課題に対応することができる電子制御装置を提供することにある。

本発明は、
冷却機能を備えた、第１筐体本体と第２筐体本体を組み合わせた筐体と、この筐体内に配置され、複数の電子部品が設けられた回路基板とを有し、
回路基板は、少なくとも、第１の電子部品が配置される第１の領域と、第２の電子部品が配置される第２の領域とを有し、
第１の領域の第１の電子部品は第１の熱伝導機能部を介して第１筐体本体と熱的に接続され、第２の領域の第２の電子部品は第２の熱伝導機能部を介して第２筐体本体と熱的に接続されている
ことを特徴としている。

本発明によれば、少なくとも２つの電子部品を近接して配置した際に、夫々の電子部品同士の熱干渉を防ぐことができ、放熱性能をより向上することができる。或いは、放熱性能を十分に得ながら２つの電子部品を近接して配置できるので、小型化が可能となる。或いは、放熱性能の向上と小型化の両方の作用、効果を共に得ることができる。

尚、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の「発明を実施するための形態」の説明により明らかにされる。

本発明が適用される電子制御装置を斜め上方から見た外観斜視図である。 本発明の第１の実施形態を示し、図１に示した電子制御装置のＡ－Ａ線の方向に断面した断面図である。 図２に示した電子制御装置のＢ―Ｂ線の方向に断面した断面図である。 図２に示した電子制御装置のＰ部を拡大した拡大断面図である。 図２に示した電子制御装置のＰ部の変形例を拡大した拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態を示し、図２と同様の断面図である。 本発明の第３の実施形態を示し、図２と同様の断面図である。 図７に示した電子制御装置のＣ―Ｃ線の方向に断面した断面図である。 本発明の放熱効果を説明するための、電子制御装置の基板を上面から見た上面図である。 本発明の実施例と比較例のジャンクション温度を比較した比較図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

ここで、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。

以下、図１～図５を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。尚、以下に説明する電子制御装置は、好ましくは自動車に搭載される電子制御装置であるが、これ以外の電子制御装置にも適用できることはいうまでもない。

図１において、電子制御装置１００は、上部筐体(第１の筐体本体)１と下部筐体(第２の筐体本体)２からなる筐体１３を有する。上部筐体１は冷却機能を有する放熱フィン６を備えている。ここで、下部筐体２も冷却機能を有する放熱フィン６を備えることもできる。

筐体１３は、長手方向(Ｘ方向)、短手方向(Ｙ方向)、及び厚さ方向(Ｚ方向)に辺を有した中空状の箱型に形成されている。尚、放熱フィン６は必ずしも備えていなくても良く、上部筐体１、及び下部筐体２から放熱できることは良く知られいる。

上部筐体１は、アルミニウム（例えば、アルミダイカスト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。また、鉄などの板金、或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。尚、樹脂材料であっても、熱放射等によって放熱できるものである。

下部筐体２も同様に、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属材料、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することができる。いずれにしても、上部筐体１及び下部筐体２は電子部品からの熱を放熱する冷却機能を備えている。

放熱フィン６はダイキャスト等の鋳造により、上部筐体１、及び必要に応じて下部筐体２の一部に一体に形成されている。但し、放熱フィン６を上部筐体１とは別部材として作製して、上部筐体１に取り付けるようにしてもよい。

上部筐体１と下部筐体２の夫々は、図示しない螺子等の締結部材により一体的に固定されている。筐体１３の前面側の側壁には、１つ、または複数のコネクタ７や、図示しないイーサネット(登録商標)ターミナルが配置されている。

上述の筐体１３の前面側の側壁にはコネクタ７等を挿通するための孔、または切欠きが形成されており、これらの孔、または切欠きを通してコネクタ７等が回路基板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７等を介して、外部機器と電子制御装置１００の間での電力供給や制御信号の送受信が行われる。

図２において、筐体１３の内部には回路基板３が配置されており、図２に示す通り、上部筐体１と下部筐体２の間には回路基板３が挟まれるようにして収容されている。上部筐体１のコーナー部(四隅)には、回路基板３の側に突出する固定ボス８ｆが設けられている。回路基板３は、図示しない螺子により固定ボス８ｆの端面に固定されている。

回路基板３の片面には、複数個のマイコン等の半導体素子を含む電子部品４(４a、４ｂ)が載置、固定されている。尚、図示はしていないが、回路基板３の片面には、コンデンサ等の受動素子も実装され、これらの電子部品４(４a、４ｂ)とコネクタ７等とを接続する配線パターンが回路基板３に形成されている。

回路基板３は、例えば、エポキシ樹脂等の有機材料により形成されている。回路基板３は、特にＦＲ４(ガラスエポキシ樹脂)材料とすることが好ましいが、メタルコア基板等の金属材料であっても良い。回路基板３は、単層基板または多層基板とすることができる。

ところで、高性能な車載用電子制御装置の実現には、回路基板３上に高速演算処理を担うマイコン等の電子部品４ａと、その周辺に電子部品４ａと連携されるメモリや電源ＩＣ等の電子部品４ｂが実装される必要がある。特に、高速通信の観点から、マイコン等の電子部品４ａのすぐ近くにメモリや電源ＩＣ等の電子部品４ｂを実装する必要がある。ここで、マイコン等の電子部品４ａは高発熱電子部品であり、メモリや電源ＩＣ等の電子部品４ｂは低発熱電子部品である。

一方で、マイコン等の電子部品４ａとメモリや電源ＩＣ等の電子部品４ｂを近接して実装すると発熱密度が増大する。このため、放熱部分も近接するので、高発熱なマイコン等の電子部品４ａの熱が、回路基板３や筐体１３を介してメモリや電源ＩＣ等の電子部品４ｂへ伝熱し、メモリや電源ＩＣ等の電子部品４ｂの許容温度を超えてしまう恐れがある。

このため、本実施形態では以下に述べるように、回路基板３においては、少なくとも、マイコン等の電子部品４ａ(第１の電子部品)が配置される第１の領域と、メモリや電源ＩＣ等の電子部品４ｂ(第２の電子部品)が配置される第２の領域とを有し、第１の領域のマイコン等の電子部品４ａは第１の熱伝導機能部を介して第１筐体本体と熱的に接続され、第２の領域のメモリや電源ＩＣ等の電子部品４ｂは第２の熱伝導機能部を介して第２筐体本体と熱的に接続される構成とした。

これによれば、少なくとも２つの電子部品を近接して配置した際に、夫々の電子部品同士の熱干渉を防ぐことができ、放熱性能をより向上することができる。或いは、放熱性能を十分に得ながら２つの電子部品を近接して配置できるので、小型化が可能となる。或いは、放熱性能の向上と小型化の両方の作用、効果を共に得ることができる。以下その具合的な構成を説明する。

図２、図３において、複数の電子部品４(４ａ、４ｂ)は、回路基板３の片側の第１面(上部筐体１側の面)に載置され、半田等の接合材で電気的に接続されている。第１の電子部品４ａは、マイコンやＣＰＵ等の半導体素子であり、パッケージ構造はＢＧＡ(Ball Grid Array)が採用されている。上述したように、第１の電子部品４ａは、マイコンやＣＰＵ等の半導体素子であり、高速演算処理を行うため高発熱電子部品である。

第１の電子部品４ａの主要放熱経路は上部筐体１であり、半田ボールを介した回路基板３への放熱よりも、金属板のようなヒートスプレッダー等を利用して上部筐体１に直接的に放熱させている。図２にあるように、第１の電子部品４ａの上方には熱伝導部材５ａ１が設けられており、熱伝導部材５ａ１の更に上方の上部筐体１の内面には、上部筐体１との隙間を埋めるために放熱ボス８ａ１が設けられている。この放熱ボス８ａ１は、「上部筐体側放熱ボス」である。

また、第１の電子部品４ａと熱的に接続されている放熱ボス８ａ1以外に、回路基板３の第１面に対して熱伝導部材５ａ２を介して、放熱ボス８ａ２が熱的に接続されている。この放熱ボス８ａ２は「上部筐体側補助放熱ボス」である。これによって回路基板３の熱を上部筐体１に熱を流し(伝熱)、上部筐体１や放熱フィン６の表面から大気中へ放熱することができる。尚、熱伝導部材５ａ１、５ａ２の材料については後述する。更に、熱伝導部材５ａ１は、ヒートスプレッダーと組み合わせて用いることもできる。

ここで、熱伝導部材５ａ１、５ａ２、及び放熱ボス８ａ１、８ａ２の一方、或いは両方は、「熱伝導機能部」としての作用、効果を奏する。尚、熱伝導部材５ａ２、及び放熱ボス８ａ２は、必要に応じて省略することができる。

そして、第１の電子部品４ａから生じた熱は、熱伝導部材５ａ１を介して放熱ボス８ａ1から直接的に上部筐体１や放熱フィン６に流れ、自然対流や図示しない空冷ファンによる対流熱伝達によって大気中へと放熱される。このように、高発熱である第１の電子部品４ａからの熱を、熱伝導部材５ａ１を介して放熱ボス８ａ１から直接的に上部筐体１や放熱フィン６に流し(伝熱)、上部筐体１や放熱フィン６の表面から大気中へ放熱するので、効率的な放熱とすることができる。

一方、第２の電子部品４ｂは、ギガビットイーサやメモリ、電源ＩＣ等の半導体素子であり、パッケージ構造はＱＦＰ(Quad Flat Package)やＱＦＮ(Quad Flat Non lead package)が採用されている。第１の電子部品と同様にＢＧＡ等でも良いことは言うまでもない。

第２の電子部品４ｂの主要放熱経路は下部筐体２であり、第２の電子部品４ｂの熱は、先ずは回路基板３へダイパッド等を介して放熱する。第２の電子部品４ｂの直下の回路基板３の第１面と反対側の第２面(下部筐体２側の面)には、熱伝導部材５ｂ１が設けられており、熱伝導部材５ｂ１の更に下方には、下部筐体２との隙間を埋めるために放熱ボス８ｂ１が設けられている。この放熱ボス８ｂ１は、「下部筐体側放熱ボス」である。

また、第２の電子部品４ｂと熱的に接続されている放熱ボス８ｂ１以外に、回路基板３の第２面に対して熱伝導部材５ｂ２を介して、放熱ボス８ｂ２が熱的に接続されている。この放熱ボス８ｂ２は「下部筐体側補助放熱ボス」である。これによって回路基板３の熱を下部筐体２に放熱することができる。

ここで、熱伝導部材５ｂ１、５ｂ２、及び放熱ボス８ｂ１、８ｂ２の一方、或いは両方は、「熱伝導機能部」としての作用、効果を奏する。尚、熱伝導部材５ｂ２、及び放熱ボス８ｂ２は、必要に応じて省略することができる。

そして、第２の電子部品４ｂから生じた熱は、回路基板３及び熱伝導部材５ｂ１を介して放熱ボス８ｂ１から下部筐体２に流れ、自然対流や図示しない空冷ファンによる対流熱伝達によって大気中へと放熱される。このように、低発熱である第２の電子部品４ｂからの熱を、回路基板３、熱伝導部材５ｂ１を介して放熱ボス８ｂ１から間接的に下部筐体２に放熱するので、放熱不足という問題はさほど生じない。

ここで、「間接的」というのは、回路基板３を介して放熱していることを意味しており、第２の電子部品４ｂが低発熱であることから、回路基板３を介して放熱してもさほど影響は少ない。

更に、回路基板３から熱伝導部材５ｂ１への放熱を向上するため、第２の電子部品４ｂの直下の回路基板３に、図示しない配線パターン及びサーマルビア(又はスルーホール)を設けることができる。これによって、回路基板３から下部筐体２まで効率よく熱が伝わり、効果的な放熱が可能となる。

上述したように、放熱フィン６を有する上部筐体１と熱的に接続している第１の電子部品４ａの発熱量は、回路基板３を介して下部筐体２と熱的に接続している第２の電子部品４ｂより大きい。したがって、放熱フィン６を有することで放熱性能が向上するため、発熱量の大きい第１の電子部品４ａは、放熱フィン６を有する上部筐体１と熱的に接続することが重要である。

このように、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの放熱経路を、それぞれ上部筐体１及び下部筐体２に分割することで、回路基板３や筐体１３を介した熱干渉を抑制することができ、放熱性能を向上することができる。これにより、電子部品４ａ、４ｂは、距離をおいて離して実装する必要がなくなり、電子部品４ａ、４ｂの間の高速通信を確保できる。更に、放熱性能を十分に得ながら２つの電子部品４ａ、４ｂを近接して配置できるので、小型化が可能となる。

上述した熱伝導部材５ａ１～５ｂ２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を用いることができる。一般的に使用されているのはグリース状の熱伝導材であり、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。また、熱伝導部材５ａ１～５ｂ２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。

更に、熱伝導部材５ａ１～５ｂ２は、回路基板３の熱による変形や振動、及び製造時の公差に対して変形可能な柔軟性を有するものであり、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。

図３にあるように、第１の電子部品４ａの周辺には、上部筐体１から回路基板３の方向に突出した放熱ボス８ａ２が形成されている。また、放熱ボス８ａ２と回路基板３との隙間を埋めるように、熱伝導部材５ａ２(図２参照)が設けられている。放熱ボス８ａ２は第１の領域ＲＡに配置され、サイズや形状はどのような形でも良いが、回路基板３の図示しない配線パターンと干渉しない位置に設けることが望ましい。

同様に、第２の電子部品４ｂの周辺には、下部筐体２から回路基板３の方向に突出した放熱ボス８ｂ２が形成されている。放熱ボス８ｂ２と回路基板３との隙間を埋めるように、熱伝導部材５ｂ２(図２参照)が設けられている。放熱ボス８ｂ２は第２の領域ＲＢに配置され、放熱ボス８ａ２と同様にサイズや形状はどのような形でも良い。

ここで、第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢは次のように定義できる。第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂとが、回路基板３の第１面上で互いに向き合う形態で、向き合った部分を仮想の分割線で二分割して、第１の電子部品４ａと放熱ボス８ａ２を含む領域を第１の領域ＲＡとし、第２の電子部品４ｂと放熱ボス８ｂ２を含む領域を第２の領域ＲＢとしている。尚、本実施形態では、後述する断熱機能部９を分割線として用いることもできる。

また、第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢは次のようにも定義できる。つまり、仮想の分割線で定義せずに、第１の電子部品４ａと放熱ボス８ａ２を囲む領域を第1の領域ＲＡとし、第２の電子部品４ｂと放熱ボス８ｂ２を囲む領域を第２の領域ＲＢとすることもできる。更には、第１の電子部品４ａを囲む領域を第1の領域ＲＡとし、第２の電子部品４ｂを囲む領域を第２の領域ＲＢとすることもできる。

また、下部筐体２が板金等の鉄板から形成された場合において、放熱ボス８ｂ１，８ｂ２は、下部筐体２の内面側を回路基板３側に向かって凸状に形成した構造としても良い。

固定ボス８ｆと回路基板３との固定は、螺子により締結する構造としても良く、また、固定ボス８ｆと回路基板３との間にガスケット等の部品により隙間を埋めて固定する方法や、上部筐体１と下部筐体２によって挟み込んで固定する方法を採用しても良い。

このように、第１の電子部品４ａの直上から上部筐体１に抜ける放熱経路(放熱ボス８ａ１、熱伝導部材５ａ１)、及び第２の電子部品４ｂの直下の回路基板３から下部筐体２に抜ける放熱経路(放熱ボス８ｂ１、熱伝導部材５ｂ１)だけでなく、回路基板３の上面から上部筐体１に抜ける放熱経路(放熱ボス８ａ２、熱伝導部材５ａ２)、及び回路基板３の下面から下部筐体２に抜ける放熱経路(放熱ボス８ｂ２、熱伝導部材５ｂ２)を設けることで、回路基板３の熱を積極的に放熱することができ、電子制御装置１００の放熱性能を更に向上することができる。

特に、発熱量の大きい第１の電子部品４ａからの熱が、近接して配置された第２の電子部品４ｂへ伝導することを防ぐことができ、熱干渉による第２の電子部品４ｂの温度上昇を抑えることができる。

本実施形態では、更に図３に示しているように、互いに向き合う第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの間の回路基板３には、断熱機能部９が形成されていることを特徴としている。この断熱機能部９は、第１の電子部品４ａからの熱が、回路基板３を介して第２の電子部品４ｂに伝熱されるのを抑制する機能を備えている。

断熱機能部９は、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂ間の回路基板３の一部に形成されている。断熱機能部９の詳細な構成については後述するが、断熱機能部９には図示しない信号配線、ＧＮＤ(グランド)配線等の配線パターンが設けられている。

回路基板３に断熱機能部９を設けることで、この領域における信号配線による通信を可能としながら、電子部品４ａと電子部品４ｂの間の回路基板３を介して、熱が伝熱することを抑制することができる。したがって、電子部品４ａと電子部品４ｂの間の高速通信を確保しながら、放熱性能を向上することができる。

図２及び図３に示されるように、回路基板３は、第１の電子部品４ａや放熱ボス８ａ１、８ａ２が位置する第１の領域ＲＡと、第２の電子部品４ｂや放熱ボス８ｂ１、８ｂ２が位置する第２の領域ＲＢとに分割される。そして、断熱機能部９は第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢの間に位置している。上述したように、断熱機能部９は分割線の一部を形成している。また、第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢは、回路基板３に複数領域に亘って存在することができる。

図４に示されるように、回路基板３は誘電体層１０と６層(Ｌ１～Ｌ６)の導体層１１を有する多層基板であり、電子部品４ａ、４ｂが載置される側からＬ１層、Ｌ２層…Ｌ６層として導体層１１が形成されている。Ｌ１層は信号配線層１１ａであり、Ｌ２層はＧＮＤ配線層１１ｂとなるようにして、導体層１１を形成している。尚、ＧＮＤ配線層１１ｂは、放熱ボス８ａ２、熱伝導部材５ａ２と熱的に接続されても良く、これによって、回路基板３の熱を熱伝導部材５ａ２、放熱ボス８ａ２を介して効率よく上部筐体１に放熱することができる。

この場合、ＧＮＤ配線層１１ｂと熱伝導部材５ａ２、放熱ボス８ａ２との熱的な接続は、信号配線層１１aを避けてＧＮＤ配線層１１ｂに繋がるスルーホールを回路基板３に形成して行っている。つまり、このスルーホールを通して、ＧＮＤ配線層１１ｂと熱伝導部材５ａ２、放熱ボス８ａ２を熱的に接続する構成としている。

また、本実施形態においては、第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢの間の断熱機能部９による断熱領域ＲＣは、フレキシブル基板部９ａとした。フレキシブル基板部９ａは、回路基板３と同様に、エポキシ樹脂等の有機材料により形成されており、誘電体層１０はＦＲ４材料とすることが好ましい。

フレキシブル基板部９ａは、通常の回路基板３と異なり折り曲げが可能であることが特徴であり、信号配線層１１ａ、ＧＮＤ配線層１１ｂ以外の導体層１１を除いた、基板厚さが薄い領域とされている。したがって図４に示すように、フレキシブル基板部９ａはＬ１層の信号配線層１１ａとＬ２層のＧＮＤ配線層１１ｂと、その間の誘電体層１０のみを有している。尚、回路基板３は４層基板や８層基板でも良い。

また、フレキシブル基板部９ａは、信号通信を行うように機能させるために、少なくとも２つの対になる導体層１１(Ｌ１層の信号配線層１１ａと、Ｌ２層のＧＮＤ配線層１１ｂ)を有していれば良い。このため、Ｌ３層とＬ４層、もしくはＬ６層とＬ５層がそれぞれ信号配線層１１ａとＧＮＤ配線層１１ｂとして形成されても良い。この場合、残りの導体層１１や誘電体層１０を取り除くことでフレキシブル基板部９ａとすることができる。

このように、第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢの間の断熱機能部９をフレキシブル基板部９ａによる断熱領域ＲＣとすることで、この断熱領域ＲＣが信号通信を行うように機能する。このため、第１の領域ＲＡに位置する第１の電子部品４ａと、第２の領域ＲＢに位置する第２の電子部品４ｂ間の高速通信を可能とすることができる。

更に、フレキシブル基板部９ａでは、導体層１１の低減によって、回路基板３の板厚が低減するため面内方向の熱抵抗が上昇し、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの間の熱が干渉しない断熱効果を有するようになる。

次に、断熱機能部９の変形例を図５に基づいて説明する。図５は、図４と同様に、回路基板３は誘電体層１０と６層の導体層１１を有する多層基板である。

図５に示されるように、回路基板３は誘電体層１０と６層(Ｌ１～Ｌ６)の導体層１１を有する多層基板であり、電子部品４ａ、４ｂが載置される側からＬ１層、Ｌ２層…Ｌ６層として導体層１１が形成されている。Ｌ１層は信号配線層１１ａ、Ｌ２層はＧＮＤ配線層１１ｂとなるようにして、導体層１１を形成している。

第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢの間の断熱機能部９による断熱領域ＲＣは、内層配線断熱基板部９ｂとした。内層配線断熱基板部９ｂは、回路基板３と同様に、エポキシ樹脂等の有機材料により形成されており、誘電体層１０はＦＲ４材料とすることが好ましい。

内層配線断熱基板部９ｂは、断熱領域ＲＣにおいて板厚はそのままに、信号配線層１１ａ、ＧＮＤ配線層１１ｂ以外の導体層１１を除いた断熱機能部９ｂを有している。したがって図５に示すように、内層配線断熱基板部９ｂはＬ１層の信号配線層１１ａとＬ２層のＧＮＤ配線層１１ｂと、誘電体層１０のみを有している。このように、導体層１１の低減によって、回路基板３の面内方向の熱抵抗が上昇し、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの間の熱が干渉しない断熱効果を有するようになる。

図４の場合と同様に、回路基板３は４層基板や８層基板でも良い。また、内層配線断熱基板部９ｂは、図４に示すフレキシブル基板部９ａと同様に、信号通信を行うように機能させるために、少なくとも２つの対になる導体層１１（Ｌ１層の信号配線層１１ａとＬ２層のＧＮＤ配線層１１ｂ）を有していれば良い。このため、Ｌ３層とＬ４層、もしくはＬ６層とＬ５層がそれぞれ信号配線層１１ａとＧＮＤ配線層１１ｂとして形成されても良い。この場合、残りの導体層１１を取り除くことで熱抵抗を大きくすることができる。

このように、第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢの間の断熱機能部９を内層配線断熱基板部９ｂによる断熱領域ＲＣとすることで、この断熱領域ＲＣが信号通信を行うように機能する。このため、第１の領域ＲＡに位置する第１の電子部品４ａと、第２の領域ＲＢに位置する第２の電子部品４ｂ間の高速通信を可能とすることができる。

更に、内層配線断熱基板部９ｂでは、導体層１１の低減によって、面内方向の熱抵抗が上昇し、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの間の熱が干渉しない断熱効果を有するようになる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂが、回路基板３の同一面(第１面)に実装されているが、第２の実施形態では、第１の電子部品４ａが一方の第１面に実装され、第２の電子部品４ｂが他方の第２面に実装された両面実装である点で異なっている。尚、図６において、図２と同じ参照番号は同一の構成部品であり、その機能(作用、効果等)は同じであるので、特に必要がなければその説明を省略する。

図６において、第２の電子部品４ｂｕは、第１の電子部品４ａが載置されている回路基板３の第１面(上部筐体１側の面)とは反対側の第２面(下部筐体２側の面)に載置されている。

そして、第２の電子部品４ｂｕの主要放熱経路は下部筐体２であり、回路基板３への放熱よりも、金属板のようなヒートスプレッダー等を利用して下部筐体２に直接的に放熱させている。図６にあるように、第２の電子部品４ｂｕの下方には熱伝導部材５ｂ１が設けられており、熱伝導部材５ｂ１の更に下方の下部筐体２の内面には、下部筐体２との隙間を埋めるために放熱ボス８ｂ１が設けられている。

第２の電子部品４ｂｕが回路基板３の第２面に載置されているため、放熱ボス８ｂ１の高さは、図２に示す放熱ボス８ｂ１よりも低く(短く)形成されている。そして、第２の電子部品４ｂｕから生じた熱は、熱伝導部材５ｂ１を介して放熱ボス８ｂ1から直接的に下部筐体２に伝わり、自然対流や図示しない空冷ファンによる対流熱伝達によって大気中へと放熱される。このように、低発熱であっても第２の電子部品４ｂｕからの熱を、熱伝導部材５ｂ１を介して放熱ボス８ｂ１から直接的に下部筐体２に放熱するので、更に効率的な放熱とすることができる。

本実施形態は、対象とする第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの放熱経路をそれぞれ上部筐体１と下部筐体２に分けることで、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの間での熱干渉を抑え、放熱性能を向上することができる。

また、第１の領域ＲＡに上部筐体１から回路基板３の第１面側に延びる放熱ボス８ａ２を設け、第２の領域ＲＢに下部筐体２から回路基板３の第２面側に延びる放熱ボス８ｂ２を設け、熱伝導部材５ａ２、５ｂ２を介して回路基板３と接続することで、回路基板３内に伝導した熱を上下筐体１、２に輸送することができ、更に放熱性能を向上することができる。

また、第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢの間の回路基板３に断熱機能部９を設けることで、電子部品４同士の通信は確保しつつ、回路基板３を介した熱干渉を抑えることができ、放熱性能の観点から第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの間の実装距離を大きくとる必要がなくなる。したがって、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの間の高速通信を損なうことなく、放熱性能を向上することが可能となる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第１の実施形態、第２の実施形態では、回路基板３は１枚の基板から構成されているが、第３の実施形態では、回路基板３が２枚に分割されている点で異なっている。尚、図７、図８において、図１と同じ参照番号は同一の構成部品であり、その機能(作用、効果)は同じであるので、特に必要がなければその説明を省略する。

図７において、回路基板３は第１の領域ＲＡと第２の領域ＲＢの間において、隙間ＧＡ(図８参照)を有して二分割されており、それぞれの回路基板３ａ、３ｂの間をＢｔｏＢ(Board to Board)コネクタ１２ａ、１２ｂで接続されている。ＢｔｏＢコネクタ１２ａ、１２ｂは、「基板対基板コネクタ」として知られており、それぞれの回路基板３ａ、３ｂに設けられたコネクタ１２ａ、１２ｂの端子を結合して、電気的な接続を行うものである。

図７に示されるように、回路基板３は、第１の回路基板３ａと第２の回路基板３ｂの二枚に分割して筐体１３に収容されている。第１の電子部品４ａが実装されている第１の回路基板３ａを第１の領域ＲＡとし、第２の電子部品４ｂが実装されている第２の回路基板３ｂを第２の領域ＲＢとする。

上部筐体１から回路基板３ａの第１面の側に突出した放熱ボス８ａ１、８ａ２は、熱伝導部材５ａ１、５ａ２を介して第１の電子部品４ａ、第１の回路基板３ａに熱的に接続されている。同様に、下部筐体２から回路基板３ｂの第２面の側に突出した放熱ボス８ｂ１、８ｂ２は、熱伝導部材５ｂ１、５ｂ２を介して第２の電子部品４ｂ、第２の回路基板３ｂに熱的に接続されている。

図８に図示されるように、ＢｔｏＢコネクタ１２ａ、１２ｂは第１の回路基板３ａと第２の回路基板３ｂにそれぞれ設けられており、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂとの間に位置するのが好ましい。

ＢｔｏＢコネクタ１２ａ、１２ｂは、第１の回路基板３ａと第２の回路基板３ｂの間の信号接続を可能としているので、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂにおいて高速通信が可能である。

また、回路基板３を第１の回路基板３ａと第２の回路基板３ｂに分割して隙間ＧＡを積極的に形成している。このため、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂからの熱が、対応する回路基板３ａと回路基板３ｂに伝熱したとしても、隙間ＧＡによって、回路基板３ａと回路基板３ｂの間で互いに熱干渉が起こり難くなっている。したがって、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの間の高速通信を損なうことなく、放熱性能を向上することが可能となる。

尚、本実施形態では、第２の電子部品４ｂを第２の回路基板３ｂの第１面に実装した構造を例示した。しかしながら、図６に示す第２の実施形態のように、第２の電子部品４ｂを第２の回路基板３ｂの第２面に実装した構造としても良いし、第１の電子部品４ａを第１の回路基板３ａの第２面に実装した構造としても良い。

更に、ＢｔｏＢコネクタ１２ａ、１２ｂを各回路基板３ａ、３ｂの第２面に設けることや、回路基板３の分割数を増やしてＢｔｏＢコネクタ１２を複数設けても良い。

以上に説明した第１の実施形態～第３の実施形態の電子制御装置の実際の放熱効果について更に説明する。図９は、図１に示した第１の実施形態と実質的に同じ構成を採用したものであり、以下では本実施形態として説明する。

図９において、本実施形態になる上部筐体１の外形形状は、１１６ｍｍ×１７６ｍｍ×２８ｍｍ(厚さ)とした。回路基板３は、図示しないの螺子を用いて、上部筐体１の四隅のコーナー部と、長手方向の辺の中間付近の２箇所の計６箇所に設けられた固定ボス８ｆ(一部図示せず)に固定した。また、回路基板３を筐体１３の内部に収容するため、上部筐体１と下部筐体２は図示しない螺子を用いて回路基板３を挟むように固定した。

上部筐体１及び下部筐体２は、熱伝導率９６．３Ｗ／ｍＫ、放射率０．５のＡＤＣ１２材を用いて作製した。コネクタ７は、上部筐体１の前面開口部に合わせて２つ設置した。コネクタ７は、熱伝導率０．２３Ｗ／ｍＫ、放射率０．９５のＰＢＴ(ポリブチレンテレフタレート)材を用いて作製した。

図９に示すように、電子部品４は回路基板３の第１面に計７つ実装した。第１の電子部品４ａは、３０ｍｍ×３０ｍｍ×３．１ｍｍ(厚さ)のＦＣＢＧＡ（Flip Chip Ball Grid Array）型の半導体装置として実装した。第２の電子部品４ｂは、１６ｍｍ×１６ｍｍ×１ｍｍ(厚さ)のＱＦＮ（Quad Flat Non-leaded）型の半導体装置として形成し、第１の電子部品４ａから１０ｍｍの距離をおいて実装した。その他の電子部品４ｃは、様々な寸法のＱＦＮ型及びＢＧＡ型の半導体装置として形成して実装した。

回路基板３は、１５６ｍｍ×８９．８ｍｍ×１．６ｍｍ(厚さ)を有するＦＲ４材料により形成した。回路基板は８層の多層基板であり、等価熱伝導率は、面内方向では６９．４Ｗ／ｍＫ、垂直方向では０．４５Ｗ／ｍＫである。第２の電子部品４ｂの直下の回路基板３には、直径０．４ｍｍの図示しないサーマルビアを３０本形成した。サーマルビアは内層に銅メッキを施した中空構造であり、垂直方向の等価熱伝導率は１６９．６Ｗ／ｍＫである。

第１の電子部品４ａと上部筐体１の隙間には図示しない熱伝導部材５ａ１を設け、第１の電子部品４ａと同じサイズ、かつ厚さを１．９ｍｍとした。放熱ボス８ａ１も、第１の電子部品４ａと同じサイズとされている。

第２の電子部品４ｂの直下の回路基板３と下部筐体２の隙間にも同様に図示しない熱伝導部材５ｂ１を設け、第２の電子部品４ｂと同じサイズ、かつ厚さを１．４ｍｍとした。放熱ボス８ｂ１も、第２の電子部品４ｂと同じサイズとされている。

図示しない熱伝導部材５ａ１～５ｂ２は、熱伝導率が２Ｗ／ｍＫとし、シリコン系樹脂に熱伝導性フィラーを含有した低弾性の熱伝導材を用いて形成した。

上部筐体１、下部筐体２には５ｍｍ×５ｍｍの複数の放熱ボス８ａ２、８ｂ２を形成した。放熱ボス８ａ２は、上部筐体１から回路基板３の側へ突出しており、放熱ボス８ｂ２は、下部筐体２から回路基板３の側へ突出している。放熱ボス８ａ２は第１の電子部品４ａの左側(第１の領域ＲＡ)に２個、放熱ボス８ｂ２は第２の電子部品４ｂの右側(第２の領域ＲＢ)に２個設けられている。これらの放熱ボス８ａ２、８ｂ２と回路基板３は、図示しない熱伝導部材５ａ２、５ｂ２(厚さ１．４ｍｍ)で接続されている。

また、第１の電子部品４ａと第２の電子部品４ｂの間の回路基板３の一部は、断熱機能部９としてフレキシブル基板部９ａを形成した。サイズは４ｍｍ×１６ｍｍとし、この断熱領域ＲＣでは、Ｌ１層の信号配線層１１ａと、Ｌ２層のＧＮＤ配線層１１ｂのみとなるように形成した。(図４参照)
また、図９に示す本実施形態と比較するため、比較例を作成した。比較例は、図９に示す構成において、下部筐体２から回路基板３の側へ突出した放熱ボス８ｂ１～８ｂ２、熱伝導部材５ｂ１～５ｂ２、上部筐体１から回路基板３の側へ突出した放熱ボス８ａ２、熱伝導部材５ａ２、及びフレキシブル基板部９ａを有しない構成とした。ただ、第２の電子部品４ｂは、第１の電子部品４ａと同様に上部筐体1から延びた放熱ボスと熱伝導部材によって放熱できる構成としている。

尚、上部筐体１及び下部筐体２の材料は、熱伝導率および放射率が本実施形態と同じＡＤＣ１２を用いて形成した。回路基板３、電子部品４ａ～４ｃ等は、本実施形態と同じで、同位置に配置した。

本実施形態による放熱効果を確認するため、環境温度８５℃、風速０ｍ／ｓの自然空冷環境における、本実施形態と比較例の第１の電子部品４ａおよび第２の電子部品４ｂのジャンクション温度を熱流体解析により測定した。

ジャンクション温度とは、電子部品を構成する半導体チップの表面温度のことであり、電子部品の動作補償温度のことである。ジャンクション温度は、第１の電子部品４ａおよび第２の電子部品４ｂの単位時間当たりの発熱量を、それぞれ「８Ｗ」、「０．７Ｗ」とした条件で測定した。その他の電子部品４ｃも発熱しており、電子制御装置１００の総発熱量は「１３．２Ｗ」とした。

図１０は、本実施形態と比較例のジャンクション温度を示すグラフである。図１０に示されるように、上述した設定条件でのジャンクション温度は、本実施形態の方が比較例よりも第１の電子部品４ａおよび第２の電子部品４ｂにおいて低いことが確認された。

具体的には、第１の電子部品４ａでは－０．３℃、第２の電子部品４ｂでは－２．６℃となった。これにより、本実施形態の電子制御装置１００によれば、電子部品４ａ及び４ｂを近接して配置した際の回路基板３内の熱干渉を低減し、高速通信を担保しながら放熱性能を向上できることが確認された。

上述した通り、本発明は、複数の電子部品が設けられた回路基板を有し、回路基板は、少なくとも、第１の電子部品が配置される第１の領域と第２の電子部品が配置される第２の領域とを有し、第１の領域の第１の電子部品は第１の熱伝導機能部を介して第１筐体本体と熱的に接続され、第２の電子部品が配置される第２の電子部品は第２の熱伝導機能部を介して第２筐体本体と熱的に接続されている、構成とした。

これによれば、少なくとも２つの電子部品を近接して配置した際に、夫々の電子部品同士の熱干渉を防ぐことができ、放熱性能をより向上することができる。或いは、放熱性能を十分に得ながら２つの電子部品を近接して配置できるので、小型化が可能となる。或いは、放熱性能の向上と小型化の両方の作用、効果を共に得ることができる。

尚、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。

１００…電子制御装置、１…上部筐体、２…下部筐体、３…回路基板、４ａ…第１の電子部品、４ｂ…第２の電子部品、５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２…熱伝導部材、６…放熱フィン、７…コネクタ、８ａ１、８ａ２、８ｂ１、８ｂ２…放熱ボス、９…断熱機能部、９ａ…フレキシブル基板部、９ｂ…内層配線断熱基板部、１０…誘電体層、１１…導体層、１２…ＢｔｏＢコネクタ、ＲＡ…第１の領域、ＲＢ…第２の領域。

Claims (5)

1. 冷却機能を備えた、第１筐体本体と第２筐体本体を組み合わせた筐体と、前記筐体の内部で前記第１筐体本体と前記第２筐体本体との間に隙間を形成するようにして配置された複数の電子部品が設けられた回路基板とを有し、
   前記回路基板の前記第１筐体本体の側の面に、第１の電子部品と第２の電子部品が配置されており、前記第１の電子部品は、前記第1筐体本体側の前記隙間に設けられた第１の熱伝導機能部を介して前記第１筐体本体と熱的に接続され、前記第２の電子部品は、前記回路基板の前記第２筐体本体側の面から、前記第２筐体本体側の前記隙間に設けられた第２の熱伝導機能部を介して前記第２筐体本体と熱的に接続されているか、或いは
   前記回路基板の前記第１筐体本体の側の面に前記第１の電子部品が配置され、前記回路基板の前記第２筐体本体の側の面に前記第２の電子部品が配置されており、前記第１の電子部品は、前記第1筐体本体の側の前記隙間に設けられた前記第１の熱伝導機能部を介して前記第１筐体本体と熱的に接続され、前記第２の電子部品は、前記第２筐体本体の側の前記隙間に設けられた第２の熱伝導機能部を介して前記第２筐体本体と熱的に接続されていると共に、
   前記第１の電子部品と前記第２の電子部品との間の前記回路基板には、前記第１の電子部品と前記第２の電子部品を分割する分割線に沿って、前記第１の電子部品と前記第２の電子部品との間で熱の流れを抑制する断熱機能部が設けられており、
   前記断熱機能部は、少なくともＧＮＤ配線層と信号配線層と誘電体を備えており、且つ前記ＧＮＤ配線層と前記信号配線層以外の導体層が備えられていないものであり、
   前記ＧＮＤ配線層は、前記信号配線層よりも前記第２筐体本体の側に位置しており、前記第１の熱伝導機能部は、前記第１筐体本体から前記回路基板の側に延びた第１筐体側放熱ボスであり、前記第１筐体側放熱ボスは、前記第１の電子部品からの熱を前記第１筐体本体に流し、前記第１筐体本体には、前記第１筐体側放熱ボスとは別の第１筐体側補助放熱ボスが形成されており、前記第１筐体側補助放熱ボスは前記ＧＮＤ配線層と熱的に接続されていることを特徴とする電子制御装置。
2. 請求項１に記載の電子制御装置において、
   前記第１筐体本体には、放熱フィンが設けられていることを特徴とする電子制御装置。
3. 請求項１に記載の電子制御装置において、
   前記第１の電子部品の発熱量は、前記第２の電子部品の発熱量より大きいことを特徴とする電子制御装置。
4. 請求項１に記載の電子制御装置において、
   前記第２の熱伝導機能部は、前記第２筐体本体から前記回路基板の側に延びた第２筐体側放熱ボスであり、前記第２筐体側放熱ボスは、前記第２の電子部品からの熱を前記第２筐体本体に流すことを特徴とする電子制御装置。
5. 請求項４に記載の電子制御装置において、
   前記第１筐体側放熱ボスの先端には第１の熱伝導部材が設けられ、前記第１の熱伝導部材を介して前記第１の電子部品からの熱が前記第１筐体側放熱ボスに流れ、
   前記第２筐体側放熱ボスの先端には第２の熱伝導部材が設けられ、前記第２の熱伝導部材を介して前記第２の電子部品からの熱が前記第２筐体側放熱ボスに流れることを特徴とする電子制御装置。

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