JP2012119401A - 放熱構造を有する電装品モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電子部品の放熱性能を向上させた放熱構造を有する電装品モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】電装品モジュール１０は、基板１２、基板１２に実装された電子部品１４ａ、基板１２に設けられた開口部１６、電子部品１４ａの熱を放熱する放熱器１８、基板１２と放熱器１８との間において、開口部１６を介して電子部品１４ａと接触する伝熱シート２０を備える。複雑な形状の電子部品１４ａであっても、伝熱シート２０を密着させて放熱させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に実装された電子部品に対する放熱構造を有する電装品モジュールに関するものである。

従来より、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＦＷＤ（free wheeling diode）などのパワーデバイスを基板に実装した電装品モジュールが種々ある。パワーデバイスは高発熱であるため、強制的に放熱させる必要がある。そこで、電装品モジュール５０は、パワーデバイス５２の熱を例えばヒートスプレッダ５４、サーマルビア５６、絶縁性の伝熱シート５８などを介して放熱器６０に熱伝導させる（図７）。パワーデバイス５２は、ヒートスプレッダ５４などに取り付けやすい平面形状を有している。パワーデバイス５２とヒートスプレッダ５４とを密着させることが容易であり、放熱させやすい。

基板１２にはパワーデバイス５２以外の他の電子部品も実装される。その電子部品としては、コモンモードチョークコイル（ＣＭＣ）、シャント抵抗、リレー、電解コンデンサ、フィルムコンデンサなどが挙げられる。これらの電子部品も電流が流れると発熱するため、自然空冷で冷却できなければ強制的に冷却する必要がある。

しかし、上述したＣＭＣなどは立体的形状で、巻線などによってその形状が複雑になっている。ＣＭＣなどをパワーモデバイス５２のようにヒートスプレッダ５４に取り付けて強制的に冷却するのは困難である。またシャント抵抗は小型であり、空冷による気流が当たりにくい場合がある。放熱のために部品サイズを大きくする必要があり、装置の大型化を招く。

熱伝導性の高い樹脂で電子部品の樹脂封止をおこなう場合があるが、材料費や硬化などの作業に時間がかかる。また、放熱用のシートやゲルを用いて、伝熱により放熱する場合も電子部品の表面を完全に覆うことは困難である。

下記の特許文献１には、凸部７２を有する平面型ヒートパイプ７４によって放熱する電装品モジュール７０が開示されている（図８）。基板１２に設けられた開口部７６に凸部７２がはめ込まれ、凸部７２の先端に配置した放熱シート７８を介して電子部品８０の吸熱をおこなう。平面型ヒートパイプ７４の平面が基板１２に接触し、基板１２からも熱を吸収する。平面型ヒートパイプ７４は銅やアルミニウムなどの金属である。

しかし、平面型ヒートパイプ７４が金属であるため、基板１２における平面型ヒートパイプ７４との接触面には配線パターンを形成できない。凸部７２を形成するために金属を加工する必要があり、基板１２に形成した開口部７６に対して正確に凸部７２を形成する必要がある。基板７２が設計変更されたときに容易に平面型ヒートパイプを変更できない。

特開２０００−１５６５８４号公報

本発明は、電子部品の放熱性能を向上させた放熱構造を有する電装品モジュールを提供することを目的とする。

本発明の電装品モジュールは、基板、基板に実装された電子部品、基板に設けられた開口部、基板の実装面の反対面に設けられた放熱器、および基板と放熱器との間に配置され、開口部を介して電子部品に接触する伝熱シートを備える。開口部は電子部品の基板への対向部分の面積よりも狭くなっている。電子部品で発生した熱は、開口部の伝熱シートを介して放熱器に伝熱される。

基板の実装面および反対面には配線パターンが形成されており、配線パターン間を接続するスルーホールが基板に設けられている。反対面の配線パターンは伝熱シートに接する。電子部品の熱は、伝熱シートに直接伝熱される以外に、配線パターンから伝熱シートに伝熱することもできる。

伝熱シートは弾性を有する。伝熱シートを電子部品に押しつけるようにすることによって、密着させることができる。電子部品はコイルを備えた電子部品を含み、コイルが伝熱シートに接する。

電子部品はリードを備えた電子部品を含み、リードが基板の実装面から反対面を通過して突出し、リードが伝熱シートに接する。リードから伝熱シートを介して放熱器に熱が伝熱することができる。

本発明は、電子部品に直接伝熱シートを接触させることによって電子部品の放熱性能が向上する。電子部品が複雑な形状であっても、伝熱シートが弾性を有するため、電子部品に伝熱シートを密着させることができる。電子分から直接伝熱シートに伝熱させる以外に、配線パターンやリードからも伝熱シートに伝熱させる。

電装品モジュールの構成を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 伝熱シートを示す図である。 三相のＣＭＣを使用した電装品モジュールを示す正面図である。 リードを有する電子部品を使用した電装品モジュールを示す断面図である。 高さの低い電子部品を使用した電装品モジュールを示す断面図である。 複数の電子部品が１つの開口部および凸部を共有する正面図である。 従来の電装品モジュールの構成を示す図である。 従来の凸部を有する平面型ヒートパイプを使用した電装品モジュールの構成を示す図である。

本発明の電装品モジュールについて図面を用いて説明する。図面は模式的に示しており、実際の大きさとは異なる場合がある。

図１（ａ）、（ｂ）の電装品モジュール１０は、基板１２、基板１２に実装された電子部品１４ａ、基板１２に設けられた開口部１６、電子部品１４ａの熱を放熱する放熱器１８、基板１２と放熱器１８との間において、開口部１６を介して電子部品１４ａと接触する伝熱シート２０を備える。

基板１２は、樹脂基板、セラミック（アルミナ）基板、金属基板などの板体が挙げられる。樹脂基板は、ガラスクロス含浸エポキシ樹脂基板などである。金属基板は、アルミニウムや銅などの金属板の上に絶縁層が設けられたものである。

基板１２の実装面２２に電子部品１４ａが実装される。電子部品１４ａとしては、従来技術で挙げた種々のものがあるが、本実施例ではコモンモードチョークコイル（ＣＭＣ）を使用して説明する。以下、符号１４ａはＣＭＣとする。図１では単相のＣＭＣ１４ａである。ＣＭＣ１４ａの巻線（コイル）２４の端部（リード）２６が、基板１２の表面に形成された配線パターン２８に接続される。パワーデバイスを含む他の電子部品もＣＭＣ１４ａと同時に基板１２に実装される。なお、リード２６は後述する方法で基板１２を貫通させても良い。

基板１２の開口部１６は、ＣＭＣ１４ａが実装される位置に設けられる。開口部１６は、ＣＭＣ１４ａが実装されるために、ＣＭＣ１４ａの基板１２との対向部分よりも狭くする。また、配線パターン２８の無い位置に開口部１６を設ける。

なお、開口部１６がＣＭＣ１４ａの基板１２への対向部分からはみ出しても良い。開口部１６がはみ出したとしても、ＣＭＣ１４ａの一部分のみが開口部１６の上方に配置され、開口部１６がＣＭＣ１４ａの実装の障害にならないようにする。

放熱器１８は伝熱シート２０を介してＣＭＣ１４ａの熱を放熱するものである。放熱器１８は、アルミニウムや銅などの熱伝導性の高い物質で形成されたものである。放熱器１８は、放熱フィンや放熱ファンを備えても良く、また冷媒が通過する管に取り付ける冷媒ジャケットや電装品モジュール１０を収納する筐体であっても良い。

伝熱シート２０は、絶縁性および熱伝導性を有するシートである。そのために伝熱シート２０は、絶縁性のシートに熱伝導性の高い粒子または粉体を均一に混合させたものである。絶縁性のシートとしては、シリコーンゴム、ポリイソブチレンゴム、またはアクリルゴムよりなるシートが挙げられる。これらのシートは、絶縁性と同時に弾性も有する。熱伝導性の粒子または粉体としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化亜鉛、シリカ、またはマイカなどの粒子または粉体が挙げられる。

伝熱シート２０は、基板１２の実装面２２に対する反対面２３に配置される。伝熱シート２０の一部が開口部１６を介してＣＭＣ１４ａに接触する。伝熱シート２０に凸部３０を設けて（図２）、凸部３０が開口部１６にはめ込まれるようにする。平面状のシート３１に、同じ材質の凸部３０を取り付けるだけで簡単に製造することができる。材質として多少の粘着性があるため、接着剤を使用せずに凸部３０を取り付けることもできる。接着剤を使わなければ、凸部３０の配置の変更は容易である。なお、肉厚のシートを削って凸部３０を設けても良い。

また、伝熱シート２０は弾性を有するため、伝熱シート２０を基板１２の厚みよりも厚くして、伝熱シート２０を基板１２に押しつけて密着させ、伝熱シート２０の一部が開口部１６を介してＣＭＣ１４ａに到達するようにしても良い。

基板１２と放熱器１８とは、ねじによって固定することができる。この固定するとき、基板１２と放熱器１８で伝熱シート２０を挟み込んで配置する。伝熱シート２０は弾性を有するため、基板１２と放熱器１８に密着されるだけでなく、ＣＭＣ１４ａに対しても伝熱シート２０が押しつけられて密着されることとなる。開口部１６をＣＭＣ１４ａの巻線２４の配置される位置に設けておけば、伝熱シート２０は巻線２４に密着される。

図１（ａ）ではＣＭＣ１４ａと配線パターン２８との位置関係を示している。基板１２には巻線２４と同じだけの電流容量となるように幅広の配線パターン２８が形成されており、一部の配線パターン２８は、ＣＭＣ１４ａが配置される位置に形成されている。したがって、ＣＭＣ１４ａが入り込むような大きな開口部１６を形成することはできない。

しかし、ＣＭＣ１４ａの巻線２４は銅または銅合金などの熱伝導性の良い材料である。巻線２４の全てが伝熱シート２０に接しなくても、一部が接することによって、その接触部分に大きな熱伝導が生じ、放熱をおこなうことができる。配線パターン２８同士の間の狭い領域に形成した小さな開口部１６であっても、その開口部１６に嵌められた伝熱シート２０を介して放熱をおこなうことができる。

また、開口部１６は配線パターン２８同士の間に設けることに限られず、基板１２におけるＣＭＣ１４ａの巻線２４が配置される位置で、かつ配線パターン２８の無い位置に開口部１６を設ける。さらに、ＣＭＣ１４ａの巻線２４が伝熱シート２０と接するが、巻線２４と同時にＣＭＣ１４ａのコア３２が伝熱シート２０と接しても良い。

図１（ａ）では開口部１６を四角形にしているが、他の形状であっても良い。開口部１６の形状に合わせて伝熱シート２０の凸部３０の形状を変更する。

基板１２にＣＭＣ１４ａを実装した後に、伝熱シート２０と放熱器１８を取り付けても良いし、基板１２に伝熱シート２０と放熱器１８を取り付けた後に、ＣＭＣ１４ａを実装しても良い。

基板１２に設けられる配線パターン２８は、基板１２の実装面２２と反対面２３の両方に設ける。その配線パターン２８をつなげるスルーホール３４を設ける。スルーホール３４によって電気的に配線パターン２８が接続される。スルーホール３４に使用した導体によって配線パターン２８間で熱伝導が生じる。

基板１２の反対面２３に設けられた配線パターン２８は伝熱シート２０に密着される。ＣＭＣ１４ａの一部の熱は、実装面２２の配線パターン２８から反対面２３の配線パターン２８までスルーホール３４を介して熱伝導される。さらに伝熱シート２０によって放熱器１８まで熱が伝導されて、放熱がおこなわれる。

以上のように、従来は放熱器１８による放熱が難しかったＣＭＣ１４ａなどの複雑な形状の電子部品であっても、伝熱シート２０を密着させて放熱させることができる。ＣＭＣ１４ａから直接伝熱される以外に、配線パターン２８を介しても伝熱がおこなわれるため、放熱性能が高い。

なお、実施例１はＣＭＣ１４ａの代わりにリレーであってもよい。リレーのコイルが開口部１６を介して伝熱シート２０に接触されるようにする。その他の複雑な形状を有する電子部品であっても、電子部品に伝熱シート２０を接触させて放熱させることができる。

また、図１では単相のＣＭＣ１４ａを使用したが、図３のように三相のＣＭＣ１４ｂであってもよい。図３に示すように、配線パターン２８の無い位置に開口部１６を設けている。開口部１６を介して伝熱シート２０の凸部３０がＣＭＣ１４ｂの巻線２４に接するようになっている。

電子部品１４ｃはリード３６を備えており、リード３６が実装面２２から反対面２３を貫き、基板１２から突出する電装品モジュール１０ｂであっても良い（図４）。リード３６が基板１２の反対面２３に配置された伝熱シート２０に接触する。リード３６が伝熱シート２０に突き刺さっても、放熱器１８には接触しないように伝熱シート２０を厚くするか、放熱器１８にリード３６が接触しないための溝などを設ける。電子部品１４ｃとしては、電解コンデンサなどが挙げられる。他の構成は実施例１と同じである。

リード３６から伝熱シート２０を介して放熱器１８に熱を伝熱することができる。開口部１６を介して接触する伝熱シート２０の他にリード３６からも放熱をおこなうことができるため、実施例１に比べて放熱性能が向上する。

電子部品１４ｄとしてシャント抵抗などの高さの低いものを使用した電装品モジュール１０ｃであってもよい（図５）。基板１２における電子部品１４ｄの配置される位置に開口部１６が設けられる。他の構成は実施例１と同じである。電子部品１４ｄの高さが低く、ファンなどからの気流が当たりにくくても、伝熱シート３０を介して放熱することができる。なお、低い電子部品１４ｄに限られず、電子部品１４ｄの配置によって気流の当たりにくい場合に適用しても良い。

図６の電装品モジュール１０ｄのように、複数の電子部品１４ｄが１つの開口部１６および凸部３０を共有する構成であっても良い。電子部品１４のいずれが発熱しても、１つの凸部３０から伝熱がおこなわれる。なお、高さの低い電子部品１４ｄを例示しているが、ＣＭＣ１４ａなどの他の電子部品にも適用可能である。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。各実施例は独立的または排他的なものではなく、組み合わされても良い。

１０、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：電装品モジュール
１２：基板
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ：電子部品
１６：開口部
１８：放熱器
２０：伝熱シート
２２：実装面
２３：反対面
２４：巻線
２６：端部
２８：配線パターン
３０：凸部
３１：シート
３２：コア
３４：スルーホール

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板に形成された配線パターンと、
   前記基板の実装面に実装された電子部品と、
   前記基板における電子部品が実装される位置に設けられた開口部と、
   前記基板における実装面の反対面側に配置され、電子部品の熱を放熱する放熱器と、
   前記基板と放熱器との間に配置され、かつ前記開口部を介して電子部品に接触し、電子部品の熱を放熱器に伝熱する伝熱シートと、
   を備えた電装品モジュール。
2. 前記配線パターンが実装面および反対面に形成されており、前記実装面の配線パターンと反対面の配線パターンとを接続するスルーホールを備え、反対面の配線パターンが伝熱シートに接する請求項１の電装品モジュール。
3. 前記伝熱シートが弾性を有する請求項１または２の電装品モジュール。
4. 前記電子部品はコイルを備えた電子部品を含み、該コイルが伝熱シートに接する請求項１から３のいずれかの電装品モジュール。
5. 前記電子部品はリードを備えた電子部品を含み、該リードが基板の実装面から反対面を通過して突出し、リードが伝熱シートに接する請求項１から４のいずれかの電装品モジュール。

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