JP6453195B2 - 車載制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される電子制御装置に関するものである。

エンジンコントロールユニットや自動変速機用コントロールユニットなどの車両に搭載される電子制御装置の筐体内には演算処理装置や半導体素子等の発熱する電子部品が数多く組み込まれており、内部温度が上昇しやすい。そこで、電子部品が発生する熱を装置の筐体に伝達し、筐体の表面から筐体外に放出する放熱構造が開発されている（例えば、特許文献１）。

また近年、自動車に搭載される電子制御装置の熱環境が益々過酷になっている。背景には、従来の車室内置きからエンジンルーム， オンエンジンへと設置場所が変わることにより、電子制御装置がより高温にさらされるようになっていることや、電子制御装置の小型化により単位体積当たりの発熱量が増加している、という事情がある。さらにこのような搭載環境変化に伴い、電子制御装置に要求される耐振動・衝撃性のレベルが高くなっている。

特開２０１４−１８７０６３号公報

耐熱、耐振動・衝撃性を確保するためには、電子部品と回路基板を樹脂で封止する全体樹脂封止構成にすることが有利であるが、特開２０１４−１８７０６３号公報開示の構成に樹脂封止手法をそのまま適用すると、次の問題が発生する。

発熱部品の発熱を放熱するための放熱材（特に放熱グリースのような柔軟性材料の場合）が、樹脂流で流されたり、変形したりして、設計で狙った放熱性を実現できなくなる。

樹脂封止手法では、コネクターや各種部品を実装した制御回路基板、放熱ベースから構成される構造体を金型にセットして、金型の樹脂注入穴から溶融した樹脂を注入し、金型内で樹脂を硬化させ、取り出すというフローが一般的である。この注入樹脂は、設定した圧力と流速を有するため、封止される部材にはこの樹脂流に耐える強度を有していることが必要である。強度が不足していると、構成部材に破壊や変形、不具合が発生し、正常な機能を確保することができなくなる。このため、放熱材に柔軟性材料を使う場合には上記のような問題が発生する。

また、従来の樹脂封止手法では、制御回路基板上の発熱部品の搭載部など狭い隙間への樹脂の充填が不十分になり、接合部の信頼性確保に問題が生じる。

また、従来の樹脂封止手法では、樹脂流の影響で制御回路基板に変形が発生し、搭載部品にストレスが残留して信頼性に悪影響を及ぼす。

本発明の目的は、樹脂封止型車載制御装置において、上記の樹脂封止に関わる問題を排除して安価で信頼性のよい車載制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の代表的な車載制御装置の一つは、回路基板と、前記回路基板に対向して設けられる部材と、前記回路基板上の前記部材側に実装される発熱電子部品と、前記発熱電子部品と前記部材との間に設けられた放熱材と、前記回路基板と前記発熱電子部品とを封止する封止樹脂と、を備え、前記部材と前記回路基板との間の間隔が、前記放熱材が設けられていない範囲の少なくとも一部で、前記放熱材が設けられている範囲よりも狭いものである。

本発明の構成を採用すれば、硬軟何れの放熱材を用いても樹脂封止することが可能になる。また、発熱部品周りの狭い隙間に樹脂を充填することが可能になる。また、樹脂封止時の基板変形に伴う残留応力の排除が可能になり、これらの結果、安価で信頼性のよい樹脂封止型車載制御装置を提供することが可能になる。

本発明に係る車載制御装置の模式断面図である。 本発明に係る車載制御装置の模式断面図である。 従来の車載制御装置の一例を示す模式断面図である。 本発明に係る放熱金属ベースの放熱材配置構成を示す模式断面図である。 本発明に係る車載制御装置の放熱金属ベース突起部を示す模式断面図及び斜視図である。 本発明に係る車載制御装置の放熱金属ベース突起部の高さを示す模式断面図である。 本発明に係る車載制御装置の組立工程を示す模式断面図である。 本発明に係る車載制御装置の組立工程を示す模式断面図である。 本発明に係る車載制御装置の放熱金属ベース突起部の効果を示す模式断面図である。 本発明に係る車載制御装置の放熱金属ベース突起部の効果を示す模式断面図である。 本発明に係る車載制御装置の放熱金属ベース突起部の効果を示す模式断面図である。 本発明に係る車載制御装置の放熱金属ベース突起部の構成を示す模式断面図及び斜視図である。 本発明に係る車載制御装置の模式断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

図３は上記放熱構造を示す模式断面図である。制御回路基板４０に搭載された発熱電子部品４２と放熱金属ベース１０の間には、放熱材５０が配置されており、発熱電子部品４２からの発熱は放熱材５０を介して放熱金属ベースに伝達され、筐体外に放熱される。上記放熱材として、放熱グリースが使用されている。放熱グリースは塗布後も粘性を保持し、発熱電子部品のはんだ接合部への応力集中を抑制することができる。しかし、上述した通り、電子制御装置を樹脂封止する構成にそのまま適用するには課題が残る。以下、このような課題を解決出来る手段について具体的に図面を用いて説明する。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である車載制御装置の断面図である。図１の発熱電子部品周りの局所構造を抽出したのが図４である。本発明に係る構成として、図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）が可能である。図４（Ａ）は、放熱金属ベース１０の発熱電子部品４２下部に相当する領域に凹み部を設け、ここに放熱材５０を配置した構成である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の凹み部周囲に突起部を設けた構成である。図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の凹み部を無くし、突起部を残したものである。

図１では、図４（Ｃ）の構成を適用したものを示している。この組立工程を示したのが図７である。

図７（１）は放熱金属ベースを示しており、例えばアルミダイキャスト材などから形成されているが、他の金属材料を用いても良い。

本実施例の主要な特徴の一つは、放熱金属ベース１０に突起部１１を形成していることである。本実施例では、突起部１１は放熱金属ベースと一体に形成されている。突起部１１の形状としては各種形状のものを適用可能であるが、数例を図５に示す。（Ａ）の場合のみ斜視図を記載している。突起部の断面形状は各種形状が可能であり、図５に示すものに限定されない。

図７（２）に示すように、放熱金属ベース１０の突起部１１内側の空間には放熱材５０が充填される。放熱材５０を突起部１１内側空間に留めるため、少なくても突起部の放熱金属ベース側接続部は切れ目無く囲うような形状になっている。放熱材５０として各種材料を選択することが可能で、例えば、柔軟性の放熱グリースや放熱シリコーンゲル、熱伝導性シリコーン接着剤、硬めの熱伝導性有機樹脂材料などを挙げることができるが、これらの材料に限定されるものではない。何れも未硬化状態である。放熱材の充填量は目的に応じて調節可能である。突起部内側空間に充填する量で放熱材量を調節できるため、比較的高価な放熱材を必要最小量で管理可能で、低コスト化に有利である。コネクター３０や基板面実装小型部品である、例えば、抵抗、 コンデンサ、ダイオード、Ｉ Ｃ 、Ｆ Ｅ Ｔ 、 トランジスタ等各種電子部品４１、発熱電子部品４２を搭載する制御回路基板４０を、位置合わせしながら、放熱材５０を充填した放熱金属ベースにセットして固定する（図７（３））。図７（３）には制御回路基板４０の固定構造は図示していないが、ネジ固定、接着、熱カシメ含め各種手法を適用可能である。このとき、放熱材５０は発熱部品４２に接触、あるいは発熱部品４２を封止していることが必要である。放熱材５０の硬化も各種方法を適用可能である。加熱硬化性の場合には、図７（３）の段階で、加熱硬化工程を入れて処理しても良いし、その後の加熱モールド工程で同時硬化しても良い。湿気硬化性や紫外線硬化性など加熱硬化性以外の材料を用いることも可能であり、硬化工程を適宜追加すれば良い。

次にモールド工程を経て、最終的に図７（４）（図１と同じ）の樹脂封止型車載制御装置を得る。モールド工程の一例を示したのが図８である。図７（３）の構造体を金型にセットする（図８（Ａ）（Ｂ））。この状態で、例えば図８（Ｂ）の矢印で示した方向から溶融樹脂を金型内に注入して樹脂封止する。注入樹脂は加熱溶融して、所定の圧力設定で流動させた樹脂流であり、さらに加熱硬化する前に金型隙間を充填させるのに必要な流速で流している。このため、封止される部材には上記樹脂流に耐える強度を有することが必要である。

特に発熱電子部品４２周りの放熱材５０には注意が必要である。放熱材５０には柔軟性材料から硬めの材料まで目的に応じて各種材料を適用可能であるが、軟らかい材料を用いた場合、樹脂流が直接当たる環境では放熱材が流されたり変形したりする可能性がある。放熱材５０に硬い材料を用いている場合には、従来例の構成にそのまま樹脂注入しても図１３（Ａ）のように正常な樹脂封止状態を実現可能である。しかし、放熱材に柔軟性材料を用いた場合には、図１３（Ｂ）に示すように、樹脂注入時に放熱材が流されて発熱電子部品４２の放熱パスに異常が生じる。

発熱電子部品周りを取り出して、上記の様子を示したのが図９である。図９（Ａ−１）は、従来例の構成にそのまま樹脂注入する場合であるが、柔軟性放熱材の場合には樹脂流で放熱材が流され、（Ａ−２）のような状態になり、設計で狙った放熱性を実現できなくなる。それに対して、本発明による構成（Ｂ−１）の場合には、放熱金属ベース１０と制御回路基板４０との間の間隔が、放熱材５０が設けられていない範囲の少なくとも一部が突出する突起部を形成しており、放熱材５０が設けられている範囲よりも狭くなっている。これにより、放熱金属ベース突起部が防波堤として機能するため、放熱材を樹脂流から保護することが可能になる。以上、図４（Ｃ）の構成の場合について記述してきたが、図４（Ａ）、（Ｂ）の構成の場合でも凹部を形成することにより、放熱金属ベース１０と制御回路基板４０との間の間隔が、放熱材４０が設けられている範囲で放熱材４０が設けられていない範囲よりも広くなっており、樹脂流は放熱材に直接当たることは無いため、上記と同様な効果を期待できる。

本実施例によれば、放熱金属ベースに凹みや突起部を設けて、その内側に放熱材を充填するようにしているため、放熱材量を節約可能で低コスト化に有利であると共に、樹脂流が放熱材に直接当たらないよう保護しているため、放熱材に柔軟性材料を適用することが可能になる。

（第二の実施形態）
本実施例は、第一の実施形態の放熱金属ベース突起部を図１０（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）の形状にした場合である。放熱金属ベース突起部の高さは、図６に示すように各種のものが適用可能であり、それぞれで期待できる効果の内容に違いが生じる。図６（Ａ）では第一の実施形態で記載した効果があり、図６（Ｂ）が本実施例の場合である。図６（Ｂ）の構成で樹脂封止した場合の実施形態である車載制御装置の断面図を図２に示す。突起部高さが高いため放熱材５０を多く充填可能で、放熱材５０を発熱電子部品リード部も覆うように配置できるため、放熱効果を一層高めることが可能である。

図１０（Ａ）に示すように、発熱電子部品４２の制御回路基板４０側の搭載部にはリード間や部品下など狭い隙間で構成された領域が多く、樹脂が十分に回らない可能性がある。はんだなどで接合した部品搭載部に隙間があると、温度サイクルなどのストレスで接合部に疲労が発生し、機能不全に陥ることが懸念される。このため、狭い隙間にも樹脂を十分に充填することが必要になる。本発明による放熱金属ベース突起部を図１０（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）のような形状にして、樹脂流を部品下隙間部に誘導する構成にすれば、第一の実施形態で延べた放熱材保護の効果に加えて、狭い隙間への樹脂充填性を確保できることが可能になる。放熱金属ベース突起部の形状は、同様な効果を有するものであれば上記のものに限定されない。

本実施例によれば、放熱材節約・保護の効果に加え、発熱電子部品周りの狭い隙間にも樹脂を十分に充填できるため、信頼性の高い樹脂封止状態を実現可能になる。

（第三の実施形態）
本実施例は、第一の実施形態の放熱金属ベース突起部を図１１（Ｂ−１）の形状にした場合である。放熱金属ベース突起部の高さは、図６に示すように各種のものが適用可能であり、それぞれで期待できる効果に違いが生じる。図６（Ａ）では第一の実施形態で記載した、放熱材節約・保護の効果があり、図６（Ｂ）では第二の実施形態で記載した、放熱材節約・保護に加え、狭い隙間への樹脂充填性確保の効果があり、図６（Ｃ）が本実施例の場合である。

図１１（Ａ−２）（Ａ−３）に示すように、制御回路基板４０の両面を樹脂封止する場合、成形条件によっては、制御回路基板４０両側の樹脂流のバランスが崩れ、制御回路基板に変形が発生する場合がある。変形の方向は成形条件次第で、 図１１（Ａ−２）及び（Ａ−３）に示すようなケースが考えられる。図１１（Ａ−１）に示す構成の場合、左側から注入した樹脂流は障害物の少ない制御回路基板上部の方が流れ易く、流量が多くなりえる。この場合、まず樹脂流入部付近に樹脂が集中してから順次奥の方へ流れるような状況では、図１１（Ａ−２）に示す上に凸形状の制御回路基板変形が予想される。一方、中央部に樹脂が溜まるような状況では図１１（Ａ−３）に示す変形が予想される。この制御回路基板変形に伴い、発熱電子部品の制御回路基板搭載部（はんだ接合部）にもストレスが残留することになり、結果として、発熱電子部品の信頼性に悪影響が生じることになるため、樹脂封止時の制御回路基板変形は抑制する必要がある。何れの場合も制御回路基板上側の樹脂流がもたらす力による変形であるため、本発明による図１１（Ｂ−１）に示す、放熱金属ベース突起部が制御回路基板の下面に当たって支える構成にすると、短スパンで樹脂のもたらす力に抗する構成になるため、発熱電子部品４２周りの制御回路基板変形は抑制されることになる。本発明による放熱金属ベース突起部を図１１（Ｂ−１）の形状にして、突起部を制御回路基板に当てて支える構成にすれば、第一の実施形態で述べた放熱材保護の効果と第二の実施形態で述べた狭い隙間への樹脂充填性確保に加えて、樹脂封止時の制御回路基板変形を抑制することが可能になる。

放熱金属ベース突起部の形状として各種形状のものが可能であるが、一例を図１２に示す。制御回路基板に当ててこの基板を支える突起部分は、図１２（Ｈ）に示す３点以上が必要であるが、樹脂流路を確保した形状であれば限定されない。図１２（Ａ）〜（Ｈ）に示した各種形状では、突起部の最高部が制御回路基板に当たる部分であり、それより低い領域は樹脂流路として機能する。

本実施例によれば、放熱材節約・保護の効果と狭い隙間への樹脂充填性確保に加えて、樹脂封止時の制御回路基板変形を抑制することが可能になり、さらに信頼性の高い樹脂封止状態を実現可能になる。

（第四の実施形態）
本実施例は、放熱金属ベースの突起部を放熱ベースと別部材にしたものである。上記第一〜第三の実施例の何れにも適用可能である。突起部の材質としては、放熱金属ベースと同じ材料、別の金属材料、樹脂材料、ガラスやセラミックスなど無機材料などから選択することができる。予め上記材料で突起構造体を形成し、これを放熱金属ベースの該当する位置に固定する。固定手段としては、接着、溶着、摩擦接合など含め、適宜手法を選択する。また、ペースト状の材料をディスペンス手法などで放熱金属ベースの所定の位置に突起形状を形成してから硬化あるいは固化させてもよい。

本実施例によれば、設計変更で発熱電子部品の搭載位置が変更しても柔軟に対応することが可能になる。

１０ …放熱金属ベース、１１ …突起部、２０ …密封カバー、３０…コネクター、３１…金属端子、４０…制御回路基板、４１… 電子部品、４２…発熱電子部品、５０… 放熱材、６０…下金型、６１…上金型、６２…可動金型部材、６３…金型部材、７０…封止樹脂、８０…防水フィルター、９０… 接着剤

Claims (5)

1. 回路基板と、
   前記回路基板に対向して設けられる部材と、
   前記回路基板上の前記部材側に実装される発熱電子部品と、
   前記発熱電子部品と前記部材との間に設けられた放熱材と、
   前記回路基板と前記発熱電子部品とを封止する封止樹脂と、を備え、
   前記部材は、前記放熱材が設けられていない範囲の少なくとも一部に、前記回路基板側に突出した突出部を備え、
   前記突出部は、少なくとも３箇所で前記回路基板に接触し、
   前記突出部により、前記部材と前記回路基板との間の間隔が、前記放熱材が設けられていない範囲の少なくとも一部で、前記放熱材が設けられている範囲よりも狭いことを特徴とする車載制御装置。
2. 回路基板と、
   前記回路基板に対向して設けられる部材と、
   前記回路基板上の前記部材側に実装される発熱電子部品と、
   前記発熱電子部品と前記部材との間に設けられた放熱材と、
   前記回路基板と前記発熱電子部品とを封止する封止樹脂と、を備え、
   前記部材は、前記放熱材が設けられていない範囲の少なくとも一部に、前記回路基板側に突出した突出部を備え、
   前記突出部は、前記部材とは別部材で構成され
   前記突出部により、前記部材と前記回路基板との間の間隔が、前記放熱材が設けられていない範囲の少なくとも一部で、前記放熱材が設けられている範囲よりも狭いことを特徴とする車載制御装置。
3. 請求項１または２記載の車載制御装置において、
   前記突出部は、前記発熱電子部品を囲むように切れ目の無い形状であることを特徴とする車載制御装置。
4. 請求項１から３いずれか一項記載の車載制御装置において、
   前記突出部は、前記部材と前記発熱電子部品との間隔より長く前記回路基板側に突出していることを特徴とする車載制御装置。
5. 請求項１から４いずれか一項記載の車載制御装置において、
   前記放熱材は、熱伝導性樹脂、熱伝導性接着剤、熱伝導性グリース、熱伝導性ゲルの何れかから選択された材料であることを特徴とする車載制御装置。

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