JP2008277330A - 放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に面実装した発熱電子部品からの熱をヒートシンク兼用のケースに熱伝導樹脂を介在させて放熱する構成において、発熱部品とケースとの間に熱伝導樹脂を所定の薄さに充填することで、絶縁性を保ちながら、高い放熱効果を得るようにする。
【解決手段】発熱電子部品を面実装した基板と、前記基板を収納保持するヒートシンク兼用のケースと、相対向する前記基板と前記ケースとの間に一定の隙間を形成するように設けたスペーサと、前記隙間に充填した絶縁性の熱伝導樹脂とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、基板に面実装した発熱電子部品の放熱装置に関するもので、特に高温環境の温度的に過酷な条件下で使用される電子部品、例えば車載ヘッドランプ用放電灯を点灯する放電灯点灯装置のＤＣ／ＤＣコンバータ用スイッチングトランジスタあるいはＦＥＴの発生する熱を放熱する放熱装置に関するものである。

近年の車両においては、明るい視界が得られる高輝度光源の放電灯を組み込んだヘッドランプが普及し、この放電灯を点灯する放電灯点灯装置の構成は機能的には完成の域に達している。しかし、この放電灯点灯装置はさらなる高品質化と低廉化を要求される課題がある。この低廉化には往々にして小型化が必要になるが、発熱部品を内蔵する放電灯点灯装置を小型化するためには、構成回路の電力効率を高めるか、発生した熱を効率よく放熱することが要求される。

昨今の放電灯点灯装置の小型化は、発熱する電子部品を含めて面実装技術によるところが大きく、高温環境の温度的に過酷な条件下で使用される放電灯点灯装置のＤＣ／ＤＣコンバータ用スイッチングトランジスタあるいはＦＥＴ等の発熱電子部品においても例外ではなく、面実装の発熱電子部品が使用され始めた。従って、放電灯点灯装置においても、必然的に発熱する面実装発熱電子部品の放熱効果を高めることが必要となる。同様な面実装電子部品が発生する熱を放熱する手段として、例えば従来例として以下のようなものがある。

第１の従来例としては、基板に面実装した発熱する電子部品だけを熱伝導樹脂の中に埋設するために、ヒートシンク兼用の金属ケース内側に熱伝導樹脂を溜める器を構成する隔壁を設けている（例えば、特許文献１参照）。

第２の従来例としては、基板に面実装した発熱する電子部品の発熱を対向するヒートシンク兼用の金属ケースに伝えるために、基板あるいは電子部品とケースとの間隙を狭くして、その間隙に熱伝導樹脂を介在させることにより、熱伝導樹脂の使用量を少なくする。この場合、熱伝導樹脂が流れ出さないように第１の従来例の隔壁に相当する凸部を設けている（例えば、特許文献２参照）。

第３の従来例としては、発熱電子部品を面実装した基板とヒートシンク兼用の金属ケースの間に間隙を設けて、この間隙に熱伝導樹脂を充填する（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−３２６３０６号公報 特開２００３−２８９１９１号公報 特開２００５−０５７０３４号公報

上記従来例の放熱装置は、いずれも電子部品または基板とヒートシンク兼用のケース（以下、ケースと略称する）が接触しないように、両者間に若干の間隙を確保したうえで発熱電子部品の熱を放熱するものである。このため、ケースに基板を固定する構成において、ケースの寸法公差や基板のそりによって両者の位置関係が変化しても、発熱電子部品または基板とケースが接触しないように、余裕を持った広い間隙の設計をおこなうため、ケースと基板または電子部品との間隙を、放熱すべき熱量を充分に伝達できる狭い隙間に保つことが困難である。特に高温環境の温度的に過酷な条件下で使用される放電灯点灯装置のＤＣ／ＤＣコンバータ用ＦＥＴ等の発熱電子部品の発熱の放熱においては、介在する熱伝導樹脂を絶縁性能が保たれる範囲で薄くすることが必要で、両者の間を狭い隙間にすることが必須であり該間隙の狭化が課題であった。

なお、上記の熱伝導樹脂による熱の伝達に考察を加えれば、上記課題とした「放熱すべき熱量を充分に伝達できる狭い隙間」に関しては、熱を伝達する面積を充分に広く確保できる構成であれば、隙間が広くても同等な伝熱効果を得られるが、前記したように面実装部品の導入は放電灯点灯装置の小型化が目的であり、伝熱面積の拡大は受け入れられない。

例えば、ＦＥＴの損失（発熱量）を５Ｗ、使用する熱伝導樹脂の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋの場合に、基板とケース間の温度差を１５℃にするならば、下記計算式により、
・熱伝導樹脂の厚さ＝（熱伝導率×熱を伝える面積）／発熱量
・放熱用の面積を２０ｍｍ×２０ｍｍとすれば、熱伝導樹脂の厚さは１．６ｍｍ
・放熱用の面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとすれば、熱伝導樹脂の厚さは０．４ｍｍ
となり、制御装置を小型にするために、ＦＥＴの占有面積（半田付けスペース＝パッドサイズ）と同等なサイズ（１０ｍｍ×１０ｍｍ）で、発生した熱を放熱するならば、熱伝導樹脂を薄く（最大０．４ｍｍ）介在させる必要がある。
ただし、基板と電子部品の間には電位差があり、例えばＦＥＴのドレイン電圧を２００Ｖとするならば、熱伝導樹脂の絶縁性を考慮して、余裕を見込んで０．２ｍｍ程度の厚さは確保する必要がある。従って、熱伝導樹脂の厚さを０．２〜０．４ｍｍにするように設計しなければならない。

この発明は上記のようなヒートシンク兼用のケースと基板または発熱電子部品との間隙を狭化して充分な放熱効果を得るという課題を解決するためになされたもので、特に、高温環境の温度的に過酷な条件下で使用される車載放電灯点灯装置のＤＣ／ＤＣコンバータ用スイッチングトランジスタあるいはＦＥＴの発熱を効率よく放熱する放熱装置を得ることを目的とする。

この発明に係る発明は、発熱電子部品を面実装した基板と、前記基板を収納保持するヒートシンク兼用のケースと、相対向する前記基板と前記ケースとの間に一定の隙間を形成するように設けたスペーサと、前記隙間に充填した絶縁性の熱伝導樹脂とを備えたものである。

以上のように、この発明によれば、相対向する基板とケースとの間に一定の隙間を形成するようにスペーサを設けたので、絶縁距離を確保しながら、放熱効果を確保するために過度に薄く（隙間を狭く）できない熱伝導樹脂を充填することができ、充分な絶縁性と放熱効果を同時に実現でき、高温環境の温度的に過酷な条件下で使用される車載放電灯点灯装置のＤＣ／ＤＣコンバータ用スイッチングトランジスタあるいはＦＥＴの発熱を効率よく放熱することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の放熱装置の実施の形態１を示す断面図、図２はその要部を示す拡大断面図であり、ヒートシンクを兼用したケース１内にＦＥＴ２を面実装した基板３をビス４で取り付けている。

ヒートシンクを兼用したケース１は、一端面に多数の放熱フィン１ａが形成され、他端面は基板３を出し入れするために開放され、この開放端に蓋１１が取り付けられている。また、ケース１の内部には、基板３をビス止めするための座面１ａが設けられている。このケース１の材料は例えばアルミニュームであり、基板３の材料はガラスエポキシであり、両者の熱膨張係数は異なっている。従って、実使用における温度変化 によって、両者の伸び縮みにより基板３がケース１から離れる方向に力が発生することがある。そこで、上記ケース１と基板３の隙間Ｔを常に絶縁距離を確保しながら、放熱効果を確保すべく、上記離れる力を吸収するように、ケース１と基板３間に充填する熱伝導樹脂には接着効果のあるものを使用する。

ＦＥＴ２は半田により基板３に面実装され、リード線２ａが基板３の配線パターン３ａに半田付けされている。基板３は両面に配線パターン３ａが施され、この配線パターン３ａは基板２に形成されたスルホール３ｂを通じて連結されている。
基板３に対向するケース内壁面から凸部６を突出させ、この凸部６の先端が当接する基板面は、配線パターン３ａが設けられていない欠状部７である。この凸部６の高さは、基板３をケース１にビス４で取り付ける座面１ａの高さと同等、もしくは、基板３をケース１に固定するときに該基板にストレスが加わらない範囲で撓ませる高さにして、基板３を凸部６に押し付けるように撓ませながら基板３をケース１に組み付け固定する構成にしている。

上記の構成において、凸部６の当接によって形成されたケース１と基板３との間に形成された隙間Ｔに熱伝導樹脂５を盛り、基板３をケース１の凸部６に押し付けるように組み付けることで、基板３に面実装されたＦＥＴ等の発熱電子部品２から発生した熱は、基板３、熱伝導樹脂５を通じてケース１に伝わり放熱される。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る放熱装置よれば、スペーサとして、ケースの一部に設けた凸部を使用するものであり、絶縁性を確保するために過度に薄く（隙間を狭く）できない熱伝導樹脂を、凸部の高さによって絶縁距離を確保しながら、この凸部の高さに相当する狭い（薄い）間隙に充填することができ 、充分な絶縁性と放熱効果を同時に実現できる。

また、発熱電子部品を実装する半田付けスペース（パッド部）がケースと電位差を持つ電子部品の電位となるため、この半田付けスペースに熱の伝達経路が集中するために、ヒートシンクを兼ねたケース１の凸部６が基板に突き当たる部分を、半田付けスペースを避けた部分に設ける。これにより、ケース１と発熱電子部品２の絶縁性を確保したうえで、伝熱する経路の放熱効率を妨げることなく、良好な放熱効果が得られる。ケース１の凸部６が当接する基板側の突き当て部にはケースと同電位の配線パターンを設けるか、全く配線パターンを排除するものであり、電気的に障害が無いよう配慮する。

また、スペーサ６を挟み込んでケース１に基板３を固定した後の実使用環境において、発生するケース１と基板３の熱膨張率の差異により該基板が撓むことに対応するために、使用する熱伝導樹脂を接着効果のあるものとするもので、実使用環境において発生する基板３の撓みを抑えて、常に絶縁距離を確保しながら、狭い（薄い）間隙を実現できる。

実施の形態２．
図３はこの発明の放熱装置の実施の形態２を示す断面図であり、面実装したＦＥＴ等の発熱電子部品２をケース１側に向けて基板３を該ケースに取り付け、ケース内壁面から突出させた凸部６をＦＥＴ２の上面に当接させ、この凸部６の当接によって形成されたケース１とＦＥＴ２との間の隙間Ｔに熱伝導樹脂５を盛り、ＦＥＴ２をケース１の凸部６に押し付けるように基板３をケース１に組み付けることで、ＦＥＴ２から発生した熱は、熱伝導樹脂５を通じてケース１に伝わり放熱される。この結果、実施の形態１と同様に、充分な絶縁性を確保しながら、充分な放熱効果を得られる。

実施の形態３．
図４はこの発明の放熱装置の実施の形態２を示す断面図であり、実施の形態１，２はケース１と基板３の隙間Ｔを確保するために、ケース１に凸部６を設けているが、この実施の形態３ではケース１と基板３の隙間Ｔを確保するために設ける凸部８を基板３に設けたもので、この点以外の構成は実施の形態１、２と同構成であり、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。

凸部８は、例えば小さなチップ抵抗のような形状の部品で、リフロー半田１２によって基板３に実装したもので、この凸部８をケース１に当接させ、この凸部８の当接によって形成されたケース１と基板３との間の隙間Ｔに熱伝導樹脂５を盛り、凸部８をケース１に押し付けるように基板３をケース１に組み付けることで、ＦＥＴ２から発生した熱は、熱伝導樹脂５を通じてケース１に伝わり放熱されるもので、実施の形態１，２と同様な放熱効果が得られる。

実施の形態４．
図５はこの発明の放熱装置の実施の形態４を示す断面図であり、上記各実施の形態１−３がケース１と基板３の隙間Ｔを確保するために設けた凸部６，８の代わりに、熱伝導樹脂５に練り込んだ絶縁性の粒塊９にしたもので、この点以外の構成は実施の形態１−３と同構成であり、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。

熱伝導樹脂５に練りこむ絶縁性の粒塊９は、ガラスビーズのように粒経のそろったものが望ましい。なお、この絶縁性の粒塊９は熱伝導樹脂５に高密度に練りこむ必要は無く、基板３を組み付けるときの押し付け圧力によって押しつぶれる事がないように、圧力を分散できる程度の少ない量で、スペーサとしての機能を確保できる。

この実施の形態４によれば、絶縁性の粒塊９を練り込んだ熱伝導樹脂５を、ケース１と基板３との間に充填するだけで、ケース１と基板３に特別な加工を施すことなく、両者間の一定の隙間Ｔを確保することができ、充分な絶縁性を確保しながら、充分な放熱効果を得られる。

以上の実施の形態１−４よれば、スペーサとしてケースまたは基板に設けた凸部あるいは、熱伝導樹脂に練り込んだ絶縁物の粒塊により、ヒートシンク兼用のケースと基板または発熱電子部品の間に形成した隙間に熱伝導樹脂を充填することにより、充分な絶縁効果と放熱効果を得ることができ、特に、高温の温度的に過酷な環境下で使用される車載用放電 灯点灯装置のＤＣ／ＤＣコンバータ用ＦＥＴ等の発熱電子部品の発熱を効率よく放熱することができる。

なお、実施の形態１−４は発熱電子部品として、車載ヘッドランプ用放電灯点灯装置のＤＣ／ＤＣコンバータ用ＦＥＴについて説明したが、基板に面実装した発熱電子部品の放熱装置としては他の製品への応用も可能である。

この発明に係る放熱装置の実施の形態１による構成を示す断面図である。 図１の要部の拡大構成図である。 この発明に係る放熱装置の実施の形態２による構成を示す断面図である。 この発明に係る放熱装置の実施の形態３による構成を示す断面図である。 この発明に係る放熱装置の実施の形態４による構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ヒートシンクを兼用したケース、１ａ 放熱フィン、１ｂ 座面、２ 放熱部品、２ａ リード線、３ 基板、３ａ 配線パターン、３ｂ スルホール、４ ビス、５ 熱伝導樹脂、６ ケースに設けた凸部、７ 配線パターンのない部分（欠除部）、８ 基板側に設けた凸部品、９ 熱伝導樹脂の中に混ぜ込んだ絶縁物の粒塊、１１ 蓋、１２ リフロー半田。

Claims (8)

1. 発熱電子部品を面実装した基板と、前記基板を収納保持するヒートシンク兼用のケースと、相対向する前記基板と前記ケースとの間に一定の隙間を形成するように設けたスペーサと、前記隙間に充填した絶縁性の熱伝導樹脂とを備えた放熱装置。
2. スペーサは、ケースに設けた凸部であり、この凸部を基板あるいは発熱電子部品に接触させることを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
3. ケースに設けた凸部は、発熱電子部品を面実装した基板の半田付けスペースを避けた部分に設けたことを特徴とする請求項２記載の放熱装置。
4. ケースに設けた凸部が接触する基板面には、ケースと同電位の配線パターン、あるいは、性能に影響のない配線パターンを設けるか、全く配線パターンを排除することを特徴とする請求項２記載の放熱装置。
5. スペーサは、基板に設けた凸部であり、この凸部をケースに接触させることを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
6. スペーサは、熱伝導樹脂の中に混ぜ込んだ絶縁物の粒塊であり、この絶縁物の粒塊を挟み込んでケースと基板または発熱電子部品に接触させることを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
7. 熱伝導樹脂に接着効果のあるものを使用したことを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
8. スペーサの基板あるいは発熱電子部品に接する部分の高さは、ケースに基板を取り付ける座面の高さと等しいか座面より高いことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の放熱装置。

Images