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JP6141064B2 - 回路基板と筐体の接続方法 - Google Patents

回路基板と筐体の接続方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体素子等の電子部品から発生する熱を筐体の外部に放熱する放熱構造を備えた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いるので筐体の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。
図8は、上記放熱構造を示す説明図であり、回路基板101に搭載された電子部品102と筐体103の間には、熱伝導材104が介在されていて、電子部品102からの発熱は、熱伝導材104を介して筐体103に伝達され、筐体103の表面から筐体外に放熱される。上記熱伝導材として、放熱グリスが使用されている。
上記熱伝導材として接着剤を使用した場合には、接着剤はゴム化して、硬度が上昇して、電子部品をベース部にリジットに結合する。このため、電子部品又は半田部への応力が発生し、電気的な不具合を発生させる恐れがある。
上記接着剤に対して放熱グリスは、塗布後も粘性を保持し、電子部品又は半田部への応力の集中を抑制することができる。(例えば、特許文献1)
特開2006−86536号公報
しかし、放熱グリスを使用した場合には、次に述べるような課題があった。
(1)放熱グリスは、一般的に熱伝導率を上げるためにアルミナ等の熱伝導材を混入しているので、初期粘度が高く、空気圧等で放熱グリスをノズルから吐出させて塗布する場合には、放熱グリスをノズルから円滑に吐出させるのが困難でノズルの目詰まりが起こり易い。このため、塗布ロボット等を使用しての塗布作業に不向きである。
そこで、放熱グリスの入ったペルー缶(例えば、20kg入りの缶)に配管を施してノズルを接続し、缶内の放熱グリスをノズルから吐出させて塗布する方法も採られているが、この場合においても、配管に、細く、長いものを使用しなければならないため空気圧を上げても放熱グリスを吐出させるのが容易でなかった。
また、放熱グリスの入ったカートリッジ(例えば、330ml入り容器)を使用して塗布する場合には、配管を必要としないので、配管を必要とする場合に較べて弱い圧力で放熱グリスを塗布することができるが、カートリッジの内容量が少ないために、放熱グリスを大量使用する場合には、カートリッジを頻繁に交換しなければならず作業能率が悪い。
放熱グリスの塗布性を向上させ、且つ熱変形や振動により型崩れを防止するために、放熱グリスを低粘性層と高粘性層の複層構造とし、低粘性層で塗布性を向上させ、高粘性層で熱変形や振動により型崩れを防止した放熱グリスも開発されているがこれもコストが高くなる。
(2)放熱グリスは、熱変形や振動により型崩れや、電子部品102外への流出を起こし易い。型崩れや流出を防止するために、放熱グリス104の周囲を、図8に示すように、枠105で囲って、電子部品102の型崩れや流出を防止することができるが、放熱グリス104を枠105で囲うと、枠105の高さの分だけ、電子部品102と筐体103のクリアランスCが拡大し、放熱効果が悪化する。
本発明は、上記従来例の課題を解決し、上記複層構造の放熱グリスに較べて低コストで、塗布性を改善することができ、かつ熱変形や振動により型崩れや流出を抑制することのできる電子制御装置を提供することを目的にして成されたものである。
本願請求項1に記載の発明は、電子部品を実装する回路基板と、該回路基板を内包する筐体との間を、柔軟性を有する熱伝導材を用いて熱的に接続する回路基板と筐体の接続方法において、
前記筐体は、カバーとケースとによって構成されていると共に、該カバーとケースを接合すると共に、該両者の間をシールする防水シール材が熱硬化樹脂によって形成され、
前記熱伝導材として、熱により粘度を増す放熱グリスを使用し、
該放熱グリスは、前記回路基板に実装された電子部品としての発熱部品と前記筐体の内面との間に塗布され、
記回路基板を内包した状態で前記筐体が加熱されることによって、前記防水シール材と前記放熱グリスが加熱されて前記防水シール材の硬化と共に前記放熱グリスの粘度を増大させることを特徴としている。
前記放熱グリスは、塗布する段階における粘度を、塗布後の粘度よりも低くしたので、その分、塗布作業が容易となり、塗布装置や前記ペルー缶等を使用しての塗布作業が可能になり、塗布作業性を向上させることができる。
また、熱伝導材は、塗布後に粘度が増すので、熱変形や振動により型崩れや流出を抑制することができる。
電子制御装置の分解斜視図。 第1実施例の要部の断面図。 付加反応増粘タイプの放熱グリスの硬化特性を示すグラフ図。 室温湿度増粘タイプの放熱グリスの硬化特性を示すグラフ図。 第2実施例の要部の断面図。 第3実施例の要部の断面図。 第4実施例の要部の断面図。 従来例の説明図。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図1は、電子制御装置1としての自動車のエンジンコントロールユニットの分解斜視図である。この電子制御装置1は、車体側に取り付けられる略板状のケース2と略箱状のカバー3とを液密に接合(シール材を介して接合)してなる筐体4と、この筐体4内部の保護空間に収容されて発熱性電子部品や非発熱性電子部品等の各種電子部品5を実装した回路基板6と、により大略構成されており、エンジンルーム(図示省略)等に搭載され、車体側への取付面となるケース2のブラケット7,8の底面において、車体側に取り付けられる。
電子部品5、特に発熱性電子部品とケース2内面の間には、放熱グリス9が介在される。
各構成要素について具体的に説明する。回路基板6は、その上方側面(カバー3側の面)6aには、コンデンサ,コイル等のような、比較的発熱しない、もしくは例えばヒートシンク等の特段の放熱処置を必要としない非発熱性電子部品(図示省略)が実装され、下方側面(ケース2側の面)には演算処理装置,トランジスタ,IC等の比較的発熱し易い発熱性電子部品5が実装された、いわゆるプリント配線基板であり、例えばガラスエポキシ樹脂等からなる板材の表裏面あるいはその内部に配線回路パターンが形成され、この配線回路パターンに各種電子部品5が半田等によりそれぞれ電気的に接続されている。
また、回路基板6の周縁側の一部には、外部のコネクタと接続される接続口10を有するコネクタ11が取り付けられている。このコネクタ11は、取付基部12を介して回路基板6に固定されていている。このコネクタ11は、接続口10が、ケース2とカバー3との間に形成される空間である窓部13を介して外部へと臨むようになっていて、ここにおいて車両側のコネクタと接続される。
ケース2は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属材料によって略板状、より詳しくは周縁がわずかに立ち上がる浅い箱状に一体形成されたものである。具体的には、ほぼ矩形状の底壁2aの外周縁(各側辺)に側壁2bが立設され、全体が上方へ開口するように構成されている。側壁2bの四隅には、カバー3を取付固定するためのカバー固定部14が形成されていて、該カバー固定部14にカバー3が取り付けられる。また、回路基板6は、ケース2の底壁2aの内壁面側の周縁部に立設された基板固定部15の上端面にネジ止めされる。
図2は、放熱グリス9が、回路基板6の下方側面に搭載された発熱性部品5と、ケース2の底壁2aとの間に介在されている状態を示す断面図である。放熱グリス9は、発熱性部品5の発熱を、ケース2側に効果的に伝達(伝導)させて、ケース2の外面から放出させる。
放熱グリス9は、塗布時においては塗布性を阻害しない程度の粘度、例えば50〜400Pa・s程度の粘度を有し、硬化後は最終的に600〜3000Pa・s程度に粘度を増す材質で形成されている。
放熱グリス9の塗布時の粘度は使用目的、筐体形状によって使い分けると良く、粘度が低い(50Pa・s及びその近辺)ものは、放熱クリアランスの厚みが少ない場合、塗布時に平面的な広がりを要する場合に向き、粘度が高い(〜600Pa・s及びその近辺)は、放熱クリアランスの厚みが必要で、立体的な厚みを要する場合などに向く。
実際に塗布装置を使用して放熱グリス9を塗布する場合に、グリスは1種類又は数種類に限って塗布することになる場合が多く、その際には通常はグリス種類に応じて個別の塗布装置を準備し、全体の塗布条件に応じて適度な値のものを選択、使用する。
また、硬化後において、粘度が低い(600Pa・s及びその近辺)のものは、厚みの少ないものや、振動等が少ないとう条件で、移動する要因が少ない箇所、部品特性上、押し付けストレスに強いもの等に向き、粘度の高い(〜3000Pa・s及びその近辺)のものは、厚みが必要な場合や、部品が押し付けストレスに強いものに向く。(放熱グリスの選定条件は、同上)
ここで、ストレスへの耐性の考え方は、
1.ICリードのような応力緩和機構を持たずに基板に直接半田付けされる部品(チップ部品等)は弱く、リードを持って半田付けされるもの(リード部品、IC等)は弱い傾向にある。
2.素子単独(半田部でなく本体)では、単純な構造のもの(チップの抵抗やコンデンサ等の部品)が強く、構造の複雑なもの(ICなど、モール樹脂の中にワイヤーボンディングされている部品等)が弱いという傾向がある。(影響度的には1>2が一般的)
放熱グリス9は、付加反応増粘タイプの熱伝導性シリコングリスと、室温湿気増粘タイプの熱伝導性シリコングリスが知られている。
付加反応増粘タイプの熱伝導性シリコングリスは、硬化炉を使用して増粘させるもので、短時間でグリスの必要特性が得られるが、硬化炉を必要とするために設備投資が必要となる。但し、防水シールが熱硬化樹脂である場合には、シールを硬化させる際の加熱を利用してシリコングリスを硬化させることができる。
また、室温湿気増粘タイプの熱伝導性シリコングリスは、硬化炉を必要としないので設備投資を抑制することができるが、必要とする硬化特性を得るために長時間を必要とする。
表1及び図3に示すように、付加反応増粘タイプの熱伝導性シリコングリスの硬化特性は、塗布直後の0minの段階での粘度は、100(Pa・s)、20minでは1600(Pa・s)、40minでは2000(Pa・s)、60minでは2200(Pa・s)、90minでは2200(Pa・s)であり、60min経過以後は略同じ粘度に保たれる。
Figure 0006141064
付加反応増粘タイプの熱伝導性シリコングリスは、量産設備で塗布するには、初期粘度は、図3において丸A1で囲った50〜400(Pa・s)程度が望ましい。位置ズレや流出を防止するためには図3において丸B1で囲った600〜3000(Pa・s)程度が望ましい。但し、粘度以外にも色々なパラメータがあり、粘度600〜3000(Pa・s)は、硬さ(アスカC)にすると、略10〜200(アスカC)に置き換えられ、モジュラス(G‘)表示では略5000〜200000MPaに置き換えられる。
また、表2及び図4に示すように、室温湿気増粘タイプの熱伝導性シリコングリスの硬化特性は、表2及び図4に示すように、塗布直後の0hrの段階の粘度は、200(Pa・s)、24hrでは530(Pa・s)、48hrでは680(Pa・s)、72hrでは750(Pa・s)、96hrでは800(Pa・s),168hrでは800(Pa・s)であり、96hr経過以後は、略同じ粘度に保たれる。
Figure 0006141064
室温湿気増粘タイプの熱伝導性シリコングリスは、量産設備で塗布するには、初期粘度は、図4において丸A2で囲った50〜400(Pa・s)程度が望ましい。位置ズレや流出を防止するためには図3において丸B2で囲った600〜3000(Pa・s)程度が望ましい。上述したように、粘度600〜3000(Pa・s)は、硬さ(アスカC)にすると、略10〜200(アスカC)に置き換えられ、モジュラス(G‘)表示では略5000〜200000MPaに置き換えられる。
付加反応増粘タイプと室温湿気増粘タイプのどちらの熱伝導性シリコングリスを使用するかは、顧客からの要求性能(耐震性、使用温度範囲等)、生産効率等を考慮して選択される。例えば、自動車用電子制御装置出荷直後から高粘性等のグリス特性が要求される場合には、付加反応増粘タイプを使用し、完全に硬化していなくとも耐震性のスペックが満足できるものであれば、室温湿気増粘タイプが使用される。
前記熱伝導性シリコングリス中にシランカップリング剤のような接着助剤(水素結合により被着体と接着するための材料)混入し、接着基を持たせて、熱伝導性シリコングリスを筐体や発熱部材に接着させることにより、熱変形や振動によるシリコングリスの流出や変形を抑制することができる。なお、水素結合による接着のメカニズムについては公知であるので説明は省略する。
図5〜図7は、図2に示す第1実施例に対して更なる放熱効果の向上を図った第2〜第4実施例を示す。
図5は第2実施例を示す。この実施例においては、ケース2の底壁の一部を、回路基板6側に向けて突出させ、発熱性電子部品5を囲む凸部16を形成した。前記凸部16の高さは、発熱性電子部品5の肉厚に応じて形成されている。
第2実施例においては、凸部16の存在により電子制御装置の容積を減少させることができる。また、凸部16の先端面16aが回路基板6に近づくので回路基板からの熱の放射を受け易くすることができる。更に、発熱性電子部品5を囲む凸部16によって、放熱グリス9の流出を防止することができる。
図6は第3実施例を示す。発熱性電子部品5を囲む凸部16を形成し、凸部16に隣接する凹部17内に、発熱性電子部品5とケース2の間を埋めるように放熱グリス9を塗布した場合を示す。このような構成にすることにより発熱性電子部品5の側面からも放熱グリス9によって、発熱性電子部品5の発する熱をケース2側に逃がすことができる。また、凹,凸部16,17によりケース2の表面積を増大させるので更なる放熱効果の向上を図ることができる。他の構成は第2実施例の場合と同じであるので重複する説明は省略する。
図7は第4実施例を示す。この実施例は、筐体4内の温度上昇や内圧の上昇によるケース2の変位量に応じて、回路基板6とケース2の間のクリアランスを狭くすることにより放熱効率のアップを図るとともに、放熱グリス9によっても放熱効率のアップを図ったものである。
なお、上記実施例では、回路基板6の下方側面に演算処理装置,トランジスタ,IC等の比較的発熱し易い発熱性部品5を取り付け、これら発熱性部品5とケース2の間に放熱グリス9を介在させて、発熱性部品5の熱をケース2側に逃がす構成としたが、これとは逆に、発熱性部品5を回路基板6の上方側面に取り付けて、発熱性部品5とカバー3の間に放熱グリス9を介在させ、発熱性部品5の熱をケース2側に逃がす構成とすることができる。この場合は、ケース2をアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属材料で形成する。また、発熱性部品5を回路基板6の上方側面と下方側面に分散して取り付け、ケース2とカバー3の両方から放熱してもよい。
1…電子制御装置
2…ケース
3…カバー
4…筐体
5…電子部品
6…回路基板
9…放熱グリス

Claims (4)

  1. 電子部品を実装する回路基板と、該回路基板を内包する筐体との間を、柔軟性を有する熱伝導材を用いて熱的に接続する回路基板と筐体の接続方法において、
    前記筐体は、カバーとケースとによって構成されていると共に、該カバーとケースを接合しつつ該両者の間をシールする防水シール材が熱硬化樹脂によって形成され、
    前記熱伝導材として、熱により粘度を増す放熱グリスを使用し、
    該放熱グリスは、前記回路基板に実装された電子部品としての発熱部品と前記筐体の内面との間に塗布され、
    記回路基板を内包した状態で前記筐体が加熱されることによって、前記防水シール材と前記放熱グリスが同時に加熱されて前記防水シール材の硬化と共に前記放熱グリスの粘度を増大させることを特徴とする回路基板と筐体の接続方法。
  2. 前記放熱グリスは、塗布時においては塗布性を阻害しない50〜400(Pa・s)の粘度を有し、塗布後においては600〜3000(Pa・s)に粘度を増す材質で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の回路基板と筐体の接続方法。
  3. 前記放熱グリスは、電子部品を筐体に接着する接着助剤を含有していることを特徴とする請求項1または2に記載の回路基板と筐体の接続方法。
  4. 前記ケースと前記回路基板の間のクリアランスは、前記回路基板の固定部位側に行くほど狭くなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回路基板と筐体の接続方法。
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