(57)【要約】 【課題】  回路基板とその上に配置された上部放熱板の間に樹脂を充填する方法では、樹脂の熱伝導率はあまり高くないため、回路基板と上部放熱板の間の距離が大きくなると、発熱する電子部品と上部放熱板との間の熱抵抗が大きくなり、上部放熱板から十分に熱を放出できないという課題が有った。【解決手段】  発熱する電子部品２を含む高さが異なる複数の電子部品を片方の面に実装する回路基板１と、回路基板１の電子部品２を実装しない側の面と接触するように配置された下部放熱板６と、回路基板１の電子部品１が実装された面との間隔が最も高い電子部品の高さよりも大きくなるように配置された上部放熱板３と、発熱する電子部品２の上部放熱板３に対向する面に上部放熱板３との間隔が所定値以下になるように設けられた電子部品２の熱を上部放熱板３に伝える導熱部品５とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱する電子部品を含む高さが異なる複数の電子部品を片方の面に実装する回路基板と、該回路基板の前記電子部品を実装しない側の面と接触するように配置された下部放熱板と、前記回路基板の前記電子部品が実装された面との間隔が最も高い電子部品の高さよりも大きくなるように配置された上部放熱板と、発熱する前記電子部品の前記上部放熱板に対向する面に前記上部放熱板との間隔が所定値以下になるように設けられた前記電子部品の熱を前記上部放熱板に伝える導熱部品とを備えた電子回路装置。
【請求項２】
前記導熱部品を突起とすることを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
【請求項３】
前記導熱部品をボンディングワイヤとすることを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
【請求項４】
前記上部放熱板に突起を設け、前記上部放熱板または前記突起と前記導熱部品との間の間隔を所定値以下にすることを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
【請求項５】
前記電子部品と前記上部放熱板の間に絶縁物を挟むことを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
【請求項６】
前記回路基板と前記上部放熱板との間に絶縁性を有する充填材を充填することを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱を発生する半導体素子などの電子部品を効率よく冷却する電子回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱を発生する半導体素子などの電子部品を有する電子回路装置では、半導体素子を搭載した回路金属基板の半導体素子を搭載していない面を金属露出面とし、この金属露出面に下部放熱板を取り付け、回路金属基板の半導体素子を搭載した面は上部放熱板と一体であるケースで覆い、このケースと回路金属基板との間の空間には熱伝導率が高い樹脂を充填している。半導体素子で発生した熱は、下部放熱板と上部放熱板の両方から外部へ放出される。（例えば、特許文献１を参照）
半導体素子の上面に有る電極に配線を兼用した金属板を接合し、間に絶縁体を介してこの金属板を上部放熱板に接触させ、半導体素子で発生する熱を上部放熱板と回路基板の下側にある下部放熱板とから外部へ放出する。（例えば、特許文献２を参照）
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３５４９５６号公報。
【特許文献２】特開２０００−６８４４７号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
回路基板と上部放熱板の間に樹脂を充填する方法では、樹脂の熱伝導率は高いものでも２〜５(Ｗ／(ｍ・Ｋ))程度であるため、回路基板と上部放熱板までの距離が大きくなると、半導体素子と上部放熱板との間の熱抵抗が大きくなり、上部放熱板から十分に熱を放出できないという課題が有った。回路基板と上部放熱板までの距離が大きくなる場合の例としては、回路基板上にコンデンサなどの半導体素子よりも高い部品が存在する場合や、異なる高さの半導体素子が存在する場合や、ワイヤボンディングといった接合方法を用いる場合などが考えられる。回路基板上にコンデンサなどの半導体素子よりも高い部品が存在する場合には、１０ｍｍ程度の高さの差が発生する場合がある。
【０００５】
半導体素子の上面に配線を兼用した金属板を配置する方法は、上面に電極が存在する半導体素子にしか適用できず、複数の半導体素子を回路基板上に実装する場合は、配線の取り回しが複雑になるという課題が有る。
【０００６】
この発明は、半導体素子からの熱を回路基板の両面に配置した放熱板から効率的に放出できる電子回路装置を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電子回路装置は、発熱する電子部品を含む高さが異なる複数の電子部品を片方の面に実装する回路基板と、該回路基板の前記電子部品を実装しない側の面と接触するように配置された下部放熱板と、前記回路基板の前記電子部品が実装された面との間隔が最も高い電子部品の高さよりも大きくなるように配置された上部放熱板と、発熱する前記電子部品の前記上部放熱板に対向する面に前記上部放熱板との間隔が所定値以下になるように設けられた前記電子部品の熱を前記上部放熱板に伝える導熱部品とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る電子回路装置は、発熱する電子部品を含む高さが異なる複数の電子部品を片方の面に実装する回路基板と、該回路基板の前記電子部品を実装しない側の面と接触するように配置された下部放熱板と、前記回路基板の前記電子部品が実装された面との間隔が最も高い電子部品の高さよりも大きくなるように配置された上部放熱板と、発熱する前記電子部品の前記上部放熱板に対向する面に前記上部放熱板との間隔が所定値以下になるように設けられた前記電子部品の熱を前記上部放熱板に伝える導熱部品とを備えたものなので、上部放熱板も有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１に、実施の形態１における電子回路装置の断面図を示す。図１(a)が縦断面図であり、図１(a)のＢＢ断面における横断面図が図１(b)である。なお、図１(a)は、図１(b)のＡＡ断面に対応する。この実施の形態１は、２０ｍｍ×２５ｍｍで厚さ２ｍｍの銅箔、絶縁層、アルミニウム基板の３層構造の回路基板１上に１０ｍｍ×１０ｍｍのパッケージに入った半導体素子２をはんだ付けにより実装し、厚さ約１ｍｍの半導体素子２の上面から７ｍｍの位置に、アルミニウム製の上部放熱板３が絶縁体である樹脂製のケース４により支持されている。図１において、回路基板１から外部への配線は図示を省略する。外部への配線の図示を省略する点は、他の実施の形態でも同様である。
この実施の形態１は、発熱する半導体素子２がコンデンサなど他の電子部品などと同じ回路基板上に実装される場合を模式的に表現するものであり、他の電子部品との高さの差を約７ｍｍとし、他の発熱する電子部品の影響を無視しても差し支えない半導体素子２の周囲を切り出したものである。この明細書における他の実施の形態も、同様な意味である。
【００１０】
半導体素子２の上部放熱板３に対向する面すなわち上面には、直径８ｍｍで高さ７ｍｍである円柱状のアルミニウム製の突起５を熱伝導性接着材により接着しているこの突起５が導熱部品であり、突起５により半導体素子２の上面と上部放熱板３とが熱的に結合される。回路基板１は、半導体素子２が実装される面に銅箔が絶縁層を挟んでコーデングされたアルミニウム基板とする。回路基板１の半導体素子２が実装されていない面には、アルミニウム製の下部放熱板６が密着している。回路基板１と半導体素子２の間のはんだ層の厚さは０．１ｍｍとする。回路基板１は、銅箔の厚さを１００μ（＝０．１ｍｍ）、絶縁層の厚さを１５０μ（＝０．１５ｍｍ）、アルミ基板の厚さを１．７５ｍｍとする。
【００１１】
次に動作を説明する。半導体素子２が発生させる熱は、回路基板１を経由して下部放熱板６で発散されるとともに、突起５を経由して上部放熱板３からも放熱される。半導体素子２から下部放熱板６または上部放熱板３までの合成熱抵抗により、冷却効率を評価することにする。
まず、熱抵抗の計算式を示す。部材の厚さをＬ（ｍ）、部材の熱伝導率をｋ（Ｗ／(ｍ・Ｋ)）、部材の断面積をＡ（ｍ２）とすると、その部材の熱抵抗Ｒ（Ｋ／Ｗ）は、以下の式で計算できる。
Ｒ＝Ｌ／(ｋ・Ａ)                                                    （１）
接触面熱抵抗Ｒｃ（Ｋ／Ｗ）は、接触面での熱伝達率をｋｃ（Ｗ／(ｍ２・Ｋ)）、接触面の面積をＡｃ、（ｍ２）とすると、以下の式で計算できる。
Ｒｃ＝１／(ｋｃ・Ａｃ)                                              （２）
【００１２】
ここで、熱抵抗を表現する変数として、以下を定義する。なお、突起５を半導体素子２に接着する熱伝導性接着材の層は薄いので、熱抵抗を計算する上では無視する。
Ｒ１  ：半導体素子２から回路基板１を経由して下部放熱板６までの間の熱抵抗。
Ｒ１Ａ：半導体素子２を回路基板１に固定するためのはんだ層の熱抵抗。
Ｒ１Ｂ：回路基板１の銅箔部分の熱抵抗。
Ｒ１Ｃ：回路基板１の絶縁層部分の熱抵抗。
Ｒ１Ｄ：回路基板１のアルミニウム部分の熱抵抗。
Ｒ１Ｅ：回路基板１と下部放熱板６の間での接触面熱抵抗。
Ｒ２  ：半導体素子２から突起５を経由して上部放熱板３までの間の熱抵抗。
Ｒ２Ａ：突起５の熱抵抗。
Ｒ２Ｂ：突起５と上部放熱板３の間での接触面熱抵抗。
ＲＴ  ：半導体素子２と下部放熱板６または上部放熱板３の間での熱抵抗。
ここで、上部放熱板３の温度と下部放熱板６の温度が同じになると仮定すると、合成熱抵抗ＲＴなどは以下の式で計算できる。
ＲＴ＝Ｒ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）                                      （３）
Ｒ１＝Ｒ１Ａ＋Ｒ１Ｂ＋Ｒ１Ｃ＋Ｒ１Ｄ＋Ｒ１Ｅ                          （４）
Ｒ２＝Ｒ２Ａ＋Ｒ２Ｂ                                                  （５）
【００１３】
以下で、（１）式または（２）式により、熱抵抗を計算する。そのための熱伝導率または接触面での熱伝達率は、以下を使用するものとする。
アルミニウムの熱伝導率        ＝２３７（Ｗ／(ｍ・Ｋ)）
銅の熱伝導率                  ＝３５６（Ｗ／(ｍ・Ｋ)）
Ｓｎ-Ｐｂはんだの熱伝導率     ＝６４．２（Ｗ／(ｍ・Ｋ)）
回路基板１の絶縁層の熱伝導率  ＝０．７５（Ｗ／(ｍ・Ｋ)）
アルミニウム面の接触面熱伝達率＝７２００（Ｗ／(ｍ２・Ｋ)）
アルミニウム同士が接触する箇所の接触面熱伝達率は、すべて同じ上記の値とする。接触面には導電性グリースなどを塗り、所定の圧力を加えてできるだけ接触面熱抵抗を減らすものとし、上記の値の接触面熱伝達率を実現する。
【００１４】
さて、これらの値を使用して、半導体素子２から回路基板１を経由して下部放熱板６までの間の熱抵抗は、以下のようになる。
まず、はんだ層の熱抵抗Ｒ１Ａは、（１）式より以下となる。
Ｒ１Ａ＝０．１×１０−３／(６４．２×１０×１０×１０−６)
＝０．０１５６（Ｋ／Ｗ）
回路基板１は半導体素子２と下部放熱板３とでは接触面積が異なるが、回路基板１の厚みが薄いので、半導体素子２との接触面積を使用して、（１）式で熱抵抗を計算する。この方法だと回路基板１に関しては、実際の値よりも熱抵抗が大きくなるが、本発明による熱抵抗の減少の効果を評価する上では、特に問題はない。
【００１５】
回路基板１の銅箔の熱抵抗Ｒ１Ｂは、（１）式より以下となる。
Ｒ１Ｂ＝０．１０×１０−３／(３５６×１０×１０×１０−６)
＝０．００３（Ｋ／Ｗ）
回路基板１の絶縁層の熱抵抗Ｒ１Ｃは、（１）式より以下となる。
Ｒ１Ｃ＝０．１５×１０−３／(０．７５×１０×１０×１０−６)
＝２．００（Ｋ／Ｗ）
回路基板１のアルミニウム部分の熱抵抗Ｒ１Ｄは、（１）式より以下となる。
Ｒ１Ｄ＝１．７５×１０−３／(２３７×１０×１０×１０−６)
＝０．０７４（Ｋ／Ｗ）
回路基板１と下部放熱板６との間の接触面熱抵抗Ｒ１Ｅは、（２）式より以下となる。
Ｒ１Ｅ＝１／(７２００×２０×２５×１０−６)＝０．２７８（Ｋ／Ｗ）
（４）式より、半導体素子２から下部放熱板６までの熱抵抗Ｒ１は、以下となる。
Ｒ１＝０．０１５６＋０．００２８＋２．００＋０．０７３８＋０．２７８
＝２．３７（Ｋ／Ｗ）
【００１６】
半導体素子２から突起５を経由して上部放熱板３までの間の熱抵抗Ｒ２に関しては、以下のようになる。
突起５の熱抵抗Ｒ２Ａは、（１）式より以下となる。
Ｒ２Ａ＝７×１０−３／(２３７×π×４×４×１０−６)＝０．５８８（Ｋ／Ｗ）
突起５と上部放熱板３との間の接触面熱抵抗Ｒ２Ｂは、（２）式より以下となる。
Ｒ２Ｂ＝１／(７２００×π×４×４×１０−６)＝２．７６（Ｋ／Ｗ）
（５）式より、半導体素子２から上部放熱板３までの熱抵抗Ｒ２は、以下となる。
Ｒ２＝０．５８８＋２．７６＝３．３５（Ｋ／Ｗ）
（３）式より合成熱抵抗ＲＴは、以下となる。
ＲＴ＝２．３７×３．３５／（２．３７＋３．３５）＝１．３９（Ｋ／Ｗ）
【００１７】
ここで、突起５の換わりにゲル状の充填材をケース４と上部放熱板３などで囲まれる空間に充填した場合の熱抵抗を計算する。
また、以下の変数を定義する。なお、ゲル状の充填材と半導体素子２及び上部放熱板３との間の接触面熱抵抗は無視する。
Ｒ３：突起５が無い場合の半導体素子２から上部放熱板３までの間の熱抵抗。
ＲＤ：突起５が無い場合の半導体素子２と下部放熱板６または上部放熱板３の間での熱抵抗。
これらの変数の間には、以下の関係が成立する。
ＲＤ＝Ｒ３×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ３）                                      （５）
【００１８】
充填材の熱抵抗は、図２に示すように充填材を分割し、分割した各部分の熱抵抗を求め、各部分の熱抵抗のネットワークを作成して、そのネットワークから全体の合成熱抵抗を求める。図２(a)に半導体素子２に平行な断面（水平断面と呼ぶ）における区分を示し、図２(b)に正面（回路基板１の長さ２５ｍｍの側）から見た場合の区分を示し、図２(c)に側面（回路基板１の長さ２０ｍｍの側）から見た区分を示す。図２(b)などにおいて上部放熱板３と半導体素子２は、充填材に接触する太線で表現している。直方体の充填材を水平断面では縦横にそれぞれ４個に高さ方向に２個に、全体で３２個に区分している。このように区分すると、図２(a)から分かるように水平断面において左右対称かつ上下対称に熱が流れるので、４分の１の部分だけを計算すればよい。図２(a)における左上の部分におけるモデル化した熱抵抗のネットワークを、図３に示す。また、図４に、熱抵抗のネットワークの作成方法を説明する図を示す。
なお、充填材をより細かく区分してやればより正確な値が計算できるが、計算があまり面倒にならないようにしている。計算機などを使用してより細かく区分して計算したり、熱解析ソフトなどを使用して計算したりしてもよい。
【００１９】
図４に示すように、直方体内部の中心と各面の中心にノードを作成し、ノード間を熱抵抗で結んでモデル化する。ここで、直方体内部の中心あるノードをノードＡと呼び、各面の中心にあるノードをノードＢと呼ぶ。熱抵抗の値は、その方向における断面積と距離と熱伝導率を用いて（１）式により計算する。このように各部分をモデル化したものをつなげて、熱抵抗のネットワークを作成する。そして、計算する上で不要なノード及び熱抵抗を削除して、上部放熱板３と接触するノードがすべて同じ温度になると仮定すると、図３のネットワークになる。不要なノードとは、隣接する部分と接続するノードＢと、熱が伝導しないノードＢである。熱が伝導しないノードＢは、以下の何れかである。
（Ａ）隣接する部分がなく、半導体素子２または上部放熱板３と隣接しないノードＢ。
（Ｂ）対称性から熱が流れない個所。対称面の上にあるノードＢ。
【００２０】
図３における各熱抵抗の変数の意味は、以下となる。なお、中央部分とは平面図で５ｍｍ×５ｍｍ角となる中央側の部分で、端部分とは５ｍｍ×７．５ｍｍ角となる端側の部分である。
Ｒｘ１：中央部分の左右方向の熱抵抗。
Ｒｘ２：端部分の左右方向の熱抵抗。
Ｒｙ１：中央部分の前後方向の熱抵抗。
Ｒｙ２：端部分の前後方向の熱抵抗。
Ｒｚ１：中央部分の上下方向の熱抵抗。
Ｒｚ２：端部分の上下方向の熱抵抗。
ここで、充填材の熱伝導率は、以下とする。
充填材の熱伝導率＝２．５（Ｗ／(ｍ・Ｋ)）
【００２１】
（１）式により、上記の変数の値を計算すると、以下となる。
Ｒｘ１＝２．５×１０-３／(２．５×５×３．５×１０-６)＝５７．１（Ｋ／Ｗ）
Ｒｘ２＝３．７５×１０-３／(２．５×５×３．５×１０-６)＝８５．７(Ｋ／Ｗ)
Ｒｙ１＝２．５×１０-３／(２．５×５×３．５×１０-６)＝５７．１（Ｋ／Ｗ）
Ｒｙ２＝２．５×１０-３／(２．５×７．５×３．５×１０-６)＝３８．１(Ｋ／Ｗ)
Ｒｚ１＝１．７５×１０−３／(２．５×５×５×１０-６)＝２８（Ｋ／Ｗ）
Ｒｚ２＝１．７５×１０−３／(２．５×７．５×５×１０-６)＝１８．７(Ｋ／Ｗ)
【００２２】
連立方程式を解くと、突起５が無い場合の半導体素子２から上部放熱板３までの間の熱抵抗Ｒ３は、以下となる。なお、図３は４分の１の部分のモデルなので、求まった値を４分の１倍している。
Ｒ３＝１８．０（Ｋ／Ｗ）
これより、突起５が無い場合の合成熱抵抗ＲＤは、（５）式より以下となる。
ＲＤ＝２．３７×１８．０／（２．３７＋１８．０）＝２．０９（Ｋ／Ｗ）
突起５を設けた場合の合成熱抵抗ＲＴは、ＲＴ＝１．３９（Ｋ／Ｗ）なので、突起５を設けることにより熱抵抗を低減できることが分かる。
【００２３】
このように、突起５という導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。
ここで計算した熱抵抗の値は、簡易的なモデルでの値である。厳密に計算すればより正確な値が計算できるが、厳密に計算した場合でもここに示したのと同様のことが結論付けられる。
【００２４】
なお、導熱部品として円筒状の突起を電子部品に設けたが、角柱状などの他の形状でもよく、複数の突起を設けてもよい。半導体素子だけでなく発熱する電子部品であれば、どのようなものにでも適用できる。導熱部品を、電子部品でなく上部放熱板の側に設けたり、電子部品と上部放熱板の両方に設けたりしてもよい。導熱部品をアルミニウム製としたが、銅などの他の金属または金属以外でもよい。熱伝導率が所定値（例えば５（Ｗ／(ｍ２・Ｋ)）など）よりも高い材料であれば、材料は何でもよい。なお、当然ながら熱伝導率が高いほうが冷却能力は高くなる。
【００２５】
導熱部品は高熱伝導性を有し、電子部品と上部放熱板の間をつなぐように配置され、導熱部品と上部放熱板との間の距離が所定値以内になるものであれば、導熱部品はどのようなものでもよい。電子部品と上部放熱板の間に絶縁物を挟んでも挟まなくてもよい。絶縁物を挟んだ方が上部放熱板に電圧が印加されないので、電子回路装置の取り扱いが容易になる。絶縁物を挟まなければ、電子部品と上部放熱板の間の熱抵抗をより低減できる可能性が高くなる。
回路基板は金属基板としたが、セラミック基板などでもよく、電子部品を搭載でき、下部放熱板に十分に熱を伝達できるものであれば、どのようなものでもよい。
電子部品から最も高い電子部品よりも高い位置に絶縁体製のケースにより上部放熱板を保持したが、ケースと上部放熱板を一体成形してもよい。ケースと上部放熱板を一体成形した場合には、導熱部品がケースの側面だけや、側面及び上面などに接するようにしてもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
【００２６】
実施の形態２．
この実施の形態２は、突起を複数にするように実施の形態１を変更したものである。図５に、実施の形態２における電子回路装置の断面図を示す。図５(a)が縦断面図であり、図５(a)のＢＢ断面における横断面図が図５(b)である。なお、図５(a)は、図５(b)のＡＡ断面に対応する。
実施の形態１の場合での図１と異なる点だけを説明する。突起３を４枚の厚さ１．５ｍｍ、長さ１０ｍｍ、高さ７ｍｍの平板状の形状として、半導体素子２の上面に設けている。その他の構造は、実施の形態１と同じである。
【００２７】
この実施の形態２でも、半導体素子２から下部放熱板６までの熱抵抗は、実施の形態１の場合と同じである。半導体素子２から突起５を経由して上部放熱板３までの間の熱抵抗は、以下のようになる。
突起５の熱抵抗Ｒ２Ａは、（１）式より以下となる。
Ｒ２Ａ＝７×１０−３／(２３７×４×１．５×１０×１０−６)
＝０．４９２（Ｋ／Ｗ）
突起５と上部放熱板３との間の接触面熱抵抗Ｒ２Ｂは、（２）式より以下となる。
Ｒ２Ｂ＝１／(７２００×４×１．５×１０×１０−６)＝２．３１（Ｋ／Ｗ）
（５）式より、半導体素子２から上部放熱板３までの熱抵抗Ｒ２は、以下となる。
Ｒ２＝０．４９２＋２．３１＝２．８０（Ｋ／Ｗ）
（３）式より合成熱抵抗ＲＴは、以下となる。
ＲＴ＝２．３７×２．８０／（２．３７＋２．８０）＝１．２８（Ｋ／Ｗ）
【００２８】
この実施の形態でも、突起５という導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。
【００２９】
実施の形態３．
この実施の形態３は、実施の形態１では半導体素子に設けた突起を、上部放熱板にも設けた場合である。図６に、実施の形態３における電子回路装置の断面図を示す。図６(a)が縦断面図であり、図６(a)のＢＢ断面における横断面図が図６(b)である。なお、図６(a)は図６(b)のＡＡ断面に対応する。
実施の形態１とは異なる点だけを説明する。半導体素子２の上面に接着した円柱型の突起５の直径を５ｍｍとする。上部放熱板３には、外径８ｍｍ、内径５ｍｍ、高さ７ｍｍの円筒型の突起７を、突起５と対応する位置に上部放熱板３と一体に形成しておく。上部放熱板３を取り付けた状態では、半導体素子２に接着された突起５は、上部放熱板３の突起７にはめ込まれる。
【００３０】
この実施の形態３での半導体素子２から上部放熱板３までの熱抵抗は、以下のようになる。熱抵抗の計算は、実施の形態１で充填剤の熱抵抗を計算したのと同様に、熱抵抗のネットワークを作成して、そのネットワークから合成熱抵抗を求めることとする。突起５及び突起７を高さ方向に４個に等分して、それぞれ１個のノードで表現して、図７に示すようにノードを作成する。熱等価回路は、図８のようになる。図８において、上部放熱板３の下面を意味するノードと、半導体素子２の上面を意味するノードの間に８個のノードがあり、ノード間には熱抵抗を配置している。
【００３１】
図８に示す熱抵抗の値を意味する変数を、以下のように定義する。
ＲＧ１：突起５の内部での高さ方向のノード間の熱抵抗。
ＲＧ２：突起５の内部のノードと側面の間の熱抵抗。
ＲＧ３：突起５の上面と上部放熱板３との間の接触面熱抵抗。
ＲＧＨ：突起５の外側面と突起７の内側面との間の接触面熱抵抗。（高さ方向に４等分した１個分）
ＲＨ１：突起７の底面と半導体素子２の上面との間の接触面熱抵抗。
ＲＨ２：突起７の内部での高さ方向のノード間の熱抵抗。
ＲＨ３：突起７の内部のノードと内側面の間の熱抵抗。
【００３２】
ＲＧ２とＲＨ３以外は、（１）式または（２）式により、以下のように計算できる。
ＲＧ１＝１．７５×１０−３／(２３７×π×２．５×２．５×１０−６)
＝０．３７６（Ｋ／Ｗ）
ＲＧ３＝１／(７２００×π×２．５×２．５×１０−６)＝７．０７３（Ｋ／Ｗ）
ＲＧＨ＝１／(７２００×π×４×１．７５×１０−６)＝６．３１５（Ｋ／Ｗ）
ＲＨ１＝１／(７２００×π×（４×４―２．５×２．５）×１０−６)
＝４．５３５（Ｋ／Ｗ）
ＲＨ２＝１．７５×１０−３／(２３７×π×(４×４―２．５×２．５)×１０−６)
＝０．２４０（Ｋ／Ｗ）
【００３３】
ＲＧ２とＲＨ３は、（１）式における断面積Ａが半径の逆数に比例して変化するので、ｙ＝１／ｘに対して∫ｙｄｘ＝ln(ｘ)になるという積分公式から、以下のように計算できる。なお、ln(ｘ)は自然対数を意味する。
ＲＧ２＝(ln(２．５)−ln(１．２５))／(２３７×２×π×１．７５×１０−３)
＝０．２６６（Ｋ／Ｗ）
ＲＨ３＝(ln(３．２５)−ln(２．５))／(２３７×２×π×１．７５×１０−３)
＝０．１０１（Ｋ／Ｗ）
【００３４】
上部放熱板３に接するノードすべてが同じ温度になるとし、半導体素子２に接するノードすべてが同じ温度になるとして、連立方程式を解くと、半導体素子２から上部放熱板３までの熱抵抗Ｒ２は、以下となる。
Ｒ２＝１．７２（Ｋ／Ｗ）
合成熱抵抗ＲＴは、以下となる。
ＲＴ＝２．３７×１．７２／（２．３７＋１．７２）＝１．００（Ｋ／Ｗ）
【００３５】
突起５と突起７を合わせた形状は、実施の形態１の場合と同じであるが、実施の形態１の場合よりも熱抵抗Ｒ２は小さくなる。これは、突起５と突起７の間の接触面積が加わり接触面積が大きくなり、接触面熱抵抗が小さくなるためである。
この実施の形態でも、導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。
【００３６】
実施の形態４．
この実施の形態４は、半導体素子に設けた突起と上部放熱板との間に絶縁シートを挟むように実施の形態１を変更した場合である。図９に、実施の形態４における電子回路装置の断面図を示す。図９(a)が縦断面図であり、図９(a)のＢＢ断面における横断面図が図９(b)である。なお、図９(a)は図９(b)のＡＡ断面に対応する。
実施の形態１とは異なる点だけを説明する。半導体素子２の上面に接着した円柱型の突起５の高さを６ｍｍとし、突起５と上部放熱板３との間には厚さ１ｍｍの絶縁性の伝熱シート８が充填されている。伝熱シート８の厚さは、振動や熱による膨張に対応できるような適切な厚さとする。
【００３７】
下部放熱板６までの熱抵抗Ｒ１は、実施の形態１の場合と同じＲ１＝２．３７（Ｋ／Ｗ）である。上部放熱板３までの熱抵抗は、以下のＲ２ＡとＲ２Ｃの総和となる。
突起５の熱抵抗Ｒ２Ａは、（１）式より以下となる。
Ｒ２Ａ＝６×１０−３／(２３７×π×４×４×１０−６)＝０．５０４（Ｋ／Ｗ）
突起５と上部放熱板３との間にある伝熱シート８の熱抵抗Ｒ２Ｃは、伝熱シート８の熱伝導率を２．５（Ｗ／(ｍ・Ｋ)）とすると、以下となる。
Ｒ２Ｃ＝１×１０−３／(２．５×π×４×４×１０−６)＝７．９６（Ｋ／Ｗ）
半導体素子２から上部放熱板３までの熱抵抗Ｒ２は、以下となる。
Ｒ２＝０．５０４＋７．９６＝８．４６（Ｋ／Ｗ）
（３）式より合成熱抵抗ＲＴは、以下となる。
ＲＴ＝２．３７×８．４６／（２．３７＋８．４６）＝１．８５（Ｋ／Ｗ）
【００３８】
この実施の形態でも、導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。絶縁体の伝熱シートを介して突起が上部放熱板と接触するので、半導体素子と上部放熱板を電気的に絶縁できるという効果もある。
【００３９】
実施の形態５．
この実施の形態５は、半導体素子に設けた突起と上部放熱板に設けた突起との間に絶縁シートを挟むように実施の形態３を変更した場合である。図１０に、実施の形態５における電子回路装置の断面図を示す。図１０(a)が縦断面図であり、図１０(a)のＢＢ断面における横断面図が図１０(b)である。なお、図１０(a)は図１０(b)のＡＡ断面に対応する。
実施の形態３とは異なる点だけを説明する。半導体素子２の上面に接着した円柱型の突起５の形状を、直径４ｍｍ、高さを６ｍｍとする。上部放熱板３に設けた突起７の形状を、内径６ｍｍ、外径８ｍｍ、高さ６ｍｍとする。突起５と突起７の間に厚さ１ｍｍの絶縁性の伝熱シート８が充填されている。
【００４０】
下部放熱板６までの熱抵抗Ｒ１は、実施の形態１の場合と同じＲ１＝２．３７（Ｋ／Ｗ）である。
上部放熱板３までの熱抵抗Ｒ２は、実施の形態３の場合と同様に熱抵抗のネットワークを作成し、そのネットワークから合成熱抵抗を求める。ノードの作成方法は、図１１のようにする。高さ方向には、下から突起５と伝熱シート８の層、突起５、伝熱シート８及び突起７の層を３分割して３層、伝熱シート８と突起７の層の５層とし、半径方向には、突起５、伝熱シート８、突起７の３つに区分する。下から１層、２層、３層、４層、５層と呼ぶこととする。熱等価回路は、図１２のようになる。図１２において、上部放熱板３の下面を意味するノードと、半導体素子２の上面を意味するノードの間に１５個のノードがあり、ノード間には熱抵抗を配置している。
【００４１】
図１２に示す熱抵抗の値を意味する変数を、以下のように定義する。
ＲＪ１：１層での突起５の内部にあるノード間の高さ方向の熱抵抗。
ＲＪ２：１層での突起５の内部にあるノードと側面の間の熱抵抗。
ＲＪ３：２層〜４層での突起５の内部にあるノード間の高さ方向の熱抵抗。
ＲＪ４：２層〜４層での突起５の内部にあるノードと側面の間の熱抵抗。
ＲＫ１：２層〜４層での突起７の内部にある高さ方向のノード間の熱抵抗。
ＲＫ２：２層〜４層での突起７の内部にあるノードと内側面の間の熱抵抗。
ＲＫ３：５層での突起７の内部にあるノード間の高さ方向の熱抵抗。
ＲＫ４：５層での突起７の内部にあるノードと内側面の間の熱抵抗。
【００４２】
ＲＬ１：１層の突起７よりも内側の部分での伝熱シート８の高さ方向の熱抵抗。
ＲＬ２：１層の突起７よりも内側の部分での伝熱シート８の内側面との間の熱抵抗。
ＲＬ３：１層の突起７よりも内側の部分での伝熱シート８の外側面との間の熱抵抗。
ＲＬ４：１層の突起７よりも外側の部分での伝熱シート８の高さ方向の熱抵抗。
ＲＬ５：１層の突起７よりも外側の部分での伝熱シート８の内側面との間の熱抵抗。
ＲＬ６：２層〜４層の伝熱シート８での高さ方向の熱抵抗。
ＲＬ７：２層〜４層の伝熱シート８での内側面との間の熱抵抗。
ＲＬ８：２層〜４層の伝熱シート８での外側面との間の熱抵抗。
ＲＬ９：５層の下に突起５が有る部分での伝熱シート８の高さ方向の熱抵抗。
ＲＬ１０：５層の下に突起５が有る部分での伝熱シート８の外側面との間の熱抵抗。
ＲＬ１１：５層の下に突起５が無い部分での伝熱シート８の高さ方向の熱抵抗。
ＲＬ１２：５層の下に突起５が無い部分での伝熱シート８の内側面との間の熱抵抗。
ＲＬ１３：５層の下に突起５が無い部分での伝熱シート８の外側面との間の熱抵抗。
【００４３】
これらの熱抵抗の値は、実施の形態３の場合と同様に計算して、以下となる。
ＲＪ１＝１．０×１０−３／(２３７×π×２×２×１０−６)＝０．３３６(Ｋ／Ｗ)
ＲＪ２＝(ln(２．０)−ln(１．０))／(２３７×２×π×１．０×１０−３)
＝０．４６５（Ｋ／Ｗ）
ＲＪ３＝２．０×１０−３／(２３７×π×２×２×１０−６)＝０．６７２(Ｋ／Ｗ)
ＲＪ４＝(ln(２．０)−ln(１．０))／(２３７×２×π×２．０×１０−３)
＝０．２３３（Ｋ／Ｗ）
ＲＫ１＝２．０×１０−３／(２３７×π×（４×４−３×３）×１０−６)
＝０．３８４（Ｋ／Ｗ）
ＲＫ２＝(ln(３．５)−ln(３．０))／(２３７×２×π×２．０×１０−３)
＝０．０５１８（Ｋ／Ｗ）
ＲＫ３＝１．０×１０−３／(２３７×π×（４×４−３×３）×１０−６)
＝０．１９２（Ｋ／Ｗ）
ＲＫ４＝(ln(３．５)−ln(３．０))／(２３７×２×π×１．０×１０−３)
＝０．１０４（Ｋ／Ｗ）
【００４４】
ＲＬ１＝１．０×１０−３／(２．５×π×（３×３−２×２）×１０−６)
＝２５．４６（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ２＝(ln(２．５)−ln(２．０))／(２．５×２×π×１．０×１０−３)
＝１４．２１（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ３＝(ln(３．０)−ln(２．５))／(２．５×２×π×１．０×１０−３)
＝１１．６１（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ４＝１．０×１０−３／(２．５×π×（４×４−３×３）×１０−６)
＝１８．１９（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ５＝(ln(３．５)−ln(３．０))／(２．５×２×π×１．０×１０−３)
＝９．８１（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ６＝２．０×１０−３／(２．５×π×（３×３−２×２）×１０−６)
＝５０．９３（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ７＝(ln(２．５)−ln(２．０))／(２．５×２×π×２．０×１０−３)
＝７．１０（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ８＝(ln(３．０)−ln(２．５))／(２．５×２×π×２．０×１０−３)
＝５．８０３（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ９＝１．０×１０−３／(２．５×π×２×２×１０−６)＝３１．８３(Ｋ／Ｗ)
ＲＬ１０＝(ln(２．０)−ln(１．０))／(２．５×２×π×１．０×１０−３)
＝４４．１３（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ１１＝１．０×１０−３／(２．５×π×（３×３−２×２）×１０−６)
＝２５．４６（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ１２＝(ln(２．５)−ln(２．０))／(２．５×２×π×１．０×１０−３)
＝１４．２１（Ｋ／Ｗ）
ＲＬ１３＝(ln(３．０)−ln(２．５))／(２．５×２×π×１．０×１０−３)
＝１１．６１（Ｋ／Ｗ）
【００４５】
このように作成した熱抵抗のネットワークから、半導体素子２から上部放熱板３までの熱抵抗Ｒ２は、Ｒ２＝４．６６（Ｗ／Ｋ）と計算できる。これより、半導体素子２から上部放熱板３または下部放熱板６までの合成熱抵抗ＲＴは、以下のように計算できる。
ＲＴ＝（２．３７×４．６６）／（２．３７＋４．６６）＝１．５７（Ｋ／Ｗ）
突起５と突起７の間に伝熱シート８が配置され伝熱シート８の面積が大きくなり、伝熱シート８で発生する熱抵抗が小さくなるために、上部放熱板３までの熱抵抗を下部放熱板６までの熱抵抗は、突起５と突起７を合わせたのと同じ外形である実施の形態４の場合よりも小さくなる。これは、実施の形態３と実施の形態１との間の関係と同様である。
【００４６】
この実施の形態でも、導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。
【００４７】
実施の形態６．
この実施の形態６は、ベアチップ実装されている半導体素子の上面に複数の突起をワイヤボンディングにより設置した場合である。図１３に、実施の形態６における電子回路装置の断面図を示す。図１３(a)が縦断面図であり、図１３(a)のＢＢ断面における横断面図が図１３(b)である。なお、図１３(a)は図１３(b)のＡＡ断面に対応する。
図１３に示すように、ベアチップ実装されている半導体素子２の上面には電極２Ａがあり、図における横方向に配線されたボンディングワイヤ９により回路基板１と電極２Ａが接合されている。半導体素子２の上面の中央部にはボンディングワイヤ９を配置せず、直径２ｍｍで高さ６ｍｍのアルミニウム製の突起５を１２本ワイヤボンディングによって設置している。上部放熱板３は回路基板１から７ｍｍの位置にケース４に配置されており、半導体素子２から上部放熱板３までの空間には充填材として絶縁性のあるシリコンゴム製の伝熱シート８を充填している。伝熱シート８は、ボンディングワイヤ９を破断しないように、十分に硬度の低いものとし、伝熱シート８が破断してボンディングワイヤ９及び突起５が伝熱シート８に食い込み、伝熱シート８と半導体素子２の上面とが密着する。
【００４８】
下部放熱板６までの熱抵抗Ｒ１は、実施の形態１の場合と同じＲ１＝２．３７（Ｋ／Ｗ）である。
上部放熱板３までの熱抵抗Ｒ２は、突起５の１本あたりでの熱抵抗を求めて、それを突起５の数である１２で割って求めることにする。
突起５の熱抵抗Ｒ２Ａは、以下となる。
Ｒ２Ａ＝６×１０−３／(２３７×π×１×１×１０−６)＝８．０６（Ｋ／Ｗ）
突起５と上部放熱板３との間にある伝熱シート８の熱抵抗Ｒ２Ｃは、以下となる。
Ｒ２Ｃ＝１×１０−３／(２．５×π×１×１×１０−６)＝１２７．３（Ｋ／Ｗ）
これより、突起５の１２本分の熱抵抗Ｒ２は、以下となる。
Ｒ２＝（８．０６＋１２７．３）／１２＝１１．３（Ｋ／Ｗ）
上部放熱板３または下部放熱板６までの合成熱抵抗ＲＴは、以下となる。
ＲＴ＝２．３７×１１．３／（２．３７＋１１．３）＝１．９６（Ｋ／Ｗ）
【００４９】
この実施の形態でも、導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。絶縁体の伝熱シートを介して突起が上部放熱板と接触するので、半導体素子と上部放熱板を電気的に絶縁できるという効果もある。
伝熱のために導熱部品である突起を設けたが、電気接続用のボンディングワイヤの数が多い場合には、電気接続用のボンディングワイヤ９だけで十分に熱抵抗を低減することも可能である。その場合には、伝熱のための突起５を設けなくてもよいし、伝熱のために突起を設けてさらに熱抵抗を低減させてもよい。
【００５０】
実施の形態７．
この実施の形態７は、ベアチップ実装されている半導体素子の上面に多数のワイヤボンディングが有り、このワイヤボンディングを半導体素子の熱を上部放熱板に伝える導熱部品として用いる場合である。図１４に、実施の形態７における電子回路装置の断面図を示す。図１４(a)が縦断面図であり、図１４(a)のＢＢ断面における横断面図が図１４(b)である。なお、図１４(a)は図１４(b)のＡＡ断面に対応する。
図１４に示すように、ベアチップ実装されている半導体素子２の上面には電極２Ａがあり、図における横方向に配線された所定の数（この場合は１６本）のボンディングワイヤ９により回路基板１と電極２Ａが接合されている。ボンディングワイヤ９により、半導体素子２の熱を上部放熱板３に伝えて冷却している。
【００５１】
この実施の形態でも、導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。絶縁体の伝熱シートを介して突起が上部放熱板と接触するので、半導体素子と上部放熱板を電気的に絶縁できるという効果もある。
【００５２】
実施の形態８．
この実施の形態８は、上部放熱板、下部放熱板及びケースで囲まれた空間に伝熱ゲルを充填して、周期的に変化する発熱量に対する熱抵抗も低減するように実施の形態１を変更した場合である。図１５に、実施の形態８における電子回路装置の断面図を示す。図１５(a)が縦断面図であり、図１５(a)のＢＢ断面における横断面図が図１５(b)である。なお、図１５(a)は図１５(b)のＡＡ断面に対応する。
実施の形態１の場合での図１と異なる点だけを説明する。上部放熱板３、下部放熱板６及びケース４で囲まれた空間に、絶縁性を有する充填材である伝熱ゲル１０を充填している。
【００５３】
伝熱ゲル１０の諸物性値は以下とする。他の実施の形態でも、以下の値を使用する。
（伝熱ゲル１０の諸物性値）
熱伝導率：２．５（Ｗ／(ｍ・Ｋ)）
比熱    ：１０００(Ｊ／(ｋｇ・Ｋ))
密度    ：１７００(ｋｇ／ｍ３)
伝熱ゲル１０の熱伝導率はアルミニウムの１００分の１程度なので、半導体素子２と上部放熱板３の間の熱抵抗を計算する上で伝熱ゲル１０による伝熱分は無視することとする。すると、熱抵抗は実施の形態１と同じになる。
【００５４】
この実施の形態でも、導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。
この実施の形態では、発熱量が１０秒程度の周期で変化する非定常発熱に対して、突起５と伝熱ゲル１０を備えることにより、半導体素子２の温度を低減できることを示す。単位時間当りの発熱量を積分すると熱量になり、熱容量は単位温度を上昇させるのに必要な熱量なので、熱等価回路における熱容量は電気回路におけるコンデンサと同様な意味を持つことになる。また、熱等価回路での単位時間当りの発熱量が電気回路における電流に相当するので、半導体素子２を電流源として表現する。熱容量を電気回路におけるコンデンサの記号で表現し、半導体素子２を電流源の記号で表現した熱等価回路を、図１６に示す。
【００５５】
ここで、図１６に示した変数の意味を説明する。また、その値も示す。
Ｒｐ：突起５の熱抵抗。（＝０．５９（Ｋ／Ｗ））
Ｃｐ：突起５の熱容量。（＝０．８６（Ｊ／Ｋ））
Ｒｂ：回路基板１の熱抵抗。（＝２．０９（Ｋ／Ｗ））
Ｃｂ：回路基板１の熱容量。（＝２．４３（Ｊ／Ｋ））
Ｒｈ：上部放熱板３と下部放熱板６の熱抵抗。（＝０．２０（Ｋ／Ｗ））
Ｃｈ：上部放熱板３と下部放熱板６の熱容量。（＝１２．８（Ｊ／Ｋ））
Ｒｐｈ：突起５と上部放熱板３の間の接触熱抵抗。（＝２．７６（Ｋ／Ｗ））
Ｒｂｈ：回路基板１と下部放熱板６の間の接触熱抵抗。（＝０．２８（Ｋ／Ｗ））
Ｒｇ１：伝熱ゲル１０の内側部（直径１６ｍｍよりも内側）への熱抵抗。
（＝３．７５（Ｋ／Ｗ））
Ｒｇ２：伝熱ゲル１０の内側部から外側部への熱抵抗。（＝４．２３（Ｋ／Ｗ））
Ｃｇ１：伝熱ゲル１０の内側部の熱容量。（＝１．７９（Ｊ／Ｋ））
Ｃｇ２：伝熱ゲル１０の外側部の熱容量。（＝３．５６（Ｊ／Ｋ））
Ｒａ：外気との間の熱抵抗の推定値。（＝４０．０（Ｋ／Ｗ））
【００５６】
Ｒｈ、Ｒｇ１、Ｒｇ２、Ｒａ以外の熱抵抗は、実施の形態１で計算した熱抵抗の値である。伝熱ゲル１０への熱抵抗Ｒｇ１とＲｇ２は、以下のように等価直径を求めて、直径１６ｍｍの内側の内側部とその外側の等価半径までである外側部の２個に分けて計算する。断面積がＳで周囲長がＰの断面の等価直径Ｄは、以下の式で計算できる。
Ｄ＝４×(Ｓ／Ｐ)                                                     （６）
（６）式より、等価直径Ｄは、以下のように計算できる。
Ｄ＝４×((２０×２５)／(２×(２０＋２５)))＝２２．２（ｍｍ）
突起５の内部の中心から２ｍｍの位置から内側部の中心である半径６ｍｍの位置までの熱抵抗Ｒｇ１を計算すると、以下となる。
Ｒｇ１＝(ln(４)−ln(２))／(２３７×２×π×７×１０−３)＋
(ln(６)−ln(４))／(２．５×２×π×７×１０−３)
＝３．７５（Ｋ／Ｗ）
伝熱ゲル１０の外側部への熱抵抗Ｒｇ２は、同様にして以下のように計算できる。
Ｒｇ２＝(ln(９．５５)−ln(６))／(２．５×２×π×７×１０−３)
＝４．２３（Ｋ／Ｗ）
上部放熱板３と下部放熱板６は、縦×横×高さが３０ｍｍ×３５ｍｍ×５ｍｍであり、その熱抵抗Ｒｈは以下となる。
Ｒｈ＝５×１０−３／(２３７×３０×３５×１０−６)＝０．０２０（Ｋ／Ｗ）
【００５７】
アルミニウムの比熱は９００(Ｊ／(ｋｇ・Ｋ))であり、比重は２７００(ｋｇ／ｍ３)である。熱容量Ｃは、体積Ｖ、比熱ｈ、比重Ｗとすると、以下の式で計算できる。
Ｃ＝ｈ×Ｗ×Ｖ                                                       （７）
（７）式より、熱容量は以下のように計算できる。なお、回路基板１の熱容量では、簡易的に厚さすべてがアルミニウムであるとして計算する。外側部の伝熱ゲル１０では、等価半径ではなく長方形の断面での体積から熱容量を計算する。
Ｃｐ＝９００×２７００×(π×４×４×７×１０−9)＝０．８５５（Ｊ／Ｋ）
Ｃｂ＝９００×２７００×(２０×２５×２．０×１０−9)＝２．４３（Ｊ／Ｋ）
Ｃｈ＝９００×２７００×(３０×３５×５×１０−9)＝１２．８（Ｊ／Ｋ）
Ｃｇ１＝１０００×１７００×(π×(８×８−４×４)×７×１０−9)
＝１．７９（Ｊ／Ｋ）
Ｃｇ２＝１０００×１７００×((２０×２５−π×８×８)×７×１０−9)
＝３．５６（Ｊ／Ｋ）
【００５８】
比較対象とする突起５が無く伝熱ゲルを充填した場合の熱等価回路は、図１７とする。半導体素子２と上部放熱板３の間での熱抵抗Ｒｇ３＝１８．０（Ｗ／Ｋ）の中間に、伝熱ゲルの熱容量Ｃｇ３＝５．９５（Ｊ／Ｋ）を配置している。
【００５９】
このような熱容量も考慮した熱等価回路を用いて、図１８に示すような直流分と周期１０秒の正弦波成分が重畳した発熱量が半導体素子２で発生するとした場合の、半導体素子２の温度を計算する。直流分の大きさとと交流分の振幅はともに１０Ｗであり、半導体素子２の発熱量は０Ｗ〜２０Ｗの間で、変動分が正弦波状に変化する。
周期１０秒とすると、角周波数ωは２×π×（１／１０）＝０．６２８となり、熱容量Ｃの熱インピーダンスは、ｊ(１／(ω×Ｃ))となる。よって、図１６の熱等価回路の熱インピーダンスは、図１９のようになる。図１９より、半導体素子２と外気の間での周波数１０秒の正弦波に対する熱インピーダンスＺＴは、ＺＴ＝０．６１２−ｊ０．３５９（Ｗ／Ｋ）、|ＺＴ|＝０．７１０（Ｗ／Ｋ）と計算できる。
伝熱ゲル１０を充填しない場合の半導体素子２と外気の間での周波数１０秒の正弦波に対する熱インピーダンスＺＳは、ＺＳ＝０．６４８−ｊ０．４６１（Ｗ／Ｋ）、|ＺＳ|＝０．７９５（Ｗ／Ｋ）なので、伝熱ゲル１０を充填することにより、熱インピーダンスの大きさを約１１％低減できることが分かる。また、突起５が無く伝熱ゲル１０を充填した場合の熱インピーダンスＺＤは、ＺＤ＝１．１３６−ｊ０．４０８（Ｗ／Ｋ）、|ＺＤ|＝１．２０７（Ｗ／Ｋ）となる。突起５を設けることにより、熱インピーダンスを約４１％低減できることが分かる。
【００６０】
図１８の入力に対する定常状態での半導体素子２の温度変化を、図２０に示す。図２０(a)に、伝熱ゲル１０を充填した場合の半導体素子２と外気との温度差の温度変化を示す。図２０(b)が伝熱ゲル１０を充填しない場合であり、図２０(c)が突起５を設けないで伝熱ゲル１０を充填する場合である。
図２０から、以下が分かる。突起５が無い場合である図２０(c)では、半導体素子２と外気の温度差の最大値が２５８．４Ｋである。突起５を設けて伝熱ゲル１０が無い場合である図２０(ｂ)では、突起５が無い場合よりも外気との温度差の最大値が３５．２Ｋ低減し、２２３．３Ｋである。これより、突起５を設けることにより非定常発熱に対して半導体素子５の温度上昇を抑制できることが分かる。さらに、伝熱ゲル１０を充填する場合である図２０(a)では、伝熱ゲル１０を充填しない場合である図２０(b)よりも０．９Ｋ低減し、温度差の最大値が２２２．４Ｋとなる。伝熱ゲル１０を充填することにも非定常発熱に対して半導体素子２の温度上昇を抑制できる効果が有ることが分かる。ここでは、伝熱ゲル１０を充填することにより半導体素子２から上部放熱板３までの合成熱抵抗は変化しないとしているので、伝熱ゲル１０を充填することにより温度差の平均値は変化せず、最大値だけが低下する。実際には、半導体素子２から上部放熱板３までの合成熱抵抗は僅かだが減少するので、伝熱ゲル１０を充填することにより温度差の平均値も合成熱抵抗の減少分に比例して減少する。
なお、周期が１０秒の正弦波に対して熱インピーダンスと定常時の熱応答を示したが、周期を１０秒から変化させたり、波形を正弦波から変化させたり、周期及び波形を同時に変化させたりした場合でも、同様な効果を有する。周期が短い（周波数が大きい）ほど熱インピーダンスが小さくなり、非定常発熱に対する温度抑制の効果が大きくなる。
【００６１】
このように、導熱部品を設けることにより、発熱する電子部品と外気の間の熱インピーダンスを低減でき、非定常発熱に対しても電子部品の温度上昇を抑制できるという効果がある。伝熱ゲルを充填することにより、発熱する電子部品と外気の間の熱インピーダンスをさらに低減でき、非定常発熱に対する電子部品の温度上昇を抑制できる度合いを大きくできるという効果がある。
【００６２】
実施の形態９
この実施の形態９は、上部放熱板、下部放熱板及びケースで囲まれた空間に伝熱ゲルを充填して、周期的に変化する発熱量に対する熱抵抗も低減するように実施の形態４を変更した場合である。図２１に、実施の形態９における電子回路装置の断面図を示す。図２１(a)が縦断面図であり、図２１(a)のＢＢ断面における横断面図が図２１(b)である。なお、図２１(a)は図２１(b)のＡＡ断面に対応する。
実施の形態４の場合での図９と異なる点だけを説明する。上部放熱板３、下部放熱板６及びケース４で囲まれた空間に、絶縁性を有する伝熱ゲル１０を充填している。上部放熱板３と突起５の間にも、伝熱シート８ではなく伝熱ゲル１０が充填される。
【００６３】
次に動作を説明する。熱容量も考慮した熱等価回路は、図２２のようにモデル化する。伝熱ゲル１０のモデル化方法が実施の形態８の場合と異なっているので、その方法を説明する。まず、伝熱ゲル１０の部分の分け方について説明する。突起５と上部放熱板３に挟まれた直径８ｍｍで高さ１ｍｍの部分を、中心端部と呼ぶ。２０ｍｍ×２５ｍｍの長方形から直径８ｍｍの円を除いた断面の高さ１ｍｍの部分を外周端部と呼ぶ。外周端部の下にある同じ断面で高さ６ｍｍの部分を外周部と呼ぶ。実施の形態８では、突起５から伝熱ゲル１０を経由しての熱抵抗が、突起５の熱抵抗の２０倍以上であるため、無視したが。実施の形態９では、外周部および外周端部の伝熱ゲル１０の熱抵抗は、必ず考慮する必要が有る中心端部の伝熱ゲル１０の熱抵抗に対して数倍と考えられるので、外周部および外周端部の伝熱ゲル１０の熱抵抗も考慮する必要がある。中心端部と外周端部では上部放熱板３にほぼ垂直に一様に熱が流れるので、熱容量までの熱抵抗の値と、突起５から上部放熱板３の間の熱抵抗に寄与する値は同じと考えてよい。ここで、中心端部の伝熱ゲル１０の熱抵抗をＲｇＢ＝７．９６（Ｗ／Ｋ）とし、外周端部の伝熱ゲル１０の熱抵抗をＲｇＣ＝１．１９（Ｗ／Ｋ）とする。
【００６４】
外周部では、外周部の伝熱ゲル１０を加熱する熱の流れ（熱容量への熱の流れ）は、実施の形態８の場合と同様に突起５からドーナツ状の伝熱ゲル１０を外側に向かう方向であるのに対して、突起５から上部放熱板３の間での熱の流れは、突起５に沿う成分が主となる。このように熱の流れが異なるので、外周部では熱容量に向う熱抵抗ＲｇＡ１及びＲｇＡ２と、突起５から上部放熱板３の間での熱抵抗に寄与する値ＲｇＤとを別の値としている。熱抵抗ＲｇＡ１及びＲｇＡ２は、実施の形態８の場合でのＲｇ１及びＲｇ２と同様だが高さが７ｍｍから６ｍｍに変化しているので、ＲｇＡ１＝４．３８（Ｗ／Ｋ）、ＲｇＡ２＝４．９３（Ｗ／Ｋ）となる。熱抵抗ＲｇＤは、突起５と伝熱ゲル１０をともに考慮した半導体素子２と上部放熱板３の間の合成熱抵抗Ｒｘを計算し、図２２の等価回路における半導体素子２と上部放熱板３の間の合成熱抵抗が、計算した合成熱抵抗Ｒｘと同じになるような値とする。ここで、図２３のように熱抵抗のネットワークを作成して、半導体素子２と上部放熱板３の間の合成熱抵抗Ｒｘを計算するものとする。すると、合成熱抵抗ＲｘはＲｘ＝３．９８（Ｗ／Ｋ）となり、ＲｇＤ＝６．０５（Ｗ／Ｋ）となる。
【００６５】
伝熱ゲル１０の熱容量は、以下のように計算できる。
ＣｇＡ１＝１０００×１７００×(π×(８×８−４×４)×６×１０−9)
＝１．５３（Ｊ／Ｋ）
ＣｇＡ２＝１０００×１７００×((２０×２５−π×８×８)×６×１０−9)
＝３．０５（Ｊ／Ｋ）
ＣｇＢ＝１０００×１７００×(π×４×４×１×１０−9)＝０．０８５５(Ｊ／Ｋ)
ＣｇＣ＝１０００×１７００×((２０×２５−π×４×４)×１×１０−9)
＝０．７６４（Ｊ／Ｋ）
比較対象として、図２４に、突起５と上部放熱板３の間だけに伝熱シート８を配置した実施の形態４の場合での熱等価回路を示す。伝熱シート８の熱抵抗と熱容量は、中心端部の伝熱ゲル１０の熱抵抗ＲｇＢと熱容量ＣｇＢと同じになる。
【００６６】
図２２の熱等価回路での周期１０秒の正弦波に対する熱インピーダンスＺＴは、ＺＴ＝０．６１２−ｊ０．３９２（Ｗ／Ｋ）、|ＺＴ|＝０．７２７（Ｗ／Ｋ）となる。図２４の場合の熱インピーダンスＺＳは、ＺＳ＝０．６３７−ｊ０．５７５（Ｗ／Ｋ）、|ＺＳ|＝０．８５８（Ｗ／Ｋ）となる。伝熱ゲル１０を充填することにより、熱インピーダンスが約１５％低減する。
半導体素子２の発熱量が図１８に示すように周期１０秒の正弦波で変化した場合の定常状態での半導体素子２と外気の温度差の時間変化を、図２５に示す。図２５(a)が伝熱ゲル１０を充填した場合であり、図２５(b)が突起５と上部放熱板３の間だけに伝熱シート８を配置した場合である
図２５から、以下が分かる。突起５と上部放熱板３の間だけに伝熱シート８を配置した場合である図２５(b)では、半導体素子２と外気の温度差の最大値が２３５．９Ｋである。図２０(c)に示す突起５が無い場合よりも、外気との温度差の最大値が２２．５Ｋ低減している。これにより、突起５を設けることにより非定常発熱に対して半導体素子５の温度上昇抑制できることが分かる。また、突起５と上部放熱板３の間に伝熱ゲル１０を充填する場合である図２５(a)での外気の温度差の最大値は２２４．１Ｋであり、突起５と上部放熱板３の間だけに伝熱シート８を配置した場合よりも、外気との温度差の最大値が１３．８Ｋ低減している。伝熱ゲル１０を充填することにも非定常発熱に対して半導体素子２の温度上昇を抑制できる効果が有ることが分かる。
【００６７】
このように、突起という導熱部品を設けることにより、発熱する電子部品と外気の間の熱インピーダンスを低減でき、非定常発熱に対しても電子部品の温度上昇を抑制できるという効果がある。伝熱ゲルを充填することにより、発熱する電子部品と外気の間の熱インピーダンスをさらに低減でき、非定常発熱に対する電子部品の温度上昇を抑制できる度合いを大きくできるという効果がある。絶縁体の伝熱ゲルを介して突起が上部放熱板と接触するので、半導体素子と上部放熱板を電気的に絶縁できるという効果もある。
【００６８】
実施の形態１０．
この実施の形態１０は、上部放熱板とケースを一体に形成した場合である。図２６に、実施の形態１０における電子回路装置の断面図を示す。図２６(a)が縦断面図であり、図２６(a)のＢＢ断面における横断面図が図２６(b)である。なお、図２６(a)は図２６(b)のＡＡ断面に対応する。
実施の形態１の場合での図１と異なる点だけを説明する。ケース４の部分も上部放熱板３と一体化している。上部放熱板３と下部放熱板６で囲まれた空間に、絶縁性を有する伝熱ゲル１０を充填している。
【００６９】
この実施の形態でも、導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。
【００７０】
実施の形態１１．
この実施の形態１１は、突起をケースと一体化した上部放熱板の側面にも近接するようにした場合である。図２７に、実施の形態１１における電子回路装置の断面図を示す。図２７(a)が縦断面図であり、図２７(a)のＢＢ断面における横断面図が図２７(b)である。なお、図２７(a)は図２７(b)のＡＡ断面に対応する。
実施の形態１０の場合での図２６と異なる点だけを説明する。突起５が半導体素子２と接触する断面が８ｍｍ×８ｍｍの正方形である。８ｍｍ×８ｍｍの正方形の断面である部分の高さは１ｍｍで、その上には２１．５ｍｍ×８ｍｍの長方形の断面で高さ５ｍｍの直方体が右側面をそろえる形で接続する。このようにすると、突起５は上部放熱板３の上面及び左側面に近接することになる。
【００７１】
この実施の形態でも、導熱部品を設けることにより、上部放熱板までの熱抵抗を下部放熱板までの熱抵抗と同程度までに低減でき、上部放熱板と下部放熱板をどちらも有効に利用して発熱する電子部品を冷却できるという効果が有る。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】この発明の実施の形態１での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図２】この発明の実施の形態１での電子回路装置に関係して半導体素子に突起を設けないでケース内に充填材を充填した場合の半導体素子から上部放熱板までの合成熱抵抗を計算するため熱抵抗のネックワークを作成する充填材の区分を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態１での電子回路装置に関係して半導体素子に突起を設けないでケース内に充填材を充填した場合の半導体素子から上部放熱板までの合成熱抵抗を計算するため熱抵抗のネックワークを説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態１での電子回路装置に関係して熱抵抗のネックワークの作成方法を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態２での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態３での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図７】この発明の実施の形態３での電子回路装置での半導体素子から上部放熱板までの合成熱抵抗を計算するため熱抵抗のネックワークを説明する図である。
【図８】この発明の実施の形態３での電子回路装置での半導体素子から上部放熱板までの合成熱抵抗を計算するため熱等価回路を説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態４での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図１０】この発明の実施の形態５での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図１１】この発明の実施の形態５での電子回路装置での半導体素子から上部放熱板までの合成熱抵抗を計算するため熱抵抗のネックワークを説明する図である。
【図１２】この発明の実施の形態５での電子回路装置での半導体素子から上部放熱板までの合成熱抵抗を計算するため熱等価回路を説明する図である。
【図１３】この発明の実施の形態６での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図１４】この発明の実施の形態７での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図１５】この発明の実施の形態８での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図１６】この発明の実施の形態８での電子回路装置の熱容量も考慮した熱等価回路を説明する図である。
【図１７】この発明の実施の形態８での電子回路装置の比較対象である突起が無く伝熱ゲルを充填した場合の熱容量も考慮した熱等価回路を説明する図である。
【図１８】この発明の実施の形態８での電子回路装置の半導体素子で発生を想定する発熱量の時間変化を説明する図である。
【図１９】この発明の実施の形態８での電子回路装置の半導体素子で発生を想定する発熱量の時間変化に対する熱インピーダンスを説明する図である。
【図２０】この発明の実施の形態８での電子回路装置の半導体素子での発熱量が変化する場合の半導体素子と外気との温度差の時間変化を説明する図である。
【図２１】この発明の実施の形態９での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図２２】この発明の実施の形態９での電子回路装置の熱容量も考慮した熱等価回路を説明する図である。
【図２３】この発明の実施の形態９での電子回路装置での外周部の伝熱ゲルの半導体素子と上部放熱板の間の熱抵抗に寄与する熱抵抗の値を計算するため熱抵抗のネックワークを説明する図である。
【図２４】この発明の実施の形態９での電子回路装置の比較対象である突起と上部放熱板の間にだけ伝熱シートを挟んだ場合の熱容量も考慮した熱等価回路を説明する図である。
【図２５】この発明の実施の形態９での電子回路装置の半導体素子での発熱量が変化する場合の半導体素子と外気との温度差の時間変化を説明する図である。
【図２６】この発明の実施の形態１０での電子回路装置の構造を説明する図である。
【図２７】この発明の実施の形態１１での電子回路装置の構造を説明する図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  ：回路基板
２  ：半導体素子（発熱する電子部品）
３  ：上部放熱板
４  ：ケース
５  ：突起（導熱部品）
６  ：下部放熱板
７  ：突起（導熱部品）
８  ：伝熱シート
９  ：ボンディングワイヤ（導熱部品）
１０  ：伝熱ゲル（充填材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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