(57)【要約】  半導体の発熱をヒートスプレッターから接合部材を介してプリント基板のヒートビアに熱伝導し、熱伝導部材を介してベースより外気に熱伝達する熱の流れを阻害しない放熱構造を実現させる  半導体のヒートスプレッターと当接するはんだ等の熱伝導性接合部材と、プリント基板のランド及びヒートビア、更にベースとの空隙に充填する熱伝導部材について、それぞれの熱容量をベースに向けて増加する傾向としかつ、プリント基板の表側のランド面積より裏側のランド面積を増大させることで解決できる。
2015072294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱用のヒートビア部を形成した基板と、
前記基板のヒートビア部にヒートスプレッターおよび第一のランド部を介して実装される半導体素子と、
前記基板および前記半導体素子を収容するケースと、
前記ケースと前記基板との間に第二のランド部を介して設けられた熱伝導部材と、
を有する、車載電子制御装置において、
前記半導体素子と前記ヒートスプレッター間の熱容量をCp1、前記第一のランド部と前記ヒートビア部間の熱容量：Cp2、前記ヒートビア部と前記第二のランド間の熱容量：Cp３、とし、
前記基板に形成された前記第一のランド部の当接面積をS1、前記S1と反対側の前記基板に形成された前記第二のランド部の当接面積をS2とした場合、
Cp1  ≦  Cp2  ≦  Cp3    かつ  S1  ＜  S2  
の関係を成すことを特徴とする車載電子制御装置。
【請求項２】
放熱用のヒートビア部を形成した基板と、
前記基板のヒートビア部にヒートスプレッターおよび第一のランド部を介して実装される半導体素子と、
前記基板および前記半導体素子を収容するケースと、
前記ケースと前記基板との間に第二のランド部を介して設けられた熱伝導部材と、
を有する、車載電子制御装置において、
前記半導体素子と前記ヒートスプレッター間の熱容量をCp1、前記第一のランド部と前記ヒートビア部間の熱容量：Cp2、前記ヒートビア部と前記第二のランド間の熱容量：Cp３、とした場合、
Cp1  ≦  Cp2  ≦  Cp3  
の関係を成すことを特徴とする車載電子制御装置。
【請求項３】
放熱用のヒートビア部を形成した基板と、
前記基板のヒートビア部にヒートスプレッターおよび第一のランド部を介して実装される半導体素子と、
前記基板および前記半導体素子を収容するケースと、
前記ケースと前記基板との間に第二のランド部を介して設けられた熱伝導部材と、
を有する、車載電子制御装置において、
前記基板に形成された前記第一のランド部の当接面積をS1、前記S1と反対側の前記基板に形成された前記第二のランド部の当接面積をS2とした場合、
S1  ＜  S2  
の関係を成すことを特徴とする車載電子制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の車載電子制御装置において、前記半導体素子と熱伝導部材を介して設置される前記ヒートスプレッターと前記ヒートビアを形成した基板の熱伝導を掌るヒートビアとの間に設置される熱伝導部材は、はんだ、熱伝導フィラーを配合した接着剤により実装されたことを特徴とする車載電子制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載の車載電子制御装置において、前記基板に形成される、
前記ヒートビアの総面積は、プリント基板の表側に形成されたランド面積に対し、８％以上となるようにしたことを特徴とする車載電子制御装置。
【請求項６】
請求項１に記載の車載電子制御装置において、前記基板に形成される、
前記ヒートビアの総面積形状を楕円としたことを特徴とする車載電子制御装置。
【請求項７】
請求項１に記載の車載電子制御装置において、前記基板の厚さは、１ｍｍ〜２ｍｍとして、前記ヒートビアの長さを２ｍｍ以下にしたことを特徴とする車載電子制御装置。
【請求項８】
請求項１に記載の車載電子制御装置において、前記基板に設置されたヒートビア及び表裏面ランドと前記ケース、前記ベースとの間に設けられた熱伝導部材はシリコーン樹脂に熱伝導フィラーを配合したゲル、グリース、接着剤であることを特徴とした車載電子制御装置。
【請求項９】
請求項１に記載の車載電子制御装置において、前記基板に設置されたヒートビア及び表裏面ランドと前記ケース、前記ベースとの間に設けられた熱伝導部材は接着官能基を有し、前記基板と、前記ケース、ベースと接着されていることを特徴とする車載電子制御装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の車載電子制御装置において、前記プリント基板に形成されたヒートビア、或いはヒートビアと表裏面のランドパターンの総和となる熱容量と、前記プリント基板に当接する熱伝導部材が樹脂系、特にシリコーン系、エポキシ系の熱伝導部材とする場合、双方の熱容量を等価としたことを特徴とする車載電子制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載電子制御装置に関し、特に車両のエンジンルームに設置される車載電子制御装置の放熱構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車載電子制御装置は、半導体素子や電子部品が回路基板に実装され、これらの回路が筐体に格納される構造である。このような半導体素子を備える車載電子制御装置には、半導体素子から発せられた熱や、車載電子制御装置の筐体の内部で蓄積された熱量を外部に放熱する放熱構造が採用されている。本技術分野の先行技術としては、例えば特許文献１や特許文献２がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−４９５３号
【特許文献２】特開２００３−３３８５７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１に、放熱構造を有する電子制御装置１として、車載電子制御装置１の断面構造図を示す。図２には図１に提示した車載電子制御装置の放熱構造を示す部分拡大図である。【０００５】
車載電子制御装置１に実装される半導体素子２より発した熱は、各構成部品の組み合わせや筐体構造による放熱設計が成されている。この構造について図１、図２を用いて説明する。【０００６】
発熱する半導体素子２を含む電子部品３をプリント基板に実装した回路基板１２と、この回路基板１２を設置するベース４、回路信号の入出力のインターフェースとなるコネクタ及び、この回路基板１２が格納するカバー５により筐体となる構造で構成されている。発熱する半導体素子２を含む電子部品３が表面実装された回路基板１２は、筐体内部に格納され、電子部品３が筐体と干渉しない寸法によりカバー５、或いはベース４に固定される。そして、蓋となるカバー５をベース４に接着剤６等で固定することで外部より密封となる筐体構造を形成している。【０００７】
半導体パッケージ７は、上記半導体素子２、ワイヤボンディング８、及び上記リードフレーム９の一部と共々包括される形状で、エポキシ樹脂等からなる封止樹脂１０により封止されている。【０００８】
そして、発熱する半導体パッケージ７からの熱を放熱する構造について悦明する。  発熱する半導体パッケージ７のリードフレーム９及びヒートスプレッター１１と回路基板１２表面１５ａの所定の部分に、リードフレーム９やヒートスプレッター１１の露出部形状に合わせたランドパターン１３を形成し、このランドパターン１３形状部分にはんだや導電性接着剤等の接合部材１４により実装される。  ヒートスプレッター１１がはんだ１４で実装されるプリント基板１５には、幾数もの貫通孔からなるヒートビア１６が形成されており、このヒートビア１６内部にはめっきが施されているために、ヒートスプレッター１１からの熱がはんだ１４を介し、更に、これらのヒートビア１６に充填されたはんだ１４やヒートビア１６に施されためっきを介して、プリント基板１５の下面１５ｂに熱伝導される。  プリント基板１５の下面１５ｂには、熱伝導性を有する弾性体の接着剤やグリース等の熱伝導部材１７が、プリント基板１５の下面１５ｂからベース４との隙間を埋める構造となっており、半導体素子２の熱は、各構成部品を介してベース４に熱伝導され、ベース４表面から外気に熱伝達することで放熱する構造である。【０００９】
一方、こうした放熱構造について、半導体パッケージ７ａからの発熱を蓄積できうる熱容量を有する蓄積体１８を直接、半導体パッケージ７ａに当接した構造により放熱性を改善した構造として、例えば特許文献１に記載される電子制御装置の構造がある。  図３に特許文献１に示す記載される電子制御装置の断面構造図を示す。【００１０】
特許文献１に示す放熱構造は、半導体パッケ−ジ７ａは、半導体自身が発する熱を伝熱するヒートスプレッター１１ａに搭載され、半導体パッケージ７ａからの信号を伝達するリードフレーム１１ａと共に封止樹脂１０ａでパッケージモールドされており、ヒートスプレッター１１ａが露出する形態の一般的なパワー系の半導体パッケージである。【００１１】
前記半導体パッケージ７ａのリードフレーム９ａは、プリント基板１５ｃのランド部１３ａにはんだ等の接合部材１４ａで実装される。  前記プリント基板１５ｃはヒートスプレッター１１ａの大きさ同じ程度の貫通部があり、ヒートスプレッター１１ａが、プリント基板１５ａに形成された貫通部に挿入する状態と配置されると共に、金属でできた蓄熱体１８とヒートスプレッター１１ａをはんだ１４ａ、熱伝導接着剤等で当接する構造である。この蓄熱体１８は銅、或いは銅合金が好適であり、半導体パッケージ７ａが動作した際の過渡的に発生する発熱量を吸収できるだけの熱容量を有する構造である。  蓄熱体は絶縁体１９でベース４ａに接触し、絶縁体１９を介してベース４ａに熱を伝導させる構造となっている。【００１２】
またこのような放熱構造の別の事例として、特許文献２に記載される回路基板構造がある。  図４に特許文献２に記載されている基板構造を示す。  
図４に示すように、この基板構造は半導体パッケージ７ｂに電極２０が形成されている。一方で、プリント基板１５ｄの上面では、前記した半導体パッケージ７ｂの電極２０と同様な形状のランド１３ｂが形成されており、はんだ１４ｂや導電性接着剤で、バンプを形成することで実装されている。【００１３】
前記パッケージ実装された半導体パッケージ７ｂを実装するプリント基板１５ｄは、前記半導体パッケージ７ｂの電極２０と同程度の寸法のランド１３ｂをプリント基板１５ｄ表面に形成し、はんだバンプ１４ｂを介して、プリント基板１５ｄに形成されたヒートビア１６ａを介して半導体パッケージ７ａの発熱をプリント基板１５ｄ下面に熱伝導する構造である。  特許文献２ではプリント基板１５ｄ上面のランド１３ａ面積に対し、プリント基板下面のランド面積を大きくなっており、上面ランドと下面ランドは錘状のヒートビア１６ａを形成しており、基板上面より受けた熱は、基板下面の広面積部分の方向に熱拡散するプリント基板構造であり、更に放熱構造として、プリント基板に形成する錘状のヒートビアの空隙には熱伝導部材を充填する構造も提示している。
近年は、少エネルギー、高効率エンジンシステムの開発が加速されており、電子制御装置は益々、機能の増加が進んでいる一方で、製品の小型化、軽量化がニーズとしてあり、相反する要求を達成できる技術開発の要求が高まっている。【００１４】
上記した機能増加は電子回路での演算機能の増大化に伴う、半導体素子の発熱量の増加することが避けられない。  対して製品の小型、軽量化のニーズでは、カバー、ベース等の筐体からの放熱面積を狭めることで、放熱能力が減少することになり、半導体素子の発熱量を、どのような方策で放熱させるかの相反する課題を両立できるかが課題となっている。  一般的には、
半導体チップの発熱量  ＜  カバー、ベースからの放熱能力
の関係が成立しないと、半導体素子はオーバーヒートして溶解してしまう事態となるために、放熱構造の熱的な相互関係性を設計的に確立することが製品設計の上において重要となる。【００１５】
近年、車載電子制御装置に用いられる半導体素子は、高機能化の演算、補正計算を行うために、更に小型化の半導体パッケージを実現するために、回路の集積化が進み、集積回路の規模が増大し、いわいる１チップＩＣが主流となりつつある。  １チップＩＣは効率も良く、小型化を実現する上でも有効な手段であるが、ＩＣの発熱がスポット化することになり、従来の放熱構造や放熱技術では対応できにくくなっているのが現状である。  
カバー、ベースのサイズを大きくすることで、放熱能力を増加させることは可能であるが、小型化が困難となり構造設計の自由度が制限されることになる。  
本発明は、このような実情を鑑みて発明したものであり、１チップＩＣの熱設計の課題となる発熱のスポット化の熱拡散を行うことを実現できる小型化を実現しつつ高効率な放熱構造を実現できる車載電子制御装置の小型化に寄与できる放熱構造についての考案である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような目的を達成すべく請求項１においては、半導体パッケージ７の半導体素子２と接合部材１４を介して接合される前記ヒートスプレッター１１と前記ヒートビア１６を形成したプリント基板１５の熱伝導を掌るヒートビア１６との間に設置される接合部材１７の熱容量：Cp1、前記ヒートビア１６を形成したプリント基板１５に形成したヒートビア１６の熱伝導を掌る金属により形成されたヒートビア１６部分及び、前記ヒートビア１６と接続、あるは同化した状態で形成された前記プリント基板１５の表裏面のランド部分１３を含めた熱容量：Cp2、前記プリント基板１５に設置されたヒートビア１６及び表裏面ランド１３と、前記ベース４との間に設けられた熱伝導部材１７の熱容量：Cp３とする。【００１７】
更に前記プリント基板１５に形成される前記ヒートビア１６と接続、あるは同化した状態で前記基板に形成された表面のランド部分１３の当接面積をS1、裏面のランド部分の当接面積をS2とした場合、
Cp1  ≦  Cp2  ≦  Cp3    かつ  S1  ＜  S2  
の関係を成す。  
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、１チップＩＣの熱設計の課題となる発熱のスポット化の熱拡散を行うことを実現できる小型化を実現しつつ高効率な放熱構造を実現できる車載電子制御装置の小型化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】車載電子制御装置の断面構造図
【図２】図１に示す車載電子制御装置の放熱構造を示す部分拡大図
【図３】特許文献１に示す、電子制御装置の構造
【図４】特許文献２に示す、電子制御装置の構造
【図５】本実施例による理想的な構造と熱伝導量の関係
【図６】本実施例による理想的な構造と熱伝導量の関係
【図７】一般的な車載電子制御装置における構造と熱伝達量の関係
【図８】一般的な車載電子制御装置における構造と熱伝導率の関係
【図９】一般的な車載電子制御装置における構造と熱容量の関係
【図１０】本実施例の特徴を表す電子制御装置の構造と熱容量の関係
【図１１】本実施例の電子制御装置を実現するための具体例
【図１２】本実施例の電子制御装置の別の実施例
【発明を実施するための形態】
【００２０】
上記したように、半導体素子を集約化した１チップＩＣ化を実現したことにより発生する熱の集約、つまりヒートスポットの放熱対策が課題となり、放熱の構造設計に工夫が必要となる。  車載電子制御機器の多くの放熱構造の中で、基本的な放熱構造について再度図１、図２を用いて説明する。  半導体素子２から発生した熱量は、半導体素子２と直接に、或いはダイボンドのような熱伝導性接着剤によりヒートスプレッター１１に当接されている。
【００２１】
ヒートスプレッター１１は、ほんだや熱伝導接着材の接合部材１４により、プリント基板１５上面１５ａにヒートビア１６と同一材料、同一プロセスにより形成された、はんだ１４塗布部と同等以上の開口面積を有するランドパターン１３が形成されたランドパターン１３面と当接され、ランドパターン１３はプリント基板１５に形成されたヒートビア１６と同化している。
【００２２】
更にヒートビア１６とプリント基板１５の下面１５ｂのランドパターン１３もヒートビア１６と同一材料、同一プロセスで同化する構造となっている。  プリント基板１５下面１５ｂのランドパターン部１３には熱伝導部材１７、即ちシリコーン樹脂に放熱フィラーを配合した放熱部材を塗布しベース4、あるいはカバー５に当接する階層構造となっている。
【００２３】
半導体素子２から発生した発熱量は、半導体素子２からダイボンドのような熱伝導部材を介してヒートスプレッター１１に熱伝導し、更にはんだのような接合部材１４を通じてプリント基板１５の上面ランドパターン１３ａとヒートビア１６及び下面ランドパターン１３ｂを経由し熱伝導し、熱伝導部材１７によりベース４に熱伝導しベース４より外気に熱伝達することで半導体より発生した熱量を外気に放熱している。  
理想的な放熱設計は、図５に示す車載電子制御装置の階層構造とその熱移動量の関係図による。
【００２４】
図５の左側の図は車載電子制御装置の断面構造を示し、右側は左側に示す構造の伝達のしやすさを示している。  封止樹脂１０に埋設された半導体素子２からの発熱は、その熱２１を熱伝導できる熱容量を有しているヒートスプレッター１１により半導体素子２の熱を蓄熱する。
【００２５】
ヒートスプレッターが蓄熱した熱量２１は、ヒートスプレッター２からはんだ等の熱伝導接合部材１４を介してプリント基板１５の表面１５ａのランドパターン１３とヒートビア１６を介しプリント基板１５下面１５ｂのランドパターン１３ｂから更に熱伝導部材を介してベース４に熱伝導する構造となることを前述したが、ここに各構成部材による熱の伝達のしやすさを考える。
【００２６】
一般的に、熱伝達には熱伝導率を用いて表現する場合が多いが、熱伝導率は単位量当たりの熱の移動量を示す物性値であり材料により決定する固有値である。  
一方で、実際の製品は３次元的に幅、高さ（厚さ）、長さがあり、これらの寸法パタメーターを加味しないと熱設計は成立しない。  例えば同じ材料で１ｍｍの厚さの部材と１０ｍｍの部材では、当然１ｍｍの部材が良い熱伝導体となることでお分かり頂けると考える。
【００２７】
そこで、寸法、体積を加味した熱の伝達を表す方法として、系に対して熱の出入りがあったときに、系の温度がどの程度変化するかを示す状態量として熱容量を用いて、各構成体から成る車載電子制御装置の放熱構造を定義し、熱の移動量を考えることにする。
【００２８】
熱容量は比熱と体積の積であるために、各構成部材が有する熱を移動させる容量（蓄熱）であり、図５に示すように熱源となる半導体素子２から熱伝達するベースまでの各構成と熱容量の関係はベースに近接するに従い構成部材の熱容量は増加するようになる熱容量設計２２が理想となる。
【００２９】
このような熱容量となる構造設計２２なら、定常状態でも過渡状態においても熱を遮る抵抗がないためにベース４からの熱伝達２３を行うことができる。
【００３０】
図６も同様である。  ヒートスプレッター１１とプリント基板１５のランドパターン１３を当接する、はんだ等の接合部材１４とプリント基板１５のランドパターン１３及びヒートビア１６の熱容量を等価として、更にプリント基板１５とベース４の空隙に充填する熱伝導部材１７の熱容量を等価とすることでも定常作動におけるベースまでの熱伝導は安定した状態とすることが可能となることで、ベース４から外気への熱伝達２３は安定することを実現できる。
【００３１】
一般的な電子制御装置の放熱設計は同じ構造ながら、材料の熱伝導率の改善を主眼とした構造検討が多く成されている。  しかし従来の材料を用い、構成材料の重量（体積）による熱容量の適正化が行われていない。
【００３２】
図７は一般的な電子制御装置の構造と、その熱移動量の関係図を示すが、熱の流れを遮りベース４に伝達するまでの経路に障害となる熱抵抗２４があるために、十分な放熱を行うことができない状態となっている。
【００３３】
熱抵抗２４となる要因はプリント基板１５に形成するヒートビア１６である。  ヒートビア１６の外形はφ０．５程度であり、このヒートビア１６が数個程度形成されて程度では熱容量が小さく、半導体素子２から発生する熱量２１を十分に伝達できず熱を遮る熱抵抗２４となる。
【００３４】
更にヒートビア１６からベース４までの空隙に充填される熱伝導部材１７であるシリコーン系樹脂は熱伝導率が小さく、この熱伝達部材の部分でも熱の流れを遮る熱抵抗となる。  
特許文献１に示すように、プリント基板１５ａを介さす直接ヒートスプレッター１１に蓄熱体１８を当接させれば良いが、この構造ではプリント基板１５ａへの固定を確実に行わないと薄いプリント基板１５ａに重い金属の蓄熱体１８を設置することになり、重量バランスが偏り振動させた際の共振周波数の低下が懸念される共に、プリント基板１５ａに蓄熱体１８を設定する特殊構造により製品コストの増加が見込まれる。
【００３５】
本実施例は、このような実情を鑑みたものであり、１チップＩＣの熱設計の課題となる発熱のスポット化の熱拡散を行うことを実現できる小型化を実現しつつ高効率な放熱構造を実現できる車載電子制御装置の小型化に寄与できる放熱構造についての以下詳細例を述べる。
【００３６】
以下、本実施例にかかる車載電子制御装置の実施の形態について図１、図２を及び、図５〜図１０を用いて説明する。
【００３７】
図１は一般的な車載電子制御装置１の断面構造図であり図２は、図１に示す車載電子制御装置１の放熱構造を示す部分拡大図である。  図１は、この実施の形態にかかる車載電子制御装置１の断面構造で、同車載電子制御装置１として半導体素子２が実装される回路基板を格納する筐体とともに示したものである。
【００３８】
図１に示されるように半導体パッケージ７はその内部にヒートスプレッター１１を一体に備えて、このヒートスプレッター７の上面となる一面には半導体素子２が搭載されている。  この半導体素子２はワイヤボンディング８を介してリードフレーム９と電気的に接続している。  そして前記ヒートスプレッター１１は、その下面側を露出させながら上記半導体素子２、ワイヤボンディング８、及び上記リードフレーム９の一部と共々包括される形状でエポキシ樹脂等からなる封止樹脂１０により封止されている。
【００３９】
そして、上記封止樹脂１０から導出したリードフレーム９、ヒートスプレッター１１は、プリント基板１５の上面１５ａあるいは内部に形成される配線パターンやランドパターン部分１３ａにはんだ等の接合部材１４で電気的に実装される。  
プリント基板１５の上面１５ａ、下面１５ｂには前記ランドパターン１３と同一材料、同一プロセスで同化したヒートビア１６を形成され、更にプリント基板１５の下面１５ｂに形成したランドパターン１３ｂに熱伝導部材１７を塗布する場所とする。
【００４０】
そして、プリント基板１５の下面とベース４との空隙を前記熱伝導部材１７で充填する放熱構造となっている。
【００４１】
本実施例では、図１、図２に示す放熱構造の構造自体に変化はない。  材料も特殊な物質を採用することはなく汎用材料を用いて安価な製品とすることも目的としている。  半発明の電子制御装置の製品構造は、図１、図２に示す構成と同じである。  その放熱構造は、半導体素子から発生する熱量２１は、半導体素子２と直接はんだ付け、或いはダイボンドのような接合部材１４によりヒートスプレッター１１に当接されている。  銅、銅合金等から成るヒートスプレッター１１は、はんだ等の接合部材により、プリント基板上面１５ａに、ヒートビア１６と同一材料、同一プロセスにより形成された、はんだ塗布部と同等以上の開口面積を有するランドパターン１３が形成されたプリント基板１５のランド面１３と当接され、ランドパターン１３はプリント基板１５の垂直方向に形成されたヒートビア１６と同化している。  ここでプリント基板１５は、エポキシやフェノール樹脂と回路パターン設計された銅による配線パターンの積層構造による汎用プリント基板である。  
更にヒートビア１６とプリント基板１５の下面のランドパターン１３ｂもヒートビア１６と同一材料、同一プロセスで同化する構造となっている。  プリント基板１５下面のランド部１３ｂには、熱伝導部材、即ちシリコーン樹脂、或いはエポキシ樹脂に無機系の放熱フィラーを配合した熱伝導部材１７を塗布し、金属より成るベース４に当接する階層構造となっている。
【００４２】
半導体素子２から発生した熱量２１は、半導体素子２から、ヒートスプレッター１１に熱伝導し、接合部材１４を通じて、プリント基板１５の上面ランド１３ａとヒートビア１６及び、下面ランド１３ｂを経由し熱伝導し、更に熱伝導部材１７により、ベース４に熱伝導し、ベース４より、外気に、熱伝達することで半導体より発生した熱量を外気に放熱している。  
本実施例では特に、車載電子制御装置１の放熱構造について、各階層構造の熱容量及び、伝熱面積の関係性に着眼し、半導体素子２の発した熱量２１を阻害する抵抗なく、外気との熱伝達を行うベース４に熱移動させる材料と、その容量、サイズに規定を設けて熱移動量がスムーズに行える構造設計を行うために関係性を発明の骨子とした。
【００４３】
一般的な放熱設計では、構成材料の熱伝導率をパタメーターとして熱設計するが、本実施例の対象となる車載電子制御装置の構成材料の熱伝導率を階層構造に合わせてグラフ化した結果を図８に示す。  ヒートスプレッター１１は銅、はんだは錫、ヒートビア１６は銅、熱伝導部材１７は放熱シリコーングリース、ベース４は鉄の物性値を用いている。  熱伝導率は物体の固有値、つまり物性値なので、変えようがない。  つまり、この熱伝導率のみを考慮する放熱設計は階層構造の構成より、構成材料の熱伝導率で熱の伝達が決定される設計であるため図８に示すようにジグザグとなり、熱の移動がスムーズではないために放熱構造設計としては不適である。  
但し、熱伝導率は単位量（厚さ）当たりの熱の伝わりやすさを表すために、部材の厚さが薄いと、熱の移動量を増大することができる。  材料が厚いと熱の移動量は減少する傾向となる。  つまり、熱量そのものの移動量を表すためには熱伝導率では表現できないことなる。  半発明では、比熱と体積（容積）の積である、熱容量をパラメーターとして放熱設計する方針とすることを提示している。  図８に示す、一般的な車載電子機器の熱伝導率による材料で、汎用として市場で流通している車載電子制御装置の放熱構造の熱容量に換算した結果を図９に示す。  図９に示す階層構造と、その構成材料の熱容量の関係では、ヒートスプレッター１１よりはんだ等の接合部材１４の方の熱容量が小さく、更に接合部材より、ヒートビア１６の熱容量が小さいことになる。  これは半導体素子２の発した熱量２１を受けたヒートスプレッター１１は、接合部材１４の熱容量がヒートスプレッター１１より小さいために熱抵抗となり、熱に移動を遮ることになる。  更に接合部材１４よりヒートビア１６の熱量量が小さいために、ここでも熱抵抗となり熱の移動を遮り、熱設計としては効率が悪いといえる。
【００４４】
放熱設計の基本は、発熱源である半導体素子２から大気への熱伝達を行うベース４までの熱の移動をスムーズに行うことにあり、現在汎用として流通している車載電子制御装置の放熱設計は改善する余地があることが分かる。
【００４５】
上記を受けて、図１０は本実施例の特徴を現す熱容量を考慮した放熱設計コンセプトである。  半導体素子２より発生する熱量２１を受けるヒートスプレッター１１の熱容量は、銅、或いは銅合金或いは、はんだと接合できる金属により成る。  接合部材１４は、はんだ、錫、錫、鉛等から成る合金はんだ、或いは樹脂に銀等の熱伝導フィラーを配合した熱伝導接着剤が好適である。  プリント基板１５は汎用の樹脂シートの銅配線パターンを銅箔のエッチングで配線、ランドパターン１３を形成し、プリント基板１５を形成する樹脂シートと、配線パターンを形成した銅箔を数層に分けて積層し、表裏面に樹脂コートした構造の汎用プリント基板１５が好適である。  このプリント基板１５において、上面１５ａと下面１５ｂに形成されるはんだランドパターン１３と同じ材料、プロセスで形成されたヒートビア１６を形成し、表面側ランドパターン１３ａから受けた熱はヒートビア１６を経由し、下面ランドパターン１３ｂに熱伝導する放熱構造を有したプリント基板１５である。  前記プリント基板１５においてはんだランドパターン１３、回路パターンは銅箔のエッチングにより形成され、ヒートビア１６は、はんだランド、配線パターンと同じ銅のメッキによる形成される。  汎用のプリント基板は、２〜６層で、銅箔は２０μｍ程度で、スルーホールやヒートビアの銅めっきは１０〜３５μｍ程度の厚さのめっきが施されるプリント基板が多く流通している。  
前記プリント基板１５の下面１５ｂのランドパターン部１３ｂと、外気への熱伝達を行うアルミニウム、アルミダイカスト等より成るベース４との空隙は、シリコーン樹脂にアルミナ、ホウ素、シリカ等の無機系熱伝導フィラーを配合した熱伝導部材１７により充填される。  シリコーン樹脂は、ゲル、グリース、接着剤の各種タイプがあるが、現状は、グリースが多く用いられているが、将来的には接着剤にシフトするものと考えられている。  
本実施例では、半導体素子２と接合部材１４を介して設置される前記ヒートスプレッター１１と前記ヒートビア１６を形成したプリント基板１５の熱伝導を掌るヒートビア１６との間に設置される接合部材１４の熱容量：Cp1、前記ヒートビア１６を形成したプリント基板１５に形成したヒートビア１６の熱伝導を掌る金属により形成されたヒートビア１６部分及び、前記ヒートビア１６と接続、あるは同化した状態で形成された前記プリント基板１５の表裏面のランドパターン１３部分を含めた熱容量：Cp2、前記プリント基板１５に設置されたヒートビア１６及び表裏面ランド１３と前記ベース４との間に設けられた熱伝導部材１７の熱容量：Cp３、とした場合、
Cp1  ≦  Cp2  ≦  Cp3  
の関係を成すことを特徴としている。  図１０は車載電子制御装置１ａの構造部材と熱容量の関係を示した概念図である。  半導体素子２から発熱した熱量２１は、ヒートスプレッター１１からはんだ等の接合部材１４を経由してヒートビア１６に達し、更に熱伝導部材１７を介して外気との熱伝達を行うベース４に熱を伝達する構造設計となっているが、本実施例のように半導体素子２から発熱した熱量２１の外気との熱伝達を行うベース４との間に存在する、熱伝熱部材の組み合わせの積層構造となっている、はんだ等の接合部材１４、ビートビア１６、熱伝導部材１７の３つの部品について、熱の収支に一定の傾向を与え、熱の伝達量を阻害させる熱の移動量をベース４に近づくにつれ増加させる熱容量の有する構造設計とした。  
熱容量は、物質に熱の出入りがあった際に、物質の温度が、どの程度変化するかを表す状態量であり物性値ではない。  比熱（単位物質を１℃温度、上げるのみ必要な熱量）と物質の重量の積である。  そのために、物質の比熱と重量とのバランスが重要となってくる。  ヒートスプレッター１１とはんだ等の接合部材１４の関係は、ヒートスプレッター１１の熱容量を小さくするために、半導体素子２の小型化や、ヒートスプレッター１１の厚さは薄い方向とすることが良い。  これは、ヒートスプレッター１１の比熱、密度が共にはんだ（錫）より大きく、同じや体積と仮定すると、熱容量は、ヒートスプレッター１１の方がはんだ等の接合部材１４より大きくなり、熱の流れとして、はんだ等の接合部材１４の部分が熱抵抗となってしまう。  本実施例である、ヒートスプレッター１１よりはんだ等の接合部材１４の熱容量を大きくするには、前記、ヒートスクレッター１１を小型化すると共に、薄くすることが有効となる。  別方法として、はんだ等の接合部材１４を厚くする手法があるが、接合部材１４と当接するヒートビア１６の熱容量とのバランスが悪化するために、小型のヒートスプレッター１１が望ましい。
【００４６】
はんだ等の接合部材１４と当接するプリント基板１５のランド部１３と、ヒートビア１６の部分は前述したように、銅から成るために比熱、密度共にはんだ（錫）より大きく、同等の面積があれば、熱容量をはんだより大きくすることは可能であるが、プリント基板１５の形成されたランドパターン１３の厚さは、２０μｍ前後の厚さで、ヒートビア１６にしても、φ０．５程度の内径に銅のめっきが１０μｍ程度形成される程度のために、圧倒的にはんだ等接合部財１４に対し熱容量が小さくなる。  市販されている電子制御装置１を解体調査した結果、プリント基板１５のヒートビア１６径：φ０．４、長さ：２であり、ヒートビア１６が５０本であった。  このサイズ、５０本のヒートビア１６の熱容量を計算した結果、接合部材１４の半分程度しかなかった。  従って、少なくとも調査した電子制御装置１において、半導体素子２から発した熱２１はプリント基板１５のヒートビア１６の階層部分において、熱抵抗となり熱伝導を阻害することになる。
【００４７】
本実施例では、図１１に示すようにヒートビア１６の数量を一定以上にすることで、プリント基板１５の表面１５ａのランドパターン１３ａ、下面１５ｂのランドパターン１３ｂを含む、ヒートビア１６全体の熱容量を増加させることにより、接合部材１４の熱容量より表面側１５ａのランドパターン１３ａ、下面１５ｂのランドパターン１３ｂ面積を含むヒートビア１６の熱容量を増加させることが可能となる。  具体例を提示する。  図１１に示す、実施例の場合、
ヒートビア寸法  ：  φ０．４ｍｍ
ヒートビア長さ  ：  ２ｍｍ
ヒートビアめっき膜厚  ：  １０μｍ
上面、下面ランド面積  ：  １０ｍｍ×１０ｍｍ
ランドの銅箔膜厚  ：  ２０μｍ
として、計算した場合、ヒートビア１６の数量は５０本以上となると、はんだ等の接合部材１４の熱容量より大きくなり、半導体素子から発生する熱量２１は低い熱抵抗２４となる部分なしに接合部材１４からヒートビア１６に熱伝導することができる構造となる。  上記は、数値をまるめると、表面のランド１３ａ面積の８％以上の面積占有率でヒートビア１６の面積が占めるようにすることで、熱抵抗２４のない階層構造とすることができる。
【００４８】
前記、ヒートビア１６とベース４との間には、熱伝導部材１７が充填されるが、熱伝導部材１７は、比熱が大きいために、安易に重量（体積）を大きくすると熱抵抗２４を増加させることになることである。  前記した階層構造の材料は、全て金属であるが、熱伝導部材１７のみは有機部材であり、熱伝導の考え方を、金属材料とは区分けする必要がある。  比熱を比較する。
銅の比熱：３８５（Ｊ/ｋｇ・℃）
熱伝導部材の比熱：１６００（Ｊ/ｋｇ・℃）
銅に比べて熱伝導部材１７は約４倍もの熱容量となることより、熱伝導部材１７を多く、（厚く）した場合には、ここに熱が蓄熱してしまい、ベース４への熱移動量が小さくなり熱抵抗２４となる。  従って、熱伝道部材１７は、薄く塗布しかつ、ヒートビア１６より熱容量がやや大きい程度の熱バランスが好適となる。  計算によると熱伝導率：２（Ｗ／ｍ・Ｋ）の熱伝道部材をφ１５ｍｍで塗布した場合は、熱伝導部材の膜厚は、１ｍｍ以下が熱バランスを維持できる構造となる。
【００４９】
大気との熱伝達を行うベース４の熱容量は、これ以外の構成部品の熱容量よりはるかに大きく、熱バランスをベースで考慮するには至らない。
【００５０】
本実施例を実現するためには、プリント基板１５のヒートビア１６の数量を規定することが有効であることを図１１で説明したが、ヒートビア１６の形状は、通常円形の断面となっているが楕円でも構わない。  断面積を通常の円形より大きくすることが可能となり、ヒートビア１６伝導させる熱量２１を大きくすることが可能となる。
【００５１】
上記で説明した熱容量のバランス化による放熱性改善について、更に放熱性能を改善するパラメータとして、構造部材が接触する面積がある。  この接触面積の規定について、本実施例では、前記プリント基板１５に形成される前記ヒートビア１６と接続、あるは同化した状態で前記プリント基板１５に形成された上面１５ａのランドパターン１３ａ部分の当接面積をS1、下面１５ｂのランド部分１３ｂの当接面積をS2とした場合、
S1  ＜  S2
を成立させることを特徴としている。  これは前述したように、前記はんだ等の接合部材１４に比較して、プリント基板１５に形成されるヒートビア１６、ランドパターン１３の熱容量はプリント基板１５のサイズ等の制限があり、本実施例ではヒートビア１６の本数と共に、上面１５ａのランドパターン１３ａ面積より、下面１５ｂのランドパターン１３ｂ面積を大きくすることで、ヒートビア１６とランドパターン１３での熱容量を増大させることを実現している。
【００５２】
更に下面１５ｂのランドパターン１３ｂに当接する熱伝導部材１７の多くはシリコーン系材料であり、熱容量の値を決定する比熱の数値が樹脂のために、金属と比較して大きいために、単純に熱容量のみを考慮して重量（体積）を増大すると、熱伝導率が金属に比較して１ケタ以上悪いために、熱抵抗２４となり熱伝導を遮ることになる。  従って、プリント基板１５の表面ランドパターン１３より、熱伝導部材１７と当接するプリント基板１５の下面ランドパターン１３ｂ面積を大きくすることは、熱伝導部材１７の熱抵抗２４を小さくすることで熱容量のバランスの均等化される構造となり、放熱効率の高い車載電子制御装置とすることが実現できる。
【００５３】
別の実施の形態として、図１２に図１０に示した本実施例の別の実施の形態を示す。  図１２では、半導体素子２から発生する熱量２１を受けるヒートスプレッター１１と当接するはんだ等の接合部材１４と、プリント基板１５の上面１５ａ、下面１５ｂに形成される銅箔によるランドパターン１３及び、ヒートビア１６の熱容量を等価に合わせる、更に前記プリント基板１５の上面１５ａ、下面１５ｂに形成される銅箔によるランドパターン１３及び、ヒートビア１６の熱容量と熱伝導部材１７の熱容量を等価に合わせる構造とすることで熱量２１ははんだ等の接合部材１４からプリント基板１５のヒートビア１６を経由し、更に熱伝導部材１７までの熱の移動は一律とすることができ、一定の熱量をベース４に伝達することで、ベース４から大気への熱伝達も安定した状態となる、特にエンジンを制御するエンジンコントロールユニットのような定常的に動作し、一定の熱量はコンスタントに発生する電子制御装置にとっては搭載する半導体素子の熱量を安定して放熱できる放熱構造として有効である。
【００５４】
本実施例では、半導体素子２から発生する熱量２１を、空気に対し熱伝達を行うベース４に向かうに従い構成材料の熱容量を増加させることを特徴としている。  本実施例の特徴となる、熱容量の最適化について、特にベース４とプリント基板１５の空隙に充填する熱伝導部材１７としてはシリコーン系樹脂に無機フィラーを配合した放熱シリコーンが多く採用されており、一般的に流通している電子制御装置１の多くにはシリコーングリースが用いられている。  
シリコーングリースは、加熱硬化等の２次加工が不要なために扱いやすく、塗布するのみで放熱性を得られることが特徴であるが、経時変化によりグリース塗布形状が変形する可能性がある。  また高温度になると粘度が低下することで、流動する可能性があり、本来の設計した位置から熱伝導部材１７となる放熱グリースの充填位置が変化する可能性がる。  本実施例に用いる熱伝導部材１７には、粘着、或いは接着官能基を有する樹脂部材により、プリント基板１５とベース４の空隙を充填することを推奨する。  シリコーン樹脂をベースとする熱伝導部材１７の場合、シリコーン樹脂自体には接着性がないために、シリコーンポリマーと付加反応し、接着官能基となるシラノール基を付与し水素結合するために加熱硬化、或いは２液混合タイプとなるが、プリント基板及び、ベースとに、化学的な結合による粘着、或いは接着により熱伝導部材１７で充填されることで、それぞれの構成部材と熱伝導部材１７との界面に隙間が無くなり、熱伝導を妨げる界面での空気層の形成を排除できるために、界面での熱抵抗を小さくできる。  更に、プリント基板１５及びベース４が接着されていると、構成部材が熱変形しても、接着しているために部材は追従し、常温に戻った際には、塗布状態も復元することで、経時変化による塗布形状の変化による、熱伝導性の変化が少ない信頼性の高い熱伝道部材を用いた放熱構造とすることができる。
【００５５】
上記、同様にエポキシ樹脂に無機系熱伝導部材を配合した放熱エポキシも用いることができる。  但し、エポキシの場合、シリコーン樹脂のような粘弾性体ではなく硬化物なので、プリント基板とベースの熱膨張係数に違いがある場合、熱応力によるひずみが、エポキシ樹脂に作用して、界面で剥離する可能性があるために、充填する充填材の熱膨張係数を合わせこむ必要がある。  プリント基板の熱膨張係数は、１４（ｐｐｍ／℃）とし、ベースはアルミダイカストで、２１（ｐｐｍ／℃）の場足、エポキシ系熱伝導部材の熱膨張係数を１６〜１９（ｐｐｍ／℃）に調整することで、熱応力のバランスを取り応力の均等化により界面の剥離を発生しにくくすることができる。  更にエポキシ樹脂には、ビスフェノールＡとビスフェノールＦと脂環式エポキシを配合したブレンド系エポキシ樹脂をベースとすることで、作業性の良く、接着性に優れたエポキシ系熱伝道部材とすることが可能となり、本実施例に好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１、1a：車載電子制御装置
２：半導体素子
３：電子部品
４、４ａ：ベース
５：カバー
６：シール接着剤
７、７ａ、７ｂ：半導体パッケージ
８：ボンディングワイヤ
９、９ａ：リードフレーム
１０、１０ａ：封止樹脂
１１、１１ａ：ヒートスプレッター
１２：回路基板
１３：プリント基板のランドパターン
１３ａ：プリント基板上面のランドパターン
１３ｂ：プリント基板下面のランドパターン
１４、１４ａ、１４ｂ：はんだ等の接合部材
１５：プリント基板
１５ａ：プリント基板の上面
１５ｂ：プリント基板の下面
１６、１６ａ：ヒートビア
１７：熱伝導部材
１８：蓄熱体
１９：絶縁体
２０：電極
２１：熱量
２２：熱容量の設計コンセプト
２３：外気への熱伝達
２４：熱抵抗
【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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【国際調査報告】
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