CN102748184B - 发动机起动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发动机起动装置、控制装置以及提高半导体元件的温度测定精度且使用了通用件的半导体元件的廉价的温度测定方法。与功率半导体元件连接的第一导体的一部分即细线图案的第四导体延伸到芯片温度计的下方，第四导体和温度计通过高热传导树脂连接。

Description

发动机起动装置
技术领域
本发明涉及发动机的起动装置的结构。
背景技术
一直以来，在通过大电流的半导体装置中，因通过大电流而产生的功率半导体元件或导体配线的发热，而电子部件可能会超过耐热温度。而且，在由于温度、电压波动或其他的原因而功率半导体元件发生故障时，流过短路电流而半导体元件的发热进一步增加。
因此，在现有的半导体装置中，在安全设计方面，采用了监视半导体元件的温度并进行通电电流的调整或停止等的安全处理的各种方法。
另外，半导体装置中的发热源中，功率半导体元件的芯片部分占主导地位，因此该芯片部分的温度上升最高，然而实际上难以直接测定半导体芯片部分的温度。但是，在测定半导体芯片部分以外的基板部位时，若到测定位置的热阻大，则温度测定精度会极端下降。
因此，要求减小从半导体芯片到温度测定位置的热阻来提高温度测定精度，作为解决这种问题的方法，提出了如下的方法。
在专利文献1中，通过测定在功率半导体元件的裸芯片上表面侧经由焊料而接合配置的热扩散导体的温度，来提高温度测定精度。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2007-049810号公报
作为通过大电流而需要温度保护的半导体装置的一例，列举有怠速停止起动机(idlestopstarter)用的功率开关模块。由于进行发动机的起动，因此在起动机中流过几百安培的大电流。在功率开关模块中，通过安装在内部的MOSFET来对起动电动机的通电进行开关控制，因此MOSFET的芯片成为发热源，芯片的PN结温度可能超过允许温度150～175℃而发生不良情况。
而且，在怠速停止起动机的情况下，使发动机起动的时间为约0.2～1s左右，是非常短的时间，因此电流流过功率开关模块的时间也是短时间。因此，需要响应性良好地测定因流过的电流而产生的MOSFET的芯片温度上升，而进行适时的电流调整或电流切断等处理。
另外，虽然通过上述专利文献所记载的技术等，能够提高温度测定精度，但是，对于专利文献1而言，仅能够适用于裸芯片安装的结构，且为非常高价的结构。而且，作为温度计而言，无法通过通常安装在基板上使用的通用件的芯片热敏电阻或芯片二极管进行温度测定。
另外，作为通常的温度计，存在热电偶，但需要在将部件安装于基板之后进行热电偶向测定部的安装、配线的布线，因此存在操作性差且组装工时增加的缺点。相对于此，在芯片热敏电阻或芯片二极管等情况下，由于能够与其他的电子部件同时地向基板进行面安装，因此工时减少，从而能够进行廉价且适合于大量生产的产品组装。
因此，作为温度计测方法，为了形成更廉价的结构，优选使用上述通用件的芯片温度计，且使用通用件的电子部件或基板就能够测定温度。
发明内容
本发明的目的在于使用通用的芯片温度计等来提高功率半导体的温度测定精度。
在发动机起动装置中，温度检测元件具有至少两个连接部，使这至少两个连接部分别与导体配线电连接，且使与功率半导体元件连接的导体图案的一部分在这至少两个连接部分别与导体配线电连接的连接部位之间延伸，由此实现上述目的。
【发明效果】
在本发明中，将安装有功率半导体元件的导体和芯片温度计通过高热传导构件直接连接，由此能够减小从功率半导体元件的芯片到温度计的热阻，从而能够高精度地测定芯片的温度上升。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的图。
图2是本发明的第一实施方式中的温度计安装部剖视图。
图3是本发明的第一实施方式中的MOSFET剖视图。
图4是本发明的第一实施方式中的模块壳体组装图。
图5是表示本发明的第二实施方式的图。
图6是表示本发明的第三实施方式的图。
图7是表示本发明的保护层(rasist)涂敷结构的图。
图8是本发明的保护层涂敷结构中的温度计安装部剖视图。
图9是表示本发明的保护层结构的图。
图10是表示本发明的第四实施方式的图。
图11是表示将本发明适用于怠速停止用起动机的实施方式的图。
符号说明：
1半导体装置
2基板
3MOSFET
4温度计
6焊料
7高热传导树脂
8电极焊盘
9金属线
22绝缘层
23导体
231第一导体
232第二导体
233第三导体
234第四导体
235第五导体
具体实施方式
图1、图2是表示本发明的第一实施方式的图。图1是表示本发明的第一实施方式的图，图2是图1的A-A剖视图。以下，实施例记载了尤其是以作为车载设备的怠速停止起动机用的功率开关模块为代表的、使用了MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)的半导体装置，但在使用了作为伴随着发热的其他的半导体元件的IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)或功率晶体管、功率二极管的情况下也能适用。
另外，在实施例中，表示使用了廉价的通用件的封装MOSFET的情况，但本发明也能够适用于进行了裸芯片安装的半导体装置。
在图1、图2中，基板2以由铝或铜等构成的金属基体21为母材而构成，在金属基体21的上表面，隔着由环氧系树脂构成的绝缘层22而形成有由铜构成的导体配线所形成的电路。在导体的上表面，通过焊料6而电连接有MOSFET3、芯片热敏电阻及芯片二极管等的温度计4、由铝或镍等构成的电极焊盘8、以及其他的电子部件(未图示)。
导体配线中，作为MOSFET3的漏极端子的散热器(heatspreader)13与第一导体231电连接，MOSFET的源极端子14与第五导体235电连接，对MOSFET的导通·非导通进行控制的栅极端子15与第六导体236电连接。在第一导体、第五导体上通过焊料6安装有电极焊盘8，在电极焊盘8上接合有多根铝或铜等的金属线9，来与和外部的进行电流电压的输入输出的电流电压的输入输出端子接合。
另外，所述温度计4的温度信号端子41、42分别与第二导体232、第三导体233电连接。在第二导体、第三导体上通过焊料安装有电极焊盘8，在电极焊盘8上接合有铝或铜等的金属线9，将由温度计4读出的温度信号向外部的ECU输出。
作为第一导体的一部分的由细线构成的第四导体234以从所述第一导体231通过第二导体232与第三导体233之间且通过温度计4的下方的方式延伸。所述第四导体与温度计4通过银膏剂或高热传导树脂等的高热传导树脂7接合。
在高热传导树脂7使用具有绝缘性的高热传导树脂等的情况下，也可以如图10所示那样，以将温度计的电极部全部覆盖的方式来接合高热传导树脂7，该接合的高热传导树脂7进入温度计4与第四导体234的间隙而分别与它们连接。
接着，说明MOSFET3的结构。图3是MOSFET3的剖视图。MOSFET3中，在由铜构成的散热器13上通过芯片安装焊料17来安装硅芯片12。从芯片12的上表面通过铝金属线接合而与由铜构成的源极端子14和栅极端子15(在图1中记载)电连接。所述芯片12与散热器13、源极端子14、栅极端子15一起通过环氧树脂密封而封装。
另外，如上述那样，MOSFET3与由铜构成的第一导体231连接，并经由作为第一导体的一部分的第四导体234，通过高热传导树脂7而与温度计4接合，因此从芯片12到温度计4能够由热传导率约3～400W/mK的高热传导构件构成，因此能够减小热阻。
在以往的逆变器等那样与安装有功率半导体元件(IGBT)的导体不同的形成电路的导体上安装温度计时，将热传导率约0.2W/mK的保护层(环氧树脂)填充到导体之间，因此热传递路径上的热阻变大，温度测定精度极端下降。由此，通过适用本发明，能够提高温度测定精度。
图4表示模制壳体10组装图。模制壳体10收容基板2，在适用于车辆的怠速停止起动机的情况下，进行与外部的起动机的电连接及机械性紧固。其材质由PPS(聚苯硫醚)或PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)等热塑性树脂构成，在内部镶嵌成型有用于进行与起动机电连接的由铜构成的镶嵌母线。
模制壳体10通过硅粘接剂(未图示)与基板2粘接固定。模制壳体10的镶嵌母线即输入侧母线101、输出侧母线102及连接器端子111通过铝、铜等金属线9而与基板2的电极焊盘8接合连接，从而进行电连接，以用于将在基板上流过的电流或电压信号与外部的起动机侧进行接收发送。由所述温度计4计测到的温度电压信号经由与模制壳体10一体成型的镶嵌端子111，并通过连接器11向外部的ECU侧发送。
在此，在接合中使用的接合金属线从成本、操作性、可靠性的观点出发，公知优选使用铝金属线。需要说明的是，电极焊盘8是为了向基板2侧进行铝金属线接合而需要的接合用焊盘。而且，镶嵌母线与电极焊盘8的连接可以是铝带接合。
图5中表示本发明的第二实施方式。在适用于车辆的怠速停止起动机的情况下，利用MOSFET对几百安培的电流进行开关控制。因此，当MOSFET为一个(一个元件)时而超过允许电流的情况下，通常如图5所示那样，并联安装两个(两个元件)以上来进行使用。
此时，通常相对于一个的MOSFET，温度计4也配置一个，从而能够分别检测各MOSFET的温度，但当考虑到削减安装空间或部件个数时，优选通过一个温度计能够以相同检测精度来检测多个MOSFET的温度。
因此，在图5中，将MOSFET3以两个并联连接的方式安装在第一导体231上，在MOSFET3与安装于相同的第一导体231上的用于输入电流的电极焊盘8之间具有导体开口部18，在位于该导体开口部18中的第二导体232和第三导体233上安装有温度计4。第四导体234以从第一导体231朝向导体开口部18内部侧，通过第二导体232与第三导体233之间，并通过温度计4的下方的方式延伸，第四导体和温度计4通过高热传导树脂7来连接。
另外，在导体1的周围配线有第七导体237和第八导体238，该第七导体237和第八导体238进行用于将温度计4的温度信号向外部输出的配线。将位于所述导体开口部18内部的第二导体232及第三导体233与第七导体237及第八导体238通过铝金属线来连接，由此能够将检测出的温度信号向外部输出。
温度计4在距两个并联连接的MOSFET的各芯片分别为相同热阻的位置上配置有一个。因此，能够利用一个温度计，且以相同的检测精度来检测两个MOSFET的温度。在本实施例中，记载了使用两个MOSFET的情况，但即使在使用两个以上的多个的情况下，也能够在距各MOSFET为相同热阻的位置上配置一个温度计来使用。
在此，作为决定从MOSFET的芯片部到温度计的热阻的条件，根据构成从芯片到温度计为止的芯片12、芯片安装焊料17、散热器13、安装散热器的焊料6、第一导体231、第四导体234、高热传导树脂7的热传导率、接合面积、厚度、距离来决定。
图6中表示本发明的第三实施方式。在图5的形式中，在距各MOSFET为相同热阻的位置上配置温度计的情况下，需要在第一导体231的中间设置导体开口部18，并通过金属线9将信号向外部取出，使结构复杂化。在第三实施方式中，提出了对其进行改善的结构。
在图6的结构中，将温度计4配置在第一导体231与第五导体235之间。第二导体232和第三导体233也延伸到第一导体231与第五导体235之间，且在第一导体231上两个并联连接的MOSFET3之间，第二导体232和第三导体233与温度计4的各电极连接。另外，第四导体234以从第一导体231通过第二导体232与第三导体233之间，并通过温度计4的下方的方式延伸，第四导体和温度计4通过高热传导树脂7来连接。而且，在本实施方式中，对于温度计4来说，也在距各MOSFET的芯片分别为相同热阻的距离上配置一个温度计4。
图7～图9中表示本发明的保护层涂敷时的结构。以往，在基板安装时，为了进行导体部的绝缘和保护，而涂敷了由热固化性的环氧树脂构成的保护层。而且，在导体上的部件安装部中，在保护层设置开口部而进行导体与电子部件的电连接。电子部件与导体的连接通过焊料6进行，但保护层开口部也用于对钎焊的范围进行限制来防止焊料流动引起的焊料不足等。在多数的基板中，需要保护层的涂敷，因此在本发明中，除了通常使用那样的以电连接为目的的保护层开口部191以外，还具有不进行电连接而仅用于直接测定导体的温度的保护层开口部192。
在图7、图8的实施例中，能够利用温度计4经由高热传导树脂7来测定通过保护层开口部192露出的导体的温度，因此能够不将热传导率差(约0.2W/mk)的保护层夹在之间而测定温度，从而温度测定精度显著提高。作为测定导体温度的温度计，提出了芯片部件的温度计，但也可以是引线类型的温度计或热电偶等。
接着，说明将本发明的半导体装置向车辆的怠速停止用起动机适用时的安装结构。
图11中表示将本发明的半导体装置向车辆的怠速停止用起动机进行一体安装后的外观图。怠速停止起动机20包括：用于使与发动机啮合的小齿轮(未图示)旋转，从而使发动机(未图示)旋转的起动电动机201；用于将怠速停止起动机20的小齿轮压出而使该小齿轮与发动机啮合的磁体开关202；所述本发明的半导体装置1；用于对上述构件进行保持，且进行怠速停止起动机20与发动机的安装的齿轮箱203。半导体装置1通过接受来自ECU21的怠速停止指令信号，对半导体装置1内部的MOSFET进行开关，来控制向起动电动机201或磁体开关202的电流，从而用于使车辆进行怠速停止。半导体装置1与ECU21经由连接器11连接。本发明中的温度计4所检测出的温度测定结果经由连接器11向ECU侧发送，ECU接受其结果，在温度信号成为某规定值以上时，进行向起动电动机201和磁体开关202的流过电流的调整或流过电流的切断等处理。

Claims (12)

1.一种发动机起动装置，其一体地具备：
电动机；
齿轮；
经由所述齿轮而将所述电动机与发动机连接的开关；
控制机构，
所述发动机起动装置的特征在于，
所述控制机构具备功率半导体元件、温度检测元件、设有多根导体配线的电路基板，在所述电路基板上安装所述功率半导体元件和所述温度检测元件，所述温度检测元件具有至少两个连接部，这至少两个连接部分别与所述导体配线的一部分电连接，与所述功率半导体元件连接的所述导体配线的另一部分在这至少两个连接部分别与所述导体配线的所述一部分电连接的连接部位之间延伸，
所述功率半导体元件对向所述电动机的通电及/或所述开关进行控制，使所述发动机起动，
所述发动机起动装置在所述温度检测元件与所述电路基板之间具备覆盖所述导体配线的覆盖材料，
在所述覆盖材料上设有使所述导体配线的所述一部分及所述另一部分露出的开口部，
所述导体配线的所述另一部分与所述温度检测元件的非连接部经由热传导树脂连接。
2.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其特征在于，
在所述温度检测元件所检测出的温度为规定温度以上时，限制或停止所述功率半导体元件的动作。
3.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其特征在于，
所述功率半导体元件为多个，
所述温度检测元件设置在距多个所述功率半导体元件为大致相同热阻的位置上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的发动机起动装置，其特征在于，
所述温度检测元件是在两端设有所述连接部，且在所述导体配线上进行表面安装的芯片型电子部件。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的发动机起动装置，其特征在于，
所述热传导树脂的热传导率为3W/mK以上。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的发动机起动装置，其特征在于，
所述功率半导体元件包括MOSFET。
7.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其特征在于，
将与由所述温度检测元件检测出的温度相关的信息向所述发动机的控制装置输出，以下将发动机的控制装置称为“ECU”，
在通过所述ECU判断为所述温度在规定温度以上时，基于来自所述ECU的信号，限制或停止所述功率半导体元件的动作。
8.根据权利要求7所述的发动机起动装置，其特征在于，
基于来自所述ECU的信号，进行怠速停止。
9.一种控制装置，其具备：
功率半导体元件；
温度检测元件；
设有多根导体配线的电路基板，
在所述电路基板上安装所述功率半导体元件和所述温度检测元件，所述控制装置的特征在于，
所述温度检测元件具有至少两个连接部，这至少两个连接部分别与所述导体配线的一部分电连接，
与所述功率半导体元件连接的所述导体配线的另一部分在这至少两个连接部分别与所述导体配线的所述一部分电连接的连接部位之间延伸，
所述控制装置在所述温度检测元件与所述电路基板之间具备覆盖所述导体配线的覆盖材料，
在所述覆盖材料上设有使所述导体配线的所述一部分及所述另一部分露出的开口部，
所述导体配线的所述另一部分与所述温度检测元件的非连接部经由热传导树脂连接。
10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，
在所述温度检测元件所检测出的温度为规定温度以上时，限制或停止所述功率半导体元件的动作。
11.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，
所述功率半导体元件为多个，
所述温度检测元件设置在距多个所述功率半导体元件为大致相同热阻的位置上。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的控制装置，其特征在于，
所述温度检测元件是在两端设有所述连接部，且在所述导体配线上进行表面安装的芯片型电子部件。
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