JP2004095974A - 自動車用電子制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】トランスファモールド構造において、このモールドに適したエポキシ樹脂，耐熱・高密度実装に適したセラミック基板，ベース部材である銅系合金材を用いると、これらの線膨張係数の差による熱応力で封止部分の密着性劣化，界面剥離・樹脂クラック等を引き起こす。
【解決手段】自動車用電子制御装置をトランスファモールド封止する構成で、回路基板とベース部材の線膨張係数を見かけ上一致させ、両者間での過大応力の発生を抑え、また、回路基板とベース部材がトランスファモールド封止構造の中央に位置することで、熱応力発生を対称にして歪み量を抑える。
【効果】本発明によれば、放熱性と耐剥離性を両立しうるトランスファモールド封止電子制御装置を提供することができる。
【選択図】　図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用電子制御装置に係わり、特に電子制御回路の封止構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンや自動変速機の電子制御装置（以下コントロールユニット）は車室内に設置されていたが、車室内のコントロールユニットの増加に伴い、車室外に設置されることが要求されるようになってきている。また、コントロールユニットとその制御対象が離れていると配線の引き回しが複雑になり、配線敷設コストもその大きな要因となり、コントロールユニットと制御対象の一体化、所謂モジュール化の要求が高まっている。
【０００３】
つまり、エンジン用電子制御装置はエンジンルーム内、好ましくはエンジンそのものに取付け、自動変速機用制御装置も同様に自動変速機直付けあるいは自動変速機内部設置というニーズを実現させる必要がある。しかし前記設置場所は非常に過酷な温度環境（−４０〜１３０℃）であると共に、水，エンジン油またはＡＴ油に曝される可能性があり、セラミックのような耐熱性と放熱性を兼ね備えた基板上に電子部品を実装し、完全気密ケース内に収めることが必要になる。
【０００４】
また、その気密ケースも信頼性と放熱性を考慮すると、一般的に金属製のハーメチックシールケースが考えられるが、コスト面から採用が困難であった。そこで、廉価で信頼性が高く半導体のパッケージ技術として実績のあるトランスファモールド封止構造が、例えば、特開平６−６１３７２号に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来技術のようなトランスファモールド封止構造によれば、トランスファモールド樹脂，耐熱性を有する回路基板および放熱性を確保するためのヒートスプレッダとなる部材の積層構造となっている。トランスファモールドに適したエポキシ樹脂の線膨張係数は１０〜２０ｐｐｍ／℃　、耐熱・高密度実装に適したセラミック基板の線膨張係数５〜７ｐｐｍ／℃　、放熱性に優れたヒートスプレッダとして銅系合金材の線膨張係数１６〜１８ｐｐｍ／℃　と差が大きいことにより、繰り返しの温度変化において発生する熱応力により、封止部分の密着性劣化ひいては界面剥離・樹脂クラック等に至るという問題がある。例えば、上記材料によるトランスファモールド封止構造の各部材の熱膨張特性を図１に示すが、ガラス転移点前後で樹脂の線膨張係数が変わる為、高温域ではヒートスプレッダの線膨張係数がセラミック基板と樹脂の間にあり、低温域では樹脂がセラミック基板の線膨張係数より僅かに大きくヒートスプレッダは両者よりかなり大きい値となり、温度条件により非常に複雑な熱応力が発生していることが判る。その中でも、電子回路の放熱の目的から、回路基板とヒートスプレッダ間は極力接近させなければならず、線膨張係数差による過大な熱応力で界面剥離が発生してしまうという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、トランスファモールド封止構造を構成する部材、例えば、三部材の中で、回路基板とベース部材の線膨張係数を見かけ上一致させることを特徴とする。
【０００７】
また、回路基板とベース部材がトランスファモールド封止構造の中央に位置する構成とすることを特徴とする。また、封止樹脂の線膨張係数を、回路基板とベース部材の線膨張係数より大きくし、内部部材である回路基板とベース部材への前記樹脂の圧縮応力を生じることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するため、本発明では、トランスファモールド封止構造を構成する部材、例えば、三部材の中で、回路基板とベース部材の線膨張係数を見かけ上一致させ、両者間での過大応力の発生を抑える構造としている。また、回路基板とベース部材がトランスファモールド封止構造の中央に位置する構成とすることで、熱応力発生を対称にするとともに、歪み量を抑え、界面剥離・樹脂クラックを防止している。また、封止樹脂の線膨張係数を、回路基板とベース部材の線膨張係数より大きく取ることで、内部部材である回路基板とベース部材への前記樹脂の圧縮応力が発生し、界面剥離防止することを特徴としている。
【０００９】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。図２は第一の実施例を示す自動変速機用電子制御装置を含むシステムブロック図であり、図３は前記電子制御装置の回路基板への電子回路実装レイアウト図であり、図４はリードフレーム構造図であり、図５はリードフレームに電子回路基板を実装した図であり、図６は図５をトランスファモールド封止した図である。また図７はトランスファモールド封止後に後処理した製品形状図であり、図８はその断面図である。
【００１０】
図９は第二の実施例であり、外部接続端子への接続を兼ね備えた回路基板への電子回路実装レイアウト図である。図１０はリードフレームに図９の電子回路基板を実装した図であり、図１１は図１０をトランスファモールド封止した状態での断面図である。
【００１１】
図１２以降は第三の実施例を示す。図１２は主回路基板上に部分的に副回路基板を用いた場合の電子回路実装レイアウト図であり、図１３はリードフレームに図１２の電子回路基板を実装した図である。図１４は図１３をトランスファモールド封止した状態での断面図である。
【００１２】
図２において、自動変速機制御システム１内には自動変速機用電子制御装置２とセンサ・スイッチ類およびソレノイドバルブ類が載置されている。また前記自動変速機制御システム１から外部には、記載されていないＩＧＮキーに連動したバッテリ電源１０とＣＡＮ通信バス１１が接続されている。
【００１３】
前記自動変速機用電子制御装置２には前記バッテリ電源１０が接続されており、定電圧電源回路４経由でＣＰＵ３に電圧が印加されると同時に発振子７によりクロックが生成され、前記ＣＰＵ３に内蔵されたプログラムに従って制御を実行する。
【００１４】
また、前記定電圧電源回路４は前記ＣＰＵ３のプログラム実行の正当性を監視する機能，所謂ウォッチドッグ機能も備えており、前記ＣＰＵ３の状態をモニタしながら前記プログラムの実行異常を検出した場合は前記ＣＰＵ３にリセット信号を出力するなどの処理を行う。回転センサ１２とレンジセレクトＳＷ１３，サーミスタで構成された油温センサ１４が入力段回路５に取込まれ、前記ＣＰＵ３で演算処理後、出力信号は出力段回路６を介し、シフトソレノイドＡ２８およびシフトソレノイドＢ２９，ライン圧ソレノイド３０，ロックアップソレノイド
３１を制御することで、自動変速機を最適状態に維持している。
【００１５】
なお、変速機制御に必要なエンジン回転信号やスロットル開度信号は前記ＣＡＮ通信バス１１，ＣＡＮ通信駆動回路９経由で外部から取込んでいる。
【００１６】
次に電子回路の具体的な実装レイアウトについて図３を用いて説明する。本実施例では、回路基板としてフレキシブルプリント基板１５を用いている。前記フレキシブルプリント基板１５は銅パターンをフィルムで挟んだ構造となっており、ヤング率が非常に低いことから、後述するように剛性の高いベース部材に貼り付けることで、見かけ上の線膨張係数をベース部材に一致させることが可能になる。また耐熱性に関しては、使用温度環境に応じポリエステルまたはポリイミドを用いることが出来るが本実施例では使用温度環境が１２０℃を超えるケースがあることから、ポリイミド材を選定している。
【００１７】
前記フレキシブルプリント基板１５への実装は、素子発熱の分散を考慮して、まず前記定電圧電源回路４と前記出力段回路６を分散し、次に信号の流れがスムーズに繋がるような配置を選択している。具体的に説明すると、前記フレキシブルプリント基板１５には前記定電圧電源回路４の主要素であるパワーＩＣ４−１をベアチップ実装し、周辺とはワイヤボンディングにて接続されている。同様に前記出力段回路６の主要素であるパワーＩＣ６−１，６−２，６−３，６−４も外部接続部位に極力近づけた位置にベアチップ状態で実装されており、周辺とはワイヤボンディングにて接続されている。また前記フレキシブルプリント基板
１５には、前記ＣＰＵ３，前記発振子７，前記ＣＡＮ通信駆動回路９，前記入力段回路５等が実装されており、ＩＣ群はベアチップをワイヤボンディングにて接続し、それ以外の電子部品は半田リフローで接続されている。但し、ＩＣの実装方法は、フリップチップ実装やパッケージ実装等であっても良い。また、半田リフローの代わりに導電性接着剤等の材料を使用しても構わない。
【００１８】
加えて、外部接続端子との間をアルミワイヤで接続する構造においては、前記フレキシブルプリント基板１５の外周にはボンディング性確保の為、専用のボンディングパッド１６を実装している。
【００１９】
図４は前記フレキシブルプリント基板１５が載置されるリードフレーム１７を示す。
【００２０】
一般的に前記リードフレーム１７の材質は、電気抵抗，熱抵抗の観点から銅合金系が好まれる。但し、線膨張係数を低く抑えたい場合は、４２アロイ系のものも用いても良い。
【００２１】
本実施例では、トランスファモールド内部と外部を接続するための接続用端子である１７−１部および１７−２部と、前記フレキシブルプリント基板１５の固定および放熱を助けるためのベース部材１７−３部（今後インナータブと呼ぶ）を一体で１７として構成している。なお、通常１７−１部および１７−２部はアルミワイヤのボンディング性向上のため、必要に応じてＮｉメッキ処理が施される。
【００２２】
図５は、電子部品を実装した前記フレキシブルプリント基板１５を前記リードフレーム１７上に載置した状態を示す。図面に記載はないが、前記フレキシブルプリント基板１５の裏面は、前記インナータブ１７−３に接着部材を用いて固定されている。また、前記フレキシブルプリント基板１５と前記リードフレーム
１７の接続用端子１７−１および１７−２はワイヤボンディングにて接続されている。ここでは電流容量およびワイヤ長さの関係からアルミワイヤ１８を用いている。
【００２３】
図６は図５に示したものをトランスファモールド封止した図である。前記フレキシブルプリント基板１５はトランスファモールド樹脂で封止されている。ここでは前記トランスファモールド樹脂としてエポキシ系熱硬化樹脂１９を用いている。また、明確な図示が無いが、シール性の確保のため前記エポキシ系熱硬化樹脂１９によりフルモールドされる構造をとっており、前記リードフレーム１７の接続用端子１７−１および１７−２のワイヤボンディング部は完全に衣包まれる構造となっているが、特に前記接続用端子１７−１および１７−２と前記エポキシ系熱硬化樹脂１９との接着界面は気密性能に密接に関連しているので、十分な沿面距離を確保する必要がある。また、後述するが前記フレキシブルプリント基板１５は前記エポキシ系熱硬化樹脂１９の中心部に配置されることで、偏った熱応力が発生しないような構造を採用している。
【００２４】
図７は図６で示したトランスファモールド成形品の後処理後の形態を示したものである。
【００２５】
一般的には、前記リードフレーム１７の不要部分を切断する工程（タイバカット）、成形時の樹脂バリを取る工程（バリ取り）を行うことになる。また外部に露出している前記リードフレーム１７の接続用端子１７−１および１７−２は、腐食防止の観点で適当なメッキ処理が施される場合もある。
【００２６】
本図では電気的な接続を目的とした前記接続用端子１７−１および１７−２以外に前記フレキシブルプリント基板１５の固定および放熱用の前記インナータブ１７−３をタイバカットした面２１が確認できる。本図には記載しないが、アプリケーションにより放熱性能が満足できない場合は前記インナータブのタイバカット部２１を延長し、熱容量の大きいものに接続することで更に放熱性能を改善することも可能である。
【００２７】
図８は、図７をＡ−Ａから見た断面図である。電気的な接続を目的とした前記接続用端子１７−１および１７−２、電子回路が実装された前記フレキシブルプリント基板１５，前記インナータブ１７−３が、前記エポキシ系熱硬化樹脂１９で衣包まれているのが確認できる。なお、電子回路が実装された前記フレキシブルプリント基板１５と前記インナータブ１７−３は接着部材２０を介して接着されている。接着材として接着力の強いエポキシ系材料を用いているが、放熱性を考慮すると接着部材の厚さ管理を１００μｍ程度に抑えることが重要である。なお、前記管理を容易にする為に、接着シートを用いることも可能である。
【００２８】
第二の実施例を図９から図１１を用い説明する。これは第一の実施例において、前記フレキシブルプリント基板１５の前記接続用端子１７−１および１７−２と接続する辺を短冊状に延長したものである。
【００２９】
図９において、この短冊状の部分１５−１および１５−２は前記接続用端子
１７−１および１７−２に直接接続可能なように裏面の銅箔パターンが露出しており、対抗する前記接続用端子１７−１および１７−２に一対一で重なる形状となっている。これにより、ボンディングパッド１６の領域が不要となり、実際に電子回路を実装できる部分１５−３を拡大出来る。
【００３０】
図１０は、第一の実施例と同様に、電子部品を実装した前記フレキシブルプリント基板１５を前記リードフレーム１７上に載置した状態を示している。前記フレキシブルプリント基板１５の短冊状の部分１５−１および１５−２は、対抗する前記接続用端子１７−１および１７−２に部分的にオーバーラップするように配置される。図面に記載はないが、前記フレキシブルプリント基板１５の電子回路実装部１５−３は、前記インナータブ１７−３に接着部材を用いて固定されている。
【００３１】
図１１は図１０に示したものをトランスファモールド封止した後、Ｂ−Ｂから見た断面図を示す。本実施例では、オーバーラップしている前記フレキシブルプリント基板１５の短冊状の部分１５−１および１５−２は、対抗する前記接続用端子１７−１および１７−２と半田２２により電気的に接続されている。なお、アプリケーションによっては導電性接着剤を用いて両者の電気的接続をとることも可能である。
【００３２】
また、電子回路が実装された前記フレキシブルプリント基板の電子回路実装部１５−３と前記インナータブ１７−３が接着部材２０を介して接着されているのは、図８と同様である。
【００３３】
従来であれば、実使用条件下での温度変化により電気的接続部に応力がかからぬようにワイヤボンディング等を用いざるを得なかったが、本実施例では回路基板として低ヤング率のフレキシブルプリント基板を用いることにより、接続用端子への直接接続が可能となっている。
【００３４】
更に第三の実施例を図１２から図１４を用い説明する。これは前記図９から図１１の実施例において、前記フレキシブルプリント基板１５のサイズでは、電子回路の実装が困難な場合の一実施例である。フレキシブルプリント基板は民生用にも多用されており、一般的には廉価な材料であるが、本アプリケーションのようにポリイミドの耐熱フィルムなどを使った場合、二層以上の多層化はコスト面から非経済的になる。そこで、前記フレキシブルプリント基板１５は二層に留めておき、部分的に高集積基板を積層することで、最小限の費用で高密度実装が可能となる。
【００３５】
図１２は前記フレキシブルプリント基板１５の中心部に実装されていたＣＰＵ３から周辺回路への配線が二層では困難である為多層セラミック基板２３を介することにより、再配線を行った例である。図９と同一形状の前記フレキシブルプリント基板１５の中心部には、前記多層セラミック基板２３が載置されており、更にその上に前記ＣＰＵ３が実装されている。この実施例においては、前記ＣＰＵ３と前記多層セラミック基板２３との電気的接続はワイヤボンディングによっている。一方、前記多層セラミック基板２３と前記フレキシブルプリント基板１５の電気的接続は、図面に記載は無いが、ボールグリッドアレイ等の既知の接続技術にて行われている。本構造によれば、ヤング率が高く、前記インナータブ１７−３との線膨張係数差が大きな前記多層セラミック基板２３のようなものでも、局所的な使用でかつ一番熱歪みの小さい場所に配置することで、熱応力の影響を最小限に抑えることが可能となる。
【００３６】
図１３は図１２記載の電子部品を実装した前記フレキシブルプリント基板１５を前記リードフレーム１７上に載置した状態を示している。図１０と同様に、前記フレキシブルプリント基板１５の短冊状の部分１５−１および１５−２は、対抗する前記接続用端子１７−１および１７−２に部分的にオーバーラップするように配置される。図面に記載はないが、前記フレキシブルプリント基板１５の電子回路実装部１５−３は、前記インナータブ１７−３に接着部材を用いて固定されている。
【００３７】
図１４は図１３に示したものをトランスファモールド封止した後、Ｃ−Ｃから見た断面図を示す。本実施例においても、オーバーラップしている前記フレキシブルプリント基板１５の短冊状の部分１５−１および１５−２は、対抗する前記接続用端子１７−１および１７−２と半田２２により電気的に接続されている。
なお、アプリケーションによっては導電性接着剤を用いて両者の電気的接続をとることも可能である。
【００３８】
また、電子回路が実装された前記フレキシブルプリント基板１５−３と前記インナータブ１７−３が接着部材２０を介して接着されているのは、図１１と同様である。
【００３９】
更に図示していないが、前記多層セラミック基板２３と前記フレキシブルプリント基板１５も前記接着部材２０と同様な材料によって接着されている。
【００４０】
なお、以上の実施例では、トランスファモールド封止用前記エポキシ系熱硬化樹脂１９の線膨張係数について記載をしていないが、全体の線膨張係数比率においては、内蔵された回路基板およびインナータブ等の線膨張係数より、前記エポキシ系熱硬化樹脂の線膨張係数が大きい方が好ましい。理由は二つあり、低温側ではエポキシ系熱硬化樹脂の線膨張係数が大きい為、前記回路基板およびインナーリードを外部から圧縮する方向に働き、部材間の剥離を防止できる。また高温側は逆のケースが考えられるが、前記エポキシ系熱硬化樹脂は高温側では、ヤング率が低くなり、剥離に至るような応力が発生しないためである。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、放熱性と耐剥離性を両立しうるトランスファモールド封止電子制御装置を提供することができる。また、実装効率を上げる場合に、多層セラミック基板のような高密度回路基板を部分的に採用し、フレキシブル基板の中心部に配置することで、熱応力の増加を最小限にすることを可能とする。
【００４２】
更に、フレキシブルプリント基板と外部接続用端子の接続を半田または導電性接着剤により実現可能なため、アルミワイヤのボンディング工程を省略できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トランスファモールド封止構造の各部材の熱膨張特性。
【図２】自動変速機用電子制御装置を含む第一実施例のシステムブロック図。
【図３】第一実施例における電子回路の実装レイアウト図。
【図４】第一実施例におけるリードフレーム構造図。
【図５】第一実施例におけるリードフレームへの電子回路基板実装図。
【図６】第一実施例におけるトランスファモールド封止後の外観図。
【図７】図６の後処理後の製品外観図。
【図８】図７の断面図。
【図９】第二実施例における電子回路の実装レイアウト図。
【図１０】第二実施例におけるリードフレームへの電子回路基板実装図。
【図１１】第二実施例におけるトランスファモールド封止後の断面図。
【図１２】第三実施例における電子回路の実装レイアウト図。
【図１３】第三実施例におけるリードフレームへの電子回路基板実装図。
【図１４】第三実施例におけるトランスファモールド封止後の断面図。
【符号の説明】
１…自動変速機制御システム、２…自動変速機用電子制御装置、３…ＣＰＵ、４…定電圧電源回路、４−１，６−１，６−２，６−３，６−４…パワーＩＣ、５…入力段回路、６…出力段回路、７…発振子、９…ＣＡＮ通信駆動回路、１０…バッテリ電源、１１…ＣＡＮ通信バス、１２…回転センサ、１３…レンジセレクトＳＷ、１４…油温センサ、１５…フレキシブルプリント基板、１５−１，
１５−２…フレキシブルプリント基板の外部接続用短冊部、１５−３…フレキシブルプリント基板の電子回路実装部、１６…ボンディングパッド、１７…リードフレーム、１７−１，１７−２…接続用端子、１７−３…インナータブ、１８…アルミワイヤ、１９…エポキシ系熱硬化樹脂、２０…接着部材、２１…インナータブのタイバカット部、２２…半田、２３…多層セラミック基板、２８…シフトソレノイドＡ、２９…シフトソレノイドＢ、３０…ライン圧ソレノイド、３１…ロックアップソレノイド。

Claims (11)

  1. 電子部品によって構成される電子回路と、
    上記電子回路に接続され配線回路を構成する回路基板と、
    上記回路基板に接触し、上記回路基板の放熱を行うベース部材と、
    上記電子回路が上記回路基板を介して外部と信号の入出力を行う外部接続用端子と、
    上記電子回路，上記回路基板，上記ベース部材を含んで封止する封止樹脂とを有し、
    前記回路基板の線膨張係数を前記ベース部材の線膨張係数に見かけ上一致するように上記回路基板を上記ベース部材上に配置したことを特徴とする自動車用電子制御装置。
  2. 請求項１において、
    上記回路基板はフレキシブルプリント基板であり、上記ベース部材は銅系合金材料を含むことを特徴とする自動車用電子制御装置。
  3. 請求項２において、
    上記フレキシブルプリント基板上に少なくとも一つ以上の電子回路が配置されていることを特徴とする自動車用電子制御装置。
  4. 請求項２において、
    上記フレキシブルプリント基板と上記外部接続用端子の接続は、半田または導電性接着剤によって接続されていることを特徴とする自動車用電子制御装置。
  5. 請求項１において、
    上記回路基板と上記ベース部材は接着部材を介して固定されることを特徴とする自動車用電子制御装置。
  6. 請求項１において、
    上記回路基板と上記ベース部材は、上記封止用樹脂の中心部に載置されたことを特徴とする自動車用電子制御装置。
  7. 請求項１において、上記封止用樹脂の線膨張係数は、上記回路基板および上記ベース部材の線膨張係数より大きいことを特徴とする自動車用電子制御装置。
  8. 電子部品によって構成される電子回路と、
    上記電子回路に接続され配線回路を構成する回路基板と、
    上記回路基板に接触し、上記回路基板の放熱を行うベース部材と、
    上記電子回路が上記回路基板を介して外部と信号の入出力を行う外部接続用端子と、
    上記電子回路，上記回路基板，上記ベース部材を含んで封止する封止樹脂とを有し、
    前記回路基板の線膨張係数を前記ベース部材の線膨張係数又は上記外部接続用端子の線膨張係数に見かけ上一致するように上記回路基板を上記ベース部材上に配置したことを特徴とする自動車用電子制御装置。
  9. 請求項８において、上記封止用樹脂の線膨張係数は、上記回路基板および上記ベース部材の線膨張係数より大きいことを特徴とする自動車用電子制御装置。
  10. 電子部品によって構成される電子回路と、
    上記電子回路に接続され配線回路を構成する回路基板と、
    上記回路基板に接触し、上記回路基板の放熱を行うベース部材と、
    上記電子回路が上記回路基板を介して外部と信号の入出力を行う外部接続用端子と、
    上記電子回路，上記回路基板，上記ベース部材を含んで封止する封止樹脂とを有し、
    前記回路基板の線膨張係数を前記ベース部材の線膨張係数に見かけ上一致するように上記回路基板を上記ベース部材上に配置し、上記封止用樹脂の線膨張係数を上記回路基板および上記ベース部材の線膨張係数より大きくして、上記回路基板と上記ベース部材への上記封止樹脂の圧縮応力を有することを特徴とする自動車用電子制御装置。
  11. 請求項１０において、上記圧縮応力は、上記回路基板及び上記ベース部材へ与えられ、上記回路基板又は上記ベース部材の界面剥離を抑えることを特徴とする自動車用電子制御装置。
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