JP2007059575A

JP2007059575A - イグナイタ

Info

Publication number: JP2007059575A
Application number: JP2005242261A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamaguchi; 山口　　剛
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【目的】部品点数、組み立て工数を低減し、且つ熱応力を低減できるイグナイタを提供する。
【解決手段】鉄心と１次コイルと２次コイルとから形成される点火コイル部をケースに収容し、併せて当該ケース内にはイグナイタと外部接続用のコネクタを配置した点火装置において、前記イグナイタを構成する電子部品と基板とが前記コネクタと一体樹脂成型で形成されたことを特徴とするイグナイタとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用の点火装置に用いられるイグナイタに関し、特に外部接続用のコネクタを備えるイグナイタ構造に関する。

点火プラグに直接接続される点火装置では、従来よりプラグホールに埋設される点火コイル部と、当該点火コイル部の駆動制御を行うイグナイタ部を備えるものが提案、実用化されている。そして周知の如くこのような点火装置においては、イグナイタと点火コイル部とを、同一の点火装置ケース内に備えたものがあり、特に近時の一つの点火プラグに一つの点火装置を配置する点火装置が普及している。前述の通り、近時の点火装置では点火コイル部の駆動制御においてイグナイタは不可欠なものであり、これら２つがセットとなるように使用されている。

点火装置は図５に示すように、中心鉄心１３０と１次コイル１１０と２次コイル１２０とからなる点火コイル部と、点火プラグへの高電圧出力部１８０とをエンジン本体に設けられたプラグホールに埋設し、前記点火コイル部の直上であって、プラグホールの外側にはイグナイタ１４０が配置され、これらが点火装置ケース１０１に収納されている。また、バッテリ等から電源供給を行う外部接続端子１５１を備えるコネクタ１５０が前記ケース１０１とは別部品で形成され、当該コネクタ１５０には前記イグナイタ１４０の台座となる如く設けられるイグナイタ受け部１５２が形成されている。イグナイタ１４０には前記外部接続端子１５１に接続されるイグナイタ金属端子１４１が設けられている。前記イグナイタ１４０は、この外周をシリコンラバーやゴム材等の変形可能な弾性材からなるカバー１６０により覆われている。

上述したイグナイタ１４０の点火装置部への搭載として、先ずイグナイタ１４０をカバー１４０で覆いイグナイタ受け部１５２に装着し、イグナイタ１４０側面に設けられているイグナイタ金属端子１４１とコネクタ１５０に設けられた外部接続端子１５１とを溶接等で接合する。このようにしてコネクタ１５０が装着されたイグナイタ１４０とコネクタ１５０部分は、点火装置の上部空間に装着され、その後イグナイタ１４０が搭載された点火コイル部上部を含む点火装置ケース１０１内全部に充填用エポキシ樹脂１７０を充填、封止することでイグナイタ１４０の固定と点火装置のモールドがなされている。また、従来では、イグナイタ１４０内部に実装配置される部品は、単一面すなわち単層の基板面上に片面或いは両面に半導体等のチップ部品が実装されており、このため上述したイグナイタ１４０では、電気的な回路上の大電流部と小電流部が内部配線基板上で互いに近接した状態で形成されている。

上述したイグナイタでは、次のような問題が生じる。まず１番目の問題として、外部接続端子との接続は別部品して用意するコネクタを用いて対応しなければならず、イグナイタ自体を点火コイル部に設置する前に、イグナイタとコネクタとの溶接等の手法による電気的且つ機械的な接合が必要であったため、部品点数の増大、溶接等の作業性の悪さ、及び溶接等に要する工数の増加という課題が生じている。さらに述べれば、上記構成では、外部接続端子とイグナイタ自体の端子との溶接、点火コイル内部接続端子との溶接等の接合数が増えることで接合部での非接触等の問題が生じ、従って当該接触部分の数の増加に比例して信頼性が低くなるといった問題が生じる。

次に２番目の問題として、コネクタを接合させたイグナイタを固定するために、点火コイル部のイグナイタ搭載部を充填用エポキシ樹脂により充填封止するが、イグナイタ自体はモールド樹脂によるモールディングがされただけの構造であり、充填用エポキシ樹脂の熱膨張収縮による応力を緩和させる為には、別部品として用意されたカバーを被せる必要があった。この点でも部品点数の増大、作業性の悪さ、工数の増加に加え、信頼性についても課題が生じている。

また、３番目の問題として、半導体封止する材料である熱硬化性樹脂は硬化前に、コンパウンド状の樹脂と液状樹脂が存在し、液状樹脂を充填、硬化させる場合には、充填した液体状の樹脂が垂れないよう、液面を確保するためのケースなどが用いられており、樹脂で封止が必要な体積は液面によって決定される。こによって本来半導体封止に必要以上の体積を確保するケースが必要になり、イグナイタ周辺が大型化することで点火装置本体の小型化が困難になっている。

また、４番目の問題として、イグナイタ内部の半導体等の構成部品を熱可塑性樹脂で成形、封止する場合、当該樹脂は成形前の樹脂粘度が極めて高く、比較的高い圧力によって金型への樹脂注形を行うため、イグナイタ内部のワイヤボンディング等による配線が当該樹脂によって変形或いは破断させてしまうといった問題も生じている。この対策として、熱硬化性樹脂によって金型への樹脂中継時の圧力を比較的低く抑え且つ、注形する樹脂も溶融時極めて低粘度で行うことが一般的な技術手段とされている。併せて樹脂は硬化反応時にイオン不純物を発生させることで半導体へのイオン反応を引き起こさせるため、熱硬化性樹脂により半導体封止をすることは困難であった。

本発明は上記課題に鑑み、部品点数、組み立て工数を低減し、且つ熱応力を低減できるイグナイタを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため本発明では、イグナイタを搭載していた別部品としての外部接続端子用コネクタをなくし、イグナイタの内部構造物と外部接続端子およびコネクタを一体で形成する。また、外部接続端子を形成することと、点火コイルの応力影響を受けないように樹脂は熱可塑性樹脂とする。

具体的には、請求項１においては、鉄心と１次コイルと２次コイルとから形成される点火コイル部をケースに収容し、併せて当該ケース内にはイグナイタと外部接続用のコネクタを配置した点火装置において、前記イグナイタを構成する電子部品と基板とが前記コネクタと一体樹脂成型で形成されたことを特徴とするイグナイタとし、一体成型は射出成型によりなされている。また、樹脂材を熱可塑性樹脂とし、当該熱可塑性樹脂はポリフェニレンスルフィド樹脂または複合ポリフェニレンスルフィド樹脂としてもよいし、熱可塑性樹脂はポリフェニレンスルフィド樹脂または複合ポリフェニレンスルフィド樹脂をベースにガラスフィラーまたは無機フィラーを配合し線膨張係数を低下させた樹脂材としてもよい。また、熱可塑性樹脂の線膨張係数は１２乃至２０ｐｐｍ／℃の範囲に設定してもよいし、イグナイタの電子部品表面がポリイミドによる表面処理を施したり、また、イグナイタの制御回路を構成するフリップチップと基板間との隙間にアンダーフィルを注入してもよい。

上記構成において、点火コイルを構成する内容物を絶縁、固定する際に充填される充填用エポキシ等の応力をイグナイタへ影響を及ぼさないよう応力を分散できる。また、大気中に放置されるコネクタ部位に対し、加水分解性を確保するため、イグナイタとコネクタを一体成型する熱可塑性樹脂はポリフェニレンスルフィド樹脂（以下「ＰＰＳ」）又は複合ポリフェニレンスルフィド樹脂（以下「ＰＰＳ系アロイ」）を使用している。また、一体成型する熱可塑性樹脂は上記特性とイグナイタを構成する電子部品（半導体）の封止を兼ねるているので半導体に用いるヒートシンクの線膨張係数に近似させる必要があり、熱可塑性樹脂の線膨張係数を低減させるために、ＰＰＳ又はＰＰＳアロイにガラスフィラー又は無機フィラーを配合し線膨張係数を低下させている。また、一体成型するＰＰＳまたはＰＰＳ系アロイは、上記特性と半導体の封止を兼ねているので半導体に用いるヒートシンクの線膨張係数に近似させるため、熱可塑性樹脂の線膨張係数は１２〜２０ｐｐｍ／℃の範囲に設定している。また、一体成型する熱可塑性樹脂であるＰＰＳまたはＰＰＳアロイの硬化は、一般的に脱食塩反応で行われるため、２ＮａＣｌの発生により半導体へイオン不純物反応を行い悪影響を与える。よって当該構成では、半導体の中でも特にパワーデバイスのように表面が直接熱可塑性樹脂に接触する場合は、ポリイミドによる表面処理を施している。また、イグナイタの制御回路などに用いるＩＣ類はフリップチップにより、表面を基板面へ配置すると共に、フリップチップと基板間の隙間に対してはアンダーフィルを注入して、熱可塑性樹脂のイオン不純物による悪影響を抑制している。

上記構成により、イグナイタを点火装置に設置する際に、別部品としてのコネクタ、及びイグナイタのコネクタへの溶接工程が省略できる。また、点火装置内にイグナイタを固定させるための充填用エポキシ樹脂の熱膨張収縮による応力を、別部品としてのカバーを用いることなく、イグナイタの外装としている熱可塑性樹脂のみで緩和可能である。また、射出成型にて半導体を封止するため、必要最小限の体積でイグナイタを構成することが可能となり小型軽量化が実現する。また、熱可塑性樹脂の中でも樹脂溶融時に極めて粘度の低いＰＰＳ又はＰＰＳ系アロイを使用する事で、射出成型では不可能であった半導体封止時に於けるボンディングワイヤの変形又は破断を防止し半導体に成型時のストレスを低減する作用によって一体成型が可能となる。

次に本発明の実施例について説明する。本発明の構成において点火コイル部分は従来のものと同一であるので説明は省略し、以下イグナイタとコネクタ部分を中心に説明する。本発明の実施例とするコネクタとイグナイタの構成図を次の通り示す。図１にはリードフレームと端子類で構成されたリードフレーム組立体の上面図を、図２にはリードフレーム集合体にイグナイタの電子回路部分を構成する配線基板とＩＣ、ＩＧＢＴ等トランジスタからなるスイッチング素子及びパワーモジュールを搭載した上面図を、図３には図２のイグナイタ−コネクタ組立体の完成上面図をそれぞれ示す。当該コネクタ一体のイグナイタは従来技術の図５におけるイグナイタ−コネクタ部分に置き換えされ、下部の点火コイル部分には変更がないものとなっている。

図１と２、３において、リードフレーム１は金属製の導電材で構成され、リードフレーム集合体２は当該リードフレーム１の組み合わせで構成され、この上部に接着剤７を介してヒートシンク５があり、この上部には接着剤７を介して配線基板４があり、当該配線基板４上にはＩＣ６が熱可塑性樹脂６により固定され、また、配線基板４外に配置されるＩＧＢＴ３がヒートシンク上に配置され、前記基板４上のパッドとワイヤー配線されている。また、リードフレーム１の一部で構成される外部接続端子とも同様に配線基板４とワイヤー配線されている。これら組立体の外周に射出成型により樹脂を吹き付け、外部接続用のコネクタ部分を形成することでコネクタ部分一体型のイグナイタが完成する、

上記構成をさらに詳述すれば、当該リードフレーム１は、点火コイルの外部接続端子と点火コイルの内部配線用端子を構成しており、後述のコネクタとして形成するまでにリードフレーム１を位置決めおよび強固に保持するためと、イグナイタの内部構造物をリードフレーム１上に配置するためにリードフレーム１を射出成型にて成型しリードフレーム１を固定したリードフレーム集合体２を形成している。リードフレーム集合体２には、スイッチング素子としてのパワーデバイス、例えばＩＧＢＴ３の放熱とＩＧＢＴ３の裏面電極の電気的接続および、セラミック等で構成される内部配線基板４上に電子部品が実装され、ＩＧＢＴ３及び放熱用ヒートシンク５とともにリードフレーム集合体２上に接着剤７などによって接続、装着される。

内部配線基板４上に実装された電子部品は一般的な能動素子とＩＧＢＴ３を制御するＩＣ６がフリップチップとして搭載されている。この際イグナイタ内部の電子部品等と外部接続端子との導通は、直接リードフレーム１上へとワイヤボンディング８を行うことで導通を取ることが可能となっている。ワイヤボンディング８は外部接続端子への導通を確保することと、ＩＧＢＴ３と内部配線基板４との導通を確保するのにも用いられる。

次に上記構成のイグナイタの作成手順について説明する。まず、リードフレーム集合体２にＩＧＢＴ３を有したヒートシンク５と内部配線基板４を接着剤７などにて接続、装着したのち、ＩＧＢＴ３と内部配線基板４及びリードフレーム１にワイヤボンディング８により導通を確保した後、ＩＧＢＴ３の表面とリードフレーム１上のワイヤボンディング８部にポリイミド９を塗布し、表面コーティングを行う。ポリイミド９の塗布処理は、後処理のコネクタを成型する際に用いる熱可塑性樹脂のＰＰＳ又はＰＰＳアロイの硬化反応時に発生するイオン不純物からの反応を防止するためと、熱可塑性樹脂とリードフレーム１のワイヤボンディング８部の接着強度向上を目的としている。なお、熱可塑性樹脂は無機材料に対する接着性に乏しいため、ポリイミド９を塗布し、プライマーとして使用することは周知の技術である。

次に、内部配線基板４上に実装されたＩＧＢＴ３を制御するＩＣ６への熱可塑性樹脂によるイオン不純物反応を防止するため、フリップチップとして搭載され、ＩＣ６の回路構成部分を内部配線基板４の表面へ向け実装されている。ＩＣ６はフリップチップとして搭載されているため、ＩＣ６と内部配線基板４との隙間は７０ｕｍ〜１２０ｕｍ程度あり、当該隙間にアンダーフィルとする熱可塑性樹脂１１を注入し、イオン不純物反応を防止する。使用するアンダーフィルは１液性エポキシで形成されており、イオン不純物濃度も半導体に悪影響のないレベル（例えばＮａ+は１０ppm以下、Ｃｌ-は１００ppm以下程度）に抑制されている。

リードフレーム集合体２に全ての部品を装着し、ワイヤボンディング８によって導通の確保を行い、ポリイミド９にてコーティングを行った後、熱可塑性樹脂であるＰＰＳまたはＰＰＳアロイによってコネクタ１０の形成とイグナイタの内部構造部位の外装を射出成型にて形成しコネクタが一体成型されたイグナイタが完成する。

当該熱可塑性樹脂による成型での半導体封止には、導通を確保するワイヤボンディング８の変形や、成型時に発生する熱可塑性樹脂内に発生するボイドなどによって実施されることが困難であった。本発明に対しては、使用する熱可塑性樹脂をＰＰＳまたはＰＰＳアロイとして熱可塑性では難しい成型時の流動性の確保を行い、このように流動性を高めることで、硬化反応後の機械的強度である可とう性の低減を抑制でき、ＰＰＳ樹脂内にエラストマなどを配合して可とう性を確保した。

ＰＰＳの一般的熱膨張係数は２０〜２６ppm/℃であるが、イグナイタ内部構造物の大部分の体積を占めるヒートシンク５に接着剤７などを介して装着されるため、イグナイタ内部構造物はヒートシンク５の線膨張係数に依存し、膨張収縮を行う。当該イグナイタはエンジン気筒直上に配置されることが多く、エンジン発熱および外気によって通常△Ｔ１１０℃程度の熱衝撃を受ける。当該イグナイタに採用したヒートシンク５は無酸素銅または強化材として鉄等を微量無酸素銅に配合した銅合金を使用するため、線膨張係数は１５〜１７ppm/℃である。前記に述べたように、イグナイタの内部構造物はヒートシンク５の線膨張係数に依存し、膨張収縮を行うため、半導体封止として使用するＰＰＳまたはＰＰＳアロイの線膨張係数はガラス、無機フィラー、溶融シリカなどを配合し１５〜１７ppm/℃まで低減させ、ヒートシンク５の線膨張係数に同調させることで、厳しい熱環境における熱衝撃に対しても高い信頼性を有する。

また、ヒートシンク５においては無酸素銅または銅合金以外に、鉄または鉄系合金、モリブデンまたはモリブデン合金、アルミまたはアルミ合金を使用するため、それらの熱膨張係数を考慮した場合には、使用するＰＰＳまたはＰＰＳアロイの線膨張係数を１２〜２０ｐｐｍ／℃に前記手法にて調整できるようにした。

また、点火コイルの充填用エポキシの線膨張係数は通常３０〜４０ｐｐｍ／℃であるため、当該熱可塑性樹脂の線膨張係数との差によってイグナイタに応力の影響を受ける。しかし、イグナイタの最適な応力はヒートシンク５の熱膨張係数に依存することが一般的であるが、点火コイルの充填用エポキシの線膨張係数を考慮して、ヒートシンク５の線膨張係数に対し約２〜３ｐｐｍ／℃を加算した値の特性を有した熱可塑性樹脂を採用することが好ましく、無酸素銅または強化材として鉄等を微量無酸素銅に配合した銅合金を採用した場合に使用するＰＰＳまたはＰＰＳアロイの線膨張係数は１７〜２０ｐｐｍ／℃が適している。

射出成型を行う際には、使用するＰＰＳまたはＰＰＳアロイの流動性の向上と、硬化反応の促進および硬化反応後の特性安定（結晶化の促進）を行うため、成型に使用する金型は高温で行い、金型温度は成型作業性を考慮し１２０℃〜１５０℃で行うことが好ましい。

以上のように、本発明の実施例によれば、リードフレーム１を固定するリードフレーム集合体２上にＩＧＢＴ３を接合したヒートシンク５にＩＣ６と電子部品を実装した内部配線基板４を接着剤７などを介して接着、配置し、コネクタ１０及びイグナイタの内部構造物を熱可塑性樹脂１１で一体形成することで、大幅な部品点数の削減および点火コイルとの内部配線に必要な溶接工程の大幅な組み立て工数低減によって工程の簡略化も実現し、内燃機関点火装置本体を安価に供給できるようになる。またイグナイタの内部構造物を熱可塑性樹脂にて成型することで必要最小限の形状が可能となり、大幅な小型、軽量化が図れる。また、熱可塑性樹脂１２の線膨張収縮によりイグナイタへかかる応力も緩和でき、熱可塑性樹脂１２の特性を調整することで、半導体封止も行える。

本発明のイグナイタのリードフレームを示す図１にイグナイタ部品を搭載した図を示す本発明のイグナイタ−コネクタ部分の完成図を示す図３のＡ−Ａ断面を示す点火装置の側面断面図を示す

符号の説明

１リードフレーム
２リードフレーム集合体
３ＩＧＢＴ
４配線基板
５ヒートシンク
６ＩＣ
７接着剤
８ワイヤーボンディング
９ポリイミド
１０コネクタ
１１熱可塑性樹脂
１２熱可塑性樹脂

Claims

鉄心と１次コイルと２次コイルとから形成される点火コイル部をケースに収容し、併せて当該ケース内にはイグナイタと外部接続用のコネクタを配置した点火装置において、前記イグナイタを構成する電子部品と基板とが前記コネクタと一体樹脂成型で形成されたことを特徴とするイグナイタ。
一体成型は射出成型によりなされていることを特徴とする請求項１に記載のイグナイタ。
樹脂材を熱可塑性樹脂としたことを特徴とする請求項１に記載のイグナイタ。
熱可塑性樹脂はポリフェニレンスルフィド樹脂または複合ポリフェニレンスルフィド樹脂としたことを特徴とする請求項３に記載のイグナイタ。
熱可塑性樹脂はポリフェニレンスルフィド樹脂または複合ポリフェニレンスルフィド樹脂をベースにガラスフィラーまたは無機フィラーを配合し線膨張係数を低下させた樹脂材としたことを特徴とする請求項３に記載のイグナイタ。
熱可塑性樹脂の線膨張係数は１２乃至２０ｐｐｍ／℃の範囲に設定していることを特徴とする請求項３に記載のイグナイタ。
イグナイタの電子部品表面がポリイミドによる表面処理を施したことを特徴とする請求項１に記載のイグナイタ。
イグナイタの制御回路を構成するフリップチップと基板間との隙間にアンダーフィルを注入したことを特徴とする請求項１に記載のイグナイタ。