JP2010283247A - 電子部品を実装した電装装置および空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、パワー半導体の放熱性能の改善と基板の小型化が可能な電装装置およびその電装装置を使用した空気調和機を提供することにある。
【解決手段】電装装置１０は、基板１２、基板１２に接合されたリードフレーム１４、リードフレーム１４に直接実装された電子部品１６を備える。基板１２は、一面から他面まで貫通する開口部１８を備える。開口部１８に電子部品１６やワイヤ２０が配置される。リードフレーム１４にベアチップを実装した場合、基板の一面側から封止樹脂２４で封止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品を実装した電装装置およびその電装装置を使用した空気調和機に関するものである。

従来、パワー半導体と非パワー半導体を一緒に安価な樹脂基板に実装することによってコスト低減が図られている。また、熱伝導率の低い樹脂基板の熱抵抗を低減するために種々の技術が開発・開示されている（下記の特許文献１など）。

例えば、図１２に示すように、電装装置１００は、パワー半導体と非パワー半導体の電子部品１６、１６ｂ、１６ｃが１枚の基板１２に実装されている。電子部品にはベアチップ１６、表面実装部品１６ｂ、挿入部品１６ｃが含まれる。ベアチップ１６は基板１２の上で樹脂封止される。電装装置１００は、他の電装装置１００などに接続するための接続端子１０２が設けられる場合がある。

パワー半導体にベアチップ１６を使用した場合の冷却について説明する。ベアチップ１６はヒートスプレッダ１０４の上に設けられ、ベアチップ１６の熱はヒートスプレッダ１０４によって拡散する。また、樹脂基板１２にはサーマルビア１０６が設けられ、サーマルビア１０６の上にヒートスプレッダ１０４が配置される。サーマルビア１０６によって基板１２の厚み方向の熱抵抗が下げられており、基板１２の一面側から他面側に熱が伝わりやすい。基板１２の他面側に冷却装置を取り付けることにより、ベアチップ１６の熱がヒートスプレッダ１０４およびサーマルビア１０６を介して冷却装置で放熱される。

しかし、ヒートスプレッダ１０４の上にベアチップ１６を実装し、さらにワイヤボンディングをおこなうと、樹脂封止したときの厚みが非常に大きくなり、電装装置１００が大型化される。また、封止樹脂２４は熱硬化タイプが多く、熱硬化させるときの加熱とその後の冷却により、封止樹脂２４と基板１２との線膨張係数差によって基板１２が反る。この反りの対策に多くの評価時間とコストが必要となる。封止樹脂２４の厚みが厚くなればなるほど反りが顕著に現れるため、封止樹脂２４の厚みを薄く抑えることが求められている。

サーマルビア１０６によって基板１２の熱抵抗は改善されるが、金属基板に比べると熱抵抗は非常に大きい。サーマルビア１０６の上にヒートスプレッダ１０４を半田実装するため、サーマルビア１０６の穴埋め加工が必要であり、コストアップとなる。

樹脂基板１２上の配線パターン２２の幅は、金属箔の厚みと電流容量に依存する。樹脂基板１２の配線パターン２２の厚みは７０μｍ程度が一般的であり、厚みを厚くすると高価になる。パワー半導体の電流容量が大きくなると配線パターン２２の幅を広げる必要があり、基板面積が大きくなる。

特開２００６−１９６８５３号公報（図６）

本発明の目的は、パワー半導体の放熱性能の改善と基板の小型化が可能な電装装置およびその電装装置を使用した空気調和機を提供することにある。

本発明の電装装置は、一面と他面を有し、開口部を備えた基板と、前記基板の他面側に接合されたリードフレームと、前記開口部内でリードフレームに取り付けられた電子部品と、前記電子部品が基板の導体パターン、リードフレーム、または電子部品同士と電気的に接続されるためのワイヤとを備える。基板に取り付けられたリードフレームに電子部品が実装される。電子部品は基板の開口部に配置される。

少なくとも前記電子部品およびワイヤを樹脂封止する。開口部に電子部品があり、ヒートスプレッダが無いため、封止樹脂の厚みは薄い。

前記基板の他面において、リードフレームと面一になるように樹脂封止する。リードフレームは、基板の反対側の面が樹脂と面一となる。

前記基板の他面において、リードフレームの全体を樹脂封止する。リードフレームの全体が樹脂封止される。

前記基板、リードフレーム、またはその両方によって基板の一面側から基板の他面側に樹脂が流れ込む空間を設ける。基板やリードフレームの他面側に封止樹脂が流れ込むようにする。

前記リードフレームの他面側において、封止樹脂または絶縁手段を介して放熱器を備える。電装装置に放熱器が取り付けられる。

前記リードフレームに外部接続端子を設ける。リードフレームと一体的に外部接続端子が設けられる。

前記基板およびリードフレームに挿入部品を実装するための貫通孔を設ける。挿入部品の端子を貫通孔に通して、半田などで電気的に接続する。

前記開口部を複数備え、基板における開口部同士の間において、前記ワイヤがまたがるように形成される箇所の基板厚を他の箇所の基板厚よりも薄くする。ワイヤの高さを低くする。

空気調和機は、前記の電装装置を備える。空気調和機に本発明の電装装置を使用する。

本発明は、リードフレームに電子部品が実装されるため、熱伝導が従来のサーマルビアに比べて非常によい。電流容量の高い箇所にリードフレームを使用することにより、基板の配線パターンの幅を広げる必要はない。基板の面積が縮小され、基板を小型化できる。開口部内に電子部品が配置され、ヒートスプレッダを使用しないため、樹脂封止したときの樹脂高さが低くなる。基板の反りなどがおきにくい。

本発明の電装装置の構成を示す図である。 開口部とリードフレームとの関係を示す図であり、（ａ）は開口部よりもリードフレームが大きく、（ｂ）は開口部とリードフレームの間に隙間ができる図である。 樹脂封止をおこなう図であり、（ａ）は基板などを準備した図であり、（ｂ）は基板などを型枠にはめ込んだ図であり、（ｃ）は樹脂封止した図であり、（ｄ）は型枠を外した図である。 リードフレームにスペーサーを取り付けた図であり、（ａ）はスペーサーと一体的に樹脂封止した図であり、（ｂ）は型枠を外した図である。 リードフレームに絶縁性シートを取り付けて一体的に樹脂封止した図である。 リードフレームを樹脂封止した図である。 伝熱板と一体的に樹脂封止する図であり、（ａ）は基板や冷却板などを準備した図であり、（ｂ）は冷却板と一体的に樹脂封止した図であり、（ｃ）は型枠を取り外した図である。 伝熱板と一体的に樹脂封止する図であり、（ａ）は基板や冷却板などを準備した図であり、（ｂ）は冷却板と一体的に樹脂封止した図であり、（ｃ）は型枠を取り外した図である。 型枠を使用せずに樹脂封止する図であり、（ａ）はフレームを備えた冷却板を準備した図であり、（ｂ）は基板などに冷却板を取り付けた図であり、（ｃ）は樹脂封止した図である。 型枠を使用せずに樹脂封止する図であり、（ａ）はフレームを備えた冷却板を準備した図であり、（ｂ）は基板などに冷却板を取り付けた図であり、（ｃ）は樹脂封止した図である。 開口部内でワイヤ接続をおこなう図である。 従来の電装装置の構成を示す図である。

本発明の電装装置について図面を用いて説明する。以下、種々の実施例を説明するが、各実施例は独立したものではなく、適宜組み合わされても良い。

図１に示す電装装置１０は、基板１２、基板１２に接合されたリードフレーム１４、リードフレーム１４に直接実装された電子部品１６を備える。

基板１２は、一面から他面まで貫通する開口部１８を備える。開口部１８に電子部品１６やワイヤ２０が配置されるため、開口部１８は電子部品１６の大きさやワイヤ２０の配置にあわせて形状や大きさを適宜設定する。基板１２は樹脂基板であり、例えばガラスクロス含浸エポキシ樹脂などが挙げられる。基板１２の表面には銅や銅合金などの金属箔からなる配線パターン２２が形成されている。

基板１２の他面にはリードフレーム１４が接合されている。図１においては基板１２の他面の配線パターン２２とリードフレーム１４とが接続されているが、回路設計によって適宜変更される。リードフレーム１４は配線パターン２２よりも厚みが厚い金属板であり、配線パターン２２よりも電流容量が大きい。大電流の流れる箇所にリードフレーム１４を使用する。

リードフレーム１４に電子部品１６を実装してから、開口部１８に電子部品１６が入るようにリードフレーム１４を基板１２に接合する。リフローで半田接合する場合、他の電子部品でリフローで半田接合されるものと一括でおこなう。また、接着で接合する場合、リードフレーム１４のみを接着し、他の電子部品は別途リフローまたはフローの半田接合でおこなう。また、半田の手付けであっても良い。なお、基板１２にリードフレーム１４を接合後、リードフレーム１４に電子部品１６を実装しても良い。その場合、電子部品１６を基板１２の一面側から開口部１８に入れておこなう。

リードフレーム１４に実装される電子部品１６は、パワー半導体および非パワー半導体のベアチップ１６である。また、基板１２に実装される電子部品としては、表面実装部品１６ｂ、および挿入部品１６ｃを含む。パワー半導体の一例として、ＩＧＢＴ（insulated
gate bipolar transistor）やＦＷＤ（free wheeling diode）などのベアチップが挙げられる。ＩＧＢＴのベアチップであれば、コレクタがリードフレーム１４に直接実装され、エミッタとゲートをワイヤ２０によって他の電子部品１６やリードフレーム１４、基板１２の配線パターン２２に接続する。

リードフレーム１４によって電流容量を高めることができるため、基板１２の配線パターン２２の幅を広げる必要はない。基板１２の表面積が広くならない。リードフレーム１４に実装された電子部品１６がパワー半導体であれば、リードフレーム１４に直接熱を拡散させることができる。リードフレーム１４であるので、サーマルビアよりも熱伝導が高く、放熱性能を格段に向上させることができる。従来のような、ヒートスプレッダやサーマルビアを設けずに、簡単な構成で熱拡散をおこなえる。

また、リードフレーム１４にベアチップを実装した場合、基板１２の一面側から封止樹脂２４で封止される。封止樹脂２４として、熱硬化型のエポキシ系樹脂などが挙げられる。樹脂封止しても、ヒートスプレッダが無く、開口部１８に電子部品１６が配置されるため、封止樹脂２４の厚みが抑制される。基板１２と封止樹脂２４の線膨張係数の違いから生じる基板１２の反りを抑制できる。従来、基板１２の反りの対策に多くの評価時間とコストが必要であったが、それらを低減できる。図１では、開口部１８とその付近に対して高さが一定になるように封止樹脂２４があるが、少なくとも電子部品１６とワイヤ２０を覆う構成も含む。

リードフレーム１４に外部接続端子２６を設けてもよい。外部接続端子２６は、基板１４を他面側から一面側に突き抜けるように設けられる。外部接続端子２６は他の電装装置などに接続される。リードフレーム１４を取り付けるときに一緒に外部接続端子２６を形成することができる。従来は金属棒を基板１２に取り付ける必要があったが、本願は製造が容易であり、頑丈に形成できる。

基板１２およびリードフレーム１２に挿入部品１６ｃを実装するための貫通孔２８を設けてもよい。貫通孔２８に挿入部品１６ｃの端子３０を挿入し、端子３０とリードフレーム１４を半田などで電気的に接続する。挿入部品１６ｃを簡単にリードフレーム１４を実装することができる。接続部品の削減およびコストダウンが可能である。

開口部１８が複数あり、一の開口部１８に電子部品１６があり、他の開口部１８のリードフレーム１４や電子部品１６とワイヤ２０で接続する場合がある。このような場合、基板１２におけるワイヤ２０がまたがる箇所１２ｂは、基板１２の他の箇所よりも厚みを薄くする。薄くする方法としては、基板１２の一面側が低くなるようにする。ワイヤ２０が基板１２の一面側を通過するため、ワイヤ２０の高さを低くすることができ、封止樹脂２４の厚みを薄くすることができる。上述した基板１２の反りを抑制するのに役立つ。

実施例１は基板１２の開口部１８から基板１２の一面側に封止樹脂２４を封止したが、基板１２の他面側も封止樹脂２４で封止されるようにしてもよい。図２（ａ）であれば、リードフレーム１４によって開口部１８を塞ぐため、基板１２の他面側に封止樹脂２４が回り込むことはない。そこで、図２（ｂ）に示すように、開口部１８を形成する縁部１８ｂとリードフレーム１４とで隙間１８ｃを形成する。隙間１８ｃから封止樹脂２４が基板１２の他面側に回り込む。封止樹脂２４を所定の形状で硬化させるために、図３に示すように型枠３２を使用する。

基板１２の他面への樹脂封止は、次の（１）〜（３）の順におこなう。（１）リードフレーム１４、電子部品１６、およびワイヤ２０を取り付けた基板１２を型枠３２にはめ込み（図３（ａ）、（ｂ））、（２）基板１２の一面側から封止樹脂２４を流し込み（図３（ｃ））、（３）封止樹脂２４の硬化後に型枠３２を外す（図３（ｄ））。

図３（ｄ）に示すように、基板１２の他面側まで封止樹脂２４が回り込んで、リードフレーム１４と封止樹脂２４とが面一になる。基板１２の両面に封止樹脂２４があるため、封止樹脂２４の熱硬化時の基板１２の反りが低減され、基板１２の信頼性が向上する。封止樹脂２４によって基板１２の他面側の絶縁距離を縮めることができる。隙間１８ｃを形成したため、リードフレーム１４が小型化され、基板１２の小型化も可能となる。

図３に示すように、基板１２における開口部１８同士間に穴３４を設け、その穴３４から基板１２の他面側に封止樹脂２４を流し込むようにしてもよい。隙間１８ｃからは封止樹脂２４が流れ込まない箇所に、穴３４から他面側に封止樹脂２４が流れ込む。また、リードフレーム１４にも基板１２やリードフレーム１４の他面側に封止樹脂２４が流れ込む穴を設けても良い。隙間１８ｃや穴３４などによって封止樹脂２４のために複雑な型枠３２を準備する必要はない。

電子部品１６の冷却能力を高めるために、電装装置１０に放熱器４０を取り付ける場合がある（図４（ｂ））。放熱器４０は電装装置１０の基板の他面側に接続される。放熱器４０は熱伝導性の高い金属板が挙げられる。基板１２の他面側にはリードフレーム１４があるため、単純にリードフレーム１４に放熱器４０を取り付けると短絡される。短絡を避けるために、リードフレーム１４と伝熱板１２との間に絶縁体のスペーサー３６を設ける。

図４（ａ）のように、リードフレーム１４の一面側に電子部品１６が実装されており、リードフレーム１４の他面にスペーサー３６を取り付ける。そして、実施例２の方法で樹脂封止をすることによって、スペーサー３６なども一体的に形成することができる（図４（ｂ））。スペーサー３６を一体的に形成できるため、製造工程数を減らすことができ、製造コストを下げることができ、歩留まりを良くすることができる。その後、放熱器４０が取り付けられる。樹脂封止した際、リードフレーム１４の他面側も封止されるため、放熱器４０に対する絶縁を確実におこなうこともできる。

図５のように、リードフレーム１４に絶縁性シート３８を取り付けて、図４（ａ）のように、封止樹脂２４と一体に形成しても良い。さらに、スペーサー３６や絶縁シート３８を使用せずに、封止樹脂２４のみでリードフレーム１４の他面まで完全に封止しても良い（図６）。

なお、電装装置１０が空気調和機に使用される場合、電装装置１０の他面側には冷却装置が取り付けられる。冷却装置は、冷媒が通過する配管、配管を覆う冷媒ジャケット、冷媒ジャケットに取り付けられる伝熱板とで構成される。上記の放熱器４０は伝熱板に対応する。また、上記の冷媒ジャケット以外に空冷のヒートシンクも挙げられる。冷媒ジャケットやヒートシンクは、伝熱板を介する場合と介さない場合がある。伝熱板を介さない場合、ヒートシンクのベース板や上記配管を覆う冷媒ジャケットが伝熱板の機能を有する。

また、リードフレーム１４と放熱器４０との間にスペーサー３６や絶縁シート３８を取り付け（図７（ａ））、放熱器４０を含めて実施例２の方法で樹脂封止をおこない（図７（ｂ））、型枠３２を取り外してもよい（図７（ｃ））。電装装置１０と放熱器４０が一体的に形成される。工程数が減るため、製造コストを下げることができ、歩留まりを良くすることができる。

リードフレーム１４ではなく、放熱器４０にスペーサー３６や絶縁シート３８を取り付けても良い。図８では、放熱器４０のリードフレーム１４と対向する面全体に絶縁シート３８を取り付けて、一体的に形成している。リードフレーム１４のある位置にのみ絶縁シート３８やスペーサー３６を設けても良い。

図９に示すように、放熱器４０の電装装置１０への対向面の外周部分を一周するフレーム４２を設けてもよい。フレーム４２は絶縁体で構成する。フレーム４２が基板１２の他面に密着されるようにする。基板１２の一面側から樹脂封止をおこなったとき、基板１２の他面側で封止樹脂２４がフレーム２４によって止められる。封止樹脂２４の粘度を調節することにより、基板１２の一面側に型枠などを使用せずに樹脂封止することができる。型枠３２を使わずに樹脂封止をおこなうことができる。

放熱器４０に直接フレーム４２を設けたが、放熱器４０に絶縁シート３８を取り付けた場合、絶縁シート３８の上にフレームを設ける（図１０）。

図１１のように、電子部品１６が開口部１８内に納められるのであれば、開口部１８の側部にも配線パターン２２を設け、側部にワイヤ２０を接続するようにしてもよい。

基板１２の一面側から封止樹脂２４を流し込んで基板１２の一面と他面の樹脂封止を一体的におこなったが、一面側と他面側にそれぞれ別個に封止樹脂２４を流し込んで樹脂封止をおこなってもよい。

図１などではワイヤ実装が開示されているが、本発明をＴＡＢ（tape
automated bonding）やフリップチップ実装に適用してもよい。また、開口部１８の中でリードフレーム１４に実装されるのはパワー半導体に限定されず、非パワー半導体であってもよい。電子部品１６などの発熱がほとんど無く、放熱が必要なければ、上記の構成において放熱器４０を備えない構成であっても良い。

上記の実施例の電装装置１０は、空気調和機に使用してもよい。空気調和機の室外機のインバータ装置などに本発明の電装措置１０を適用する。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：電装装置
１２：基板
１４：リードフレーム
１６、１６ｂ、１６ｃ：電子部品
１８：開口部
２０：ワイヤ
２２：配線パターン
２４：封止樹脂
２６：接続端子
２８：貫通孔
３０：端子
３２：型枠
３４：穴
３６：スペーサー
３８：絶縁シート
４０：放熱器
４２：フレーム

Claims (10)

1. 一面と他面を有し、開口部を備えた基板と、
   前記基板の他面側に接合されたリードフレームと、
   前記開口部内でリードフレームに取り付けられた電子部品と、
   前記電子部品が基板の導体パターン、リードフレーム、または電子部品同士と電気的に接続されるためのワイヤと、
   を備えた電装装置。
2. 少なくとも前記電子部品およびワイヤを樹脂封止した請求項１の電装装置。
3. 前記基板の他面において、リードフレームと面一になるように樹脂封止した請求項１または２の電装装置。
4. 前記基板の他面において、リードフレームの全体を樹脂封止した請求項１または２の電装装置。
5. 前記基板、リードフレーム、またはその両方によって基板の一面側から基板の他面側に樹脂が流れ込む空間を設けた請求項１から４のいずれかの電装装置。
6. 前記リードフレームの他面側において、封止樹脂または絶縁手段を介して放熱器を備えた請求項１から５のいずれかの電装装置。
7. 前記リードフレームに外部接続端子を設けた請求項１から６のいずれかの電装装置。
8. 前記基板およびリードフレームに挿入部品を実装するための貫通孔を設けた請求項１から７のいずれかの電装装置。
9. 前記開口部を複数備え、基板における開口部同士の間において、前記ワイヤがまたがるように形成される箇所の基板厚を他の箇所の基板厚よりも薄くした請求項１から８のいずれかの電装装置。
10. 請求項１から９の電装装置を備えた空気調和機。

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