JP2011108838A - 電子制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パターンが配線された基板を積層した多層基板において、放熱用金属と発熱する電子素子を備えても、クラックの発生による電流経路の導通不良の発生を防ぐ電子制御装置を提供する。
【解決手段】電子基板８は、電子素子１を面実装した際に電子素子が接する面に接続する電気信号線１１を含む電流経路Ａと、電子素子の接面部６が電子基板の面１６に露出する放熱用金属１３に当接して面実装した際の放熱経路Ｃと、が重複しないように、電気信号線を配線する。このため、クラックの発生による電流経路の導通不良の発生を防ぐことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、電子制御装置の構造の技術に関する。

図１は、ＭＯＳ型電解効果トランジスタ、特に、パワーＭＯＳＦＥＴとよばれる電子素子を示している。トランジスタの用途は、例えば、制御対象であるモータを制御するために利用され、特に、パワーＭＯＳＦＥＴは、大きな電流（例えば、４５Ａ）を出力することができ、大きなトルクを出力するモータをそのスイッチ機能によりＰＷＭ制御することができる。

パワーＭＯＳＦＥＴは図１に示すように、電子素子であるトランジスタのチップ５が、パッケージ２により封止されている。トランジスタチップ５の３つの電極のうち、ソース電極及びゲート電極が端子３及び端子４と電気的に接続され、それら端子がパッケージ２の外部に備わっている。また、パワーＭＯＳＦＥＴ１の裏を表す図２のように、トランジスタチップ５の３つの電極のうちドレイン電極が、端子板６と電気的に接続されパッケージの底面に表出している。このようにドレイン電極のみがパッケージの底面に設けられている理由は、高集積化及び大電力化を可能にするためとされており、制御基板を小型化したり、大きなトルクを出力するモータをＰＷＭ制御するには、このような構造を持つパワーＭＯＳＦＥＴ１が適している。

パワーＭＯＳＦＥＴ１のスイッチ機能の発揮によって、モータをＰＷＭ制御する際に、パワーＭＯＳＦＥＴ１において、ゲート電極−ドレイン電極間に電圧がかかると、オン抵抗が高くなって熱が発生してしまう。そこで、図２に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴ１のパッケージ２の底面に表出して設けられている端子板６が、パッケージ内の熱を放出する機能も担っている。

図３は、パワーＭＯＳＦＥＴ１などの電子部品が電子基板８に面実装された電子制御装置７を示している。図３に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴ１が、電子基板８へ面実装されると、端子板６の面が電子基板８の面と接することによって、端子板６の熱が電子基板８へ伝わり、一定の放熱効果が得られる。しかし、電子基板８の素材は、絶縁性を有する樹脂であるためその放熱効果は限定的であり、その放熱効果が十分でない場合は、パワーＭＯＳＦＥＴ１自体の劣化や故障、又は、周辺部品の劣化や故障を招く虞がある。

より放熱効果を得る技術として、パワーＭＯＳＦＥＴ１の端子板６が電子基板８の面に接する位置にスルーホールを設けることによって放熱効果を得る技術がある。他にも、その位置に、金属柱を埋設することによって、より放熱効果を得る技術がある。具体的には、金属柱は、電子基板８を貫通し、その接する面とその面とは反対側の面とに露出するとともに、露出した部分が電子基板８の両面と平面形状をなすように埋設される。これにより、放熱効果の高い金属がパワーＭＯＳＦＥＴ１において発生した熱を吸収するとともに、吸収した熱をパワーＭＯＳＦＥＴ１が面実装された電子基板８の面とは反対側へ放出するので、スルーホールを設けるより高い放熱効果が得られる。このような技術は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開平５−３０４２２３号公報

しかし、パターンが配線された基板を積層した多層電子基板において、この技術を採用すると、各層間においてクラックが発生しやすくなり、発生したクラックにより電子基板８における電流経路で導通不良が発生する虞がある。

その導通不良の詳細を説明する。図４は、図３に示す電子制御装置１におけるＸ軸方向に沿ったIII−III線での断面図である。電子基板８Ｘは、パターン１１Ｘが配線された基板１５Ｘが４枚積層された多層基板である。電子基板８Ｘは、各層に配線されたパターン１１Ｘ同士が電気的に接続されるようにするためのスルーホール１２Ｘを有している。スルーホール１２Ｘは、電子基板８Ｘに開いた孔であって、孔の縁が電導効果を有する金属により覆われるとともに、各層のパターン１１Ｘと電気的に接続されている。

更に、電子基板８Ｘは、前述した放熱用の金属柱１３Ｘを埋設する。電子基板８Ｘにおいて金属柱１３Ｘが埋設されている孔（以降、金属柱孔という）の縁１４Ｘには、スルーホール１２Ｘと同様に、電導効果を有する金属により覆われるとともに、各層のパターン１１Ｘと電気的に接続されている。

このような放熱手段を、多層電子基板を備える電子制御装置へ採用すると、図４に示すように、電子基板８Ｘにおいては、ドレイン電極と接続する端子板６Ｘから入力される電気の流れと、ゲート電極と接続する端子４Ｘへ出力する電気の流れと、パターン１１Ｘにおける電気の流れと、から構成される電流経路ＡＸが、金属柱１３Ｘや金属柱孔の縁１４Ｘを経由することになってしまう。つまり、パワーＭＯＳＦＥＴ１Ｘの端子板６Ｘから金属柱１３Ｘへ伝導し反対側の面へ放出される熱の放出経路ＣＸと電流経路ＡＸとが一部重複することになってしまう。

そうすると、パワーＭＯＳＦＥＴ１が発生させた熱を吸収した金属柱１３Ｘへ、電流経路ＡＸのうちパワーＭＯＳＦＥＴ１の端子板６Ｘ以後を流れる大きな電気（例えば、電流値：４５Ａ）が加って、金属柱１３や金属柱孔の縁１４Ｘが熱膨張しやすくなる。金属柱１３Ｘや金属柱孔の縁１４Ｘが熱膨張すると、金属柱孔の縁１４ＸにおいてクラックＢが発生し、電流経路ＡＸの一部を構成する金属柱孔の縁１４Ｘにおいて導通不良が発生する虞がある。

更に、金属柱孔の縁１４Ｘと金属柱１３Ｘを電流経路としても利用しているため、金属柱１３Ｘの放熱効果も低下してしまう虞もある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電子素子の放熱機能を維持しつつ、クラックの発生による電流経路の導通不良を防ぐことができる電子基板を備えた電子制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、制御対象を制御する電子制御装置であって、前記制御対象を制御するための電子部品が実装される電子基板と、前記電子基板に配線される電気信号を伝達する電気信号線と、前記電子基板に貫通して両面に露出する金属と、前記電子基板へ実装される際に前記電子基板の面と接する接面部に電気信号線の接続を行う電子素子と、を備え、前記電子素子は、前記電子基板において、前記接面部が前記電子基板の面に露出する前記金属に当接して実装されるとともに、前記接面部に接続する前記電気信号線を、前記金属と非接触にして配線されることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の電子制御装置において、前記電子基板は、前記電気信号線が配線された基板を積層した多層電子基板であることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１ないし請求項２の何れかに記載の電子制御装置において、前記制御対象はモータであり、前記電子素子は、パッケージにより封止され、前記電子基板へ実装される際に前記電子基板の面と接する前記パッケージの接面部に電気信号線の接続を行うとともに、前記モータを制御するための電流を生成するトランジスタであることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１ないし請求項２の何れかに記載の電子制御装置において、前記電子素子は、電流計測用のシャント抵抗であることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れかに記載の電子制御装置は、車両に搭載されることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、制御対象を制御する電子制御装置であって、前記制御対象を制御するための電子部品が実装される電子基板と、前記電子基板に配線される電気信号を伝達する電気信号線と、前記電子基板に貫通して両面に露出する金属と、前記電子基板へ実装される際に前記電子基板の面と接する接面部に電気信号線の接続を行う電子素子と、を備え、前記電子基板は、前記電子素子の前記接面部に接続する前記電気信号線を含む電流経路と、前記電子素子が前記接面部が前記電子基板の面に露出する前記金属に当接して実装された際の放熱経路と、が重複しないように、前記電気信号線を備えることを特徴とする。

請求項１ないし４の発明によれば、パッケージにより封止され、実装される際に電子基板の面と接するパッケージの面に電気信号線の接続を行う電子素子を、そのパッケージの面が貫通して露出する金属を備える電子基板のその金属に当接して、電子基板へ実装されるとともに、電子素子のパッケージの面に接続する電子基板の電気信号線を、金属と非接触にして配線することにより、電子基板を備えた電子制御装置において、電子素子の放熱機能を維持しつつ、クラックの発生による電流経路の導通不良を防ぐことができる。

図１は、電子素子を示す図である。 図２は、電子素子を示す図である。 図３は、電子制御装置を示す図である。 図４は、電子制御装置の断面図である。 図５は、電子制御装置の断面図である。 図６は、電子制御装置の断面図である。 図７は、電子素子を示す図である。 図８は、電子素子を示す図である。

本発明は、制御対象を制御する電子制御装置の技術に関するものであり、全ての技術分野における電子制御装置に適用されるものであるが、便宜上、車両の電動ステアリング・モータを制御する操舵電子制御装置を実施の形態として、添付図面を参照しながら説明を行う。

＜代表の形態＞
（電子素子）
図１は、ＭＯＳ型電解効果トランジスタ、特に、パワーＭＯＳＦＥＴとよばれる電子素子を示している。トランジスタは、例えば、車両制御において利用される、制御対象である電動ステアリング・モータを制御する際に用いられる。このモータは、大きな電力が必要とされる制御対象であるため、特に、パワーＭＯＳＦＥＴを利用して制御する必要がある。

パワーＭＯＳＦＥＴは図１に示すように、電子素子であるトランジスタのチップ５が、パッケージ２により封止されている。トランジスタチップ５の３つの電極のうち、ソース電極及びゲート電極が端子３及び端子４と電気的に接続され、それら端子がパッケージ２の外部に備わっている。また、パワーＭＯＳＦＥＴ１の裏を表す図２に示すように、トランジスタチップ５の３つの電極のうちドレイン電極は端子板６と電気的に接続されパッケージの底面に表出している。このようにドレイン電極のみがパッケージの底面に設けられている理由は、高集積化及び大電力化を可能にするためであるとされ、車両の小型化や軽量化のために、或いは、車両に備わる大出力を必要とする電動ステアリング・モータを制御するために、このような構造を持つパワーＭＯＳＦＥＴ１が適している。

また、パワーＭＯＳＦＥＴ１のスイッチ機能の発揮によって、モータをＰＷＭ制御する際は、パワーＭＯＳＦＥＴ１において、ゲート電極−ドレイン電極間に電圧がかかって、オン抵抗が高くなり熱が発生してしまうため、図２に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴ１のパッケージ２の底面に表出して設けられている端子板６が、パッケージ内の熱を放出する機能も担っている。このパワーＭＯＳＦＥＴ１は、電子制御装置に備わる電子基板に面実装されている。
（電子制御装置）
図３は、電子制御装置７を示している。電子制御装置７は、制御対象である電動ステアリング・モータを制御する機能を担い、電子部品が実装された電子基板８を備える。電子基板８は、後述するように、電気信号を電子部品へ伝達する電気信号線、つまり、パターンが配線された基板を所定枚（例えば、４枚）積層した多層電子基板から構成される。また、電子基板８は、前述したパワーＭＯＳＦＥＴ１、記憶機能を担うＲＯＭやＲＡＭなどのメモリと演算機能を担うＣＰＵを有するマイコン９、電荷の蓄放電機能を担うキャパシタ１０、パターン１１、及び、他の層を構成する電子基板が有するパターンと電気的に接続するスルーホール１２などを備える。

電子制御装置７は、車両の電動ステアリング・モータを制御する操舵電子制御装置であり、物理的な現象を捕らえるセンサからの入力値とＲＯＭなどに記憶されている制御プログラムとに基づいてＣＰＵが他の電子部品と協働してステアリング機能を発揮すべく、制御対象であるステアリング・モータを制御する。
（電子基板）
図５は、図３に示す電子制御装置１におけるＸ軸方向に沿ったIII−III線での断面図である。電子基板８は、パターン１１が配線された基板１５が所定枚数（例えば、４枚）積層された多層電子基板である。電子基板８は、各層に配線されたパターン１１が電気的に接続するためのスルーホール１２を有している。スルーホール１２は、電子基板８に開いた孔であって、孔の縁が電導効果を有する金属により覆われるとともに、各層のパターン１１と電気的に接続されている。なお、電子基板８の両面の表面１６は絶縁効果を有する樹脂などによりコーティングされている。

また、電子基板８は、放熱用の金属柱１３を埋設する。電子基板８において金属柱１３が埋設されている金属柱孔には、図３に示したようなスルーホール１２と同様の電導効果を有する金属の縁によって覆うことはしない。つまり、この金属柱孔付近においては各層のパターン１１とは電気的に非接続にする。

更に、電子基板８は、パワーＭＯＳＦＥＴ１が面実装された際に、パワーＭＯＳＦＥＴ１のパッケージの面であって、電子基板８の面と接する接面部であるパワーＭＯＳＦＥＴ１の端子板６と電気的に接続するパターン１１を、金属柱１３と非接触になるように備える。換言すると、電子基板８は、パワーＭＯＳＦＥＴ１が面実装された際に、パワーＭＯＳＦＥＴ１のパッケージの面であって、電子基板８の面と接する接面部であるパワーＭＯＳＦＥＴ１の端子板６と電気的に接続するパターン１１を、金属柱１３から引き離すとともに、金属柱１３とは電気的に非接続にする。

これにより、図５に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴ１は、ドレイン電極と接続する端子板６から入力される電気の流れと、ゲート電極と接続する端子４へ出力する電気の流れと、パターン１１における電気の流れと、から構成される電流経路Ａが金属柱１３を経由、又は、接触することはない。

従って、パワーＭＯＳＦＥＴ１の端子板６から金属柱１３へ伝導し反対側の面へ放出される熱の放出経路Ｃと電流経路Ａとが重複しないことによって、電子基板８の金属柱孔の縁において電気が流れないため、金属柱１３Ｙを熱膨張さることなく、かつ、金属柱孔の縁１４にクラックＢを発生させることもない。つまり、クラックＢの発生による電流経路Ａにおける導通不良の発生を防ぐことができ、更に、金属柱１３の放熱効果の低下も防ぐこともできる。

なお、パターン１７は電子基板８の内層であって、金属柱１３の側面を狭持するとともに、他のパターン１１や電子部品と電気的に非接続にして備わる。これにより、電子基板８は金属柱１３を固定することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。以下では他の実施の形態について、主に上記実施の形態とは相違する点を説明する。

＜変形例１＞
上記実施の形態においては、制御対象を電動ステアリング・モータであると説明したが、スロットル・モータ、変速ギヤ・ソレノイド、クーリングファン・モータ、パワーウィンドウ・モータ、エアバッグ・スクイブ、シート・モータ、エアコン・モータ、又は、ワイパ・モータなども制御対象であっても良い。

また、上記実施の形態においては、電子制御装置を電動ステアリング・モータを制御する操舵電子制御装置として説明をしたが、スロットル・モータを制御するエンジン電子制御装置、変速ギヤ・ソレノイドを制御するトランスミッション電子制御装置、クーリングファン・モータを電子制御するクーリングファン電子制御装置、パワーウィンドウ・モータを制御するパワーウィンドウ電子制御装置、エアバッグ・スクイブを制御するエアバッグ電子制御装置、シート・モータを制御するシート電子制御装置、エアコン・モータを制御するエアコン電子制御装置、又は、ワイパ・モータを制御するワイパ電子制御装置なども電子制御装置であっても良い。

＜変形例２＞
上記実施の形態においては、図２に示すように、電子素子であるパワーＭＯＳＦＥＴ１におけるトランジスタチップ５の３つの電極のうちドレイン電極は端子板６と電気的に接続されパッケージの底面に表出し、更に、底面に表出して設けられている端子板６が、パッケージ内の熱を放出する機能も担っている、と説明したが、図７に示すように、トランジスタチップの３つの電極のうちドレイン電極は２つの端子板６Ｚと電気的に接続されて、パッケージ２Ｚの底面に表出して設けられるとともに、これとは別にして、パッケージ２Ｚ内の熱を放熱するための放熱板２０がパッケージ２Ｚの底面に表出して設けられているパワーＭＯＳＦＥＴ１であっても良い。

このような電子素子であるパワーＭＯＳＦＥＴ１Ｚであっても、本発明と同様の作用効果を奏することができる。

＜変形例３＞
上記実施の形態においては、電子素子を図１及び図２に示すパワーＭＯＳＦＥＴ１として説明したが、パワーＭＯＳＦＥＴ１と同様に、電子基板に面実装される電子素子であって、電子素子が機能を発揮する際に発熱するとともに、電子基板に面実装される際に、電子基板に接する接面部が電流経路の一部になっているとともに、発熱した熱をその接面部から放出可能な電子素子であれば、どのような電子素子であっても良い。

例えば、図８に示すシャント抵抗１７のような電子素子が考えられる。シャント抵抗とは、回路の電流を検出するための抵抗器である。

このような用途で利用する、シャント抵抗１７も、電流検出機能を発揮する際に発熱するとともに、電子基板に面実装される際に、電子基板に接する接面部である端子１８及び端子１９が電流経路の一部になっているとともに、発熱した熱をその端子１８及び端子１９から放出可能である。

従って、このような電子素子であるシャント抵抗１７であっても、本発明と同様の作用効果を奏することができる。

＜変形例４＞
上記実施の形態の電子基板における電流経路とは相違する電流経路を説明する。図６は、図３に示す電子制御装置７におけるＸ軸方向に沿ったIII−III線での断面図である。電子基板８Ｙは、パターン１１Ｙが配線された基板１５Ｙが所定枚（例えば、４枚）積層された多層電子基板である。電子基板８Ｙは、各層に配線されたパターン１１Ｙが電気的に接続するためのスルーホール１２Ｙを有しており、スルーホール１２Ｙは、電子基板８Ｙに開いた孔であって、孔の縁が電導効果を有する金属により覆われるとともに、各層のパターン１１Ｙと電気的に接続されている。なお、電子基板８Ｙの両面の表面１６Ｙは絶縁効果を有する樹脂などによりコーティングがされている。

また、電子基板８Ｙは、前述した放熱用の金属柱１３Ｙを埋設する。電子基板８Ｙにおいて金属が埋設されている金属柱孔の縁１４Ｙには、スルーホール１２Ｙと同様に、電導効果を有する金属により覆われるが、各層のパターン１１Ｙと電気的に接続されていない。

更に、電子基板８Ｙには、パワーＭＯＳＦＥＴ１Ｙが面実装される際に、パワーＭＯＳＦＥＴ１Ｙのパッケージの面であって、電子基板８の面と接する接面部であるパワーＭＯＳＦＥＴ１Ｙの端子板６Ｙと、電気的に接続するパターン１１Ｙを金属柱１３Ｙから遠ざかる方向へ引き出すとともに、金属柱１３Ｙ及び金属柱孔の縁１４Ｙに電気的に非接続に備える。

つまり、図６に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴ１Ｙは、ドレイン電極と接続する端子板６Ｙから入力される電気の流れと、ゲート電極と接続する端子４Ｙへ出力する電気の流れと、パターン１１Ｙを流れる電気と、から構成される電流経路ＡＹが、金属柱１３Ｙや金属柱孔の縁１４Ｙを経由、又は、接触しない。

従って、パワーＭＯＳＦＥＴ１の端子板６から金属柱１３へ伝導し反対側の面へ放出される熱の放出経路Ｃと電流経路Ａが重複しないことによって、電子基板８の金属柱孔の縁において電気が流れないため、金属柱１３Ｙを熱膨張さることなく、かつ、金属柱孔の縁１４にクラックＢを発生させることもない。つまり、クラックＢの発生による電流経路Ａにおける導通不良の発生を防ぐことができ、更に、金属柱１３の放熱効果の低下も防ぐこともできる。

なお、金属柱孔の縁１４Ｙは電子基板８Ｙにおいて、金属柱１３Ｙの側面を狭持するとともに、他のパターン１１Ｙや電子部品と電気的に接続されないように備わる。これによって、電子基板８Ｙは金属柱１３Ｙを固定するとともに放熱効果を増加させることができる。

＜変形例５＞
上記実施の形態の電子基板における電流経路とは相違する電流経路を説明する。上記実施の形態いおいては、電子基板８は、パワーＭＯＳＦＥＴ１が面実装される際に、パワーＭＯＳＦＥＴ１のパッケージの面であって、電子基板８の面と接する接面部であるパワーＭＯＳＦＥＴ１の端子板６と電気的に接続するパターン１１を、金属柱１３から遠ざかる方向へ引き出すとともに、金属柱１３と接触するように備え、かつ、金属柱１３を非接地にして備える。

このようにすれば、パターン１１と金属柱１３とを接触させても、金属柱１３が接地していないため、電流が金属柱孔の縁１４や金属柱１３を流れない。従って、パワーＭＯＳＦＥＴ１の端子板６から金属柱１３へ伝導し反対側の面へ放出される熱の放出経路Ｃと電流経路Ａが重複しないことによって、電子基板８の金属柱孔の縁１４において電気が流れず、金属柱１３Ｙを熱膨張さることなく、かつ、金属柱孔の縁１４にクラックＢを発生させることもない。つまり、クラックＢの発生による電流経路Ａにおける導通不良の発生を防ぐことができ、更に、金属柱１３の放熱効果の低下も防ぐこともできる。

１ パワーＭＯＳＦＥＴ
１０ キャパシタ
１１ パターン
１２ スルーホール
１３ 金属
１４ 縁
１５ 基板
１７ パターン
２ パッケージ
３ 端子
４ 端子
５ トランジスタチップ
６ 端子板
７ 電子制御装置
８ 電子基板
Ａ 電流経路
Ｂ クラック
Ｃ 放出経路

Claims (6)

1. 制御対象を制御する電子制御装置であって、
   前記制御対象を制御するための電子部品が実装される電子基板と、
   前記電子基板に配線される電気信号を伝達する電気信号線と、
   前記電子基板に貫通して両面に露出する金属と、
   前記電子基板へ実装される際に前記電子基板の面と接する接面部に電気信号線の接続を行う電子素子と、
   を備え、
   前記電子素子は、前記電子基板において、前記接面部が前記電子基板の面に露出する前記金属に当接して実装されるとともに、前記接面部に接続する前記電気信号線を、前記金属と非接触にして配線されることを特徴とする電子制御装置。
2. 請求項１に記載の電子制御装置において、
   前記電子基板は、前記電気信号線が配線された基板を積層した多層電子基板であることを特徴とする電子制御装置。
3. 請求項１ないし請求項２の何れかに記載の電子制御装置において、
   前記制御対象はモータであり、
   前記電子素子は、パッケージにより封止され、前記電子基板へ実装される際に前記電子基板の面と接する前記パッケージの接面部に電気信号線の接続を行うとともに、前記モータを制御するための電流を生成するトランジスタであることを特徴とする電子制御装置。
4. 請求項１ないし請求項２の何れかに記載の電子制御装置において、
   前記電子素子は、電流計測用のシャント抵抗であることを特徴とする電子制御装置。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載の電子制御装置は、車両に搭載されることを特徴とする電子制御装置。
6. 制御対象を制御する電子制御装置であって、
   前記制御対象を制御するための電子部品が実装される電子基板と、
   前記電子基板に配線される電気信号を伝達する電気信号線と、
   前記電子基板に貫通して両面に露出する金属と、
   前記電子基板へ実装される際に前記電子基板の面と接する接面部に電気信号線の接続を行う電子素子と、
   を備え、
   前記電子基板は、前記電子素子の前記接面部に接続する前記電気信号線を含む電流経路と、前記電子素子が前記接面部が前記電子基板の面に露出する前記金属に当接して実装される際の放熱経路と、が重複しないように、前記電気信号線を備えることを特徴とする電子制御装置。