JP2011129797A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】今後の制御装置の高機能化，高出力化に伴う電子部品の発熱量増大を考慮すると、放熱性を満足することは困難、という課題がある。
【解決手段】制御装置は、マイクロコンピュータを実装した制御基板と、パワー半導体素子を搭載したパワーモジュールと、放熱接着剤と、放熱板と、ハウジングカバーを備え、ハウジングカバー上に、パワーモジュール，放熱板，制御基板の順に積層されており、パワーモジュールは、ハウジングカバー内部の凹部に配置され、且つ、放熱接着剤中に埋没し、屈曲部を有する放熱板の長手方向の一方がパワー半導体素子上に配置され、放熱板のもう一方がハウジングカバーの内面、及び、制御基板間に配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車載用パワーモジュールの放熱構造に関する。

発熱を伴う電子部品の放熱構造が開発されている（特許文献１〜３参照）。

特許文献１では、熱伝導を有するグリスを充填したケース内に、基板に実装された発熱部品を埋め込む構造としている。

特許文献２では、収納部を有する放熱板を用いて基板に実装された発熱部品を覆い樹脂モールドする構造としている。

特許文献３では、パワーモジュールを放熱材を介してハウジングカバーへ接触させることで放熱する構造としている。

特開２００２−８３９１２号公報 特開平１０−８４０６３号公報 特開２００８−２９１７３０号公報

特許文献１，２では、基板に実装された発熱する電子部品のみを放熱材で覆っているため、又、特許文献３では、パワーモジュール裏面のみからの放熱となるため、今後の制御装置の高機能化，高出力化に伴う電子部品の発熱量増大を考慮すると、放熱性を満足することは困難、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、制御装置が高機能化しても放熱性を満足できる制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

マイクロコンピュータを実装した制御基板と、パワー半導体素子を搭載したパワーモジュールと、放熱接着剤と、放熱板と、ハウジングカバーを備え、当該制御装置は、ハウジングカバー上に、パワーモジュール，放熱板，制御基板の順に積層されており、パワーモジュールは、ハウジングカバー内部の凹部に配置され、且つ、放熱接着剤中に埋没し、屈曲部を有する放熱板の長手方向の一方がパワー半導体素子上に配置され、放熱板のもう一方がハウジングカバーの内面、及び、制御基板間に配置されている。

本発明によれば、制御装置が高機能化しても放熱性を満足できる制御装置を提供することができる。

制御装置の全体斜視図。 制御装置の展開図。 パワーモジュールの断面図。 パワーモジュールの拡大断面図。

以下、図面を参照しながら、実施例を説明する。

図１〜図４は、本制御装置の好適な構造を示すものである。

制御装置１は、インジェクタを駆動させるためのインジェクタ駆動回路と、エンジンを制御するためのマイクロコンピュータ１１とを備えており、図２に示すように、インジェクタ駆動回路を構成するパワー半導体素子１０が実装されたパワーモジュール５と、マイクロコンピュータ１１と、エンジン制御装置外部とのインタフェースであるコネクタ６とが実装された制御基板４とが積層配置され、図３に示すように、ハウジングカバー２は内部に凹部８を有し、パワーモジュール５はハウジングカバー２内部の凹部８に搭載され、パワーモジュール５は放熱接着剤１２中に埋没され、屈曲部１４を有する放熱板１３の長手方向の一方がパワー半導体素子１０直上に配置され、放熱板１３のもう一方がハウジングカバー内面９、及び、制御基板４間に配置される構造としている。

又、パワーモジュール５が配置されているハウジングカバー２の外面には放熱フィン７が配置されている。そして、制御装置を閉塞するために、ハウジングベース３にてハウジングカバー２の開口を覆った構造となっている。

このようにパワーモジュール５と、制御基板４とを制御装置内部で積層した配置とすることで、従来、制御基板４上に実装していた電子部品をパワーモジュール５に分載して、制御基板４の面積を低減し、制御装置全体の横方向のサイズを小さくすることができ、更に、発熱量の高い電子部品であるパワー半導体素子１０とが実装されたパワーモジュール５の最短距離に放熱フィン７を配置することで、非常に効率良く制御装置１外部へ放熱させることが可能となる。

パワーモジュール５は、図４に示すように、インジェクタ駆動回路を構成する複数のパワー半導体素子１０が実装された電流回路用配線部２２と、絶縁材料からなる絶縁層２１と、パワー半導体素子１０の発熱を拡散して放熱する放熱層２０とが積層された構造をしている。パワー半導体素子１０は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等である。

パワー半導体素子１０は、熱伝導率が高くて環境性に優れた鉛フリーはんだ等の電気的接続部材２４を用いて電流回路用配線部２２に実装されるため、パワー半導体素子１０の発熱を効率良くパワーモジュール５の放熱層２０へ拡散して放熱させることが可能となる。その際、電流回路用配線部２２上のレジスト２５領域は電気的接続部剤を供給する外周部のみでよい。

電流回路用配線部２２は、銅合金等の熱伝導性が高くて電気抵抗の低い材料からなり、電流回路用配線部２２の配線厚さは、１００μｍ以上、好ましくは１００μｍ〜１７５μｍとする。このような構成とすることにより、パワー半導体素子１０の発熱を効率良くパワーモジュール５の放熱層２０へ拡散して放熱させることが可能となる。又、大電流が通電させる際の電流回路用配線部２２自体の発熱も抑制することが可能となる。

絶縁層２１としては、熱伝導性及び電気絶縁性の良い材料を用いる。例えば、熱伝導性の高い酸化アルミニウム紛を混入したエポキシ樹脂材、又は、酸化アルミニウム材，窒化けい素材，窒化アルミニウム材等が用いられる。このように、熱伝導性及び電気絶縁性の良い材料を用いることにより、電流回路用配線部２２と放熱層２０との電気絶縁性を確保しつつ、パワー半導体素子１０の発熱を効率良くパワーモジュール５の放熱層２０へ拡散して放熱させることが可能となる。

放熱層２０としては、例えば、他の金属材料に比べ、熱伝導性が高く比重の小さいアルミニウム合金や、熱伝導性がアルミニウム合金よりも高い材料である銅合金を用いることが好ましい。他にも、極低熱膨張率である銅−モリブデン合金材料，銅−タングステン合金材料、又は、アルミシリコンカーバイト材料を用いることもできる。このような熱伝導性の高い材料を採用することで、パワー半導体素子１０の発熱をより効率良くパワーモジュール５の放熱層２０へ拡散して放熱することが可能となる。

パワーモジュール５の電流回路用配線部２２の上には、パワー半導体素子１０の他に、パワーモジュール５の長手側一列に配置し接続された複数本の外部端子２３を備えており、パワーモジュール５は、これら外部端子２３を用いて、制御基板４を貫通する構造にて制御基板４と電気的に接続している。

このような外部端子２３の配置とすることで、パワーモジュール５の電流回路用配線部２２に外部端子２３を接続する際に一方向側から端子接続することが可能となり、端子接続の作業性が向上し、更に、パワーモジュール５と、制御基板４とを最短距離で接続させ、配線抵抗の低減が可能な構造とすることができる。又、これらの外部端子２３は、銅合金等の電気抵抗の低い材料が好ましい。外部端子２３と電流回路用配線部２２との接続部は、超音波を用いた接合手段にて電気的に接続されている。超音波を用いた接合により、通常のはんだを用いた接続と比較して、接合強度が高く、耐久性に優れた接続を実現させている。

このようにして製作したパワーモジュール５を、ハウジングカバー内部の凹部８に搭載し、放熱接着材１２中に埋没させる。

放熱接着材１２は、低弾性率の熱伝導性材料には、熱伝導率が、０.５Ｗ／ｍＫ以上で、２５℃における弾性率が０.１ＭＰａ以上１ＭＰａ以下であれば問題なく用いる事ができる。具体的には、エポキシ樹脂，シリコーン樹脂，ポリイミド，ウレタン樹脂やこれらに無機フィラーや絶縁被覆した金属フィラーを充填したものを用いる事ができる。但し、この熱伝導性材料は、絶縁性である事が望ましい。

放熱板１３は、例えば、量産性，軽量化の向上の点から、プレス加工によるめっき鋼板製放熱板や、アルミ合金製放熱板等の金属材料を用いるとよい。放熱板は長手方向の一方をパワー半導体素子上に配置し、放熱板のもう一方をハウジングカバーの内面、および制御基板間に放熱接着剤を介して配置させる。制御基板４は、ネジ等の機械的固定材１５を用いてハウジングカバー２に固定する。

外部端子２３と制御基板４との接続部は、環境問題の観点から鉛フリーはんだを用いて接続されている。鉛フリーはんだとしては、Ｓｎ−Ｃｕはんだ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉはんだ等が用いられるが、特にこれらに限らず、プレスフィット接続等のはんだを用いず、接触のみで電気的に接続させる無はんだ接続でもよい。

ハウジングカバー２は、他の金属材料に比べ高い熱伝導性を有した金属材料であることが好ましく、更に好ましい金属材料は、量産性，軽量化，放熱性の向上の点から、アルミニウム合金材料であり、例えば、アルミニウムダイカストにより、製造された鋳造品である。又、他に、切削加工によるハウジングカバー２であっても良い。

又、ハウジングベース３は、例えば、量産性，軽量化の向上の点から、プレス加工によるめっき鋼板製ハウジングベースや、アルミ合金製ハウジングベース等の金属材料を用いているが、他に軽量で耐熱性に優れた点から、耐熱性樹脂でＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）樹脂，ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）樹脂，ＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate）樹脂製ハウジングベースであっても良い。

本実施例によれば、マイクロコンピュータを実装した制御基板と、パワー半導体素子を搭載したパワーモジュールと、放熱接着剤と、放熱板と、ハウジングカバーから構成される制御装置において、制御装置は、ハウジングカバー上に、パワーモジュール，放熱板，制御基板の順に積層される構造であり、パワーモジュールはハウジングカバー内部の凹部に配置され、且つ、パワーモジュールは放熱接着剤中に埋没し、屈曲部を有する放熱板の長手方向の一方がパワー半導体素子上に配置され、放熱板のもう一方がハウジングカバーの内面、および制御基板間に放熱接着剤を介して配置させることで、電子部品，パワーモジュール基板裏面のみからで無く、パワーモジュール全体から放熱ができるため、高放熱化が期待できる。又、従来はパワーモジュール基板の電流回路用配線部には絶縁のために全面にレジストを設けていたが、本発明では絶縁性の放熱接着剤を用いており、パワーモジュール全体を覆う構造としているため、レジストは電気的接合材を供給する外周部のみに簡略化できる。

パワーモジュールは、第１主面及び該第１主面とは反対側の第２主面を有する放熱層と、放熱層の第１主面の上に配置された絶縁層と、絶縁層上に設けられた電流回路用配線部と、電流回路用配線部に設けられたレジスト枠と、電流回路用配線部にレジスト枠内で電気的接続部材を用いて接続されたパワー半導体素子等の電子部品と、電流回路用配線部に電気的に接続され、且つ、パワーモジュールの長手側一列に複数本配置された外部端子から構成され、放熱層は高熱伝導性の金属材料、絶縁層は熱伝導率が０.５〜１０.０（Ｗ／ｍＫ）である高熱伝導性の絶縁樹脂材料、電流回路用配線部は銅合金材料とすることで、高放熱化が期待できる。外部端子は一列に整列させることで、制御基板との組み付け作業が容易となる。

パワーモジュールが配置されるハウジングカバーの外面に放熱フィンを配置させることにより、効率良く制御装置外部へ放熱させることができる。

放熱接着剤はシリコーン樹脂と放熱フィラーから構成され、熱伝導率を０.５〜１０.０（Ｗ／ｍＫ）、弾性率を１〜１０００（ＫＰａ）、針入度を１０〜５０（１／１０）とすることで、放熱性と信頼性の両立が期待できる。

本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ 制御装置
２ ハウジングカバー
３ ハウジングベース
４ 制御基板
５ パワーモジュール
６ コネクタ
７ 放熱フィン
８ 凹部
９ ハウジングカバー内面
１０ パワー半導体素子
１１ マイクロコンピュータ
１２ 放熱接着剤
１３ 放熱板
１４ 屈曲部
１５ 機械的固定材
２０ 放熱層
２１ 絶縁層
２２ 電流回路用配線部
２３ 外部端子
２４ 電気的接続部材
２５ レジスト

Claims (6)

1. マイクロコンピュータを実装した制御基板と、パワー半導体素子を搭載したパワーモジュールと、放熱接着剤と、放熱板と、ハウジングカバーを備え、
   前記制御装置は、前記ハウジングカバー上に、前記パワーモジュール，前記放熱板，前記制御基板の順に積層されており、
   前記パワーモジュールは、前記ハウジングカバー内部の凹部に配置され、且つ、前記放熱接着剤中に埋没し、
   屈曲部を有する前記放熱板の長手方向の一方が前記パワー半導体素子上に配置され、前記放熱板のもう一方が前記ハウジングカバーの内面、及び、前記制御基板間に配置されている、制御装置。
2. 前記パワーモジュールは、第１主面及び当該第１主面とは反対側の第２主面を有する放熱層と、前記放熱層の前記第１主面の上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に設けられた電流回路用配線部と、前記電流回路用配線部に設けられたレジスト枠と、前記電流回路用配線部に前記レジスト枠内で電気的接続部材を用いて接続された前記パワー半導体素子等の電子部品と、前記電流回路用配線部に電気的に接続され、且つ、前記パワーモジュールの長手側一列に複数本配置された外部端子とを備え、
   前記外部端子を用いて前記制御基板を貫通して電気的に接続する、請求項１記載の制御装置。
3. 前記放熱層は、高熱伝導性の金属材料からなり、前記絶縁層は、熱伝導率が０.５〜１０.０（Ｗ／ｍＫ）である高熱伝導性の絶縁樹脂材料からなり、前記電流回路用配線部は、銅合金材料からなる配線厚さ１００μｍ以上の厚さを有する配線である、請求項２記載の制御装置。
4. 前記金属材料とは、アルミ合金もしくは銅合金材料を示す、請求項３記載の制御装置。
5. 前記パワーモジュールが配置される前記ハウジングカバーの外面には放熱フィンが配置されている、請求項３又は４記載の制御装置。
6. 前記放熱接着剤はシリコーン樹脂と放熱フィラーから構成され、熱伝導率が０.５〜１０.０（Ｗ／ｍＫ）、弾性率が０.１〜１（ＭＰａ）、針入度が１０〜５０（１／１０）である、請求項５記載の制御装置。

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