JP2011199207A - パワーモジュールとその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】製造が容易であり、かつハンダ部などの疲労改善に工夫されたパワーモジュールとその製造方法を提供する。
【解決手段】パワーモジュール1は、はんだ付けした電子部品を搭載した基板2、基板2を収納し、外部と電気的接続を行なうためのバスバー12を有するモールドケース3とから構成されるパワーモジュールであって、モールドケース3に設けられ、基板2上に電子部品を収納する電子部品実装エリア14と、バスバー12とのボンディング作業を行なうボンディングエリア15とを形成する仕切板9、電子部品実装エリア14に注型された第1の樹脂7、ボンディングエリア15に注型された第2の樹脂8とからなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、パワーモジュールとその製造方法に係り、特にハンダ部分の信頼性が改善された車載用に適したパワーモジュールとその製造方法に関する。
大電流を通電するパワーモジュールでは、大電流が通電することによる発熱に伴う問題を改善する必要がある。発熱に伴う問題の対策のひとつは、発熱を如何に効率よく外部放散するかであり、パワーモジュールには外部放散技術が、種々工夫され採用されている。
また、他の考慮すべき対策は、パワーモジュール内の各種部品間の線膨張係数差に伴う問題の対策である。例えば、パワーモジュール内の素子及び、IC、コンデンサ等の電子部品、さらには基板の間は、適宜ハンダにより電気的に接続しているが、電子部品と基板の線膨張係数差により、ハンダ部に繰り返し疲労によるクラックが発生し、やがて破断に至る現象が知られている。
これらの破断現象の延命化として、特許文献1においては、電子部品部をハンダの線膨張係数に合わせたエポキシ樹脂で注型することで、ハンダクラック起点での応力集中を抑え、ハンダ部の寿命を向上させる手法が知られている。さらに特許文献1においては、モジュール内部に設置される基板全体をハンダに合わせた線膨張係数を有するエポキシ樹脂で充填することで、ハンダ部の寿命の改善を図る構造を提案している。
また特許文献2では、ワイヤ周囲を柔らかいポリイミド系の樹脂でコーティングし、半導体素子部をハンダの線膨張係数に合わせたエポキシ樹脂でポッティングする構造にすることで、ワイヤ部にエポキシ樹脂の拘束力が生じない構造が知られている。
また、基板上での領域を仕切る手法としては、特許文献3にある様に、半導体素子部を枠体の別部品によって囲む方法が知られている。
特開2005−56873号公報 特開2006−351737号公報 特開2004−259992号公報
上記特許文献に記載の技術は、それぞれの用途のパワーモジュールとして工夫されたものではあるが、本発明において適用を検討している車載用機器としての近年のパワーモジュールの場合には、求められる仕様がいっそう厳しいものがある。
近年、環境対応自動車用として、エンジンルーム内へ搭載されるパワーモジュールの用途が増えており、かつ使用温度範囲幅がより広い条件で使用されるようになった。例えば、アイドルストップスタータ用のパワーモジュールでは、エンジンに取付けられるスタータに直接パワーモジュールが取付けられており、スタータに流れる数百アンペアの大電流をパワーモジュールでスイッチング制御する為、エンジンの発熱と大電流通電による自己発熱の影響でパワーモジュールの温度が一層上昇する傾向にある。
従来までのパワーモジュールであれば、比較的十分な放熱機能、例えばヒートシンクや高耐熱の無機材料基板、例えば、Si3N4(窒化珪素)基板、AlN(窒化アルミニウム)基板を用いたりすることで対応できた経緯はある。しかし、限られたエンジンルーム内部への搭載部品となると、小形、高密度実装が要求され、その結果、パワーモジュール用素子の発熱温度上昇が大きくなり、パワーモジュール実装構造がより困難な状況になりつつある。
係る環境下での、ハンダ部のクラック発生の問題について、特許文献1の対策「ハンダと近似した線膨張係数を有するエポキシ樹脂で充填」により、ハンダ寿命は改善できる可能性が高いが、電子機器はハンダで接合された部品ばかりではない。例えば、アルミニウムや銅等から成るワイヤや、これら電子部品を搭載する基板があるが、これらの線膨張係数は、ハンダとは異なる。特にワイヤは細線であり、ワイヤ全体を線膨張係数の異なるエポキシ樹脂で封止されてしまうと、応力発生時の伸びによる応力緩和ができずにワイヤ断線となってしまう。
従って、通常、ボンディングワイヤにはシリコーンゲル等の柔軟な樹脂で封止することとされている。特許文献2では、ワイヤ周囲を柔らかいポリイミド樹脂でコーティングしているが、その硬化温度は一般的な製品では300℃前後必要であり、ある程度の保持時間が必要となる。この温度履歴においては、基板のパターンを形成する銅箔パターンの酸化、基板表面を保護するレジストコートの酸化、アルミワイヤの材質変調、更には電子部品の寿命低下に影響を与えるために、現実性が乏しい方策である。
ボンディングされたワイヤ周囲部をエポキシ樹脂とは別の樹脂でコーティングする上記特許文献2の手法では、ワイヤを一度ポリイミド系の第1の樹脂でコーティングし、硬化炉で硬化させた後、半導体素子部にエポキシ樹脂を注型し、硬化させる必要がある為、製造工程上2回の硬化工程を行なう必要があり、製造工数が増大するためコストの増加の要因となり得る。
また、特許文献3において、電子部品近傍に、エポキシ樹脂を以ってポッティングで封止する場合、ポッティング剤であるエポキシ樹脂注型しても、エポキシ樹脂のレオロジー特性のために基板上を流動してしまい、樹脂で封止出来る範囲にばらつきが発生し、品質低下の要因となり得る。
以上のことから本発明においては、製造が容易であり、かつハンダ部などの疲労改善に工夫されたパワーモジュールとその製造方法を提供することを目的とする。
本発明のパワーモジュールは、はんだ付けした電子部品を搭載した基板、基板を収納し、外部と電気的接続を行なうためのバスバーを有するモールドケースとから構成されるパワーモジュールであって、モールドケースに設けられ、基板上に電子部品を収納する電子部品実装エリアと、バスバーとのボンディング作業を行なうボンディングエリアとを形成する仕切板、電子部品実装エリアに注型された第1の樹脂、ボンディングエリアに注型された第2の樹脂とからなる。
又、本発明のパワーモジュールの製造方法は、基板上に電子部品などを取り付け、仕切板を備えたモールドケースを基板と第3の樹脂を用いて密着固定することにより、基板上に電子部品を取り付けた電子部品実装エリアと、外部と接続する為のボンディングエリアを形成し、第3の樹脂の硬化後、ボンディングエリア内で、ボンディング作業を行い、電子部品実装エリアに、第1の樹脂を充填し、ボンディングエリアに、第2の樹脂を充填し、第1と第2の樹脂を硬化させてなる。
本発明のパワーモジュールでは、電子部品を実装しているハンダと、アルミワイヤの熱サイクル疲労による信頼性を向上することが出来、尚且つ、電子部品実装エリアとボンディングエリアが仕切り板によって完全に仕切られている為、前記第1の樹脂と第2の樹脂を同時に注型・硬化することが可能となり、製造タクトを短縮することが出来る。
パワーモジュールの断面図 パワーモジュールの上面図 モールドケース3と基板2の接続関係を示す断面図 モールドケース3の平面図 パワーモジュールの製造プロセスを示す図 本発明をアイドルストップスタータに適用した実施例の側面図 本発明をアイドルストップスタータに適用した実施例の背面図 本発明をアイドルストップスタータに適用した実施例のパワーモジュール構造図
以下、本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
本発明のパワーモジュールは、基板上が仕切板によって2種類の部屋に分割されている。電子部品実装エリアと、ボンディングエリアである。
図2は、本発明のパワーモジュール1の上面図である。モールドケース3に覆われているが、基板2の領域が仕切板9によって、3つの部屋に分割されている。図2の例では、左右の小部屋がボンディングエリア15であり、中央の大部屋が電子部品実装エリア14とされている。
図1は、本発明のパワーモジュール1の断面図である。この図によれば、基板2の上に仕切板9が設けられ、基板2の側部に設けられたモールドケース3並びにモールドケース3の上部のカバー10により、3つの空間が形成されている。中央の空間である電子部品実装エリア14には、パワー半導体素子41、チップコンデンサ42、チップ抵抗43、チップダイオード44、IC46等の電子部品が、基板2上にはんだ5付けされている。
また、左右の空間であるボンディングエリア15には、アルミパット45が基板2上に、はんだ5付けされており、モールドケース3に取り付けられたインサートバスバー12との間が、アルミニウム、銅などのワイヤ6でボンディング接続されている。本発明のパワーモジュールを、車両のアイドルストップスタータに適用する事例の場合、ボンディング接続により基板上を流れる電流を外部のスタータ側へと通流する。
なお、各エリア内において各部品の接続が行なわれた後に、電子部品実装エリア14には、第1の樹脂7としてエポキシ樹脂を充填し、ボンディングエリア15には、第2の樹脂8としてシリコーンゲルが充填される。
次に、上記のように構成された本発明のパワーモジュールの各部部品について説明する。その後に、本発明の製法と、その作用・効果について説明する。
まず、基板2は、母材はアルミニウム、銅、鉄、或いは前記提示材料を含む合金により構成されており、母材であるアルミニウムの上面にエポキシ系樹脂等で構成された絶縁層を介して、銅導体による回路が形成されている。
銅導体の上面には、パワー半導体素子41、チップコンデンサ42、チップ抵抗43、チップダイオード44、アルミパット45、IC46が、ハンダ5により電気的に接続されている。本発明の目的は、このはんだ部分における疲労を改善するものであるが、本発明で説明する時の「はんだ」とは、鉛フリーハンダ:Sn−3Ag−0.5Cuなど以外にも、導電性接着部材等を介して接合するものも含むものとする。
モールドケース3は、基板2を収容し、車両のアイドルストップスタータに適用する事例の場合、外部のスタータとの電気的接続及び機械的締結を行なうものである。その材質は、PPS(ポニフェニレンサルファイド)やPBT(ポリブチレンテレフタレート)等の熱可塑性樹脂で構成されており、内部に、スタータと電気的接続を行なう為の、銅で構成されたインサートバスバー12がインサート成型されている。
モールドケース3のインサートバスバー12と、基板2のボンディングエリア15内のアルミパット45とは、アルミニウム、銅などのワイヤ6でボンディング接続されており、基板上を流れる電流を外部のスタータ側へと通流する為の電気的接続を行なっている。
ここで、ボンディングに用いるボンディングワイヤは、コスト、ハンドリング性、信頼性の観点よりアルミワイヤを用いることが良く知られている。なお、アルミパット45は、基板2側にアルミワイヤボンディングを行う為に必要な、ボンディング用パットである。また、インサートバスバー12とアルミパット45との接続は、アルミリボンボンディングであっても良い。
パワーモジュール1内部では、基板2上に実装された電子部品実装エリア14と、アルミワイヤ6でモールドケース3のインサートバスバー12とボンディング接続されているボンディングエリア15が、仕切板9により基板上で仕切られている。次に、仕切板9について、詳細に説明する。
モールドケース3の内側には、一体モールド成型により、仕切板9が薄肉状に成型されている。仕切板9の板厚は、モールド成型を行う際、樹脂流れの影響により成型良好な0.5〜3.0mmの範囲で設定される。
この仕切板9は、モールドケース3と一体モールド成型品である為、図2にある様にボンディングに必要なスペースに合わせた形状に屈曲させ形状を決めることができる。その為、電子部品実装エリア14とボンディングエリア15を必要最低限のエリアに仕切る様に、屈曲させ成型されている為、基板面積を効率良く使用し、部品実装することが出来る。
仕切板9は、モールドケース3と一体モールド成型されているが、これらと基板2との関係では、樹脂を用いてモールドケース3と基板2を密着固定する必要がある。図3は、仕切板9、あるいはモールドケース3と、基板2を密着固定する為の構成を示す断面図である。また図4はモールドケース3の平面図である。
図3において、仕切板9には、基板2との接触面積を確保する為、基盤受け面91がボンディングエリア15側に設けられている。そのうえで、仕切板9の基盤受け面91内には樹脂受け溝13が成型されている。また、モールドケース3の基板2との接触面にも、図3、4に示す様な樹脂受け溝13が成型されている。
仕切板9やモールドケース3と、基板2との関係では、係る構造とし、基板2と樹脂受け溝13との間に第3の樹脂11を塗布し硬化させることで、仕切板9を含むモールドケース3と基板2は密着固定される。そうすることで、電子部品実装エリア14とボンディングエリア15を基板2上で完全に分割することができる。ここで、第3の樹脂11としては、シリコン接着剤を用いるのがよい。
なお、仕切板9の基板受け面91は、ボンディングエリア15方向にL字型に形成しているが、このようにすることで、電子部品実装エリア14に基板受け面91が突出しない為、電子部品実装エリア14を大きく出来る。
また、L字型の基板受け面91が仕切板9を補強する為、仕切板の厚みを薄肉化することが出来る。また、基板受け面91により、仕切板9の断面積を確保することが出来る為、仕切板成型時の樹脂湯周りも良好になり、仕切板9を薄肉化出来る。
また、ボンディングエリア15は、ボンディングマシンのボンディングツールが仕切板9と干渉しない様にスペースが決められている。その為、仕切板9の基板受け面91は、ボンディングツール先端と干渉しない様に高さ方向が低く決められている為、ボンディングエリア15を基板受け面のスペース分、更に広くする必要がない。
図5に本発明の1実施例におけるパワーモジュールの製造プロセスを示す。このプロセスでは、まず、第1プロセスP100において基板2上に電子部品などを取り付け、第2プロセスP101において、図3で説明したように第3の樹脂を用いてモールドケース3と基板2を密着固定し、第3プロセスP102でその硬化を待つ。さらに、ボンディングエリア15内で、ボンディング作業を行った後、第4プロセスP103で電子部品実装エリア14に、第1の樹脂7としてエポキシ樹脂を充填し、ボンディングエリア15に、第2の樹脂8としてシリコーンゲルを充填し、第5プロセスP104でその硬化を待つ。
ここで、第4プロセスP103の、第1の樹脂7で用いているエポキシ樹脂は、線膨張係数12〜23×10−6/℃程度に設定されており、電子部品を覆うことで、電子部品とアルミベース基板の線膨張係数差が大きく破壊に至ってしまうハンダへの応力集中を緩和し長寿命化させるためのものである。
また、第4プロセスP103の、第2の樹脂8で用いているシリコーンゲルは、ゲル状である為、アルミワイヤ部分への応力を加えることなく、電気的絶縁を行う為のものである。また第2の樹脂の機能としては、絶縁性、熱硬化性、低弾性率のものが適している。
上記2種類の樹脂は、硬化温度が同等の条件で硬化出来る様に選定されている為、同じ硬化炉で同時硬化させることが出来る。今回の実施例では、130℃〜150℃で硬化する様に2種類の樹脂を選定している。
また、パワーモジュール1は仕切板9により2種類の樹脂が混じり合わない様に完全にエリアが分離されており、仕切板9と基板2の接触面も第3の樹脂11で完全に密着されている為、混じり合うと硬化することが出来ないエポキシ樹脂とシリコーンゲルを同時に充填し、同時に硬化することが可能となる。
本発明におけるパワーモジュールでは、電子部品実装エリア14とボンディングエリア15が、モールドケース3に一体モールド成型されている仕切板9により完全に分離されている為、図5のプロセスに示す様に、モールドケース3と基板2をシリコン接着剤11で接着後、電子部品実装エリア14に第1の樹脂7を、ボンディングエリア15に第2の樹脂8をそれぞれ充填し、その後2種類の樹脂を同時に硬化させることが可能となる。その為、従来1種類ずつ樹脂を硬化させていた構造に対し、製造タクトを短縮することが出来る。
以上説明した本発明の実施例によれば、仕切板を採用することにより、以下のような多くの効果を得ることができる。
まず、モールドケースと一体型の仕切板とすることで、電子部品部のみを別部品の仕切り板で仕切る構造に対し、部品点数を削減することが出来る為、安価なパワーモジュール構造を提供できる。
また、仕切板を使用することで、エポキシ樹脂を封止するエリアを正確に規定出来る為、硬化後の、エポキシ樹脂の反りのバラツキを安定させることが出来、品質も安定させることが出来る。
また、仕切板の基板接触面側に樹脂受け用の溝を設けることで、仕切板と基板を接着する樹脂の流れ出しを防止し密着できると同時に、仕切板の断面積を確保出来る為、仕切板の厚みを厚くせずモールドケースの成形性を良好にすることが出来る。
また、仕切板は、パワーモジュール内で梁の役割を果たしている為、パワーモジュールのたわみを小さくすることが出来る。
本発明のパワーモジュールの最適な使用例として、図6〜8に車載用のアイドルストップスタータに適用した実施例を示す。
図6〜8において、16はアイドルストップスタータ、1はパワーモジュール、17はスタータモータ、18はマグネットスイッチ、19はギヤケース、181はモータ端子、182はスイッチ端子、183はバッテリ端子、20はモータバスバー、21はスイッチバスバー、22はバッテリバスバー、23はパワーモジュール固定点である。
アイドルストップスタータ16は、エンジンと噛み合わせたピニオンギヤ(図示せず)を回転させ、エンジン(図示せず)を回転させる為のスタータモータ17と、エンジンにアイドルストップスタータ16のピニオンギヤを押し出し噛み合わせる為のマグネットスイッチ18と、本発明のパワーモジュール1によって構成されている。
パワーモジュール1は、ECU(図示せず)からのアイドルストップ指令信号を受け、パワーモジュール内部のパワー半導体素子をスイッチングすることで、スタータモータ17への電流を制御し、車両がアイドルストップを行う為に用いられる。
スタータモータ17とマグネットスイッチ18はギヤケース19により外周部を挟持され固定されている。
また、アイドリングストップスタータは、ギヤケース19により、エンジンに取り付けられている。
マグネットスイッチ18には、モータ端子181と、スイッチ端子182と、バッテリ端子183を有しており、モータ端子181はスタータモータ17へ接続され、バッテリ端子183は車両のバッテリ(図示せず)に接続されている。
スイッチ端子182は、スタータモータ17内に有るピニオンギヤ(図示せず)を押し出し、エンジンと噛み合わせる為のもので有り、スイッチ端子182に電流を流すことにより、マグネットスイッチ18内に有るレバー(図示せず)を駆動させ、そのレバーにより、スタータモータ内にあるピニオンギヤ(図示せず)をエンジン側へ押し出させる為のものである。
パワーモジュール1は、パワーモジュール固定点23によりアルミダイカストで成型されているギヤケース19へネジ止め固定されている。
図8において、パワーモジュール1のモールドケース3には、インサートバスバーとして、モータインサートバスバー121、スイッチインサートバスバー122、バッテリインサートバスバー123、GNDインサートバスバー124が、インサート成型されており、それぞれ、モータインサートバスバー121は、基板2に実装されているスタータモータ17への通流電流をスイッチングする為のMOSFET(図示せず)のドレイン端子と電気的に接続されている。
スイッチインサートバスバー122は、マグネットスイッチ18への通流電流をスイッチングする為のMOSFET(図示せず)のドレイン端子と電気的に接続されている。バッテリインサートバスバー123は、前記、MOSFETのソース端子へと電気的に接続されていると共に、基板2内でのバッテリラインと電気的に接続されている。GNDインサートバスバー124は、基板2内でのGNDラインと電気的に接続されている。
モータインサートバスバー121、スイッチインサートバスバー122、バッテリインサートバスバー123には、それぞれモータバスバー20、スイッチバスバー21、バッテリバスバー22がネジ止め固定されている。
更に、モータバスバー20、スイッチバスバー21、バッテリバスバー22は、それぞれ、マグネットスイッチ18のモータ端子181、スイッチ端子182、バッテリ端子183とネジ止め固定されている。
前記GNDインサートバスバー124は、パワーモジュール固定点23の1箇所を固定する際、同時にギヤケース19へと接続される。
マグネットスイッチ18のモータ端子181は、スタータモータ17と接続されている。
よって、前記MOSFETをECU(図示せず)からのアイドルストップ指令信号によりスイッチングすることで、車両をアイドルストップさせることが可能となる。
本発明によれば、製造が容易であり、かつハンダ部などの疲労改善に工夫されたパワーモジュールとその製造方法とできる。特に、大電流を取り扱うことができるので、車載用のパワーモジュールとして車載用のアイドルストップスタータに広く適用することが期待できる。
1:パワーモジュール
2:基板
3:モールドケース
41:パワー半導体素子
42:チップコンデンサ
43:チップ抵抗
44:チップダイオード
45:アルミパット
46:IC
5:ハンダ
6:ワイヤ
7:第1の樹脂
8:第2の樹脂
9:仕切板
91:基板受け面
10:カバー
11:第3の樹脂
12:インサートバスバー
121:モータインサートバスバー
122:スイッチインサートバスバー
123:バッテリインサートバスバー
124:GNDインサートバスバー
13:樹脂受け溝
14:電子部品実装エリア
15:ボンディングエリア
16:アイドルストップスタータ
17:スタータモータ
18:マグネットスイッチ
181:モータ端子
182:スイッチ端子
183:バッテリ端子
19:ギヤケース
20:モータバスバー
21:スイッチバスバー
22:バッテリバスバー
23:パワーモジュール固定点

Claims (10)

  1. はんだ付けした電子部品を搭載した基板、該基板を収納し、外部と電気的接続を行なうためのバスバーを有するモールドケースとから構成されるパワーモジュールにおいて、
    前記モールドケースに設けられ、前記基板上に電子部品を収納する電子部品実装エリアと、前記バスバーとのボンディング作業を行なうボンディングエリアとを形成する仕切板、前記電子部品実装エリアに注型された第1の樹脂、前記ボンディングエリアに注型された第2の樹脂とからなるパワーモジュール。
  2. 請求項1記載のパワーモジュールにおいて、
    前記第1の樹脂と第2の樹脂の硬化温度を同等の条件で硬化出来る様に選定することを特徴とするパワーモジュール。
  3. 請求項1、請求項2記載のパワーモジュールにおいて、
    前記第1の樹脂としてエポキシ樹脂を用い、第2の樹脂としてシリコーンゲルを用いることを特徴とするパワーモジュール。
  4. 請求項1記載のパワーモジュールにおいて、
    前記仕切板は、前記モールドケースと一体成形され、前記モールドケースと前記仕切板が、前記基板と接する面には、接合のための樹脂受け溝が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
  5. 請求項1記載のパワーモジュールにおいて、
    前記仕切板は、前記基板に対して直立する部位と、前記基板に対して並行する部位からなり、該並行する部位は、前記ボンディングエリア側に設けられたことを特徴とするパワーモジュール。
  6. 請求項5記載のパワーモジュールにおいて、
    前記基板に対して並行する部位に、接合のための樹脂受け溝が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
  7. 請求項4、請求項6記載のパワーモジュールにおいて、
    前記接合のための樹脂受け溝には第3の樹脂としてシリコン系樹脂が充填されることを特徴とするパワーモジュール。
  8. 基板上に電子部品などを取り付け、仕切板を備えたモールドケースを前記基板と第3の樹脂を用いて密着固定することにより、前記基板上に電子部品を取り付けた電子部品実装エリアと、外部と接続する為のボンディングエリアを形成し、第3の樹脂の硬化後、ボンディングエリア内で、ボンディング作業を行い、電子部品実装エリアに、第1の樹脂を充填し、ボンディングエリアに、第2の樹脂を充填し、第1と第2の樹脂を硬化させてなるパワーモジュールの製造方法。
  9. 第8項記載のパワーモジュールの製造方法において、
    前記第1と第2の樹脂の硬化温度を同等の条件で硬化出来る様に選定することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
  10. 第8項または第9項記載のパワーモジュールの製造方法において、
    前記第1の樹脂としてエポキシ樹脂を用い、第2の樹脂としてシリコーンゲルを用いることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
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