JP2015002322A - 電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】接続端子とスルーホールとの接続部の破損による接合不良を抑制する。
【解決手段】ケース60の底面61上に応力緩和部材90を配置し、ケース60よりも応力緩和部材90の線膨張係数の方が基板10の線膨張係数に近くなるように、応力緩和部材90の材料を選択する。これにより、基板10が熱膨張・収縮する際には、基板10と近い熱膨張・収縮率で応力緩和部材90も熱膨張・収縮することになる。したがって、熱膨張・収縮時には、接続端子65がケース60の底面61に対して垂直な状態のまま平行移動させられることになり、基板10とケース60との線膨張係数差に起因して接続端子65が傾斜することを抑制できる。その結果、各接続端子65とスルーホール13とを接続する接続部材15での応力を緩和でき、接続部材15の破損が抑制され、接合不良を抑制することが可能となる。
【選択図】図1

Description

本発明は、基板の一面側に電子部品を搭載すると共に、その一面側をモールド樹脂で封止するようにした電子装置に関するものである。
従来、特許文献1において、一面側に電子部品を搭載した基板を筐体となるケースに固定した電子装置が提案されている。この電子装置は、ケースから垂直方向に突き出させた端子を基板に設けられたスルーホール内にはんだ付けすることで、基板をケースに接続した構造とされている。具体的には、基板の一面に電子部品が実装されるランドおよび外部回路と電気的に接続される表面パターンが形成され、基板の表裏を貫通するように、表面パターンに繋がる金属メッキが施された複数のスルーホールが形成されている。複数のスルーホールは、矩形状とされた基板の相対する2辺の近傍において、各辺に沿って並ぶように配列されている。そして、ケースのうちスルーホールと対応する位置に複数の接続端子が備えられており、複数の接続端子それぞれを対応するスルーホールに嵌め込みつつ、スルーホール内においてはんだ付けすることで、接続端子とスルーホールとが接合されている。
このような構造の電子装置では、基板とケースとの線膨張係数の違いによって、複数の接続端子の配列方向において基板とケースとの間で熱膨張・収縮に差が発生する。この差に起因した応力が複数の接続端子とスルーホールとを接合しているはんだ接続部に集中し易く、はんだ接続部が破損して接合不良が発生し得る。このため、特許文献1に記載の電子装置では、基板の下方位置、つまりケース側の面となる裏面側に、基板の線膨張係数に近い材質で構成されると共にスルーホールの配列方向に沿って延設される保持部材を配置するようにしている。保持部材には各スルーホールと対応する挿入孔が設けられており、各ターミナルが保持部材の挿入孔に嵌め込まれるようにして、各ターミナルを保持部材で保持している。
特開2008−198665号公報
しかしながら、接続端子とは別にケースに機械的接続部を設け、この機械的接続部により基板を基板の長手方向両側で両持ち支持する両持ち構造の場合、両持ち方向(基板の長手方向)において基板とケースとの熱膨張・収縮の差が大きくなる。この両持ち方向での基板とケースとの熱膨張・収縮の差に起因して、接続端子とスルーホールとを接合しているはんだ接続部が破損し、接合不良が発生してしまう。このため、特許文献1に示される装置のように、スルーホールの配列方向における基板とケースとの線膨張係数の差に起因した応力を緩和しても、両持ち構造における両持ち方向での基板とケースとの熱膨張・収縮の差に起因する応力を緩和できない。
本発明は上記点に鑑みて、接続端子とは別の機械的接続部によって基板を長手方向両側で支持する両持ち構造の電子装置において、接続端子とスルーホールとの接続部の破損による接合不良を抑制することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1ないし3に記載の発明では、一面(11)および一面の反対面となる他面(12)とを有し、配線パターンが形成されていると共に該配線パターンに接続されたスルーホール(13)が形成されており、一方向を長手方向とする基板(10)と、基板の一面側に実装された電子部品(20、30)と、基板の一面側に設けられ、電子部品を封止するモールド樹脂(40)と、底面(61)を有し、基板を該基板の長手方向の両側において支持すると共に、底面から基板に向けて突き出した接続端子(65)が備えられたケース(60)と、を有し、接続端子がスルーホールに挿入され、接続部材(15)を介して接続端子がスルーホールに電気的に接続された電子装置であって、基板には、該基板の長手方向両側にスルーホールが配置され、ケースには、スルーホールと対応する位置に接続端子が配置されており、ケースの底面上に、基板の長手方向両側それぞれに位置するスルーホールに挿入される接続端子を組として、少なくとも1組の接続端子同士を繋ぐと共に該接続端子それぞれに密着させられており、ケースよりも線膨張係数が基板に近い材料で構成された応力緩和部材(90)が配置されていることを特徴としている。
このように、ケースの底面上に応力緩和部材を配置した構成としており、ケースよりも応力緩和部材の線膨張係数の方が基板の線膨張係数に近くなるように、応力緩和部材の材料を選択している。このため、基板が熱膨張・収縮する際には、基板と近い熱膨張・収縮率で応力緩和部材も熱膨張・収縮することになる。したがって、基板の長手方向と同方向において、応力緩和部材の両側に位置している各接続端子の間の距離は、各接続端子のうち基板に固定された場所の高さのところと応力緩和部材に密着させられた場所の高さのところとで近い値になる。
よって、熱膨張・収縮時には、接続端子がケースの底面に対して平行移動させられることになり、基板とケースとの線膨張係数差に起因して接続端子が傾斜することを抑制できる。その結果、各接続端子とスルーホールとを接続する接続部材での応力を緩和でき、接続部材の破損が抑制され、接合不良を抑制することが可能となる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
本発明の第1実施形態にかかる電子装置の断面図である。 図1に示す電子装置の上面レイアウト図である。 本発明の第2実施形態にかかる電子装置における上面レイアウト図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
図1および図2を参照して、本発明の第1実施形態にかかる電子装置S1の全体構成について説明する。この電子装置S1は、例えば自動車などの車両に搭載され、車両用の各装置を駆動するための装置として適用される。
図1および図2に示すように、電子装置S1は、基板10、電子部品20、30、モールド樹脂40、ヒートシンク50、ケース60、蓋70、放熱ゲル80および応力緩和部材90などを有した構成とされている。
図1に示すように、基板10は、電子部品20、30が実装されると共にモールド樹脂40にて覆われる一面11と、その反対面となる他面12とを有する板状部材をなすものである。本実施形態では、基板10は、図2に示すように上面形状が矩形状の板状部材とされている。具体的には、基板10は、エポキシ樹脂等の樹脂をベースとした配線基板とされ、例えば、ガラス繊維を編み込んでフィルム状としたガラスクロスの両面を熱硬化性の樹脂で封止してなるプリプレグで構成される。プリプレグの樹脂としては、エポキシ樹脂等が用いられ、必要に応じて、アルミナやシリカ等の電気絶縁性かつ放熱性に優れたフィラーが含有される場合もある。基板10の線膨張係数(ガラス転移点Tg以下)は、例えば基板10がプリプレグで構成される場合、5〜60ppm/℃とされている。
基板10には、内層配線もしくは表層配線などによって構成される図示しない配線パターンが形成されており、配線パターンがモールド樹脂40の外部まで延設されることで、配線パターンを通じて電子部品20、30との電気的な接続が図れるようになっている。また、基板10のうちの長手方向(図1の左右方向)の両側には、配線パターンに繋がる金属メッキなどが施されたスルーホール13が備えられている。スルーホール13は、基板10のうちの相対する二辺、具体的には基板10のうちの両短辺に沿って複数個ずつ並べられて配列されている。本実施形態の場合、両短辺にスルーホール13が同じ数備えられており、各短辺において各スルーホール13が対応する位置に配置されている。このスルーホール13を通じて、配線パターンと基板外部との電気的な接続が行えるようになっている。
このように構成された基板10が四隅においてケース60に支持されている。すなわち、基板10の長手方向両側において、基板10をケース60に支持した両持ち構造としている。本実施形態の場合、基板10の四隅に貫通孔となる固定用孔14を形成しており、この中にケース60の底面61から突出させた機械的接続部64を嵌め込んだ後、機械的接続部64の先端を熱かしめすることで、基板10をケース60に支持している。
電子部品20、30は、基板10に実装されることで配線パターンに電気的に接続されるものであり、表面実装部品やスルーホール実装部品などどのようなものであってもよい。本実施形態の場合、電子部品20、30として、半導体素子20および受動素子30を例に挙げてある。半導体素子20としては、マイコンや制御素子もしくはIGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等の発熱が大きいパワー素子等が挙げられる。この半導体素子20は、ボンディングワイヤ21およびはんだ等のダイボンド材22により、基板10の配線パターンに繋がるランドもしくは配線パターンの一部によって構成されたランドに接続されている。また、受動素子30としては、チップ抵抗、チップコンデンサ、水晶振動子等が挙げられる。この受動素子30は、はんだ等のダイボンド材31により基板10に備えられたランドに接続されている。これらの構成により、電子部品20、30は、基板10に形成された配線パターンに電気的に接続され、配線パターンに接続されたスルーホール13を通じて外部と電気的に接続可能とされている。
モールド樹脂40は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等より構成されるもので、金型を用いたトランスファーモールド法やコンプレッションモールド法により形成されている。本実施形態の場合、基板10の一面11側をモールド樹脂40で封止しつつ、基板10の他面12側をモールド樹脂40で封止せずに露出させた、いわゆるハーフモールド構造とされている。
また、モールド樹脂40は、図2に示すように上面形状が矩形状とされ、基板10の相対する二辺、具体的には基板10のうち長手方向と垂直な両辺を露出させるように、この両辺よりも内側にのみ形成されている。つまり、基板10の長手方向両端がモールド樹脂40からはみ出してモールド樹脂40から露出させられている。このモールド樹脂40から露出させられている部分にスルーホール13が配置されており、このスルーホール13を通じて、基板10に形成された配線パターンと外部との電気的接続が可能とされている。また、基板10の両辺がモールド樹脂40から露出させられることで、基板10の四隅が露出させられており、このモールド樹脂40から露出させられた部分において、上記したように基板10がケース60に支持されている。
ヒートシンク50は、熱伝達率の高い金属材料、例えばアルミニウムや銅によって構成されており、基板10の他面12側に、接合部材51を介して密着させられている。接合部材51としては、例えば金属フィラーを含有した導電性接着剤、はんだ材料などの導電材料、放熱ゲルや放熱シートなどの絶縁材料を用いている。ヒートシンク50は、電子部品20、30が発した熱が基板10の他面12側から伝えられると、それを放熱させる役割を果たすものであり、熱伝導率の高い金属材料、例えば銅などにより構成されている。特に、半導体素子20がIGBTやMOSFETによって構成される場合、これらが発熱素子であることから、多くの熱を発するが、この熱がヒートシンク50に伝えられることで、半導体素子20や受動素子30の高温化が抑制されるようになっている。本実施形態の場合、ヒートシンク50は、放熱ゲル80を介して蓋70に対して熱的に接続されており、基板10の裏面から伝えられた熱を更に放熱ゲル80を通じて蓋70に伝え、蓋70から外部に放熱させるようにしている。
ケース60は、基板10の一面11側に電子部品20、30を実装してモールド樹脂40で封止したものを収容する長方体形状の筐体となるものである。本実施形態の場合、ケース60は、底面61の周囲を側壁面62によって覆った収容凹部63を構成する部材とされ、電子部品20、30を実装してモールド樹脂40で封止した基板10を、一面11側が底面61側を向くようにして収容凹部63内に収容している。
ケース60の底面61には、上記したように基板10を支持する機械的接続部64が形成されている。機械的接続部64は、底面61から垂直方向に突出し、部分的に断面寸法が変化させられた段付き棒状部材とされている。具体的には、機械的接続部64は、基板10を固定する前の状態では、底面側の断面寸法が基板10に形成した固定用孔14より大きく、先端側の断面寸法が固定用孔14とほぼ同じもしくは若干小さくされている。このような寸法とされているため、機械的接続部64は、先端側が固定用孔14に挿入されつつ、先端側と底面側との段差部にて基板10を保持する。そして、機械的接続部64の先端側が固定用孔14内に嵌め込まれてから熱かしめされることで、基板10から突き出した部分が固定用孔14よりも断面寸法が大きくされ、その部分と段差部との間に基板10が挟み込まれて支持されている。
なお、機械的接続部64の突き出し量は、側壁面62の高さよりも低くされており、基板10が側壁面62の先端よりも収容凹部63の内側に入り込むようにしてある。
さらに、ケース60の底面61には、複数本の接続端子65が底面61に対して垂直方向に立設されている。各接続端子65は、基板10に形成されたスルーホール13の配置に合わせて2列に並べられて配置されており、スルーホール13と同じ数とされている。例えば、各接続端子65は、銅合金に錫メッキやニッケルメッキが施されたものにより構成されている。複数本の接続端子65は、それぞれ、基板10に形成されたスルーホール13に挿通させられており、はんだ等の接続部材15を介してスルーホール13に電気的に接続されている。
なお、ケース60は、基本的にはPPS(ポリフェニレンサルファイド)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)等の樹脂をベースとした絶縁体によって構成されているが、ケース60の外部まで延設された配線パターンを備えている。この配線パターンに対して複数本の接続端子65が接続され、各接続端子65および配線パターンを通じて、各電子部品20、30が実装された基板10の配線パターンと外部との電気的接続がなされている。ケース60は、例えばケース60をPPSベースとした構成とする場合には、線膨張係数が15〜70ppm/℃になる。
蓋70は、ケース60の開口端、つまり側壁面62の先端に接続されることで、ケース60内を密閉するものである。蓋70は、例えば接着剤などを介してケース60に固定される。本実施形態の場合、蓋70は、熱伝達率の高い金属材料、例えばアルミニウムや銅によって構成されており、矩形板状部材によって構成されている。
放熱ゲル80は、ヒートシンク50と蓋70との間に配置されており、これら両方に接するように配置されることで、ヒートシンク50から蓋70への伝熱を行う。例えば、放熱ゲル80は、熱伝導率の高いシリコーンオイルコンパウンドなどによって構成されている。放熱ゲル80をなくしてヒートシンク50と蓋70とが直接接する構造とすることもできるが、ヒートシンク50の高さ合わせなどが難しく、蓋70を固定する際にヒートシンク50を押圧してしまう可能性があることから、変形自在な放熱ゲル80を備えると好ましい。
応力緩和部材90は、ケース60の底面61上、つまり接続端子65の根元位置に形成された薄板状もしくはフィルム状の部材で、基板10の長手方向に延設され、基板10の長手方向両側に配置された各接続端子65を跨ぐように形成されている。本実施形態の場合、基板10のうちの両短辺において対応する位置に形成されたスルーホール13同士を1組として、各組のスルーホール13と対応する接続端子65の組ごとに、接続端子65同士を繋ぐように応力緩和部材90を備えている。このため、本実施形態では、応力緩和部材90は、複数本備えられ、ストライプ状に配置されている。
例えば、応力緩和部材90を薄板状で構成す場合、応力緩和部材90として予め接続端子65と同等寸法の孔と機械的接続部64が挿入される孔が形成されたものを用意し、各孔に接続端子65や機械的接続部64を挿入することでケース60の底面61上に配置する。この場合、応力緩和部材90に対して各接続端子65が隙間無く密着させられた状態になる。また、応力緩和部材90をフィルム状の部材で構成する場合には、例えば接続端子65を配置した後のケース60の底面61上にエポキシ樹脂注型材を塗布することによって構成される。この場合にも、応力緩和部材90が各接続端子65に密着した状態になる。
応力緩和部材90は、基板10の線膨張係数に近い材料で構成されており、少なくともケース60の構成材料よりも線膨張係数が基板10の線膨張係数に近い材料とされている。応力緩和部材90の構成材料は基板10と同じ材料であっても良いし、異なる材料であっても良い。例えば、上記したように基板10をプリプレグによって構成する場合には、基板10の線膨張係数が5〜60ppm/℃となり、ケース60をPPSベースとした構成とする場合には、ケース60の線膨張係数が15〜17ppm/℃となる。この場合には、応力緩和部材90を例えばエポキシ樹脂などによって構成し、例えば線膨張係数が10〜60ppm/℃となるようにしている。
以上のようにして、本実施形態にかかる電子装置S1が構成されている。このような電子装置S1は、次のような製造方法により製造される。
まず、配線パターンおよびスルーホール13などが形成された基板10を用意すると共に、接続端子65が備えられたケース60を用意する。また、ケース60の底面61上に応力緩和部材90を配置する。そして、基板10の一面11上に電子部品20、30を実装したのち、電子部品20、30が実装された基板10を、トランスファーモールド法やコンプレッションモールド法によってモールド樹脂40で封止する。そして、基板10の他面12側に接合部材51を介してヒートシンク50を接合したのち、基板10をケース60の収容凹部63内に、一面11側が底面61側を向くようにして配置する。このとき、スルーホール13に複数の接続端子65が挿入され、固定用孔14内に機械的接続部64の先端が嵌め込まれるようにする。
その後、機械的接続部64の先端を熱かしめすると共に、はんだ付けなどによりスルーホール13と複数の接続端子65とを接続部材15にて接続する。最後に、ヒートシンク50の表面に放熱ゲル80を配置したのち、その上に蓋70を配置し、蓋70とケース60の側壁面62との間を接着剤などによって固定することで、本実施形態にかかる電子装置S1が完成する。
以上説明した本実施形態の電子装置では、ケース60の底面61上に応力緩和部材90を配置した構成としており、ケース60よりも応力緩和部材90の線膨張係数の方が基板10の線膨張係数に近くなるように、応力緩和部材90の材料を選択している。このため、基板10が熱膨張・収縮する際には、基板10と近い熱膨張・収縮率で応力緩和部材90も熱膨張・収縮することになる。したがって、基板90の長手方向と同方向において、応力緩和部材90の両側に位置している各接続端子65の間の距離は、各接続端子65のうち基板10に固定された場所の高さのところと応力緩和部材90に密着させられた場所の高さのところとで近い値になる。
仮に、応力緩和部材90を備えていなければ、各接続端子65の距離は、基板10に固定された場所の高さのところでは基板10の線膨張係数に依存し、ケース60に固定された場所の高さのところではケース60の線膨張係数に依存することになる。このため、各接続端子65の間の距離は、基板10に固定された場所の高さのところとケース60が位置している高さのところとで、基板10とケース60それぞれの線膨張係数の差に応じた値になる。
しかしながら、本実施形態のように、応力緩和部材90を配置すると、応力緩和部材90に密着させられた場所の高さのところでは、各接続端子65の距離が応力緩和部材90の線膨張係数に依存することになる。
このため、各接続端子65の間の距離は、基板10に固定された場所の高さのところと応力緩和部材90が密着させられた高さのところとで、基板10と応力緩和部材90それぞれの線膨張係数の差に応じた値になる。そして、ケース60よりも応力緩和部材90の線膨張係数の方が基板10の線膨張係数に近くなるように、応力緩和部材90の材料を選択していることから、応力緩和部材90を備えた本実施形態の構造では各接続端子65の距離の変化が小さい。したがって、熱膨張・収縮時には、接続端子65がケース60の底面61に対して垂直な状態のまま平行移動させられることになり、基板10とケース60との線膨張係数差に起因して接続端子65が傾斜することを抑制できる。その結果、各接続端子65とスルーホール13とを接続する接続部材15での応力を緩和でき、接続部材15の破損が抑制され、接合不良を抑制することが可能となる。
また、基板10から離れた接続端子65の根元位置に応力緩和部材90を配置することで、基板10の近傍に応力緩和部材90を配置する場合より、より接続端子65をケース60の底面61に対して垂直な状態のまま平行移動させることが可能となる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して応力緩和部材90の上面レイアウトを変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図3に示すように、本実施形態では、第1実施形態のように組ごとに接続端子65同士を繋ぐように応力緩和部材90を配置するのではなく、すべての接続端子65を繋ぐように応力緩和部材90を配置している。このように、すべての接続端子65を繋ぐように応力緩和部材90を配置しても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、応力緩和部材90を薄板状の部材で構成するのであれば、第1実施形態のように複数枚の応力緩和部材90を配置する場合と比較して、応力緩和部材90を容易に配置できる。
(他の実施形態)
本発明は上記した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した範囲内において適宜変更が可能である。
例えば、上記各実施形態では、基板10の一面11上に電子部品20、30を実装したのち、電子部品20、30をモールド樹脂40で樹脂封止する形態が適用された電子装置S1の一例を示したが、上記各実施形態で説明した構造でなくても良い。例えば、基板10の一面11側、つまりモールド樹脂40側がケース60の底面61側に向けられるように配置しているが、他面12側、つまりモールド樹脂40と反対側が底面61側に向けられるように配置しても良い。
また、機械的接続部64のによる基板10の固定手法も、熱かしめに限らず、プレスフィットやネジ締め固定などであっても良い。また、接続端子65とスルーホール13との接続も、はんだ付けに限らず、プレスフィットなどであっても良い。
また、上記各実施形態では、スルーホール13を基板10の長手方向両側において対応する位置に配置し、各接続端子65もスルーホール13と対応させて配置している。しかしながら、このようなレイアウトも一例に過ぎない。すなわち、基板10の長手方向両側それぞれに位置するスルーホール13に挿入される接続端子65を組として、少なくとも1組の接続端子65同士を繋ぎ、接続端子65それぞれに密着させられるように応力緩和部材90が備えられていれば、レイアウトは問わない。
10 基板
11 一面
12 他面
20、30 電子部品
40 モールド樹脂
60 ケース
61 底面
64 機械的接続部
65 接続端子
90 応力緩和部材
S1 電子装置

Claims (3)

  1. 一面(11)および前記一面の反対面となる他面(12)とを有し、配線パターンが形成されていると共に該配線パターンに接続されたスルーホール(13)が形成されており、一方向を長手方向とする基板(10)と、
    前記基板の一面側に実装された電子部品(20、30)と、
    前記基板の一面側に設けられ、前記電子部品を封止するモールド樹脂(40)と、
    底面(61)を有し、前記基板を該基板の長手方向の両側において支持すると共に、前記底面から前記基板に向けて突き出した接続端子(65)が備えられたケース(60)と、を有し、
    前記接続端子が前記スルーホールに挿入され、接続部材(15)を介して前記接続端子が前記スルーホールに電気的に接続された電子装置であって、
    前記基板には、該基板の長手方向両側に前記スルーホールが配置され、前記ケースには、前記スルーホールと対応する位置に前記接続端子が配置されており、
    前記底面上に、前記基板の長手方向両側それぞれに位置するスルーホールに挿入される前記接続端子を組として、少なくとも1組の前記接続端子同士を繋ぐと共に該接続端子それぞれに密着させられており、前記ケースよりも線膨張係数が前記基板に近い材料で構成された応力緩和部材(90)が配置されていることを特徴とする電子装置。
  2. 前記応力緩和部材は、前記接続端子すべてを繋ぐように備えられていることを特徴とする請求項1に記載の電子装置。
  3. 前記応力緩和部材は、前記接続端子の1組ごとに備えられ、1組ごとに前記接続端子同士を繋いでいることを特徴とする請求項1に記載の電子装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008059776A (ja) * 2006-08-29 2008-03-13 Keihin Corp 配線基板収納構造
JP2010118160A (ja) * 2008-11-11 2010-05-27 Toyota Motor Corp ターミナル構造およびはんだ接合方法

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