JP3555550B2 - 電気回路装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面実装型の半導体パワー素子を半田付けにより回路基板に実装してなる電気回路装置に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、表面実装型の半導体パワー素子、電解コンデンサ、抵抗などの複数の回路素子を、半田付けによって回路基板に表面実装した電気回路装置がある。
【0003】
この従来の電気回路装置において、回路基板は、垂直方向(重力方向)あるいは水平方向に配置される。このため、半導体パワー素子が、故障等で異常発熱したとき次のような問題が生じる。すなわち、回路基板が垂直方向に配置されるものにおいては、半導体パワー素子の異常発熱により半田が溶解すると半導体パワー素子が落下し、電気回路装置の筐体内に放置される。表面実装型の半導体パワー素子は、その裏面に面状の裏面電極が形成されているため、振動等の影響で半導体パワー素子が移動すると他の回路素子をショートさせるなどの問題を発生させる可能性がある。また、回路基板が水平方向に配置されるものにおいては、半導体パワー素子の異常発熱により半田が溶解したとき半導体パワー素子は落下しないものの、異常発熱が継続し、他の回路素子に悪影響を与えるなどの可能性がある。
【0004】
本発明は上記問題に鑑みたもので、表面実装型の半導体パワー素子を半田付けによって回路基板に実装した電気回路装置において、半導体パワー素子の異常発熱により半田が溶解したとき半導体パワー素子を電気的にオープン状態にして発熱の継続を防止するとともに、他の回路素子をショートさせるなどの不具合を生じさせないようにすることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明においては、表面実装型の半導体パワー素子(12、14、16)を半田付けにより回路基板(10)に実装してなる電気回路装置において、
半導体パワー素子(12、14、16)の発熱により前記半田が溶解したとき半導体パワー素子(12、14、16)が自重で脱落するように回路基板(10)が傾斜して配置されており、
半導体パワー素子(12、14、16)の脱落をストッパ部材(36、38)で停止させ、その停止位置において半導体パワー素子(12、14、16)が電気的にオープン状態となり、かつその後の前記半田の冷却によって半導体パワー素子(12、14、16)が前記停止位置で保持されるようになっていることを特徴としている。
【0006】
このことにより、半導体パワー素子が異常発熱して半田が溶解したとき、半導体パワー素子を自重で脱落させてストッパ部材で停止させ、その停止位置において半導体パワー素子を電気的にオープンな状態としているから、半導体パワー素子の異常発熱の継続による他の回路素子への影響などを防止することができる。また、その後の半田の冷却によって半導体パワー素子をストッパ部材による停止位置で保持するようにしているから、半導体パワー素子が移動して他の回路素子をショートさせるなどの不具合を生じさせないようにすることができる。
【0007】
請求項2に記載の発明においては、回路基板(10)と、
この回路基板(10)に半田付けにより実装された表面実装型の半導体パワー素子(12、14、16)と、
半導体パワー素子(12、14、16)の発熱によって前記半田が溶解したとき半導体パワー素子(12、14、16)が自重で脱落するように回路基板(10)を傾斜して保持する保持部材(32)と、
半導体パワー素子(12、14、16)の脱落を停止させるストッパ部材(36、38)とを備え、
半導体パワー素子(12、14、16)がストッパ部材(36、38)により停止されている状態において半導体パワー素子(12、14、16)が電気的にオープン状態となり、かつその後の前記半田の冷却によって半導体パワー素子(12、14、16)が前記停止位置で保持されるようになっていることを特徴としている。
【0008】
この発明においても、請求項1に記載の発明と同様、半導体パワー素子が異常発熱したときの他の回路素子への影響などを防止することができる。
【0009】
この場合、上記した保持部材(32)とストッパ部材(36、38)は、請求項3に記載の発明のように、一体的に形成したものとすることができる。
【0010】
また、請求項4に記載の発明では、半導体パワー素子(12、14、16)がストッパ部材(36、38)により停止されている状態において半田の冷却により半導体パワー素子(12、14、16)の裏面電極(142)が部分的に電極パッド(102)に固定されるようになっていることを特徴としている。
【0011】
このように、半導体パワー素子の裏面電極と電極パッドを、半田の冷却により再固定することによって、半導体パワー素子をストッパ部材による停止位置に確実に保持させることができる。
【0012】
また、請求項5に記載の発明では、半導体パワー素子(12、14、16)の裏面電極(142)以外の電極の端子(144、146)が、回路基板(10)の傾斜方向において電極パッド(102)に対しストッパ部材(36、38)と反対側に位置する電極パッド(104、106)に半田付けされていることを特徴としている。
【0013】
このことにより、半導体パワー素子(12、14、16)の脱落時に半導体パワー素子(12、14、16)を確実にオープンな状態にすることができる。
【0014】
また、複数の半導体パワー素子(12、14、16)が回路基板(10)に実装されている場合、請求項6に記載の発明のように、複数のストッパ部材(36、38)で複数の半導体パワー素子(12、14、16)のそれぞれの脱落を停止させることの他、請求項7に記載の発明のように、1つのストッパ部材(38)で複数の半導体パワー素子(12、14、16)の脱落を停止させるようにすることができる。なお、後者の場合、請求項8に記載の発明のように、複数の半導体パワー素子(12、14、16)よりも上側に他の回路素子(18、20、22、24、26)を配置するようにするのが好ましい。
【0015】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
【0017】
図1に本発明の一実施形態にかかる電気回路装置の正面構成を示し、図2に図1に示す電気回路装置を左側から見た側面構成を示す。この電気回路装置は、例えば、自動車のランプ、モータ等の負荷を駆動する駆動装置として構成されている。
【0018】
図1において、回路基板10の上面には、表面実装型の複数の回路素子が半田付けにより表面実装されている。具体的には、半導体パワー素子としてのMOSFET12、14、16、IC18、抵抗20、電解コンデンサ22、コンデンサ24、26などの回路素子が回路基板10の上面に実装されている。
【0019】
また、回路基板10の上面には、これらの回路素子と電気的に接続される電極パッドおよび配線が形成されており、金属製のターミナル28により外部と電気的に接続されるようになっている。なお、ターミナル28は、回路基板10に形成された貫通孔を貫通しターミナル接続部30で半田付けされて、回路基板の上面に形成された配線に電気接続されている。また、回路基板10には、後述する第1のストッパ部材36を貫通させるための貫通孔が形成されている。
【0020】
回路基板10は、図1、図2に示すように、保持部材としてのベース32により、傾斜して保持されている。図3に、ベース32の具体的な構成を示す。図3において、(a)は正面図、(b)は(a)中のA−A断面図である。ベース32は、平面状の底部34と、第1、第2のストッパ部材36、38と、底部34の両側に設けられた側壁部40とから構成され、樹脂により一体的に形成されたものとなっている。なお、底部34には、ターミナル28を貫通させるための貫通孔が形成されており、両側壁部40には、図に示すように基板受け部40aと基板固定用爪40bが形成されている。
【0021】
そして、回路基板10に固定されたターミナル28を底部34に形成された貫通孔に通し、また第1のストッパ部材36を回路基板10に設けられた貫通孔に通し、この後、回路基板10の左右両側を基板受け部40aに押し付け、基板固定用爪40bにより回路基板10を保持することによって、回路基板10がベース32に固定される。この状態において、回路基板10は、ベース32に対し所定角度傾斜した状態で固定される。なお、この実施形態に示す電気回路装置は、ベース32の底部34が水平状態となるように、自動車内の適当な箇所に設置される。
【0022】
上記したように回路基板10を傾斜して配置することにより、MOSFET12、14、16のいずれかが異常発熱しそのMOSFETを固定する半田が溶解したとき、そのMOSFETを自重で脱落させることができる。このような傾斜を与える角度としては、30°〜60°が適切である。
【0023】
そして、MOSFETが脱落したときMOSFETを所定位置で停止させるために、第1、第2のストッパ部材36、38が設けられている。なお、第1のストッパ部材36は、MOSFET12あるいは16が回路基板10から脱落したときにそれを停止させるために設けられ、第2のストッパ部材38は、MOSFET14が回路基板10から脱落したときにそれを停止させるために設けられている。そして、MOSFETがストッパ部材で停止している状態において、そのMOSFETが電気的にオープン状態となり、異常発熱がなくなり、かつその後半田が自然冷却することによってMOSFETがストッパ部材で停止している状態で保持される。以下、この点について、MOSFET14を例にとって説明する。
【0024】
図4(a)、(b)に、MOSFET14が回路基板10に実装されている部分の模式的な正面構成および側面構成を示す。
【0025】
MOSFET14の裏面には、ヒートシンクを兼ねた面状のドレイン電極142が裏面電極として形成されており、このドレイン電極142が回路基板10の上面に形成されたドレイン用電極パッド102と半田付けされている。また、MOSFET14のゲート電極端子146、ソース電極端子144は、MOSFET14の上側(すなわち回路基板10の傾斜方向においてドレイン用電極パッド102に対し第2のストッパ部材38と反対側)に位置するように形成されたゲート用電極106、ソース用電極104にそれぞれ半田付けされている。なお、図4(b)に示すように、MOSFET14のドレイン電極142と第2のストッパ部材38との間隔D1は、ソース用電極104とソース電極端子144が重なっている長さ(ゲート用電極106とゲート電極端子146が重なっている長さも同様)D2よりも長くなっている。
【0026】
このような構成において、MOSFET14が異常発熱してMOSFET14のドレイン電極142、ゲート電極端子146、ソース電極端子144と回路基板10の上面に形成されたドレイン用電極102、ゲート用電極106、ソース用電極104との間の半田がそれぞれ溶解すると、MOSFET14は自重で脱落し、上記した距離D1だけ移動して、第2のストッパ部材38により停止される。このときの状態を図5に示す。ここで、図4に示したように、距離D1>距離D2に設定されているため、MOSFET14のゲート電極端子146、ソース電極端子144は、ドレイン用電極102とゲート用電極106の間、ドレイン用電極102とソース用電極104の間にそれぞれ位置し、MOSFET14は電気的に確実にオープンな状態になる。
【0027】
この場合、電気回路的には、図6(a)に示す異常発熱前の状態から図6(b)に示す状態に変化し、MOSFET14のゲートとMOSFET駆動回路42との間が電気的にオープンになるとともに、MOSFET14のドレインと負荷44との間も電気的にオープンになる。このため、バッテリ46からMOSFET14への通電がカットされ、MOSFET14の異常発熱が停止する。
【0028】
また、図5に示すように、MOSFET14が第2のストッパ部材38により停止されている状態において、MOSFET14のドレイン電極142はドレイン用電極102と部分的に重なった位置にあるため、MOSFET14の異常発熱が停止し、半田が冷却すると、ドレイン電極142が部分的にドレイン用電極102に固定される。このようにMOSFET14を第2のストッパ部材38による停止位置で固定しておくことにより、脱落したMOSFET14を、回路基板10を収納する図示しない筐体内で移動させないようにすることができ、他の回路素子をショートさせるなどの問題を発生させないようにすることができる。
【0029】
以上、MOSFET14を例にとって異常発熱時の動作を説明したが、他のMOSFET12、16においても同様に、その異常発熱による脱落、ストッパ部材での停止、およびその後の半田の冷却による停止位置での固定といった動作を行う。この場合、MOSFET12、16は、第1のストッパ部材36の位置で停止される。
(他の実施形態)
上記した実施形態では、図1に示すように、脱落させるMOSFET12、14、16と同じ高さあるいは下側に、抵抗20、電界コンデンサ22、コンデンサ24、26、IC18などが存在し、MOSFET12、16が第1のストッパ部材36で停止するようになっている。しかし、第1のストッパ部材36が図1のような形状をしていると、MOSFET12、16が横にずれて脱落する可能性がある。これを防止するためには、MOSFET12、16のそれぞれの両サイドに壁(突出部)を設けて、MOSFET12、16が横にずれて脱落しないようにすればよい。あるいは、図7に示すように、脱落させるMOSFET12、14、16の全てをストッパ部材38の最も近くに配置して、第1のストッパ部材36をなくし、抵抗20、電界コンデンサ22、コンデンサ24、26、IC18などをMOSFET12、14、16よりも上側に配置するようにすればよい。この場合、MOSFET12、14、16以外の回路素子の全てがMOSFET12、14、16の上側にある必要はなく、脱落したMOSFETによって影響を受けない回路素子であればMOSFET12、14、16と同じ高さにあってもよい。
【0030】
なお、回路基板10の上面に配置される回路素子は、図1、図7に示すものに限らず、電気回路装置を構成するに必要な種々の回路素子となることはもちろんである。
【0031】
また、上記した実施形態では、第1、第2のストッパ部材36、38を、回路基板10を保持するベース32に一体的に形成するものを示したが、回路基板10の上面にベース32とは別に設けるようにしてもよい。
【0032】
また、半導体パワー素子として、MOSFETを示したが、バイポーラトランジスタ、IGBTなどの半導体パワー素子の場合にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる電気回路装置の正面構成を示す図である。
【図2】図1に示す電気回路装置を左側から見た側面構成を示す図である。
【図3】ベース32の具体的な構成を示す図である。
【図4】MOSFET14が回路基板10に実装されている状態を示す図である。
【図5】MOSFET14の異常発熱により半田が溶解してMOSFET14が脱落した状態を示す図である。
【図6】MOSFET14が脱落したときにMOSFET14が電気的にオープンになることを説明するための電気回路図である。
【図7】本発明の他の実施形態にかかる電気回路装置の正面構成を示す図である。
【符号の説明】
10…回路基板、12、14、16…MOSFET、18…IC、
20…抵抗、22…電解コンデンサ、24、26…コンデンサ、
28…ターミナル、30…ターミナル接続部、32…ベース、34…底部、
36、38…ストッパ部材、40…側壁部、40a…基板受け部、
40b…基板固定用爪、42…MOSFET駆動回路、44…負荷、
46…バッテリ、102…ドレイン用電極、104…ソース用電極、
106…ゲート用電極、142…ドレイン電極、144…ソース電極端子、
146…ゲート電極端子。
Claims (8)
- 表面実装型の半導体パワー素子(12、14、16)を半田付けにより回路基板(10)に実装してなる電気回路装置において、
前記半導体パワー素子(12、14、16)の発熱により前記半田が溶解したとき前記半導体パワー素子(12、14、16)が自重で脱落するように前記回路基板(10)が傾斜して配置されており、
前記半導体パワー素子(12、14、16)の脱落をストッパ部材(36、38)で停止させ、その停止位置において前記半導体パワー素子(12、14、16)が電気的にオープン状態となり、かつその後の前記半田の冷却によって前記半導体パワー素子(12、14、16)が前記停止位置で保持されるようになっていることを特徴とする電気回路装置。 - 回路基板(10)と、
この回路基板(10)に半田付けにより実装された表面実装型の半導体パワー素子(12、14、16)と、
前記半導体パワー素子(12、14、16)の発熱によって前記半田が溶解したとき前記半導体パワー素子(12、14、16)が自重で脱落するように前記回路基板(10)を傾斜して保持する保持部材(32)と、
前記半導体パワー素子(12、14、16)の脱落を停止させるストッパ部材(36、38)とを備え、
前記半導体パワー素子(12、14、16)が前記ストッパ部材(36、38)により停止されている状態において前記半導体パワー素子(12、14、16)が電気的にオープン状態となり、かつその後の前記半田の冷却によって前記半導体パワー素子(12、14、16)が前記停止位置で保持されるようになっていることを特徴とする電気回路装置。 - 前記保持部材(32)と前記ストッパ部材(36、38)は、一体的に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の電気回路装置。
- 前記半導体パワー素子(12、14、16)の裏面電極(142)と前記回路基板(10)に形成された電極パッド(102)が半田付けされて前記半導体パワー素子(12、14、16)が前記回路基板(10)に実装されており、前記半導体パワー素子(12、14、16)が前記ストッパ部材(36、38)により停止されている状態において前記半田の冷却により前記半導体パワー素子(12、14、16)の裏面電極(142)が部分的に前記電極パッド(102)に固定されるようになっていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の電気回路装置。
- 前記半導体パワー素子(12、14、16)の前記裏面電極(142)以外の電極の端子(144、146)が、前記回路基板(10)の傾斜方向において前記電極パッド(102)に対し前記ストッパ部材(36、38)と反対側に位置する電極パッド(104、106)に半田付けされていることを特徴とする請求項4に記載の電気回路装置。
- 前記半導体パワー素子(12、14、16)が前記回路基板(10)に複数実装され、それぞれの半導体パワー素子(12、14、16)の脱落を停止させるために前記ストッパ部材(36、38)が複数設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1つに記載の電気回路装置。
- 前記半導体パワー素子(12、14、16)が前記回路基板(10)に複数実装され、それぞれの半導体パワー素子(12、14、16)の脱落が1つのストッパ部材(38)で停止されるようになっていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1つに記載の電気回路装置。
- 前記回路基板(10)の傾斜方向において前記複数の半導体パワー素子(12、14、16)よりも上側に、他の回路素子(18、20、22、24、26)が配置されていることを特徴とする請求項7に記載の電気回路装置。
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