JP3886736B2 - 内燃機関用点火装置及びそれに用いる電子部品を内装したパッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用の点火コイルを駆動する点火装置およびそれに用いる電子部品を内装したパッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、点火コイルとそれを駆動する回路部とを一体化した点火装置が知られている。たとえば、特開平１１−３７０２９号公報に開示される内燃機関用点火装置では、円筒のコイルケースに１次コイル、２次コイル、コア等を内装し、エポキシ樹脂を注入する。また、このコイルケースの上部に回路を収納するケース（イグナイタケース）を設け、このイグナイタケースに点火コイルを駆動するための回路部（イグナイタと称されている）を内装し、エポキシ樹脂を充填している。
【０００３】
この従来技術では、イグナイタは、パワー半導体（パワートランジスタ）、その駆動回路、放熱板、ターミナルなどで構成されている。
【０００４】
イグナイタは、端子を除き周囲全てが樹脂モールドにより覆われてパッケージ化されている。この従来例におけるパッケージは、ヒートシンク（放熱板）となるリードフレーム部分が全面、樹脂にて覆われるフルモールドタイプとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パワー素子の放熱部となるヒートシンク（リードフレーム）を全面、モールド樹脂にて覆うと放熱性が低下する。すなわち、イグナイタをパッケージ化した場合、このパッケージ（モールド樹脂）は、コイル絶縁樹脂中に埋設されるが、コイル絶縁樹脂とパッケージとは同種材質（エポキシ樹脂）であったとしても両者の充填材の配合割合が異なるため、両者の線膨張係数が異なる。そのために、パッケージ・コイル絶縁樹脂の界面に隙間が生じ易く、これがパワー素子の放熱特性を低下させる原因となる。
【０００６】
放熱性を向上させるためには、ヒートシンクの裏面を露出させるハーフ（セミ）モールドタイプのパッケージが考えられる。しかし、このようなタイプにした場合には、モールド樹脂の線膨張係数とヒートシンクの線膨張係数とが異なると、イグナイタ自身で発生する熱や外部からの熱が加わると、イグナイタにバイメタル効果により反りが発生し、回路・パワー素子部にダメージを与えることが考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、上記したようにパッケージタイプの内燃機関用点火装置の、パワー素子の放熱性向上と回路部・パワー素子部に与えるダメージの低減の両立を図ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、基本的には、点火コイルのスイッチング素子に用いるパワー半導体素子と、少なくとも前記パワー半導体素子を搭載したヒートシンク機能を有する金属板とを備え、このパワー半導体素子及び金属板が一括してモールド樹脂に埋設され、このモールド樹脂により前記金属板の上下面を前記パワー半導体素子と共に覆うようにし、かつ前記金属板は、その上下面のうちの一面或いは両面が部分的に露出していることを特徴とする。
【０００９】
このようにすれば、パッケージを点火コイルのイグナイタケースに絶縁用樹脂を介して埋設した場合に、絶縁用樹脂・パッケージ間の界面に熱膨張係数差に基づく隙間が生じたとしても、その露出したヒートシンク部が絶縁用樹脂中に存在するために、パッケージのモールド樹脂が介在する場合よりも早く熱をコイル絶縁用樹脂に伝達すことが可能となり、半導体パワー素子の放熱性を向上させる。
【００１０】
また、セミモールドタイプに生じるようなバイメタル効果による反り発生を防止する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面にて説明する。
【００１２】
図１は本発明の一実施例に係る内燃機関用点火装置（イグナイタ）の回路部に用いるパッケージの正面図、その縦断面図、および裏面図を示すものである。
【００１３】
本実施例はイグナイタのパッケージ側面からヒートシンク部を露出させた場合の実施例である。
【００１４】
本実施例のイグナイタ５は、主として点火コイルの１次電流をオン，オフ制御するパワー半導体素子〔パワートランジスタもしくはＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子〕２と、上記パワー半導体素子を駆動する回路や１次電流制限回路などの電子部品（ＩＣチップ等）を搭載した回路基板３と、上記パワー半導体素子２および回路基板３を搭載するヒートシンク（金属板）１−２及び入出力端子１−１よりなる。
【００１５】
入出力端子１−１及びヒートシンク１−２は、元々は一つのリードフレーム１からなり、それらは、パッケージ（モールド樹脂）４の成形に際してグランド端子１−１′を除いて切り離される。リードフレームの一部１−２は、パワー半導体素子２のヒートシンクとなる。入出力端子１−１は、グランド端子１−１′のほかに電源端子、点火信号入力端子、一次コイル接続端子、２次コイル接続端子よりなる。
【００１６】
ヒートシンク１−２上には、パワー半導体素子２がはんだ，銀ペーストなどで接着され、回路基板３は接着剤にて接着される。
【００１７】
ヒートシンク１−２上において、パワー半導体素子２と回路基板３とはワイヤボンディング６により接続され、また、回路基板３と入出力端子１−１とがワイヤボンディング７により接続される。
【００１８】
モールド樹脂によりパッケージ４を成形する場合には、イグナイタ５を構成するパワー半導体素子２、回路基板３、ヒートシンク１−２、一部を除いた入出力端子部１−１を一括してモールド樹脂４に埋設することで成形される。
【００１９】
このモールド樹脂によりヒートシンク１−２の上下面をパワー半導体素子２及び回路基板３と共に覆うようにする。
【００２０】
ヒートシンク１−２は、両面の一部がパッケージ４から露出する態様である。本実施例では、ヒートシンク１−２は略正方形（或いは長方形）とし、パッケージ（モールド樹脂）４は六角形とする。これらの異なる形状をオーバーラップさせることで、ヒートシンク１−２の２箇所の角部の両面を、部分露出させる。部分露出したのは、次の理由による。
【００２１】
パワー半導体素子２は主材質がシリコン、電子部品を搭載した回路基板３はアルミナ系セラミック，ガラス系セラミック等よりなり、リードフレーム１（１−１，１−２）は銅系材料であり、それぞれ線膨張係数が異なる。
【００２２】
パワー半導体素子２のヒートシンク（リードフレーム）１−２は、放熱性のためには半導体素子搭載面の裏面となる部分をほぼ全面露出させる片面モールド（ハーフモールド・セミモールド）の方が良い。しかし、モールド樹脂４とヒートシンク１−２とは、線膨張係数が異なるため、片面モールドの場合には、特にモールド樹脂とヒートシンク部の線膨張係数差によるバイメタル効果で、温度変化がある場合に反りを生じることになる。
【００２３】
温度変化により反りを生じた場合、特にパワー半導体素子をリードフレームへはんだ付けした部分（部品間接続部）などに線膨張係数差以上に大きな応力が印加され、接続寿命が低下する。
【００２４】
これを防止するためには、これら構成部品の全面をモールドするフルモールドタイプが有効であるが、フルモールド化すると、ヒートシンク部からの放熱性が低下する。
【００２５】
本実施例では、ヒートシンク１−２は、上下面がほぼ全面にわたりモールド樹脂（パッケージ）４にて覆われる構造となっており、構成部品の線膨張係数差によるよって発生する温度変化時の反りを抑制することが可能であり、ヒートシンク１−２の角部をモールド樹脂４から一部露出させることで放熱性を向上させることが可能である。
【００２６】
モールド樹脂４の態様としては、その成形方法をエポキシ系樹脂によるトランスファモールドとした場合には、低温・低圧で成形することが可能であり、内蔵部品に対するダメージを最小限に押さえることが可能である。
【００２７】
成形方法をエポキシ系樹脂によるインジェクション成形とした場合には、成形サイクルをトランスファ成形に対して、短くすることが可能であり、作業効率が向上する。
【００２８】
成形方法をＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）系樹脂によるインジェクション成形とした場合には、熱可塑性樹脂であるため、成形が更に容易でかつゲート・ランナー部の廃材をリサイクル可能である。
【００２９】
この際、モールド樹脂（パッケージ）表面を梨地処理することにより、イグナイタ５を点火コイルのイグナイタケース部に内蔵した場合そのケース部内に注入されたコイルの絶縁用樹脂材とパッケージ間の密着性が向上し、この間の温度変化に伴うずれが抑制され、また、パッケージの樹脂とイグナイタケースに注入された絶縁用樹脂間の熱抵抗を低減することができ、信頼性向上を図ることができる。
【００３０】
パッケージ４の凸部となるコーナー部４′は、Ｒ状に角取りしてある。このようにすることにより、モールド樹脂４とイグナイタケースに注入する絶縁用樹脂部（コイル絶縁用樹脂）との間に発生するそれぞれの応力を分散させる効果があり、コイル絶縁用樹脂のクラック発生の抑制・イグナイタに加わる応力低減による内蔵部品へのダメージの低減ができるなどの信頼性向上を図ることができる。
【００３１】
なお、本発明の適用対象となるイグナイタは、少なくとも点火コイルの１次電流を通電・遮断するための、バイポーラパワートランジスタまたは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのパワー半導体素子を含む点火回路であり、バイポーラパワートランジスタ・絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ単体のものも含む。また電流制限回路等の回路部を設置したものにおいては、上記実施例の態様のもののほかに、パワー半導体素子上に回路部を一体化したもの、リードフレーム上に回路を直接形成したもの等にも本発明の適用が可能である。
【００３２】
モールド樹脂４の材質を選択する場合には、実使用範囲内である最大１５０℃程度の温度までにおける線膨張係数が主要構成部品の線膨張係数の最小である半導体素子の母材であるシリコン３ｐｐｍからリードフレーム材（ヒートシンク）の母材である銅の１７ｐｐｍの範囲内の材質を選定すると、内蔵部品に与える影響を少なくすることができる。
図２は本発明の第２実施例に係るパッケージ（イグナイタ）の正面図、縦断面図、裏面図を示すものである。図１と同一符号は、図１の要素と同一の要素を示す（図３以降も同様である）。
本実施例はパッケージ４の裏面のほぼ中心部に穴８を設け、この穴８を介してヒートシンク１−２となるリードフレーム一面（裏面）を部分的に露出させた実施例である。穴８は、穴部周辺に加わる応力分散のために、円形の穴が好ましいがこれに限定されるものではない。
【００３３】
なお、この種パッケージの従来技術には、特開平９−１７６６２号公報、特開平９−３５９６０号公報にもパッケージに穴を設けたものが符号４３によって表されているが、この穴４３は、パッケージおよびリードフレームを貫通させてねじ止め用の貫通穴となるものであり、ヒートシンク面を露出させるものではない。
【００３４】
本実施例においても、穴８から露出するヒートシンク面を直接イグナイタケース内の絶縁樹脂に接触させることができるので、放熱性を向上させることができ、しかも、ヒートシンク１−２の上下面の大部分をモールド樹脂４により覆うことを維持するので、構成部品の線膨張係数差によるよって発生する温度変化時の反りを抑制することが可能である。
図３は本発明の第３実施例に係るパッケージの正面図、縦断面図、裏面図である。
【００３５】
本実施例も第２実施例と同様の機能をなす穴８をパッケージ４に設けたものである。第２実施例と異なる点は、本実施例では、穴８を複数とし、これらの穴８をパッケージ４の裏面と表面にそれぞれ配設して、ヒートシンク１−２の表面と裏面とを部分的に露出させたものである。
【００３６】
本実施例においても、図１、図２の実施例と同様の効果を奏することができる。
【００３７】
図４は、上記した第１実施例に係るパッケージ型のイグナイタ５を、点火コイル部と一体化させたイグナイタケースに内装した応用例であり、同図（ａ）はイグナイタケース１１及びコイルケース１２に絶縁用樹脂を注入する前の上面図、同図（ｂ）はその縦断面図であり、上記絶縁用樹脂を注入した後の状態を示すものである。
【００３８】
なお、図４の応用例は、第２、第３の実施例のパッケージ型イグナイタ５その他本発明の思想を具現化したものに適用可能である。
本実施例における内燃機関の点火装置は、点火コイルをエンジンのシリンダヘッドに設けた点火プラグ取付用のプラグホール部に設置するタイプのものを一例として示している。
【００３９】
図４において、１次コイル１４および２次コイル１３を収納したコイルケース１２と、その上に配置されてイグナイタ５を収納したケース（イグナイタケース）１１とを一体化してなる。
【００４０】
コイルケース１２は合成樹脂により成形され、１次コイル、２次コイルのほかに、それらのボビンおよびセンターコア１０、点火プラグ接続用のスプリング１５等を内装し、そのコイルケース上部にイグナイタケース１１が結合されている。
【００４１】
イグナイタケース１１は樹脂によりコネクタ部１１ａと一体成形してなる。
【００４２】
イグナイタケース１１にはイグナイタ５が収納され、入出力端子１−１、グランド端子１−１′が対応のコネクタ端子およびコイル端子と接続され絶縁樹脂がコイルケース１２およびイグナイタケース１１に注入（充填）される。
【００４３】
このようにして、イグナイタ５は点火コイル部上部に設置されコイルの絶縁樹脂中に埋設・固定される。コネクタ部１１ａより電源及び点火コイル駆動用の信号が入力され動作する。
【００４４】
コイルの絶縁樹脂・イグナイタ外装モールド樹脂４の界面に熱膨張係数差に基づき隙間が生じても、イグナイタ５のヒートシンク部の一部露出部１−２が絶縁樹脂１６に露出して存在することで、イグナイタ５に内蔵されたパワー半導体素子の熱を、イグナイタの外装モールド樹脂４を介することなしにコイルの絶縁樹脂に対し放熱することができる部分を設けることが可能となり、放熱性を向上させることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、パワー半導体素子のヒートシンク部がイグナイタ外装モールド（パッケージ）で覆われている場合であっても、早く熱をコイル絶縁用樹脂に伝達することができ、放熱性向上を図ることが可能である。
【００４６】
また、パワー半導体素子部のヒートシンクの大部分の上下面が同一樹脂にて覆われていることによりバイメタル効果による反りを低減することができ、このためパワー半導体素子等の電子部品のはんだ付け部などに加わる応力を低減することができ、信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る正面図、縦断面図、裏面図。
【図２】本発明の第２実施例に係る正面図、縦断面図、裏面図。
【図３】本発明の第３実施例に係る正面図、縦断面図、裏面図。
【図４】本発明の第４実施例に係る上面図および縦断面図。
【符号の説明】
１−１…入出力端子（リードフレーム）、１−２…ヒートシンク（リードフレーム）、２…パワー半導体素子、３…回路基板、４…モールド樹脂（パッケージ）、５…イグナイタ。

Claims (5)

1. 点火コイルのスイッチング素子に用いるパワー半導体素子と、回路基板と、少なくとも前記パワー半導体素子及び回路基板を搭載したヒートシンク機能を有する金属板と、入出力及び電源のリード端子とを備え、前記金属板は、略正方形或いは略長方形に近い矩形をなし、前記リード端子は前記金属板の一辺に沿って配列され、このパワー半導体素子、回路基板、金属板及び複数のリード端子が一括してモールド樹脂に埋設され、このモールド樹脂により前記金属板の上下面と前記リード端子の一部とを前記半導体素子及び回路基板と共に覆うようにし、かつ前記金属板のうち前記リード端子が沿った一辺に対して反対側に位置する一辺と、これに交わる辺とで形成される角部が前記モールド樹脂から部分的に露出していることを特徴とするパッケージ。
2. 前記金属板が矩形であるのに対し、前記モールド樹脂は六角形を呈し、これらのをオーバーラップさせて、前記金属板の角部の両面或いは一面が露出している請求項１記載のパッケージ。
3. 前記金属板は、リードフレームよりなる請求項１又は２記載のパッケージ。
4. 前記モールド樹脂は、エポキシ系樹脂によるトランスファモールド、エポキシ系樹脂によるインジェクションモールド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）系樹脂によるインジェクションモールドのいずれか一つである請求項１から３のいずれか１項記載のパッケージ。
5. １次コイルおよび２次コイルを収納したコイルケースと、その上に配置されて点火装置の電子回路を収納したケース（以下、「イグナイタケース」と称する）とを一体化してなり、前記コイルケースおよびイグナイタケースに絶縁樹脂が充填される内燃機関用点火装置において、
   請求項１〜４のいずれか１項記載のパッケージが前記イグナイタケースの絶縁樹脂中に埋設されていることを特徴とする内燃機関用点火装置。

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