JP4635963B2 - 電気回路装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気回路素子が実装された電気回路基板を収容するケース内をゲルで充填することで電気回路素子の絶縁、防水、振動緩和を行うようにした電気回路装置に関するものである。
従来より、電気回路素子が実装された電気回路基板をケース内に収容したのち、ケース内をゲルで充填することで電気回路素子の絶縁、防水、振動緩和を行うようにした電気回路装置がある。このような電気回路装置が例えば車両における内燃機関に搭載される場合、厳しい環境で使用されることになる。特に、エンジンルーム内に搭載される場合には熱環境が厳しく、とりわけエンジン本体に搭載される場合には極めて過酷な熱環境で電気回路装置が使用されることになる。
このような環境においては、電気回路素子もしくは電気回路基板の振動が大きくなり、ケース内に充填したゲルが軟化（液状化）し、絶縁、防水、振動緩和の機能低下してしまう場合がある。このような場合、電気回路内のどこかの場所で短絡が生じたり、水分浸入による導体部の腐食や断線が生じたり、振動増加によるボンディング部の断線が生じたりするという問題が発生する。
このため、特許文献１では、外部振動による内部素子へのダメージ、特にボンディング部の断線などを防止するために、ケース内を充填する封止材を２層状にすると共に、下層のゲルを上層の樹脂で覆う構造とし、上層の樹脂を複素弾性率が０．３ＭＰａという硬い樹脂で構成することで、電気回路素子もしくは電気回路基板の振動を防止している。
特開平９−２４５４３０号公報
しかしながら、上記のように複素弾性率とされた樹脂では、冷熱環境によりクラックが発生し、クラック発生後の振動抑制効果が低下して下層のゲルの軟化を防止できなくなり、上記問題が解決できなくなる。さらに、上層が樹脂で下層がゲルで構成されているため、上層と下層との間の接着性が弱く、これらの境界面に剥離が生じ、振動抑制効果が低下して上記の問題が解決できなくなる。
本発明は上記点に鑑みて、電気回路素子もしくは電気回路基板の振動により、ケース内に充填したゲルが軟化し、絶縁、防水、振動緩和の機能低下してしまうことを防止できるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、基板（２）に実装された電気回路素子（２ａ〜２ｃ）をケース（１）内に搭載し、半導体素子（２ａ〜２ｃ）および基板（２）を覆うようにケース（１）内に封止材（３）を充填した電気回路装置において、封止材（３）は、上層ゲル（３ａ）および下層ゲル（３ｂ）の２層構造を有した構成とされ、上層ゲル（３ａ）の針入度が９０以下とされ、下層ゲル（３ｂ）の針入度が上層ゲル（３ａ）の針入度よりも大きくされていることを特徴としている。
このように、封止材（３）を上層ゲル（３ａ）および下層ゲル（３ｂ）の２層構造を有した構成とし、上層ゲル（３ａ）の針入度が９０以下となるようにすることで、上層ゲル（３ａ）によって下層ゲル（３ｂ）の表面の振幅を押えることができる。このため、電気回路素子（２ａ〜２ｃ）もしくは電気回路基板（２）が振動しようとしても、下層ゲル（３ｂ）そのものの変形が抑えられ、それらの振動を抑制できる。したがって、下層ゲル（３ｂ）が軟化してしまうことを抑制することが可能となり、下層ゲル（３ｂ）での絶縁、防水、振動緩和の機能低下が生じてしまうことを防止できる。
また、本発明では、ケース（１）が底面（１ａ）と側壁面（１ｂ）を有した構成とされ、基板（２）がケース（１）における底面（１ａ）に固定され、さらに、ケース（１）に基板（２）の上方に配置される上面部（７ｂ）を有したベース（７）が固定されて、該ベース（７）に電気回路素子（８）が備えられるようになっている場合において、上層ゲル（３ａ）がベース（７）の少なくとも一部を覆うように配置されるようにすることを特徴としている。
このように構成された電気回路装置では、ベース（７）が底面（１ａ）から浮いた状態となり、振動し易い構造となる。ベース（７）の少なくとも一部が上層ゲル（３ａ）で覆われるような構造とすれば、硬い上層ゲル（３ａ）にてベース（７）の振動を抑えることができるため、ベース（７）の振動に起因するゲルの軟化を防止することも可能となる。
この場合、上層ゲル（３ａ）の針入度が６０以上となるようにすると好ましい。上層ゲル（３ａ）に関しては、硬すぎると温度変化によってゲル割れが生じる可能性がある。したがって、上層ゲル（３ａ）の針入度を６０以上にすることで、温度変化が生じてもゲル割れがほとんど生じないようにすることが可能となる。
一方、下層ゲル（３ｂ）に関しては、針入度が１００以上となるようにすると好ましい。下層ゲル（３ｂ）が硬すぎると、実装された電気回路素子（２ａ〜２ｃ）のボンディング部やはんだ付け部等の電気的接続部を破損させる可能性がある。このため、下層ゲル（３ｂ）の針入度が１００以上となるようにすることで、このような電気的接続部の破損を防止することができる。
この場合、下層ゲル（３ｂ）の針入度が１３０以下となるようにすると好ましい。下層ゲル（３ｂ）は、電気回路素子（２ａ〜２ｃ）や電気回路基板（２）の振動緩和の機能を果たせる程度の硬さ（粘度）である必要もある。これを考慮すると、下層ゲル（３ｂ）の針入度が１３０以下とされるのが好ましい。
このような上層ゲル（３ａ）および下層ゲル（３ｂ）としては、例えばシリコーンゲルを用いることができる。
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を示すものである。
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、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態が適用された電気回路装置の断面図である。以下、この図を参照して本実施形態の電気回路装置について説明する。
本実施形態の電気回路装置は、例えば、エンジンルームやエンジン本体に取り付けられるエンジン制御用の混成集積回路装置として用いられる。この電気回路装置は、図１に示すように、ケース１内に電気回路基板２が搭載され、電気回路基板２を覆うように封止材３が備えられた状態でケース１を蓋４で密封することで構成されている。
ケース１は、例えばアルミや銅などの金属で構成されており、本実施形態では、一面を底面１ａとして、底面１ａの外縁を側壁面１ｂで囲った中空部を有する長方体部材によって構成されている。そして、ケース１の開口端において、側壁面１ｂと接するように蓋４が配置され、図示しないネジ締めもしくは接着剤等により、鉄やＰＰＳ、ＰＰＴなどで構成された蓋４がケース１に固定されている。
電気回路基板２は、アルミナなどで構成された基板にパターン配線が形成されたもので、表面に様々な種類の電気回路素子が実装され、例えばシリコーン系の接着剤５を介してケース１の底面１ａに固定されている。電気回路基板２に実装された電気回路素子としては、チップコンデンサ２ａ、チップ抵抗２ｂ、モノリシックＩＣ２ｃ等の他、図示しないパワー素子などが用いられており、各電気回路素子が電気回路基板２に形成されたパターン配線などを介して接続されることで、エンジン制御用の電気回路が構成されている。
封止材３は、上層ゲル３ａと下層ゲル３ｂの２層構造で構成されている。
上層ゲル３ａは、下層ゲル３ｂと比較して硬いゲルで構成されており、下層ゲル３ｂを覆うことで下層ゲル３ｂの表面の振幅を押さえるためのものである。例えば、上層ゲル３ａは、２〜４ｍｍ程度の厚さとされる。この上層ゲル３ａの働きにより、下層ゲル３ｂの表面の振幅が押えられることで、電気回路素子２ａ〜２ｃもしくは電気回路基板２が振動しようとしても、下層ゲル３ｂそのものの変形が抑えられるため、それらの振動を抑制できるようになっている。具体的には、上層ゲル３ａは、ゲルの硬さを測定するために用いられる針入度測定装置にて測定される針入度が６０以上かつ９０以下のゲルで構成され、例えば、シリコーンゲルにより構成されている。
下層ゲル３ｂは、電気回路素子２ａ〜２ｃが浸される程度の深さまで配置されている。この下層ゲル３ｂにより、電気回路素子２ａ〜２ｃや電気回路基板２に形成されたパターン配線等の絶縁、防水、振動緩和を図れるようになっている。具体的には、下層ゲル３ｂは、針入度測定装置にて測定される針入度が１００以上かつ１３０未満のゲルで構成され、例えば、本実施形態では、上層ゲル３ａと同じ材質であるシリコーンゲルにより構成されている。
次に、上層ゲル３ａおよび下層ゲル３ｂで設定した針入度の理由について説明する。図２は、振動試験や冷熱試験を行ったときのゲルの針入度と軟化（液状化）、冷熱ゲル割れの関係を示したものである。なお、振動試験とは、ゲルの使用環境を想定した振動を与えるものであり、図中にそのときのゲルの軟化の度合いを数値で示してあり、数値が低いほど軟化の度合いが低いことを表している。例えば、１０Ｇ（使用状況によっては３０Ｇ）の振動加速度を与える振動試験を行っている。また、冷熱試験は、ゲルの使用温度環境を想定したサイクル試験であり、ここでは−４０〜１５０℃に変化させる冷熱サイクルを１０００回繰り返したときのゲル割れの有無を図中に○×で示してある。
上層ゲル３ａは、下層ゲル３ｂの表面の振幅を押える機能が発揮できるように、振動を与えても軟化がほとんど生じないような硬さにされる必要がある。これについて、図２の振動試験の結果を見てみると、針入度が９０のときには軟化がほとんど生じていないことが判る。したがって、上層ゲル３ａの針入度を少なくとも９０以下にすれば、振動を与えても軟化がほとんど生じないような硬さにすることが可能となる。
また、上層ゲル３ａは、使用温度環境によりゲル割れが生じるようなものであると、上述した問題点を発生させることになる。このため、上層ゲル３ａは、温度変化によってゲル割れが生じないようなものである必要がある。これについて、図２の冷熱試験の結果を見てみると、少なくとも針入度が６０のときまではゲル割れが生じていないことが確認されており、針入度が６０未満（ここでは針入度が４０、３０のとき）になるとゲル割れが生じていることが判る。したがって、上層ゲル３ａの針入度を少なくとも６０以上にすれば、温度変化が生じてもゲル割れがほとんど生じないようにすることが可能となる。
一方、下層ゲル３ｂは、振動が上層ゲル３ａによって抑制されるため、軟化の問題よりも硬すぎることにより実装された電気回路素子２ａ〜２ｃのボンディング部やはんだ付け部等の電気的接続部の破損の問題を優先する必要がある。つまり、チップコンデンサ２ａやチップ抵抗２ｂの下方に入り込んだ下層ゲル３ｂが、熱膨張などによって電気的接続部に応力を加え、電気的接続部を破損させる可能性がある。この問題に関しては、電気的接続部との関係により決まるため、それに応じて下層ゲル３ｂの針入度を決定すれば良いが、例えば下層ゲル３ｂの針入度が少なくとも１００以上であれば問題ないことを確認している。
ただし、下層ゲル３ｂは、電気回路素子２ａ〜２ｃや電気回路基板２の振動緩和の機能を果たせる程度の硬さ（粘度）である必要もある。これを考慮すると、下層ゲル３ｂの針入度が１３０以下とされるのが好ましい。
以上のような検討に基づき、上層ゲル３ａに関しては針入度が６０以上かつ９０以下としてあり、下層ゲル３ｂに関しては針入度が１００以上かつ１３０以下としてある。
続いて、本実施形態の電気回路装置の製造方法について説明する。なお、電気回路装置の製造方法のうち、封止材３の形成工程以外に関しては従来と変わらないため、封止材３の形成工程についてのみ説明する。
図３（ａ）は、封止材３のうち下層ゲル３ｂの形成工程を示した断面模式図であり、図３（ｂ）は、封止材３のうち上層ゲル３ａの形成工程を示した断面模式図である。
まず、図３（ａ）に示すように、ケース１の底面１ａに接着剤５を介して電気回路素子２ａ〜２ｃが実装された電気回路基板２を固定したものを用意する。そして、ケース１の開口部側からゲル注入装置６を挿入し、ゲル注入装置６のゲル注入口から針入度が１００以上かつ１３０以下のゲルを注入する。これにより、ケース１の下層ゲル３ｂが形成される。このとき、ゲル注入装置６では、ゲルの反応成分を調整してゲルを構成する分子の末端の結合基の量を調整することで、ゲルの針入度が１００以上かつ１３０以下となるように調整することができる。
続いて、図３（ｂ）に示すように、ゲル注入装置６のゲル注入口から針入度が６０以上かつ９０以下のゲルを注入する。これにより、ケース１の上層ゲル３ａが形成される。このとき、ゲル注入装置６では、下層ゲル３ｂのときと同様に、ゲルの反応成分を調整してゲルを構成する分子の末端の結合基の量を調整すること、具体的には、下層ゲル３ｂを構成するゲルのときよりもゲルの反応成分を多くすることでゲルを構成する分子の末端の結合基の量が多くなるようにすれば、ゲルの針入度が９０以上かつ１３０以下となるように調整することができる。
以上説明した本実施形態の電気回路装置によれば、上層ゲル３ａによって下層ゲル３ｂの表面の振幅を押えられる。このため、電気回路素子２ａ〜２ｃもしくは電気回路基板２が振動しようとしても、下層ゲル３ｂそのものの変形が抑えられ、それらの振動を抑制できる。したがって、下層ゲル３ｂが軟化してしまうことを抑制することが可能となり、下層ゲル３ｂでの絶縁、防水、振動緩和の機能低下が生じてしまうことを防止できる。
また、上層ゲル３ａに関しては、振動が加えられてもほとんど軟化せず、かつ、温度変化によってゲル割れが生じないような針入度に設定されている。このため、樹脂のように冷熱環境によりクラックが発生したりすることで、クラック発生後の振動抑制効果が低下して下層ゲル３ｂの軟化を防止できなくなるという問題も生じないようにできる。
さらに、本実施形態では、上層ゲル３ａと下層ゲル３ｂというように、２層構造の封止材３を共にゲルで構成しているため、これらの接着性が強く、これらの境界面に剥離が生じて振動抑制効果が低下するという問題も発生しない。このため、より下層ゲル３ｂの振動抑制が可能となり、下層ゲル３ｂが軟化して、絶縁、防水、振動緩和の機能低下してしまうことを防止できる。
なお、ここでは上層ゲル３ａおよび下層ゲル３ｂの硬さを特定するために、ゲル分野で一般的である針入度を用いているが、針入度はヤング率換算することもできる。参考として、本明細書で示された各針入度をヤング率換算したものを、図４に示しておく。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の電気回路装置は、第１実施形態に対して電気回路素子を搭載した保持用の樹脂ベースを追加したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
図５は、本実施形態の電気回路装置の断面図である。この図に示されるように、樹脂ベース７が備えられている。
樹脂ベース７は、例えばＰＰＳなどで構成され、電気回路基板２および電気回路素子２ａ〜２ｃを跨ぐように電気回路基板２の上方に配置されている。具体的には、樹脂ベース７は、側壁部７ａと上面部７ｂにて構成され、側壁部７ａがケース１の底面１ａに固定されることで、上面部７ｂが電気回路基板２の上方に配置されるようになっている。
この樹脂ベース７には、電気回路素子である電解コンデンサ８が実装されている。具体的には、樹脂ベース７の上面部７ｂには電解コンデンサ８のリード８ａが配置される窓部７ｃが形成されていると共に、樹脂ベース７内に一体成形されたバスバー７ｄが備えられ、バスバー７ｄの一部が窓部７ｃから露出してリード８ａと電気的に接合されている。バスバー７ｄの一部は側壁部７ａを貫通して樹脂ベース７の外部に突き出しており、同様に一端が側壁部７ａから突き出したバスバー７ｅと接合されている。バスバー７ｅの他端は、樹脂ベース７の内側に突き出しており、モノリシックＩＣ２ｃとボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。このような構成とすることで、電気回路基板２に搭載しきれなかった電気回路素子を樹脂ベース７の上面部７ｂに配置し、電気回路素子を上下に並べて搭載できるようにして省スペース化を図っている。
このように構成された電気回路装置では、樹脂ベース７が浮いた状態となり、振動し易い構造となる。例えば、樹脂ベース７における窓部７ｃの内壁（図中Ａ部やＣ部）もしくはリード８ａとバスバー７ｄとの接合部（図中Ｂ部）を支持する部分が少なく、電気回路中合成の弱い箇所になり、振動し易く、この部分においてゲルが軟化し易くなる。
このため、本実施形態では、下層ゲル３ｂを樹脂ベース７に届かない程度の深さに留め、樹脂ベース７が上層ゲル３ａで包まれるような構造としている。このような構造とすれば、上記第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、硬い上層ゲル３ａにて樹脂ベース７の振動を抑えることができるため、樹脂ベース７の振動に起因するゲルの軟化を防止することも可能となる。
（他の実施形態）
上記各実施形態では、電気回路基板２やそれに搭載される電気回路素子２ａ〜２ｃの一例を挙げたが、これらは単なる一例であり、他の構造であっても構わない。勿論、電気回路装置を構成している各部の材質などは一例であり、他の材質であっても構わない。
また、第２実施形態では、上層ゲル３ａにて樹脂ベース７を包むようにしているが、樹脂ベース７の厚みの少なくとも一部が上層ゲル３ａによって覆われるようにすれば、樹脂ベース７の振動抑制効果はある。
本発明の第１実施形態にかかる電気回路装置の断面図である。 振動試験や冷熱試験を行ったときのゲルの針入度と軟化（液状化）、冷熱ゲル割れの関係を示した図表である。 （ａ）は、封止材３のうち下層ゲル３ｂの形成工程を示した断面模式図であり、（ｂ）は、封止材３のうち上層ゲル３ａの形成工程を示した断面模式図である。 針入度とヤング率との関係を示した図表である。 本発明の第２実施形態にかかる電気回路装置の断面図である。
符号の説明
１…ケース、１ａ…底面、１ｂ…側壁面、２…電気回路基板、２ａ〜２ｃ…電気回路素子、３…封止材、３ａ…上層ゲル、３ｂ…下層ゲル、４…蓋、５…接着剤、６…ゲル注入装置、７…樹脂ベース、７ａ…側壁部、７ｂ…上面部、７ｃ…窓部、７ｄ、７ｅ…バスバー、８…電解コンデンサ、８ａ…リード。

Claims (5)

  1. 基板（２）に実装された電気回路素子（２ａ〜２ｃ）をケース（１）内に搭載し、前記半導体素子（２ａ〜２ｃ）および前記基板（２）を覆うように前記ケース（１）内に封止材（３）を充填した電気回路装置において、
    前記封止材（３）は、上層ゲル（３ａ）および下層ゲル（３ｂ）の２層構造を有した構成とされ、前記上層ゲル（３ａ）の針入度が９０以下とされ、前記下層ゲル（３ｂ）の針入度が前記上層ゲル（３ａ）の針入度よりも大きくされており、
    前記ケース（１）は底面（１ａ）と側壁面（１ｂ）を有した構成とされ、前記基板（２）は前記ケース（１）における前記底面（１ａ）に固定されており、
    さらに、前記ケース（１）には、前記基板（２）の上方に配置される上面部（７ｂ）を有したベース（７）が固定され、該ベース（７）に電気回路素子（８）が備えられるようになっており、
    前記上層ゲル（３ａ）は、前記ベース（７）の少なくとも一部を覆うように配置されていることを特徴とする電気回路装置。
  2. 前記上層ゲル（３ａ）の針入度が６０以上とされていることを特徴とする請求項１に記載の電気回路装置。
  3. 前記下層ゲル（３ｂ）の針入度が１００以上とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の電気回路装置。
  4. 前記下層ゲル（３ｂ）の針入度が１３０以下とされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電気回路装置。
  5. 前記上層ゲル（３ａ）および前記下層ゲル（３ｂ）は共にシリコーンゲルであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電気回路装置。
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