JP4884406B2 - 樹脂封止型電子モジュール及びその樹脂封止成形方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電子部品が実装された回路基板と、該回路基板が搭載された金属ベースと、該金属ベースに取り付けられたコネクタとからなるサブモジュール（樹脂封止成形前の組立品）を備え、該サブモジュールにおける前記回路基板の全面と前記金属ベース及びコネクタの一部とが熱硬化性樹脂により一体的に封止成形されている樹脂封止型電子モジュールに係り、特に、過酷な環境下で使用される車載用エンジンコントロールユニット等に好適な樹脂封止型電子モジュール及びその樹脂封止成形方法に関する。
従来、この種の電子モジュールは、ケース（金属ベース）に、電子部品が実装された回路基板を搭載して、シリコーンゲル等で電子部品と回路基板を封止した後、キャップを蓋装する構造であるため、部品点数及び作業工数が多くなるとともに、電子モジュールが大きくかつ厚くなる嫌いがあった。
近年、過酷な環境下で使用されるエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと称す）を始めとする車載用電子モジュールは、高機能化はもちろんのこと、高い信頼性が求められている。一方、かかる電子モジュールが配備される自動車は、居住性向上等の観点から、エンジンルームを狭くして、車室空間を広くする傾向にあるため、ＥＣＵ等の電子モジュールに対しても、高機能化、信頼性の向上に加えて、小型化・薄型化が要望されている。
そこで、かかる要望に応えるべく、下記特許文献１等にも見られるように、電子部品が実装された回路基板の全面と金属ベース及びコネクタの一部とを熱硬化性樹脂により一体的に封止成形することが提案されている。
このように、電子モジュールの樹脂封止成形を行う場合に問題となるのは、樹脂封止成形時における樹脂漏れと、封止樹脂内部に気泡が多量に残ることである。従来、前記樹脂漏れについては、例えば、樹脂封止成形時に、金属ベースと金型との間に発生する隙間を塞ぐ手段を配在すること等が本出願人により提案されている（例えば、特願2007-115292号参照）。また、樹脂内部に気泡が多く残ることに対しては、従来のトランスファモールド方式で樹脂成形品を製造する場合と同様に、金型の型締部にベントを設けることで対処している。
しかしながら、前記高機能化等が図られたＥＣＵ等の大型の電子モジュールにおいては、必然的に金型のキャビティ体積が大きくなるため、金型内の空気及び封止成形用溶融樹脂から発生するガス等の気体量が多くなるので、金型の型締部のベントからの排気のみでは、封止樹脂内部に気泡（ボイド）が残留しやすくなり、製品歩留まりが悪くなる。
特に、封止樹脂内部に残留したボイドが、回路基板（回路部）から封止樹脂表面にまで伸びてその表面で開口すると、回路部が外部環境に露出することになるため、封止機能（防水機能）が損なわれ、水分が回路部にまで侵入して付着するおそれがあり、水分が回路部に付着すると、絶縁性に支障を来たし、故障の原因となりやすく、信頼性が低下する。
本発明は、上記した如くの従来の問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、封止樹脂内部にボイド等の成形不良が生じていない信頼性の高い樹脂封止型電子モジュール及びその樹脂封止成形方法を提供することにある。
上記目的を達成すべく、本発明に係る樹脂封止型電子モジュールは、基本的には、電子部品が実装された回路基板と、該回路基板が搭載された金属ベースと該金属ベースに取り付けられたコネクタとから構成されるサブモジュールを備え、該サブモジュールにおける前記回路基板の全面と前記金属ベース及びコネクタの一部とが熱硬化性樹脂により一体的に封止成形されていて、前記サブモジュールを構成する部材又は部材間に樹脂封止成形時に用いられる１００ミクロン以下の気抜き部が設けられていることを特徴している。
前記コネクタは、好ましくは、前記回路基板と外部とを電気的に接続するための複数本の金属端子と、該金属端子が圧入される貫通穴が形成された端子保持壁部を持つハウジングとを有し、前記金属端子の少なくとも１本と前記貫通穴の内周面との間に、前記気抜き部として機能する間隙が形成される。
この場合、より好ましい態様では、前記貫通穴の断面形状が円形とされ、前記金属端子の前記貫通穴への圧入部の断面形状が非円形とされるか、あるいは、前記貫通穴の断面形状が非円形とされ、前記金属端子の前記貫通穴への圧入部の断面形状が円形とされる。
前記気抜き部は、好ましくは、前記サブモジュールを構成する前記部材又は前記部材間に形成された透孔で構成される。
一方、本発明に係る樹脂封止型電子モジュールの樹脂封止成形方法は、上記電子モジュールについてのもので、前記サブモジュールを金型内にセットし、該金型内に熱硬化性溶融樹脂を、前記サブモジュールにおける前記コネクタとは反対側ないし離れた部位から注入充填し、その後、前記コネクタ側に流動させて、最後に前記コネクタ部分に充填するようにされる。
本発明によれば、回路基板、金属ベース、及びコネクタからなるサブモジュール（樹脂封止成形前の組立品）に、予め樹脂封止成形時に用いられる気抜き部（気体は通すが封止成形用溶融樹脂は通さない微小の隙間）が設けられるので、樹脂封止成形時に、金型内の空気及び封止成形用溶融樹脂から発生するガスを、金型の型締め部に設けられたベントからだけでなく、前記サブモジュールに設けられた気抜き部からも排気することができる。
そのため、金型内及び封止成形用溶融樹脂内の気体を効果的に金型の外部へ排気でき、封止樹脂内部に残留するボイドを低減できるので、樹脂封止成形性及び製品歩留まりが向上し、信頼性の高い樹脂封止型電子モジュールを提供することができる。
また、前記気抜き部は、例えば、コネクタに備えられている金属端子と該金属端子が圧入される貫通穴の内周面との間等に簡単に設けることができるので、既存の電子モジュールや金型に大きな改造は必要とせず、また、サブモジュールに気抜き部を設けても樹脂封止成形後は、該気抜き部も樹脂で確実に封止されるので、電子モジュール自体には全く悪影響を及ぼすことはなく、費用対効果に極めて優れたものとなる。
以下、本発明の樹脂封止型電子モジュールの実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る樹脂封止型電子モジュールの一実施形態を示す縦断面図である。
図示実施形態の樹脂封止型電子モジュール１は、車載用エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）として用いられるもので、基本的には、電子部品が実装された回路基板１５と、この回路基板１５が搭載保持された金属ベース１１と、この金属ベース１１に取り付けられたコネクタ１２とからなるサブモジュール（樹脂封止成形前の組立品）２を備え、このサブモジュール２における回路基板１５の全面と金属ベース１１及びコネクタ１２の一部とが熱硬化性樹脂１４により一体的に封止成形されている。
以下に、前記サブモジュール２及び樹脂封止型電子モジュール１の詳細構成、並びに、その組立及び樹脂封止成形方法について詳細に説明する。
まず、前記サブモジュール２を構成する回路基板１５、金属ベース１１、及びコネクタ１２を、図４の分解斜視図及び図５の組立状態図を参照しながら説明する。
前記回路基板１５は、セラミック製、エポキシ樹脂等の樹脂製、あるいは金属製の基板を有し、この基板の両面（片面でも可）に電子回路を構成する導体パターンが形成されていて、この導体パターンに、所要の電子部品２０、２０、…（例えば、マイクロコンピュータ、ＩＣ、ダイオード、コンデンサ、チップ抵抗等）が、はんだや銀ペースト接着剤を用いて接続されている。
前記金属ベース１１は、回路基板１５の保持固定、電子部品２０、２０、…が発生する熱の放熱、及び電子モジュール１を車両に配備する際の取付固定部材となるもので、その特性上、材料として、放熱しやすいアルミ、アルミ合金、銅、銅合金、鉄（表面をメッキしたものも含む）等が使用される。
本実施形態の金属ベース１１は、上面が開口した概略トレー状とされており、その底面部１１ａから若干浮かせた状態で前記回路基板１５が搭載されてねじ１７、１７で締付固定されている。金属ベース１１の底面部１１ａの一端（後端）側には、下方に膨出して後面が開口するコネクタ取付部１１ｂが設けられるとともに、その左右にはマウント用ブラケット１１ｃ、１１ｃが設けられている。
前記コネクタ１２は、外部（のセンサ類やアクチュエータ類等）と回路基板１５とをハーネスを介して電気的に接続するための部品であり、電源の供給を受けたり、外部センサからの信号入力、外部アクチュエータへの信号出力を仲介する。
本実施形態のコネクタ１２は、所要本数の金属端子１３と、ハウジング１２Ａとからなり、ハウジング１２Ａは、外部ハーネスのプラグが差し込まれるソケット部１２ａ、金属端子１３が圧入される貫通穴１６が形成された端子保持壁部１２ｂ、及び、金属ベース１１のコネクタ取付部１１ｂに、ねじ１８や接着剤（図示せず）で取り付けられる鍔状部１２ｃを有している。
コネクタ１２のハウジング１２Ａの材料としては、無機質フィラを含む熱可塑性樹脂、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ナイロン（ＰＡ６６）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が使用される。
前記金属端子１３は、Ｌ字状に折り曲げられ、その横辺部は、前記ハウジング１２Ａの端子保持壁部１２ｂに形成された貫通穴１６に差し込まれ（圧入され）、その縦辺部の先端部は、回路基板１５に形成されている端子接続用透孔を下から上に貫通してその上面から突き出て、前記回路基板１５の導体パターンにハンダ等で接続されている。なお、金属端子１３は、錫めっきや金めっきが施された黄銅材が使用される。
ここでは、前記ハウジング１２Ａの端子保持壁部１２ｂに形成された貫通穴１６は断面形状が円形とされ、一方、金属端子１３（の少なくとも前記貫通穴１６に圧入される部分）は断面形状が矩形とされているので、図２に示される如くに、金属端子１３と貫通穴１６の内周面との間に、樹脂封止成形時に気抜き部（気体は通すが溶融樹脂は通さない隙間）として機能する間隙αが形成されている。
前記金属ベース１１、コネクタ１２、及び回路基板１５の組み立てにあたっては、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示される如くに、コネクタ１２を金属ベース１１のコネクタ取付部１１ｂにねじ１８や接着剤等で取付固定した後、回路基板１５を上から降ろして、回路基板１５に形成されている端子接続用透孔に金属端子１３の先端部を相対的に下から上へと貫通させ、回路基板１５を金属ベース１１にねじ１７で締付固定し、その後、金属端子１３の先端部を回路基板１５にはんだ付け（はんだ付け部１５ｂ）する。なお、金属端子１３を回路基板１５の端子接続用透孔に挿入する際には、その挿入を容易にするため、図４、図５に示される如くの端子整列板１９が用いられる。
このようにしてサブモジュール２を組み立て後、図３（Ｄ）に示される如くに、サブモジュール２における回路基板１５の全面と金属ベース１１及びコネクタ１２の一部とを熱硬化性樹脂１４により一体的に封止成形する。これによ、図６、図７に外観が示されている如くの樹脂封止型電子モジュール１が得られる。このように、樹脂１４で回路基板１５等を封止することにより、外部環境から回路基板１５等を確実に保護でき、故障し難くなって、信頼性がする。
かかる樹脂封止成形には、本実施形態では、トランスファモールド法を使用する。
封止樹脂１４の材料としては、無機質フィラを含み４０℃以下において固形であるエポキシ樹脂（熱硬化樹脂）が使用される。
エポキシ樹脂材料は、エポキシ樹脂とフェノール樹脂硬化剤とからなる組成であり、４０℃以下で固形のオルソクレゾール型エポキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂、ナフタレン骨格を有するエポキシ樹脂またはビスフェノールＡ型エポキシ樹脂などと、フェノールノボラック樹脂、オルソクレゾールノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン骨格を有するフェノール樹脂、またはナフタレン骨格を有するフェノール樹脂などとの組み合わせから得ることができる。
また、エポキシ樹脂成形材料には低弾性率化による低応力化を図るため、シリコーンゴムまたはオイルやブタジエン系ゴムなどの低応力化材を含むことができる。
無機質フィラとしては、溶融シリカ、結晶性シリカ、アルミナ、酸化マグネシウムなどの破砕状または球状の少なくとも１種類以上を用いることができる。
トランスファモールド方式で樹脂封止成形を行うため、モジュール２は、型温１７０〜１８０℃、数十トンの力で型締め、及び数十ｋｇｆ／cm２の成形圧力の環境下にさらされる。
次に、トランスファモールド方式によるモジュール２の樹脂封止成形方法の一例を図８〜図１０を参照しながら説明する。
図８（Ａ）：上型３０Ａと下型３０Ｂからなる金型３０は、樹脂封止型電子モジュール１の外形に合わせてキャビティが形成されており、１７０〜１８０℃に加熱されている。この金型３０に、サブモジュール２をセットし、それとともに、常温で固形状態である封止成形用樹脂タブレット１４’を下型３０Ｂの適宜の箇所に設けられているポット３１に装填する。ここでは、金型３０内に溶融樹脂１４’’が、サブモジュール２におけるコネクタ１２とは反対側ないし離れた部位から注入充填され、その後、コネクタ１２側に流動して、最後にコネクタ１２部分に充填されるように、前記ポット３１の位置が設定されている。なお、サブモジュール２は予め規定の温度で予備加熱しておくとサイクルタイムを短縮できる。
図８（Ｂ）：数１０トンの力で、型締めする。
図８（Ｃ）：任意の速度で、プランジャ３２を押し上げる。
図９（Ｄ）：封止用の溶融樹脂１４’’が金型３０内に注入される。
図９（Ｅ）：封止樹脂が充填されたところで、およそ数１０ｋｇｆ/ｃｍ２の成形圧を印加し、約３分ほどその状態を保持する。
図９（Ｆ）：金型３０を開く。
図１０（Ｇ）：サブモジュール２を取り出す。
図１０（Ｈ）：最後に、カル３３と呼ばれる封止樹脂の余分な個所を除去する。
図８（Ｃ）：任意の速度で、プランジャ３２を押し上げる。
図９（Ｄ）：封止用の溶融樹脂１４’’が金型３０内に注入される。
図９（Ｅ）：封止樹脂が充填されたところで、およそ数１０ｋｇｆ/ｃｍ２の成形圧を印加し、約３分ほどその状態を保持する。
図９（Ｆ）：金型３０を開く。
図１０（Ｇ）：サブモジュール２を取り出す。
図１０（Ｈ）：最後に、カル３３と呼ばれる封止樹脂の余分な個所を除去する。
このように樹脂封止成形を行う際、つまり、プランジャー３２を押し上げ、封止樹脂１４を注入するとき、金型３０内には空気が存在する。従って、封止樹脂１４が金型３０内に注入されるときには、その空気を巻き込みながら充填されることになる。また、封止用溶融樹脂１４’’からもガスが発生する。それらの気体は、封止樹脂１４の充填時に、通常、金型３０の型締め部に設けられているベントから、押し出されるように排出される。
しかしながら、本実施形態の、車載用エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）として用いられる電子モジュール１のように、大型の基板１５を封止するためには、必然的に金型のキャビティ体積が大きくなって、金型３０が内包する空気量が多量になるので、金型３０に設けられたベントからの排気のみでは不充分になることがあるが、本実施形態のモジュール２には、図２を参照して前述したように、金属端子１３とコネクタ１２の貫通穴１６の内周面との間に、樹脂封止成形時に気抜き部（気体は通すが溶融樹脂は通さない隙間）として機能する間隙αが形成されている。ここで、間隙αは、樹脂もれ防止の観点から、１００ミクロン以下とする必要がある。
なお、気抜き部を形成する手法としては、前述した如くに、予めコネクタ１２の端子保持壁部１２ｂに、断面円形の貫通穴１６を形成しておき、この貫通穴１６に断面矩形の金属端子１３を圧入してそれらの間に間隙αを形成することが挙げられるが、これに限られる訳ではなく、要は、サブモジュール２を構成する部材又は部材間に、気体は通すが溶融樹脂は通さない気抜き部として機能する１００ミクロン以下の間隙ないし透孔を設けておけばよい。
このように本実施形態では、回路基板１５、金属ベース１１、及びコネクタ１２からなるサブモジュール（樹脂封止成形前の組立品）２に、予め樹脂封止成形時に用いられる気抜き部（気体は通すが封止成形用溶融樹脂は通さない微小の隙間）として機能する間隙αが設けられるので、樹脂封止成形時に、金型内の空気及び封止成形用溶融樹脂から発生するガスを、金型の型締め部に設けられたベントからだけでなく、前記サブモジュール２に設けられた間隙αからも排気することができる。
そのため、金型内及び封止成形用溶融樹脂内の気体を効果的に金型の外部へ排気でき、封止樹脂内部に残留するボイドを低減できるので、樹脂封止成形性及び製品歩留まりが向上し、信頼性の高い樹脂封止型電子モジュールを提供することができる。
また、前記気抜き部（間隙α）は、コネクタ１２に備えられている金属端子１３と該金属端子が圧入される貫通穴１６の内周面との間等に簡単に設けることができるので、既存の電子モジュールや金型に大きな改造は必要とせず、また、サブモジュールに気抜き部を設けても樹脂封止成形後は、該気抜き部も樹脂で確実に封止されるので、電子モジュール自体には全く悪影響を及ぼすことはなく、費用対効果に極めて優れたものとなる。
１…樹脂封止型電子モジュール、２…サブモジュール、１１…金属ベース、１２…コネクタ、１３…金属端子、１４…封止樹脂、１４’…封止樹脂タブレット、１５…回路基板、１６…貫通穴、１７…基板固定ねじ、１８…コネクタ固定ねじ、１９…端子整列板、２０…電子部品、３０…上型、１１…下型、３１…ポット、３２…プランジャ、３３…封止樹脂カル部、α…間隙
Claims (5)
- 電子部品が実装された回路基板と、該回路基板が搭載された金属ベースと該金属ベースに取り付けられたコネクタとから構成されるサブモジュールを備え、該サブモジュールにおける前記回路基板の全面と前記金属ベース及びコネクタの一部とが熱硬化性樹脂により一体的に封止成形されている樹脂封止型電子モジュールにおいて、前記サブモジュールを構成する部材又は部材間に樹脂封止成形時に用いられる１００ミクロン以下の気抜き部が設けられていることを特徴とする樹脂封止型電子モジュール。
- 前記コネクタは、前記回路基板と外部とを電気的に接続するための複数本の金属端子と、該金属端子が圧入される貫通穴が形成された端子保持壁部を持つハウジングとを有し、前記金属端子の少なくとも１本と前記貫通穴の内周面との間に、前記気抜き部として機能する間隙が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型電子モジュール。
- 前記貫通穴の断面形状が円形とされ、前記金属端子の前記貫通穴への圧入部の断面形状が非円形とされるか、あるいは、前記貫通穴の断面形状が非円形とされ、前記金属端子の前記貫通穴への圧入部の断面形状が円形とされていることを特徴とする請求項２に記載の樹脂封止型電子モジュール。
- 前記気抜き部は、前記サブモジュールを構成する前記部材又は前記部材間に形成された透孔で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型電子モジュール。
- 請求項１から４のいずれかに記載の樹脂封止型電子モジュールの樹脂封止成形方法であって、前記サブモジュールを金型内にセットし、該金型内に熱硬化性溶融樹脂を、前記サブモジュールにおける前記コネクタとは反対側ないし離れた部位から注入充填し、その後、前記コネクタ側に流動させて、最後に前記コネクタ部分に充填することを特徴とする樹脂封止成形方法。
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