JP5065864B2

JP5065864B2 - 電力制御モジュール

Info

Publication number: JP5065864B2
Application number: JP2007305298A
Authority: JP
Inventors: 国英岩元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: JP2009130230A

Description

本発明はモータの回転制御等に用いるモータ制御モジュール等の電力制御モジュールに関するものである。

従来から、モータの回転制御等に用いるモータ制御モジュール等の、比較的大きな電力を制御する電力制御モジュールが広い分野で用いられている。

従来の電力制御モジュールとしては、例えば、制御信号を供給する制御回路素子および制御信号に基づいて電力制御する電力制御素子が搭載された回路基板の下面に放熱用カバーが取り付けられ、回路基板の上面に制御回路素子および電力制御素子を覆う保護樹脂が被着されたものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

この従来の電力制御モジュールは、例えば、供給する電力の電圧を、正，負および０のいずれかに制御する機能を有するモジュールであり、供給する電力の電圧が正または負のときには、比較的大きな電力が消費されるので、熱が発生しやすい。
特開2006−108398号公報

従来の電力制御モジュールに対しては、コストダウン等の要求から、電力制御モジュールに搭載する制御回路素子や電力制御素子等の電子部品素子を、パッケージングされた部品からベアチップ部品へと変更することが検討されている。特に電力制御素子は、比較的高い熱を発生させる電子部品素子であることから、金属ワイヤを用いたワイヤボンディングで電気的に接続することにより電気的接続部に熱膨張等による応力が加わらないようにして、信頼性の低下を防ぐ必要がある。

しかしながら、前述した従来の電力制御モジュールにおいては、電力制御素子としてベアチップを用いたときには、金属ワイヤの異極性ワイヤ間での短絡や、金属ワイヤに亀裂が発生することによる断線等の発生を防ぐために、電力制御素子および金属ワイヤを被覆する保護樹脂として弾性率の低い材質の樹脂材を用いる必要があるという問題点があった。

また、従来の電力制御モジュールによれば、保護樹脂として弾性率の低い材質の樹脂材を用いたときには、回路基板と保護樹脂との熱膨張量に差が生じたときに回路基板の変形が大きくなり、この変形により回路基板上に搭載された電力制御素子の特性が変化するので、安定して動作させることができないという問題点があった。

本発明は前述のような従来の電力制御モジュールにおける問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、熱膨張や外部からの機械的な応力の影響を少なくした高信頼性の電力制御モジュールを提供することにある。

本発明の電力制御モジュールは、制御信号を供給する制御回路素子が搭載された第１の回路基板と、該第１の回路基板の下面に対向して配置されて電気的に接続されており、上面に前記制御信号に基づいて電力制御する電力制御素子が搭載されて金属ワイヤで電気的に接続された第２の回路基板と、該第２の回路基板を凹部に収容し、前記第２の回路基板の下面が前記凹部の底面に熱的に接続されて、上面における前記凹部の開口周辺が前記第１の回路基板の下面に当接して取り付けられた放熱用カバーと、前記第２の回路基板の上面で前記電力制御素子および前記金属ワイヤを保護するとともに、前記凹部に充填されて前記第１の回路基板の上面まで覆っている、弾性率が0.01〜0.1ＧＰａの保護樹脂とを具
備することを特徴とするものである。

また、本発明の電力制御モジュールは、上記構成において、前記第２の回路基板が前記第１の回路基板に複数の導体で固定されていることを特徴とするものである。

また、本発明の電力制御モジュールは、上記構成において、前記制御回路素子が前記第１の回路基板の前記第２の回路基板と対向する部位の上面に搭載されていることを特徴とするものである。

本発明の電力制御モジュールによれば、電力制御素子を第２の回路基板に金属ワイヤで電気的に接続することにより電力制御素子の端子電極に負荷がかからないものであり、また、電力制御素子が弾性率が0.01〜0.1ＧＰａの保護樹脂で被覆されて保護されていることにより第２の回路基板と保護樹脂との熱膨張量に差が生じたときの第２の回路基板の変形を少なくしているので、第２の回路基板上に搭載された電力制御素子を安定して動作させることができるものである。しかも、弾性率の高い保護樹脂を用いて電力制御素子を保護しているのにもかかわらず、電力制御素子が第１の回路基板および放熱用カバーによって囲まれていることから、電力制御回路モジュールに機械的な応力が加わったとしても保護樹脂が影響を受けて変形することがなくなるので、金属ワイヤの異極性ワイヤ間が短絡することや、金属ワイヤに亀裂が発生して断線することが少なくなり、高信頼性の電力制御モジュールとなるものである。

また、本発明の電力制御モジュールによれば、第２の回路基板が第１の回路基板に複数の導体で固定されているときには、第１の回路基板に加わった応力等が第２の回路基板に干渉しにくいので、電力制御モジュール全体としての変形を少なくすることができる。

また、本発明の電力制御モジュールによれば、制御回路素子が第１の回路基板の第２の回路基板と対向する部位の上面に搭載されているときには、制御回路素子から電力制御素子への電気配線の長さが短くなって電磁ノイズが侵入しにくいものとなるので、電力制御素子をより安定して動作させることができる。

また、本発明の電力制御モジュールによれば、保護樹脂で第１の回路基板の上面まで覆われているときには、電力制御モジュール全体を覆うカバーを別途設ける必要がなくなるので、製造工程を少なくして歩留まりの低下を抑えることができる。なお、保護樹脂と第１の回路基板との間に熱膨張量の差によるひずみが発生しても、保護樹脂の弾性率が高いので、ひずみが緩和されることによって第１の回路基板には反りが発生しにくい。

以下に、本発明の電力制御モジュールについて添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の電力制御モジュールの実施の形態の一例を示す、保護樹脂を除いて上方から見た図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線断面図である。これらの図に示す電力制御モジュール10は、基本的な構成として、制御信号を供給する制御回路素子６が搭載された第１の回路基板１と、電力制御素子５が搭載され第１の回路基板１の下面に対向して配置された第２の回路基板２と、第１の回路基板１の下面に取り付けられた放熱用カバー８と、電力制御素子５を保護する保護樹脂７とを具備している。

第１の回路基板１上に搭載された制御回路素子６は、例えば、記録されたプログラムに基づいて制御や演算を行ない、所定の制御信号を供給するマイコン等の半導体回路素子である。

また、第１の回路基板１上には、制御回路素子６以外に、例えば、供給される電源電力の一部を降圧して制御回路素子６に供給する降圧素子13や、降圧素子13に接続されたデカップリング素子11が搭載されている。降圧素子13は、例えば３端子レギュレータやＤＣ−ＤＣコンバータ等の電子部品素子であり、デカップリング素子11は、例えばコンデンサまたはＥＭＩフィルタ等の電子部品素子である。

これら複数の電子部品素子が搭載された第１の回路基板１は、例えばアルミナを主成分とする複数の絶縁体層を積層してなる積層体の表面および内部に厚膜回路配線が配置されている多層回路基板である。このような多層回路基板は、複数の電子部品素子を高密度に搭載することができるので、本例の電力制御モジュールの第１の回路基板１として好適に用いることができる。

第１の回路基板１に用いる多層回路基板は、例えば、アルミナを主成分とする無機粉末に有機バインダ，有機可塑剤および有機溶剤を加えて十分に混合させてセラミックスラリーを作製し、このセラミックスラリーをドクターブレードを用いて一定の厚みに形成した後に有機溶剤を乾燥させてセラミックグリーンシートを作製し、得られたセラミックグリーンシートの表面にタングステン，モリブデン等の金属粉末を分散させてなる導体ペーストをスクリーン印刷により所定の回路パターンに印刷して付着させた後に有機溶剤を乾燥させ、回路パターンが形成されたセラミックグリーンシートを積層して所定の寸法に切断し、焼成して有機バインダを分解させるとともに無機粉末および金属粉末を焼結させることにより得ることができる。

また、第１の回路基板１の制御回路素子６が搭載された領域の付近には、後述する導体12が挿入される貫通孔１ｃが設けられている。貫通孔１ｃは、例えば、多層回路基板を作製する際においては、各セラミックグリーンシートに金型で打ち抜いたスルーホールを貫通孔１ｃに対応する箇所に予め形成しておくことにより設けることができる。

第２の回路基板２上に搭載された電力制御素子５は、例えば、４つの電界効果トランジスタが電圧の正負を切り替えるブリッジ回路を構成している半導体スイッチング素子であり、制御回路素子６が供給する制御信号に基づいて電力制御するものである。また、本発明の電力制御モジュール10によれば、電力制御素子５が、裏面が有機接着剤によって第２の回路基板２の上面に接着されるとともに、第２の回路基板２の上面に設けられている回路配線に金属ワイヤ９で電気的に接続されていることから、電気的接続部に熱膨張等による応力が加わらないので、接続が切れることによる信頼性の低下を防ぐ効果が高い構成となっている。

第２の回路基板２は、例えばアルミナが96％のセラミック基板に厚膜回路配線が被着されている厚膜基板であり、熱伝導性が高いので、電力制御素子５が発生させた熱の吸熱効果が高く、また、電力制御素子５が断続的に熱を発生させたときの熱膨張・熱収縮による応力に対して耐久性を持つので、本例の電力制御モジュール10の第２の回路基板２として好適に用いることができる。

第２の回路基板２に用いる厚膜基板は、例えば、アルミナが96％の無機粉末に有機バインダ，有機可塑剤および有機溶剤を加えて十分に混合させてセラミックスラリーを作製し、このセラミックスラリーをドクターブレードを用いて一定の厚みに形成した後に有機溶剤を乾燥させてセラミックグリーンシートを作製し、得られたセラミックグリーンシートを所定の寸法に切断し、焼成により有機バインダおよび有機可塑剤を分解するとともに無機粉末を焼結させてセラミック基板を作製する。このセラミック基板の表面に、有機バインダおよび有機溶剤を混合して作製したビヒクル中に銀，銀−パラジウム，銀−白金，銅，金等の金属粉末を分散させてなる導体ペーストをスクリーン印刷により所定の回路パターンに印刷して付着させ、有機溶剤を乾燥させ、焼成して有機バインダを分解させるとともに金属粉末を焼結させて被着することにより得ることができる。

第２の回路基板２は、第１の回路基板１の下面に対向して配置されており、複数の導体12により、第１の回路基板１と電気的に接続されている。導体12は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属材料からなる金属リードピンであり、その直径は第１の回路基板１の貫通孔１ｃの内周の直径に対して若干小さめに設定されている。

導体12と第１の回路基板１とを接続するハンダ15、および導体12と第２の回路基板２とを接続するハンダ15は、それぞれ錫−銀−銅を主成分とする鉛フリーのハンダ材料からなるものである。

本例の電力制御モジュール10によれば、第２の回路基板２が第１の回路基板１に複数の導体12で固定されていることから、第１の回路基板１に加わった応力等が第２の回路基板２に干渉しにくいので、電力制御モジュール10全体としての変形を少なくすることができる。

本発明の電力制御モジュール10においては、保護樹脂７は、第２の回路基板２の上面で電力制御素子５および金属ワイヤ９を被覆して保護するように設けられている。保護樹脂７としては、ポリエステル樹脂，ポリウレタン樹脂，ケイ素樹脂等の弾性率が高い樹脂材料を用いており、その弾性率は0.01〜0.1ＧＰａに設定される。そして、第２の回路基板２と電力制御素子５とが金属ワイヤ９で電気的に接続されていることにより、電力制御素子５の端子電極に負荷がかからないものである。また、電力制御素子５が弾性率が0.01〜0.1ＧＰａの保護樹脂７で保護されていることにより、第２の回路基板２と保護樹脂７との熱膨張量に差が生じたときの第２の回路基板２の変形を少なくしているので、第２の回路基板２上に搭載されている電力制御素子５を安定して動作させることができる。

なお、本例の電力制御モジュール10によれば、保護樹脂７で第１の回路基板１の上面まで覆われていることから、電力制御モジュール10全体を覆うカバーを別途設ける必要がなくなるので、製造工程を少なくして歩留まりの低下を抑えることができる。なお、保護樹脂７と第１の回路基板１との間に熱膨張量の差によるひずみが発生しても、保護樹脂７の弾性率が高いのでひずみが緩和されることから、第１の回路基板１に反りが発生しにくい。

第１の回路基板１の下面に取り付けられた放熱用カバー８には、凹部８ａが設けられており、凹部８ａには第２の回路基板２が収容され、第２の回路基板２の下面が凹部８ａの底面に熱接続部材14により熱的に接続されている。放熱用カバー８としては、例えばアルミニウム，銅等の熱伝導性が高い金属を鋳物として成形してなる金属ブロックが用いられる。第２の回路基板２の下面と凹部８ａの底面とを熱的に接続する熱接続部材14としては、例えば、ケイ素樹脂中に酸化亜鉛粉末を分散させて熱伝導性を高めた接着剤やグリース等が用いられる。

このように、本発明の電力制御モジュール10によれば、弾性率の高い保護樹脂７を用いて電力制御素子５を保護しているのにもかかわらず、電力制御素子５が第１の回路基板１および放熱用カバー８によって囲まれていることから、電力制御回路モジュール10に機械的な応力が加わったとしても保護樹脂７が影響を受けて変形することがなくなるので、金属ワイヤ９の異極性ワイヤ間が短絡することや、金属ワイヤ９に亀裂が発生して断線することが少なくなり、高信頼性の電力制御モジュール10とすることができる。

また、本例の電力制御モジュール10によれば、制御回路素子６が第１の回路基板１の第２の回路基板２と対向する部位の上面に搭載されていることから、制御回路素子６から電力制御素子５への電気配線の長さが短くなり電磁ノイズが侵入しにくいので、電力制御素子５をより安定して動作させることができる。

なお、放熱用カバー８には、固定具３ａと複数のコネクタピン３ｂとからなるコネクタ３が取り付けられている。複数のコネクタピン３ｂは、電源電力が供給される電源電力供給用のコネクタピンや、外部の装置を駆動する駆動電力供給用のコネクタピン等を含むものである。

以上のような電力制御モジュール10は、例えば以下に示す方法により作製される。

まず、アルミナを主成分とする複数の絶縁体層を積層してなる積層体の表面および内部に厚膜回路配線が配置され、所定箇所に貫通孔１ｃが設けられている長方形状の多層回路基板を、第１の回路基板１として準備する、
この第１の回路基板１の上面に、錫−銀−銅を主成分とする鉛フリーのハンダ材料を用いたハンダペーストを塗布し、制御回路素子６としてのマイコン、降圧素子13としての３端子レギュレータ、およびデカップリング素子11としてのコンデンサ等の電子部品素子をそれぞれ載置し、リフロー炉を通過させることによりハンダペーストを溶融した後に固化させ、それぞれの電子部品素子を搭載する。

また、アルミナが96％のセラミック基板に厚膜回路配線が被着されている長方形状の厚膜基板を第２の回路基板２として準備する。

この第２の回路基板２の上面に、４つの電界効果トランジスタが電圧の正負を切り替えるブリッジ回路を構成している半導体スイッチング素子のベアチップを、有機接着剤を用いて裏面を接着させ、第２の回路基板２の上面に設けられている回路配線に金属ワイヤ９で電気的に接続することにより搭載する。

次に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる金属リードピンを導体12として準備し、導体12の一端を第２の回路基板２の上面の４隅に、錫−銀−銅を主成分とする鉛フリーのハンダ材料を用いてハンダゴテ等により加熱して溶融させることにより、ハンダ15を形成して接続する。

次に、第２の回路基板２を収容可能な凹部８ａが設けられたアルミニウムの鋳物を成形してなる金属ブロックを放熱用カバー８として準備し、凹部８ａの底面にケイ素樹脂中に酸化亜鉛粉末を分散させてなる熱接続部材14を用いて第２の回路基板２の下面を接着する。

次に、導体12の他端を第１の回路基板１の下側から貫通孔１ｃに挿入しながら、第１の回路基板１の下面の一部を、放熱用カバー８の上面に有機接着剤を用いて接着させる。

次に、放熱用カバー８に有機接着剤を用いてコネクタ３の固定具３を取り付け、コネクタ３の複数のコネクタピン３ｂを第１の回路基板１の上面に配置し、コネクタピン３ｂおよび導体12の他端に、錫−銀−銅を主成分とする鉛フリーのハンダ材料からなるハンダペーストを塗布してハンダゴテで等により加熱して溶融させることによりハンダ15を形成して、コネクタピン３ｂおよび導体12の他端を第１の回路基板１の上面に接続するとともに、第２の回路基板２を第１の回路基板１の下面に対向して配置させて一体化させる。

そして、放熱用カバー８が取り付けられた第１の回路基板１をモールド金型内に収納し、さらにポリエチレン樹脂を200℃に加熱して溶融させてモールド金型内に注入し冷却して固化させることにより保護樹脂７を形成し、保護樹脂７からモールド金型を取り外すことにより本例の電力制御モジュール10を作製した。

なお、本例の電力制御モジュール10においては、放熱用カバー８は、図１に示すように、第１の回路基板１を接着させたときに凹部８ａの一部が開口するように設定されたものとなっており、溶融したポリエチレン樹脂がこの開口した部分から凹部８ａ内へと流れ込むようになっている。

このため、保護樹脂７が第１の回路基板１の上面まで覆っているときには、電力制御モジュール10全体を覆うカバーを別途設ける必要がなくなるので、製造工程を少なくして歩留まりの低下を抑えることができる。なお、保護樹脂７と第１の回路基板１との間に熱膨張量の差によるひずみが発生しても、保護樹脂７の弾性率が高いので、ひずみが緩和されることとなり第１の回路基板１に反りが発生しにくい。

また、本例の電力制御モジュール10においては、コネクタ３の固定具３ａにも保護樹脂７が覆い被さる構造としており、固定具３ａと保護樹脂７との間で熱膨張量の差による歪が発生するものとなっている。この場合においても、弾性率の高い保護樹脂７がひずみを緩和するので、コネクタ３内で電気的な断線が生じることも少ない。

かくして、本発明の電力制御モジュール10は、例えば、自動車のパワーウインドウの開閉動作に用いる直流モータの回転制御を行なうブラシモータ制御モジュールとして自動車のドアに設置されるものであり、ウインドウガラスの全開時または全閉時に直流モータの回転を停止させる機能を有するとともに、パワーウインドウの開閉動作中に手が挟まれる等の場合に直流モータの回転を停止させる機能を有するものである。

実際に、本例の電力制御モジュール10を自動車のドアに設置して、ドアを開閉しながらパワーウインドウを全開する動作および全閉する動作を繰り返す耐久試験を行なったところ、電力制御モジュール10が故障することはなかった。

すなわち、本発明の電力制御モジュール10によれば、電力制御素子５および金属ワイヤ９を弾性率の高い保護樹脂７を用いて保護した上でこれを第１の回路基板１および放熱用カバー８によって囲んでいることにより、第２の回路基板２および金属ワイヤ９の変形が少なくなり、高信頼性を得られることが確認できた。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更や改良等が可能である。

例えば、前述の本発明の電力制御モジュール10の一例においては、第１の回路基板１としてアルミナを主成分とする多層回路基板を用いているが、有機樹脂を絶縁層して用いた多層回路基板を用いても構わない。

また、前述の本発明の電力制御モジュール10の一例においては、第１の回路基板１を有機接着剤を用いて第２の回路基板２と接着しているが、第１の回路基板１と第２の回路基板２とをネジ止めにより固定するようにしても構わない。

本発明の電力制御モジュールの実施の形態の一例を示す、保護樹脂を除いて上方から見た図である。図１のＡ−Ａ’線断面図である。

符号の説明

１・・・第１の回路基板
１ｃ・・・貫通孔
２・・・第２の回路基板
３・・・コネクタ
３ａ・・・固定具
３ｂ・・・コネクタピン
５・・・電力制御素子
６・・・制御回路素子
７・・・保護樹脂
８・・・放熱用カバー
８ａ・・・凹部
９・・・金属ワイヤ
10・・・電力制御モジュール
11・・・デカップリング素子
12・・・導体
13・・・降圧素子
14・・・熱接続部材
15・・・ハンダ

Claims

制御信号を供給する制御回路素子が搭載された第１の回路基板と、
該第１の回路基板の下面に対向して配置されて電気的に接続されており、上面に前記制御信号に基づいて電力制御する電力制御素子が搭載されて金属ワイヤで電気的に接続された第２の回路基板と、
該第２の回路基板を凹部に収容し、前記第２の回路基板の下面が前記凹部の底面に熱的に接続されて、上面における前記凹部の開口周辺が前記第１の回路基板の下面に当接して取り付けられた放熱用カバーと、
前記第２の回路基板の上面で前記電力制御素子および前記金属ワイヤを保護するとともに、前記凹部に充填されて前記第１の回路基板の上面まで覆っている、弾性率が0.01〜0.1ＧＰａの保護樹脂とを具備することを特徴とする電力制御モジュール。
前記第２の回路基板が前記第１の回路基板に複数の導体で固定されていることを特徴
とする請求項１に記載の電力制御モジュール。
前記制御回路素子が前記第１の回路基板の前記第２の回路基板と対向する部位の上面
に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の電力制御モジュール。