JP5188110B2 - 回路装置 - Google Patents

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Description

本発明は、回路装置に関する。より具体的には、本発明は、金属基板上の絶縁樹脂層の上に回路素子を設けた回路装置に関する。
携帯電話、ＰＤＡ、ＤＶＣ、ＤＳＣといったポータブルエレクトロニクス機器の高機能化が加速するなか、こうした製品が市場で受け入れられるためには小型・軽量化が必須となっており、その実現のために高集積のシステムＬＳＩが求められている。一方、これらのエレクトロニクス機器に対しては、より使い易く便利なものが求められており、機器に使用されるＬＳＩに対し、高機能化、高性能化が要求されている。このため、ＬＳＩチップの高集積化にともないそのＩ／Ｏ数が増大する一方でパッケージ自体の小型化要求も強く、これらを両立させるために、半導体部品の高密度な基板実装に適合した半導体パッケージの開発が強く求められている。こうした要求に対応するため、ＣＳＰ（Chip Size Package ）と呼ばれるパッケージ技術が種々開発されている。
図１１は、従来の回路装置の概略構造を示す断面図である。アルミニウムなどの金属基板５００の上に絶縁樹脂層５１０が形成されている。この絶縁樹脂層５１０の上に、たとえば、銅からなる配線５２０が形成されている。さらに、トランジスタやＩＣ等の回路素子５３０、抵抗、キャパシタ等の受動素子５４０がはんだ５５１を介して配線５２０の上に実装され、所定の回路が実現されている。回路素子５３０がフェイスアップで実装される場合は、金線５３２を用いたワイヤボンディングにより回路素子５３０の電極が配線５２０に接続される。また、外部リード５５０がはんだ５５１を介して外部電極端子５５２と接続されており、外部リード５５０の一部が後述する封止樹脂体５８０から外部に露出している。
なお、絶縁樹脂層５１０には、金属基板５００の一部が露出するように開口が設けられている。金属基板５００の露出部分は、接地電位に接続された配線５２０ａと接続されている。これにより、回路素子５３０が動作した状態であっても金属基板５００がシールドとして機能するため、回路の誤動作およびノイズの発生が抑制されている。
オーバーコート５６０は、はんだ接合部、金線５３２、回路素子５３０および受動素子５４０を覆うよう形成されている。
封止樹脂体５８０は、支持部材５８２および封止樹脂層５８４を含む。支持部材５８２および封止樹脂層５８４は、ともに熱可塑性樹脂からなる。封止樹脂体５８０は、支持部材５８２に載置された金属基板５００をインジェクションモールドにより封止樹脂層５８４で被覆することにより形成される。これにより、フルモールド構造の回路装置が得られている。
特開２００５−２７７１７４号公報
図１１に示した従来の回路装置では、配線５２０と金属基板５００との間に容量が発生しても、金属基板５００が接地電位に接続されているため、金属基板５００の電位が変動しない。このため、増幅回路などがノイズにより誤動作することが抑制される。しかし、金属基板５００を接地電位に接続した場合には、金属基板５００を通じて短絡が発生しないように、金属基板５００を絶縁体で被覆する必要がある。金属基板５００が絶縁体で被覆されることにより、金属基板５００の熱伝達性が低下し、回路装置全体の放熱特性が低下してしまう。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属基板上の絶縁樹脂層の上に回路素子を設けた回路装置の構成において、金属基板の放熱性を損なうことなく、金属基板を介して一方の回路素子から他方の回路素子にノイズが回り込むことを抑制する技術の提供にある。
本発明のある態様は、回路装置である。当該回路装置は、金属基板と、金属基板の上に設けられた絶縁樹脂層と、絶縁樹脂層の上に設けられた配線と、配線の上に設けられた回路素子と、一方の端子が金属基板に接続され、他方の端子が固定電位に接続されたキャパシタと、を備えることを特徴とする。
本発明の他の態様は、回路装置である。当該回路装置は、金属基板と、金属基板の上に設けられた絶縁樹脂層と、絶縁樹脂層の上に設けられた配線と、配線の上に設けられた回路素子と、一方の端子が前記金属基板に接続され、他方の端子が前記金属基板の電位を打ち消すような変動電位との間に接続されたキャパシタと、を備えることを特徴とする。この態様において、変動電位は、回路素子の電位の逆相であってもよい。
本発明のさらに他の態様は、回路装置である。当該回路装置は、金属基板と、金属基板の上に設けられた絶縁樹脂層と、絶縁樹脂層の上に設けられた配線と、配線の上に設けられた回路素子と、金属基板の電位が変動したときに、金属基板に電位を相殺する電圧を付加して金属基板の電位を接地レベルに維持する手段と、を備えることを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、回路装置である。当該回路装置は、金属基板と、金属基板の上に設けられた絶縁樹脂層と、絶縁樹脂層の上に設けられた配線と、配線の上に設けられた回路素子と、一方の端子が前記金属基板に接続され、他方の端子が固定電位に接続された抵抗と、を備えることを特徴とする。上記態様において、抵抗が基準電流以上の電流が流れたときに切断されてもよい。
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
本発明によれば、金属基板上の絶縁樹脂層の上に回路素子を設けた回路装置の構成において、金属基板の放熱性を損なうことなく、金属基板を介して一方の回路素子から他方の回路素子にノイズが回り込むことを抑制することができる。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る回路装置が用いられるインバータモジュールを示す概略図である。図２は、インバータモジュールの構成を示す概略図である。インバータモジュール４００には、ＰＷＭ(Pulse Width Moduration)信号が入力される。インバータモジュール４００に入力されるＰＷＭ信号は、通常、ロジックレベル（５Ｖ）である。インバータモジュール４００は、電圧増幅部４１０および電力増幅部４２０を備え、５ＶのＰＷＭ信号を５００ＶのＰＷＭ信号に電圧および電力増幅し、モータ４３０を駆動させる。また、３相のモータ４３０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相が必要である。電圧増幅部４１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応する昇圧回路４１２、４１４、４１６を有する。電力増幅部４２０は、Ｕ相に対応するパワー素子４２１、４２４、Ｖ相に対応するパワー素子４２２、４２５およびＷ相に対応するパワー素子４２３、４２６を有する。
図３は、実施の形態１に係る回路装置１０の概略構造を示す断面図である。図３に示すように、実施の形態１に係る回路装置１０では、金属基板２０の上に絶縁樹脂層３０が形成されている。
金属基板２０としては、アルミニウム、銅などの金属、合金、銅からなる下層金属層と、下層金属層上に形成されたＦｅ−Ｎｉ系合金（いわゆるインバー合金）からなる中間金属層と、中間金属層上に形成された銅からなる上層金属層とが積層されたクラッド材などを用いることができる。
絶縁樹脂層３０としては、たとえば、ＢＴレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂が例示される。回路装置１０の放熱性向上の観点から、絶縁樹脂層３０は高熱伝導性を有することが望ましい。このため、絶縁樹脂層３０は、銀、ビスマス、銅、アルミニウム、マグネシウム、錫、亜鉛およびこれらの合金などを高熱伝導性フィラーとして含有することが好ましい。
この絶縁樹脂層３０の上に、たとえば、銅からなる配線４０が形成されている。さらに、トランジスタやＩＣ等の回路素子５０、抵抗、キャパシタ等の受動素子６０がはんだ７１を介して配線４０の上に実装され、所定の回路が実現されている。回路素子５０がフェイスアップで実装される場合は、金線５２を用いたワイヤボンディングにより回路素子５０の電極が配線４０に接続される。また、外部リード７０がはんだ７１を介して外部電極端子７２と接続されており、外部リード７０の一部が後述する封止樹脂体９０から外部に露出している。
本実施の形態では、キャパシタ６２がはんだ７１を介して配線４０ａ、４０ｂの上に実装されている。キャパシタ６２の一方の端子は、はんだ７１を介して配線４０ａに接続されている。一方、キャパシタ６２の他方の端子は、はんだ７１を介して配線４０ｂに接続されている。
絶縁樹脂層３０には、金属基板２０の一部が露出するように開口３１が設けられている。金属基板２０の露出部分は、導線４２を介して配線４０ａと接続されている。すなわち、キャパシタ６２の一方の端子は、金属基板２０と接続されている。一方、配線４０ｂは接地電位に接続されている。すなわち、キャパシタ６２の他方の端子は、接地電位に接続されている。なお、本実施の形態では、キャパシタ６２の他方の端子が接地電位に接続されているが、キャパシタ６２の他方の端子は固定電位に接続されていてもよい。なお、固定電位とは、たとえば、接地電位、増幅器の電源電圧などの電位でもよく、正負いずれの電位でもよい。
オーバーコート８０は、はんだ接合部、金線５２、回路素子５０および受動素子６０を覆うよう形成されている。オーバーコート８０は、熱硬化性樹脂（たとえば、エポキシ樹脂）でポッティングすることにより形成される。オーバーコート８０により、封止樹脂体９０の成型時に注入樹脂圧により細線（約３０〜８０μｍ）が倒れたり、断線したりすることが抑制される。また、封止樹脂体９０の成型時に、注入温度（約３００℃）によりはんだ７１が溶けてはんだ不良が発生することが抑制される。
封止樹脂体９０は、熱可塑性樹脂からなる。封止樹脂体９０は、金属基板２０をインジェクションモールドにより熱可塑性樹脂で被覆することにより形成される。なお、金属基板２０の下面側は、封止樹脂体９０によって被覆されておらず、露出している。
図４は、実施の形態１に係る回路装置における金属基板２０を介した容量結合を示す模式図である。当該模式図では、絶縁樹脂層３０の上に実装された回路素子として、パワー素子１００、電位が固定された回路素子１０２（固定ノード）、電位変動の影響を受けやすい回路素子１０４が例示されている。
パワー素子１００は、たとえば、図２に示したインバータモジュールの場合には、６つのチャンネル（パワー素子）のうち、ＰＷＭ信号を出力している活性チャンネルに当たる。回路素子１０２は、６つのチャンネルのうち、電位が固定されている非活性チャンネルや電源などに当たる。また、回路素子１０４は、活性チャンネルの前段に位置する昇圧回路を構成する回路素子に相当する。
なお、回路素子１０４は、上述したインバータモジュールの昇圧回路に用いられるデジタル系の回路素子に限られず、入力されたアナログ信号を増幅する増幅器に使用されるアナログ系の回路素子であってもよい。入力されたアナログ信号を増幅する増幅器の場合に、出力されたアナログ信号の影響により金属基板２０の電位が変動すると、増幅器の各増幅段においてアナログ信号にノイズが乗ることにより、ＳＮ比（信号対ノイズ比）が悪化する。
絶縁樹脂層３０を介してパワー素子１００と金属基板２０との間に形成される仮想的なキャパシタの静電容量をＣ１とする。絶縁樹脂層３０を介して接地電位に接続された回路素子１０２と金属基板２０との間に形成される仮想的なキャパシタの静電容量をＣ２とする。また、絶縁樹脂層３０を介して回路素子１０４ノードと金属基板２０との間に形成される仮想的なキャパシタの静電容量をＣ３とする。また、金属基板２０と接地電位との間に接続されたキャパシタ６２の静電容量をＣａｄとする。
金属基板２０の電位は、パワー素子１００の電圧の影響により変動する。金属基板２０の電位変動は、回路素子１０４に対するノイズとなる。このノイズにより、回路素子１０４が誤動作する可能性がある。ところが、本実施の形態のように、金属基板２０に、他方の端子が接地電位に接続されたキャパシタ６２が接続されている場合には、金属基板２０の電位変動が抑制されるため、回路素子１０４が誤動作しにくくなる。
ここで、キャパシタ６２により金属基板２０の電位抑制効果について説明する。まず、ノイズ源となるパワー素子１００の電圧変化をΔＶｎ、金属基板２０の電位変化をΔＶｂとすると、
（ΔＶｎ−ΔＶｂ）×Ｃ１＝ΔＶｂ×（Ｃ２＋Ｃａｄ）・・・（１）
という関係式が成立する。この関係式から、
ΔＶｂ＝（Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃａｄ））×ΔＶｎ・・・（２）
という関係式が得られる。回路素子１０４が受けるノイズはΔＶｂに比例する。よって、（２）式より、Ｃａｄを大きくすることにより、ΔＶｂを小さくすることができ、ひいては回路素子１０４の誤動作を防ぐことが可能となる。
（３相インバータモジュールでの実験例）
上述したキャパシタ６２を金属基板２０に接続したときの金属基板２０の電位抑制効果について、３相インバータモジュールを用いて確認した。具体的には、キャパシタ６２の静電容量を９４００ｐＦ（４７００ｐＦのキャパシタを２個使用）とした。比較のため、キャパシタ６２を金属基板２０に接続しないとき、すなわちフローティングの場合の金属基板２０の電位変動について調べた。なお、入力されるＰＷＭ信号の振幅を５Ｖとした。
図５は、キャパシタ６２を金属基板２０に接続しないときの入力信号の電圧、出力信号の電圧および金属基板の電位を測定したグラフである。また、図６は、キャパシタ６２を金属基板２０に接続したときの入力信号の電圧、出力信号の電圧および金属基板の電位を測定したグラフである。図５に示すように、キャパシタ６２を金属基板２０に接続しない場合には、出力信号の振幅を１２０Ｖとした状態での金属基板の電位変動が約１７Ｖであり、出力信号の振幅を１２５Ｖ以上に増幅すると誤動作が発生した。これに対して、図６に示すように、キャパシタ６２を金属基板２０に接続した場合には、出力信号の振幅を４５０Ｖに増幅した状態の金属基板の電位変動が約６Ｖに抑制され、誤動作が生じないことが確認された。
以上説明した本実施の形態の回路装置によれば、金属基板と接地電位との間に接続されたキャパシタにより金属基板の電位変動が抑制されるため、パワー素子などの高電圧の回路素子から電位変動の影響を受けやすい回路素子へノイズが回り込むことを低減させることができる。
また、金属基板が接地電位と直に接続されていないため、金属基板に外部の物体が接触しても大電流が流れない。このため、本実施の形態の回路装置では金属基板の一部を露出することができる。金属基板の一部を露出させることにより、熱抵抗を低減させることができ、回路装置の放熱特性を向上させることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る回路装置の概略構造は、実施の形態１と同様である。ただし、本実施の形態の回路装置では、図３に示した金属基板２０に接続されたキャパシタ６２の一端は、接地電位ではなく、パワー素子の出力信号と逆相の電位と接続されている。パワー素子の出力信号と逆相の電位は、たとえば、入力信号を増幅する増幅器の途中の段から取り出すことができる。これによれば、パワー素子の出力信号による金属基板２０の電位変動がキャパシタ６２によって相殺されるため、金属基板２０の電位変動をより効果的に抑制することができる。このため、実施の形態１の構成に比べてキャパシタ６２の静電容量を小さくても、十分なノイズ低減効果を得ることができる。
（３相インバータモジュールでの実験例）
図３に示したキャパシタ６２の一端をパワー素子の出力信号と逆相の電位（振幅５Ｖ）に接続したときの金属基板２０の電位抑制効果について、３相インバータモジュールを用いて確認した。図７は、キャパシタ６２の一端をパワー素子の出力信号と逆相の電位に接続したときの逆相の電位、出力信号の電圧および金属基板の電位を測定したグラフである。図７に示すように、キャパシタ６２の一端をパワー素子の出力信号と逆相の電位に接続した場合には、出力信号の振幅を４５０Ｖに増幅した状態の金属基板の電位変動が約１〜２Ｖに抑制され、金属基板の電位変動が誤動作が実施の形態１に比べてさらに低減されることが確認された。
図３に示したキャパシタ６２の静電容量を４７００ｐＦに半減して、実施の形態１および実施の形態２の構成について実験を行ったところ、実施の形態１では、パワー素子の出力電圧が３９７Ｖ以上で誤動作が生じた。これに対して、実施の形態２では、パワー素子の出力電圧を４５０Ｖに上げても正常動作することが確認された。すなわち、実施の形態２の回路装置では、実施の形態１の構成に比べてキャパシタ６２の静電容量を小さくても、十分なノイズ低減効果を得ることができることが確認された。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る回路装置の概略構造は、実施の形態１と同様である。ただし、本実施の形態の回路装置では、図３に示した金属基板２０に接続されたキャパシタ６２の一端は、接地電位ではなく、金属基板２０の電位変動に応じて定められた制御電位と接続されている。具体的には、金属基板２０の電位変動を検出する電位検出手段（図示せず）を設け、電位検出手段によって金属基板２０の電位変動が検出された場合に、金属基板２０の電位を打ち消すような電位が制御電位に設定される。これにより、金属基板２０の電位変動をより一層低減させることができるので、ノイズ低減効果をさらに高めることができる。
（実施の形態４）
実施の形態４に係る回路装置の概略構造は、実施の形態１と同様である。ただし、本実施の形態の回路装置では、図３に示した金属基板２０に接続されたキャパシタ６２に代えて、差動増幅器が設けられている。具体的には、図８に示すように差動増幅器１１０の一方の入力端子（−）が金属基板２０に接続され、差動増幅器１１０の他方の入力端子（＋）が接地電位に接続され、差動増幅器１１０の出力端子が金属基板２０に接続されている。差動増幅器１１０により、金属基板２０の電位がパワー素子などからのノイズにより変化すると、電位変動を打ち消すように差動増幅器１１０が働くことにより、金属基板２０の電位が接地レベルに維持される。金属基板２０の電位を接地レベルに維持することにより、ノイズ低減効果をさらに高めることができる。
なお、ノイズによる金属基板の電位変化が回路素子の動作周波数に比べて十分に遅いときには、ノイズの影響を無視することができる。このため、回路素子の動作に影響を及ぼすある周波数以上のノイズのみを取り扱えばよいので、図９に示すように、ノイズのＤＣ成分をカットするキャパシタ１２０を各ノードに挿入し、金属基板をフローティングとすることができる。
（実施の形態５）
実施の形態５に係る回路装置の概略構造は、実施の形態１と同様である。ただし、本実施の形態の回路装置では、図３に示した金属基板２０に接続されたキャパシタ６２に代えて、図１０に示すように、抵抗６６（たとえば、５０Ω）が設けられ、抵抗６６の一端が金属基板２０接続され、抵抗６６の他端が接地電位と接続されている。これによれば、金属基板２０のノイズは抵抗によって放電されるので、金属基板２０の電位は接地レベルに保持される。金属基板２０を露出させたことにより短絡が生じた場合には、抵抗６６により電流が制限されるため、金属基板２０と接触した外部回路等が損傷するおそれが低減する。
なお、抵抗６６は、所定電流以上の大電流が流れた場合に切断されるヒューズとして機能することが望ましい。これによれば、短絡等により過電流が流れた場合に、抵抗６６が切断されることにより、感電事故を防止することができる。
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
たとえば、ノイズ低減を目的として、実施の形態１〜３ではキャパシタが用いられ、実施の形態５では抵抗が用いられているが、キャパシタと抵抗を併用してもよい。
実施の形態１に係る回路装置が用いられるインバータモジュールを示す概略図である。 インバータモジュールの構成を示す概略図である。 実施の形態１に係る回路装置の概略構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る回路装置における金属基板を介した容量結合を示す模式図である。 キャパシタを金属基板に接続しないときの入力信号の電圧、出力信号の電圧および金属基板の電位を測定したグラフである。 キャパシタを金属基板に接続したときの入力信号の電圧、出力信号の電圧および金属基板の電位を測定したグラフである。 キャパシタの一端をパワー素子の出力信号と逆相の電位に接続したときの逆相の電位、出力信号の電圧および金属基板の電位を測定したグラフである。 実施の形態４に係る回路装置で用いられる差動増幅器を含む回路構成を示す図である。 ノイズによる金属基板の電位変化が回路素子の動作周波数に比べて十分に遅い場合の差動増幅器を含む回路構成を示す図である。 実施の形態５に係る回路装置の概略構造を示す断面図である。 従来の回路装置の概略構造を示す断面図である。
符号の説明
１０ 回路装置、２０ 金属基板、３０ 絶縁樹脂層、４０ 配線、５０ 回路素子、５２ 金線、６０ 受動素子、７０ 外部リード、７１ はんだ、７２ 外部電極端子、８０ オーバーコート、９０ 樹脂封止体

Claims (4)

  1. 金属基板と、
    前記金属基板の上に設けられた絶縁樹脂層と、
    前記絶縁樹脂層の上に設けられた配線と、
    前記配線の上に設けられ、インバータモジュールの電力増幅部を構成するパワー素子からなる複数の回路素子と、
    一方の端子が前記金属基板に接続され、他方の端子が前記電力増幅部の正または負の電源電圧である固定電位に接続されたキャパシタと、
    を備え、
    前記金属基板は前記固定電位以外の電位に設定されており、
    前記固定電位以外の電位は電位変動する電位であることを特徴とする回路装置。
  2. 金属基板と、
    前記金属基板の上に設けられた絶縁樹脂層と、
    前記絶縁樹脂層の上に設けられた配線と、
    前記配線の上に設けられ、インバータモジュールの電力増幅部を構成するパワー素子からなる複数の回路素子と、
    一方の端子が前記金属基板に接続され、他方の端子が前記金属基板の電位を打ち消すような変動電位との間に接続されたキャパシタと、
    を備えることを特徴とする回路装置。
  3. 前記変動電位は、前記回路素子の電位の逆相であることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
  4. 金属基板と、
    前記金属基板の上に設けられた絶縁樹脂層と、
    前記絶縁樹脂層の上に設けられた配線と、
    前記配線の上に設けられ、インバータモジュールの電力増幅部を構成するパワー素子からなる複数の回路素子と、
    前記金属基板の電位が変動したときに、前記金属基板に前記電位を相殺する電圧を付加して前記金属基板の電位を固定電位に維持する手段と、
    を備えることを特徴とする回路装置。
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