JP5566049B2 - 車載用半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される車載用半導体装置に関し、特に、組立工程の容易化に寄与する構造を提供するものである。

従来より、自動車又は他の車両に搭載された車載用半導体装置は、パワー半導体素子を実装させた基板（以下、高電力基板と呼ぶ）、及び、駆動信号によって当該パワー半導体素子の動作を制御させる回路基板、この他、フィルター回路等が適宜に組み込まれている。かかる車載用半導体装置は、当該装置の外部から入力された信号に基づき、車載モータ又は照明装置等の負荷を駆動させる。即ち、車載用半導体装置とは、車載モータに用いられる場合にあってはモータドライバとして機能し、車載用照明機器に用いられる場合には照明用コントローラとして機能し、ソレノイドバルブに用いられる場合には電磁弁制御装置として機能するといったように、その実施形態は種々多様化されている。

例えば、特開平９−７１１７４号公報（特許文献１）では、車載用半導体装置の一実施形態とされる車載用電装ユニットが紹介されている。当該車載用電装ユニットは、ベアチップを搭載させた基板（特許請求の範囲における高電力基板）をコネクタハウジング（特許請求の範囲におけるケース体）の内部に収容させている。また、コネクタハウジングには、高電力基板から所定距離だけ離間させた状態でセンサ基板（特許請求の範囲における回路基板）を配置させ、センサ基板に設けられた端子用の穿孔部群には、コネクタハウジングへ設けられた鉛直向きに配列される接続端子が各々挿通される。更に、当該コネクタハウジングの接続端子は、鉛直向きに配列された端部がセンサ基板上のプリント配線に半田付けされ、他端が高電力基板へワイヤーボンディングされており、これにより、センサ基板に実装される回路素子と高電力基板に実装されるパワートランジスタとが適宜に配線される。尚、かかる車載用電装ユニットは、車両用テールランプのオートライト装置として紹介されている。

また、特開２００３−０１１８２９号公報（特許文献２）では、車載用半導体装置の一実施形態とされるパワーステアリングのコントロールユニットが紹介されている。当該コントロールユニットは、放熱ケース（特許請求の範囲におけるケース体）の内部に金属基板（特許請求の範囲における高電力基板）と絶縁基板（特許請求の範囲における回路基板）とを収容させている。かかる両基板は、互いに離間した状態にて配置されている。また、金属基板の実装面には、当該金属基板に対して垂直に固定された端子が複数設けられ、当該端子の先端は、絶縁基板のスルーホールへ挿通され、半田等で絶縁基板上の回路素子と接続される。

特開平９−７１１７４号公報 特開２００３−０１１８２９号公報

しかし、特許文献１の技術では、センサ基板側の接続端子の突出部が長尺になると、かかるセンサ側の接続端子の先端が定位置に安定できなくなり、当該センサ基板を接続端子の各々に挿通させる組立工程が非常に困難になるとの問題が生じる。

また、特許文献２の技術にあっても、絶縁基板側の端子の先端が安定できなくなるため、当該絶縁基板を端子の各々に挿通させる組立工程が困難なものとされてしまう。

更に、これらの技術では、高電力基板の上層へ回路基板を組付ける工程において、当該回路基板の角部、又は、他の異物が高電力基板側へ誤って侵入すると、パワー半導体素子またはボンディングワイヤを含む各種実装部品または高電力基板に形成された絶縁層を破損させ、当該高電力基板の機能を損なわせてしまうとの問題が生じる。

本発明は上記課題に鑑み、組立工程の容易化に寄与し且つ高電力基板の損傷を回避する構造とされた車載用半導体装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明では次のような車載用半導体装置の構成とする。即ち、下層側に配された下層基板と、第１の端子用穿孔部が形成され前記下層基板の上層側に配された位置決板と、第２の端子用穿孔部が形成され前記位置決板の上層側に配された上層基板と、前記下層基板及び前記上層基板及び前記位置決板を格納させるケース体と、一端部が前記下層基板の実装面に固着され且つ長尺の他端部が前記位置決板に対して略垂直に配置され前記第１の端子用穿孔部及び前記第２の端子用穿孔部の双方に挿通される垂直端子と、を備え、
前記位置決板から前記上層基板までの間隙距離は、前記位置決板から前記下層基板までの間隙距離より短く設定され、
前記ケース体の内部には、前記下層基板に臨ませる開口部と、当該開口部が形成され且つ前記位置決板を支持する第１の中空底面と、前記上層基板を支持する第２の中空底面と、が一体的に形成され、
前記位置決板は、前記第１の中空底面へ配置されることにより前記開口部を閉塞させることとする。

好ましくは、前記位置決板は、前記上層基板とは異なる材質であることとする。より好ましくは、前記位置決板は、前記ケース体と同一の材質であることとする。

本発明に係る車載用半導体装置によると、位置決板によって垂直端子における長尺の端部を位置決させるので、回路基板に形成された端子用穿孔部と垂直端子の端部との位置が一致され、これにより、回路基板等の組立工程の容易化を実現させる。

また、本発明に係る車載用半導体装置によると、高電力基板を収容させる開口部を位置決板が蓋体の如く閉塞させるので、当該開口部への侵入物が排除され、これにより、パワー半導体素子又は絶縁層といった高電力基板の損傷を回避させることが可能となる。

実施の形態に係る車載用半導体装置の回路構成を示す機能ブロック図 実施例１に係る車載用半導体装置の分解状態を示す図 実施例１に係る車載用半導体装置の断面状態を示す図 実施例２に係る車載用半導体装置の断面状態を示す図 実施例３に係る車載用半導体装置の断面状態を示す図

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して説明する。図１に示す如く、車載用モータ制御装置（以下、モータドライバと呼ぶ）１０００は、電力変換回路２００と電流検出回路３００と制御回路４００とから構成され、制御回路４００の指令を受けて電力変換回路２００が適宜に作動する。そして、モータドライバ１０００は、車載バッテリ１００及び制御モータ５００が接続されており、車載バッテリの電力を適宜に変換して制御モータ５００を制御させる。尚、本実施の形態では、車載用半導体装置の一例としてモータドライバを採り上げているが、特許請求の範囲における車載用半導体装置の用語の意義は、当該モータドライバに限定されるものでなく、照明用制御装置、パワステ用コントロールユニット、充電装置、この他、種々の装置を含むものとされる。

車載バッテリ１００は、車両の適宜の位置に搭載され、蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーとして出力させる。かかる車載バッテリ１００は、ニッカド電池、ニッケル水素電池など、その種類を問うものではない。

電力変換回路２００は、制御回路から制御信号を受信し、当該信号に基づいてバッテリ電力を適宜な出力電力へと変換させる。例えば、電力変換回路としてインバータ回路を構成させる場合、当該インバータ回路では、ＰＷＭ信号を制御回路４００から受信し、車載バッテリ１００から供給される直流電力を３相交流電力へと変換させる。

電流検出回路３００は、電流ラインに設けられたシャント抵抗等から成り、検出した電流値を電圧値に変換し、制御回路４００へと出力させる。

制御回路４００は、図示されないＣＰＵ、ＡＤ変換回路、クロック回路、メモリ回路等によって構成され、メモリ回路には制御プログラム及び各種演算処理を実現させるプログラム及び当該演算処理で用いられるパラメータが適宜格納されている。そして、これらの回路と所定のプログラムとが協働して、回転子に係る速度ループ制御、電流ベクトルに係る電流ループ制御を実施させ、これにより、入力された指令値及び検出電流に基づき、電力変換回路の適宜な制御を実現させる。

制御モータ５００は、本実施の形態にあっては同期モータ又は誘導モータが用いられる。しかし、回路構成如何によっては、負荷とされるモータの種類を問うものではない。

かかる構成とされたモータドライバ１０００では、指令値及び検出電流に基づいて制御回路４００からＰＷＭ信号が出力されると、電力変換回路２００では、当該信号に応じて、直流電力を適宜な周波数の交流電力に変換させ、制御モータを所望の状態で制御させる。

図２には、図１の機能ブロックを具現化させたモータドライバの分解図が示されている。当該モータドライバ１０００は、図示の如く、ヒートシンク６００と高電力基板２１０（図１の電力変換回路の一部）とケース体７００とフィルター回路２２０と位置決板８００と回路基板４００（図１の制御回路）と蓋体９００とから構成される。

ヒートシンク６００は、高電力基板２１０を積層させるための積層面６０２と、放熱面積を上げるために設けられた放熱フィン６０１とが形成されている。かかるヒートシンク６００は、アルミダイキャスト、又は、これに類する熱伝導率のものが用いられる。

高電力基板２１０は、アルミナ等のセラミック基板に絶縁層が積層され、更に、当該絶縁層の表面にプリント配線がパターニングされている。そして、プリント配線の適宜な位置に、パワー半導体素子２１１及び垂直端子２１２等が実装されている。

パワー半導体素子２１１の意は、高電流を断続的に通過させるパワートランジスタ、又は、かかる電流が印加されるダイオード素子、を含む。

垂直端子２１２は、一端部がコの字状の曲げ加工が施され、他端部が長尺の板状体とされる。ここで、コの字状の一端部では、半田を介してプリント配線に導通され、当該形状により長尺の他端部を略垂直となるよう安定的に固定させる。また、当該長尺の他端部は、位置決板及び回路基板の端子用穿孔部へ挿通させるため、板状体を成し、好ましくは、当該板状体の端部が尖型を呈したものとされる。かかる垂直端子を用いることにより、ケース体のインサート成形による端子と比較して、回路基板側の素子とパワー半導体素子との間における配線インピーダンスが低減される。

ケース体７００は、高電力基板２１０と位置決板８００と回路基板４００とを内部に格納させる。ケース体７００の内部には、高電力基板２１０を蓋体側から収容させるための開口部７２３と、フィルター回路２２０を適宜の位置に載置させるためのステージ７２１とが形成されている。また、当該ケース体７００の内部には、開口部７２３及びステージ７２１及び外周壁によって、中空底面７２２ａ，７２２ｂと内壁面７２４と中立壁７２５とが形成されている。尚、かかるケース体７００は、ＰＰＳ又はＰＢＴ等の絶縁性素材から成形されるのが好ましい。

位置決板８００は、ケース体同様、ＰＰＳ又はＰＢＴ等の絶縁性素材から成形され、略板状体を呈している。かかる位置決め基板８００には、図示の如く、第２の端子用穿孔部８０１が複数設けられ、当該第２の端子用穿孔部８０１は、単に孔が穿孔されることにより形成されるため、穿孔部の内壁は絶縁されている。また、当該位置決板８００は、回路基板４００より先にケース体４００へ組み込まれ、中空底面７２２ｂによって位置決めされる。このとき、位置決板８００は、少なくとも高電力基板２１０と回路基板４００との間に配置されることとなる。

回路基板４００は、ガラスエポキシ基板等の耐熱性に優れたものを用いるのが好ましい。当該回路基板４００は、図示の如く、第２の端子用穿孔部８０１が複数設けられている。当該第２の端子用穿孔部８０１は、スルーホールであっても良く、単にプリント配線の銅箔へ孔を穿孔させたものであっても良い。また、位置決板８００は中空底面７２２ａによって適宜の位置に配置されるので、回路基板４００も、これに応じて、高電力基板から所定距離を隔てて配置される。このとき、垂直端子における長尺の端部は位置決板によって位置決されるので、回路基板４００を位置決板８００へ積層させる際、回路基板４００に形成された第１の端子用穿孔部４０１と垂直端子２１２の端部２１２ａとの位置が一致されることとなる。

そして、かかるモータドライバ１０００は、ケース体７００及びヒートシンク６００によって形成された内部空間に、上述した全ての基板を格納させ、その後、蓋体９００によって当該内部空間を閉塞させる。尚、同図のケース体７００は、制御モータ５００又は車載バッテリ１００へ接続されるコネクタが図示されていないが、当然の如く、当該コネクタを適宜の位置に設けても良い。

図３には、図２中のＡ−Ａ断面を矢線方向に観察した断面が示されている。図示の如く、高電力基板２１０は、ヒートシンク６００とケース体７００の外周壁によって形成された開口部７２３へ収容されている。尚、同図の２１０ａは基板側絶縁層及び銅箔配線層とされ、２１０ｂはアルミナ基板とされる。また、シリコン樹脂等で積層された表層側絶縁層２１３が基板側絶縁層２１０ａの表面に破線にて示されている。

位置決板８００は、上述の如く、中空底面７２２ａに当接されるため、高電力基板２１０から所定間隔を隔てた高さに配置され、外周が樹脂ボルト等の締結具によって固定される。かかる位置決板８００は、垂直端子の端部２１２ａに近い位置に配置されることで、位置決板における垂直端子の支点に加わる応力が減少し、当該垂直端子の端部２１２ａが安定的に自立する。

また、位置決板８００は、図示の如く、開口部７２３を閉塞する位置に配置させるのが好ましい。かかる場合、位置決板８００は、開口部７２３に対する蓋としての機能を果たすため、当該開口部７２３への異物の侵入を防止させる。従って、回路基板４００を垂直端子の端部２１２ａに挿通させる際、当該回路基板の角部、樹脂ボルト等の締結具、レンチ等の締結工具、などの異物の侵入を防止させ、これにより、高電力基板２１０の絶縁層又はパワー半導体素子の損傷を防止させることが可能となる。尚、かかる絶縁層は、上述した、基板側絶縁層２１０ｂ及び表層側絶縁層の双方を含むものとする。

更に、ヒートシンク６００の配される方向を高電力基板側とし、蓋体９００の配される方向を回路基板側とすると、位置決板８００に形成される第２の端子用穿孔部８０１は、高電力基板側の穿孔断面積が回路基板側の穿孔断面積より大きい状態とされるのが好ましい。これにより、高電力基板側の穿孔断面では、垂直端子２１２の端部２１２ａを導き入れ易くし、回路基板側の穿孔断面では、垂直端子２１２の支点を適宜の位置に静止させる。

尚、回路基板４００が両面実装基板の場合、図示の如く、回路基板４００と位置決板８００との間に間隙層８０２を形成させるのが好ましい。

本実施例に係るモータドライバ１０００によると、位置決板８００によって垂直端子２１２における長尺の端部２１２ａを適宜に位置決させるので、回路基板４００に形成された端子用穿孔部４０１と垂直端子２１２の端部２１２ａとの位置が一致され、これにより、回路基板等の組立工程の容易化を実現させる。

また、本実施例に係るモータドライバによると、高電力基板２１０を収容させる開口部７２３を位置決板８００が蓋体の如く閉塞させるので、当該開口部７２３への侵入物が排除され、これにより、パワー半導体素子２１１又は絶縁層といった高電力基板２１０の損傷を回避させることが可能となる。

図４には、実施例１にて説明されたモータドライバの改変例が示されている。尚、モータドライバ１０００で説明された同一構成部には同一符号を付し、その説明を省略することとする。

本実施例にかかるモータドライバ２０００は、実施例１と同様、ヒートシンク６００と高電力基板２１０とケース体７００とフィルター回路２２０と位置決板８００と回路基板４００と蓋体９００とから構成される。

高電力基板２１０は、上述した垂直端子２１２が排除され、当該垂直端子の替わりにボンディングワイヤが適宜に施されている。

ケース体７００は、垂直端子２１４を内部へ樹脂モールドさせて固定させ、一端が平坦面を回路基板側へ露出させ、他端が長尺の端部２１４ａとして自立するよう固定されている。垂直端子２１４のうち、平坦面を露出させた端部２１４ｂでは、ワイヤーボンディングが施され、パワー半導体素子２１１の端子と適宜に導通されている。また、垂直に自立した長尺の端部２１４ａは、位置決板及び回路基板の双方の端子用孔部に挿通され、当該回路基板のプリント配線と半田接続されている。

位置決板８００及び回路基板４００は、前述の如く。ケース体７００に形成された中空底面７２２ａ，７２２ｂによって、各々が適宜な高さに配置されている。

かかるモータドライバ２０００にあっても、位置決板８００によって垂直端子２１４における長尺の端部２１４ａを水平方向及び鉛直方向に正しく位置決させるので、回路基板４００に形成された端子用穿孔部４０１と垂直端子２１２の端部２１４ａとの位置が一致され、これにより、回路基板等の組立工程の容易化を実現させる。

また、本実施例に係るモータドライバ２０００にあっても、位置決板８００が蓋体の如く機能するので、高電力基板２１０への侵入物が排除され、これにより、パワー半導体素子２１１又は絶縁層といった高電力基板２１０の損傷を回避させることが可能となる。

図５には、実施例２にて説明されたモータドライバの改変例が示されている。尚、モータドライバ２０００で説明された同一構成部には同一符号を付し、その説明を省略することとする。

本実施例にかかるモータドライバ３０００は、実施例２と同様、ヒートシンク６００と高電力基板２１０とケース体７００とフィルター回路２２０と位置決板８００と回路基板４００と蓋体９００とから構成される。

このうち、回路基板４００の中央部にはボルトＢを挿通させるためのキリ孔が穿孔されている。

位置決板８００には、回路基板４００の高電力基板側へ当接する柱状体８０３が形成されている。かかる柱状体８０３は、位置決板８００と同一材料にて一体的に形成されるのが好ましい。これにより、当該柱状体８０３の形成工程が簡素化される。

また、柱状体８０３には、雌ねじタップが形成されている。かかる構成により、回路基板４００と柱状体８０３とは、ボルトＢ（特許請求の範囲における締結手段）によって固定されることが可能となる。

本実施例では、かかる柱状体８０３及び回路基板のキリ孔を複数個所に設け、回路基板４００と位置決板８００とを複数個所で固定させても良い。これにより、回路基板及び位置決板による構造が更に強固なものとされる。また、本実施例に係る位置決板８００の構造を、実施例１の位置決板に適用させることも可能である。尚、特許請求項に記される互いの対向面とは、回路基板及び位置決板の向き合う双方の面を指す。

本実施例に係るモータドライバ３０００によると、回路基板及び位置決板による構造が強化されるので、回路基板への実装点数を増やすことが可能となり、また、振動などの衝撃荷重に耐え得るものとされる。

尚、上述した実施例では、上層に配される基板を回路基板とし、下層に配される基板を高電力基板としているが、特許請求の範囲に記される車載用半導体装置はこれに限定されるものではない。例えば、上層に高電力基板（上層基板）を配し、下層に制御用の回路基板（下層基板）を配し、当該回路基板の実装面に垂直端子を実装させても良い。更に、かかる上層の高電力基板を他の制御基板（上層基板）に置換え、双方の回路基板のうち一方に垂直端子を実装させ、当該双方の回路基板を垂直端子で導通させるようにしても良い。また、かかる双方の制御用の回路基板（上層基板及び下層基板）が、高電力基板へ置換えられても良い。

また、特許請求の範囲に記される車載用半導体装置の用語の意は、上述したモータドライバに限定されるものでなく、当然の如く、照明用制御装置、パワステ用コントロールユニット、充電装置、この他、種々の装置を含むものであることは言うまでも無い。

１０００ モータドライバ
１００ 車載バッテリ
２００ 電力変換回路
３００ 電流検出回路
４００ 制御回路
５００ 制御モータ
２１０ 高電力基板
２１２ 垂直端子
４００ 回路基板
４０１ 第１の端子用穿孔部
７００ ケース体
７２３ 開口部
８００ 位置決板
８０１ 第２の端子用穿孔部

Claims (3)

1. 下層側に配された下層基板と、第１の端子用穿孔部が形成され前記下層基板の上層側に配された位置決板と、第２の端子用穿孔部が形成され前記位置決板の上層側に配された上層基板と、前記下層基板及び前記上層基板及び前記位置決板を格納させるケース体と、一端部が前記下層基板の実装面に固着され且つ長尺の他端部が前記位置決板に対して略垂直に配置され前記第１の端子用穿孔部及び前記第２の端子用穿孔部の双方に挿通される垂直端子と、を備え、
   前記位置決板から前記上層基板までの間隙距離は、前記位置決板から前記下層基板までの間隙距離より短く設定され、
   前記ケース体の内部には、前記下層基板に臨ませる開口部と、当該開口部が形成され且つ前記位置決板を支持する第１の中空底面と、前記上層基板を支持する第２の中空底面と、が一体的に形成され、
   前記位置決板は、前記第１の中空底面へ配置されることにより前記開口部を閉塞させる、ことを特徴とする車載用半導体装置。
2. 前記位置決板は、前記上層基板とは異なる材質であることを特徴とする請求項１に記載の車載用半導体装置。
3. 前記位置決板は、前記ケース体と同一の材質であることを特徴とする請求項１に記載の車載用半導体装置。

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