JP5644541B2 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Description
このような点火コイルでは、中心コアと外周コアとによって形成された磁気回路の特性改善のために永久磁石を設け、これらをケース内に載置し、熱硬化性樹脂を充填して絶縁状態で固定されている。
また、回路中に永久磁石を含む場合、既に着磁した永久磁石を回路上に設けようとすると、永久磁石の磁力によって磁性成分を有する他の素子が引き寄せられたり、あるいは、反発されたり、鉄粉等の不純物が付着したりすることがあり、設計上他の素子との距離を大きくする必要が生じ、回路中に永久磁石を含む装置の小型化が困難となったり、作業性を損なったりする問題を生じていた。
かかる問題に対して、特許文献3には、互いに電気的に絶縁状態で交差して配置された複数の中心電極を有するフェライトの両主面に固着した一対の永久磁石と、チップ状の整合回路素子とが樹脂ブロックに配置された非可逆回路部品の製造方法として、未着磁の永久磁石をフェライトや整合回路素子と共に樹脂ブロックに配設した後、永久磁石を着磁させ、磁力調整された後、非可逆回路部品を実装基板に搭載する方法が開示されている。
そこで、特許文献3にあるように、未着磁の磁石素体を点火装置に組み付けて点火装置を完成させた後に、磁石素体に着磁させることによって、鉄粉等の異物が引き寄せられることなく、容易に永久磁石の組み付け作業を行うことができると期待できる。
このため、従来の点火装置において、永久磁石を未着磁の磁石素体によって構成し、スイッチング素子等と共に点火装置に組み付けた後に、磁石素体に着磁させるために、点火装置全体を空芯コイル等の着磁装置の内側に置き、強力な磁界を作用させると、点火装置の内側に組み付けられた磁石素体が磁化されるだけでなく、点火コイルの一次コイルに強力な誘導起電力が発生する。
このとき、一次コイルと閉回路を構成する半導体素子の許容電流を超える誘導電流が流れ、これらの半導体素子が破壊される虞があることが判明した。
特に、着磁装置に用いられる着磁コイルに流れる電流は、数kA〜数10kAと極めて大きく、通常の点火装置の使用時に発生するサージ電圧に比べ遙かに高い誘導起電力が発生し、着磁コイルに大電流を流した瞬間に、半導体素子が破壊されてしまう。
したがって、組み付けが完了し、樹脂等によって封止された状態で、内部の配線を変更することは困難であるため、点火コイルの一次コイルと半導体素子とによって形成される閉回路を一時的に開いた状態とし、着磁後に閉回路に戻すことは困難である。
また、磁石素体を含む回路を樹脂等を用いて封止した後に着磁を行うことができれば、永久磁石によって鉄粉等の異物が引き寄せられるのを完全に廃除することが可能となる。
このような回転電機には、回転子、又は、固定子の界磁として永久磁石を用いるものもあり、未着時の磁石素体を配設した回転電機に、半導体素子を一体的に組み付けた後に、磁石素体の着磁を行うことも考えられる。
また、本発明は、特に、このような半導体装置として、内燃機関の点火に用いられ、点火コイルを構成する中心コアと外周コアとによって形成された磁気回路の特性を改善するための永久磁石と、半導体素子からなり、点火コイルの一次コイルに接続され、一次電圧を開閉する開閉素子と、該スイッチング素子を開閉駆動する駆動回路と、該駆動回路を保護する保護回路とが一次コイルに対して並列に配設された点火装置であって、未着磁の磁石素体を点火装置の組み付け完了後に着磁可能とする点火装置に好適なものである。
なお、第1の発明又は第2の発明を用いた場合、着磁の際には、上記雌雄のコネクタをはずすことにより、物理的、機械的に閉回路が開かれ、上記半導体素子の破損を招くことなく着磁を行うことができ、使用時には、上記雌雄のコネクタの嵌合により、その内側に収容された上記雌雄の端子金具が接続され、上記コイル及び上記半導体素子が共通の電源配線経路及び接地配線経路に接続され、上記半導体装置本来の回路が形成される。
一方、第3の発明を用いた場合には、着磁の際に上記コイルに高い誘起電圧が発生すると、上記誘起電圧判定手段の出力が高くなり、これを駆動源とする上記半導体開閉素子が作動し、上記コイルと上記半導体素子とによって形成された閉回路が開放されるので、誘起電圧による上記半導体素子の破壊が回避できる。
さらに、第3の発明を用いた場合、通常の使用においては、上記誘起電圧判定手段の出力が低いため、上記半導体開閉素子が作動せず、上記閉回路が閉じた状態を維持し、上記半導体装置本来の回路が維持される。
また、通常の使用において、高いサージ電圧が発生し、上記誘起電圧判定手段の出力が瞬間的に高くなる虞があるが、サージ電圧の発生時間は、着時の際に誘起電圧が発生する時間に比べて極めて短く、上記半導体開閉素子を作動させるには至らず、通常の使用の場合と同様、上記閉回路が閉じた状態を維持し、上記半導体装置本来の回路が維持され、通常用いられれているサージ吸収回路や保護回路等によって上記半導体素子は保護される。
図1は、点火装置6の回路構成を示し、図2は、実体的な構成を示し、図3は、点火装置6の組み付け手順の概要を示す。
点火装置6は、少なくともコイル(点火コイル2、一次コイル20)と半導体素子(半導体スイッチング素子11、保護回路12)と永久磁石220とを含み、使用時には、コイル2と半導体素子(11、12)とが並列に接続された閉回路を形成し、未着磁の磁石素体(220)を装置6内に組み付けた後に、磁石素体(220)を着磁するものである。
イグナイタ1は、少なくとも、内部に、駆動回路10と、一次コイル20ヘの通電と遮断とを切り換える半導体スイッチング素子11と、保護回路12とを収容し、熱硬化性樹脂などの絶縁材料でモールドして、外部に電源配線経路100、点火信号経路310、接地配線経路320、一次電圧経路202に接続されるリード部を引き出したパッケージ構造となっている。
駆動回路10は、内燃機関の運転状況に応じて、外部に設けた図略の電子制御装置から発信された点火信号IGtにしたがって、半導体スイッチング素子12を開閉駆動するための駆動信号を発振する。
駆動回路10は、第1の電源配線経路100を介して、第1の電源雄端子金具30に接続され、接地配線経路320を介して接地用雄端子金具32に接続され、点火信号配線経路310を介して点火信号用端子金具31に接続され、駆動信号経路を介して半導体スイッチング素子11のゲート端子Gに接続されている。
保護回路12は、第1の電源配線経路100と接地配線経路320との間に設けられ、少なくとも、ツェナーダイオードやアバランシェダイオード等の電圧制限機能を有する半導体素子を含み、外部の電源から印加されるバッテリ電圧+B1を駆動回路10に入力する際に、過電圧とならないよう、入力電圧を制限したり、点火コイル2の開閉時に発生するサージ電圧を除去したりして、駆動回路10を保護している。
なお、保護回路12は、本実施形態のように、電源配線経路100と接地配線経路320との間に設けても良いし、電源配線経路100と駆動回路10の点火信号配線経路310との間に設けても良い。
絶縁体13は、樹脂によって形成され、イグナイタ1、コネクタ筐体部33の基端側、点火コイル2の基端側を一体的に保持すると共に、電源配線経路200、一次コイル渡線201、202の端部を保持している。
永久磁石220は、中心コア21と外周コア22との間で中心コア21には当接し、外周コア22とは間隙を設けて載置されている。永久磁石22は、維持時コイル20に発生する磁界と逆向きの磁界を発生し、一次コイル20に充電できるエネルギ量を増やし、二次コイル23で発生する二次電圧V2を高くしている。
中心コア21、外周コア22には、水アトマイズ法により略球状に形成された磁性材料粉末にフッ素樹脂やシリコン樹脂等の耐熱性絶縁被覆を施して圧縮成形した、いわゆる圧粉コアと、珪素鋼板を積層した、いわゆる積層コアとのいずれを用いて良い。
特に、圧粉コアは、積層コアに比べ表面が平滑であるので、巻線体を中心コア21に直接巻回でき、点火コイル2の体格を小さくできる。加えて、磁性粉末粒子が個々に絶縁被覆されているので、磁極の方向がランダムとなるので、永久磁石220を着磁する際に、中心コア21や外周コア22が一緒に着磁され難く、磁気回路特性への影響を少なくできる。
点火コイル2の一次コイル20の上流側は、第2の電源用配線経路200及び、一次コイル渡線201を介して、コイル用雄電源端子金具50に接続され、さらに、一次コイル20の上流側で分岐して、二次コイル23の上流側に接続され、一次コイル20の下流側は、イグナイタ1のコレクタ端子cに接続され、二次コイル23の下流側は、出力線231を介して、出力端子25に接続されている。
また、二次コイル23の上流側又は下流側のいずれか一方に、点火コイル2への通電初期に点火プラグで飛火してしまうオン飛火現象を防止するための整流素子24が載置されている。
出力端子25は、図略の雑音防止抵抗、プラグキャップ等を介して、点火プラグに接続される。
本実施形態においては、第1の電源雄端子金具30と第2の電源雄端子金具50とが、一つの電源用雌端子金具70と接続可能なように、従来の電源用雄端子金具を2つに分割したような形状となっている。
ここで、図3を参照して、点火装置6の組み付け手順について簡単に説明する。
内部にスイッチング素子10,駆動回路11、保護回路12を収容し、リードフレークを引き出ししたイグナイタ1と、中心コア21に一次コイル20を巻回し、さらにスプール221を介して2次コイル23を巻回したものと、雄コネクタ33との所定の配線経路を接続して絶縁体13を介してこれらを一体的に保持する。
次いで、磁石素体220を所定の位置に収容し、これらを外周コア22内に組み付けて、中心コア21、一次コイル20、二次コイル23、外周コア22、磁石素体220が所定の位置に配設され点火コイル2を構成し、イグナイタ1,雄コネクタ33と一体となった状態とする。さらに、これらを収容部4内に挿入し、出力端子25を接続する。収容部4内に熱硬化性樹脂41を充填する。
このように未着磁の状態で磁石素体220を点火コイル2内に収容し、収容部4を樹脂によって封止するので、磁力によって内部に鉄粉等が侵入する虞がない。
この状態で、後述する着磁工程において、磁石素体220に着磁させると、点火装置6を完成させることができる。
電源用雌端子金具70、点火信号用雌端子金具71、接地用雌端子金具72は、雄コネクタ33と雌コネクタ73とを嵌合したとき、一つの電源用雌端子金具70と半導体用電源雄端子金具30とコイル用雄端子金具50とが弾性的に接続状態となり、点火信号用雌端子金具71と点火信号用雄端子金具31とが弾性的に接続状態となり、接地用雌端子金具72と接地用雄端子金具32とが弾性的に接続された状態となる。
このような構成とすることにより、着磁する際には、保護回路12と点火コイル2とが閉回路を形成せず、ワイヤハーネス7を組み付けたときに、互いに分離独立した第1の電源雄端子金具30と第2の電源雄端子金具50とが共通の電源雌端子金具70によって接続状態となり、閉回路を形成する。
なお、本比較例において、上記実施例と同様の構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、対応する構成であって相違する部分には枝番としてzの符号を付した。
従来の点火装置6zでは、イグナイタ1zと点火コイル2zとが共通の電源用配線経路100z、200zを介して一の電源用雄端子金具30zに接続され、保護回路12zとスイッチング素子11zとが共通の接地用配線320zを介して一の接地用雄端子金具32zに接続されている。
このため、一次コイル20zに対して、保護回路12zに設けた半導体素子が並列に接続され、半導体スイッチング素子11zが直列に接続された状態となり、ワイヤハーネス7の雌コネクタ73と雄コネクタ33zとを嵌合していない状態でも、一次コイル20zと、スイッチング素子11zと、保護回路12zとによって閉回路を形成している。
着磁装置8は、中心が空洞となった空芯コイルによって構成され、内側に、未着磁の磁石素体220、220zを含む点火装置6、6zを載置し、空芯コイルに数kA〜数10kAといった極めて大きな電流を流し、空芯コイル内に強力な磁界を発生させ、磁石素体220、220zを透過する磁束によって磁石素体220に着磁させ永久磁石とする。
なお、本実施形態及び比較例においては、永久磁石の磁極の方向は単純なSNの2極となっているため、このような空芯コイルが着磁装置として用いられるが、永久磁石の形状が複雑で磁極の方向が複雑な場合には、その形状に合わせた着磁ヨークが用いられる。
本発明においては、少なくともコイル2(一次コイル20)と、コイル2(一次コイル20)に並列に接続された半導体素子を含む保護回路12と、永久磁石220とを具備する半導体装置6の製造において、半導体装置6として、使用時にはコイル2と半導体素子を含む保護回路12とで形成される閉回路を、着磁時には、開いた状態とする閉回路開放手段5を設けて、永久磁石220を未着磁の磁石素体(220)の状態で、コイル2と半導体素子を含む保護回路12とにより回路形成された半導体装置6内に組み付けた後、着磁コイル8内の所定の磁界内に載置して、磁石素体(220)の着磁を行う、組み付け後着磁工程を有する。
したがって、保護回路12に設けた半導体素子及び、一次コイル20の下流側に接続された半導体スイッチング素子11の誘導電流による破壊を招く虞がなく、磁石素体(220)を点火装置6内に組み付けた状態で永久磁石220とすることができる。
図6(b)に示すように、従来の点火装置6zでは、一次コイル20zと保護回路12zとは、共通の電源配線経路100z、200zを介して、共通の電源端子雄金具30zに接続され、共通の接地配線経路320zを介して共通の接地雄端子金具32zに接続されている。
このため、一次コイル20zと保護回路12zとが並列に接続された閉回路を形成しており、一次コイル20zに発生した誘導起電力によって保護回路12zと一次コイル20zの下流側に接続された半導体スイッチング素子11zに対して逆バイアスとなる方向に誘導電流が流れる。
着磁コイル8には、数kA〜数10kAの極めて大きな電流が流れ、強力な磁界が発生し、一次コイル20zに発生した誘導電圧によって流れる誘導電流も大きく、保護回路12zに設けたアバランシェダイオード等の半導体素子及び半導体スイッチング素子11zの許容電流を超え、素子の破壊に至る虞がある。
上記実施形態においては、閉回路開放手段5として、電源の配線経路を分離すべく、第1の電源配線経路100と第2の電源配線経路200とを分離独立し、それぞれを第1の電源雄端子30と第2の電源雄端子50とに接続したが、本発明においては、電源配線経路を分離するのではなく、接地配線経路を分離しても良く、さらに、電源配線経路と接地配線経路との両方を分離しても良い。
本図(b)に示す、点火装置6bでは、第1の電源配線経路100と第2の電源配線経路200と第1の接地配線経路320aと第2の接地配線経路501aとの両方を分離独立して設け、それぞれ、分離独立して設けた第1の電源雄端子金具30、第2の電源雄端子金具50、第1の接地雄端子金具32a、第2の接地雄端子金具50aに接続されている。
いずれの構成においても上記実施形態と同様の効果が発揮される。また、上記実施形態においては、いずれも、ワイヤハーネス7として、従来の点火装置6zに用いるものと同様の信号線(700、710、720)の数に応じた雌端子金具(70、71、72)を有するものを使用することができる。
少なくともコイル2(一次コイル20)と半導体素子(保護回路12)と永久磁石220とを含む半導体装置(点火装置6c)であって、使用時には、コイル2(一次コイル20)と半導体素子(保護回路12)とが並列に接続された閉回路を形成し、未着磁の磁石素体(220)を装置6c内に組み付けた後に磁石素体(220)を着磁する際には、コイル2(一次コイル20)と半導体素子(保護回路12)とが閉回路を形成しないよう閉回路を開いた状態とする閉回路開放手段5cとして、コイル2(一次コイル20)と半導体素子(保護回路12)とのそれぞれに接続する第2の電源雄端子50c及び第1の電源雄端子30cによって構成し、外部に設けた電源(+B)及び接地(GND)との接続を図るコネクタ73c内に設けた第1の電源雌端子70c、第2の電源雌端子51cを一の電源入力線700と結合してある。
また、上記実施形態と同様、接地側を分離独立する構成としても良い。本実施形態においても上記実施形態と同様の効果を発揮できる。
自己診断信号DIは、自己診断信号線740を介して外部のエンジン電子制御装置に伝達される。
上記実施形態においては、点火コイル2の一次コイル20と半導体素子を含む保護回路12とによって形成される閉回路を開放するための閉回路開放手段5、5a〜5dとして、点火コイル2及び半導体素子を含む保護回路12のそれぞれに接続した電源配線経路と接地配線経路とのいずれか一方、又は、両方を分離独立させることによって閉回路を開放する方法を示したが、本実施形態においては、閉回路開放手段5eとして、点火コイル2に発生する誘起電圧を検出して閾値判定する誘起電圧判定手段500と、誘起電圧判定手段500の出力によって開閉駆動される半導体開閉素子510とを設けた点が相違する。
また、通常の使用においても、瞬間的に高いサージ電圧が発生する場合があるが、その場合には、上記誘起電圧判定手段の出力が瞬間的に高くなる虞があるが、サージ電圧の発生時間は極めて短く、上記半導体開閉素子を作動させるには至らず、通常の使用の場合と同様、上記閉回路が閉じた状態を維持し、上記半導体装置本来の回路が維持される。
例えば、永久磁石を界磁として含むモータと、半導体素子を含むドライバとを一体化したドライバ付きモータ等に本発明を適用することができる。
10 駆動回路素子(MIC)
11 半導体スイッチング素子(IGBT)
12 保護回路
13 絶縁体
100 駆動回路電源入力経路
2 点火コイル
20 一次コイル
200 一次電源入力経路
201 一次コイル渡線
202 一次コイル下流経路
203 出力端子(コレクタ端子)
21 一次コア
22 外周コア
220 永久磁石(被着磁物)
23 二次コイル
231 二次電圧出力経路
24 二次電圧出力端子
301 第1の電源入力接続端子
311 点火信号入力接続端子
320 接地共通配線
321 接地接続端子
30 第1の電源入力端子金具
31 点火信号入力端子金具
32 接地端子金具
33 雄コネクタ(雄コネクタ筐体部)
4 収納部
40 熱硬化樹脂
41 筐体
42 結合部
5 第2の電源電圧供給路(閉回路開放手段)
50 第2の電源入力端子金具
501 第2の電源入力接続端子
6 点火装置(半導体装置)
7 ワイヤハーネス
70 電源雌端子金具
71 点火信号雌端子金具
72 接地雌端子金具
700 電源供給導線
710 点火信号導線
720 接地導線
73 雌コネクタ
8 着磁装置(空芯コイル)
Claims (5)
- 少なくともコイルと半導体素子と永久磁石とを含む半導体装置であって、
使用時には、上記コイルと上記半導体素子とが並列に接続された閉回路を形成し、未着磁の磁石素体を装置の内側に組み付けた後に該磁石素体を着磁する際には、上記閉回路を開いた状態とする閉回路開放手段として、
上記コイルと上記半導体素子とのそれぞれに接続する電源配線経路、又は、接地配線経路のいずれか一方、又は、両方を、それぞれ分離独立した複数の雄端子金具に接続して、上記半導体装置に設けた雄コネクタの内側に収容・固定すると共に、
外部の電源配線経路及び接地配線経路のそれぞれに接続した一の雌端子金具を上記雄コネクタに嵌合する雌コネクタの内側に収容・固定し、上記雌雄のコネクタの嵌合により、上記複数の雄端子金具と一の雌端子金具とを接続せしめることを特徴とする半導体装置。 - 少なくともコイルと半導体素子と永久磁石とを含む半導体装置であって、
使用時には、上記コイルと上記半導体素子とが並列に接続された閉回路を形成し、未着磁の磁石素体を装置の内側に組み付けた後に該磁石素体を着磁する際には、上記閉回路を開いた状態とする閉回路開放手段として、
上記コイルと上記半導体素子とのそれぞれに接続する電源配線経路、又は、接地配線経路のいずれか一方、又は、両方を、それぞれが絶縁状態で分離独立した複数の雄端子金具に接続して、上記半導体装置側に設けた雄コネクタの内側に収容・固定すると共に、
上記雄コネクタに嵌合する雌コネクタの内側に収容・固定した複数の雌端子金具と、外部の一の電源配線経路、及び、一の接地配線経路とを上記雌コネクタの内側で接続し、上記雌雄のコネクタの嵌合により、上記複数の雄端子金具と上記複数の雌端子金具とを接続せしめることを特徴とする半導体装置。 - 少なくともコイルと半導体素子と永久磁石とを含む半導体装置であって、
使用時には、上記コイルと上記半導体素子とが並列に接続された閉回路を形成し、未着磁の磁石素体を装置の内側に組み付けた後に該磁石素体を着磁する際には、上記閉回路を開いた状態とする閉回路開放手段として、
上記コイルに発生する誘起電圧を検出し、該検出電圧が所定の閾値以上の場合には、ハイ出力し、閾値より低い場合には、ロー出力して、上記誘起電圧を閾値判定する誘起電圧判定手段と、
該誘起電圧判定手段の出力を駆動源とし、上記半導体素子に直列に接続した半導体開閉素子とを具備し、
上記半導体開閉素子が、上記誘起電圧が所定の閾値電圧以上で所定の閾値時間以上継続する場合には、上記閉回路を開き、
上記誘起電圧が所定の閾値より低い場合、又は、所定の閾値以上であっても、所定の時間より短い場合には、上記閉回路を閉じるようにしたことを特徴とする半導体装置。 - 上記半導体装置が、内燃機関の運転状況に応じて電子制御装置から発信される点火信号にしたがって、内燃機関の点火をすべく、点火プラグへの高電圧の印加を制御する点火装置であって、略柱状の中心コアの外周に巻線体を巻回した一次コイルとその外周に絶縁体を介して巻線体を巻回した二次コイルとその周囲を覆う外周コアと、上記中心コアと上記外周コアとによって形成される磁気回路特性の向上を図るべく永久磁石を配設した点火コイルと、該点火コイルの一次コイルに接続され、該一次コイルへの通電と遮断とを切り換える半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子を点火信号にしたがって開閉する駆動回路と、該駆動回路を保護すべく、上記点火コイルに対して並列に接続した半導体素子を含む保護回路とを具備する請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装置。
- 少なくとも、コイルと、該コイルに並列に接続された半導体素子と、永久磁石とを具備する半導体装置の製造方法であって、
該半導体装置が、使用時には閉回路を形成する上記コイルと上記半導体素子とが、着磁時には、閉回路を形成しないよう閉回路を開いた状態とする閉回路開放手段を具備し、
上記永久磁石を未着磁の磁石素体の状態で、上記コイルと上記半導体素子により回路形成された半導体装置の内側に組み付けた後、
所定の磁界内に載置して、上記磁石素体の着磁を行う、組み付け後着磁工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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