JP5683777B2 - 高電圧航空機イグニションシステム用スイッチング組立体、およびスイッチング組立体 - Google Patents

Description

この発明は一般にスイッチング組立体に関する。より特定的には、この発明は、航空機イグニションシステムといった高電圧回路で使用されるスイッチング組立体に関する。

発明の背景
高電圧回路で使用されるスイッチは、電流漏洩なく高電圧を維持することができなければならない。したがって、スイッチがそれを通る電流を漏洩することなく扱うことができる電圧を最大にするために考慮すべき物理的パラメータがある。米国特許第５，５９２，１１８号にはパルスパワーサイリスタ（ＰＰＴ）半導体スイッチング装置が開示されており、それは、漏洩を制御するようスイッチの縁を機械的に面取りすることにより、その縁を越える電流漏洩を制御するよう設計されている。ＰＰＴスイッチの縁はサンドブラストまたは鋸切断によって面取り可能であり、面取りされた縁は次に化学エッチングによって滑らかにされ得る。表面漏洩を低減させるために、ポリイミド膜または他の誘電体層が面取りされた面に施される。

発明の概要
この発明の一局面によれば、高電圧航空機イグニションシステム用スイッチング組立体が提供される。このスイッチング組立体は、陽極パッドを支持する基板と、陽極パッドに接続された半導体装置と、組立体への電気的接続のための複数のリードと、半導体装置およびリードの少なくとも一部を覆う注封とを備える。半導体装置は高電圧ゲートおよび陰極を有する。リードは、高電圧ゲートに電気的に接続された第１のリード、陰極に電気的に接続された第２のリード、および陽極パッドに電気的に接続された第３のリードを含む。

この発明の好ましい例示的な実施例を添付図面とともに以下に説明する。図中、同じ名称は同じ要素を示す。

好ましい実施例の詳細な説明
図１〜図４を参照して、スイッチ組立体の一実施例は概して１０で示される。スイッチ組立体は、その縁を越える電流漏洩を低減させるよう設計されている。加えて、スイッチ組立体１０は、実質的に自動化された組立ラインを用いて製造されるよう設計されてきた。スイッチング組立体１０を作製するための方法を次により詳細に説明する。

スイッチング組立体１０は、窒化アルミニウムセラミックのベースまたは基板１２を含む。図面では、セラミック基板１２は正方形であるよう示されている。セラミック基板１２が、スイッチ組立体１０が搭載される空間のパラメータに基づいて、必要なまたは望ましいあらゆる形を規定し得ることは、当業者であれば理解するはずである。セラミック基板１２には銅パッド１４が接合される。銅パッド１４は、従来の方法を用いてセラミック基板１２に接合される。

概して１６で示されるスイッチダイが、銅パッド１４にはんだ付けされている。スイッチダイ１６は、スイッチダイ１６の底に配置されたはんだ付け可能な陽極パッド１８を含む。陽極パッド１８は銅パッド１４にはんだ付けされ、それはリフローはんだ付けといった従来の手法により実行可能である。いくつかの実施例では銅パッド１４が陽極パッドとして作用可能であり、それにより別個の陽極パッド１８をスイッチダイ１６上に設ける必要がなくなる、ということは、当業者であれば理解するであろう。図示された実施例では、スイッチダイ１６は主として半導体フレーム２０を含み、陽極パッド１８はこの半導体フレーム２０の裏側に接合されている。半導体フレーム２０の上に搭載されているのはセラミックキャップ２１であり、それはその上側にゲートパッド２２と２つの陰極パッド２４とを有している。ゲートパッド２２は、２つの陰極パッド２４の間に配置されている。パッド２２、２４はすべて、互いに平行である。

概して２６で示されるリードフレームが、ゲートパッド２２および陰極パッド２４にはんだ付けされている。リードフレーム２６は、陰極パッド２４の各々用のパッド受け端子２８と、ゲートパッド２２用の単一のパッド受け端子３０とを含む。２つのパッド受け端子２８は、陰極ブリッジ３２を介して互いに電気的に接続される。ゲートパッド２２用の単一のパッド受け端子３０および陰極ブリッジ３２から上向きに延在しているのは、ゲート延在部３６および陰極延在部３４である。延在部３４、３６の遠位端は、リードフレームスペーサ３８によって接続されている。

同様に、パッド受け端子４０が陽極パッド１８にはんだ付けされている。陽極延在部４２が、陽極パッド１８用のパッド受け端子４０から上方に延在しており、最終的にはその遠位端でリードフレームスペーサ３８に接続されている。陽極パッド１８用のパッド受け端子４０は実際には、銅パッド１４にはんだ付けされている。陽極パッド１８が、スイッチダイ１６を越えて外側に延在するフランジを有するよう設計されているならば、陽極パッド１８用のパッド受け端子４０は銅パッド１４にではなく陽極パッド１８に直接はんだ付けされ得る、ということは、当業者であれば理解するはずである。パッド受け端子２８、３０、４０、延在部３４、３６、４２、およびリードフレームスペーサ３８はすべて、一体構造として作製されることが考えられる。

注封シェル４４が、銅パッド１４全体を囲むようにセラミック基板１２に固定される。部分カバー４６が、スイッチング組立体１０の一部の上方に延在している。陰極延在部３４、ゲート延在部３６、および陽極延在部４２は、部分カバー４６によって規定された開口部を通って、部分カバーを越えて外側に延在している。注封材料４８が注封シェル４４内に注ぎ込まれ、硬化するよう放置されて、スイッチング組立体１０をその中に封止する。注封材料４８が注封シェル４４内で硬化すると、延在部３４、３６、４２およびリードフレームスペーサ３８のみが目に見える。注封材料４８の硬化後、リードフレームスペーサ３８は延在部３４、３６、４２からプツッと切られる（snapped）かまたは除去され、陽極パッド１８、ゲートパッド２２および陰極パッド２４の各々に独立した電気的接続を提供する。

図５〜図７を参照して、スイッチダイ１６が概して示されている。スイッチダイ１６は、ゲートパッド２２および２つの陰極パッド２４がそれに接合された状態で示されている。半導体フレーム２０内には、複数のゲート５０および複数の陰極５２がある。複数のゲート５０および陰極５２は、そのドーピング段階中に半導体フレーム２０内に形成される。複数の陰極５２の各々は、複数のゲート５０のうちの２つによって包囲される。複数の陰極５２の各々と複数のゲート５０の各々とは、互いに隣接するよう配置され、互いに平行に延在している。複数のゲート５０および陰極５２は、ゲートパッド２２および２つの陰極パッド２４と垂直に延在している。図５の破断部分を通して示されている陰極５２のうちの３つに、溶接点５４が示されている。これらの溶接点は、上部セラミック層２１を通って上方に延在し、溶接点５６で陰極パッド２４に物理的に接続されている。ゲート５０も、上向きに延在してゲートパッド２２に物理的に接続されている溶接点５４を含む。
破断されていない陰極パッド２４とゲートパッド２２とは、パッド２２、２４がゲート５０および陰極５２とそれぞれ接する、半導体フレーム２０を通る点を表わす溶接点５６を示している。

スイッチダイ１６は、ＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴデバイスに使用されているものと同様のセルラータイプ構造を用いて作製される。スイッチダイ１６は、深い拡散とは対照的な標準「平面」技術を用いており、縁の漏洩電流を低くかつ予測可能に保つ接合終端拡張「ＪＴＥ」手法を用いて製造される。セラミックキャップ２１とゲートパッド２２および陰極パッド２４とを有するスイッチダイ１６は、米国ペンシルバニア（Pennsylvania）州マルバーン（Malvern）のシリコンパワーコーポレイション（Silicon Power Corp.）（www.siliconpower.com）から入手可能であり、それはこの構成部品を、米国カリフォルニア（California）州サンホセ（San Jose）のミクレル社（Micrel Inc.）（www.micrel.com）から入手されるＪＴＥスイッチダイを用いて作成する。

完成したスイッチング組立体１０は、従来の手法を用いて回路基板に取付けられ、回路にはんだ付けされ得る。しかしながら、スイッチング組立体１０を、個別構成部品として用いるためのパッケージに注封し、それが次に端子延在部３４、３６、４２を介して回路基板にはんだ付けされることに加え、スイッチダイ１６の構成は、回路基板上のパッドに陽極を直接はんだ付けし、次にリード端子を用いてゲートパッド２２および陰極パッド２４を回路基板上の表面パッドに接続することにより、スイッチダイ１６が表面搭載デバイスとして回路基板上に直接搭載されることを可能にする。これを図８に示す。たとえばプラスチックで作られた封止リング６０を、スイッチダイ１６およびリード端子６４、６６を囲むように回路基板６２上に配置し、次に注封材料を封止リング内に注ぎ込んで、スイッチダイおよびリード端子を回路基板の直上の注封材料内に十分に埋込むことが可能である。回路基板上の他の構成部品と同様に、スイッチングダイは、たとえば装着機（pick and place machine）を用いて、自動化されたやり方で配置され、はんだ付けされ得る。

いずれの実施例においても、構成部品の注封は、スイッチダイ１６の特性にぴったり合うように低い熱膨張係数を有する注封材料を用いて実行され得る。たとえば、ヘンケル（Henkel） ハイソル（Hysol）（登録商標）ＦＰ４６５１およびハイソル（登録商標）ＦＰ４４５０ＬＶといった商業的に入手可能な注封材料が、この目的のために使用可能である。

スイッチング組立体１０は、低い漏洩電流が望ましいさまざまな高電圧用途において使用可能である。たとえばそれは、航空機タービンエンジン用の容量放電イグニションシステムといった航空機イグニションシステムにおいて有用である。ワイヤボンディングを介する代わりに、スイッチダイへのあらゆる接続用の図示されたリード端子を使用することは、スイッチング組立体が、非常に低いインダクタンス接続をスイッチダイに提供することにより、非常に高い電流スイッチングレート（ｄｉ／ｄｔ）を呈する能力に寄与するものと考えられる。リードフレーム２６で使用されるリード端子および延在部、ならびに図８に示すリード端子は、従来の打抜きおよび／または他の金属成形手法を用いて作ることができる。

前述の説明はこの発明の定義ではなく、この発明の１つ以上の好ましい例示的な実施例の説明であることが理解されるべきである。この発明は、ここに開示された特定の実施例に制限されておらず、むしろ特許請求の範囲によってのみ定義される。さらに、前述の説明に含まれる記述は特定の実施例に関連しており、用語または文言が上に明らかに規定されている場合を除き、この発明の範囲に対する、または特許請求の範囲で用いられる用語の定義に対する限定として解釈されるべきではない。さまざまな他の実施例、および開示された実施例へのさまざまな変更および修正は、当業者には明らかとなるであろう。たと
えば、セラミック１２に接合される銅パッド１４を用いる代わりに、メタルペーストがセラミックを覆ってもよく、それは次にオーブン硬化される。次にスイッチダイ１６が、通常のはんだ付け手法を用いてこの硬化したペースト上にはんだ付けされ得る。別の例として、完成した構成部品が図２Ａに示すような目に見える下側リップ部を持たないように、注封シェル４４の外径寸法は基板１２の外径寸法と同じであってもよい。さらに別の例として、図１〜図４に示すリード３４、３６および４２は、図示された三角構成ではなく、互いに沿って配向され得る。そのような他の実施例、変更および修正はすべて、添付された特許請求の範囲内に該当するよう意図されている。

本明細書および特許請求の範囲において使用されているように、「たとえば」、「などの」、「といった」という用語、および「備える」、「有する」、「含む」という動詞ならびにそれらの他の動詞形は、１つ以上の構成要素または他の項目の列挙とともに使用される場合、制約がないものとして、すなわち、その列挙が他の付加的な構成要素または項目を除外すると考えられるべきではないものとして、各々解釈されるべきである。他の用語は、異なる解釈を必要とする文脈で使用されていない限り、それらの最も広範な妥当な意味を用いて解釈されるべきである。

この発明に従って構築されたスイッチング組立体の一実施例の分解斜視図である。 部分的に組立てられた状態での図１のスイッチング組立体の斜視図である。 組立体の構成部品の注封前の図１のスイッチング組立体の斜視図である。 注封後の図１のスイッチング組立体の斜視図である。 図１の完成したスイッチング組立体の斜視図である。 図１のスイッチング組立体に使用されたスイッチダイの部分破断上面図である。 スイッチダイの側面図である。 スイッチダイの斜視図である。 この発明の第２の実施例の部分斜視図であり、スイッチング組立体が回路基板上に直接表面実装され、次に所定の場所で注封されている図である。

符号の説明

１０ スイッチング組立体、１２ セラミック基板、１６ スイッチダイ、１８ 陽極パッド、２０ 半導体フレーム、２２ ゲートパッド、２４ 陰極パッド、２６ リードフレーム、３４ 陰極延在部、３６ ゲート延在部、４２ 陽極延在部、４８ 注封材料、５０ ゲート、５２ 陰極。

Claims (8)

1. 高電圧航空機イグニションシステム用スイッチング組立体であって、前記スイッチング組立体は、
   基板と、
   前記基板によって支持される陽極パッドと、
   前記陽極パッドに接続された半導体装置とを備え、前記半導体装置は高電圧ゲートおよび陰極を有し、前記スイッチング組立体はさらに、
   前記高電圧ゲートに電気的に接続された第１のリード、前記陰極に電気的に接続された第２のリード、および前記陽極パッドに電気的に接続された第３のリードを含む複数のリードと、
   前記リード、前記高電圧ゲート、前記陰極および前記陽極パッドの少なくとも一部を覆う注封とを備え、
   前記第１リードは、前記高電圧ゲートに接続され、前記注封に封入された第１パッド受け端子と、前記注封の外側に露出する第１延在部とを含み、前記第１パッド受け端子と前記第１延在部とは１つの部材からなり、
   前記第２リードは、前記陰極に接続され、前記注封に封入された第２パッド受け端子と、前記注封の外側に露出する第２延在部とを含み、前記第２パッド受け端子と前記第２延在部とは１つの部材からなり、
   前記第３リードは、前記陽極パッドに接続され、前記注封に封入された第３パッド受け端子と、前記注封の外側に露出する第３延在部とを含み、前記第３パッド受け端子と前記第３延在部とは１つの部材からなり、
   前記高電圧ゲートと前記第１のリードとを相互接続するゲートパッドをさらに備え、前記陰極と前記第２のリードとを相互接続する陰極パッドをさらに備え、
   前記陽極パッドは前記半導体装置の下側に配置され、前記ゲートおよび陰極パッドは前記半導体装置の上側に配置され、前記リードは前記上側から遠ざかって上向きに延在し、
   前記半導体装置は、半導体装置の裏側に接合された前記陽極パッドを有し、かつ前記半導体装置の上部に搭載されたセラミックキャップを有する前記半導体装置を含むスイッチダイを備え、前記ゲートパッドおよび陰極パッドは前記セラミックキャップ上に搭載され、
   前記陰極パッドは第１の陰極パッドであり、前記セラミックキャップは第２の陰極パッドをさらに含み、
   前記陰極パッドは双方とも前記第２のリードに接続されている、スイッチング組立体。
2. 前記基板は、前記基板の上面上に電気パッドを有するセラミック基板であり、前記陽極パッドは前記半導体装置に接合され、前記電気パッドにはんだ付けされており、前記第３のリードは前記電気パッドにはんだ付けされている、請求項１に記載のスイッチング組立体。
3. 高電圧航空機イグニションシステム用スイッチング組立体であって、前記スイッチング組立体は、
   セラミック基板と、
   前記セラミック基板に接合された陽極パッドと、
   複数のゲートおよび複数の陰極を含む半導体フレームを有するスイッチダイと、
   前記スイッチダイに接合され、前記複数のゲートに電気的に接続されているゲートパッドと、
   前記スイッチダイに接合され、前記複数の陰極に電気的に接続されている陰極パッドと、
   前記ゲートパッドにはんだ付けされた第１のリード、前記陰極パッドにはんだ付けされた第２のリード、および前記陽極パッドにはんだ付けされた第３のリードを含む複数の個々のリードを備え、高電圧航空機イグニションシステムと前記スイッチング組立体とを電気的に接続せしめるリードフレームと、
   前記スイッチダイを覆う注封とを備え、
   前記第１のリードは、前記ゲートパッドにはんだ付けされ、前記注封に封入された第１パッド受け端子と、前記注封の外側に露出する第１延在部とを含み、前記第１パッド受け端子と前記第１延在部とは１つの部材からなり、
   前記第２のリードは、前記陰極パッドにはんだ付けされ、前記注封に封入された第２パッド受け端子と、前記注封の外側に露出する第２延在部とを含み、前記第２パッド受け端子と前記第２延在部とは１つの部材からなり、
   前記第３のリードは、前記陽極パッドにはんだ付けされ、前記注封に封入された第３パッド受け端子と、前記注封の外側に露出する第３延在部とを含み、前記第３パッド受け端子と前記第３延在部とは１つの部材からなり、
   前記陽極パッドは前記スイッチダイの下側に配置され、前記ゲートパッドおよび前記陰極パッドは、前記スイッチダイの上側に配置され、前記リードは前記上側から遠ざかって上向きに延在し、
   前記スイッチダイは、前記複数のゲートおよび陰極の上方で前記半導体フレームに取付けられたセラミックキャップをさらに備え、前記ゲートパッドおよび前記陰極パッドは前記セラミックキャップの上面に取付けられ、それぞれのゲートおよび陰極とそれぞれ接続され、
   前記陰極パッドは第１の陰極パッドであり、前記セラミックキャップは第２の陰極パッドをさらに含み、
   前記陰極パッドは双方とも前記第２のリードに接続されている、スイッチング組立体。
4. 前記複数のゲートは前記スイッチダイ内に固定されている、請求項３に記載のスイッチング組立体。
5. 前記複数の陰極は前記スイッチダイ内に固定されている、請求項４に記載のスイッチング組立体。
6. 前記複数の陰極の各々は、前記複数のゲートのうちの２つに隣接して配置されている、請求項５に記載のスイッチング組立体。
7. 前記ゲートは、前記陰極と平行な方向に延在している、請求項６に記載のスイッチング組立体。
8. 前記ゲートパッドおよび前記陰極パッドは、前記複数のゲートおよび前記複数の陰極と垂直な方向に延在している、請求項７に記載のスイッチング組立体。

Images