JP6251628B2

JP6251628B2 - 制御装置

Info

Publication number: JP6251628B2
Application number: JP2014088943A
Authority: JP
Inventors: 熊澤　真治; 真治熊澤; 戸田　聡; 聡戸田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: JP2015207962A; EP2957762B1; KR20150122595A; EP2957762A1; KR101766953B1

Description

本発明は、半導体スイッチを含むＩＣパッケージ等がプリント基板上に配置された制御装置に関する。

特許文献１には、グロープラグ等の自動車のヒータエレメントを駆動するためのトランジスタスイッチと、トランジスタスイッチを制御する制御回路とを含む制御装置が開示されている。この制御装置では、トランジスタスイッチのハイサイド（高電圧側）とローサイド（低電圧側）の少なくとも一方に、限界温度を超えると接触接続が解除される過熱防止エレメントが設けられている。過熱防止エレメントは、ハンダ付けによって導電部材の間の電気的接続が形成された構成を有しており、この電気的接続部にバネ力等の機械的な応力が付与されている。限界温度を超えるとハンダが溶融し、電気的接続がバネ力に応じて解除される。

特許文献１の技術によれば、トランジスタスイッチやその制御回路に故障が発生して制御装置が高温になると、過熱防止エレメントにおける電気的接続が解除されるので、制御装置が過熱することを防止できる。

特表２００８−５３０７２７号公報

本願の発明者は、半導体スイッチ（トランジスタ）が故障すると、その発熱によってプリント基板の絶縁層が過熱し炭化して導体パターン同士を短絡させ、過熱防止エレメントが機能しても、大きな電流リークが発生してしまうという問題があることを発見した。従来は、このような課題が十分に認識されていないのが実情であった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の配線層を有する多層のプリント基板上に、抵抗性負荷を駆動するための半導体スイッチを含むＩＣパッケージであるスイッチＩＣが配置された制御装置が提供される。この制御装置において、前記プリント基板の前記Ｎ個の配線層の中で前記スイッチＩＣが実装されている表面から数えてＭ個（Ｍは２以上Ｎ以下の整数）の配線層と、前記スイッチＩＣとを前記プリント基板の厚み方向に投影して見たときに、前記半導体スイッチのダイと重なる領域に、（ｉ）前記半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターンが存在し、（ｉｉ）シグナルグランド接続配線パターンと、前記半導体スイッチのローサイドの電流経路パターンとが存在しない、ことを特徴とする。
この構成によれば、半導体スイッチの故障による発熱によってプリント基板の絶縁層が炭化した場合に、半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターンと、シグナルグランド接続配線パターン及び半導体スイッチのローサイドの電流経路パターンとの間が短絡しないので、大きな電流リークの発生を抑制することができる。

（２）上記制御装置において、前記プリント基板の前記Ｍ個の配線層と前記スイッチＩＣとを前記プリント基板の厚み方向に投影して見たときに、前記半導体スイッチのダイと重なる領域に、前記半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターンとは電位が異なる他の配線パターンも存在しないものとしてもよい。
この構成によれば、半導体スイッチの故障による発熱によってプリント基板の絶縁層が炭化した場合に、半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターンと他の配線パターンとの間に大きな電流が流れる不具合を更に抑制できる。

（３）上記制御装置において、前記プリント基板の前記Ｍ個の配線層と前記スイッチＩＣとを前記プリント基板の厚み方向に投影して見たときに、前記半導体スイッチのダイと重なる領域に、前記半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターン以外の配線パターンが存在しないものとしてもよい。
この構成によれば、半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターンと他の配線パターンとの間に大きな電流が流れる不具合を更に抑制できる。

（４）上記制御装置において、整数Ｍは、前記整数Ｎに等しいものとしてもよい。
この構成によれば、半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターンと他の配線パターンとの間に大きな電流が流れる不具合を更に抑制できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、制御装置、制御装置の製造方法、電子部品の配置方法等の形態で実現することができる。

一実施形態としての制御装置の平面図。制御装置の回路構成を示すブロック図。プリント基板の上から４層の配線パターンの一部を示す説明図。実施形態と比較例の多層配線パターンの断面を比較して示す模式図。実施形態と比較例において炭化部が形成された場合を比較して示す模式図。制御装置の他の回路構成の例を示すブロック図。

図１は、本発明の一実施形態としての制御装置１００を示す平面図である。この制御装置１００は、自動車用の抵抗性負荷（例えばグロープラグ）を制御するための装置として構成されている。この制御装置１００は、プリント基板１５０上に、電源回路１１０と、コントローラＩＣ１２０と、２つのスイッチＩＣ１３０と、温度ヒューズ１４０とが配置された構成を有する。温度ヒューズ１４０は、２つのスイッチＩＣ１３０の間に挟まれた位置に配置されている。なお、制御装置１００は、これら以外の電子部品や、配線パターン、及び、各種の端子を有しているが、図１では図示が省略されている。

電源回路１１０とコントローラＩＣ１２０とスイッチＩＣ１３０とは、いずれもＩＣパッケージで構成された電子部品である。また、図１の例では、４種類の部品１１０，１２０，１３０，１４０は、表面実装型のパッケージとして構成されている。スイッチＩＣ１３０は、半導体スイッチを含むＩＣパッケージである。但し、スイッチＩＣ１３０としては、半導体スイッチ（例えばＦＥＴ）の他に、半導体スイッチの制御回路（例えばＦＥＴゲート駆動回路）や過熱保護回路を含むＩＰＤ（Intelligent Power Device）と呼ばれるＩＣパッケージを利用することが好ましい。

図１の例において、温度ヒューズ１４０の長手方向の寸法はＬ１であり、短手方向（幅方向）の寸法はＷ１である。また、スイッチＩＣ１３０の長手方向の寸法はＬ２であり、短手方向（幅方向）の寸法はＷ２である。更に、通常はＬ１＜Ｌ２及びＷ１＜Ｗ２である。これらの寸法は、それぞれのパッケージのモールド部とリード線の両方を含む全体の外形に対する値である。

図２は、図１に示した制御装置１００の回路構成を示すブロック図である。プリント基板１５０上には、電源入力端子１５１と、負荷接続端子１５２と、シグナルグランド端子１５３とが設けられている。電源入力端子１５１には、外部のバッテリ２００から一定の外部電源電圧Ｖｂ（直流電圧）が与えられる。この外部電源電圧Ｖｂは、外部電源供給用の配線パターン１６１を介して、電源回路１１０と温度ヒューズ１４０とに供給される。

電源回路１１０は、外部電源電圧Ｖｂから、コントローラＩＣ１２０やスイッチＩＣ１３０内の制御回路（図示せず）に供給する制御電源電圧Ｖｃを作り出す。この制御電源電圧Ｖｃは、電源供給用の配線パターン１７１を介してプリント基板１５０上に配置された各種の制御回路に供給される。コントローラＩＣ１２０を含む各種の回路は、シグナルグランド用の配線パターン１７２を介して、プリント基板１５０のシグナルグランド端子１５３に電気的に接続されている。この配線パターン１７２は、各種の回路をシグナルグランドＳＧに接続するための配線であり、「シグナルグランド接続配線１７２」とも呼ぶ。シグナルグランド接続配線１７２は、シグナルグランドＳＧとシグナルグランド接続配線１７２との間に受動素子や能動素子が存在せず、インピーダンスを無視し得る配線パターンのみを介してシグナルグランドＳＧに接続されている配線である。シグナルグランド端子１５３は、プリント基板１５０内又はプリント基板１５０外のシグナルグランドＳＧに接続されている。なお、シグナルグランドＳＧがプリント基板１５０内に設けられた配線パターンによって実現されている場合には、シグナルグランド端子１５３は省略してもよい。また、シグナルグランド接続配線１７２自身が、シグナルグランドＳＧとして機能する大きな配線パターンとして構成されていてもよい。

温度ヒューズ１４０の出力端子は、電流経路用の第１の配線パターン１６２を介して、２つのスイッチＩＣ１３０の電流入力端子に電気的に接続されている。この配線パターン１６２は、スイッチＩＣ１３０内の半導体スイッチ１３１のハイサイド（高電圧側）の電流経路パターンに相当する。２つのスイッチＩＣ１３０の電流出力端子は、電流経路用の第２の配線パターン１６３を介して、プリント基板１５０の負荷接続端子１５２に電気的に接続されている。この配線パターン１６３は、スイッチＩＣ１３０内の半導体スイッチ１３１のローサイド（低電圧側）の電流経路パターンに相当する。負荷接続端子１５２は、自動車の抵抗性負荷３００（例えばグロープラグ）の入力端子に接続され、抵抗性負荷３００の出力端子は接地されている。この構成では、スイッチＩＣ１３０の半導体スイッチ１３１は、抵抗性負荷３００をハイサイド駆動するために使用されている。なお、スイッチＩＣ１３０を、３つ以上並列に設けてもよい。

コントローラＩＣ１２０は、制御信号Ｓｖ１，Ｓｖ２を２つのスイッチＩＣ１３０に供給することによって、２つの半導体スイッチ１３１のオン／オフを制御し、これに応じて抵抗性負荷３００のオン／オフを制御する。なお、スイッチＩＣ１３０が半導体スイッチ１３１を制御するためのＦＥＴゲート駆動回路を含んでいる場合には、コントローラＩＣ１２０から与えられる制御信号Ｓｖ１，Ｓｖ２は、ＰＷＭ制御のデューティを示す信号としてもよい。

温度ヒューズ１４０は、スイッチＩＣ１３０の過熱を防止するための受動素子１４１を含む過熱防止部品である。何等かの故障又は不具合によってスイッチＩＣ１３０の温度が過度に上昇すると、温度上昇に応じて温度ヒューズ１４０内の電気的接続が切断されて、電流を遮断する。スイッチＩＣ１３０から温度ヒューズ１４０への熱伝導は、主としてスイッチＩＣ１３０と温度ヒューズ１４０との間の配線パターン１６２を介して行われる。温度ヒューズ１４０の受動素子１４１としては、例えば、受動素子１４１の電気接点を接合しているハンダが温度上昇に応じて溶融した時に、バネ等の機械的応力を利用して電気接点が解放される構造を有するものを利用することが可能である。機械的応力を発生するバネとしては、コイルバネなどを利用可能である。但し、図２では、図示の便宜上、温度ヒューズ１４０の受動素子１４１を単なる溶融ヒューズとして描いている。なお、本実施形態では、制御装置１００の抵抗性負荷３００としてグロープラグを用いているので、温度ヒューズ１４０としてはグロープラグ用の大電流を流すことが可能なものを使用することが好ましい。具体的には、例えば、温度ヒューズ１４０の遮断電流（又は最大突入電流）を２００Ａ以上とすることが好ましい。こうすれば、１つの温度ヒューズ１４０を用いて、複数のスイッチＩＣの過熱を防止することが可能である。

図３は、プリント基板１５０のうちの上から４層の配線層Ｌ１〜Ｌ４の一部を示す説明図である。プリント基板１５０は多層基板であり、複数の配線層を有している。図３（Ａ）は、最上層の配線層Ｌ１の中で、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２（図２）のみを描いたものである。図３（Ａ）には更に、半導体スイッチ１３１のダイ１３２（すなわち半導体チップ）を投影した形状がハッチング付きで描かれている。図３（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）も、同様に、上から第２層目、第３層目、第４層目の配線層Ｌ２〜Ｌ４における配線パターン１６２とダイ１３２とを描いている。なお、第５層以下は省略されているが、第５層目以下の配線層もほぼ同様である。また、図３（Ａ）〜（Ｄ）において、層同士を接続するビアの図示は省略されている。なお、図３（Ａ）〜（Ｄ）は、スイッチＩＣ１３０とプリント基板１５０の配線層Ｌ１〜Ｌ４とをプリント基板１５０の厚み方向に投影して見たときの位置関係を示したものに相当する。これらの図から理解できるように、半導体スイッチ１３１のダイ１３２の下方には、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２のみが設けられており、他の配線パターンが設けられていないことが好ましい。

図４は、実施形態と比較例の多層配線パターンの断面を比較して示す模式図である。図４（Ａ）は、図３（Ａ）〜（Ｄ）に示した４層分の配線層Ｌ１〜Ｌ４の５−５断面を示している。但し、図４の各部の寸法は正確なものでは無く、図３とは厳密には一致していない。特に、プリント基板１５０の厚み方向の寸法は、実際よりも大きなサイズに誇張されて描かれている。また、図４（Ａ）、（Ｂ）においても、層同士を接続するビアの図示は省略されている。図４（Ａ）に示す実施形態では、プリント基板１５０の多層の配線層Ｌ１〜Ｌ４において、スイッチＩＣ１３０の半導体スイッチ１３１のダイ１３２の下方には、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２のみが設けられており、他の配線パターンは設けられていない。一方、図４（Ｂ）に示す比較例では、プリント基板１５０ａの多層の配線層Ｌ１〜Ｌ４において、半導体スイッチ１３１のダイ１３２の下方に、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２が設けられているばかりで無く、他の２種類の配線パターン１６３，１７２も設けられている。配線パターン１６３は、スイッチＩＣ１３０のローサイドの配線パターンであり、配線パターン１７２はシグナルグランド接続配線パターンである。これらの２種類の配線パターン１６２，１７２がダイ１３２の下方に配置されている場合には、以下のような不具合が発生する可能性がある。

図５は、図４に示した実施形態及び比較例において、１つのスイッチＩＣ１３０（右側のスイッチＩＣ１３０）の半導体スイッチ１３１に故障が発生して、プリント基板１５０の絶縁層が過熱し炭化することによって、炭化部ＣＮが形成された状態を示している。図５（Ａ）に示す実施形態では、半導体スイッチ１３１のダイ１３２の下方には、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２のみが設けられているので、絶縁層に炭化部ＣＮが形成された場合にも、配線パターン１６２同士が電気的に接続されるだけであり、大きな問題は発生しない。一方、図５（Ｂ）に示す比較例では、右側の半導体スイッチ１３１のダイ１３２の下方に、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２のみで無く、シグナルグランド接続配線パターン１７２も設けられている。従って、絶縁層に炭化部ＣＮが形成された場合には、配線パターン１６２，１７２が短絡してしまい、過大な電流が発生してしまう可能性がある。

なお、図５（Ｂ）の比較例において、左側のスイッチＩＣ１３０が故障してその下方の絶縁層に炭化部ＣＮが形成された場合には、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２とローサイドの配線パターン１６３とが短絡してしまう可能性がある。この場合には、半導体スイッチ１３１（図２）を制御してオフ状態としても、抵抗性負荷３００に流れる大電流を遮断することができないという不具合が発生し得る。

このように、本実施形態では、半導体スイッチ１３１のダイ１３２の下方には、シグナルグランド接続配線パターン１７２及び半導体スイッチ１３１のローサイドの配線パターン１６３が設けられておらず、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２が設けられているので、絶縁層に炭化部ＣＮが形成された場合にも、これらの配線パターンの間に大きな電流リークが発生するという不具合を抑制することが可能である。

なお、図３でも説明したように、不要な電流リークを防止するという意味では、半導体スイッチ１３１のダイ１３２の下方に、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２のみを設け、他の配線パターンを全く設けないことが最も好ましい。但し、半導体スイッチ１３１のダイ１３２の下方に、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２以外の他の配線パターンを設けることが許容できる場合がある。例えば、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２との電位差が小さい他の配線パターンであれば、炭化部ＣＮの発生によって半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２と短絡したとしても、現実的には大きな問題とならず許容できる場合があり得る。この意味では、半導体スイッチ１３１のダイ１３２の下方に、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２とは電位が異なる他の配線パターンが存在しないことが好ましい。

また、プリント基板１５０の複数の配線層の中で、スイッチＩＣ１３０が実装されている面（「表面」と呼ぶ）とは反対側の面（「裏面」と呼ぶ））に近い数個の層においては、スイッチＩＣ１３０の故障によって炭化部ＣＮが形成される可能性は比較的小さい。従って、プリント基板１５０の裏面側に存在する複数の層に関しては、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２以外の他の配線パターンを設けることを許容してもよい。換言すれば、多層のプリント基板１５０のＮ個（Ｎは３以上の整数）の配線層の中で、スイッチＩＣ１３０が実装されている表面から数えてＭ個（Ｍは２以上Ｎ以下の整数）の配線層に関しては、シグナルグランド接続配線パターン１７２と、スイッチＩＣ１３０のローサイドの配線パターン１６３が存在せず、半導体スイッチ１３１のハイサイドの配線パターン１６２が存在するようにプリント基板１５０が構成されていることが好ましい。ここで、整数ＭはＮよりも小さくても良いが、ＭとＮとが等しいことが好ましい。

上述したダイ１３２と配線パターンとの間の各種の関係は、プリント基板１５０上に実装されたすべてのスイッチＩＣ１３０に関して成立することが好ましい。また、ダイ１３２の全周に亘る一定幅の周辺領域を包含する領域が、上述した配線パターンとの各種の関係を満たすことが好ましい。この理由は、ダイ１３２の周辺領域の下方においても、ダイ１３２の発熱によって炭化部ＣＮが形成される可能性があるからである。この「一定幅」は、少なくとも０．５ｍｍとすることが好ましく、３ｍｍとすることが更に好ましい。配線パターンの配置が制限されるダイ１３２の周辺領域の幅をこの程度の値に設定すれば、プリント基板１５０上における部品同士の間隔を十分に広く確保しつつ、炭化部ＣＮの形成による不具合の発生を抑制することが可能である。

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

・変形例１：
上記実施形態では、スイッチＩＣは、抵抗性負荷をハイサイド駆動するために用いていたが、抵抗性負荷をローサイド駆動するために用いてもよい。

・変形例２：
上記実施形態では、制御装置１００に温度ヒューズ１４０を使用していたが、温度ヒューズ１４０は省略してもよい。

・変形例３：
上記実施形態の制御装置１００では、バッテリ２００がスイッチＩＣ１３０の電流入力端子に接続されるとともにスイッチＩＣ１３０の電流出力端子が抵抗性負荷３００の入力端子に接続され、さらに、抵抗性負荷３００の出力端子が接地された回路構成を有している。しかしながら、回路構成としてはこれ以外の種々の回路構成を採用可能である。

図６は、制御装置の他の回路構成の例を示すブロック図である。この制御装置１００ａでは、バッテリ２００が抵抗性負荷３００の入力端子に接続されるとともに、抵抗性負荷３００の出力端子がスイッチＩＣ１３０の電流入力端子に接続され、更に、スイッチＩＣ１３０の電流出力端子が接地端子１５４を介して接地された構成を有している。このような制御装置１００ａの場合には、スイッチＩＣ１３０の半導体スイッチ１３１のダイ１３２と重なる領域には、半導体スイッチ１３１のローサイドの電流経路パターンのみが存在するようにプリント基板１５０の配線パターンが形成されていることが好ましい。

１００…制御装置
１０２…電源入力端子
１１０…電源回路
１２０…コントローラＩＣ
１３０…スイッチＩＣ
１３１…半導体スイッチ
１３２…ダイ（半導体チップ）
１４０…温度ヒューズ
１４１…受動素子
１４２…リード線
１５０…プリント基板
１５１…電源入力端子
１５２…負荷接続端子
１５３…シグナルグランド端子
１５４…接地端子
１６１，１６２，１６３…配線パターン
１７１…配線パターン
１７２…シグナルグランド接続配線パターン
２００…バッテリ
３００…抵抗性負荷

Claims

Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の配線層を有する多層のプリント基板上に、抵抗性負荷を駆動するための半導体スイッチを含むＩＣパッケージであるスイッチＩＣが配置された制御装置であって、
前記プリント基板の前記Ｎ個の配線層の中で前記スイッチＩＣが実装されている表面から数えてＭ個（Ｍは２以上Ｎ以下の整数）の配線層と、前記スイッチＩＣとを前記プリント基板の厚み方向に投影して見たときに、
前記半導体スイッチのダイと重なる領域に、
（ｉ）前記半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターンが存在し、
（ｉｉ）シグナルグランド接続配線パターンと、前記半導体スイッチのローサイドの電流経路パターンとが存在しない、
ことを特徴とする制御装置。
請求項１に記載の制御装置であって、
前記プリント基板の前記Ｍ個の配線層と前記スイッチＩＣとを前記プリント基板の厚み方向に投影して見たときに、
前記半導体スイッチのダイと重なる領域に、前記半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターンとは電位が異なる他の配線パターンも存在しないことを特徴とする制御装置。
請求項２に記載の制御装置であって、
前記プリント基板の前記Ｍ個の配線層と前記スイッチＩＣとを前記プリント基板の厚み方向に投影して見たときに、
前記半導体スイッチのダイと重なる領域に、前記半導体スイッチのハイサイドの電流経路パターン以外の配線パターンが存在しないことを特徴とする制御装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の制御装置であって、
前記整数Ｍは、前記整数Ｎに等しいことを特徴とする制御装置。