JPH0869926A

JPH0869926A - 内燃機関用点火装置

Info

Publication number: JPH0869926A
Application number: JP6206340A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Oishi; 英俊大石; Noboru Sugiura; 登杉浦; Katsuaki Fukatsu; 克明深津; Norimi Urushibara; 法美漆原
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1996-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】点火コイルの中にイグナイタをビルトインする
タイプの点火システムの長寿命でかつ安価な構造を提供
する。【構成】点火コイルに内蔵されるイグナイタのパワース
イッチング素子マウント方法について、アンチモンを適
宣にブレンドしたはんだを用い接合する。又、その時の
はんだ厚みも、専用の突起を設けることで、安定的に確
保し傾き等の不具合を防止する。【効果】本発明によれば、点火システムの心臓部である
パワーチップの長寿命が安定的に図れるので、安価でか
つ信頼性の高い点火システムを構築できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関用の電子配電
式点火装置に係り、さらに詳しくは点火装置内蔵型点火
コイル用のパワートランジスタ部の積層構造に特徴のあ
る、電子配電式点火装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の点火装置は、点火コイルの一
次電流を断続制御するために用いられている。従来の技
術は、点火コイルに内蔵しているパワースッチングモジ
ュールの、熱的影響による寿命劣化に対して配慮がなさ
れておらず、また、徹底的なコスト削減にも配慮してい
なかった。本発明により、あらゆる点火システムに対応
する、長寿命低コスト形の内燃機関用の点火システムを
供給する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術は、点火コ
イルに内蔵するパワートランジスタユニットの、低コス
トでかつ、長寿命な構造を与えていなかった。そのた
め、ただでさえ熱的に非常に厳しい環境に内蔵するパワ
ートランジスタユニットが、破壊する可能性が大きかっ
た。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、点火コイルに内蔵するパワートランジスタユニット
の構造を、熱ストレスと振動環境でも長寿命を達成する
構造とする。各用途別に使い分け、ヒートシンク部金属
ベースにアースをとる必要のある点火システムならば、
ヒートシンクにダイレクトに、絶縁が必要ならば、アル
ミナやチッカアルミ，ベリリヤ等を介し、接合する。

【０００５】

【作用】点火コイルに内蔵されるパワートランジスタ
は、１次電流を断続することで発熱し、高温環境下での
使用では非常に高温になる。一般に半導体素子であるチ
ップは、使用動作温度を１５０℃以下としなくてはなら
ず、例えば、エンジンルームの雰囲気温度が１００℃程
度の高温になった場合、ヒートシンクは、例えばアルミ
や銅等の材料を使用することで、放熱効果を増大する。
また、チップを接合する構成を、応力を緩和するはんだ
により直接または、絶縁板を介し、接合する。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を説明上先ず、図１
〜図１５により説明し、その後図１８〜図３３の説明を
行う。説明は主に図１〜図９及び図１４〜図１５及び図
１８により行う。図９に示した基本回路は点火システム
の例を示した一実施例である。１次巻線１０と２次巻線
９を有する点火コイル１９において、前記１次巻線１０
は、一方はバッテリからの電源Ｂに接続され、他端は点
火コイル駆動用のパワースイッチング素子１３（ダーリ
ントントランジスタタイプとMOS−GETタイプが有る）に
接続されている。また、前記１次巻線１０に１次電流を
導通，遮断することで、前記２次巻線９に高電圧が発生
し、点火プラグ２４に導かれる。前記１次電流の制御
は、エンジンコントロールユニットからの信号がＡに入
力され、イグナイタ１８に搭載されている制御用回路基
板２０の制御回路部２２によって制御され、前記パワー
スイッチング素子１３を流れ、電流検出抵抗２３を流
れ、アースＣに流れたり、遮断したりする。今までの点
火システムは、前記点火コイル１９と、前記イグナイタ
１８とが別に１個のモジュールを成していたが、近年の
エンジンルームの狭小化等の理由から、最近では、前記
点火コイル１９の中に、前記イグナイタ１８がビルトイ
ンされる構造になりつつ有る。しかしながら、本方式で
は、前記パワースイッチング素子１３の発生する熱を、
効率良く放熱しなくては、前記パワースイッチング素子
１３の寿命が、極端に短くなってしまう問題が有り、各
社共本構造部には、苦慮している。従って、本発明のke
y point は、いかに寿命が高くなる点火システムを構築
する構造を提案するところである。前記イグナイタ１８
は、図３〜図８によって説明する。図３に示す前記イグ
ナイタ１８は、前記点火コイル１９の中にビルトインす
る為に開発した物の一実施例を示すが、構成部品は、モ
ジュールのヒートシンク兼、放熱ベース１は、箱型に成
形され、その内部に、前記制御用回路基板２０，前記パ
ワースイッチング素子１３が接合されている。前記制御
用回路基板は、シリコン系接着剤もしくは各種安価な接
着剤で接着され、前記パワースイッチング素子１３は、
アンチモンを適宣にブレンドしたはんだにより接合され
る。例えばアンチモンを５〜８％、Ｎｉを０.０〜０.８
％、リンを０.０〜０.１％残りをＳｎとするはんだであ
り、代表的なものがＳｎ−５Ｓｂ−０.６Ｎｉ−０.０５
Ｐはんだを用いる。又、前記パワースイッチング素子１
３は、それ自体の動作により発熱を繰り返すため、前記
ヒートシンク１との間に熱応力が生じ、歪みが生じる。
放熱効果のため、前記ヒートシンクを銅，アルミニウ
ム，鉄等に選定するが、例えば銅を選定した場合、銅の
線膨張係数αは、約１７×１０^-6／℃、前記パワースイ
ッチング素子１３は、αが３×１０^-6／℃程度であるの
で、その差は、Δα＝１４×１０^-6／℃にもなる。図８
に示すのは、前記パワースイッチング素子１３と、前記
ヒートシンク１を前記アンチモンブレンドはんだ１４で
接合した一実施例であるが、その前記アンチモンブレン
ドはんだ１４により、前記Δαの影響で生じる歪みを吸
収するようにしなくてはいけない。ここに生じる歪みの
定義式は、

【０００７】

【数１】

【０００８】で与えられる。

【０００９】ここに、ε：歪みＴ：はんだ厚みＴＥ
ＭＰ：温度変化値Ｌ：素子の大きさ β：はんだ定数よって、Δα，ＴＥＭＰ，Ｌが一定値であるならば、は
んだ厚Ｔが厚くなれば歪みが低くなる。又、はんだ定数
βは、はんだが持つ固有の値であり、はんだのブレンド
率等により異なり、対歪み吸収率とも言い換えることが
できる定数であり、本βが小さくなる様なはんだ材を選
定することも、歪み低下の大きな要因となる。例えば、
一般的なＰｂ：Ｓｎ＝９０：１０はんだに比べて、本ア
ンチモニはんだのβは対歪み吸収率が良く、Ｔが一定で
もβが小さくなることが実験、ＣＡＥ(Computer Aided
Engenering）解析でも明らかである。又、この時のはん
だ厚みであるが、ＣＡＥ解析で求めた値では、図１４と
図１５により説明するが、前記はんだ１４が前記歪みの
影響を受けて、亀裂が進展するカーブを描いている。こ
れによると、既ねＴ＝３０μｍ程で、エンジンルーム温
度環境プラス前記パワースイッチング素子１３の動作温
度を加味した温度変化幅を与えた場合の、前記はんだ１
４の寿命ＳＰＥＣである１０００℃、亀裂進度６０％未
満を満足する。

【００１０】パワースイッチング素子１３が例えば１
（Ｗ）の発熱をした場合、ヒートシンク１までの間には
必ず温度勾配が生じることとなるが、この温度勾配のこ
とを特に、熱抵抗と称し、単位は℃／Ｗで表わされる。
図１５に示したグラフは熱抵抗の変化率をはんだ１４の
亀裂進展度との相関で表わしたグラフである。このグラ
フで、一般的に熱抵抗変化が、初期値より＋１５％以上
増加するような時に図８に示される構造では、寿命と言
われる。それは、前記パワースイッチング素子１３の発
熱が効率良く放熱できず、消費電力×熱抵抗がパワース
イッチング素子１３の許容温度を近い将来越えてしまう
ことを示している。よって、はんだ厚Ｔが３０μｍ以上
を確保し、かつアンチモンを適宣にブレンドしたはんだ
を用いる必要が有る。又、前記はんだ厚Ｔは、厚くなり
過ぎても熱抵抗が増加してしまうため、既ね１００〜１
５０μｍ以下とする。はんだ厚Ｔの上限値は、すなわち
製品のコストにも、はねかえってくる要素であるので、
規定しておく必要が有る。このはんだ厚Ｔを適宣に決定
する手段としてヒートシンク１に突起２１を設けて、厚
みを３０〜１５０μｍ程にコントロールすることも出来
る。

【００１１】又、図５に示す実施例は、図３の側面図で
あるが、断面図を示している。外部接続用の端子１６
が、ハウジング２に一体成形されており、前記ヒートシ
ンク１とシリコン系接着剤もしくはエポキシ系もしくは
各種接着剤で接着もしくは圧入される。外部接続用端子
１６と、内部回路基板２０等の内部配線は、導電性ワイ
ヤ１５例えば、アルミニウムワイヤφ０.３mm〜φ０.１
mm，金線φ０.０１mm〜φ０.０８mm もしくは軟銅線φ
０.５mm〜φ０.１mm、鉄，ニッケルリードフレーム等で
接続されている。内部部分の保護用に、シリコン系のゲ
ル２６を注入して、イグナイタ１８の完成体となる。ヒ
ートシンク１にダイレクトもしくは、アルミもしくはク
ラッドパッドをはんだ付けし導電性ワイヤで接続する。
この完成体１８を図１に示す様な、点火コイル１９に、
専用の設置場所を設けて、設置される。手法としては、
シリコン系，エポキシ系等の接着剤による。具体的配線
は、図９の配線図によるが、例えば本実験例ではベース
信号用端子１６ａすなわち図９中のＡが点火コイルの入
出力用コネクタ１１部の端子４ａと導電性ワイヤでつな
がり（はんだ付け等）、端子１６ｂすなわち図９中のＣ
が、端子４ｂ，端子１６ｃが１次巻線１０，端子４ｃが
他端の前記１次巻線１０とつながる。点火コイルは、前
記構成部品をハウジング５に収納し、鉄もしくはケイ素
銅板の積層コア６と予め接着され、エポキシ系の封入剤
１２を注入，硬化して成る。高電圧はタワー７から直接
もしくはハイテンションケーブルを介し、前記点火プラ
グ２４とつながる。

【００１２】又、図１０〜図１３は同時着火型点火シス
テムに本開発を応用した一実施例である。又、図１６，
図１７は同時着火システム用のパワースイッチング用素
子１３の積層体であり、これには絶縁板１７を用いる。
前記絶縁板１７はＡｌ₂Ｏ₃，ＢｅＯ，ＡｌＮ等を用い
る。ヒートシンク１，１ａには前記はんだ１４の厚みを
コントロールすることもできる。

【００１３】図１８に示す一実施例は、銅ヒートシンク
１に高さのちがう２種類の突起２１，２７を設けた実施
例である。前記パワースイッチング素子１３と銅ヒート
シンク１間の熱ひずみは一般的に前記パワースイッチン
グ素子１３の外周部が一番大きくなるのは上記説明によ
り明らかであるため、パワースイッチング素子全体のは
んだ層Ａを確保する突起２１及び、前記パワースイッチ
ング素子１３の発熱部主にエミッタ部もしくはパワース
イッチング素子中央部に熱抵抗を低くおさえるため、は
んだ層を薄くコントロールする突起２７を２種類設け
る。このことで、はんだ層Ａが厚く、はんだ層Ｂが薄く
なり、長寿命および、熱的に有利な前記パワースイッチ
ング素子１３の積層構造を構築できる図１９に示す一実
施例は、はんだ層確保突起２１と前記パワースイッチン
グ素子１３の位置決め用突起２８を同軸もしくは同様の
箇所に設けたものであり、この場合でも熱抵抗コントロ
ール用突起を設ける。ここで、はんだ層Ａとはんだ層Ｂ
はＡ＞Ｂの関係であり、かつＡの厚みは＋０.１０〜＋
０.３５mm、Ｂの厚みは＋０.０３〜＋０.２０mmの範囲
で適宣に決定される。図２４，図２５に示す実施例は、
前記はんだ層にできるボイド、いわゆるガスのかたまり
部を防止する、ガス抜き２９を設けた一実施例である。
こうすることで、突起状に押し出された箇所が、４ヶ所
に分離されるため、はんだが溶けて固まる際の不要な動
きが小さくなり、均一なはんだ層が確保され、パワース
イッチング１３の傾きがおさえられつつ、ボイドの発生
が無くなり、長寿命な構造とすることが可能。また、同
じに熱抵抗をコントロールすることで、高さのちがう突
起２７を設けることもできる。

【００１４】パワースイッチング素子１３下もしくは他
のはんだは、Ｐｂ：Ｓｎ：Ａｇ93.5：５：１.５，Ｐ
ｂ：Ｓｎ：９０：１０，Ｐｂ：Ｓｎ：８０：２０，Ｐ
ｂ：Ｓｎ＝５０：５０，Ｐｂ：Ｓｎ＝３６：６４系の共
晶はんだ等も含まれる。

【００１５】また、図３４に示す、樹脂封止形トランジ
スタパッケージユニット形にも適用は可能であり、本パ
ッケージのパワースッチング素子のダイボンディング部
に本発明の例えば図１８に示す構造を応用できる。この
樹脂封止形には、エポキシのトランスファーモールドタ
イプが一般的（Ｔｏ−３Ｐ）である。図３５は、図３４
に示した等価回路の一実施例である。

【００１６】また、もちえろん全ての実施例において、
イグナイタを反転して点火コイルに収納することも可能
である。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、点火コイルに内蔵する
パワースイッチングモジュールが、熱的振動的な外力を
受けても、破壊することなく、安定して長寿命を保つの
で、常に品質の安定した点火装置を供給することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】イグナイタを点火コイルと一体にした断面構造
図。

【図２】図１の立体的構式図。

【図３】本特許のイグナイタ。

【図４】図３の側面図。

【図５】図４の断面図。

【図６】ヒートシンク部に突起を設けた例。

【図７】図６の側面一部断面図。

【図８】本特許のアンチモンブレンドはんだを用いた構
造図。

【図９】点火システム回路例。

【図１０】同時着火点火システムの一実施例。

【図１１】同時着火点火システムの一実施例。

【図１２】同時着火点火システムの一実施例。

【図１３】イグナイタをマウントした部分の構造例。

【図１４】はんだ厚みに対する熱サイクル性のグラフの
一実施例。

【図１５】はんだ剥がれに対する熱抵抗増加率のグラフ
の一実施例。

【図１６】図１０から図１２に示すパワースイッチング
用素子の積層体の一実施例。

【図１７】図１０から図１２に示すパワースイッチング
用素子の積層体の一実施例。

【図１８】寿命，熱抵抗コントロール用突起を設けた一
実施例。

【図１９】図１８に対し位置決め用突起と寿命コントロ
ール用突起を同一箇所に設けた一実施例。

【図２０】図３のもう一つの実施例。

【図２１】図２０の実装例を示した一実施例。

【図２２】図１０〜図１２に示した同時着火点火コイル
のもう一つの実施例。

【図２３】図２２の他の実施例。

【図２４】ガス抜き（ボイド防止）を設けた一実施例。

【図２５】ガス抜きを設けた一実施例。

【図２６】図１８，図１９に示した実施例を応用した
例。

【図２７】図１８，図１９に示した実施例を応用した
例。

【図２８】ガス抜きを各はんだ層にも適用した一実施
例。

【図２９】ガス抜きを各はんだ層にも適用した一実施
例。

【図３０】パワー素子積層体構造の一実施例。

【図３１】パワー素子積層体構造の一実施例。

【図３２】パワー素子積層体構造の一実施例。

【図３３】パワー素子積層体構造の一実施例。

【図３４】樹脂封止形トランジスタに本発明を適用した
一実施例。

【図３５】図３４の等価回路の一実施例。

【符号の説明】

１…ヒートシンク、１ａ…下部ヒートシンク、２…ハウ
ジング、３…導電性ワイヤ、４…入出力用端子、５…点
火コイルハウジング、６…コア、７…タワー、８…取付
穴、９…２次巻線、１０…１次巻線、１１…外部接続用
コネクタ、１２…封入剤、１３…パワースイッチング素
子、１４…はんだ、１５…導電性ワイヤ、１６…外部接
続用端子、１７…絶縁板、１８…イグナイタ、１９…点
火コイル、２０…制御用回路基板、２１…はんだ厚みコ
ントロール用突起、２２…制御用回路、２３…電流検出
抵抗、２４…点火プラグ、２５…ハウジング、２６…保
護用ゲル、２７…熱抵抗調整用突起、２８…位置決め用
突起、２９…ガス抜き、Ａ…寿命コントロール用はんだ
層、Ｂ…熱抵抗コントロール用はんだ層、３０…樹脂封
止形トランジスタパッケージ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者深津克明茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地３日立オートモティブエンジニアリング株式会社内 (72)発明者漆原法美茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１つの点火プラグに１つの点火コイルが装
着され、または、複数個の点火プラグに１つの点火コイ
ルが装着され、さらに、当該点火コイルとパワートラン
ジスタ、銅ヒートシンクを有する点火装置とが一体に形
成された電子配電式点火装置において、上記パワートラ
ンジスタが、高さの違う突起を有した銅ヒートシンク上
にはんだ接合されることを特徴とする内燃機関用点火装
置。
【請求項２】前記請求項１において、絶縁板上に高さの
違う突起を有した銅ヒートシンクをはんだ付けし且つ、
銅ベースに接合する構造体を有することを特徴とする内
燃機関用点火装置。
【請求項３】前記請求項１または２において、高さの違
う突起を有する銅ヒートシンクの突起部にパワートラン
ジスタ素子がはんだ接合された時、パワートランジスタ
素子の外周部のはんだ層が素子の中央部もしくは、エミ
ッタ周辺部直下のはんだ層よりも厚くなるように適宣に
定めた構造を有することを特徴とする内燃機関用点火装
置。
【請求項４】前記請求項１から３のいずれかにおいて、
素子下部銅ヒートシンク上に、十文字もしくは縦，横，
斜め一直線、もしくは丸み形状に凹みを有する銅ヒート
シンク構造を特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項５】１つの点火プラグに１つの点火コイルが装
着され、または、複数個の点火プラグに１つの点火コイ
ルが装着され、さらに、当該点火コイルとパワートラン
ジスタを有する点火装置とが一体に形成された電子配電
式点火装置において、上記パワートランジスタが、銅ヒ
ートシンクの取付面上にアンチモンを適宣にブレンドし
たはんだにより接合されていることを特徴とする内燃機
関用点火装置。
【請求項６】銅ヒートシンクに、はんだ層確保用突起を
設けはんだ厚を０.０３mm から0.15mm以内にコントロー
ルし、アンチモン入りはんだによりパワートランジスタ
が搭載されたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項７】前記請求項１から６のいずれかにおいて、
銅ヒートシンク上に制御用回路基板上の印刷導体にＡｇ
／Ｐｄブレンドもしくは、Ａｇ／Ｐｔブレンドした材料
を使用し、搭載されていることを特徴とする内燃機関用
点火装置。