JPWO2015129418A1 - 防水型電子機器及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

防水型電子機器は、半導体素子を含む電子部品と、電子部品に熱伝導可能に設けられた放熱部材と、放熱部材の一面を露出して電子部品の周囲を覆う絶縁材とを備えた電子部品構造体と、電子部品構造体の少なくとも冷媒への浸漬領域の全面に形成された防水膜とを備える。

Description

本発明は、防水型電子機器及びその製造方法に関する。
ハイブリッド自動車や電気自動車には、モータを駆動する電力変換装置としての電子機器が搭載されている。電力変換装置等の電子機器は、電池から供給された直流電力を交流電力に変換してモータを駆動し、また、逆にモータで回生した交流電力を直流電力に変換し蓄電装置に蓄電する。このような電子機器は、ケース内部に、高温に発熱する半導体素子が収容されており、冷却水等の冷却媒体中に浸漬して冷却する必要がある。
防水型の電子機器の一例として、半導体素子が収容された半導体装置に放熱フィンを設けてケース本体の上壁部とケース底板とによって上下から挟み込むことによりケースに固定した構造が知られている。この防水型の電子機器では、半導体装置の側面とケースの内壁によって規定される空間が半導体装置を冷却するための流路を形成し、半導体装置は冷媒中に浸漬されている（特許文献１参照）。
日本国特開２００４−１１９６６７号公報
上記電子機器では、放熱フィンが設けられた半導体装置を流路中に浸漬してその側面を冷媒により冷却するので、冷却効率を向上することができる。しかし、内部の半導体素子を収容するケースは、外部に対する密封構造を形成する必要があるため、材料コストが高く、かつ、組付け工数が多いので、生産性が低い。
本発明の第１の態様によると、防水型電子機器は、半導体素子を含む電子部品と、電子部品に熱伝導可能に設けられた放熱部材と、放熱部材の一面を露出して電子部品の周囲を覆う絶縁材とを備えた電子部品構造体と、電子部品構造体の少なくとも冷媒への浸漬領域の全面に形成された防水膜とを備える。
本発明の第２の態様によると、防水型電子機器の製造方法は、半導体素子を含む電子部品をリードフレーム上に搭載して、半導体素子の電極と、リードフレームのリードとをボンディングし、リードフレームに熱伝導可能に放熱部材を設け、電子部品と放熱部材とを、リードフレームのリードの一部が外部に延出されるように絶縁材で覆って電子部品構造体を形成し、電子部品構造体の放熱部材の外表面および絶縁材における少なくとも放熱部材の周囲部分に防水膜を形成する。
本発明によれば、電子部品構造体の外表面に防水膜を形成するので、電子部品構造体全体を収容するケースが必要でなく、材料コストを低減し、生産性を向上することができる。
図１は、本発明の一実施の形態による防水型電子機器の断面図。 図２は、図１に図示された防水型電子機器を上方からみた内部断面図。 図３（ａ）〜（ｄ）は、図１の防水型電子機器の製造方法を説明するための各工程における断面図。 図４（ａ）〜（ｅ）は、放熱部材と中間伝熱部材との製造方法の一例を示す各工程の断面図。 図５は、防水膜を形成する方法の一例を示す断面図。 図６（ａ）（ｂ）は図５に続く工程を説明するための図であり、図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は上方からの平面図。 図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、放熱体構成体の拡大断面図。 図８は、本発明の実施形態２を示す防水型電子機器の断面図。 図９は、本発明の実施形態３を示す防水型電子機器の断面図。 図１０（ａ）、（ｂ）は、図９に図示された防水型電子機器の製造方法を説明するための断面図。 図１１は、本発明の実施形態４を示す防水型電子機器の断面図。 図１２は、本発明の実施形態５を示す防水型電子機器の断面図。 図１３（ａ）〜（ｃ）は、防水膜を形成する方法の一例を示す模式的断面図。
--実施形態１--
以下、図を参照して、本発明に係る防水型電子機器およびその製造方法の一実施の形態を説明する。
［防水型電子機器１００の構造］
図１は、本発明の一実施の形態としての防水型電子機器の断面図であり、図２は、図１に図示された防水型電子機器を上方からみた内部断面図である。
防水型電子機器１００は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載され、モータ等を駆動する電力変換装置として用いられる。
防水型電子機器１００は、電子部品構造体１１０（詳細は後述する）と、電子部品構造体１１０の周側面および底面に形成された防水膜１０９とを備えている。電子部品構造体１１０は、リードフレーム１０２上に搭載される電子部品１０１と、電子部品１０１とリードフレーム１０２の周囲を覆う有機樹脂により形成された絶縁材１０４、一面に露出する放熱部材１０８等の部材を含む。
電子部品構造体１１０の上面１１０ａには、防水膜１０９は形成されておらず、絶縁材１０４が露出している。防水型電子機器１００は、図１に二点鎖線に図示されるように、不図示の冷却構造体の冷却流路を流通する冷却水等の冷媒１２１内に、放熱部材１０８の上部まで浸漬され、冷媒１２１により冷却される。
電子部品構造体１１０は、電子部品１０１と、接合材１０５と、リードフレーム１０２と、絶縁部材１０６と、中間伝熱部材１０７と、放熱部材１０８とを備えている。
電子部品１０１は、例えば、絶縁ゲート型トランジスタ（ＩＧＢＴ）のような大電力を扱う半導体素子により形成されている。電力変換装置等の電子機器は、自動車のインバータに使用されるため、大電力を扱う必要があり、電子部品１０１は、動作時の発熱量が大きいパワー用のＩＧＢＴが使用される。
電子部品１０１は、その裏面がはんだ等の接合材１０５により、リードフレーム１０２に接合されている。リードフレーム１０２は、銅、アルミニウムまたはそれらを主成分とする合金により形成されており、電子部品１０１が搭載されるダイ１０２ａと、複数のリード１０２ｂを有する。電子部品１０１の主面には電極（図示せず）が形成され、各電極は、各リード１０２ｂに、アルミニウムや金等により形成されたワイヤ１０３によりボンディングされている。
中間伝熱部材１０７は、例えば、アルミニウム、銅、マグネシウム等の金属により形成された平板状部材である。絶縁部材１０６は、リードフレーム１０２のダイ１０２ａと中間伝熱部材１０７との間に介装されており、セラミクスまたは有機樹脂により形成されている。
放熱部材１０８は、板状の本体１０８ａに、マトリクス状または千鳥状に配列された複数の冷却フィン１０８ｂが一体に形成されている。放熱部材１０８は、例えば、アルミニウム、銅、マグネシウム等を含む金属、熱伝導性の良いセラミクスまたは金属と無機物との混合物等により形成されている。放熱部材１０８を効率的に形成する方法の一例として、スライス加工、またはダイサ加工による機械加工を適用することができる。本体１０８ａの厚さと冷却フィン１０８ｂの厚さを合計した厚さの板材を用いて、上下方向および左右方向から所定間隔で冷却フィン１０８ｂの厚さに対応する深さの溝を形成することにより、放熱部材１０８が形成される。溝の加工は、上下方向の加工と左右方向の加工を直交させてもよいし、斜めに交差させてもよい。機械加工以外の方法により、形成してもよい。本体１０８ａと冷却フィン１０８ｂとを異なる材質とするクラッド材を用いてもよい。
絶縁材１０４は、例えば、エポキシ樹脂またはエポキシ樹脂に熱伝導度がシリカよりも大きい材料からなるフィラーが混合された有機樹脂材料により形成されている。
防水膜１０９は、例えば、アルミニウム、ニッケル、錫、クロム等の金属、または、テフロン（登録商標）のような高耐水性の樹脂により形成されている。防水膜１０９は、放熱部材１０８の外表面を含め、放熱部材１０８から露出する絶縁材１０４の周側面および底面の全面に形成 されている。防水膜１０９の形成方法は、後述する。
［防水型電子機器１００の製造方法］
次に、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して、防水型電子機器１００の製造方法の一実施の形態を説明する。
図３（ａ）に図示されるように、放熱部材１０８に中間伝熱部材１０７を接合する。接合方法は、溶接、はんだ付け、ろう付、摩擦攪拌接合等を用いることができる。放熱部材１０８をセラミクスとしてもよいが、本体１０８ａを金属材料として、冷却フィン１０８ｂのみをセラミクスとしてもよい。
図３（ｂ）に図示されるように、中間伝熱部材１０７上に絶縁部材１０６を接合し、放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７、絶縁部材１０６が一体に接合された放熱体構成体２３０を形成する。
絶縁部材１０６を樹脂により形成する場合は、高伝熱性を有する樹脂であることが望ましい。完全硬化する前の粘着性を有する樹脂を中間伝熱部材１０７上に搭載して硬化する。
絶縁部材１０６をセラミクスにより形成する場合は、溶接、はんだ付け、摩擦攪拌接合等により接合するか、または、中間伝熱部材１０７との間に高熱伝導性樹脂を介在して接合する。
図３（ｃ）に図示されるように、放熱体構成体２３０の絶縁部材１０６にリードフレーム１０２を接合する。
接合方法は、中間伝熱部材１０７と絶縁部材１０６とを接合する場合と、同様な方法によることができる。
図３（ｄ）に図示されるように、電子部品１０１の裏面を、接合材１０５によりダイボンディングする。接合材１０５として、はんだを用い、はんだ付けする方法が望ましいが、他の方法でもよい。次に、ワイヤボンディングにより、電子部品１０１、すなわち、半導体素子の電極（図示せず）とリードフレーム１０２のリード１０２ｂとをワイヤ１０３により接続する。これにより、図３（ｄ）に図示される中間構造体２２０が形成される。
図３（ｄ）の状態の中間構造体２２０を、放熱部材１０８の少なくとも各冷却フィン１０８ｂが露出されるように絶縁材１０４で封止し、図１に図示される電子部品構造体１１０を形成する。絶縁材１０４として、エポキシ系樹脂等を用いて、モールド成形により電子部品構造体１１０を形成する方法が好ましい。
そして、電子部品構造体１１０の外表面に防水膜１０９を形成する。防水膜１０９は、放熱部材１０８の外表面および絶縁材１０４の表面に形成する。但し、防水膜１０９は、電子部品構造体１１０の上面１１０ａには形成せず、この部分では絶縁材１０４が露出するように形成する。これにより、図１に図示される防水型電子機器１００が作製される。
防水膜１０９の材料としては、上述した如く、テフロン（登録商標）や金属を用いることができる。テフロン(登録商標）は安価である点がメリットであり、金属は、熱伝導性および耐久性においてテフロン(登録商標）よりも優れている。
防水膜１０９に、金属材料を用いる場合、耐食性の点で、水素よりイオン化傾向が小さい材料が好ましい。一方、表面に緻密な酸化膜が形成される材料であれば、防水膜１０９自体の腐食を防ぐことができるので、このような材料である、アルミニウム、ニッケル、錫、クロム等を用いることができる。
防水膜１０９の形成方法は、スパッタ、蒸着、無電解めっき、コールドスプレー、溶射、エアロゾルデポジション法、または上記いずれかの方法による給電用薄膜形成と電気めっきとを組み合わせた方法、を用いることができる。中でも、コールドスプレーまたは給電用薄膜形成と電気めっきとを組み合わせた方法は、厚膜を効率的に形成することができる点で好ましい。
給電用薄膜形成と電気めっきとを組み合わせた方法を用いる場合、給電用薄膜形成法として、上記以外に、導電性ポリマ成膜を用いることが可能である。接着性、コスト、絶縁材１０４へのダメージ等を考慮すると、無電解めっき、エアロゾルデポジション法および導電性ポリマ成膜が好ましい。給電用薄膜上に電気めっきにより厚膜を形成する場合の金属材料としては、銅、ニッケル、錫、亜鉛またはそれらの１種以上を含む合金を用いることができる。このうち、ニッケルは耐食性の点で、銅は熱伝導性の点で優れている。
［防水型電子機器１００の他の製造方法］
図４（ａ）〜（ｅ）を参照して、防水型電子機器１００の他の製造方法の一例について説明する。以下に説明する製造方法は、特に、格別の接合工程を経ることなく、絶縁部材１０６と、中間伝熱部材１０７と、放熱部材１０８とを一体化して形成することが可能であり、大変、効率的であるという特徴を有している。
（１）図４（ａ）参照：
放熱部材１０８の厚さと中間伝熱部材１０７の厚さとの合計よりも深いキャビティ２０１が形成された型２００を準備する。型２００は、次の工程で説明する中間伝熱部材１０７の溶融温度以上の高融点温度を有し、かつ、凝固した中間伝熱部材１０７からの分離が可能な材料とする必要がある。例えば、アルミナなどのセラミクス材を挙げることができる。
型２００のキャビティ２０１に、後に放熱部材１０８となる高熱伝導性材料２０８を、放熱部材１０８の厚さ（冷却フィン１０８ｂの厚さを含む）よりも少し薄く収容する。高熱伝導性材料２０８は粉末状のもので、例えば、酸化マグネシウム、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミ、炭素粉末等、通常のバルク状態の金属よりも高熱伝導性の粉末を用いる。中でも、炭素粉末は、コスト面及び加工容易性において優れており好ましい。加工容易性が必要とされる理由は、後述する。そして、高熱伝導性材料２０８の上面２０８ａから離間して絶縁部材１０６を配置する。高熱伝導性材料２０８の上面２０８ａと絶縁部材１０６との間隔は、中間伝熱部材１０７の厚さ分である。
（２）図４（ｂ）参照：
高熱伝導性材料２０８と絶縁部材１０６との間に、後に中間伝熱部材１０７となる溶融した低融点金属材料２０７を注入する。低融点金属材料２０７は、高熱伝導性材料２０８よりも低融点の金属材料とする。低融点金属材料２０７の注入は、低融点金属材料２０７が絶縁部材１０６の下面に達した時点で終了する。
溶融した低融点金属材料２０７を注入することにより、高熱伝導性材料２０８は、低融点金属材料２０７が混合された、高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９（図４（ｃ）参照）となる。また、絶縁部材１０６近傍の表面側の低融点金属材料２０７は、高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９と絶縁部材１０６とを接合する中間伝熱部材１０７（図４（ｃ）参照）となり、高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９、中間伝熱部材１０７および絶縁部材１０６が一体化された加工前放熱体構成体２４０が構成される。
（３）図４（ｃ）参照：
高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９、中間伝熱部材１０７および絶縁部材１０６が一体化された加工前放熱体構成体２４０を、型２００から取り出す。
（４）図４（ｄ）参照：
実施形態１の場合と同様、加工前放熱体構成体２４０の絶縁部材１０６にリードフレーム１０２を接合し、電子部品１０１の裏面を、接合材１０５によりダイボンディングする。また、ワイヤボンディングにより、電子部品１０１の電極（図示せず）とリードフレーム１０２のリード１０２ｂとをワイヤ１０３により接続し、中間構造体２２０Ａを形成する。
そして、中間構造体２２０Ａを、高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９が露出されるように絶縁材１０４により封止する。この場合においても、絶縁材１０４としてエポキシ系樹脂等を用い、モールド成形により行うことが好ましい。
（５）図４（ｅ）参照：
高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９を機械加工して複数の冷却フィン１０８ｂを形成する。これにより、高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９は、複数の冷却フィン１０８ｂを有する放熱部材１０８となる。このとき、高熱伝導性材料２０８が、加工性が容易な材料により形成されていると、複数の冷却フィン１０８ｂを形成する際の加工の効率性を高めることができる。これにより、実施形態１と同様な電子部品構造体１１０が形成される。
（６）この後は、実施形態１と同様、電子部品構造体１１０の外表面に防水膜１０９を形成する。これにより、図１に図示される防水型電子機器１００が得られる。
この方法によれば、酸化マグネシウム、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミ、炭素粉末等の高熱伝導性材料を用いることができ、放熱部材１０８の放熱性を大きくすることができる。
上記においては、型２００内に高熱伝導性材料２０８を入れておき、後から低融点金属材料２０７を注入して、高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９を形成する方法として例示した。しかし、予め、高熱伝導性材料と低融点金属材料とが混合された材料により形成された高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９を形成しておき、この高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９を型２００内に入れるようにしてもよい。
また、上記においては、放熱部材１０８の冷却フィン１０８ｂを、中間構造体２２０Ａを形成後に、機械加工により形成する方法として例示した。しかし、型２００のキャビティ２０１に、複数の冷却フィン１０８ｂに対応する突起を形成しておき、高熱伝導性材料２０８を入れるようにしてもよい。低融点金属材料２０７を注入することにより、型２００のキャビティ２０１内で、複数の冷却フィン１０８ｂを有する放熱部材１０８が形成されるので、後から高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９を加工して冷却フィン１０８ｂを形成する方法よりも効率的となる。
［防水膜１０９の他の形成方法］
実施形態１では、電子部品構造体１１０の上面１１０ａ全面に防水膜１０９を施さない構造として例示した。しかし、電子部品構造体１１０の上面１１０ａにおいて、リード１０２ｂの周縁付近まで、防水膜１０９を形成して防水領域を広げ、より耐水性を向上する構造とすることもできる。
図５および図６（ａ）、図６（ｂ）を参照して、その方法を説明する。
図５に図示されるように、電子部品構造体１１０の各リード１０２ｂの絶縁材１０４から突出している部分をレジスト１１１により被覆する。この状態で、電子部品構造体１１０の絶縁材１０４の表面全面に防水膜１０９を形成する。防水膜１０９の形成方法は、上述した通りである。
防水膜１０９を形成した後、レジスト１１１を剥離する。この状態を図６（ａ）の断面図、図６（ａ）の上方から観た図６（ｂ）の平面図に示す。
防水膜１０９は、電子部品構造体１１０の上面１１０ａにも形成されているが、各リード１０２ｂの周縁部には形成されておらず、各リード１０２ｂには接触していない。防水型電子機器１００は、図１に図示されるように、電子部品構造体１１０の上面１１０ａが冷媒１２１に浸漬されない状態で使用される。しかし、各リード１０２ｂの周縁部に汚れが付着することによる絶縁不良が生じることがある。したがって、上記構造を採用する場合は、汚れ付着による各リード１０２ｂの短絡を防止するように上面１１０ａにおいて防水膜１０９が形成されない周縁部を設定する必要がある。
なお、各リード１０２ｂと絶縁材１０４の境界部分の強度を高めるため、各リード１０２ｂの周囲を樹脂等で補強するようにしてもよい。これにより、上述した汚れ付着による絶縁不良も防止することができる。
［放熱体構成体２３０の変形例］
図７（ａ）〜（ｃ）は、放熱体構成体の拡大断面図である。
図７（ａ）は、図３に図示された放熱体構成体２３０の拡大断面図である。
放熱体構成体２３０は、放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７および絶縁部材１０６が一体的に接合されて形成されている。絶縁部材１０６は、放熱部材１０８および中間伝熱部材１０７の面積より小さい面積とされている。
図７（ａ）に図示された放熱体構成体２３０では、平面視において放熱部材１０８と中間伝熱部材１０７とが同一形状、同一サイズとされており、領域Ａにおいて、放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７、絶縁材１０４および防水膜１０９の４つの部材が交わっている。材質が異なる多くの部材が交わる箇所においては、応力集中が生じる可能性がある。
図７（ｂ）に示す放熱体構成体２３０Ａは、中間伝熱部材１０７Ａの外形を放熱部材１０８より大きくした構造を有している。この構造では、領域Ａにおいて絶縁材１０４は交わっておらず、放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７Ａおよび防水膜１０９の３つの部材が交わっている。図７（ｂ）の構造では、交わる部材が少ない分、図７（ａ）の構造に比し、領域Ａにおける応力集中を緩和することができる。
図７（ｃ）に示す放熱体構成体２３０Ｂは、図７（ａ）に示す放熱体構成体２３０と同一の構造を有し、領域Ａにおいて、４つの部材がまじわっている。しかし、放熱体構成体２３０Ｂでは、放熱部材１０８と中間伝熱部材１０７Ａとが同じ材料で形成されている。すなわち、放熱体構成体２３０Ｂでは、領域Ａにおいて交わる異種材料は３つである。このため、この分、領域Ａにおいて４つの異種材料が交わる構造に比し、応力集中を緩和することができる。
上記一実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）実施の形態の電子部品構造体１１０は、半導体素子である電子部品１０１の一面側を覆う絶縁材１０４と、電子部品１０１の他面側に放熱部材１０８とを備える。放熱部材１０８と絶縁材１０４の表面には、冷媒１２１に浸漬される領域に防水膜１０９を設けて、防水性を持たせた。このため、電子部品構造体１１０全体を収容する金属製ケースが必要でなく、材料コストを低減し、生産性を向上することができる。
（２）放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７および絶縁部材１０６を接合により一体化して放熱体構成体２３０を形成する。放熱体構成体２３０の絶縁部材１０６にリードフレーム１０２を接合し、リードフレーム１０２上に電子部品１０１を接合材１０５により接合し、ワイヤ１０３により、電子部品１０１の電極とリードフレーム１０２のリード１０２ｂとをボンディングして中間構造体２２０を形成する。中間構造体２２０は、このように簡素化された構造を有しているので、組付け作業が容易であり、かつ、生産性が良い。
（３）電子部品構造体１１０は、中間構造体２２０を絶縁材１０４により封止するだけの一次封止体であり、二次封止を行う必要がないので、これによっても、生産性が向上する。
（４）放熱部材１０８の冷却フィン１０８ｂの外表面と共に絶縁材１０４の表面を防水膜１０９で覆う構造であり、冷媒１２１への浸漬領域に防水膜１０９の繋ぎ目は無いので、高耐圧性を持たせることができる。
（５）図７（ｂ）に図示されるように、中間伝熱部材１０７Ａの面積を放熱部材１０８より大きい構造の放熱体構成体２３０Ａとすることにより、放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７、絶縁材１０４および防水膜１０９の４つの部材が交わる構造の放熱体構成体２３０よりも応力集中を緩和することができる。
（６）図７（ｃ）に図示されるように、放熱部材１０８と中間伝熱部材１０７とが同じ材料で形成されている構造の放熱体構成体２３０Ｂとすることにより、放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７、絶縁材１０４および防水膜１０９の４つの部材が交わる構造においても、異種材料で形成する場合よりも応力集中を緩和することができる。
（７）図４に示すように、型２００内に粉末状の高熱伝導性材料２０８を入れ、高熱伝導性材料２０８と絶縁部材１０６との隙間に低融点金属材料２０７を注入して、高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９を有する放熱体構成体を形成することにより、伝熱性の大きい放熱部材１０８を得ることができる。また、高熱伝導性／低融点金属混合材料２０９、中間伝熱部材１０７および絶縁部材１０６を接合する作業の効率化を図ることができる。
（８）図５および図６に図示されるように、電子部品構造体１１０の上面１１０ａに、リード１０２ｂの周縁付近まで、防水膜１０９を形成して防水領域を広げる構造を採用することもできる。この場合、各リード１０２ｂの周囲を樹脂等で補強することにより、各リード１０２ｂの周縁部に汚れが付着して発生する絶縁不良を防止することができる。
--実施形態２--
図８は、本発明の実施形態２による防水型電子機器１００Ａの断面図である。
実施形態２の防水型電子機器１００Ａは、その上下の端部が、冷媒１２１が流れる冷却流路の外側に突き出す状態で、換言すれば、防水型電子機器１００Ａの中央領域のみを冷媒１２１に浸漬した状態で使用される。
電子部品構造体１１０Ａの上面１１０ａおよび下面１１０ｂは、冷媒１２１が流れる冷却流路の外側に配置されており、この上下両面１１０ａ、１１０ｂには、防水膜１０９は形成されておらず、絶縁材１０４Ａが露出している。つまり、防水型電子機器１００Ａでは、防水膜１０９は、上面１１０ａおよび下面１１０ｂを除く、周側面の全面に形成されている。リードフレーム１０２Ａは、中央部のダイ１０２ａから上下両方向に延出されたリード１０２ｂを有している。上下両方向に延出されたリード１０２ｂのそれぞれは、電子部品１０１の電極にワイヤ１０３によりボンディングされ、先端側が絶縁材１０４Ａの外側に引き出されている。
防水型電子機器１００Ａの他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
なお、実施形態２においても、図６に図示されているように、電子部品構造体１１０Ａの上面１１０ａおよび／または下面１１０ｂに、各リード１０２ｂに接触しないように、防水膜１０９を形成してもよい。
また、図４（ａ）〜（ｃ）に図示される、加工前放熱体構成体２４０を形成する構造および製造方法を適用することもできる。さらに、図７（ｂ）に図示される放熱体構成体２３０Ａまたは図７（ｃ）に図示される放熱体構成体２３０Ｂの構造を採用することもできる。
よって、実施形態２においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
--実施形態３--
図９は、本発明の実施形態３による防水型電子機器１００Ｂの断面図である。
実施形態３の防水型電子機器１００Ｂは、電子部品構造体１１０Ｂの絶縁材１０４Ｂが、放熱部材１０８の冷却フィン１０８ｂの上面（図９では左側の面）と面一となる厚さに形成されている点で、実施形態１の防水型電子機器１００と相違する。
すなわち、図９に図示されるように、防水型電子機器１００Ｂでは、電子部品１０１の主面側、すなわち防水型電子機器１００Ｂの右側面と電子部品１０１の主面との距離は実施形態１の防水型電子機器１００と同一である。しかし、その反対側の側面、すなわち防水型電子機器１００Ｂの左側面と電子部品１０１の主面との距離は実施形態１の防水型電子機器１００よりも長い。すなわち、防水型電子機器１００Ｂの左側面は、放熱部材１０８の冷却フィン１０８ｂの上面と面一となる位置に形成されている。従って、防水型電子機器１００Ｂは、冷却フィン１０８ｂの高さ分だけ、防水型電子機器１００よりも厚くなっている。
このため、実施形態３の防水型電子機器１００Ｂは、実施形態１の防水型電子機器１００および実施形態２の防水型電子機器１００Ａよりも、強度を大きくすることができ、薄型化が必要とされる場合に適している。
図１０（ａ）、（ｂ）は、実施形態３の防水型電子機器１００Ｂの製造方法を説明するための断面図である。
図４（ａ）〜（ｃ）に示した方法により、加工前放熱体構成体２４０を形成し、加工前放熱体構成体２４０にリードフレーム１０２を接合し、電子部品１０１を接合材１０５によりボンディングする。また、ワイヤボンディングにより、電子部品１０１の電極（図示せず）とリードフレーム１０２のリード１０２ｂとをワイヤ１０３により接続し、中間構造体２２０Ａを形成する。上記において、加工前放熱体構成体２４０を形成する方法として、実施形態１の方法に準じた方法を用いてもよい。すなわち、冷却フィン１０８ｂが形成されていない板状冷却部材に、溶接、はんだ付け、ろう付、摩擦攪拌接合等により中間伝熱部材１０７を接合し、中間伝熱部材１０７上に未硬化の絶縁部材１０６を搭載して硬化する。
そして、モールド成形等により、中間構造体２２０Ａを、リードフレーム１０２の各リード１０２ｂの先端側が露出するように絶縁材１０４Ｂで覆う。このとき、絶縁材１０４Ｂは、放熱部材１０８側では、冷却フィン１０８ｂの上面と面一になるように形成する。中間構造体２２０Ａを絶縁材１０４Ｂで封止して電子部品構造体１１０Ｂを形成した状態を図１０（ａ）に示す。
電子部品構造体１１０Ｂを形成した後、放熱部材１０８に、スライス加工やダイサ加工等の機械加工を施して、複数の冷却フィン１０８ｂを形成する。中間構造体２２０Ａを絶縁材１０４Ｂで封止した後、冷却フィン１０８ｂを形成するので、電子部品構造体１１０Ｂを絶縁材１０４Ｂで封止する際、各冷却フィン１０８ｂの間に絶縁材１０４Ｂが流動するのを防止することができる。
この後は、実施形態１に記載した方法に準じて、電子部品構造体１１０Ｂの外表面に防水膜１０９を形成する。
防水型電子機器１００Ｂの他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態３においても、図６に図示されているように、電子部品構造体１１０Ｂの上面１１０ａに、各リード１０２ｂに接触しないように、防水膜１０９を形成してもよい。
また、図７（ｂ）に図示される放熱体構成体２３０Ａまたは図７（ｃ）に図示される放熱体構成体２３０Ｂの構造を採用することもできる。
よって、実施形態３においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
加えて、絶縁材１０４Ｂにより強度の向上を図ることができる。
--実施形態４--
図１１は、本発明の実施形態４による防水型電子機器１００Ｃの断面図である。
実施形態４の防水型電子機器１００Ｃは、中間構造体２２０の反対側の側面にも放熱体構成体（対向放熱体構成体）２３０を備えている点で実施形態１と相違する。以下、この相違点を主体として防水型電子機器１００Ｃについて説明する。
実施形態１において説明した通り、電子部品１０１は、裏面がリードフレーム１０２のダイ１０２ａに接合材１０５によりダイボンディングされ、主面側の不図示の電極が、ワイヤ１０３により各リード１０２ｂにボンディングされている。リードフレーム１０２は、放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７および絶縁部材１０６が一体的に接合されて構成された放熱体構成体２３０に接合されている。
電子部品１０１の主面に設けられた不図示の電極は、電子部品１０１の周縁部に沿って配列されており、中央部には、中間伝熱体１１６の一面が接合されている。中間伝熱体１１６は、銅、アルミニウム等の高伝熱性金属、またはアルミナ等のセラミックで形成されている。中間伝熱体１１６の他面は、放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７および絶縁部材１０６が一体的に接合されて構成された放熱体構成体２３０に接合されている。
相対向する側面に配置された一対の放熱体構成体２３０は、基本的には同様な構造を有し、放熱部材１０８、中間伝熱部材１０７および絶縁部材１０６は、同一の構成である。但し、電子部品１０１の主面側における絶縁が確保されている構造であれば、電子部品１０１の主面側に設ける放熱体構成体２３０は、絶縁部材１０６を有していない構造としてもよい。また、一対の放熱体構成体２３０を構成する各部材の面積および/または形状を、適宜、異なるようにしてもよい。
実施形態４による防水型電子機器１００Ｃでは、外観が略直方体の電子部品構造体１１０Ｃの対向する一対の面には一対の放熱体構成体２３０それぞれの放熱部材１０８が露出し、その他の４つの面には絶縁材１０４Ｃが露出している。電子部品構造体１１０Ｃの周側面および底面には上記実施形態１と同様に防水膜１０９が形成され、これにより防水型電子機器１００Ｃが形成される。
防水型電子機器１００Ｃの他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
なお、実施形態４においても、実施形態１と同様に、電子部品構造体１１０Ｃの上面１１０ａにも、各リード１０２ｂに接触しないように、防水膜１０９を形成してもよい。
また、図４（ａ）〜（ｃ）に図示される、加工前放熱体構成体２４０を形成する構造および製造方法を適用することもできる。さらに、図７（ａ）に図示される放熱体構成体２３０Ａまたは図７（ｂ）に図示される放熱体構成体２３０Ｂの構造を採用することもできる。
よって、実施形態４においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
--実施形態５--
図１２は、本発明の実施形態５による防水型電子機器１００Ｄの断面図である。
実施形態５の防水型電子機器１００Ｄは、放熱部材１０８を備えていない構造とされている点で、実施形態１〜４の防水型電子機器１００、１００Ａ〜１００Ｃと相違する。
すなわち、防水型電子機器１００Ｄにおいては、電子部品構造体１１０Ｄは、中間伝熱部材１０７に接合された絶縁部材１０６上にリードフレーム１０２が接合され、リードフレーム１０２上に電子部品１０１がダイボンディングされた構造を有する。電子部品構造体１１０Ｄは、電子部品１０１の周囲を覆う絶縁材１０４により、ほぼ直方体形状とされ、電子部品構造体１１０Ｄの上面１１０ａを除く表面全面に防水膜１０９が形成されている。防水膜１０９を、各リード１０２ｂに接触しないように電子部品構造体１１０Ｄの上面１１０ａに形成してもよい。
実施形態５の防水型電子機器１００Ｄでは、中間伝熱部材１０７が、他の実施形態における放熱部材１０８の機能を有しており、ここでは他の実施形態との関連性を示すために中間伝熱部材１０７としているが、実質的には、冷媒１２１により、直接、冷却される表面放熱部材である。中間伝熱部材１０７、すなわち、表面放熱部材の面積は、冷却フィン１０８ｂの合計表面積と同一、またはそれ以上にしてもよい。
防水型電子機器１００Ｄの他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態５においても、電子部品構造体１１０Ｄ全体を収容する金属製ケースを有しておらず、材料コストを低減し、生産性を向上することができる。
特に、実施形態５の防水型電子機器１００Ｄは、放熱部材１０８を備えておらず、より簡素化された構造とされているので、一層、材料コストを低減し、生産性を向上することができる。
［防水膜１０９の形成方法］
防水膜１０９の形成方法については、上述したが、図１３（ａ）を参照して、再度、説明する。
絶縁材１０４の一面に、スパッタ、蒸着、無電解めっき、コールドスプレー、溶射、エアロゾルデポジション法、または導電性ポリマ成膜の上記いずれかの方法により給電用薄膜１０９ａを形成する。給電用薄膜１０９ａ上に、例えば、銅、ニッケル、錫、亜鉛またはそれらの１種以上を含む合金を用いて、電気めっきにより厚膜１０９ｂを形成する。
このように、防水膜１０９は、給電用薄膜形成と厚膜形成とを組み合わせて形成することができる。
しかし、防水膜１０９を上記の方法で形成した場合、厚膜１０９ｂの表面にピンホール等のめっき欠陥が発生する可能性がある。ピンホール等のめっき欠陥は、耐食性を低下させる。
図１３（ｂ）、図１３（ｃ）を参照して、めっき欠陥を無くし、耐食性の良好な、信頼性が高いめっき方法を説明する。
絶縁材１０４の一面に、上述した方法により給電用薄膜１０９ａを形成する。給電用薄膜１０９ａ上に、スルファミン浴を用いた電気ニッケルめっきにより厚膜１０９ｂを形成する（第１電気めっき工程）。スルファミン浴を用いた電気ニッケルめっきでは、析出被膜の内部応力が小さくなることが知られている。しかし、この電気めっきでは、図１３（ｂ）に図示するように、ピンホール１２４等のめっき欠陥が発生する可能性がある。
厚膜１０９ｂ上に、ワット浴を用いた電気ニッケルめっきにより上部被膜１０９ｃを形成する（第２電気めっき工程）。ワット浴を用いた電気ニッケルめっきは、析出被膜の結晶が緻密であり、耐食性が高い。また、光沢材を入れることで、ピンホール１２４等のめっき欠陥部を埋めて、表面を平滑化するレベリング効果がある。
これにより、図１３（ｃ）に図示されるように、厚膜１０９ｂ上に、表面が平坦な上部被膜１０９ｃが形成された、耐食性が高い防水膜１０９が形成される。
厚膜１０９ｂ上に、上部被膜１０９ｃを形成する際、厚膜１０９ｂを大気に晒すと、厚膜１０９ｂの表面に酸化膜が形成される。酸化膜は、上部被膜１０９ｃを形成する際、めっき成長の妨げとなる。そこで、厚膜１０９ｂを形成した後、厚膜１０９ｂの表面を乾燥させず、そのままの状態で搬送して、上部被膜１０９ｃを形成することが好ましい。
上部被膜１０９ｃの形成において、被膜の析出が良好でない場合には、厚膜１０９ｂの表面上に給電用薄膜を形成し、この給電用薄膜上に上部被膜１０９ｃを形成するようにしてもよい。
また、電気ニッケルめっき膜を形成する際、耐食性を向上する金属微粉末、例えば、Ｃｒ，Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ等が共析されるようにしてもよい。
以上説明した通り、上記各実施形態によれば、放熱部材１０８（または中間伝熱部材１０７）の表面が外部に露出するように絶縁材１０４で封止し、この絶縁材１０４が冷媒に浸漬される領域、すなわち、絶縁材１０４が冷媒と接する領域を防水膜１０９で覆った構造を備えている。
このように、各実施形態における防水型電子機器１００、１００Ａ〜１００Ｄは、電子部品構造体１１０、１１０Ａ〜１１０Ｄを収容するための金属製ケースを備えておらず、また、電子部品構造体１１０、１１０Ａ〜１１０Ｄの構造も簡素である。
このため、材料コストを低減し、生産性を向上するという効果を奏する。
なお、上記各実施形態では、防水膜１０９を、電子部品構造体１１０、１１０Ａ〜１１０Ｄの上面１１０ａを除く全表面に形成した構造として例示した。しかし、防水膜１０９は、電子部品構造体の表面のうち、少なくとも冷媒１２１に浸漬される領域に設けられていればよいものであり、冷媒１２１に浸漬される上記領域以外の表面には防水膜１０９が形成されていない構造としてもよい。
また、電子部品１０１は、半導体素子のみでなく、受動部品や、温度、流量、圧力等の物理量を検出するセンサ等を含んでいてもよい。
また、上記各実施形態の各部分を、組み合わせたり、本発明の趣旨の範囲内で変形したりしてもよい。要は、電子部品に熱伝導可能に放熱部材が接合され、この放熱部材の一面を露出するように電子部品が絶縁材で封止された電子部品構造体を構成し、この電子部品構造体の少なくとも冷媒への浸漬領域に防水膜を形成したものであればよい。
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１４年第３３９５２号（２０１４年２月２５日出願）
１００、１００Ａ〜１００Ｄ 防水型電子機器
１０１ 電子部品
１０２、１０２Ａ リードフレーム
１０２ａ ダイ
１０２ｂ リード
１０３ ワイヤ
１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ 絶縁材
１０５ 接合材
１０６ 絶縁部材
１０７、１０７Ａ 中間伝熱部材
１０８ 放熱部材
１０８ｂ 冷却フィン
１０９ 防水膜
１０９ａ 給電用薄膜
１０９ｂ 厚膜
１０９ｃ 上部被膜
１１０、１１０Ａ〜１１０Ｄ 電子部品構造体
１１０ａ 上面
１１０ｂ 下面
１１６ 中間伝熱体
１２１ 冷媒
２０７ 低融点金属材料
２０８ 高熱伝導性材料
２０９ 高熱伝導性／低融点金属混合材料
２２０、２２０Ａ 中間構造体
２３０、２３０Ａ，２３０Ｂ 放熱体構成体
２４０ 加工前放熱体構成体

Claims (15)

  1. 半導体素子を含む電子部品と、前記電子部品に熱伝導可能に設けられた放熱部材と、前記放熱部材の一面を露出して前記電子部品の周囲を覆う絶縁材とを備えた電子部品構造体と、
    前記電子部品構造体の少なくとも冷媒への浸漬領域の全面に形成された防水膜とを備える、防水型電子機器。
  2. 請求項１に記載の防水型電子機器において、
    前記放熱部材は、複数の冷却フィンを有し、前記防水膜は、前記各冷却フィンの表面を覆って形成されている、防水型電子機器。
  3. 請求項１に記載の防水型電子機器において、
    前記防水膜は、金属材料により形成されている、防水型電子機器。
  4. 請求項１に記載の防水型電子機器において、
    前記防水膜は、水素よりイオン化傾向が小さい金属材料または表面に酸化膜が形成された金属材料により形成されている、防水型電子機器。
  5. 請求項１に記載の防水型電子機器において、
    前記電子部品構造体は、前記半導体素子の電極に接続され、前記絶縁材の一側面および前記一側面と対向する他側面から外部に延出された複数のリードを有している、防水型電子機器。
  6. 請求項１に記載の防水型電子機器において、
    前記電子部品構造体は、さらに、前記電子部品が搭載されたリードフレームを有し、前記リードフレームは、前記半導体素子の電極に接続され、前記絶縁材の一側面から外部に延出された複数のリードを有し、
    前記防水膜は、前記絶縁材の少なくとも前記一側面以外の側面に形成されている、防水型電子機器。
  7. 請求項６に記載の防水型電子機器において、
    前記リードフレームと前記放熱部材との間に絶縁部材が設けられ、前記絶縁部材と前記放熱部材との間に中間伝熱部材が設けられている、防水型電子機器。
  8. 請求項７に記載の防水型電子機器において、
    前記中間伝熱部材は、前記放熱部材よりも大きい面積を有する、防水型電子機器。
  9. 請求項７に記載の防水型電子機器において、
    前記絶縁部材は、前記中間伝熱部材および前記放熱部材よりも小さい面積を有する、防水型電子機器。
  10. 請求項１に記載の防水型電子機器において、
    前記放熱部材は、複数の冷却フィンを有し、
    前記絶縁材は、前記各冷却フィンの上面と、ほぼ面一に形成されている、防水型電子機器。
  11. 請求項１に記載の防水型電子機器において、
    前記電子部品構造体は、さらに、前記一面側に対向する他面側に、前記電子部品と熱伝導可能に設けられた対向放熱部材を備える、防水型電子機器。
  12. 請求項１に記載の防水型電子機器において、
    前記絶縁材は、エポキシ樹脂、またはエポキシ樹脂に、熱伝導度がシリカよりも大きい材料からなるフィラーが混合された材料により形成されている、防水型電子機器。
  13. 半導体素子を含む電子部品をリードフレーム上に搭載して、前記半導体素子の電極と、前記リードフレームのリードとをボンディングし、
    前記リードフレームに熱伝導可能に放熱部材を設け、
    前記電子部品と前記放熱部材とを、前記リードフレームの前記リードの一部が外部に延出されるように絶縁材で覆って電子部品構造体を形成し、
    前記電子部品構造体の前記放熱部材の外表面および前記絶縁材における少なくとも前記放熱部材の周囲部分に防水膜を形成する、防水型電子機器の製造方法。
  14. 請求項１３に記載の防水型電子機器の製造方法において、
    前記防水膜の形成は、１層目の金属膜を形成する第１電気めっき工程と、前記１層目の金属膜の表面の凹凸を平滑化する２層目の金属膜を形成する第２電気めっき工程とを含む、防水型電子機器の製造方法。
  15. 請求項１３または１４に記載の防水型電子機器の製造方法において、
    前記電子部品構造体は、前記リードフレームと前記放熱部材との間に配置された絶縁部材と中間伝熱部材とをを含み、
    前記電子部品構造体の形成は、金属粉末を型に収容し、前記絶縁部材と前記型との隙間に、前記金属粉末より低融点で、熱伝導性が小さい溶融した金属材料を注入して前記中間伝熱部材と前記放熱部材とを形成する工程を含む、防水型電子機器の製造方法。
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