KR100322177B1 - 내연기관용점화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 땜납접합부의 신뢰성이 높은 내연기관용 점화장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있고, 그 특징은 몰드케이스에 일체로 성형되는 외부입출력용단자를 가지는 몰드케이스 및 스위칭용 반도체소자, 제어용회로기판 및 히트싱크로 이루어지고, 히트싱크상에 단수에서 복수의 스위칭용 반도체소자를 베릴리아를 전기절연판으로써 이용하는 적층구조를 가지도록한 것에 있다.

Description

내연기관용 점화장치
종래의 기술은 파워트랜지스터의 발열을 저감하기 위하여 베릴리아를 사용하고 있고, 이에 의해 열저항을 감소시키고는 있지만, 적층구조의 장수명화 기술은 사용되고 있지 않아 자동차의 부품에 요구되고 있는 장기보증에는 배려되어있지 않은 것이 있다.
이런 종류의 장치로서는 예를들면 일본국 특허공개평3-30440호 공보에 기재되어 있다.
상기의 종래기술은 스위칭 반도체소자의 발열을 효율적으로 방열하기 위하여 전기절연판의 재료로써 베릴리아를 선정하고 있었다. 그 베릴리아와 금속히트싱크사이 및 스위칭용 반도체 사이의 납땜에는, 종래 표준타입의 고융점 땜납을 이용하여 접합하고 있었으나, 환경영향 및 자기발열의 반복응력이 작용한 경우에는, 납땜부에 응력이 가해져 균열이 들어가 나중에는 파괴에 이르는 일이 있었다. 또, 종래는 이 적층체가 하나의 모듈로 단수개밖에 없어, 땝납접속의 불일치가 최소한으로 억제되어 있었으나, 하나의 모듈안에 복수개의 적층체가 들어간 경우에는, 땜납 접합부 구조의 불일치가 커지게되어 불량율이 증가한다고 하는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 접합부의 신뢰성이 높은 내연기관용 점화장치를 제공하는데 있다.
상기 목적은 외부입출력용 단자가 일체로 성형된 몰드케이스와, 상기 몰드케이스내에 설치되고, 금속의 히트싱크상에 전기절연판을 거쳐 형성되는 스위칭용 반도체소자를 구비한 내연기관용 점화장치에 있어서, 상기 전기절연판으로써 베릴리아를 사용함과 동시에, 상기 반도체소자와 상기 전기절연판을 제1 땜납으로 접합하고, 상기 전기절연판과 상기 히트싱크를 제2 땜납으로 접합함으로서 달성된다.
스위칭용 반도체소자와 베릴리아 사이, 및 베릴리아와 금속히트싱크사이의 접합에 사용하는 땜납재의 선정을 행한다. 일반적으로 스위칭소자의 발열은 클때 1000℃∼350℃에도 이르는 경우가 있기 때문에 고융점의 땜납을 이용한다. 베릴리아하의 땜납에는 일반적으로 금속의 히트싱크와의 열팽창계수차이(α)를 흡수할수있는 저융점의 땜납을 이용한다. 이때, α의 차이가 대략 7×0.000001℃이내이면 일반적인 표준땜납재를 선정하고, 그 이상이면 비표준타입의 고수명땜납을 이용한다. 또한, 히트싱크사이의 땜납두께 및 스위칭소자사이의 땜납두께를 t 0.05∼t 0.2mm정도 이상으로 유지되도록 함으로써 제조상의 불일치를 억제하여 불량율의 저감을 도모할 수가 있다.
땜납재와 두께를 콘트롤하는 것은 예를들면 땜납재를 고융점땜납에서는, Pb:Sn=90:10 땜납이나 Pb:Sn=80:20 땜납, 안티몬함유 땜납, Ag함유 땜납등을 사용한다. 또, 융점은 약간 낮아지나, 공정(共晶)땜납, Pb:Sn=50:50 땜납등을 사용할 수도 있다. 또한, 두께를 콘트롤함으로써 장수명에 대응한다. 예를들던 스위칭소자하의 땜납에는 고융점의 땜납을 이용하고, 베릴리아하의 땜납에는 공정땜납이나 고온땜납을 이용한다. 또, 금속히트싱크를 Fe로 한 경우는 상호간의 α차이가 작기 때문에 두께의 콘트롤을 엄격하게 하지 않아도 긴 수명을 달성 할 수 있다. 금속히트싱크에 Cu라든가 Al을 이용한 경우에는 땜납두께의 콘트롤을 엄격하게 관리한다.
스위칭소자하의 땜납재에 Pb:Sn=90:10계 땜납재등을 이용하는 경우에는, 일반적으로는 두께를 +0.05㎜이상으로 유지함으로써 장수명에 크게 기여할 수가 있다.
이하, 본 발명의 일실시예를 도면에 의거하여 설명한다. 제1도에 나타낸 모듈은, 스위칭용 반도체소자(4)(다린튼타입 파워트랜지스터와 MOS-FET타입이 있다.)의 적층체(제4도, 제5도에 나타냄)를 이용한 다이렉트이그니션시스템용 이그나이터모듈(8)(이하, DIS이그나이터라고 함)의 일실시예를 나타내고 있다. 또, 제2도는 제1도의 화살표시 방향으로부터 본 측면도, 제3도는 제1도의 A-A'단면도이다. 이 점화장치는 자동차용 4기통의 DIS이그나이터, 또는 8기통의 동시착화 타입의 DIS이그나이터모듈이다. 여기서, DIS이그나이터모듈의 동작은 엔진콘트롤유닛의 신호를 제어하여, 이그니션코일의 1차측으로 흐르는 전류를 도통, 차단하는 것으로 이그니션코일의 2차측에 연결되어 있는 점화플러그로 고전압을 유도하여 엔진에 불꽃을 일으킨다. 콘트롤유닛으로부터의 신호를 제어하는 것은 DIS이그나이터모듈(8)이며, 입출력용단자(2)와 일체성형되는 몰드케이스의 커넥터(15)를 거쳐 도전성와이어, 예를들면 알루미늄와이어, 니켈와이어, 철계열, 철니켈계열, 구리계열 그 이외의 금속으로 접속된 제어용회로기판(14)으로 제어되고, 스위칭소자(4)의 예를들면 파워트랜지스터를 구동한다. 본 동작을 행할때, 파워트랜지스터(4)는 전류가 예를 들면, 약 0∼15A 정도의 범위에서 흐르기때문에 그때에 발열을 일으킨다. 그때의 발열은 조합되는 상기 엔진콘트롤러유닛의 통전제어맵과 이그니션코일에 좌우되나, 일반적으로는 약 0∼150와트이며, 최대소비 전력시에는 순간적으로 100∼350℃정도까지 상승한다. 이때 예를들면 스위칭소자(4)에 파워트랜지스터를 이용한 경우에는, 온도를 약 150℃이내로 관리해야하기 때문에 효율적으로 열을 방열하지 않으면 안된다. 따라서, 제4도 제5도에 나타내는 바와 같이 적층체로 하는 것이 바람직하다. 제4도 또는 제5도에 나타내는 적층체는 위가 파워트랜지스터(4), 전기절연판(3)이 베릴리아(BeO), 히트싱크(11)가 알루미늄을 이용하여, 각각 땜납(9, 10)으로 접합한 것이다. 이때, 파워트랜지스터(4)하의 땜납(9)은, 고융점 땜납 예를들면, Ph:Sn.Ag= 93.5:5:1.5, Pb:Sn=90:10, Pb:Sn=80:20, 및 안티몬을 적절하게 배합한 땜납등을 생각할 수있다. 한편, 땜납(10)은 저융점의 땜납, 또는 땜납(9)과 동일재료를 사용한다. 예를들면 비정(非晶)땜납, Pb:Sn= 50;50, 및 Sn이 풍부한 땜납 및 Ag함유 땜납등을 생각할 수있다. 또 제5도에 나타내는 실시예에서는 제4도보다 새로운 땜납(10)으로 동판(12)을 개재시킴으로서 열을 더욱 효율적으로 방열할 수가 있다. 또한, 동판(12)과 히트싱크(11)는 납땜, 납부착, 초음파용착등을 생각할 수 있다. 또, 히트싱크재를 동판, 철판등으로 할수도 있고, 특히 철판으로한 경우, 제5도에서는 동판(12)과 히트싱크(11)사이의 경우, 제4도에서는 상기 땜납(10)의 열사이클피로에 대한 손상을 받기 어려우므로 제조상 가장 만들기 쉬워진다. 구체적으로는 베릴리아(3)의 선팽창계수(α)가 (7∼8)×0.000001/℃에 대하여 철의 α는 (11∼12)×0.000001/℃정도이고, α의 차이가 적기때문에 열응력이 인가되기 어렵게 된다. 그 때문에 다른 히트싱크재를 이용했을 때에는 그때의 장수명의 목표치에 의하나, 일반적으로 땜납의 두께나 땜납재의 선정이 필요한데 히트싱크가 철일 때에는 목표타입의 땜납을 사용할 수있다. 또, 제3도에 있어서는 땜납(9)과 땜납(10)의 재질이 같은 종류인 것이 제조공정상 가장 좋은데 (이것은, 땜납(9), 땜납(10)의 융점의 문제로서, 같은 종류의 땜납재이면 융점이 비슷하기 때문에 같은 노(爐)에서 한변에 베릴리아(3)를 거쳐 파우트랜지스터(4)와 히트싱크(12)를 접합할 수있는 메리트가 생긴다.), 동판(12)(히트싱크의 역할)과 히트싱크(11)의 재료 및 접합방법에 따라 적절하게 땜납재를 선정한다. 또한, 제6도, 제8도는 본 발명의 제4도, 제5도에 나타낸 적층체를 단수개만 사용한 일실시예이다. 제6도는 제9도, 제10도, 제11도, 제12도에 나타낸 모듈케이스(1)와, 히트싱크(11)를 접속한 모듈이다. 이것도 DIS이그나이터모듈(8)과 작용은 동일하며, DIS 이그나이터모듈(8)이 엔진기통마다 혹은 엔진(2)기통 마다에 1개의 비율로 제4도 제5도의 적층체를 가지고 있었으나, 본 이그나이터모듈(13)은 전체의 기통을 전담한다. 이 제조에 관해서는 히트싱크(11)상에 배치, 접합된 각 소자를 가지는 제13도에 나타낸 히트싱크체를, 모듈케이스(1)로 커버링하도록 접착한다. 이때 옆에서 본 그림이 제11도, 제12도의 측면도이다. 설치구멍(5)은 통상 M4∼M6나사로 본 모듈(8 및 13)을 조이는 관통구멍이고, 통상 금속의 칼라(부시)를 인서트성형하고 있다. 내부소자, 예를들면 입출력용단자(2)와 적층체와의 전기접속에는 도전성와이어(6)를 이용한다. 이 경우, 베릴리아(3)와 다이렉트로 접속 불가능할 때에는 금속패드(7)를 거쳐 접속된다. 금속패드(7)는 통상 땜납에 의하여 접속된다. 도면중에 있는 도전성와이어의 종류는, 통상 1종류 내지 3종류(상기 알루미늄와이어, 니켈와이어등의 조합)가 혼재하는 경우가 있다.
제4도, 제5도에서는, 열저항은 대략 0.5∼2.5℃/W(정상열저항)이내이므로 베릴리아를 이용하는 효과는 충분히 있다. 통상은, 1.5∼6℃/W이므로 최대 92%의 열저항을 다운시키기 때문에 온도도 다운시킬 수가 있다. 또 땜납(9, 10)의 두께를 0.05∼0.25mm이상의 두께로 콘트롤함으로써 장수명을 달성한다.
점화시스템을 이하에 설명한다. 제14도에 나타내는 배터리(56)에 연결되는 키스위치(65)를 ON 시킨후 엔진의 운전상태를 알리는 크랭크각센서(57), 에어플로우센서(58), 수온센서(59), 아이들센서(60), 노크센서(61), O2센서(62)등의 각 센서로부터의 정보에 의하여 결정된 엔진콘트롤유닛(55)내에서의 점화시기콘트롤러(63)라든가 통전시간콘트롤러(64)를 처리하는 회로(64)로부터의 점화기통 ·점화위치등의 적절한 통전시간으로 제어된 점화신호에 의하여, 각 기통의 파워트랜지스터(53)를 ON, OFF하여, 점화코일의 1차측(50)을 흐르는 전류를 제어하여, 가장 적절한 타이밍으로 점화코일의 2차측(51)에 고전압을 발생시켜 점화플러그(52)에 점화시키는 것이다.
다음으로 제15도에 의하여 본 발명의 효과를 설명한다.
BeO의 α는 Al2O3와 거의 동일하기 때문에 땜납의 두께나 땜납재가 동일하면열응력에 의한 수명은 어느쪽도 거의 같아진다. 따라서, 열저항이 낮아지기 때문에 파워트랜지스터맵의 온도상승을 낮게 억제할 수 있다. BeO는 고열전도재료이므로 열을 효율적으로 전달할 수가 있다. 예를들면 열저항이 2℃/W →1℃/W로 저하하면, 칩의 발열이 50W이면, 칩∼히트싱크까지의 온도차가 50(W)×2℃/W에서 50(W)×1℃/W=50℃로 저하하는 것이 가능하기 때문에, 보다 높은 고열의 장소에 장착할 수 있고, 또 칩과 히트싱크 사이의 열응력이 낮아지기 때문에 접합부의 수명이 확실하게 연장된다.
열의 저항이 B →C으로 저하함으로써 파워트랜지스터의 발열을 낮게 억제할수 있어 수명이 연장된다. 본 발명에 의하면 내연기관 접합부의 신뢰성이 향상한다.
제1도 본 발명의 일실시예를 나타내는 도.
제2도 제1도의 화살표시 방향으로부터 본 측면도.
제3도 제1도의 A-A'단면도.
제4도 제1도의 B부의 부분확대도.
제5도 제4도의 다른 실시모양을 나타내는 도.
제6도 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도.
제7도 제6도의 내부를 나타내는 도.
제8도 제6도의 측면도.
제9도 제1도의 몰드케이스와 커넥터의 부분을 나타내는 도.
제10도 제9도의 내부를 나타내는 도.
제11도 제9도의 C-C'단면도.
제12도 제9도의 B-B'단면도.
제13도 제9도의 내부부품을 나타낸 도.
제14도 본 발명의 점화장치를 전자배전식 점화시스템에 적용한 도.
제15도 본 발명의 특성을 나타낸 도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 점화장치 2 : 입출력용 단자
3 : 전기절연판 4 : 반도체소자
9,10 : 땜납 11 : 히트싱크

Claims (5)

  1. 외부입출력용 단자가 일체로 성형된 몰드케이스와, 상기 몰드케이스내에 설치되고 금속의 히트싱크상에 전기절연판을 거쳐 형성되는 스위칭용 반도체소자를 구비한 내연기관용 점화장치에 있어서,
    상기 전기절연판으로서 베릴리아를 이용함과 동시에, 상기 반도체소자와 상기 전기절연판을 제1 땜납으로 접합하고, 상기 전기절연판과 상기 히트싱크를 제2 땜납으로 접합한 것을 특징으로하는 내연기관용 점화장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 땜납은 상기 제2 땜납의 땜납보다 고융점의 땜납인 것을 특징으로하는 내연기관용 점화장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 땜납 및 상기 제2 땜납의 땜납의 두께를 각각 0.05mm∼0.2mm으로 한 것을 특징으로하는 내연기관용 점화장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 땜납에 Pb:Sn=90:10계열 땜납을 이용하고, 그 두께를 0.05mm 이상으로 한 것을 특징으로하는 내연기관용 점화장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 입출력용단자와 상기 전기절연판상에 있어서의 상기 반도체소자와의 전기접속은 금속패드를 거쳐 행하는 것을 특징으로하는 내연기관용 점화장치.
KR1019940033023A 1993-12-27 1994-12-07 내연기관용점화장치 KR100322177B1 (ko)

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