(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
ギアと、
前記ギアを介して前記モータとエンジンとを接続するスイッチと、
制御手段とを一体に備えたエンジン始動装置において、
前記制御手段は、パワー半導体素子と、温度検出素子と、複数の導体配線が設けられた回路基板とを備え、前記回路基板上に前記パワー半導体素子と前記温度検出素子とが実装され、前記温度検出素子は少なくとも２つの接続部を有し、これらが個々に前記導体配線と電気的に接続され、その接続されたところの間に、前記パワー半導体素子と接続された前記導体配線の一部を延在させて構成され、
前記導体配線上には、前記導体配線を被覆する被覆材を備え、前記被覆材は、前記温度検出素子の2つの接続部の間に一部導体配線を露出する開口部を設け、前記被覆材の開口部から露出した導体配線と、前記温度検出素子は、熱伝導材を介して接続され、
前記パワー半導体素子が、前記モータへの通電および／または前記スイッチを制御し、前記エンジンを始動するエンジン始動装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記温度検出素子の検出する温度が所定温度以上の場合には、前記パワー半導体素子の動作を制限または停止することを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記パワー半導体素子は複数個あって、
前記温度検出素子が、複数の前記パワー半導体素子から、ほぼ同熱抵抗となる位置に設置されたことを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかにおいて、
前記温度検出素子は、両端に前記接続部が設けられ、前記導体配線に表面実装されるチップ型電子部品であることを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかにおいて、
前記熱伝導材の熱伝導率は３Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかにおいて、
前記パワー半導体素子には、ＭＯＳＦＥＴが構成されていることを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記温度検出素子で検出した温度に関する情報を、前記エンジンの制御装置（以下「ＥＣＵ」という）に出力し、
前記ＥＣＵにより前記温度が所定温度以上であると判断された場合には、前記ＥＣＵからの信号に基づいて、前記パワー半導体素子の動作が制限または停止されることを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記ＥＣＵからの信号に基づいて、アイドルストップを行うことを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項９】
パワー半導体素子と、
温度検出素子と、
複数の導体配線が設けられた回路基板とを備え、
前記回路基板上に前記パワー半導体素子と前記温度検出素子とが実装された制御装置において、
前記温度検出素子は少なくとも２つの接続部を有し、これらが個々に前記導体配線と電気的に接続され、
その接続されたところの間に、前記パワー半導体素子と接続された前記導体配線の一部が延在させて構成され、
前記導体配線上には、前記導体配線を被覆する被覆材を備え、前記被覆材は、前記温度検出素子の2つの接続部の間に一部導体配線を露出する開口部を設け、前記被覆材の開口部から露出した導体配線と、前記温度検出素子は、熱伝導材を介して接続されていることを特徴とする制御装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記温度検出素子の検出する温度が所定温度以上の場合には、前記パワー半導体素子の動作を制限または停止することを特徴とする制御装置。
【請求項１１】
請求項９において、
前記パワー半導体素子は複数個あって、
前記温度検出素子が、複数の前記パワー半導体素子から、ほぼ同熱抵抗となる位置に設置されたことを特徴とする制御装置。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれかにおいて、
前記温度検出素子は、両端に前記接続部が設けられ、前記導体配線に表面実装されるチップ型電子部品であることを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの始動装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より大電流を通電する半導体装置では、大電流を通電することにより生じるパワー半導体素子や導体配線の発熱により、電子部品が耐熱温度を超えてしまう恐れがある。また、温度や電圧サージやその他の要因によってパワー半導体素子が故障すると、ショート電流が流れ半導体素子の発熱は更に増加する。
【０００３】
そのため、従来の半導体装置では、安全設計上、半導体素子の温度をモニタリングし通電電流の調整や停止等の安全処置を行う種々の工夫がなされ採用されている。
【０００４】
また、半導体装置での発熱源は、パワー半導体素子のチップ部分が支配的であるため、温度が最も上昇するが、実際に半導体チップ部分の温度を直接測定することは困難である。しかし、半導体チップ部以外の基板部位を測定した場合、測定位置までの熱抵抗が大きいと温度測定精度が極端に低下する。
【０００５】
そこで、半導体チップから温度測定位置までの熱抵抗を小さくし、温度測定精度を向上させることが求められており、それらを解決した手法としては、次の手法が提案されている。
【０００６】
特許文献１においては、パワー半導体素子のベアチップ上面側に、ろう材にて接合配置されている熱拡散導体の温度を測定することで、温度測定精度を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−０４９８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
大電流を通電し、温度保護が必要な半導体装置の一例としては、アイドルストップスタータ用のパワースイッチモジュールが挙げられる。スタータでは、エンジンの始動を行うため、数百アンペアの大電流が通流される。パワースイッチングモジュールでは、内部に実装されているＭＯＳＦＥＴによってスタータモータへの通電をスイッチング制御しているため、ＭＯＳＦＥＴのチップが発熱源となり、チップのジャンクション温度が保証温度１５０〜１７５℃を超え不具合が生じる恐れがある。
【０００９】
しかも、アイドルストップスタータの場合、エンジンがスタートする時間は、約０.２〜１ｓ程度と非常に短時間であるため、パワースイッチモジュールに電流が通流される時間も短時間である。そのため、通流される電流によって生じるＭＯＳＦＥＴのチップ温度上昇を応答性良く測定し、タイムリーな電流調整や電流遮断等の処置を行えるようにすることが必要となる。
【００１０】
また、上記特許文献に記載の技術等によっても、温度測定精度を向上させることは可能であるが、特許文献１については、ベアチップ実装の構造のみに適用可能な構造であり、非常に高価な構造となる。また、温度計としては、通常基板に実装し使用されている汎用品のチップサーミスタやチップダイオードでは温度測定ができない構造となっている。
【００１１】
また、一般的な温度計としては熱電対があるが、基板に部品を実装した後に、測定部への熱電対の取付けや、配線の這い回しを行う必要があるため、取り扱い性が悪化し、組立工数が増加されるデメリットがある。それに対して、チップサーミスタやチップダイオードなどでは、他の電子部品と同時に基板に面実装できるため、工数の低減により安価で、且つ大量生産に適した製品組立を行うことが可能となる。
【００１２】
そこで、温度計測方法として、より安価な構造とするためには、それらの汎用品のチップ温度計を用い、且つ、汎用品の電子部品や基板を用いて温度を測定できることが望ましい。
【００１３】
本発明の目的は、汎用のチップ温度計等を用いてパワー半導体の温度測定精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的は、エンジン始動装置において、温度検出素子は少なくとも２の接続部を有し、これらが個々に導体配線と電気的に接続され、その接続されたところの間に、パワー半導体素子と接続された導体パターンの一部が延在することにより達成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、パワー半導体素子が実装されている導体とチップ温度計を高熱伝導部材でダイレクトに接続することで、パワー半導体素子のチップから温度計までの熱抵抗を小さくすることができるため、チップの温度上昇を精度良く測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態。
【図２】本発明の第１の実施形態における温度計実装部断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるＭＯＳＦＥＴ断面図。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるモジュールケース組立図。
【図５】本発明の第２の実施形態。
【図６】本発明の第３の実施形態。
【図７】本発明でのレジスト塗布構造。
【図８】本発明でのレジスト塗布構造における温度計実装部断面図。
【図９】本発明でのレジスト構造。
【図１０】本発明の第４の実施形態。
【図１１】本発明をアイドルストップ用スタータに適用した実施形態。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１，図２は、本発明における第１の実施形態である。図１は本発明の第１の実施形態、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。以下、実施例は、特に車載機器であるアイドルストップスタータ用のパワースイッチモジュールに代表される様な、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いた半導体装置において記載するが、発熱を伴うその他の半導体素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワートランジスタ，パワーダイオードを用いた場合でも適用される。
【００１８】
また、実施例では、安価である汎用品のパッケージＭＯＳＦＥＴを使用した場合を示すが、本発明は、ベアチップ実装した半導体装置でも適用できる。
【００１９】
図１，図２において基板２はアルミや銅等で構成された金属ベース２１を母材として構成されており、金属ベース２１の上面には、エポキシ系樹脂で構成された絶縁層２２を介して、銅で構成された導体配線による回路が形成されている。導体の上面には、ＭＯＳＦＥＴ３，チップサーミスタ及びチップダイオード等の温度計４、アルミやニッケル等で構成された電極パッド８、及びその他の電子部品（図示せず）が、ハンダ６により電気的に接続されている。
【００２０】
導体配線のうち、ＭＯＳＦＥＴ３のドレイン端子であるヒートスプレッダ１３は、第１導体２３１と、ＭＯＳＦＥＴのソース端子１４は、第５導体２３５と、ＭＯＳＦＥＴの導通・非導通を制御するゲート端子１５は、第６導体２３６とそれぞれ電気的に接続されている。第１導体，第５導体には、電極パッド８がハンダ６により実装されており、電極パッド８にはアルミや銅などのワイヤ９が複数本ボンディングされており、外部との電流電圧の入出力端子と接合されている。
【００２１】
また、前記温度計４の温度信号端子４１，４２は、第２導体２３２，第３導体２３３とそれぞれ電気的に接続されている。第２導体，第３導体には、電極パッド８がハンダにより実装されており、電極パッド８上にはアルミや銅などのワイヤ９がボンディングされており、温度計４でセンシングされた温度信号を外部のＥＣＵへ出力する。
【００２２】
前記第１導体２３１からは、第１導体の一部であり細線で構成された第４導体２３４が、第２導体２３２と第３導体２３３の間を通り、温度計４の下を通る様に伸びている。前記第４導体と、温度計４は、銀ペーストや高熱伝導樹脂等の高熱伝導樹脂７で接合されている。
【００２３】
高熱伝導樹脂７は絶縁性を有する高熱伝導樹脂等を用いる場合は、図１０に示す様に、高熱伝導樹脂７を温度計の電極部も全て覆う様にポッティングし、そのポッティングされた高熱伝導樹脂７が温度計４と第４導体２３４の隙間に入り、それぞれ接続しているものでも良い。
【００２４】
次に、ＭＯＳＦＥＴ３の構成を説明する。図３はＭＯＳＦＥＴ３の断面図である。ＭＯＳＦＥＴ３は、銅によって構成されたヒートスプレッダ１３の上にチップ実装ハンダ１７によりシリコンチップ１２が実装されている。チップ１２の上面から、銅によって構成されたソース端子１４とゲート端子１５（図１記載）に、アルミワイヤボンディングにより電気的に接続されている。前記、チップ１２は、ヒートスプレッダ１３，ソース端子１４，ゲート端子１５と供に、エポキシ樹脂で封止されパッケージングされている。
【００２５】
また、前記の様に、ＭＯＳＦＥＴ３は銅により構成された第１導体２３１と接続され、第１導体の一部である第４導体２３４を介して、高熱伝導樹脂７により温度計４と接合されているため、チップ１２から温度計４までは、熱伝導率約３〜４００Ｗ／ｍＫの高熱伝導部材で構成することができるため、熱抵抗を小さくすることが可能となる。
【００２６】
従来のインバータ等の様にパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）が実装されている導体とは別回路を形成している導体に温度計を実装した場合には、熱伝導率が約０.２Ｗ／ｍＫのレジスト（エポキシ）が導体間に充填されているため、熱伝達経路上の熱抵抗が大きくなり、温度測定精度は極端に低下する。よって、本発明を適用することで、温度測定精度を向上することが可能となる。
【００２７】
図４は、モールドケース１０組付図を示す。モールドケース１０は、基板２収容し、車両のアイドルストップスタータに適用する事例の場合、外部のスタータとの電気的接続及び機械的締結を行うものである。その材質は、ＰＰＳ（ポニフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の熱可塑性樹脂で構成されており、内部に、スタータと電気的接続を行うための、銅で構成されたインサートバスバーがインサート成型されている。
【００２８】
モールドケース１０は、基板２とシリコン接着剤（図示せず）で接着固定されている。モールドケース１０のインサートバスバーである入力側バスバー１０１，出力側バスバー１０２とコネクタ端子１１１は、基板２の電極パッド８と、アルミニウム，銅などのワイヤ９でボンディング接続されており、基板上を流れる電流や電圧信号を外部のスタータ側と授受するための電気的接続を行っている。前記温度計４で計測された温度電圧信号は、モールドケース１０と一体成型されているインサート端子１１１を介しコネクタ１１より、外部のＥＣＵ側へ送信される。
【００２９】
ここで、ボンディングに用いるボンディングワイヤは、コスト，ハンドリング性，信頼性の観点よりアルミワイヤを用いることが良く知られている。なお、電極パッド８は、基板２側にアルミワイヤボンディングを行うために必要な、ボンディング用パットである。また、インサートバスバーと電極パッド８との接続は、アルミリボンボンディングであっても良い。
【００３０】
図５には、本発明の第２の実施形態を示す。車両のアイドルストップスタータに適用する事例では、数百アンペアの電流をＭＯＳＦＥＴでスイッチング制御させる。そこで、ＭＯＳＦＥＴが１素子では許容電流を超えてしまう場合には、図５に示す様に２素子以上並列で実装し使用することが一般的である。
【００３１】
その際、通常１素子のＭＯＳＦＥＴに対し、温度計４も１素子配置する方が、各ＭＯＳＦＥＴの温度をそれぞれ検知することができるが、実装スペースや部品点数を削減することを考慮すると、１素子の温度計で複数個あるＭＯＳＦＥＴの温度を同じ検出精度で検出できることが好ましい。
【００３２】
そこで、図５では、２素子並列接続でＭＯＳＦＥＴ３が第１導体２３１上に実装されており、同じく第１導体２３１上に実装されている電流を入力させるための電極パッド８との間に、導体開口部１８があり、その中にある第２導体２３２と第３導体２３３に温度計４が実装されている。第１導体２３１からは、導体開口部１８内部側に向けて、第４導体２３４が第２導体２３２と第３導体２３３の間を通り、温度計４の下を通る様に伸びており、第４導体と温度計４は高熱伝導樹脂７で接続されている。
【００３３】
また、導体１の周囲には、温度計４の温度信号を外部に出力させるための配線を行う第７導体２３７と第８導体２３８が配線してある。前記、導体開口部１８内部にある第２導体２３２及び第３導体２３３と第７導体２３７及び第８導体２３８をアルミワイヤで接続することで、検出した温度信号を外部へ出力できる構造となっている。
【００３４】
温度計４は、２素子並列接続されたＭＯＳＦＥＴの各素子のチップからそれぞれ同じ熱抵抗となる位置に１素子配置されている。そのため、２素子あるＭＯＳＦＥＴの温度を１素子の温度計で、しかも同じ検出精度で検出できる。本実施例では、ＭＯＳＦＥＴを２素子使用した場合について記載しているが、２素子以上の複数素子使用した場合でも、各ＭＯＳＦＥＴから同熱抵抗となる位置に温度計を１素子配置することで使用できる。
【００３５】
ここで、ＭＯＳＦＥＴのチップ部から温度計までの熱抵抗を決定する条件としては、チップ〜温度計までを構成しているチップ１２，チップ実装ハンダ１７，ヒートスプレッダ１３，ヒートスプレッダを実装しているハンダ６，第１導体２３１，第４導体２３４，高熱伝導樹脂７の熱伝導率，接合面積，厚み，距離によって決まる。
【００３６】
図６には、本発明の第３の実施形態を示す。図５の形態では、各ＭＯＳＦＥＴから同熱抵抗となる位置に温度計を配置した場合、第１導体２３１の中間に導体開口部１８を設けて、ワイヤ９で信号を外部に取り出す必要があり構造が複雑化している。第３の実施形態では、それらを改善させた構造を提案する。
【００３７】
図６の構造では、温度計４を第１導体２３１と第５導体２３５の間に配置する構造となっている。第２導体２３２と第３導体２３３も、第１導体２３１と第５導体２３５の間まで伸びており、第１導体２３１に２素子並列接続されているＭＯＳＦＥＴ３の間で、温度計４の各電極と接続されている。また、第１の導体２３１からは、第４導体２３４が、第２導体２３２と第３導体２３３の間を通り、温度計４の下を通る様に伸びており、第４導体と温度計４は高熱伝導樹脂７で接続されている。また、本実施形態においても、温度計４は、各ＭＯＳＦＥＴのチップからそれぞれ同じ熱抵抗となる距離に温度計４を１素子配置されている。
【００３８】
図７〜図９には、本発明におけるレジスト塗布時の構造を示す。従来、基板実装時には、導体部の絶縁や保護のため、熱硬化性のエポキシで構成されたレジストを塗布する。また、導体上の部品実装部では、レジストに開口部を設けて導体と電子部品との電気的接続を行う。電子部品と導体との接続は、ハンダ６によって行うが、レジスト開口部は、ハンダ付けの範囲を制限しハンダ流れによるハンダ不足等を防止のためにも用いられる。多くの基板では、レジストの塗布が必要となるため、本発明においては、一般的に用いられている様な、電気的接続を目的としているレジスト開口部１９１以外に、電気的接続を行わない、導体の温度を直接測定するためのみのレジスト開口部１９２を有する構造となっている。
【００３９】
図７，図８の実施例では、レジスト開口部１９２により露出した導体の温度を高熱伝導樹脂７を介して、温度計４で測定できるため、熱伝導率が悪い（約０.２Ｗ／ｍｋ）レジストを間に介することなく温度を測定することができ、温度測定精度が著しく向上する。導体温度を測定する温度計としては、チップ部品の温度計を提案しているが、リードタイプの温度計や熱電対などでも良い。
【００４０】
次に、本発明の半導体装置を車両のアイドルストップ用スタータへと適用した場合の取付構造について説明する。
【００４１】
図１１に、本発明の半導体装置を車両のアイドルストップ用スタータへと一体に取付けた外観図を示す。アイドルストップスタータ２０は、エンジンと噛み合わせたピニオンギヤ（図示せず）を回転させ、エンジン（図示せず）を回転させるためのスタータモータ２０１と、エンジンにアイドルストップスタータ２０のピニオンギヤを押し出し噛み合わせるためのマグネットスイッチ２０２と、前記、本発明の半導体装置１と、それらを保持し、アイドルストップスタータ２０のエンジンとの取付けを行うためのギヤケース２０３とで構成されている。半導体装置１は、ＥＣＵ２１からのアイドルストップ指令信号を受け、半導体装置１内部のＭＯＳＦＥＴをスイッチングすることで、スタータモータ２０１やマグネットスイッチ２０２への電流を制御し、車両がアイドルストップを行うために用いられる。半導体装置１とＥＣＵ２１とは、コネクタ１１を介して接続されている。本発明における温度計４で検出された温度測定結果は、コネクタ１１を介してＥＣＵ側へ送信され、その結果を受けて、温度信号がある所定の値以上になった時に、スタータモータ２０１とマグネットスイッチ２０２への通流電流の調整や通流遮断等の処置を行う。
【符号の説明】
【００４２】
１  半導体装置
２  基板
３  ＭＯＳＦＥＴ
４  温度計
６  ハンダ
７  高熱伝導樹脂
８  電極パッド
９  ワイヤ
２２  絶縁層
２３  導体
２３１  第１導体
２３２  第２導体
２３３  第３導体
２３４  第４導体
２３５  第５導体
【図１】
0005517988.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0005517988.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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