(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ付けした電子部品を搭載した基板、該基板を収納し、外部と電気的接続を行なうためのバスバーを有するモールドケースとから構成されるパワーモジュールにおいて、
前記モールドケースに設けられ、前記基板上に電子部品を収納する電子部品実装エリアと、前記バスバーとのボンディング作業を行なうボンディングエリアとを形成する仕切板、前記電子部品実装エリアに注型された第１の樹脂、前記ボンディングエリアに注型された第２の樹脂とからなり、
前記仕切板は、前記モールドケースと一体成形され、前記モールドケースと前記仕切板が、前記基板と接する面には、接合のための樹脂受け溝が形成されていることを特徴とするパワーモジュール
【請求項２】
請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記第１の樹脂と第２の樹脂の硬化温度を同等の条件で硬化出来る様に選定することを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１、請求項２記載のパワーモジュールにおいて、
前記第１の樹脂としてエポキシ樹脂を用い、第２の樹脂としてシリコーンゲルを用いることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記仕切板は、前記基板に対して直立する部位と、前記基板に対して並行する部位からなり、該並行する部位は、前記ボンディングエリア側に設けられたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項５】
請求項４記載のパワーモジュールにおいて、
前記基板に対して並行する部位に、接合のための樹脂受け溝が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
請求項１、請求項５記載のパワーモジュールにおいて、
前記接合のための樹脂受け溝には第３の樹脂としてシリコン系樹脂が充填されることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールとその製造方法に係り、特にハンダ部分の信頼性が改善された車載用に適したパワーモジュールとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流を通電するパワーモジュールでは、大電流が通電することによる発熱に伴う問題を改善する必要がある。発熱に伴う問題の対策のひとつは、発熱を如何に効率よく外部放散するかであり、パワーモジュールには外部放散技術が、種々工夫され採用されている。
【０００３】
また、他の考慮すべき対策は、パワーモジュール内の各種部品間の線膨張係数差に伴う問題の対策である。例えば、パワーモジュール内の素子及び、ＩＣ、コンデンサ等の電子部品、さらには基板の間は、適宜ハンダにより電気的に接続しているが、電子部品と基板の線膨張係数差により、ハンダ部に繰り返し疲労によるクラックが発生し、やがて破断に至る現象が知られている。
【０００４】
これらの破断現象の延命化として、特許文献１においては、電子部品部をハンダの線膨張係数に合わせたエポキシ樹脂で注型することで、ハンダクラック起点での応力集中を抑え、ハンダ部の寿命を向上させる手法が知られている。さらに特許文献１においては、モジュール内部に設置される基板全体をハンダに合わせた線膨張係数を有するエポキシ樹脂で充填することで、ハンダ部の寿命の改善を図る構造を提案している。
【０００５】
また特許文献２では、ワイヤ周囲を柔らかいポリイミド系の樹脂でコーティングし、半導体素子部をハンダの線膨張係数に合わせたエポキシ樹脂でポッティングする構造にすることで、ワイヤ部にエポキシ樹脂の拘束力が生じない構造が知られている。
【０００６】
また、基板上での領域を仕切る手法としては、特許文献３にある様に、半導体素子部を枠体の別部品によって囲む方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−５６８７３号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１７３７号公報
【特許文献３】特開２００４−２５９９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献に記載の技術は、それぞれの用途のパワーモジュールとして工夫されたものではあるが、本発明において適用を検討している車載用機器としての近年のパワーモジュールの場合には、求められる仕様がいっそう厳しいものがある。
【０００９】
近年、環境対応自動車用として、エンジンルーム内へ搭載されるパワーモジュールの用途が増えており、かつ使用温度範囲幅がより広い条件で使用されるようになった。例えば、アイドルストップスタータ用のパワーモジュールでは、エンジンに取付けられるスタータに直接パワーモジュールが取付けられており、スタータに流れる数百アンペアの大電流をパワーモジュールでスイッチング制御する為、エンジンの発熱と大電流通電による自己発熱の影響でパワーモジュールの温度が一層上昇する傾向にある。
【００１０】
従来までのパワーモジュールであれば、比較的十分な放熱機能、例えばヒートシンクや高耐熱の無機材料基板、例えば、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）基板、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板を用いたりすることで対応できた経緯はある。しかし、限られたエンジンルーム内部への搭載部品となると、小形、高密度実装が要求され、その結果、パワーモジュール用素子の発熱温度上昇が大きくなり、パワーモジュール実装構造がより困難な状況になりつつある。
【００１１】
係る環境下での、ハンダ部のクラック発生の問題について、特許文献１の対策「ハンダと近似した線膨張係数を有するエポキシ樹脂で充填」により、ハンダ寿命は改善できる可能性が高いが、電子機器はハンダで接合された部品ばかりではない。例えば、アルミニウムや銅等から成るワイヤや、これら電子部品を搭載する基板があるが、これらの線膨張係数は、ハンダとは異なる。特にワイヤは細線であり、ワイヤ全体を線膨張係数の異なるエポキシ樹脂で封止されてしまうと、応力発生時の伸びによる応力緩和ができずにワイヤ断線となってしまう。
【００１２】
従って、通常、ボンディングワイヤにはシリコーンゲル等の柔軟な樹脂で封止することとされている。特許文献２では、ワイヤ周囲を柔らかいポリイミド樹脂でコーティングしているが、その硬化温度は一般的な製品では３００℃前後必要であり、ある程度の保持時間が必要となる。この温度履歴においては、基板のパターンを形成する銅箔パターンの酸化、基板表面を保護するレジストコートの酸化、アルミワイヤの材質変調、更には電子部品の寿命低下に影響を与えるために、現実性が乏しい方策である。
【００１３】
ボンディングされたワイヤ周囲部をエポキシ樹脂とは別の樹脂でコーティングする上記特許文献２の手法では、ワイヤを一度ポリイミド系の第１の樹脂でコーティングし、硬化炉で硬化させた後、半導体素子部にエポキシ樹脂を注型し、硬化させる必要がある為、製造工程上２回の硬化工程を行なう必要があり、製造工数が増大するためコストの増加の要因となり得る。
【００１４】
また、特許文献３において、電子部品近傍に、エポキシ樹脂を以ってポッティングで封止する場合、ポッティング剤であるエポキシ樹脂注型しても、エポキシ樹脂のレオロジー特性のために基板上を流動してしまい、樹脂で封止出来る範囲にばらつきが発生し、品質低下の要因となり得る。
【００１５】
以上のことから本発明においては、製造が容易であり、かつハンダ部などの疲労改善に工夫されたパワーモジュールとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のパワーモジュールは、はんだ付けした電子部品を搭載した基板、基板を収納し、外部と電気的接続を行なうためのバスバーを有するモールドケースとから構成されるパワーモジュールであって、モールドケースに設けられ、基板上に電子部品を収納する電子部品実装エリアと、バスバーとのボンディング作業を行なうボンディングエリアとを形成する仕切板、電子部品実装エリアに注型された第１の樹脂、ボンディングエリアに注型された第２の樹脂とからなる。
【００１７】
又、本発明のパワーモジュールの製造方法は、基板上に電子部品などを取り付け、仕切板を備えたモールドケースを基板と第３の樹脂を用いて密着固定することにより、基板上に電子部品を取り付けた電子部品実装エリアと、外部と接続する為のボンディングエリアを形成し、第３の樹脂の硬化後、ボンディングエリア内で、ボンディング作業を行い、電子部品実装エリアに、第１の樹脂を充填し、ボンディングエリアに、第２の樹脂を充填し、第１と第２の樹脂を硬化させてなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のパワーモジュールでは、電子部品を実装しているハンダと、アルミワイヤの熱サイクル疲労による信頼性を向上することが出来、尚且つ、電子部品実装エリアとボンディングエリアが仕切り板によって完全に仕切られている為、前記第１の樹脂と第２の樹脂を同時に注型・硬化することが可能となり、製造タクトを短縮することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】パワーモジュールの断面図
【図２】パワーモジュールの上面図
【図３】モールドケース３と基板２の接続関係を示す断面図
【図４】モールドケース３の平面図
【図５】パワーモジュールの製造プロセスを示す図
【図６】本発明をアイドルストップスタータに適用した実施例の側面図
【図７】本発明をアイドルストップスタータに適用した実施例の背面図
【図８】本発明をアイドルストップスタータに適用した実施例のパワーモジュール構造図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例】
【００２１】
本発明のパワーモジュールは、基板上が仕切板によって２種類の部屋に分割されている。電子部品実装エリアと、ボンディングエリアである。
【００２２】
図２は、本発明のパワーモジュール１の上面図である。モールドケース３に覆われているが、基板２の領域が仕切板９によって、３つの部屋に分割されている。図２の例では、左右の小部屋がボンディングエリア１５であり、中央の大部屋が電子部品実装エリア１４とされている。
【００２３】
図１は、本発明のパワーモジュール１の断面図である。この図によれば、基板２の上に仕切板９が設けられ、基板２の側部に設けられたモールドケース３並びにモールドケース３の上部のカバー１０により、３つの空間が形成されている。中央の空間である電子部品実装エリア１４には、パワー半導体素子４１、チップコンデンサ４２、チップ抵抗４３、チップダイオード４４、ＩＣ４６等の電子部品が、基板２上にはんだ５付けされている。
【００２４】
また、左右の空間であるボンディングエリア１５には、アルミパット４５が基板２上に、はんだ５付けされており、モールドケース３に取り付けられたインサートバスバー１２との間が、アルミニウム、銅などのワイヤ６でボンディング接続されている。本発明のパワーモジュールを、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、ボンディング接続により基板上を流れる電流を外部のスタータ側へと通流する。
【００２５】
なお、各エリア内において各部品の接続が行なわれた後に、電子部品実装エリア１４には、第１の樹脂７としてエポキシ樹脂を充填し、ボンディングエリア１５には、第２の樹脂８としてシリコーンゲルが充填される。
【００２６】
次に、上記のように構成された本発明のパワーモジュールの各部部品について説明する。その後に、本発明の製法と、その作用・効果について説明する。
【００２７】
まず、基板２は、母材はアルミニウム、銅、鉄、或いは前記提示材料を含む合金により構成されており、母材であるアルミニウムの上面にエポキシ系樹脂等で構成された絶縁層を介して、銅導体による回路が形成されている。
【００２８】
銅導体の上面には、パワー半導体素子４１、チップコンデンサ４２、チップ抵抗４３、チップダイオード４４、アルミパット４５、ＩＣ４６が、ハンダ５により電気的に接続されている。本発明の目的は、このはんだ部分における疲労を改善するものであるが、本発明で説明する時の「はんだ」とは、鉛フリーハンダ：Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕなど以外にも、導電性接着部材等を介して接合するものも含むものとする。
【００２９】
モールドケース３は、基板２を収容し、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なうものである。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なう為の、銅で構成されたインサートバスバー１２がインサート成型されている。
【００３０】
モールドケース３のインサートバスバー１２と、基板２のボンディングエリア１５内のアルミパット４５とは、アルミニウム、銅などのワイヤ６でボンディング接続されており、基板上を流れる電流を外部のスタータ側へと通流する為の電気的接続を行なっている。
【００３１】
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、アルミパット４５は、基板２側にアルミワイヤボンディングを行う為に必要な、ボンディング用パットである。また、インサートバスバー１２とアルミパット４５との接続は、アルミリボンボンディングであっても良い。
【００３２】
パワーモジュール１内部では、基板２上に実装された電子部品実装エリア１４と、アルミワイヤ６でモールドケース３のインサートバスバー１２とボンディング接続されているボンディングエリア１５が、仕切板９により基板上で仕切られている。次に、仕切板９について、詳細に説明する。
【００３３】
モールドケース３の内側には、一体モールド成型により、仕切板９が薄肉状に成型されている。仕切板９の板厚は、モールド成型を行う際、樹脂流れの影響により成型良好な０.５〜３.０ｍｍの範囲で設定される。
【００３４】
この仕切板９は、モールドケース３と一体モールド成型品である為、図２にある様にボンディングに必要なスペースに合わせた形状に屈曲させ形状を決めることができる。その為、電子部品実装エリア１４とボンディングエリア１５を必要最低限のエリアに仕切る様に、屈曲させ成型されている為、基板面積を効率良く使用し、部品実装することが出来る。
【００３５】
仕切板９は、モールドケース３と一体モールド成型されているが、これらと基板２との関係では、樹脂を用いてモールドケース３と基板２を密着固定する必要がある。図３は、仕切板９、あるいはモールドケース３と、基板２を密着固定する為の構成を示す断面図である。また図４はモールドケース３の平面図である。
【００３６】
図３において、仕切板９には、基板２との接触面積を確保する為、基盤受け面９１がボンディングエリア１５側に設けられている。そのうえで、仕切板９の基盤受け面９１内には樹脂受け溝１３が成型されている。また、モールドケース３の基板２との接触面にも、図３、４に示す様な樹脂受け溝１３が成型されている。
【００３７】
仕切板９やモールドケース３と、基板２との関係では、係る構造とし、基板２と樹脂受け溝１３との間に第３の樹脂１１を塗布し硬化させることで、仕切板９を含むモールドケース３と基板２は密着固定される。そうすることで、電子部品実装エリア１４とボンディングエリア１５を基板２上で完全に分割することができる。ここで、第３の樹脂１１としては、シリコン接着剤を用いるのがよい。
【００３８】
なお、仕切板９の基板受け面９１は、ボンディングエリア１５方向にＬ字型に形成しているが、このようにすることで、電子部品実装エリア１４に基板受け面９１が突出しない為、電子部品実装エリア１４を大きく出来る。
【００３９】
また、Ｌ字型の基板受け面９１が仕切板９を補強する為、仕切板の厚みを薄肉化することが出来る。また、基板受け面９１により、仕切板９の断面積を確保することが出来る為、仕切板成型時の樹脂湯周りも良好になり、仕切板９を薄肉化出来る。
【００４０】
また、ボンディングエリア１５は、ボンディングマシンのボンディングツールが仕切板９と干渉しない様にスペースが決められている。その為、仕切板９の基板受け面９１は、ボンディングツール先端と干渉しない様に高さ方向が低く決められている為、ボンディングエリア１５を基板受け面のスペース分、更に広くする必要がない。
【００４１】
図５に本発明の１実施例におけるパワーモジュールの製造プロセスを示す。このプロセスでは、まず、第1プロセスＰ１００において基板２上に電子部品などを取り付け、第２プロセスＰ１０１において、図３で説明したように第３の樹脂を用いてモールドケース３と基板２を密着固定し、第３プロセスＰ１０２でその硬化を待つ。さらに、ボンディングエリア１５内で、ボンディング作業を行った後、第４プロセスＰ１０３で電子部品実装エリア１４に、第１の樹脂７としてエポキシ樹脂を充填し、ボンディングエリア１５に、第２の樹脂８としてシリコーンゲルを充填し、第５プロセスＰ１０４でその硬化を待つ。
【００４２】
ここで、第４プロセスＰ１０３の、第１の樹脂７で用いているエポキシ樹脂は、線膨張係数１２〜２３×１０−６／℃程度に設定されており、電子部品を覆うことで、電子部品とアルミベース基板の線膨張係数差が大きく破壊に至ってしまうハンダへの応力集中を緩和し長寿命化させるためのものである。
【００４３】
また、第４プロセスＰ１０３の、第２の樹脂８で用いているシリコーンゲルは、ゲル状である為、アルミワイヤ部分への応力を加えることなく、電気的絶縁を行う為のものである。また第２の樹脂の機能としては、絶縁性、熱硬化性、低弾性率のものが適している。
【００４４】
上記２種類の樹脂は、硬化温度が同等の条件で硬化出来る様に選定されている為、同じ硬化炉で同時硬化させることが出来る。今回の実施例では、１３０℃〜１５０℃で硬化する様に２種類の樹脂を選定している。
【００４５】
また、パワーモジュール１は仕切板９により２種類の樹脂が混じり合わない様に完全にエリアが分離されており、仕切板９と基板２の接触面も第３の樹脂１１で完全に密着されている為、混じり合うと硬化することが出来ないエポキシ樹脂とシリコーンゲルを同時に充填し、同時に硬化することが可能となる。
【００４６】
本発明におけるパワーモジュールでは、電子部品実装エリア１４とボンディングエリア１５が、モールドケース３に一体モールド成型されている仕切板９により完全に分離されている為、図５のプロセスに示す様に、モールドケース３と基板２をシリコン接着剤１１で接着後、電子部品実装エリア１４に第１の樹脂７を、ボンディングエリア１５に第２の樹脂８をそれぞれ充填し、その後２種類の樹脂を同時に硬化させることが可能となる。その為、従来１種類ずつ樹脂を硬化させていた構造に対し、製造タクトを短縮することが出来る。
【００４７】
以上説明した本発明の実施例によれば、仕切板を採用することにより、以下のような多くの効果を得ることができる。
【００４８】
まず、モールドケースと一体型の仕切板とすることで、電子部品部のみを別部品の仕切り板で仕切る構造に対し、部品点数を削減することが出来る為、安価なパワーモジュール構造を提供できる。
【００４９】
また、仕切板を使用することで、エポキシ樹脂を封止するエリアを正確に規定出来る為、硬化後の、エポキシ樹脂の反りのバラツキを安定させることが出来、品質も安定させることが出来る。
【００５０】
また、仕切板の基板接触面側に樹脂受け用の溝を設けることで、仕切板と基板を接着する樹脂の流れ出しを防止し密着できると同時に、仕切板の断面積を確保出来る為、仕切板の厚みを厚くせずモールドケースの成形性を良好にすることが出来る。
【００５１】
また、仕切板は、パワーモジュール内で梁の役割を果たしている為、パワーモジュールのたわみを小さくすることが出来る。
【００５２】
本発明のパワーモジュールの最適な使用例として、図６〜８に車載用のアイドルストップスタータに適用した実施例を示す。
【００５３】
図６〜８において、１６はアイドルストップスタータ、１はパワーモジュール、１７はスタータモータ、１８はマグネットスイッチ、１９はギヤケース、１８１はモータ端子、１８２はスイッチ端子、１８３はバッテリ端子、２０はモータバスバー、２１はスイッチバスバー、２２はバッテリバスバー、２３はパワーモジュール固定点である。
【００５４】
アイドルストップスタータ１６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）を回転させる為のスタータモータ１７と、エンジンにアイドルストップスタータ１６のピニオンギヤを押し出し噛み合わせる為のマグネットスイッチ１８と、本発明のパワーモジュール１によって構成されている。
【００５５】
パワーモジュール１は、ＥＣＵ（図示せず）からのアイドルストップ指令信号を受け、パワーモジュール内部のパワー半導体素子をスイッチングすることで、スタータモータ１７への電流を制御し、車両がアイドルストップを行う為に用いられる。
【００５６】
スタータモータ１７とマグネットスイッチ１８はギヤケース１９により外周部を挟持され固定されている。
【００５７】
また、アイドリングストップスタータは、ギヤケース１９により、エンジンに取り付けられている。
【００５８】
マグネットスイッチ１８には、モータ端子１８１と、スイッチ端子１８２と、バッテリ端子１８３を有しており、モータ端子１８１はスタータモータ１７へ接続され、バッテリ端子１８３は車両のバッテリ（図示せず）に接続されている。
【００５９】
スイッチ端子１８２は、スタータモータ１７内に有るピニオンギヤ（図示せず）を押し出し、エンジンと噛み合わせる為のもので有り、スイッチ端子１８２に電流を流すことにより、マグネットスイッチ１８内に有るレバー（図示せず）を駆動させ、そのレバーにより、スタータモータ内にあるピニオンギヤ（図示せず）をエンジン側へ押し出させる為のものである。
【００６０】
パワーモジュール１は、パワーモジュール固定点２３によりアルミダイカストで成型されているギヤケース１９へネジ止め固定されている。
【００６１】
図８において、パワーモジュール１のモールドケース３には、インサートバスバーとして、モータインサートバスバー１２１、スイッチインサートバスバー１２２、バッテリインサートバスバー１２３、ＧＮＤインサートバスバー１２４が、インサート成型されており、それぞれ、モータインサートバスバー１２１は、基板２に実装されているスタータモータ１７への通流電流をスイッチングする為のＭＯＳＦＥＴ（図示せず）のドレイン端子と電気的に接続されている。
【００６２】
スイッチインサートバスバー１２２は、マグネットスイッチ１８への通流電流をスイッチングする為のＭＯＳＦＥＴ（図示せず）のドレイン端子と電気的に接続されている。バッテリインサートバスバー１２３は、前記、ＭＯＳＦＥＴのソース端子へと電気的に接続されていると共に、基板２内でのバッテリラインと電気的に接続されている。ＧＮＤインサートバスバー１２４は、基板２内でのＧＮＤラインと電気的に接続されている。
【００６３】
モータインサートバスバー１２１、スイッチインサートバスバー１２２、バッテリインサートバスバー１２３には、それぞれモータバスバー２０、スイッチバスバー２１、バッテリバスバー２２がネジ止め固定されている。
【００６４】
更に、モータバスバー２０、スイッチバスバー２１、バッテリバスバー２２は、それぞれ、マグネットスイッチ１８のモータ端子１８１、スイッチ端子１８２、バッテリ端子１８３とネジ止め固定されている。
【００６５】
前記ＧＮＤインサートバスバー１２４は、パワーモジュール固定点２３の１箇所を固定する際、同時にギヤケース１９へと接続される。
【００６６】
マグネットスイッチ１８のモータ端子１８１は、スタータモータ１７と接続されている。
【００６７】
よって、前記ＭＯＳＦＥＴをＥＣＵ（図示せず）からのアイドルストップ指令信号によりスイッチングすることで、車両をアイドルストップさせることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明によれば、製造が容易であり、かつハンダ部などの疲労改善に工夫されたパワーモジュールとその製造方法とできる。特に、大電流を取り扱うことができるので、車載用のパワーモジュールとして車載用のアイドルストップスタータに広く適用することが期待できる。
【符号の説明】
【００６９】
１：パワーモジュール
２：基板
３：モールドケース
４１：パワー半導体素子
４２：チップコンデンサ
４３：チップ抵抗
４４：チップダイオード
４５：アルミパット
４６：ＩＣ
５：ハンダ
６：ワイヤ
７：第１の樹脂
８：第２の樹脂
９：仕切板
９１：基板受け面
１０：カバー
１１：第３の樹脂
１２：インサートバスバー
１２１：モータインサートバスバー
１２２：スイッチインサートバスバー
１２３：バッテリインサートバスバー
１２４：ＧＮＤインサートバスバー
１３：樹脂受け溝
１４：電子部品実装エリア
１５：ボンディングエリア
１６：アイドルストップスタータ
１７：スタータモータ
１８：マグネットスイッチ
１８１：モータ端子
１８２：スイッチ端子
１８３：バッテリ端子
１９：ギヤケース
２０：モータバスバー
２１：スイッチバスバー
２２：バッテリバスバー
２３：パワーモジュール固定点
【図１】
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【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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