(57)【要約】【課題】マイグレーションの発生を抑制してイオン電流検出機能をもつイグナイタの小型化を可能とし、エンジン搭載性に優れるイオン電流検出機能をもつイグナイタを提供することを目的とする。【解決手段】両面配線された同一基板上に、低電圧の信号配線と高電圧の電源配線が物理的に分離されていないセラミック基板を、基板の片側がヒートシンク上に接着剤で固定され、前記ヒートシンクは端子をインサート成形された器状のコネクタ内部に接着剤で固定され、端子と基板入出力パターンがアルミワイヤによってボンディング接続され、基板、ヒートシンク、アルミワイヤ、端子がコネクタ内部に樹脂充填されたエポキシ樹脂でモールドされ、更に点火コイル内部に点火コイル充填樹脂でモールドされるイグナイタ。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面配線された同一基板上に、低電圧の信号配線と高電圧の電源配線が物理的に分離されていないセラミック基板を、基板の片側がヒートシンク上に接着剤で固定され、前記ヒートシンクは端子をインサート成形された器状のコネクタ内部に接着剤で固定され、端子と基板入出力パターンがアルミワイヤによってボンディング接続され、基板、ヒートシンク、アルミワイヤ、端子がコネクタ内部に樹脂充填されたエポキシ樹脂でモールドされ、更に点火コイル内部に点火コイル充填樹脂でモールドされるイグナイタ。
【請求項２】
セラミック基材の両側に回路パターンを銀を含有する導体で構成し、基板の片側の回路パターンと直接接触する接着剤によってヒートシンク上に固定される構造において、イオン性不純物が低濃度に抑制されている半導体封止用エポキシ樹脂が前記接着構造の接着剤として使用されていることを特徴とするイグナイタ。
【請求項３】
セラミック基材の両側に回路パターンを銀を含有する導体で構成し、基板の両側にガラスを基板保護材として形成し、基板片側の前記基板保護材上へエポキシ材の保護層を形成した構造を持つ基板において、イオン性不純物が低濃度に抑制されている半導体封止用エポキシ樹脂が前記基板保護材として使用されている電子回路基板を内蔵したイグナイタ。
【請求項４】
セラミック基材の両側の回路パターンに銀を含有する導体で構成し、ガラスを基板保護材として回路パターンと直接密着させ、基板片側ではエポキシ樹脂を基板保護材として回路パターンと直接密着させた構造を持つ基板において、イオン性不純物が低濃度に抑制されている半導体封止用エポキシ樹脂が前記エポキシ樹脂として使用されている電子回路基板を内蔵したイグナイタ。
【請求項５】
上記構造をもつイオン電流検出機能をもつ請求項１乃至請求項２に記載のイグナイタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イグナイタに内蔵する基板の固定構造に関し、特にセラミック基板のヒートシンクへの固定構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置において、１は１次コイル、２は中心鉄心、３は２次コイル、４は点火コイルケース、５はイグナイタである。イグナイタ５は、１次コイル１、中心鉄心２及び２次コイル３の上部に設置され点火コイルケース４の内部に、１次コイル１、中心鉄心２及び２次コイル３と共に組み込まれた後、点火コイル充填樹脂でモールドされている。
【０００３】
イグナイタ５は図２に示すような構造であり、５１は１次電流遮断素子、５２はヒートシンク、５３は制御回路、５４はセラミック基板、５５はアルミワイヤ、５６はコレクタ端子、５７はバッテリ供給端子、５８は２次コイル低圧接続端子である。又、内燃機関の燃焼時においてプラグギャップ間に電圧を印加して検出できるイオン電流を発生させるため、イグナイタ５は内部に７０Ｖ〜３００Ｖのイオン電流検出用電源５９を内蔵している。
【０００４】
イオン電流検出用電源５９は電源基板５９上に回路が構成されおり、５９ａはイオン電流検出電圧作成用ＺＤ、５９ｂはイオン電流検出電源用コンデンサで、ガラスエポキシ基板５９ｃ上に実装され、ガラスエポキシ基板５９ｃ上のイオン電流検出用電源の高電圧配線とセラミック基板５４上の低電圧の信号電圧配線とは物理的に分離されている。
【０００５】
イグナイタ５と図１における１次コイル１はコレクタ端子５６で接続され、コレクタ端子５６とヒートシンク５２の双方にアルミワイヤボンディングがなされ電気的に接続されている。ヒートシンク５２上に１次電流遮断素子としてＩＧＢＴ５１のコレクタが高融点はんだを用いてダイボンディングされ、ＩＧＢＴ５１のゲート及びエミッタは、セラミック基板５４上に実装された銅若しくは４２アロイ製のボンディングパッドとＩＧＢＴのゲート及びエミッタにそれぞれアルミワイヤボンディングがなされ電気的に接続されている。
セラミック基板５４上のパターン配線によって制御回路５３との電気的接続がなされ、同時に電源入力、ＧＮＤ、点火信号入力、イオン電流検出信号出力用の基板入出力パターンへも電気的接続がなされる。最終的には、セラミック基板５４上に実装された前記ボンディングパッドとコネクタにインサート成型された入出力端子の双方にアルミワイヤボンディングがなされ電気的に接続される。電源基板５９は２次コイル低圧接続端子５８、ＧＮＤに端子上つながっている電源基板接続端子でカシメ後、はんだ接合によって電気的、機械的に接続されている。
【０００６】
図３にセラミック基板５３とヒートシンク５２の固定方法を示す。セラミック基板５３はセラミック基材２０の片側に銀を含む導体２１が形成され、その上に導体２１と直接密着するように保護用ガラス２２が形成されている。配線パターンが形成されていないセラミック基材２０の片側はヒートシンク５２に高耐熱、低線膨張係数のエポキシ樹脂２４によって固定されている。器状に成形されているコネクタ内部に固定された前記ヒートシンクは、高耐熱、低線膨張係数のエポキシ樹脂２５で封止される。
【０００７】
セラミック５３をヒートシンク５２に固定するエポキシ樹脂２４の要求特性は、セラミック基板５３上において信号レベルの低電圧しか付加されないことと、１次コイル電流遮断時の逆起電力による高電圧が印加されるヒートシンク側に回路パターンが存在しないため、高耐熱、低線膨張係数といった機械的特性と直流的な耐電圧特性しか要求されない。
一方、イグナイタ５内部に充填されるエポキシ樹脂２５の要求特性は、ベアチップである１次電流遮断素子５１、及び制御回路５３と直接密着することから、高耐熱、低線膨張係数の他、半導体上の微少パターンに使用される銅及びアルミニウムのマイグレーション発生を防止するため、塩素イオン及びナトリウムイオンといったイオン性不純物濃度を低レベルに管理された樹脂であることも要求される。
【０００８】
従来より提案されているセラミック基板を図４及び図５にしめす。尚、図４の２１ａ、２２ａ、７ａ、８ａ、６及び図５の２ａ、３ａ、５ａ、６はそれぞれ回路パターンがセラミック基材の両面に配線されているものであり、片面のみ回路パターンが形成された基板では形成されない。
【０００９】
図４に示すセラミック基板において、２０はセラミック基材、２１及び２１ａは導体、７及び７ａは抵抗体、２２及び２２ａは保護用ガラス、８及び８ａはトリミング部、９は保護用エポキシ層である。セラミック基材２０は主にアルミナを主成分とし、基材の焼成後に導体２１及び２１ａは銀を含有する導体ペースト、抵抗体７及び７ａは任意の抵抗値をもつ抵抗体ペースト、保護用ガラス８及び８ａはペースト状のガラスをそれぞれ印刷、焼成により形成する。ガラス焼成が終了後、必用に応じて抵抗体７及び７ａを保護用ガラス８及び８ａ上からレーザによってトリミングと呼ばれる抵抗値調整を行う。このとき、保護用ガラス８及び８ａ表面から抵抗体７及び７ａを貫きセラミック基材２０に至る微少な溝が作られる。又、トリミングを行う抵抗体７及び７ａの両端近傍又は等価回路上両端に当たる部位で抵抗体をバイアスし抵抗値を測定する必用があり、このため部品搭載ランドに近似した図５の様な保護用ガラス開口部分１０が必用となる。すなわち、保護用ガラス開口部１０及びトリミング部８及び８ａでは導体２１及び２１ａは完全に露出した状態となっている。
【００１０】
図６に示すように上述のセラミック基板をイグナイタに使用する場合には、露出した導体部、及び抵抗体をセラミック基板のヒートシンク５２への固定に使用するエポキシ樹脂２４の熱応力から保護するためエポキシ樹脂をコーティングし保護用エポキシ層９を構成する。
【００１１】
図７に示すセラミック基板において、２０はセラミック基材、２１及び２１ａは導体、７及び７ａは抵抗体、２２は保護用ガラス、８及び８ａはトリミング部、９は保護用エポキシ層である。セラミック基材２０は主にアルミナを主成分とし、基材の焼成後に導体２１及び２１ａは銀を含有する導体ペースト、抵抗体７及び７ａは任意の抵抗値をもつ抵抗体ペースト、保護用ガラス８はペースト状のガラスをそれぞれ印刷、焼成し形成する。基板の片側に形成される導体２１ａ、及び抵抗体７ａは完全に露出した状態で、この状態で片側では保護用ガラス８上、もう一方の片側では直接抵抗体７ａ上からレーザによってトリミングがなされる。トリミングによって抵抗値が任意の値に調整されると、完全に導体２１ａ及び抵抗体７ａが露出している基板の片側へエポキシ樹脂がコーティングされ保護用エポキシ層９を構成する。
【００１２】
図８に示すように上述のセラミック基板をイグナイタに使用する場合は、保護用エポキシ層９に直接接触するエポキシ樹脂２４がセラミック基板をヒートシンク５２に固定する。
【特許文献１】特開２００６−００９６８７号公報
【特許文献２】特開２００６−０１２５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図１及び図２に示す従来方式のイオン電流検出機能をもつ点火コイル用のイグナイタにおいて、セラミック基板５４上の信号処理回路の低電圧部と、イオン電流検出用の高電圧部５９は物理的に分離されておりセラミック基板５４上ではマイグレーションの発生を抑制するため大きく電位差が異なる部位は存在しない様配慮されており、高電圧電源部５９を別の基板として作成し、電位差が数１０から３００Ｖ異なる部位においては十分なパターン間距離を設定している。ここで、イグナイタ内部におけるマイグレーションの発生とは、セラミック基材上に構成される回路パターンに含有された銀が特定条件下において、電位差の生じているパターン間に析出し最終的にパターン間の短絡に至る現象である。即ち、マイグレーションは様々な金属で発生し、電子回路に使用する金属、例えば銀、銅、錫、鉛、ニッケル、金などはマイグレーションを起こしやすい金属として知られ、特に銀はもっともマイグレーションしやすい金属として知られている。マイグレーションの発生は特定条件下、すなわち高電界強度、高温度、ハロゲン・アルカリのイオン性不純物、水分の存在によって加速される。水分については、封止樹脂によって密封された場合においても密封前の吸湿、封止樹脂の吸湿した水分の浸透によってもマイグレーションが発生する懸念がある。
【００１４】
前述の銀のマイグレーションついては以下のような反応が考えられている。
（１）対向する配線パターン間に電位差が生じると高電位側の配線パターン中の銀と周辺に存在する水分が電離し、電離した水分とイオン化した銀が反応して水酸化銀が生成される。
Ａｇ  →  Ａｇ＋  ＋  ｅ−
２Ｈ２Ｏ  →  Ｈ３Ｏ＋  ＋  ＯＨ−
Ａｇ＋  ＋  ＯＨ−  →  ＡｇＯＨ
（２）水酸化銀は分解して酸化銀となり高電位側の配線パターンに析出する。
２ＡｇＯＨ  →  Ａｇ２Ｏ  ＋  Ｈ２Ｏ
（３）析出した酸化銀は水和反応によって銀イオンと水酸化物イオンとなり、銀イオンが低電位側パターンに移動して銀が析出する。
２Ａｇ２Ｏ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ２ＡｇＯＨ  →  ２Ａｇ＋  ＋  ２ＯＨ−
Ａｇ＋  ＋  ｅ−  →  Ａｇ
銀のマイグレーションの発生は水分と電界の存在によって発生し、周囲温度による化学反応の促進、ハロゲン・アルカリのイオン性不純物による銀のイオン化の促進も加速要素として無視出来ない。
【００１５】
近年、環境性能の要求に伴い内燃機関の更なる省燃費化の動きがあるが、燃焼の高効率化、重量の削減が具体的な案件として検討されている。特に重量の軽減についてエンジンは小型化の方向にあり、点火コイルには更なる小型化によるエンジン搭載性の向上が求められる。図１及び図２に示す従来方式のイオン電流検出機能を持つ点火コイル用のイグナイタにおいて、単一基板上へ信号処理回路の低電圧部とイオン電流検出用の高電圧部の混載は電位差が大きく異なる配線パターン部でのパターン間距離の確保が困難となるが、図４又は図７に示す両面に配線がなされたセラミック基板を用いることで物理的に配線を分離することでマイグレーションの抑制は可能となる。しかしセラミック基板をバッテリ電圧となるヒートシンク５２上に固定するため、基板の裏面側のパターン配線とヒートシンク５２の間を電気的に絶縁する必用がある。
【００１６】
図４に示す従来方式の両面配線されたセラミック基板においては基板裏面側にはガラス保護層２２ａの導体開口部を電気的、機械的に保護する保護用エポキシ層９が形成されており、図７に示す従来方式では導体２１ａ及び抵抗体７ａを保護する保護用エポキシ層９がある。しかし、図１及び図２に示す従来方式のイオン電流検出機能をもつイグナイタにおいて、セラミック基板５４上の配線パターンにおける電位差はバッテリ電圧対ＧＮＤ間の電位差で定常的には１４Ｖ程度でしかない。そのため、保護用エポキシ層９に使用するエポキシ樹脂は前述のイオン性不純物について特に特性値として制御されておらず、数十から数百ｐｐｍのイオン性不純物濃度がある。よって、イオン電流検出電源電圧の数十Ｖ〜３００Ｖの電圧が基板上の配線に印加されるとマイグレーションが発生する危険性が増大する。
【００１７】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、マイグレーションの発生を抑制してイオン電流検出機能をもつイグナイタの小型化を可能とし、エンジン搭載性に優れるイオン電流検出機能をもつイグナイタ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】
【００１８】
請求項１に関し、両面配線された同一基板上に、低電圧の信号配線と高電圧の電源配線が物理的に分離されていないセラミック基板を、基板の片側がヒートシンク上に接着剤で固定され、前記ヒートシンクは端子をインサート成形された器状のコネクタ内部に接着剤で固定され、端子と基板入出力パターンがアルミワイヤによってボンディング接続され、基板、ヒートシンク、アルミワイヤ、端子がコネクタ内部に樹脂充填されたエポキシ樹脂でモールドされ、更に点火コイル内部に点火コイル充填樹脂でモールドされるイグナイタ。
【００１９】
請求項２に関し、セラミック基材の両側に回路パターンを銀を含有する導体で構成し、基板の片側の回路パターンと直接接触する接着剤によってヒートシンク上に固定される構造において、イオン性不純物が低濃度に抑制されている半導体封止用エポキシ樹脂が前記接着構造の接着剤として使用されていることを特徴とするイグナイタ。
【００２０】
請求項３に関し、セラミック基材の両側に回路パターンを銀を含有する導体で構成し、基板の両側にガラスを基板保護材として形成し、基板片側の前記基板保護材上へエポキシ材の保護層を形成した構造を持つ基板において、イオン性不純物が低濃度に抑制されている半導体封止用エポキシ樹脂が前記基板保護材として使用されている電子回路基板を内蔵したイグナイタ。
【００２１】
請求項４に関し、セラミック基材の両側に回路パターンを銀を含有する導体で構成し、ガラスを基板保護材として回路パターンと直接密着させ、基板片側では抵抗体のトリミング後にエポキシ樹脂を基板保護材として回路パターンと直接密着させた構造を持つ基板において、イオン性不純物が低濃度に抑制されている半導体封止用エポキシ樹脂が前記エポキシ樹脂として使用されている電子回路基板を内蔵したイグナイタ。
【００２２】
請求項５に関し、イオン電流検出機能をもつ請求項１乃至請求項２に記載のイグナイタ。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、マイグレーションの抑制と絶縁性を両立させた両面配線がなされたセラミック基板のヒートシンク上への固定方法とすることによって、処理回路の低電圧部とイオン電流検出用の高電圧部の配線を同一のセラミック基板上に構成したイグナイタが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施例は、図９及図１０に示す点火コイルに内蔵されるイグナイタにおいてセラミック基板５４が図１１に示すヒートシンク５２に固定された構造を有する。図９において、１は１次コイル、２は中心鉄心、３は２次コイル、４は点火コイルケース、５はイグナイタである。イグナイタ５は図２に示すような構造であり、５１は１次電流遮断素子、５２はヒートシンク、５３は制御回路、５４はセラミック基板、５５はアルミワイヤ、５６はコレクタ端子、５７はバッテリ供給端子、５８は２次コイル低圧接続端子である。セラミック基板５４上には信号処理回路の低電圧部とイオン電流検出用の高電圧部の回路パターンを形成する。
【００２５】
図１１において、２０はセラミック基材、２１は導体、２２は保護用ガラス、５２はヒートシンク、２４はハロゲン・アルカリのイオン性不純物が低濃度に抑制された半導体封止用エポキシ樹脂、２５は高耐熱、低線膨張係数で、イオン性不純物が低濃度に制御された半導体封止用エポキシ樹脂である。電子、電気部品の封止用として使用されるエポキシ樹脂は一般的に耐候性、低膨張性、耐熱性、絶縁性を要求特性として様々なものが提案されている。特に半導体を封止するエポキシ樹脂において、前記の要求特性の他に半導体封止用としてイオン性不純物が低濃度であることを特有の要求特性として求められている。集積回路が構成される半導体はその配線パターンが微細であることから、上述のマイグレーションの影響を受けやすく以前より問題視されており、従来よりイオン性不純物が低濃度に抑制されたエポキシ樹脂が、半導体封止材として広く用いられ、集積回路の微細な配線パターンでのマイグレーションの抑制に活用されている。
【００２６】
図１０に示すイグナイタのセラミック基板５４には、１次電流遮断素子５１の制御回路５３、イオン電流を検出するための高圧電源回路を構成するＺＤ５９ａとコンデンサ５９ｂが搭載されている。図１１に示すように高圧電源回路の配線２５は図１０のＺＤ５９ａとコンデンサ５９ｂの実装ランド及び、２次コイル低圧接続端子にアルミワイヤボンディング接続されるパッド部分を除いて、Ｖｉａ接続２８された基板の裏面側配線に接続されており、低電圧の信号配線２１とセラミック基材２０を絶縁物として分離される。
【００２７】
高圧電源回路に使用するＺＤ５９ａとコンデンサ５９ｂ実装ランドや部品電極及び接続用のアルミワイヤボンディングパッド部については、物理的な分離は信号配線又はＧＮＤ配線との距離を確保することによってなされる。
【００２８】
部品実装面側は図１０に示すセラミック基板５４が図１１に示すようにエポキシ樹脂２４でヒートシンク５２に固定され、基板上のパッドとコネクタにインサート成形された端子の双方にアルミワイヤボンディング接続した後にエポキシ樹脂２５でモールドされ、最終的に部品実装面側の高圧電源回路の高電圧部分は、基板上のパターン間距離とイオン性不純物を低濃度に抑制された半導体封止用エポキシ樹脂２５によってマイグレーションの発生を抑制する状態に保たれる。
【００２９】
一方、部品実装面と反対側の基板面には高電圧配線のみを行いパターン間の電位差をほぼ同等とすると共に、高電圧配線と直接接触するセラミック基板５４をヒートシンク５２に接着する接着剤にイオン性不純物を低濃度に抑制された半導体封止用エポキシ樹脂を用いることによってマイグレーションの発生を抑制する。
【００３０】
エポキシ樹脂層２４の厚さは１００ｕｍ程度であり、バッテリ電圧でバイアスされているヒートシンク５２と高圧配線との電気的な絶縁がなされる。エポキシ樹脂層２４の厚さは、フィラー粒径を１００ｕｍ程度の球状とすることで、セラミック基板５４とヒートシンク５２の距離、すなわちエポキシ樹脂層２４の厚さを均一にすることができる。又、部品実装面側に配線される高電圧配線部分のマイグレーションの発生を抑制しつつヒートシンク５２との絶縁を行うには、図１２及び図１３に示す両面配線されたセラミック基板を用いてもよい。
【００３１】
図１２に示すセラミック基板において、２０はセラミック基材、２１及び２１ａは導体、７及び７ａは抵抗体、２２及び２２ａは保護用ガラス、８及び８ａはトリミング部、９は保護用エポキシ層である。
【００３２】
図１３に示すセラミック基板において、２０はセラミック基材、２１及び２１ａは導体、７及び７ａは抵抗体、２２は保護用ガラス、８及び８ａはトリミング部、９は保護用エポキシ層である。
【００３３】
即ち、図１２、図１３のそれぞれの保護用エポキシ層６を上述のイオン性不純物を制御された半導体封止用エポキシ樹脂を用いてガラス保護層上にコーティングしたものとすれば保護用エポキシ層６においてマイグレーションの発生を抑制でき、セラミック基板５４のヒートシンク５２とへの固定は安価な従来方式のエポキシ樹脂によって行うことができる。
【００３４】
上述の様にマイグレーションの抑制と絶縁性を両立させた両面配線がなされたセラミック基板のヒートシンク上への固定方法とすることによって、処理回路の低電圧部とイオン電流検出用の高電圧部の配線を同一のセラミック基板上に構成したイグナイタが実現できる。
【００３５】
以上のように、本発明の実施の形態について説明したが、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当該点火装置が必要なあらゆるエンジンに使用できるものである。
【００３６】
この発明の精神に基づき当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来例に係る内燃機関用点火コイルの構造を示す図
【図２】従来例に係るイグナイタの構造を示す図
【図３】従来例に係るセラミック基板のヒートシンク固定方法を示す図
【図４】従来例に係る両面配線セラミック基板の構造を示す図
【図５】従来例に係る抵抗体ガラス開口部を示す図
【図６】従来例に係る両面配線セラミック基板のヒートシンク固定方法を示す図
【図７】従来例に係る両面配線セラミック基板の構造を示す図
【図８】従来例に係る両面配線セラミック基板のヒートシンク固定方法を示す図
【図９】実施例に係る内燃機関用点火コイルの構造を示す図
【図１０】実施例に係るイグナイタの構造を示す図
【図１１】実施例に係るセラミック基板のヒートシンク固定方法を示す図
【図１２】実施例に係るイグナイタの両面配線セラミック基板の構造を示す図
【図１３】実施例に係るイグナイタの両面配線セラミック基板の構造を示す図
【符号の説明】
【００３８】
５    イグナイタ
２０    セラミック基板
２５    エポキシ樹脂
５２    ヒートシンク
５５    アルミワイヤ
５６    コネクタ
【図１】
2008248782.tif 000003
【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】
2008248782.tif 000010
【図９】
2008248782.tif 000011
【図１０】
2008248782.tif 000012
【図１１】
2008248782.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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