(57)【要約】【課題】小型化が可能で、製造性・信頼性に優れた車載用電子制御装置及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】車載用電子制御装置を形成するパワーモジュールから伸びた制御端子と制御基板から伸びた制御端子とを同じ材質で形成するとともに、前記制御端子の少なくとも一方を弾性変形可能に形成し、前記制御端子を他方の前記制御端子に対して弾性を持った状態で接触させ、両者を高温はんだによりはんだ付けしたことを特徴とするものである。【選択図】図１
2017017206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を出力するパワーモジュールとこのパワーモジュールを制御する電子回路を有する制御基板とを備え、前記パワーモジュールから伸びる制御端子と前記制御基板から伸びる制御端子とを接触させてはんだ付けする車載用電子制御装置であって、
前記パワーモジュールから伸びる制御端子と前記制御基板から伸びる制御端子とを同じ材質で形成するとともに、前記制御端子の少なくとも一方を弾性変形可能に形成し、前記制御端子を他方の前記制御端子に対して弾性を持った状態で接触させ、両者を高温はんだによりはんだ付けしたことを特徴とする車載用電子制御装置。
【請求項２】
前記パワーモジュールから伸びる制御端子と前記制御基板から伸びる制御端子との少なくとも一方の接触する面に１つ以上の突起部を設け、この突起部を介して両者を接触させたことを特徴とする請求項１に記載の車載用電子制御装置
【請求項３】
前記パワーモジュールから伸びる制御端子と前記制御基板から伸びる制御端子との少なくとも一方の接触する面に１つ以上の曲げ加工部を設け、この曲げ加工部を介して両者を接触させたことを特徴とする請求項１に記載の車載用電子制御装置
【請求項４】
前記制御端子のそれぞれを銅または銅合金で形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の車載用電子制御装置
【請求項５】
前記制御基板から延びる前記制御端子の接続部分を除いて、前記制御基板を樹脂により封止したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の車載用電子制御装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高い信頼性を有する車載用電子制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車・ハイブリット自動車のキーパーツであるインバータモジュールに用いられる電力用半導体素子として、従来のＳｉ素子からＳｉＣ素子への置き換えが検討されている。ＳｉＣ素子は、従来のＳｉ素子と比較して、高い電流密度での動作が可能であり、更には２００℃以上の高温動作が可能であるため、チップサイズを小さくすることができる。この場合、チップの発熱は拡散しにくくなるため、インバータモジュールの発熱は、大きなものになると考えられる。
【０００３】
また、インバータモジュールに代表される電子制御装置は、従来車室内に設置されていたが、今日、車室内に設置される電子制御装置の増加により車室外特にエンジンルーム内に設置されることが要求されるようになってきており、インバータモジュールの設置場所は、非常に過酷な温度環境（−４０〜１２０℃）である。また、車内の居住性の向上に伴い、電子制御装置の占有する割合を低減することも同時に要求されるようになってきている。
【０００４】
すなわち、インバータモジュール等の車載用電子制御装置に対して耐熱性、高信頼性及び小型化が求められており、特に、インバータモジュールを構成する電力用半導体素子を実装したパワーモジュールと、このパワーモジュールを制御するため、近接して配置される制御基板との接続方法は、最も重要な課題となっている。
このような課題に対応するため、パワーモジュールの電極と制御基板の電極とを、金属などの導電性部材によって弾性を持たせた状態で機械的に接触させ、これらの電気的な導通をとるようにした車載用電子制御装置が開示されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
また、制御基板に設けられたスルーホールにパワーモジュールから伸びる制御端子を挿入し、両者をはんだ付けする接続方法が知られている。（例えば、特許文献２参照）さらに、制御基板から伸びる制御端子とパワーモジュールから伸びる制御端子とを溶接により接合するものも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２３９５１２号公報
【特許文献２】特開２０１４−１７５４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の特許文献１に示されたような車載用電子制御装置おいては、機械的な接触のみで電気的な導通を取っているため、自動車などの走行時に発生する振動により、導電性部材が共振してしまい、導通が取れなくなる可能性があった。また、前述したように１２０℃などの高温度に曝された場合、導電性部材が接触する制御基板の電極部にクリープが進行して制御基板の電極とパワーモジュールの電極との導通が徐々に取れなくなっていく可能性があり、高温環境下における信頼性に課題があった。
【０００８】
また、特許文献２に示された車載用電子制御装置の場合、前述したように２００℃以上の高温で動作するパワーモジュール近傍に配置され、更に過酷な温度サイクル環境下（−４０〜１２０℃）に曝された場合、ガラスエポキシ製である制御基板とパワーモジュールから伸びる制御端子の材質である銅との熱膨張係数の差から生じる応力がはんだ接合部に繰返し加わるため、最終的に疲労破壊に至ってしまう恐れを有している。また、パワーモジュールから伸びる制御端子が複数存在する場合、隣接する端子の間隔は、制御基板に設けられたスルーホールの間隔によって決まることになるが、ガラスエポキシ製基板にドリルやプレス等の機械加工で形成されるスルーホールは、隣接するスルーホール壁面における機械的強度の劣化及び、はんだ付け時にブリッジが発生する可能性があることから、２．５４ｍｍ以下のピッチとすることが困難なものである。
【０００９】
さらに、制御基板から伸びる制御端子とパワーモジュールから伸びる制御端子とを最も一般的なアーク溶接により接合する場合、位置決めした２つの制御端子と溶接機電極との間に電圧を掛け、発生したアーク放電により生じた熱により、制御端子を構成する材質の融点以上まで温度を上げて溶融して接合することになるが、接合時、制御端子の温度は非常に高温となり、アーク放電にノイズが発生した場合、制御端子に高電圧が印加される可能性がある。例えば、銅（Ｃｕ）製の制御端子であれば、融点である１０８５℃以上の高温となり、ノイズが発生した場合、数ｋＶの電圧が印加されることになるため、パワーモジュールに実装されたチップに対して熱的、電気的な負荷が掛かり、最悪破壊するという課題があり、製品の歩留まりを高めることができないものであった。また、工程時にスパッタと呼ばれる１０００℃以上の金属粒が飛散するため、スパッタが付着しないように車載用電子制御装置の形状に厳しい設計制約が生じるという課題があった。
【００１０】
加えて、接合する端子が隣接して複数存在する場合、アーク放電が溶接対象ではない端子に発生する可能性があるため、制御端子を高密度化できないという課題があった。さらにまた、溶接は、多数の制御端子を同時に接合することができないため、溶接すべき制御端子の数が複数存在する場合、工程開始から完了までに非常に時間がかかることになり、工作性にも課題があった。また、制御端子同士は、溶着しているため、位置ずれ等、工程内でミスが生じ、制御端子同士を再度分離して修正することは大変困難で、リペア性に課題があった。
【００１１】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、過酷な温度環境下においても信頼性が高い車載用電子制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る車載用電子制御装置は、電力を出力するパワーモジュールとこのパワーモジュールを制御する電子回路を有する制御基板とを備え、前記パワーモジュールから伸びる制御端子と前記制御基板から伸びる制御端子とを接触させてはんだ付けする車載用電子制御装置であって、前記パワーモジュールから伸びる制御端子と前記制御基板から伸びる制御端子とを同じ材質で形成するとともに、前記制御端子の少なくとも一方を弾性変形可能に形成し、前記制御端子を他方の前記制御端子に対して弾性を持った状態で接触させ、両者を高温はんだによりはんだ付けしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の車載用電子制御装置によれば、同じ種類の金属を接合するため、線膨張係数のミスマッチが起きず、また、高融点はんだを用いているため、過酷な温度サイクル環境下でも破断が起きにくいため、長寿命化を図ることができる。
さらに、仮にはんだ付け部が破断した場合でも、端子同士が弾性をもった状態で接触しているため、電気的な導通が失われることはない。
【００１４】
さらに、溶接による接合等と比較して、高密度の狭いピッチ間隔の制御端子を一括して接合できるため、容易に接合部位の小型化及び工程時間の短縮を図ることが可能となる。
また、本発明の接合部分は、容易に再溶融して接合部を分離することができるため、制御端子同士の位置ずれ等工程内でミスが生じた場合でも容易に修正することが可能であり、製品の歩留まりの向上に貢献させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係る車載用電子制御装置を示す側断面図である。
【図２】図１における要部を拡大して示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る車載用電子制御装置の他の例を示す側断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る車載用電子制御装置を示す側断面図である。
【図５】図４における要部を拡大して示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る車載用電子制御装置の他の例を示す側断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る車載用電子制御装置を示す側断面図である。
【図８】図７における要部を拡大して示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係る車載用電子制御装置を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１
以下、この発明を実施の形態１である図１および図２を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る車載用電子制御装置を示す側断面図、図２は、図１における要部を拡大して示す断面図である。なお、各図中、同一符号は、同一あるいは相当する部分を示すものとする。
図において、車載用電子制御装置１は、電力を出力するパワーモジュール２とこのパワーモジュール２を制御する電子回路が形成された制御基板３とから構成されている。このパワーモジュール２は、パワー半導体、例えばＳｉＣ素子が実装されており、パワーモジュール２から伸びる銅（Ｃｕ）を成分とする制御端子５を有している。また、電子回路が基板上に形成された制御基板３は、一般的なガラスエポキシ製プリント回路基板により構成され、制御端子５と同一の銅（Ｃｕ）を成分とする制御端子４がこの制御基板３から延長されて設けられている。
【００１７】
ここで、パワーモジュール２から伸びる制御端子５と制御基板３から伸びる制御端子４は、図２に示すように、制御端子５とともに互いに相手側の制御端子４，５に接触する方向に弾性変形可能に形成され、弾性を持って両者を接触させた状態で２００℃〜３００℃の融点を有する高温はんだを用いはんだ接合部６においてはんだ付けし、機械的および電気的に接合されている。
【００１８】
このように、パワーモジュール２からから伸びる制御端子５と制御基板３伸びる制御端子４とをはんだ付けにより接合しているため、振動により導通が失われることはなく、耐振動性に優れた車載用電子制御装置を得ることができる。また、仮に、はんだ付け部が破断した場合でも、制御端子４，５同士が弾性を持った状態で接触しているため、電気的導通が失われることはなく、過酷な温度環境下においても信頼性が高い車載用電子制御装置を得ることができる。
【００１９】
さらに、パワーモジュール２から伸びる制御端子５と制御基板３から伸びる制御端子４とを同じ材質で形成したため、両者の線膨張係数が同じであり、温度サイクル等によってはんだ接合部６に繰返し加わる応力は、従来の装置に比較して大変小さいものとなる。これにより、はんだ接合部が疲労破壊に至るまでの寿命を飛躍的に延ばすことができ、過酷な温度環境下においても信頼性が高い車載用電子制御装置を得ることができる。また、パワーモジュール２から伸びる制御端子５が複数存在する場合、隣接する制御端子の間隔は、制御基板３から伸びる制御端子４の間隔によって決まり、それぞれの制御端子は、電気的に独立しているため、隣接する制御端子同士が接触しない限り、パワーモジュール２から伸びる制御端子５の間隔を小さくすることができ、２．５４mmピッチ以下とすることも可能となる。したがって、車載用電子制御装置１のサイズを小型化することができる。
【００２０】
さらに、隣接する制御端子同士は接触していないため、制御端子間には空気層が存在する。これによって、はんだ付け時にはブリッジの発生を大幅に抑制することができる。また、電流が流れる時に発生するノイズによって制御基板３が誤動作した場合、パワーモジュール２も誤動作することになり、最悪人命に関わる問題となるため、従来の車載用電子制御装置においては、ノイズフィルタやフェライト部品を対策部品として多用しなくてはならないが、上記の実施形態によれば、隣接する制御端子の間隔を小さくすることが可能であるため、制御端子から発生するノイズを集約することができ、これによって、ノイズフィルタやフェライト部品等のノイズ対策部品を大幅に削減することができる。
【００２１】
さらに、溶接により接合した場合に比し、制御端子４，５同士をはんだ付けによって接合するため、３００℃以下と低温環境下で接合でき、また、電圧の印加を必要としないため、パワーモジュール２に実装されたチップに熱的、電気的な負荷が掛かることを防止できる。したがって、製品の歩留まりを向上させることができる。また、工程時にスパッタが発生しないため、車載用電子制御装置１の形状に設計上の制約が生じることはなく、設計の自由度が優れている。
【００２２】
加えて、はんだ付けは、複数対の制御端子４，５を同時に接合できるため、工程時間を短縮することができ、工作性に優れており、制御端子４，５同士の位置ずれ等、工程内でミスが生じた場合、はんだ接合部６の融点が比較的低融点であるため、制御端子４，５を分離して再度接合することが容易であり、リペア性に優れている。
【００２３】
なお、上述の実施形態においては、制御端子４，５として銅（Ｃｕ）製の材料を用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、Ｃｕ-Ｓｎ、Ｃｕ-Ｚｎ、Ｃｕ-ＦｅなどのＣｕ基合金やＦｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ、Ｐｄなど同じ材質の制御端子４，５であれば、同様の効果が得られる。また、制御基板３から伸びる制御端子４及びパワーモジュール２から伸びる制御端子５の両方を弾性変形可能に形成した場合について説明したが、制御端子４もしくは制御端子５のいずれか一方のみを弾性変形可能に形成しても同様の効果が得られる。
さらに、制御基板３として一般的なガラスエポキシ製のプリント回路基板の場合について説明したが、同様の構成を取ることによって耐熱性及び、強度を確保するため、図３に示すように制御端子４の接続部を除いて制御基板３を例えば、エポキシ樹脂７などによりトランスファモールドやポッティングしたものであっても、同様の効果が得られる。
【００２４】
実施の形態２
次に、この発明の実施の形態２を図４、図５に基づいて説明する。
図４は、この発明の実施の形態２に係る車載用電子制御装置を示す構成図、図５は、図４における要部を拡大して示す断面図である。なお、図中、実施の形態１に係る車載用電子制御装置１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
図において、制御基板３から伸びる制御端子４は、図５に拡大して示すように、パワーモジュール２から伸びる制御端子５側に突出する突起部８がプレス加工により形成されており、かつ、制御端子５とともに弾性変形可能に構成され、互いに相手側の制御端子４、５に接触する方向に押圧されることになる。
したがって、制御端子４と制御端子５とは、互いに弾性を持った状態で接触し、高温はんだを用いてはんだ接合部６においてはんだ付け接合されている。
【００２５】
このように構成することによって、実施の形態１と同様に過酷な振動環境下及び、温度環境下においても信頼性が高く、ノイズ対策部品を大幅に削減することができ、歩留まりが高く、設計の自由度が優れており、工作性に優れ、リペア性に優れた車載用電子制御装置１を得ることができる。また、制御端子４，５間の距離を制御できるため、はんだ量を制御することができ、フイレット形状を安定させることができる。これによって、目視または外観検査による接合部の外観検査による判定が容易となり、製造性を向上することができる。
【００２６】
なお、この実施の形態２においても、制御端子４，５としてＣｕ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｕ−ＦｅなどのＣｕ基合金やＦｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ、Ｐｄなどを用いることができ、また、制御基板３から伸びる制御端子４及び、パワーモジュール２から伸びる制御端子５の両方またはいずれか一方を弾性変形可能に構成してもよい。
また、制御基板３から伸びる制御端子４に突起部８を１か所設けた場合について説明したが、これに限るものではなく、パワーモジュール２から伸びる制御端子５または制御端子４，５の両方の１か所以上に突起部８を設けてもよい。
さらに、図６に示すように、制御基板３から伸びる制御端子４の接続部分を除いて制御基板３を例えば、エポキシ樹脂７によりトランスファモールドやポッティングするように構成してもよい。
【００２７】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図７、図８に基づいて説明する。
図７は、この発明の実施の形態３に係る車載用電子制御装置を示す構成図、図８は、図７における要部を拡大して示す断面図である。なお、図中、実施の形態１に係る車載用電子制御装置１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施の形態３においては、図８に拡大して示すように、制御基板３から伸びる制御端子４に、パワーモジュール２から伸びる制御端子５側に突出する曲げ加工部９を設けており、かつ、制御端子５とともに弾性変形可能に構成され、互いに相手側の制御端子４、５に接触する方向に押圧されることになる。
したがって、制御端子４と制御端子５とは、互いに弾性を持った状態で接触し、高温はんだを用いてはんだ接合部６においてはんだ付け接合されている。
【００２８】
このように構成することによって、実施の形態１及び実施の形態２と同様に過酷な振動環境下及び温度環境下においても信頼性が高く、ノイズ対策部品を大幅に削減することができ、歩留まりが高く、設計の自由度が優れており、工作性に優れ、リペア性に優れた車載用電子制御装置１を得ることができる。また、制御端子４，５間距離を制御できるため、はんだ量を適正に制御することができ、フイレット形状を安定させることができる。これによって、目視または外観検査による接合部の外観検査による判定も容易となるため、製造性を向上することができる。
【００２９】
なお、この実施の形態３においても、制御端子４，５としてＣｕ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｕ−ＦｅなどのＣｕ基合金やＦｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ、Ｐｄなどを用いることができ、また、制御基板３から伸びる制御端子４及び、パワーモジュール２から伸びる制御端子５の両方またはいずれか一方を弾性変形可能に構成してもよい。
また、制御基板３から伸びる制御端子４に曲げ加工部９を１か所設けた場合について説明したが、これに限るものではなく、パワーモジュール２から伸びる制御端子５または制御端子４，５の両方の１か所以上に曲げ加工部９を設けてもよい。
さらに、図９に示すように、制御基板３から伸びる制御端子４の接続部分を除いて制御基板３を例えば、エポキシ樹脂７によりトランスファモールドやポッティングするように構成してもよい。
【００３０】
なお、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１：車載用電子制御装置、２：パワーモジュール、３：制御基板、
４,５：制御端子、６：高温はんだ、７：エポキシ樹脂、８：突起部、
９：曲げ加工部
【図１】
2017017206.tif 000003
【図２】
2017017206.tif 000004
【図３】
2017017206.tif 000005
【図４】
2017017206.tif 000006
【図５】
2017017206.tif 000007
【図６】
2017017206.tif 000008
【図７】
2017017206.tif 000009
【図８】
2017017206.tif 000010
【図９】
2017017206.tif 000011