(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子モジュールであって：
流体に暴露する目的で形成される外面を有するハウジング；
前記ハウジング内に実装された電子部材；
前記ハウジング内にあって、前記電子部材と前記外面の中間に位置する内部キャビティ；
前記電子部材と結合され、前記内部キャビティおよび前記外面を貫通して伸びる電気的接続部材；
前記流体に反応する前記内部キャビティ内のポリマー材料であって、前記流体と接触すると前記ポリマー材料が膨張して、前記内部キャビティ内の前記電気的接続部材を封止して、前記流体が前記電子部材と接触するのを防ぐポリマー材料；および
前記ポリマー材料を中に保持するように形成された前記内部キャビティ内の封止層；
によって構成されることを特徴とする電子モジュール。
【請求項２】
前記ポリマー材料は、ハロゲン化ポリシロキサンおよびアルキル置換ポリシロキサンによって構成される群から選択されたシリコン・ベースのポリマーによって構成されることを特徴とする請求項１記載の電子モジュール。
【請求項３】
前記封止層が、前記内部キャビティ内において前記ポリマー材料の上に配置されるエポキシによって構成されることを特徴とする請求項１記載の電子モジュール。
【請求項４】
前記電気的接続部材は、前記ハウジングに取り付けられたメタル・リードフレームによって構成されることを特徴とする請求項１記載の電子モジュール。
【請求項５】
電子モジュールであって：
ハウジング；
前記ハウジング内のキャビテイ；
前記キャビティを横切り、前記ハウジングを超えて伸びる終端を有する電気リードであって、前記終端が流体に暴露される電気リード；および
前記キャビティ内にあって、エポキシ封止によって封じ込められる膨張可能なポリマー材料；および
前記膨張可能なポリマーの上に在る耐圧層であって、前記耐圧層と前記膨張可能なポリマーとが協働して、前記電気リードの周囲に封止を形成し、前記流体が前記膨張可能なポリマーと接触すると、前記リードを前記ハウジングに固定・封止する耐圧層；
によって構成されることを特徴とする電子モジュール。
【請求項６】
前記ハウジングは：
中に周辺溝を有するパッケージ基板；および
垂れ下がるタングを有するカバーであって、前記タングが、前記溝に挿入されて液密封止を形成するカバー；
によって構成されることを特徴とする請求項５記載の電子モジュール。
【請求項７】
前記耐圧層は、変形可能な媒体によって構成されることを特徴とする請求項５記載の電子モジュール。
【請求項８】
前記耐圧層は、前記キャビティ内に配置されたエポキシ層によって構成されることを特徴とする請求項５記載の電子モジュール。
【請求項９】
前記膨張可能なポリマー材料は、ハロゲン化ポリシロキサンおよびアルキル置換ポリシロキサンによって構成される群から選択されたシリコン・ベースのポリマーによって構成されることを特徴とする請求項５記載の電子モジュール。
【請求項１０】
前記流体は、炭化水素流体によって構成されることを特徴とする請求項５記載の電子モジュール。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、ハーメチック・シールを有する電子パッケージに関し、更に詳しくは電子デバイスを含み、自動車用途に使用する液密封止（Fluid-Tight Seals）を有する気密電子モジュールに関する。
発明の背景
パッケージ電子デバイスのハーメチック・シールは、電子デバイスが腐食性環境の中で動作する状況では重要である。電子パッケージでは、外界と、パッケージ内の電子部材との間に電気接続を設けなければならない。通常、電気接続は、パッケージのプラスチック・ボディの中にモールディング成型されるリードフレームによって設けられる。モールディング成型工程は、リードフレームの周囲に機械的封止を形成するが、リードフレームとプラスチックのパッケージ・ボディとの間にケミカル・ボンドを形成しない。リードフレームを単にプラスチックのパッケージ・ボディの中にモールディング成型するだけでは、ハーメチック・シールを形成しない。これは、空気および液体が、リードフレームに沿って移動し、パッケージの壁を通してパッケージの内側領域に入る可能性があるためである。電子技術が進歩するにつれ、より複雑な電子パッケージが、プラスチック・パッケージの中に収容されるようになっている。複雑なデバイスは、汚染への感度が高く、オキシダントおよび腐食性流体が接触すると、たちまち動かなくなる可能性がある。
真の気密形パッケージは、空気および流体が、パッケージの内側に進入するのを防ぐために、広範な封止技術を必要とする。気密形パッケージを作製する１つの技術は、プラスチックと、ガラスまたはセラミックのフィードスルーより寧ろ、メタル・パッケージングを採用する。電気接続は、フィードスルーがパッケージの金属壁に固定・封止された後、リードをフィードスルーの各端に半田付けすることにより、設けることができる。この方式は、気密形パッケージの作製には有効であるが、ガラス部材およびセラミック部材を有するメタル・パッケージは高価である。さらに、ガラスまたはセラミックのフィードスルーは、機械的に脆弱な電気シールであり、使用中にパッケージが振動または衝撃を受けるとダメージを受ける可能性がある。
エポキシ材料は、ハーメチック・シールを作製するのに、ガラスおよびセラミックに代わる１つの選択肢である。エポキシ封止技術をプラスチックとともに使用すると、パッケージング・コストが低減し、多岐に渡るパッケージング材料およびパッケージング設計に対して広範な有用性を持つという更なるメリットがある。ハーメチック・シールを形成するには、リードフレームがプラスチック・パッケージ・ボディから出るところで、エポキシ注封（potting）材料をリードフレームの周囲に塗布する。注封材料を接合部に塗布する実際的な方法はないので、注封材料は、リードフレームとパッケージ・ボディとの接合部に直接塗布するより寧ろ、パッケージ・ボディの外側表面に塗布される。注封材料は、ハーメチック・シールを維持するために、リードフレームとプラスチック・パッケージ・ボディの双方に十分接着する必要がある。
エポキシ注封材料は、ハーメチック・シールを形成するのに使用できるが、これらの材料は、プラスチックのパッケージ・ボディの外側表面と接触する腐食性ガスおよび流体から悪影響を受ける可能性がある。エポキシは硬化する可能性があるが、硬化されたエポキシは、プラスチックのパッケージ・ボディとは異なる熱膨張係数を有する可能性がある。多くの電子デバイスが動作しなければならない温度範囲において、エポキシとプラスチックの熱膨張が異なることは、ひび割れおよび密封性のロスを容易に生じるおそれがある。ひび割れの問題のほか、エポキシ封止は、パッケージが、オイル，溶剤などの炭化水素流体、または強酸化酸に暴露される場所には適さない。したがって、腐食性の化学環境で動作する電子モジュールに対しては、新しいパッケージ封止技術が必要である。
発明の開示
本発明は、流体がモジュールに入って、内部の電子部材にダメージを与えないように防止できる電子モジュールを対象とする。電子モジュールは、過酷な動作環境から生じる腐食性の流体に暴露される可能性がある。本発明のモジュール設計は、流体進入経路と整合される内部キャビティの中に、膨張可能なポリマー材料を配置することにより、流体が主たる進入経路を伝って入るのを防ぐ。電子モジュールが暴露される流体が、膨張可能なポリマー材料と接触するとき、ポリマー材料が膨張して液密封止を形成し、これにより進入経路を封鎖する。１つの側面では、本発明は、進入経路に沿って電子モジュールに入ってくる流体に反応する膨張可能な材料を提供する。この封止は、流体が電子モジュールに入ろうとするときまで働かない状態にあるが、流体がモジュールに入った時点で、ポリマーが流体を吸収し始め、膨張して液密封止を形成する。
【図面の簡単な説明】
第１Ａ図は、本発明の１つの実施例により構成された電子モジュールの一部分についての断面図である。
第１Ｂ図は、本発明の別の実施例により構成された電子モジュールの一部分についての断面図である。
第２図は、本発明の具体例により構成された電子モジュールの上面図である。
第３図は、第２図に示す電子モジュールを、線３−３に沿って切った組立断面図である。
第４図は、第２図に示す電子モジュールを、線４−４に沿って切った組立断面図である。
単純かつ分かりやすくするために、図に示す素子は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。例えば、いくつかの素子の寸法は、他と比較して大きく示される。また適宜、対応する素子を表示するのに、各図で同じ参照番号を繰り返し使用する。
好適な実施例の詳細な説明
第１Ａ図に示す断面図は、本発明の１つの実施例により構成された電子モジュール１０の一部分についてのものである。パッケージ基板１２は、外壁部分１４およびボンド・パッド・プラットホーム１６を含む。電子モジュール１０は、パッケージ基板１２の上に載るカバー１５を含む。パッケージ基板１２およびカバー１５が一緒になって、電子部材１８を保護するハウジング１７を形成する。カバー１５は、パッケージ基板１２と気密接合されて、カバーとパッケージ基板との間に液密封止を設ける。
電子部材１８は、接着層２０によりパッケージ基板１２と接合され、ワイヤ・ボンド２４によりパッケージ・リード２２とワイヤ接合される。パッケージ・リード２２は、露出された内側部分２６を有し、この部分はボンド・パッド・プラットホーム１６の上に載る。ワイヤ・ボンド２４は、内側部分２６と接合されて、パッケージ・リード２２が電子部材１８と電気的に結合されるようにする。パッケージ・リード２２は、ボンド・パッド・プラットホーム１６の内側部分を貫通して伸び、内部キャビティ２８を横切る。パッケージ・リード２２はまた、壁部分１４の内側部分を貫通して伸び、露出された終端３０は、壁部分１４から外側に伸びて、外部システムとの電気接触を、電子モジュール１０に対して設けることができるようにする。
内部キャビティ２８は、エポキシ封止３２によって封止され、これは内部キャビティ２８に対しカバーの役割をする。膨張可能なポリマー材料３４は、内部キャビティ２８の中に常駐する。パッケージ・リード２２が、炭化水素流体，水，溶剤などの流体に暴露されると、主たる進入経路は、パッケージ・リード２２に沿った流体の拡散によって生じる。流体の拡散が妨げられない場合には、流体はついにはパッケージ・リード２２に沿って内側部分２６へと拡散し、ついでワイヤ・ボンド２４を伝って、最終的に電子部材１８に達する。本発明により、膨張可能なポリマー材料３４は、パッケージ・リード２２を伝って拡散する流体に反応して、膨張可能なポリマー材料３４がエポキシ封止３２に向かって膨張する。ポリマー材料３４の膨張は、内部キャビティ２８を横切るパッケージ・リード２２の部分の周囲に圧力を生じる。ポリマー材料３４により生じた圧力は、パッケージ・リード２２をパッケージ基板１２に固定・封止する。ポリマー材料３４の膨張により形成される封止は、流体が、ボンド・パッド・プラットホーム１６などの電子モジュール１０の内側部分に拡散するのを防ぐ。
本発明の別の実施例による電子モジュール１１の断面図を第１Ｂ図に示す。別の実施例では、内部キャビティ２８およびボンド・パッド・プラットホーム１６は、パッケージ基板の上部表面へと伸びる。エポキシ封止３２は、壁面１４およびボンド・パッド・プラットホーム１６を、カバー１５から分離して、内部キャビティ２８を封止する。エア・ポケット３５は、内部キャビティ２８内において、膨張可能なポリマー３４の上に在る。膨張可能なポリマー３４が、流体と接触して膨らむとき、エア・ポケット３５は、膨張可能なポリマー３４の膨張とは逆向きの力を与える。エア・ポケット３５によって与えられる抵抗は、内部キャビティ２８内の圧力を高めて、パッケージ・リード２２をパッケージ基板１２に固定・封止する。
別の実施例は、空気など変形可能な媒体を使用して、内部キャビティ２８の中に抵抗力を与えることを示す。当業者は、ガス充填ブラダ（bladder）など、他の材料および構造を使用しても、膨張可能なポリマー３４の膨張力に対抗する力を働かせて、パッケージ・リード２２の周囲の圧力を増加することができることを理解されたい。
本発明の好適な実施例では、ポリマー材料３４は、炭化水素流体などの流体と接触すると、体積が膨張する性質を有するシリコン・ベースのポリマーである。シリコン・ベースのポリマーは、アルキル置換モノマー反復単位を含む置換ポリシロキサン、またはハロゲン化アルキル置換基を含むランダム共重合体であるのが最も好ましい。例えば、アルキル置換ポリマーは、［ＳｉＲ2Ｏ］ｎの一般式を有するものを使用でき、ここでＲはアルキル置換基であり、ｎは、アルキル置換ポリシロキサン内のモノマー反復単位の数を示す大きな正の整数である。
ポリマー材料３４がポリシロキサンの場合には、最も好ましい材料は、ジメチル・ポリシロキサンである。好適なポリシロキサン材料であるジメチル・ポリシロキサンは、熱硬化すると、強力なセルフプライミング（self-priming）接着結合を生じるプライマレス（primerless）シリコン接着剤とすることも可能である。このようなシリコン接着剤は、Dow Corning Corp.（ミシガン州ミッドランド）から入手でき、商品名”ＳＹＬＧＡＲＤ５７７”で販売されている。硬化後、好適なシリコン接着剤は、２５℃で比重１．３２，引張強さ８６０psi，および重ねせん断強さ（lap share strength）７７０psiを有する。実験結果によれば、Deutsch Pentosin-Werke GmbH（ドイツ、ウェーデル）から入手でき、商品名”ＰＥＮＴＯＳＩＮ”で販売される自動車のパワー・ステアリング液など、長鎖（Ｃ16からＣ20の炭化水素流体に暴露されると、ジメチル・ポリシロキサンは、暴露時間に依存して、約４９％から約７１％までの範囲で体積が膨張する。ジメチル・ポリシロキサンについて収集された実験データを表１に示す。
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ポリマー材料３４がランダム共重合体のポリシロキサンである場合には、好適な材料は、フルオロシロキサンであり、ここでＲ1はＣ3Ｈ4Ｆ3であり、Ｒ2およびＲ3はＣＨ3であり、ポリマー単位比はｎ：ｍで約４０：６０である。ランダム共重合体のハロゲン化ポリシロキサンは、一般式［（ＳｉＲ1Ｒ2Ｏ）ｎ）ＳｉＲ3Ｏ）m］を有するものを使用でき、ここでＲ1は、フッ素などのハロゲンを有するアルキル置換基、Ｒ2およびＲ3はアルキル置換基であり、ｎおよびｍは、個々のポリシロキサン化合物に依存して、各種の比率で存在する正の整数である。
最も好適なハロゲン化ポリシロキサンは、ランダム共重合体のフッ化ポリシロキサンであり、化学式［Ｓｉ（ＣＨ3）（ＣＨ2ＣＨ2ＣＦ3）Ｏ）］4［Ｓｉ（ＣＨ3）2Ｏ）］6を有する。好適なフッ素置換ポリシロキサンは、化学量論比４０％のフッ素置換されており、熱硬化後に良好な接着特性を示す。適切なフッ化ポリシロキサンは、Dow Corning Corp.（ミシガン州ミッドランド）から、商品名”Ｘ４-８０１２”で入手できる。フッ化ポリシロキサンは、熱硬化後、比重１．２８を示し、引張強さ７９０psiを有する。実験結果によれば、フッ化ポリシロキサンは、自動車のパワー・ステアリング液などの炭化水素液に暴露されると、約１４％から２１％体積が膨張する。フッ化ポリシロキサンについての実験データを表１に示す。
第１Ａ図または第１Ｂ図の組立工程を参照して、パッケージ・リード２２が、パッケージ基板１２の中にモールディング成型された後、上述の好適なポリシロキサン化合物が、内部キャビティ２８の中に堆積される。エポキシ封止３２が塗布され硬化されて、内部キャビティ２８の上に耐圧性のカバーを形成する。炭化水素油と接触すると、ポリシロキサンが膨張して、内部キャビティ２８の６つの側面すべてに圧力を加える。
表Ｉに示すように、自動車のパワー・ステアリング液と接触すると、好適なフッ化ポリシロキサンは、約１４％体積を増加する。この膨張は、内部キャビティ２８の中で、約４５ＭＰａの圧力を加える。フッ化ポリシロキサンが加える実質的な圧力によって、パワー・ステアリング液が、ボンド・パッド・プラットホーム１６を通じて拡散して、パッケージ・リード２２の内側部分２６に形成されたワイヤ・ボンドを汚染するのを防ぐ。
当業者は、本発明の相互作用型のパッケージ封止機構が、多岐に渡る電子モジュールに応用できることを理解されたい。例えば、膨張可能なポリマー材料を中に入れているキャビティは、集積回路部材を保護するように設計された電子パッケージの中に形成できる。また本発明は、マルチチップ・モジュール，ハイブリッド・パワー・トランジスタ・アレー，エンジン・コントロール・ユニットなどの高度な電子デバイスを保護するように設計された他の種類のパッケージにも使用できる。また、本発明の反応性封止機構は、流体が拡散経路を伝ってパッケージの内側空間に入るのを防ぎたいパッケージ設計において、使用することができる。したがって、以下の具体例は、本発明の反応性封止機構を電子モジュールの中に組み込むために考えられる多くの構成の１つに過ぎない。
第２図から第４図は、本発明の具体例により構成された電子モジュール４０の各種の図を示す。第２図に示すのは、炭化水素流体に浮上する形で構成される電子モジュール４０の上面図である。複数の電子部材４２はプリント回路板４４の上に載っており、これらは相互接続リード４８によって、互いにまた複数のパワー・トランジスタ４６に相互接続される。外部電気制御回路（図示せず）からの制御信号は、電子部材４０のパッケージ基板５２の中にモールディング成型される第１リードフレーム５０によって、電子部材４２と電気的に結合される。パワー・コントロール信号は、第２リードフレーム５４によって、パワー・トランジスタ４６から外部駆動モータ（図示せず）へと出力される。第１リードフレームおよび第２リードフレーム５０，５４は、それぞれ複数のメタル・リード５６，５８を含んでおり、電子制御モジュール４０との間で電気信号を搬送する。周辺溝６０は、パッケージ基板５２の周囲に伸びており、カバー６２を受けるように構成される。
第２図の線３-３に沿って切った電子モジュール４０の組立断面図を第３図に示す。パッケージ基板５２は、周辺溝６０が中に形成される外壁面６４を含む。タング６６はカバー６２から垂れ下がっており、周辺溝６０の中にはめ込む。タング６６は、周辺溝６０に接合されて、カバー６２とパッケージ基板５２との間に、液密封止を形成する。ヒート・スプレッダ６３は、パッケージ基板５２の中にモールディング成型され、プリント回路板４４のサポートを提供する。ヒート・スプレッダ６３は、電子モジュール４０の動作中に、パワー・トランジスタ４６によって生成される大量の熱を拡散する働きをする。ヒート・スプレッダはまた、電子モジュール４０を、自動車のパワー・ステアリング液溜めの表面に実装する接着手段６５を含む。
カバー６２とパッケージ基板５２とが合体して封止され、電子部材４２およびパワー・トランジスタ４６が、内部キャビティ６８の中に封止される。パワー・トランジスタ４６は、ワイヤ・ボンド７２により、メタル・リード５８の内側部分７０にワイヤ結合される。メタル・リード５８は、第２内部キャビティ７４および壁面６４を貫通して伸び、膨張可能なポリマー材料７６は、第２キャビティ７４内に常駐し、エポキシ層７８によって中に閉じ込められる。
第２図の線４-４に沿って切り取られた電子モジュール４０の組立断面図を、第４図に示す。ワイヤ・ボンド８０は、相互接続リード４８を通じて、電子部材４２を、メタル・リード５６の内側部分８２と電気的に結合する。メタル・リード５６は、ボンド・パッド・プラットホーム８４およびパッケージ基板５２の壁面６４と結合される。メタル・リード５６は、第３内部キャビティ８６を横切る。
エポキシ封止８８は、第２キャビティ７４の封止機構に類似する構成により、第３キャビティ８６の中に堆積されたポリマー材料９０の上に在る。図の実施例では、リードフレーム５０の個々のメタル・リードは、第２リードフレーム５８の個々のメタル・リードよりも大幅に小さくて数が多い。リードの寸法が等しくないにもかかわらず、本発明の反応性封止機構を採用すれば、各種の寸法のリードの周囲に加圧封止を形成し、パッケージ・ボディと、各種の物理特性を有するメタル・リードとの間に液密障壁を形成することができることに注意されたい。第２キャビティおよび第３キャビティ７４，８６の中で採用されるポリマー材料は、炭化水素流体と接触すると変形するので、ポリマー材料は、ほぼいかなる断面形状のリードの周囲にも密封を形成することができる。また、ポリマー材料の変形可能な性質により、図に示したのとは実質的に異なる形状を有するキャビティの中でも、材料を使用することができる。例えば、キャビティ全体を基板材料の中に閉じ込めて、基板内のアクセス・ポートを導入口とすることもできる。当業者は、本発明の反応性封止機構を採用するために、多くの変形が考えられること、またこれらの各種の形状が、本発明の適用範囲内にあることを理解されたい。
この実施例において、電子モジュール４０は、接着手段６５によって、自動車のパワー・ステアリング機構内のメタル・サポートに接着されるよう設計される。接着のポイントは、動作において、電子モジュール４０が、パワー・ステアリング装置内のパワー・ステアリング液内に全体的に浸かる形となる。電子モジュール４０の動作により発生する大量の熱は、ヒート・スプレッダ６３によって、また熱伝達により、パッケージ・ハウジングから、周囲のパワー・ステアリング液へと拡散される。電子モジュール４０は、パワー・ステアリング液の中に浸かった状態で、有効寿命全体を過ごすので、パワー・ステアリング液による汚染から、電子部材４２およびパワー・トランジスタ４６を保護するには、パッケージのハウジングの外面全体を覆う完全な液密封止が必要である。本発明により、膨張可能なポリマー材料７６，９０は、メタル・リード５６または５８を伝って拡散するパワー・ステアリング液の存在に反応する形で存在する。
このため、本発明により、上記の利点を完全に満たす液密封止を有する電子制御モジュールが提供されることは明らかである。本発明を具体的な実施例を参照して説明し図示したが、本発明は、これらの図示した実施例に限定されることを意図しない。当業者は、本発明の意図から逸脱せずに、バリエーションおよび変形が可能であることを認めよう。例えば、ポリイミド，シリコン・プラスチック，耐熱金属含浸プラスチックなどその他の種類のパッケージング材料も使用できる。また、テープ・ボンディングおよび表面実装技術も使用できる。そのため、添付請求の範囲に属するすべてのバリエーションと変形、およびこれらと同等の物を本発明に含めることを意図する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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