JP3756691B2

JP3756691B2 - 内燃機関用の樹脂封止形電子装置

Info

Publication number: JP3756691B2
Application number: JP07343799A
Authority: JP
Inventors: 俊明神永; 克明深津; 良一小林
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2019-03-18
Also published as: DE10013255A1; US6257215B1; JP2000269415A; DE10013255B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電子点火装置（イグナイタ）のように自動車用エンジンルーム内に実装される内燃機関用の電子装置に係わり、更に詳細には、樹脂封止形のパッケージ構造を備えた電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用の半導体パッケージ構造、特にイグナイタの従来技術としては、特許番号第２５９０６０１号に記載のように回路基板、パワートランジスタを放熱板（ヒートシンク）と共に合成樹脂によりトランスファモールドしたものがある。この従来例における、パワートランジスタは、ヒートスプレッダ及び絶縁板を介して放熱板に接合されている。
【０００３】
また、特開平８−６９９２６号公報に記載の内燃機関用点火装置には、箱形に成形したヒートシンクの内部に、制御用回路基板，パワースイッチング素子を搭載し、このうちパワースイッチング素子は、ヒートシンク上にＳｎ（錫）とＳｂ（アンチモン）を適宜ブレンドしたＳｎ−Ｓｂ系のはんだを介して接合し、また、制御用回路基板は、ヒートシンクにシリコン系接着剤等で接着し、且つこのような部品搭載後にヒートシンク内部にシリコン系ゲルを注入する技術が開示されている。さらに、同公報には、パワートランジスタだけを備えた樹脂封止形トランジスタパッケージユニット（エポキシによるトランスファモールド）に上記のＳｎ−Ｓｂ系はんだを用いたパワートランジスタ接合技術を適用することが可能な旨の記載がある。
【０００４】
そのほかの従来例としては、特開平９−１７７６４７号記載のように、半導体チップ上に機能回路を構成し１チップ化した、点火装置もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
イグナイタ等の内燃機関用の電子装置は、過酷な温度条件で使用されるが、耐久性（長寿命）を要求される部品である。また、要求される仕様により、多機能を要求される仕様のものもあり、従来技術で述べた１チップ化品では、要求仕様を満足することができず、半導体パワー素子及び回路基板を個別に製作して要求仕様を満足させる必要がある。
【０００６】
内燃機関用の半導体パッケージ構造で特に高寿命を要求されるのは、自己発熱の大きいスイッチング用の半導体パワー素子の部分である。
【０００７】
すなわち、上記半導体パワー素子は、一般に材料がＳｉ（シリコン）であり、このＳｉをヒートシンクに積層する場合、Ｓｉとヒートシンクの線膨張係数差（例えばＳｉの線膨張係数が約３×１０~⁶／℃、ヒートシンクはＣｕで線膨張係数が約１７×１０~⁶／℃）がはんだ付け部のストレスとなり、はんだ付け部の寿命を支配している。この種の電子部品のはんだとして一般的に用いられていた従来のＰｂ−Ｓｎ系の高温はんだ（Ｐｂ：Ｓｎ＝９０：１０）では、この線膨張差を吸収するには充分ではなく、目標耐久寿命を確保することが困難であり、そのため、従来は線膨張係数差を緩和する熱緩衝部材（例えばモリブデン）を積層することでストレスを緩和していた。
【０００８】
半導体パワー素子とヒートシンクの接合に、上記Ｐｂ−Ｓｎ系はんだに代わって上記特開平８−６９９２６号公報に記載のようにＳｎ−Ｓｂ系はんだ（例えば、Ｓｂを５〜８％，Ｎｉを０．０〜０．８％、Ｐを０．０〜０．１％残りをＳｎとするはんだ）を用いた場合には、このＳｎ−Ｓｂ系はんだは剛性が高いために、上記の半導体パワー素子とヒートシンクとの間の線膨張係数差による熱衝撃の進展速度を遅くでき、はんだ付け部の耐久性を向上させることができるものと評価される。
【０００９】
本発明の目的は、このようなＳｎ−Ｓｂ系はんだの利点を活かしつつ、さらに、内燃機関用の半導体パワー素子のはんだ付け部の耐久性（長寿命）を図れ、しかも装置全体の剛性も高めて曲げ応力に強く変形しにくい電子装置を提供することにある。さらに、環境上の問題の配慮して、電子装置全体を鉛不使用の高温はんだ使用を実現させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明における内燃機関用の電子装置は、金属製のヒートシンク上にハイブリッドＩＣを備えた基板（ハイブリッドＩＣ基板）及び半導体パワー素子が固定され、前記半導体パワー素子は、前記ヒートシンクにＳｎ−Ｓｂ系はんだを用いて接合され、この半導体パワー素子，ハイブリッドＩＣ基板，ヒートシンク及び入出力用端子が該入出力用端子の一部を除いて、トランスファモールドされた無機質充填材７０〜９０重量％のエポキシのパッケージに埋設されていることを特徴とする。
【００１１】
なお、このように構成される本発明は、見方を変えれば、半導体パワー素子，ハイブリッドＩＣ基板，ヒートシンク及び入出力用端子の一部がトランスファモールドされたエポキシのパッケージに埋設され、且つこのエポキシは、線膨張係数が前記半導体パワー素子の線膨張係数と前記ヒートシンクの線膨張係数との間の値をとるよう無機質充填材の含有量が調整されているということである。
【００１２】
半導体パワー素子（例えばＳｉ製）とヒートシンク（例えば、Ｃｕ製）とを接合するはんだを、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだとした場合、その厚み管理を適正に行なうことで、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだは、既述したように剛性が高いために、Ｓｉとヒートシンク間の線膨張係数差に伴う熱変形（膨張，収縮）を抑える働きが生じ、しかも、トランスファモールド成形されたエポキシパッケージを上記したように無機質充填材を高配合割合（通常の配合割合よりも極めて高い）にすることで、その線膨張係数をＳｉとヒートシンク（Ｃｕ）の間、例えば、約１０×１０~⁶／℃とすることができ、しかも、このように高配合無機質充填材入りのエポキシは、通常の絶縁モールドに使用する一般的なエポキシよりも硬質な状態でパッケージ中の電子部品を堅く固定するので、半導体パワー素子やヒートシンクの熱膨張，収縮変形を抑える機能をなす。したがって、半導体パワー素子とヒートシンクとの間の線膨張係数差による熱衝撃の進展速度を今までよりも遅くすることができ、半導体パワー素子のはんだ付け部の耐久性を向上させることができる。
【００１３】
さらに、ハイブリッドＩＣ基板を搭載してトランスファモールドするとき、ハイブリッドＩＣ基板は通常アルミナ系セラミックを使用するため、曲げ応力に対して注意しなければならない。この場合、半導体パワー素子の接合に使用するＳｎ−Ｓｂ系はんだは、はんだ自体の剛性が高く、これを使用することによりハイブリッドＩＣ基板を搭載するヒートシンクの剛性を高め、したがってハイブリッドＩＣ基板やヒートシンクに曲げ応力が加えられてもその変形を低減させることができる。
【００１４】
（２）さらに、もう一つの発明に係わる内燃機関用の樹脂封止形電子装置は、金属製のヒートシンク上にハイブリッドＩＣを備えた基板及び半導体パワー素子が固定され、前記半導体パワー素子は、前記ヒートシンクにＳｎ−Ｓｂ系はんだを用いて接合され、前記ハイブリッドＩＣ基板上の導体材料は、Ａｇ−Ｐｔ系導体もしくはＣｕ系導体で、このハイブリッドＩＣ基板に搭載する部品のはんだ付けに使用するはんだを、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだとし、前記半導体パワー素子，ハイブリッドＩＣ基板，ヒートシンク及び入出力用端子が該入出力用端子の一部を除いて、トランスファモールドされた合成樹脂製のパッケージに埋設されていることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだの利点を活かして半導体パワー素子とヒートシンクの熱衝撃緩和を図りつつ、さらに、この半導体パワー素子及びその他の部品のはんだ付け部を鉛不使用の高温はんだ使用とすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面を用いて説明する。図１及び図２は、本発明の一実施例に係わる内燃機関用の樹脂封止形電子装置の一例としてイグナイタを例示しており、図１（ａ）はその側面断面図、図１（ｂ）はその平面図、図２はその透視斜視図を示す。
【００１７】
図中、１は銅あるいはアルミニウム製のヒートシンク、２はハイブリッドＩＣ基板（混成回路基板）、３は半導体パワー素子である。
【００１８】
基板２上には、イグナイタとして要求される機能を構成するハイブリッドＩＣ１０，チップコンデンサ１１，ＭＩＣ等が搭載（固定）されている。半導体パワー素子３は、点火コイル（図示省略）の一次電流を通電，遮断するスイッチング素子として使用され、パワートランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）を用いる。ＩＧＢＴを用いた場合には、素子の発熱を低減し、自己発熱による熱ストレス低減に貢献することができる。
【００１９】
半導体パワー素子３は、ヒートシンク１にＳｎ−Ｓｂ系はんだ４を用いて接合されている。Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ４は、例えば、成分がＳｂ＝５±０．５重量％、Ｎｉ＝０．６±０．２重量％、Ｐ＝０．０５±０．０１５重量％、残りがＳｎで構成されている。Ｓｎ−Ｓｂ系はんだは、Ｃｕ又はＡｌに対して濡れ性が悪いので、予め相性の良いＮｉめっきをヒートシンク１のはんだ付け部に２〜１０μｍの厚みで施し（なお、Ｎｉめっきは、Ｐを含有されていなければベストであるがＰの含有量が１０重量％以下であれば支障はない）、はんだ付けを行なう。また、Ｓｂ−Ｓｎ系はんだ４は、酸化し易いので、水素または窒素、またはその混合である雰囲気の酸化還元炉を用いはんだ付けが行なわれる。
【００２０】
さらに、Ｓｂ−Ｓｎ系はんだ４には、φ３０〜１５０μｍの球状の金属９を混合してはんだの膜厚が均一の厚みを保つようにコントロールされている。球状金属９は、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだの主成分であるＳｎと線膨張係数が近似（１０〜３０×１０~⁶／℃）の金属材料が使用される。このようにして、安定したはんだ付けが可能になる。
【００２１】
ハイブリッドＩＣ基板２は、アルミナ系セラミックで成形され、発熱性がほとんど無いために、ヒートシンク１上に樹脂系の接着剤１３を介して接着される。
【００２２】
ハイブリッドＩＣ基板２上の導体材料（図示省略）は、Ａｇ−Ｐｔ（銀／白金）系導体もしくはＣｕ系導体で、このハイブリッドＩＣ基板２に搭載する部品（コンデンサ１１やワイヤボンディングパッド８等）のはんだ付けに使用するはんだを、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだとしている。使用するはんだは、Ｓｎ−Ａｇ系はんだの場合、Ａｇが１〜４重量％、残りがＳｎである。また、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだの場合、Ａｇが１〜４重量％、銅が０．１〜１重量％、残りがＳｎである。これらのはんだは、Ｓｎ−Ｓｂ系よりも高温融解温度であり、使用環境が高温下となったときの基板の導体材料とはんだの拡散を抑制し、はんだ付け部の寿命を向上させ、しかも、半導体パワー素子３のはんだ付け時の温度で融解しない。
【００２３】
６−１〜６−３は信号入出力端子であり、例えば、６−１が図示されないＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）からの点火信号を入力する信号入力端子、６−２が半導体パワー素子３のコレクタと接続される出力端子、６−３がグラウンド端子である。
【００２４】
入出力用端子６−１〜６−３は、元々がヒートシンク１と同一の金属板により該ヒートシンクと一体にプレス成形され、そのうち導体を介してハイブリッドＩＣ１０と電気的に接続される端子６−１，６−３は、ヒートシンク１と切り離されワイヤ５，ボンディングパッド８，導体を介してハイブリッドＩＣ１０と電気的に接続されている。また、半導体パワー素子３と電気的に接続される端子６−２は、ヒートシンク１と一体につながった状態を保って該ヒートシンク１及びＳｎ−Ｓｂ系はんだ４を介して半導体パワー素子３と電気的に接続されている。
【００２５】
ハイブリッドＩＣ基板２は、半導体パワー素子３の一次電流制御及びグラウンド接続のために、アルミワイヤ５及びパッド８を介して半導体パワー素子３と電気的に接続されている。
【００２６】
以上のようにして、構成された電子装置組立体（ヒートシンク１，ハイブリッドＩＣ基板２，半導体パワー素子３，アルミワイヤ５，チップコンデンサ４，ＭＩＣ，パッド８）や入出力用端子６−１〜６−３の一部が、トランスファモールドにより成形された無機質充填材７０〜９０重量％のエポキシのパッケージ７に埋設されている。
【００２７】
エポキシパッケージ７に配合される無機質充填材は、例えば、半導体部品のダメージを少なくするために、丸まったフィラー、例えば溶融シリカが使用され、上記したような高配合無機質充填材により、エポキシは、線膨張係数が半導体パワー素子（Ｓｉ）の線膨張係数３×１０~⁶／℃とヒートシンク（Ｃｕ）の線膨張係数１７×１０~⁶／℃との間の値，例えば約１０×１０~⁶／℃をとるよう調整される。なお、ハイブリッドＩＣ基板１０は、アルミナ系セラミックの場合には、その線膨張係数は、約７×１０~⁶／℃である。
【００２８】
本実施例品によれば、外部のＥＣＵからの点火信号が端子６−１を介して入力されると、ハイブリッドＩＣ１０が一次電流の制御を伴って半導体パワー素子３をオン，オフ制御し、これにより点火コイル（図示せず）の二次側に高電圧が発生する。
【００２９】
発熱性を有する半導体パワー素子３の素材Ｓｉとヒートシンク１の素材Ｃｕ又はＡｌとの線膨張係数差が大きいが、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ４は通常使用されている高温はんだ(Ｐｂ：Ｓｎ＝９０：１０程度)よりも剛性が高く、耐熱サイクル性に優れたはんだ材であること、及び、高配合無機質充填入材入りエポキシ（トランスファモールド）７により、半導体パワー素子のはんだ接合部の耐熱衝撃性能を高め、長寿命化を図ることが可能になる。
【００３０】
すなわち、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ４は、剛性が高いために、Ｓｉとヒートシンク間の線膨張係数差に伴う熱変形（膨張，収縮）を抑える働きが生じ、しかも、トランスファモールド成形されたエポキシパッケージ７を上記したように無機質充填材を高配合割合（通常の配合割合よりも極めて高い）にすることで、その線膨張係数をＳｉとヒートシンク（Ｃｕ）の間、例えば、約１０×１０~⁶／℃とすることができ、しかも、このように高配合無機質充填材入りのエポキシは、通常の絶縁モールドに使用する一般的なエポキシよりも硬質な状態でパッケージ中の電子部品を堅く固定するので、半導体パワー素子３やヒートシンク１の熱膨張，収縮変形を抑える機能をなす。したがって、半導体パワー素子３とヒートシンク１との間の線膨張係数差による熱衝撃の進展速度を今までよりも遅くすることができ、はんだ付け部の耐久性を向上させることができる。
【００３１】
また、ハイブリッドＩＣ基板２を搭載してトランスファモールドするとき、ハイブリッドＩＣ基板は通常アルミナ系セラミックを使用するため、曲げ応力に対して注意しなければならないが、本実施例では、半導体パワー素子の接合に使用するＳｎ−Ｓｂ系はんだ４のはんだ自体の剛性が高いために、これを使用することによりハイブリッドＩＣ基板を搭載するヒートシンクの剛性を高め、その結果、ハイブリッドＩＣ基板やヒートシンクに曲げ応力が加えられてもその変形を低減させることができる。
【００３２】
さらに、本実施例によれば、この種全体のはんだ付け部を鉛不使用の高温はんだ使用とすることができ、環境の安全性に貢献することができる。
【００３３】
また、本実施例によれば、以下に述べるように従来品に較べて部品点数を少なくし、しかも、製作作業工程数の合理化を図ることで、コスト低減を図り得る。
【００３４】
図３にイグナイタの従来例である側面断面図を示す。なお、図中、図１，図２と同一符号は同一あるいは共通する要素を示す。
【００３５】
符号の２０が箱形に成形したヒートシンクで、その内部にハイブリッドＩＣ基板２，半導体パワー素子３が搭載される。半導体パワー素子３はヒートシンク２０上の銀ろう付け（符号の２３）したモリブデン板（熱衝撃緩和材）２２にＰｂ−Ｓｎ系はんだ２４を用いて接合されている。ハイブリッドＩＣ基板２はヒートシンク２にシリコン系接着剤２７等で接着されている。入出力用端子６は、モールド成形された端子ホルダー（ターミナル部組）２６と一体に固着され、端子ホルダー２６がヒートシンク２０に接着されている。図４にその一連の組立工程図を示す。
【００３６】
図５に上記した実施例の組立工程を示す。図５と図４とを比較して理解できるように、本実施例では、電子装置の構成部品を入出力用端子（外部接続用端子）の一部を除いてトランスファモールドのエポキシパッケージに埋設するものであるが、従来例に比較して、モリブデン板を不要とし、また、ターミナル部組のヒートシンクへの取り付け，接着作業やシリコンゲル注入・硬化作業を不要とし、部品点数及び作業工程を大幅に合理化することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、厳しい温度環境条件で使用される内燃機関用の半導体パワー素子のはんだ付け部の耐久性（長寿命）を今までよりも一層向上させることができ、しかも装置全体の剛性も高めて曲げ応力に強く変形しにくい信頼性の高い電子装置を、コスト低減を図りつつ提供することができる。さらに、電子装置全体を鉛不使用の高温はんだ使用を実現させ、環境上の安全性に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施例に係わる樹脂封止形電子装置の側面断面図、（ｂ）はその平面図。
【図２】上記実施例の透視斜視図。
【図３】イグナイタの従来例である側面断面図。
【図４】上記従来例の一連の組立工程を示すフローチャート。
【図５】本実施例品の一連の組立工程を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…ヒートシンク、２…ハイブリッドＩＣ基板、３…半導体パワー素子、４…Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ、６−１〜６−３…入出力用端子、７…トランスファモールド（パッケージ）。

Claims

金属製のヒートシンク上にハイブリッドＩＣを備えた基板及び半導体パワー素子が固定され、前記半導体パワー素子は、前記ヒートシンクにＳｎ−Ｓｂ系はんだを用いて接合され、前記ハイブリッドＩＣ基板上の導体材料は、Ａｇ−Ｐｔ系導体もしくはＣｕ系導体で、このハイブリッドＩＣ基板に搭載する部品のはんだ付けに使用するはんだを、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだとし、前記半導体パワー素子，ハイブリッドＩＣ基板，ヒートシンク及び入出力用端子が該入出力用端子の一部を除いて、トランスファモールドされた合成樹脂製のパッケージに埋設されていることを特徴とする内燃機関用の樹脂封止形電子装置。
前記半導体パワー素子は、内燃機関の点火コイルの一次電流を通電，遮断するためのスイッチング用の半導体パワー素子であり、前記ハイブリッドＩＣが前記点火コイルの一次電流を制御する機能を備えている請求項１記載の内燃機関用の樹脂封止形電子装置。
前記入出力用端子は、元々が前記ヒートシンクと同一の金属板により該ヒートシンクと一体にプレス成形され、そのうち前記ハイブリッドＩＣと電気的に接続される端子は、前記ヒートシンクと切り離されワイヤボンディングを介してハイブリッドＩＣと接続され、前記半導体パワー素子と電気的に接続される端子は前記ヒートシンクと一体につながって該ヒートシンク及び前記Ｓｎ−Ｓｂ系はんだを介して前記半導体パワー素子と接続されている請求項１または２記載の内燃機関用の樹脂封止形電子装置。
前記Ｓｎ-Ｓｂ系はんだには、φ３０〜１５０μｍの球状の金属を混合してはんだの膜厚がコントロールされている請求項１ないし３のいずれか１項記載の内燃機関用の樹脂封止形電子装置。