JP4841592B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、制御装置に係り、特に、自動車用に用いられるに好適な大電流をスイッチングする半導体スイッチング素子を備える制御装置に関する。

エンジン制御装置における放熱構造としては、放熱シートを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１１９５３３号公報

ところで、自動車用に用いられる制御装置は、近年、益々小型化が求められている。一方、自動車用の制御装置の中でも、エンジン制御装置は、一般に、エンジンルーム内に配置されることが多く、熱環境としてはきびしいものがある。そのため、小型化を進めようとすると、その放熱性を向上させる必要がある。

従来の制御装置は、マイクロコンピュータを実装した制御基板と、コイルやコンデンサを実装したサブモジュールとを備え、コイルやコンデンサを制御する半導体スイッチング素子を制御基板に実装するものが知られている。制御基板の表面に実装した電子部品の発熱を制御基板の裏面を介してハウジングカバーにから放熱する実装構造では、樹脂基材である制御基板の熱伝導率が低いため、電子部品の発熱をハウジングカバーへ伝えて放熱するには、放熱性能が不十分である。特に、大電流をスイッチングすることにより発熱の大きな半導体スイッチング素子にとって問題となる。

本発明の目的は、放熱性を向上し、小型化の可能な制御装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、マイクロコンピュータの実装された制御基板と、バスバー配線を内蔵する樹脂ケースに、コイル及びコンデンサが実装されたサブモジュールと、該サブモジュールが固定されるハウジングカバーと、前記サブモジュールに前記制御基板が固定された上から覆うハウジングベースとを有し、前記サブモジュールのバスバー配線が前記制御基板の配線と接続されている制御装置であって、前記サブモジュールに実装された半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子と前記ハウジングカバーとを熱的に接続する放熱接着剤とを備え、前記樹脂ケースは、前記半導体スイッチング素子の周囲に設けられた枠を備え、該枠の高さは、前記半導体スイッチング素子高さよりも高いものである。
かかる構成により、放熱性を向上し、小型化が可能となる。

（）上記（１）において、好ましくは、前記ハウジングカバーは、アルミニウム等の金属により形成され、前記ハウジングカバーの内面には、前記半導体スイッチング素子と対向する位置に設けられた凸部を有し、該凸部が前記放熱接着剤を介して、前記半導体スイッチング素子と熱的に接続されるものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記放熱接着剤は、前記半導体スイッチング素子を覆うように前記枠内に塗布され、その塗布高さは、半導体スイッチング素子よりも高く、枠高さよりも低いものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記ハウジングカバーの内面には、前記コイル及びコンデンサを収納する収納部が備えられ、該収納部の内側に前記コイル及びコンデンサが配置されるとともに、前記ハウジングカバーは、放熱接着剤を介して、前記コイル及びコンデンサと熱的に接続されるものである。

本発明によれば、放熱性が向上し、小型化が可能となる。

以下、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態による制御装置の構成及び製造工程について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による制御装置の要部構成を示す拡大断面図である。図２は、本発明の一実施形態による制御装置の製造工程を示す工程図である。なお、図１及び図２において、同一符号は、同一部分を示している。

最初に、図１を用いて、本実施形態による制御装置の構成について説明する。

本実施形態の制御装置の主たる構造部材としては、制御基板１と、サブモジュール２と、ハウジングカバー３ととからなる。なお、その他の主たる構造部材としては、ハウジングベース（図２のハウジングベース４）があるが、これについては、図２を用いて後述する。ハウジングカバー３は、アルミダイキャスト製であり、発熱を伴う電子部品のための放熱フィン１６が一体的に設けられている。

制御基板１には、マイクロコンピュータ１７や他の電子回路が実装される。また、図２を用いて後述するように、制御基板１には、外部インターフェースであるコネクタ５（図２）が実装される。

サブモジュール２は、バスバー配線７をインサート成型により内蔵する樹脂ケース６を備える。樹脂ケース６は、ネジ穴を有する機械的固定部１８が一体的に形成されている。樹脂ケース６には、コイル８，コンデンサ９，半導体スイッチング素子１２が実装されている。

コイル８，コンデンサ９，半導体スイッチング素子１２は、自動車用のバッテリーの直流電圧を昇圧する昇圧回路に用いられる。昇圧回路は、バッテリーの直流電圧（例えば、１４Ｖ）を、例えば、６０Ｖに昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。昇圧された直流電圧は、燃料噴射弁のコイルに供給され、燃料噴射弁の開弁に用いられる。直流電圧の昇圧時に、半導体スイッチング素子１２に流れる電流は、数十Ａであり、この大電流により、半導体スイッチング素子１２が発熱する。

コイル８やコンデンサ９とバスバー配線７とは、コイル８やコンデンサ９のリードをバスバー配線７に予め設けておいた穴に挿入し、導電性接続部材２２を介して電気的に接続する。導電性接続部材２２としては、ハンダや導電性接着剤を用いる。ハンダとしては、Ｓｎ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉハンダ等の鉛フリーハンダを用いる。導電性接着剤としては、Ａｇ等の導電性フィラーを含有したエポキシ系樹脂を用いる。また、ハンダや導電性接着剤を用いる代わりに、溶接により接続してもよいものである。また、サブモジュール２の耐振動性を向上させるため、コイル８やコンデンサ９をシリコーン樹脂からなる固定用接着剤を用いて樹脂ケース６に固着する。半導体スイッチング素子１２とバスバー配線７とは、導電性接着剤を用いて接続する。導電性接着剤は、放熱性を考慮し、銀粉を主成分とするペースト状のものを用いる。

バスバー配線７は、サブモジュール２と制御基板１とを電気的に接続するための外部端子１０を備えている。サブモジュール２の樹脂ケース６から伸びている外部端子１０は、制御基板１のスルーホール部に、導電性接続部材２２を介して電気的に接続される。

本実施形態の特徴とする点は、サブモジュール２に、半導体スイッチング素子１２を実装した点にある。なお、従来は、半導体スイッチング素子１２は、制御基板１に実装されている。

スイッチング素子１２は、樹脂ケース６に一体的に形成された枠体２０Ａ，２０Ｂの内部に配置される。スイッチング素子１２の周囲に設けられた枠２０Ａ，２０Ｂ内に、熱硬化または湿度硬化性の放熱接着剤１４Ａが塗布された後、硬化される。このとき、放熱接着剤１４Ａの塗布高さは、スイッチング素子１２の高さよりも高く、一方では、枠２０Ａ，２０Ｂの高さよりも低く塗布される。

ハウジングカバー３は、サブモジュール２を搭載する内面に、コイル８やコンデンサ９と対向する位置に収納部１５を配置し、スイッチング素子１２と対向する位置に凸部１９を配置している。ハウジングカバー３は、ダイキャスト製の他に、切削加工による形成してもよいものである。ハウジングカバー３の材料は、高い熱伝導性を有した金属材料であることが好ましく、量産性、軽量化、放熱性の向上の観点から、アルミニウム、アルミニウム合金である。

ハウジングカバー３を、図示の状態とは、上下を逆にした状態において、収納部１５に、硬化前の放熱接着剤１４Ｂ，１４Ｃを充填した。放熱接着剤１４Ｂ，１４Ｃの硬化タイプは、熱硬化または湿度硬化どちらでもよい。

サブモジュール２の上下を反転させ、コイル８およびコンデンサ９の一部を放熱接着剤１４に埋め込むように、且つ、半導体スイッチング素子１２のために設けた放熱接着剤１４Ａとハウジングカバー３の内面の凸部１９が接触するようにサブモジュール２をハウジングカバー３に搭載し、ネジ２１をハウジングカバー３の固定部１８に固定することで、サブモジュール２とハウジングカバー３を機械的に固定している。この後、高温槽にて、コイル８やコンデンサ９のための放熱接着剤１４Ｂ，１４Ｃを硬化する。

放熱接着剤１４としては、フィラー入りのシリコーン系樹脂接着剤を用いる。この接着剤は、熱伝導率が０．５〜５．０（Ｗ／ｍＫ）、弾性率が１〜１０００（ＫＰａ）、針入度が１０〜５０（１／１０）である。

次に、図２を用いて、本実施形態による制御装置の製造工程について説明する。

図２（ａ）において、樹脂ケース６は、厚銅板材をプレス加工により製作したバスバー配線７を耐熱性樹脂にてインサート成形した。樹脂材は、軽量で耐熱性に優れる点から、耐熱性樹脂でＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）樹脂、ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）樹脂、ＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate）樹脂を用いるとよい。バスバー配線７はサブモジュール２と制御基板１とを電気的に接続するための外部端子１０を備えている。樹脂ケース６は、ネジ穴を有する機械的固定部１８を備えている。厚銅のバスバー配線７を用いることで、制御基板１の回路配線に比べて非常に低配線抵抗な昇圧回路を構成することが可能となる。

次に、図２（ｂ）に示すように、昇圧用回路の一部を構成するコイル８、コンデンサ９、および、半導体スイッチング素子１２をバスバー配線７の上に実装する。コイル８、コンデンサ９とバスバー配線７との電気的接続は、コイル８、コンデンサ９のリード１１をバスバー配線７に予め設けておいた穴に挿入し、導電性接続部材２２を介して電気的に接続する。導電性接続部材２２は、ハンダや導電性接着剤である。ハンダとしては、Ｓｎ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉハンダ等の鉛フリーハンダを用いる。導電性接着剤としては、Ａｇ等の導電性フィラーを含有したエポキシ系樹脂を用いる。また、ハンダや導電性接着剤を用いずに溶接による接続でもよい。さらに、サブモジュール２の耐振動性を向上させるため、コイル８、コンデンサ９をシリコーン樹脂からなる固定用接着剤を用いて樹脂ケース６に固着する。半導体スイッチング素子１２とバスバー配線７との電気的接続は、導電性接着剤を用いて接続する。導電性接着剤は、放熱性を考慮し、銀粉を主成分とするペースト状のものを用いる。

次に、図２（ｃ）に示すように、スイッチング素子１２の周囲に設けられた枠２０Ａ，２０Ｂの内側に、熱硬化または湿度硬化性の放熱接着剤１４Ａを塗布する。このとき、放熱接着剤１４の塗布高さは、スイッチング素子１２高さよりも高く塗布する。この後、高温槽にてコイル８やコンデンサ９の固定用接着剤、およびスイッチング素子１２の放熱用接着剤を硬化する。

次に、図２（ｄ）に示すように、ハウジングカバー３は、サブモジュール２を搭載する内面に、コイル８、コンデンサ９と対向する位置に収納部１５Ａ，１５Ｂを配置し、スイッチング素子１２と対向する位置に凸部１９を配置し、且つ、外面に放熱フィン１６を配置した。ハウジングカバー３の材料は、高い熱伝導性を有した金属材料であることが好ましく、量産性、軽量化、放熱性の向上の観点から、アルミニウム、アルミニウム合金としている。このようにして製作したハウジングカバー３の内面の収納部１５Ａ，１５Ｂに、硬化前の放熱接着剤１４Ｂ，１４Ｃを充填する。放熱接着剤１４Ｂ，１４Ｃの硬化タイプは、熱硬化または湿度硬化どちらでもよい。また、放熱接着剤１４Ｂ，１４Ｃの熱伝導率は約１Ｗ／ｍＫで、コイル８およびコンデンサ９よりも低弾性としている。

次に、図２（ｅ）に示すように、サブモジュール２の上下を反転させ、コイル８およびコンデンサ９の一部を放熱接着剤１４Ｂ，１４Ｃに埋め込むように、且つ、半導体スイッチング素子１２の放熱接着剤１４Ａとハウジングカバー３の内面の凸部１９が接触するようにサブモジュール２をハウジングカバー３に搭載し、ネジ２１Ａを用いてサブモジュール２とハウジングカバー３を機械的に固定する。この後、高温槽にて、コイル８、コンデンサ９の放熱接着剤１４Ｂ，１４Ｃを硬化する。

次に、図２（ｆ）に示すように、マイクロコンピュータ１７やコネクタ５を接続した制御基板１をハウジングカバー３に搭載し、ネジ２１Ｂを用いて制御基板１とハウジングカバー３を機械的に固定する。続いて、サブモジュール２の樹脂ケース６から伸びている外部端子１０と制御基板１のスルーホール部を導電性接続部材２２を介して電気的に接続する。導電性接続部材２２は、ハンダや導電性接着剤である。ハンダとしては、Ｓｎ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉハンダ等の鉛フリーハンダを用いる。導電性接着剤としては、Ａｇ等の導電性フィラーを含有したエポキシ系樹脂を用いる。

最後に、図２（ｇ）に示すように、制御装置を閉塞するために、ハウジングベース４にてハウジングカバー３の開口を覆った構造とする。ハウジングベース４は、量産性、軽量化の向上の観点から、プレス加工によるめっき鋼板や、アルミ合金を用いるとよい。また、軽量で耐熱性に優れた点から、耐熱性樹脂でＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）樹脂、ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）樹脂、ＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate）樹脂製ハウジングベースを用いることもできる。

以上、本実施形態に係る制御装置について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、コイル８、コンデンサ９を制御する半導体スイッチング素子１２をバスバー配線７を内蔵する樹脂ケース６に実装し、半導体スイッチング素子１２とハウジングカバー３間に放熱接着剤１４を介在させる構造により、高放熱化できる。従って、制御装置を小型化した際にも、放熱製を向上して、信頼性を向上できる。

また、半導体スイッチング素子１２を制御基板１から分離できるため、制御基板１の小型化によっても、制御装置の小型化を図れる。

さらに、コイル８、コンデンサ９、およびこれらを制御する半導体スイッチング素子１２がサブモジュール化されることにより、互いの接続距離を短くできるため、ノイズ低減を図れる。

本発明の一実施形態による制御装置の要部構成を示す拡大断面図である。 本発明の一実施形態による制御装置の製造工程を示す工程図である。

符号の説明

１…制御基板
２…サブモジュール
３…ハウジングカバー
４…ハウジングベース
５…コネクタ
６…樹脂ケース
７…バスバー配線
８…コイル
９…コンデンサ
１０…外部端子
１１…リード
１２…半導体スイッチング素子
１４…放熱接着剤
１５…収納部
１６…放熱フィン
１７…マイクロコンピュータ
１８…固定部
１９…凸部
２０…枠
２１…ネジ
２２…導電性接続部材

Claims (4)

1. マイクロコンピュータの実装された制御基板と、バスバー配線を内蔵する樹脂ケースに、コイル及びコンデンサが実装されたサブモジュールと、該サブモジュールが固定されるハウジングカバーと、前記サブモジュールに前記制御基板が固定された上から覆うハウジングベースとを有し、
   前記サブモジュールのバスバー配線が前記制御基板の配線と接続されている制御装置であって、
   前記サブモジュールに実装された半導体スイッチング素子と、
   該半導体スイッチング素子と前記ハウジングカバーとを熱的に接続する放熱接着剤とを備え、
   前記樹脂ケースは、前記半導体スイッチング素子の周囲に設けられた枠を備え、
   該枠の高さは、前記半導体スイッチング素子高さよりも高いことを特徴とする制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   前記ハウジングカバーは、アルミニウム等の金属により形成され、
   前記ハウジングカバーの内面には、前記半導体スイッチング素子と対向する位置に設けられた凸部を有し、
   該凸部が前記放熱接着剤を介して、前記半導体スイッチング素子と熱的に接続されることを特徴とする制御装置。
3. 請求項１記載の制御装置において、
   前記放熱接着剤は、前記半導体スイッチング素子を覆うように前記枠内に塗布され、
   その塗布高さは、半導体スイッチング素子よりも高く、枠高さよりも低いことを特徴とする制御装置。
4. 請求項１記載の制御装置において、
   前記ハウジングカバーの内面には、前記コイル及びコンデンサを収納する収納部が備えられ、
   該収納部の内側に前記コイル及びコンデンサが配置されるとともに、前記ハウジングカバーは、放熱接着剤を介して、前記コイル及びコンデンサと熱的に接続されることを特徴とする制御装置。

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