JP6984155B2

JP6984155B2 - 電子装置

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Publication number: JP6984155B2
Application number: JP2017076084A
Authority: JP
Inventors: 一欽柳原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2037-04-06
Also published as: DE102018204131A1; JP2018181961A

Description

この開示は、電子部品が実装された回路基板が筐体内に配置され封止樹脂体で封止された電子装置に関する。

従来、電子装置の一例として、特許文献１に開示されたパワーモジュールがある。パワーモジュールは、はんだ付けした電子部品を搭載した基板、基板を収納し、外部と電気的接続を行なうためのバスバーを有するモールドケースとから構成される。また、パワーモジュールは、モールドケースに設けられ、基板上に電子部品を収納する電子部品実装エリアと、バスバーとのボンディング作業を行なうボンディングエリアとを形成する仕切板が設けられている。そして、パワーモジュールは、電子部品実装エリアに注型された第１の樹脂、ボンディングエリアに注型された第２の樹脂とを備えている。

特開２０１１−１９９２０７号公報

しかしながら、上記パワーモジュールは、自己発熱や周囲温度の変化があると、モールドケースと樹脂の線膨張率の差によって反りが発生する可能性がある。パワーモジュールは、反りが発生した場合、樹脂にクラックが入る虞がある。

この開示は、上記問題点に鑑みなされたものであり、封止樹脂体にクラックが入ることを抑制できる電子装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本開示は、
回路基板（４１）に電子部品（４２）が実装された回路構造体（４０）と、
収容空間（１５）を有し、収容空間内に回路構造体を収容している筐体（１０）と、
収容空間内に配置され、回路構造体を封止している封止樹脂体（２０）と、
封止樹脂体内における、回路構造体上に配置された繊維シート（３０）と、備えており、
封止樹脂体の線膨張率が、繊維シートの線膨張率よりも大きく、且つ、筐体の線膨張率よりも小さく、
封止樹脂体は、回路構造体が配置され封止樹脂体の材料が設けられているものの繊維シートが設けられていない下層部（Ｌ１）と、下層部上に位置し封止樹脂体の材料と繊維シートが設けられた表層部（Ｌ２）とを含んでいることを特徴とする。

このように、本開示は、筐体の収容空間内に、回路構造体を封止している封止樹脂体が配置されており、さらに、封止樹脂体内の回路構造体上に繊維シートが配置されている。そして、本開示は、封止樹脂体と繊維シートと筐体における線膨張率の関係が上記のようになっているため、封止樹脂体が反ることを抑制できる。このため、本開示は、封止樹脂体における、回路構造体上に配置された部位にクラックが入ることを抑制できる。

なお、特許請求の範囲、及びこの項に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態における電子装置の概略構成を示す平面図である。図１のII‐II線に沿う断面図である。図２における電子部品を含む拡大断面図である。第２実施形態における電子装置の概略構成を示す断面図である。比較例における電子装置の概略構成を示す平面図である。

以下において、図面を参照しながら、開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。

なお、以下においては、互いに直交する３方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と示す。また、Ｘ方向とＹ方向とによって規定される平面をＸＹ平面と示す。

（第１実施形態）
図１、図２、図３に示すように、電子装置１００は、筐体１０と、封止樹脂体２０と、繊維シート３０と、回路構造体４０などを備えている。本実施形態では、図１に示すように、直方体形状の電子装置１００を採用している。しかしながら、この開示は、これに限定されない。なお、電子装置１００は、例えば特開２０１６−２０８７６６号公報に開示された制御装置と同様に、回転電機を制御する制御装置に適用することもできる。

筐体１０は、樹脂などの電気絶縁性の材料を用いて形成されている。また、この樹脂としては、例えば、ポリフェニレンサルファイドなどを採用できる。筐体１０は、Ｚ方向の一端側が開口する有底筒状をなしている。

筐体１０は、図２に示すように、側壁１１と、底部１２とを有している。側壁１１は、筒状をなしており、Ｚ方向に延設されている。底部１２は、側壁１１のＺ方向における一方の端部に連結されている。言い換えると、筐体１０は、側壁１１の一方の端部と、底部１２とが連続的に設けられている。筐体１０は、側壁１１と底部１２とによって、後程説明する回路構造体４０を収容するための収容空間１５が形成されている。この収容空間１５は、側壁１１で挟まれ、且つ、底部１２に対向する領域と言える。このように、筐体１０は、収容空間１５内に回路構造体４０を収容している。

筐体１０は、回路構造体４０を配置するための台座１３が収容空間１５に設けられている。台座１３は、例えば、底部１２からＺ方向に突出した部位であり、複数箇所に設けられている。そして、回路構造体４０は、例えば、回路基板４１が台座１３に配置された状態で、回路基板４１と台座１３とがねじ止めされて筐体１０に固定されている。

なお、筐体１０は、台座１３が設けられていなくてもよい。この場合、回路構造体４０は、例えば、底部１２に接着剤などを介して、筐体１０に固定することができる。

筐体１０は、後程説明する繊維シート３０を、回路構造体４０の上方で支持するための支持部１４が収容空間１５に設けられている。支持部１４は、例えば、側壁１１からＸ方向またはＹ方向に突出した部位であり、複数箇所に設けられている。つまり、支持部１４は、側壁１１からＸＹ平面に沿う方向に突出して設けられている。繊維シート３０は、図２に示すように、支持部１４で支えられることで、回路構造体４０と直接接することなく、回路構造体４０上に配置される。

なお、支持部１４は、これに限定されず、繊維シート３０を回路構造体４０上に保持できるものであれば採用できる。例えば、支持部１４は、底部１２や回路構造体４０からＺ方向に突出したものでも採用できる。

筐体１０は、図１、図２に示すように、回路構造体４０と、電子装置１００とを電気的に接続するための導電性の端子５０が設けられている。本実施形態では、一例として、側壁１１を貫通して設けられた端子５０を採用している。この端子５０は、一端が収容空間１５内に配置されて回路構造体４０の回路基板４１と電気的及び機械的に接続され、他端が収容空間１５の外部に露出している。端子５０は、例えば、はんだなどを介して、回路基板４１の配線と電気的及び機械的に接続されている。なお、以下においては、単に接続と記載した場合、電気的及び機械的に接続されていることを意味する。

本実施形態では、図１に示すように、一例として、三つの端子５０を備えた電子装置１００を採用している。しかしながら、端子５０の数は、特に限定されない。また、本実施形態では、図２に示すように、一例として、側壁１１を貫通して設けられた端子５０を採用している。しかしながら、端子５０の位置は、特に限定されない。

回路構造体４０は、台座１３に固定された状態で、収容空間１５に配置されている。回路構造体４０は、回路基板４１に電子部品４２が実装された構造体である。回路基板４１は、樹脂やセラミックスなどの絶縁基材に、ＣｕやＡｇなどの導体パターンによって配線が形成されたものである。また、回路基板４１は、例えば、導体パターンが絶縁基材を介して積層された多層基板などを採用できる。回路基板４１は、例えば直方体形状をなした板状の部材である。回路基板４１は、一面に電子部品４２が実装されている。なお、回路基板４１は、一面の反対面にも電子部品４２が実装されていてもよい。

回路基板４１は、一面の一部に、配線の一部であるランドが形成されている。ランドは、例えば、一面から突出して形成され、一面を基準としてＺ方向に厚みを有している。また、ランドは、電子部品４２の電極と対向配置され、電極と接続される部位であり実装ランドとも言える。

電子部品４２は、例えば、チップ抵抗やチップコンデンサなどの受動素子や、絶縁ゲートバイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を採用できる。また、電子部品４２は、半導体を主成分とする基部に電極が形成されたベアチップ状の半導体素子やパッケージ化された回路素子などでも採用できる。

また、電子部品４２は、例えば、はんだ４３を介して回路基板４１に実装されている。つまり、電子部品４２は、電極と回路基板４１のランドとがはんだ４３を介して接続されている。後程説明するが、電子装置１００は、封止樹脂体２０の反りが抑制されている。

このため、電子装置１００は、封止樹脂体２０の変形に伴う応力、すなわち、図３の両方向矢印で示すような応力がはんだ４３に印加されにくい。よって、電子装置１００は、はんだ４３の接続寿命を向上できる。また、電子装置１００は、はんだ４３の接続寿命が短くなることを抑制できるとも言える。詳述すると、電子装置１００は、回路基板４１のランドとはんだ４３との接続寿命、及び電子部品４２の電極とはんだ４３との接続寿命を向上できる。

なお、図２における符号Ｓ２は、素子表面Ｓ２である。素子表面Ｓ２は、回路構造体４０で、Ｚ方向における最も高い位置にある部位である。また、素子表面Ｓ２は、回路構造体４０において、樹脂表面Ｓ１に最も近い位置にある部位である。ここでは、電子部品４２の表面が、樹脂表面Ｓ１に最も近い位置にある部位であるため素子表面Ｓ２としている。

封止樹脂体２０は、収容空間１５内に配置され、回路構造体４０を封止している。封止樹脂体２０は、外部からの衝撃から回路構造体４０を保護したり、回路構造体４０の電気的絶縁性を確保したりするために設けられている。封止樹脂体２０の材料としては、たとえばエポキシ樹脂を採用することができる。

封止樹脂体２０は、回路基板４１、電子部品４２、はんだ４３に密着しつつ、これらを覆っている。さらに、封止樹脂体２０は、端子５０における収容空間１５内に配置された部位、端子５０と回路基板４１との接続部に密着しつつ、これらを覆っている。また、本実施形態では、収容空間１５が封止樹脂体２０で満たされている例を採用している。つまり、封止樹脂体２０は、底部１２と回路基板４１との間にも設けられている。

なお、封止樹脂体２０は、例えば、ポッティングなどによって収容空間１５内に設けられている。つまり、封止樹脂体２０は、回路構造体４０と、後程説明する繊維シート３０とが配置された収容空間１５に、封止樹脂体２０の材料を流し込み、高温で硬化させることで形成することができる。

繊維シート３０は、封止樹脂体２０内における、回路構造体４０上に配置されている。つまり、繊維シート３０は、封止樹脂体２０内に配置されて、封止樹脂体２０と一体化されている。

繊維シート３０は、ガラス繊維などの繊維を封止樹脂体２０の中に入れて強度を向上させるためのものであり、繊維強化プラスチックと言える。繊維シート３０は、例えば、縦糸となる繊維と横糸となる繊維とが直角または傾斜して交差したものや、一方向のみ繊維を揃えたものなどを採用できる。一方向のみ繊維を揃えた繊維シート３０は、繊維の長さ方向が繊維方向と言える。また、縦糸となる繊維と横糸となる繊維が交差した繊維シート３０は、本数の多い繊維の長さ方向が繊維方向と言える。本実施形態では、図２に示すように、Ｘ方向が繊維方向に相当する。

繊維シート３０は、上記のように、電子部品４２と接することなく、封止樹脂体２０内に配置されている。つまり、繊維シート３０は、素子表面Ｓ２と樹脂表面Ｓ１との間に配置されている。よって、繊維シート３０と電子部品４２との間には、封止樹脂体２０が介在されている。

繊維シート３０は、図１に示すように、収容空間１５内において、ＸＹ平面の全域に設けられている。つまり、繊維シート３０は、側壁１１と全周にわたって接した状態で収容空間１５内に配置されている。なお、図１では、繊維シート３０をわかりやすくするために、繊維シート３０と側壁１１とが間隔をあけて配置された図面としている。

しかしながら、この開示は、これに限定されない。繊維シート３０は、側壁１１と間隔をあけて設けられていてもよい。例えば、繊維シート３０は、部分的に側壁１１と接しないように設けられていてもよい。また、繊維シート３０は、寸法公差程度の間隔が、側壁１１との間にあけられていてもよい。

繊維シート３０は、図２に示すように、封止樹脂体２０から露出することなく、回路構造体４０上における樹脂表面Ｓ１から所定範囲内に配置されていると好ましい。電子装置１００は、繊維シート３０が、封止樹脂体２０から露出している場合、樹脂表面Ｓ１における繊維シート３０と接する部位からクラックが入りやすい。しかしながら、電子装置１００は、繊維シート３０が、封止樹脂体２０から露出していないため、樹脂表面Ｓ１における繊維シート３０と接する部位から生じるクラックを抑制できる。

さらに、電子装置１００は、筐体１０、封止樹脂体２０、繊維シート３０の線膨張率が設定されている。具体的には、封止樹脂体２０の線膨張率が、繊維シート３０の線膨張率よりも大きく、且つ、筐体１０の線膨張率よりも小さい。

なお、封止樹脂体２０は、回路構造体４０が配置され繊維シート３０が設けられていない下層部Ｌ１と、下層部Ｌ１上に位置し繊維シート３０が設けられた表層部Ｌ２とを含んでいるとみなすことができる。このため、電子装置１００は、下層部Ｌ１の封止樹脂体２０における線膨張率よりも、封止樹脂体２０と繊維シート３０を含む表層部Ｌ２における線膨張率の方が小さいとも言える。

さらに、繊維シート３０は、封止樹脂体２０よりも弾性率が大きいと好ましい。言い換えると、繊維シート３０は、封止樹脂体２０よりも高強度であると好ましい。これによって、電子装置１００は、筐体１０と封止樹脂体２０とに線膨張率差があったとしても、図５のように反ることを抑制できる。

ところで、電子装置１００は、自己発熱や周囲温度の変化があると、筐体１０と封止樹脂体２０との線膨張率差によって変形する。電子装置１００は、例えば、図５の比較例の電子装置２００のように変形する。よって、封止樹脂体２０は、樹脂表面Ｓ１側に凸となるように反る。

このように、封止樹脂体２０は、樹脂表面Ｓ１のＸＹ平面における中心側よりも、樹脂表面Ｓ１のＸＹ平面における縁部側の方が、変形が大きい。よって、樹脂表面Ｓ１のＸＹ平面における中心からＸＹ平面における縁部側に向かう方向ｄ１は、封止樹脂体２０の変形が大きくなる方向とみなすことができる。また、封止樹脂体２０の変形が大きくなる方向ｄ１とは、封止樹脂体２０の変形が小さい部位と、大きい部位とを結ぶＸＹ平面上の仮想線に沿う方向とも言える。なお、本実施形態の場合、封止樹脂体２０の変形が大きくなる方向ｄ１は、樹脂表面Ｓ１のＸＹ平面における中心から放射状にＸＹ平面における縁部側に向かう方向とみなすことができる。

なお、図５は、図２に対応する電子装置２００の断面図である。電子装置２００に関しては、後程説明する。また、電子装置１００における方向ｄ１は、電子装置２００における方向ｄ１と同様である。

そこで、繊維シート３０は、繊維方向が、封止樹脂体２０の変形が大きくなる方向ｄ１に沿って配置されていると好ましい。つまり、繊維シート３０は、封止樹脂体２０の変形が大きくなる方向ｄ１に繊維方向を合わせると好ましい。これによって、電子装置１００は、筐体１０と封止樹脂体２０とに線膨張率差があったとしても、図５のように反ることを抑制しやすい。

ここで、図５に示した比較例の電子装置２００と対比しながら、電子装置１００の効果に関して説明する。比較例の電子装置２００は、電子装置１００と同様に、筐体１０内に回路構造体４０が収容されており、封止樹脂体２０で封止されている。しかしながら、電子装置２００は、封止樹脂体２０に繊維シート３０が設けられていない。この電子装置２００は、高温で封止樹脂体２０が硬化する。そして、図５に示すように、電子装置２００は、低温環境で使用された場合など、筐体１０と封止樹脂体２０の線膨張率差によって封止樹脂体２０が反る。電子装置２００は、反りが大きくなると、封止樹脂体２０の樹脂表面Ｓ１からクラックが入る可能性がある。

これに対して、電子装置１００は、筐体１０の収容空間１５内に、回路構造体４０と、回路構造体４０を封止している封止樹脂体２０が配置されており、さらに、封止樹脂体２０内の回路構造体４０上に繊維シート３０が配置されている。そして、電子装置１００は、封止樹脂体２０と繊維シート３０と筐体１０における線膨張率の関係が上記のようになっている。このため、電子装置１００は、封止樹脂体２０が反ることを抑制できる。つまり、電子装置１００は、封止樹脂体２０の樹脂表面Ｓ１に引張応力が加えられることを抑制できる。

従って、電子装置１００は、封止樹脂体２０における、回路構造体４０上に配置された部位にクラックが入ることを抑制できる。つまり、電子装置１００は、樹脂表面Ｓ１からクラックが入ることを抑制できる。

以上、この開示の好ましい実施形態について説明した。しかしながら、この開示は、上記実施形態に何ら制限されることはなく、この開示の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。以下に、この開示のその他の形態として、第２実施形態に関して説明する。上記実施形態及び第２実施形態は、夫々単独で実施することも可能であるが、適宜組み合わせて実施することも可能である。この開示は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。

（第２実施形態）
次に、図４を用いて、第２実施形態の電子装置１１０に関して説明する。第２実施形態の電子装置１１０は、繊維シート３１の材料が上記実施形態の電子装置１００と異なる。また、電子装置１１０は、電子部品４２として発熱素子を含んでいる。この電子部品４２は、動作することで熱を発する素子である。なお、図４は、図３に相当する拡大断面図である。

繊維シート３１は、炭素繊維を含んでいる。このため、繊維シート３１は、ガラス繊維などと比べて熱伝導率が高い。また、炭素の熱伝導率は、２００（W/m・K）程度である。これに対して、封止樹脂体２０の材料であるエポキシは、０．５（W/m・K）程度である。このため、繊維シート３１は、封止樹脂体２０よりも熱伝導率が高い。

なお、筐体１０、封止樹脂体２０、繊維シート３１の線膨張率の関係は、電子装置１００と同様である。また、繊維シート３１の位置や弾性率や繊維方向などに関しては、上記実施形態で説明した内容を採用できる。

繊維シート３１は、繊維シート３０と同様に、電子部品４２の上方に設けられている。このため、電子装置１１０は、電子部品４２から発せられた熱の繊維シート３１への熱拡散と、拡散による外気への放熱向上ができる。つまり、電子装置１１０は、電子部品４２から発せられた熱が白抜き矢印のように、繊維シート３１に熱伝達され拡散される。繊維シート３１は、上記のように熱伝導率が比較的高いため、熱伝達された熱を破線矢印で示すように封止樹脂体２０の外部に放熱しやすい。なお、電子部品４２から発せられた熱は、白抜き矢印のように、回路基板４１にも伝達される。このように、図４における白抜き矢印は、繊維シート３１や回路基板４１への熱拡散のイメージを示している。一方、破線矢印は、電子装置１１０から外気への放熱のイメージを示している。

電子装置１１０は、電子装置１００と同様の効果を奏することができる。さらに、電子装置１１０は、炭素繊維を含んだ繊維シート３１を有しているため、繊維シートがガラス繊維などによって構成されている場合よりも放熱性を向上できる。

１０…筐体、１１…側壁、１２…底部、１３…台座、１４…支持部、２０…封止樹脂体、３０…繊維シート、４０…回路構造体、４１…回路基板、４２…電子部品、４３…はんだ、５０…端子、１００，１１０…電子装置、Ｓ１…樹脂表面、Ｓ２…素子表面

Claims

回路基板（４１）に電子部品（４２）が実装された回路構造体（４０）と、
収容空間（１５）を有し、前記収容空間内に前記回路構造体を収容している筐体（１０）と、
前記収容空間内に配置され、前記回路構造体を封止している封止樹脂体（２０）と、
前記封止樹脂体内における、前記回路構造体上に配置された繊維シート（３０）と、備えており、
前記封止樹脂体の線膨張率が、前記繊維シートの線膨張率よりも大きく、且つ、前記筐体の線膨張率よりも小さく、
前記封止樹脂体は、前記回路構造体が配置され前記封止樹脂体の材料が設けられているものの前記繊維シートが設けられていない下層部（Ｌ１）と、前記下層部上に位置し前記封止樹脂体の材料と前記繊維シートが設けられた表層部（Ｌ２）とを含んでいる電子装置。
前記繊維シートは、前記封止樹脂体よりも弾性率が大きい請求項１に記載の電子装置。
前記電子部品は、はんだ（４３）を介して前記回路基板に実装されている請求項１または２に記載の電子装置。
前記繊維シートは、前記封止樹脂体から露出することなく、前記回路構造体上における前記封止樹脂体の表面から所定範囲内に配置されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子装置。
前記繊維シートは、繊維方向が、前記封止樹脂体の変形が大きくなる方向に沿って配置されている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子装置。
前記繊維シートは、炭素繊維を含んでいる請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電子装置。