特開 2024-124871 制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024124871

(43)【公開日】2024-09-13

(54)【発明の名称】制御装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20240906BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240906BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 C

H05K7/20 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023032827

(22)【出願日】2023-03-03

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110002871

【氏名又は名称】弁理士法人坂本国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 裕介

(72)【発明者】

【氏名】青池 孝二

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA11

5E322AB02

5E322AB11

5E322EA10

5E322FA04

5F136BA30

5F136BB02

5F136BB18

5F136BC02

5F136BC07

5F136DA27

5F136EA13

5F136FA02

5F136FA03

(57)【要約】

【課題】はんだに係る導電性異物の発生や基板サイズの大型化を適切に防止しつつ、電子部品の熱を放熱パッド及びビアを介して外部に効果的に放出可能とする。
【解決手段】発熱素子を含む電子部品と、表面に放熱パッドを有し、放熱パッド上に電子部品が実装される基板と、基板に対して垂直な第１方向で電子部品と基板の放熱パッドとの間に延在し、電子部品及び基板の放熱パッドに接合する第１はんだ層とを含み、基板は、放熱パッドに電気的に接続される第１方向のビアを有し、ビアは、第１方向に視て、第１はんだ層よりも外側の領域にかつ電子部品の外形範囲に重なる領域に、配置される、制御装置が開示される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発熱素子を含む電子部品と、
第１表面に第１放熱パッドを有し、前記第１放熱パッド上に前記電子部品が実装される基板と、
前記基板に対して垂直な第１方向で前記電子部品と前記基板の前記第１放熱パッドとの間に延在し、前記電子部品及び前記基板の前記第１放熱パッドに接合する第１はんだ層とを含み、
前記基板は、前記第１放熱パッドに電気的に接続されるビアを有し、
前記ビアは、前記第１方向に視て、前記第１はんだ層よりも外側の領域にかつ前記電子部品の外形範囲に重なる領域に、配置される、制御装置。

【請求項2】

前記基板は、前記第１表面の裏側の第２表面に第２放熱パッドを有し、
前記基板を収容する筐体の形態である放熱部材と、
前記基板と前記放熱部材との間に、熱伝導性を有し、前記基板及び前記放熱部材に接合する熱伝導層を更に含み、
前記熱伝導層及び前記第２放熱パッドは、前記第１方向に視て、前記電子部品に重なる領域に延在する、請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記ビア内の少なくとも一部には、熱伝導性を有する材料が充填される、請求項１に記載の制御装置。

【請求項4】

前記電子部品の外形範囲は、リード端子の延在範囲を含み、
前記リード端子は、前記第１方向に視て、前記電子部品の本体部から外側へと第２方向に突出し、
前記ビアは、前記第１方向及び前記第２方向の双方に交差する第３方向に並ぶ態様で複数設けられ、
複数の前記ビアのうちの少なくとも１つは、前記第１方向に視て、前記リード端子に対して前記第３方向でずれた位置に配置される、請求項１に記載の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

リードパッドと放熱パッドを有する基板において、放熱パッド上に電子部品を実装し、放熱パッドとリードパッドの間に、リードパッドに電気的に接続されるビアが配置される技術が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１１７８２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記のような従来技術では、放熱パッドとビアが同電位とならず、放熱パッドからの熱をビアを介して外部に効果的に放出することが難しい。他方、放熱パット上にビアを配置して放熱パッドとビアを同電位にすると、電子部品を基板に接合するためのはんだの、ビアへの流れ込みに関連した導電性異物の発生が問題となりうる。また、このような問題を解決するために素子の周囲にビアを配置すると、基板サイズの大型化が問題となりうる。

【0005】

そこで、本開示は、はんだに係る導電性異物の発生や基板サイズの大型化を適切に防止しつつ、電子部品の熱を放熱パッド及びビアを介して外部に効果的に放出可能とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

発熱素子を含む電子部品と、
第１表面に第１放熱パッドを有し、前記第１放熱パッド上に前記電子部品が実装される基板と、
前記基板に対して垂直な第１方向で前記電子部品と前記基板の前記第１放熱パッドとの間に延在し、前記電子部品及び前記基板の前記第１放熱パッドに接合する第１はんだ層とを含み、
前記基板は、前記第１放熱パッドに電気的に接続されるビアを有し、
前記ビアは、前記第１方向に視て、前記第１はんだ層よりも外側の領域にかつ前記電子部品の外形範囲に重なる領域に、配置される、制御装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、はんだに係る導電性異物の発生や基板サイズの大型化を適切に防止しつつ、電子部品の熱を放熱パッド及びビアを介して外部に効果的に放出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施例による制御装置をＺ１側（基板の表面側）から視て概略的に示す平面図である。

【図2】図１のラインＡ－Ａに沿った断面図である。

【図2A】変形例による制御装置の、図２に対応する断面図である。

【図3】比較例による制御装置の概略的な平面図であり、本実施例に係る図１に対応する断面図である。

【図4】図３のラインＢ－Ｂに沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率はあくまでも一例であり、これに限定されるものではなく、また、図面内の形状等は、説明の都合上、部分的に誇張している場合がある。また、図面では、見易さのために、複数存在する同一属性の部位には、一部のみしか参照符号が付されていない場合がある。

【0010】

図１は、本実施例による制御装置１をＺ１側（基板５０の表面側）から視て概略的に示す平面図である。図２は、図１のラインＡ－Ａに沿った断面図である。図２Ａは、変形例による制御装置１の、図２に対応する断面図である。

【0011】

図１には、互いに直交する３方向であるＸ方向（第３方向の一例）、Ｙ方向（第２方向の一例）、及びＺ方向（第１方向の一例）が定義されている。

【0012】

制御装置１は、任意の機械（例えば車載の任意のモータ等）を制御する。例えば、制御装置１は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）として機能してよい。

【0013】

制御装置１は、電子部品１１（図３等参照）と、素子側はんだ層３０と、配線パターン４０と、リード側はんだ層４２と、基板５０と、筐体６０とを含む。

【0014】

電子部品１１は、例えばパワー半導体素子である発熱素子を含む。電子部品１１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等であってよい。また、電子部品１１は、複数の発熱素子を含んでもよい。

【0015】

電子部品１１は、例えばチップの形態であってよい。電子部品１１は、放熱部材とともに樹脂部と一体化された形態であってもよい。電子部品１１は、リードフレームのリード端子１４（アウタリード）を含む。リード端子１４は、Ｚ方向に視て、電子部品１１の本体部（例えば矩形の部分）から外側へとＹ方向に突出する。リード端子１４は、Ｘ方向に並ぶ態様で複数設けられてもよい。また、変形例では、リード端子１４は、本体部に係る４辺のうちの、他の一辺に設けられてもよいし、２辺以上に設けられてもよい。また、電子部品１１は、ＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ－ｌｅａｄｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）のような、リード端子１４を備えないパッケージでもよい。

【0016】

電子部品１１は、ヒートスプレッダ１１１を有してよい。例えば、電子部品１１のＺ２側の表面には、ヒートスプレッダ１１１が配置されてよい。この場合、ヒートスプレッダ１１１は、電子部品１１のＺ２側の表面のうちの、Ｙ方向Ｙ２側の端部（リード端子１４側の端部）を除く領域全体に延在してもよい。なお、電子部品１１のＺ２側は電極であってよく、この場合、ヒートスプレッダ１１１は、電子部品１１を介した電流経路（例えばグランド電極）を形成してもよい。なお、電子部品１１のＺ１側の電極は、リード端子１４を介して、基板５０上の配線パターン４０の一部に接続されてよい。

【0017】

素子側はんだ層３０は、Ｚ方向で電子部品１１と基板５０の間に位置する。素子側はんだ層３０は、電子部品１１上のヒートスプレッダ１１１及び基板５０上の素子用放熱パッド５１１に接合する。このようにして、電子部品１１は、素子側はんだ層３０を介して基板５０に固定される。

【0018】

素子側はんだ層３０は、電子部品１１上のヒートスプレッダ１１１全体にわたって延在してよい。また、素子側はんだ層３０は、基板５０上の素子用放熱パッド５１１のうちの、レジスト５２２が付与されている領域を除いて全体に延在してよい。素子側はんだ層３０は、素子用放熱パッド５１１とともに、上述したように電流経路（例えばグランド電位）として機能してもよい。

【0019】

配線パターン４０は、基板５０上に形成される。図示の例では、配線パターン４０は、リード端子１４にリード側はんだ層４２により接合される。なお、リード端子１４に接合される配線パターン４０と、素子用放熱パッド５１１とは、互いに電気的に絶縁されており、電子部品１１の動作時に異なる電位を有してよい。なお、配線パターン４０は、放熱パッドの形態であってもよい。

【0020】

リード側はんだ層４２は、上述したようにリード端子１４と配線パターン４０との間に形成される。なお、リード側はんだ層４２は、素子側はんだ層３０に対して離間している。

【0021】

基板５０は、プリント配線基板の形態であってよい。基板５０は、多層構造の基板（すなわち多層基板）であってもよい。基板５０には、上述したように、電子部品１１等が実装される。なお、基板５０には、上述した電子部品１１以外の各種電子部品が実装されてよい。また、基板５０には、電子部品１１の動作用の電源を生成する電源回路等が形成されてよい。基板５０は、Ｚ１側の表面（第１表面の一例）に、上述した素子用放熱パッド５１１や配線パターン４０を有する。

【0022】

本実施例では、基板５０は、Ｚ方向に視て、素子側はんだ層３０よりも外側の領域にかつ電子部品１１の外形範囲に重なる領域に、ビア５２を有する。ビア５２は、例えば通常的なビア（スルーホール）の形態であってよく、内周面には、素子用放熱パッド５１１に電気的に接続される導体膜５２１（素子用放熱パッド５１１の一部）が形成されてよい。なお、導体膜５２１は、ビア５２の放熱性を高める機能も果たしてよい。また、素子用放熱パッド５１１におけるビア５２の孔縁部まわりにはレジスト５２２が付与されてよい。なお、レジスト５２２には、素子側はんだ層３０に係るはんだは付与されない。

【0023】

ここで、Ｚ方向に視た電子部品１１の外形範囲とは、リード端子１４を含めた外形範囲である。Ｚ方向に視た電子部品１１の外形範囲は、例えば、Ｚ方向に視た電子部品１１に外接する矩形の形態で定義されてよい。また、“電子部品１１の外形範囲に重なる領域”とは、少なくとも一部が重なるような態様を含む概念である。

【0024】

本実施例では、ビア５２は、電子部品１１からの熱を受け、基板５０のＺ２側（及び筐体６０）へと熱を放出する放熱ビアとして機能する。ビア５２は、好ましくは、電子部品１１からの熱を効率的に基板５０のＺ２側へと放出できるように、複数設けられてもよい。本実施例では、図１に示すように、Ｘ方向に並ぶ態様で複数設けられる。なお、変形例では、ビア５２は、Ｘ方向及びＹ方向に並ぶ態様で複数設けられてもよい。すなわちビア５２は、２次元アレイの形態で配置されてもよい。この場合も、各ビア５２は、Ｚ方向に視て、素子側はんだ層３０よりも外側の領域にかつ電子部品１１の外形範囲に重なる領域に、形成されてよい。

【0025】

特に本実施例によれば、ビア５２の導体膜５２１は、基板５０上の素子用放熱パッド５１１及び素子側はんだ層３０を介して、電子部品１１のヒートスプレッダ１１１に電気的に接続される。すなわち、ビア５２の導体膜５２１は、電子部品１１のヒートスプレッダ１１１と同じ電位となる態様で、ヒートスプレッダ１１１に接続される。これにより、ビア５２を介した放熱機能を効果的に高め、電子部品１１からの熱を効率的に奪うことができる。

【0026】

本実施例では、ビア５２は、Ｚ方向に視て、素子側はんだ層３０とリード側はんだ層４２の間に配置される。この場合、図２に示すように、ビア５２は、Ｚ方向に視て、電子部品１１のＹ方向Ｙ２側の端部（リード端子１４側の端部）に重なる態様で配置されてもよい。

【0027】

ここで、ビア５２は、上述したように放熱機能を有するので、放熱機能を高める観点からは、電子部品１１のヒートスプレッダ１１１に近い位置に配置されるほうが有利である。他方、後述するが、Ｚ方向に視て素子側はんだ層３０に重なる領域は、ビア５２の配置領域として好ましくない。これは、後述するが、素子側はんだ層３０を形成するためのはんだの、ビア５２への流れ込みに関連した問題が生じやすいためである。この点、本実施例によれば、比較的高い放熱機能を確保しつつ、適切な配置領域（Ｚ方向に視て素子側はんだ層３０に重なる領域を避けた領域）にビア５２を配置できる。

【0028】

基板５０には、レジスト５２２が付与される。本実施例では、基板５０には、配線パターン４０とビア５２の孔縁部との間や、ビア５２の孔縁部まわりにはレジスト５２２が付与される。また、基板５０のＺ２側の表面においても、レジスト５２２が適宜付与されてよい。

【0029】

基板５０のＺ２側の表面（第２表面の一例）には、放熱パッド５１０が更に設けられてもよい。放熱パッド５１０は、ビア５２に熱的に接続される態様で形成されてよい。例えば、放熱パッド５１０は、ビア５２内の導体膜５２１に連続する態様で形成されてもよい。この場合、放熱パッド５１０は、ビア５２内の導体膜５２１、素子用放熱パッド５１１、及び素子側はんだ層３０を介して、電子部品１１に熱的に接続される。これにより、筐体６０への電子部品１１の熱の伝達経路における熱抵抗の最小化を図ることができる。

【0030】

筐体６０は、例えばアルミや銅のような、比較的熱伝導性の高い材料により形成されてよい。筐体６０は、制御装置１の各種構成要素（上述した電子部品１１や基板５０等）を収容する。筐体６０は、箱状の形態であってよい。ただし、変形例では、筐体６０は、ヒートスプレッダとも称される板状の部材であってもよい。すなわち、筐体６０は、例えば一定厚み（Ｚ方向の厚み）を有する板状の形態であってもよい。また、筐体６０は、適宜、フィン等を備えてもよい。

【0031】

筐体６０は、電子部品１１から熱を奪う機能も有する。筐体６０は、電子部品１１からの熱を外部に放出することで、電子部品１１から熱を効率的に奪う。従って、筐体６０は、高い放熱性を有することで、電子部品１１から熱を効率的に奪うことができる。

【0032】

筐体６０は、基板５０のＺ２側の表面上の放熱パッド５１０に放熱材６２を介して接合される。サーマルシートのようなシート材や、高い熱伝導性を有する接合材料により形成されてもよい。この場合、放熱材６２は、熱伝導層として機能できる。放熱材６２（及び放熱パッド５１０）は、Ｚ方向に視て、電子部品１１に重なる領域に延在してよい。この場合、電子部品１１からの熱を効率的に筐体６０へと伝達できる。また、図２Ａに示す変形例のように、放熱材６２Ａは、ビア５２に入り込んで充填されてもよい。この場合、電子部品１１からの熱をビア５２内の放熱材６２Ａを介して効率的に筐体６０へと伝達できる。なお、図２Ａでは、放熱材６２Ａが充填されているが、放熱材６２Ａとは別の材料であって、同様に熱伝導性を有する材料が充填されてもよい。また、放熱材６２Ａは、ビア５２全体に充填されてもよいし、ビア５２内の一部だけに充填されてもよい。

【0033】

次に、図３以降を参照して、比較例と対比しつつ、本実施例の制御装置１の効果について説明する。

【0034】

図３は、比較例による制御装置１Ａの概略的な平面図であり、本実施例に係る図１に対応する断面図である。図４は、図３のラインＢ－Ｂに沿った断面図である。

【0035】

比較例による制御装置１Ａは、本実施例による制御装置１に対して、ビア５２がビア５２Ａで置換された点が異なる。

【0036】

比較例によるビア５２Ａは、Ｚ方向に視て素子側はんだ層３０に重なる位置に配置される。すなわち、ビア５２Ａは、素子用放熱パッド５１１に重なる位置に配置される。この場合、電子部品１１を実装する際、素子用放熱パッド５１１上のはんだがビア５２Ａに入り込み、基板５０の裏面（Ｚ２側の表面）にはんだが突出し導電性異物９０を形成するおそれがある。これに対して、導電性異物９０を許容するため、基板５０と筐体６０とのクリアランスを広げると放熱性能の低下や制御装置１の大型化（Ｚ方向の体格の増加）という弊害がある。

【0037】

また、本比較例とは異なり、はんだが入り込まないようビアを電子部品１１の外形領域の外側に配置するような他の比較例（図示せず）も可能であるが、かかる他の比較例の場合、基板サイズの増加や熱経路の増加による放熱性の低下につながる。

【0038】

これに対して、本実施例によれば、このような各比較例において生じる問題点を解消できる。すなわち、実施例によれば、上述したように、ビア５２は、Ｚ方向に視て素子側はんだ層３０に重なる位置に配置されないので、比較例で生じうる導電性異物９０の発生を効果的に防止できる。また、本実施例によれば、素子用放熱パッド５１１におけるビア５２の孔縁部まわりにはレジスト５２２が付与されるので、素子側はんだ層３０に係るはんだがビア５２に入り込む可能性を効果的に低減できる。同様に、本実施例によれば、リード側はんだ層４２（又は配線パターン４０）とビア５２の孔縁部との間に、レジスト５２２が付与されるので、リード側はんだ層４２に係るはんだがビア５２に入り込む可能性を効果的に低減できる。

【0039】

また、本実施例によれば、ビア５２は、Ｚ方向に視て、電子部品１１の外形範囲に重なる位置に配置されるので、基板サイズの増加や熱経路の増加による放熱性の低下も防止できる。

【0040】

このようにして、本実施例によれば、基板サイズの大型化（及びそれに伴う制御装置１の大型化）や導電性異物９０の発生を適切に防止しつつ、電子部品１１の熱を素子用放熱パッド５１１及びビア５２を介して外部に効果的に放出可能となる。

【0041】

また、本実施例によれば、ビア５２は、リード端子１４（及び配線パターン４０）に電気的に接続されないので、ビア５２が形成されるＸ方向位置は、リード端子１４が配置されるＸ方向位置とは無関係とすることができる。すなわち、ビア５２の配置の自由度を高めることができる。従って、複数のビア５２のうちの少なくとも１つは、Ｚ方向に視て、リード端子１４に対してＸ方向でずれた位置に配置することも可能である。また、複数のビア５２の数は、リード端子１４の数よりも大きくすることもできる。

【0042】

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例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範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

【符号の説明】

【0043】

１・・・制御装置、１１・・・電子部品、１４・・・リード端子、３０・・・素子側はんだ層（第１はんだ層）、４２・・・リード側はんだ層（第２はんだ層）、５０・・・基板、５１１・・・素子用放熱パッド（第１放熱パッド）、５１０・・・放熱パッド（第２放熱パッド）、５２・・・ビア、５２２・・・レジスト、６０・・・筐体、６２・・・放熱材（熱伝導層）

【図1】

【図2】

【図2A】

【図3】

【図4】