CN113396479A

CN113396479A - 电力转换装置

Info

Publication number: CN113396479A
Application number: CN201980091127.XA
Authority: CN
Inventors: 富山清隆; 宫崎宏义
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2039-02-14
Also published as: JP7184933B2; JPWO2020166000A1; WO2020166000A1; CN113396479B

Abstract

本发明的电力转换装置包括具有端子的功率组件和具有供端子插入的通孔的功率组件安装电路板，功率组件安装电路板具有：配置在内部和外部的配线图案；将配线图案之间绝缘的绝缘层；和积存有焊料的焊料积存部。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及包括与功率组件连接的功率组件安装电路板的电力转换装置。

背景技术

在现有技术中，作为将外部连接端子插入到配线电路板的通孔并利用熔融的焊料将外部连接端子接合的技术，已知有专利文献1。专利文献1公开了在将连接器等外部连接端子插入通孔并进行焊接时，通过规定焊盘之间的距离来抑制焊桥的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-101756

发明内容

发明所要解决的课题

专利文献1公开了能够抑制焊桥且焊料连接可靠性高的焊盘结构，但焊接方法利用了如下的流动焊接方法：使焊料喷流到熔融的焊料槽内，使配线电路板浸渍于喷流的熔融焊料。

在电力转换装置中，在流过大电流的路径中，使用端子与金属棒的螺纹固定等连接技术，在功率组件等大电流部件中，成为将端子与印刷电路板焊接的结构。另外，功率组件的热容量大，所以难以安装于印刷电路板等多层电路板，而成为与印刷电路板分开安装。为了将功率组件的端子在其他部件的印刷电路板的通孔内进行焊接，在上述的流动焊接方法中难以进行作业。

在功率组件等大电流部件的端子与印刷电路板通孔的连接中采用焊料接合的情况下，为了防止通孔内的电阻的上升，需要在通孔表面镀层与端子之间最低填充通孔深度的75％以上的焊料。另一方面，为了无损失地进行大电流的供给，需要一边利用多层电路板的整面铜箔进行电路板内多层配线，一边利用多个导通孔将这些多层配线连接。

这可以说是作为产品在散热方面优异的结构。但是，从焊料接合这样的制造工艺来看，整面铜箔(多层配线)从通孔的散热速度过快，所以熔融焊料在充分地填充到通孔与端子之间之前被冷却，在通孔的中途凝固。其结果是，无法确保用于流过大电流的充分的连接，在电路动作时可能产生端子接合部的发热、散热的问题。

另外，作为进行充分的焊料填充的方法，有大型大热容量的焊烙铁的应用、长时间的加热，但部件安装中的作业性均差，对印刷电路板造成的热损伤也大。

本发明的目的在于，抑制具有功率组件安装电路板的电力转换装置的温度上升，该功率组件安装电路板具有供功率组件的端子插入的通孔。

用于解决课题的技术方案

本发明的优选的一例是一种电力转换装置，其包括：具有端子的功率组件；和具有供所述端子插入的通孔的功率组件安装电路板，其中，所述功率组件安装电路板具有：配置在内部和外部的配线图案；将所述配线图案之间绝缘的绝缘层；和积存有焊料的焊料积存部。

发明效果

根据本发明，能够抑制具有功率组件安装电路板的电力转换装置的温度上升，该功率组件安装电路板具有供功率组件的端子插入的通孔。

附图说明

图1是说明实施例1的电力转换装置的图。

图2是说明实施例2的电力转换装置的图。

图3是说明实施例3的电力转换装置的图。

图4是从印刷电路板的制作到安装电路板完成的流程。

图5是说明印刷电路板的制作工序的图。

图6是比较例的印刷电路板的说明图。

图7是说明使用比较例的印刷电路板的情况的图。

图8是表示实施例1中的电力转换装置的电路结构的图。

图9是组装实施例1的电力转换装置之前的结构图。

图10是组装实施例1的电力转换装置之后的结构图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。

(实施例1)

使用图1至图10对电力转换装置的结构例进行说明。

图1是用于说明实施例1的电力转换装置的图，具体而言，是将印刷电路板1中的部件焊盘8、通孔7和功率组件端子12焊接的状态。安装有部件的印刷电路板1是在裸板上安装电力转换装置的控制电路、驱动电路等电路并与功率组件11连接的结构。

印刷电路板1具有铜箔2a、2b、内表面由镀铜4构成的过孔6、通孔7、焊料积存部31、对铜箔进行蚀刻而形成的部件焊盘8、对构成未图示的配线图案的铜箔2a、2b之间进行绝缘的绝缘层3、阻焊剂5和丝网9。在此，通孔7是内表面由镀铜4构成、使与功率组件11内的元件连接的功率组件端子12贯通的贯通孔。焊料积存部31通过在包含通孔7的区域中形成锪孔而形成，能够积存焊料21。

通孔7是为了使形成于印刷电路板1的正面和背面的部件焊盘8、外部的配线图案和内部的配线图案电导通而设置的。

焊料积存部31设为从印刷电路板1的上部表面到达第一层的内层铜箔2b的深度，由此使焊料21与内层铜箔2b的连接面积增加。

焊料积存部31贯通功率组件11所具有的功率组件端子12，焊料积存部31的底部与通孔7相连。另外，通过在通孔7内表面的镀铜4与功率组件端子12之间填充焊料，使功率组件端子12与铜箔2a、2b等配线电导通并且被固定。

另外，在印刷电路板具有芯层的情况下，通过将焊料积存部31的深度设为到达芯层的深度，能够使焊料填充深度相对于通孔的长度足够深。因此，能够降低功率组件端子12与配线之间的电阻，容易抑制动作中的发热。另外，通过焊料积存部到达芯层，即使对于多层的厚的印刷电路板，也能够与上述同样地降低电阻，容易抑制动作中的发热。

图4是表示功率组件安装电路板81中的印刷电路板1(裸板)的制作工序(S40～S45)和向印刷电路板1安装部件的部件安装工序(S46)的流程的流程图。

执行准备印刷电路板1、要安装的部件等基材的基材投入工序(S40)。

然后，如图5的(a)所示，在印刷电路板上执行通孔7、过孔6这样的开孔工序(S41)。

然后，如图5的(b)所示，执行形成焊料积存部31的锪孔工序(S42)。

然后，如图5的(c)所示，执行对印刷电路板1的正面和背面、通孔7、过孔6这样的孔的内壁实施镀铜4的镀铜工序(S43)。

然后，如图5的(d)所示，执行对印刷电路板正面的配线图案、部件焊盘8进行蚀刻的蚀刻工序(S44)。

然后，如图5(e)所示，执行涂敷阻焊剂5的抗蚀剂涂敷工序和印刷丝网的抗蚀剂-丝网印刷工序(S45)。

然后，如图1、图2、图3的实施例所示，执行焊接工序(S46)，在该焊接工序中，利用焊烙铁在积存有焊料的焊料积存部中局部地对焊料进行加热使其熔融，使焊料填充到通孔7内，将功率组件端子12与通孔内表面接合。然后，完成功率组件安装电路板81(S47)。

使用图5的(a)～(e)，对包括作为配线图案的铜箔2a、2b、部件焊盘8的印刷电路板1的制作工序进行说明。

在电路板投入工序中，印刷电路板1最初是在正面和背面整体上粘贴有铜箔的覆铜板的状态，在两面为2层电路板的情况下也被称为基材。在多层印刷电路板的情况下，在印刷电路板1的内部组合有形成了配线图案的内层。

在开孔工序中，为了形成用于在印刷电路板1进行层间连接的过孔6、或者用于安装功率组件端子等部件端子的通孔7，进行图5的(a)所示的开孔加工。

进而，进行图5的(b)所示那样的锪孔加工的工序，以使积存填充于通孔7的焊料的焊料积存部31成为到达内层铜箔2b的深度。

在镀铜工序中，为了进行印刷电路板正面和背面、或者与多层电路板的内层的电路导通，如图5的(c)所示，在通孔7、过孔6这样的孔的内壁实施作为导电体的镀铜4。

在蚀刻工序中，印刷电路板正面的配线图案、用于将功率组件端子等部件端子与配线图案进行焊料接合的部件焊盘8，通过对覆盖在印刷电路板1的正面和背面的铜箔进行蚀刻等来去除不需要的铜箔，从而如图5的(d)那样形成。

在抗蚀剂涂敷工序中，在通过焊接使部件焊盘8与功率组件端子12接合时，为了阻止焊料附着于部件焊盘8以外的配线图案，如图5的(e)那样涂敷阻焊剂5。

在丝网印刷工序中，在印刷电路板的正面或背面将部件外形、部件记号等关于部件的信息如丝网9那样印刷于印刷电路板正面来进行标记。使用该印刷电路板1，使用焊料21进行通孔7的内表面的导电体与功率组件端子12的接合，制作图1所示的电力转换装置。

在此，对不应用本实施例而制作的印刷电路板1进行说明。图6的印刷电路板1与图5的(e)的不同之处在于，没有积存有焊料21的焊料积存部31。使用该印刷电路板1，与功率组件11进行焊接，构成图7所示的比较例的功率组件安装电路板81。

如图7所示，通孔的长度为a时的焊料填充深度为b。为了在电路动作时不产生端子部的发热、散热的问题，需要b相对于a为75％以上。为了利用焊料21将印刷电路板1的通孔7内表面的镀铜层与功率组件端子12接合，必须利用焊烙铁51、由焊烙铁51熔融的初始的熔融焊料21将功率组件端子12和通孔7加热至焊料浸透所需的焊料熔点温度以上。功率组件端子12将焊烙铁51、由焊烙铁51熔融的初始的熔融焊料21的热传递到温度更低的功率组件11。

另外，在焊烙铁51、由焊烙铁51熔融的初始的熔融焊料21的热经由通孔7传递到温度更低的外层铜箔2a、内层铜箔2b。此时，在功率组件11为热容量大的部件的情况、和通孔7与整面铜箔连接的情况下，热容量大的部件、整面铜箔的保温性高，所以在焊烙铁51、焊烙铁51中熔融的初始的熔融焊料21的热难以传递到作为焊接对象的通孔7的远方。

因此，不会升温到用于连接功率组件端子12和通孔7的焊料21充分浸透所需的焊料熔点温度以上，焊料21在通孔7内的中途凝固。其结果，无法确保用于流通大电流的充分的连接(通孔的长度a时的焊料填充深度b为75％以上)，有可能产生端子部的发热、散热的问题。另外，也会变成制造不良。

因此，在本实施例中，在裸板的制作工序的图5的(b)中，在焊接对象的通孔7的周围放入到达内层铜箔2b的深度的锪孔，构成积存有填充于通孔7的焊料的、设置焊料积存部31的印刷电路板1。

接着，利用各实施例对上述说明的具有焊料积存部的印刷电路板进行说明。

图8是实施例1中的电力转换装置60的电路结构图。图8的电力转换装置60包括用于对交流电动机64供电的整流器61、逆变器62、平滑电容器63、冷却风扇65、散热片83、控制电路66、驱动电路67、数字操作面板68、分流电阻69。在图8中，示出使用交流电源作为输入电源的情况。

整流器61将交流电力转换为直流电力。平滑电容器63设置于直流中间电路，使由正整流器61转换后的直流电力平滑。

逆变器62将直流电力转换为任意频率的交流电力。在逆变器62的内部装载有温度保护检测电路。温度保护检测电路可以装载图8那样的热敏电阻70来检测温度，或者使逆变器62内的半导体元件内置温度感知用的感测功能。

整流器61和逆变器62一般分别作为整流器组件61A、逆变器组件62A被封装化。进而，一般将整流器组件61A和逆变器组件62A一体化而形成功率组件11，但也可以在功率组件11中装载整流器61和逆变器62中的任一者。在此，电力转换装置60是使用电线、金属棒等电接合部件、或者印刷电路板将图8所示的电路的构成部件电连接而构成的。

本实施例中的电力转换装置60能够作为电力转换装置应用于通用逆变器、伺服放大器、DCBL控制器等。

图9是组装具有实施例1的印刷电路板、功率组件等的电力转换装置之前的结构图。在图9中，省略了图8的冷却风扇65、交流电动机64、数字操作面板68。

功率组件11利用安装用螺钉84固定于散热片83。功率组件安装电路板81以在将组装电路板82固定于散热片83之后固定于散热片的方式组装。

组装电路板82是安装有平滑电容器63的电路板，功率组件安装电路板81是在裸板(印刷电路板1)上安装有图8的控制电路66、驱动电路67的电路板。

图10是将实施例1的功率组件安装电路板81、组装电路板82、功率组件11和散热片83组装后的结构图。图10是在图9中说明的工序后的电力转换装置的结构图。

功率组件11的功率组件端子12贯通功率组件安装电路板81的部件焊盘8地插入。功率组件端子12和部件焊盘8通过焊接进行电连接，但在流动和回流焊接中难以制造，需要通过手动焊接进行焊接。在通常的流动装置中，在想要安装图10那样的电力转换装置时，会产生余热时间长、如果不是余热温度高的条件则焊接不稳定这样的制造上的课题。而且，电力转换装置是相当重的重量物，难以在流动装置中流动。

另外，如图9、图10所示，通过在功率组件11之上安装功率组件安装电路板81、组装电路板82，与将这些部件分别配置于平面的情况相比，能够减小电力转换装置的面积。

实施例1的印刷电路板1的焊料积存部31填充熔融焊料21，使熔融焊料21与外层铜箔2a、内层铜箔2b、以及功率组件端子12的接触面积和热传递性增加。

根据实施例1，利用由焊料积存部得到的热容量，抑制来自印刷电路板1的焊接面的热传递的下降，容易保持焊料浸透所需的焊料熔点温度以上。而且，熔融焊料能够仅在通孔的填充所需的时间内维持熔融状态，能够避免流动不足(焊料上升不足)的发生。

另外，根据实施例1，不需要使用大型且大热容量的焊烙铁，也不需要长时间的加热，作业性提高。另外，在实施例1中，与比较例相比，在通孔7的高度方向上填充焊料的高度缩短了焊料积存部31的深度的量，能够容易地将焊料充分地填充到通孔7内的间隙。

另外，焊料积存部31内的焊料21拥有与其体积相应的热容量，所以在电路动作时，由焊料积存部得到的热容量将电路的发热吸收并散热，抑制印刷电路板1的温度上升。

(实施例2)

使用图2、图7对实施例2中的电力转换装置进行说明。本实施例对实施例1中的印刷电路板1的其他结构例进行说明。因此，省略与实施例1共同的部分的说明。

图2是安装有部件的印刷电路板1和功率组件11的截面图。在本实施例中，通过在利用焊烙铁51等局部地进行焊接的印刷电路板1的焊接侧表面配置台阶构成物41，形成焊料积存部31。

在实施例2中，为了形成焊料积存部31，在焊接对象的部件焊盘8、功率组件端子12的周围且印刷电路板1的焊接侧表面设置有台阶构成物41。台阶构成物41具有足以形成焊料积存部31的厚度，起到防止熔融焊料21向印刷电路板1的横向扩展的功能。

台阶构成物41只要发挥上述的功能即可。将不应用本实施例而制作的印刷电路板1示于图7。通过对图7的印刷电路板1追加台阶构成物41，能够提供具有焊料积存部31的印刷电路板1。另外，通过对图7的说明中的阻焊剂5和丝网9赋予能够构成焊料积存部31的足够的厚度，也能够提供具有焊料积存部31的印刷电路板1。

(实施例3)

使用图3对实施例3中的电力转换装置进行说明。实施例3是对使实施例1中的印刷电路板1的焊料积存部31内置有过孔6的例子进行说明的例子。省略与实施例1共同的部分的说明。

图3是安装有部件的印刷电路板1和功率组件11的截面图。

在本实施例中，与焊料积存部31连通地设置有过孔6。该过孔6向与过孔6连接的内层铜箔2b和印刷电路板1的焊接侧背面的外层铜箔2a传递填充于焊料积存部31的熔融焊料21的热。

由此，具有从侧面对通孔7的来自印刷电路板1的焊接面的热传递进行加热的功能。另外，在电路动作时，具有基于由焊料积存部得到的热容量的热吸收和使散热路径分散的功能，能够进一步提高印刷电路板1的温度上升抑制。

在图1、图2、图3、图5中，以多层电路板进行了说明，但在2层(两面)电路板中也同样能够应用。

附图标记说明

1…印刷电路板、

6…过孔、

7…通孔、

11…功率组件、

12…功率组件端子、

31…焊料积存部、

41…台阶构成物、

81…功率组件安装电路板、

82…组装电路板。

Claims

1.一种包括具有端子的功率组件和具有供所述端子插入的通孔的功率组件安装电路板的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件安装电路板具有：

配置在内部和外部的配线图案；

将所述配线图案之间绝缘的绝缘层；和

积存有焊料的焊料积存部。

2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件具有整流器或逆变器，或者具有整流器和逆变器两者。

3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在所述功率组件安装电路板中，

所述端子贯通所述焊料积存部，

所述端子与所述通孔的内表面的导电体被所述焊料接合。

4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件安装电路板是印刷电路板，

所述焊料积存部到达所述印刷电路板的内层配线。

5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件安装电路板是印刷电路板，

所述焊料积存部到达所述印刷电路板的芯层。

6.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件安装电路板是印刷电路板，

在所述印刷电路板的进行焊接的一侧的表面具有支承所述焊料积存部的台阶构成物。

7.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件安装电路板是具有过孔的印刷电路板，

所述过孔与所述焊料积存部连通，

所述过孔内填充有所述焊料。

8.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件安装电路板安装有控制电路、驱动电路和数字操作面板。

9.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件固定于散热片。

10.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在所述功率组件安装电路板的一个表面配置有所述焊料积存部，

与所述功率组件安装电路板的另一个表面相对地配置有所述功率组件。

11.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述通孔内的焊料的填充高度在所述通孔的长度的75％以上。

12.如权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件安装电路板是具有部件焊盘的印刷电路板，

所述部件焊盘与所述端子被所述焊料接合。

13.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述功率组件安装电路板具有阻焊剂和丝网。