JP2009212311A

JP2009212311A - 電子機器

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Publication number: JP2009212311A
Application number: JP2008054046A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Onishi; 宏幸大西; Toshiaki Nagase; 俊昭長瀬; Jun Ishikawa; 純石川; Naoto Kanie; 直人蟹江; Kazuyoshi Konya; 一善紺谷
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: DE102009011234B4; US20090225523A1; DE102009011234A1; JP4609504B2; US8054641B2

Abstract

【課題】熱やノイズの影響を受けにくく、小型化可能で、かつ、接続ラインの信頼性の高い電子機器を提供する。
【解決手段】ベースプレート１の上面に第１の回路基板１０の一方の面が接合され、第１の回路基板１０の上面には半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴ、フライホイールダイオード）１１が実装されているとともに、回路基板１０の上面には電解コンデンサ１６がコンデンサ載置用導電板１３，１５により実装されている。ベースプレート１の上面に四角枠部３が接着され、四角枠部３において、マイコンチップ３１が実装された第２の回路基板３０が立設した状態で固定されている。リードピン２０は、その一端が第１の回路基板１０に接合されるとともに、他端が第２の回路基板３０に接合され、両回路基板１０，３０が電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器に関するものである。

インバータ等の電子機器ではスイッチング素子としてのパワー半導体素子及びその制御部を有しており、その一例として、パワー半導体素子の上に制御回路基板を平行にして配置している（例えば特許文献１）。この種の電子機器における具体的構成例を図９，１０に示す。

図９において、パワー半導体素子を内蔵した半導体パワーモジュール１００の内部に制御回路基板１１０を入れ込んで、半導体パワーモジュール１００の上面に電力端子（電極）１０１および信号端子１１１を配置している。図１０において、半導体パワーモジュール２００と制御回路基板２１０とは別体構造をなし、コネクタ２０２，２１１およびワイヤ２２０を介して半導体パワーモジュール２００と制御回路基板２１０とを電気的に接続している。また、半導体パワーモジュール２００の上面に電力端子（電極）２０１を配置している。
特開２０００−２２８４９２号公報

図９の場合においては、制御回路基板１１０に実装する電子部品について耐熱の問題により実装できる部品が限られ、ＣＰＵ等が実装できないことがある。また、制御回路基板１１０の下方には大電流を流すパワー半導体素子が接近して配置されているためにノイズから制御回路基板１１０側の回路や電子部品を保護すべく制御回路基板１１０とパワー半導体素子との間にアルミ板等のノイズ遮蔽板が必要であった。さらに、電源コンデンサを設けるためには半導体パワーモジュール１００の外部おいて電力端子（電極）１０１に電源コンデンサを接続する必要があり、大型化を招いてしまう。

また、図１０の場合においては、コネクタ２０２，２１１およびワイヤ２２０を介して半導体パワーモジュール２００と制御回路基板２１０とを電気的に接続しているので、断線・接触不良等が発生する虞があった。また、半導体パワーモジュール２００と制御回路基板２１０とは別体構造をなしているので、全体のサイズが大きくなってしまう。さらに、電源コンデンサを設けるためには半導体パワーモジュール２００の外部おいて電力端子（電極）２０１に電源コンデンサを接続する必要があり、大型化を招いてしまう。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、熱やノイズの影響を受けにくく、小型化可能で、かつ、接続ラインの信頼性の高い電子機器を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、パワー半導体素子および電解コンデンサを実装した第１の回路基板と、前記パワー半導体素子を制御するための制御回路構成部品を実装した第２の回路基板と、を備えた電子機器において、前記第１の回路基板に対し前記第２の回路基板を、前記第１の回路基板における電解コンデンサを実装した面から垂直に延びる方向において前記電解コンデンサに沿うように配置し、かつ、接続端子の一端を前記第１の回路基板に接合するとともに他端を前記第２の回路基板に接合して両回路基板を電気的に接続したことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１の回路基板に対し第２の回路基板を、第１の回路基板における電解コンデンサを実装した面から垂直に延びる方向において電解コンデンサに沿うように配置することにより、第１の回路基板と第２の回路基板とが平行かつ対向する配置とした場合に比べ第１の回路基板と第２の回路基板とを離して配置でき、第１の回路基板側で発生したノイズによる第２の回路基板側での影響を受けにくくすることができるとともに第１の回路基板側で発生した熱は第２の回路基板側に伝播しにくく熱の影響も受けにくくなる。

また、第１の回路基板における電解コンデンサを実装した面から垂直に延びる方向において電解コンデンサに沿うように第２の回路基板を配置することにより、第２の回路基板を設けることによる大型化を回避することができる。

さらに、接続端子の一端を第１の回路基板に接合するとともに他端を第２の回路基板に接合して両回路基板を電気的に接続することにより、図１０の場合においてはコネクタ２０２，２１１およびワイヤ２２０を介して半導体パワーモジュール２００と制御回路基板２１０とを電気的に接続しているので断線・接触不良等を招く虞があったが、本発明においてはコネクタやワイヤを用いておらず断線・接触不良等を回避して接続ラインの信頼性が高い。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電子機器において、筐体内において前記第２の回路基板を前記第１の回路基板に直交するように配置した。こうすると、第１の回路基板と第２の回路基板を共に筐体内に収納することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の電子機器において、前記筐体を構成するベースプレートの上面に前記第１の回路基板の一方の面を接合するとともに前記ベースプレートの上面に前記第２の回路基板を立設した。こうすると、パワー半導体素子で発生する熱を第１の回路基板を通してベースプレートから逃がすことが可能となる。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の電子機器において、前記ベースプレートの上面において前記第１の回路基板の周囲を囲む枠体を固定し、前記枠体に前記第２の回路基板を固定した。こうすると、枠体を用いて第２の回路基板を固定することができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の電子機器において、前記第１の回路基板を収納した筐体の外面に前記第２の回路基板を固定した。このようにしても、第１の回路基板に対し第２の回路基板を、第１の回路基板における電解コンデンサを実装した面から垂直に延びる方向において電解コンデンサに沿うように配置することができる。

本発明によれば、熱やノイズの影響を受けにくく、小型化可能で、かつ、接続ラインの信頼性の高い電子機器を提供することがきる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態における電子機器の平面図である。図１のＡ−Ａ線での縦断面を図２に示す。また、図１のＢ−Ｂ線での縦断面を図３に示す。さらに、図４は電子機器の分解斜視図である。図５には電子機器の電気的構成を示す。

本電子機器は車載走行モータを駆動する三相インバータである。図５において、電子機器は外部接続用の端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５を有している。プラス端子Ｐ４とマイナス端子Ｐ５には車載用バッテリ５０が接続される。

プラス端子Ｐ４とマイナス端子Ｐ５との間には、コンデンサ（平滑用の電源コンデンサ）５が４つ並列に接続されている。また、プラス端子Ｐ４とマイナス端子Ｐ５との間には、２つのパワーＭＯＳＦＥＴ６よりなる直列回路が、３組並列に接続されている。各パワーＭＯＳＦＥＴ６にはフライホイールダイオード７が並列に接続されている。各組の２つのパワーＭＯＳＦＥＴ６よりなる直列回路におけるパワーＭＯＳＦＥＴ６，６間から各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が接続されている。出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３には走行モータである三相誘導モータが接続される。また、各パワーＭＯＳＦＥＴ６のゲート電極は端子Ｐ１０〜Ｐ１５と接続されている。なお、パワーＭＯＳＦＥＴ６に代わりＩＧＢＴを用いてもよい。

制御回路８はドライバ部を含むととともにマイコン９を備えている。制御回路８は端子Ｐ１０〜Ｐ１５と接続されている。制御回路８においてマイコン９によりドライバ部を介してスイッチング素子としてのパワーＭＯＳＦＥＴ６が制御される。つまり、各パワーＭＯＳＦＥＴ６のゲート電位を調整して各パワーＭＯＳＦＥＴ６をスイッチング動作させて走行モータを駆動することができるようになっている。

図４に示すように、電子機器は、長方形のベースプレート１とカバー２からなる筐体を備えている。当該筐体は箱型をなしている。カバー２は下面が開口した箱型をなし、カバー２の下面開口部をベースプレート１により塞いだ構成となっている。ベースプレート１は熱伝導性に優れた材料、具体的にはアルミや銅よりなり、ベースプレート１はヒートシンク（放熱板）として機能する。

図１，２に示すように、板状のベースプレート１の上面には第１の回路基板１０が６枚半田付けにて接合されている。詳しくは、図１において横方向に２枚並べられるとともに、縦方向に３列並べられている。第１の回路基板１０は、セラミック基板の両面に銅又はアルミを張り合わせて構成されている。セラミック基板の上面の銅又はアルミにて導体パターンが形成され、また、セラミック基板の下面の銅又はアルミがベースプレート１との半田付けのための部材として機能する。各回路基板１０の導体パターンは互いにボンディングワイヤ（図示略）により電気的に接続されている。

６枚の各第１の回路基板１０の上面には、図５におけるパワーＭＯＳＦＥＴ６およびフライホイールダイオード７をワンチップ化した半導体チップ１１が実装されている。具体的には、半導体チップ１１は半田付けにて第１の回路基板１０の導体パターンと接合されている。また、回路基板１０の導体パターンと各半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴ、フライホイールダイオード）１１とはボンディングワイヤ（図示略）により電気的に接続されている。

なお、パワーＭＯＳＦＥＴ６とフライホイールダイオード７とはワンチップ化したが、別チップでもよい。
また、第１の回路基板１０の上面においてコンデンサ載置用導電板１３，１５が配置されている。コンデンサ載置用導電板１３，１５は、図２に示すように断面形状がコ字状に屈曲形成され、図１に示すように、ベースプレート１の長辺方向に沿って延びている。２枚のコンデンサ載置用導電板１３，１５は図２に示すように絶縁シート１４を挟んで積層されている。コンデンサ載置用導電板１３，１５における下端には接続片１３ａ，１５ａが突設されている。コンデンサ載置用導電板１３，１５は第１の回路基板１０の上面において横方向に２枚並べられた第１の回路基板１０を跨ぐようにして配置されている。

コンデンサ載置用導電板１３，１５の上面には図５の電源コンデンサ５を構成する電解コンデンサ１６が４つ一列に並べて配置されている。電解コンデンサ１６は円筒状をなし、コンデンサ載置用導電板１３の上に立設されている。電解コンデンサ１６の陰極はコンデンサ載置用導電板１３に電気的に接続され、電解コンデンサ１６の陽極はコンデンサ載置用導電板１５に電気的に接続されている。コンデンサ載置用導電板１３の接続片１３ａは第１の回路基板１０の導体パターンと接合されている。同様に、コンデンサ載置用導電板１５の接続片１５ａは第１の回路基板１０の導体パターンと接合されている。そして、コンデンサ載置用導電板１３，１５は平行平板構造のコンデンサ配線部材として機能する。

このようにして、第１の回路基板１０には、パワー半導体素子（本実施形態ではパワーＭＯＳＦＥＴ６とフライホイールダイオード７を作り込んだ半導体チップ１１）および電解コンデンサ１６が実装されている。

図１，２に示すように、ベースプレート１の上面において四角枠体３が第１の回路基板１０群の周りを囲むようにして配置され、四角枠体３はベースプレート１に接着されている。四角枠体３は樹脂よりなる。四角枠体３の外周面には、図５の制御回路８を構成するための第２の回路基板３０が立設する状態で配置されている。第２の回路基板３０としてプリント基板を用いている。第２の回路基板３０は四角枠体３にネジ２１により固定されている。つまり、ネジ２１を第２の回路基板３０を貫通して四角枠体３に螺入することにより第２の回路基板３０が四角枠体３に取り付けられている。

図１，２，３に示すように、第２の回路基板３０には図５の制御回路８を構成する各種電子部品（制御回路構成部品）が実装されている。具体的には、例えば図５のマイコン９を構成するマイコンチップ３１が実装されている。

四角枠体３には複数のリードピン２０が一体成形にて四角枠体３を貫通して両面から突出するように埋設されている。各リードピン２０における一端、即ち、第１の回路基板１０に接近する側は２回屈曲され、第１の回路基板１０の導体パターンと接合されている。一方、各リードピン２０の他端、即ち、第２の回路基板３０側は第２の回路基板３０を貫通して裏面において導体パターンと接合されている。その結果、リードピン２０により第１の回路基板１０と第２の回路基板３０が電気的に接続されている。つまり、第１の回路基板１０から信号端子（リードピン２０）を横だしして第２の回路基板３０を立てて接続している。

このようにして、第１の回路基板１０に対し第２の回路基板３０が、第１の回路基板１０における電解コンデンサ１６を実装した面から垂直に延びる方向において電解コンデンサ１６に沿うように配置されている。ここで、第１の回路基板１０を接合したベースプレート１に対し四角枠体３および第２の回路基板３０を組み付けるとともに第１の回路基板１０に電解コンデンサ１６を組み付けた状態において、電解コンデンサ１６の高さと第２の回路基板３０の高さは、ほぼ同じである。

なお、図５の電子機器における外部接続用の端子Ｐ１〜Ｐ３、Ｐ４，Ｐ５はカバー２に設けたコネクタ（図示略）を介して外部機器と電気的に接続される。
次に、このように構成した電子機器の作用を説明する。

図５の第２の基板側の制御回路８によりリードピン２０を介して第１の基板側のパワーＭＯＳＦＥＴ６のゲート電位が調整されてパワーＭＯＳＦＥＴ６がオン／オフ制御され、パワーＭＯＳＦＥＴ６およびフライホイールダイオード７に電流が流れる。この通電に伴いパワーＭＯＳＦＥＴ６、フライホイールダイオード７が発熱するとともに、パワーＭＯＳＦＥＴ６のスイッチング動作によりノイズが発生する。熱は半導体チップ１１から第１の回路基板１０を通してベースプレート１に伝導し、ベースプレート１から大気中に逃がされる。

ここで、図２に示すように、第１の回路基板１０に対し第２の回路基板３０が、第１の回路基板１０における電解コンデンサ１６を実装した面から垂直に延びる方向において電解コンデンサ１６に沿うように配置されている。これにより、第１の回路基板１０と第２の回路基板３０とが平行かつ対向する配置とした場合に比べ、第１の回路基板１０と第２の回路基板３０とを離して配置できる。その結果、ノイズ遮蔽板を用いることなく、第１の回路基板１０側で発生したノイズによる第２の回路基板３０側での影響を受けにくくすることができる。即ち、ノイズから第２の回路基板３０側の回路や電子部品を保護することができる。さらに、第１の回路基板１０と第２の回路基板３０とを離して配置できることにより、第１の回路基板１０側で発生した熱は第２の回路基板３０側に伝播しにくく熱の影響も受けにくくなる。

また、第１の回路基板１０における電解コンデンサ１６を実装した面から垂直に延びる方向において電解コンデンサ１６に沿うように第２の回路基板３０が配置されているので、第２の回路基板３０を設けることによる大型化を回避することができる。つまり、第１の回路基板１０の上面には電解コンデンサ１６が実装されているので、第１の回路基板１０の上方には電解コンデンサ１６の配置空間が必要となり、第１の回路基板１０の近傍に第２の回路基板３０を立設してもさほど大型化は招かない。

また、接続端子としてのリードピン２０の一端が第１の回路基板１０に接合されるとともに他端が第２の回路基板３０に接合されて両回路基板１０，３０が電気的に接続されている。よって、図１０の場合においてはコネクタ２０２，２１１およびワイヤ２２０を介して半導体パワーモジュール２００と制御回路基板２１０とを電気的に接続しているので断線・接触不良等を招く虞があった。これに対し、本実施形態においてはコネクタやワイヤを用いておらず断線・接触不良等を回避して接続ラインの信頼性が高い。つまり、コネクタおよびワイヤを用いておらずリードピン２０で回路基板１０，３０間を直接、電気的に接続しているので接合部の信頼性が高い。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）第１の回路基板１０に対し第２の回路基板３０を、第１の回路基板１０における電解コンデンサ１６を実装した面から垂直に延びる方向において電解コンデンサ１６に沿うように配置し、かつ、リードピン２０の一端を第１の回路基板１０に接合するとともに他端を第２の回路基板３０に接合して両回路基板１０，３０を電気的に接続した。よって、熱やノイズの影響を受けにくく、小型化可能で、かつ、接続ラインの信頼性の高い電子機器を提供することができる。

（２）筐体内において第２の回路基板３０を第１の回路基板１０に直交するように配置した。この場合、第１の回路基板１０と第２の回路基板３０を共に筐体内に収納することができる。

（３）筐体を構成するベースプレート１の上面に第１の回路基板１０の一方の面を接合するとともにベースプレート１の上面に第２の回路基板３０を立設した。これにより、半導体チップ１１（パワーＭＯＳＦＥＴ６、フライホイールダイオード７）で発生する熱を第１の回路基板１０を通してベースプレート１から逃がすことが可能となる。

（４）ベースプレート１の上面において第１の回路基板１０の周囲を囲む枠体３を固定し、枠体３に第２の回路基板３０を固定した。これにより、枠体３を用いて第２の回路基板３０を固定することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
図１等においては筐体内において第１および第２の回路基板１０，３０を直交する状態で配置したが、図６，７，８に示すように配置してもよい。図６は、電子機器における平面図であり、図７は図６のＡ−Ａ線での縦断面図であり、図８は図６のＣ矢視図である。図６，７，８において、第１の回路基板１０を収納した筐体の外面、即ち、カバー２の一側面に第２の回路基板３０を当接してネジ２１により固定している。接続端子としてのリードピン２０は第１の回路基板１０の上面から、カバー２および第２の回路基板３０を貫通しており、第２の回路基板３０において半田付けされている。このようにしても、第１の回路基板１０に対し第２の回路基板３０を、第１の回路基板１０における電解コンデンサ１６を実装した面から垂直に延びる方向において電解コンデンサ１６に沿うように配置することができる。

また、図１等ではベースプレート１の上面に６枚の第１の回路基板１０を固定し、各回路基板１０には半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴ６およびフライホイールダイオード７）１１が１つずつ実装されている構成としたが、これに代わり、回路基板１０の枚数や各回路基板１０におけるパワー半導体素子の数について適宜変更してもよい。例えば、ベースプレート１の上面に１枚の第１の回路基板１０を固定し、回路基板１０に６つの半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴ６およびフライホイールダイオード７）１１を実装してもよい。

電子機器としてインバータに適用したが、これに限定されるものではなく、例えば昇圧回路等に適用することができる。詳しくは、例えば、図５のパワーＭＯＳＦＥＴ（又はＩＧＢＴ）６とダイオード７の組み合わせを１アームとし、インバータは６アームで構成したが、２アームで昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを構成してもよい。

本実施形態における電子機器の平面図。図１のＡ−Ａ線での縦断面図。図１のＢ−Ｂ線での縦断面図。電子機器の分解斜視図。電子機器の電気的構成図。別例における電子機器の平面図。図６のＡ−Ａ線での縦断面図。図６のＣ矢視図。背景技術を説明するための電子機器の斜視図。背景技術を説明するための電子機器の斜視図。

符号の説明

１…ベースプレート、２…カバー、３…四角枠体、６…パワーＭＯＳＦＥＴ、７…フライホイールダイオード、１０…第１の回路基板、１１…半導体チップ、１６…電解コンデンサ、２０…リードピン、３０…第２の回路基板、３１…マイコンチップ。

Claims

パワー半導体素子および電解コンデンサを実装した第１の回路基板と、
前記パワー半導体素子を制御するための制御回路構成部品を実装した第２の回路基板と、
を備えた電子機器において、
前記第１の回路基板に対し前記第２の回路基板を、前記第１の回路基板における電解コンデンサを実装した面から垂直に延びる方向において前記電解コンデンサに沿うように配置し、かつ、接続端子の一端を前記第１の回路基板に接合するとともに他端を前記第２の回路基板に接合して両回路基板を電気的に接続したことを特徴とする電子機器。
筐体内において前記第２の回路基板を前記第１の回路基板に直交するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
前記筐体を構成するベースプレートの上面に前記第１の回路基板の一方の面を接合するとともに前記ベースプレートの上面に前記第２の回路基板を立設したことを特徴とする請求項２に記載の電子機器。
前記ベースプレートの上面において前記第１の回路基板の周囲を囲む枠体を固定し、前記枠体に前記第２の回路基板を固定したことを特徴とする請求項３に記載の電子機器。
前記第１の回路基板を収納した筐体の外面に前記第２の回路基板を固定したことを特徴とする請求項１に記載の電子機器。