JP2010232602A - 回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の導体層を備えた大電流回路基板において、スルーホールメッキ等と比較して、導体層間の接続の信頼性が高い接続部を形成する。
【解決手段】複数の導体層を備えた回路基板１００において、回路基板１００にスルーホールを形成し、金属製のセルフタッピングネジ２００をねじ込む。セルフタッピングネジ２００のネジ山２１０が、導体層１１１，１１２，１１４に食い込み、各導体層間を短絡するので、導体層間の接続信頼性が向上する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回路基板に関し、特に大電流を流す導体層を複数層備えた回路基板において、導体層間にも大電流を流すことのできる層間接続構造に関する。

車両用の電気接続箱（Ｊ／Ｂ）等に用いられる回路基板では、補機の駆動用電源回路として８０Ａ程度などの大電流を流すことができるように、導体を２００μｍ程度に厚くした回路を備えているものがある。また、近年は、走行用モーターを備えた電気自動車やハイブリッド自動車等のために、直流−直流間で電圧を変換する変圧用回路であるＤＣ−ＤＣコンバータが用いられるようになり、さらに大電流を流せる基板が必要となっている。

これら大電流基板においても、従来の制御回路基板等と同様に小型化が求められており、基板両面に導体層を備えた両面導体基板や、基板内部に複数の導体層を備えた多層基板が用いられるようになっている。

両面導体基板や多層基板において、両面の導体層、及び基板内部の複数の導体層間を電気的に接続する手段としては、基板を貫通する孔（スルーホール）を設け、孔の内面に銅等の金属メッキを施し導体層間を短絡する、いわゆるスルーホールメッキが一般的に用いられている。また、大電流基板においては、スルーホールメッキにより形成されたスルーホールメッキ部にも大電流が流せるように、従来の制御回路等の基板に形成したスルーホールメッキ部よりもメッキ厚さを厚くする必要がある。

従来技術のスルーホールメッキ部を備えた回路基板を図５に示す。回路基板５００は、４層の導体層５１１、５１２、５１３、５１４を備え、各導体層の間には、絶縁層５２１、５２２、５２３が挟まれ、導体層と絶縁層が接着されて一体化している。また、導体５１１、５１４の外側には、絶縁性のレジスト層５４１、５４２が備えられている。導体層５１１〜５１４は、所定のパターンに切られ、回路を形成している。

導体層間を接続する箇所には、スルーホール５３０が開けられ、スルーホール５３０の内面にはスルーホールメッキ部５３１が形成されている。ここで、スルーホールメッキ部５３１が、導体層５１１、５１２、５１４にまたがって形成されているため、これらの導体層間が短絡される。なお、図５では、導体層５１３は他の導体層と短絡していない。そのため、絶縁層５２２と５２３が、絶縁接合部５２４でつながっている。

この他に、大電流基板の導体層にバスバーを電気的に接続する方法として、特許文献１のように、スルーホールにファスナーを挿入し、バスバーとともにカシメる方法も提案されている。

特開平１０−２５５８８０号公報

スルーホールに施されたスルーホールメッキ部と、回路基板の絶縁層では、線膨張係数が異なることから、冷熱衝撃試験（例えば−４０℃から１２０℃の温度範囲での加熱冷却の繰り返し試験）を行うと、回路基板の厚さ方向に生じる熱応力によって、スルーホールメッキ部にクラックが発生することがある。

スルーホールメッキ部のメッキ層が厚ければ、一般的にはクラック発生までの冷熱サイクル数（基板の寿命に相当）は延びるが、大電流基板の場合は導体が厚いので凹凸が大きくなり、これを吸収するために絶縁層が厚くなる傾向にあるので、熱応力によってスルーホールメッキ部にかかる基板厚さ方向の歪み量も大きくなり、根本的な解決にはならない。また、基板が厚くなるのに伴いスルーホールが長くなるので、アスペクト比（基板厚さをスルーホール径で割った値）が大きくなる。そして、スルーホール内のメッキ液が滞留し易くなるので、スルーホール内面に均一な厚さのスルーホールメッキ部を形成することが困難になる。

また、軽量化のために導体層としてアルミを用いることもあるが、この場合、スルーホールメッキの前処理工程でアルミが過度にエッチングされてしまうのを避けるため、アルミ表面をニッケルメッキで保護する等の特殊な処理が必要になり、メッキ工程のコストアップの原因になる。

特許文献１のような方法では基板を構成するスルーホールメッキ部や絶縁層の各部材の線膨張係数が異なることにより、環境温度により基板を構成する部材が伸縮し、基板の信頼性が確保できないこととなる。特に、大電流を扱う基板などの基板の構成部材が大きいほど信頼性は確保しにくいこととなる。また、特許文献１の方法は両面基板に対しては適用しやすいが、多層基板に適用する場合、基板内部の導体層とファスナー間の接続においては基板内部の導体層の高い製造精度が要求されることとなる。

本発明は、複数の導体層を備えた大電流回路基板において、従来技術のスルーホールメッキ等と比較して、導体層間の接続の信頼性が高い、接続部を形成することを目的とする。

上記の課題を解決するための、本発明の回路基板の構成は、以下のようなものである。請求項１に記載の発明は、複数の導体層と、前記複数の導体層間を絶縁する絶縁層を備えた回路基板において、前記複数の導体層間を、金属製のセルフタッピングネジによって電気的に接続したことを特徴とする、回路基板である。

この構成によれば、金属製のセルフタッピングネジが複数の導体層にまたがって貫通するので、セルフタッピングネジがスルーホールメッキ部の役割を担い、またがった導体層間を短絡することができる。セルフタッピングネジの材質は、工業用純鉄、炭素鋼、黄銅等、通常のネジに用いられる金属や合金材料であれば良い。また、導電性の良いタフピッチ銅やリン青銅製のセルフタッピングネジを用いても良い。さらに、セルフタッピングネジの表面に、ニッケル、銅、銀、スズ等のメッキや、ハンダ等が施されていても良い。

セルフタッピングネジの基板取り付け面方向の断面積は、通常のスルーホールメッキ部の基板取り付け面方向の断面積に比べてはるかに大きいので、材質が導電性の良い純銅でなくても大電流に対応することが可能である。また、セルフタッピングネジの径を変更することで、導体層間に流れる電流値に対応することが容易である。

また、セルフタッピングネジのネジ山が導体層に食い込むので、接続部の機械的強度は高く、冷熱サイクルに対する通電の信頼性も向上する。

また、請求項２に記載の発明は、前記セルフタッピングネジのピッチが、前記導体層の厚さより小さいことを特徴とする、請求項１に記載の回路基板である。

この構成によれば、一枚の導体層内でセルフタッピングネジのネジ山が一周以上食い込むので、接続部の機械的強度はさらに高くなり、冷熱サイクルに対する通電の信頼性もさらに向上する。

また、請求項３に記載の発明は、前記導体層の厚さが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の回路基板である。

この構成によれば、大電流基板においても、層間接続部の信頼性の高い、接続構造を容易に得ることができる。

この発明によれば、大電流回路基板において、従来のスルーホールメッキ等と比較して導体層間の接続の信頼性が高い接続部を、容易に形成することができる。

層間接続構造を形成する前の回路基板の断面図。 層間接続構造を形成する途中の回路基板の断面図。 本発明の実施形態である層間接続構造を持つ回路基板の断面図。 ネジ山部分の拡大図。 従来技術の層間接続構造を持つ回路基板の断面図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態である層間接続構造に適用される回路基板１００の層間接続構造を形成する前の断面図である。回路基板１００は、４層の導体層を備え、各導体層の間には絶縁層が挟まれ、導体層と絶縁層が接着されて一体化している、多層基板である。

回路基板１００の各導体層１１１、１１２、１１３、１１４は、それぞれ厚さ１．０ｍｍの純アルミ（ＪＩＳ規格Ａ１０５０）である。絶縁層１２１、１２２、１２３は、それぞれ厚さ０．２ｍｍガラスエポキシ（耐熱性のＦＲグレードでＦＲ−４）を２枚重ねたものである。

回路基板１００の製造方法は、層間接続部の形成工程を除いて通常の製造方法と同じであるので、工程途中の図示をせずに簡単に説明する。導体層１１１〜１１４となるアルミ板に、所定の回路パターンを形成し、絶縁層１２１〜１２３の原料となるプリプレグを、図１の順に各導体層間に挟み込んで積層して積層体とする。なお、プリプレグとは、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸して半硬化させたものである。

この積層体を真空中で加熱プレスすることで、プリプレグ中のエポキシ樹脂が一度溶融して硬化して絶縁層となり、導体層同士が該絶縁層で絶縁されて接着され、多層の回路基板１００となる。

ここで、導体層１１１〜１１４の回路パターンは、積層の前にプレス等で打ち抜いて形成しても良いし、積層後にエッチングで形成しても良い。回路基板１００の内側の層となる導体層１１２、１１３に回路パターンを形成する場合は、導体層１１２、絶縁層１２２、導体層１１３を積層して硬化させた後、エッチングによって導体層１１２、１１３に回路パターンを形成し、次いで、導体層１１１、１１４、絶縁層１２１、１２３とともに積層して、再度加熱プレスしても良い。

なお、図１で、導体層１１３に形成された穴には絶縁接合部１２４が形成されている。このような部分を形成するためには、積層前に導体層１１３に孔を開けておく。その後絶縁層とともに積層して加熱プレスすると、絶縁層１２２と１２３のエポキシ樹脂が孔に流れ込み、絶縁層１２２と１２３がつながって、絶縁接合部１２４を形成する。

このようにして、図１に示すような、４層の導体層１１１〜１１４を持つ回路基板１００が製造される。ここまでの工程は、従来技術と同様である。導体層１１１〜１１４の間は、まだ電気接続されていない。

このようにして製造された回路基板１００に、図２に示すように導体層１１１、１１４の表面に、ソルダーレジスト層１４１、１４２を塗布する。

次いで、回路基板１００の層間接続を行う所定の箇所にドリルで内径３．７ｍｍの孔を開け、スルーホール１３０を形成する。スルーホール１３０は、後述のセルフタッピングネジ２００の下孔となる。スルーホール１３０は、プレスによって打ち抜いて形成しても良い。

その後、図３に示すように、スルーホール１３０にセルフタッピングネジ２００をねじ込む。セルフタッピングネジ２００は、普通鋼（ＪＩＳ規格ＳＳ４００）製で、サイズはＭ４である。これにより、図４に示すようにセルフタッピングネジ２００のネジ山２１０が導体層１１１、１１２、１１４に食い込み、導体層１１１、１１２、１１４間を短絡する。

導体層１１３は、絶縁接合部１２４によって絶縁され、導体層１１１、１１２、１１４とは短絡していない。このような形態をとるにより、従来の回路基板と同様に任意の導体層間を短絡し、他の導体層間を絶縁でき、複数の導体層間で所望の回路パターンを形成することができる。

図４に、セルフタッピングネジ２００のネジ山２１０が、導体層１１２に食い込んでいる部分を拡大して示す。他の要素は、適宜省略して示している。隣り合うネジ山２１０、２１０の頂点間のピッチＰは、導体層１１２の厚さＴより小さくなっている。これにより、導体層１１２の厚さＴの中で、ネジ山２１０が１周以上にわたって導体層１１２に食い込んでおり、機械的強度と電気的接続性を保っている。

ピッチＰが導体層１１２の厚さＴの１／２以下であると、ネジ山２１０が導体層１１２に２周以上にわたって食い込むので、電気的接続性がより安定し、さらに望ましい。

ここで、スルーホールメッキによる導体層間接続と、本発明の実施形態であるセルフタッピングネジによる導体間接続について比較する。スルーホールメッキによる導体層間接続の例として、３．７ｍｍ径のスルーホール５３０を開け、スルーホールメッキ部５３１を形成した。スルーホールメッキ部５３１の厚さは５０μｍであり、下地として１μｍ厚の無電解銅メッキをつけ、その後全体の厚さが５０μｍになるまで電解銅メッキをつけたものである。その他の基板の厚さ、層数、サイズ、材質の各条件は、同じとした。

従来技術のスルーホールメッキ部５３１の長手方向（基板厚さ方向）の単位長さあたりの電気抵抗は、０．０２７ｍΩ／ｍｍであった。一方、本実施形態のセルフタッピングネジ２００の長手方向（基板厚さ方向）の単位長さあたりの電気抵抗は、０．０２２〜０．０２５ｍΩ／ｍｍであった。

よって、セルフタッピングネジ２００による電気抵抗特性は、スルーホールメッキをした時とほぼ同等の特性が得られることが確認できた。これにより従来技術と同サイズのスルーホール１３０を設け、セルフタッピングネジ２００を用いることにより、線膨張率の違うことによる信頼性の確保ができない問題を解決することができ、信頼性の高い層間接続構造を実現することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、導体層と絶縁層の層数、サイズ、材質、スルーホールの径、セルフタッピングネジのサイズ、材質等については、回路基板の仕様に合わせて適宜変更可能である。

１００ 回路基板
１１１、１１２、１１３、１１４ 導体層
１２１、１２２、１２３ 絶縁層
１２４ 絶縁接合部
１３０ スルーホール
１４１、１４２ ソルダーレジスト層
２００ セルフタッピングネジ
２１０ ネジ山
Ｐ セルフタッピングネジのピッチ
Ｔ 導体層の厚さ

Claims (3)

1. 複数の導体層と前記複数の導体層間を絶縁する絶縁層を備えた回路基板において、
   前記複数の導体層間を、金属製のセルフタッピングネジによって電気的に接続したことを特徴とする回路基板。
2. 前記セルフタッピングネジのピッチが、前記導体層の厚さより小さいことを特徴とする、請求項１に記載の回路基板。
3. 前記導体層の厚さが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の回路基板。

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