JP2011100848A - パワー回路配線構造 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー回路部品を実装したプリント基板上のパターンの温度上昇を軽減できる放熱特性が良好な複数の放熱部を備え、かつ安全な絶縁距離を確保できる放熱部材を備えたパワー回路配線構造を提供する。
【解決手段】パワー回路部品を実装した実装用プリント基板２１に、電気的に絶縁された複数の放熱部３、４、５を有する放熱部材２を、実装用プリント基板２１上に配された被放熱パターン２２、２３、２４と放熱部材２の放熱部３、４、５を熱的結合および固定手段である接続端子６、７、８で設置する構造を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、パワー回路部品を実装したプリント基板のパターンの温度上昇を軽減することができるパワー回路配線構造に関するものである。

パワー回路部品を実装したプリント基板においては、プリント基板上のパターンに大電流が流れる際に発生するジュール熱およびプリント基板上に実装された電気部品からの熱伝導によりパターンの温度が上昇する。プリント基板上のパターン自体に温度制限（例えば、メーカ標準値１００℃）があるため、パターンを流れる電流値が制限され、このプリント基板を内蔵した制御機器の定格容量が制限される要因となっていた。
近年、省エネ化・高性能化を目的にモータ駆動システム用にトランスファモールド構造のパワー半導体ＤＩＰＩＰＭ（Ｄｕａｌ-Ｉｎ-Ｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）をはじめとするパワー半導体が大容量化され、パワー半導体がプリント基板上に実装されたパワー回路の高電流化が更に進んでいるため、プリント基板上のパターンの温度上昇を軽減する対策の重要性が増している。
従来、プリント基板上のパターンの温度上昇を軽減する対策として、プリント基板のパターン上に放熱部材を設ける方法（特許文献１および非特許文献１参照)および回路部品とパターンがネジ等で電気的に接続する箇所に放熱部材をネジ止めする方法（特許文献２参照)がある。

特開２００７−２５８５３９号公報（３頁、図２） 特開２００７−２１４４１４号公報（３頁、図１）

実開平３−１０４７９３号公報（図１）

従来のパワー回路部品を実装したプリント基板上のパターンの温度上昇を軽減する方法では、プリント基板上に複数の高電圧、大電流の回路が実装されている場合は、複数の放熱部材を取り付ける必要があるが、複数の放熱部材をプリント基板のパターン上に安全な絶縁距離を確保して配置することが難しいという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、パワー回路部品を実装したプリント基板上のパターンの温度上昇を軽減でき、安全な絶縁距離を確保しつつ放熱部を設けたパワー回路配線構造を提供することを目的とする。

この発明に係るパワー回路配線構造は、パワー回路部品を実装する実装用プリント基板と、この実装用プリント基板上に配されたパワー回路部品に接続する被放熱パターンと、電気的に絶縁された複数の放熱部を有する放熱部材と、この放熱部材を実装用プリント基板上の被放熱パターンに熱的に結合すると共に実装用プリント基板に固定する接続部材とを備えたものである。

この発明に係るパワー回路配線構造は、パワー回路部品を実装した実装用プリント基板に、電気的に絶縁された複数の放熱部を有する放熱部材を設置し、実装用プリント基板上に配された被放熱パターンと放熱部を熱的に結合させた構造であるため、高電圧、大電流が流れる複数のパターンの温度上昇の軽減を安全な絶縁距離を確保した複数の放熱部を有する放熱部材で実現できる。

この発明の実施の形態１のパワー回路配線構造の構成を示す斜視図および断面図である。 この発明の実施の形態２のパワー回路配線構造の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３のパワー回路配線構造の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態４のパワー回路配線構造の構成を示す斜視図および断面図である。 この発明の実施の形態５のパワー回路配線構造の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態６のパワー回路配線構造の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態７のパワー回路配線構造の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態８のパワー回路配線構造の構成を示す斜視図および断面図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１におけるパワー回路配線構造１の全体構成を示す図であり、図１ａは斜視図、図１ｂはＡ−Ａ’断面を示す断面図である。
パワー回路配線構造１は、パワー回路部品（図示せず）を実装した実装用プリント基板２１に電気的に絶縁された複数の放熱部である放熱パターン３、４、５を有する放熱部材である放熱用プリント基板２から構成される。放熱用プリント基板２上の放熱パターン３、４、５と実装用プリント基板２１上の被放熱パターン２２、２３、２４とは接続端子６、７、８で熱的に接続されている。この接続端子６、７、８は放熱パターン３、４、５と被放熱パターン２２、２３、２４とを熱的に結合すると共に、放熱用プリント基板２を実装用プリント基板２１に固定する機能も有する。ここで、放熱パターンおよび被放熱パターンの材質は銅箔である。

接続端子６、７、８による熱的結合方法および固定方法を放熱パターン３と被放熱パターン２２と接続端子６を例にして説明する。接続端子６は熱伝導率が高く、固定部材としての機械的強度が必要であるため、縦長の金属板である。放熱用プリント基板２と結合するため接続端子６の上部には、接続端子固定用ボルト（以下、固定用ボルトという）６ａが取り付けられ、下部６ｃは実装用プリント基板２１に固定するため、被放熱パターン２２に設けた固定用穴の形に合わせた形状とされる。図１では、接続端子６の接続端子結合部６ｃを被放熱パターン２２に半田付で結合されている。

以下、パワー回路配線構造の組み立て手順について説明する。
別工程で、放熱用プリント基板２と接続端子６、７、８を固定用ボルト６ａ、７ａ、８ａと接続端子固定用ナット（以下、固定用ナットという）６ｂ、７ｂ、８ｂを用いて固定し、組み立てる。実装用プリント基板２１に回路部品を実装し、組み立てる際は、放熱用プリント基板２と接続端子６、７、８は既に組み上がっている。実装用プリント基板２１をフロー半田付けする時に、その他の部品と一緒に一部品として半田付けされる。

図１において、放熱部材である放熱用プリント基板２に形成された放熱部である放熱パターン数が３の場合を示しているが、放熱パターンの数は２以上であればよく、各放熱パターンの形状も図示した長方形に限定されない。
また、放熱用プリント基板２に形成された放熱パターン３、４、５は片面としたが、両面でも良い。放熱パターン３、４、５が両面の場合は、固定用ボルト６ａ、７ａ、８ａと固定用ナット６ｂ、７ｂ、８ｂを用いて固定すると共に、表面パターンと裏面パターン間を熱的に結合する。
図１では、接続端子６を放熱用プリント基板２に固定する方法として、接続端子固定用ボルト６ａと接続端子固定用ナット６ｂを用いて接続端子６を放熱用プリント基板２に固定するネジ留め方式を説明したが、機械的強度と良好な熱伝導率が得られる固定方法として、半田付やかしめ方式も採用できる。一方、放熱用プリント基板２を実装用プリント基板２１に固定する方法として、接続端子６を被放熱パターン２２、２３、２４に半田付で固定する場合を説明したが、機械的強度と良好な熱伝導率が得られる固定方法として、かしめやネジ留め方式も採用できる。
更に、上記説明では、接続端子６、７、８を金属製とし、固定用および熱的結合用に共用したが、接続端子を非金属製（例えば、合成樹脂製）として固定用のみに使用して、別に熱的結合用の金属で、放熱パターン３、４、５と被放熱パターン２２、２３、２４と熱的に結合しても良い。

この実施の形態１に係るパワー回路配線構造１は、パワー回路部品を実装した実装用プリント基板２１に、電気的に絶縁された２つ以上の放熱部である放熱パターン３、４、５を有する放熱部材である放熱用基板２を設置し、実装用プリント基板２１上に配された被放熱パターン２２、２３、２４と放熱パターン３、４、５を各々熱的に結合させた構造であるため、高電圧、大電流が流れる複数の被放熱パターン２２、２３、２４の温度上昇の軽減が、安全な絶縁距離を確保した複数の放熱部を有する放熱部材で実現できる。

放熱パターン３、４、５には回路電流が流れないため、回路電流による自己発熱はなく、放熱パターン３、４、５の放熱効果を最大限利用できる。
また、この実施の形態１に係るパワー回路配線構造１は、被放熱パターン２２、２３、２４における温度上昇を軽減する効果があるため、従来、プリント基板上のパターンの温度上昇を軽減するために行われていたパターンの厚銅箔化が不要となり、市場に流通している汎用プリント基板を使用できるという効果がある。銅箔パターンの厚銅箔化以外の対策として、銅箔パターンの幅広化も行われているが、銅箔パターンの狭幅化が可能となり、実装用プリント基板を小型化できる効果がある。銅箔パターンの狭幅化により、回路部品のリードの小径化およびリード間ピッチを狭幅化でき、回路部品パッケージを小型化できるという効果もある。

パワ−エレクトロニクス機器（以降、パワエレ機器という）の定格容量は、通常、回路部品およびプリント基板パターンの温度上昇で制限されるため、機器の定格容量を上げるためには回路部品の定格容量の向上とプリント基板パターンの温度上昇の軽減が必要である。近年、高電圧・高電流化対応パワー半導体の実用化が進んでおり、パワエレ機器の定格容量がプリント基板パターンの温度で制限されている場合は、この実施の形態１に係るパワー回路配線構造１を採用することで、パワエレ機器の定格容量を上げることができるという効果がある。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係るパワー回路配線構造３１の全体構成を示す断面図である。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。
放熱用プリント基板３２は、表面および裏面の両面に放熱パターン３３ａと３３ｂを有し、この放熱パターン３３ａと３３ｂ間をスルーホールで熱的に結合している。
図示していないが、放熱用プリント基板３２には、実施の形態１と同様に、複数の放熱パターン３４ａと３４ｂおよび３５ａと３５ｂがあり、それぞれ表面および裏面パターン間がスルーホールで結合されている。
また、放熱用プリント基板３２は、接続端子６（接続端子７、８は図示せず）により、実装用プリント基板２１の被放熱パターン２２に固定されると共に熱的に結合されている。

この実施の形態２に係るパワー回路配線構造３１では、スルーホールが無く接続端子６でのみ放熱用プリント基板の両面を熱的に結合した場合と比べて、放熱用プリント基板３２の両面に形成された放熱パターン３３ａ、３３ｂ間における熱伝導が良くなり、放熱パターンの表面温度が均一化され、放熱性が向上するという効果がある。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係るパワー回路配線構造４１の全体構成を示す断面図である。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。
放熱用プリント基板４２は、両面に放熱パターン４３ａと４３ｂを有すると共に、内層にパターン４３ｄを有している。
図示していないが、放熱用プリント基板４２には、実施の形態１と同様に、複数の放熱パターン４４ａと４４ｂおよび４５ａと４５ｂがある。
また、放熱用プリント基板４２は、接続端子６（接続端子７、８は図示せず）により、実装用プリント基板２１の被放熱パターン２２、２３、２４に固定されると共に熱的に結合されている。
放熱用プリント基板４２の内層パターンは、放熱パターン４３ａと４３ｂ、４４ａと４４ｂおよび４５ａと４５ｂのそれぞれ別に設けてもよいし、共通に内層パターンを１枚としてもよい。

この実施の形態３に係るパワー回路配線構造４１では、放熱用プリント基板４２の熱伝導が良くなり、放熱パターン４３ａ、４３ｂの表面温度が均一化され、放熱性が向上するという効果がある。
また、放熱用プリント基板４２に内層パターン４３ｄを有していることにより、実施の形態１のパワー回路配線構造の組立手順で説明したフロー半田付けを実施する際、放熱用プリント基板４２に発生する基板の反りが軽減されるという効果がある。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係るパワー回路配線構造５１の全体構成を示す図であり、図４ａは斜視図、図４ｂはＡ−Ａ’断面を示す断面図、図４ｃはＢ−Ｂ’断面を示す断面図である。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。
パワー回路配線構造５１においては、実施の形態１と同様に接続端子６、８は放熱パターン３、５と被放熱パターン２２、２４とを熱的に結合すると共に、放熱用プリント基板２を実装用プリント基板２１に固定する機能も有する。接続端子９は放熱パターン４と被放熱パターン２３とを熱的に結合すると共に、放熱用プリント基板２を実装用プリント基板２１に固定する機能も有するが、接続端子９の形状は縦長の平面板ではなく、実装用プリント基板２１に対して水平部分を持つ階段形状としている。
接続端子９を階段形状としているので、接続端子６、９、８を実装用プリント基板２１の被放熱パターン２２、２３、２４に固定する位置は直線状ではなく、千鳥状となる。

この実施の形態４に係るパワー回路配線構造５１では、接続端子６、９、８を実装用プリント基板２１に固定する位置が千鳥状となるため、放熱用プリント基板２の自立安定性が向上すると共に、実施の形態１で説明したフロー半田付けを実施する際に放熱用プリント基板２を固定する治具が不要となり、半田付け作業が容易となる効果がある。

実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５に係るパワー回路配線構造６１の全体構成を示す断面図である。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。
パワー回路部品である発熱部品６２と非発熱部品６３が実装用プリント基板に実装されており、この発熱部品６２と非発熱部品６３の間に放熱用プリント基板２が接続端子６（接続端子７、８は図示せず）で固定されている。

この実施の形態５に係るパワー回路配線構造６１では、放熱用プリント基板２を発熱部品６２と自己発熱のない非発熱部品６３の間に配置したので、発熱部品６２から非発熱部品６３への輻射熱の影響を抑えることができ、非発熱部品６３が受ける熱ストレスを軽減できるという効果がある。例えば、使用温度が高いと部品寿命が短くなる電解コンデンサなどは、熱ストレスを軽減することでパワエレ機器の高寿命化が図れる。

実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６に係るパワー回路配線構造７１の全体構成を示す断面図である。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。
パワー回路部品７２のリード端子７２ａを実装用プリント基板上の被放熱パターン２２に半田付けする位置は、放熱用プリント基板２を固定する接続端子６の接続端子結合部６ｃの半田付け位置の近傍に設けている。

この実施の形態６に係るパワー回路配線構造７１では、パワー回路部品７２のリード端子７２ａを半田付けする際、接続端子結合部６ｃが、パワー回路部品７２のリード端子７２ａの近傍に設けられるため、半田付け時のリード端子７２ａ近傍の銅箔パターンが、リード端子７２ａのみの場合と比べ、広範囲に均一に加熱されることから、半田付け性が向上するという効果がある。

実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７に係るパワー回路配線構造８１の全体構成を示す断面図である。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。
ノイズ発生部品８２とノイズ耐量の低い回路部品の具体例として半導体集積回路８３が実装用プリント基板８７に実装されており、このノイズ発生部品８２と半導体集積回路８３間に放熱用プリント基板２が接続端子６（接続端子７、８は図示せず）で固定されている。

パワー回路部品が大電流をスイッチングするパワーモジュールの場合、スイッチング動作時、周辺回路部品へノイズを放射するが、同じプリント基板上にノイズの影響を受けやすい半導体集積回路が実装されている場合は、ノイズ低減対策が必要である。

この実施の形態７に係るパワー回路配線構造８１では、放熱用プリント基板２をノイズ発生部品８２と半導体集積回路８３の間に配置して、放射ノイズをシールドすることで、ノイズ発生部品８２から半導体集積回路８３へのノイズの影響を軽減できるという効果がある。

実施の形態８．
図８はこの発明の実施の形態８におけるパワー回路配線構造９１の全体構成を示す図であり、図８ａは斜視図、図８ｂはＡ−Ａ’断面を示す断面図、図８ｃはＢ−Ｂ’断面を示す断面図である。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。

放熱用プリント基板９２は、片面に放熱パターン９３を有し、対向する面に放熱パターン９４を有している。放熱パターン９３は金属製接続端子９５により、実装用プリント上の被放熱パターン９８に電気的に接続されると共に、熱的に結合されている。また、放熱パターン９４は金属製接続端子９６により、実装用プリント上の被放熱パターン９９に電気的に接続されると共に、熱的に結合されている。放熱パターン９３および９４は、それぞれ右端下部をカットしているため、対向している接続端子および固定用ボルト、ナットには接触せず、互いに電気的に絶縁が保たれている。
以上説明したように、放熱パターン９３および９４は絶縁物であるエポキシ樹脂製のプリント基板を挟んで対向し、かつ電気的に絶縁されているため、コンデンサを形成する。ここで、被放熱パターン９８および９９は、電力変換回路のインバータ部もしくはコンバータ部を構成するパワーモジュールの電源母線に相当するパターンである。

この実施の形態７に係るパワー回路配線構造９１では、放熱用プリント基板９２の両面に互いに絶縁された放熱パターン９３および９４を設けて、コンデンサを形成することで、パワーモジュールの電源母線パターンの温度上昇を軽減すると共に、パワーモジュールがスイッチング動作する際の過渡的な母線電圧変動を抑制するという効果がある。

１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１ パワー回路配線構造、
２，３２，４２，９２ 放熱用プリント基板、
３，４，５，３３ａ，３３ｂ，４３ａ，４３ｂ，９３，９４ 放熱パターン、
６，７，８，９５，９６ 接続端子、９ 階段状接続端子、
６ａ 接続端子固定用ボルト、６ｂ 接続端子固定用ナット、６ｃ 接続端子結合部、
２１，６７，７７，８７，９７ 実装用プリント基板、
２２，２３，２４，９８，９９ 被放熱パターン、３３ｃ スルーホール、
４３ｄ 内層パターン、６２ 発熱部品、６３ 非発熱部品、７２ パワー回路部品、
７２ａ パワー回路部品リード線、８２ ノイズ発生部品、８３ 半導体集積回路。

Claims (9)

1. パワー回路部品を実装する実装用プリント基板と、この実装用プリント基板上に配され前記パワー回路部品に接続する被放熱パターンと、電気的に絶縁された複数の放熱部を有する放熱部材と、この放熱部材を前記被放熱パターンに熱的に結合すると共に前記実装用プリント基板に固定する接続部材とを備えたパワー回路配線構造。
2. 放熱部材は放熱用プリント基板であり、放熱部は放熱パターンである請求項１に記載のパワー回路配線構造。
3. 放熱用プリント基板の両面に設けられた放熱パターンをスルーホールで接続した請求項２に記載のパワー回路配線構造。
4. 放熱用プリント基板の内層にパターンが形成されている請求項２に記載のパワー回路配線構造。
5. 複数の接続部材と実装用プリント基板との結合位置を千鳥状に形成した請求項２に記載のパワー回路配線構造。
6. 実装用プリント基板は非発熱部品を更に実装し、前記放熱用プリント基板は前記パワー回路部品と非発熱部品間に配置した請求項２から請求項５のいずれか1項に記載のパワー回路配線構造。
7. 実装用プリント基板のパターン上に前記放熱用プリント基板を半田付けする位置とパワー回路部品の半田付け位置を近傍に配置した請求項２から請求項５のいずれか1項に記載のパワー回路配線構造。
8. 前記放熱用プリント基板を前記実装用プリント基板に実装したノイズ発生部品とノイズ耐量の低い回路部品間に配置した請求項２から請求項５のいずれか1項に記載のパワー回路配線構造。
9. 前記放熱用プリント基板の両面に異電圧の放熱パターンを対向して配置し、コンデンサを形成した請求項２に記載のパワー回路配線構造。

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