JP2013138122A - 基板取り付け治具及び基板取り付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のリードピンが立設するデバイスに、リードピンを通す孔を有する基板を取り付けるに適した技術を提供する。
【解決手段】本明細書は、複数のリードピン孔を有する基板を、複数のリードピン１６が立設しているデバイス（半導体モジュール１０）に組み付けるための治具と、基板の取り付け方法を開示する。治具は、少なくとも２本のテーパガイドロッド４０を備える。テーパガイドロッド４０は、リードピン１６が伸びる方向と平行になるように半導体モジュール１０の周囲に立設される先細り状の棒部材である。テーパガイドロッド４０は、基板２０に設けられたガイド孔２４を通すことによって、リードピン１６に向かっての基板２０の降下を案内する。テーパガイドロッド４０は、テーパガイドロッド４０に係止した基板２０を半導体モジュール１０に向けて押し下げる押し下げ機構を備えている。
【選択図】図４

Description

本明細書が開示する技術は、複数のリードピン孔を有する基板を、複数のリードピンが立設しているデバイスに組み付けるための治具と、基板の取り付け方法に関する。

生産性、あるいは基板交換の容易さを向上させるため、電子回路を実装した基板を効率よく取り付ける様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１乃至３）。特許文献１には、ビスなどの固定手段によらずに基板をケースに固定する技術が開示されている。特許文献２には、薄型携帯機器に適した基板取付治具が開示されている。特許文献３には、基板を取り付ける際のネジとスペーサを工夫した取り付け構造が開示されている。

特開２０１１−１１９３３２号公報 特開２００６−０５９８３６号公報 特開２００７−２８７８２６号公報

電気自動車用やハイブリッド自動車用等のインバータなどでは、発熱の大きい素子とそれ以外の素子を分けて実装し、後で接続する構成が採用されることがある。発熱の大きい素子は平型のパッケージに実装され、平型の冷却プレートと積層した半導体モジュールを構成する。それ以外の回路は基板に実装し、その基板を半導体モジュールに取り付ける。半導体モジュールが多数の素子を実装している場合、半導体モジュールには多数のリードピンが立設することになる。基板上の回路と半導体モジュール内の素子を電気的に接続するため、半導体モジュールからは多数の電極（リードピン）が出ており、他方、基板にはリードピンを受け入れる多数の孔が設けられる。基板を半導体モジュールに組み付ける際には、多数のリードピンを多数の孔に一度に通さなければならない。産業用ロボット等の機械を使うことができる場合は基板の正確なハンドリングが期待できるが、車両のメンテナンス時などは人手で基板を交換しなければならない。本明細書は、そのような多数のリードピンが立設するデバイスにリードピンを通す孔を有する基板を取り付けるのに適した技術を提供する。特に、人手によってそのような基板を取り付ける場合に、基板の正確なハンドリングが行え、基板の取り付けを容易にする技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、一つには、複数のリードピン孔を有する基板を、複数のリードピンが立設しているデバイスに組み付けるための治具に具現化することができる。その治具は、少なくとも２本テーパガイドロッドと、テーパガイドロッドに設けられた押し下げ機構を備えている。テーパガイドロッドは、先細りの棒部材である。テーパガイドロッドは、リードピンが伸びる方向と平行になるようにデバイスの周囲に取り付けられる。基板にはガイド孔が設けられており、そのガイド孔にテーパガイドロッドを通すことによって、リードピンに向かっての基板の降下を案内する。押し下げ機構は、テーパガイドロッドに案内された基板をデバイスに向けて押し下げる機構である。

上記の治具は、テーパガイドロッドが基板の水平方向の位置を規制しつつ、基板をリードピンに対して真っすぐに降下させることができる。それゆえ、基板が有する多数のリードピン孔の夫々にリードピンを通すのに適している。さらに、基板が目的の位置まで降下しなかった場合には、押し下げ機構によって基板を押し下げることができる。即ち、基板をデバイスにしっかりと取り付けることができる。なお、好ましくは、矩形の基板の４隅に相当する位置に４本のテーパガイドロッドが取り付けられると、基板の案内がよりスムーズになる。

押し下げ機構の一例は、テーパガイドロッドの側面から伸退する爪である。その爪は、同じ向きに傾斜している傾斜上面と傾斜下面を有しており、テーパガイドロッド内を通るボルトの先端が傾斜上面と当接している。ボルトを降下させるとボルト先端によって爪の傾斜上面が押され、爪がテーパガイドロッドから水平方向に押し出され、傾斜下面が基板のエッジに当接して基板を押し下げる。爪はさらに、弾性部材を介してテーパーガイドロッドに接続し、弾性部材は爪をテーパーガイドロッド内へ引き込む方向に弾性力を有することが好ましい。

上記の押し下げ機構は、ボルトを回転させると爪が基板を押し下げる構造を有しているので、トルク調整が容易である。また、爪がバネによってテーパガイドロッド内に引っ込むように構成されていれば、治具の着脱の作業性が向上する。

本明細書が開示する技術は、また、複数のリードピン孔を有する基板を、複数のリードピンが立設しているデバイスに組み付ける方法に具現化することもできる。その方法は、次の３つの工程を備える。
（１）少なくとも２本の先細り状のテーパガイドロッドを、リードピンが伸びる方向と平行にデバイスの周囲に立設する工程。
（２）基板に設けられたガイド孔をテーパガイドロッドに挿通し、テーパガイドロッドに沿って基板をリードピンに向けて降下させる工程。
（３）テーパガイドロッドに設けられた爪によって基板を押し下げ、基板をリードピンに向けて押圧する工程。

複数のリードピンが立設しているデバイスに組み付ける方法は、あるいは、次の工程によって実現されてもよい。
（ａ）基板の上に、基板を貫通したリードピンと嵌合するコネクタを取り付ける工程。
（ｂ）コネクタを取り付けた上から、静電気除去プレートに設けられたガイド孔をテーパーガイドロッドに挿通し、テーパーガイドロッドに沿って静電気除去プレートをコネクタに向かって降下させる工程。
（ｃ）テーパーガイドロッドに設けられた爪によって静電気除去プレートを押し下げる工程。

なお、基板を静電気から保護するため、基板の上に基板を通過したリードピンを止めるコネクタが配置され、当該コネクタの上に静電気除去プレートが配置されていてもよい。

本明細書が開示する技術の詳細およびさらなる改良は、実施例の説明において詳細に述べる。

インバータの斜視図である（基板を分解した状態）。 インバータの斜視図である（基板を取り付けた状態）。 インバータケースにガイドロッドを取り付けた様子を示す図である。 ガイドロッドに基板を通した様子を示す図である。 ガイドロッドの断面図である（爪が引き込まれた状態）。 ガイドロッドの断面図である（爪が突出した状態）。 静電気除去プレートを付して基板を取り付ける様子を示す図である。

実施例では、インバータのケース内にて基板を半導体モジュールに取り付けるための治具（基板組み付け治具）と、その治具を用いた基板組み付け方法を説明する。半導体モジュールが電子デバイスの一例である。まず、図１と図２を参照してインバータ９０を説明する。

インバータ９０は、電気自動車用やハイブリッド自動車用等であり、バッテリの直流電力を交流電力に変換して駆動用モータに供給するための電力変換装置である。インバータ９０は、そのケース２内に、リアクトル３、大容量コンデンサ４、半導体モジュール１０、及び、基板２０を収容する。インバータ９０は、直流を交流に変換するスイッチング回路だけでなく、バッテリの電圧を昇圧したり、モータによって発電された電力を降圧したりする昇降圧コンバータも備える。リアクトル３は、その昇降圧コンバータのための電子部品である。大容量コンデンサ４は、電流を平滑化するために備えられている。電気自動車の車輪駆動用のモータには大電流を供給する必要があるため、コンデンサ４も大容量である。直流を交流に変換する回路と昇降圧コンバータの回路は、基板２０に実装された電子部品と、半導体モジュール１０に収納された半導体素子で構成される。なお、図では、基板２０は単純な板として描かれており、基板上に実装される個々の電子部品の図示は省略している。また、図を見易くするために、図２では、基板２０に隠れた半導体モジュール１０の一部の図示を省略している。

直流を交流に変換する回路と昇降圧コンバータのうち、ＩＧＢＴなどのパワートランジスタとダイオードを主たる回路とするいわゆるスイッチング回路は半導体モジュール１０に実装され、その他の回路部品は基板２０に実装される。スイッチング回路を構成するパワートランジスタとダイオードは他の電子部品に比べて発熱量が大きく、そのため、冷却器と一体となった半導体モジュール１０に実装される。半導体モジュール１０は、パワー素子（パワートランジスタとダイオード）を収めた平板型の半導体カード１４と冷却プレート１２を交互に積層したものである。冷却プレート１２内には冷媒が通っている。半導体カード１４は、その両側の冷却プレート１２によって冷却される。一つの半導体カード１４には複数のパワートランジスタとダイオードが内蔵されている。それゆえ、一つの半導体カード１４から、複数の電極（リードピン１６）が伸びている。さらに、半導体モジュール１０は複数の半導体カード１４を積層しているので、半導体モジュール全体として、多数のリードピン１６が伸びている。他方、半導体モジュール１０内のパワートランジスタを駆動する信号は、基板２０に実装された回路が生成する。それゆえ、半導体モジュール１０から伸びている多数のリードピン１６を基板２０と接続する必要がある。そのため、基板２０には、多数のリードピン１６に対してリードピン孔２２が設けられている。基板２０を半導体モジュール１０に組み付ける際、多数のリードピン１６は、リードピン孔２２に通され、その上にコネクタ２８が取り付けられる。なお、コネクタ２８にもリードピン孔２９が設けられており、リードピン１６が通される。コネクタの形状は、図では一体となっているが、適宜必要な単位に分割して取り付けられるものであってもよい。なお、符号５はケース２に設けられたボルト孔を示しており、符号２５は基板２０に設けられた固定孔を示している。ボルト２６を固定孔２５に通しボルト孔５にねじ込み、基板２０が固定される。

符号２４が示す孔は、基板２０取り付け治具を通すための貫通孔（ガイド孔）である。図１と図２に示されているように、インバータ９０では基板２０を取り付ける際、多数のリードピン１６を同時に基板２０のリードピン孔２２に通す必要がある。工場での組み立て時はロボットなどを使い、基板２０を半導体モジュール１０に取り付けることができる。しかし、車両のメンテナンス時に基板２０を交換する場合などは、人手で基板２０を交換しなければならない。多数のリードピン１６をリードピン孔２２に通しつつ、基板２０を半導体モジュール１０に取り付けるための治具を以下説明する。基板取り付け治具は、４本のテーパガイドロッド４０と、その内部に組み込まれた押し下げ機構で構成される。

テーパガイドロッド４０は、先端に行くほど直径が小さくなっている棒状の部材である。図３は、インバータ９０のケース２の四隅にテーパガイドロッド４０を取り付けた状態を示す。テーパガイドロッド４０は、リードピン１６が伸びる方向と平行になるように半導体モジュール１０の周囲に取り付けられる。４本のテーパガイドロッド４０のレイアウトは、ちょうど、基板２０の四隅に設けられたガイド孔２４の配置と同じである。なお、ケース２の底面には、予めテーパガイドロッド４０を取り付ける孔が設けられており、テーパガイドロッド４０は、ケースの裏側から、細くなっている先端を先にしてその孔に通される。

図５、図６を用いて後述するように、テーパガイドロッド４０の先端からは、ボルトの頭が飛び出ているのであるが、図３、図４ではそのボルトは図示を省略している。

テーパガイドロッド４０を取り付けた後、基板２０のガイド孔２４にテーパガイドロッド４０を通す（図４参照）。なお、基板２０には、予めコネクタ２８を取り付けておく。コネクタ２８は、基板２０上のリードピン孔２２とコネクタ２８上のリードピン孔２９が一致するように、取り付けられる。

ガイド孔２４にテーパガイドロッド４０を通した後、基板２０を半導体モジュール１０に向けて降下させる。基板２０は、テーパガイドロッド４０に案内され、水平方向の位置が拘束されつつ降下する。それゆえ、基板２０のリードピン孔２２、及び、コネクタ２８のリードピン孔２９にリードピン１６がスムーズに通る。基板２０に設けられたガイド孔２４の直径は、ちょうど、基板２０が予定された固定位置（即ち、基板２０が半導体モジュール１０に接する位置）に到達したときに、テーパガイドロッド４０の直径と同じとなるように調整されている。しなしながら、そのため、僅かでも傾くと、基板２０は予定された固定位置まで達せず、テーパガイドロッド４０に引っ掛かり途中で止まってしまうことがある。そこで、テーパガイドロッド４０には、基板２０を半導体モジュール１０へ向けて押し下げる押し下げ機構が設けられている。

図５と図６は、テーパガイドロッド４０の長手方向の断面図を示す。押し下げ機構は、ボルト４１、爪４２、及び、バネ４４で構成される。テーパガイドロッド４０の内部にはボルト４１が通っており、その頭はテーパガイドロッド４０の先端に露出している。テーパガイドロッド４０の内部は一部に空洞が設けられており、ボルト４１の先端はその空洞に達している。その空洞には、爪４２とバネ４４が備えられている。爪４２は、同じ向きに傾斜している傾斜上面４２ａと傾斜下面４２ｂを有する。爪４２は、その傾斜下面４２ｂが、下端から上端に向かって、空洞からみて外側に張り出すように配置されている。傾斜上面４２ａにボルト４１の下端が当接している。爪４２は、バネ４４を介して空洞内壁に係止されている。爪４２の下面は空洞の底面に接しており、爪４１は上下方向には移動しない。ボルト４１をねじ込むと、ボルト４１の下端が爪４２の傾斜上面４２ａを押し、それによって爪４２がテーパガイドロッド４０から水平方向に押し出される。そうすると、図６に示すように、爪４２の傾斜下面４２ｂが基板２０のエッジに当接しつつ、基板２０を押し下げる。４本のテーパガイドロッド４０のうち、少なくとも対角に位置する２本のテーパガイドロッドには上記の押し下げ機構が備えられており、その少なくとも２個の押し下げ機構を同時に（あるいは交互に）用いることで基板２０を平行に押し下げることができる。こうして、基板２０を、予定された固定位置までしっかりと押し下げることができる。

基板２０を予定の固定位置まで押し下げたのち、ボルト２６を使って基板２０をケース２に固定する。基板２０を固定した後、ボルト４１を緩めると、爪４２は、バネ４４の復元力によって、テーパガイドロッド４０の内部に後退する。最後に、４本のテーパガイドロッド４０をケース２の裏側から抜き取り、基板２０の取り付け作業が終了する。静電気除去プレート（後述）も基板と同様に、押し下げる力と位置を調節することができる。そのため、静電気除去プレートによってコネクタを基板に押し付ける力も調節することが可能となる。

図７に、実施例の基板取り付け方法の変形例を示す。この変形例では、基板２０の上にコネクタ２８が固定され、さらにその上に静電気除去プレート３１が載せられている。この方法では、まず、基板２０の上に、基板２０を貫通したリードピン１６と嵌合するコネクタ２８を取り付ける。次いで、コネクタ２８を取り付けた上から、静電気除去プレート３１に設けられたガイド孔をテーパーガイドロッド４０に挿通し、テーパーガイドロッド４０に沿って静電気除去プレート３１をコネクタ２８に向かって降下させる。最後に、テーパーガイドロッド４０に設けられた爪によって静電気除去プレート３１を押し下げる。この変形例では、コネクタ２８を基板２０と静電気除去プレート３１で挟んだまま、基板取り付け治具を使って半導体モジュール１０に取り付ける。静電気除去プレート３１は、リードピン１６が基板２０のリードピン孔２２やコネクタ２８のリードピン孔２９を通す際に発生する静電気を除去し、回路を静電気から保護する。

実施例の技術に関する留意点を述べる。実施例の基板取り付け治具（取り付け方法）は、テーパガイドロッド４０を採用し、水平方向（リードピン１６と交差する方向）の位置を拘束しながら基板２０を半導体モジュール１０へと近づけることができる。それゆえ、多数のリードピン１６をリードピン孔２２、２９に通しながら基板２０を取り付けることが容易に実施できる。また、テーパガイドロッド４０は基板押し下げ機構を有しており、これにより基板２０を予定の位置まで確実に降下させることができる。基板押し下げ機構によれば、ボルト４１の回転に応じて爪４２が基板２０を押し下げる。それゆえ、ボルト４１を回転させるトルクを適宜に設定することによって、基板を押し下げる力を調整することができる。また、基板押し下げ機構の採用により、基板２０を予定の位置まで降下させるのに基板２０を直接に手で触れる必要がないことも利点である。

実施例の基板取り付け治具は４本のテーパガイドロッド４０を備えているが、テーパガイドロッドの数は４本に限られない。少なくとも２本のテーパガイドロッドがあればよい。２本のテーパガイドロッドがあれば、基板２０の水平方向の位置を拘束することができるからである。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ケース
３：リアクトル
４：大容量コンデンサ
５：ボルト孔
１０：半導体モジュール
１２：冷却プレート
１４：半導体カード
１６：リードピン
２０：基板
２２：リードピン孔
２４：ガイド孔
２５：固定孔
２６：ボルト
２８：コネクタ
２９：リードピン孔
３１：静電気除去プレート
４０：テーパガイドロッド
４１：ボルト
４２：爪
４２ａ：傾斜上面
４２ｂ：傾斜下面
４４：バネ
９０：インバータ

Claims (7)

1. 複数のリードピン孔を有する基板を、複数のリードピンが立設しているデバイスに組み付けるための治具であり、
   前記リードピンが伸びる方向と平行になるようにデバイスの周囲に取り付けられる先細り状のテーパガイドロッドであり、基板に設けられたガイド孔をテーパガイドロッドに通すことによって、リードピンに向かっての基板の降下を案内する少なくとも２本のテーパガイドロッドと、
   テーパガイドロッドに設けられており、テーパガイドロッドに案内された基板をデバイスに向けて押し下げる押し下げ機構と、
   を備えていることを特徴とする基板組み付け治具。
2. 前記押し下げ機構は、テーパガイドロッドの側面から伸退する爪であることを特徴とする請求項１に記載の基板組み付け治具。
3. 前記爪は、
   同じ向きに傾斜している傾斜上面と傾斜下面を有しており、
   テーパガイドロッド内を通るボルトの先端が傾斜上面と当接しており、
   ボルトを降下させるとボルト先端によって傾斜上面が押され、爪がテーパガイドロッドから水平方向に押し出され、傾斜下面が基板のエッジに当接して基板を押し下げる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の基板組み付け治具。
4. 爪はさらに、弾性部材を介してテーパーガイドロッドに接続し、弾性部材は爪をテーパーガイドロッド内へ引き込む方向に弾性力を有する請求項３に記載の基板組み付け治具。
5. 前記基板の４隅に相当する位置に４本のテーパガイドロッドが取り付けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の基板組み付け治具。
6. 複数のリードピン孔を有する基板を、複数のリードピンが立設しているデバイスに組み付ける方法であり、
   少なくとも２本の先細り状のテーパガイドロッドを、前記リードピンが伸びる方向と平行になるようにデバイスの周囲に立設する工程と、
   基板に設けられたガイド孔をテーパガイドロッドに挿通し、テーパガイドロッドに沿って基板をリードピンに向けて降下させる工程と、
   テーパーガイドロッドに設けられた爪によって基板を押し下げる工程と、
   を備えることを特徴とする基板組み付け方法。
7. 基板の上に、基板を貫通したリードピンと嵌合するコネクタを取り付ける工程と、
   コネクタを取り付けた上から、静電気除去プレートに設けられたガイド孔をテーパーガイドロッドに挿通し、テーパーガイドロッドに沿って静電気除去プレートをコネクタに向かって降下させる工程と、
   テーパーガイドロッドに設けられた爪によって静電気除去プレートを押し下げる工程と、
   を備えることを特徴とする基板組み付け方法。

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