JP2014123606A - 電源装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミックコンデンサの短絡故障が発生した場合に、当該セラミックコンデンサに電流が流れ続けることを防止する。
【解決手段】一実施形態による電源装置１は、表面に配線パターン２ｃが設けられた実装基板２と、各々が配線パターン２ｃに電気的に接続された基部３ａ及びこの基部３ａから延在する端子部３ｂを有し、端子部３ｂ同士が対向するように配設された一対の端子部材３，３と、電極４ａが端子部３ｂに電気的に接続され、実装基板２の表面から所定の高さに位置するように一対の端子部材３，３に挟持されたセラミックコンデンサ４と、端子部材３の端子部３ｂのうち基部３ａからセラミックコンデンサ４の下端までの接続部３ｂ１を少なくとも封止するゲル状またはゴム状の軟質樹脂部５と、セラミックコンデンサ４および端子部材３を実装基板２に実装された他の電子部品７とともに一括して封止する、軟質樹脂部５よりも硬い硬質樹脂部６とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】一実施形態による電源装置１は、表面に配線パターン２ｃが設けられた実装基板２と、各々が配線パターン２ｃに電気的に接続された基部３ａ及びこの基部３ａから延在する端子部３ｂを有し、端子部３ｂ同士が対向するように配設された一対の端子部材３，３と、電極４ａが端子部３ｂに電気的に接続され、実装基板２の表面から所定の高さに位置するように一対の端子部材３，３に挟持されたセラミックコンデンサ４と、端子部材３の端子部３ｂのうち基部３ａからセラミックコンデンサ４の下端までの接続部３ｂ１を少なくとも封止するゲル状またはゴム状の軟質樹脂部５と、セラミックコンデンサ４および端子部材３を実装基板２に実装された他の電子部品７とともに一括して封止する、軟質樹脂部５よりも硬い硬質樹脂部６とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、電源装置、より詳しくは、実装基板上の電子部品が硬質樹脂で封止されたスイッチング電源装置、およびその製造方法に関する。
従来、例えば車載用の電源装置においては、基板上に実装された各種の電子部品および端子類は、エポキシ樹脂などの硬質樹脂で全体を一括して封止されている。
ところで、基板に実装される電子部品の一つとして、スイッチングコンバータの入力端子間や出力端子間に設けられる平滑コンデンサがある。この平滑コンデンサについては、周波数特性、容量およびサイズ等の観点から、電解コンデンサやフィルムコンデンサよりも、セラミックコンデンサを用いることが望ましい。
なお、特許文献１には、チップやアルミ線を保護するためのゲル状封止樹脂と、その上に充填し硬化された硬化封止樹脂とを備える半導体装置が開示されている。
前述のようにセラミックコンデンサは、周波数特性、容量およびサイズ等において優れている。しかしながら、従来、電源装置の入出力部のような大電流が流れる部分にセラミックコンデンサを用いることは困難であった。
仮にセラミックコンデンサを電源装置の平滑コンデンサとして用いた場合、短絡故障（ショートモード）が発生すると、電源装置の動作不良等が発生してしまう。より詳しくは、セラミックコンデンサに短絡故障が発生した場合、セラミックコンデンサの周囲がエポキシ樹脂等の硬質樹脂で覆われているため、過電流が流れても端子部材等の配線は断線せず、大電流が流れ続ける可能性があった。このため、従来、周波数特性、容量およびサイズ等に優れるセラミックコンデンサを電源装置の平滑コンデンサとして用いることができなかった。
そこで、本発明は、セラミックコンデンサの短絡故障が発生した場合であっても、当該セラミックコンデンサに電流が流れ続けることを防止することが可能な電源装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る電源装置は、
表面に配線パターンが設けられた実装基板と、
各々が前記配線パターンに電気的に接続された基部と、前記基部から延在する端子部とを有し、前記端子部同士が対向するように配設された一対の端子部材と、
電極が前記端子部に電気的に接続され、前記実装基板の表面から所定の高さに位置するように前記一対の端子部材に挟持されたセラミックコンデンサと、
前記端子部材の端子部のうち前記基部から前記セラミックコンデンサの下端までの接続部を少なくとも封止するゲル状またはゴム状の軟質樹脂部と、
前記セラミックコンデンサおよび前記端子部材を前記実装基板に実装された他の電子部品とともに一括して封止する、前記軟質樹脂部よりも硬い硬質樹脂部と、
を備えることを特徴とする。
表面に配線パターンが設けられた実装基板と、
各々が前記配線パターンに電気的に接続された基部と、前記基部から延在する端子部とを有し、前記端子部同士が対向するように配設された一対の端子部材と、
電極が前記端子部に電気的に接続され、前記実装基板の表面から所定の高さに位置するように前記一対の端子部材に挟持されたセラミックコンデンサと、
前記端子部材の端子部のうち前記基部から前記セラミックコンデンサの下端までの接続部を少なくとも封止するゲル状またはゴム状の軟質樹脂部と、
前記セラミックコンデンサおよび前記端子部材を前記実装基板に実装された他の電子部品とともに一括して封止する、前記軟質樹脂部よりも硬い硬質樹脂部と、
を備えることを特徴とする。
また、前記電源装置において、
前記軟質樹脂部は、前記端子部材および前記セラミックコンデンサを封止するようにしてもよい。
前記軟質樹脂部は、前記端子部材および前記セラミックコンデンサを封止するようにしてもよい。
また、前記電源装置において、
前記軟質樹脂部は、シリコンゲルを硬化させたもの、またはシリコン系のコーティング剤を塗布したものであってもよい。
前記軟質樹脂部は、シリコンゲルを硬化させたもの、またはシリコン系のコーティング剤を塗布したものであってもよい。
また、前記電源装置において、
前記実装基板は、金属からなる基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた前記配線パターンとを有してもよい。
前記実装基板は、金属からなる基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた前記配線パターンとを有してもよい。
本発明の一態様に係る電源装置の製造方法は、
基部と、前記基部から延在する端子部とを有する一対の端子部材を用意する工程と、
表面に配線パターンが設けられた実装基板を用意する工程と、
前記端子部材の基部が前記実装基板の配線パターンに電気的に接続し、かつ前記端子部同士が対向するように、前記一対の端子部材を前記実装基板上に固定する工程と、
電極が前記端子部に電気的に接続され且つ前記実装基板の表面から所定の高さに位置するように、セラミックコンデンサを前記一対の端子部材に固定する工程と、
少なくとも前記セラミックコンデンサの下端まで前記端子部材の端子部をゲル状またはゴム状の軟質樹脂で封止する工程と、
前記端子部材および前記セラミックコンデンサを、前記実装基板に実装された他の電子部品とともに、前記軟質樹脂よりも硬い硬質樹脂で一括して封止する工程と、
を備えることを特徴とする。
基部と、前記基部から延在する端子部とを有する一対の端子部材を用意する工程と、
表面に配線パターンが設けられた実装基板を用意する工程と、
前記端子部材の基部が前記実装基板の配線パターンに電気的に接続し、かつ前記端子部同士が対向するように、前記一対の端子部材を前記実装基板上に固定する工程と、
電極が前記端子部に電気的に接続され且つ前記実装基板の表面から所定の高さに位置するように、セラミックコンデンサを前記一対の端子部材に固定する工程と、
少なくとも前記セラミックコンデンサの下端まで前記端子部材の端子部をゲル状またはゴム状の軟質樹脂で封止する工程と、
前記端子部材および前記セラミックコンデンサを、前記実装基板に実装された他の電子部品とともに、前記軟質樹脂よりも硬い硬質樹脂で一括して封止する工程と、
を備えることを特徴とする。
また、前記電源装置の製造方法において、
前記軟質樹脂による封止工程では、ポッティング法により液状のシリコンゲルを滴下した後に硬化処理を施すことによりゲル状の樹脂を形成してもよい。
前記軟質樹脂による封止工程では、ポッティング法により液状のシリコンゲルを滴下した後に硬化処理を施すことによりゲル状の樹脂を形成してもよい。
また、前記電源装置の製造方法において、
前記軟質樹脂による封止工程では、シリコン系のコーティング剤を塗布することによりゴム状の樹脂を形成してもよい。
前記軟質樹脂による封止工程では、シリコン系のコーティング剤を塗布することによりゴム状の樹脂を形成してもよい。
本発明の一態様に係る電源装置では、端子部材のうち少なくとも接続部はゲル状またはゴム状の軟質樹脂で囲われているため、セラミックコンデンサが短絡故障した際に端子部の接続部は短絡に伴う過電流により首尾良く断線する。
その結果、本発明によれば、セラミックコンデンサの短絡故障が発生した場合であっても、当該セラミックコンデンサに電流が流れ続けることを防止することができる。
また、セラミックコンデンサを用いることが可能になるため、従来よりも小型の電源装置を提供することができる。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
（電源装置）
図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置１の一部断面図を示している。なお、図１において、セラミックコンデンサ４、電子部品７およびバスバー８については断面図ではなく側面図として表示している（後述の図２も同様）。
図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置１の一部断面図を示している。なお、図１において、セラミックコンデンサ４、電子部品７およびバスバー８については断面図ではなく側面図として表示している（後述の図２も同様）。
図１に示すように、本実施形態に係る電源装置１は、実装基板２と、一対の端子部材３，３と、セラミックコンデンサ４と、ゲル状またはゴム状の軟質樹脂部５と、軟質樹脂部５よりも硬い硬質樹脂部６とを備えている。実装基板２上には、セラミックコンデンサ４、電子部品７およびバスバー８などが実装されている。なお、電源装置１は、例えば、非絶縁型の昇降圧可能な双方向コンバータであるが、これに限るものではない。電源装置１の入力端子には、例えば、大容量のバッテリが接続される。
電源装置１の各構成要素の詳細について以下に説明する。
実装基板２は、表面に配線パターン２ｃが設けられた基板である。より詳しくは、実装基板２は、基板２ａと、この基板上２ａに設けられた絶縁膜２ｂと、絶縁膜２ｂ上に設けられた配線パターン２ｃとを有する。なお、実装基板２の実装面（上面）は、配線パターン２ｃのランド部を除いて絶縁皮膜（図示せず）で保護されていることが好ましい。また、放熱性等の観点から、実装基板２は、基板２ａがアルミニウム製のアルミ基板であることが好ましい。なお、基板２ａはアルミニウムに限らず、銅など他の金属からなってもよい。
端子部材３は、基部３ａと、この基部３ａから延在する端子部３ｂとを有する。端子部材３は、例えば、図１に示すように、金属板材を折り曲げたＬ字状の部材である。基部３ａは、はんだ付け等により、配線パターン２ｃに電気的に接続されている。図１に示すように、一対の端子部材３，３は、端子部３ｂ同士が対向するように配設されている。
端子部３ｂのうち、基部３ａからセラミックコンデンサ４の下端までの部分を接続部３ｂ１という。短絡故障時には大きな過電流（例えば数十アンペア）が流れるため、端子部材３は特殊な構成を有しなくとも接続部３ｂ１において断線する。
セラミックコンデンサ４は、両端に電極４ａを有しており、電極４ａが端子部３ｂに電気的に接続されている。また、セラミックコンデンサ４は、実装基板２の表面から所定の高さに位置するように一対の端子部材３，３に挟持されている。
このセラミックコンデンサ４は、実装基板２上に構成されたスイッチングコンバータの出力端子間に設けられる平滑コンデンサである。セラミックコンデンサ４は該スイッチングコンバータの入力端子間に設けられる平滑コンデンサであってもよい。セラミックコンデンサ４は、平滑用途に限らず、他の用途（共振回路、ノイズフィルタ等）に用いられるコンデンサであってもよい。
軟質樹脂部５は、ゲル状またはゴム状の柔らかい絶縁材料からなり、図１に示すように、端子部材３およびセラミックコンデンサ４を封止する。この軟質樹脂部５は、例えば、シリコンゲルを硬化させたゲル状の樹脂、または電子部品の防湿剤などの用途で用いられるシリコン系のコーティング剤を塗布して形成されたゴム状の樹脂からなる。
なお、軟質樹脂部５は、セラミックコンデンサ４以外の、実装基板２に実装された電子部品７を封止する必要は無い。
硬質樹脂部６は、図１に示すように、セラミックコンデンサ４および端子部材３を実装基板２に実装された他の電子部品７とともに一括して封止する。この硬質樹脂部６は、軟質樹脂部５よりも硬い樹脂、例えばエポキシ系樹脂からなる。
電子部品７は、スイッチングコンバータを構成する電子部品であって、例えば、チョークコイル、半導体スイッチ等である。バスバー８は、電源装置１を外部の装置と接続するための端子である。
図１に示すように、セラミックコンデンサ４や電子部品７などが実装された実装基板２は、例えば樹脂製の収納ケース９内に、収納ケース９の底面に設けられた台座９ａ上に載置されるように収納されている。そして、硬質樹脂部６は、図１に示すように、収納ケース９内を満たすように形成されている。
上記のように、電源装置１では、セラミックコンデンサ４および端子部材３は柔らかい軟質樹脂で封止されており、さらに、この軟質樹脂で封止されたセラミックコンデンサ４および端子部材３と、他の電子部品７とは軟質樹脂よりも硬い硬質樹脂で一括して封止されている。
このようにすることで、セラミックコンデンサ４が短絡故障した際、端子部３ｂの接続部３ｂ１は、柔らかい軟質樹脂で囲われているため、短絡に伴う過電流により首尾良く断線する。よって、大電流が流れ続ける事態を回避することができる。その結果、本実施形態によれば、セラミックコンデンサ４の短絡故障が発生した場合であっても、セラミックコンデンサ４に電流が流れ続けることを防止することができる。また、セラミックコンデンサを用いることが可能になるため、従来よりも小型の電源装置を提供することができる。
（電源装置の変形例）
次に、本実施形態の変形例に係る電源装置１Ａについて図２を参照して説明する。図２は、本変形例に係る電源装置１Ａの一部断面図である。上記実施形態との相違点は、セラミックコンデンサの数と、軟性樹脂部が封止する範囲である。
次に、本実施形態の変形例に係る電源装置１Ａについて図２を参照して説明する。図２は、本変形例に係る電源装置１Ａの一部断面図である。上記実施形態との相違点は、セラミックコンデンサの数と、軟性樹脂部が封止する範囲である。
図２に示すように、本変形例では、２個のセラミックコンデンサ４が並列接続されるように一対の端子部材３，３を介して実装基板２上に実装されている。このようにセラミックコンデンサ４の数は１個に限らず、必要な容量に応じて複数設けてもよい。
また、本変形例の軟性樹脂部５Ａは、端子部材３の接続部３ｂ１の高さまで設けられている。このように軟質樹脂部は、セラミックコンデンサ４および端子部材３の全体を覆う必要はなく、短絡故障時に断線する部分を囲っていればよい。即ち、軟質樹脂部は、端子部材３の接続部３ｂ１を少なくとも封止していればよい。
（電源装置を用いたシステムの例）
次に、本発明に係る電源装置を用いたシステムの一例について、図３を用いて説明する。
次に、本発明に係る電源装置を用いたシステムの一例について、図３を用いて説明する。
図３は、自動車などに搭載されるアイドルストップ用システム１００の概略的な構成を示している。このアイドルストップ用システム１００は、充放電コントローラ１０１と、電気二重層キャパシタ１０２と、スタータ１０３と、エンジン１０４と、発電機１０５と、バッテリ１０６と、電装品負荷１０７とを備えている。
充放電コントローラ１０１は、昇降圧可能な双方向コンバータとして構成された電源装置１（１Ａ）、および電源装置１（１Ａ）のコントローラを含む。
電気二重層キャパシタ１０２は、発電機１０５等により充電され、スタータ１０３や電装品負荷１０７等に電力を供給する。スタータ１０３はエンジン１０４を起動するものであり、電気二重層キャパシタ１０２の電力で起動することも可能である。
発電機１０５は、エンジン１０４の動力により交流電力を生成する交流発電機と、生成された交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路とを有する。この発電機１０５により生成された直流電力は電気二重層キャパシタ１０２や電装品負荷１０７等に供給される。バッテリ１０６は、例えば１２Ｖの直流電源であり、スタータ１０３や電装品負荷１０７に直流電力を供給する。電装品負荷１０７は、例えば自動車のランプや各種メータなどである。
（電源装置の製造方法）
次に、上述の電源装置１（１Ａ）の製造方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
次に、上述の電源装置１（１Ａ）の製造方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
まず、はんだ付け等により、一対の端子部材３，３を実装基板２上に固定する（ステップＳ１）。この際、図１に示すように、基部３ａが配線パターン２ｃに電気的に接続し、かつ端子部３ｂ同士が対向するように一対の端子部材３，３を固定する。
次に、はんだ付け等により、セラミックコンデンサ４を一対の端子部材３，３に固定する（ステップＳ２）。この際、電極４ａが端子部３ｂに電気的に接続され、かつ実装基板２の表面から所定の高さに位置するようにセラミックコンデンサ４を固定する。
なお、ステップＳ１またはステップＳ２において、電子部品７やバスバー８などの他の部品を実装基板２上に実装しておいてもよい。
次に、少なくともセラミックコンデンサ４の下端まで端子部材３の端子部３ｂをゲル状またはゴム状の軟質樹脂５で封止する（ステップＳ３）。なお、図１に示すように、端子部材３およびセラミックコンデンサ４の全体を軟質樹脂で封止してもよい。
本工程では、例えば、ポッティング法により液状のシリコンゲルを滴下した後に硬化処理を施すことによりゲル状の樹脂を形成してもよいし、あるいは、シリコン系のコーティング剤を塗布することによりゴム状の樹脂を形成してもよい。シリコンゲルは、例えば１２５℃、３〜４時間の加熱処理により硬化させる。シリコン系のコーティング剤の場合には硬化処理を行う必要はない。
次に、端子部材３およびセラミックコンデンサ４を、実装基板２に実装された他の電子部品（電子部品７など）とともに、軟質樹脂よりも硬い硬質樹脂で一括して封止する（ステップＳ４）。例えば、セラミックコンデンサ４や電子部品７などが実装された実装基板２を収納ケース９に収納した後、実装基板２を埋め込むようにエポキシ系樹脂を注入する。その後、加熱処理を行い、エポキシ系樹脂を硬化させる。
上記の工程を経て図１（図２）に示す電源装置１（１Ａ）を得る。
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。
１，１Ａ 電源装置
２ 実装基板
２ａ 基板
２ｂ 絶縁膜
２ｃ 配線パターン
３ 端子部材
３ａ 基部
３ｂ 端子部
３ｂ１ 接続部
４ セラミックコンデンサ
４ａ 電極
５，５Ａ 軟質樹脂部
６ 硬質樹脂部
７ 電子部品
８ バスバー
９ 収納ケース
９ａ 台座
１００ アイドルストップ用システム
１０１ 充放電コントローラ
１０２ 電気二重層キャパシタ
１０３ スタータ
１０４ エンジン
１０５ 発電機
１０６ バッテリ
１０７ 電装品負荷
２ 実装基板
２ａ 基板
２ｂ 絶縁膜
２ｃ 配線パターン
３ 端子部材
３ａ 基部
３ｂ 端子部
３ｂ１ 接続部
４ セラミックコンデンサ
４ａ 電極
５，５Ａ 軟質樹脂部
６ 硬質樹脂部
７ 電子部品
８ バスバー
９ 収納ケース
９ａ 台座
１００ アイドルストップ用システム
１０１ 充放電コントローラ
１０２ 電気二重層キャパシタ
１０３ スタータ
１０４ エンジン
１０５ 発電機
１０６ バッテリ
１０７ 電装品負荷
Claims (7)
- 表面に配線パターンが設けられた実装基板と、
各々が前記配線パターンに電気的に接続された基部と、前記基部から延在する端子部とを有し、前記端子部同士が対向するように配設された一対の端子部材と、
電極が前記端子部に電気的に接続され、前記実装基板の表面から所定の高さに位置するように前記一対の端子部材に挟持されたセラミックコンデンサと、
前記端子部材の端子部のうち前記基部から前記セラミックコンデンサの下端までの接続部を少なくとも封止するゲル状またはゴム状の軟質樹脂部と、
前記セラミックコンデンサおよび前記端子部材を前記実装基板に実装された他の電子部品とともに一括して封止する、前記軟質樹脂部よりも硬い硬質樹脂部と、
を備えることを特徴とする電源装置。 - 前記軟質樹脂部は、前記端子部材および前記セラミックコンデンサを封止することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
- 前記軟質樹脂部は、シリコンゲルを硬化させたもの、またはシリコン系のコーティング剤を塗布したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
- 前記実装基板は、金属からなる基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた前記配線パターンとを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電源装置。
- 基部と、前記基部から延在する端子部とを有する一対の端子部材を用意する工程と、
表面に配線パターンが設けられた実装基板を用意する工程と、
前記端子部材の基部が前記実装基板の配線パターンに電気的に接続し、かつ前記端子部同士が対向するように、前記一対の端子部材を前記実装基板上に固定する工程と、
電極が前記端子部に電気的に接続され且つ前記実装基板の表面から所定の高さに位置するように、セラミックコンデンサを前記一対の端子部材に固定する工程と、
少なくとも前記セラミックコンデンサの下端まで前記端子部材の端子部をゲル状またはゴム状の軟質樹脂で封止する工程と、
前記端子部材および前記セラミックコンデンサを、前記実装基板に実装された他の電子部品とともに、前記軟質樹脂よりも硬い硬質樹脂で一括して封止する工程と、
を備えることを特徴とする電源装置の製造方法。 - 前記軟質樹脂による封止工程では、ポッティング法により液状のシリコンゲルを滴下した後に硬化処理を施すことによりゲル状の樹脂を形成することを特徴とする請求項５に記載の電源装置の製造方法。
- 前記軟質樹脂による封止工程では、シリコン系のコーティング剤を塗布することによりゴム状の樹脂を形成することを特徴とする請求項５に記載の電源装置の製造方法。
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