JP2015046447A - 電子回路装置及び電子回路装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】親基板に対して子基板を立設させる電子回路装置において、振動に対する強度を向上させる。【解決手段】表面実装品が実装されている親基板２０と、親基板２０に外縁部の下辺３０ａがはんだによって固定されることで立設されているとともに、制御素子が実装されている子基板３０と、親基板２０が底面に固定され、親基板２０及び子基板３０を収容する筐体４０と、を備え、振動環境で使用される電子回路装置１０であって、子基板３０において下辺３０ａと対向する上辺３０ｂに固定され、筐体４０の内壁のうち対向する内壁４１，４２同士に架け渡されてそれぞれの前記内壁に係合している係合部材５０を備えることを特徴とする。【選択図】 図３

Description

複数の基板を備える電子回路装置及びその製造方法に関する。

近年、電子回路装置は、その性能向上を目的として、多くの電子部品が基板に実装されている。また、電子回路装置を小型化することも要請されている。そこで、複数の基板に電子部品をそれぞれ実装し、各基板を立体的に組み立てることが行われている。複数の基板を立体的に組み立てる場合、土台となる親基板に対して、子基板を固定することとなる（特許文献１）。

特開２００９−１２３８５９号公報

上記のような親基板に子基板を固定した電子回路装置を車両に搭載した場合、車両の走行に伴って電子回路装置に振動が生じる。親基板に対して子基板を立設する構成とすると、子基板は片持ち構造であるため、車両走行に伴う電子回路装置の振動によって子基板が振動する。この振動によって、子基板と親基板とを固定するはんだにクラックなどが生じることが考えられ、電子回路装置としての信頼性が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、親基板に対して子基板を立設させる電子回路装置において、振動に対する強度を向上させることのできる電子回路装置を提供することを目的とする。

本発明は、第１電子部品（２１〜２４）が実装されている親基板（２０）と、前記親基板に外縁部の接続辺（３０ａ）がはんだによって固定されることで立設されているとともに、第２電子部品（３１）が実装されている子基板（３０）と、前記親基板が底面に固定され、前記親基板及び前記子基板を収容する筐体（４０）と、を備え、振動環境で使用される電子回路装置（１０）であって、前記子基板において前記接続辺と対向する被固定辺（３０ｂ）に固定され、前記筐体の内壁のうち対向する内壁（４１，４２）同士に架け渡されてそれぞれの前記内壁に係合している係合部材（５０）を備えることを特徴とする。

子基板と親基板とが子基板の接続辺においてはんだによって固定されている。ここで、子基板においてその接続辺と対向する被固定辺に係合部材が固定されている。そして、係合部材は、筐体の内壁のうち対向する内壁同士に架け渡されて、それぞれの内壁に係合している。これにより、子基板の固有振動数が筐体に係合された係合部材の固有振動数に近くなり、電子回路装置の外部の振動により発生する子基板の共振を抑制し、振動に対する電子回路装置の強度を向上させることが可能になる。

電子回路装置の外観図。 子基板及び挿入実装品が親基板に固定されている様子を表す図。 筐体と係合部材との係合を示す図。 係合部材の形状を示す図。 変形例における筐体と係合部材との係合を示す図。 変形例における係合部材の形状を示す図。

本実施形態における電子回路装置は、振動環境で使用される車載用ＤＣＤＣコンバータ（電源装置）を想定している。図１に示すように、本実施形態における電子回路装置１０は、筐体４０と、筐体４０の底面に固定されている一枚の親基板２０と、親基板２０に固定されている複数の略矩形状の子基板３０とを備える。電子回路装置１０は、筐体４０の底面（親基板２０）が略水平となるように車両に搭載される。なお、筐体４０の底面が略鉛直方向となるように搭載されるものであってもよい。

親基板２０上には主として、第１電子部品としての挿入実装品２１〜２３（パワーＭＯＳＦＥＴ２１、チョークコイル２２、電解コンデンサ２３）等が実装されている。また、筐体４０の底面にトランス２４が固定されている。これら第１電子部品２１〜２３及びトランス２４は、筐体４０の底面（親基板２０）に対して所定の高さを有し、第１電子部品２１〜２３及びトランス２４の高さに合わせて筐体４０の高さを決定している。また、親基板２０及び子基板３０に実装されている素子を冷却するための冷却ファン２５が設けられている。子基板３０が親基板２０に立設されることで、子基板３０上の素子は効率よく冷却される。

図２に示すように、子基板３０の下辺３０ａ（接続辺）が親基板２０の上面に固定されている。子基板３０には、親基板２０上に実装されているパワーＭＯＳＦＥＴ２２（図示略）を制御する第２電子部品としての制御素子３１が実装されている。子基板３０上には、上記下辺３０ａに、接続部材であるライトアングル型の接続ピン３２が実装されている。子基板３０上の制御素子３１は、接続ピン３２を介して親基板２０から電力を供給され、親基板２０のグランドと接続され、また、親基板２０上のパワーＭＯＳＦＥＴ２２と接続されている。接続ピン３２が親基板２０に対してはんだ及び樹脂で固定されることで、子基板３０は親基板２０に対して固定されている。子基板３０は、第１電子部品２１〜２３及びトランス２４と略同じ高さを有し、これにより、筐体４０の高さを大きくすることなく、かつ、子基板３０の面積を大きくすることを可能にしている。

子基板３０は、下辺３０ａのみが親基板２０に対して固定されている構造、つまり、片持ち構造となる。このため、電子回路装置１０に対して車両の走行に伴う振動が加わると、子基板３０は、親基板２０に固定されている下辺３０ａを固定端、その辺と対向する上辺３０ｂを自由端として振動する。この子基板３０の振動に伴って、接続ピン３２と親基板２０とを固定するはんだが金属疲労を起こし、クラックが生じるおそれがある。このため、電子回路装置１０としての信頼性が低下する。

また、子基板３０の振動に伴い、子基板３０自身が変形することになる。特に、子基板３０の外縁部は曲がり易く、外縁部において変形量が大きくなる。振動に伴う変形によって、子基板３０の外縁部付近に実装された部品と子基板３０とを接続するはんだが金属疲労を起こし、クラックが生じるおそれがある。このため、子基板３０の信頼性、ひいては、電子回路装置１０としての信頼性が低下する。

ここで、走行に伴う振動の周波数と子基板３０の固有振動数とが一致すると、子基板３０が共振して子基板３０の振動が大きくなる。子基板３０の固有振動数は、子基板３０の形状及び材質、剛性（ヤング率）に応じて変化する。

具体的には、子基板３０の立設方向の幅（高さ）が高いほど固有振動数は低くなる。また、子基板３０のヤング率の二乗根に比例して固有振動数は高くなり、比重の二乗根に反比例して固有振動数は低くなる。子基板３０の高さは略１０ｃｍである。また、子基板３０は、いわゆるガラスエポキシ基板であり、そのヤング率は略２０ＧＰａ、比重は略１．８である。この場合、子基板３０の固有振動数は、略１５０Ｈｚとなる。車両走行に伴う振動の周波数は２０〜２００Ｈｚ程度であるため、車両走行の状態によっては子基板３０において共振が発生するおそれがある。

そこで、本実施形態の電子回路装置１０においては、図３に示すように、筐体４０の内壁のうち対向する内壁４１，４２同士に架け渡されてそれぞれの内壁４１，４２に係合する係合部材５０を設け、その係合部材５０と２枚の子基板３０とを固定する。なお、図３においては、親基板２０、子基板３０、係合部材５０及び筐体４０以外の構成については省略して示している。係合部材５０が架け渡される内壁４１，４２は、筐体４０の長手方向に対向する２面であり、その２面の内壁４１，４２には、係合部材５０と係合するために、子基板３０の立設方向に延びる嵌合溝４１１，４２１が設けられている。この嵌合溝４１１，４２１は、内壁４１，４２の上端部（外縁部）において内壁４１，４２の長手方向の中間部にそれぞれ設けられている。嵌合溝４１１，４２１の断面形状は矩形状になっている。

図４に示すように、係合部材５０は略矩形状の板状部材であり、その端部には嵌合溝４１１，４２１と嵌合する嵌合部５１，５２がそれぞれ設けられている。嵌合部５１，５２は、四角柱状（直方体状）に形成されている。また係合部材５０の中間部は、嵌合部５１，５２より短手方向の幅が広くなっている。図３に示すように嵌合部５１，５２が嵌合溝４１１，４２１と嵌合することで、係合部材５０は筐体４０と係合する。

ここで、嵌合溝４１１，４２１と嵌合部５１，５２とは遊嵌する、すなわち隙間のある状態で嵌合するように設けられている。具体的には、嵌合溝４１１，４２１の幅と比べて、嵌合部５１，５２の幅は僅かに狭くなっている。また、嵌合溝４１１，４２１と嵌合部５１，５２とが嵌合したときに、係合部材５０の長手方向に隙間のある状態で嵌合するように、嵌合溝４１１，４２１は設けられている。また、筐体４０と係合部材５０とを係合させたときに、嵌合溝４１１，４２１の下端面（端面）と係合部材５０の下面との間に隙間があるように、嵌合溝４１１，４２１は設けられている。これにより、子基板３０の振動に伴って係合部材５０が振動することを抑制しつつ、嵌合溝４１１，４２１と嵌合部５１，５２との間で力が作用することを抑制し、ひいては、子基板３０の下辺３０ａ、特に接続ピン３２における応力の発生を抑制する。

係合部材５０の素材として、子基板３０と比べてヤング率が高い素材である金属を用いる。係合部材５０の素材として用いる金属は例えばステンレス鋼であり、ステンレス鋼のヤング率は略２００ＧＰａである。係合部材５０としてヤング率の高い素材を用いることで、係合部材５０に固定されている子基板３０の固有振動数を高くし、子基板３０の固有振動数を車両走行に伴う振動の周波数の上限値（２００Ｈｚ）より高くする。これにより、車両走行に伴う振動によって子基板３０において共振が発生することを抑制することができる。なお、係合部材５０の素材として用いる金属はアルミ（ヤング率：略７０ＧＰａ）などでもよい。その場合であっても、子基板３０のヤング率と比較して、係合部材５０のヤング率を高くすることができる。

図４に示すように、係合部材５０には、子基板３０を固定する固定部５３が設けられている。固定部５３は、円柱状の部材であり、その中央にネジ孔が設けられている。子基板３０の上辺３０ｂ（被固定辺）が固定部５３に当接され、ネジが子基板３０に設けられたスルーホールを貫通して固定部５３のネジ孔にねじ込まれることで、子基板３０の上辺３０ｂは係合部材５０に固定される。

子基板３０において、ネジ留め用のスルーホールは、上辺３０ｂの両隅、及び、側辺の中間部に設けられている。なお、子基板３０の長手方向の長さが所定の長さ以上の場合には、上辺３０ｂの中間にもネジ留め用のスルーホールを設ける構成とする。固定部５３は、子基板３０に設けられたネジ留め用のスルーホールの位置と合うように設けられている。このように４点以上で子基板３０と係合部材５０とを固定することで、子基板３０と係合部材５０とを強く固定し、子基板３０の固有振動数を係合部材５０の固有振動数により近づけることができる。

また、固定部５３が所定の高さを有することで、子基板３０は係合部材５０に対して離間し対向して設けられることになる。このため、子基板３０と係合部材５０との間には間隙が設けられる。この間隙により、係合部材５０と対向する面において、子基板３０上に部品を実装することが可能になる。また、係合部材５０と対向する面の反対側の面に実装された挿入実装品のピンが係合部材５０と接触することを抑制できる。

図３に示すように、筐体４０内の空間は、子基板３０及び係合部材５０によって分割されている。この分割された筐体４０内の空間のうち一方の空間にＤＣ／ＤＣコンバータの入力側素子を実装し、他方の空間にＤＣ／ＤＣコンバータの出力側素子を実装する構成とする。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側の素子と出力側の素子とを電気遮蔽することができる。また、図１に示すように、冷却ファン２５とトランス２４などの発熱量の大きい素子とを同じ空間に備えることで、素子の冷却を効率的に実施できる。つまり、子基板３０及び係合部材５０は、冷却ファン２５による冷却風を導くガイドとして機能する。

次に、電子回路装置１０の製造工程を説明する。第１工程において、制御素子３１や接続ピン３２が実装された２枚の子基板３０を、子基板３０の下辺３０ａが親基板２０に固定される位置となるようにそれぞれ治具に固定する。治具に固定された２枚の子基板３０に設けられたネジ留め用スルーホールと係合部材５０の固定部５３に設けられたネジ孔とを位置合わせした後、ネジを子基板３０のネジ留め用スルーホールを貫通させて固定部５３のネジ孔にねじ込むことで、２枚の子基板３０の上辺３０ｂが係合部材５０に固定される。

第２工程において、子基板３０を治具から外し、子基板３０の接続ピン３２を親基板２０のスルーホール２０１に挿入した上でフロー工程を実施し、接続ピン３２とスルーホール２０１とをはんだを介して固定する。更に、接続ピン３２と親基板２０とを樹脂により固定する。これにより、親基板２０と子基板３０及び係合部材５０とを１つのユニットとする。

第３工程において、係合部材５０の嵌合部５１，５２が筐体４０の内壁４１，４２に設けられた嵌合溝４１１，４２１と嵌合するように、親基板２０、子基板３０及び係合部材５０で構成されるユニットを筐体４０の上部から挿入することで、係合部材５０と筐体４０とを係合させる。更に、親基板２０を筐体４０の底面に載置する。そして、ネジを親基板２０に設けられているネジ留め用スルーホールを貫通させて、筐体４０の底面に設けられた支持部のネジ孔にねじ込むことで、親基板２０が筐体４０に固定される。

以下、本実施形態の奏する効果を述べる。

子基板３０と親基板２０とが子基板３０の下辺３０ａにおいてはんだによって固定されている。ここで、子基板３０においてその下辺３０ａと対向する上辺３０ｂに係合部材５０が固定されている。そして、係合部材５０は、筐体４０の内壁のうち対向する内壁４１，４２同士に架け渡されて、それぞれの内壁４１，４２に係合している。これにより、子基板３０の固有振動数が筐体４０に係合された係合部材５０の固有振動数に近くなり、電子回路装置１０の外部の振動により発生する子基板３０の共振を抑制し、振動に対する電子回路装置１０の強度を向上させることが可能になる。

筐体４０の内壁４１，４２に嵌合溝４１１，４２１が設けられており、係合部材５０の長手方向の両端に嵌合溝４１１，４２１と係合する嵌合部５１，５２が設けられている。そして、これら嵌合溝４１１，４２１と嵌合部５１，５２とが嵌合することで、係合部材５０が筐体４０に係合している構成とする。これにより、子基板３０の立設方向に対して直交する方向に対する振動を抑制することができる。これに加えて、子基板３０と親基板２０とを固定する接続ピン３２にかかる応力は、係合部材５０と子基板３０の自重によるものとなり、係合部材５０を筐体４０に対してネジなどで固定する場合に比べて、接続ピン３２にかかる応力を減少させることができる。

嵌合溝４１１，４２１と嵌合部５１，５２とは遊嵌するように設けられている。これにより、子基板３０の振動に伴って係合部材５０が振動することを抑制しつつ、嵌合溝４１１，４２１と嵌合部５１，５２との間で力が作用することを抑制し、ひいては、子基板３０の下辺３０ａ、特に接続ピン３２における応力の発生を抑制する。

係合部材５０の嵌合部５１，５２は、係合部材５０の中間部の幅よりも短くしている。これにより、係合部材５０の嵌合部５１，５２を筐体４０の嵌合溝４１１，４２１に嵌合させる際に、嵌合させる長さを中間部の長さと比較して短くすることができ、組み付け性をよくすることができる。

1つの係合部材５０に対して複数の子基板３０を固定する構成とする。これにより、係合部材５０を複数用いる必要がなくなり、部品点数を削減することができる。

子基板３０及び係合部材５０を用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側の素子と出力側の素子とを電気遮蔽する構成とする。これにより、入力側の素子から放射されるノイズが出力側の素子に与える影響、及び、出力側の素子から放射されるノイズが入力側の素子に与える影響を抑制することができる。特に、係合部材５０を板状に形成することで、係合部材５０による電気遮蔽による効果が高くなる。

子基板３０と係合部材５０とを固定し、その後、子基板３０と親基板２０とを固定する構成とした。この構成により、子基板３０と親基板２０とを固定し、その後、子基板３０と係合部材５０とを固定する構成に比べて、子基板３０の下辺３０ａ、特に接続ピン３２において生じる応力を抑制することができる。

（その他の実施形態）
・上記実施形態においては、係合部材５０に嵌合部５１，５２を設け、筐体４０の内壁４１，４２に嵌合溝４１１，４２１を設ける構成とした。これに代えて、図５に示すように、筐体４０の内壁４１，４２に筐体４０の内側に突出する突条（リブ）である嵌合部４１１ａ，４２１ａを設け、係合部材５０にその嵌合部４１１ａ，４２１ａと嵌合する嵌合溝５１ａ，５２ａを設ける構成としてもよい。

・係合部材５０と筐体４０の内壁４１，４２とを固定する構成としてもよい。具体的には、係合部材５０と筐体４０の内壁４１，４２とをネジにより固定する構成を採用することもできる。この場合、子基板３０の固有振動数をより高くすることができ、子基板３０の振動に対する強度を強くすることができる。

・嵌合溝４１１，４２１と嵌合部５１，５２とを隙間なく嵌合させる構成としてもよい。この場合、子基板３０の固有振動数をより高くすることができ、子基板３０の振動に対する強度を強くすることができる。

・係合部材５０を板状部材としたが、これに代えて、図６に示すような四角柱状等の棒状の係合部材５０ａとしてもよい。この場合、係合部材５０ａは、子基板３０の上辺３０ｂにのみに対向して設けられる。

・係合部材５０に２枚の子基板３０を固定する構成としたが、これに代えて、係合部材５０に１枚の子基板３０を固定する構成としてもよい。また、係合部材５０に３枚以上の子基板３０を固定する構成としてもよい。

・子基板は、矩形以外であってもよい。例えば、筐体４０の構造に合わせて、上辺が傾斜していたり、上辺の一部が削除されているものであってもよい。

・電子回路装置は、ＤＣＤＣコンバータ以外であってもよい。例えば、ＤＣＡＣインバータ装置、ＡＣＤＣコンバータ装置及びＡＣＡＣコンバータ装置などの車載用電力変換装置であってもよい。また、電子回路装置は、車両の走行を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）などであってもよい。また、電子回路装置は、車両以外の振動環境で使用されるものであってもよい。例えば、航空機などに搭載されるものであってもよい。

１０…電子回路装置、２０…親基板、２１〜２３…表面実装品（第１電子部品）、３０…子基板、３０ａ…下辺（接続辺）、３０ｂ…上辺（被固定辺）、３１…制御素子（第２電子部品）、４０…筐体、４１，４２…内壁、５０…係合部材。

Claims (8)

1. 第１電子部品（２１〜２３）が実装されている親基板（２０）と、
   前記親基板に外縁部の接続辺（３０ａ）がはんだによって固定されることで立設されているとともに、第２電子部品（３１）が実装されている子基板（３０）と、
   前記親基板が底面に固定され、前記親基板及び前記子基板を収容する筐体（４０）と、
   を備え、振動環境で使用される電子回路装置（１０）であって、
   前記子基板において前記接続辺と対向する被固定辺（３０ｂ）に固定され、前記筐体の内壁のうち対向する内壁（４１，４２）同士に架け渡されてそれぞれの前記内壁に係合している係合部材（５０）を備えることを特徴とする電子回路装置。
2. 前記係合部材の端部及び前記係合部材が架け渡された前記内壁のいずれか一方において、前記子基板の立設方向に延びる嵌合溝（４１１，４２１）が設けられ、他方において前記嵌合溝と嵌合する嵌合部（５１，５２）が設けられており、
   前記係合部材は、前記嵌合溝に前記嵌合部が嵌合することで、前記筐体の内壁に係合していることを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
3. 前記嵌合溝と前記嵌合部とは、隙間のある状態で嵌合していることを特徴とする請求項２に記載の電子回路装置。
4. 前記係合部材は板状に形成されており、
   前記子基板の立設方向において、前記嵌合溝又は前記嵌合部が設けられた前記係合部材の端部の幅は、前記係合部材の中間部の幅に比べて短いことを特徴とする請求項２又は３に記載の電子回路装置。
5. 前記係合部材には、複数の前記子基板が固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子回路装置。
6. 前記電子回路装置は、電源装置であって、
   前記筐体内の空間は、前記子基板及び前記係合部材によって分割されており、
   前記分割された筐体内の空間のうち一方の空間に前記電源装置の入力側素子が実装され、他方の空間に前記電源装置の出力側素子が実装されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子回路装置。
7. 第１電子部品（２１〜２３）が実装されている親基板（２０）と、第２電子部品（３１）が実装されている子基板（３０）と、前記親基板と前記子基板とを収容する筐体（４０）と、前記筐体の内壁のうち対向する内壁（４１，４２）同士に架け渡されてそれぞれの前記内壁に係合する係合部材（５０）と、を備える電子回路装置（１０）の製造方法であって、
   前記子基板の被固定辺（３０ｂ）に前記係合部材を固定する第１工程と、
   前記子基板の前記被固定辺と対向する接続辺（３０ａ）を前記親基板にはんだを介して固定する第２工程と、
   前記親基板を筐体に固定するとともに、前記係合部材を筐体に係合する第３工程と、を備えることを特徴とする電子回路装置の製造方法。
8. 前記係合部材の端部及び前記係合部材が架け渡された前記内壁のいずれか一方において、前記子基板の立設方向に延びる嵌合溝が設けられ、他方において前記嵌合溝と嵌合する嵌合部が設けられており、
   前記第３工程において、前記嵌合溝に前記嵌合部を嵌合することで、前記係合部材を前記筐体の内壁に係合することを特徴とする請求項７に記載の電子回路装置の製造方法。

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