JP2020013894A - 回路基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】導電片と半導体素子とを接続する接続部材における発熱を抑え、斯かる接続部材での発熱による不具合の発生を未然に防止できる回路基板を提供する。【解決手段】FET13の端子と接続する複数のバスバー111,112が一平面に設けられており、バスバー同士間に介在する第1絶縁領域114を備える電力回路30であって、FET13が固定されたバスバー111と、第1接続部15にてバスバー112と接続し、FET13のソース端子132をバスバー112と通電させる通電シート14と、通電シート14内に設けられ、ソース端子132とバスバー112とを通電させる第2接続部143とを備える。【選択図】図4

Description

本発明は回路基板に関する。
従来、比較的小さな電流を導通させる回路を構成する導電パターンが形成された基板に対して、比較的大きな電流を導通させるための回路を構成する導電部材(バスバー等とも称される)が固定された回路基板が一般的に知られている。
一方、特許文献1には、一対のバスバーと、一対のバスバー上に実装されたパワー半導体と、パワー半導体を制御する制御部を実装する制御基板と、一対のバスバーの上面に配設されてパワー半導体の制御端子と制御基板とを電気的に接続するFPCとを有する電気接続箱が開示されている。
特開2016−220277号公報
上述したような回路基板においては、大きな電流を導通させることから導電部材に加え、斯かる導電部材と電子部品とを接続する接続部材においても大量の熱を発する。このように発生した熱は斯かる接続部材の断線などの熱的弊害を起こすのみではなく、周囲の電子部品等が二次的熱的弊害を被る恐れもある。
しかしながら、特許文献1の電気接続箱においては、このような問題については工夫されていない。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、導電片と半導体素子とを接続する接続部材における発熱を抑え、斯かる接続部材での発熱による不具合の発生を未然に防止できる回路基板を提供することにある。
本開示の一態様に係る回路基板は、半導体素子の端子と接続する複数の導電片が一平面に設けられており、前記導電片同士間に介在する絶縁領域を備える回路基板であって、前記半導体素子が固定された第1導電片と、第1接続部にて第2導電片と接続し、前記半導体素子の一端子を前記第2導電片と通電させる通電シートと、前記通電シート内に設けられ、前記一端子と前記第2導電片とを通電させる第2接続部とを備える。
本開示の一態様によれば、導電片と半導体素子とを接続する接続部材における発熱を抑え、斯かる接続部材での発熱による不具合の発生を未然に防止できる。
本実施形態に係る電気装置の正面図である。 本実施形態に係る電気装置の基板構造体の分解図である。 本実施形態に係る電気装置の基板構造体を上方から見た平面図である。 図3におけるFETの付近を拡大して示す拡大図である。 図4のV−V線による縦断面図である。 本実施形態に係る電力回路におけるFETの付近を拡大して示す拡大図である。 図6のVII−VII線による縦断面図である。
[本発明の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列挙して説明する。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
(1)本開示の一態様に係る回路基板は、半導体素子の端子と接続する複数の導電片が一平面に設けられており、前記導電片同士間に介在する絶縁領域を備える回路基板であって、前記半導体素子が固定された第1導電片と、第1接続部にて第2導電片と接続し、前記半導体素子の一端子を前記第2導電片と通電させる通電シートと、前記通電シート内に設けられ、前記一端子と前記第2導電片とを通電させる第2接続部とを備える。
本態様にあっては、通電シートは第1接続部に加え、第2接続部でも第2導電片と接続している。
従って、半導体素子の一端子と第2導電片との間における電流の経路を拡大させ、前記一端子と第2導電片との通電を確実にできる。
(2)本開示の一態様に係る回路基板は、前記通電シートは、前記一端子と前記第2導電片とを通電させる通電部と、前記通電部を少なくとも前記第1導電片から絶縁させる絶縁シートとを有し、前記第2接続部は、内側から前記通電部が露出するように形成された凹部と、前記凹部内に設けられ、前記通電部と前記第2導電片とを通電させる内側導電部とを有する。
本態様にあっては、第2接続部では凹部内の内側導電部を介して通電部が第2導電片と接続している。
従って、第1接続部に加え、第2接続部においても、半導体素子の一端子と第2導電片との電気的接続ができ、前記一端子と第2導電片との通電を確実にできる。
(3)本開示の一態様に係る回路基板は、前記第2接続部は前記絶縁領域付近に設けられている。
本態様にあっては、第2接続部が絶縁領域付近に設けられているので、半導体素子の一端子と第2導電片との間の電流の経路である通電シートの長さを最大限に短縮でき、通電シートでの抵抗を低減できる。
(4)本開示の一態様に係る回路基板は、前記内側導電部は、前記凹部の内側面に形成された環部である。
本態様にあっては、第2接続部では環部である内側導電部を介して通電部が第2導電片と電気的に接続している。
従って、通電シート(通電部)で発生する熱が、第2接続部(内側導電部)を介して第2導電片に伝導され、通電シートでの発熱による不具合を未然に防止できる。また、内側導電部が環部であるので、空気による空冷を期待できる。
(5)本開示の一態様に係る回路基板は、前記内側導電部は、前記通電部及び前記第2導電片に溶着された半田である。
本態様にあっては、第2接続部では半田の塊である内側導電部を介して通電部が第2導電片と電気的に接続している。
従って、通電シート(通電部)で発生する熱が、第2接続部(内側導電部)を介して第2導電片に伝導され、通電シートでの発熱による不具合を未然に防止できる。また、内側導電部と第2導電片との接続面積を増やし、熱の伝達及び電流の流れを増加させる。
(6)本開示の一態様に係る回路基板は、前記通電部は板形状をなす。
本態様にあっては、前記通電部は板形状をなすので、抵抗を減らし、通電シート(通電部)における発熱を抑えることができる。
(7)本開示の一態様に係る回路基板は、前記通電シートはFPC(Flexible Printed Circuits)である。
本態様にあっては、通電シートとしてFPCを用いる。従って、回路基板の製造工程を簡素化できる。
[本発明の実施形態の詳細]
本発明をその実施形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。本開示の実施形態に係る回路基板を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
以下においては、本実施形態に係る回路基板を備えた電気装置を例に挙げて説明する。(実施形態1)
図1は、本実施形態に係る電気装置1の正面図である。
電気装置1は、車両が備えるバッテリなどの電源と、ランプ、ワイパ等の車載電装品又はモータなどからなる負荷との間の電力供給経路に配される電気接続箱を構成する。電気装置1は、例えばDC−DCコンバータ、インバータなどの半導体素子として用いられる。
電気装置1は、基板構造体10と、基板構造体10を支持する支持部材20とを備える。図2は、本実施形態に係る電気装置1の基板構造体10の分解図である。
本実施形態では、便宜上、図1及び図2に示す前後、左右、上下の各方向により、電気装置1の「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」を定義する。以下では、このように定義される前後、左右、上下の各方向を用いて説明する。
基板構造体10は、電力回路を構成するバスバー及びバスバーに実装される半導体素子等を有する電力回路30(回路基板)と、電力回路30のオン/オフ等を制御する制御回路12とを備える。半導体素子は、電気装置1の用途に応じて適宜実装され、例えばFET(Field Effect Transistor)などのスイッチング素子、抵抗、コイル、コンデンサ等を含む。
支持部材20は、上面に基板構造体10を支持する支持面211を有する基部21と、支持面211とは反対側の面(下面212)に設けられた放熱部22と、放熱部22を挟んで基部21の左右両端に設けられた複数の脚部(図示せず)とを備える。支持部材20が備える基部21、放熱部22、及び前記脚部は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属材料を用いたダイキャストにより一体的に成形される。
基部21は、適宜の厚みを有する矩形状の平板部材である。基部21の支持面211には、接着、ネジ止め、ハンダ付け等の公知の方法にて、基板構造体10が固定される。
放熱部22は、基部21の下面212から下方に向けて突出した複数の放熱フィン221を備え、基板構造体10から発せられる熱を外部へ放熱する。複数の放熱フィン221は、左右方向に延びると共に、前後方向に間隔を隔てて並設されている。
図3は、本実施形態に係る電気装置1の基板構造体10を上方から見た平面図である。図3においては、説明の便宜上、制御回路12を除去した状態での基板構造体10を示している。
基板構造体10は、電力回路30と、電力回路30にオン/オフ信号を与える制御回路が実装された制御回路12と、電力回路30及び制御回路12を収容する収容部11とを備える。制御回路12及び電力回路30は夫々分離して設けられている。
電力回路30は、バスバー111,112(導電片)と、制御回路12からの制御信号が入力され、入力された制御信号に基づき通電/非通電を切り替える半導体スイッチング素子13(半導体素子)とを少なくとも備える。
電力回路30は、バスバー111,112が同一平面に設けられており、回路パターン等を有する基板部113がバスバー111,112と同一平面に更に設けられている。バスバー111及びバスバー112の間には第1絶縁領域114が介在しており、バスバー112及び基板部113の間には第2絶縁領域115が介在している。
バスバー111は矩形の板状をなしており、バスバー111の隣り合う2つの辺付近にバスバー112が設けられている。バスバー111と同様、バスバー112も板状をなしている。バスバー112は基板部113とバスバー111との間に介在している。バスバー111及びバスバー112は、銅又は銅合金等の金属材料により形成された導電性板部材である。
第1絶縁領域114及び第2絶縁領域115は、例えばフェノール樹脂、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁性樹脂材料を用いたインサート成形により製造される。第1絶縁領域114及び第2絶縁領域115は、例えば、収容部11と一体形成されても良い。
半導体スイッチング素子13は、例えばFET(より具体的には面実装タイプのパワーMOSFET)であり、バスバー111又はバスバー112の上に配置される。即ち、本実施形態に係る電力回路30においては、半導体スイッチング素子13(以下、FET13と称する)がバスバー111及びバスバー112に跨るように配置されず、バスバー111又はバスバー112の何れかに固定される。本実施形態においては、説明の便宜上、FET13がバスバー111に固定されている場合を例として説明する。
また、バスバー111,112の上側にはFET13の他に、ツェナーダイオード等の半導体素子が実装されてもよい。
なお、図3の例では、説明の便宜上、FET13を1つだけ実装した構成について示したが、これに限定されるものでなく、複数のFET13が実装されても良いことは言うまでもない。
図4は、図3におけるFET13の付近を拡大して示す拡大図であり、図5は、図4のV−V線による縦断面図である。
FET13は、素子本体134と、素子本体134を挟んで相互反対側に4つのドレイン端子131及び3つのソース端子132を有する。例えば、素子本体134の一側面側にドレイン端子131が設けられ、前記一側面と対向する側面側にソース端子132が設けられている。また、FET13はゲート端子135を有し、例えばゲート端子135はソース端子132の付近に設けられている。しかし、ゲート端子135の位置はこれに限定されるものではない。
本実施形態においては、FET13がバスバー111に固定され、ソース端子132が通電シート14を介してバスバー112と電気的に接続する場合を例に説明するが、これに限定されるものでない。FET13がバスバー112に固定され、ドレイン端子131が通電シート14を介してバスバー111と電気的に接続する構成であっても良い。
ドレイン端子131、ソース端子132及びゲート端子135は、素子本体134から外側に向けて直線状に延設されている。ドレイン端子131、ソース端子132及びゲート端子135は屈曲部を有しておらず、延設先までの長さを抑え、電力回路30のコンパクト化を図っている。
FET13は半田付けによってバスバー111に固定されている。即ち、FET13の底面とバスバー111との間には半田固定部133が介在している。半田固定部133は、FET13の底面の少なくとも一部をバスバー111に半田付けしている。
FET13のドレイン端子131は半田固定部133に半田接続され、半田固定部133を介してバスバー111と電気的に接続している。即ち、ドレイン端子131は直接的にバスバー111と電気的接続している。
一方、FET13のソース端子132は、通電シート14を介して、第1絶縁領域114を挟んで隔てられたバスバー112と電気的に接続されている。即ち、通電シート14は、第1絶縁領域114を跨るように、バスバー111,112上に設けられている。
通電シート14はソース端子132とバスバー112とを電気的に接続させる、線状の通電部141(図4中、破線にて表示)と、通電部141をバスバー111から絶縁させる絶縁部142(絶縁シート)とを有する。通電部141の一端はソース端子132に半田接続されており、通電部141の他端はバスバー112に半田接続されている。即ち、通電シート14の他端は第1接続部15を介してバスバー112と電気的に接続している。
例えば、通電部141は銅箔からなり、絶縁部142はシート状の樹脂からなっており、絶縁部142の内部に通電部141が埋設されている。通電シート14は、例えばFPC(Flexible Printed Circuits)であっても良い。
また、これに限るものではなく、通電部141が絶縁部142上に貼り付けられても良い。
通電シート14は、第1接続部15に加え、ソース端子132とバスバー112と電気的に接続させる第2接続部143を通電部141毎に設けている。第2接続部143は通電シート14内に、かつ、通電シート14の厚み方向において、通電部141と整合する位置に設けられている。
第2接続部143は、通電シート14の厚み方向において、通電シート14のバスバー111,112側の表面から、少なくとも通電部141の一部までの深さを有する凹部143Aを有する。即ち、凹部143Aは通電部141を含む絶縁部142の一部を取り除くように形成されているので、凹部143Aの内側から通電部141が露出されている。凹部143Aは、例えば、通電シート14を厚み方向に貫通する貫通孔であっても良い。本実施形態においては、凹部143Aが円形の貫通孔である場合を例に説明する。
第2接続部143は、凹部143A内に設けられ、通電部141とバスバー112とを通電させる内側導電部143Bを有する。例えば、内側導電部143Bは、凹部143Aの内側面に形成された環部である。
詳しくは、内側導電部143Bは、凹部143Aの内側面に沿ってメッキ処理された導電物層であっても良く、凹部143Aの内径と同一の外径を有して凹部143Aに内嵌された円筒状の導電体であっても良い。
本実施形態においては、内側導電部143Bが円筒状である場合を例に説明するが、これに限定されるものでなく、四角筒状であっても良い。
このように、通電部141が凹部143Aの内側から露出されており、凹部143Aの内側面には環部の内側導電部143Bが設けられているので、通電部141とバスバー112とは内側導電部143Bを介して通電される。
第2接続部143は、図4に示すように、第1絶縁領域114の付近に設けられている。便宜上、図4においては、後述する遠方接続シート16によって隠された第1絶縁領域114を一点鎖線にて表している。例えば、第2接続部143は、その直径の30%程度を第1絶縁領域114から離れて設けられる。
また、FET13のゲート端子135は、遠方接続シート16を介して、バスバー112より遠方の基板部113と電気的に接続されている。遠方接続シート16は、バスバー111,112上に設けられ、バスバー111からバスバー112に亘って基板部113まで延びている。
遠方接続シート16はゲート端子135と基板部113とを電気的に接続させる通電線161と、通電線161をバスバー111,112から絶縁させる絶縁シート162とを有する。
通電線161の一端はゲート端子135に半田接続されており、通電線161の他端は基板部113の回路パターン(図示せず)に半田接続されている。通電線161は銅線又は銅箔からなり、絶縁シート162は樹脂からなる。絶縁シート162は、通電線161に沿って、バスバー111,112上に貼り付けられている。また、絶縁シート162は、通電線161の付近に加え、FET13の付近を含むバスバー111,112の所定範囲を覆っている。
基板部113は、例えば絶縁基板を有し、斯かる絶縁基板の上面には、抵抗、コイル、コンデンサ、ダイオード等の半導体素子を備えた制御回路(図示せず)が実装されると共に、これらの半導体素子を電気的に接続する回路パターンが形成されても良い。
上述のように、本実施形態に係る電力回路30においては、ソース端子132とバスバー112とが通電シート14によって電気的に接続されており、通電シート14は第1接続部15に加え、第2接続部143でもバスバー112と接続している。
従って、ソース端子132とバスバー112との間における電流の経路を拡大させており、ソース端子132とバスバー112との通電を確実にしている。
また、第2接続部143が、バスバー112における第1絶縁領域114の付近に設けられているので、ソース端子132とバスバー112との間における電流経路の長さを極力短縮させることができる。従って、抵抗を減らし、通電シート14における発熱を抑えることができる。
なお、通電部141とバスバー112とが第2接続部143(内側導電部143B)を介して互いに接触している。よって、通電シート14(通電部141)で発生する熱が、第2接続部143(内側導電部143B)を介してバスバー112に伝導される。従って、通電シート14での発熱による不具合を未然に防止でき、かつ、通電シート14の熱をバスバー112に分散させ、放熱の効率を高めることができる。
(実施形態2)
図6は、本実施形態に係る電力回路30におけるFET13の付近を拡大して示す拡大図であり、図7は、図6のVII−VII線による縦断面図である。
FET13はバスバー111に固定され、ソース端子132が通電シート14を介してバスバー112と電気的に接続している。
FET13は半田付けによってバスバー111に固定されている。即ち、FET13の底面とバスバー111との間には半田固定部133が介在している。ドレイン端子131は直接的にバスバー111と電気的接続している。
一方、FET13のソース端子132は、通電シート14を介して、バスバー112と電気的に接続されている。即ち、通電シート14は、第1絶縁領域114を跨るように、バスバー111,112上に設けられている。
通電シート14はソース端子132とバスバー112とを電気的に接続させる通電部141A(図6中、破線にて表示)と、通電部141をバスバー111から絶縁させる絶縁部142(絶縁シート)とを有する。通電部141の一端はソース端子132に半田接続されており、通電部141の他端は第1接続部15を介してバスバー112に半田接続されている。
例えば、通電部141Aは銅箔からなり、矩形の板状をなす。また、絶縁部142はシート状の樹脂からなっている。絶縁部142は、通電部141Aとバスバー111,112との間に介在しており、通電部141Aは絶縁部142より小さい面積を有する。通電シート14は、例えばFPC(Flexible Printed Circuits)であっても良い。
通電シート14は、第1接続部15に加え、ソース端子132とバスバー112と電気的に接続させる3つの第2接続部144を更に有する。第2接続部144は通電シート14内に、かつ、通電シート14の厚み方向において、通電部141Aと整合する位置に設けられている。
第2接続部144は、通電シート14の厚み方向において、通電シート14のバスバー111,112側の表面から、少なくとも通電部141Aの一部までの深さを有する凹部144Aを有する。即ち、凹部144Aは通電部141Aを含む絶縁部142の一部を取り除くように形成されているので、凹部144Aの内側から通電部141Aが露出されている。凹部144Aは、例えば、通電シート14を厚み方向に貫通する貫通孔であっても良い。本実施形態においては、凹部144Aが円形の貫通孔である場合を例に説明する。
第2接続部144は、凹部144A内に設けられ、通電部141Aとバスバー112とを通電させる内側導電部144Bを有する。例えば、内側導電部144Bは、凹部144Aの内側面に形成された半田である。
具体的に、内側導電部144Bは、半田付けによって通電部141A及びバスバー112に溶着された半田の塊であり、凹部144Aに倣う形状を有する。即ち、内側導電部144Bは、凹部144Aの内径と同じ寸法の外径を有する円柱状を有し、凹部144Aに内嵌されている。
このように、通電部141Aが凹部144Aの内側から露出されており、凹部144Aの内側には半田の塊である内側導電部144Bが内嵌されているので、通電部141Aとバスバー112とは内側導電部144Bを介して通電される。
第2接続部144は、図6に示すように、第1絶縁領域114の付近に設けられている。便宜上、図6においては、遠方接続シート16によって隠された第1絶縁領域114を一点鎖線にて表している。
また、FET13のゲート端子135は、遠方接続シート16を介して、バスバー112より遠方の基板部113と電気的に接続されている。基板部113は、例えば絶縁基板を有し、斯かる絶縁基板の上面には、抵抗、コイル、コンデンサ、ダイオード等の半導体素子を備えた制御回路(図示せず)が実装される。
遠方接続シート16及び基板部113は、実施形態1と同じ構成を有しており、詳しい説明を省略する。
上述のように、本実施形態に係る電力回路30においては、ソース端子132とバスバー112とが通電シート14によって電気的に接続されており、通電シート14は第1接続部15に加え、第2接続部144でもバスバー112と接続している。
従って、ソース端子132とバスバー112との間における電流の経路を拡大させており、ソース端子132とバスバー112との通電を確実にしている。
また、第2接続部144が、バスバー112における第1絶縁領域114の付近に設けられているので、ソース端子132とバスバー112との間における電流経路の長さを極力短縮させることができる。従って、抵抗を減らし、通電シート14における発熱を抑えることができる。
また、通電部141Aが板状をなすので、ソース端子132とバスバー112との間における通電の際、抵抗を減らせることができ、通電シート14における発熱を抑えることができる。
また、通電部141Aが板状をなすので空気に触れる面積が増えており、空冷によって通電シート14における発熱を抑えることができる。
なお、通電部141Aとバスバー112とが第2接続部144(内側導電部144B)を介して互いに接触している。よって、通電シート14(通電部141A)で発生する熱が、第2接続部144(内側導電部144B)を介してバスバー112に伝導される。従って、通電シート14での発熱による不具合を未然に防止でき、かつ、通電シート14の熱をバスバー112に分散させ、放熱の効率を高めることができる。
以上においては、通電シート14に3つの第2接続部144が設けられた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものでない。第2接続部144の数を3つ以上に増やしてもよく、この場合は上述の効果を高めることができる。
実施形態1及び実施形態2においては、FET13がバスバー111に固定されており、FET13のドレイン端子131がバスバー111と直接接続され、FET13のソース端子132が通電シート14を介してバスバー112と接続する場合を例に挙げて説明した。しかし、本実施形態はこれに限るものでない。FET13がバスバー112に固定されており、FET13のソース端子132がバスバー112と直接接続され、FET13のドレイン端子131が通電シート14を介してバスバー111と接続する構成であっても良い。
また、実施形態1の第2接続部143(内側導電部143B)を、実施形態2の通電シート14に適用しても良く、実施形態2の第2接続部144(内側導電部144B)を、実施形態1の通電シート14に適用しても良い。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 基板構造体
13 FET
14 通電シート
15 第1接続部
18 上側半導体素子
30 電力回路
111 バスバー(第1導電片、第2導電片)
112 バスバー(第2導電片、第1導電片)
114 第1絶縁領域
131 ドレイン端子
132 ソース端子
134 素子本体
135 ゲート端子
141,141A 通電部
142 絶縁部
143,144 第2接続部
143A,144A 凹部
143B,144B 内側導電部

Claims (7)

  1. 半導体素子の端子と接続する複数の導電片が一平面に設けられており、前記導電片同士間に介在する絶縁領域を備える回路基板であって、
    前記半導体素子が固定された第1導電片と、
    第1接続部にて第2導電片と接続し、前記半導体素子の一端子を前記第2導電片と通電させる通電シートと、
    前記通電シート内に設けられ、前記一端子と前記第2導電片とを通電させる第2接続部とを備える回路基板。
  2. 前記通電シートは、
    前記一端子と前記第2導電片とを通電させる通電部と、
    前記通電部を少なくとも前記第1導電片から絶縁させる絶縁シートとを有し、
    前記第2接続部は、
    内側から前記通電部が露出するように形成された凹部と、
    前記凹部内に設けられ、前記通電部と前記第2導電片とを通電させる内側導電部とを有する請求項1に記載の回路基板。
  3. 前記第2接続部は前記絶縁領域付近に設けられている請求項1又は2に記載の回路基板。
  4. 前記内側導電部は、前記凹部の内側面に形成された環部である請求項2に記載の回路基板。
  5. 前記内側導電部は、前記通電部及び前記第2導電片に溶着された半田である請求項2に記載の回路基板。
  6. 前記通電部は板形状をなす請求項4又は5に記載の回路基板。
  7. 前記通電シートはFPC(Flexible Printed Circuits)である請求項1から6の何れか一つに記載の回路基板。
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