JP2020013895A - 回路基板 - Google Patents

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俊悟 平谷
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Abstract

【課題】複数の半導体素子を用いる場合、通電時に半導体素子に発生する熱を適宜分散させ、放熱の効率を高めることができる回路基板を提供する。【解決手段】複数のFET13の端子と接続する2つのバスバー111,112が一平面に設けられており、前記導電片同士の間に介在する絶縁領域114を備える電力回路30であって、前記複数のFETのうち、一群13A,13Cが固定される第1導電片111と、前記複数のFETのうち、他群13B,13Dが固定される第2導電片112とを備え、前記複数のFET13は、前記第1導電片111及び前記第2導電片112に交互に固定されている。【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片(バスバー等とも称される)が設けられた回路基板が一般的に知られている。
特許文献1には、一対のバスバーと、斯かる一対のバスバー上に実装されたパワー半導体と、該パワー半導体を制御する制御部を実装した制御基板と、前記一対のバスバーの上面に設けられて前記パワー半導体の制御端子と前記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
一般に、半導体素子は通電の際に熱が発生する。従って、半導体素子で発生した熱によって、回路基板に不具合が生じないように、発生した熱を適宜分散させ、放熱の効率を高めることが必要である。
しかしながら、特許文献1の電気接続箱においては、パワー半導体(半導体素子)がバスバーにおいて局所的に集中して配置されており、通電時には熱が集中することになるので上述の問題を解決できない。
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、複数の半導体素子を用いる場合、通電時に半導体素子に発生する熱を適宜分散させ、放熱の効率を高めることが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、複数の半導体素子の端子と接続する2つの導電片が一平面に設けられており、前記導電片同士の間に介在する絶縁部を備える回路基板であって、前記複数の半導体素子のうち、一群が固定される第1導電片と、前記複数の半導体素子のうち、他群が固定される第2導電片とを備え、前記複数の半導体素子は、前記第1導電片及び前記第2導電片に交互に固定されている。
本開示の一態様によれば、複数の半導体素子を用いる場合、通電時に半導体素子に発生する熱を適宜分散させ、放熱の効率を高めることができる。
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における複数の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。 図4のIV‐IV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複数のFETの付近を拡大して示す拡大図である。
[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、複数の半導体素子の端子と接続する2つの導電片が一平面に設けられており、前記導電片同士の間に介在する絶縁部を備える回路基板であって、前記複数の半導体素子のうち、一群が固定される第1導電片と、前記複数の半導体素子のうち、他群が固定される第2導電片とを備え、前記複数の半導体素子は、前記第1導電片及び前記第2導電片に交互に固定されている。
本態様にあっては、前記複数の半導体素子のうち、一群が第1導電片に固定され、前記複数の半導体素子のうち、一群を除く他群が第2導電片に固定され、前記複数の半導体素子は、前記第1導電片及び前記第2導電片に交互に固定されている。
従って、通電時に半導体素子が発する熱が、第1導電片及び第2導電片に適宜分散され、放熱の効率が高まる。
(2)本開示の一態様に係る回路基板は、前記一群の半導体素子の数は、前記他群の半導体素子の数と同数である。
本態様にあっては、第1導電片に固定された一群の半導体素子の数と、第2導電片に固定された第2群の半導体素子の数が同一である。
従って、通電時に半導体素子が発する熱が、第1導電片及び第2導電片に適宜分散され、放熱の効率が高まる。
(3)本開示の一態様に係る回路基板は、各半導体素子は、該半導体素子の本体に対して相互反対側に設けられた第1端子及び第2端子を有し、前記他群の半導体素子は、前記第1端子が前記第1導電片を向くように配置され、前記第1端子が導電性の第1接続シートを介して前記第1導電片と接続しており、前記一群の半導体素子は、前記第2端子が前記第2導電片を向くように配置され、前記第2端子が導電性の第2接続シートを介して前記第2導電片と接続している。
本態様にあっては、他群の半導体素子は、第1導電片と接続すべき第1端子が斯かる第1導電片側に配置され、一群の半導体素子は、第2導電片と接続すべき第2端子が斯かる第2導電片側に配置される。
従って、第1導電片と第1端子とを接続させる第1接続シートと、第2導電片と第2端子とを接続させる第2接続シートの長さを短縮し、回路基板をコンパクト化できる。
(4)本開示の一態様に係る回路基板は、前記第1接続シートを覆い、前記第1接続シートの熱を前記第1導電片又は前記第2導電片に伝達する第1熱伝部材と、前記第2接続シートを覆い、前記第2接続シートの熱を前記第1導電片又は前記第2導電片に伝達する第2熱伝部材とを備える。
本態様にあっては、第1熱伝部材が第1接続シートの熱を第1導電片又は第2導電片に伝達し、第2熱伝部材が第2接続シートの熱を第1導電片又は第2導電片に伝達する。従って、第1接続シート及び第2接続シートでの発熱による不具合を未然に防止でき、かつ、第1接続シート及び第2接続シートの熱を第1導電片又は第2導電片に分散させ、放熱の効率を高めることができる。
(5)本開示の一態様に係る回路基板は、前記第1接続シート又は前記第2接続シートはFPC(Flexible Printed Circuits)である。
本態様にあっては、第1接続シート又は第2接続シートとして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、半田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、前後方向に所定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複数の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(絶縁部)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(絶縁部)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。
図3の例では、4つのFET13が、矩形のバスバー111の一辺に沿って、換言すれば、バスバー111及びバスバー112の境(第1絶縁領域114)に沿って並設されている。
バスバー111はFET13のドレイン端子と接続するバスバーであり、バスバー112はFET13のソース端子と接続するバスバーである。以下、バスバー111及びバスバー112を夫々ドレインバスバー111(第1導電片、第2導電片)及びソースバスバー112(第2導電片、第1導電片)とも言う。
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、4つのFET13がドレインバスバー111の一辺側に並設され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がドレインバスバー111の他辺側に更に並設された構成であっても良い。
図4は、図3における複数の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り、図6は、図4のIV‐IV線による縦断面図である。
本実施形態に係る電力回路30においては、FET13A、FET13B、FET13C、FET13Dの4つのFET13が、この順に、ドレインバスバー111及びソースバスバー112の境に沿って並設されている。以下、FET13A〜13DをまとめてFET13とも言う。
FET13A〜13Dは、ドレインバスバー111及びソースバスバー112に分散されて配置されている。より詳しくは、ドレインバスバー111にはFET13A及びFET13C(一群、他群)が固定され、ソースバスバー112にはFET13B及びFET13D(他群、一群)が固定されている。即ち、ドレインバスバー111及びソースバスバー112には夫々同数のFET13が固定されている。
より詳しくは、FET13A〜13Dは、ドレインバスバー111及びソースバスバー112に交互に固定されている。即ち、FET13Aはドレインバスバー111に固定され、FET13Bはソースバスバー112に固定され、FET13Cはドレインバスバー111に固定され、FET13Dはソースバスバー112に固定されている。
FET13A、13Cが同一方法によってバスバー111,112に電気的に接続しており、FET13B,13Dが同一方法によってバスバー111,112に電気的に接続している。FET13A,13Cがバスバー111,112と接続する方法は、FET13B,13Dがバスバー111,112と接続する方法と相違する。
従って、以下においては、FET13A及びFET13CのうちFET13Aについてのみ説明し、FET13B及びFET13DのうちFET13Bについてのみ説明し、FET13C及びFET13Dについての詳しい説明は省略する。
FET13Aは、素子本体134Aと、素子本体134Aを挟んで相互反対側に4つのドレイン端子131A(第1端子、第2端子)及び3つのソース端子132A(第2端子、第1端子)を有する。例えば、素子本体134Aの一側面側にドレイン端子131Aが設けられ、前記一側面と対向する側面側にソース端子132Aが設けられている。また、FET13Aはゲート端子135Aを有し、例えばゲート端子135Aはソース端子132Aの付近に設けられている。しかし、ゲート端子135Aの位置はこれに限定されるものではない。
FET13Aは半田付けによってドレインバスバー111に固定されている。即ち、FET13Aの底面とドレインバスバー111との間には半田固定部133Aが介在している。半田固定部133Aは、FET13Aの底面の少なくとも一部をドレインバスバー111に半田付けしている。
FET13Aのドレイン端子131Aは半田固定部133Aに半田接続され、半田固定部133を介してドレインバスバー111と電気的に接続している。即ち、ドレイン端子131Aは直接的にドレインバスバー111と電気的接続している。
一方、FET13Aは、ソース端子132Aがソースバスバー112を向くように、換言すれば、ソース端子132Aが第1絶縁領域114を向くように、配置されている。また、ソース端子132Aは、接続シート14A(第1接続シート、第2接続シート)を介して、第1絶縁領域114を挟んで隔てられたソースバスバー112と電気的に接続されている。即ち、接続シート14A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。
接続シート14Aはソース端子132Aとソースバスバー112とを電気的に接続させる、線状の通電部141A(図4中、破線にて表示)と、通電部141Aをドレインバスバー111から絶縁させる絶縁部142Aとを有する。通電部141Aの一端はソース端子132Aに半田接続されており、通電部141Aの他端はソースバスバー112に半田接続されている。即ち、接続シート14Aの他端は半田接続部15Aを介してソースバスバー112と接続している。
このように、ソース端子132Aがソースバスバー112を向くようにFET13Aが配置されているので、ソース端子132Aがソースバスバー112を向いていない場合に比べて接続シート14Aの長さを短くすることができ、本実施形態に係る電力回路30の構造を簡単にすることができる。
一方、FET13Bは、素子本体134Bと、素子本体134Bを挟んで相互反対側に4つのドレイン端子131B(第1端子、第2端子)及び3つのソース端子132B(第2端子、第1端子)を有する。例えば、素子本体134Bの一側面側にドレイン端子131Bが設けられ、前記一側面と対向する側面側にソース端子132Bが設けられている。また、FET13Bはゲート端子135Bを有し、例えばゲート端子135Bはソース端子132Bの付近に設けられている。
FET13Bは半田付けによってソースバスバー112に固定されている。即ち、FET13Bの底面とソースバスバー112との間には半田固定部133Bが介在している。半田固定部133Bは、FET13Bの底面の少なくとも一部をソースバスバー112に半田付けしている。
例えば、FET13Bのソース端子132Bは半田接続によって、ソースバスバー112と電気的に接続している。即ち、ソース端子132Bは直接的にソースバスバー112と電気的接続している。
一方、FET13Bは、ドレイン端子131Bがドレインバスバー111を向くように、換言すれば、ドレイン端子131Bが第1絶縁領域114を向くように、配置されている。また、ドレイン端子131Bは、接続シート14B(第2接続シート、第1接続シート)を介して、第1絶縁領域114を挟んで隔てられたドレインバスバー111と電気的に接続されている。
接続シート14Bはドレイン端子131Bとドレインバスバー111とを電気的に接続させる、線状の通電部141B(図4中、破線にて表示)と、通電部141Bをソースバスバー112から絶縁させる絶縁部142Bとを有する。通電部141Bの一端はドレイン端子131Bに半田接続されており、通電部141Bの他端はドレインバスバー111に半田接続されている。即ち、接続シート14Bの他端は半田接続部15Bを介してドレインバスバー111と接続している。
このように、ドレイン端子131Bがドレインバスバー111を向くようにFET13Bが配置されているので、ドレイン端子131Bがドレインバスバー111を向いていない場合に比べて接続シート14Bの長さを短くすることができ、本実施形態に係る電力回路30の構造を簡単にすることができる。
例えば、通電部141A,141Bは銅箔からなり、絶縁部142A,142Bはシート状の樹脂からなっており、絶縁部142A,142Bの内部に通電部141A,141Bが埋設されている。接続シート14A,14B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141A,141Bが絶縁部142A,142B上に貼り付けられても良い。
なお、接続シート14A,14Bは、部分的に、バスバー111,112又は第1絶縁領域114に固定されても良い。即ち、接続シート14A,14Bは、一又は複数箇所のみが、バスバー111,112又は第1絶縁領域114に固定されても良い。この場合、接続シート14A,14Bはその長さ方向(通電部141A,141Bの延び方向)へある程度の変形が可能になる。従って、FET13A,13Bでの発熱の際に、ドレイン端子131A,131B又はソース端子132A,132Bの熱膨張・収縮に応じて、接続シート14A,14Bが変形できる。
FET13Aのゲート端子135Aは、遠方接続シート16Aを介して、ソースバスバー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16A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。
また、FET13Bのゲート端子135Bは、遠方接続シート16Bを介して遠方の基板部113と電気的に接続されている。遠方接続シート16Bは、ソースバスバー112上に設けられている。
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。
上述したように、本実施形態に係る電力回路30においては、FET13A〜13Dがドレインバスバー111及びソースバスバー112に分けて固定されている。従って、通電時にFET13A〜13Dが発する熱が、ドレインバスバー111又はソースバスバー112の何れか一方に集中せず、分散される。従って、熱集中による不具合を未然に防止でき、電力回路30における放熱の効率を高めることができる。
また、本実施形態に係る電力回路30においては、FET13A〜13Dがドレインバスバー111及びソースバスバー112に交互に固定されている。従って、ドレインバスバー111においてはFET13A,13C同士間に、ソースバスバー112においてFET13B,13D同士間に間隔が生じる。よって、通電時にFET13A〜13Dが発する熱が、ドレインバスバー111又はソースバスバー112において局所的に集中せず、広く分散される。従って、電力回路30における放熱の効率を高めることができる。
更に、FET13A〜13Dがドレインバスバー111又はソースバスバー112に固定されるので、通電時にFET13A〜13Dに発生する熱はドレインバスバー111又はソースバスバー112に伝導さる。従って、FET13A〜13Dに発生する熱によって、FET13A〜13D自体に問題が生じることを未然に防止できる。
(実施形態2)
図7は、本実施形態に係る電力回路30における複数のFET13の付近を拡大して示す拡大図である。
本実施形態に係る電力回路30においては、実施形態1と同様、FET13A、FET13B、FET13C、FET13Dの4つのFET13が、この順に、ドレインバスバー111及びソースバスバー112の境に沿って並設されている。
FET13A〜13Dは、ドレインバスバー111及びソースバスバー112に交互に固定されており、ドレインバスバー111にはFET13A及びFET13C(一群、他群)が固定され、ソースバスバー112にはFET13B及びFET13D(他群、一群)が固定されている。
即ち、FET13Aはドレインバスバー111に固定され、FET13Bはソースバスバー112に固定され、FET13Cはドレインバスバー111に固定され、FET13Dはソースバスバー112に夫々固定されている。
他、FET13A〜13Dの構造及びFET13A〜13Dとバスバー111,112との電気的接続方法については、実施形態1にて説明しており、詳しい説明を省略する。
本実施形態に係る電力回路30において、FET13A,13Cは第1熱伝部材40A,40C(第1熱伝部材、第2熱伝部材)を夫々有し、FET13B,13Dは第2熱伝部材50B,50D(第2熱伝部材、第1熱伝部材)を夫々有している。
第1熱伝部材40A,40Cは、接続シート14A,14Cの一部と、接続シート14A,14Cの前記一部付近のソースバスバー112とを夫々覆う。即ち、第1熱伝部材40A,40Cは、接続シート14A,14Cとソースバスバー112との両方に接触している。従って、接続シート14A,14Cに発生する熱をソースバスバー112に伝導させることができる。
また、第2熱伝部材50B,50Dは、接続シート14B,14Dの一部と、接続シート14B,14Dの前記一部付近のドレインバスバー111とを夫々覆う。即ち、第2熱伝部材50B,50Dは、接続シート14B,14Dとドレインバスバー111との両方に接触している。従って、接続シート14B,14Dに発生する熱をドレインバスバー111に伝導させることができる。
第1熱伝部材40A,40C及び第2熱伝部材50B,50Dは、例えば、アクリル、シリコン、ポリオフィレン等の熱伝導率の優れた材料からなる。
以下において、第1熱伝部材40A,40Cを第1熱伝部材40とも言い、第2熱伝部材50B,50Dを第2熱伝部材50とも言う。
以上のように、本実施形態に係る電力回路30は第1熱伝部材40及び第2熱伝部材50を備えているので、接続シート14A〜14Dに発生する熱をドレインバスバー111又はソースバスバー112に伝導させることによって、分散させ、また空冷させる。従って、電力回路30における放熱の効率を高めることができる。
実施形態1と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
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
14A,14B,14C,14D 接続シート
30 電力回路
40 第1熱伝部材
50 第2熱伝部材
111ドレインバスバー
112 ソースバスバー
114 第1絶縁領域
115 第2絶縁領域
131A,131B,131C,131D ドレイン端子
132A,132B,132C,132D ソース端子
135A,135B,135C,135D ゲート端子

Claims (5)

  1. 複数の半導体素子の端子と接続する2つの導電片が一平面に設けられており、前記導電片同士の間に介在する絶縁部を備える回路基板であって、
    前記複数の半導体素子のうち、一群が固定される第1導電片と、
    前記複数の半導体素子のうち、他群が固定される第2導電片とを備え、
    前記複数の半導体素子は、前記第1導電片及び前記第2導電片に交互に固定されている回路基板。
  2. 前記一群の半導体素子の数は、前記他群の半導体素子の数と同数である請求項1に記載の回路基板。
  3. 各半導体素子は、該半導体素子の本体に対して相互反対側に設けられた第1端子及び第2端子を有し、
    前記他群の半導体素子は、前記第1端子が前記第1導電片を向くように配置され、前記第1端子が導電性の第1接続シートを介して前記第1導電片と接続しており、
    前記一群の半導体素子は、前記第2端子が前記第2導電片を向くように配置され、前記第2端子が導電性の第2接続シートを介して前記第2導電片と接続している請求項1又は2に記載の回路基板。
  4. 前記第1接続シートを覆い、前記第1接続シートの熱を前記第1導電片又は前記第2導電片に伝達する第1熱伝部材と、
    前記第2接続シートを覆い、前記第2接続シートの熱を前記第1導電片又は前記第2導電片に伝達する第2熱伝部材と
    を備える請求項3に記載の回路基板。
  5. 前記第1接続シート又は前記第2接続シートはFPC(Flexible Printed Circuits)である請求項3又は4に記載の回路基板。
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