JP5201095B2

JP5201095B2 - 回路基板

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Publication number: JP5201095B2
Application number: JP2009164447A
Authority: JP
Inventors: 洋稲村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-07-13
Also published as: JP2011023384A

Description

本発明は、高圧系の電子部品と低圧系の電子部品とが混在して実装される回路基板に関する。

従来、高圧系及び低圧系の電子部品が混在して実装される回路基板としては、例えば特許文献１に記載の車載用電力変換装置における基板が有る。この基板には、高圧系のＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）によるスイッチング素子の駆動保護回路と、低圧系の交流負荷制御回路である制御演算装置とが形成されると共に、駆動保護回路と制御演算装置間の信号伝達を行ない絶縁機能を有する信号伝達手段が形成されている。更に、この基板と、上記のスイッチング素子並びに平滑用コンデンサで構成される電力変換部とが同一モジュールで構成されている。これによって、信号伝達距離を短くでき、回路を小容量化することができるようになっている。従って、基板を含むモジュールで構成される車載用電力変換装置の小型化を図ることが可能となっている。

特許３６２５６９２号公報

ところで、上記の特許文献１の車載用電力変換装置における基板においては、高圧系のスイッチング素子の駆動保護回路等の電子部品と、低圧系の制御演算装置等の電子部品とが、絶縁破壊の生じない必要な絶縁間隔を保持して形成されている。一般的に、このような回路基板においては、高圧系の電子部品の実装領域（高圧系実装領域）と、低圧系の電子部品の実装領域（低圧系実装領域）とが必要な絶縁距離を隔てている。従って、高圧系実装領域では表裏面にスルーホール等を利用して高圧系の電子部品を実装することができ、低圧系実装領域でも同様に表裏面に低圧系の電子部品を実装することが可能となっている。

しかし、高圧系実装領域において、高圧系のＳＭＤ（表面実装部品）を用いて表裏面の何れか一方の面に電子部品を実装した場合、この実装面の裏面には高圧系の電子部品は実装可能であるが、低圧系の電子部品は表裏面間で必要な絶縁距離が確保できないので実装不可能となる。このように低圧系電子部品が実装不可能な場合、高圧系の表面実装部品の裏面が何も実装されない空領域となって、その分、実装密度が低下したり、基板サイズが大きくなったりする問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高圧系の電子部品の実装面の裏面に低圧系の電子部品を実装可能とし、これによって電子部品の実装密度の向上並びに基板サイズの小型化を図ることができる回路基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、高圧系の電子部品と低圧系の電子部品とが混在して実装される回路基板において、回路基板の表面と裏面との間に、当該表面及び裏面に対向状態に実装される電子部品を表裏面間で絶縁するために介挿された絶縁部材を備え、前記高圧系の電子部品と前記低圧系の電子部品とが同一の前記絶縁部材上に混在して実装され、前記絶縁部材は、表裏面の一方の面に前記高圧系の電子部品が実装される予め定められた高圧系領域が設けられ、且つ前記高圧系領域が設けられる面とは逆面に前記低圧系の電子部品が実装され、前記高圧系の電子部品と前記低圧系の電子部品との間には前記絶縁部材の表裏面間を貫通するスルーホールが形成されない構造を有することを特徴とする。

この構成によれば、例えば表面に高圧系電子部品が実装されている場合、この高圧系電子部品の実装領域に絶縁部材を介した表裏面間にはスルーホールが形成されていない。つまり、高圧系電子部品の実装領域の対向裏面に低圧系電子部品を実装しても、絶縁部材によって絶縁性を確保することが出来る。従って、従来のように高圧系電子部品の裏面が何も実装されない空領域となって、その分、実装密度が低下したり、基板サイズが大きくなったりすることが無くなる。言い換えれば、高圧系の電子部品の実装面の対向裏面に低圧系の電子部品を実装することができるので、回路基板における電子部品の実装密度を向上させ、また、基板サイズを小型化することができる。

請求項２に記載の発明は、複数層の最上面及び最下面に高圧系の電子部品と低圧系の電子部品とが混在して実装される多層型の回路基板において、前記表裏面間の複数層を、当該表面及び裏面に対向状態に実装される電子部品を表裏面間で絶縁する絶縁部材で形成したものであって、前記高圧系の電子部品と前記低圧系の電子部品とが同一の前記絶縁部材上に混在して実装され、前記絶縁部材は、表裏面の一方の面に前記高圧系の電子部品が実装される予め定められた高圧系領域が設けられ、且つ前記高圧系領域が設けられる面とは逆面に前記低圧系の電子部品が実装され、前記高圧系の電子部品と前記低圧系の電子部品との間には前記絶縁部材の表裏面間を貫通するスルーホールが形成されず、前記スルーホール以外の各層を接続するビアが形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、例えば表面に高圧系電子部品が実装されている場合、この高圧系電子部品の実装領域に複数層の絶縁部材を介した表裏面間にはスルーホールが形成されていない。つまり、高圧系電子部品の実装領域の対向裏面に低圧系電子部品を実装しても、絶縁部材によって絶縁性を確保することが出来る。従って、回路基板が多層型であっても、高圧系の電子部品が実装された高圧系領域の対向裏面に低圧系の電子部品を実装することができるので、電子部品の実装密度を向上させ、また、基板サイズを小型化することができる。

請求項３に記載の発明は、前記高圧系の電子部品が、３相電力の各相毎に上アームと下アームとで直列接続されたスイッチング素子を有するインバータである場合に、前記各相の上アームと下アームとで絶縁が必要であると共に、上アームと高圧系の基準電位との間で絶縁が必要な領域の表裏面間には、当該表裏面間を貫通するスルーホール以外の各層を接続するビアが形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、多層型の回路基板におけるインバータの３相各相の上アームと下アームとで絶縁が必要であると共に、上アームと高圧系の基準電位との間で絶縁が必要な領域には、表裏面間を貫通するスルーホールは形成されておらず、各層を接続するビアが形成又は未形成状態である。従って、インバータが実装された領域の対向裏面に低圧系の電子部品を実装することができるので、電子部品の実装密度を向上させ、また、基板サイズを小型化することができる。

本発明の実施形態に係る回路基板の構成を示し、（ａ）は回路基板の表面図、（ｂ）は回路基板の裏面図、（ｃ）は（ａ）に示すＡ１−Ａ２断面図である。電力変換装置の回路構成図である。本発明の実施形態に係る多層回路基板の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る回路基板の構成を示し、（ａ）は回路基板の表面図、（ｂ）は回路基板の裏面図、（ｃ）は（ａ）に示すＡ１−Ａ２断面図である。

図１に示す回路基板１０は、（ａ）に示す表面１０ａの高圧系実装領域１０ａ１に複数の高圧系のＳＭＤである電子部品（高圧系表面実装部品）１２ａ，１２ｂ，１２ｃが実装され、低圧系実装領域１０ａ２に低圧系電子部品１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅが実装されている。また、（ｂ）に示す裏面１０ｂの高圧系又は低圧系実装領域１０ｂ１に複数の低圧系電子部品１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが実装され、低圧系実装領域１０ｂ２に低圧系電子部品１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが実装されている。更に、（ｃ）に示すように、表面１０ａの低圧系電子部品１３ｄと裏面１０ｂの低圧系電子部品１５ｃとは所定部分がスルーホールｔｈで接続され、同様に低圧系電子部品１３ｅと低圧系電子部品１５ｄとは所定部分がスルーホールｔｈで接続されている。尚、本発明の実施の形態において、高圧系とは、電圧が高圧バッテリから出力される０ボルト〜６５０ボルト程度であることを意味し、低圧系とは、電圧が低圧バッテリから出力される０ボルト〜３２ボルト程度であることを意味する。

但し、表面１０ａにおいて高圧系実装領域１０ａ１と低圧系実装領域１０ａ２とは電子部品間で絶縁破壊の生じない必要な絶縁距離が確保され、裏面１０ｂにおいても高圧系又は低圧系実装領域１０ｂ１と低圧系実装領域１０ｂ２とは必要な絶縁距離が確保されている。

更に、互いに対向する高圧系実装領域１０ａ１及び高圧系又は低圧系実装領域１０ｂ１には、スルーホールｔｈは形成されておらず、回路基板１０の表面１０ａと裏面１０ｂとの間には、ガラスやエポキシ樹脂等の絶縁部材１７が介挿されている。この絶縁部材１７は、表面１０ａと裏面１０ｂに高圧系表面実装部品１２ａ〜１２ｃと低圧系電子部品１４ａ〜１４ｄとが対向して実装されても、この表裏面の電子部品間で絶縁破壊が生じない絶縁抵抗を有している。

このような回路基板１０によって、例えば図２に示す電力変換装置２０が形成されているとする。この電力変換装置２０は、例えばハイブリッド車両に搭載されており、図示せぬ直流電源からの直流電力をインバータ２１でＵ相・Ｖ相・Ｗ相の三相交流電力に変換してモータジェネレータＭＧを駆動する。インバータ２１は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなり、各相の高圧電源線２２Ｐ及び高圧接地線２２Ｎが直流電源に並列に接続されている。Ｕ相は、高圧電源線２２Ｐ側の半導体素子の上アーム用スイッチング素子Ｔ１と高圧接地線２２Ｎ側の半導体素子の下アーム用スイッチング素子Ｔ２とが直列に接続されてなる。同様に、Ｖ相は上アーム用スイッチング素子Ｔ３と下アーム用スイッチング素子Ｔ４、Ｗ相は上アーム用スイッチング素子Ｔ５と下アーム用スイッチング素子Ｔ６が直列に接続されてなる。各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。但し、各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６はＩＧＢＴであり、各ダイオードＤ１〜Ｄ６はフリーホイールダイオードである。

各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のゲート端子には、低圧系の制御部２３からフォトカプラ２４ａ，２４ｂを介してＳＷ（スイッチング）素子駆動部２５ａ，２５ｂに制御信号が入力されることによって、ＳＷ素子駆動部２５ａ，２５ｂで各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６が駆動される。ＵＶＷ各相のスイッチング素子Ｔ１とＴ２、Ｔ３とＴ４、Ｔ５とＴ６の各々の中間点は、各相の負荷線２６Ｕ，２６Ｖ，２６ＷによってモータジェネレータＭＧの図示せぬ各相コイルに接続されている。但し、制御部２３は車両ボディに接続された低圧接地線ＧＮＤに接続されている。また、高圧接地線２２Ｎは低圧接地線ＧＮＤと絶縁されており、所定の基準電位とされている。

このような電力変換装置２０を構成する低圧系と高圧系の電子部品が図１に示すように回路基板１０に実装される。電力変換装置２０においては、低圧系の電子部品は、制御部２３並びに低圧系と高圧系の電子部品から構成されるフォトカプラ２４ａ，２４ｂの低圧系の構成部品である。高圧系の電子部品は、フォトカプラ２４ａ，２４ｂの高圧系の構成部分と、ＳＷ素子駆動部２５ａ，２５ｂ及びインバータ２１である。

つまり、回路基板１０には、制御部２３及びフォトカプラ２４ａ，２４ｂの低圧系の構成部品が、低圧系電子部品１３ａ〜１３ｅ，１４ａ〜１４ｄ，１５ａ〜１５ｄの何れかとして実装され、フォトカプラ２４ａ，２４ｂの高圧系の構成部分と、ＳＷ素子駆動部２５ａ，２５ｂ及びインバータ２１とが、高圧系表面実装部品１２ａ〜１２ｃとして実装される。

このように本実施形態の回路基板１０は、高圧系表面実装部品１２ａ〜１２ｃと低圧系電子部品１３ａ〜１３ｅ，１４ａ〜１４ｄ，１５ａ〜１５ｄとが混在して実装されている。回路基板１０の表面１０ａと裏面１０ｂとの間に、当該表面１０ａ及び裏面１０ｂに対向状態に実装される電子部品を表裏面間で絶縁するために介挿された絶縁部材１７を備え、この絶縁部材１７を有する構造にあって高圧系の電子部品１２ａ〜１２ｃが実装される予め定められた高圧系領域としての高圧系実装領域１０ａ１の表裏面間にはスルーホールｔｈが形成されない構造とした。

これによって、高圧系表面実装部品１２ａ〜１２ｃの対向裏面にも低圧系電子部品１４ａ〜１４ｄを実装可能としたので、従来のように、高圧系実装領域１０ａ１の裏面が何も実装されない空領域となって、その分、実装密度が低下したり、基板サイズが大きくなったりすることが無くなる。つまり、高圧系の電子部品の実装面の裏面に低圧系の電子部品を実装することができるので、回路基板１０における電子部品の実装密度の向上並びに基板サイズの小型化を図ることができる。

これは、図３に示す多層回路基板３０においても同様な効果がある。多層回路基板３０は、例えば第１から第４層目までの各々の導電層３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの間にガラスやエポキシ樹脂等の絶縁部材による絶縁層が介挿された４層構造である。但し、２層目導電層３０ｂと３層目導電層３０ｃとの間の絶縁層はコア材１８である。また、多層回路基板３０の最上面としての４層目導電層３０ｄには、高圧系表面実装部品３２ａ，３２ｂが実装されると共に当該高圧系表面実装部品３２ａ，３２ｂと必要な絶縁距離を隔てて低圧系電子部品３３ａ，３３ｂが実装されている。多層回路基板３０の最下面としての１層目導電層３０ａには、高圧系表面実装部品３２ａ，３２ｂの実装面の対向面に低圧系電子部品３４ａ，３４ｂが実装され、この実装領域以外の領域に低圧系電子部品３５ａ，３５ｂが実装されている。

最上面の低圧系電子部品３３ａと最下面の低圧系電子部品３５ａとは所定部分が、多層回路基板３０の表裏面を貫通するスルーホールｔｈ１で接続されており、同様に、他の低圧系電子部品３３ｂと低圧系電子部品３５ｂとも所定部分がスルーホールｔｈ１で接続されている。

また、高圧系表面実装部品３２ａ，３２ｂの実装領域には多層回路基板３０の表裏面を貫通するスルーホールｔｈ１は形成されておらず、１層目導電層３０ａと２層目導電層３０ｂとの間を貫通する複数のビアホール（ビア）ｖ１，ｖ２が形成されている。更に３層目導電層３０ｃと４層目導電層３０ｄとを貫通するビアホールｖ３が形成されている。また、ビアホールｖ１，ｖ２は、２層目導電層３０ｂに形成された導電パターンＬ１によって接続されている。

但し、この多層回路基板３０では、高圧系実装領域において、１層目導電層３０ａと２層目導電層３０ｂ間を貫通するビアホールｖ１，ｖ２、及び３層目導電層３０ｃと４層目導電層３０ｄ間を貫通するビアホールｖ３が形成されているとしたが、高圧系実装領域には多層回路基板３０の表裏面を貫通するスルーホールｔｈ１が形成されていなければ良い。

このような多層回路基板３０においても、高圧系実装領域における高圧系の電子部品の実装面の裏面に低圧系の電子部品を実装することができるので、多層回路基板３０における電子部品の実装密度の向上並びに基板サイズの小型化を図ることができる。

１０回路基板
１０ａ表面
１０ｂ裏面
１０ａ１高圧系実装領域
１０ｂ１高圧系又は低圧系実装領域
１０ａ２，１０ｂ２低圧系実装領域
１２ａ〜１２ｃ，３２ａ，３２ｂ高圧系表面実装部品
１３ａ〜１３ｅ，１４ａ〜１４ｄ，１５ａ〜１５ｄ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ低圧系電子部品
１７絶縁部材
１８コア材
３０多層回路基板
３０ａ〜３０ｄ第１〜第４層目導電層
ｔｈ，ｔｈ１スルーホール
Ｌ１導電パターン
ｖ１，ｖ２，ｖ３ビアホール

Claims

高圧系の電子部品と低圧系の電子部品とが混在して実装される回路基板において、
回路基板の表面と裏面との間に、当該表面及び裏面に対向状態に実装される電子部品を表裏面間で絶縁するために介挿された絶縁部材を備え、
前記高圧系の電子部品と前記低圧系の電子部品とが同一の前記絶縁部材上に混在して実装され、
前記絶縁部材は、表裏面の一方の面に前記高圧系の電子部品が実装される予め定められた高圧系領域が設けられ、且つ前記高圧系領域が設けられる面とは逆面に前記低圧系の電子部品が実装され、
前記高圧系の電子部品と前記低圧系の電子部品との間には前記絶縁部材の表裏面間を貫通するスルーホールが形成されない構造を有することを特徴とする回路基板。
複数層の最上面及び最下面に高圧系の電子部品と低圧系の電子部品とが混在して実装される多層型の回路基板において、
前記表裏面間の複数層を、当該表面及び裏面に対向状態に実装される電子部品を表裏面間で絶縁する絶縁部材で形成したものであって、
前記高圧系の電子部品と前記低圧系の電子部品とが同一の前記絶縁部材上に混在して実装され、
前記絶縁部材は、表裏面の一方の面に前記高圧系の電子部品が実装される予め定められた高圧系領域が設けられ、且つ前記高圧系領域が設けられる面とは逆面に前記低圧系の電子部品が実装され、
前記高圧系の電子部品と前記低圧系の電子部品との間には前記絶縁部材の表裏面間を貫通するスルーホールが形成されず、前記スルーホール以外の各層を接続するビアが形成されていることを特徴とする回路基板。
前記高圧系の電子部品が、３相電力の各相毎に上アームと下アームとで直列接続されたスイッチング素子を有するインバータである場合に、前記各相の上アームと下アームとで絶縁が必要であると共に、上アームと高圧系の基準電位との間で絶縁が必要な領域の表裏面間には、当該表裏面間を貫通するスルーホール以外の各層を接続するビアが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回路基板。