JP5255592B2 - 基板 - Google Patents

Description

本発明は自動車等に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータ等の基板および基板の製造方法に関するものである。

自動車に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータは、電圧変換用のトランスや平滑化用のチョークコイル等の複数の部品から構成されるが、高電圧・大電流が負荷されるため、それぞれのパーツを別々に製造後、それらが接続されて用いられている（特許文献１）。

特開２００５−１４３２１５号公報

しかし、このような構成は、装置の大型化を招くため、よりコンパクトなＤＣ−ＤＣコンバータが要求されている。一方、前述の各部品を同一の基板上に配置する方法がある。通常、このような電気回路を有する基板は、複数の回路および絶縁体が層構造で構成される。

しかし、通常の基板は、回路をメッキやエッチング等により形成するため、大電流が流れるＤＣ−ＤＣコンバータに対しては、回路が大電流に耐えることができない。すなわち、このような大電流に耐えるためには導体層厚さを例えば０．４ｍｍ以上とすることが望ましいが、従来の方法では、導体層厚さが厚くなりすぎるため、導体層の形成に時間を要する問題があった。

一方、このような大電流用の基板としては、プレス加工により導体部を形成し、射出成型によって絶縁部を形成する射出成型基板がある。導体部がプレス加工によって構成されるため、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータのような大電流にも耐えることができる。

しかしながら、射出成型基板は、絶縁部が射出成型の金型によって形成される。したがって、微細な基板表面の導体露出部を形成することが困難である。たとえば、セラミックコンデンサ等の小型の電子部品を搭載するためには、コンデンサの電極と接続される微細な導体露出部を形成する必要があるが、射出成型では、樹脂の漏れ等の問題があり、このような微細な形状を形成することが困難である。また、プレス加工では細かな導体の加工が困難であるため、細かなパターンを有する回路を構成することが困難であるという問題がある。したがって、装置の小型の障害となっていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、ＤＣ−ＤＣコンバータのような大電流にも使用可能な基板であって、小型電子部品を１枚の基板上に配置可能な基板および基板の製造方法を提供することを目的とする。

前述した目的を達するために本発明は、回路導体の表面に対して樹脂が射出成型された射出成型基板と、あらかじめ表面に電子部品が搭載されたプリント基板と、を具備し、前記射出成型基板には、電子部品搭載部およびプリント基板搭載部が形成され、前記電子部品搭載部に露出する前記回路導体には、電子部品が電気的に接合されており、前記プリント基板搭載部に露出する前記回路導体には、前記プリント基板が電気的に接合され、前記プリント基板には、前記プリント基板を貫通して形成される応力緩和部が形成され、前記射出成型基板の前記回路導体の厚さが４００μｍ以上の厚銅で構成され、前記プリント基板の回路部の導体の厚さが１２５μｍ以下であり、前記プリント基板の表面には、複数の電子部品が設けられ、前記プリント基板の裏面には、前記プリント基板搭載部に露出する前記回路導体と接合される電極部が露出しており、前記応力緩和部は、スリット形状であり、前記プリント基板の両側部に一対設けられる前記電極部の間に、スリットの延伸方向が、一対の前記電極を結ぶ方向に対して、略垂直に、複数列に、かつ、それぞれの列に対して複数か所に並設され、前記応力緩和部が、一方の側の前記電極から、それぞれのスリットまでの距離がそれぞれ異なるように千鳥状に設けられることを特徴とする基板である。

前記射出成型基板は、プレスで打ち抜かれた複数の回路素材を接合して形成されたトランスおよびチョークコイルを有してもよい。

本発明によれば、例えばプレス加工された回路導体と、射出成型により形成された樹脂とからなる射出成型基板であるため、回路導体の厚さを厚くすることができ、このため大電流での使用に耐える基板を得ることができる。また、射出成型基板上には、電子部品が搭載される電子部品搭載部の他に、プリント基板が搭載されるプリント基板搭載部が形成されるため、あらかじめ小型電子部品を別途搭載したプリント基板をも同一基板上に搭載することができる。このため、小型電子部品はプリント基板上に従来の方法で搭載し、大型の電子部品およびプリント基板自体は射出成型基板に搭載することで、微細な導体露出部等の射出成型が不要となる。

また、プリント基板に応力緩和部を設けることで、射出成型基板の材質と、プリント基板の材質の線膨張係数の違いによる、温度変化に伴う応力の発生を緩和することができる。

また、プリント基板に複数の電子部品が搭載された場合に、前述した応力緩和部を千鳥配置することで、プリント基板自体の強度を保ちつつ、応力緩和効果を効率良く得ることができきる。

また、プリント基板と射出成型基板との接合は、電気的な接合部のみではなく、固定用の接合部が設けられれば、より確実にプリント基板を射出成型基板上に固定することができる。

また、射出成型基板の回路導体は４００μｍ以上であれば、大電流にも確実に耐えることができ、また、プリント基板の回路導体が１２５μｍ以下であれば、小型化が達成できる。さらに、射出成型基板の樹脂が液晶ポリマー、ポリフェニレンスルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフタルアミドのいずれかであれば、射出成型性が向上し、プリント基板としては、従来のガラスエポキシ基板を用いることで、特殊な基板は不要である。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータのような大電流にも使用可能な基板であって、小型電子部品を１枚の基板上に配置可能な基板および基板の製造方法を提供することができる。

基板１を示す斜視図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は組立斜視図。 基板１を示す平面図。 基板上の回路例を示す図。 プリント基板１５を示す斜視図であり、（ａ）は表側斜視図、（ｂ）は裏側斜視図。 プリント基板の変形例を示す図で、（ａ）はプリント基板１５ａを示す図、（ｂ）はプリント基板１５ｂを示す図、（ｃ）はプリント基板１５ｃを示す図。 基板３０を示す斜視図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は組立斜視図。 基板３０のパターン３８を示す図。 プリント基板３１を示す斜視図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は背面図。 プリント基板の変形例を示す図で、（ａ）はプリント基板３１ａの平面図、（ｂ）は背面図。 基板３０ａのパターン３８ａを示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１、図２は、基板１を示す図であり、図１（ａ）は分解斜視図、図１（ｂ）は組立斜視図、図２は平面図である。基板１は、トランス３、チョークコイル５を有する例えば自動車用のＤＣ−ＤＣコンバータとして用いられる基板である。基板１には、電子部品搭載部７、プリント基板搭載部１１が形成され、導体部１０ａ、１０ｂにおいて内部の回路導体が外部に露出し、その他の部位が樹脂９によって被覆された射出成型基板２に、電子部品等が搭載されたものである。

基板１（射出成型基板２）に設けられるトランス３は、電圧変換用のコイルであり、外部より入力された電流をトランス３で降圧し、降圧された交流電流を電子部品１３（ダイオード）によって整流し、整流された電流をチョークコイル５および図示しないコンデンサで構成された平滑回路によって平滑化して外部に出力する。電子部品搭載部７は、電子部品等を搭載する部位であり、電子部品１３は、例えば接続部１０ａ等によって基板１と電気的に接続される。プリント基板搭載部１１は、プリント基板を搭載する部位であり、プリント基板１５は、例えば接続部１０ｂ等によって基板１と電気的に接続される。

なお、本発明の基板としては、図示したような、トランス３、チョークコイル５を有するＤＣ−ＤＣコンバータに限られず、その他大電流が流れる基板に対しては、当然に適用可能である。すなわち、図に示すような配置および形状に限られることはなく、その他の部品等を適宜搭載することや、配置および形状を適宜変更することが可能なことは言うまでもない。

基板１は以下のように製造される。まず、銅板等の導体である回路素材をプレスにより打ち抜き、必要な曲げ加工を施して所望の形状に形成する。銅板等には、必要に応じてＳｎメッキ等を施してもよい。次いで、複数の回路素材同士を溶接、または絶縁部材等を介して接合して回路導体を形成する。回路導体は、平面のみではなく、複数層に層状に形成されてもよい。

得られた回路導体を所定位置にピン等で射出成型金型に固定し、樹脂を射出して射出成型を行う。この際、必要な導体露出部以外の部位が樹脂９により被覆され、また、回路素材同士の層間等にも樹脂が射出される。このようにして射出成型基板２が形成される。

樹脂９としては、絶縁性があり、射出成型が可能であればよく、例えば、液晶ポリマー、ポリフェニレンスルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフタルアミド等が使用できる。

なお、導体回路素材としては、例えば４００μｍ以上の厚さの銅板等が用いられる。４００μｍ未満では、大電流に耐えることが難しく、また、射出成型時の樹脂圧によって変形等の恐れがあるためである。なお、導体回路素材の厚さとしてさらに望ましくは、４００μｍ〜１０００μｍである。厚すぎると、コスト及び重量等が増加し、コンパクトな基板を形成することができなくなるためである。

次に、電子搭載部７に電子部品１３を搭載し、電子部品の電極を導体部１０ａ等に電気的に接続する。同様に、プリント基板搭載部１１には、プリント基板１５を搭載し、プリント基板１５の電極を導体部１０ｂ等に電気的に接続する。それぞれの電気的な接続は、例えば半田、ワイヤーボンディング等を用いればよい。

次に、プリント基板１５について説明する。たとえば、出力電流が大きい、電源回路において出力を平滑にする必要がある場合、電源とグラウンド（ＧＮＤ）間に複数の小型コンデンサを搭載する場合がある。たとえば、図３に示すような回路である。このような回路を構成する小型コンデンサの電極は小さく、前述した射出成型によっては、微細な接続部（回路導体露出部）を形成することが困難である。

したがって、このような回路は、従来のガラスエポキシ基板を用いて構成する。すなわち、ガラスエポキシ基板は、電解銅箔を層状に形成し、層間接続のためのスルーホールにメッキを施して形成する。なお、このようなガラスエポキシ製のプリント基板の導体部には、１０５μｍ以下の電解銅箔が一般に用いられる。また、２０μｍのスルーホールメッキを施すとすると、回路導体としては１２５μｍ以下となる。

なお、プリント基板１５上への部品の搭載は、所定位置にクリーム状の半田を印刷し、小型コンデンサ等の部品を所定位置に設置した後、リフロー炉を通して半田を溶融して接合をすればよい。

図４は、プリント基板１５の一例を示す図であり、図４（ａ）は表側斜視図、図４（ｂ）は裏側斜視図である。プリント基板１５は、前述のように、ガラスエポキシ基板１９上に、複数の小型電子部品であるセラッミクコンデンサ１７が搭載される。セラミックコンデンサ１７は、プリント基板１５と電気的に接続されており、プリント基板１５の裏面には、対向する一対の側部近傍にそれぞれ、回路導体である電極１８が形成される。

このような電極１８が、プリント基板搭載部１１において露出する導体部１０ｂと電気的に接続される。したがって、基板１における回路として機能する。このようにしてなる基板１では、信号系の小電流はプリント基板１５上の回路（小型コンデンサ等）を利用するとともに、パワー系の大電流は射出成型基板の回路導体を利用することができる。したがって、１枚の基板上にこれら回路を全て搭載できるため、基板同士のケーブル等による接続が不要となり、低コストおよび小型化が達成できる。

図５は、プリント基板１５の変形例を示す図である。図５（ａ）に示すプリント基板１５ａは、前述のプリント基板１５に対して、応力緩和部２１ａが形成される。プリント基板１５ａの対向する一対の両側部裏面には電極１８が形成され、それぞれの電極１８が射出成型基板側の導体部１０ｂと半田接合等される。

プリント基板１５ａの表側には、複数のセラッミクコンデンサ１７が設けられる。各セラッミクコンデンサ１７の間には、ガラスエポキシ基板１９を貫通する貫通孔である応力緩和部２１ａが形成される。応力緩和部２１ａは、一対の電極１８を結ぶ方向（図中矢印Ａ）に対して、略垂直な方向に延伸するような方向に楕円、長方形等の種々形状で形成される。なお、応力緩和部２１ａは、円、正方形などであってもよい。

プリント基板１５ａが射出成型基板２に接合されると、プリント基板１５の電極１８が射出成型基板２に対して固定される。一方、プリント基板１５（ガラスエポキシ基板１９）と射出成型基板２を構成する材料が異なるため、互いの線膨張係数が異なる。したがって、温度変化に伴い、プリント基板１５ａに応力が付与される。たとえば、固定された電極１８同士の方向（図中矢印Ａ方向）の相対距離が変化すると、プリント基板１５ａには、この方向に圧縮または引張応力がかかる。

この際、応力緩和部２１ａが形成されるため、プリント基板１５ａの変形を応力緩和部２１ａが吸収することができる。このため、プリント基板１５ａの破損や、電極部の接合破断等を防止することができる。なお、電極１８およびセラッミクコンデンサ１７の配置は、図示した例に限られず、応力緩和部の配置は、電極１８およびセラッミクコンデンサ１７の配置によって適宜設定される。

応力緩和部としては、図５（ｂ）に示すような、スリット状の応力緩和部２１ｂを有するプリント基板１５ｂを用いてもよい。応力緩和部２１ｂは、貫通孔ではなく、ガラスエポキシ基板１９の側部に開口して貫通するスリット状の貫通部である。この場合でも、スリットの延伸方向が、一対の電極１８を結ぶ方向（図中矢印Ａ）に対して、略垂直となることが望ましい。

また、応力緩和部の配置としては、図５（ｃ）に示すように千鳥状としてもよい。プリント基板１５ｃには、複数のセラミックコンデンサ１７が設けられ、対向する一対の両側部裏面には電極１８が形成される。応力緩和部２１ｂは、各セラミックコンデンサ１７同士の間に形成される。この際、両端の電極１８の間を結ぶ方向に、複数列に応力緩和部２１ｂが配置される。図５（ｃ）の例では、応力緩和部２１ｂは、基板の電極以外の両側部近傍に２列（図中矢印Ａ方向に２列）に形成される。また、それぞれの列に対して複数か所（図では３個）の応力緩和部２１ｂが並設される。

それぞれの列の応力緩和部２１ｂは、互いに千鳥状に配置される。すなわち、一方の側の電極１８から、それぞれの応力緩和部２１ｂまでの距離がそれぞれ異なる。このようにすることで、応力緩和部２１ｂの形成に伴う、プリント基板１５ｃの機械強度の低下を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態の基板１によれば、回路素材をプレスで形成するため、厚銅基板を形成することができ、さらに樹脂９を射出成型により形成するため、製造性に優れ、大電流にも耐えうる基板１を得ることができる。

また、小型電子部品等は、あらかじめプリント基板に搭載し、プリント基板自体を射出成型基板２に搭載するため、小型電子部品も一つの射出成型基板上に配置することができる。

また、プリント基板に応力緩和部を設けることで、射出成型基板２との線膨張係数の違いに伴う応力を緩和することができる。このため、プリント基板の破損や接続部の破断等が防止できる。

次に、第２の実施の形態について説明する。図６は、第２の実施の形態にかかる基板３０を示す図で、図６（ａ）は分解斜視図、図６（ｂ）は組立斜視図である。なお、以下の説明において、基板１と同様の機能を奏する構成については、図１等と同様の符号を付し、重複する説明を省略する。

基板３０は、基板１と略同様の構成であるが、プリント基板３１の態様が異なる。基板３０には、ダイオードや電解コンデンサなどの大型の電子部品１３ａ、１３ｂが電子部品搭載部７に設置され、電気的に接続される。また、プリント基板搭載部１１には、プリント基板３１が搭載される。

プリント基板搭載部１１には、導体露出部として、導体部１０ｂおよび固定部３２が形成される。導体部１０ｂは、基板３０の回路に電気的に接続される部位であり、プリント基板３１の電極と半田等により電気的に接続される部位である。固定部３２は、導体露出部（樹脂９で被覆されない部位）であり、後述するプリント基板３１の固定に用いられる部位である。

基板３０は、コネクタ３６によって外部の部品・電源・その他の部材と電気的に接続される。図７は、基板３０の内部に、回路導体によって形成されたパターンを示す概念図である。図７に示すように、基板３０内部においては、パターン３８によって、電子部品１３ａ、１３ｂ、プリント基板３１およびコネクタ３６等が電気的に接続されている。

図８は、プリント基板３１を示す図で、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は背面図である。プリント基板３１の略中央には、電子部品であるＣＰＵ３３（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が設けられる。プリント基板３１にはＣＰＵ３３と接続される回路であるパターン３４が形成される。ＣＰＵ３３は、パターン３４によって、外部との接続用のコネクタ３５や、射出成型基板の導体部１０ｂと接続されるランド３７と接続されている。

プリント基板３１の裏面には、射出成型基板の導体部１０ｂと接合される電極であるランド３７の他に、基板固定部３９が形成される。基板固定部３９は、金属露出部ではあるが、ＣＰＵ３３等と回路としては接続されていなくてもよい。すなわち、単に表面に形成された金属露出部であってもよい。なお、基板固定部３９はＧＮＤ導体に接続されてもよい。

プリント基板３０は、射出成型基板２のプリント基板搭載部１１に搭載されて、各ランド３７が対応する導体部１０ｂと電気的に接続される。この際、ランド３７は接合範囲が小さいため、プリント基板３１と射出成型基板２との接合強度が十分でない場合がある。このため、プリント基板３１を射出成型基板２へより確実に固定するため、電気的な接続の他に、プリント基板３１の基板固定部３９と射出成型基板２の固定部３２とを半田等で接合することで、より高い接合強度を得ることができる。

なお、プリント基板３１にも応力緩和部を形成してもよい。図９は、応力緩和部４１を形成したプリント基板３１ａを示す図で、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は背面図である。

プリント基板３１ａを前述の通り基板固定部３９で固定すると、図９（ｂ）に示すように、各固定部間の方向に変形が生じる恐れがある（図中矢印Ｂ、Ｃ方向）。プリント基板３１ａでは、パターン３４およびＣＰＵ３３、ランド３７等以外の部位に、ガラスエポキシ基板１９を貫通する応力緩和部４１が形成される。

応力緩和部４１は、例えば、図に示したように、ＣＰＵ３３の四隅から基板の四隅の基板固定部３９の方向（中心から放射状に）に形成された長孔である。このように形成することで、各方向へのプリント基板３１ａの変形量を吸収し、応力を緩和することができる。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、プリント基板として、ＣＰＵその他の各種プリント基板を適用することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、基板と外部との接続は、前述したコネクタ以外でも良い。図１０は、コネクタ以外に端子４０が設けられた基板３０ａを示す図で、図１０（ａ）はパターン３８ａを示す概念図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。

基板３０ａは、基板３０と略同様であるが、外部との電気的な接続が、コネクタ３６等のみではなく、直接端子４０が射出成型基板２の樹脂部から露出したものである。端子４０は、例えば図示したようなＬ字型であり、射出成型基板内部の回路導体と一体または溶接等により接合されて、樹脂部の外部に露出される。すなわち、端子４０は回路導体におけるパターン３８ａと接続されている。端子４０は、接続対象の他の部品と、直接溶接や半田によって接続することができる。したがって、コネクタおよびケーブルが不要となり、部品点数を削減することができる。なお、端子４０の形状は、図示した例に限られず、基板３０ａの樹脂から導体部が露出していればよいが、他の部品との溶接作業等を考慮すると、射出成型基板の上方、下方、側方に突出していることが望ましい。

１、３０………基板
２………射出成型基板
３………トランス
５………チョークコイル
７………電子部品搭載部
９………樹脂
１０ａ、１０ｂ………導体部
１１………プリント基板搭載部
１３………電子部品
１５………プリント基板
１７………セラミックコンデンサ
１８………電極
１９………ガラスエポキシ基板
２１ａ、２１ｂ………応力緩和部
３１………プリント基板
３２………固定部
３３………ＣＰＵ
３４………パターン
３５………コネクタ
３６………コネクタ
３７………ランド部
３８………パターン
３９………基板固定部
４１………応力緩和部

Claims (2)

1. 回路導体の表面に対して樹脂が射出成型された射出成型基板と、
   あらかじめ表面に電子部品が搭載されたプリント基板と、
   を具備し、
   前記射出成型基板には、電子部品搭載部およびプリント基板搭載部が形成され、
   前記電子部品搭載部に露出する前記回路導体には、電子部品が電気的に接合されており、前記プリント基板搭載部に露出する前記回路導体には、前記プリント基板が電気的に接合され、
   前記プリント基板には、前記プリント基板を貫通して形成される応力緩和部が形成され、
   前記射出成型基板の前記回路導体の厚さが４００μｍ以上の厚銅で構成され、前記プリント基板の回路部の導体の厚さが１２５μｍ以下であり、
   前記プリント基板の表面には、複数の電子部品が設けられ、前記プリント基板の裏面には、前記プリント基板搭載部に露出する前記回路導体と接合される電極部が露出しており、
   前記応力緩和部は、スリット形状であり、前記プリント基板の両側部に一対設けられる前記電極部の間に、スリットの延伸方向が、一対の前記電極を結ぶ方向に対して、略垂直に、複数列に、かつ、それぞれの列に対して複数か所に並設され、
   前記応力緩和部が、一方の側の前記電極から、それぞれのスリットまでの距離がそれぞれ異なるように千鳥状に設けられることを特徴とする基板。
2. 前記射出成型基板は、プレスで打ち抜かれた複数の回路素材を接合して形成されたトランスおよびチョークコイルを有することを特徴とする請求項１記載の基板。
   

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