JP5589743B2 - 配線基板 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁性の樹脂板に保持された薄板配線パターンの表面に素子を搭載可能な配線基板に関し、特に、素子が突出することなく多層化が容易な配線基板に関する。

車両をモータジェネレータにより駆動する電気自動車やハイブリッド車両では、バッテリからの高電圧電力を制御することでモータジェネレータの制御を行うだけでなく、補機バッテリなどを充電するために高電圧側から低電圧側に電圧変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータの制御も行っている。モータジェネレータの制御に用いられる回路基板には、スイッチング素子、整流素子、抵抗素子、コンデンサ素子及びインダクター素子などが搭載されており、モータジェネレータに高電圧、大電流の電力を出力する。このため、モータジェネレータを制御する回路基板には大電流が流れ、各素子が発熱することからスイッチング素子や整流素子等を適切に冷却することが要求される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御に用いられる回路基板は、バッテリからの高電圧電力を低電圧側に変換（降圧）する際、回路基板には長時間比較的大きな電流が流れ、各素子が発熱することからＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子や整流素子等を適切に冷却することが要求される。

従来の回路基板には、例えば、ガラスエポキシ樹脂製の配線基板の一方の表面に部品を実装し他方の表面にベースとなる放熱板を設けたベース基板型や、配線基板のコア部分に放熱板を設けたコア基板型等がある。また、放熱板には、空冷用のフィンを設けた空冷型や、冷却液により冷却する液冷型などがあり、特許文献１には、人工衛星で使用される高放熱基板の技術が開示されている。

人工衛星で使用される高放熱基板は、軽量かつ高強度が要求されるため、放熱板として炭素繊維を用いている。このような高放熱回路基板では、例えば、ベース基板型として炭素繊維強化アルミニウム合金を使用し、ベースの一方の表面に配線基板となる絶縁性の配線基板の表面に素子を配置し、素子が実装されていない配線基板の表面に電気絶縁性の下部熱伝導材を配置している。さらに、高放熱基板は、この下部熱伝導材の上面に配線基板と略平行で、かつ、部品の側面に近接すると共に素子と同じ高さとなる炭素繊維樹板を配置し、この炭素繊維樹脂板と素子の側面との間に電気絶縁性の中間熱伝導材を充填して形成されている。このような構成により、素子からの熱を熱伝導率の高い炭素繊維樹脂板の炭素繊維が二次元的に配置された方向に伝導させることができると共に、炭素繊維樹脂板と配線基板との間に下部熱伝導部材を配置することで温度変化によって発生する応力による割れが発生しにくく、製造コストが高価になるものの、放熱特性の高い高放熱回路基板を実現している。

特許文献２には、パワー半導体モジュールに使用されるセラミックス回路基板に関し、セラミックス基板の少なくとも一方の面にロウ材層を介して回路パターンを形成する金属回路板を接合し、回路面と他方の面に金属放熱板を接合したセラミックス回路基板に関する技術が開示されている。この技術を用いることで、金属回路板、セラミックス基板および金属放熱板の変形を規定することで製造時または稼働時に生ずる熱応力または熱ひずみを軽減し、特許文献１で開示された高放熱回路基板より製造コストを低減したセラミックス回路基板を提供することが可能となる。

特開２００６−２９４７４９号公報 特開２００６−１００６４０号公報

従来のベース基板型の配線基板を例にして説明する。図１４の配線基板１００は、下から水冷又は液冷により放熱効果を高めた筐体１０７、筐体１０７の上に放熱用の金属プレート１０６、金属プレート１０６の上に絶縁用樹脂１０５、絶縁用樹脂１０５の上に基板１０４、基板１０４の上に回路パターン１０２、回路パターン１０２に接続されたダイオード１０１又は端子台１０３と、を有している。

図１４に示した従来の配線基板１００は、放熱用の金属プレート１０６に絶縁用樹脂１０５、回路パターン１０２に接続されたダイオード１０１等の素子や端子台１０３を形成して金属プレート１０６の下面から冷却するものである。しかしながら、このような構成では、端子台１０３またはダイオード１０１が配線基板１００から突出するため、多層化が困難であり、またダイオード１０１の冷却の際、金属プレート１０６、絶縁用樹脂１０５、基板１０４及び回路パターン１０２等を介するため熱抵抗が増加して冷却効率が低下する場合があった。

そこで、本発明に係る配線基板は素子が配線基板から突出することなく多層化を容易にすると共に配線基板の強度向上、冷却効率向上及び寸法公差を吸収可能とする車両用の配線基板を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る配線基板は、薄板配線パターンと絶縁性の樹脂板とを交互に複数層積層し、絶縁性伝熱材を介して筐体に取り付けられる配線基板であって、第１の層の薄板配線パターンは、表面に素子を搭載し、裏面が前記絶縁性伝熱材に接する素子搭載領域を有し、前記絶縁性伝熱材を介して前記素子の発熱を前記筐体に放熱し、他の層の薄板配線パターンは、前記第１の層の薄板パターンの前記素子搭載領域に対応する領域に配置される貫通孔を有し、前記樹脂板は、前記第１層の薄板配線パターンの前記素子搭載領域に対応する領域に配置される窓部を有し、前記貫通孔は前記窓部より小さく、前記貫通孔周縁の前記他の層の薄板配線パターンが前記窓部の内側に張り出していること、
を特徴とする。

また、本発明に係る配線基板において、前記第１の層の薄板配線パターン上に積層される樹脂板の板厚は、前記素子の厚み以上であることとしても好適である。

また、本発明に係る配線基板において、前記第１の層の薄板配線パターンは、前記素子搭載領域に隣接する一方の側に配置されてトランスの一次側コイルを形成する第１のコイル回路パターンと、前記素子搭載領域に隣接する他方の側に配置されてチョークコイルを形成する第２のコイル回路パターンとを有し、前記他の層の薄板配線パターンは、前記貫通孔に隣接する一方の側に配置されたトランスの二次側コイルを形成する第３のコイル回路パターンと、前記貫通孔に隣接する他方の側に配置された前記第２のコイル回路パターンに接続されてチョークコイルを形成する第４のコイル回路パターンとを有すること、としても好適である。

また、本発明に係る配線基板において、各層の薄板配線パターンを接続するピン状の配線部材を有することとしても好適である。

また、本発明に係る結合配線基板は、前記配線基板をお互いに向かい合わせて結合したことを特徴とする。

本発明に係る配線基板を用いることにより、素子が配線基板から突出することなく多層化を容易にすると共に配線基板の強度向上、冷却効率向上及び寸法公差を吸収可能な配線基板を実現することができるという効果がある。

本発明に係る配線基板の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路図である。 第１の実施形態に係る整流回路基板の正面図と断面図である。 本実施形態に係る基本的な配線基板である整流回路基板の断面図である。 本実施形態に係る整流回路基板の第１層の薄板配線パターン図である。 本実施形態に係る整流回路基板のＢ−Ｂ断面図である。 本実施形態に係る整流回路基板のトランス部の断面図である。 本実施形態に係るトランス部の１次側コイルの薄板配線パターン図である。 本実施形態に係るトランス部の２次側コイルの薄板配線パターン図である。 本実施形態に係る整流回路基板のチョークコイル部の断面図である。 本実施形態に係るチョークコイル部の薄板配線パターン図である。 第２の実施形態に係る整流回路基板の断面を示した断面図である。 第２の実施形態に係る配線基板の正面図である。 第３の実施形態に係る配線基板の断面を示した断面図である。 従来の配線基板を説明する説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

第１の実施形態：図１は配線基板の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路基板１０の回路図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路基板１０は、バッテリ１１の電圧を降圧してＯＵＴ端子に出力するための回路であり、バッテリ１１の直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路基板２０と、交流電圧を降圧して整流する整流回路基板３０と、出力電圧を平滑するコンデンサ（Ｃ１）３１を有している。また、スイッチング回路基板２０と整流回路基板３０はトランス１２によって１次側と２次側に絶縁接続され、１次側の電流変化により逆起電力が発生し、コアを通じた磁束変化により２次側にも誘電起電力が発生して誘導電流が流れる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路基板１０を作動させると、スイッチング回路基板２０で発生した交流信号によりトランスの１次巻線（Ｌ１）・２次巻線（Ｌ２，Ｌ３）に逆起電力や誘導起電力が発生し、ダイオード３３を通じて電流が流れることでチョークコイル１３にエネルギーが蓄えられ、交流信号の極性が変化すると交流信号に逆らうようにチョークコイル１３に起電力が発生し、蓄えられたエネルギーが放出される。さらに、逆側に電流を流すことのできるダイオード３３を通じて電流が流れることで、出力の電圧が所定の電圧に降圧する。

スイッチング回路基板２０は、逆流防止ダイオードを組み込んだＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ１〜ＴＲ４）３２と、中間接点（ＩＮ１，ＩＮ２）に接続されたトランス１２の１次側コイル（Ｌ１）とを有している。また、整流回路基板３０には、トランス１２の２次側コイル（Ｌ２，Ｌ３）に並列接続されたダイオード３３（Ｄ１〜Ｄ３及びＤ４〜Ｄ６）と、ダイオード３３に接続されたチョークコイル（Ｌ４）と、を有している。なお、本実施形態では、トランス１２，チョークコイル１３及びダイオード３３を有する整流回路基板３０を配線基板として形成し、この実施形態について説明をする。

図２は図１に示した整流回路基板３０の正面図と断面図（Ａ−Ａ）である。配線基板である図２の整流回路基板３０は、１次側と２次側のコイルを有するトランス１２と、６個の整流用のダイオード３３と、チョークコイル１３と、を有する。トランス１２及びチョークコイル１３は筐体１４に取り付けられたコア抑え２１により固定され、整流回路基板３０は薄板配線パターン１６の上にダイオード３３を有し、薄板配線パターン１６に接着されている樹脂板１７によって形成される単層基板を積層した積層基板を構成している。また、図２に示すように整流回路基板３０は、薄板配線パターン１６の裏面に接触する筐体１４に放熱させるだけでなく、ダイオード３３部分が配置される表面に窓を設けると共に、積層基板によりコイルを形成する。

図２の整流回路基板３０で特徴的な事項は２つあり、第１の特徴は樹脂板に銅製の薄板配線パターンを貼り付けた平板構成とすることで基板の強度を低下させることなく薄板配線パターンの裏面から筐体に放熱を可能にしたことである。また、第２の特徴はダイオード等の各素子を樹脂板に設けた窓部に収容することにより素子の飛び出しを無くすと共に、積層構造でコイル等を形成したことである。そこで、最初に第１の特徴である平板構成について図３を用いて説明する。

図３は平板構成による単純化した配線基板である整流回路基板４０の断面図を示している。本発明に係る配線基板の特徴事項の一つは、薄板配線パターンを樹脂板に取り付けた配線基板に素子を実装して形成した配線基板において、寸法公差の吸収、強度の確保及び熱抵抗の低減などを実現するため、薄板配線パターン１６の表面に素子を実装すると共に薄板配線パターン１６の裏面を冷却することである。本実施形態における単層の配線基板は、樹脂板１７の下に複数の薄板配線パターンを接着し、樹脂板１７によって固定された薄板配線パターン１６の上にダイオード３３をハンダ付けして作成した。

このような構成にすることで、樹脂板１７の片側面を基準にしてダイオード３３の座面の端子とダイオード３３から延びる端子からパターン面までの寸法のばらつきを抑えることが可能となる。換言すると、素子の放熱に関し、従来の薄膜配線パターンでは金属製の配線パターンより基板の熱抵抗が大きく、十分な放熱効果を発揮できないが、配線パターン自身を放熱板として利用することでシート状の絶縁性伝熱材１５の熱抵抗は増加するものの、従来の基板に比べて熱抵抗を小さくすることが可能となるだけでなく、樹脂板の表面を基準とした素子実装高さとすることにより、熱歪みや熱応力の発生を低減する上で必要となる素子と薄板配線パターンとの寸法公差を少なくすることが可能となる。

図４は整流回路基板３０の第１層の薄板配線パターン図であり、トランス１２とチョークコイル１３を形成するために複数の層と接続可能となっている。なお、説明のために、表面に接着した樹脂板は省略しているが、窓部は破線で示している。図４に示すように薄板配線パターンは、外周部のグランドパターン２６と、内周部の２次側パターン２３，２４と、チョーク側パターン２５の３種類を組み合わせて形成され、整流用のダイオード３３を保持すると共に放熱経路を確保している。また、２次側パターン２３，２４は第２層又は第３層に設けた２次側コイルパターンとピン３６により導通させることができる。

図５は図２の整流回路基板３０におけるＢ−Ｂ断面図である。図５に示すように、ダイオード３３からの発熱はチョーク側パターン２５と絶縁性伝熱材１５とを介して筐体１４に放熱されると共に、ダイオード３３を収容している窓部に張り出している複数枚の薄板配線パターン１６が放熱フィンの役割を果たすことにより更に放熱されることになる。なお、ダイオード３３の上側に設けられた空間に別の素子を配置することも可能である。

図６は図２の整流回路基板３０におけるトランス部のＣ−Ｃ断面図であり、図６を用いて基板の積層化について概説する。トランスコア３４は、中央部に円筒形のコアと両側に設けた矩形のコアを上下の結合部で接続した柱状のコアとを有し、上下で分離できるように水平面に沿って分割面を有している。トランスコア３４は、トランスコア３４の内面の高さと筐体の上面高さを一致させるため、筐体に設けた窪みに嵌り合うように配置され、筐体にネジ２２で取り付けられたコア抑え２１により固定されている。さらに、トランスコア３４には、樹脂板に接着された１次側コイルパターン２８と、その上に樹脂板に接着された２つの２次側コイルパターン２７と、が設けられている。次に、１次側と２次側コイルパターン２８について詳説する。

図７は第１層に配置されたトランス部の１次側コイルパターン２８と２次側パターン（２３，２４）とを示している。１次側コイルパターン２８はスイッチング回路基板に接続されトランスコア３４を中心として外周から内周に向かって巻き込まれ、終端部は第２層のパターンに接続するため、ピン３６を介して接続されている。また、２次側パターン２３はピン３６を介して第１層から第２層の２次側コイルパターンに接続されており、同様に２次側パターン２４はピン３６を介して第１層から第３層の２次側コイルパターンに接続されている。

図８はトランスコア３４とトランス部の２次側コイルの薄板配線パターンとを示し、図８（Ａ）は第１層の薄板配線パターン、図８（Ｂ）は第２層の薄板配線パターン、図８（Ｃ）は第３層の薄板配線パターンを示している。なお、図８（Ａ）は説明の都合上、１次側コイルパターンを省略している。図８（Ａ）の２次側パターン２３はピン３６ａを介して図８（Ｂ）の２次側コイルパターン２７ａに接続され、２次側コイルパターン２７ａの終端はピン３６ｇを介してグランドパターンに接続されている。同様に、図８（Ａ）の２次側パターン２４はピン３６ｂを介して図８（Ｃ）の２次側コイルパターン２７ｂに接続され、２次側コイルパターン２７ｂの終端はピン３６ｇを介してグランドパターンに接続されている。

図９は図２の整流回路基板３０におけるチョークコイル部のＤ−Ｄ断面図であり、図１０はチョークコア３５とチョークコイル部の薄板配線パターンとを示している。また、図１０（Ａ）は第１層を示し、図１０（Ｂ）は第２層を示し、第１０（Ｃ）は第３層を示している。以下、図９と図１０を用いてチョーク側コイルパターン２９について概説する。なお、重複する部分については説明を割愛する。

図９の積層構造は、チョークコア３５と第１層から第３層の薄板配線パターンとによって形成されている。図１０（Ａ）に示す第１層では、チョーク側パターン２５からチョーク側コイルパターン２９ａに連続的に変化し、チョーク側コイルパターン２９ａの終端はピン３６ｃにより図１０（Ｂ）に示す第２層のチョーク側コイルパターン２９ｂに接続されている。さらに、チョーク側コイルパターン２９ｂの終端はピン３６ｄにより図１０（Ｃ）に示す第３層のチョーク側コイルパターン２９ｃに接続され、出力端子へ接続されている。このように、図９の積層構造を利用してチョークコイルを形成することが可能である。以上、上述した形式は、片側の筐体に放熱する配線基板について説明したが、次に、対向する向きに放熱面である筐体を有する場合の実施形態を以下に示す。

第２の実施形態：図１１は対向する筐体で挟み込まれる配線基板５０である整流回路基板の断面を示し、図１１（Ａ）は配線基板５０の組立て方法と、図１１（Ｂ）は完成した配線基板５０と、を示している。図１１（Ａ）は、チョーク側パターン２５と２次側パターン２４とに接続されたダイオード３３を支持する樹脂板１７をそれぞれ２個組立て、片方の配線基板５２にピン３６を設け、他方の配線基板５１にピンに嵌り合う接続孔を設け、ピン３６が嵌り合うように接続した後、ハンダ付け又は溶接により一体化するものである。このように一体化することにより、２つの筐体で挟まれる寸法精度を樹脂板の厚みにより容易に調整可能となり、図１１（Ｂ）に示す配線基板５０の寸法精度が向上することにより、嵌め合い寸法公差の要求を満たすことが可能となるだけでなく、冷却効率の向上が可能となる。

図１２は、図１１に示した配線基板５０を紙面に対して９０度回転させた後、３つ連結した配線基板６０を示している。図１２の配線基板６０は、左側に接続されたトランスからの出力を受け入れ、降圧及び整流処理を施した後、右側のチョークコイルに出力するものである。本実施形態において特徴的な事項の一つは、配線基板５０を連結することにより発熱量が増大するものの、筐体への接触面積が増大することで放熱容量が向上することにより、より効果的な冷却が可能となることである。次に、第２の実施形態に積層構造を追加した第３の実施形態について概説する。

第３の実施形態：図１３は図１１に示した配線基板５０を拡張し、トランスやチョークコイルを内蔵可能な整流回路基板７０の断面を示している。図１１では、両側の配線基板５１，５２をピン３６により接続したが、図１３では、薄板配線パターンを拡張して接合部４１を設け、嵌め合いをさせた後、ハンダ付けまたは溶接により結合するものである。このような構成にすることにより、２つの配線基板間に形成された積層構造を利用することで上述したコイルを内蔵することが可能となる。

以上、上述したように、本実施形態に係る配線基板を用いることにより、素子が配線基板から突出することなく多層化を容易にすると共に配線基板の強度向上、冷却効率向上及び寸法公差を吸収可能な配線基板を実現することができる。

なお、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路基板のうち、整流回路基板に関する実施形態を説明したが、これに限定するものではなく、スイッチング回路基板を取り込んだ配線基板を実施してもよい。

１０ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路基板、１１ バッテリ、１２ トランス、１３ チョークコイル、１４，１０７ 筐体、１５ 絶縁性伝熱材、１６ 薄板配線パターン、１７ 樹脂板、２０ スイッチング回路基板、２１ コア抑え、２２ ネジ、２３，２４ ２次側パターン、２５ チョーク側パターン、２６ グランドパターン、２７ ２次側コイルパターン、２９ チョーク側コイルパターン、３０，４０，７０ 整流回路基板、３１ コンデンサ、３３，１０１ ダイオード、３４ トランスコア、３５ チョークコア、３６ ピン、４１ 接合部、５０，５１，５２，６０，１００ 配線基板、１０２ 回路パターン、１０３ 端子台、１０４ 基板、１０５ 絶縁用樹脂、１０６ 金属プレート。

Claims (5)

1. 薄板配線パターンと絶縁性の樹脂板とを交互に複数層積層し、絶縁性伝熱材を介して筐体に取り付けられる配線基板であって、
   第１の層の薄板配線パターンは、表面に素子を搭載し、裏面が前記絶縁性伝熱材に接する素子搭載領域を有し、前記絶縁性伝熱材を介して前記素子の発熱を前記筐体に放熱し、
   他の層の薄板配線パターンは、前記第１の層の薄板パターンの前記素子搭載領域に対応する領域に配置される貫通孔を有し、
   前記樹脂板は、前記第１層の薄板配線パターンの前記素子搭載領域に対応する領域に配置される窓部を有し、
   前記貫通孔は前記窓部より小さく、前記貫通孔周縁の前記他の層の薄板配線パターンが前記窓部の内側に張り出していること、
   を特徴とする配線基板。
2. 請求項１に記載の配線基板において、
   前記第１の層の薄板配線パターン上に積層される樹脂板の板厚は、前記素子の厚み以上であることを特徴とする配線基板。
3. 請求項１または２に記載の配線基板において、
   前記第１の層の薄板配線パターンは、前記素子搭載領域に隣接する一方の側に配置されてトランスの一次側コイルを形成する第１のコイル回路パターンと、前記素子搭載領域に隣接する他方の側に配置されてチョークコイルを形成する第２のコイル回路パターンとを有し、
   前記他の層の薄板配線パターンは、前記貫通孔に隣接する一方の側に配置されたトランスの二次側コイルを形成する第３のコイル回路パターンと、前記貫通孔に隣接する他方の側に配置された前記第２のコイル回路パターンに接続されてチョークコイルを形成する第４のコイル回路パターンとを有すること、
   を特徴とする配線基板。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の配線基板において、
   各層の薄板配線パターンを接続するピン状の配線部材を有することを特徴とする配線基板。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の配線基板をお互いに向かい合わせて結合したことを特徴とする結合配線基板。

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