JP6021722B2 - 電流補助部材及び電流補助部材を用いた大電流基板 - Google Patents

Description

この発明は、プリント基板上に実装される電流補助部材、特に大電流を通電可能な電流補助部材に関する。

従来、プリント基板上の配線パターンは、めっき厚を含めて５５μｍ程度の厚さのものが一般的である。大電流を通電可能な２００μｍ程度の厚さの銅箔パターンも存在するが、非常に高コストであるためほとんど使用されていない。そのため、大電流を通電するために配線パターンを補助する電流補助部材として、例えば特許文献１に記載されたような、板金などの金属導体をプリント基板上にはんだ付け接続したものが用いられている。

さらに、電流補助部材として板金などの金属導体を用いずに、ワイヤハーネスをプリント基板上に配線する方式も存在する。ワイヤハーネスは、複数の電線を束にして耐摩擦性が高い絶縁体を被覆させたもので、先端部に接続用の端子を備えている。

特開２０１０−０６２２４９号公報

ところで、パターン厚２００μｍ程度の厚銅箔パターン、金属を基板で挟み込んだメタルコア基板などを大電流回路に用いた場合、半導体素子、リレーといった基板実装部品のリードと基板のスルーホールとをはんだ付けする際に、厚銅箔パターンの大きな熱容量に起因して、リードとスルーホールの温度がはんだ溶解温度まで上昇しにくく、フローはんだによるはんだ付けではスルーホール部のはんだ上がりが悪い。それゆえ、手作業によるはんだ付けの修正が必要となっていた。また、高度な配線パターンのエッチング技術などが要求されるため、コスト高の原因となっていた。

一方、特許文献１に記載されたように、板金などの金属導体をプリント基板上へはんだ付け接続した場合には、金属導体の胴体部の最下部を最短経路として電流が集中する。それゆえ、金属導体全体への熱伝導が悪くなり、大電流を通電させることができないという問題があった。

また、電流補助部材として板金などの金属導体を用いず、ワイヤハーネスをプリント基板上に配線する方式の場合には、端子台へのワイヤハーネスのネジ締め作業、配線保持などの付帯作業が必要となり、生産効率が悪いという問題があった。さらに、ワイヤハーネスは絶縁皮膜で覆われており、放熱性が低くなるという問題があった。

そこで、本発明は、放熱性が高く、大電流を通電可能な電流補助部材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、本発明に係る電流補助部材は、はんだ付けによりプリント基板の配線パターンに電気接続され、導電性材料を含む電流補助部材であって、プリント基板の主面と交差する第１面に沿って配置されて該プリント基板と接する板状の胴体部と、胴体部の両端の略高さ中央に位置する連結部から、該胴体部の主面に対してそれぞれ同じ方向に向けて延出した２つのリード部とを備えている。

本発明によれば、胴体部の両端の略高さ中央から２つのリード部が延出したことにより、通電時に発生した熱は胴体部の中央に集中し、その熱が胴体部の上下全体に効率良く伝わるので、放熱性が高く、大電流を通電可能な電流補助部材が実現する。

特に、２つのリード部が、胴体部からその主面に対して同じ方向に向けて延出したことにより、電流補助部材の主面に向けてリード部が延出した方向から風が吹くように構成したときには、プリント基板上を流れて胴体部に当たった風が胴体部に沿って流れてそれぞれのリード部に当たることになり、この風によってリード部からの放熱性を向上させることができる。

実施の形態１による電流補助部材を示す斜視図である。 同電流補助部材を基板に実装した状態で示す正面図である。 同電流補助部材を基板に実装した状態で示す上面図である。 同電流補助部材を基板に実装した状態で示す側面図である。 金属板から打ち抜き加工を行う前の電流補助部材を示す図である。 実施の形態１による電流補助部材の放熱作用を説明するための説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 実施の形態１による電流補助部材の周辺を流れる風を示す図である。 図１ｂのＡ−Ａ線断面図である。 実施の形態１による電流補助部材を、鉛直方向に配置された基板に実装した状態で示す図である。 実施の形態１による電流補助部材の基板上での配置例を示す図である。 実施の形態２による電流補助部材を基板に実装した状態で示す正面図である。 先行技術による電流補助部材を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 先行技術による電流補助部材の放熱作用を説明するための説明図である。 先行技術による電流補助部材を、鉛直方向に配置された基板に実装した状態で示す図であり、（ａ）は電流補助部材の主面が地面に対して平行な場合を、（ｂ）は垂直な場合を示す。

実施の形態１．
図１ａ〜１ｄは、それぞれ、本発明の実施の形態１による電流補助部材を示す斜視図、正面図、上面図、側面図であり、図１ｂ〜１ｄでは基板に実装した状態で示している。
図１ａに示すように、本実施形態による電流補助部材１０は、板状の胴体部１と２つのリード部２ａ，２ｂとを有する。電流補助部材１０は、金属導体などの導電性材料で構成される。金属導体として、例えば純銅、黄銅、アルミなどが用いられる。リード部２ａ，２ｂの長さは、後述するように、はんだ付け時にリード部２ａ，２ｂが充分に加熱される長さとすることが好ましい。

図１ｂ，１ｃに示すように、電流補助部材１０の胴体部１は、最下面でｘｙ平面内に配置されたプリント基板２０と接しており、その主面に対して垂直な面、或いは交差する面に沿って配置されている。当該垂直な面、或いは交差する面は、特許請求の範囲の第１面であって、図ではｘｚ平面である。

リード部２ａ，２ｂは、胴体部１からプリント基板２０に向けて延出するところ、その途中で屈曲しており、胴体部１側の肩部４ａ，４ｂとプリント基板２０側の脚部３ａ，３ｂとを有する。図１に示すように、リード部２ａ，２ｂは、胴体部１の両端（＋ｘ端，−ｘ端）から、胴体部１の主面に対して同じ方向（−ｙ方向）に引き出されている。図１ｄに示すように、脚部３ａ，３ｂは、プリント基板２０のスルーホール６ａ，６ｂに対して垂直に挿入され、はんだ付けされて、プリント基板２０の図示しない配線パターンに電気的に接続される。一方、肩部４ａ，４ｂは、胴体部１と連結部５ａ，５ｂで連結している。連結部５ａ，５ｂは、それぞれ胴体部１の略高さ中央、即ちｚ方向の略中央に位置する。連結部５ａ，５ｂが位置するｚ方向の略中央は、図１ａ，１ｂにおいて一点鎖線で示している。

胴体部１の右上隅及び左上隅には、リード部２ａ，２ｂと同じ幅の切欠き部７ａ，７ｂが形成されている。この切欠き部７ａ，７ｂは、以下で説明するように製造の過程で形成されるものであり、必ずしも形成される必要はない。

ここで、プリント基板２０上の配線パターンがめっき厚を含めて５５μｍ程度の厚さのものを使用した場合の、電流補助部材１０の例示的な大きさを説明する。電流補助部材１０の幅は約３０ｍｍ、高さは約１０ｍｍ、厚みは約３ｍｍである。電流補助部材１０の幅、高さ、厚みは、それぞれ図１のｘ方向、ｚ方向、ｙ方向での長さである。幅、高さの大きさについては、以下で説明する図２に符号ｗ，ｈを付して示している。

図２は、金属板から打ち抜き加工を行う前の電流補助部材を示す図である。
点線は、打抜きを行う箇所を示している。図２に示すように、複数の電流補助部材１０が、１枚の金属板から同時に打抜き加工によって成形される。胴体部１の右上隅及び左上隅には、切欠部７ａ，７ｂが形成される。胴体部１の右下隅及び左下隅には、胴体部１の最下部より下側にまで延びるリード部２ａ，２ｂが形成される。つまり、リード部のうち、胴体部の最下部より下側に張り出した部分に、下側の電流補助部材の切欠部が形成される。したがって、切欠部７ａ，７ｂの幅とリード部２ａ，２ｂの幅とは等しくなる。当該打抜き加工後に、脚部３ａ（３ｂ）と肩部４ａ（４ｂ）との間でリード部２ａ，２ｂの曲げ加工が行われ、図１に示す形状に成形される。

このように、複数の電流補助部材１０を一枚の金属板から成形することにより、金属板を無駄なく使用でき、生産コストを削減できる。また、打抜き加工と曲げ加工という簡単な工程のみで電流補助部材１０を作成できるため、生産効率を向上させることができる。

図３は、実施の形態１による電流補助部材の放熱作用を説明するための説明図である。
一般に、金属導体に電位差が生じた場合、金属導体を流れる電流は、導体全体に均一に流れるのではなく、最短距離に集中して流れる特性を有する。したがって、ジュール熱も当該最短距離に集中して発生する。また、金属導体に生じる発熱は、金属導体表面から空気中に放熱される。したがって、導電性材料で構成される電流補助部材１０から効率よく放熱させるためには、発生した熱を胴体部１の広い範囲に拡散させることが好ましい。

ここで、図９は、先行技術による電流補助部材を示す図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。また、図１０は、当該電流補助部材の放熱作用を説明するための説明図である。先行技術による電流補助部材では、３つのリード部は胴体部に対して引き出されていない。そのため、図中に太い矢印で示すように、電流が、最短経路となる電流補助部材の最下部に集中して流れ、最下部に発熱が集中する。それゆえ、胴体部の上方向にしか熱伝導させることができず、発生した熱を拡散可能な範囲が狭くなり、胴体部からの放熱性が低くなる。

一方、図３に戻り、本実施形態による電流補助部材１０のように、リード部２ａ，２ｂが胴体部１から引き出される構成を有する場合、上記の通り、図３（ａ）に一点鎖線で示すｚ方向の略中央（高さ中央）に位置する連結部５ａ，５ｂをつなぐ経路が最短距離となる。それゆえ、図３（ｂ）に示すように、電流は連結部５ａ（５ｂ）を電流経路の入口、出口として、胴体部１の高さ中央に集中して流れ、発熱も中央に集中する。

したがって、図３（ａ）に示すように、胴体部１で発生した熱を、胴体部１の上下に熱伝導させることができる。その結果、発熱を胴体部１全体に広く拡散させることができ、胴体部１からの放熱性が向上する。

ここで、リード部２ａ，２ｂの脚部３ａ，３ｂ先端から連結部５ａ，５ｂまでの距離が充分長いため、通電時にリード部２ａ，２ｂで発生する熱を胴体部１に拡散させることが難しく、リード部２ａ，２ｂが過熱され、全体として放熱性が低くなるとも考えられる。それゆえ次に、リード部２ａ，２ｂの放熱について説明する。

図４は、実施の形態１による電流補助部材の周辺を流れる風を示す図である。
電流補助部材が実装されるような大電流を通電するプリント基板には、パワー半導体素子など、放熱フィンが取り付けられた発熱部品も搭載され、それらを冷却する風を流すファンが取り付けられることが多い。ここでは例として、図４に示すように、風が＋ｙ方向に向かって吹く場合について説明する。リード部２ａ，２ｂは、風向きの方向に引き出されている。換言すると、電流補助部材１０の主面に向けて、リード部２ａ，２ｂが延出した方向から風が吹くように構成されている。

ファンなどから胴体部１に向かって＋ｙ方向に向かって吹く風が胴体部１に当たると、風は胴体部１の主面に沿って＋ｘ方向、−ｘ方向の両方向に向かって流れ、リード部２ａ，２ｂに当たる。リード部２ａ，２ｂには、当該胴体部１の主面に沿って流れる風と、胴体部１に向かって＋ｙ方向に向かって吹く風の両方が当たり、リード部２ａ，２ｂからの放熱性を向上させることができる。

次に、リード部２ａ，２ｂの長さ、即ち脚部３ａ，３ｂの先端から連結部５ａ，５ｂまでの長さを適度に長くとることによる利点を説明する。
上記の通り、本実施形態によれば、リード部２ａ，２ｂからの放熱性が向上するところ、リード部２ａ，２ｂの長さを適度に長くとることにより、はんだ付け時にリード部２ａ，２ｂが受ける熱のうち胴体部１にまで伝わる熱量を適度に減少させ、リード部２ａ，２ｂが充分に加熱されるようにすることができる。これにより、スルーホール６ａ，６ｂでのはんだ上がりが改善され、はんだ付け不良を防止できる。

次に、電流補助部材１０の耐振動性及び強度について説明する。
先行技術による電流補助部材（図９を参照）では、両端のリード部がプリント基板にはんだ付けされている。また、はんだ付けだけでは耐振動性が弱いため、中央のリード部がプリント基板に圧入されている。このように３点でプリント基板と接続されることで、耐振動性が確保されている。リード部を圧入する際には強い力が必要であり、治具が必要となることが想定される。

図５は、図１ｂのＡ−Ａ線断面図であり、電流補助部材１０がスルーホール６ａ，６ｂに挿入された様子を示している。
電流補助部材１０は、胴体部１の最下面でプリント基板２０と接触している。図５から明らかなように、本実施形態１では、胴体部１の幅はリード部２ａ，２ｂの幅に比べて充分に大きい。それゆえ、胴体部１をプリント基板２０と接合することなく、スルーホール６ａ，６ｂに２つのリード部２ａ，２ｂをはんだ付けで接続するだけで、電流補助部材１０に強い耐振動性を持たせることができる。このとき、リード部を圧入する必要がなく、治具が必要となることもない。

以下、本実施形態１での説明において、＋ｙ方向は鉛直方向とする。また、「時計回り」はｙｚ平面内での回転を指すものとする。

図１１は、先行技術による電流補助部材を、鉛直方向に配置された基板に実装した状態で示す図である。図１１（ａ）は電流補助部材の主面が地面に対して平行な場合を、（ｂ）は垂直な場合を示す。
図１１（ａ）に示すように電流補助部材１０を配置すると、はんだ付け部を支点として、電流補助部材１０を時計回りに回転させる向きに荷重が加わる。そして、荷重を支える機構は他に存在せず、したがって、はんだクラックが生じやすい。

次に、図１１（ｂ）に示すように電流補助部材１０を配置する場合について考える。ｙ方向中央のリード部は圧入されているだけであり、電流補助部材１０を支える力は弱い。そして、ｙ方向両端のはんだ付け部では、電流補助部材１０を時計回りに回転させる向きに荷重が加わる。上端（−ｙ端）のはんだ付け位置では、この２つの荷重が合計され、右方向（＋ｚ方向）に向かう力が作用する。反対に、下端（＋ｙ端）のはんだ付け位置では、左方向（−ｚ方向）に向かう力が作用する。したがって、図１１（ｂ）の配置でも、はんだクラックが生じやすい。

図６は、実施の形態１による電流補助部材を、鉛直方向に配置された基板に実装した状態で示す図である。なお、図６の電流補助部材の配置は図１１（ａ）の配置に対応する。
図６に示すように、上方向（−ｙ方向）にリード部２ａ（２ｂ）が引き出されるように電流補助部材１０を配置すると、スルーホール６ａ（６ｂ）の位置には電流補助部材１０を時計回りに回転させる向きの荷重が加わるが、プリント基板２０から胴体部１の下面に加わる右向き（＋ｚ方向）の抗力Ｎによりこの荷重が支えられ、これにより、はんだクラックの発生を抑制できる。

さらに、図６に示すようにプリント基板２０を配置した場合、上昇気流により生じる風を利用して、リード部２ａ，２ｂからの放熱性を向上させることができるという利点もある。

図７は、実施の形態１による電流補助部材の基板上での配置例を示す図である。
電流補助部材１０が実装されるようなプリント基板、或いは大電流基板には多くの電子部品が実装されるところ、例えばリレー３０などはスイッチング時に高レベルの放射ノイズを発生させ、ディジタルＩＣ４０などはノイズに弱いという性質がある。それゆえ、リレー３０とディジタルＩＣ４０とを同一のプリント基板２０上に実装する場合、誤作動を防ぐために互いに離れた位置に実装する必要があり、基板が大型化する要因となっていた。

そこで、図７に示すように、プリント基板２０に実装される電子部品間で伝播する放射ノイズを遮蔽するシールドとして、導電性材料で構成された電流補助部材１０を配置することができる。具体的には、板状の胴体部１がリレー３０とディジタルＩＣ４０との間を仕切るように電流補助部材１０を配置する。これにより、２つの電子部品間の距離を短縮でき、基板の小型化が可能となる。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２による電流補助部材を基板に実装した状態で示す正面図である。
図８に示すように、本実施形態２による電流補助部材１０では、リード部２ａ，２ｂと胴体部１との間に、それぞれ空隙部８ａ，８ｂが形成されている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

空隙部８ａ，８ｂは、図７に一点鎖線で示す連結部５ａ，５ｂの高さ、即ち胴体部１の高さ中央から、プリント基板２０の主面にまで延びる。

一般に、周囲温度の変化により、金属板及びプリント基板２０は膨張又は伸縮する。この際、はんだ付け部にストレスが加わっていると、熱応力に従ってはんだ付け部にクラックが発生する可能性がある。本実施形態２による電流補助部材１０では、電流補助部材１０及びプリント基板２０の膨張、伸縮による熱応力を空隙部８ａ，８ｂで吸収することができ、はんだ付け部でのクラックを抑制できる。

はんだ付け時にはんだ付け部へのストレスを低減させて、はんだ付け部でのクラックを抑制することもできるが、その場合、スルーホール６ａ，６ｂのピッチに対して、金属板の寸法公差に高い精度が必要となり、高精度の加工機が必要となる。

本実施形態２による電流補助部材１０では、空隙部８ａ，８ｂを設けることにより同様の効果を得られるので、金属板の寸法公差を下げることができ、精度の低い加工機でも製造が可能となる。

１ 胴体部、 ２ａ，２ｂ リード部、 ３ａ，３ｂ 脚部、 ４ａ，４ｂ 肩部、 ５ａ，５ｂ 連結部、 ６ａ，６ｂ スルーホール、 ７ａ，７ｂ 切欠き部、 ８ａ，８ｂ 空隙部、 １０ 電流補助部材、 ２０ プリント基板、 ３０ リレー、 ４０ ディジタルＩＣ。

Claims (6)

1. はんだ付けによりプリント基板の配線パターンに電気接続され、導電性材料を含む電流補助部材であって、
   プリント基板の主面と交差する第１面に沿って配置されて該プリント基板と接する板状の胴体部と、
   胴体部の両端の略高さ中央に位置する連結部から、該胴体部の主面に対してそれぞれ同じ方向に向けて延出した２つのリード部とを備えたことを特徴とする電流補助部材。
2. はんだ付けによりプリント基板の配線パターンに電気接続され、導電性材料を含む電流補助部材であって、
   プリント基板の主面と交差する第１面に沿って配置されて該プリント基板と接する板状の胴体部と、
   胴体部の両端の略高さ中央から、該胴体部の主面に対してそれぞれ同じ方向に向けて延出した２つのリード部とを備え、
   胴体部の両上隅部には、切欠部が形成されていることを特徴とする電流補助部材。
3. はんだ付けによりプリント基板の配線パターンに電気接続され、導電性材料を含む電流補助部材であって、
   プリント基板の主面と交差する第１面に沿って配置されて該プリント基板と接する板状の胴体部と、
   胴体部の両端の略高さ中央から、該胴体部の主面に対してそれぞれ同じ方向に向けて延出した２つのリード部とを備え、
   ２つのリード部と胴体部との間に、それぞれ空隙部が形成されていることを特徴とする電流補助部材。
4. ２つのリード部は、プリント基板のスルーホールに垂直に挿入される脚部、及び脚部と胴体部とを連結する肩部をそれぞれ有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流補助部材。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電流補助部材を用いた大電流基板。
6. 前記電流補助部材は、電子部品間で伝播する放射ノイズを遮蔽するシールドとして配置されたことを特徴とする、請求項５に記載の大電流基板。

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