JP6203151B2 - 配線板、電動機、電気機器及び空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、配線板、電動機、電気機器及び空気調和機に関する。

従来、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）が備えるピンを、プリント基板とも呼ばれる配線板に形成された配線に半田により接続する際には、位置ズレが生じないようにすることが肝要である。

例えば、特許文献１には、「紫外光を含む短波長の光を可視光に変換するタイプの発光装置において、基体と枠体とを接着する樹脂接着材の劣化を抑えて基体と枠体との接合が剥がれて発光素子の発光特性が低下するのを長期にわたって防ぐことができる発光素子収納用パッケージおよび発光装置を提供すること」を目的とし、「上面の中央部に紫外光を含む光を発光する発光素子５の搭載部２ａを有するセラミックスから成る基体２と、基体２の上面の外周部に搭載部２ａを取り囲むように接着された金属製の枠体４とを具備しており、枠体４は、下面の外周側がアクリル樹脂系接着剤を介して接着され、内周側がシリコーン樹脂系接着剤を介して接着されている」発光素子収納用パッケージが開示されている。

また、例えば、特許文献２には、「フリップチップ実装におけるバンプや電極パッドに加わる応力集中を、工程の複雑化を招かずに効果的に緩和できる半導体装置及びその製造方法を提供する」ことを課題とし、「半導体素子２表面に配置された外部接続用の素子電極パッド３と配線基板４表面に配置された基板電極パッド５とを備え、互いに対向する素子電極パッド３と基板電極パッド５とがバンプ６を介して接続されている半導体装置において、半導体素子２の幾何学中心２１から放射方向の幅より放射方向と直交する方向の長さの方が大きい細長い形状の第１素子電極パッド３ｂ及び第２基板電極パッド５ｂを有する構成とする」半導体装置及び該半導体装置の製造方法が開示されている。

特開２００５−１８３８９７号公報 特開２００９−２１８２３３号公報

しかしながら、上記従来の技術である特許文献１の技術は、半田不良を起こさないレベルの位置ズレの抑制であって、電動機のロータ磁極回転位置を検出するホールＩＣまたはホール素子のように、例えば０．１ｍｍ以下の高い位置精度を要求されるＩＣの接続には適用することができない、という問題があった。

ところで、電動機のロータ磁極回転位置を検出するホールＩＣまたはホール素子では、ロータの径方向の位置精度は要求されず、周方向の位置精度のみが要求される。そのため、例えばホールＩＣまたはホール素子のピン引き出し方向とロータの径方向を平行に配置し、ホールＩＣまたはホール素子のピンと、該ピンが接続されるフットプリントとの周方向のクリアランスを例えば０．１ｍｍ以下にまで小さくすると、周方向の実装位置精度を向上させることができる。

なお、本明細書において、径方向とは回転軸を基準とする放射方向をいい、周方向とは回転軸を基準として弧を描く方向をいい、径方向と周方向は直交する。また、周方向のクリアランスは、周方向においてフットプリントに接続されるピンの一端と、該一端に近いほうのフットプリントの一端との間隔である。径方向のクリアランスは、径方向においてフットプリントに接続されるピンの一端と、該一端に近いほうのフットプリントの一端と、の間隔である。

しかしながら、このように周方向のクリアランスを小さくすると、周方向における半田フィレット形成領域が小さくなる。そのため、半田強度が低下する、という問題があった。このような半田強度の低下を補うためにはフットプリントを径方向で拡大すればよい。上記従来の技術である特許文献２には、「半導体素子２の幾何学中心２１から放射方向の幅より放射方向と直交する方向の長さの方が大きい細長い形状の第１素子電極パッド３ｂ及び第２基板電極パッド５ｂを有する構成とする」ことが開示されている。

しかしながら、上記従来の技術を開示した特許文献２には、電極パッドにおいて放射方向の幅よりも放射方向と直交する方向の長さを大きくすることが記載されているに留まり、放射方向と直交する方向の長さによっては必要な半田強度を確保することができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、周方向における高い実装位置精度と高い半田強度とを両立した配線板を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数のピンを有するホール素子又はホールＩＣが実装される配線板であって、前記ピンがリフローにより半田付けされる複数のフットプリントと、表面に前記フットプリントが形成されるベース基板と、を備え、前記ピンの引き出し方向は前記配線板の中心から前記ホール素子又はホールＩＣへの径方向に対して平行であり、前記フットプリントでは前記配線板の周方向のクリアランスよりも前記配線板の中心から前記ホール素子又はホールＩＣへの前記径方向のクリアランスの方が大きく、前記径方向のクリアランスは、前記フットプリントの表面から前記ピンの底面までの高さと、前記ピンの厚さと、の合計以上となり、前記ホール素子又はホールＩＣの本体側における径方向のクリアランスは、前記フットプリントの表面から前記ピンの底面までの高さであるピン浮き高さと、ピンボディ側高さと、の合計以上となり、前記ピンと前記フットプリントとの間に形成される本体側のフィレットの高さは、前記フットプリントの表面から前記ピンの底面までの高さであるピン浮き高さと、ピンボディ側高さとの合計である配線板である。

本発明によれば、周方向における高い実装位置精度と半田強度とを両立した配線板を得ることができる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる配線板の構成を示す図 実施の形態１にかかる配線板上に半田付けにより実装されるＩＣチップを示す図 ホールＩＣとロータ回転軸との位置関係を示す図 実施の形態１にかかる配線板上にＩＣチップが実装された状態の上面を示す図 実装位置ズレが生じる場合のＩＣピンの底面とフットプリントの位置関係を示す図 実施の形態１にかかる配線板上においてＩＣピンとフットプリントとを接続したときの周方向の接続状態を示す断面図 実施の形態１にかかる配線板上においてＩＣピンとフットプリントとを接続したときの径方向の接続状態を示す断面図 実施の形態１にかかる配線板上においてＩＣピンとフットプリントとを接続したときの径方向の接続状態を示す断面図 ホールＩＣとロータ回転軸との位置関係を示す図 実施の形態２にかかる電動機を示す図 実施の形態３にかかる電気機器の一例である空気調和機を示す図

以下に、本発明にかかる配線板、電動機、電気機器及び空気調和機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる配線板の実施の形態１の構成を示す図である。図１（Ａ）には、部品が実装された側の面、すなわち配線板の表面が示され、図１（Ｂ）には、部品が実装されていない側の面、すなわち配線板の裏面が示されている。

円形の配線板１０は、中心に穴１１を有し、コネクタ１２、面実装のインバータＩＣ１３及びホールＩＣ１４ａ〜１４ｃを備える（図１（Ａ））。なお、図示していないが、部品が実装されたベース基板１０ａ上には配線が形成され、例えばチップ抵抗またはチップコンデンサが設けられていてもよいし、コネクタ１２及びインバータＩＣ１３が設けられていなくてもよい。配線板１０の穴１１には、例えば回転軸が貫通し、部品が実装された配線板の表面はステータ側に配され、部品が実装されていない配線板の裏面は反ステータ側に配される。なお、ベース基板上に配線及び部品が実装されることで配線板が形成される。

図２は、図１に示す配線板１０上に半田付けにより実装されるＩＣチップを示す図である。図２に示すＩＣチップは、ＩＣ本体２０と、ＩＣピン２１ａ〜２１ｃとを備える。ＩＣ本体２０は図１（Ａ）に示すホールＩＣ１４ａ〜１４ｃに相当し、ＩＣピン２１ａ〜２１ｃは配線板１０に、例えば半田付けにより接続される。ここで、半田付けはリフローにて行われる。すなわち、リフロー実装される。リフロー実装では、フロー実装のように接着剤で実装部品を固定しないので、リフロー炉における加熱時に、融解した半田の表面張力により実装位置ズレが発生する。

なお、本実施の形態においては、説明の便宜上、ＩＣチップが備えるＩＣピンを３つにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＩＣピンの数は適宜変更することができる。

図３は、ホールＩＣと配線板の中心であるロータ回転軸との位置関係を示す図である。図３に示すホールＩＣ１４Ａ〜１４ＣのＩＣピン引き出し方向は径方向と平行である。ホールＩＣ１４Ａ〜１４Ｃは、図１に示すホールＩＣ１４ａ〜１４ｃに相当する。なお、図３は、８極１２スロットモータに搭載される配線板を例示しており、ホールＩＣは３０度間隔で配置されている。

ホールＩＣ１４Ａ〜１４Ｃは、電動機のロータ磁極回転位置を検出するので、径方向の位置精度は要求されず、周方向の位置精度が要求される。例えばホールＩＣまたはホール素子のピン引き出し方向とロータの径方向を平行に配置し、ホールＩＣまたはホール素子のピンと、該ピンが接続されるフットプリントとの周方向のクリアランスを例えば０より大きく０．１ｍｍ以下と小さくすると、周方向の実装位置精度を向上させることができる。しかしながら、周方向のクリアランスを小さくすると、半田フィレットの形成領域が縮小してしまい、半田強度が低下してしまう。そこで、径方向のクリアランスを大きくすることで半田フィレットの形成領域を拡大することが考えられる。

図４は、配線板上にＩＣチップが実装された状態の上面を示す図である。図４において、ＩＣ本体２０から引き出されたＩＣピン２１ａ〜２１ｃは、フットプリント２２ａ〜２２ｃに接続されている。図４に示すフットプリント２２ａ〜２２ｃでは、周方向でＩＣがずれる範囲である周方向のクリアランスよりも、径方向でＩＣがずれる範囲である径方向のクリアランスの方が大きい。このように周方向のクリアランスを小さくして径方向のクリアランスを大きくすると、半田強度の低下を抑制しつつ、周方向の実装位置精度を向上させることができると考えられる。

図５は、図４に示す構成における実装位置ズレが生じる場合のＩＣピン２１の底面とフットプリント２２の位置関係を示す図である。なお、ＩＣピン２１は、ＩＣピン２１ａ〜２１ｃの総称であり、フットプリント２２は、フットプリント２２ａ〜２２ｃの総称である。図５に示すように、実装位置ズレは、ＩＣピン２１の底面の端とフットプリント２２の端とが重なる状態のときに特に大きいものとなる。したがって、フットプリントを小さくすると実装位置ズレを抑制することができるが、フットプリントを単純に縮小すると半田フィレットが形成される領域を確保することができず、半田強度、すなわち、接合強度が低下してしまうという問題がある。

図６は、ＩＣピン２１とフットプリント２２とを接続したときの周方向の接続状態を示す断面図である。図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように、半田フィレット２４はフットプリント２２上の半田フィレット形成領域に形成されるため、図６（Ａ）に示されるように、フットプリント２２上の半田フィレット形成領域を広く確保することができれば半田強度を高くすることができる。しかしながら、上述したように、本実施の形態においては周方向のフットプリント２２を縮小するため、図６（Ｂ）に示されるように半田フィレット形成領域が狭くなってしまい、半田強度が低下してしまうことになる。半田フィレット２４の縮小は、縮小されたフットプリント２２の周方向の側面からＩＣピン２１の周方向の側面までの距離、すなわち周方向のクリアランスがＩＣピン２１の厚さよりも短い場合に顕著である。

なお、半田フィレットは、被形成面であるフットプリントとのなす角度が１５°以上４５°以下であることが好ましい。

このように、周方向のクリアランスを小さくすると、周方向における半田フィレット形成領域が縮小し、半田強度、すなわち、接合強度が低下してしまうという問題がある。

図７は、ＩＣピン２１とフットプリント２２とを接続したときの径方向の接続状態を示す断面図である。図７に示すように、径方向のクリアランスは、フットプリント２２の表面からＩＣピン２１の底面までの高さであるＩＣピン浮き高さと、ＩＣピン厚さと、の合計以上とする。このように径方向のクリアランスを設定することで、半田強度、すなわち、接合強度を高くすることができる。

図８は、ＩＣピン２１とフットプリント２２とを接続したときの径方向の接続状態を示す別の断面図である。図８に示すように、ＩＣボディであるＩＣ本体２０とは逆側における径方向のクリアランスは、図７と同様にフットプリント２２の表面からＩＣピン２１の底面までの高さであるＩＣピン浮き高さと、ＩＣピン厚さと、の合計以上とする。ＩＣボディであるＩＣ本体２０側における径方向のクリアランスは、フットプリント２２の表面からＩＣピン２１の底面までの高さであるＩＣピン浮き高さと、ＩＣピンボディ側高さとの合計以上とする。このように、半田フィレット２４を高く形成することができるＩＣボディであるＩＣ本体２０側の径方向のクリアランスをさらに拡大することで、半田フィレット形成領域を広くすることができるため好ましい。なお、ＩＣピンボディ側高さは、図８に示すように、フットプリント２２の表面から、ＩＣ本体２０から引き出されて屈曲していない部分におけるＩＣピン２１の裏面までの高さである。

以上説明したように本実施の形態によれば、周方向におけるクリアランスを小さくして周方向における高い実装位置精度を実現しつつ、半田フィレット形成領域を広くすることができるため、半田強度を確保することができる。

ところで、ホールＩＣの実装方向の変更間隔が９０度間隔である部品実装設備にて実装する場合には、ホールＩＣのＩＣピン引き出し方向と径方向を平行にすることが困難である。図９は、ホールＩＣの実装方向の変更間隔が９０度間隔である部品実装設備にて実装する場合における、ホールＩＣとロータ回転軸との位置関係を示す図である。図９に示すように、ホールＩＣ１４Ｄ〜１４Ｆの実装方向の変更間隔が９０度間隔である部品実装設備にて実装する場合には、ホールＩＣ１４Ｄ〜１４ＦのＩＣピン引き出し方向と径方向の角度が４５度以下となるように配置すればよい。図９では、ＩＣピン引き出し方向と径方向の角度が３０度である場合を例示している。

本実施の形態では、ホールＩＣが実装される配線板を例示して説明したが、本発明はこれに限定されず、他の電子部品であってもよい。すなわち、本実施の形態にて説明した本発明の一態様は、複数のピンを有する電子部品が実装される配線板であって、前記ピンがリフローにより半田付けされる複数のフットプリントと、表面に前記フットプリントが形成されるベース基板と、を備え、前記ピンの引き出し方向は前記配線板の中心から前記電子部品への径方向に対して４５度以下であり、前記フットプリントでは周方向のクリアランスよりも前記配線板の中心から前記電子部品への前記径方向のクリアランスの方が大きく、前記径方向のクリアランスは、前記フットプリントの表面から前記ピンの底面までの高さと、前記ピンの厚さと、の合計以上となる配線板である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、半田強度を低下させることなく、リフロー炉における加熱時の周方向の実装位置ズレを高精度に抑制することができる。実装位置ズレを高精度に抑制することができるため、歩留りの低下を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、１つのピンと１つのフットプリントとの接続に着目して説明したため、ＩＣチップの回転方向の位置ズレについては説明していないが、ＩＣチップのＩＣ本体２０には複数のピンが設けられているため、回転方向の位置ズレも抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、ＩＣチップにホールＩＣを例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＩＣチップはリフロー炉加熱時の実装の位置ズレを周方向において高い位置精度で抑制すべきＩＣであればよい。また、本実施の形態においては、配線板に接続されるＩＣピンを有するＩＣチップについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、配線板に接続されるピン（端子）を有する電子部品であればよい。

実施の形態２．
実施の形態１にて説明した配線板は、例えば電動機に内蔵される。図１０は、本実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図である。図１０に示す電動機は、配線板１０と、回転軸３０と、出力側軸受３１と、反出力側軸受３２と、回転子センサマグネット３３と、回転子３４、回転子マグネット３５と、巻線端子３６と、インシュレータ３７と、固定子鉄心３８と、巻線３９と、ブラケット４０と、モールド樹脂４１と、モールド固定子４２とを備えるブラシレスＤＣモータである。

配線板１０は、コネクタ１２と、インバータＩＣ１３と、ホールＩＣ１４とを備える。ホールＩＣ１４は、回転子３４の位置を検知する。配線板１０は、出力側軸受３１と固定子との間にて回転軸３０の軸線方向に対して垂直に配置され、インシュレータ３７に固定されている。インシュレータ３７は、固定子鉄心３８と巻線３９とを電気的に絶縁している。固定子鉄心３８は、積層された電磁鋼板により形成されている。巻線３９は、インシュレータ３７を介して固定子鉄心３８の各スロットに巻き付けられており、巻線端子３６を介して配線板１０のインバータＩＣ１３に接続されている。配線板１０には、制御回路と接続するリード線を有するコネクタ１２が配置されている。モールド固定子４２は、固定子と配線板１０がモールド樹脂４１により一体成型された構成であり、内部に回転子３４を収容可能に形成された凹部が設けられている。このように固定子と配線板１０がモールド樹脂４１により一体成型される場合、モールド樹脂４１と半田の熱膨張係数が異なり半田に大きな熱応力がかかるため、半田強度が特に要求される。回転子３４は、モールド固定子４２の内側に配置され固定子鉄心３８と対向して回転軸３０の外周側に配置された回転子マグネット３５を有する。ホールＩＣ１４の位置を検知する回転子センサマグネット３３は、回転軸３０を円中心とした回転子３４内に配置されている。なお、回転子マグネット３５は永久磁石であり、例えばフェライト磁石または希土類磁石である。回転軸３０の一端には、回転軸３０を回転自在に支持する出力側軸受３１を有し、他端には回転軸３０を回転自在に支持する反出力側軸受３２を有する。ブラケット４０は導電性であり、モールド固定子４２の内周部に嵌め込まれてモールド固定子４２の凹部の開口部を塞いでおり、ブラケット４０の内側に反出力側軸受３２の外輪が嵌め込まれている。

図１０に示す電動機においては、放熱性及び安全性を向上させるために固定子と配線板１０が一体成型されており、配線板１０とホールＩＣ１４を接続する半田強度は高くすることを要する。実施の形態１にて説明したように半田強度を高く維持することで、ホールＩＣが外れてしまうことによる電動機の故障を防止し、信頼性の低下を防ぐことができる。なお、本実施の形態の電動機においてはホールＩＣの周方向の実装位置ズレが高精度に抑制されることで、ホールＩＣの周方向の実装位置バラツキが抑制される。これによりモータの効率に大きく影響を及ぼす進角のバラツキが抑制され、消費電力が低減される。

実施の形態３．
実施の形態２にて説明した電動機は、様々な電気機器に適用することができ、このような電気機器には、空気調和機を例示することができる。図１１は、本発明にかかる電気機器の一例である空気調和機の構成を示す外観図である。図１１に示す空気調和機５０は、室内機５１と、室外機５２と、ファン５３とを備える。室外機５２は室内機５１に接続されている。なお、図示していないが、室内機５１は室内機用送風機を備え、室外機５２は室外機用送風機を備え、室内機用送風機及び室外機用送風機は、駆動源である実施の形態２にて説明した電動機を備える。

本実施の形態の室内機用送風機及び室外機用送風機に実施の形態２の電動機が適用されることで、電動機の故障を防止し、信頼性の低下を防ぐことができ、室内機用送風機及び室外機用送風機の故障を防止し、信頼性の低下を防ぐことができる。

なお、実施の形態２にて説明した電動機は、室内機用送風機及び室外機用送風機に限定されず、例えば換気扇、家電機器、工作機に搭載されてもよく、換気扇、家電機器、工作機に実施の形態２の電動機が適用されることで、電動機の故障を防止し、信頼性の低下を防ぐことができ、換気扇、家電機器、工作機の故障を防止し、信頼性の低下を防ぐことができる。

１０ 配線板、１０ａ ベース基板、１１ 穴、１２ コネクタ、１３ インバータＩＣ、１４，１４ａ〜１４ｃ，１４Ａ〜１４Ｃ，１４Ｄ〜１４Ｆ ホールＩＣ、２０ ＩＣ本体、２１，２１ａ〜２１ｃ ＩＣピン、２２，２２ａ〜２２ｃ フットプリント、２４ 半田フィレット、３０ 回転軸、３１ 出力側軸受、３２ 反出力側軸受、３３ 回転子センサマグネット、３４ 回転子、３５ 回転子マグネット、３６ 巻線端子、３７ インシュレータ、３８ 固定子鉄心、３９ 巻線、４０ ブラケット、４１ モールド樹脂、４２ モールド固定子、５０ 空気調和機、５１ 室内機、５２ 室外機、５３ ファン。

Claims (5)

1. 複数のピンを有するホール素子又はホールＩＣが実装される配線板であって、
   前記ピンがリフローにより半田付けされる複数のフットプリントと、
   表面に前記フットプリントが形成されるベース基板と、を備え、
   前記ピンの引き出し方向は前記配線板の中心から前記ホール素子又はホールＩＣへの径方向に対して平行であり、
   前記フットプリントでは前記配線板の周方向のクリアランスよりも前記配線板の中心から前記ホール素子又はホールＩＣへの前記径方向のクリアランスの方が大きく、前記径方向のクリアランスは、前記フットプリントの表面から前記ピンの底面までの高さと、前記ピンの厚さと、の合計以上となり、
   前記ホール素子又はホールＩＣの本体側における径方向のクリアランスは、前記フットプリントの表面から前記ピンの底面までの高さであるピン浮き高さと、ピンボディ側高さと、の合計以上となり、
   前記ピンと前記フットプリントとの間に形成される本体側のフィレットの高さは、前記フットプリントの表面から前記ピンの底面までの高さであるピン浮き高さと、ピンボディ側高さとの合計である配線板。
2. 請求項１に記載の配線板を備え、
   前記ベース基板が円形であり、前記配線板の中心が回転軸である電動機。
3. 固定子と前記配線板が、樹脂によって一体成型されている請求項２に記載の電動機。
4. 請求項２または請求項３に記載の電動機を備える電気機器。
5. 請求項４に記載の電気機器である空気調和機。

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