JP6213329B2 - 配電基板 - Google Patents

Description

本発明は、配電基板に関する。

車両に搭載されてメインバッテリと補助電源との間で電力の供給形態を切り替える機能、あるいは電源から各種の車載電装品に電力を分配する機能を有する配電基板として、複数のバスバーを備える回路構成体と、この回路構成体に実装されるスイッチング素子等の電子部品とを備える基板が知られている。

上記した配電基板には電源からの大電流が流れるため、回路構成体や電子部品からの発熱量はそれに応じて比較的大きなものとなる。そこで、回路構成体に放熱板を取り付け、発生する熱を放熱板から放散させるようにすることがある。

特開２００２−７６２０４号公報には、金属板を打ち抜いて形成された複数の電極（バスバー）と、これら複数の電極のうち少なくとも一の電極の表面に実装されたパワー半導体と、これら複数の電極の裏面に配置された放熱板とを備えるパワー半導体デバイスが開示されている。

放熱板は、絶縁層および接着層を介してバスバーに接着されており、これらの絶縁層および接着層によって、放熱板とバスバーとが絶縁されている。

特開２００２−７６２０４号公報

しかし、上記の構成のデバイスでは、例えばバスバーに曲げが加わり、放熱板の側面に接触することにより、放熱板とバスバーとの絶縁が保たれなくなってしまうことが懸念される。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、放熱部材とバスバーとの絶縁を確保できる配電基板を提供することを目的とする。

本発明の配電基板は、バスバーと、前記バスバーに重ねて配置される放熱ユニットとを備え、前記放熱ユニットが、前記バスバーに対向する対向面と、前記対向面と角度をなす側面とを有し、前記バスバーに接着層を介して重ねて配置される放熱部材と、絶縁性を有し、前記側面に当接して配置されるフレームとを備える部材であり、前記放熱ユニットが、絶縁性を有し、前記対向面と前記接着層との間に配置される絶縁層を備え、前記フレームが、前記バスバーに当接する当接面を有し、前記放熱部材が、前記当接面よりも前記バスバーから離間した位置に配置されており、前記フレームが、前記対向面と前記当接面との間に、前記対向面と前記当接面に対して平行に配置される段差面を有している。

上記の構成によれば、放熱部材の側面が絶縁性のフレームで覆われるから、バスバーに曲げ等が生じた場合でも、放熱部材とバスバーとの絶縁を確保できる。

本発明の実施の態様として、以下の構成が好ましい。

また、絶縁層の材料である樹脂等をフレームの内部に注入する際に、段差面と同じ高さまで注入することによって、段差面を目安として注入量を調整できる。つまり、絶縁層と接着層との厚さの制御が容易となり、バスバーと絶縁部材との間の絶縁性、および、放熱部材のバスバーへの接着性を確保できる。

前記フレームが、前記放熱部材に対してインサート成形により形成された部材であってもよい。

上記の構成によれば、フレームが放熱部材に対して一体化されるので、接着層や絶縁層の材料である接着剤や樹脂等をフレームに注入する際に、接着剤や樹脂等が放熱部材とフレームとの間から下にたれ落ちることを回避でき、放熱ユニットの製造およびバスバーへの組み付けが容易となる。

本発明によれば、放熱部材とバスバーとの絶縁を確保できる配電基板を提供できる。

実施形態のスイッチング装置の斜視図 実施形態のスイッチング装置の平面図 実施形態のスイッチング装置の分解斜視図 実施形態の上部ケースおよびスイッチング基板の底面図 実施形態のスイッチング基板の断面図 実施形態の放熱ユニットの断面図 実施形態のフレームの平面図 実施形態のフレームの底面図

本発明の実施形態を、図１〜図８を参照しつつ説明する。

本実施形態のスイッチング基板１０（配電基板に該当）は、スイッチング装置１に備えられるものである。スイッチング装置１は、メインバッテリと補助バッテリとを備える車両において、メインバッテリおよび補助バッテリからの車載電装品への電力供給の切り替えを行うものであって、図１、図２および図３に示すように、スイッチング基板１０と、このスイッチング基板１０に覆い付けられるケーシング８０とを備えている。

スイッチング基板１０は、回路構成体１１と、この回路構成体１１に搭載される６つの半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂと、放熱ユニット７０とを備える。

回路構成体１１は、制御回路基板２０と、この制御回路基板２０に重なる３枚のバスバー３０、４０、５０とを備えている。

制御回路基板２０は、ガラス基材またはガラス不織布基材からなる絶縁板の一面に、導電性材料からなる制御回路（図示せず）が配置されたプリント基板である。

制御回路基板２０は、図４に示すように、半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂの搭載のための６つの実装窓２１Ａ、２１Ｂを有している。各実装窓２１Ａ、２１Ｂは、制御回路基板２０において制御回路が配されている面から、その逆側の面まで貫通する、全体として矩形の開口部であって、その開口の大きさは、半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂの外形よりも一回り大きい。６つの実装窓２１Ａ、２１Ｂのうち３つは、第１実装窓２１Ａであって、１列に並んで配置されている。６つの実装窓２１Ａ、２１Ｂのうち残り３つは、第２実装窓２１Ｂであって、１列に並んで配置されている。

３枚のバスバー３０、４０、５０のうち１枚は入力バスバー３０であり、他の１枚は出力バスバー４０である。入力バスバー３０は、導電性材料（本実施形態では銅または銅合金）により形成された矩形の厚板である。入力バスバー３０は、スタッドボルト１０２Ａを挿通するためのボルト挿通孔３１を備えている。ボルト挿通孔３１は、入力バスバー３０の一方の板面から他方の板面まで貫通する貫通孔である。出力バスバー４０も、入力バスバー３０と同様に、導電性材料（本実施形態では銅または銅合金）により形成された矩形の厚板であって、スタッドボルト１０２Ｂを挿通するためのボルト挿通孔４１を備えている。

入力バスバー３０と出力バスバー４０とは、制御回路基板２０において制御回路が配置された面とは逆側の面に、互いに間隔を空けて配置されている。図５に示すように、入力バスバー３０および出力バスバー４０は、一部が制御回路基板２０と重なっており、ボルト挿通孔３１、４１が配置された部分が制御回路基板２０から外れて配置されている。

３枚のバスバー３０、４０、５０のうち残りの１枚は、接続バスバー５０である。接続バスバー５０は、導電性材料（本実施形態では銅または銅合金）により形成された厚板であって、入力バスバー３０と出力バスバー４０との間に、入力バスバー３０および出力バスバー４０に対して隙間を空けて配置されている。

複数の第１実装窓２１Ａは、それぞれ、入力バスバー３０と接続バスバー５０とにまたがる位置に配され、複数の第２実装窓２１Ｂは、それぞれ、出力バスバー４０と接続バスバー５０とにまたがる位置に配されている。第１実装窓２１Ａの内側に、入力バスバー３０の一部と、接続バスバー５０の一部とが露出している。第２実装窓２１Ｂの内側に、出力バスバー４０の一部と、接続バスバー５０の一部とが露出している。

半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂは、パワーＭＯＳＦＥＴであって、図３、図４および図５に示すように、ハウジング６１と、このハウジング６１に設けられたドレイン端子、ソース端子６３およびゲート端子６４を備えている。ドレイン端子は、詳細には図示しないが、ハウジング６１の下面に配置されている。また、ソース端子６３およびゲート端子６４は、ハウジング６１の側面から突出している。

６つの半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂのうち３つは、第１半導体スイッチング素子６０Ａである。６つの半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂのうち残り３つは、第２半導体スイッチング素子６０Ｂである。

３つの第１半導体スイッチング素子６０Ａは、それぞれ、第１実装窓２１Ａの内側に配置されている。そして、第１実装窓２１Ａの内側に露出している入力バスバー３０の一部にドレイン端子が、接続バスバー５０にソース端子６３がそれぞれ接続されている。ゲート端子６４は、制御回路基板２０上の制御回路に接続されている。同様に、３つの第２半導体スイッチング素子６０Ｂは、それぞれ、第２実装窓２１Ｂの内側に配置されている。そして、第２実装窓２１Ｂの内側に露出している出力バスバー４０の一部にドレイン端子が、接続バスバー５０の一部にソース端子６３がそれぞれ接続され、制御回路にゲート端子６４が接続されている。

このように配置されることによって、並列に接続された３つの半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂが１組とされ、２組の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂが直列に接続される。２組の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂは、互いに背中合わせ（back to back）に配置されている。

放熱ユニット７０は、全体として矩形の板状であって、図５に示すように、バスバー３０、４０、５０において制御回路基板２０が配置されている面とは逆側の面に重なっている。放熱ユニット７０は、図６に示すように、放熱板７１（放熱部材に該当）と、フレーム７２と、絶縁層７７と、接着層７８とを備える。

放熱板７１は、金属製の矩形の板であって、表裏面７１Ａ、７１Ｂと、４つの側面７１Ｃとを有している。放熱板７１は、回路構成体１１と平行に配置されており、表裏面７１Ａ、７１Ｂのうち回路構成体１１に向かう面が対向面７１Ａ、それとは反対側の面が放熱面７１Ｂである。放熱板７１は、回路構成体１１において複数の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂが配置された領域のすべてをカバーする大きさとなっている。

フレーム７２は、合成樹脂等の絶縁性材料により形成された、絶縁性を有する矩形枠状の部材であって、放熱板７１をその外周縁に沿って全周に亘って連続して包囲するように配置されている。フレーム７２は、フレーム本体７３と、段差面７６Ｂを有する突出部７６とを備えている。

フレーム本体７３は、放熱板７１を放熱面７１Ｂ側から支持する支持部７４と、この支持部７４から垂直に延びて放熱板７１の側面７１Ｃを覆う４つの側壁部７５とを備え、断面形状がＬ字形となっている。

支持部７４は、４つの枠辺部７４Ａ、７４Ｂを有する矩形枠状の部分である。４つの枠辺部７４Ａ、７４Ｂのうち２つの枠辺部７４Ａは、放熱板７１の対向する２つの辺に沿って配置されている。他の２つの枠辺部７４Ｂは、放熱板７１の上記した対向する２つの辺と垂直な他の２つの辺に沿って配置され、２つの枠辺部７４Ａの同じ側の端部同士をそれぞれ連結している。支持部７４は、放熱板７１の外周縁部に沿って全周にわたって配置され、４つの枠辺部７４Ａ、７４Ｂ辺の内周側の部分が放熱面７１Ｂに当接している。支持部７４の内側の開口部分には、放熱面７１Ｂが露出している。

４つの側壁部７５は、支持部７４の４つの枠辺部７４Ａ、７４Ｂ辺の外周側端縁から回路構成体１１に向かって延び、放熱板７１の４つの側面７１Ｃにそれぞれ当接する部分である。側壁部７５は、放熱板７１の４つの側面７１Ｃを全周にわたって覆って配置されている。側壁部７５の回路構成体１１側の端面は、バスバー３０、４０、５０と当接する当接面７５Ａである。放熱板７１は、当接面７５Ａよりもバスバー３０、４０、５０から離間した位置に配置されている。

突出部７６は、側壁部７５の内側面（放熱板７１と当接する面）からは、内側に向かって突出する部位である。突出部７６は、側壁部７５の当接面７５Ａよりも支持部７４に近接した位置（バスバー３０、４０、５０から離間した位置）に配置され、対向面７１Ａに当接している。突出部７６は、側壁部７５の全周にわたって配置されている。この突出部７６の内周面は、放熱板７１の対向面７１Ａに対して放熱板７１と反対側に立ち上がる立ち上がり面７６Ａであり、突出部７６において放熱板７１とは反対側の面は、立ち上がり面７６Ａから連なり、立ち上がり面７６Ａとの間で角部を形成するとともに、対向面７１Ａと当接面７５Ａとの間に、両者に対して段差を有して配置される段差面７６Ｂである。段差面７６Ｂは、対向面７１Ａと平行となっている。

絶縁層７７は、絶縁性を有する層であって、対向面７１Ａに密着して配置されている。絶縁層７７は、突出部７６の厚さ（対向面７１Ａに当接する面からその反対側の面までの距離）と等しい厚さを有し、一面が対向面に当接し、他面が段差面７６Ｂと同一平面上に配置されている。絶縁層７７は、樹脂に、アルミナ等の熱伝導性の高いフィラーが高密度に充填されている層であることが望ましい。

接着層７８は、放熱板７１、絶縁層７７およびフレーム本体７３を回路構成体１１に接着するための層であって、段差面７６Ｂと絶縁層７７の他面とで構成される面とバスバー３０、４０、５０との間に配置されている。

放熱ユニット７０は、入力バスバー３０および出力バスバー４０において複数の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂが配置された領域と重なり、ボルト挿通孔３１、４１が配置された部分からは外れるように配置されている。

ケーシング８０は、上部ケース８１と下部ケース９１とを備えている。下部ケース９１は、スイッチング基板１０の外形よりも一回り大きい外形を有するトレイ状のケースである。下部ケース９１の内部に、スイッチング基板１０が収容される。上部ケース８１は、下部ケース９１とほぼ同じ外形を有するトレイ状のケースであって、下部ケース９１の内部に収容されたスイッチング基板１０を覆うように下部ケース９１に装着されている。上部ケース８１と下部ケース９１とはいずれも合成樹脂により形成されている。

上部ケース８１は、スイッチング基板１０と平行に配置される矩形の天板８２と、この天板８２の周縁からスイッチング基板１０に向かって延びる側板８３とを備えている。天板８２は、放熱窓８４と、２つの締結窓８５Ａ、８５Ｂとを有している。

放熱窓８４は、天板８２の一方の面から他方の面まで貫通する開口部であって、この放熱窓８４から放熱板７１が外部に臨んでいる。

２つの締結窓８５Ａ、８５Ｂのうち一方の締結窓８５Ａは、ボルト挿通孔３１が配置される位置およびその周囲に配置されている。同様に、他方の締結窓８５Ｂは、ボルト挿通孔３１が配置される位置およびその周囲に配置されている。各締結窓８５Ａ、８５Ｂは、天板８２の一方の面から他方の面まで貫通する開口部である。締結窓８５Ａの内側に締結端子１０１Ａが、締結窓８５Ｂの内側に締結端子１０１Ｂが、それぞれ配置される。

締結端子１０１Ａは、メインバッテリにつながるワイヤーハーネス１００Ａの一端に接続された端子であって、スタッドボルト１０２Ａとナット１０３Ａとを用いて入力バスバー３０に固定される。締結端子１０１Ｂは、補助バッテリにつながるワイヤーハーネス１００Ｂの一端に接続された端子であって、スタッドボルト１０２Ｂとナット１０３Ｂとを用いて入力バスバー３０に固定される。

次に、放熱ユニット７０の製造および回路構成体１１への組み付け手順について説明する。

金型内に放熱板７１を挿入し、放熱板７１の周りに樹脂を注入して硬化させることにより、放熱板７１とフレーム本体７３とが一体化した部材を形成する（インサート成形）。

次に、アルミナ等のフィラーが混合された熱硬化性樹脂を、フレーム本体７３に注入する。このとき、注入される熱硬化性樹脂の上面が段差面７６Ｂと同じ高さになるようにする。注入後、熱硬化性樹脂を硬化させて絶縁層７７を形成する。

次いで、熱硬化性の接着剤をフレーム本体７３に注入する。このとき、注入される接着剤の上面が当接面７５Ａと同じ高さになるようにする。注入後、フレーム本体７３に回路構成体１１を重ねて、接着剤を硬化させる。このようにして、放熱ユニット７０が回路構成体１１と接着される。

上記のように本実施形態によれば、放熱板７１の側面７１Ｃが絶縁性を有するフレーム７２によって覆われているから、バスバー３０、４０、５０に曲げ等が生じた場合でも、バスバー３０、４０、５０が放熱板７１の側面７１Ｃに接触することを回避し、放熱板７１とバスバー３０、４０、５０との絶縁を確保できる。特に、本実施形態のように電気的に分離されている複数のバスバー３０、４０、５０が共通の放熱板７１に接着されている場合において、バスバー３０、４０、５０同士の短絡を回避することができる。

また、フレーム７２が、対向面７１Ａと当接面７５Ａとの間に、対向面７１Ａと当接面７５Ａに対して平行に配置される段差面７６Ｂを有している。このような構成によれば、絶縁層７７の材料である樹脂等をフレーム７２の内部に注入する際に、段差面７６Ｂと同じ高さまで注入することによって、段差面７６Ｂを目安として注入量を調整できる。つまり、絶縁層７７と接着層７８との厚さの制御が容易となり、バスバー３０、４０、５０と放熱板７１との間の絶縁性、および、放熱板７１のバスバー３０、４０、５０への接着性を確保できる。

さらに、フレーム７２が、放熱板７１に対してインサート成形により形成された部材である。このような構成によれば、フレーム７２が放熱板７１に対して一体化されるので、絶縁層７７や接着層７８の材料である樹脂や接着剤等をフレームに注入する際に、接着剤や樹脂等が放熱板７１とフレーム７２との間から下にたれ落ちることを回避でき、放熱ユニット７０の製造および回路構成体１１への組み付けが容易となる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態によれば、突出部７６は側壁部７５の内側面において全周にわたって配置されているが、突出部７６が側壁部７５の内側面において一部にのみ配置され、これにより、段差面が側壁部７５の内側面において一部にのみ配置されていても構わない。

（２）上記実施形態によれば、側壁部の内側面に、内側に向かって突出する突出部７６が設けられることにより、段差面７６Ｂが配置されていたが、例えば側壁部の内側面に、外側に向かって凹む凹部が設けられ、この凹部の内壁面のうち、対向面と平行な面が段差面とされていても構わない。

（３）上記実施形態では、回路構成体１１に半導体スイッチング素子が実装されていたが、回路構成体に実装される電子部品は上記実施形態の限りではなく、例えば機械式リレーであっても構わない。

１０…スイッチング基板（配電基板）
３０…入力バスバー（バスバー）
４０…出力バスバー（バスバー）
５０…接続バスバー（バスバー）
６０Ａ、６０Ｂ…半導体スイッチング素子
７０…放熱ユニット
７１…放熱板（放熱部材）
７１Ａ…対向面
７１Ｃ…側面
７２…フレーム
７５Ａ…当接面
７６Ｂ…段差面
７７…絶縁層
７８…接着層

Claims (2)

1. バスバーと、前記バスバーに重ねて配置される放熱ユニットとを備え、
   前記放熱ユニットが、
   前記バスバーに対向する対向面と、前記対向面と角度をなす側面とを有し、前記バスバーに接着層を介して重ねて配置される放熱部材と、
   絶縁性を有し、前記側面に当接して配置されるフレームとを備える部材であり、
   前記放熱ユニットが、絶縁性を有し、前記対向面と前記接着層との間に配置される絶縁層を備え、
   前記フレームが、前記バスバーに当接する当接面を有し、
   前記放熱部材が、前記当接面よりも前記バスバーから離間した位置に配置されており、
   前記フレームが、前記対向面と前記当接面との間に、前記対向面と前記当接面に対して平行に配置される段差面を有している、配電基板。
2. 前記フレームが、前記放熱部材に対してインサート成形により形成された部材である、請求項１に記載の配電基板。

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