JP6727367B1 - プリント配線板および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接続用の部材と工程の追加を簡略化するとともに配線の寄生インダクタンスの増加を抑制したプリント配線板および電力変換装置を提供する。【解決手段】プリント配線板は、コア材と、コア材の表面に形成され、絶縁性を有するプリプレグと、を有する基板、プリプレグの表面に形成されると共に基板の端面から突出して形成された導電性接続部を有する内層パターン、を備えたものである。【選択図】図１

Description

本願は、プリント配線板および電力変換装置に関するものである。

従来、プリント配線板に実装できない電子部品とプリント配線板間の接続として、プリント配線板と導電性の板状端子を半田付けにより接続する方法、導電性の板状端子同士を隣接させて溶接により接続する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
また、プリント配線板と接続したい電子部品または端子間に電気的な接続部品を追加して、プレスフィット構造により容易に接続する方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特許文献１に記載された接続においては、接続用の部材として第１板状端子が必要である。また、特許文献１に記載された接続においては、第１板状端子をはんだ付けなどにより基板に取り付ける工程、第１板状端子のもう一端を電子部品から延びる第２板状端子へ溶接する工程が必要である。
また、特許文献２に記載された接続においては、接続用の部材として嵌合部材と嵌入部材が必要である。また、特許文献２に記載された接続においては、嵌合部材をプリント配線板にはんだ付けにより取り付ける工程、同嵌合部材と嵌入部材を嵌め合わせて接続する工程が必要となる。

特開２０１８‐０７４０２９号公報 特開２０１２‐１５１０１９号公報

しかしながら、例えば前述した特許文献１に記載された接続においては、接続用の部材の追加およびそれを接続するための工程が増加する問題点があった。また、溶接による制約から基板から電子部品までの配線経路が非常に長くなり、配線に寄生するインダクタンスが増加する問題点があった。
また、例えば前述した特許文献２に記載された接続においては、基板からパワー半導体装置までの接続に嵌合部材、嵌入部材、ブッシュと複数の接続用の部材の追加およびそれを接続するための工程が増加する問題点があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、接続用の部材と工程の追加を簡略化するとともに配線の寄生インダクタンスの増加を抑制したプリント配線板および電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に開示されるプリント配線板は、コア材と、前記コア材の表面および裏面の両面に形成され、絶縁性を有する複数のプリプレグと、を有する基板、前記複数のプリプレグの表面にそれぞれ形成されると共に前記基板の端面から突出して形成された複数の導電性接続部を有する複数の内層パターン、を備え、前記複数の内層パターンは極性を有しており、前記複数の導電性接続部は、前記複数の内層パターンが前記端面から露出されたことにより形成されたものである。
また、本願に開示される電力変換装置は、本願に開示されるプリント配線板を使用したことを特徴とするものである。

本願に開示されるプリント配線板および電力変換装置によれば、接続用の部材と工程の追加を簡略化するとともに配線の寄生インダクタンスの増加を抑制したプリント配線板および電力変換装置が得られる。

実施の形態１によるプリント配線板を示す平面図である。 実施の形態１によるプリント配線板の内層パターンを示す平面図である。 図２に示すプリント配線板のＡ‐Ａ線の断面図である。 図２に示すプリント配線板のＢ‐Ｂ線の断面図である。 実施の形態１によるプリント配線板の導電性接続部の先端部を示す拡大図である。 実施の形態１によるプリント配線板の導電性接続部の先端部を示す拡大図である。 実施の形態１によるプリント配線板の導電性接続部の先端部を示す拡大図である。 実施の形態１によるプリント配線板の接続事例を示す平面図である。 図６Ａの側面図である。 実施の形態１によるプリント配線板を用いた電力変換装置とモータを示すシステムブロック図である。 実施の形態１によるプリント配線板を用いた電力変換装置とモータを示す断面図である。 実施の形態１によるプリント配線板を示す平面図である。 実施の形態１によるプリント配線板の変形例を示す平面図である。 実施の形態１によるプリント配線板の変形例を示す平面図である。 実施の形態１によるプリント配線板の変形例を示す平面図である。 実施の形態１によるプリント配線板の変形例を示す平面図である。 図１１のＣ‐Ｃ線の断面図である。 実施の形態１によるプリント配線板の変形例を示す断面図である。 実施の形態２によるプリント配線板を示す平面図である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいて実施の形態１について説明する。なお、各図面において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

図１は、実施の形態１によるプリント配線板を示す平面図である。図１において、プリント配線板１０は、基板の端面３０から内層パターン２５が延長されて突出した導電性接続部２０を備えている。プリント配線板１０は、例えばＣＥＭ３などのガラスコンポジット基板またはＦＲ４などのガラスエポキシ基板などの一般的な基材であり、内層パターン２５は少なくとも２層以上を有している。プリント配線板１０には、部品面９０およびその部品面９０の裏面であるソルダー面にさまざまな電子部品４０がはんだ等により実装されている。内層パターン２５は、銅材またはアルミ材を含む金属材料が用いられている。内層パターン２５の膜厚は、３５μｍまたは７５μｍが汎用品であるが、大電流用途で５００μｍ以上の厚みを有するものもある。実施の形態１によるプリント配線板１０では、主に大電流用途の数百μｍ以上の内層パターン２５を想定している。

具体的には、内層パターン２５は約１ｍｍの銅板またはアルミ板であり、電子部品４０は抵抗、コンデンサ、ダイオード、電源ＩＣ、マイクロコンピュータ、ＤＣＤＣコンバータ、トランス、コイルなどのうちのいずれかである。図１に示すように、プリント配線板１０は内層パターン２５の上方または下方（図示せず）に電子部品４０が搭載されている。また、図１では、プリント配線板１０の表面にソルダーレジスト１１０が形成されており、パッド１００を介して内層パターン２５に接続された電子部品４０としてコンデンサが搭載された事例を示している。

図２は、実施の形態１によるプリント配線板の内層パターンを示す平面図である。図２に示すように、プリント配線板１０は、極性マイナス５０、極性プラス６０を有する内層パターン２５を備えている。図２は、極性を持つ電子部品４０を搭載している事例を示すものであり、その極性に合わせて内層パターン２５が配線されている。内層パターン２５は２層を含んでおり、図２のＡ−Ａ線の断面図を図３に、Ｂ−Ｂ線の断面図を図４に示す。
図３および図４に示すように、プリント配線板１０に用いられる基材は、断面図の上層からパッド１００、ソルダーレジスト１１０、銅箔１２０、プリプレグ１３０、コア材１４０、プリプレグ１３０、銅箔１２０、ソルダーレジスト１１０の順で形成されている。

一般的に、プリント配線板１０は、絶縁体でできた板の上部または内部に導体の配線が施されたものであり、基板とはプリント配線板１０の基板を示すが、実施の形態１によるプリント配線板１０では、内層パターン２５となる銅箔１２０等が積層されたプリント配線板１０を製造した後に、導電性接続部２０を残すようにプリプレグ１３０、コア材１４０を例えばドリル加工機などで削って除去する。よって、実施の形態１では、コア材１４０とこのコア材１４０の表面に形成されたプリプレグ１３０を有するものを基板とし、基板の端面３０は、コア材１４０とコア材の表面に形成されたプリプレグ１３０の端面とする。図３および図４において、内層パターン２５となる銅箔１２０は、コア材１４０の表面（裏面も表面として含む）にプリプレグ１３０を挟んで形成されると共に基板の端面３０から突出して形成された導電性接続部２０を備えている。

図５Ａから図５Ｃは、実施の形態１によるプリント配線板の導電性接続部の先端部を示す拡大図である。図５Ａでは、導電性接続部２０の先端部がコの字形状（屈曲部を有するＣ字形状）を有しており、図５Ｂでは内部がくり抜かれた形状を有している。実施の形態１によるプリント配線板１０は、これらを接続先に圧入しながら挿入することで電気的および機械的に接続されるプレスフィット端子部１５０を有している。また、実施の形態１によるプリント配線板１０の導電性接続部２０の先端部は、図５Ｃに示すように、ねじ等により接続可能な穴加工されたねじ締結穴１６０を備えている。

図６Ａは、実施の形態１によるプリント配線板の接続事例を示す平面図である。また、図６Ｂは、図６Ａに示すプリント配線板の接続事例を示す側面図である。図６Ａおよび図６Ｂは、プリント配線板１０の接続先を半導体装置７０とした事例を示すものであり、導電性接続部２０のプレスフィット端子部１５０に合うように半導体装置７０の接続端子７５をコの字形状（屈曲部を有するＣ字形状）としている。図６Ａおよび図６Ｂに示す接続端子７５の寸法Ｂと図５Ａまたは図５Ｂに示すプレスフィット端子部１５０の寸法Ａとの関係は、寸法Ａ＞寸法Ｂとする。実施の形態１によるプリント配線板１０においては、寸法Ａ＞寸法Ｂとすることで接触荷重を生む。

図７は、実施の形態１によるプリント配線板を用いた電力変換装置とモータを示すシステムブロック図である。図７に示すように、電源生成部２１０は、第１の直流電源２００と第２の直流電源２２０が冗長的に接続されており、必要となる複数の電源を生成する。例えば、第１の直流電源２００は１２Ｖバッテリで、第２の直流電源２２０は４８Ｖバッテリである。また、電源生成部２１０は、フライバック電源またはスイッチングレギュレータなどにより任意の電圧を昇圧または降圧させて、例えば直流電圧１２Ｖ、５Ｖ、３．３Ｖなどを出力する。

第１の直流電源２００から電源電圧の供給を受けて動作する制御部２３０は、センサ部２６０から情報を得て、その情報を基にインバータ駆動部２４０を制御し、モータ２７０の回転数またはトルクを可変する。
制御部２３０は、一般的にマイクロコンピュータ（以下、マイコンと称す）を用い、第１の直流電源２００またはセンサ部２６０から電圧、電流、温度などの情報を得て、システムを監視、制御する。この制御部２３０からの駆動信号を得てインバータ駆動部２４０は動作する。このインバータ駆動部２４０の出力を得て、インバータ２５０は負荷となるモータ２７０を駆動するのに必要な電力を供給または受給する役割を担う。

センサ部２６０は、電気回路またはセンサの出力を制御部２３０のマイコンへ伝達する。例えば、電圧を検出する場合にＯＰアンプの差動増幅回路または、ＡＣＣＴ（ＡＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）またはＤＣＣＴ（ＤＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）などのセンサを用いる。また、電流を検出する場合にシャント抵抗とＯＰアンプの増幅回路による方法またはホールＩＣなどのセンサを用いる。温度を検出する場合にはサーミスタなどのセンサを用いる。

インバータ駆動部２４０は、多機能なドライバＩＣを用いる。また、インバータ駆動部２４０は、絶縁が必要であればフォトカプラとトランジスタによる回路構成を用いる場合もある。インバータ２５０は、基本的に半導体部品であるＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴを備えることが多く、モータ２７０の種類にもよるが交流モータであれば三相インバータの構成が一般的である。モータ２７０は、交流モータである永久磁石同期モータを用いることが多いが、それ以外のその他のモータを用いることも可能である。また、モータ２７０の巻線方法も集中巻または分布巻など様々である。

図８は、実施の形態１によるプリント配線板を用いた電力変換装置とモータを示す断面図である。図８に示すように、モータ駆動用の電力変換装置３００は、筐体３１０の内部に、主には制御基板３２０、平滑コンデンサ基板３３０、半導体装置７０が収納されており、それぞれが配線により電気的に接続されている。ここでは配線による接続の図示は省略する。さらに、半導体装置７０の出力であるモータ駆動電力をモータ２７０へ印加することで、筐体３１０に固定されたステータ２７２に電磁誘導を生じさせ、ロータ２７４を回転させることで、外部へ接続する出力軸２７６にトルクを発生させる。

図９は、実施の形態１によるプリント配線板を示す平面図であり、プリント配線板から突出する導電性接続部の位置を示した事例である。図９に示すように、プリント配線板１０の基板の外形が四角形の場合、基板は４つの端面３０を有している。導電性接続部２０はそれらのいずれの端面３０から突出して形成されていてもよい。また、プリント配線板１０の端面３０に対して必ずしも直角に突出する必要はなく、任意の角度で突出させても何ら問題はない。

図１０Ａから図１０Ｃは、実施の形態１によるプリント配線板の変形例を示す平面図であり、プリント配線板１０の外形と突出する導電性接続部２０の位置の変形例を示すものである。
図１０Ａに示すように、プリント配線板１０の基板の外形が例えば六角形等の多角形を有する場合、導電性接続部２０は、多角形のいずれかの端面３０から突出されてもよい。また、図１０Ｂに示すように、基板の外形の角部に円弧形状を有する場合、導電性接続部２０は角部から突出されてもよい。
また、図１０Ｃに示すように、プリント配線板１０の基板が凹部を有している場合は、凹部の窪みのいずれの面からも導電性接続部２０は凹部の領域内へ突出させることができる。図１０Ｃにおいては、その一つの事例を示している。

図１１は、実施の形態１によるプリント配線板の変形例を示す平面図であり、図１２は図１１のＣ‐Ｃ線の断面図である。また、図１３は、実施の形態１によるプリント配線板のその他の変形例を示す断面図である。
図１０Ｃに示す構造においては、凹部の窪みの領域内での導電性接続部２０同士の接続時の干渉等を考慮する必要がある。これに対しては、図１１に示すように、例えばプリント配線板１０から突出した導電性接続部２０を直角に曲げる加工を施すことで前述の問題を解消できる。図１２に示す加工は、曲げ加工の一つの事例であり、例えば図１３に示すように、２回以上曲げ加工を施してもよい。曲げ加工の方法としては、直角にする以外に曲面を付けたり、多面になるように複数回曲げることも何ら問題はない。実施の形態１によるプリント配線板１０の導電性接続部２０に対しては、板金に用いられる一般的な切断、穴あけ、折り曲げ加工方法が適用可能であることは言うまでもない。

以上のとおり、実施の形態１におけるプリント配線板１０においては、基板の端面３０から突出して形成された導電性接続部２０を有する内層パターン２５を備えたことによって、新たな接続用の部材を追加せずにその他の電子部品との電気的接続が可能となる。よって、従来、追加された接続用の部材により基板から電子部品までの配線経路が長くなり、配線に寄生するインダクタンスが増加するという問題点があったが、この問題点を解決でき、配線時の寄生インダクタンスの増加を低減できる。また、接続用の部材を追加しないでプリント配線板１０と半導体装置７０などのその他の電子部品と接続が可能となるため、小型化、軽量化、コスト削減効果が期待できる。
また、実施の形態１によるプリント配線板１０において、導電性接続部２０の先端部は、プレスフィット端子部１５０またはねじ締結穴１６０を有する。これにより、プリント配線板１０を接続する際に電気的接続が容易となる。

実施の形態２．
図１４は、実施の形態２によるプリント配線板を示す平面図である。以下、実施の形態２のプリント配線板１０について、実施の形態１のプリント配線板１０と異なる点を中心に説明する。実施の形態２において、基本的な構造は実施の形態１と同じであり、前述した内容が適用される。異なる点としては、実施の形態２によるプリント配線板１０では、導電性接続部２０の一部分が絶縁部材で覆われた絶縁部８０を有することである。実施の形態１では、導電性接続部２０が露出された状態であり、他の導電性部品または部材が触れることで短絡する場合も考えられる。そのため、実施の形態２では、実施の形態１をよりよくするために、絶縁部８０により導電性接続部２０を覆う構造となっている。

絶縁部８０は、絶縁機能を有する部材であればよく、例えばプリプレグを延長してもよいし、エポキシ系またはシリコン系の樹脂でコーティングしてもよい。その他、絶縁テープなどで覆うことも有効であり、電気的に接続が必要な先端部へ絶縁を施さない限り問題はない。実施の形態２によるプリント配線板１０の導電性接続部２０は、電気的接続に必要な面以外は絶縁部材である絶縁部８０で覆われている。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０ プリント配線板、２０ 導電性接続部、２５ 内層パターン、３０ 端面、４０ 電子部品、５０ 極性マイナス、６０ 極性プラス、７０ 半導体装置、７５ 接続端子、８０ 絶縁部、９０ 部品面、１００ パッド、１１０ ソルダーレジスト、１２０ 銅箔、１３０ プリプレグ、１４０ コア材、１５０ プレスフィット端子部、１６０ ねじ締結穴、２００ 第１の直流電源、２１０ 電源生成部、２２０ 第２の直流電源、２３０ 制御部、２４０ インバータ駆動部、２５０ インバータ、２６０ センサ部、２７０ モータ、２７２ ステータ、２７４ ロータ、２７６ 出力軸、３００ 電力変換装置、３１０ 筐体、３２０ 制御基板、３３０ 平滑コンデンサ基板

Claims (11)

1. コア材と、前記コア材の表面および裏面の両面に形成され、絶縁性を有する複数のプリプレグと、を有する基板、
   前記複数のプリプレグの表面にそれぞれ形成されると共に前記基板の端面から突出して形成された複数の導電性接続部を有する複数の内層パターン、を備え、
   前記複数の内層パターンは極性を有しており、
   前記複数の導電性接続部は、前記複数の内層パターンが前記端面から露出されたことにより形成されたことを特徴とするプリント配線板。
2. 前記導電性接続部の先端部は、プレスフィット端子部またはねじ締結穴を有することを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
3. 前記基板は、４つの前記端面を有しており、
   前記導電性接続部は４つの前記端面のいずれかから突出されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプリント配線板。
4. 前記基板の角部は円弧形状を有しており、
   前記導電性接続部は、前記角部から突出されたことを特徴とする請求項３に記載のプリント配線板。
5. 前記基板の外形は多角形を有しており、
   前記導電性接続部は、前記多角形のいずれかの前記端面から突出されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプリント配線板。
6. 前記基板は凹部を有しており、
   前記導電性接続部は、前記凹部の窪みの領域内に突出して形成されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプリント配線板。
7. 前記導電性接続部は、曲げ加工が施されたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプリント配線板。
8. 前記導電性接続部は、一部分が絶縁部材で覆われたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のプリント配線板。
9. 前記内層パターンの上方または下方には、前記内層パターンにパッドを介して接続された電子部品が搭載されたことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のプリント配線板。
10. 前記電子部品は、抵抗、コンデンサ、ダイオード、電源ＩＣ、マイクロコンピュータ、ＤＣＤＣコンバータ、トランス、コイル、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項９に記載のプリント配線板。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のプリント配線板を使用したことを特徴とする電力変換装置。

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