JP6808321B2 - 電気モジュール及びその組み立てる方法 - Google Patents

Description

本願は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１３年１月１４日に出願された特許文献１の利益を主張するものである。

圧入相互接続技術は、プリント基板又は他の導電板にモジュールを機械的かつ電気的に接続することで、当該技術分野において既知である。この接続は、モジュールから延出する端子ピンを使用して形成される。端子ピンは、プリント基板又は他の導電板内のめっき貫通孔に差し込まれるように設計されている、適合部（圧入ピンと呼ばれることもある）を有する。このようにして、はんだを使用せずにピンとプリント基板との間に電気機械的接続が確立される。

ピンは、概して、モジュール内の導電性素子と接触するように構成される嵌合部と、嵌合部から延出し、プリント基板のめっき貫通孔の内面を画定する導電性材料と電気的に接続するように構成される適合部と、を含む。適合部は、概して、ピンが孔に挿入されるとたわむか、曲がって、ピンを押し込んで孔に適合させることができる、１つ以上のヒンジ領域を備えて構成される。したがって、ピンは、ピンと孔壁との間の摩擦係合によって孔内に保持され、ピンと孔の導電性内面との間ではんだを使用しない電気的接続を形成する。

その利点の中で、圧入技術は、非常に信頼性が高く、迅速かつコスト効率が良く、冷点、ボイドの発生、クラックなどはんだに伴う品質問題の影響を受けることがない。加えて、プリント基板に熱応力が加えられることがなく、圧入部は、パッケージデザイナがその製造目的を満たすことができるように容易にカスタマイズ可能である。圧入技術は、電気通信及び自動車など多種多様な産業で使用されており、適用されるモジュールの種類も多岐にわたる。例えば、圧入技術を利用できるモジュールは、輸送シグナル又は電源に使用されてよく、例えば、ＰＣＢ−ｔｏ−ＰＣＢスタッキングインターコネクト、ヒューズホルダ、スマートジャンクションボックス、モータ及び電源制御装置、照明などが挙げられる。

米国特許第６１／７５２，２７８号

本発明の一態様に従って、電気モジュールは、ハウジングと、ハウジング内に装着された、少なくとも１つの電気部品と、圧入電気接点と、を含む。圧入電気接点はハウジング内の一部に位置し、その遠位端にある圧入部及び止まり部と、その近位端にある装着部と、を有する。装着部は、電気部品に電気的に接続される。圧入部は、圧入力が圧入接点に加えられて、圧入接点がハウジングに押し込まれるときに、止まり部が圧入部のハウジング内への動きを阻止できるようにハウジングの外部に位置する。

本発明の別の態様に従って、少なくとも１つの圧入接点を有する電気モジュールを組み立てる方法が提供される。この方法は、ハウジングのキャリア部の装着面に圧入電気接点を機械的かつ電気的に固定することを含む。キャリアは、その中に固定された少なくとも１つ電気部品を有する。圧入接点は、その遠位端にある圧入部及び止まり部と、その近位端にある装着部と、を有する。装着部は、電気部品に電気的に接続される。圧入接点の遠位端は、キャリア部と嵌合して、圧入部がハウジングの外部に位置し、少なくとも装着部がハウジングの内部に位置するように、その中に内部空間を形成する、ハウジングの第２部分の表面に位置する貫通孔に挿入される。圧入力が圧入接点の遠位端に加えられるとき、少なくとも圧入接点の圧入部に回転力が加えられて、止まり部がハウジングの表面にある貫通孔を通って圧入部が戻る動きを阻止できる。

プリント基板などの基板に電気的かつ機械的に接続された電気モジュールの側面図である。 図１に示される電気モジュールなど電気モジュールの簡略化された例を通る断面図を示す。 圧入ピンの一実施形態を示す。 図１に示される電気モジュールなど完成した電気モジュールの一実施例を通る断面斜視図を示す。 図４に示される電気モジュールの平面図である。 図４に示される電気モジュールの斜視図である。 回転して、対応する孔内にこれ以上延出できない位置に入れられた圧入ピンを示す。 上記の電気モジュールを組み立てるために用いられ得る１つの方法を示す。 上記の電気モジュールを組み立てるために用いられ得る１つの方法を示す。 上記の電気モジュールを組み立てるために用いられ得る１つの方法を示す。 上記の電気モジュールを組み立てるために用いられ得る１つの方法を示す。 捩り前（図１２ａ）及び捩り後（図１２ｂ）の圧入ピンを示す。 図１１の完成した電気モジュールがプリント基板など基板に固定される方法を示す。 図１１の完成した電気モジュールがプリント基板など基板に固定される方法を示す。

図１は、圧入技術を使用して、プリント（ＰＣ）基板又は他の表面など基板１２０に電気的かつ機械的に接続された電気モジュール１００の側面図である。このモジュールは、１つ又は複数の圧入ピン１３０が延出するハウジング１１０を含む。説明を目的として、図１には３つの圧入ピンが示されている。ただし本発明は、任意の数の圧入ピンを有する電気モジュールを企図する。圧入ピン１３０は、それぞれ基板１２０内の貫通孔（図１に図示なし）を通って延出する。

電気モジュール１００は、電源モジュール、ＩＧＢＴモジュール、トランジスタモジュール、ダイオードモジュールなどを含むがこれらに限定されない、任意の種類のモジュールであってよい。基板１２０上での電気モジュール１００の保持は、ピンを変形させて基板（以下、説明を目的としてＰＣ基板と呼ぶ）の貫通孔に入れることにより実現する。

図２は、図１に示される電気モジュールなど電気モジュールの簡略化された例を通る断面図を示す。簡略化するために、単一の圧入ピン２３０のみが示されている。ハウジング２１０は、圧入ピン２３０の上に、又はその周囲に射出成形されてよい。圧入ピン２３０は、キャリア２０４の装着部２０８の上に装着され、例えば、はんだ、導電接着剤などを使用して、そこに電気的に接続される。同様に、キャリア２０４は、１つ以上の電気部品（図示なし）が電気的かつ機械的に接続される、１つ以上の装着プラットフォーム２０５を含む。キャリア２０４は、任意の好適な種類の締結具又はコネクタ（例えば、ねじなど）を使用してハウジング２１０に固定されてよい。あるいは、ハウジング２１０及びキャリア２０４は、オーバーモールドなどによって一体型ユニットとして形成されてよい。

図３により明確に示されるように、一実施形態では、圧入ピン２３０は、通常、圧入部２３８と、肩部２４２と、移行部２３６と、逃げ部２３４と、装着部２３２と、を含む。圧入ピン２３０の寸法は、かなりの程度までプリント基板及びプリント基板に適用されるコネクタなど部品のサイズ及び形状によって決定される。

圧入ピン２３０の各部分は、互いに連続的に渡され、材料に関しては一片として構成されてよい圧入ピンを形成する。圧入ピン２３０は、鍛造／屈曲部分として形成されてよく、良好なばね特性を呈する導電性材料を含む。圧入電気ピン２３０は、例えば、圧入電気ピンとして形成され、図３に示される特定の形状又は構成に限定されない、任意の所望の電気接点素子であってよい。

圧入ピン２３０の圧入部２３８は先細であり、圧入ピン２３０の遠位端から、装着部２３２が位置する近位端に向かって延在する。圧入部２３８は、プリント基板内に位置する貫通孔の内側表面と摩擦接触し、圧入ピン２３０自体を固定することができる。この目的を達成するために、圧入部２３８は、圧入ピン２３０の長手方向軸Ｌに対して実質的に垂直な横断方向に弾性変形できるように構成される。圧入部２３８の寸法は、貫通孔の寸法よりもやや大きくなるように選択される。この特定の実施形態では、スリット（例えば、針穴）２４６が圧入部２３８となる部分に長手方向Ｌに形成され、スリット２４６を有する部分が外方に拡大し、圧入部２３８が横断方向に弾性変形できるようにする。

肩部２４２は、圧入部２３８の近位端に配置される。肩部２４２は、圧入部２３８の幅を超えて、横断方向外側に延在する。肩部２４２は、圧入ピン２３０に過剰な挿入力が加えられたとしても、圧入ピン２３０がプリント基板の貫通孔を通過しないようにし、貫通孔の開口部と係合する。

移行部２３６は、肩部２４２の近位端から近位方向に延在する。移行部２３６の少なくとも一部は、肩部２４２の近位端から延在する可捩部２４４を画定する。図示されるように、可捩部２３６は、横断方向の肩部２４２の幅と比べて、比較的横断方向に狭い。具体的には、横断方向の可捩部２４４の幅は十分に狭いために、装着部２３２が所定の位置に固定される一方で、圧入ピン２３０の長手方向軸の周りで捩られることができる。つまり、可捩部２４４は、圧入（ｐｒｅｓｓ ｆｉｎｅ）ピン２３０の長手方向軸の周囲にトルクが与えられるとき、破断せずに可捩である弾性、つまり順応性を有する。

応力逃げ部２３４は、移行部２３６の近位端から近位方向に延在する。いくつかの実施形態では、Ｓ字型屈曲部など１つ以上の屈曲部として構成される応力逃げ部２３４は、熱伸長、寸法公差、及び／又は装着公差など外的影響により生じた力を補償するために、ある程度の弾性、つまり可撓性をもたらす。この補償部は、圧入ピン２３０によって確立される電気的接続に過剰に大きな力が作用しないようにする。Ｃ字型など応力逃げ部２３４の他の形状は、同様に機能してよい。

装着部２３２は、圧入ピン２３０近位端にあり、例えば、はんだ、導電接着剤などを使用してキャリア２０４の装着部２０８と電気接点を確立するための基部として機能する。

図４は、図１に示される電気モジュール１００など完成した電気モジュール４１０の一実施例を通る断面斜視図を示す。この非限定例では、使用される圧入ピンは、図３に示される圧入ピン２３０に類似している。示されるように、モジュール４１０は、圧入ピン４３０がそれぞれ延出する貫通孔４４０を有するハウジング４１０を含む。圧入ピン４３０の近位端は、キャリア４０８の装着部に機械的かつ電気的に接続される。キャリア４０８は、次いでハウジング４１０に固定されて、圧入部２３８及び肩部２４２（図３を参照）以外の圧入ピン４３０の部分が位置する内部空間を画定する。示されるように、圧入部２３８及び肩部２４２は電気モジュール４１０の外部から外側に延出して、ＰＣ基板又は他の基板に固定され得る。電気モジュール４１０の内部空間は、ゲル又は他の物質で充填されて、外部環境からモジュールの内部構造を保護してよい。

図５は、図４に示される電気モジュール４１０の平面図であり、図６はその斜視図であって、ハウジング４１０に位置する貫通孔４４０及びその中に配置される圧入ピン４３０を示す。 示されるように、貫通孔４４０を通る断面は、圧入ピン４４０の少なくとも遠位端（例えば、圧入部２３８、肩部２４２、及び移行部２３６）が単一方向のみで貫通孔４４０を通過できる非円形形状を有する。つまり、この例では、貫通孔４４０は、横断方向の肩部２４２の最大幅が貫通孔４４０の最大断面幅と一致する、単一方向の圧入ピン４３０のみがその長手方向軸の周りに存在するときのみ、圧入ピン４３０を収容できる。

より一般的には、貫通孔及び圧入ピンは、ピンがその長手方向軸の周りを回転して、限定された数の位置のいずれかに入るときのみ少なくともピンの遠位端が孔を通過し、回転して他の位置に入るときには、ピンの肩部が貫通孔の形成面と接触するために貫通孔を通過できず、したがって、圧入ピンが貫通孔をこれ以上通過できないように、互いに対して構成される。結果的に、肩部２４２は、より一般的には、圧入ピンに挿入力が加えられたときに、圧入ピンのより遠位の端部が貫通孔４４０を通過し、ハウジングに入ることを阻止する止まり部として機能できるような任意の方法で構成されてよい。

図７は、それぞれの肩部によって、ピン４３０が孔４４０内にこれ以上延出できないようにする位置に回転して入れられる圧入ピン４３０を示す。別の言い方をすると、圧入ピン４３０及び貫通孔４４０は、相補的な幾何学的形状を有するため、「鍵と鍵穴」モデルに従って一方が他方を通り抜ける。

図８〜１１は、上記の電気モジュール４００を組み立てるために用いられ得る１つの方法を示す。まず、図８では、圧入ピン４３０が機械的かつ電気的にキャリア４０８に固定されている。一実施形態では、キャリア４０８は、２つの銅層の間に配置されたセラミック層を含む、直接接合銅（ＤＢＣ）材料から形成されてよい。かかるキャリアは、ハウジング内に位置する電気部品が相当な電流（例えば、数百アンペア）を生成する電力部品である場合に特に有用である。この場合、セラミック層は、優れた電気絶縁性及び熱伝導性を提供し、銅は、大量の電流を伝導することができる。

ハウジング４１０は、貫通孔４４０は対応する圧入ピン４３０と揃えられるように圧入ピンの上に配置される。図８にはまた、電気部品４１２（例えば、半導体ダイ）が示される。これらはまた、キャリア４０８に固定されており、ジャンパ線４１４を介して１つ以上の圧入ピン４３０に電気的に接続される。

図９では、圧入ピン４３０は、ハウジング４１０内の対応の貫通孔４４０に挿入されている。示されるように、圧入ピン４３０の横断軸は貫通孔４３０の最大断面寸法と揃っており、したがって、圧入ピン４３０は、都合よく貫通孔４４０を通過できる。この位置において、キャリア４０８は、ねじ、リベット、及び／又は接着剤など任意の好適な手段を使用してハウジング４１０に固定されてよい。

図１０に示されるように、機械工具４７０を使用して、圧入ピン４３０の露出部に回転機械力が加えられ、これによってピン４３０の可捩部が捩られる。結果として、ピン４３０は定位置に固定され、過剰な長手方向の力を圧入ピン４３０の遠位端に加えてもハウジングに押し込むことができない。示された特定の実施形態では、機械工具４７０は、圧入ピン４３０の圧入部及び肩部を収容し得るスリット又は空洞を有する。機械工具４７０を回転させると、圧入ピン４３０の長手方向軸の周りで圧入ピン４３０の可捩部２４４が捩れる。当然のことながら、機械工具を使用しない手による圧入ピン４３０の手動回転など、任意の好適な手段を使用して、圧入ピン４３０を捩って適切な方向にしてよい。

図１１は、完成した電気モジュール４００を示す。この例では、圧入ピン４３０の圧入部及び肩部は、元の位置から４５°回転している。当然のことながら、圧入ピン４３０が定位置に固定されて、ハウジング４１０に押し込まれ得ないのであれば、圧入ピン４３０の圧入部及び肩部は、異なる量で回転してよい。更に、すべての圧入ピン４３０は、同一角度量の回転を受けても、受けなくてもよい。

図１２は、捩り前（図１２ａ）及び捩り後（図１２ｂ）の圧入ピンを示す。可捩部２４４で形成された捩りは、図１２ｂで明確に見ることができる。

図１３〜１４は、図１１の完成した電気モジュール４００がＰＣ基板など基板４６０に固定される方法を示す。図１３では、圧入ピン４３０がＰＣ基板４６０の貫通孔４５０と揃えられる。次に、図１４では、ＰＣ基板の上面に力が加えられて、圧入ピン４３０の圧入部が、それぞれ揃えられた貫通孔４５０に押し込められ、これによって所望の機械的かつ電気的な接点が確立される。有利には、圧入ピン４３０は上記のように捩られているため、肩部２４２は、圧入ピンに加えられた力のために、これらが崩壊してハウジング４１０内に戻らないようにする。

Claims (19)

1. 電気モジュールであって、
   少なくとも１つの貫通孔を有するハウジングと、
   前記ハウジング内に装着された少なくとも１つの電気部品と、
   前記ハウジング内に部分的に位置する、少なくとも１つの圧入電気接点であって、前記圧入電気接点が圧入ピンであり、前記圧入ピンは、前記圧入ピンの遠位端にある圧入部と、前記圧入ピンの近位端にある装着部と、前記圧入部と前記装着部との間に位置する可捩部と、を有しており、前記圧入部は、前記圧入部の近位端に位置する止まり部を含み、前記可捩部は、前記止まり部の近位にあり、前記止まり部の幅と比べ横断方向に狭く、前記装着部が前記少なくとも１つの電気部品に電気的に接続され、前記貫通孔の断面は、前記圧入部が単一方向のみで前記貫通孔を通過できる非円形形状を有しており、前記圧入ピンの長手方向軸の周りで前記可捩部が捩れると、圧入力が前記圧入ピンに加えられて、前記圧入ピンが前記ハウジングに押し込まれるとき、前記止まり部が前記ハウジング内への前記圧入部の動きを阻止できるように前記圧入部が前記ハウジングの外部から外側に延出する、圧入電気接点と、を含み、
   前記圧入ピンの前記装着部が、キャリアの装着面に機械的かつ電気的に固定されており、
   前記キャリアがその中に固定された少なくとも１つの電気部品を有する電気モジュール。
2. 前記圧入ピンが鍵と鍵穴方式で前記貫通孔を通り抜けるように、前記圧入ピンが前記貫通孔の前記非円形形状に相補的な断面形状を有する、請求項１に記載の電気モジュール。
3. 前記圧入ピンが、前記装着部が前記少なくとも１つの電気部品に電気的に接続される一方で、前記止まり部が前記圧入部の前記貫通孔を通過する動きを阻止できるロック位置に捩って入れることができるように構成される、請求項２に記載の電気モジュール。
4. 前記圧入ピンの少なくとも前記圧入部及び前記止まり部が前記長手方向軸に対して対称である、請求項１に記載の電気モジュール。
5. 前記可捩部以外の前記圧入ピンの残りの部分が捩られない、請求項１に記載の電気モジュール。
6. 前記圧入ピンが、前記圧入ピンに加えられる外力を補償する弾性をもたらす応力逃げ部を更に含む、請求項１に記載の電気モジュール。
7. 前記圧入ピンの前記応力逃げ部が前記ハウジング内に位置する、請求項６に記載の電気モジュール。
8. 前記圧入部が、その中を長手方向に延在するスリットを有する、請求項１に記載の電気モジュール。
9. 少なくとも１つの圧入電気接点を有する電気モジュールを組み立てる方法であって、
   キャリアの装着面に圧入電気接点を機械的かつ電気的に固定するステップであって、前記キャリアがその中に固定された少なくとも１つの電気部品を有し、前記圧入電気接点が、その一端にある圧入部及び止まり部と、その他端にある装着部と、を有し、前記装着部が前記少なくとも１つの電気部品に電気的に接続されている、ステップと、
   ハウジングの表面に位置する貫通孔に前記圧入電気接点の前記一端を前記圧入電気接点の長手方向軸の周りにおける特定の一方向で挿入して、前記圧入部が前記貫通孔を通過して前記ハウジングの外部に位置し、少なくとも前記装着部が前記貫通孔を通過できずに前記ハウジングの内部に位置するように、前記電気モジュールの内部空間を形成する、ステップと、
   少なくとも前記圧入電気接点の前記圧入部に前記圧入電気接点の長手方向軸の周りに回転力を加えて、前記圧入部を前記特定の一方向以外の方向にすることで、圧入力が前記圧入電気接点の前記一端に加えられるときに、前記止まり部が、前記ハウジングの前記表面にある前記貫通孔を通って前記圧入部が戻る動きを阻止できるステップと、を含む、方法。
10. 前記回転力を加えると、前記圧入電気接点の可捩部のみがその前記止まり部の近位の位置において捩れる、請求項９に記載の方法。
11. 前記圧入電気接点が圧入ピンである、請求項９に記載の方法。
12. 前記圧入電気接点が圧入ピンであり、前記ハウジングが中に形成された貫通孔を含む表面を有し、前記貫通孔が非円形形状を有し、前記圧入ピンが鍵と鍵穴方式で前記貫通孔を通り抜けるように、前記圧入ピンが前記貫通孔の前記非円形形状に相補的な断面形状を有する、請求項９に記載の方法。
13. 前記圧入ピンが、前記装着部が前記少なくとも１つの電気部品と電気的に接続する一方で、前記止まり部が前記圧入部の前記貫通孔を通過する動きを阻止できるロック位置に捩って入れることができるように構成される、請求項１１に記載の方法。
14. 前記圧入電気接点が圧入ピンであり、前記ハウジングが中に形成された貫通孔を有する表面を有し、前記圧入ピンの長手方向軸の周りで捩られて特定の一方向になると前記圧入ピンの前記圧入部及び前記止まり部のみが前記貫通孔に収容され、前記圧入ピンが前記長手方向軸の周りで捩られて前記特定の一方向以外の方向になると前記貫通孔によって完全には収容され得ないように前記圧入ピンが前記長手方向軸及び前記長手方向軸を横断する断面形状を有する、請求項９に記載の方法。
15. 前記圧入ピンの少なくとも前記圧入部及び前記止まり部が前記長手方向軸に対して対称である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記圧入ピンが前記止まり部の近位に位置する可捩部を含み、前記圧入ピンが前記特定の一方向ではなく、前記貫通孔によって完全には収容され得ないように前記可捩部を捩ることができる、請求項１４に記載の方法。
17. 前記可捩部以外の前記圧入ピンの残りの部分が捩られない、請求項１６に記載の方法。
18. 前記圧入ピンが、前記圧入ピンに加えられる外力を補償する弾性をもたらす応力逃げ部を更に含む、請求項１１〜１７の何れか一項に記載の方法。
19. 前記圧入部が、その中を長手方向に延在するスリットを有する、請求項９に記載の方法。

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