JP7081476B2

JP7081476B2 - 回路基板構成体

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Publication number: JP7081476B2
Application number: JP2018242334A
Authority: JP
Inventors: 知行間瀬; 祐希堀田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: JP2020108192A

Description

本発明は、回路基板構成体に関するものである。

特許文献１に開示のスイッチング電源装置においては、トランスの二次側コイル導体の端部及びスイッチング素子の端子がプリント基板の接続用配線パターンに設けられた貫通孔に挿入され、半田付によって実装されている。また、二次側コイル導体の端部の半田材とスイッチング素子の端子の半田材とが、接続用配線パターン上で一体に形成されている。

特開２０１４－９３９２６号公報

ところで、巻線とスイッチング素子を導体パターンで接続する場合には、大きなスペースが必要となる。また、巻線及びスイッチング素子は作動に伴い発熱するので、そのための対策が必要となる。

本発明の目的は、省スペース化を図るとともに放熱性に優れた回路基板構成体を提供することにある。

上記問題を解決する回路基板構成体は、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に配置された基板と、前記基板に搭載され、前記ヒートシンクと熱的に結合された接続金属体と、前記基板に搭載された板状の巻線と、前記基板に搭載されたスイッチング素子と、を備え、前記接続金属体は、前記基板に形成された貫通孔内に挿通される柱部と、前記柱部の下部から外方に延びる鍔部とを有し、前記板状の巻線は、端部が前記接続金属体の柱部の上面とはんだ接続され、前記スイッチング素子の電極は、前記接続金属体の柱部の上面とはんだ接続されてなることを要旨とする。

これによれば、接続金属体の柱部が基板の貫通孔内に挿通され、鍔部が柱部の下部から外方に延びている。巻線の端部が接続金属体の柱部の上面とはんだ接続されているとともにスイッチング素子の電極が接続金属体の柱部の上面とはんだ接続されている。また、接続金属体はヒートシンクと熱的に結合されているので、板状の巻線及びスイッチング素子で発生する熱は接続金属体を介してヒートシンクに逃がすことができる。よって、巻線とスイッチング素子を導体パターンで接続する場合に比べて、省スペース化を図るとともに放熱性に優れたものとなる。

また、回路基板構成体において、前記接続金属体の柱部の上面に、複数の前記板状の巻線の端部が接近してはんだ接続されているとよい。
また、回路基板構成体において、前記接続金属体は、前記柱部が二対の対向する辺を有する多角形をなし、前記対向する辺に前記鍔部を有するとよい。

本発明によれば、省スペース化を図るとともに放熱性に優れたものにできる。

絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの電気的構成を示す回路図。（ａ）は実施形態における回路基板構成体の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線での断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ－Ｂ線での断面図。図２（ａ）のＣ－Ｃ線での断面図。（ａ）は基板を表面側から見た図、（ｂ）は基板を正面側から見た図、（ｃ）は基板を側面側から見た図。基板を裏面側から見た図。（ａ）は接続金属体の周辺での平面図、（ｂ）は接続金属体の周辺での正面図。（ａ）は別例の接続金属体の周辺での平面図、（ｂ）は接続金属体の周辺での側面図。別例の接続金属体の周辺での平面図。別例の接続金属体の斜視図。

以下、絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータに具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態では、回路基板構成体は絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータに適用している。
図１に示すように、絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１０は、フォワード形ＤＣ－ＤＣコンバータであって、トランス１１を備えている。トランス１１は一次側コイル１１ａと二次側コイル１１ｂを備えている。絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１０は自動車用であり、車両に搭載される。絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１０は、トランス１１の一次側の入力電圧Ｖｉｎを降圧してトランス１１の二次側に出力する。例えば、３００ボルトを入力して１２ボルトに降圧して出力する。

トランス１１の一次側コイル１１ａには一次電流Ｉ１として１５Ａが流れるとともに二次側コイル１１ｂには二次電流Ｉ２として８０Ａが流れる。つまり、トランス１１の一次側の電圧がトランス１１の二次側の電圧より大きい場合、トランス１１の二次側に流れる電流はトランス１１の一次側に流れる電流より大きな電流になる。

一次側コイル１１ａの一方の端子は入力端子と接続され、入力端子はバッテリ１２の正極端子と接続される。一次側コイル１１ａの他方の端子は一次側スイッチング素子１４を介して接地されている。一次側スイッチング素子１４としてパワーＭＯＳＦＥＴが用いられている。

入力端子とトランス１１の一次側コイル１１ａとの間には平滑コンデンサ１３の正極が接続され、平滑コンデンサ１３の負極は接地されている。平滑コンデンサ１３には電解コンデンサが使用される。平滑コンデンサ１３によりトランス１１の一次側電圧が平滑される。

トランス１１の二次側コイル１１ｂには、第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７よりなる整流回路が接続されている。第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７は、スイッチング素子であり、いずれも縦型ＭＯＳトランジスタであり、下面に電極としてのドレイン電極を有する。

第１同期整流素子１６は、トランス１１の二次側のグランドにソース電極が接続され、トランス１１の二次側コイル１１ｂの一方端にドレイン電極が接続される。
第２同期整流素子１７は、第１同期整流素子１６のソース電極にソース電極が接続され、トランス１１の二次側コイル１１ｂの他方端にドレイン電極が接続される。

さらに、コンデンサ１９が第２同期整流素子１７に並列接続されている。直列接続されたコイル１８ａ，１８ｂが、トランス１１の二次側コイル１１ｂとコンデンサ１９との間に設けられている。また、コンデンサ２１がコンデンサ１９に並列接続されている。コイル２０が、コンデンサ１９とコンデンサ２１との間に設けられている。

一次側スイッチング素子１４のゲート端子に制御ＩＣ１５が接続されている。また、第１同期整流素子１６のゲート電極及び第２同期整流素子１７のゲート電極には制御ＩＣ１５が接続されている。

制御ＩＣ１５から一次側スイッチング素子１４のゲート電極にパルス信号が出力され、このパルス信号により一次側スイッチング素子１４がスイッチングされる。一次側スイッチング素子１４がオンしているときに一次側の電源からエネルギーを二次側へ供給する。一次側スイッチング素子１４がオフしているときにコイル１８ａ，１８ｂ，２０に溜め込んだエネルギーを出力へ放出する。詳しくは、直流電圧が平滑コンデンサ１３を通してトランス１１の一次側コイル１１ａに供給され、制御ＩＣ１５により、一次側スイッチング素子１４がオン／オフ制御され、このオン／オフ動作における、一次側スイッチング素子１４のオン期間において一次側コイル１１ａに一次電流が流れ、トランス１１の起電力で二次電流が流れる。一次側スイッチング素子１４がオフしているときにコイル１８ａ，１８ｂ，２０の電流がコイル１８ａ，１８ｂ，２０の逆起電力で第２同期整流素子１７経由で出力に流れる。第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７は制御ＩＣ１５によりオン／オフ制御される。

制御ＩＣ１５には検出回路２２が接続され、検出回路２２により出力電圧Ｖｏｕｔが検出される。検出回路２２による出力電圧Ｖｏｕｔの測定結果が制御ＩＣ１５に送られる。制御ＩＣ１５は検出回路２２による出力電圧Ｖｏｕｔの測定結果をフィードバック信号として出力電圧Ｖｏｕｔが所望の一定値となるように一次側スイッチング素子１４のデューティを制御する。

絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１０の駆動に伴いスイッチング損失や導通損失により同期整流素子１６，１７、トランス１１の二次側コイル１１ｂ、コイル１８ａ等が発熱する。
以下、トランス１１、コイル１８ａ、第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７についての具体的構造を、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図３、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５、図６（ａ）、図６（ｂ）を用いて説明する。

なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。
トランス１１、コイル１８ａ、第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７は、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図３に示すように、回路基板構成体３０によって構成されている。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、回路基板構成体３０は、ヒートシンク４０と、基板５０と、第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１と、板状の第１巻線７０と、板状の第２巻線７１と、線状の巻線７２と、第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７を備える。板状の第１巻線７０は、図１のトランス１１の二次側コイル１１ｂを構成する。板状の第２巻線７１は、図１のコイル１８ａを構成する。線状の巻線７２は、図１のトランス１１の一次側コイル１１ａを構成する。

また、回路基板構成体３０は、ＥＩ型コア９０とＥＩ型コア９５を備える。
基板５０は、ヒートシンク４０上に配置される。第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１は、基板５０に搭載されている。板状の第１巻線７０及び第２巻線７１は、基板５０に搭載されている。第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７は、基板５０に搭載されている。

ヒートシンク４０は板状のアルミ材よりなり、水平方向に配置されている。
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、板状の第１巻線７０及び第２巻線７１は、基板５０の表面（上面）に配置されている。板状の第１巻線７０は、金属板よりなり、ターン数が「１」である。板状の第２巻線７１は、金属板よりなり、ターン数が「１」である。

図５に示すように、線状の巻線７２は、基板５０の裏面（下面）に配置されている。線状の巻線７２は、金属の線材よりなり、ターン数が「２」以上である。なお、図５では線状の巻線７２のターン数は図示の容易性を考慮してターン数「２」で表している。

図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ヒートシンク４０に基板５０が固定されている。基板５０の上面に、ターン数「１」の板状の第１巻線７０及びターン数「１」の板状の第２巻線７１が搭載されている。本実施形態では、板状の第１巻線７０及び第２巻線７１は、銅の平板である。

図４（ａ）に示すように、基板５０には貫通孔５０ａ，５０ｂ，５０ｃが並んで形成されている。また、基板５０には貫通孔５０ｄ，５０ｅ，５０ｆが並んで形成されている。
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ＥＩ型コア９０は、Ｅ型コア９１とＩ型コア９２よりなる。Ｉ型コア９２がヒートシンク４０の上面に開口する凹部４０ａに挿入されている。Ｅ型コア９１とＩ型コア９２との間に基板５０が位置している。Ｅ型コア９１の３つの脚部９１ａ，９１ｂ，９１ｃが基板５０の貫通孔５０ａ，５０ｂ，５０ｃを貫通してＩ型コア９２と当接している。脚部９１ｂの周りに板状の第１巻線７０が延びている。また、脚部９１ｂの周りに線状の巻線７２が延びている。

ＥＩ型コア９５は、Ｅ型コア９６とＩ型コア９７よりなる。Ｉ型コア９７がヒートシンク４０の上面に開口する凹部４０ｂに挿入されている。Ｅ型コア９６とＩ型コア９７との間に基板５０が位置している。Ｅ型コア９６の３つの脚部９６ａ，９６ｂ，９６ｃが基板５０の貫通孔５０ｄ，５０ｅ，５０ｆを貫通してＩ型コア９７と当接している。脚部９６ｂの周りに板状の第２巻線７１が延びている。

図３に示すように、基板５０は、多層基板よりなり、絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃと、導体パターン５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄと、基板表面を覆うレジスト５３ａ，５３ｂを有する。基板５０は、裏面レジスト５３ｂ、裏面配線層としての導体パターン５２ｄ、絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃ及び導体パターン５２ｂ，５２ｃよりなる基材、表面配線層としての導体パターン５２ａ、表面レジスト５３ａが積層されている。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１は、銅等の金属部材よりなる。第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１は、それぞれ、基板５０に形成された貫通孔５５（図３参照）内に挿通される柱部６５と、柱部６５の下部から外方に延びる鍔部６６とを有する。貫通孔５５は柱部６５より若干大きくなっている。

第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１は同じ形状をなしている。図６（ａ）に示すように、第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１の柱部６５は、平面視において多角形（図６（ａ）では長方形）をなし、対向する長辺Ｓ１，Ｓ２及び対向する短辺Ｓ３，Ｓ４を有する。柱部６５における対向する短辺Ｓ３，Ｓ４から鍔部６６が外方に突出している。このように、柱部６５が二対の対向する辺Ｓ１，Ｓ２及びＳ３，Ｓ４を有する多角形をなし、対向する辺Ｓ３，Ｓ４に鍔部６６を有する。

図３、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、板状の第１巻線７０は、一端部７０ａが第１接続金属体６０の柱部６５の上面とはんだ接続されている。詳しくは、図３において一端部７０ａは、はんだ１０５で柱部６５の上面と接合されている。図４（ａ）に示すように、第１巻線７０の端部７０ａは、Ｘ方向に延び、柱部６５の上面の左側にはんだ接続されている。

同様に、板状の第１巻線７０は、他端部７０ｂが第２接続金属体６１の柱部６５の上面とはんだ接続されている。詳しくは、図６（ｂ）に示すように他端部７０ｂは、はんだ１０６で柱部６５の上面と接合されている。また、板状の第２巻線７１は、一端部７１ａが第２接続金属体６１の柱部６５の上面とはんだ接続されている。図４（ａ）に示すように、第１巻線７０の端部７０ｂ及び第２巻線７１の端部７１ａは、Ｘ方向に延び、Ｙ方向に接近した状態で柱部６５の上面の左側にはんだ接続されている。つまり、柱部６５の上面において巻線７０，７１の端部７０ｂ，７１ａが接近してはんだ接続されている。板状の第２巻線７１の他端部７１ｂは基板５０の導体パターンとはんだ接続されている。

図３、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、第１同期整流素子１６の下面のドレイン電極１６ａは、第１接続金属体６０の柱部６５の上面と、はんだ接続されている。詳しくは、図３においてドレイン電極１６ａは、はんだ１０７で柱部６５の上面と接合されている。図４（ａ）に示すように、第１同期整流素子１６は、柱部６５の上面の右側にはんだ接続されている。これにより、第１同期整流素子１６のドレイン電極１６ａと第１巻線７０とが第１接続金属体６０を介して電気的に接続されている。

同様に、図６（ａ），（ｂ）に示すように、第２同期整流素子１７の下面のドレイン電極１７ａは、第２接続金属体６１の柱部６５の上面と、はんだ接続されている。詳しくは、ドレイン電極１７ａは、はんだ１０８で柱部６５の上面と接合されている。図４（ａ）に示すように、第２同期整流素子１７は、柱部６５の上面の右側にはんだ接続されている。これにより、第２同期整流素子１７のドレイン電極１７ａと第１巻線７０及び第２巻線７１とが第２接続金属体６１を介して電気的に接続されている。

第１接続金属体６０における鍔部６６は、基板５０の裏面配線層としての導体パターン５２ｄと、はんだ接続されている。同様に、第２接続金属体６１における鍔部６６は、裏面配線層としての導体パターン５２ｄと、はんだ接続されている。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、第２同期整流素子１７におけるソース端子８０及びゲート端子８１は、柱部６５の長辺Ｓ１側において基板５０の表面配線層としての導体パターン５２ａとはんだ接続されている。同様に、第１同期整流素子１６におけるソース端子８０及びゲート端子８１は、柱部６５の長辺Ｓ１側において基板５０の表面配線層としての導体パターン５２ａとはんだ接続されている。

第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１の下面は、図３に示すように、絶縁性放熱シート１００を介してヒートシンク４０と熱的に結合されている。
次に、作用について説明する。

第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１の柱部６５が基板５０の貫通孔５５内に挿通され、鍔部６６が柱部６５の下部から外方に延びている。第１巻線７０及び第２巻線７１の端部７０ａ，７０ｂ，７１ａが第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１の柱部６５の上面とはんだ接続されているとともに第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７のドレイン電極１６ａ，１７ａが第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１の柱部６５の上面とはんだ接続されている。

よって、第１巻線７０及び第２巻線７１と第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７を導体パターンで接続する場合に比べて、省スペース化が図られる。
また、図３に示すように、板状の第１巻線７０及び第２巻線７１で発生する熱Ｑ１は第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１を介してヒートシンク４０に逃がされる。つまり、板状の第１巻線７０及び第２巻線７１で発生する熱Ｑ１は第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１を介してヒートシンク４０で放熱される。また、第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７で発生する熱Ｑ２は第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１を介してヒートシンク４０に逃がされる。つまり、第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７で発生する熱Ｑ２は第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１を介してヒートシンク４０で放熱される。よって、放熱性に優れる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）回路基板構成体３０の構成として、ヒートシンク４０と、ヒートシンク４０上に配置された基板５０と、基板５０に搭載され、ヒートシンク４０と熱的に結合された接続金属体６０，６１と、基板５０に搭載された板状の巻線７０，７１と、基板５０に搭載されたスイッチング素子としての同期整流素子１６，１７と、を備える。接続金属体６０，６１は、基板５０に形成された貫通孔５５内に挿通される柱部６５と、柱部６５の下部から外方に延びる鍔部６６とを有する。板状の巻線７０，７１は、端部７０ａ，７０ｂ，７１ａが接続金属体６０，６１の柱部６５の上面とはんだ接続されている。スイッチング素子の電極としての同期整流素子１６，１７のドレイン電極１６ａ，１７ａは、接続金属体６０，６１の柱部６５の上面とはんだ接続されている。よって、巻線７０，７１と同期整流素子１６，１７を導体パターンで接続する場合に比べて、省スペース化を図るとともに放熱性に優れたものとなる。

（２）接続金属体６１の柱部６５の上面に、複数の板状の巻線７０，７１の端部７０ｂ，７１ａが接近してはんだ接続されている。よって、接続金属体６１の柱部６５の上面において、板状の巻線７０，７１の端部７０ｂ，７１ａが同期整流素子を挟んではんだ接続されている場合に比べ省スペース化を図ることができる。

（３）接続金属体６０，６１は、柱部６５が二対の対向する辺Ｓ１，Ｓ２及びＳ３，Ｓ４を有する多角形をなし、対向する辺Ｓ３，Ｓ４に鍔部６６を有する。よって、柱部６５の全周にわたり鍔部を形成する場合に比べ、プレスにより鍔部を成形する際に製造が容易となる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 図６（ａ），（ｂ）に代わり図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように構成してもよい。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１の柱部６５は、平面視において多角形（図７（ａ）では長方形）をなし、対向する長辺Ｓ１，Ｓ２及び対向する短辺Ｓ３，Ｓ４を有する。柱部６５における対向する長辺Ｓ１，Ｓ２から鍔部６７が外方に突出している。このように、柱部６５が二対の対向する辺Ｓ１，Ｓ２及びＳ３，Ｓ４を有する多角形をなし、対向する辺Ｓ１，Ｓ２に鍔部６７を有する構成としてもよい。

なお、第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７におけるソース端子８０及びゲート端子８１は、柱部６５の短辺Ｓ４側において基板５０の導体パターンとはんだ接続されている。

○ 図６（ａ），（ｂ）に代わり図８に示すように構成してもよい。図８において、板状の第１巻線７０の端部と板状の第２巻線７１の端部とが連続するように一体に繋がる構成にし、この連続する部位（一体化された部位）１１０が第２接続金属体６１の柱部６５の上面とはんだ接続されている構成としてもよい。

○ 図６（ａ），（ｂ）に代わり図９に示すように構成してもよい。図９において、第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１の柱部６５は、平面視において面取り面Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を有する形状としてもよく、対向する辺Ｓ３，Ｓ４に鍔部６８を有する構成としてもよい。あるいは、対向する辺Ｓ１，Ｓ２に鍔部を有する構成とする。

○ 同期整流素子１６，１７としてＭＯＳトランジスタを用いたが、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ等を用いてもよく、この場合にはコレクタ電極を接続金属体の柱部の上面とはんだ接続する。

○ 回路基板構成体３０は、第１接続金属体６０及び第２接続金属体６１と、板状の第１巻線７０及び板状の第２巻線７１と、第１同期整流素子１６及び第２同期整流素子１７を備えていたが、これに限るものではない。接続金属体は、１つでも３つ以上でもよい。板状の巻線は、１つでも３つ以上でもよい。スイッチング素子としての同期整流素子は、１つでも３つ以上でもよい。

○ 基板５０は多層基板を用いたが多層基板でなくてもよい。
○ 柱部６５が挿通される基板５０の貫通孔はスルーホールであってもよい。
○ 接続金属体の柱部の形状は正方形でもよい。

○ 回路基板構成体は絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータに具体化したがこれに限るものではなく、他の電力変換装置等に適用してもよい。

１６…第１同期整流素子、１６ａ…ドレイン電極、１７…第２同期整流素子、１７ａ…ドレイン電極、３０…回路基板構成体、４０…ヒートシンク、５０…基板、５５…貫通孔、６０…第１接続金属体、６１…第２接続金属体、６５…柱部、６６…鍔部、６７…鍔部、６８…鍔部、７０…板状の第１巻線、７１…板状の第２巻線、７０ａ，７０ｂ，７１ａ…端部、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…辺。

Claims

ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に配置された基板と、
前記基板に搭載され、前記ヒートシンクと熱的に結合された接続金属体と、
前記基板に搭載された板状の巻線と、
前記基板に搭載されたスイッチング素子と、
を備え、
前記接続金属体は、前記基板に形成された貫通孔内に挿通される柱部と、前記柱部の下部から外方に延びる鍔部とを有し、
前記板状の巻線は、端部が前記接続金属体の柱部の上面とはんだ接続され、
前記スイッチング素子の電極は、前記接続金属体の柱部の上面とはんだ接続されてなることを特徴とする回路基板構成体。
前記接続金属体の柱部の上面に、複数の前記板状の巻線の端部が接近してはんだ接続されていることを特徴とする請求項１に記載の回路基板構成体。
前記接続金属体は、前記柱部が二対の対向する辺を有する多角形をなし、前記対向する辺に前記鍔部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板構成体。