JP7184933B2

JP7184933B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7184933B2
Application number: JP2020571985A
Authority: JP
Inventors: 清隆冨山; 宏義宮崎
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2039-02-14
Also published as: JPWO2020166000A1; WO2020166000A1; CN113396479B; CN113396479A

Description

本発明は、パワーモジュールと接続したパワーモジュール実装基板を備えた電力変換装置に関する。

従来、外部接続端子を、配線基板のスルーホールに挿入し、溶融したはんだで外部接続端子を接合する技術として、特許文献１が知られている。特許文献１は、コネクタなどの外部接続端子をスルーホールに挿入し、はんだ付けする際に、ランド間の距離を規定することで、はんだブリッジを抑制する技術を開示している。

特開２０１８－１０１７５６

特許文献１は、はんだブリッジを抑制し、はんだ接続信頼性の高いランド構造を開示しているが、はんだ付け方法は、溶融したはんだ槽内にはんだを噴流させ、噴流させた溶融はんだに配線基板を浸漬させるフローはんだ付け方法を利用している。

電力変換装置においては、大電流を流す経路には、端子と金属バーのネジ留などの接続技術が用いられ、パワーモジュールなど大電流部品では端子とプリント基板とをはんだ接合する構成となっている。また、パワーモジュールは、熱容量が大きいので、プリント基板などの多層基板には、実装しにくく、プリント基板とは別に実装することになる。パワーモジュールの端子を別部品のプリント基板のスルーホール内で、はんだ付けするには、上記のフローはんだ付け方法では作業は困難である。

パワーモジュールなど大電流部品の端子とプリント基板スルーホールの接続に、はんだ接合を採用する場合、スルーホール内での電気抵抗の上昇を防ぐために、スルーホール表面メッキと端子との間には最低でもスルーホール深さの７５％以上はんだを充填する必要がある。その一方で、大電流の供給をロスなく行うためには、多層基板のベタ銅箔で基板内多層配線を行いつつ、複数のビアホールでそれらの多層配線を接続する必要がある。

これは製品としては放熱の面で優れた構造といえる。しかし、はんだ接合という製造プロセスから見ると、スルーホールからベタ銅箔（多層配線）の放熱速度があまりにも速すぎるため、溶融はんだがスルーホールと端子との間に十分に充填される前に冷却され、スルーホールの途中で固まってしまう。その結果、大電流を流すための十分な接続が確保できず、回路動作の際に端子接合部の発熱や放熱の問題が生じかねない。

また、十分なはんだ充填をする方法として、大型大熱容量のはんだ鏝の適用や長時間の加熱があるが、いずれも部品実装における作業性が悪く、プリント基板へ与える熱ダメージも大きい。

本発明の目的は、パワーモジュールの端子が挿入されるスルーホールを有するパワーモジュール実装基板を有する電力変換装置の温度上昇を抑えることにある。

本発明の好ましい一例は、端子を有するパワーモジュールと、前記端子が挿入されるスルーホールを有するパワーモジュール実装基板とを有する電力変換装置であって、
前記パワーモジュール実装基板は、
内部と外部に配置された配線パターンと、前記配線パターンの間を絶縁する絶縁層と、はんだを蓄えたはんだ溜まりとを有する電力変換装置である。

本発明によれば、パワーモジュールの端子が挿入されるスルーホールを有するパワーモジュール実装基板を有した電力変換装置の温度上昇を抑えることができる。

実施例１の電力変換装置を説明する図。実施例２の電力変換装置を説明する図。実施例３の電力変換装置を説明する図。プリント基板の製作から実装基板完成までのフロー。プリント基板の製作工程を説明する図。比較例のプリント基板の説明図。比較例のプリント基板を用いた場合を説明する図。実施例１における電力変換装置の回路構成を示す図。実施例１の電力変換装置を組立てる前の構成図である。実施例１の電力変換装置を組立て後の構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

電力変換装置の構成例について、図１から図１０を用いて説明する。

図１は、実施例１の電力変換装置を説明するための図であり、具体的には、プリント基板１における部品パッド８とスルーホール７とパワーモジュール端子１２とを、はんだ付けした状態である。部品を実装したプリント基板１は、ベアボードに電力変換装置の制御回路、ドライブ回路などの回路を実装し、パワーモジュール１１と接続した構成である。

プリント基板１は、銅箔２a、２ｂと、内面を銅めっき４で構成されたビア６と、スルーホール７と、はんだ溜り３１と、銅箔をエッチングして形成した部品パッド８、図示しない配線パターンを構成する銅箔２ａ、２ｂ間を絶縁する絶縁層３と、ソルダレジスト５と、シルク９とを有する。ここで、スルーホール７は、内面を銅めっき４で構成され、パワーモジュール１１内の素子と接続したパワーモジュール端子１２を貫通させる貫通孔である。はんだ溜り３１は、スルーホール７を含めたエリアにザグリを入れて形成され、はんだ２１を蓄える。

スルーホール７は、プリント基板１の表裏に形成された部品パッド８や外部の配線パターン、及び内部の配線パターンを電気的に導通させる目的で設けている。

はんだ溜り３１は、プリント基板１の上部表面から第１層目の内層銅箔２ｂに到達する深さにすることで、はんだ２１と内層銅箔２ｂの接続面積を増加させている。

はんだ溜まり３１には、パワーモジュール１１に備えられたパワーモジュール端子１２を貫通させており、はんだ溜まり３１の底部と、スルーホール７とが繋がった構成である。また、スルーホール７内面の銅めっき４とパワーモジュール端子１２の間にはんだが充填されることで、パワーモジュール端子１２と銅箔２a、２ｂなどの配線とが電気的に導通させるとともに固定される。

また、プリント基板がコア層を有する場合には、はんだ溜まり３１の深さをコア層まで達する深さとすることで、スルーホールの長さがに対してはんだ充填深さを十分深くできる。そのためパワーモジュール端子１２と配線との間の電気抵抗を低くでき、動作中の発熱を抑制しやすくなる。また、はんだ溜まりがコア層まで達することにより、多層の厚いプリント基板に対しても、上記と同様に、電気抵抗を低くでき、動作中の発熱を抑制しやすくなる。

図４は、パワーモジュール実装基板８１におけるプリント基板１（ベアボード）の製作工程（Ｓ４０～Ｓ４５）、及びプリント基板１への部品実装工程（Ｓ４６）の流れを表したフローである。

プリント基板１や、実装する部品などの基材を用意する基材投入工程（Ｓ４０）が実行される。

そして、図５（a）に示すように、プリント基板に、スルーホール７や、ビア６といった穴あけ工程（Ｓ４１）が実行される。

そして、図５（ｂ）に示すように、はんだ溜り３１を形成するザグリ工程（Ｓ４２）が実行される。

そして、図５（ｃ）に示すように、プリント基板１の表裏や、スルーホール７やビア６といった穴の内壁に銅めっき４を施す銅めっき工程（Ｓ４３）が実行される。

そして、図５（ｄ）に示すように、プリント基板表面の配線パターンや、部品パッド８をエッチングするエッチング工程（Ｓ４４）が実行される。

そして、図５（ｅ）に示すように、ソルダレジスト５を塗布するレジスト塗布工程およびシルクを印刷するレジスト・シルク印刷工程（Ｓ４５）が実行される。

そして、図１、図２、図３の実施例に示されたように、はんだ鏝により、はんだを蓄えたはんだ溜まりにおいて局所的にはんだを加熱し溶融させて、スルーホール７内にはんだを充填させ、パワーモジュール端子１２とスルーホール内面とを接合するはんだ付け工程（Ｓ４６）が実行される。そして、パワーモジュール実装基板８１が完成する（Ｓ４７）。

図５（ａ）～（ｅ）を用いて、配線パターンである、銅箔２a、２ｂや部品パッド８を備えたプリント基板１の製作工程を説明する。

基板投入工程では、プリント基板１は最初、表裏面全体に銅箔が張られた銅張板の状態であり、両面２層基板の場合は基材とも呼称される。多層プリント基板の場合はプリント基板１の内部に配線パターンが形成された内層が組み合わされている。

穴あけ工程では、プリント基板１に層間接続を行うためのビア6、或いはパワーモジュール端子などの部品端子を取り付け用のスルーホール７を形成するために、図５（ａ）に示したような穴あけ加工を行う。

さらに、スルーホール７に充填するはんだを蓄えるはんだ溜り３１が、内層銅箔２ｂに到達する深さになるように、図５（ｂ）に示したようなザグリ加工の工程を行う。

銅めっき工程では、プリント基板表裏、或いは多層基板における内層との回路導通するために図５（ｃ）の様にスルーホール７やビア６といった穴の内壁に、導電体である銅めっき４を施す。

エッチング工程では、プリント基板表面の配線パターンや、パワーモジュール端子などの部品端子と配線パターンとをはんだ接合するための部品パッド８は、プリント基板１の表裏に張られた銅箔をエッチングなどにより不要な銅箔を除去することで図５（ｄ）の様に形成する。

レジスト塗布工程では、部品パッド８とパワーモジュール端子１２とをはんだ付けで接合させる際に、部品パッド８以外の配線パターンに、はんだが付着することを阻止するために、図５（ｅ）の様に、ソルダレジスト５を塗布する。

シルク印刷工程では、プリント基板の表面又は裏面に部品外形や部品記号等の部品に関する情報を、シルク９のようにプリント基板表面に印刷して表記する。このプリント基板１を用いて、はんだ２１を用いて、スルーホール７の内面の導電体とパワーモジュール端子１２の接合を行い、図１に示した電力変換装置を製作する。

ここで、本実施例を適用せずに製作したプリント基板１について説明する。図６のプリント基板１は、図５（ｅ）とは、はんだ２１を蓄えたはんだ溜り３１が無い点で異なっている。このプリント基板１を用いて、パワーモジュール１１とはんだ付けを行い、図７に示す比較例であるパワーモジュール実装基板８１が構成される。

図７に示すように、スルーホールの長さがａのときのはんだ充填深さはｂである。回路動作の際に端子部の発熱や放熱の問題を生じさせないためには、aに対してbが７５％以上であることが必要である。プリント基板１のスルーホール７内面の銅めっき層と、パワーモジュール端子１２をはんだ２１で接合するには、はんだ鏝５１やはんだ鏝５１で溶融した初期の溶融はんだ２１で、パワーモジュール端子１２とスルーホール７を、はんだ浸透に必要なはんだ融点温度以上に温めなくてはならない。パワーモジュール端子１２は、はんだ鏝５１やはんだ鏝５１で溶融した初期の溶融はんだ２１の熱を温度のより低いパワーモジュール１１に伝達する。

また、はんだ鏝５１やはんだ鏝５１で溶融した初期の溶融はんだ２１の熱は、スルーホール７を経由して、温度のより低い外層銅箔２ａや内層銅箔２ｂに伝達する。このときパワーモジュール１１が熱容量の大きな部品の場合や、スルーホール７がベタ銅箔に接続している場合、熱容量の大きな部品やベタ銅箔は、保温性が高いため、はんだ鏝５１やはんだ鏝５１で溶融した初期の溶融はんだ２１の熱が、はんだ付け対象であるスルーホール７の遠方には伝達し難くなる。

このため、パワーモジュール端子１２とスルーホール７を接続するためのはんだ２１が十分に浸透するのに必要なはんだ融点温度以上に温まらずスルーホール７内の途中ではんだ２１が凝固する。その結果、大電流を流すための十分な接続（スルーホールの長さａのときのはんだ充填深さｂが７５％以上であること）が確保できず、端子部の発熱や放熱の問題が生じかねない。また、製造不良にもなる。

そこで、本実施例ではベアボードの製作工程の図５（ｂ）において、はんだ付け対象のスルーホール７の周囲に内層銅箔２ｂに到達する深さのザグリを入れ、スルーホール７に充填したはんだを蓄えた、はんだ溜り３１を設けるプリント基板１を構成する。

次に、上記で説明したはんだ溜りを有するプリント基板について、各実施例にて説明する。

図８は、実施例１における電力変換装置６０の回路構成図である。図８の電力変換装置６０は、交流電動機６４に電力を供給するための順変換器６１、逆変換器６２、平滑コンデンサ６３、冷却ファン６５、放熱フィン８３、制御回路６６、ドライブ回路６７、デジタル操作パネル６８、シャント抵抗６９を備える。図８では、入力電源として交流電源を用いた場合を示す。

順変換器６１は、交流電力を直流電力に変換する。平滑コンデンサ６３は、直流中間回路に備えられ、順変換器６１によって変換された直流電力を平滑にする。

逆変換器６２は、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する。逆変換器６２の内部には温度保護検出回路が搭載されている。温度保護検出回路は、図８の様なサーミスタ７０を搭載して温度を検出するか、或いは逆変換器６２内の半導体素子に温度感知用のセンシング機能を内蔵させるようにしてもよい。

順変換器６１と逆変換器６２は、それぞれ順変換器モジュール６１Ａ、逆変換器モジュール６２Ａとして１パッケージ化することが一般的である。さらに順変換器モジュール６１Ａと逆変換器モジュール６２Ａを一体化しパワーモジュール１１とすることも一般的であるが、パワーモジュール１１に順変換器６１と逆変換器６２のいずれか一方を搭載するようにしてもよい。ここで、電力変換装置６０は、電線や金属バー等の電気接合部品、或いはプリント基板を用いて図８に示した回路の構成部品を電気的に接続して構成される。

本実施例における電力変換装置６０は、汎用インバータ、サーボアンプ、ＤＣＢＬコントローラなどに電力変換装置として適用できる。

図９は、実施例１のプリント基板やパワーモジュールなどを有した電力変換装置を組立てる前の構成図である。図９では、図８の冷却ファン６５、交流電動機６４、デジタル操作パネル６８は省略している。

パワーモジュール１１は、取付け用ネジ８４により放熱フィン８３に固定される。パワーモジュール実装基板８１は、組込み基板８２を放熱フィン８３に固定した後に、放熱フィンに固定するように組立てる。

組込み基板８２は、平滑コンデンサ６３を実装した基板であり、パワーモジュール実装基板８１は、ベアボード（プリント基板１）に、図８の制御回路６６、ドライブ回路６７を実装した基板である。

図１０は、実施例１のパワーモジュール実装基板８１、組込み基板８２、パワーモジュール１１と放熱フィン８３を組立て後の構成図である。図１０は、図９で説明した工程後の電力変換装置の構成図である。

パワーモジュール１１のパワーモジュール端子１２は、パワーモジュール実装基板８１の部品パッド８を貫通して挿入される。パワーモジュール端子１２と部品パッド８は、はんだ付けにより電気的接続を行うが、フロー及びリフローはんだ付けでは製造することは困難であり、手はんだによるはんだ付けが必要となる。通常のフロー装置で、図１０のような電力変換装置を実装しようとすると、余熱時間は長く、余熱温度は高い条件でないとはんだ付けが安定しないといった製造上の課題が生じる。さらに、電力変換装置は、かなりの重量物でありフロー装置で流すことが困難である。

また、図９、図１０に示すように、パワーモジュール１１の上にパワーモジュール実装基板８１や組込み基板８２を実装することで、それらの部品を平面に別々に配置する場合に比べて電力変換措置の面積を小さくすることができる。

実施例１のプリント基板１のはんだ溜り３１は、溶融はんだ２１を充填し、溶融はんだ２１と外層銅箔２ａ、内層銅箔２ｂ、及びパワーモジュール端子１２への接触面積と熱伝達性を増加させる。

実施例１によれば、はんだ溜まりで得られる熱容量により、プリント基板１のはんだ付け面からの熱伝達の降下を抑制し、はんだ浸透に必要なはんだ融点温度以上を保持することを容易にする。そして、溶融はんだがスルーホールの充填に必要な時間だけ溶融状態を維持できるようになり、フローアップ不足（はんだ上がり不足）発生を回避することができる。

また、実施例１によれば、大型で大熱容量のはんだ鏝を用いることや、長時間の加熱も不要であり作業性が向上する。また、実施例１では、はんだ溜り３１の深さ分、スルーホール７の高さ方向にはんだを充填する高さが、比較例に比べて短くなり、はんだをスルーホール７内の隙間に十分に充填しやすくできる。

また、はんだ溜り３１内のはんだ２１は、その体積に相応する熱容量を保有するため、回路動作の際には、はんだ溜まりで得られる熱容量は、回路の発熱を吸収・放熱し、プリント基板１の温度上昇を抑制する。

実施例２における電力変換装置について、図２、図７を用いて説明する。本実施例は、実施例１におけるプリント基板１の別構成例について説明するものである。従って実施例１と共通する部分についての説明は省略する。

図２は、部品を実装したプリント基板１とパワーモジュール１１の断面図である。本実施例では、はんだ鏝５１などで局所的にはんだ付けをするプリント基板１のはんだ付け側表面に、段差構成物４１を配置することで、はんだ溜り３１を形成する。

実施例２では、はんだ溜り３１を形成するために、はんだ付け対象の部品パッド８、パワーモジュール端子１２の周囲であって、プリント基板１のはんだ付け側表面に、段差構成物４１を設ける。段差構成物４１は、はんだ溜り３１を形成するだけの十分な厚みをもち、溶融はんだ２１がプリント基板１の横方向への広がりを防止する機能を果たす。

段差構成物４１は、前述の機能を果たせればよい。本実施例を適用せずに製作したプリント基板１を、図７に示す。図７のプリント基板１に対して段差構成物４１を追加することではんだ溜り３１を有するプリント基板１を提供できる。また、図７の説明にあるソルダレジスト５とシルク９に、はんだ溜り３１を構成できる十分な厚みを与えることでも、はんだ溜り３１を有するプリント基板１を提供できる。

実施例３における電力変換装置について、図３を用いて説明する。実施例３は、実施例１におけるプリント基板１のはんだ溜り３１に、ビア６を内在させる例について説明するものである。実施例１と共通する部分についての説明は省略する。

図３は、部品を実装したプリント基板１とパワーモジュール１１の断面図である。
本実施例では、はんだ溜り３１と接してビア６を設ける。このビア６は、ビア６と接続された内層銅箔２ｂ、及びプリント基板１のはんだ付け側裏面の外層銅箔２ａへ、はんだ溜り３１に充填された溶融はんだ２１の熱を伝達する。

これにより、スルーホール７のプリント基板１のはんだ付け面からの熱伝達を側面から温める機能をもつ。また、回路動作の際には、はんだ溜まりで得られる熱容量による熱吸収、及び放熱経路を分散させる機能をもち、プリント基板１の温度上昇抑制を、さらに高めることが出来る。

図１、図２、図３、図５では、多層基板で説明しているが、２層（両面）基板においても同様に適用できる。

１…プリント基板、
６…ビア、
７…スルーホール、
１１…パワーモジュール、
１２…パワーモジュール端子、
３１…はんだ溜まり、
４１…段差構成物、
８１…パワーモジュール実装基板、
８２…組込み基板

Claims

端子を有するパワーモジュールと、
前記端子が挿入されるスルーホールを有するパワーモジュール実装基板とを有する電力変換装置であって、
前記パワーモジュール実装基板は、
内部と外部に配置された配線パターンと、
前記配線パターンの間を絶縁する絶縁層と、
はんだを蓄えたはんだ溜まりとを有し、
前記パワーモジュール実装基板は、プリント基板であって、
前記プリント基板のはんだ付けをする側の表面に、
前記はんだ溜まりを支持する段差構成物を有することを特徴とする電力変換装置。
端子を有するパワーモジュールと、
前記端子が挿入されるスルーホールを有するパワーモジュール実装基板とを有する電力変換装置であって、
前記パワーモジュール実装基板は、
内部と外部に配置された配線パターンと、
前記配線パターンの間を絶縁する絶縁層と、
はんだを蓄えたはんだ溜まりとを有し、
前記パワーモジュール実装基板は、
ビアを有するプリント基板であって、
前記ビアは、前記はんだ溜まりと接しており、
前記ビア内は、前記はんだが充填されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュールは、順変換器もしくは逆変換器を有するか、順変換器と逆変換器の両方を有することを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュール実装基板は、
前記はんだ溜まりには、前記端子が貫通しており、
前記はんだにより、前記端子と前記スルーホールの内面における導電体とが接合されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュール実装基板は、プリント基板であって、
前記はんだ溜まりは、前記プリント基板の内層配線まで達していることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュール実装基板は、プリント基板であって、
前記はんだ溜まりは、前記プリント基板のコア層まで達していることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュール実装基板は、
制御回路とドライブ回路とデジタル操作パネルを実装したことを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュールは、放熱フィンに固定されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュール実装基板の一方の表面に前記はんだ溜まりが配置されており、
前記パワーモジュール実装基板の他方の表面に対向して、前記パワーモジュールが配置されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記スルーホール内のはんだの充填高さは、
前記スルーホールの長さの７５パーセント以上であることを特徴とする電力変換装置。
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュール実装基板は、部品パッドを有するプリント基板であって、
前記はんだにより、前記部品パッドと前記端子とが接合されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュール実装基板は、
ソルダレジストとシルクを有することを特徴とする電力変換装置。