JPWO2014076746A1 - プリント配線板および電源ユニット - Google Patents

Abstract

複数のはんだ付け用のリード端子（２１）と少なくとも一つのねじ締め用のねじ端子（２２）の両方を有するパワーモジュール（２０）を実装するプリント配線板（１０）であって、リード端子（２１）を挿入し、はんだ付けされるスルーホール（１）と、ねじ端子（２２）にねじ（２３）を介して締結されるねじ挿入孔（４）が形成された電極部（３）とを備え、ねじ（２３）の頭部座面（２３ｃ）または座金（２３ｄ）が接触する電極部（３）の接触領域（５）の外周とスルーホール（１）のランド部（２）の外周とを結ぶ２本の共通接線（１１ａ、１１ｂ）を横切る溝部（６）を電極部（３）とスルーホール（１）との間に設ける。

Description

本発明は、プリント配線板およびそのプリント配線板にパワーモジュールを実装した電源ユニットに関し、特に導通部にリード端子とねじ端子の両方を有するパワーモジュールを取り付けるプリント配線板に関するものである。

一般的にパワーモジュールをプリント配線板に実装する際、プリント配線板に設けられたスルーホールにパワーモジュールのリード端子を挿入し、はんだ付けすることでパワーモジュールが電気的に接続される。しかし、パワーモジュールが大容量になるにつれ、電源等の端子には大電流が流れるため、リード端子のはんだ付けでなく、プリント配線板との接触面積が大きいねじ締め用の端子が用いられる。また、大容量のパワーモジュールであっても、電流が小さい信号線等の端子にはリード端子が用いられることから、一つのパワーモジュールにはんだ付け用のリード端子とねじ締め用の端子が混在配置されている。

上記のようなパワーモジュールをプリント配線板に実装する際、リード端子をはんだ付け後にねじ締め用の端子（以下、ねじ端子という）をねじ締めすると、ねじ締め時の応力がリード端子のはんだ接合部にかかるためクラック等の原因となり、接合信頼性が低下する。また、ねじ端子のねじ締め後にリード端子をはんだ付けする場合は、はんだ付け時の熱によりねじの締結力が小さくなるため、増し締めが必要となる。よって、リード端子とねじ端子のどちらを先に付けても、はんだ付け後のねじ締め作業が発生するため、ねじ締めによってはんだ付け部にかかる応力の緩和が課題となっている。

はんだ付け部における応力の緩和に関する従来の技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１ではパワーモジュールを固定するためのねじ挿入孔を有するプリント配線板において、ねじ挿入孔の周囲に応力緩和用のスリットを形成するものである。

特開２００８−２７８５６６号公報

特許文献１ではパワーモジュールを固定するため、プリント配線板に設けられたねじが貫通する孔の周辺にスリットを形成する方法であるが、パワーモジュールのねじ端子をねじ締めする場合、ねじ挿入孔の周辺にはパターン配線が配置されているため、スリットを形成できない、またはスリットを形成するために設計上の制約が大きくなるといった問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、リード端子とねじ端子の両方で導通が必要なパワーモジュールをプリント配線板に実装する際、はんだ接合部に応力がかからず、長期的な信頼性を確保でき、かつ、設計上の制約の少ないプリント配線板を得ることを目的とする。

本発明に係るプリント配線板は、複数のはんだ付け用のリード端子と少なくとも一つのねじ締め用のねじ端子の両方を有するパワーモジュールを実装するプリント配線板であって、パワーモジュールのリード端子を挿入し、リード端子にはんだ付けされるスルーホールと、パワーモジュールのねじ端子にねじを介して締結されるねじ挿入孔が形成された電極部と、を備え、
ねじの頭部座面または頭部座面と電極との間に配置される座金が接触する電極部の接触領域の外周とスルーホールのランド部の外周とを結ぶ２本の共通接線を横切る溝部を電極部とスルーホールとの間に設けたものである。

本発明に係るプリント配線板は、ねじの頭部座面または座金が接触する電極部の接触領域の外周とスルーホールのランド部の外周とを結ぶ２本の共通接線を横切る溝部を電極部とスルーホールとの間に設けたので、パワーモジュールのねじ締めによりリード端子のはんだ接合部における応力を緩和することができる。
したがって、本発明によれば、リード端子とねじ端子の両方で導通が必要なパワーモジュールをプリント配線板に実装する際、はんだ接合部に応力がかからず、長期的な信頼性を確保でき、かつ、設計上の制約の少ないプリント配線板を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るプリント配線板の概要を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るプリント配線板の概要を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るプリント配線板の概要を示す図である。 本発明の実施の形態４に係るプリント配線板の概要を示す図である。

以下、本発明に係るプリント配線板の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図１を含め、以下に示す図面は模式的に表したものであり、各構成部材の大きさの関係についても実際のものと異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るプリント配線板１０の概要を示す図である。
このプリント配線板１０は、電気絶縁性を有する絶縁基板の片面または両面に導電性の銅箔などによる配線パターン（図示せず）が印刷されたものであり、サイリスタ、パワーＭＯＳＦＥＴあるいはＩＧＢＴなどの集積回路からなるパワーモジュール２０を実装することで電源ユニットとして使用されるものである。

パワーモジュール２０は、複数のリード端子２１と一つまたは複数のねじ端子２２を有する。
プリント配線板１０には、パワーモジュール２０のリード端子２１を挿入しはんだ付けにより接続するための配列された複数のスルーホール１と、パワーモジュール２０のねじ端子２２にねじ２３を締め付けることで電気的に接続する貫通孔付きの電極部３が形成されている。スルーホール１は、プリント配線板１０を貫通する孔の内面が銅などでメッキされたものであり、はんだ付けのためのランド部２が形成されている。このランド部２はプリント配線板１０に形成された配線パターン（図示せず）に接続されている。また、電極部３も同様にプリント配線板１０に形成された配線パターン（図示せず）に接続されている。

ねじ２３は、雄ねじ部２３ａとねじ頭部２３ｂを有する。そして、電極部３における貫通孔であるねじ挿入孔４にはねじ２３の雄ねじ部２３ａが挿入され、パワーモジュール２０のねじ端子２２に形成された雌ねじ部（図示せず）に雄ねじ部２３ａがねじ込まれ固定される。このとき、ねじ頭部２３ｂは首下の頭部座面２３ｃまたは頭部座面２３ｃと電極部３との間に配置される座金２３ｄ（座金がない場合もある）がねじ挿入孔４の周りに形成された接触領域５に接触するため、プリント配線板１０の電極部３とパワーモジュール２０のねじ端子２２とはねじ２３を介して導通する。
また、パワーモジュール２０のリード端子２１は、プリント配線板１０のスルーホール１に挿入後、スルーホール１から突出するリード端子２１の突出部とスルーホール１のランド部２とをはんだ付けすることで、リード端子２１とスルーホール１とが導通する。

ねじ２３をパワーモジュール２０のねじ端子２２に締め付け固定すると、締め付け力によりプリント配線板１０がたわむ。このたわみ変形による応力がパワーモジュール２０のリード端子２１のはんだ接合部にクラックなどの不具合を生起させる。
そこで、このような不具合が生じないようリード端子２１のはんだ接合部に作用する応力を緩和するために、図１に示すように、溝部６がプリント配線板１０に形成されている。

この溝部６は、ねじ２３の固定部からリード端子２１のはんだ接合部に放射状に伝播する変形及び応力を遮断するように働くバリヤーとなるものである。そのために、溝部６は、電極部３のねじ挿入孔４の周りの接触領域５の外周とスルーホール１のランド部２の外周とを結ぶ２本の共通接線１１を横切る（または分断する）ように設けられている。ここで、２本の共通接線１１は、図１に実線で示すように、スルーホール１のランド部２に対して交差しない場合（１１ａ、１１ｂ）と、破線で示すように、２本の共通接線１１がクロス状に交差する場合（１１ｃ、１１ｄ）がある。ここで、２本の共通接線１１が交差しない場合を便宜上、「非交差型共通接線」と称し、クロス状に交差する場合を便宜上、「交差型共通接線」と称するものとする。

溝部６は、上記の非交差型共通接線１１ａ、１１ｂまたは交差型共通接線１１ｃ、１１ｄを横切るように設けられる。溝部６の設置位置は、電極部３の接触領域５とスルーホール１のランド部２との間であれば、特に制限はない。但し、溝部６の長さ及び形状については、溝部６の設置位置または配線パターンの位置によって変わる場合がある。

また、溝部６は、パワーモジュール２０のリード端子２１のはんだ接合部に対する応力を緩和する機能を持っていればよい。したがって、溝部６は、ある程度の深さ（例えば、プリント配線板１０の板厚の半分程度の深さ）を持つ溝、またはスリットのようにプリント配線板１０を貫通する溝とする。なお、溝部６の深さは、電極部３の近傍においては深く、スルーホール１の近傍においては浅くなるように、溝部６の設置位置に応じて深さを変えてもよい。また、溝部６の幅は１ｍｍ以上あれば十分である。

スルーホール１は、パワーモジュール２０のリード端子２１の個数、ピッチ、断面形状に対応するように配列されている。図１では２個のスルーホール１しか示されていないが、スルーホール１が３個以上配列される場合もある。例えば、図１において、２個のスルーホール１の間に１個以上のスルーホールが配列されている場合を考えたとき、溝部６は、スルーホールの配列の両端位置にある２個のスルーホール１のランド部２に対して作成された２本の共通接線（非交差型共通接線または交差型共通接線）１１を横切るように設けるものである。

また、図１ではパワーモジュール２０のねじ端子２２は１個の場合を示しているが、例えば２個のねじ端子２２がある場合、もう一つのねじ端子２２についても先の説明と同様に溝部を設ければよい。すなわち、当該溝部は、スルーホールの配列の両端位置にある２個のスルーホール１のランド部２に対して作成された２本の共通接線（非交差型共通接線または交差型共通接線）１１を横切るように設けるものである。この場合、当該溝部は、スルーホール列を囲むように図１に示す溝部６を屈曲させもしくは折れ曲げ、または長さを延長して、設けるか、または、別個に２個の溝部６を設ける。

以上のように、本実施の形態１では、溝部６が、ねじ２３の頭部座面２３ｃまたは座金が接触する電極部３の接触領域５の外周とスルーホール１のランド部２の外周とを結ぶ２本の共通接線１１を横切るように設けられている。そのため、プリント配線板１０にパワーモジュール２０をねじ２３により取り付けたとき、ねじ締め時の応力がパワーモジュール２０のリード端子２１のはんだ接合部に及ばないように溝部６により上記応力を緩和するので、パワーモジュール２０のリード端子２１の接合信頼性を長期にわたって保持することができる。また、一つの溝部６が、スルーホール１の列に対して設けられているので、リード端子２１の列におけるはんだ接合部の応力を一つの溝部６で緩和することができる。また、溝部６は、プリント配線板１０の配線パターンを避けて設けることができるので、設計上の制約を少なくすることができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係るプリント配線板１０の概要を示す図である。
上記の実施の形態１では、溝部６は、両端が各々の共通接線１１より突き出ている。これは、パワーモジュール２０のねじ締め時、パワーモジュール２０のリード端子２１のはんだ接合部に応力が集中しないようにするためである。
この実施の形態２は、上記溝部６の突出量７について定義するものである。すなわち、プリント配線板１０の電極部３におけるねじ挿入孔４はねじ２３の径より大きくとるのが一般的であり、プリント配線板１０とねじ２３の接触範囲はねじ２３とねじ挿入孔４のクリアランス分だけ位置がずれる。
したがって、ねじ挿入孔４の内径をＤ、ねじ２３の外径（雄ねじ部２３ａの外径）をｄとしたとき、溝部６は、少なくとも、各々の共通接線１１よりねじ２３とねじ挿入孔４のクリアランス分（Ｄ−ｄ）だけ突き出るように配置するものである。溝部６の突出量７は、上記クリアランス（Ｄ−ｄ）以上の大きさであればよい。
その他の構成は実施の形態１と同様であり、作用効果も実施の形態１と同様である。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係るプリント配線板１０の概要を示す図である。
溝部６は、一つに限られない。周辺の配線パターン８によって溝部６を設けることができない場合は、図３に示すように、個々のスルーホール１に対して溝部６ａ、６ｂを設ける。この場合においても、溝部６ａは２本の共通接線（非交差型共通接線または交差型共通接線）１２ａ、１２ｂを横切るように設けられ、溝部６ｂは２本の共通接線（非交差型共通接線または交差型共通接線）１３ａ、１３ｂを横切るように設けられる。

本実施の形態３では、個々のスルーホール１に対して溝部６ａ、６ｂを設けたので、個々のリード端子２１のはんだ接合部における応力を緩和できるとともに、配線パターン８を避けることができるため、設計の自由度を確保することができる。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４に係るプリント配線板１０の概要を示す図である。
溝部６（６ａ、６ｂ）は直線形状のものに限らないため、配線パターン８の形状に合わせて配置してもよい。ここでは、図４に示すように、Ｌ字状に折れ曲がった溝部６が形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態４においても、一つのＬ字状の溝部６が、スルーホール１の列に対して設けられているので、リード端子２１の列におけるはんだ接合部の応力を一つの溝部６で緩和することができる。したがって、パワーモジュール２０のリード端子２１の接合信頼性を長期にわたって保持することができ、かつ、設計上の制約を少なくすることができる。

なお、以上の実施の形態１〜４に示したパワーモジュール２０のねじ端子部は１箇所であるが、一つのパワーモジュール２０に複数のねじ端子部がある場合でも同様である。
また、１枚のプリント配線板１０に一つのパワーモジュール２０を搭載したものについて説明したが、複数のパワーモジュール２０を搭載したときも同様に本発明を適用することができる。
また、本発明は、特許文献１に示すように、ねじ端子部を持たず、単にねじ締め固定されるパワーモジュールを搭載するプリント配線板についても同様に適用することができる。

以上の実施の形態１〜４に示したプリント配線板１０を備えた電源ユニット（図示せず）とすることにより、信頼性の高い電源ユニットを得ることができる。

１ スルーホール、２ ランド部、３ 電極部、４ ねじ挿入孔、５ 接触領域、６ 溝部、６ａ、６ｂ 溝部、７ 突出量、８ 配線パターン、９ 、１０ プリント配線板、１１ 共通接線、１１ａ、１１ｂ 非交差型共通接線、１１ｃ、１１ｄ 交差型共通接線、１２ａ、１２ｂ 共通接線、１３ａ、１３ｂ 共通接線、２０ パワーモジュール、２１ リード端子、２２ ねじ端子、２３ ねじ、２３ａ 雄ねじ部、２３ｂ ねじ頭部、２３ｃ 頭部座面、２３ｄ 座金。

本発明に係るプリント配線板は、複数のはんだ付け用のリード端子と少なくとも一つのねじ締め用のねじ端子の両方を有するパワーモジュールを実装するプリント配線板であって、パワーモジュールのリード端子を挿入し、リード端子にはんだ付けされる列状に配列された複数のスルーホールと、ここで各スルーホールははんだ付け用のランド部を有しており、パワーモジュールのねじ端子にねじを介して締結されるねじ挿入孔が形成された電極部と、を備え、ねじの頭部座面または頭部座面と電極部との間に配置される座金が接触する電極部の接触領域の外周と、スルーホールの配列の両端位置にある２個のランド部の外周とを結ぶ２本の共通接線を横切る溝部を電極部とスルーホールとの間に設けたものである。

本発明に係るプリント配線板は、複数のはんだ付け用のリード端子と少なくとも一つのねじ締め用のねじ端子の両方の端子を有するパワーモジュールを実装するプリント配線板であって、前記パワーモジュールのリード端子が挿入される孔であり、該リード端子にはんだ付けされる列状に配列された複数のスルーホールと、ここで各スルーホールははんだ付け用のランド部を有しており、前記パワーモジュールのねじ端子にねじを介して締結され、前記ねじ端子と電気的に接続されるねじ挿入孔付き電極部と、を備え、前記ねじの頭部座面または前記頭部座面と前記電極部との間に配置される座金が接触する前記電極部の接触領域の外周と、前記スルーホールの配列の両端に位置する２個の前記ランド部の外周とを結ぶ２本の共通接線を横切る溝部を前記電極部と前記スルーホールとの間で、前記プリント配線板の配線パターンを避ける位置に設けたものである。

Claims (7)

1. 複数のはんだ付け用のリード端子と少なくとも一つのねじ締め用のねじ端子の両方を有するパワーモジュールを実装するプリント配線板であって、
   前記パワーモジュールのリード端子を挿入し、該リード端子にはんだ付けされるスルーホールと、
   前記パワーモジュールのねじ端子にねじを介して締結されるねじ挿入孔が形成された電極部と、を備え、
   前記ねじの頭部座面または前記頭部座面と前記電極部との間に配置される座金が接触する前記電極部の接触領域の外周と前記スルーホールのランド部の外周とを結ぶ２本の共通接線を横切る溝部を前記電極部と前記スルーホールとの間に設けた
   ことを特徴とするプリント配線板。
2. 前記溝部は、スルーホールの配列の両端位置にある前記スルーホールに対して作成される前記２本の共通接線を横切るように設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
3. 前記溝部は、個々の前記スルーホールに対して作成される前記２本の共通接線を横切るように設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
4. 前記溝部は、両端が各々の前記共通接線より突き出ている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプリント配線板。
5. 両端が各々の前記共通接線より突き出る前記溝部の突出量は、前記電極部における前記ねじ挿入孔の内径と前記ねじの外径との差であるクリアランス以上の大きさとした
   ことを特徴とする請求項４に記載のプリント配線板。
6. 前記溝部は、幅が１ｍｍ以上である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のプリント配線板。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のプリント配線板を備えた
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源ユニット。

Images