WO2012121036A1 - 基板および基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

　基板１は、射出成型基板３にプリント基板５が接続されて形成される。プリント基板搭載部１１では、内部の回路導体が、導体部１５ｂにおいて露出する。プリント基板５には、スルーホール２１が設けられる。導体部１５ｂはプリント基板搭載部１１に略垂直に形成され、スルーホール２１に挿入される。プリント基板搭載部１１の導体部１５ｂ近傍には、雌ネジ部１７が形成される。雌ネジ部１７は、固定部材であるボルト２３と螺合可能である。プリント基板５は、導体部１５ｂと半田２５で接続される。プリント基板５の半田５近傍には、あらかじめ孔１９が形成される。ボルト２３は、孔１９を貫通して、雌ネジ部１７に固定される。

Description

基板および基板の製造方法

　本発明は、自動車、家電、産業機器等に用いられるＤＣ－ＤＣコンバータやインバータ等の大電流回路が設けられた射出成形基板と制御回路となる小電流用プリント配線基板が接続された基板等に関するものである。

　従来、自動車・家電・産業機器等に用いられている大電流回路が設けられた射出成形基板は、それらを制御するための制御回路が設けられたプリント配線基板と接続されて用いられる。射出成型基板とプリント配線基板とは、配線によるジャンパー接続やバスバー半田付け接続、コネクタ接続等で電気接続されており、それらを簡易的にかつ小型化するための様々な工夫がなされている。

　このような基板としては、例えば、大電流回路側の金属導体を切り立てて制御回路と半田付けする方法がある（特許文献１）。

特開２００２－１３４８７０号公報

　しかし、特許文献１には、半田付けに関する電気接続信頼性までは述べられていない。事実、大電流用回路基板と小電流用プリント配線基板とは樹脂材料が異なり、その線膨張係数の差から温度変化時にはお互いの伸縮の違いにより半田部分に過大な負荷がかかる恐れがある。

　本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、ＤＣ－ＤＣコンバータ等のような大電流にも使用可能な基板であって、小型電子部品を１枚の基板上に配置可能であり、基板上の電気接続部の信頼性に優れる基板および基板の製造方法を提供することを目的とする。

　前述した目的を達するために第１の発明は、回路導体の表面に対して樹脂が射出成型された射出成型基板と、あらかじめ表面に電子部品が搭載されたプリント基板と、を具備し、前記射出成型基板からは、前記回路導体の一部が露出し、露出した前記回路導体の一部が前記プリント基板と半田で電気的に接続され、前記半田の近傍で前記プリント基板が前記射出成型基板と固定部材で固定されることを特徴とする基板である。

　前記固定部材はボルトであり、あらかじめ射出成型基板の樹脂部には雌ネジ部が形成されており、前記ボルトを前記雌ネジ部に固定することで、前記プリント基板が固定されてもよい。

　前記射出成型基板から露出した前記回路導体の一部は前記プリント基板に形成されたスルーホールを貫通して前記プリント基板に半田で電気的に接続されることが望ましい。

　前記固定部材の径をＤ（ｍｍ）、前記半田による電気的な接合部の径をｄ（ｍｍ）とした場合に、前記半田の中心位置と前記固定部材の中心位置との距離が（Ｄ＋ｄ）／２＋９ｍｍ以下であることが望ましい。

　前記射出成型基板には、少なくとも一対の凸部が形成され、前記凸部上に前記プリント基板が配置され、前記固定部材であるボルトが、前記凸部に形成された雌ネジ部に固定されてもよい。前記凸部上には、前記回路導体が露出し、前記凸部上に配置された前記プリント基板のスルーホールに、露出した前記回路導体が貫通して、前記プリント基板と半田で電気的に接続されてもよい。

　前記射出成型基板と前記プリント基板との間には空間が形成され、前記空間において、前記射出成型基板上に電子部品が設置されてもよい。

　前記射出成型基板から露出した前記回路導体の一部には、応力緩和部が形成され、前記応力緩和部は、回路導体が屈曲されて構成され、少なくとも水平部および鉛直部を一部に有してもよい。

　前記射出成型基板から露出した前記回路導体の一部には、応力緩和部が形成され、前記応力緩和部は、回路導体の一部に低剛性部が形成されてもよい。

　第１の発明によれば、例えばプレス加工された回路導体と、射出成型により形成された樹脂とからなる射出成型基板を用いるため、回路導体の厚さを厚くすることができる。このため大電流での使用に耐える基板を得ることができる。また、射出成型基板上には、電子部品が搭載される電子部品搭載部の他に、プリント基板が搭載されるプリント基板搭載部が形成される。このため、あらかじめ小型電子部品を別途搭載したプリント基板をも同一基板上に搭載することができる。

　また、プリント基板と射出成型基板とが半田で接続され、当該半田部近傍において固定部材でプリント基板と射出成型基板とが固定される。このため、射出成型基板の材質とプリント基板の材質の線膨張係数の違いにより、温度変化に伴う半田部に付与される応力の発生を緩和することができる。また、雌ネジ部を射出成型基板の樹脂部に埋設させておくことで、固定部材であるボルトでの固定が容易である。

　また、射出成型基板から露出した回路導体の一部をプリント基板に形成されたスルーホールに貫通させてプリント基板に半田で電気的に接続されれば、半田部がプリント基板上に形成される。このため、半田部を容易に確認することができる。

　また、固定部材の径をＤ（ｍｍ）、半田による電気的な接合部の径をｄ（ｍｍ）とした場合に、半田の中心位置と固定部材の中心位置との距離が（Ｄ＋ｄ）／２＋９ｍｍ以下であれば、半田部に過剰な応力が付与されることを確実に防止することができる。

　また、射出成型基板には、少なくとも一対の凸部が形成され、凸部上にプリント基板が配置され、固定部材であるボルトが、凸部に形成された雌ネジ部に固定されれば、プリント基板の半田部とボルトが同じ凸部上に配置される。このため、確実に半田部に発生する応力を抑制することができる。また、射出成型基板とプリント基板との間には空間が形成され、空間において、前記射出成型基板上に電子部品が設置されれば、電子部品を層構造で配置できる。このため、基板の小型化を達成することができる。

　また、射出成型基板から露出した回路導体の一部に、応力緩和部が形成されれば、射出成型基板とプリント基板との間の熱膨張に伴う変位を、当該応力緩和部で緩和することができる。このため、半田部に直接応力が付与されることを抑制することができる。ここで、応力緩和部としては、回路導体を屈曲し、少なくとも水平部および鉛直部を一部に有するように構成することで、水平方向および鉛直方向のいずれに対しても確実に応力を緩和することができる。

　また、応力緩和部として、回路導体の一部に低剛性部が形成されるように構成することで、当該低剛性部が容易に変形し、確実に応力を緩和することができる。

　第２の発明は、導体である回路素材を接合して、回路導体を形成し、前記回路導体の表面に対して樹脂を射出成型して射出成型基板を成型し、前記射出成型基板の上面に露出する回路導体の一部が、プリント基板のスルーホールを貫通するように前記プリント基板を設置し、前記回路導体と、前記プリント基板および電子部品とを、半田で電気的に接続し、あらかじめ前記射出成型基板の樹脂部に形成された雌ネジ部を用い、前記プリント基板を前記射出成型基板にボルトで固定することを特徴とする基板の製造方法である。

　第２の発明によれば、大電流にも耐えることができ、また、小型電子部品であっても同一基板上に配置可能であり、射出成型基板とプリント基板との接続部である半田部に過剰な応力が付与されることがない。

　本発明によれば、ＤＣ－ＤＣコンバータ等のような大電流にも使用可能な基板であって、小型電子部品を１枚の基板上に配置可能であり、基板上の電気接続部の信頼性に優れる基板および基板の製造方法を提供することができる。

基板１を示す斜視図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は組立斜視図。 基板１の断面図であり、図１（ｂ）のＡ－Ａ線断面図。 図２のＢ部拡大図。 ボルトと半田との距離と、半田にかかる応力との関係を示す図。 プリント基板の変形例を示す図で、基板３０の断面図。 プリント基板の変形例を示す断面図で、（ａ）はプリント基板４０ａを示す図、（ｂ）はプリント基板４０ｂを示す図。 プリント基板の変形例を示す図で、基板５０の断面図。

　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１、図２は、基板１を示す図であり、図１（ａ）は分解斜視図、図１（ｂ）は組立斜視図、図２は基板１の断面図であって図１（ｂ）のＡ－Ａ線断面図である。基板１は、大電流で用いることが可能な基板である。

　基板１は、射出成型基板３にプリント基板５が接続されて形成される。射出成型基板３には、電子部品搭載部７、プリント基板搭載部１１が形成される。電子部品搭載部７、プリント基板搭載部１１では、それぞれ内部の回路導体が、導体部１５ａ、１５ｂにおいて露出する。また、導体部以外の部位は樹脂９によって被覆される。

　プリント基板５は、従来のガラスエポキシ基板を用いて構成する。プリント基板５には電子部品１３ｂがあらかじめ搭載される。

　電子部品搭載部７は、電子部品１３ａが搭載される部位である。また、プリント基板搭載部１１は、プリント基板５が搭載される部位である。プリント基板５には、スルーホール２１が設けられる。層間接続のためのスルーホール２１にはメッキが施される。導体部１５ｂはプリント基板搭載部１１に略垂直に形成され、スルーホール２１に挿入される。

　プリント基板搭載部１１の導体部１５ｂ近傍には、雌ネジ部１７が形成される。雌ネジ部１７は、固定部材であるボルト２３と螺合可能である。電子部品１３ａは、電子部品搭載部７の導体部１５ａに半田等で接続される。また、プリント基板５は、導体部１５ｂがスルーホール２１を貫通して、プリント基板５上面において半田２５で接続される。プリント基板５の半田２５（スルーホール２１）近傍には、あらかじめ孔１９が形成される。ボルト２３は、孔１９を貫通して、雌ネジ部１７に固定される。

　なお、本発明の基板としては、図示したような形状の基板に限られず、トランスやチョークコイルを有するＤＣ－ＤＣコンバータなど、大電流が流れる基板に対しては、当然に適用可能である。すなわち、本発明は、図に示すような部品配置および形状に限られることはなく、その他の部品等を適宜搭載することや、配置および形状を適宜変更することが可能なことは言うまでもない。

　図３は、図２のＢ部拡大図である。ボルト２３の中心線と半田２５（スルーホール２１）の中心との距離をＬとする。また、ボルト２３の頭部の径をＤ（ｍｍ）とし、電気的な接合部である半田２５の径（スルーホール２１における導体パッドの径）をｄ（ｍｍ）とする。

　この場合、Ｌは、（Ｄ＋ｄ）／２＋１ｍｍ以上であり、（Ｄ＋ｄ）／２＋９ｍｍ以下であることが望ましい。Ｌが（Ｄ＋ｄ）／２＋１ｍｍ以上であれば、固定部材と半田部とが干渉することがない。また、Ｌが（Ｄ＋ｄ）／２＋９ｍｍを超えると、急激に半田部へ付与される応力が増大する。したがって、Ｌを（Ｄ＋ｄ）／２＋９ｍｍ以下とすることで、射出成型基板３とプリント基板５を構成するそれぞれの樹脂の熱膨張係数の違いにより、半田２５に生じる応力を低減することができる。

　図４は、ボルト２３と半田２５との中心距離Ｌと、半田２５に付与される応力σとの関係を解析した図である。ボルトの頭部径を１０ｍｍΦ、スルーホール導体パットを４ｍｍΦとして、それぞれの中心間距離Lを変えたときに、半田２５にかかる最大応力をＦＥＭで解析した。応力は、プリント基板の熱膨張係数を１５ｐｐｍ／℃（ガラスエポキシ基板ＦＲ－４に相当）とし、射出成型基板の熱膨張係数を４０ｐｐｍ／℃（ポリフェニレンサルファイドに相当）として、－４０℃～１２０℃まで温度を変化させた際の最大応力を算出した。

　図４より明らかなように、Ｌが１６ｍｍを超えると急激に応力が増加する。したがって、本発明では、Ｌを１６ｍｍ以下とすることが望ましい。すなわち、ボルト２３の頭部の径をＤ（ｍｍ）とし、スルーホール２１における導体パッドの径）をｄ（ｍｍ）とすると、（Ｄ＋ｄ）／２＋９ｍｍとすることが望ましい。

　基板１は例えば以下のように製造される。まず、銅板等の導体である回路素材をプレスにより打ち抜き、必要な曲げ加工を施して所望の形状に形成する。銅板等には、必要に応じてＳｎメッキ等を施してもよい。次いで、複数の回路素材同士を溶接、または絶縁部材等を介して接合して回路導体を形成する。回路導体は、平面のみではなく、複数層に層状に形成されてもよい。

　得られた回路導体を所定位置にピン等で射出成型金型に固定し、樹脂を射出して射出成型を行う。この際、必要な導体露出部以外の部位が樹脂９により被覆され、また、回路素材同士の層間等にも樹脂が射出される。このようにして射出成型基板３が形成される。なお、雌ネジ部を構成する金属ナット等をあらかじめ設置して、射出時に樹脂で一体化してもよい。

　樹脂９としては、絶縁性があり、射出成型が可能であればよく、例えば、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフタルアミド等が使用できる。

　なお、導体回路素材としては、例えば４００μｍ以上の厚さの銅板等が用いられる。４００μｍ未満では、大電流に耐えることが難しく、また、射出成型時の樹脂圧によって変形等の恐れがあるためである。なお、導体回路素材の厚さとしてさらに望ましくは、４００μｍ～１０００μｍである。厚すぎると、コスト及び重量等が増加し、コンパクトな基板を形成することができなくなるためである。

　次に、電子部品搭載部７に電子部品１３ａを搭載し、電子部品の電極を導体部１５ａ等に電気的に接続する。同様に、プリント基板搭載部１１には、プリント基板５を搭載し、プリント基板５のスルーホール２１に導体部１５ｂを挿入して電気的に接続する。それぞれの電気的な接続は、例えば半田、ワイヤーボンディング等を用いればよい。最後に、プリント基板５をボルト２３で固定する。

　なお、プリント基板５上への部品の搭載は、所定位置にクリーム状の半田を印刷し、小型コンデンサ等の部品を所定位置に設置した後、リフロー炉を通して半田を溶融して接合をすればよい。

　以上説明したように、本実施形態の基板１によれば、回路素材をプレスで形成するため、厚銅基板を形成することができ、さらに樹脂９を射出成型により形成するため、製造性に優れ、大電流にも耐えうる基板１を得ることができる。このようにしてなる基板１では、信号系の小電流はプリント基板５上の回路（小型コンデンサ等）を利用するとともに、パワー系の大電流は射出成型基板の回路導体を利用することができる。したがって、１枚の基板上にこれら回路を全て搭載できるため、基板同士のケーブル等による接続が不要となり、低コストおよび小型化が達成できる。

　また、プリント基板５と射出成型基板３とが半田２５で接続され、半田２５の近傍においてボルト２３で固定されるため、半田２５に過剰な応力が生じることがない。

　また、スルーホール２１に導体部１５ｂを挿入して半田２５で接続するため、半田部を容易に視認することができる。

　次に、第２の実施の形態について説明する。図５は、第２の実施の形態にかかる基板３０を示す図である。なお、以下の説明において、基板１と同様の機能を奏する構成については、図１等と同様の符号を付し、重複する説明を省略する。

　基板３０は、基板１と略同様の構成であるが、射出成型基板３１等の態様が異なる。射出成型基板３１には、一対の凸部３３ａ、３３ｂが形成される。凸部３３ａ、３３ｂは、射出成型基板３１におけるプリント基板搭載部として機能する。

　射出成型基板３１より露出する導体部１５ｂは、当該凸部３３ａ、３３ｂ上面に露出する。プリント基板５は、少なくとも一対の凸部３３ａ、３３ｂにまたがるように設置される。導体部１５ｂは、プリント基板５のスルーホール２１を貫通し、半田２５によりプリント基板５と電気的に接続される。

　凸部３３ｂには、雌ネジ部１７が設けられる。したがって、凸部３３ｂにおいて、プリント基板５は、ボルト２３によって射出成型基板３１に固定される。また、凸部３３ａには、雌ネジ部１７および導体部１５ｂが露出する。凸部３３ａ上には、プリント基板５のスルーホール２１が配置される。したがって、凸部３３ａにおいて、プリント基板５は、導体部１５ｂと電気的に接続されるとともに、ボルト２３によって射出成型基板３１に固定される。なお、凸部３３ａ、３３ｂの両者に、雌ネジ部１７、導体部１５ｂを露出させてもよい。また、以下の説明では、凸部３３ａ、３３ｂを合わせて凸部３３と称する。

　なお、基板３０においては、凸部３３で挟まれた部位において、プリント基板５と射出成型基板３１との間に空間が形成される。射出成型基板３１に搭載される電子部品１３ａは、当該空間に配置されてもよい。すなわち、電子部品搭載部７は、凸部３３の間に形成される。

　第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、射出成型基板上に搭載される電子部品とプリント基板に搭載される電子部品を層状に配置することができるため、小型な基板を得ることができる。

　次に、第３の実施の形態について説明する。図６（ａ）は、第３の実施の形態にかかる基板４０ａを示す図である。基板４０ａは、基板３０に対して、さらに応力緩和部４１が形成される。

　基板４０ａでは、プリント基板５と接続される導体部１５ｂが、樹脂９の表面からまっすぐにはプリント基板５に貫通しない。導体部１５ｂは、射出成型基板４３ａの側面から側方に向かって略水平（基板の面に略平行）に突出し、さらに屈曲されて上方に向けて形成される。屈曲部においては、少なくとも一部に、水平部および鉛直部が形成されることが望ましい。

　導体部１５ｂの屈曲部が応力緩和部４１として機能する。応力緩和部４１は、プリント基板５と射出成型基板４３ａとの間の熱膨張差に伴う変形に対し、導体部１５ｂが拘束されず、一部が変形可能である。このため、半田２５に対して応力が発生することを緩和することができる。

　応力緩和部４１として、水平方向および鉛直方向の少なくとも２方向の部位が形成されれば、半田に生じる水平方向および鉛直方向の応力を容易に緩和することができる。

　なお、応力緩和部４１の構成は、図６（ａ）の例には限られない。例えば、図６（ｂ）に示す基板４０ｂのように、応力緩和部４１が射出成型基板４３ｂの側面に露出する必要はない。すなわち、応力緩和部４１は、プリント基板５との接続部と射出成型基板表面からの露出部との間に、導体部１５ｂが拘束されずに変形可能な部位が形成されれば良い。

　図７は、応力緩和部のさらに変形例を示す図である。図７に示す基板５０は、基板４０ａと略同様の構成であるが、導体部１５ｂに屈曲部が形成される代わりに、細径部が形成される。すなわち、導体部１５ｂの非拘束部において、他の部位よりも低剛性部が設けられる。低剛性部は他の部位よりも容易に変形可能である。このため、前述したような、プリント基板と射出成型基板との間の変位に対しても、当該応力緩和部が容易に変形して、半田２５に付与される応力を緩和することができる。

　第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、プリント基板と射出成型基板とを接続する導体部１５ｂの一部が、射出成型基板の樹脂から露出して応力緩和部を構成するため、半田２５に付与される応力を緩和することができる。

　以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

　たとえば、上述した各構成は、当然にそれぞれ組み合わせることができる。また、プリント基板と射出成型基板との接続は、スルーホールを用いなくてもよい。また、ボルトに代えて、機械的に固定可能なピン等の固定部材を用いて、プリント基板と射出成型基板とを固定してもよい。

１、３０、４０ａ、４０ｂ、５０………基板
３………射出成型基板
５………プリント基板
７………電子部品搭載部
９………樹脂
１１………プリント基板搭載部
１３ａ、１３ｂ………電子部品
１５ａ、１５ｂ………導体部
１７………雌ネジ部
１９………孔
２１………スルーホール
２３………ボルト
２５………半田
３１………射出成型基板
３３ａ、３３ｂ………凸部
４１、５１………応力緩和部
４３ａ、４３ｂ………射出成型基板
 

Claims (10)

1. 　回路導体の表面に対して樹脂が射出成型された射出成型基板と、
   　あらかじめ表面に電子部品が搭載されたプリント基板と、
   　を具備し、
   　前記射出成型基板からは、前記回路導体の一部が露出し、
   　露出した前記回路導体の一部が前記プリント基板と半田で電気的に接続され、
   　前記半田の近傍で前記プリント基板が前記射出成型基板と固定部材で固定されることを特徴とする基板。
2. 　前記固定部材はボルトであり、
   　あらかじめ射出成型基板の樹脂部には雌ネジ部が形成されており、
   　前記ボルトを前記雌ネジ部に固定することで、前記プリント基板が固定されることを特徴とする請求項１記載の基板。
3. 　前記射出成型基板から露出した前記回路導体の一部は前記プリント基板に形成されたスルーホールを貫通して前記プリント基板に半田で電気的に接続されることを特徴とする請求項１記載の基板。
4. 　前記固定部材の径をＤ（ｍｍ）、前記半田による電気的な接合部の径をｄ（ｍｍ）とした場合に、前記半田の中心位置と前記固定部材の中心位置との距離が（Ｄ＋ｄ）／２＋９ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の基板。
5. 　前記射出成型基板には、少なくとも一対の凸部が形成され、
   　前記凸部上に前記プリント基板が配置され、
   　前記固定部材であるボルトが、前記凸部に形成された雌ネジ部に固定されることを特徴とする請求項１記載の基板。
6. 　前記凸部上には、前記回路導体が露出し、
   　前記凸部上に配置された前記プリント基板のスルーホールに、露出した前記回路導体が貫通して、前記プリント基板と半田で電気的に接続されることを特徴とする請求項５記載の基板。
7. 　前記射出成型基板と前記プリント基板との間には空間が形成され、
   　前記空間において、前記射出成型基板上に電子部品が設置されることを特徴とする請求項５記載の基板。
8. 　前記射出成型基板から露出した前記回路導体の一部には、応力緩和部が形成され、前記応力緩和部は、回路導体が屈曲されて構成され、少なくとも水平部および鉛直部を一部に有することを特徴とする請求項１記載の基板。
9. 　前記射出成型基板から露出した前記回路導体の一部には、応力緩和部が形成され、前記応力緩和部は、回路導体の一部に低剛性部が形成されることを特徴とする請求項１記載の基板。
10. 　導体である回路素材を接合して、回路導体を形成し、
    　前記回路導体の表面に対して樹脂を射出成型して射出成型基板を成型し、
    　前記射出成型基板の上面に露出する回路導体の一部が、プリント基板のスルーホールを貫通するように前記プリント基板を設置し、
    　前記回路導体と、前記プリント基板および電子部品とを、半田で電気的に接続し、
    　あらかじめ前記射出成型基板の樹脂部に形成された雌ネジ部を用い、前記プリント基板を前記射出成型基板にボルトで固定することを特徴とする基板の製造方法。
     

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