JP5456843B2

JP5456843B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP5456843B2
Application number: JP2012118202A
Authority: JP
Inventors: 俊和高木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: JP2013247168A

Description

この発明は、例えば、スルーホール実装部品と表面実装部品との混載実装を必要とする電源装置に関するものである。

この種電源装置は、車載用充電機やインバータ、降圧コンバータなどに適用される電源装置であり、通常この電源装置には、トランジスタやＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどのスルーホール実装部品と、抵抗、コンデンサ、マイコンなどの制御ＩＣなどの表面実装部品が同一基板上に混載実装される。

特開２００８−９１８１７号公報特開平４−１３９８６２号公報特開２０１０−２１２３１号公報

しかしながら、上述のように混載実装された電源装置の基板構成は、トランジスタやＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子が発熱することから、高放熱性、小型化かつ低コスト構造が求められる。

このような課題に対して、部品自体から発せられる熱に対しては、例えば、特許文献１記載のように、放熱材（例えば、シリコン樹脂やアクリル樹脂で直方体として成形されたゴム系の部材）で、発熱部品の電極部（電極がはんだ付けされた部分）と金属ケースを熱的に接続するように基板上に配設する手法が示されている。具体的には、放熱材は、その１つの側面が発熱部品の電極部に接触し、上面が絶縁板に接触するように基板に配置される。そして、発熱部品の電極部から発生する熱を、その電極部との接触面から絶縁板との接触面を介して金属ケースに伝導させられる（特許文献１）。

また、特許文献２に記載のように、発熱量の大きい半導体チップをガラスエポキシのプリント配線基板に実装してなる混成集積回路装置において、前記プリント配線基板の半導体チップ搭載位置に角穴を設け、この角穴をふさぐようにプリント配線基板の裏面に金属板を貼付け、その金属板上に直接半導体チップを搭載する方法が示されている（特許文献２）。

また、特許文献３に示されるように、リードフレームの一面に第１の電子部品等が搭載され、これらがモールド樹脂で封止されており、第１のリードフレームの他面に、電気絶縁性の絶縁層を介して第２のリードフレームを設け、第２のリードフレームのうちモールド樹脂から露出する部位に、第２の電子部品が搭載され、両リードフレームのいずれか一方のリードフレームの端部が、絶縁層をまたいで他方のリードフレームの端部まで折り曲げられることで、これら両リードフレームの端部同士が接合させる構造とすることで、リードフレーム上に大型部品を実装し、且つ、モールドされている電子部品の放熱を適切に行う手法が提案されている。

特許文献１によれば、部品単体からの発熱は抑制できるものの、形状にもよるが大電流が流れるパターン発熱をケース等にパスさせるには該当パターン面積分の放熱材を必要と
する。

また、特許文献２に記載されているように、パワー混成集積回路装置用としては、金属コア基板や厚膜印刷セラミック基板等があるが、高集積化に限界がある。また、高集積化に適する基板として、ガラスエポキシ等の有機系配線があるが、パワー用途には適当ではない。従って、発熱量が多く高集積化が要求される場合、混成集積回路装置の実現は困難であるが、上記のような課題に対して、特許文献１、２記載のようにベアチップ等から専用にモジュール化するためには開発工数がかかり、少ロット品には不向きである。

従来の方法としては、トランジスタやＩＧＢＴなどのスルーホール実装部品（ラジアル部品、アキシャル部品、ＤＩＰ、ＰＧＡ、ＺＩＰなどのパッケージ）と表層実装部品の混載実装には、半田付けの製造工程にリフロー実装、フロー実装が用いられる。
フロー実装とは、スルーホール実装方式の基板の半田付けに用いるもので、溶融した半田が常に噴出して流れて、循環するようにし、その半田噴出の表面に基板の半田面を触れるようにして半田付けする方法である。
また、リフロー実装とは、赤外線加熱、熱風法、気相半田付け法などにより、基板上に予めＨＡＳＬ（ホットエアーハンダレベラー）、ソルダーペースト印刷などで基板上に半田を施した後、その上に部品をマウントさせてリフロー槽を通過させる。これにより半田を溶融し、半田付けを行う方法である。

基板にスルーホール実装部品と表層実装部品が混載実装される場合、製造上の工程においてフロー、リフローの２つの工程に分けて実施する必要がある。工程の流れとしては、リフロー実装を実施した後、フロー実装を実施する。
この際、フロー相を通すことで、一度実装された表面実装部品端子が半田溶融することを防ぐ目的で表面実装部を保護する器具を取り付けた状態でフロー実装が行われる。
このような実装方法では、保護具が当該基板と接触する箇所及びその周辺においては、部品との干渉を避けるために部品の搭載ができず、このことが部品搭載位置の制約となる。

従来、基板上で大電流が流れるパターン箇所は、発熱の観点から基板銅箔厚を厚くし、パターン面積を確保することで基板パターン上の発熱を抑える方法が一般的に採られる。このような場合のパターンの銅箔厚は、通常１２μｍ〜３５μｍに対し、銅箔厚６０μｍと倍程度厚くしてパターン配線上の抵抗値を下げる手法が採られる。

また、特許文献２に記載されているように金属板を内層に設けた金属コア基板なども熱対策として用いられる。しかし、いずれの手法も、通常の製造工程に比べて基板の製造工程を要したり、基板材料そのものの単価が増えるなど、通常のＦＲ４（エポキシ積層材）などの基板層構成に比べて基板コストが割り高となるという課題がある。
また、同一基板上でパターンの配線を実施しようとした場合には、基板サイズの小型化が困難となり、結果として基板コスト化が割高となるという課題もあった。
さらに、パワー回路特有の発熱や基板パターン上を大電流が流れることによって基板パターンの導体損により発熱するという課題がある。

この発明は、スルーホール実装部品と表面実装部品が混載実装される回路において、製造工程を簡単にし、かつ基板サイズ小型化を可能とする、また、パワーエレクトロニクス特有の問題である基板パターン発熱を抑制し低コスト化を可能とする電源装置の提供を目的とする。

この発明に係わる電源装置は、予めパワーデバイスをスルーホール実装したサブプリント配線基板、及び上記パワーデバイスを駆動制御するマイコンを実装したメインプリント配線基板を備え、上記サブプリント配線基板の外周端部には、パターン形成された複数の電極端子を設け、これら電極端子の複数個のうち一部は、上記パワーデバイスのリード端子部と電気的に接続されると共に、残余の上記電極端子は、上記サブプリント配線基板と上記メインプリント配線基板とをリフロー実装する工程において半田付けされ、この半田付けされた上記電極端子によって、上記サブプリント配線基板を上記メインプリント配線基板に固定したものである。

スルーホール実装部品と表面実装部品が混載実装される従来の電源装置では、サブ基板において、リフロー実装の前工程としてフロー実装により半田付けする必要が生じるが、この発明の電源装置によれば、サブ基板には、スルーホール実装部品のみ集約搭載するので、スルーホール実装と表面実装部品という製造工程が混載された構造よりも製造工程が簡略化でき、表面実装部品で保護器具が不要となる。或いは、これまで表面実装部品とスルーホール実装部品の領域で、保護器具取り付けのためのクリアランスを必要としていたが、クリアランスが不要となった分、メイン基板サイズの小型化が可能となる。また、パワーエレクトロニクス特有の問題である基板パターン発熱の抑制と低コスト化を可能となるなどの効果がある。

この発明の実施の形態１に係る電源装置の概略構造を示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係る電源装置におけるサブ基板上の外層／内層接続構成を模式的に示した断面図である。この発明の実施の形態２に係る電源装置の概略構造を示す斜視図である。この発明の実施の形態３に係る電源装置を模式的に示した断面図である。この発明の実施の形態３に係る電源装置におけるメイン基板６を筺体１０に接続した状態を簡略化して示した斜視図である。この発明の実施の形態４に係る電源装置に使用されるサブ基板のワークサイズ及び電極形成を示す説明図である。この発明の実施の形態４に係る電源装置におけるパターン形成された半円状電極端子の一部を示す斜視図である。この発明の実施の形態５に係る電源装置を模式的に示した断面図である。この発明の実施の形態５に係る電源装置の変形例を模式的に示した断面図である。図９の要部を部分的に拡大して示した断面図ある。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一或いは相当部分を示す。

実施の形態１
図１は、この発明の実施の形態１に係る電源装置の概略構造を示す斜視図である。
図１において、電源装置は、サブ基板３とメイン基板６とで構成され、サブ基板３は、少なくとも一つ以上のパワーデバイス（例えばトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴなどのラジアル部品、アキシャル部品）１と、このパワーデバイス１を実装するためのスルーホール２、４を備え、サブ基板３の外周端部には、パターン形成された複数の電極端子５、７が設けられ、そのうちのいくつかの電極端子５は、パワーデバイス１などがスルーホール実装されたスルーホール４と電気的に接続され、その他（残余の）の電極端子７は、サブ基板３とメイン基板６とをリフロー実装する工程において半田付けされ、サブ基板３をメイン基板６に固定保持するための固定部として機能する。

また、メイン基板６には、パワーデバイス１など、例えばスイッチ素子を駆動制御させ
るための制御ＩＣ９が実装されており、これらメイン基板６からサブ基板３への制御信号の伝達は電極端子５を介して制御駆動される。
パワーデバイス１などのリード部品は、予めサブ基板３にスルーホール実装されている。
メイン基板６とサブ基板３を接続する箇所で、すなわちサブ基板３と電極端子（電極端子５と、その他（残余）の電極端子７）との箇所において、ソルダーペースト印刷などで基板上に半田を施させることによって、サブ基板３を制御ＩＣ９など他の表面実装部品と同様にリフロー実装にて半田付け可能となる。

また、サブ基板３には以下に述べるような機構が付加されている。
すなわち、サブ基板３には、吸引箇所となる偏平箇所（平坦面部）８が設けられており、当該平坦面部８を、表面実装部品自動実装機の吸引ノズル（図示せず）で吸着しサブ基板３をメイン基板６の所望の実装箇所に搭載させる。
このように、サブ基板３自体に吸引箇所となる平坦面部８を設けることで、マイコンやコネクタなどの他の表面実装部品と同様に自動実装機による実装が可能となる。

また、サブ基板３における基板パターンは、銅箔で形成され、その厚みが６０μｍ以上に設定されている。このように、銅箔厚み６０μｍ以上として基板パターン及びスルーホール２、４の抵抗値を下げて、大電流が流れることによるパターン発熱の抑制を行っている。
本来、大電流が流れる基板パターンには、配線上の抵抗値による発熱を低減させるため、銅箔厚を厚くして基板放熱性を確保するのだが、この構成によれば、基板のパターン銅箔厚を厚くする必要があるパワーデバイス１周辺の基板パターンは、サブ基板上に形成させるので、基板のパターン銅箔厚を厚くする必要な部分にのみ、高放熱性の基材を使用すれば良く、サブ基板３のサイズも小さくできる。

また、サブ基板３は、基板上に少なくとも２つ以上のパワーデバイス１が実装されたものであって、例えば図２のように、複数のパワーデバイス１が、スルーホール４を介してサブ基板上の外層／内層の基板パターン４ａで互いに電気的に接続された構成としても良い。これにより、サブ基板３の厚み方向に銅パターンが積層されるためサブ基板３によって基板板厚方向に基板パターン４ａが積層できるので、等価的に銅箔厚を確保でき、且つ基板パターン４ａの抵抗値を下げることができ、その結果、基板パターン４ａでの発熱を低減できる。さらに必要な部分のみ、すなわちサブ基板上のパワーデバイス１周辺の基板パターン部分を、アルミナやセラミック基板など放熱性に優れた基板材料とすることで、より基板発熱を抑制できる。

サブ基板３においては、リフロー実装の前工程としてフロー実装により半田付けする必要が生じるが、サブ基板３の部品は、上述のようにスルーホール実装部品のみに集約させられるので、スルーホール実装と表面実装部品という製造工程が混載された構造よりも製造工程が簡略化できる。
具体的には、表面実装部品で保護器具が不要となる。或いは、これまで表面実装部品とスルーホール実装部品の領域で、保護器具を取り付けるためのクリアランスを必要としていたが、クリアランスが不要となりその分、基板サイズの小型化が可能となる。

実施の形態２
図３は、実施の形態２に係る電源装置の概略構造を示す斜視図である。
図３において、電源装置は実施の形態１に加えて、サブ基板３の基板材料として、熱伝導性の良い高熱伝導性基板材料（例えば、アルミ、セラミック、金属コア基板）を採用し、メイン基板６及びサブ基板３を格納させる筐体１０（金属ケース或いはヒートシンク）に接続した構成としたものである（図５）。

このようにすることで、該当パワーデバイス１で生じた熱を筐体１０に逃がす際に、通常のＦＲ４（エポキシ積層材）に比べて熱伝導が向上するのでサブ基板３の熱伝導性が向上し放熱性を改善できるので基板の放熱性能がより向上する。
さらに、この実施の形態２によれば、サブ基板３はパワーデバイス１の実装スペース程度で済むので、この実施の形態２のような特殊な基板材料を採用したとしてもコストアップを最低限に抑制できる。

実施の形態３
図４は、実施の形態３に係る電源装置の概略構造を模式的に示した断面図である。
実施の形態３に係る電源装置は、実施の形態２に加えて、サブ基板３に複数個の放熱用スルーホール１１を設けることによって、パワーデバイス１と筐体１０間に、熱を伝えるパスを形成したものである。
なお、放熱用スルーホール１１を設ける箇所は、パワーデバイス１のパッケージ部や放熱用フィンと接触する箇所であり、メイン基板６及びサブ基板３を格納する筐体１０に接続させる構成にして、放熱用スルーホール１１を介して、パワーデバイス１での発熱を筐体（或いは金属ケース）１０へ逃がす構成にしても良い。
例えば、図５のように、筐体１０内に放熱用フィン１０ａが設けられていて、メイン基板６にもサブ基板３の放熱用スルーホール１１と同様に放熱用スルーホール（図示せず）が設けられており、この放熱用スルーホールを介してサブ基板３が放熱用フィン１０ａと接触するように筐体１０に設けられている。また、メイン基板６の放熱用スルーホールが、しっかりと放熱用フィン１０ａと接触するように、メイン基板６は筐体１０に複数のネジ１６で固定する構造とする。
このように構成することにより、より安価で簡単な構造でパワーデバイス１と筐体１０間に熱を伝えるパスを形成することができる。
なお、図５中ではパワーデバイス１の発熱をメイン基板６を介して筐体１０へ逃がす構成としているが、サブ基板３が筐体１０に部分的に接触するよう、筐体側に突起あるいは段差構造を設けて、メイン基板６は、筐体１０のそれら突起あるいは段差構造を避けるような形状とし、メイン基板６の放熱用スルーホール箇所と筐体１０のそれら突起あるいは段差構造が直接接触する構成としても良い。

実施の形態４
図６は、実施の形態４に係る電源装置に使用されるサブ基板のワークサイズ及び電極形成を示す説明図である。
サブ基板３の外周端部に設けられた複数の電極端子５、７は、スルーホールを半分に裁断した形状としても良い。

基板製造上、図６のように所望のワークサイズ１２から、何枚の基板が作成できるかにより基板単価はほぼ決まる。従って、サブ基板３を製造する工程において、所望の基板ワークサイズから複数のサブ基板３を製造するのだが、その際に隣り合う基板同士の端に沿って電極用スルーホール１３を配置し、そのスルーホール中心から裁断することで半円状のスルーホールすなわち電極が形成できるので、サブ基板側の端部に、パターン形成された電極端子で簡単に電極を形成できる。
すなわち、図７に示すようにサブ基板３の端部に形成された半円筒状のサブ基板電極端子５ａまたは７ａは、スルーホール中心から裁断することで形成され、電極端子側面は、サブ基板製造工程上、他の基板パターンと同様に銅メッキされるので導電性が確保されている。

実施の形態５
図８は、実施の形態５に係る電源装置の概略構造を模式的に示した断面図で、図９は、
実施の形態５に係る電源装置の変形例を示した断面図である
図８において、実施の形態５に係る電源装置のメイン基板６には、実施の形態１、２に加えて、実装したパワーデバイス１のリード端子部１ａがサブ基板３の裏面に突き出る箇所に、リード部及び半田フィレット部分を避けるため、リード端子部１ａの導入を許容するスペース（穴もしくはスルーホール）１４が形成されている。

このようにすれば、サブ基板３に実装されたパワーデバイス１のリード端子部（サブ基板側の）１ａがメイン基板６上に突出しても、スペース１４によって該当部がメイン基板６に接触／干渉することを防止、回避できるので、接触や干渉によりメイン基板６またはリード半田部（図示せず）にストレスがかかるのを防ぐことができる。

図９、図１０は、実施の形態５の変形例を示し、図９、図１０におけるスルーホール状のスペース１５の穴径は、パワーデバイス１のリード部を導入したサブ基板３のスルーホール４の穴径より小径としたものである。
このように、スペース１５を、サブ基板３のスルーホール４より径を狭める構成にすることにより、メイン基板６とサブ基板３との半田接合部の接合強度がより強化でき該当部での半田接続信頼性が向上できる。

サブ基板３にパワーデバイス１を実装すると、パワーデバイス１のリード端子部１ａ先端側のリード端子部１ａとスルーホールランド４ｂに半田フィレットが形成される（図示せず）。さらに、メイン基板６にサブ基板３や他の表面実装部品をリフロー実装する前工程の部品搭載時において、メイン基板６でリード端子部１ａが入る当該スルーホール４では、サブ基板３側のスルーホールランド４ｂと前記半田フィレットが接触した状態となる。
さらに、その状態でリフロー実装すると、パワーデバイス１及びサブ基板３の自重で半田フィレットを押しつぶす形で半田溶融する。溶融した半田は、浸透圧作用によりサブ基板側スルーホールランド４ｂとメイン基板側スルーホール１５ａの界面に広がる。従って、メイン基板６及びサブ基板３は、スルーホールランド４ｂ及び１５ａでも半田接続することで、半田接合面が増えるのでより半田接合強度を強化できる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１パワーデバイス
１ａパワーデバイスのリード端子部
２パワーデバイスを実装するためのスルーホール
３サブ基板（サブプリント配線基板）
４パワーデバイスを実装するためのスルーホール
４ａ基板パターン
４ｂサブ基板側スルーホールランド
５スルーホールと電気的に接続した電極
６メイン基板（メインプリント配線基板）
７サブ基板の保持固定用電極端子
８平坦面部（吸引箇所）
９制御ＩＣ
１０筐体（金属ケース或いはヒートシンク）
１１放熱用スルーホール
１２サブ基板ワークサイズ
１３電極用スルーホール
１４メイン基板のスペース
１５スルーホール状のスペース
１５ａメイン基板側スルーホール。

Claims

予めパワーデバイスをスルーホール実装したサブプリント配線基板、及び上記パワーデバイスを駆動制御するマイコンを実装したメインプリント配線基板を備え、
上記サブプリント配線基板の外周端部には、パターン形成された複数の電極端子を設け、これら電極端子の複数個のうち一部は、上記パワーデバイスのリード端子部と電気的に接続されると共に、残余の上記電極端子は、上記サブプリント配線基板と上記メインプリント配線基板とをリフロー実装する工程において半田付けされ、この半田付けされた上記電極端子によって、上記サブプリント配線基板を上記メインプリント配線基板に固定したことを特徴とする電源装置。
上記サブプリント配線基板には、部品実装機が吸着可能な平坦面部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
上記サブプリント配線基板におけるパターンは、パターン銅箔で形成され、その厚みが６０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源装置。
上記パワーデバイスは、スルーホール実装された少なくとも２つ以上のデバイスで構成され、それらのパワーデバイスは、スルーホールを介して上記サブプリント配線基板に積層された内外層の基板導体パターンによって電気的に接続したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。
上記メインプリント配線基板には、上記パワーデバイスのリード端子部の導入を許容する穴状又はスルーホール状のスペースが設けられたことを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
上記スルーホール状のスペースの穴径は、上記パワーデバイスのリード端子部を導入した上記サブプリント配線基板のスルーホールの穴径より小径とすることによって半田接合面を増やしたことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。