JP2009165327A - インバータ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子回路を高密度化して装置を小形化した安価なインバータ装置及びその製造方法を得ること。
【解決手段】コンバータ部及びインバータ部が実装された第１の基板１と、前記インバータ部を駆動するベース駆動回路が実装され、前記第１の基板１の一縁部に一縁部を隣接させ、前記第１の基板１とワイヤ又はリボン状の部材６をボンディングして接続され、前記第１の基板１と直立、直交状態になるように、位置決めした第２の基板２と、前記第１の基板１と第２の基板２とを互いに位置決め固定する固定部材７、８と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コンバータ部、インバータ部、ベース駆動回路等を基板に実装したインバータ装置及びその製造方法に関するものである。

従来のインバータ装置として、インバータ用パワー素子を含むパワーモジュールと、インバータ制御基板および平滑コンデンサなどを格納する外装ケースと、前記パワーモジュールが固定され該パワーモジュールからの熱を放熱する放熱フィンと、前記外装ケースと前記放熱フィンの間に断熱隔壁を備え、前記パワーモジュールの配置部を除いた前記外装ケースと前記放熱フィンとの間に断熱層を形成させ、前記放熱フィンからの熱による前記外装ケース内部の温度上昇を抑制したものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のインバータ装置として、パワー半導体を用いて構成された主回路部とパワー半導体を制御する制御回路部を内蔵する半導体モジュールを用いたインバータ装置において、リードフレーム上に固着されたパワー半導体素子を有し配線基板上にマイクロコンピュータ等の制御用半導体素子を有し、該リードフレームによって主回路部と制御回路部及び外部接続端子を電気的に接続し、該リードフレームは金属ベースと電気的に絶縁するための樹脂絶縁層を挟み込むようにして金属ベースに固着され、該金属ベースに固着される外装樹脂モールドケースを有し、該外装樹脂モールドケース内に樹脂を充填し、外装樹脂モールドケース内のリードフレームとリードフレーム上の回路部品及び半導体素子を封止した構造を有するものがある（例えば、特許文献２参照）。

また、内部空間を有する立体を平面的に展開した構造を有する型に複数の電子部品を配置し、前記型に予めボンディングパッドを形成し該ボンディングパッドに複数のワイヤをボンディングし、前記型によって形成された内部空間に成形材料を充填し、前記成形材料により前記電子部品及び前記ワイヤを封止し、前記成形材料を硬化させて、前記成形材料から前記型を剥離する工程を含む三次元実装部品の製造方法がある（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−０１４１６９号公報 特開２０００−２４５１７０号公報 特開２００１−３０８１１９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術によれば、パワーモジュールと、電源回路用の部品の実装面が異なるため、２回以上のハンダ付け工程が必要であるとともに、電源基板を小さくする場合には、ゲート駆動回路等の実装面積を確保しなければならず、高価な基板を用いるパワーモジュールが大きくなる。そのため、直材費の低減及び装置全体の小形化の妨げとなる、という問題があった。

また、上記特許文献２に記載の技術によれば、リードフレームの金属ベースへの固着や、ゲート駆動回路、電源回路を実装した基板との接続等の工程が多く、工数を低減することができないばかりか、リードフレームの固着や、ゲート駆動回路を実装するためのスペースが必要である。そのため、装置全体の小形化の妨げとなる、という問題があった。

また、上記特許文献３に記載の技術は、複数の型（板）を立体化するものであり、平面上においた状態で複数の型間をワイヤにて接続し、型の嵌め合いにより、部品、端子の位置精度を確保している。しかしながら、樹脂封止を行うための高精細な型が複数必要であり、製造コストが高い、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電子回路を高密度化して装置を小形化した安価なインバータ装置及びその製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、コンバータ部及びインバータ部が実装された第１の基板と、前記インバータ部を駆動するベース駆動回路が実装され、前記第１の基板の一縁部に一縁部を隣接させ、前記第１の基板とワイヤ又はリボン状の部材をボンディングして接続され、前記第１の基板と直立、直交状態になるように、位置決めした第２の基板と、前記第１の基板と第２の基板とを互いに位置決め固定する固定部材と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、電子回路を高密度化して装置を小形化した安価なインバータ装置が得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態のブロック線図であり、図２は、実施の形態のインバータ装置の基板組立構造を示す斜視図であり、図３−１は、第１の基板の斜視図であり、図３−２は、第１、第２、第３の基板を組立治具上に設置した状態を示す斜視図であり、図３−３は、組立治具上に設置した第１、第２、第３の基板間をワイヤボンディングした状態を示す斜視図であり、図３−４は、第１の基板にワイヤボンディングにより接続された第２、第３の基板を、第１の基板に対して夫々垂直に位置決めした状態を示す斜視図であり、図４は、図３−３に示す状態を他の角度から見た拡大斜視図であり、図５は、図３−３の状態から図３−４の状態に至る途中の状態を示す拡大斜視図であり、図６は、図３−４に示す状態を他の角度から見た拡大斜視図であり、図７は、組立てられた第１、第２、第３の基板を第４の基板に組付ける状態を示す斜視図であり、図８は、組立てられた第１〜第４の基板をヒートシンクに取付け第５の基板を第１の基板に組付ける状態を示す斜視図であり、図９は、実施の形態のインバータ装置の基板組立工程を示す図である。

図１に示すように、実施の形態のインバータ装置１００は、交直変換を行なうコンバータ部１１と、主コンデンサ回路１２と、直交逆変換を行なうインバータ部１３と、インバータ部１３を駆動するベース駆動回路１４と、電流検出器１５、１５と、増幅器１６、１６と、電圧検出器１７と、制御ユニット５０に電力を供給する制御電源回路１８とを有している。

図２に示すように、主コンデンサ回路１２、電圧検出器１７（図示せず）、制御電源回路１８（図示せず）は、ガラスエポキシ製の電源基板である第４の基板４に実装され、コンバータ部１１、インバータ部１３及び電流検出器１５、１５は、金属セラミック基板である第１の基板１に実装され、ベース駆動回路１４及び増幅器１６、１６は、ガラスエポキシ基板である第２の基板２及び第３の基板３に実装されている。

インバータ部１３を金属セラミック基板である第１の基板１に実装し、ベース駆動回路１４は、ガラスエポキシ基板である第２、第３の基板２、３に実装したので、高価な第１の基板を小型化することができ、直材費を低減するとともに装置全体を小型化することができる。

図１及び図２に示すように、制御ユニット５０は、周波数入力回路５１と、電流検出器１５、１５、電圧検出器１７よりの信号に応じた電圧、周波数のベース制御信号を生成し、ベース制御信号をベース駆動回路１４へ出力するマイクロコンピュータ５２と、運転状態を知らせるための運転状態出力回路５３と、運転状況を表示する表示器５４とを有している。制御ユニット５０の一部は、ガラスエポキシ製の制御基板である第５の基板５に実装されている。

次に、図２〜図９を参照して実施の形態のインバータ装置の製造方法を説明する。まず、図３−１及び図９に示すように、矩形の第１の基板１に、コンバータ部１１、インバータ部１３、電流検出器１５、１５等を実装する。

また、図３−２に示すように、第１の基板１の縁部に端子台１ａを取付け、矩形平板状の組立治具６０上に設置（治具組み）する。このとき、端子台１ａを、組立治具６０の縁部に設けられた段部６１上に設置して、第１の基板１を組立治具６０上で水平に位置決めする。

同様に、図３−２に示すように、第２の基板２に、ベース駆動回路１４を実装し、第２の基板２の他縁部に端子列２ａを取付け、端子列２ａを端子治具６２に挿し込み、端子治具６２を組立治具６０上の段部６１に対向する縁部に設置して、第２の基板２を、組立治具６０上の第１の基板１の一縁部１ｂと少し離間した位置に一縁部２ｂを隣接させ、水平に（第１の基板１と略平行に）設置して位置決めする。図示しないが、第２の基板２の下側の組立治具６０には、端子治具６２を保持して上方へ９０°回転する回転治具が埋込まれている。

同様に、図３−２に示すように、第３の基板３に、ベース駆動回路１４を実装し、第３の基板３の他縁部に端子列３ａを取付け、端子列３ａを端子治具６３に挿し込み、端子治具６３を、組立治具６０上の、段部６１が設けられた縁部と直交する縁部に設置して、第３の基板３を、組立治具６０上の第１の基板１の他の縁部１ｃと少し離間した位置に一縁部３ｂを隣接させ、水平に（第１の基板１と略平行に）設置して位置決めする。図示しないが、第３の基板３の下側の組立治具６０には、端子治具６３を保持して上方へ９０°回転する回転治具が埋込まれている。

次に、図３−３、図４及び図９に示すように、第１、第２、第３の基板１、２、３が矩形平板状の組立治具６０上に水平に位置決めされた状態で、第１の基板１のインバータ部１３と、第２、第３の基板２、３のベース駆動回路１４との間を、アルミワイヤ（ボンディングワイヤ）６、６でボンディングする。第１、第２、第３の基板１、２、３が互いに平行な状態でワイヤボンディングを行うので、第２、第３の基板２、３とボンディング機が干渉することはない。また、ワイヤボンディングにより基板間の電気的接続を行うので、基板の接続端子形成領域が削減され第１の基板１を小形化することができる。なお、各基板間の接続に用いる部材は、容易に変形するものであれば、アルミワイヤに限らず、リボン状のものであってもよいし、銅や金等のアルミ以外の材質であってもよい。

次に、図３−４、図５及び図９に示すように、組立治具６０上に水平に位置決めされた第１の基板１に対して、第２の基板２及び第３の基板３を夫々上方へ９０°回転させ、第１、第２、第３の基板１、２、３を互いに直立、直交状態に位置決めする。この第２、第３の基板２、３の９０°回転位置決めは、上記の図示しない回転治具により成される。互いに直立、直交に位置決めされた状態で、第１、第２、第３の基板１、２、３同士は接触せずに互いに離間している。なお、第１の基板１、第２の基板２、第３の基板３の各々の相対位置は、第２の基板２、第３の基板３の夫々の端子列２ａ、３ａを保持している端子治具６２、６３により、図２に示すように各端子列が第４の基板４のスルーホールに合致するように決められ、各端子列が第４の基板４にハンダ付けできる角度であれば、８０°から１００°の範囲等、９０°に限定されない。このとき、第１の基板１は、立体基板１０が第４の基板４にハンダ付けされたとき、第４の基板４と平行となるように位置決めされる。これにより、図８に示すように、第４の基板４、ケース８、ヒートシンク９をボルト９ａにより一体に締結するとき、第１の基板１と、ヒートシンクの取付け面が平行となり、金属セラミック基板である第１の基板１の割れを防ぎ、ヒートシンクとの間隙を一定に調整することができる。ただし、図５においては、基板配線として使用されるアルミワイヤ６は省略している。

組立治具６０は、第１の基板１、第２の基板２、第３の基板３の相互の位置決め、並びに、第２の基板２及び第３の基板３を保持して９０°回転させる役割とともに、第１の基板１、第２の基板２、第３の基板３を固定したまま各工程間を搬送するキャリアとしての役割と、各基板の強固な固定を必要とするアルミワイヤボンド工程において基板を固定するテーブルとしての役割を担っている。

図３−４及び図５に示すように、第３の基板３の端子列３ａの近傍に設けられた位置合せ孔３ｃ、３ｃが、端子治具６３に設けられた位置合せ凸部（図示せず）に嵌合して、第３の基板３が端子治具６３に位置決めされるようになっている。端子列２ａは、多数の大きな端子ピンを有しているので、大きな端子ピンを端子治具６２に嵌合させることにより、端子治具６２に位置決めされる。

図３−４に示すように、第１、第２、第３の基板１、２、３が、互いに直立、直交状態に位置決めされた状態で、第１、第２、第３の基板１、２、３で囲まれた内部空間に、固定部材としてのフレーム７が挿入され、第１、第２、第３の基板１、２、３夫々がフレーム７に固着され、第１、第２、第３の基板１、２、３及びフレーム７が、略箱形状に固定される。この状態で、組立治具６０及び端子治具６２、６３を取外し、図６に示す形状の立体基板１０が得られる（ただし、図６は、フレーム７を省略した図としている）。なお、フレーム７には、端子列２ａ、３ａの位置決め部を固定する突起や、受け部が設けられており、組立治具６０及び端子治具６２、６３が取外されたあとも、第１の基板１、第２の基板２、第３の基板３の相対位置を保持することができる。

また、図７に示すように、立体基板１０を、第１の基板１がケース８の底部８ｂに当接するようにして固定部材としての直方体枠状のケース８に格納し、固定する。なお、第１、第２、第３の基板１、２、３の相対位置決めは、フレーム７への固着によらずに、ケース８への格納・固定によって行うようにしてもよい。

図２に示すように、フレーム７は、段状に形成され、高さの高いトランス１２ｃと対向する部分は、トランス１２ｃと干渉しないように低くなっている（図２においては、ケース８の前方が破断されている）。フレーム７に設けられた孔７ａから、第１の基板１上にゲル状の樹脂を注入し、インバータ部１３、コンバータ部１１を構成するパワー素子、アルミワイヤ６、部品のハンダ付け部、基板配線等の間の絶縁性の確保と、アルミワイヤ６が振動や、腐食等により断線しないようにする。なお、端子治具６２，６３を取外す前に外枠のみのケースを取付け、注入する樹脂をエポキシ樹脂等の硬い樹脂にして固めることにより、第１の基板１、第２の基板２、第３の基板３の相対位置決めを、フレーム７、ケース８への固着によらずに注入する樹脂により行なうようにしてもよい。

図７、図８及び図９に示すように、第４の基板４に、主コンデンサ回路１２の電解コンデンサ１２ａ、コンデンサ１２ｂ、トランス１２ｃ、電圧検出器１７、制御電源回路１８等（図示せず）及びコネクタ２０を挿し込む。これらの電源部品は、この時点では、第４の基板４にハンダ付けしないでおく。また、第４の基板４の一縁部には、端子台４ａが取付けられている。また、第５の基板５の端子列５ａを通す孔２１を設けている。

図７に示すように、第４の基板４のスルーホール（図示せず）に、立体基板１０の端子列２ａ、３ａを、第１の基板１と第４の基板４が対向配置となるように挿し込むと、図２及び図８に示すように、第２の基板２の端子列２ａ、第３の基板３の端子列３ａが、第４の基板４の裏面に頭を覗かせる。この時点で、上記の電源部品及び端子列２ａ、３ａの端子を、１回のフローハンダ付けにより第４の基板４にハンダ付けする。これにより、組立工数を低減させている。

次に、図８に示すように、制御ユニット５０の一部を実装した第５の基板５を、第４の基板４に実装されたコネクタ２０に挿し込み、ここでは図示していないがケース８の外側に設けられた突起もしくは引っ掛け爪に位置決め固定する。第５の基板５と第４の基板４の接続をコネクタとすることで、インバータ装置１００の用途により複数の種類が存在する第５の基板５を容易に交換することができる。なお、第５の基板５の端子列５ｂを直接第４の基板４のスルーホール（図示せず）に挿し込み、電源部品及び端子列２ａ、３ａと一緒に１回のフローハンダ付けにてハンダ付けすることにより、コネクタ２０の直材費及び組付け工数の低減を図ってもよい。

図７に示すように、ケース８の四隅には、夫々筒部８ａが設けられていて、図８及び図９に示すように、ヒートシンク９の上に、シリコン等が充填された高熱伝導性のグリスを塗布し、ケース８に格納・固定された立体基板１０と、第５の基板が取付けられた第４の基板４を、第１の基板１の裏面と、グリスが塗布されたヒートシンクの面が合わさるように重ね、４本のボルト９ａを、第４の基板４及びケース８の筒部８ａを通してヒートシンク９にねじ込み、第４の基板４、立体基板１０及びヒートシンク９を一体に締結する。これにより、振動等の外力に対してインバータ装置１００を強固なものとすることができる。

第１の基板１の端子台１ａと第４の端子台４ａとの間の結線を行い、第５の基板に実装しなかった制御ユニット５０の残りの部分を第５の基板５に実装された端子５ａにコネクタ等で接続し、外装カバー等を取付ければ、実施の形態のインバータ装置１００が完成する。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、小形、安価なインバータ装置として有用である。

本発明にかかるインバータ装置の実施の形態のブロック線図である。 実施の形態のインバータ装置の基板組立構造を示す斜視図である。 第１の基板の斜視図である。 第１、第２、第３の基板を組立治具上に設置した状態を示す斜視図である。 組立治具上に設置した第１、第２、第３の基板間をワイヤボンディングした状態を示す斜視図である。 第１の基板にワイヤボンディングにより接続された第２、第３の基板を、第１の基板に対して夫々垂直に位置決めした状態を示す斜視図である。 図３−３に示す状態を他の角度から見た拡大斜視図である。 図３−３の状態から図３−４の状態に至る途中の状態を示す拡大斜視図である。 図３−４に示す状態を他の角度から見た拡大斜視図である。 組立てられた第１、第２、第３の基板を第４の基板に組付ける状態を示す斜視図である。 組立てられた第１〜第４の基板をヒートシンクに取付け第５の基板を第１の基板に組付ける状態を示す斜視図である。 実施の形態のインバータ装置の基板組立工程を示す図である。

符号の説明

１ 第１の基板
１ａ，４ａ 端子台
２ 第２の基板
２ａ，３ａ，５ａ，５ｂ 端子列
３ 第３の基板
４ 第４の基板（電源基板）
５ 第５の基板（制御基板）
６ アルミワイヤ（ボンディングワイヤ）
７ フレーム（固定部材）
８ ケース（固定部材）
８ａ 筒部
９ ヒートシンク
９ａ ボルト
１０ 立体基板
１１ コンバータ部
１２ 主コンデンサ回路
１３ インバータ部
１４ ベース駆動回路
２０ コネクタ
２１ 孔
５０ 制御ユニット
５２ マイクロコンピュータ

Claims (7)

1. コンバータ部及びインバータ部が実装された第１の基板と、
   前記インバータ部を駆動するベース駆動回路が実装され、前記第１の基板の一縁部に一縁部を隣接させ、前記第１の基板とワイヤ又はリボン状の部材をボンディングして接続され、前記第１の基板と直立、直交状態になるように、位置決めした第２の基板と、
   前記第１の基板と第２の基板とを互いに位置決め固定する固定部材と、
   を備えることを特徴とするインバータ装置。
2. ベース駆動回路が実装され、前記第１の基板の前記一縁部と直交する縁部に一縁部を隣接させ、前記第１の基板とワイヤ又はリボン状の部材をボンディングして接続され、前記第１の基板及び第２の基板から直立、直交するように、前記固定部材により位置決め固定した第３の基板をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記固定部材は、前記第１、第２、第３の基板に固定されるフレームであることを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記固定部材は、前記第１、第２、第３の基板を格納、固定するケースであることを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
5. 前記固定部材は、前記第１、第２、第３の基板を格納するケース内に充填した樹脂であることを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
6. 主コンデンサ回路の部品の端子が挿し込まれ、前記第２、第３の基板の他縁部に設けられた夫々の端子列を挿通させる夫々の孔が設けられ、前記端子が挿し込まれた前記主コンデンサ回路のコンデンサを前記第１の基板側に向けて該第１の基板と対向配置され、前記夫々の端子列を前記夫々の孔に挿通させ、前記主コンデンサ回路の部品の端子、並びに、前記夫々の端子列をフローハンダ付けした第４の基板をさらに備えることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載のインバータ装置。
7. コンバータ部及びインバータ部が実装された第１の基板と、前記インバータ部を駆動するベース駆動回路が実装された第２、第３の基板とを、互いに平行に一縁部を隣接させて配置し、前記第１の基板と、第２、第３の基板間をワイヤ又はリボン状の部材をボンディングして接続するステップと、
   ボンディング後に、前記第１、第２、第３の基板が互いに直立、直交するように、第２、第３の基板を第１の基板に対して夫々９０°回転させて位置決めするステップと、
   位置決めされた前記第１、第２、第３の基板を固定部材により互いに固定するステップと、
   主コンデンサ回路の部品の端子が挿し込まれ、前記第２、第３の基板の他縁部に設けられた夫々の端子列を挿通させる夫々の孔が設けられた第４の基板を、前記端子が挿し込まれた前記主コンデンサ回路のコンデンサを前記第１の基板側に向けて該第１の基板と対向配置し、前記夫々の端子列を前記夫々の孔に挿通させ、前記主コンデンサ回路の部品の端子、並びに、前記夫々の端子列を前記第４の基板にフローハンダ付けするステップと、
   を備えることを特徴とするインバータ装置の製造方法。

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