JP2015060923A - 電子モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】回路基板に実装される巻線部品から発生する熱を効率的に放熱させる構造を備えて、さらなる小型化や高出力化にも対応可能な電子モジュールを提供する。
【解決手段】板状の絶縁性基材5の上面3側と下面4側に導電層6が形成されているとともに、少なくとも上面側に導電層をパターニングしてなる回路配線が形成された回路基板2と、回路基板上に実装される電子部品とによって構成される電子モジュール1aであって、電子部品には巻線部品20が含まれ、回路基板の下面に放熱板40が対向配置され、巻線部品の下面と回路基板の上面との間に熱伝導体41が充填され、巻線部品のコイル部22を構成する導線の端部となるリード線23が回路基板上に形成された端子パッド60に半田付けされ、基板前記端子パッドには、回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビア30が形成されている。
【選択図】図3
【解決手段】板状の絶縁性基材5の上面3側と下面4側に導電層6が形成されているとともに、少なくとも上面側に導電層をパターニングしてなる回路配線が形成された回路基板2と、回路基板上に実装される電子部品とによって構成される電子モジュール1aであって、電子部品には巻線部品20が含まれ、回路基板の下面に放熱板40が対向配置され、巻線部品の下面と回路基板の上面との間に熱伝導体41が充填され、巻線部品のコイル部22を構成する導線の端部となるリード線23が回路基板上に形成された端子パッド60に半田付けされ、基板前記端子パッドには、回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビア30が形成されている。
【選択図】図3
Description
この発明は、電子モジュールに関し、具体的には電子モジュールに搭載されている巻線部品から生じる熱を効率よく放熱するための技術に関する。
現在、高出力型DC−DCコンバータなどの電子モジュールは、小型化と高出力化が進み、例えば、1/4Brickのサイズで350W〜400Wもの出力が可能なものも実現している。周知のごとく、高出力型DC−DCコンバータのように大電流を扱う電子モジュールでは、パワートランジスタやパワーダイオード等の高出力の電子部品をより高密度で実装することから高い放熱性能が求められている。
なお、本発明の技術分野に関連して、以下の特許文献1や2には、回路基板の表面に実装した電子部品が発する熱を放熱させるための技術について記載されている。引用文献1には、回路基板のおもて面側に実装されている電子部品が発する熱を、基板の裏面側の放熱板に熱伝導シート(熱伝導体)を介して伝える放熱構造について記載されている。特許文献2に記載の技術では、基板に形成されたスルーホール内にも熱伝導体を充填することで、基板のおもて面から基板の裏面に熱伝導体が配置されていることが確認できるようにしている。いずれにしても、特許文献1や2に記載の技術は、基板のおもて面に実装された熱源となる半導体部品のパッケージ部分を基板に接触させ、その熱を基板の裏面に配置された放熱板に熱伝導体を介して伝えることで放熱させている。また、非特許文献1には熱伝導体として機能する熱抵抗が低い接着剤(熱伝導性接着剤)について記載されている。
横浜ゴム株式会社、"熱伝導性接着剤"、[online]、[平成25年8月27日検索]、インターネット<URL:http://www.yrc-denzai.jp/product/seal/tabid/70/Default.aspx>
近年、電子機器に対する小型化、高性能化への要求がさらに高くなってきている。したがって、電子機器に組み込まれる電子モジュールには、更なる小型化や高出力化が必要となり、結果として、従来に増して極めて高い放熱性能が求められることになる。しかしながら、電子モジュールにトランスやインダクタなどの巻線部品が実装されている場合、電子モジュールをさらに高出力化すると、半導体部品の発熱より巻線部品の発熱が大きな問題となり、規定の温度以下に制御することが難しくなることが本発明者によって知見された。概略的には、巻線部品は、実質的に巻回された導線そのものからなり、その導線に電流が流れることによって発熱する。そして、従来の技術では、巻回状態にある導線の熱を基板などに効率よく伝えて放熱させることができないことが判明した。
また、導線は熱伝導率の低いフェライト材料からなるコアに巻回されている場合が多く、実装時には、そのコアが基板に接触した状態となるため、巻回された状態の導線部分(コイル部)の熱を直接基板に伝えることができず、巻線部品の放熱をさらに難しくしている。しかも、巻線部品は回路構成や構造自体が単純であるため、それらの構成や構造を工夫することによって部品自体の発熱を抑えることも難しい。したがって、電子モジュールのさらなる小型化や高出力化を達成するためには、従来の放熱構造の延長線上では巻線部品の熱を効果的に放熱させることができない。
そこで本発明は、回路基板に実装される巻線部品から発生する熱を効率的に放熱させる構造を備えて、さらなる小型化や高出力化にも対応可能な電子モジュールを提供することを目的としている。
上記目的を達成するための本発明は、板状の絶縁性基材の一主面側と他面側に導電層が形成されているとともに、少なくとも一主面側に前記導電層をパターニングしてなる回路配線が形成された回路基板と、当該回路基板上に実装される電子部品とによって構成される電子モジュールであって、
前記電子部品には導線を巻回してなるコイル部を備えた巻線部品が含まれ、
前記一主面側を上面として、前記回路基板の下面に放熱板が対向配置され、
前記巻線部品の下面と前記基板の上面との間に熱伝導体が充填され、
前記コイル部を構成する導線の端部となるリード線が前記回路基板上に形成された端子パッドに半田付けされ、
基板前記端子パッドには、前記回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビアが形成されている、
ことを特徴とする電子モジュールとしている。
前記電子部品には導線を巻回してなるコイル部を備えた巻線部品が含まれ、
前記一主面側を上面として、前記回路基板の下面に放熱板が対向配置され、
前記巻線部品の下面と前記基板の上面との間に熱伝導体が充填され、
前記コイル部を構成する導線の端部となるリード線が前記回路基板上に形成された端子パッドに半田付けされ、
基板前記端子パッドには、前記回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビアが形成されている、
ことを特徴とする電子モジュールとしている。
また、前記基板の下面と前記放熱板との間に熱導電体が充填されている電子モジュールとしてもよい。前記回路基板の上面に第2の放熱板が対向配置されているとともに、前記巻線部品の上面と前記当該第2の放熱板との間に熱伝導体が充填されている電子モジュールとすることもできる。
前記巻線部品の下面と前記回路基板の上面との間に充填されている前記熱伝導体は、その下面が前記回路基板の上面に形成されている前記導電層に直に接触している電子モジュールとすることもできる。
前記回路基板において、前記巻線部品の下面に対向する領域に当該回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビアが形成されている電子モジュールとしてもよい。
本発明の電子モジュールによれば、回路基板に実装される巻線部品から発生する熱を効率的に放熱させる構造を備えて、さらなる小型化や高出力化にも対応することが可能となる。なお、その他の効果については以下の記載で明らかにする。
本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。
===巻線部品===
本発明の対象は、各種電子部品が回路基板(以下、基板とも言う)に実装されてなる電子モジュールであり、電子部品としてトランスやインダクタなどの巻線部品を含むものである。図1に巻線部品の一例であるトランス20の外観を示した。ここに示したトランス20では、コア21の形状が、周知のEE型(EI型でもよい)であり、トランス20の一次巻線と二次巻線のそれぞれに対応する導線がコア21の「E」字の中央の軸周りに巻回されて筒状のコイル部22が形成されている。一次巻線と二次巻線を構成する導線の端部はリード線23としてコイル部22から導出されている。リード線23は、基板上の回路配線に半田付けなどによって接続される。ここで、便宜的に、コイル部22の軸方向を上下方向とし、コア21の「E」字が形成される面を前面あるいは後面とするとともに、上下前後左右の各方向を図示したように規定すると、筒状のコイル部22は、その外周がコア21の前後両端から外方に向かって突出することになる。
本発明の対象は、各種電子部品が回路基板(以下、基板とも言う)に実装されてなる電子モジュールであり、電子部品としてトランスやインダクタなどの巻線部品を含むものである。図1に巻線部品の一例であるトランス20の外観を示した。ここに示したトランス20では、コア21の形状が、周知のEE型(EI型でもよい)であり、トランス20の一次巻線と二次巻線のそれぞれに対応する導線がコア21の「E」字の中央の軸周りに巻回されて筒状のコイル部22が形成されている。一次巻線と二次巻線を構成する導線の端部はリード線23としてコイル部22から導出されている。リード線23は、基板上の回路配線に半田付けなどによって接続される。ここで、便宜的に、コイル部22の軸方向を上下方向とし、コア21の「E」字が形成される面を前面あるいは後面とするとともに、上下前後左右の各方向を図示したように規定すると、筒状のコイル部22は、その外周がコア21の前後両端から外方に向かって突出することになる。
図2は従来の電子モジュール1におけるトランス20の実装状態の一例を示す側面図である。ここでは、基板2においてトランス20を含む電子部品が実装される一主面3を上面として上下方向を規定している。トランス20は、図1と同様に上下前後左右の各方向が規定された状態で基板2の上面3に実装されて、この図2ではトランス20を左方あるいは右方から見たときの実装状態を側面図として示している。なお、基板2については、内部構造を説明するために断面図によって示している。
基板2は、ガラスエポキシ材料などからなる絶縁性基材(以下、基材とも言う)5の上下両面に銅箔などによる導電層6が形成された構造を有し、少なくとも、電子部品が実装される側となる基板上面3にはその導電層6がパターンニングされてなる回路配線が形成されている。また、少なくとも上面3側の導電層6には回路配線の保護膜となるソルダーレジスト膜7が形成されている。回路配線において、基板2に実装される各種電子部品の端子やトランス20のリード線23は、半田8によって端子パッド60と接続される。したがって端子パッド60の形成領域ではそのソルダーレジスト膜7が開口している。なお、この例では、トランス20が実装される領域には、一次側と二次側を隔離するための絶縁部9が基材5と同じ材料によって設けられている。
トランス20は、基板2に実装されている状態では、コイル部22を構成する導線が上下方向を軸として巻回されている。さらに、コイル部22の上面24と下面25がコア21によって挟持されているため、コア21の下面26が基板2の上面3に接している。導線の端部であるリード線23は、基板上面3の端子パッド60に半田付けされている。
ところで巻線部品は、リード線23を電流の入出力端として導線に電流が流れることよって発熱する。しかし、その導線に発生した熱を直接外部に放出することが難しい。そこで本発明の実施例に係る電子モジュールでは、巻線部品にて発生する熱を放熱させるのに適した放熱構造を備えている。
===実施形態===
本発明の一実施形態に係る電子モジュールとしてDC−DCコンバータを挙げる。図3にその実施形態に係る電子モジュール(以下、実施例ともいう)1aを示した。図3(A)は、本実施例の放熱構造の概略を示す図であり、(B)は(A)における円100内を拡大した図である。図3(A)に示したように、本実施例1aでは、巻線部品としてトランス20が実装されている。もちろん、巻線部品は図示したトランス20に限らず、たとえば、トロイダル型のコイル部を備えたものであってもよい。
本発明の一実施形態に係る電子モジュールとしてDC−DCコンバータを挙げる。図3にその実施形態に係る電子モジュール(以下、実施例ともいう)1aを示した。図3(A)は、本実施例の放熱構造の概略を示す図であり、(B)は(A)における円100内を拡大した図である。図3(A)に示したように、本実施例1aでは、巻線部品としてトランス20が実装されている。もちろん、巻線部品は図示したトランス20に限らず、たとえば、トロイダル型のコイル部を備えたものであってもよい。
実施例1aでは、トランス20の下面、すなわちコイル部22およびコア21の下面(25、26)と基板上面3との間に熱伝導体として熱伝導性接着剤41が充填されている。また、この例では、基板上面3において、熱伝導性接着剤41が充填されている領域に導電層61が形成されている。基板2の下面4には熱伝導性接着剤42を介してアルミプレートなどによって構成される放熱板40が接着されている。
熱源そのものである導線の一部であるリード線23は、端子パッド60に半田8によって接続されている。そしてこの端子パッド60には貫通ビア(スルーホールビア、スルーホールなどとも言う)30が形成されている。周知のごとく、貫通ビア30は基板2の上下面(3、4)を貫通する孔30の内面に金属メッキを施したり、孔30に導電体を充填したりしたものである。
図3(B)は実施例1aにおける放熱動作を示しており、熱の伝導経路を矢印(50、51)にて示した。まず、矢印50で示したように、熱源そのものである導線にて発生した熱はリード線23を経由して半田付けされた端子パッド60に伝わる。端子パッド60には貫通ビア30が形成されており、貫通ビア30の金属メッキ32を介して導線の熱が基板2の下面4に導かれる。基板2の下面4に伝わった熱は、基板2の面方向に分散しつつ熱伝導性接着剤42を介して放熱板40に伝わって大気中に放出される。このように本実施例1aの放熱構造によれば、熱源となる導線から基板2の下面4までの放熱経路が全て熱伝導率の高い金属で形成されており、巻線部品での発熱を極めて効率よく放熱させることができる。
実施例1aでは、上記のリード線23から貫通ビア30を介して放熱板40経路で放熱させる構造に加え、筒状のコイル部22の熱、およびコイル部22からコア21に伝導した熱を、矢印51で示した経路で放熱させる補助的な放熱構造を備えている。具体的には、コイル部22、およびコア21の下面(25、26)と基板上面3との間に充填された熱伝導性接着剤41、および当該熱伝導性接着剤41の直下の導電層61を経由して基板2に伝わり、その熱が基板2の下面4に伝達する。そして、その基板下面に伝わった熱が基板の面方向に分散しつつ熱伝導性接着剤を介して放熱板に伝わり、最終的には大気中に放出される。
===比較例===
上記実施例に係る電子モジュール1aに対する比較例として、図4に示した電子モジュール1bを作製した。この比較例に係る電子モジュール(以下、比較例ともいう)1bでは、放熱板43が基板2の下面4ではなく、トランス20の上方に配置されている。そしてコア21とコイル部22の上面(27、24)と放熱板43の下面44との間に熱伝導体として実施例1aにて用いたもの同様の熱伝導性接着剤45が充填されている。すなわち、比較例1bでは、コイル部22の熱を、基板2において熱伝導率が低い基材5を経由させず、主に、最も熱が伝わりやすい経路(矢印51)で放熱させる放熱構造を採用している。
上記実施例に係る電子モジュール1aに対する比較例として、図4に示した電子モジュール1bを作製した。この比較例に係る電子モジュール(以下、比較例ともいう)1bでは、放熱板43が基板2の下面4ではなく、トランス20の上方に配置されている。そしてコア21とコイル部22の上面(27、24)と放熱板43の下面44との間に熱伝導体として実施例1aにて用いたもの同様の熱伝導性接着剤45が充填されている。すなわち、比較例1bでは、コイル部22の熱を、基板2において熱伝導率が低い基材5を経由させず、主に、最も熱が伝わりやすい経路(矢印51)で放熱させる放熱構造を採用している。
なお、熱伝導接着剤45の種類、充填量などは、実施例1aにおけるトランス20の下面と基板上面3との間に充填されている熱伝導接着剤41と同じ条件としている。また、基板2の上面3に形成されている回路配線において、トランス20のリード線23が半田付けされる端子パッド60には貫通ビアが形成されていない。
===放熱性能===
実施例1aと比較例1bのそれぞれに対応する電子モジュールとして、1/4ブリックサイズ、350W出力(50V、7A)のDC−DCコンバータを実際に作製し、双方の電子モジュール(1a、1b)に通電して動作させた。そして、図3(A)および図4に小円で示した測定点(P1〜P3)における温度を測定した。なお、電子部品の過熱を防止するために、トランス20を含む各電子部品の上限温度を120℃に設定した。
実施例1aと比較例1bのそれぞれに対応する電子モジュールとして、1/4ブリックサイズ、350W出力(50V、7A)のDC−DCコンバータを実際に作製し、双方の電子モジュール(1a、1b)に通電して動作させた。そして、図3(A)および図4に小円で示した測定点(P1〜P3)における温度を測定した。なお、電子部品の過熱を防止するために、トランス20を含む各電子部品の上限温度を120℃に設定した。
以下の表1に温度の測定条件を示した。また表2にその測定結果を示した。
温度測定条件としては、表1に示したように、周囲温度Ta=30℃の下、放熱板(40、43)を空気対流によって冷却しながら各測定点(P1〜P3)の温度を測定した。空気対流による風速(air)は100LFMとした。DC−DCコンバータを構成する回路への入力電圧Vinと出力電圧Voutは、それぞれVin=48V、Vout=50Vとした。なお、DC−DCコンバータにおける入力電流Iin、および出力電流Ioutは、実施例1aと比較例1bとで異なっている。これは、表2にも示したように、比較例1aでは、出力電流Ioutが定格の7Aより小さい6.5Aとなった時点でトランス20の温度が120℃近く(119.3℃)となり、最大定格の7Aの電流を出力することができなかったためである。そのため、比較例1bにおける入力電流Iinは、実施例1aの7.8Aに対して7.4Aであった。
表2では、温度測定位置(P1、P3)での放熱板(40、43)の温度、測定位置P2でのコイル部22の温度、および実施例1aと比較例1bのそれぞれにおけるコイル部22の温度と放熱板(40、43)との温度差とを示している。この表2に示したように、比較例1bではトランスの温度が119.3℃で上限の120℃近くまで上昇している。そしてこの温度は上述したように、最大定格の7Aの電流よりも小さな電流6.5Aで出力したときのものである。放熱板の温度は67.1℃であり、トランス20と放熱板43とは50℃以上の温度差が発生した。すなわち、トランス20のコイル部22にて発生した熱が放熱板43に効率よく伝わっていない。
一方、実施例1aでは、定格通り7Aの電流を出力することができた、そして、トランス20の温度は107.7度であり、比較例1bに対して10℃以上も温度を下げることができた。放熱板40の温度は78.4度であり、トランス20のコイル部22における温度との差が30℃以下であった。すなわち、放熱板(40、43)とトランス20との温度差が、実施例1aと比較例1bとでは20℃以上の差があり、実施例1aでは効率的に放熱されていることがわかった。もちろん、表1にも示したように、放熱効率の向上に伴ってDC−DCコンバータとしての電力損失が少なくなり、電力変換効率を向上させることができた。
以上より、比較例1bでは、コイル部22の熱を最も効率が高いと思われる経路53で放熱板43に伝える放熱構造を採用しているのにも拘わらず、コイル部22の熱を基板2を介して放熱板40に伝える放熱構造を採用した実施例1aよりも放熱性能が劣っていた。このことは、熱源となるコイル部22の導線は熱伝導率が高い金属からなり、リード線23はその導線そのものであり、コイル部22を構成する導線で発生した熱は、導線と同様に熱伝導率の高い経路を通って放熱させたほうが放熱効果が高い、ということを示している。
実施例1aでは、導線にて発生した熱がリード線23を経由し、導線と同様に熱伝導率が高い金属からなる端子パッド60とそれに連続する貫通ビア30の金属メッキ32を通ってより速やかに基板下面4に配設されている放熱板40に至る。また、基板下面4には全面に亘って熱伝導性接着剤42が放熱板40との間に充填されており、基板下面4に伝わった熱が熱伝導性接着剤42の充填領域に分散されて、放熱板40に伝わる熱が一箇所に集中しないことも優れた放熱性能に寄与しているものと思われる。
===その他の実施例、変形形態===
端子パッド60に形成されている貫通ビア30の形成位置は上記実施例1aに限らず、リード線23が半田付けされる位置の直下に形成してもよい。それによって導線の熱を最短距離で基板下面4に伝えることができ、放熱効果をさらに向上させることが期待できる。もちろん、貫通ビア30の上端自体が端子パッド60を兼ねていてもよい。
端子パッド60に形成されている貫通ビア30の形成位置は上記実施例1aに限らず、リード線23が半田付けされる位置の直下に形成してもよい。それによって導線の熱を最短距離で基板下面4に伝えることができ、放熱効果をさらに向上させることが期待できる。もちろん、貫通ビア30の上端自体が端子パッド60を兼ねていてもよい。
上記実施例1aでは、放熱板40と基板下面4との間に熱伝導性接着剤42が充填されていたが、基板2の下面4に熱伝導接着剤42を介在させずに放熱板40を配置してもよい。
上記実施形態に係る電子モジュール1aには様々な変形形態が存在する。図5〜図7にその変形形態を例示した。これらの変形形態では、図3(B)に示したリード線23を介した放熱経路50による放熱を補助する構造が上記実施例1aとは異なっている。まず、図5に示した電子モジュール1cでは、上記実施例1aと上記比較例1bの放熱構造をともに備えている。また、図6に示した電子モジュール1dのように、基板上面3において、巻線部品20のコイル部22と対向する領域に導電層6を配置するとともに、その領域のソルダーレジスト7を開口させておいてもよい。すなわち、コイル部22と基板上面3との間に充填されている熱伝導性接着剤41をその直下に形成されている導電層61に直に接触させてもよい。それによって、熱伝導性接着剤41から熱伝導率の高い導電層61に熱が直接伝達する。
さらに、図7に示した電子モジュール1eのように、基板2において、トランス20の下面(25、26)と対向する領域、すなわち基板2において、トランス20の下方に充填されている熱伝導性接着剤41と接触している領域に貫通ビア30eを形成してもよい。それによって、コイル部22の熱が熱伝導性接着剤41、導電層61、および貫通ビア30の順に形成される経路で熱が基板下面4に伝達される。もちろん、実施例1aおよび図5〜図7に示した電子モジュール(1c〜1e)の放熱構造を適宜に組み合わせることもできる。
この発明は、小型大出力のDC−DCコンバータなどに好適である。
1,1a〜1e 電子モジュール、2 回路基板、3 基板上面、4 基板下面、
5 基材、6,61 導電層、20 巻線部品(トランス)、21 コア、
22 コイル部、30,30e 貫通ビア、40,43 放熱板、
41〜43 熱伝導体(熱伝導性接着剤)、60 端子パッド
5 基材、6,61 導電層、20 巻線部品(トランス)、21 コア、
22 コイル部、30,30e 貫通ビア、40,43 放熱板、
41〜43 熱伝導体(熱伝導性接着剤)、60 端子パッド
Claims (5)
- 板状の絶縁性基材の一主面側と他面側に導電層が形成されているとともに、少なくとも一主面側に前記導電層をパターニングしてなる回路配線が形成された回路基板と、当該回路基板上に実装される電子部品とによって構成される電子モジュールであって、
前記電子部品には導線を巻回してなるコイル部を備えた巻線部品が含まれ、
前記一主面側を上面として、前記回路基板の下面に放熱板が対向配置され、
前記巻線部品の下面と前記基板の上面との間に熱伝導体が充填され、
前記コイル部を構成する導線の端部となるリード線が前記回路基板上に形成された端子パッドに半田付けされ、
基板前記端子パッドには、前記回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビアが形成されている、
ことを特徴とする電子モジュール。 - 前記基板の下面と前記放熱板との間に熱導電体が充填されていることを特徴とする請求項1に記載の電子モジュール。
- 前記回路基板の上面に第2の放熱板が対向配置されているとともに、前記巻線部品の上面と前記当該第2の放熱板との間に熱伝導体が充填されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電子モジュール。
- 前記巻線部品の下面と前記回路基板の上面との間に充填されている前記熱伝導体は、その下面が前記回路基板の上面に形成されている前記導電層に直に接触していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子モジュール
- 前記回路基板において、前記巻線部品の下面に対向する領域に当該回路基板の上面と下面を連絡する貫通ビアが形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電子モジュール。
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Cited By (3)
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WO2019216366A1 (ja) * | 2018-05-11 | 2019-11-14 | 株式会社オートネットワーク技術研究所 | 回路構成体 |
WO2020202954A1 (ja) * | 2019-04-01 | 2020-10-08 | 住友電気工業株式会社 | 電子部品の実装構造、及び電子部品の実装構造の製造方法 |
WO2020202955A1 (ja) * | 2019-04-01 | 2020-10-08 | 住友電気工業株式会社 | 電子部品の実装構造 |
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2013
- 2013-09-18 JP JP2013193125A patent/JP2015060923A/ja active Pending
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WO2019216366A1 (ja) * | 2018-05-11 | 2019-11-14 | 株式会社オートネットワーク技術研究所 | 回路構成体 |
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