JP4866469B2 - パワー回路配線装置 - Google Patents

Description

この発明は、パワー回路配線装置、特に、パワーモジュールで構成されるパワー給電部にねじ止めされたプリント基板からなる回路基板におけるパワー回路配線装置に関するものである。

従来、大電流が流れる配線パターンの放熱対策としては、プリント基板の配線パターンに熱的に結合された放熱部材を実装することで配線パターン部の温度上昇を軽減していた（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

実開平３−１０４７９３号公報 実開平４−８４８９号公報

パワーモジュールで構成されるパワー給電部にねじ止めされたプリント基板からなる回路基板においては、従来の配線パターンの放熱対策では、放熱部材が実装された近傍の配線パターンの温度上昇は軽減するが、ネジ締結されたパワーモジュール端子部の配線パターン温度の上昇まで軽減することはできないという課題があった。

パワーモジュールで構成されるパワー給電部にねじ止めされたプリント基板からなる回路基板において、パワーモジュールネジ端子部は、パワーモジュールの発熱と基板上の部品の発熱さらには配線パターンの発熱によって熱が伝導し局部的に温度が上昇する。パワーモジュールで構成されるパワー給電部にねじ止めされたプリント基板からなる回路基板においては、パワーモジュールネジ端子部の配線パターンの温度上昇が最も大きく、温度上の制約となっているという問題点があった。
従来、配線パターンに大電流を流す場合、配線パターンに熱的に結合した放熱部材により配線パターンの温度上昇を軽減する手法があったが、前述の通りパワーモジュールネジ端子部の配線パターンの温度上昇は局部的であり、配線パターンにのみ放熱部材があるだけでは放熱効果が無いという問題があった。

この発明は、回路基板における電気的接続部での局部的な温度上昇を的確に軽減できるパワー回路配線装置を得ようとするものである。

この発明に係るパワー回路配線装置では、ネジ端子部を備えたパワー給電部と、前記パワー給電部を冷却する第１の放熱部材と、回路部品とパワー給電部とを電気的に接続する回路基板と、前記ネジ端子部と前記回路基板とをネジで締結する際に同時に組み付けられる第２の放熱部材とを備えたものである。

この発明によれば、回路基板における電気的接続部での局部的な温度上昇を的確に軽減できるパワー回路配線装置を得ることができる。

この発明による実施の形態１におけるパワー回路配線装置の構成を示す斜視図である。 この発明による実施の形態１におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す図１のII−II線における断面図である。 この発明による実施の形態１におけるパワー回路配線装置の熱的な等価回路を示す接続図である。 この発明による実施の形態２におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す断面図である。 この発明による実施の形態３におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す断面図である。 この発明による実施の形態４におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す断面図である。 この発明による実施の形態５におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す断面図である。

実施の形態１．
この発明による実施の形態１を図１から図３までについて説明する。図１は実施の形態１におけるパワー回路配線装置の構成を示す斜視図である。図２は実施の形態１におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す図１のII−II線における断面図である。図３は実施の形態１におけるパワー回路配線装置の熱的な等価回路を示す接続図である。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図１において、回路部品（図示せず）を搭載する回路基板を構成するプリント基板１には、発熱部品であるパワー給電部としてのパワーモジュール２が取り付けられている。パワーモジュール２の図示下面にはパワーモジュール２自体を冷却する放熱部材３が設けられ、パワーモジュール２はパワーモジュール２のネジ端子部を構成するネジ４によってプリント基板１に締結される。
この実施の形態１に示す発熱部品のパワーモジュール２はネジ４を持つネジ端子部を５個設けた５端子のパワーモジュールで構成されている。プリント基板１には所定の配線パターン５が形成されており、パワーモジュール２のネジ端子部はネジ４によるプリント基板１への締結によって、それぞれプリント基板１の所定の配線パターン５に電気的に接続される。パワーモジュール２とプリント基板１の配線パターン５との接続部には断面コ字状の放熱部材６が設けられる。
放熱部材６は冷却対象となるパワーモジュール２のネジ端子部それぞれに対応する配線パターン５にプリント基板１とパワーモジュール２をネジ４で締結する際に同時に組み付けられている。
放熱部材６の素材には、はんだ付け性が良好で熱伝導性も良い金属製、例えば銅や真鍮を用い、構造も非常にシンプルで安価である。

この実施の形態１では、パワーモジュール２のネジ４を有するネジ端子部それぞれに対応して５個の放熱部材６を組み付けているが、基板の実状に併せて適正に数を減じても良い。

図２では、図１に示したパワー回路配線装置のII−II線における断面図を示す。図２において、パワーモジュール２のネジ端子部を構成し導電経路を形成するネジ４はパワーモジュール２のプリント基板１への締結状態でネジ頭部を断面コ字状の放熱部材６の中央凹部上面に圧接して放熱部材６をプリント基板１の配線パターン５に圧接している。
これによりプリント基板１とパワーモジュール２との電気的接続が確保されるとともに、プリント基板１とパワーモジュール２との電気的接続部分に放熱部材６が介挿されることによってプリント基板１とパワーモジュール２との電気的接続部における冷却がプリント基板１とパワーモジュール２との電気的接続部分に熱的に直接結合された放熱部材６により直接的かつ効果的に行われ、局部的な温度上昇が的確に抑制される。

そして、ネジ４によって締結される放熱部材６には、それぞれ回り止め用の突部６ａが少なくとも１個以上設けられ、プリント基板１に設けられた穴部１ａに係合するように構成されている。ネジ４による締結時に放熱部材６の突部６ａが嵌合している穴部１ａの周縁に係合し放熱部材６の回り止めが行われる。
プリント基板１に設けられる回り止め用の穴部１ａは、プリント基板１へのパワーモジュール２投影外形の外側に設けられ、すなわち、プリント基板１のパワーモジュール２との対向面以外に設けられ、放熱部材６に設けられた回り止め用突部６ａが、ネジ４による締結時にパワーモジュール２に干渉することを防止できる。

図３では、図１および図２に示したパワー回路配線装置の熱的な等価回路を示す。パワーモジュール２による発熱を定電流源Ｐで示し、θａはパワーモジュール２と放熱部材３間の熱抵抗、θｂは放熱部材３と空気間の熱抵抗、θｃはパワーモジュール２とプリント基板１間の熱抵抗、θｄはプリント基板１と放熱部材６間の熱抵抗、θｅは放熱部材６と空気間の熱抵抗、θｆはプリント基板１の熱抵抗、θｇはプリント基板１と空気間の熱抵抗、θｈは放熱部材６と空気間の熱抵抗、θｉは放熱部材６と空気間の熱抵抗を示す。

この発明では、図１および図２で示したパワー回路配線装置において、発熱部品であるパワーモジュール２がネジ４により締結されたプリント基板１のねじ止め部の配線パターン５の温度を軽減することにより、配線パターン５のヒートサイクルが緩和され当該回路・製品の信頼性が向上する。

図３の熱的等価回路において、配線パターン５の温度は、熱抵抗θｃと熱抵抗θｄ間のａ点を示す。プリント基板パターン温度Ｔｂは、熱抵抗θｂを下げパワーモジュール２のベース温度Ｔｍを下げることで低減可能である。しかし、熱抵抗θｂを下げるには、放熱部材３の放熱性能を大幅に向上させる必要があり、放熱部材３が高コスト、大型化するという問題がある。
そこで、この発明による実施の形態では、パワーモジュール２のケース温度を一般的な設計温度に設定することでパワーモジュール２自体の冷却を行う放熱部材３には汎用の低コストな部材を使用し、パワーモジュール２のネジ端子部に放熱部材６を組み付けることで、パワーモジュール２のネジ端子部で形成される電気的接続部分における配線パターン５の温度を軽減した。
プリント基板パターン温度Ｔｂは、次式で求められる。

前記式において、熱抵抗θｃおよびθｄは、ネジ４と空気間の熱抵抗θｅとパワーモジュール２のベースと端子間の熱抵抗θｉに比べ十分小さく、パワーモジュール２のネジ端子部の配線パターン温度は熱抵抗θｅとθｉが支配的である。なお、熱抵抗θｉは、モジュール構造で決定されるため変更が不可能である。

そこで、この発明では、熱抵抗θｅを低減すべく並列に熱抵抗θｈの放熱部材６をパワーモジュール２の端子部に組み付けることで配線パターン温度を大幅に軽減した。なお、プリント基板１の熱抵抗θｆを軽減することでもプリント基板パターン温度Ｔｂを軽減することは可能であるが、熱伝導特性の良い高価な金属基板が必要となり高コスト化するという問題がある。

この実施の形態１では、前述の通り、図１および図２に示すように、断面コ字状の放熱部材６がプリント基板１の上面に設けられている。放熱部材６の形状はプリント基板１の取付け部分に接する通電に寄与する平面部分と、プリント基板１から直立する放熱に寄与する平面部分とを兼ね備え、放熱に寄与する面積の和が、放熱部材６と接するプリント基板１の表面積以上である。

なお、この実施の形態１においては、放熱部材６はパワーモジュール２のネジ端子部を構成するネジ４による締結によってプリント基板１の配線パターン５に接合されているが、放熱部材６をプリント基板１にはんだ付けし、放熱部材６をプリント基板１の配線パターン５にはんだ付けにより結合することができる。
これによって、放熱部材６はプリント基板１の配線パターン５に電気的ならびに熱的および機械的に確実に結合され、プリント基板１の配線パターン５とパワーモジュール２と電気的接続部分の直接的かつ効果的な冷却を一層有効に行うことが可能になる。

（１Ａ）この発明による実施の形態１によれば、パワーモジュール２からなるパワー給電部と回路部品とを電気的に接続するプリント基板１からなる回路基板を備え、前記パワーモジュール２からなるパワー給電部と前記プリント基板１からなる回路基板の配線パターン５との接続部分に断面コ字状の放熱部材６を熱的に結合したので、プリント基板１からなる回路基板における電気的接続部分での局部的な温度上昇を的確に軽減できるパワー回路配線装置を得ることができる。
すなわち、ダイオード，トランジスタ，ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ等をパッケージに収めたパワーモジュール２と、前記パワーモジュール２に配線される回路部品と、前記パワーモジュール２と回路部品とを電気的に接続したプリント基板１からなるパワー配線回路において、前記パワーモジュール２と前記プリント基板１の接続部分に放熱部材６を熱的に結合したので、放熱部材６を接続部分に結合したことにより接続部分での放熱性能を向上し、パワーモジュール２からの熱伝導による接続部分のプリント基板１の局部的な温度上昇を軽減する。
そして、パワーモジュール２のネジ端子部とプリント基板１における配線パターン５のネジ端子部に放熱部材６を実装することにより、パワーモジュール２のネジ端子部と配線パターン５部分に生じる局部的な温度上昇を軽減するとともに、さらには、ネジ締結時にプリント基板１へのストレスとなる締め付け圧力を緩和し、プリント基板１の凹みを緩和する。

（１Ｂ）この発明による実施の形態１によれば、前記（１Ａ）項における構成において、前記放熱部材６を前記回路基板にはんだ付けしたので、プリント基板１からなる回路基板における電気的接続部分での局部的な温度上昇を的確に軽減できるとともに放熱部材６をプリント基板１の配線パターン５に電気的ならびに熱的および機械的に確実に結合できるパワー回路配線装置を得ることができる。

（１Ｃ）この発明による実施の形態１によれば、前記（１Ａ）項における構成において、前記放熱部材６に少なくとも１個以上の突部６ａを設け、前記突部６ａを前記回路基板１に設けられた穴部１ａに嵌合状態で係合するようにしたので、プリント基板１からなる回路基板における電気的接続部での局部的な温度上昇を的確に軽減できるとともに、放熱部材を接続部分に締結する際に、放熱部材が回転することを防止できるパワー回路配線装置を得ることができる。

（１Ｄ）この発明による実施の形態１によれば、前記（１Ｃ）項における構成において、前記プリント基板１からなる回路基板に設けられる穴部１ａを、前記プリント基板１からなる回路基板の前記パワーモジュール２からなるパワー給電部との対向面以外に設けたので、プリント基板１からなる回路基板における電気的接続部での局部的な温度上昇を的確に軽減できるとともに、放熱部材に設けられた回転防止用突部が、締結時にパワーモジュールに干渉することを防止できるパワー回路配線装置を得ることができる。

（１Ｅ）この発明による実施の形態１によれば、前記（１Ａ）項から前記（１Ｄ）項までにおけるいずれかの構成において、前記放熱部材６は、前記プリント基板１からなる回路基板取付け部分に接する通電に寄与する平面部分と、前記プリント基板１からなる回路基板から直立する放熱に寄与する平面部分とを兼ね備え、放熱に寄与する平面の面積の和が、前記放熱部材６と接するプリント基板１からなる回路基板の表面積以上であるようにしたので、十分な放熱面積を持つ放熱部材６を接続部分に結合したことにより接続部分での放熱性能を向上し、パワーモジュール２からの熱伝導による接続部分のプリント基板１からなる回路基板の局部的な温度上昇を軽減できるパワー回路配線装置を得ることができる。

（１Ｆ）この発明による実施の形態１によれば、前記（１Ａ）項から前記（１Ｅ）項までにおけるいずれかの構成において、前記放熱部材６を前記プリント基板１からなる回路基板に締結するネジ４を有するネジ端子部からなる締結手段を備え、前記ネジ４を有するネジ端子部からなる締結手段による締結によって前記パワー給電部と前記回路基板とを電気的および熱的に接続したので、プリント基板１からなる回路基板における電気的接続部での局部的な温度上昇を的確に軽減できるとともに、パワー給電部と回路基板とを締結により電気的および熱的に確実に接続できるパワー回路配線装置を得ることができる。

実施の形態２．
この発明による実施の形態２を図４について説明する。図４は実施の形態２におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す断面図である。
この実施の形態２において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図４において、プリント基板１の配線パターン５とパワーモジュール２のネジ４を有するネジ端子部とで形成されるプリント基板１の配線パターン５とパワーモジュール２の電気的接続部分に熱的に結合されたＬ字状の放熱部材６が実装されている。
Ｌ字状の放熱部材６はプリント基板１の上面に設けられ、放熱部材６の形状はプリント基板１の取付け部分に接する通電に寄与する平面部分と、プリント基板１から直立する放熱に寄与する平面部分とを兼ね備え、放熱に寄与する平面の面積の和が、放熱部材６と接するプリント基板１の表面積以上である。

この発明による実施の形態２によれば、パワーモジュール２からなるパワー給電部と回路部品とを電気的に接続するプリント基板１からなる回路基板を備え、前記パワーモジュール２からなるパワー給電部と前記回路基板１の配線５との接続部分に断面Ｌ字状の放熱部材６を熱的に結合したので、前記プリント基板１からなる回路基板の配線５との接続部分に設けられた断面Ｌ字状の放熱部材６により、プリント基板１からなる回路基板における電気的接続部での局部的な温度上昇を的確に軽減できるパワー回路配線装置を得ることができる。

実施の形態３．
この発明による実施の形態３を図５について説明する。図５は実施の形態３におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す断面図である。
この実施の形態３において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図５において、プリント基板１の配線パターン５とパワーモジュール２のネジ４を有するネジ端子部とで形成されるプリント基板１の配線パターン５とパワーモジュール２の電気的接続部分に熱的に結合されたブロック状の金属体からなる放熱部材６が実装されている。
ブロック状の金属体からなる放熱部材６はプリント基板１の上面に設けられ、放熱部材６の形状はプリント基板１の取付け部分に接する通電に寄与する平面部分と、プリント基板１から直立する放熱に寄与する平面部分とを兼ね備え、放熱に寄与する平面の面積の和が、放熱部材６と接するプリント基板１の表面積以上である。

この発明による実施の形態３によれば、パワーモジュール２からなるパワー給電部と回路部品とを電気的に接続するプリント基板１からなる回路基板を備え、前記パワーモジュール２からなるパワー給電部と前記回路基板１の配線５との接続部分にブロック状の金属体からなる放熱部材６を熱的に結合したので、前記プリント基板１からなる回路基板の配線５との接続部分に設けられたブロック状の金属体からなる放熱部材６により、プリント基板１からなる回路基板における電気的接続部での局部的な温度上昇を的確に軽減できるパワー回路配線装置を得ることができる。

実施の形態４．
この発明による実施の形態４を図６について説明する。図６は実施の形態４におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す断面図である。
この実施の形態４において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図６において、プリント基板１の配線パターン５とパワーモジュール２のネジ４を有するネジ端子部とで形成されるプリント基板１の配線パターン５とパワーモジュール２の電気的接続部分に熱的に結合された拡大ネジ頭部４ａを有するネジ４からなる締結手段を構成する放熱部材６が実装されている。
拡大ネジ頭部４ａを有するネジ４からなる締結手段を構成する放熱部材６はプリント基板１の上面に設けられ、放熱部材６の形状はプリント基板１の取付け部分に接する通電に寄与する平面部分と、プリント基板１から直立する放熱に寄与する平面部分とを兼ね備え、放熱に寄与する平面の面積の和が、放熱部材６と接するプリント基板１の表面積以上である。

この発明による実施の形態４によれば、パワーモジュール２からなるパワー給電部と回路部品とを電気的に接続するプリント基板１からなる回路基板を備え、前記パワーモジュール２からなるパワー給電部と前記回路基板１の配線５との接続部分に拡大ネジ頭部４ａを有するネジ４からなる締結手段を構成する放熱部材６を熱的に結合したので、前記プリント基板１からなる回路基板の配線５との接続部分に設けられた拡大ネジ頭部を有する締結手段を構成する放熱部材６により、プリント基板１からなる回路基板における電気的接続部での局部的な温度上昇を的確に軽減できるパワー回路配線装置を得ることができる。

実施の形態５．
この発明による実施の形態５を図７について説明する。図７は実施の形態５におけるパワー回路配線装置の要部構成を示す断面図である。
この実施の形態５において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図７において、プリント基板１の配線パターン５とパワーモジュール２のネジ４を有するネジ端子部とで形成されるプリント基板１の配線パターン５とパワーモジュール２の電気的接続部分に熱的に結合された茶筒状の放熱部材６が実装されている。
茶筒状の放熱部材６はプリント基板１の上面に設けられ、放熱部材６の形状はプリント基板１の取付け部分に接する通電に寄与する平面部分と、プリント基板１から直立する放熱に寄与する平面部分とを兼ね備え、放熱に寄与する平面の面積の和が、放熱部材６と接するプリント基板１の表面積以上である。

この発明による実施の形態５によれば、パワーモジュール２からなるパワー給電部と回路部品とを電気的に接続するプリント基板１からなる回路基板を備え、前記パワーモジュール２からなるパワー給電部と前記回路基板１の配線５との接続部分にブロック状金属体からなる放熱部材６を熱的に結合したので、前記プリント基板１からなる回路基板の配線５との接続部分に設けられた茶筒状の放熱部材６により、プリント基板１からなる回路基板における電気的接続部での局部的な温度上昇を的確に軽減できるパワー回路配線装置を得ることができる。

１ プリント基板、２ パワーモジュール、３ 放熱部材、４ ネジ、５ 配線パターン、６ 放熱部材、Ｐ パワーモジュールによる発熱源、θａ パワーモジュール２と放熱部材３間の熱抵抗、θｂ放熱部材３と空気間の熱抵抗、θｃ パワーモジュール２とプリント基板１間の熱抵抗、θｄ プリント基板１と放熱部材６間の熱抵抗、θｅ 放熱部材６と空気間の熱抵抗、θｆ プリント基板１の熱抵抗、θｇ プリント基板１と空気間の熱抵抗、θｈ 放熱部材６と空気間の熱抵抗、θｉ パワーモジュールのベースと端子間の熱抵抗、Ｔａ 基板周囲温度、Ｔｂ プリント基板パターン温度、Ｔｃ パワーモジュールの端子温度、Ｔｍ パワーモジュールのベース温度。

Claims (5)

1. ネジ端子部を備えたパワー給電部と、前記パワー給電部を冷却する第１の放熱部材と、回路部品と前記パワー給電部とを電気的に接続する回路基板と、前記ネジ端子部と前記回路基板とをネジで締結する際に同時に組み付けられる第２の放熱部材とを備えたことを特徴としたパワー回路配線装置。
2. 前記第２の放熱部材の断面形状は、コの字状であることを特徴とした請求項１に記載のパワー回路配線装置。
3. 前記第２の放熱部材の断面形状は、Ｌ字状であることを特徴とした請求項１に記載のパワー回路配線装置。
4. 前記第２の放熱部材の断面形状は、筒状であることを特徴とした請求項１に記載のパワー回路配線装置。
5. 前記回路基板に設けられた穴部と、前記第２の放熱部材の一部に設けられた突部とが係合するように構成されたことを特徴とした請求項１から４のいずれか１項に記載のパワー回路配線装置。

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