JP5751293B2 - プリント基板及び電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板に対して配線が印刷されたプリント基板及びこのプリント基板を含む電源装置に関する。

従来から電源装置等に用いられるプリント基板には、発熱する電子部品が多数実装されるため、放熱性を高める方法が種々検討されている。例えば、特許文献１では、回路基板を放熱板上に載置する構成が示されている。

特開２０１０−１５３７２２号公報

ここで、特許文献１記載のようにプリント基板を放熱板上に載置して放熱を行う場合には、より放熱性を高める方法として、プリント基板を構成する材料のうち放熱性の高い導体層を露出させて放熱板と熱的に接続させる方法が考えられる。しかしながら、導体層を露出させると、プリント基板の運搬時等にプリント基板を重ね合わせた際に、プリント基板同士が互いに擦れ合って傷つく可能性があり、最悪の場合には導体層の断線による電源装置自体の破壊や機能低下等を招くおそれがあった。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、運搬時等の破損を抑制しつつ、高い放熱性が維持されたプリント基板及びこのプリント基板を含む電源装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るプリント基板は、絶縁材料からなる基板の少なくとも一方側の面上に導体パターンが形成されたプリント基板であって、前記導体パターンは、放熱部材と熱的に接続される接続領域を含み、外部に露出すると共に平面状に形成された面状露出領域を有し、前記面状露出領域のうち前記接続領域とは異なる領域の表面上に、カバー層が形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る電源装置は、上記のプリント基板と、前記プリント基板を収容する筺体と、を備え、前記プリント基板の下面に前記面状露出領域が設けられ、該面状露出領域と前記筐体が熱的に接続されると共に、前記筺体の底面が前記放熱部材として機能することを特徴とする。

上記のプリント基板及びこれを備える電源装置によれば、外部に露出された面状露出領域のうち放熱部材と熱的に接続される接続領域とは異なる領域の表面上にカバー層を設けることにより、導体パターンが露出した面状露出領域の大きさの調整をすることができ、露出された導体パターンの表面の一部領域をカバー層が覆うことで、導体の放熱性を維持しつつ特に運搬時の導体の損傷を抑制される。

ここで、上記作用を効果的に奏する構成として、具体的には、平板部及び脚部を備え、前記プリント基板を挟みこむ磁性体コアのうち該脚部が挿通される貫通孔を有し、前記面状露出領域は、前記貫通孔の周囲に形成されたコイルパターンであり、前記カバー層は、前記磁性体コアを前記プリント基板に対して組み込む際に、前記磁性体コアの平板部に対応する位置に形成される態様が挙げられる。

上記の構成であれば、カバー層が磁性体コアの平板部に対応する位置に形成されることで、このカバー層がプリント基板の運搬時の導体の破損を抑制しつつ、さらに、組み立て時には、磁性体コアと導体との間の絶縁性を保つことを可能とする。

また、前記面状露出領域を形成する導体の厚さは、前記カバー層の厚さの２倍よりも小さい態様とすることができる。

このように、導体の厚さをカバー層の厚さの２倍よりも薄くすることで、導体パターンが形成された面同士が対向するようにプリント基板を重ね合わせた場合であっても、露出された導体パターン同士が擦れ合うことを抑制することができ、運搬時等の破損をさらに抑制することができる。

また、前記一方側の面のうち、前記面状露出領域とは異なる領域において、面状の導体パターンと、該導体パターンの表面上に積層されたカバー層と、が設けられたダミー部をさらに備える態様とすることもできる。

このように、導体パターンとカバー層とが積層されたダミー部を形成することで、運搬時等の破損をさらに抑制することが可能となる。

本発明によれば、運搬時等の破損を抑制しつつ、高い放熱性が維持されたプリント基板及びこのプリント基板を含む電源装置が提供される。

本発明の実施形態に係るプリント基板が搭載された電源装置の概略構成を説明する斜視図である。 図１の電源装置の概略構成を説明する分解斜視図である。 トランスに係る構成の分解斜視図である。 プリント基板の上面図である。 プリント基板の下面図であって、一部領域について内部の導体パターンとカバー層の配置の概略を示したものである。 導体パターン及びカバー層の厚さについて説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は本発明の実施形態に係るプリント基板が搭載された電源装置の概略構成を説明する斜視図である。また、図２は、図１の電源装置の概略構成を説明する分解斜視図である。本実施形態で説明する電源装置としては、例えば、車載用のスイッチング電源装置が挙げられる。

電源装置１は、入力平滑コンデンサ１０、スイッチング素子２０、トランス３０、整流素子４０、出力平滑コンデンサ５０、チョークコイル６０、制御部７０等の電子部品が主回路基板となるプリント基板１００と接続されて、筺体９０の底部を構成するベースプレート９１に対して取り付けられている。なお、図１及び図２では、電子部品の一部の図示を省略している。また、図２の分解斜視図では、チョークコイル６０を構成する磁性体コアのうちの下側のコア６１が筺体９０のベースプレート９１上に載置されている状態を示している。

筺体９０は、電源装置１の構成部材を収容する金属製ケースの一部を構成する。電源装置１では、筺体９０の内部に上記の電気部品を収容した後にカバー（図示省略）で覆われる。筺体９０はアルミニウム等の金属からなり、その底面を構成するベースプレート９１の裏面側（図１及び図２の下側：素子や基板が固定される面とは逆の面側）には、放熱用のフィン９２が設けられる。そして、放熱用のフィン９２が空冷されてベースプレート９１の裏面側が冷却されることにより、ベースプレート９１の表面側に固定された電源装置１の各電子部品において発生する熱がベースプレート９１に伝熱し、ベースプレート９１の裏面側から外部に放熱される。このように、ベースプレート９１は放熱機能を有するヒートシンクとして機能する。なお、ベースプレート９１と放熱用のフィン９２とは互いに異なる部材から構成されていてもよいし、同一の部材から構成されていてもよい。また、空冷による放熱用のフィンを取り付ける構成に代えて、ベースプレート９１の裏面側に水冷用の冷却液流路を設けて、ベースプレート９１の裏面側を水冷することで、ベースプレート９１の裏面側から外部に放熱する構成としてもよい。

上記のベースプレート９１の上面には、図２に示すように放熱シート（放熱部材）９５Ａ〜９５Ｃが設けられる。放熱シート９５Ａ〜９５Ｃとしては、熱伝導性が高く且つ弾性を有する材料から構成された市販の放熱シートを適用することができる。図２に示すように、放熱シート９５Ａ，９５Ｂ上に、各電子部品が接続されたプリント基板１００が載置されると共に、放熱シート９５Ｃ上には、プリント基板１００に接続された電子部品のうち発熱量が特に大きいスイッチング素子２０が載置される。その後、ネジ止め等によってプリント基板１００がベースプレート９１に対して固定される。

プリント基板１００には、導体パターンとして、電子部品同士を接続するパターンと、トランスやインダクタのコイルとして機能するパターンと、が形成されている。ここで、図３を用いてプリント基板１００のうちトランス３０近傍の構成について説明する。図３は、トランス３０に係る構成の分解斜視図である。トランス３０はプリント基板１００に印刷された導体パターンによるコイルと、磁性体コア３１とを含んで構成される。磁性体コア３１は、所謂ＥＩ型の磁性体コアであり、板状の平板部から伸びる３つの脚部を有するＥ型コア３５と、平板状のＩ型コア３６とが対向した構成とされている。また、プリント基板１００には、磁性体コア３１のうちのＥ型コア３５の３つの脚部のうちの２つを挿通するための貫通孔１０１，１０２が設けられている。貫通孔１０１，１０２と、Ｅ型コア３５の３つの脚部のうち、プリント基板１００の貫通孔１０１，１０２には挿通されない脚部が取り付けられる脚部配置領域１０３とを介して、Ｅ型コア３５とＩ型コア３６とが対向配置されて、プリント基板１００に形成された導体パターンの一部が、トランスやインダクタにおけるコイルとして機能する。

ここで、プリント基板１００について、図４及び図５を用いてさらに説明する。図４はプリント基板１００の上面図であり、図５は、プリント基板１００の下面図であって、一部領域について内部の導体パターンＥとカバー層Ｃの配置の概略を示したものである。プリント基板１００では、上述の電子部品等が取り付けられる側である上面側はレジスト等の絶縁材料により被覆され、その下方に例えば銅箔等の導体によるパターンを形成することで得られる。導体によるパターンは基板に設けられた貫通孔の内部において露出し、その貫通孔に対して電子部品の端子が挿通されることで、電子部品とプリント基板１００内の導体とが接続される。また、プリント基板１００の一方側の面に相当する下面側においては、例えば電子部品同士を電気的に接続するために貫通孔同士を接続する配線パターン、及び、トランスの構成するコイルとして機能するコイルパターン等が形成される。導体パターンＥの厚さは、適宜変更されるが、一例としては１８μｍ〜１０５μｍである。また、図４，５では、組み立て時に磁性体コア３１のうちのＥ型コア３５の脚部が設けられる位置を脚部Ｆとして示している。

本実施形態に係るプリント基板１００では、全面に銅箔を張られた基板から、不要な部分をエッチング等により取り除くことでパターンを形成しているが、絶縁材料の基板に対して導体パターンを後から付け加える方法を採用することでもよい。そして、絶縁材料の基板上に導体のパターンを形成した後に、レジストを塗布や印刷により形成し、導体パターンＥの表面及び基板の下面側を保護する加工が行われ、これによりカバー層Ｃが形成される。レジストの厚さは適宜変更されるが、一例としては、１５μｍ〜７０μｍである。なお、導体パターンＥの導体の厚さは、レジスト（カバー層Ｃ）の厚さの２倍よりも小さいことが好ましい。この点は後述する。

上記の加工について図５を参照しながら具体的に説明する。図５では、導体パターンＥが設けられている領域を斜線で示し、導体パターンの表面及び基板の下面側を保護するためのカバー層Ｃを灰色で示している。図５に示すように、本実施形態に係るプリント基板１００では、磁性体コア３１のＥ型コア３５の２つの脚部が挿通される貫通孔１０１，１０２及びもう１つの脚部が設けられる脚部配置領域１０３の周辺に、導体による面状の領域を形成し、コイルとして機能するコイルパターンＥＣが設けられる。すなわち、プリント基板１００に対して磁性体コア３１を取り付けた際に、コイルパターンＥＣは磁性体コア３１のＥ型コア３５における脚部の周囲を巻回するように構成されている。

ここで、カバー層Ｃは、電子部品との接続に用いられる開口の周辺を除き、導体の保護を目的として導体パターンが形成されている領域の大半がカバー層によって覆われる。ただし、本実施形態に係るプリント基板１００では、コイルパターンＥＣの発熱量が大きく、放熱性を高める目的から、コイルパターンＥＣはカバー層によって覆われておらず、外部に露出している。すなわち、コイルパターンＥＣは、外部に露出すると共に平面状に形成された面状露出領域として機能する。また、コイルパターンＥＣからの放熱効率を高めるため、露出されたコイルパターンＥＣに対して放熱シート９５Ａ、９５Ｂが当接するように設けられる。放熱シート９５Ａ，９５Ｂはそれぞれベースプレート９１と直接的またはサーマルコンパウンド等の熱伝導性の良い部材を介して間接的に接続することから、コイルパターンＥＣは放熱部材と熱的に接続される。図５では、放熱シート９５Ａ，９５Ｂが当接して放熱部材と熱的に接続される領域（接続領域）を９５Ａ’及び９５Ｂ’と示す。図５に示すように、本実施形態に係るプリント基板１００では、コイルパターンＥＣが形成された領域と接続領域９５Ａ’とを含む領域は、組み立て時に放熱部材と熱的に接続される接続領域９５Ａ’及び９５Ｂ’の少なくとも一部を含み、外部に露出すると共に平面状に形成された面状露出領域として機能する。

ここで、プリント基板１００では、磁性体コア３１をプリント基板１００に対して取り付ける際に、磁性体コアの平板部に対応する位置にカバー層Ｃが形成されている。具体的には、コイルパターンＥＣのうち、貫通孔１０１と脚部配置領域１０３との間の領域にはカバー層Ｃ１が形成されると共に、貫通孔１０１と貫通孔１０２との間の領域にはカバー層Ｃ２が形成される。

上記のように、放熱のために外部に露出された面状露出領域であるコイルパターンＥＣ上にカバー層Ｃ１，Ｃ２が形成されることによる効果について説明する。従来のプリント基板１００では、カバー層が導体パターンの表面上の概ね全面を覆う構成であったが、これに対して放熱性を高めるために、コイルパターンＥＣの導体パターンＥを露出した面状露出領域を形成し、さらに放熱部材と熱的に接続させる構成が検討された。しかしながら、単に面状に露出された領域を大きく形成しただけでは、導体からの放熱性は高められるものの、導体が損傷するという懸念があった。プリント基板１００の導体の破損は、プリント基板１００を筺体９０内に収容して電源装置１を組み立てた後よりも、電源装置を組み立てる前の基板運搬時に基板を重ねて運搬することによって、基板同士が接触して発生する可能性が高いと考えられる。

そこで、本実施形態に係るプリント基板１００では、外部に露出された面状露出領域であるコイルパターンＥＣのうち、接続領域９５Ａ’，９５Ｂ’とは異なる領域の表面上にカバー層Ｃ１，Ｃ２を設けることにより、導体パターンＥが露出した面状露出領域の大きさの調整がなされ、導体の放熱性を維持しつつ、特に運搬時の導体の損傷を抑制するという効果が奏される。

また、カバー層Ｃ１，Ｃ２が設けられる領域は、磁性体コア３１をプリント基板１００に対して取り付ける際に、磁性体コア３１の平板部に対応する領域とされているので、カバー層Ｃ１，Ｃ２は、磁性体コア３１とプリント基板１００の導体パターンＥとの絶縁を保つという効果も備える。

このように、露出されたコイルパターンＥＣ同士が接触することを防止するためには、カバー層Ｃ１，Ｃ２を備える必要がある。このカバー層Ｃ１，Ｃ２の厚みにより、運搬のためにプリント基板を重ねた場合に、運搬時の導体の損傷を抑制することができる。従って、コイルパターンＥＣ上のカバー層Ｃ１，Ｃ２の領域は、放熱性を妨げない領域であれば、その大部分をカバー層に割り当てることとしても良い。

さらに、上記のカバー層Ｃ１，Ｃ２の形成に係る工程は、プリント基板１００の製造時に一般的に行われるレジストを形成する工程において実施することができる。すなわち、カバー層Ｃ１，Ｃ２を設けるための工程を新たに追加することなく、導体の損傷の抑制を達成することができる。

次に、導体パターンＥの導体の厚さは、レジスト（カバー層Ｃ）の厚さの２倍よりも小さい場合の効果について図６を用いて説明する。図６では、２枚のプリント基板を重ねた場合の構成について説明する図である。２枚のプリント基板は、それぞれ基板Ｂ上に、導体パターンＥが形成され、さらに基板Ｂ上及び導体パターンＥ上にカバー層Ｃを形成したものである。ここで、図６に示すように、導体パターンＥが設けられた面同士が対向するように基板が重ねられた場合、２枚の基板に設けられた導体パターンＥ同士が接触し、破損することが考えられる。これに対して、導体パターンＥ上にカバー層Ｃが形成されると共に、導体パターンＥの導体の厚さをｅとし、カバー層Ｃの厚さの２倍をｈとした場合に、ｈ＞ｅとすることで、導体パターンＥ同士が接触することを防ぐことができ、導体パターンＥの破損を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明に係るプリント基板及び電源装置は上記に限定されず、種々の変更を行うことができる。

例えば、上記実施形態では、コイルパターンＥＣのうち、接続領域９５Ａ’，９５Ｂ’とは異なる領域の表面上にレジストによるカバー層Ｃ１，Ｃ２を設けることにより、プリント基板１００を重ねて運搬する場合の損傷を抑制する構成について説明したが、例えばシルク印刷等、レジストとは異なる方法によってカバー層を形成する構成としてもよい。

また、例えば、本実施形態に示すカバー層Ｃ１，Ｃ２のように、コイルパターンＥＣの延在方向、すなわち電流が流れる方向に対してその流路の一部を塞ぐようにカバー層Ｃ１，Ｃ２を形成する構成とすることで、カバー層Ｃ１，Ｃ２の面積を確保しているが、カバー層の形状は適宜変更することができる。

さらに、コイルパターンＥＣが形成される面のうち、面状露出領域とは異なる領域において、面状の導体パターンＥと、導体パターンＥの表面上に積層されたカバー層Ｃと、が積層されたダミー部Ｄ（図５参照）をさらに備える態様とすることもできる。この場合、プリント基板を重ねた場合に、重ね合わせたプリント基板同士の間にダミー部が設けられるため、運搬時等の破損をさらに抑制することが可能となる。

また、上記実施形態では、組み立て時には放熱部材と熱的に接続される接続領域を含み、外部に露出すると共に平面状に導体パターンが形成された面状露出領域としてコイルパターンＥＣが設けられている例について説明したが、このような面状露出領域を設ける位置はトランスの磁性体コアに対して巻回されるコイルパターンに限定されず、導体パターンのうちの他の領域に設けることができる。他の領域としては、例えば、図５に示すように、チョークコイル６０の巻線をプリント基板１００内にコイルパターンとして構成したチョークコイルパターン６１、整流素子４０のような発熱部品の実装面に相対する整流素子対応部４１、自己発熱は少ないものの定格温度範囲の上限が比較的低く制限される入力平滑コンデンサ１０や出力平滑コンデンサ５０の実装面に相対する入力平滑コンデンサ対応部１１や出力平滑コンデンサ対応部５１等が挙げられる。

１…電源装置、３０…トランス、３１…磁性体コア、９０…筺体、９５Ａ〜９５Ｃ…放熱シート、１００…プリント基板、Ｃ…カバー層、Ｅ…導体パターン、ＥＣ…コイルパターン。

Claims (3)

1. 絶縁材料からなる基板の少なくとも一方側の面上に導体パターンが形成されたプリント基板であって、
   平板部及び脚部を備え、前記プリント基板を挟みこむ磁性体コアのうち該脚部が挿通される貫通孔を有し、
   前記導体パターンは、前記貫通孔の周囲に形成され、放熱部材と熱的に接続される接続領域を含み、その一部が外部に露出すると共に平面状に形成されたコイルパターンを有し、
   前記コイルパターンのうち、前記磁性体コアを前記プリント基板に対して組み込む際に、前記磁性体コアの平板部に対応する位置であって、前記接続領域とは異なる領域の表面上に、カバー層が形成されているプリント基板。
2. 前記コイルパターンを形成する導体の厚さは、前記カバー層の厚さの２倍よりも小さい請求項１記載のプリント基板。
3. 請求項１又は２に記載のプリント基板と、
   前記プリント基板を収容する筺体と、を備え、
   前記プリント基板の下面に前記コイルパターンが設けられ、該コイルパターンと前記筐体が熱的に接続されると共に、
   前記筺体の底面が前記放熱部材として機能する電源装置。