JP5936874B2 - 電源モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電源モジュール、例えばＡＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換回路を含む電源モジュールに関する。

従来、一次側巻線および二次側巻線とも、多層基板に内蔵したシートコイルで構成された薄型トランスが知られている。

一方、近年、電源モジュールの小型化および高効率化のため、高周波数（例えば数百ｋＨｚ）で動作する薄型トランスが求められている。

なお、特許文献１には、図１に示すように、出力チャンネル数分の被膜導体を並行に並べてなるフラットケーブル帯の二次巻線を有し、各チャンネルの出力バランスが均一な多チャンネル出力型トランスが開示されている。

特開２００１−１３５５３２号公報

しかしながら、薄型トランスを高周波で動作させた場合、薄型トランスの発熱量が大きく、従来技術では十分な放熱性を確保することができない。

そこで、本発明は、薄型トランスからの熱を効率的に放熱することが可能な電源モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る電源モジュールは、金属ベース基板と、薄型トランスを有するメインモジュールとを備える電源モジュールであって、
前記金属ベース基板は、下面が放熱面となる金属板と、前記金属板の上面を被覆する絶縁層と、前記絶縁層の上に形成され、端子を有する配線パターンと、前記配線パターンを被覆し且つ前記端子が露出するように開口部が設けられたソルダーレジスト膜とを有し、
前記メインモジュールは、前記薄型トランスの一次側巻線と、前記薄型トランスの二次側巻線を構成する渦巻き状の導体パターンが主面に形成された複数の基板が積層されてなる多層基板と、前記一次側巻線と前記二次側巻線との間の磁路を形成するトランスコアとを有し、
前記トランスコアは、前記金属ベース基板に当接する面を有し、前記薄型トランスからの熱を前記金属ベース基板に放熱することを特徴とする。

また、前記電源モジュールにおいて、
前記トランスコアの前記金属ベース基板と当接する面には、絶縁膜が貼り付けられていてもよい。

また、前記電源モジュールにおいて、
前記絶縁膜は、ポリイミド膜であってもよい。

また、前記電源モジュールにおいて、
前記トランスコアが前記金属ベース基板に当接する領域に、前記絶縁層および前記ソルダーレジスト膜を貫通し、底面に前記金属板が露出した放熱用開口部が設けられ、前記トランスコアは前記放熱用開口部に露出した前記金属板に直接当接するようにしてもよい。

また、前記電源モジュールにおいて、
前記金属ベース基板上の領域のうち、前記トランスコアが前記金属ベース基板に当接しない領域であり、かつ前記配線パターンが設けられていない領域に、前記絶縁層および前記ソルダーレジスト膜を貫通し、底面に前記金属板が露出した放熱用開口部が設けられ、
一端は前記放熱用開口部に露出した金属板と接合し、前記ソルダーレジスト膜の上を引き回され、他端は前記トランスコアと前記ソルダーレジスト膜との間に挟まれ、前記金属板と前記トランスコアとを熱的に接続する熱伝導パターンが設けられていてもよい。

また、前記電源モジュールにおいて、
前記トランスコアは、フェライトからなるようにしてもよい。

また、前記電源モジュールにおいて、
前記メインモジュールは、前記複数の基板の主面に形成され且つ渦巻き状の複数の導体パターンから構成されたコイル巻線と、前記導体パターンにより囲われた領域における前記多層基板を貫通する貫通孔に挿通されたコイルコアとを含む薄型コアコイルを有し、
前記コイルコアは、前記金属ベース基板に当接する面を有し、前記薄型コアコイルからの熱を前記金属ベース基板に放熱するようにしてもよい。

また、前記電源モジュールにおいて、
前記金属板は、アルミニウム板または銅板であってもよい。

本発明の一態様に係る電源モジュールによれば、薄型トランスからの熱は、トランスコアを介してアルミベース基板に伝導し、アルミベース基板の下面から放熱される。

よって、本発明によれば、薄型トランスからの熱を効率的に放熱し、電源モジュールの放熱性を改善することができる。

本発明の一実施形態による電源モジュールの断面説明図である。 本発明の一実施形態による電源モジュールにおけるアルミベース基板の平面図である。 本発明の一実施形態による電源モジュールにおけるメインモジュールの平面図である。 メインモジュールに設けられた薄型トランスの断面図である。 メインモジュールに設けられた薄型コアコイルの断面図である。 本発明の第１の変形例による電源モジュールの断面説明図である。 本発明の第２の変形例による電源モジュールにおけるアルミベース基板の平面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、同一符号の構成要素の詳しい説明は繰り返さない。

図１は、本発明の一実施形態による電源モジュール３００の断面説明図を示している。図１において、アルミベース基板１００については断面を示し、メインモジュール２００については側面を示している。図２及び図３はそれぞれ、電源モジュール３００Ａのアルミベース基板１００、及びメインモジュール２００の平面図である。

図１に示すように、この電源モジュール３００は、アルミベース基板１００と、薄型トランス及び薄型コアコイル（チョークコイル）を有するメインモジュール２００とを備える。電源モジュール３００は、アルミベース基板１００の下面と接するように取り付けられたヒートシンク（図示せず）を備えてもよい。

また、電源モジュール３００は、アルミベース基板１００の下面が露出するように、アルミベース基板１００及びメインモジュール２００を収納する樹脂フレーム（図示せず）を備えている。この樹脂フレームとアルミベース基板１００とで画成される凹状の空間には、メインモジュール２００を埋設するように封止樹脂が充填されている。

次に、アルミベース基板１００の詳細について説明する。

アルミベース基板１００は、アルミニウムからなり、下面が放熱面となるアルミニウム板１１０と、アルミニウム板１１０の上面を被覆する絶縁層１２０と、この絶縁層１２０の上に形成された配線パターン１３０と、この配線パターン１３０を被覆するソルダーレジスト膜１４０とを有する。

図１に示すように、配線パターン１３０は、電子部品を実装するための端子１３１を有する。ソルダーレジスト膜１４０には、端子１３１が露出するように開口部１４１が設けられている。

また、図１及び図２に示すように、アルミベース基板１００は、アルミベース基板１００の主面に対して垂直に設けられた複数の信号ピン１６０を有する。この信号ピン１６０は、配線パターン１３０と電気的に接続されている。信号ピン１６０は、メインモジュール２００の多層基板２２０（後述）に設けられたピン挿通孔２３１に挿通され、多層基板２２０と電気的に接続される。信号ピン１６０を介して、メインモジュール２００とアルミベース基板１００との間で制御信号を含む各種の信号が送受される。

なお、アルミベース基板は、アルミニウム板に代えて、他の金属（例えば、銅）からなる金属板を用いた金属ベース基板であってもよい。

次に、メインモジュール２００の詳細について説明する。

メインモジュール２００は、電力変換回路（ＡＣ／ＤＣコンバータ回路等）を構成する薄型トランスおよび薄型コアコイル（チョークコイル）を有する。

薄型トランスは、図４に示すように、ボビン２１０（一次側巻線）と、多層基板２２０に内蔵された導体パターン２２２から構成された二次側巻線と、一次側巻線と二次側巻線との間の磁路を形成するトランスコア２４０とを備えている。

ボビン２１０は、図４に示すように、薄型トランスの一次側巻線が巻回された筒部２１１と、この筒部２１１の両端に設けられたフランジ部２１２とを有する。このボビン２１０は、好ましくは樹脂製である。

一次側巻線は、ボビン２１０の筒部２１１に巻回された導線２１３からなる。導線２１３の一端は、図３に示すように、ボビン２１０から引き出され、多層基板２２０の表面に設けられたランドにはんだ付けされている。なお、導線２１３としては、一次側巻線における渦電流を可及的に抑制するため、表面に絶縁処理を施した細い銅線（例えば０．０８ｍｍ径）を撚り合わせたリッツ線を用いることが好ましい。

図３に示すように、多層基板２２０の一端には、ボビン２１０の平面形状より大きな切り欠き部２２６が設けられている。ボビン２１０は、多層基板２２０と接触せず、かつ多層基板２２０と同一平面内に配置されるように、切り欠き部２２６内に収納されている。

多層基板２２０は、図３及び図４に示すように、渦巻き状の導体パターン２２２が主面に形成された複数の基板２２１を積層したものとして構成されている。導体パターン２２２は基板２２１の両面に形成されており、基板２２１間にはプリプレグ２２４が介装されている。導体パターン２２２は基板２２１の片面にのみ形成されていてもよい。導体パターン２２２同士は、基板２２１に設けられたビア２２３またはスルーホール（図示せず）により電気的に接続され、二次側巻線を構成している。多層基板２２０の表面には、図３に示すように、チップ部品やＩＣ等の各種の電子部品２２７がはんだ付けされている。

トランスコア２４０は、図４に示すように、多層基板２２０の下面側に配置された基部２４１ａ、及び基部２４１ａから立設された柱部２４１ｂ，２４１ｃを含む第１のコア２４１と、多層基板２２０の上面側に配置された第２のコア２４２とを有する。柱部２４１ｂは、ボビン２１０の筒部２１１内に挿通され、かつ第２のコア２４２に当接せず、トランスコア２４０のギャップを形成する。一方、柱部２４１ｃは、多層基板２２０の貫通孔２２５に挿通され、かつ第２のコア２４２に当接する。

次に、メインモジュール２００に設けられた薄型コアコイルについて説明する。この薄型コアコイルは、図５に示すように、多層基板２２０に内蔵された導体パターン２２８から構成されたコイル巻線と、第１のコア２５１及び第２のコア２５２を有するコイルコア２５０とを備えている。

より詳しくは、薄型コアコイルは、複数の基板２２１の主面に形成され且つ渦巻き状の複数の導体パターン２２８から構成されたコイル巻線と、導体パターン２２８により囲われた領域における多層基板２２０を貫通する貫通孔２３０に挿通されたコイルコア２５０とを含む。

導体パターン２２８同士は、基板２２１に設けられたビア２２９またはスルーホール（図示せず）により電気的に接続され、コイル巻線を構成している。

コイルコア２５０は、アルミベース基板１００に当接する面を有し、薄型コアコイルからの熱をアルミベース基板１００に放熱するように構成されている。

ここで、コイルコア２５０の構成について詳細に説明する。

第１のコア２５１は、図５に示すように、多層基板２２０の下面側に配置された基部２５１ａと、基部２５１ａから立設され、渦巻き状の導体パターン２２８を径方向に挟む柱部２５１ｂ，２５１ｃと、柱部２５１ｂ，２５１ｃの間における基部２５１ａから立設され、かつ導体パターン２２８により囲われた領域における多層基板２２０を貫通する貫通孔２３０に挿通された柱部２５１ｄとを含む。

一方、第２のコア２５２は、柱部２５１ｄとの間にギャップを形成するように多層基板２２０の上面側に配置されている。

なお、図５に示すように、コイルコア２５０のギャップを埋めるように、第１のコア２５１と第２のコア２５２との間に絶縁材料２５３が介装されていてもよい。また、コイルコア２５０のギャップには、絶縁材料２５３として、絶縁テープが介装されていてもよい。

上記のように、メインモジュール２００は、ボビン２１０の筒部２１１に巻回された導線２１３から構成される一次側巻線と、薄型トランスの二次側巻線を構成する渦巻き状の導体パターン２２２が主面に形成された複数の基板２２１が積層されてなる多層基板２２０と、一次側巻線と二次側巻線との間の磁路を形成するトランスコア２４０とを有する。なお、一次側巻線は、ボビン２１０の筒部２１１に巻回された導線２１３で構成される場合に限らず、二次側巻線と同様に、多層基板２２０に内蔵されたシートコイルで構成されてもよい。また、トランスコア２４０は、熱伝導性の高い材料（例えばフェライト）からなることが好ましい。

トランスコア２４０は、図１に示すように、アルミベース基板１００に当接する面を有し、薄型トランスからの熱をアルミベース基板１００に放熱するように構成されている。よって、薄型トランスの熱は、熱伝導性が高いトランスコアを介してアルミベース基板１００に伝導し、アルミベース基板１００の下面から放熱される。即ち、トランスコアを熱伝導路として機能させることで、電源モジュールの放熱性を向上させることができる。

また、コイルコア２５０についても、アルミベース基板１００に当接する面を有し、薄型コアコイルからの熱をアルミベース基板１００に放熱するように構成することで、薄型コアコイルの熱をアルミベース基板１００の下面から放熱することが可能となり、電源モジュールの放熱性をさらに高めることができる。

なお、トランスコア２４０のアルミベース基板１００と当接する面には、絶縁膜（図示せず）が貼り付けられていてもよい。この絶縁膜として、比較的薄い膜厚で絶縁性を確保することの可能な高耐圧材料を用いることが好ましい。例えば、ポリイミド膜（約１０μｍ厚）を用いることが好ましい。これにより、トランスコア２４０とアルミベース基板１００との間の絶縁性を確保し、薄型トランスの電気的特性が損なわれることを防止できる。

次に、上記の実施形態の２つの変形例について説明する。

（第１の変形例）
図６は、第１の変形例による電源モジュール３００Ａの断面説明図である。図１と同様、アルミベース基板１００については断面を示し、メインモジュール２００については側面を示している。

図６に示すように、トランスコア２４０がアルミベース基板１００に当接する領域に、放熱用開口部２６０が設けられている。この放熱用開口部２６０は、絶縁層１２０およびソルダーレジスト膜１４０を貫通し、底面にアルミニウム板１１０が露出している。

トランスコア２４０は、放熱用開口部２６０に露出したアルミニウム板１１０に直接当接する。これにより、薄型トランスの熱を放出し易くし、電源モジュールの放熱性をさらに向上させることができる。

なお、薄型コアコイルについても、薄型トランスと同様にして放熱性を向上させてもよい。即ち、図６に示すように、コイルコア２５０が当接する領域に、絶縁層１２０およびソルダーレジスト膜１４０を貫通する放熱用開口部２７０を設け、コイルコア２５０を、放熱用開口部２７０に露出したアルミニウム板１１０に直接当接するように配置してもよい。

（第２の変形例）
図７は、第２の変形例による電源モジュールにおけるアルミベース基板１００Ａの平面図である。

図７に示すように、アルミベース基板１００Ａ上の領域のうち、トランスコア２４０がアルミベース基板１００Ａに当接しない領域であり、かつ配線パターン１３０が設けられていない領域に、放熱用開口部２８０が設けられている。この放熱用開口部２８０は、絶縁層１２０およびソルダーレジスト膜１４０を貫通し、底面にアルミニウム板１１０が露出している。

また、図７に示すように、アルミベース基板１００Ａには、熱伝導率の高い金属（銅、銀、アルミニウムなど）で形成された熱伝導パターン２９０が設けられている。この熱伝導パターン２９０の一端は、放熱用開口部２８０に露出したアルミニウム板１１０と接合する。熱伝導パターン２９０の他端は、トランスコア２４０とソルダーレジスト膜１４０との間に挟まれる。なお、熱伝導パターン２９０の他端は、図７に示すように、パッド部を有するものとして形成されることが好ましい。このパッド部の形状は、トランスコア２４０の下面の形状に合わせることが好ましい。

熱伝導パターン２９０の両端を結ぶ接続部は、ソルダーレジスト膜１４０の上を引き回されている。熱伝導パターン２９０は、アルミニウム板１１０とトランスコア２４０とを熱的に接続し、トランスコア２４０の熱をアルミニウム板１１０に伝導させる。

本変形例によれば、アルミベース基板の配線パターン１３０が設けられた領域にトランスコア２４０が配置される場合においても、トランスコア２４０とアルミニウム板１１０とを熱的に接続し、電源モジュールの放熱性を向上させることができる。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１００，１００Ａ アルミベース基板
１１０ アルミニウム板
１２０ 絶縁層
１３０ 配線パターン
１３１ 端子
１４０ ソルダーレジスト膜
１４１ 開口部
１５０ 電子部品
１６０ 信号ピン
２００ メインモジュール
２１０ ボビン
２１１ 筒部
２１２ フランジ部
２１３ リッツ線（一次側巻線）
２２０ 多層基板
２２１ 基板
２２２ 導体パターン
２２３ ビア
２２４ プリプレグ
２２５ 貫通孔
２２６ 切り欠き部
２２７ 電子部品
２２８ 導体パターン
２３０ 貫通孔
２３１ ピン挿通孔
２４０ トランスコア
２４１ 第１のコア（コの字形コア）
２４１ａ 基部
２４１ｂ，２４１ｃ 柱部
２４２ 第２のコア
２４３ （ギャップを埋める）絶縁材料
２５０ コイルコア
２５１ 第１のコア（Ｅ形コア）
２５１ａ 基部
２５１ｂ，２５１ｃ，２５１ｄ 柱部
２５２ 第２のコア
２５３ （ギャップを埋める）絶縁材料
２６０，２７０，２８０ 放熱用開口部
２９０ 熱伝導パターン
３００，３００Ａ 電源モジュール

Claims (8)

1. 金属ベース基板と、薄型トランスを有するメインモジュールとを備える電源モジュールであって、
   前記金属ベース基板は、下面が放熱面となる金属板と、前記金属板の上面を被覆する絶縁層と、前記絶縁層の上に形成され、端子を有する配線パターンと、前記配線パターンを被覆し且つ前記端子が露出するように開口部が設けられたソルダーレジスト膜とを有し、
   前記メインモジュールは、前記薄型トランスの二次側巻線を構成する渦巻き状の導体パターンが主面に形成された複数の基板が積層されてなる多層基板と、前記多層基板の一端に設けられた切り欠き部内に収納された筒部と、前記筒部に巻回された一次側巻線と、前記一次側巻線と前記二次側巻線との間の磁路を形成するトランスコアとを有し、
   前記トランスコアは、前記金属ベース基板に当接する面を有し、前記薄型トランスからの熱を前記金属ベース基板に放熱することを特徴とする電源モジュール。
2. 前記トランスコアの前記金属ベース基板と当接する面には、絶縁膜が貼り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の電源モジュール。
3. 前記絶縁膜は、ポリイミド膜であることを特徴とする請求項２に記載の電源モジュール。
4. 前記トランスコアが前記金属ベース基板に当接する領域に、前記絶縁層および前記ソルダーレジスト膜を貫通し、底面に前記金属板が露出した放熱用開口部が設けられ、前記トランスコアは前記放熱用開口部に露出した前記金属板に直接当接することを特徴とする請求項１に記載の電源モジュール。
5. 前記トランスコアは、フェライトからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電源モジュール。
6. 前記メインモジュールは、前記複数の基板の主面に形成され且つ渦巻き状の複数の導体パターンから構成されたコイル巻線と、前記導体パターンにより囲われた領域における前記多層基板を貫通する貫通孔に挿通されたコイルコアとを含む薄型コアコイルを有し、
   前記コイルコアは、前記金属ベース基板に当接する面を有し、前記薄型コアコイルからの熱を前記金属ベース基板に放熱することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電源モジュール。
7. 前記金属板は、アルミニウム板または銅板であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電源モジュール。
8. 金属ベース基板と、薄型トランスを有するメインモジュールとを備える電源モジュールであって、
   前記金属ベース基板は、下面が放熱面となる金属板と、前記金属板の上面を被覆する絶縁層と、前記絶縁層の上に形成され、端子を有する配線パターンと、前記配線パターンを被覆し且つ前記端子が露出するように開口部が設けられたソルダーレジスト膜とを有し、
   前記メインモジュールは、前記薄型トランスの一次側巻線と、前記薄型トランスの二次側巻線を構成する渦巻き状の導体パターンが主面に形成された複数の基板が積層されてなる多層基板と、前記一次側巻線と前記二次側巻線との間の磁路を形成するトランスコアとを有し、
   前記トランスコアは、前記金属ベース基板に当接する面を有し、前記薄型トランスからの熱を前記金属ベース基板に放熱し、
   前記金属ベース基板上の領域のうち、前記トランスコアが前記金属ベース基板に当接しない領域であり、かつ前記配線パターンが設けられていない領域に、前記絶縁層および前記ソルダーレジスト膜を貫通し、底面に前記金属板が露出した放熱用開口部が設けられ、
   一端は前記放熱用開口部に露出した金属板と接合し、前記ソルダーレジスト膜の上を引き回され、他端は前記トランスコアと前記ソルダーレジスト膜との間に挟まれ、前記金属板と前記トランスコアとを熱的に接続する熱伝導パターンが設けられていることを特徴とする電源モジュール。

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