特開 2023-57332 基板間接続構造及びパワーエレクトロニクス装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023057332

(43)【公開日】2023-04-21

(54)【発明の名称】基板間接続構造及びパワーエレクトロニクス装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H05K 1/14 20060101AFI20230414BHJP

   H05K 7/14 20060101ALI20230414BHJP

   F16B 5/02 20060101ALI20230414BHJP

【ＦＩ】

H05K1/14 E

H05K7/14 D

H05K7/14 G

F16B5/02 Y

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021166807

(22)【出願日】2021-10-11

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】前川 真一

(72)【発明者】

【氏名】磯田 秀藏

(72)【発明者】

【氏名】石川 諒

(72)【発明者】

【氏名】大長 勇太

【テーマコード（参考）】

3J001

5E344

5E348

【Ｆターム（参考）】

3J001FA03

3J001GA06

3J001GB01

3J001HA02

3J001HA07

3J001HA09

3J001JA03

3J001KA06

3J001KB06

5E344AA01

5E344AA12

5E344AA16

5E344AA22

5E344BB02

5E344CC05

5E344CD12

5E344DD02

5E344EE30

5E348AA07

5E348AA16

5E348AA32

(57)【要約】

【課題】小型のねじを採用可能で、スタッドの落下を抑制しつつ、信頼性高く基板間の電気的接続を確保する。
【解決手段】実施形態の基板間接続構造は、第１基板の第１面及び第１面とは反対側の第２面を挟み込むように配置され、それぞれねじ穴が設けられて、第１基板の変形を防止する一対の変形防止部材と、第１基板に対向して配置される第２基板に接合されたジュラルミンあるいはチタンで形成されたスタッドと、を有し、ねじ穴に挿通されてスタッドに螺合するねじと、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１基板の第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を挟み込むように配置され、それぞれねじ穴が設けられて、前記第１基板の変形を防止する一対の変形防止部材と、
前記第１基板に対向して配置される第２基板に接合された金属材料で形成されたスタッドと、を有し、
前記ねじ穴に挿通されて前記スタッドに螺合するねじと、
を備えた基板間接続構造。

【請求項2】

前記変形防止部材は、前記第１基板の前記第１面に配置される第１変形防止部材と、
前記第１基板の前記第２面に配置される第２変形防止部材と、を備え、
前記変形防止部材のうち少なくとも前記第２変形防止部材は、金属材料で形成されている、
請求項１記載の基板間接続構造。

【請求項3】

前記変形防止部材のうち少なくとも前記第２変形防止部材は、メッキが施された真鍮で形成されている、
請求項２記載の基板間接続構造。

【請求項4】

前記第１変形防止部材及び前記第２変形防止部材の前記第１面を含む平面に対する正射影が一致するように配置されている、
請求項２または請求項３に記載の基板間接続構造。

【請求項5】

前記スタッドは、前記金属材料がジュラルミンあるいはチタンである、
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の基板間接続構造。

【請求項6】

前記ねじは、鉄で形成されている、
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の基板間接続構造。

【請求項7】

第１面及び第２面を有する第１基板と第１面並びに第２面を有する第２基板とを備え、前記第１基板及び前記基板を前記第２面が対向するように配置したパワーエレクトロニクス装置の製造方法であって、
前記第１基板の前記第１面及び第２面に、前記第１基板を挟み込むようにそれぞれねじ穴が設けられた前記第１基板の変形を防止する一対の変形防止部材を接合し、配置する工程と、
前記第２基板の第２面上であって、前記第２面に配置された前記変形防止部材の配置位置に対応する位置に金属材料で形成されたスタッドを接合する工程と、
前記ねじ穴を介してねじを前記スタッドに螺合させる工程と、
を備えたパワーエレクトロニクス装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、パワーエレクトロニクス装置及びパワーエレクトロニクス装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、互いに独立した複数の基板を基板の厚さ方向に重ねて配置し、基板間の電気的接続を確保する方法として、特に大電流が流れる基板間においては、一方の基板に雌ねじが形成された金属製スタッドをはんだ付けで実装し、他方の基板の端子からねじで金属製スタッドを締結する構造が広く採用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４－２５３７５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記構造を採用している場合に、金属製スタッドを締結するねじのサイズを小さくすると、温度サイクルにより生じる構成部品の膨張・収縮差による基板の凹みに伴う締結力の低下、それによるガスタイト性の低下に伴う酸化、スタッドと端子との間の微摺動摩耗が複合的に発生し、導通不良を起こす虞がある。

【0005】

このために、従来においては、例えば、Ｍ４以上の大きいサイズのねじが採用されていた。

【0006】

また、スタッドとしては、一般に真鍮製スタッドの採用が多いが、高比重であるため、はんだ面に実装すると、電子部品を配置する２回目のリフロー工程や半田浴に基板を浸すディップ工程の際に、基板の下側にスタッドが位置することにより重力で落下するという虞もあった。
このため、電力密度向上のため、上記課題を解決すことが望まれている。

【0007】

本開示が解決しようとする課題は、小型のねじを採用可能で、スタッドの落下を抑制しつつ、信頼性高く基板間の電気的接続を確保することが可能な基板間接続構造及びパワーエレクトロニクス装置の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様に係る基板間接続構造は、第１基板の第１面及び第１面とは反対側の第２面を挟み込むように配置され、それぞれねじ穴が設けられて、第１基板の変形を防止する一対の変形防止部材と、第１基板に対向して配置される第２基板に接合されたジュラルミンあるいはチタンで形成されたスタッドと、を有し、ねじ穴に挿通されてスタッドに螺合するねじと、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、小型のねじを採用可能で、スタッドの落下を抑制しつつ、信頼性高く基板間の電気的接続を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態にかかる基板間接続構造を備えた車載用の電子機器の外観斜視図。

【図2】接続部の配置部分の部分拡大断面図。

【図3】接続部の配置部分の部分拡大断面斜視図。

【図4】第１変形防止部材及び第２変形防止部材の外観斜視図。

【図5】第１変形防止部材を第１基板に取り付けた場合の平面図。

【図6】第１変形防止部材をねじにより締結した場合の平面図。

【図7】スタッドの外観斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態にかかる基板間接続構造を備えた車載用の電子機器の外観斜視図である。
電子機器１０は、各種電子部品が搭載された第１基板１１と、各種電子部品が搭載された第２基板１２と、前記第１基板と第２基板との間で大電流を流すための大電流流路として構成された複数の接続部１３と、を備えている。

【0012】

以下の説明においては、第１基板１１及び第２基板１２において、主として各種電子部品群ＥＤＧ１、ＥＤＧ２が搭載される面を第１面ＳＦ１とし、主として基板間接続を行う面を第２面ＳＦ２と称するものとする。すなわち、複数の接続部１３は、図１に示すように、第１基板１１の第２面ＳＦ２と、第２基板１２の第２面ＳＦ２との間に配置されている。

【0013】

図２は、接続部の配置部分の部分拡大断面図である。
図３は、接続部の配置部分の部分拡大断面斜視図である。
接続部１３は、図２及び図３に示すように、ねじ２１と、スプリングワッシャ２２と、平ワッシャ２３と、第１変形防止部材２４と、第２変形防止部材２５と、スタッド２６と、を備えている。
なお、図２及び図３において、ねじ２１及びスタッド２６のねじ溝については、図示を省略している。

【0014】

上記構成において、ねじ２１は、接続部１３の設置面積の低減のため、例えば、いわゆるＭ３サイズ以下の大きさとされている。このため、初期締付トルクを高めるために、高強度が要求されるため、鉄製とされている。

【0015】

本実施形態においては、図１に示した電子部品群ＥＤＧ１が電源側の回路となっており、電子部品群ＥＤＧ１から供給される電流は、第１の電流流路として、第１基板１１の第２面ＳＦ２の配線パタン１１Ｐ２から、端子として機能する第２変形防止部材２５及びスタッド２６を介し、第２基板１２の配線バタン１２Ｐを介して電子部品群ＥＤＧ２に供給される。

【0016】

また、電子部品群ＥＤＧ１から供給される電流は、第２の電流流路として、第１基板１１の第１面ＳＦ１の配線パタン１１Ｐ１から端子として機能する第１変形防止部材２４、ねじ２１、端子として機能するスタッド２６を介し、第２基板１２の配線バタン１２Ｐを介して電子部品群ＥＤＧ２に供給される。

【0017】

図４は、第１変形防止部材及び第２変形防止部材の外観斜視図である。
図４に示すように第１変形防止部材２４（または第２変形防止部材２５）は、裏面側（図４中、下側）が配線パタンに半田付けされ、平面視リング状の端子部２４Ａ（または端子部２５Ａ）、基板内部に挿入される挿入部２４Ｂ（または挿入部２５Ｂ）及びねじ２１が挿通されるねじ孔２４Ｃ、２５Ｃを備えている。

【0018】

第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５は、正面視、略Ｔ字形状を有しており、その一部である挿入部２４Ｂ、２５Ｂが、第１基板１１内に挿入された状態で端子部２４Ａ、端子部２５Ａの挿入部２４Ｂ、２５Ｂのある側の面が配線パタン１１Ｐ１、１１Ｐ２に半田付けされる。

【0019】

この状態において、第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５は、平面視した場合に、同軸上に配置され、ねじ２１がねじ孔２４Ｃ、２５Ｃに挿通されてスタッド２６に締結される際に、その応力を均一に分布させることができるのである。

【0020】

図５は、第１変形防止部材を第１基板に取り付けた場合の平面図である。
図６は、第１変形防止部材をねじにより締結した場合の平面図である。

【0021】

本実施形態においては、ねじ２１をスタッド２６に締結する際の応力分布を均等にするため、図５及び図６に示すように、第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５を平面視した場合にねじ２１の平面形状と同様の円形形状としている。

【0022】

なお、第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５については、ねじ２１による締結時の応力分布を均等とするために同一形状（例えば、６角形形状等）とする必要があるが、ねじ２１の形状とは必ずしも同じにする必要はない。

【0023】

しかしながら、ねじ２１の外形形状（平面視時の外形形状）と第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５の外形形状（平面視時の外形形状）を同様とすることで、応力分布のみならず、電流分布を均一とすることができるので、装置信頼性の観点からはより好ましい。

【0024】

より好ましくは、第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５は、同一形状であり、かつ、第１基板１１の基板面を含む平面に対する第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５の正射影がほぼ一致するように配置される。
さらに好ましくは、応力分布及び電流分布を均一化する観点から平面視形状を円形状とするのがよい。

【0025】

上記構成において、第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５は、樹脂製の第１基板１１の温度変化等に伴う変形（膨張、収縮）を抑制する部材である。

【0026】

すなわち、樹脂製の第１基板１１の両面から挟むように第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５を両面実装することで、第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５を設けた部分の実効的な第１基板１１の膨張収縮による陥没の直接的な影響を低減する。

【0027】

ひいては、第１基板１１の温度変化（例えば、車載用機器の場合、－４０℃～＋１２５℃の温度範囲で使用されることも想定される）による膨張あるいは収縮の影響を低減して、ねじ２１とスタッド２６の間の微摺動摩耗が引き起こされるのを抑制する。

【0028】

この結果、微摺動摩耗に伴う第２変形防止部材２５とスタッド２６との間の酸化によるさびの発生で導通不良が発生するのを抑制することができ、ねじ２１として通常使用されるＭ４サイズ未満のサイズのねじ２１を使用することができるのである。

【0029】

ところで、本実施形態においては、第１変形防止部材２４は、導通可能な端子としても機能しており、第１基板１１の第１面ＳＦ１に形成された配線パタン１１Ｐ１に半田により電気的に接続されている。
このため、例えば、表面の酸化を防止するため錫メッキが施された真鍮で形成されている。

【0030】

しかしながら、第１変形防止部材２４は、第１基板１１－第２基板１２の電流流路を必ずしも形成する必要がないので、端子として機能させない場合には、導電性部材で形成する必要はない。例えば、金属と同様の強度を有し、第１基板１１の温度変化による膨張あるいは収縮を抑制できれば良いので、非導電性のセラミックを用いるようにすることも可能である。

【0031】

同様に第２変形防止部材２５は、樹脂製の第１基板の温度変化等に伴う変形を抑制する部材である。さらに、本実施形態においては、第２変形防止部材２５は、端子として機能しており、第１基板１１の第２面ＳＦ２に形成された配線パタン１１Ｐ２に半田により電気的に接続されており、例えば、銀メッキが施された真鍮で形成されている。なお、メッキについては、酸化防止の観点から設けられるものであるので、金など他のメッキであってもよい。

【0032】

図７は、スタッドの外観斜視図である。
スタッド２６は、第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５のうち、少なくとも第２変形防止部材２５と電気的に接続される部品であり、図７に示すように、略円筒形状を有している。

【0033】

スタッド２６の上端面２６Ａ、あるいは、下端面２６Ｂは、一方が第２変形防止部材２５に当接して、電気的に接続される。他方は、第２基板１２の配線パタン１２Ｐに半田付けがなされる。
また内周面２６Ｃには、ねじ２１のねじ溝に螺合する図示しないねじ溝が形成されている。

【0034】

本実施形態においては、スタッド２６は、第１基板１１と第２基板１２との間で大電流を流す必要があるとともに、第２基板１２の第１面ＳＦ１に各種電子部品群ＥＤＧ２を搭載して一括して半田付けを行う第２のリフロー工程に先立って行われる第１のリフロー工程において第２基板１２の第２面ＳＦ２の配線パタン１２Ｐに半田付けがなされるようになっている。

【0035】

このため、第２のリフロー工程時に配線パタン１２Ｐとの間の半田が一部溶融してスタッド２６が自重で落下しないように、スタッド２６としては、比較的比重が低い材料を用いることが望まれている。

【0036】

このため、本実施形態においては、スタッド２６は、電気抵抗が低く、比重が低い材料としてジュラルミンを用いている。このスタッド２６の材料としては、ジュラルミンの他、チタンを用いることも可能である。

【0037】

次に実施形態の電子機器１０の製造方法について説明する。
まず、第１基板１１については、第１面ＳＦ１側には、第１変形防止部材２４を端子として用いる場合には、第１変形防止部材２４の下部および周囲に銅配線パタンが形成されているものとする。また、第１変形防止部材２４を端子として用いない場合には、配線には用いられない銅パタンが形成されているものとする。

【0038】

同様に第２基板１２の第２面ＳＦ２側には、第２変形防止部材２５を端子として用いるために、第２変形防止部材２５の下部および周囲に銅配線パタンが形成されているものとする。

【0039】

この状態において、第２基板１２の第２面ＳＦ２側を上面として配置し、リフロー用半田をスタッド２６に対応するリング状の銅配線パタンの全てに塗布する。
続いて、各銅配線パタンにスタッド２６を配置し、第１のリフロー工程によりスタッド２６を対応する銅配線パタンに接着する。

【0040】

続いて、第２基板１２を裏返して、第１面ＳＦ１側に載置する電子部品に対応する半田付けを行う配線パタンにリフロー用半田を塗布し、対応する電子部品を所定位置に配置する。

【0041】

そして第２のリフロー工程により載置した電子部品を一括して半田付けする。この状態において、スタッド２６は、第２基板１２の下面側に位置しているため、自重により第２基板から離間する方向に力が働くこととなるが、ジュラルミン製のスタッド２６は、従来の真鍮製のスタッドに比較して比重が低いため、剥がれて落下すること無く第２のリフロー工程が終了する。

【0042】

この時点で第２基板１２は、完成した状態であるので、図示されていない筐体の所定位置に取り付けられることとなる。

【0043】

これと並行して、第１基板１１については、第１面ＳＦ１側に載置する電子部品に対応する半田付けを行う配線パタンにリフロー用半田を塗布し、対応する電子部品を所定位置に配置する。そしてリフロー工程により載置した電子部品を一括して半田付けする。

【0044】

続いて第１基板１１の第２面ＳＦ２が、第２基板１２の第２面ＳＦ２と直接的に対向するように、第１基板１１を、所定位置に取り付ける。

【0045】

この結果、第１基板１１の全ての第２変形防止部材２５は、対応するスタッド２６にそれぞれ当接し、対向する位置に配置されることとなる。

【0046】

この状態で、第１基板１１の第１面ＳＦ１側の第１変形防止部材２４の開口部分からねじ２１を挿入して、ねじ２１のねじ溝をスタッド２６のねじ溝に螺合して、ねじ２１とスタッド２６を締結状態とする。

【0047】

この結果、第１基板１１の第２面ＳＦ２側の第２変形防止部材２５は、確実、かつ、強固にスタッド２６と電気的接続がなされ、ひいては、メッキが施された真鍮製の第２変形防止部材を介して第１基板１１の配線パタン１１Ｐ２がスタッド２６と電気的に強固に接続され、第１基板１１と、第２基板１２との間で、大電流を流せる電流流路を容易に形成することができる。

【0048】

上述したように上記構成による電流流路は、樹脂製の第１基板１１の両面から挟むように第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５を両面実装して形成されているので、第１変形防止部材２４及び第２変形防止部材２５を設けた部分の実効的な第１基板１１の強度が向上する。

【0049】

すなわち、第１基板１１の環境温度変化による膨張あるいは収縮の影響を低減して、ねじ２１とスタッド２６の間の微摺動摩耗が引き起こされるのを抑制して、微摺動摩耗を低減し、微摺動摩耗に伴うねじ２１とスタッド２６との間の酸化によるさびの発生で導通不良が発生するのを抑制して、電子機器１０の信頼性の向上が図れることとなる。

【0050】

これらの結果、本実施形態によれば、ねじ２１として比較的強度の高い鉄製のねじを用いているので、同一強度であれば従来のサイズ（例えば、Ｍ４以上のねじ）と比較してサイズを小さくでき（例えば、サイズＭ３以下）、初期締付トルクを高く設定しつつ、スタッドの寸法を小さくできるので、基板の容積、ひいては、電子機器の小型化を図ることが可能である。

【0051】

また、スタッド２６として比較的比重の低いジュラルミンあるいはチタンで形成しているので、強度を確保しつつ、パワーエレクトロニクス装置の製造工程中において、スタッド２６が第２基板１２に対して下側に配置されたとしても、自重により落下するのを防止することができる。
これらの結果、信頼性高く第１基板１１－第２基板１２間の電気的接続を確保することができる。

【0052】

以上、本開示の各実施の形態について説明したが、本開示は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0053】

以上の説明は、２枚の基板を重ねて配置する場合のものであったが、３枚以上の基板を重ねて配置する場合も対応する２枚の基板について同様に適用することが可能である。
以上の説明においては、スタッドは、円筒形状とされ、平面視した場合に外形形状が円の場合であったが、四角形状、六角形状等の多角形状等とすることも可能である。

【0054】

以上の説明においては、スタッドの形成材料として、ジュラルミンあるいはチタンを用いていたが、強度、比重及び抵抗値が許容範囲であれば、他の金属材料あるいは導電性材料を用いるように構成することも可能である。

【符号の説明】

【0055】

１０ 電子機器
１１ 第１基板
１１Ｐ１ 配線パタン
１１Ｐ２ 配線パタン
１２ 第２基板
１２Ｐ 配線パタン
１３ 接続部
２２ 平ワッシャ
２３ スプリングワッシャ
２４ 第１変形防止部材
２４Ａ 端子部
２４Ｂ 挿入部
２５ 第２変形防止部材
２５Ａ 端子部
２５Ｂ 挿入部
２６ スタッド
２６Ａ 上端面
２６Ｂ 下端面
２６Ｃ 内周面
ＳＦ１ 第１面
ＳＦ２ 第２面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】