(57)【要約】  ３層以上の多層配線板（１０３）と、多層配線板（１０３）の全層を貫通するリード部と、パワーチップ部（１２）とを有するスイッチングパワー素子（１０）と、多層配線板（１０３）内に形成され、スイッチングパワー素子（１０）のグランド端子（１１）に１点アースを介して接続された内層グランドパターン（４０，５０）とを有し、内層グランドパターン（４０，５０）の外形を多層配線板（１０３）の基板面に投影した第１の領域（Ａ１）は、パワーチップ部（１２）の外形を基板面に投影した第２の領域（Ａ２）を包含し、第１の領域（Ａ１）の面積は、スイッチングパワー素子（１０）の外形を基板面に投影した第３の領域（Ａ３）の面積よりも小さい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３層以上の多層配線板と、
前記多層配線板の全層を貫通するリード部と、パワーチップ部とを有するスイッチングパワー素子と、
前記多層配線板内に形成され、前記スイッチングパワー素子のグランド端子に１点アースを介して接続された内層グランドパターンとを有し、
前記内層グランドパターンの外形を前記多層配線板の基板面に投影した第１の領域は、前記パワーチップ部の外形を前記基板面に投影した第２の領域を包含し、
前記第１の領域の面積は、前記スイッチングパワー素子の外形を前記基板面に投影した第３の領域の面積よりも小さい回路基板。
【請求項２】
前記多層配線板は、４層以上であり、
複数の前記内層グランドパターンが、前記多層配線板の複数の層に形成され、
前記第１の領域は、複数の前記内層グランドパターンを前記基板面に投影した複数の領域の合計である請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
複数の前記内層グランドパターンの間を接続し、前記内層グランドパターンが形成された複数の層とフロー側の配線層とを貫通するグランドビアをさらに有する請求項２に記載の回路基板。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の回路基板を備える空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチングパワー素子を備える回路基板および空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーエレクトロニクス分野では、パワー素子をスイッチング制御して所望の電力を得る方法が広く採用されている。パワー素子をスイッチング制御する際に、パワー素子から熱およびノイズが発生するため、放熱対策およびノイズ対策が課題になっている。【０００３】
放熱対策およびノイズ対策のための技術として、放熱電極を含む多層配線板を用いる技術がある。この技術では、発熱性を有する回路部品が実装された多層プリント基板からなる回路基板の電極層を内層の放熱電極である内層グランドパターンと接続して、回路部品で発生した熱を放熱電極を介して放熱する。また、特許文献１には、内層グランドパターンを、発熱部品の外形を基板面に投影した範囲に形成することで、放射ノイズの影響を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−６３９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術によれば、多層配線板の各層を貫通するリード部を有するスイッチングパワー素子を回路部品に用いた場合、フロー実装時の熱量が内層グランドパターンに移動して、スルーホール上面の熱不足によるスルーホール上がり不足が発生する可能性があるという問題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内層グランドパターンの放熱効果に伴うフロー実装時のスルーホール上がりの悪化を抑制することが可能な回路基板を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回路基板は、３層以上の多層配線板と、多層配線板の全層を貫通するリード部と、パワーチップ部とを有するスイッチングパワー素子と、多層配線板内に形成され、スイッチングパワー素子のグランド端子に１点アースを介して接続された内層グランドパターンとを有する。この回路基板は、内層グランドパターンの外形を多層配線板の基板面に投影した第１の領域は、パワーチップ部の外形を基板面に投影した第２の領域を包含し、第１の領域の面積は、スイッチングパワー素子の外形を基板面に投影した第３の領域の面積よりも小さい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る回路基板は、内層グランドパターンの放熱効果に伴うフロー実装時のスルーホール上がりの悪化を抑制することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電子回路の構成例を示す図
【図２】図１に示す電子回路を有する回路基板の構成例を示す図
【図３】図２に示す回路基板のうちスイッチングパワー素子周辺の断面構成を示す図
【図４】図３の断面構造の第１の例を示す図
【図５】図３の断面構造の第２の例を示す図
【図６】図３に示すスイッチングパワー素子のグランド端子に接続されるグランドパターンの第１回路層における配置を示す図
【図７】図３に示すスイッチングパワー素子のグランド端子に接続されるグランドパターンの第２回路層における配置を示す図
【図８】図３に示すスイッチングパワー素子のグランド端子に接続されるグランドパターンの第３回路層における配置を示す図
【図９】図３に示すスイッチングパワー素子のグランド端子に接続されるグランドパターンの第４回路層における配置を示す図
【図１０】図７，８に示す内層グランドパターンの外形を基板面に投影した第１の領域を示す図
【図１１】図１０のＡ−Ａ断面の構成を示す模式図
【図１２】図１０のＢ−Ｂ断面の構成を示す模式図
【図１３】図６に示す第１回路層にグランドビアを追加した配置を示す図
【図１４】図７に示す第２回路層にグランドビアを追加した配置を示す図
【図１５】図８に示す第３回路層にグランドビアを追加した配置を示す図
【図１６】図９に示す第４回路層にグランドビアを追加した配置を示す図
【図１７】図１４，１５に示す内層グランドパターンを基板面に投影した第１の領域を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態にかかる回路基板および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電子回路９０の構成例を示す図である。図１に示す電子回路９０は、外部の商用電源１０１からリアクトル１を介して供給される交流電力をダイオード２で整流し、電解コンデンサ３で平滑化する。これにより、交流電力を直流電力に変換することができる。ダイオード２および電解コンデンサ３は、ＡＣ（Alternating  Current）ＤＣ（Direct  Current）コンバータ回路に置き換えて、所望の直流電圧を生成してもよい。電解コンデンサ３に充電された直流電力は、ＤＣＤＣコンバータ４でＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）制御により所望の電圧に変換され、スイッチングパワー素子１０、制御回路５に供給される。
【００１２】
スイッチングパワー素子１０は、制御回路５によりスイッチング制御されるパワー素子であり、スイッチングパワー素子１０の出力に接続される負荷１０２には、所望の出力電圧が供給される。スイッチングパワー素子１０は、ＩＰＭ（Intelligent  Power  Module）を使って省スペース化した構成でもよいし、ＦＥＴ（Field  Effect  Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）、ＨＶＩＣ（High  Voltage  Integrated  Circuit）などを使った発熱を抑える構成であってもよい。またスイッチングパワー素子１０は、ＰＦＣ（Power  Factor  Correction）回路に使用されるもので構成してもよい。
【００１３】
パワー系回路および制御系回路は、グランドパターンが分かれている。パワー系グランドパターン６および制御系グランドパターン７は、１点アースで接続される。これにより、パワー系グランドパターン６に流れるノイズ電流が制御系グランドパターン７へ流入することを抑制することができる。
【００１４】
図２は、図１に示す電子回路９０を有する回路基板１００の構成例を示す図である。回路基板１００は、４層の多層配線板１０３と、図１で説明したリアクトル１、ダイオード２、電解コンデンサ３、ＤＣＤＣコンバータ４、制御回路５、および、回路基板１００の全層を貫通するリード部を有するスイッチングパワー素子１０で構成された電子回路９０を有している。リアクトル１は、スイッチングパワー素子１０のスイッチング周波数が低い場合に大型化するため、その場合は回路基板１００の外部に配置してもよい。電子回路９０は、面実装部品、アキシャル部品、ラジアル部品、手挿部品が混在した基板であり、基板組み立てには、リフロー工程だけではなく、スポットフローやロボットはんだを含めたフロー工程が必要である。
【００１５】
多層配線板１０３に用いられる物質は、例えばエポキシ（ＦＲ４）、銅、アルミニウムなどである。これらの物質の熱伝導率は、エポキシが０．２５［Ｗ／ｍＫ］、銅が４０３［Ｗ／ｍＫ］、アルミニウムが２３６［Ｗ／ｍＫ］である。空気の熱伝導率は０．０２４［Ｗ／ｍＫ］であることから、実装部品で発生する熱は、空気よりもこれらの物質に移動しやすい。また、上記の物質は、ノイズ低減用の部材にも好適である。
【００１６】
図３は、図２に示す回路基板１００のうちスイッチングパワー素子１０周辺の断面構成を示す図である。スイッチングパワー素子１０の各リード部は、スルーホール８０を介して全層を貫通している。スイッチングパワー素子１０のグランド端子１１は、スルーホール８０を介して第１回路層Ｌ１、第２回路層Ｌ２、第３回路層Ｌ３および第４回路層Ｌ４の各グランドパターン３０，４０，５０，６０に接続されている。各グランドパターン３０，４０，５０，６０はグランドビア７０を介してそれぞれ接続してもよいし、グランドビア７０は複数あってもよい。
【００１７】
スイッチングパワー素子１０は複数のパワーチップ部１２を有しており、パワーチップ部１２からは放射ノイズが発生する。この放射ノイズが制御ＩＣ２０に到達すると制御ＩＣ２０の動作に異常が生じる可能性がある。このため、グランドパターン３０，４０，５０，６０のうち、内層である第２回路層Ｌ２、第３回路層Ｌ３に設けられているグランドパターン４０，５０を、パワーチップ部１２と制御ＩＣ２０との間に設けている。以下、内層に設けられたグランドパターン４０，５０を、内層グランドパターン４０，５０と称する。
【００１８】
図４は、図３の断面構造の第１の例を示す図である。図５は、図３の断面構造の第２の例を示す図である。図４は、第２回路層Ｌ２に内層グランドパターン４０が設けられた部分の断面構造を示している。図５は、第３回路層Ｌ３に内層グランドパターン５０が設けられた部分の断面構造を示している。パワーチップ部１２からの放射ノイズが制御ＩＣ２０に向かう経路上に内層グランドパターン４０，５０が設けられているため、パワーチップ部１２から制御ＩＣ２０への放射ノイズが内層グランドパターン４０，５０で抑制される。
【００１９】
なお、ここでは回路基板１００は、４層の多層配線板１０３を有し、４層のうち内層の２層に内層グランドパターン４０，５０を設けた例を説明したが、内層グランドパターンは、１層であってもよく、多層配線板１０３は、３層であってもよいし、５層以上であってもよい。
【００２０】
図６は、図３に示すスイッチングパワー素子１０のグランド端子１１に接続されるグランドパターンの第１回路層Ｌ１における配置を示す図である。図６には、パワーチップ部１２の外形を基板面に投影した第２の領域Ａ２と、スイッチングパワー素子１０の外形を基板面に投影した第３の領域Ａ３とが示されている。基板面とは、ここでは、回路基板１００の一面であればよく、例えば、第１回路層Ｌ１の表面である。第１回路層Ｌ１において、グランド端子１１は、パワー系グランドパターン６と接続している。
【００２１】
図７は、図３に示すスイッチングパワー素子１０のグランド端子１１に接続されるグランドパターンの第２回路層Ｌ２における配置を示す図である。図７には、第２回路層Ｌ２に設けられた内層グランドパターン４０の形状が示されている。図８は、図３に示すスイッチングパワー素子１０のグランド端子１１に接続されるグランドパターンの第３回路層Ｌ３における配置を示す図である。図８には、第３回路層Ｌ３に設けられた内層グランドパターン５０の形状が示されている。内層グランドパターン４０および内層グランドパターン５０は、櫛形の形状をしており、内層グランドパターン４０の凸部の形状は、内層グランドパターン５０の凹部の形状に対応している。同様に内層グランドパターン４０の凹部の形状は、内層グランドパターン５０の凸部の形状に対応している。
【００２２】
内層グランドパターン４０，５０は、電子回路９０のパワー系グランドパターン６とは一点アースを介して接続される。この１点アースにより、内層グランドパターン４０，５０は、その他のパワー系グランドパターン６からのノイズ電流の流入が抑制される。
【００２３】
図９は、図３に示すスイッチングパワー素子１０のグランド端子１１に接続されるグランドパターンの第４回路層Ｌ４における配置を示す図である。グランド端子１１を介してスイッチングパワー素子１０の発熱を内層グランドパターン４０，５０に移動させることで、スイッチングパワー素子１０の温度上昇が抑制される。内層グランドパターン４０，５０によってスルーホール８０のスルーホール上がりが悪化する懸念がある場合、第１回路層Ｌ１および第４回路層Ｌ４のグランドパターンをサーマル処理してもよい。
【００２４】
図１０は、図７，８に示す内層グランドパターン４０，５０の外形を基板面に投影した第１の領域Ａ１を示す図である。内層グランドパターン４０，５０の外形を基板面に投影した第１の領域Ａ１は、パワーチップ部１２の外形を基板面に投影した第２の領域Ａ２を包含する。このとき第１の領域Ａ１は、内層グランドパターン４０の外形を基板面に投影した領域Ａ１−１と、内層グランドパターン５０の外形を基板面に投影した領域Ａ１−２とを合計した領域である。また、第１の領域Ａ１の面積は、スイッチングパワー素子１０の外形を基板面に投影した第３の領域Ａ３の面積よりも小さい。
【００２５】
なお多層配線板１０３が３層である場合、内層は１層となるため、領域Ａ１−１，Ａ１−２を合計した第１の領域Ａ１の形状をしたグランドパターンを設けることができる。また、多層配線板１０３が５層以上である場合、内層は３層以上となるため、３層以上の内層グランドパターンを複数の層に形成することができる。この場合、図１０に示す例と同様に、３層以上の内層グランドパターンのそれぞれの外形を基板面に投影した領域の合計である第１の領域Ａ１が、第２の領域Ａ２を包含するように、各グランドパターンの形状が決められる。
【００２６】
図１１は、図１０のＡ−Ａ断面の構成を示す模式図である。図１２は、図１０のＢ−Ｂ断面の構成を示す模式図である。第１の領域Ａ１が第２の領域Ａ２を包含することで、回路基板１００の厚み方向に進む放射ノイズの経路上に、内層グランドパターン４０または内層グランドパターン５０が存在することになる。このため、回路基板１００のパワーチップ部１２が実装される面の裏面に制御ＩＣ２０を設けたとしても、放射ノイズが制御ＩＣ２０に到達することを抑制することができる。したがって、回路基板１００の基板面積を有効に活用することができるようになる。
【００２７】
また、第１の領域Ａ１を内層グランドパターン４０，５０に分割して形成することで、内層グランドパターン４０，５０への熱移動を抑制することができる。このため、スルーホール８０のスルーホール上がりを改善することが可能になる。
【００２８】
また、第１の領域Ａ１の面積を第３の領域Ａ３の面積よりも小さくする、すなわち、内層グランドパターン４０，５０を設ける範囲を、パワーチップ部１２の外形を投影した第２の領域Ａ２の周りに限定することで、内層グランドパターン４０，５０の放熱効果によるフロー実装時のスルーホール上がりの悪化を抑制することができる。したがって、生産効率の悪化および機械的接合不良を低減することが可能になる。
【００２９】
図１３は、図６に示す第１回路層Ｌ１にグランドビア７０を追加した配置を示す図である。図１４は、図７に示す第２回路層Ｌ２にグランドビア７０を追加した配置を示す図である。図１５は、図８に示す第３回路層Ｌ３にグランドビア７０を追加した配置を示す図である。図１６は、図９に示す第４回路層Ｌ４にグランドビア７０を追加した配置を示す図である。図１７は、図１４，１５に示す内層グランドパターン４０，５０を基板面に投影した第１の領域Ａ１を示す図である。
【００３０】
図１３〜図１７に示すように、内層グランドパターン４０，５０をグランドビア７０で接続することで、はんだフロー工程時にスルーホール８０のスルーホール上がりを改善し、内層グランドパターン４０，５０間のシールド効果を高めることができるという効果を奏する。また、熱供給時間の短縮による生産効率向上も期待することができる。
【００３１】
以上説明したように、本発明の実施の形態１にかかる回路基板１００は、３層以上の多層配線板１０３の全層を貫通するリード部と、パワーチップ部１２とを有するスイッチングパワー素子１０と、多層配線板１０３内に形成され、スイッチングパワー素子１０のグランド端子１１に１点アースを介して接続された内層グランドパターン４０，５０とを有する。内層グランドパターン４０，５０の外形を基板面に投影した第１の領域Ａ１は、パワーチップ部１２の外形を基板面に投影した第２の領域Ａ２を包含する。第１の領域Ａ１の面積は、スイッチングパワー素子１０の外形を基板面に投影した第３の領域Ａ３の面積よりも小さい。
【００３２】
したがって、パワーチップ部１２から発生する放射ノイズを抑制することが可能になる。また、パワーチップ部１２から発生する熱を、内層グランドパターン４０，５０を用いて効率的に放熱することが可能になる。また、内層グランドパターン４０，５０の外形を基板面に投影した第１の領域Ａ１の面積は、スイッチングパワー素子１０の外形を基板面に投影した第３の領域Ａ３の面積よりも小さい。このため、内層グランドパターン４０，５０の放熱効果によるフロー実装時のスルーホール上がりの悪化を抑制することができる。したがって、生産効率の悪化および機械的接合不良を低減することが可能になる。
【００３３】
多層配線板１０３は４層以上であり、複数の層に渡って内層グランドパターン４０，５０を形成している。このとき、内層グランドパターン４０の外形を基板面に投影した領域Ａ１−１と、内層グランドパターン５０の外形を基板面に投影した領域Ａ１−２との合計を第１の領域Ａ１とする。すなわち、領域Ａ１−１と領域Ａ１−２とを重ね合せた領域が、第２の領域Ａ２を包含するように、内層グランドパターン４０，５０を形成している。
【００３４】
また、回路基板１００は、複数の内層グランドパターン４０，５０の間を接続し、内層グランドパターン４０，５０が形成された複数の層である第２回路層Ｌ２および第３回路層Ｌ３とフロー側の配線層とを貫通するグランドビア７０をさらに有する。このため、はんだフロー工程時にスルーホール８０のスルーホール上がりを改善し、内層グランドパターン４０，５０間のシールド効果を高める効果が期待できる。また、熱供給時間の短縮による生産効率向上を期待することもできる。
【００３５】
一般的によく用いられる放熱対策としては、例えば、ヒートシンクなどの熱伝導率が高い材質の構造物を発熱部分に取り付けることで温度上昇を抑制する方法、外部から空気を取込むことで発熱部品を冷やす空冷、ファンなどを回して生じる風で発熱部品を冷やす強制空冷、発熱部品の近くに水、低温冷媒などが流れる管を配置して、発熱部品を冷やす水冷などがある。これらの冷却方法と比較して、本実施の形態にかかる回路基板１００では、基板周囲の構造設計に大きな影響を与えることなく、コストの上昇を抑制することが可能である。
【００３６】
また、一般的によく用いられるノイズ低減対策としては、コイル、コンデンサ、抵抗、コアなどで構成するノイズフィルタ回路を、ノイズ発生部品または回路ブロックの前後に接続して、制御系回路、基板外部へのノイズ伝搬を抑制する方法がある。また、ノイズ電流を抵抗に流すことで熱に変換してノイズを低減する方法などがある。これらの他ノイズ低減対策と比較して、本実施の形態にかかる回路基板１００では、ノイズ対策部品を追加する必要がなく、コストの増加を抑制することができる。
【００３７】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【００３８】
例えば、上記では回路基板１００の構成のみ示したが、回路基板１００を備える空気調和機として、本発明の技術を使用してもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  リアクトル、２  ダイオード、３  電解コンデンサ、４  ＤＣＤＣコンバータ、５  制御回路、６  パワー系グランドパターン、７  制御系グランドパターン、１０  スイッチングパワー素子、１１  グランド端子、１２  パワーチップ部、２０  制御ＩＣ、３０，４０，５０，６０  グランドパターン、４０，５０  内層グランドパターン、７０  グランドビア、８０  スルーホール、９０  電子回路、１００  回路基板、１０１  商用電源、１０２  負荷、１０３  多層配線板、Ａ１  第１の領域、Ａ１−１，Ａ１−２  領域、Ａ２  第２の領域、Ａ３  第３の領域、Ｌ１  第１回路層、Ｌ２  第２回路層、Ｌ３  第３回路層、Ｌ４  第４回路層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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2020194431.tif 000021
2020194431.tif 000022
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