JP2019207964A

JP2019207964A - 回路基板

Info

Publication number: JP2019207964A
Application number: JP2018103319A
Authority: JP
Inventors: 正俊篠原; Masatoshi Shinohara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2019-12-05
Also published as: US20190373718A1; CN110557884A; EP3576502A1; EP3576502B1

Abstract

【課題】共振周波数の低下による耐振性能の低下を抑制する。
【解決手段】所定の部品への締結に用いられる複数の締結孔、を備え、表面に複数の電子部品が搭載されると共に複数の締結孔に挿入される締結具により所定の部品へ締結される回路基板であって、締結孔の周辺には、隣の他の締結孔との間を結ぶ直線上を避ける位置に応力を緩和するための応力緩和部が形成されている。これにより、共振周波数の低下による耐振性能の低下を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、回路基板に関し、詳しくは、所定の部品への締結に用いられる複数の締結孔、を備え、表面に複数の電子部品が搭載されると共に複数の締結孔に挿入される締結具により所定の部品へ締結される回路基板に関する。

従来、この種の回路基板としては、複数の締結孔（ネジ留め用孔）を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この基板では、締結孔の周辺に締結孔を取り囲むようにスリットを形成し、スリットを間に挟んだ反対側の領域と回路基板の外縁にて１カ所の連結部のみで連結されている。これにより、ネジ留めされたときに締結孔間で応力によって生じる歪みを低減できるとしている。

特開２０１６−１６２９４４号公報

しかしながら、上述の回路基板では、スリットを形成することにより、振動時に梁の役割を果たす締結点間がスリットにより切断されるため、回路基板の剛性が低下し、共振周波数が低下する。そのため、回路基板へ入力される振動の周波数が低いときに、共振を起こしやすくなり、回路基板の耐振性能が低下する場合がある。

本発明の回路基板は、共振周波数の低下による耐振性能の低下を抑制することを主目的とする。

本発明の回路基板は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の回路基板は、
所定の部品への締結に用いられる複数の締結孔、を備え、表面に複数の電子部品が搭載されると共に前記複数の締結孔に挿入される締結具により前記所定の部品へ締結される回路基板であって、
前記締結孔の周辺には、隣の他の前記締結孔との間を結ぶ直線上を避ける位置に応力を緩和するための応力緩和部が形成されている、
ことを要旨とする。

この本発明の回路基板では、締結孔の周辺には、隣の他の締結孔との間を結ぶ直線上を避ける位置に応力を緩和するための応力緩和部が形成されている。これにより、隣合う２つの締結孔間で梁が形成されるから、複数の締結孔に挿入される締結具により所定の部品へ締結されたときに、隣合う２つの締結孔間を結ぶ直線上に応力緩和部を設けるものに比して、回路基板の剛性を高めることができる。この結果、回路基板の共振周波数の低下を抑制することができ、回路基板の耐振性能の低下を抑制できる。

こうした本発明の回路基板において、前記隣の他の締結孔との距離が所定距離未満である前記締結孔の周辺には、前記直線上を避けることなく前記応力緩和部が形成されていてもよい。ここで、「所定距離」は、応力緩和部を形成することにより、締結具により所定部品へ締結されたときに入力される振動に対して回路基板の剛性が低下する２つの締結孔間の距離の閾値として予め実験や解析などで定めたものである。隣の他の締結孔との距離が所定距離未満である２つの締結孔については、２つの締結孔間を結ぶ直線上に応力緩和部を形成しても締結孔間の剛性はさほど低下せず、回路基板の共振周波数もさほど低下しない。回路基板の歪みを低減する観点からは、２つの締結孔の間に極力応力緩和部を形成して、回路基板の応力を緩和することが望ましい。そのため、隣の締結孔との距離が所定距離未満である締結孔の周辺には、直線上を避けることなく応力緩和部を形成することにより、複数の締結孔に挿入される締結具により回路基板を所定の部品へ締結したときにおける回路基板の歪みをより低減することができる。

また、本発明の回路基板において、前記隣の他の締結孔との間に前記直線上に前記回路基板へ所定の歪みストレスが加えられたときに異常が生じる前記電子部品が配置されている前記締結孔の周辺には、前記直線上を避けることなく前記応力緩和部が形成されていてもよい。ここで、「所定の歪みストレス」は、応力緩和部を形成しない状態で回路基板に入力される歪みの大きさの平均値として予め定めたものである。こうすれば、回路基板へ所定の歪みストレスが加えられたときに、応力緩和部により回路基板に発生する応力が緩和されるから、回路基板の歪みを抑制することができ、電子部品の保護を図ることができる。

さらに、本発明の回路基板において、前記応力緩和部は、前記締結孔の周辺に貫通孔として形成されていてもよい。こうすれば、応力緩和部を、締結孔の周辺に貫通孔として形成することができる。

または、本発明の回路基板において、前記応力緩和部は、前記締結孔の周辺に凹部として形成されていてもよい。こうすれば、応力緩和部を、締結孔の周辺に凹部として形成することができる。

さらに、本発明の回路基板において、前記回路基板は、内部に金属からなる少なくとも１つの配線層を備え、前記応力緩和部は、前記締結孔の周辺の前記配線層の一部が除去されることにより形成されていてもよい。こうすれば、応力緩和部を、締結孔の周辺の配線層の一部を除去することにより形成することができる。

本実施例の回路基板が搭載されたＰＣＵ１０の構成の概略を示す分解斜視図である。回路基板４０の構成の概略を示す説明図である。回路基板４０の締結孔４２ａを拡大した拡大図である。変形例の回路基板１４０の要部の概略を示す概略図である。変形例の回路基板２４０の要部の概略を示す概略図である。変形例の回路基板３４０の要部の概略を示す概略図である。変形例の回路基板４４０の要部の断面の概略を示す概略図である。変形例の回路基板５４０の要部の断面の概略を示す概略図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本実施例の回路基板が搭載されたパワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）１０の構成の概略を示す分解斜視図である。図２は、回路基板４０の構成の概略を示す説明図である。図３は、回路基板４０の締結孔４２ａを拡大した拡大図である。ＰＣＵ１０は、図１に示すように、電力変換装置２０と、回路基板４０と、筐体５０と、を備えている。ＰＣＵ１０は、例えば、エンジンからの動力やモータからの動力で走行するハイブリッド自動車に搭載され、モータを制御する制御装置として機能する。

電力変換装置２０では、昇圧コンバータ，インバータなど電力を変換するための回路を構成するダイオードやＩＧＢＴなどの複数のパワー素子が内蔵されている。

回路基板４０は、図２に示すように、電力変換装置２０に内蔵された昇圧コンバータやインバータを制御するための制御回路を構成する複数の電子部品を搭載している。電子部品としては、抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣ，コネクタＣｎ，電解コンデンサＣａｐ，コイルＣｏｉｌ，金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）（以下、「トランジスタ」という）Ｍなどを挙げることができる。抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣは、回路基板４０に予め定めれた所定の大きさの歪みストレスが与えられたときに、電解コンデンサＣａｐやコイルＣｏｉｌ，トランジスタＭに比してクラックが入るなどの異常が生じやすい。「所定の大きさ」は、後述するスリットＳを形成しない状態で回路基板４０に入力される歪みの大きさの平均値として予め定めたものである。回路基板４０には、締結孔４２ａ〜４２ｇと、複数のスリットＳ（スリットＳ１，Ｓ２など）と、が形成されている。回路基板４０は、図１に示すように、締結孔４２ａ〜４２ｇに挿入されるビス４４ａ〜４４ｇにより筐体５０の取り付け部材５１に固定されている。

締結孔４２ａ〜４２ｇは、図３に示すように、直径が値Ｄ１（例えば、４ｍｍ，５ｍｍ，６ｍｍなど）で回路基板４０を貫通するように形成されている。締結孔４２ａ〜４２ｅの周辺には、図２，図３に示すように、スリットＳが形成されている。締結孔４２ａの周辺のスリットＳ１，Ｓ２は、回路基板４０を貫通するように、締結孔４２ａから距離Ｄ２（例えば、３．０ｍｍ，３，５ｍｍ，４．０ｍｍなど）離れた位置に、幅Ｗ（例えば、０．８ｍｍ，１．０ｍｍ，１．２ｍｍなど）で円弧の長さが値Ｌ（例えば、５ｍｍ，６ｍｍ，７ｍｍ）の円弧状に形成されている。スリットＳ２は、スリットＳ１を締結孔４２ａの中心軸を回転軸として９０度回転させた位置に配置されている。締結孔４２ｂ〜４２ｅの周辺のスリットＳは、スリットＳ１，Ｓ２と同様の形状に形成されている。締結孔４２ｂ〜４２ｅの周辺に複数のスリットＳを配置するときには、スリットＳ同士が締結孔４２ａの中心軸を回転軸として９０度回転させた位置となるように配置している。スリットＳの配置の詳細については後述する。

筐体５０は、ケース５２，５４と、蓋部材５６と、底部材５８と、を備えている。ケース５２には、電力変換装置２０が収納されており、図１における下面側が底部材５８で塞がれた状態でケース５４に嵌め込まれる。ケース５４は、内側の取り付け部材５１の図１における上面側に回路基板４０が固定されており、図１における下面側から電力変換装置２０を収納したケース５２が嵌め込まれて取り付け部材５１に固定されている。

ここで、回路基板４０の締結孔４２ａ〜４２ｅの周辺に形成されるスリットＳの配置について、締結孔４２ａを例に説明する。なお、各スリットＳの配置は、回路基板４０の締結孔４２ａ〜４２ｇと各電子部品の配置とが定められた後に定められる。

最初に、締結孔４２ａと隣の締結孔（締結孔４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）との距離Ｄｈを調べる。距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ未満であるときには、締結孔４２ａの中心と隣の締結孔の中心とを結ぶ直線Ｌｒｅｆ上を避けることなく、直線Ｌｒｅｆ上にかかるようにスリットＳを形成する。直線Ｌｒｅｆは、実施例では、締結孔４２ａの中心と隣の締結孔の中心とを結ぶ直線としているが、締結孔４２ａの中心と隣の締結孔の中心とを結ぶ直線に限定したものではなく、締結孔４２ａのある位置と隣の締結孔のある位置とを結ぶ直線であればよい。所定距離Ｄｒｅｆは、スリットＳを形成することにより、締結孔４２ａと隣の締結孔との間の領域の剛性が低下し、締結孔４２ａ〜４２ｇにビス４４ａ〜４４ｇを挿入して回路基板４０を筐体５０に固定したときに回路基板４０の共振周波数が大きく低下することにより、周波数の低い振動に対して回路基板４０に共振が生じやすくなる距離として予め実験や解析などで定めたものである。距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ未満のときには、直線Ｌｒｅｆ上にかかる位置にスリットＳを形成しても回路基板４０の共振周波数が大きく低下しない。回路基板４０の歪みを低減する観点からは、２つの締結孔の間に極力スリットＳを形成することが望ましい。そのため、距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ未満のときには、直線Ｌｒｅｆ上にかかる位置にスリットＳを形成することにより、回路基板４０に対して歪みストレスが与えられたときに、スリットＳで回路基板４０の応力を緩和できる。これにより、回路基板４０の歪みを抑制することができる。

距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上である場合において、直線Ｌｒｅｆ上に抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣが配置されているときには、直線Ｌｒｅｆ上を避けることなく直線Ｌｒｅｆ上にかかるようにスリットＳを形成する。抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣは、電解コンデンサＣａｐやコイルＣｏｉｌ，トランジスタＭやコネクタＣｎに比して歪みストレスに弱い。そのため、距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上である場合において、直線Ｌｒｅｆ上に抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣが配置されているときにスリットＳを形成することにより、回路基板４０に対して歪みストレスが与えられたときに、スリットＳで回路基板４０の応力を緩和できる。これにより、回路基板４０の歪みを抑制することができると共に抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣなど歪みストレスに弱い電子部品の保護を図ることができる。

距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上である場合において、直線Ｌｒｅｆ上に電解コンデンサＣａｐやコイルＣｏｉｌ，トランジスタＭが配置されているときや直線Ｌｒｅｆ上に電子部品が配置されていないときには、直線Ｌｒｅｆ上を避けてスリットＳを形成する。電解コンデンサＣａｐやコイルＣｏｉｌ，トランジスタＭやコネクタＣｎは、抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣに比して歪みストレスに強い。そのため、距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上である場合において、直線Ｌｒｅｆ上に電解コンデンサＣａｐやコイルＣｏｉｌ，トランジスタＭが配置されているときや直線Ｌｒｅｆ上に電子部品が配置されていないときには、直線上を避けてスリットＳを形成することにより、締結孔４２ａと隣の締結孔との間に梁が形成される。締結孔４２ａと隣の締結孔との間に梁が形成されると締結孔４２ａと隣の締結孔との間の領域の剛性が高くなり、回路基板４０の共振周波数の低下が抑制される。これにより、周波数が低い振動が回路基板４０に入力されたときに回路基板４０の共振を抑制することができ、耐振性能の低下を抑制することができる。

上述したことを考慮して、締結孔４２ａの周辺には、締結孔４２ａの中心と締結孔４２ｃの中心とを結ぶ直線Ｌｒｅｆ（距離Ｄｈは所定距離Ｄｒｅｆ以上であるが上にトランジスタＭが配置）上を避け、締結孔４２ａの中心と締結孔４２ｂ，４２ｄの中心とを結ぶ直線Ｌｒｅｆ（距離Ｄｈは所定距離Ｄｒｅｆ以上であり上に電解コンデンサＣａｐやコイルＣｏｉｌ，トランジスタＭが配置されていない）上にかかるように、スリットＳ１，Ｓ２が形成される。同様の手法にて、締結孔４２ｂ〜４２ｅの周辺にスリットＳが形成されている。

なお、回路基板４０の縁に近い位置に形成されている締結孔４２ａ，４２ｂ，４２ｄ〜４２ｇの周辺であっても回路基板４０の縁に近い領域には、スリットＳを形成しない。これは、回路基板４０の縁に近い領域は振動により欠けや割れなどが生じやすいため、縁に近い領域の剛性の低下を抑制する必要があることに基づく。これにより、耐振性能の低下をより抑制することができる。

以上説明した実施例の回路基板４０を搭載するＰＣＵ１０によれば、締結孔４２ａ〜４２ｇのうちの１つとその隣の締結孔との距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上である場合において、直線Ｌｒｅｆ上に電解コンデンサＣａｐやコイルＣｏｉｌ，トランジスタＭが配置されているときや直線Ｌｒｅｆ上に電子部品が配置されていないときには、直線Ｌｒｅｆ上を避けてスリットＳが形成されているから、回路基板４０の共振周波数の低下による耐振性能の低下を抑制することができる。

また、距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ未満であるときには、締結孔４２ａ〜４２ｇのうちの１つとその隣の締結孔とを結ぶ直線Ｌｒｅｆ上を避けることなく直線Ｌｒｅｆ上にかかるようにスリットＳが形成されているから、回路基板４０の歪みを抑制することができる。

さらに、距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上である場合において、直線Ｌｒｅｆ上に抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣが配置されているときには、直線Ｌｒｅｆ上を避けることなく直線Ｌｒｅｆ上にかかるようにスリットＳが形成されているから、回路基板４０の歪みを抑制することができる。

実施例の回路基板４０を搭載するＰＣＵ１０では、距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上である場合において、直線Ｌｒｅｆ上に電解コンデンサＣａｐやコイルＣｏｉｌ，トランジスタＭが配置されているときや直線Ｌｒｅｆ上に電子部品が配置されていないときには、直線Ｌｒｅｆ上を避けてスリットＳが形成されている。しかしながら、距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上であるか否かや直線Ｌｒｅｆ上の電子部品の種類や直線Ｌｒｅｆ上に電子部品配置されているか否かに拘わらず、一律に、直線Ｌｒｅｆ上を避けてスリットＳが形成されていてもよい。

実施例の回路基板４０を搭載するＰＣＵ１０では、締結孔４２ａ〜４２ｄの周囲に円弧状のスリットＳが形成されている。しかしながら、スリットＳの形状は、回路基板４０の応力を緩和する形状なら如何なるものでもよい。例えば、図４の変形例の回路基板１４０に例示するように、矩形状のスリットＳとしてもよい。また、図５の変形例の回路基板２４０に例示するように、円状のスリットＳを締結孔４２ａ〜４２ｄの周囲に１つ以上複数形成してもよい。

実施例の回路基板４０を搭載するＰＣＵ１０では、締結孔４２ａ〜４２ｄの周囲に複数の円弧状のスリットＳが互いに９０度の角度をもって形成されている。しかしながら、図６の変形例の回路基板３４０に例示するように、円弧状のスリットＳを９０度より小さい角度で締結孔４２ａ〜４２ｄの周辺に形成してもよい。

実施例の回路基板４０を搭載するＰＣＵ１０では、締結孔４２ａ〜４２ｄの周辺に回路基板４０を貫通する貫通孔としてのスリットＳを形成している。しかしながら、締結孔４２ａ〜４２ｄの周辺に回路基板４０の応力を緩和する構造を形成すればよいから、図７の変形例の回路基板４４０に例示するように、スリットＳに代えて、回路基板４４０の両面であって締結孔４２ａ〜４２ｄの周辺に凹部Ｒｅを形成してもよい。凹部Ｒｅは、回路基板４４０の両面に形成してもよいし、片面のみに形成してもよい。また、図８の変形例の回路基板５４０に例示するように、回路基板５４０が絶縁材Ｉｓに配線層Ｍ１〜Ｍ４が深さ方向へ順に形成された多層基板であるときには、スリットＳに代えて、締結孔４２ａ〜４２ｄの周辺の配線層Ｍ１〜Ｍ４を一部除去して締結孔４２ａ〜４２ｄの周辺に配線層を備えてない領域Ｒｎｍを形成してもよい。

実施例の回路基板４０を搭載するＰＣＵ１０では、距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上である場合において、直線Ｌｒｅｆ上に抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣが配置されているときには直線Ｌｒｅｆ上を避けることなく直線Ｌｒｅｆ上にかかるようにスリットＳが形成されている。しかしながら、距離Ｄｈが所定距離Ｄｒｅｆ以上である場合において、直線Ｌｒｅｆ上に抵抗素子Ｒや集積回路ＩＣと異なる電子部品であっても回路基板４０へ所定の歪みストレスが加えられたときに異常が生じる電子部品が配置されているときには、直線Ｌｒｅｆ上を避けることなく直線Ｌｒｅｆ上にかかるようにスリットＳが形成されていてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、締結孔４２ａ〜４２ｄが「締結孔」に相当し、スリットＳが「応力緩和部」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、回路基板の製造産業などに利用可能である。

１０パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）、２０電力変換装置、４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０回路基板、４２ａ〜４２ｇ締結孔、４４ａ〜４４ｇビス、５０筐体、５１取り付け部材、５２，５４ケース、５６蓋部材、５８底部材、Ｃａｐ電解コンデンサ、Ｃｏｉｌコイル、Ｃｎコネクタ、ＩＣ集積回路、Ｉｓ絶縁材、Ｓ，Ｓ１，Ｓ２スリット、Ｍ金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（トランジスタ）、Ｍ１〜Ｍ４配線層、Ｒ抵抗、Ｒｅ凹部、Ｒｎｍ領域。

Claims

所定の部品への締結に用いられる複数の締結孔、を備え、表面に複数の電子部品が搭載されると共に前記複数の締結孔に挿入される締結具により前記所定の部品へ締結される回路基板であって、
前記締結孔の周辺には、隣の他の前記締結孔との間を結ぶ直線上を避ける位置に応力を緩和するための応力緩和部が形成されている、
回路基板。
請求項１記載の回路基板であって、
前記隣の他の締結孔との距離が所定距離未満である前記締結孔の周辺には、前記直線上を避けることなく前記応力緩和部が形成されている、
回路基板。
請求項１または２記載の回路基板であって、
前記隣の他の締結孔との間に前記直線上に前記回路基板へ所定の歪みストレスが加えられたときに異常が生じる前記電子部品が配置されている前記締結孔の周辺には、前記直線上を避けることなく前記応力緩和部が形成されている、
回路基板。
請求項１ないし３のいずれか１つの請求項に記載の回路基板であって、
前記応力緩和部は、前記締結孔の周辺に貫通孔として形成されている、
回路基板。
請求項１ないし３のいずれか１つの請求項に記載の回路基板であって、
前記応力緩和部は、前記締結孔の周辺に凹部として形成されている、
回路基板。
請求項１ないし３のいずれか１つの請求項に記載の回路基板であって、
前記回路基板は、内部に金属からなる少なくとも１つの配線層を備え、
前記応力緩和部は、前記締結孔の周辺の前記配線層の一部が除去されることにより形成されている、
回路基板。