JP5067437B2

JP5067437B2 - 電子部品の実装構造、該実装構造を用いた電力変換装置、および電子部品の実装方法

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Publication number: JP5067437B2
Application number: JP2010064289A
Authority: JP
Inventors: 泰礼山中
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP2011199018A; CN102244978A; EP2373136B1; CN102244978B; US20110226514A1; EP2373136A1; US8426746B2; ES2403339T3

Description

本発明は、２００Ｖ以上の比較的高い電圧のスイッチング回路に使用される電子部品を、配線基板に実装する際の電子部品の実装構造、該実装構造を用いた電力変換装置、および電子部品の実装方法に関する。

配線基板にはんだ付けで実装される電子部品の実装構造において、定格電圧が２００Ｖ以上の比較的高い電圧のスイッチング回路に使用される電子部品が実装される実装基板は、複数からなるリード間の絶縁距離を確保し、絶縁信頼性をさらに改善することが要求される。一方、電気機器の小型化に伴って、配線基板の省スペース化と電子部品の小型化が進み、各リード間の絶縁距離を確保することが益々困難な状況となってきている。このように、電子部品の小型化が望まれるに従い、電子部品に付属される各リード間の絶縁距離を確保することが重要な技術課題となっている。

従来は、各リードを異なる方向に折り曲げるようなフォーミングを行い、リード間の絶縁距離を広げて配線基板にはんだ付けを行なう実装構造が一般に採用されている。また、一体のスペーサにリードを付属した電子部品を装着して、これを配線基板に設置し、リードを配線基板に挿通させて実装面の裏面に突出するリード端部のはんだ付けを行うとともに、突出するリード長よりも長いリード間隔壁を該スペーサに形成することにより絶縁距離を確保するといった実装構造が提案されている（例えば、特許文献１（第４−５頁、第１図）参照）。

特開２００７−２２０９６３

しかしながら、従来の電子部品の実装構造では、高電圧で使用される実装基板のリード間において充分な絶縁距離を確保できない場合があり、電気機器の使用条件によっては、電子部品の取り付け強度が不足することもあった。
また、はんだ付け工程において、リードと同方向にリード間に突出する該スペーサの隔壁がはんだの流れを遮り、はんだ付け性が低下することが懸念されていた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な実装構造より、リード間の絶縁距離を充分に確保するとともに、電子部品の配線基板への取り付け強度を向上する。また、はんだ付け工程時のはんだ付け性を改善することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明によれば、複数のリードを付属する電子部品と、前記複数のリードの個々を挿入可能に形成された前記複数のリードと同数の貫通孔、および前記貫通孔間の直線上を横断するように形成された溝孔と、表面とその反対側の裏面を有する配線基板と、前記複数のリードの各々を隔離するように前記複数のリード間の前記溝孔の上方に形成され、前記電子部品と前記配線基板の表面との間に介在して設置される第１絶縁スペーサと、前記配線基板の裏面側から前記溝孔に挿入されて前記第１絶縁スペーサと係合することにより、前記複数のリードの先端部の各々を隔離するように形成された第２絶縁スペーサと、から構成されるものである。
請求項２記載の発明によれば、前記第１絶縁スペーサは、前記複数のリードの少なくとも１つのリードを収容可能なリード収容部を有し、前記リード収容部には、絶縁樹脂が充填されるものである。
請求項３記載の発明によれば、前記第１絶縁スペーサまたは前記第２絶縁スペーサのいずれか一方の端部は第１凹部を有し、前記第１絶縁スペーサまたは前記第２絶縁スペーサのいずれか他方の端部は前記第１凹部と係合する第１凸部を有するものである。
請求項４記載の発明によれば、前記第１絶縁スペーサまたは前記第２絶縁スペーサのいずれか一方の係合される端部の側面には少なくとも１つの第２凹部を有し、前記第１凸部または前記１凹部のいずれか他方の係合される端部の側面には、前記第２凹部に収容され嵌合する第２凸部を有するものである。
請求項５記載の発明によれば、定格電圧が２００Ｖ以上で使用される電力変換装置の実装基板は、請求項１記載の電子部品の実装構造により構成されるものである。
請求項６記載の発明によれば、複数のリードを付属する電子部品を第１絶縁スペーサに装着する電子部品装着工程と、前記複数のリードの個々を挿入可能に形成された前記複数のリードと同数の貫通孔、および前記貫通孔間の直線上を横断するように形成された溝孔と、表面とその反対側の裏面を有する配線基板を準備する配線基板準備工程と、前記電子部品の装着された前記第１絶縁スペーサを前記配線基板に装着する第１絶縁スペーサ装着工程と、前記複数のリードと前記配線基板とをはんだにより接続して固定するはんだ付け工程と、第２絶縁スペーサを前記配線基板の裏面側から前記溝孔に挿入して、前記第１絶縁スペーサの端部に係合させる第２絶縁スペーサの装着工程と、絶縁樹脂を、前記第１絶縁スペーサのリード収容部に充填して硬化させる絶縁樹脂の充填・硬化工程とからなるものである。

請求項１に記載の発明によれば、狭い実装スペースで簡易な構成により、はんだ接続されるリードの先端部を含め、リード間の絶縁距離を充分に確保することができる。また、電子部品の配線基板への取り付け強度が向上する。
請求項２に記載の発明によれば、リードが第１絶縁スペーサ内に収容されることにより固体絶縁されることとなり、リード間の絶縁性能が向上する。また、リード収容部の電子部品と第１絶縁スペーサとの隙間にも絶縁樹脂が充填されて固着されるので、リード付根間の絶縁性能がさらに向上するとともに、塵埃や導電性異物の隙間への浸入を防止し、絶縁の信頼性が格段に向上する。さらに、絶縁樹脂が充填されることにより電子部品の実装強度がより強固になる。
請求項３に記載の発明によれば、第１絶縁スペーサの端部と、第２絶縁スペーサの端部
とを係合させる際、位置決めおよび固定が容易にできるようになる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項２と同様の効果が得られるだけでなく、さらに
実装強度が強固になる。
請求項５に記載の発明によれば、定格電圧が２００Ｖ以上の比較的高い電圧で使用され
る電力変換装置の絶縁性能が向上し、信頼性をさらに改善できる効果が得られる。
請求項６に記載の発明によれば、電子部品、第１絶縁スペーサ、および第２絶縁スペー
サの配線基板への装着を容易に行うことができ、はんだによるリードの接続もスムーズに行えるようになり、作業効率が改善される。

電子部品の形状を示す斜視図（ａ）本発明の第１の実施形態を示す第１絶縁スペーサの斜視図、（ｂ）本発明の第１の実施形態を示す第２絶縁スペーサの斜視図本発明の第１の実施形態を示す電子部品の実装構造の分解図（ａ）本発明の第１の実施形態を示す電子部品の実装構造の斜視図、（ｂ）本発明の第１の実施形態を示す電子部品の実装構造の正面断面図、（ｃ）本発明の第１の実施形態を示す電子部品の実装構造の側面断面図本発明の第２の実施形態を示す電子部品の実装構造の斜視図本発明のその他の実施形態を示す実装構造の斜視図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態で参酌する図面では、発明の理解を容易にするため、各要素が模式的に示されている。

図１は、電子部品の形状を示す斜視図である。図において、電子部品１の下部には中央のリード１ａ、およびその両側のリード１ｂの３本のリードが付属されており、各リードの先端部がはんだ付けされる部位である。また、電子部品１の背面には発熱時の熱放散を行なう放熱板１ｃが取り付けられている。

図２は、本発明の第１の実施形態を示す第１絶縁スペーサおよび第２絶縁スペーサの斜視図である。第１絶縁スペーサ２は、リード１ａが収容される形状になっており、リード１ａの全周を囲むように筒状に形成される。本実施形態におけるリード収容部２ａは、上部の口径を大きく、下部の口径は上部よりも小さく形成されている。ここで、リード収容部２ａの下部の口径は、リード１ａが挿入されて嵌合する寸法に加工され、電子部品１が第１絶縁スペーサ２に装着されると、リード１ａはリード収容部２ａの下部に挿嵌されるようになっている。また、リード収容部２ａの上部には、絶縁樹脂４が充填されるようになっている。
なお、本実施形態では、第１絶縁スペーサ２のリード挿入方向の断面がリード１ａの全周を囲むように矩形の筒状に形成されているが、円形またはその他の形状であっても良く、筒状以外にもリード１ａ、１ｂを隔離する形状であれば、リード１ａの全周を囲まないＵ字状、Ｌ字状、またはその他の形状であっても良い。
一方、第２絶縁スペーサ３の上端部は凸形状の第１凸部３ａが形成されており、第１絶縁スペーサ２の下端部に形成された凹形状の第１凹部２ｂに収容されて係合される形状に形成されている。さらに、第１絶縁スペーサ２と係合する部分の第２絶縁スペーサ３の側面には凸形状の第２凸部３ｂが形成されており、第１絶縁スペーサ２と第２絶縁スペーサ３が係合すると、第２凸部３ｂは、第１絶縁スペーサ２の下端側面に形成される第２凹部２ｃに収容されて嵌合し、第１絶縁スペーサ２と第２絶縁スペーサ３は接続固定される構造となっている。

図３は本発明の第１の実施形態を示す電子部品の実装構造の分解図である。配線基板５の電子部品１、第１絶縁スペーサ２、および第２絶縁スペーサ３が設置される部分には、中央のリード１ａが挿入される中央の貫通孔５ａ、および両側リード１ｂが挿入される両側の貫通孔５ｂが各リードに対応して形成されている。また、各貫通孔５ａ、５ｂ間の直線上を横断し、貫通孔５ａを囲むように溝孔５cが形成されている。溝孔５ｃは、第２絶縁スペーサ３の上端部が挿入される形状となっている。

次に電子部品の実装方法について、図４の本発明の第１の実施形態を示す電子部品の実装構造に基づき、下記の作業工程（１）〜（６）について工程順に説明する。
（１）電子部品装着工程
電子部品１に付属する中央のリード１ａを第１絶縁スペーサ２のリード収容部２ａに収容し、電子部品１の下面と第１絶縁スペーサ２上部の装着面が接するように装着する。このとき、リード収容部２ａの下部の口径はリード１ａが挿入されて嵌合する寸法に加工されているので、リード１ａがリード収容部２ａに収容されると、電子部品１と第１絶縁スペーサ２は一時的に固定される。
（２）配線基板準備工程
電子部品１、第１絶縁スペーサ２、および第２絶縁スペーサ３が設置される部分に、リード１ａおよびリード１ｂの各々の先端部が挿入される貫通孔５ａ、５ｂを設ける。また、各貫通孔５ａ、５ｂ間の直線上を横断し、貫通孔５ａを囲むようにして第２絶縁スペーサ３の上端部が挿入される溝孔５cを設ける。このように加工された配線基板５を準備する。なお、本工程は、前述の電子部品装着工程と前後しても構わない。
（３）第１絶縁スペーサ装着工程
電子部品１が装着された第１絶縁スペーサ２を、配線基板５に装着する。この場合、配線基板５の貫通孔５ａ、５ｂに各リード１ａ、１ｂの各々の先端部を挿入し、配線基板５上に第１絶縁スペーサ２に設置する。このように位置決めと設置が容易になるとともに、後段のはんだ付け工程において、フローはんだ作業を容易に行なうことができる。
なお、リード１ａ、１ｂの先端部は、はんだ付けに必要な長さ分が、配線基板５の裏面に突出するように各リード長が設定されている。
（４）はんだ付け工程
リード１ａ、１ｂの先端部と配線基板５の接続端子とのはんだ付けは、短時間にはんだ付けが可能なフローはんだ付け工程によって行われる。
フローはんだ付け工程では、電子部品１および第１絶縁スペーサ２が装着された配線基板５を移動用のレール上に載せ、はんだの被着部６となる配線基板５の裏面に突出したリード１ａ、１ｂの先端部および配線基板５の接続端子部分が貯留槽内の溶融はんだと接触するように移動させる。このようにして、溶融はんだが被着部６に付着し、電子部品１および第１絶縁スペーサ２が配線基板５に固定される。
なお、本工程時には、配線基板５の裏面にリード１ａ、１ｂの先端部以外に隔壁等の突出物はなく、はんだの流れを遮る要因はない。すなわち、はんだ付け性が良好となり、はんだ付けを短時間に容易に行うことができるようになる。
（５）第２絶縁スペーサの装着工程
配線基板５の裏面に突出したリード１ａ、１ｂの各々の先端部を隔離するように、第２絶縁スペーサ３により、リード１ａの突出部分全体を覆い、第２絶縁スペーサ３の上端部を配線基板５の裏面側から溝孔５cに挿入する。このとき、各リード１ａ、１ｂの先端部から中間部にかけて、第２絶縁スペーサ３が各リード１ａ、１ｂ間の隔壁となり、各リード間において所定の絶縁距離を確保することができる。
また、第２絶縁スペーサ３の上端部に形成された凸形状の第１凸部３ａが、第１絶縁スペーサ２の下端部に形成された凹形状の第１凹部２ｂに収容されて、第１絶縁スペーサ２と第２絶縁スペーサ３は係合される。さらに所定の位置で係合されると、第１絶縁スペーサ２の下端側面に形成された第２凹部２ｃに、第２絶縁スペーサ３に形成された凸形状の第２凸部３ｂが収容されて嵌合し、第１絶縁スペーサ２と第２絶縁スペーサ３は強固に接続される。
（６）絶縁樹脂の充填・硬化工程
エポキシ系樹脂またはシリコン系の樹脂からなる絶縁樹脂４を電子部品１と第１絶縁スペーサの隙間からリード収容部２ａに流し込み、電子部品１と第１絶縁スペーサ２の隙間を絶縁樹脂４で封緘する。この後、室温または加熱によって絶縁樹脂４を硬化させる。これによりリード１ａ、１ｂの付根間の沿面空間は絶縁樹脂により固体封止されることになり、絶縁性能が大幅に向上する。
このように、各リード間におけるリード付根からリード先端までの全ての範囲において、所定の絶縁距離を確保することができる。また、電子部品１、第１絶縁スペーサ２および第２絶縁スペーサ３と配線基板５はより強固に固定される。

なお、電子部品１と配線基板５との距離が短い場合、はんだ付け部分の熱がリード１ａ、１ｂを経由して電子部品１の本体に伝導する場合がある。一方、電子部品１に放熱板１ｃが付属され、リード１ａ、１ｂの一部と放熱板１ｃが接続されている場合は、はんだ付け部分の熱がリード１ａ、１ｂを経由して放熱板１ｃから大気中に放散され、はんだ付け部の温度が低下して、はんだが揚がり難くなる現象がある。
このような対策として電子部品の下面と配線基板の表面との距離、すなわち第１絶縁スペーサ２の高さ寸法を適正に調節して、各リード１ａ、１ｂの長さをこれに併せて設定することにより、はんだ溶着時の熱伝導を低減し、放熱板１ｃによる熱放散の影響を回避することができる。

このように、リードを折り曲げてリード間距離を広げるようなフォーミングの必要がなく、狭い実装スペースで、かつ容易に、各リード間におけるリード付根からリード先端までの全ての範囲において、所定の絶縁距離を確保することが可能となる。特に、リードの先端部間は第２スペーサにより所定の絶縁距離を維持できるようになり、リード付根付近には樹脂が充填されて電子部品と第１絶縁スペーサとの隙間は固着されるので、リード付根間の絶縁性能がさらに向上するとともに、塵埃や導電性異物の隙間への浸入を防止し、絶縁の信頼性が向上する。また、電子部品の配線基板への取り付け強度が格段に向上するとともに、はんだ付け工程時のはんだ付け性が改善し、はんだ溶着時の高温による電子部品への影響が低減される。すなわち、簡易な実装構造および実装方法において、絶縁性能の優れた信頼性の高い電子部品の実装構造および実装方法が実現できる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本発明の第２の実施形態を示す電子部品の実装構造の斜視図である。電子部品１の放熱板１ｃに金属製の放熱用ヒートシンク７が接続されている。このような構成においても、中央のリード１ａとヒートシンク７とは、第１絶縁スペーサ２、第２絶縁スペーサ３、および絶縁樹脂４により所定の絶縁距離を確保することができる。

なお、第１の実施形態および第２の実施形態については、電子部品と第１絶縁スペーサが別々に製造された場合の実装構造について説明したが、例えば、図６に示すような、電子部品１と第１絶縁スペーサ２および絶縁樹脂４が一体化した構造であっても前述した第１の実施形態および第２の実施形態と同等の機能を得ることができる。

１電子部品
１ａ、１ｂリード
１ｃ放熱板
２第１絶縁スペーサ
２ａリード収容部２ａ
２ｂ第１凹部
２ｃ第２凹部
３第２絶縁スペーサ
３ａ第１凸部
３ｂ第２凸部
４絶縁樹脂
５配線基板
５ａ、５ｂ貫通孔
５ｃ溝孔
６はんだ
７ヒートシンク

Claims

複数のリードを付属する電子部品と、
前記複数のリードの個々を挿入可能に形成された前記複数のリードと同数の貫通孔、および前記貫通孔間の直線上を横断するように形成された溝孔と、表面とその反対側の裏面を有する配線基板と、
前記複数のリードの各々を隔離するように前記複数のリード間の前記溝孔の上方に形成され、前記電子部品と前記配線基板の表面との間に介在して設置される第１絶縁スペーサと、
前記配線基板の裏面側から前記溝孔に挿入されて前記第１絶縁スペーサと係合することにより、前記複数のリードの先端部の各々を隔離するように形成された第２絶縁スペーサと、
を備えたことを特徴とする電子部品の実装構造。
前記第１絶縁スペーサは、前記複数のリードの少なくとも１つのリードを収容可能なリード収容部を有し、前記リード収容部には、絶縁樹脂が充填されたことを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装構造。
前記第１絶縁スペーサまたは前記第２絶縁スペーサのいずれか一方の端部は第１凹部を有し、前記第１絶縁スペーサまたは前記第２絶縁スペーサのいずれか他方の端部は前記第１凹部と係合する第１凸部を有することを特徴とする請求項１または２記載の電子部品の実装構造。
前記第１絶縁スペーサまたは前記第２絶縁スペーサのいずれか一方の係合される端部の側面には少なくとも１つの第２凹部を有し、前記第１凸部または前記１凹部のいずれか他方の係合される端部の側面には、前記第２凹部に収容され嵌合する第２凸部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子部品の実装構造。
定格電圧が２００Ｖ以上で使用される電力変換装置の実装基板は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子部品の実装構造により構成されることを特徴とする電力変換装置。
複数のリードを付属する電子部品を第１絶縁スペーサに装着する電子部品装着工程と、前記複数のリードの個々を挿入可能に形成された前記複数のリードと同数の貫通孔、および前記貫通孔間の直線上を横断するように形成された溝孔と、表面とその反対側の裏面を有する配線基板を準備する配線基板準備工程と、
前記電子部品の装着された前記第１絶縁スペーサを前記配線基板に装着する第１絶縁スペーサ装着工程と、
前記複数のリードと前記配線基板とをはんだにより接続して固定するはんだ付け工程と、
第２絶縁スペーサを前記配線基板の裏面側から前記溝孔に挿入して、前記第１絶縁スペーサの端部に係合させる第２絶縁スペーサの装着工程と、
絶縁樹脂を、前記第１絶縁スペーサのリード収容部に充填して硬化させる絶縁樹脂の充填・硬化工程とからなることを特徴とする電子部品の実装方法。