JP2012209414A - 電子基板およびこれを搭載したインバータ一体型電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素で低コストかつレイアウト性の良い構成により、電子部品と基板とのハンダ付け部分の耐久性を高める。
【解決手段】電子基板１５を複数の分割基板１１，１３に分割し、これら複数の分割基板１１，１３に複数の電子部品を振り分けて搭載し、複数の分割基板１１，１３の１つである分割基板１３を線膨張係数調整基板とし、この分割基板１３の線膨張係数を、この分割基板１３に搭載される放電抵抗３８の線膨張係数に合わせたことを特徴とする。放電抵抗３８は、その電極間距離Ｌ１が、他の分割基板１１に搭載される電子部品４８の電極間距離Ｌ２よりも大きく、線膨張係数も電子部品４８より大きい。そして、この電子基板１５をインバータ一体型電動圧縮機のインバータ装置３に適用した。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子基板およびこれを搭載したインバータ一体型電動圧縮機に関するものである。

電子部品が基板に実装される電子基板では、電子部品と基板の線膨張係数（熱膨張率）に大きな差があると、加熱と冷却が繰り返される環境下においては、熱膨張量が異なる電子部品と基板との間で相対的な寸法変化が繰り返されることにより、電子部品の電極（端子）と基板との間のハンダ付け部分に熱応力が加わり、クラック等の欠陥を発生させる虞がある。この傾向は、電子部品の電極間隔が大きく、発熱量が高いもの程顕著になる。

従来では、特許文献１に開示される電子部品の実装方法のように、電子部品の電極に錫（Ｓｎ）を含む金属による特殊なメッキ処理を行って表面処理膜を形成した後、電子部品を基板上に搭載してハンダ付けを行い、ハンダ接続部の耐久性を向上させる方法があった。なお、同文献中には、電子部品の電極間隔Ｌと、基板と電子部品との線膨張係数の差Δａとの積が１４ｐｐｍ・ｍｍ以上である電子部品の実装においては、特にハンダ付け部分に加わる熱応力が大きくなる傾向があると記述されている。

また、別な方法として、特許文献２に開示される回路基板のように、電子部品の実装位置の直下に対応する基板領域の内層配線層を除去することにより、電子部品の実装位置における基板と電子部品の線膨張係数差を小さくし、ハンダ付け部分に作用する熱応力を小さくすることが行われていた。

特許文献１，２に開示された方法に依らない場合は、１つの電子部品を、その端子間隔が小さくなるようにサイズダウンし、これを複数にして基板に搭載する方法がある。例えば、１Ωの抵抗を１個搭載する代わりに、０．１２５Ωの抵抗を８個搭載し、１個あたりの寸法（電極間隔）を小さくすることによって、基板との間の線膨張係数の差を縮めることができる。

特開２００４−１４６６４９号公報 特開２００９−０９４１６８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている電子部品の実装方法では、電子部品の電極（端子）に特殊なメッキ処理を行う必要があるため、電子部品の製造コストが高くなるという難点がある。

また、特許文献２に開示されている回路基板では、電子部品の実装位置の直下に対応する基板領域の内層配線層が除去されるため、内層配線層のレイアウトに制約が加わり、電子基板の設計が困難になる。このため、電子部品が密集して配置されるような電子基板においては実用的ではない。

さらに、端子間隔が小さくなるようにサイズダウンした電子部品を複数にして基板に搭載する方法は、単一の部品を実装するよりも実装面積が増加し、電子基板が大型化するとともに、部品点数、部品種類、ハンダ付け箇所が増大し、製造コストアップとなる。

特に、自動車等の車両の空調装置に用いられるインバータ一体型電動圧縮機では、小型のインバータボックスの内部に、インバータ装置を構成する多数の電子部品を搭載した電子基板が配設され、この電子基板は、エンジンの熱や冷媒の冷熱が繰り返し加わり、かつエンジン振動および車体振動を常に受けるという過酷な条件下に置かれるため、電子部品と基板とのハンダ付け部分の耐久性を確保する必要がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、簡素で低コストかつレイアウト性の良い構成により、電子部品と基板とのハンダ付け部分の耐久性を高めることのできる電子基板およびこれを搭載したインバータ一体型電動圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
即ち、本発明に係る電子基板の第１の態様は、複数の電子部品が基板に実装される電子基板において、前記基板を、複数の分割基板に分割して電気的に接続し、これら複数の分割基板に前記複数の電子部品を振り分けて搭載し、前記複数の分割基板の少なくとも１つを線膨張係数調整基板とし、この線膨張係数調整基板の線膨張係数を、この線膨張係数調整基板に搭載される電子部品の線膨張係数に合わせたことを特徴とする。

上記構成によれば、線膨張係数調整基板の線膨張係数と、この線膨張係数調整基板に搭載される電子部品の線膨張係数とが一致もしくは近似するため、加熱と冷却が繰り返される環境下においても、電子部品と基板との間で相対的な寸法変化が起こりにくい。したがって、電子部品の電極と基板とのハンダ付け部分に熱応力が加わることを防止し、ハンダ付け部分の耐久性を高めることができる。

しかも、電子基板全体を高価な線膨張係数調整基板にすることなく、線膨張係数の大きな電子部品や、端子間隔の大きい電子部品が搭載される部分のみを線膨張係数調整基板にすることにより、線膨張係数調整基板の使用量を少なくして、電子基板を低コストに構成することができる。

また、本発明に係る電子基板の第２の態様は、前記第１の態様において、前記線膨張係数調整基板に搭載される電子部品は、その電極間距離が、他の分割基板に搭載される電子部品よりも大きいことを特徴とする。

上記構成によれば、電極間距離が大きいことから、一般の基板に搭載されると電極と基板とのハンダ付け部分に熱応力が加わりやすい電子部品が、同一もしくは近似した線膨張係数を持った線膨張係数調整基板に搭載されるため、電極のハンダ付け部分に熱応力が加わることを防止し、ハンダ付け部分の耐久性を高めることができる。

また、本発明に係る電子基板の第３の態様は、前記第１または第２の態様において、前記線膨張係数調整基板に搭載される電子部品は、その線膨張係数が、他の分割基板に搭載される電子部品よりも大きいことを特徴とする。

上記構成によれば、線膨張係数が大きいことから、一般の基板に搭載されると電極と基板とのハンダ付け部分に熱応力が加わりやすい電子部品が、同一もしくは近似した線膨張係数を持った線膨張係数調整基板に搭載されるため、電極のハンダ付け部分に熱応力が加わることを防止し、ハンダ付け部分の耐久性を高めることができる。

また、本発明に係る電子基板の第４の態様は、前記第１から第３のいずれかの態様において、前記複数の分割基板は、本来から別体に構成された組み合わせ基板であり、セットで使用されるものであることを特徴とする。

上記構成によれば、本来から別体に構成された組み合わせ基板のうちの一枚の基板が線膨張係数調整基板に置き代えられるだけなので、新たに基板が増えたり、複数の基板の間を電気的に連結する接続部材が増えたりすることがない。このため、簡素でコストの低い構成によって電子部品と基板とのハンダ付け部分の耐久性を高めることができる。

また、本発明に係るインバータ一体型電動圧縮機は、前記第１から第４の態様に係る電子基板を搭載したことを特徴とする。

このインバータ一体型電動圧縮機によれば、加熱と冷却が繰り返され、かつエンジン振動や車体振動が加わる過酷な条件下においても、電子部品と基板との間で相対的な寸法変化が起こりにくい。このため、電子部品の電極と基板とのハンダ付け部分に熱応力が加わることを防止し、ハンダ付け部分の耐久性、ひいては電子基板の耐久性を高めることができる。

また、本発明に係るインバータ一体型電動圧縮機は、上記の態様に加えて、前記線膨張係数調整基板が、平滑コンデンサと一体的に設けられ、この線膨張係数調整基板に搭載される電子部品は、前記平滑コンデンサの放電抵抗であることを特徴とする。

上記構成によれば、平滑コンデンサの放電抵抗が線膨張係数調整基板に搭載されるため、放電抵抗の大きさや放熱量に拘わらず、放電抵抗と線膨張係数調整基板の線膨張係数を合わせることができ、これによって放電抵抗の電極のハンダ付け部分に熱応力が加わることを防止し、ハンダ付け部分の耐久性を高めることができる。したがって、放電抵抗の容量を大きくすることができ、この大容量の放電抵抗が平滑コンデンサと一体的に設けられるため、平滑コンデンサがインバータ装置から取り外された時には放電抵抗と一体に取り外され、平滑コンデンサに残留している電荷が放電抵抗によって素早く放電される。このため、作業者が感電する懸念を無くして安全性を高めることができる。

また、本発明に係るインバータ一体型電動圧縮機は、上記の態様に加えて、前記線膨張係数調整基板は、前記平滑コンデンサを前記電子基板に固定する樹脂部材の内部に封入されたことを特徴とする。

上記構成によれば、貫通穴を設けることが難しいセラミック基板を線膨張係数調整基板として使用可能になるため、線膨張係数調整基板としての性能を向上させることができる。

以上のように、本発明に係る電子基板は、複数の電子部品が実装される基板を複数の分割基板に分割し、それらの少なくとも１つを線膨張係数調整基板とし、その線膨張係数を、これに搭載される電子部品の線膨張係数に合わせたため、簡素で低コストかつレイアウト性の良い構成により、電子部品と基板とのハンダ付け部分の耐久性を高めることができる。

本発明の実施形態に係る電子基板が適用されたインバータ一体型電動圧縮機の一例を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る電子基板の一実施形態を概念的に示す平面図である。 分割基板の第１の設置構造例を示す斜視図である。 分割基板の第２の設置構造例を示す斜視図である。 図４に示すコネクタ部材の部分縦断面図である。

以下に、本発明の一実施形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電子基板１５が適用されたインバータ一体型電動圧縮機の一例を示す分解斜視図である。このインバータ一体型電動圧縮機１は、例えば自動車の空気調和機に用いられるものであり、アルミニウム合金製のハウジング２の内部に、電動機（非図示）と、電動機に駆動される圧縮機（非図示）と、電動機を制御するインバータ装置３とが内蔵されるものである。

ハウジング２は、電動機を収容する電動機側ハウジング４と、この電動機側ハウジング４の前端開口部を閉塞する形で装着され、内部に圧縮機を収容する図示しない圧縮機側ハウジングと、電動機側ハウジング４の上部に一体に形成されたインバータボックス５とを備えて構成されている。インバータボックス５は、電動機側ハウジング４の上部に一体形成された周壁部６と、この周壁部６の上部開口部にガスケット部材７を介して液密的に被装される蓋部材８とから構成されている。

インバータ装置３は、例えば３枚の分割基板１１，１２，１３からなる電子基板１５と、コネクタ部材１６（樹脂部材）を介して分割基板１１に設置される平滑コンデンサ１７およびノイズ抑制用コイル１８とを備えて構成されている。分割基板１１，１２，１３は、本来から別体に構成された組み合わせ基板であり、３枚がセットでインバータボックス５に組み込まれることによって電子基板１５を構成するものである。分割基板１１は、放熱板２１およびスペーサ２２を介してインバータボックス５の底面に載置され、この分割基板１１の上にさらにスペーサ２３を介して分割基板１２が載置され、４本のビス２４が上方から分割基板１１，１２および放熱板２１の各々の四隅とスペーサ２２，２３とを貫通してインバータボックス５の底面に形成された基板締結ボス２５に締結固定される。

コネクタ部材１６は、コネクタ端子２７，２８の挿し込みによって分割基板１１に片持ち状に支持され、コネクタ部材１６の下面に平滑コンデンサ１７とノイズ抑制用コイル１８が装着され、コネクタ部材１６の上面に分割基板１３が設置されている。したがって、分割基板１３はコネクタ部材１６を介して平滑コンデンサ１７と一体的に設けられており、平滑コンデンサ１７と共に電子基板１５に対して着脱することができる。

電子基板１５を構成する分割基板１１，１２，１３には複数の電子部品が振り分けられて搭載されている。例えば分割基板１１はパワー基板であり、その下面に電力制御用半導体等の発熱素子３１が搭載され、上面には電流検出回路３２、電圧検出回路３３等が搭載されている。発熱素子３１は、分割基板１１がインバータボックス５の底面に締結固定された時に放熱板２１に当接し、電動機側ハウジング４越しに冷媒によって冷却されるようになっている。一方、分割基板１２は、制御用素子３４，３５，３６，３７等が搭載されたＣＰＵ基板である。また、分割基板１３に搭載される電子部品は平滑コンデンサ１７の放電抵抗３８である。放電抵抗３８は、平滑コンデンサ１７への電源供給が停止した時に、帯電した電荷を放電させるものである。ここでは、例えば１Ｗの放電抵抗３８が２個搭載されている。

図２に模式的に示すように、分割基板１３は分割基板１１に対し、バスバーやフレキシブル配線等の電気接続部材４１，４２によって電気的に接続されている。なお、図２中に分割基板１２は省略されている。分割基板１１は一般のガラスエポキシ基板等であるのに対し、分割基板１３は線膨張係数調整基板であり、その線膨張係数が、分割基板１３に搭載される放電抵抗３８の線膨張係数に合わせられている。例えば、分割基板１３と放電抵抗３８の線膨張係数は１５〜１８ｐｐｍ／℃程度に設定されている。分割基板１１と１３には銅箔パターン４４，４５が形成され、その上から図示しないレジスト塗料が印刷されている。

分割基板１３に搭載される放電抵抗３８の電極４７の電極間距離Ｌ１は、分割基板１１に搭載される電子部品、例えばチップ抵抗４８の電極４９の電極間距離Ｌ２よりも大きい。例えばチップ抵抗４８の電極間距離Ｌ２が２．０〜３．０ｍｍ程度であるのに対し、１Ｗの放電抵抗３８の電極間距離Ｌ１は６．３ｍｍとなっている。また、チップ抵抗４８の線膨張係数は、例えば６〜７ｐｐｍ／℃程度と、放電抵抗３８の線膨張係数（１５〜１８ｐｐｍ／℃）の半分以下である。放電抵抗３８の電極４７は分割基板１３の銅箔パターン４５にハンダ付けされ、チップ抵抗４８の電極４９は分割基板１１の銅箔パターン４４にハンダ付けされる。

ところで、分割基板１３は、前述したように、平滑コンデンサ１７をインバータボックス５内に固定するコネクタ部材１６に設置されている。その設置構造としては、図３及び図４に示すものがある。

［分割基板１３の第１の設置構造例］
図３は、分割基板１３の第１の設置構造例を示す斜視図である。
まず、平滑コンデンサ１７、ノイズ抑制用コイル１８は、各々のオス端子５１，５２が、それぞれコネクタ部材１６に設けられたメス端子５３，５４に下方から挿し込まれてハンダ付けされる。一方、２個の放電抵抗３８が搭載された分割基板１３は、ビス５５でコネクタ部材１６の上面に締結固定されるとともに、コネクタ部材１６の表面に形成された銅箔パターンから起立する２枚の爪状端子５６が、分割基板１３を下方から貫通し、この爪状端子５６が分割基板１３の銅箔パターン４５にハンダ付けされることによって、搭載された放電抵抗３８を平滑コンデンサ１７に電気的に接続可能にする。

［分割基板１３の第２の設置構造例］
図４は、分割基板１３の第２の設置構造例を示す斜視図であり、図５は図４に示すコネクタ部材１６の部分縦断面図である。ここにおいて、コネクタ部材１６に対する平滑コンデンサ１７およびノイズ抑制用コイル１８の取付構造は図３と同様である。ここでは分割基板１３がコネクタ部材１６の内部に封入されている。即ち、分割基板１３は、コネクタ部材１６の樹脂成形時に一緒に樹脂モールドされている。そして、図５に示すように、分割基板１３の表面に敷設された銅箔パターン４５と、コネクタ部材１６の内部に埋設された金属板からなるバスバー５９との間が樹脂材料の内部においてワイヤボンディング６０により電気的に接続されている。

上記構成によれば、貫通穴を設けることが難しいセラミック基板を、線膨張係数調整基板である分割基板１３として用いることが可能になるため、インバータ装置３の設計自由度を向上させることができる。

以上のように、３つの分割基板１１，１２，１３から構成される電子基板１５の１つの分割基板１３を線膨張係数調整基板とし、この分割基板１３の線膨張係数を、分割基板１３に搭載される放電抵抗３８の線膨張係数に合わせたため、分割基板１３の線膨張係数と放電抵抗３８の線膨張係数とが一致もしくは近似している。例えば、両部材１３，３８の線膨張係数の差Δａが１ｐｐｍ／℃であるとすれば、放電抵抗３８の電極間距離Ｌ１が６．３ｍｍなので、前述の特許文献１中において電極のハンダ付け部分の耐久性を高めるための条件式であるΔａ×Ｌ１＜１４ｐｐｍ．ｍｍを大幅に下回る６．３ｐｐｍ．ｍｍという値が得られる。したがって、インバータ一体型電動圧縮機１の内部のように、加熱と冷却が繰り返され、かつエンジン振動および車体振動を常に受ける過酷な条件下においても、放電抵抗３８の電極４７と分割基板１３とのハンダ付け部分に熱応力が加わることを防止して、ハンダ付け部分の耐久性を良好に確保することができる。

また、電子基板１５を構成する３枚の分割基板１１，１２，１３のうちの一枚だけ、しかも一番面積の小さい分割基板１３だけを線膨張係数調整基板としたので、電子基板１５全体を線膨張係数調整基板とした場合に比べて、高価な線膨張係数調整基板の使用量を少なくし、電子基板１５およびインバータ一体型電動圧縮機１を低コストに構成することができる。

このように、線膨張係数調整基板とされた分割基板１３に搭載される放電抵抗３８は、他の分割基板１１，１２に搭載される電子部品（例えばチップ抵抗４８）よりも、線膨張係数および電極４７の距離Ｌ１が大きいため、一般の基板（線膨張係数調整基板ではない基板）に搭載されると、電極４７と基板とのハンダ付け部分に熱応力が加わりやすいが、同一もしくは近似した線膨張係数を持った線膨張係数調整基板である分割基板１３に搭載されるため、電極４７のハンダ付け部分に熱応力が加わることを防止し、ハンダ付け部分の耐久性を高めることができる。

また、電子基板１５を構成する３枚の分割基板１１，１２，１３は、本来から別体に構成された組み合わせ基板であって、３枚セットでインバータボックス５に組み込まれるものであり、そのうちの１枚である分割基板１３だけが線膨張係数調整基板に置き代えられるだけなので、新たに基板が増えたり、複数の基板の間を電気的に連結する接続部材が増えたりすることがない。このため、簡素でコストの低い構成によって放電抵抗３８、あるいは他の電子部品と分割基板１３とのハンダ付け部分の耐久性を高めることができる。

そして、上記のように構成された電子基板１５を搭載したインバータ一体型電動圧縮機１によれば、加熱と冷却が繰り返され、かつエンジン振動や車体振動が加わる過酷な条件下においても、放電抵抗３８のような電子部品と基板との間で相対的な寸法変化が起こりにくい。このため、電子部品の電極と基板とのハンダ付け部分に熱応力が加わることを防止し、ハンダ付け部分の耐久性、ひいては電子基板１５の耐久性を高めることができる。

また、線膨張係数調整基板である分割基板１３を、コネクタ部材１６を介して平滑コンデンサ１７と一体的に設け、この分割基板１３に搭載される電子部品を平滑コンデンサ１７の放電抵抗３８としたため、放電抵抗３８の大きさや放熱量に拘わらず、放電抵抗３８と分割基板１３の線膨張係数を合わせることができる。これにより、放電抵抗３８の電極のハンダ付け部分に熱応力が加わることを防止してハンダ付け部分の耐久性を高めることができる。

したがって、ハンダ付け部分の耐久性を低下させることなく放電抵抗３８の容量を大きくすることができ、この大容量の放電抵抗３８が平滑コンデンサ１７と一体的に設けられるため、平滑コンデンサ１７がインバータ装置３から取り外された時には放電抵抗３８と一体に取り外され、平滑コンデンサ１７に残留している電荷が放電抵抗３８によって素早く放電される。このため、作業者が感電する懸念を無くして安全性を高めることができる。

なお、本発明の権利範囲は、上記実施形態の構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で多様な変更を加えることができる。例えば、上記実施形態では分割基板１３のみが線膨張係数調整基板とされ、その線膨張係数が搭載される放電抵抗３８に合わせているが、コストが許せば、分割基板１１や１２も線膨張係数調整基板とし、その線膨張係数を搭載される電子部品の線膨張係数に合わせてもよい。また、線膨張係数調整基板に搭載される電子部品は、放電抵抗３８に限らず、他の電子部品にしてもよい。

１ インバータ一体型電動圧縮機
１１，１２，１３ 分割基板
１５ 電子基板
１６ コネクタ部材（樹脂部材）
１７ 平滑コンデンサ
３８ 放電抵抗（線膨張係数調整基板に搭載される電子部品）
４７ 電極
Ｌ１，Ｌ２ 電極間距離

Claims (7)

1. 複数の電子部品が基板に実装される電子基板において、
   前記基板を、複数の分割基板に分割して電気的に接続し、
   これら複数の分割基板に前記複数の電子部品を振り分けて搭載し、
   前記複数の分割基板の少なくとも１つを線膨張係数調整基板とし、
   この線膨張係数調整基板の線膨張係数を、この線膨張係数調整基板に搭載される電子部品の線膨張係数に合わせたことを特徴とする電子基板。
2. 前記線膨張係数調整基板に搭載される電子部品は、その電極間距離が、他の分割基板に搭載される電子部品よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の電子基板。
3. 前記線膨張係数調整基板に搭載される電子部品は、その線膨張係数が、他の分割基板に搭載される電子部品よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の電子基板。
4. 前記複数の分割基板は、本来から別体に構成された組み合わせ基板であり、セットで使用されるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子基板。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の電子基板を搭載したことを特徴とするインバータ一体型電動圧縮機。
6. 前記線膨張係数調整基板は、平滑コンデンサと一体的に設けられ、この線膨張係数調整基板に搭載される電子部品は、前記平滑コンデンサの放電抵抗であることを特徴とする請求項５に記載のインバータ一体型電動圧縮機。
7. 前記線膨張係数調整基板は、前記平滑コンデンサを前記電子基板に固定する樹脂部材の内部に封入されたことを特徴とする請求項６に記載のインバータ一体型電動圧縮機。

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