JP6167965B2 - 回路ユニット - Google Patents

Description

本明細書によって開示される技術は、回路ユニットに関する。

従来より、電子部品が実装された基板をケース内に収容し、ケース内にポッティング材を充填することにより、絶縁性や防水性を図る電子部品ユニットが知られている。このような構成の電子部品ユニットにおいて、ケース内の全体にポッティング材を充填した場合には、ポッティング材の使用量が多くなり、ひいては電子部品ユニット全体の重量が増えるため、絶縁性や防水性が必要な部分を覆う分量だけポッティング材を充填するようになっている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−１６５１３９号公報

このようにポッティング材を必要量だけ充填した電子部品ユニットにおいては、ポッティング材の表面とポッティング材を覆う上ケースとの間に、空気層が形成される。このような構成によると、通電時に電子部品や基板で発生した熱は、まずポッティング材に伝達され、その後、ポッティング材と上ケースとの間の空気層に伝達される。その後、熱は、空気層から上ケースに伝達され、上ケースの表面から外部に放散される。

しかしながら、空気は比較的熱伝導率が小さいので、電子部品や基板から発生した熱がケース内にこもり、ケースの内部が局所的に高温になることが懸念される。ケースの内部が局所的に高温になると、例えば、電子部品と基板とが半田付けにより接続されている場合には、半田付け部分にクラックが生じる等の問題が生じ、電子部品と基板との接続部分の接続信頼性が低下することが懸念される。

そこで、上ケースに例えば電子部品を保持するクリップ部を一体に設け、電子部品で発生した熱をクリップ部を介して上ケースから放熱させる構成が提案されているが、このような構成では、上ケースの形状が複雑になるとともに、製造精度の要求が厳しくなって製造コストがかかるという問題がある。

本発明は、上記のような事情に基づいて完成されたものである。

本明細書によって開示される回路ユニットは、電子部品が実装された回路基板と、前記回路基板を収容する下側ケースと、前記下側ケースに充填される充填材と、前記充填材を覆うように前記下側ケースに被せられる上側ケースと、を備えた回路ユニットであって、前記電子部品および前記回路基板は前記充填材により覆われており、前記上側ケースは、前記電子部品に対応する位置に該電子部品に向けて突出して前記充填材と接触する接触部と、前記接触部と隣接する位置において前記充填材との間に空気層を形成するべく前記充填材から離間して配される離間部と、を備えて構成されており、前記上側ケースのうち前記接触部が設けられた領域の外面は、凹状に窪んだ形状とされている。

上記回路ユニットによれば、電子部品から発生した熱は、空気層と比較して熱伝導率が高い上側ケースの接触部に充填材を介して速やかに伝わり、上側ケース全体から外部に放熱されるから、放熱性および接続信頼性に優れた回路ユニットを得ることができる。

しかも接触部は、充填材のうち最も温度が高くなる電子部品に対応する位置に電子部品に向けて突出して設けられているから、電子部品から発生された熱を効率的に吸熱してケース内が局所的に高温になることを抑制し、電子部品と回路基板との間の接続信頼性を向上させることができる。

また、上側ケースには接触部に隣接して離間部が設けられているから、下側ケースに上側ケースを被せる際、接触部が充填材に押し込まれることにより周囲に押し除けられた充填材は、離間部の空気層内に速やかに逃がされる。

さらにこのような構成の上側ケースは、従来と比較して簡易な構成であるので、製造が容易で製造コストも安価である。

回路ユニットの実施態様としては以下の態様が好ましい。

上側ケースのうち離間部に、水分を通過不能で空気を通過可能な防水性通気部を設ける構成としてもよい。

このような構成によれば、接触部により押し除けられた充填材が空気層に逃がされるにあたり、離間部内にあった空気が防水性通気部から外部に逃がされるから、上側ケース内の空気を圧縮することなく、より円滑に上側ケースを下側ケースに対して取り付けることができる。しかも防水性通気部は、水分を通過不能であるから、外部から上側ケースおよび下側ケースの内部に水分が浸入することを防止することができる。

本明細書によって開示される技術によれば、簡易な構成で放熱性および接続信頼性に優れた回路ユニットを得ることができる。

完成形態の回路ユニットの斜視図 充填材を充填する前の回路ユニットの斜視図 充填材を充填する前の回路ユニットの平面図 図３のＡ−Ａ断面 上側ケースを取り付ける過程の図３のＡ−Ａ断面図 上側ケースを取り付けた状態の図３のＡ−Ａ断面図 上側ケースを取り付けた状態の図３のＢ−Ｂ断面図

＜実施形態＞
実施形態を図１ないし図７によって説明する。

本実施形態の回路ユニット１０は、例えば、図示しない車両に搭載されてバッテリからの電装品への電力供給の切り替えを行うスイッチング装置に適用されるものであって、図６および図７に示すように、回路構成体１１と、この回路構成体１１を収容するケース５０と、ケース５０内に充填される充填材４０と、を備えている。回路構成体１１は、回路基板１２と、６つの半導体スイッチング素子３０と、３枚のバスバー２１，２２，２３と、を備えている。以下、図６における上側を上方、下側を下方、図３における下側を前方、上側を後方、左側を左方、右側を右方として説明する。

（回路基板１２）
回路基板１２は、ガラス基材またはガラス不織布基材からなる絶縁板の一面側（上面）に、プリント配線技術により図示しない導電回路を形成したものである。

回路基板１２には、図２および図３に示すように、半導体スイッチング素子３０を回路基板１２の裏面（下面）に配されたバスバー２１，２２，２３に搭載するための６つの実装窓１３が設けられている。実装窓１３は、回路基板１２の板面を垂直方向に貫通する略矩形の開口であって、その大きさは、半導体スイッチング素子３０の外形より一回り大きく設定されている。

６つの実装窓１３のうち３つの実装窓１３は、前後方向に略一列に並んで一組の第１実装窓群１３Ａを構成している。また、残り３つの実装窓１３も前後方向に略一列に並んで、一組の第２実装窓群１３Ｂを構成している。

回路基板１２の四隅には、ボルト４５を挿通して下側ケース６１に固定するためのボルト挿通孔が設けられている（図示せず）。また回路基板１２の中央部には、充填材４０を充填するための充填孔１４が設けられているとともに、左右方向における中央部の端縁部付近には、空気孔１５が設けられている。

（バスバー）
回路基板１２の裏面には、３枚のバスバー２１、２２、２３が接着されている。３枚のバスバー２１、２２、２３のうち、図３において左側に位置するバスバーは入力バスバー２１であり、右側に位置するバスバーは出力バスバー２２である。入力バスバー２１は、導電性材料（本実施形態では銅または銅合金）により形成された厚板である。入力バスバー２１のうち、回路基板１２のボルト挿通孔に対応する位置には、バスバー側のボルト挿通孔（図示せず）が設けられている。出力バスバー２２も、入力バスバー２１と同様に、導電性材料（本実施形態では銅または銅合金）により形成された厚板であって、回路基板１２のボルト挿通孔に対応する位置には、バスバー側のボルト挿通孔（図示せず）が設けられている。

入力バスバー２１と出力バスバー２２とは、回路基板１２において導電回路が形成された面（上面）とは逆側の面（下面）に、互いに間隔を空けて配置されている。入力バスバー２１および出力バスバー２２は、一部の領域が回路基板１２と重なるとともに、他の領域が回路基板１２から張り出すように配されており、ボルト挿通孔に挿通されたボルト４５により、回路基板１２および下側ケース６１と一体化されている。

入力バスバー２１と出力バスバー２２との間には、接続バスバー２３が配されている。接続バスバー２３は、導電性材料（本実施形態では銅または銅合金）により形成された略Ｉ字形の厚板である。接続バスバー２３は、入力バスバー２１と出力バスバー２２との間に、入力バスバー２１および出力バスバー２２に対して隙間を空けて配置されている。

接続バスバー２３のうち、回路基板１２の充填孔１４および空気孔１５に対応する位置には、同じく充填孔２４および空気孔２５が設けられている。

回路基板１２の複数の第１実装窓群１３Ａは、図３に示すように、それぞれ、入力バスバー２１と接続バスバー２３とにまたがる位置に配され、その内側に、入力バスバー２１一部と、接続バスバー２３の一部とが露出している。複数の第２実装窓群１３Ｂは、出力バスバー２２と接続バスバー２３とにまたがる位置に配され、その内側に、出力バスバー２２の一部と、接続バスバー２３の一部とが露出している。

（半導体スイッチング素子３０）
半導体スイッチング素子３０（電子部品の一例）は、パワーＭＯＳＦＥＴであって、ハウジング３１と、このハウジング３１に設けられたドレイン端子３２、ソース端子３３およびゲート端子３４を備えている。ドレイン端子３２はハウジング３１の下面に配置されている。また、複数のソース端子３３およびゲート端子３４は、ハウジング３１の一側面から並んで横方向に突出するとともに、斜め下側に向けて屈曲されている。

第１半導体スイッチング素子３０Ａは、それぞれ、第１実装窓群１３Ａの内側に配置されている。そして、第１実装窓群１３Ａの内側に露出している入力バスバー２１の一部にドレイン端子３２が、接続バスバー２３の一部にソース端子３３がそれぞれ接続されている。ゲート端子３４は、回路基板１２上の導電回路に接続されている。同様に、第２半導体スイッチング素子３０Ｂは、それぞれ、第２実装窓群１３Ｂの内側に配置されている。そして、第２実装窓群１３Ｂの内側に露出している出力バスバー２２の一部にドレイン端子３２が、接続バスバー２３の一部にソース端子３３がそれぞれ接続され、導電回路にゲート端子３４が接続されている。接続は、例えばリフローはんだ技術等を用いて、はんだにより行うことができる。

（ケース５０）
ケース５０は合成樹脂等で形成され、図１に示すように、上側ケース５１と、下側ケース６１とからなる。

下側ケース６１は、図２に示すように、回路構成体１１を内部に収容可能な浅皿状をなしている。より詳しくは、下側ケース６１は、長方形の底部６２と、この底部６２の４つの辺から上方に向けて立ち上がる４つの側壁部６３とを備えている。また側壁部６３の外面には、上側ケース５１を受けるための受枠６４が全周に亘って設けられている。

また、底部６２からは、図４に示すように、上述したボルト４５を固定するための円筒状のボルト固定部６６が上方に向けて４つ立設されている。

上側ケース５１は、下側ケース６１の上方の開口部を覆うように組み付けられる浅皿状をなしている。より詳しくは、図１に示すように、上側ケース５１は、長方形の天板部５２と、この天板部５２の４つの辺から下方に向けて延びる４つの側壁部５３とを備えている。４つの側壁部５３は、下側ケース６１の側壁部６３と受枠６４との間に挿入可能とされている（図６参照）。また、互いに対向する左右の一対の側壁部５３の外面には、外側に向けて突出する係止突部５４が設けられており、この係止突部５４を受枠６４に設けられた弾性係止片６５に係止させることにより、上側ケース５１および下側ケース６１が組み付け状態にロックされるようになっている。

天板部５２のうち、下側ケース６１を覆った状態において６つの半導体スイッチング素子３０を一括に覆う領域は、天板部５２から下側に向けて突出した接触部５５とされている。この接触部５５は、上側ケース５１が下側ケース６１に組み付けられた状態において、半導体スイッチング素子３０を覆う充填材４０と接触して、半導体スイッチング素子３０とは直接接触しない突出量に設定されている。天板部５２のうちこの接触部５５が設けられた領域の上面（外面）は、凹状に窪んだ形状とされている。

また、天板部５２のうちこの接触部５５以外の領域は、上側ケース５１が下側ケース６１を覆った状態において充填材４０から離間する位置に配された（接触部５５より上方側に配された）離間部５６とされている。これにより、充填材４０と離間部５６との間には、空気層が設けられるようになっている。

さらに離間部５６には、ケース５０の内圧を調整可能な防水性通気弁７０を挿入する挿入孔５７が設けられている（図１および図７参照）。また離間部５６の上面（外面）には、この挿入孔５７を囲むように、円弧状の立壁５８が設けられている。

防水性通気弁７０は、図７に示すように、段差部７１により下方側が縮径された２段形状の円筒状をなしており、その上端に、充填材４０や水分を通過させず、空気を通過させる通気性フィルタ７２が設けられたものである。縮径部分の外面には挿入孔５７の内側縁部に係止する係止爪７３が設けられており、この係止爪７３が段差部７１に配された防水リング７５とともに挿入孔５７の縁部を挟持することにより、上側ケース５１の離間部５６に保持されている。

（充填材４０）
図５ないし図７に示すように、下側ケース６１の底部６２と、側壁部６３とで囲まれた空間内には、合成樹脂材からなる充填材４０が充填されている。回路基板１２の表面および半導体スイッチング素子３０の表面（上面）は、充填材４０により覆われている。

充填材４０を構成する合成樹脂材としては、熱可塑性樹脂、又は、熱硬化性樹脂を使用できる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン等を用いることができる。また、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、メラミン樹脂等を用いることができる。また、シリコーン系樹脂や、ウレタン系樹脂を用いてもよく、任意の合成樹脂材を適宜に選択できる。

続いて、本実施形態の回路ユニット１０の製造工程の一例を説明する。回路基板１２の一面側にプリント配線技術により導電回路を形成し、導電回路が形成された面とは反対側の面の所定の位置に、入力バスバー２１、出力バスバー２２、接続バスバー２３を配索・接着する。そして、回路基板１２の第１実装窓群１３Ａに第１半導体スイッチング素子３０Ａを配するとともに、第２実装窓群１３Ｂに第２半導体スイッチング素子３０Ｂを配し、例えばリフロー半田付けを行うことにより、第１半導体スイッチング素子３０Ａのドレイン端子３２を入力バスバー２１に、第２半導体スイッチング素子３０Ｂのドレイン端子３２を出力バスバー２２に、、ソース端子３３を接続バスバー２３に、ゲート端子３４を導電回路に接続する。

次に、このようにして形成された回路構成体１１を下側ケース６１内に収容し、ボルト４５により下側ケース６１のボルト固定部６６に固定する（図４参照）。そして、充填孔１４、２４内にノズルを入れ、充填材４０を充填する。充填材４０は、空気孔１５，２５から空気を逃がしつつ、下側ケース６１の底部６２に徐々に拡がり、やがて、回路構成体１１の表面（上面）全体を覆う（図５参照）。

回路構成体１１の表面が全て充填材４０に覆われたら、下側ケース６１に上側ケース５１を取り付ける。具体的には、上側ケース５１の側壁部５３を下側ケース６１の側壁部５３と受枠６４との間に嵌め込む。すると、上側ケース５１の側壁部５３の外面に設けられた係止突部５４が下側ケース６１の受枠６４に設けられた弾性係止片６５を外側に向けて弾性変形させつつ移動し、上側ケース５１が正規の位置に装着されたところで弾性係止片６５が係止突部５４を乗り越え弾性復帰することにより、上側ケース５１と下側ケース６１とがロックされる（図１参照）。

この時、上側ケース５１の接触部５５は、半導体スイッチング素子３０の上方を覆っている充填材４０を押し除けつつ半導体スイッチング素子３０に向けて移動する。押し除けられた充填材４０は、接触部５５と隣接して設けられた離間部５６の空気層内に逃がされる。この時、離間部５６には防水性通気弁７０が設けられているから、離間部５６内の空気層は充填材４０により圧縮されることなく、通気性フィルタ７２から外部に逃がされる。よって、上側ケース５１の下側ケース６１に対する取り付け操作を円滑に行うことができる。

また、上側ケース５１と下側ケース６１とがロックされた状態において、接触部５５は半導体スイッチング素子３０の上方に配されて充填材４０と接触しているものの、半導体スイッチング素子３０と直接的には接触していない。

次に、作用効果を説明する。このような本実施形態の回路ユニット１０によれば、半導体スイッチング素子３０で発生した熱は、まず、半導体スイッチング素子３０を覆う充填材４０に伝達される。この充填材４０は上側ケース５１の接触部５５に接触しているから、充填材４０に伝達された熱は、速やかに上側ケース５１に伝達され、その表面からケース５０の外部に放散される。

しかも接触部５５は、充填材４０のうち最も温度が高くなる半導体スイッチング素子３０を覆う位置に設けられているから、半導体スイッチング素子３０から発生された熱を効率的に吸熱し、外部に放熱させることができる。すなわち、回路ユニット１０のケース５０内が局所的に高温になることを抑制し、半導体スイッチング素子３０と回路基板１２との間の接続信頼性を向上させることができる。

また、この接触部５５と隣接して離間部５６が設けられており、この離間部５６に防水性通気弁７０が設けられているから、接触部５５により押し除けられた充填材４０が離間部５６に逃がされた場合には、離間部５６内の空気は防水性通気弁７０から速やかに外部に排出され、圧縮されることがない。よって、上側ケース５１の下側ケース６１に対する取り付け作業を円滑に行うことができる。

また、上側ケース５１のうち、接触部５５の外面は凹状に窪んだ形状とされており、上側ケース５１の外表面積が大きくなっているから、さらに放熱性に優れる。

さらに、このような構成の上側ケース５１は、天板部５２の一部を下側に向けて突出させるだけの簡易な構成であるので、製造が容易で製造コストも安価である。

＜他の実施形態＞
本明細書に開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。

（１）上記実施形態では、上側ケース５１の離間部５６に防水性通気弁７０を設ける構成としたが、防水性通気弁７０は省略することもできる。

（２）充填材４０としては、いわゆる防水ゲルを用いてもよい。

（３）上記実施形態では、上側ケース５１の側壁部５３を下側ケース６１の側壁部６３とこの側壁部６３の外側に設けられた受枠６４との間に挿入させる構成としたが、上側ケース５１と下側ケース６１との取り付け構造は上記実施形態に限るものではなく、例えば、上側ケース５１の側壁部５３を下側ケース６１の側壁部６３の内側に取り付ける構成とすることもできる。

（４）上記実施形態では、接触部５５の外面（上側ケース５１の上面）を凹状に窪ませる構成としたが、参考例として、平坦面としてもよい。

（５）また、接触部５５の突状の形状は上記実施形態に限るものではなく、例えは、側面がテーパ状となるように突出させたり、角柱状ではなく円柱状に突出させてもよい。また、各電子部品に対応して複数の接触部を設ける構成とすることもできる。

１０…回路ユニット
１１…回路構成体
１２…回路基板
３０…半導体スイッチング素子（電子部品）
４０…充填材
５０…ケース
５１…上側ケース
５５…接触部
５６…離間部
６１…下側ケース
７０…防水性通気弁（防水性通気部）
７２…通気性フィルタ

Claims (2)

1. 電子部品が実装された回路基板と、前記回路基板を収容する下側ケースと、前記下側ケースに充填される充填材と、前記充填材を覆うように前記下側ケースに被せられる上側ケースと、を備えた回路ユニットであって、
   前記電子部品および前記回路基板は前記充填材により覆われており、
   前記上側ケースは、前記電子部品に対応する位置に該電子部品に向けて突出して前記充填材と接触する接触部と、前記接触部と隣接する位置において前記充填材との間に空気層を形成するべく前記充填材から離間して配される離間部と、を備えて構成されており、
   前記上側ケースのうち前記接触部が設けられた領域の外面は、凹状に窪んだ形状とされている回路ユニット。
2. 前記上側ケースのうち前記離間部に、水分を通過不能で空気を通過可能な防水性通気部が設けられている請求項１に記載の回路ユニット。

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