JP2008300734A - プリント基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半田付けを伴わずメイン基板にサブ基板を実装したプリント基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】コイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランド３が形成されたメイン基板１とサブ基板２、重ね合わせられたメイン基板１とサブ基板２のコイルパターン部分を取り囲むフェライトコア８、メイン基板１とサブ基板２の電気接続用ランド３間に挟まれ、金めっき処理が施された導電性ワッシャ４、電気接続用ランド３のスルーホールと、導電性ワッシャ４にネジ軸を通されたネジ６、ネジ６の軸先端部に嵌め込まれ、ネジ６の頭との間にメイン基板１と導電性ワッシャ４とサブ基板２を挟んで締結するナット７によって、シートトランスを構成したプリント基板とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルパターンが形成された複数枚の基板を重ね合わせた構造のプリント基板およびその製造方法に関する。

従来のスイッチング電源等において、その構成部品であるトランスの部品高さの制約で、小型化・薄型化が困難であった。近年このトランスの薄型化技術として、プリント基板上にコイルパターンを形成し、コイルパターンを形成したサブ基板をプリント基板上に半田付けし、フェライトコアと組み合わせることでトランスを構成するシートトランスが開発された（例えば、特許文献１）。

特開２０００−９１１３８号公報

このようなプリント基板において、高効率で大電流対応可能なシートトランスを構成しようとした場合、プリント基板（メイン基板）に内蔵されたコイルパターンだけでは電流密度が大きくなり、発熱による損失も大きくなるため、同様なコイルパターンを内蔵したサブ基板を並列に接続する必要がある。その他、特許文献１のように１次側、２次側コイルを分離するような目的等でもサブ基板を使用してシートトランスを構成する場合がある。このメイン基板とサブ基板の電気的な接続方法について、従来はリード線や接続ピンを用いた半田付けによる接続が主流であった。

しかしながら、サブ基板とメイン基板の間を接続ピンで半田付け接続するような場合、サブ基板の直下に半田付け部分が配置されるため、半田付け状態の目視確認が困難であり、品質・信頼性の面で問題があった。また、サブ基板からリード線を出して、半田接続点がサブ基板直下に配置されないようにした場合は半田の目視検査は可能になるが、実装面積が広がり小型化の狙いに反する結果となる。特に２枚以上の複数枚のサブ基板を接続しようとした場合、上記のような半田付けを用いた方法では小型化と高品質な電気接続の両立が困難であった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、半田付けの作業を伴うことなく、メイン基板にサブ基板を実装することが可能となるプリント基板およびその製造方法を提供することを目的としている。

この発明に係わるプリント基板は、コイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成された第一の基板と第二の基板、重ね合わせられた上記第一の基板と上記第二の基板の上記コイルパターン部分を取り囲むフェライトコア、上記第一の基板と上記第二の基板の上記電気接続用ランド間に挟まれた導電性ワッシャ、上記電気接続用ランドのスルーホールと、上記導電性ワッシャにネジ軸を通されたネジ、上記ネジの軸先端部に嵌め込まれ、上記ネジの頭との間に上記第一の基板と上記導電性ワッシャと上記第二の基板を挟んで締結するナットによって、シートトランスを構成したものである。

この発明に係わるプリント基板は、コイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成された第一の基板、上記第一の基板のコイルパターンに直列接続されたコイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成された第二の基板、重ね合わせられた上記第一の基板と上記第二の基板の上記コイルパターン部分を取り囲むフェライトコア、上記第一の基板と上記第二の基板の上記電気接続用ランド間に挟まれた導電性ワッシャ、上記電気接続用ランドのスルーホールと、上記金めっきワッシャにネジ軸を通されたネジ、上記ネジの軸先端部に嵌め込まれ、上記ネジの頭との間に上記第一の基板と上記導電性ワッシャと上記第二の基板を挟んで締結するナットによって、チョークコイルを構成したものである。

この発明に係わるプリント基板の製造方法は、コイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成された第一の基板と第二の基板の間に、導電性ワッシャを挟み、上記第一または第二の基板の上記電気接続用ランドのスルーホール、上記導電性ワッシャ、上記第二または第一の基板の上記電気接続用ランドのスルーホールの順にネジの軸部を通し、上記ネジの軸先端部にナットを嵌合させて、上記第一、第二の基板を締結固定する工程を含むものである。

この発明のプリント基板によれば、導電性ワッシャ、ネジ、ナットによって、第一、第二の基板を締結固定することで、基板間の機械的、電気的接続が同時に行え、さらにシートトランス部分の小型化が可能で、リワークが容易なプリント基板を得られるという効果がある。

この発明のプリント基板によれば、導電性ワッシャ、ネジ、ナットによって、第一、第二の基板を締結固定することで、基板間の機械的、電気的接続が同時に行え、さらにチョークコイル部分の小型化が可能で、リワークが容易なプリント基板を得られるという効果がある。

この発明のプリント基板の製造方法によれば、導電性ワッシャ、ネジ、ナットによって、第一、第二の基板を締結固定することで、基板間の機械的、電気的接続が同時に行えるという効果がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるプリント基板の分解斜視図である。このプリント基板は、コイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランド３が形成されたメイン基板１（プリント基板の基体となる。第一の基板。）とサブ基板２（第二の基板）、重ね合わせられたメイン基板１とサブ基板２のコイルパターン９部分を取り囲むフェライトコア８、メイン基板１とサブ基板２の電気接続用ランド３間に挟まれた金めっき処理された導電性ワッシャ４、電気接続用ランド３のスルーホールと、導電性ワッシャ４にネジ軸を通されたネジ６、ネジ６の軸先端部に嵌め込まれ、ネジ６の頭との間にメイン基板１と導電性ワッシャ４とサブ基板２を挟んで締結するナット７によって、シートトランスを構成した例を示している。なお、ここでは、プリント基板とは、メイン基板１に加え、メイン基板１上に積層され作り込まれた構造体を含めたものを言うものとする。

ここで、上述したように、導電性ワッシャ４は、金めっき加工が施され、表面に金めっき層が形成されたものを用い、この導電性ワッシャ４を介してメイン基板１とサブ基板２との電気的接続を図っている。また、ネジ６の頭とサブ基板２との間にワッシャ５が配置され、同様に、ネジ６の軸先端部とメイン基板１の間にワッシャ５が配置されている。ワッシャ５は、基板間の電気接続に用いられるものではなく、基板同士の機械的な固定を、ネジ６とナット７との組み合わせによって行うものであるため、金めっき処理されたものを用いる必要はない。

次に、図１に示すように、このプリント基板の構造について詳述する。メイン基板１とサブ基板２には、それぞれ１次側コイルの端子２箇所と２次側コイル２箇所の合計４箇所のスルーホール形状の電気接続用ランド３が設けられている。メイン基板１は、サブ基板２よりも基板の面積が大きく、他の部品を実装することが可能であり、フェライトコア８を配置するために、コイルパターンの中央部分および外側に開口部を設けている。

図２はサブ基板２の端子部分の断面図である。このように電気接続用ランド３はスルーホール部でコイルパターン９に接続されている。図３は、図２におけるコイルパターン形成層の平面を例示したコイルパターン９の模式図である。サブ基板２の表面には、電気接続用ランド３が露出しているが、コイルパターン９は、層内に、層間膜を介して重なり合って配置されている。また、サブ基板２には、基板を貫通するバイアホール１０が形成され、このバイアホール１０によって同基板内の異なる層のコイルパターン９同士を電気的に接続している。

この図２のサブ基板２は、次のように形成する。サブ基板２は、例えば変性ポリイミドよりなるシート基板を複数枚積層した構造であり、１枚のシート基板の両面に１層ずつ、銅箔によって計２層のコイルパターン９を形成し、その後、穴あけをして銅めっきをすることでインタースティシャルバイアホール１１を形成し、層間接続部を得る。同様に形成した４枚のシート基板間および表面にプリプレグをそれぞれ配置し、その積層体の両面に、電気接続用ランド３を形成したシート基板（サブ基板２の上面、下面を構成する。）を重ね、プレスして1枚の積層体とする。その後、積層体よりなる基板を貫通するスルーホールを形成し、表層メッキ（ここでは金めっき）をして電気接続用ランド３を得、サブ基板２を得ることができる。

サブ基板２は、層間接続用のインタースティシャルバイアホール１１やバイアホール１０によって多層基板（サブ基板２）の各層に形成されたコイルパターン９が接続され、コイルパターン９を1次側、２次側コイルとして区別して用いることができ、任意の巻数比のトランスを構成することができる。
なお、メイン基板１にもサブ基板２と同様にコイルパターンを形成する。

次に、この発明のプリント基板の製造方法について、特に、メイン基板１にサブ基板２を接続する実装方法について説明する。まず、銅板をエッチング加工することによって表面が平坦な導電性ワッシャ４を形成し、その導電性ワッシャ４に金めっき処理を施すことによって、表面に金めっき層を持つ導電性ワッシャ４を形成しておく。次に、メイン基板１とサブ基板２の間に、金めっき加工された導電性ワッシャ４を挟み、メイン基板１またはサブ基板２の電気接続用ランド３のスルーホール、導電性ワッシャ４、サブ基板２またはメイン基板１の電気接続用ランド３のスルーホールの順にネジ６の軸部を通し、ネジ６の軸先端部にナット７を嵌合させ、メイン基板１、サブ基板２を締結固定する。なお、ネジ６の頭とサブ基板２またはメイン基板１の間にワッシャ５を挟み、ナット７とメイン基板１またはサブ基板２の間にもワッシャ５を挟むことで、ネジ６とナット７の締結力をより向上させることができる。その後、フェライトコア８を組み合わせてシートトランスをプリント基板上に構成する。

上記のような実装方法でメイン基板１にサブ基板２を実装し、シートトランスを含んだ構成のプリント基板を製造することによって、ワッシャ５、ネジ６およびナット７による締結力によって、基板上の電気接続用ランド３と金めっき処理された導電性ワッシャ４が圧接され、電気的導通を得ることができる。
上述したように、導電性ワッシャ４は、両面を平坦に加工後、金めっき加工することで電気接続用ランド３との電気的接続性を向上させている。これは接続面の酸化・腐食を防止し、良好な電気的接続を得るために高い効果がある。
また、電気接続用ランド３を金めっき処理することで、さらに良好な電気的接続を得ることができる。このネジ締結はサブ基板２の固定も兼ねることとなり、振動・衝撃に強い構造を同時に得ることができるという利点がある。

また、上述の例では、1枚のメイン基板１に対し、1枚のサブ基板２を配置する場合を示したが、複数枚のサブ基板２を配置することも可能であることは言うまでもない。図４にサブ基板２が複数枚である場合のプリント基板の分解斜視図を示す。ネジ６とナット７によるサブ基板２の実装においては、実装する基板数が増えても、基板間に金めっき加工した導電性ワッシャ４を挟んで締結固定することで、メイン基板１への実装が可能である。
図４では、メイン基板１の上面および下面に、それぞれ１枚のサブ基板２を重ね合わせる例を示したが、上面または下面側に、２枚（複数枚）のサブ基板２を重ねて配置することも可能である。

また、このような複数枚のサブ基板２を並列に接続する効果として、コイルパターン９に流れる電流密度を下げ、発熱による損失を低減することができ、大電流高効率のトランスが可能となる。
組立時においても、サブ基板２の枚数が増加してもネジ締結の工程数は増大せず、また、ネジ締結による接続は半田接続に比べて作業が容易で、半田ごての加熱で基板に損傷を与えることがない。また、組立と同様に取り外しが容易であり、リークが発生した場合に作業性が良いという利点がある。

また、このプリント基板は、ネジ６とナット７によってメイン基板１とサブ基板２間を接続しているため、半田による接続の場合よりも強い機械的構造が得られるものであり、振動、衝撃が大きい環境（例えば、人工衛星搭載用、自動車機器用等）にも適用可能であるという効果がある。
さらに、導電性ワッシャ４の厚さが均等で、表面の平坦性が良好なものを用いるため、ネジ締結によって、メイン基板１とサブ基板２を固定した場合に、基板間の空隙の寸法が導電性ワッシャ４の厚さによって決められ、容易に基板間の隙間を均一な値とすることができ、基板の配置特性を良好なものとすることができる。

実施の形態２．
図５（ａ）は本発明の実施の形態２によるプリント基板の断面構造を示す断面図であり、図５（ｂ）は、ネジ６近傍における拡大断面図である。この実施の形態２では、メイン基板１の上面に２枚、下面に１枚のサブ基板２を実装した例を示している。
ネジ締結の構造は実施の形態１と同様であるが、ネジ締結接続部以外の基板間の空間を熱伝導性接着剤もしくは熱伝導シートよりなる熱伝導性物質層１３を充填（積層）することで、サブ基板２で発生した熱をメイン基板１に逃がすことができる。サブ基板２の発熱を効率的に排熱することで、さらに大電流対応のトランスを得ることが可能になるという効果がある。

ここで、上述したように、ネジ締結によって、基板間の寸法が、金めっき加工された導電性ワッシャ４によって決められるため、熱伝導性物質層１３を配置するための隙間および熱伝導性物質層１３の厚さを、均一な値とすることができ、熱伝導性を均一化させることが可能である。
なお、熱伝導性物質層１３としては、シリコン系の接着剤、または民生機器用には、粘着性、弾力性があるシートよりなる熱伝導シートを使用することができる。

実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３によるプリント基板を示す断面図である。ネジ締結の構造は実施の形態１および実施の形態２と同様であるが、メイン基板１に搭載されるその他の電子部品１４の背の高さに合わせるように、サブ基板２の枚数を調節して配置する例を示している。図６ではメイン基板１のC面側（図で上面側）に2枚、Ｓ面側（図で下面側）に1枚、サブ基板２を配置することで、フェライトコア８とあわせて、シートトランスの背の高さを電子部品１４の背の高さに揃えることが可能で、空間効率を上げて、メイン基板１にサブ基板２を実装することができ、電源モジュール全体としての小型化を図ることができる。

実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４によるプリント基板を示す断面図である。トランスで３次巻線が必要な場合には３次巻線用サブ基板１５（上述の実施の形態１から実施の形態３において示したコイルパターン９を内蔵したサブ基板２とは異なる第三の基板。）を作成し、他のサブ基板と同様にネジ締結でメイン基板１に電気的、機械的に接続することができる。
第三の基板となるサブ基板１５には、例えば、リセット巻線が３次巻線として形成される。このリセット巻線は、コア磁化を抜くためのリセット回路で、フォワードコンバータ等で用いられる。この３次巻線用サブ基板１５は、上述したサブ基板２よりも一回り大きな面積を持つものであり、サブ基板２およびメイン基板１との連結のためにネジ締結部としてスルーホールを他の基板と同様に形成した形状とする。

また、この３次巻線用サブ基板１５の場合、３次巻線用にネジ締結端子を2箇所追加して、計6個所でネジ締結することもできるが、３次巻線には大きな電流を流さない場合が多く、ネジ締結で接続するのは締結部品の増加もあり無駄が生じる場合がある。そこで、図６に示すように、メイン基板１と３次巻線用サブ基板１５にそれぞれ設けられた３次巻線接続用パッド１６の間をワイヤ１７の半田付けによって接続する。このように、３次巻線用サブ基板１５とメイン基板１上の３次巻線接続用パッド１６の電気的接続をワイヤ１７の半田付けによって行うことによって締結部品の重量増を防ぎながら、３次巻線やそれ以上の高次の巻線を持つトランスにも対応可能となる。

実施の形態５．
上述の実施の形態１から実施の形態４においては、プリント基板上にシートトランスを形成する場合について説明したが、上述したような図１〜図７に示したトランスと同様の構造で基板内の巻線パターンを1次側のみにする（全層の巻線パターンを直列に接続する）ことでプリント基板上にチョークコイルの機能を持つシートコイルを作ることができる。

この実施の形態５のプリント基板は、コイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成されたメイン基板、メイン基板のコイルパターンに直列接続されたコイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成されたサブ基板、重ね合わせられたメイン基板とサブ基板のコイルパターン部分を取り囲むフェライトコア、メイン基板とサブ基板の電気接続用ランド間に挟まれた導電性ワッシャ、電気接続用ランドのスルーホールと、導電性ワッシャにネジ軸を通されたネジ、ネジの軸先端部に嵌め込まれ、ネジの頭との間にメイン基板と導電性ワッシャとサブ基板を挟んで締結するナットによって、チョークコイルを構成している。

プリント基板上にチョークコイルを形成する場合、トランス形成に必要な２次巻線パターンおよび２次巻線に繋がるネジ締結部は不要になるが、２次巻線側のネジ締結部２箇所はダミーの接続ランドとして残し、４箇所のネジ締結とすることでトランス同様の安定した構造とすることができる。

このようにスイッチング電源で必ず必要となる整流用のチョークコイルを、シートトランスと同様の構成でプリント基板上に作り込むことができるため、電源モジュールの小型化の効果が大きい。
また、シートトランスの場合と同様に、導電性ワッシャ、ネジ、ナットによる基板間の電気的、機械的接続についても同様の効果があり、振動、衝撃に対して耐性があるため、人工衛星搭載用、自動車用としても適用可能である。

この発明の実施の形態１によるプリント基板の分解斜視図である。 この発明の実施の形態１によるサブ基板の断面図である。 この発明の実施の形態１によるサブ基板のコイルパターン模式図である。 この発明の実施の形態１によるプリント基板の分解斜視図である。 この発明の実施の形態２によるプリント基板の断面図である。 この発明の実施の形態３によるプリント基板の断面図である。 この発明の実施の形態４によるプリント基板の断面図である。

符号の説明

１ メイン基板、 ２ サブ基板、
３ 電気接続用ランド、 ４ 導電性ワッシャ、
５ ワッシャ、 ６ ネジ、
７ ナット、 ８ フェライトコア、
９ コイルパターン、 １０ バイアホール、
１１ インタースティシャルバイアホール、 １３ 熱伝導性物質層、
１４ 電子部品、 １５ ３次巻線用サブ基板、
１６ ３次巻線接続用パッド、 １７ ワイヤ。

Claims (9)

1. コイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成された第一の基板と第二の基板、重ね合わせられた上記第一の基板と上記第二の基板の上記コイルパターン部分を取り囲むフェライトコア、上記第一の基板と上記第二の基板の上記電気接続用ランド間に挟まれた導電性ワッシャ、上記電気接続用ランドのスルーホールと、上記導電性ワッシャにネジ軸を通されたネジ、上記ネジの軸先端部に嵌め込まれ、上記ネジの頭との間に上記第一の基板と上記導電性ワッシャと上記第二の基板を挟んで締結するナットによって、シートトランスを構成したことを特徴とするプリント基板。
2. コイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成された第一の基板、上記第一の基板のコイルパターンに直列接続されたコイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成された第二の基板、重ね合わせられた上記第一の基板と上記第二の基板の上記コイルパターン部分を取り囲むフェライトコア、上記第一の基板と上記第二の基板の上記電気接続用ランド間に挟まれた導電性ワッシャ、上記電気接続用ランドのスルーホールと、上記導電性ワッシャにネジ軸を通されたネジ、上記ネジの軸先端部に嵌め込まれ、上記ネジの頭との間に上記第一の基板と上記導電性ワッシャと上記第二の基板を挟んで締結するナットによって、チョークコイルを構成したことを特徴とするプリント基板。
3. 上記導電性ワッシャは、金めっき加工されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のプリント基板。
4. 上記電気接続用ランドは、金めっき加工されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のプリント基板。
5. 上記導電性ワッシャが挟まれた上記第一の基板と上記第二の基板の間に充填された熱伝導性物質層を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のプリント基板。
6. 上記第一の基板の上面側または下面側に、一枚または複数枚の上記第二の基板を重ね合わせたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のプリント基板。
7. 上記導電性ワッシャを介して上記第一の基板側に締結固定され、上記第二の基板とは異なるパターンを内蔵した第三の基板を備えたことを特徴とする請求項１記載のプリント基板。
8. コイルパターンを内蔵し、スルーホール形状の電気接続用ランドが形成された第一の基板と第二の基板の間に、導電性ワッシャを挟み、上記第一または第二の基板の上記電気接続用ランドのスルーホール、上記導電性ワッシャ、上記第二または第一の基板の上記電気接続用ランドのスルーホールの順にネジの軸部を通し、上記ネジの軸先端部にナットを嵌合させて、上記第一、第二の基板を締結固定する工程を含むことを特徴とするプリント基板の製造方法。
9. 上記ネジと上記ナットによる締結固定の前に、上記導電性ワッシャに金めっき処理を施す工程を含むことを特徴とする請求項８記載のプリント基板の製造方法。

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