プリント配線基板およびそれを用いたモータ駆動用の複合回路基板
【課題】小サイズで、かつ、放熱性に優れたモータ駆動用の回路基板を低コストで提供する。
【解決手段】モータ駆動用の回路基板は、モータを駆動するためのＭＯＳＦＥＴ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗなどの電子部品を含む駆動部が形成される金属製の単層回路基板２００と、駆動部に電源を供給する給電回路部が形成されるプリント配線基板１００とによって構成される。プリント配線基板１００の基板本体の片面には、絶縁性硬質薄膜としてのＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）１２０が形成される。そのＤＬＣ膜１２０を介して、ヒートシンクとして機能するアルミ製の金属基板３００がプリント配線基板１００に重着される。
【解決手段】モータ駆動用の回路基板は、モータを駆動するためのＭＯＳＦＥＴ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗなどの電子部品を含む駆動部が形成される金属製の単層回路基板２００と、駆動部に電源を供給する給電回路部が形成されるプリント配線基板１００とによって構成される。プリント配線基板１００の基板本体の片面には、絶縁性硬質薄膜としてのＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）１２０が形成される。そのＤＬＣ膜１２０を介して、ヒートシンクとして機能するアルミ製の金属基板３００がプリント配線基板１００に重着される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント配線基板、および、これを用いたモータ駆動用の複合回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用の電動パワーステアリングシステムは、運転者がハンドルに与えた操舵トルクや車両の速度などに応じて、好適な操舵補助力が得られるように操舵補助用モータを駆動する。操舵補助用モータは、電子制御ユニット（Electronic Control Unit ：以下、ＥＣＵという）に内蔵されたモータ駆動回路によって駆動される。モータ駆動回路は、操舵補助用モータを駆動するときに５００Ｗ〜２０００Ｗ程度の大電力を制御する。
【０００３】
このときモータ駆動回路は発熱するが、この発熱によるＥＣＵの誤動作や故障を防止するために、モータ駆動回路は熱伝導性の良い回路基板に実装される。モータ駆動回路は、例えば図８に示すように、アルミ製の金属基板９３（ヒートシンク）の上に銅製の導体層９１と樹脂製の絶縁層９２を１層ずつ形成した金属製の回路基板（以下、「単層回路基板」という。）に実装される。図８に示した単層回路基板には電子部品を片面（具体的には、導体層９１の上）にしか実装できないので、ＥＣＵ内でこの回路基板の占有面積が大きくなる。
【０００４】
そこで基板面積を縮小する１つの方法として、図９に示すように、導体層９１と樹脂製の絶縁層９２とを交互に積層することにより回路基板を多層化する方法が考えられる。また、回路基板を単純に多層化した場合には熱伝導性の悪い樹脂製の絶縁層９２が重なり電子部品で発生した熱の放熱性が低下するので、導体層９１とセラミック製の絶縁層とが交互に複数積層された回路基板（以下、「セラミック多層基板」という。）も提案されている。
【０００５】
なお、本願発明に関連して、以下のような先行技術が知られている。特許文献１には、熱伝導性を有する金属基体とダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の絶縁性非晶質炭素膜と２層以上の金属層とを備えた構造体の発明が開示されている。特許文献２には、グラファイトシートと該グラファイトシートの表面に形成されたダイヤモンドライクカーボン薄膜とを有する熱伝導部材の発明が開示されている。特許文献３には、多層回路基板において積層回路部の最上層の導体層と最下層の絶縁層とを放熱ビアで接続することにより低コストで熱伝導性を良くすることが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２４５２３５号公報
【特許文献２】特開２００３−８２６３号公報
【特許文献３】特開２００８−１８２１８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、モータ駆動回路を単層回路基板に実装すると、基板の面積が大きくなる。また、樹脂製の絶縁層９２を含む多層回路基板にモータ駆動回路を実装すると、充分な放熱性が得られない。さらに、セラミック多層基板については、熱伝導性が良く基板面積が小さいという特長があるが、コストが非常に高いという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、小サイズで、かつ、放熱性に優れたモータ駆動用の回路基板を低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、導体層と樹脂製の絶縁層とを交互に複数積層してなる基板本体と、
前記基板本体の片面に形成された絶縁性硬質薄膜とを備えたプリント配線基板である。
【０００９】
第２の発明は、モータ駆動用の複合回路基板であって、
第１の発明に係るプリント配線基板と、
前記プリント配線基板と電気的に接続されモータ駆動素子が載置される単層回路基板とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、
前記モータ駆動素子に電源を供給する給電回路が前記プリント配線基板の基板本体に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記プリント配線基板の基板本体と前記単層回路基板とが前記絶縁性硬質薄膜を介して積層されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記第１の発明によれば、絶縁性硬質薄膜がプリント配線基板に形成される。このため、熱伝導性の良い金属基板をこのプリント配線基板に上記絶縁性硬質薄膜を介して積層する構成とすることにより、従来よりもプリント配線基板の放熱性を高めることができる。
【００１３】
上記第２の発明によれば、比較的放熱性に優れた単層回路基板と多層化が容易で安価なプリント配線基板とによってモータ駆動用の回路基板が構成される。このため、放熱性を損なうことなく、かつ、セラミック基板を積層したセラミック多層基板よりも低コストで、多層化による小型化が可能なモータ駆動用の回路基板を得ることができる。
【００１４】
上記第３の発明によれば、給電用の配線をプリント配線基板の内層に形成することができる。これにより、給電用のバスバーが不要となり、モータ駆動用の回路基板が小型化される。
【００１５】
上記第４の発明によれば、単層回路基板と多層のプリント配線基板とが積層された構成となるので、モータ駆動用の回路基板の面積を従来よりも小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
＜１．プリント配線基板の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るプリント配線基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board)の外観斜視図である。図１に示すプリント配線基板１００は、導体層と樹脂製の絶縁層とが交互に複数積層された基板本体１１０と、その基板本体１１０の片面に形成された絶縁性硬質薄膜１２０とによって構成されている。絶縁性硬質薄膜１２０については、基板本体１１０の片面の一部に形成されていても良いし、基板本体１１０の片面全体に形成されていても良い。なお、絶縁性硬質薄膜１２０が形成されている面を「裏面」とし、その他方の面を「表面」とする。ここで、「絶縁性硬質薄膜」とは、ヌープ硬度（Ｈｋ）が５００〜２５００であって、膜厚が２０μｍ（マイクロメートル）以下であり、電気抵抗が１ＭΩ（メガオーム）以上である膜をいう。また、以下においては、絶縁性硬質薄膜としてダイヤモンドライクカーボン膜（以下、「ＤＬＣ膜」という。）が採用されているものとして説明する。
【００１８】
図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、図２に示す積層構造において、図２の上側を下層とし、図２の下側を上層とする。基板本体１１０については、導体層１１と絶縁層１２とが交互に積層されている。これらの層は、複数の導体層１１と複数の絶縁層１２とを熱圧着することにより形成される。導体層１１は金属で形成され、絶縁層１２はガラス繊維に絶縁樹脂材を含浸させた合成物（いわゆる、プリプレグ）で形成されている。導体層１１は熱伝導性の良い金属で、絶縁層１２は１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性を有する樹脂で形成することが好ましい。以下の説明では、導体層１１は銅で、絶縁層１２はガラス繊維とエポキシ樹脂の合成物で形成されているとする。最上層の導体層１１には、電子部品をはんだ付けするために、ニッケルメッキを下地とした金メッキ１９が施されている。最下層の導体層１１は、ＤＬＣ膜１２０によってコーティングされている。
【００１９】
また、導体層１１の各層間を電気的に接続するとともに電子部品で発生した熱を逃がすために、基板本体１１０には放熱ビア１１１が設けられている。放熱ビア１１１は、図２に示すように、導体層１１と絶縁層１２の厚さ方向に形成されている。より詳細には、放熱ビア１１１は、最上層の導体層１１に接する絶縁層１２から最下層の導体層１１までを貫く孔の内面に導体層１１２を形成し、内部に樹脂１１３を充填したものである。導体層１１２は、銅メッキなどの金属メッキによって形成されている。樹脂１１３には、絶縁層１２を形成するときと同じ樹脂（ここでは、ガラス繊維とエポキシ樹脂の合成物）を使用してもよい。このように形成された放熱ビア１１１は、電子部品が載置される最上層の導体層１１とＤＬＣ膜１２０とを内面に形成された導体層１１２で接続する。
【００２０】
ＤＬＣ膜１２０については、例えば公知のプラズマＣＶＤ法やＰＶＤ法によって最下層の導体層１１上に形成される。ＤＬＣ膜１２０は、含有シリコンの濃度が順次変化する傾斜ＤＬＣ層と、シリコンを含まないＤＬＣ層とからなる。まず最下層の導体層１１上にクロム層またはチタン層を形成し、その上に傾斜ＤＬＣ層を形成する。次に、シリコンを含まないＤＬＣ層を形成する。傾斜ＤＬＣ層は、クロム層（またはチタン層）側でシリコン含有量が多く（例えば１０〜２０ａｔ％）、それから離れるにつれて徐々に少なくなり、シリコンを含まない傾斜ＤＬＣ層側で最も少なくなっている（例えば０〜４ａｔ％）。この場合、膜厚を１〜２μｍと非常に薄くすることができるので、熱抵抗を下げることができる。このため、電子部品から発生する熱を、例えばＤＬＣ膜１２０を介してこのプリント配線基板１００に貼り付けられる金属基板まで、放熱ビア１１１経由で熱伝導性よく伝搬させることができる。ここで、クロム層（またはチタン層）および傾斜ＤＬＣ層を、最下層の導体層１１とシリコンを含まないＤＬＣ層との間に挟むのは、両者の密着性を良くするためである。また、上記のクロム層と傾斜ＤＬＣ層との間に、さらに窒化クロム層を形成してもよい。この場合、高い面圧力が加わっても、ＤＬＣ膜１２０の崩壊を防止することができる。また、ＤＬＣ膜１２０に水素を含めることによって、ＤＬＣ膜１２０を硬くして、導体層１１との剥離を抑制することができる。この場合、剥離を抑制する観点から、水素の含有量を２０〜４０ａｔｏｍパーセントとすることが好ましい。なお、ＤＬＣ膜１２０にシリコンを含めることによってもＤＬＣ膜１２０を硬くすることができる。
【００２１】
＜２．モータ駆動用の複合回路基板＞
上述のプリント配線基板１００は、例えば、電動パワーステアリングシステム用のモータ駆動回路基板などに利用される。モータ駆動回路基板は、電動パワーステアリングシステム用ＥＣＵ（電子制御ユニット）に内蔵して使用される。ＥＣＵには、操舵補助用モータに供給する駆動電流の量を算出するモータ制御回路と、大電流を制御して操舵補助用モータを駆動するモータ駆動回路とが含まれている。モータ制御回路の動作時の発熱量はそれほど多くないが、モータ駆動回路の動作時の発熱量はかなり多い。
【００２２】
本実施形態においては、モータ駆動回路のうちモータ駆動素子（例えば、大電力を取り扱うように設計されたパワーＭＯＳＦＥＴ）などの電子部品を含みモータ制御回路から与えられるＰＷＭ信号に基づいてモータを駆動する駆動部と該駆動部に電源を供給する給電回路部とは異なる回路基板に形成されている。図３は、図１に示すプリント配線基板１００を含み上記モータ駆動回路が形成される複合回路基板の構成を示す外観斜視図である。駆動部はアルミなどの金属基板２１０とその金属基板２１０上に形成された絶縁層２２０とからなる単層回路基板２００に形成され、給電回路部はプリント配線基板１００に形成されている。なお、金属基板２１０はヒートシンクとして機能する。また、モータ制御回路はこれらとは別の回路基板に、例えばＥＣＵの内部に並べて実装される。
【００２３】
プリント配線基板１００の表面（上面）には、電源配線導体１３と接地配線導体１４と給電用のパッド１５，１６とが形成されている。給電用のパッド１５は２本または３本以上のアルミ線４３で電源のプラス極４１に接続され、給電用のパッド１６は２本または３本以上のアルミ線４３で電源のマイナス極４２に接続されている。給電用のパッド１５と電源配線導体１３とは、このプリント配線基板１００の内層に設けられた電源層（不図示）を介して接続されている。給電用のパッド１６と接地配線導体１４とは、このプリント配線基板１００の内層に設けられたグラウンド層（不図示）を介して接続されている。
【００２４】
単層回路基板２００の表面（上面）には、６つのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗと、電源配線導体２３と、モータ配線導体２４ｕ，２４ｖ，２４ｗとが形成されている。ＭＯＳＦＥＴ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ表面（上面）のソース接続端子（ソースパッド）とモータ配線導体２４ｕ，２４ｖ，２４ｗとはそれぞれ２本または３本以上のアルミ線４３でワイヤボンディングされている。なおこれらはボンディング以外の周知の手法により接続されていてもよい。また、これらのＭＯＳＦＥＴ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ裏面（下面）のドレイン電極は電源配線導体２３に接続されている。なおこれらの接続にははんだが使用されダイボンディングされているが、それ以外の周知の手法により接続されていてもよい。
【００２５】
ＭＯＳＦＥＴ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ表面（上面）のソース接続端子（ソースパッド）と接地配線導体１４とはそれぞれ２本または３本以上のアルミ線４３でワイヤボンディングされている。なおこれらはボンディング以外の周知の手法により接続されていてもよい。また、これらのＭＯＳＦＥＴ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ裏面（下面）のドレイン電極はそれぞれモータ配線導体２４ｕ，２４ｖ，２４ｗに接続されている。モータ配線導体２４ｕ，２４ｖ，２４ｗはそれぞれ２本または３本以上のアルミ線４３で電動モータ各相の入力端４４ｕ，４４ｖ，４４ｗに接続されている。
【００２６】
以上のようにして、図４に示す回路構成のモータ駆動回路が実現されている。このモータ駆動回路はシャント抵抗２５と上述した６つのＭＯＳＦＥＴ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗとによって構成され、モータ制御回路より各ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に与えられるＰＷＭ信号に基づいてモータ駆動回路はモータを駆動する。
【００２７】
また、図３に示すように、本実施形態においては、上述したＤＬＣ膜１２０を介して、プリント配線基板１００裏面（下面）にヒートシンクとして機能するアルミ製の金属基板３００が重着されている。この重着は、プリント配線基板１００と金属基板３００とをネジ（不図示）で固定することによって行われる。その際、プリント配線基板１００と金属基板３００との隙間を埋めるために、プリント配線基板１００と金属基板３００との間に熱伝導性の良いグリースが塗布される。なお、アルミ製の金属基板３００については、ＥＣＵの筐体を兼ねる構成であっても良い。
【００２８】
さらに、本実施形態においては、電子部品で発生した熱を逃がすために、図５に示すように、プリント配線基板１００の基板本体１１０内に放熱ビア１１１が設けられている。なお、図５に示す積層構造においては、図５の上側を上層とし、図５の下側を下層とする。電子部品の中には、動作時の発熱量が多いものと、動作時の発熱量がそれほど多くないものとが含まれる。このうち発熱量が多い電子部品の実装位置には、１個以上任意個の放熱ビア１１１が設けられる。電子部品で発生した熱は、最上層の導体層１１と放熱ビア１１１の内面に形成された導体層１１２とを経由してＤＬＣ膜１２０まで伝搬し、そこからさらに金属基板３００に伝搬する。このように、放熱ビア１１１は、電子部品で発生した熱をヒートシンクとしての金属基板３００に接するＤＬＣ膜１２０まで熱伝導性良く伝える役割を果たす。
【００２９】
ここで、放熱ビア１１１は、ＤＬＣ膜１２０に接する最下層の導体層１１を貫くが、ＤＬＣ膜１２０を貫かないように形成されている。これにより、最上層の導体層１１が、金属基板３００を介して他の最上層の導体層１１と短絡されることを防止することができる。ＤＬＣ膜１２０は、この短絡を防止するために設けられている。なお、ＤＬＣ膜１２０は樹脂接着剤と比較して薄く形成することができる。このため、最下層の導体層１１と金属基板３００との間の絶縁層として本実施形態のようにＤＬＣ膜１２０を採用することによって、絶縁層での熱抵抗が小さくなり、放熱性が高められる。
【００３０】
なお、図５に示す放熱ビア１１１は最上層の導体層１１とだけ電気的に接続されているが、放熱ビアを最上層以外の導体層１１と電気的に接続してもよい。例えば図６に示す放熱ビア１１４は、最上層の導体層１１に加えて、第３層の導体層１１（導体層１１と絶縁層１２の双方を含めて上から３番目の層）にも電気的に接続されている。この放熱ビア１１４は、最上層の導体層１１と第３層の導体層１１とを電気的に接続するビアを、最下層の導体層１１を貫くように延ばしたものである。このように、導体層間を電気的に接続するビアを延ばして放熱ビアを形成することにより、放熱ビアを設けることによる基板面積の増大を防止することができる。
【００３１】
＜３．効果＞
本実施形態に係るモータ駆動用の複合回路基板は、金属製の単層回路基板２００とプリント配線基板１００とによって構成されている。金属製の単層回路基板２００については比較的放熱性に優れており、プリント配線基板１００については多層化が容易で安価である。このため、従来と比較して放熱性を損なうことなく、また、セラミック基板を積層したセラミック多層基板よりも低コストで、多層化したモータ駆動用の回路基板を製造することができる。これにより、モータ駆動用の回路基板の小型化が低コストで実現される。
【００３２】
また、本実施形態によれば、プリント配線基板１００の裏面（下面）にＤＬＣ膜１２０が形成され、そのＤＬＣ膜１２０を介して、ヒートシンクとして機能するアルミ製の金属基板３００とプリント配線基板１００とが積層された構成となっている。ここで、熱伝導率についてＤＬＣと接着性の樹脂とを比較すると接着性の樹脂よりもＤＬＣの方が高く、また、ＤＬＣの場合には膜厚を薄くすることができる。このため、プリント配線基板１００と金属基板３００との間の絶縁層としての領域での熱抵抗が小さくなり、プリント配線基板１００で生じた熱がアルミ製の金属基板３００に速やかに伝えられる。また、本実施形態においては、プリント配線基板１００は放熱ビア１１１を備えているので、電子部品で発生した熱が放熱ビア１１１経由で熱伝導性良く金属基板３００まで伝搬する。これにより、発熱に起因する誤動作や故障が効果的に抑制される。
【００３３】
さらに、上記ＤＬＣ膜１２０は比較的硬質であるので、プリント配線基板１００とアルミ製の金属基板３００との接合面における摩擦による影響を小さくすることができる。また、プリント配線基板１００の導体層１１とアルミ製の金属基板３００とを樹脂接着剤で接着した場合には、銅とアルミとの線膨張係数の違いに起因して、接着樹脂の崩れやプリント配線基板１００側に掛かる応力によるはんだの劣化が生じるが、本実施形態では、ＤＬＣ膜１２０を介してプリント配線基板１００と金属基板３００とがネジで固定されているので、そのようなことはない。
【００３４】
＜４．変形例＞
次に、上記実施形態の変形例について説明する。図７は、上記実施形態の変形例におけるモータ駆動用の複合回路基板の構成を示す外観斜視図である。図７に示すように、本変形例においては、金属基板２１０とその金属基板２１０上に形成された絶縁層２２０とからなる単層回路基板（金属製の単層回路基板）２００の表面（上面）にＤＬＣ膜１２０を介してプリント配線基板１００が載置された構成となっている。具体的には、単層回路基板２００とプリント配線基板１００とが、ＤＬＣ膜１２０を介してネジ止めで固定されている。なお、上記実施形態と同様、駆動部は金属製の単層回路基板２００に形成され、給電回路部はプリント配線基板１００に形成されている。また、ＭＯＳＦＥＴ等の構成要素間の接続関係についても上記実施形態と同様になっている。
【００３５】
本変形例によっても、モータ駆動用の複合回路基板は金属製の単層回路基板２００とプリント配線基板１００とからなるので、放熱性を損なうことなく、かつ、セラミック基板を積層したセラミック多層基板よりも低コストで、小型化されたモータ駆動用の回路基板が実現される。また、本変形例ではプリント配線基板１００と単層回路基板２００とが積層された構造となっているところ、給電回路部が形成されるプリント配線基板１００の厚さは約１ミリメートルである。これに対して、図８に示したような単層回路基板に給電回路部を形成する場合、基板上に給電用のバスバーを取り付けなければならない。バスバーの厚さは約１ミリメートルであるが、バスバーを基板上に取り付けるための部品の高さも必要となる。以上より、本変形例によれば、従来よりも小型化が可能となる。
【００３６】
また、上記実施形態および変形例においては絶縁性硬質薄膜としてＤＬＣ膜１２０を採用する例を挙げて説明しているが、ＤＬＣ膜１２０に代えて窒化クロム膜あるいは酸化クロム膜を絶縁性硬質薄膜として採用する構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係るプリント配線基板の外観斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示すプリント配線基板を含む複合回路基板の構成を示す外観斜視図である。
【図４】上記実施形態におけるモータ駆動回路の回路図である。
【図５】図１に示すプリント配線基板に含まれる放熱ビアの断面図である。
【図６】上記実施形態において、放熱ビアの構成の別の例を示す断面図である。
【図７】上記実施形態の変形例に係る複合回路基板の構成を示す外観斜視図である。
【図８】従来の単層回路基板の断面図である。
【図９】従来の多層回路基板の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１…導体層、１２，２２０…絶縁層、１３，２３…電源配線導体、１４…接地配線導体、１５，１６…給電用のパッド、１９…ニッケルメッキを下地とした金メッキ、２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ…ＭＯＳＦＥＴ、２４ｕ，２４ｖ，２４ｗ…モータ配線導体、２５…シャント抵抗、４１…電源のプラス極、４２…電源のマイナス極、４３…アルミ線、４４ｕ，４４ｖ，４４ｗ…モータの入力端、１００…プリント配線基板、１１０…基板本体、１１１，１１４…放熱ビア、１１２…導体層、１１３…樹脂、１２０…ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）、２００…金属製の単層回路基板、２１０，３００…金属基板（ヒートシンク）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント配線基板、および、これを用いたモータ駆動用の複合回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用の電動パワーステアリングシステムは、運転者がハンドルに与えた操舵トルクや車両の速度などに応じて、好適な操舵補助力が得られるように操舵補助用モータを駆動する。操舵補助用モータは、電子制御ユニット（Electronic Control Unit ：以下、ＥＣＵという）に内蔵されたモータ駆動回路によって駆動される。モータ駆動回路は、操舵補助用モータを駆動するときに５００Ｗ〜２０００Ｗ程度の大電力を制御する。
【０００３】
このときモータ駆動回路は発熱するが、この発熱によるＥＣＵの誤動作や故障を防止するために、モータ駆動回路は熱伝導性の良い回路基板に実装される。モータ駆動回路は、例えば図８に示すように、アルミ製の金属基板９３（ヒートシンク）の上に銅製の導体層９１と樹脂製の絶縁層９２を１層ずつ形成した金属製の回路基板（以下、「単層回路基板」という。）に実装される。図８に示した単層回路基板には電子部品を片面（具体的には、導体層９１の上）にしか実装できないので、ＥＣＵ内でこの回路基板の占有面積が大きくなる。
【０００４】
そこで基板面積を縮小する１つの方法として、図９に示すように、導体層９１と樹脂製の絶縁層９２とを交互に積層することにより回路基板を多層化する方法が考えられる。また、回路基板を単純に多層化した場合には熱伝導性の悪い樹脂製の絶縁層９２が重なり電子部品で発生した熱の放熱性が低下するので、導体層９１とセラミック製の絶縁層とが交互に複数積層された回路基板（以下、「セラミック多層基板」という。）も提案されている。
【０００５】
なお、本願発明に関連して、以下のような先行技術が知られている。特許文献１には、熱伝導性を有する金属基体とダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の絶縁性非晶質炭素膜と２層以上の金属層とを備えた構造体の発明が開示されている。特許文献２には、グラファイトシートと該グラファイトシートの表面に形成されたダイヤモンドライクカーボン薄膜とを有する熱伝導部材の発明が開示されている。特許文献３には、多層回路基板において積層回路部の最上層の導体層と最下層の絶縁層とを放熱ビアで接続することにより低コストで熱伝導性を良くすることが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２４５２３５号公報
【特許文献２】特開２００３−８２６３号公報
【特許文献３】特開２００８−１８２１８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、モータ駆動回路を単層回路基板に実装すると、基板の面積が大きくなる。また、樹脂製の絶縁層９２を含む多層回路基板にモータ駆動回路を実装すると、充分な放熱性が得られない。さらに、セラミック多層基板については、熱伝導性が良く基板面積が小さいという特長があるが、コストが非常に高いという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、小サイズで、かつ、放熱性に優れたモータ駆動用の回路基板を低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、導体層と樹脂製の絶縁層とを交互に複数積層してなる基板本体と、
前記基板本体の片面に形成された絶縁性硬質薄膜とを備えたプリント配線基板である。
【０００９】
第２の発明は、モータ駆動用の複合回路基板であって、
第１の発明に係るプリント配線基板と、
前記プリント配線基板と電気的に接続されモータ駆動素子が載置される単層回路基板とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、
前記モータ駆動素子に電源を供給する給電回路が前記プリント配線基板の基板本体に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記プリント配線基板の基板本体と前記単層回路基板とが前記絶縁性硬質薄膜を介して積層されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記第１の発明によれば、絶縁性硬質薄膜がプリント配線基板に形成される。このため、熱伝導性の良い金属基板をこのプリント配線基板に上記絶縁性硬質薄膜を介して積層する構成とすることにより、従来よりもプリント配線基板の放熱性を高めることができる。
【００１３】
上記第２の発明によれば、比較的放熱性に優れた単層回路基板と多層化が容易で安価なプリント配線基板とによってモータ駆動用の回路基板が構成される。このため、放熱性を損なうことなく、かつ、セラミック基板を積層したセラミック多層基板よりも低コストで、多層化による小型化が可能なモータ駆動用の回路基板を得ることができる。
【００１４】
上記第３の発明によれば、給電用の配線をプリント配線基板の内層に形成することができる。これにより、給電用のバスバーが不要となり、モータ駆動用の回路基板が小型化される。
【００１５】
上記第４の発明によれば、単層回路基板と多層のプリント配線基板とが積層された構成となるので、モータ駆動用の回路基板の面積を従来よりも小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
＜１．プリント配線基板の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るプリント配線基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board)の外観斜視図である。図１に示すプリント配線基板１００は、導体層と樹脂製の絶縁層とが交互に複数積層された基板本体１１０と、その基板本体１１０の片面に形成された絶縁性硬質薄膜１２０とによって構成されている。絶縁性硬質薄膜１２０については、基板本体１１０の片面の一部に形成されていても良いし、基板本体１１０の片面全体に形成されていても良い。なお、絶縁性硬質薄膜１２０が形成されている面を「裏面」とし、その他方の面を「表面」とする。ここで、「絶縁性硬質薄膜」とは、ヌープ硬度（Ｈｋ）が５００〜２５００であって、膜厚が２０μｍ（マイクロメートル）以下であり、電気抵抗が１ＭΩ（メガオーム）以上である膜をいう。また、以下においては、絶縁性硬質薄膜としてダイヤモンドライクカーボン膜（以下、「ＤＬＣ膜」という。）が採用されているものとして説明する。
【００１８】
図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、図２に示す積層構造において、図２の上側を下層とし、図２の下側を上層とする。基板本体１１０については、導体層１１と絶縁層１２とが交互に積層されている。これらの層は、複数の導体層１１と複数の絶縁層１２とを熱圧着することにより形成される。導体層１１は金属で形成され、絶縁層１２はガラス繊維に絶縁樹脂材を含浸させた合成物（いわゆる、プリプレグ）で形成されている。導体層１１は熱伝導性の良い金属で、絶縁層１２は１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性を有する樹脂で形成することが好ましい。以下の説明では、導体層１１は銅で、絶縁層１２はガラス繊維とエポキシ樹脂の合成物で形成されているとする。最上層の導体層１１には、電子部品をはんだ付けするために、ニッケルメッキを下地とした金メッキ１９が施されている。最下層の導体層１１は、ＤＬＣ膜１２０によってコーティングされている。
【００１９】
また、導体層１１の各層間を電気的に接続するとともに電子部品で発生した熱を逃がすために、基板本体１１０には放熱ビア１１１が設けられている。放熱ビア１１１は、図２に示すように、導体層１１と絶縁層１２の厚さ方向に形成されている。より詳細には、放熱ビア１１１は、最上層の導体層１１に接する絶縁層１２から最下層の導体層１１までを貫く孔の内面に導体層１１２を形成し、内部に樹脂１１３を充填したものである。導体層１１２は、銅メッキなどの金属メッキによって形成されている。樹脂１１３には、絶縁層１２を形成するときと同じ樹脂（ここでは、ガラス繊維とエポキシ樹脂の合成物）を使用してもよい。このように形成された放熱ビア１１１は、電子部品が載置される最上層の導体層１１とＤＬＣ膜１２０とを内面に形成された導体層１１２で接続する。
【００２０】
ＤＬＣ膜１２０については、例えば公知のプラズマＣＶＤ法やＰＶＤ法によって最下層の導体層１１上に形成される。ＤＬＣ膜１２０は、含有シリコンの濃度が順次変化する傾斜ＤＬＣ層と、シリコンを含まないＤＬＣ層とからなる。まず最下層の導体層１１上にクロム層またはチタン層を形成し、その上に傾斜ＤＬＣ層を形成する。次に、シリコンを含まないＤＬＣ層を形成する。傾斜ＤＬＣ層は、クロム層（またはチタン層）側でシリコン含有量が多く（例えば１０〜２０ａｔ％）、それから離れるにつれて徐々に少なくなり、シリコンを含まない傾斜ＤＬＣ層側で最も少なくなっている（例えば０〜４ａｔ％）。この場合、膜厚を１〜２μｍと非常に薄くすることができるので、熱抵抗を下げることができる。このため、電子部品から発生する熱を、例えばＤＬＣ膜１２０を介してこのプリント配線基板１００に貼り付けられる金属基板まで、放熱ビア１１１経由で熱伝導性よく伝搬させることができる。ここで、クロム層（またはチタン層）および傾斜ＤＬＣ層を、最下層の導体層１１とシリコンを含まないＤＬＣ層との間に挟むのは、両者の密着性を良くするためである。また、上記のクロム層と傾斜ＤＬＣ層との間に、さらに窒化クロム層を形成してもよい。この場合、高い面圧力が加わっても、ＤＬＣ膜１２０の崩壊を防止することができる。また、ＤＬＣ膜１２０に水素を含めることによって、ＤＬＣ膜１２０を硬くして、導体層１１との剥離を抑制することができる。この場合、剥離を抑制する観点から、水素の含有量を２０〜４０ａｔｏｍパーセントとすることが好ましい。なお、ＤＬＣ膜１２０にシリコンを含めることによってもＤＬＣ膜１２０を硬くすることができる。
【００２１】
＜２．モータ駆動用の複合回路基板＞
上述のプリント配線基板１００は、例えば、電動パワーステアリングシステム用のモータ駆動回路基板などに利用される。モータ駆動回路基板は、電動パワーステアリングシステム用ＥＣＵ（電子制御ユニット）に内蔵して使用される。ＥＣＵには、操舵補助用モータに供給する駆動電流の量を算出するモータ制御回路と、大電流を制御して操舵補助用モータを駆動するモータ駆動回路とが含まれている。モータ制御回路の動作時の発熱量はそれほど多くないが、モータ駆動回路の動作時の発熱量はかなり多い。
【００２２】
本実施形態においては、モータ駆動回路のうちモータ駆動素子（例えば、大電力を取り扱うように設計されたパワーＭＯＳＦＥＴ）などの電子部品を含みモータ制御回路から与えられるＰＷＭ信号に基づいてモータを駆動する駆動部と該駆動部に電源を供給する給電回路部とは異なる回路基板に形成されている。図３は、図１に示すプリント配線基板１００を含み上記モータ駆動回路が形成される複合回路基板の構成を示す外観斜視図である。駆動部はアルミなどの金属基板２１０とその金属基板２１０上に形成された絶縁層２２０とからなる単層回路基板２００に形成され、給電回路部はプリント配線基板１００に形成されている。なお、金属基板２１０はヒートシンクとして機能する。また、モータ制御回路はこれらとは別の回路基板に、例えばＥＣＵの内部に並べて実装される。
【００２３】
プリント配線基板１００の表面（上面）には、電源配線導体１３と接地配線導体１４と給電用のパッド１５，１６とが形成されている。給電用のパッド１５は２本または３本以上のアルミ線４３で電源のプラス極４１に接続され、給電用のパッド１６は２本または３本以上のアルミ線４３で電源のマイナス極４２に接続されている。給電用のパッド１５と電源配線導体１３とは、このプリント配線基板１００の内層に設けられた電源層（不図示）を介して接続されている。給電用のパッド１６と接地配線導体１４とは、このプリント配線基板１００の内層に設けられたグラウンド層（不図示）を介して接続されている。
【００２４】
単層回路基板２００の表面（上面）には、６つのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗと、電源配線導体２３と、モータ配線導体２４ｕ，２４ｖ，２４ｗとが形成されている。ＭＯＳＦＥＴ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ表面（上面）のソース接続端子（ソースパッド）とモータ配線導体２４ｕ，２４ｖ，２４ｗとはそれぞれ２本または３本以上のアルミ線４３でワイヤボンディングされている。なおこれらはボンディング以外の周知の手法により接続されていてもよい。また、これらのＭＯＳＦＥＴ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ裏面（下面）のドレイン電極は電源配線導体２３に接続されている。なおこれらの接続にははんだが使用されダイボンディングされているが、それ以外の周知の手法により接続されていてもよい。
【００２５】
ＭＯＳＦＥＴ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ表面（上面）のソース接続端子（ソースパッド）と接地配線導体１４とはそれぞれ２本または３本以上のアルミ線４３でワイヤボンディングされている。なおこれらはボンディング以外の周知の手法により接続されていてもよい。また、これらのＭＯＳＦＥＴ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ裏面（下面）のドレイン電極はそれぞれモータ配線導体２４ｕ，２４ｖ，２４ｗに接続されている。モータ配線導体２４ｕ，２４ｖ，２４ｗはそれぞれ２本または３本以上のアルミ線４３で電動モータ各相の入力端４４ｕ，４４ｖ，４４ｗに接続されている。
【００２６】
以上のようにして、図４に示す回路構成のモータ駆動回路が実現されている。このモータ駆動回路はシャント抵抗２５と上述した６つのＭＯＳＦＥＴ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗとによって構成され、モータ制御回路より各ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に与えられるＰＷＭ信号に基づいてモータ駆動回路はモータを駆動する。
【００２７】
また、図３に示すように、本実施形態においては、上述したＤＬＣ膜１２０を介して、プリント配線基板１００裏面（下面）にヒートシンクとして機能するアルミ製の金属基板３００が重着されている。この重着は、プリント配線基板１００と金属基板３００とをネジ（不図示）で固定することによって行われる。その際、プリント配線基板１００と金属基板３００との隙間を埋めるために、プリント配線基板１００と金属基板３００との間に熱伝導性の良いグリースが塗布される。なお、アルミ製の金属基板３００については、ＥＣＵの筐体を兼ねる構成であっても良い。
【００２８】
さらに、本実施形態においては、電子部品で発生した熱を逃がすために、図５に示すように、プリント配線基板１００の基板本体１１０内に放熱ビア１１１が設けられている。なお、図５に示す積層構造においては、図５の上側を上層とし、図５の下側を下層とする。電子部品の中には、動作時の発熱量が多いものと、動作時の発熱量がそれほど多くないものとが含まれる。このうち発熱量が多い電子部品の実装位置には、１個以上任意個の放熱ビア１１１が設けられる。電子部品で発生した熱は、最上層の導体層１１と放熱ビア１１１の内面に形成された導体層１１２とを経由してＤＬＣ膜１２０まで伝搬し、そこからさらに金属基板３００に伝搬する。このように、放熱ビア１１１は、電子部品で発生した熱をヒートシンクとしての金属基板３００に接するＤＬＣ膜１２０まで熱伝導性良く伝える役割を果たす。
【００２９】
ここで、放熱ビア１１１は、ＤＬＣ膜１２０に接する最下層の導体層１１を貫くが、ＤＬＣ膜１２０を貫かないように形成されている。これにより、最上層の導体層１１が、金属基板３００を介して他の最上層の導体層１１と短絡されることを防止することができる。ＤＬＣ膜１２０は、この短絡を防止するために設けられている。なお、ＤＬＣ膜１２０は樹脂接着剤と比較して薄く形成することができる。このため、最下層の導体層１１と金属基板３００との間の絶縁層として本実施形態のようにＤＬＣ膜１２０を採用することによって、絶縁層での熱抵抗が小さくなり、放熱性が高められる。
【００３０】
なお、図５に示す放熱ビア１１１は最上層の導体層１１とだけ電気的に接続されているが、放熱ビアを最上層以外の導体層１１と電気的に接続してもよい。例えば図６に示す放熱ビア１１４は、最上層の導体層１１に加えて、第３層の導体層１１（導体層１１と絶縁層１２の双方を含めて上から３番目の層）にも電気的に接続されている。この放熱ビア１１４は、最上層の導体層１１と第３層の導体層１１とを電気的に接続するビアを、最下層の導体層１１を貫くように延ばしたものである。このように、導体層間を電気的に接続するビアを延ばして放熱ビアを形成することにより、放熱ビアを設けることによる基板面積の増大を防止することができる。
【００３１】
＜３．効果＞
本実施形態に係るモータ駆動用の複合回路基板は、金属製の単層回路基板２００とプリント配線基板１００とによって構成されている。金属製の単層回路基板２００については比較的放熱性に優れており、プリント配線基板１００については多層化が容易で安価である。このため、従来と比較して放熱性を損なうことなく、また、セラミック基板を積層したセラミック多層基板よりも低コストで、多層化したモータ駆動用の回路基板を製造することができる。これにより、モータ駆動用の回路基板の小型化が低コストで実現される。
【００３２】
また、本実施形態によれば、プリント配線基板１００の裏面（下面）にＤＬＣ膜１２０が形成され、そのＤＬＣ膜１２０を介して、ヒートシンクとして機能するアルミ製の金属基板３００とプリント配線基板１００とが積層された構成となっている。ここで、熱伝導率についてＤＬＣと接着性の樹脂とを比較すると接着性の樹脂よりもＤＬＣの方が高く、また、ＤＬＣの場合には膜厚を薄くすることができる。このため、プリント配線基板１００と金属基板３００との間の絶縁層としての領域での熱抵抗が小さくなり、プリント配線基板１００で生じた熱がアルミ製の金属基板３００に速やかに伝えられる。また、本実施形態においては、プリント配線基板１００は放熱ビア１１１を備えているので、電子部品で発生した熱が放熱ビア１１１経由で熱伝導性良く金属基板３００まで伝搬する。これにより、発熱に起因する誤動作や故障が効果的に抑制される。
【００３３】
さらに、上記ＤＬＣ膜１２０は比較的硬質であるので、プリント配線基板１００とアルミ製の金属基板３００との接合面における摩擦による影響を小さくすることができる。また、プリント配線基板１００の導体層１１とアルミ製の金属基板３００とを樹脂接着剤で接着した場合には、銅とアルミとの線膨張係数の違いに起因して、接着樹脂の崩れやプリント配線基板１００側に掛かる応力によるはんだの劣化が生じるが、本実施形態では、ＤＬＣ膜１２０を介してプリント配線基板１００と金属基板３００とがネジで固定されているので、そのようなことはない。
【００３４】
＜４．変形例＞
次に、上記実施形態の変形例について説明する。図７は、上記実施形態の変形例におけるモータ駆動用の複合回路基板の構成を示す外観斜視図である。図７に示すように、本変形例においては、金属基板２１０とその金属基板２１０上に形成された絶縁層２２０とからなる単層回路基板（金属製の単層回路基板）２００の表面（上面）にＤＬＣ膜１２０を介してプリント配線基板１００が載置された構成となっている。具体的には、単層回路基板２００とプリント配線基板１００とが、ＤＬＣ膜１２０を介してネジ止めで固定されている。なお、上記実施形態と同様、駆動部は金属製の単層回路基板２００に形成され、給電回路部はプリント配線基板１００に形成されている。また、ＭＯＳＦＥＴ等の構成要素間の接続関係についても上記実施形態と同様になっている。
【００３５】
本変形例によっても、モータ駆動用の複合回路基板は金属製の単層回路基板２００とプリント配線基板１００とからなるので、放熱性を損なうことなく、かつ、セラミック基板を積層したセラミック多層基板よりも低コストで、小型化されたモータ駆動用の回路基板が実現される。また、本変形例ではプリント配線基板１００と単層回路基板２００とが積層された構造となっているところ、給電回路部が形成されるプリント配線基板１００の厚さは約１ミリメートルである。これに対して、図８に示したような単層回路基板に給電回路部を形成する場合、基板上に給電用のバスバーを取り付けなければならない。バスバーの厚さは約１ミリメートルであるが、バスバーを基板上に取り付けるための部品の高さも必要となる。以上より、本変形例によれば、従来よりも小型化が可能となる。
【００３６】
また、上記実施形態および変形例においては絶縁性硬質薄膜としてＤＬＣ膜１２０を採用する例を挙げて説明しているが、ＤＬＣ膜１２０に代えて窒化クロム膜あるいは酸化クロム膜を絶縁性硬質薄膜として採用する構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係るプリント配線基板の外観斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示すプリント配線基板を含む複合回路基板の構成を示す外観斜視図である。
【図４】上記実施形態におけるモータ駆動回路の回路図である。
【図５】図１に示すプリント配線基板に含まれる放熱ビアの断面図である。
【図６】上記実施形態において、放熱ビアの構成の別の例を示す断面図である。
【図７】上記実施形態の変形例に係る複合回路基板の構成を示す外観斜視図である。
【図８】従来の単層回路基板の断面図である。
【図９】従来の多層回路基板の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１…導体層、１２，２２０…絶縁層、１３，２３…電源配線導体、１４…接地配線導体、１５，１６…給電用のパッド、１９…ニッケルメッキを下地とした金メッキ、２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ…ＭＯＳＦＥＴ、２４ｕ，２４ｖ，２４ｗ…モータ配線導体、２５…シャント抵抗、４１…電源のプラス極、４２…電源のマイナス極、４３…アルミ線、４４ｕ，４４ｖ，４４ｗ…モータの入力端、１００…プリント配線基板、１１０…基板本体、１１１，１１４…放熱ビア、１１２…導体層、１１３…樹脂、１２０…ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）、２００…金属製の単層回路基板、２１０，３００…金属基板（ヒートシンク）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体層と樹脂製の絶縁層とを交互に複数積層してなる基板本体と、
前記基板本体の片面に形成された絶縁性硬質薄膜とを備えた、プリント配線基板。
【請求項２】
モータ駆動用の複合回路基板であって、
請求項１に記載のプリント配線基板と、
前記プリント配線基板と電気的に接続されモータ駆動素子が載置される単層回路基板とを備えたことを特徴とする、複合回路基板。
【請求項３】
前記モータ駆動素子に電源を供給する給電回路が前記プリント配線基板の基板本体に設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の複合回路基板。
【請求項４】
前記プリント配線基板の基板本体と前記単層回路基板とが前記絶縁性硬質薄膜を介して積層されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の複合回路基板。
【請求項１】
導体層と樹脂製の絶縁層とを交互に複数積層してなる基板本体と、
前記基板本体の片面に形成された絶縁性硬質薄膜とを備えた、プリント配線基板。
【請求項２】
モータ駆動用の複合回路基板であって、
請求項１に記載のプリント配線基板と、
前記プリント配線基板と電気的に接続されモータ駆動素子が載置される単層回路基板とを備えたことを特徴とする、複合回路基板。
【請求項３】
前記モータ駆動素子に電源を供給する給電回路が前記プリント配線基板の基板本体に設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の複合回路基板。
【請求項４】
前記プリント配線基板の基板本体と前記単層回路基板とが前記絶縁性硬質薄膜を介して積層されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の複合回路基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１２９５５４（Ｐ２０１０−１２９５５４Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９９０５６（Ｐ２００８−２９９０５６）
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
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