JP2005251774A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】水平落下時に、プリント基板に表面実装されたＬＳＩのはんだボールに加わる応力を軽減させる電子機器を提供する。
【解決手段】はんだボール５を用いてＬＳＩパッケージ４が表面実装されているプリント基板２は、プリント基板２に対して傾いている傾斜結合部１により、筐体３と結合される。傾斜結合部１とプリント基板２とのなす角度は２０度以上７０度以下である。また、プリント基板２が、プリント基板２の端部が挿入される凹部を有する基板嵌合部材によって支持され、基板嵌合部材と筐体３とが傾斜結合部１を会して結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）およびＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）等のＬＳＩパッケージが表面実装されたプリント基板を、その筐体内に保持してなる電子機器に関し、特に、落下時の耐衝撃性を向上させたプリント基板保持構造を備えた携帯用電子機器等の電子機器に関するものである。

近年、電子機器の軽薄短小化への急速な傾向は、ＬＳＩ実装方法にも影響を与え、従来のリード線接続方式から実装面積を大幅に低減できるＢＧＡやＣＳＰ等、チップ直下ではんだボールにより直にプリント基板と接続するエリアタイプに移行しつつある。特に携帯用電子機器の代表である携帯電話においては、ＣＳＰの使用は必須なものとなっている。一方、携帯用電子機器には落下や衝撃が加わる機会が非常に多くなり、落下時に大きな衝撃力が伝達されると、はんだボールに大きな応力が生じ、クラック発生、破断に到るトラブルが増加し、大きな問題となっている。この原因は、従来のプリント基板の筐体への取り付け方法が緩衝効果を殆ど期待できないことによる。図１２は、従来の電子機器の断面図である。図１２に示されるように、プリント基板２は筐体３に形成されたボス１７にネジ１８により固定されている。プリント基板２にはＬＳＩパッケージ４がはんだボール５を用いて搭載されている。

上述した緩衝不足の問題を解決するために、例えば、特許文献１には、図１３に示すように、プリント基板２を、ガイドピン１９に挿入された弾性支持部材２０により支持することが提案され、特許文献２には、図１４に示すように、プリント基板２を突状支持台２１上に載せ弾性リブ２２で抑える構造が提案されている。

ここで、筐体３の落下姿勢がＢＧＡやＣＳＰなどのＬＳＩパッケージ４とプリント基板２とを電気的に接続しているはんだボール５へ与える影響を考えると、図１５（ａ）に示す筐体垂直落下では、はんだボール５には主にせん断応力が均等に発生する。一方、図１５（ｂ）に示す筐体水平落下では、基板の１次曲げモーメントが最外はんだボールに集中するため、水平落下の姿勢が最も厳しいことは周知となっており、例えば、非特許文献１において実験的に確認されている。そこで、本発明は、この水平落下時の耐衝撃構造を念頭においてなされている。
特開平１１−２６６０８７号公報 実開平０５−０２８０８６号 矢口昭弘 著「基板ひずみによるＢＧＡはんだ接続部の落下衝撃強度評価」、第１１回マイクロエレクトロニクスシンポジウム、２００１年１０月、ｐｐ．４２３−４２６

しかしながら、この特許文献２に開示されたプリント基板保持構造の問題点は、プリント基板に最も影響を与える筐体水平落下において、基板中央が大きくたわむことである。その理由は、プリント基板の両端を固定しているため、自由度はプリント基板垂直方向だけとなっているからである。なお、プリント基板のたわみを抑えるため、接続点を増やすことも考えられるが、この場合、プリント基板の柔軟性がなくなり、水平落下時に基板垂直方向の加速度が増すこととなり、逆にはんだボールの応力が増大することになる。
また、弾性支持部材を使用する特許文献１の問題点は、パッケージからの発熱時に、弾性支持部材に使用されるゴム、ゲルなどの成形に使用されている可塑剤のガスが発生し、キーと接触する配線部分などに腐食を発生させる可能性があることである。
本発明の課題は上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、耐衝撃性の向上によりはんだ部の接続信頼性を向上させ、配線部に腐食を発生させずに保守性を向上させ、かつ薄型化携帯機器に対応して特性・性能向上を実現できるプリント基板保持構造を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、プリント基板と、該プリントが取り付けられた筐体とを有する電子機器において、プリント基板と筐体とが、互いに平行な複数の、前記プリント基板に対して傾いている傾斜部を有する傾斜結合部を介して結合されていることを特徴とする電子機器、が提供される。

第１の効果は、図１５（ｂ）に示すように筐体３が水平落下する際、傾斜結合部を、落下方向とその直角方向へも変形させることができるため、落下に伴うひずみエネルギーをこの部分で消費させることができ、プリント基板２の落下方向のたわみを低減できるので、はんだボールに発生する応力を低減できる。したがって、電子機器の耐衝撃特性を向上させることができる。
第２の効果は、筐体水平落下時には、プリント基板２の落下方向へのたわみは筐体３の厚さ方向と一致するため、本発明によれば、この厚さ方向のたわみが低減でき、携帯機器のさらなる薄型化を実現することができる。
第３の効果は、本発明は、傾斜結合部を、プリント基板の一部、筐体の一部、金属、プラスチック等により容易に構成することができるため、ゴムやゲルなどに含まれる可塑剤からのガスによる配線部の腐食を防止することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１を参照すると、本発明の実施の形態としてプリント基板２を内蔵した筐体３の断面図が示されており、傾斜結合部１により、プリント基板２は筐体３と結合されている。ＢＧＡまたはＣＳＰなどのＬＳＩパッケージ４は、はんだボール５によりプリント基板２と電気的に接続されている。
左右の傾斜結合部１は互いに平行となるように配置され、かつ、プリント基板２に対しては傾斜するように（直角以外の角度をもって交わるように）してプリント基板と結合されている。よって、傾斜結合部１は、プリント基板２および筐体３と全体として平行四辺形を形成するように結合されている。
傾斜結合部１とプリント基板２とのなす角度は２０°以上７０°以下が好ましく、より望ましくは３０°以上６０°以下である。２０°以下になると傾斜結合部の長さが長くなることによりプリント基板の安定した固定が困難になるからであり、７０°以上になると傾斜結合部によるひずみエネルギー消費の効果が減退するからである。

傾斜結合部１は、紙面前後方向に延びた板状体によって構成することができ、左右１枚ずつの部材によって構成することができる。あるいは、左右のそれぞれの傾斜結合部１を複数個の部材によって構成することができる。その場合、図示されていない傾斜結合部の左右方向の位置は図示されたものの位置と一致させる必要はない。
傾斜結合部１は、プリント基板２の一部に折り曲げ加工を施したもので構成することができる。あるいは、筐体と一体的に成型された部分を用いることができる。あるいは、金属またはプラスチックによって構成された板状体または線状体によって構成することができる。傾斜結合部１と筐体またはプリント基板との接続方法は、ネジ止め、接着、溶着、はんだ付けなどである。

次に、本発明に係る電子機器について行った有限要素法による解析結果について図２を参照して説明する。
解析モデルは図１２、図１を基に作成した。４本の、ＳＵＳ３０４の特性を有する、直径３ｍｍの結合部材６を用いてプリント基板２を筐体に取り付けた。結合部材６の傾斜角を９０°〔図２（ａ）に示す：従来例に相当〕と４５°〔図２（ｂ）に示す：本発明に相当〕とした。また、プリント基板の寸法は１００ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６５ｍｍ、材質はＦＲ−4とした。解析方法は、下側のブロック７に筐体３を水平落下の姿勢で衝突させ、反跳後にプリント基板２がたわんだ時（図示の状態）の、はんだボール５に発生する応力を比較した。
図２（ｃ）は傾斜角を９０°の場合、図２（ｄ）は４５°の場合の応力変動を示している。結合部材６を４５°に傾斜させた場合、プリント基板２は落下方向とこれに直角な方向へも移動し、応力のピークを比較すると、２５％低下している。従って、本発明を適用することにより、はんだボール５に発生する応力を大幅に低下させることが可能であり、はんだ接続部の耐衝撃特性を格段に向上させることができる。

さらに、材料力学におけるエネルギー法を用いて本発明の作用・効果について説明する。
図３は図１２に示した従来の方法を簡略化したモデルであり、長さａ、断面２次モーメントＩ、縦弾性係数Ｅの弾性バーがコの字に接続されている。図３の横になっているバーおよび２本の垂直バーがそれぞれプリント基板と結合部材に相当する。中央に加重Pが加わった場合で考察すると、この横バーの中央垂直方向たわみδは式（１）により与えられる。ただし、垂直バーに加わる圧縮力による変形は無視する。

また、この時蓄積されるひずみエネルギーＵ_１は式（２）により与えられる。

次に、図４は本発明の図１場合を簡略化したモデルであり、図３の場合の垂直バーがθの傾斜角に傾けられている。また、図５は図４の傾斜部分の拡大図である。この場合、傾斜バーは式（３）、式（４）に示すように水平方向にδ_Ｈおよび垂直方向へδ_Ｖと変形する。
δ_Ｈ＝δ_ｙｓｉｎθ （３）
δ_Ｖ＝δ_ｙｃｏｓθ （４）
但し、δ_ｙは式（５）により与えられる。

従って、横バーの中央のたわみをδ’とすれば、ひずみエネルギーＵ_２は、式（６）で与えられる。

また、傾斜部で消費されるひずみエネルギーＵ_２’は、式（７）で与えられる。

このひずみエネルギー分が傾斜部で消費され、式（６）の第３項が残りのエネルギーとなり、これが横バー（基板）を垂直方向へたわませることになる。θ＝４５°として、２本の傾斜部で消費されるひずみエネルギーＵ_２’と従来のひずみエネルギーＵ_１の比率を求めると、

となり、横バーを垂直方向にたわませるひずみエネルギーを２５％減少できる。
次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図６（ａ）は、本発明の実施例１の断面図であり、図６（ｂ）は、実施例１において用いられる傾斜結合部材の斜視図である。ＬＳＩパッケージ４が搭載されたプリント基板２は傾斜結合部材８を介して筐体３に取り付けられている。傾斜結合部材８は、プリント基板の四隅を支持するように４個用いられている。
傾斜結合部材８は、図６（ｂ）に示されるように、傾斜部８ａと二つの取付部８ｂとを有する、金属製またはプラスチック製の全体として“〜”状の断面形状を有する部材である。傾斜結合部材８は、その取付部８ｂがプリント基板と筐体とに、はんだ付け、溶着、接着またはネジ止めなどの手段を用いて固定されることにより両者間の結合部となる。

傾斜結合部材８は、図６（ｃ）または（ｄ）に示す形状のものに変更することができる。図６（ｃ）に示すものは、二つの取付部８ｂが鋭角をもって傾斜部８と接しており全体として“Ｚ”字状の断面形状を有する部材であり、図６（ｄ）に示すものは、一方の取付部８ｂが鋭角をもって、他方の取付部８ｂが鈍角をもって傾斜部８と接しており全体として“冖”状の断面形状を有する部材である。

図７（ａ）は、本発明の実施例２において用いられるプリント基板の平面図であり、図７（ｂ）は実施例２の断面図である。図７（ａ）に示されるようにプリント基板２の四隅には、直線状または鉤状のスリット１０が開けられており、これにより短冊状の基板接続部９が形成されている。この基板接続部９は、“〜”状に曲げられており、その先端部には取付穴１１が開けられている。そして、プリント基板２の基板接続部９は、この取付穴１１を用いて、図７（ｂ）に示されるように、筐体３にネジ止めされている。
プリント基板２はますます薄型化となっており、フレキシブルなタイプも使用されるようになってきているため、剛性の低下した基板の一部を傾斜させて取付けることが可能であり、このようにすることにより部品点数の削減効果がもたらされる。

図８は、本発明の実施例３の断面図である。本実施例においては、筐体３から筐体接続部１２が延びており、その先端部がプリント基板２に固着されている。筐体接続部１２は、筐体３のモールド成型時にこれと一体的に形成されたものである。本実施例においても、部品点数の削減効果を享受することができる。

図９は、本発明の実施例４の断面図である。本実施例においては、プリント基板２は、その両端縁部が断面“コ”字状の基板嵌合部材１３に挿入されることによりこれに保持されている。そして、基板嵌合部材１３と筐体３とは、実施例１において用いられた傾斜結合部材８（図６参照）により結合されている。

図１０（ａ）は、本発明の実施例５において用いられる基板嵌合部材１３の斜視図であり、図１０（ｂ）は実施例５の断面図である。本実施例においては、基板嵌合部材１３から傾斜接続部１４が延びており、その先端部が筐体３に固着されている。傾斜接続部１４は、基板嵌合部材１３のモールド成型時にこれと一体的に形成されたものである。
基板嵌合部材１３に設けられていた傾斜接続部１４を削除し、実施例３の筐体接続部１２（図８参照）を利用して、筐体３と基板嵌合部材１３を接続するようにしてもよい。

図１１（ａ）は、本発明の実施例６の断面図である。本実施例においては、傾斜結合部材８の一端はプリント基板２に固着され、その自由端側にはポンチ加工等により突起１５が形成されている。この突起１５は、一端が筐体３に固着されたクリップ部材１６によって押さえ込まれる。つまり、傾斜結合部材８の自由端がクリップ部材１６に差し込まれる態様にて、プリント基板２が筐体３に取り付けられる。図１１（ｂ）は、傾斜結合部材８がクリップ部材１６に差し込まれる前の状態を示す拡大断面図である。クリップ部材１６はクランク状の形状を有する弾性体であって、一端が筐体３に固着されたとき、筐体３との間に差込部１６ａとなる間隙が形成される。この間隙の高さは、傾斜結合部材８の取付部８ｂの膜厚より高く、取付部８ｂに形成された突起１５より低い。そのため、図の矢印方向に傾斜結合部材８を差し込むとき差込部１６ａに容易に差し込むことができ、かつ差し込み後には傾斜結合部材８はクリップ部材１６により弾性的に把持される。
クリップ部材１６に、傾斜結合部材８の突起１５と噛み合うディンプルをポンチ加工等により形成するようにしてもよい。これにより、プリント基板はより安定に筐体に保持されることになる。また、実施例６では、傾斜結合部材８をプリント基板に、クリップ部材１６を筐体に固着していたがこれを逆にしてもよい。また、クリップ部材１６と傾斜結合部材８を用いて実施例４の基板嵌合部材１３（図９参照）と筐体とを結合するようにしてもよい。

本発明の一実施の形態を示す断面図。 従来例と本発明構造との有限要素法による解析結果の説明図。 従来例における基板ひずみエネルギーを求めるための説明図。 本発明構造の基板ひずみエネルギーを求めるための説明図。 本発明構造の基板ひずみエネルギーを求めるための拡大説明図。 本発明の実施例１の断面図と実施例１において用いられる傾斜結合部材の斜視図。 本発明の実施例２において用いられるプリント基板の平面図と実施例１の断面図。 本発明の実施例３の断面図。 本発明の実施例４の断面図。 本発明の実施例５において用いられる基板嵌合部材の斜視図と実施例５の断面図。 本発明の実施例６の断面図。 従来例１の断面図。 従来例２の断面図。 従来例３の断面図。 垂直落下と水平落下の説明図。

符号の説明

１ 傾斜結合部
２ プリント基板
３ 筐体
４ ＬＳＩパッケージ
５ はんだボール
６ 結合部材
７ ブロック
８ 傾斜結合部材
８ａ 傾斜部
８ｂ 取付部
９ 基板接続部
１０ スリット
１１ 取付穴
１２ 筐体接続部
１３ 基板嵌合部材
１４ 傾斜接続部
１５ 突起
１６ クリップ部材
１６ａ 差込部
１７ ボス
１８ ネジ
１９ ガイドピン
２０ 弾性支持部材
２１ 突状支持台
２２ 弾性リブ

Claims (12)

1. プリント基板と、該プリントが取り付けられた筐体とを有する電子機器において、プリント基板と筐体とが、互いに平行な複数の、前記プリント基板に対して傾いている傾斜部を有する傾斜結合部を介して結合されていることを特徴とする電子機器。
2. 前記傾斜結合部の傾斜部と前記プリント基板とのなす角度が、２０°以上７０°以下であることを特徴とする電子機器。
3. 前記プリント基板が、該プリント基板の端部が挿入される凹部を有する基板嵌合部材によって支持され、前記基板嵌合部材と前記筐体とが前記傾斜結合部を介して結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子機器。
4. 前記傾斜結合部として、前記プリント基板に設けたスリットで分けたプリント基板の基板接続部が用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の電子機器。
5. 前記傾斜結合部として、前記筐体に一体的に設けられた板状体が用いられ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機器。
6. 前記傾斜結合部として、前記基板嵌合部材に一体的に設けられた板状体が用いられ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機器。
7. 前記傾斜結合部として、傾斜部とその両端に設けられた取付部とを有する断面が“〜”状、“Z”状または“冖”状の傾斜結合部材が用いられ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機器。
8. 前記傾斜結合部の前記プリント基板、前記基板嵌合部材または前記筐体への固定方法が、はんだ付け、溶着、接着またはネジ止めのいずれかであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電子機器。
9. 前記傾斜結合部材の一方の取付部の前記プリント基板、前記基板嵌合部材または前記筐体への固定が、前記プリント基板、前記基板嵌合部材または前記筐体に固着された、断面がクランク形状のクリップ部材の差込部へ前記傾斜結合部材の一方の取付部を差し込むことによって行われることを特徴とする請求項７または８に記載の電子機器。
10. 前記傾斜結合部材の一方の取付部の前記クリップ部材の差込部へ差し込まれる部分には突起が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の電子機器。
11. 前記クリップ部材の差込部には、前記傾斜結合部材の取付部に形成された前記突起に係合するディンプルが形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の電子機器。
12. 前記プリント基板には、ＢＧＡまたはＣＳＰ形式でパッケージングされた半導体集積回路が搭載されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の電子機器。
    

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