JP2006100050A - 電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
電子装置の信頼性を向上する。
【解決手段】
スルーホールを有し、基材樹脂のガラス転移温度が１５０℃を超える基板と、開口部を有する金属筺体と、該開口部に嵌め込まれたコネクタとを有し、該コネクタピンが前記スルーホールに挿入され、ピンとスルーホールとが導電部材にてよって接続及び固定されている電子装置において、該導電部材上に該コネクタと該基板とを固定する部材をさらに備えるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子装置、特にエンジンコントロールユニットに代表される外部との電気的接続のためにコネクタを有する電子装置に関する。
通常、電子装置は、出荷前に熱サイクル試験を行うことにしている。特に、ＥＣＵ等の車載用電子制御装置では、エンジンのオンオフや環境温度の変化により車体内の温度が大きく変化し、広い温度領域での温度サイクル（通常、−４０〜１２０℃：自動車用電子機器の環境試験通則JASOD001）に耐える仕様が要求される。
このような温度範囲では、通常その電子基板にはガラスエポキシ基材プリント基板（以降単にＦＲ４基板と呼ぶ）が安価であるため、広く用いられる。
ＦＲ４基板は、その基材であるエポキシ樹脂は、そのガラス転移温度が１２５℃前後であり、特に高温で柔らかい。このようなプリント基板ＥＣＵにおいては、外部と電気的な接続をとるために、アルミダイキャストに開口部を設け、その部分にコネクタを嵌め込み、コネクタピンをＦＲ４基板に形成した貫通スルーホールに挿入し、スルーホールとピンとをはんだで接続する方法を一般的にとる（以降この接続方法をスルーホール接続と呼ぶ）。図９に従来プリント基板ＥＣＵの断面構造図を示す。
なお、コネクタ装置における従来技術としては、コネクタ装置において、ピン部を樹脂充填により補強している特許文献１がある。
特開平6-76887号公報
今般、ＥＣＵをよりエンジン近くに配置する傾向があるため、より広い温度領域での温度サイクル試験（例えば−５５〜１５０℃）など、温度範囲の上限の仕様をより高くする傾向がある。このような温度範囲で使用するためには、通常はＦＲ４基板ではなく、アルミナなどのセラミック基板が用いられる。この場合には、基板に貫通スルーホールを形成することができないため、前述のようなスルーホール接続は不可能であり、実際はコネクタ端子と基板上のパッドとをワイヤボンディング接続することが一般的である。
しかしながら、ワイヤボンディング接続では、端子数の増加に伴い、製造時間が長くかかる問題がある。また、ＥＣＵモジュールの低コスト化のため、セラミック基板ではなく、プリント基板を用いたＥＣＵのニーズは高い。
仮に前述のＦＲ４基板を、−５５〜１５０℃といった厳しい温度環境で使用あるいは試験すると、数百サイクルで、基板表面のソルダーレジスト端部や配線端部に、基板内部に向かうクラック破壊が生じてしまう。このようなクラック破壊が生じると、基板の絶縁性が低下するため十分な信頼性があるとはいえ場合がある。
最近になって各基板メーカからは、Ｔｇの高い、高耐熱基板（以降FR4.5基板と呼ぶ）が開発されている。未だ多くは普及していないが、Ｔｇが１５０℃〜１８０℃程度のものが多く開発されている。このFR4.5基板を用いると、−５５〜１５０℃といった厳しい温度環境で使用あるいは試験しても、基板自体は壊れない。
そこで、本発明者らはそのＴｇが１５０℃を超える基材で構成されたFR4.5基板を用いて自動車用電子装置であるＥＣＵを試作した。
実際にFR4.5基板で試作した結果、比較的高い確率ではんだ接続部にはんだクラックが生じてしまう場合が多いことがわかった。特に前述のスルーホール接続部（スルーホールにピンが挿入された部分）において、大きなクラックが発生し、接続信頼性を低下させる原因となっていることがわかった。
その原因は、Ａ．ガラス転移温度Ｔｇが高い樹脂は基材特性から硬い、Ｂ．コネクタ樹脂の線膨張係数がコネクタ本体を嵌め込んだアルミ筺体の線膨張係数より大きく、温度サイクル試験中に筺体に大きな反り変形を生じさせる、Ｃ．基板とコネクタ樹脂の線膨張係数差によって生じるピンと基板のスルーホールの応力・ひずみ集中、であると考えられる。
本発明の目的は、Ｔｇが１５０℃を超える基材で構成された基板を使用したＥＣＵなどの自動車用電子装置を実現することにある。
このはんだクラックを避けるために、以下の手段を考案した。
まず、スルーホール接続部のクラックの起点は、当該はんだ接続部の表面であることから、表面の応力集中を緩和するために、他の補強部材で被覆する。
この被覆部材としては、隣り合うピンの絶縁を保つために絶縁性の部材であることが必要である。
また、成形性の点では、塗布時には粘性があって、硬化すると、はんだと同等以上の硬さがあることが望ましい。したがって、例えばエポキシ系の樹脂が有効である。
基板両面のスルーホールはんだ接続部に塗布することが最も効果的だが、片面だけでも有効である。
また、全ピンのはんだ接続部が一様に厳しいわけではなく、コネクタの外側（あるいは状況によっては内側）など部分的に応力集中の程度に差が生じる場合があるので、その場合には選択的に塗布を行えばよい。
基板の裏側すなわちコネクタの嵌め込まれたアルミ筺体に対面する側への樹脂塗布は、先端の長いシリンジで行うか、樹脂注入用に基板にスルーホールを設け、その部分から細い先端のシリンジで注入すればよい。
なお、特許文献１（特開平6-76887号公報）では、コネクタ装置において、ピン部を樹脂充填により補強している。しかし、この構造は、コネクタピンに円盤状のコンデンサとシールド板を有することを特徴として、それらとの接続補強が目的であり、基板とのはんだ接続部の補強という観点においては何ら言及していない。
また、ピンの剛性を低くすることも効果的である。
コネクタの外部側ピン径は、外部からの接続コネクタの制約があり、自由に変えられないが、基板とスルーホール接続する部分の径を小さくすれば良い。
コネクタ樹脂内部で太さを変えれば、ピンの抜け強度を向上できる。
同じくピンの剛性を低くするために、基板スルーホール接続部とコネクタ樹脂間において、ピンを曲げることも有効である。ピンの曲げる方向は、基板中心から相対的に遠方になるようにすると、より効果的である。
基板スルーホール接続部とコネクタ樹脂間を広げることも有効である。
一般に電子部品の多くは、コネクタの嵌め込まれたアルミ筺体に対面しない面（以降基板Ａ面と呼ぶ）に搭載される。特に背の高い部品、例えば電解コンデンサなどは、筺体の構造や製造をより簡易にするために、基板Ａ面に搭載される。そのような部品が基板Ａ面に搭載されたまま、基板スルーホール接続部とコネクタ樹脂間を広げると、より大きいＥＣＵ内容積が必要となってしまう。
しかし、ＥＣＵの外形サイズなどはカーメーカから指定されることが多いため、簡単にＥＣＵ内容積を大きくすることは出来ない。
そこで、電解コンデンサなどの背の高い部品を、コネクタの嵌め込まれたアルミ筺体に対面する面（以降基板Ｂ面と呼ぶ）に搭載する。
このような構造とすることによって、ＥＣＵ内容積を大きくすることなく、基板スルーホール接続部とコネクタ樹脂間を広げることができ、はんだスルーホール接続部のクラックを回避することができる。
本発明によれば、 スルーホールを有し、１５０℃を超えるガラス転移温度の樹脂が基材として用いられた基板を用いた電子装置の電気的な接続信頼性を向上することができる。
図２に、電子装置の1例である、エンジンコントロールユニット（ECU）モジュールの蓋を外した斜視図を示す。
ECUモジュールは、外部との信号の入出力を行うコネクタ３が形成されたアルミ筐体１（蓋は図示していない。）と、アルミ筐体１上に搭載された回路基板５と、回路基板５上に搭載された半導体パッケージ９と、筐体１内部を満たすシリコーンゲルを備えている。
ここでコネクタピン１５を回路基板５の貫通スルーホールに挿入しはんだ接続することによって、基板とコネクタとの間の接続を行っている。
なお、シリコーンゲルはなくてもよいが、本例では信頼性向上の観点から充填している。
図１は、図２の断面図である。
半導体パッケージ１３は、回路基板５にはんだでダイボンディングされ、ボンディングワイヤ２５により回路層（パッド）２３に電気的に接続されている。
回路基板５は、樹脂層と回路層７とを備えた回路基板であり、半導体パッケージ１３の他に、はんだで電子部品９や１１が搭載され、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）はんだで半導体パッケージが搭載されている。
コネクタは本体樹脂３とピン１５からなり、直径約0.6mmのピンがおよそ６０ピン立っている。このようなコネクタが２個、アルミ筺体の開口部に嵌め込んである。回路基板５には、コネクタピン１５のピン数やピンピッチなどのパターンに合わせて、ピンサイズより大きい貫通スルーホール２１（直径およそ1.3mm）が形成されている。貫通スルーホールは無電解Cuめっき、Niめっき、金めっきが順に施されている。この貫通スルーホールに、ピン１５を挿入して、はんだ１９で電気的接続をとっている。このはんだ１９を覆うように、エポキシ系の補強樹脂１７が形成されている。
なお、補強材１７は、ここではエポキシ系の樹脂としているが、無機系の接着剤でも良い。非導電性部材であれば、隣り合うピン全体を覆うように塗布してもショートしないので扱い易い。
図３および４は、基板Ａ面だけでなく基板Ｂ面、すなわち基板両面のスルーホールはんだ接続部を覆うように補強樹脂１７が形成されている実施例である。
次に、図１〜４のＥＣＵモジュールの製造プロセスを説明する。
まず、基板５の製造プロセスを説明する。絶縁樹脂層として、高耐熱エポキシ樹脂（FR4.5）プリプレグを使用する。配線層としては通常の銅箔および銅めっきを用いる。必要な層数分の配線層および絶縁層を積層プレスし、貫通スルーホール用の穴をドリルで形成する。表層の配線、はんだＢＧＡ接続用のパッドおよび貫通スルーホール内壁をめっきで形成する。なお、これらめっきは、銅めっき、ニッケルめっき、さらには金めっきを施すことで形成した。めっきは銅めっきだけでも良いが、はんだ接続用および表面の酸化防止のために、ニッケルめっき、金めっきを施すことが望ましい。
次に鋳造で、コネクタを挿入できる穴を２個備えたアルミ筺体１を製造する。この筺体は、基板位置決め用の突起や、基板固定用のネジ穴を備えている。
次にピン１５を備えたコネクタ３をアルミ筺体１に嵌め込む。両者の接着は、接着剤にて行う。電子部品９、１１、１３をSn3Ag0.5Cuはんだで、２５０℃にてリフローして基板５に搭載する。その基板５を、貫通スルーホールにピン１５が挿入されるよう、また筺体ネジ穴に合うよう位置合わせし、ネジで固定する。基板背面は、接着剤にて部分的に固定する。貫通スルーホール２１とコネクタピン１５の電気的な接続がとれるよう、Sn3Ag0.5Cuはんだで接続する。この接続には、部分的に溶融はんだを吹き付けて接続を行う、スポットフロー法により行う。これによって、基板上の他の部品のはんだ接続部をほとんど再溶融させずに貫通スルーホールはんだ接続を行うことができる。さらに、これらのスルーホール接続部のはんだを覆うように、液状のエポキシ系樹脂を塗布し、１５０℃、３０分かけて硬化させる。
図３に関する実施例では、上記液状のエポキシ樹脂をシリンジに入れ、細く長いノズルにより、基板Ｂ面のスルーホール接続部のはんだ表面を覆うように塗布し、前述と同様の条件にて硬化させる。
図４に関する実施例では、コネクタピン挿入用の貫通スルーホール以外に別の貫通スルーホールを１個以上形成しておき、ノズルを基板Ａ面側から挿入し、基板Ｂ面側にエポキシ系の樹脂を注入する。あらかじめコネクタ本体の樹脂を、図４に示すように、ほぼ基板Ｂ面表面に達する程度にふちを設けて、エポキシ系樹脂を貯留できるようにしておく。当該部分にエポキシ系樹脂を貯めて、結果的に基板Ｂ面側のスルーホール接続部のはんだ表面をエポキシ系樹脂で覆うことができる。
図５に示す実施例は、ピンの剛性を低くするために、スルーホール接続部のピン径を小さくしたものである。コネクタの外部側ピン径は、外部からの接続コネクタの制約があり、自由に変えられない。コネクタ樹脂内部で太さを変えれば、ピンの抜け強度を向上できる。
同じくピンの剛性を低くするために、基板スルーホール接続部とコネクタ樹脂間において、ピンを曲げた実施例を図６に示す。ピンの曲げる方向は、基板中心から相対的に遠方になるようにすると、より効果的である。
図７は、基板スルーホール接続部とコネクタ樹脂間を広げた実施例である。一般に電子部品の多くは、基板Ａ面搭載される。特に背の高い部品、例えば電解コンデンサなどは、筺体の構造や製造をより簡易にするために、基板Ａ面に搭載される。そのような部品が基板Ａ面に搭載されたまま、基板スルーホール接続部とコネクタ樹脂間を広げると、より大きいＥＣＵ内容積が必要となってしまう。しかしＥＣＵの外形サイズなどはカーメーカから指定されることが多いため、簡単にＥＣＵ内容積を大きくすることは出来ない。そこで、電解コンデンサなどの背の高い部品を、基板Ｂ面に搭載する。このような構造とすることによって、ＥＣＵ内容積を大きくすることなく、基板スルーホール接続部とコネクタ樹脂間を広げることができ、はんだスルーホール接続部のクラックを回避することができる。
図１は、電子装置の断面図である。 図２は、ＥＣＵモジュールの斜視図である。 図３は、電子装置の断面図である。 図４は、電子装置の断面図である。 図５は、電子装置の断面図である。 図６は、電子装置の断面図である。 図７は、電子装置の断面図である。 図８は、電子装置の断面図である。 図９は、従来の電子装置の断面図である。
符号の説明
１…アルミ筺体、３…コネクタ樹脂、５…プリント基板、７…回路層（内層配線）、９…電子部品、１１…電子部品、１３…電子部品、１５…コネクタピン、１７…補強部材、１９…スルーホール接続はんだ、２１…貫通スルーホール、２３…電極（パッド）、２５…ワイヤボンディング、２７…はんだ、２９…補強部材、３１…貫通スルーホール、３３…コネクタピン、３５…コネクタピン、３７…電解コンデンサ

Claims (9)

  1. スルーホールを有し、１５０℃を超えるガラス転移温度の樹脂が基材として用いられた基板と、
    開口部を有する金属筺体と、
    該金属筐体の開口部に嵌め込まれたコネクタとを有し、
    該コネクタピンが前記スルーホールに挿入され、ピンとスルーホールとが導電部材によって接続されている電子装置において、
    該導電部材上に該コネクタと該基板とを固定する補強部材をさらに備えていることを特徴とする電子装置。
  2. 請求項１において、
    前記基材樹脂がエポキシを主成分とする樹脂であることを特徴とする電子装置。
  3. 請求項１において、
    前記導電部材上の一部のみに前記補強部材が形成されていることを特徴とする電子装置。
  4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
    前記導伝部材上に形成された補強部材は非導電性の部材であることを特徴とする電子装置。
  5. 請求項４において、
    前記非導電性の補強部材は、樹脂で構成され、その常温でのヤング率が10Mpa以上であることを特徴とする電子装置。
  6. 貫通スルーホールを有し、基材樹脂がエポキシを主成分としたガラス転移温度が１５０℃を超える基板と、
    開口部を有する金属筺体と、
    該開口部に嵌め込まれたコネクタとを備え、
    コネクタのピンがスルーホールに挿入された状態で、それらが導電部材で接続されている電子装置において、
    ピンの先端側の断面積がピンの根元側の断面積より小さいことを特徴とする電子装置。
  7. 貫通スルーホールを有し、基材樹脂がエポキシを主成分とするガラス転移温度が１５０℃を超える基板と、
    開口部を有する金属筺体と、
    該開口部に嵌め込まれたコネクタとを備え、
    コネクタのピンがスルーホールに挿入された状態で、それらが導電部材で接続されている電子装置において、
    基板を通過するピンの中心線と筺体を通過するピンの中心線がずれており、
    基板を通過するピンの中心線が、筺体を通過するピンの中心線に対して相対的に、基板中心より遠方にずれていることを特徴とする電子装置。
  8. 貫通スルーホールを有し、基材樹脂がエポキシを主成分とするガラス転移温度が１５０℃を超える基板と、
    開口部を有する金属筺体と、
    該開口部に嵌め込まれたコネクタとを備え、
    コネクタのピンがスルーホールに挿入された状態で、それらが導電部材で接続されている電子装置において、
    前記基板のコネクタ本体の嵌め込まれている金属筺体と対面している面に、電解コンデンサが搭載されていることを特徴とする電子装置。
  9. 貫通スルーホールを有し、基材樹脂がエポキシを主成分とするガラス転移温度が１５０℃を超える基板と、
    開口部を有するアルミ筺体と、
    該開口部に嵌め込まれたコネクタとを有し、
    コネクタピンが前記スルーホールに挿入され、ピンとスルーホール銅とを導電部材にて接続する電子装置において、
    前記アルミ筺体に空孔を有することを特徴とする電子装置。
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