JP2006237507A - 半田付けを用いた構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】基板と、その基板に強固に接合された電極とからなる構造物を提供する。
【解決手段】 本発明による構造物は、基板と、前記基板に半田付けによって接合された電極３とを備えており、電極３は、前記基板と電極３との接合面に開口する空洞９を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は基板とその基板と接合した電極とを備える構造物に関する。

一般に、電子部品が実装された基板では、電極が半田付けで基板に接合されている。このような基板において、電極と基板との接合強度が弱い場合には、外部からの衝撃や振動等により電極が基板から剥がれることがあった。よって、電極と基板との接合強度が高くなるような半田付け方法の提供が望まれていた。

また、上述のような基板に求められる他の要求は、限られたスペースで各種の要求に適応し得る多くの電子部品を搭載できる回路が設計できることである。これに応えるために、電子部品が２つの基板に分割されて搭載され、且つ、その２つの基板が電極によって機械的に接続されることがある。このような構造物においては、特に電極と基板との接合強度が高いことが望まれていた。

上記と関連して、特許文献１は、電子部品が絶縁金属基板と印刷回路板とに分割して搭載されている構造物を開示している。即ち、電子部品を支承及び電気的に相互に連結する絶縁金属基板（ＩＭＳ）ボードと、制御部品及び駆動部品を保持する印刷回路板（ＰＣＢ）とを備え、又、電力用インバータ回路、入力整流ダイオード、サーミスタと印刷回路板への接続を付与するコネクタを形成する電力用トランジスタを専用に絶縁金属基板ボードに装着することにより、比較的に小型の基板面積の標準化絶縁金属基板ボードを実現し、更に、印刷回路板は、駆動要素、電流センサー、絶縁金属基板ボードへのコネクタと被駆動装置への電気的接続を行なう端子を含む前記の制御部品及び駆動部品を備え、且つ、印刷回路番は絶縁金属基板ボードの真上に装着自在である一方、絶縁金属基板ボードと印刷回路板の夫々のコネクタは互いに垂直に係合するように構成した電力を被駆動装置に配送するパワートレイン組立物を開示している。

しかしながら、特許文献１には電極と基板との接合強度に関しては何らの記載もない。
特開平１０−９３２２０号 公報

したがって、本発明の目的は、電極と基板との接合強度が高くなるような半田付け方法及び、その半田付け方法を用いた構造物を提供することにある。

本発明の別の目的は、省スペース化を達成し、且つ、強度、特に耐振性に優れた２つの基板からなる構造物を提供することにある。

以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決する為の手段を説明する。これらの番号・符号は［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係を明らかにする為に付加されている。但し、付加された番号・符号は［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明に係る構造物は、
基板と、
その基板に半田付けによって接合された電極（３）と、
を備え、
その電極（３）は、その基板に接合する接合面に開口する空洞（９）を有する。

接合面に空洞（９）を有することで、電極（３）とその基板との接着力が向上する。

本発明に係る構造物において、
その電極（３）のその基板に接する接合面は円形である。

その電極（３）のその基板に接する接合面が円形であることにより、局所的な応力集中を防ぐことができ、電極（３）とその基板との接合強度が向上する。

本発明に係る構造物において、
その電極（３）は、外形が円柱状であり、且つ、その基板に接合される胴部（３a）を備え、
その胴部（３a）の直径は１０ｍｍ以下である。

本発明に係る構造物において、
その胴部（３a）の高さは１２ｍｍ以下である。

本発明に係る構造物において、
その電極（３）は更に、雄ネジが形成された雄ネジ部（３b）を備える。

本発明に係る構造物において、
その半田付けは、クリーム半田を用いた半田付けである。

本発明に係る構造物において、
その基板は第1の回路が形成された絶縁金属基板（２）である。

本発明に係る構造物は、
更に、
裏面がその電極（３）に接合されることによってその電極（３）に支持され、主面に第２の回路が形成されたプリント配線基板（４）
を備える。

本発明に係る構造物は、
その主面に接合され、且つ、その電極（３）に電気的に接続された導電性のスペーサ（５）と、
そのスペーサに接合されたバスバー（７）
とを備える。

本発明に係る構造物において、
その電極（３）とそのスペーサ（５）とは、そのプリント配線基板（４）を挟むように、ネジによって機械的に接続されている。

本発明に係る半田付け方法は、
接合面に開口する空洞（９）を有する電極（３）を提供するステップと、
基板を提供するステップと、
その基板上にクリーム半田を塗布するステップと、
塗布されたそのクリーム半田上にその接合面を接触させてその電極（３）を配置するステップと、
塗布されたそのクリーム半田をリフローするステップ
とを備える。

本発明に係る半田付け方法において、
その接合面は円形である。

本発明に係る半田付け方法において、
その電極（３）は、外形が円柱状であり、且つ、その基板に接合される胴部（３a）を備え、
その胴部（３a）の直径は１０ｍｍ以下である。

本発明に係る半田付け方法において、
その胴部（３a）の高さは１２ｍｍ以下である。

本発明に係る半田付け方法において、
その電極（３）は更に、雄ネジが形成された雄ネジ部（３b）を備える。

本発明によれば、電極と基板との接合強度が高くなるような半田付け方法及び、その半田付け方法を用いた構造物が提供される。

更に、本発明によれば、省スペース化を達成し、且つ、強度、特に耐振性に優れた２つの基板からなる構造物が提供される。

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。

（構成）
図１には、本発明に係る構造物の部分断面図が示されている。本発明の実施の形態に係る構造物は、絶縁金属基板２、電極３、プリント配線板４、スペーサ５、及びバスバー７を備えている。本発明に係る構造物は、例えばバッテリーフォークリフトその他の、バッテリーを電源として使用する輸送機器に適したインバータ装置を構成する構造物である。

絶縁金属基板２は、金属板2aと、金属板2aを被覆する絶縁層2bと、絶縁層2bの上に形成さた第1の回路2cとからなる。第1の回路２cの導体部分は銅箔である。第1の回路2cの上には電極３がクリーム半田による半田付けにより接合されている。電極３には、電極３と第1の回路2cとが接合する接合面に開口する空洞９が設けられている。空洞９が開口する開口部の形状は限定されるものではないが、応力集中を防ぐ観点から円形であることが好ましい。電極３は第1の回路2cと接続される胴部３aと、胴部３aの上に設けられ雄ネジが形成された雄ネジ部３bとを備えている。電極３の胴部３aは円柱状に形成され、これにより、絶縁金属基板２と電極３との間の接合面の外縁が円になっている。胴部３aの構造は円柱状に限られるものではないが、応力集中を防ぐ観点から円柱状であることが好ましい。雄ネジ部３ｂはプリント配線板４に設けられた開口に挿入される。以下の記載において必要がある場合、電極３は、その役割に応じて添え字によって区別される。スペーサ５を介してバスパー７と電気的に接続される電極３は電極３Ａと記載され、電極３Ａ以外の電極３は３Ｂと記載されることがある。

スペーサ５は導電性を有している。スペーサ５の底部には雌ネジが設けられており、プリント配線基板４を挟みこむようにして電極３Ａの雌ネジ部３ｂと螺合している。電極３Ｂのネジ部３ｂはプリント配線基板４に設けられた開口に挿入され、プリント配線基板４の上方からナット８によって螺合されている。これにより、プリント配線基板４が電極３により支持される。プリント配線基板４は第２の回路が設けられている。その第２の回路は、電極３を介して、プリント配線板４上に設けられた第２の回路は第1の回路２cと電気的に接続している。電極３は、第1の回路２ｃと第２の回路との電気的な接続のみならず、絶縁金属基板２の上にプリント配線基板４を支持する役割も果たす。よって、絶縁金属基板２の上にプリント配線基板４を支持するための部材を新たに設ける必要が無い。即ち、省スペース化が達成できる。

スペーサ５は、上記の雌ネジが形成されている胴部５aと、雌ネジが形成されたネジ部5ｂを備えている。ネジ部５ｂはバスバー７に設けられた開口に挿入されており、バスバー７の上からナット６により螺合されている。これにより、バスバー７がスペーサ５と電気的に、且つ、機械的に接続される。バスバー７は、大電流が流される配線であり、銅で形成されている。

図２は電極３と第1の回路２ｃとの接合部分の好適な構造を示す断面図である。
電極３の胴部３aの直径φは１０ｍｍ以下であり、高さｈは１２ｍｍ以下である。
電極３が第1の回路2cと接合している接合面の外縁にはフィレット１０が形成されている。空洞９の縁にも同様にフィレット１２が形成されている。

（半田付け方法）
続いて、本発明に係る半田付け方法について説明する。まず、クリーム半田がメタルマスクにより第１の回路2ｃの所定の場所に塗布される。続いて、塗布されたクリーム半田上に電極３が配置される。次に、絶縁金属基板２と電極３とがリフロー炉によって加熱されることによってリフローが行なわれて、電極３が第１の回路２ｃに接合される。このような半田付けにより、電極３と絶縁金属基板２との接合面の外縁にフィレット１０が形成される。また、空洞９の縁にも同様にフィレット１２が形成される。このようなフィレットが形成されることにより、後述されるような効果が得られる。

（作用）
本実施の形態に係る構造物においては、空洞９が設けられた電極３を、本実施の形態に係る半田付け方法により半田付けすることで、以下の２つの利点がある。第１のメリットは、絶縁金属基板２と電極３との接合面から気泡を排除できることである。既述のように、絶縁金属基板２と電極３との半田付けでは、絶縁金属基板２を加熱する工程（リフロー工程）が行なわれる。このリフロー工程のとき、空洞９内部の気体も加熱されて膨張し、膨張した気体が空洞９から液体化したクリーム半田を通って外部に押し出される。その後に絶縁金属基板２が冷却されると、空洞９の内部の気体が収縮して空洞９の内部が負圧になる。これにより、電極３を絶縁金属基板２に押しつける力が発生し、電極３と絶縁金属基板２の間の接合面から気泡が排除される。接合面からの気泡の排除は、絶縁金属基板２と電極３との間の接合強度の向上に有効である。

第２のメリットは、クリーム半田を用いて電極３を絶縁金属基板２と接合させることで、電極３と絶縁金属基板２との接合面の外縁にフィレット１０が形成されることである。フィレット１０が形成されていることで、電極３と絶縁金属基板２との接合強度が向上する。さらに、本実施の形態に係る半田付け方法によれば、空洞９の縁にもフィレット１２が形成される。フィレット１０に加えて、フィレット１２が形成されることにより、絶縁金属基板２と電極３との間の接合強度を有効に向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、絶縁金属基板２と電極３との接合面の外縁が円になっている。このような構造によれば、絶縁金属基板２と電極３との間の接合面における局所的な応力集中が発生しにくく、絶縁金属基板２と電極３との間の接合強度を有効に向上させることができる。

更に、本実施の形態の係る構造物においては、電極３の大きさが最適化されている。即ち、電極３の胴部３aの直径φは１０ｍｍ以下である。これは、絶縁金属基板２と電極３との間の接合部に形成されるフィレット１０の幅及び高さが溶融半田の粘度に依存しているからである。電極３の胴部３aの直径φに対するフィレット１０の幅及び高さの比を増大させれば、絶縁金属基板２と電極３との間の接合強度を増大させることができるかもしれない。しかし、フィレット１０の幅及び高さは溶融半田の粘度に依存しており、無制限に増大させることはできない。そこで、本実施の形態では、電極３の直径φが１０ｍｍ以下に選択され、これにより、電極３の直径φに対するフィレット１０の幅及び高さを最適化することができる。これにより、充分に高い接合強度を得ることができる。絶縁金属基板２と電極３との接合を、より１層に確実にするためには、電極３の胴部３aの高さｈが、１２ｍｍ以下であることが好ましい。フィレット１０の幅に対して高さｈが過剰に増大すると、絶縁金属基板２と電極３との間の接合部に過剰に大きな力が作用し、電極３が絶縁金属基板２からはがれやすくなる。電極３が絶縁金属基板２から剥がれることを防止するためには、電極３の胴部３aの高さｈが、１２ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明の実施の形態に係る構造物の構造を示す部分断面図である。 本発明に係る構造物の電極の好適な構造を示す断面図である。

符号の説明

２ 絶縁金属基板
２a 金属板
２b 絶縁層
２c 第１の回路
３ 電極
３a 胴部
３b ネジ部
４ プリント配線基板
５ スペーサ
５a 胴部
５b ネジ部
６ ナット
７ バスバー
８ ナット
９ 空洞
１０ フィレット
１２ フィレット

Claims (15)

1. 基板と、
   前記基板に半田付けによって接合された電極と、
   を具備し、
   前記電極は、前記基板と接合する接合面に開口を有する空洞を備える
   構造物。
2. 請求項１に記載された構造物であって、
   前記接合面は円形である
   構造物。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載された構造物であって、
   前記電極は、外形が円柱状であり、且つ、前記接合面を有する胴部を備え、
   前記胴部の直径は１０ｍｍ以下である
   構造物。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された構造物であって、
   前記胴部の高さは１２ｍｍ以下である
   構造物。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された構造物であって、
   前記電極は更に、雄ネジが形成された雄ネジ部を備える
   構造物。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載された構造物であって、
   前記半田付けは、クリーム半田を用いた半田付けである
   構造物。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載された構造物であって、
   前記基板は第1の回路が形成された絶縁金属基板である
   構造物。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載された構造物であって、
   更に、
   裏面が前記電極に接合されることによって前記電極に支持され、主面に第２の回路が形成されたプリント配線基板
   を備える
   構造物。
9. 請求項８に記載された構造物であって、
   前記主面に接合され、且つ、前記電極に電気的に接続された導電性のスペーサと、
   前記スペーサに接合されたバスバー
   とを備える
   構造物。
10. 請求項９に記載された構造物であって、
    前記電極と前記スペーサとは、前記プリント配線基板を挟むように、ネジによって機械的に接続されている
    構造物。
11. 接合面に開口する空洞を有する電極を提供するステップと、
    基板を提供するステップと、
    前記基板上にクリーム半田を塗布するステップと、
    塗布された前記クリーム半田上に前記接合面を接触させて前記電極を配置するステップと、
    塗布された前記クリーム半田をリフローするステップ
    とを具備する
    半田付け方法。
12. 請求項１１に記載された半田付け方法であって、
    前記接合面は円形である
    半田付け方法。
13. 請求項１１又は１２のいずれかに記載された半田付け方法であって、
    前記電極は、外形が円柱状であり、且つ、前記基板に接合される胴部を備え、
    前記胴部の直径は１０ｍｍ以下である
    半田付け方法。
14. 請求項１１乃至１３のいずれかに記載された半田付け方法であって、
    前記胴部の高さは１２ｍｍ以下である
    半田付け方法。
15. 請求項１１乃至１４のいずれかに記載された半田付け方法であって、
    前記電極は更に、雄ネジが形成された雄ネジ部を備える
    半田付け方法。

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