JP2009010015A - リードピンの実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】大電流が流されるリードピンを実装する場合であっても実装後の信頼性を高め易いリードピンの実装構造を得ること。
【解決手段】発熱素子２３が実装される実装基板１にリードピン３ａ〜３ｄを実装するにあたり、実装基板にはスルーホール１ａを設け、当該実装基板で発熱素子が実装される実装面の反対側には、実装基板にスペーサ１１を介して接続された放熱部材７を配置し、各リードピンは、スルーホールを貫通させてその一端を放熱部材に接続することで、たとえリードピンに比較的多量のジュール熱が生じても当該熱を周囲に放散させてリードピンの温度上昇を抑え、リードピンが高温になることに起因して当該リードピンと放熱部材７とを接合しているはんだ９が再溶融してしまうのを防止する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、発熱素子が実装される実装基板でのリードピンの実装構造に関し、更に詳しくは、大電流が流されるリードピンの実装構造に関するものである。

駆動に伴って多量の熱が発生する半導体レーザ発光素子等の高発熱素子の実装は、一般にはんだ実装により行われる。このとき、高発熱素子には予めリードピンが接続され、リードピンが接続された高発熱素子はステムに搭載される。ステムから突出しているリードピンを実装基板のスルーホールに挿入し、該スルーホールとリードピンとの間隙にはんだを充填することで、あるいはスルーホールの近傍でリードピンを基板にはんだ付けすることで、上記のはんだ実装が行われる。

高温環境下では高発熱素子の性能が低下するので、高発熱素子の駆動に伴って生じる熱は積極的に周囲に放散される。例えば特許文献１に記載された光サブアセンブリでは、高発熱素子である半導体光素子が搭載されるステムに放熱フィンを設け、半導体光素子の駆動により生じる熱を当該放熱フィンから周囲の空気へ直接放散させるか、または当該放熱フィンから放熱シートに放散させるかしている。

特開２００６−５３４７号公報

リードピンが接続された高発熱素子をステムに搭載するにあたっては、リードピンとステムとの電気絶縁を取るために、ステムのスロットに挿入されたリードピンがガラスによってステムに接合される。ガラスの熱伝導率は断熱材レベルの１Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるので、リードピンとステムとの間の熱抵抗は大きく、両者の間での熱伝導は殆ど生じない。その一方で、高発熱素子への通電時にはリードピンでもジュール熱が発生する。

リードピンは、該リードピンとステムとの間に形成したガラス絶縁部がヒートサイクルにより破壊されてしまうのを防止するために、線膨張率がガラスの線膨張率に近い材料、例えばジュメット線と呼ばれるＦｅ（鉄）−５０Ｎｉ（ニッケル）合金線を用いて作製されるが、当該合金線の電気抵抗率は銅の電気抵抗の２８倍程度も大きいので、高発熱素子の駆動時に当該リードピンに生じるジュール熱は比較的多い。例えば高出力半導体レーザ発光素子に接続されたリードピンには１０〜２０Ａ程度という大電流が流されるので、高出力半導体レーザ発光素子の駆動時には、当該リードピンと実装基板とを接合しているはんだが再溶融してしまう程のジュール熱がリードピンに生じることもある。

特許文献１に記載された光サブアセンブリにおけるようにステムに放熱フィンを設けた場合、高発熱素子とリードピンで生じた熱は上記の放熱フィンから放散されるものの、上記ガラス絶縁部の熱抵抗が大きいことが災いして、リードピンで生じた熱は上記の放熱フィンに十分には伝導されない。このため、リードピンが高温になり、当該リードピンと基板とを接合しているはんだが再溶融して接続不良が引き起こされることもあり得る。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、大電流が流されるリードピンを実装する場合であっても実装後の信頼性を高め易いリードピンの実装構造を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するリードピンの実装構造は、発熱素子が実装される実装基板でのリードピンの実装構造であって、実装基板はスルーホールを有し、実装基板で発熱素子が実装される実装面の反対側には、実装基板にスペーサを介して接続された放熱部材が配置され、リードピンは、スルーホールを貫通して放熱部材に接続されていることを特徴とするものである。

この発明のリードピンの実装構造では、実装基板で発熱素子が実装される実装面の反対側に放熱部材を配置している。そして、リードピンは、実装基板に形成したスルーホールを貫通して放熱部材に接続されている。このため、リードピンに大電流を流したときでも当該リードピンに生じるジュール熱を放熱部材から周囲に放散させて、その昇温を抑えることができる。リードピンを実装基板または放熱部材にはんだ接合したときでも、はんだの再溶融を防止することができる。したがって、この実装構造によれば、大電流が流されるリードピンを実装する場合であっても実装後の信頼性を高めることが容易になる。

以下、本発明のリードピンの実装構造およびリードピンの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、リードピンの実装構造の一例を概略的に示す部分断面図であり、図２は、図１に示した実装構造を概略的に示す底面図である。これらの図に示すリードピンの実装構造３０は、実装基板1と該実装基板１を貫通するリードピン３ａ〜３ｄとが放熱部材としての放熱基板７を介して電気的に接続されて電気回路を形成するように構成されたものである。実装基板１は高出力半導体レーザ発光素子等の高発熱素子２３の実装に用いられ、当該実装基板１には複数のスルーホール１ａが形成されている。放熱基板7は、実装基板１で高発熱素子２３が実装される実装面の反対側に配置されており、当該放熱基板７はスペーサとしての支柱１１を介して実装基板に接続されている。そして、各リードピン３ａ〜３ｄは実装基板１に接触することなくスルーホール１ａを貫通し、はんだ９により放熱基板７に接合されている。

図示の例では、放熱基板７を構成する基材７Ｂの下面にリードピン３ａ〜３ｄの総数と同数の金属層７Ｍ（図２参照）を設けることで、上記の電気回路の形成を可能にしている。各金属層７Ｍは、１つのリードピン３ａ，３ｂ，３ｃまたは３ｄに１つの金属層７Ｍが対応するように互いに離隔して基材７Ｂの下面に形成されている。これらの金属層７Ｍは熱伝導性が良好な金属または合金、例えば銅箔により形成される。個々のリードピン３ａ〜３ｄの一端は、放熱基板７に形成されたスルーホール７ａを貫通して、対応する金属層Ｍにはんだ９により接合されている。

なお、放熱基板７と実装基板１との間に介在して上記の電気回路を中継する支柱１１（図１参照）は複数箇所に配置されており、放熱基板７は該放熱基板7、支柱１１、および実装基板１を貫通する固定ジグ１３により実装基板１に固定されている。このため、各リードピン３ａ〜３ｄと実装基板１とは電気的に接続されてはいるものの、これらのリードピン３ａ〜３ｄは実装基板１に接触していない。したがって、個々のリードピン３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄで生じた熱は放熱基板７から周囲へ放散され、実装基板１へは殆ど伝導しない。その結果として、高発熱素子２３の駆動時においては、実装基板１と放熱基板７の両方について温度上昇を低く抑えることができる。

一方、実装基板１で高発熱素子２３が実装される実装面上には、スペーサとして機能するカラー１５（図１参照）が複数箇所に配置され、これらのカラー１５により実装基板１から所定の間隔をあけてステム１９が固定されている。実装基板１へのステム１９の固定は、カラー１５を貫通する固定ジグ１７により行われている。各リードピン３ａ〜３ｄはステム１９に形成されたスロット１９ａを貫通し、該スロット１９ａとの間隙をガラス２１で埋めることでステム１９との電気絶縁を図りつつ当該ステム１９に固定されている。また、ステム１９には高発熱素子２３が搭載されており、各リードピン３ａ〜３ｄは金リボン等の導電性部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃまたは２５ｄを介して高発熱素子２３に接続されている。ステム１９は、その全体が図示を省略したヒートシンクに接合されている。

このような構成を有するリードピンの実装構造３０では、実装基板１に形成されている導体パターン、支柱１１のうちの所定の支柱、リードピン３ａ〜３ｄのうちの所定のリードピンおよび導電性部材２５ａ〜２５ｄのうちの所定の導電性部材を介して電源装置（図示せず）から高発熱素子２３に電力が供給されて、高発熱素子２３が駆動する。高発熱素子２３の駆動に伴って当該高発熱素子２３に生じた熱は、ステム１９を介してヒートシンクに放散される。また、高発熱素子２３の駆動に伴って各リードピン３ａ〜３ｄに生じたジュール熱ははんだ９を介して金属層７Ｍに伝わり、ここから周囲の空気に放散される。

このため、たとえ個々のリードピン３ａ〜３ｄで比較的多量のジュール熱が発生したとしても、当該ジュール熱を放熱基板７により放散させて、各リードピン３ａ〜３ｄが高温になるのを抑えることができる。実装基板１と放熱基板７の両方について温度上昇を低く抑えることができるので、はんだ９が再溶融することに起因する接続不良の発生を抑制することができる。

したがって、リードピンの実装構造３０によれば、大電流が流されるリードピンを実装する場合であっても実装後の信頼性を高くすることが容易である。実装基板１と放熱基板７とが互いに離隔していることも、各リードピン３ａ〜３ｄで生じたジュール熱を実装基板１に伝わり難くするうえで効果がある。

実施の形態２．
図３は、リードピンの実装構造の他の例を概略的に示す部分断面図であり、図４は、図３に示した実装構造を概略的に示す底面図である。これらの図に示すリードピンの実装構造４０は、図１に示した放熱基板７に代えて１つのリードピンに１つずつ放熱部材としての放熱フィン３３を取り付けたという点で、実施の形態１で説明したリードピンの実装構造３０（図１参照）と大きく異なる。また、各リードピン３ａ〜３ｄは実装基板１に接触した状態でスルーホール１ａを貫通しているという点でも、実施の形態１で説明したリードピンの実装構造３０と異なる。リードピンの実装構造４０における他の点は、図１に示したリードピンの実装構造３０におけるのと同様であるので、図３または図４に示す構成部材のうちで図１に示した構成部材と共通するものについては、図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。なお、リードピンの実装構造４０では、実装基板１の下面において各リードピン３ａ〜３ｄがはんだ５により当該実装基板１に接合されている。

上記の放熱フィン３３の各々は、対応するリードピン３ａ，３ｂ，３ｃまたは３ｄの一端に装着される装着部３３ａと、該装着部３３ａに連なったフィン部３３ｂとを有しており、これらの放熱フィン３３は実装基板１から離隔して互いに略平行に配置されている。図示の装着部３３ａは上記の一端が挿入されるスリーブであるが、他の形状、例えばキャップであってもよい。また、放熱フィン３３の各々は、対応するリードピン３ａ，３ｂ，３ｃまたは３ｄにカシメにより取り付けることもできるし、はんだ接合により取り付けることもできる。

このような構成を有するリードピンの実装構造４０においても、実施の形態１で説明したリードピンの実装構造３０（図１参照）におけるのと同様に、高発熱素子２３の駆動に伴って当該高発熱素子２３で生じた熱はステム１９を介してヒートシンク（図示せず）に放散される。また、高発熱素子２３の駆動に伴って各リードピン３ａ〜３ｄで生じたジュール熱は放熱フィン３３に伝わり、ここから周囲の空気に放散される。

このため、たとえ個々のリードピン３ａ〜３ｄで比較的多量のジュール熱が発生したとしても、当該ジュール熱を各放熱フィン３３により放散させることができる。これにより各リードピン３ａ〜３ｄが高温になることが抑えられるので、実装基板１に各リードピン３ａ〜３ｄを接合しているはんだ５が上記のジュール熱により再溶融してしまうのを防止することができる。はんだ５の再溶融に起因してリードピン３ａ〜３ｄと実装基板１との間で接続不良が生じてしまうことが抑制される。したがって、当該リードピンの実装構造４０によれば、大電流が流されるリードピンを実装する場合であっても実装後の信頼性を高くすることが容易である。送風ファンで各放熱フィン３３に冷却空気を吹き付ければ、各放熱フィン３３での放熱効果を高めることができる。

実施の形態３．
例えば実施の形態１または２で説明したリードピンの実装構造３０，４０（図１、図３参照）を形成するにあたって用いるリードピンの電気抵抗を小さくすれば、リードピンでのジュール熱の発生を抑えることができる。その結果として、当該リードピンに大電流を流したときでも、実装基板や放熱部材にリードピンを接合しているはんだ等の熱伝導性材料の再溶融を防止することが容易になる。

図５は、電気抵抗が小さいリードピンの一例での水平断面と縦断面との関係を概略的に示す断面図である。同図に示すリードピン５５は、芯線５１と、芯線５１上に積層された複数（図示の例では３つ）の被膜５２〜５４とを有している。芯線５１は直径１ｍｍのジュメット線（Ｆｅ−５０Ｎｉ合金製）である。この芯線５１上に形成された第１被膜５２は銅（Ｃｕ）メッキ被膜、第１被膜５２上に積層された第２被膜５３は厚さ３．０μｍのニッケル（Ｎｉ）メッキ被膜、第２被膜５３上に積層された第３被膜５４は厚さ０．０３μｍの金（Ａｕ）フラッシュ被膜（金の無電解メッキ被膜）である。銅（Ｃｕ）の電気抵抗率は、ジュメット線での電気抵抗率の約２８分の１である。

図６は、図５に示したリードピン５５での銅メッキ被膜５２の厚さを０μｍ（銅メッキ被膜５２を形成しないことを意味する。）から１０μｍにまで変化させたときの当該リードピン５５の電気抵抗と、銅メッキ被膜５２の厚さが０μｍのときのリードピンの電気抵抗を基準とした電気抵抗の改善率とを示すグラフである。銅メッキ被膜５２の厚さが０μｍのときのリードピンの電気抵抗をＲ_０［Ω］、銅メッキ被膜５２の厚さが１０μｍのときのリードピンの電気抵抗をＲ_１０［Ω］とすると、電気抵抗の改善率Ｉｒ［％］は式 Ｉｒ＝１００・（Ｒ_０−Ｒ_１０）／Ｒ_０ により求めることができる。ここで、物性値である電気抵抗率ρ［Ωｍ］と電気抵抗Ｒ［Ω］との関係は、Ａを導体断面積［ｍ^２］、Ｌを導体長［ｍ］とすると、式 Ｒ＝ρ・（Ｌ／Ａ）で表される。

図６から明らかなように、銅メッキ被膜５２の厚さを１０μｍ程度にすると、銅メッキ被膜５２の厚さが０μｍであるときに比べてリードピン５５の電気抵抗が５０％程度改善される。リードピンに流れる電流の値をＩ［Ａ］とすると、当該リードピンで生じるジュール熱Ｑは式 Ｑ＝Ｉ^２・Ｒ（Ｒはリードピンの電気抵抗）で表されるので、リードピンの電気抵抗が５０％改善されれば当該リードピンでのジュール熱の発生量が半減する。結果として、リードピンの温度上昇が抑えられる。

このようなリードピン５５を例えば実施の形態１または２で説明したリードピンの実装構造３０，４０（図１、図３参照）に用いれば、放熱基板７に各リードピン３ａ〜３ｄを接合しているはんだ９（図１参照）、あるいは実装基板１に各リードピン３ａ〜３ｄを接合しているはんだ５（図３参照）が再溶融してしまうのを防止することが更に容易になり、はんだ９またははんだ５再溶融に起因してリードピン３ａ〜３ｄと実装基板１との間で接続不良が生じてしまうことが更に抑制される。したがって、大電流が流されるリードピンを実装する場合であっても実装後の信頼性を更に高くすることができる。

以上、本発明のリードピンの実装構造について実施の形態を挙げて説明したが、前述のように、本発明は上述の形態に限定されるものではない。例えば、放熱部材の形状をどのようなものにするかは、リードピンでのジュール熱の発熱量や、リードピンの材質、あるいは放熱部材の配置に使用することができるスペースの広さ等に応じて適宜選定可能である。実施の形態１におけるように放熱基板を放熱部材として用いる場合には、必要に応じて当該放熱基板に導体パターンや回路を形成すると共に、実装基板と放熱基板とを互いに離隔させるスペーサとして導電性のものを用いて、実装基板に形成されている導体パターンと、放熱基板に形成した導体パターンあるいは回路と、上記導電性のスペーサとにより所望の回路を形成することもできる。

また、電気抵抗が小さいリードピンは、芯線上に積層された複数の被膜の少なくとも１つを、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）のように芯線よりも電気抵抗率が小さい単体金属、あるいは芯線よりも電気抵抗率が小さい合金より形成することで得られる。実装基板あるいは放熱部材へのはんだ接合の信頼性を考慮すると、当該リードピンの最外層は金（Ａｕ）により形成することが好ましい。本発明のリードピンの実装構造については、上述したもの以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。

本発明のリードピンの実装構造の一例を概略的に示す部分断面図である。 図１に示した実装構造を概略的に示す底面図である。 本発明のリードピンの実装構造の他の例を概略的に示す部分断面図である。 図３に示した実装構造を概略的に示す底面図である。 電気抵抗が小さいリードピンの一例での水平断面と縦断面との関係を概略的に示す断面図である。 図５に示した構成のリードピンでの銅メッキ被膜の厚さを変化させたときの当該リードピンの電気抵抗と電気抵抗の改善率それぞれの一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 実装基板
１ａ スルーホール
３ａ〜３ｄ リードピン
５ はんだ
７ 放熱基板
７Ｍ 金属層
９ はんだ
１１ 支柱
１９ ステム
１９ａ スロット
２１ ガラス
２３ 高発熱素子
３０ リードピンの実装構造
３３ 放熱フィン
３３ａ 装着部
３３ｂ フィン部
４０ リードピンの実装構造
５１ 芯線
５２〜５４ 被膜
５５ リードピン

Claims (8)

1. 発熱素子が実装される実装基板でのリードピンの実装構造であって、
   前記実装基板はスルーホールを有し、
   該実装基板で前記発熱素子が実装される実装面の反対側には、前記実装基板にスペーサを介して接続された放熱部材が配置され、
   前記リードピンは、前記スルーホールを貫通して前記放熱部材に接続されている、
   ことを特徴とするリードピンの実装構造。
2. 前記リードピンは、前記実装基板に接触することなく前記スルーホールを貫通し、前記放熱部材を介して前記実装基板に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のリードピンの実装構造。
3. 前記放熱部材は金属層を有する放熱板であり、前記リードピンは、はんだにより前記金属層に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリードピンの実装構造。
4. 前記金属層は銅箔からなることを特徴とする請求項３に記載のリードピンの実装構造。
5. 前記放熱部材は放熱フィンであり、
   前記リードピンは、前記実装基板にはんだ接合されて前記スペーサとして機能し、
   前記実装基板から突出した前記リードピンの端部に前記放熱フィンが装着されて、前記リードピンからの熱を周囲へ放散することを特徴とするリードピンの実装構造。
6. 前記放熱フィンは前記リードピンにカシメにより取り付けられることを特徴とする請求項５に記載のリードピンの実装構造。
7. 前記放熱フィンは前記リードピンにはんだ接合されて取り付けられることを特徴とする請求項５に記載のリードピンの実装構造。
8. 前記リードピンは、芯線と該芯線上に積層された複数の被膜とを有し、前記複数の被膜の一部は、前記芯線材料よりも電気抵抗が小さい材料により形成されたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１つに記載のリードピンの実装構造。

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