JP2009111171A - 電子機器の回路基板支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て性向上及び回路基板の小型化を可能とした耐振動性に優れた電子機器における回路基板支持構造を提供することにある。
【解決手段】電子装置が搭載された回路基板１１と該回路基板を周辺部に締着して固定するベース部材１０とを備える電子機器の回路基板支持構造において、前記回路基板の片面に１つ以上の突起物１４を接着して設置し、前記回路基板の周辺固定部を前記ベース部材の周辺部に締着して固定する際、前記突起物の少なくとも一部を前記ベース部材に接触させて前記突起物によって前記回路基板を凸状に反らせて構成することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器における耐振動特性が要求される回路基板支持構造に関するものである。

従来の筐体内に取り付けた回路基板の振動を抑えることができる車載制御機器の収納筐体としては、特開平１１−２８４３７４号公報（特許文献１）おいて知られている。即ち、特許文献１には、車両に搭載される車載制御機器の筐体において、回路基板を収容する筐体本体の底部に、回路基板を固定するためのボスを設け、筐体本体の内壁に回路基板の周辺を支える段差部を設け、この段差部により回路基板の振動が制限されると記載されている。

また、従来の電子部品を適切に振動や衝撃から保護することができる電子機器としては、特開２００５−２６０２５２号公報（特許文献２）において知られている。即ち、特許文献２には、スペーサを電子部品の周囲に、かつ基板の両側に配置し、該基板の両側において上記スペーサを剛性部材と接続し、上記スペーサと上記剛性部材との間または上記スペーサと上記基板との間に振動吸収部材を配置した電子機器が記載されている。

また、従来の回路基板支持構造としては、特開２００７−５５２９号公報（特許文献３）において知られている。即ち、特許文献３には、「ロ」の字型の緩衝体を回路基板の中央部付近の筐体と筐体と挟まれる位置に配置することにより、回路基板にかかる応力をより分散させつつ支持することが記載されている。

また、従来の回路基板と筐体との間に配置して衝撃緩和性能を向上させた衝撃吸収スペーサとしては、特開２００６−３４２８７３号公報（特許文献４）において知られている。即ち、特許文献４には、プリント基板などに接着するための板材と振動を吸収する弾性樹脂材とで構成された衝撃吸収スペーサが記載されている。

特開平１１−２８４３７４号公報 特開２００５−２６０２５２号公報 特開２００７−５５２９号公報 特開２００６−３４２８７３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構成では、筐体底部にボスを成型する必要があるため工数がかかり、ねじの部品数が増加し、取り付け加工工程も増加する。さらに回路基板上においてはねじ取り付け面積が増加し、回路部品実装面積の減少となる。その結果、回路基板面積が小さくできないといった課題があった。

また、特許文献２に記載された構造では、基板上のスペーサ設置された面積分部品実装面積が減少することとなり、さらには、基板の上下面には剛性部材による筐体が必要となるため、電子機器の小型化が難しいという課題を有している。

また、特許文献３に記載された回路基板支持構造では、連続的な振動負荷に対しては、緩衝体自体も振動してしまう為に回路基板への振動は解消されないという課題を有していた。

また、特許文献４に記載された衝撃吸収スペーサをリフローによるはんだ付けする場合、弾性樹脂材が変質しないようなリフロー条件に制限されるといった課題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、回路基板上に搭載されている電子部品（電子装置）の耐振動性と耐久性を向上することができ、しかも組み立て性を損なうことなく、小型化することが可能となる電子機器の回路基板支持構造を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、回路基板上に搭載される電子部品（電子装置）で発生する熱を回路基板から効率よく放熱できるようにした電子機器の回路基板支持構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも一方の主面に電子装置が搭載された回路基板と、該回路基板と対向する主面を有し、且つ該回路基板を該主面より離して固定するベース部材とを備える電子機器の回路基板支持構造において、前記回路基板の片面に１つ以上の突起物（ボス）を設置し、前記回路基板の周辺固定部を前記ベース部材の周辺部に固定する際、前記突起物の少なくとも一部を前記ベース部材に接触させて構成したことを特徴とする。
また、本発明は、前記突起物を前記回路基板の片面にはんだ付け等により接着して構成することを特徴とする。
また、本発明は、前記ベース部材に対する前記突起物の高さを、前記回路基板の周辺固定部の高さよりも高くすることにより、前記回路基板の周辺固定部を前記ベース部材の周辺部に固定する際、前記回路基板の一部分を押し上げて前記回路基板を凸状に反らせて構成することを特徴とする。

また、本発明は、少なくとも一方の主面に電子装置が搭載された回路基板と、該回路基板と対向する主面を有し、且つ該回路基板を該主面より離して該回路基板の周辺固定部を周辺部に締着して固定するベース部材とを備える電子機器の回路基板支持構造において、前記回路基板の片面に前記ベース部材に対する高さが前記回路基板の周辺固定部の高さよりも高い１つ以上の突起物（ボス）をはんだ付け等により接着して設置し、前記回路基板の周辺固定部を前記ベース部材の周辺部に締着して固定する際、前記突起物の少なくとも一部を前記ベース部材に接触させて前記突起物によって前記回路基板の一部分を押し上げて前記回路基板を凸状に反らせて構成することを特徴とする。
また、本発明は、前記突起物の弾性率が前記回路基板の弾性率と同等以上であることを特徴とする。
また、本発明は、前記突起物において、凹形状若しくは凸形状を有して熱容量を小さくすることを特徴とする。
また、本発明は、前記突起物の材料をアルミニウムや銅などの熱伝導率のよい材料で形成したことを特徴とする。
また、本発明は、前記突起物と前記ベース部材との間に緩衝層を挟み込むことを特徴とする。

以上説明したように、回路基板を凸状に反らせた構造にすることにより耐振動性を向上させることが可能となる。

また、回路基板は周辺固定部と突起物（ボス）で支持されるので、回路基板の共振周波数を高周波数側に移動させることができる。したがって、外部振動によって導かれる回路基板の共振時の振動振幅を従来よりも小さく抑えられる。さらに、回路基板上に突起物（ボス）が取り付けることから回路基板の重量を大きくすることにより共振時の振動振幅をさらに小さく抑えることができる。

本発明によれば、振動を連続的に受ける電子機器における回路基板の耐振動支持構造において、回路基板上に搭載されている電子部品（電子装置）の耐振動性と耐久性を向上することができ、しかも組み立て性を損なうことなく、回路基板の耐振動支持構造を小型化することが可能となる。

また、本発明によれば、回路基板を凸状に反らして支持するボス材料をアルミニウムや銅などの熱伝導率のよい材料を用いることにより、回路基板上の発熱をボスを通してベース部材に効率的に放熱させることができる。

本発明に係る最近の電子機器は振動負荷の環境下での動作においても高い信頼性確保の要求が高まってきている。特に、自動車に搭載される電子機器は、エンジンやサスペンション近辺などの強い振動が連続的に加わる環境におかれることもあり、振動に対する高い信頼性を確保した電子機器が求められている。電子機器が振動を連続的に受けるとその電子機器の内部に設置された回路基板には撓みが連続的に生じる。連続的な回路基板の撓みによって回路基板とそれに搭載された電子部品との接合部分でははんだクラックや断線が生じ、電子機器の信頼性に大きな影響を及ぼす。

特に、外部振動により回路基板が共振した場合には、回路基板の振動振幅が非常時大きくなり、接合部の損傷も激しくなる。

一方、電子機器のコストダウンの要求、電子機器の小型化の要求も大きく、構成部品点数の削減や簡便な組み立て方法が要求されてきている。

これらの課題を解決するための本発明に係る電子機器における回路基板の耐振動支持構造の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

［第１の実施の形態］
図１は本発明に係る電子機器における回路基板の耐振動支持構造の第１の実施の形態を示す断面図である。

本発明に係る第１の実施の形態は、図１に示すように、少なくとも一方の主面に電子機器を制御するための電子装置（半導体素子等からなる電子部品）１５が搭載されたガラスエポキシ等で形成された回路基板１１と、前記回路基板１１と対向する主面を有し、且つ該回路基板１１が該主面より離されて固定されたアルミ合金、銅合金など剛体金属からなるベース部材１０とを備える電子機器において、前記回路基板１１の片面に１つ以上のボス(突起物)１４を設置し、前記回路基板１１の周辺固定部を前記ベース部材１０の周辺部に固定する際、前記ボス（突起物）１４の少なくとも一部を前記ベース部材１０に接触させて構成した回路基板支持構造を特徴とする。

また、本発明に係る第１の実施の形態は、前記回路基板支持構造において、さらに、前記ボス（突起物）１４を前記回路基板１１に接着して固定することを特徴とする。

また、本発明に係る第１の実施の形態は、前記回路基板支持構造において、さらに、ボス（突起物）１４の高さを回路基板１１の周辺固定部（ベース部材１０の周辺部（スペーサ１３））の高さよりも高くすることでボス（突起物）１４により回路基板１１を部分的（一部分）を押し上げて回路基板１１を凸状に反らせてスペーサ（周辺部）１３を介してベース部材１０にネジ１２等を用いて締着して固定することを特徴とする。このように、電子部品１５を少なくとも片面に搭載した回路基板１１を凸状に反らせて強固にベース部材１０に固定することによって、回路基板１１上に搭載されている電子部品１５の耐振動性と耐久性を向上することができる。

また、本発明に係る第１の実施の形態は、前記ボス１４を前記回路基板１１にはんだ付けして接着することによって組み立て性を向上させることが可能となる。

また、本発明に係る第１の実施の形態は、ボス１４の材料をアルミ、銅などの剛体材料で形成してボス１４の弾性率を回路基板１１の弾性率と同等以上で構成することによって外部振動が加えられてもボス１４はベース部材１０に固定することを特徴とする。

また、本発明に係る第１の実施の形態は、前記ボス１４において側面表面に凹凸形状を有することで表面面積を大きくして熱容量を小さくしてリフロー等によるはんだ付けをし易くすることを特徴とする。

即ち、本発明に係る電子機器の第１の実施の形態は、電子機器を制御するための電子装置（電子部品）１５とボス１４がはんだ付けされて実装されたガラスエポキシ等で作成された回路基板１１を、アルミ合金、銅合金など剛体金属からなるベース部材１０に対してスペーサ（周辺部）１３を挟んでネジ（締着手段）１２等によって締着して取り付けて構成される。

上記第１の実施の形態では、ベース部材１０とスペーサ１３とは別々の部品であるが、一体成型品であってもよい。また、電子機器を制御するための電子部品（電子装置）１５は回路基板１１の片面にのみ搭載させてもよいし、両面に搭載させてもよい。

なお、上記第１の実施の形態は、ボス（突起物）１４の下面１４ｂはベース部材１０に接するように設置され、ボス１４の高さがスペーサ１３の高さより高いため、回路基板１１は凸状に反った状態となってボス１４はベース部材１０に強く押し当てられて、回路基板１１がベース部材１０に対して強固に固定されることにより、回路基板１１上に搭載されている電子部品１５の耐振動性と耐久性を向上することができる。

また、ボス１４の材質はアルミ、銅などの剛体の材料で構成されているため、回路基板１１はベース部材１０に強固に固定させることができる。また、上記で説明したボス１４の材料は１種類であるが、ボス１４の剛性が回路基板１１の剛性以上を有すれば複数の材質を組み合わせたものでもよい。

以上説明したように電子機器における回路基板支持構造を構成することによって、回路基板１１に外部振動が加わったとしても回路基板１１の共振周波数を高くすることができ、その結果共振時の振動振幅を小さくして回路基板１１上に搭載されている電子部品１５の耐振動性と耐久性を向上することができる。

振動数ｆと振幅ｘは次に示す（１）式の関係にあるために、高い共振周波数においては回路基板の振動振幅を小さくすることができる。

ｘ＝１０００α／（２πｆ）^２ α：加速度 （１）
ボス１４の設置方法としては、図６に比較例として示すようにボス１４をベース部材１１上に接着して電子部品１５が搭載された回路基板１１に押し当てる場合よりも、図１に本発明として示すようにボス１４を電子部品１５が搭載された回路基板１１上にはんだ付け等により接着してベース１０に押し当てた場合の方が回路基板１１の総重量Ｍtotalが大きくなるために、図２に実線Ｂで示すように共振時の振動振幅を小さくすることができる。図２において鎖線Ａは図６に示した構造であり、実線Ｂは図１に示した構造であり、それぞれの第一次共振点周辺での周波数と振動振幅の関係を示している。

また、電子部品１５の中に発熱部品を含んでいる場合、ボス材料をアルミニウムや銅などの熱伝導率のよい材料を用いることにより、回路基板１１からボス１４を介してベース部材１０へと効率的に放熱することが可能となる。特に発熱部品１５ａ（図示せず）の搭載された回路基板１１の直下の他主面にボス１４を設置すれば最も効率的に放熱を行うことが可能となる。

次に、本発明に係る第１の実施の形態における実装方法（組立方法）の一実施例について図３を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ボス１４が電子部品１５と共に回路基板１１のＡ面にリフローによりはんだ付けされて実装される。ただし、回路基板１１のＡ面に電子部品１５も実装される場合を示す。次に、図３（ｂ）に示すように、回路基板１１を反転し、回路基板１１のＢ面に電子部品１５を搭載し、リフローによりはんだ付けされる。次に、図３（ｃ）に示すように、回路基板１１の周辺固定部がベース部材１０の周辺部にネジ１２やスペーサ１３を用いて締着（ネジ止め）される。その際、図３（ｄ）に示すように、スペーサ１３（回路基板１１の周辺固定部）の高さがボス１４の高さより高いため、回路基板１１が凸状に反ることによりボス１４がベース部材１０に強く押し付けられることで回路基板１１がベース部材１０に対して固定される。

以上説明した第１の実施の形態によれば、耐振動性の向上を図るために、例えば図３（ａ）に示すように、回路基板１１のＡ面上に、スペーサ１３（回路基板１１の周辺固定部）の高さよりも高い高さを有するボス１４を例えばリフローによりはんだ付けして設置し、回路基板１１を反転し、回路基板１１のＢ面に電子部品１５をリフローはんだにより搭載し、該電子部品１５がＢ面に搭載した状態で回路基板１１の両端（周辺固定部）をベース部材１０の両端（周辺部）に設けられたスペーサ１３に対してネジ１２を用いてネジ止め（締結）することによってベース部材１０からボス１４を介して回路基板１１の例えば中央部（一部分）を部分的に押し上げて回路基板１１を凸状に反らせることによって回路基板１１はベース部材１０に対して強固に固定されることになり、新たなネジやスペーサ、ベース部材などの部材は必要なく、ベース部材１０の形状を変更する必要もない。これにより材料費の上昇を抑えることができる。

さらに、図３に示した回路基板１１をベース部材１０に組み立てる工程は従来の工程と同じ工程であるために、耐振動性の向上による回路基板の組み立て性が悪化することはない。

さらには、工程の新設、変更がないために新たな設備投資の必要がない。

なお、図１において、ボス１４の回路基板１１に接するボス表面１４ａにはんだぬれ性のよいＳｎまたはＮｉなどをメッキ法、蒸着法などにより成膜すれば、ボス１４を回路基板１１に容易にはんだ付けすることができる。

また、ボス１４の形状については問わないが、たとえば、図３（ａ）に示すようにリフローなどによりボス１４を回路基板１１にはんだ付けをする際、ボス１４の表面積を大きくして熱容量を小さくする方が好ましい。そのため、最適なボス形状としては、たとえば、図４（ａ）に示したボス断面図のようにボス１４の側面に凹凸形状を付けることにより、ボス１４の表面の面積を拡大することによって熱容量を小さくすることが可能となる。その結果、リフロー時の加熱工程及び冷却工程においてボス１４は雰囲気気体の熱伝導により加熱／冷却されるため、表面積が大きい方が効率よく温度変化させることが可能となる。さらに、たとえば図４（ｂ）に示したボス断面図のようにボス１４の中心部をくりぬいて全体の熱容量を小さくすることでも同様の効果が得られる。これにより、はんだ接合時間の短縮とはんだ接合時の加熱温度低下が図られるため、ボス１４の回路基板１４への効率的なはんだ付けが可能となる。

なお、第１の実施の形態においては、ボス１４をリフローによるはんだ付けにより回路基板１１に固定しているが、ボス１４の取り付け方としては、両面テープや接着剤などで接着して固定してもよい。

また、電子部品１５を搭載する前に回路基板１１上に金属をメッキ、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着法で成膜してボス１４を形成してもよい。

また、回路基板１１上全体に金属膜または金属板を接着して、その後、ボス形状にエッチングすることでボス１４を形成してもよい。

［第２の実施の形態］
本発明に係る第２の実施の形態において、第１の実施の形態と相違する点は、第１の実施の形態ではボス１４とベース部材１０は接するように配置しているが、図５に示すようにボス１４とベース部材１０の間に緩衝層２０を挟み込む構造にした点である。該緩衝層２０としては、接着材や樹脂、ペースト、ゴムなどやわらかい材質を用いるとよい。これにより第２の実施の形態によれば、ボス１４とベース部材１０との間のこすれによる金属粉の発生を防止することができる。

本発明に係る電子機器における回路基板の耐振動支持構造の第１の実施の形態を示す断面図である。 図６に示す比較例と比較して本発明の効果を示す周波数に対する変位の特性図である。 本発明に係る第１の実施の形態における実装方法（組立方法）の一実施例を示す断面図である。 本発明に係るボス形状の実施例を示す断面図である。 本発明に係る電子機器における回路基板の耐振動支持構造の第２の実施の形態を示す断面図である。 本発明に係る電子機器における回路基板の耐振動支持構造の比較例を示す断面図である。

符号の説明

１０...ベース部材、１１...回路基板、１２...ネジ（締着手段）、１３...スペーサ（ベース部材の周辺部）、１４...ボス（突起物）、１４ａ、１４ｂ...ボス表面（突起物表面）、１５...電子部品（電子装置）、２０...緩衝層。

Claims (9)

1. 少なくとも一方の主面に電子装置が搭載された回路基板と、該回路基板と対向する主面を有し、且つ該回路基板を該主面より離して固定するベース部材とを備える電子機器の回路基板支持構造において、
   前記回路基板の片面に１つ以上の突起物を設置し、前記回路基板の周辺固定部を前記ベース部材の周辺部に固定する際、前記突起物の少なくとも一部を前記ベース部材に接触させて構成したことを特徴とする電子機器の回路基板支持構造。
2. 前記突起物を前記回路基板の片面に接着して構成することを特徴とする請求項１に記載の電子機器の回路基板支持構造。
3. 前記ベース部材に対する前記突起物の高さを、前記回路基板の周辺固定部の高さよりも高くすることにより、前記回路基板の周辺固定部を前記ベース部材の周辺部に固定する際、前記回路基板の一部分を押し上げて前記回路基板を凸状に反らせて構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器の回路基板支持構造。
4. 少なくとも一方の主面に電子装置が搭載された回路基板と、該回路基板と対向する主面を有し、且つ該回路基板を該主面より離して該回路基板の周辺固定部を周辺部に締着して固定するベース部材とを備える電子機器の回路基板支持構造において、
   前記回路基板の片面に前記ベース部材に対する高さが前記回路基板の周辺固定部の高さよりも高い１つ以上の突起物を接着して設置し、前記回路基板の周辺固定部を前記ベース部材の周辺部に締着して固定する際、前記突起物の少なくとも一部を前記ベース部材に接触させて前記突起物によって前記回路基板の一部分を押し上げて前記回路基板を凸状に反らせて構成することを特徴とする電子機器の回路基板支持構造。
5. 前記回路基板の片面への前記突起物の接着をはんだ付けで形成することを特徴とする請求項２又は３又は４に記載の電子機器の回路基板支持構造。
6. 前記突起物の弾性率が前記回路基板の弾性率と同等以上であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の電子機器の回路基板支持構造。
7. 前記突起物において、凹形状若しくは凸形状を有して熱容量を小さくすることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の電子機器の回路基板支持構造。
8. 前記突起物の材料を熱伝導率のよい材料で形成したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の電子機器の回路基板支持構造。
9. 前記突起物と前記ベース部材との間に緩衝層を挟み込むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の電子機器の回路基板支持構造。

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