JP2011054649A - 電子装置の製造方法及び電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化が激しい環境下において、半田接合部に発生する応力を低減することができる電子装置の製造方法及び電子装置を提供することを目的とする。
【解決手段】電子装置の製造方法が、電子部品がプリント基板に半田付けされている電子装置の製造方法であって、前記電子部品と前記プリント基板との間に台材を配置して半田付けすることで、前記半田の厚さを作り出す半田厚生成工程を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品が半田によってプリント基板に接合されている電子装置の製造方法及び電子装置に関する。

周知のように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子部品は、半田付けによってプリント基板に接合されており、航空機でも、航空エンジン用電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit)が同様の手法によってプリント基板に接合されている。しかしながら、電子部品のうち本体がセラミックである部品とポリイミドを材料とするプリント基板では熱膨張率が大きく異なるため、両部品間の半田接合に温度変化に応じて応力が生じる。そして、その応力が繰り返し発生することで疲労劣化に耐えられず、半田接合部の破断が生じる。

そして、このような温度変化による半田の破断を解消する発明として、下記特許文献１には、絶縁基板に樹脂絶縁層を用いたパワー半導体モジュールであって、半田接合部の熱歪みを抑制することができるパワー半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、導電層と放熱板の間の絶縁基板として樹脂絶縁層を用いたパワー半導体モジュールであって、パワー半導体素子が、半田層で挟まれた応力緩衝板を介して、導電層に半田接合され、応力緩衝板の線膨張係数が導電層とパワー半導体素子の線膨張係数の間の値であって、応力緩衝板の板厚が導電層の板厚より薄いことを特徴とする。

特開２００２−２３１８８３号公報

ところで、上記従来技術の特許文献１では、導電層とパワー半導体素子の線膨張係数の間の値である応力緩衝板を半田層の間に設けることによって、半田の熱歪みを抑制している。しかしながら、上記従来技術の特許文献１では、あくまでパワー半導体素子から発生する熱による半田の破断を想定したものであり、航空機のように、温度環境が−５５〜１２５℃まで幅広く、また急激に変化する環境では、半田接合部に大きな応力が発生することが問題になっている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、温度変化が激しい環境下において、半田接合部に発生する応力を低減することができる電子装置の製造方法及び電子装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電子装置の製造方法に係る第１の解決手段として、電子部品がプリント基板に半田付けされている電子装置の製造方法であって、前記電子部品と前記プリント基板との間に台材を配置して半田付けすることで、前記半田の厚さを作り出す半田厚生成工程を具備するという手段を採用する。

本発明では、電子装置の製造方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記半田厚生成工程において、前記台材は半田濡れ性を有すると共にリフロー半田付けで溶解しないものであり、前記プリント基板上に塗ったクリーム半田の上に前記台材を配置し、前記台材の上に前記電子部品のリード線を配置してリフロー半田付けするという手段を採用する。

本発明では、電子装置の製造方法に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記半田厚生成工程において、前記台材は、高温成形半田であるという手段を採用する。ここでいう高温成形半田とは、リフロー半田付けの温度よりも高い融点（一般に２６０℃以上）を持つ半田を、予め必要な形に成形した半田を指す。

本発明では、電子装置の製造方法に係る第４の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記半田厚生成工程において、前記電子部品の所定のリード線とプリント基板との間に台材を配置することで前記電子部品全体を持ち上げ、台材の配置されていないリード線を半田付けし、前記台材を取り除いた後に、前記台材が配置されていたリード線を半田付けするという手段を採用する。

また、本発明では、電子装置に係る第１の解決手段として、電子部品がプリント基板に半田付けされている電子装置であって、前記電子部品と前記プリント基板との間に台材が配置されて半田付けされているという手段を採用する。

本発明では、電子装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電子部品のリード線とプリント基板とを接合する半田の中に、半田濡れ性を有すると共に半田付けで溶解しない前記台材が配置されるという手段を採用する。

本発明では、電子装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記台材は、高温成形半田であるという手段を採用する。

本発明によれば、電子部品がプリント基板に半田付けされている電子装置の製造方法であって、電子部品とプリント基板との間に台材を配置して半田付けすることで、半田の厚さを作り出す半田厚生成工程を具備する。
本発明では、上記工程でより厚い半田厚が作り出される為、温度変化が激しい環境下において、半田接合部に発生する応力を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る電子装置Ａ１の製造方法の半田厚生成工程における電子部品１１及びプリント基板１２を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る電子装置Ａ１の製造方法の半田厚生成工程において高温成形半田１４が配置された箇所の半田付け前及び半田付け後の階層模式図である。 半田の厚さと、歪みと、応力との関係を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る電子装置Ａ２の製造方法の半田厚生成工程における電子部品２１及びプリント基板２２を示す模式図と、半田付け前の電子部品２１の四隅の階層模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、電子装置及び当該電子装置の製造方法に関する。
〔第１実施形態〕
まず、第１実施形態に係る電子装置Ａ１及び当該電子装置Ａ１の製造方法について、説明する。
第１実施形態に係る電子装置Ａ１の製造方法とは、ＱＦＰ（Quad Flat Package）の電子部品１１をプリント基板１２に半田付けすることで電子装置Ａ１を製造する方法であり、半田厚生成工程を備える。

図１は、第１実施形態に係る電子装置Ａ１の製造方法の半田厚生成工程における電子部品１１及びプリント基板１２を示す模式図である。
半田厚生成工程では、図１に示すプリント基板１２上の４辺のパッド１２ａにクリーム半田（Ｓｎ６３／Ｐｂ３７、融点１８３度）１３を印刷する。なお、クリーム半田１３とは、共晶半田の粉末にフラックスを加え、適度な粘度を有するものである

そして、クリーム半田１３を印刷した後に、クリーム半田１３上に高温成形半田（Ｐｂ９５／Ｓｎ５、融点３００度）１４を配置する。図１における、斜線部分は、高温成形半田１４を配置するパッド１２ａを示している。半田厚生成工程では、高温成形半田１４を全てのパッド１２ａに配置するのではなく、電子部品１１を搭載する４辺のパッド１２ａの内の各中央のパッド１２ａに配置する。

そして、高温成形半田１４をパッド１２ａ上に配置した後、電子部品１１のリード線１１ａの内の４辺の中央のリード線１１ａが高温成形半田１４の上に載るように配置し、電子部品１１とプリント基板１２とをリフロー半田付けする。
図２は、第１実施形態に係る電子装置Ａ１の製造方法の半田厚生成工程において高温成形半田１４が配置された箇所の半田付け前及び半田付け後の階層模式図である。なお、図２の（ａ）が、半田付け前の階層模式図であり、図２の（ｂ）が、半田付け後の階層模式図であり、図２の（ｃ）が、高温成形半田１４が配置されていない箇所の階層模式図である。

高温成形半田１４が配置された箇所では、リフロー半田付け前に、図２の（ａ）に示すように、下からパッド１２ａ、クリーム半田１３、高温成形半田１４、リード線１１ａという順番で積み重なっている。そして、リフロー半田付けすると、融点の高い高温成形半田１４は溶解せずに固体のまま残る為に、当該箇所では、図２の（ｂ）に示すように、高温成形半田１４が、溶解して凝固したクリーム半田１３の中に位置する。そして、高温成形半田１４が配置されていない箇所では、図２の（ｃ）に示すような階層になる。なお、高温成形半田（Ｐｂ９５／Ｓｎ５）１４を選択した理由は、クリーム半田１３の成分である共晶半田（Ｓｎ６３／Ｐｂ３７）の融点より高く、また半田濡れ性を有することで共晶半田と合金を形成することができる為である。
そして、このように半田付けした電子部品１１とプリント基板１２とを、電子装置Ａ１に搭載する。

半田厚生成工程では、上述した方法により、電子部品１１の４辺の中央のリード線１１ａで高温成形半田１４の高さ分に高温成形半田１４の上下に位置する半田分を足した半田厚を作り出すと共に４辺の中央以外のリード線１１ａでも高温成形半田１４の高さに高温成形半田１４の上下に位置する半田分を足した半田厚を作り出すことができる。

温度サイクル試験を実施すると、従来のものでは、３２サイクルで半田に破断が生じていた。しかしながら、第１実施形態に係る電子装置Ａ１では、１７０サイクル以上経過しても半田に破断が生じない。すなわち、電子装置Ａ１では、半田接合部に発生する応力が低減されている。

半田接合部に発生する応力について、図３を参照して説明する。
図３の（ａ）示すように、温度上昇で材質ｍ１と材質ｍ２とが膨張すると、材質ｍ１及び材質ｍ２の膨張した長さ（太矢印）の違いで半田に歪みが生じる。そして、この歪みは、半田の厚さＴｋに反比例する。すなわち、半田の厚さが厚くなるほど、歪みが小さくなり、半田の厚さが薄くなるほど、歪みは大きくなる。なお、歪みが小さいとは、元の長さからの変形量が小さいことを示し、歪みが大きいとは、元の長さからの変形量が大きいことを示す。

そして、例えば、図３の（ｂ）のように半田の厚さが（ａ）より薄い場合には、材質ｍ１及び材質ｍ２の膨張した長さが（ａ）と同じであっても、（ａ）よりも半田の歪みは大きくなる。
そして、歪みと応力とは比例関係（下記式（１）参照）にあるので、歪みが小さくなるほど、応力は低減される。したがって、半田の厚さが厚いほど応力は低減される。
（応力）＝（歪み）×（ヤング率） … （１）

以上のように、第１実施形態に係る電子装置Ａ１の製造方法では、半田厚生成工程において、プリント基板１２のパッド１２ａに塗ったクリーム半田１３の上に高温成形半田１４を配置し、その高温成形半田１４の上に電子部品１１のリード線１１ａを配置した状態でリフロー半田付けを行う。これにより、高温成形半田の高さ分に高温成形半田１４の上下に位置する半田分を足した半田厚を作り出すことができる。このように、電子装置Ａ１の製造方法によって電子装置Ａ１の半田を厚くすることで、温度変化が激しい環境下において、半田接合部に発生する応力を低減することができる。

以上、本発明の第１実施形態について説明したが、本発明は上記第１実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記第１実施形態に係る電子装置Ａ１の製造方法の半田厚生成工程では、ＱＦＰの電子部品の４辺の中央のリード線１１ａの半田内に高温成形半田１４を配置したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、各辺の両端のパッド１２ａの半田内に高温成形半田１４を配置するようにしてもよい。すなわち、電子部品１１全体が安定的に持ち上がるような位置に高温成形半田１４を配置するようにすればよい。

また、ディップ型の電子部品のように２辺にリード線が設けられているものを半田付けする場合には、ディップ型の電子部品全体が持ち上がるように２辺の両端のリード線または両端の少し内側の２箇所のリード線に高温成形半田を配置するようにしてもよい。
しかしながら、電子部品の各辺の中央に比べて、各辺の端の方が大きな応力が発生する為、高温成形半田１４を配置する場所は、電子部品１１の４辺の中央または中央近傍が望ましい。

（２）上記第１実施形態に係る電子装置Ａ１の製造方法の半田厚生成工程では、高温成形半田１４として「Ｐｂ９５／Ｓｎ５」のものを用いたが、本発明はこれに限定されない。
半田厚生成工程で使用する高温成形半田１４は、クリーム半田１３の成分である共晶半田（Ｓｎ６３／Ｐｂ３７）の融点より高く、また半田濡れ性を有するものであればよい為、例えばＰｂ９０/Ｓｎ１０でも同様の効果を期待できる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る電子装置Ａ２及び当該電子装置Ａ２の製造方法について、説明する。
第２実施形態に係る電子装置Ａ２の製造方法は、第１実施形態と同様に、ＱＦＰの電子部品２１をプリント基板２２に半田付けすることで電子装置Ａ２を製造する方法であり、半田厚生成工程を備える。

図４は、第２実施形態に係る電子装置Ａ２の製造方法の半田厚生成工程における電子部品２１及びプリント基板２２を示す模式図と、半田付け前の電子部品２１の四隅の階層模式図である。なお、図４の（ａ）がプリント基板２２を示す模式図であり、図４の（ｂ）が、半田付け前の電子部品２１の四隅の階層模式図である。

半田厚生成工程では、図４の（ａ）に示すプリント基板２２上の四隅のパッド２２ａ（８パッド）にクリーム半田（Ｓｎ６３／Ｐｂ３７、融点１８３度）２３が印刷されないようにクリーム半田２３を印刷する。そして、クリーム半田２３が印刷されていない四隅のパッド２２ａにカプトンシート２４を被せ、カプトンシート２４が動かないように固定し、その上に電子部品２１を配置する。この際、図４の（ｂ）に示すように、電子部品２１の四隅では、下からパッド２２ａ、カプトンシート２４、リード線２１ａという順番で積み重なっている。

この状態で、電子部品２１とプリント基板２２とをリフロー半田付けする。半田付け後、カプトンシート２４を取り除き、カプトンシート２４が配置されていた半田付けされていない電子部品２１の四隅のリード線２１ａを手半田付けで半田付けを行う。なお、カプトンシート２４を選択した理由は、リフロー半田付けにおいて熱による形状変化がほとんどない為である。
そして、このように半田付けした電子部品２１とプリント基板２２とを、電子装置Ａ２に搭載する。

温度サイクル試験を実施すると、従来のものでは、３２サイクルで半田に破断が生じていた。しかしながら、第２実施形態に係る電子装置Ａ２でも、第１実施形態に係る電子装置Ａ１と同様に、１７０サイクル以上経過しても半田に破断が生じない。すなわち、電子装置Ａ２でも、半田接合部に発生する応力が低減されている。

以上のように、第２実施形態に係る電子装置Ａ２の製造方法では、半田厚生成工程において、四隅以外のパッド２２ａにクリーム半田２３を塗り、四隅のパッド２２ａ上にカプトンシートを載せた上で電子部品２１を配置することで、電子部品２１全体を持ち上げる。そして、その状態でリフロー半田付けを行う。半田付け後に、カプトンシート２４を取り除き、電子部品２１の四隅のリード線２１ａとパッド２２ａとを半田付けする。これにより、カプトンシート２４の厚さ分の半田厚を作り出すことができる。このように、電子装置Ａ２の製造方法によって半田の厚さを厚くすることで、温度変化が激しい環境下において、半田接合部に発生する応力を低減することができる。

以上、本発明の第２実施形態について説明したが、本発明は上記第２実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記第２実施形態に係る電子装置Ａ２の製造方法の半田厚生成工程では、ＱＦＰの電子部品２１の四隅のリード線２１ａの下にカプトンシート２４を配置したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、４辺のパッド２２ａの中央部にカプトンシート２４を配置して、電子部品２１の四隅のリード線２１ａを半田付けした後に、カプトンシート２４を取り除き、電子部品２１の４辺の中央のリード線２１ａを半田付けするようにしてもよい。

また、４辺のパッド２２ａに限らず、電子部品２１のパッケージ部分の下に位置するプリント基板２２上にカプトンシート２４を配置して、４辺の全てのリード線２１ａを一度で半田付けするようにしてもよい。すなわち、電子部品２１全体が安定的に持ち上がるような位置にカプトンシート２４を配置するようにすればよい。ただしこの場合は半田付けした後にカプトンシートが残存する。また、電子部品２１の四隅でパッド２２ａと重ならない位置にカプトンシート２４を配置してもよい。

また、ディップ型の電子部品のように２辺にリード線が設けられているものは、電子部品のパッケージの下に位置するプリント基板２２上に、カプトンシートを配置して、２辺の全てのリード線を半田付けするようにしてもよい。

（２）上記第２実施形態に係る電子装置Ａ２の製造方法の半田厚生成工程では、電子部品２１の下にカプトンシート２４を配置したが、本発明ではこれに限定されない。
カプトンシート２４のようにリフロー半田付けにおいて熱による形状変化がほとんどないものであれば、他のものをカプトンシート２４の代わりに使用しても同様の効果を期待できる。

（３）上記第２実施形態に係る電子装置Ａ２の製造方法の半田厚生成工程では、電子部品２１の下にカプトンシート２４を配置した状態で、リフロー半田付けを行ったが本発明はこれに限定されない。
リフロー半田付けではなく、電子部品２１の下にカプトンシート２４を配置した状態でも、リフロー半田付け以外の方法による半田付けにてリード線２１ａを接合するようようにしてもよい。

Ａ１，Ａ２…電子装置、１１…電子部品、１１ａ…リード線、１２…プリント基板、１２ａ…パッド、１３…クリーム半田、１４…高温成形半田、２１…電子部品、２１ａ…リード線、２２…プリント基板、２２ａ…パッド、２３…クリーム半田、２４…カプトンシート

Claims (7)

1. 電子部品がプリント基板に半田付けされている電子装置の製造方法であって、
   前記電子部品と前記プリント基板との間に台材を配置して半田付けすることで、前記半田の厚さを作り出す半田厚生成工程を
   具備することを特徴とする特徴とする電子装置の製造方法。
2. 前記半田厚生成工程において、前記台材は半田濡れ性を有すると共にリフロー半田付けで溶解しないものであり、前記プリント基板上に塗ったクリーム半田の上に前記台材を配置し、前記台材の上に前記電子部品のリード線を配置してリフロー半田付けすることを特徴とする請求項１に記載の電子装置の製造方法。
3. 前記半田厚生成工程において、前記台材は、リフロー半田付けの温度より高い融点を持つ半田を成形したものであることを特徴とする請求項２に記載の電子装置の製造方法。
4. 前記半田厚生成工程において、前記電子部品の所定のリード線とプリント基板との間に台材を配置することで前記電子部品全体を持ち上げ、台材の配置されていないリード線を半田付けし、前記台材を取り除いた後に、前記台材が配置されていたリード線を半田付けすることを特徴とする請求項１に記載の電子装置の製造方法。
5. 電子部品がプリント基板に半田付けされている電子装置であって、
   前記電子部品と前記プリント基板との間に台材が配置されて半田付けされていることを特徴とする電子装置。
6. 前記電子部品のリード線とプリント基板とを接合する半田の中に、半田濡れ性を有すると共に半田付けで溶解しない前記台材が配置されることを特徴とする請求項５に記載の電子装置。
7. 前記台材は、リフロー半田付けの温度より高い融点を持つ半田を成形したものであることを特徴とする請求項６に記載の電子装置。
   

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