JP2011091227A - 電子部品の回路基板への実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 品質が安定したハンダ付けを行うことができると共に、電子部品の特性の劣化を抑制する。
【解決手段】
絶縁層１と絶縁層１の表面に形成された回路パターン４とを具備する回路基板６に電子部品８を表面実装し、電子部品８が表面実装された回路基板６の絶縁層１裏面を加熱溶融して回路基板６を放熱器に溶着させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品の回路基板への実装方法に関し、特に、放熱器一体型の回路基板に電子部品を実装する技術に関する。

電子部品が稼働中に熱を発生する場合、その電子部品が実装された回路基板に放熱器の一種であるヒートシンクを装着して、回路基板の裏面からヒートシンクを通じて大気中に熱を逃がすという放熱構造が採用される。従来、回路基板とヒートシンクとの密着性を高めるために、シリコーンを基材とした放熱シートを挟むことが行われている。ところが、放熱シートの熱伝導率はそれほど高くないので、電子部品を高密度に実装した場合には放熱特性が十分ではないという問題がある。また、放熱シートは高価であり、製品の価格を押し上げる要因となるため、可能ならば利用しないほうが望ましい。

そこで、回路基板、放熱シート、ヒートシンクという３層構造ではなく、新たな構造が検討されている。その代表例として、ヒートシンク一体型の回路基板がある（例えば、特許文献１参照）。これは、ヒートシンクの表面に絶縁層が形成され、この絶縁層の表面に回路パターンが形成され、絶縁層における回路パターンのランドを除く領域を覆うレジストが形成されたものである。この構造によれば、絶縁層とヒートシンクとが直接接触しているため、放熱シートを挟んだ構造よりも熱抵抗が小さくなり優れた放熱特性を発揮できる。

特開平８−２０４２９４号公報

しかしながら、放熱器一体型の回路基板は、優れた放熱特性を発揮できるものの、電子部品を実装するときに以下のような課題が生じる。
第１に、放熱器が大型（例えば、１辺が２０センチメートルの立方体）の場合に、ランドに塗布されたハンダをその溶融温度の摂氏２２０度まで短時間に上昇させることが難しく、結果として、品質が安定したハンダ付けを行うことができない。

第２に、ハンダを溶融させるための加熱を終了してからも、しばらくの間は放熱器が熱を保持しているため、回路基板に実装された電子部品に熱ストレスを与え、電子部品の特性を劣化させる場合がある。
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、品質が安定したハンダ付けを行うことができると共に、電子部品の特性の劣化を抑制することができる技術を提供することを目的とする。

本発明に係る電子部品の回路基板への実装方法は、絶縁層と当該絶縁層の表面に形成された回路パターンとを具備する回路基板に電子部品を表面実装し、前記電子部品が表面実装された回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融して前記回路基板を放熱器に溶着させる。

上記構成によれば、電子部品を回路基板に表面実装する時点では、放熱器が回路基板に装着されていないので、一般的なリフロー装置等を用いて品質が安定したハンダ付けを行うことができると共に、電子部品の特性の劣化を抑制することができる。しかも、完成品としては、放熱器と回路基板とが溶着されて一体となっているので、優れた放熱特性を発揮することができる。

また、前記電子部品が表面実装された回路基板を放熱器上に配置してから前記回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融することとしてもよい。
上記構成によれば、回路基板を放熱器上に配置してから絶縁層裏面を加熱溶融するので、絶縁層裏面を加熱溶融してから放熱器上に配置する場合に比べて、位置合わせが容易である。

また、さらに、前記電子部品が表面実装された回路基板が前記放熱器に押さえ付けられた状態で、前記回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融することとしてもよい。
上記構成によれば、回路基板が放熱器に押さえ付けられた状態で加熱溶融されるので、回路基板の自重だけがかかる場合に比べて、回路基板と放熱器との密着性を高めることができ、その結果、回路基板の放熱特性をより高めることができる。

また、さらに、前記放熱器を振動させた状態で前記回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融することとしてもよい。
上記構成によれば、回路基板と放熱器とを溶着するときに放熱器を振動させるので、回路基板と放熱器との接合面にできたボイドを逃がすことができる。従って、回路基板と放熱器との密着性を高めることができ、その結果、回路基板の放熱特性をより高めることができる。

また、前記回路基板に超音波またはマイクロ波を与えることにより、前記回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融することとしてもよい。
上記構成によれば、必要な箇所に選択的な加熱が可能になるため、溶着の際に電子部品への加熱を極力防止でき、電子部品の特性の劣化をさらに抑制することができる。
また、さらに、前記電子部品が表面実装された回路基板を予熱してから当該回路基板を放熱器上に配置することとしてもよい。これにより、回路基板に柔軟性を持たせることができ、放熱器上に配置したときの衝撃でクラックが生じたり割れたりすることを防止することができる。また、高温にさらす時間を短くすることによって、電子部品への熱ストレスを低減する効果もある。

また、乾燥または反応により硬化する材料を未硬化または半硬化の状態で含有する絶縁層と当該絶縁層の表面に形成された回路パターンとを具備する回路基板に電子部品を表面実装し、前記電子部品が表面実装された回路基板を放熱器上に配置し、前記絶縁層に含有された材料を反応させることにより前記回路基板を放熱器に固着することとしてもよい。
上記構成によれば、電子部品を回路基板に表面実装する時点では、放熱器が回路基板に装着されていないので、一般的なリフロー装置等を用いて品質が安定したハンダ付けを行うことができると共に、電子部品の特性の劣化を抑制することができる。しかも、完成品としては、放熱器と回路基板とが固着されて一体となっているので、優れた放熱特性を発揮することができる。

本発明の実施形態に係る実装方法の一部工程を説明するための図 電子部品が表面実装された回路基板の平面図 本発明の実施形態に係る実装方法の一部工程を説明するための図 ヒートシンク一体型の回路基板の構成を示す図 本発明の実施形態に係る実装方法の一部工程を説明するための図 本発明の実施形態に係る実装方法の一部工程を説明するための図 潜熱を利用した放熱器一体型の回路基板の構成を示す図

本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る実装方法の一部工程を説明するための図である。ここでは、回路基板を形成し、その回路基板に電子部品を表面実装する工程が示されている。
まず、回路基板を構成する絶縁層１を形成する（図１（ａ））。絶縁層１は、例えば、プリプレグを積層し、これを加熱加圧することにより形成することができる。絶縁層の厚みは、１００［μｍ］から５００［μｍ］程度である。絶縁能力が絶縁層の厚みに比例するため、必要な絶縁能力に応じた厚みとしてある。プリプレグを構成する基材としては、例えば、ガラス等の無機繊維、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリル、ポリイミド等の合成樹脂繊維、あるいは、木綿等の天然繊維の織布、不織布、紙等が挙げられる。また、プリプレグを構成する樹脂としては、例えば、熱可塑性樹脂が挙げられる。

次に、絶縁層１の表面に回路パターン４を形成する（図１（ｂ））。図１（ｂ）は、図１（ａ）の破線２で示す領域を拡大したものである。以降、図１（ｃ），（ｄ）も同様である。絶縁層１の厚みは１００［μｍ］から５００［μｍ］程度と薄いため、絶縁層１への加工は基台３（例えば、ベーク板）に載置されて作業される。回路パターン４は、例えば、金属ペースト（銅ペースト、銀ペーストなど）を絶縁層１の表面に所定のパターンで塗布する、あるいは、金属箔（銅箔など）を絶縁層１の表面に貼着して所定パターンにエッチングすることにより形成することができる。

次に、絶縁層１の表面を、回路パターン４のランドを除きレジスト５で覆う（図１（ｃ））。これにより、絶縁層１とその表面に形成された回路パターン４とを具備する回路基板６が形成される。
次に、回路基板６に電子部品８を表面実装する（図１（ｄ））。表面実装は、回路パターン４のランドにクリームハンダ７を塗布し、電子部品８のリード１１がランドに接触された状態で、クリームハンダ７を加熱溶融させることにより実施される。加熱溶融は、リフロー装置を使う方法が一般的であるが、これに限るものではない。ここでは、電子部品８は、ＬＥＤチップであり、ＬＥＤ素子がケース９内に配置され、レンズ１０で覆われた構造を有する。ＬＥＤチップは、稼動中に多大な熱を発生する電子部品の代表例である。このような電子部品を実装する回路基板には優れた放熱特性が要求される。図２に、電子部品が表面実装された回路基板の平面図を示す。回路基板６には、２７個の電子部品８が実装されている。

図３は、本発明の実施形態に係る実装方法の一部工程を説明するための図である。ここでは、電子部品が表面実装された回路基板をヒートシンクに溶着する工程が示されている。
まず、基台１３上にヒートシンク１４を配置し、ヒートシンク１４上に電子部品８が表面実装された回路基板６を配置する。その状態で、回路基板６の絶縁層１の裏面を加熱溶融して回路基板６をヒートシンク１４に溶着させる。溶着は、例えば、超音波溶着装置のホーン１５を回路基板６の表面側から押さえ付けることにより実施することができる。超音波溶着装置による加熱は、絶縁層１のヒートシンク１４との界面部分だけを短時間で加熱するものなので、電子部品に与える熱ダメージが少ない。また、ホーン１５で回路基板６をヒートシンク１４に押さえ付けた状態で溶着することにより、回路基板６の自重だけがかかる状態で溶着するよりも回路基板６とヒートシンク１４との密着性を高めることができ、その結果、回路基板の放熱特性をより高めることができる。もちろん、回路基板６を押さえ付けずに、回路基板６の自重だけがかかるような状態で溶着しても構わない。

超音波融着装置は、市販のものを利用することができ、ホーン１５の形状だけをカスタマイズすればよい。図３では、ホーン１５が回路基板６の一箇所を溶着するような形状であるが、これに限らず、複数箇所を同時に溶着するような形状であってもよい。複数箇所を同時に溶着することで、溶着工程に要する時間を短縮することができる。
図４に、本発明の実施形態に係る実装方法を用いて形成されたヒートシンク一体型の回路基板の構成を示す。ヒートシンク一体型の回路基板１６は、ヒートシンク１４と、その上に溶着された回路基板６と、その表面に表面実装された電子部品８とから構成される。

本実施形態によれば、電子部品８を回路基板６に表面実装する時点では、ヒートシンク１４が回路基板６に装着されていない。従って、一般的なリフロー装置等を用いて品質が安定したハンダ付けを行うことができると共に、電子部品８の特性の劣化を抑制することができる。しかも、完成品としては、ヒートシンク１４と回路基板６とが溶着されて一体となっているので、優れた放熱特性を発揮することができる。

また、従来のヒートシンク一体型の回路基板は、ヒートシンクの表面に絶縁層（プリプレグ）を載置し、絶縁層全体を加熱加圧することにより形成されている。このように絶縁層全体を加熱加圧する方法では、絶縁層に電子部品を実装してからその絶縁層をヒートシンクに固着しようとすると、電子部品が高温および高圧力に晒されてしまう。これに対し、本実施形態では、絶縁層を局部的に加熱しているので、電子部品が高温および高圧力に晒されることなく絶縁層をヒートシンクに固着することができる。

以上、本発明に係る電子部品の回路基板への実装方法について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、超音波加熱装置を利用しているが、マイクロ波加熱装置を利用して回路基板６をヒートシンク１４に溶着することとしてもよい。この場合、マイクロ波加熱装置の加熱室内に回路基板６が配置されたヒートシンク１４を収容し、その後、それらにマイクロ波を照射することとなる。マイクロ波は、回路基板６の絶縁層１だけでなく、それに表面実装された電子部品にも照射されるため、絶縁層１に含まれる樹脂の種類と電子部品に用いられている樹脂の種類とが同じであれば、両方が加熱されてしまう。そこで、絶縁層１に含まれる樹脂の種類と電子部品に用いられている樹脂の種類とを異ならせ、マイクロ波の照射により絶縁層１だけを選択的に加熱溶融することとするのが好ましい。これにより、超音波加熱装置を利用した場合と同様の効果を得ることができる。

また、マイクロ波加熱装置を利用する場合も、回路基板６をヒートシンク１４に押さえ付けた状態で溶着することにより、回路基板６とヒートシンク１４との密着性を高めることができる。回路基板６を押さえ付けるのは、回路基板６の表面上の電子部品８を除く領域を押さえ付ける治具等を用いたり、回路基板６の表面に高圧の温風を当てたりすることにより行うことができる。
（２）また、超音波溶着装置やマイクロ波加熱装置と併用して、電子部品に熱ダメージを与えない程度にＩＨ（Induction Heating）ヒータや電熱器でヒートシンクを加熱することとしてもよい。これにより回路基板のヒートシンクへの溶着を促進することができ、溶着工程に要する時間を短縮することができる。ヒートシンクの加熱は、例えば、基台１３にＩＨヒータや電熱器を内蔵させることにより実施することができる。なお、電子部品に熱ダメージを与えない程度の温度は、電子部品に用いられている樹脂の種類に依存する。ＬＥＤチップの場合、レンズ１０がアクリル樹脂で成型されていることが多く、その場合、電子部品に熱ダメージを与えない程度の温度は、摂氏１００度以下となる。
（３）また、図５に示すように、回路基板６およびヒートシンク１４を水平方向に振動させた状態で溶着することとしてもよい。これは、例えば、市販の振動発生装置の振動台１７にヒートシンク１４を固定し、その上に回路基板６を仮止めし、その後、振動台１７を水平方向に振動させながらホーン１５を回路基板６の表面に押さえ付けることにより実施することができる。なお、ホーン１５は、振動台１７と同期して水平方向に振動することが好ましい。これは、例えば、超音波加熱装置の一部または全部を振動台１７上に設置することにより実現することができる。このように、回路基板６とヒートシンク１４とを振動させると、回路基板６とヒートシンク１４との接合面にできたボイドを逃がすことができる。従って、回路基板６とヒートシンク１４との密着性を高めることができ、その結果、回路基板の放熱特性をより高めることができる。
（４）また、回路基板６をヒートシンク１４上に配置する前に、回路基板６を予熱しておくこととしてもよい。回路基板６は、１００［μｍ］から５００［μｍ］程度と薄いため、ヒートシンク１４上に配置したときの衝撃でクラックが発生したり割れたりしてしまうおそれがある。そこで、回路基板６を予熱して回路基板６にある程度の柔軟性を持たせておくことで、クラックが発生したり割れたりすることを防止することができる。また、高温にさらす時間を短くすることによって、電子部品への熱ストレスを低減する効果もある。なお、回路基板６の予熱は、電子部品８の熱ダメージを与えない程度（例えば、摂氏１００度以下）とするのが好ましい。
（５）上記実施形態では、回路基板６をヒートシンク１４上に配置してから回路基板６を加熱溶融しているが、本発明はこれに限らず、回路基板６の絶縁層裏面を加熱溶融してからヒートシンク１４上に配置することにより、回路基板６をヒートシンク１４に溶着することとしてもよい。
（６）上記実施形態では、回路基板６をそのままヒートシンク１４上に配置しているが、本発明は、これに限らない。

例えば、回路基板６とヒートシンク１４との間に絶縁層１を構成するプリプレグと同じプリプレグを１枚または複数枚挟み、その後、回路基板６とヒートシンク１４とを加熱加圧することにより、回路基板６とヒートシンク１４とを溶着することとしてもよい。このような形態でも、ヒートシンク１４と回路基板６とが一体となるので、優れた放熱特性を発揮することができる。

また、回路基板６の裏面に溶媒を塗布することにより絶縁層１を構成する樹脂の一部を溶かし、その後、回路基板６をヒートシンク１４上に配置することとしてもよい。これにより、回路基板６とヒートシンク１４の溶着を促進することができる。
（７）また、回路基板とヒートシンクとの固着は、以下の工程を経ることとしてもよい。
図６は、本発明の実施形態に係る実装方法の一部の工程を説明するための図である。図６には、電子部品が表面実装された回路基板をヒートシンクに固着する工程が示されている。

絶縁層１８は、プリプレグを構成する基材（ガラス繊維等）に、乾燥または反応により硬化する材料を含浸させたものである。乾燥により硬化する材料とは、例えば、乾燥固化型の接着剤などである。また、反応により硬化する材料とは、例えば、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、粒子線硬化性樹脂およびエネルギー線硬化性樹脂などである。また、反応性ホットメルトなども利用可能である。ここでは２液性（主剤および硬化剤）の熱硬化性樹脂を用いて説明する。絶縁層１８には、主剤のみが含浸されている。硬化剤が含浸されていないので、主剤は未硬化または半硬化の状態に維持される。

次に、絶縁層１８の裏面に硬化剤１９を塗布し（図６（ａ））、絶縁層１８をヒートシンク１４上に配置する（図６（ｂ））。
次に、絶縁層１８およびヒートシンク１４を加熱することにより主剤と硬化剤とを反応させ、これらを硬化させる。このとき、絶縁層１８とヒートシンク１４とを固着することができる。

上記構成によれば、電子部品を回路基板に表面実装する時点では、ヒートシンクが回路基板に装着されていないので、品質が安定したハンダ付けを行うことができると共に、電子部品の特性の劣化を抑制することができる。しかも、完成品としては、ヒートシンクと回路基板とが固着されて一体となっているので、優れた放熱特性を発揮することができる。

また、上記構成によれば、熱硬化性樹脂を採用する場合を除き、電子部品が実装された絶縁層を高温に晒すことなくヒートシンクに固着することができる。熱硬化性樹脂を採用した場合でも、材料等の選択により、電子部品に熱ダメージを与えない程度の温度および加熱時間に抑えることができる。
なお、図６（ａ）では、硬化剤１９を絶縁層１８の裏面に塗布しているが、回路基板とヒートシンクとの間に硬化剤１９が挟まるように配置できれば、本発明はこれに限らない。例えば、ヒートシンク１４の上面に硬化剤１９を塗布し、その上に回路基板を配置することとしてもよい。また、２液性だけでなく、１液性または３液性の材料を採用することとしてもよい。
（８）実施形態では、放熱器として空冷式の放熱器であるヒートシンクを採用しているが、本発明はこれに限らない。例えば、潜熱を利用した放熱器を採用することとしてもよい。図７に、潜熱を利用した放熱器が一体化された回路基板２０の構成を示す。回路基板６は放熱器２１の上面に溶着されている。放熱器２１は、密閉容器２２内に冷媒２３が封入されたものである。密閉容器２２は、熱伝導性を高くするために銅またはアルミニウムなどの金属材料からなる。冷媒２３は、１種類の液体または沸点の異なる２種類以上の液体の混合液である。

回路基板６に実装された電子部品８が動作すると、放熱器２１における回路基板６近傍が高温部となり、それ以外の部分が低温部となる。これにより、密閉容器２２内では、冷媒２３が高温部近傍で気化し、気化された冷媒２３が低温部近傍で液化するというサイクルが繰り返される。放熱器２１は、この気化および液化を利用することにより、ヒートシンクに比べて放熱効率を高めたものである。

このように、放熱器２１は、ヒートシンクに比べて放熱効率が高いので、サイズを小さくすることができる。したがって、回路基板６を放熱器２１に溶着させる際の作業性を高めることができる。また、ヒートシンクには鋭利なフィンが多数設けられているが、放熱器２１にはフィンが設けられない。したがって、回路基板６を放熱器２１に溶着させる際の作業の安全性を高めることができる。

本発明は、種々の電気機器に使用される回路基板に利用可能である。

１ 絶縁層
３ 基台
４ 回路パターン
５ レジスト
６ 回路基板
７ クリームハンダ
８ 電子部品
９ ケース
１０ レンズ
１１ リード
１３ 基台
１４ ヒートシンク
１５ ホーン
１６ ヒートシンク一体型の回路基板
１７ 振動発生装置の振動台
１８ 絶縁層
１９ 硬化剤
２０ 潜熱を利用した放熱器一体型の回路基板
２１ 潜熱を利用した放熱器
２２ 密閉容器
２３ 冷媒

Claims (9)

1. 絶縁層と当該絶縁層の表面に形成された回路パターンとを具備する回路基板に電子部品を表面実装し、前記電子部品が表面実装された回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融して前記回路基板を放熱器に溶着させることを特徴とする電子部品の回路基板への実装方法。
2. 前記電子部品が表面実装された回路基板を放熱器上に配置してから前記回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融することを特徴とする請求項１に記載の電子部品の回路基板への実装方法。
3. さらに、前記電子部品が表面実装された回路基板が前記放熱器に押さえ付けられた状態で、前記回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融することを特徴とする請求項２に記載の電子部品の回路基板への実装方法。
4. さらに、前記放熱器を振動させた状態で前記回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融することを特徴とする請求項３に記載の電子部品の回路基板への実装方法。
5. 前記回路基板に超音波またはマイクロ波を与えることにより、前記回路基板の絶縁層裏面を加熱溶融することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の電子部品の回路基板への実装方法。
6. さらに、前記電子部品が表面実装された回路基板を予熱してから当該回路基板を放熱器上に配置することを特徴とする請求項２に記載の電子部品の回路基板への実装方法。
7. 乾燥または反応により硬化する材料を未硬化または半硬化の状態で含有する絶縁層と当該絶縁層の表面に形成された回路パターンとを具備する回路基板に電子部品を表面実装し、前記電子部品が表面実装された回路基板を放熱器上に配置し、前記絶縁層に含有された材料を反応させることにより前記回路基板を放熱器に固着する電子部品の回路基板への実装方法。
8. 前記反応により硬化する材料は、複数の材料の混合を要するものであり、前記絶縁層は、前記複数の材料を一部の材料を除いて含有することにより未硬化または半硬化の状態に維持されており、前記絶縁層と放熱器との間に前記一部の材料が挟まれるように前記回路基板を放熱器上に配置することを特徴とする請求項７に記載の電子部品の回路基板への実装方法。
9. 前記放熱器は、ヒートシンクまたは潜熱を利用した放熱器であることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の電子部品の回路基板への実装方法。

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