JP2012004590A - 車載用電子回路装置の製造方法または電子回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品と回路基板をはんだ接続するとき、部品寸法やめっき寸法ばらつき、基板電極寸法ばらつき，製造条件ばらつきによってはんだ厚さが変動し、はんだ接続寿命をばらつかせる要因となっている。
【解決手段】本発明は、回路基板２上のソルダーレジスト４，基板電極２ａ，シルクインク５、またはこれらの組合せによって回路基板２上に電子部品１を当接させるための凸部２ｂを設けている。これにより、回路基板２と電子部品１との間の間隔のばらつきを減少させることができるので、はんだ層３の厚さのばらつきを減少できる。従って、はんだ接続寿命のばらつきを減少させ、安定化することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車載用電子回路装置に関し、特に電子部品と回路基板との間のはんだ接続の信頼性を向上する実装構造に関する。

自動車用エンジン制御装置等に用いる車載用電子回路装置では、電子部品とこれら電子部品を実装する回路基板を、主にはんだによって電気的に接続する。一方、これら車載用電子回路装置およびはんだ接続部には、長期間の熱サイクルや振動による疲労に耐える、高い信頼性が求められる。はんだ接続部は、電子回路装置が正常に作動するためには断線しないことが必須であり、特に高い接続信頼性を求められる。

はんだ接続寿命は、主に、接続される部材間の線膨張係数（α）の差に大きく影響される。従って、例えば、ガラスエポキシ基板（例：α≒１３）とセラミック（アルミナ、α≒７）抵抗のように、線膨張係数の異なる異種材を接合する場合に低寿命となりやすい。これに比べて、例えばセラミック基板へセラミック抵抗を実装する場合は、ガラスエポキシ基板を用いる場合よりも寿命向上を期待できる。

一方で、製品の競争力を考えると、コスト的に有利なガラスエポキシ基板へ、小面積で生産性の高いセラミック抵抗やコンデンサを実装したい。このような背景より、はんだ接続寿命を向上する実装方法が求められている。このような線膨張係数が異なる異種材間のはんだ接続寿命を向上する為のはんだ付け方法として、例えば、電子部品の電極の形状に特徴を持たせ、熱サイクルによってはんだに生じる歪みを低減する方法がある（特許文献１）。

特開２００５−１８３４６８号公報

図５に、はんだ厚さとはんだ接続寿命の一般的な関係を示す。はんだ厚さを増すと、はんだ層に生じる歪みが低減でき、従って、接続寿命を向上できる。上記従来技術では、はんだ層を厚くすることによって歪みの集中を小さくし、接続寿命を向上している。

なお、図５の実線部は、はんだ厚さの増加に伴い、はんだ接続寿命が向上することを示している。図５の破線部は、はんだ厚さがある値以上になると、はんだ接続寿命は飽和すると予想されることを示している。ここで、はんだ厚さとはんだ接続寿命の関係は、対象とする電子部品の材質や寸法，回路基板の材質，基板側電極の寸法，はんだフィレット形状、等により異なるため、図５では定性的な図示に留める。一例として、はんだ厚さを
２.５倍にすることで、はんだ接続寿命を約１.５倍にできる計算結果を得た。このように、一般的には、はんだ層を厚くすることによってはんだに生じる歪みを低減でき、従って、はんだ接続寿命を向上できる。

しかし、現実の製造工程においては、製造上のさまざまな要因により、はんだ層の厚さにはばらつきが生じる。例えば、車載用電子回路装置の電子部品実装工程では、概ね(１)はんだペーストの印刷、（２）電子部品の搭載、（３）リフロー炉によるはんだ接続、の工程を経ることになるが、各工程において、［１］部品寸法およびめっき寸法のばらつき、［２］回路基板の電極（ランド）寸法ばらつき、［３］リフロー条件の変動、等によるはんだ層の厚さの変動が生じる。従って、特別な対策無しには、はんだ層の厚さを一定の範囲内に保つことは困難であり、結果的に、はんだ接続寿命をばらつかせる要因となる。上記従来技術では、この課題について特段の工夫がなされていない。

そこで本発明は、上記の課題に対し、はんだ層の厚さのばらつきを縮小する実装方法および回路基板を提供することを目的とする。

回路基板に電子部品を当接させる凸部を設け、回路基板に設けられた基板電極と電子部品に設けられた部品電極との間隔を当該凸部の高さに合わせる。具体的には、回路基板と、前記回路基板に搭載される電子部品と、前記回路基板に設けられた基板電極と前記電子部品に設けられた部品電極とを電気的に接続するはんだ層とを備えた車載用電子回路装置において、前記回路基板の前記電子部品が搭載される部位に当該電子部品に当接する凸部を設け、さらに当該凸部の高さを前記基板電極より高く構成する。この凸部は回路基板上のソルダーレジスト，Ｃｕランド，シルクインク、またはこれらの組合せによって設けることができる。また当該凸部は、回路基板へ凹みを設け、回路基板の電極を凹み内に設けることによっても形成することが出来る。

回路基板に設けられた基板電極と電子部品に設けられた部品電極との間隔のばらつき、即ち、はんだ層の厚さのばらつきが、凸部の製造公差の範囲に押さえられる。従って、従来技術よりもはんだ層の厚さのばらつきが小さくなり、はんだ接続寿命のばらつきが低減される。

本発明の第一の実施例にかかる車載用電子回路装置の断面図。 本発明の第二の実施例にかかる車載用電子回路装置の断面図。 本発明の第三の実施例にかかる車載用電子回路装置の断面図。 本発明の第四の実施例にかかる車載用電子回路装置の断面図。 はんだ厚さとはんだ接続寿命の一般的な関係を示すグラフ。

以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。

図１に第１の実施例を示す。図１は、電子部品１を回路基板２に、はんだ層３で接続した電子回路装置の断面模式図である。

電子部品１の具体例にはセラミック抵抗やセラミックコンデンサ等がある。回路基板２の具体例には、ガラスエポキシ基板やセラミック基板等がある。はんだ層３の具体例には共晶はんだ，Ｐｂフリーはんだ等がある。本発明は、これら部材の組合せに関係なく広く適用可能であるが、特に、ガラスエポキシ基板とセラミック抵抗やセラミックコンデンサのように、線膨張係数の差が大きい場合に有効である。

電子部品１の両端には部品電極１ａが形成されている。部品電極１ａは主にＳｎ（錫）系のめっきである。回路基板２には、部品電極１ａに対抗する位置に基板電極（ランド）２ａが、またこれら基板電極の中間的な位置に凸部２ｂが形成されている。基板電極２ａ，凸部２ｂの材料は主にＣｕ（銅）である。回路基板２の表面には、基板電極２ａおよびその周囲を除いて、ソルダーレジスト４が塗布されている。

回路基板２に設けた凸部２ｂは、他のランドや回路と電気的に接続されていない、独立したランドである。この凸部２ｂを覆うようにソルダーレジスト４を塗布し、さらにソルダーレジスト４の上にシルクインク５を塗布することによって、電子部品１を当接させる凸部５ｂを構成する。凸部５ｂの高さは、凸部２ｂの高さにソルダーレジスト４およびシルクインク５の厚さに相当する高さを加えたものとなる。

ここで、ソルダーレジスト４の厚さは、印刷時のマスク厚、またはスプレー量によって所定の厚さに調整でき、シルクインク５の厚さは印刷時のマスク厚によって調整できるので、凸部５ｂの高さは凸部２ｂの高さのばらつきの範囲内に制限できる。従って、この凸部５ｂに電子部品１を当接させた状態ではんだ付けを行うことで、はんだ層３の厚さのばらつきを凸部２ｂの高さばらつきの範囲内に制限できる。このようにはんだ層３の厚さを所定の範囲内とすることで、はんだ接続寿命のばらつきを縮小することができる。なお図１に示すように、凸部５ｂの上面は平面状とすることが望ましい。

なお、ソルダーレジスト４及びシルクインク５の厚さ構成の一例として、ソルダーレジスト：５ミクロン，シルクインク：２０ミクロンとした場合、ソルダーレジスト４およびシルクインク５によって２５ミクロンの凸部を形成できる。

図２は、回路基板２上に形成する凸部２ｂを複数設けた例である。凸部２ｂを複数にすることによって、電子部品１が傾くことを防止できる。凸部２ｂが一つである場合、電子部品１が傾く恐れがある。電子部品１が傾いてしまうと、基板電極２ａと部品電極１ａとの間の距離が場所によって異なってしまうため、その間のはんだ層３の厚さが場所によってばらつき、はんだ接続寿命のばらつきを増大させる可能性がある。具体的には、図１の例であれば電子部品１の右側のはんだの厚さと左側のはんだ層３の厚さとが異なってしまう。さらに、電子部品１が大きく傾いてしまうと、部品電極１ａと基板電極２ａの電気的接続を確保できない恐れもある。従って、凸部２ｂを一つしか設けない場合は、製造工程において電子部品１が傾かないように、細心の注意を払う必要がある。

これに対し本実施例では、凸部２ｂを複数とし、電子部品１の傾きを防ぐ構成とした。これにより、実施例１に比べて製造工程において電子部品１を傾かないように保持することが容易となり、電子部品１の両端の部品電極１ａと各々に対応する基板電極２ａの間に形成されるはんだ層３の厚さをより均一にできる。従って、はんだ接続寿命のばらつきを縮小することができる。

複数の凸部２ｂを設ける場合は、各凸部間の高さばらつきによる傾きを防止するために、必要最小数（２箇所）にすることが望ましいが、３箇所以上であってもよい。

図３に第３の実施例を示す。本実施例は、凸部の高さをより厳密に制限したい場合、または、はんだ接続信頼性と放熱性を両立させたい場合に有効である。

実施例１では、凸部２ｂの高さを他の基板電極２ａと同等としているため、はんだ層３の厚さは事実上ソルダーレジスト４とシルクインク５の厚さによって規定されている。これに対し本実施例では、図３に示すように、回路基板２に形成する凸部２ｂを基板電極２ａよりも厚く（高く）形成し、ソルダーレジスト４等を塗布することなく電子部品１を当接させる凸部を形成している。本方法では、ソルダーレジスト４による凸部形成に比べて、当該凸部の高さのばらつきを低減できる。従って、はんだ層３の厚さをより厳密に制御できるので、はんだ接続寿命をより安定化できる。本方法による凸部２ｂは、Ｃｕめっきまたは回路パターン形成に使用する銅箔の積層によって形成できる。

なお、本実施例の構成では、熱伝導性に優れる金属（Ｃｕ）を電子部品１と接触させるため、実施例１，２に対して電子部品１の放熱性を向上できる。

図４に示す第４の実施例は、電子部品１の実装時の高さに制約がある場合に、特に有効である。

図４は回路基板２において、電子部品１の部品電極１ａに対抗する位置に凹部２ｃを設け、回路基板２の部品直下の位置に凸部５ｃを形成してある。なお本実施例では凸部５ｃは、凹部２ｃを作成したことによって残された残存部５ｄと独立したランド２ｂにより形成されている。ここで凹部２ｃの深さは、部品電極１ａのめっき厚よりも深く形成してあり、電子部品１を回路基板２へ実装したときに、電子部品１の腹と回路基板２の凸部５ｃとが接触する構造となっている。部品電極１ａと基板電極２ａは、はんだ層３によって電気的に接続される。以上の構成によれば、はんだ層３の厚さは凹部２ｃの深さと部品電極１ａのめっき厚の差によって決まることになる。従って、はんだ層３の厚さを所定の範囲内とすることができ、はんだ接続寿命のばらつきを低減できる。

図４の例においては、はんだ層３の厚さを最大限に確保しながら、電子部品１の実装高さを最低限とする為、凸部５ｃにはソルダーレジスト４やシルクインク５の塗布をしていない。しかし、実装高さが許すならば、絶縁性確保のため、ソルダーレジスト４やシルクインク５を塗布することが望ましい。

尚、回路基板２に多層基板を用いる場合は、内層のパターンを基板電極２ａと兼用することも可能である。

１…電子部品、１ａ…部品電極、２…回路基板、２ａ…基板電極、２ｂ…回路基板の凸部、２ｃ…回路基板の凹部、３…はんだ層、４…ソルダーレジスト、５…シルクインク、５ｂ，５ｃ…凸部、５ｄ…残存部。

Claims (9)

1. 回路基板の電子部品が搭載される部位に、前記電子部品が有する複数の基板電極間に第１の凸部を形成し、
   前記電子部品に当接するように前記第１の凸部を覆ってソルダーレジストを塗布し、前記基板電極より高い第２の凸部を形成し、
   前記回路基板に前記電子部品を搭載し、
   前記回路基板に設けられた基板電極にはんだペーストを印刷し、
   リフロー炉によって前記電子部品に設けられた部品電極と前記基板電極とをはんだ接続する請求項１に記載の車載用電子回路装置の製造方法。
2. 前記第２の凸部を、前記回路基板に電気的配線を行うパターンによって形成することを特徴とする請求項１に記載の車載用電子回路装置の製造方法。
3. 前記第２の凸部を、前記回路基板上に塗布するシルクインクによって形成することを特徴とする請求項１に記載の車載用電子回路装置の製造方法。
4. 前記第２の凸部を、請求項２又は３記載の方法のうち二以上を併用して形成することを特徴とする請求項１に記載の車載用電子回路装置の製造方法。
5. 一つの前記電子部品に対して、前記第２の凸部を二以上設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の車載用電子回路装置の製造方法。
6. 前記電子部品は複数の前記部品電極を有し、
   前記第２の凸部は、前記回路基板上の前記複数の部品電極に対向する部位に凹部を設け、当該複数の凹部にそれぞれ基板電極を設けることで形成されることを特徴とする請求項１記載の車載用電子回路装置の製造方法。
7. 前記第２の凸部の高さを、請求項２〜４のいずれかに記載の方法によって調整することを特徴とする請求項６に記載の車載用電子回路装置の製造方法。
8. 前記第２の凸部の上面が平面状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の車載用電子回路装置の製造方法。
9. 回路基板と、
   前記回路基板に搭載される電子部品と、
   前記回路基板に設けられた基板電極と前記電子部品に設けられた部品電極とを、リフロー炉を用いて接続し、電気的に接続するはんだ層と、を備え、
   前記回路基板は、前記電子部品が搭載される部位であって、複数の前記基板電極の間に形成された第１の凸部と、
   前記第１の凸部を覆うようにソルダーレジストが塗布され、前記電子部品に当接する第２の凸部と、を有し、
   当該第２の凸部の高さは前記基板電極より高い電子回路装置。