JP2013239470A - 表面実装基板 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリーはんだを使用して電子部品を表面実装する表面実装基板で、ヒートサイクル応力や外部応力による電子部品の割れや接合部の割れの発生を抑制することができる表面実装基板を提供する。
【解決手段】鉛フリーはんだを使用して電子部品４，５を表面実装する表面実装基板１であって、電子部品４，５の基板接合部の近傍に応力緩和部１１ａ，１１ｂ、１６を形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛フリーはんだを使用して電子部品を表面実装する表面実装基板に関する。

この種の表面実装基板は、電子部品を鉛フリーはんだ付けする際に、ヒートサイクル環境におけるチップ部品のはんだ接合部への応力集中や大型部品の近くのチップ部品のはんだ残留応力によりはんだ接合部の応力割れや部品割れが発生し易い。組み立て時の基板反り、ひずみによりチップ部品への応力がかかり、部品破損やはんだ接合部の割れが発生し易い。

ところで、半導体素子とプリント配線板とを、アレイ状に配置された複数の半田ボールにより接続する、ＢＧＡ方式やＣＳＰ方式を使用する場合に、プリント配線板を形成するエポキシ樹脂やガラスエポキシ樹脂の線膨張係数と半導体素子を形成するシリコンからなるＩＣチップの線膨張係数に比べて、約１０倍程度大きい。そのためプリント配線板が、半田リフロー工程等の加熱冷却工程において、２００度以上の高温に晒されると、線膨張係数の小さいＩＣチップを含む半導体素子の伸びに対して、プリント配線板の伸びの方が大きくなる。この線膨張係数の差により、プリント配線板は大きく反り、それにより半田ボールに大きな応力が加わる。そのため、半田ボールにクラックが生じたり、半導体素子とプリント配線板との接合が外れたりする。また、製品に組み込まれた後は、電源ＯＮ／ＯＦＦに伴うヒートサイクルにより、半田ボールに応力が蓄積し、やがて破断に至ることもある。

この線膨張の差により最も大きな応力が加わる半田ボールに発生する接合応力のみを低減するために、特許文献１に記載された構成が提案されている。
すなわち、複数の積層樹脂層と、複数の樹脂層の境界面に形成された複数の配線パターン層とからなる多層プリント配線板において、最外層の樹脂層に、半田を介して半導体素子を実装する複数のランドが配置されている。また、配線パターン層の少なくても一層は、開口部がメッシュ状に形成されたメッシュ開口パターン層であって、開口部のうち、前記半導体素子及び多層プリント配線板の熱変形に伴い、最も応力が集中する半田が接合されるランドの、下部に位置する領域の開口部の大きさを、その他の領域の開口部の大きさより大きくした多層プリント基板が提案されている。

特開２００６−１３４５５号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、最も応力が集中する半田ボールが接続されるランドの下部に位置する領域のメッシュ状に開口部が形成された配線パターン層の開口部の大きさを他の領域の開口部に比較して大きくしている。このため、最も応力が集中する半田ボールに対応する内層の熱膨張係数のみを低下させることができる。

しかしながら、上記従来例にあっては、プリント配線板を形成するエポキシ樹脂やガラスエポキシ樹脂の線膨張係数と半導体素子を形成するシリコンからなるＩＣチップの線膨張係数の差を抑制することができるが、最も応力が集中する半田ボールを特定することができる場合に限られており、半田ボールを使用しない鉛フリーはんだには適用できないという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、鉛フリーはんだを使用して電子部品を表面実装する表面実装基板で、ヒートサイクル応力や外部応力による電子部品の割れや接合部の割れの発生を抑制することができる表面実装基板を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る表面実装基板の第１の態様は、鉛フリーはんだを使用して電子部品を表面実装する表面実装基板である。この表面実装基板は、電子部品の基板接合部の近傍に応力緩和部を形成している。
この第１の態様によると、表面実装基板に実装される電子部品の基板接合部の近傍に応力緩和部を形成しているので、この応力緩和部で電子部品の基板接合部に作用する応力を分断して基板接合部や基板接合部を介して電子部品に作用するストレスを低減して、接合部の接続信頼性を向上させることができる。

また、本発明に係る表面実装基板の第２の態様は、前記応力緩和部が、少なくとも電子部品が実装される表面層を貫通する貫通孔で構成されている。
この第２の態様によると、表面実装基板が１枚の基板で構成されている場合には、この基板を貫通する貫通孔を形成し、表面実装基板が多層基板で構成されている場合には、電子部品が表面実装される表面層を貫通する貫通孔を形成することにより、貫通孔によって電子部品の基板接合部に作用する応力を分断して強度の弱いチップ部品や基板接合部への応力を低減することができる。

また、本発明に係る表面実装基板の第３の態様は、前記貫通孔が、円形孔及び長孔の何れか１つで形成されている。
この第３の態様によると、貫通孔が円形孔及び長円孔の何れか１つで形成されているので、円形孔とするとドリルでの穿設が可能であり、貫通孔の形成を容易に行うことができる。長円孔とすると、大きな電子部品に作用する応力や固定ねじ装着部で発生する応力を分断することができる。

また、本発明に係る表面実装基板の第４の態様は、前記応力緩和部が、固定部へ締め付け固定する固定ねじ装着部と電磁部品の接合部との間に形成されている。
この第４の態様によると、固定ねじ装着部で固定ねじを締め付ける際に生じる応力を応力緩和部で緩和することができ、固定ねじ装着部の周囲の電子部品の基板接合部へ作用する応力を低減することができる。

本発明によれば、表面実装基板の電子部品の基板接合部の近傍に応力緩和部を形成したので、基板接合部やこの基板接合部を介して電子部品に伝達される応力を緩和して鉛フリーはんだ接合部の接続信頼性を向上することができる。

本発明に係る表面実装基板を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線上の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る表面実装基板を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線上の断面図である。
図中、１は例えば電磁接触器の電磁石ユニットを駆動する駆動回路を構成する電子部品を表面実装した１枚の基板で形成された表面実装基板である。この表面実装基板１は、表面に形成されたランド２及び３に、例えば整流ダイオード、ショットキーダイオード、電界効果トランジスタ等の半導体部品でなる大型部品４がリフローはんだ付けされているとともに、抵抗、コンデンサ、コイル等のチップ部品５がリフローはんだ付けされている。

ここで、リフローはんだ付けは、まず、表面実装基板１の部品装着部となるランド２及び３に予め鉛フリーソルダペーストをスクリーン印刷しておく。ここで、大型部品４については実装面となる下面の全面に鉛フリーソルダペースト６を配置し、チップ部品５については軸方向両端の電極部５ａ，５ｂに対向する位置に鉛フリーソルダペースト７を配置する。そして、鉛フリーソルダペースト６及び７上に大型部品４及びチップ部品５を搭載してからリフロー炉で加熱する。このとき、リフロー炉の中では予熱と本加熱とを行う。予熱は、部品への急激な熱衝撃の緩和、フラックスの活性化促進、有機溶剤の気化などを行うために、基板と部品を一般的には１５０℃から１７０℃程度に予熱する。その後、はんだが溶ける温度まで、短時間高温にする（一般的には２２０℃から２６０℃）本加熱を行う。この本加熱では、はんだ成分組成により溶融温度が異なるが、鉛フリーはんだの場合高温にする必要がある。

そして、表面実装基板１には、大型部品４の近傍やチップ部品５の電極間に応力緩和部としての貫通孔１１が形成されている。この貫通孔１１としては、図１に示すように、円形孔１１ａ、長円形孔１１ｂの何れで構成してもよく、緩和したい応力に応じて円形孔１１ａの数や長円形孔１１ｂの長さが設定されている。
さらに、表面実装基板１の例えば４隅に、ねじ挿通孔１２が形成されている。そして、表面実装基板１を基板装着部１３上に載置し、この基板装着部１３にねじ挿通孔１２に対向して形成された雌ねじ部１４にねじ挿通孔１２を一致させた状態で、表面実装基板１の上方から固定ねじ１５を、ねじ挿通孔１２を挿通して雌ねじ部１４に螺合させて締め付けることにより、表面実装基板１が基板装着部１３に固定される。

したがって、固定ねじ１５の締め付けによる外部応力が発生するので、このねじ挿通孔１２とその近傍の大型部品４又はチップ部品５との間に応力緩和部としての長円形孔１６が形成されている。
そして、大型部品４及びチップ部品５が実装された表面実装基板１は、例えば高電圧・高電流の直流電流路に介挿される電磁接触器に内装され、過酷なヒートサイクル環境で通電を制御する。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
まず、表面実装基板１に、予めスルーホール（図示せず）を形成する際に又は別途応力が作用する位置すなわち、大型部品４の周囲やチップ部品５の電極部５ａ，５ｂ間に円形孔１１ａ又は長円形孔１１ｂを穿設するとともに、ねじ挿通孔１２とその近傍の大型部品４又はチップ部品５との間も長円形孔１６を穿設しておく。

その後、又はその前に表面実装基板１に銅製のランドを含む配線パターンを形成する。
そして、大型部品４及びチップ部品５を表面実装する実装面に鉛フリーソルダペースト６及び７をスクリーン印刷する。
その後、スクリーン印刷された鉛フリーソルダペースト６及び７上に大型部品４及びチップ部品５を搭載してからリフロー炉へ搬送し、予熱及び本加熱を行ってから冷却することにより、リフローはんだ付けを行って大型部品４及びチップ部品５を表面実装基板１にはんだ付けする。

このようにして大型部品４及びチップ部品５が表面実装された表面実装基板１は、高電圧・高電流の直流電流路に介挿される電磁接触器内に配置されるが、この電磁接触器は、自動車等の周囲の環境の温度変化が大きいヒートサイクル環境におかれることになる。
このため、ヒートサイクル環境におけるチップ部品５のはんだ接合部９への図２において矢印Ｘで示す応力集中が生じる。また、大型部品４のはんだ接合部８におけるはんだ残留応力が図２において矢印Ｙで示すように近くのチップ部品５のはんだ接合部９へ作用することになる。

しかしながら、表面実装基板１には、応力の発生する位置に、所定数の円形孔１１ａ又は所定長さの長円形孔１１ｂでなる貫通孔１１が形成されているので、例えばチップ部品５に作用するチップ部品５を引き伸ばす方向の応力については電極部５ａ及び５ｂをはんだ付けするランド３間に形成した円形孔１１ａ又は長円形孔１１ｂに応力集中を起こさせて、チップ部品５やそのはんだ接合部９に作用する応力を緩和させることができる。
同様に、大型部品４のはんだ接合部８のはんだ残留応力についてもその周囲に配置した円形孔１１ａ又は長円形孔１１ｂに応力集中を起こさせてチップ部品５のはんだ接合部９に作用する応力を緩和させることができる。

さらに、表面実装基板１を基板装着部１３に固定する際に、固定ねじ１５を、ねじ挿通孔１２を通じて基板装着部１３に形成した雌ねじ部１４に螺合させて締め付けることによる外部要因による外部応力が発生するが、この外部応力についてもねじ挿通孔１２とその近傍の大型部品４又はチップ部品５との間に、長円形孔１６が形成されているので、この長円形孔１６に応力集中を起こさせて、大型部品４又はチップ部品５に作用する外部応力を緩和することができる。

同様に、表面実装基板１の成形時に生じる反りに起因する応力についても大型部品４やチップ部品５の周囲や内側に設けた円形孔１１ａや長円形孔１１ｂによって緩和することができる。
このように、上記実施形態においては、表面実装基板１に実装される大型部品４やチップ部品５に作用する応力の生じる位置に円形孔１１ａ、長円形孔１１ｂ及び１６を形成することにより、これら円形孔１１ａ、長円形孔１１ｂ及び１６によって応力緩和部を構成し、大型部品４及びチップ部品５とそのはんだ接合部９に作用する応力を緩和することができる。

したがって、例えば自動車のように外部環境の温度変化が激しいヒートサイクル環境で使用する場合でも、耐ヒートサイクル性を向上させることができる。また、表面実装基板１の反りや歪み、はんだ殘留応力等の応力を応力緩和部で分断することができ、大型部品及びチップ部品やそのはんだ接合部での割れの発生や破損が生じることを確実に防止することができる。

なお、上記実施形態においては、表面実装基板１が１枚の基板で構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、表面実装基板１が多層基板で形成されている場合には、大型部品４及びチップ部品５を実装する表面層のみに応力緩和部を形成するようにすればよい。
また、上記実施形態おいては、表面実装基板１の表面にのみ大型部品４及びチップ部品５を実装する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、表面実装基板１の裏面のみ又は表裏両面に大型部品４又はチップ部品５を実装するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態においては、応力緩和部として長円形孔１１ｂを適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円形孔に代えて楕円孔を形成したり、長円形孔１１ｂに代えてスリット孔を形成したりするようにしてもよい。要は、応力緩和を図れる孔形状であれば任意の孔形状を適用することができる。
また、上記実施形態においては、応力緩和部を構成する長円形孔１１ｂが直線状に延長している場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円弧状やＬ字状等の任意の形状に形成することができる。

１…表面実装基板、２，３…ランド、４…大型部品、５…チップ部品、６，７…鉛フリーソルダペースト、１１…貫通孔、１１ａ…円形孔、１１ｂ…長円形孔、１２…ねじ挿通孔、１３…基板装着部、１４…雌ねじ部、１５…固定ねじ、１６…長円形孔

Claims (4)

1. 鉛フリーはんだを使用して電子部品を表面実装する表面実装基板であって、
   電子部品の基板接合部の近傍に応力緩和部を形成したことを特徴とする表面実装基板。
2. 前記応力緩和部は、少なくとも電子部品が実装される表面層を貫通する貫通孔で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面実装基板。
3. 前記貫通孔は、円形孔及び長円孔の何れか１つで形成されていることを特徴とする請求項２に記載の表面実装基板。
4. 前記応力緩和部は、固定部へ締め付け固定する固定ねじ装着部と電磁部品の接合部との間に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の表面実装基板。

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