JP2014099589A - 積層セラミックコンデンサが実装された実装基板の製造方法及び実装構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】積層セラミックコンデンサの電界誘起歪みによる回路基板の振動音を効果的に抑制すること。
【解決手段】複数の誘電体セラミックシートと複数の平面状をなす内部電極５とを積層してなる積層体２と、積層体２の表面に内部電極５と電気的に接続された少なくとも一対の外部電極６と、を備えた一対の積層セラミックコンデンサ１を回路基板１０に実装する実装基板の製造方法。回路基板１０の表面及び裏面に面対称な位置に互いに電気的に接続された状態で形成されたランド１１，１２のそれぞれに、内部電極５の平面の面方向が一致するように外部電極６を接合する工程を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層セラミックコンデンサが実装された実装基板の製造方法及び実装構造体に関する。

積層セラミックコンデンサは、携帯電話、オーディオプレーヤーなどの移動体端末や、パーソナルコンピュータなどの各種電子機器に広く使用されている。この種の積層セラミックコンデンサは、複数の誘電体セラミックシートを積層した積層体からなり、少なくとも一つの誘電体セラミックシートを挟んで平面状をなす内部電極が対向して配置され、積層体の表面に内部電極と電気的に接続された少なくとも一対の外部電極を備えている。積層セラミックコンデンサは、回路基板上に形成されたランドに外部電極をはんだなどの接合材を介して実装されている。

近年、電子機器の小型化、高性能化が急速に進み、これに対応して積層セラミックコンデンサの大容量化が進んでいる。大容量の積層セラミックコンデンサの誘電体セラミック材料には、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウムなどの高誘電率系セラミックが使用されている。これらの高誘電率系セラミックは、その圧電性、電歪性により、電圧（電界）の印加に伴う機械的な歪み、いわゆる、電界誘起歪みが生じる。そのため、この種の積層セラミックコンデンサに交流電圧又は交流成分が重畳された直流電圧が印加されると、積層体に機械的な歪みの振動が発生する。

前記電界誘起歪みによる振動が回路基板に伝達されると回路基板が振動する。そして、回路基板の振動によって発生する振動音が可聴周波数域である２０〜２０，０００Ｈｚであると、不快音（鳴き、acoustic noise）として人の耳に聞こえてしまう。

特許文献１，２には、回路基板の表面及び裏面のほぼ同じ位置に積層セラミックコンデンサを配置することで、基板の振動音を小さくすることが記載されている。回路基板の表裏面にそれぞれ積層セラミックコンデンサを配置することで、これらのコンデンサから基板に伝達する歪みが互いに反対方向となるため、基板の振動を打ち消すあうことになる。

しかしながら、特許文献１，２に記載の積層セラミックコンデンサの回路基板実装方法では、基板の振動音の抑制が必ずしも効果的ではないという問題点を有している。また、積層セラミックコンデンサの振動は、はんだなどの接合材を介して基板に伝達される。このとき、接合材のフィレット形成状態のばらつきによって振動音の抑制効果が得られない場合があることが本発明者によって見出されている。

特開２０００−２３２０３０号公報 特開２００３−３１８０５７号公報

本発明の目的は、積層セラミックコンデンサの電界誘起歪みによる回路基板の振動音を効果的に抑制することのできる積層セラミックコンデンサが実装された実装基板の製造方法及び実装構造体を提供することにある。

本発明の第１の形態である実装基板の製造方法は、
複数の誘電体セラミックシートと複数の平面状をなす内部電極とを積層した積層体と、前記積層体の表面に前記内部電極と電気的に接続された少なくとも一対の外部電極と、を備えた一対の積層セラミックコンデンサを回路基板に実装する実装基板の製造方法であって、
前記回路基板の表面及び裏面に面対称な位置に互いに電気的に接続された状態で形成されたランドのそれぞれに、前記内部電極の平面の面方向が一致するように前記外部電極を接合する工程、
を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の形態である実装構造体は、
複数の誘電体セラミックシートと複数の平面状をなす内部電極とを積層した積層体と、前記積層体の表面に前記内部電極と電気的に接続された少なくとも一対の外部電極と、を備えた一対の積層セラミックコンデンサが回路基板に実装されている実装構造体であって、
前記回路基板は、その表面及び裏面に面対称な位置に互いに電気的に接続された状態で形成されたランドを有し、
前記積層セラミックコンデンサは、前記回路基板の表面及び裏面に形成されたランドのそれぞれに、前記内部電極の平面の面方向が一致するように前記外部電極が接合されていること、
を特徴とする。

前記実装基板の製造方法及び実装構造体において、積層セラミックコンデンサは、回路基板の表面及び裏面に面対称な位置に互いに電気的に接続された状態で形成されたランドのそれぞれに、内部電極の平面の面方向が一致するように外部電極が接合されるため、回路基板の表裏面に接合された積層セラミックコンデンサから回路基板への振動の伝わり状態がほぼ同じになり、回路基板の振動が相殺される。その結果、回路基板の振動が効果的に抑制され、振動音が低減する。

本発明によれば、回路基板に実装された積層セラミックコンデンサの電界誘起歪みに起因する回路基板の振動音を効果的に抑制することができる。

積層セラミックコンデンサの一例を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は電界誘起歪みを模式的に示す斜視図である。 前記積層セラミックコンデンサを回路基板に実装した状態を示し、（Ａ）は第１実装例の断面図、（Ｂ）は第２実装例の断面図である。 種々の実装構造における振動音圧レベルを示すグラフである。 接合材のフィレットの種々の形成状態を示し、（Ａ）はフィレット量が普通状態の説明図、（Ｂ）はフィレット量が小さい状態の説明図である。 接合材のフィレットの形成状態を変えた種々の実装構造における振動音圧レベルを示すグラフである。 積層セラミックコンデンサの実装工程の一部を示す説明図である。

以下に、本発明に係る実装基板の製造方法及び実装構造体について添付図面を参照しながら説明する。なお、各図面においては、同じ部材、部分に関しては共通の符号を付し、重複する説明は省略する。

（実施例１）
本発明で使用される積層セラミックコンデンサ１は、図１に示すように、複数の誘電体セラミックシートを積層した積層体２と一対の外部電極６とからなる。積層体２の表面は、互いに対向する両端面、該両端面に直交して互いに対向する両側面、及び、両端面と両側面とに直交して互いに対向する上下面からなる。積層体２の内部には、誘電体セラミックシートを挟んで平面状をなす内部電極５が対向して配置されている。これにより、内部電極５間に電圧が印加された際に、誘電体セラミックシートに静電容量が発生する。

一対の外部電極６は積層体２の両端面から上下面及び両側面にかけて形成されている。一対の外部電極６の一方は、誘電体セラミックシートを挟んで隣り合う一対の内部電極５のうちの一方に電気的に接続されている。一対の外部電極６のうち他方は、誘電体セラミックシートを挟んで隣り合う一対の内部電極５のうちの他方に電気的に接続されている。これにて、複数の静電容量が外部電極６に対して並列に接続された状態となっている。このコンデンサ１において、一対の外部電極６は入出力電極として機能する。それ以外に、グランド電極として機能する外部電極が設けられていてもよい。

前記積層セラミックコンデンサ１が実装される回路基板１０は、図２に示すように、表面及び裏面に面対称な位置にランド１１，１２が形成されており、面対称に位置するランド１１，１２はそれぞれ表裏面に貫通するスルーホール導体１３で電気的に接続されている。ランド１１，１２の電気的な接続はスルーホール導体１３に限らず、導体パターンやジャンパー線など種々の金属導体を用いることができる。

前記積層セラミックコンデンサ１は、外部電極６を含めて長さをＬ、幅をＷ、高さをＨとする。コンデンサ１の幅Ｗと高さＨは同じ（差は１０％以下）である。但し、幅Ｗと高さＨは同じではなく、異なっていてもよい。回路基板１０への実装は、外部電極６をランド１１，１２にはんだなどの導電性接合材２０によって電気的、機械的に接合することによって行われる。このとき、図２（Ａ）に示すように、内部電極５の平面が回路基板１０の表裏面に対して平行方向に実装される場合と、図２（Ｂ）に示すように、内部電極５の平面が回路基板１０の表裏面に対して垂直方向に実装される場合とがある。「平行方向」及び「垂直方向」は、コンデンサ１の製造時のばらつきや実装時のばらつきの範囲を含む。なお、図２（Ａ），（Ｂ）にあっては、見た目の煩雑さを避けるためにハッチングを省略している。

回路基板１０の表面に実装されるコンデンサ１にあっては内部電極５の平面が基板１０の表面に対して平行方向に実装され、回路基板１０の裏面に実装されるコンデンサ１にあっては内部電極５の平面が基板１０の裏面に対して垂直方向に実装される場合もあり得る。但し、本発明では、表面及び裏面に実装されるコンデンサ１にあっては、共に内部電極５の平面が表裏面に対して水平方向又は垂直方向に一致するように実装される。即ち、表裏面に実装されるコンデンサ１は、図２（Ａ）に示すように、内部電極５の平面が表裏面に平行方向であるか、図２（Ｂ）に示すように、内部電極５の平面が表裏面に垂直方向であるかのいずれかである。

本発明者らは、以下の実装形態にて積層セラミックコンデンサ１を回路基板１０の表裏面に実装し、コンデンサ１の電界誘起歪みによる基板のピーク音圧レベルを測定した。以下、その結果を説明する。

実装形態（１）は、コンデンサ１を回路基板１０の表面にのみ内部電極５の平面が表面と平行方向に配置した。実装形態（２）は、コンデンサ１を回路基板１０の表面にのみ内部電極５の平面が表面と垂直方向に配置した。実装形態（３）はコンデンサ１を回路基板１０の表面に対して内部電極５の平面が表面と平行方向に配置し、いま一つのコンデンサ１を回路基板１０の裏面に対して内部電極５の平面が裏面と垂直方向に配置した。実装形態（４）は、一対のコンデンサ１を回路基板１０の表裏面に内部電極５の平面が表裏面に対して平行方向に配置した。実装形態（５）は、一対のコンデンサ１を回路基板１０の表裏面に内部電極５の平面が表裏面に対して垂直方向に配置した。

積層セラミックコンデンサ１は、長さＬが１．０ｍｍ、幅Ｗが０．５ｍｍ、高さＨが０．５ｍｍのサイズであり、容量が１μＦのものを用いた。なお、本発明において積層セラミックコンデンサのサイズや容量はこの実験に使用したもの以外であってもよいことは勿論である。回路基板１０としては、４０ｍｍ×４０ｍｍで厚さ１．６ｍｍの樹脂基板を用いた。接合材としては、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用いた。音圧レベルは、コンデンサ１に周波数約３．２ｋＨｚの電圧３．１５Ｖ、交流１．０Ｖｐ−ｐを印加して測定した。

前記実装形態（１）〜（５）におけるピーク音圧レベル（相対比）は、図３に示すとおりであり、実装形態（１），（２），（３）では改善が見られず、一対のコンデンサ１を回路基板１０の表裏面に内部電極５の平面が表裏面に対して平行方向に配置した実装形態（４）、及び、一対のコンデンサ１を回路基板１０の表裏面に内部電極５の平面が表裏面に対して垂直方向に配置した実装形態（５）において、実装形態（３）に比べて−３０ｄＢ以上の改善が見られた。最も、効果的なのは、実装形態（５）であった。

即ち、積層セラミックコンデンサ１を、回路基板１０の表面及び裏面に面対称な位置に形成されたランド１１，１２のそれぞれに、内部電極５の平面の面方向が一致するように外部電極６を接合したことにより、回路基板１０の表裏面に接合された積層セラミックコンデンサ１から回路基板１０への振動の伝わり状態がほぼ同じになり、回路基板１０の振動が相殺された。その結果、回路基板１０の振動が抑制され、振動音が低減したのである。

また、基板１０の振動に関しては、接合材（はんだ）２０の盛り量（フィレット高さ）が影響する。図４（Ａ）にフィレット高さが通常の形成状態を示し、図４（Ｂ）にフィレット高さが小さい形成状態を示す。そこで、前記実装形態（１）〜（５）においてはフィレット高さを通常状態とし、実装形態（１ａ）〜（５ａ）にあってはフィレット高さを小さい状態とし、実装形態（３ｂ），（４ｂ），（５ｂ）にあっては回路基板１０の表面側のフィレット高さを小さくし、裏面側のフィレット高さを通常とし、それぞれのピーク音圧レベルを測定した。

その結果、図５に示すように、実装形態（４ａ），（５ａ）において実装形態（１），（１ａ），（２），（２ａ），（３），（３ａ），（３ｂ），（４），（５）よりも改善が見られた。また、実装形態（５ｂ）においても、実装形態（４ｂ）に比べて音圧レベルが１／４以下になる改善が見られた。従って、フィレットの高さにばらつきが生じても、内部電極５の平面が回路基板１０の表裏面と垂直方向に配置することで、より確実で効果的に振動音を抑制することができる。また、相対的に、フィレット高さが小さいほうが音圧レベルが低くなるのは、接合材２０による歪み（振動）伝達力が弱いからだと推定される。

ここで、積層セラミックコンデンサ１の電界誘起歪みについて図１（Ｂ）を参照して説明する。図１（Ｂ）は内部電極５が実装面に対して平行方向に配置された場合の歪みを模式的に示しており、粗いハッチングで示した領域は歪みが比較的小さく、細かいハッチングで示した領域は歪みが比較的大きい。実際上はグラデーションがより細かくなるが作図上二つの領域として模式的に示している。

積層体２の両端面に帯状に歪みの大きい領域２ａが存在しており、この領域２ａに接合材２０が接合すると、回路基板１０に歪み（振動）が伝達されやすい。内部電極５の平面が回路基板１０の表裏面と平行方向に配置される場合、帯状の領域２ａは回路基板１０に対して平行方向に位置し、領域２ａに接合材２０が接しなければ、基板１０に伝わる歪みは小さい（実装形態（４ａ参照））。実装形態（４ｂ），（５ｂ）のようにフィレット高さが基板１０の表裏面で異なると、基板１０の表裏面で伝達される振動の大きさがそれぞれ異なるので、振動が相殺される度合が小さく、振動音の音圧レベルは大きくなる傾向にある。

内部電極５の平面が回路基板１０の表裏面と垂直方向に配置される場合、帯状の領域２ａは回路基板１０に対して垂直方向に位置し、音圧レベルの改善は最も好ましい測定結果を示した。

ちなみに、フィレットの高さが通常であるとは、コンデンサ１の高さＨの約６０％であること、フィレットの高さが小さいとは、コンデンサ１の高さＨの約２０％であることを意味する。即ち、回路基板１０の表裏面に配置されたコンデンサ１が、回路基板１０の表裏面に対して内部電極５の平面を水平方向又は垂直方向に揃えて配置されていれば、各コンデンサ１に形成される接合材のフィレットの高さが異なっても、振動音を低減することが可能である。各コンデンサ１に形成される接合材のフィレットの高さの差は、コンデンサ１の高さＨの４０％以下であることが好ましい。

次に、積層セラミックコンデンサ１の実装方法について説明する。接合材２０としてはんだを使用し、リフロー炉によって実装する。なお、フロー実装（溶融したはんだに基板１０に接着剤などで仮固定した積層セラミックコンデンサ１を浸す方向）であってもよい。あるいは、接合材２０として導電性接着剤を用いてもよい。

具体的には、図６に示すように、複数の収容部５１に積層セラミックコンデンサ１をその内部電極５が一定の方向を向くように整列させて収容された包装体５０からカバーテープ５２を引き剥がしつつ吸着ノズル５５でコンデンサ１を１個ずつ吸着保持し、該コンデンサ１を回路基板１０の表面の所定位置に搭載する。ランド１１上には予めはんだペーストが印刷されている。次に、コンデンサ１が搭載された回路基板１０をリフロー炉（最高温度２５０℃）に通すことで、はんだペーストを溶融、固化し、コンデンサ１を基板１０のランド１１上に固着する。

以上と同じ工程で積層セラミックコンデンサ１を回路基板１０の裏面（ランド１２）に対して固着する。

コンデンサ１をその内部電極５が一定の方向を向くように整列させて収容された包装体５０を用いてコンデンサ１を回路基板１０に搭載する場合、同一仕様の複数の回路基板において、各コンデンサ１の内部電極５が回路基板１０の表裏面に対して垂直方向又は水平方向に一致するように実装される。従って、回路基板１０による振動音のばらつきが小さく、各回路基板１０において安定して振動音を抑制することができる。例えば、５個の同一仕様の回路基板の断面を観察すれば、５個全ての回路基板において、各コンデンサ１の内部電極５が回路基板１０の表裏面に対して垂直方向又は水平方向に一致している。

また、前記実施例のように、内部電極５が一定の方向を向くように整列させて収容された包装体５０を使用する実装方法以外に、コンデンサ１を回路基板１０に実装する前に、外形形状やその他の形状から識別する方法、コンデンサ１の表面に予め方向性をマーキングしておいて識別する方法、あるいは、内部電極５を利用して磁力により整列する方法などを用いて、内部電極５が一定の方向を向くように揃えて回路基板１０の表裏面にコンデンサ１を実装することも可能である。

一つの回路基板１０のおいてその表裏面に接合された一対のコンデンサ１を複数組備えていてもよい。この場合、各コンデンサ１の内部電極５が回路基板１０の表裏面に対して垂直方向又は水平方向に一致している。これにより、前述したように、振動音を抑制することができる。コンデンサ１をその内部電極５が一定の方向を向くように整列させて収容された包装体５０を用いることで、容易に各コンデンサ１の内部電極５を回路基板１０の表裏面に対して垂直方向又は水平方向に一致させることができる。

前記実施例として記載した実装構造及び実装方法について、その他の態様をまとめて記載する。

回路基板の表裏面に実装される積層セラミックコンデンサについては、電界誘起歪量が異なるものでも振動音低減効果を得ることができる。但し、ほぼ同一の歪量のものであるほうが振動相殺効果が大きい、即ち、同一仕様のコンデンサであることが好ましい。また、表裏面に実装される積層セラミックコンデンサが同一の形状、サイズである必要はない。振動はランドを通じて基板に伝達されるので、表裏面に面対称に形成されたランドに実装できる範囲内での寸法差は許容できる。

表裏面に実装される積層セラミックコンデンサにほぼ同じ電圧が印加されればよい。従って、表裏面のランドが電気的に導通されていればよく、導通手段は任意である。表裏面に実装される積層セラミックコンデンサに印加される電圧差は、電圧値で２０％以内、位相ずれが２０％以内であることが好ましい。

表裏面に実装される積層セラミックコンデンサを完全に面対称状態に実装することは現状では困難である。振動音の低減効果が得られる範囲においては、長さ方向、幅方向のそれぞれの方向への位置ずれが３０％以内、二つのコンデンサの長さ方向の中心軸が平面視でなす角度が４０°以内であることが好ましい。積層セラミックコンデンサの位置ずれや角度のずれを防止するためには、ランドの幅を積層セラミックコンデンサの幅Ｗの０．８〜１．０倍に設定することが好ましい。

以上のように、本発明は、積層セラミックコンデンサの実装基板の製造方法及び実装構造体に有用であり、特に、回路基板の振動音を効果的に抑制できる点で優れている。

１…積層セラミックコンデンサ
２…積層体
５…内部電極
６…外部電極
１０…回路基板
１１，１２…ランド
２０…接合材
５０…包装体
５１…収容部

Claims (11)

1. 複数の誘電体セラミックシートと複数の平面状をなす内部電極とを積層した積層体と、前記積層体の表面に前記内部電極と電気的に接続された少なくとも一対の外部電極と、を備えた一対の積層セラミックコンデンサを回路基板に実装する実装基板の製造方法であって、
   前記回路基板の表面及び裏面に面対称な位置に互いに電気的に接続された状態で形成されたランドのそれぞれに、前記内部電極の平面の面方向が一致するように前記外部電極を接合する工程、
   を備えたことを特徴とする実装基板の製造方法。
2. 前記積層セラミックコンデンサを包装体に収容して搬送する工程を、さらに備え、
   前記積層セラミックコンデンサは、前記包装体の複数の収容部にそれぞれ所定の方向に整列された状態で収容されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の実装基板の製造方法。
3. 前記積層セラミックコンデンサは、前記内部電極の平面が前記回路基板の表面及び裏面に垂直方向に実装されること、を特徴とする請求項１に記載の実装基板の製造方法。
4. 前記積層セラミックコンデンサを包装体に収容して搬送する工程を、さらに備え、
   前記積層セラミックコンデンサは、前記包装体の複数の収容部にそれぞれ前記内部電極の平面が該収容部の底面と垂直となるように整列された状態で収容されていること、
   を特徴とする請求項３に記載の実装基板の製造方法。
5. 複数の前記回路基板のそれぞれに、前記一対の積層セラミックコンデンサを、それぞれの前記内部電極の平面の面方向が一致するように実装すること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の実装基板の製造方法。
6. 一の前記回路基板に、複数組の前記一対の積層セラミックコンデンサを、それぞれの前記内部電極の平面の面方向が一致するように実装すること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の実装基板の製造方法。
7. 複数の誘電体セラミックシートと複数の平面状をなす内部電極とを積層した積層体と、前記積層体の表面に前記内部電極と電気的に接続された少なくとも一対の外部電極と、を備えた一対の積層セラミックコンデンサが回路基板に実装されている実装構造体であって、
   前記回路基板は、その表面及び裏面に面対称な位置に互いに電気的に接続された状態で形成されたランドを有し、
   前記積層セラミックコンデンサは、前記回路基板の表面及び裏面に形成されたランドのそれぞれに、前記内部電極の平面の面方向が一致するように前記外部電極が接合されていること、
   を特徴とする実装構造体。
8. 前記一対の積層セラミックコンデンサは、前記内部電極の平面が前記回路基板の表面及び裏面に垂直方向に実装されていること、を特徴とする請求項７に記載の実装構造体。
9. 前記回路基板の表面及び裏面に形成されたランドはそれぞれ金属導体によって電気的に接続されていること、を特徴とする請求項７又は請求項８に記載の実装構造体。
10. 複数の前記回路基板のそれぞれに、前記一対の積層セラミックコンデンサが、それぞれの前記内部電極の平面の面方向が一致するように実装されていること、を特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の実装構造体。
11. 一の前記回路基板に、複数組の前記一対の積層セラミックコンデンサが、それぞれの前記内部電極の平面の面方向が一致するように実装されていること、を特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の実装構造体。

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