JP2021027291A - 電子部品、電子装置、及び電子部品リフロー方法 - Google Patents

電子部品、電子装置、及び電子部品リフロー方法 Download PDF

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Abstract

【課題】配線基板と電子部品との接続強度を高めること。【解決手段】部品本体21と、部品本体21から延び、かつ曲げが付与された端子22と、曲げの内側の端子22に設けられたはんだ25とを有する電子部品20による。【選択図】図7

Description

本発明は、電子部品、電子装置、及び電子部品リフロー方法に関する。
配線基板に電子部品を実装する技術にはIMT(Insertion Mount Technology)やSMT(Surface Mount Technology)等の様々な技術がある。なかでも、IMTは、配線基板の貫通孔に電子部品の端子を挿入することにより実装を行う技術であり、ソケット等の大型の電子部品を配線基板に接続するのに有利である。
しかし、そのIMTには、配線基板と電子部品との接続強度を高めるという点で改善の余地がある。
特開2006−210517号公報 特開平11−144974号公報 特開平1−041177号公報
一側面によれば、本発明は、配線基板と電子部品との接続強度を高めることを目的とする。
一側面によれば、部品本体と、前記部品本体から延び、かつ曲げが付与された端子と、前記曲げの内側の前記端子に設けられたはんだとを有する電子部品が提供される。
一側面によれば、配線基板と電子部品との接続強度を高めることができる。
図1(a)、(b)は、本願発明者が検討した電子部品の製造途中の断面図(その1)である。 図2(a)、(b)は、本願発明者が検討した電子部品の製造途中の断面図(その2)である。 図3(a)、(b)は、本願発明者が検討した電子部品の製造方法の問題について説明するための断面図である。 図4は、第1の電子部品を実装する前の配線基板の拡大平面図である。 図5は、はんだペーストを図2(b)の工程でリフローした場合の配線基板と第1の電子部品の拡大平面図である。 図6は、空洞が形成された場合の配線基板の写真を基にして描いた拡大平面図である。 図7は、本実施形態に係る電子部品の断面図である。 図8は、第1のはんだを加熱して溶融させたときの電子部品の断面図である。 図9(a)〜(e)は、本実施形態に係る端子を適用可能なIMT用の電子部品の様々な例を示す斜視図である。 図10(a)、(b)は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図(その1)である。 図11(a)、(b)は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図(その2)である。 図12(a)、(b)は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図(その3)である。 図13(a)、(b)は、本実施形態に係る電子部品の製造途中の断面図(その1)である。 図14(a)、(b)は、本実施形態に係る電子部品の製造途中の断面図(その2)である。 図15(a)、(b)は、本実施形態の別の例に係る電子部品の製造途中の断面図(その1)である。 図16(a)、(b)は、本実施形態の別の例に係る電子部品の製造途中の断面図(その2)である。 図17は、本実施形態の別の例に係る電子部品の製造途中の断面図(その3)である。 図18は、端子の長手方向に沿った治具の断面図である。 図19(a)は本実施形態の第1例に係る電子部品の断面図であり、図19(b)は本実施形態の第1例に係る電子部品を配線基板に実装してなる電子装置の断面図である。 図20(a)は本実施形態の第2例に係る電子部品の側面図であり、図20(b)は図20(a)のI-I線に沿う断面図であり、図20(c)は本実施形態の第2例に係る電子部品を配線基板に実装してなる電子装置の一部断面側面図である。 図21(a)は本実施形態の第3例に係る電子部品の断面図であり、図21(b)は本実施形態の第3例に係る電子部品を配線基板に実装してなる電子装置の断面図である。
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。
配線基板に実装される電子部品の端子には、SMT用の端子やIMT用の端子等のように形状が異なる様々な端子がある。このように形状が異なる端子を備えた複数の電子部品を配線基板に混載する場合、端子の種類ごとに別工程で各電子部品を配線基板に実装するのは非効率的である。
そこで、以下では、端子の形状が異なる複数の電子部品を同時に配線基板に実装する方法について説明する。
図1〜図2は、本願発明者が検討した電子部品の製造途中の断面図である。
まず、図1(a)に示すように、貫通孔1aが形成された配線基板1として例えばガラスエポキシ基板を用意する。その貫通孔1aの内面には、後でIMT用の端子と接続される導電層2として電解銅めっき層が形成される。その電解銅めっき層は、貫通孔1aの開口端と配線基板1の表面1bにもそれぞれ導電パッド2a及び電極2bとして形成される。
次に、図1(b)に示すように、導電パッド2aと電極2bの各々の上にはんだペースト4を塗布する。
次いで、図2(a)に示すように、コネクタ等の第1の電子部品6を用意し、その第1の電子部品6が備えるIMT用のリード状の第1の端子5を貫通孔1aに挿入する。
これと共に、SMT用の第2の端子7を備えた第2の電子部品8を用意し、電極2bの上のはんだペースト4に第2の端子7を密着させる。このような第2の電子部品8としては、第1の電子部品6よりも小型の抵抗素子等がある。
続いて、図2(b)に示すように、はんだペースト4をリフローして溶融させる。これにより、導電パッド2aの上で溶融したはんだペースト4が貫通孔1a内に侵入し、そのはんだペースト4により第1の端子5と導電層2が接続される。
これと同時に、電極2bの上で溶融したはんだペースト4により、第2の電子部品8の第2の端子7と電極2bとが接続される。
以上により、この例に係る電子装置10の基本構造が完成する。
このような電子装置10の製造方法によれば、図2(b)の工程において導電パッド2aと電極2bの各々の上のはんだペースト4を同時にリフローする。そのため、IMTとSMTのそれぞれの端子を備えた各電子部品6、8を配線基板1に同時に実装することができ、各電子部品6、8を別工程で配線基板1に実装する場合よりも工程数を減らすことができる。
しかしながら、本願発明者が検討したところ、この方法には、第1の電子部品6の第1の端子5が大型化した場合に以下のような問題があることが明らかとなった。
図3(a)、(b)は、その問題について説明するための断面図である。
図3(a)の例では、第1の端子5の大型化に合わせて配線基板1を厚くした場合を想定している。この場合は貫通孔1aも深くなるため、貫通孔1aに充填されるはんだペースト4が不足し、導電層2と第1の端子5との接続強度が低下してしまう。
また、図3(b)に示すように、このようにはんだペースト4が不足するとはんだペースト4の内部に空洞4aが形成されることもある。その空洞4aによって導電層2と第1の端子5との接続強度が一層低下してしまう。
このようなはんだペースト4の不足を補うために次のような方法も考えられる。
図4は、第1の電子部品6を実装する前の配線基板1の拡大平面図である。
図4の例では、配線基板1の表面1bのうち、貫通孔1aの横の広い空きスペースにはんだペースト4を塗布する。
図5は、そのはんだペースト4を図2(b)の工程でリフローした場合の配線基板1と第1の電子部品6の拡大平面図である。
図5に示すように、リフローにより溶融した多量のはんだペースト4が貫通孔1a内に流れ込み、貫通孔1a内におけるはんだペースト4の不足を補うことができる。
しかし、このように表面1bの広い空きスペースにはんだペースト4を塗布すると、リフローの際に貫通孔1a内に流れ込まなかった一部のはんだペースト4が表面1bの上で固まって球形のはんだボール4xが形成されてしまう。そのはんだボール4xが表面1bの上に残存すると、隣接する第1の端子5同士が導電性のはんだボール4xによって電気的に短絡してしまうおそれがある。
更に、表面1bにおける空きスペースが狭い場合には、その空きスペースに十分な量のはんだペースト4を塗布することができず、前述のように貫通孔1a内のはんだペースト4に空洞4aが形成されてしまう。
図6は、このように空洞4aが形成された場合の配線基板1の写真を基にして描いた拡大平面図である。
貫通孔1a内のはんだペースト4が不足したり空洞4aが形成されたりすると、配線基板1と第1の電子部品6との接続強度が低下し、電子装置10の信頼性が低下してしまう。
以下、本実施形態について説明する。
(本実施形態)
図7は、本実施形態に係る電子部品20の断面図である。
この電子部品20は、IMTにより配線基板に実装されるタイプの電子部品であり、部品本体21、二本の端子22、及び第1のはんだ25を備える。
部品本体21は特に限定されないが、例えばソケット、スイッチ、及びコンデンサ等を部品本体21として採用し得る。
また、各端子22は、部品本体21に給電するための導電性のリードであり、例えば1mm〜5mm程度の長さを有する。各端子22の根元22aは部品本体21の表面21aに固定されており、その表面21aの法線方向nに略等しい方向に沿って根元22aから先端22bに各端子22が延びる。各端子22の材料は特に限定されないが、加工性と導電性に優れた黄銅やリン青銅等の銅合金を端子22の材料として使用し得る。なお、端子22の表面におけるはんだの濡れ性を向上させるために、端子22の表面にスズめっき層を形成してもよい。
更に、この例では、プレス加工や切削加工等で各端子22に曲げを付与することにより、根元22aと先端22bとの間の各端子22に屈曲部22cを設ける。
また、各端子22は、屈曲部22cにおける曲げの内側同士が向き合うように部品本体21に固定される。これにより、各端子22の間隔Wは屈曲部22cにおいて最も広くなり、屈曲部22cから先端22bに向かうにつれて間隔Wが狭くなる。間隔Wは特に限定されないが、屈曲部22cにおける間隔Wは1mm〜2mm程度である。
一方、第1のはんだ25は、各端子22の間に挟まれており、配線基板の貫通孔におけるはんだの不足分を補うように機能する。第1のはんだ25の材料は特に限定されない。例えば、SnAgCu合金、SnCu合金、SnBi合金、及びSuAu合金等の鉛フリーはんだを第1のはんだ25の材料として使用し得る。
特に、本実施形態では各端子22に曲げを付与したため、曲げの内側に多くの第1のはんだ25を保持することが可能となる。
また、各端子22は、それらの間隔Wを広げる方向の弾性力Fを有しているが、図7の状態では各端子22が第1のはんだ25により結束されているため、各端子22の先端22b同士が離れるのを抑制することができる。
図8は、第1のはんだ25を加熱して溶融させたときの電子部品20の断面図である。なお、図8においては第1のはんだ25を省略している。
このように第1のはんだ25を溶融すると、第1のはんだ25による結束から各端子22が開放され、弾性力Fによって各端子22の先端22b同士の間隔Wが広がる。
図9(a)〜(e)は、本実施形態に係る端子22を適用可能なIMT用の電子部品20の様々な例を示す斜視図である。
図9(a)に示す電子部品20はコネクタであり、図9(b)に示す電子部品20はソケットである。そして、図9(c)に示す電子部品20はスイッチである。また、図9(d)、(e)の各々に示す電子部品20はコンデンサである。
本実施形態に係る端子22は、図9(a)〜(e)のいずれの電子部品20にも適用可能である。これらの電子部品20における端子22の個数は特に限定されないが、この例では二本の端子22が部品本体21に複数組設けられる。
次に、本実施形態に係る電子部品リフロー方法について説明する。
図10〜図12は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図である。
まず、図10(a)に示すように、貫通孔31aが形成されたガラスエポキシ基板等の配線基板31を用意する。配線基板31の厚さは特に限定されないが、ここではその厚さを0.8mm〜3.0mm程度とする。また、貫通孔31aの直径は、例えば0.8mm〜2.0mm程度である。
本実施形態では貫通孔31aに厚さが例えば100μm〜150μm程度の電解銅めっき膜を形成することにより貫通孔31aの内面に導電層32を形成する。その電解銅めっき膜は、貫通孔31aの開口端において導電パッド32aとして形成され、かつ貫通孔31aから間隔をおいた部分の配線基板31の表面31bに電極32bとして形成される。
次に、図10(b)に示すように、導電パッド32aと電極32bの各々の上に第2のはんだ34としてはんだペーストを100μm〜150μm程度の厚さに塗布する。第2のはんだ34は、後述のリフローによって貫通孔31a内に充填されるが、貫通孔31a内ではんだが不足しないように貫通孔31aが塞がる程度の十分な量の第2のはんだ34を導電パッド32aに塗布するのが好ましい。但し、貫通孔31a内ではんだが不足しない場合には、第2のはんだ34で貫通孔31aを塞がなくてもよい。
続いて、図11(a)に示すように、SMT用の端子37を備えた部品38を用意する。そして、端子37と電極32bとの位置合わせを行い、電極32bの上の第2のはんだ34の上に部品38を載置する。
SMT用の部品38は特に限定されないが、例えば抵抗素子を部品38として使用し得る。
次いで、図11(b)に示すように、本実施形態に係る電子部品20を用意し、その電子部品20の二本の端子22を貫通孔31aに挿入する。これにより、導電パッド32a上の第2のはんだ34が各端子22と共に貫通孔31aに流れ込み、貫通孔31aが第2のはんだ34で充填されていく。
また、本実施形態では各端子22を第1のはんだ25で結束することにより各端子22の間隔を狭めたため、各端子22を貫通孔31aにスムーズに挿入することができる。
更に、図7のように屈曲部22cから先端22bに向かうにつれて各端子22同士の間隔Wが狭くなるようにしたため、先端22bが貫通孔31aに触れ難くなり、各端子22を貫通孔31aに容易に挿入できる。
そして、図12(a)に示すように、上記のようにして貫通孔31aに各端子22を挿入することで、各端子22の先端22bを配線基板31の裏面31cから突出させる。
次いで、図12(b)に示すように、第1のはんだ25と第2のはんだ34の各々を加熱してリフローすることにより、各端子22と導電層32の各々に各はんだ25、34を固着させる。
このとき、本実施形態では貫通孔31aにおけるはんだの不足分を第1のはんだ25で補うことができる。そのため、十分な量の各はんだ25、34で各端子22と導電層32とを接続することができ、配線基板31と電子部品20との接続強度を高めることができる。これにより、図4の例のように配線基板31の表面の広い範囲にはんだペーストを塗布する必要がなく、そのはんだペーストからなるはんだボールで電子部品20と部品38同士が電気的に接続されるのを防止することができる。
しかも、第1のはんだ25が溶融することで各端子22の結束が解かれるため、各端子22がそれらの弾性力で導電層32に押圧されるようになり、各端子22と導電層32とをより一層確実に接続することができる。
更に、この工程では電極32bの上の第2のはんだ34も溶融するため、電子部品20と導電層32とを接続するのと同時に、部品38と電極32bとを接続することができる。
なお、本工程のリフローのピーク温度は特に限定されない。例えば、各はんだ25、26が溶融する260℃にそのピーク温度を設定し得る。
以上により、本実施形態に係る電子装置40の基本構造が完成する。
上記した本実施形態によれば、予め端子22の曲げの内側に第1のはんだ25を設けたため、貫通孔31aにおいてはんだが不足するのを抑制でき、配線基板31と電子部品20との接続強度を高めることができる。
次に、本実施形態に係る電子部品20の製造方法について説明する。
図13〜図14は、本実施形態に係る電子部品20の製造途中の断面図である。
まず、図13(a)に示すように、二本の端子22の根元22aを部品本体21に固定する。例えば、ソケット等のように部品本体21がモールド樹脂で形成されている場合には、モールド成型で根元22aを樹脂に埋設すればよい。
なお、この状態では各端子22は第1のはんだ25による拘束を受けておらず、各端子22の間隔は広がった状態となる。
次に、図13(b)に示すように、樹脂製の治具50の孔50aに各端子22を挿入することにより各端子22の間隔を狭める。
そして、図14(a)に示すように、加熱により溶融した第1のはんだ25を治具50の注入口50bから孔50aに注入し、各端子22の間に第1のはんだ25を供給する。その後、第1のはんだ25を冷却して固化させる。
その後に、図14(b)に示すように、治具50から端子22を取り出す。
以上により、本実施形態に係る電子部品20の基本構造が完成する。
なお、この例では、各端子22が部品本体21に固定された状態で各端子22の間に第1のはんだ25を供給したが、以下のように部品本体21に固定する前に各端子22の間に第1のはんだ25を供給してもよい。
図15〜図17は、本実施形態の別の例に係る電子部品20の製造途中の断面図である。
まず、図15(a)に示すように、根元22a同士が連結部22dで連結された二本の端子22を複数用意する。その連結部22dの材料は特に限定されず、端子22と同じ金属材料で連結部22dを形成し得る。
次に、図15(b)に示すように、治具55の空洞55a内に各端子22を収容することにより各端子22の間隔を狭める。
図18は、端子22の長手方向に沿った治具55の断面図である。
図18に示すように、空洞55aの入口55bは端子22よりも十分に広く形成されており、その入口55bから空洞55aに端子22を挿入することができる。
次いで、図16(a)に示すように、加熱により溶融した第1のはんだ25を治具55の注入口55cから空洞55aに注入し、各端子22の間に第1のはんだ25を供給する。その後、第1のはんだ25を冷却して固化させる。
続いて、図16(b)に示すように、治具55から端子22を取り出す。
その後に、図17に示すように、例えばモールド成型により各端子22の連結部22dを部品本体21に埋設し、本実施形態に係る電子部品20の基本構造を完成させる。
次に、本実施形態の様々な変形例について説明する。
・第1例
図19(a)は、第1例に係る電子部品20の断面図である。
この例では、一本の端子22のみを部品本体21に設ける。端子22は複数の箇所において曲げが付与されており、これにより複数の屈曲部22cが端子22に形成される。そして、各屈曲部22cにおける曲げの内側に第1のはんだ25が設けられる。
図19(b)は、この電子部品20を配線基板31に実装してなる電子装置40の断面図である。
配線基板31に電子部品20を実装するには、図11(b)〜図12(b)に示した工程を行うことにより各はんだ25、34をリフローし、各はんだ25、34によって端子22と導電層32とを接続すればよい。
また、本実施形態では端子22の本数を一本としたことにより、複数の端子22を設ける場合と比較して電子部品20の製造コストを低廉化することができる。
更に、上記のように端子22に屈曲部22cを形成したことにより、その屈曲部22cによる曲げの内側に第1のはんだ25を収容するスペースを確保できる。その結果、端子22をストレート状とする場合と比較して第1のはんだ25の量が多くなり、十分な量の各はんだ25、34で端子22と導電層32とを接続できる。
・第2例
図20(a)は、第2例に係る電子部品20の側面図である。
図20(a)に示すように、本例では屈曲部22cが形成された端子22の本数を三本とし、屈曲部22cによる曲げの内側同士が向き合うように三本の端子22を配する。
図20(b)は、図20(a)のI-I線に沿う断面図である。
図20(b)に示すように、第1のはんだ25は三本の端子22の間に挟まれる。
図20(c)は、この電子部品20を配線基板31に実装してなる電子装置40の一部断面側面図である。
配線基板31に電子部品20を実装するには、図11(b)〜図12(b)に示した工程を行うことにより各はんだ25、34をリフローすればよい。また、この例では端子22の本数を三本としたため、図12(b)の例と比較して導電層32に接触する端子22の本数が増え、導電層32と電子部品20との接続信頼性を高めることができる。
・第3例
図21(a)は、第3例に係る電子部品20の断面図である。
この例では、一本の端子22を曲げてループにし、そのループの内側に第1のはんだ25を設ける。これにより、端子22で第1のはんだ25を囲うことができ、端子22から第1のはんだ25が脱落するのを抑制できる。
図21(b)は、この電子部品20を配線基板31に実装してなる電子装置40の断面図である。
第1例や第2例と同様に、配線基板31に電子部品20を実装するには、図11(b)〜図12(b)に示した工程を行うことにより各はんだ25、34をリフローすればよい。そのリフローによって端子22が外力の作用を受けない元の形状に戻るとき、リフロー前と比較してリングの幅が広がるような弾性力を予め端子22に付与しておくのが好ましい。これにより端子22と導電層32とが接触し、端子22と導電層32との接続信頼性を高めることができる。
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1) 部品本体と、
前記部品本体から延び、かつ曲げが付与された端子と、
前記曲げの内側の前記端子に設けられたはんだと、
を有することを特徴とする電子部品。
(付記2) 前記曲げの内側同士が向き合うように前記端子が複数設けられ、各々の前記端子の間に前記はんだが挟まれたことを特徴とする付記1に記載の電子部品。
(付記3) 複数の前記端子の各々は、前記端子同士の間隔を広げる方向の弾性力を有することを特徴とする付記2に記載の電子部品。
(付記4) 複数の前記端子の各々は、
前記部品本体に固定された根元と、
前記根元から延びた先端と、
前記曲げによって前記根元と前記先端との間に形成された屈曲部とを有し、
前記屈曲部から前記先端に向かうにつれて複数の前記端子同士の間隔が狭くなることを特徴とする付記2に記載の電子部品。
(付記5) 複数の前記端子が、前記部品本体に複数組設けられたことを特徴とする付記2に記載の電子部品。
(付記6) 前記曲げにより前記端子がループにされたことを特徴とする付記1に記載の電子部品。
(付記7) 貫通孔が形成された配線基板と、
前記貫通孔の内面に形成された導電層と、
部品本体と、
前記部品本体から延び、かつ曲げが付与された複数の端子であって、前記曲げの内側同士が向き合うように前記貫通孔に挿入された複数の端子と、
前記貫通孔に充填され、複数の前記端子と前記導電層の各々に固着したはんだと、
を有することを特徴とする電子装置。
(付記8) 配線基板に形成された貫通孔の開口端に第1のはんだを塗布する工程と、
前記第1のはんだを塗布した後に、電子部品の曲げが付与された端子であって、前記曲げの内側に第2のはんだが設けられた端子を前記貫通孔に挿入する工程と、
前記第1のはんだと前記第2のはんだとを加熱して溶融させることにより、前記貫通孔の内面に形成された導電層と前記端子とを前記第1のはんだと前記第2のはんだで接続する工程と、
を有することを特徴とする電子部品リフロー方法。
(付記9) 前記開口端に前記第1のはんだを塗布する工程において、前記配線基板の表面に設けられた電極の上にも前記第1のはんだを塗布すると共に、
前記電極の上の前記第1のはんだの上に部品を載置する工程を更に有し、
前記第1のはんだと前記第2のはんだを加熱する工程において、溶融した前記第1のはんだで前記部品と前記電極とを接続することを特徴とする付記8に記載の電子部品リフロー方法。
1…配線基板、1a…貫通孔、1b…表面、2…導電層、2a…導電パッド、2b…電極、4…ペースト、4a…空洞、4x…はんだボール、5…第1の端子、6…第1の電子部品、7…第2の端子、8…第2の電子部品、10…電子装置、20…電子部品、21…部品本体、21a…表面、22…端子、22a…根元、22b…先端、22c…屈曲部、22d…連結部、31…配線基板、31a…貫通孔、31b…表面、31c…裏面、32…導電層、32a…導電パッド、32b…電極、37…端子、38…部品、40…電子装置、50…治具、50a…孔、50b…注入口、55…治具、55a…空洞、55b…入口、55c…注入口。

Claims (5)

  1. 部品本体と、
    前記部品本体から延び、かつ曲げが付与された端子と、
    前記曲げの内側の前記端子に設けられたはんだと、
    を有することを特徴とする電子部品。
  2. 前記曲げの内側同士が向き合うように前記端子が複数本設けられ、各々の前記端子の間に前記はんだが挟まれたことを特徴とする請求項1に記載の電子部品。
  3. 複数の前記端子の各々は、前記端子同士の間隔を広げる方向の弾性力を有することを特徴とする請求項2に記載の電子部品。
  4. 貫通孔が形成された配線基板と、
    前記貫通孔の内面に形成された導電層と、
    部品本体と、
    前記部品本体から延び、かつ曲げが付与された複数の端子であって、前記曲げの内側同士が向き合うように前記貫通孔に挿入された複数の端子と、
    前記貫通孔に充填され、複数の前記端子と前記導電層の各々に固着したはんだと、
    を有することを特徴とする電子装置。
  5. 配線基板に形成された貫通孔の開口端に第1のはんだを塗布する工程と、
    前記第1のはんだを塗布した後に、電子部品の曲げが付与された端子であって、前記曲げの内側に第2のはんだが設けられた端子を前記貫通孔に挿入する工程と、
    前記第1のはんだと前記第2のはんだとを加熱して溶融させることにより、前記貫通孔の内面に形成された導電層と前記端子とを前記第1のはんだと前記第2のはんだで接続する工程と、
    を有することを特徴とする電子部品リフロー方法。
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