JP2021114495A - モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面実装基板において、非対称に配置されたリード端子を有する大型の電子部品のプリント基板への接着固定と端子の半田付けとを一連の熱処理で行う。【解決手段】筐体部とリード端子とを有する電子部品を、プリント基板に表面実装するモジュール製造方法であって、その表面にランドが配置されたプリント基板を準備するステップと、リード端子の設置位置に対応するランドの露出部分を残存させるように、ランドの周縁に沿って選択的にクリーム半田を印刷するステップと、プリント基板のランドと隣接する位置に接着材を塗布するステップと、筐体部が接着材に着接し、リード端子がランドの露出部分に接触するように、電子部品をプリント基板に載置するステップと、熱処理を行い、接着材を硬化させて筐体部を回路基板の表面に固定すると共に、クリーム半田をリフローさせてリード端子をランドに電気的に接続するステップと、を備える。【選択図】図９

Description

本発明はモジュール及びその製造方法に関し、特にプリント基板の両面に電子部品を表面実装されたモジュール及びその製造方法に関する。

電子機器モジュールの小型化及び軽量化の進展に伴い、搭載される半導体素子や電子コンポーネント等の個々の電子部品の小型化が推進されている。この種のモジュールにおいては、搭載される部品の小型化に見合った高密度実装を実現するために、プリント基板の両面のそれぞれに電子部品を表面実装する技術が採用されている。

このような電子機器モジュールに実装される電子部品、例えば容量素子、抵抗素子、発光素子、各種フィルタ等は、その電気特性に応じて様々な大きさの部品があり、リフロー工程の間に溶融した半田の表面張力だけでは保持することが困難な大型で重い部品も含まれる。しかしながら、高密度化を推進するため、そのような大型の部品であっても表面実装することが求められている。

そのような大型の部品として、例えば、ライトアングルピンヘッダがある。このピンヘッダを表面実装するためには、その筐体を接着材によりプリント基板に接着して重量を支える必要がある。その方法として、半田リフローの熱処理の間に熱硬化性の接着材を硬化させて筐体をプリント基板に固定する技術が、採用されている。

このように、１度の熱処理の間に接着材の硬化及び半田リフローの両方を行うためには、ピンヘッダをプリント基板に搭載する表面実装の１つのステップにおいて、プリント基板の所定の位置に硬化前の接着材が塗布され、且つリード端子を半田付けするランドにクリーム半田が印刷された状態で、その筐体が硬化前の接着材に着接し、且つリード端子がランドを覆うクリーム半田に没入するように、ピンヘッダをプリント基板に載置する必要がある。

しかしながら、ライトアングルピンヘッダは、例えば、直方体からなる筐体の１つの側面にコネクト用のピンが配置され、その反対側のもう１つの側面にプリント基板へ半田付けするリード端子が配置される構造を有する。このピンヘッダの筐体をマウンタで吸着して保持し、プリント基板に載置するときには、まず、リード端子が先行してクリーム半田に当接し、そこから、更に筐体を押圧してリード端子をクリーム半田に没入させる必要がある。

しかし、ピン側の側面にはプリント基板に対して支持するものが無いため、リード端子がクリーム半田に没入しないうちに、ピン側の側面が下がる方向に傾いてしまう。これは、マウンタの吸着力では、筐体とプリント基板との平行を維持したまま、クリーム半田の粘性に打ち勝ってリード端子を没入させることが困難であることに起因する。その結果、リード端子がクリーム半田に十分に没入せずに、ピン側の側面の下端部がプリント基板の表面に当接した時点で押圧が停止し、ピンヘッダが傾いたまま載置される。

このように、リード端子がクリーム半田に十分に没入せずに、ピンヘッダが傾いて載置されたままリフローを行うと、半田が溶融するよりも低い温度で、まず接着材が熱硬化しピンヘッダが傾いたまま固定される。その後、温度が上昇して半田が溶融したときにリード端子が半田から乖離し、プリント基板のランドにリード端子が電気的に接続されない不良を誘発する。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ライトアングルピンヘッダのような、非対称に配置されたリード端子を有する大型の電子部品を、プリント基板に接着して固定すると共に、リード端子を確実にランドに接続するモジュール及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様のモジュールの製造方法は、筐体部とその筐体部から突出するリード端子とを有する電子部品を、プリント基板に表面実装するモジュールの製造方法であって、その表面にランドが配置されたプリント基板を準備するステップと、リード端子の設置位置に対応するランドの露出部分を残存させるように、ランドの周縁に沿って選択的にクリーム半田を印刷するステップと、プリント基板の前記ランドと隣接する位置に接着材を塗布するステップと、筐体部が接着材に着接し、リード端子がランドの露出部分に接触するように、電子部品をプリント基板に載置するステップと、熱処理を行い、接着材を硬化させて筐体部を回路基板の表面に固定すると共に、クリーム半田をリフローさせてリード端子をランドに電気的に接続するステップと、を備える。

本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様において、接着材は、クリーム半田が溶融する温度よりも低い温度で熱硬化する。

本発明の第３の態様によれば、上記第２の態様において、熱処理は、クリーム半田が溶融しない温度で接着材の硬化を完了させて、電子部品の筐体部をプリント基板に固定するプリヒート工程と、プリヒート工程の後に温度を上昇させてクリーム半田を溶融し、電子部品のリード端子をランドに半田付けするリフロー工程とを含む。

本発明の第４の態様によれば、上記第１から第３までのいずれか１つの態様において、熱処理の後に、一旦リフローして固化した半田が再度溶融する温度で行う追加熱処理を更に備える。

本発明の第５の態様によれば、上記第１から第４までのいずれか１つの態様において、熱処理は窒素雰囲気中で行う。

本発明の第６の態様によれば、上記第１から第５までのいずれか１つの態様において、クリーム半田を印刷するステップは、所定の位置に開口が設けられたメタルマスクを準備するステップと、メタルマスクをプリント基板に載置するステップと、クリーム半田をメタルマスクの開口の内部に充填するステップと、メタルマスクをプリント基板から取り外すステップと、を含む。

本発明の第７の態様によれば、上記第１から第５までのいずれか１つの態様において、クリーム半田を印刷するステップは、ディスペンサを用いて、クリーム半田をランドの周縁に沿って、選択的に吐出することにより塗布する。

本発明の第８の態様によれば、上記第１から第７までのいずれか１つの態様において、接着材を塗布するステップでは、ディスペンサを用いて、接着材をプリント基板の表面に吐出することにより塗布する。

本発明の第９の態様によれば、上記第１から第８までのいずれか１つの態様において、電子部品はライトアングルピンヘッダであって、筐体部は接着材に着接する底面と底面と交差する側面とを有し、リード端子は側面から横方向に突出して曲げ部を形成しながら延伸し、コネクタピンは前記リード端子が突出する側面と対向する他の側面から突出して延伸する。

本発明の第１０の態様のモジュールは、表面にランドを有するプリント基板と、ランドの周縁に沿って前記ランドの一部を覆うクリーム半田と、そのクリーム半田に隣接する位置でランドの表面が露出する露出部分と、筐体部とその筐体部から突出するリード端子とを有する電子部品であって、筐体部が、ランドに隣接する位置で接着材を介して前記プリント基板と当接し、前記リード端子が前記ランドの前記露出部分に接触する電子部品と、を備える。

本発明の第１１の態様によれば、上記第１０の態様において、クリーム半田は、露出部分の少なくとも両側に配置される。

本発明の第１２の態様によれば、上記第１０の態様において、クリーム半田は、露出部分の周囲を囲んで配置される。

本発明のモジュール及びその製造方法によれば、ライトアングルピンヘッダのような、非対称に配置されたリード端子を有する大型の電子部品を、プリント基板に接着して固定すると共に、リード端子を確実にランドに接続するモジュール及びその製造方法を提供する、という効果を奏することができる。

本発明の実施形態で表面実装される電子部品の平面図である。 図２の線分ＡＡ´に沿った断面図である。 本発明の実施形態のプリント基板の平面図である。 図３の線分ＡＡ´に沿った断面図である。 本発明のモジュールの製造方法の実施形態の一工程における平面図である。 図５の線分ＡＡ´に沿った断面図である。 本発明のモジュールの製造方法の実施形態の１つのステップにおける平面図である。 図７の線分ＡＡ´に沿った断面図である。 本発明のモジュールの製造方法の実施形態の１つのステップにおける平面図、及び本発明のモジュールの実施形態の平面図である。 図９の線分ＡＡ´に沿った断面図である。 図９の線分ＢＢ´に沿った断面図である。 本発明のモジュールの製造方法の実施形態の１つのステップにおける平面図である。 図１２の線分ＡＡ´に沿った断面図である。 図１２の線分ＢＢ´に沿った断面図である。 図１０の拡大断面図である。

以下、図面に基づき本発明のモジュールの製造方法の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態で表面実装される電子部品１、例えば、ライトアングルピンヘッダの平面図である。図２は、図１に記載された線分ＡＡ´に沿った断面図である。

この電子部品１は、概略直方体からなる筐体部２と、筐体部２の１つの側面から突出して延伸するリード端子３と、リード端子３が突出する側面と対向する、他の側面から突出して延伸するピン４と、を有する。図２において、筐体部２の内部構造は省略されている。

筐体部２は、上記側面及び上記他の側面と交差する底面５を含み、この底面５は、プリント基板に実装されたときにプリント基板と対向する。リード端子３は、筐体部２の１つの側面から突出してから底面５の方向に曲がりながら延伸し、その下端は底面５との同一平面上まで、又は底面５との同一平面上を通過して、更に延伸する。

図３は、本発明のモジュールの製造方法の実施形態で準備するプリント基板１２の平面図である。図４は、図３の線分ＡＡ´に沿った断面図である。

このプリント基板１２は、表面実装基板であり、本発明の実施形態のモジュール１０の基体をなす。プリント基板１２の表面には、３つの長方形からなるランド１３が配置されている。このプリント基板１２は、絶縁物材料からなり、例えば、ガラスエポキシ、ガラスポリイミド、セラミック等で形成されていてよい。

ランド１３は、例えば、銅をめっきすることにより形成することができ、プリント基板１２の最表面に配置されている。図４では省略されているが、プリント基板１２として、その内部に、複数の配線層並びにそれらの配線層及びランド１３を電気的に相互接続するヴィアホールが形成された多層配線基板を用いることができる。又、プリント基板１２は、最表面に対向する反対側の面に、更なるランドを有し、両面に電子部品を表面実装できる基板であってよい。

図５は、本発明のモジュールの製造方法の実施形態のクリーム半田を印刷するステップにおける平面図である。図６は、図５に記載された線分ＡＡ´に沿った断面図である。

長方形からなる３つのランドのそれぞれには、３つの辺に沿って選択的にクリーム半田２３が印刷されている。クリーム半田２３に囲まれたランド１３のそれぞれの中央付近には、ランド１３の表面が露出する露出部分１３ａが残存する。クリーム半田２３として、例えば、粒径が数十μｍの半田の細粒とフラックスとを混錬して作成したものを用いることができる。

クリーム半田２３は、例えば、メタルマスクを用いる方法でランド１３の表面に印刷することができる。まず、クリーム半田２３を印刷する位置に開口が設けられたメタルマスクを、プリント基板１２の表面の所定の位置に載置する。次に、クリーム半田をメタルマスク表面に供給し、スキージに所定の荷重を印加しながらメタルマスクの表面を摺動させることにより、メタルマスクの開口部にクリーム半田を充填する。そして、メタルマスクを取り外すと、図５に示すように、ランド１３のそれぞれの所定の位置にクリーム半田２３が印刷されたプリント基板１２を得ることができる。

また、クリーム半田２３は、ディスペンサを用いてランド１３の所望の位置に塗布してよい。例えば、ディスペンサの吐出口を、ランド１３の周縁に沿って移動させながら、適正な量のクリーム半田を吐出することにより、図５に示すように、長方形からなるランド１３の、それぞれの３つの辺に沿った位置にクリーム半田２３を塗布されたプリント基板１２を得ることができる。

図７は、本発明のモジュールの製造方法の実施形態の接着材を塗布するステップにおける平面図である。図８は、図７の線分ＡＡ´に沿った断面図である。

接着材２５は、ランド１３に隣接した、プリント基板１２の表面の所定の位置に、ディスペンサの吐出口から所定の量を吐出して塗布されてよい。ディスペンサから吐出された状態では、接着材２５はプリント基板１２の表面から上方に突起する半球状の断面形状を有する。この接着材２５は、加熱することにより化学反応を生じて固化する熱硬化性であることが好ましい。

図９は、本発明のモジュールの製造方法の実施形態の、電子部品１をプリント基板１２に載置するステップにおける平面図である。図１０は、図９の線分ＡＡ´に沿った断面図であり、その部分拡大図が図１５に示される。図１１は、図９の線分ＢＢ´に沿った断面図である。

電子部品１は、その筐体部２の底面５が接着材２５に着接するように載置し、更に、押圧してプリント基板１２の表面に保持される。このとき、図８において半球状の断面形状であった接着材２５は押圧されて拡がり、図１５に接着材２５ａとして示すように、筐体部２の底面５とプリント基板１２の表面との間で薄膜状となる。

電子部品１を載置するときには、その筐体部２の底面５が接着材２５に着接するとともに、電子部品１のリード端子３がクリーム半田２３の上に載らずに、ランド１３の露出部分１３ａに接触するように位置合わせすることが重要である。図１１に示すように、リード端子３は、ランド１３の周縁に沿って印刷されたクリーム半田２３の間の露出部分１３ａで、クリーム半田２３とは間隙２６をもってランド１３の表面に接触するように載置されている。

仮に、ランド１３の全体にクリーム半田２３が印刷されていると、電子部品１の載置の際に不具合が生じる。電子部品１の載置には、例えばマウンタが用いられ、このマウンタは筐体部２の底面５と対向する位置にある上面を真空吸着して保持し、プリント基板１２上で電子部品１を筐体部２の上面から押圧して、半球状の接着材２５が薄膜状の接着材２５ａとなるように押し拡げる。

図１０および図１５に示すように薄膜状の接着材２５ａの厚さは、リード端子３をランド１３に半田付けするために必要な厚さよりもかなり薄い。従って、仮にリード端子３がクリーム半田２３に載っていると、電子部品１を押圧して接着材２５ａを薄膜状にすると同時に、リード端子３のそれぞれをクリーム半田２３の中に没入させなければならない。

しかしながら、リード端子３の反対側にはピン４が配置されているだけであり、ピン４はプリント基板１２には接触しないから、リード端子３の反対側では電子部品１をプリント基板１２に対して支持する構造物がない。又、クリーム半田２３は表面実装部品を一時的に保持できる程度の粘性を有するため、リード端子３のクリーム半田２３の中に没入させるためには相応の力が必要である。

ところが、マウンタは、電子部品１の筐体部２の上面を吸着して保持しているだけであるので、電子部品１を回転させる方向の力に耐えることは困難である。それゆえ、マウンタは、リード端子３がクリーム半田２３に載っている状態から、相応の粘性を有するクリーム半田２３を押しのけて、その内部に没入するまで電子部品１とプリント基板１２の表面との平行を維持したまま、押圧することはできない。

その結果、リード端子がクリーム半田に没入されずに、ピン４側の側面がプリント基板１２の表面に近づく方向に傾いてしまう。傾いた筐体部２はその底面の一端がプリント基板１２の表面に当接した状態で固定される。傾いて固定された電子部品１をリフローすると、リード端子３が溶融した半田から乖離してしまい、ランド１３への接続不良を誘発する。

図１２は、本発明の方法の実施形態の、電子部品１をプリント基板１２に固定し、リード端子３をランド１３に電気的に接続するステップにおける平面図である。図１３は、図１２の線分ＡＡ´に沿った断面図である。図１４は、図１２の線分ＢＢ´に沿った断面図である。

このステップでは、熱処理を行い、接着材２５ａを熱硬化させて、電子部品１の筐体部２をプリント基板１２に接着し固定すると共に、クリーム半田２３をリフローさせて半田２３ａとし、リード端子３のそれぞれを、対応するランド１３に半田付けする。ここで、接着材２５ａが熱硬化される温度は、クリーム半田２３が溶融する温度よりも低いことが好ましい。

この熱処理は、まずクリーム半田２３が溶融しない温度でプリヒートを行い（プリヒート工程）、ここで接着材２５ａを硬化させて、筐体部２の底面５をプリント基板１２に固定する。続いて、プリヒート工程の後に、更に温度を上昇させ、クリーム半田２３を溶融し、電子部品１のリード端子３をランド１３に半田付けする（リフロー工程）。

リフロー工程では、図１１において、リード端子３の左右に印刷されていたクリーム半田２３が溶融すると、ランド１３の表面に沿って流動する。流動する半田は、間隙２６を充填してリード端子３の各側面を囲む。そして、冷却時に固化して半田２３ａとなり、リード端子３のそれぞれをランド１３に機械的に固定すると共に、電気的に接続する（図１４）。熱処理は、半田の濡れ性をより改善するために、窒素雰囲気中で行ってもよい。

リード端子３の両側からのクリーム半田２３の流動を、完全に対称となるように制御することは困難であり、流動の過渡状態ではリード端子３のそれぞれに横方向の応力が加わることがある。仮に、リード端子３に非対称な応力が加わったとしても、電子部品１の設置位置が所定の位置からずれないようにするため、クリーム半田２３が溶融する前に接着材２５ａの熱硬化を完了させることで、電子部品１の筐体部２がプリント基板１２の表面に、あらかじめ固定されていることが望ましい。

次に、本発明のモジュールについて説明する。図９は、本発明のモジュール１０の実施形態の平面図である。図１０は、図９の線分ＡＡ´に沿った断面図である。図１１は、図９の線分ＢＢ´に沿った断面図である。

このモジュール１０は、その表面にランド１３を有するプリント基板１２を備え、そのランド１３には、概ね長方形からなるランド１３の周縁部、例えば３つの辺に沿ってランド１３の一部を覆うクリーム半田２３が設置されている。このランド１３は、その領域内に、クリーム半田２３に隣接する位置でランド１３の表面が露出する露出部分１３ａを有する。又、クリーム半田２３は露出部分１３ａの周囲を囲んでいてもよい。

プリント基板１２には電子部品１が表面実装されており、この電子部品１は、例えばライトアングルピンヘッダであって、概略直方体からなる筐体部２と、筐体部２の１つの側面から突出して延伸するリード端子３と、リード端子３が突出する側面と対向する、もう１つの側面から突出して延伸するピン４と、を有する。

筐体部２は、その底面５がランド１３に隣接する位置で、接着材２５ａを介してプリント基板１２の表面と当接する。又、リード端子３のそれぞれは対応するランド１３の露出部分１３ａに接触している。ここで、リード端子３とランド１３の一部を覆うクリーム半田２３とは間隙２６だけ離間している。

以上説明したとおり、本発明のモジュール及びその製造方法によれば、ライトアングルピンヘッダのような、非対称に配置されたリード端子を有する大型の電子部品を、プリント基板に接着して固定すると共に、リード端子を確実にランドに接続するモジュール及びその製造方法を提供する。

又、プリント基板１２は、最表面に対向する反対側の面に、更なるランドを有し、電子部品を両面に表面実装できる基板であってよい。このとき、更なるランドに実装する電子部品を半田付けするための、追加熱処理を行うための更なるリフロー工程が備えられていてもよい。

この追加熱処理の間に、図１２〜図１４に示された、一旦リフローされた半田２３ａは再度溶融するが、電子部品１は、すでに硬化した接着材２５ａによりプリント基板１２の表面に固定されている。従って、位置がずれることはなく、且つ溶融した半田２３ａも、それ自身の表面張力でランド１３及びリード端子３の各々に保持される。

このように、本発明のモジュール及びその製造方法は、片面実装基板及び両面実装基板のいずれにおいても、同様に適用することができる。

１ 電子部品
２ 筐体部
３ リード端子
１２ プリント基板
１３ ランド
１３ａ 露出部分
２３ クリーム半田
２５ 接着材

Claims (12)

1. 筐体部と前記筐体部から突出するリード端子とを有する電子部品を、プリント基板に表面実装するモジュールの製造方法であって、
   その表面にランドが配置された前記プリント基板を準備するステップと、
   前記リード端子の設置位置に対応する前記ランドの露出部分を残存させるように、前記ランドの周縁に沿って選択的にクリーム半田を印刷するステップと、
   前記プリント基板の前記ランドと隣接する位置に接着材を塗布するステップと、
   前記筐体部が前記接着材に着接し、前記リード端子が前記ランドの前記露出部分に接触するように、前記電子部品を前記プリント基板に載置するステップと、
   熱処理を行い、前記接着材を硬化させて前記筐体部を前記プリント基板の前記表面に固定すると共に、前記クリーム半田をリフローさせて前記リード端子を前記ランドに電気的に接続するステップと、を備えるモジュールの製造方法。
2. 前記接着材は、前記クリーム半田が溶融する温度よりも低い温度で熱硬化する、請求項１に記載のモジュールの製造方法。
3. 前記熱処理は、前記クリーム半田が溶融しない温度で前記接着材の硬化を完了させて、前記電子部品の前記筐体部を前記プリント基板に固定するプリヒート工程と、前記プリヒート工程の後に温度を上昇させて前記クリーム半田を溶融し、前記電子部品の前記リード端子を前記ランドに半田付けするリフロー工程とを含む、請求項２に記載のモジュールの製造方法。
4. 前記熱処理の後に、一旦リフローして固化した半田が再度溶融する温度で行う追加熱処理を更に備える、請求項１から３までのいずれか１項に記載のモジュールの製造方法。
5. 前記熱処理は窒素雰囲気中で行う、請求項１から４までのいずれか１項に記載のモジュールの製造方法。
6. 前記クリーム半田を印刷するステップは、所定の位置に開口が設けられたメタルマスクを準備するステップと、前記メタルマスクを前記プリント基板に載置するステップと、前記クリーム半田を前記メタルマスクの前記開口の内部に充填するステップと、前記メタルマスクを前記プリント基板から取り外すステップと、を含む請求項１から５までのいずれか１項に記載のモジュールの製造方法。
7. 前記クリーム半田を印刷するステップは、ディスペンサを用いて、前記クリーム半田を前記ランドの周縁に沿って、選択的に吐出することにより塗布する、請求項１から５までのいずれか１項に記載のモジュールの製造方法。
8. 前記接着材を塗布するステップでは、ディスペンサを用いて、前記接着材を前記プリント基板の前記表面に吐出することにより塗布する、請求項１から７までのいずれか１項に記載のモジュールの製造方法。
9. 前記電子部品はライトアングルピンヘッダであって、前記筐体部は前記接着材に着接する底面と前記底面と交差する側面とを有し、前記リード端子は前記側面から横方向に突出して曲げ部を形成しながら延伸し、ピンは前記リード端子が突出する前記側面と対向する他の側面から突出して延伸する、請求項１から８までのいずれか１項に記載のモジュールの製造方法。
10. 表面にランドを有するプリント基板と、
    前記ランドの周縁に沿って前記ランドの一部を覆うクリーム半田と、
    前記クリーム半田に隣接する位置で前記ランドの表面が露出する露出部分と、
    筐体部と前記筐体部から突出するリード端子とを有する電子部品であって、前記筐体部が、前記ランドに隣接する位置で接着材を介して前記プリント基板と当接し、前記リード端子が前記ランドの前記露出部分に接触する電子部品と、を備えるモジュール。
11. 前記クリーム半田は、前記露出部分の少なくとも両側に配置される、請求項１０に記載のモジュール。
12. 前記クリーム半田は、前記露出部分の周囲を囲んで配置される、請求項１０に記載のモジュール。

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