JP3936485B2 - プリント配線基板ユニットおよび基板用矯正部品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品が実装されるプリント配線基板に関する。なお、本明細書では、特に断らない限り、「プリント配線基板」は、部品が一切搭載されていない基板(substrate)単体を指すものとする。
【0002】
【従来の技術】
一般に、表面実装技術などを用いてプリント配線基板に電子部品を実装する場合、リフローといった半田付け工程が用いられる。こうした半田付け工程では、プリント配線基板は200度〜230度といった高温に熱せられる。半田付け工程の終了後にプリント配線基板が冷却されると、プリント配線基板には熱膨張係数に基づく収縮が生じる。電子部品が実装される基板の表側で収縮は小さく、基板の裏側で収縮は大きくなることから、プリント配線基板には反りが引き起こされる。この反りは、電子部品の剥離を招いたり、電子部品の入出力ピンに余分な応力を作用させて耐久性を悪化させたりする。従来、こうした反りは、プリント配線基板の裏側に接合される金属製の補強部材によって阻止された。プリント配線基板が補強部材に強制的に押し付けられる結果、プリント配線基板の反りは抑制された。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
いわゆるスーパーコンピュータやメインフレームといった大型コンピュータでは、MCM(マルチチップモジュール)やメモリモジュールといった電子部品が実装される大型のプリント配線基板が用いられる。こうした大型のプリント配線基板は撓みやすく、電子部品が実装される基板表面を平坦に維持することは難しい。基板表面が湾曲すれば、電子部品の実装時に電子部品の入出力ピンがプリント配線基板の入出力パッドに接触することは困難となってしまう。
【0004】
特に、複数の銅プリント配線パターンが積層されるプリント配線基板では、プリント配線基板の外周に向かうにつれて基板の板厚が薄くなってしまう。銅プリント配線パターンの積層時に、プリント配線基板の外周では、銅箔(配線パターン)同士の間に挟み込まれる樹脂材が逃げ出しやすいからである。その結果、プリント配線基板の外周に近づくにつれて基板の表側および裏側では基板表面は湾曲面を描いてしまう。こうして湾曲した基板の裏側に従来の平坦な補強部材が接合されると、電子部品が実装される基板の表側ではさらに湾曲が大きくなり、電子部品の入出力ピンの一部はプリント配線基板の入出力パッドに全く接触しなくなってしまう。
【0005】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、電子部品との間で確実に電気的接続を確立することができるプリント配線基板を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1発明によれば、プリント配線基板と、このプリント配線基板の一面に接触する少なくとも3つの支持点を湾曲面に沿って配置させる矯正部品とを備えることを特徴とするプリント配線基板ユニットが提供される。
【0007】
また、第2発明によれば、プリント配線基板と、このプリント配線基板の一面に接触する少なくとも2つの支点同士の間に、2つの支点を含む平面から引っ込んでプリント配線基板に接触する接触点が規定される矯正部品とを備えることを特徴とするプリント配線基板ユニットが提供される。
【0008】
こうしたプリント配線基板ユニットによれば、矯正部品の働きによってプリント配線基板に予め反りを生じさせることができる。こうした反りを利用すれば、プリント配線基板の表面に形成される湾曲面を矯正して、プリント配線基板に実装される電子部品とプリント配線基板との間で接触不良が生じることを極力回避することが可能となる。
【0009】
プリント配線基板ユニットは、前記プリント配線基板の変形を引き起こしつつプリント配線基板および矯正部品を相互に連結する結合機構をさらに備えればよい。こうした結合機構の働きを通じてプリント配線基板の表面形状は矯正されることとなる。したがって、矯正部品には、プリント配線基板の結合時に変形しない程度の剛性が必要とされる。
【0010】
ここで、前記接触点と前記平面との距離は、前記支点で矯正部品およびプリント配線基板が水平支持された際に矯正部品およびプリント配線基板の撓みで変位する接触点の変位量に基づき設定される。一般に、プリント配線基板に電子部品を実装する場合、プリント配線基板は両持ちで水平支持されることが多い。このとき、プリント配線基板では、プリント配線基板に搭載される電子部品やプリント配線基板自身の自重に起因して撓みが生じる。したがって、予めこうした撓みを考慮して接触点の位置を規定しておけば、電子部品が実装されるプリント配線基板の表面を平坦に維持することが可能となる。
【0011】
前記矯正部品は、プリント配線基板の裏側に前記支点および接触点を作用させ、プリント配線基板の表側で平面度を矯正することが望ましい。こうした構成によれば、電子部品が実装される表面に矯正部品が取り付けられることはなく、その結果、矯正部品に邪魔されずに電子部品の取り外しや交換といったメンテナンスを実現することが可能となる。
【0012】
こうした場合には、前記接触点と前記平面との距離は、接触点で規定されるプリント配線基板の板厚と、前記支点で規定されるプリント配線基板の板厚との差分に基づき設定されることが望ましい。こうした設定によれば、板厚のばらつきに起因してプリント配線基板の表面に現れる湾曲面は矯正されることができる。
【0013】
前記矯正部品は例えば無端状の枠形に形成されることができる。ただし、十分な剛性が確保される限り、矯正部品の構造や形状は任意に設定されることができる。こうした矯正部品では、前記接触点は、前記矯正部品に形成される湾曲面上に配置されてもよく、前記矯正部品に形成される段差の頂点で規定されてもよい。
【0014】
その他、前記矯正部品は、前記プリント配線基板に対向する平坦面が形成される部品本体と、プリント配線基板および平坦面の間に挿入されてプリント配線基板の撓りを引き起こす充填部材とを備えてもよい。かかる構成によれば、従来の補強部材を部品本体として利用することができ、したがって、大きな設計変更を引き起こすことなくプリント配線基板の平坦性を確保することが可能となる。
【0015】
矯正部品の素材はプリント配線基板の熱膨張率に応じて選択されることが望ましい。例えばプリント配線基板の熱膨張率と矯正部品の熱膨張率とを近づければ、矯正部品が取り付けられたプリント配線基板が熱せられてもプリント配線基板に撓みが生じることを極力防止することができる。ガラス繊維にエポキシ樹脂やポリイミド樹脂が含浸されたプリント配線基板を用いる場合には矯正部品の素材としてステンレス系材料が選択されることが望ましいことが確認されている。
【0016】
以上のような矯正部品は、プリント配線基板に実装される電子部品に電圧を供給する給電部品に一体化されてもよく、プリント配線基板に対して電子部品を結合させるコネクタに一体化されてもよい。こうした構成によれば、矯正部品固有の配置スペースを割く必要はなくなる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の第1実施形態を説明する。
【0018】
図1は大型コンピュータの構造を概略的に示す。大型コンピュータの筐体には、演算処理を実現するマザーボード(電子部品搭載基板)11と、電源プレート12を通じてマザーボード11に電力を供給する電源装置13とが組み込まれる。電力の供給に応じてマザーボード11が作動すると、ファン14から送り出される空気流15によってマザーボード11は冷却される。図2を併せて参照すると明らかなように、マザーボード11には、ファン14からの空気流15を電子部品に沿って案内するフード16が取り付けられる。
【0019】
マザーボード11には、複数個のマルチチップモジュール(MCM)17と、多数枚のメモリモジュール18とが実装される。各MCM17とメモリモジュール18とは、プリント配線基板ユニット19に形成された銅プリント配線パターンを通じて電気的に接続される。このマザーボード11では、各MCM17が1個または複数個の中央演算処理装置(CPU)の機能を発揮することができるだけでなく、4つのMCM17が協働して1個のCPUとして機能することができる。図2から明らかなように、各メモリモジュール18は、プリント配線基板ユニット19から垂直に立ち上がる基板20と、基板20の表裏面に実装される多数のメモリチップ21とから構成される。
【0020】
各MCM17は、例えば図3に示されるように、LSIチップが搭載されるセラミック製基板23と、LSIチップの周囲でセラミック製基板23の表面からプリント配線基板ユニット19に向かって延びる多数の入出力ピン24とを備える。各入出力ピン24は、プリント配線基板ユニット19に形成される入出力パッドに半田付けされる。セラミック製基板23の背面には、MCM17の放熱を促す冷却フィン25が取り付けられる。
【0021】
図4に示されるように、プリント配線基板ユニット19は、複数の銅プリント配線パターンが積層されて構成されるプリント配線基板26と、プリント配線基板26の裏側に取り付けられるステンレス製の矯正部品27とを備える。矯正部品27は、4本の辺部材27a、27bが無端状に連結されて枠形に形成される。矯正部品27は、例えばねじ28(図5参照)といった結合機構によって複数個所でプリント配線基板26に連結される。図1および図4を比較すると明らかなように、矯正部品27は、4つのMCM17を囲むような大きさに形成される。
【0022】
図5から明らかなように、矯正部品27の各辺部材27aは、プリント配線基板26の一面すなわち裏面に接触する2つの支点31を備える。これら2つの支点31の間には、2つの支点31を含む平面32から引っ込んでプリント配線基板26に接触する複数個の接触点33、34が規定される。接触点34は、プリント配線基板26の裏側に対向する段差の各頂点によって形成される。接触点33、34とプリント配線基板26との接触は、プリント配線基板26の変形を引き起こし、矯正部品27に向かってプリント配線基板26を引き寄せるねじ28によって保持される。ただし、こうしたねじ28に代えて半田や接着剤による固着が用いられてもよい。
【0023】
こうしたプリント配線基板ユニット19では、支点31および接触点33、34は湾曲面に沿って配置されることとなる。したがって、プリント配線基板26の裏側に作用する支点31や接触点33、34の働きによってプリント配線基板26の表側で平面度は矯正される。その結果、例えばプリント配線基板26にMCM17を実装するにあたって、MCM17の入出力ピン24はプリント配線基板26の入出力パッドに確実に接触することができる。入出力ピン24と入出力パッドとの接触不良は解消される。しかも、リフローといった半田付け工程によってプリント配線基板ユニット19が200度〜230度といった高温に熱せられても、冷却時にプリント配線基板26の変形は矯正部品27によって拘束され、その結果、プリント配線基板26の反りは回避されることができる。さらに、こうしたプリント配線基板ユニット19によれば、矯正部品27の働きによって、マザーボード11の運搬時にプリント配線基板26が撓むことは回避されることができる。
【0024】
次に、プリント配線基板ユニット19の製造方法を簡単に説明する。まず、所定形状のプリント配線基板26および矯正部品27を成形する。プリント配線基板26を成形するにあたっては、まず、表裏面に銅プリント配線パターンが形成された樹脂製薄板が重ね合わされる。このとき、樹脂製薄板同士の間には半硬化の樹脂材が挟み込まれる。積層方向に圧力を加えながら樹脂製薄板が熱せられると、半硬化の樹脂材が接合材の役割を果たし、樹脂製薄板同士が接合される。こうして複数の銅プリント配線パターンは積層される。積層された銅プリント配線パターン同士はスルーホールなどを通じて電気的に接続されればよい。樹脂製薄板は、例えば、ガラス繊維にエポキシ樹脂やポリイミド樹脂を含浸させ硬化させることによって得られることができる。
【0025】
こうして用意されたプリント配線基板26では、例えば図6に示されるように、プリント配線基板26の外周に向かうにつれて板厚が減少する。銅プリント配線パターンの積層時に、プリント配線基板26の外周では、銅配線パターン同士の間に挟み込まれる樹脂材が溶融して逃げ出してしまうからである。その結果、プリント配線基板26の外周に近づくにつれて基板の表側および裏側では基板表面は湾曲面を描いてしまう。
【0026】
こうしたプリント配線基板26は矯正部品27に重ね合わされる。辺部材27aに設定される各接触点33、34と、2つの支点31を含む平面32との距離d1、d2、d3は、各接触点33、34で規定されるプリント配線基板26の板厚t1、t2、t3と、支点31で規定されるプリント配線基板26の板厚t4との差分に基づき設定される。その結果、図5に示されるように、ねじ28の働きを通じてプリント配線基板26が矯正部品27に引き寄せられ、プリント配線基板26の裏側で支点31および接触点33、34によってプリント配線基板26が支持されると、プリント配線基板26の表側では平坦面が確立される。
【0027】
ただし、リフロー工程などでプリント配線基板ユニット19が両持ちで水平支持される場合には、プリント配線基板26に搭載されるMCM17やメモリモジュール18、その他の電子部品、プリント配線基板26および矯正部品27の自重に起因してプリント配線基板26に撓みが生じることがある。したがって、プリント配線基板26の表側では、こうした撓みを吸収する程度の膨らみ(湾曲面)が残存することが望ましい。
【0028】
こうして得られたプリント配線基板ユニット19に、MCM17やメモリモジュール18、その他の電子部品が搭載されてリフロー工程が実施されると、各電子部品とプリント配線基板26との間に接触不良(通電不良)が生じることはほとんどないことが確認されている。しかも、プリント配線基板26の熱膨張率(=17ppm/K程度)と、矯正部品27の素材であるステンレス系材料SUS303の熱膨張率(=17.6ppm/K)とはほぼ一致することから、プリント配線基板ユニット19が高温(例えば250度)に熱せられてもプリント配線基板26の撓みは最小限に抑制されることができる。ただし、プリント配線基板26の熱膨張率は、ガラス繊維や樹脂材に用いられる材料の種類や混合率によって変動することがある。
【0029】
矯正部品27の素材は、こうしたステンレス系に限られず、プリント配線基板26の熱膨張率に応じて電子部品の接触不良を生じさせない程度の熱膨張率を備えていれば十分である。ただし、矯正部品27とプリント配線基板26との間で熱膨張率に大きな差が生じる場合には、プリント配線基板26側でねじ28を受けるねじ孔の大きさ(直径)を調節することによって熱伸縮の差を吸収させることができる。ねじ孔に遊びを設ければ、矯正部品27とプリント配線基板26との間に相対変位が生じ、熱伸縮の差は吸収されることができる。
【0030】
矯正部品27は、例えば図7に示されるように、辺部材27a、27bの中央同士を結ぶ十字形の補強部材35をさらに備えてもよい。こうした補強部材35によれば、矯正部品27の剛性は高められることができる。しかも、補強部材35に対してプリント配線基板26を連結することによって一層確実にプリント配線基板26の撓みを防止することが可能となる。その一方で、矯正部品27は、例えば図8に示されるように、各MCM17ごとに分割されて配置されてもよい。この場合には、辺部材27aにおける支点31や接触点33、34の配置はプリント配線基板26の板厚の変化に応じて調整されればよい。
【0031】
さらにまた、矯正部品27では、例えば図9に示されるように、前述の段差に代えて、湾曲面36によって支点31や接触点33、34が規定されてもよい。この場合には、接触点33、34を含む湾曲面36でプリント配線基板26が支持されることから、プリント配線基板26の撓みは一層確実に防止されることができる。その他、矯正部品27は、例えば図10に示されるように、プリント配線基板26に対向する平坦面38が形成される部品本体39と、プリント配線基板26および平坦面38の間に挿入されてプリント配線基板26の撓りを引き起こす充填部材40とから構成されてもよい。かかる矯正部品27によれば、前述と同様な効果を得ることができるほか、部品本体39として従来の補強部材を用いることができる。したがって、大きな設計変更を引き起こすことなくプリント配線基板26の平坦性を確保することが可能となる。充填部材40は、金属その他の機構部品であってもよく、樹脂充填によって形成されてもよい。
【0032】
その他、矯正部品27は、例えば図11に示されるように、給電部品として機能してもよい。こうした給電部品は、銅プリント配線パターンで形成される電圧供給路に加えて、各MCM17に電圧を供給する経路を提供する。こうした矯正部品27によれば、各MCM17に対する電圧供給経路の容量を増加させ、電圧供給経路を通過する電圧の損失を極力低減させることが可能となる。
【0033】
図12は本発明の第2実施形態に係るマザーボード11aを示す。このマザーボード11aでは、プリント配線基板26の中央にMCM17が配置される一方で、このMCM17を囲むようにメモリモジュール18が配置される。図13から明らかなように、各メモリモジュール18は、コネクタ42を通じてプリント配線基板26に実装される。
【0034】
コネクタ42は、プリント配線基板26の一面すなわち表面に接触する2つの支点43を備える。これら2つの支点43の間には、2つの支点43を含む平面44から引っ込んでプリント配線基板26に接触する接触点の集合体すなわち湾曲面45が形成される。この湾曲面45は、樹脂製コネクタ42に内蔵された金属部材その他の剛性部材によって保持される。その結果、ねじ止めや接着を用いてコネクタ42とプリント配線基板26とを接合すると、コネクタ42の湾曲面45に向かってプリント配線基板26は引き寄せられる。
【0035】
こうしたコネクタ42によれば、ねじや接着剤といった結合機構によってプリント配線基板26がコネクタ42側に引き寄せられる結果、プリント配線基板26にわずかに反りが生じる。リフロー工程などでプリント配線基板26が両持ちで水平支持されると、プリント配線基板26に搭載されるMCM17やメモリモジュール18、その他の電子部品、並びに、プリント配線基板26の自重に起因してプリント配線基板26に撓みが生じる。リフロー工程に先立って予めプリント配線基板26にコネクタ42を接合し、プリント配線基板ユニット19を形成しておけば、予めプリント配線基板26に付与された反りは撓みによって打ち消され、その結果、プリント配線基板26の表側では平坦面が確立されることとなる。こうして平坦面が確立されたプリント配線基板26に、MCM17やメモリモジュール18、その他の電子部品が搭載されてリフロー工程が実施されると、前述と同様に、各電子部品とプリント配線基板26との間に接触不良はほとんど生じることはない。
【0036】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、矯正部品の働きによってプリント配線基板に予め反りを生じさせることができる。こうした反りを利用すれば、プリント配線基板の表面に形成される湾曲面を矯正して、プリント配線基板に実装される電子部品とプリント配線基板との間で接触不良が生じることを極力回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 大型コンピュータの内部構造を概略的に示す平面図である。
【図2】 図1の2−2線に沿った断面図である。
【図3】 図1の3−3線に沿った一部拡大断面図である。
【図4】 マザーボードの裏面を示す平面図である。
【図5】 図4の矢印5方向から見たプリント配線基板ユニットの側面図である。
【図6】 連結が解除された矯正部品およびプリント配線基板を示す側面図である。
【図7】 他の具体例に係る矯正部品を示すマザーボードの裏側平面図である。
【図8】 さらに他の具体例に係る矯正部品を示すマザーボードの裏側平面図である。
【図9】 さらに他の具体例に係る矯正部品を示すプリント配線基板ユニットの側面図である。
【図10】 さらに他の具体例に係る矯正部品を示すプリント配線基板ユニットの一部拡大側面図である。
【図11】 さらに他の具体例に係る矯正部品を示すマザーボードの裏側平面図である。
【図12】 第2実施形態に係るマザーボードの表側平面図である。
【図13】 図12の矢印13方向から見たマザーボードの拡大側面図である。
【図14】 コネクタの拡大正面図である。
【符号の説明】
11,11a マザーボード、19 プリント配線基板ユニット、26 プリント配線基板、27 矯正部品、28 結合機構としてのねじ、31 支持点としての支点、32 2つの支点を含む平面、33,34 支持点としての接触点、36 湾曲面、38 平坦面、39 部品本体、40 充填部材、42 コネクタ、43 支持点としての支点、44 2つの支点を含む平面、45 湾曲面、d1,d2,d3 接触点と平面との距離、t1,t2,t3,t4 板厚。
Claims (7)
- 外周に向かうにつれて板厚を減少させるプリント配線基板と、プリント配線基板の裏側に接触する少なくとも2つの支点同士の間に、2つの支点を含む平面から引っ込んでプリント配線基板の裏側に接触する接触点を規定する矯正部品と、プリント配線基板および矯正部品を相互に連結し、接触点に向かってプリント配線基板の裏側を押し付けることでプリント配線基板の表側で平面度を矯正する結合機構とを備えることを特徴とするプリント配線基板ユニット。
- 請求項1に記載のプリント配線基板ユニットにおいて、前記接触点と前記平面との距離は、前記支点で矯正部品およびプリント配線基板が水平支持された際に矯正部品およびプリント配線基板の撓みで変位する接触点の変位量に基づき設定されることを特徴とするプリント配線基板ユニット。
- 請求項2に記載のプリント配線基板ユニットにおいて、前記接触点と前記平面との距離は、接触点で規定されるプリント配線基板の板厚と、前記支点で規定されるプリント配線基板の板厚との差分に基づき設定されることを特徴とするプリント配線基板ユニット。
- 請求項3に記載のプリント配線基板ユニットにおいて、前記接触点は、前記矯正部品に形成される湾曲面上に配置されることを特徴とするプリント配線基板ユニット。
- 請求項3に記載のプリント配線基板ユニットにおいて、前記接触点は、前記矯正部品に形成される段差の頂点で規定されることを特徴とするプリント配線基板ユニット。
- 請求項4または5に記載のプリント配線基板ユニットにおいて、前記矯正部品は、前記プリント配線基板に対向する平坦面が形成される部品本体と、プリント配線基板および平坦面の間に挿入されてプリント配線基板の撓りを引き起こす充填部材とを備えることを特徴とするプリント配線基板ユニット。
- 請求項1〜6のいずれかに記載のプリント配線基板ユニットにおいて、前記矯正部品は無端状の枠形に形成されることを特徴とするプリント配線基板ユニット。
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