JP4307363B2 - セラミック電子部品アセンブリ及びその実装構造 - Google Patents

Description

この発明は、セラミック電子部品アセンブリ及びその実装構造に関し、特に電力変換装置の平滑コンデンサのような大容量のセラミック電子部品アセンブリ及びその実装構造に関する。

従来のセラミック電子部品、例えば、セラミックコンデンサでは、基板にセラミックコンデンサを半田付けで取り付ける場合、セラミックコンデンサ本体と基板との熱膨張率の差によって生じる機械的応力を緩和するために、セラミックコンデンサの側面に形成された、例えば、数μｍ厚さの外部電極に金属板を加工してなるリード端子を取付け、リード端子を介して基板にセラミックコンデンサを取り付けるようにした、いわば、セラミック電子部品アセンブリとしている。

セラミックコンデンサの外部電極へリード端子を取付ける方法として、スポット溶接、圧接といった接合方法、あるいは半田付方法による接合方法等、加熱を伴う接合方法が採用されている（例えば特許文献１）。

特開平２０００−３０６７６４号公報（第３頁、図３、図４）

このようなセラミックコンデンサをはじめとするセラミック電子部品の外部電極にリード端子を取付けたセラミック電子部品アセンブリにおいては、セラミック電子部品の外部電極において線膨張係数の異なるセラミックと金属との接合部に熱が加えられるため、接合部及びその近傍に残留応力が発生する。特に、外部電極とリード端子を半田付けする場合、電子部品アセンブリを実装する際の熱履歴が半田層と外部電極との間、または、半田層とリード端子との間の合金層の成長を加速し、接合部の脆化を助長して信頼性を損なう。

また、インバータをはじめとする電力変換装置においては、運転・停止にともないセラミック電子部品にヒートサイクルがかかり、しかも、使用される電気容量の大きい平滑コンデンサは、容積が大きいので、リード端子とセラミックとの接合部におけるセラミックと金属の線膨張係数の違いによって大きな熱応力を発生する。すなわち、セラミック電子部品の外部電極は極めて薄いのでセラミックとリード端子金属との線膨張係数の違いによって熱応力が発生し、この大きな熱応力と残留応力によって脆性なセラミック電子部品が破損して、ヒートサイクル信頼性を低下させるという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するものであり、ヒートサイクル信頼性を向上することができるセラミック電子部品アセンブリ及びその実装構造を提供することを目的とするものである。

この発明に係る第１のセラミック電子部品アセンブリは、外周部に外部電極が形成されたセラミック電子部品、
上記セラミック電子部品の外部電極を押圧して上記セラミック電子部品との電気的接続を確保する押圧部と上記押圧部から延在し、外部との接続を行うための導電性の外部接続端子部とを有する上記外部電極１個に対する複数個のリード端子、
上記リード端子と絶縁されるとともに上記リード端子を固定する枠体、
を備え、
上記リード端子の押圧部は、上記セラミック電子部品の外部電極と接触する湾曲部と、上記湾曲部の両端に上記枠体の内壁に加圧接触する加圧接触部位とを有するものである。

この発明に係る第２のセラミック電子部品アセンブリは、外周部に外部電極が形成されたセラミック電子部品、
上記セラミック電子部品を収納した絶縁性を有する枠体、
上記枠体の内部において上記外部電極と接触して上記外部電極を押圧する導電性の押圧部と上記押圧部から上記枠体の外部に延在した導電性の外部接続端子部とを有する上記外部電極１個に対する複数個のリード端子、
を備え、
上記リード端子の押圧部は、上記セラミック電子部品の外部電極と接触する湾曲部と、上記湾曲部の両端に上記枠体の内壁に加圧接触する加圧接触部位とを有するものである。

この発明に係るセラミック電子部品アセンブリ実装構造は、上記セラミック電子部品アセンブリの外部接続端子が、基板に形成された金属パターンに半田付されたものである。

この発明に係る第１及び第２のセラミック電子部品アセンブリによれば、ヒートサイクル信頼性が著しく向上する。

この発明に係るセラミック電子部品アセンブリ実装構造によれば、セラミック電子部品アセンブリのヒートサイクル信頼性が著しく向上する。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態においては、セラミック電子部品として、電力変換装置における平滑コンデンサに用いるセラミックコンデンサを例に説明していくこととする。

図１は、本発明に係るセラミック電子部品アセンブリの実施の形態１を示す斜視図であり、セラミックコンデンサ本体を取り除いた状態を示している。図２は、セラミックコンデンサ本体を収納したセラミック電子部品アセンブリを示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

図１及び図２に示したように、電気的に絶縁性の材料からなる枠体１ａに複数に分割したリード端子２ａが配設されている。リード端子２ａは、枠体１ａの外部に露出するように設けられた外部接続端子部２０２と、枠体１ａの内壁１０１に沿って設けられた湾曲部２０１と、湾曲部２０１に続く平坦部とを備えている。リード端子２ａは、枠体１ａの対向する両壁に一対になるように設けられ、その間に空間部４ａが形成されている。セラミックコンデンサ本体５は、図２に示すように空間部４ａにリード端子２ａの湾曲部２０１に狭持されるように収納されており、湾曲部２０１がセラミックコンデンサ本体５の外部電極５０１と接触する押圧部となっており、かつ、平坦部は湾曲部２０１のバネ性によって枠体１ａに加圧接触し、平坦部は枠体１ａに加圧接触する加圧接触部となっている。

リード端子２ａはセラミックコンデンサ本体５の外部電極５０１一個に対して１個の大きなものとした場合、外部電極５０１に当接する箇所が局部になる恐れがあり、リード端子とセラミックコンデンサ本体５との当接する箇所が局部になった場合、当接した箇所に大きな応力が加わることになる。セラミックコンデンサ本体５は脆性であり、局部的に大きな応力が加わると破損する恐れがあるため、外部電極５０１一個に対して複数のリード端子２ａによってセラミックコンデンサ本体５に均等に応力が加わるようにする、あるいは過大な応力が加わらないようにしている。

リード端子２ａは、電力変換装置における平滑コンデンサの入出力電流が流れるため、導電性の優れた材料からなることが必要であり、銅を主成分とする合金を用いる。また、優れた低接触抵抗を維持するために、マイナス数十℃から百数十℃の使用温度域におけるばね性の維持が必要であり、このためには、りん、鉄あるいは錫などを含有する銅合金が好ましい。また、これらの材質から構成されたリード端子２ａは、接触部における接触抵抗を安定化するために、耐食性の高いニッケルメッキや、軟らかく変形し易い銀あるいはすずメッキ等の金属メッキを施すことが好ましい。これらの材料は、使用される製品の信頼性水準によって適正に選択することができる。

一方、枠体１ａは、リード端子２ａを加圧保持するだけの剛性と電気的絶縁性が必要であり、ＰＰＳやＰＢＴ、ナイロンといったプラスティック材料を用い、射出成形により製造する。射出成形によれば、任意の形状に作製することができる。

次に、枠体１ａとリード端子２ａの組立方法について説明する。射出成形によって枠体１ａを製造する際、図３に示すようにリード端子２ａが挿入される貫通穴１０２を形成する。成形後にリード端子２ａを貫通穴１０２に挿入、組付ける。リード端子２ａは、個々の端子をタイバー連結して供給すると、一括して挿入することができる。リード端子２ａは、予め所望の形状に成形された後に、湾曲部２０１側から枠体１ａに挿入される。リード端子２ａには、図３に示したように、ハトメ部２１１が形成されており、ハトメ部２１１まで貫通穴１０２に挿入してリード端子２ａを枠体１ａに固定する。

図４は、図１のリード端子２ａの上記図１とは異なる形状を示す斜視図であり、セラミックコンデンサ本体を取り除いた状態を示しており、図５は、図４にセラミックコンデンサ本体を収納したセラミック電子部品アセンブリを示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

図４に示したように、リード端子２ａは曲がり部２０５で、一旦、枠体１ａの空間部４ａ側方向に曲げられ、枠体１ａの壁面と並行よりもやや枠体１ａ壁面から離れる方向に向かったセラミックコンデンサ本体５を押圧する押圧部となる傾斜部２０３を有し、曲がり部２０５によってリード端子２ａにバネ性が付与されている。図５に示したように、セラミックコンデンサ本体５が枠体１ａに収納される際、リード端子２ａの傾斜部２０３が外部電極５０１と接触しながら外部電極５０１とほぼ並行に倣うように収納される。

この実施の形態１のセラミック電子部品アセンブリによれば、セラミックコンデンサ本体５の外部電極５０１と金属からなるリード端子２ａとの接触によってセラミックコンデンサ本体５とリード端子２ａとが電気的に接続されるようにして、加熱による接合を不要としているので、セラミックコンデンサ本体５に加熱による残留応力が発生することはない。

また、セラミックコンデンサ本体５の外部電極５０１と金属からなるリード端子２ａとの接触面は、ヒートサイクルによって接触・摺動することができるので、セラミックと金属との線膨張係数の違いにより熱応力が発生することがなく、セラミックコンデンサ本体５にクラックが発生、進展して破断することがなくなり、ヒートサイクル信頼性が向上する。

また、複数に分割したリード端子２ａのバネ性でセラミックコンデンサ本体５を枠体１ａに固定するようにしているので、セラミックコンデンサ本体５に局部的に過大な応力が加わることはない。

また、さらにリード端子２ａと外部電極５０１との間の接触状態の長期安定性を実現する場合には、枠体１ａをプラスティックと高剛性な金属材料を組み合わせた複合部材とすればよい。すなわち、例えば、銅、鉄などを主成分とする金属からなる枠をプラスティックにインサート成形または金属からなる枠に樹脂をコーティングした複合部材で枠体１ａをを構成すればよい。この場合、リード端子２ａと金属枠は接触しないように、リード端子２ａが枠体１ａに接触する箇所はプラスティックの面となるように複合部材を形成する。このように、枠体１ａを複合部材で形成することによって、プラスティック単体からなる枠体１ａよりも剛性が高くなるため、セラミックコンデンサ本体５を枠体１ａに設けられたリード端子２ａに長期にわたって強固に接圧・保持することが可能となる。

実施の形態２．
図６は、本発明に係るセラミック電子部品アセンブリの実施の形態２を示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）であり、図において、上記実施の形態１と同一符号は同一部分または相当部分を示す。

この実施の形態２は、振動時におけるセラミックコンデンサ本体５が枠体１ａから外れるのを防止し、耐震性を向上させるものである。この実施の形態２では、枠体１ａの開口部を蓋する蓋部材２２を有し、図６（ａ）に示したように、セラミックコンデンサ本体５を挿入した後に、蓋部材２２を枠体１ａに固着する。蓋部材２２を枠体１ａに固着する方法としては、例えば接着剤を蓋部材２２の外周あるいは枠体１ａの端面に塗布した後に蓋部材２２を貼り付ける方法の他、蓋部材２２を枠体１ａ内に圧入する方法、あるいは、超音波接合、熱圧着、溶接などの方法を用いる。

また、蓋部材２２は、射出成形によって枠体１ａと一体的に形成してもよい。その場合には、セラミックコンデンサ本体５が、蓋部材２２と反対側の開口部から蓋部材２２に突き当たるように挿入される。

図７及び図８は、この実施の形態２の別の形態を示す斜視図である。図７に示したように、枠体１ａは、枠体１ａの対向する２つの開口部の一方の壁上端から空間部４ａ方向に張り出すように形成された庇部１１を有する。庇部１１が形成された側の反対側の開口部はセラミックコンデンサ本体５が挿通される大きさであり、図８に示したように、開口部から挿通されたセラミックコンデンサ本体５は庇部１１に突き当たる。

この実施の形態２によれば、枠体１ａ内に挿通されたセラミックコンデンサ本体５は、蓋部材２２あるいは庇部１１によって、過大な振動などが付加される場合にも枠体１ａから外れず、空間部４ａ中に安定した状態で保持される。

実施の形態３．
図９は、本発明に係るセラミック電子部品アセンブリの実施の形態３を示す斜視図であり、図において、上記実施の形態１と同一符号は同一部分または相当部分を示す。

上記実施の形態２では、蓋部材２２または庇部１１によって、枠体１ａ内に挿通されたセラミックコンデンサ本体５が過大な振動などが付加される場合にも枠体１ａから外れず、枠体１ａ中に安定した状態で保持されるようにしたが、この実施の形態３では、枠体１ａの周囲上端に突起状の係止め部（突起部）１２を形成し、係止め部１２によって枠体１ａ内に挿通されたセラミックコンデンサ本体５が過大な振動などが付加される場合にも枠体１ａから外れず、空間部４ａの中に安定した状態で保持されるようにしたものである。

枠体１ａおよび係止め部１２は、射出成形により一体成形する。係止め部１２は開口部４ａ側に先端部１２１が形成されている。セラミックコンデンサ本体５は枠体１ａに対して、係止め部１２を形成した側の開口部から収納される。係止め部１２の先端部１２１はセラミックコンデンサ本体５の側面に押されて枠体１ａの外側に向かって反り変形し、セラミックコンデンサ本体５は枠体１ａに挿入され、セラミックコンデンサ本体５が完全に収納されると、セラミックコンデンサ本体５の上面に接触するように係止め部１２の先端部１２１のそり変形が戻り、セラミックコンデンサ本体５は係止め部１２の先端部１２１で係止される。

この実施の形態３によれば、枠体１ａ内に挿通されたセラミックコンデンサ本体５は、係止め部（突起部）１２によって、過大な振動などが付加される場合にも枠体１ａから外れず、空間部４ａ中に安定した状態で保持される。

上記実施の形態３では、係止め部１２は枠体１ａと一体的に形成したが、別部品として、例えば、接着、溶接などの方法で接合して組みつけても良い。

実施の形態４．
図１０は、本発明に係るセラミック電子部品アセンブリの実装構造を示す断面図、図１１は、局部を拡大して示す断面図であり、図において、上記実施の形態１と同一符号は同一部分または相当部分を示す。

図１０に示したように、セラミックコンデンサ本体５を収納したセラミック電子部品アセンブリ１００は、基板１３に搭載される。セラミック電子部品アセンブリ１００の外部接続端子２０２は、基板１３上の金属パターン１５に半田層１４を介して接合される。セラミック電子部品アセンブリ１００のリード端子２ａの湾曲部２０１に続く平坦部２０３は、セラミック電子部品アセンブリ１００の枠体の内壁１０１に押圧されており、セラミックコンデンサ本体５の外部電極５０１とリード端子２ａを加圧接触させる際に発生する反力が外部接続端子２０２に及ぶことがないので、外部接続端子２０２における半田付け部の信頼性が損なわれることはない。

セラミックコンデンサの外部電極は、銅あるいはニッケルといった金属粉末を焼成して形成するのが一般的で、外部電極とリード端子は、従来ははんだ付が多用されていた。したがって、セラミック電子部品アセンブリが基板に半田付される際、外部電極とリード端子のはんだ付部も同時に加熱され、外部電極の金属と半田の合金化が助長されて脆化層が形成され、信頼性を損なう恐れが生じる。これに対して、本実施の形態のように、半田を用いることなく、外部電極とリード端子とが接触によって導通されることで、脆化層形成といった懸念が全く排除でき、セラミック電子部品アセンブリのきわめてヒートサイクル信頼性の高い実装構造を提供することができる。

また、図１０に示したように、セラミックコンデンサ本体５と基板１３の間に固着層１６を介在させる。固着層１６は、セラミックコンデンサ本体５が振動する際に基板１３との相対変位を低減する。

このように、固着層１６を介在させることにより、セラミックコンデンサ本体５の外部電極５０１とリード端子２ａとの変位量が小さくなり、安定な接触状態を維持することができる。また、基板１３と半田層１４との間における、セラミックコンデンサ本体５の振動による歪の発生が軽減されるので、半田付部の信頼性が飛躍的に向上する。

固着層１６は、接着剤で形成することが実用上好ましく、例えば、エポキシ系、シリコン系、アミン系、フッ素系、アクリル系接着剤を使用するとよい。

また、図１１にセラミックコンデンサ本体５の外部電極５０１とリード端子２ａの接触部位を拡大して示すように、導電性材料１７をセラミックコンデンサの外部電極５０１とリード端子２ａとの接触部に被覆することによって、加圧接触部の接触抵抗がさらに低減して、かつ、熱サイクルなどによる接触状態の変動によっても導電性材料による保持作用で接触部の抵抗変動がないので、大電流が流れる場合等に非常に有効となる。導電性材料１７は、例えば、エポキシあるいはシリコンを主成分とし導電性フィラーを含有した導電性樹脂や導電性高分子を用いる。

また、枠体の耐熱温度を超えない融点を有する半田などを供給し、加熱・溶融して導電性材１７を形成してもよい。この場合、リード端子２ａは、枠体１ａと外部電極５０１間で押圧され、電気的接続はリード端子２ａと外部電極５０１との接触によって確保され、半田からなる導電性材１７は、接触部位周辺で接触面積拡大の役割を果たす。したがって、基板の半田付け時の熱履歴によって半田からなる導電性材１７と外部電極５０１との界面近傍に脆化層が成長した場合でも、安定な接触状態を維持することができる。

この発明に係るセラミック電子部品アセンブリ及びその実装構造は、インバータ等の電力変換装置に有効に利用することができる。

本発明に係るセラミック電子部品アセンブリの実施の形態１を示す斜視図である。 実施の形態１においてセラミックコンデンサ本体を収納したセラミック電子部品アセンブリを示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態１におけるリード端子の組付けを説明する斜視図である。 本発明の実施の形態１における別なセラミック電子部品アセンブリを示す斜視である。 図４において、セラミックコンデンサ本体を収納したセラミック電子部品アセンブリを示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 本発明に係るセラミック電子部品アセンブリの実施の形態２を示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態２の別の形態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２の別の形態を示す斜視図である。 本発明に係るセラミック電子部品アセンブリの実施の形態３を示す斜視図である。 本発明に係るセラミック電子部品アセンブリの実装構造を示す断面図である。本発明の実施の形態４によるコンデンサ電子部品アセンブリを示す断面図である。 図１０の局部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１ａ 枠体、２ａ リード端子、４ａ 空間部、５ セラミックコンデンサ本体、
１１ 庇部、１２ 係り止め部（突起部）、１３ 基板、１４ はんだ層、
１５ 金属パターン、１６ 固着層、１７ 導電性接着剤、２２ 蓋部材、
１００ セラミック電子部品アセンブリ、１０１ 枠体の内壁、１０２ 貫通穴、
２０１ 湾曲部（押圧部）、２０２ 外部接続端子部、２０３ 傾斜部、
２０４ 平坦部（加圧接触部）、２０５ 曲がり部、２１１ ハトメ部、
５０１ 外部電極。

Claims (6)

1. 外周部に外部電極が形成されたセラミック電子部品、
   上記セラミック電子部品の外部電極を押圧して上記セラミック電子部品との電気的接続を確保する押圧部と上記押圧部から延在し、外部との接続を行うための導電性の外部接続端子部とを有する上記外部電極一個に対する複数個のリード端子、
   上記リード端子と絶縁されるとともに上記リード端子を固定する枠体、
   を備え、
   上記リード端子の押圧部は、上記セラミック電子部品の外部電極と接触する湾曲部と、上記湾曲部の両端に上記枠体の内壁に加圧接触する加圧接触部位とを有することを特徴とするセラミック電子部品アセンブリ。
2. 外周部に外部電極が形成されたセラミック電子部品、
   上記セラミック電子部品を収納した絶縁性を有する枠体、
   上記枠体の内部において上記外部電極と接触して上記外部電極を押圧する導電性の押圧部と上記押圧部から上記枠体の外部に延在した導電性の外部接続端子部とを有する上記外部電極一個に対する複数個のリード端子、
   を備え、
   上記リード端子の押圧部は、上記セラミック電子部品の外部電極と接触する湾曲部と、上記湾曲部の両端に上記枠体の内壁に加圧接触する加圧接触部位とを有することを特徴とするセラミック電子部品アセンブリ。
3. 上記枠体は、金属からなる剛性部材と上記剛性部材の表面を覆う樹脂からなる絶縁部材とを組み合わせた複合部材であることを特徴とする請求項１または２記載のセラミック電子部品アセンブリ。
4. 上記セラミック電子部品の外部電極と上記リード端子の押圧部近傍に、上記外部電極と上記リード端子とに接する導電性部材を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のセラミック電子部品アセンブリ。
5. 上記リード端子は、導電性を有する材料でメッキされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミック電子部品アセンブリ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のセラミック電子部品アセンブリの外部接続端子が、基板に形成された金属パターンに半田付されたことを特徴とするセラミック電子部品アセンブリの実装構造。

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