JP4343209B2 - プリント配線基板ユニット - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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。

上記目的を達成するために、本発明によれば、プリント配線基板と、前記プリント配線基板の上面に接触する少なくとも２つの支点同士の間に、２つの前記支点を含む平面から引っ込んで前記プリント配線板の前記上面に接触する接触点を規定するコネクタと、前記プリント配線基板の前記上面に前記コネクタを連結し、前記接触点に向かって前記プリント配線板の前記上面を引き寄せる結合機構と、前記プリント配線基板の前記上面に搭載され、自重に基づき前記プリント配線基板の前記上面で平坦度を矯正する電子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。

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。

以下、添付図面を参照しつつ参考例を説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１２は本発明の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。

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。

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。

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１の２−２線に沿った断面図である。 図１の３−３線に沿った一部拡大断面図である。 マザーボードの裏面を示す平面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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 (2)

1. プリント配線基板と、
   前記プリント配線基板の上面に接触する少なくとも２つの支点同士の間に、２つの前記支点を含む平面から引っ込んで前記プリント配線板の前記上面に接触する接触点を規定するコネクタと、
   前記プリント配線基板の前記上面に前記コネクタを連結し、前記接触点に向かって前記プリント配線板の前記上面を引き寄せる結合機構と、
   前記プリント配線基板の前記上面に搭載され、自重に基づき前記プリント配線基板の前記上面で平坦度を矯正する電子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。
2. 請求項１に記載のプリント配線基板ユニットにおいて、前記接触点は、前記コネクタ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。

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