JP5065707B2

JP5065707B2 - 電子部品の実装構造

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Publication number: JP5065707B2
Application number: JP2007045596A
Authority: JP
Inventors: 国英岩元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP2008210959A

Description

本発明は、トランス等の電子部品をハンダ等で接続した電子部品の実装構造に関するものである。

電磁誘導を利用して複数の巻線の間でエネルギーの伝達を行なう電子部品であるトランスは、比較的大型の電子部品であるが、最近は小規模な回路ユニットにも用いられてきている。このような従来のトランスの実装構造は、基板の電極パッドにハンダペーストを塗布し、電極パッドとリード端子とが一対一に対応するように基板上にトランスを搭載し、その後にこれら基板およびトランスを加熱してハンダペーストを溶融・固化させることにより得られるものである。

このような従来のトランスとしては、例えば、銅線を巻きつけた絶縁性の樹脂からなるボビンの下方に保持部が取り付けられ、この保持部から下方にリード端子が引き出されてなるトランスが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、一般的なトランスは、ボビンにフェライト等のコアが取り付けられており、これにより入力側と出力側との間の電磁誘導性を高めるようにしている。またフェライトは、金属に比べ固有抵抗が大きくて過電流の影響を受けないので、高周波用途にも適しており、広い分野で利用されるものである。
特開2003−318042号公報

しかしながら、前述の従来の電子部品の実装構造であれば、例えば、電子部品を基板に実装する工程において、リフロー炉を用いて基板および電子部品であるトランスを加熱してハンダペーストを溶融させた場合には、コアが割れてトランスが破損してしまうという問題点があった。このような問題は、酸化鉄等の金属酸化物を焼結させたものであるフェライトが、特性の信頼性は高いが抗折強度が低い材料であるということと、熱膨張係数がボビンを構成する樹脂に対して小さいものであるということから、リフロー炉を用いたことにより急激にトランスに熱が加わることになるので、ボビンとコアとの熱膨張量の差によって発生する引張り応力にコアが耐え切れなくなることにより生じている。

そこで、ボビンとコアとの固定力を弱くしたトランスを用いれば、前述のように電子部品を基板に実装する工程においてはコアの割れは発生しにくくなるが、この場合には、ボビンとコアとの固定力が弱いことから、実装後にトランスに振動が加わるとフェライトのコアがボビンから外れ、外れたコアが振動によってボビンや基板等に多数回接触することとなり、結局は、コアが割れてトランスが破損してしまうという問題点がある。

また、トランスは動作時に比較的大きな電流が通電される電子部品であるため、実装後に動作により発生する熱によって、前述したような熱膨張係数の差によるコアの破損が起こりやすいという問題点があった。

本発明は前述のような従来の電子部品の実装構造における問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、実装時においても実装後の動作時においても電子部品が破損しにくい電子部品の実装構造を提供することにある。

本発明の電子部品の実装構造は、上側の実装基板部および下側の放熱基板部からなり、前記実装基板部の上面から前記放熱基板部にかけて凹部が形成されているとともに該凹部の周囲に複数の電極パッドが形成された基板と、複数の前記電極パッドに接続された複数のリード端子が接続されて前記凹部内に底面および側面から離れた位置に配置された、銅線が巻き付けられたボビンにフェライトから成るコアが取り付けられたトランスである電子部品と、前記凹部内の前記電子部品の周囲に充填された、ゴム硬さが70以下である樹脂材とを具備することを特徴とするものである。

また、本発明の電子部品の実装構造は、上記構成において、前記凹部は、前記実装基板部に形成された貫通孔と、前記放熱基板部に形成された穴とから成り、前記電子部品の一部は、前記穴に入り込んでいることを特徴とするものである。

また、本発明の電子部品の実装構造は、上記構成において、前記樹脂材の上面がゴム硬さが80以上の樹脂材で覆われていることを特徴とするものである。

本発明の電子部品の実装構造によれば、実装基板部の上面から放熱基板部にかけて基板に形成されている凹部に充填された樹脂材が電子部品の周囲にあることから、電子部品を基板に実装する工程や電子部品を動作させるときに発生する熱は樹脂材を通して電子部品から放熱基板部へと伝わりやすくなって、電子部品の温度上昇が少ないものとなり、電子部品の内部で熱膨張量の差が小さくなるので、熱膨張量の差によって発生する引張り応力が小さくなり、電子部品が破損しにくくなる。

また、電子部品は、凹部の周囲に形成された複数の電極パッドに接続された複数のリード端子が接続されており、凹部内に底面および側面から離れた位置に配置されていることから、この実装構造に外部から振動が加えられたとしても電子部品の周囲に充填された樹脂材によって振動が吸収されるので、電子部品を破損しにくくすることができる。

また、本発明の電子部品の実装構造によれば、樹脂材は、ゴム硬さが70以下であるときには、この実装構造に外部から加えられた振動がゴム硬さの低い樹脂材によって好適に吸収されるようになるので、電子部品をより破損しにくくすることができる。

また、本発明の電子部品の実装構造によれば、樹脂材の上面がゴム硬さが80以上の樹脂材で覆われているときには、電子部品の周囲に充填された樹脂材の振動による変形がゴム硬さの高い樹脂材によって上面から抑えられることになり、これによっても実装構造に加えられた振動が吸収されることになるので、電子部品をより破損しにくくすることができる。

以下に、本発明の電子部品の実装構造について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の電子部品の実装構造の実施の形態の一例を示す外観斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線断面図である。これらの図に示す電子部品の実装構造は、基本的な構成として、複数のリード端子２が接続された電子部品１が基板３の凹部５内に配置され、凹部５内の電子部品１の周囲に樹脂材７が充填された構成となっている。なお、図１については説明のために樹脂材７を透視した状態で示している。

基板３は、上側の実装基板部３ａおよび下側の放熱基板部３ｂにより構成されている。実装基板部３ａとしては、例えばアルミナ96％のセラミック基板が用いられ、放熱基板部３ｂとしては、例えばアルミニウムの金属基板が用いられる。また、基板３は、実装基板部３ａおよび放熱基板部３ｂが、シリコーン樹脂等の接着剤６により貼り付けられた構成となっている。

基板３の実装基板部３ａは、内部または主面に回路配線導体および電極パッド４が形成されており、実装する電子部品１により回路モジュールとしての機能が備わるようになっているものである。

実装基板部３ａの上面で凹部５の周囲に配置された電極パッド４は、例えばタングステンなどの金属材料で形成した厚膜導体の表面に、メッキ処理によりニッケル層および金層を形成したものである。

基板３の放熱基板部３ｂには、実装基板部３ａに実装する電子部品１から発生する熱を吸熱して外部に伝熱または放熱する機能を備えるため、実装基板部３ａよりも熱伝導率の高い材料が選定される。本例の基板３であれば、アルミナ96％のセラミック基板を用いた実装基板部３ａの熱伝導率は20Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるが、アルミニウムの金属基板を用いた放熱基板部３ｂの熱伝導率は236Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、放熱基板部３ｂの熱伝導率を実装基板部３ａよりも高いものとしている。

このように、本発明の電子部品の実装構造で用いる基板３には、実装基板部３ａの上面から放熱基板部３ｂにかけて凹部５が形成されるとともに、実装基板部３ａの上面で凹部５の周囲に複数の電極パッド４が形成されている。

なお、このような基板３は、例えば、凹部５の開口から途中までに相当する貫通孔や電極パッド４等が形成された実装基板部３ａとしてのセラミック基板と、凹部５の底面付近に相当する穴が形成された放熱基板部３ｂとしての金属基板とを準備し、シリコーン樹脂等の未硬化の接着剤をセラミック基板の下面に塗布し、セラミック基板の貫通孔の位置と金属基板の穴の位置とが一致するようにして貼り合わせ、これを150℃で60分放置して接着剤を硬化させることにより作製することができるものである。

電子部品１は、例えば、銅線を巻きつけられた絶縁性の樹脂からなるボビンにフェライトから成るコア１ａが取り付けられたトランスである。

また、本発明の電子部品の実装構造で用いる電子部品１としてのトランスは、このコア１ａの上部に保持部１ｂが取り付けられており、複数の電極パッド４に接続された複数のリード端子２がこの保持部１ｂに接続されている。このリード端子２によって電極パッド４から吊り下げられる形で保持されて、電子部品１が凹部５の底面および側面から離れた位置に、いわば宙吊りのような状態で配置されている。

そして、本発明の電子部品の実装構造においては、凹部５内の電子部品１の周囲に凹部５の側面との間を埋めるようにシリコーン樹脂等の樹脂材７が充填されたものとなっている。

以上のような本発明の電子部品の実装構造は、例えば以下の方法により得られる。先ず、基板３の電極パッド４上にハンダペーストを塗布し、電子部品１のコア１ａが凹部５内に収納されるようにして電極パッド４とリード端子２とを一対一に対応させ、塗布後のハンダペースト上に、コア１ａに取り付けられた保持部１ｂに接続されているリード端子２を載せておく。次に、この基板３をリフロー炉を通過させることにより、ハンダペーストを溶融した後に固化させてハンダ８を形成し、リード端子２をこのハンダ８によって電極パッド４に接続する。そして、凹部５内の電子部品１の周囲にシリコーン樹脂等からなる未硬化の樹脂材７を注入し、150℃で60分放置して樹脂材７を硬化させることにより、本発明の電子部品の実装構造を得ることができる。

本発明の電子部品の実装構造によれば、実装基板部３ａの上面から放熱基板部３ｂにかけて形成されている凹部５に充填された樹脂材７が電子部品１の周囲にあることから、電子部品１を基板３に実装する工程や電子部品１を動作させるときに発生する熱は樹脂材７から放熱基板部３ｂへと伝わりやすくなって、電子部品１の温度上昇が少ないものとなる。従って、電子部品１が本例のようなトランスであれば、トランス内における樹脂とコアとの熱膨張量の差が小さくなるので、熱膨張量の差によって発生する引張り応力が小さくなり、トランスのコア１ａが割れるといったような電子部品１の破損を起こりにくくすることができる。

さらに、本発明の電子部品の実装構造によれば、電子部品１は、凹部５の周囲に形成された複数の電極パッド４に接続された複数のリード端子２が接続されたものであり、このリード端子２によって吊り下げられるようにして凹部５内に底面および側面から離れた位置に配置されていることから、外部から振動が加えられたとしてもその振動は電子部品１の周囲に充填された樹脂材７によって吸収されるようになるので、電子部品１を破損しにくくすることができる。

また、電子部品１の実装工程においても、電子部品１の周囲の凹部５への樹脂材７の注入については、電子部品１が通過可能な凹部５の開口から注入するものであるから、その注入は容易であり、この工程にかかる時間を比較的短くすることが可能である。

また、樹脂材７は、ＪＩＳＫ6249で示されるゴム硬さが70以下であるときには、外部から加えられた振動がゴム硬さの低い樹脂材７によって好適に吸収されるようになるので、電子部品１をより破損しにくくすることができる。例えば、シリコーン樹脂はゴム硬さを50〜70に調節することが可能であるため、本発明の電子部品の実装構造の樹脂材７として好適に用いることができる。

かくして、本発明の電子部品の実装構造は、振動による悪影響を低減して電子部品１の破損が発生しにくいので信頼性が高く安定した特性が得られることから、温度変化域が大きく振動が発生しやすい移動性の機械等で使用される電子回路ユニット、例えば、車載用，船舶用，航空機用などの電子回路ユニット等に内蔵される電子回路装置に採用される。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更や改良等が可能である。

例えば、前述の本発明の電子部品の実装構造の一例においては、実装基板部３ａとしてアルミナ96％のセラミック基板を用いているが、実装基板部３ａはこれに限定されるものではなく、例えば、ガラス−エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の有機基板を用いることも可能である。また、実装基板部３ａとして窒化アルミニウムからなるセラミック基板を用いたときには、実装基板部３ａの熱伝導率を高くすることができるので、電子部品１の温度上昇をさらに抑えることができるようになり、電子部品１の動作をさらに安定させることが可能となる。

また、前述した本発明の電子部品の実装構造の一例においては、電子部品１としてトランスを用いているが、例えば、リード付き半導体パッケージに半導体素子を収納したリード付き電子部品やリード付きコンデンサ等を用いることも可能である。

また、前述した本発明の電子部品の実装構造の一例においては、放熱基板部３ｂとしてアルミニウムの金属基板を用いているが、放熱基板部３ｂの材料としては、例えば、鉄，銅，チタン等の金属を用いることも可能である。さらに、金属基板は平板状のものに限られるものではなく、凹部５の底面付近に相当する穴を金属筐体のように加工した鋳物を用いることも可能であり、この場合には、金属の使用量を少なくすることができる。

また、前述した本発明の電子部品の実装構造の一例においては、樹脂材７の上面は凹部５の開口に露出した構造となっているが、樹脂材７の上面をさらに別の樹脂材で覆うようにしても構わない。この例について、図３に本発明の電子部品の実装構造の実施の形態の他の例の断面図を示す。なお、図３において、図１，図２と同様の部位には同じ参照符号を付している。

図３に示す樹脂材９は、凹部５内の電子部品１の周囲に充填された樹脂材７の上面を覆っているものであり、ゴム硬さを80以上としている。このように、樹脂材７の上面がゴム硬さが80以上の樹脂材９で覆われているものにしたときには、電子部品１の周囲に充填された樹脂材７の振動を樹脂材９により上面から抑えることができるので、これによっても、外部から振動が加えられたときに電子部品１をより破損しにくいものとすることができる。このような樹脂材９によって上面を覆うときの樹脂材７は、特にゴム硬さが70以下と低いことが好ましい。これによって、前述のようにゴム硬さが70以下と低い樹脂材７によって外部からの振動が電子部品１に加わるのを効果的に抑えることができるとともに、その樹脂材７の振動を樹脂材９によって上面から抑えることができるので、電子部品１に対する振動の悪影響を効率よく低減させることができる。樹脂材９としては、例えば、塩化ビニール樹脂であれば、ゴム硬さを80程度とすることができるので樹脂材７の振動を抑える効果が高くなり、また、エポキシ樹脂やポリプロピレン樹脂であれば、ゴム硬さを90近くに調整することも可能なので、樹脂材７の振動を抑える効果がさらに高いものとなる。

また、樹脂材９で樹脂材７の上面を覆う場合に、これと併せて、凹部５の開口の周囲の複数の電極パッド４と複数のリード端子２との接続部をゴム硬さが80以上の樹脂材９でハンダ８とともに覆うように形成したときには、電極パッド４とリード端子２との接続部を樹脂材９により補強して、電子部品１の固定力を高めることができる。

また、前述した本発明の電子部品の実装構造の実施の形態の一例において、基板３の作製については、未硬化の接着剤を実装基板部３ａの下面に塗布して作製しているが、基板３の作製に関して実装基板部３ａと放熱基板部３ｂとの接着はこのような方法に限らず、未硬化の接着剤を放熱基板部３ｂの上面に塗布するようにして作製することもできる。さらに、放熱基板部３ｂとなる放熱性に優れた基板部の上に実装基板部３ａとなる多層配線回路層等を積層して形成するようにして、上側が実装基板部３ａで下側が放熱基板部３ｂである基板３としてもよい。

また、前述した本発明の電子部品の実装構造の製造方法においては、実装基板部３ａと放熱基板部３ｂとを貼り合わせたものに電子部品１のリード端子２を接続するようにしているが、電子部品１の接続はこのような方法に限定するものではなく、例えば、以下の方法を用いることもできる。

先ず、凹部５の開口から途中までに相当する貫通孔と、その周囲に電極パッド４が形成された実装基板部３ａを準備し、電極パッド４上にハンダペーストを塗布し、電子部品１のコア１ａが貫通孔を通り、電極パッド４とリード端子２とが一対一に対応するようにして塗布後のハンダペースト上にリード端子２を載せ、この実装基板部３ａをリフロー炉を通すことによって、ハンダペーストを溶融した後に固化させ、リード端子２をハンダ８を介して電極パッド４に接続することにより、電子部品１が接続されて貫通孔の側面から離れた位置に保持された実装基板部３ａを作製しておく。そして、凹部５の底面付近に相当する穴が形成された放熱基板部３ｂを準備して、実装基板部３ａの下面に未硬化の接着剤を塗布し、実装基板部３ａの貫通孔の位置と放熱基板部３ｂの穴の位置とが一致するようにして、電子部品１を放熱基板部３ｂの穴の底面からも離れた位置に配置して貼り合わせ、これを150℃で60分放置して接着剤を硬化させ、最後に、凹部５内の電子部品１の周囲にシリコーン樹脂等からなる未硬化の樹脂材７を注入し、150℃で60分放置して樹脂材７を硬化させることにより、本発明の電子部品の実装構造を得ることができる。なお、この場合においても、未硬化の接着剤を実装基板部３ａの下面に塗布することに限定するものではなく、未硬化の接着剤を放熱基板部３ｂの上面に塗布するようにして作製することもできる。

図１および図２に示す本発明の電子部品の実装構造の例についてのサンプルを以下の方法で作製した。

電子部品１としては、外径寸法が縦20ｍｍ×横20ｍｍ×高さ10ｍｍのフェライトからなるコア１ａの上部に保持部１ｂが取り付けられ、この保持部１ｂにリード端子２が接続された表面実装用トランスと、この電子部品１が通過する程度の貫通孔が形成され、その周囲に電極パッド４が形成された実装基板部３ａとしての縦95ｍｍ×横140ｍｍ×厚さ1.4ｍｍのアルミナ96％のセラミック基板を準備した。電極パッド４は、厚みが10〜12μｍのタングステンの厚膜導体およびその表面の厚みが２μｍのニッケル層および厚みが0.2μｍ以下の金層で構成されたものとした。

この電極パッド４上に錫96％−銀３％−銅0.5％のハンダペーストを塗布しておき、電子部品１のコア１ａが貫通孔を通り、電極パッド４とリード端子２とが一対一に対応するようにして電極パッド４上に塗布されたハンダペースト上に、コア１ａに取り付けられた保持部１ｂに接続されているリード端子２を載せ、この実装基板部３ａをリフロー炉を通過させることにより、ハンダペーストを溶融した後に固化させ、リード端子２をハンダ８を介して電極パッド４に接続した。

次に、凹部５の底面付近に相当する穴が形成された放熱基板部３ｂとしての縦110ｍｍ×横155ｍｍ×厚さ15ｍｍのアルミニウムからなる金属基板を準備して、実装基板部３ａの下面にシリコーン樹脂等からなる未硬化の接着剤を塗布し、実装基板部３ａの貫通孔の位置と放熱基板部３ｂの穴の位置とが一致するようにして貼り合わせ、これを150℃で60分放置して硬化させ、凹部５内の電子部品１の周囲に未硬化のシリコーン樹脂を樹脂材７として注入し、このシリコーン樹脂を150℃で60分放置して硬化させることにより、上側の実装基板部３ａおよび下側の放熱基板部３ｂからなる基板３の凹部５内に電子部品１が底面および側面から離れた位置に配置され、凹部５内の電子部品１の周囲に樹脂材７が充填された本発明の電子部品の実装構造の実施例のサンプルを作製した。

また、比較例のサンプルとして、貫通孔が形成されていない実装基板部３ａを用い、前述の表面実装用トランスを上下逆向きにして電極パッド４上に接続し、穴が形成されていない放熱基板部３を実装基板部３ａの下側に貼り付けたものを作製した。

以上のようにして作製した実施例および比較例のサンプルについて、自動車の振動に対する耐久性を測る目的で広く利用されている振動試験として、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の３方向についてそれぞれ20Ｇで振動させる試験を行ない、この振動試験を行なった後の電子部品１の外観を検査した結果、比較例のサンプルにおいては電子部品１のコア１ａに割れや亀裂が生じているのを確認したが、実施例のサンプルについては電子部品１にコア１ａの割れや亀裂は生じていなかった。

すなわち、本発明の電子部品の実装構造によれば、電子部品１は、凹部５内に底面および側面から離れた位置に配置され、周囲に樹脂材７が充填されていることから、外部から振動が加えられたとしてもその振動は電子部品１の周囲に充填された樹脂材７によって吸収されるので、電子部品１が破損しにくくなることが確認できた。

本発明の電子部品の実装構造の実施の形態の一例を示す外観斜視図である。図１のＡ−Ａ’線断面図である。本発明の電子部品の実装構造の実施の形態の他の例を示す外観斜視図である。

符号の説明

１・・・電子部品
１ａ・・・コア
１ｂ・・・保持部
２・・・リード端子
３・・・基板
３ａ・・・実装基板部
３ｂ・・・放熱基板部
４・・・電極パッド
５・・・凹部
６・・・接着材
７・・・樹脂材

Claims

上側の実装基板部および下側の放熱基板部からなり、前記実装基板部の上面から前記放熱基板部にかけて凹部が形成されているとともに該凹部の周囲に複数の電極パッドが形成された基板と、
複数の前記電極パッドに接続された複数のリード端子が接続されて前記凹部内に底面および側面から離れた位置に配置された、銅線が巻き付けられたボビンにフェライトから成るコアが取り付けられたトランスである電子部品と、
前記凹部内の前記電子部品の周囲に充填された、ゴム硬さが70以下である樹脂材とを具備することを特徴とする電子部品の実装構造。
前記凹部は、前記実装基板部に形成された貫通孔と、前記放熱基板部に形成された穴とから成り、
前記電子部品の一部は、前記穴に入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の実装構造。
前記樹脂材の上面がゴム硬さが80以上の樹脂材で覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子部品の実装構造。