JP5150076B2 - 表面実装用電子部品の表面実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、表面実装用電子部品の表面実装構造に関する。

近年では、基板上の電子部品の高密度化のために、電子部品の電極を基板表面上の配線パターンに接続する表面実装が行われている。
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、それぞれ、既存の表面実装構造を示す図である。

図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す各表面実装構造では、金属基板４０上において、ベタパターン４１と、チップ抵抗やチップコンデンサなどの表面実装用電子部品としてのチップ部品４２の電極とが半田を介して接続されている。

ここで、氷点下から数十℃までの激しい温度変化が想定される車載用の電子回路を、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す各表面実装構造により構成する場合を考える。
従来では、温度変化によりベタパターン４１やチップ部品４２などの各部材が膨張、収縮を繰り返すと、図５（ａ）に示すベタパターン４１とチップ部品４２との接続例のように、ベタパターン４１の上面とチップ部品４２の下面との間の半田４３にクラックが発生し、その後そのクラックが伸展して貫通クラック４４になり、ベタパターン４１とチップ部品４２とが電気的に接続されなくなる状態、いわゆる、オープンの状態になるおそれがあった。

そこで、従来では、半田４３にクラックが発生することを抑えるため、図５（ｂ）に示すベタパターン４１とチップ部品４２との接続例のように、半田４３の供給量を調整し、その半田４３をチップ部品４２の大きさに見合ったフィレット形状にすることが行われている。また、チップ部品４２の下面と半田付けされるランド形状を、クラックが発生する起点であるチップ部品４２の下面とランドとの間の半田の応力を緩和する形状にすることが行なわれている。（例えば、特許文献１参照）
特開２００５−２２８８８５号公報

しかしながら、図５（ｂ）に示すように、半田４３をチップ部品４２の大きさに見合ったフィレット形状にしたり、ランド形状を工夫しても、依然として半田４３にクラックが発生してしまうおそれがある。

そこで、本発明では、表面実装用電子部品を表面実装する際に、その半田に熱ストレスによるクラックが発生することを抑えることが可能な表面実装用電子部品の表面実装構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明の表面実装用電子部品の表面実装構造は、長手方向の両端部に電極をもつ表面実装用電子部品と、前記電極に半田を介して接続されるランドと、前記ランドに接続され、前記表面実装用電子部品の短手方向の長さよりも短い幅の配線と、前記配線が接続される側の幅が前記表面実装用電子部品の短手方向の長さよりも長いベタパターンとを備えることを特徴とする。

このように、表面実装用電子部品やベタパターンよりも短い幅の配線を使用してベタパターンとランドとを接続する構成であるため、表面実装用電子部品やベタパターンなどの各部材の膨張、収縮により半田にかかる応力を配線で吸収させることができ、半田に熱ストレスによるクラックが発生することを抑えることができる。

また、上記表面実装用電子部品の表面実装構造において、前記ランドに接続される１つ以上の前記配線のうち少なくとも１つが、前記表面実装用電子部品の長手方向に対して傾いて形成されていてもよい。

また、上記表面実装用電子部品の表面実装構造において、前記ランドに接続される１つ以上の前記配線のうち少なくとも１つが、前記表面実装用電子部品の長手方向に対して垂直方向に形成されていてもよい。

また、上記表面実装用電子部品の表面実装構造において、前記ランドに接続される１つ以上の前記配線のうち少なくとも１つが、途中で曲がって形成されていてもよい。
また、上記表面実装用電子部品の表面実装構造において、前記ランドに接続される１つ以上の前記配線のうち少なくとも１つが、途中で複数に分かれて形成されていてもよい。

このように、配線を表面実装用電子部品の長手方向に対して傾けて形成したり垂直方向に形成したりすることにより、表面実装用電子部品やベタパターンなどの各部材の膨張、収縮により半田にかかる応力を配線をたわませてその応力を配線で吸収させることができるので、半田にクラックが発生することをさらに抑えることができる。

また、上記表面実装用電子部品の表面実装構造において、前記配線または前記ベタパターンを介して複数の前記表面実装用電子部品が互いに並列接続されていてもよい。
このように、複数の表面実装用電子部品が互いに並列接続される場合では、ベタパターンに接続される配線が増えベタパターンの面積が増える分、ベタパターンの線膨張係数も大きくなる。そのため、従来のように、表面実装用電子部品とベタパターンとが直接接続されている場合では、ベタパターンの面積が増える分半田にかかる応力も大きくなり半田にクラックが発生し易くなる。一方、本発明の表面実装構造は、ベタパターンの面積が増えても半田にかかる応力を配線で吸収させる構成であるため、半田にクラックが発生することを抑えることができる。すなわち、本発明の表面実装構造は、複数の表面実装用電子部品が互いに並列接続される場合に対して有効である。

また、上記表面実装用電子部品の表面実装構造において、前記ランドは、前記半田の溶融時に前記表面実装用電子部品の移動を規制すると共に前記表面実装用電子部品の長手方向に対して垂直方向の端面に対向する前記半田のフィレットを形成するための規制部と、前記表面実装用電子部品の長手方向に対して同じ方向の側面に対向する前記半田のフィレットを形成するための凸部とを備えてもよい。

これにより、表面実装用電子部品の端面に対向する半田だけでなく表面実装用電子部品の側面に対向する半田もフィレット形状にすることができるため、半田自身の耐クラック性を向上させることができ半田にクラックが発生することをさらに抑えることができる。

本発明によれば、表面実装用電子部品を表面実装する際において、半田に熱ストレスによるクラックが発生することを抑えることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
図１（ａ）〜図１（ｄ）は、それぞれ、本発明の実施形態の表面実装用電子部品の表面実装構造を示す図である。なお、図１（ａ）は図４（ａ）に、図１（ｂ）は図４（ｂ）に、図１（ｄ）は図４（ｃ）にそれぞれ対応している。また、図１（ｃ）は、図１（ｂ）に示す破線枠Ａの拡大図である。また、半田は図示していない。

本実施形態の表面実装構造の特徴とする点は、チップ部品４２が接続されるランド１とベタパターン４１またはランド１同士を配線２を介して接続し、その配線２の幅Ｌ１をチップ部品４２の短手方向の長さＬ２よりも短くしている点である。なお、本実施形態の表面実装構造では、ベタパターン４１において配線２が接続される側の幅Ｌ３は、チップ部品４２の短手方向の長さＬ２よりも長いものとする。

このように、本実施形態の表面実装構造では、チップ部品４２の短手方向の長さＬ２やベタパターン４１の幅Ｌ３よりも短い幅Ｌ１の配線２を使用してベタパターン４１とランド１またはランド１同士を接続する構成であるため、チップ部品４２、ベタパターン４１、ランド１などの各部材の膨張、収縮によりチップ部品４２とランド１との間の半田にかかる応力を配線２で吸収させることができ、たとえば硬くて脆い性質の鉛フリーの半田を使用する場合でもその半田に熱ストレスによるクラックが発生することを抑えることができる。そのため、チップ部品４２とランド１との接合部に接着剤を塗布し、その接着剤を硬化させることなくチップ部品４２の接着寿命を向上させることができるので、表面実装の全体工数を低減することができ接着剤が不要になる分コストを削減することができる。

なお、配線２の幅Ｌ１は、短くなる程、配線２がたわみ易くなり半田にかかる応力をより吸収させることができるようになるが、配線２において生じるノイズや配線２の抵抗値が規定値を超えないように配線２の幅Ｌ１を短くすることが望ましい。例えば、配線２の幅Ｌ１を０．５ｍｍ程度に設定することが実験的に望ましいとわかっている。

図１（ａ）に示す表面実装構造では、ベタパターン４１ａとベタパターン４１ｂとの間において、互いに並列に接続されるチップ部品４２ａ及びチップ部品４２ｃと、互いに並列に接続されるチップ部品４２ｂ及びチップ部品４２ｄとが直列に接続されている。また、チップ部品４２ａの長手方向の両端のそれぞれの電極のうち一方の電極がランド１ａに半田を介して接続され、チップ部品４２ａの他方の電極がランド１ｂに半田を介して接続されている。以下同様に、チップ部品４２ｂの各電極がそれぞれランド１ｃ及びランド１ｄに半田を介して接続され、チップ部品４２ｃの各電極がそれぞれランド１ｅ及びランド１ｆに半田を介して接続され、チップ部品４２ｄの各電極がそれぞれランド１ｇ及びランド１ｈに半田を介して接続されている。

また、図１（ａ）に示す表面実装構造では、ベタパターン４１ａとランド１ａとを接続する配線２ａが略Ｌ字状に形成されている。また、ランド１ｂとランド１ｃとを接続する配線２ｂがチップ部品４２の長手方向に対しておよそ４５度に傾いて形成されている。また、ランド１ｆとランド１ｇとを接続する配線２ｅは、略Ｌ字状に形成され角部が円状に形成されている。それ以外のベタパターン４１とランド１とを接続する配線２ｃ、配線２ｄ、配線２ｆは、それぞれ、チップ部品４２の長手方向と同じ方向に形成されている。また、ランド１同士を接続する配線２ｇ、配線２ｈは、それぞれ、チップ部品４２の長手方向に対して垂直方向に形成されている。

このように、図１（ａ）に示す表面実装構造では、チップ部品４２、ベタパターン４１、ランド１などの各部材の膨張、収縮により半田にかかる応力を、配線２ａ〜配線２ｈにより吸収している。特に、配線２ａ、配線２ｂ、配線２ｅは、それぞれ、チップ部品４２の長手方向に対して傾いていたり垂直方向に形成されているため、半田にかかる応力を吸収させることができるので、半田にクラックが発生することをさらに抑えることができる。

図１（ｂ）に示す表面実装構造では、ベタパターン４１ｃとベタパターン４１ｄとの間において、チップ部品４２ｅ及びチップ部品４２ｆが互いに並列接続されている。チップ部品４２ｅの各電極がそれぞれランド１ｉ及びランド１ｊに半田を介して接続され、チップ部品４２ｆの各電極がそれぞれランド１ｋ及びランド１ｍに半田を介して接続されている。

また、図１（ｂ）に示す表面実装構造では、ベタパターン４１ｃとランド１ｉとを接続する配線２ｉがチップ部品４２ｅの長手方向に対して垂直方向に形成されている。また、ベタパターン４１ｄとランド１ｍとを接続する配線２ｋは、途中で曲がって形成されている。それ以外のベタパターン４１ｄとランド１ｊとを接続する配線２ｊは、チップ部品４２ｅの長手方向と同じ方向に形成されている。

このように、図１（ｂ）に示す表面実装構造では、チップ部品４２、ベタパターン４１、ランド１などの各部材の膨張、収縮により半田にかかる応力を、配線２ｉ〜配線２ｋにより吸収している。特に、配線２ｉ、配線２ｋは、それぞれ、チップ部品４２の長手方向に対して傾いていたり垂直方向に形成されているため、半田にかかる応力を吸収させることができるので、半田にクラックが発生することをさらに抑えることができる。

図１（ｄ）に示す表面実装構造では、ベタパターン４１ｅとベタパターン４１ｆとの間において、チップ部品４２ｇ及びチップ部品４２ｈが互いに並列接続されている。チップ部品４２ｇの各電極がそれぞれランド１ｎ及びランド１ｐに半田を介して接続され、チップ部品４２ｈの各電極がそれぞれランド１ｒ及びランド１ｓに半田を介して接続されている。

また、図１（ｄ）に示す表面実装構造では、ベタパターン４１ｅとランド１ｎとランド１ｒとを接続する配線２ｍは、略Ｔ字状に形成されている。同様に、ベタパターン４１ｆとランド１ｐとランド１ｓとを接続する配線２ｎも略Ｔ字状に形成されている。すなわち途中で分かれて形成されている。

このように、図１（ｄ）に示す表面実装構造では、チップ部品４２、ベタパターン４１、ランド１などの各部材の膨張、収縮により半田にかかる応力を、配線２ｍや配線２ｎにより吸収させることができる。配線２ｍ、配線２ｎは、それぞれ、ランド１同士を接続する部分がチップ部品４２の長手方向に対して垂直方向に形成されているため、半田にかかる応力を吸収させることができるので、半田にクラックが発生することをさらに抑えることができる。

図１（ａ）〜図１（ｄ）に示すように、配線２またはベタパターン４１介して複数のチップ部品４２が互いに並列接続される場合では、ベタパターン４１に接続される配線２が増えベタパターン４１の面積が増える分、ベタパターン４１の線膨張係数も大きくなる。そのため、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、チップ部品４２とベタパターン４１とが直接接続されている場合では、ベタパターン４１の面積が増える分半田にかかる応力も大きくなり半田にクラックが発生し易くなる。一方、本発明の表面実装構造は、ベタパターン４１の面積が増えても半田にかかる応力を配線２で吸収させる構成であるため、半田にクラックが発生することを抑えることができる。すなわち、本発明の表面実装構造は、複数のチップ部品４２が互いに並列接続される場合に対して有効である。

なお、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示す表面実装構造では、配線２が直線、略Ｌ字型、または略Ｔ字型などに形成されているが、配線２の形状はこれらの形状に限定されない。
次に、チップ部品４２の表面実装工程を説明する。

まず、ランド１など半田付けを行うのに必要な部分を除いて金属基板４０の表面が半田レジストで被覆された金属基板４０の表面にクリーム状の半田を印刷する。次に、チップ部品４２を印刷した半田上にマウントする。そして、金属基板４０をリフロー炉に入れて、半田をリフローすることにより、チップ部品４２を金属基板４０上に表面実装する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、それぞれ、本実施形態の表面実装構造に使用される金属基板４０の一例を示す図である。なお、半田は図示していない。また、本実施形態において金属基板４０上に構成される回路としては、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータを備える車載用の電源回路などが考えられる。また、本実施形態の表面実装構造では、金属基板４０上にチップ部品４２を表面実装する構成であるが、セラミック基板上にチップ部品４２を表面実装する構成を採用してもよい。

図２（ａ）に示す金属基板４０は、一般的な金属基板であって、ベタパターン４１、ランド１、及び配線２が金属基板４０上に絶縁層３を介して形成されている。金属基板４０は、放熱が必要な部分や耐熱性が必要な部分、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータを構成する整流素子やスイッチング素子などのパワーデバイスが実装される箇所に使用される。図２（ａ）に示す金属基板４０の材料としては、例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）などが考えられる。

また、図２（ｂ）に示す金属基板４０は、チップ部品４２の他にトランスまたはコイルなどの大物部品４が実装されて所定回路（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータなど）を構成するベース部５と、ベース部５上に垂直に形成される垂直部６とを備えて構成されている。また、金属基板４０には、垂直部６の上にガラスエポキシ基板７が設けられ、さらにガラスエポキシ基板７を含む金属基板４０全体を覆うようにカバー８が設けられている。なお、図２（ｂ）に示す金属基板４０の材料は、例えば、ＡｌやＦｅなどが考えられる。

本実施形態の表面実装構造では、図２（ａ）や図２（ｂ）に示すように、様々な形態の金属基板４０を使用することができる。特に、図２（ｂ）に示す金属基板４０を使用して本実施形態の表面実装構造を構成する場合では、基板には載せられない大物部品が設けられる筐体に放熱グリースを介して金属基板４０を設ける必要がないため、その筐体に金属基板４０を固定する際のネジ止め工程が不要であったり、放熱グリースやネジなどの部品費を削減することができる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、上記ランド１の形状の一例を示す図である。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すランド１にチップ部品４２を実装したときの状態を示している。

図３（ａ）に示すランド１は、半田の溶融時のチップ部品４２の移動を規制すると共にチップ部品４２の長手方向に対して垂直方向の端面４２−１に対向する正面フィレット４３−１（図３（ｂ）参照）を形成するための規制部１−１と、チップ部品４２の長手方向に対して同じ方向の側面４２−２に対向するサイドフィレット４３−２（図３（ｂ）参照）を形成するための凸部１−２とを備えている。

上記規制部１−１の幅Ｌ４は、チップ部品４２の短手方向の幅Ｌ２とほぼ同じ長さに形成され、規制部１−１の幅Ｌ６は、上記凸部１−２の幅Ｌ５よりも長く形成されている。したがって、セルフアライメント効果によりチップ部品４２の移動を規制することができる。なお、サイドフィレット４３−２を適正な形状にするために、凸部１−２の規制部１−１からの飛び出し量である幅Ｌ５を十分に長くしておく方が良いが、幅Ｌ５を長くすると実装密度が低くなるため、幅Ｌ５は必要とされる実装密度に応じて適宜設定されることが望ましい。また、上記凸部１−２の幅Ｌ７は、チップ部品４２の電極側面の幅Ｌ８よりも長く形成されている。

また、図３（ａ）に示すランド１においてチップ部品４２の下面と対向する部分の端部（破線Ｂの部分）は、チップ部品４２を実装する際に使用されるもう１つのランド１´の方向に突出していてもよい。このようにランド１の上記端部を突出させることにより、熱ストレスによる応力が特にかかると推定されるチップ部品４２の下面とランド１の上記端部との間の半田を適正なフィレット形状に成形し易くすることができ、応力を緩和することができる。

また、上記凸部１−２は、図３（ａ）に示すように略長方形に限らない。例えば、図３（ｃ）に示すように、直径がチップ部品４２の電極の長さより長い半円状（扇状）に凸部１−２を形成してもよい。

図３（ａ）〜（ｃ）の様に、規制部１−１と凸部１−２とを備えてランド１を構成することにより、チップ部品４２の端面に対向する半田だけでなくチップ部品４２の側面に対向する半田もフィレット形状にすることができるため、チップ部品４２の電極の周囲を覆うほぼ全体の半田をフィレット形状にすることができる。そのため、半田自身の耐クラック性を向上させることができ半田にクラックが発生することをさらに抑えることができる。

本発明の実施形態の表面実装用電子部品の表面実装構造を示す図である。 金属基板の一例を示す図である。 ランドの形状の一例を示す図である。 既存の表面実装用電子部品の表面実装構造を示す図である。 ベタパターンと表面実装用電子部品との接続の様子を示す図である。

符号の説明

１ ランド
１−１ 規制部
１−２ 凸部
２ 配線
３ 絶縁層
４ 大物部品
５ ベース部
６ 垂直部
７ ガラスエポキシ基板
８ カバー
４０ 金属基板
４１ ベタパターン
４２ チップ部品
４２−１ 端面
４２−２ 側面
４３ 半田
４３−１ 正面フィレット
４３−２ サイドフィレット
４４ 貫通クラック

Claims (5)

1. 長手方向の両端部に電極をもつ表面実装用電子部品と、
   前記電極に半田を介して接続されるランドと、
   前記ランドに接続され、前記表面実装用電子部品の短手方向の長さよりも短い幅の配線と、
   前記配線が接続される側の幅が前記表面実装用電子部品の短手方向の長さよりも長いベタパターンと、
   前記ベタパターン、前記ランド、及び前記配線が形成され、前記表面実装用電子部品が実装される金属基板と、
   を備え、
   前記ランドは、前記半田の溶融時に前記表面実装用電子部品の移動を規制すると共に前記表面実装用電子部品の長手方向に対して垂直方向の端面に対向する前記半田のフィレットを形成するための規制部と、前記表面実装用電子部品の長手方向に対して同じ方向の側面に対向する前記半田のフィレットを形成するための凸部とを備え、
   前記配線は、前記ランドに対して前記凸部に接続されている
   ことを特徴とする表面実装用電子部品の表面実装構造。
2. 請求項１に記載の表面実装用電子部品の表面実装構造であって、
   前記表面実装用電子部品は、パワーデバイスであり、
   前記金属基板上に前記パワーデバイスを備えて構成される回路は、車載用電源回路である
   ことを特徴とする表面実装用電子部品の表面実装構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の表面実装用電子部品の表面実装構造であって、
   前記ランドに接続される１つ以上の前記配線のうち少なくとも１つが、途中で複数に分かれて形成されている、
   ことを特徴とする表面実装用電子部品の表面実装構造。
4. 請求項３に記載の表面実装用電子部品の表面実装構造であって、
   前記配線または前記ベタパターンを介して複数の前記表面実装用電子部品が互いに並列接続されている、
   ことを特徴とする表面実装用電子部品の表面実装構造。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の表面実装用電子部品の表面実装構造であって、
   前記金属基板は、垂直部を有し、その垂直部の上にガラスエポキシ基板を設けている
   ことを特徴とする表面実装用電子部品の表面実装構造。