JP5337520B2 - Press-fit pin, press-fit pin connection structure, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板やモジュール、コネクタをプレスフィット接続するためのプレスフィットピン及び端子接続方法、端子接続構造に関する。 The present invention relates to a press-fit pin, a terminal connection method, and a terminal connection structure for press-fit connection of a board, a module, and a connector.
近年、電気的配線が形成されている基板への部品等を搭載する場合の接続方法として、プレスフィット接続が注目されている。従来プレスフィット接続は、はんだ接続の困難な場合の基板間の接続方法として、大型計算機等に用いられていたが、(1)接続プロセスが容易であること、(2)プロセスを確立させるための設備投資が少ないこと、等の理由から、近年ABS(電子制御装置)等の車載モジュールへの適用され始めている。 In recent years, press-fit connection has attracted attention as a connection method for mounting components or the like on a substrate on which electrical wiring is formed. Conventionally, press-fit connection has been used in large computers as a method of connecting between boards when soldering is difficult, but (1) the connection process is easy and (2) to establish the process. In recent years, it has begun to be applied to in-vehicle modules such as ABS (Electronic Control Device) due to its small capital investment.
プレスフィット接続の例を図1に示す。プレスフィット接続は、図1に示すように、配線基板4に設けられた複数のスルーホール5に対して、部品のプレスフィットコネクタ3に設けられた複数のプレスフィットピン1を圧入し、プレスフィットピン1とスルーホール5内の配線を機械的・金属的に接続することにより電気的接続を行う接続方法である。プレスフィットピン1の接続部2は、その外径wはスルーホール内径より大きく、長さLの平坦部を有する厚さtのばね構造となっている。そのため、プレスフィットピン1のスルーホール5への圧入後は、プレスフィットピン1のばね力が働くことでスルーホール5部に保持される。同時に、プレスフィットピン1の最表面には一般的にSnめっきが施され、スルーホール5のCuとの接続性を担保している。このような接続方法であるため、従来のはんだ接続とは違い、非加熱・常温、且つ短時間での接続が可能である。
An example of press-fit connection is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the press-fit connection is performed by press-fitting a plurality of press-
一方で、プレスフィット接続の車載用途への展開に当たり、自動車などのエンジンルームに備え付けられるABSのような場合においては、過酷な動作環境、例えば、周囲温度が高温であり、多湿であり、しかも振動が激しいなどの環境下での動作を保証しなければならない。プレスフィットピンの接続に際して、プレスフィットピンのスルーホールへの押し込みにより、最表面のSnめっきがピンから剥がれ落ち、スルーホール挿入口近傍にめっき屑が付着する現象が発生する。このめっき屑が振動環境下で飛散した場合、他の電子部品へ付着し短絡するという問題が起こる。従って、プレスフィット接続の車載環境への適用に関しては、従来以上に高い信頼性が求められており、様々な課題への対応が急務である。 On the other hand, when deploying press-fit connections to in-vehicle applications, in the case of ABS installed in engine rooms such as automobiles, severe operating environments such as high ambient temperature, high humidity, and vibration Must be guaranteed to work in an environment where there is a lot of heat. When the press-fit pins are connected, when the press-fit pins are pushed into the through holes, the Sn plating on the outermost surface is peeled off from the pins, and a phenomenon occurs in which plating scraps adhere to the vicinity of the through-hole insertion opening. When the plating scraps are scattered in a vibration environment, there arises a problem that they are attached to other electronic components and short-circuited. Therefore, regarding the application of the press-fit connection to the in-vehicle environment, higher reliability than ever is required, and it is an urgent need to deal with various problems.
例えば、特許文献1では、プレスフィットピンの表面に粘着材によるコーティングを設け、スルーホールへ接続している。
For example, in
ところが、特許文献1記載の発明では、自動車のエンジンルーム内の過酷な環境により粘着材が劣化し、車載環境程度の振動により内部に包容していためっき屑がエンジンルーム内へ飛散する恐れがある。めっき屑6の飛散によって、他の回路部品、例えば、CPUなどのパッケージ部品などのリード部分に付着した場合、短絡が発生する。
However, in the invention described in
本発明の目的は、上記課題を解決し、高温・多湿・振動環境下においても使用可能な高信頼性のあるプレスフィットピンを提供し、当該プレスフィットピンを使用することにより高信頼性のある電子装置を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a highly reliable press-fit pin that can be used even in a high-temperature, high-humidity, vibration environment, and that is highly reliable by using the press-fit pin. It is to provide an electronic device.
上記の目的を達成するために、本発明は、表面に金属めっきを施したプレスフィットピンであって、プレスフィットピン表面の少なくともスルーホールと接触する部位に特定の絶縁性樹脂によるコーティングを施したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a press-fit pin having a surface plated with a metal, and a coating with a specific insulating resin is applied to at least a portion of the press-fit pin surface that comes into contact with a through hole. It is characterized by that.
また、本発明は、表面に金属めっきを施したプレスフィットピンであって、プレスフィットピン表面の少なくともスルーホールと接触する部位に第一絶縁性樹脂による第一コーティングを施し、さらに第一コーティング上に第二絶縁性樹脂による第二コーティングを施したことを特徴とする。 The present invention also relates to a press-fit pin whose surface is metal-plated, wherein a first coating with a first insulating resin is applied to at least a portion of the surface of the press-fit pin that comes into contact with the through-hole, and further on the first coating. A second coating with a second insulating resin is applied.
また、本発明は、表面に金属めっきを施したプレスフィットピンであって、プレスフィットピン表面の少なくともスルーホールと接触する部位に三種類以上の絶縁性樹脂により三層以上のコーティングを施したことを特徴とする。 In addition, the present invention is a press-fit pin having a metal plating on its surface, and at least a portion of the press-fit pin surface that is in contact with the through hole is coated with three or more types of insulating resins. It is characterized by.
本発明によれば、上記課題を解決し、実環境下においても使用可能な高信頼性のあるプレスフィットピン及び電子装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the said subject can be solved and the highly reliable press fit pin and electronic device which can be used also in a real environment can be provided.
本発明の実施例を、図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、第1の実施例を図1〜3を用いて説明する。第一の実施例は、プレスフィットピン1を液状の樹脂浴槽中に浸漬させ、温風または加熱炉により加熱硬化させたプレスフィットピンを用いる場合である。上記樹脂として、アクリル系、ポリウレタン系、フッ素系、ポリオレフィン系、ビニル系、エポキシ系、ポリアミド系、ゴム系、シリコーン系樹脂、フラックス、グリースを用いる。
First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. In the first embodiment, a press-fit pin is used in which the press-
実施例1にかかるプレスフィットピンを図1に示す。プレスフィットピン1は、最表面に1~2μm厚のSnめっき、下地に2~3μm厚のNiめっきを施したリン青銅製のニードルアイ形状を用い、図1に示すその接続部2の形状は、外形1.2mm(w:分離方向)x0.65mm(t:厚さ方向)、平坦部の長さLが0.75mmである。プレスフィットコネクタ3は、3列・各列20本のプレスフィットピン1により構成されている。このプレスフィットコネクタを樹脂浴槽中に浸漬し加熱硬化することで、プレスフィットピンのSnめっき上に1~100μm厚の絶縁性樹脂層を形成させた。また、配線基板は、基板厚1.6mmの接続用基板4を用いた。当然接続用基板4には、3列・各列20個のスルーホール5が設けられており、それらの径は1.0mm、スルーホール間隔は2.5mmである。
A press-fit pin according to Example 1 is shown in FIG. The press-
図2(a)は、プレスフィットピン1挿入後のスルーホール近傍の実体顕微鏡写真を示したものであり、図2(b)は同様の領域を写した断面SEM写真である。図2(a)、(b)に示すように、プレスフィットピン1挿入側のスルーホール5近傍において、Snめっき屑6が付着している。これは、先述したように、プレスフィット接続においてはスルーホール内径よりも大きな外径を持つピンを圧入するため、プレスフィットピン表面がスルーホール挿入口で削り落とされることに起因している。このようなめっき屑6は、スルーホール近傍に強固に接続されているわけではなく、車載環境程度の振動により飛散する可能性が十分に考えられる。めっき屑6の飛散によって、他の回路部品、例えば、CPUなどのパッケージ部品などのリード部分に付着した場合、短絡が発生する。
FIG. 2 (a) shows a stereoscopic micrograph in the vicinity of the through hole after the press-
一方、図3は、プレスフィット接続された基板4の、プレスフットピン間の断面SEM写真である。図3に示すように、プレスフィットピン1は基板4に対して、大きな圧縮応力を付与した状態で接続するため、エンジンルーム付近の高温環境などで使用した場合、基板4のガラス繊維4cが剥離し基板割れ7となる。このような基板割れ7が存在した場合、多湿環境下においては、基板4が吸湿し、マイグレーションが発生し、スルーホール5間の絶縁抵抗の低下を招く問題がある。そのため、プレスフィット接触部を含め、回路基板の吸湿対策を施す必要がある。なお、ここでいうマイグレーションとは、プリント基板などを高湿条件下で電圧を印加した場合に、一方の電極から他方の電極に金属イオンが移行し、他方の電極から金属が析出する現象をいう。
On the other hand, FIG. 3 is a cross-sectional SEM photograph of the press-fit connected substrate 4 between the press foot pins. As shown in FIG. 3, the press-
本発明者等は上記のめっき屑や基板吸湿等、実環境下における問題を解決するための検討を行った。その結果、スルーホールに用いられる金属よりも柔らかい金属を最表面にめっきしたプレスフィットピン1を用いる限り、スルーホール径やスルーホール形状に因らず、スルーホール5とプレスフィットピン1が擦れる際に、めっきが剥がれ落ち、めっき屑6が発生することを見出した。一般に、スルーホール材料はCuが用いられることが多く、また、プレスフィットピンの最表面には電気的接続性の観点からSnが用いられることが多い。その一例が図2に示した、プレスフィットピン1挿入直後における、スルーホール5挿入口近傍の実体顕微鏡写真である。
The present inventors have studied to solve problems in the actual environment, such as the above-described plating scraps and substrate moisture absorption. As a result, as long as the press-
図2(b)より、めっき屑6は200μm以上の長さを有していることがわかる。近年の電子装置では、小型化・高密度化が要求されており、Cu配線やパッケージ部品のリードの狭ピッチ化が進んでいる。そのため、このようなサイズのめっき屑6が飛散した場合、短絡が容易に発生する。よって、このようなめっき屑6が発生したとしても、飛散しない技術が必須となる。
FIG. 2 (b) shows that the
本実施例にかかる一重コーティング付きプレスフィットピンと配線基板4を用いて、治具によりプレフィット接続を行った。その結果、何れのコーティングについても、スルーホール5の挿入口近傍にめっき屑6が発生するものの、そのめっき屑6は樹脂に被覆されることを確認した。このサンプルについて、各種信頼性試験を行った。実験は、-55/150℃x3000cycの温度サイクル試験及び150℃x1000hの高温放置試験、85℃/85%RH/50Vの高温高湿バイアス試験、車載エンジンルーム近傍の環境を模擬した-40/105℃の温度サイクル付き振動試験の四種類を行い、保持力測定及び断面観察、接触抵抗測定を実施した。
Pre-fit connection was performed with a jig using the press-fit pin with a single coating according to this example and the wiring board 4. As a result, it was confirmed that although any of the coatings generated
その結果、アクリル系、ポリウレタン系、フッ素系、ポリオレフィン系、ビニル系、エポキシ系、ポリアミド系、ゴム系樹脂に関しては、各種試験後においても、めっき屑6を上記樹脂により保護されており、コーティングしない場合に比べて信頼性が向上した。ただし、樹脂表面には高温環境に暴露されたことにより、粘着性が失われ、一部ひび割れが発生していることが確認できた。シリコーン系樹脂については、同様にめっき屑6の保護構造が維持され、信頼性の向上が確認できた。ただし、シリコーン樹脂は防湿性に劣ることに起因し、絶縁抵抗の悪化が懸念された。一方、フラックスに関しては、高温環境下で大部分が揮発し、めっき屑6が一部露出した。また、残留フラックス成分による接続部の腐食が懸念され、信頼性が得られなかった。また、グリースについては、高温環境下でグリースのオイル成分が分離するなど、長期に渡る安定性が得られなかった。
As a result, acrylic resin, polyurethane resin, fluorine resin, polyolefin resin, vinyl resin, epoxy resin, polyamide resin, and rubber resin are protected by the above resin and are not coated even after various tests. Reliability improved compared to the case. However, it was confirmed that the adhesiveness was lost due to exposure to a high temperature environment on the resin surface, and some cracks were generated. As for the silicone-based resin, the protection structure of the
次に、第2の実施例を説明する。第2の実施例は、図4に示すように、プレスフィットピン1を液状の第一樹脂浴槽中に浸漬させ、温風または加熱炉により加熱硬化させた後、同じく液状の第二樹脂浴槽中に浸漬させ、同じく加熱硬化させたプレスフィットピンを用いた場合である。第一樹脂8は防湿性、初期粘着性、低音・短時間硬化特性を有する絶縁性樹脂が適切であり、それらの特性を有するアクリル系、ポリウレタン系、フッ素系、ポリオレフィン系、ビニル系、エポキシ系、ポリアミド系、ゴム系樹脂を用いた。第二樹脂9には、耐久後の粘着性、耐熱・耐寒性、低温短時間硬化特性を有する絶縁性樹脂が適切であり、シリコーン系樹脂を用いた。
Next, a second embodiment will be described. In the second embodiment, as shown in FIG. 4, the press-
プレスフィットピン1、プレスフィットコネクタ3、配線基板4は、実施例1と同様のものを用いた。このプレスフィットコネクタに上記プロセスを適用することで、プレスフィットピンのSnめっき上に1~100μm厚の第一絶縁性樹脂層8と、さらに第一絶縁性樹脂層8上に1~100μm厚の第二絶縁性樹脂層9を形成させた。また、配線基板は、基板厚1.6mmの接続用基板4を用いた。当然接続用配線基板4には、3列・各列20個のスルーホール5が設けられており、それらの径は1.0mm、スルーホール間隔は2.5mmである。
As the press-
図5に示すように、上記の二重コーティング付きプレスフィットピン10と配線基板4を用いて、治具によりプレフィット接続を行った。その結果、図6に示すように、スルーホール5の挿入口近傍にめっき屑6が発生するものの、そのめっき屑6は第一樹脂8に被覆され、さらに、第一樹脂8は第二樹脂9に被覆される形態になることを確認した。このサンプルについて、各種信頼性試験を行った。実験は、-55/150℃x3000cycの温度サイクル試験及び150℃x1000hの高温放置試験、85℃/85%RH/50Vの高温高湿バイアス試験、車載エンジンルーム近傍の環境を模擬した-40/105℃の温度サイクル付き振動試験の四種類を行い、保持力測定及び断面観察、接触抵抗測定を実施した。その結果の一例として振動試験後のサンプルの観察結果を図7に示す。図7に示すように、これら試験において、初期から存在するSnめっき屑6は、試験後においても第一樹脂8に被覆され、周囲に飛散していないことが確認できた。第一樹脂8には硬化によるひび割れなどが認められるが、その周囲の第二樹脂9にはひび割れが発生せず、粘着力も維持されていることが確認できた。そのため、めっき屑6は周囲に飛散しなかったと考えられる。また、基板部分にマイグレーションの発生も認められず、防湿性も確保できていることが確認できた。
As shown in FIG. 5, pre-fit connection was performed with a jig using the press-fit pins 10 with the double coating and the wiring board 4. As a result, as shown in FIG. 6, although the
これらの結果から、第一樹脂8及び第二樹脂9による二重のコーティングにより、Snめっき屑6の飛散による短絡と、基板4への防湿性の付与が達成されることを確認し、高信頼性のプレスフィット接続構造を実現できた。
From these results, it was confirmed that the double coating with the first resin 8 and the
次に、第一樹脂8として、フラックス及びグリースを用いた場合について述べる。この場合、実施例1と同様に、フラックスの消失や腐食、グリースのオイルの分離などの問題が発生した。ただし、第二樹脂9による保護硬化により、実施例1の場合よりも信頼性が向上することを確認した。
Next, the case where flux and grease are used as the first resin 8 will be described. In this case, similar to Example 1, problems such as flux disappearance and corrosion, and separation of grease oil occurred. However, it was confirmed that the protective curing with the
なお、上記実験においては、プレスフィットピン1最表面のめっきはSnを用いているが、スルーホール材料よりも柔らかい金属であれば、必ずめっき屑が発生するため、Snめっき以外の場合にも本発明は適用可能である。
In the above experiment, Sn is used for the plating on the outermost surface of the press-
上記実施例では、二重のコーティングを施したピンを用いたが、三重以上の複数層のコーティングを施しても良い。例えば、第一樹脂/第三樹脂間に適切な第二樹脂を挿入することで、第一樹脂/第三樹脂間の密着強度が改善する。それにより、挿入時の第一樹脂/第三樹脂間の剥離を抑制し、振動環境下での信頼性をさらに向上させることが可能である。 In the above-described embodiment, a pin with a double coating is used, but multiple layers of multiple layers may be applied. For example, the adhesion strength between the first resin / third resin is improved by inserting an appropriate second resin between the first resin / third resin. Thereby, peeling between the first resin and the third resin at the time of insertion can be suppressed, and the reliability in the vibration environment can be further improved.
また、例えば、耐油性や、NOxなどの腐食性ガス透過防止など、適切な機能を有する絶縁性樹脂を中間層として用いることで、防湿・耐振動性に加え、各種信頼性を向上することが可能となる。 In addition, for example, by using an insulating resin with an appropriate function such as oil resistance and prevention of corrosive gas permeation such as NOx as an intermediate layer, various reliability can be improved in addition to moisture resistance and vibration resistance. It becomes possible.
上記実施例1乃至3では、樹脂は常温または加熱硬化型の絶縁性樹脂を用いたが、それ以外の硬化手法を用いても良い。図8に硬化方法の例を示す。用いる絶縁性樹脂はUV硬化型であっても良い。また、防湿性が要求されない第二樹脂以降の樹脂に関しては、吸湿硬化型の樹脂を用いても良い。これらの手法を用いて、硬化温度を130℃以上に上げないことで、プレスフィットピン表面のSnめっきとNiめっきの化合物化反応によるSnの消失を防ぐことができた。 In Examples 1 to 3, the resin used is a room temperature or heat curable insulating resin, but other curing methods may be used. FIG. 8 shows an example of the curing method. The insulating resin used may be UV curable. Further, for the second and subsequent resins that do not require moisture proofing, a hygroscopic curing type resin may be used. Using these techniques, the disappearance of Sn due to the compounding reaction of Sn plating and Ni plating on the surface of the press-fit pin could be prevented by not raising the curing temperature to 130 ° C. or higher.
最後に、本発明に関する電子装置として車載モジュールを例にとり、本実施例を図9を用いて説明する。車載モジュールは、図9に示すように、ベース基板11に搭載された複数のスルーホール5に各々挿入された複数のプレスフィットピン1各々が、サブモジュール12(パワーモジュール12a、コイル及びコンデンサを搭載したモジュール12b)、または外部接続端子であるプレスフィットコネクタ3と電気的に接続された構成を有するものである。このような車載モジュールの端子接続についても、上記実施例で示す二重コーティング付きプレスフィットピン10を用いることで、プレスフィット接続部の信頼性が高く、寿命低下を防止した車載モジュールを実現することができる。特に、サブモジュール12の接続に関しては、本発明が効果的に適用可能である。なぜならば、従来のめっき屑飛散防止技術である接続後の樹脂塗布プロセスは、サブモジュール12の構造上、塗布すべき部分が接続後に隠れてしまい、実行不可能であるためである。その例を以下に示す。
Finally, taking an in-vehicle module as an example of the electronic apparatus according to the present invention, this embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 9, the in-vehicle module has a plurality of press-
10個のピンを有するパワーモジュール12aや、4個のピンを有するLCモジュール12bについて、本発明を適用したベース基板11とプレスフィット接続を行ったところ、振動試験後においても、めっき屑6の飛散が発生していないことを確認した。
When the
このように、本発明は、プレスフィット接続を用いるものであれば何れの形態・製品においても適用可能で、信頼性を向上させることができる。 As described above, the present invention can be applied to any form and product as long as the press-fit connection is used, and the reliability can be improved.
本発明は、めっき屑飛散防止効果により、高温・多湿・振動環境下におけるプレスフィット接続構造の信頼性を向上させる。そのため、車載用電子装置、特にエンジンルームなどの過酷環境下に設置される電子装置において、モジュール/基板間や基板/基板間にプレスフィット接続を用いるものであれば、何れの製品にも適用できる。さらには、これまでプレスフィット接続を用いることができなかった接続部分においても、プレスフィット接続の適用が促される。 The present invention improves the reliability of the press-fit connection structure in a high temperature, high humidity, and vibration environment due to the effect of preventing plating dust scattering. For this reason, in-vehicle electronic devices, particularly electronic devices installed in harsh environments such as engine rooms, can be applied to any product that uses a press-fit connection between modules / boards or between boards / boards. . Furthermore, application of the press-fit connection is promoted even in a connection portion where the press-fit connection cannot be used so far.
1 プレスフィットピン
2 プレスフィットピン接続部
3 プレスフィットコネクタ
4 配線基板
4a Cu配線
4b 絶縁樹脂
4c ガラス繊維
5 スルーホール
6 めっき屑
7 基板割れ
8 第一絶縁性樹脂
9 第二絶縁性樹脂
10 二重コーティング付きプレスフィットピン
11 ベース基板
12 サブモジュール
12a パワーモジュール
12b LCモジュール(コイル及びコンデンサを搭載したモジュール)
1 Press-fit pin
2 Press-fit pin connection
3 Press-fit connector
4 Wiring board
4a Cu wiring
4b Insulating resin
4c glass fiber
5 Through hole
6 Plating scrap
7 Substrate crack
8 First insulating resin
9 Second insulating resin
10 Press-fit pins with double coating
11 Base board
12 sub-modules
12a power module
12b LC module (module with coil and capacitor)
Claims (2)
プレスフィットピン表面の少なくともスルーホールと接触する部位にアクリル系、ポリウレタン系、フッ素系、ポリオレフィン系、ビニル系、エポキシ系、ポリアミド系、ゴム系、シリコーン系樹脂、フラックス、グリースのいずれかにより第一絶縁性樹脂のコーティングが施され、
前記第一の絶縁性樹脂の表面にシリコーン系樹脂により第二の絶縁性樹脂のコーティングが施され、該第二の絶縁性樹脂が最外層であることを特徴とするプレスフィットピン。 A press-fit pin with plating on the surface,
Acrylic in a zone that is in contact with at least the through hole of the press-fit pin surface, polyurethane, fluorine-based, polyolefin, vinyl, epoxy, polyamide, rubber, Ri by a silicone resin, a flux, any grease The first insulating resin coating is applied,
A press-fit pin , wherein a surface of the first insulating resin is coated with a second insulating resin with a silicone resin, and the second insulating resin is an outermost layer .
コネクタや、前記電子装置内にあって配線基板から切り離されたサブモジュールとが、前記プレスフィットピンを介して、前記配線基板と電気的に接続されていることを特徴とする電子装置。 An electronic device having a press-fit pin according to claim 1 Symbol placement,
An electronic device, wherein a connector and a submodule in the electronic device and separated from the wiring board are electrically connected to the wiring board via the press-fit pins.
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