JP6336683B2 - プリント基板の接合方法、電子装置およびその製造方法 - Google Patents

プリント基板の接合方法、電子装置およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、プリント基板の接合方法、電子装置およびその製造方法に関する。
バイクや自動車等の車両には、バッテリーを充電するためのスイッチングレギュレータが搭載されている。このスイッチングレギュレータは、交流発電機(Alternating Current Generator:ACG)から出力される交流電力を直流電力に変換しバッテリーに出力する。スイッチングレギュレータには、電力変換回路を構成する半導体スイッチ素子(MOSFET等)の他、半導体スイッチ素子を制御する制御IC、ダイオード、平滑コンデンサ等の電子部品が用いられる。これらの電子部品は、アルミ基板等の放熱性に優れたプリント基板上に実装される。
なお、特許文献1には、2枚のプリント基板がはんだで直接接合された回路基板が記載されている。
特開平11−103145号公報
ところで、スイッチングレギュレータのノイズ耐性を向上させるためには、半導体スイッチ素子を制御する制御ICを、半導体スイッチ素子やダイオード等の発熱部品が実装されるプリント基板とは別のプリント基板に実装することが望ましい。
しかしながら、特許文献1のように2枚のプリント基板をはんだで直接接合する場合、リフロー工程や使用時等における高温環境下において、プリント基板間の線膨張率の差などに起因して一方のプリント基板が反ってしまうことがある。この場合、はんだクラック等が発生することにより、プリント基板間の電気的接続の信頼性が低下するという問題がある。
従来は、上記問題を回避するために、プリント基板の直接接合は行わず、2枚のプリント基板を上下に配置し、接続端子(接続ピン)によりプリント基板間を電気的に接続していた。しかしながら、接続端子を利用する場合、コストの増加や、製品の低背化が困難になる等の課題があった。
そこで、本発明は、電気的接続の信頼性を損なうことなく2枚のプリント基板を直接接合することが可能なプリント基板の接合方法、電子装置、および電子装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係るプリント基板の接合方法は、
第1の主面と、前記第1の主面と反対側の第2の主面とを有する第1のプリント基板であって、前記第1の主面に前記第1のプリント基板の側端に沿って複数の第1の接続ランド部が設けられた、第1のプリント基板を用意する工程と、
第3の主面と、前記第3の主面と反対側の第4の主面とを有する第2のプリント基板であって、前記第4の主面に前記第2のプリント基板の側端に沿って複数の第2の接続ランド部が設けられた、第2のプリント基板を用意する工程と、
前記第1の主面と前記第4の主面を対向させ、前記複数の第1の接続ランド部がそれぞれ対応する前記第2の接続ランド部に電気的に接続されるように前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板を導電性接合材により接合する工程と、を備え、
前記複数の第1の接続ランド部間、および/または前記複数の第2の接続ランド部間には、1つまたは複数の切り欠き部が設けられている、
ことを特徴とする。
また、前記プリント基板の接合方法において、
前記切り欠き部は、前記複数の第1の接続ランド部間および前記複数の第2の接続ランド部間に設けられており、
前記接合工程において、前記第1のプリント基板の前記切り欠き部と、前記第2のプリント基板の前記切り欠き部とは、少なくとも一部分が重なって貫通孔を形成するように、前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板が接合されてもよい。
本発明に係る電子装置は、
第1の主面と、前記第1の主面と反対側の第2の主面とを有する第1のプリント基板と、
第3の主面と、前記第3の主面と反対側の第4の主面とを有する第2のプリント基板と、を備え、
前記第1の主面には、前記第1のプリント基板の側端に沿って複数の第1の接続ランド部が設けられ、前記第4の主面には、前記第2のプリント基板の側端に沿って複数の第2の接続ランド部が設けられ、前記複数の第1の接続ランド部間および/または前記複数の第2の接続ランド部間には、1つまたは複数の切り欠き部が設けられており、
前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板は、前記第1の主面と前記第4の主面が対向し、前記複数の第1の接続ランド部がそれぞれ対応する前記第2の接続ランド部に電気的に接続されるように導電性接合材により接合されていることを特徴とする。
また、前記電子装置において、
前記第2のプリント基板には、前記第2の接続ランド部と、前記第3の主面に形成された配線パターンとを電気的に接続するスルーホールが設けられており、前記第2のプリント基板の前記切り欠き部は、隣り合う前記スルーホール同士を結ぶ直線と交差するようにしてもよい。
また、前記電子装置において、
前記第1のプリント基板は、アルミニウム基板またはセラミック基板であり、前記第2のプリント基板は、ガラスエポキシ基板であってもよい。
また、前記電子装置において、
上方に開口しており、第1の底面と、前記第1の底面より深い第2の底面とを有するケースをさらに備え、
前記第1のプリント基板は、前記第2の主面が前記第1の底面に接するように前記ケースに収納され、前記第2のプリント基板は、前記第2の底面の上方に位置するように前記ケースに収納されていてもよい。
また、前記電子装置において、
前記第1のプリント基板の前記切り欠き部と、前記第2のプリント基板の前記切り欠き部とは、少なくとも一部分が重なって貫通孔を構成しており、前記貫通孔は、前記ケースおよび前記第2のプリント基板により画成される空間に連通していてもよい。
また、前記電子装置において、
前記第1の底面と前記第2の底面は斜面によって接続されており、前記貫通孔の少なくとも一部分は前記斜面の上方に位置していてもよい。
また、前記電子装置において、
前記ケースの上方の開口を閉塞するカバー板と、
前記ケースと前記カバー板により画成される収納空間に充填され、前記ケースに収容された前記第1および第2のプリント基板を封止する封止部と、
をさらに備えてもよい。
また、前記電子装置において、
前記封止部は、硬質エポキシ樹脂からなるようにしてもよい。
また、前記電子装置において、
前記第2のプリント基板には、前記第2の接続ランド部と、前記第3の主面に形成された配線パターンとを電気的に接続するスルーホールが設けられており、前記スルーホールを介して、前記第1の主面に実装された第1の電子部品と、前記第3の主面に実装された第2の電子部品とが電気的に接続されていてもよい。
また、前記電子装置において、
前記第1の電子部品は、入力された交流電力を直流電力に変換する電力変換回路を構成する半導体スイッチ素子であり、前記第2の電子部品は、前記半導体スイッチ素子をオン/オフ制御するための制御ICであってもよい。
本発明に係る電子装置の製造方法は、
第1の主面と、前記第1の主面と反対側の第2の主面とを有する第1のプリント基板であって、前記第1の主面に前記第1のプリント基板の側端に沿って複数の第1の接続ランド部が設けられ、前記複数の第1の接続ランド部間に切り欠き部が設けられた、第1のプリント基板を用意する工程と、
第3の主面と、前記第3の主面と反対側の第4の主面とを有する第2のプリント基板であって、前記第4の主面に前記第2のプリント基板の側端に沿って複数の第2の接続ランド部が設けられ、前記複数の第2の接続ランド部間に切り欠き部が設けられた、第2のプリント基板を用意する工程と、
前記第1の主面と前記第4の主面を対向させ、前記複数の第1の接続ランド部がそれぞれ対応する前記第2の接続ランド部に電気的に接続されるように前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板を導電性接合材により接合する接合工程と、
上方に開口しており、第1の底面と、前記第1の底面より深い第2の底面とを有するケースを用意する工程と、
前記接合された第1および第2のプリント基板を、前記第1のプリント基板の前記第2の主面が前記第1の底面に接し、かつ前記第2のプリント基板が前記第2の底面の上方に位置するように前記ケースに収納する収納工程と、
カバー板により前記ケースの上方の開口を閉塞する工程と、
前記ケースと前記カバー板により画成される収納空間に封止樹脂を注入し、前記ケースに収容された前記第1および第2のプリント基板を封止する封止工程と、
を備えることを特徴とする。
また、前記電子装置の製造方法において、
前記接合工程において、前記第1のプリント基板の前記切り欠き部と、前記第2のプリント基板の前記切り欠き部とは、少なくとも一部分が重なって貫通孔を形成するように、前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板が接合され、
前記収納工程において、前記貫通孔が前記ケースおよび前記第2のプリント基板により画成される空間に連通するように、前記接合された第1および第2のプリント基板を前記ケースに収納し、
前記封止工程において、前記ケースの側面の開口が上方を向くように前記ケースを配置した後、封止樹脂を前記側面の開口から前記空間に注入するようにしてもよい。
第1のプリント基板および第2のプリント基板のうち少なくともいずれか一方のプリント基板の接続ランド部間に切り欠き部が設けられているため、高温環境下でのプリント基板の反りが抑制される。これにより、導電性接合材にかかる応力を軽減することができ、2枚のプリント基板を導電性接合材で直接接合した場合であっても、プリント基板間の電気的接続の信頼性が損なわれることを防止できる。
よって、本発明によれば、電気的接続の信頼性を損なうことなく2枚のプリント基板を直接接合することができる。
(a)は実施形態に係るプリント基板10の側面図であり、(b)は実施形態に係るプリント基板20の側面図である。 (a)は実施形態に係るプリント基板10の平面図であり、(b)は実施形態に係るプリント基板20の平面図である。 直接接合された状態におけるプリント基板10およびプリント基板20の側面図である。 直接接合された部分を拡大した、プリント基板10およびプリント基板20の一部側面図である。 直接接合された状態におけるプリント基板10およびプリント基板20の平面図である。 実施形態に係る電子装置1に用いられるケース30の斜視図である。 実施形態に係る電子装置1の断面図である。 実施形態に係る電子装置1の製造方法を説明するための断面図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。
まず、実施形態に係る電子装置1で用いられるプリント基板10(第1のプリント基板)およびプリント基板20(第2のプリント基板)について詳しく説明する。電子装置1は、交流発電機から出力される交流電力を直流電力に変換してバッテリーに出力するスイッチングレギュレータ(REG/RECT)である。ただし、本発明に係る電子装置は、スイッチングレギュレータに限定されるものではない。
プリント基板10は、図1(a)に示すように、上面10a(第1の主面)と、上面10aと反対側の下面10b(第2の主面)とを有する。上面10aには、電子部品18,19が実装されている。電子部品18は、ダイオードブリッジを構成するダイオードである。電子部品19は、交流発電機から入力された交流電力を直流電力に変換する電力変換回路を構成する半導体スイッチ素子(MOSFET、IGBT等)である。プリント基板10は、例えば、アルミニウム基板またはセラミック基板等の放熱性に優れた基板である。ただし、プリント基板10は、これに限られず、ガラスエポキシ基板等であってもよい。
なお、本実施形態では、プリント基板10の下面10bは、ダイオードや半導体スイッチ素子等の発熱部品から発せられた熱を放熱するための放熱面として機能する。このため、下面10bには電子部品が実装されていない。
図1(a)および図2(a)に示すように、上面10aには、プリント基板10の側端に沿って複数の接続ランド部11(第1の接続ランド部)が設けられている。そして、複数の接続ランド部11間には、複数の切り欠き部12が設けられている。切り欠き部12の大きさや形状は特に限定されるものではない。なお、本実施形態では、接続ランド部11は、図4に示すように、上面10aに形成された配線パターン13の一部として形成されている。
図2(a)に示すように、プリント基板10には、3本のバスバー26および2本のバスバー27が設けられている。バスバー26は、交流発電機(ACG)により発生した三相交流電力を入力するための端子である。2本のバスバーは、電力変換により得られた直流電力を出力するための端子である。本実施形態では、バスバー26,27は、複数の接続ランド部11が設けられたプリント基板10の側端とは反対側の側端から外側に延在するように設けられている。
プリント基板20は、図1(b)に示すように、上面20a(第3の主面)と、上面20aと反対側の下面20b(第4の主面)とを有する。上面20aには、電子部品29が実装され、下面20bには、電子部品28が実装されている。電子部品28は平滑コンデンサであり、電子部品29は半導体スイッチ素子をオン/オフ制御するための制御ICである。プリント基板20は、例えばガラスエポキシ基板である。ガラスエポキシ基板に制御ICを実装することにより、アルミニウム基板等の金属基板に制御ICを実装する場合に比べてノイズによる影響を軽減することができ、誤動作等を抑制することができる。
図1(b)に示すように、プリント基板20の下面20bには、接続ランド部21(第2の接続ランド部)が設けられている。この接続ランド部21は、図4に示すように、スルーホール25の直下に設けられている。このように、プリント基板20の下面20bには、プリント基板20の側端に沿って複数の接続ランド部21(第2の接続ランド部)が設けられている。なお、本実施形態では、接続ランド部21は、図4に示すように、下面20bに形成された配線パターン24の一部として形成されている。
スルーホール25は、図4に示すように、接続ランド部21と、上面20aに形成された配線パターン23とを電気的に接続する。このスルーホール25を介して電子部品19と電子部品29とが電気的に接続されている。
図2(b)に示すように、プリント基板20の複数の接続ランド部21(スルーホール25)間には、複数の切り欠き部22が設けられている。この切り欠き部22の大きさや形状は特に限定されるものではない。例えば、切り欠き部22は、図2(b)に示すように、隣り合うスルーホール25同士を結ぶ直線Lと交差するまで深く形成されている。これにより、加熱時におけるプリント基板20の反りをさらに抑制することができる。
次に、プリント基板10およびプリント基板20を接合する方法について説明する。まず、上記のプリント基板10およびプリント基板20を用意する。
次に、図3および図4に示すように、プリント基板10の上面10aとプリント基板20の下面20bを対向させ、複数の接続ランド部11がそれぞれ対応する接続ランド部21に電気的に接続されるようにプリント基板10とプリント基板20を導電性接合材60により接合する(接合工程)。この接合工程において、プリント基板10およびプリント基板20が加熱されるものの、切り欠き部12および切り欠き部22が設けられているため、プリント基板10およびプリント基板20の反りが抑制される。
導電性接合材60は、例えばクリームはんだであり、接合工程前に接続ランド部11上に塗布される。なお、導電性接合材60は、加熱により硬化する導電性の接合材であればよく、はんだに限定されない。例えば、銀ペーストなどの導電ペーストでもよいし、あるいは、導電性のナノ粒子を接着剤中に分散させた導電性接着剤でもよい。なお、電子部品18,19,28,29およびバスバー26,27は、接合工程前において、各々、プリント基板10,20の所定の位置に塗布されたクリームはんだ上に載置される。
なお、接合工程において、図3に示すように、プリント基板10の切り欠き部12と、プリント基板20の切り欠き部22とは、少なくとも一部分が重なって貫通孔Tを形成するように、プリント基板10およびプリント基板20が接合されてもよい。これにより、導電性接合材60が接続ランド部間を跨ぐこと(例えば、はんだブリッジ)を抑制できる。また、詳しくは電子装置1の製造方法で述べるが、プリント基板10およびプリント基板20を樹脂封止する際に、貫通孔Tを気泡逃し孔として機能させることができる。
上記のようにして、図3〜図5に示すように、プリント基板10とプリント基板20が直接接合された電子装置1(直接接合プリント基板)が得られる。
本実施形態に係るプリント基板の接合方法では、プリント基板10の接続ランド部11間に切り欠き部12が設けられ、プリント基板20の接続ランド部21間に切り欠き部22が設けられているため、高温環境下でのプリント基板10,20の反りが抑制される。これにより、導電性接合材60にかかる応力を軽減することができる。このため、2枚のプリント基板10,20を導電性接合材60で直接接合した場合であっても、プリント基板10,20間の電気的接続の信頼性が損なわれることを防止できる。
よって、本実施形態によれば、電気的接続の信頼性を損なうことなく2枚のプリント基板10,20を直接接合することができる。その結果、歩留まりや信頼性を向上させることができる。また、電子装置1の低背化を図ることが可能となる。
さらに、切り欠き部12,22が設けられていることで、導電性接合材60のブリッジ(例えば、はんだブリッジ)が発生していないかどうかを作業者が目視で容易に確認することができる。
なお、切り欠き部は、上記のようにプリント基板10およびプリント基板20の両方に設けられる場合に限られず、プリント基板10およびプリント基板20のうち一方のプリント基板にのみ設けられてもよい。例えば、線膨張率が大きい方のプリント基板にのみ切り欠き部を設ける。また、切り欠き部は、複数設けられる場合に限らず、プリント基板に1つだけ設けられてもよい。この場合、プリント基板の側端の中央部分に切り欠き部を設けることが好ましい。
<電子装置1>
次に、実施形態に係る電子装置1について説明する。
電子装置1は、上記の接合方法によって直接接合されたプリント基板10およびプリント基板20を有している。プリント基板10とプリント基板20は、図3および図4に示すように、プリント基板10の上面10aとプリント基板20の下面20bが対向し、プリント基板10に設けられた複数の接続ランド部11がそれぞれ対応する接続ランド部21に電気的に接続されるように導電性接合材60により接合されている。
電子装置1は、図7に示すように、上方に開口したケース30と、ケース30のカバー板40と、ケース30内に充填された封止部50とをさらに有している。なお、図7では図示していないが、バスバー26,27を収納するハウジング(ソケット)が設けられてもよい。
ケース30は、図6に示すように、底面31(第1の底面)と、底面31より深い底面32(第2の底面)とを有する。底面31と底面32は、斜面33によって接続されている。ケース30の左側には、バスバー26,27をケース30から突出させるための開口34が設けられている。なお、ケース30の材質は、熱伝導性の高い材料が好ましく、例えば、アルミニウム等の金属である。
カバー板40は、ケース30の上方の開口を閉塞する。ケース30とカバー板40により、プリント基板10,20を収納する収納空間が画成される。
図7に示すように、プリント基板10およびプリント基板20はケース30に収納されている。より詳しくは、プリント基板10は、下面10b(放熱面)が底面31に接するようにケース30に収納されており、プリント基板20は、底面32の上方に位置するようにケース30に収納されている。
図7に示すように、プリント基板10の切り欠き部12と、プリント基板20の切り欠き部22とは、少なくとも一部分が重なって貫通孔Tを構成している。この貫通孔Tは、ケース30およびプリント基板20により画成される空間Sに連通している。なお、貫通孔Tは、図7に示すように、斜面33の上方に位置してもよい。これにより、プリント基板10およびプリント基板20を樹脂封止する際に、貫通孔Tを介して空間Sに溜まった気泡をプリント基板10,20の上面側に逃し易くすることができる。なお、貫通孔Tの一部分のみが斜面33の上方に位置してもよい。また、好ましくは、底面31と斜面33の境界が貫通孔Tに露出する。
封止部50は、ケース30とカバー板40により画成される収納空間に充填されている。この封止部50は、ケース30に収容されたプリント基板10,20を封止する。なお、封止部50は、例えば硬質エポキシ樹脂からなる。導電性接合材60のクラック(はんだクラック等)発生を防止するため、封止部50は硬質樹脂からなることが好ましい。
<電子装置1の製造方法>
上記の電子装置1の製造方法について詳しく説明する。まず、上記の接合方法により直接接合された2枚のプリント基板10,20と、ケース30とを用意する。なお、プリント基板10およびプリント基板20の接合工程においては、プリント基板10の切り欠き部12と、プリント基板20の切り欠き部22とは、少なくとも一部分が重なって貫通孔Tを形成するようにプリント基板10とプリント基板20が接合される。
次に、図7に示すように、プリント基板10の下面(放熱面)10bが底面31に接し、かつプリント基板20が底面32の上方に位置するように、直接接合されたプリント基板10およびプリント基板20をケース30に収納する(収納工程)。本工程において、貫通孔Tがケース30およびプリント基板20により画成される空間Sに連通するように、プリント基板10およびプリント基板20をケース30に収納する。
次に、カバー板40によりケース30の上方の開口を閉塞する(閉塞工程)。具体的には、ケース30の上方の開口を閉塞するようにカバー板40を、接着剤あるいはネジ等によりケース30に固定する。
次に、図8に示すように、ケース30を側面の開口34が上方を向くように配置する。そして、ケース30とカバー板40により画成される収納空間に、ケース30の側面の開口34から封止樹脂を注入し、ケース30に収容されたプリント基板10,20を封止する(封止工程)。本工程では、貫通孔Tが設けられているため、封止工程の途中で空間Sに溜まった気泡は貫通孔Tを通って開口34まで上昇していく。したがって、空間Sに気泡が残留することを抑制することができる。上記の工程を経て電子装置1を製造することができる。
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。
1 電子装置
10 プリント基板
10a 上面(第1の主面)
10b 下面(第2の主面)
11 接続ランド部
12 切り欠き部
13 配線パターン
18,19 電子部品
20 プリント基板
20a 上面(第3の主面)
20b 下面(第4の主面)
21 接続ランド部
22 切り欠き部
23,24 配線パターン
25 スルーホール
26,27 バスバー
28,29 電子部品
30 ケース
31,32 底面
33 斜面
34 開口
40 カバー板
50 封止部
60 導電性接合材
L 直線
S 空間
T 貫通孔

Claims (2)

  1. 第1の主面と、前記第1の主面と反対側の第2の主面とを有する第1のプリント基板であって、前記第1の主面に前記第1のプリント基板の側端に沿って複数の第1の接続ランド部が設けられ、前記複数の第1の接続ランド部間に切り欠き部が設けられた、第1のプリント基板を用意する工程と、
    第3の主面と、前記第3の主面と反対側の第4の主面とを有する第2のプリント基板であって、前記第4の主面に前記第2のプリント基板の側端に沿って複数の第2の接続ランド部が設けられ、前記複数の第2の接続ランド部間に切り欠き部が設けられた、第2のプリント基板を用意する工程と、
    前記第1の主面と前記第4の主面を対向させ、前記複数の第1の接続ランド部がそれぞれ対応する前記第2の接続ランド部に電気的に接続されるように前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板を導電性接合材により接合する接合工程と、
    上方に開口しており、第1の底面と、前記第1の底面より深い第2の底面とを有するケースを用意する工程と、
    前記接合された第1および第2のプリント基板を、前記第1のプリント基板の前記第2の主面が前記第1の底面に接し、かつ前記第2のプリント基板が前記第2の底面の上方に位置するように前記ケースに収納する収納工程と、
    カバー板により前記ケースの上方の開口を閉塞する工程と、
    前記ケースと前記カバー板により画成される収納空間に封止樹脂を注入し、前記ケースに収容された前記第1および第2のプリント基板を封止する封止工程と、
    を備え、
    前記接合工程において、前記第1のプリント基板の前記切り欠き部と、前記第2のプリント基板の前記切り欠き部とは、少なくとも一部分が重なって貫通孔を形成するように、前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板が接合され、
    前記収納工程において、前記貫通孔が前記ケースおよび前記第2のプリント基板により画成される空間に連通し且つ前記貫通孔の少なくとも一部分が前記第1の底面と前記第2の底面を接続する斜面の上方に位置するように、前記接合された第1および第2のプリント基板を前記ケースに収納し、
    前記封止工程において、前記ケースの側面の開口が上方を向くように前記ケースを配置した後、封止樹脂を前記側面の開口から前記空間に注入することにより、前記空間に溜まった気泡を前記斜面に沿って上昇させ、前記貫通孔を介して前記第1のプリント基板の前記第1の主面側に逃すことを特徴とする電子装置の製造方法。
  2. 前記第1のプリント基板の前記切り欠き部は複数設けられ、
    前記第2のプリント基板の前記切り欠き部は複数設けられ、
    前記接合工程において、前記第1のプリント基板の前記複数の切り欠き部と、前記第2のプリント基板の前記複数の切り欠き部とがそれぞれ重なり、前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板の接合領域に沿って前記貫通孔が複数形成されることを特徴とする請求項13に記載の電子装置の製造方法。
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