JP6508036B2

JP6508036B2 - 回路基板

Info

Publication number: JP6508036B2
Application number: JP2015251259A
Authority: JP
Inventors: 功一藤原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: JP2017117918A

Description

本発明は、複数のリードフレーム、当該リードフレームを保持する樹脂、一以上の実装部品を有する回路基板に関する。

従来では、例えば下記の特許文献１において、リフローにより発生する反りを防止することを目的とするリードフレーム構造に関する技術が開示されている。このリードフレーム構造は、搭載部品がリフローにより実装されるインナーリードと、外部電極が電気的に接続されるアウターリードと、インナーリードの形状を保持する補強樹脂とを有する。

特開２０１５−１０３７９０号公報

しかし、特許文献１に記載の補強樹脂は、通電に伴って搭載部品から発生する熱の有無や、周囲環境の温度変化に応じて膨張したり収縮したりする。特に補強樹脂で保持されるインナーリードは、補強樹脂の線膨張の影響を受けて移動するため、搭載部品とインナーリードとの電気的な接続がされたハンダ部に応力が発生する。この応力は、長期間に亘って使用するにつれて、ハンダ部に蓄積してゆく。蓄積したハンダ部の疲労が限界を超えると、故障が起きるという問題がある。故障は、例えばクラックや断線などが該当する。

本開示はこのような点に鑑みてなしたものであり、簡単で加工性がよく、従来よりも故障の発生を抑えられる回路基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、外部装置と電気的な接続を行うために一部が露出する複数のリードフレーム（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ）と、前記リードフレームの一面側において前記リードフレームをモールドして保持する樹脂からなる一面側柱形状部（１３ａ）と、前記リードフレームの対向面側において前記リードフレームをモールドして保持する樹脂からなる対向面側柱形状部（１３ｂ）と、前記リードフレームの相互間に配置されて電気的に接続される一以上の実装部品（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ）と、を有する回路基板において、前記一面側柱形状部と前記対向面側柱形状部は、成形時の流れに沿った方向性のある線膨張特性を持ち、前記リードフレームの一面側から対向面側に向かって見た場合に交差した状態で配置され当該交差部位で互いに固定されるとともに、前記交差部位以外では対向しておらず互いに固定されていない。

この構成によれば、一面側柱形状部と対向面側柱形状部は、リードフレームの一面側から対向面側に向かって見た場合、交差した状態で配置され当該交差部位で互いに固定されるとともに、交差部位以外では対向しておらず互いに固定されていない。一面側柱形状部と対向面側柱形状部は、長手方向が幅方向よりも線膨張係数が小さくなる配向性を一定に確保できる。一面側柱形状部と対向面側柱形状部は、交差部位で固定されるので、相互に線膨張特性が打ち消され、回路基板の全体において線膨張を低減化できる。すなわち、熱の有無や周囲環境の温度変化に応じて樹脂が膨張または収縮しても、保持しているリードフレームに及ぼす影響を抑制できる。そのため、長期間に亘って回路基板を使用しても、従来よりも故障の発生を抑えられる。また、ハンダの故障に対する特別な処置が不要となるので、簡単で加工性がよい。

なお「外部装置」は、回路基板との相互間で電力や信号の伝達を行えれば、任意である。「複数のリードフレーム」は、回路基板から突出して外部装置と電気的な接続を行う外側リードフレームや、回路基板の内部側で電気回路を形成する内側リードフレーム、外側部位と内側部位を兼ねる兼用リードフレームのうちで一以上を含む。外側リードフレームは、端子，リード線，接続ピンなどに相当する。内側リードフレームは、電気回路に含まれる回路パターンや配線などに相当する。「樹脂」は、成形時の流れに沿った方向性のある線膨張特性を持てば任意の材料を適用してよい。例えば、液晶ポリマーを含む繊維強化プラスチックなどが該当する。「実装部品」は、回路基板に実装可能な電子部品であれば任意である。例えば、ＩＣやＬＳＩなどの集積回路素子や、抵抗器、コンデンサ、コイル、同種や異種を問わずに複数の電子部品を封止したモジュール素子などが該当する。「柱形状」は棒形状とも呼び、断面形状は任意の幾何学形状でよく、長手方向は直線状でも非直線状でもよい。「線膨張特性」は線膨張係数に関する特性であり、柱形状の長手方向は幅方向よりも小さい特性である。「複数の柱形状」は、リードフレーム一面側と対向面側とで任意の数を設定してよい。すなわち、一面側と対向面側とは同数でもよく、異なる数でもよい。「保持」には固定を含む。

回路基板の第１構成例を模式的に示す平面図である。図１に示すII−II線の断面図である。図１に示すIII−III線の断面図である。複数のリードフレームの構成例を模式的に示す平面図である。モールドする樹脂の第１構成例を模式的に示す平面図である。線膨張係数と故障率との関係例を模式的に示すグラフ図である。モールドする樹脂の第２構成例を模式的に示す平面図である。回路基板の第２構成例を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。英数字の連続符号は記号「〜」を用いて略記する。例えば、「実装部品１１ａ〜１１ｆ」は「実装部品１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ」を意味する。本形態では、外部装置としてＥＣＵやコンピュータなどを適用する。ＥＣＵは「Electronic Control Unit」の頭文字からなる略称である。

図１〜図３に示す回路基板１０は、例えば車両に関する状態を検出するセンサが該当する。この回路基板１０は、複数の実装部品１１ａ〜１１ｆ、複数のリードフレーム１２ａ〜１２ｇ、複数の樹脂１３ａ、複数の樹脂１３ｂなどを有する。上記「車両に関する状態」は、例えばスロットル開度，ブレーキストローク量，操舵角，回転数，速度，加速度，ヨーレート，回転角，乗員荷重などのうちで一以上を含む。「車両」は移動機器であれば任意であり、本形態では車輪数や動力源（例えば内燃機関や回転電機など）を問わず自動車を適用する。

複数の実装部品１１ａ〜１１ｆは、集積回路素子、抵抗器、コンデンサ、コイル、モジュール素子などが該当する。各実装部品は、リードフレームの表面に実装する表面実装部品でもよく、リードをリードフレームの穴に固定するスルーホール実装部品でもよい。実装部品１１ａ〜１１ｆは、フローまたはリフローによって、それぞれ対応するリードフレーム１２ａ〜１２ｇに接合して接続される。接合はハンダ付けや溶接などが該当する。実装部品１１ａ〜１１ｆは、図２，図３に示すように、樹脂１３ａ，１３ｂの相互間に配置するとよい。この配置によって、全高Ｈ２は樹脂１３ａ，１３ｂの高さＨ１とあまり変わらない。すなわち、高さ方向にかかる回路基板１０の体格を抑制できる。リードフレーム１２ａ〜１２ｇに対する実装部品１１ａ〜１１ｆの配置例は、図４に二点鎖線で示す。

複数のリードフレーム１２ａ〜１２ｇは、外部装置との接続に用いたり、電気回路に含まれる回路パターンや配線として用いたりする。図１の例では、リードフレーム１２ａ，１２ｂが「兼用リードフレーム」に相当し、リードフレーム１２ｃ〜１２ｇが「内側リードフレーム」に相当する。本形態では、リードフレーム１２ａ，１２ｂの一部が外部装置と接続を行うために露出し、リードフレーム１２ａ〜１２ｇのうちで後述する樹脂１３ａ，１３ｂによって保持されない部位が露出する。図示を省略するが、外部装置との接続のためにリードフレーム１２ａ，１２ｂが「外側リードフレーム」となる構成としてもよい。各リードフレームは導電性を示せば任意の材料でよく、例えば銅，アルミニウム，合金，導電性樹脂などが該当する。リードフレーム１２ａ〜１２ｇを同一面に配置した構成例は、図４に実線で示す。

複数の樹脂１３ａは、いずれも図１のＸ方向に並列して延びる柱形状の樹脂であり、リードフレーム１２ａ〜１２ｇの一面側（図１では表面側）からモールドして保持する。Ｘ方向における複数の樹脂１３ａは、任意の間隔で配置してよい。回路基板１０の体格を抑えるには、実装部品１１ａ〜１１ｆのＸ方向幅（図１では縦幅）に合わせた間隔で配置するとよい。本形態では、複数の樹脂１３ａとして液晶ポリマーを適用する。

複数の樹脂１３ｂは、いずれも図１のＹ方向に並列して延びる柱形状の樹脂であり、リードフレーム１２ａ〜１２ｇの対向面側（図１では裏面側）からモールドして保持する。Ｙ方向における複数の樹脂１３ｂは、複数の樹脂１３ａと同様に、任意の間隔で配置してよい。回路基板１０の体格を抑えるには、実装部品１１ａ〜１１ｆのＹ方向幅（図１では横幅）に合わせた間隔で配置するとよい。本形態では、複数の樹脂１３ｂとして液晶ポリマーを適用する。

モールドを行う金型は、一般的な構成であるので図示を省略する。当該金型は、硬化後に複数の樹脂１３ａと複数の樹脂１３ｂとが交差するような構造になっている。交差には、図１に示す直交を含む。図２，図３に示すように、樹脂１３ａと樹脂１３ｂとが交差する交差部位は、配向性を確保しながら一体化して硬化するか、あるいは硬化時に接着する。硬化後の樹脂１３ａと樹脂１３ｂにかかる交差部位は、ずれることなく強固に固定される。樹脂１３ａと樹脂１３ｂとが交差していない非交差部位は、リードフレーム１２ａ〜１２ｇを保持する。複数の樹脂１３ａと複数の樹脂１３ｂの構成例は、図５に示す。

図５に示す複数の樹脂１３ａ，１３ｂは、代表して説明するものを実線で示し、その他のものを二点鎖線で示す。実線で示す樹脂１３ａは、金型による成形時において、溶融状態でＸ方向に沿って流れた後に硬化する。硬化後の樹脂１３ａは、線膨張係数αを有する。線膨張係数αは、長手方向線膨張係数αＬと幅方向線膨張係数αＷを有する。本形態では、長手方向線膨張係数αＬは幅方向線膨張係数αＷよりも小さい。すなわち、αＬ＜αＷの不等式が成り立つ。

実線で示す樹脂１３ａは、金型による成形時において、溶融状態でＹ方向に沿って流れた後に硬化する。硬化後の樹脂１３ｂは、硬化後の樹脂１３ａと同様に、長手方向線膨張係数αＬが幅方向線膨張係数αＷよりも小さい。

長手方向線膨張係数αＬは長手方向の線膨張係数であり、樹脂１３ａはＸ方向に相当し、樹脂１３ｂはＹ方向に相当する。幅方向線膨張係数αＷは幅方向の線膨張係数であり、樹脂１３ａはＹ方向に相当し、樹脂１３ｂはＸ方向に相当する。長手方向線膨張係数αＬと幅方向線膨張係数αＷは、いずれも熱膨張係数に含まれ、「線膨張特性」に相当する。

一点鎖線で示す交差部位１４は、樹脂１３ａと樹脂１３ｂが交差する部位である。図５では便宜的に１箇所を指し示すが、樹脂１３ａと樹脂１３ｂが交差する２０箇所全ての部位が交差部位１４に相当する。各交差部位１４は、上述したように硬化後はずれることなく強固に固定されている。熱の有無や周囲環境の温度変化に応じて樹脂１３ａ，１３ｂが膨張したり収縮したりするとき、樹脂１３ａ，１３ｂの幅方向は長手方向線膨張係数αＬが小さいため、膨張時や収縮時に互いの方向の伸縮特性を打ち消し合う。よって、一面側の樹脂１３ａと対向面側の樹脂１３ｂとで保持されるリードフレーム１２ａ〜１２ｇへの影響を抑えることができる。リードフレーム１２ａ〜１２ｇの移動が抑制されるので、実装部品１１ａ〜１１ｆとの接続に用いられるハンダへの影響も抑えられる。

図６には、横軸を線膨張係数差αＤとし、縦軸をハンダ歪ＳＴとする特性線Ｌの一例を示す。線膨張係数差αＤは、樹脂１３ａ，１３ｂの線膨張係数αを基準として、実装部品１１ａ〜１１ｆの線膨張係数βとの差分を百分率で表した値である。数式で表すと、αＤ＝（｜α−β｜／α）×１００になる。線膨張係数αは実装部品１１ａ〜１１ｆごとに異なるため、線膨張係数βが最大となる実装部品（例えば発熱量が大きな集積回路素子やコイルなど）を選定してもよい。線膨張係数α，βには、長手方向線膨張係数αＬと幅方向線膨張係数αＷのいずれを適用してもよい。樹脂１３ａ，１３ｂの膨張や収縮を抑える観点では、幅方向線膨張係数αＷよりも長手方向線膨張係数αＬが適している。

図６に示す特性線Ｌは、線膨張係数差αＤが増すにつれて、縦軸をハンダ歪ＳＴも増す。ハンダ歪ＳＴが大きくなるほど、実装部品１１ａ〜１１ｆとリードフレーム１２ａ〜１２ｇとを接続するハンダにクラックや断線などの故障が早期に発生し易い。そのため、ハンダ歪ＳＴが許容される歪許容値ＳＴａ以下となるように、線膨張係数差αＤが係数差許容値αＤａ以下となる所定範囲ＡＲを設定するとよい。所定範囲ＡＲを数式で表すと、（｜α−β｜／α）×１００≦αＤａになる。故障を抑制するには、線膨張係数αと線膨張係数βとは所定範囲ＡＲ内であるように、樹脂１３ａ，１３ｂや実装部品１１ａ〜１１ｆを設定するとよい。

上述した実施の形態によれば、以下に示す各作用効果を得ることができる。

（１）図１〜図３に示す回路基板１０において、樹脂１３ａ，１３ｂは、成形時の流れに沿った方向性のある線膨張特性を持ち、リードフレーム１２ａ〜１２ｇの一面側と対向面側とでそれぞれ複数の柱形状となり、一面側と対向面側とが交差して複数のリードフレーム１２ａ〜１２ｇをモールドして保持する。この構成によれば、樹脂１３ａ，１３ｂはリードフレーム１２ａ〜１２ｇの一面側と対向面側とにおける複数の柱形状が交差して固定されるように構成すればよい。各柱形状の樹脂１３ａ，１３ｂは長手方向が幅方向よりも線膨張係数αが小さくなる配向性を一定に確保できる。一面側の樹脂１３ａと対向面側の樹脂１３ｂとは交差部位１４で固定されるので、相互に線膨張特性が打ち消され、回路基板１０の全体において線膨張を低減化できる。熱の有無や周囲環境の温度変化等に応じて樹脂１３ａ，１３ｂが膨張または収縮しても、保持しているリードフレーム１２ａ〜１２ｇに及ぼす影響を抑制できる。そのため、長期間に亘って回路基板１０を使用しても、従来よりも故障の発生を抑えられる。また、ハンダの故障に対する特別な処置が不要となるので、簡単で加工性がよい。ハンダ以外の溶接でも同様の効果が得られる。

（２）一面側の樹脂１３ａと対向面側の樹脂１３ｂとは、図１，図５に示すように、直交している構成とした。この構成によれば、双方の樹脂１３ａ，１３ｂは互いの方向の伸縮特性を打ち消し合うので、リードフレーム１２ａ〜１２ｇに及ぼす影響をより確実に抑制できる。そのため、長期間に亘って回路基板１０を使用しても、従来よりもさらに故障の発生を抑えられる。

（３）実装部品１１ａ〜１１ｆは、図２，図３に示すように、隣り合う樹脂１３ａ，１３ｂの相互間に配置されている構成とした。この構成によれば、回路基板１０の高さが低く抑えられるので、回路基板１０の体格を全体的に小さく抑制することができる。

（４）図６に示すように、樹脂１３ａ，１３ｂの線膨張係数αと、実装部品１１ａ〜１１ｆの線膨張係数βとは、所定範囲ＡＲ内である構成とした。この構成によれば、樹脂１３ａ，１３ｂと実装部品１１ａ〜１１ｆとの線膨張係数差αＤが小さいので、リードフレーム１２ａ〜１２ｇに及ぼす影響をより確実に抑制できる。そのため、長期間に亘って回路基板１０を使用しても、従来よりもさらに故障の発生を抑えられる。

（５）樹脂１３ａ，１３ｂは液晶ポリマーである構成とした。この構成によれば、液晶ポリマーは柱形状の樹脂１３ａ，１３ｂにおける長手方向の線膨張係数差αＤが小さいので、リードフレーム１２ａ〜１２ｇに及ぼす影響をより確実に抑制できる。そのため、長期間に亘って回路基板１０を使用しても、従来よりもさらに故障の発生を抑えられる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態では、図１，図５に示すように、複数の樹脂１３ａと複数の樹脂１３ｂが直交する構成とした。この形態に代えて、図７に示すように、複数の樹脂１３ａの一部と、複数の樹脂１３ｂの一部とが斜交する構成としてもよい。「斜交」は斜めに交差することである。図示を省略するが、複数の樹脂１３ａの全部が樹脂１３ｂと斜交する構成としてもよく、複数の樹脂１３ｂの全部が樹脂１３ａと斜交する構成としてもよい。いずれの構成にせよ、樹脂１３ａと樹脂１３ｂとの交差部位１４が固定されるとともに、樹脂１３ａ，１３ｂの幅方向は長手方向線膨張係数αＬが小さいために膨張や収縮が抑制される。したがって、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、図４に示すように、リードフレーム１２ａ〜１２ｇを同一面に配置する構成とした。この形態に代えて、図８に示すように、高さ方向（図８では上下方向）に折り曲げて立体的に構成してもよい。特に実装部品１１ａ〜１１ｆの高さに応じて折り曲げるとよい。この構成によれば、全高Ｈ２と高さＨ１とが同じになり、高さ方向にかかる回路基板１０の体格をさらに抑制できる。また、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることもできる。

上述した実施の形態では、図１に示すように、回路基板１０は７つのリードフレーム１２ａ〜１２ｇと、５つの樹脂１３ａと、４つの樹脂１３ｂと、６つ実装部品１１ａ〜１１ｆなどを有する構成とした。この形態に代えて、外部装置との接続数，回路パターン，配線などに応じたリードフレームの数、樹脂１３ａの数、樹脂１３ｂの数は、それぞれ二以上で任意の数を設定してよい。実装部品の数は、一以上で任意の数を設定してよい。単に要素の数が相違するに過ぎないので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、図１，図５に示すように、樹脂１３ｂの数が樹脂１３ａの数よりも多くなる構成とした。この形態に代えて、図示を省略するが、樹脂１３ａの数が樹脂１３ｂの数よりも多くなる構成としてもよく、樹脂１３ａ，１３ｂの数を同数としてもよい。単に樹脂１３ａの数と樹脂１３ｂの数との関係が相違するに過ぎないので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、図１，図５に示すように、複数の樹脂１３ａ，１３ｂは長手方向を直線状である柱形状で成形されている構成とした。この形態に代えて、図示を省略するが、複数の樹脂１３ａ，１３ｂのうちで一以上は非直線の柱形状で成形されている構成としてもよい。非直線は、三角形状以上の多角形状、円弧状や楕円状を含む円形状、クランク状を含む階段状、途中で一以上に分岐する分岐形状などが該当する。単に樹脂１３ａ，１３ｂの形状が相違するに過ぎないので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、液晶ポリマーを用いて複数の樹脂１３ａ，１３ｂを成形する構成とした。この形態に代えて、成形時の流れに沿った方向性のある線膨張特性を持てる他の繊維強化プラスチックを適用してよい。例えば、ガラス繊維強化プラスチック、ガラス長繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチック、ボロン繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック、ポリエチレン繊維強化プラスチック、ザイロン強化プラスチックなどが該当する。成形時の流れに沿った方向性のある線膨張特性を持てる他の樹脂でもよい。他の材料であっても、長手方向線膨張係数αＬが幅方向線膨張係数αＷよりも小さい。そのため、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、回路基板１０は車両に関する状態を検出するセンサを適用し、車両には自動車を適用する構成とした。この形態に代えて、外部装置との間で電力や信号を伝達可能な他の機器に適用してもよく、自動車を除く他の移動機器を適用してもよい。他の機器には、移動機器に搭載される任意の部品が該当する。他の移動機器には、鉄道車両，船舶，航空機などが該当する。単に対象が異なるに過ぎないので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

１０回路基板
１１ａ〜１１ｆ実装部品
１２ａ〜１２ｇリードフレーム
１３ａ，１３ｂ樹脂

Claims

外部装置と電気的な接続を行うために一部が露出する複数のリードフレーム（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ）と、
前記リードフレームの一面側において前記リードフレームをモールドして保持する樹脂からなる一面側柱形状部（１３ａ）と、
前記リードフレームの対向面側において前記リードフレームをモールドして保持する樹脂からなる対向面側柱形状部（１３ｂ）と、
前記リードフレームの相互間に配置されて電気的に接続される一以上の実装部品（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ）と、
を有する回路基板において、
前記一面側柱形状部と前記対向面側柱形状部は、成形時の流れに沿った方向性のある線膨張特性を持ち、前記リードフレームの一面側から対向面側に向かって見た場合に交差した状態で配置され当該交差部位で互いに固定されるとともに、前記交差部位以外では対向しておらず互いに固定されていない回路基板（１０）。
前記一面側柱形状部と前記対向面側柱形状部は、互いに直交している請求項１に記載の回路基板。
前記実装部品は、前記一面側柱形状部及び前記対向面側柱形状部のうち、隣り合う柱形状部の相互間に配置されている請求項１または２に記載の回路基板。
前記一面側柱形状部と前記対向面側柱形状部は、互いを形成する樹脂が硬化して互いに固定された状態となる請求項１から３のいずれか一項に記載の回路基板。
前記一面側柱形状部及び前記対向面側柱形状部をなす樹脂は、液晶ポリマーである請求項１から４のいずれか一項に記載の回路基板。