JP6565167B2 - 実装構造体 - Google Patents

Description

本発明は、表面実装用部品を基板に実装した実装構造体に関する。

従来、コンデンサ等の表面実装用部品が基板に実装された実装構造体が種々提案されている。例えば特許文献１には、図１１に示される素子実装基板が記載されている。
図１１に示すように、部品本体部１０３の外縁部に形成された電極１０２と、基板１０６表面に形成されたランド１０４とを、はんだ層１０５により接合されている。この電極１０２において、ランド１０４と対向する部位の厚さを部品本体部１０３のエッジ部から離れるに伴い増大させる素子実装用基板が記載されている。
また、特許文献２には、図１２に示される表面実装用基板が記載されている。
図１２に示すように、表面実装用基板１１０は、基板の絶縁体層１１１の主面上に形成されたくし歯形状の端子１１２を有し、この端子１１２上に半田ペースト１１４が印刷され、半田ペースト１１４を溶融し、チップ部品が半田付けされる旨、記載されている。

特開２００５−１８３４６８号公報 特開平３−８５７９２号公報

高い信頼性が要求される市場(例えば車載用など)において使用される大型の表面実装用部品は、特にはんだ部の熱サイクルによる疲労寿命を向上させることが求められる。
このため、表面実装用部品と基板との間の距離を大きくし、この部分にはんだの量を増大させることではんだ部の歪みの値を低減させることが知られている。しかしながら、上記特許文献１に記載された表面実装用部品の実装構造体は、素子に備えられている電極の形状を変更させなければならず、製造工程や製造工法の複雑化、製造コストの増大を招く。
上記特許文献２に記載された実装構造体は、電極とくし歯形状の端子との間に空隙が形成されているため、製造過程において空隙がクラックと判断されてしまう可能性があること、及びはんだが剥離されやすく、信頼性が低い。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、製造工程の複雑化やコストの増大を招くことなく、簡単な方法で表面実装用部品と基板との間の距離を嵩増しすることにより熱サイクルによるはんだ疲労寿命を向上させた、信頼性の高い表面実装用部品の実装構造体を提供することを目的とする。

本発明に係る実装構造体は、基板と、基板に搭載される表面実装用部品を備え、表面実装用部品は、部品本体部と、電極部とを有し、基板は、電極部と電気的に接続されるランド部を有し、ランド部外縁は、部品本体部に覆われている領域に形成された第１の外縁線と、部品本体部に覆われていない領域に形成され、第１の外縁線に対向して設けられた第２の外縁線を有し、第１の外縁線は、第２の外縁線より長く形成されていると共に、第１の外縁線は、電極部に重ならない位置に形成されている。

これにより、第１の外縁線の表面張力が大きくなり、はんだ溶融時に、部品下面にはんだが入り込み、表面実装用部品を押し上げ、電極下面部と前記ランド部の間に設けられたはんだの厚みｈを厚くすることが可能となり、熱サイクルによるはんだの疲労寿命が向上する。第１の外縁線は電極に重ならない位置に形成することで、部品電極とはんだとの接合面積が増えるため、更に、熱サイクルによるはんだの疲労寿命が向上する。

本発明の好ましい実施態様としては、第１の外縁線は、複数の直線または曲線、あるいはこれらの組合わせにより形成されている。

これにより、表面実装用部品下面にはんだが入り込む量が増大するため、はんだの厚みｈを厚くすることが可能となり、熱サイクルによるはんだの疲労寿命が向上する。

本発明の好ましい実施態様としては、第１の外縁線は、第２の外縁線より１．８倍以上長く形成されている。

これにより、最適な第１の外縁線を形成できるので、より効率的にはんだの厚みｈを厚くすることが可能となる。

本発明は、製造工程の複雑化やコストの増大を招くことなく、簡単な方法で表面実装用部品と基板との間の距離を嵩増しすることにより熱サイクルによるはんだ疲労寿命を向上させ、信頼性の高い表面実装用部品の実装構造体を提供することができる。

第１の実施形態に係る表面実装用部品の平面図である。 第１の実施形態に係る表面実装用部品の側面図である。 図１の１Ａ−１Ａ部の断面図である。 第２の実施形態に係る表面実装用部品の平面図である。 第３の実施形態に係る表面実装用部品の平面図である。 第４の実施形態に係る表面実装用部品の平面図である。 はんだの厚みとはんだフィレットまでの最短距離の比とクラック率の関係を示すグラフである。 第１の外縁線と第２の外縁線の比とクラック率の関係を示すグラフである。 第１の外縁線と第２の外縁線の比とクラック率の関係を示すグラフである。 従来の表面実装用部品の平面図である。 従来の表面実装用部品の側面図である。 従来の表面実装用部品の側面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。

本発明の実施の形態を図面を参照し、詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る表面実装用部品１の実装構造体２を示す平面図である。図２は、第１の実施形態に係る表面実装用部品１の実装構造体２を示す側面図である。図２に示すように、表面実装用部品１の実装構造体２は、基板２９と、この基板２９に搭載された表面実装用部品１を備えている。表面実装用部品１は、部品本体部２８と、部品本体部２８の外縁部にはんだ接続が可能な第一の電極２０と、第二の電極２４により構成されている。表面実装用部品１の具体的な例としては、チップコンデンサやチップ抵抗等が挙げられる。部品本体部２８は、直方体状であるが、角部が面取りやＲ取り形状とされていても良い。部品本体部２８は、例えば適宜のセラミックスによって構成することができる。部品本体部２８の寸法は、例えば横５．７ｍｍ、縦５．０ｍｍ、高さ２．６ｍｍである。

基板２９は、ガラスエポキシ樹脂等からなる絶縁体３０の表面に、銅箔等からなる第一のランド部３と第二のランド部１０が形成されたものであり、はんだ付けされない部分には、基板２９の表面にソルダーレジスト１８にて覆われる。第一のランド部３と第二のランド部１０は、部品本体部２８の長手方向Ｋに沿って配置されている。表面実装用部品１と基板２９は、第一の電極２０とこれに対向する第一のランド部３とが、はんだ１９によって固着されることで、はんだ１９を介して電気的に接続される。同様に、第二の電極２４と第二のランド部１０もはんだ１９を介して電気的に接続される。

電極２０は、部品本体部２８の下面に位置する電極下面部２１と、部品本体部２８の側面に位置する電極側面部２２と、部品本体部２８の上面に位置する電極上面部２３とを有する。同様に、電極２４は、部品本体部２８の下面に位置する電極下面部２５と、部品本体部２８の側面に位置する電極側面部２６と、部品本体部２８の上面に位置する電極上面部２７を有する。この電極２０、２４は、側面視において略コの字状をなして部品本体部２８の外縁に備えられている。

平面視において、ランド部３は、部品本体部２８に覆われている領域４と、部品本体部２８に覆われていない領域５を有する。同様にランド部１０は、部品本体部２８に覆われている領域１１と、部品本体部２８に覆われていない領域１２を有する。

またランド部３の外形は、部品本体部２８の短手方向Ｐに沿って延び、領域５に備えられる第２の外縁線７と、この第２の外縁線７の両端からＫ方向に向かって延びる二本の短線８，９を有すると共に、第２の外縁線７と対向して設けられた領域４に設けられる第１の外縁線１６とを有する。この第１の外縁線１６の両端は、短線８，９の端部と連結している。ここで、第１の外縁線１６は、第２の外縁線７より長く形成されている。具体的には、第１の実施形態では、第１の外縁線１６は、半円形状とその両端部からＫ方向に直線状に延びた半円直線部３１が１１箇所設けられている。また、半円直線部３１の端点同士を直線的に結ぶようにＰ方向に直線部が形成されている。これにより、第１の外縁線１６は半円直線部３１が千鳥状に形成された構成となっている。同様に、ランド部１０の外形は、部品本体部２８の短手方向Ｐに沿って延び、領域１２に備えられる第２の外縁線１３と、この第２の外縁線１３の両端からＫ方向に向かって延びる二本の短線１４、１５とを有すると共に、第２の外縁線１３と対向して設けられた領域１１に設けられる第１の外縁線１７とを有する。ここで、第１の外縁線１７は、第２の外縁線１３より長く形成されている。第１の外縁線１７は、半円形状とその両端部からＫ方向に直線状に延びた半円直線部３１が１１箇所設けられて、半円直線部３１を端点同士を直線的に結ぶようにＰ方向に直線部が形成されている。これにより、第１の外縁線１７は半円直線部３１が千鳥状に形成された構成となっている。

上述の構成は、ランド部３，１０の外形を形成する外縁が、はんだ１９を塗布した時に、はんだ１９とソルダーレジスト１８との境界となる例について説明した。つまり第１の外縁線１６，１７や第２の外縁線７，１３は、ランド部３，１０の外縁と一致していたが、例えばランド部３，１０の上面の一部にソルダーレジスト１８が被さっている場合は、当該ソルダーレジスト１８とはんだ１９の境界がランド部の第１の外縁線１６，１７や第２の外縁線７，１３となる。つまり、はんだ１９を塗布した時に、はんだ１９が乗る部分の外縁が第１の外縁線１６，１７や第２の外縁線７，１３を構成する。

また、第２の外縁線７、１３に角丸めや面取りがなされた形状となっている場合は、実質的な外縁の長さとなる一方の短線８，１４の一端と他方の短線９，１５の一端間が、第２の外縁線７，１３となり、この線長が第１の外縁線１６，１７より短くなっていれば良い。

ランド部３の各線の長さは、第２の外縁線７が略４．８ｍｍ、短線８,９が略３．０ｍｍ、第１の外縁線１６が略９．６ｍｍと、第２の外縁線の長さに対して第１の外縁線の長さが略２倍となっている。短線８,９は、領域４に位置する長さが１ｍｍ、領域５に位置する長さが２ｍｍとなっている。ランド部３の大きさは、実装面積や、リフロー時の部品の浮き上がり等を考慮して、適宜決定することができる。

次に、表面実装用部品１の実装構造体２の製造方法の一例について説明する。
まず、上述の第１及び第２のランド部３,１０とを有する基板２９と、表面実装用部品１とを用い、表面実装用部品１を基板２９へ搭載する。
次に、ランド部３と電極２０、及びランド部１０と電極２４を電気的に接続すべく、はんだ１９をランド部３,１０に塗布し、周知のリフローによりはんだ１９を溶融させ、ランド部３,１０と表面実装用部品１を固着させる。

ここで、はんだ１９をランド部３,１０に塗布しリフローにて溶融した際、第１の外縁線１６が第２の外縁線７より長く形成されていることにより、第１の外縁線１６近辺のはんだ１９が、表面張力が大きくなる。したがって、表面実装用部品下面にはんだ１９が入り込む量が増大する。より具体的には、千鳥状に形成された半円直線部３１と、この半円直線部３１の端点同士を直線的に結ばれた直線部によって形成された領域に、はんだ１９が入り込む量が増大する。これにより、表面実装用部品１が従来の矩形形状のランド部と比較して上方へ位置されるため、電極下面部２１とランド部３の間に設けられたはんだ１９の厚さｈが増加し、はんだ１９に生じる歪みが軽減でき、熱サイクルによるはんだの疲労寿命を向上することができる。また、リフローはんだ後、光学系の外観検査装置を用いはんだ付け状態を確認する。ランド部３,１０の領域５,１２の外形が歪んだ形状の場合、外観検査装置が正確な判断ができず、所謂見すぎ不良が多くなってしまうことが懸念される。本実施形態のランド部３,１０は、領域５,１２の形状は変わらない為、従来の表面実装用部品１と同様の外観検査装置の使用が可能となる。

図３は、図１の１Ａ−１Ａ部の断面図を示す。はんだ１９は、電極下面部２１とランド部３との間、及び電極側面部２２の中央部付近からランド部３の第２の外縁線７に向かって曲線状のフィレットが形成されている。

ここではんだクラックの発生について説明する。はんだクラックの長さをＣとすると、通常、はんだクラックは、電極下面部２１とはんだ１９の界面から発生する。その後、はんだクラックは、電極下面部２１と電極側面部２２の交点からフィレット６に向かって進行する。ほとんどの場合、はんだクラックは、電極下面部２１からはんだフィレット６までの最短距離Ｌに沿って進行する。また、電極下面部２１の短線の長さをｄとし、クラック率をＣ／(Ｌ＋ｄ)と定義すると、このクラック率は、小さければ小さいほど熱ストレスによるはんだの疲労寿命が高くなる。高い信頼性が要求される市場(例えば車載用など)において使用される大型の表面実装用部品では、クラック率が５０％未満であることが望まれる。

図７は、Ｌ／ｈと、クラック率の関係を示すグラフである。横軸にはＬ／ｈを、縦軸にはクラック率を示している。

クラック率５０％未満を一点鎖線で表示すると、電極下面部２１のはんだの厚みｈと電極下面部からはんだフィレットまでの最短距離Ｌとの関係Ｌ/ｈが、５〜３０（但し、ｈ≧４０μｍ）の値にすると、クラック率が５０％未満となり、熱ストレスによるはんだ疲労寿命を高め、部品の実装面積を最適化することが可能となる。熱ストレスによる、はんだに生じる歪みの最大値は、部品下のはんだ層との界面に発生するが、電極下面部２１のはんだ１９の厚みｈを厚くすることで、はんだ１９に生じる歪みの値を低減できる。実験では、部品本体部２８を横５．７ｍｍ、縦５．０ｍｍの所謂５７５０形状とした時に、ｈが０．０４ｍｍ〜０．１ｍｍ、Ｌが０．６ｍｍ〜０．８５ｍｍであると、最適化する。また、電極下面部２１の長さｄと対向するランド部３は、全長に渡ってはんだ１９にて覆われていることが望ましい為、本実施例の第１の外縁線１６,１７は、平面視において電極下面部２１,２５と重ならない位置に設けられることが重要である。

図８は第１の外縁線と第２の外縁線の比を変えた場合のクラック率を示すグラフである。このグラフは、部品本体部２８の寸法が横５．７ｍｍ、縦５．０ｍｍ、高さ２．６ｍｍのセラミックチップコンデンサを用いて、実験を行ったものである。縦軸は、クラック率、横軸は第１の外縁線／第２の外縁線を示している。ランド３，１０の第１の外縁線１６，１７は、上述のような千鳥形状で長さが５．７ｍｍ、６．７ｍｍ、７．７ｍｍ、８．６ｍｍ、９．６ｍｍのものを用いた。第２の外縁線７，１３は、直線形状で４．８ｍｍとした。その結果、第１の外縁線／第２の外縁線が１．２、１．４、１．６、１．８、２．０となり、その場合のクラック率は、各々、略９０％、略８８％、略７０％、略５０％、略２０％となった。

図９は、図８同様に、第１の外縁線と第２の外縁線の比を変えた場合のクラック率を示すグラフである。このグラフは、部品本体部２８の寸法が横３．２ｍｍ、縦１．６ｍｍ、高さ０．６ｍｍのチップ抵抗を用いて、実験を行ったものである。図８との相違点は、図８はコンデンサを用いているが、図９はチップ抵抗を用いた点である。ランド３，１０の第１の外縁線１６，１７は、上述のような千鳥形状で長さが１．９ｍｍ、２．２ｍｍ、２．６ｍｍ、２．９ｍｍ、３．２ｍｍのものを用いた。第２の外縁線７，１３は、直線形状で１．６ｍｍとした。その結果、第１の外縁線／第２の外縁線が１．２、１．４、１．６、１．８、２．０となり、その場合のクラック率は、略７８％、略７７％、略７０％、略５０％、略１０％となった。
従って、高い信頼性が要求される市場(例えば車載用など)において使用される大型の表面実装用部品で求められるクラック率が５０％未満となるには、第１の外縁線に対して第２の外縁線が１．８倍以上長く形成されていることが好ましいといえる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る、表面実装用部品１の実装構造体２を示す平面図である。部品本体部に覆われている領域におけるランド部３ａ,１０ａの外縁を、破線で示している。

図４に示す表面実装用部品１の実装構造体２は、ランド部３ａ,１０ａの第１の外縁線の形状以外は、図１と同様である。第一のランド部３ａおよび第二のランド部１０ａにおいて、第１の外縁線１６ａ,１７ａは矩形の凹凸を複数設けている。第２の実施形態では、この凹凸は、正方形のものを複数設けているが、長方形でも構わない。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態３に係る、表面実装用部品１の実装構造体２を示す平面図である。部品本体部に覆われている領域におけるランド部３ｂ,１０ｂの外縁を、破線で示している。

図５に示す表面実装用部品１の実装構造体２は、ランド部３ｂ,１０ｂの第１の外縁線の形状以外は、図１と同様である。第一のランド部３ｂおよび第二のランド部１０ｂにおいて、第１の外縁線１６ｂ,１７ｂは、三角状の突起を複数設けている。第３の実施形態では、三角状の突起は、正三角形であるが、二等辺三角形や、その他の類似した三角形でも構わない。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係る、表面実装用部品１の実装構造体２を示す平面図である。部品本体部に覆われている領域におけるランド部３ｃ,１０ｃの外縁を、破線で示している。

図６に示す表面実装用部品１の実装構造体２は、ランド部３ｃ,１０ｃの第１の外縁線の形状以外は、図１と同様である。第一のランド部３ｃおよび第二のランド部１０ｃにおいて、第１の外縁線１６ｃ,１７ｃは、台形状の突起を複数設けている。第４の実施形態では、台形状の突起は、四角形であるが、多角形でも構わない。

以上、実施形態について説明したが、実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、実施形態では、２つのランド部を有する表面実装用部品１について説明したが、３つのランド部を有するもの、またはそれより多い数のランド部を有するものであってもよい。

また、基板２９に実装される表面実装用部品１の種類は、特に限定されない。チップコンデンサ、チップ抵抗以外にも、例えば、チップインダクタやチップサーミスタ、チップバリスタ等であっても構わない。

また、基板２９は、例えば、ガラスエポキシ系基板やセラミック系基板など、各種の基板に適応できる。基板２９と表面実装用部品１は、例えばガラスエポキシ系基板にセラミック部品を搭載しても良いし、セラミック系基板にセラミック部品を搭載しても良い。基板や表面実装用部品の物質の線膨張係数に応じて、適宜組み合わせることが可能である。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 表面実装用部品
２ 実装構造体
３ 第一のランド部
４，１１ 領域
５，１２ 領域
６ はんだフィレット
７，１３ 第２の外縁線
１６，１７ 第１の外縁線
８，９，１４，１５ 短線
１０ 第二のランド部
１８ ソルダーレジスト
１９，１０５，１１４ はんだ
２０，２４，１０２ 電極
２１，２５ 電極下面部
２２，２６ 電極側面部
２３，２７ 電極上面部
２８，１０３ 部品本体部
１０４ ランド
２９，１０６，１１０ 基板
３０，１１１ 基板の絶縁体層
１１２ 端子
３１ 半円直線部
ｄ 電極幅
ｈ 部品下はんだ層厚み
Ｃ はんだクラック
Ｌ 電極下面からはんだフィレットまでの最短距離

Claims (3)

1. 基板と、前記基板に搭載される表面実装用部品を備える実装構造体であって、
   前記表面実装用部品は、部品本体部と、電極部とを有し、
   前記基板は、前記電極部と電気的に接続されるランド部を有し、
   前記ランド部外縁は、前記部品本体部に覆われている領域に形成された第１の外縁線と、前記部品本体部に覆われていない領域に形成され、前記第１の外縁線に対向して設けられた第２の外縁線を有し、
   前記第１の外縁線は、前記第２の外縁線より１．８倍以上長く形成されていると共に、前記第１の外縁線は、前記電極部に重ならない位置に形成されていることを特徴とする実装構造体。
2. 前記第１の外縁線は、複数の直線または曲線、あるいはこれらの組合わせにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の実装構造体。
3. 前記電極部の下面部のはんだの厚みｈと前記電極部の下面部からはんだフィレットまでの最短距離Ｌとの関係Ｌ／ｈは、５〜３０（但し、ｈ≧４０μｍ）であることを特徴とする請求項１または２に記載の実装構造体。

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