JP6789886B2 - 電子装置 - Google Patents

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Description

本実施形態は、電子装置に関する。
近年の電子装置は、極めて小型化に製造されている。電子装置としては、パーソナルコンピュータ、タブレットパーソナルコンピュータ、スマートフォーン、ゲーム機器、電子計測装置等のように、民生用、工業用及びインフラ用など多彩に渡っている。
電子装置が小型化できた背景には、その内部に使用される電子部品(チップ部品と称してもよい)及びプリント基板なども小型化、薄型化されていることに要因がある。
特開2000−151060号公報 特開2005−235997号公報
ところで、電子部品が取り付けられているプリント基板に外圧や振動与えられ、プリント基板が変位することがある。このような場合、プリント基板に対して半田付により搭載されている電子部品に外圧が加わる、或は電子部品に応力が加わることがある。すると、小型化している電子部品は、外圧や応力に対して大きな影響を受けるために、電子部品が破損したり、電子部品に亀裂が生じたり、さらには電子部品に変形やよじれが生じたりして、異常状態になることがある。
電子部品が異常状態になると、電子部品が熱を持ち、回路故障を生じたり、場合によっては、発煙や、火災に発展し、これによりユーザがやけどを負うことがある。また電子部品自体が動作不能になることもある。電子部品としては、例えばセラミックコンデンサや、抵抗部品、ICチップなどがあげられる。
そこで本実施形態は、電子部品が異常状態になるのを防止することができる、電子装置を提供することを目的とする。
本実施形態によれば、プリント基板のパターン配線に電子部品が半田付されている電子装置において、
前記プリント基板の面であって、前記電子部品が配置された領域が窪みとして形成され、この窪み部分の前記プリント基板の板厚を薄く構成し、
前記窪み部分の段差部が、前記プリント基板の表面から前記窪み部分の底の縁に向かって、前記プリント基板の厚み方向に傾斜面として形成され、
前記プリント基板の前記表面から前記傾斜面上を介して前記窪み部分の前記底の縁まで、前記パターン配線が設けられ、
前記電子部品の端子は、前記傾斜面上の前記パターン配線にギャップを持って対向し、
前記ギャップに半田が充填されることで、前記電子部品の前記端子と前記傾斜面上の前記パターン配線とを電気的に接続し、
前記窪みは、座ぐり加工により窪んだ部分である電子装置が提供される。
図1は本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板の加工工程例を概念的に示す説明図である。 図2は、本実施形態の電子装置に用いられる、加工後のプリント基板に対して電子部品が搭載され、半田付された状態を示す説明図である。 図3は、本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板に外部から応力が加わった場合の状態を示す説明図である。 図4は本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板が多層化プリント基板装置に適用された例を示す図である。 図5は本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板の他の実施例を概念的に示す説明図である。 図6は本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板のさらに他の実施例を概念的に示す説明図である。 図7は本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板のまた他の実施例を概念的に示す説明図である。 図8は本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板のさらにまた他の実施例を概念的に示す説明図である。 図9は本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板のまた他の実施例を概念的に示す説明図である。 図10は本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板において、保護対象となる電子部品の配列例を示す図である。 図11は本実施形態が適用される電子装置の各種の例を示す説明図である。 図12は本実施形態が適用される電子装置のさらに各種の例を示す説明図である。
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。なお実施形態において、図面では、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に一例を示しており、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。
図1(a),図1(b)は、実施形態の電子装置に用いられるプリント基板の加工工程例を概念的に示している。図1(a)に示すように、プリント基板10は、電子部品を配置するための間隔を置いてパターン配線12、13が設けられている。パターン配線12、13の間は、プレス機50により、基板厚み方向へプレスされる。このために、電子部品を配置する位置は、窪みを持つ構造となる。この窪みの深さは、例えば約0.1〜1mm程度である。パターン配線12、13は、例えば電源ライン、信号ライン、制御ラインなどが含まれる。窪みの深さは、例えば基板の厚みが1mm以下であれば、0.2mm程度、或は0.2mm〜0.7mmから任意に選択されてもよい。しかし、これに限定されるものではなく、基板の厚みに応じて例えば約0.1〜1mm程度でもよい。
図2(a)、図2(b)、図2(c)は、上記のように加工されたプリント基板10aに対して、電子部品20が搭載された状態を示している。図2(a)は、プリント基板10aに窪み15が形成された状態である。
窪み15の底面16と、プリント基板10aの裏面17との間の距離は、w2である。プリント基板10aの表面18と裏面17との距離はw1であり、w1>w2の関係がある。
また窪み15の底面16の領域は、プレスされたために、プレス前よりも強度が増している。
図2(b)は、窪み15に電子部品20が配置された様子を示している。また図2(c)は、電子部品20の端子20a,20bと各端子に対応するパターン配線12、13とが半田32、33により接続固定された状態を示している。
上記したように、実施形態においては、プリント基板10aの面であって、電子部品20が配置された領域が窪み15として形成され、プリント基板10aの板厚を薄く構成している。
図3は、プリント基板10aに圧力或いは応力F1、F2が加わり、プリント基板10aが変位した様子を示している。このとき、プリント基板10aは、応力に対して、窪み15の縁35、36の強度が、他の部分の強度よりも弱くなっている。これは、窪み15の底部分は、プレス加工されたために強度が増しているからである。窪み15の縁35、36は、基板のウィーク部35、36、或は電子部品保護部35、36と称されてもよい。
このために、窪み15の縁35、36で変形が生じる。つまり応力F1、F2の一部を縁35、36が吸収することになる。別の見方では、プリント基板10aの変形位置が、電子部品20の配置位置からずれることになる。
したがって、電子部品20に対する、応力F1、F2による影響が低減される。この結果、従来に比べて、電子部品20が、破損したり、電子部品に亀裂が生じたり、さらには電子部品に変形やよじれが生じたりして、異常状態になることが防止される。
図4は、上記したプリント基板10aが多層化プリント基板装置(プリント基板10b、10cを伴う)に適用された例を示す図である。
図5(a)−図5(d)は、本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板の他の実施例であるプリント基板10dを示す。先の実施形態では、プリント基板10aに窪み15がプレス成型により形成された例を示した。しかし、プレス成型に限らず、プリント基板10dの表面の一部を削り取る加工、いわゆる座ぐりと称される加工により、窪みを形成してもよい。図5(a)は、座ぐりにより窪み15が形成されたプリント基板10dを示している。図5(b)は、その窪み15に電子部品20を搭載し、その端子20a,20bを半田32、33により、パターン配線12、13に接続し固定した状態を示している。
この場合も、プリント基板10dは、応力に対して、窪み15の縁35、36の強度が、他の部分の強度よりも弱くなっているので、先の実施形態と同様な効果を得ることができる。
図5(c)は、さらに他の実施例である。座ぐりによる窪み15は、プレス加工による窪みに比べて、その底の部分の強度が弱くなる場合がある。そこで、プリント基板10dの窪み15のある基板の裏面に補強板40を張り付けた実施形態を示している。この補強板40により、窪み15の縁35、36の強度が、他のエリアに比べて弱くなり、本装置の目的を効果的に達成することができる。
なお補強板40の活用方法を広げることもできる。例えば、基板10dの裏面側に電波発生源、共振回路などが存在し、これらから発生する電波をシールドしたい場合、補強板40をシールド板として利用することもできる。さらには、プリント基板10に送信回路が形成されているような場合、或は、他の近くの基板(積層基板)に送信回路が形成されているような場合、補強板40をアンテナ素子として活用することも可能である。これにより補強板40の多面的活用がなされる。
送信回路(送信デバイス或いは送信回路チップ)が基板に形成されるケースは、多々ある。例えば電子装置或いはプリント基板が、センサと一体或いは接続され、送信回路が無線によりインターネットに接続されるようなケースである。つまり、プリント基板は、IoT(インターネット・オブ・シング)の一部品として使用されことが可能である。つまり、上記した補強板がネット接続のためのアンテナとして活用されてもよい。
なお、上記の補強板40は、図2で説明した実施例において用いてもよいことは勿論である。
図5(d)は、さらに他の実施例である。図5(c)の実施例は、座ぐりによる窪み15を形成した例である。しかし、本実施形態の究極的な効果が達成される構成は、プリント基板であって、搭載されている電子部品の周囲の全体或いは一部の基板部分が、少なくとも電子部品の下部の基板一部よりも強度が弱いという構成を得ることである。これにより、プリント基板に応力或いは変形力が加わったとき、前記強度の弱い基板部分が変形或いは破損し、電子部品に異常な変形は破損が防止されるものである。
したがって、図5(d)に示すように、プリント基板10に対して窪みを形成することなく、電子部品20を搭載し、電子部品20が配置されている面とは反対側の基板面に、補強板40を張り付けてもよい。この場合も、電子部品20の周囲の縁35、36の強度が、他のエリアに比べて弱くなり、本装置の目的を達成することができる。このときの補強板40も図5(c)で説明したときと同様に、多面的に活用されることができる。
図6は、プリント基板10aプリント基板の面であって、電子部品20が配置された領域が窪み15として形成され、プリント基板10aの板厚を薄く構成している。プリント基板10aは、その材質が樹脂、ガラス繊維強化樹脂などいずれでもよい。
この実施形態では、電子部品20に対して、窪み15の面積が広く形成され、窪み15の段差部151に傾斜が設けられている。プリント基板10aは、窪み15が形成された後或は以前にプリント配線12、13がなされてもよい。窪み15が形成された後にプリント配線12、13がなされた場合でも、前記傾斜があるためにプリント配線が容易である。また、プリント配線12、13が設けられた後に、窪み15が形成される場合でも、前記傾斜が存在することで、プリント配線12,13の断線が生じにくい。
図7(a)は、プリント基板10aのさらにまた他の実施例を概念的に示す説明図である。この実施形態は、窪み15をプリント基板10aに形成した後、プリント配線12、13を施した例である。ただし、窪み15を形成する際に、プレス機の型に工夫をしている、即ち、窪み15の底の縁にさらに切り込み101a,101bが形成されるような突起を設けている。このために、窪み15の底の縁は、プリント基板10aに応力が加わった際、折れやすく(図3参照)なっている。
図7(b)は、プリント基板10aのさらに他の実施例を概念的に示す説明図である。この実施形態は、プリント基板10aにまずプリント配線12、13を施し、次に、窪み15を形成した例である。つまりプリント配線12、13が施されている上から、プレス機により、窪み15を形成した例である。この場合も、プレス機の型に突起を設けて、窪み15の底の縁にさらに切り込み101a,101bが形成される工夫を行っている。
このように、プリント配線12、13が施されている上から、プレス機により、窪み15を形成した場合、プレス機の突起により、切り込み101a,101bの配線が断線する可能性もある。
そこでこの実施例では、図7(a)の実施形態の窪み15の長さD1(電子部品の端子20a,20b方向の長さ(或いは長手方向))に比べて、窪み15の長さD2(電子部品の端子20a,20b方向の長さ(或いは長手方向))を、短くしている。このような対策を施すことにより、端子20a,20bとプリント配線12、13とを半田付した場合、判断32、33が、切り込み101a,101bまで流れ込み、配線の断線に起因する接続不良が生じるのを防止することができる。
なお切り込み101a,101bが形成される位置を、電子部品の端子方向(或いは長手方向)の両側として説明したが、これに限定されるものではない。電子部品が配置される窪み15の段差部の縁の全体に設けてもよいし、任意の一部に設けてもよい。
上記した窪み15は、断面から見た形状である。しかし、窪み15の形状は、平面視した場合、各種の形状が可能である。
図8(a)−図8(e)は、窪み90の各種形状(90a,90b,90c,)の例を示している。図8(a)は、図2に示した実施形態のプリント基板10a及び電子部品20などの構体部を斜視図化したものである。図8(b)は、同図(a)の構体部を平面視した状態である。この例では、窪み90(90a)の平面視形状は、ほぼ楕円形状である。
図8(c)に示す例は、窪み90(90b)の平面視形状は、矩形状である。図8(d)に示す例は、窪み90(90c)の平面視形状は、ひし形状、若しくは6角形状である。図8(e)に示す例は、窪み90(90d)の平面視形状は、8角形状である。また、図示していないが円形状の窪みであってもよい。上記した実施例においては、窪み90の底面の一部が露呈している場合がある。
上記したように、本実施形態によるとプリント基板に強い力が加わったとき、電子部品20が破損したり、変位したりすることが防止される。窪み90の平面視形状は、多角形であってもよい。
図9は、本実施形態の電子装置に用いられるプリント基板のまた他の実施例を概念的に示している。図5(d)に示した実施例では、プリント基板10に対して窪みを形成することなく、電子部品20が配置されている面とは反対側の基板面に、補強板40を張り付けた。
これに対して、図9の実施例は、プリント基板10に対して窪みを形成することなく、電子部品20が配置される面に盛り上げ部(凸部)を補強板40aにより構成している。この場合も、電子部品20の周囲の縁35、36の強度が、他のエリアに比べて変位しやすくなり、本装置の目的を達成することができる。つまり、凸部上に実装したチップ部品20の場合は、はんだフィレット部が弱くなることで,基板変形の際には、はんだフィレット部が破損し通電不良となり,発煙には至らない。
図10(a)、図10(b)、図10(c)は、プリント基板10aに対して、複数の電子部品20,20,20・・が搭載される場合の例を示している。図10(a)は、長方形状のプリント基板10aの短辺方向に沿って、複数の電子部品20,20,20・・が配列された例である。電子部品20,20,20・・が例えば昇圧用として用いられるセラミックコンデンサである場合がある。このよう場合、複数の電子部品20,20,20・・の一端部は、同一のエッジラインELに沿って配置する方が良い場合がある。これは、プリント基板10aに応力が掛かったとき、エッジラインELに沿って一斉に基板が変形(図3のウィーク部35参照)しやすくなるからである。
図10(b)は、長方形状のプリント基板10aの長編方向に沿って、複数の電子部品20,20,20・・が配列された例である。この場合も複数の電子部品20,20,20・・の一端部は、同一のエッジラインELに沿って配置される。この理由は、先の図9(a)の例と同じである。
図10(c)は、長方形状のプリント基板10aの長編及び短辺に交差する方向(斜め方向)に沿って、複数の電子部品20,20,20・・が配列された例である。この場合も複数の電子部品20,20,20・・の一端部は、同一のエッジラインELに沿って配置される。この理由は、先の図10(a)の例と同じである。
上記のエッジラインELは、プリント基板が実装される電子装置や他の機器において、応力が加わりやすい方向、振動が生じる方向に応じて、任意に選択されることが好ましい。
図11(a)は、本実施形態に係る電子装置であり、例えばスマートフォーン400を概念的に示している。スマートフォーン400の内部には、プリント基板10aが取り付けられている。このプリント基板10aに電子部品20が搭載されている。
図11(b)は、本実施形態に係る電子装置であり、例えば携帯用のパーソナルコンピュータ420を概念的に示している。パーソナルコンピュータ420の内部には、プリント基板10aが取り付けられている。このプリント基板10aに電子部品20が搭載されている。
上記した携帯電子装置は、使用中に取り落すことがよくあるため、プリント基板に対しえ応力が加わることがある。このような場合、電子部品において、仮に異常状態が生じ、これが放置されると、発熱などの事故が生じるが、本実施形態によると、電子部品が保護されるために、事故が防止される。
図12(a)は、本実施形態に係る電子装置が適用された自動車である。電子装置は、例えば車440の運転席の前のダッシュボード内に配置されている。電子装置の内部には、プリント基板10aが取り付けられている。このプリント基板10aに電子部品20が搭載されている。
図12(b)は、本実施形態に係る電子装置が適用された自動車である。電子装置は、例えば車440の運転席の前のダッシュボード内に配置されている。電子装置の内部には、プリント基板10aが取り付けられている。このプリント基板10aに電子部品20が搭載されている。
上記したように、本実施形態に記載したプリント基板を備える各電子装置は、車(自動車、バス、電車など)の搭載用としてもよく携帯端末内蔵用としても適用可能である。また上記したプリント基板を備える各電子装置の実施形態は、電子部品保護基板として記載することも可能である。
上記実施形態の基本的な思想をまとめる。本実施形態では基板の表面上に表面実装されたチップ部品(例えばチップコンデンサ)において、基板が反った際に、チップ部品周辺を凹ませておく(もしくは凸形状と読み替えてもよい)(窪みを形成する)ことで,チップ部品に応力が加わる前に基板が変形し、チップ部品への負荷を低減,もしくは発生させない構造を持つ基板を提供している。
基板を凹ませることで,均一平面の基板よりも,凹み部周辺の肉厚が薄くなることや,構造変化があることで,凹み部周辺に応力集中が発生し,従来チップ部品内に発生していた応力集中箇所を分散もしくは,移動させることでチップ部品への負担を減らす構造を持たせている。部品を基板表面以下の位置に設置できれば,他部品や部材との不要な接触リスクも低下でき,衝撃や機械的負荷によるクラックも防ぐことがきできる。
凹ませる方法は,基板製造時に予め電源ライン上等重要箇所のチップ部品を選定しておき、実装パッド周辺だけをプレス加工やザクリ加工など,基板成型時において凹ませておく(凸形状は絶縁材料:樹脂,接着剤,セラミックス材料等がある)。
凹み部の形状はチップ部品にあわせた直方体,立方体,円柱,円錐台,三角柱等,等脚台形四角柱等の形状を基板より排除(もしくは追加)することで成型している。排除方法は切削機械やレーザ等を用いた切削加工や,プレス加工,薬液を用いたエッチング加工である。凸形状は絶縁材料追加による。
チップ部品は従来のように平面上のパッドではなく、凹部内もしくは凸部にマウント、表面実装されるため、半田のフィレット形状が異なり、凹形状では従来よりも広い面積で半田付けされる。
プレス加工の場合はチップ部品下部の基板密度を高められるため、チップ部品下部を通常の基板よりも固く保つことができ,基板変形への耐性が高くなる。凸形状でも追加材料によりチップ部品は補強される。
凹み部にチップ部品を実装した状態で基板を変形させると,凹み部外周に応力集中が発生するため,はんだ接合部への負荷の割合が従来よりも高くなり、許容量を超えた場合でも、チップ部品のクラックよりも早くはんだ部が破壊するため,通電不良が発生するだけで,発煙には至らない。
凸部上に実装したチップ部品の場合は、はんだフィレット部が弱くなることで,基板変形の際には,はんだフィレット部が破損し通電不良となり,発煙には至らない。
基板裏面にチップ部品の変形を抑制できる範囲となるよう,硬質(金属,セラミックス等)板もしくは塊を埋め込む、もしくは貼り付けるようにしてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。さらにまた、請求項の各構成要素において、構成要素を分割して表現した場合、或いは複数を合わせて表現した場合、或いはこれらを組み合わせて表現した場合であっても本発明の範疇である。また、複数の実施形態を組み合わせることも可能である。また請求項を制御ロジックとして表現した場合、コンピュータを実行させるインストラクションを含むプログラムとして表現した場合、及び前記インストラクションを記載したコンピュータ読み取り可能な記録媒体として表現した場合でも本発明の装置を適用したものである。また、使用している名称や用語についても限定されるものではなく、他の表現であっても実質的に同一内容、同趣旨であれば、本発明に含まれるものである。
10a−10d・・・プリント基板、
12、13・・・プリント配線、
15、90・・・窪み、
16・・・底面
20・・・電子部品、
20a,20b・・・端子、
32、33・・・半田、
35、36・・・縁、
101a、101b・・・切り込み、
151・・・段差部。

Claims (8)

  1. プリント基板のパターン配線に電子部品が半田付されている電子装置において、
    前記プリント基板の面であって、前記電子部品が配置された領域が窪みとして形成され、この窪み部分の前記プリント基板の板厚を薄く構成し、
    前記窪み部分の段差部が、前記プリント基板の表面から前記窪み部分の底の縁に向かって、前記プリント基板の厚み方向に傾斜面として形成され、
    前記プリント基板の前記表面から前記傾斜面上を介して前記窪み部分の前記底の縁まで、前記パターン配線が設けられ、
    前記電子部品の端子は、前記傾斜面上の前記パターン配線にギャップを持って対向し、
    前記ギャップに半田が充填されることで、前記電子部品の前記端子と前記傾斜面上の前記パターン配線とを電気的に接続し、
    前記窪みは、座ぐり加工により窪んだ部分である電子装置。
  2. プリント基板のパターン配線に電子部品が半田付されている電子装置において、
    前記プリント基板の面であって、前記電子部品が配置された領域が窪みとして形成され、この窪み部分の前記プリント基板の板厚を薄く構成し、
    前記窪み部分の段差部が、前記プリント基板の表面から前記窪み部分の底の縁に向かって、前記プリント基板の厚み方向に傾斜面として形成され、
    前記プリント基板の前記表面から前記傾斜面上を介して前記窪み部分の前記底の縁まで、前記パターン配線が設けられ、
    前記電子部品の端子は、前記傾斜面上の前記パターン配線にギャップを持って対向し、
    前記ギャップに半田が充填されることで、前記電子部品の前記端子と前記傾斜面上の前記パターン配線とを電気的に接続し、
    前記窪みは、座ぐり加工又はプレス加工の何れかにより窪んだ部分であり、前記プリント基板の前記窪みが形成された面と反対側の面には、補強板が取り付けられている電子装置。
  3. プリント基板のパターン配線に電子部品が半田付されている電子装置において、
    前記プリント基板の面であって、前記電子部品が配置された領域が窪みとして形成され、この窪み部分の前記プリント基板の板厚を薄く構成し、
    前記窪み部分の段差部が、前記プリント基板の表面から前記窪み部分の底の縁に向かって、前記プリント基板の厚み方向に傾斜面として形成され、
    前記プリント基板の前記表面から前記傾斜面上を介して前記窪み部分の前記底の縁まで、前記パターン配線が設けられ、
    前記電子部品の端子は、前記傾斜面上の前記パターン配線にギャップを持って対向し、
    前記ギャップに半田が充填されることで、前記電子部品の前記端子と前記傾斜面上の前記パターン配線とを電気的に接続し、
    記窪みは、座ぐり加工又はプレス加工の何れかにより窪んだ部分であり、前記プリント基板の前記窪みが形成された面と反対側の面には、補強板兼アンテナが取り付けられている電子装置。
  4. 前記窪み部分の前記底の縁には、さらに基板厚み方向へ切り込みが形成されている、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電子装置。
  5. 前記窪みは、前記窪みの側を平面視した場合、前記窪みの形状が、楕円、多角形の何れか1つである請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電子装置。
  6. 前記窪みを備える前記プリント基板が、車の搭載用又は電車の搭載用又は携帯端末内蔵用のいずれか1つとして用いられている、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電子装置。
  7. 前記電子部品は、セラミックコンデンサ、抵抗部品、ICチップの何れか1つである、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電子装置。
  8. 前記プリント基板は、インターネット・オブ・シングの一部品である、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電子装置。
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