JP7419747B2 - 配線基板 - Google Patents

Description

本発明は、配線基板に関する。

配線基板に実装される電子部品の１つとしてコンデンサがある。コンデンサには、例えば、セラミックコンデンサ、タンタルコンデンサ、アルミ電解コンデンサ等がある。１つの配線基板には通常複数のコンデンサが使用されるため、コンデンサの配置には、様々な工夫がなされている。

例えば、配線基板に発生する歪みを抑えながら、配線基板の部品実装密度を高める目的で、配線基板の裏面を支える支持部材を配置する技術が開示されている。又、支持部材を配置して配線基板に発生する歪みを抑えることで、セラミックコンデンサの静電容量特性が変化することを防止できることが記載されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記の技術では、コネクタを挿す時の配線基板に発生する歪みによる部品故障は抑制できても、コネクタを抜く時の配線基板に発生する歪みによる部品故障は抑制できない。

本発明は、コネクタの挿抜時に生じる応力でショート故障が発生し難いように積層セラミックコンデンサを配置した配線基板を提供することを目的とする。

本配線基板は、コネクタ及び積層セラミックコンデンサが基板に実装され、平面視において、前記コネクタに他のコネクタを挿抜する時に応力が生じる起点となる挿抜位置の中心点をＡ、前記積層セラミックコンデンサの電極の中心同士を結ぶ第１の線分の中心点をＢ、前記第１の線分と、前記Ａと前記Ｂとを結ぶ第２の線分とのなす角を前記積層セラミックコンデンサの実装角度（但し、前記実装角度は、０度以上９０度以下である）としたときに、少なくとも前記コネクタの周囲１０ｍｍ以内の範囲では、前記積層セラミックコンデンサは、実装角度が０度から５度の間、又は、８５度から９０度の間の範囲のみに配置され、前記コネクタは、平面視で、長手方向と短手方向を有する形状であり、前記挿抜位置は、前記長手方向に対し、両端、又は両端と中心部、である。

開示の技術によれば、コネクタの挿抜時に生じる応力でショート故障が発生し難いように積層セラミックコンデンサを配置した配線基板を提供できる。

本実施形態に係る配線基板を例示する平面図である。 コンデンサの外観を例示する図である。 応力がかかる方向とクラックの発生し易さとの関係を説明する図である。 挿抜位置について説明する図である。 コンデンサの実装角度について説明する図である。 コンデンサの実装角度とクラックの発生し易さとの関係を説明する図（その１）である。 コンデンサの実装角度とクラックの発生し易さとの関係を説明する図（その２）である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

図１は、本実施形態に係る配線基板を例示する平面図である。図１を参照すると、配線基板１は、基板１０と、能動部品２０と、受動部品３０とを有している。

能動部品２０や受動部品３０は、基板１０の一方の側に実装されている。但し、基板１０の他方の側にも、能動部品２０や受動部品３０を実装し、両面実装としてもよい。

能動部品２０や受動部品３０の端子は、基板１０に形成された部品実装用のランドに、はんだ等により接続されている。基板１０には、能動部品２０や受動部品３０の端子の必要な部分同士を接続する配線パターンや、能動部品２０に接続される電源配線（ＶＤＤ配線）や接地配線（ＧＮＤ配線）が形成されている。

基板１０は、特に制限されないが、例えば、樹脂基板（ガラスエポキシ基板、紙フェノール基板等）、セラミック基板、シリコン基板等である。基板１０は、片面に配線パターンが形成された片面基板、両面に配線パターンが形成された両面基板、複数の配線パターンが絶縁層を介して積層された多層基板の何れであってもよい。

能動部品２０は、特に制限されないが、例えば、半導体集積回路、トランジスタ、ダイオード等である。受動部品３０は、特に制限されないが、例えば、コンデンサ、抵抗、インダクタ、コネクタ等である。

図２は、コンデンサの外観を例示する図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は平面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、コンデンサＣ１及びＣ２は、略直方体の本体３１と、本体３１の対向する側に形成された電極３２及び３３とを有している。本体３１は、例えば、チタン酸バリウム等からなる誘電体である。電極３２及び３３は、導電体であり、例えば銅の表面に錫めっきを施したものである。

本願では、図２（ｂ）に示すように、平面視において、電極３２の中心３２ａと電極３３の中心３３ａとを結ぶ方向（図２（ｂ）の破線Ｄの方向）をコンデンサの実装方向と称する。

配線基板１には、様々な応力がかかり、応力の方向によっては、配線基板１に実装された部品にクラックが入り、ショート故障が発生する場合がある。特に、積層セラミックコンデンサは応力によりクラックが入るとショート故障が発生する場合がある。従って、雌型のコネクタの挿抜位置に対して積層セラミックコンデンサをどの位置にどの方向に配置するかは重要である。

そこで、発明者らは、積層セラミックコンデンサについて、応力がかかる方向とクラックの発生し易さとの関係を調査した。以降、特に指定しない限り、コンデンサは積層セラミックコンデンサを指すものとする。

発明者らの検討により、図３（ａ）に示すようにコンデンサＣの実装方向Ｄに対して応力Ｆの角度が９０度（垂直）である場合や、図３（ｂ）に示すようにコンデンサＣの実装方向Ｄに対して応力Ｆの角度が０度（平行）である場合は、クラックが発生し難いことがわかった。

これに対し、図３（ｃ）に示すようにコンデンサＣの実装方向Ｄに対して応力Ｆの角度が４５度である場合は、図３（ａ）や図３（ｂ）の場合に比べてクラックが発生し易いことがわかった。

コンデンサにかかる応力は、主に、基板１０に実装された雌型のコネクタに対し、雄型のコネクタを挿抜したときに発生すると考えられる。このとき、雄型のコネクタのどの位置を持って挿抜するかを想定することで、挿抜位置を特定できる。ここで、挿抜位置とは、雄型のコネクタの挿抜時に雌型のコネクタに最も力がかかる位置であり、雄型のコネクタの挿抜時に応力が発生する起点となる位置である。

図４（ａ）に示すように、例えば、長手方向の長さが比較的短く、雄型のコネクタの中心部を持てば挿抜できる場合には、挿抜位置Ｐは雌型のコネクタＣＮ１の中心部の一箇所である。

又、図４（ｂ）に示すように、長手方向の長さが比較的長く、雄型のコネクタの両端部を持てば挿抜できる場合には、挿抜位置Ｐは雌型のコネクタＣＮ２の両端部の二箇所である。又、図４（ｃ）に示すように、長手方向の長さが更に長く、雄型のコネクタの中心部及び両端部を持てば挿抜できる場合には、挿抜位置Ｐは雌型のコネクタＣＮ３の中心部及び両端部の三箇所である。

なお、長手方向の長さが比較的短く、挿抜位置が一箇所であっても、雄型のコネクタの中心からずれた位置を持った方が挿入し易い場合には、挿抜位置は雄型のコネクタの中心部からずれた位置となる場合もある。

このように、雄型のコネクタのどの位置を持って挿抜するかを想定することにより、雌型のコネクタの挿抜位置（すなわち、応力が発生する起点となる位置）を特定できる。

コネクタ挿抜時の応力は、雌型のコネクタの挿抜位置（複数の挿抜位置がある場合には各々の挿抜位置）から基板１０に放射状にかかる。そのため、雌型のコネクタの挿抜位置を特定できると、基板１０上のコネクタ実装位置情報から、雌型のコネクタに対してコンデンサを配置してもよい位置と、配置しない方が良い位置とを把握することができる。つまり、コンデンサは、雌型のコネクタの挿抜位置から放射状にかかる応力を考慮し、応力がかかっても故障し難い角度で配置することが好ましい。

図５は、コンデンサの実装角度について説明する図である。図５に示すように、平面視において、コネクタＣＮの挿抜位置Ｐの中心点をＡ、コンデンサＣの電極３２の中心３２ａと電極３３の中心３３ａとを結ぶ第１の線分の中心点をＢとする。このとき、本願では、第１の線分と、中心点Ａと中心点Ｂとを結ぶ第２の線分とのなす角をコンデンサＣの実装角度θとする。但し、実装角度θは、０度以上９０度以下である。つまり、実装角度θは、鈍角側ではなく、鋭角側の角度を示す。

図６は、コンデンサの実装角度とクラックの発生し易さとの関係を説明する図（その１）であり、図１のＡ部の拡大図である。図６において、コンデンサＣ１及びＣ２は積層セラミックコンデンサであり、ＣＮ１は雌型のコネクタである。なお、コンデンサＣ１及びＣ２、コネクタＣＮ１は、図１に示した受動部品３０の一部である。

雌型のコネクタＣＮ１に対して雄型のコネクタを挿す場合には、コネクタＣＮ１の挿抜位置Ｐから放射状に応力が生じる。図６（ａ）では、コネクタＣＮ１の挿抜位置Ｐから放射状に生じる応力の一部を２本の矢印Ｆ１で模式的に図示している。

雌型のコネクタＣＮ１に対して雄型のコネクタを抜く場合には、図６（ａ）とは反対方向（つまり、コネクタＣＮ１の周囲から挿抜位置Ｐに向かう方向）に応力が生じる。図６（ｂ）では、コネクタＣＮ１の周囲から挿抜位置Ｐに向かう応力の一部を２本の矢印Ｆ２で模式的に図示している。

図３を参照して説明したように、コンデンサＣの実装方向Ｄに対して応力Ｆの角度が９０度（垂直）である場合や、コンデンサＣの実装方向Ｄに対して応力Ｆの角度が０度（平行）である場合は、クラックが発生し難い。つまり、コンデンサの実装角度が０度又は９０度であれば、コンデンサにクラックが発生し難い。

図６（ａ）及び図６（ｂ）において、コンデンサＣ１の実装角度は０度であり、コンデンサＣ２の実装角度は９０度である。つまり、図６（ａ）及び図６（ｂ）では、応力Ｆ１又はＦ２がコンデンサＣ１及びＣ２にクラックが入り難い方向にかかる。

一方、仮に、コンデンサＣ３を図７の位置に配置した場合を考える。図７（ａ）に示すように、雌型のコネクタＣＮ１に対して雄型のコネクタを挿す場合には、矢印Ｆ３のように、コネクタＣＮ１の挿抜位置Ｐから応力が生じる。なお、図７（ａ）に示す１本の矢印Ｆ３は、コネクタＣＮ１の挿抜位置Ｐから放射状に生じる応力の一部を模式的に図示したものである。

又、図７（ｂ）に示すように、雌型のコネクタＣＮ１に対して雄型のコネクタを抜く場合には、矢印Ｆ４のように、図７（ａ）とは反対方向（つまり、コネクタＣＮ１の周囲から挿抜位置Ｐに向かう方向）に応力が生じる。なお、図７（ｂ）に示す１本の矢印Ｆ４は、コネクタＣＮ１の周囲から挿抜位置Ｐに向かう応力の一部を模式的に図示したものである。

図３を参照して説明したように、コンデンサＣの実装方向Ｄに対して応力Ｆの角度が４５度である場合は、０度や９０度の場合に比べてクラックが発生し易い。つまり、コンデンサの実装角度が４５度であれば、コンデンサにクラックが発生し易い。

図７（ａ）及び図７（ｂ）において、コンデンサＣ３の実装角度は４５度である。つまり、図７（ａ）及び図７（ｂ）では、コネクタＣＮ１の挿抜時に、応力Ｆ３又はＦ４がコンデンサＣ３にクラックが入り易い方向にかかる。

なお、コンデンサの実装角度が０度から４５度に近ずくにつれて、コネクタ挿抜時の応力によりコンデンサにクラックが入り易くなる。同様に、コンデンサの実装角度が９０度から４５度に近ずくにつれて、コネクタ挿抜時の応力によりコンデンサにクラックが入り易くなる。

そこで、全てのコンデンサを、実装角度が０度又は９０度となるように配置することが好ましいが、発明者らの検討結果によれば、上記の効果は、実装角度が０度から５度の間、又は、８５度から９０度の間となるように配置すれば、実装角度を０度又は９０度とした場合と同程度に得られる。

具体的には、発明者らは、コンデンサの実装角度を変えた複数種類の基板について、基板に歪みゲージを取付けた状態で、予め決めた挿抜力で基板上のコネクタを挿抜した時の基板の歪み量を測定し、コンデンサにクラックの入る歪み規格値を超えない実装角度について実験を行った。又、発明者らは、コンデンサの実装角度を変えた複数種類の基板について、予め決めた挿抜力で基板上のコネクタを挿抜した時の基板の歪み量のシミュレーションを行った。

そして、実験結果及びシミュレーション結果から、実装角度０度から±５度、又は、９０度から±５度の範囲でコンデンサを配置すれば、クラックが発生しないことを確認した。

なお、以上では、基板に実装された雌型のコネクタに雄型のコネクタを挿抜する例について説明したが、基板に実装された雄型のコネクタに雌型のコネクタを挿抜する場合についても、上記の実装角度でコンデンサを配置することで、同様の効果を奏する。

このように、コネクタの挿抜位置を特定し、挿抜位置を起点とした応力の向きに対し、予め基板１０の配線パターン設計時にコンデンサを応力に強い実装角度で配置することで、応力によりコンデンサにクラックが生じることを防止できる。その結果、コンデンサにショート故障が発生してコンデンサを介して配線同士が短絡することを防止できる。

なお、コネクタの挿抜位置に発生する応力は、剛性の低い基板を用いるほど、コンデンサに伝達し易い。従って、基板１０の剛性が低い場合ほど、上記の実装角度でコンデンサを配置する技術的意義が大きい。

すなわち、基板１０としてセラミック基板やシリコン基板を用いる場合よりも、樹脂基板を用いる場合の方が、上記の実装角度でコンデンサを配置する技術的意義が大きい。例えば、基板１０として樹脂基板であるガラスエポキシ基板や紙フェノール基板を用いた場合に、上記の実装角度でコンデンサを配置する技術的意義が大きい。

なお、配線基板１がある程度大きい場合には、配線基板１の全体で上記の実装角度でコンデンサを配置する必要はないが、少なくともコネクタの周囲１０ｍｍ以内の範囲では、上記の実装角度でコンデンサを配置することが好ましい。なお、コネクタの周囲１０ｍｍ以内の範囲とは、平面視において、コネクタの最外周部から１０ｍｍ以内の範囲である。

『コネクタの周囲１０ｍｍ以内の範囲』は、上記と同様に、実験結果及びシミュレーション結果から導いたものである。具体的には、発明者らは、コンデンサの実装角度と実装位置を変えた複数種類の基板について、基板に歪みゲージを取付けた状態で、予め決めた挿抜力で基板上のコネクタを挿抜した時の基板の歪み量を測定し、コンデンサにクラックの入る歪み規格値を超えない実装角度及び実装位置について実験を行った。又、発明者らは、コンデンサの実装角度と実装位置を変えた複数種類の基板について、予め決めた挿抜力で基板上のコネクタを挿抜した時の基板の歪み量のシミュレーションを行った。

そして、実験結果及びシミュレーション結果から、コンデンサの実装位置がコネクタの周囲１０ｍｍ以内では、実装角度０度から±５度、又は、９０度から±５度の範囲でコンデンサを配置しないと、クラックが発生することを確認した。一方、コンデンサの実装位置がコネクタの周囲１０ｍｍを超えていれば、必ずしも実装角度０度から±５度、又は、９０度から±５度の範囲でコンデンサを配置しなくても、クラックが発生しない場合があることを確認した。

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１ 配線基板
１０ 基板
２０ 能動部品
３０ 受動部品
３１ 本体
３２、３３ 電極
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ コンデンサ
ＣＮ１、ＣＮ２、ＣＮ３ コネクタ

特開２００９－２１８４３７号公報

Claims (3)

1. コネクタ及び積層セラミックコンデンサが基板に実装され、
   平面視において、前記コネクタに他のコネクタを挿抜する時に応力が生じる起点となる挿抜位置の中心点をＡ、前記積層セラミックコンデンサの電極の中心同士を結ぶ第１の線分の中心点をＢ、前記第１の線分と、前記Ａと前記Ｂとを結ぶ第２の線分とのなす角を前記積層セラミックコンデンサの実装角度（但し、前記実装角度は、０度以上９０度以下である）としたときに、
   少なくとも前記コネクタの周囲１０ｍｍ以内の範囲では、前記積層セラミックコンデンサは、実装角度が０度から５度の間、又は、８５度から９０度の間の範囲のみに配置され、
   前記コネクタは、平面視で、長手方向と短手方向を有する形状であり、
   前記挿抜位置は、前記長手方向に対し、両端、又は両端と中心部、である配線基板。
2. 前記基板は樹脂基板である請求項１に記載の配線基板。
3. 前記樹脂基板はガラスエポキシ基板又は紙フェノール基板である請求項２に記載の配線基板。

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