JP2013045962A - プリント基板 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ接合部の劣化や亀裂の発生・進展を抑制できるプリント基板を提供する。
【解決手段】実施の形態は、電気部品を実装するための基板１１の部品実装予定部位に実装する部品１４の輪郭と相似の形状のスリット１２を設け、実装部品を前記基板の表面より浮かせた状態で実装し、前記部品の端子１６を前記基板におけるスリットの周縁部にはんだ付けしたプリント基板を特徴する。
【選択図】 図５

Description

実施の形態は、プリント基板に関する。

プリント基板では、ＩＣ、リレー、コイル、チップ部品などの多数の部品がはんだにより接合されている。はんだ材料としては、Ｓｎ−Ｐｂ（スズ-鉛）や環境的配慮から鉛を含まないはんだ材料が使用されている。はんだ材料は、電気接続を維持するために取り扱われているが、近年、車載などに使用されるプリント基板は、使用負荷が上がり高温環境や温度サイクル負荷の高い場所で使用されることが多くなっている。

プリント基板の部品実装に使用されるはんだ接合部は、電子部品から発生する熱や環境負荷および高密度に組み込みされた状態でのシステムからの発熱などを繰り返し受けている。温度の繰り返し幅、温度差が大きいほど、プリント基板自体と電気部品との熱膨張率の差に起因し、接合部にかかる機械的なひずみは大きくなる。このひずみが大きいほど、劣化や亀裂の発生・進展が速くなる。

特開平８−１４８７７１号公報

本発明の実施の形態は、上記の従来技術の課題に鑑みてなされたもので、はんだ接合部の劣化や亀裂の発生・進展を抑制できるプリント基板を提供することを目的とする。

実施の形態は、電気部品を実装するための基板の部品実装予定部位に、実装する部品の輪郭と相似の形状のスリットを設け、実装部品を前記基板の表面より浮かせた状態で実装し、前記部品の端子を前記基板の前記スリットの周縁部にはんだ付けしたプリント基板を特徴する。

プリント基板におけるはんだ接合部分の断面図。 プリント基板におけるはんだ接合部に７０℃、−１０℃の温度を繰り返し加えた時のはんだ接合部ＡにかかるひずみのＦＥＭ解析結果のコンター図。 プリント基板におけるはんだ接合部に１１０℃、−１０℃の温度を繰り返し加えた時のはんだ接合部ＡにかかるひずみのＦＥＭ解析結果のコンター図。 実施の形態のプリント基板の上方から撮影した写真。 実施の形態の実装部品と比較例の実装部品とを共に実装したプリント基板の断面図。 実施の形態の実装部品と比較例の実装部品とを共に実装したプリント基板を斜め下方から上向きに見たときの斜視図。 実施の形態のプリント基板の底面図。 ドリルで切断したスリットの模式図。 レーザーで処理したスリットの模式図。 実施の形態のプリント基板におけるスリットの切断面部分を樹脂でコーティングした状態の模式図。 比較例のプリント基板のスリットなし及び浮かしなしのはんだ接合部、ピン１〜ピン４、マイナス端子ピン、プラス端子ピンの表面状態の写真。 実施例のプリント基板のスリットあり及び浮かしありのはんだ接合部、ピン１〜ピン４、マイナス端子ピン、プラス端子ピンの表面状態の写真。

以下、実施の形態を図に基づいて詳説する。プリント基板の部品実装に使用されるはんだ接合部は、電子部品から発生する熱や環境負荷および高密度に組み込まれた状態で、システムからの発熱などのストレスを繰り返し受けている。この発熱の繰り返しは、電子部品の劣化とその接合部に影響を及ぼす。特に、接合部には、熱ストレスに弱いはんだ材料が使用されることがほとんどである。また、図１〜図３に、プリント基板の基板１１上のはんだ接合部１３に加熱、冷却を繰り返して大きな幅の温度変化を与えた時に、はんだ接合部にかかるひずみをＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ―有限要素法）により解析した結果を示している。この図１〜図３に示すように、はんだ接合部１３には、温度の繰り返し幅、温度差が大きいほど大きなひずみがかかる。一般的には、このひずみが大きいほど、劣化や亀裂の発生・進展が速くなる。基板、部品、はんだなどの伸びは、温度差が大きいほど大きくなる傾向にある。図２よりも図３の方がひずみの等高線が混んでいることが分かる。

図４、図５〜図７に示すように、実施の形態のプリント基板１では、ベースとなる基板１１の実装部品１４の下方部分にスリット１２を設けることによって、基板１１の膨張収縮を抑制し、はんだ接合部１３の劣化や亀裂の発生や発生した亀裂の進展を抑制する。また、スリット１２の部分からの吸湿が問題となることがあるので、コーティング１５などの処理を実施し、水分や湿度の吸湿を防止することにより、内層の腐食やパターンのマイグレーションを抑制し、製品の信頼性向上を図り、トラブルの未然防止を可能とする。すなわち、ベースをなす基板１１の部品の挿入実装予定部位にスリット１２を形成し、また、端子接続位置にスルーホールを形成する。

本実施の形態のプリント基板１では、基板１１における挿入実装部品１４の実装予定部位にスリット１２を設けることにより、はんだ接合部１３での亀裂の発生やその亀裂の進展を抑制する。また、部品直下に形成するスリット１２は、導電性部品１４間、又は導電性部品１４と機器との導電性結合部、筐体表面の沿面距離をとることにも寄与する。

尚、実施の形態の場合、基板１１に対する表面実装部品に対して該当部位にスリットを設けるよりも、挿入実装部品に対して該当部位にスリット１２を設ける場合に適用する方が好ましい。挿入実装部品の場合、接続端子１６でのみ基板１１側の配線パターンに接続するから、基板１１の印刷パターンに対する影響が少ないためである。

本実施の形態のプリント基板１では、基板１１の部分に部品１４の投影輪郭と相似形状で、好ましくはやや小さめのスリット１２を設け、さらに基板１１の表面よりも部品１４を浮かせて隙間１５を設けている。基板１１に挿入された部品１４を基板１１より浮かせる距離（隙間）１５は、部品１４のリード端子長までの長さとする。但し、部品１４がトランスや大型リレーである場合、隙間１５は２ｍｍ以下とする。スリット１２の内隅の部分はアール（Ｒ）１７を取ることにより、スリット１２の内隅部分から応力集中により基板１１に亀裂や割れが生じるのを防止する。

実施の形態のプリント基板１において、基板１１にスリット１２を形成する際には、基板１１の表面荒れ、切断面の荒れを少なくするためにレーザーなどの加熱による切断方法を採用するのが好ましい。また、切断後に、切断面を加熱し、滑らかにすることも好ましい。

図８に示したように、ドリルにて基板１１を切断してスリット１２を形成した場合、スリット７の周縁部に基板１１に含有されているガラス繊維２０が露出し、表面が荒れている。ところが、図９に示すように、基板１１に対してレーザー切断加工によりスリット１２を形成すると、そのスリット１２の周縁の切断面が鋭利であり、基板１１に含有されているガラス繊維はほとんど露出しない。したがって、後加工を施さないのであれば、スリット１２の形成はレーザー加工によるのが好ましい。

しかしながら、ドリルにてスリット１２を形成した場合でも、そのスリット１２の周縁部を加熱処理することにより、基板１１におけるスリット１２の切断面を滑らかにすることができる。加熱温度は、基板１１のガラス転移点以上にする。例えば、基板１１の素材がＦＲ−４の場合、スリット１２の部分の表面だけを局部的に１６０℃以上に加熱することにより、基板１１が軟化あるいは溶融して保護層を形成し、切断面を滑らかすることができ、表面荒れ、切断面の荒れを少なくすることができる。これにより、基板１１が水分を吸着したりや塵埃等を吸着したりすることを抑制できる。

また、図１０に示すように、スリット１２の切断面の表面部分を樹脂１８でコーティングすることもできる。滑らかな部分にアクリルやフッ素系樹脂でコーティング処理することで、水分の吸着や基板１１への吸湿を防止し、内部配線（たとえば銅パターン）の腐食やマイグレーションを防止することができる。そして、スリット１２を形成し、樹脂１８をコーティングする際に、基板１１内部へ樹脂１８を含浸させることにより、基板１１の内部への水分侵入を防止することができ、腐食や内部配線のマイグレーションを防止できる。この樹脂コーティング時には、減圧状態において行うことにより、切断面の微小な多数の凹凸から基板１１内部深くに樹脂１８を含浸させることができる。

このようにして、基板１１における実装部品１４の直下となる部位にスリット１２を形成し、また、実装した部品１４を基板１１の表面から浮かせて隙間１５を設けることにより、基板１１とはんだ接合部１３の膨張収縮を抑え、実装部品のはんだ接合部１３に発生するき裂やその進展を抑制することができる。

図１１、図１２の写真は、図５、図６の試験基板１１に対して亀裂発生試験を行った後の、基板１１にスリット１２および浮かし（隙間）１５を設けた場合と設けない場合とのはんだ接合部１３の表面状態を示している。はんだ接合部１３の亀裂発生試験は、−４０℃、１２５℃の加熱冷却試験を１０００回繰り返す試験であり、図１１は比較例（スリットなし、浮かしなし）、図１２は実施例（スリットあり、浮かしあり）の試験結果の写真である。この試験結果から、亀裂２１の発生の度合いがスリット１２および浮かし１５の有無により大きく異なっていることがわかる。すなわち、比較例でははんだ接合部１３に亀裂２１が発生していることが視認できるが、実施例でははんだ接合部１３に亀裂の発生が認められなかった。

このように実施の形態のプリント基板１では、電気部品を実装する基板１１における部品実装予定部位にスリット１２を設け、当該部位に実装部品１４を実装し、当該スリット１２の周縁部に設けたスルーホールに部品１４の接続端子１６を挿入してはんだ付けすることにより、使用中の部品の発熱にて基板１１が膨張収縮を受ける度合いを抑制し、はんだ接合部１３の劣化や亀裂の発生・進展を抑制できる。また、スリット１２からの吸湿が問題となることがあるので、コーティングなどの処理を実施し、水分や湿度の吸湿を防止することにより、基板１１の内層の腐食やパターンのマイグレーションを抑制することができ、これにより、製品を長期に亘って使用できるようになり、事故のない信頼性の高い製品を提供できる。

尚、スリット１２に代えてプリント基板１１の部品実装面にパンチングによって多数の穴を形成することも可能である。

１…プリント基板
１１…基板
１２…スリット
１３…はんだ接合部
１４…部品
１５…隙間
１６…端子
１７…アール
１８…（コーティング）樹脂
２０…ガラス繊維
２１…亀裂

Claims (6)

1. 電気部品を実装するための基板の部品実装を予定している部位に、実装する部品の輪郭と相似の形状のスリットを設け、実装部品を前記基板の表面より浮かせた状態で当該基板の前記スリットの位置に実装し、前記部品の端子を前記基板における前記スリットの周縁部にはんだ付けしたことを特徴とするプリント基板。
2. 前記スリットの大きさを部品よりも小さくしたことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板。
3. 前記スリットは、レーザーによる加熱切断加工にて形成したことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板。
4. 前記スリットの切断面に加熱処理を施したことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板。
5. 前記加熱処理温度は、基板のガラス転移点以上にしたことを特徴とする請求項４に記載のプリント基板。
6. 前記スリットの切断面を樹脂でコーティングしたことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板。