JP2010087145A - Electronic component mounting substrate - Google Patents
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Abstract
【課題】 無鉛ハンダによる部品実装において長期に渡りフィレットのクラック等の発生を抑制し、信頼性の高い電子部品実装基板を製造すること
【解決手段】 表面に金属電極部10aを有するプリント配線基板10と、そのプリント配線基板上にハンダ付けにより接合される電子部品13と、を備える。プリント配線基板の、電子部品に対向する表面及びまたは内面に、電子部品を主に構成する部材であるセラミックからなるひずみ抑制体20(セラミックシート)を設ける。すると、電子部品近傍における、温度変化に伴う電子部品とプリント配線基板の伸縮の差が小さくなり、ハンダのフィレット11に加わるストレスが小さくなり、長寿命化する。
【選択図】 図6PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a highly reliable electronic component mounting board by suppressing the occurrence of a crack of a fillet for a long period in component mounting by lead-free solder, and a printed wiring board 10 having a metal electrode portion 10a on the surface. And an electronic component 13 joined to the printed wiring board by soldering. A strain suppressing body 20 (ceramic sheet) made of ceramic, which is a member mainly constituting the electronic component, is provided on the surface and / or the inner surface of the printed wiring board facing the electronic component. Then, the difference in expansion and contraction between the electronic component and the printed wiring board accompanying the temperature change in the vicinity of the electronic component is reduced, the stress applied to the solder fillet 11 is reduced, and the life is extended.
[Selection] Figure 6
Description
本発明は、チップ抵抗器等の電子部品をハンダを介してプリント配線基板に実装する電子部品実装基板に関するもので、より具体的には、熱歪みに対する耐久性の改良に関する。 The present invention relates to an electronic component mounting board on which electronic components such as chip resistors are mounted on a printed wiring board via solder, and more specifically to improvement of durability against thermal strain.
よく知られるように、配線基板上に電子部品を実装する際に、ハンダ付けにて固定することが行われる。これは、たとえば図1に示すように、表面に金属電極部1aを有する配線基板1上に電子部品2を配置し、電子部品2の電極2aと配線基板1の金属電極部1aとをハンダ付けてして固定する。電極2aと金属電極部1aとは、このハンダのフィレット3を介して導通する。
As is well known, when an electronic component is mounted on a wiring board, it is fixed by soldering. For example, as shown in FIG. 1, an
配線基板1を構成する材料は、金属・ガラスをベースに樹脂含浸したものや、紙をベースに樹脂含浸したもの等多くの種類が存在する。ただし、いずれの材料であっても、その弾性係数は5〜25GPa、熱膨張率は15〜25*10−6/℃の範囲に収まっている。一方、電子部品2の一例であるチップ抵抗器の材料として多く利用されているフェライト焼結体では、100〜200GPa程度の弾性係数と5〜10*10−6/℃程度の熱膨張率を示す。
There are many types of materials constituting the wiring board 1 such as a metal / glass base impregnated with resin and a paper base impregnated with resin. However, in any material, the elastic coefficient is 5 to 25 GPa and the thermal expansion coefficient is within the range of 15 to 25 * 10 −6 / ° C. On the other hand, a ferrite sintered body that is widely used as a material for a chip resistor that is an example of the
このように、配線基板1と電子部品2とでは、熱膨張係数が大きく異なるので、製造時の温度環境から、高温または低温に移行すると、配線基板1と電子部品2との熱膨張率の差からストレスが発生する。つまり、温度変化に伴い両者の膨張/収縮する程度が異なるが、配線基板1と電子部品2とは、金属電極部1aと電極2aの部分で連結されていて当該部分での両者1,2間の相対的な移動はほぼ0となるので、上記の熱膨張係数の差に伴う膨張・収縮の程度の差が、配線基板1,電子部品2の変形として現れる。そして、配線基板1の持つ弾性係数は電子部品2に比べて明らかに小さく、柔らかいので、特に配線基板1の変形量が著しく大きくなり、結果として配線基板1が反った形状になる。
As described above, the thermal expansion coefficients of the wiring board 1 and the
このような部品構成で基板が沿った状態になると、フィレット3内の電子部品2のコーナー部近傍の位置に応力集中が発生し、局所的に大きなストレスが発生する。ただし、従来から係る電子部品をハンダ付けする際に一般に用いられている錫−鉛の共晶ハンダは、柔らかく伸びと強度のバランスが良いため、配線基板と電子部品の熱膨張係数の相違に伴い接合部分に生じるストレスを吸収でき、耐久性が高いというメリットを有する。
When the board is in a state along such a component configuration, stress concentration occurs at a position near the corner portion of the
しかし、共晶ハンダに含まれる鉛は人体に有害な金属であり、地球環境の保護も相まって、近年、有害物質(鉛)の使用を回避しようという要求が国際的に高まっている。そこで、鉛を含有しない無鉛ハンダの研究開発が行われている。 However, lead contained in eutectic solder is a metal harmful to the human body, and in combination with protection of the global environment, in recent years, there has been an increasing demand for avoiding the use of harmful substances (lead). Therefore, research and development of lead-free solder that does not contain lead has been conducted.
この種の無鉛ハンダとして、最も有望とされるものは、3元系の錫−銀−銅の合金である。この合金の代表的な組成として、Sn−3.5Ag−0.7Cuや、Sn−3.0Ag−0.5Cu等が開発され、実用化されつつある。これ以外にも、3元系のSn−Ag−Biや、Sn−Cu−Ni(Niは微量添加物)があるし、3元系以外のものとしては、4元系のSn−Ag−Cu−Biや、5元系のSn−Ag−Cu−Bi−Ge等の無鉛ハンダもある。この種の無鉛ハンダを用いた電子部品の実装技術としては、たとえば特許文献1等に開示されたものがある。
しかしながら、上述した無鉛ハンダは、上述したストレスの吸収作用が小さい。そのため、使用環境下での温度変化において基板と電子部品との熱膨張率が異なるために生じるストレスを完全に吸収することができず、微小な塑性ひずみが蓄積されてしまう。このように蓄積されたひずみはハンダフィレット内部でのクラックに発展し、さらに温度変化の度に係るクラックが拡大して最終的にハンダフィレットの表層に達する。このように局所的であっても高い応力が発生する場合は、フィレット全体の断裂に繋がってしまい、接合部の断裂を起こし、電気的な接続が保てなくなるという問題がある。 However, the above-described lead-free solder has a small stress absorbing action as described above. For this reason, stress generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the electronic component due to a temperature change in the usage environment cannot be completely absorbed, and a minute plastic strain is accumulated. The strain accumulated in this way develops into a crack inside the solder fillet, and the crack associated with each temperature change expands and finally reaches the surface of the solder fillet. When high stress is generated even in such a local state, the entire fillet is torn, causing a problem in that the joint is torn and electrical connection cannot be maintained.
本発明の目的は、特に無鉛ハンダによる部品実装において長期に渡りフィレットのクラック等の発生を抑制し、信頼性の高い電子部品実装基板を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a highly reliable electronic component mounting substrate that suppresses the occurrence of cracks and the like of a fillet over a long period of time especially in component mounting using lead-free solder.
上述した目的を達成するために、本発明に係る電子部品実装基板は、(1)表面に金属電極部を有する配線基板と、その配線基板上にハンダ付けにより接合される電子部品と、を備え、前記配線基板の、前記電子部品に対向する表面及びまたは内面に、前記配線基板と前記電子部品の温度変化に伴う伸縮の差を抑制するひずみ抑制構造を設けた。 In order to achieve the above-described object, an electronic component mounting board according to the present invention includes (1) a wiring board having a metal electrode portion on the surface, and an electronic component joined to the wiring board by soldering. A strain suppressing structure is provided on the surface and / or the inner surface of the wiring board facing the electronic component to suppress a difference in expansion and contraction due to a temperature change between the wiring substrate and the electronic component.
たとえば−60℃〜150℃程度の使用環境下での温度範囲では、温度サイクルを印加させた場合のハンダフィレット部位での疲労破壊の原因は、基板と電子部品との熱膨張率が異なるために現れる基板の反りである。つまり、基板が反った状態になると、ハンダフィレット内の電子部品のコーナー部近傍の位置に応力集中が発生し、局所的に大きなストレスが発生する。従って、ハンダフィレットの耐疲労性を高めるには、フィレットの破壊を防ぐため、使用時に応力集中部に蓄積される塑性ひずみの量を小さくすれば良い。 For example, in the temperature range of about −60 ° C. to 150 ° C., the cause of fatigue failure at the solder fillet site when a temperature cycle is applied is because the thermal expansion coefficients of the substrate and the electronic component are different. The warping of the substrate that appears. That is, when the substrate is warped, stress concentration occurs at a position near the corner portion of the electronic component in the solder fillet, and a large stress is locally generated. Therefore, in order to increase the fatigue resistance of the solder fillet, the amount of plastic strain accumulated in the stress concentration portion during use may be reduced in order to prevent the fillet from being broken.
この場合に、配線基板と電子部品の熱膨張率が等しければ、フィレット部に係るストレスはほぼ0になるが、電子部品と配線基板とは所望の特性を発揮させることや、コスト並びに信頼性などの面から材料や基本構成を変更することは難しく、熱ひずみの差を大きく減少させることは難しい。そこで、本発明では、配線基板における電子部品に対応・対向する部分について、ひずみ抑制構造とすることで、少なくても電子部品の設置領域の一部または全部において電子部品と配線基板との間で生じる熱ひずみの差を小さくし、ハンダのフィレットに加わるストレスを低減し、寿命を延ばすことができる。ひずみ抑制構造の具体的な構成の一例としては、以下に示す各種の構造を採ることができる。 In this case, if the thermal expansion coefficients of the wiring board and the electronic component are equal, the stress on the fillet portion is almost zero. However, the electronic component and the wiring board can exhibit desired characteristics, cost, reliability, etc. It is difficult to change the material and the basic configuration from the viewpoint of the above, and it is difficult to greatly reduce the difference in thermal strain. Therefore, in the present invention, the portion corresponding to and facing the electronic component in the wiring board is configured to have a strain suppressing structure, so that at least a part or all of the installation area of the electronic component is between the electronic component and the wiring board. The difference in the generated thermal strain can be reduced, the stress applied to the solder fillet can be reduced, and the life can be extended. As an example of a specific configuration of the strain suppression structure, the following various structures can be employed.
(2)前記ひずみ抑制構造は、前記配線基板の前記配線基板の熱膨張係数よりも低い低熱膨張材からなるシート状のひずみ抑制体を前記配線基板に配置して構成されると良い。(3)そして、前記低熱膨張材は、前記配線基板に用いられる配線用の部材と同じ材質で構成すると良い。低熱膨張材を用いることで、配線基板の場合に比べると電子部品との温度変化に伴う伸縮の差が小さくなるので、フィレットに加わるストレスも小さくなり、蓄積量も少なくなる。特に、配線用の部材と同じ材質で形成した場合には、配線パターンの製造プロセスと同様のプロセスにより、電子部品に対応する所望の部分にひずみ抑制体を簡単にパターン形成することができる。また、配線基板の全体から見ると、上記のひずみ抑制体の設置面積・体積は小さいので、基板全体に与える影響はほぼない。 (2) The strain suppression structure may be configured by disposing a sheet-like strain suppression body made of a low thermal expansion material lower than the thermal expansion coefficient of the wiring substrate of the wiring substrate on the wiring substrate. (3) And the said low thermal expansion material is good to comprise with the same material as the member for wiring used for the said wiring board. By using the low thermal expansion material, since the difference in expansion and contraction accompanying the temperature change with the electronic component is smaller than in the case of the wiring board, the stress applied to the fillet is also reduced, and the accumulation amount is also reduced. In particular, when the wiring member is formed of the same material as the wiring member, it is possible to easily pattern the strain suppressor on a desired portion corresponding to the electronic component by the same process as the wiring pattern manufacturing process. Further, when viewed from the whole wiring board, the installation area and volume of the strain suppressor are small, so there is almost no influence on the whole board.
(4)前記配線基板が配線層と基材層を交互に積層してなる多層基板であり、前記低熱膨張部材からなる前記ひずみ抑制体がその配線層と同じ層に形成されているように構成すると良い。配線層と同じ層にひずみ抑制体を形成するようにすると、印刷等にて配線パターンを形成するとともに、同時に或いは前後してひずみ抑制体のパターンも形成することができる。特に、低熱膨張部材として配線用の部材と同じ材質のものを用いた場合、配線パターンと、ひずみ抑制体とを同時に形成することができるので、使用するマスクパターンを変えるだけ良く、ひずみ抑制体を備えた配線基板の場合を簡単に製造することかできる。 (4) The wiring board is a multilayer board in which wiring layers and base material layers are alternately stacked, and the strain suppressing body made of the low thermal expansion member is formed in the same layer as the wiring layer. Good. When the strain suppressing body is formed in the same layer as the wiring layer, the wiring pattern can be formed by printing or the like, and the pattern of the strain suppressing body can be formed simultaneously or before and after. In particular, when the same material as the wiring member is used as the low thermal expansion member, the wiring pattern and the strain suppressing body can be formed simultaneously, so it is only necessary to change the mask pattern to be used. The case of the provided wiring board can be easily manufactured.
(5)前記ひずみ抑制構造は、前記電子部品全体の熱膨張係数と同等の熱膨張率を有する部材からなるシート状のひずみ抑制体を前記配線基板に配置して構成されると良い。(6)また、前記ひずみ抑制構造は、前記電子部品を主に構成する部材と同じ材料からなるシート状のひずみ抑制体を前記配線基板に配置して構成されるようにしても良い。(7)前記(5),(6)の発明を前提とし、前記ひずみ抑制体は、前記電子部品側の表面近傍に配置されるようにすると良い。電子部品を主に構成する部材は、実施形態ではセラミックであり、電子部品の本体部分を構成するチップ体の絶縁性の構成材料(内部電極ではない)がなる。係る構成にすると、配線基板の電子部品の設置領域の一部または全部は、その熱膨張率が電子部品と近い値になるので、ハンダのフィレットに加わるストレスも可及的に小さくなる。特に、(7)のように、表面近傍に設置すると、その設置効果が高くなるので好ましい。また、配線基板の全体から見ると、上記のひずみ抑制体の設置面積・体積は小さいので、基板全体に与える影響はほぼない。 (5) The strain suppression structure may be configured by disposing a sheet-like strain suppression body made of a member having a thermal expansion coefficient equivalent to the thermal expansion coefficient of the entire electronic component on the wiring board. (6) Further, the strain suppression structure may be configured by disposing a sheet-like strain suppression body made of the same material as a member mainly constituting the electronic component on the wiring board. (7) On the premise of the inventions of (5) and (6), it is preferable that the strain suppressing body is disposed in the vicinity of the surface on the electronic component side. The member mainly constituting the electronic component is ceramic in the embodiment, and is an insulating constituent material (not an internal electrode) of the chip body constituting the main body portion of the electronic component. With such a configuration, the thermal expansion coefficient of a part or all of the electronic component installation area of the wiring board becomes a value close to that of the electronic component, so that the stress applied to the solder fillet is reduced as much as possible. In particular, it is preferable to install near the surface as in (7) because the installation effect is enhanced. Further, when viewed from the whole wiring board, the installation area and volume of the strain suppressor are small, so there is almost no influence on the whole board.
(8)前記ひずみ抑制体は、複数の前記電子部品に対向する領域を覆うように形成されるようにすると良い。このようにすると、1つのひずみ抑制体にて、複数の電子部品のハンダフィレット部分に対して加わるストレスを一括して削減することができ、ひずみ抑制体の製造が簡単に行える。 (8) The strain suppressing body may be formed so as to cover a region facing the plurality of the electronic components. If it does in this way, the stress added with respect to the solder fillet part of a some electronic component can be reduced collectively with one distortion suppression body, and manufacture of a distortion suppression body can be performed easily.
(9)前記ひずみ抑制構造は、前記配線基板の厚さ方向に伸びる空隙部とすることができる。空隙部を設けることで、その部分で配線基板の伸縮の連鎖と応力の伝達が止まるので、電子部品と配線基板(空隙部を設けた領域)の温度変化に伴う伸縮の差を小さくすることができる。よって、フィレット部分に対して加わるストレスを低減し、長寿命化することができる。また、配線基板の全体から見ると、上記のひずみ抑制体の設置面積・体積は小さいので、基板全体に与える影響はほぼない。そして、空隙の形状は各種のものを採ることができるが、一例としては、以下に示すものがある。 (9) The strain suppressing structure may be a gap extending in the thickness direction of the wiring board. By providing the gap, the expansion and contraction of the wiring board and the transmission of stress stop at that part, so the difference in expansion and contraction due to the temperature change between the electronic component and the wiring board (area where the gap is provided) can be reduced. it can. Therefore, the stress applied to the fillet portion can be reduced and the life can be extended. Further, when viewed from the whole wiring board, the installation area and volume of the strain suppressor are small, so there is almost no influence on the whole board. Various types of voids can be used, and examples include the following.
(10)前記空隙部は、複数のスリット状の空隙であり、その複数のスリット状の空隙は、前記電子部品の長手方向に対して概ね直交する方向に並列されるようにしても良い。また、前記スリット状の空隙が電子部品13の全体を横断できる程度の長さを持つ場合は複数設置せず、単体の設置でも良い。(11)前記空隙部は、複数の円孔から構成されるようにしても良い。(15)前記空隙部は、前記配線基板の厚さ方向で貫通せずに、その厚さ方向に対して限定した部分に設置されてるようにしても良い。
(10) The gap may be a plurality of slit-like gaps, and the plurality of slit-like gaps may be arranged in parallel in a direction substantially orthogonal to the longitudinal direction of the electronic component. In addition, when the slit-shaped gap has a length that can traverse the entire
本発明では、温度変化に伴い配線基板と電子部品との変形量の差を抑えることができるので、ハンダ接合部の破断寿命を延ばすことができ、信頼性の高い電子部品実装電子基板を供給することができる。 In the present invention, since the difference in deformation amount between the wiring board and the electronic component can be suppressed as the temperature changes, the fracture life of the solder joint can be extended, and a highly reliable electronic component mounting electronic substrate is supplied. be able to.
図2は、本発明の好適な第1の実施形態を示している。図2に示すように、プリント配線基板10上の所定位置に直方体状の電子部品13をハンダ付けにて実装する。つまり、このプリント配線基板10は、たとえば、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸した絶縁性の基材の表面に銅箔等からなる配線回路パターンが形成されており、その表面の適宜位置には金属電極部10aが形成されている。多層プリント配線基板の場合には、配線パターンは内部にも形成される。
FIG. 2 shows a first preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, a rectangular parallelepiped
電子部品13は、たとえばチップ抵抗器等であり、直方体のチップ本体部分はセラミックから形成され、そのチップ本体の内部に所定パターンの内部電極が形成され、所望の素子の機能・特性が得られる。内部電極は、たとえば銅にて形成される。さらに、チップ本体の表面所定位置には外部電極13aが形成されている。本実施形態では、外部電極13aは、長手方向両端に、それぞれ側面及び上下面に渡るように形成されているが、たとえば、下面と側面のみとしたり、さらには側面の中間部位までとしてハンダが回り込む部位(高さ)を規定するようにしても良い。
The
そして、外部電極13aと、金属電極部10aとは、無鉛ハンダのフィレット11が介在され、そのフィレット11により金属電極部10aと外部電極13とが電気・機械的に接続される。無鉛ハンダは、3元系の錫−銀−銅の合金(たとえば、Sn−3.0Ag−0.5Cuなど)や、4元系・5元系など各種のものを用いることができる。
And the
ここで本実施形態では、プリント配線基板10の一部(図では内部)にそのプリント配線基板10の熱膨張率が低いひずみ抑制体15を配置した。このひずみ抑制体15は、平板状でプリント配線基板10の表面と平行に配置している。そして、この種のプリント配線基板10は、その内部にも配線パターンが設けられた多層プリント配線基板がよく用いられる。この多層プリント配線基板は、上述した所定の材質からなる絶縁性の基板層と、所定の配線パターンを有する配線層とを交互に積層して形成される。そこで、ひずみ抑制体15を、配線層と同じ層に形成する。つまり、配線層を設置する工程で同時にひずみ抑制体15を構成する低熱膨張部材を所定位置にパターン形成(印刷等)することで、所望の位置にひずみ抑制体15を設置できる。
Here, in the present embodiment, the
さらに、本実施形態では、上述したようにひずみ抑制体15を構成する低熱膨張材として、プリント配線基板10において配線材料として用いられる銅と同じものを用いた。すなわち、係る配線材料として用いられる銅は、プリント配線基板10の基板を構成するCEM−3などのガラスコンポジット基板に比べて高いヤング率を持ち(130GPa)、かつ低い熱膨張率を持つ(16ppm/℃程度)ので、ひずみ抑制体15を構成できる。そして、ひずみ抑制体15を配線パターンと同じ材料を用いることで、配線層を形成する際に、配線パターンと同時にひずみ抑制体15を製造することができる。
Further, in the present embodiment, as described above, the same material as the copper used as the wiring material in the printed
また、このひずみ抑制体15の形成位置は、電子部品13の下側としている。図示するように、電子部品13の接合部分となる金属電極部10aの下方に位置し、ひずみ抑制体15の上方に、複数の金属電極部10a,電子部品13が存在するようなパターン・配置レイアウトとすると良い。もちろん、ひずみ抑制体15は、金属電極部10aの一部或いは一方の下側のみに位置したり、金属電極部10aの下側には位置せず、両金属電極部10a間の領域のみに位置するようにした場合でも、実施形態のものよりは効果が低下するものの、ひずみ抑制体15を設けないものに比べると耐久性は向上する。
In addition, the formation position of the
また、実際には、プリント配線基板10の表面には、複数の電子部品が実装される。そこで、ひずみ抑制体15は、個々の電子部品13の下側にそれぞれ独立して設けても良いし、電子部品13に比べて面積を数倍以上に大きくし、1つのひずみ抑制体の上方に複数の電子部品が配置されるようにしても良い。
In practice, a plurality of electronic components are mounted on the surface of the printed
さらに、図では2層設けているが、その設置数は任意であり、1層でも良いし3層以上としても良い。また、図示のように内部に設けるものに限ることはなく、プリント配線基板10の表面に形成してももちろん良い。さらにまた、プリント配線基板10の高さ方向でいうと、上方側に設けた方が良い。つまり、プリント配線基板10と電子部品13との接合部分近傍にひずみ抑制体15を配置することで、接合部分近傍におけるプリント配線基板10と電子部品13の温度変化に伴う伸縮(熱ひずみ)の差を小さくすることができるからである。
Furthermore, although two layers are provided in the figure, the number of installations is arbitrary and may be one layer or three or more layers. Moreover, it does not restrict to what is provided inside as shown in the figure, and may of course be formed on the surface of the printed
電子部品13とプリント配線基板10の間の熱ひずみの差を減少させるには、電子部品13の直下位置のみにあれば良く、また、本実施形態のひずみ抑制体15は、プリント配線基板10に比べて高いヤング率を持つために僅かな厚さで大きな効果を得ることができる。また配線層の設置工程において同時に形成することができるため、コストの増加も殆どない。
In order to reduce the difference in thermal strain between the
図3は、本発明の第2の実施形態を示している。第1の実施形態と同様の構成については、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実施形態では、プリント配線基板10の電子部品13の設置領域に、上下に貫通する第1空隙部16を設けた。この第1空隙部16は、スリット状の細長な方形開口部から構成される。このように第1空隙部16を設けることで、温度変化に伴いプリント配線基板10が長手方向に伸縮しようとしたとしても、第1空隙部16でその伸縮の変形が途絶える(応力が伝達しない)ので、第1空隙部16を設けない従来のものに比べてその変化量が小さくなる。よって、電子部品13とプリント配線基板10の温度変化に伴う伸縮の差が小さくなり、接合部位であるフィレット11に加わるストレスも小さく、疲労の蓄積も少なくなるので、寿命が延びる。このとき、スリットの長手方向は電子部品の長手方向に対してなるべく直角方向に向けると良い。このようにすると、スリットによるひずみ抑制の効果を最大限に発揮できるので、最小の開口面積で最大の効果を得ることができ、プリント配線基板10全体の剛性低下を抑制することができる。
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. About the structure similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected to a corresponding member and the detailed description is abbreviate | omitted. In the present embodiment, the
形成する空隙部の形状としては、上述したスリットに限ることはなく、たとえば図4に示すようにビアなどの円形開口からなる第2空隙部17としたり、その他任意の形状のものとすることができる。このように円形開口は、元々スルーホールなどの開口作成技術があり、これを転用して同一の工程内でつくることも可能である。
The shape of the gap to be formed is not limited to the above-described slit, but may be, for example, the
さらには、上述した例のようにプリント配線基板10に対して上下(厚さ方向)に貫通するものに限ることはなく、たとえば図5に示すように、厚さ方向に限定した範囲に開口を形成するようにしても良い。図では、下側に開口するように第3空隙部18を形成したが、これとは逆に上側に開口するように空隙部を形成しても良い。また、図5では開口部の形状を、スリット状の方形開口としたが、図4のように円形開口としたり他の形状としたりしても良い。図5のように、一方に開口する構造とすると、プリント配線基板10の剛性の低下を抑えて大きな寿命改善効果を得ることができる。また、図5のように電子部品13の設置領域を横断するように広く開口を形成すると応力の伝達を大幅に削除することができるので、スリットの設置数が少ない(場合によっては単体の設置も可)構成でも十分大きな寿命改善効果を得ることができる。
Further, the present invention is not limited to the one that penetrates the printed
本実施形態並びに変形例では、プリント配線基板10の一部に空隙部を設置するだけであるので、製造工程の一部を追加するだけで済み、その他の特性への影響も最小限に抑えることができる。開口の面積が増大するのに伴い基板自体の強度は失われてしまうが、本実施形態並びに変形例のように小さな開口を複数(多数)配置した構成では基板の剛性の減少も最小限に抑えることができる。
In the present embodiment and the modification, only a gap is provided in a part of the printed
次に、本実施形態並びに変形例の効果を実証するために、以下に示す寸法形状の電子部品をハンダでプリント配線基板に接続した有限要素解析形状モデルに基づき、想定した温度サイクル条件及び各部の構成などの解析を行った。寸法形状を含めた解析条件は、以下の通りである。
(1)温度サイクル125℃〜−55℃ ×3サイクルの条件で応力解析を実施
(2)電子部品はセラミック、電極,配線パターンは銅、ハンダはSn-3.0Ag-0.5Cu合金
(3)プリント配線基板はガラスコンポジット基板(CEM−3)
(4)電子部品サイズ3.2×1.6mm、厚さ0.48mm、
電子部品とプリント配線基板の間隔0.08mm
電子部品の外部電極の厚さ0.015mm、
プリント配線基板の金属電極部の厚さ0.05mm
(5)空隙部のパターン
a:空隙部なし(比較例:従来品)
b:直径40μmの円形開口(ビア)の空隙(第2空隙部)を、電子部品の幅方向に40μmピッチで配列し、電子部品の長さ方向に均等に6列配置する(空隙部分の体積率約2.9%)
c:直径40μmの円形開口(ビア)の空隙(第2空隙部)を、電子部品の幅方向に40μmピッチで配列し、電子部品の長さ方向に均等に12列配置する(空隙部分の体積率約5.9%)
d:直径40μmの円形開口(ビア)の空隙(第2空隙部)を、電子部品の幅方向に20μmピッチで配列し、電子部品の長さ方向に均等に12列配置する(空隙部分の体積率約7.6%)
e:プリント配線基板の下側の表面から基板中心位置まで形成された、40μm幅のスリット状の空隙(第3空隙部)を、電子部品の長さ方向に均等に6列配置する(空隙部分の体積率約3.8%)
Next, in order to verify the effects of the present embodiment and the modified example, based on a finite element analysis shape model in which electronic components having the following dimensions and shapes are connected to a printed wiring board with solder, assumed temperature cycle conditions and each part Analysis of the configuration was performed. The analysis conditions including dimensions and shapes are as follows.
(1) Conduct stress analysis under conditions of temperature cycle 125 ° C to -55 ° C x 3 cycles (2) Ceramics for electrodes, copper for electrodes and wiring patterns, Sn-3.0Ag-0.5Cu alloy for solder (3) Print Wiring board is glass composite board (CEM-3)
(4) Electronic component size 3.2 × 1.6 mm, thickness 0.48 mm,
0.08mm distance between electronic components and printed wiring board
0.015mm thickness of external electrode of electronic component,
0.05mm thickness of metal electrode part on printed circuit board
(5) Void pattern a: No gap (comparative example: conventional product)
b: Air gaps (second air gaps) of circular openings (vias) having a diameter of 40 μm are arranged at a pitch of 40 μm in the width direction of the electronic component, and six rows are equally arranged in the length direction of the electronic component (volume of the void portion) (Rate about 2.9%)
c: The air gaps (second air gaps) of the circular openings (vias) having a diameter of 40 μm are arranged at a pitch of 40 μm in the width direction of the electronic component, and 12 rows are equally arranged in the length direction of the electronic component (volume of the air gap portion) (Rate about 5.9%)
d: The air gaps (second air gaps) of the circular openings (vias) having a diameter of 40 μm are arranged at a pitch of 20 μm in the width direction of the electronic component, and 12 rows are equally arranged in the length direction of the electronic component (volume of the air gap portion) (Rate about 7.6%)
e: Six rows of 40 μm wide slit-shaped voids (third voids) formed from the lower surface of the printed circuit board to the center of the substrate are arranged in the length direction of the electronic component (gap portion) Volume ratio of about 3.8%)
解析の結果、いずれの場合も電子部品の下側のコーナー部近傍のハンダ部(フィレット11)に強い応力集中が発生した。この応力集中の度合いは、a→b→c→d→eの順に小さくなった。解析結果より得られるコーナー部のハンダに蓄積される塑性ひずみ量(非線形ひずみ振幅)と実際の温度サイクル試験結果の相関をとることで、類似構成での破断発生サイクル数などを予測することができる。 As a result of analysis, strong stress concentration occurred in the solder portion (fillet 11) near the lower corner portion of the electronic component in any case. The degree of stress concentration decreased in the order of a → b → c → d → e. By correlating the amount of plastic strain (nonlinear strain amplitude) accumulated in the solder at the corner obtained from the analysis results with the actual temperature cycle test results, the number of cycles at which fracture occurs in a similar configuration can be predicted. .
たとえばaに示す比較例の構成では、温度サイクル125℃〜−55℃における破断サイクル数は約480回となった。これらのデータから本発明品の構成での破断サイクル数を予測すると、bの構成で505回(約1.05倍)、cの構成で570回(約1.19倍)、dの構成で640回(約1.33倍)、eの構成で1420回(約2.96倍)となった。このように僅かな面積率の開口を設置するだけでも高い寿命改善効果が得られるbことがわかる。 For example, in the configuration of the comparative example shown in a, the number of rupture cycles at a temperature cycle of 125 ° C. to −55 ° C. was about 480 times. Predicting the number of break cycles in the configuration of the present invention from these data, the configuration of b is 505 times (about 1.05 times), the configuration of c is 570 times (about 1.19 times), and the configuration of d is 640 times (about 1.33 times) and 1420 times (about 2.96 times) in the configuration of e. It can be seen that a high life improvement effect can be obtained simply by installing an opening with a small area ratio.
また、円孔のような部分的な空隙を設置する場合はその面積率が大きくなるほどを高い効果が得られる。b,c,dを比較すると明らかなように、同じ円孔の空隙部を用いた場合、空隙部の体積率・面積率が大きくなるほど効果が高くなり、上記の例ではcに示す体積率5.9%があれば顕著な効果が認められる。 Further, when a partial gap such as a circular hole is provided, the higher the area ratio, the higher the effect. As is clear from comparison of b, c, and d, when the voids of the same circular hole are used, the effect increases as the volume ratio / area ratio of the voids increases. A remarkable effect is recognized if there is .9%.
eの構成のように部品幅全体に空隙が設置されると、そもそもプリント配線基板内部で電子部品の長手方向に応力が伝わらなくなり、プリント配線基板の厚さが減少したのと同じ効果が得られる。第1空隙部16のようにスリットがプリント配線基板を貫通すればさらに大きな寿命改善効果が得られるが、第3空隙部(eの構成)のようにプリント配線基板の高さ方向(厚み方向)の一部分のみに空隙部を形成するだけでも実用上充分な効果が得られる。
If a gap is provided in the entire component width as in the configuration of e, the stress is not transmitted in the longitudinal direction of the electronic component in the printed wiring board in the first place, and the same effect as the thickness of the printed wiring board is reduced can be obtained. . If the slit penetrates the printed wiring board as in the
図6は、本発明の第3の実施形態を示している。本実施形態では、ひずみ抑制体20として、電子部品13を主に構成する部材(セラミック)と同じ部材を電子部品直下部の基板表層近傍に配置した。つまり、本実施形態のひずみ抑制体20は、セラミックシートから構成される。
FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the same member as the member (ceramic) that mainly constitutes the
このひずみ抑制体20は、電子部品の主成分と同じ材料を用い、プリント配線基板10の製造工程の適宜のタイミングで電子部品と同様の製法でプリント配線基板10の所望の位置にセラミックシート層を作成すると良い。これにより、電子部品13と熱膨張の挙動がほぼ等しいひずみ抑制体20を得ることができる。もちろん、別途の方法でセラミックスシートを製造し、それを適宜のタイミングで貼り付けるなどしてプリント配線基板10の所定位置に実装するようにしても良い。
This
電子部品13はプリント配線基板10に比べて大きな弾性係数を持つ。使用する材料によって相違するが、多くの場合10倍以上の差がある。従って、僅かな体積の部材でもプリント配線基板10の熱膨張を食い止めることができるので、当該部分での電子部品13とプリント配線基板10との間の温度変化に伴う伸縮の差を小さくすることができ、接続部分(フィレット11)に係るストレスを低減できるので、全体としても大きな効果を得ることができる。そして、ひずみ抑制体20の挿入位置を電子部品の直下位置でしかも表層部近傍(表面に露出する場合も含む)に配置すると大きな効果が得られる。もちろん、表層部近傍ではなく、プリント配線基板10の内部の所定位置にひずみ抑制体20を配置しても良い。
The
さらにまた、ひずみ抑制体20の設置位置は、ストレスが加わるハンダ接合部(フィレット11)に近い部位を含むようにすると良い。この場合に、図6(b)に示すように、フィレット11の形成部位を含み、電子部品13の長手方向の全長に渡って配置するとよりよいが、図6(b)に示すようにフィレット11の形成部位に対向する領域にはひずみ抑制体20が存在しなくても、その近傍位置までひずみ抑制体20が配置されるようにしても良い。係る場合でも、そのひずみ抑制体20が配置されたプリント配線基板10の部分での温度変化に伴う電子部品13との伸縮の差が低減されるので、フィレット11内でのストレスを低下させることができる。
Furthermore, the installation position of the
また、図6(b)に示すように、ひずみ抑制体20を電子部品13の長手方向の全長に渡って配置した場合に、電子部品13の幅方向(短手方向)に対してもその全体を覆うように配置すると最も好ましいが、一部で対向するような形態としても良い。
Further, as shown in FIG. 6B, when the
また、ひずみ抑制体20を構成する材料として、本実施形態では電子部品13を主に構成する部材を用いたが、電子部品全体の熱膨張係数と同等の熱膨張率を有する部材を用いても良い。
Moreover, although the member which mainly comprises the
次に、本実施形態並びに変形例の効果を実証するために、以下に示す寸法形状の電子部品をハンダでプリント配線基板に接続した有限要素解析形状モデルに基づき、想定した温度サイクル条件及び各部の構成などの解析を行った。寸法形状を含めた解析条件は、以下の通りである。
(1)温度サイクル125℃〜−55℃ ×3サイクルの条件で応力解析を実施
(2)電子部品はセラミック、電極,配線パターンは銅、ハンダはSn-3.0Ag-0.5Cu合金
(3)プリント配線基板はガラスコンポジット基板(CEM−3)
(4)電子部品サイズ3.2×1.6mm、厚さ0.481mm、
電子部品とプリント配線基板の間隔0.08mm
電子部品の外部電極の厚さ0.015mm、
プリント配線基板の金属電極部の厚さ0.05mm
(5)ひずみ抑制体(セラミックシート)の設置状況のパターン
a:空隙部なし(比較例:従来品)
b:ひずみ抑制体を、基板表層の電子部品13の直下位置に、金属電極部10aに重ならない範囲で設置(厚さ40μm):図6(a)のパターン
c:ひずみ抑制体を、基板表層の電子部品13の直下位置に、金属電極部10aとも重なる範囲で設置(厚さ40μm):図6(b)のパターン
Next, in order to verify the effects of the present embodiment and the modified example, based on a finite element analysis shape model in which electronic components having the following dimensions and shapes are connected to a printed wiring board with solder, assumed temperature cycle conditions and each part Analysis of the configuration was performed. The analysis conditions including dimensions and shapes are as follows.
(1) Conduct stress analysis under conditions of temperature cycle 125 ° C to -55 ° C x 3 cycles (2) Ceramics for electrodes, copper for electrodes and wiring patterns, Sn-3.0Ag-0.5Cu alloy for solder (3) Print Wiring board is glass composite board (CEM-3)
(4) Electronic component size 3.2 × 1.6 mm, thickness 0.481 mm,
0.08mm distance between electronic components and printed wiring board
0.015mm thickness of external electrode of electronic component,
0.05mm thickness of metal electrode part on printed circuit board
(5) Strain suppressor (ceramic sheet) installation status pattern a: No gap (Comparative example: Conventional product)
b: A strain suppressor is installed at a position directly below the
解析の結果、いずれの場合も電子部品の下側のコーナー部近傍のハンダ部(フィレット11)に強い応力集中が発生した。この応力集中の度合いはa→b→cの順に小さくなった。解析結果より得られるコーナー部のハンダに蓄積される塑性ひずみ量(非線形ひずみ振幅)と実際の温度サイクル試験結果の相関をとることで、類似構成での破断発生サイクル数などを予測することができる。 As a result of analysis, strong stress concentration occurred in the solder portion (fillet 11) near the lower corner portion of the electronic component in any case. The degree of stress concentration decreased in the order of a → b → c. By correlating the amount of plastic strain (nonlinear strain amplitude) accumulated in the solder at the corner obtained from the analysis results with the actual temperature cycle test results, the number of cycles at which fracture occurs in a similar configuration can be predicted. .
たとえばaに示す比較例の構成では、温度サイクル125℃〜−55℃における破断サイクル数は約480回となった。これらのデータから本発明品の構成での破断サイクル数を予測すると、bの構成で640回(約1.3倍)、cの構成で1740回(約3.6倍)となった。 For example, in the configuration of the comparative example shown in a, the number of rupture cycles at a temperature cycle of 125 ° C. to −55 ° C. was about 480 times. Predicting the number of break cycles in the configuration of the present invention from these data, it was 640 times (about 1.3 times) in the configuration of b and 1740 times (about 3.6 times) in the configuration of c.
このように、電子部品13の下部全体にひずみ抑制体20を配置する(cの構成)と、ハンダの耐疲労性は劇的に改善されるが、電子部品の寸法に比べて一部に設置する(bの構成)だけでも大きな改善効果が得られ、実用上充分となることも多い。この結果から、ひずみ抑制体の硬さ(基板に比べて10倍以上高いヤング率)が効果的に働いており、ひずみ抑制体が薄くても(たとえば40μm)大きな寿命増加効果が得られる。そして、より厚さの大きいひずみ抑制体を設置すればその効果はさらに高まっていく。
As described above, when the
10 プリント配線基板
10a 金属電極部
11 ハンダペースト
11 フィレット
13 電子部品
13a 外部電極
15,20 ひずみ抑制体
16 第1空隙部
17 第2空隙部
18 第3空隙部
DESCRIPTION OF
Claims (12)
その配線基板上にハンダ付けにより接合される電子部品と、
を備え、
前記配線基板の、前記電子部品に対向する表面及びまたは内面に、前記配線基板と前記電子部品の温度変化に伴う伸縮の差を抑制するひずみ抑制構造を設けたことを特徴とする電子部品実装基板。 A wiring board having a metal electrode portion on the surface;
Electronic components to be joined on the wiring board by soldering;
With
An electronic component mounting board, wherein a strain suppressing structure for suppressing a difference in expansion and contraction due to a temperature change between the wiring board and the electronic component is provided on a surface and / or an inner surface of the wiring substrate facing the electronic component. .
前記低熱膨張部材からなる前記ひずみ抑制体がその配線層と同じ層に形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子部品実装基板。 The wiring board is a multilayer board formed by alternately laminating wiring layers and base material layers,
The electronic component mounting board according to claim 1, wherein the strain suppressing body made of the low thermal expansion member is formed in the same layer as the wiring layer.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008253264A JP2010087145A (en) | 2008-09-30 | 2008-09-30 | Electronic component mounting substrate |
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| JP2008253264A Pending JP2010087145A (en) | 2008-09-30 | 2008-09-30 | Electronic component mounting substrate |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8680932B2 (en) | 2011-02-07 | 2014-03-25 | Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd | Oscillator |
| US8803311B2 (en) | 2012-05-09 | 2014-08-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Wiring boards and semiconductor packages including the same |
| US9384314B2 (en) | 2014-02-28 | 2016-07-05 | International Business Machines Corporation | Reduction of warpage of multilayered substrate or package |
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- 2008-09-30 JP JP2008253264A patent/JP2010087145A/en active Pending
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