(57)【要約】【課題】樹脂に添加するフィラが樹脂硬化の際に沈降する場合でも、応力の影響によるはんだ寿命の低下を抑制できるようにした電子装置を提供する。【解決手段】プリント基板３は、上面のコア層３ａと下面の表層３ｂとを積層している。プリント基板３の両面に電子部品４がはんだ８により実装されている。プリント基板３は、筐体に格納され、フィラが添加された液状封止材を充填して樹脂層５、６を形成する。プリント基板３の下面側にはフィラが沈降して低分布層６ａが電子部品４と接する状態で形成される。低分布層６ａはフィラが含有された樹脂層６に比べて線膨張係数が大で、温度変化による熱歪の応力がはんだ８にかかる。表層３ｂは弾性率（ヤング率）が低く設定されるので、応力を吸収することができ、はんだ８への応力が小さくなり、はんだ寿命の低下を抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品（４）がはんだ（８）を用いて実装されたプリント基板（３、１０）と、
前記プリント基板が格納される筐体（１）と、
前記筐体内に前記プリント基板の両面を覆うように充填されフィラを含む樹脂層（５、６）とを備え、
前記プリント基板は、板厚方向に弾性率が異なる２以上の基材（３ａ、３ｂ、１０a、１０ｂ）を積層して構成され、前記樹脂層のフィラの粗密分布に対応して前記基材が配置される電子装置。
【請求項２】
前記プリント基板（３）は、前記樹脂層のうちのフィラが粗な低分布層（６ａ）が接する側の面に前記基材のうちの弾性率が低い基材（３ｂ）が配置される請求項１に記載の電子装置。
【請求項３】
前記樹脂層は、前記フィラを添加した液状封止材を硬化させたものである請求項１または２に記載の電子装置。
【請求項４】
前記プリント基板は、前記電子部品が両面に実装されている請求項１から３のいずれか一項に記載の電子装置。
【請求項５】
前記プリント基板（１０）は、両面に前記基材のうちの弾性率が低い基材（１０ｂ）が配置される請求項１から４のいずれか一項に記載の電子装置。
【請求項６】
前記プリント基板の基材のうち弾性率が低い基材（３ｂ、１０ｂ）の弾性率は、５〜１７ＧＰａの範囲である請求項１から５のいずれか一項に記載の電子装置。
【請求項７】
前記樹脂層は、前記フィラが均一に混ざった状態で硬化されたものの線膨張係数が前記プリント基板の基材とほぼ同じに設定されている請求項１から６のいずれか一項に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子装置として、プリント基板などに電子部品を実装してケース内に配置した状態で樹脂封止をする構成のものがある。樹脂封止をするのは、電子部品を実装したプリント基板を樹脂で封止することで、防水、防塵、耐振動性を向上させるためである。この場合、一般に封止樹脂では、密着させるプリント基板・はんだ・ケースとの熱膨張による歪みを小さくするため、樹脂に無機フィラを添加している。
【０００３】
しかしながら、樹脂層として液状封止材を用いる場合に、ケース内への樹脂注入から硬化までの間に、そのフィラが沈降するため、樹脂上面にはフィラを含まない層が形成されることがある。プリント基板に電子部品を両面実装で配置する電子装置を樹脂封止する場合には、プリント基板の裏面側すなわち下面側では、樹脂とプリント基板の界面にフィラを含まない層が形成される。このため、フィラを含まない樹脂層の熱膨張の歪みが大きく、電子部品を実装する部分に設けているはんだは、寿命が低下するという課題がある。
【０００４】
これに対して材料組成を変更することにより、樹脂中のフィラの沈降を抑制することができるようにした技術がある。しかし、実際の工程では、１００℃で樹脂硬化させる工程があるため、はんだ付け部の高さまでフィラを残すようにフィラ沈降を抑制するのは現実的に不可能である。また、工程で高粘度化することでフィラ沈降はある程度抑制することはできるが、樹脂粘度が高くなると注型性が悪化する課題が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８１９８９号公報
【特許文献２】特開２００９−２０３４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、樹脂に添加するフィラが樹脂硬化の際に沈降する場合でも、応力の影響によるはんだ寿命の低下を抑制できるようにした電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の電子装置は、電子部品がはんだを用いて実装されたプリント基板と、前記プリント基板が格納される筐体と、前記筐体内に前記プリント基板の両面を覆うように充填されフィラを含む樹脂層とを備え、前記プリント基板は、板厚方向に弾性率が異なる２以上の基材を積層して構成され、前記樹脂層のフィラの粗密分布に対応して前記基材が配置される。
【０００８】
上記構成を採用することにより、筐体に樹脂層で充填された状態で格納されたプリント基板は、板厚方向に弾性率が異なる２以上の基材を積層して構成されると共に、樹脂層のフィラの粗密分布に対応して基材が配置されるので、電子部品が実装されている部分のはんだが熱歪による応力の影響で寿命低下するのを抑制することができる。
【０００９】
これは、フィラを含む樹脂層は、添加後の硬化過程でフィラの粗密分布が発生することがあり、フィラの粗密分布の状態に応じて線膨張係数が異なることに対応してプリント基板に弾性率の異なる２以上の基材を積層する構成とすることで電子部品の実装部分のはんだにおよぼす応力を分散させることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態を示すプリント基板の縦断側面図
【図２】全体の縦断側面図
【図３】本実施形態の応力関係を説明する作用説明図（その１）
【図４】本実施形態の応力関係を説明する作用説明図（その２）
【図５】比較例の応力関係を説明する作用説明図（その１）
【図６】比較例の応力関係を説明する作用説明図（その２）
【図７】比較結果を示す作用説明図
【図８】本実施形態と比較例とのはんだクラック率の相関図
【図９】第２実施形態を示すプリント基板の縦断側面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
【００１２】
全体構成を示す図２において、筐体１は、上面が開口された矩形容器状をなす樹脂製のもので、内部には２段に凹部１ａ、１ｂが形成され、凹部１ａの底部に凹部１ａよりも狭い範囲で凹部１ｂが設けられている。筐体１には、外部に突出するリード部１ｃが形成され、リード部１ｃの内部に金属製のリード２が埋め込み成型されている。リード２の一端は外部に導出され、内部で屈曲されて上方に指向する他端は凹部１ａの底面から上方に突出されている。
【００１３】
プリント基板３は、両面に複数の電子部品４が実装されている。電子部品４は、トランジスタ、抵抗、コイル、コンデンサなどの種々の電子部品であり、ここでは、後述するようにはんだにより面実装されている。プリント基板３は、筐体１の凹部１ａ内に格納され、下面は凹部１ｂ内に面する状態とされている。
【００１４】
筐体１の凹部１ａ内には樹脂層５が充填形成され、凹部１ｂ内には樹脂層６が充填形成されている。樹脂層５および６には内部にフィラが添加されており、樹脂硬化の過程でフィラが沈降するためフィラの粗密分布ができる。この場合、樹脂層５、６の上層にフィラの存在が粗で分布密度が低い低分布層５ａ、６ａが形成されている。
【００１５】
図１はプリント基板３の詳細な断面構成を示している。図１において、プリント基板３は、複数の基材としてコア層３ａと表層３ｂを積層した構成とされている。コア層３ａは一般的なプリント基板を形成する素材であり、弾性率であるヤング率が例えば２７〜３０ＧＰａである。また、表層３ｂは図１では下面側に位置して設けられている。表層３ｂは、一般的なプリント基板を形成する素材よりも弾性率が低く設定されたもので、ヤング率が例えば５〜１０ＧＰａである。
【００１６】
また、コア層３ａおよび表層３ｂのＸＹ方向すなわち面内方向の線膨張率係数αは共に例えば１３である。コア層３ａは、プリント基板３の主要部分を構成しており、表層３ｂは、コア層３ａよりも薄く形成されている。
【００１７】
プリント基板３に実装された電子部品４は、例えば直方体状をなす形状で、両端の接続端子部に電極４ａが形成されている。電子部品４の２つの電極４ａは、プリント基板３のコア層３ａ、表層３ｂの各表面に設けられた銅箔をパターニングしたランド７とはんだ８により電気的に接続された状態に実装されている。はんだ８は、ランド７の面と電子部品４の電極４ａとの間に接触するように設けられている。はんだ８は、例えば車載用の鉛フリーはんだを用いており、線膨張係数αは例えば２１である。
【００１８】
樹脂層５、６は、例えばエポキシ樹脂にシリカなどのフィラを添加した液状封止材を用いている。樹脂層５、６の形成時には、筐体１の凹部１ａに電子部品４を両面に実装した状態で格納載置し、リード２と電気的に接続した状態に保持する。この状態で、筐体１の凹部１ａ、１ｂ内に樹脂の液状封止材を流し込んで充填する。これは所謂ポッティングといわれる樹脂層形成方法である。流し込まれた液状封止材は、時間の経過とともに硬化して樹脂層５、６として形成される。
【００１９】
このとき、樹脂層５、６には、プリント基板３で分断されているので、液状封止材の内部に添加されているフィラが凹部１ａ内および凹部１ｂ内のそれぞれで沈降して上層部にフィラの分布密度が低い低分布層５ａ、６ａが発生する。プリント基板３の上面のコア層３ａに実装された電子部品４が接触する部分の樹脂層５は、フィラが十分に添加された状態の樹脂として形成されており、低分布層５ａは電子部品４から離れた上面の表層部に形成されている。一方、プリント基板３の下面の表層３ｂに実装された電子部品４が接触する部分の樹脂層６は、フィラが低分布となる低分布層６ａが電子部品４の一部を覆うように形成されている。
【００２０】
樹脂層５、６は、内部にフィラが十分に添加された状態では、線膨張係数αが例えば１０〜１２である。ところが、フィラの分布が粗となる低分布層５ａや６ａでは、線膨張係数αが例えば４０〜５０の範囲まで増大する。
【００２１】
この場合、温度変化による樹脂層５、６の変位に対してプリント基板３は、コア層３ａ、表層３ｂの線膨張係数αが樹脂層５、６と同程度であるので共に変位するため、実装されている電子部品４のはんだ８への熱歪による応力は少ない。
【００２２】
これに対して、低分布層５ａ、６ａの線膨張係数αは、プリント基板３のコア層３ａ、表層３ｂの線膨張係数αよりも大きいので、表層３ｂ側に実装される電子部品４のはんだ８には熱歪による応力を大きく受ける状態となる。そこで、表層３ｂの膨張率であるヤング率が低く設定されているので、温度による変位は少ないが、変形することで応力を吸収することができる。
一般に、熱歪εの値は、線膨張係数αおよび温度変化量ΔＴに対して次式（１）の関係を有する。
ε［ｐｐｍ］＝α［ｐｐｍ／℃］×ΔＴ［℃］    …（１）
【００２３】
この関係を用いると、例えば、車両などの使用環境の温度変化が激しい場合を想定して、温度変動範囲を２５℃から１２５℃の温度変化量ΔＴで計算すると、熱歪εは、次式（２）のように計算することができる。
ε＝（（４０〜５０）−２１）×１００＝１９００〜２９００ｐｐｍ  …（２）
【００２４】
これに対して、図３に示すように、電子部品４が実装されたプリント基板３の表層３ｂのヤング率は前述のように低く設定されている。これにより、図４に白抜き矢印示しているように、低分布層６ａからはんだ８に向かう熱歪εの応力に対応して、表層３ｂは図４中黒矢印で示すように大きく変形して応力成分が表層３ｂに分散されるようになる。この結果、はんだ８にかかる応力が小さくなる。なお、図４では樹脂層６の表示は省略している。
【００２５】
従来技術に相当する比較例として、例えば、図５に示すように、表層３ｂが設けられず、プリント基板３がコア層３ａのままであるとする。この場合には、コア層３ａのヤング率が高いので、図６中白抜き矢印で示す低分布層６ａからはんだ８に向かう熱歪εの応力に対応して、コア層３ａは図４中黒矢印で示すように変形量が小さいため、熱歪の応力成分があまり分散されることはない。この結果、図６に示すように、はんだ８は、熱歪により受ける応力が大きくなるので寿命が低下する。なお、図６では樹脂層６の表示は省略している。
【００２６】
上記したように、図３に示した表層３ｂを設ける本実施形態の構成の場合と、図５に示した表層３ｂを設けない比較例の構成の場合とで、各部に設定しているヤング率、線膨張係数、応力などについて図７にまとめて示している。
【００２７】
この結果、プリント基板３のコア層３ａおよび表層３ｂが共に線膨張係数αが小さく、同程度である場合でも、表層３ｂのようにヤング率を低く設定した層を設けることで、熱歪によるはんだ８への応力を基板側で分散して小さくすることができている。
【００２８】
図８は上記のようにしてプリント基板３の表層３ｂについて、弾性率すなわちヤング率を変化させた場合に、表面実装している電子部品４のはんだ８のクラック率を低減することができるかを発明者による測定結果を示している。なお、ここではんだクラック率は、値（％）が大きい方がクラック状態の程度が大きくなり、はんだ寿命が短いことを示している。そして、はんだクラック率１００％は、クラックによりはんだ部分で断線（オープン）状態になっていることを示している。
【００２９】
この結果からわかるように、従来相当の比較例では、プリント基板３のコア層３ａに相当するヤング率が２７〜３０ＧＰａであり、それ以下の２０ＧＰａや２５ＧＰａでもはんだクラック率が低減できておらず、そのレベルを１００％としている。そして、本実施形態のように、表層３ｂとしてヤング率を１０ＧＰａあるいは１５ＧＰａ程度に設定した場合には、３０％あるいは４０％と大幅に低減できている。
【００３０】
したがって、表層３ｂのヤング率は、好ましくは１０〜１５ＧＰａの範囲に設定すると確実にはんだクラック率を低減することができており、比較例との間のレベルを考慮すると、上限としてヤング率１７ＧＰａ程度まで本効果が期待できることがわかる。すなわち、表層３ｂのヤング率は、１０〜１７ＧＰａの範囲で設定することで上記した効果を得ることができる。
【００３１】
このような本実施形態によれば、樹脂層５、６にフィラの沈降により低分布層５ａ、６ａが発生する場合でも、この低分布層６ａと接するプリント基板３の表層３ｂのヤング率をコア層３ａよりも低く設定することで熱歪による応力を分散することができる。この結果、表層３ｂ側に実装した電子部品４のはんだ８のはんだ寿命低下を抑制することができる。
【００３２】
また、これによって、電子部品４のはんだ付後にフラックス残渣を洗浄せずに電子部品を樹脂層６で封止する場合、電子部品４とプリント基板３の表層３ｂとの間に残留するフラックス残渣による悪影響を緩和できる。
【００３３】
すなわち、一般に、フラックス残渣が、熱膨張により電子部品４を押上げ、はんだ寿命を低下させるが、表層３ｂの弾性率（ヤング率）を低く設定することで、その表層３ｂを変形させることでこれを吸収できるため、はんだ８のはんだ寿命低下を抑制するという効果がある。換言すれば、電子部品４のはんだ付け時のフラックス残渣を除去しなければならないという制約を緩和できるという効果がある。
【００３４】
（第２実施形態）
図９は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、プリント基板３に代えて、プリント基板１０を設ける構成としている。プリント基板１０は、コア層１０ａを中心として両面に表層１０ｂを設けている。コア層１０ａはコア層３ａと同等であり、表層１０ｂは表層３ｂと同等のものである。
【００３５】
このような構成を採用する場合でも、プリント基板１０が樹脂層５と接する側の表層１０ｂは、線膨張係数αが樹脂層５と同等であるから、この面に実装された電子部品４のはんだ８が熱歪の応力による悪影響を大きく受けることがない。
【００３６】
したがって、このような第２実施形態によっても第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、本実施形態で採用するプリント基板１０は、両面に表層１０ｂを配置しているので、上下面の区別なく実装作業やポッティング作業を行うことができるという製造工程上の利点もある。
【００３７】
（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
【００３８】
実施形態においては、電子部品４をプリント基板３の両面に実装する場合を示したが、低分布層６ａが接触する側の表層３ｂを設けた面だけに電子部品４を実装する場合でも適用することができる。
実施形態においては、はんだ８は、車両用の鉛フリーはんだを用いた場合を示したが、これに限らず、他のはんだを用いることもできる。
【００３９】
実施形態においては、２層のプリント基板３、３層のプリント基板１０の例を示したが、低分布層６ａが接触する部分にヤング率の低い表層３ｂあるいは１０ｂを設ける構成を採用するものであれば、他に４層以上の基層を積層したプリント基板を採用することもできる。
【００４０】
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００４１】
図面中、１は筐体、３、１０はプリント基板、３ａ、１０ａはコア層（基材）、３ｂ、１０ｂは表層（弾性率が低い基材）、４は電子部品、５、６は樹脂層、５ａ、６ａは低分布層、８ははんだである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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