(57)【要約】【課題】半田フィレットに加わる熱応力を低減し、貫通破断に至る半田クラックの発生、進展を低減あるいは防止する。【解決手段】回路基板１１の表面にはランド１２が形成され、ランド１２上にチップ部品１３が半田１４により接合されている。一対のランド１２は、その先端間の距離がチップ部品１３の一対の電極１５の内側端部の距離と一致するように形成されている。半田フィレット１７の斜面１８が、チップ部品１３の側面１５ａに近い側の部分１８ａと、ランド１２に近い側の部分１８ｂとに分けられている。側面１５ａに近い側の部分１８ａと、ランド１２の表面との成す角度θ１が５０°以下に形成されている。部分１８ｂとランド１２の表面との成す角度θ２は３０°以下に形成されているのが好ましい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板のランド上に表面実装用電子部品を半田の加熱溶融により接合した表面実装用電子部品の表面実装構造において、
半田フィレットの斜面が、前記表面実装用電子部品の側面に近い側の部分と、前記ランドに近い側の部分とに分けられ、前記側面に近い側の部分と前記ランドの表面との成す角度θ１が５０°以下である表面実装用電子部品の表面実装構造。
【請求項２】
前記ランドに近い側の部分と前記ランドの表面との成す角度θ２が３０°以下である請求項１に記載の表面実装用電子部品の表面実装構造。
【請求項３】
回路基板のランド上に表面実装用電子部品を半田の加熱溶融により接合した表面実装用電子部品の表面実装構造において、
半田フィレットの斜面が、前記表面実装用電子部品の側面に近い側の部分と、前記ランドに近い側の部分とに分けられ、前記側面に近い側の部分と前記ランドの表面との成す角度θ１と、前記ランドに近い側の部分と前記ランドの表面との成す角度θ２との差（θ１−θ２）が４０°以下である表面実装用電子部品の表面実装構造。
【請求項４】
前記差（θ１−θ２）が２７°以下である請求項３に記載の表面実装用電子部品の表面実装構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面実装用電子部品の表面実装構造に係り、詳しくは回路基板のランド上に表面実装用電子部品を半田の加熱溶融により接合した表面実装用電子部品の表面実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半田接合は、接合作業が比較的容易であり、接合強度も強固で信頼性が高く、かつ安価である等の優れた長所を有するため、従来より電子部品の実装に多用されている。
【０００３】
一方、近年、電子装置の小型化等の目的で、電子部品を回路基板上に実装する際の高密度化のため、電子部品の実装構造の主流は、リード部品を使用する挿入実装から表面実装用電子部品（チップ部品）を使用する表面実装へと変化している。
【０００４】
例えば、表面実装用電子部品としてのセラミックコンデンサを実装する場合は、図５（ａ）に示すように、直方体状のチップ部品５１の両端にメッキ等で形成された電極５２が設けられている。そして、回路基板５３の表面に形成された一対のランド５４にクリーム半田５５が印刷された状態で、チップ部品５１が両電極５２において各ランド５４のクリーム半田５５上にマウントされる。次いで、リフロー炉に入れられて、クリーム半田５５が加熱溶融されることにより、チップ部品５１が回路基板５３上に半田接合により実装される。
【０００５】
電子装置の使用環境が温度変化の少ない場合は通常の半田接合で問題はない。しかし、例えば、車載用の電子装置では使用環境温度が氷点下から数十℃までの変化に耐えることが必要とされ、高温環境下及び低温環境下での信頼性及び高温環境と低温環境とのサイクル変化を受けた際の信頼性が求められる。
【０００６】
一般に材料は、温度の上昇により膨張し、温度の下降により収縮し、その度合い（線膨張係数）は材料によって異なる。電子部品の半田実装部分においても、回路基板（ランド）側と電子部品とでは線膨張係数が異なるため、温度変化に伴って両者の半田接合部分に熱応力が発生する。そして、これが長期間にわたって繰り返されると、半田組成におけるＰｂ（鉛）リッチなα相とＳｎ（錫）リッチなβ相とが分離し、徐々に両相の粒子が成長しこの粒界は脆い。また、ランドの材質がＣｕ（銅）である場合には、Ｃｕ−Ｓｎ合金層が生じるが、やはり硬くて脆い。クラックは主にこのような脆い結晶粒界や合金層に沿って生じ、それが進展すると半田接合部が断線し、故障に至ることがある。
【０００７】
半田接合部に発生する熱応力によるクラックや破断を抑制する方法として、半田接合部の延面と表面実装用電子部品の底面との成す角度を鈍角にすることが提案されている。（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。特許文献１に記載の方法では、図６（ａ），（ｂ）に示すように、回路基板５３にチップ部品５１を実装する場合、電極５２の内側端部５２ａよりもランド５４の端部５４ａを外側に配置し、電極５２の下面とランド５４間に存在する半田接合部の延面５６と、チップ部品５１の底面との角度θを鈍角としている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２３７９６２号公報（明細書の段落［００２３］，［００２４］、図１，図２）
【特許文献２】
特開平１１−１８６６９６号公報（明細書の段落［０００５］）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
冷熱衝撃試験による調査の結果、半田フィレットに発生するクラック状態は、半田フィレットの形状に依存することが判明した。半田フィレットの形状は、半田量が少量の場合、ランドの半田濡れ性が悪い場合、ランド形状が大きい場合等に、図５（ｂ）に示すように、半田フィレット５７の表面の中間部に境界部５７ａができる。また、冷熱衝撃試験に投入した試験品を切断して断面観察を行った結果、次のことが判明した。半田フィレット５７に発生するクラック５８の傾向として、先ず、電極５２の下面とランド５４との間の半田接合部にクラック５８が発生し、これが徐々に進展して、半田フィレット５７の境界部５７ａへ向かって伝播し、最終的に貫通破断に至る。なお、図５（ｂ）はチップ部品５１の片側半分を示している。「電極５２の下面」とは電極５２のランド５４と対向する面を意味する。「貫通破断」とは、クラックが半田接合部をランド側部分と電極側部分とに分割するように面状に進展して、電極とランドの導通が妨げられる状態になることを意味する。
【００１０】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであり、その目的は、半田フィレットに加わる熱応力を低減し、貫通破断に至る半田クラックの発生、進展を低減あるいは防止することができる表面実装用電子部品の表面実装構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、回路基板のランド上に表面実装用電子部品を半田の加熱溶融により接合した表面実装用電子部品の表面実装構造である。そして、半田フィレットの斜面が、前記表面実装用電子部品の側面に近い側の部分と、前記ランドに近い側の部分とに分けられ、前記側面に近い側の部分と前記ランド表面との成す角度θ１が５０°以下である。この発明では、半田フィレットに加わる熱応力を低減する作用が得られ、貫通破断に至る半田クラックの発生、進展を低減あるいは防止することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ランドに近い側の部分と前記ランドの表面との成す角度θ２が３０°以下である。この発明では、半田フィレットに加わる熱応力をより低減する作用が得られる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、回路基板のランド上に表面実装用電子部品を半田の加熱溶融により接合した表面実装用電子部品の表面実装構造である。半田フィレットの斜面が、前記表面実装用電子部品の側面に近い側の部分と、前記ランドに近い側の部分とに分けられ、前記側面に近い側の部分と前記ランドの表面との成す角度θ１と、前記ランドに近い側の部分と前記ランドの表面との成す角度θ２との差（θ１−θ２）が４０°以下である。この発明では、半田フィレットに加わる熱応力を低減する作用が得られ、貫通破断に至る半田クラックの発生、進展を低減あるいは防止することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記差（θ１−θ２）が２７°以下である。この発明では、半田フィレットに加わる熱応力をより低減する作用が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図４に従って説明する。図１（ａ）は、チップ部品とランドの関係を示す模式斜視図、図１（ｂ），（ｃ）はチップ部品が実装された状態の模式側面図である。なお、半田付け箇所以外の回路基板上に半田が付着するのを防止するためのソルダーレジストの図示を省略している。
【００１６】
図１（ｂ），（ｃ）に示すように、回路基板１１の表面にはランド１２が形成され、ランド１２上に表面実装用電子部品としてのチップ部品１３が半田１４により接合されている。チップ部品１３は、回路基板１１の表面に形成された導体パターンを構成するランド１２上に、リフロー半田法で半田付けされている。即ち、チップ部品１３は回路基板１１上に表面実装されている。チップ部品１３としては例えばセラミックコンデンサがある。
【００１７】
チップ部品１３は直方体状に形成され、その長手方向の両端にメッキ等で電極１５が形成されている。そして、図１（ａ）に示すように、一対のランド１２にクリーム半田１６が印刷された状態で、チップ部品１３は各電極１５においてクリーム半田１６上にマウントされる。その後、リフロー炉に入れられて、クリーム半田１６が加熱溶融されることにより、回路基板１１上に半田接合により実装される。
【００１８】
図１（ｂ），（ｃ）に示すように、一対のランド１２は、その先端間の距離がチップ部品１３の一対の電極１５の内側端部の距離と略一致するように形成されるとともに、チップ部品１３の長手方向に沿う方向の長さが電極１５と対向する部分以上に形成されている。
【００１９】
半田フィレット１７の形状は、例えば、図１（ｂ）に示すように、斜面１８がチップ部品１３の側面としての電極１５の側面１５ａに近い側の部分１８ａと、ランド１２に近い側の部分１８ｂとに分けられる。
【００２０】
斜面１８が二つの部分１８ａ，１８ｂに分けられる形状の半田フィレット１７においては、側面１５ａに近い側の部分１８ａと、ランド１２の表面との成す角度θ１が５０°以下に形成されている。ランド１２に近い側の部分１８ｂと、ランド１２の表面との成す角度θ２は３０°以下に形成されているのが好ましい。
【００２１】
また、角度θ１と、角度θ２との差（θ１−θ２）が４０°以下に形成されていてもよい。前記差（θ１−θ２）は２７°以下であるのが好ましい。
斜面１８は平面だけで構成されるものに限らず、例えば、平面と曲面とが連続する場合もある。曲面を含む場合は以下に説明するようにして、斜面１８の部分１８ａとランド１２の表面との成す角度θ１及び斜面１８の部分１８ｂとランド１２の表面との成す角度θ２が設定される。角度θ１及び角度θ２を設定する場合、ランド１２上に半田実装されたチップ部品１３をチップ部品１３の長手方向に沿って切断し、断面の写真を撮る。そして、断面写真に基づいて角度θ１及び角度θ２が設定される。設定方法を図２（ａ），（ｂ）を参照しつつ説明する。図２（ａ），（ｂ）は断面の模式図である。但し、見にくくなるのを避けるためハッチングを省略している。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、斜面１８が二つの部分１８ａ，１８ｂに分かれ、部分１８ａが直線の場合（又は略直線の場合）、図２（ａ）に示すように、境界部１８ｃを通りランド１２の表面と平行な直線Ｌ０と、曲線となる部分１８ｂに対して交差する直線Ｌ１とを引く。直線Ｌ１は、直線Ｌ０、部分１８ｂの曲線及び直線Ｌ１で囲まれる面積Ｓ１と、ランド１２の表面、部分１８ｂの曲線及び直線Ｌ１で囲まれる面積Ｓ２とが同じになるように引く。そして、部分１８ａと直線Ｌ０との成す角度、即ち斜面１８の部分１８ａとランド１２の表面に平行な面との成す角度が角度θ１と設定され、直線Ｌ１とランド１２の表面との成す角度が角度θ２と設定される。
【００２３】
図２（ｂ）に示すように、斜面１８が二つの部分１８ａ，１８ｂに分かれ、部分１８ｂが直線の場合（又は略直線の場合）、角度θ２は部分１８ｂとランド１２の表面との成す角度となる。また、図２（ｂ）に示すように、境界部１８ｃを通りランド１２の表面と平行な直線Ｌ０と、曲線となる部分１８ａに対して交差する直線Ｌ２とを引く。直線Ｌ２は、直線Ｌ０、部分１８ａの曲線及び直線Ｌ２で囲まれる部分の面積Ｓ３が、側面１５ａ、部分１８ａの曲線及び直線Ｌ２で囲まれる面積Ｓ４と同じになるように引く。そして、直線Ｌ２と直線Ｌ０との成す角度が角度θ１と設定される。
【００２４】
半田フィレット１７の前記両角度θ１，θ２は、ランドサイズ、ランド表面の濡れ性が同じであれば、主に半田塗布量によってコントロールされる。具体的には、半田印刷用マスク厚、開口形状を変えることでコントロールされる。クリーム半田１６の印刷用マスク厚を変更して、前記両角度θ１，θ２が異なる半田フィレット１７が形成されたチップ部品１３の実装製品を調製し、冷熱衝撃試験を行った。冷熱衝撃試験後、試験品をカットして半田フィレット１７の断面観察を行った。半田フィレット１７の斜面１８に二つの部分１８ａ，１８ｂが観察される場合、クラックは二つの部分１８ａ，１８ｂの境界部１８ｃに向かって進展し易いことが判明した。
【００２５】
図３に、半田マスク厚と角度θ１との関係及び貫通破断が生じたか否かの結果を示し、図４に、半田マスク厚と、角度θ１と角度θ２との差（θ１−θ２）との関係及び貫通破断が生じたか否かの結果を示す。
【００２６】
図３から、半田マスク厚が薄く、角度θ１が大きい程、貫通破断クラックが発生し易い傾向があることが判明した。また、角度θ１が５０°以下であれば、半田マスク厚に拘わらず、貫通破断が発生しなかった。従って、貫通破断が発生しない角度θ１の上限は５０°と推定され、角度θ１が５０°以下であれば、貫通破断は大幅に低減、若しくは防止される。このことは、半田フィレット１７に作用する剪断力の主方向がランド１２の表面と平行な方向であり、角度θ１が大きいと、半田フィレット１７の電極１５の側面１５ａから斜面１８までの距離が小さくなって、半田フィレット１７の厚さが応力緩和に寄与し難くなるためと考えられる。
【００２７】
また、図４からは、半田マスク厚が薄く、角度θ１と角度θ２との差（θ１−θ２）が大きい方が、貫通破断クラックが発生する傾向があることが判明した。そして、前記差（θ１−θ２）が４０°以下になるように半田フィレット１７を形成すれば、半田マスク厚が３５０μｍに対応する半田量以上で貫通破断が防止される。また、前記差（θ１−θ２）が２７°以下になるように半田フィレット１７を形成すれば、半田量がそれより少ない場合でも貫通破断が防止される。この場合、角度θ１と角度θ２との差（θ１−θ２）が前記値を満足すればよく、必ずしも角度θ１が５０°以下である必要はない。
【００２８】
また、半田マスク厚４００μｍの試料に関して、表１に示す結果も得られた。表１は、角度θ１の平均値は５０°以下であまり差がなく、しかし、前記差（θ１−θ２）が大きく異なる二つのグループ（試料Ａのグループと試料Ｂのグループ）が存在することを示している。なお、試料Ａの角度θ２の最大値は３０°、最小値は１１°であった。
【００２９】
【表１】
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表１から、角度θ１の値は、試料Ａ（４７．５°）及び試料Ｂ（４４．９°）で大きな差はない。しかし、角度θ２の値は試料Ａ（２０．１°）及び試料Ｂ（４．７°）で大きく異なり、角度θ１と角度θ２との差（θ１−θ２）の値は、試料Ｂでは試料Ａの約１／６である。
【００３０】
また、試料Ａ及び試料Ｂに関して、冷熱衝撃試験のサイクル数１５００回及び３０００回の試験品について、それぞれ断面におけるクラックの長さを測定した。その結果、貫通破断の際のクラック長を５とした時の相対クラック長は、試料Ａ，Ｂともサイクル数１５００回では、最大で１、平均で０．５であった。また、サイクル数３０００回では、試料Ａでは最大で３、平均で１．２５であり、試料Ｂでは最大で２、平均で０．９であった。これらのことから、角度θ２が５０°以下という条件を満たす場合は、角度θ１及び角度θ２の差（θ１−θ２）が大きくとも、クラック発生進展状態（クラック長）は角度θ２に支配され、角度θ２が小さい程、クラック発生進展につながる応力集中は緩和されると推定される。
【００３１】
従って、角度θ１が５０°以下である場合、角度θ２が３０°以下で良好な応力緩和状態が得られると推定できる。これは、角度θ１が極端に大きな場合は、半田フィレット１７の剪断方向の厚さが極端に薄くなり、境界部１８ｃへの応力集中による影響が顕在化するためと推定される。一方、角度θ１が小さくなって半田フィレット１７の剪断方向の厚さが一定以上となると、境界部１８ｃへの応力集中の影響が殆ど無くなり、本来の角度θ２の影響が顕在化するためと推定される。
【００３２】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）  回路基板１１のランド１２上にチップ部品１３を表面実装した際、半田フィレット１７の斜面１８が、チップ部品１３の側面１５ａに近い側の部分１８ａと、ランド１２に近い側の部分１８ｂとに分けられ、側面１５ａに近い側の部分１８ａとランド１２の表面との成す角度θ１が５０°以下である。従って、半田フィレット１７に加わる熱応力を低減する作用が得られ、貫通破断に至る半田クラックの発生、進展を低減あるいは防止することができる。
【００３３】
（２）  半田フィレット１７の角度θ１が５０°以下でかつ、部分１８ｂとランド１２の表面との成す角度θ２が３０°以下の場合は、半田フィレット１７に加わる熱応力をより低減する作用が得られる。
【００３４】
（３）  半田フィレット１７の部分１８ａと、ランド１２の表面との成す角度θ１と、前記角度θ２との差（θ１−θ２）が４０°以下の場合も、半田フィレット１７に加わる熱応力を低減する作用が得られ、貫通破断に至る半田クラックの発生、進展を低減あるいは防止することができる。
【００３５】
（４）  前記差（θ１−θ２）が２７°以下の場合は、半田フィレット１７に加わる熱応力をより低減する作用が得られる。
実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように変更してもよい。
【００３６】
○  半田フィレット１７の斜面１８が、チップ部品１３の側面に近い側の部分と、ランド１２に近い側の部分とに分けられる形状であれば、半田実装されたチップ部品１３をチップ部品１３の長手方向に沿って切断し、断面の写真を撮影した際、部分１８ａ，１８ｂの少なくとも一方が直線である必要はない。例えば、部分１８ａ，１８ｂの両方が略直線であったり、一方が略直線で他方が曲線であったり、あるいは両方が曲線であってもよい。
【００３７】
○  ランド１２の形状や配置は、一対の矩形状のランド１２をその先端間の距離がチップ部品１３の一対の電極１５の内側端部の距離と一致するように形成されたものに限らない。例えば、ランド１２の先端間の距離をチップ部品１３の一対の電極１５の内側端部の距離より大きくなるように形成したり、ランド１２の形状を矩形以外の形状としてもよい。ランド１２の先端間の距離をチップ部品１３の一対の電極１５の内側端部の距離より大きくなるように形成した場合は、電極１５の下面とランド１２間に存在する半田接合部の端部からのクラックの発生を抑制することができ、貫通破断に至るクラックの発生、進展をより抑制することができる。
【００３８】
○  チップ部品１３（表面実装用電子部品）を半田実装する場合、ランド１２にクリーム半田１６を塗布し、チップ部品１３をクリーム半田１６上にチップマウンターでマウントして加熱溶融を行う方法に限らず、半田の加熱溶融でフィレットが形成される方法であればよい。例えば、手作業で半田実装を行ってもよい。手作業で半田実装を行う方法場合、例えば、ランド１２上にクリーム半田１６を塗布した後、クリーム半田１６上に手作業でチップ部品１３をマウントし、ホットプレート上に回路基板１１を載置してクリーム半田１６の加熱溶融を行う。
【００３９】
○  ランド（チップ電極）は対称である構成に限定されない。例えば、一方のランドが他方より大きくてもよい。
○  ランド１２は銅製に限らず、銅製のランド１２の表面にＮｉや金メッキが施されていてもよい。
【００４０】
○  ランド１２の素材は銅に限らず、導電性の良い金属（例えば、銀、アルミニウム等）であってもよい。
○  チップ部品１３の形状は直方体形状に限らず、また、電極の数が３個以上のものであってもよい。
【００４１】
○  回路基板は表面実装用電子部品のみが搭載される回路基板に限らず、表面実装用電子部品とリード部品とが混載される回路基板に適用してもよい。
前記実施の形態から把握できる請求項記載以外の技術的思想について、以下に記載する。
【００４２】
（１）  請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記表面実装用電子部品は一対の電極を備え、前記ランドは該電極に対応して一対設けられるとともに、その先端間の距離が前記表面実装用電子部品の一対の電極の内側端部の距離と一致するように形成されている。
【００４３】
（２）  請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記表面実装用電子部品は一対の電極を備え、前記ランドは該電極に対応して一対設けられるとともに、その先端間の距離が前記表面実装用電子部品の一対の電極の内側端部の距離より大きくなるように形成されている。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１〜請求項４に記載の発明によれば、半田フィレットに加わる熱応力を低減し、貫通破断に至る半田クラックの発生、進展を低減あるいは防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の実施の形態のチップ部品とランドの関係を示す模式斜視図、（ｂ）はチップ部品が実装された状態の模式側面図。
【図２】（ａ），（ｂ）は角度θ１，θ２の設定方法の説明用模式図。
【図３】半田マスク厚と角度θ１との関係等を示すグラフ。
【図４】半田マスク厚と差（θ１−θ２）等の関係を示すグラフ。
【図５】（ａ）はチップ部品とランドの関係を示す模式斜視図、（ｂ）はクラックの発生状態を示す模式側面図。
【図６】（ａ）は従来技術を示す模式断面図、（ｂ）は模式平面図。
【符号の説明】
θ１，θ２…角度、１１…回路基板、１２…ランド、１３…表面実装用電子部品としてのチップ部品、１４…半田、１５ａ…側面、１７…半田フィレット、１８…斜面、１８ａ，１８ｂ…部分。
【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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