特開 2024-6567 基板構造体、及び基板構造体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024006567

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】基板構造体、及び基板構造体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H05K 1/14 20060101AFI20240110BHJP

   H05K 3/36 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

H05K1/14 H

H05K3/36 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022107596

(22)【出願日】2022-07-04

(71)【出願人】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】北井 敦

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 久志

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 賢一

(72)【発明者】

【氏名】沖野 正裕

(72)【発明者】

【氏名】大久保 仁智

【テーマコード（参考）】

5E344

【Ｆターム（参考）】

5E344AA01

5E344AA16

5E344BB02

5E344CC09

5E344CD27

5E344DD03

5E344DD07

5E344EE30

(57)【要約】

【課題】基板上に導電性のポストが搭載された基板構造において、機構的な強度の高い基板構造を提供する。
【解決手段】
１の面に金属パッドが形成された第１の基板と、はんだを介して前記金属パッドの上面と１の底面が対向するように前記金属パッドと接合され、かつ側面に前記１の底面から他の底面に向かって伸長しかつ少なくとも部分的に前記はんだが充填されている複数の溝部を有する柱状の導電性のポストと、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

１の面に金属パッドが形成された第１の基板と、
はんだを介して前記金属パッドの上面と１の底面が対向するように前記金属パッドと接合され、かつ側面に前記１の底面から他の底面に向かって伸長しかつ少なくとも部分的に前記はんだが充填されている複数の溝部を有する柱状の導電性のポストと、
を有することを特徴とする基板構造体。

【請求項2】

前記複数の溝部の各々は、前記１の底面に向かって広がる形状を有する第１形状部を含むことを特徴とする請求項１に記載の基板構造体。

【請求項3】

前記複数の溝部の各々は、第１形状部と連続して形成され且つ前記他の底面に向かって延伸する形状を有する第２形状部を含むことを特徴とする請求項２に記載の基板構造体。

【請求項4】

前記複数の溝部の各々は、前記他の底面から前記１の底面に向かう方向に対して、前記ポストの中心軸から外側に向かう方向に傾斜した形状を有することを特徴とする請求項２に記載の基板構造体。

【請求項5】

前記第１の基板は、前記１の面に開口部を有し、
前記金属パッドは、前記開口部の縁に沿って形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の基板構造体。

【請求項6】

前記ポストは、
前記１の底面を含み、前記第１の基板の前記開口部よりも小さい径を有し且つ前記第１の基板への搭載時に前記開口部に挿入される第１の部分と、
前記第１の部分よりも前記他の底面側に位置し、前記溝部が形成された第２の部分と、
前記第２の部分よりも前記他の底面側に位置し、前記溝部が形成されていない第３の部分と、
を有することを特徴とする請求項５に記載の基板構造体。

【請求項7】

前記ポストは、中心軸周りにねじ穴が形成された筒状の形状を有することを特徴とする請求項５に記載の基板構造体。

【請求項8】

１の面に金属パッドが形成された第１の基板において、前記金属パッドの上面にはんだを形成する工程と、
１の底面から他の底面に向かって伸長する複数の溝部を側面に有する柱状の導電性のポストを、前記１の底面と前記金属パッドの上面とが前記はんだを介して対向するように前記第１の基板の前記１の面上に搭載する工程と、
前記はんだをリフローする工程と、
を含むことを特徴とする基板構造体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プリント基板等の基板の重ね合わせに用いるスペーサーを基板上に搭載した基板構造に関する。

【背景技術】

【0002】

複数のプリント基板を、スペーサーを介して重ね合わせる基板重ね合わせ構造が知られている。例えば、基板上にポスト形状のスペーサー（以下、ポストと称する）を実装する際、金属パッドを基板の表面に形成してはんだを印刷し、リフロー工程の際の融解状態におけるはんだの表面張力を利用してポストの位置出しを行う実装方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００－３３２４６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような実装方法によって位置出しを行う場合、位置出しを精密に行うためには、ポストの外径とパッドの外径との寸法差を、例えば引用文献１に開示されている±０．２ｍｍ以内のような小さなものにするのが好ましい。しかしながら、このようにポストの外径とパッドの外径の寸法差を小さくすると、リフロー工程において溶融したはんだによりポストの側面とパッド上面とで形成されるはんだフィレットが小さくなってしまい、はんだフィレットによるポストとパッドとの接続強度の向上効果が小さくなってしまうという問題があった。また、上記はんだフィレットが小さくなることで、リフロー工程を経てポストをプリント基板に実装する際に、ポストの傾きを抑えることができないという問題があった。

【0005】

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、基板上に導電性のポストが搭載された基板構造において、機構的な強度の高い基板構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る基板構造体は、１の面に金属パッドが形成された第１の基板と、はんだを介して前記金属パッドの上面と１の底面が対向するように前記金属パッドと接合され、かつ側面に前記１の底面から他の底面に向かって伸長しかつ少なくとも部分的に前記はんだが充填されている複数の溝部を有する柱状の導電性のポストと、を有することを特徴とする。

【0007】

本発明に係る基板構造体の製造方法は、１の面に金属パッドが形成された第１の基板において、前記金属パッドの上面にはんだを形成する工程と、１の底面から他の底面に向かって伸長する複数の溝部を側面に有する柱状の導電性のポストを、前記１の底面と前記金属パッドの上面とが前記はんだを介して対向するように前記第１の基板の前記１の面上に搭載する工程と、前記はんだをリフローする工程と、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、基板上に導電性のポストが搭載された基板構造において、機構的な強度の高い基板構造を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係る基板構造体のリフロー工程前の状態を示す図である。

【図2】本発明に係る基板構造体のリフロー工程前の状態を示す断面図である。

【図3】本発明に係る基板構造体の製造工程を示すフローチャートである。

【図4】本発明に係る基板構造体のリフロー工程後の状態を示す図である。

【図5】本発明に係る基板構造体のリフロー工程後の状態を示す断面図である。

【図6】比較例の基板構造体のリフロー工程前の状態を示す図である。

【図7A】比較例の基板構造体のリフロー工程前の状態を示す断面図である。

【図7B】比較例の基板構造体のリフロー工程後の状態を示す断面図である。

【図8】本発明の変形例の基板構造体のリフロー工程前の状態を示す図である。

【図9】本発明の変形例の基板構造体のリフロー工程前の状態を示す断面図である。

【図10】本発明の変形例の基板構造体のリフロー工程後の状態を示す図である。

【図11】本発明の変形例の基板構造体のリフロー工程後の状態を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

【0011】

図１は、本発明の実施例に係る基板構造体１００のリフロー工程前の状態である前駆基板構造体１００Ｐを示す斜視図である。前駆基板構造体１００Ｐは、第１基板１１及びポスト１２を含む。第１基板１１上にポスト１２をリフロー工程を経てはんだ付けし、その後に図示せぬ第２基板がポスト１２に、例えばねじ固定により搭載され、基板の重ね合わせが行われることにより、多層基板が構成される。

【0012】

第１基板１１は、本発明に係る基板重ね合わせ構造を構成する第１の基板であり、プリント基板（PCB = Printed Circuit Board）から構成されている。第１基板１１の１の表面（以下、単に表面と称する）には、ポスト１２が搭載される位置に対応する開口部１６が形成されている。

【0013】

ポスト１２は、円筒の形状を有し、例えばＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等から構成されている。ポスト１２は、円筒の内壁上底面から下底面までを貫通する貫通孔からなるねじ穴１４が設けられている。ポスト１２は、基板の重ね合わせを行う際のスペーサーとして機能する。

【0014】

第１基板１１の表面には、金属からなる金属パッド１５が形成されている。金属パッド１５は、第１基板１１表面の開口部１６の縁に沿って円を描く形状に形成されている。金属パッド１５の上面には、はんだ１３が形成されている。

【0015】

ポスト１２の側面には、下底面（第１の底面）から上底面（第２の底面）に向かって伸長する溝部２１が設けられている。溝部２１は、ポスト１２の下底面に向かって広がる形状を有する第１形状の部分２１Ａと、当該第１形状の部分と連続して形成され且つポスト１２の上底面の方向に向かって伸長する第２形状の部分２１Ｂと、を有する。第１形状の部分２１Ａは、ポスト１２を第１基板１１上に載置する際の載置方向を鉛直下向きとした場合の下側部分に位置している。

【0016】

図２は、図１の前駆基板構造体１００Ｐの断面図である。第１基板１１には、開口部１６から第１基板１１の内部に向かって孔部が形成されている。

【0017】

ポスト１２は、下底面を含み且つ第１基板１１への搭載時に第１基板１１の開口部１６に挿入される第１の部分３１と、第１の部分３１の上方、すなわち第１の部分３１よりも上底面側に位置し且つ複数の溝部２１が形成された第２の部分３２と、第２の部分３２の上方、すなわち第２の部分３２よりも上底面側に位置し且つ溝部が形成されていない第３の部分３３と、を含む。第１の部分３１は、第１基板１１への搭載時に第１基板１１の孔部に挿入される部分であり、開口部１６よりも小さい直径を有する。また、第１の部分３１の直径は、ポスト１２の上底面の直径、すなわち第３の部分３３の直径よりも小さい。

【0018】

溝部２１は、ポスト１２の上底面から下底面に向かう方向に対して、中心軸ＣＡから外側に向かって傾斜した形状（テーパ形状）を有する。また、溝部２１の上部は円形に湾曲した切り欠き状の断面形状を有する。

【0019】

ねじ穴１４は、ポスト１２の中心軸ＣＡ周りに形成され、上底面から下底面までを貫通している。ねじ穴１４の表面（すなわち、ポスト１２の内壁部分）には、ねじを篏合するための螺旋状の溝からなる凹凸形状が形成されている。例えば、図示せぬ第２の基板に設けられたねじがねじ穴１４に篏合することにより、ポスト１２を介して第１基板１１と当該第２の基板とが積層される。

【0020】

本実施例の基板構造体１００は、第１基板１１の表面にポスト１２が搭載されて図１及び図２に示す前駆基板構造体１００Ｐが形成され、はんだのリフロー工程を経ることにより製造される。かかる基板構造体１００の製造方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。

【0021】

まず、第１基板１１の表面に形成された開口部１６の縁を覆うように金属パッド１５を形成する（ＳＴＥＰ１０１）。

【0022】

次に、金属パッド１５の上面にはんだペーストを印刷することにより、はんだ１３を形成する（ＳＴＥＰ１０２）。

【0023】

次に、第１基板１１上の金属パッド１５の上面にはんだ１３を介してポスト１２を搭載する（ＳＴＥＯ１０３）。具体的には、ポスト１２の第１の部分３１が第１基板１１の開口部１６に挿入され、溝部２１の第１形状の部分２１Ａがはんだ１３上に位置するように、ポスト１２を搭載する。

【0024】

次に、リフロー装置（図示せず）を用いて加熱を行い、はんだ１３を溶融させる（ＳＴＥＰ１０４）。その後、溶融したはんだが凝固することにより、ポスト１２がはんだ１３を介して第１基板１１上に固着される。

【0025】

以上のような工程を経てポスト１２が実装され、はんだ１３を介して第１基板１１上に固着される。

【0026】

図４は、リフロー工程を経た基板構造体１００を示す斜視図である。リフローによって溶融したはんだ１３が、溝部２１全体の表面を覆うように付着している。

【0027】

図５は、図４の基板構造体１００の断面図である。

【0028】

上記の通り、本実施例の基板構造体１００では、ポスト１２の側面（すなわち、円筒形状の外側表面）に形成された複数の溝部２１の各々が、下底面に向かって広がる形状からなる第１形状の部分２１Ａを有する。このため、当該部分において、はんだの誘い込みが生じる。また、複数の溝部２１の各々は、ポスト１２の上底面の方向に伸長する細長い第２形状の部分２１Ｂを有する。このため、リフロー工程においていわゆる毛細管現象が発生し、溶融したはんだ１３が、溝部２１の当該部分を上昇する。また、リフローに伴って空気が加熱され、熱対流が発生する。これにより、溶融したはんだ１３が吸いあがり、溝部２１の表面全体に付着する。

【0029】

したがって、図４及び図５に示すように、リフローによって溶融したはんだ１３が溝部２１のテーパ部分全体に付着し、少なくとも溝部２１の第１形状の部分２１Ａ以上の高さを有するフィレットが形成される。

【0030】

図６は、本実施例の基板構造体１００とは異なり、ポストの外側表面に溝部を有しない比較例の基板構造体２００を示す斜視図である。ここでは、基板構造体２００のリフロー工程前の状態、すなわち前駆基板構造体２００Ｐを示している。

【0031】

比較例の前駆基板構造体２００Ｐは、ポストの側面に複数の溝部が設けられていない点で本実施例の前駆基板構造体１００Ｐと相違し、それ以外の点については同様の形状及び構成を有する。例えば、基板構造体２００は、第１基板１１Ａ及びポスト１２Ａから構成されている。ポスト１２Ａは、中央部にねじ穴１４Ａが形成され、直径約５ｍｍのドーナツ型の上底面を有する。ポスト１２Ａは、第１基板１１Ａ上に形成された金属パッド１５Ａの上面にはんだ１３Ａを介して搭載される。金属パッド１５Ａは、開口部１６Ａの縁に沿って形成されている。金属パッド１５Ａの外径は、上面視において、ポスト１２Ａの上底面との外径との差が小さい（例えば、±０．２ｍｍ）。

【0032】

図７Ａ及び図７Ｂは、比較例の基板構造体２００の構成を示す断面図である。図８Ａはリフロー工程前の状態である前駆基板構造体２００Ｐ、図８Ｂはリフロー工程後の状態である基板構造体２００をそれぞれ示している。

【0033】

図７Ａに示すように、第１基板１１Ａの表面には開口部１６Ａが設けられ、開口部１６Ａの入口部分の縁を覆うように金属パッド１５Ａが形成されている。はんだ１３Ａは、金属パッド１５Ａの上面に形成されている。

【0034】

図７Ｂに示すように、リフロー工程においてはんだ１３Ａが溶融することにより、ポスト１２Ａの下部の周囲に、フィレットが形成される。

【0035】

比較例の基板構造体２００では、本実施例の基板構造体１００とは異なり、ポスト１２Ａの外側表面に溝部が形成されていない。このため、リフロー工程において溶融したはんだ１３Ａは、ポスト１２Ａの下部を取り囲むように均等に形成される。したがって、本実施例の基板構造体１００と比べて、形成されるフィレットが小さい。その結果、ポスト１２がフィレットによって覆われる部分の表面積は小さく、基板搭載面（すなわち、第１基板１１の表面）からの高さも低い。

【0036】

これに対し、図４及び図５に示すように、本実施例の基板構造体１００では、溶融したはんだ１３が複数の溝部２１の表面全体に亘って付着するため、ポスト１２のはんだ１３に覆われた部分の表面積が大きい。また、溝部２１の第１形状の部分２１Ａはポスト１２の下底面に向かって広がる形状を有するため、当該部分においてはんだの誘い込みが生じる。したがって、付着するはんだの量が大きいため、形成されるフィレットも大きくなる。

【0037】

比較例の基板構造体２００では、形成されるフィレットが小さく、ポスト１２の外側表面を覆う面積が小さいため、ポストとパッドとの接続強度の向上に対する効果が小さい。これに対し、本実施例の基板構造体１００では、はんだによって形成されるフィレットが大きく、ポスト１２の外側表面のフィレットによって覆われる部分の表面積が大きい。また第１基板１１の表面からの高さも高い。このため、ポスト１２及び金属パッド１５の接続強度を向上させることができる。

【0038】

例えば、本実施例の基板構造体１００では、フィレットが高い位置まで形成されるため、ポスト１２のねじ穴１４におけるねじの締め付け強度を強くすることができる。また、ポスト１２の傾きを抑えることができる。

【0039】

したがって、本実施例の基板構造体１００によれば、機構的な強度の高い基板構造体を提供することが可能となる。

【0040】

次に、本実施例の基板構造体１００の変形例について説明する。

【0041】

図８は、変形例の基板構造体３００のリフロー工程前の状態である前駆基板構造体３００Ｐを示す斜視図である。前駆基板構造体３００Ｐは、第１基板１１Ｂ及びポスト１２Ｂを含む。第１基板１１Ｂ上にポスト１２Ｂをリフロー工程を経てはんだ付けし、その後図示せぬ第２基板がポスト１２Ｂに、例えばねじ固定により搭載され、基板の重ね合わせが行われることにより、多層基板が構成される。

【0042】

ポスト１２Ｂは、ＣｕやＡｌ等からなる円筒形の形状を有し、図１に示すポスト１２よりも低い高さ（例えば、１／２程度の高さ）を有する。ポスト１２Ｂの側面には、切り欠き状の複数の溝部２２が形成されている。

【0043】

溝部２２の各々は、ポスト１２の下底面に向かって広がる切り欠き状の形状を有する。換言すると、変形例の溝部２２は、図１に示す本実施例の溝部２１の第１形状の部分２１Ａと同様の形状の部分のみから構成されている。

【0044】

図９は、変形例の基板構造体３００のリフロー工程前の状態を示す断面図である。ポスト１２Ｂは、第１基板１１の開口部１６に挿入される第１の部分３１Ｂ、第１の部分３１Ｂの上方、すなわち第１の部分３１Ｂよりも上底面側に位置し且つ溝部２２が形成された第２の部分３２Ｂ、第２の部分３２Ｂの上方、すなわち第２の部分３２Ｂよりも上底面側に位置し且つ溝部２２が形成されていない第３の部分３３Ｂから構成されている。

【0045】

溝部２２は、ポスト１２Ｂの上底面から下底面に向かう方向に対して、中心軸ＣＡから外側に向かって傾斜した形状（テーパ形状）を有する。

【0046】

図１０は、リフロー工程を経た変形例の基板構造体３００を示す斜視図である。リフローによって溶融したはんだ１３Ｂが、溝部２２全体の表面を覆うように付着している。

【0047】

図１１は、図１０の基板構造体３００の断面図である。変形例の基板構造体３００では、溝部２２がポスト１２Ｂの下底面に向かって広がる形状を有するため、はんだの誘い込みが生じる。また、リフローに伴って空気が加熱され、熱対流が発生する。これにより、溶融したはんだ１３Ｂが吸いあがり、溝部２２の表面全体に付着する。これにより、溝部２２と同程度の高さを有するフィレットが形成される。

【0048】

したがって、変形例の基板構造体３００では、図７Ｂに示す比較例の基板構造体２００と比べて、形成されるフィレットが大きいため、ポスト１２Ｂのねじ穴１４Ｂにおけるねじの締め付け強度を強くし、ポスト１２Ｂの傾きを抑えることが可能となる。

【0049】

なお、溝部２２には図１に示す実施例１の溝部２１の第２形状の部分２１Ｂに相当する部分が設けられていないため、溝部２２に付着するはんだ１３Ｂの高さは、上記実施例の基板構造体１００で溝部２１に付着するはんだ１３と比べて低い。しかし、変形例の基板構造体３００では、そもそもポスト１２Ｂ自体の高さが上記実施例の基板構造体１００のポスト１２と比べて低い（例えば、１／２の高さである）ため、ねじの締め付け強度の強化やポスト１２Ｂの傾きの抑制の効果を十分に得ることが可能である。

【0050】

なお、本発明の実施形態は、上記実施例に記載したものに限定されない。例えば、上記実施例では、ポストが円筒形状を有し、第２の基板を積層するためのねじ穴が中心軸周りに設けられている場合を例として説明した。しかし、ポストは、必ずしもねじ穴が設けられた形状のものに限られない。すなわち、ポストは、柱状の形状を有する導電性のポストであればよい。

【0051】

また、上記実施例では、第１基板の表面に開口部が設けられ、ポストの一部（第１の部分）が当該開口部に挿入されることにより、ポストが第１基板上に搭載される場合を例として説明した。しかし、第１基板には、このような開口部が必ずしも設けられていなくてもよい。例えば、第１基板の表面の所定位置に金属パッドが形成され、ポストの下底面全体がはんだを介して金属パッドに接合されるように構成されていてもよい。かかる構成では、ポストは上記実施例に記載した第１の部分を有していなくてもよく、少なくとも側面に溝部が形成された第２の部分を有していればよい。

【0052】

また、溝部の形状は、上記実施例及び変形例で示したものに限られない。例えば、上記実施例では、ポストの外側表面からみた溝部の深さ（すなわち、中心軸に向かう方向の溝の深さ）がねじ穴に達しない程度の深さに形成されている場合を例として説明した。しかし、これとは異なり、例えばポストの表面が櫛歯状を有し、溝部の少なくとも一部がねじ穴に達する深さまで形成されていてもよい。

【符号の説明】

【0053】

１００ 基板構造体
１１ 第１基板
１２ ポスト
１３ はんだ
１４ ねじ穴
１５ 金属パッド
１６ 開口部
２１ 溝部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】