JP4956450B2

JP4956450B2 - 電子機器の回路基板支持構造

Info

Publication number: JP4956450B2
Application number: JP2008006867A
Authority: JP
Inventors: 朋子門田; 稔向井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2028-01-16
Also published as: CN101489360B; US8050055B2; JP2009170647A; US20090190317A1; CN101489360A

Description

本発明は、接合部の信頼性を向上させた電子機器の筐体と電子部品が実装された回路基板の支持構造に関する。

電子機器が搭載されている機器の高度化、多機能化などにともない、電子機器と回路基板を接合する電気的接合部の数が非常に多数となり、接合部信頼性の確保が容易でない状況にある。

電子機器において、筐体と回路基板の線膨張率差に起因した熱応力や外部荷重に起因した応力はボス部周辺でとくに大きくなる傾向が見られる。そのため、筐体と回路基板がボス部を介して締結固定されると、回路基板上におけるボス部近傍の電子部品の負荷が増大する。とくに回路基板の中央近傍には大型電子部品が多く、この問題が顕在化する。
以下、図１３を参照し、接合部の信頼性低下の原因を具体的に説明する。回路基板１３は筐体ボス部２７、２８、２９で固定されている。ボス部２７、２８、２９で回路基板１３と上部筐体１１および下部筐体１２を固定すると、回路基板１３と上部筐体１１および下部筐体１２の線膨張率差に起因して、温度変動によるボス部２７、２８、２９周辺の回路基板１３の応力が大きくなる。

また、外部荷重が生じた場合においても、上部筐体１１および下部筐体１２の変形がボス部２７、２８、２９を介して回路基板に伝達されるため、ボス部２７、２８、２９周辺の回路基板１３の応力が大きくなる。特に、回路基板１３の中央ではボス部２７近傍の電子部品１９の負荷が増大する傾向が見られる。

回路基板の支持に関し、シールド板と筐体のボス部を締結する締結方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

これは、半田パターンを配置し、その上に半田部を形成した回路基板とシールド板を該半田部を介在させながら筐体のボス部に共締めするものである。
特開平９−８４８８号公報図２

特許文献１に開示された発明では、回路基板を筐体に半田付し、さらに電気的導通を確保しているから、熱的応力を軽減することができる。しかしながら、回路基板に搭載された電子部品に対し外部荷重による取付部分周辺に生じる応力集中を軽減できない。

そこで本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、電子部品の接合部での信頼性を保つことができる電子機器を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、電子機器の回路基板支持構造であって、第１のボス部が形成された第１の筐体と、第２のボス部が形成され、この第２のボス部と前記第１のボス部がネジ部材によって締結可能に形成された第２の筐体と、円筒状部とこの円筒状部の外周に形成されたつば部を有し、前記第１のボス部及び第２のボス部が前記円筒状部の内周壁で摺動可能に形成された治具と、前記第１、第２の筐体から成る筐体内部に配設され、前記治具の前記円筒状部を貫通する穴部と該穴部の周囲に設けられる前記治具の前記つば部と半田付けされる接合領域とを有する回路基板と、から成ることを特徴とする電子機器の回路基板支持構造が提供される。

また本発明の別の一態様によれば、電子機器の回路基板支持構造であって、第１のボス部が形成された第１の筐体と、第２のボス部が形成された第２の筐体と、前記第２のボス部と前記第１のボス部を介して、前記第１の筐体と前記第２の筐体とを締結するネジ部材と、円筒状部とこの円筒状部の外周に形成されたつば部を有し、前記円筒状部は前記第１のボス部及び第２のボス部の間に配置され、前記ネジ部材が内周壁で摺動可能に形成された治具と、前記第１、第２の筐体から成る筐体内部に配設され、前記治具の前記円筒状部を貫通する穴部と該穴部の周囲に設けられる前記治具の前記つば部と半田付けされる接合領域とを有する回路基板と、から成ることを特徴とする電子機器の回路基板支持構造が提供される。

本発明によれば、温度変動および外部荷重による応力負荷の影響を低減することのできる電子機器の回路基板支持構造を提供する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

（第一の実施形態）
図1は、本発明の第一の実施形態に係る回路基板の支持構造を模式的に示す斜視図である。図２は、本発明の第一の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。また、図３は、支持構造における治具の斜視図である。

この回路基板の支持構造は、大略すると、回路基板１３を上下方向から挟むように収容・保持するための上部筐体１１、下部筐体１２と、治具１７から成っている。上部筐体１１には、回路基板１３側に向かってボス部１４が形成されている。本実施形態では、ボス部１４は上部筐体１１から凹んだ形状で形成されている。さらに、ボス部１４の凹んだ部位には孔が形成され、ボスねじ１６が挿通するようになっている。

同様に、下部筐体１２には、回路基板１３側に向かってボス部１５が形成されている。図２に示すように、上部筐体１１のボス部１４と、下部筐体１２のボス部１５は対向している。本実施形態では、ボス部１５は下部筐体１２から突出した形状で形成されている。さらに、ボス部１５には、上部筐体１１側からボスねじ１６が螺入可能に雌ねじが加工されている。尚、ボス部１５の外周囲には、適宜、補強用のリブ１５ａを形成し、剛性を高めることもできる。

治具１７は、円筒状を呈しており、その円筒状部１７ａの内側１７ｃには、ボス部１４、１５が摺動可能に挿入される。治具１７の円筒状部１７ａの中間部には、つば部１７ｂが形成されている。

回路基板１３には、治具１７の円筒状部１７ａの外径より大きい径の穴部１３ａが形成され、治具１７が穴部１３ａを貫通するようになっている。回路基板１３の穴部１３ａの周囲には、半田接合部１８が設けられ、治具１７のつば部１７ｂと回路基板１３は、半田接合され、電気的な導通が確保される。また、回路基板１３上には、電子部品１９が実装されている。本実施形態では、治具１７は他部品と同様に半田付け工程で実装される。

例えば、回路基板１３を搭載した電子機器が０℃〜４０℃の環境温度で使用されたとき、当該電子機器の温度範囲でボス部１４、１５の外周１４ａ、１５ａと治具１７の円筒状部１７ａの内側１７ｃとは、ボス部１４、１５の締結方向に摺動可能となっている。

尚、回路基板１３は別途その両端部（図示せず）において固定されているが、本発明とは直接関係しない部分であるので、省略する。

上述したように回路基板１３の支持構造が構成されていることから、回路基板１３はボス部１４、１５では固定されておらず、ボス部１４、１５の締結方向には摺動可能となっている。そのため、例えば、上部筐体１１が押された場合であっても、ボス部１４、１５直上からの外部荷重が、回路基板１３に直接加わらない。したがって、外部荷重によって、回路基板１３においてボス部１４、１５周辺に応力が集中しないため、ボス部１４、１５近傍に存在する電子部品１９の接合部への負荷を低減できる。

ボス部１４、１５直上からの外部荷重によって、上部筐体１１あるいは下部筐体１２に過大な変形が生じた場合であっても、治具１７の円筒状部１７ａの端部１７ｄが上部筐体１１あるいは下部筐体１２に接触する。そのため、回路基板１３上に搭載された電子部品１９が上部筐体１１に接触することを防ぐことができる。

また、治具１７は、ボス部１４、１５の締結方向に平行なボス部１４、１５の外周表面１４ａ、１５ａの全周に対して、円筒状部１７ａの内側１７ｃで概ね接触して対向している。そのため、回路基板１３の面内方向力と面内軸まわりのモーメントは伝達できる。したがって、ボス部１４、１５直上以外からの荷重に対しては、回路基板１３に荷重が伝わり、筐体全体の剛性が高くなる。

一方、治具１７は半田接合部１８に固定されているため、他の部位と比較して柔構造になっている。したがって、電子機器の周囲あるいは内部で温度変動が生じた場合でも、回路基板１３においてボス部１４、１５周辺に応力が集中しないため、ボス部１４、１５近傍に存在する電子部品１９の接合部への負荷を低減することができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。図４は、本発明の第二の実施形態に係る回路基板の支持構造を模式的に示す斜視図である。図５は、本発明の第二の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。また、図６は、支持構造における治具３０の斜視図である。

本実施形態では、治具３０以外の構成は第一の実施形態と同様である。図４、図６に示すように、治具３０は第一の実施形態と異なり、長手方向に一部が切り欠かれた形状に形成されている。

円筒状部３０ａ、つば部３０ｂが一部切り欠かれた形状であっても、ほぼ第一の実施形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、一部が切り欠かれた円筒状部３０ａ内部の摺動面３０ｃは、ボス部１４、１５の締結方向に平行なボス部１４、１５の外周表面の一部に対して概ね接触して対向している。そのため、摺動面３０ｃがボス部外周表面１４ａ、１５ａに対向している方向については、回路基板１３の面内方向力と面内軸まわりのモーメントは伝達されるので、筐体全体の剛性を高める。一方、摺動面３０ｃがボス部１４、１５外周表面１４ａ、１５ａに対向していない方向については、回路基板１３の面内方向力と面内軸まわりのモーメントは伝達しない。そのため、電子部品１９が実装されている方向を、ボス部外周表面１４ａ、１５ａに対向していない方向になるように治具３０を配置すると、ボス部１４、１５直上以外からの荷重に対しても、電子部品１９の接合部への負荷を低減することができる。

（第三の実施形態）
次に、本発明の第三の実施形態について説明する。図７は、本発明の第三の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。

この回路基板の支持構造は、大略すると、回路基板１３を上下方向から挟むように収容・保持するための上部筐体１１、下部筐体１２と、治具３１から成っている。上部筐体１１には、回路基板１３側に向かってボス部１４が形成されている。本実施形態では、ボス部１４は上部筐体１１から凹んだ形状で形成されている。さらに、ボス部１４の凹んだ部位には孔が形成され、ボスねじ１６が挿通するようになっている。

同様に、下部筐体１２には、回路基板１３側に向かってボス部１５が突出して形成されている。図７に示すように、上部筐体１１のボス部１４と、下部筐体１２のボス部１５は対向している。さらに、ボス部１５には、上部筐体１１側からボスねじ１６が螺入可能に雌ねじが加工されている。

治具３１は、円筒状を呈しており、その円筒状部３１ａの内側３１ｃには、ボスねじ１６が摺動可能に挿入される。治具３１の中間部には、つば部３１ｂが形成されている。

回路基板１３には、治具３１の円筒状部３１ａの外径より大きい径の穴部１３ａが形成され、治具３１が穴部１３ａを貫通するようになっている。回路基板１３の穴部１３ａの周囲には、半田接合部１８が設けられ、治具３１のつば部３１ｂと回路基板１３は、半田接合され、電気的な導通が確保される。また、回路基板１３上には、電子部品１９が実装されている。

上述したように回路基板１３の支持構造が構成されていることから、回路基板１３はボスねじ１６では固定されておらず、ボスねじ１６と治具３１とは摺動可能となっている。そのため、例えば、上部筐体１１が押された場合であっても、ボス部１４、１５直上からの外部荷重が、回路基板１３に直接加わらない。したがって、外部荷重によって、回路基板１３においてボス部１４、１５周辺に応力が集中しないため、ボス部１４、１５近傍に存在する電子部品１９の接合部への負荷を低減できる。

ボス部１４、１５直上からの外部荷重によって、上部筐体１１あるいは下部筐体１２に過大な変形が生じた場合であっても、治具３１の円筒状部３１ａの端部３１ｄがボス部１４あるいはボス部１５に接触する。そのため、回路基板１３上に搭載された電子部品１９が上部筐体１１に接触することを防ぐことができる。

また、治具３１は、ボスねじ１６の外周表面の全周に対して、円筒状部３１ａの内側３１ｃで概ね接触して対向している。そのため、回路基板１３の面内方向力と面内軸まわりのモーメントは伝達できる。したがって、ボス部１４、１５直上以外からの荷重に対しては、回路基板１３に荷重が伝わり、筐体全体の剛性が高くなる。

一方、治具３１は半田接合部１８に固定されているため、他の部位と比較して柔構造になっている。したがって、電子機器の周囲あるいは内部で温度変動が生じた場合でも、回路基板１３においてボス部１４、１５周辺に応力が集中しないため、ボス部１４、１５近傍に存在する電子部品１９の接合部への負荷を低減することができる。

（第四の実施形態）
次に、本発明の第四の実施形態について説明する。図８は、本発明の第四の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。図９は、回路基板と回路基板上の配線を示す斜視図である。本実施形態においては、半田接合部が第１の半田接合部２２と第２の半田接合部２３から形成されている。第１の半田接合部２２と第２の半田接合部２３は、それぞれ回路基板１３上に形成された配線２０、２１に接続されている。この点で第一の実施形態と異なるが、それ以外の構成は、第一の実施形態と同様である。したがって、第一の実施形態で述べたと同様の効果を奏することができる。

治具１７は、例えばアルミニウムなどの金属製の導電体が好適である。図９に示すように、回路基板１３上で、それぞれ配線２０、第１の半田接合部２２、治具１７、第２の半田接合部２３、配線２１が順に導電されており、該接続経路の電気抵抗値を測定する回路網を有している。尚、必要に応じ、電圧値や電流値を測定可能であることは言うまでもない。

通常、半導体パッケージ２４と回路基板１３の線膨張率差に起因する両者の相対変位に比べ、上部筐体１１及び下部筐体１２と回路基板１３の線膨張率差に起因する両者の相対変位の方が大きい。したがって、半導体パッケージ２４と回路基板１３の接合部に生じる歪よりも、上部筐体１１及び下部筐体１２と回路基板１３が接合されているボス部１４、１５に生じる歪の方が大きい。相対変位を接合部の高さで除した値が平均歪であるので、第１の半田接合部２２及び第２の半田接合部２３の高さが半導体パッケージ２４の接合部と同じか若干高い場合、半導体パッケージ２４よりも若干短い疲労寿命を設定することができる。

具体的には、以下のように設計できる。

一般的に、上部筐体１１や下部筐体１２の材質として、例えばABS樹脂等の樹脂材料やマグネシウム合金が使用される。それぞれの線膨張率は、樹脂筐体で約80ppm/℃、マグネシウム筐体で約26ppm/℃である。例えば、上部筐体１１や下部筐体１２が樹脂製で構成されている場合、線膨張率が約80ppm/℃である。また、回路基板１３の線膨張率が約15ppm/℃、半導体パッケージ２４の線膨張率が約13ppm/℃、筐体内部における温度変動幅を20℃、面内のボス部とボス部の距離を150mm、電子部品のサイズを35mm×35mmとすると、上部筐体１１や下部筐体１２と回路基板１３の膨張差は約0．2mm、半導体パッケージ２４と回路基板１３の膨張差は約0．002mmとなる。

このように、半導体パッケージ２４と回路基板１３の線膨張率差に起因する両者の相対変位に比べ、上部筐体１１や下部筐体１２と回路基板１３の線膨張率差に起因する両者の相対変位の方が大きいことが分かる。

したがって、半導体パッケージ２４の接合部が破断する前に、第１の半田接合部２２或いは第２の半田接合部２３が破断し、電気抵抗値が上昇することにより、回路基板１３上の半導体パッケージ２４の接合部の破断が近づいていることをあらかじめ検知できる。

（第五の実施形態）
次に、本発明の第五の実施形態について説明する。図１０（ａ）は、支持構造における治具の斜視図で、図１０（ｂ）は、治具の一部分の斜視図である。

本実施形態において、治具１７は、樹脂製部分２５と例えばアルミニウム等の金属製部分２６とで構成されている。それ以外の構成は、上述した第四の実施形態と同様となっている。したがって、第四の実施形態で述べたと同様の効果を奏する。

治具１７の樹脂製部分２５は、金属製部分２６と付着固定するようにアウトサート成形されている。回路基板１３上には、図９に示したと同様、配線２０、第１の半田接合部２２、治具１７の金属製部分２６、第２の半田接合部２３、配線２１が、その順に導電されており、該接続経路の電気抵抗値を測定する回路網を有している。尚、電圧値や電流値を測定することも可能であることは言うまでもない。

本実施形態によれば、治具１７の大部分が樹脂製部分２５であるため、軽量かつ成形が容易である。

（第六の実施形態）
次に、本発明の第六の実施形態について説明する。図１１は、本発明の第六の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。図１２は、回路基板と回路基板上の配線を示す斜視図である。

図１１に示すように、治具３２はテーパー３２ａを有しており、さらに下部筐体ボス部３３も上部筐体ボス部１４に向かって径小となるようテーパーを有して形成されている。本実施形態では、治具３２および下部筐体ボス部３３の形状が、上述した第四の実施形態と異なっている。それ以外の構成は、第四の実施形態と同様となっている。したがって、第四の実施形態と同様の効果を奏することができる。

温度変動によって、上部筐体１１や下部筐体１２と回路基板１３の線膨張率差に起因する両者の相対変位が生じると、治具３２は下部筐体ボス部３３に接触し、テーパーによって治具３２のつば部３２ｂが回路基板１３から離れる方向の力が治具３２に作用する。そのため、第１の半田接合部２２あるいは第２の半田接合部２３には、引張方向の力が作用する。仮に、第１の半田接合部２２あるいは第２の半田接合部２３が破断しても、破断面が接触すると導電するため、前記電気抵抗値が変化しない可能性がある。しかしながら、本実施形態では、第１の半田接合部２２あるいは第２の半田接合部２３に引張方向の力が作用する。そのため、第１の半田接合部２２あるいは第２の半田接合部２３が破断しても、電気抵抗値が変化しないという現象を防ぐことができる。
なお、本発明は上記の実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第一の実施形態に係る回路基板の支持構造を模式的に示す斜視図である。本発明の第一の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。支持構造における治具の斜視図である。本発明の第二の実施形態に係る回路基板の支持構造を模式的に示す斜視図である。本発明の第二の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。支持構造における治具の斜視図である。本発明の第三の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。本発明の第四の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。回路基板と回路基板上の配線を示す斜視図である。支持構造における治具の斜視図である。本発明の第六の実施形態に係る回路基板の支持構造の略断面図である。回路基板と回路基板上の配線を示す斜視図である。従来の電子機器における回路基板の支持状態を示す略断面図である。

符号の説明

１１…上部筐体、１２…下部筐体、１３…回路基板、１４…上部筐体ボス部、１５、３３…下部筐体ボス部、１６…ボスねじ、１７、３０、３１、３２…治具、１８…半田接合部、１９…電子部品、２０、２１…配線、２２…第１の半田接合部、２３…第２の半田接合部、２４…半導体パッケージ、２５…治具の樹脂製部分、２６…治具の金属製部分、２７、２８、２９…ボス部。

Claims

電子機器の回路基板支持構造であって、第１のボス部が形成された第１の筐体と、
第２のボス部が形成され、この第２のボス部と前記第１のボス部がネジ部材によって締結可能に形成された第２の筐体と、
円筒状部とこの円筒状部の外周に形成されたつば部を有し、前記第１のボス部及び第２のボス部が前記円筒状部の内周壁で摺動可能に形成された治具と、
前記第１、第２の筐体から成る筐体内部に配設され、前記治具の前記円筒状部を貫通する穴部と該穴部の周囲に設けられる前記治具の前記つば部と半田付けされる接合領域とを有する回路基板と、
から成ることを特徴とする電子機器の回路基板支持構造。
前記第２のボス部の外周囲にはリブが形成され、該リブが前記治具の前記円筒状部の内周壁と摺動可能であることを特徴とする請求項１記載の電子機器の回路基板支持構造。
前記第１の筐体と第２の筐体との間隙寸法は、前記治具の前記円筒状部の長さよりも、大きいことを特徴とする請求項１記載の電子機器の回路基板支持構造。
前記治具は、前記円筒状部の長手方向に沿って、一部切り欠かれていることを特徴とする請求項１記載の電子機器の回路基板支持構造。
電子機器の回路基板支持構造であって、第１のボス部が形成された第１の筐体と、
第２のボス部が形成された第２の筐体と、
前記第２のボス部と前記第１のボス部を介して、前記第１の筐体と前記第２の筐体とを締結するネジ部材と、
円筒状部とこの円筒状部の外周に形成されたつば部を有し、前記円筒状部は前記第１のボス部及び第２のボス部の間に配置され、前記ネジ部材が内周壁で摺動可能に形成された治具と、
前記第１、第２の筐体から成る筐体内部に配設され、前記治具の前記円筒状部を貫通する穴部と該穴部の周囲に設けられる前記治具の前記つば部と半田付けされる接合領域とを有する回路基板と、
から成ることを特徴とする電子機器の回路基板支持構造。
前記接合領域は、第１の半田接合部と第２の半田接合部で分離して形成され、
前記治具は、前記第１の半田接合部と第２の半田接合部を電気的に接続する導電部を有し、
前記回路基板上に形成され、前記第１の半田接合部と電気的に接続する第１の配線と、
前記回路基板上に形成され、前記第２の半田接合部と電気的に接続する第２の配線とを有し、
前記第１の配線及び前記第２の配線に電気的に接続され、前記第１の半田接合部或いは前記第２の半田接合部の電気的特性値を測定するための回路網を具備することを特徴とする請求項１または５記載の電子機器の回路基板支持構造。
前記電気的特性値が、抵抗値、電圧値、電流値のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の電子機器の回路基板支持構造。