JP2010219087A - 表面実装部品の実装構造および実装方法 - Google Patents

表面実装部品の実装構造および実装方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半田ボールの発生を防止することが出来る表面実装部品の実装構造、および、実装方法を提供する。
【解決手段】印刷配線基板(PWB)200は、当該基板面上に、表面実装部品の本体部Cの底面に形成された実装部Mに対応するランドL1と、PWB200面上でランドL1と隔離され、表面実装部品の本体部Cの側方へ露出しないように本体部Cの底面で覆われるランドL2とを有する。実装部MとランドL1の間から押し出されて、PWB200面上に広がった溶融半田RSの内、ランドL1とランドL2との間にあるレジストRを越えて、ランドL2に達した溶融半田RSは、当該ランドL2に付着する。
【選択図】図9

Description

本発明は、表面実装部品を印刷配線基板に実装した実装構造、および、当該実装構造における実装方法に関する。
従来、印刷配線基板に電子部品を実装する方法としては、挿入実装が知られている。周知の通り、挿入実装では、印刷配線基板に設けた貫通孔に電子部品のリード線を通し、当該貫通孔の周囲に設けた半田付け用の銅箔にリード線を半田付けする。
しかしながら、挿入実装においては、印刷配線基板の強度を保つために、貫通孔同士の間隔を確保しなくてはならないため、当該印刷配線基板面上において、高密度な配線や電子部品の集積を行うことが困難であった。
上述した問題を解決する実装方法としては、印刷配線基板面上に電子部品を直接半田付けする表面実装が知られている。以下においては、表面実装に使用される電子部品を「表面実装部品」と記載する。また、半田付け用の銅箔を「ランド」と記載する。
周知の通り、表面実装では、表面実装部品の本体の底面に形成された実装部を半田付けするためのランド(以下、「実装用ランド」と記載)と、表面実装部品の本体から突出して形成された端子部を半田付けするためのランド(以下、「端子用ランド」と記載)を印刷配線基板面上に設け、各ランドにペースト状の半田(以下、「半田ペースト」と記載)を予め塗布する。そして、当該半田ペーストが塗布された各ランドに、表面実装部品の実装部と端子部を接触させ、当該表面実装部品が載せられた印刷配線基板を高温の炉に通して半田ペーストを溶融させることで、実装部と実装用ランド、および、端子部と端子用ランドをそれぞれ半田付けする。
表面実装方法では、印刷配線基板に電子部品のリード線を通すための貫通孔を設ける必要が無いため、当該印刷配線基板の強度を保つことが出来ると共に、印刷配線基板面上において、高密度な配線や電子部品の集積を行うことが出来る。これにより、印刷配線基板のサイズの小型化を図ることが出来る。
しかしながらその一方で、表面実装部品の端子部だけでなく、実装部にも半田ペーストが塗布されるため、溶融した半田ペーストの一部が、実装部と実装用ランドの間から押し出されて、当該表面実装部品の脇へはみ出し、ボール状に固まる場合がある。尚、ボール状に固まった半田は、一般的に、「半田ボール」と呼ばれている。下記の特許文献1〜7においては、半田ボールの発生を防止するための実装構造や実装方法が開示されている。
特開平6−61635号公報 特開平7−297526号公報 特開平7−302970号公報 特開平11−97826号公報 特開2003−8184号公報 特開2004−6454号公報 特開2004−186250号公報
各ランドの部分を除く印刷配線基板面上においては、半田の付着を防止して電気的絶縁性を図るとともに、当該印刷配線基板を外部環境から保護するためのレジストが施されている。このため、印刷配線基板面上や表面実装部品の脇に発生した半田ボールは、当該印刷配線基板が衝撃や振動を受けた場合、発生位置から容易に外れて、当該印刷配線基板面上を移動する。
例えば、半田ボールが、表面実装部品の端子間や当該表面実装部品に隣接する他の電子部品の端子間に移動した場合、移動先の端子間において、当該半田ボールによる半田ブリッジが発生して、短絡などの電気的障害が引き起こされる恐れがある。
本発明は、上述した問題点に鑑み、半田ボールの発生を防止することが出来る表面実装部品の実装構造、および、実装方法を提供することを目的としている。
本発明に係る実装構造は、印刷配線基板に表面実装部品を実装した実装構造であって、印刷配線基板は、当該基板面上に、表面実装部品の本体部の底面に形成された実装部に対応する第1ランドと、基板面上で第1ランドと隔離され、表面実装部品の本体部の側方へ露出しないように当該本体部の底面で覆われる第2ランドとを有している。そして、表面実装部品は、第1ランドのみに塗布されたペースト状の半田により実装部と第1ランドが接合されることで、印刷配線基板面上に実装されている。
このようにすることで、実装部と第1ランドの間から押し出された溶融半田の内、当該溶融半田の表面張力により第1ランドに集約されない溶融半田は、表面実装部品の本体部の底面で覆われる第2ランドに付着し、表面実装部品の本体部の脇へはみ出さない。このため、溶融半田により半田ボールが発生することを防止することが出来る。
本発明の実装構造において、表面実装部品の本体部の底面の周縁は、第2ランドより外側に位置しているのが好ましい。
このようにすることで、実装部と第1ランドの間から押し出された溶融半田が、第2ランドを多少越えて広がったとしても、表面実装部品の本体部の脇へはみ出すには至らないので、半田ボールの発生をより効果的に防止することが出来る。
本発明の実装構造において、第2ランドの長辺は、当該長辺と対向する第1ランドの周縁と平行であってもよく、第1ランドは、実装部と同一の形状であってもよい。
このようにすることで、実装部と第1ランドの間から押し出された溶融半田により、印刷配線基板上に載せられた表面実装部品の重心位置が不安定となり、当該表面実装部品の実装位置や向きにずれが生じたとしても、実装部と同一の形状の第1ランドに集約される当該溶融半田の表面張力により、表面実装部品の実装位置や向きが復帰し、当該表面実装部品の重心位置が安定する。このため、表面実装部品を印刷配線基板に実装する際に生じる実装位置および向きのずれを抑えることが出来る。
本発明の実装構造において、第2ランドは、第1ランドを取り囲んでいてもよい。
このようにすることで、実装部と第1ランドの間から押し出された溶融半田が多方向へはみ出すのを効果的に防止することが出来る。
本発明の実装構造において、印刷配線基板は、当該基板面上に、表面実装部品の本体部から突出して形成された端子部に対応する第3ランドを有し、第2ランドは、第3ランドと隔離され、かつ、第1ランドと第3ランドの間に位置してもよい。
このようにすることで、実装部と第1ランドの間から押し出された溶融半田が、第3ランドに接続される端子部に付着して、電気的障害が発生することを防止することが出来る。
本発明に係る実装方法は、上述した表面実装部品と印刷配線基板とを用いて、表面実装部品を印刷配線基板に実装する実装方法であって、第1ランドのみにペースト状の半田を塗布し、ペースト状の半田が塗布された第1ランドに実装部を接触させ、表面実装部品が載せられた印刷配線基板を加熱して、ペースト状の半田を溶融させ、その後、当該印刷配線基板を冷却することで、実装部と第1ランドとを接合させ、印刷配線基板に表面実装部品を実装する。
このようにすることで、実装部と第1ランドの間から押し出された溶融半田の内、当該溶融半田の表面張力により第1ランドに集約されない溶融半田は、表面実装部品の本体部の底面で覆われる第2ランドに付着し、表面実装部品の本体部の脇へはみ出さない。このため、溶融半田により半田ボールが発生することを防止することが出来る。
本発明によれば、実装部と第1ランドの間から押し出された溶融半田の内、当該溶融半田の表面張力により第1ランドに集約されない溶融半田は、表面実装部品の本体部の底面で覆われる第2ランドに付着し、表面実装部品の本体部の脇へはみ出さないので、溶融半田により半田ボールが発生するのを防止することが出来る。
表面実装部品の斜視図である。 印刷配線基板の斜視図である。 印刷配線基板に表面実装部品を実装した場合の上面図である。 ペースト状の半田の塗布方法を示した図である。 ペースト状の半田の塗布方法を示した図である。 ペースト状の半田が塗布された印刷配線基板と、表面実装部品を示した図である。 ペースト状の半田の溶融状態を示した図である。 ペースト状の半田の溶融状態を示した図である。 印刷配線基板に表面実装部品が接合された状態を示した図である。 ランドの他の形状を示した図である。 ランドの他の形状を示した図である。 ランドの他の形状を示した図である。 ランドの他の形状を示した図である。
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。
尚、後述する図1〜図7において、同一部分または対応する部分には、同一符号を付してある。
図1の(a)は、表面実装部品(Surface Mount Device)100の上方からみた斜視図であり、図1の(b)は、当該表面実装部品100の下方からみた斜視図である。以下においては、表面実装部品を「SMD」と記載する。
本実施形態において、SMD100は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。また、SMD100は、本体部Cと、実装部Mと、端子部T1〜T3から構成される。
本体部Cは、例えば、エポキシ樹脂等から構成される樹脂モールドである。本体部Cの内部には、電子回路等(図示省略)が収容されている。実装部Mは、例えば、アルミや銅等を成型した板状のヒートシンクである。また、実装部Mは、図1の(b)に示すとおり、本体部Cの底面Cfの大部分に形成されている。この実装部Mは、SMD100の動作時に、当該SMD100で発生した熱を放熱させ、SMD100における過度の温度上昇を抑制するために設けられている。端子部T1は、MOSFETのゲート端子であり、端子部T2は、MOSFETのドレイン端子であり、端子部T1は、MOSFETのソース端子である。また、端子部T1〜T3は、図1の(a)に示すとおり、本体部Cから突出して形成されている。
ここで、図1の(b)に示すとおり、実装部Mは、表面Mfが外部に露出した状態で、本体部Cの底面Cfに埋設されている。この埋設部分における実装部Mは、三方が本体部Cの樹脂モールドによって囲まれている。本体部Cの底面Cfと実装部Mの表面Mfは、同一平面上にある。また、実装部Mの一部は、端子部T1〜T3の突出方向とは逆の方向に突出している。
図2は、SMD100を実装する印刷配線基板(Printed Wiring Board)200の斜視図である。以下において、印刷配線基板を「PWB」と記載する。
PWB200において、L1〜L5はランドであり、例えば、銅箔から形成されている。斜線部で示されるRはレジストであり、例えば、半田の付着を防止して電気的絶縁性を図るとともに、当該PWBを外部環境から保護するソルダーレジストから成る。ここで、ランドL1〜L5の詳細については、図3を参照しながら説明する。尚、図3は、PWB200にSMD100を実装した場合の上面図である。
図3に示す通り、ランドL1は、SMD100(図1)の本体部C(一点鎖線部)の底面Cf(一点鎖線部内の領域)に形成された実装部Mに対応するランドである。このランドL1は、本発明における第1ランドの一実施形態である。また、ランドL1は、実装部Mと同一の形状に形成されている。但し、ランドL1と実装部Mを重なった状態で図示すると分かり難くなるため、図3においては、ランドL1の内側に、実装部Mを図示している。
ランドL2は、PWB200面上でランドL1と隔離され、本体部Cの側方へ露出しないように本体部Cの底面Cfで覆われるランドである。このランドL2は、本発明における第2ランドの一実施形態である。また、本体部Cの底面Cfの周縁(すなわち、図3の一点鎖線)は、ランドL2より外側に位置している。さらに、ランドL2の長辺は、当該長辺と対向するランドL1の周縁と平行であり、ランドL2は、ランドL1を取り囲んでいる。尚、実装部Mの外形寸法を55〔mm〕×50〔mm〕、端子部T1〜T3の外形寸法を10〔mm〕×7.5〔mm〕としたとき、ランドL1とランドL2の間にあるレジストRの幅d1は、例えば、0.2〔mm〕〜0.5〔mm〕程度である。
ランドL3〜L5は、SMD100の本体部Cから突出して形成された端子部T1〜T3(二点鎖線部)に対応するランドである。これらのランドL3〜L5は、本発明における第3ランドの一実施形態である。また、ランドL3〜L5は、ランドL1より小さく形成されている。さらに、ランドL3〜L5は、本体部Cの底面Cfの外側に位置している。尚、実装部Mの外形寸法を55〔mm〕×50〔mm〕、端子部T1〜T3の外形寸法を10〔mm〕×7.5〔mm〕としたとき、ランドL3〜L5とランドL2の間にあるレジストRの幅d2は、例えば、1.3〔mm〕〜1.5〔mm〕程度である。つまり、ランドL2は、ランドL3〜L5と隔離され、かつ、ランドL1とランドL3〜L5の間に位置している。
以上のような構成からなるSMD100をPWB200に実装する場合、本実施形態においては、ランドL2には半田ペーストを塗布せず、ランドL1、L3、L4およびL5のみにペースト状の半田(以下、「半田ペースト」と記載)を塗布する。そして、半田ペーストが塗布されたランドL1に実装部Mを接触させる。同様に、半田ペーストが塗布されたランドL3、L4およびL5に、端子部T1、T2およびT3をそれぞれ接触させる。次に、SMD100が載せられたPWB200を加熱して、半田ペーストを溶融させる。その後、当該PWB200を冷却することにより、実装部MとランドL1とを接合させるとともに、端子部T1、T2およびT3を、ランドL3、L4およびL5に接合させる。以上の工程により、PWB200にSMD100が実装される。
以下、実装方法の手順を更に詳しく説明する。まず、PWB200面上のランドL1およびランドL3〜L5に半田ペーストを塗布する方法について、図4および図5を参照しながら説明する。
図4において、300は、PWB200面上の各ランドに半田ペーストを塗布する際に用いる被覆部材(以下、「マスク」と記載)であり、当該マスク300は、例えば、ニッケル合金等を成型した板状部材から構成されている。また、マスク300には、PWB200面上の各ランドに半田ペーストを塗布するための穴部H1〜H4が形成されており、当該穴部は、対応するランドと同一の形状である。
詳しくは、マスク300には、ランドL1に対応する穴部H1と、ランドL3に対応する穴部H2と、ランドL4に対応する穴部H3と、ランドL5に対応する穴部H4が形成されている。尚、本実施形態においては、ランドL2には、半田ペーストを塗布しないため、当該ランドL2に対応する穴部は、マスク300に形成されていない。
ランドL1、L3〜L5に半田ペーストを塗布する場合は、図5に示すように、各ランドと当該ランドに対応する穴部とを一致させて、PWB200にマスク300を重ねる。そして、マスク300上に半田ペーストPS(着色部)を塗布した後、スキージ(図示省略)等のヘラ部材を用いて、穴部H1〜H4のみに半田ペーストPSを埋入させる。
尚、半田ペーストPSの塗布時において、マスク300の表面と、各穴部における半田ペーストPSの表面が、同一平面上となるように、当該半田ペーストPSを各穴部に埋入する。これにより、半田ペーストPSが塗布された各ランドに、実装部Mおよび端子部T1〜T3を接触させた場合に、PWB200に載せられたSMD100が傾くことを防止することが出来る。
次に、半田ペーストPSが塗布されたPWB200にSMD100を載せる。詳しくは、図6を参照しながら説明する。
図6に示すとおり、PWB200にSMD100を載せる場合は、半田ペーストPSを塗布するために使用したマスク300を、PWB200面上からゆっくりと持ち上げて取り外す。これにより、同じ厚みの半田ペーストPSが塗布されたランドL1およびランドL3〜L5が、PWB200面上に現れる。
続いて、表面実装機(図示省略)を用いて、図中の破線に沿った状態で、半田ペーストPSが塗布されたランドL1に実装部Mを接触させると共に、半田ペーストPSが塗布されたランドL3〜L5に端子部T1〜T3をそれぞれ接触させる。これにより、SMD100は、PWB200上に載せられた状態となる。
最後に、PWB200にSMD100を実装する。つまり、PWB200を加熱して、実装部MとランドL1の間の半田ペーストPSを溶融させるとともに、端子部T1、T2およびT3と、ランドL3、L4およびL5との間の半田ペーストPSを溶融させる。その後、溶融した半田ペーストを冷却して、実装部MとランドL1とを接合させるとともに、端子部T1、T2およびT3と、ランドL3、L4およびL5とを接合させる。詳しくは、図7〜図9を参照しながら説明する。尚、各端子部(T1〜T3)と当該端子部にそれぞれ対応するランド(L3〜L5)の接合については、本発明と直接関係が無いため、以下において、説明を省略する。
図7は、PWB200にSMD100を実装した場合の上面図であり、実装部MとランドL1の間の半田ペーストが溶融している状態を示した図である。図7の着色部に示すように、半田ペーストが溶融すると、当該溶融した半田ペースト(以下、「溶融半田」と記載)RSは、実装部MとランドL1の間から押し出されて、PWB200面上に広がる。当該図7では、ランドL1とランドL2との間にあるレジストRを越えて、溶融半田RSが広がっている。
そして、このように溶融半田RSが広がることにより、当該実装部Mを含むSMD100の重心が不安定となるため、当該実装部MとランドL1との間に、実装位置や向きのずれが生じる場合がある。例えば、ランドL1内に収まっていた実装部Mの位置(図7点線部)が、図8の点線部のように左下方にずれる場合がある。尚、実装部Mの位置がずれることにより、本体部Cや端子部T1〜T3の位置もずれる。つまり、SMD100全体に、実装位置や向きのずれが生じる。
しかしながら、図9に示すように、ランドL1とランドL2との間にあるレジストRを越えて広がった溶融半田RSの内、ランドL2に達した溶融半田RSは、当該ランドL2に付着する。そして、ランドL2に付着しなかった溶融半田RSは、当該溶融半田RSの表面張力によりランドL1に引き戻されて、そこに集約される。その後、ランドL1に集約された溶融半田RSが冷却されて、ランドL1と実装部Mが接合される。これにより、PWB200にSMD100が実装される。
このように、上述した実施形態においては、実装部MとランドL1の間から押し出されて、PWB200面上に広がった溶融半田RSの内、ランドL1とランドL2との間にあるレジストRを越えて、ランドL2に達した溶融半田RSは、当該ランドL2に付着する。また、ランドL2に付着しなかった溶融半田RSは、当該溶融半田RSの表面張力により、実装部Mと同一の形状のランドL1に集約される。
これにより、実装部MとランドL1の間から押し出されて広がった溶融半田RSが、SMD100の本体部Cの脇へはみ出すことを防止することが出来る。つまり、溶融半田RSの広がりをランドL2で食い止めて、当該溶融半田RSがSMD100の本体部Cの脇へはみ出さないようにすることにより、半田ボールが発生するのを防止することが出来る。
また、SMD100の本体部Cの底面Cfの周縁は、ランドL2より外側に位置しているため、実装部MとランドL1の間から押し出された溶融半田RSが、ランドL2を多少越えて広がったとしても、SMD100の本体部Cの脇へはみ出すには至らない。これにより、半田ボールの発生をより効果的に防止することが出来る。
また、実装部Mと同一形状のランドL1に集約される溶融半田RSの表面張力により、SMD100の実装位置や向きが復帰し、当該SMD100の重心位置が安定する。このため、SMD100をPWB200に実装する際に生じる実装位置および向きのずれを抑えることが出来る。
また、ランドL2は、ランドL1を取り囲んでいるため、実装部MとランドL1の間から押し出された溶融半田RSが多方向へはみ出すのを効果的に防止することが出来る。
さらに、実装部MとランドL1の間から押し出されて広がった溶融半田RSの内、ランドL3〜L5側に広がった溶融半田RSもランドL2に付着するため、当該溶融半田RSがランドL3〜L5に接続される端子部T1〜T3に付着して、短絡などの電気的障害が発生することを防止することが出来る。
本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。例えば、上記実施形態では、SMD100をMOSFETとしたが、これに限られず、CPU(Central Processing Unit)や、三端子レギュレータ等としてもよい。
また、上記実施形態では、実装部Mを、アルミや銅等を成型した板状のヒートシンクとしたが、これに限られず、半田の接合が可能な部材であればよい。また、ヒートシンクの機能を有していなくてもよい。このため、例えば、端子部T1〜T3のような、電気信号を伝えるための端子でもよい。
また、上記実施形態では、ランドL1の形状を方形としたが、これに限られず、実装部Mの形状に対応した形状であればよい。尚、この場合、ランドL2もランドL1の形状に合わせて形成される。例えば、ランドL1およびランドL2の形状を、図10や図11に示す形状としてもよい。
また、上記実施形態においては、ランドL2は連続した形状であったが、例えば、図12に示すように、一部に不連続な部分を有する形状であってもよい。
また、上記実施形態では、ランドL2はランドL1を取り囲んだが、これに限られず、例えば、図13に示すように、ランドL1を取り囲まない直線形状であってもよい。
さらに、上記実施形態では、ランドL1とランドL2の間にあるレジストRの幅d1を、0.2〔mm〕〜0.5〔mm〕程度とし、ランドL3〜L5とランドL2の間にあるレジストRの幅d2を、1.3〔mm〕〜1.5〔mm〕程度としたが、これらの幅は上記に限られず、実装する表面実装部品の仕様(形状や大きさ)に応じて調整すればよい。
100 表面実装部品(SMD)
200 印刷配線基板(PWB)
C 本体部
Cf 底面
M 実装部
R レジスト
T1〜T3 端子部
L1〜L5 ランド
PS ペースト状の半田
RS 溶融半田

Claims (6)

  1. 印刷配線基板に表面実装部品を実装した実装構造において、
    前記印刷配線基板は、当該基板面上に、前記表面実装部品の本体部の底面に形成された実装部に対応する第1ランドと、前記基板面上で前記第1ランドと隔離され、前記表面実装部品の本体部の側方へ露出しないように当該本体部の底面で覆われる第2ランドとを有し、
    前記表面実装部品は、前記第1ランドのみに塗布されたペースト状の半田により前記実装部と前記第1ランドが接合されることで、前記印刷配線基板面上に実装されていることを特徴とする表面実装部品の実装構造。
  2. 請求項1に記載の実装構造において、
    前記本体部の底面の周縁は、前記第2ランドより外側に位置することを特徴とする表面実装部品の実装構造。
  3. 請求項1または請求項2に記載の実装構造において、
    前記第2ランドの長辺は、当該長辺と対向する前記第1ランドの周縁と平行であり、前記第1ランドは、前記実装部と同一の形状であることを特徴とする表面実装部品の実装方法。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の実装構造において、
    前記第2ランドは、前記第1ランドを取り囲んでいることを特徴とする表面実装部品の実装方法。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の実装構造において、
    前記印刷配線基板は、当該基板面上に、前記表面実装部品の本体部から突出して形成された端子部に対応する第3ランドを有し、
    前記第2ランドは、前記第3ランドと隔離され、かつ、前記第1ランドと前記第3ランドの間に位置することを特徴とする表面実装部品の実装構造。
  6. 表面実装部品と、
    基板面上に、前記表面実装部品の本体部の底面に形成された実装部に対応する第1ランドと、前記基板面上で前記第1ランドと隔離され、前記表面実装部品の本体部の側方へ露出しないように当該本体部の底面で覆われる第2ランドとを有する印刷配線基板と、を用いて、前記表面実装部品を前記印刷配線基板に実装する実装方法であって、
    前記第1ランドのみにペースト状の半田を塗布し、前記ペースト状の半田が塗布された前記第1ランドに前記実装部を接触させ、前記表面実装部品が載せられた前記印刷配線基板を加熱して、前記ペースト状の半田を溶融させ、その後、当該印刷配線基板を冷却することで、前記実装部と前記第1ランドとを接合させ、前記印刷配線基板に前記表面実装部品を実装することを特徴とする表面実装部品の実装方法。
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