JP2004228261A - プリント回路板 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリーはんだを用いるフロー工法において、はんだが十分に上面側ランド電極に濡れ広がり、且つリフトオフおよびランド剥離を発生しないプリント回路板を提供する。
【解決手段】上面側ランド電極１２ａの外周部に３つ以上のミニバイヤ１４を形成する。ミニバイヤ１４の伝熱効果によって上面側ランド電極１２ａの外周部の加熱および冷却が促進され、はんだの濡れ性が向上し且つリフトオフの発生が防止される。また、ミニバイヤ１４の補強効果によって、ランド剥離の発生が防止される。ミニバイヤをランド電極１２ａの外に配してミニバイヤとランド電極とを金属層でつなげても良い。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プリント回路板の構造に関するものであって、はんだの鉛フリー化に対応するためのものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリント回路板に電子部品を実装する方法として一般的に採用されている工法には、表面実装型電子部品に適用されるリフロー工法と、挿入実装型電子部品（以下では「挿入実装部品」という）に適用されるフロー工法とがある。リフロー工法は、はんだペースト等を電極等のはんだ付け部に予めスクリーン印刷等で供給しておき、その上に表面実装型電子部品を搭載した状態で、赤外線や熱風ではんだを加熱溶融し、プリント回路板に表面実装型電子部品をはんだ付けする工法である。フロー工法は、プリント回路板のスルーホールに挿入実装部品のリードを挿入し、このプリント回路板を溶融したはんだ浴の噴流部に接触させながら通過させて、接触させた溶融はんだによってプリント回路板に挿入実装部品をはんだ付けする工法である。従来から最も一般的に用いられている錫−鉛共晶はんだによるはんだ付けでは、両工法ともに幅広く採用されている。
【０００３】
図４は、フロー工法で用いられた従来のプリント回路板１のスルーホール１１近傍の構造を示し、（ａ）はその外観を示す斜視図、（ｂ）は断面図である。
挿入実装部品のリード線（以下では単に「リード線」と略称する）を挿入するスルーホール１１の内面にはメタライズ層１１１が形成され、その周辺の上下面には、そのメタライズ層１１１につながる上面側ランド電極１２および下面側ランド電極１３が形成されている。
なお、以下の説明において、上面側ランド電極１２および下面側ランド電極１３を総称する場合には、単に「ランド電極」と呼ぶ。
【０００４】
フロー工法においては、スルーホール１１に挿入実装部品のリードを挿入した状態で、プリント回路板１を噴流部に接触させながらはんだ浴の噴流部上を通過させる。この工程の初期状態を示した図が、図３（ｂ）である。噴流はんだ４に接触したプリント回路板１の下面の内で、噴流はんだ４と濡れ合うのは、下面側ランド電極１３およびリード２の下部突出部である。噴流はんだ４の一部は、この状態から、スルーホール１１のメタライズ層１１１およびリード２と濡れ合いながらスルーホール１１内を上昇して、上面側ランド電極１２上に濡れ広がっていく。
この過程を熱の流れと関係付けて説明すると、以下のとおりである。
【０００５】
プリント回路板１のベース素材は、熱伝導性の低い樹脂基板（樹脂基板の熱伝導度は銅の熱伝導度より約３桁小さい）であるので、フロー工法ではんだ付けする場合には、溶融した噴流はんだ４からプリント回路板１の下面に供給される熱は、主にスルーホール１１のメタライズ層１１１およびリード２を伝わって上面側ランド電極１２へ伝達される。このため、スルーホール１１の下部から温度が上昇し始めて段々に上部まで加熱され、次いで、上面側ランド電極１２が、スルーホール１１に近い部分から外側に向かって加熱される。したがって、上面側ランド電極１２の外周部の温度が最も遅れて上昇することになる。しかし、使用するはんだが錫−鉛共晶はんだである場合には、その融点（１８３℃）と溶融はんだの温度（例えば２５０℃）との間に十分な温度差があり、且つはんだの濡れ性も良いので、上面側ランド電極１２上にもはんだが十分に濡れ広がることができ、信頼性の高いはんだ付けができる。
【０００６】
なお、冷却時には、挿入実装部品の本体部がヒートシンクとなり、且つプリント回路板１が下方からファン等の冷却手段によって冷却されるので、スルーホール１１から冷却が進み、上面側ランド電極１２内の温度分布は、加熱時とは逆転して、スルーホール１１に近いほど低く外周部が最も高くなる。
このような確立された実装技術のはんだ材料として使用されている錫−鉛共晶はんだ等の鉛を含むはんだは、その成分である鉛の人体への影響や溶出による環境汚染が問題となってきており、このため、鉛を含むはんだから鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）への転換が世界的に推進されている。なお、錫−鉛共晶はんだが鉛フリーはんだに置き換えられる場合においても、部品の実装方法としては上記と同様のリフロー工法やフロー工法等が適用される。
【０００７】
しかしながら、はんだ中に含まれる鉛は、融点を低下させ、溶融時の流動性を高め、表面張力を下げるという機能を担っており、この鉛を含まない鉛フリーはんだは、錫−鉛共晶はんだに比べて、融点が２１０￣２３０℃と高くなり、溶融時の流動性は低くなり、表面張力は高くなる。このため、鉛フリーはんだを用いるフロー工法においては、スルーホール１１内のはんだの濡れ上がりが遅くなって、上面側ランド電極１２へのはんだの濡れ広がりが不十分になり、信頼性が低下してくると言う問題点があり、更に、はんだとランド電極とが離れるリフトオフ現象や、ランド電極がプリント回路板から剥離してくるランド剥離、を発生するという問題点がある。図５は、リフトオフ現象およびランド剥離をモデル的に示した図であり、上面側ランド電極１２でリフトオフ現象が発生し、下面側ランド電極１３でランド剥離が発生している状態を示している。
【０００８】
前者の問題点は、上述したような有効な機能をもつ鉛を成分として含まない鉛フリーはんだの特性に関係する問題点であるが、はんだ付け工程の許容最高温度が材料や部品の耐熱温度等によって制限されていることに伴う問題点でもある。すなわち、許容最高温度が材料や部品の耐熱温度等によって制限されているので、はんだ付け工程の許容最高温度を錫−鉛共晶はんだの場合の２５０℃より幾らも高くできないがために、許容最高温度とはんだの融点との温度差が、錫−鉛共晶はんだの場合に比べて、１／２あるいはそれ以下になっている。このため、加熱時に最も昇温が遅れる上面側ランド電極１２の外周部の温度が、はんだ付けに必要な温度（はんだとランド電極とが濡れ合う温度）まで上昇できないことがあるためである。言い換えれば、温度差に余裕がなくなったのである。
【０００９】
この問題点に対応するために、スルーホールの上下の開口部をテーパ状に広げて、はんだの濡れ上がりを改善しようとしたものが、「特許文献１」に開示されている。
後者の問題点は、冷却時には、上面側ランド電極１２の外周部の温度が最も遅れて低下すること、鉛フリーはんだが共晶はんだではないことに伴う液相線温度と固相線温度との温度差（１０〜２０℃）から派生して、はんだの凝固時間が長くなること、およびはんだの成分が偏析すること、鉛フリーはんだが錫−鉛共晶はんだに比べて硬く且つ延性に乏しいこと、および、鉛フリーはんだの融点が錫−鉛共晶はんだより高い２１０￣２３０℃であること、に伴う問題点であり、リフトオフ現象には上記の全てが関係しており、ランド剥離には後の２つが主に関係している。
【００１０】
この問題点に対応するために、ランド電極の少なくとも外周部をソルダマスクで覆ったものが、「特許文献２」に開示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−７６６１５号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３２８５１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題点は、いずれも挿入実装部品を実装されたプリント回路板の信頼性に関わる問題点であって、是非とも解消しなければならないものである。
この発明の課題は、これらの問題点を解消して、鉛フリーはんだを用いるフロー工法において、はんだが十分に上面側ランド電極に濡れ広がり、且つリフトオフ現象およびランド剥離を発生しないプリント回路板を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、スルーホールの上下両端部に上面側ランド電極および下面側ランド電極を備えてフロー工法で挿入実装部品を実装するプリント回路板であって、前記上面側ランド電極の外周部近傍に、下面側から上面側ランド電極の外周部へ熱を伝導し且つ両ランド電極の密着強度を補う伝熱・補強手段を備えている。
「従来の技術」の項で説明したように、従来の上面側ランド電極では、スルーホールに近い部分の温度は早く上昇するが、外側になるほど温度上昇が遅れる。このため、融点が高く、流動性の良くない鉛フリーはんだの場合には、上面側ランド電極の温度、特に外周部の温度、の上昇を促進することが、はんだの濡れ広がりを良くするための重要なポイントとなる。したがって、ランド電極の外周部に熱の伝達部を備えれば、ランド電極の外周部の温度上昇が促進され、はんだの濡れ広がりが促進される。また、この部分は、冷却時には、熱の放散路となって、上面側ランド電極の外周部の冷却を早め、上面側ランド電極内での温度差を低減し、リフトオフ現象の発生を防止する働きもする。
【００１４】
更に、ランド電極の外周部にランド電極の密着強度を補う補強手段を備えれば、ランド電極の先端部をプリント回路板の基板材料にしっかりと保持させることになるから、ランド剥離の発生を防止することができる。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記伝熱・補強手段として３つ以上のミニバイヤを備えている。
ミニバイヤはその内面に熱伝導の良いメタライズ層を備えているので、その占有面積は小さくても伝熱手段として大きな効果を有し、且つそのメタライズ層は上下両面のランド電極の外周部と一体になっているので、補強手段としての効果も十分に大きい。しかし、ミニバイヤの数が２つ以下の場合には、補強手段としての効果が全く及ばない部分が存在するので、３つ以上のミニバイヤが必要である。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記ミニバイヤを等角度間隔で配置している。
ミニバイヤをランド電極の外周部に等角度間隔で配置することは、伝熱効果および補強効果を最も均等に分布させることになるので、必要なミニバイヤの数が最も少なくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明によるプリント回路板の実施の形態について、実施例を用いて説明する。なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号をつける。
〔第１の実施例〕
図１は、この発明によるプリント回路板の第１の実施例の構造を示し、（ａ）はその外観を示す斜視図、（ｂ）は断面図である。
この実施例のプリント回路板１ａは、挿入実装部品のリード線を挿入するスルーホール１１の上下端に備えた上面側ランド電極１２ａおよび下面側ランド電極１３ａの外周部に４つのミニバイヤ１４を備えている。ミニバイヤ１４の内面には、スルーホール１１内面のメタライズ層１１１と同様に、下地となる無電解めっき層およびその上に形成された銅の電解めっき層からなるメタライズ層１４１が形成され、そのメタライズ層１４１の上下端は、それぞれ上面側ランド電極１２ａおよび下面側ランド電極１３ａと一体化している。
【００１７】
なお、４つのミニバイヤ１４は９０°間隔で配置されている。
図３（ａ）は、この実施例のプリント回路板１ａを噴流はんだ４に接触させた初期の状態を示す断面図である。噴流はんだ４が、プリント回路板１ａのミニバイヤ１４の下端を含む下面側ランド電極１３ａの全面と濡れ合っている。
このようなミニバイヤ１４のメタライズ層１４１は、その占有面積は小さいけれども、その材料が熱伝導性の非常に優れた銅を主体としているため、プリント回路板１ａの下面に接触する噴流はんだの熱をプリント回路板１ａの上面に効率よく伝達して、ミニバイヤ１４の近傍の上面側ランド電極１２ａの温度を上昇させ、上面側ランド電極１２ａ上での鉛フリーはんだの濡れ広がりを促進させる。ミニバイヤ１４からの熱が、従来のプリント回路板では温度上昇の最も遅れる上面側ランド電極１２ａの外周部の温度を上昇させるので、鉛フリーはんだの濡れ広がりを促進させる効果は大きい。また、ミニバイヤ１４は、プリント回路板１ａが冷却される場合には、上面側ランド電極１２ａの熱を下面側へ伝達して放散させ、上面側ランド電極１２ａの外周部の冷却速度を速める。この冷却効果によって、上面側ランド電極１２ａでリフトオフが殆ど発生しなくなった。更に、ミニバイヤ１４のメタライズ層１４１は、上面側ランド電極１２ａおよび下面側ランド電極１３ａと一体化しているので、上面側ランド電極１２ａおよび下面側ランド電極１３ａを保持する機能をもっており、ランド剥離も殆ど発生しなくなった。
【００１８】
このように、伝熱・補強手段として上面側ランド電極１２ａの外周部に形成した４つのミニバイヤ１４によって、鉛フリーはんだの濡れ広がりを良くし、リフトオフ現象およびランド剥離を防止することができた。
なお、この実施例で用いたミニバイヤ１４の大きさはΦ０．２ｍｍであって、はんだがその内面を上昇することはなかった。
参考までに示すと、メタライズ層１４１の銅めっきの厚さは１５μｍ程度であり、銅の熱伝導度は、プリント回路板１ａのベース素材である樹脂基板の熱伝導度より約３桁大きい。したがって、厚さ１５μｍ程度のメタライズ層１４１を伝達する熱量の方が、プリント回路板１ａの樹脂基板中を伝達してくる熱量よりはるかに多い。
【００１９】
プリント回路板１ａの製造工程を従来のプリント回路板の製造工程と比較すると、ミニバイヤ１４のための孔明け工程が追加されるが、メタライズ層１４１はスルーホール１１のメタライズ層１１１と同時に形成できるので、メタライズ層１４１の形成工程は追加されない。
この実施例においては、４つのミニバイヤを９０°の等角度間隔で配置しているが、ミニバイヤの数および配置はプリント回路板のパターン配置にも関係するものであって、その数は４つに限られるものでもなく、また等角度間隔に限定されるものでもない。ただし、その効果を勘案すると、２つでは補強効果が及ばない領域が存在するので、３つ以上をほぼ等角度間隔で配置するのが最も効果的である。
【００２０】
〔第２の実施例〕
図２は、第２の実施例の構造を示す斜視図である。
この実施例は、ミニバイヤ１４ａの配置位置を上面側ランド電極１２ｂの外側にし、ミニバイヤ１４ａの上面側金属層１４２の一部が上面側ランド電極１２ｂの外周部につながるようにしたものである。ミニバイヤ１４ａの機能は第１の実施例と同様であるが、ミニバイヤ１４ａが上面側ランド電極１２ｂと幾らかの距離をもつだけ、その有効性は削減されるが、配線パターンの配置等による制限からこのような配置を採用しなければならない場合もあり、ミニバイヤ１４ａの数を多くできることによって全体として効果を高められる場合もある。
【００２１】
この実施例の場合においても、ミニバイヤ１４ａを形成するために追加される工程は、第１の実施例と同様に孔明け工程だけである。プリント回路板の表面の金属層のパターンニングは、ランド電極だけの場合でもランド電極およびミニバイヤが共存する場合でも、それに対応してマスクを交換すればよいのであって、全く同じ工程で実行できる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１の発明においては、部品を実装するランド電極の外周部に、下面から上面への熱の伝導を補助し且つランド電極の密着強度を補う伝熱・補強手段を備えているので、加熱時には、ランド電極の外周部の温度上昇が促進されて、はんだの濡れ広がりが促進され、冷却時には、上面側ランド電極の外周部の冷却が促進されて、上面側ランド電極内での温度差が低減し、リフトオフ現象の発生が防止され、更に、ランド電極の外周部がプリント回路板の基板材料にしっかりと保持されて、ランド剥離の発生が防止される。
【００２３】
したがって、この発明によれば、鉛フリーはんだを用いるフロー工法において、はんだが上面側ランド電極へも十分に濡れ広がり、且つリフトオフ現象およびランド剥離を発生しないプリント回路板を提供することができる。
請求項２の発明においては、伝熱・補強手段として３つ以上のミニバイヤを備えている。ミニバイヤは、その内面に熱伝導の良いメタライズ層を備えているので、その占有面積は小さくても伝熱手段として大きな効果を有し、且つそのメタライズ層は上下両面のランド電極の外周部と一体になっているので、補強手段としての効果も十分に大きい。しかし、ミニバイヤの数が２つ以下の場合には、補強手段としての効果が全く及ばない部分が存在するので、３つ以上のミニバイヤが必要である。
【００２４】
請求項３の発明においては、ミニバイヤを等角度間隔で配置している。ミニバイヤをランド電極の外周部に等角度間隔で配置することは、伝熱効果および補強効果を最も均等に分布させることになるので、必要なミニバイヤの数が最も少なくなり、ミニバイヤを設けることによるコスト上昇を最小限に止める。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるプリント回路板の第１の実施例の構造を示し、（ａ）はその外観を示す斜視図、（ｂ）は断面図
【図２】第２の実施例の構造を示す斜視図
【図３】この発明の効果を説明するために噴流はんだとプリント回路板との接触状態を示し、（ａ）はこの発明の場合の断面図、（ｂ）は従来技術による場合の断面図
【図４】従来例のスルーホール近傍の構造を示し、（ａ）はその外観を示す斜視図、（ｂ）は断面図
【図５】従来技術の問題点を説明するためのはんだ付け後のスルーホール周辺の状態を示す断面図
【符号の説明】
１， １ａ， １ｂ プリント回路板
１１ スルーホール １１１ メタライズ層
１２， １２ａ， １２ｂ 上面側ランド電極
１３， １３ａ， １３ｂ 下面側ランド電極
１４， １４ａ ミニバイヤ １４１ メタライズ層
１４２ 上面側金属層
２ リード
３ ノズル
４ 噴流はんだ
５ はんだ

Claims (3)

1. スルーホールの上下両端部に上面側ランド電極および下面側ランド電極を備えてフロー工法で挿入実装型電子部品を実装するプリント回路板であって、
   前記上面側ランド電極の外周部近傍に、下面側から上面側ランド電極の外周部へ熱を伝導し且つ両ランド電極の密着強度を補う伝熱・補強手段を備えている、
   ことを特徴とするプリント回路板。
2. 前記伝熱・補強手段として３つ以上のミニバイヤを備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプリント回路板。
3. 前記ミニバイヤを等角度間隔で配置している、
   ことを特徴とする請求項２に記載のプリント回路板。

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