JPH0419680B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は、プリント回路板またはその他の回路
基板におけるはんだのレベリング方法に関するも
のであり、詳細にいえば、埋込基板ピン上、およ
び基板内の通路にはんだを平坦に充填する方法に
関するものである。

Ｂ 従来技術 電気的および電子的構成部材を、そのリード線
によつてプリント回路板に大量にはんだ付けする
さまざまなはんだ付けシステムが、当技術分野に
おいて公知である。構成部材を回路板に大量には
んだ付けする技法のひとつは、浸漬はんだ付けで
ある。この技法では、プリント配線を含む回路板
で、構成部材のリード線が回路板の孔をとおつて
突出しているものの前面が、ある期間の間、溶融
はんだ浴の表面に係合させられ、その後離され
る。構成部材を回路板に大量にはんだ付けする他
の技法は、ウエーブ・ソルダリングである。典型
的な従来技術のウエーブ・ソルダリング・システ
ムは一般に、溶融はんだを保持するようになされ
た容器と、溶融はんだに部分的に沈められたサン
プ（sump）とからなつている。サンプは溶融は
んだの表面より下にある取入オリフイスと、はん
だの表面より上にある細長い水平なノズルまたは
スロツトを有している。容積式ポンプがはんだ中
に沈められ、溶融はんだを取入オリフイスに送り
込むようになされている。次いで、溶融はんだ
は、取入オリフイスから、サンプ中を上方へ流
れ、水平ノズルから流出し、これによつてノズル
上方に、滑かに丸くなつた溶融はんだの定常波が
もたらされる。

電気的および電子的構成部材をプリント回路板
に大量にはんだ付けする、さまざまな他の技法が
当技術分野において公知であり、その中にはカス
ケード・ソルダリング、ジエツト・ソルダリング
およびドラツグはんだ付けが含まれている。フラ
ツト・パツクなどの、いわゆる「リードレス」構
成部材も、固定具または接着剤によつて構成部材
を回路板の底面に固定し、次いで回路板の底面お
よび構成部材を溶融はんだと係合させることによ
り、回路板に大量にはんだ付けすることができ
る。周知の大量はんだ付けシステムは、相当な製
造時の経済性を電子工業にもたらし、それ故、商
業的にかなりの範囲にわたつて用いられている
が、回路板、接続部およびリード線に過剰なはん
だが付着する問題は、依然存在している。過剰な
はんだの付着は、短絡、アイシクル（icicle）ま
たはブリツジ、あるいはこれらすべての形成につ
ながることのあるもので、はんだの消費量および
完成した回路板の重量を増加させるものとなる。
さらに、電子工業界が比較的高密度なアセンブリ
を指向しているという現在の傾向が、はんだによ
る短絡、アイシクルおよびブリツジの形成の問題
をより深刻なものとしている。

従来の技術によつて考案されたさまざまな技法
は、はんだによる短絡、アイシクルおよびブリツ
ジの形成の問題を解決しようというものであつ
た。たとえば、ウエーブ・ソルダリングの場合、
この産業界がかなり一般的に用いている技法のひ
とつは、はんだの定常波中を通る回路板の移動経
路を傾けて、すなわち水平面から傾けて、はんだ
付けされる回路板とはんだの定常波との間の出口
角を大きくするものである。従来の技術では、出
口角をさらに大きくしたり、または回路板が定常
波からでる場所を変えたり、あるいはこの両方を
行なうために、さまざまな定常波の形状も考案さ
れている。はんだによる短絡、アイシクルおよび
ブリツジの発生を減少させる、相当程度商業的に
受け入れられている他のシステムは、ウオーカ他
（Walker et al）による米国特許第3058441号の
教示するところにしたがつて、はんだ付けオイル
をはんだの定常波と十分に混合するものである。
このようなシステムははんだによる短絡、ブリツ
ジまたはアイシクル、あるいはこれらすべての発
生を、相当程度減少させるものではあるが、はん
だによる短絡、ブリツジおよびアイシクルを、特
に比較的高密度な電子的アセンブリまたはリード
線が比較的長い構成部品、あるいはこれらの両方
を回路板にはんだ付けする場合に、完全に除去す
るものではない。

一般に遭遇する他の難点は、基板内の埋込ピン
上におけるはんだの高さを管理できないというこ
とである。頭部が基板の表面と同一面になるよう
にピンを配置して、基板の表面にはんだ付けを行
なうとき、はんだのボールがピンの頭部にもたら
され、その結果はんだが無駄になり、かつ回路板
に取り付けなければならない他の構成部材との干
渉を惹起するということが、通常生じる。はんだ
付け作業によつて生じたはんだのボールを緩和し
たり、あるいは高さを平準化する従来の手段は、
はんだがまだ溶融しているうちに、はんだにブラ
シ研摩を行ない、かつ冷却し、硬化してからは、
はんだを研削することを含んでいる。これらの手
段は両方とも、回路板の表面上の限定された場所
で行なうには、比較的困難なものであり、かつ比
較的費用のかかるものであるが、これは作業のそ
れぞれが独立した性格のものであるからである。

多くの特許が回路板上のはんだの平準化と、過
剰なはんだの除去に関する従来技術を例示してい
る。米国特許第4083323号は対向したガス・ナイ
フを使つて、プリント回路板を溶融はんだ浴から
取り出すときに、過剰な溶融はんだを回路板から
除去することを開示している。米国特許第
4101066号によれば、回路板が所定の経路に沿つ
て前進させられるので、回路板は迅速に、対向す
る方向に流れる一対のはんだの波に係合する。こ
の一対の波は、端子と経路の導体との間の交差ま
たはブリツジを減少させる手段である。構成部材
を回路板にはんだ付けするときに生じる、はんだ
および樹脂の残留物を回路板から除去する、剛毛
を設けたクリーニング・バンドの形態の機械的手
段が、米国特許第4354292号に開示されている。
米国特許第4401253号、第4402448号、第4410126
号および第4469716号によれば、溶融はんだを回
路板に付着させたのち直ちに、流体を回路板に流
し、はんだが短絡、アイシクルまたはブリツジの
形で固化する前に、過剰なはんだを除去する。米
国特許第4463891号によれば、以前に付着させた
はんだがまだ溶融しているあいだに、高温のオイ
ルを回路板に塗布すると、はんだがアイシクルや
ブリツジなどを形成する問題が軽減される。さら
に他の手段、すなわち回路板を保持しているフレ
ームを急速に減速し、衝撃を与え、これによつて
過剰なはんだを取り除くという手段が、米国特許
第4501770号によつて提示されている。

Ｃ 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上述のように、これらの手段の
多くは、複雑な機構を必要とし、これに伴つてコ
ストが高くなつたり、大量生産に簡単に移せなか
つたり、あるいは高品質の最終製品を得るために
必要な、はんだの平準化および残留物の除去をき
わめて効果的に行なえなかつたりするものであ
る。

Ｄ 問題点を解決するための手段 従来の技術および現在存在している問題に関す
る知識から、本発明はなされたものである。簡単
にいえば、本発明の目的は、プリント回路板およ
びその他の回路を設けた材料においてはんだを平
準化する改良された方法を提供することである。
この改良された方法によれば、フラツクスがま
ず、はんだ付けの行なわれる基板の表面に塗布さ
れる。次いで、溶融はんだがフラツクスを塗布し
た面に付着させられ、その後、はんだ付けされた
基板は約150℃未満の温度まで冷却されるので、
基板上のはんだは固体状態に戻ることになる。次
いで、基板の以前にはんだ付けされた表面に、溶
融はんだをもう一度付着させる。この最後の工程
は、埋込ピンおよび基板に形成された通路の同一
面の充填部の上に形成されたはんだボールの除去
を含めた、基板に最初に付着させたはんだの平準
化をもたらすものである。基板の表面状態、フラ
ツクスおよびはんだの成分、基板が薄膜タイプで
あるか、あるいは厚膜タイプであるかというこ
と、もしくは浸漬はんだ付け法を使うのか、ある
いはウエーブ・ソルダリング法を使うのかという
ことに配慮せずに、この方法を実施することがで
きる。本発明はこの方法を使つて得られる最終製
品も対象とするものである。

本発明の方法は、周知の手段を簡素化し、廉価
に実施することができ、しかも大幅に改良された
最終製品をもたらすものである。

本発明のその他の特徴、目的、および利点は、
添付図面に関連して行なわれる以下の説明より明
らかとなろう。上記した一般的な説明および以下
の詳細な説明が両方とも、例示および説明のため
のものであつて、本発明を限定するものではない
ことを理解されたい。本発明に組み込まれ、その
一部を構成する添付図面は、本発明の幾つかの実
施例を示すものであつて、以下の説明とともに、
一般的な形態で本発明の原理を説明するものであ
る。開示全体にわたつて、同じ参照番号は同じ部
品を現わすものである。

Ｅ 実施例 本発明は、基板中の埋込ピン上のはんだの高さ
を制御する方法を開発しようと努力した結果、完
成したものである。第１図において、典型的なも
のは銅製であるが、あるいは少なくとも銅でコー
テイングされている取付ピン２０が、セラミツク
などの誘電体またはガラス／ポリマー・ベースの
組成物である基板２２に取り付けられている。典
型的な態様においては、取付ピン２０は頭部２４
を有しており、この頭部は基板の上面２８に形成
された凹所２６に受け入れられている。この産業
界で慣習的に使われている仕様の要件を満たすた
め、頭部２４の高さは上面２８と同一面になるも
のから、上面２８よりも約0.10mm（0.004インチ）
以下になるものまでとなつている。この公差の範
囲は第１図の参照番号３０で示されている。この
同じ仕様によれば、はんだ３２を基板２２に付着
させて、頭部２４に重なり、かつ隠蔽するように
したのち、はんだの高さは上面２８より約0.025
mm（0.001インチ）以上高いものであつてはなら
ない。

第１図において、はんだの最大の高さを表す上
面２８上の増加量は、参照番号３６で示されてい
る。これまで、これらの公差は、はんだがまだ溶
融状態にあるうちに、はんだをブラシ研摩する
か、あるいは研削することによつて維持されてい
た。しかしながら、これらの技法は両方とも、欠
点を有しており、これらの欠点は本発明によつて
排除される。金属被膜３８が凹所２６に隣接した
領域に総括的に示されているが、説明を簡単にす
るため、基板２２はその上面２８にコーテイング
を有さないものとして示されていることを、理解
されたい。実際の場合には、上面は以下で説明す
るように、コーテイングされている。

本発明によれば、フラツクス剤が最初に、基板
２２のはんだ付けが行なわれる表面に塗布され
る。基本的には、フラツクスははんだ付けが施さ
れる材料の表面から汚れを取り去る物質であるか
ら、濡れを生じさせることができる。フラツクス
剤は化合または還元のいずれかによつて、銅の表
面の汚染物質を破壊し、除去する。フラツクス剤
ははんだ付け中の金属表面の保護も行なう。適す
るフラツクスの例としては、アルフア・メタル
（Alpha Metals）がフラツクス・タイプ・アル
フア100（Flux Type Alpha100）という名称で製
造しているものがあるが、その他のさまざまなタ
イプやメーカーのものを利用することができる。

フラツクス剤は制御された方法で塗布されるも
のであつて、基板２２の上面２８全体が確実に濡
れるように、泡の形で、あるいはブラシを用いて
塗布される。第１図に、説明のため略示したよう
に、基板のフラツクスが塗布される領域は、取付
ピン２０の頭部２４に重なるところだけである。

第２図は基板２２を溶融はんだ浴４０から、矢
印４２の方向へ取り出すところを示すものであ
る。もちろん、ここで理解しておかなければなら
ないのは、基板２２へ溶融はんだを付着させるの
に、ウエーブ・ソルダリングなどの他の技法を使
用できるということである。しかしながら、用い
られる特定のはんだの付着方法にかかわりなく、
最終的な結果は同じものである。

いずれにせよ、第２図において、基板２２を溶
融はんだ浴４０から取り出す場合、はんだボール
４４が頭部２４の上に形成される。溶融はんだ浴
４０の表面を画定するメニスカス４６は、はんだ
浴の表面に生じる負の表面張力のため、第２図に
示した凸状をなす。これは基板をはんだ浴に浸漬
したときに、重合化フラツクス剤を含むフラツク
スの残留分がはんだ浴の表面に上つてきた際に生
じる、周知の現象の結果である。基板２２を溶融
はんだ浴４０から取り出したとき、フラツクスが
上面２８上に残留しないことが、望ましい。

基板２２を溶融はんだ浴４０から取り出したの
ち、はんだボール４４で示されるような、基板上
にコーテイングされたはんだは、空気中で冷却さ
せられ、149℃（300〓）より若干低い温度で、空
気中で固化する。

はんだボール４４の固化後、基板２２は再度溶
融はんだ浴４０に浸漬され、次いではんだ浴か
ら、ほぼ矢印４２の方向へ取り出される。浸漬処
理を行なうためには、基板２２を取り出すとき
に、基板２２がはんだの表面に対し、垂直±20°
の範囲内にあることが好ましい。さらに、取出し
速度が重要であつて、秒速1.27mm（0.05インチ）
ないし5.08mm（0.20インチ）の範囲内であること
が好ましい。また、基板２２を溶融はんだ浴４０
から取り出す際に、公知の態様で基板２２を運動
させ、異物の粒子、ならびに短絡、アイシクル、
またはブリツジの形態で固化したはんだを除去す
ることも、望ましい。

第３図において、再浸漬工程前にフラツクスの
残留物および重合化フラツクス剤が除去されてい
ることが好ましいため、基板２２を溶融はんだ浴
４０から取り出すときに、溶融はんだ浴４０内の
溶融または液状はんだのメニスカス４６が、正の
表面張力に戻つたことを示す凹状となつているこ
とが、理解されよう。いずれにせよ、基板２２を
溶融はんだ浴４０から取り出すとき、この変化し
た表面張力が上面２８を「拭い」、上面２８とほ
ぼ同一平面の形で、取付ピン２０の頭部２４上に
はんだ３２を残すことに役立つ。これを理論化す
ると、この効果は最初のはんだ付着の工程で、フ
ラツクス剤の最初のコーテイングが重合される結
果であるということである。

さまざまなはんだの成分を、本発明の方法に用
いることができるが、溶融はんだ浴４０の温度範
囲は使用される特定な成分によつて変化する。以
下の表１は、最初の浸漬工程に利用される、さま
ざまなはんだの成分に好ましい温度の範囲を示し
たものである。

表 １ はんだの成分 浴の温度範囲 すず／鉛 10／90 324℃−336℃ ５／95 325℃−355℃ ３／97 330℃−360℃ 本発明が上記の特定のはんだの成分に限定され
るものでないことも、留意されたい。これらの成
分は、用いることのできる成分の幾つかを示した
にすぎないものである。さらに、本発明の方法は
埋込孔にのみ金属被膜があるというものから、第
４図に示したプリント回路板すなわちセラミツク
基板５０の典型的に示されるような全体的な金属
被膜まで、種々さまざまな表面状態の基板に適用
できるものである。回路板すなわちセラミツク基
板５０は構造板５２、それぞれクロムおよび銅の
層５４および５６からなつており、これらの層は
材料の上面５８に付着させられたものである。構
造材５２の上面５８の凹所６６および６８にそれ
ぞれが受け入れられた、それぞれ頭部６２および
６４を有する一対のピン５９および６０も、第４
図に示されている。

公知の態様で、クロム条片７０が凹所６６およ
び６８に隣接したクロム層５４および銅層５６に
重なつている。凹所６６および６８に配置された
はんだ７２により、ピン５９と６０の間に電気的
な連続性が確保される。各凹所を充填するはんだ
７２のほぼ平坦な外面は、本発明の動機となつた
ものによつて得られた結果を示すものである。

本発明が特定の表面状態を有する基板に限定さ
れるものでないことも、理解されよう。たとえ
ば、基板の外面は粗くても、滑かでもかまわず、
また規則的なものでも、不規則なものでもかまわ
ない。さらに、本発明を回路板にデバイス結合パ
ツドを取り付ける場合の、はんだの高さの変動を
少なくするために使うことができ、またウエー
ブ・ソルダリング中のはんだのブリツジおよびリ
ード線過剰の問題を排除する助けにもなる。さら
に、本発明によつて、通路の充填を行ない、かつ
通路の高さを基板の外面の水準あるいはその他希
望する水準にそろえることが可能となる。もちろ
ん、本発明を基板のはんだ表面のあらゆる場所の
はんだの平準化に適用することもできる。

Ｆ 発明の効果 本発明により、複雑な機構を必要とせず、コス
トが安くできて、しかも大量生産に簡単に移せる
はんだのレベリング方法が提供され、高品質のは
んだ付着回路基板を簡単に製造できるようになつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、上面に埋め込まれ、はんだ付けされ
た取付ピンを有する回路基板の一部の断面図であ
る。第２図は、第１図の回路基板を最初にはんだ
浴に浸漬して取り出したところを示す断面図であ
る。第３図は、回路基板を２回目のはんだ浴の浸
漬から、取り出したところを示す、第２図と同様
な断面図である。第４図は、上面に金属被膜と一
対の埋込取付ピンを有しており、本発明を実施し
ている回路基板の一部の断面図である。 ２２……基板、２８……上面、３２……はん
だ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回路基板の埋込ピン上にはんだを平坦に充填
   する方法であつて、 前記基板の埋込ピンを含む領域にフラツクスを
   塗布する工程と、 前記基板を溶融はんだ浴に浸漬する工程と、 前記基板を前記はんだ浴から取り出す工程と、 前記はんだを付着された基板を約150℃未満の
   温度まで空気冷却する工程と、 前記基板を溶融はんだ浴に再び浸漬する工程
   と、 前記基板の表面を前記はんだ浴表面に対してほ
   ぼ垂直な方向に傾けて、前記基板を前記はんだ浴
   から取り出す工程と、 を含むことを特徴とする方法。