JP2003515252A - はんだ付け重ね継ぎ手により印刷回路基板を接続する装置及び方法 - Google Patents

はんだ付け重ね継ぎ手により印刷回路基板を接続する装置及び方法

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ビリー キアング
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Abstract

(57)【要約】 一方が、または共にフレックス回路である第１及び第２の印刷回路基板（１０／２０）（ＰＣＢ）を互いに接続するための装置及び方法。本方法は、２つのＰＣＢの位置合わせされた回路トレースアレイ（１２／２２）が互いに対面するように、また２つのＰＣＢが小さい所定の距離Ｋだけ離間するように、２つのＰＣＢを重ねるステップと、重ねられたＰＣＢの縁（１８）の付近に溶融はんだ（３０）を導入し、毛管作用によって２つのＰＣＢ間に溶融はんだを滲入させて２つの回路トレースアレイを互いに作動的に接続するはんだ継ぎ手を形成させるステップとを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は一般的には印刷回路基板に関し、特定的には１つの印刷回路基板を別
の印刷回路基板に接続する方法に関する。
【０００２】 （従来の技術） 印刷回路基板（ＰＣＢ）は、いろいろな型で入手可能である。アルミナまたは
ＦＲ−４ガラス／エポキシラミネート製の基体を有する若干のＰＣＢは堅く、一
方ポリイミド、ポリエステル等々で作られている基体を有する他のＰＣＢは比較
的柔軟(即ち、“フレックス回路”)である。１つのＰＣＢを別のＰＣＢに接続す
る、即ち、第１のＰＣＢの回路トレースを、第２のＰＣＢ上の対応する回路トレ
ースに電気的に接続することが必要になる場合がある。この基板と基板との接続
は、直接または間接の何れかで行うことができる。２つの基板間の介在物として
１つまたはそれ以上のコネクタを使用する間接接続がより一般的な手法である。
例えば図１に示すように、一方の基板１０は雄ピン９２を有するスルーホール型
コネクタ９０を有することができ、他方の基板２０は受入用雌ソケット９６を内
部に有する表面マウント型コネクタ９４を有することができる。コネクタ９０／
９４は、それぞれのトレース１４／２４を相互に電気的に接続するだけではなく
、一方の基板の他方の基板に対するずれまたはたわみに対する機械的ひずみ逃げ
としても働く。一方、直接接続手法は中間介在コネクタに頼らず、通常は一方ま
たは両方の基板がフレックス回路である場合に制限されている。（基板の近接し
合うトレース間をはんだによって接合した継ぎ手は、一方の基板の他方の基板に
対するずれ、またはたわみに対する耐性が遙かに低いので、中間介在コネクタを
用いずに２つの堅い基板を直接接続することは、典型的には実際的ではない。)
【０００３】 第１の（フレックス回路）ＰＣＢを第２の（フレックスまたは堅い）ＰＣＢに
接続するための典型的な直接接続手法は、（１）互いに位置の揃ったアレイとな
るようにそれぞれのトレースを各基板の縁に配置するステップと、（２）接続を
行う箇所のトレースの端にはんだペースト、導電性接着剤等を塗布するステップ
と、（３）ＰＣＢの縁を重ね、それぞれのトレースアレイが互いに直接接触する
ように配置するステップと、（４）重ねた領域に心棒またはホットバーによって
圧力及び熱を加えてはんだペーストを溶解させるステップと、（５）熱及び圧力
を取り除き、第１のＰＣＢの各トレースを他方のＰＣＢ上の対応トレースに接続
する中実のはんだ継ぎ手を形成させるステップとを含んでいる。これは、“ホッ
トバーはんだリフロー”プロセスとして知られている。はんだを効果的にリフロ
ーさせるために、典型的にはホットバーまたは心棒の温度を約280−300℃に維持
する。
【０００４】 より高価なポリイミドをフレックス回路基体材料として使用する場合には、ポ
リイミドのガラス遷移温度が典型的には約350℃であるからホットバープロセス
を使用することができる。しかしながら、それ程高価ではないポリエステル材料
を基体として使用する場合には、ポリエステルのガラス遷移温度が約70℃である
ことからホットバープロセスを使用することはできない。実際に、ホットバープ
ロセスを使用すると、ポリエステル製の基体を有するフレックス回路は溶解し、
ひずみ、そして酷く損傷する。従ってホットバー及び他の直接接続プロセスは、
典型的にはポリエステルフレックス基体に使用することはできず、従ってコネク
タ及び間接接続手法を使用する必要がある。これは、材料の費用の観点からはポ
リエステルの方がポリイミドより魅力的ではあるが、ポリエステルが先ず第１に
提供すると考えられる節約の大部分を、コネクタ及び関連処理費用が屡々相殺し
てしまうというジレンマを呈する。従って、ポリエステル基体製の１つまたはそ
れ以上のフレックス回路間を直接的に、コネクタを使用しないで接続できるよう
なホットバープロセスの代替を提供することが望まれる。
【０００５】 （発明の概要） 本発明は、第１及び第２のＰＣＢを互いに接続するための装置及び方法を提供
することにより従来方法の欠陥を解消する。第１のＰＣＢは、その第１の表面上
に配列され且つその第１の縁付近において終端している第１の複数の回路トレー
スを有し、第２のＰＣＢは、その第２の表面上に配列され且つ第１の複数の回路
トレースに対応する第２の複数の回路トレースを有している。本方法は、（ａ）
第１及び第２の複数の回路トレースが互いに位置合わせされて対面するように、
且つ第１及び第２のＰＣＢが互いに所定の間隔Ｋだけ離間するように、第１のＰ
ＣＢの第１の縁を第２のＰＣＢに重ねて配列するステップと、（ｂ）貫通開口を
有し、且つはんだに濡れないシールドによって第１及び第２のＰＣＢをシールド
し、実質的に第１の縁、及び第１の縁の直近の第１及び第２のＰＣＢの部分だけ
を開口を通して露出させるステップと、（ｃ）開口を通して第１のＰＣＢの第１
の縁付近に溶融はんだを導入し、毛管作用により溶融はんだを第１及び第２の基
板の間に滲入させるステップと、（ｄ）溶融はんだを冷却可能にし、第１の複数
の各回路トレースと第２の複数の回路トレースの対応する１つとを各々が接続し
ている複数の中実のはんだ継ぎ手を形成させるステップとを含む。
【０００６】 本発明の目的及び長所は、少なくとも一方のＰＣＢがフレックス回路である２
つまたはそれ以上のＰＣＢを互いにはんだ付けするために、本発明の方法及び装
置を使用できるようにすることである。
【０００７】 別の長所は、ホットバーはんだ付け及び他の従来方法がもたらし得る基体の損
傷を生ずることなく、ポリエステルのような低融点材料製の基体を有するＰＣＢ
に対して本発明の方法及び装置を成功裏に使用できることである。
【０００８】 本発明のこれらの、及び他の長所、特色、及び目的は、添付図面、以下の詳細
な説明、及び特許請求の範囲から明白になるであろう。
【０００９】 （実施の形態） 添付図面を参照する。図２−９は、第１及び第２のＰＣＢを互いに接続するた
めの本発明による装置及び方法を示している。第１のＰＣＢ １０は、その第１
の表面１６上に配列され、その第１の縁１８の付近において終端している第１の
複数１２の回路トレース１４を有し、第２のＰＣＢ ２０は、第１の複数の回路
トレースに対応し且つその第２の表面２６上に配列されている第２の複数２２の
回路トレース２４を有している。好ましくは、２つの回路トレースアレイ１２／
２２の数、サイズ、及び間隔、及び２つのアレイ１２／２２の間に継ぎ手を発生
させる関連領域におけるそれらの個々のトレースの配列は、互いに実質的に整合
させるべきである。換言すれば、２つのＰＣＢ １０／２０の回路トレース配列
の間に類似性が要求されるのは、本発明により２つのＰＣＢを接合させる関連領
域内だけである。
【００１０】 本発明を理解し易くするために、本明細書に使用されている全ての参照番号を
それらが表している要素と共に以下の表に要約する。 １０＝第１のＰＣＢ １２＝第１の複数の回路トレース／アレイ １４＝第１のトレースアレイの個々の回路トレース １６＝第１のＰＣＢの第１の表面 １８＝第１のＰＣＢの第１の縁 ２０＝第２のＰＣＢ ２２＝第２の複数の回路トレース／アレイ ２４＝第２のトレースアレイの個々の回路トレース ２６＝第２のＰＣＢの第２の表面 ２８＝重ねられず、回路トレース２４のはんだマスクの無い部分 ３０＝溶融はんだ ４０＝シールド ４２＝シールド内の開口 ４４＝シールドの底板 ４６＝シールドの底板 ４８＝シールドのキャリヤ板 ５０＝蝶ねじ ５２＝底板内のねじ付き孔 ５４＝キャリヤ板内のポケット／凹部 ５６＝キャリヤ板内の位置合わせピン ５８＝底板の底面 ６０＝キャリヤ板から外向きに伸びるフランジ ６２＝キャリヤ板内のスルーホール ７０＝はんだマスク ７２＝はんだマスクの縁 ８０＝トレースアレイ間のはんだ接続領域 ９０＝コネクタ（スルーホール） ９２＝コネクタ９０上の雄ピン ９４＝コネクタ（表面マウント） ９６＝コネクタ９４内の雌受入ソケット Ｋ＝トレースアレイ間の所定の間隔 Ｍ＝Ｋの最大上限
【００１１】 図２に示す本発明の方法は、（ａ）第１及び第２の複数の回路トレース１２／
２２が互いに位置合わせされて対面するように、且つ第１及び第２のＰＣＢ １
０／２０が互いに所定の間隔Ｋだけ離間するように、第１のＰＣＢ １０の第１
の縁１８を上記第２のＰＣＢ ２０に重ねて配列するステップと、（ｂ）貫通開
口４２を有し、且つはんだに濡れないシールド４０によって第１及び第２のＰＣ
Ｂをシールドし、実質的に第１の縁、及び第１の縁の直近の第１及び第２のＰＣ
Ｂの部分だけを開口を通して露出させるステップと、（ｃ）開口４２を通して第
１のＰＣＢの第１の縁１８付近に溶融はんだ３０を導入し、毛管作用により溶融
はんだを第１及び第２の基板の間に滲入させるステップと、（ｄ）溶融はんだを
冷却可能にし、第１の複数の各回路トレースと第２の複数の回路トレースの対応
する１つとを各々が接続している複数の中実のはんだ継ぎ手を形成させるステッ
プとを含む。ステップ（ｃ）の前に、第１及び第２の回路トレースアレイ１２／
２２の少なくとも一方にフラックスを塗布するオプションとしてのステップを遂
行することができる。
【００１２】 溶融はんだ３０を導入するステップ（即ち、ステップ（ｃ））は、例えば溶融
はんだ投与（例えば、米国特許第5,364,011号参照）のような種々のプロセスに
よって遂行することはできるが、好ましい手法はウェーブ（wave）はんだ付けを
使用することである。後述するシールド４０のような装置を使用することによっ
て、少なくとも１つのＰＣＢがフレックス回路である場合に、２つまたはそれ以
上のＰＣＢ １０／２０を、本発明の方法に従って互いに接続するために普通の
ウェーブはんだ付けプロセスを使用することができる。
【００１３】 好ましくは、本発明の方法は、少なくともステップ（ｃ）中に第１及び第２の
ＰＣＢ １０／２０を拘束し、ステップ（ｃ）中に所定の間隔Ｋが最大上限Ｍを
越えるのを防ぎ、同時にステップ（ｃ）中に所定の間隔Ｋが０ｍｍより大きくな
ることを許容するステップを更に含む。換言すれば、好ましくは、２つのＰＣＢ
のトレースアレイ１２／２２を一緒にどのようにもプレロードすることなく、ま
たは他の何等かの圧力を加えることなく、２つのアレイを初期に互いに実質的に
接触させる（即ち、Ｋを０ｍｍにする、または０ｍｍより僅かに大きくする）が
、溶融はんだの導入中に２つのアレイ間の間隔Ｋが最大上限Ｍを越えないように
、ジグまたは装置を使用すべきである。Ｋのための推奨範囲は０ｍｍ≦Ｋ≦1.5
ｍｍであるが、毛管作用により溶融はんだを２つのアレイ１２／２２のトレース
１４／２４間に沿って確実に滲入させるようにするためには０ｍｍ≦Ｋ≦0.5ｍ
ｍの範囲がより好ましい。（換言すれば、間隔Ｋのための推奨される最大上限Ｍ
はＭ＝1.5ｍｍであり、またより好ましくはＭ＝0.5ｍｍである。）
【００１４】 普通のＰＣＢ構造と同様に両ＰＣＢ １０／２０の回路トレース１４／２４は
、トレースと、取付用パッド、選択されたトレース端子等のような他の成分（例
えば、能動及び受動電子デバイス、ジャンパーワイヤー、コネクタ等）との間の
接続が行われる箇所を除いて、トレースを保護するためにはんだマスク７０で覆
うべきである。勿論、２つのアレイ１２／２２を互いに重ねるように設計されて
いる箇所、及びそれらの間にはんだ接続が望まれる（即ち、図４−５に示す領域
８０のような）箇所では、上述したトレースアレイ１２／２２上にはんだマスク
７０を設けないことが推奨される。また、第２の複数の各回路トレース２４が付
加的な、またはさらなるはんだマスクの無い部分２８（接続領域／第１の縁８０
／１８の直近にあり、またステップ（ｂ）において図４−５に示すように２つの
基板が位置合わせされた時に第１のＰＣＢ／第１の縁と重ならない）を有するこ
とも推奨される。図示のように、第２のＰＣＢ２０上のはんだマスク縁７２を第
１の縁１８から“後退”させると、溶融はんだ３０がシールド開口４２内に導入
される時に、はんだ３０は各トレース２４のはんだマスクの無い部分２８を濡ら
し、次いで露出されたトレース１４／２４の重なり長さに沿って離間し、重ねら
れたトレースアレイ１２／２２の間に毛管作用により運ばれ、そこに中実のはん
だ継ぎ手を形成する。
【００１５】 上述したシールド４０は、図３−８に示すように、種々に設計することができ
る。ここでは、シールド４０は、図３に示すように蝶ねじ５０、スルーホール６
２、及びねじ付き孔５２のような締付け手段によって、キャリヤ板４８に取り外
し可能なように締付けられている２つの底板４４／４６からなる。キャリヤ板４
８（及び／または底板４４／４６）は、１つまたはそれ以上のＰＣＢ １０／２
０を受入れるように限定されたポケット５４、並びに１つまたはそれ以上の位置
合わせピン５６を有することができる。ポケット５４及び／または位置合わせピ
ン５６は、重ねたＰＣＢを所定の位置に取り外し可能なように、及び位置合わせ
するように保持するのに役立つ。ＰＣＢをポケット５４内に、及び／または位置
合わせピン５６上に取付けた後に、底板４４／４６をキャリヤ板４８上に締付け
ることができる。次いで、図４に示すようにアセンブリを裏返し、アセンブリを
ウェーブはんだ付けマシン内に配置することができる。この場合、ウェーブはん
だ付けマシンの１つまたは複数の溶融はんだゾーンを通してアセンブリを輸送す
るために、キャリヤ板４８から伸びるフランジ部分６０をウェーブはんだ付けマ
シンのコンベヤ上に配置する。図７−８は、アセンブリを上及び下から見た斜視
図であって、図示の方向に溶融はんだ浴を通過して走行する。ウェーブはんだ付
けの場合、走行の方向は図９に概要を示すように、各中実はんだ継ぎ手が隣接す
る各中実はんだ継ぎ手と不連続になるように（即ち、ブリッジしないように）、
重ねたトレース１４／２４の長さ方向に対して直角であることが推奨される。ま
た、底板４４／４６の“底”表面５８だけではなく、好ましくはキャリヤ板４８
もはんだに濡れないようにすべきことが推奨される。これは、これらの板４４／
４６／４８をＦＲ−４エポキシのようなポリマー材料で作ることによって達成す
ることができる。
【００１６】 前述したように、実質的に第１の縁１８、及びＰＣＢのこの第１の縁の直近の
部分だけを、シールド内の開口４２を通して露出させるべきである。これらは、
開口４２を通して露出させるべきＰＣＢの唯一の部分であるが、他の非ＰＣＢ構
造を開口４２を通して露出させることができる。開口４２を通して露出されるＰ
ＣＢの部分を最小にする理由は、ＰＣＢ基体を熱い溶融はんだから保護するため
である。これは、１つまたはそれ以上のＰＣＢがポリエステルフレックス基体、
または溶融はんだの高温に鋭敏な他の基体を有する場合に特に重要である。
【００１７】 本発明の関連分野に精通していれば、本発明の種々の他の変更を考案すること
ができよう。例えば、第１のＰＣＢ １０の第１の縁を、第２のＰＣＢ ２０の縁
において、または第２のＰＣＢの第２のＰＣＢ縁に近くない“内部”領域におい
て、第２のＰＣＢと重ねることが可能である。また、以上の説明においては、２
つだけのＰＣＢを接合することを繰り返して述べたが、本発明を使用して２つよ
り多くのＰＣＢを互いに接合できることは明白であろう。更に、本明細書におい
て使用した用語“回路基板”または“ＰＣＢ” は、成分を集合させた基板だけ
に限定されるものではなく、全ての型の非集合型回路トレースを有する基体をも
含むものとする。本明細書に明示しなかった他の変更も可能であり、それらも本
発明の範囲内にある。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって限定されるもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の技術により、コネクタを使用して互いに接続可能なフレックスＰＣＢ及
びＦＲ−４ＰＣＢの分解斜視図である。
【図２】 本発明の方法を示すフローチャートである。
【図３】 ２つまたはそれ以上のＰＣＢを互いにはんだ付けするための本発明による装置
の分解側面図である。
【図４】 ２つまたはそれ以上のＰＣＢを互いにはんだ付けするための本発明による装置
の組立側面図である。
【図５】 図４に示す領域の拡大図である。
【図６】 図５に示す領域の拡大図である。
【図７】 本発明による第１及び第２のＰＣＢの３つのセットをウェーブはんだ付けする
ための装置の下面図である。
【図８】 本発明による第１及び第２のＰＣＢの３つのセットをウェーブはんだ付けする
ための装置の上面図である。
【図９】 重ねた回路トレースの概要図であって、ウェーブはんだ付けマシンを通るＰＣ
Ｂの推奨走行方向を示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キアング ビリー カナダ オンタリオ エル６シー １ティ ー１ マーカム トゥレイン ドライヴ 23 Ｆターム(参考） 5E344 AA02 AA12 AA22 BB02 BB04 BB05 DD04 DD14 DD16 EE21 EE26 【要約の続き】

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１及び第２の印刷回路基板を互いに接続するための方法に
    おいて、上記第１の印刷回路基板は、その第１の表面上に配列され且つその第１
    の縁の付近において終端している第１の複数の回路トレースを有し、上記第２の
    印刷回路基板は、上記第１複数の回路トレースに対応し且つその第２の表面上に
    配列されている第２の複数の回路トレースを有しており、上記方法は、 （ａ）上記第１及び第２の複数の回路トレースが互いに位置合わせされて対面
    するように、且つ上記第１及び第２の印刷回路基板が互いに所定の間隔Ｋだけ離
    間するように、上記第１の印刷回路基板の第１の縁を上記第２の印刷回路基板に
    重ねて配列するステップと、 （ｂ）貫通開口を有し、且つはんだに濡れないシールドによって上記第１及び
    第２の印刷回路基板をシールドし、実質的に上記第１の縁、及び上記第１の縁の
    直近の上記第１及び第２の印刷回路基板の部分だけを上記開口を通して露出させ
    るステップと、 （ｃ）上記開口を通して上記第１の印刷回路基板の第１の縁付近に溶融はんだ
    を導入し、毛管作用により上記溶融はんだを上記第１及び第２の印刷回路基板の
    間に滲入させるステップと、 を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 少なくとも上記ステップ（ｃ）中に上記第１及び第２の印刷
    回路基板を拘束し、上記ステップ（ｃ）中に上記所定の間隔Ｋが0.5ｍｍを越え
    ないように、同時に上記ステップ（ｃ）中に上記所定の間隔Ｋが０ｍｍより大き
    くなることを許容するステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 上記ステップ（ａ）において、上記第２の複数の各回路トレ
    ースはその上記第１の縁の直近にはんだマスクの無い部分を有しており、該部分
    には上記第１の印刷回路基板が重ねられないことを特徴とする請求項１に記載の
    方法。
  4. 【請求項４】 上記溶融はんだを導入するステップ（ｃ）は、ウェーブはん
    だ付けによって遂行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 上記第１及び第２の印刷回路基板は、フレックス回路である
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 上記各フレックス回路は、ポリエステル基体を含むことを特
    徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 上記第１の印刷回路基板はフレックス回路であり、上記第２
    の印刷回路基板は実質的に堅いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 上記フレックス回路は、ポリエステル基体を含むことを特徴
    とする請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 ０ｍｍ≦Ｋ≦1.5ｍｍであることを特徴とする請求項１に記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】 ０ｍｍ≦Ｋ≦0.5ｍｍであることを特徴とする請求項１に
    記載の方法。
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