JP2005129927A - 接合材料ステンシル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、溶融半田による歩留り低下を改善した接合材ステンシルを提供しようとするものである。
【解決手段】少なくとも１つのパターン形成部材と、前記パターン形成部材に関連する少なくとも１つのチャネル形成部とを備えて形成した、熱歩留り改善接合材料ステンシル。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合材料を堆積するステンシルに関し、特に熱歩留まりを改善した接合材ステンシルに関する。

生産用回路基板は、通常、両面が非常に薄い金属（通常、銅）のシートで完全に覆われたガラスファイバの薄い（厚さ約１ｍｍ）シートから開始される。「標準的な」回路基板は、１オンス銅プロセスを用いる場合がある。これは、１オンスの銅が、１平方フィートの回路基板に均一に広げられることを意味する。製造プロセス中、ワイヤパターンは、エッチングに抗する化合物を用いて、銅表面に「プリント」される（それゆえ、プリント回路基板、すなわち、ＰＣＢと呼ばれる）。一旦プリントされると、基板は、露出した銅をすべて除去する化学エッチングプロセスにかけられる。残りのエッチングされていない銅は、回路基板部品を相互接続するトレース、および部品リード線が取付けられる領域を形作る小さなパッドを形成する。

スルーホール技術を用いるＰＣＢでは、部品リード線が挿入され、次に、定位置に固定される（半田付けされる）ように、孔がパッドを貫通して開けられる。表面実装技術を用いるＰＣＢでは、部品リード線は、ＰＣＢの表面上のパッドに直接半田付けされる。半田付けされた接触エリアは、ＰＣＢと部品との間に良好な物理的および電気的な接続部を形成するために、できるだけ大きい必要がある。

最も単純なＰＣＢを除くすべてのＰＣＢ上では、トレースは、必要な部品の相互接続をすべて可能にするために、ガラスファイバの１つより多くの表面上にプリントされなければならない。プリントワイヤを含む各表面は、層と呼ばれる。２つの層のみを必要とする比較的単純なＰＣＢでは、単一のガラスファイバの片を用いることができる。なぜなら、ワイヤは、両面にプリントすることができるためである。いくつかの層を必要とするより複雑なＰＣＢでは、個々の回路基板は、別個に製造され、ともに積層され、１つの多層回路基板を形成する。ＰＣＢの設計は、単純な２層の回路基板から２０層より多くの層を含む回路基板まで複雑さは様々である。２以上の層のワイヤトレースを接続するために、異なる層上のワイヤトレースが交差する点で、ビアと呼ばれる小さな孔がワイヤトレースおよびガラスファイバ基板を貫通して開けられる。次に、これらの孔の内面は、金属でコーティングされているため、電流は、層間でワイヤトレースを接続するビアを通して流れることができる。

溶融半田を引き込むビアの毛管作用に起因してビアが半田で詰まると、ＰＣＢの電子部品への接合は複雑になる。半田マスクが、ビアを覆うのに一般に用いられ、半田マスクは、電子部品とＰＣＢとの間の接触面積を最大にするために、半田ペーストでコーティングされている。加熱中、ビア内に捕捉された空気は膨張して漏出し、半田マスクおよび上部の溶融半田層を押しのけて放散する。漏出する気体は、溶融半田を運び出し、溶融半田が、ＰＣＢ上で飛び散って短絡を生ずる。短絡したＰＣＢは不良であり、排除されねばならず、それによって、不良でないＰＣＢの単位当たりのコストを増加させる。

本発明は、これら溶融半田による歩留り低下を改善した接合材ステンシルを提供しようとするものである。

熱歩留り改善（heat yieldable）接合材料を堆積するステンシルは、少なくとも１つのパターン形成部材と、パターン形成部材に関連する少なくとも１つのチャネル形成部を有する。

添付の図面は、本発明の装置および方法の様々な実施形態を示し、本明細書の一部である。例示される実施形態は、本発明の装置および方法の単なる実施例であり、開示の範囲を限定するものではない。

図面全体にわたって、同一の参照符号は、同様であるが必ずしも同一ではない要素を示す。

本明細書は、少なくとも１つのパターン形成部材と、パターン形成部材に関連する少なくとも１つのチャネル形成部とを含む熱歩留り改善接合材料を堆積させるステンシルについて説明する。接合材料ステンシルは、溶融した半田がビアからＰＣＢアセンブリの残りの部分にスパッタリングされるすなわち飛び散るのを防止する。

本明細書および添付の特許請求の範囲に用いられる「ステンシル」は、材料の堆積を容易にする任意の構造またはアセンブリを意味するものとして広く理解されたい。さらに、「ビア」は、電子回路への接続を容易にするすべてのものを意味するものとして広く理解されたい。さらに、本明細書で用いられる「ガス抜き」は、流体の排出または除去を可能にするすべてのものを意味するものとして広く理解されたい。

以下の記載では、本発明の方法および装置を完全に理解してもらうために、多数の具体的な詳細が提示されている。しかし、本発明の方法および装置は、これらの具体的な詳細がなくても実施できることは当業者には明白である。本明細書において「１つの実施形態」または「ある実施形態」を指す場合、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。明細書における様々な箇所において「１つの実施形態において」という語句が登場するが、この全てが、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。
例示的な構造
図１は、１つの例示的な実施形態による接合材料ステンシル（１００）を示す。図１に示されるように、接合材料ステンシル（１００）は、一般に、複数の接合材料形成部材（１１０）を含む。接合材料形成部材（１１０）のそれぞれは、周囲または外部境界（１２０）、および内部境界（１３０）を含む。接合材料形成部材（１１０）の内部境界（１３０）の間には空洞部（１４０）が形作られている。図１に示す例示的な接合材料ステンシル（１００）は、Ｘ字状の空洞部（１４０）を示すが、本発明のステンシルおよびその関連の方法は、任意の数の空洞構造で実施されることができ、図面に例示される構造に限定されない。

接合材料ステンシルは、半田ペーストの層をＰＣＢアセンブリ上に配置するのを容易にする任意の適切な材料で製造することができる。接合材料ステンシルに適切な材料の例としては、限定はされないが、金属またはプラスチックが挙げられる。さらに、接合材料ステンシルは、限定はされないが、射出成形、鋳造、フライス加工等を含む、当技術分野で現在既知の適切な製造方法によって製造することができる。

ＰＣＢの形成中、半田マスクは、逸脱した半田がプリントトレースを意図せずに短絡する（すなわち電気接続する）ことを防止するために、部品パッドおよび孔を除くすべての露出した金属を覆う。半田マスクは、半田または他の接合材料と結合せず、回路全体を被覆し、半田濡れを制限して、それによって、毛管作用によって回路に入り込んでくる半田で回路が詰まるのを防止する材料である。半田マスクを導入することによって、露出したパッドおよび孔（すなわち、ワイヤ）以外の金属面は、処理中に半田マスクの下に安全に配置される。

ＰＣＢ上で使われる回路部品は、これらを機械的かつ電気的にＰＣＢに固定するのに用いられる露出した金属ピン（または、リード線）を使って製造される。強力な機械結合、および回路部品とＰＣＢとの間に非常に良好な電気接続を提供する半田プロセスは、これらの回路部品をＰＣＢに固定するために用いられる。半田付け中、部品リード線は、ＰＣＢ内の孔および部品リード線を通して挿入され、スルーホールめっき金属は、半田の溶融点（約華氏５００から７００度）を超えて加熱される。次に、半田（金属化合物）は、溶融され、部品リード線およびスルーホール内および周囲に流される。

半田ペーストが溶融するとき、部品パッド全体が半田ペーストで覆われると、半田の表面張力は、溶融した半田をビアに引き込み、部品は、コリオリ効果（Coriolis Effect）として知られている効果のために、回転する傾向がある。半田ペーストがビアに引き込まれるのを防止するために、ビアは、半田マスクで覆われる。しかし、基板が加熱されているとき、ビアが半田マスクで覆われると、ビア内のガスは、膨張し、小さな間欠泉のように振る舞う傾向がある。これによって、プリント回路基板上に半田の飛散が生ずる可能性がある。この半田の飛散は、電子回路を短絡する場合があり、それによって、ＰＣＢアセンブリを不良にする。

接合材料ステンシル（１００；図１）は、ＰＣＢアセンブリの部品パッド上に接合材料または半田パターンを形成するために用いられる。ステンシル（１００）は、ＰＣＢアセンブリ上に配置され、半田ペースト等の接合材料は、ステンシル全体に塗布される。半田ペーストは、平らにされ、接合材料形成部材（１１０）を通して移動する。半田ペーストが平らにされると、ステンシルは、除去され、ＰＣＢアセンブリ上に半田パターンを形成する。接合材料または半田は、電子部品をＰＣＢアセンブリに結合するために用いられる。本発明の半田パターンは、回路内部および半田マスクの下に捕捉された膨張する空気が、接合動作の初期の加熱段階において漏出するのを可能にするガス抜きチャネルを提供するように形成されている。接合動作およびガス抜きチャネルについては、以下にさらに詳細に説明する。
例示的な実施および動作
図２は、電子部品をプリント回路基板（ＰＣＢ）アセンブリに接合する方法を示すフローチャートである。図２に示されるように、プロセスは、ＰＣＢアセンブリを用意することで開始する（ステップ２００）。用意された各ＰＣＢアセンブリは、いくつかのＰＣＢ層を含むことができる。用意された各ＰＣＢ層は、ガラスファイバの薄いシート等の適切なベース材料でできた基板を含む。次に、接地パッド、信号ピン、ビア等を含んでよい電子回路は、基板上に配置される。接地パッド、信号ピン等のいくつかの回路は、金属の薄い層を堆積させ、次に、電子回路を残すために、上記のように、選択的に材料を除去することによって、ＰＣＢ層上に形成することができる。回路および基板は、個々のＰＣＢ層を形成する。次に、これらの層は、積層され、ＰＣＢアセンブリを形成する。次に、ビア等の他の回路は、上部ＰＣＢ層に孔を形成し、ＰＣＢアセンブリの内部層内の電子回路への接続を容易にすることによって製造することができる。ビアは、ＰＣＢアセンブリの異なる層の間に接続部を形成するための、小さな金の「バレル」等の導電材料を含んでいてもよい。さらに、ビアは、逸脱した半田による意図しない短絡を防止するため半田マスクで覆うことができる。説明してきた部品はすべて、当技術分野で既知であり、一般に用いられる標準的なものであってよい。

一旦ＰＣＢアセンブリが用意されると（ステップ２００）、次に、接合材料ステンシル（１００；図１）を、ＰＣＢアセンブリの部品パッド上に配置する（ステップ２１０）。部品パッドは、ＰＣＢの製造に用いられる接地パッドであってよい。さらに、接合材料ステンシル（１００；図１）は、周囲または外部境界と内部境界とをそれぞれ備えた複数の接合材料形成部材（１１０；図１）を有する。次に、半田ペーストまたは他の適切な接合材料の層は、接合材料ステンシル全体にわたって塗布される（ステップ２２０）。一旦塗布されると、接合材料ステンシル（１００；図１）は、空洞部（１４０；図１）が設けられるところでは、半田ペーストまたは他の接合材料の通過を防止しながら、半田ペーストまたは他の接合材料を、材料形成部材（１１０；図１）を貫通して通過させる。ＰＣＢアセンブリの部品パッドに移動する半田ペーストまたは他の接合材料が欠乏すると、半田パターンの間にガス抜きチャネルが形作られた半田パターンが形成される。一旦半田パターンが形成されると、ステンシルは、ＰＣＢアセンブリから除去される（ステップ２３０）。

一旦半田パターンが形成され、ステンシルが除去されると、電子部品は、ＰＣＢアセンブリ上に配置される（ステップ２４０）。電子部品の配置は、手作業によって、または電子部品を半田ペースト上に配置する標準的なピック・アンド・プレイス機械によって行うことができる。次に、ＰＣＢが部品アセンブリとともに加熱される（ステップ２５０）。ＰＣＢおよび部品アセンブリの加熱は、限定はされないが、熱対流炉を含む任意の数の加熱デバイスによって行うことができる。ＰＣＢおよび部品アセンブリを加熱する（ステップ２５０）ことによって多数の結果が得られるが、加熱の主な目的は、半田ペーストを溶融することである。一旦加熱されると、半田ペーストは、流れる傾向がある液体半田を形成する。半田ペーストの加熱とともに、ビアに捕捉された空気は加熱され、膨張する場合がある。半田パターンの間に接合材料ステンシル（１００；図１）によって確立される空洞部（１４０；図１）は、ガス抜きチャネルとして作用し、ＰＣＢアセンブリの残りの部分への半田のスパッタリングを低減または除去しながら、ビアに含まれる膨張する空気のガス抜きをする。ビアに捕捉される空気は、堆積された半田が溶融する前に膨張し、ビアから漏出する。一旦膨張すると、空気は、ガス抜きチャネルを通して漏出することができる。加熱プロセスが続くと、半田パターンは、溶融し、ビアを覆う半田マスクの周囲に半田を流させる。半田マスクはビアを覆い、半田に結合しない材料で形成されている。このように、半田マスクは、半田がビアに流れ込むのを防止する。この結果、このステンシルパターンの使用によって、部品と接地パッドとの間の最大半田接触面積を可能にしながら、溶融した半田がＰＣＢアセンブリの残りの部分にスパッタリングされるすなわち飛び散るのを防止する。

半田ペーストが溶融した後、ＰＣＢおよび部品アセンブリは、冷却される（ステップ２６０）。冷却プロセスは、半田を凝固させ、それによって、ＰＣＢアセンブリと部品との間に物理的および電気的接続部を確立する。上記のステンシルパターンを用いることによって、詰まったビア、または噴霧された半田および／もしくは半田ペーストによって引き起こされる短絡または意図しない電気相互接続部が減少し、部品接合動作の信頼性を向上させることができる。この向上は、標準的なＰＣＢ部品および製造方法を用いることによって成し遂げられる。

図３Ａおよび図３Ｂは、信号ピン（３２０）および接地パッド（３３０）等のビア（３１０）および電子回路を含むプリント回路基板（３００）を示す。ビア（３１０）は、ＰＣＢ（３００）アセンブリの個々のＰＣＢ層（３４０）を接続する。さらに、ビア（３１０）は、半田マスク（３５０）で少なくとも部分的に覆われ、意図しない半田濡れを制限する。半田パターン（３６０）は、堆積動作（ステップ２２０；図２）中、接合材料ステンシル（１００；図１）を用いることによって、接地パッド（３３０）上に形成される。接合材料ステンシル（１００；図１）の内部境界（１３０；図１）の間の空洞部（１４０；図１）は、半田パターン（３６０）間にガス抜きチャネル（３７０）を形成し、加熱動作（ステップ２４０；図２）の初期の段階において、ビア（３１０）から漏出するガスの放出を助けるように構成されるチャネルを提供する。半田マスク（３５０）でビア（３１０）を覆うことによって、毛管作用、その結果、コリオリ効果による取付けられた部品の回転によって、溶融した半田がビアに入る可能性が低減されるかまたは排除される。部品は、溶融した半田内では回転しないため、溶融半田が信号ピン（３２０）を短絡する可能性は、著しく低減または排除される。

最後に、接合材料ステンシルは、任意の数の電気部品または回路の周囲に、半田等の接合材料の堆積を容易にするように構成することができる。例示した例では、接合材料ステンシルは、ビアの群の周囲における半田の堆積を容易にする。当業者は接合材料ステンシルが、溶融された接合材料を任意の数の電気回路部品から分離し、任意の数の電気部品に捕捉されたガスの漏出を容易にし、かつ／またはコリオリ効果による電気部品の回転を防止するように構成することができるであろう。上記説明は、単に、本発明の方法および装置を例示し、記載するためだけに提示されている。これは排他的なものではなく、本開示を開示される形態そのものに限定することを意図していない。多くの修正および変形が、上記の教示に照らして可能である。

１つの例示的な実施形態による接合材料ステンシルの平面図である。 １つの例示的な実施形態による接合材料ステンシルを用いる方法を示すフローチャートである。 １つの例示的な実施形態によるプリント回路基板アセンブリを示す図である。 １つの例示的な実施形態によるプリント回路基板アセンブリを示す図である。

符号の説明

１１０ パターン形成部材
１３０ チャネル形成部
１４０ チャネル
３１０ ビア
３３０ 部品パッド
３４０ 回路基板
３６０ 接合材料パターン
３７０ ガス抜きチャネル

Claims (10)

1. 少なくとも１つのパターン形成部材と、
   前記パターン形成部材に関連する少なくとも１つのチャネル形成部とを備えることを特徴とする、熱歩留り改善接合材料を形成するステンシル。
2. 複数のパターン形成部材をさらに備え、チャネルが、前記複数のパターン形成部材によって形作られていることを特徴とする請求項１に記載の熱歩留り改善接合材料を形成するステンシル。
3. 前記複数のパターン形成部材は、４つのパターン形成部材を有し、前記パターン形成部材のそれぞれの間に形作られる４つのチャネルをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の熱歩留り改善接合材料を形成するステンシル。
4. 前記チャネルは、Ｘ字を形成していることを特徴とする請求項３に記載の熱歩留り改善接合材料を形成するステンシル。
5. 複数の回路基板と、
   少なくとも１つの前記回路基板を貫通して延びており、少なくとも１つの部品パッドに連結する、ビアと、
   前記部品パッドに、少なくとも１つのガス抜きチャネルを有する接合材料パターンを形成することによって、前記部品パッドに連結される電子部品とを備えることを特徴とする、電子回路基板アセンブリ。
6. 複数のビアおよび前記ビア上に配置された接合材料マスクをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の電子回路基板アセンブリ。
7. 前記部品パッドは、接地パッドを備えることを特徴とする請求項５に記載の電子回路基板アセンブリ。
8. 少なくとも１つの部品パッドと回路基板アセンブリの少なくとも１つの層を貫通して延びるビアとを含む回路基板アセンブリを用意するステップと、
   電子部品を用意するステップと、
   前記ビア上に接合材料マスクを配置するステップと、
   ガス抜きチャネルを含む接合材料パターンを前記部品パッド上に形成するステップと、
   前記回路基板アセンブリおよび前記電子部品を加熱するステップとを含むことを特徴とする、回路基板アセンブリと電子部品とを結合する方法。
9. 複数の前記部品パッドのそれぞれの上に、複数の接合材料パターンを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の回路基板アセンブリと電子部品とを結合する方法。
10. 前記部品パッドは、接地パッドを備えることを特徴とする請求項８に記載の回路基板アセンブリと電子部品とを結合する方法。
    

Images