JP2007042995A - プリント配線板とその半田付け方法及び装置 - Google Patents

プリント配線板とその半田付け方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 スルーホールに挿通したリードを鉛フリー半田にてディップ半田付けする際に、スルーホールへの半田上がりを改善でき、気泡発生を抑制でき、熱疲労に対する耐久性を向上できるプリント配線板を提供する。
【解決手段】 スルーホール７を有し、そのスルーホール７に挿通したリード６を鉛フリー半田を用いてディップ半田付けするプリント配線板１であって、スルーホール７の周囲に複数のバイアホール１０を配設した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プリント配線板とその半田付け方法及び装置に関し、特にプリント配線板に形成したスルーホールに電子部品のリードを挿通して鉛フリー半田にてディップ半田付けするのに好適なプリント配線板とその半田付け方法及び装置に関するものである。
従来、プリント配線板のスルーホールに挿通した電子部品のリードを半田付けする際には、ＳｎとＰｂの共晶半田を用いてディップ半田付けする方法が一般的に採用されている。また、プリント配線板の表面における電源端子パターンやグランドパターンにおいては、図６に示すように、表面の銅箔３１が広い面積にわたって連続して設けられ、その中のリード付き電子部品を接続する部分では、そのリード３２を挿通して半田付けするため、内面に銅箔３４を形成したスルーホール３３が形成され、表面の銅箔３１には、スルーホール３３の周囲に所定幅の環状銅箔部３５と、その外周側に複数の接続部３６を放射状に残して形成された所定幅の複数の円弧状のスリット３７とが設けられて、所謂サーマルランド３８が構成されている。このサーマルランド３８は、スルーホール３３に流入した溶融半田の熱がスルーホール３３の周囲の表面の銅箔３１に速やかに熱伝達して急速に冷却し、溶融半田がスルーホール３３の上面上に到達せず、リード３２の周囲と上面の銅箔３１との間に適正なフィレットが形成されないというようなことがないように設けられたものであり、スルーホール３３の周囲の環状銅箔部３５は、その部分まで熱が伝達されることでフィレット形成に寄与するように設けられたものである。
なお、プリント配線板において、発熱素子の接続端子を接続する回路パターンとは別に、発熱素子が搭載される部位の上面及び下面に銅箔平面パターンを形成し、かつこの部位の上面と下面を貫通して内壁に銅箔が形成された６個以上の多数の熱伝導バイアホールを密集させて形成し、その両端を前記上面及び下面の銅箔平面パターンに接続させ、これにより発熱素子から発生する熱を上面及び下面の銅箔平面パターンから効率良く放熱させるようにした技術は知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−１４８６９１号公報
ところで、近年は鉛などの重金属による環境への悪影響を回避するために、プリント配線板の半田付けに鉛フリー半田が採用されるようになってきている。そこで、鉛フリー半田を用いて、図６に示した構成のプリント配線板のディップ半田付けが行われているが、スルーホール内の半田上がりが不十分で、フィレットが形成され難く、また半田内に気泡が多発し、熱疲労寿命が短くなるという問題がある。
一方、上記特許文献１に開示された技術は、発熱素子から発生する熱を放熱するため、上下面の銅箔平面パターンと内壁に銅箔を形成した多数の熱伝導バイアホールとを組合せた構成を提案したものであり、このような問題の解決手段を直ちに示唆するものではない。
本発明は、上記従来の課題を解決し、スルーホールに挿通したリードを鉛フリー半田にてディップ半田付けする際に、スルーホールへの半田上がりを改善でき、気泡発生を抑制でき、熱疲労に対する耐久性を向上できるプリント配線板とその半田付け方法及び装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、鉛フリー半田でディップ半田付けした場合に上記のような問題が発生する原因とその解決策について鋭意検討した結果、鉛フリー半田では、スルーホール内の上下で温度勾配ができ、上部の温度が低下すると、半田の濡れ性が低下してスルーホールへの半田上がりが阻害され、また温度低下による流動性低下で気泡のかみ込みが発生すること、及び配線板表面でのスルーホール周囲の「サーマルランド」からの放熱が原因でスルーホール内に流入した半田の下部と上部の間で温度勾配が生じ、上部で温度低下を来していることを突き止めた。そこで、本発明ではスルーホールの周囲から溶融半田の熱で加熱する手段を講じることで問題の解決を図ったのである。すなわち、本発明のプリント配線板は、スルーホールを有し、そのスルーホールに挿通したリードを鉛フリー半田を用いてディップ半田付けするプリント配線板であって、スルーホールの周囲に複数のバイアホールを配設したものである。
この構成によると、ディップ半田付け時にスルーホールの周囲のバイアホールに溶融半田が流入して加熱されることでスルーホールが周囲から加熱され、スルーホール内に流入した半田の温度勾配を小さくし、スルーホール上部での温度を高く維持できる。このようにスルーホール上部での温度を高く維持することでスルーホール内の半田上がりが改善され、リードの周囲と上面の金属箔との間に適正なフィレットが形成され、また半田温度が高く維持されて流動性が確保されるので、確実に脱気されて気泡の発生を抑制でき、その結果熱疲労に対する耐久性を向上することができる。
また、バイアホールを、スルーホールの中心からディップ半田付け時の１秒間の移動距離に略相当する半径の範囲内に配置し、裏面の金属箔と表面以外の任意の層の金属箔とを接続すると、スルーホールを周囲から効果的に加熱でき、上記効果をより確実に奏することができる。
また、表面におけるスルーホール周囲の金属箔の外径Ｄ１を、スルーホールの内径をｄとして、Ｄ１＝ｄ＋（０．２〜２．０）ｍｍとし、又は、表面の金属箔上を被覆するレジストのスルーホール周囲における非被覆部の直径Ｄ２を、スルーホールの内径をｄとして、Ｄ２＝ｄ＋（０．２〜２．０）ｍｍとすると、配線板表面のスルーホール周囲の金属箔の露出面積を小さく規制したことで、スルーホール上面周囲での放熱量を確実に抑制でき、スルーホール内に流入した半田の温度を高く維持でき、上記効果をより確実に奏することができる。
また、前記バイアホールよりも、ディップ半田付け時の移動方向下手側にさらに別のバイアホールを配設すると、プリント配線の移動中スルーホールを長時間加熱することができ、上記効果をさらに確実に奏することができる。
また、表面のスルーホールの周囲に形成した絶縁性樹脂板が露出し、前記バイアホールが配設される領域の外側で、表面と他の層の金属箔を接続するバイアホールを設けると、表面と他の層の金属箔が接続されることで、表面の金属箔とスルーホールとが直接接続されないことによるＥＭＣ効果の低下を抑制することができる。
また、本発明のプリント配線板の半田付け方法は、プリント配線板のスルーホールに挿通したリードを鉛フリー半田を用いてディップ半田付けするプリント配線板の半田付け方法であって、スルーホールの周囲に複数のバイアホールを形成したプリント配線板のスルーホールに電子部品のリードを挿通した後このプリント配線板を溶融半田が上向きに噴出するディップ部上を所定速度で移動させるものであり、スルーホール内に流入した半田の温度を高く維持でき、上記効果をより確実に奏することができる。
また、バイアホールは、スルーホールの中心からプリント配線板の１秒間の移動距離に相当する半径の範囲内に配置することで、スルーホールを周囲から効果的に加熱でき、上記効果をより確実に奏することができる。
また、ディップ部またはその近傍でプリント配線板の表面を上方から加熱すると、配線板の表面からの放熱を抑制でき、上記効果をより確実に奏することができる。
また、プリント配線板上に配設した遮熱カバーにて、電子部品の本体部が加熱されるのを抑制すると、上方からの加熱による効果を奏しながら、電子部品の熱損傷を防止することができる。
また、本発明のプリント配線板の半田付け装置は、溶融半田を上向きに噴出させるディップ部上に配設した移動経路に沿ってプリント配線板を移動させて半田付けするディップ方式のプリント配線板の半田付け装置であって、移動経路の上部にディップ部またはその近傍に向けて熱エネルギーを放射する加熱手段を配設したものであり、上記のように配線板の表面からの放熱を抑制でき、上記効果をより確実に奏することができる。
また、プリント配線板のディップ半田付け部のみを下方に露出させた状態でプリント配線板を保持して前記移動経路を移動する部分ディップ治具を備え、この部分ディップ治具に、プリント配線板に搭載された電子部品の本体部を前記加熱手段による放射熱から遮蔽する遮熱カバーを設けると、配線板のディップ半田付け不要な部分の加熱を防止できるとともに、ディップ半田付けする部分を上方から加熱できてその効果を奏しながら、電子部品の熱損傷を防止することができる。
本発明のプリント配線板とその半田付け方法及び装置によれば、ディップ半田付け時にスルーホールの周囲のバイアホールに流入した溶融半田にてスルーホールが周囲から加熱され、スルーホール内に流入した半田の温度が高く維持され、半田上がりが改善されてリードの周囲と上面の銅箔との間に適正なフィレットが形成されるとともに、半田の流動性が高く維持されるので確実に脱気されて気泡の発生を抑制でき、その結果熱疲労に対する耐久性を向上することができる。
以下、本発明のプリント配線板とその半田付け方法の実施形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について、図１、図２を参照して説明する。図１において、１は多層構成のプリント配線板であって、５枚のガラスエポキシ樹脂などの絶縁性樹脂板２を積層して構成され、表面と裏面及び樹脂板間に６層の所要の銅箔などの金属箔パターン３（表面側から、Ｌ１〜Ｌ６とする）が配設され、かつ任意の絶縁性樹脂板２に形成された貫通穴４に充填された導電材５にて金属箔パターン３間が適宜に接続され、立体的に高密度の配線パターンが形成されている。
このようなプリント配線板１において、表面の金属箔パターン３（Ｌ１）に広い面積にわたって連続して設けられる電源端子パターンやグランドパターンなどの適所に、リード付電子部品のリード６を挿通して半田付けするスルーホール７が表面から裏面に貫通して形成され、その内周面には筒状金属箔８が設けられている。この筒状金属箔８の上端、すなわち配線板１の表面の金属箔パターン３（Ｌ１）におけるスルーホール７の周囲には、リード６の外周との間にフィレットを形成するのに必要最小限の幅の環状金属箔９が筒状金属箔８と一体的に形成されている。その外周側には、所定の幅にわって金属箔パターン３が形成されず、絶縁性樹脂板２が露出されている領域が設けられている。環状金属箔９の外径Ｄ１は、スルーホール７の内径をｄとして、Ｄ１＝ｄ＋（０．２〜２．０）ｍｍ、好適にはＤ１＝ｄ＋（０．５〜１．０）ｍｍに設定される。例えば、ｄが１．３ｍｍのとき、Ｄ１は１．５ｍｍ以上で、最大でも３．３ｍｍ以下、好適には１．８〜２．３ｍｍ程度に設定される。
スルーホール７の周囲には、プリント配線板１の表面から裏面に貫通して複数のバイアホール１０が形成されている。バイアホール１０の直径は、溶融半田を円滑に流入させる方が熱伝達には有利であるが、一方部品搭載スペースの確保の点からはドリル加工が可能な範囲で可及的に小さい方が好ましいので、実際には０．２〜０．６ｍｍ程度に設定される。これらバイアホール１０は、スルーホール７の中心からディップ半田付け時の１秒間の移動距離に略相当する半径の範囲内に配置されている。例えば、ディップ半田付け時のプリント配線板１の移動速度が１ｍ／ｍｉｎの場合で、スルーホール７の中心から１．６ｃｍの範囲内に配設されている。これらバイアホール１０とスルーホール７の内周の筒状金属箔８とは、表面以外の金属箔パターン３（Ｌ２〜Ｌ６）の内の任意の層にて接続されている。また、プリント配線板１の表面におけるスルーホール７の周囲の金属箔パターン３が形成されていない前記領域は、少なくともこのバイアホール１０の配設範囲より大きく設定されており、バイアホール１０の上端の表面での開口端の周囲には金属箔リング１０ａが形成されているが、可能な限り小さいことが好ましい。
また、図１の例では、プリント配線板１の表面におけるスルーホール７の周囲の金属箔パターン３が形成されていない領域に対応し、２層目の金属箔パターン３（Ｌ２）には、その領域を超えてカバーする接続パターン１３が形成され、この接続パターン１３と表面の金属箔パターン３（Ｌ１）とが１層目の絶縁性樹脂板２に形成した貫通穴4 に充填した導電材５にて接続され、筒状金属箔８が電源端子パターンやグランドパターンに直接接続されている場合と同様にリード６と電源端子パターンやグランドパターンが接続されるように構成されている。なお、この接続構成は、任意に設計変更可能である。
図１の例では、金属箔パターン３（Ｌ１）におけるスルーホール７の周囲に、所定幅にわたって金属箔パターン３（Ｌ１）を形成せずに絶縁性樹脂板２の表面を露出させた例を示したが、図２に示すように、金属箔パターン３（Ｌ１）上がレジスト１１にて覆われている場合には、スルーホール７の周囲にレジスト１１の非被覆部１２を形成し、その非被覆部１２を上記環状金属箔９と同様に、スルーホール７の内径をｄとして、非被覆部１２の外径Ｄ２を、Ｄ２＝ｄ＋（０．２〜２．０）ｍｍ、好適にはＤ２＝ｄ＋（０．５〜１．０）ｍｍに設定すればよい。
以上の構成によれば、プリント配線板１のスルーホール７に電子部品のリード６を挿入してディップ半田付けを行った時に、スルーホール７の周囲、具体的にはスルーホール７の中心からディップ半田付け時の１秒間の移動距離に略相当する半径の範囲内に配置した複数のバイアホール１０を介して加熱されることでスルーホール７が周囲から効果的に加熱され、スルーホール７内に流入した半田の温度を高くかつ温度勾配を小さく維持でき、また配線板１表面のスルーホール７周囲で金属箔が露出する環状金属箔９またはレジスト１１の非被覆部１２の面積を小さく規制していることで、スルーホール７上面周囲での放熱量を確実に抑制できるので、スルーホール７内に流入した半田の温度勾配を小さくでき、全体的に温度を高く維持することができる。
このようにスルーホール７内に流入した半田の温度勾配を小さくでき、全体的にかつ特に上部での温度を高く維持できるため、スルーホール７内における半田上がりが改善され、リード６の周囲とスルーホール７の表面開口の周囲の環状金属箔９またはレジスト１１の非被覆部１２に臨んでいる金属箔パターン３との間に適正なフィレットが形成される。また、半田温度が高く維持されて流動性が確保されるので、確実に脱気されて気泡の発生を抑制できる。その結果、スルーホール７に挿通したリード６の半田付け部の熱疲労に対する耐久性を向上することができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について、図３を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と共通する構成要素については同じ参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
本実施形態においては、バイアホール１０とは別に、白抜き矢印で示す半田ディップ時の配線板移動方向１４に下手側の位置にさらにバイアホール１５を設けるとともに、配線板１の表面以外の少なくとも上部の金属箔パターン３に、図示例では第２層と第３層の金属箔パターン３（Ｌ２、Ｌ３）に、このバイアホール１５と筒状金属箔８を接続するパターン１６を形成し、このバイアホール１５を介して半田の熱をスルーホール７に伝達するように構成されている。
この構成によれば、ディップ半田付け時に、プリント配線板１のスルーホール７とその近傍のバイアホール１０が、溶融半田を上向きに噴出させているディップ部２０を通過した後にも、バイアホール１５がディップ部２０を通過して溶融半田の熱が流入し、少なくともスルーホール７内の温度が低下し易い上部に長時間熱が伝達されるため、スルーホール７内の温度勾配を長時間にわたって小さく抑制でき、リード６の半田付け部の熱疲労に対する耐久性を向上することができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について、図４を参照して説明する。
本実施形態においては、プリント配線板１の表面における、スルーホール７の周囲の絶縁性樹脂板２が露出されている領域の外周側で、表面と裏面の金属箔パターン３（Ｌ１とＬ６）を接続するバイアホール１７を設けている。
この構成によれば、表面と裏面の金属箔パターン３（Ｌ１とＬ６）をバイアホール１７に充填された半田にて接続することで高周波インピーダンスを下げることができ、その結果プリント配線板１の表面で、スルーホール７の周囲に広い範囲にわたって金属箔パターン３（Ｌ１）が設けられていず、金属箔パターン３（Ｌ１）とスルーホール７の筒状金属箔８とが直接接続されていないことによるＥＭＣ効果の若干の低下を補うことができる。
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態のディップ半田付け装置について、図５を参照して説明する。
本実施形態のディップ半田付け装置においては、プリント配線板１のディップ半田付け部のみを下方に露出させた状態でプリント配線板１を保持する部分ディップ治具１８が設けられ、この部分ディップ治具１８を、ディップ部２０上を通過する所定の移動経路に沿って所定の移動速度で移動させるように構成されている。また、部分ディップ治具１８には、リード６を有するコネクタ等の電子部品Ｐの本体部がディップ半田付け中に傾くことがないように支持する支持体１９が設けられている。
また、移動経路の上部には、ディップ部２０またはその近傍に向けて光エネルギーや熱エネルギーを放射するように、ハロゲンランプと反射鏡などからなる加熱手段２１が配設されている。また、部分ディップ治具１８に、プリント配線板１に搭載された電子部品Ｐの本体部を前記加熱手段２１による放射熱から遮蔽する遮熱カバー２２が設けられている。
この構成によれば、ディップ部２０またはその近傍でプリント配線板１の表面を上方から加熱することができるので、プリント配線板１の表面からの放熱を抑制でき、ディップ半田付け時のスルーホール７内の半田の温度勾配を一層抑制し、上記作用効果をより確実に奏してリード６の半田付け部の熱疲労に対する耐久性を向上することができる。また、プリント配線板１上に配設した遮熱カバー２２にて、電子部品Ｐの本体部が加熱されるのを抑制できるので、電子部品Ｐの熱損傷を防止することができる。
なお、上記実施形態では、プリント基板を水平方向に搬送する装置を例に説明したが、プリント基板を溶融半田噴流に向けて下降・保持して半田付けする装置にも適用できることは言うまでもない。
本発明のプリント配線板によれば、ディップ半田付け時にスルーホール内に流入した半田の温度勾配を小さくし、スルーホール上部での温度を高く維持できるので、鉛フリー半田であってもスルーホール内の半田上がりを改善し、気泡の発生を抑制することができるため、熱疲労に対する耐久性を向上することができ、各種配線板の鉛フリー半田によるディップ半田付けに有効に利用できる。
本発明の第１の実施形態のプリント配線板を示し、（ａ）は要部詳細平面図、（ｂ）は要部詳細縦断面図。 同実施形態の変形例の要部詳細縦断面図。 本発明の第２の実施形態のプリント配線板の要部詳細縦断面図。 本発明の第３の実施形態のプリント配線板の要部詳細縦断面図。 本発明の第４の実施形態のディップ半田付け装置による半田付け工程の要部の縦断面図。 従来例におけるプリント配線板を示し、（ａ）は要部詳細平面図、（ｂ）は要部詳細縦断面図。
符号の説明
１ プリント配線板
２ 絶縁性樹脂板
３（Ｌ１〜Ｌ６） 金属箔パターン
６ リード
７ スルーホール
９ 環状金属箔
１０ バイアホール
１１ レジスト
１２ 非被覆部
１５ バイアホール
１７ バイアホール
１８ 部分ディップ治具
２０ ディップ部
２１ 加熱手段
２２ 遮熱カバー
Ｐ 電子部品

Claims (12)

  1. スルーホールを有し、そのスルーホールに挿通したリードを鉛フリー半田を用いてディップ半田付けするプリント配線板であって、スルーホールの周囲に複数のバイアホールを配設したことを特徴とするプリント配線板。
  2. バイアホールは、スルーホールの中心からディップ半田付け時の１秒間の移動距離に略相当する半径の範囲内に配置し、裏面の金属箔と表面以外の任意の層の金属箔とを接続したことを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。
  3. 表面におけるスルーホール周囲の金属箔の外径Ｄ１を、スルーホールの内径をｄとして、Ｄ１＝ｄ＋（０．２〜２．０）ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。
  4. 表面の金属箔上を被覆するレジストのスルーホール周囲における非被覆部の直径Ｄ２を、スルーホールの内径をｄとして、Ｄ２＝ｄ＋（０．２〜２．０）ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。
  5. 前記バイアホールよりも、ディップ半田付け時の移動方向下手側にさらに別のバイアホールを配設したことを特徴とする請求項１又は２記載のプリント配線板。
  6. 表面のスルーホールの周囲に形成した絶縁性樹脂板が露出し、前記バイアホールが配設される領域の外側で、表面と表面以外の任意の層の金属箔を接続するバイアホールを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のプリント配線板。
  7. プリント配線板のスルーホールに挿通したリードを鉛フリー半田を用いてディップ半田付けするプリント配線板の半田付け方法であって、スルーホールの周囲に複数のバイアホールを形成したプリント配線板のスルーホールに電子部品のリードを挿通した後このプリント配線板を溶融半田が上向きに噴出するディップ部上を所定速度で移動させることを特徴とするプリント配線板の半田付け方法。
  8. バイアホールは、スルーホールの中心からプリント配線板の１秒間の移動距離に相当する半径の範囲内に配置されていることを特徴とする請求項７記載のプリント配線板の半田付け方法。
  9. ディップ部またはその近傍でプリント配線板の表面を上方から加熱することを特徴とする請求項７記載のプリント配線板の半田付け方法。
  10. プリント配線板上に配設した遮熱カバーにて、電子部品の本体部が加熱されるのを抑制することを特徴とする請求項９記載のプリント配線板の半田付け方法。
  11. 溶融半田を上向きに噴出させるディップ部上に配設した移動経路に沿ってプリント配線板を移動させて半田付けするディップ方式のプリント配線板の半田付け装置であって、移動経路の上部にディップ部またはその近傍に向けて熱エネルギーを放射する加熱手段を配設したことを特徴とするプリント配線板の半田付け装置。
  12. プリント配線板のディップ半田付け部のみを下方に露出させた状態でプリント配線板を保持して前記移動経路を移動する部分ディップ治具を備え、この部分ディップ治具に、プリント配線板に搭載された電子部品の本体部を前記加熱手段による放射熱から遮蔽する遮熱カバーを設けたことを特徴とする請求項１１記載のプリント配線板の半田付け装置。
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