JP2007235044A - スルーホールのはんだ付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板に鉛フリーはんだを用いてスルーホールへのリード端子の実装を行う場合でも、はんだ付け性を良好にする。
【解決手段】プリント基板１１のスルーホール１２は、導体パターン１３ａ、１３ｂが上下の面に形成され、両者間をスルーホールめっき１３ｃで電気的に接続されている。スルーホール１２に、電子部品のリード端子１４が挿通され、鉛フリーはんだ１５によりはんだ付けされている。ここで、スルーホール１２の開口面積は、リード端子１４の断面積の４倍以上に設定されている。これにより、はんだ付けの際に、熱伝導性を高めることができ、高融点の鉛フリーはんだ１５を用いる場合でも良好にはんだ付けを行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板に形成したスルーホールに鉛フリーはんだを用いて電子部品のリード端子をはんだ付けする場合のスルーホールのはんだ付け構造に関する。

リード端子を備えた電子部品をプリント基板にスルーホールを形成して実装する場合には、スルーホールにリードを挿入した状態で溶融はんだに浸漬しスルーホール部分にはんだを充填されるようにしている。この場合において、一般に、共晶はんだ（Ｓｎ−Ｐｂはんだ）を用いる場合においては、スルーホールの面積が、リードの断面積の２倍程度となるように設定されている。なお、このようなプリント基板への部品実装については、一般的な技術であるから、文献は特に示さない。

しかしながら、上記したような共晶はんだは、環境汚染の関係から使用しない方向に進んでおり、代わって、鉛フリーはんだが使用されるようになりつつある。鉛フリーはんだは、共晶はんだに比べて融点が高いため、溶融したはんだ槽から取り出したときに、十分にはんだがスルーホールの上面側に上がってこない、いわゆる「はんだ上がり」が良くない場合が生ずる。この結果、はんだ付け不良が発生してしまう場合があった。

これは、例えば図４に示すような不具合である。図４において、多層プリント基板１には、スルーホール２が形成されており、このスルーホール２を挟んで対向する部分に導体パターン３ａ、３ｂが形成され、それらの間がめっきにより電気的に接続された状態に形成されている。図示の状態は、このスルーホール２に電子部品のリード端子４を挿入してはんだ付けした状態を示している。

ここで、はんだ付けに用いるはんだは、鉛フリーはんだ５である。鉛フリーはんだ５は、前述のようにＳｎ−Ｐｂの共晶はんだに比べて高融点であるから、熱伝導が悪いとはんだ上がりが悪くなる。したがって、通常のはんだ槽への浸漬処理では、図示のように鉛フリーはんだ５が多層プリント基板１の下面側の導体パターン３ｂから上面側の導体パターン３ａに達する前に固化してしまい、十分なはんだ付けとはいえない状態となる。

しかし、熱伝導を高めてはんだ上がりを良くするために多層プリント基板１を長時間はんだ槽に浸漬することは、逆にはんだ付けする電子部品やプリント基板に熱的な損傷を与えることになるので、実用上好ましくない。このため、許容される最大限の浸漬時間ではんだ付けを行うことになるが、やはりはんだ上がりの不良が発生し、はんだ付け性が低下する可能性があった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、プリント基板にスルーホールを設け、これにリード端子を有する電子部品を鉛フリーはんだを用いてはんだ付けを行う場合でも、はんだ付け性を向上することができるようにしたスルーホールのはんだ付け構造を提供することにある。

本発明のスルーホールのはんだ付け構造は、プリント基板に形成したスルーホールにリード端子を有する電子部品を鉛フリーはんだによりはんだ付けするようにしたスルーホールのはんだ付け構造において、
前記スルーホールは、その開口面積の前記電子部品のリード端子の断面積に対する比率が４以上となるように形成されているところに特徴を有する。

また、上記構成において、前記鉛フリーはんだを、Ｓｎ−Ａｇ系あるいはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の高融点の鉛フリーはんだとすることが好ましい。

請求項１の発明では、鉛フリーはんだを用いてはんだ付けを行う場合に、電子部品のリード端子を挿入するスルーホールの開口面積をそのリード端子の断面積に対して４以上の比率となるようにしたので、スルーホールでの熱伝導性を高めることができ、これによって、鉛フリーはんだにプリント基板を浸漬したときに、鉛フリーはんだをスルーホールを介してプリント基板の上面側まで十分にはんだ上がりを可能にすることができる。これによって、はんだ付け性の向上を図ることができる。

なお、上記のようにスルーホールの開口面積をリード端子の断面積の４倍以上に設定することは、従来の共晶はんだを用いた場合にはクラックなどが発生しやすくなることにつながり、適用することが難しい点があった。この点、鉛フリーはんだの場合には、はんだの特性上、クラックの発生が少ない。

以下、本発明の一実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。
図１は、断面構造および平面構造を示すもので、多層プリント基板１１は、複数の配線層を積層してなるもので、上面側および下面側に配線用の導体パターンが形成されると共に、内部の中間層にも配線用の導体パターンが形成されている。図示の部分には、電子部品を実装するためのスルーホール１２が形成されており、この上面側および下面側には導体パターン１３ａ、１３ｂが形成され、上下の導体パターン１３ａ、１３ｂ間をスルーホールめっき部１３ｃにより電気的に接続した状態に形成されている。

スルーホール１２は電子部品の挿通用に設けられたもので、電子部品のリード端子１４が挿通され、鉛フリーはんだ１５により固定されている。そして、図示の状態では、鉛フリーはんだ１５が多層プリント基板１１の上面に形成された導体パターン１３ａの表面まで十分にはんだ上がりができており、良好なはんだ付け性を得られている。

上述の構成において、スルーホール１２の開口面積Ｓ１は、その直径寸法ｄから求めることができ、リード端子１４の断面積Ｓ２は、その縦横の寸法から求めることができる。そして、この図示の構成においては、スルーホール１２の開口面積Ｓ１は、リード端子１４の断面積Ｓ２に対して４倍程度あるいはそれ以上となる面積比Ｒで設定されている。
このような構成を採用することで、多層プリント基板１１にリード端子１４をはんだ付けする際のはんだディップで、スルーホール１２の熱伝導を十分に高めることができ、これによって、スルーホール１２におけるはんだ上がりを良好にすることができるものである。

次に、上記したスルーホール１２の開口面積Ｓ１とリード端子１４の断面積Ｓ２との比率である面積比Ｒを、４程度あるいはそれ以上となる比率で設定することが良好であることを実験により確認した結果について説明する。

図２は、実験の条件を示すための模式的な図であり、多層プリント基板１１に形成したスルーホール１２の直径をｄとし、リード端子１４を断面が一辺の長さがａの正方形とした場合の例として示したものである。この図２において、スルーホール１２の開口面積Ｓ１およびリード端子１４の断面積Ｓ２は、
Ｓ１＝π×（ｄ／２）^２
Ｓ２＝ａ^２
であるから、これらの比として表す面積比Ｒは、
Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２
＝π×（ｄ／２ａ）^２
となる。

そして、実験においては、リード端子１４の一辺の長さａを０．６４ｍｍとして断面積Ｓ２を一定とし、スルーホール１２の径寸法ｄを１．０ｍｍ〜２．０ｍｍまで変化させた場合について、鉛フリーはんだのはんだ付けを行った結果を評価した。具体的には、スルーホール１２の径寸法ｄを、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、１．６ｍｍ、１．８ｍｍ、１．９ｍｍ、２．０ｍｍとした場合について、面積比Ｒを計算している。また、使用している鉛フリーはんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のもので、具体的にはＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだである。

はんだ付け性の評価は、はんだ上がりの状態が７５％未満のとき０点、７５％以上で１００％未満のとき１点、１００％のとき２点として得点をカウントしている。この結果を図３（ａ）に示す。評価ははんだ付け時間を６秒の場合と１０秒の場合とでそれぞれ４個ずつ行った。図３（ｂ）は、上述のようにしてカウントした得点について、８点満点を１００点満点に換算したものを示している。

図３（ｃ）は、上記の結果を面積比Ｒに対する得点をプロットしたものである。この結果から、およその閾値として、面積比Ｒが４程度以上のあたりから得点が５０点を越え、はんだ付け性が良好になることがわかる。また、この結果は、はんだ付け時間が６秒と１０秒のいずれにおいてもほぼ同等の結果となっている。したがって、この結果から、面積比Ｒを４以上となるように設定することではんだ付け性を良好にすることができることがわかる。

なお、面積比Ｒの値は、４以上であれば良いとするが、実用上においては上限があり、具体的には、はんだ付けによるブローホールの発生が起こらない程度とすることが好ましい。ブローホールの発生条件は、面積比Ｒのみでは決まらない条件であるから、実験的に決められることが好ましい。

このような本実施形態によれば、多層プリント基板１１のスルーホール１２の径寸法ｄを、開口面積とリード端子１４の断面積との比である面積比Ｒが４以上となるように設定することで、鉛フリーはんだをはんだ付けする場合に、良好なはんだ上がり状態を得ることができ、はんだ付け性の向上を図ることができるようになる。

なお、実際には、上記した条件を採用することで、次のような実用的な効果を得ることができた。
（１）Ａ基板の場合で、面積比Ｒを２．０９であったものを４．９１に変更（スルーホール径ｄを１．３ｍｍから２．０ｍｍに変更、リード端子の外形寸法１．０ｍｍ×０．６４ｍｍ）することで、はんだ上がりを良好にすることができた。
（２）Ｂ基板の場合で、面積比Ｒを３．７であったものを６．０に変更（スルーホール径ｄを１．１ｍｍから１．４ｍｍに変更、リード端子の外形寸法０．６４ｍｍ×０．４０ｍｍ）することで、はんだ上がりを大幅に向上することができた。
（３）Ｃ基板の場合で、面積比を２．０９であったものを４．９１に変更（スルーホール径ｄを１．３ｍｍから２．０ｍｍに変更、リード端子の外形寸法１．０ｍｍ×０．６４ｍｍ）することで、はんだ上がりを大幅に向上することができた。

本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
上記実施形態では、実験においてリード端子１４を断面が正方形の場合を想定して行った場合で説明したが、リード端子１４の断面形状は、正方形に限らず長方形でも良いし、円形でも適用することができる。
また、上記実施形態で使用した鉛フリーはんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系であるが、Ｓｎ−Ａｇ系のものを用いることもできる。

本発明の一実施形態を示す模式的断面図および平面図 データ取得に際して行った実験の設定条件を示す図 実験結果を示すデータおよび面積比とはんだ上がり評価値との相関を示すグラフ 従来技術を説明するための図１相当図

符号の説明

図面中、１１は多層プリント基板（プリント基板）、１２はスルーホール、１３ａ、１３ｂは導体パターン、１３ｃはスルーホールめっき、１４はリード端子、１５は鉛フリーはんだである。

Claims (2)

1. プリント基板に形成したスルーホールにリード端子を有する電子部品を鉛フリーはんだによりはんだ付けするようにしたスルーホールのはんだ付け構造において、
   前記スルーホールの開口面積は、前記電子部品のリード端子の断面積の４倍以上となるように形成されていることを特徴とするスルーホールのはんだ付け構造。
2. 請求項１に記載のスルーホールのはんだ付け構造において、
   前記鉛フリーはんだは、Ｓｎ−Ａｇ系あるいはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の高融点の鉛フリーはんだであることを特徴とするスルーホールのはんだ付け構造。

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