JP2008078271A - 放熱構造を備えたプリント基板の製造方法および放熱構造を備えたプリント基板 - Google Patents

放熱構造を備えたプリント基板の製造方法および放熱構造を備えたプリント基板 Download PDF

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Abstract

【課題】電子部品の裏面に放熱用半田層を備え、バイアホールを介して他面側に放熱する放熱構造を備えたプリント基板において、バイアホールの他面側開口に発生する半田ボールによる製造時の不具合を解消する。
【解決手段】両面基板のプリント基板において、電子部品の搭載面となる部分に放熱用半田付けランド部を設けると共に、対向する他面側に半田収容用ランド部を形成し、かつ、これら放熱用半田付けランド部と半田吸収用ランド部に両端が開口するバイアホールを設け、バイアホールの開口から溶融半田を半田吸収用ランド部で広がらせて半田ボールの発生を抑制し、かつ、該半田吸収用ランド部の表面に前記半田を埋め込むようにクリーム半田を塗布して半田層を形成している。
【選択図】図1

Description

本発明はプリント基板の放熱構造および、その製造方法に関し、特に、大電流が通電されるICチップ等の発熱電子部品の放熱性能を高めると共に、該放熱性能を有するプリント基板を製造時に不具合を発生させないようにするものである。
プリント基板に実装される電子部品の放熱用として、電子部品を載置面に半田付け用のランド部を設け、該ランド部に開口した貫通穴を通して裏面側に放熱する構造が提供されている。
例えば、特開平9−148691号公報では図8(A)(B)(C)に示すように、発熱素子1が取り付けられる両面基板2の一面2aに、該発熱素子1の裏面に銅箔平面パターン3が設けられ、該銅箔平面パターン3に発熱素子1が半田やペーストにより固着され、該銅箔平面パターン3はバイアホール4を介して他面2bに設けられた銅箔平面パターン5と導通され、発熱素子1で発生する熱を銅箔平面パターン3、バイアホール4を介して他面2bの銅箔平面パターン5から放熱している。
前記特許文献1の構成とすると、発熱素子1で発生する熱は、バイアホール4の内周面にメッキ処理で形成された導電層4aを介して銅箔平面パターン3から他面の銅箔平面パターン5へと効率よく導電されて、放熱効果を高めることができる。
しかしながら、特許文献1では、発熱素子1は銅箔平面パターン3上にペーストあるいは半田等により固着されると簡単に記載されているだけであり、半田やペーストによる具体的は固着方法が不明である。
また、特開2004−127992号公報では、プリント規範の表裏両面に開口するスルーホールを形成した後、該裏面側をベース板上に載置した後、表面側からスキージでスルーホール内に樹脂ペーストを印刷してスルーホール内を穴埋めし、スルーホール内に流れる半田により裏面側に突出部が形成されないようにしている。
特開平9−148691号公報 特開2004−127992号公報
前記特許文献1に記載された導体パターンを両面に備えたプリント基板において、発熱素子1と銅箔平面パターン3との間をペーストや半田で固着している方法が不明であるが、発熱素子1の裏面に放熱と電気接続を行うためのヒートシンクを備えるものと銅箔平面パターン3とを半田で固着する場合、具体的には、図9(A)〜(D)に示す工程となり、バイアホール4内に溶融した半田が流れこむ場合があり、溶融した半田が裏面側で固まり、裏面側に所謂半田ボール7aが形成され突出することがある。
即ち、(A)に示すように、基板2の一面2aの発熱素子1のリード端子1aと半田接続するランド部6および放熱用の銅箔平面パターン3上にクリーム半田7が塗布され、(B)に示すように、その上面に発熱素子1を載置した状態で加熱しファーストリフローして、(C)に示すように、発熱素子1のリード端子1aとランド部6および発熱素子1の裏面と銅箔平面パターン3とを半田接続する。
その際、銅箔平面パターン3上に塗布された半田が溶融しバイアホール4中に流れ込み他面2bの銅箔平面パターン5に囲まれた開口に溢れでて半田が開口部分に盛り上がった状態で固まり、(C)に示すような半田ボール7aが出来ることがある。
この状態で、他面2b側のランド部にクリーム半田8を塗布した後、セカンドリフローして他面2b側の銅箔パターンと端子や電子部品との半田接続がなされる。
その際、(D)に示すように、メタルマスク9を被せてクリーム半田8をスキージ10で塗布するが、メタルマスク9が半田ボール7aにより凹凸が生じる。
そのため、クリーム半田8を塗布する時に、メタルマスク9やスキージ10を破損させる問題がある。
さらに、クリーム半田をリフローで加熱すると、半田と半田付けを容易に行うためのフラックスに分離するが、該フラックスが溶融した半田と共にバイアホール4内に流れ込み、裏面側の銅箔平面パターン5に付着する。このフラックスは粘着性があるため、裏面側でメタルマスクをしてクリーム半田を塗布した後、メタルマスクを剥がしにくくなり、生産性の低下を招く問題もある。
前記半田ボール7aを発生させないためには、特許文献2のように、スルーホール内に予め樹脂を充填して塞ぐことは半田ボール7aを発生させない点では有効であるが、樹脂塗布工程が増えるために、製造コストの上昇を招く。
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、前記バイアホールに流入した半田が他面で高く盛り上がった半田ボールを形成しないようにし、他面側のランド部にクリーム半田を塗布するためにメタルマスクを被せた時、該メタルマスクに凹凸を発生させず、メタルマスクおよびクリーム塗布用のスキージに破損を発生させないようにすることを課題としている。
前記課題を解決するため、第1の発明として、
絶縁基板の両面に、銅箔からなる導体パターンおよびランド部を形成し、かつ、一面側には電子部品の搭載面となる部分に放熱用半田付けランド部を設けると共に、対向する他面側に半田吸収用ランド部を形成し、かつ、これら放熱用半田付けランド部と半田吸収用ランド部に両端が開口するバイアホールを備えたプリント基板を設け、
前記プリント基板の両面の半田不要部にソルダ・レジストを形成し、該ソルダ・レジストで前記放熱用半田付けランド部および前記半田吸収用ランド部を囲み、
ついで、一面側にメタルマスクを載置して、前記ランド部および放熱用半田付けランド部にクリーム半田を塗布し、
ついで、前記一面に電子部品を載置し、ファーストリフローで前記クリーム半田を溶融して、前記電子部品のリード端子をランド部と半田接続し、かつ、前記放熱用半田付けランド部と前記電子部品の裏面と密着させる半田層を形成すると共に、前記バイアホールを通して他面側に漏出する溶融半田を前記半田吸収用ランド部に流出させて開口部に偏平に付着させ、
ついで、前記プリント基板の他面にメタルマスクを載置し、前記半田吸収用ランド部では前記バイアホールの開口部分で固化している半田を被覆した状態でクリーム半田を塗布し、該クリーム半田をセカンドリフローして前記半田吸収用ランド部に半田層を形成していることを特徴とする放熱構造を備えたプリント基板の製造方法を提供している。
前記のように、ファーストリフローで溶融した半田がバイアホールを流れこみ、他端側の開口から溢れでた場合、この開口周縁に半田吸収用ランド部を設けて銅箔を露出させているため、溢れ出た半田は銅箔の表面に馴染んで開口周縁に広がって偏平状となる。よって、バイアホールの開口から盛り上がった状態で半田が固まった半田ボールとならず、バイアホールの開口を囲んで偏平状に固化する。
よって、このプリント基板の他面側にメタルマスクをしてクリーム半田を塗布する際、大きく突出する半田ボールが無いため、メタルマスクは凹凸に変形しない、かつ、半田吸収用ランド部にもクリーム半田を塗布するため、半田吸収用ランド部に該当する部分ではメタルマスクは開口としているため、メタルマスクに凹凸を発生させない。
よって、メタルマスクの上面にクリーム半田をスキージで塗布していく工程で、スキージやメタルマスクに破損が発生することを防止できる。さらに、半田吸収用ランド部にはメタルマスクが被せられないため、フラックスによりメタルマスクが粘着してメタルマスクが剥がしにくくなることもない。このように、製造工程で従来発生していた問題を解消でき、製造工程での生産効率を高めて製造コストを低減することができる。
また、第2の発明として、
プリント基板の両面に導体パターンが設けられた両面基板であって、
電子部品が実装されるプリント基板の一面に、前記電子部品の裏面と対向する領域に放熱用半田付けランド部が設けられ、該放熱用半田付けランド部に一端が開口する複数のバイアホールがプリント基板の他面に貫通して設けられ、これら複数のバイアホールの他端が開口するプリント基板の他面に半田吸収用ランド部が設けられ、
前記放熱用半田付けランド部に塗布されたクリーム半田をリフローして形成した半田層が前記電子部品の裏面と放熱用半田付けランド部との間に設けられていると共に、該半田が溶融し前記バイアホールを通して漏出し前記半田吸収用ランド部に広がって偏平状に付着され、
前記半田吸収用ランド部に、前記偏平状に付着された半田を被覆した状態で塗布されたクリーム半田をリフローして形成した半田層が設けられていることを特徴とするプリント基板の放熱構造を提供している。
この第2の発明のプリント基板の放熱構造は、前記第1の発明の製造方法で製造することが好ましい。
具体的には、前記半田吸収用ランド部の面積は、前記放熱用半田付けランド部の面積と同等としてプリント基板の厚さ方向に対向して設けられ、かつ、前記複数のバイアホールは前後左右方向に所定ピッチをあけて配置され、前後左右方向の外端に位置するバイアホールから所要間隔をあけて前記半田吸収用ランド部の外縁が設定されていることが好ましい。
前記のように半田吸収用ランド部の面積を全てのバイアホールの開口を含む広い面積とし、外縁に位置するバイアホールの開口から所要間隔をあけて半田吸収用ランド部の外縁を設定すると、バイアホールの開口から漏出する溶融半田およびフラックスが周縁のソルダ・レジストの表面まで付着することを確実に防止することができる。
前記電子部品は外側面より突出するリード端子が前記プリント基板の一面に設けられたランド部に夫々半田接続されると共に、該電子部品は裏面に放熱スラグまたはヒートシンクからなる放熱材を備え、
前記放熱用半田付けランド部に形成される前記半田層を前記放熱材とが面接触で固着されていることが好ましい。
このように、電子部品は、その裏面に放熱材を設けたものとしておくと、該放熱材を放熱用半田付けランド部の表面に形成する半田層と確実に面接触させることができ、電子部品の放熱性を確実に高めることができる。
上述したように、本発明では、発熱する電子部品の裏面側に形成する放熱用半田付けランド部を設け、該ランド部とバイアホールを介して導通する他面側に半田吸収用ランド部を設けているため、前記電子部品の裏面と放熱用半田付けランド部との間に形成する半田層の半田が加熱により溶融しバイアホールの中空部を通して裏面側にあふれ出ても半田吸収用ランド部の表面に沿って広がり、盛り上がった半田ボールを発生することを防止できる。その結果、他面側にメタルマスクをしてクリーム半田をスキージで塗布する際に、メタルマスクおよびスキージが損傷を受けることを防止でき、生産効率を高めることができる。
以下、本発明の実施形態を図1乃至図7を参照して説明する。
図1(A)〜(C)は実施形態のプリント基板100を示す。
該プリント基板100はガラスエポキシからなる絶縁基板12の表裏両面の一面12aと他面12bとに銅箔からなる導体パターン13(13A、13B)を備えた両面基板からなり、その一面12aに大電流が通電されるICチップからなる電子部品20を実装している。
前記電子部品20は、そのケース20aの左右両側面の下端より複数のリード端子20b、20cが突設していると共に、該電子部品20の裏面(下面)にヒートシンク21を付設している。該電子部品20のリード端子20b、20cは夫々一面12aの導体パターンのランド部16、17と半田接続して、電子部品20を一面12aに実装している。
電子部品20のヒートシンク21を設けた裏面側と対向するプリント基板の一面12aには、ソルダレジスト18で囲まれた放熱用半田付けランド部22を設けて銅箔を露出させている。この放熱用半田付けランド部22に一端開口24aを開口させた複数のバイアホール24を前後左右同一ピッチでマトリクス状に形成している。本実施形態では図2に示すように左右方向に4個、前後方向に3個設け、合計12個のバイアホール24を設けている。なお、バイアホール24の個数は電子部品20の大きさに応じて適宜選択できる。
前記バイアホール24が他端開口24bが開口するプリント基板の他面12bには、放熱用半田付けランド部22と厚さ方向に対向させて略同一面積の半田吸収用ランド部25を設けて銅箔を露出させ、ソルダレジスト26で囲んでいる。
該ソルダレジスト26で規定される半田吸収用ランド部25の外縁は、前記バイアホール24の外縁に位置するバイアホール21から所要寸法Lをあける設定としている。この半田吸収用ランド部25および放熱用半田付けランド部22は電子部品20のケース20cの外形と同等な矩形状としている。
前記電子部品20の実装側の放熱用半田付けランド部22とヒートシンク21との間にはクリーム半田をリフローして形成した半田層27を設けている。また、放熱用半田付けランド部22に開口したバイアホール24には、その内周面にメッキして形成した導電層28で囲まれた中空部に前記リフロー時に溶融した半田が流れこみ、該半田30が充填されている。この半田30はバイアホール24の他面開口24bから流出して半田吸収用ランド部25の銅箔面に沿って広がり、偏平に広がった低い山型状の半田付着部31となっている。
前記半田吸収用ランド部25には、前記半田付着部31を被覆した状態でクリーム半田が塗布され、該クリーム半田をリフローして半田層32を設けている。
つぎに、前記両面基板のプリント基板の製造方法を図2〜図7を参照して説明する。
まず、ガラスエポキシからなる絶縁基板12の両面に銅箔を備えた銅張積層板を用い、所要位置にドリルでバイアホール用の貫通孔を設け、その内周面にメッキして導電層28を設けたバイアホール24を形成している。また、エッチングにより基板の両面12a、12bに銅箔パターン13A、13Bを所要の回路形状に形成する。ついで、両面12a、12bの表面に半田付け部分を残してソルダレジスト18、26を形成し、図2(A)〜(C)に示す状態とする。
図2(A)〜(C)に示すように、電子部品20を実装する一面12a側では、電子部品20の載置部と対向する面に、複数のバイアホール24の一端開口24aが位置する矩形状の放熱用半田付けランド部22を形成すると共に、その周囲をソルダレジスト18で囲んでいる。さらに、放熱用半田付けランド部22の左右両側に電子部品20のリード端子との半田接続用のランド部16、17の銅箔を露出させている。
一方、他面12b側では、バイアホール24の他端開口24bを全て含む半田吸収用ランド部25をソルダレジスト26で囲んで形成している。該半田吸収用ランド部25は放熱用半田付けランド部22と絶縁基板12の厚さ方向に対向して同一形状で形成している。
ついで、図3に示すように、電子部品実装側の一面12aの表面に、半田付け部分のみを開口したメタルマスク35を被せる。該メタルマスク35はソルダレジスト18が設けられていない部分である放熱用半田付けランド部22およびランド部16、17の対向面は開口35aとなっている。
ついで、図4(A)(B)に示すように、メタルマスク35の表面に一側にクリーム半田36を乗せ、スキージ38でメタルマスク35の表面に塗布していく。クリーム半田36は開口35aの部分で、放熱用半田付けランド部22およびランド部16、17の表面に塗布される。塗布された厚さはメタルマスク35の厚さと同等である。
クリーム半田36を塗布した後にメタルマスク35は除去する。
ついで、図5に示すように、電子部品20を載置し、そのリード端子20b、20cをランド部16、17の表面のクリーム半田36上に接触させると共に、電子部品20の裏面のヒートシンク21を放熱用半田付けランド部22の表面に充填したクリーム半田36の表面と接触させる。
ついで、加熱手段(図示せず)を用いて、所要温度で加熱してクリーム半田36を溶融して、ファースト・リフローを行う。
このファースト・リフローで、図6に示すように、電子部品20のリード端子20b、20cはクリーム半田36からなる半田でランド部16、17と半田接続している。
また、放熱用半田付けランド部22に充填したクリーム半田36は溶融してヒートシンク21と放熱用半田付けランド部22の銅箔とに固着する。その後、リフロー炉から取り出すと固化し、前記半田層27となる。
さらに、溶融したクリーム半田36は放熱用半田付けランド部22に開口する全てのバイアホール24の中空部に流れ込み、バイアホール24の内周面の導電層28と固着した状態で充填され、その後、固化して前記半田30となる。
さらに、バイアホール24に流れ込んだ溶融半田は、半田吸収用ランド部25側の開口24bからも流出するが、半田吸収用ランド部25の表面には銅箔が露出しているため、該銅箔に馴染んで広がる。その結果、従来のような突出した半田ボールとならず、開口24bを中心として偏平な山形状に広がる。
その後、固化すると、半田吸収用ランド部22のバイアホール24の開口部分に、前記偏平な半田付着部31が形成される。この半田付着部31の高さは後述のメタルマスク40の厚さtよりも低くなる。
ついで、図7(A)(B)に示すように、プリント基板の他面12b側で、メタルマスク40を被せて、クリーム半田41をスキージ38で塗布していく。
前記メタルマスク40は、半田吸収用ランド部25と対向する部分は開口40aとなっており、かつ、前記半田付着部31の高さはメタルマスク40の高さよりも低いため、メタルマスク40は、従来の半田ボールによる凹凸を形成することなく、偏平な状態で被覆することができる。よって、スキージ38でクリーム半田41を塗布していく工程でメタルマスク40およびスキージ38に損傷を発生させることなく、スムーズにクリーム半田41を塗布できる。
また、半田吸収用ランド部25に塗布されるクリーム半田41は、各バイアホール24の開口24bを中心として付着される半田付着部31を埋め込んで被覆した状態で、メタルマスク40と同一高さまで塗布される。よって、半田付着部31の表面にフラックスFが漏出してもクリーム半田41に埋め込まれ、フラックスFはクリーム半田41の表面に漏出しない。
クリーム半田41を塗布した後に、メタルマスク40を剥がすが、其の際、メタルマスク40は開口となっていると共に半田付着部31がクリーム半田41で埋め込まれることにより、前記のようにフラックスFがメタルマスク40と接触することはなく、メタルマスク40をスムーズに剥がすことができる。
その後、加熱手段を用いて、セカンド・リフローを行い、クリーム半田41を溶融して、半田吸収用ランド部25の半田付着部31とクリーム半田41とを固着すると共に、半田吸収用ランド部25の銅箔とクリーム半田41とを固着し、その後、固化して前記半田層32を形成している。
前記方法で製造した場合、電子部品20の実装面側に放熱用半田付けランド部22とバイアホール24を介して連通する他面側に半田吸収用ランド部25を設けているため、バイアホール24から他面側に流出した溶融半田を半田吸収用ランド部25の銅箔面に添わせて拡がらせることができ、他面側に突出した半田ボールの形成を阻止できる。
また、このバイアホール24から溶融半田が流出する部分に半田吸収用ランド部25を設け、該他面側のソルダレジスト26に被せるメタルマスク40では、該半田吸収用ランド部25と対向部分は開口となり、前記流出して固化した半田付着部31にメタルマスク40を被せないため、従来の問題点となる半田ボールによるメタルマスクの変形を発生させない。その結果、メタルマスク40の表面にクリーム半田41をスキージ38で塗布していく時に、メタルマスク40およびスキージ38の損傷の発生を防止でき、生産効率を高めることができる。
本発明は前記実施形態に限定されず、例えば、前記電子部品のケースの全周からリード端子が突出した場合においても、該リード端子と半田接続するランド部に囲まれた領域に、前記放熱用半田付けランド部をソルダレジストで外周を規定して設けてもよい。
さらに、他面側の半田吸収用ランド部の面積は、スペース上で可能であれば、放熱用半田付けランド部の面積よりも拡大してもよく、その場合には放熱性能をより高めることができる。
さらにまた、前記広い面積の半田吸収用ランド部をアース回路もしくは電源回路として併用するようにしてもよい。
本発明のプリント基板の要部を示し、(A)は断面図、(B)は平面図、(C)は底面図である。 前記プリント基板の製造方法を説明する図面で、両面導体パターンおよびバイアホールを備えた基板を示し、(A)は平面図、(B)は断面図、(C)は底面図である。 図2のプリント基板の一面にメタルマスクを取り付けた状態の断面図である。 (A)(B)はメタルマスクを備えた状態でクリーム半田を塗布する状態を示す断面図である。 クリーム半田塗布後に電子部品を載置した状態を示す断面図である。 ファースト・リフローした状態を示す断面図である。 (A)(B)は他面側にメタルマスクをして、クリーム半田を塗布する状態を示す断面図である。 (A)〜(C)は従来例を示す図面である。 (A)〜(D)は、従来の製造工程を示す図面である。
符号の説明
12 絶縁基板
12a 電子部品実装側の一面
12b 他面
13(13A、13B)導体パターン
16、17 ランド部
18、26 ソルダレジスト
20 電子部品
20b、20c リード端子
21 ヒートシンク
22 放熱用半田付けランド部
24 バイアホール
25 半田吸収用ランド部
27、32 半田層
28 バイアホール内周面の導電層
31 半田付着部
35、40 メタルマスク
36、41 クリーム半田
38 スキージ
100 プリント基板

Claims (4)

  1. 絶縁基板の両面に、銅箔からなる導体パターンおよびランド部を形成し、かつ、一面側には電子部品の搭載面となる部分に放熱用半田付けランド部を設けると共に、対向する他面側に半田吸収用ランド部を形成し、かつ、これら放熱用半田付けランド部と半田吸収用ランド部に両端が開口するバイアホールを備えたプリント基板を設け、
    前記プリント基板の両面の半田不要部にソルダ・レジストを形成し、該ソルダ・レジストで前記放熱用半田付けランド部および前記半田吸収用ランド部を囲み、
    ついで、一面側にメタルマスクを載置して、前記ランド部および放熱用半田付けランド部にクリーム半田を塗布し、
    ついで、前記一面に電子部品を載置し、ファーストリフローで前記クリーム半田を溶融して、前記電子部品のリード端子をランド部と半田接続し、かつ、前記放熱用半田付けランド部と前記電子部品の裏面と密着させる半田層を形成すると共に、前記バイアホールを通して他面側に漏出する溶融半田を前記半田吸収用ランド部に流出させて開口部に偏平に付着させ、
    ついで、前記プリント基板の他面にメタルマスクを載置し、前記半田吸収用ランド部では前記バイアホールの開口部分で固化している半田を被覆した状態でクリーム半田を塗布し、該クリーム半田をセカンドリフローして前記半田吸収用ランド部に半田層を形成していることを特徴とする放熱構造を備えたプリント基板の製造方法。
  2. プリント基板の両面に導体パターンが設けられた両面基板であって、
    電子部品が実装されるプリント基板の一面に、前記電子部品の裏面と対向する領域に放熱用半田付けランド部が設けられ、該放熱用半田付けランド部に一端が開口する複数のバイアホールがプリント基板の他面に貫通して設けられ、これら複数のバイアホールの他端が開口するプリント基板の他面に半田吸収用ランド部が設けられ、
    前記放熱用半田付けランド部に塗布されたクリーム半田をリフローして形成した半田層が前記電子部品の裏面と放熱用半田付けランド部との間に設けられていると共に、該半田が溶融し前記バイアホールを通して漏出し前記半田吸収用ランド部に広がって偏平状に付着され、
    前記半田吸収用ランド部に、前記偏平状に付着された半田を被覆した状態で塗布されたクリーム半田をリフローして形成した半田層が設けられていることを特徴とするプリント基板の放熱構造。
  3. 前記半田吸収用ランド部の面積は、前記放熱用半田付けランド部の面積と同等としてプリント基板の厚さ方向に対向して設けられ、かつ、前記複数のバイアホールは前後左右方向に所定ピッチをあけて配置され、前後左右方向の外端に位置するバイアホールから所要間隔をあけて前記半田吸収用ランド部の外縁が設定されている請求項2に記載のプリント基板の放熱構造。
  4. 前記電子部品は外側面より突出するリード端子が前記プリント基板の一面に設けられたランド部に夫々半田接続されると共に、該電子部品は裏面に放熱スラグまたはヒートシンクからなる放熱材を備え、
    前記放熱用半田付けランド部に形成される前記半田層を前記放熱材とが面接触で固着されている請求項2または請求項3に記載のプリント基板の放熱構造。
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