JP2008185387A

JP2008185387A - 溶融はんだ中の銅濃度測定方法及びその方法に用いるプリント基板

Info

Publication number: JP2008185387A
Application number: JP2007017383A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tanabe; 剛田邊; Goro Ideta; 吾朗出田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】溶融はんだ中の銅濃度を生産現場で簡易に測定する方法及びその方法に用いるプリント基板を提供することを目的とするものである。
【解決手段】二等辺三角形の２本の等辺がそれぞれ内側に凸の曲線に変形している形状の銅パターンが基材上に形成されているプリント基板を溶融はんだに接触させ、該溶融はんだとの接触によって溶解する銅パターンの溶解量により、該溶融はんだ中の銅濃度を測定することにより、溶融はんだ中の銅濃度が高い領域においても銅濃度測定結果の誤差が小さくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融はんだ中に含まれる銅濃度を測定する方法とその方法に用いるプリント基板に関するものである。

環境保護の観点からプリント基板への電子部品実装において、接合用に使用されるはんだから鉛を除去したいわゆる鉛フリーはんだが適用されており、Sn-Ag-Cu系はんだが業界標準となっている。しかし、これまでの鉛を含むはんだに対して、鉛フリーはんだは金属との反応性が高いことから、溶融はんだにプリント基板を接触させるディップはんだ付（例えば、フローはんだ付、部分噴流はんだ付等）において、スルーホールの銅電極が溶解して溶融はんだ槽中の銅濃度が増加するという問題が顕在化している。

溶融はんだ中の銅濃度増加は液相線温度の上昇を招くため、工作性（特にブリッジ不良）に悪影響を及ぼす。また、はんだの組織状態としてCu-Sn化合物であるCu₆Sn₅の硬く脆い針状結晶が晶出するため、はんだ接合部の信頼性低下が懸念される。一方、溶融はんだ中の銅濃度低下は、スルーホールの銅電極の溶解を促進してプリント基板のパターン断線を引き起こす。以上の理由により、溶融はんだ中の銅濃度は適正範囲に管理する必要がある。

溶融はんだ中の元素分析方法としては、蛍光Ｘ線分析が一般的に用いられている。はんだ槽から一定量のはんだを採取し、冷却凝固させ、旋盤で所望のサイズに加工した後に蛍光Ｘ線分析装置により、測定対象元素の重量比を測定する。

また、金属部材と探触子を溶融はんだに浸漬させ、両者間の導通を測定し、金属部材が溶融はんだに溶解して導通がなくなった時間から、はんだ元素濃度を算出する方法がある。（例えば、特許文献１参照）

特開２００２−３４０８８４号公報

しかしながら、蛍光Ｘ線分析装置は高精度の分析は可能であるが、測定試料作製に手間と時間を要し、装置が大がかりで高価であり、測定にあたっては専門知識が必要であるため、生産現場で簡易に分析することができないという課題があった。また、特許文献２記載の方法では、生産現場での分析は可能であるが、導通を測定する煩雑な装置が必要であるという課題を有していた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、溶融はんだ中の銅濃度を生産現場で簡易に測定する方法及びその方法に用いるプリント基板を提供することを目的とするものである。

本発明に係る溶融はんだ中の銅濃度を測定する方法は、二等辺三角形の２本の等辺がそれぞれ内側に凸の曲線に変形している形状の銅パターンが基材上に形成されているプリント基板を溶融はんだに接触させ、該溶融はんだとの接触によって溶解する銅パターンの溶解量により、該溶融はんだ中の銅濃度を測定することを特徴とするものである。

また、本発明に係るプリント基板は二等辺三角形の２本の等辺がそれぞれ内側に凸の曲線に変形している形状の銅パターンが基材上に形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、二等辺三角形の２本の等辺がそれぞれ内側に凸の曲線に変形している形状の銅パターンが基材上に形成されているプリント基板を溶融はんだに接触させ、該溶融はんだとの接触によって溶解する銅パターンの溶解量により、該溶融はんだ中の銅濃度を測定するため、短時間かつ低コストで生産現場において簡易に溶融はんだ中の銅濃度を測定することが可能であり、また溶融はんだ中の銅濃度が高い領域においても銅濃度測定結果の誤差が小さくなるという効果がある。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。
図１（ａ）に本発明の一実施例であるプリント基板６を示す。二等辺三角形において、二本の等辺３がそれぞれ内側に凸の曲線に変形しており、この等辺３が二次関数曲線である形状の銅パターン２が基材１上に形成されている。また、基材１には銅パターンに対応した目盛り４が刻まれている。この実施例では、基材１がガラスエポキシ、銅パターン２の底辺５の長さが２ｍｍ、銅パターン２の厚さが１２μmであり、等辺３は底辺５に直角の方向をＸ軸とした場合にｙ＝ｘ^２／２５５とｙ＝−ｘ^２／２５５で示される二次関数曲線の場合を示す。

次に、プリント基板６による溶融はんだ中の銅濃度測定方法について説明する。プリント基板６に銅表面の酸化物を除去するためのフラックスを塗布した後、図示しない溶融はんだ中に浸漬させる。この時、溶融はんだの温度は、はんだ材の融点以上の適当な温度、例えば２６０℃に固定しておく必要がある。一定時間の浸漬後、該プリント基板６を溶融はんだ中から引き上げると、図１（ｂ）のように銅パターン２の先端部が選択的に溶解し銅パターン２ははんだ浸漬後の銅パターン７の形状となり、消失部８が発生する。この先端部が選択的に溶解する現象は、該部分が銅パターンの体積に対して溶融はんだが接触する表面積の割合が大きいことによるものである。すなわち、銅パターンの単位長さ当たりの体積が、（厚さ×幅）であるのに対し、表面積が、（厚さ×２＋幅）であり、銅パターンの先端部の方が銅パターンの体積に対して溶融はんだが接触する表面積の割合が大きくなるためである。

図２は図１に示したプリント基板６を用いて、はんだ融液温度が例えば２６０℃、溶融はんだへの浸漬時間が例えば７０秒の場合の銅パターンの消失部８の長さと溶融はんだ中の銅濃度との関係を示した検量線である。溶融はんだ中の銅濃度が高いほど銅パターンの消失部８の長さは短くなる。これは、溶融はんだに対する銅の溶解速度が、溶融はんだ中の銅濃度に依存していることによるものである。この検量線をあらかじめ作成しておくことで、目盛４で読み取った銅パターンの消失部８の長さより溶融はんだ中の銅濃度の測定が可能となる。

表１は本発明による銅濃度測定結果と精密分析方法である蛍光Ｘ線装置による分析結果との比較結果の例を示した表である。なお、測定結果ははんだ中の銅濃度をmass%で表示している。この表１のように精密分析方法である蛍光Ｘ線装置による分析結果に対し、簡易な測定方法である本発明による銅濃度の測定結果は近い値を示すような結果が得られている。

図３（ａ）は二等辺三角形状の銅パターン１０が基材１上に形成されているプリント基板１２である。その他の構成は図１（ａ）と同様であるので説明を省略する。図３（ｂ）は図３（ａ）で示したプリント基板を本実施の形態と同様の方法ではんだ浸漬した後の状態を示している。はんだ浸漬後、銅パターン１０は一部が溶解し、はんだ浸漬後の銅パターン１３の状態となる。プリント基板１２を用いた場合の銅パターンの消失部１４の長さと溶融はんだ中の銅濃度との関係を示した検量線を図４に示す。プリント基板６を用いた場合の検量線９が直線であるのに対し、プリント基板１２を用いた場合の検量線１５は二次関数曲線となる。検量線１５では、溶融はんだ中の銅濃度が高い領域において、銅パターンの消失部１４の長さ変化に対する溶融はんだ中の銅濃度の変化率が大きくなるため、わずかな銅パターンの消失部１４の読み取り誤差により、銅濃度測定結果の大きな誤差を生じる。このことから、銅パターンの等辺３は二次関数形状が望ましい。

なお、頂角が６０度以上の二等辺三角形の場合、最も角度が小さい角が底角となり、底辺部からの消失が顕著になるため、測定精度に大きな誤差が生じるため、頂角は６０度未満であることが望ましい。

尚、この実施例では、銅パターン２の寸法は、銅パターンの底辺５の長さが２ｍｍ、銅パターンの厚さが１２μm、２本の二次関数曲線がｙ＝ｘ^２／２５５とｙ＝−ｘ^２／２５５の場合について説明したが、本発明の効果はこの寸法に限るものではない。
また、二次関数曲線に沿っていれば、階段状に直線を組み合わせたジグザク形状でも同様の効果が得られる。

さらに、この実施例では、銅パターン２の曲線部３は二次関数曲線であるが、これに限定されるものではなく、該曲線部は三次以上の多次関数曲線でもよい。

また、この実施例では、はんだ融液温度が２６０℃、溶融はんだへの浸漬時間が７０秒の場合について説明したが、これに限るものではなく、はんだ融液温度が２２０℃〜５００℃の範囲であれば、１秒以上の浸漬時間を設定することにより、溶融はんだ中の銅濃度測定が可能である所定の銅パターン２の形状に合わせて、はんだ融液温度および溶融はんだへの浸漬時間を上記範囲内で適宜選択すればよい。

また、この実施例では、目盛４を設けることにより、銅パターン２の消失部８の長さの測定を容易にする効果があるが、目盛４を設けない場合には定規、ノギス等の測定器具を用いて測定してもよい。

また、この実施例では、基材１はガラスエポキシの場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガラスエポキシの代わりに溶融はんだに浸漬させた時に溶解しにくい材料、例えばガラス、セラミック、ステンレス等を用いてもよい。

実施の形態１のプリント基板と、該プリント基板を溶融はんだ中に浸漬させた後の銅パターンの消失状態を表した説明図である。実施の形態１のプリント基板を用いた場合の銅パターン消失長さと溶融はんだ中の銅濃度との関係を表したグラフである。実施の形態１のプリント基板と比較するためのプリント基板と、該プリント基板を溶融はんだ中に浸漬させた後の銅パターンの消失状態を表した説明図である。図３のプリント基板を用いた場合の銅パターン消失長さと溶融はんだ中の銅濃度との関係を表したグラフである。

符号の説明

１基材、２銅パターン、３曲線部、４目盛、５銅パターンの底辺、６プリント基板、７銅パターンの残存部、８銅パターンの消失部、９検量線、１０銅パターン、１１二等辺三角形の等辺部、１２プリント基板、１３銅パターンの残存部、１４銅パターンの消失部、１５検量線

Claims

二等辺三角形の２本の等辺がそれぞれ内側に凸の曲線に変形している形状の銅パターンが基材上に形成されているプリント基板を溶融はんだに接触させ、該溶融はんだとの接触によって溶解する銅パターンの溶解量により、該溶融はんだ中の銅濃度を測定することを特徴とする溶融はんだ中の銅濃度測定方法。
二等辺三角形の頂角が６０°未満であることを特徴とする請求項１に記載の溶融はんだ中の銅濃度測定方法。
内側に凸の曲線に変形している２本の等辺が多次関数曲線であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融はんだ中の銅濃度測定方法。
内側に凸の曲線に変形している２本の等辺が二次関数曲線であることを特徴とする請求項３に記載の溶融はんだ中の銅濃度測定方法。
頂角が６０°未満である二等辺三角形の２本の等辺がそれぞれ内側に凸の曲線に変形している形状の銅パターンが基材上に形成されていることを特徴とするプリント基板。
二等辺三角形の頂角が６０°未満であることを特徴とする請求項５に記載のプリント基板。
内側に凸の曲線に変形している２本の等辺が多次関数曲線であることを特徴とする請求項５または６に記載のプリント基板。
内側に凸の曲線に変形している２本の等辺が二次関数曲線であることを特徴とする請求項７に記載のプリント基板。