JP2009200411A - はんだ接合部、プリント配線板およびはんだの接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ランド剥離の発生を防止するはんだ接合部、プリント配線板およびはんだの接合方法、を提供する。
【解決手段】はんだ接合部は、基材１２の実装面１３ａと裏面１３ｂとを貫通するスルーホール１４と、スルーホール１４に挿入される電子部品のリード部４６とが接合されるはんだ接合部である。実装面１３ａ側および裏面１３ｂ側のスルーホール１４の開口部には、それぞれランド３２が配置される。はんだ接合部は、裏面１３ｂ側のランド３２と鉛フリーはんだ２１のフィレット２２との界面に、はんだの低融点相の偏析を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般的には、はんだ接合部、プリント配線板およびはんだの接合方法に関し、より特定的には、無鉛はんだが使用されるはんだ接合部、プリント配線板およびはんだの接合方法法に関する。

従来のはんだ接合部に関して、たとえば、特開２００２−２３７６７４号公報には、ランドはく離を抑制することを目的とした回路基板およびそれを用いた電子機器が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された回路基板においては、ランド端部の全周または一部に被せるようにして、基板表面にソルダレジストが形成されている。
特開２００２−２３７６７４号公報

近年、環境保護の観点から、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（たとえば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ）が、プリント配線板への電子部品の実装に利用されている。

しかしながら、鉛フリーはんだは、鉛を含むはんだと比較して引っ張り強度、クリープ強度が大きく、伸びが小さいという特性を有するため、はんだ接合部において応力緩和が起こり難くなる。また、鉛フリーはんだは、一般的に溶融温度が高くなるため、はんだ形成後の凝固工程における収縮量も大きくなる。これらに起因し、鉛フリーはんだを用いた場合には、ランドが基材から浮き上がる、いわゆるランド剥離と呼ばれる現象が多発する。

これに対して、上述の特許文献１における回路基板においては、ランド剥離を防ぐために、回路基板の表面をはんだから保護するためのソルダレジストを利用する。しかしながら、このような方法によってもランド剥離を完全に防ぐことはできない。特に、はんだ接合部が高温になる、こてはんだ付けの場合には、ランド剥離が起こり易くなり、はんだ接合部の信頼性の低下が懸念される。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、ランド剥離の発生を防止するはんだ接合部、プリント配線板およびはんだの接合方法を提供することである。

この発明に従ったはんだ接合部は、基材の実装面と裏面とを貫通するスルーホールと、スルーホールに挿入される電子部品のリード部とが接合されるはんだ接合部である。実装面側および裏面側のスルーホールの開口部には、それぞれ電極が配置される。はんだ接合部は、裏面側の電極とはんだのフィレットとの界面に、はんだの低融点相の偏析を有する。

この発明に従えば、ランド剥離の発生を防止するはんだ接合部、プリント配線板およびはんだの接合方法を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１におけるはんだ接合部を示す断面図である。図１を参照して、本実施の形態におけるはんだ接合部の基本的な構造についてまず説明すると、はんだ接合部は、基材１２の実装面１３ａと裏面１３ｂとを貫通するスルーホール１４と、スルーホール１４に挿入される電子部品のリード部４６とが接合されるはんだ接合部である。実装面１３ａ側および裏面１３ｂ側のスルーホール１４の開口部には、それぞれ電極としてのランド３２が配置される。はんだ接合部は、裏面１３ｂ側のランド３２とはんだとしての鉛フリーはんだ２１のフィレット２２との界面に、はんだの低融点相の偏析を有する。

はんだ接合部は、主表面１３を有する基材１２と、ランド３２と、鉛フリーはんだ２１とを備える。基材１２には、主表面１３に開口し、電子部品のリード部４６が挿入されるスルーホール１４が形成される。ランド３２は、主表面１３を被覆し、スルーホール１４の開口の周囲に配置される。鉛フリーはんだ２１は、ランド３２上に配置されるフィレット２２を有し、スルーホール１４を充填する。鉛フリーはんだ２１は、フィレット２２とランド３２とが剥離するように設けられる。

続いて、図１中のはんだ接合部の構造について詳細な説明を行なう。本実施の形態におけるはんだ接合部の構造は、電子部品４５（図３を参照）を実装するプリント配線板１０に用いられている。

基材１２は、主表面１３の延在方向に板状に広がる形状を有する。主表面１３は、電子部品４５が実装される実装面１３ａと、その裏側に面する裏面１３ｂとから構成されている。基材１２には、主表面１３に開口するスルーホール１４が形成されている。スルーホール１４は、実装面１３ａから裏面１３ｂに達する貫通孔である。スルーホール１４は、主表面１３に略円形の開口面を有する。

基材１２は、エポキシ樹脂が含浸させられたガラスクロスから形成されている。基材１２は、これに限られず、たとえば、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂などが含浸させられた、絶縁性を有する材料（紙基材またはポリエステル基材など）から形成されてもよい。

基材１２には、導電材料から形成された導電部材３１が設けられている。導電部材３１は、筒部３３およびランド３２を含んで構成されている。ランド３２は、主表面１３（実装面１３ａおよび裏面１３ｂ）上においてスルーホール１４を中心に環状に延在する形状を有する。ランド３２は、主表面１３に対して面接触し、密着している。筒部３３は、スルーホール１４を規定する基材１２の内壁を覆うように形成されている。ランド３２は、スルーホール１４の開口の周縁から筒部３３へと連なって形成されている。

スルーホール１４には、電子部品４５のリード部４６が挿入されている。リード部４６は、スルーホール１４内部において、リード部４６の外周面と導電部材３１の内周面との間に隙間を設けるように配置されている。

主表面１３には、回路配線としての配線パターン３６が形成されている。ランド３２は、配線パターン３６に接続されている。本実施の形態では、裏面１３ｂ上において、ランド３２と配線パターン３６とが接続されている。主表面１３には、さらにソルダレジスト４１が形成されている。ソルダレジスト４１は、ランド３２を避け、かつ配線パターン３６を覆うように形成されている。

リード部４６は、鉛フリーはんだ２１によって基材１２に対してはんだ付けされている。鉛フリーはんだ２１は、Ｂｉ（ビスマス）を含有するＳｎ基合金から形成されている。本実施の形態では、鉛フリーはんだ２１が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだに、微量のＢｉを添加したＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−１．０Ｂｉから形成されている。

鉛フリーはんだ２１は、充填部２５およびフィレット２２を含んで構成されている。充填部２５は、スルーホール１４内部を充填するように形成されている。充填部２５は、リード部４６の外周面と導電部材３１の内周面との間の隙間を充填するように形成されている。フィレット２２は、スルーホール１４からはみ出した鉛フリーはんだ２１の部分であり、ランド３２上に配置されている。フィレット２２は、主表面１３上においてランド３２と向い合うフィレット裏面２３を有する。鉛フリーはんだ２１は、裏面１３ｂ上においてフィレット２２がランド３２から浮き上がった状態、つまりランド３２とフィレット裏面２３との間に隙間が形成された状態に設けられている。本実施の形態におけるはんだ接合部は、裏面１３ｂ側においてランド３２とフィレット２２との界面に、はんだの低融点相の偏析を有する。

なお、鉛フリーはんだ２１は、実装面１３ａおよび裏面１３ｂ上の双方においてフィレット２２がランド３２から浮き上がった状態に設けられてもよい。

図２および図３は、図１中のはんだ接合部の製造方法の工程を示す断面図である。次に、図１中のはんだ接合部の製造方法について実施例を用いて説明する。以下に説明する実施例では、いわゆるフローはんだ付け工程によって、基材１２に対するリード部４６のはんだ付けを行なった。

図２を参照して、基材１２に、導電部材３１、配線パターン３６およびソルダレジスト４１を形成し、スルーホール１４の開口部にランド３２が配置された基材１２を準備した。

図３を参照して、次に、スルーホール１４に電子部品４５のリード部４６を挿入した。コンベア５１によって基材１２を搬送しつつ、その基材１２を裏面１３ｂ側から溶融はんだ５２に浸漬させることにより、スルーホール１４に溶融はんだ５２を充填した。使用した溶融はんだ５２は、上記のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−１．０Ｂｉであり、はんだの融液温度を２５０℃とし、コンベア５１の送り速度を１．０ｍ／ｍｉｎとした。また、フラックスとして、標準的なＲＭＡタイプのものを使用した。基材１２を溶融はんだ５２から離脱させた後、冷却により、はんだを凝固させた。以上の工程により、図１中のはんだ接合部が得られた。

次に、上記のはんだ接合部の製造方法により、図１中に示すはんだ接合部が得られる理由について説明する。

図４は、比較のためのはんだ接合部を示す断面図である。図５は、図４中のはんだ接合部で生じる配線パターンの断線を説明するための断面図である。図４および図５中の比較のためのはんだ接合部は、図１中のはんだ接合部と比較して、裏面１３ｂ側のフィレット２２とランド３２とが接触している点で異なる。

図４および図５を参照して、はんだの凝固工程時、はんだと基材１２との熱収縮差に起因して、はんだ接合部に過大な応力が作用する。これにより、フィレット２２がランド３２から剥離しようとし、このフィレット２２に追従してランド３２も一緒に裏面１３ｂから剥離する。このランド剥離に伴って配線パターン３６も裏面１３ｂから浮き上がるため、比較のためのはんだ接合部では、図５中に示すように配線パターン３６の断線が生じる懸念が生じる。

一方、本実施の形態におけるはんだ接合部について説明すると、基材１２が溶融はんだ５２に接触した後のはんだ接合部において、溶融はんだ５２の最終凝固位置は、溶融はんだ５２が最後に離脱する、裏面１３ｂ側のランド３２と、はんだのフィレット２２との界面となる。このため、このフィレット２２の界面位置に、溶融はんだ５２に含まれるＢｉの低融点相（Ｓｎ−５８Ｂｉ）が偏析する。すなわち、はんだの凝固工程において、基材１２の実装面１３ａ側を低温側とし、裏面１３ｂ側を高温側とする温度勾配を持たせて、裏面１３ｂ側のフィレット２２とはんだとの界面にＢｉの低融点相を偏析させる。

Ｂｉの低融点相が偏析した部分では、はんだの接合強度が低くなる。このため、フローはんだ付け工程の後の冷却過程において、はんだと基材１２との間に熱収縮差が生じた時に、Ｂｉの低融点相が偏析したはんだのフィレット２２の部分をより積極的にランド３２から剥離させることができる。この結果、ランド３２が裏面１３ｂから剥離することを防止できる。

なお、はんだの凝固工程時、はんだを空冷または水冷により急冷すると、ランド３２とはんだのフィレット２２との界面に発生させる低融点相の偏析が抑制される。この場合、目的とするフィレット２２がランド３２から浮き上がったはんだ接合部が得られ難くなる。このため、はんだの凝固工程時の冷却は自然冷却が好ましい。

図６は、ランドの大きさと、ランド剥離の発生確率との関係を示す表である。図６を参照して、図４中に示す比較のためのはんだ接合部を用いた電子機器に、−４０℃（３０分間）および１２５℃（３０分間）の温度サイクルを与える試験を１０００サイクルまで実施した。試験後のサンプルの基材１２を断面観察し、ランド剥離の有無を確認した。

図１中に示すように、実装面１３ａを正面から見た場合のランド３２の内径をＤ１と呼び、ランド３２の外径をＤ２と呼ぶ。ランド３２の内外径の差（Ｄ２−Ｄ１）が０．４ｍｍ未満の場合、フィレット２２が小さく、フィレット２２によるランド３２の拘束力が小さくなるため、ランド剥離は起こり難くなる。一方、ランド３２の内外径の差が１．２ｍｍを越える場合、ランド３２と基材１２との接触面積が大きくなり、主表面１３に対するランド３２の密着力が大きくなるため、ランド剥離は起こり難くなる。このため、上記試験では、ランド３２の内外径の差が０．４ｍｍ以上１．２ｍｍ以下の場合に、ランド剥離の発生が顕著となった。つまり、ランド３２の内外径の差が０．４ｍｍ以上１．２ｍｍ以下の場合に、本発明は特に有効に適用される。

図７は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだに関する、Ｂｉ添加量とはんだの伸びとの関係を示すグラフである。図７を参照して、Ｂｉ添加量とはんだの伸びとの間には、相関関係があり、Ｂｉ添加量が１．５質量パーセント以上の場合、はんだの機械的特性、特に伸びが著しく低下する。このため、図１中のはんだ接合部において、鉛フリーはんだ２１に対するＢｉ添加量を１．５質量パーセント未満に設定することが好ましい。

このように構成された、この発明の実施の形態１におけるはんだ接合部によれば、裏面１３ｂ側においてランド３２とフィレット２２との界面に、はんだの低融点相の偏析を有する構成により、はんだ凝固工程時に、ランド３２が主表面１３から剥離することを防止できる。これにより、配線パターン３６の断線を防ぎ、はんだ接合部の信頼性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、鉛フリーはんだ２１がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の場合について説明したが、これに限られず、たとえば、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ、またはＳｎ−Ｓｂはんだのいずれかが鉛フリーはんだ２１に用いられてもよい。また、本発明は、鉛フリーはんだを用いる場合により好適に適用されるが、鉛を含有するはんだを用いる場合にも適用可能である。また、本実施の形態では、フローはんだ付け工程によって図１中のはんだ接合部を製造した場合を説明したが、こてはんだ付け工程による場合にも図１中のはんだ接合部の構造を得て、上記効果を同様に得ることができる。

（実施の形態２）
この発明の実施の形態２におけるはんだ接合部では、実施の形態１におけるＢｉに替えて、Ｉｎ（インジウム）が鉛フリーはんだ２１に添加される。この場合においても、はんだの凝固工程時、ランド３２とフィレット２２との界面に、Ｉｎの低融点相（Ｓｎ−５０Ｉｎ）が偏析する。このＩｎの低融点相が偏析した部分では、はんだの接合強度が低くなる。このため、Ｉｎの低融点相が偏析したフィレット２２の部分をより積極的にランド３２から剥離させ、ランド３２が裏面１３ｂから剥離することを防止できる。

図８は、Ｓｎ−Ｉｎ二元系の平衡状態図である。図８を参照して、プリント配線板は、高温環境下（たとえば、車載機器においては約１２０℃）で使用されることもある。このため、鉛フリーはんだ２１に対するＩｎの添加量が２０質量パーセント以上の場合、鉛フリーはんだ２１の融点（固相線）が使用環境温度よりも低くなり、はんだ接合部の接合信頼性が確保されない。このため、図１中のはんだ接合部において、鉛フリーはんだ２１に対するＩｎ添加量を２０質量パーセント未満に設定することが好ましい。

このように構成された、この発明の実施の形態２におけるはんだ接合部によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１におけるはんだ接合部を示す断面図である。 図１中のはんだ接合部の製造方法の第１工程を示す断面図である。 図１中のはんだ接合部の製造方法の第２工程を示す断面図である。 比較のためのはんだ接合部を示す断面図である。 図４中のはんだ接合部で生じる配線パターンの断線を説明するための断面図である。 ランドの大きさと、ランド剥離の発生確率との関係を示す表である。 Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだに関する、Ｂｉ添加量とはんだの伸びとの関係を示すグラフである。 Ｓｎ−Ｉｎ二元系の平衡状態図である。

符号の説明

１０ プリント配線板、１２ 基材、１３ 主表面、１３ａ 実装面、１３ｂ 裏面、１４ スルーホール、２１ 鉛フリーはんだ、２２ フィレット、３２ ランド、３６ 配線パターン、４５ 電子部品、４６ リード部、５２ 溶融はんだ。

Claims (9)

1. 基材の実装面と裏面とを貫通するスルーホールと、前記スルーホールに挿入される電子部品のリード部とが接合されるはんだ接合部であって、
   実装面側および裏面側の前記スルーホールの開口部には、それぞれ電極が配置され、
   裏面側の前記電極とはんだのフィレットとの界面に、はんだの低融点相の偏析を有する、はんだ接合部。
2. 実装面側の前記電極は、前記スルーホールの開口部の周縁から、前記スルーホールを規定する前記基材の内壁に連なるように形成され、
   実装面を正面から見た場合の前記電極の内径と外径との差が、１．２ｍｍ以下である、請求項１に記載のはんだ接合部。
3. 実装面側の前記電極は、前記スルーホールの開口部の周縁から、前記スルーホールを規定する前記基材の内壁に連なるように形成され、
   実装面を正面から見た場合の前記電極の内径と外径との差が、０．４ｍｍ以上である、請求項１または２に記載のはんだ接合部。
4. 前記はんだは、ＢｉおよびＩｎのいずれか一方を含有するＳｎ基合金である、請求項１から３のいずれか１項に記載のはんだ接合部。
5. 前記Ｓｎ基合金は、１．５質量パーセント未満のＢｉを含有する、請求項４に記載のはんだ接合部。
6. 前記Ｓｎ基合金は、２０質量パーセント未満のＩｎを含有する、請求項４に記載のはんだ接合部。
7. 前記はんだは、無鉛はんだである、請求項１から６のいずれか１項に記載のはんだ接合部。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のはんだ接合部を備え、前記電極に接続される回路配線が形成される、プリント配線板。
9. 基材の実装面と裏面とを貫通するスルーホールと、前記スルーホールに挿入される電子部品のリード部とを接合するはんだの接合方法であって、
   実装面側および裏面側の前記スルーホールの開口部に、それぞれ電極が配置された基材を準備する工程と、
   前記スルーホールにはんだを充填する工程と、
   前記基材の実装面側を低温側とし、裏面側を高温側とする温度勾配を持たせて、裏面側の前記電極とはんだとの界面にはんだの低融点相を偏析させる凝固工程とを備える、はんだの接合方法。

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