JP2010212318A - プリント配線基板および部品実装構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のチップ部品対応のランド構造では、ランド周辺すべてがオーバーレジスト構造の場合、ランド側面まではんだが濡れ広がることが出来ず、はんだ接合部の強度を十分に確保出来ない課題があった。またランド周辺すべてがクリアランスレジスト構造の場合、ランド周辺とソルダレジストの間に距離があるため、加熱して粘性が低下したはんだペーストのフラックスがランド外に流れ出し、はんだ粉を還元することが出来ず、はんだ溶融不良を起こしてしまう課題があった。
【解決手段】上記課題を解決するために、はんだ付け用ランドの接合面周辺部分のソルダレジストを、チップ部品を接続する前記基板上の左右ランド間に、チップ部品の短辺方向にチップ部品短辺よりも幅が狭いパターンとし、前記開口部の幅が前記左右ランド間と反対方向に向かって広くなるようにすることで、はんだ接合部の強度を十分に確保した上で、はんだ溶融不良の発生のない実装構造体を得ることが出来る。
【選択図】図３

Description

本発明はチップ部品搭載技術に関し、特にチップ部品搭載に好適なはんだ付け用ランドを有するプリント配線基板およびその実装構造体に関する。

近年、携帯情報端末、モバイル機器などの小型薄型化・軽量化が急激に進んでいる。それに伴いこれら機器で使用されるプリント配線基板上に実装されたコンデンサや抵抗に代表されるチップ部品も、サイズ１００５（１．０ｍｍ×０．５ｍｍ）から０６０３（０．６ｍｍ×０．３ｍｍ）、さらには０４０２（０．４ｍｍ×０．２ｍｍ）へと小型化してきている。同時に、部品の高集積化も進んでおり、０４０２サイズのチップ部品が隣接部品間１００μｍ以下で導体ランドに実装されたプリント配線基板も存在する。

このようなプリント配線基板ではチップ部品のはんだ付け端子間の距離も短くなっており、はんだ供給時にはみ出したはんだなどによるチップ部品間のリークが発生し易くなっている。またチップ部品の小型化により、導体ランドも小さくなることから、はんだ接合部の接合強度も低下している。よって部品の小型化に伴い、はんだ接合部の更なる品質向上が求められている。

特開２００４−２０７２８７号公報 特開平９−３１２４６４号公報

はんだ接合部の品質向上を可能とする導体ランド構造、ソルダレジスト開口構造として、導体ランドの外周部にソルダレジストが形成されるオーバーレジスト構造や、ランド端から間隙を設けてソルダレジストを形成するクリアランスレジスト構造など、様々なものが既に提案されている。例えば、特許文献１では、左右ランド間のランド内側のみクリアランスレジスト構造とし、それ以外はいずれもオーバーレジスト構造として、はんだボール発生の抑制などを狙ったランド構造が提案されている。また別のランド構造として、特許文献２ではランド上にソルダレジストが形成されるオーバーレジスト構造として、ランド上のソルダレジスト開口部の形状を左右ランド間に向いたランド端から逆方向に向かって幅を狭くしていく三角形とし、部品のリペア工程の簡素化などを狙ったランド構造が提案されている。

しかし従来のランド構造、ソルダレジスト開口構造には下記に示すような問題点が存在した。図５に示すランド外周部のすべてがオーバーレジスト構造のランド構造の場合、ランド周辺をソルダレジストが囲むように形成されているため、加熱によりはんだペーストの粘性が下がってもはんだペーストがランド外に流出せず、フラックス成分によりはんだ粉表面に形成された酸化皮膜を除去出来る。また左右ランド間のランド上にソルダレジストが形成されているため、ソルダレジストの厚み分の実装高さは確実に保持されるというメリットはある。しかしランド側面まではんだが濡れ広がることは出来ず、はんだ接合部の強度を十分に確保出来ない課題があった。

また、図６に示すランド周辺すべてがクリアランスレジスト構造の場合、ランド側面まではんだが濡れ広がることが出来るため、はんだ接合部の強度は十分確保出来るというメリットはある。しかしランド周辺とソルダレジストの間に距離があるため、加熱して粘性が低下したはんだペーストのフラックスがランド外に流れ出す恐れがある。よって隣接導体ランド間でのリークや、はんだ粉を還元することが出来ずはんだ溶融不良を起こしてしまう課題があった。また左右ランド間にソルダレジストを形成していない場合は実装高さを確保出来ない。一般的にはんだ接合部に応力がかかる場合、はんだ接合部の実装高さが低い方がはんだ接合部にひずみを集中させ、信頼性上不利になる。また例えば０４０２部品のような小型のチップ部品で左右ランド間隔が１００μｍ以下のような微小サイズになると、現行の左右ランド間へのソルダレジスト形成は困難である。

このような課題を解決する方法として、例えば特許文献１に記載されているランド構造は、ランド周辺をオーバーレジスト構造とし、左右ランド間はクリアランスレジスト構造で、左右ランド間にソルダレジストを形成している。この構造によれば、オーバーレジスト構造の場合と同様に加熱したときのはんだペーストのフラックス流出は防ぐことは可能である。またランド側面まではんだが濡れ広がることが出来るため、はんだ接合部の強度にも問題はない。しかしクリアランスレジスト構造の場合と同様に、実装高さを確保出来ない。

さらに特許文献２のランド構造においては、ランド周辺すべてがオーバーレジスト構造の場合と同じで、はんだペーストが流出するのは防げる。また左右ランド間のランド上にソルダレジストが形成されているため、ソルダレジストの厚み分の実装高さは保持される。ただしランド側面まではんだが濡れることが出来ないため、はんだ接合部の強度が十分確保出来ない課題がある。またこの三角形のランド形状の場合、はんだ接合部の面積が小さくなると共に、三角形の頂点がはんだ内への亀裂の起点となるため接合部信頼性を大きく低下させると考えられる。

本発明は上記３つの課題、はんだペーストの流出によるリークやはんだの溶融不良、導体ランド側面がはんだで濡れないことによるはんだ接合部の強度不足、実装高さの低下による接合部へのひずみの集中のすべてを解決し、はんだ接合部信頼性を向上させるのに最も適したランド構造を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、絶縁基板と、該絶縁基板の上に形成した導体ランドを含む配線パターンと、導体ランドと前記導体ランドの外周部分にソルダレジストを形成したはんだ付け用ランドを有するプリント配線基板において、前記導体ランドの外周部分のソルダレジストは、チップ部品を接続する前記プリント配線基板上の左右ランド間に、チップ部品の短辺方向にチップ部品短辺よりも幅が狭い開口部を有し、前記開口部の幅が前記左右ランド間と反対方向に向かって広くなるようにしたことを特徴とする。

この特徴によって、左右ランド間のランド内側の上にはソルダレジストが形成されているため、ランド上からソルダレジストの厚み分の実装高さが確保出来る。同時に、ランド周辺はオーバーレジスト構造になっているのに対し、左右ランド間のランド内側の一部にソルダレジストを施しているため、はんだペーストのフラックス流出を防ぐと共に、ランドの内側はランドの側面まではんだが十分に濡れることが出来るという効果が得られる。また左右ランド間に向けてレジスト開口幅を小さくしているため、ソルダレジストを形成する際に起きた位置ズレ量がランドに及ぼす影響は小さい。すなわち、ソルダレジストの位置ズレによって片側だけオーバーレジスト構造のランドになるといった現象は起こりにくく、実装不良を起こしにくいという効果が得られる。

また本発明のプリント配線基板上に設けたはんだ付け用ランド上にはんだを介しチップ部品を接合した実装構造体においては、
前記チップ部品のはんだ付け端子と相対する左右ランド間に、チップ部品の短辺方向にチップ部品短辺よりも幅が狭い開口部を有し、前記開口部の幅が前記左右ランド間と反対方向に向かって広くなるようにしたプリント配線基板上に、前記チップ部品短辺よりも幅が狭い開口部に接するレジスト上に、前記プリント配線基板と対向するチップ部品面が接触し、はんだ接合されていることを特徴とする。

この特徴によって、チップ部品の下で左右ランド間にはソルダレジストがない部分が広く絶縁基板との空間が出来ている。これにより、基板に曲げ応力が加わった際にも基板が変形することで接合部に加わる応力を緩和することが出来、曲げ応力にも強いはんだ接合部が得られる効果がある。

本発明においては、導体ランドの外周部分にソルダレジストを設け、左右ランド間のチップ部品の短辺方向にチップ部品短辺よりも幅が狭く、左右ランド間と反対方向に向かって広くなるようにしたソルダレジスト開口部を有する。この特徴によって、左右ランド間のランド内側の上にはソルダレジストが形成されているため、ランド上からソルダレジストの厚み分の実装高さが確保出来る。同時に、ランド周辺はオーバーレジスト構造になっているのに対し、左右ランド間のランド内側の一部にソルダレジストを施しているため、はんだペーストのフラックス流出を防ぐと共に、ランドの内側はランドの側面まではんだが十分に濡れることが出来るという効果が得られる。

本発明のランド構造を示した図。 従来のランド構造を示した図。（比較例） 本発明のランド構造を示した図。 従来例と本発明の信頼性試験を実施した結果を示した図。 従来のランド構造であるオーバーレジスト構造を示した図。 従来のランド構造であるクリアランスレジスト構造を示した図。

以下では本発明の実施の形態を説明する。

本発明の導体ランド構造の上面図およびチップ部品実装後の実装構造体の断面図を図１（ａ）〜（ｃ）に示す。

チップ部品を実装するプリント配線基板１６は、絶縁基板１４と、絶縁基板１４上に、配線パターンに基づき所定の間隔をおいて形成された一対の導体ランド１２と、前記導体ランド１２の外周部分に設けたソルダレジスト１３から成る。また前記導体ランド１２の周辺を保護するために、また絶縁を保つために導体ランド１２の外周部には図１（ｃ）のようにソルダレジスト１３が形成され、はんだ付け用ランド１７を構成している。従来のソルダレジスト１３の形成位置はオーバーレジスト構造や、クリアランスレジスト構造など様々であったが、本発明では図１（ｃ）に示すように、左右導体ランド１２の外側３辺および、ランドの内側の角の上はオーバーレジスト構造とし、導体ランド１２の内側の辺に図のようなレジスト開口部を設け、クリアランスレジスト構造としている。また、左右導体ランド１２の間に形成されたソルダレジスト開口寸法１５は搭載するチップ部品１０を支持するため、搭載するチップ部品１０の短辺よりも小さくする。このような構成とすることで、図１（ｂ）に示すように、はんだ付け端子１８を介してプリント配線基板１６に実装されたチップ部品１０の実装高さを高くすることが出来、また図１（ａ）に示すように導体ランド１２の内側にまではんだ１１が濡れることが出来るようになるため、接合部信頼性を向上させることが可能となる。

ここで図１（ｃ）に示すように、左右導体ランド１２の間に形成されたレジストの形状は台形になっているが、この形状は特に限定する必要はなく、円弧や三角形であってもよい。ここで左右導体ランド１２の内側の角の上に形成したソルダレジストの横幅２０、角の上に形成したソルダレジストの縦幅２１はソルダレジスト１３形成時の印刷ズレ量より大きい値に設定するのがよい。これにより、ソルダレジスト１３形成時に位置ズレが起こった場合でも本発明の効果である、実装高さを保持することが出来、はんだ接合面積を出来るだけ縮小しないようにすることが出来る。

また、特に０４０２部品等の微小なチップ部品１０を実装する際には左右導体ランド１２間にソルダレジストを印刷により形成することが困難となるが、本発明のように左右導体ランド１２の内側の角の上にソルダレジストを形成すれば、左右導体ランド１２の間が微小であっても、印刷によりソルダレジストを形成することが出来る。例えば、左右導体ランド１２の間隔が８０μｍであっても、下底１００μｍの台形ソルダレジスト形状とすれば問題なくソルダレジスト１３を形成することが出来る。

このランド構造にチップ部品を実装する際に特別な工程は必要なく、通常のメタルマスクを用いたはんだペースト印刷工程、マウンターを用いた部品搭載工程の後に、リフロー工程により所定の温度プロファイルを設定したリフロー炉内を通過させ、はんだペーストを加熱・溶融させることにより部品を実装することが出来る。ただし、印刷の際にはんだペーストをより安定して供給するためにはソルダレジストの上にメタルマスク開口がこないように設計した方がよい。

これらの構成により接合部信頼性を向上させたランド構造を有するプリント配線基板、および該プリント配線基板にチップ部品を実装した実装構造体を得ることが可能となる。

本発明のランド構造による実施例を以下に示す。

図２に本発明のランド構造の比較例として、導体ランド１２の外周がオーバーレジスト構造、導体ランド１２の内側がクリアランスレジスト構造としたランド構造を示す。ここでの導体ランド１２のサイズは１７０μｍ×２２０μｍとし（外側の辺から内側ランドの辺までの最短距離が１７０μｍ）、左右導体ランド１２の間隔は１６０μｍ、搭載する部品サイズは０４０２部品（はんだ接合される面：４００μｍ×２００μｍ）とした。なお図２に示したランド構造においては左右導体ランド１２の間にソルダレジストは形成していない。よって、このランド構造では実装後のサンプルはチップ部品１０が導体ランド１２に接触してほとんど実装高さがない状態で実装される。

これに対して、本発明の実施例であるランド構造を図３に示す。ランドサイズ、左右ランド間隔、ランド形状は図２と全く同じ構造、寸法とし、左右導体ランド１２の間の一部分にソルダレジスト１３を形成している。この左右導体ランド１２の間のソルダレジスト開口寸法１５は１５０μｍとなっている。また、導体ランド１２の内側の角上に形成したソルダレジスト１３の横幅２０および角の上に形成したソルダレジストの縦幅２１の寸法はどちらも３５μｍで、角の上に形成したソルダレジストは底辺３５μｍ高さ３５μｍの直角三角形を成している。この部分によって実装後のチップ部品１０の実装高さを保持することが出来る。

図２、図３に示したランド構造を形成したプリント配線基板１６に図示しないステンレスマスクを用いてはんだペーストを供給した。使用したはんだペーストはＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの無洗浄タイプのはんだペーストで、マスク開口は１７０μｍ×２２０μｍの長方形の４隅を半径５７μｍのコーナーとしたマスク開口とした。マスク厚みは１１０μｍであり、マスク開口とランドの相対位置は中心が一致するように位置あわせし、スクリーン印刷によってはんだペーストを供給した。

その後、０４０２部品対応のマウンターにより、０４０２部品を各３２点搭載し、リフロー炉に投入してはんだペーストを加熱、溶融させ、０４０２抵抗部品の実装サンプルを作成した。リフロー温度プロファイルは推奨温度プロファイルである、プリヒート温度１５０〜１９０℃を１１０秒以内、ピーク温度を２４０℃とした。

以上のように、通常の表面実装工程によりチップ抵抗実装サンプルを作成し、温度サイクル試験を実施して、３２点の平均抵抗値変化を観察した結果を図４に示す。ここで本発明の抵抗測定最大値と最小値がエラーバーにより表示されており、比較例に関しては直線で抵抗最大値と最小値を表している。なお、抵抗値は微小なクラックの影響も観察出来るように１００℃にて接触抵抗の影響がない４端子法にて０、５００、１０００、２０００、３０００ｃｙｃｌｅで測定した。温度サイクルの試験条件は−４０℃〜１２５℃各１０分で３０００ｃｙｃｌｅまで実施した。

図４から、２０００ｃｙｃｌｅまでは本発明の平均抵抗値と比較例の平均抵抗値の差はほとんど見られない。しかし３０００ｃｙｃｌｅになると比較例の平均抵抗値が大幅に上昇しているのに対し、本発明の平均抵抗値は緩やかに上昇しているだけである。抵抗上昇の原因は接合部はんだ内にクラックが進展して、電流が通じる経路が小さくなるためであり、クラックによりはんだ内部が完全に分断されると、劇的に抵抗値は上昇する。比較例では３０００ｃｙｃｌｅで抵抗値が劇的に上昇しており、はんだ内部が完全に分断されたサンプルが発現されていることがわかる。本発明と比較例の相違点は、導体ランド１２の内側の角の上にソルダレジスト１３を形成しているかいないかの点だけである。よって、比較例に対し、本発明のランド構造とすることではんだ接合部寿命を高信頼性化することが出来るということが明確になった。以上説明したように本発明のランド構造によれば、チップ部品実装後の高さを保持することが出来る、また基板側のランド側面まではんだが濡れることではんだ接合部の面積が増大する、またはんだのフラックス成分の流出を防ぐことが可能となり、はんだ接合部信頼性を向上させることが可能となった。

また本発明のランド構造を有するプリント配線基板１６上にチップ部品１０を実装した実装構造体の断面図は図１（ａ）、（ｂ）と同等である。図の通り本発明の実装構造体では、チップ部品１０の下で左右導体ランド１２間にはソルダレジスト１３がない部分が広く設けられており、絶縁基板との空間が出来ている。これにより本プリント配線基板１６に曲げ応力が加わった際にも基板が変形することで接合部に加わる応力を緩和することが可能となり、曲げ応力にも強いはんだ接合部が得られた。

１０ チップ部品
１１ はんだ
１２ 導体ランド
１３ ソルダレジスト
１４ 絶縁基板
１５ ソルダレジスト開口寸法
１６ プリント配線基板
１７ はんだ付け用ランド
１８ はんだ付け端子
２０ 角の上に形成したソルダレジストの横幅
２１ 角の上に形成したソルダレジストの縦幅

Claims (2)

1. 絶縁基板と、該絶縁基板の上に形成した導体ランドを含む配線パターンと、導体ランドと前記導体ランドの外周部分にソルダレジストを形成したはんだ付け用ランドを有するプリント配線基板において
   前記導体ランドの外周部分のソルダレジストは、チップ部品を接続する前記プリント配線基板上の左右ランド間に、チップ部品の短辺方向にチップ部品短辺よりも幅が狭い開口部を有し、
   前記開口部の幅が前記左右ランド間と反対方向に向かって広くなるようにしたことを特徴とするプリント配線基板
2. プリント配線基板上に設けたはんだ付け用ランド上にはんだを介しチップ部品を接合した実装構造体において、
   前記チップ部品のはんだ付け端子と相対する左右ランド間に、チップ部品の短辺方向にチップ部品短辺よりも幅が狭い開口部を有し、前記開口部の幅が前記左右ランド間と反対方向に向かって広くなるようにしたプリント配線基板上に
   前記チップ部品短辺よりも幅が狭い開口部に接するレジスト上に、前記プリント配線基板と対向するチップ部品面が接触し、はんだ接合されていることを特徴とする実装構造体。