JP2010219488A

JP2010219488A - スルーホールのはんだ付け構造

Info

Publication number: JP2010219488A
Application number: JP2009200214A
Authority: JP
Inventors: Akifumi Ogata; 昭文緒方; Shinya Aoyagi; 伸也青柳
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】
補助スルーホールから部品スルーホールへの熱伝導による熱供給が十分に行え、はんだ付け時に補助スルーホールに充填されたはんだがプリント基板上に溢れ出るのを防止するスルーホールのはんだ付け構造を提供すること。
【解決手段】
電解コンデンサ２（電子部品）を配設するプリント基板１と、プリント基板１に形成され、電解コンデンサ２等のリード端子３を鉛フリーはんだ４によりはんだ付けするスルーホール１０と、スルーホール１０の近傍に形成され、電気的に接続した複数のはんだ保持用の補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂと、を備える。
【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。

プリント基板にスルーホールを形成してリード端子を備えた電子部品を実装する場合には、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するようにしている。

このようなはんだ付けをする場合に、最近では、環境汚染の関係から鉛を含んでいる共晶はんだを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。

この場合、鉛フリーはんだは、共晶はんだに比べて融点が高いため、溶融したはんだ槽への浸漬条件を含鉛はんだと同等として行うときに、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とがある。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。

そこでこの問題に対して従来技術では、スルーホールの近傍に電気的に独立したはんだ保持用の補助スルーホールを設けたものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−３０５６１５号公報

しかしながら、従来技術では、スルーホールと補助スルーホールとは電気的に独立しているため、補助スルーホールから部品スルーホールへの熱伝導による熱供給が十分に行えない問題がある。スルーホールへの熱伝導による熱供給が十分に行えないと、スルーホール内の溶融はんだがスルーホールの上部側まで十分にはんだ上がりさせることができず、リード端子を確実にはんだ付けすることができない問題がある。

また、補助スルーホールの直径寸法はスルーホールに対して５０％以上になる寸法に形成されるが、はんだ付け時に補助スルーホールに充填されたはんだがプリント基板上に溢れ出て配線パターンがショートしたり、はんだが補助スルーホールから突出（通称、「いもはんだ」と称する。）したまま凝固し、はんだ付けされる部品が押し上げられて傾いて固定され、不安定な姿勢となって品質不良が発生する虞がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、補助スルーホールから部品スルーホールへの熱伝導による熱供給が十分に行え、はんだ付け時に補助スルーホールに充填されたはんだがプリント基板上に溢れ出たり「いもはんだ」が発生するのを防止するスルーホールのはんだ付け構造を提供することを目的とする。

本発明の第１の課題解決手段は、電子部品を配設するプリント基板と、前記プリント基板に形成され、前記電子部品のリード端子を鉛フリーはんだによりはんだ付けするスルーホールと、前記スルーホールの近傍に形成され、電気的に接続した複数のはんだ保持用の補助スルーホールと、を備えるものである。

また、第２の課題解決手段は、前記補助スルーホールの穴直径は０．３ｍｍ〜０．５ｍｍである。

また、第３の課題解決手段は、前記補助スルーホールの総断面積は、前記スルーホール断面積に対して断面積比が０．４〜２．４である。

また、第４の課題解決手段は、前記スルーホールは前記電子部品の水平投影面内に形成される。

また、第５の課題解決手段は、前記補助スルーホールは前記スルーホールを中心に同一円弧上に配列される。

本発明では、プリント基板のスルーホールの近傍に電気的に接続した複数のはんだ保持用の補助スルーホールを設けているので、複数の補助スルーホールに充填される溶融はんだ全体で十分な蓄熱ができ、また１つの補助スルーホールに充填される溶融はんだの量が少なくなるため補助スルーホールの直径を小さくすることが可能になり、融点の高い鉛フリーはんだを用いた場合でもはんだ付け時に補助スルーホールに充填されたはんだがプリント基板上に溢れ出るのを防止でき、また「いもはんだ」の発生を防止でき、さらにスルーホールへの熱伝導による熱供給が十分に行え、スルーホール内の溶融はんだをスルーホールの上部側まで十分にはんだ上がりさせることができ、リード端子を確実にはんだ付けすることができる。

また、補助スルーホールの穴直径を０．３ｍｍ〜０．５ｍｍとすることで、はんだ付け時に補助スルーホールに充填されたはんだがプリント基板上に溢れ出るのを防止でき、また「いもはんだ」の発生を防止でき、さらにプリント基板に補助スルーホールを形成する際に場所の確保が容易で、電子部品の配設の自由度が向上する。ここで、補助スルーホールの穴直径は、０．３より小さい径では基板への穴加工ができず、０．５ｍｍより大きいと上述のようにはんだがプリント基板上に溢れ出る。よって、補助スルーホールの穴直径は０．３ｍｍ〜０．５ｍｍとすると良い。

また、補助スルーホールの総断面積をスルーホール断面積に対して断面積比で０．４〜２．４とすることで、補助スルーホール全体で充填される溶融はんだにより十分な蓄熱が可能になり、スルーホールへ十分な熱供給が行える。よってスルーホール内の溶融はんだをスルーホールの上部側まで十分にはんだ上がりさせることができ、リード端子を確実にはんだ付けすることができる。

また、スルーホールは電子部品の水平投影面内（いわゆる部品下の領域で、デッドスペースであり、他の電子部品の配置に利用できない領域。）に形成されるため、プリント基板への電子部品の配置の自由度が向上する。

また、補助スルーホールはスルーホールを中心に同一円弧上に配列されるため、夫々の補助スルーホールからスルーホールへ均一且つ十分に熱伝導による熱供給が行える。よってスルーホール内の溶融はんだをスルーホールの上部側まで十分にはんだ上がりさせることができ、リード端子を確実にはんだ付けすることができる。

本発明の一実施形態を示す模式的断面図である。スルーホールと補助スルーホールを示す模式的平面図である。プリント基板のはんだ付試験を示す説明図である。本発明の補助スルーホールを備える場合の部品ランドの温度挙動を示すグラフである。補助スルーホールを備えない場合の部品ランドの温度挙動を示すグラフである。プリント基板のはんだ付試験結果である。本発明の改良例であるスルーホールと補助スルーホールを示す模式的平面図である。

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す模式的断面図（図２のＡ−Ａ断面部）である。プリント基板１には、電解コンデンサ２（電子部品）が配設される。本実施例のプリント基板１は多層構造で、厚さはｔ１．６ｍｍである。電解コンデンサ２の一対のリード端子３はスルーホール１０に挿通され、鉛フリーはんだ４で、プリント基板１にはんだ付けされる。スルーホール１０には銅材から成る部品ランド１１が設けられる。プリント基板１のスルーホール１０の近傍（約１ｍｍ離れた位置）には、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂが形成される。補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ
、２１ｂには、銅材から成る補助ランド２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂが設けられる。部品ランド１１と補助ランド２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂとは電気的に接続される。

図２は、スルーホール１０と補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂを示す模式的平面図である。スルーホール１０の穴直径は、１．６ｍｍである。補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂは１個のスルーホール１０に対して夫々３個ずつ（合計１２個）設けられる。本実施例では、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの穴直径は、０．３ｍｍと０．５ｍｍである。また、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂは、外径寸法が１６ｍｍの電解コンデンサ２の水平投影面内（いわゆる部品下）に収まるようにプリント基板１に設けられる。

図３は、プリント基板１のはんだ付試験を示す説明図である。はんだ槽３０には、溶融状態の鉛フリーはんだ４が収められている。はんだ付試験においては、プリント基板１の電解コンデンサ２を配設した面とは反対側の面を、はんだ槽３０の鉛フリーはんだ４に浸漬してはんだ付けを行うものである。スルーホール１０の部品ランド１１には温度計測用の図示しない複数の熱電対が設けてあり、はんだ付け時の温度の計測が可能になっている。

図４は、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂを備える場合の部品ランド１１の温度挙動を示すグラフである。電解コンデンサ２を配設したプリント基板１は予熱され、はんだ槽３０に移動される。そして、はんだ槽３０の鉛フリーはんだ４に浸漬される。ランド１１の温度は浸漬と同時に上昇して、最大ピーク温度では２２８．７℃に達する。これは鉛フリーはんだの融点２１８℃を超えるものである。

図５は、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂを備えていない場合の部品ランド１１の温度挙動を示すグラフである。部品ランド１１の温度は浸漬と同時に上昇するが、最大ピーク温度は２０７．３℃と、鉛フリーはんだの融点２１８℃を下回る。補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂを備えない場合、部品ランド１１には補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂから熱供給が行われないため、部品ランド１１から大気への放熱により、最大ピーク温度が低下する。

図６は、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの穴直径、個数を変えた場合のプリント基板１のはんだ付試験の結果である。補助スルーホールの穴直径が０．３ｍｍと０．５ｍｍでは（実施例１〜実施例３）、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂのプリント基板１の電解コンデンサ２側の面からのはんだ溢れやはんだが補助スルーホールから突出したまま凝固する「いもはんだ」は起こらない。これは、穴直径が０．３ｍｍ〜０．５ｍｍでは、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂに充填される鉛フリーはんだ４が、部品ランド１１への熱供給及び大気への放熱により冷やされ、半溶融の状態になるためである。

比較例１〜比較例３のように、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの穴直径が０．５ｍｍより大きいと、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂに充填される鉛フリーはんだ４の熱容量が大きくなり、鉛フリーはんだ４が溶融状態のまま補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂのプリント基板１の電解コンデンサ２側まで鉛フリーはんだ４が上昇（充填）するため、はんだ溢れや「いもはんだ」の原因になる。

補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの穴直径が０．３ｍｍより小さいと、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂに充填される鉛フリーはんだ４の熱容量が少なくなり、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂに十分に鉛フリーはんだ４が充填されないまま半溶融状態になり、結果、部品ランド１１への熱供給が少なくなって、スルーホール１０の上部側（プリント基板１の電解コンデンサ２側）へのはんだ上がり不良の原因になりうる。

補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂから部品ランド１１への熱供給量は、スルーホール１０の断面積Ｓ１と補助スルーホールの総断面積Ｓ２の断面積比（Ｓ２／Ｓ１）と相関関係にある。図３のはんだ付試験の結果から、断面積比が０．４〜２．４において、スルーホール１０の上部側へのはんだ上がりが良好になり、断面積比０．４〜２．２が好適である。

図７は、本発明の改良例であるスルーホールと補助スルーホールとを示す模式的平面図である。図２と同一の部位については、同一の符番を用いて説明する。図２との違いは、９個の補助スルーホール２４がスルーホール１０を中心に同一円弧上に配列されることである。その他の構成については、図２と同一である。ここで、補助スルーホール２４の個数は、補助スルーホール２４の直径により個数が決定される。

本発明では、プリント基板１のスルーホール１０の近傍に電気的に接続した複数のはんだ保持用の補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂを設けているので、複数の補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂに充填される溶融状態の鉛フリーはんだ４全体で十分な蓄熱ができ、また１つの補助スルーホールに充填される溶融状態の鉛フリーはんだ４の量が少なくなるため補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの直径を小さくすることが可能になり、融点が高い鉛フリーはんだ４を用いた場合でもはんだ付け時に補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂに充填された鉛フリーはんだ４がプリント基板１上に溢れ出ることを防止でき、またはんだが補助スルーホールから突出したまま凝固する「いもはんだ」を防止でき、さらにスルーホール１０への熱伝導による熱供給が十分に行え、スルーホール１０内の溶融状態の鉛フリーはんだ４をスルーホール１０の上部側まで十分にはんだ上がりさせることができ、リード端子３を確実にはんだ付けすることができる。

また、補助スルーホールの穴直径を０．３ｍｍ〜０．５ｍｍとすることで、はんだ付け時に補助スルーホールに充填されたはんだがプリント基板上に溢れ出ることを防止でき、またはんだが補助スルーホールから突出したまま凝固する「いもはんだ」を防止でき、さらにプリント基板に補助スルーホールを形成する際に場所の確保が容易で、電子部品の配設の自由度が向上する。

また、補助スルーホール２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの総断面積Ｓ２をスルーホール断面積Ｓ１に対して断面積比で０．４〜２．４好ましくは０．４〜２．２とすることで、補助スルーホール全体で充填される溶融状態の鉛フリーはんだ４により十分な蓄熱が可能になり、スルーホール１０へ十分な熱供給が行える。よってスルーホール１０内の溶融状態の鉛フリーはんだ４をスルーホール１０の上部側まで十分にはんだ上がりさせることができ、リード端子３を確実にはんだ付けすることができる。

また、スルーホール１０は電解コンデンサの水平投影面内に形成されるため、プリント基板１への電解コンデンサ等の配置の自由度が向上する。

また、補助スルーホール２４はスルーホール１０を中心に同一円弧上に配列されるため、夫々の補助スルーホール２４からスルーホール１０へ均一且つ十分に熱伝導による熱供給が行える。よってスルーホール１０内の溶融はんだ４をスルーホール１０の上部側まで十分にはんだ上がりさせることができ、リード端子を確実にはんだ付けすることができる。

１プリント基板
２電解コンデンサ（電子部品）
３リード端子
４鉛フリーはんだ
１０スルーホール
２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ補助スルーホール

Claims

電子部品を配設するプリント基板と、
前記プリント基板に形成され、前記電子部品のリード端子を鉛フリーはんだによりはんだ付けするスルーホールと、
前記スルーホールの近傍に形成され、電気的に接続した複数のはんだ保持用の補助スルーホールと、
を備えることを特徴とするスルーホールのはんだ付け構造。
前記補助スルーホールの穴直径は０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のスルーホールのはんだ付け構造。
前記補助スルーホールの総断面積は、前記スルーホール断面積に対して断面積比が０．４〜２．４であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のスルーホールのはんだ付け構造。
前記スルーホールは前記電子部品の水平投影面内に形成されることを特徴とする請求項１又は請求項３の少なくともいずれか一項に記載のスルーホールのはんだ付け構造。
前記補助スルーホールは前記スルーホールを中心に同一円弧上に配列されることを特徴とする請求項１乃至４の少なくともいずれか一項に記載のスルーホールのはんだ付け構造。