JP2010251354A - 電子回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンダ接続部において、ボイドの発生を抑制し、かつ信頼性の高い実装基板及び実装構造体を提供すること。
【解決手段】電子部品を搭載する回路基板と、回路基板の面に電子回路基板を搭載する位置に配置された接地パターンと、回路基板の接地パターンと反対の面に配置されたグランド層と、接地パターンとグランド層とをメッキをして貫通するメッキスルーホールと、接地パターンとグランド層とをメッキをせずに貫通する非メッキスルーホールとを備え、非メッキスルーホールは、接地パターンの付近がテーパー状で、回路基板の中央部からグランド層側までが直線状であることを特徴とし、接地パターン付近ではハンダの毛細管現象が生じることがなく、ハンダ中のボイドの発生を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハンダ接続部に含まれる巨大なボイドを低減し、実装後の順応力性に優れたハンダ接合部を形成するための電子回路基板に関するものである。

近年、高速インターフェイスによるデータ伝送技術の急激な進歩に伴って、ＬＳＩの高速／高集積化が進み、ＬＳＩの発熱量が増大している。ＬＳＩの発熱を十分に放熱しないと、動作不良や自己破壊などを引き起こしてしまうため、ＬＳＩの放熱がますます重要になってきている。

そこでＬＳＩの放熱を行う方法としては、図５のように、電子部品１から発生した熱を、電子部品１の下部に配置されたサーマルパッド２から熱処理後のハンダ５を介して基板３の接地パターン１７へ熱伝導し、更に、接地パターン１７からスルーホール６を介してグランド層７へ熱伝導させることで放熱がなされる。それには、放熱性能を確保するには、サーマルパッド２と基板３の接地パターン１７がハンダ接合された接合面積を、大きく、かつ、安定して得ることが必要である。

しかしながら、サーマルパッド２と基板３の接地パターン１７がハンダ接合された接合面積を大きくするために、プリント基板３の接地パターン１７上に形成するクリーム状ハンダの塗布域を大きくすると、次の問題点が発生した。その問題点を、図６を用いて説明する。
ハンダ３０８は、クリーム状半田形成後に図６（ａ）のような円柱状をしている。そのハンダ３０８をはんだ付けするために溶融状態にすると、図６（ｂ）のように溶融半田３０８の内部にはガス化したフラックスや、取り込まれた空気により発生した気泡、つまり、ボイド３１１が発生する。そして、溶融状態のハンダ３０８からボイド３１１は排出されずに、熱処理後に合流して図６（ｃ）、図６（ｄ）のように大きく成長した残留したボイド３１２になる。このため、サーマルパッド３０２および電極３０４間がハンダ付けされた総面積（＝熱処理後のハンダ３１０が成す面積−残留したボイド３１２が成す面積）が小さくなる。

残留したボイド３１２は接合面間に完全な空間を形成して非接合域となる上、断熱空間ともなるので、勢い放熱作用が低下する。

この問題点により、サーマルパッド３０２とプリント基板の電極３０４がハンダ付けされた面積を大きく、かつ、安定して得ることが妨げられるので、サーマルパッド３０２をプリント基板の電極３０４へハンダ付けして放熱する方法における、放熱性能を高めることが困難であった。

この問題点に対し、基板の接地パターンの部分に貫通孔を設け、半導体部品を回路基板に実装する際に発生するボイドの元となるガスが、貫通孔を介して気散されることを意図した技術はあった（特許文献１参照）。この従来技術は、図７に示すように、電子部品１を実装する基板３の表面には、回路パターンの一部であるパッド１８と、接地パターン１７が設けられる。パッド１８は、電子部品１を基板３に実装した際に、電子部品１を構成する半導体素子（図示せず）に接続されたリード８と電気的に接続される。また、接地パターン１７は、電子部品１の樹脂パッケ−ジの底面に設けられたサーマルパッド２と対向するように形成される。一般に、接地パターン１７は、回路基板３の形状を小形にするため、サーマルパッド２とほぼ大きさの同じ形状に形成される。なお、接地パターン１７をサーマルパッド２よりも大きく形成した場合は、電子部品１の放熱効果がより大きくなる。

さらに、回路基板３の接地パターン１７の部分には、貫通孔３６が少なくとも一以上形成される。貫通孔３６は、ガス抜きの役目を果たすために設けられる。このため、貫通孔３６の開口は、溶融したハンダの毛細管現状によって塞がれない程度の大きさに形成される。貫通孔３６は、一般にドリルを用いて形成される。従って、貫通孔３６の内径は、スルーホールに用いられる３００μｍ程度の大きさに通常は形成される。また、貫通孔３６は、サーマルパッド２および接地パターン１７の形状を考慮して、フラックスのガスや、溶融ハンダ中に取り込まれた空気が気散しにくい、例えば接地パターン１７の中央部に形成される。貫通孔３６の数は、接地パターン１７の大きさ、あるいは形状を考慮して適宜選択される。

次に、実装方法の概略を説明する。まず、回路パターンが形成された基板３の表面に、所定形状に形成されたマスクを重ね合わせる。この後、スキ−ジを用いて、パッド１８および接地パターン１７の表面にハンダペーストを印刷する。さらに、電子部品１のリード８とパッド１８が重なるように、電子部品１を基板３に載置する。このとき、サーマルパッド２と接地パターン１７とは重なる。この後、電子部品１を載置した基板３をリフロ−炉に流して、ハンダペーストを溶融する。このとき、サーマルパッド２と接地パターン１７の間に発生するフラックスのガスや、溶融ハンダ中に取り込まれた空気は、サーマルパッド２と接地パターン１７の間からだけではなく、貫通孔３６を気道として気散される。この結果、サーマルパッド２と接地パターン１７の間には、ボイド４の発生が低減される。

特開平１１−０３１８７６号公報

しかしながら、前述の構成では、２つの問題点があった。１つ目の問題点として、貫通孔３６の孔径は、溶融したハンダの毛細管現状によって塞がれない程度の大きさに限られるため、ボイド４が完全には取りきれない。２つ目の問題点として、電子部品１の放熱効果は、接地パターンの大きさで影響を受ける。そこで、基板３の裏面に新たに接地パターンを設けた場合、新たに、接地パターン１７との接続の為、新たなスルーホールの追加が必要となる。

本発明は、上記の問題点に鑑み、ハンダ接続部において、ボイドの発生を抑制し、かつ信頼性の高い実装基板及び実装構造体を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電子回路基板は、電子部品を搭載する回路基板と、回路基板の面に電子回路基板を搭載する位置に配置された接地パターンと、回路基板の接地パターンと反対の面に配置されたグランド層と、接地パターンとグランド層とをメッキをして貫通するメッキスルーホールと、接地パターンとグランド層とをメッキをせずに貫通する非メッキスルーホールとを備え、非メッキスルーホールは、接地パターンの付近がテーパー状で、回路基板の中央部からグランド層側までが直線状であり、メッキスルーホール群は電子部品中心部周辺に位置することを特徴とする。

本構成によって、接地パターン付近ではハンダの毛細管現象が生じることがなく、ハンダ中のボイドの発生を防止することができる。

また、本発明の電子回路基板は、電子部品を搭載する回路基板と、回路基板の面に電子回路基板を搭載する位置に配置された接地パターンと、回路基板の接地パターンと反対の面に配置されたグランド層と、接地パターンとグランド層とを貫通するスルーホールとを備え、スルーホールは、メッキ部分と非メッキ部分を備えた部分非メッキスルーホールであることを特徴としたものである。

本発明の電子回路基板によれば、ハンダ接続部において、ボイドの発生を抑制し、かつ信頼性の高い実装基板及び実装構造体を提供することができる。

本発明の実施例１における電子部品を搭載した基盤の断面図 本発明の実施例２における電子部品を搭載した基盤の断面図 本発明の実施例２における部分非メッキスルーホールを示す上面図 本発明の実施例２における他の部分非メッキスルーホールを示す上面図 従来の電子部品を搭載した基盤の断面図 従来のハンダ付けの概要図 従来の電子部品を搭載した基盤の断面図

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１における電子部品を搭載した基盤の断面図である。

一般に、接続部内部のハンダの体積の１６％以下の小さなボイドは、ハンダにかかる応力の分散効果があり、信頼性の低下を招かないが、ハンダの体積の２５％を超える巨大なボイドの存在は、直接、熱応力などの外力に対するハンダ接続部強度の著しい低下につながり信頼性が問題を生じるといわれている。

図１に示すように、電子部品１を実装する基板３の表面には、回路パターンの一部であるパッド１８と、接地パターン１７が設けられる。パッド１８は、電子部品１を基板３に実装した際に、電子部品１を構成する半導体素子（図示せず）に接続されたリード８と電気的に接続される。また、接地パターン１７は、電子部品１の樹脂パッケ−ジの底面に設けられたサーマルパッド２と対向するように形成される。一般に、接地パターン１７は、回路基板３の形状を小型にするため、サーマルパッド２とほぼ大きさの同じ形状に形成される。なお、接地パターン１７をサーマルパッド２よりも大きく形成した場合は、電子部品１の放熱効果がより大きくなる。

さらに、回路基板３の接地パターン１７の付近がテーパー状で、基板の中央部からグランド層７側までが直線状、つまり、円錐と円柱を足し合せた非メッキスルーホール１６を形成する。非メッキスルーホール１６は、ハンダとの濡れ性を低くするために基板３にメッキをしないスルーホールとして、ガス抜きの役目を果たすために接地パターン１７からグランド層７まで貫通して設けられる。このため、非メッキスルーホール１６の電子部品１側の開口は、溶融したハンダ５の毛細管現状によって塞がれない程度の大きさに形成される。

非メッキスルーホール１６は、直径φ５００μｍで先端が４５°の円錐になっているドリルを用いて、ドリルの先端が１５０μｍ貫通した時点で停止するように形成する。従って、非メッキスルーホール１６の電子部品１側の内径は、通常のスルーホールに用いられる３００μｍ程度の大きさに、グランド層７側の内径は５００μｍ程度の大きさになる。そして、非メッキスルーホール１６の電子部品１側付近は、４５°の角度を持った円錐状になっている。

また、非メッキスルーホール１６は、サーマルパッド２および接地パターン１７の形状を考慮して、例えば小分けにした各ハンダ５の中央部付近に形成される。小分けにした各ハンダ５の形状は、熱処理後のハンダの断面積に対し、非メッキスルーホールの面積が１６％以下となるように設定される。非メッキスルーホール１６の数は、接地パターン１７の大きさ、あるいは形状を考慮して適宜選択される。この方式では、電気的同通を求めたり、更なる放熱性能を求めたりする為に、接地パターン１７からグランド層７までの電気的接続を行うには、新たなスルーホールが必要となる。その為、熱による歪が比較的小さく接続強度に影響が少ない、電子部品１の中心部周辺に位置するスルーホール群から順次必要に応じて必要数、メッキスルーホール１９とする事によって接続強度の低下を抑えて接続できる。

次に、電子部品１の基板３への実装方法の概略を説明する。まず、回路パターンが形成された基板３の表面に、所定形状に形成されたマスクを重ね合わせる。この後、スキ−ジを用いて、パッド１８および接地パターン１７の表面にハンダペーストを印刷する。そして、サーマルパッド２と接地パターン１７が重なり、さらに、電子部品１のリード８とパッド１８が重なるように、電子部品１を基板３に載置する。この後、電子部品１を載置した基板３をリフロ−炉に入れて、ハンダペーストを溶融する。

このとき、サーマルパッド２と接地パターン１７の間に発生するフラックスのガスや、溶融ハンダ中に取り込まれた空気は、サーマルパッド２と接地パターン１７の間からだけではなく、非メッキスルーホール１６を気道として気散される。この結果、サーマルパッド２と接地パターン１７の間には、ボイド４の発生が防止される。つまり、この非メッキスルーホール１６により、ハンダ５の接地パターン１７方向のガス抜きを可能としている。

また、接地パターン１７からグランド層７までの電気的接続は、メッキスルーホール１９により接続されるが、電子部品１中心部周辺に位置する為、ハンダにかかる熱による歪が比較的小さく部品接続強度に影響が少ない。

かかる構成によれば、ハンダ付けする回路基板３の接地パターン１７の付近がテーパー状で、基板の中央部からグランド層７側までが直線状、つまり、円錐と円柱を足し合せた非メッキスルーホール１６を設けることにより、溶融ハンダが毛細管現象を起さず、かつ、ハンダ接続部中に巨大なボイドの生成を抑制し、ハンダ接続部において強度の低下をまねくことのない良好なハンダ接続部を得ることができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。図２は本発明の実施例２における電子部品を搭載した基盤の断面図である。

図２に示すように、電子部品１を実装する基板３の表面には、回路パターンの一部であるパッド１８と、接地パターン１７が設けられる。パッド１８は、電子部品１を基板３に実装した際に、電子部品１を構成する半導体素子（図示せず）に接続されたリード８と電気的に接続される。また、接地パターン１７は、電子部品１の樹脂パッケ−ジの底面に設けられたサーマルパッド２と対向するように形成される。一般に、接地パターン１７は、回路基板３の形状を小型にするため、サーマルパッド２とほぼ大きさの同じ形状に形成される。なお、接地パターン１７をサーマルパッド２よりも大きく形成した場合は、電子部品１の放熱効果がより大きくなる。

さらに、回路基板３の接地パターン１７の部分には、部分的に非メッキになっている部分非メッキスルーホール２６が少なくとも一以上形成される。部分非メッキスルーホール２６は、メッキ部分がグランド層７との接続を果たすために、そして、非メッキ部分がハンダとの濡れ性を低くするために基板３にメッキをしないスルーホールの一部分としてガス抜きの役目を果たすために接地パターン１７からグランド層７まで貫通して設けられる。また、部分非メッキスルーホール２６は、サーマルパッド２および接地パターン１７の形状を考慮して、例えば小分けにした各ハンダ５の中央部に形成される。小分けにした各ハンダ５の形状は、熱処理後のハンダの断面積に対し、非メッキスルーホールの面積が１６％以下となるように設定される。

部分非メッキスルーホールについて説明する。図３は、本発明の実施例２における部分非メッキスルーホールを示す上面図である。部分非メッキスルーホール２６は、まず、図３（ａ）のように、周囲が銅１１７のメッキスルーホール１１６を作成する。そして、図３（ｂ）のように、メッキスルーホール１１６と中心をずらして同径の貫通孔１２０を開けることによって実現される。

図２の部分非メッキスルーホール２６の数は、接地パターン１７の大きさ、あるいは形状を考慮して適宜選択される。次に、実装方法の概略を説明する。まず、回路パターンが形成された基板３の表面に、所定形状に形成されたマスクを重ね合わせる。この後、スキ−ジを用いて、パッド１８および接地パターン１７の表面にハンダペーストを印刷する。さらに、電子部品１のリード８とパッド１８が重なるように、電子部品１を基板３に載置する。このとき、サーマルパッド２と接地パターン１７とは重なる。この後、電子部品１を載置した基板３をリフロ−炉に流して、ハンダペーストを溶融する。

このとき、サーマルパッド２と接地パターン１７の間に発生するフラックスのガスや、溶融ハンダ中に取り込まれた空気は、サーマルパッド２と接地パターン１７の間からだけではなく、部分非メッキスルーホール２６のハンダで埋まっていない非メッキスルーホール部を気道として気散される。この結果、サーマルパッド２と接地パターン１７の間には、ボイド４の発生が防止される。

この部分非メッキスルーホール２６により、ハンダ接続部中に巨大なボイドが含まれることがなく、放出され電子部品を搭載したときでもハンダ接続部において極端な強度の低下をまねくことなく、導通を取りながら良好なハンダ接続部が得られる。

かかる構成によれば、ハンダ付けする回路基板３に部分非メッキスルーホール２６を設けることにより、溶融ハンダが毛細管現象を起さず、かつ、ハンダ接続部中に巨大なボイドの生成を抑制し、ハンダ接続部において強度の低下をまねくことのない良好なハンダ接続部を得ることができる。

なお、本実施例において、部分非メッキスルーホール２６は、メッキスルーホール１１６と中心をずらして同径の貫通孔１２０を開けるとしたが、メッキスルーホール１１６と中心をずらしてメッキスルーホール１１６よりも直径の小さい複数の貫通孔１２１、１２２を開けるとしても良い。

その場合について説明する。図４は、本発明の実施例２における他の部分非メッキスルーホールを示す上面図である。部分非メッキスルーホール２６ｂは、まず、図４（ａ）のように、周囲が銅１１７通常のメッキスルーホール１１６作成する。そして、図４（ｂ）のように、メッキスルーホール１１６と中心をずらしてメッキスルーホール１１６よりも直径の小さい複数の貫通孔１２１と貫通孔１２２を開けることによって実現される。

本発明にかかる電子回路基板は、ハンダ接続部において、ボイドの発生を抑制し、かつ信頼性を高くすることが可能になるので、電子回路基板の実装等として有用である。

１ 電子部品
２ サーマルパッド
３ 基板
４ ボイド
５ ハンダ
６ スルーホール
７ グランド層
８ リード
９ 電極
１５ ハンダ
１６ 非メッキスルーホール
１７ 接地パターン
１８ パッド
１９ メッキスルーホール
２６ 部分非メッキスルーホール
３６ 貫通孔
１１６ メッキスルーホール
１１７ 銅
１２０ 貫通孔
１２１ 貫通孔
１２２ 貫通孔

Claims (3)

1. 電子部品を搭載する回路基板と、
   前記回路基板の面に前記電子回路基板を搭載する位置に配置された接地パターンと、
   前記回路基板の接地パターンと反対の面に配置されたグランド層と、
   前記接地パターンと前記グランド層とをメッキをして貫通するメッキスルーホールと、
   前記接地パターンと前記グランド層とをメッキをせずに貫通する非メッキスルーホールとを備え、
   前記非メッキスルーホールは、前記接地パターンの付近がテーパー状で、前記回路基板の中央部から前記グランド層側までが直線状であることを特徴とする電子回路基板。
2. 電子部品を搭載する回路基板と、
   前記回路基板の面に前記電子回路基板を搭載する位置に配置された接地パターンと、
   前記回路基板の接地パターンと反対の面に配置されたグランド層と、
   前記接地パターンと前記グランド層とを貫通するスルーホールとを備え、
   前記スルーホールは、メッキ部分と非メッキ部分を備えた部分非メッキスルーホールであることを特徴とする電子回路基板。
3. 前記部分非メッキスルーホールは、メッキされたスルーホールに、中心をずらした貫通孔を開けたことを特徴とする請求項２に記載の電子回路基板。

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