JP2012023386A

JP2012023386A - 基板

Info

Publication number: JP2012023386A
Application number: JP2011199479A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Imamura; 一彦今村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】はんだ接合部の品質信頼性を安定化することを可能とした基板を提供することである。
【解決手段】本発明の基板は、リード線を有する部品が搭載される基板において、前記基板は、その表裏外部面に１ｍｍ以上の幅のパターンを有し、前記部品のリード線のリード径と、前記基板上に設けられたスルーホールのスルーホール径との差分であるクリアランスを、０．５ミリより大きく、かつ、０．８ミリ以下の範囲に含まれるいずれかの値に設定したはんだ接合部を含む基板である。
【選択図】図１

Description

本発明は、リード線を有する部品が搭載される基板に関する。

従来、部品のリード径とプリント基板のスルーホール径との差であるクリアランスは、機械を使用した自動実装時に弊害（実装ミス、部品の傾き、脱落、等）がでない最小の寸法に設定されていた。そして、そのように設定されたクリアランスで部品をプリント基板にはんだ付けを行っていた。このため、部品品種や、プリント基板のアートワーク形状によって、部品リード部のはんだ上がりにバラツキが発生し、はんだ接合部の品質信頼性が安定しなかった。

なお、特許文献１には、プリント配線板において、スルーホールのはんだ上がり性を向上させる技術が示されている。このプリント配線板では、プリント配線板の裏面からはんだ噴流を行う場合に、プリント配線板に形成するスルーホールの表面開口を、裏面開口より基板搬送コンベアの進行方向後方に位置させるように、スルーホールを傾斜させている。そして、このことにより、スルーホールのはんだ上がり性を向上させている。

特開２００２−２４６７３５号公報「プリント配線板及びプリント配線板の部品実装方法」

本発明の課題は、はんだ接合部の品質信頼性を安定化することを可能とした基板を提供することである。

本発明の基板は、リード線を有する部品が搭載される基板において、前記基板は、その表裏外部面に１ｍｍ以上の幅のパターンを有し、前記部品のリード線のリード径と、前記基板上に設けられたスルーホールのスルーホール径との差分であるクリアランスを、０．５ミリより大きく、かつ、０．８ミリ以下の範囲に含まれるいずれかの値に設定したはんだ接合部を含むことを特徴とする基板である。

ここで、本願の発明者が実験を行うことによって確認した、「クリアランスを（従来の０．３ミリ程度より）大きめに設定することではんだ上がり性を向上できる」という事実により、はんだ接合部の品質信頼性を安定化することができる。クリアランスを大きくとることで、はんだ付け時における、基板のはんだを流入させるはんだ面側から基板の部品面側へのはんだの流れの抵抗が少なくなることが、はんだ上がり性が向上される理由として予想される。実験では、０．５ミリより大きく、かつ、０．８ミリ以下の範囲に含まれるクリアランスの値に対して、はんだ上がり性の改善が確認された。

本発明の基板によれば、はんだ上がり性を向上でき、はんだ接合部の品質信頼性を安定化することができる。
また、本発明によれば、スルーホール径の設計値を変えるだけで、はんだ上がりをよくすることができるので、製品の製造コストを上げずに製品の品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る部品が搭載されたプリント基板の断面図である。実験に使用したプリント基板に形成するアートワーク形状（パターン仕様）の一覧を示す図である。実験に使用したプリント基板に搭載する部品の一覧およびその部品に対応させるスルーホール径、ランド径を示す図である。はんだ上がり率について説明する図（その１）である。はんだ上がり率について説明する図（その２）である。基板に搭載する部品１、基板の予備加熱温度３００度に対し、スルーホール径を０．９、１．１、１．３ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。基板に搭載する部品２、基板の予備加熱温度３００度に対し、スルーホール径を１．１、１．３、１．６ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。基板に搭載する部品３、基板の予備加熱温度３００度に対し、スルーホール径を１．３、１．６、１．８ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。基板に搭載する部品４、基板の予備加熱温度３００度に対し、スルーホール径を２．０、２．３ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。基板に搭載する部品１、基板の予備加熱温度３５０度に対し、スルーホール径を０．９、１．１、１．３ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。基板に搭載する部品２、基板の予備加熱温度３５０度に対し、スルーホール径を１．１、１．３、１．６ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。基板に搭載する部品３、基板の予備加熱温度３５０度に対し、スルーホール径を１．３、１．６、１．８ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。基板に搭載する部品４、基板の予備加熱温度３５０度に対し、スルーホール径を２．０、２．３ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る部品が搭載されたプリント基板の断面図である。
図１に示すように、プリント基板１０は、基材（絶縁部）１１、ソルダーレジスト１２、銅パターン１３によって構成される。そして、部品本体（この例では、アルミ電解コンデンサ本体）１４が、リード１５を介してプリント基板１０にはんだ付けされている。

なお、クリアランスとは、図に示すように、プリント基板のスルーホール径と、部品のリード径との差である。
本願の発明者が実験を行うことによって確認した、「クリアランスを大きめに設定することではんだ上がり性を向上できる」という事実により、はんだ接合部の品質信頼性を安定化することができる。クリアランスを大きくとることで、はんだ付け時における、基板のはんだを流入させるはんだ面側から基板の部品（搭載）面側へのはんだの流れの抵抗が少なくなることが、はんだ上がり性が向上される理由として予想される。

クリアランスの大きさと、はんだ上がり性との関係を調べるために行った実験について以下に説明する。
なお、この実験では、外形寸法が３２０ｍｍ×２０７ｍｍのプリント基板を用いた。このプリント基板の仕様は以下の通りである。・コア材厚さ：０．８ｍｍ・外層厚さ：０．１５ｍｍ２枚重ね＝０．３ｍｍ・外層銅箔厚さ：１８μｍ・内層銅箔厚さ：３５μｍ
また、このプリント基板に形成するアートワーク形状（パターン仕様）としては、図２に示す３パターン（パターン１、パターン２、パターン３）を用いた。

すなわち、プリント基板として、部品面とはんだ面の両外面のみに配線する両面板の基板と、部品面及びはんだ面の他に基板内部にも配線する多層（４層）板の基板を使用した。

パターン１「表裏１ｍｍ、サーマルランド無しパターン」は、両面板の基板において、外部面のパターン幅を１ｍｍとした、サーマルランド無しパターンである。また、パターン２「表裏ベタ（太）、サーマルランド有りパターン」は、両面板の基板において、外部面のパターン幅を１ｍｍより広く設定した、サーマルランド有りパターンである。また、パターン３「表裏１ｍｍ中層ベタ、サーマルランド有りパターン」は、４層板の基板において、外面パターン幅（Ｌ１層、Ｌ４層）を１ｍｍ、中層（内層（Ｌ２層、Ｌ３層））パターンをベタ（幅広）にした、サーマルランド有りパターンである。

また、基板に搭載する部品としては、図３に示すように、４タイプのアルミ電解コンデンサ（部品１、部品２、部品３、部品４）を使用した。
部品１は、寸法（コンデンサ径×高さ）がφ１０ｍｍ×２０ｍｍで、リード径が０．６ｍｍのリード線を（負極と正極の２本）持つアルミ電解コンデンサである。部品２は、寸法がφ１８ｍｍ×３５ｍｍで、リード径が０．８ｍｍのリード線を持つアルミ電解コンデンサである。部品３は、寸法がφ２０ｍｍ×２０ｍｍで、リード径が１．０ｍｍのリード線を持つアルミ電解コンデンサである。部品４は、寸法がφ３５ｍｍ×４６ｍｍで、断面が１．５ｍｍ×０．９ｍｍの矩形であるリード線を持つアルミ電解コンデンサである。

図３に示す、部品、スルーホール径（ＴＨ径）、ランド径のそれぞれの組み合わせに対し、さらに、図２の各パターン、はんだを流入させるに先立って基板をその温度まで加熱する温度である予備加熱温度（３００℃、または、３５０℃）を対応させて実験を行った。

実験結果を説明する前に、はんだ上がりの評価方法につき、図４および図５を用いて説明する。
まず、図４に示すように、基板のはんだ面からはんだの上がりの最も少ないスルーホール内の位置までの距離ａと、基板の厚さｂに対し、次の式により、はんだ上がり率を定義する。はんだ上がり率＝（ａ／ｂ）×１００（％）
なお、図４には、はんだ上がり率が５０％、８０％、１００％、１２０％の例が示されている。はんだ上がり率が大きいほど好ましいことは言うまでもない。

今回使用した、負極と正極の２本のリード線を持つアルミ電解コンデンサ（部品）については、図５に示すように、負極と正極のうちで、はんだ上がり率が悪い方の極のはんだ上がり率を、その部品のはんだ上がり率とした。

なお、図５に示すように、はんだ上がり率がスルーホール内の位置によって異なる場合は、最も悪いはんだ上がり率を用いてその極のはんだ上がり率を求めるものとする。
実験では、例えば、Ｘ線透過装置を用いて撮影された、部品が搭載された基板の断面図の画像データを解析することで、上述の諸量ａ、ｂの測定値が求められ、それら測定値からはんだ上がり率が求められる。

続いて、実験結果を説明する。
図６Ａ〜図６Ｄは、基板の予備加熱温度を３００℃にした場合の結果を示している。また、図７Ａ〜図７Ｄは、基板の予備加熱温度を３５０℃にした場合の結果を示している。

図６Ａは、基板に搭載する部品１、基板の予備加熱温度３００度に対し、スルーホール径を０．９、１．１、１．３ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。

なお、部品１のリード径は０．６ミリであるので、スルーホール径０．９、１．１、１．３ミリに対し、クリアランスが０．３、０．５、０．７ミリにそれぞれ設定されたことになる。

図６Ｂは、基板に搭載する部品２、基板の予備加熱温度３００度に対し、スルーホール径を１．１、１．３、１．６ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。

なお、部品２のリード径は０．８ミリであるので、スルーホール径１．１、１．３、１．６ミリに対し、クリアランスが０．３、０．５、０．８ミリにそれぞれ設定されたことになる。

図６Ｃは、基板に搭載する部品３、基板の予備加熱温度３００度に対し、スルーホール径を１．３、１．６、１．８ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。

なお、部品３のリード径は１．０ミリであるので、スルーホール径１．３、１．６、１．８ミリに対し、クリアランスが０．３、０．６、０．８ミリにそれぞれ設定されたことになる。

図６Ｄは、基板に搭載する部品４、基板の予備加熱温度３００度に対し、スルーホール径を２．０、２．３ミリに変化させた場合の、それぞれのパターン仕様でのはんだ上がりを示した図である。

なお、部品４のリード線は、断面が１．５ミリ×０．９ミリの矩形である。ここでは、簡単のため、スルーホール径から矩形の対角線の長さ（約１．７５ミリ）を減算することで、クリアランスとする。すなわち、スルーホール径２．０、２．３ミリに対し、クリアランスが０．２５、０．５５ミリにそれぞれ設定されたことになる。

図７Ａ〜図７Ｄについては、基板の予備加熱温度のみが、図６Ａ〜図６Ｄと異なっており、それぞれ５０℃高くなっている。図７Ａ〜図７Ｄを、図６Ａ〜図６Ｄと比較すると、同じ部品では、予備加熱温度を高くした方が、はんだ上がり率が上がることが分かる。

また、図６Ａ〜図６Ｄ、図７Ａ〜図７Ｄの実験結果より、従来のクリアランス（０．３ミリ）に対応する、はんだ上がり率は、予備加熱温度に関係なく、５５％〜１００％の間でばらついているのが分かる。

一方、クリアランスを従来のもの（０．３ミリ）より大きくとったデータでは、はんだ上がり率は、８０％〜１１０％の間でばらついており、はんだ上がり率が従来のものより大きくなることが分かる。

また、クリアランスを従来のもの（０．３ミリ）より大きくとったデータの殆どにおいて、予備加熱温度が大きい方が、はんだ上がり率が大きくなることが分かる。
よって、以上のことから、クリアランスを大きくとることで、はんだ上がりがよくなることが確認できた。

なお、今回の実験では、クリアランスを０．８ミリ以下としたが、実装する部品が倒れたり、大きく傾いたりしない範囲で、可能な限りクリアランスを大きくとることで、はんだ上がりを一層よくすることができる。

なお、以上で説明したような基板を生産する場合には、例えば、基板の各位置において、その位置に搭載されるリード線を有する部品についての設計情報（例えば、その部品のリード線のリード径、部品の寸法などの情報）を取得し、その取得した設計情報を基に、そのリード線を有する部品が搭載される基板上の位置のスルーホール径と、その部品のリード線のリード径との差分であるクリアランスを、例えば、０．５ミリより大きく、かつ、０．８ミリ以下の範囲に含まれるいずれかの値に設定し、クリアランスがその設定値になるように切削を行い、その基板上にスルーホールを設ければよい。

１０プリント基板
１１基材（絶縁部）
１２ソルダーレジスト
１３銅パターン
１４部品本体
１５リード

Claims

リード線を有する部品が搭載される基板において、
前記基板は、その表裏外部面に１ｍｍ以上の幅のパターンを有し、
前記部品のリード線のリード径と、前記基板上に設けられたスルーホールのスルーホール径との差分であるクリアランスを、０．５ミリより大きく、かつ、０．８ミリ以下の範囲に含まれるいずれかの値に設定したはんだ接合部を含むことを特徴とする基板。
リード線を有する部品が搭載される基板において、
前記基板は、その表裏外部面に１ｍｍ以上の幅のパターンを有し、
前記リード線の断面は矩形であり、前記部品のリード線の断面の対角線長さと、前記リード線が貫通する前記スルーホールのスルーホール径との差分であるクリアランスを、０．５ミリより大きく、かつ、０．８ミリ以下の範囲に含まれるいずれかの値に設定したはんだ接合部を含むことを特徴とする基板。