JP2020087941A - 回路基板の製造方法及び回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、溶接用のレーザからランドが受ける熱量を低減し、ランドの周辺の絶縁部分が受けるダメージを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する製造方法は、ランドの貫通孔に挿通されているピンがランドに溶接されている回路基板の製造方法である。ランドは白色の層で覆われており、ピンに照射されたレーザの反射光がランド上の白色の層に到達するようにレーザの回路基板に対する照射角度が調整されている。ランドの上に白色の領域を設け、そこにレーザの反射光を到達させることで反射光が白色領域で散乱する。ランドのレーザ吸収率が下がり、ランドの温度上昇が抑制される。その結果、ランド周辺の絶縁部分が受けるダメージが抑制される。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、回路基板の製造方法と回路基板に関する。

回路基板の製造方法では、ランドの貫通孔に部品のピン（端子ピン）を挿通し、端子ピンをランドに溶接する工程が含まれる。なお、ランドとは、回路基板の表面に形成された配線パターンの一部であり、貫通孔を囲む部位を意味する。通常、ランドは、導通だけを目的とする配線パターンの他の部位よりも広い。

近年の溶接では、レーザが用いられる。レーザはハンダ材に照射されるとともに、その一部は端子ピンにも照射される。レーザの直射光と端子ピンで反射した光（反射光）が配線パターン以外の絶縁部分（多くの場合は濃緑色）に重なって照射されると、絶縁部分が焦げ付くことがある。

特許文献１には、直射光と反射光が重なることによる絶縁部分の焦げ付きを防止する技術が開示されている。特許文献１に開示された技術では、直射光と反射光がランド以外の回路基板表面で重ならないように、端子ピンの先端部の形状と端子ピンの回路基板からの突出量を定める。なお、特許文献１の技術は、回路基板に対して垂直にレーザを照射する。レーザは端子ピンの先端で反射される。

特開２０１４−１０７４２４号公報

レーザの反射光がランドに照射されるとランドが加熱され、ランドに接している絶縁部分がダメージを受ける可能性がある。本明細書は、レーザからランドが受ける熱量を低減し、ランドの周辺の絶縁部分が受けるダメージを抑制する技術を提供する。

本明細書は、ランドの貫通孔に挿通されている端子ピンがランドに溶接されている回路基板の製造方法を開示する。本明細書が開示する製造方法では、ランドは白色の層で覆われており、端子ピンに照射された溶接用のレーザの反射光がランド上の白色の層に当たるようにレーザの回路基板に対する照射角度が調整されている。ランドの上に白色の領域を設け、そこにレーザの反射光を当てることで反射光が白色領域で散乱する。ランドのレーザ吸収率が下がり、ランドの温度上昇が抑制される。その結果、ランド周辺の絶縁部分が受けるダメージが抑制される。

反射光の一部でも白色領域に当たれば反射光が散乱し、ランドの温度上昇が抑制される。反射光が回路基板上の白色の層以外には当たらないように照射角度が調整されていてもよい。ランドの温度上昇が効果的に抑制できる。

レーザは、端子ピンの側面に照射されるとともに貫通孔の内面に照射されるように照射角度が調整されていてもよい。レーザが貫通孔の内面に照射されるように照射角度が調整されていれば、レーザが貫通孔を通過することがない。回路基板の反対側に別の部品が配置されている場合、レーザが貫通孔を通過して別の部品に当たることを防止できる。

ランドは、貫通孔よりもレーザが入射してくる側の面積が反対側の面積よりも広くなっていてもよい。すなわち、貫通孔に対してレーザの反射光が当たる側のランドの面積が広く、反射光が当たらない側のランドの面積が小さい。レーザの反射光が届かない側のランドの面積を小さくすることで、ランド全体の面積の増加を抑えることができる。

本明細書は、ランド周辺の絶縁部分に焦げのない回路基板も提供する。その回路基板は、ランドが白色の層で覆われている。ランドの上の白色の層では、レーザの反射率が高くなり、逆に吸収率が低くなる。それゆえ、ランドの温度上昇が抑えられ、ランド周辺の絶縁部分が受けるダメージが抑制される。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

半導体モジュールと回路基板を備えた電力変換器の側面図である。 図２（Ａ）は、図１の破線IIが示す範囲を回路基板の法線方向から平面視した拡大図である。図２（Ｂ）は、図１の破線IIが示す範囲の断面図である。 図１の破線IIが示す範囲の断面図である（ピンを仮想線で描いた図）。 回路基板を平面視した図である。

図面を参照して実施例の回路基板とその製造方法を説明する。実施例の回路基板は、電力変換器に用いられている。図１に、電力変換器２の側面図を示す。図１は、電力変換器２の主要部品のみを示しており、ケースやコネクタなど、一部の部品の図示は省略してある。説明の都合上、図中の座標系の＋Ｚ方向を「上」と定義する。

電力変換器２は、複数の半導体モジュール４と、複数の冷却器３と、回路基板１０を備えている。複数の半導体モジュール４と複数の冷却器３は、１個ずつ交互に積層されている。半導体モジュール４の本体であるパッケージ４０にはパワートランジスタが収容されている。パッケージ４０は樹脂で作られている。それぞれのパッケージ４０の上面から複数の端子ピン５が上方へ延びている。複数の端子ピン５は、パッケージ４０の内部でパワートランジスタのゲート電極に接続されているピン、パワートランジスタのセンスエミッタに接続されているピン、パワートランジスタの温度を計測するセンサに接続されているピンなどである。一つの半導体モジュール４の複数の端子ピン５は、図中の座標系のＹ方向に沿って一列に並んでいる。それゆえ、図１では、各半導体モジュール４の一つの端子ピン５のみが描かれている。回路基板１０には、半導体モジュール４の内部のパワートランジスタを制御する制御回路が実装されている。制御回路の説明は割愛する。

端子ピン５は、回路基板１０の貫通孔１３を通過しており、貫通孔にハンダで接合されている。図１の破線IIの範囲を回路基板１０の法線方向からみた拡大平面図を図２（Ａ）に示し、破線IIの範囲をＸＺ平面でカットした断面図を図２（Ｂ）に示す。図２（Ｂ）は、貫通孔１３と端子ピン５を通る平面でカットした断面図である。

回路基板１０は、エポキシ樹脂で作られた絶縁板１１に配線パターン１６が配置された板である。配線パターン１６は、絶縁板１１の上面と下面のそれぞれに設けられている。上面の配線パターンを符号１６ａで表し、下面の配線パターンを符号１６ｂで表す。なお、実際には、絶縁板１１の厚み方向の中間にも配線パターン層が設けられているが、その図示は省略している。配線パターン１６は、銅などの導電性金属の層であり、回路基板１０に配置されたさまざまな電子部品を導通させる導通路である。

配線パターン１６以外の基板表面は、絶縁性のレジスト層１２で覆われている。図２（Ｂ）では、絶縁板１１の下面の左側には配線パターン１６ｂが回路基板１０から露出しており、配線パターン１６ｂは、不図示の部位で電子部品に接続される。

絶縁板１１には貫通孔１３が設けられており、配線パターン１６の一部は、貫通孔１３の内側面も覆っている。上面の配線パターン１６ａと下面の配線パターン１６ｂは、貫通孔１３を通じて導通する。

絶縁板１１の上面の配線パターン１６ａは、貫通孔１３を囲むように拡がっており、端子ピン５を溶接するランド１４を構成している。図２（Ａ）では、理解を助けるために、端子ピン５を黒で塗りつぶしてある。また、白色のシルク１５（後述）が貼り付けられている領域を薄いグレーで塗りつぶしてあり、ランド１４が露出している領域（ランド露出領域１４ａ）を濃いグレーで塗りつぶしてある。図２（Ａ）において、黒色の端子ピン５と濃いグレーのランド露出領域１４ａとの間の白い領域は、貫通孔１３に相当する。後述するように貫通孔１３はハンダで埋められているが、図２（Ａ）では理解を助けるためにハンダの図示は省略してある。図２（Ａ）の一点鎖線ＣＬは、図中の座標系のＸ方向におけるランド１４とシルク１５の中心を示している。

ランド１４は、配線パターン１６ａの一部であり、貫通孔１３の周りを囲んでいる領域である。貫通孔１３は、ランド１４の中心（中心線ＣＬ）から外れた位置に配置されている。ランド１４は、図中の座標系で貫通孔１３よりも−Ｘの側が広く、＋Ｘの側が狭くなっている。

回路基板１０の製造方法について説明する。より具体的には、回路基板１０を製造する過程において、端子ピン５をランド１４に溶接する工程について説明する。

回路基板１０の上に文字等を描くのに白色のシルクが用いられることがある。実施例の回路基板１０では、白色のシルクを、文字を描くためだけでなく、ランド１４を覆う目的でも用いている。白色のシルク１５は、貫通孔１３の周囲のランド露出領域１４ａを除いて、ランド１４の全体を覆っている。より詳しくは、レジスト層１２が、貫通孔１３のランド露出領域１４ａを除いてランド１４を覆っているとともに、レジスト層１２の上にて、白色のシルク１５がランド露出領域１４ａを除いて、ランド１４の全体を覆っている。図２（Ａ）において符号１４が示す破線が、シルク１５とレジスト層１２の下のランドの輪郭を示している。

半導体モジュール４の端子ピン５が貫通孔１３を通過しており、端子ピン５はハンダ１９にて貫通孔１３とランド露出領域１４ａに接合される。図を見やすくするために、図２（Ａ）ではハンダの図示は省略してあり、図２（Ｂ）では、ハンダ１９を仮想線で描いてある。

ハンダ１９を溶かして端子ピン５をランド１４に溶接するには、溶接用のレーザが用いられる。レーザは、回路基板１０の表面に対して斜め方向から照射される。図２において、符号２１が示す太矢印線がレーザの入射光（入射光２１）を表している。図２（Ｂ）では、レーザ（入射光２１）は、回路基板１０の表面に対して照射角度Ａ１で入射するように調整されている。

端子ピン５を溶接する際、回路基板１０に対して斜め方向から入射したレーザ（入射光２１）は、ハンダ１９に直接当たるとともに、その一部は端子ピン５にも当たる。ハンダ１９がレーザ（入射光２１）の熱で溶融するとともに、端子ピン５が加熱される。端子ピン５の温度が上昇することで、溶融したハンダ１９は端子ピン５に密着する。

レーザ（入射光２１）の一部は端子ピン５の側面で跳ね返り、反射光２２となる。反射光２２がレジスト層１２に照射されるとレジスト層１２がレーザのエネルギによりダメージを受けるおそれがある。また、反射光２２が従来のランドに照射されるとランドが加熱され、その熱で周囲のレジスト層１２や絶縁板１１がダメージを受けるおそれがある。実施例の製造方法は、レーザの反射光２２がランド周囲の絶縁板１１やレジスト層１２に与えるダメージを低減する。

図２（Ａ）の平面図で見たときに、レーザの入射光２１は、図中の座標系の＋Ｘ方向に照射される。貫通孔１３は、Ｘ方向で、ランド１４の領域において＋Ｘ方向にずれて配置されている。別言すれば、貫通孔１３よりも入射光２１が入射してくる側のランド１４の面積が、反対側（＋Ｘ側）のランド１４の面積よりも大きくなっている。

レーザの反射光２２が到達する側のランド１４（シルク１５）の面積は広く、反射光２２はランド１４の上の白色領域（シルク１５が貼られている領域）に当たる。照射角度Ａ１は、レーザの反射光２２がランド１４の上の白色の領域に当たるように調整されている。好ましくは、照射角度Ａ１は、反射光２２が回路基板１０のランド１４の上の白色の領域以外には当たらないように調整されている。

反射光２２は、白色領域でさらに反射されるので（散乱するので）、ランド１４に吸収されるレーザのエネルギが抑えられる。その結果、ランド１４の温度上昇が抑えられる。ランド１４の熱によって周囲のレジスト層１２や絶縁板１１が受けるダメージが軽減される。図２（Ｂ）の太点線矢印線が、ランド１４の上の白色のシルク１５から散乱するレーザを模式的に表している。

実施例の製造方法では、ランド１４は白色のシルク１５で覆われており、端子ピン５に照射されたレーザの反射光２２がランド１４の上の白色のシルク１５に当たるようにレーザの回路基板１０に対する照射角度Ａ１が調整されている。反射光２２はシルク１５の表面から拡散し、ランド１４の温度上昇が抑えられる。その結果、ランド１４の周囲のレジスト層１２や絶縁板１１が受けるダメージを抑制することができる。

また、ランド１４は、貫通孔１３よりもレーザ入射側（図中の−Ｘ側）の面積が、反対側（図中の＋Ｘ側）の面積よりも大きい。反射光２２が届かない領域ではランド１４の面積を小さくし、ランド１４全体の面積が不必要に大きくなることが防止される。

図３に、端子ピン５を仮想線で描いた断面図を示す。実施例の製造方法では、貫通孔１３のレーザが照射される側の開口縁１３ｂを通過するレーザ（入射光２１ａ）が、貫通孔１３の内面１３ａに照射されるように、レーザの照射角度Ａ１が調整されている。そのような調整によって、仮にハンダ１９（図３では不図示）が溶け落ち、レーザ（入射光）がハンダで遮られなくなった場合でも、入射光２１ａが回路基板１０の反対側へ抜けることが防止される。貫通孔１３の反対側に別の部品（例えば半導体モジュール４）が配置されていても、レーザ（入射光２１）が貫通孔１３を突き抜けることがない。開口縁１３ｂを通る入射光２１は、回路基板１０の反対側の開口縁に最も近づく。そのような入射光２１ａが貫通孔１３の内面１３ａに照射されるということは、入射光２１の全体が貫通孔１３を直接に通過しないことを保障する。

先に述べたように、一つの半導体モジュール４から複数の端子ピン５が延びている。図４に、図２（Ａ）よりも広い範囲で回路基板１０を平面視した図を示す。図４では、右下の一つの端子ピン５、貫通孔１３、ランド１４、シルク１５にのみ符号を付し、他の端子ピン等には符号を省略した。図４でも、理解を助けるために、端子ピン５を黒で塗りつぶし、白色のシルク１５が貼り付けられている領域を薄いグレーで塗りつぶしてある。また、ランド１４が露出している領域（ランド露出領域１４ａ）を濃いグレーで塗りつぶしてある。黒色の端子ピン５と濃いグレーのランド露出領域１４ａの間の白い領域は貫通孔１３を示している。貫通孔１３はハンダで埋められているが、図４でもハンダの図示は省略した。

図４には、１０個の端子ピン５と、それらに対応するランド１４が描かれている。５個の端子ピン５とランド１４が、図中の座標系のＹ方向で一列に並んでいる。残りの５個の端子ピンとランド１４も、Ｙ方向で一列に並んでいる。複数の貫通孔１３とそれぞれの貫通孔に対応するランド１４において、それぞれの貫通孔１３は、対応するランド１４に対して同じ方向で偏った位置に設けられている。そのような配置により、同じ方向から同じ照射角度でレーザを照射した場合、いずれも、ランド１４の上の白色のシルク１５の上に反射光を到達させることができる。すなわち、レーザ光源の入射方向を変えることなく、ランドの周囲の絶縁層のダメージを抑制しつつ、複数の端子ピンを溶接することができる。

本明細書は、ランドの周囲の絶縁部分（レジスト層１２、あるいは絶縁板１１）にダメージが少ない回路基板１０も提供する。回路基板１０は、貫通孔１３を貫通している端子ピン５が貫通孔１３の周囲のランド１４に接合されている。ランド１４は、白色のシルク１５で覆われている。

本明細書が開示する技術に関する留意点を述べる。ランドを白色のシルクで覆う代わりに、ランドに白色塗料を塗布してもよい。あるいは、白色のレジスト層でランドを覆ってもよい。白色の層は、貫通孔の周囲（ランド露出領域）を除いてランドを覆っている。貫通孔の周囲（ランド露出領域）を除いてランドを濃い色のレジスト層で覆い、そのレジスト層に白色塗料を塗布してもよい。

本明細書における「白色」には、薄いクリーム色も含まれる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換器
３：冷却器
４：半導体モジュール
５：端子ピン
１０：回路基板
１１：絶縁板
１２：レジスト層
１３：貫通孔
１４：ランド
１４ａ：ランド露出領域
１５：シルク
１６、１６ａ、１６ｂ：配線パターン
１９：ハンダ
２１、２１ａ：入射光
２２：反射光
４０：パッケージ

Claims (5)

1. ランドの貫通孔に挿通されている端子ピンが前記ランドに溶接されている回路基板の製造方法であり、
   前記ランドは白色の層で覆われており、
   前記端子ピンに照射された溶接用のレーザの反射光が前記ランド上の前記白色の層に当たるように前記レーザの前記回路基板に対する照射角度が調整されている、回路基板の製造方法。
2. 前記反射光が前記回路基板の前記白色の層以外には当たらないように前記照射角度が調整されている、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記レーザが前記端子ピンの側面に照射されるとともに前記貫通孔の内面に照射されるように前記照射角度が調整されている、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記ランドは、前記貫通孔よりも前記レーザが入射してくる側の面積が反対側の面積よりも広い、請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. ランドの貫通孔を通過している端子ピンが前記ランドに溶接されている回路基板であり、前記ランドが白色の層で覆われている回路基板。

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