JP4328485B2 - 回路基板及び電子機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回路基板及び電子機器に関し、特に、サブトラクティブ法によって作製され、挿入型電子部品が実装される回路基板及び電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サブトラクティブ法を用いて回路基板を作製することが知られている。このサブトラクティブ法は、回路基板作製方法として最も一般的である。
【０００３】
図１０は、従来の回路基板に電子部品を実装した状態を示す断面説明図である。図１０に示すように、回路基板１のスルーホール２には、錫鉛共晶はんだ（Ｓｎが６３ｗｔ％、残りはＰｂ）３を用いたはんだ付けにより電子部品４が実装されている。この回路基板１は、以下の工程を経て作製される。
【０００４】
先ず、紙基材、ガラス基材、ポリエステル繊維基材等に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等をしみこませて、絶縁性のプリプレグ５を形成する。そして、プリプレグ５の上に銅箔を加圧加熱処理して貼り付けることにより、銅張積層基板を形成し、銅張積層基板の所望の箇所に、エッチング処理により内層回路６を形成する。その後、電気的導通に不要な部分は全て取り去る。
【０００５】
次に、この銅張積層基板を挟み込むように銅張積層基板の表面と裏面のそれぞれに、プリプレグ５とその上に銅箔を重ねて、熱プレスにより積層する。この銅張積層基板に重ねるプリプレグ５と銅箔は、通常、銅張積層基板に用いたものと同じものが用いられる。その後、エッチング処理により、再度、内層回路６を形成する。
【０００６】
これを所定回数繰り返して、ｎ層の回路基板１を作製する。繰り返しの最後の積層プレスを行った後に、挿入型の電子部品４を実装するための貫通孔を形成する。
【０００７】
次に、貫通孔のデスミア処理を行う。デスミア処理は、貫通孔をドリル加工する際にまれに生じるスミア（バリ）を化学的に除去するための処理である。その後、下地メッキを行い、更に、電解銅メッキにより、貫通孔の周壁面を介して第１層及び第ｎ層の銅箔を接合し、スルーホール２を形成する。スルーホール２の形成後、第１層及び第ｎ層の表面の銅箔をエッチングすることにより、表層回路７及び表層ランド７ａを形成する。
【０００８】
最後に、はんだ付けを行う表層ランド７ａ以外の部分に、錫鉛共晶はんだ３が付かないようにソルダーレジスト８を印刷塗布した後、感光する。
【０００９】
上述したように、回路基板１をサブトラクティブ法によって作製する場合、ソルダーレジスト８は、表層ランド７ａが形成される第１層と第ｎ層のみに塗布され、電子部品４の電極４ａを実装する表層ランド７ａ以外の表層回路７を保護する役割を担っている。
【００１０】
このように、従来のサブトラクティブ法によって作製された回路基板１の場合、内層にあたる第２層から第ｎ−１層で他の層と導通を取る必要の無い層においては、スルーホール２と内層回路６が接触しないように十分なクリアランスを保った状態で、エッチングによりスルーホール２の周囲の内層回路６を取り除いてしまう。
【００１１】
従って、電気的導通のない内層においては、スルーホール壁部２ａと絶縁性のプリプレグ５は、メッキ処理によるアンカー効果によってのみ接着された状態になっている。このような構造のため、スルーホール壁部２ａとプリプレグ５の接着長さＬが長い程、熱膨張による大きなずり応力が発生したとき、スルーホール壁部２ａとプリプレグ５の間に大きな応力が発生し易くなる。
【００１２】
このことは、高融点のはんだを用いて電子部品４の電極４ａを実装する際に、スルーホール２における接続不良を起こし易くするため、従来の錫鉛共晶はんだ３を用いた場合には必要がなかった、スルーホール２における接続不良発生への対応を、確実に行うことを必要とする。
【００１３】
このような、スルーホール２における接続不良の発生に対応した例として、特開平３−１６５０９３号公報に開示された回路基板が知られている。
【００１４】
ところで、上記公報に開示された回路基板においては、高融点のはんだ、特に鉛を含まない無鉛はんだを用いた場合の、回路基板の信頼性に及ぼす影響については、全く検討されていない。
【００１５】
近年、環境意識の高まりにより、鉛による環境汚染を防止するために、鉛を含むはんだから鉛を含まない無鉛はんだへの転換が進んでいる。この無鉛はんだは、錫を主成分として、銀、銅、亜鉛、ビスマス、インジウム、アンチモン、ニッケル、ゲルマニウム等から構成されており、現在、電子機器におけるはんだ接合に最も多く使われている錫鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）共晶はんだ（Ｓｎが６３ｗｔ％、残りはＰｂ）に比べ、金属の引張り強度、クリープ強度が強く、また、伸びが少ないという金属特性を持っている。
【００１６】
このため、はんだ付け部において、無鉛はんだは、鉛はんだより応力緩和が起こり難く、また、溶融温度も、錫鉛共晶はんだが１８３℃であるのに比べ、無鉛はんだは１９０℃〜２３０℃と高くなっている。
【００１７】
現在、主に用いられている無鉛はんだとしては、錫亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系はんだ、錫銅（Ｓｎ−Ｃｕ）系はんだ、或いは錫銀（Ｓｎ−Ａｇ）系はんだ等がある。
【００１８】
錫亜鉛系はんだは、錫亜鉛の共晶組成であるＳｎ−９．０ｗｔ％Ｚｎを中心に、亜鉛の量を変えたり、他の元素を添加して特性を改善したものをいい、代表例として、Ｓｎ−８．０Ｚｎ−３．０Ｂｉがある。錫銅系はんだは、錫銅の共晶組成であるＳｎ−０．７ｗｔ％Ｃｕを中心に、銅の量を変えたり、他の元素を添加して特性を改善したものをいい、代表例として、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．３Ａｇがある。錫銀系はんだは、錫銀の共晶組成であるＳｎ−３．５ｗｔ％Ａｇを中心に、銀の量を変えたり、他の元素を添加して特性を改善したものをいい、代表例として、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕがある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記何れの無鉛はんだも、溶融温度が高くなることにより、熱膨張による大きなずり応力が発生したときに、スルーホール壁部２ａと絶縁性のプリプレグ５の間での剥離、即ち、壁剥離が、従来の錫鉛共晶はんだに比べ数倍から数十倍発生し易くなる。
【００２０】
また、表層となる第１層及び第ｎ層においては、プリプレグ５と表層ランド７ａの間で剥離、即ち、ランド剥離が発生し、表層ランド７ａにつながって配線されている表層回路７が、熱応力によって断線する場合がある。
【００２１】
このようなことから、特に、挿入型の電子部品４の実装に際し、電子部品４の電極４ａをスルーホール２に無鉛はんだではんだ付けする場合には、回路基板１及びはんだ付け部の信頼性を再確認する必要があった。
【００２２】
そこで、従来の回路基板１において、例えば、ポリアミドのような樹脂で筐体が形成されているコネクタ等の挿入型電子部品４を、無鉛はんだでフローはんだ付けした後に、信頼性試験の一環として、温度サイクル試験による寿命確認実験を実施したところ、特に、内層回路６と導通を有しないスルーホール２において、早期に断線する傾向がみられた。
【００２３】
ポリアミドは、熱膨張が、回路基板１のＸ−Ｙ方向の熱膨張係数に比べて非常に大きい樹脂である。温度サイクル試験は、―４０℃（３０分）〜２５℃（５分）〜１２５℃（３０分）の温度サイクルにより行った。
【００２４】
この断線現象を、例えば、従来の４層の回路基板において説明する。従来の４層の回路基板は、回路基板１（図１０参照）において、第ｎ層を第４層、第ｎ−１層を第３層とした場合に相当し、電気的導通が不要な第２層及び第３層のスルーホール２が貫通する部分に、内層ランドは設けられておらず、スルーホール２はプリプレグ５を貫通するのみである。
【００２５】
従来の錫鉛共晶はんだ３を用いた場合は、信頼性に影響を及ぼすことが殆ど無かったのに対し、高融点の無鉛はんだを用いた場合は、従来の錫鉛共晶はんだ３では見られなかった導通不良が発生し、明らかに信頼性に影響を及ぼすことが分かった。以下、この現象について説明する。
【００２６】
図１１は、従来の回路基板において錫鉛共晶はんだと無鉛はんだを用いた場合の熱応力サイクル試験結果を表で示す説明図である。ここでは、従来の回路基板１に、全く同じ条件で錫鉛共晶はんだと無鉛はんだ（Ｓｎ−Ａｇ系）を用いたはんだ付けを行い、その後、−４０℃（３０分）⇔２５℃（５分）⇔１２５℃（３０分）の繰り返し熱応力サイクル試験を行って、断線するまでのサイクル（ｃｙｃ）数を比較した。試験サンプル数Ｎは８である。
【００２７】
なお、表層ランド７ａ間を短絡した表層回路７に電子部品４を実装して電気抵抗の測定を行い、電気抵抗が無限大になった時点で断線と判定した。
【００２８】
図１１に示すように、従来の回路基板１に無鉛はんだを用いた場合は、熱衝撃試験サイクル数が２００で抵抗値の上昇が認められ（抵抗値上昇が１、抵抗値異常無しが７）、３００で破断（オープン状態）してしまった（破断が７、抵抗値異常無しが１）。つまり、はんだを無鉛はんだに変えることにより、断線が早期に多発する傾向にあることが確認された。
【００２９】
図１２は、従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の熱応力サイクル試験後のスルーホールコーナー部を拡大して示す断面説明図である。ここでは、無鉛はんだを用いた従来の回路基板１に対し、−４０℃（３０分）⇔常温（５分）⇔１２５℃（３０分）の温度サイクル条件で、熱応力サイクル試験を３００サイクル実施した。
【００３０】
図１２に示すように、無鉛はんだ９に覆われたスルーホールコーナー部２ｂには、無鉛はんだ９も貫く大きなクラック（割れ）ａが発生し、断線していることが明かになった。更に、スルーホール壁部２ａとプリプレグ５の間には、スルーホール壁部２ａがプリプレグ５から離れてしまう壁剥離ｂが発生し、この大きな壁剥離ｂ部分からクラックａが発生していることが確認できる。
【００３１】
つまり、壁剥離ｂが発生することによって、スルーホールコーナー部２ｂにクラックａが発生し、断線させてしまうため、従来の回路基板１に無鉛はんだ９を用いた電子機器の信頼性を著しく低下させてしまうことになる。
【００３２】
図１３は、従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の不良発生率を示し、（ａ）はグラフによる説明図、（ｂ）は表による説明図である。ここでは、従来の回路基板１に無鉛はんだを用いてはんだ付けした数種類のコネクタ電子部品における、はんだ付け直後の壁剥離発生率と、前述の温度サイクル試験を繰り返し５００回行った後のクラック発生率を示す。なお、各発生率は、はんだ付け部の断面を観察することによって確認した。
【００３３】
図１３に示すように、筐体材質がポリアミドからなるコネクタ電子部品Ａの場合、壁剥離発生率とクラック発生率が共にほぼ１００％であり、筐体材質がポリブタジエンテレフタラートからなるコネクタ電子部品Ｂの場合、壁剥離発生率がほぼ７２％でクラック発生率がほぼ７８％であり、筐体材質が液晶ポリマーからなるコネクタ電子部品Ｃの場合、壁剥離発生率がほぼ５％でクラック発生率がほぼ０％であった。
【００３４】
これにより、はんだ付け直後に壁剥離ｂの発生率が多い電子部品程、５００サイクル後にクラックａが発生する確率が高く、スルーホールコーナー部２ｂのクラックａと壁剥離ｂには明かな相関関係がある、ということが実験的に明らかになった。
【００３５】
図１４は、従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合のクラック発生原因を模式的に説明する断面説明図である。図１４に示すように、回路基板１に実装される電子部品４は、コネクタ電子部品Ａ（図１３参照）のように、筐体が、回路基板１との熱膨張差が大きいポリアミド樹脂からなり、電極４ａは、□０．５ｍｍ（１辺が０．５ｍｍの柱状リード）を超えた大きさを有している。
【００３６】
このような電子部品４の場合、比較的表層に近いスルーホール壁部２ａとプリプレグ５の間で壁剥離ｂが起こり（図１２参照）、更に、温度サイクル試験による繰り返しの熱応力が加わると、壁剥離ｂが起こっていない場合に比べスルーホールコーナー部２ｂに応力集中が起こり易くなって、クラックａが発生し、早期に断線してしまう、という過程が容易に推測できる。
【００３７】
ところで、このような壁剥離ｂの発生率が高い電気部品４は、その殆どが電源用のコネクタ部品であり、一定の電流密度を確保するため、電極４ａの直径を細くすることが困難である。また、筐体材質として、安価で加工性の良いポリアミド樹脂を多用する傾向が見られる。
【００３８】
従って、この電子部品４のはんだ付けを、無鉛はんだ９を用いて行った場合、極めて高い確率で、壁剥離ｂからスルーホールコーナー部２ｂのクラックａを引き起こすものと思われ、この場合、電気部品４の信頼性を著しく低下させてしまうことになる。
【００３９】
また、従来の回路基板１においては、壁剥離ｂの他にも、回路基板１の表層ランド７ａとプリプレグ５の間でランド剥離が発生する場合がある。
【００４０】
図１５は、従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合のランド剥離発生部を拡大して示す断面説明図である。図１５に示すように、従来の回路基板１において無鉛はんだ９を用いた場合、無鉛はんだ９の凝固温度が高いことにより、表層ランド７ａがプリプレグ５から離れてしまうランド剥離ｃが発生する。
【００４１】
ランド剥離ｃが発生すると、表層ランド７ａにつながって配線されている表層回路７は大きくねじ曲げられて浮き上がってしまい、この状態で熱ストレスを受けた場合、表層ランド７ａにつながる表層回路１１は、容易に断線してしまう。このランド剥離ｃも、回路基板１の信頼性に重大な影響を及ぼす断線不良をもたらす。
【００４２】
このような、従来の回路基板１に無鉛はんだ９を用いた場合に発生する、壁剥離ｂ、スルーホールコーナー部２ｂのクラックａ、及びランド剥離ｃにおいて、壁剥離ｂとクラックａは、発生箇所の特定や不良回路基板の選別が非常に困難であるという点で、特に、的確な対応を必要とする。
【００４３】
何故なら、壁剥離ｂとクラックａは、スルーホール２の内部やはんだフィレットに覆われているスルーホールコーナー部２ｂで起こる不良であるため、第１層及び第ｎ層において目視により発生が確認できるランド剥離ｃに対し、外観による確認が不可能だからである。
【００４４】
図１６は、従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の壁剥離とランド剥離の同時発生状態を示す断面説明図である。図１６に示すように、回路基板１のスルーホール２には、電子部品４の電極４ａが挿入され、無鉛はんだ９を用いてはんだ付けされている。この回路基板１において、スルーホール壁部２ａがプリプレグ５から離れてしまう壁剥離ｂが発生し、基板表面において、表層ランド７ａがプリプレグ５から離れてしまうランド剥離ｃが発生している。
【００４５】
つまり、筐体材質として、回路基板１との熱膨張差が大きいポリアミド樹脂が用いられ、電極４ａが□０．５ｍｍ（１辺が０．５ｍｍの柱状リード）を超えるような電子部品４を、無鉛はんだ９ではんだ付けした場合、壁剥離ｂとランド剥離ｃが、それぞれの発生要因により同時に発生する場合が有り得る。
【００４６】
この壁剥離ｂは、主に、回路基板１と電子部品４のＸ−Ｙ方向の熱膨張・収縮率の差に起因し、ランド剥離ｃは、主に、回路基板１のＺ方向の熱膨張・収縮と無鉛はんだ９の高融点化による凝固のタイミングのズレに起因する。壁剥離ｂとランド剥離ｃが同時に発生した場合、表層ランド７ａからスルーホール壁部２ａまで連続した剥離が発生する可能性が高い。
【００４７】
このように、従来の回路基板１において無鉛はんだ９によるはんだ付けを行う場合は、壁剥離ｂとランド剥離ｃが同時に起こる可能性があり、壁剥離ｂとランド剥離ｃが同時に起こった場合、信頼性の低下をもたらすことになる。これは、従来の回路基板１において無鉛はんだ９によるはんだ付けを行ったものを用いた電子機器においても、同様である。
【００４８】
この発明の目的は、無鉛はんだを用いてはんだ付けを行っても、壁剥離やランド剥離による不良が発生しない、信頼性の高い回路基板及び電子機器を提供することである。
【００４９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明に係る回路基板は、ｎ（ｎ≧３）層の回路からなる多層構造を有し、基板貫通孔の壁部と第１層及び第ｎ層に形成された表層ランドの表面が、電気的に導通されて形成されたスルーホールに、電子部品を実装する回路基板であって、前記第１層及び前記第ｎ層を除いた内層回路と同一の層に、スルーホール壁部と接合し、内層回路と同一の層に形成され、かつ、隣接する前記内層回路と電気的に導通しない内層ランドを、少なくとも１個形成したことを特徴としている。
【００５０】
上記構成を有することにより、ｎ（ｎ≧３）層の回路からなる多層構造を有し、基板貫通孔の壁部と第１層及び第ｎ層に形成された表層ランドの表面が、電気的に導通されて形成されたスルーホールに、電子部品を実装する回路基板は、第１層及び第ｎ層を除いた内層回路と同一の層に、少なくとも１個形成された、スルーホール壁部と接合し、内層回路と同一の層に形成され、かつ、隣接する内層回路と電気的に導通しない内層ランドを備えることになる。これにより、無鉛はんだを用いてはんだ付けを行っても、壁剥離やランド剥離による不良が発生しない、信頼性の高い回路基板及び電子機器を提供することができる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、この発明の第１の実施の形態に係る回路基板に電子部品を実装した状態を示す断面説明図である。図２は、図１のスルーホールとランドの位置関係を模式的に示した斜視説明図である。
【００５２】
図１及び図２に示すように、第１の実施の形態に係る回路基板１０は、第１層と第ｎ（ｎ≧３）層の表層回路１１、及び（ｎ−２）層の内層回路１２が、各回路間に絶縁性のプリプレグ１３を挟み込んで積層された、多層（ｎ層）構造を有している。
【００５３】
この回路基板１０には、表裏面を貫通するスルーホール１４が開けられており、スルーホール１４の周囲には、表層回路１１に接続しない表層ランド１５、及び内層回路１２に接続する内層ランド１６が形成されている。
【００５４】
表層ランド１５及び内層ランド１６は、スルーホール１４のスルーホール壁部１７を介して接続されているが、スルーホール１４と電気的導通を持つ内層ランド１６が少なくとも１箇所形成されている。即ち、スルーホール１４の壁部表面と表層ランド１５の表面は、スルーホール壁部１７により電気的に導通しているが、第１層と第ｎ層を除いた内層のスルーホール壁部１７に接する箇所に、内層回路１２と電気的に導通しない内層ランド１６が少なくとも１個形成されている。
【００５５】
回路基板１０には、挿入型の電子部品１８が実装されている。電子部品１８の電極１９は、スルーホール１４に挿入され、無鉛はんだ（Ｓｎ−Ａｇ系）２０を用いてはんだ付けされている。また、表層回路１１は、表層ランド１５から離間するソルダーレジスト２１によって覆われている。
【００５６】
なお、回路基板１０は、サブトラクティブ法を用いて作製されるが、その製造方法は従来技術に示す回路基板１の製造方法と同様であるので説明を省略する。
【００５７】
この回路基板１０は、内層ランド１６を、第２層（ｎ＝３の場合）、或いは第２層から第（ｎ−１）層（ｎ≧４の場合）の内層に設けることにより、主に銅メッキ等によって形成されるスルーホール壁部１７と、主に絶縁性樹脂によって構成されるその接着面を、回路基板１０の厚み方向で分割して、スルーホールコーナー部２２に接する接着長さＬを短くしている（図１参照）。
【００５８】
従って、回路基板１０の厚み方向の熱膨張係数差によって生じるずり応力を小さくし、スルーホール壁部１７がプリプレグ１３から離れてしまう壁剥離ｂの発生を抑制することができる。このように壁剥離ｂを防止することにより、第１層及び第ｎ層のスルーホールコーナー部２２への応力集中を緩和することができるため、回路基板１０は、クラックａの発生を抑制する構造を有することになる。
【００５９】
図３は、図１のスルーホールにおける応力解析結果を示し、（ａ）は、壁剥離が発生していると仮定した場合の断面説明図、（ｂ）は、壁剥離が発生していないと仮定した場合の断面説明図である。
【００６０】
図３に示すように、壁剥離ｂが発生していないと仮定した場合（（ｂ）参照）のスルーホールコーナー部２２の応力値を１としたとき、壁剥離ｂが発生していると仮定した場合（図（ａ）参照）のスルーホールコーナー部２２の応力値は、温度サイクル試験の上限温度である１２５℃のときに２．５４倍、下限温度である−４０℃のときに２．１２倍と、高くなっていた。
【００６１】
このように、応力解析結果から、壁剥離ｂの発生を抑制すれば、スルーホールコーナー部２２への応力集中を緩和することが可能であることが分かる。
【００６２】
次に、この回路基板１０を用いて電子機器を製造した場合の効果について検証実験を行った。実験結果を、このときの実験データを用いて具体的に解説する。
【００６３】
図４は、図１の回路基板に無鉛はんだを用いた場合と従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の、それぞれの熱応力サイクル試験結果を表で示す説明図である。
【００６４】
ここでは、無鉛はんだ２０として、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用い、この発明に係る回路基板１０と従来の回路基板１に対し全く同じ条件ではんだ付けを行い、その後、−４０℃（３０分）⇔２５℃（５分）⇔１２５℃（３０分）の繰り返し熱応力サイクル試験を行って、断線するまでのサイクル（ｃｙｃ）数を比較した。試験サンプル数Ｎは８である。
【００６５】
なお、表層ランド１５間を短絡した表層回路１１に電子部品１８を実装して電気抵抗の測定を行い、電気抵抗が無限大になった時点で断線と判定した。
【００６６】
実装した電子部品１８は、筐体材料がポリアミド樹脂、電極１９の寸法が□０．６４ｍｍ（１辺が０．６４ｍｍの柱状リード）の、壁剥離ｂが発生し易い代表的なコネクタ部品を用いた。
【００６７】
この検証実験の結果、従来の回路基板１に無鉛はんだを用いてはんだ付けした場合、２００サイクルで電気抵抗の上昇が始まり（抵抗値上昇が１、抵抗値異常無しが７）、３００サイクルで断線が確認された（破断が７、抵抗値異常無しが１）のに対し、この出願発明に係る回路基板１０に無鉛はんだ２０を用いてはんだ付けした場合は、５００サイクルを経て１０００サイクルに達するまで、従来の錫鉛共晶はんだ３を用いてはんだ付けした場合（図１１参照）と同様に、断線は全く確認されなかった。
【００６８】
図５は、図１の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の熱応力サイクル試験後のスルーホールコーナー部を拡大して示す断面説明図である。ここでは、無鉛はんだを用いた回路基板１０に対し、−４０℃（３０分）⇔常温（５分）⇔１２５℃（３０分）の温度サイクル条件で、熱応力サイクル試験を３００サイクル実施した。
【００６９】
図５から分かるように、回路基板１０において、スルーホールコーナー部２２に特に異常は認められず、スルーホール壁部１７とプリプレグ１３の間に壁剥離ｂも発生していない。
【００７０】
従って、スルーホールコーナー部２２のクラックａと壁剥離ｂには明かな相関関係がある（図１３参照）ことから、回路基板１０は、壁剥離ｂを抑制し、ひいてはスルーホールコーナー部２２のクラックａに対しても効果があると言える。
【００７１】
また、回路基板１０及びこの回路基板１０を用いて製造された電子機器は、壁剥離ｂ及びクラックａの発生を抑制することができることから、断線のおそれがなく高い信頼性を有することとなる。
【００７２】
なお、図示しないが、内層ランド１６は、スルーホール１４の半径（内径）と内層ランド１６の半径との差である内層ランド幅が、約０．１２５ｍｍからスルーホール１４の半径（内径）の約１．５倍以下までとなるように、設置することが望ましい。この内層ランド幅については、下限が約０．１７５ｍｍ以上であることが、更に望ましい。
【００７３】
この条件は、回路基板１０を作製するときの製造マージンとの関係で決まり、内層ランド１６は、スルーホール１４のメッキ厚みが片側最大約０．０２５ｍｍの場合で、スルーホール壁部１７の周囲に片側約０．１０ｍｍ以上突き出すように設置されていればよい。
【００７４】
これにより、スルーホール壁部１７とプリプレグ１３の間の接着長さＬを短くするという、この出願発明の目的を果たすことができるが、サブトラクティブ法による回路基板作製時のエッチング精度や積層精度等を考慮すると、片側最大約０．０５ｍｍ程度はズレが生じる可能性がある。
【００７５】
回路基板１０の製造マージンは、回路基板１０の作製メーカにより変動することが考えられるが、内層ランド幅の下限は、スルーホール１４の半径に関わりなく、内層ランド１６がスルーホール壁部１７から片側約０．１０ｍｍ以上突き出ていればよい。
【００７６】
一方、内層ランド幅の上限は、隣接する電極１９が実装されるスルーホール１４のスルーホール壁部１７との間に、少なくとも０．１ｍｍの間隔を有して絶縁を保つことができれば、電気的には特に問題がない。従って、プリプレグ１３と内層ランド１６との接着強度を考慮すると、可能な限り幅広く設けた方が良い。
【００７７】
しかしながら、内層ランド幅を、スルーホール半径の約１．５倍より大きくしてしまうと、内層密度の向上を妨げるだけでなく、スルーホール１４に充填される無鉛はんだ２０の熱容量に対し、内層ランド１６によって拡散される熱容量が多くなり過ぎてしまう。
【００７８】
内層ランド１６によって拡散される熱容量が多くなり過ぎると、錫鉛共晶はんだに比べて融点が高く濡れ性が悪い無鉛はんだ２０を用いてはんだ付けを行う場合には、正常なはんだ付けを行うのに必要な熱容量が不足してしまい、スルーホール１４への濡れ上がりを阻害して、他のはんだ付け不良を誘発するおそれがある。
【００７９】
よって、内層ランド幅の上限を、スルーホール半径の約１．５倍以下にすれば、スルーホール１４に充填されるはんだ熱容量はスルーホール径に比例することから、正常なはんだ付けを行うことができる。
【００８０】
また、スルーホールコーナー部２２に接する接着長さＬを、約０.５ｍｍ以下になるようにした。即ち、内層ランド１６は、スルーホール壁部１７が、第１層及び第ｎ層に接するスルーホールコーナー部２２と内層ランド１６の間で、回路間のプリプレグ１３と接着する接着長さＬが、０．５ｍｍ以下となるように配置される。
【００８１】
その理由は、回路基板１０に実装される電子部品１８は、電極１９をスルーホール１４内に挿入してはんだ付けされるが、スルーホール１４の直径は、概ね０．５ｍｍ以上に形成されているからである。なお、電子部品１８を挿入しない電気信号伝達用のスルーホールでは、直径が０．５ｍｍ未満のものも存在する。
【００８２】
また、回路基板１０は、主に樹脂のプリプレグ１３によって形成されるが、プリプレグ１３によって形成した場合、はんだ付けを行うときの熱膨張収縮変化量は、基板平面においてＸ−Ｙ方向よりＺ方向の収縮が大きくなる。このため、無鉛はんだにおいては、はんだの融点が上昇することから、従来のＳｎ−６４Ｐｂはんだに比べてその影響は顕著である。
【００８３】
従って、スルーホールコーナー部２２に近接するスルーホール壁部１７にかかる応力を緩和するためには、接着長さＬは短いほうが良く、内層ランド１６の間隔は、常にスルーホール１４の直径以下となるように設置するのが望ましい。
【００８４】
図６は、図１の回路基板に設けられた内層ランドの他の例を示す平面図である。回路基板１０に設けられた内層ランド１６は、薄い円盤の中心部をスルーホール１４が貫通するリング状に形成されているが、外形平面形状がこれに限るものではなく、長円形を含む円形からなるもの、星形や十字形等の多角形からなるもの、或いは内層ランド１６にサブランドが設けられたもの等の異形内層ランドでも良い。
【００８５】
図６に示すように、異形内層ランドとしては、平面形状が、例えば、八角形の異形内層ランド２３（（ａ）参照）、円形外周を一部残した十字形の突出部を有する異形内層ランド２４（（ｂ）参照）、四角形を４５度ずらして組み合わせた異形内層ランド２５（（ｃ）参照）、一部に円形突出部からなるサブランド２６ａを有する異形内層ランド２６（（ｄ）参照）等でもよい。
【００８６】
即ち、どのような平面形状でも、スルーホール壁部１７とプリプレグ１３の接着長さＬを短くして壁剥離ｂを防止することができるものであればよく、サブランド２６ａの形状も、半円形やティアドロップ形等、様々な形状が考えられる。（第２の実施の形態）
図７は、この発明の第２の実施の形態に係る回路基板に電子部品を実装した状態を示す断面説明図である。図７に示すように、第２の実施の形態に係る回路基板３０は、多層回路基板の一例として６層構造からなり、導通を有しない内層ランド１６を選択的に設けている。
【００８７】
即ち、回路基板３０にあっては、スルーホールコーナー部２２に隣接する、第２層と第５層にのみ内層ランド１６を設け、第３層と第４層には内層ランド１６を設けていない。その他の構成及び作用は、第１の実施の形態の回路基板１０と同様である。
【００８８】
この回路基板３０は、スルーホールコーナー部２２への応力集中を緩和することを主目的として形成されている。このため、第１層と第２層の間及び第５層と第６層の間、特に、実装される電子部品１８に近接する第１層と第２層の間の壁剥離ｂを防止することが、最も重要である。
【００８９】
よって、６層以上の回路基板において、基板厚み方向中央部に近い層近傍の導通のない層については、必ずしも内層ランド１６を設ける必要はなく、その場合でも十分な信頼性を得ることができる。
【００９０】
また、図示しないが、４層の回路基板においても、熱膨張係数がポリアミド樹脂ほど大きくない樹脂を筐体材料として使用している電子部品１８、或いは電極１９の直径がおおよそ０．５ｍｍ以下の電子部品１８を実装する場合には、熱膨張係数差による応力集中が小さくなるため、最も応力集中を受け易い、スルーホールコーナー部２２に近い第２層にのみ、内層ランド１６を設けてもよい。
【００９１】
熱膨張係数がポリアミド樹脂ほど大きくない樹脂の例としては、液晶ポリマー、ポリブタジエンテレフタラート樹脂、ポリフェニレンサラファイド樹脂、エポキシ樹脂等がある。
【００９２】
このように、回路基板３０においては、電気的導通を有しない内層ランド１６を、必ずしも全ての電気的導通を有しない層に設置する必要はなく、電子部品１８の構造や信頼性のレベルや用途等に合わせて選択的に設置することが可能である。
【００９３】
この回路基板３０は、高電流、高周波の電気製品等において、基板厚み方向中央部に近い層の導通のない層で、その特性保持のため、スルーホール１４と内層回路１２の間に一定のクリアランスを必要とし、且つ、内層ランド１６を設けるとクリアランスが確保できない場合等に、有効である。
（第３の実施の形態）
図８は、この発明の第３の実施の形態に係る回路基板に電子部品を実装した状態を示す断面説明図である。図８に示すように、第３の実施の形態に係る回路基板３５は、多層回路基板の一例としてｎ（ｎ≧３）層構造からなり、第１層と第ｎ層の表層ランド１５の端部にソルダーレジスト３６を被せる構造と、導通を有しない他の内層に内層ランド１６を設けた構造とを、同時に有している。
【００９４】
なお、上述した第２の実施の形態に示すように、内層ランド１６は、状況に応じて配置し、必ずしも全ての内層に配置する必要はない。その他の構成及び作用は、第１の実施の形態の回路基板１０と同様である。
【００９５】
この回路基板３５は、無鉛はんだ２０を用いたはんだ付けにおいて多発する、表層ランド１５がプリプレグ１３から離れてしまうランド剥離ｃと壁剥離ｂを、同時に抑制することができる。
【００９６】
図９は、図８の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の熱応力サイクル試験後のスルーホールコーナー部を拡大して示す断面説明図である。ここでは、無鉛はんだを用いた回路基板３５に対し、−４０℃（３０分）⇔常温（５分）⇔１２５℃（３０分）の温度サイクル条件で、熱応力サイクル試験を３００サイクル実施した。
【００９７】
図９に示すように、表層ランド１５の端部にソルダーレジスト３６を被せたことで、無鉛はんだ２０が表層ランド１５の端部まで濡れ広がるのが、ソルダーレジスト３６によって抑制されることになる。これにより、表層ランド１５の端部に加わる応力が緩和され、その結果、ランド剥離ｃの発生を抑制することができる。
【００９８】
同時に、電気的に導通のない他の内層に内層ランド１６を設けることにより、スルーホール壁部１７とプリプレグ１３との間で起こる壁剥離ｂを防止することもできる。
【００９９】
つまり、表層ランド１５の端部にソルダーレジスト３６を被せる構成と、電気的に導通のない他の内層に内層ランド１６を設ける構成、これら２つを同時に有することにより、スルーホール１４の表層ランド１５からスルーホール壁部１７までの連続した剥離を防止することができる。この結果、断線のおそれを無くし、より信頼性の高い回路基板３５を確保することができる。
【０１００】
このように、この発明によれば、サブトラクティブ法により作製され、無鉛はんだ２０を用いたはんだ付けで挿入型の電子部品１８が実装される、多層構造の回路基板１０，３０，３５は、スルーホール壁部１７とプリプレグ１３の間の壁剥離ｂを防止し、スルーホールコーナー部２２のクラックａを防止するため、スルーホール１４の周囲に、電気的導通を持たない内層ランド１６が少なくと１箇所形成されている。
【０１０１】
この内層ランド１６は、内層ランド幅が、約０．１２５ｍｍからスルーホール半径（内径）の約１．５倍以下の範囲に入るように設計されており、スルーホール壁部１７とプリプレグ１３との接着面を、基板厚み（Ｚ）方向で分割して、スルーホールコーナー部２２に接する接着長さＬが約０．５ｍｍ以下となるようにしている。
【０１０２】
接着長さＬを短く区切ることによって、特に、接着長さＬ当たりの熱膨張係数差によって生じるずり応力を小さくすることができ、スルーホール壁部１７とプリプレグ１３のアンカー効果のみで接着されている面積を少なくすることもできる。これにより、スルーホール壁部１７とプリプレグ１３の間で発生する壁剥離ｂを防止することができる。
【０１０３】
また、壁剥離ｂを防止することによって、基板表層のスルーホールコーナー部２２への応力集中を緩和し、クラックａの発生を抑制することができる。更に、基板表層のスルーホールコーナー部２２に隣接する、第２層と第（ｎ−１）層、特に、電子部品１８が実装されている側の第２層に、内層ランド１６を設けたので、スルーホールコーナー部２２のクラックａによる断線を防止することができる。
【０１０４】
なお、回路基板の積層数が６以上の場合、基板厚み方向の中央部に近い層付近に設けた導通のない層については、必ずしも内層ランド１６を設けなくても良い。勿論、全ての導通を有しない層に内層ランド１６を設置してもよい。
【０１０５】
また、第１層及び第ｎ層の表層ランド１５の端部側の少なくとも一部を覆うソルダーレジスト３６を有する構造と、導通を有しない他の内層に内層ランド１６を設けた構造とを、同時に有することにより、壁剥離ｂとランド剥離ｃを同時に防止することができるので、無鉛はんだ２０を用いた場合でも、断線のおそれのない十分に信頼性の高い電子機器を製造することができる。
【０１０６】
また、表層ランド１５及び内層ランド１６の形状は、円形に限るものではなく、表層ランド１５及び内層ランド１６の幅の最も短い部分が、ほぼ０．１２５ｍｍ以上あれば、長円形、多角形、星形、十字形等、どのような形状でも、ランド剥離ｃ及び壁剥離ｂを防止することができる。
【０１０７】
また、この回路基板１０，３０，３５を用いて製造された電子機器は、繰り返しの熱応力サイクルにおいても従来の回路基板を使用した電子機器に比べて非常に高寿命であることが確認された。これにより、無鉛はんだ２０を用いた場合でも、十分に信頼性の高い電子機器を製造することができる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ｎ（ｎ≧３）層の回路からなる多層構造を有し、基板貫通孔の壁部と第１層及び第ｎ層に形成された表層ランドの表面が、電気的に導通されて形成されたスルーホールに、電子部品を実装する回路基板は、第１層及び第ｎ層を除いた内層回路と同一の層に、少なくとも１個形成された、スルーホール壁部と接合し、内層回路と同一の層に形成され、かつ、隣接する内層回路と電気的に導通しない内層ランドを備えるので、無鉛はんだを用いてはんだ付けを行っても、壁剥離やランド剥離による不良が発生しない、信頼性の高い回路基板及び電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係る回路基板に電子部品を実装した状態を示す断面説明図である。
【図２】図１のスルーホールとランドの位置関係を模式的に示した斜視説明図である。
【図３】図１のスルーホールにおける応力解析結果を示し、（ａ）は、壁剥離が発生していると仮定した場合の断面説明図、（ｂ）は、壁剥離が発生していないと仮定した場合の断面説明図である。
【図４】図１の回路基板に無鉛はんだを用いた場合と従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の、それぞれの熱応力サイクル試験結果を表で示す説明図である。
【図５】図１の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の熱応力サイクル試験後のスルーホールコーナー部を拡大して示す断面説明図である。
【図６】図１の回路基板に設けられた内層ランドの他の例を示す平面図である。
【図７】この発明の第２の実施の形態に係る回路基板に電子部品を実装した状態を示す断面説明図である。
【図８】この発明の第３の実施の形態に係る回路基板に電子部品を実装した状態を示す断面説明図である。
【図９】図８の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の熱応力サイクル試験後のスルーホールコーナー部を拡大して示す断面説明図である。
【図１０】従来の回路基板に電子部品を実装した状態を示す断面説明図である。
【図１１】従来の回路基板において錫鉛共晶はんだと無鉛はんだを用いた場合の熱応力サイクル試験結果を表で示す説明図である。
【図１２】従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の熱応力サイクル試験後のスルーホールコーナー部を拡大して示す断面説明図である。
【図１３】従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の不良発生率を示し、（ａ）はグラフによる説明図、（ｂ）は表による説明図である。
【図１４】従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合のクラック発生原因を模式的に説明する断面説明図である。
【図１５】従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合のランド剥離発生部を拡大して示す断面説明図である。
【図１６】従来の回路基板に無鉛はんだを用いた場合の壁剥離とランド剥離の同時発生状態を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１０，３０，３５ 回路基板
１１ 表層回路
１２ 内層回路
１３ プリプレグ
１４ スルーホール
１５ 表層ランド
１６ 内層ランド
１７ スルーホール壁部
１８ 電子部品
１９ 電極
２０ 無鉛はんだ
２１，３６ ソルダーレジスト
２２ スルーホールコーナー部
２３，２４，２５，２６ 異形内層ランド
Ｌ 接着長さ
ａ クラック
ｂ 壁剥離
ｃ ランド剥離

Claims (6)

1. ｎ（ｎ≧３）層の回路からなる多層構造を有し、基板貫通孔の壁部と第１層及び第ｎ層に形成された表層ランドの表面が、電気的に導通されて形成されたスルーホールに無鉛はんだを充填することにより、電子部品を実装する回路基板であって、
   前記第１層及び前記第ｎ層を除いた内層回路と同一の層に、スルーホール壁部と接合し、内層回路と同一の層に形成され、かつ、隣接する前記内層回路と電気的に導通しない内層ランドを、少なくとも１個形成したことを特徴とする回路基板。
2. 前記内層ランドは、
   前記スルーホールの半径と前記内層ランドの半径の差である内層ランド幅が、０．１２５ｍｍから前記スルーホールの半径の１．５倍以下の範囲になるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記内層ランドは、
   前記スルーホール壁部が、前記第１層及び前記第ｎ層に接するスルーホールコーナー部と前記内層ランドの間で、前記回路間の絶縁性樹脂と接着する接着長さが、０．５ｍｍ以下となるように配置されることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の回路基板。
4. 前記表層ランドの端部の少なくとも一部がソルダーレジストにより覆われていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回路基板。
5. 前記内層ランドは、
   外形平面形状が、長円形を含む円形、星形や十字形等の多角形、或いはサブランドが設けられた形状を有し、前記外形平面形状内をスルーホールが貫通することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回路基板。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載された回路基板を用いて製造されることを特徴とする電子機器。

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