JP4570505B2 - 鉛フリー半田付け基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉛フリー半田付け基板及びその製造方法に関し、この基板は例えば車両等に搭載される電気接続箱等に使用される。

従来から基板としてはガラエポ基板が一般的で、そのスルーホール内に半田付けを行うためにフロー半田付を行っている。また、近年は環境対策として鉛を含有しない、いわゆる鉛フリー半田が利用されるようになってきている（例えば特許文献１など）。

特開２０００−３５１０６４号公報

しかしながら、例えば図３に示すような、ガラエポ基板２に電極３とガラエポ基板２の厚み方向に貫通するスルーホール７と、前記電極３とスルーホール７をメッキするメッキ層４を備えたプリント基板１に、電子部品８のリード８ａをスルーホール７に挿通して鉛フリー半田６で半田付けする場合、スルーホール７内で鉛フリー半田６の広がりや濡れ性が悪くなることがあるという現象が起こっていた。そのため、スルーホール７内に充填された鉛フリー半田６の内部にボイドが発生したり、リード８ａと鉛フリー半田６との界面やメッキ層４と鉛フリー半田６との界面などに空隙が生じるなどして、電子部品８とプリント基板１との接合強度が十分に得られなかったり、耐熱衝撃性の面で問題が生じる虞があった。

以上のような状況に鑑み、発明者は以下のような鋭意検討を行った。

まず第一に、鉛フリー半田は一般的に融点が共晶半田の融点である１８０℃程度より高く２００℃以上である。したがって２４０℃程度では鉛フリー半田の溶け具合が悪く、粘性、濡れ性の問題が発生し、そのためボイドなどの半田形成不良が生じると考えられる。

第二に、鉛フリー半田の温度２４０℃では半田が溶融しているはずなのに、半田のつきが悪くなることがあるのは、むしろガラエポ基板の温度がその２４０℃まで急速に上がりにくく、そのような温度の低い基板と鉛フリー半田が接触することにより鉛フリー半田の温度が融点以下かそれに近いところまで下がるからであると考えられる。これを改善するため鉛フリー半田の温度を２６０℃以上にあげてフロー処理することが考えられるが、それは基板上の電子部品や樹脂層などの基板耐熱の面で問題がある。また鉛フリー半田の接着性を改善するためポストフラックスを用いると、２６０℃以上ではポストフラックスからガスが発生して気泡となり、さらにボイドが多くなってしまうことが問題になってしまうことも判明した。また別の方法として、ガラエポ基板の温度が半田温度と同じ２４０℃に追従するようにフロー処理をゆっくり行った場合には処理に時間がかかりすぎて半田付け基板の生産性が悪くなる。

本発明は、以上の検討を基になされたものであり、鉛フリー半田を用いて電子部品のリードを半田付けする場合における基板のスルーホール内の鉛フリー半田に、ボイドなどが発生しない鉛フリー半田付け基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、請求項１記載の鉛フリー半田付け基板の製造方法は、基板のスルーホール内に電子部品のリードを挿通し、フロー処理により鉛フリー半田を前記スルーホール内に充填して前記電気部品のリードを半田付けする鉛フリー半田付け基板の製造方法において、前記基板が、金属層の両面が樹脂層で覆われたメタルコア基板であり、該メタルコア基板の端面から前記金属層が露出しており、鉛フリー半田付けを行う半田噴流が最初の半田付け部に到達する前に、前記金属層が露出している端部に前記半田噴流を接触させ、その後、半田噴流を半田付け部に接触させて前記鉛フリー半田付けを行うことを特徴とする。

また、請求項２記載の鉛フリー半田付け基板の製造方法は、請求項１記載の発明において、前記金属層が露出している端部に前記半田噴流を０．１秒間以上接触させることを特徴とする。

また、請求項３記載の鉛フリー半田付け基板の製造方法は、請求項１又は２記載の発明において、前記半田の融点が２３０℃以下であって、前記フロー処理における前記鉛フリー半田の温度が２２０〜２５５℃であることを特徴とする。

また、請求項４記載の鉛フリー半田付け基板は、基板のスルーホール内に電子部品のリードが挿通され、フロー処理により鉛フリー半田を前記スルーホール内に充填して前記電気部品のリードが半田付けされる鉛フリー半田付け基板であって、前記基板が、金属層の両面が樹脂層で覆われたメタルコア基板であり、前記メタルコア基板の端部に、鉛フリー半田を行う半田噴流が最初の半田付け部に到達する前に、半田噴流の熱を前記金属層側への伝達を許容するよう前記金属層が露出する金属露出部を形成し、前記金属層の厚さが０．３〜０．６ｍｍであり、前記樹脂層は前記金属層を複数の樹脂シートを張り合わせて形成されたものであり、かつ該樹脂シートの厚さが０．２〜０．４ｍｍであることを特徴とする。

また、請求項５記載の鉛フリー半田付け基板は、前記金属層と樹脂層との合計の厚さが０．９〜１．２ｍｍであることを特徴とする。

本発明の請求項１記載の鉛フリー半田付け基板の製造方法は、基板のスルーホール内に電子部品のリードを挿通し、フロー処理により鉛フリー半田をスルーホール内に充填して電気部品のリードを半田付けする鉛フリー半田付け基板の製造方法において、基板がメタルコア基板であるので、半田噴流による熱がメタルコア基板の金属層によって急速に基板全体が半田噴流と同等又はそれに近い温度まで均熱化され、鉛フリー半田の温度を必要以上の温度まで上げる必要なく、ボイドなどが発生しない良好な電子部品と基板との接続状態を得ることができる。

また、上記鉛フリー半田付け基板の製造方法において、メタルコア基板の端面の一部から金属層が露出しており、前記フロー処理における前記鉛フリー半田付けを前記金属層が露出している端面側から行うと、金属層への熱伝導の点で好ましく、更に、鉛フリー半田付けを行う半田噴流が最初の半田付け部に到達する前に、前記金属層が露出している端部に前記半田噴流を０．１秒間以上接触させるとより好ましい。

また、上記鉛フリー半田付け基板の製造方法において、半田の融点が２３０℃以下であって、フロー処理における前記鉛フリー半田の温度が２２０〜２５５℃であると、電子部品と基板との接続状態の点と、電子部品や基板の熱的劣化を防止する点で好ましい。

また、本発明の請求項４記載の鉛フリー半田付け基板は、基板のスルーホール内に電子部品のリードが挿通され、フロー処理により鉛フリー半田をスルーホール内に充填して電気部品のリードが半田付けされる基板に、金属層の両面が樹脂層で覆われたメタルコア基板を用いるので、半田噴流による熱がメタルコア基板の金属層によって急速に基板全体が半田噴流と同等又はそれに近い温度まで均熱化され、鉛フリー半田の温度を必要以上の温度まで上げる必要なく、ボイドなどが発生しない良好な電子部品と基板との接続状態を得ることができる。

また、前記鉛フリー半田付け基板の金属層の厚さが０．３〜０．６ｍｍであると、スルーホール内に形成されるメッキ層でのバレルクラックの発生を防止することができる上、均熱速度と基板強度の点でも好ましい。

また、前記鉛フリー半田付け基板の樹脂層を形成する樹脂シートの厚さが０．２〜０．４ｍｍであると、スルーホール内に形成されるメッキ層でのバレルクラックの発生を防止することができる上、金属層への熱伝導の点と基板強度、絶縁性確保の点で好ましい。

また、前記鉛フリー半田付け基板の前記金属層と樹脂層との合計の厚さが０．９〜１．２ｍｍであると、スルーホール内に形成されるメッキ層でのバレルクラックの発生を防止することができるので好ましい。

本発明の実施形態を、まず、鉛フリー半田付け基板の構造について図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る鉛フリー半田付け基板の実施形態を示す鉛フリー半田付け基板の部分断面図である。

本実施形態に係る鉛フリー半田付け基板２０は、図１に示すように、銅又はアルミなどの金属からなる金属層１１の両面がガラエポのなどの樹脂層１２で覆われたメタルコア基板１０と、メタルコア基板１０に電極１３とメタルコア基板１０の厚み方向に貫通するスルーホール１７と、前記電極１３とスルーホール１７内壁をメッキするメッキ層１４、お及び電極１３などの回路形成過程で利用するレジスト層１５を備え、電子部品８のリード８ａをスルーホール１７に挿通して鉛フリー半田１６で半田付けされてなる。

メタルコア基板１０は、平面図を図示していないが、上面から見ると方形或いは丸形をなし、端部では金属層１１が露出している。即ち、メタルコア基板１０を上面から見て四角形である場合、その四辺を側面からみると、金属層１１が露出している状態となっている。また、金属層１１の厚さは０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲であると好ましい。この理由は、金属層１１の厚さが０．３ｍｍ未満であると、基板の強度を損なうと共に、フロー半田付け工程においてメタルコア基板１０全体が均熱化した状態を保持するために０．３ｍｍ以上の厚さであることが望ましく、また金属層１１の厚さが０．６ｍｍを超えると、後述する実施例の表１に示すように、スルーホール内に形成されるメッキ層にバレルクラックが発生してしまうと共に、フロー半田付け工程においてメタルコア基板１０全体を均熱化する速度が低下し、十分にメタルコア基板１０が温度上昇しないうちに半田付けが行われる可能性が生じる。したがって金属層１１の厚さは０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲であることが好ましい。本実施形態においては金属層１１の厚さを０．４ｍｍに設定している。なお、金属層の材質は熱伝導性の観点から銅である方が望ましい。

また、金属層１１の両面に張り合わされる樹脂シート（樹脂層１２）の厚さは、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲であると好ましい。この理由は、後述するメタルコア基板１０の製造過程において、金属層１１に形成されたスルーホール形成予定の孔を樹脂シートによって一旦埋められるが（後に再び孔空けする）、樹脂シートの厚さが０．２ｍｍ未満であると、樹脂量が足りず、このスルーホール形成予定箇所を樹脂で埋め切ることができない上、完成したメタルコア基板１０において、金属層１１と電極１３との絶縁距離が確保できない。また、０．４ｍｍを超えると、フロー半田付け工程においてメタルコア基板１０への熱伝達が樹脂層１２を介して行われるため均熱化速度が低下する上、後述する実施例の表２に示すように、スルーホール内に形成されるメッキ層にバレルクラックが発生してしまうためである。本実施形態においては樹脂シートの厚さを０．２ｍｍに設定しており、樹脂シートの金属層１１の両面に１枚づつ張り合わせている。したがってメタルコア基板１０の合計の厚さは０．２＋０．４＋０．２＝０．８（ｍｍ）である。

なお、鉛フリー半田１６に使用される合金には、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｉｎ系などにＢｉ、Ｉｎ、Ｃｕなどを添加した合金など、種々使用することができるが、本発明においては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の合金で、半田の融点が２３０℃以下の合金であることが望ましい。これは、半田の融点は２３０℃を超えると、半田噴流の温度が２５５℃を超えてしまい、メタルコア基板１０に搭載された電子部品８や樹脂層１２が熱的に劣化する可能性があるためである。本実施形態においては、Ａｇ３．５ｗｔ％、Ｃｕ０．５ｗｔ％、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなり、融点が２２０℃の合金が使用される。

次に、鉛フリー半田付け基板の製造方法について説明する。

まず、板状の金属層１１にスルーホール形成用の孔をドリル等で孔空けする。この孔の直径は、図２に示すようにスルーホール１７の孔径ｄ、メッキ層１４の厚さｆ（×２）、スルーホール１７内の樹脂層の厚さｅ（×２）を合計した値となる。次に金属層１１の両面に、ガラエポなどからなるシート状のプリプレグ（樹脂シート）をそれぞれ１枚づつ配置し、樹脂シートを加圧と加熱によって、接着、硬化させる。次に、スルーホール形成箇所に再びドリル等で孔空けする。この時の孔の直径は、図２に示すようにスルーホールの孔径ｄとメッキ層の厚さｆ（×２）を合計した値となる。次に、電極１３を印刷、およびレジスト層１５で被覆するなどして回路を形成して、電極１３上及び孔開箇所の内面に銅などの金属のメッキ層１４を形成して、スルーホール１７を形成してメタルコア基板１０を得る。

最後に電子部品８のリード８ａをスルーホール１７に挿通して鉛フリー半田１６でフロー処理を行い半田付けする。

なお、フロー処理の際、鉛フリー半田１６の融点が２３０℃以下であって、フロー処理における鉛フリー半田１６の温度が２２０〜２５５℃であることが望ましい。これは、フロー処理における鉛フリー半田１６の温度が２２０℃未満であると電子部品と基板との接続強度が不足する虞があり、また２５５℃を超えるとメタルコア基板１０に搭載された電子部品８や樹脂層１２が熱的に劣化する可能性があるためである。

また、フロー処理はメタルコア基板１０の端面側から行うと、メタルコア基板１０の端面から露出している金属層１１に半田噴流の熱が伝わりやすく、メタルコア基板全体の均熱しやすくなり、スルーホール１７内で鉛フリー半田１６にボイドが発生することを防止することができる。なお、半田噴流が最初の半田付け部に到達する前に、前記金属層が露出している端部に前記半田噴流を０．１秒間以上接触させるとこの効果は更に顕著になる。本実施形態においては０．５秒間接触させている。

また、フロー処理の処理スピードはなるべく遅い方がメタルコア基板１０の均熱化の観点から望ましく、２ｍ／ｍｉｎ程度、或いはそれ以下が望ましいが、あまり遅いと生産性に支障を来たすことも鑑み本実施形態では０．６ｍ／ｍｉｎで設定している。なお、半田噴流とメタルコア基板１０との接触幅はなるべく広い方がメタルコア基板１０の均熱化の観点から望ましく、１０ｍｍ以上であることが望ましい。本実施形態では前記接触幅を７０ｍｍに設定している。

また、フロー処理の前にメタルコア基板１０に予熱処理を施すと、メタルコア基板１０の均熱化は更に効率的となり、本発明の効果が更に顕著となる。

〔実施例１〕
図２に示すように、金属層１１の厚さをａ（ｍｍ）、樹脂シートの厚さをｂ（ｍｍ）、金属層１１に樹脂シートを張り合わせた後の金属層１１と樹脂層１２の合計厚さをｃ（ｍｍ）、スルーホール１７の孔径をｄ（ｍｍ）、スルーホール１７内における金属層１１とメッキ層１４との距離をｅ（ｍｍ）、メッキ層１４の厚さをｆ（ｍｍ）として、金属層１１の厚さａ（ｍｍ）を種々変更してメッキ層１４でのバレルクラックの発生の有無や、メタルコア基板１０の強度、後工程であるフロー半田処理への影響などを確認する実験を行った。その結果を表１に示す。なお、樹脂シートの厚さｂを０．２ｍｍ、スルーホール１７の孔径ｄを１．０ｍｍ、距離ｅを０．５ｍｍ、メッキ層１４の厚さｆを０．５ｍｍに設定している。また、樹脂シートの線膨張率は４０〜６０（１０-6／℃）のものを使用することが好ましく、本実施例１では線膨張率が４０（１０-6／℃）の樹脂シートを使用した。

表１に示すように、金属層１１の厚さａが０．３〜０．６ｍｍの範囲では、メッキ層１４にバレルクラックが発生せず、また、メタルコア基板１０の強度、フロー半田処理でも良好な状態であることが分かった。また、金属層１１の厚さａが０．６ｍｍを超えるとメッキ層１４にバレルクラックが発生し、金属層１１の厚さａが０．３ｍｍ未満であるとバレルクラック等の発生はないものの、メタルコア基板１０の強度と均熱保持性が損なわれて、後工程である電子部品８のメタルコア基板１０への搭載や、フロー半田付け処理に影響を及ぼすことが判明した。

〔実施例２〕
実施例２では実施例１と同様な条件で、樹脂シートの厚さｂを種々変更してメッキ層１４でのバレルクラックの発生の有無、メタルコア基板１０の強度、後工程であるフロー半田処理への影響などを確認する実験を行った。その結果を表２に示す。なお、金属層１１の厚さａは０．４ｍｍに設定した。

表２に示すように、樹脂シートの厚さｂが０．２〜０．４ｍｍの範囲では、メッキ層１４にバレルクラック等が発生せず、また、メタルコア基板１０の強度、フロー半田処理でも良好な状態であることが分かった。また、樹脂シートの厚さｂが０．４ｍｍを超えるとメッキ層１４にバレルクラックが発生する上、フロー半田付け工程において半田噴流からメタルコア基板１０の熱伝達が樹脂層１２を介して行われるため、この樹脂層１２が厚すぎる、即ち樹脂シートの厚さが０．４ｍｍを超えると金属層１１への熱供給が損なわれ、メタルコア基板１０全体の均熱化速度が低下することが判明した。また、樹脂シートの厚さｂが０．２ｍｍ未満であるとバレルクラック等の発生はないものの、前述したように、メタルコア基板１０の製造段階で生じるスルーホール形成予定箇所の穴埋めの際、樹脂シートから供給される樹脂量が足りず、スルーホール形成予定箇所を樹脂で埋め切ることができない上、完成したメタルコア基板１０において、金属層１１と電極１３との絶縁距離が確保できない、メタルコア基板１０の強度が不足するなどの問題があることが判明した。

また、上記実施例１及び実施例２の結果から、金属層１１と樹脂層１２の合計の厚さは０．８〜１．２ｍｍの範囲内であることが望ましい。

〔実施例３〕
実施例３では実施例１と同様な条件で、スルーホール１７の孔径ｄを種々変更してメッキ層１４でのバレルクラックの発生の有無、メタルコア基板１０の強度、後工程であるフロー半田処理への影響などを確認する実験を行った。その結果を表３に示す。なお、金属層１１の厚さａは０．４ｍｍ、樹脂シートの厚さｂは０．２ｍｍに設定した。

表３に示すように、スルーホール１７の孔径ｄが０．９ｍｍ以下になるとメッキ層１４にバレルクラックが発生することが判明した。従ってスルーホール１７の孔径は１．０以上であることが望ましい。

本発明の実施形態に係る基板の断面図である。 本発明の実施例に係る基板の説明図である。 従来の基板の断面図である。

１ プリント基板
２ ガラエポ基板
３ 電極
４ メッキ層
６ 鉛フリー半田
７ スルーホール
８ 電子部品
８ａ リード
１０ メタルコア基板
１１ 金属層
１２ 樹脂層
１３ 電極
１４ メッキ層
１５ レジスト層
１６ 鉛フリー半田
１７ スルーホール
２０ 鉛フリー半田付け基板

Claims (5)

1. 基板のスルーホール内に電子部品のリードを挿通し、フロー処理により鉛フリー半田を前記スルーホール内に充填して前記電気部品のリードを半田付けする鉛フリー半田付け基板の製造方法において、
   前記基板が、金属層の両面が樹脂層で覆われたメタルコア基板であり、
   該メタルコア基板の端面から前記金属層が露出しており、
   鉛フリー半田付けを行う半田噴流が最初の半田付け部に到達する前に、前記金属層が露出している端部に前記半田噴流を接触させ、
   その後、半田噴流を半田付け部に接触させて前記鉛フリー半田付けを行うことを特徴とする
   鉛フリー半田付け基板の製造方法。
2. 前記金属層が露出している端部に前記半田噴流を０．１秒間以上接触させることを特徴とする
   請求項１記載の鉛フリー半田付け基板の製造方法。
3. 前記半田の融点が２３０℃以下であって、前記フロー処理における前記鉛フリー半田の温度が２２０〜２５５℃であることを特徴とする
   請求項１又は２記載の鉛フリー半田付け基板の製造方法。
4. 基板のスルーホール内に電子部品のリードが挿通され、フロー処理により鉛フリー半田を前記スルーホール内に充填して前記電気部品のリードが半田付けされる鉛フリー半田付け基板であって、前記基板が、金属層の両面が樹脂層で覆われたメタルコア基板であり、
   前記メタルコア基板の端部に、鉛フリー半田を行う半田噴流が最初の半田付け部に到達する前に、半田噴流の熱を前記金属層側への伝達を許容するよう前記金属層が露出する金属露出部を形成し、
   前記金属層の厚さが０．３〜０．６ｍｍであり、
   前記樹脂層は前記金属層を複数の樹脂シートを張り合わせて形成されたものであり、かつ該樹脂シートの厚さが０．２〜０．４ｍｍであることを特徴とする
   鉛フリー半田付け基板。
5. 前記金属層と樹脂層との合計の厚さが０．９〜１．２ｍｍであることを特徴とする
   請求項４に記載の鉛フリー半田付け基板。

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