JP4962175B2 - プリント配線板 - Google Patents

Description

本発明は、プリント配線板に関するものである。

従来から、プリント配線板のフットプリント部のはんだ実装時における銅くわれ、すなわち、熱せられたハンダに銅が触れることでハンダ内に銅が溶け込んでしまう現象、による接続信頼性の低下が問題となっていた。これを解決する方法として、例えば、特許文献１に、フットプリント部にニッケルめっきを施し、はんだに溶解されにくいニッケルで銅の溶解を防止することが開示されている。図７に示すように、プリント配線板の断面構造において、銅めっき６の上に、銅の溶解を防ぐためのニッケルめっき層１１が形成されている。

また、特許文献１に、はんだ濡れ性を確保するためニッケルめっき層１１の上にさらに銅めっき層１２を備えることが開示されている。しかしながら、銅くわれが過剰となってニッケルめっき層１１がむき出しになった場合、部品端子のはんだ接続実装においてニッケルめっき層１１とはんだが直接触れることとなる。ニッケルとはんだは接合強度が低いため、この様な場合は実装における接続信頼性の低下につながっていた。また、このプリント配線板の製造は、通常の製造工程に加えニッケルめっき及び銅めっきの工程が追加となるため、製造原価が高くなり、なおかつ歩留りを低下させるという問題がある。
特開平５−２１１３８６号公報

近年、環境対策として、プリント配線板表面への各種部品実装に、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ等の鉛フリーはんだが使用されている。しかし、これらの鉛フリーはんだは銅を含むため、共晶はんだに比べてプリント配線板表面に形成されているフットプリントの溶解（銅くわれ）量が大きい。

本発明はニッケルめっき等の工程を追加せずに、フットプリントのはんだによる大きな銅くわれを低減することで、実装後における接続信頼性低下の問題を解決するプリント配線板を提供することを目的とする。

本発明は、以下に関する。

（１）スルーホールを含む配線パターン部と、電源層及びアース層以外の複数のフットプリント部とを有するプリント配線板において、前記フットプリント部から５ｍｍ以内に放熱用スルーホールを有し、前記フットプリント部と前記放熱用スルーホールが配線パターン部で接続されていることを特徴とするプリント配線板。

（２）前記放熱用スルーホールが内層ランドを有することを特徴とする（１）記載のプリント配線板。

本発明によると、ニッケルめっき及び銅めっきを施すことなく、フットプリントにおける大きな銅くわれを無くすることで、実装後における接続信頼性低下の問題を解決するプリント配線板を得ることが出来る。

本発明者らは、鋭意検討の結果、近傍にスルーホールを有しないフットプリント（フットプリント部）における銅くわれ量が大きいことが分かった。しかしながら、一方で電源層やアース層と呼ばれる比較的面積の大きな銅のベタパターンにつながっているフットプリント部は、近傍にスルーホールがなくとも銅くわれを生じないことが分かった。このことから配線の面積（又は体積）を大きくすることが解決手段の一つとして考えられるが、高密度化、高精細化しているプリント配線板の動向を鑑みると、採用できない。さらに検討を加えた結果、近傍にスルーホールを有しないフットプリントは放熱性が低く、近傍にスルーホールを有するフットプリントより温度が上昇するため、銅の溶解量が大きくなり、実装後における接続信頼性の低下につながっていることが分かった。

本発明では、放熱性を高くするために、近傍にスルーホールを有しないフットプリントの近傍に、放熱用スルーホールを備えることを特徴とする。

放熱用スルーホールにより、近傍にスルーホールを有するフットプリントと近傍にスルーホールを有しないフットプリントとの放熱性を同一レベルにすることが好ましい。各フットプリントの放熱性を同一レベルにする方法として、近傍にスルーホールを有しないフットプリントに接続される配線パターン（配線パターン部）上であって、そのフットプリントの近傍の位置に、放熱用スルーホールを設ける方法がある。ここで、「近傍」とは、フットプリントと放熱用スルーホールとの距離が０〜５μｍであることをいい、この距離内だと放熱効果が高い。「フットプリントと放熱用スルーホールとの距離」とは、フットプリントのスルーホール側の端部、つまり、フットプリント側のラインの付け根部分とスルーホールの中心との距離をいう。さらに、放熱用スルーホールからフットプリントまでの距離は、周囲のフットプリントとほぼ同等の距離にするのが好ましく、同一距離であることが特に好ましい。「周囲のフットプリントとほぼ同等の距離」とは、周囲のフットプリントにおける近傍に電気的に接続しているスルーホール迄の距離とほぼ同等の距離のことをいい、距離の異なるフットプリントが複数存在する場合には、放熱性を高くするために、最も短いものとほぼ同等の距離とすることが好ましい。本願発明の放熱用スルーホール内に導電ペーストが充填されていても放熱性に影響はなく、構わない。

以下、図面を用いて、本願発明をより具体的に説明する。

図１に、放熱用スルーホールを設けた試験パターンを示す。図１において、フットプリント２、フットプリントの近傍に位置するスルーホール３、及びフットプリント及びスルーホールを電気的に接続する配線であるニッケルめっき層１１が示される。また、近傍にスルーホールを有しないフットプリント２、つまり、斜線で示されるフットプリント、の近傍には、フットプリントとスルーホールを接続する配線上に、放熱用スルーホール１が示される。

図２に、前記試験パターン上のＡ−Ａ’線に沿ったフットプリントの断面図を示す。図２において、フットプリント２の近傍に、フットプリント２と電気的に接続した放熱用スルーホール１が備えられており、放熱用スルーホール１は絶縁基材７内に内層ランド９を有する。放熱用スルーホール内にランドを形成すると、ランドが放熱フィンの役割をし、また、熱容量の高い部分（銅）の体積を増加させて蓄熱容量を上げることからフットプリントからの放熱量を増加させるので、好ましい。放熱用スルーホールの穴径２３は高密度のプリント配線板を作るという観点では、小さければ小さい程よく、例えば、100μｍ以下が好ましい。また、放熱性という観点からフットプリント部の幅と同等の穴径を有していることが好ましく、例えば250μｍ幅のフットプリント部に対して穴径250μｍ程度のスルーホールが好ましいが、基板の厚みも考慮して設けることがより好ましく、例えば、0.8mm厚の基板では0.15mm厚以上、3.6mm厚の基板では0.2mm以上、6mm厚の基板では0.4mm以上の穴径にすることが好ましい。

次に、本発明のプリント配線板の製造方法について、図３、図４に基づいて説明する。まず、両面銅張積層板の銅箔を、サブトラクティブ法などで選択的に除去し、配線１８やフットプリントを形成することで、内層配線板（Ｉ）を製作する（図３（Ｉ）参照）。

次に、前記内層配線板（Ｉ）と同様に製作した複数の内層配線板（ＩＩ）、（ＩＩＩ）を、外層配線形成用の銅箔５の間に配置し、さらに必要に応じて、銅箔５と内層配線板との間及び内層配線板間にプリプレグ１７を所定枚数配置し（図３）、加熱・加圧を行い、多層配線板を成形する（図４（Ｉ））。次に、前記で成形された多層配線板に図４（ＩＩ）に示す放熱用スルーホール１及びスルーホール３を設け、その後、図４（ＩＩＩ）に示すように、放熱用スルーホール１及びスルーホール３に銅めっき６を形成する。その後、銅箔５とめっき銅６からなる導体をサブトラクティブ法などで選択的に除去し、配線１０やフットプリント２を形成する（図４（ＩＶ）参照）。

次に、前記配線１０に対して絶縁被覆等を目的とする、ソルダーレジスト８のスクリーン印刷による形成方法や、プリント配線板上に全面コーティング後、写真による焼付、現像でソルダーレジストを選択除去して形成する方法などを用いて、前記配線１０の絶縁被覆等を行う（図４（Ｖ））。その後前記ソルダーレジスト８を紫外線照射や加熱によって硬化させた後、図４（ＶＩ）に示す通り、実装部品の種類や向きを表すシンボルマーク２０をスクリーンによる印刷やインクジェット法によるインキの直接描画でランド及びフットプリントの周囲に形成する。

（実施例１）
図５（ａ）に示す試験パターンを用いて、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ鉛フリーはんだを使用したフローはんだで部品リードを実装した。ｄ及びｅのフットプリントの近傍には放熱用スルーホール１を設けてある。なお、ｄにおけるフットプリントと放熱用スルーホールとの距離は、５ｍｍであり、ｅにおけるフットプリントと放熱用スルーホールとの距離は、３ｍｍである。図５（ａ）の試験パターンを３つ用意し、ｄ又はｅのフットプリントの銅くわれ量を測定した。ここで、図６を用いて説明すると、「銅くわれ量」とは、はんだに接触していないフットプリント部の基材側の面から反対側の面までの厚みｊに対し（図６ｉ）、はんだに接触したフットプリントの各厚みｋ、ｌ、ｍ、ｎ（図６ｃ’、ｄ’、ｅ’、ｆ’）との差である。フットプリント厚みの測定は、マイクロセクションによるフットプリント断面を、株式会社ニコン製光学顕微鏡ＨＦＸ−ＩＩを使用して測定した。

次に、予備加熱（１６５±１０℃／９０秒）、本加熱（ＭＡＸ２４５℃、２２０℃以上／８５秒）でリフロー処理した時の、各箇所での基板の実装表面がリフロー実装装置の加熱によって２２０度以上の温度に保たれている時間、及び最高到達温度を株式会社キーエンス製モバイル型温度レコーダＮＲ−１０００、及びＫ型熱電対を用いて測定した。各平均値を表１に示した。

（比較例１）
図５（ｂ）に示すパターンを用いて、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ鉛フリーはんだを使用したフローはんだで部品実装を行った。ｄ’及びｅ’のフットプリントの近傍には放熱用スルーホールがない。図５（ｂ）の試験パターンを３つ用意し、ｄ’又はｅ’について、実施例１と同様に、フットプリントの銅くわれ量、加熱によって２２０度以上の温度に保たれている時間及び最高到達温度を測定し、これらの平均値を表１に示した。

（参考例１及び２）
図５の（ａ）のａ〜ｃ及びｇのフットプリントの近傍には、予め回路接続用スルーホールが設けられている。また、ｆ及びｈのフットプリントは、ベタパターンで接続されている。そこで、図５の（ａ）に示す試験パターンを各３つ用意し、ａ〜ｃ及びｇの中から計３ヶ所、ｆ又はｈの中から計３ヶ所について、実施例１と同様に、フットプリントの銅くわれ量、加熱によって２２０度以上の温度に保たれている時間及び最高到達温度を測定し、これらの各平均値を表１示した。なお、フットプリントとスルーホールとの距離は、ａでは４ｍｍ、ｂでは４ｍｍ、ｃでは３ｍｍ、ｇでは３ｍｍであった。

表１に示す通り、近傍に放熱用スルーホールを設置した実施例１のフットプリントの銅くわれ量に対し、近傍にスルーホールの無い比較例１のフットプリントのそれは１．５倍〜２倍であった。また、実施例１の銅くわれ量は、近傍にスルーホールのある参考例１のフットプリント（a,b,c,g）、及びベタパターンに接続される参考例２のフットプリント(f,h)と比較するとほぼ同等であった。

また、実施例１のフットプリント(d,e)に対して、比較例１のフットプリント(d’,e’)は、２２０℃以上保持時間が１７秒長く、また最高到達温度も８℃高かった。実施例１における銅くわれ量、２２０℃以上保持時間、及び最高到達温度について、参考例１及び参考例２と比較するとほぼ同等の結果であった。

次に、前記部品実装された基板を使用し-６５℃３０分と１２５℃３０分の繰返しヒートサイクル試験を行った結果、表２に示す通り、実施例１のフットプリントは他（一般構造品、従来品）と比較し耐熱信頼性が高かった。一般構造品として、放熱スルーホールを有しない実装基板、つまり、比較例１のプリント配線板を実装した基板を用いた。また、従来品として、図７に示すニッケル１１及び銅めっき１２を施したプリント配線板を実装した基板を用いた。従来品において、銅くわれ量の大きなフットプリント部のはんだ接合状態を確認した結果、図６のｄ’及びｅ’に示すようにはんだの形状にくびれが発生していた。

本発明の一例を示す模式図で、平面模式図である。 本発明の一例を示す模式図で、部分断面模式図である。 プリント配線板の製造方法を示す断面模式図である。 プリント配線板の製造方法を示す断面模式図である。 （ａ）は、放熱用スルーホールを設けた試験パターン（実施例１）であり、（ｂ）は、放熱用スルーホールを設けていない試験パターン（比較例１）である。 部品実装後のフットプリント部の断面模式図である。 従来のプリント配線板の断面図である。

符号の説明

１：放熱用スルーホール
２：フットプリント
３：スルーホール
４：近傍にスルーホールが無いフットプリント
５：銅箔
６：銅めっき（めっき銅）
７：絶縁基材
８：ソルダーレジスト
９：内層ランド
１０：配線部（配線）
１１：ニッケルめっき層
１２：無電解銅めっき層
１３：近傍にスルーホールがあるフットプリント
１４：ベタパターンに接続されるフットプリント
１５：電子部品のリード
１６：鉛フリーはんだ
１７：プリプレグ
１８：配線
１９：スルーホールランド
２０：シンボルマーク
２１：内層基板
２２：テスト基板
２３：放熱用スルーホールの穴径

Claims (6)

1. スルーホールを含む配線パターン部と、電源層及びアース層以外の銅箔及びめっき銅からなる複数のフットプリント部とを有するプリント配線板において、
   前記フットプリント部から５ｍｍ以内に放熱用スルーホールを有し、前記フットプリント部と前記放熱用スルーホールが配線パターン部で接続されており、前記フットプリント部上に直接実装用はんだが配置されることを特徴とするプリント配線板。
2. 前記放熱用スルーホールが、前記フットプリント部から引き出される配線パターン部の途中に配置されることを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
3. 前記放熱用スルーホールが内層ランドを有することを特徴とする請求項１または２に記載のプリント配線板。
4. 前記実装用はんだが、鉛フリーはんだであることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のプリント配線板。
5. 前記実装用はんだが直接配置されたフットプリント部のはんだ食われが５．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のプリント配線板。
6. スルーホールを含む配線パターン部と、電源層及びアース層以外の銅箔及びめっき銅からなる複数のフットプリント部とを有するプリント配線板の製造方法において、
   前記フットプリント部から５ｍｍ以内に放熱用スルーホールを形成し、前記フットプリント部と前記放熱用スルーホールを配線パターン部で接続し、前記フットプリント部上に直接実装用はんだを配置することを特徴とするプリント配線板の製造方法。

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