JP4991624B2 - プリント回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、プリント回路基板及びその製造方法に関し、特に、半田を使用してメンブレン等のプリント回路基板に実装部品を実装する際の良好な回路設計を図るプリント回路基板及びその製造方法に関する。

近年、メンブレン等のプリント回路基板では、様々な実装部品を実装する要求があり、これに伴い、実装部品を実装するためのメンブレン回路のパターン設計も多種多様になってきている。

図６及び図７を参照するに、一例としてプリント回路基板１０１は、ポリエステル樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂からなる基材１０３上に、導電ペーストで導電パターン（回路パターン）をスクリーン印刷で印刷して形成することで、基板回路１０５が設けられている。なお、前記導電ペーストは、バインダーに導電粉を混合して溶剤等でペースト状にしたものであり、基材１０３上に印刷された導電パターンは適宜温度で加熱硬化される。また、前記導電粉は銀が多用されている。

上記の基板回路１０５には複数のランド１０７が形成されており、前記ランド１０７の上にはランド部上層１０９が形成されている。ランド１０７とランド部上層１０９でランド部１１１を構成している。また、図６及び図８に示されているように、実装部品１１３が隣り合う前記ランド部１１１の間に跨って半田１１５にて接続されている。つまり、実装部品１１３は部品本体１１７に設けた電極１１９が各ランド部１１１のランド部上層１０９に半田としての例えば低融点半田１１５を介して接続されている。

しかし、図９に示されているように、ランド部１１１を形成している材料がマイグレーションを発生させるために、ランド部１１１の間が絶縁不良になるという問題点があった。このマイグレーションは、プリント回路基板１０１が高温多湿な環境下では、隣り合うランド部１１１の間に電位差がある状態で水分が付着すると、ランド部１１１を構成する銅、銀等が水分の作用でイオン化されて、負のランド部１１１に移動して析出する状態となる現象である。したがって、マイグレーションが発生するとランド部１１１の間で絶縁不良が起きてしまう。

また、サイズが小さい実装部品１１３や、端子ピッチの狭いコネクタやＩＣチップなどの実装部品１１３をランド部１１１の間に接続する場合は、ランド部１１１の間の距離を狭く設計する必要があるが、そのようにすると、図１０に示されているように、隣り合うランド部１１１の低融点半田１１５同士が繋がってしまうという問題点があった。

そこで、従来では、基板回路１０５（導電パターン）におけるマイグレーションを回避する技術としては、特許文献１に記載されているように、バインダーに微粉末炭素を混合したペースト状の材料、つまりカーボンペーストで、前記導電パターンの表面を覆うようにしてカーボン層を形成する手段が知られている。炭素はイオン化されにくい元素であるのでマイグレーションやそれに基づくショートが発生しにくくなることを利用している。しかし、カーボン層を介して導電パターンに導通することは接触抵抗が高くなるという問題が生じるので、特許文献１では導電パターンが銀とパラジウムとの合金粉からなる導電粉と、有機樹脂材料からなるバインダーとにより構成されることで、マイグレーションを抑えている。

また、特許文献２では、回路パターン（図６の基板回路１０５に該当）と回路パターンの間、部品ランド（図６のランド部１１１に該当）と部品ランドとの間、部品ランドと回路パターンの間の、任意の箇所の絶縁層を半田ペーストで形成する前に１箇所又は複数箇所除去することで、フラックスが前記任意の箇所で繋がらないようにしている。
特開２０００−１７４４００号公報 特開２００４−１２８３６２号公報

ところで、従来のプリント回路基板１０１においては、導電パターンの表面を覆うカーボン層よるマイグレーションの抑制手段、あるいは特許文献１に示されているような銀とパラジウムとの合金粉からなる導電粉と、有機樹脂材料からなるバインダーによるマイグレーションの抑制手段は知られているものの、実装部品１１３を実装する時の低融点半田１１５がランド部１１１の間で繋がるために、電気的不具合が生じることに対する解決手段が無いという問題点があった。

また、特許文献２では、基板を設計する段階で、予めマイグレーション等の絶縁変化を起こしやすい箇所の絶縁層を切除する必要があるので、通常のパターン印刷工程とは異なる種類の機械的な切除工程を行うために手間がかかるという問題点があった。

この発明は、マイグレーションの発生及び溶融したランド部の間で半田が繋がることによる電気的不具合を防止するプリント回路基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明のプリント回路基板は、基材に形成した基板回路と、この基板回路に設けたランド部と、このランド部の外周を覆うカーボンもしくはカーボンを主成分とする材料からなるカーボン部と、隣り合う前記ランド部に半田で接続する実装部品と、で構成されていることを特徴とするものである。
この発明のプリント回路基板において、前記カーボン部が、前記ランド部の上面周縁を覆っていることを特徴とするものである。
この発明のプリント回路基板において、前記ランド部は２層で形成されており、前記ランド部の上層が銅を含むことを特徴とするものである。

この発明のプリント回路基板の製造方法は、基材上に基板回路を形成し、この基板回路にランド部を形成し、前記ランド部の外周を覆うようにカーボンもしくはカーボンを主成分とする材料を塗布してカーボン部を形成し、前記ランド部の上面に半田を塗布し、隣り合う前記ランド部の半田に実装部品を接触せしめて加熱することで前記ランド部の間に実装部品を接続することを特徴とするものである。

以上のごとき課題を解決するための手段から理解されるように、この発明のプリント回路基板及びその製造方法によれば、ランド部の外周又は隣り合うランド部の間にカーボン部を形成したので、マイグレーションの発生や半田がランド部間で繋がることを防止でき、つまり電気的不具合を防止できる。これによりファインピッチのランド部を実現できることで、小サイズの実装部品や端子ピッチの狭い実装部品をランド部に配置できる。したがって、高密度の部品実装や狭ピッチ端子の部品実装が可能となった。

また、この発明のプリント回路基板におけるカーボン部は、従来のようにランド部をカーボン層で被覆するのではなく、隣り合うランド部の間を単に仕切るように形成しているので、ランド部と実装部品は半田で直接的に接続できるために、接続抵抗を小さくし、かつ、マイグレーションの発生や半田がランド部間で繋がることを抑えることができる。

また、カーボン部の形成は、スクリーン印刷などの印刷で行うことができるので、従来のように絶縁層に切除箇所を設けるなどのような手間がかからない。

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。

図１及び図２を参照するに、この第１の実施の形態に係るプリント回路基板１は、ポリエステル樹脂（ＰＥＴ）からなる基材３上に、回路用の導電性ペーストＰＡで導電パターン（回路パターン）をスクリーン印刷で印刷して形成することで、基板回路５が設けられている。前記導電性ペーストＰＡは、バインダーに導電粉を混合して溶剤等でペースト状にしたものであり、基材３上に印刷された導電パターンは適宜温度で加熱硬化される。なお、基材３はポリイミド樹脂等の他の樹脂で構成されても良い。

上記の基板回路５には複数のランド７が形成されており、前記ランド７の上にはランド部上層用の導電性ペーストＰＢでランド部上層９が形成されている。なお、この第１の実施の形態ではランド７とランド部上層９で構成される部分をランド部１１と称する。また、ランド部上層９は上記の導電性ペーストＰＢを乾燥して形成される。

また、図１及び図２に示されているように、ランド７とランド部上層９からなるランド部１１の外周にはカーボン部１３が囲むように形成されている。なお、カーボン部１３はカーボンもしくはカーボンを主成分とする材料をペースト状にしたカーボン部用の導電性ペーストＰＣで形成されており、前記導電性ペーストＰＣを乾燥して形成される。

さらに、実装部品１５が隣り合う前記ランド部１１の間に跨って半田としての例えば低融点半田１７にて接続されている。つまり、実装部品１５は部品本体１９に設けた電極２１が各ランド部上層９に低融点半田１７を介して接続されている。

上記構成により、カーボン部１３はマイグレーションが発生しにくく、かつ、低融点半田１７の濡れ性の悪い材料であるので、前記カーボン部１３を前記ランド部１１の外周に囲むように形成したことで、マイグレーションの発生を防止すると共に、低融点半田１７がランド部１１の間で繋がらないように防止することができる。

次に、この第１の実施の形態のプリント回路基板の製造方法について図面を参照して説明する。

図３（Ａ）〜（Ｅ）を参照するに、プリント回路基板の製造方法としては、順に、基板回路の形成工程、ランド部上層の形成工程、カーボン部の形成工程、半田の塗布工程、実装部品の実装工程が行われる。

（１）基板回路の形成工程は、図３（Ａ）に示されているように、基材３としての例えばＰＥＴフイルムの上に、回路パターン用の導電性ペーストＰＡをスクリーン印刷にて回路パターンを形成する。このとき、回路パターンの膜厚は１０μｍとしている。その後、前記導電性ペーストＰＡを乾燥することで、基板回路５が形成される。なお、基材３は帝人デュポンフィルム社製（ＨＳ）のＰＥＴフイルムで、厚さが１００μｍである。導電性ペーストＰＡは銀フィラーを主成分とするもので、東洋紡杜製（ＤＸ−３５１Ｈ−３０）である。

（２）ランド部上層の形成工程は、図３（Ｂ）に示されているように、基板回路５のランド７の上に、ランド部上層用の導電性ペーストＰＢをスクリーン印刷にて塗布する。その後、上記の導電性ペーストＰＢを乾燥することで、ランド部上層９が形成される。なお、前記導電性ペーストＰＢは低融点半田１７の濡れ性の良い材料で構成されている。例えば、導電性ペーストＰＢは銅フィラーを主成分とするもので、日本シーエムケー製（Ｃｕ−Ｉ）である。また、前述したように、ランド７とランド部上層９でランド部１１が構成される。

（３）カーボン部の形成工程は、図３（Ｃ）に示されているように、ランド部１１の外周に、カーボンもしくはカーボンを主成分とする材料をペースト状にしたカーボン部用の導電性ペーストＰＣをスクリーン印刷にて塗布する。その後、上記の導電性ペーストＰＣを乾燥させることで、カーボン部１３が形成される。なお、前記導電性ペーストＰＣは、カーボンブラックを主成分とするもので、アサヒ化学研究所製（ＦＴＵ−６０Ｎ４−２０）である。

（４）半田の塗布工程は、図３（Ｄ）に示されているように、上記のランド部上層の形成工程で形成されたランド部上層９に、スクリーン印刷もしくはディスペンサーにて、低融点半田１７が塗布される。なお、前記低融点半田は千住金属製（Ｌ２０）である。このときの低融点半田の塗布条件としては、半田塗布用の噴射ノズルの直径が例えばφ０．２ｍｍで、エアー圧力が６０ｋＰａで、吐出時間が５００ｍｓｅｃで、噴射ノズルと塗布面とのクリアランスが０．１ｍｍである。

（５）実装部品の実装工程は、図３（Ｅ）に示されているように、実装部品１５の電極が上記のランド部１１の低融点半田１７と接触するようにして実装部品１５が配置される。次いで、加熱して前記低融点半田１７を溶融させることで、実装部品１５の電極２１がランド部上層９に低融点半田１７で接続されて実装される。なお、実装部品１５としては、その寸法が、例えば長さＬが１．６ｍｍで、幅が０．８ｍｍで、高さＨが０．４５ｍｍで、電極めっきがＳｎであるジャンパーチップ抵抗器（ＫＯＡ製のＲＫ７３Ｚ１ＪＴＴＤ）を使用している。

次に、この第１の実施の形態を試作した実施例のプリント回路基板１と、この実施例と比較するために試作した従来構造の比較例のプリント回路基板における接続抵抗試験、マイグレーション試験、外観検査の各種試験について比較検討した。なお、上記の各種試験の結果は表１に示されている通りである。

なお、従来構造の比較例のプリント回路基板は、図６に示されているのと同様であり、実施例のプリント回路基板１においてカーボン部１３を設けていないもので、他の構成部材である基材３、基板回路５、ランド部上層９、半田１７、実装部品１５は実施例と同様である。

また、接続抵抗試験は、サンプルの実装部品１５を実装した基板回路５に、定電圧電流発生電源（アドバンテスト製のＲ６１４２）を使って電流１ｍＡを流し、マルチメーター（ケースレー製のＭＯＤＥＬ２００６）を使って、実装部品１５と基板回路５との間にかかる電圧を測定した。測定された電圧値から、実装部品１５と基板回路５との間の抵抗（接続抵抗）を算出した。なお、被測定サンプル数は、２０である。

マイグレーション試験は、実装部品１５を実装した部分に水滴をたらし、基板回路５に定電圧電流発生電源（アドバンテスト製のＲ６１４２）を使って電流５ｍＡを負荷した状態で、ランド部１１の間を観察してマイグレーションが発生するかを確認した。試験時間は３時間である。マイグレーションが発生した場合は不合格とした。観察したサンプル数は、１０である。

外観検査は、サンプルを観察して、半田１７がランド部１１の間で繋がっているかを確認した。半田１７が完全に繋がっている場合を不合格とした。被検査サンプル数は、２０である。

表１から分かるように、接続抵抗については、実施例では比較例に比べて同等であるので、ランド部１１の外周にカーボン部１３を形成した場合の電気的な影響がないことが判明した。また、マイグレーション試験については、比較例ではマイグレーションが発生したサンプル（表１では４つ）があるが、実施例では発生数は０（ゼロ）である。さらに、外観検査の結果では、比較例では半田１７の繋がりによる不良が発生したサンプル（表１では９つ）があるが、実施例では不良発生数は０（ゼロ）である。

以上のことから、カーボン部１３がランド部１１の外周を囲むように形成されることにより、マイグレーションの発生を防止することができると共に低融点半田１７がランド部１１の間で繋がることも防止することができる。これにより、小サイズの実装部品１５や端子ピッチの狭い実装部品１５をランド部１１に配置できるようになったので、高密度の部品実装や狭ピッチ端子の部品実装が可能となった。

また、この第１の実施の形態のカーボン部１３は、従来のようにランド部１１をカーボン層で被覆するのではなく、隣り合うランド部１１の間を単に仕切るように形成しているので、ランド部１１と実装部品１５は低融点半田１７で直接的に接続できるために、表１に示されているように接続抵抗を小さくすることができると共に、マイグレーションの発生や低融点半田１７がランド部１１の間で繋がることを抑えることができる。

また、カーボン部１３の形成は、基板回路５及びランド部１１を基材３にスクリーン印刷する工程に続く一連のスクリーン印刷などの印刷工程で行うことができるので、効率的に製造することができる。つまり、従来のように絶縁層に切除箇所を設けるために機械的な加工を行うなどのような手間がかからない。

次に、この発明の第２の実施の形態のプリント回路基板２３について図面を参照して説明する。なお、第２の実施の形態は前述した第１の実施の形態とほぼ同様であるので、特に異なる点について説明し、同様の部材は同じ符号を付して詳しい説明は省略する。

図４及び図５を参照するに、第１の実施の形態と異なる点は、前述した第１の実施の形態ではカーボン部１３がランド部１１の外周に囲むように形成されているが、第２の実施の形態のプリント回路基板２３は、第１の実施の形態のカーボン部１３を設けずに、これに替わるものとして、隣り合うランド部１１の間に、仕切り壁となるカーボン部２５を基材３上に形成したことにある。なお、カーボン部２５の構成材料はカーボン部１３と同様である。その他の構成部材は、前述した第１の実施の形態と同様である。

また、第２の実施の形態のプリント回路基板２３の製造方法も、前述した第１の実施の形態のプリント回路基板１の製造方法に準ずるものでほぼ同様である。

上記構成により、カーボン部２５はマイグレーションが発生しにくく、かつ、低融点半田１７の濡れ性の悪い材料であるので、隣り合う前記ランド部１１の間に仕切壁となるように形成したことで、マイグレーションの発生を防止すると共に、半田１７がランド部１１の間で繋がらないように防止することができる。また、その他の作用、効果は、前述した第１の実施の形態の場合と同様であるので、詳しい説明は省略する。

なお、他の実施の形態としては、前述した第１の実施の形態のカーボン部１３と第２の実施の形態のカーボン部２５の両方を設けることもできる。この場合は、第１及び第２の実施の形態の効果より、一層の効果をあげることができる。

この発明の第１の実施の形態のプリント回路基板の断面図である。 図１の実装部品を除いた状態のプリント回路基板の平面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）はプリント回路基板の製造工程を示す概略的な説明断面図である。 この発明の第２の実施の形態のプリント回路基板の断面図である。 図４の実装部品を除いた状態のプリント回路基板の平面図である。 従来のプリント回路基板の断面図である。 図６の実装部品を除いた状態のプリント回路基板の平面図である。 図６のプリント回路基板の平面図である。 マイグレーションが発生した状態の平面図である。 半田同士が繋がる状態の断面図である。

符号の説明

１ プリント回路基板（第１の実施の形態の）
３ 基材
５ 基板回路（回路パターン）
７ ランド
９ ランド部上層
１１ ランド部
１３ カーボン部（第１の実施の形態の）
１５ 実装部品
１７ 低融点半田（半田）
１９ 部品本体
２１ 電極
２３ プリント回路基板（第２の実施の形態の）
２５ カーボン部（第２の実施の形態の）
ＰＡ 回路用の導電性ペースト
ＰＢ ランド部上層用の導電性ペースト
ＰＣ カーボン部用の導電性ペースト

Claims (4)

1. 基材に形成した基板回路と、この基板回路に設けたランド部と、このランド部の外周を覆うカーボンもしくはカーボンを主成分とする材料からなるカーボン部と、隣り合う前記ランド部に半田で接続する実装部品と、で構成されていることを特徴とするプリント回路基板。
2. 請求項１に記載のプリント回路基板であって、
   前記カーボン部は、前記ランド部の上面周縁を覆っていることを特徴とするプリント回路基板。
3. 請求項１または２に記載のプリント回路基板であって、
   前記ランド部は２層で形成されており、前記ランド部の上層が銅を含むことを特徴とするプリント回路基板。
4. 基材上に基板回路を形成し、この基板回路にランド部を形成し、前記ランド部の外周を覆うようにカーボンもしくはカーボンを主成分とする材料を塗布してカーボン部を形成し、前記ランド部の上面に半田を塗布し、隣り合う前記ランド部の半田に実装部品を接触せしめて加熱することで前記ランド部の間に実装部品を接続することを特徴とするプリント回路基板の製造方法。

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