JP5393391B2 - プリント配線板及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品の電極がはんだ付けされる電極パッドを有するプリント配線板に関し、特に、鉛フリーの溶融はんだに浸漬することではんだ付けを行うために、電極パッドを除く表面を非金属材料により被覆したプリント配線板に関するものである。

プリント配線板に搭載された部品を溶融はんだに浸漬させることではんだ付けする場合、はんだ付け部分以外を非金属材料であるソルダレジストで予め被覆しており、これにより無用なはんだの付着を防いでいる。

この種のはんだ付けを行う際に用いられるプリント配線板として、従来より例えば、「表面実装部品２の電極３をはんだ付けするためにソルダレジスト５にて被覆されずに露出されたランド４が設けられたプリント基板において、ランド４から延出した導体パターン６を、所要の範囲に渡ってソルダレジスト５にて被覆せずに露出させて、はんだ付けの際に溶融はんだをランド４に導くはんだ導入路７とする。これにより、はんだ導入路が溶融はんだをランド側に引き寄せて、確実にランドにはんだを付着させることができ、配線設計を変更することなくはんだ未着を回避することができる。」とした技術がある（例えば、特許文献１参照）。

また、「チップ状の電子部品２の端子２ｂをはんだ付けする回路基板１のランド３において、電子部品２の本体２ａが樹脂でモールドされた電子部品２をはんだ付けにより固定するランド３が、電子部品２を中心としたはんだ付け時の気泡領域４の外に突出する突出部３ａを有するものとし、はんだが気泡領域内部のランド３にも回り込むようにした。」技術もある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２８０７１８号公報（要約） 特開２００２−１３４８８４号公報（要約）

先行技術１では、電極から延出される導体パターンを、任意の範囲に渡ってソルダレジストにて被覆せずに露出させてはんだ導入路として使用しているが、ソルダレジストによる補強が得られなくなるため導体パターンと基材（基板部材）との密着力が弱まり、導体が基板部材から剥離する問題があった。また、電極パッドに連続してはんだ導入路が設けられており、ソルダレジストに覆われていない部分が大きいため、はんだが過剰に付着したはんだ接合部を形成することがある。この場合、はんだ付着量が少ないはんだ接合部との間に接合部形状の差異が生じる。すなわち、はんだ接合部のフィレット形状が部品毎に異なるものとなる。このような形状の差異が生じると、温度サイクルが作用する場合に、はんだ量が少ない方のはんだ接合部のみに熱応力が集中して早期に疲労破壊され、はんだ接合の長期信頼性が損なわれるという問題があった。

また、先行技術２では、ランド（電極パッド）形状を各電極ごとに統一することではんだ付着量に差異が出ないようにしている。しかしながら、部品の周囲に形成される気泡領域の大きさは電子部品寸法や電子部品高さによって変化するため、気泡領域が大きくなる電子部品を実装する場合を考慮すると、それに合わせて電極パッドも長くする必要がある。よって、上記先行技術１と同様に、導体パターンが基板部材から剥離する問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、はんだ接合の長期信頼性を損なうことなくはんだ未着を回避することができるプリント配線板、及びこのプリント配線板が組み込まれた電子機器を得ることを目的とする。

本発明に係るプリント配線板は、電子部品をはんだ付けするための電極パッドとはんだ付けの際に溶融はんだを電極パッド側へ引き込むための導体部とが形成され、電極パッドと導体部とを除く表面が非金属材料により被覆された基板部材を備え、導体部は、電子部品の実装面側から見て電極パッドと連続しないように配置され、また、電子部品を仮止めした基板部材を溶融はんだに浸漬させた際に基板部材上において溶融はんだに接触する接触部と、基板部材上において溶融はんだに接触しない非接触部との両方を跨ぐように導体部が配置されており、非接触部と接触部との境界ラインは、フローはんだ付け装置におけるプリント配線板の進行方向及び進行速度に応じて変化するものであり、予め測定されたプリント配線板の移動直前の境界ラインに比べて移動中の境界ラインが電極パッドに近づく場合、その近づいた移動中の境界ラインを跨ぐように導体部が配置されているものである。

本発明によれば、はんだ付けの際に溶融はんだを電極パッド側へ引き込むための導体部を、接触部と非接触部とを跨ぐように配置したため、電子部品の周囲に生じる気泡領域の外側から電極パッド近傍まで溶融はんだを引き込む事ができ、はんだ未着を回避することが可能となる。また、導体部を、電子部品の実装面側から見て電極パッドと連続しないように配置したので、導体部の表面が直接、電子部品の端子に接続されるのを防止でき、電子部品の端子がはんだ付けされる領域を電極パッド部分に限定することができる。よって、はんだ接合部の形状がばらつくのを防止でき、はんだ接合の長期信頼性を確保することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係るプリント配線板の要部上面図である。 図１のプリント配線板のＡ−Ａ断面図である。 図１のプリント配線板を電子部品を下向きにしてはんだ付けを行っている状態を示す断面図である。 図１の導体部の作用説明図である。 電子部品の一例を示す図である。 ３端子ミニモールド部品の部品高さと、部品を溶融はんだに浸漬した際の気泡径との関係を表すグラフである。 導体部を露出するためのソルダレジストの除去形状のパターン例を示す図である。 図１の導体部と電極パッドとの配置の他の例を示す図（１／２）である。 図１の導体部と電極パッドとの配置の他の例を示す図（２／２）である。 フローはんだ付け装置を用いてはんだ付けを行う際の、プリント配線板の溶融はんだとの接触状態を示す上面図である。 電子部品を溶融はんだと接触させた時に生じる気泡領域による境界ラインを測定する方法の説明図である。 電子部品の樹脂モールド部の外型寸法から気泡領域の境界ラインを決定する方法の説明図である。

図１は、本発明の一実施の形態に係るプリント配線板の要部上面図である。図２は、図１のプリント配線板１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１のプリント配線板を電子部品を下向きにしてはんだ付けを行っている状態を示す断面図である。
プリント配線板１は基板部材２を有し、この基板部材２の表面に、電子部品１０（ここでは、３端子ミニモールド部品を例示している）の端子１１をはんだ付けするための電極パッド３が設けられている。この電極パッド３からは配線パターン４が延出されている。電極パッド３と配線パターン４の一部（後述の導体部４ａ）とを除く基板部材２の表面は、非金属材料であるソルダレジスト５により被覆されている。図１において左下向きの斜線のハッチングで示した部分がソルダレジスト５で覆われた部分である。このように、基板部材２の表面全体に塗布されたソルダレジスト５のうち、電極パッド３と配線パターン４の一部（後述の導体部４ａ）とに対応する部分は除去され、電極パッド３と導体部４ａとが外部に露出した状態となっている。

ところで、プリント配線板１を溶融はんだ２０に接触させてはんだ付けを行う際には、図３に示すように電子部品１０を中心とした周囲に気泡領域２１が発生する。図１〜図３の一点鎖線は、気泡領域２１とその周囲の溶融はんだ２０との境界部分を示している。以下、プリント配線板１上において、はんだ付け時に溶融はんだ２０と接触する部分を接触部２２、気泡領域２１内に位置して溶融はんだ２０とは接触しない部分を非接触部２３という。

電子部品１０の周囲に発生する気泡領域２１によって電子部品１０の端子１１に溶融はんだ２０が未着となる不都合を解消するため、本実施の形態では、はんだ付けの際に溶融はんだ２０を電極パッド３側へ引き込むための導体部４ａを電極パッド３の近傍に設けている。導体部４ａは、ソルダレジスト５により被覆されずに露出した状態に形成され、また、電子部品の実装面側から見て電極パッド３と連続しないように配置される。さらに、導体部４ａは、接触部２２と非接触部２３との両方を跨ぐようにして連続して設けられる。接触部２２と非接触部２３との境界部分（気泡領域２１の境界ライン）の位置は、予め実験により求めてもよいし、電子部品１０の樹脂モールド部の大きさから決めても良く、その境界部分の位置に基づいて導体部４ａの位置が決められる。気泡領域２１の境界ラインの決定方法については後述する。

以下、はんだ付けの動作と共に、導体部４ａの作用を説明する。図４は、図１の導体部の作用説明図である。なお、図４において配線パターン４のうちの導体部４ａを配線パターン４とは別のクロスのハッチングで示している。
プリント配線板１上に電子部品１０を接着剤２４等で仮止めし、電子部品１０が搭載された搭載面を下にして、溶融はんだ２０を溶融させた溶融はんだ槽３０内に浸漬させる。このとき、上述したように電子部品１０の周囲には気泡領域２１が発生する。図４の実線はプリント配線板１の浸漬直後の状態を示しており、接触部２２のうちの導体部４ａの一部が溶融はんだ２０で濡れた状態となっている。導体部４ａの一部が溶融はんだ２０で濡れることにより、その溶融はんだ２０が図中矢印方向に示すように非接触部２３に位置する導体部４ａ部分へと広がっていき、気泡領域２１が図示点線で示す領域に狭くなっていく。そして、最終的には端子１１と電極パッド３とに溶融はんだ２０が付着する。このように、接触部２２と非接触部２３とを跨るように導体部４ａを設けたことにより、溶融はんだ２０を接触部２２側から非接触部２３側すなわち電極パッド３側に引き寄せて気泡領域２１を狭くすることができ、はんだ未着を回避することが可能となる。

図５は、電子部品の一例を示す図で、ここでは、３端子１１ミニモールド部品を示している。
部品サイズは１．６mm（縦）×２．９mm（横）×１．１mm（高さ）であり、この部品を溶融はんだ２０に浸漬させた際に生じる気泡領域２１のプリント配線板１上の径（以下、気泡径という）は長径：６．３mm、短径：５．５mmの楕円である。この上記電子部品１０をはんだ付けする際、導体部４ａを設けることによって、はんだ未着不良の発生率を大きく改善できる。

図６は、３端子ミニモールド部品の部品高さと、部品を溶融はんだに浸漬した際の気泡径との関係を表すグラフである。
図６から明かなように、部品の平面形状が同じでも部品高さが異なれば、気泡径は異なる事が分かる。今回は３端子１１ミニモールド部品を例に挙げたが、他の部品においても、部品寸法や形状が異なれば、気泡径の範囲も変化することは言うまでも無い。このため、同じプリント配線板１を平面形状が同じで部品高さが異なるタイプの複数部品に共用することを考慮すると、導体部４ａを気泡径の変化範囲すなわち接触部２２と非接触部２３との境界ラインの変化範囲をカバーするように長めに導体部４ａを形成しておく必要がある。

ソルダレジスト５が塗布されていない導体部４ａを長く形成すると、上述したように導体部４ａの基板部材２からの剥離の問題が生じる可能性がある。しかしながら、本例では導体部４ａと電極パッド３とが電子部品１０が搭載される搭載面側から見て連続しないように配置されているため、仮に導体部４ａが剥離しても、その影響が電極パッド３部分に及ぶことはなく、信頼性を確保することができる。

また、ソルダレジスト５の除去形状は、はんだ付けの際に溶融はんだ２０に接触する導体部４ａ部分の形状を決定することになるが、その除去形状は、例えば図７（ａ）〜（ｅ）に示すように任意である。要は、溶融はんだ槽３０に浸漬させる面（すなわち電子部品１０の搭載面）側から見たときに、導体部４ａと電極パッド３とが連続せずにソルダレジスト５を介して離間するように構成されていればよく、その離間距離はレジスト塗布の製造面上の制約から例えば０．０５mm以上が好ましい。導体部４ａと電極パッド３とが連続していると、はんだ付けの際に電極パッド３だけでなく導体部４ａも含めてはんだ接合部が形成されてしまい、はんだ接合部が必要以上に大きくなり、また電極毎に大きさが異なったものとなってしまう。このため、電子部品の実装面側から見て導体部４ａと電極パッド３とが連続しない構成とすることにより導体部４ａの表面が直接、電子部品１０の端子１１にはんだ付けされるのを防止でき、電子部品１０の端子１１のはんだ付け領域を電極パッド３部分に限定することができる。よって、はんだ接合部の形状がばらつくのを防止できる。

また、上記では、導体部４ａを電極パッド３を延出した一部で構成し、両者が電気的に接続された構成の形態を例示したが、この形態に限られたものではなく、例えば、図８又は図９に示すように、電気的に未接続な形態としてもよい。

図１０は、フローはんだ付け装置を用いてはんだ付けを行う際の、プリント配線板の溶融はんだとの接触状態を示す上面図である。
フローはんだ付け装置では、プリント配線板１が溶融はんだ槽３０内で移動するため、電子部品１０の周囲に形成される気泡領域２１はプリント配線板１の進行方向とは逆側に進行速度に応じた移動量だけ移動する。図１０の点線は移動前の気泡領域２１を示しており、一点鎖線は移動中の気泡領域２１を示している。このように気泡領域２１が移動することを考慮して導体部４ａを設けることにより、より効果的な導体部４ａの配置が可能となる。例えば、図１０の例において右下の電極パッド３に着目すると、気泡領域２１が近づくため、その近づいた気泡領域２１の境界ラインを跨ぐようにして導体部４ａを設ければよい。これにより、点線で示す長さが必要であった導体部４ａを図１０の実線で示す長さに短くすることができる。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、はんだ付けの際に溶融はんだ２０を電極パッド３側へ引き込むための導体部４ａを、接触部２２と非接触部２３とを跨ぐように配置したため、電子部品１０の周囲に生じる気泡領域２１の外側から電極パッド３近傍まで溶融はんだ２０を引き込む事ができ、はんだ未着不良を防止することができる。これにより、歩留まり向上に寄与できる。

また、導体部４ａと電極パッド３とを部品実装面側から見て連続しないように、ソルダレジスト５を介して分離した状態としたため、導体部４ａの表面が直接、電子部品１０の端子１１に接続されるのを防止でき、電子部品１０の端子１１がはんだ付けされる領域を電極パッド３部分に限定することができる。よって、はんだ接合部のフィレット形状を電子部品１０毎に統一でき、はんだ接合の長期信頼性を確保することができる。これにより、電極パッドサイズの見直し及び部品配置の制約条件を緩和する事ができ、高密度化することも可能となる。

また、製造条件も他のはんだ付け不良に特化する事ができ、製造上の管理面も緩和する事ができる効果がある。

また、上記したようなプリント配線板１が組み込まれた電子機器を提供することも可能である。電子機器としては、空気調和機、冷蔵庫及び加熱調理器などの様々な電子機器を用いることができる。上記のプリント配線板１を組み込むことにより、信頼性の高い電子機器を得ることが可能となる。

ところで、気泡領域の境界ラインは、上述したように予め実験により求めても良いし、電子部品１０の樹脂モールド部の外型寸法から決めても良い。以下、これらの方法について簡単に説明しておく。

図１１は、電子部品を溶融はんだと接触させた時に生じる気泡領域による境界ラインを測定する方法の説明図である。
まず、光を透過可能な板１２の上に、接着剤１３で電子部品１０を固定する。透過可能な板１２はガラス板やガラスエポキシ板やポリカーボネートなどの耐熱性樹脂板を使用しても良い。ガラスエポキシ板を使用する場合はプリント配線板１内に生じる温度分布による反り挙動が本来のプリント配線板１と近いため、より正確な挙動を得る事ができる。そして、電子部品１０を搭載した面を下にして、溶融はんだ２０を溶融させた溶融はんだ槽３０内に浸漬させる。透過可能な板１２と垂直になるようにカメラ１４を設置し、電子部品１０と溶融はんだ２０の接触状態を撮影することで、気泡領域２１の大きさ、すなわち接触部２２と非接触部２３との境界ラインの位置を得る事ができる。

図１２は、電子部品の樹脂モールド部の外型寸法から気泡領域の境界ラインを決定する方法の説明図である。なお、電子部品の進行方向の長さをＸ、進行方向と直交する方向の長さをＹ、電子部品の高さをＺとする。
（１）電子部品の長さＸが４ｍｍ未満の場合（０＜Ｘ＜４）
気泡径を楕円と仮定し、
長径ｒ１＝（Ｚ＋Ｙ）×ｎ
短径ｒ２＝（Ｚ＋Ｘ）×ｎ
ｎ＝１〜５
とする。ｎは１〜５のうち、任意の数字を採用できる。

（２）電子部品の長さＸが４以上の場合（Ｘ≧４）
気泡径を楕円と仮定し、
長径ｒ１＝ｎ１×Ｘ、ｎ１＝１〜３
短径ｒ２＝（Ｚ＋Ｙ）×ｎ、ｎ＝１〜５
とする。ｎ１は１〜３のうち、任意の数字を採用でき、また、ｎは１〜５のうち、任意の数字を採用できる。

上記（１）又は（２）のように、電子部品の樹脂モールド部の外型寸法から気泡領域２１の位置を決めるようにしても良い。なお、ｎ及びｎ１の数字の範囲は一例であり、この数値に限られたものではない。

１ プリント配線板、２ 基板部材、３ 電極パッド、４ 配線パターン、４ａ 導体部、５ ソルダレジスト、１０ 電子部品、１１ 端子、１２ 板、１３ 接着剤、１４ カメラ、２０ 溶融はんだ、２１ 気泡領域、２２ 接触部、２３ 非接触部、２４ 接着剤、３０ 溶融はんだ槽。

Claims (3)

1. 電子部品をはんだ付けするための電極パッドとはんだ付けの際に溶融はんだを前記電極パッド側へ引き込むための導体部とが形成され、前記電極パッドと前記導体部とを除く表面が非金属材料により被覆された基板部材を備え、
   前記導体部は、電子部品の実装面側から見て前記電極パッドと連続しないように配置され、また、電子部品を仮止めした基板部材を溶融はんだに浸漬させた際に基板部材上において溶融はんだに接触する接触部と、基板部材上において溶融はんだに接触しない非接触部との両方を跨ぐように前記導体部が配置されており、
   前記非接触部と前記接触部との境界ラインは、フローはんだ付け装置におけるプリント配線板の進行方向及び進行速度に応じて変化するものであり、予め測定されたプリント配線板の移動直前の境界ラインに比べて移動中の境界ラインが前記電極パッドに近づく場合、その近づいた移動中の境界ラインを跨ぐように前記導体部が配置されていることを特徴とするプリント配線板。
2. 前記非金属材料がソルダレジストであることを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。
3. 電子部品がはんだ付けされた請求項１又は２記載のプリント配線板を備えたことを特徴とする電子機器。

Images