JP6412978B2 - 厚銅配線基板 - Google Patents

Description

この発明は、厚銅配線基板に関する。具体的には、厚銅配線基板上に電子部品を実装する際の信頼性を向上させるための技術に関する。

電子部品や電子機器に対する小型化への要求に対応するため、高出力型のＤＣ−ＤＣコンバーターなどの大電流回路も一つの基板上に一体的に形成されて小型化が進んでいる。そして、このような小型の大電流回路では、配線部材が一般的な銅箔ではなく、電気抵抗が低く、放熱性に優れた厚い銅板状の部材、いわゆる「厚銅」で形成されている基板、すなわち、厚銅配線基板、大電流基板などと呼ばれる基板（以下、厚銅配線基板）が用いられていることが多い。なお、厚銅配線基板については、以下の非特許文献１などに記載されている。また、以下の非特許文献２には、多層配線基板の製造工程が記載されている。

ＴＳＳ株式会社、"ＴＳＳ大電流基板"、[online]、[平成２９年４月２３日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://tssg.com/products/pwb/daidenryu/＞ 株式会社システムギアダイレクト、"多層基板の製造工程"、[online]、[平成２９年４月２３日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.systemgear.jp/kiban/process-m.php＞

小型の大電流回路には、さらなる小型化と高出力化が求められている。そして、高密度実装技術の進歩により、１／８Ｂｒｉｃｋのサイズで３００Ｗ（１２Ｖ／２５Ａ）の出力が可能なＤＣ−ＤＣコンバーターも実現している。そして、このような大電流回路では、極めて小さな厚銅配線基板上にサイズの大小を問わず多数の電子部品が実装されることになる。そのため、基板表面には、電子部品の実装領域を避けて回路配線を這わす余裕が無く、自ずと、電子部品の実装領域を横断するように厚銅による回路配線を引き回すことになる。

電子部品として、チップ型のセラミックコンデンサーを実装する例を挙げると、この種の電子部品は、極めて小さな箱状の本体の両端にそれぞれ一つずつ端子を有した構造を有しており、基板上において、このセラミックコンデンサーの実装領域には二つの端子に対応する電極パッドが離間して形成されることになる。さらに、その二つの電極パッドの間を厚銅による回路配線が電子部品の実装領域を横断するように延長形成されることになる。

確かに、厚銅によって微細な回路配線を基板上に形成することはそれほど難しいことではなく、電子部品の実装領域内にその電子部品を実装するための電極パッドに加え、電気信号の経路となる回路配線を形成することは、一般的である。しかし、本発明者は、厚銅配線基板を用いた高密度実装技術の研究開発過程で、厚銅による回路配線を電子部品の実装領域に形成すると、電子部品の実装に寄与せずに、基板表面で遊離した状態で固化した、所謂「半田ボール」が高い確率で発生する、ということを知見した。

半田ボールは、微細な間隙を介して隣り合う回路配線間に付着して短絡の原因となる。ＩＣのように、狭い間隔で複数の端子が配列されているような電子部品であれば、各端子に対応する電極パッド間に半田ボールが付着し、端子間で短絡が発生することもある。また、半田ボールの発生は、実装に寄与するはずの半田の一部が欠落することであり、電子部品を実装するための半田の量が不足することを意味する。すなわち、半田ボールの発生は、電子部品の実装強度を低下させる原因となる。実装強度が低下すれば、実装されている電子部品が脱落したり、半田付け箇所での端子と電極パッドとの接触抵抗が増大したりするなど、深刻な実装不良が発生する。

したがって、電子部品の実装領域にも回路配線が形成された厚銅配線基板では、半田ボールの発生に由来する短絡や電子部品の実装不良を確実に防止するための何らかの方策が必要となる。もちろん、その方策を施すことで製造コストが増加すれば実用上問題がある。

そこで本発明は、電子部品の実装領域にも回路配線が形成された厚銅配線基板において、コストアップを伴わずに、短絡や電子部品の実装不良を確実に防止することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、電子部品を実装するための配線基板であって、
配線部材として板状の厚銅を用いてなり、
前記電子部品の実装領域には、前記電子部品の端子と半田付けされる電極パッドと、当該電子部品の実装領域を横断する回路配線とが前記厚銅によって形成され、
前記電極パッドと前記回路配線の上面にソルダーレジスト層が形成され、
前記電極パッドの上面に形成されている前記ソルダーレジスト層には開口が形成され、
前記電極パッドと前記回路配線との間には前記ソルダーレジスト層を底面とした溝が形成され、
前記開口により、前記電極パッドの上面の前記溝側の縁が露出し、
前記回路配線の上方では前記ソルダーレジスト層が露出し、
前記電極パッドと前記回路配線との間における前記ソルダーレジスト層の上面の高さ位置は前記厚銅の上面の高さ位置よりも下方にあり、
前記電子部品を表面実装する際に溶融して流動する半田が前記溝に流入するとともに、当該流入した半田が遊離するのを防止するために、当該溝にシルク印刷用のインクが充填され、
前記溝に充填されている前記インクは、高さ位置が前記電極パッドの上面の高さ以上であるとともに、当該溝における前記電極パッド側の側壁に当接している、
ことを特徴とする厚銅配線基板としている。

また、前記インクは、前記電子部品の実装領域にて、前記溝の開口を塞ぐように充填されていてもよい。

本発明の厚銅配線基板によれば、電子部品の実装領域にも回路配線が形成された厚銅配線基板において、コストアップを伴わずに、短絡や電子部品の実装不良を確実に防止することができる。なお、その他の効果については以下の記載で明らかにする。

本発明の対象となる厚銅配線基板を含んで構成されているＤＣ−ＤＣコンバーターの概略図である。 従来例に係る厚銅配線基板の構造を示す図である。 上記従来例に係る厚銅配線基板に電子部品を実装する手順を示す図である。 上記従来例に係る厚銅配線基板における電子部品の実装状態を示す図である。 本発明の実施例に係る厚銅配線基板の構造を示す図である。 上記実施例に係る厚銅配線基板に電子部品を実装する手順を示す図である。 本発明のその他の実施例に係る厚銅配線基板の構造を示す図である。

＝＝＝本発明の対象＝＝＝
本発明の実施例に係る厚銅配線基板の一適用例として、ＤＣ−ＤＣコンバーターを挙げる。図１は、そのＤＣ−ＤＣコンバーター１００の斜視図である。ここに示したＤＣ−ＤＣコンバーター１００は、１／８Ｂｒｉｃｋの多層の厚銅配線基板１を用いた出力２４０Ｗ（１２Ｖ／２０Ａ）のものである。厚銅配線基板１の表面には、多数の電子部品２０が実装されている。

図２は、従来例に係る厚銅配線基板（従来の基板）１ｅの概略図である。ここでは、図１に示したＤＣ−ＤＣコンバーター１００を構成する多数の電子部品２０の内、ある電子部品１２０の実装領域における電極パッドと回路配線の配置や、実装される電子部品の例などを示した。図２（Ａ）は、実装領域における電極パッドや回路配線など、厚銅によって形成されたパターン（以下、厚銅パターン：１１，１２）の構造を示す平面図である。図中では、厚銅パターン（１１，１２）と電子部品１２０との配置関係が解りやすいように、電子部品１２０を点線で示している。（Ｂ）は、（Ａ）に示した実装領域に実装される電子部品１２０の一例を示す図である。ここでは、チップ型のセラミックコンデンサーなど、両端に一つずつ端子を備えた２端子のチップ型電子部品（以下、電子部品）１２０を（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面に対応させて示している。また、図２（Ｃ）は、従来の基板１ｅについてのａ−ａ矢視断面図である。なお、当該（Ｃ）では、厚さ方向のサイズを誇張して示している。

図２（Ａ）に示したように、電子部品１２０の二つの端子１２１に対応して二つの電極パッド１１が互いに離間して対向配置されており、電子部品１２０の実装領域を、この二二つの電極パッド１１を包含する、長さＬ、幅Ｗの領域としている。そして、この電子部品１２０の実装領域には、電極パッド１１以外の回路配線１２が当該実装領域を横断するように形成されている。また、（Ｃ）に示したように、従来の基板１ｅは、ガラスエポキシ樹脂などで形成された基体１０の表面に、電極パッド１１や回路配線１２など、厚銅によるパターン（以下、厚銅パターン）が形成されている。また、厚銅パターン（１１，１２）および基体１０の表面にはソルダーレジスト層１３が形成されており、電極パッド１１上のソルダーレジスト層１３の一部が開口し、その開口部分１４において電極パッド１１の金属表面が露出している。そして、その露出した部分にて電子部品１２０の端子１２１が半田付けされる。なお、以下では、電子部品（２０，１２０）の実装面側を上面側として厚銅配線基板の上下方向を規定する。

ところで、一般的な印刷配線基板において、電極パッドや回路配線を形成する配線部材は、３０μｍ程度の厚さの銅箔で形成されているのに対し、厚銅配線基板における配線部材である厚銅は、薄くても１００μｍ以上ある。そのため、図２（Ｃ）に示したように、電極パッド１１や回路配線１２などの厚銅パターンが互いに離間して形成されている領域には、基体１０の上面を底とする深い溝１５が形成されることになる。以下では、従来の基板１ｅにおける問題点などについて具体的に説明した上で、本発明の実施例に係る厚銅配線基板の構造や作用、効果などについて説明する。

＝＝＝従来の厚銅配線基板＝＝＝
図３（Ａ）〜（Ｅ）は、従来の基板１ｅにおける電子部品１２０の実装手順を示す図である。この図に基づいて、従来の基板（以下、従来基板）１ｅにおける問題点を具体的に説明する。まず、（Ａ）は、従来の基板１ｅの要部断面図であり、先に図２（Ｃ）に示したものである。ソルダーレジスト層１３の一部が開口し、この開口部分１４から電極パッド１１の表面が露出している。そして、（Ｂ）に示したように、電極パッド１１上におけるソルダーレジスト層１３の開口部分１４にペースト状の半田３０を印刷により形成する。そして、電子部品１２０の端子１２１が上記開口部分１４と重なるように電子部品１２０を基板１ｅ上に載置するとともに、基板１ｅを加熱して半田３０を溶融させる。このとき、（Ｃ）に示したように、溶融した半田が電子部品１２０に押し広げられるようにして当初の印刷領域より広い領域にまで流動し、その流動した半田３０の一部３０ｂが厚銅パターン（１１，１２）間に形成されている溝１５に流れ込む。

基板１ｅが冷却すると、流動した半田３０が電極パッド１１の形成領域に向かって凝集する。しかし、その凝集に際し、（Ｄ）に示したように、半田３０の溝１５に流れ込んだ部分３０ｂが深い溝１５の側壁を這い上がれず、半田３０が電極パッド１１側の部分３０ａと溝１５に流れ込んだ部分３０ｂとに分断され、その分断された一方の半田３０ｂが溝１５内に残留する。そして、（Ｅ）に示したように、その残留した半田３０ｂが固化すると、球状の半田ボール３０ｃとなる。

溝１５に残留した半田ボール３０ｃは、例えば、図中右側の幅広の溝１５ｂの中に残留した場合は、半田ボール３０ｃが容易に移動できるため、その後のエア洗浄工程などで除去できる可能性がある。しかし、半田ボール３０ｃが図中左の幅の狭い溝１５ａの中に残留して、溝１５ａの側壁間に挟まった状態になると、エア洗浄などでは除去されず、この従来の基板１ｅを用いた製品（ＤＣ−ＤＣコンバーターなど）がそのまま出荷されてしまう可能性がある。もちろん、幅広の溝１５ｂであっても、溝１５ｂの底１６と電子部品１２０の下面１２２との間に半田ボール３０ｃが挟まってしまう場合もある。そして、このように半田ボール３０ｃが固着したまま製品が出荷されてしまうと、その後、基板１ｅには振動よる衝撃や、温度変化に伴って伸縮する際の応力などが長期間に亘って繰り返し加わることになり、そのうち、半田ボール３０ｃが溝１５から脱落する。そして、半田ボール３０ｃが基板１ｅ上を転がって電気回路を短絡させる可能性がある。溝１５内に挟まった半田ボール３０ｃを無理に除去しようとすれば、回路配線１２を傷付け、断線させてしまう可能性もある。いずれにしても、半田ボール３０ｃに関わる検査や、除去作業に伴って製造コストが増加する。

また、実装時に溶融した半田３０が溝１５内に流入することによる弊害は、半田ボール３０ｃに起因する短絡以外にもある。図４は、半田３０が残留することによる半田ボール３０ｃ以外の問題についての概略を示す図であり、電子部品１２０の実装状態を示している。そして、図４（Ａ）は、問題がないときの電子部品１２０の実装状態を示しており、（Ｂ）は問題があるときの実装状態を示している。まず、（Ａ）に示したように、電極パッド１１上に印刷形成された半田３０が溝１５内に残留しなければ、電子部品１２０は十分な量の半田３０によって実装される。そのため、リフロー時に溶融した半田３０は、冷却して凝集するのに伴って端子１２１の側面１２３に這い上がり、半田３０が固化すれば十分な強度で電子部品１２０が実装される。しかし、（Ｂ）に示したように、半田ボール３０ｃが溝１５に残留すると、実装に寄与する電極パッド１１上に残った半田３０ａの量が不足し、その半田３０ａの量では、端子１２１の側面１２３に十部に這い上がることができず、実装強度が不足する。それによって、半田付け部分が剥離して断線したり、接触抵抗が増大したりするなどの実装不良が発生する。

＝＝＝本発明の実施例＝＝＝
上述した従来の基板１ｅにおける種々の問題は、電子部品１２０を実装する際に溶融した半田３０が厚銅パターン（１１，１２）間の溝１５に流れ込むことを根本的な原因としている。そして、本発明の実施例に係る厚銅配線基板では、電子部品１２０を表面実装する際に、溶融した半田３０が溝１５に流れ込まなくするための構造を備えている。しかも、その構造は、ほとんどコストストアップを伴わずに形成することが可能となっている。

図５は、本発明の実施例に係る厚銅配線基板（本実施例の基板）１ａの構造を示す図であり、図５（Ａ）は、電子部品１２０を透過させた状態での平面図である。（Ｂ）は、本実施例の基板１ａの要部断面図であり、（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面に相当する。電極パッド１１に沿いつつ、そのパッド１１の上面の位置ｈ１より上方に突出する堰状の構造５０ａが溝１５の底に形成されている。当該堰状構造５０ａは、シルク印刷用のインクを溝１５内に充填することによって形成されている。そして、この例では、当該インクが電極パッド１１の上面の位置ｈ１よりも高い位置ｈ２まで充填されている。周知のごとく、シルク印刷は、電子部品１２０の実装時にその部品１２０を配置する位置を合わせるための目印（シンボルマーク）や、電子回路部品（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバーター）の型番などを示す文字列などである。

図６（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施例の基板１ａにおける電子部品１２０の実装手順を示す図である。図６（Ａ）は、本実施例の基板１ａの要部断面図であり、先に図５（Ｂ）に示したものである。この状態で、図６（Ｂ）に示したように、電極パッド１１上におけるソルダーレジスト層１３の開口部分１４にペースト状の半田３０を印刷により形成する。そして、電子部品１２０の端子１２１と電極パッド１１におけるソルダーレジスト層１３の開口部分１４とを位置合わせして、当該電子部品１２０を基板１ａ上に載置する。そして、基板１ａを加熱する。なお、ここまでの手順は、従来の基板１ｅにおける実装手順と同様である、しかし、（Ｃ）に示したように、電子部品１２０に押し広げられるように、溶融した半田３０が当初の印刷領域より広い領域にまで流動した際、その流動した半田３０が堰状の構造５０ａによって堰き止められ、溝１５内に流れ込むことがない。

そして、基板１ａが冷却すると、流動した半田が電極パッド１１の形成領域に向かって凝集し、（Ｄ）に示したように、半田３０が端子１２１の側面１２３の上方まで十分に這い上がる。そして、この状態で固化する。したがって、本実施例の基板１ａによれば、半田ボール３０ｃが発生せず、その半田ボール３０ｃに起因する短絡が発生することがない。もちろん、半田ボール３０ｃに関わる検査や除去工程も不要となる。また、十分な量の半田３０によって電子部品１２０が実装されるため、実装不良が発生しない。しかも、堰状の構造５０ａは、シルク印刷によって形成されており、他のシルク印刷部分と同時に形成することができる。すなわち、この堰状の構造５０ａを形成するための工程を追加する必要が無く、製造コストが増加することがほとんど無い。歩留まりの向上に加え、半田ボール３０ｃに関わる検査や除去作業が不要なことを考えれば、コストダウンも十分に期待できる。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例では、溶融した半田３０の流入を防止するための構造５０ａが、電極パッド１１の上方に突出する堰状の形状であっが、シルク印刷のインクを電極パッド１１の上方に突出させなくてもよい。例えば、図７（Ａ）に示した厚銅配線基板１ｂのように、電極パッド１１の高さ位置ｈ１までインクが充填された構造５０ｂであってもよい。また、図中右側の溝１５ｂのように幅広の溝１５ｂにインクを充填する場合では、図７（Ｂ）に示した厚銅配線基板１ｃのように、流動した半田３０がインクの充填領域内に留まるのであれば、溝１５ｂの幅の全てにインクを充填しなくてもよい。もちろん、インクを溝１５の幅に亘って充填しつつ、その高さｈ２を電極パッド１１の高さｈ２よりも高くしてもよい。もちろん、シルク印刷の高さは、必ずしも、電極パッド１１の高さｈ１以上でなくてもよい。例えば、配線部材に銅箔を用いた一般的な印刷配線基板でも同様の溝１５が形成されることになるが、その溝が浅いために、半田３０が溝１５に流入したとしても、凝集時にその溝１５の側壁を這い上がることができる。したがって、図７（Ｃ）に示した厚銅配線基板１ｄのように、シルク印刷のインクを充填してなる構造５０ｃによって溝１５が一般の印刷配線基板における溝１５と同等程度まで浅くなれば、溝１５内に半田３０の一部が残留することがない。いずれにしても、シルク印刷用のインクを厚銅パターン（１１，１２）によって形成された深い溝１５に充填することで、その深い溝１５に溶融した半田３０が流れ込むのを防止できればよい。

この発明は、小型大出力のＤＣ−ＤＣコンバーターなどに好適である。

１、１ａ〜１ｅ 厚銅配線基板、１０ 基体、１１ 電極パッド、
１２ 電子部品の実装領域内を横断する回路配線、１３ ソルダーレジスト層、
１４ ソルダーレジスト層の開口部分、１５，１５ａ，１５ｂ 溝、１６ 溝の底、
２０，１２０ 電子部品、３０，３０ａ，３０ｂ 半田、３０ｃ 半田ボール、
５０ａ〜５０ｄ シルク印刷のインク（半田の流入を防止するための構造）、
１００ ＤＣ−ＤＣコンバーター、１２１ 電子部品の端子、１２２ 電子部品の下面、
１２３ 端子の側面

Claims (2)

1. 電子部品を実装するための配線基板であって、
   配線部材として板状の厚銅を用いてなり、
   前記電子部品の実装領域には、前記電子部品の端子と半田付けされる電極パッドと、当該電子部品の実装領域を横断する回路配線とが前記厚銅によって形成され、
   前記電極パッドと前記回路配線の上面にソルダーレジスト層が形成され、
   前記電極パッドの上面に形成されている前記ソルダーレジスト層には開口が形成され、
   前記電極パッドと前記回路配線との間には前記ソルダーレジスト層を底面とした溝が形成され、
   前記開口により、前記電極パッドの上面の前記溝側の縁が露出し、
   前記回路配線の上方では前記ソルダーレジスト層が露出し、
   前記電極パッドと前記回路配線との間における前記ソルダーレジスト層の上面の高さ位置は前記厚銅の上面の高さ位置よりも下方にあり、
   前記電子部品を表面実装する際に溶融して流動する半田が前記溝に流入するとともに、当該流入した半田が遊離するのを防止するために、当該溝にシルク印刷用のインクが充填され、
   前記溝に充填されている前記インクは、高さ位置が前記電極パッドの上面の高さ以上であるとともに、当該溝における前記電極パッド側の側壁に当接している、
   ことを特徴とする厚銅配線基板。
2. 請求項１において、前記インクは、前記電子部品の実装領域にて、前記溝の開口を塞ぐように充填されていることを特徴とする厚銅配線基板。

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