JP7213058B2

JP7213058B2 - 厚銅多層基板の半田付け方法

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Publication number: JP7213058B2
Application number: JP2018199397A
Authority: JP
Inventors: 孝則工藤; 利文木村; 一博西垣; 淳宮本; 裕二菊池
Original assignee: ダイヤゼブラ電機株式会社
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: JP2020068271A

Description

本発明は、多層基板の回路パターンを構成する導電体である銅箔を厚くした厚銅多層基板の半田付け方法に関する。

近年、パワーコンディショナ等の電源機器の大電力化や高密度化に伴い、大型で大重量のリアクトルやコンデンサ等の部品を多層基板に搭載する場合が増加している。その一方、従来から、大電流化に対応して、基板の銅箔の面積を大きくする技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００２－２３２１２６号公報

しかし、大電流化に対応して、単に銅箔面積を大きくしただけでは多層基板が大型化してしまい、多層基板の小型化の要請に応えられないため、従来の１８μｍや３５μｍの銅箔に代えて、７０μｍ以上の厚い銅箔を使用することが必要とされる。

銅箔が厚くなると銅箔の熱容量が大きくなって、多層基板の下方から半田を噴き上げるフロー半田において、スルーホールの内周面等に設けられた銅箔の半田付け部分で半田熱量が拡散して、その温度が上昇しないことにより、半田上がりが不足し、十分に実用的な半田付けができない場合があった。

また、近年の鉛フリー半田の使用により融点が上昇し、前記半田熱量の拡散により半田上がりが一層不足する。さらに、前記大型で大重量の部品を多層基板に搭載した電源機器において、多層基板が縦置きに設置されたり、大きくヒートサイクルや振動、衝撃などの影響を受ける環境下に設置されるとき、より確実な固定が求められるが、困難な場合も生じていた。

すなわち、大電流化に対応して半田付け面となる銅箔の厚さが７０μｍ以上の厚銅多層基板に対して、実用的で確実な電気接続および部品固定が可能な半田付けの実現が要請されていた。

本発明の目的は、前記の問題点を解決して、大電流化に対応する銅箔の厚さが７０μｍ以上の厚銅多層基板に対して、実用的で確実な電気的接続及び部品固定が可能な厚銅多層基板の半田付け方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る厚銅多層基板の半田付け方法は、回路パターンを構成する銅箔の厚さが７０μｍ以上の厚銅多層基板に対するものであって、
前記厚銅多層基板のスルーホールを介して半田付けする部品に対し、
前記スルーホールと、当該スルーホール周辺の近傍位置に設けられた複数の貫通孔であるＶＩＡホールとを同時にフロー半田付けをして半田熱量を保持する、半田熱量保持工程と、
前記スルーホールと、当該スルーホール周囲に、平面視で半田ごての投入方向に延びる形状を有する手付け半田ランドとを設けて手半田付けをして前記半田ごての加熱量を増大させる加熱量増大工程と、を含む。

この構成によれば、例えば、厚銅多層基板に半田付けする部品に対し、主に厚銅多層基板において部品が集合して配置される箇所で半田熱量を保持させ、部品が分散して配置される箇所で半田熱量の拡散を抑制させるとともに、半田ごてにより手半田付けする部品に対し、半田ごての投入方向に当てる手半田付けランドの面積が大きくなって半田ごての加熱量を増大させるので、厚銅多層基板の各箇所において半田付けを確実に行なうことができ、大電流化に対応する銅箔の厚さが７０μｍ以上の厚銅多層基板に対して、実用的で確実な電気的接続及び部品固定が可能な半田付けを実現できる。

本発明では、前記厚銅多層基板に手半田付けする部品に対し、前記スルーホールと、当該スルーホール周辺の近傍位置に設けられた銅箔を剥離した複数の凹部を有するサーマルランドを設けて手半田付けをして半田熱量の拡散を抑制する、半田熱量拡散抑制工程を含むことができる。この場合も実用的で確実な電気的接続及び部品固定が可能な半田付けを実現できる。

本発明では、前記厚銅多層基板において部品が集合して配置される箇所で前記半田熱量保持工程を行い、前記厚銅多層基板において部品が分散して配置される箇所で前記半田熱量拡散抑制工程を含むことができる。この場合も実用的で確実な電気的接続及び部品固定が可能な半田付けを実現できる。

本発明では、前記スルーホールおよび前記ＶＩＡホールのそれぞれの内周面および基板表裏面の開口周辺部に半田めっきまたは半田コーティングである半田レベラを設けたうえで、前記フロー半田付けして、半田上り量を増大させる工程を含むことが好ましい。この場合も実用的で確実な電気的接続及び部品固定が可能な半田付けを実現できる。

本発明では、前記厚銅多層基板において部品が前記分散して配置される箇所よりもさらに分散して配置される箇所で、前記スルーホールの半田付けランドの銅箔面積が小さすぎて熱容量が不足する場合に、当該半田付けランドの銅箔面積を前記分散して配置される箇所よりも大きくしたうえで半田付けして、半田上り量を増大させる工程を含むことが好ましい。この場合、熱容量を確保することができる。

好ましくは、前記半田ごての加熱量を増大させる加熱量増大工程において、前記手半田付けランドの形状を涙型とする。したがって、前記半田ごての加熱量を増大させるとともに、半田ごての投入方向に向かって次第に細くなるので、半田のひきずりも防止される。さらに、端子間の間隔が狭いとき、半田同士をつながりにくくできる。

また好ましくは、前記半田ごての加熱量を増大させる加熱量増大工程において、前記形状の手半田付けランドを、半田ごての投入方向と直交する方向に複数連結させる。したがって、半田熱量が良好に伝達されて、各スルーホールでの半田上がりを向上させることができる。

本発明は、厚銅多層基板の各箇所において半田付けを確実に行なうので、大電流化に対応する銅箔の厚さが７０μｍ以上の厚銅多層基板に対して、実用的で確実な電気的接続及び部品固定が可能な厚銅多層基板の半田付け方法を得ることができる。

（Ａ）は本発明の一実施形態に係る厚銅多層基板の半田付け方法を示す、部品が取り付けられた状態の厚銅多層基板の一部断面図、（Ｂ）はその半田付け前の平面図である。（Ａ）は同半田付け方法を示す、厚銅多層基板の半田付け前の一部平面図、（Ｂ）はその部品が取り付けられた状態の断面図である。同半田付け方法を示す一部平面図である。（Ａ）は同半田付け方法を示す、厚銅多層基板の半田付け前の一部平面図、（Ｂ）はその部品が取り付けられる状態の断面図である。（Ａ）～（Ｃ）は他例を示す一部平面図である。（Ａ）は同半田付け方法を示す、厚銅多層基板の半田付け前の一部平面図、（Ｂ）はその部品が取り付けられる状態の断面図である。他例を示す一部平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる多層基板１の半田付け方法を示すものであり、（Ａ）は部品２が半田１０で取り付けられた状態の例えば４層のような厚銅多層基板１の断面図である。（Ｂ）はその半田付け前の平面図である。

図１（Ａ）のように、多層基板１は、銅箔３と銅箔３の間に絶縁体からなる基材４が挟まれた状態で複数層をなしており、例えば銅箔３が４層に形成されている。

この例では、多層基板の回路パターンを構成する銅箔の厚さが７０μｍ以上の厚い銅箔が使用されている。なお、銅箔の厚さが１０５μｍ以上であってもよい。１０５μｍ以上に厚くなるほど熱拡散が大きくなって、半田上がりが不足しやすくなるので、本半田付け方法がより必要とされる。

多層基板１には、その表裏面１ａ、１ｂを貫通して、部品２の端子２ａが挿入されるスルーホール５と、当該スルーホール５周辺の近傍位置に設けられた複数の貫通孔であるＶＩＡホール６とが形成されている。スルーホール５に部品２の端子２ａが挿入され、多層基板１の下方（基板裏面１ｂ側）から半田１０が噴き上げられて、スルーホール５およびＶＩＡホール６を通って基板裏面１ｂ側から基板表面１ａ側に到達して、部品２の端子２ａが多層基板１にフロー半田付けされる。例えばフロー半田付けは一次噴流、二次噴流により行なわれる。

銅箔３の上下の最外層部の各表面と、スルーホール５およびＶＩＡホール６の内周面とには、銅箔３の保護用に銅めっき１１が施されている。さらに、スルーホール５とＶＩＡホール６の内周面および基板表裏面１ａ、１ｂの開口周辺部における銅めっき１１表面には、半田めっきまたは半田コーティングである半田レベラ７が設けられている。半田レベラ７は、一般に銅箔３の防錆及びぬれ性向上のために設けられる。

この例では、フロー半田付けするとき、銅めっき１１の表面に半田レベラ７を設けることにより半田同士となって半田が付着しやすくなり、各ホール５、６における半田上り量を増大させることができる。

主に多層基板１において部品２を集合して（高密度に）配置させる箇所で半田熱量を保持させるように、半田レベラ７が設けられたスルーホール５およびＶＩＡホール６を同時にフロー半田付けする。このスルーホール５およびＶＩＡホール６を同時にフロー半田付けする半田熱量保持工程と、さらに各ホール５、６に半田レベラ７を設ける半田上り量増大工程とが相俟って、より実用的で確実な固定が可能な半田付けを実現できる。

半田レベラ７が設けられていない銅めっき１１の表面にはソルダーレジスト８が設けられている。ソルダーレジスト８により銅箔３が保護され、半田付け時に不要な半田付着が防止される。

図２（Ｂ）に示すように、フロー半田付けに不適で、部品２Ａに対して脂入り半田１３を半田ごて１５によって前記フロー半田付け時の噴き上げ方向と逆に上方（基板表面１ａ側）から、手半田付けする半田熱量拡散抑制工程を含む。この場合、多層基板１において、主に部品２Ａを分散して（低密度に）配置させる箇所で半田熱量の拡散を抑制させるように、図２（Ａ）に示すように、スルーホール５周辺の近傍位置に設けられた銅箔３を剥離した複数の凹部９ａを有するサーマルランド９を設けて手半田付けする。このサーマルランド９により、半田熱量の伝達経路が狭くなって半田熱量の拡散が抑制される。スルーホール５には、図１と同様に半田レベラ７が設けられている。

銅箔３の厚さが７０μｍよりも１０５μｍの方が熱拡散が大きいので、熱拡散を抑制するため、１０５μｍの場合にはサーマルランド９の面積をより大きくする必要がある。なお、ＶＩＡホール６とサーマルランド９の両方を設けてもよい。

図３に示すように、半田付けする方法において、部品２がさらに分散して（より低密度）配置される箇所で、スルーホール５の半田付けランド１２の銅箔面積が小さすぎて半田熱容量が不足する場合に、当該ランド１２の銅箔面積を大きくしたうえで、フロー半田付けまたは手半田付けして、半田上り量を増大させる工程を含む。これにより熱容量を確保することができる。具体的には、部品２がさらに分散して配置される箇所における当該半田付けランドの銅箔面積を、上記分散（低密度）して配置される箇所よりも１．５～３倍程度大きくしたうえで半田付けして、半田上り量を増大させる工程を含むものである。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、フロー半田付けに不適で、半田ごて１５により手半田付けする部品２Ｂに対して、スルーホール５の周囲に設けられて銅箔３の半田付け面である手半田付けランド２１を、半田ごて１５の投入方向に延びる形状にして、半田ごて１５の加熱量を増大させる。

図４（Ｂ）のように、脂入り半田１３を半田ごて１５により手半田付けランド２１に当てて、手半田付けする。図４（Ａ）のように、この例では、手半田付けランド２１は、半田ごて１５の投入方向に向かって次第に細くなる涙型の形状をしている。この形状により、半田ごて１５の投入方向に当てる手半田付けランド２１の面積が大きくなって半田ごて１５の加熱量を増大させる。また、先細り形状により半田付け時の溶融した半田１０のひきずりも防止される。さらに、端子２ａ、２ａ間の間隔が狭くても先端同士が細いので、半田１０同士をつながりにくくできる。なお、この例では半田レベラ７を設けていないが、設けるようにしてもよい。

図５（Ａ）～（Ｃ）は他例を示す平面図である。いずれの手半田付けランド２１Ａ～２１Ｃも半田ごての投入方向に延びる形状を有しており、半田ごて１５の加熱量を増大させる。図５（Ａ）の手半田付けランド２１Ａは略楕円形の形状を有している。図５（Ｂ）の手半田付けランド２１Ｂは一部くびれ２２を有している。このくびれ２２により、半田フィレットを安定化させることができる。図５（Ｃ）の手半田付けランド２１Ｃは、２つの半田ごての投入方向に涙型が形成されている。

図６（Ａ）に示すように、複数の手半田付けランド２１Ｄは、それぞれの形状を涙型にするとともに、部品の半田ごての投入方向と直交する方向に複数連結させている。図６（Ｂ）は部品２Ｃの複数の端子２ａが取り付けられる状態の断面図である。図１の銅めっき１１の図示は省略されている。部品２Ｃの複数の端子２ａを互いに連結できる場合に、半田熱量が良好に伝達されて、各スルーホール５での半田上がりを向上させることができる。

図７は他例を示す平面図である。連結された手半田付けランド２１Ｅは、図６（Ａ）よりもくびれ２３を大きくしている。これにより、半田フィレットを安定化させる効果を有する。

手半田付け前に、半田付け促進剤であるフラックスを予備的に塗布する予備フラックスを使用できる。予備フラックス塗布により、その効果持続時間を延ばすことができる。また、半田の表面張力を低下させてねばりを弱くして、半田の濡れを良好にすることにより半田付けが促進される。また、半田の再酸化を防止すると共に、金属の表面の異物や酸化膜、汚れも除去できる。

このように、本発明では、厚銅多層基板にフロー半田付けする部品に対し、主に厚銅多層基板において部品が集合して配置される箇所で半田熱量を保持させ、部品が分散して配置される箇所で半田熱量の拡散を抑制させるとともに、フロー半田付けに不適で半田ごてにより手半田付けする部品に対し、半田ごての投入方向に当てる手半田付けランドの面積が大きくなって半田ごての加熱量を増大させる。これにより、厚銅多層基板の各箇所において半田付けを確実に行なうので、大電流化に対応する銅箔の厚さが７０μｍ以上の厚銅多層基板に対して、実用的で確実な固定が可能な半田付けを実現できる。

なお、この実施形態では、多層基板１は４層をなしているが、これに何ら限定するものではなく、より高密度な６層なども含まれる。多層になるほど半田の噴き上げ距離も若干長くなるので、本半田付け方法がより必要とされる。

なお、この実施形態では、半田熱量保持工程、半田熱量拡散抑制工程、半田ごて加熱量増大工程、半田上り量増大工程および半田付けランド面積増大工程をすべて実施しているが、必要に応じて、いずれか一つ以上を省略してもよい。

以上のとおり図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の請求の範囲から定まる本発明の範囲内のものと解釈される。

１：厚銅多層基板
２：部品
２Ａ～２Ｃ：部品
２ａ：端子
３：銅箔
４：基材
５：スルーホール
６：ＶＩＡホール
７：半田レベラ
８：ソルダーレジスト
９：サーマルランド
１０：半田
１１：銅めっき
１２：半田付けランド
１５：半田ごて
２１：手半田付けランド

Claims

回路パターンを構成する銅箔の厚さが７０μｍ以上の厚銅多層基板における半田付け方法であって、
前記厚銅多層基板に半田付けする部品に対し、
スルーホールと、当該スルーホール周辺の近傍位置に設けられた複数の貫通孔であるＶＩＡホールとを同時にフロー半田付けをして半田熱量を保持する、半田熱量保持工程、および
スルーホールと、当該スルーホール周囲に平面視で半田ごての投入方向に延びた形状を有する手付け半田ランドとを設けて手半田付けをして前記半田ごての加熱量を増大させる加熱量増大工程、の両工程を行う、
厚銅多層基板の半田付け方法。
請求項１において、
前記厚銅多層基板に半田付けする部品に対し、スルーホールと、当該スルーホール周辺の近傍位置に設けられた銅箔を剥離した複数の凹部を有するサーマルランドとを設けて半田付けをして、半田熱量の拡散を抑制する半田熱量拡散抑制工程を含む、厚銅多層基板の半田付け方法。
請求項２において、
前記厚銅多層基板において部品が集合して配置される箇所で前記半田熱量保持工程を行い、前記厚銅多層基板において部品が分散して配置される箇所で前記半田熱量拡散抑制工程を行う、厚銅多層基板の半田付け方法。
請求項１から３のいずれか一項において、
前記スルーホールおよび前記ＶＩＡホールのそれぞれの内周面および基板表裏面の開口周辺部に半田めっきまたは半田コーティングである半田レベラを設けたうえで、前記フロー半田付けして、半田上り量を増大させる工程を含む、厚銅多層基板の半田付け方法。
請求項１から４のいずれか一項において、
前記厚銅多層基板において部品が前記分散して配置される箇所よりもさらに分散して配置される箇所で、前記スルーホールの半田付けランドの銅箔面積が小さすぎて熱容量が不足する場合に、当該半田付けランドの銅箔面積を前記分散して配置される箇所よりも大きくしたうえで半田付けして、半田上り量を増大させる工程を含む、厚銅多層基板の半田付け方法。
請求項１から５のいずれか一項において、
前記半田ごての加熱量を増大させるか熱量増大工程において、前記手半田付けランドの形状を涙型とする、厚銅多層基板の半田付け方法。
請求項１から６のいずれか一項において、
前記半田ごての加熱量を増大させる熱量増大工程において、前記形状の手半田付けランドを、前記半田ごての投入方向と直交する方向に複数連結させる、厚銅多層基板の半田付け方法。