JP7286608B2 - プリント回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリント回路基板の製造方法に関する。

電子機器の機能の多様化により、様々な電子部品がプリント回路基板に実装されるようになっている。また、電子部品の１つとして、パワートランジスタなどが実装される場合がある（例えば、特許文献１）。
表面実装用のパワートランジスタは、通常のトランジスタと同様３つの電極で、電子基板と導通を取る。そして、そのうち１つの電極は、放熱用の大きな下面電極と一体化している。この下面電極は、基板側の電極とはんだで接合されることで、熱を効率よく基板側へ発散できる。一方で、残りの２つの電極は、部品本体の片側からのリード線であり、基板側の電極とはんだで接合される。
また、プリント回路基板は、通常、プリント配線基板に、各種電子部品を搭載し、リフロー処理によりはんだ付けすることで製造される。しかしながら、パワートランジスタをリフロー処理によりはんだ付けする場合には、リフロー処理後に、パワートランジスタの下面電極の周辺部に、はんだボールが発生しやすいという問題があった。

特開２０１５－２２０３８９号公報

本発明は、リフロー処理によりはんだ付けする場合に、はんだボールの発生を抑制できるプリント回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、片側にのみリード線を有し、かつ下面電極を有する電子部品を、リフロー処理によりはんだ付けする工程を備えるプリント回路基板の製造方法であって、前記電子部品を搭載する工程の前に、プリント配線基板の前記電子部品が搭載される場所の周縁部に、前記電子部品が下記数式（Ｆ１）で表される条件を満たして搭載されるように、段差部を設ける工程を、備える、プリント回路基板の製造方法が提供される。
０．５Ｘ≦Ｙ≦１．５Ｘ ・・・（Ｆ１）
Ｘ：電子部品の部品本体が水平となるように配置した場合において、リード線の接地点と、部品本体の下面との垂直方向における距離である。
Ｙ：電子部品をプリント配線基板のランドの上に搭載した場合において、電子部品の部品本体の下面と段差部との接点と、ランドの表面との垂直方向における距離である。

本発明の一態様に係るプリント回路基板の製造方法においては、前記段差部を、スクリーン印刷により形成することが好ましい。
本発明の一態様に係るプリント回路基板の製造方法においては、前記電子部品が、パワートランジスタであることが好ましい。

本発明によれば、リフロー処理によりはんだ付けする場合に、はんだボールの発生を抑制できるプリント回路基板の製造方法を提供できる。

本発明の実施形態で用いるパワートランジスタを示す概略図である。 本発明の実施形態で用いるパワートランジスタを側面から見た状態を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るプリント回路基板の製造方法を説明するための概略図である。 図３のIV－IV断面を示す断面図である。

以下、本発明について実施形態を例に挙げて、図面に基づいて説明する。本発明は実施形態の内容に限定されない。なお、図面においては、説明を容易にするために拡大または縮小をして図示した部分がある。

［プリント回路基板の製造方法］
本実施形態に係るプリント回路基板の製造方法は、片側にのみリード線を有し、かつ下面電極を有する電子部品を、リフロー処理によりはんだ付けする工程を備える方法である。
片側にのみリード線を有し、かつ下面電極を有する電子部品としては、図１に示すパワートランジスタなどが挙げられる。
図１に示すように、パワートランジスタ１は、部品本体１１と、２つのリード線１２と、下面電極１３とを備えている。リード線１２は、部品本体１１の側面の片側に設けられている。下面電極１３は、部品本体１１の下面１１１に設けられている。
図２は、パワートランジスタ１を側面から見た状態を示す図である。なお、図２では、パワートランジスタ１の部品本体１１が水平となるように配置している。リード線１２は、部品本体１１から水平に延びた後に、下方に曲がり、下方に延びている。リード線１２の先端部分には、搭載時に基板と接地する接地点１２１が設けられている。この接地点１２１と、部品本体１１の下面１１１とは、垂直方向における距離（Ｘ）がある。そのため、パワートランジスタ１を、基板に搭載した場合には、部品本体１１におけるリード線１２のない側が下がり、傾いてしまう。

本実施形態に係るプリント回路基板の製造方法においては、パワートランジスタ１などの電子部品を搭載する工程の前に、プリント配線基板２のパワートランジスタ１が搭載される場所の周縁部に、パワートランジスタ１が数式（Ｆ１）で表される条件を満たして搭載されるように、段差部２４を設ける工程を備えることが必要である。
０．５Ｘ≦Ｙ≦１．５Ｘ ・・・（Ｆ１）
Ｘ：パワートランジスタ１の部品本体１１が水平となるように配置した場合において、リード線１２の接地点と、部品本体１１の下面１１１との垂直方向における距離である。
Ｙ：パワートランジスタ１をプリント配線基板２のランド２２の上に搭載した場合において、パワートランジスタ１の部品本体１１の下面１１１と段差部２４との接点と、ランド２２の表面との垂直方向における距離である（図４参照）。

パワートランジスタ１が数式（Ｆ１）で表される条件を満たして搭載される場合には、リフロー処理によりはんだ付けする場合に、はんだボールの発生を抑制できる。具体的には、次のようなメカニズムにより、はんだボールの発生を抑制できる。
すなわち、下面電極１３に用いられるソルダペーストは、通常の電極のものに比べて印刷面積が大きい上に、上部を部品本体１１でふさがれている。そのため、はんだ溶融時に分離したフラックス成分やそのガスがボイドとして多量に残りやすい。そして、リフロー処理中に部品本体１１におけるリード線１２のある側からボイドが排出されると、ボイドが溶融はんだを巻き込み、部品脇にはんだボールを発生させてしまう（なお、部品本体１１におけるリード線１２のない側から、ボイドが排出されても、巻き込まれた溶融はんだが下面電極１３と一体化しているはんだフィレットに取り込まれるため、はんだボールは発生しない）。また、部品本体１１におけるリード線１２のない側が下がり、傾いていると、ボイドは、はんだより比重が小さいため、部品本体１１におけるリード線１２のある側から、排出されやすくなる。その結果、パワートランジスタ１の脇には、はんだボールが発生しやすくなる。
これに対し、本実施形態においては、パワートランジスタ１が数式（Ｆ１）で表される条件を満たして搭載されるため、部品本体１１の傾きを小さくできるか、或いは、部品本体１１におけるリード線１２のない側が上がり、傾くようにできる。そして、リフロー処理中に、部品本体１１におけるリード線１２のある側から、ボイドが排出されることを抑制でき、はんだボールの発生を抑制できる。

また、はんだボールの発生をより確実に抑制するという観点から、Ｙの値は、０．７Ｘ以上であることが好ましく、０．８Ｘ以上であることがより好ましく、０．９Ｘ以上であることが特に好ましい。他方、段差部２４の厚みをより厚くするための作業的な負荷を軽減するという観点から、Ｙの値は、１．３Ｘ以下であることが好ましく、１．２Ｘ以下であることがより好ましく、１．１Ｘ以下であることが特に好ましい。なお、Ｙの値は、段差部２４の厚みを調節することで、調整できる。

Ｘの値は、部品の種類に応じて異なる。Ｘの値が大きいほど、部品本体１１の傾きが大きくなるため、Ｘの値は小さいほど好ましい。ただし、本実施形態によれば、Ｘの値が大きい場合でも、部品本体１１の傾きを小さくできる。そのため、Ｘの値が大きいほど、本発明の効果を発揮できる。
Ｘの値は、５０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、８０μｍ以上２００μｍ以下であることがより好ましく、１００μｍ以上１５０μｍ以下であることが特に好ましい。

次に、本実施形態に係るプリント回路基板の製造方法における各工程について、詳細に説明する。
本実施形態に係るプリント回路基板の製造方法は、以下説明する基板準備工程、段差部形成工程、ペースト塗布工程、部品搭載工程、および、リフロー処理工程を備える方法である。

基板準備工程においては、図３（Ａ）に示すように、プリント配線基板２を準備する。
プリント配線基板２は、基材２１と、ランド２２と、ソルダレジスト膜２３とを備えている。ランド２２は、基材２１の上に設けられた配線の一部である。このランド２２の上に、ソルダペースト３が塗布され、電子部品が搭載される。ソルダレジスト膜２３は、基材２１と、基材２１の上に設けられた配線の一部を覆い、配線のうちランド２２の部分が開口部となるように設けられる。
このプリント配線基板２に、電子部品を搭載し、はんだ付けして、電気回路を形成することで、プリント回路基板（図示省略）を製造できる。

段差部形成工程においては、図３（Ｂ）に示すように、プリント配線基板２のパワートランジスタ１が搭載される場所の周縁部に段差部２４を設ける。
段差部２４の形成方法は、特に限定されないが、例えば、硬化性樹脂組成物を塗布し、硬化させる方法、および、耐熱テープなどを貼付する方法などを採用できる。これらの中でも、作業性の観点から、硬化性樹脂組成物を塗布し、硬化させる方法が好ましい。
硬化性樹脂組成物を塗布する装置としては、スクリーン印刷、およびディスペンサーなどが挙げられる。これらの中でも、塗布厚みを制御しやすく、また作業性も優れるという観点から、スクリーン印刷が好ましい。
硬化性樹脂組成物としては、紫外線硬化性樹脂組成物、および熱硬化性樹脂組成物が挙げられる。これらの中でも、作業時間がより短いという観点から、紫外線硬化性樹脂組成物が好ましい。
段差部２４は、ソルダレジスト膜２３の上に、ランド２２に沿って、２本の線状に設けることが好ましい。このような段差部２４であれば、部品本体１１の端部をいずれかの箇所で支えることができる。
２本の段差部２４の厚みは、パワートランジスタ１が数式（Ｆ１）で表される条件を満たして搭載されるように、調節すればよい。
２本の段差部２４の厚みの差は、少ないことが好ましい。２本の段差部２４の厚みの差が大きいと、部品本体１１における段差部２４の厚みの薄い側が下がり、傾いてしまう傾向にある。なお、数式（Ｆ１）におけるＹの値は、より厚みの薄い段差部２４に依存するので、２本の段差部２４の厚みの差は、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。
段差部２４の厚みは、１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以上１２０μｍ以下であることがより好ましく、５０μｍ以上１２０μｍ以下であることが特に好ましい。
なお、２本の段差部２４を設ける箇所のソルダレジスト膜２３の高さ（ランド２２の垂直方向における距離）が異なる場合には、部品本体１１の下面１１１と段差部２４との接点の高さがほぼ同じになるように、２本の段差部２４の厚みを調節することが好ましい。

ペースト塗布工程においては、図３（Ｃ）に示すように、プリント配線基板２のランド２２の上に、ソルダペースト３を塗布する。
ソルダペースト３としては、市販のソルダペーストを用いることができる。
ここで用いる塗布装置としては、スクリーン印刷機、メタルマスク印刷機、ディスペンサー、およびジェットディスペンサーなどが挙げられる。
なお、ソルダペースト３は、それぞれのランド２２の少なくとも一部に塗布すればよく、ランド２２の全体に塗布しなくてもよい。

部品搭載工程においては、図３（Ｄ）に示すように、パワートランジスタ１およびその他必要な電子部品を、ソルダペースト３の塗布されたランド２２の上に搭載する。
パワートランジスタ１については、段差部２４により、数式（Ｆ１）で表される条件を満たして搭載できる。

リフロー処理工程においては、部品搭載工程の後のプリント配線基板２を、リフロー炉により所定条件にて加熱するリフロー処理を施す。このリフロー処理により、パワートランジスタ１などの電子部品およびプリント配線基板２の間に十分なはんだ接合を行うことができる。その結果、プリント回路基板（図示省略）が製造できる。
リフロー条件は、ソルダペースト３中のはんだの融点に応じて適宜設定すればよい。例えば、はんだの融点が２１７～２２０℃である場合、プリヒート温度は、１４０℃以上２００℃以下であることが好ましく、１５０℃以上１６０℃以下であることがより好ましい。プリヒート時間は、４０秒間以上１２０秒間以下であることが好ましい。ピーク温度は、２３０℃以上２７０℃以下であることが好ましく、２３５℃以上２５０℃以下であることがより好ましい。また、２２０℃以上の温度の保持時間は、２０秒間以上６０秒間以下であることが好ましい。

［実施形態の変形］
本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
例えば、前述の実施形態では、段差部２４を、ランド２２に沿って、２本の線状に設けているが、これに限定されない。例えば、段差部２４を、２本の柱状に設けてもよい。また、３本以上の柱状に設けてもよい。柱の形状は、円形であってもよく、角形であってもよい。

前述の実施形態では、リフロー処理工程において、リフロー炉により加熱するが、これに限定されない。例えば、リフロー炉に代えて、レーザー光を用いてソルダペースト３を加熱してもよい。この場合、レーザー光源としては、特に限定されず、金属の吸収帯に合わせた波長に応じて適宜採用できる。レーザー光源としては、例えば、固体レーザー（ルビー、ガラス、ＹＡＧなど）、半導体レーザー（ＧａＡｓ、およびＩｎＧａＡｓＰなど）、液体レーザー（色素など）、並びに、気体レーザー（Ｈｅ－Ｎｅ、Ａｒ、ＣＯ_２、およびエキシマーなど）が挙げられる。

次に、本発明を実施例および比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

［実施例１］
パワートランジスタを搭載可能なプリント配線基板（ソルダレジスト膜の厚み：３０μｍ）を準備した。このプリント配線基板のパワートランジスタが搭載される場所の周縁部（ランドに沿って、２本の線状）に、シルクインク（タムラ製作所社製の「ＰＨＯＴＯＣＯＡＴ ＵＳＩ－２１０Ｗ－１９ １８０ＰＳ」）をスクリーン印刷により塗布し、その後、ＵＶ（１５０ｍＪ／ｃｍ^２）を照射して、シルクインクを硬化させた。この作業を、もう一度繰り返し、このプリント配線基板のパワートランジスタが搭載される場所の周縁部に、厚みが４０μｍの段差部を設けた。なお、このプリント配線基板におけるＹの値は、７０μｍである。
次に、このプリント配線基板のランドの上に、ソルダペースト（タムラ製作所社製の「ＴＬＦ２０４－ＧＴ０１－２００」）を塗布し、パワートランジスタ（Ｘの値：１２０μｍ）を搭載した。その後、プリヒート温度を１５０～１９０℃で５５秒間、２２０℃以上の保持時間を４０秒間、ピーク温度を２４０℃、酸素濃度を５００ｐｐｍ以下とする条件でリフロー処理を施して、プリント回路基板を作製した。

［実施例２～４］
段差部の厚みを表１に記載の通りに変更した以外は、実施例１と同様にして、プリント回路基板を作製した。

［比較例１］
段差部の厚みを表１に記載の通りに変更した以外は、実施例１と同様にして、プリント回路基板を作製した。

［比較例２］
段差部を設けなかった以外は、実施例１と同様にして、プリント回路基板を作製した。

＜プリント回路基板の製造方法の評価＞
プリント回路基板の製造方法の評価（部品脇のはんだボール）を以下のような方法で行った。得られた結果を表１に示す。
（１）部品脇のはんだボール
プリント回路基板におけるパワートランジスタの周辺を拡大鏡にて観察し、部品脇のはんだボールの有無を確認した。そして、はんだボール発生率（（はんだボールが発生した部品数／全部品数）×１００）を算出し、下記の基準に基づいて、部品脇のはんだボールを評価した。
◎：はんだボール発生率が、０％である。
○：はんだボール発生率が、０％超１０％以下である。
×：はんだボール発生率が、１０％超４０％以下である。
××：はんだボール発生率が、４０％超である。

表１に示す結果からも明らかなように、本発明のプリント回路基板の製造方法（実施例１～４）は、部品脇のはんだボールの結果が良好であることが確認された。
従って、本発明のプリント回路基板の製造方法によれば、リフロー処理によりはんだ付けする場合に、はんだボールの発生を抑制できることが確認された。

本発明のプリント回路基板の製造方法は、電子機器のプリント配線基板に電子部品を実装するための技術として好適に用いることができる。

１…パワートランジスタ
１１…部品本体
１１１…下面
１２…リード線
１２１…接地点
１３…下面電極
２…プリント配線基板
２１…基材
２２…ランド
２３…ソルダレジスト膜
２４…段差部
３…ソルダペースト

Claims (3)

1. 片側にのみリード線を有し、かつ下面電極を有する電子部品を、リフロー処理によりはんだ付けする工程を備えるプリント回路基板の製造方法であって、
   前記電子部品を搭載する工程の前に、
   基材と、ランドと、ソルダレジスト膜とを備えるプリント配線基板の前記電子部品が搭載される場所の周縁部で、かつ前記ソルダレジスト膜の上に、前記電子部品が下記数式（Ｆ１）で表される条件を満たして搭載されるように、スクリーン印刷により段差部を設ける工程を、備える、
   プリント回路基板の製造方法。
   ０．５Ｘ≦Ｙ≦１．５Ｘ ・・・（Ｆ１）
   Ｘ：電子部品の部品本体が水平となるように配置した場合において、リード線の接地点と、部品本体の下面との垂直方向における距離である。
   Ｙ：電子部品をプリント配線基板のランドの上に搭載した場合において、電子部品の部品本体の下面と段差部との接点と、ランドの表面との垂直方向における距離である。
2. 請求項１に記載のプリント回路基板の製造方法において、
   前記段差部の厚みが、５０μｍ以上１５０μｍ以下である、
   プリント回路基板の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のプリント回路基板の製造方法において、
   前記電子部品が、パワートランジスタである、
   プリント回路基板の製造方法。

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