JP7335099B2

JP7335099B2 - 実装基板製造方法

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Publication number: JP7335099B2
Application number: JP2019114881A
Authority: JP
Inventors: 佑太森岡
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2023-08-29
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: JP2021002568A

Description

本発明は、実装基板製造方法に関する。

基板の両面に電子部品が実装された両面実装基板には、一回目の部品搭載工程で電子部品が搭載されるＢ面と、二回目の部品搭載工程で電子部品が搭載されるＡ面とがある。両面実装基板を製造する際、一般に、Ｂ面及びＡ面のそれぞれの面において、はんだペースト（ソルダペースト、クリームはんだ）を塗布して電子部品を搭載した後、加熱によりはんだを溶融させるリフローはんだ付け工程が、個別に実施される。
また、Ｂ面及びＡ面の両面を一括してリフローはんだ付けしてリフロー工程を集約する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第５２３３８０３号公報

上記特許文献１に記載された技術によれば、二度行われていたリフロー工程を一回に集約することで、製造スペースの低減が可能となる。しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、基板下面（Ｂ面）に搭載された電子部品の落下を防止するために、基板と電子部品との間に粘性液体（接着剤）を塗布する工程が追加されている。このため、加工費が高くなってしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工費を抑えて、両面実装基板のリフローはんだ付けを一括して行うことができる実装基板製造方法を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る実装基板製造方法は、下記（１）～（３）を特徴としている。
（１）第一面及び第二面を有する基板の両面に電子部品が接合された実装基板を製造する実装基板製造方法であって、
はんだペーストが前記電子部品を保持する力である部品保持力に対する、前記電子部品の自重の割合を示す部品重量率に基づいて、前記電子部品を前記第一面又は前記第二面のいずれに搭載するかを決定し、
前記第一面及び第二面のそれぞれに、前記はんだペーストを塗布し、
前記第一面において前記はんだペーストが塗布された箇所に、前記電子部品のうち前記第一面に搭載すると決定された第一電子部品を搭載し、
前記第一電子部品が搭載された前記基板を反転し、
前記第二面において前記はんだペーストが塗布された箇所に、前記電子部品のうち前記第二面に搭載すると決定された第二電子部品を搭載し、
加熱により、前記第一面及び第二面にそれぞれ塗布された前記はんだペーストを溶融させて、前記第一及び第二電子部品を前記第一面及び第二面にそれぞれ接合し、
前記部品重量率が１００％である閾値以上となる前記電子部品を、前記第二面に搭載する前記第二電子部品と決定する
ことを特徴とする実装基板製造方法。
（２）前記電子部品に加わる振動に応じて前記閾値を１００％より小さい値に定める
ことを特徴とする上記（１）に記載の実装基板製造方法。
（３）前記実装基板を製造する設備の設備パラメータを調整することにより、前記振動を低減する
ことを特徴とする上記（２）に記載の実装基板製造方法。

上記（１）の構成の実装基板製造方法は、電子部品の部品重量率に基づいて、基板下面（第一面）又は基板上面（第二面）のいずれに電子部品を搭載するかを決定する。これにより、落下が懸念される電子部品を基板上面に搭載して、基板下面の部品落下を抑制できる。このため、基板下面に搭載する電子部品の落下を防ぐための粘性液体を塗布することなく、基板の両面に電子部品を搭載した両面実装基板のリフローはんだ付けを一括して行うことができる。また、両面一括リフローはんだ付けの際、粘性液体を塗布する工程が不要となるため、加工費と、製造スペースを低減できる。

更に、上記（１）の構成の実装基板製造方法によれば、部品重量率が閾値（具体的には１００％）以上であり落下が懸念される電子部品については、基板下面（第一面）に搭載せず、基板上面（第二面）に搭載することにより、落下を防止できる。

振動が加わらなければ、部品重量率が１００％未満の電子部品は基板下面に搭載されても落下しないが、電子部品実装基板の製造時には、基板製造ラインの振動等による振動が加わる。そこで、上記（２）の構成の実装基板製造方法によって、想定される振動に応じて、部品重量率の閾値を１００％より小さい値に変更することにより、基板下面に搭載した電子部品の落下を抑制できる。

上記（３）の構成の実装基板製造方法によれば、例えば、エア圧、トルク等の設備パラメータを調整し、基板反転機の基板反転速度を下げることで、基板製造ラインの振動要因を減らし、電子部品にかかる外部からの振動を低減できる。したがって、部品重量率の閾値を高く設定でき、基板上面に搭載すべき電子部品を低減できる。このため、両面実装基板の設計における電子部品のレイアウト自由度を向上できる。

本発明によれば、加工費を抑えて、両面実装基板のリフローはんだ付けを一括して行うことができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本実施形態の実装基板製造方法を示す図である。図２は、部品重量率及び基板下面の部品落下に関する説明図である。図３は、温度によるはんだペーストの粘着力の変化を示す図である。図４は、各電子部品の部品重量率を示す図である。図５は、実装基板製造工程における振動を示す図である。図６は、部品重量率の部品落下閾値と振動レベルとの関係を示す図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

図１は、本実施形態の実装基板製造方法を示す図であり、電子部品（以下、単に部品とも称する。）を基板の両面に電子部品が接合された両面実装基板を製造する各工程を示す。まず、基板ＳのＡ面ＳＡ及びＢ面ＳＢのそれぞれにおいて、部品が搭載される箇所に、はんだ粉末とフラックスとを混錬したペースト状のはんだであるはんだペーストＰを印刷する（図１（ａ）、図１（ｂ）：はんだペースト印刷工程）。次に、基板ＳのＢ面ＳＢにおいてはんだペーストＰが印刷された箇所に、電子部品Ｃ１を搭載し（図１（ｃ）：部品搭載工程）、基板Ｓを反転させてＡ面ＳＡを上面とする（図１（ｃ）から図１（ｄ）：基板反転工程）。続いて、基板ＳのＡ面ＳＡにおいてはんだペーストＰが印刷された箇所に、電子部品Ｃ２を搭載する（図１（ｄ）：部品搭載工程）。その後、Ａ面ＳＡを上面とした状態で基板Ｓをリフロー炉Ｒ内に投入する。そして、リフロー炉Ｒにおいて、電子部品Ｃ１，Ｃ２が搭載されたＢ面ＳＢ及びＡ面ＳＡの両面を同時に加熱してはんだ付けを行い（図１（ｅ）：リフローはんだ付け工程）、電子部品Ｃ１，Ｃ２を基板Ｓの両面ＳＢ，ＳＡに接合させる。本開示において、１回目の部品搭載工程において電子部品が搭載される面、すなわち基板の反転後に下面となる面を基板下面と称し、基板の反転後、２回目の部品搭載工程において電子部品が搭載される面を基板上面と称する。

上記実装基板製造方法において、基板下面であるＢ面ＳＢに搭載された電子部品Ｃ１は、はんだペーストＰによって基板Ｓに保持されるが、はんだペーストＰが未硬化であるため、落下が懸念される。そこで、本発明者は、基板下面に搭載された部品の落下を抑制するために、部品重量率に着目した。そして、本発明者は、電子部品の部品重量率に基づいて、基板下面又は基板上面のいずれに電子部品を搭載するかを決定することにより、基板下面の部品落下を抑制することに成功した。

部品重量率及び基板下面の部品落下について、図２を参照して説明する。図２は、部品重量率及び基板下面の部品落下に関する説明図である。基板Ｓの上面（Ａ面ＳＡ）に電子部品Ｃ２を搭載しリフローはんだ付けされるまで、基板下面であるＢ面ＳＢに搭載された電子部品Ｃ１は、はんだペーストＰの粘着力によって基板Ｓに保持される。しかし、はんだペーストＰは未硬化のため、電子部品Ｃ１は落下するおそれがある（図２（ａ））。本発明者は、部品重量率が１００％を超えた場合に、基板下面の部品落下が生じることを見出した。部品重量率は、はんだペーストが電子部品を保持する力である部品保持力（はんだペーストの粘着力）に対する、電子部品の自重の割合を示す。図２（ｂ）に示す例において、部品重量率は、「（電子部品Ｃ１の自重（部品重量）Ｆ２）／（Ｂ面ＳＢに塗布されたはんだペーストＰが電子部品Ｃ１を保持する力（はんだペーストＰの粘着力）Ｆ１）」となる。また、基板下面であるＢ面ＳＢに搭載された電子部品Ｃ１に外部から振動Ｆ３が加わると、電子部品Ｃ１は落下しやすくなり、部品重量率が１００％を超えない場合であっても電子部品Ｃ１が落下するおそれがある。そこで、本発明者は、部品保持力、部品の自重、及び外部からの振動を、部品落下抑制に向けたポイントとして検討した。以下、これらのポイントについて説明する。

まず、はんだペーストが電子部品を保持する力である部品保持力について説明する。部品保持力は、はんだペーストと電子部品との接触面積が変化することによって変化し、接触面積が小さくなると部品保持力は小さくなる。また、はんだペーストと電子部品との接触面積は、はんだペースト自体の粘着力、電子部品自体の寸法公差、及び、治工具や製造時の配置における寸法公差等により変化する。

図３は、温度によるはんだペーストの粘着力の変化を示す図である。図３に示すように、はんだペーストの粘着力は温度変化に伴って変化し、はんだの融点近傍における粘着力は、常温時における粘着力の約１／７程度となる。このため、基板下面に搭載する部品は、最低の粘着力を考慮した上で基板に保持可能である必要がある。

また、電子部品には、チップ部品、高背部品、（ＳＯＰ（Small Outline Package）、ＱＦＰ（Quad Flat Package）等のパッケージ部品等、種々の形状がある。また、電子部品は、寸法公差によるバラつきがある。これらの要因により、各電子部品とはんだペーストとの接触面積が異なる。この接触面積が大きいほど部品保持力は大きくなる。したがって、部品保持力は、電子部品毎に異なる。

次に、部品の自重（部品重量）について説明する。前述の通り、電子部品には種々の形状があり電子部品毎に重量が異なる。部品保持力が一定の場合、部品重量が増加すると、部品重量率は高くなる。さらに、電子部品の自重は、重量公差によって増減する。これらの影響を考慮して、基板Ｓに搭載される各電子部品について、部品重量（部品自重、ｇ）と部品重量率（％）との関係をまとめた図を図４に示す。図４は、各電子部品の部品重量率を示す図であり、基板Ｓに搭載される電子部品のそれぞれについて、部品公差によるバラつきを考慮して、部品重量と算出した部品重量率との対応を示したものである。すなわち、図４は、部品重量率に応じた部品落下懸念率を示すマップである。図４に示される電子部品の具体例としては、抵抗、コンデンサ、抵抗アレイ、ダイオード等が挙げられる。図４において、部品重量率１００％を部品落下閾値とした場合、電子部品Ｃ１１，Ｃ１２は、部品重量自体は比較的小さいものの、部品落下閾値を超えた部品重量率を有するため、基板下面に搭載された場合、落下が懸念される。そこで、部品落下が懸念される領域に含まれる電子部品Ｃ１１，Ｃ１２については、基板下面（Ｂ面ＳＢ）には搭載せず、基板上面（Ａ面ＳＡ）に搭載するよう、配置を決定する。このように、落下が懸念される部品を基板上面にレイアウトすることによって、部品落下を防止できる。電子部品Ｃ１１，Ｃ１２のように部品重量率が１００％を超える電子部品には、電子部品とはんだペーストとの接触面積、すなわち、電極とはんだペーストとが重なり合う面積が小さい傾向がある。例えば、リード付きの部品は、接触面積が減少しやすい。これに対し、リードを有しないチップ部品は、接触面積を大きくできる。よって、部品重量が同等のリード付き部品とチップ部品とを比較すると、チップ部品が有利である。

また、図４において、部品落下閾値を下げた場合、部品落下しない領域が狭くなり、部品落下が懸念される領域が広くなることがわかる。この結果、部品落下が懸念される領域に含まれる電子部品、すなわち基板上面に配置すべき電子部品が増加することから、レイアウトの自由度が低下することとなるが、部品落下の抑制効果は向上する。尚、電子部品の寸法公差や重量公差によるバラつきを考慮せず、ノミナル値のみで算出した場合、部品重量値は図４に示したものよりも低くなるが、図４では、各電子部品についてバラつきの範囲内で算出した最も部品重量値が高くなるケースについて示している。

続いて、外部からの振動について説明する。前述のように、部品重量率が１００％未満の電子部品であっても、外部からの振動が加わると、基板下面から落下しやすくなる。実装基板製造の際、基板に搭載された電子部品に加わる振動として、製造ラインで発生する振動による影響が考えられる。図５は、実装基板製造工程における振動レベルを示す図であり、実装基板の製造ラインにおいて基板Ｓにかかる振動レベルを示す。図５において、横軸は時間を表し、縦軸は振動レベルを表す。また、図５において、Ｘは製造ラインにおける基板Ｓの搬送方向、Ｙは水平面内におけるＸの直交方向、Ｚは鉛直方向における振動レベルをそれぞれ示す。図５に示す実装基板製造工程は、はんだ印刷、部品搭載、基板反転、及びリフローの各工程を含む。図５から、製造工程全体において、基板反転後の振動が最大であることがわかる。そこで、基板反転機の振動要因を減らすべく、エア圧、トルク等の設備パラメータを調整し、基板反転速度を下げることによって、振動レベルを低減し、部品落下の抑制を図ることができる。

以上の検討に基づき、本発明者は、部品重量率に基づいて電子部品を基板上面又は基板下面のいずれに搭載するかを決定する際、電子部品にかかる外部からの振動に応じて、部品落下閾値を定めることにより、基板下面の部品落下を効果的に抑制できることを見出した。図６は、部品重量率の部品落下閾値と振動レベルとの関係を示す図である。図６に示すように、振動レベルの増加に応じて、部品落下閾値を下げることにより、基板下面の部品落下を防止できる。例えば、製造工程内で想定される最大振動レベルに対して、部品落下閾値を８０％と定め、この閾値を超える電子部品については基板上面に搭載するようレイアウトを決定する。また、実験やシミュレーションの結果に基づいて、振動レベルと部品落下閾値との対応を示すマップを作成し、作成したマップに基づいて、部品落下閾値を超える電子部品を基板上面に搭載してもよい。

ここで、前述のように、実装基板を製造する設備の設備パラメータを調整し、例えば基板反転機の基板反転速度を下げることで、基板製造ラインの振動要因を減らし、振動レベルを低減できる。したがって、部品重量率の閾値を高く設定でき、基板上面に搭載すべき電子部品を低減できる。このため、両面実装基板の設計における電子部品のレイアウト自由度を向上できる。

以上説明したように、本実施形態の実装基板製造方法においては、電子部品Ｃ１，Ｃ２の部品重量率に基づいて、基板下面（Ｂ面ＳＢ）又は基板上面（Ａ面ＳＡ）のいずれに電子部品Ｃ１，Ｃ２を搭載するかを決定する。すなわち、部品重量率が部品落下閾値を超える電子部品Ｃ２は基板上面であるＡ面ＳＡに搭載し、部品重量率が部品落下閾値を超えない電子部品Ｃ１は基板下面であるＢ面ＳＢに搭載すると決定する。そして、図１に示した両面実装基板の製造工程を実行する。すなわち、まず、基板Ｓの両面ＳＡ，ＳＢにはんだペーストＰを印刷し、Ｂ面ＳＢに電子部品Ｃ１を搭載する。その後、基板Ｓを反転して、Ａ面ＳＡに電子部品Ｃ２を搭載する。そして、リフロー炉内で基板Ｓの両面ＳＡ，ＳＢを同時に加熱してはんだペーストＰを溶融させ、電子部品Ｃ１，Ｃ２を基板Ｓに接合する。以上の工程により、一度のリフローはんだ付け工程によって両面実装基板が製造される。

このように、部品重量率に基づいて、落下が懸念される電子部品か否かを判別し、部品重量率が部品落下閾値を超える電子部品を基板上面に搭載する。これにより、基板下面に電子部品の落下防止用の粘性液体を塗布する工程を追加することなく、基板下面の部品落下を抑制しながら両面実装基板のリフローはんだ付けを一括して行うことができる。よって、加工費及び製造スペースを低減できる。

ここで、上述した本発明の実施形態に係る実装基板製造方法の特徴をそれぞれ以下［１］～［４］に簡潔に纏めて列記する。
［１］第一面（Ｂ面ＳＢ）及び第二面（Ａ面ＳＡ）を有する基板（Ｓ）の両面に電子部品（Ｃ１，Ｃ２）が接合された実装基板を製造する実装基板製造方法であって、
はんだペースト（Ｐ）が前記電子部品を保持する力である部品保持力に対する、前記電子部品の自重の割合を示す部品重量率に基づいて、前記電子部品を前記第一面又は前記第二面のいずれに搭載するかを決定し、
前記第一面及び第二面のそれぞれに、前記はんだペーストを塗布し、
前記第一面において前記はんだペーストが塗布された箇所に、前記電子部品のうち前記第一面に搭載すると決定された第一電子部品（Ｃ１）を搭載し、
前記第一電子部品が搭載された前記基板を反転し、
前記第二面において前記はんだペーストが塗布された箇所に、前記電子部品のうち前記第二面に搭載すると決定された第二電子部品（Ｃ２）を搭載し、
加熱により、前記第一面及び第二面にそれぞれ塗布された前記はんだペーストを溶融させて、前記第一及び第二電子部品を前記第一面及び第二面にそれぞれ接合する
ことを特徴とする実装基板製造方法。
［２］前記部品重量率が閾値以上となる前記電子部品を、前記第二面に搭載する前記第二電子部品と決定する
ことを特徴とする上記［１］に記載の実装基板製造方法。
［３］前記電子部品に加わる振動に応じて前記閾値を定める
ことを特徴とする上記［２］に記載の実装基板製造方法。
［４］前記実装基板を製造する設備の設備パラメータを調整することにより、前記振動を低減する
ことを特徴とする上記［３］に記載の実装基板製造方法。

Ｐはんだペースト
Ｒリフロー炉
Ｓ基板
ＳＡＡ面
ＳＢＢ面
Ｃ１，Ｃ２電子部品

Claims

第一面及び第二面を有する基板の両面に電子部品が接合された実装基板を製造する実装基板製造方法であって、
はんだペーストが前記電子部品を保持する力である部品保持力に対する、前記電子部品の自重の割合を示す部品重量率に基づいて、前記電子部品を前記第一面又は前記第二面のいずれに搭載するかを決定し、
前記第一面及び第二面のそれぞれに、前記はんだペーストを塗布し、
前記第一面において前記はんだペーストが塗布された箇所に、前記電子部品のうち前記第一面に搭載すると決定された第一電子部品を搭載し、
前記第一電子部品が搭載された前記基板を反転し、
前記第二面において前記はんだペーストが塗布された箇所に、前記電子部品のうち前記第二面に搭載すると決定された第二電子部品を搭載し、
加熱により、前記第一面及び第二面にそれぞれ塗布された前記はんだペーストを溶融させて、前記第一及び第二電子部品を前記第一面及び第二面にそれぞれ接合し、
前記部品重量率が１００％である閾値以上となる前記電子部品を、前記第二面に搭載する前記第二電子部品と決定する
ことを特徴とする実装基板製造方法。
前記電子部品に加わる振動に応じて前記閾値を１００％より小さい値に定める
ことを特徴とする請求項１に記載の実装基板製造方法。
前記実装基板を製造する設備の設備パラメータを調整することにより、前記振動を低減する
ことを特徴とする請求項２に記載の実装基板製造方法。