JPS62211991A - 基板の埋込ピン上にはんだを平坦に充填する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、プリント回路板またはその他の回路基板にお
けるはんだのレベリング方法に関するものであり、詳細
にいえば、埋込基板ピン上、および基板内の通路にはん
だを平坦に充填する方法に関するものである。

Ｂ、従来技術 電気的および電子的構成部材を、そのリード線によって
プリント回路板に大量にはんだ付けするさまざまなはん
だ付はシステムが、当技術分野において公知である。構
成部材を回路板に大量にはんだ付けする技法のひとつは
、浸漬はんだ付けである。この技法では、プリント配線
を含む回路板で、構成部材のリード線が回路板の孔をと
おって突出しているものの前面が、ある期間の間、溶融
はんだ浴の表面に係合させられ、その後前される。

構成部材を回路板に大量にはんだ付けする他の技法は、
ウェーブ・ソルダリングである。典型的な従来技術のウ
ェーブ・ソルダリング・システムは一般に、溶融はんだ
を保持するようになされた容器と、溶融はんだに部分的
に沈められたサンプ（ｓｕｍｐ）とからなっている。サ
ンプは溶融はんだの表面より下にある取入オリフィスと
、はんだの表面より上にある細長い水平なノズルまたは
スロットを有している。容積式ポンプがはんだ中に沈め
られ、溶融はんだを取入オリフィスに送り込むようにな
されている。次いで、溶融はんだは、取入オリフィスか
ら、サンプ中を上方へ流れ、水平ノズルから流出し、こ
れによってノズル上方に、滑かに丸くなった溶融はんだ
の定常波がもたらされる。

電気的および電子的構成部材をプリント回路板に大量に
はんだ付けする、さまざまな他の技法が当技術分野にお
いて公知であり、その中にはカスケード・ソルダリング
、ジェット・ソルダリングおよびドラッグはんだ付けが
含まれている。フラット・パックなどの、いわゆる「リ
ードレス」構成部材も、固定具または接着剤によって構
成部材を回路板の底面に固定し、次いで回路板の底面お
よび構成部材を溶融はんだと係合させることにより、回
路板に大量にはんだ付けすることができる。

周知の大量はんだ付はシステムは、相当な製造時の経済
性を電子工業にもたらし、それ故、商業的にかなりの範
囲にわたって用いられているが、回路板、接続部および
リード線に過剰なはんだが付着する問題は、依然存在し
ている。過剰なはんだの付着は、短絡、アイシクル（ｉ
ｃｉｃｌｅ）またはブリッジ、あるいはこれらすべての
形成につながることのあるもので、はんだの消費量およ
び完成した回路板の重量を増加させるものとなる。さら
に、電子工業界が比較的高密度なアセンブリを指向して
いるという現在の傾向が、はんだによる短絡、アイシク
ルおよびブリッジの形成の問題をより深刻なものとして
いる。

従来の技術によって考案されたさまざまな技法は、はん
だによる短絡、アイシクルおよびブリッジの形成の問題
を解決しようというものであった。

たとえば、ウェーブ・ソルダリングの場合、この産業界
がかなり一般的に用いている技法のひとつは、はんだの
定常波中を通る回路板の移動経路を傾けて、すなわち水
平面から傾けて、はんだ付けされる回路板とはんだの定
常波との間の出口角を大きくするものである。従来の技
術では、出口角をさらに大きくしたり、または回路板が
定常波か＝３− らでる場所を変えたり、あるいはこの両方を行なうため
に、さまざまな定常波の形状も考案されている。はんだ
による短絡、アイシクルおよびブリッジの発生を減少さ
せる、相当程度商業的に受は入れられている他のシステ
ムは、ウォーカ他（Ｗａｌｋｅｒ　ｅｔ　ａｌ）による
米国特許第３０５８４４１号の教示するところにしたが
って、はんだ付はオイルをはんだの定常波と十分に混合
するものである。このようなシステムははんだによる短
絡、ブリッジまたはアイシクル、あるいはこれらすべて
の発生を、相当程度減少させるものではあるが、はんだ
による短絡、ブリッジおよびアイシクルを、特に比較的
高密度な電子的アセンブリまたはリード線が比較的長い
構成部品、あるいはこれらの両方を回路板にはんだ付け
する場合に、完全に除去するものではない。

一般に遭遇する他の難点は、基板内の埋込ビン上におけ
るはんだの高さを管理できないということである。頭部
が基板の表面と同一面になるようにピンを配置して、基
板の表面にはんだ付けを行なうとき、はんだのボールが
ビンの頭部にもたらされ、その結果はんだが無駄になり
、かつ回路板に取り付けなければならない他の構成部材
との干渉を惹起するということが、通常化じる。はんだ
付は作業によって生じたはんだのボールを緩和したり、
あるいは高さを平準化する従来の手段は、はんだがまだ
溶融しているうちに、はんだにブラシ研摩を行ない、か
つ冷却し、硬化してから、はんだを研削することを含ん
でいる。これらの手段は両方とも、回路板の表面上の限
定された場所で行なうには、比較的困難なものであり、
かつ比較的高密度のかかるものであるが、これは作業の
それぞれが独立した性格のものであるからである。

多くの特許が回路板上のはんだの平準化と、過剰なはん
だの除去に関する従来技術を例示している。米国特許第
４０８３３２３号は対向したガス・ナイフを使って、プ
リント回路板を溶融はんだ浴から取り出すときに、過剰
な溶融はんだを回路板から除去することを開示している
。米国特許第４１０１−０６６号によれば、回路板が所
定の経路に沿って前進させられるので、回路板は迅速に
、対向する方向に流れる一対のはんだの波に係合する。

この一対の波は、端子と経路の導体との間の交差または
ブリッジを減少させる手段である。構成部材を回路板に
はんだ付けするときに生じる、はんだおよび樹脂の残留
物を回路板から除去する、剛毛を設けたクリーニング・
バンドの形態の機械的手段が、米国特許第４．３５４２
９２号に開示されている。米国特許第４４０１２５　’
３号、第４４０２４４８号、第４４１０１２６号および
第４４６９７１６号によれば、溶融はんだを回路板に付
着させたのち直ちに、流体を回路板に流し、はんだが短
絡、アイシクルまたはブリッジの形で固化する前に、過
剰なはんだを除去する。米国特許第４４６３８９１号に
よれば、以前に付着させたはんだがまだ溶融しているあ
いだに、高温のオイルを回路板に塗布すると、はんだが
アイシクルやブリッジなどを形成する問題が軽減される
。さらに他の手段、すなわち回路板を保持しているフレ
ームを急速に減速し、衝撃を与え、これによって過剰な
はんだを取り除くという手段が、米国特許第４５０１７
７０８によって提示されている。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上述のように、これらの手段の多くは、
複雑な機構を必要とし、これに伴ってコストが高くなっ
たり、大量生産に簡単に移せなかったり、あるいは高品
質の最終製品を得るために必要な、はんだの平準化およ
び残留物の除去をきわめて効果的に行なえなかったりす
るものである。

Ｄ１問題点を解決するための手段 従来の技術および現在存在している問題に関する知識か
ら、本発明はなされたものである。簡単にいえば、本発
明の目的は、プリント回路板およびその他の回路を設け
た材料においてはんだを平準化する改良された方法を提
供することである。

この改良された方法によれば、フラックスがまず、はん
だ付けの行なわれる基板の表面に塗布される。

次いで、溶融はんだがフラックスを塗布した面に付着さ
せられ、その後、はんだ付けされた基板は約１５０℃未
満の温度まで冷却されるので、基板−７＝ 上のはんだは固体状態に戻ることになる。次いで、基板
の以前にはんだ付けされた表面に、溶融はんだをもう一
度付着させる。この最後の工程は、埋込ピンおよび基板
に形成された通路の同一面の充填部の上に形成されたは
んだボールの除去を含めた、基板に最初に付着させたは
んだの平準化をもたらすものである。基板の表面状態、
フラックスおよびはんだの成分、基板が薄膜タイプであ
るか、あるいは厚膜タイプであるかということ、もしく
は浸漬はんだ付は法を使うのか、あるいはウェーブ・ソ
ルダリング法を使うのかということに配慮せずに、この
方法を実施することができる。本発明はこの方法を使っ
て得られる最終製品も対象とするものである。

本発明の方法は、周知の手順を簡素化し、廉価に実施す
ることができ、しかも大幅に改良された最終製品をもた
らすものである。

本発明のその他の特徴、目的、および利点は、添付図面
に関連して行なわれる以下の説明より明らかとなろう。

上記した一般的な説明および以下の詳細な説明が両方と
も、例示および説明のためのものであって、本発明を限
定するものではないことを理解されたい。本発明に組み
込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明の幾つ
かの実施例を示すものであって、以下の説明とともに、
一般的な形態で本発明の詳細な説明するものである。開
示全体にわたって、同じ参照番号は同じ部品を現わすも
のである。

Ｅ、実施例 本発明は、基板中の埋込ピン上のはんだの高さを制御す
る方法を開発しようと努力した結果、完成したものであ
る。第１図において、典型的なものは銅製であるか、あ
るいは少なくとも銅でコーティングされている取付ピン
２０が、セラミックなどの誘電体またはガラス／ポリマ
・ベースの組成物である基板２２に取り付けられている
。典型的な態様においては、取付ピン２０は頭部２４を
有しており、この頭部は基板の上面２８に形成された凹
所２６に受は入れられている。この産業界で慣習的に使
われている仕様の要件を満たすため、頭部２４の高さは
上面２８と同一面になるものから、上面２８よりも約０
．１０＋＋ｍ　（０，００４インチ）下になるものまで
となっている。この公差の範囲は第１図の参照番号３０
で示されている。この同じ仕様によれば、はんだ３２を
基板２２に付着させて、頭部２４に重なり、かつ隠蔽す
るようにしたのち、はんだの高さは上面２８より約０゜
０２５ｍｍ　（０，００１インチ）以上高いものであっ
てはならない。

第１図において、はんだの最大の高さを表す上面２８上
の増加量は、参照番号３６で示されている。これまで、
これらの公差は、はんだがまだ溶融状態にあるうちに、
はんだをブラシ研摩するか、あるいは研削することによ
って維持されていた。

しかしながら、これらの技法は両方とも、欠点を有して
おり、これらの欠点は本発明によって排除される。金属
被膜３８が凹所２６に隣接した領域に総括的に示されて
いるが、説明を簡単にするため、基板２２はその上面２
８にコーティングを有さないものとして示されているこ
とを、理解されたい。実際の場合には、上面は以下で説
明するように、コーティングされている。

本発明によれば、フラックス剤が最初に、基板２２のは
んだ付けが行なわれる表面に塗布される。

基本的には、フラックスははんだ付けが施される材料の
表面から汚れを取り去る物質であるから、濡れを生じさ
せることができる。フラックス剤は化合または還元のい
ずれかによって、銅の表面の汚染物層を破壊し、除去す
る。フラックス剤ははんだ付は中の金属表面の保護も行
なう。適するフラックスの例としては、アルファ・メタ
ル（Ａｌｐｈａ　Ｍｅｔａｌｓ）がフラックス・タイプ
・アルファ１００　（Ｆ］、ｕｘ　Ｔｙｐｅ　Ａｌｐｈ
ａ　１００）という名称で製造しているものがあるが、
その他のさまざまなタイプやメーカーのものを利用する
ことができる。

フラックス剤は制御された方法で塗布されるものであっ
て、基板２２の上面２８全体が確実に濡れるように、泡
の形で、あるいはブラシを用いて塗布される。第１図に
、説明のため略示したように、基板のフラックスが塗布
される領域は、取付ピン２０の頭部２４に重なるところ
だけである。

第２図は基板２２を溶融はんだ浴４０から、矢印４２の
方向へ取り出すところを゛示すものである。

もちろん、ここで理解しておかなければならなし）のは
、基板２２へ溶融はんだを付着させるのに、ウェーブ・
ソルダリングなどの他の技法を使用できるということで
ある。しかしながら、用いられる特定のはんだの付着方
法にかかわりなく、最終的な結果は同じものである。

いずれにせよ、第２図において、基板２２を溶融はんだ
浴４０から取り出す場合、はんだボール４４が頭部２４
の上に形成される。溶融はんだ浴４０の表面を画定する
メニスカス４６は、はんだ浴の表面に生じる負の表面張
力のため、第２図に示した凸状をなす。これは基板をは
んだ浴に浸漬したときに、重合化フラックス剤を含むフ
ラックスの残留分がはんだ浴の表面に上ってきた際に生
じる、周知の現象の結果である。基板２２を溶融゛はん
だ浴４０から取り出したとき、フラックスが上面２８上
に残留しないことが、望ましい。

１２一 基板２２を溶融はんだ浴４０から取り出したのち、はん
だボール４４で示されるような、基板上にコーティング
されたはんだは、空気中で冷却させられ、１４９℃（３
００°Ｆ）より若干低い温度で、空気中で固化する。

はんだボール４４の同化後、基板２２は再度溶融はんだ
浴４０に浸漬され、次いではんだ浴から、はぼ矢印４２
の方向へ取り出される。浸漬処理を行なうためには、基
板２２を取り出すときに、基板２２がはんだの表面に対
し、垂直±２０°の範囲内′にあることが好ましい。さ
らに、取出し速度が重要であって、秒速１．２７１１１
Ｉ＋（０，０５インチ）ないし５．０８ｍｎ（０，２０
インチ）の範囲内であることが好ましい。また、基板２
２を溶融はんだ浴４０から取り出す際に、公知の態様で
基板２２を運動させ、異物の粒子、ならびに短絡、アイ
シクル、またはブリッジの形態で固化したはんだを除去
することも、望ましい。

第３図において、再浸漬工程前にフラックスの残留物お
よび重合化フラックス剤が除去されていることか好まし
いため、基板２２を溶融はんだ浴４０から取り出すとき
に、溶融はんだ浴４ｏ内の溶融または液状はんだのメニ
スカス４６が、正の表面張力に戻ったことを示す凹状と
なっていることが、理解されよう。いずれにせよ、基板
２２を溶融はんだ浴４０から取り出すとき、この変化し
た表面張力が上面２８を「拭い」、上面２８とほぼ同一
平面の形で、取付ピン２ｏの頭部２４上にはんだ３２を
残すことに役立つ。これを理論化すると、この効果は最
初のはんだ付着の工程で、フラックス剤の最初のコーテ
ィングが重合される結果であるということである。

さまざまなはんだの成分を、本発明の方法に用いること
ができるが、溶融はんだ浴４０の温度範囲は使用される
特定な成分によって変化する。以下の表１は、最初の浸
漬工程に利用される、さまざまなはんだの成分に好まし
い温度の範囲を示したものである。

スー」− はんだの成分　　　　浴の温度範囲 すず／鉛 １０／９０　　　　３２４℃−３３６℃５／９５　　　
　３２５℃−３５５℃ ３７９７　　　　３３０℃−３６０”Ｃ本発明が上記の
特定のはんだの成分に限定されるものでないことにも、
留意されたい。これらの成分、は、用いることのできる
成分の幾つかを示したにすぎないものである。さらに、
本発明の方法は埋込孔にのみ金属被膜があるというもの
から、第４図に示したプリント回路板すなわちセラミッ
ク基板５０に典型的に示されるような全体的な金属被膜
まで、種々さまざまな表面状態の基板に適用できるもの
である。回路板すなわちセラミック基板５０は構造材５
２、それぞれクロムおよび銅の層５４および５６からな
っており、これらの層は材料の上面５８に付着させられ
たものである。

−１５＝ 構造材５２の上面５８の凹所６６および６８にそれぞれ
が受は入れられた、それぞれ頭部６２および６４を有す
る一対のピン５９および６０も、第４図に示されている
。

公知の態様で、クロム条片７０が凹所６６および６８に
隣接したクロム層５４および銅層５６に重なっている。

凹所６６および６８に配置されたけんだ７２により、ピ
ン５９と６０の間に電気的な連続性が確保される。各凹
所を充填するはんだ７２のほぼ平坦な外面は、本発明の
動機となったものによって得られた結果を示すものであ
る。

本発明が特定の表面状態を有する基板に限定されるもの
でないことも、理解されよう。たとえば、基板の外面は
粗くても、滑かでもかまわず、また規則的なものでも、
不規則なものでもかまわない。

さらに、本発明を回路板にデバイス結合パッドを取り付
ける場合の、はんだの高さの変動を少なくするために使
うことができ、またウェーブ・ソルダリング中のはんだ
のブリッジおよびリード線過剰の問題を排除する助けに
もなる。さらに、本発明によって、通路の充填を行ない
、かつ通路の高さを基板の外面の水準あるいはその他希
望する水準にそろえることが可能となる。もちろん、本
発明を基板のはんだ表面のあらゆる場所のはんだの平準
化に適用することもできる。

Ｆ０発明の効果 本発明により、複雑な機構を必要とせず、コストが安く
できて、しかも大量生産に簡単に移せるはんだのレベリ
ング方法が提供され、高品質のはんだ付着回路基板を簡
単に製造できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、上面に埋め込まれ、はんだ付けされた取付ピ
ンを有する回路基板の一部の断面図である。 第２図は、第１図の回路基板を最初にはんだ浴に浸漬し
て取り出したところを示す断面図である。 第３図は、回路基板を２回目のはんだ浴の浸漬から、取
り出したところを示す、第２図と同様な断面図である。 第４図は、上面に金属被膜と一対の埋込取付ピンを有し
ており、本発明を実施している回路基板の一部の断面図
である。 ２２・・・・基板、２８・・・・上面、３２・・・・は
んだ。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　岡　　１）　次　　生（外１名） 寸

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　基板の外面にフラックスを塗り、 基板のフラックスを塗った外面に溶融はんだを付着させ
   、 フラックスを塗りはんだを付着させた基板を、約１５０
   ℃未満の温度まで空気中で冷却し、基板の以前にはんだ
   を付着させた表面に溶融はんだを再度付着させることに
   よって、この表面上に形成された過剰に厚い付着物を除
   去して基板の表面に一様な厚さのはんだ層を生成する、 ことを含む基板におけるはんだの平準化方法。