JP2006114678A - プリント基板 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリーはんだのように融点の高いはんだを用いて製造されるプリント基板においても、はんだ付けに要する加工時間を短くして熱劣化により基板１および電子部品１０の双方に品質低下するのを防止する。
【解決手段】厚み方向に貫通する貫通孔３を備えた基板１に、電子部品１０をそのリード線１１を貫通孔３に挿入してはんだ２０により固定してなるプリント基板Ａにおいて、前記リード線１１に断面積が小さくされた部位（切り欠き部）１２を形成して、それ下位の領域１３の見かけ上の熱容量を小さくする。それにより、はんだ付け部は迅速に温度上昇し、所要のはんだ付け処理を短時間で終えることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板に形成された貫通孔に電子部品のリード線を挿入し、該リード線をはんだにより基板に固定して形成されるプリント基板に関する。

従来、この種のプリント基板Ａの製造には、図７に示すように、一面に導体回路２をプリントした樹脂製の基板１が用いられる。基板１には厚み方向に貫通する貫通孔３が形成され、貫通孔３には導体回路２に電気的に接続する導体層４が取り付けられる。製造に際し、適宜の電子部品のリード線１１が前記貫通孔３に挿入され、リード線１１と導体層４との間に鉛−すず共晶合金はんだ５を流し込んで両者を電気的に接続した状態で固定し、プリント基板Ａとされる。はんだ付けには、融点よりも３０℃〜８０℃ぐらい高めに設定されたはんだ浴に、貫通孔３内にリード線１１を挿入した基板１の裏面側を触れさせる、いわゆるフロー方式が通常採用される。図７において、６は耐熱絶縁性膜である。

はんだとして鉛−スズ共晶合金はんだを用いる場合には、その融点は１８３℃であり、リード線１１および導体層４をはんだの融点よりも４０℃〜５０℃高い温度である最適接合温度にまで上昇させるのに、長い時間を要しないので、基板および電子部品本体に過熱による熱損傷が生じるようなことはない。

近年、環境と健康への配慮から、鉛の使用規制が強く求められており、それに答えるべく、はんだ付けにおいても、鉛を成分として持たない鉛フリーはんだ（無鉛はんだ）が用いられるようになりつつある。鉛フリーはんだとして、すず−銀−銅の合金、これにビスマスを添加したもの等が実用に供されているが、いずれも従来の鉛−スズ共晶合金と比べて融点が高く（２３０℃程度以上のものが多い）、また濡れ性も低い。そのために、鉛フリーはんだを用いる場合には、はんだ付け時に、基板および電子部品のはんだ付け部に充分な熱供給を行うことが必要となるが、これに伴って基板のはんだ付け部周辺や電子部品本体が過熱して熱損傷が生じることが懸念される。

特許文献１には鉛フリーはんだを用いて作られるプリント基板として、導体回路の表面を覆う耐熱絶縁性膜により導体層の外周部を覆うようにしたものが記載されている。それにより、はんだとして融点が２００℃以上であるはんだ（例えば鉛フリーはんだ）を用いても、基板から導体層が剥離するのを効果的に抑制することができ、プリント基板の品質低下を阻止できるとしている。

特開２００２−２３７６７５号公報

特許文献１は、高融点である鉛フリーはんだを用いてプリント基板を作る場合の一つの有効な手段を開示している。しかし、加工に要する時間は、耐熱絶縁性膜により導体層の外周部を覆うという手段を用いない場合と同様であり、前記のように従来の鉛−スズ共晶合金の場合と比べて長い加工時間を必要とする。そのために、はんだ付け時に、はんだ付け部近傍の基板が熱により劣化する、樹脂の融解によりマイグレーションを誘発する、さらには電子部品本体にまで熱が伝わり部品本体の熱劣化が生じる、等の懸念を解消することはできていない。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、鉛フリーはんだのように融点の高いはんだを用いて製造されるプリント基板において、はんだ付けに要する加工時間を短くして熱劣化により基板および電子部品の双方が品質低下するのを防止したプリント基板を提供することを目的とする。

本発明によるプリント基板は、厚み方向に貫通する貫通孔を備えた基板に、電子部品をそのリード線を前記貫通孔に挿入してはんだにより固定してなるプリント基板であって、前記リート線はその一部に断面積が小さくされた部位を有していることを特徴とする。好ましくは、前記リード線の断面積が小さくされた部位は、はんだ付け部より上方に位置するようにされる。用いるはんだは、従来の鉛−スズ共晶合金はんだであってもよいが、融点がそれよりも高い鉛フリーはんだである場合に、本発明は特に効果的となる。

本発明によれば、基板に固定される電子部品は、そのリード線の一部に断面積が小さくされた部位を有しており、その部分での熱抵抗は他の部分よりも大きくなるので、断面積が小さくされた部位よりも下位部分の見かけ上の熱容量を低下させることができる。それにより、基板に形成した貫通孔内に電子部品のリード線を挿入してはんだ付けを行うときに、断面積が小さくされた部位よりも下位であるはんだ付け部の温度が上昇し易くなり、その部位が溶融したはんだから受熱して最適接合温度まで上昇する時間は短縮する。結果として、断面積が小さくされた部位を設けないではんだ付け処理を行う場合と比較して、加工時間を短縮することができ、はんだ付け周辺の基板が熱により劣化するのを抑制できる。また、加工時間の短縮化に加えて、リード線が一部に熱抵抗の大きくなった部分を有することから、電子部品本体への熱伝導も抑制され、本体部品の熱破損も抑制される。そのために、用いるはんだが融点の高い鉛フリーはんだ（例えば、すず−銀−銅の合金等）であっても、製造されるプリント基板は品質が高くかつ一定品質のものとなる。

プリント基板に固定する電子部品がコネクタの場合、異なった長さの複数本のリード線を持つのが普通であり、長さの違いによりそれぞれ熱容量が異なるため、従来のはんだ付け方法ではリード線毎のはんだ付け状態を均一にすることが困難であったが、長さの違うリード線であっても、それぞれのリード線に本発明による「断面積が小さくされた部位」を設けることにより、それ以下のリード線での見かけ上の熱容量を揃えることができ、結果として、すべてのリード線のはんだ付け状態を均質なものとすることが可能となる。

また、プリント基板に固定する電子部品がコネクタの場合、ハーネス勘合時等に発生する応力をリード線を長くすることにより緩和していたが、それぞれのリード線に本発明による「断面積が小さくされた部位」を設ける場合、その部位の変形で応力緩和を図ることができるので、電子部品全体の小型化を図ることも可能となる。

本発明によれば、環境負荷の小さい鉛フリーはんだを用いながら、熱劣化による基板および電子部品双方の品質低下を防止した品質の高いプリント基板を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施の形態に基づき説明する。添付の図において、図１ａは本発明によるプリント基板を製造する途中の状態を示す要部の断面図であり、図１ｂは従来法でプリント基板を製造する際の図１ａに相当する図である。図２は図１ａに示すプリント基板をフロー方式ではんだ付けする場合を模式的に示している。図３は本発明によるプリント基板の要部を示す断面図である。

図１ａ、図１ｂにおいて、１は樹脂製の基板であり、その一面には適宜の導体回路（不図示）がプリントされている。基板１には厚み方向に貫通する貫通孔３が必要箇所に必要個数設けてあり、貫通孔３の内周面には銅層等である導体層４が形成され、その一部は表裏面に延出して導体回路に電気的に接続している。なお、この構成は従来のプリント基板と同様のものである。１０は適宜の電子部品であり、そのリード線１１が基板１に形成した貫通孔３内に挿入した姿勢とされて、はんだ付けに付される。本発明による場合には、図１ａに示すように、リード線１１はその一部を切り欠くことにより断面積を小さくされた部位（以下、「切り欠き部」という）１２を有しており、切り欠き部１２が基板１の表面よりわずか上位に位置するようにして、電子部品１０の位置決めがなされる。

電子部品１０を必要箇所に位置決めした基板１の下面側を、図２に示すように、溶融したはんだ２０の表面に触れさせる。それにより、溶融したはんだ２０は、自己のぬれ性により貫通孔３とリード線１１との隙間１５に入り込む。そして、そこで固化することによって、リード線１１と導体層４とを電気的に接続した状態で、電子部品１０を基板１に固定的に取り付け、プリント基板Ａとされる。その状態が図３に示される。

本発明のプリント基板Ａにおいて、取り付ける電子部品１０のリード線１１は断面積が小さくされた切り欠き部１２を有しており、その部分の熱抵抗は、それよりも下位の部分１３（図１ａ、図２参照）よりも大きい。そのために、前記下位部分１３の見かけ上の熱容量は小さくなっており、隙間１５に入り込んだ溶融はんだの持つ熱により、短い時間で下位部分１３は最適接合温度まで昇温する。また、貫通孔３の内周面に形成される導体層４の昇温も同様に短時間で進行する。すなわち、はんだ付け部のみを速やかに加熱することが可能となり、はんだ付けに要する加工時間を、図１ｂに示すように、このような断面積が小さくされた部位を持たないリード線をはんだ付けする場合よりも、短縮できる。そのために、用いるはんだが融点が高くぬれ性も良好でない鉛フリーはんだであっても、電子部品１０に熱損傷を与えることなく、また、基板１に熱劣化を生じさせることなく、良好なプリント基板を作り出すことができる。

図４は、はんだ付けを行うときに、図３に示すようにはんだ付け部２０ａの上面に熱電対２１を置き、他の条件は同じとして、リード線１１に切り欠き部１２を設けた場合（図１ａのもの）と、設けない場合（図１ｂのもの）の、はんだ付け部２０ａ上面での上昇温度を、実際に経時的に測定した実験結果の一例をグラフで示している。図示されるように、切り欠き有りの方が高い温度上昇率を示しており、本発明の有効性が示される。

図５は３本のリード線１１ａ，１１ｂ，１１ｃを持つコネクタ１０ａ（電子部品）を基板１にはんだ付け２０ａした状態を示している。この例において、３本のリード線の長さは異なっており、リード線１１ａが最も長く、リード線１１ｃが最も短い。そのために、各リード線の熱容量が異なり、すべてのリード線のはんだ付けを同時に行うための条件は狭い（同時に均一なはんだ付けを得るのは困難）が、各リード線のａの箇所に切り欠き部１２を形成しておくことにより、それ以下の領域（図１ａ，図２に１３で示す領域）の見かけ上の熱容量を揃えることができるため、均一なはんだ付けを得る条件を広いものとすることができる。

また、ハーネス３０をコネクタ１０ａに勘合するとき、あるいはハーネス３０の勘合を解くときに、矢印方向の応力が発生するが、従来、その応力を緩和するために、図示のように長いリード線１１ａ，１１ｂ，１１ｃを設けて、そこで緩和し、はんだ付け部２０ａへ影響が及ぶのを防いでいたが、各リード線に切り欠き部１２を設けることにより、その切り欠き部１２の変形で応力緩和を図ることができ、電子部品１０ａ全体の小型化を図ることも可能となる。

なお、図３では、リード線の断面積が小さくされた部位（切り欠き部１２）は、はんだ付け部２０ａより上方に位置するように図示しているが、切り欠き部１２の一部がはんだ付け部２０ａ内に埋入する状態ではんだ付けが行われても、本発明の所期の目的は十分に達成可能である。

さらに、上記の説明では、リード線１１に形成する断面積が小さくされた部位を切り欠き部１２としたが、図６ａに示すように、リード線１１の一部を凹陥部１２ａとする、図６ｂに示すようにリード線１１の一部を縮径部１２ｂとする等、断面積を小さくして熱伝導を抑制できる形状であれば、任意の形状であってよい。図６ａの変形例として、凹陥部１２ａに代えて貫通孔としてもよい。

図１ａは本発明によるプリント基板を製造する途中の状態を示す要部の断面図、図１ｂは従来法でプリント基板を製造する際の図１ａに相当する図。 図１ａに示すプリント基板をフロー方式ではんだ付けする態様を模式的に示す図。 本発明によるプリント基板の要部を示す断面図。 本発明による場合と従来法による場合での、はんだ付け部の上昇温度と時間との関係を示すグラフ。 電子部品がコネクタである場合のプリント基板の要部を示す断面図。 本発明においてリード線に形成される断面積が小さくされた部位の他の例を説明する２つの図。 従来法によるプリント基板の要部を説明するための図。

符号の説明

Ａ…プリント基板、１…基板、２…導体回路、３…貫通孔、４…導体層、１０、１０ａ…電子部品、１１、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…リード線、１２、１２ａ，１２ｂ…断面積を小さくされた部位（切り欠き部）、１３…リード線の切り欠き部よりも下位の部分、１５…貫通孔とリード線との隙間、２０…溶融したはんだ、２０ａ…はんだ付け部、３０…ハーネス

Claims (3)

1. 厚み方向に貫通する貫通孔を備えた基板に、電子部品をそのリード線を前記貫通孔に挿入してはんだにより固定してなるプリント基板であって、前記リート線はその一部に断面積が小さくされた部位を有していることを特徴とするプリント基板。
2. 前記リード線の断面積が小さくされた部位は、はんだ付け部より上方に位置していることを特徴とする請求項１に記載のプリント基板。
3. 前記はんだは鉛フリーはんだであることを特徴とする請求項１または２に記載のプリント基板。

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