JP2008021840A - 回路基板および回路基板の実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率が良く，良好なはんだ上がり特性が得られる回路基板および回路基板の実装方法を提供すること。
【解決手段】回路基板１００は，複数のリード２１を有する電子部品２０と，電子部品２０を搭載するプリント基板１０とを備えている。プリント基板１０は，回路パターン１１と，回路パターン１１の層間に位置する層間絶縁層１２と，プリント基板１０を貫通するスルーホール１３と，プリント基板１０を貫通するとともにスルーホール１３を取り囲む金属リング１５とを有している。回路基板１００は，はんだ付けを行う前の予熱処理の際に，誘導加熱コイル４１に高周波バイアスを印加し，金属リング１５を電磁誘導発熱させる。これにより，金属リング１５を熱源としてスルーホール１３が加熱される。
【選択図】 図６

Description

本発明は，電子部品が載置された回路基板および回路基板の実装方法に関する。さらに詳細には，基板のスルーホールに電子部品のリードを挿入し，はんだ付けを行ってリードを接合する回路基板および回路基板の実装方法に関するものである。

従来から，電子部品のリードを回路基板のスルーホールに溶融はんだの噴流を利用してはんだ付けするフローはんだ付け方法が知られている。フローはんだ付け方法では，基板のはんだ付け面にフラックスを塗布し，濡れ性を確保する。その後，はんだ付け時のはんだ上がり特性を確保するため，回路基板の予備加熱（予熱）を行う。その後，溶融したはんだを回路基板の非実装面に噴きつけ，スルーホール内にはんだを供給する。

前述したように，フローはんだ付けにおいては，溶融はんだを噴きつける前に予熱を行う。すなわち，はんだ付け作業時に溶融はんだが常温のスルーホール，リード，ピン等に触れると，溶融はんだの温度が下がり，はんだの流動性が低下してはんだ付け不良となる。そのため，はんだ付け前には回路基板の予熱が必要となる。回路基板を予備加熱する技術としては，熱風による加熱，ハロゲンヒータ等を利用した遠赤外線による加熱，あるいはそれらの組み合わせがある。

また，フローはんだ付けにおけるはんだ上がり特性に着目した技術としては，たとえば特許文献１や特許文献２に開示された回路基板がある。これらの回路基板では，リードが挿入されるスルーホールの周辺に，熱伝導用のピン（特許文献１）やバイアホール（特許文献２）を設けることで，はんだ上がり特性が向上するとしている。
特開平７−１７００６１号公報 特開２００４−２７３９９０号公報

しかしながら，前記した従来の技術には，次のような問題があった。すなわち，熱風等による間接的な加熱では，エネルギー効率が悪い（効率が１０％以下）。また，間接的な加熱であるため，スルーホール内のパターンが温度上昇するまでに時間がかかる。また，基板全体を加熱するため，スルーホールを局所的に加熱することは困難であり，スルーホール以外の周辺部分についても温度が上昇する。そのため，電子部品の耐熱性を考慮する必要がある。

また，熱風は基板の非実装面にのみ向けられる。そのため，スルーホールのうち，熱風を直接受ける面については温度が上昇するが，熱風を直接受けない面については温度が上がり難い。すなわち，基板の厚さ方向に温度のばらつきがある。

また，フラックスの活性化温度が１２０℃〜１３０℃の範囲内にあるため，回路基板を無闇に予熱することは好ましくない。一方，近年，共晶はんだよりも融点が高い鉛フリーはんだを使用することが要請されている。そのため，フラックスの活性化温度の上限付近まで予熱することが望まれる。つまり，予熱温度の許容範囲は狭くなる傾向にあり，基板の厚さ方向に温度のばらつきは大きな問題となる。

また，特許文献１や特許文献２に開示された技術では，リードが挿入されるスルーホールから離れた位置に熱伝導用のピンやバイアホールを設けるためのスペースが必要となる。そのため，基板のコンパクト化の妨げとなる。また，これらの特許文献には，予備加熱の加熱方法についての言及がない。また，これらの技術も間接的な加熱であることには変わりなく，エネルギー効率が良いとは言えない。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，エネルギー効率が良く，良好なはんだ上がり特性が得られる回路基板および回路基板の実装方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた回路基板は，少なくとも両表面に回路パターンが形成された配線基板と，当該配線基板を貫通するスルーホールとを備えた回路基板であって，配線基板を貫通するとともにスルーホールを取り囲み，高周波の電磁場によって電磁誘導発熱するリング状の金属発熱体を備え，スルーホールの内壁の導体膜は，金属発熱体と接していることを特徴としている。

また，本発明の回路基板の実装方法は，少なくとも両表面に回路パターンが形成された配線基板と，当該配線基板に実装される電子部品と，当該配線基板を貫通し電子部品のリードが挿入されるスルーホールとを備える回路基板の実装方法であって，配線基板を貫通し，高周波の電磁場によって電磁誘導発熱するリング状の金属発熱体を，配線板に組み込む発熱体組込ステップと，金属発熱体のリング部の内壁に導体膜を形成し，金属発熱体のリング部の内側にスルーホールを形成するスルーホール形成ステップと，高周波の電磁場を形成して金属発熱体を発熱させ，スルーホールを加熱する予熱ステップと，配線基板を予熱した後に，配線基板に溶融はんだを供給するはんだ付けステップとを含むことを特徴としている。

本発明の回路基板は，電子部品のリードが挿入されるスルーホールの周辺に，高周波の電磁場によって電磁誘導発熱するリング状の金属発熱体を組み込んでいる。この金属発熱体は，回路基板への組込後に形成されるスルーホールの回路パターン部分と接している。そして，この回路基板を予熱する際には，回路基板の金属発熱体を高周波の電磁場によって電磁誘導発熱させる。

金属リング１５には，高比抵抗（×１０^-8Ω・ｍ以上）のものを使用する。例えば，ニッケル，鉄，ＳＵＳが適用可能である。また，金属発熱体を誘導加熱する周波数は，金属発熱体の材料，厚さ，予熱温度等によって最適値は異なるが，概ね数十ｋＨｚ以上であれば適用可能である。

この予熱処理では，スルーホールを取り囲む金属発熱体が電磁誘導によって加熱され，金属発熱体と接するスルーホールの導体膜が伝熱加熱される。つまり，電磁誘導発熱体の周辺のみが加熱され，それ以外の部分は加熱されない。また，金属発熱体からスルーホールの導体膜（回路パターン）への直接的な伝熱であるため，エネルギーロスが少ない。そのため，局所的な加熱が可能であり，エネルギー効率が良い。

また，熱風等の一方向からの伝熱と異なり，配線基板を貫通する金属発熱体が基板の厚さ方向に均等に発熱する。そのため，スルーホール全体が均等に加熱される。よって，基板の厚さ方向に温度のばらつきがなく，予熱後のはんだ付けの際に良好なはんだ上がり特性が得られる。

また，金属発熱体は，その熱容量が小さくかつ回路パターンにより断熱保持されている。そのため，スルーホールの表面は所望の温度に迅速に達する。従って，短時間で予熱を完了することができる。また，金属発熱体は，スルーホールの内壁の導体膜と接しており，その外径はスルーホールの径よりも僅かに大きい程度である。そのため，基板のコンパクト化の妨げとならない。

本発明によれば，スルーホールを直接的に加熱することができ，さらにスルーホールを基板厚さ方向に均等に予熱することができる。よって，エネルギー効率が良く，良好なはんだ上がり特性が得られる回路基板および回路基板の実装方法が実現されている。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，以下の形態では，リードをスルーホール内に挿入する電子部品を実装した回路基板に本発明を適用する。

本形態の回路基板１００は，リードをスルーホール内に挿入する電子部品を備え，その電子部品をリフローはんだ付けによってプリント基板に実装したものである。図１は，はんだ付け前の回路基板１００の概略断面を示している。図２は，回路基板１００のはんだ付け後の概略断面を示している。また，図３は，図２に示した回路基板１００のＡ−Ａ断面の状態を示している。

回路基板１００は，複数のリード２１を有する電子部品２０と，電子部品２０を搭載するプリント基板１０とを備えている。プリント基板１０は，複数層で構成された回路パターン１１と，回路パターン１１の層間に位置する層間絶縁層１２と，プリント基板１０を貫通して少なくとも両表面の回路パターン１１を電気的に接続するスルーホール１３と，スルーホール１３の開口部の周囲に位置するランド１４と，プリント基板１０を貫通するとともにスルーホール１３を取り囲むリング状の金属リング１５と，最表面の回路パターン１１を保護するソルダレジスト１６とを有している。

層間絶縁層１２は，ガラスエポキシ樹脂や熱可塑性樹脂等によって形成される。回路パターン１１は，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等の低抵抗金属箔膜をエッチング等によってパターン化したものである。本形態のプリント基板１０は，図１に示したように，回路パターン１１と層間絶縁層１２とが基板厚さ方向（図１中の上下方向）に交互に積層され，４層のパターン層を備えた構造を有している。また，本形態のプリント基板１０は，回路パターン１１をＣｕ箔とし，層間絶縁層１２をガラスエポキシ樹脂とする。なお，本形態は，プリント基板１０を何ら限定するものではない。例えば，プリント基板１０の層数は，両表面にのみ回路パターンが形成された２層の構成であってもよい。また，層間絶縁層，回路パターンを構成する材料は，一般的にプリント基板の材料として利用されるものであればよい。

回路基板１００の実装過程では，プリント基板１０のスルーホール１３内に電子部品２０のリード２１を挿入し，リフローはんだ付けを行う。回路基板１００の実装方法の詳細は後述する。はんだ付けを行うことにより，図３に示すように，はんだ３０を介してリード２１と回路パターン１１とが接合され，電子部品２０がプリント基板１０に実装された回路基板１００となる。

はんだを構成する材料としては，一般的に回路基板に利用されるはんだ材料であれば適用可能である。例えば，＊Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ＊からなる鉛フリーはんだや，＊Ｓｎ−３７Ｐｂ＊からなる共晶はんだを利用することができる。

また，金属リング１５は，後述する電磁誘導予熱装置による励磁によりジュール熱を発生させる発熱体であり，厚さが１．５ｍｍのニッケル電鋳リングである。なお，金属リング１５には，例えば磁性ステンレスのような磁性金属といった，高透磁率であり，高比抵抗のものを使用してもよい。また，樹脂に発熱粒子を混入したものを使用してもよい。金属リング１５は，例えば圧入によって組み込まれる。

続いて，回路基板１００の製造方法について説明する。なお，図４（ａ）に示すように，あらかじめ基板の４層の導体層１１が形成された状態のプリント基板１０を用意し，そのプリント基板１０には金属リング１５を組み込むための挿入口１５１が設けられている。導体層１１のうち，内側に埋め込まれた２層はパターニングされており，両表面に位置する層はパターニングされていない。

まず，金属リング１５を用意し，図４（ｂ）に示すように，その金属リング１５をプリント基板１０の所定の位置に圧入する。金属リング１５は，その高さがプリント基板１０の厚さと略同一であり，プリント基板１０への圧入によってプリント基板１０を貫通する。そして，金属リング１５の孔部１５２がプリント基板１０に対する貫通孔となる。

次に，図４（ｃ）に示すように，Ｃｕめっきによりプリント基板１０の両表面上にＣｕ膜を形成する。プリント基板１０の両表面上のＣｕ膜は，あらかじめ存在する導体層１１と一体となって導体層１１を形成する。このＣｕめっきにより，金属リング１５の孔部１５２の内壁にもＣｕ膜１１０が形成される。これにより，両表面上の導体層１１を電気的に接続するスルーホール１３が形成される。そして，両表面の導体層１１をパターニングすることにより，プリント基板１０の両表面に回路パターン１１が形成される。これにより，プリント基板１０は，４層の回路パターン１１が形成された状態となる。その後，プリント基板１０の両表面にソルダレジスト１６を形成する。

次に，プリント基板１０のリフロー面（非実装面，図４中の下側の面）にフラックスを吹き付ける。その後，図４（ｄ）に示すように，電子部品のリード２１をスルーホール１３に挿入する。

次に，図４（ｅ）に示すように，回路基板１００を電磁誘導予熱装置に投入してスルーホール１３周辺を加熱する。電磁誘導予熱装置４０は，図５に示すように，誘導加熱コイル４１と，高周波電源４２とを備えている。誘導加熱コイル４１は，高周波電源４２に接続され，数十ｋＨｚ程度の交流バイアスが印加される。

本形態の予熱工程では，交流バイアスによって誘導された磁束が回路基板１００の金属リング１５を貫く。そして，金属リング１５に渦電流が流れることにより，金属リング１５自体がジュール発熱する。そのため，金属リング１５が熱源となって，スルーホール１３周辺を加熱する。

なお，回路パターン１１は，低比抵抗のＣｕで構成されており，殆どジュール発熱しない。つまり，回路パターン１１は，図６に示すように，金属リング１５から伝熱加熱される（図６中の矢印は熱の流れを示している）。また，回路パターン１１は，層間絶縁層１２と比較して熱伝導率が大きい。そのため，金属リング１５の周辺の回路パターン１１（スルーホール１３の内壁のＣｕ膜を含む）が加熱され，その他の部位は加熱されない。従って，本形態の予熱工程は，スルーホール１３の周辺のみの局所的な加熱となる。

また，金属リング１５は，その熱容量が小さくかつ回路パターン１１および層間絶縁層１２により断熱保持されている。そのため，所望の温度（本形態では１５０℃程度）に迅速に達する。よって，短時間で加熱を終えることができる。

また，金属リング１５は，基板厚さ方向に均一の厚さのリング状をなしている。そのため，基板厚さ方向に均一に発熱する。よって，スルーホール１３は，基板厚さ方向に均一に加熱される。

次に，回路基板１００をフローはんだ槽に搬入して，プリント基板１０のリフロー面から溶融はんだを供給する。これにより，図４（ｆ）に示すように，スルーホール１３中にはんだが浸入し，リード２１がプリント基板１０に接合される。つまり，リード２１と回路パターン１１とが電気的に接続される。

このはんだ付け作業時，スルーホール１３およびスルーホール１３に囲まれた領域内は，先の予熱処理によって十分に加熱されている。しかも，回路基板１００の両表面とも均等に加熱されている。そのため，スルーホール１３内に浸入したはんだは，途中で凝固することなくプリント基板１０の実装面（図１中の上側の面）側まで容易に到達することができる。すなわち，良好なはんだ上がり特性が得られる。

以上詳細に説明したように本形態の回路基板１００は，電子部品２０のリード２１が挿入されるスルーホール１３を取り囲むように，電磁誘導予熱装置４０による高周波電磁場によって電磁誘導発熱する金属リング１５を備えることとしている。金属リング１５は，スルーホール１３の内壁のＣｕ膜と接している。そして，回路基板１００は，スルーホール１３を予熱する際に，金属リング１５を高周波バイアスの印加によって電磁誘導発熱させることとしている。

本形態の予熱処理では，スルーホール１３を取り囲む金属リング１５のみが電磁誘導によって加熱され，金属リング１５と接するスルーホール１３のＣｕ膜が伝熱加熱される。つまり，局所的な加熱が可能であり，スルーホール１３以外の部分は加熱されない。また，金属リング１５から回路パターン１１への直接的な伝熱であるため，エネルギーロスが少ない。そのため，本形態の回路基板１００による予熱処理はエネルギー効率が良い。

また，本形態の回路基板１００では，プリント基板１０を貫通する金属リング１５が基板厚さ方向に均一に発熱する。そのため，スルーホール１３全体が基板厚さ方向に均一に加熱される。よって，基板厚さ方向に温度のばらつきがなく，予熱後のはんだ付けの際に良好なはんだ上がり特性が得られる。

また，金属リング１５は，その熱容量が小さくかつ回路パターン１１および層間絶縁層１２により断熱保持されている。そのため，スルーホール１３の表面は所望の温度に迅速に達する。従って，短時間で予熱を完了することができる。また，金属リング１５は，スルーホール１３の内壁のＣｕ膜と接しており，その外径はスルーホール１３の径よりも僅かに大きい程度であり，ランド１４の外径と同程度，もしくはそれよりも小さくすることもできる。そのため，基板のコンパクト化の妨げとならない。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，実施の形態では，リング状の金属部材をプリント基板１０に圧入して金属リング１５を構成しているが，これに限るものではない。例えば，あらかじめ金属リングの外径と略同サイズの貫通孔を設け，その貫通孔に接着剤を塗布した金属リングを挿入することによっても構成することができる。

実施の形態にかかる回路基板の，はんだ付け前の概略断面を示す断面図である。 実施の形態にかかる回路基板の，はんだ付け後の概略断面を示す断面図である。 図２に示した回路基板のＡ−Ａ断面を示す概略平面図である。 実施の形態にかかる回路基板の実装手順を示す図である。 実施の形態にかかる電磁誘導予熱装置の概略構成を示す図である。 実施の形態にかかる回路基板の予熱状態を示す概略図である。

符号の説明

１０ プリント基板（配線基板）
１１ 回路パターン
１２ 層間絶縁層
１３ スルーホール
１５ 金属リング（金属発熱体）
２０ 電子部品
２１ リード
３０ はんだ
４０ 誘導加熱装置
４１ 誘導加熱コイル
４２ 高周波電源
１００ 回路基板

Claims (2)

1. 少なくとも両表面に回路パターンが形成された配線基板と，前記配線基板を貫通するスルーホールとを備えた回路基板において，
   前記配線基板を貫通するとともに前記スルーホールを取り囲み，高周波の電磁場によって電磁誘導発熱するリング状の金属発熱体を備え，
   前記スルーホールの内壁の導体膜は，前記金属発熱体と接していることを特徴とする回路基板。
2. 少なくとも両表面に回路パターンが形成された配線基板と，前記配線基板に実装される電子部品と，前記配線基板を貫通し前記電子部品のリードが挿入されるスルーホールとを備える回路基板の実装方法において，
   前記配線基板を貫通し，高周波の電磁場によって電磁誘導発熱するリング状の金属発熱体を，前記配線板に組み込む発熱体組込ステップと，
   前記金属発熱体のリング部の内壁に導体膜を形成し，前記金属発熱体のリング部の内側にスルーホールを形成するスルーホール形成ステップと，
   高周波の電磁場を形成して前記金属発熱体を発熱させ，前記スルーホールを加熱する予熱ステップと，
   前記配線基板を予熱した後に，前記配線基板に溶融はんだを供給するはんだ付けステップとを含むことを特徴とする回路基板の実装方法。
   

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