JP2008066741A - 電子機器および電子部品の実装方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】無鉛はんだを用いても、低コストでランド剥離を生じないようにする。
【解決手段】配線板110Aの表面から外側に出ている電子部品20のリード22の先端の長さが、配線板110Aのランド15の半径の1/2以下となっている。リード22の先端が配線板110Aの表面から出ていなくてもよく、この場合、リード22の突出長は0または負の値になる。配線板110Aのスルーホール14にリード22を挿入する際、リード22の突出長をランド15の半径の1/2以下とし、この状態でスルーホール14とリード22とを無鉛はんだ32を介して接合する。
【選択図】 図9
【解決手段】配線板110Aの表面から外側に出ている電子部品20のリード22の先端の長さが、配線板110Aのランド15の半径の1/2以下となっている。リード22の先端が配線板110Aの表面から出ていなくてもよく、この場合、リード22の突出長は0または負の値になる。配線板110Aのスルーホール14にリード22を挿入する際、リード22の突出長をランド15の半径の1/2以下とし、この状態でスルーホール14とリード22とを無鉛はんだ32を介して接合する。
【選択図】 図9
Description
本発明は、配線板を用いた電子機器に関し、特に、無鉛はんだを用いて電子部品を実装するための配線板を用いた電子機器に関する。
また、本発明は、電子部品の実装方法に関し、特に、配線板に無鉛はんだを用いて電子部品を実装する電子部品の実装方法に関する。
また、本発明は、電子部品の実装方法に関し、特に、配線板に無鉛はんだを用いて電子部品を実装する電子部品の実装方法に関する。
図19を参照し、従来の配線板の一構成例について説明する。図19に示す従来の配線板110Aには、銅張積層基板11が用いられている。この銅張積層基板11は、紙基材、ガラス基材またはポリエステル繊維基材などに、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを染み込ませて絶縁性シートを形成し、この絶縁性シートの表面に銅箔を加圧加熱処理して貼り付けたものである。
銅張積層基板11の所定の箇所には、貫通孔12が形成されている。貫通孔12の内面は、銅張積層基板11表面の銅箔に接続された導電膜(第1の導電膜)13で覆われている。この導電膜13は、例えば貫通孔12の内面に触媒を付与した後、無電解銅メッキにより下地メッキを行い、その上に電解銅メッキして形成される。以下、導電膜13で覆われた貫通孔12をスルーホール14と呼ぶ。
銅張積層基板11の所定の箇所には、貫通孔12が形成されている。貫通孔12の内面は、銅張積層基板11表面の銅箔に接続された導電膜(第1の導電膜)13で覆われている。この導電膜13は、例えば貫通孔12の内面に触媒を付与した後、無電解銅メッキにより下地メッキを行い、その上に電解銅メッキして形成される。以下、導電膜13で覆われた貫通孔12をスルーホール14と呼ぶ。
銅張積層基板11表面の銅箔はエッチングされ、スルーホール14の開口の周囲に円形のランド(第2の導電膜)15と、このランド15に接続された回路配線16とが形成される。ランド15および回路配線16は、基板11の両面に形成されるが、基板11の一方の面に形成される場合もある。ランド15に関しては、近年の高密度実装化に伴い、最低限の接合強度が確保できる範囲で、可能な限り小さく形成される。
銅張積層基板11表面の回路配線16などランド15以外の部分は、ソルダーレジスト17で覆われている。このソルダーレジスト17は、はんだ付けを行なうランド15以外の部分を、錫鉛はんだ31から保護する保護膜として作用し、ペーストを印刷塗布後、感光することにより形成される。ここでは、錫鉛はんだ31のフィレット31Aの形成をなるべく阻害しないように、ソルダーレジスト17はランド15に被らないように形成されている。
銅張積層基板11表面の回路配線16などランド15以外の部分は、ソルダーレジスト17で覆われている。このソルダーレジスト17は、はんだ付けを行なうランド15以外の部分を、錫鉛はんだ31から保護する保護膜として作用し、ペーストを印刷塗布後、感光することにより形成される。ここでは、錫鉛はんだ31のフィレット31Aの形成をなるべく阻害しないように、ソルダーレジスト17はランド15に被らないように形成されている。
このような構成の配線板110Aのスルーホール14に、電子部品20の筐体21から引き出されたリード(導電部材)22を挿入し、この状態で錫鉛はんだ31を介してリード22をスルーホール14に接合する。現在、錫鉛はんだ31として錫鉛共晶はんだ(Sn63wt%、残りPb、以下Pb−63Snと記載する)が最も多く使われている。錫鉛はんだ31が異物質の接合により生じる熱膨張のミスマッチを応力緩和する役割を果たすため、電子部品20と配線板110Aとの接合部における接続不良は特に発生しなかった。
しかしながら、近年、鉛による環境汚染が環境意識の高まりによって問題となり、錫鉛はんだ31から鉛を含まない無鉛はんだへの転換が進んでいる。この無鉛はんだは、錫を主成分とし、銀、銅、亜鉛、ビスマス、インジウム、アンチモン、ニッケル、ゲルマニウムなどからなるはんだである。無鉛はんだの溶融温度は190℃〜230℃であり、上記のPb−63Snの溶融温度183℃に比べて高い。配線板110Aの主材料であるエポキシ系材料のガラス転移温度は125〜140℃であるから、従来から使用されていたPb−63Snを無鉛はんだに転換すると、凝固収縮温度の差が広がり、はんだ付け時に膨張した配線板110Aの基板が収縮することにより生じる応力が大きくなる。また、無鉛はんだはPb−63Snに比べ、金属の引張り強度、クリープ強度が強く、また伸びが少ないという金属特性をもっているので、はんだ付け部における応力緩和が起こりにくくなる。これらの理由から、従来の配線板110Aに無鉛はんだを用いて電子部品20を実装しようとすると、錫鉛はんだ31ではほとんど発生しなかったランド剥離が多発することが明らかとなった。
従来の配線板110Aに無鉛はんだ32を用いてはんだ付けを行うと、図20(a)の写真ように、ランド15が配線板110Aの基板から剥離し、ランド15が浮き上がった状態となる。このとき、ランド15に接続されている回路配線16も、一緒に持ち上げられて引っ張られるため、過度のストレスを受ける。この後、過熱と冷却とを繰り返す温度サイクル試験を200cyc実施し、熱ストレスを与え続けると、図20(b)の写真のように、ランド15の端部と回路配線16との境界部分が大きく変形し、断線に至る。この検証実験から分かるように、ランド剥離が発生する従来の配線板110Aをそのまま用いて電子機器の製造を行うと、電子機器の信頼性が著しく低下してしまう。
これに対し、ランド剥離を抑制する手法の一つが、特許文献1に記載されている。この公報に記載されている従来の配線板110Bでは、図21に示すように、ランド15の外周縁をソルダーレジスト117の延在部117Aにより被覆することにより、ランド剥離を抑制しようとするものである。
しかしながら、新規製品ではない従来からの既製品で、既に出荷されているものには、図19に示した従来の配線板110Aのように、ランド剥離対策が施されていない配線板が多く使用されている。このような製品の電子部品が故障し、新しい電子部品21に交換する補修を行なう場合、無鉛はんだ32を用いて新しい電子部品21を配線板110Aに実装しようとすると、ランド剥離が発生し、信頼性上問題となる。
そこで、ランド剥離を抑制するため、上述した既製品を補修する際に、ランド対策が施されていない配線板110Aを廃棄して、図21に示した従来の配線板110Bに交換することも考えられる。しかし、新たに配線板110Bを製造するには、ソルダーレジスト117となるペーストを所定のパターンに印刷塗布するための治具を設計し、この治具を用いて実際にソルダーレジスト117を形成しなければならず、高コストとなる。その上、故障していない配線板110Aを廃棄することになるので、無駄が多くなる。
なお、従来の配線板110Bを製造するにあたり高コストとなるという問題は、既製品を補修する場合に限らず、新規製品を製造する場合にも同様に発生する問題である。
なお、従来の配線板110Bを製造するにあたり高コストとなるという問題は、既製品を補修する場合に限らず、新規製品を製造する場合にも同様に発生する問題である。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、無鉛はんだを用いても低コストでランド剥離を生じないようにすることにある。
このような目的を達成するために、本発明の電子機器は、配線板の基板の表面から外側に出ている電子部品の導電部材の先端の長さが、配線板の基板上に形成されたランドの半径の1/2以下であることを特徴とする。
ランド部には、はんだ付け時に膨張した基板が収縮する力Wと無鉛はんだの凝固収縮に伴う張力Tの垂直方向成分Tsinθ(θは、フィレットとランドとのなす角であるフィレット形成角)がかかり、
ランドと基板の密着力 < W+Tsinθ
の場合にランド剥離が生じる。フィレット形成角θが小さいほどTsinθが小さくなるため、電子部品の導電部材が基板表面から外側に出ている長さをランド半径の1/2以下として、フィレットの高さを低くすることにより、ランドが基板から剥離しにくくなる。
また、導電部材が基板表面から外側に出ている長さの調整は、図21におけるソルダーレジスト117を新しく形成するより低コストでできるので、ランド剥離の抑制を低コストで実現できる。
ランド部には、はんだ付け時に膨張した基板が収縮する力Wと無鉛はんだの凝固収縮に伴う張力Tの垂直方向成分Tsinθ(θは、フィレットとランドとのなす角であるフィレット形成角)がかかり、
ランドと基板の密着力 < W+Tsinθ
の場合にランド剥離が生じる。フィレット形成角θが小さいほどTsinθが小さくなるため、電子部品の導電部材が基板表面から外側に出ている長さをランド半径の1/2以下として、フィレットの高さを低くすることにより、ランドが基板から剥離しにくくなる。
また、導電部材が基板表面から外側に出ている長さの調整は、図21におけるソルダーレジスト117を新しく形成するより低コストでできるので、ランド剥離の抑制を低コストで実現できる。
ここで、導電部材の先端が、基板の表面から外側に出ていなくてもよい。
これらの電子機器において、配線板と電子部品との間にスペーサを設けてもよい。スペーサの高さだけ電子部品の筐体の位置が上がるので、電子部品の導電部材が基板表面から外側に出る長さが短くなる。
ここで、スペーサは、電子部品に対向するランドの外周縁の少なくとも一部を覆うようにしてもよい。これにより、電子部品に対向するランドが基板から剥離しにくくなる。
これらの電子機器において、配線板と電子部品との間にスペーサを設けてもよい。スペーサの高さだけ電子部品の筐体の位置が上がるので、電子部品の導電部材が基板表面から外側に出る長さが短くなる。
ここで、スペーサは、電子部品に対向するランドの外周縁の少なくとも一部を覆うようにしてもよい。これにより、電子部品に対向するランドが基板から剥離しにくくなる。
また、本発明の電子機器は、電子部品の導電部材が、配線板の貫通孔に挿入されたとき貫通孔の内面に対向する部分からみて先端側および基部側の少なくとも一方が被覆膜で覆われ、この被覆膜が、無鉛はんだとの反応性が導電部材の材料より低い材料で形成されていることを特徴とする。
このような導電部材を貫通孔に挿入し、被覆膜で覆われている部分を基板表面から外側に出すことにより、被覆膜で覆われている部分には無鉛はんだが濡れ広がらないので、導電部材とランドとの間に無鉛はんだのフィレットが形成されず、ランド剥離が抑制される。
また、被覆膜の形成は、図21におけるソルダーレジスト117を新しく形成するより低コストでできるので、ランド剥離の抑制を低コストで実現できる。
このような導電部材を貫通孔に挿入し、被覆膜で覆われている部分を基板表面から外側に出すことにより、被覆膜で覆われている部分には無鉛はんだが濡れ広がらないので、導電部材とランドとの間に無鉛はんだのフィレットが形成されず、ランド剥離が抑制される。
また、被覆膜の形成は、図21におけるソルダーレジスト117を新しく形成するより低コストでできるので、ランド剥離の抑制を低コストで実現できる。
これらの電子機器において、導電部材の長手方向に垂直な断面形状は、円形、長円形、正方形、長方形、多角形、十字形、星形またはそれぞれの変形であってもよい。
また、無鉛はんだは、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、または、錫銅系はんだを含んでいてもよい。
また、無鉛はんだは、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、または、錫銅系はんだを含んでいてもよい。
また、本発明の電子部品の実装方法は、配線板の貫通孔に電子部品の導電部材を挿入する際に、配線板の基板表面から外側に出ている導電部材の先端の長さを、貫通孔の開口の周囲に形成されたランドの半径の1/2以下とする第1の工程と、この状態で貫通孔内の第1の導電膜と導電部材とを無鉛はんだを介して接合する第2の工程とを備えたことを特徴とする。
この電子部品の実装方法において、第1の工程は、配線板と電子部品との間にスペーサを挟んだ状態で、貫通孔に導電部材を挿入する工程を含んでいてもよい。
または、第1の工程の前に、導電部材の長さを短く加工する工程を更に備えていてもよい。
この電子部品の実装方法において、第1の工程は、配線板と電子部品との間にスペーサを挟んだ状態で、貫通孔に導電部材を挿入する工程を含んでいてもよい。
または、第1の工程の前に、導電部材の長さを短く加工する工程を更に備えていてもよい。
また、本発明の電子部品の実装方法は、無鉛はんだとの反応性が電子部品の導電部材の材料より低い材料からなる被覆膜で導電部材の先端側および基部側の少なくとも一方を覆う第1の工程と、導電部材を配線板の貫通孔に挿入し、貫通孔内の第1の導電膜と導電部材で被覆膜に覆われていない部分とを無鉛はんだを介して接合する第2の工程とを備えたことを特徴とする。
以上説明したように、本発明では、電子部品の導電部材が基板表面から外側に出ている長さをランド半径の1/2以下とすることにより、フィレットの高さが低くなり、それに応じてTsinθも小さくなるので、ランドが基板から剥離しにくくなる。しかも、導電部材が基板表面から外側に出ている長さを調整するだけでよいので、ランド剥離の抑制を低コストで実現できる。
また、本発明では、電子部品の導電部材の先端部および基部の少なくとも一方を被覆膜で覆い、被覆膜で覆われている部分を基板表面から外側に出すことにより、被覆膜で覆われている部分には無鉛はんだが濡れ広がらない。これにより、導電部材とランドとの間にフィレットが形成されず、ランド剥離が抑制される。しかも、導電部材に被覆膜を形成するだけでよいので、ランド剥離の抑制を低コストで実現できる。
このようにしてランド剥離を抑制することにより、電子部品を配線板に実装した構成を含む電子機器の信頼性向上を、低コストで実現できる。
特に、新規製品ではない従来からの既製品で、既に出荷されているものの電子部品が故障し、新しい電子部品に交換する補修を行なう場合も、無鉛はんだを用いて低コストで補修を行なうことができる。しかも、故障していない配線板を廃棄せず、再利用することが可能となる。
特に、新規製品ではない従来からの既製品で、既に出荷されているものの電子部品が故障し、新しい電子部品に交換する補修を行なう場合も、無鉛はんだを用いて低コストで補修を行なうことができる。しかも、故障していない配線板を廃棄せず、再利用することが可能となる。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態である配線板、および、この配線板に電子部品を実装して構成される電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。図2は、図1に示した配線板をII−II′線方向からみた平面図である。これらの図では、図19に示した部材と同一部材に対しては、図19と同一符号で示している。
図1は、本発明の第1の実施の形態である配線板、および、この配線板に電子部品を実装して構成される電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。図2は、図1に示した配線板をII−II′線方向からみた平面図である。これらの図では、図19に示した部材と同一部材に対しては、図19と同一符号で示している。
図1(a)および図2に示すように、配線板10は、図19に示した配線板110Aの表面に形成された円形のランド15の外周縁15Aを覆う被覆部材18を備えたものである。スルーホール14の中心軸から被覆部材18の内周縁までの長さを被覆部材18の開口半径、スルーホール14の中心軸からランド15の外周縁までの長さをランド15の半径とすると、被覆部材18の開口半径はランド15の半径よりやや小さくなっている。
被覆部材18は、無鉛はんだ32の融点(例えば、Sn−Ag−Cuはんだであれば、216〜217℃)に対する耐熱性を有する材料からなり、例えばエポキシ等の耐熱性樹脂、耐熱性シリコーンゴム等を用いることができる。なお、配線板110Aは、両面基板、多層基板のいずれでもよい。
被覆部材18は、無鉛はんだ32の融点(例えば、Sn−Ag−Cuはんだであれば、216〜217℃)に対する耐熱性を有する材料からなり、例えばエポキシ等の耐熱性樹脂、耐熱性シリコーンゴム等を用いることができる。なお、配線板110Aは、両面基板、多層基板のいずれでもよい。
次に、配線板10に無鉛はんだ32を用いて電子部品20を実装する際に、ランド剥離が抑制される原理について説明する。
図1(b)に示すように、配線板10のスルーホール14に、電子部品20の筐体21から引き出されたリード22を挿入し、無鉛はんだ32を用いてはんだ付けする場合、溶融した無鉛はんだ32は、被覆部材18に阻まれてランド15上を外周縁15Aまで濡れ広がらない。
図1(b)に示すように、配線板10のスルーホール14に、電子部品20の筐体21から引き出されたリード22を挿入し、無鉛はんだ32を用いてはんだ付けする場合、溶融した無鉛はんだ32は、被覆部材18に阻まれてランド15上を外周縁15Aまで濡れ広がらない。
その後、溶融した無鉛はんだ32が冷却され凝固収縮すると、例えば図3に示すように、フィレット32Aに沿う斜め下方向に張力Tが発生する。フィレット32Aとランド15とのなす角をフィレット形成角θとすると、ランド15と銅張積層基板11との界面には、下方向にTsinθの力が働き、上方向に基板11の収縮力Wが働く。上述したように、溶融した無鉛はんだ32はランド15上を外周縁15Aまで濡れ広がらず、ランド15の外周縁15Aより内側のP点でTsinθが働く。基板11の表面とランド15との密着力は、ランド15の外周縁15Aで最も弱いが、ここにTsinθがかからないので、ランド15が基板11から剥離しにくくなる。
また、ランド15の周縁部15Aが無鉛はんだ32によって固定されないため、ランド15が基板11の熱膨張収縮に追従しやすくなり、ランド剥離が起こりにくくなる。
このように、ランド15の外周縁15Aを被覆部材18で覆うことにより、無鉛はんだ32を用いて電子部品20を実装する場合に多発するランド剥離を抑制し、寿命が長く信頼性が高い電子機器を製造することが可能となる。また、図21におけるソルダーレジスト117を新しく形成するより低コストで製造できる被覆部材18を用いることにより、ランド剥離の抑制、ひいては寿命が長く信頼性が高い電子機器の製造を、低コストで実現できる。
このように、ランド15の外周縁15Aを被覆部材18で覆うことにより、無鉛はんだ32を用いて電子部品20を実装する場合に多発するランド剥離を抑制し、寿命が長く信頼性が高い電子機器を製造することが可能となる。また、図21におけるソルダーレジスト117を新しく形成するより低コストで製造できる被覆部材18を用いることにより、ランド剥離の抑制、ひいては寿命が長く信頼性が高い電子機器の製造を、低コストで実現できる。
以上で説明した電子部品20の実装方法は、新規製品を製造する場合に適用できるだけでなく、新規製品ではない従来からの既製品で、既に出荷されているものの電子部品が故障し、新しい電子部品20に交換する補修を行なう場合にも適用できる。後者において、既製品で被覆部材18を有しない配線板110Aが用いられていた場合、配線板110Aに新たに被覆部材18を付加した上で、新しい電子部品20を実装するようにすればよい。これにより、既製品で用いられていた配線板110Aを廃棄せず、無鉛はんだ32を用いて補修を行うことができる。
次に、被覆部材18の構成について、さらに説明する。
被覆部材18は、ランド15の外周縁の少なくとも一部を覆えばよい。ここで、被覆部材18が、ランド15の外周縁を全周にわたり覆うようにしてもよいし、ランド15の外周縁のうち、無鉛はんだ32の凝固収縮に対して影響を受けやすい部分のみを覆うようにしてもよい。例えば、ランド15の外周縁のうち、回路配線16に接続される部分のみを覆うことにより、この部分での剥離を抑制し、ランド15と回路配線16との切断を防止することができる。ランド15の外周縁のうち、回路配線16に接続される部分に対向する部分のみを覆っても、同様の効果が得られる。なお、ランド15の外周縁のうち、回路配線16に接続される部分、および、それに対向する部分の両方を覆ってもよい。
被覆部材18は、ランド15の外周縁の少なくとも一部を覆えばよい。ここで、被覆部材18が、ランド15の外周縁を全周にわたり覆うようにしてもよいし、ランド15の外周縁のうち、無鉛はんだ32の凝固収縮に対して影響を受けやすい部分のみを覆うようにしてもよい。例えば、ランド15の外周縁のうち、回路配線16に接続される部分のみを覆うことにより、この部分での剥離を抑制し、ランド15と回路配線16との切断を防止することができる。ランド15の外周縁のうち、回路配線16に接続される部分に対向する部分のみを覆っても、同様の効果が得られる。なお、ランド15の外周縁のうち、回路配線16に接続される部分、および、それに対向する部分の両方を覆ってもよい。
また、図2には、被覆部材18の開口半径がランド15の半径よりやや小さい例を示したが、被覆部材18とランド15との重なり幅に上限はないので、図4(a)に示す配線板10Aのように、被覆部材18Aがランド15の全領域が覆う構成としてもよい。なお、配線板10Aに無鉛はんだ32を用いて電子部品20を実装した状態を、図4(b)に示す。
また、図5(a)に示す配線板10Bのように、被覆部材18Bがランド15の全領域だけでなく、さらにスルーホール14の開口をすべて覆うようにしてもよい。この場合、ランド15を含む基板11上に、耐熱性の粘着テープ等の比較的簡単に穴を開けることができる材料で被覆部材18Bを形成すれば、電子部品20のリード22で被覆部材18Bを貫通し、そのままスルーホール14にリード22を挿入することができる。その後、はんだ付けを実施すれば、図5(b)に示すように、被覆部材18Bが形成される側(図5(b)においては上側)にフィレット32Aが形成されず、ランド剥離が抑制される。
この図5(a)に示す配線板10Bに、無鉛はんだ32を用いて電子部品20を実装した電子機器の信頼性について検証を行なった。ここでは、前述した従来の配線板110Aと同じ条件で、温度サイクル試験を200cyc実施した。その結果、図6の写真のように、ランド15に無鉛はんだ32が接触せず、フィレット32Aが形成されないため、ランド剥離の発生が認められず、図5に示した構成がランド剥離に対して効果があることが確認された。
なお、図5に示したようにスルーホール14の開口を塞いだ場合、はんだ付けに用いるフラックスの気化したものが、スルーホール14から抜けづらくなることも考えられるので、リード22と被覆部材18との間に隙間を設けるとよい。
図1,図4および図5における被覆部材18,18A,18Bは、はんだ付け終了後、基板11上にそのまま残しておいてもよいし、除去してもよい。
なお、図5に示したようにスルーホール14の開口を塞いだ場合、はんだ付けに用いるフラックスの気化したものが、スルーホール14から抜けづらくなることも考えられるので、リード22と被覆部材18との間に隙間を設けるとよい。
図1,図4および図5における被覆部材18,18A,18Bは、はんだ付け終了後、基板11上にそのまま残しておいてもよいし、除去してもよい。
ランド15の平面形状は、円形に限らず、長円形、多角形、十字形、星形またはそれぞれの変形のいずれでもよい。また、図7に示すように、ランド15と回路配線16との接続部に、半円形のサブランド19を設けてもよい。サブランド19を設けてランド15から回路配線16への幅の変化を緩和することで、ランド15と回路配線16との接続をより強固にすることができる。なお、円形でないランドに対してサブランドが形成されてもよく、サブランドの平面形状も半円形に限定されない。
無鉛はんだ32としては、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、および、錫銅系はんだのいずれを用いてもよい。ここに、錫亜鉛系はんだとは、錫亜鉛の共晶組成であるSn−9.0wt%Znを中心に、亜鉛の量を変えたり、他の元素を添加して特性を改善したものの総称である。代表例は、Sn−8.0Zn−3.0Biである。錫銀系はんだとは、錫銀の共晶組成であるSn−3.5wt%Agを中心に、銀の量を変えたり、他の元素を添加して特性を改善したものの総称である。代表例は、Sn−3.0Ag−0.5Cu、Sn−3.5Ag−0.75Cuである。錫銅系はんだとは、錫銅の共晶組成であるSn−0.7wt%Cuを中心に、銅の量を変えたり、他の元素を添加して特性を改善したものを総称である。代表例は、Sn−0.7Cu−0.3Agである。なお、無鉛はんだ32には、性質が変わらない程度に不純物として鉛が含まれる場合もある。
[第2の実施の形態]
図8は、本発明の第2の実施の形態である配線板、および、この配線板に電子部品を実装して構成される電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。
被覆部材の厚さには特に制限がなく、図8に示すように、被覆部材18Cの厚さを配線板10Cと電子部品20の筐体21との間隔と同程度にし、配線板10Cと筐体21との間を被覆部材18Cで隙間なく埋めてもよい。
この場合、被覆部材18Cに耐熱性のシリコーンゴム等の弾性体を用いることにより、電子部品20のリード22と無鉛はんだ32との間、または、無鉛はんだ32とスルーホール14間に働く応力を緩和し、無鉛はんだ32がリード22またはスルーホール14から剥離することを抑制できる。
図8は、本発明の第2の実施の形態である配線板、および、この配線板に電子部品を実装して構成される電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。
被覆部材の厚さには特に制限がなく、図8に示すように、被覆部材18Cの厚さを配線板10Cと電子部品20の筐体21との間隔と同程度にし、配線板10Cと筐体21との間を被覆部材18Cで隙間なく埋めてもよい。
この場合、被覆部材18Cに耐熱性のシリコーンゴム等の弾性体を用いることにより、電子部品20のリード22と無鉛はんだ32との間、または、無鉛はんだ32とスルーホール14間に働く応力を緩和し、無鉛はんだ32がリード22またはスルーホール14から剥離することを抑制できる。
[第3の実施の形態]
図9は、本発明の第3の実施の形態である電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。この図では、図19に示した部材と同一部材に対しては、図19と同一符号で示している。
図9(a)に示す電子機器では、配線板110Aの表面から外側に出ている電子部品20のリード22の先端の長さ(以下、突出長という)が、配線板110Aのランド15の半径の1/2以下となっている。図9(b)に示すように、リード22の先端が配線板110Aの表面から出ていなくてもよく、この場合、リード22の突出長は0または負の値になる。
図9は、本発明の第3の実施の形態である電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。この図では、図19に示した部材と同一部材に対しては、図19と同一符号で示している。
図9(a)に示す電子機器では、配線板110Aの表面から外側に出ている電子部品20のリード22の先端の長さ(以下、突出長という)が、配線板110Aのランド15の半径の1/2以下となっている。図9(b)に示すように、リード22の先端が配線板110Aの表面から出ていなくてもよく、この場合、リード22の突出長は0または負の値になる。
このような電子機器を形成するには、配線板110Aのスルーホール14にリード22を挿入する際、リード22の突出長をランド15の半径の1/2以下とし、この状態でスルーホール14とリード22とを無鉛はんだ32を介して接合する。
溶融した無鉛はんだ32が冷却され凝固収縮すると、図10に示すように、フィレット32Aに沿う斜め下方向に張力Tが発生する。このとき、ランド15と銅張積層基板11との界面には、下方向にTsinθの力が働き、上方向に基板11の収縮力Wが働く。Tsinθはフィレット形成角θが小さいほど小さくなり、フィレット形成角θはフィレット32Bの高さhが低いほど小さくなる。したがって、リード22の突出長をランド15の半径の1/2以下とし、フィレット32Bの高さhを低くすることにより、Tsinθが小さくなり、ランド15が基板11から剥離しにくくなる。
溶融した無鉛はんだ32が冷却され凝固収縮すると、図10に示すように、フィレット32Aに沿う斜め下方向に張力Tが発生する。このとき、ランド15と銅張積層基板11との界面には、下方向にTsinθの力が働き、上方向に基板11の収縮力Wが働く。Tsinθはフィレット形成角θが小さいほど小さくなり、フィレット形成角θはフィレット32Bの高さhが低いほど小さくなる。したがって、リード22の突出長をランド15の半径の1/2以下とし、フィレット32Bの高さhを低くすることにより、Tsinθが小さくなり、ランド15が基板11から剥離しにくくなる。
図9に示した電子機器の信頼性について検証を行なった。ここでは、前述した従来の配線板110Aと同じ条件で、温度サイクル試験を200cyc実施した。その結果、図11の写真のように、ランド15に無鉛はんだ32が接触し、はんだフィレット32Bが形成されるものの、図20(a),(b)と比較してフィレット形成角θが小さく、ランド剥離の発生は認められない。よって、図9に示した構成がランド剥離に対して効果があることが確認された。
このように、リード22の突出長をランド15の半径の1/2以下とすることにより、無鉛はんだ32を用いて電子部品20を実装する場合に多発するランド剥離を抑制し、寿命が長く信頼性が高い電子機器を製造することが可能となる。また、リード22の突出長の調整は、図21におけるソルダーレジスト117を新しく形成するより低コストでできるので、ランド剥離の抑制、ひいては寿命が長く信頼性が高い電子機器の製造を、低コストで実現できる。
以上で説明した電子部品20の実装方法は、新規製品を製造する場合に適用できるだけでなく、新規製品ではない従来からの既製品で、既に出荷されているものの電子部品が故障し、新しい電子部品20に交換する補修を行なう場合にも適用できる。これにより、既製品で用いられていた配線板110Aを廃棄せず、無鉛はんだ32を用いて補修を行うことが可能となる。
以上で説明した電子部品20の実装方法は、新規製品を製造する場合に適用できるだけでなく、新規製品ではない従来からの既製品で、既に出荷されているものの電子部品が故障し、新しい電子部品20に交換する補修を行なう場合にも適用できる。これにより、既製品で用いられていた配線板110Aを廃棄せず、無鉛はんだ32を用いて補修を行うことが可能となる。
リード22の長手方向に垂直な断面形状は特に限定されず、円形、長円形、正方形、長方形、多角形、十字形、星形またはそれぞれの変形のいずれでもよい。
無鉛はんだ32としては、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、および、錫銅系はんだのいずれを用いてもよい。
なお、リード22の突出長を1mm以下としてもよい。
無鉛はんだ32としては、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、および、錫銅系はんだのいずれを用いてもよい。
なお、リード22の突出長を1mm以下としてもよい。
[第4の実施の形態]
図12は、本発明の第4の実施の形態である電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。
図12に示す電子機器では、配線板110Aと電子部品20の筐体21との間に、筐体21の全面と接触するスペーサ41が挟み込まれている。このような電子機器を形成するには、まず、配線板110Aの表面にスペーサ41を配置し、このスペーサ41を介して電子部品20のリード22を配線板110Aのスルーホール14に挿入し、リード22とスルーホール14とを無鉛はんだ32を介して接合すればよい。
図12は、本発明の第4の実施の形態である電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。
図12に示す電子機器では、配線板110Aと電子部品20の筐体21との間に、筐体21の全面と接触するスペーサ41が挟み込まれている。このような電子機器を形成するには、まず、配線板110Aの表面にスペーサ41を配置し、このスペーサ41を介して電子部品20のリード22を配線板110Aのスルーホール14に挿入し、リード22とスルーホール14とを無鉛はんだ32を介して接合すればよい。
図13(a),(b)から分かるように、スペーサ41の上に電子部品20の筐体21を配置することにより、スペーサ41の高さだけ筐体21の位置が上がるので、電子部品20のリード22の突出長が短くなる。したがって、所定の高さのスペーサ41を用いることにより、リード22の突出長をランド15の半径の1/2以下にする調整が容易になる。その結果、ランド剥離を抑制し、寿命が長く信頼性が高い電子機器を製造できるという効果が得られることは、第3の実施の形態と同様である。
また、スペーサ41に、前述した被覆部材18の機能をもたせ、筐体21に対向するランド15の外周縁の少なくとも一部を覆うことにより、筐体21に対向するランド15の剥離を抑制できるという効果も得られる。
なお、図12に示すように筐体21の全面と接触するようにスペーサ41を配置してもよいし、図14に示すように筐体21の外周に沿うようにスペーサ42を配置してもよい。この場合、筐体21と対向するランド15の剥離対策として、別途、図1,4,5,8における被覆部材18,18A〜18Cを設ける必要がある。
スペーサ41,42の材質は、はんだ付け時の基板表面温度に対する耐熱性を有しているものであればよく、例えばエポキシ等の耐熱性樹脂、耐熱性シリコーンゴム等を用いることができる。
なお、図12に示すように筐体21の全面と接触するようにスペーサ41を配置してもよいし、図14に示すように筐体21の外周に沿うようにスペーサ42を配置してもよい。この場合、筐体21と対向するランド15の剥離対策として、別途、図1,4,5,8における被覆部材18,18A〜18Cを設ける必要がある。
スペーサ41,42の材質は、はんだ付け時の基板表面温度に対する耐熱性を有しているものであればよく、例えばエポキシ等の耐熱性樹脂、耐熱性シリコーンゴム等を用いることができる。
[第5の実施の形態]
図15は、本発明の第5の実施の形態である電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。
図15に示す電子機器では、図16(a),(b)に示すように、電子部品20のリード22の長さを短く加工し、こうして作成された電子部品20Aのリード23を図16(c)に示すように配線板110Aのスルーホール14に挿入して実装する。または、予めリード23の長さが短い電子部品20Aを用いてもよい。これにより、リード23の突出長をランド15の半径の1/2以下にする調整が容易になる。その結果、ランド剥離を抑制し、寿命が長く信頼性が高い電子機器を製造できるという効果が得られることは、第3の実施の形態と同様である。
図15は、本発明の第5の実施の形態である電子機器の一部の構造を拡大して示す断面図である。
図15に示す電子機器では、図16(a),(b)に示すように、電子部品20のリード22の長さを短く加工し、こうして作成された電子部品20Aのリード23を図16(c)に示すように配線板110Aのスルーホール14に挿入して実装する。または、予めリード23の長さが短い電子部品20Aを用いてもよい。これにより、リード23の突出長をランド15の半径の1/2以下にする調整が容易になる。その結果、ランド剥離を抑制し、寿命が長く信頼性が高い電子機器を製造できるという効果が得られることは、第3の実施の形態と同様である。
電子部品20Aを配線板110Aに実装する際、配線板110Aの表面に電子部品20Aの筐体21を接触させることにより、筐体21が前述した被覆部材18と同様に作用し、筐体21に対向するランド15の剥離が抑制される。ただし、筐体21がはんだ付け時の基板表面温度に対する耐熱性を有しない場合など、配線板110Aの表面に筐体21を接触させることができない場合には、筐体21と対向するランド15の剥離対策として、例えば図17に示すように別途、被覆部材18Bを設ける必要がある。なお、図1,4,8における被覆部材18,18A,18Cを設けてもよい。
[第6の実施の形態]
図18は、本発明の第6の実施の形態である電子機器の構造の一部を拡大して示す断面図である。
図18に示す電子機器では、電子部品20Bのリード24の長手方向中央部を除き、先端側および基部側の両方が被覆膜25で覆われている。リード24の中央部は、リード24が配線板110Aのスルーホール14に挿入されたとき、スルーホール14の内面に対向する部分に相当し、リード24の中央部の長さは、スルーホール14の長さと同程度とする。
被覆膜25は、無鉛はんだ32の融点(例えば、Sn−Ag−Cuはんだであれば、216〜217℃)に対する耐熱性を有し、かつ、溶融はんだとの反応性がリード24の材料より低い材料からなり、例えばエポキシ等の耐熱性樹脂、耐熱性シリコーンゴム等を用いることができる。被覆膜25として耐熱性の粘着性テープをリード24に巻き付けてもよい。
図18は、本発明の第6の実施の形態である電子機器の構造の一部を拡大して示す断面図である。
図18に示す電子機器では、電子部品20Bのリード24の長手方向中央部を除き、先端側および基部側の両方が被覆膜25で覆われている。リード24の中央部は、リード24が配線板110Aのスルーホール14に挿入されたとき、スルーホール14の内面に対向する部分に相当し、リード24の中央部の長さは、スルーホール14の長さと同程度とする。
被覆膜25は、無鉛はんだ32の融点(例えば、Sn−Ag−Cuはんだであれば、216〜217℃)に対する耐熱性を有し、かつ、溶融はんだとの反応性がリード24の材料より低い材料からなり、例えばエポキシ等の耐熱性樹脂、耐熱性シリコーンゴム等を用いることができる。被覆膜25として耐熱性の粘着性テープをリード24に巻き付けてもよい。
このような被覆膜25が形成されたリード24を配線板110Aのスルーホール14に挿入し、リード24で被覆膜25に覆われている部分のみを配線板110Aの外側に出す。この状態で、リード24で被覆膜25に覆われていない露出部分と、スルーホール14の導電膜13とを、無鉛はんだ32を介して接合する。これにより、図18に示す電子機器ができあがる。
この電子機器では、配線板110Aの表面から外側に出ているリード24の表面が被覆膜25で覆われており、被覆膜25で覆われている部分には無鉛はんだ32が濡れ広がらないので、リード24とランド15との間に無鉛はんだ32のフィレット32Aが形成されない。これにより、ランド剥離を抑制し、寿命が長く信頼性が高い電子機器を製造することが可能となる。また、被覆膜25の形成は、図21におけるソルダーレジスト117を新しく形成するより低コストでできるので、ランド剥離の抑制、ひいては寿命が長く信頼性が高い電子機器の製造を、低コストで実現できる。
この電子機器では、配線板110Aの表面から外側に出ているリード24の表面が被覆膜25で覆われており、被覆膜25で覆われている部分には無鉛はんだ32が濡れ広がらないので、リード24とランド15との間に無鉛はんだ32のフィレット32Aが形成されない。これにより、ランド剥離を抑制し、寿命が長く信頼性が高い電子機器を製造することが可能となる。また、被覆膜25の形成は、図21におけるソルダーレジスト117を新しく形成するより低コストでできるので、ランド剥離の抑制、ひいては寿命が長く信頼性が高い電子機器の製造を、低コストで実現できる。
以上で説明した電子部品20Bの実装方法は、新規製品を製造する場合に適用できるだけでなく、新規製品ではない従来からの既製品で、既に出荷されているものの電子部品が故障し、新しい電子部品20Bに交換する補修を行なう場合にも適用できる。これにより、既製品で用いられていた配線板110Aを廃棄せず、無鉛はんだ32を用いて補修を行うことが可能となる。
なお、図18には、リード24の先端側および基部側の両方に被覆膜25を形する例を示したが、リード24の先端側または基側のみに被覆膜25を形成するようにしてもよい。この場合、被覆膜25が形成しない方には、第1〜第5の実施の形態に示したランド剥離の対策を施す必要がある。
また、リード24が配線板110Aのスルーホール14に挿入されたとき、スルーホール14の内面に対向する部分と配線板110Aの外側に出る部分との境界部分のみを被覆膜で覆うようにしてもよい。
なお、図18には、リード24の先端側および基部側の両方に被覆膜25を形する例を示したが、リード24の先端側または基側のみに被覆膜25を形成するようにしてもよい。この場合、被覆膜25が形成しない方には、第1〜第5の実施の形態に示したランド剥離の対策を施す必要がある。
また、リード24が配線板110Aのスルーホール14に挿入されたとき、スルーホール14の内面に対向する部分と配線板110Aの外側に出る部分との境界部分のみを被覆膜で覆うようにしてもよい。
本発明を適用可能な電子機器としては、例えば、プリンタ、ファクシミリ、LCDモニタ、パーソナルコンピュータ、大型コンピュータ(サーバー、スーパーコンピュータを含む)、交換機、伝送機器、基地局装置等がある。
なお、上述した第1〜第6の実施の形態は、それぞれ単独で実施してもよいし、他の形態と組み合わせて実施してもよい。また、本発明は第1〜第6の実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは言うまでもない。
なお、上述した第1〜第6の実施の形態は、それぞれ単独で実施してもよいし、他の形態と組み合わせて実施してもよい。また、本発明は第1〜第6の実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは言うまでもない。
10,10A〜10C,110A…配線板、11…銅張積層基板、12…貫通孔、13…導電膜、14…スルーホール、15…ランド、15A…ランドの周縁部、16…回路配線、17…ソルダーレジスト、18…被覆部材、19…サブランド、20,20A,20B…電子部品、21…電子部品の筐体、22〜24…リード、25…被覆膜、32…無鉛はんだ、32A…無鉛はんだのフィレット、41…スペーサ。
Claims (11)
- 貫通孔を有する基板と、前記貫通孔の内面を覆う第1の導電膜と、前記基板の表面における前記貫通孔の開口の周囲に形成されるとともに前記第1の導電膜に接続された第2の導電膜からなるランドと、前記基板の表面に形成されるとともに前記ランドに接続された回路配線とを有する配線板と、この配線板の前記貫通孔に挿入された状態で前記第1の導電膜に無鉛はんだを介して接合される導電部材を有する電子部品とを含む電子機器において、
前記基板の表面から外側に出ている前記導電部材の先端の長さが、前記ランドの半径の1/2以下であることを特徴とする電子機器。 - 請求項1に記載された電子機器において、
前記導電部材の先端は、前記基板の表面から外側に出ていないことを特徴とする電子機器。 - 請求項1または2に記載された電子機器において、
前記配線板と前記電子部品との間に配置されたスペーサを備えたことを特徴とする電子機器。 - 請求項3に記載された電子機器において、
前記スペーサは、前記電子部品に対向するランドの外周縁の少なくとも一部を覆うことを特徴とする電子機器。 - 貫通孔を有する基板と、前記貫通孔の内面を覆う第1の導電膜と、前記基板の表面における前記貫通孔の開口の周囲に形成されるとともに前記第1の導電膜に接続された第2の導電膜からなるランドと、前記基板の表面に形成されるとともに前記ランドに接続された回路配線とを有する配線板と、この配線板の前記貫通孔に挿入された状態で前記第1の導電膜に無鉛はんだを介して接合される導電部材を有する電子部品とを含む電子機器において、
前記導電部材は、前記貫通孔に挿入されたとき前記貫通孔の前記内面に対向する部分からみて先端側および基部側の少なくとも一方が被覆膜で覆われ、
この被覆膜は、前記無鉛はんだとの反応性が前記導電部材の材料より低い材料で形成されている
ことを特徴とする電子機器。 - 請求項1〜5のいずれかに記載された電子機器において、
前記導電部材の長手方向に垂直な断面形状は、円形、長円形、正方形、長方形、多角形、十字形、星形またはそれぞれの変形であることを特徴とする電子機器。 - 請求項1〜6のいずれかに記載された電子機器において、
前記無鉛はんだは、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、または、錫銅系はんだを含むことを特徴とする電子機器。 - 貫通孔を有する基板と、前記貫通孔の内面を覆う第1の導電膜と、前記基板の表面における前記貫通孔の開口の周囲に形成されるとともに前記第1の導電膜に接続された第2の導電膜からなるランドと、前記基板の表面に形成されるとともに前記ランドに接続された回路配線とを有する配線板に、導電部材を有する電子部品を実装する電子部品の実装方法において、
前記貫通孔に前記導電部材を挿入する際に、前記基板の表面から外側に出ている前記導電部材の先端の長さを、前記ランドの半径の1/2以下とする第1の工程と、
この状態で前記貫通孔内の前記第1の導電膜と前記導電部材とを無鉛はんだを介して接合する第2の工程と
を備えたことを特徴とする電子部品の実装方法。 - 請求項8に記載された電子部品の実装方法において、
前記第1の工程は、前記配線板と前記電子部品との間にスペーサを挟んだ状態で前記貫通孔に前記導電部材を挿入する工程を含むことを特徴とする電子部品の実装方法。 - 請求項8に記載された電子部品の実装方法において、
前記第1の工程の前に、前記導電部材の長さを短く加工する工程を更に備えたことを特徴とする電子部品の実装方法。 - 貫通孔を有する基板と、前記貫通孔の内面を覆う第1の導電膜と、前記基板の表面における前記貫通孔の開口の周囲に形成されるとともに前記第1の導電膜に接続された第2の導電膜からなるランドと、前記基板の表面に形成されるとともに前記ランドに接続された回路配線とを有する配線板に、導電部材を有する電子部品を実装する電子部品の実装方法において、
無鉛はんだとの反応性が前記導電部材の材料より低い材料からなる被覆膜で前記導電部材の先端側および基部側の少なくとも一方を覆う第1の工程と、
前記導電部材を前記貫通孔に挿入し、前記貫通孔内の前記第1の導電膜と前記導電部材で前記被覆膜に覆われていない部分とを前記無鉛はんだを介して接合する第2の工程と
を備えたことを特徴とする電子部品の実装方法。
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