JP2009130262A

JP2009130262A - スルーホールのはんだ付け構造

Info

Publication number: JP2009130262A
Application number: JP2007305989A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kawaguchi; 豊川口
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】スルーホールのフロー方式によるはんだ付けで良好な結果が得られるスルーホールのはんだ付け構造を得る。
【解決手段】プリント基板１のスルーホール２をフロー方式ではんだ付けする場合、スルーホール２のはんだ面パターン３ｂを、電流容量等に基づく所定設計基準で決定される面積に対して大きく形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、プリント基板に形成されたスルーホールをフロー方式ではんだ付けする場合に良好なはんだ上がりが得られるスルーホールのはんだ付け構造に関するものである。

プリント基板に電子部品を実装する場合、電子部品のリード端子をプリント基板のスルーホールに挿入し、このスルーホールにはんだを充填して固定している。また、このような電子部品の実装に用いるはんだ付けの方法として、はんだ漕の溶融はんだにプリント基板の下面を浸して行うフロー方式が用いられている。
このようなスルーホールのはんだ付け構造において、例えば、特許文献１に示されるように、プリント基板の電子部品を取り付ける側である部品面パターンの面積を、はんだを充填する側であるはんだ面パターンの面積より広くしたものがあった。

特開２００２−２６４８２号公報

近年、環境汚染の観点から鉛を含まない鉛フリーはんだが用いられるようになっているが、このような鉛フリーはんだを用いる場合には次のような問題があった。即ち、鉛フリーはんだは、従来からの共晶はんだに比べて融点が高いため、はんだ漕からプリント基板を取り出したときに、スルーホールにはんだが十分に上がっていない、いわゆる“はんだ上がり不良”が発生する場合があった。
プリント基板のスルーホールは、例えば、ＪＩＳＣ６１１９１−３に示されるプリント配線板実装の規格でも、はんだが良好に上がることが望ましいとされている。しかしながら、このような、技術的な要請に対して、特許文献１に示されるような部品面パターンの面積をはんだ面パターンの面積より大きくしたものでも、はんだ上がりの向上は見込めないものであった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、スルーホールのはんだ付けで良好な結果が得られるスルーホールのはんだ付け構造を得ることを目的とする。

この発明に係るスルーホールのはんだ付け構造は、プリント基板のスルーホールをフロー方式ではんだ付けする場合、スルーホールのはんだ面パターンを、所定の設計基準で決定される面積より大きく形成するようにしたものである。

また、この発明に係るスルーホールのはんだ付け構造は、プリント基板のスルーホールをフロー方式ではんだ付けする場合、スルーホールへのはんだの充填時に、スルーホールの部品面パターン付近ではんだの溶融温度以上となるよう、部品面パターンとはんだ面パターンとの面積比を決定するようにしたものである。

また、この発明に係るスルーホールのはんだ付け構造は、プリント基板のスルーホールをフロー方式ではんだ付けする場合、前記構造において、さらにスルーホールの部品面パターンを、サーマルパターンとしたものである。

また、この発明に係るスルーホールのはんだ付け構造は、はんだ面パターンの面積を、フロー方式におけるスルー速度とはんだ噴流時間により決定されるプリント基板へのはんだ供給幅を噴流滞留幅とした場合、プリント基板の搬送時に、噴流滞留幅内にはんだ面パターンが３個分から６個分含まれる値としたものである。

この発明のスルーホールのはんだ付け構造は、スルーホールのはんだ面パターンを、所定の設計基準で決定される面積より大きく形成するようにしたので、はんだ付け時にスルーホールに十分な熱が供給され、良好なはんだ上がりが得られる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるスルーホールのはんだ付け構造を示す断面図である。
プリント基板１は、エポキシ樹脂等からなり、部品面側（図面上側）から、はんだ面側（図面下側）に貫通するスルーホール２が形成されていると共に、これら部品面側およびはんだ面側にはそれぞれ導体パターンである部品面パターン３ａおよびはんだ面パターン３ｂが形成されている。また、スルーホール２には、金めっきまたははんだめっきによるスルーホールめっき部３ｃが形成され、部品面パターン３ａとはんだ面パターン３ｂとを電気的に接続している。スルーホール２には、電子部品（図示せず）のリード端子４が挿通され、はんだ５が充填されることでこのリード端子４が固定されるようになっている。はんだ５は、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだであり、はんだフロー方式で充填されるものである。

このような構成において、はんだ面パターン３ｂは、所定の設計基準で決定される面積に対して、それより大きくなるよう形成されている。即ち、一般的なプリント基板１では、はんだ面パターン３ｂの寸法（面積）は、主として、挿通部品をはんだ付けした際に部品を保持するのに十分な強度とするため、部品を挿通する穴径に対して相対的に大きく設計される。例えば、部品の穴径が０．９ｍｍの場合、スルーホールのパターン径は１．５ｍｍ〜２．０ｍｍとするのが一般的である。本実施の形態１では、このような設計基準で設計されるパターン径（面積）よりは大きなパターン径（面積）とし、フロー方式におけるはんだ付け時にスルーホール２に熱を伝えやすくしている。これは、以下のような観点に基づいて見出したものである。

図２は、はんだ面パターン３ｂが通常の設計基準によって決定されている場合のはんだ付けの説明図である。
図示のように、一般的な設計基準によってプリント基板１を設計した場合（例えば部品の穴径０．９ｍｍに対してスルーホールのパターン径を２．０ｍｍとした場合）、スルーホール２の部品面パターン３ａまではんだ５が上がりきらず、途中で固まってしまう場合があった。これは、部品面パターン３ａに対してはんだ面パターン３ｂは相対的に面積が小さいため、フロー漕からのはんだの噴流がはんだ面パターン３ｂとスルーホール２に供給された場合に、はんだ面パターン３ｂで受ける熱量が小さく、一方、部品面パターン３ａにおける放熱が大きいため、はんだがスルーホール２の上端まで上がる前に冷えてしまうからと考えられる。

そこで、実施の形態１では、はんだ面パターン３ｂの面積を大きくし、はんだ付け時にはんだに触れている時間を長くすることでスルーホール２に熱を伝えやすくしている。尚、プリント基板１では、スルーホール２における良好なはんだフィレットを得るため、はんだ面パターン３ｂに対してレジストが設けられている（オーバレジストが施されている）が、図１、２ではその図示を省略している。

次に、図３を用いてフロー方式のはんだ付けについて説明する。尚、図３ではリード端子４の図示は省略している。
プリント基板１が図３中の矢印で示す方向に搬送され、はんだの噴流５ａが供給されてはんだ付けが行われる場合、はんだ面パターン３ｂにおける搬送方向手前側の部分のパターン３ｂ−１は、スルーホール２への予熱に有効であり、後半のパターン３ｂ−２は、はんだがスルーホール２を上がっていく際の熱の供給に有効である。

はんだ面パターン３ｂの設計基準として、フロー方式ではんだ付けする場合に、フロー速度とはんだ噴流時間とから定まる噴流滞留幅に着目した。例えば、フロー条件として、スルー速度を１．５ｍ／ｍｉｎ、噴流時間を１ｓとした場合、噴流５ａの滞留幅は２５ｍｍ（＝１．５×１０００／６０）となるため、はんだ面側スルーホールのパターン径を最大２５ｍｍまで大きくしても、はんだ面側スルーホールの全面を噴流することができる。しかし、最大噴流滞留幅（２５ｍｍ）まで大きくすると、搬送方向手前側の部分のパターン３ｂ−１はすぐに噴流滞留幅を外れ、放熱方向に作用するため好ましくない。一方、部品の穴径を０．９ｍｍとした場合、従来の設計基準に基づきスルーホールのパターン径を２．０ｍｍとすると、十分に最大噴流滞留幅（２５ｍｍ）に収まっているが、パターン面積は約２．５ｍｍ²と小さいため、はんだ面パターン３ｂで受ける熱量が小さくなってしまう。そこで、はんだ面パターン３ｂ全体が噴流滞留幅内に位置している状態でのはんだ面パターン３ｂ間の幅、即ち、噴流滞留幅からはんだ面パターン２個分の幅を引いた値を有効幅として、この有効幅内にはんだ面パターン３ｂ全体が１個分から４個分収まる寸法とすることが好ましい。図４は、はんだ面パターン３ｂと噴流滞留幅との関係を示している。図４（ａ）に示すように、有効幅は噴流滞留幅からはんだ面パターン３ｂを２個分引いた値である。また、図４（ｂ）に示すように、はんだ面パターン３ｂの大きさは、有効幅内に１個分から４個分収まる寸法、即ち、噴流滞留幅内にはんだ面パターン３ｂが３個分から６個分収まる寸法とすることが好ましい。このような構成により、パターン面積を十分に大きくとりつつ噴流滞留域への進入時の予熱作用及び退出時の放熱作用の影響を抑えることができる。

例えば、はんだ面側パターン径を４ｍｍとした場合は、有効幅は１７ｍｍ（＝２５−４×２）であり、有効幅内にはんだ面パターン３ｂが４個分収まり（４×４＝１６＜有効幅１７）、またパターン面積も約１４．５ｍｍ²と従来の設計基準品よりも５倍程度大きくなり、吸熱、保熱及び部品面への給熱作用を十分に発揮することができる。前述のフロー条件では、図４（ｂ）に示すように、はんだ面側パターン径を４ｍｍから７ｍｍとすることが有効である。尚、本明細書ではプリント基板の搬送速度をフロー速度、はんだの噴流を供給する時間をはんだ噴流時間、フロー速度と噴流時間を単位を統一して掛け算することにより求まる噴流時間当たりの長さを噴流滞留幅、（噴流滞留幅−はんだ面パターン径×２）により求まる幅を有効幅として定義する。
このように、フロー方式のはんだ付けを行う場合、はんだ面パターン３ｂからスルーホール２に十分に熱が伝わるため、はんだ５が部品面パターン３ａ付近に達しても溶融温度以上の温度を保っているため、図１に示すような良好なはんだ上がりの結果が得られる。尚、プリント基板の回路や挿通部品等の収容密度等も考慮して設計されるため、有効幅内にはんだ面パターン３ｂ全体が５個以上収まるパターン径であっても、従来の設計基準品よりもパターン面積を大きくすることで、はんだ上がりの向上を図ることができる。

以上のように、実施の形態１のスルーホールのはんだ付け構造によれば、スルーホール２のはんだ面パターン３ｂを、所定の設計基準で決定される面積に対して大きく形成するようにしたので、はんだ面パターン３ｂの熱容量を大きくすることができ、その結果、スルーホール２に十分な熱を供給できるため、良好なはんだ上がり結果を得ることができる。

また、実施の形態１のスルーホールのはんだ付け構造によれば、はんだ面パターンの面積は、フロー方式におけるスルー速度とはんだ噴流時間により決定されるプリント基板へのはんだ供給幅を噴流滞留幅とした場合、プリント基板の搬送時に、噴流滞留幅内にはんだ面パターンが３個分から６個分含まれる値であるようにしたので、最も良好なはんだ上がり結果が得られるはんだ面パターンの寸法を容易に選択することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、スルーホールにおける部品面パターン付近のはんだの温度に基づいて部品面パターンとはんだ面パターンとの面積比を決定するようにしたものである。ここで、プリント基板１やスルーホール２および部品面パターン３ａ，はんだ面パターン３ｂ等の図面上の構成は実施の形態１と同様であるため、図１を用いて説明する。

実施の形態１における図２で説明したように、部品面パターン３ａとはんだ面パターン３ｂとの熱容量のバランスは考慮せず、プリント配線板としての設計基準等に基づいて設計した場合では、はんだ付け時にスルーホール２の途中ではんだ５が冷えて固まってしまい、はんだ上がり不良が発生する恐れがあった。そこで、実施の形態２では、はんだ付け時における部品面パターン３ａ付近の温度に着目し、この部分の温度がはんだ５の溶融温度以上となる部品面パターン３ａとはんだ面パターン３ｂとの熱容量の比率（＝面積比）に基づいてこれらパターンの大きさを決定している。例えば、はんだ５としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだを用いる場合、溶融温度は２２０゜Ｃ程度であるため、はんだ付け時における部品面パターン３ａ付近のはんだ５の温度が２２０゜Ｃ以上となるよう面積比を決定する。具体的には、部品面パターン３ａの大きさを所定の設計基準に従って決定するため、実施の形態１と同様に、はんだ面パターン３ｂの大きさを所定の設計基準で決定される値より大きくなるよう形成することになる。

図４は、フロー方式のはんだ付けのはんだ面側の温度プロファイルである。
図示の温度は、はんだ面パターン３ｂ側のリード端子４で計測した温度変化を示しており、Ａ部はプリヒート期間であり、また、Ｂ部は１回目の噴流、Ｃ部は２回目の噴流によるピークを示している。１回目および２回目の噴流による温度ピークは２５０゜Ｃ程度であり、このようなピーク時に部品面パターン３ａ側のはんだ５が溶融温度である２２０゜Ｃ以上となるよう、部品面パターン３ａとはんだ面パターン３ｂとの熱容量の比を決定する。即ち、はんだ面パターン３ｂ側からスルーホール２を通って部品面パターン３ａ側に伝えられる熱が多くなるよう部品面パターン３ａとはんだ面パターン３ｂとの面積比を決定する。

尚、上記例では、はんだ５の溶融温度が２２０゜Ｃ程度のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだの例で説明したが、これに限定されるものではなく、他の種類のはんだ５であっても、これに対応した部品面パターン３ａとはんだ面パターン３ｂの面積比を求めることで同様に適用可能である。また、前述のフロー条件も一例であり、基板の材質やはんだの種類等により任意に設定することができる。

以上のように、実施の形態２のスルーホールのはんだ付け構造によれば、スルーホールへのはんだの充填時に、スルーホールの部品面パターン付近ではんだの溶融温度以上となるよう、部品面パターンとはんだ面パターンとの面積比を決定するようにしたので、良好なはんだ上がり結果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、部品面パターン３ａの大きさに着目したものである。
図５は、実施の形態３の部品面パターン３１ａを示す説明図である。
図示の部品面パターン３１ａは、サーマルパターンと呼ばれるもので、パターンの面積が小さくなるよう切り込みを有した形状となっている。
このようにすれば、円形の部品面パターンに比べてその熱容量が小さくできるため、スルーホール２における部品面側の放熱が抑制され、従って、はんだ付け時のはんだ上がりを良くすることができる。

以上のように、実施の形態３のスルーホールのはんだ付け構造によれば、スルーホールの部品面パターンを、サーマルパターンとしたので、はんだ付け時における部品面パターン３１ａからの放熱が抑制され、良好なはんだ上がり結果を得ることができる。

尚、上記実施の形態１〜３では、それぞれ独立した別の形態として説明したが、これら二つあるいは三つの実施の形態を任意に組み合わせてもよい。
また、実施の形態２，３においても、実施の形態１で説明した、有効幅内にはんだ面パターン３ｂが１個分から４個分収まるようなはんだ面パターン３ｂの面積としてもよい。

この発明の実施の形態１によるスルーホールのはんだ付け構造を示す断面図である。一般的なスルーホールのはんだ付け構造における問題点を説明するための断面図である。この発明の実施の形態１によるスルーホールのはんだ付け構造を適用したプリント基板のはんだ付けの説明図である。この発明の実施の形態１によるスルーホールのはんだ付け構造におけるはんだ面パターンの大きさと噴流滞留幅との関係を示す説明図である。この発明の実施の形態２によるスルーホールのはんだ付け構造におけるはんだ面側の温度プロファイルの説明図である。この発明の実施の形態３によるスルーホールのはんだ付け構造における部品面パターンを示す説明図である。

符号の説明

１プリント基板
２スルーホール
３ａ，３１ａ部品面パターン
３ｂはんだ面パターン
４リード端子
５はんだ
５ａはんだの噴流

Claims

プリント基板のスルーホールをフロー方式ではんだ付けする場合のスルーホールのはんだ付け構造において、
前記スルーホールのはんだ面パターンを、所定の設計基準で決定される面積より大きく形成することを特徴とするスルーホールのはんだ付け構造。
プリント基板のスルーホールをフロー方式ではんだ付けする場合のスルーホールのはんだ付け構造において、
前記スルーホールへのはんだの充填時に、当該スルーホールの部品面パターン付近ではんだの溶融温度以上となるよう、前記部品面パターンとはんだ面パターンとの面積比を決定したこと特徴とするスルーホールのはんだ付け構造。
プリント基板のスルーホールをフロー方式ではんだ付けする場合のスルーホールのはんだ付け構造において、
前記スルーホールの部品面パターンを、サーマルパターンとしたことを特徴とするスルーホールのはんだ付け構造。
はんだ面パターンの面積は、フロー方式におけるスルー速度とはんだ噴流時間により決定されるプリント基板へのはんだ供給幅を噴流滞留幅とした場合、前記プリント基板の搬送時に、前記噴流滞留幅内に前記はんだ面パターンが３個分から６個分含まれる値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のスルーホールのはんだ付け構造。