JP3686861B2 - 回路基板及びそれを用いた電子機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板及びそれを用いた電子機器に関し、特に、無鉛はんだを用いて挿入型電子部品を実装する場合の回路基板及びそれを用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回路基板の構造を図１３乃至図１６を用いて詳細に説明する。図１３は、回路基板に電子部品が実装された、はんだ付け部の斜視図であり、図１４は、図１３のｂ−ｂ'の断面図である。
【０００３】
図１４に示すように、従来の回路基板１１は、紙基材及びガラス基材、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しみこませた絶縁性シート上に、銅箔を加圧加熱処理して貼り付けた銅張積層基板を形成した後、該基板の所望の箇所に貫通孔を形成し、貫通孔の側面に触媒付与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導電体を形成し、この導電体と銅張積層基板表面の銅膜とを接合し、スルーホール４を形成する。その後、銅張積層基板表面の銅からなる導電膜をエッチングすることによりランド２を形成する。
【０００４】
そして最後に、はんだ付けを行うランド２以外の部分に、錫鉛はんだ１２が付かないようにソルダーレジスト５を印刷塗布後、感光することによって回路基板１１を形成する。このとき、ソルダーレジスト５は、リード３を実装するランド２以外の回路７を保護する役割を担っている。
【０００５】
ここで、回路基板１１におけるソルダーレジスト５は、図１３に示すように、ランド２の面積よりも大きくなるように印刷し、ソルダーレジスト５がランド２に被らないように形成されている。これは、現在、電子機器はんだ接合に最も多く使われている錫鉛共晶はんだ（Ｓｎ６３ｗｔ％、残りＰｂ）を用いた、はんだ付けでは、ランド２にソルダーレジスト５が被ると、錫鉛はんだ１２のフィレット１２ａ形成を阻害するためである。
【０００６】
又、近年の高密度実装化に伴い、ランド２に関しても、最低限の接合強度が確保出来る範囲で、出来るだけ小さく形成されている。そして、このような従来の回路基板１１を用いて製造される電子機器は、錫鉛共晶はんだ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していたため、信頼性上特に問題とはならなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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り問題となり、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っており、現在、電子機器はんだ接合に最も多く使われている錫鉛共晶はんだ（Ｓｎ６３ｗｔ％、残りＰｂ、以下Ｐｂ−６３Ｓｎと記載）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持っている。このため、はんだ付け部においては鉛はんだより応力緩和が起こりにくく、また、溶融温度も錫鉛共晶はんだが１８３℃であるのに比べ、無鉛はんだは１９０℃〜２３０℃と高くなっている。
【０００８】
現在のおもな無鉛はんだとしては、錫亜鉛系はんだ（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を総称して錫亜鉛系はんだという。代表例は、Ｓｎ−８．０Ｚｎ−３．０Ｂｉ）や、錫銅系はんだ（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して錫銅系はんだという。代表例は、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．３Ａｇ）や錫銀系はんだ（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を総称して錫銀系はんだという。代表例は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕ）等がある。
【０００９】
上記錫亜鉛系はんだは、溶融点が１９０℃前後と低いという長所を持ってはいるが、酸化しやすいために不活性雰囲気又は真空中ではんだを行うことが必要となり、作業性が悪いという問題がある。
【００１０】
また、錫銅系はんだや錫銀系はんだは、酸化に対する問題は少ないが、錫銅系はんだは、溶融温度が約２３０℃と高く、ランドはく離が生じやすいと言う欠点を持っている。
【００１１】
更に、錫銀系はんだは、溶融点は約２２０℃と錫銅系はんだより低く、Ｂｉ（ビスマス）を添加することで溶融点を２０５℃程度にまで下げることが出来る。溶融点はビスマスの添加量を増やすことで下がるが、ビスマスの添加量を増やすとフィレットはく離が生じるという欠点を持っている。
【００１２】
一方、回路基板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℃であり、錫鉛はんだの場合よりも凝固収縮温度の差が広がり、無鉛はんだの接合部に掛かる応力が大きくなる。このような無鉛はんだの金属特性から、従来の回路基板１１を用い無鉛はんだ６で挿入実装を行うと、錫鉛はんだ１２ではほとんど発生しなかったランドはく離が多発することが明らかとなった。
【００１３】
ランドはく離の発生例について図を用いて詳しく説明する。図１５は、ランドはく離の発生状態を模式的に示す断面図である。また、図１６は、検証実験において確認されたランドはく離の発生を示す図であり、図１５のＢ部（左右反転）の断面写真である。
【００１４】
図１５に示すように、従来の回路基板１１を用いて無鉛はんだ６のはんだ付けを行うと、ランド２と回路基板１１の間がはく離し、ランド２が浮き上がった状態となる。このとき、ランド２に接続されている回路７は、一緒に持ち上げられて引っ張られることによって過度のストレスを受ける。この状態で、熱ストレスを繰り返し受けると、図１６の断面写真に見られるように、回路７は容易に断線に至る。
【００１５】
このように、ランドはく離は電子機器の信頼性を著しく低下させる。また、このようにランドはく離が発生する従来の回路基板１１用いて電子機器の製造を行うことは、電子機器の信頼性を著しく低下させるという問題点がある。
【００１６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主な目的は、無鉛はんだを用いてもランドはく離が生じることのない、高信頼性の回路基板を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、上記回路基板を用いて、高信頼性の電子機器を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも表面と裏面とに回路配線を有する回路基板であって、電子部品の導電部材が挿入される貫通孔を有し、該貫通孔には導電膜が被覆されてなるランドを備え、前記導電部材と前記ランドとが無鉛はんだを用いて実装され、かつ前記ランド上に前記無鉛はんだのフィレットが形成される回路基板において、前記ランド外周端部の少なくとも一部を覆うように形成されたソルダーレジストを有し、前記ソルダーレジストの少なくとも一部の領域について前記フィレットの半径が前記ソルダーレジストの開口半径以下であるように形成されているものである。
【００１９】
本発明においては、前記ソルダーレジストが、前記ランド外周端部の内、前記回路基板に形成される回路と接続される側の端部を覆うように形成されていることが望ましい。また、前記ソルダーレジストが、前記ランド外周端部の内、前記回路基板に形成される回路に接続される側と対向する側の端部を覆うように形成されていることが望ましい。ランドの形状としては、例えば、円形、長円形、多角形、十字形又は星形の変形等を挙げることができる。また、前記ランドと前記回路基板に形成される回路との接続部に、サブランドを形成することが望ましい。また、前記無鉛はんだは、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、又は、錫銅系はんだ等を挙げることができる。
【００２０】
また本発明は、少なくとも表面と裏面とに回路配線を有する回路基板であって、電子部品の導電部材が挿入される貫通孔を有し、該貫通孔には導電膜が被覆されてなるランドを備え、前記導電部材と前記ランドとが無鉛はんだを用いて実装され、かつ前記ランド上にフィレットが形成される回路基板において、
前記回路基板の、ガラス転移温度をＴｇ、基板厚み方向のガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数をα１、基板厚み方向のガラス転移温度以上での線膨張係数をα２とし、前記無鉛はんだの溶融点をＴｍ、常温をＴｓとしたときに次式で求められる前記回路基板の基板膨張率Ｌが、
Ｌ＝｛α１（Ｔg−Ｔｓ）+α２（Ｔｍ−Ｔg）｝／１０4≦２．５６ ・・・（１）
なる関係を満たすことを特徴とする回路基板である。前記無鉛はんだは、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、又は、錫銅系はんだであることが望ましい。
【００２１】
本発明の電子機器は、上記構成の回路基板に、電子部品が無鉛はんだで挿入実装されているものである。
【００２２】
本発明は、表面と裏面とに回路配線を有する回路基板であって、電子部品の導電部材が挿入される貫通孔を有し、該貫通孔には導電膜が被覆されてなる（スルーホールメッキが施された）ランドを備えた回路基板、すなわち、両面基板や多層基板等に適用される。
【００２３】
なお、無鉛はんだには、性質が変わらない程度に不純物として鉛を含む場合も含まれるものとする。
【００２４】
このように本発明による回路基板は、図１に示すように、回路基板１の表面にエッチング法など（ランド形成方法は問わない）で形成されたランド２が形成されている。このランド２の中心部に電子部品のリード（導電部材となる）３を挿入実装するための貫通孔を形成し、貫通孔の表面にめっきを施して回路基板１の表面のランド２と接合し、スルーホール４を形成し、最後にはんだ付けを行うランド２以外部分に無鉛はんだ６が付かないように、ソルダーレジスト５を印刷塗布後、感光することによって形成される。
【００２５】
この時、図２に示すように、ランド端部２ａの全周または一部にソルダーレジスト５を被せるようにし、フィレットの半径がソルダーレジスト開口半径以下であるようにすることにより、無鉛はんだ６がランド端部２ａまで濡れ広がることを防止し、はんだフィレット６ａがランド端部２ａまで形成されることを防止することができる。
【００２６】
そして、はんだフィレット６ａがランド端部２ａよりも内側に形成されることにより、無鉛はんだ６が収縮する時のはんだフィレット６ａに沿った斜め上方向への張力と、はんだフィレット形成角との関係により発生する、回路基板１の熱収縮に反発する力が、最も回路基板との密着が弱いランド端部２ａではなく、回路基板１との密着がより高いランドの内側に掛かるようになるため、ランド２を剥がれにくくすることができる。また、ランド端部２ａが無鉛はんだ６によって固定されないため、ランド２が回路基板１の熱膨張収縮により追従しやすくなるという効果がある。
【００２７】
尚、上記式（１）を満たすような回路基板を用いることにより、溶融温度が高いことによる熱膨張係数のミスマッチの影響を受けやすい無鉛はんだ６を用いて製造する場合においても、回路７の断線を引き起こすランドはく離を抑制することが出来る。そして、これにより、無鉛はんだ６を用いた場合でも十分に信頼性の高い電子機器を製造することが出来るという効果がある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る回路基板の好ましい実施の形態について、以下に図面を参照して詳述する。
【００２９】
［実施形態１］
まず、本発明の第１の実施形態に係る回路基板について、図１、図２及び図８乃至図１０を参照して説明する。図１は、本発明の回路基板に電子部品が実装された状態の斜視図で、図２は図１のａ−ａ'の断面図である。また、図８乃至図１０は、本実施形態の効果を説明するための図である。なお、回路基板の製造方法は従来技術と同様であるので説明を省略する。
【００３０】
図１及び図２に示すように、本実施形態は、ランド端部２ａにソルダーレジスト５を被せ、フィレット６ａの半径がソルダーレジスト５の開口半径以下であるようにした。
【００３１】
上記構成により、はんだフィレット６ａがランド端部２ａよりも内側に形成され、無鉛はんだ６が収縮する時のはんだフィレット６ａに沿った斜め上方向への張力と、はんだフィレット形成角との関係により発生する、回路基板１の熱収縮に反発する力が最も回路基板との密着が弱いランド端部２ａではなく、回路基板１との密着がより高いランド２の内側に掛かるようになるため、ランド２を剥がれにくくすることができる。また、ランド端部２ａが無鉛はんだ６によって固定されないため、ランド２が回路基板１の熱膨張収縮により追従しやすくなる。これにより、無鉛はんだ６にて多発するランドはく離を抑制することが可能となる。
【００３２】
次に、本実施形態の回路基板１を用いて、電子機器を製造した場合の効果について検証を行った。このときの結果（表１）を用いて具体的に解説する。
【００３３】
【表１】
従来の回路基板１１と本実施形態の回路基板１とに対して、無鉛はんだ（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）を全く同じ条件ではんだ付けを行った。その後、繰り返し熱応力サイクル試験（−４０℃（３０分）⇔２５℃（５分）⇔１２５℃（３０分）、サンプル数１０枚、１６カ所／枚）を行い、断線に至るまでのサイクル数を比較した。なお、断線の判定はランド間を短絡したパターンに電子部品を実装し、電気抵抗の測定を行い、電気抵抗が無限大になった時点で断線と判定した。
【００３４】
この検証の結果、従来の鉛はんだ用の回路基板１１では２００サイクルから断線が確認され、その後も断線箇所が増加しているが、本実施の形態の回路基板１は、５００サイクルまで全く断線は確認されなかった。
【００３５】
図８に、表１中に※印（２００サイクル断線箇所（図１５のＣ部））で示す回路基板１１の断面写真を示す。図８に示すように、ランド２は回路基板１１より大きく浮き上がって、それにつながる回路７も大きく持ち上げられている。更に、矢印Ｄ部の拡大を示す図９から分かるように、ランド端部２ａと回路７の境目部分が大きく変形し、断線に至っていることが確認できる。つまり、ランドはく離が発生することによって、回路７の断線が発生し、電子機器の信頼性が著しく低下することがわかる。
【００３６】
次に、同様の条件で検証実験した本実施の形態の回路基板１の断面写真（図２のＡ部）を図１０に示す。図１０から分かるように、本実施の形態の回路基板１では、ランド２には特に異常は認められず、本実施の形態の構成がランドはく離に対して効果があることが確認された。
【００３７】
このように、繰り返し熱応力をサイクルで与えた場合の断線に至るまでのサイクル数を比較すると、ランドはく離が多発する従来の回路基板１１は、本実施の形態の回路基板１に比べ、明らかに断線に至る寿命が早いことが分かる。また、本実施の形態の回路基板１及びこの回路基板１を用いて製造された電子機器は、無鉛はんだにて多発するランドはく離の発生を抑制することができ、高信頼性の電子機器を製造することが可能となる。
【００３８】
ランド２とソルダーレジスト５との重なりは、その下限は基本的にソルダーレジスト５がランド端部２ａを覆うように、ソルダーレジスト開口範囲がランド径よりも小さければよいが、ランド２とソルダーレジスト５との重なり部分の幅が０．０１ｍｍ以上であることが望ましく、０．０２ｍｍ以上である方が更に望ましい。その理由は、重なり幅の下限は露光時目合わせ時のマージンと応力との関係で決まり、フィレット形成による応力のみを考慮する場合は、０．０１ｍｍ以上の重なりであることがランド剥離が生じないようにするために好ましいが、更に露光時の目合わせ精度を考慮すると、０．０２ｍｍ以上の重なりが合った方が製造不良を生じにくいからである。
【００３９】
一方、重なり幅の上限は、フィレットが形成でき、ソルダーレジスト開口範囲がスルーホール径よりも大きくなるような範囲で決定される。
【００４０】
［実施形態２］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る回路基板について、図３を参照して説明する。図３は、連続して隣り合った長円形ランド８に列単位でソルダーレジスト５を被せた場合の一例を示す平面図である。
【００４１】
図３では、連続して配置された複数の長円形ランド８の長手方向の中央部を横断する短冊状のソルダーレジスト５を配している。個々の長円形ランド８では、長手方向の中央部付近の短手方向のランド端部８ａにはソルダーレジスト５が被っていないが、より無鉛はんだ６の熱収縮の影響を受けやすく、回路７が接続される長手方向のランド端部８ｂとそれに相対する部分にのみソルダーレジストを被せ、他の部分はソルダーレジストを形成していない。
【００４２】
上記構成によって無鉛はんだ６が長円形ランド８の長手方向のランド端部８ｂまで濡れ広がることを防止することができ、前記した第１の実施の形態とほぼ同じ目的が達成される。この第２の実施の形態は、特に電子部品のリードのピッチが狭く、ピッチ間にソルダーレジストを印刷しにくい場合に有効である。
【００４３】
［実施形態３］
次に、本発明の第３の実施に形態に係る回路基板について、図４を参照して説明する。
【００４４】
図４に示すように、ランド形状が第１の実施の形態に示すような円形の場合でも、円形のランド２の回路７が形成される側のランド端部と、それに相対するランド端部にのみソルダーレジスト５を被せることにより、回路７が回路基板１から浮き上がることを防止し、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
また、円形のランド２の回路７が形成される側のランド端部のみソルダーレジスト５を被せても回路７が回路基板１から浮き上がることを防止することができ、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、円形のランド２の回路７が形成される側のランド端部と相対するランド端部にのみソルダーレジスト５を被せても、ランド端部でのランドはく離の発生を抑制することができる。
【００４６】
［実施形態４］
次に、本発明の第４の実施の形態に係る回路基板について、図５乃至図７を参照して説明する。図５は星形の異形ランド９と丸形のソルダーレジスト５の開口を組み合わせた一例を示す平面図であり、図６（ａ）、（ｂ）は、サブランド１０を設けた構成を示す平面図であり、図７（ａ）、（ｂ）は、十字形の異形ランドと丸形のソルダーレジスト５の開口を組み合わせ、及び八角形の異形ランドと丸形のソルダーレジスト５の開口を組み合わせた例を示す平面図である。
【００４７】
いずれのランド形状、ソルダーレジスト５開口形状の組み合わせにおいても、異形ランド９の端部９ａにソルダーレジスト５を被せることにより、無鉛はんだが異形ランド端部９ａまで濡れ広がることを防止することができ、本発明の目的が達成される。
【００４８】
更に、上記実施の形態において、ランド２と回路７との接合部にサブランド１０を設ける場合についても同様である。そのための例を図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、サブランド１０がある場合も、電子部品のリード３を挿入実装するランド２の中心とソルダーレジスト５開口部の中心が合うようにソルダーレジスト５を被せることにより、本発明の目的が達成されるだけでなく、サブランド１０によりランド２と回路７の接続がより強固になるという効果が得られる。なお、サブランド１０の形状は半円型（図６（ａ））、ティアドロップ型（図６（ｂ））等が考えられるが、いずれの形状でも良いことは明らかである。
【００４９】
［実施形態５］
次に、本発明の第５の実施の形態に係る回路基板について、図１１を参照して説明する。第５の実施の形態は、ガラス転移温度が高い絶縁基板を用いるものである。なお、下記の線膨張係数は、基板の厚み方向の線膨張係数を示すものとして説明する。
【００５０】
従来のエポキシ樹脂製の絶縁基板（ガラス転移温度１２５〜１４０℃、ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（α１）５０〜７０ｐｐｍ、ガラス転移温度以上での線膨張係数（α２）２００〜３５０ｐｐｍ）を用いた回路基板に電子部品を錫銀系の無鉛はんだ（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）を２５０℃／５秒／大気中ではんだ付を行った。
【００５１】
これに対し、低熱膨張・高ガラス転移基板として、ハロゲン元素を除去したエポキシ樹脂からなる日立化成製のＭＣＬ−ＲＯ−６７Ｇ（ガラス転移温度１５０℃、ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（α１）３８ｐｐｍ、ガラス転移温度以上での線膨張係数（α２）１８５ｐｐｍ、以下、１５０℃、３８ｐｐｍ、１８５ｐｐｍと略す）の基板を用いた回路基板に電子部品を錫銀系の無鉛はんだ（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）を２５０℃／５秒／大気中ではんだ付を行った（図１１）。
【００５２】
これら２種類の回路基板に繰り返し熱応力サイクル試験（−４０℃（３０分）⇔２５℃（５分）⇔１２５℃（３０分）、サンプル数１０枚、１６カ所／枚）５００サイクルを行い、信頼性を確認した。その結果、従来のエポキシ樹脂製の基板を用いた回路基板ではランドはく離が発生するが、一方、低熱膨張・高ガラス転移基板として用いた、日立化成製のＭＣＬ−ＲＯ−６７Ｇ（１５０℃、３８ｐｐｍ、１８５ｐｐｍ）の回路基板では、図１１に示すようにランドはく離は生じない。
【００５３】
以上の結果から、ガラス転移温度が所定の値以上で、尚かつ、ガラス転移温度以上の線膨張係数が所定の値以下であればランドはく離が生じないことがわかる。
【００５４】
更に、鉛フリーはんだを、はんだ付けする時に回路基板のガラス転移温度Ｔｇと、基板厚み方向のガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数α１及び、ガラス転移温度以上での線膨張係数α２、はんだの溶融点Ｔｍの関係を明らかにするために行った実験データを具体的に示す。
【００５５】
下式（２）は、回路基板のガラス転移温度Ｔｇと、基板厚み方向のガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数α１及び、ガラス転移温度以上での線膨張係数α２、はんだの溶融点Ｔｍ、常温Ｔｓ（通常２５℃）をパラメーターとして算出した、基板膨張率Ｌを示す。
【００５６】
式（２）に示す基板膨張率Ｌは、はんだ付けを行った回路基板を冷却していく過程において、はんだが溶融状態から溶融点を通過して凝固を開始した後、はんだ接合部が常温に戻るまでの回路基板の熱膨張変化率を示したものである。
｛α１（Ｔg−Ｔｓ）+α２（Ｔｍ−Ｔg）｝／１０4＝Ｌ …式（２）
Ｌ：基板膨張率（％）
Ｔg：ガラス転移温度（℃）
α１：ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（ｐｐｍ）
α２：ガラス転移温度以上での線膨張係数（ｐｐｍ）
Ｔｍ：はんだの溶融点（冷却時は凝固開始点に相当）（℃）
Ｔｓ：常温（はんだ接合部が常態に戻る温度）（℃）
本発明者らは、式（２）で求められる熱膨張率Ｌが所定の熱膨張率Ｌ１以下であれば、ランド剥離を生じないことを見出した。
【００５７】
式（１）を用いて、５種類の回路基板（実施例１〜３、比較例１，２）をＳｎ−Ａｇ−Cuはんだで、はんだ付けした場合の基板膨張率Ｌの計算例を表２に示す。なお、実施例２の基板は、前述の日立化成製のＭＣＬ−ＲＯ−６７Ｇと同一である。
【００５８】
【表２】
表２では、Ｔｓは２５℃、ＴｍはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ鉛フリーはんだに相当する２２０℃として計算を行っている。
【００５９】
表２の計算結果を基に、基板膨張率Ｌと、実験データより得られた、ランド剥離の発生率とグラフ化したものが、図１２である。図１２より明らかなように、基板の膨張率Ｌが２．５６％以下の回路基板では、ランド剥離が発生していないことがわかる。すなわち、Ｌ１＝２．５６％として熱膨張率Ｌがこれ以下の回路基板を選べばランド剥離は発生しない。
【００６０】
これより、例えば、 溶融点Ｔｍが２２０℃のＳｎ−Ａｇ−Cuはんだをはんだ付けする場合は、ガラス転移温度Ｔｇが１４１℃以上、かつ、ガラス転移温度以上の線膨張係数α２が２６４ｐｐｍ以下の実施例１〜３の基板の場合、ガラス転移温度と線膨張係数から算出される基板膨張率Ｌが２．５６％以下であれば、ランドはく離を制することができる。
【００６１】
これらの結果を基に、式（２）を整理し直したのが、式（３）である。なお、式（３）は常温を２５℃とした場合である。
【００６２】
Ｌ＝｛α１（Ｔg−２５）+α２（Ｔｍ−Ｔg）｝／１０4≦２．５６ …式（３）
Ｌ：基板膨張率（％）
Ｔg：ガラス転移温度（℃）
α１：ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（ｐｐｍ）
α２：ガラス転移温度以上での線膨張係数（ｐｐｍ）
Ｔｍ：はんだの溶融点（冷却時は凝固開始点に相当）（℃）
【００６３】
式（３）を用いることによって、回路基板のガラス転移温度Ｔｇ、線膨張係数（α１、α２）、はんだの溶融点Ｔｍがわかれば、ランドはく離の発生を予測することが可能である。
【００６４】
更に、式（３）を用いることによって、ランドはく離抑制の効果のある回路基板の選択が容易になり、ランドはく離の発生を抑制することができる。
【００６５】
なお、はんだの種類が変わった場合でもＴｍを置き換えることによって同様の計算が可能であり、溶融点が低いはんだを用いる程、基板膨張率Ｌが２．５６以下になる回路基板の種類が多くなる。
【００６６】
例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだではランドはく離が多発する、従来のエポキシ樹脂製の絶縁基板（ガラス転移温度１２５〜１４０℃、ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（α１）５０〜７０ｐｐｍ、ガラス転移温度以上での線膨張係数（α２）２００〜３５０ｐｐｍ）の基板膨張率Ｌを、従来のＳｎ-３７Ｐｂはんだ（溶融点：１８３℃）で計算すると、約１．９％となるため、式（３）を満たし、従来のはんだ付けにおいては、ランドはく離は発生しなかったと考えられる。
【００６７】
上記回路基板を用いて電子機器を製造することにより、繰り返しの熱応力サイクルに強い、高寿命かつ信頼性の高い電子機器を製造することが出来る。このよう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。
【００６８】
なお、本発明は上記各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明らかである。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、無鉛はんだがランド端部まで濡れ広がることを防止し、フィレットがランド端部まで形成されることを防止することができる。そして、フィレットがランド端部よりも内側に形成されることにより、ランド端部に生じる無鉛はんだの熱膨張収縮の応力を抑えることができ、回路基板の熱膨張収縮により追従しやすくなることにより、無鉛はんだにて多発するランドはく離を抑制できる回路基板を提供することができる。
【００７０】
また、この回路基板を用いて製造された電子機器は、繰り返しの熱応力サイクルにおいても従来の回路基板を使用した電子機器に比べ非常に高寿命であることが確認された。これにより、無鉛はんだを用いた場合でも、十分に信頼性の高い電子機器を製造することが出来る。
【００７１】
更に式（１）を用いることによって、ランドはく離抑制の効果のある回路基板の選択が容易になり、ランドはく離の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回路基板の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の回路基板の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す平面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す平面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す平面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の他の構造を示す平面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態の他の構造を示す平面図である。
【図８】表１の実験データに基づく、従来の構成例の製造不良発生を示す断面写真である。
【図９】図８の部分拡大図である。
【図１０】表１の実験データに基づく、本発明の第１の実施の形態の効果を示す断面写真である。
【図１１】本発明の第５の実施の形態のランド剥離不良の発生率を示す図である。
【図１２】表２の計算結果と実験データに基づくランドはく離の発生率の関係を示す図である。
【図１３】従来の回路基板の構成例を示す斜視図である。
【図１４】従来の回路基板の構成例を示す断面図である。
【図１５】従来の回路基板の構成例を用いた場合の製造不良発生を示す断面図である。
【図１６】従来の構成例を用いた場合の製造不良発生を示す断面写真である。
【符号の説明】
１ 回路基板
２ ランド
２ａ ランド端部
３ リード
４ スルーホール
５ ソルダーレジスト
６ 無鉛はんだ
６ａ はんだフィレット（無鉛はんだ）
７ 回路
８ 長円型ランド
８ａ 短手方向のランド端部
８ｂ 長手方向のランド端部
９ 異形ランド
９ａ 異形ランド端部
１０ サブランド
１１ 回路基板
１２ 錫鉛はんだ
１２ａ はんだフィレット（錫鉛はんだ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板及びそれを用いた電子機器に関し、特に、無鉛はんだを用いて挿入型電子部品を実装する場合の回路基板及びそれを用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回路基板の構造を図１３乃至図１６を用いて詳細に説明する。図１３は、回路基板に電子部品が実装された、はんだ付け部の斜視図であり、図１４は、図１３のｂ−ｂ'の断面図である。
【０００３】
図１４に示すように、従来の回路基板１１は、紙基材及びガラス基材、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しみこませた絶縁性シート上に、銅箔を加圧加熱処理して貼り付けた銅張積層基板を形成した後、該基板の所望の箇所に貫通孔を形成し、貫通孔の側面に触媒付与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導電体を形成し、この導電体と銅張積層基板表面の銅膜とを接合し、スルーホール４を形成する。その後、銅張積層基板表面の銅からなる導電膜をエッチングすることによりランド２を形成する。
【０００４】
そして最後に、はんだ付けを行うランド２以外の部分に、錫鉛はんだ１２が付かないようにソルダーレジスト５を印刷塗布後、感光することによって回路基板１１を形成する。このとき、ソルダーレジスト５は、リード３を実装するランド２以外の回路７を保護する役割を担っている。
【０００５】
ここで、回路基板１１におけるソルダーレジスト５は、図１３に示すように、ランド２の面積よりも大きくなるように印刷し、ソルダーレジスト５がランド２に被らないように形成されている。これは、現在、電子機器はんだ接合に最も多く使われている錫鉛共晶はんだ（Ｓｎ６３ｗｔ％、残りＰｂ）を用いた、はんだ付けでは、ランド２にソルダーレジスト５が被ると、錫鉛はんだ１２のフィレット１２ａ形成を阻害するためである。
【０００６】
又、近年の高密度実装化に伴い、ランド２に関しても、最低限の接合強度が確保出来る範囲で、出来るだけ小さく形成されている。そして、このような従来の回路基板１１を用いて製造される電子機器は、錫鉛共晶はんだ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していたため、信頼性上特に問題とはならなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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り問題となり、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っており、現在、電子機器はんだ接合に最も多く使われている錫鉛共晶はんだ（Ｓｎ６３ｗｔ％、残りＰｂ、以下Ｐｂ−６３Ｓｎと記載）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持っている。このため、はんだ付け部においては鉛はんだより応力緩和が起こりにくく、また、溶融温度も錫鉛共晶はんだが１８３℃であるのに比べ、無鉛はんだは１９０℃〜２３０℃と高くなっている。
【０００８】
現在のおもな無鉛はんだとしては、錫亜鉛系はんだ（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を総称して錫亜鉛系はんだという。代表例は、Ｓｎ−８．０Ｚｎ−３．０Ｂｉ）や、錫銅系はんだ（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して錫銅系はんだという。代表例は、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．３Ａｇ）や錫銀系はんだ（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を総称して錫銀系はんだという。代表例は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕ）等がある。
【０００９】
上記錫亜鉛系はんだは、溶融点が１９０℃前後と低いという長所を持ってはいるが、酸化しやすいために不活性雰囲気又は真空中ではんだを行うことが必要となり、作業性が悪いという問題がある。
【００１０】
また、錫銅系はんだや錫銀系はんだは、酸化に対する問題は少ないが、錫銅系はんだは、溶融温度が約２３０℃と高く、ランドはく離が生じやすいと言う欠点を持っている。
【００１１】
更に、錫銀系はんだは、溶融点は約２２０℃と錫銅系はんだより低く、Ｂｉ（ビスマス）を添加することで溶融点を２０５℃程度にまで下げることが出来る。溶融点はビスマスの添加量を増やすことで下がるが、ビスマスの添加量を増やすとフィレットはく離が生じるという欠点を持っている。
【００１２】
一方、回路基板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℃であり、錫鉛はんだの場合よりも凝固収縮温度の差が広がり、無鉛はんだの接合部に掛かる応力が大きくなる。このような無鉛はんだの金属特性から、従来の回路基板１１を用い無鉛はんだ６で挿入実装を行うと、錫鉛はんだ１２ではほとんど発生しなかったランドはく離が多発することが明らかとなった。
【００１３】
ランドはく離の発生例について図を用いて詳しく説明する。図１５は、ランドはく離の発生状態を模式的に示す断面図である。また、図１６は、検証実験において確認されたランドはく離の発生を示す図であり、図１５のＢ部（左右反転）の断面写真である。
【００１４】
図１５に示すように、従来の回路基板１１を用いて無鉛はんだ６のはんだ付けを行うと、ランド２と回路基板１１の間がはく離し、ランド２が浮き上がった状態となる。このとき、ランド２に接続されている回路７は、一緒に持ち上げられて引っ張られることによって過度のストレスを受ける。この状態で、熱ストレスを繰り返し受けると、図１６の断面写真に見られるように、回路７は容易に断線に至る。
【００１５】
このように、ランドはく離は電子機器の信頼性を著しく低下させる。また、このようにランドはく離が発生する従来の回路基板１１用いて電子機器の製造を行うことは、電子機器の信頼性を著しく低下させるという問題点がある。
【００１６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主な目的は、無鉛はんだを用いてもランドはく離が生じることのない、高信頼性の回路基板を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、上記回路基板を用いて、高信頼性の電子機器を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも表面と裏面とに回路配線を有する回路基板であって、電子部品の導電部材が挿入される貫通孔を有し、該貫通孔には導電膜が被覆されてなるランドを備え、前記導電部材と前記ランドとが無鉛はんだを用いて実装され、かつ前記ランド上に前記無鉛はんだのフィレットが形成される回路基板において、前記ランド外周端部の少なくとも一部を覆うように形成されたソルダーレジストを有し、前記ソルダーレジストの少なくとも一部の領域について前記フィレットの半径が前記ソルダーレジストの開口半径以下であるように形成されているものである。
【００１９】
本発明においては、前記ソルダーレジストが、前記ランド外周端部の内、前記回路基板に形成される回路と接続される側の端部を覆うように形成されていることが望ましい。また、前記ソルダーレジストが、前記ランド外周端部の内、前記回路基板に形成される回路に接続される側と対向する側の端部を覆うように形成されていることが望ましい。ランドの形状としては、例えば、円形、長円形、多角形、十字形又は星形の変形等を挙げることができる。また、前記ランドと前記回路基板に形成される回路との接続部に、サブランドを形成することが望ましい。また、前記無鉛はんだは、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、又は、錫銅系はんだ等を挙げることができる。
【００２０】
また本発明は、少なくとも表面と裏面とに回路配線を有する回路基板であって、電子部品の導電部材が挿入される貫通孔を有し、該貫通孔には導電膜が被覆されてなるランドを備え、前記導電部材と前記ランドとが無鉛はんだを用いて実装され、かつ前記ランド上にフィレットが形成される回路基板において、
前記回路基板の、ガラス転移温度をＴｇ、基板厚み方向のガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数をα１、基板厚み方向のガラス転移温度以上での線膨張係数をα２とし、前記無鉛はんだの溶融点をＴｍ、常温をＴｓとしたときに次式で求められる前記回路基板の基板膨張率Ｌが、
Ｌ＝｛α１（Ｔg−Ｔｓ）+α２（Ｔｍ−Ｔg）｝／１０4≦２．５６ ・・・（１）
なる関係を満たすことを特徴とする回路基板である。前記無鉛はんだは、錫亜鉛系はんだ、錫銀系はんだ、又は、錫銅系はんだであることが望ましい。
【００２１】
本発明の電子機器は、上記構成の回路基板に、電子部品が無鉛はんだで挿入実装されているものである。
【００２２】
本発明は、表面と裏面とに回路配線を有する回路基板であって、電子部品の導電部材が挿入される貫通孔を有し、該貫通孔には導電膜が被覆されてなる（スルーホールメッキが施された）ランドを備えた回路基板、すなわち、両面基板や多層基板等に適用される。
【００２３】
なお、無鉛はんだには、性質が変わらない程度に不純物として鉛を含む場合も含まれるものとする。
【００２４】
このように本発明による回路基板は、図１に示すように、回路基板１の表面にエッチング法など（ランド形成方法は問わない）で形成されたランド２が形成されている。このランド２の中心部に電子部品のリード（導電部材となる）３を挿入実装するための貫通孔を形成し、貫通孔の表面にめっきを施して回路基板１の表面のランド２と接合し、スルーホール４を形成し、最後にはんだ付けを行うランド２以外部分に無鉛はんだ６が付かないように、ソルダーレジスト５を印刷塗布後、感光することによって形成される。
【００２５】
この時、図２に示すように、ランド端部２ａの全周または一部にソルダーレジスト５を被せるようにし、フィレットの半径がソルダーレジスト開口半径以下であるようにすることにより、無鉛はんだ６がランド端部２ａまで濡れ広がることを防止し、はんだフィレット６ａがランド端部２ａまで形成されることを防止することができる。
【００２６】
そして、はんだフィレット６ａがランド端部２ａよりも内側に形成されることにより、無鉛はんだ６が収縮する時のはんだフィレット６ａに沿った斜め上方向への張力と、はんだフィレット形成角との関係により発生する、回路基板１の熱収縮に反発する力が、最も回路基板との密着が弱いランド端部２ａではなく、回路基板１との密着がより高いランドの内側に掛かるようになるため、ランド２を剥がれにくくすることができる。また、ランド端部２ａが無鉛はんだ６によって固定されないため、ランド２が回路基板１の熱膨張収縮により追従しやすくなるという効果がある。
【００２７】
尚、上記式（１）を満たすような回路基板を用いることにより、溶融温度が高いことによる熱膨張係数のミスマッチの影響を受けやすい無鉛はんだ６を用いて製造する場合においても、回路７の断線を引き起こすランドはく離を抑制することが出来る。そして、これにより、無鉛はんだ６を用いた場合でも十分に信頼性の高い電子機器を製造することが出来るという効果がある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る回路基板の好ましい実施の形態について、以下に図面を参照して詳述する。
【００２９】
［実施形態１］
まず、本発明の第１の実施形態に係る回路基板について、図１、図２及び図８乃至図１０を参照して説明する。図１は、本発明の回路基板に電子部品が実装された状態の斜視図で、図２は図１のａ−ａ'の断面図である。また、図８乃至図１０は、本実施形態の効果を説明するための図である。なお、回路基板の製造方法は従来技術と同様であるので説明を省略する。
【００３０】
図１及び図２に示すように、本実施形態は、ランド端部２ａにソルダーレジスト５を被せ、フィレット６ａの半径がソルダーレジスト５の開口半径以下であるようにした。
【００３１】
上記構成により、はんだフィレット６ａがランド端部２ａよりも内側に形成され、無鉛はんだ６が収縮する時のはんだフィレット６ａに沿った斜め上方向への張力と、はんだフィレット形成角との関係により発生する、回路基板１の熱収縮に反発する力が最も回路基板との密着が弱いランド端部２ａではなく、回路基板１との密着がより高いランド２の内側に掛かるようになるため、ランド２を剥がれにくくすることができる。また、ランド端部２ａが無鉛はんだ６によって固定されないため、ランド２が回路基板１の熱膨張収縮により追従しやすくなる。これにより、無鉛はんだ６にて多発するランドはく離を抑制することが可能となる。
【００３２】
次に、本実施形態の回路基板１を用いて、電子機器を製造した場合の効果について検証を行った。このときの結果（表１）を用いて具体的に解説する。
【００３３】
【表１】
【００３４】
この検証の結果、従来の鉛はんだ用の回路基板１１では２００サイクルから断線が確認され、その後も断線箇所が増加しているが、本実施の形態の回路基板１は、５００サイクルまで全く断線は確認されなかった。
【００３５】
図８に、表１中に※印（２００サイクル断線箇所（図１５のＣ部））で示す回路基板１１の断面写真を示す。図８に示すように、ランド２は回路基板１１より大きく浮き上がって、それにつながる回路７も大きく持ち上げられている。更に、矢印Ｄ部の拡大を示す図９から分かるように、ランド端部２ａと回路７の境目部分が大きく変形し、断線に至っていることが確認できる。つまり、ランドはく離が発生することによって、回路７の断線が発生し、電子機器の信頼性が著しく低下することがわかる。
【００３６】
次に、同様の条件で検証実験した本実施の形態の回路基板１の断面写真（図２のＡ部）を図１０に示す。図１０から分かるように、本実施の形態の回路基板１では、ランド２には特に異常は認められず、本実施の形態の構成がランドはく離に対して効果があることが確認された。
【００３７】
このように、繰り返し熱応力をサイクルで与えた場合の断線に至るまでのサイクル数を比較すると、ランドはく離が多発する従来の回路基板１１は、本実施の形態の回路基板１に比べ、明らかに断線に至る寿命が早いことが分かる。また、本実施の形態の回路基板１及びこの回路基板１を用いて製造された電子機器は、無鉛はんだにて多発するランドはく離の発生を抑制することができ、高信頼性の電子機器を製造することが可能となる。
【００３８】
ランド２とソルダーレジスト５との重なりは、その下限は基本的にソルダーレジスト５がランド端部２ａを覆うように、ソルダーレジスト開口範囲がランド径よりも小さければよいが、ランド２とソルダーレジスト５との重なり部分の幅が０．０１ｍｍ以上であることが望ましく、０．０２ｍｍ以上である方が更に望ましい。その理由は、重なり幅の下限は露光時目合わせ時のマージンと応力との関係で決まり、フィレット形成による応力のみを考慮する場合は、０．０１ｍｍ以上の重なりであることがランド剥離が生じないようにするために好ましいが、更に露光時の目合わせ精度を考慮すると、０．０２ｍｍ以上の重なりが合った方が製造不良を生じにくいからである。
【００３９】
一方、重なり幅の上限は、フィレットが形成でき、ソルダーレジスト開口範囲がスルーホール径よりも大きくなるような範囲で決定される。
【００４０】
［実施形態２］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る回路基板について、図３を参照して説明する。図３は、連続して隣り合った長円形ランド８に列単位でソルダーレジスト５を被せた場合の一例を示す平面図である。
【００４１】
図３では、連続して配置された複数の長円形ランド８の長手方向の中央部を横断する短冊状のソルダーレジスト５を配している。個々の長円形ランド８では、長手方向の中央部付近の短手方向のランド端部８ａにはソルダーレジスト５が被っていないが、より無鉛はんだ６の熱収縮の影響を受けやすく、回路７が接続される長手方向のランド端部８ｂとそれに相対する部分にのみソルダーレジストを被せ、他の部分はソルダーレジストを形成していない。
【００４２】
上記構成によって無鉛はんだ６が長円形ランド８の長手方向のランド端部８ｂまで濡れ広がることを防止することができ、前記した第１の実施の形態とほぼ同じ目的が達成される。この第２の実施の形態は、特に電子部品のリードのピッチが狭く、ピッチ間にソルダーレジストを印刷しにくい場合に有効である。
【００４３】
［実施形態３］
次に、本発明の第３の実施に形態に係る回路基板について、図４を参照して説明する。
【００４４】
図４に示すように、ランド形状が第１の実施の形態に示すような円形の場合でも、円形のランド２の回路７が形成される側のランド端部と、それに相対するランド端部にのみソルダーレジスト５を被せることにより、回路７が回路基板１から浮き上がることを防止し、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
また、円形のランド２の回路７が形成される側のランド端部のみソルダーレジスト５を被せても回路７が回路基板１から浮き上がることを防止することができ、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、円形のランド２の回路７が形成される側のランド端部と相対するランド端部にのみソルダーレジスト５を被せても、ランド端部でのランドはく離の発生を抑制することができる。
【００４６】
［実施形態４］
次に、本発明の第４の実施の形態に係る回路基板について、図５乃至図７を参照して説明する。図５は星形の異形ランド９と丸形のソルダーレジスト５の開口を組み合わせた一例を示す平面図であり、図６（ａ）、（ｂ）は、サブランド１０を設けた構成を示す平面図であり、図７（ａ）、（ｂ）は、十字形の異形ランドと丸形のソルダーレジスト５の開口を組み合わせ、及び八角形の異形ランドと丸形のソルダーレジスト５の開口を組み合わせた例を示す平面図である。
【００４７】
いずれのランド形状、ソルダーレジスト５開口形状の組み合わせにおいても、異形ランド９の端部９ａにソルダーレジスト５を被せることにより、無鉛はんだが異形ランド端部９ａまで濡れ広がることを防止することができ、本発明の目的が達成される。
【００４８】
更に、上記実施の形態において、ランド２と回路７との接合部にサブランド１０を設ける場合についても同様である。そのための例を図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、サブランド１０がある場合も、電子部品のリード３を挿入実装するランド２の中心とソルダーレジスト５開口部の中心が合うようにソルダーレジスト５を被せることにより、本発明の目的が達成されるだけでなく、サブランド１０によりランド２と回路７の接続がより強固になるという効果が得られる。なお、サブランド１０の形状は半円型（図６（ａ））、ティアドロップ型（図６（ｂ））等が考えられるが、いずれの形状でも良いことは明らかである。
【００４９】
［実施形態５］
次に、本発明の第５の実施の形態に係る回路基板について、図１１を参照して説明する。第５の実施の形態は、ガラス転移温度が高い絶縁基板を用いるものである。なお、下記の線膨張係数は、基板の厚み方向の線膨張係数を示すものとして説明する。
【００５０】
従来のエポキシ樹脂製の絶縁基板（ガラス転移温度１２５〜１４０℃、ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（α１）５０〜７０ｐｐｍ、ガラス転移温度以上での線膨張係数（α２）２００〜３５０ｐｐｍ）を用いた回路基板に電子部品を錫銀系の無鉛はんだ（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）を２５０℃／５秒／大気中ではんだ付を行った。
【００５１】
これに対し、低熱膨張・高ガラス転移基板として、ハロゲン元素を除去したエポキシ樹脂からなる日立化成製のＭＣＬ−ＲＯ−６７Ｇ（ガラス転移温度１５０℃、ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（α１）３８ｐｐｍ、ガラス転移温度以上での線膨張係数（α２）１８５ｐｐｍ、以下、１５０℃、３８ｐｐｍ、１８５ｐｐｍと略す）の基板を用いた回路基板に電子部品を錫銀系の無鉛はんだ（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）を２５０℃／５秒／大気中ではんだ付を行った（図１１）。
【００５２】
これら２種類の回路基板に繰り返し熱応力サイクル試験（−４０℃（３０分）⇔２５℃（５分）⇔１２５℃（３０分）、サンプル数１０枚、１６カ所／枚）５００サイクルを行い、信頼性を確認した。その結果、従来のエポキシ樹脂製の基板を用いた回路基板ではランドはく離が発生するが、一方、低熱膨張・高ガラス転移基板として用いた、日立化成製のＭＣＬ−ＲＯ−６７Ｇ（１５０℃、３８ｐｐｍ、１８５ｐｐｍ）の回路基板では、図１１に示すようにランドはく離は生じない。
【００５３】
以上の結果から、ガラス転移温度が所定の値以上で、尚かつ、ガラス転移温度以上の線膨張係数が所定の値以下であればランドはく離が生じないことがわかる。
【００５４】
更に、鉛フリーはんだを、はんだ付けする時に回路基板のガラス転移温度Ｔｇと、基板厚み方向のガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数α１及び、ガラス転移温度以上での線膨張係数α２、はんだの溶融点Ｔｍの関係を明らかにするために行った実験データを具体的に示す。
【００５５】
下式（２）は、回路基板のガラス転移温度Ｔｇと、基板厚み方向のガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数α１及び、ガラス転移温度以上での線膨張係数α２、はんだの溶融点Ｔｍ、常温Ｔｓ（通常２５℃）をパラメーターとして算出した、基板膨張率Ｌを示す。
【００５６】
式（２）に示す基板膨張率Ｌは、はんだ付けを行った回路基板を冷却していく過程において、はんだが溶融状態から溶融点を通過して凝固を開始した後、はんだ接合部が常温に戻るまでの回路基板の熱膨張変化率を示したものである。
｛α１（Ｔg−Ｔｓ）+α２（Ｔｍ−Ｔg）｝／１０4＝Ｌ …式（２）
Ｌ：基板膨張率（％）
Ｔg：ガラス転移温度（℃）
α１：ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（ｐｐｍ）
α２：ガラス転移温度以上での線膨張係数（ｐｐｍ）
Ｔｍ：はんだの溶融点（冷却時は凝固開始点に相当）（℃）
Ｔｓ：常温（はんだ接合部が常態に戻る温度）（℃）
本発明者らは、式（２）で求められる熱膨張率Ｌが所定の熱膨張率Ｌ１以下であれば、ランド剥離を生じないことを見出した。
【００５７】
式（１）を用いて、５種類の回路基板（実施例１〜３、比較例１，２）をＳｎ−Ａｇ−Cuはんだで、はんだ付けした場合の基板膨張率Ｌの計算例を表２に示す。なお、実施例２の基板は、前述の日立化成製のＭＣＬ−ＲＯ−６７Ｇと同一である。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２の計算結果を基に、基板膨張率Ｌと、実験データより得られた、ランド剥離の発生率とグラフ化したものが、図１２である。図１２より明らかなように、基板の膨張率Ｌが２．５６％以下の回路基板では、ランド剥離が発生していないことがわかる。すなわち、Ｌ１＝２．５６％として熱膨張率Ｌがこれ以下の回路基板を選べばランド剥離は発生しない。
【００６０】
これより、例えば、 溶融点Ｔｍが２２０℃のＳｎ−Ａｇ−Cuはんだをはんだ付けする場合は、ガラス転移温度Ｔｇが１４１℃以上、かつ、ガラス転移温度以上の線膨張係数α２が２６４ｐｐｍ以下の実施例１〜３の基板の場合、ガラス転移温度と線膨張係数から算出される基板膨張率Ｌが２．５６％以下であれば、ランドはく離を制することができる。
【００６１】
これらの結果を基に、式（２）を整理し直したのが、式（３）である。なお、式（３）は常温を２５℃とした場合である。
【００６２】
Ｌ＝｛α１（Ｔg−２５）+α２（Ｔｍ−Ｔg）｝／１０4≦２．５６ …式（３）
Ｌ：基板膨張率（％）
Ｔg：ガラス転移温度（℃）
α１：ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（ｐｐｍ）
α２：ガラス転移温度以上での線膨張係数（ｐｐｍ）
Ｔｍ：はんだの溶融点（冷却時は凝固開始点に相当）（℃）
【００６３】
式（３）を用いることによって、回路基板のガラス転移温度Ｔｇ、線膨張係数（α１、α２）、はんだの溶融点Ｔｍがわかれば、ランドはく離の発生を予測することが可能である。
【００６４】
更に、式（３）を用いることによって、ランドはく離抑制の効果のある回路基板の選択が容易になり、ランドはく離の発生を抑制することができる。
【００６５】
なお、はんだの種類が変わった場合でもＴｍを置き換えることによって同様の計算が可能であり、溶融点が低いはんだを用いる程、基板膨張率Ｌが２．５６以下になる回路基板の種類が多くなる。
【００６６】
例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだではランドはく離が多発する、従来のエポキシ樹脂製の絶縁基板（ガラス転移温度１２５〜１４０℃、ガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数（α１）５０〜７０ｐｐｍ、ガラス転移温度以上での線膨張係数（α２）２００〜３５０ｐｐｍ）の基板膨張率Ｌを、従来のＳｎ-３７Ｐｂはんだ（溶融点：１８３℃）で計算すると、約１．９％となるため、式（３）を満たし、従来のはんだ付けにおいては、ランドはく離は発生しなかったと考えられる。
【００６７】
上記回路基板を用いて電子機器を製造することにより、繰り返しの熱応力サイクルに強い、高寿命かつ信頼性の高い電子機器を製造することが出来る。このよう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。
【００６８】
なお、本発明は上記各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明らかである。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、無鉛はんだがランド端部まで濡れ広がることを防止し、フィレットがランド端部まで形成されることを防止することができる。そして、フィレットがランド端部よりも内側に形成されることにより、ランド端部に生じる無鉛はんだの熱膨張収縮の応力を抑えることができ、回路基板の熱膨張収縮により追従しやすくなることにより、無鉛はんだにて多発するランドはく離を抑制できる回路基板を提供することができる。
【００７０】
また、この回路基板を用いて製造された電子機器は、繰り返しの熱応力サイクルにおいても従来の回路基板を使用した電子機器に比べ非常に高寿命であることが確認された。これにより、無鉛はんだを用いた場合でも、十分に信頼性の高い電子機器を製造することが出来る。
【００７１】
更に式（１）を用いることによって、ランドはく離抑制の効果のある回路基板の選択が容易になり、ランドはく離の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回路基板の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の回路基板の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す平面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す平面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す平面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の他の構造を示す平面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態の他の構造を示す平面図である。
【図８】表１の実験データに基づく、従来の構成例の製造不良発生を示す断面写真である。
【図９】図８の部分拡大図である。
【図１０】表１の実験データに基づく、本発明の第１の実施の形態の効果を示す断面写真である。
【図１１】本発明の第５の実施の形態のランド剥離不良の発生率を示す図である。
【図１２】表２の計算結果と実験データに基づくランドはく離の発生率の関係を示す図である。
【図１３】従来の回路基板の構成例を示す斜視図である。
【図１４】従来の回路基板の構成例を示す断面図である。
【図１５】従来の回路基板の構成例を用いた場合の製造不良発生を示す断面図である。
【図１６】従来の構成例を用いた場合の製造不良発生を示す断面写真である。
【符号の説明】
１ 回路基板
２ ランド
２ａ ランド端部
３ リード
４ スルーホール
５ ソルダーレジスト
６ 無鉛はんだ
６ａ はんだフィレット（無鉛はんだ）
７ 回路
８ 長円型ランド
８ａ 短手方向のランド端部
８ｂ 長手方向のランド端部
９ 異形ランド
９ａ 異形ランド端部
１０ サブランド
１１ 回路基板
１２ 錫鉛はんだ
１２ａ はんだフィレット（錫鉛はんだ）
Claims (8)
- 少なくとも表面と裏面とに回路配線を有する回路基板であって、電子部品の導電部材が挿入される貫通孔を有し、該貫通孔には導電膜が被覆されてなるランドを備え、前記導電部材と前記ランドとが無鉛はんだを用いて実装され、かつ前記ランド上に前記無鉛はんだのフィレットが形成される回路基板において、
前記ランド外周端部の少なくとも一部を覆うように形成されたソルダーレジストを有し、前記ソルダーレジストの少なくとも一部の領域について前記フィレットの半径が前記ソルダーレジストの開口半径以下であることを特徴とする回路基板。 - 前記ソルダーレジストが、前記ランド外周端部の内、前記回路基板に形成される回路と接続される側の端部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
- 前記ソルダーレジストが、前記ランド外周端部の内、前記回路基板に形成される回路に接続される側と対向する側の端部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路基板。
- 前記ソルダーレジストが、複数の長円形ランドの長手方向のランド端部と、それに相対する側の端部とを覆うように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の回路基板。
- 前記ランドの形状が、円形、長円形、多角形、十字形又は星形の変形のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板。
- 前記ランドと前記回路基板に形成される回路との接続部に、サブランドを形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路基板。
- 電子部品が無鉛はんだで挿入実装された請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回路基板を用いたことを特徴とする電子機器。
- 少なくとも表面と裏面とに回路配線を有する回路基板であって、電子部品の導電部材が挿入される貫通孔を有し、該貫通孔には導電膜が被覆されてなるランドを備え、前記導電部材と前記ランドとが無鉛はんだを用いて実装され、かつ前記ランド上にフィレットが形成される回路基板において、
前記回路基板の、ガラス転移温度をＴｇ、基板厚み方向のガラス転移温度より小さい温度での線膨張係数をα１、基板厚み方向のガラス転移温度以上での線膨張係数をα２とし、前記無鉛はんだの溶融点をＴｍ、常温をＴｓとしたときに次式で求められる前記回路基板の基板膨張率Ｌが、
Ｌ＝｛α１（Ｔg−Ｔｓ）+α２（Ｔｍ−Ｔg）｝／１０4≦２．５６
なる関係を満たすことを特徴とする回路基板。
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