プリント基板、回路基板及び電子部品搭載方法

【課題】ベタパターンの面積によらず十分なはんだ上がりを得ることができ、また、手はんだ付けが不要で、電子部品を搭載する際の加工コストの低減が可能なプリント基板等を得る。
【解決手段】絶縁性の基材１ａに、電子部品１０のリード１０ａがはんだ付けされるスルーホール２とベタパターン４とが離れて形成され、ベタパターン４の電極７には、スルーホール２に向けて延びる導体８が接合され、導体８の先端部が、スルーホール２の少なくとも一部と離間して対向し、電子部品１０のリード１０ａがスルーホール２にはんだ付けされる際に一緒にはんだ付けされる被はんだ付け部８ａとなっている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプリント基板、回路基板及び電子部品搭載方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、プリント基板に電子部品をはんだ付けする際には、プリント基板に設けられたスルーホールに電子部品のリードを挿入し、リードを挿入した面とは反対側から溶融はんだを接触させる。溶融はんだをプリント基板に接触させることにより、溶融はんだがスルーホールの内周面を濡れ上がり、スルーホール内に充填されて凝固することではんだ付けが行われる。
【０００３】
しかし、いわゆるベタパターンに回路接続され、電子部品のリードが挿入されるスルホールにおいては、はんだ付けの最中に、溶融はんだの熱がベタパターンから逃げてしまい、スルーホールを濡れ上がる途中ではんだが凝固してしまう。
【０００４】
電子部品はスルーホール内に充填されたはんだで保持されるため、濡れ上がりの途中で凝固してしまった場合は、はんだ充填量が十分でなく、いわゆるはんだ上がり不良となる。はんだ上がりが悪いと、保持強度が低下し、はんだにクラックが入り、断線する可能性が高いといった問題がある。
【０００５】
そこで、はんだ上がりを改善した従来の技術として、例えば、プリント基板においてスルーホールの周囲部分に保熱用のサーマルランドを設けた技術がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、溶融はんだにプリント基板を接触させた際に、サーマルランドにはんだを保持してスルーホール部分を暖めることで、はんだがスルーホールを濡れ上がる途中で凝固してしまうことを防止するようにしている。
【０００６】
また、プリント基板においてスルーホールの外周部に保熱用の貫通孔を形成した技術もある（例えば特許文献２参照）。特許文献２の技術では、スルーホールにはんだを侵入させるのと同時に貫通孔にもはんだを侵入させ、貫通孔に侵入したはんだからスルーホール内へ熱供給することで、スルーホールを濡れ上がる途中でのはんだ凝固を防止するようにしている。
【０００７】
上記２つの技術はどちらも、スルーホールに熱を供給することではんだ上がり性を改善する技術であるが、スルーホールからベタパターンへ熱が逃げない構造とすることで、はんだ上がり性を改善する技術もある（例えば、特許文献３参照）。特許文献３の技術では、スルーホールの内周面からプリント基板の両表面にかけて設けられた導電膜とベタパターンとの間にスリットを設けて互いに接触しない構成とすることで、スルーホールからベタパターンへの熱逃げを抑制している。そして、はんだ付けする際には、電子部品のリードをスルーホールにはんだ付けする第１工程と、そのはんだ付け部分を、スリットを跨いでベタパターンに手はんだ付けではんだ付けする第２工程との２工程で電子部品とベタパターンとのはんだ付けを完了するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１２０８８号公報（要約、図１）
【特許文献２】特開２００３−６９２０２号公報（要約、図３）
【特許文献３】特開平６−６１６３０号公報（第３頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１及び特許文献２では、スルーホールにその周囲から入熱するようにしているため、スルーホール内のはんだの温度低下を抑制でき、はんだ上がり性の向上に効果がある。しかし、スルーホールの導電膜はベタパターンに繋がっているため、ベタパターンへの熱逃げは常に生じており、ベタパターンの面積が広くなるにつれ、はんだ上がり性の向上の効果が薄くなるといった問題がある。
【００１０】
特許文献３では、スルーホールとベタパターンとを離して形成しているため、パターンを通じての放熱は無く、良好なはんだ上がりを得ることが可能である。しかし、上述したように、電子部品のリードをスルーホールにはんだ付けした後、スルーホールとベタパターンとを手作業ではんだ付けする必要があり、加工コストが高くなる。
【００１１】
また、特許文献３では、電子部品のリードをスルーホールにはんだ付けする第１工程が終了した段階において、電子部品の形状によっては第２工程でのはんだ付け箇所が電子部品自身によって隠れて見えない場合がある。例えば、電子部品が樹脂部の下面からリードがまっすぐ延びているタイプのものの場合が該当し、このタイプの電子部品の場合、樹脂部の真下にはんだ付け箇所が位置することから、はんだ付け箇所が電子部品の搭載側から見えない。このため、手はんだ付けが行えないため、このタイプの電子部品は実質、搭載できない。このように、手はんだ付け作業を必要とするプリント基板では、不都合が多かった。
【００１２】
また、第２工程の手はんだ付けで使用するはんだゴテは、一般的に入熱量が小さい。このため、はんだ付け作業中にその熱がベタパターンから逃げてしまい、はんだ付けしたい箇所を溶融させるまでに時間を要し、結果的にはんだ付け時間が長くなるという問題があった。更に、はんだ付け時間が長くなると、スルーホールの導電膜の接着が剥がれてしまうといった問題もあった。
【００１３】
本発明は上記問題点を解決するために成されたもので、ベタパターンの面積によらず十分なはんだ上がりを得ることができ、また、手はんだ付けが不要で、電子部品を搭載する際の加工コストの低減が可能なプリント基板、回路基板及び電子部品搭載方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るプリント基板は、絶縁性の基材に、電子部品のリードがはんだ付けされるスルーホールとベタパターンとが離れて形成され、ベタパターンの電極には、スルーホールに向けて延びる導体が接合され、導体の先端部は、スルーホールの少なくとも一部と離間して対向し、電子部品のリードがスルーホールにはんだ付けされる際に一緒にはんだ付けされる被はんだ付け部となっているものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、スルーホールとベタパターンとを離して形成したため、スルーホール内のはんだの熱がベタパターンに逃げることがなく、はんだ上がりを向上することができる。また、ベタパターンの電極に、スルーホールに向けて延びる導体を接合し、導体の先端部が、スルーホールの少なくとも一部と離間して対向した被はんだ付け部となっており、電子部品のリードをスルーホールにはんだ付けする際に一緒にはんだ付けされる基板構造としたため、従来の手はんだ付けが不要である。その結果、電子部品を搭載する際の加工コストの低減が可能で、また、ベタパターンの面積によらず、十分なはんだ上がりが得られるプリント基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係るプリント基板を示す図である。
【図２】図１のプリント基板の製造工程を示す図である。
【図３】図１のプリント基板に電子部品がはんだ付けされた状態を示す図である。
【図４】図１のプリント基板への電子部品の搭載工程を示す図（１／２）である。
【図５】図１のプリント基板への電子部品の搭載工程を示す図（２／２）である。
【図６】別のはんだ付け工法を示す図である。
【図７】スルーホール径とフィレット高さの関係を示す図である。
【図８】電子部品がＳｉＣモジュールである場合のプリント基板を示す図である。
【図９】図１のプリント基板の変形例１を示す図（１／２）である。
【図１０】図１のプリント基板の変形例１を示す図（２／２）である。
【図１１】図１のプリント基板の変形例２を示す図である。
【図１２】図１１のＢ−Ｂ断面図である。
【図１３】図１のプリント基板の他の変形例３を示す図である。
【図１４】図１３の導体の斜視図である。
【図１５】図１のプリント基板の他の変形例４を示す図である。
【図１６】図１５の導体の斜視図である。
【図１７】図１のプリント基板の他の変形例５を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態に係るプリント基板１を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１及び後述の図において、同一の符号を付したものは、同一の又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。
プリント基板１は、電子部品１０（後述の図３参照）をはんだ付けするためのスルーホール２を有している。スルーホール２は絶縁性の基材１ａに貫通形成された穴と、穴の内周面から基材１ａの両表面（穴の開口周囲）にかけて形成された導電膜３とから形成されている。また、基材１ａの表面には、銅等の金属材料で形成された配線パターンであるベタパターン４及びパターン５が形成されている。スルーホール２の導電膜３とベタパターン４とは、互いに接触しないように離して形成されている。このベタパターン４を含む基材１ａの表面全体はソルダレジスト６で覆われているが、図１においてハッチングで示した部分についてはソルダレジスト６が剥がされ、外部に露出した状態となっている。
【００１８】
ベタパターン４は、電源又はグラウンドに接続されるパターンであり、放熱用のパターンである。そして、ベタパターン４においてソルダレジスト６が剥がされた部分は、電子部品１０と電気的に接続される電極７となっており、この電極７に導体８がはんだ接合されている。
【００１９】
導体８は、スルーホール２にはんだ付けされる電子部品１０をベタパターン４に電気的に接続する役割を有するもので、電極７からスルーホール２に向けて延びるように形成されている。導体８の先端部は、スルーホール２の少なくとも一部と離間して対向しており、以下に詳述するが、電子部品１０のリード１０ａをスルーホール２にはんだ付けする際に一緒にはんだ付けされる被はんだ付け部８ａとなっている。なお、電子部品１０をスルーホール２にはんだ付けする前の図１に示す状態のプリント基板１においては、導体８はスルーホール２に接触しないように電極７に接合されている。導体８は、はんだと濡れる金属であり、Ｆｅ、Ｎｉ、ＳＵＳ、Ａｌ等の金属、又はＮｉ等のメッキ処理を施して構成される。濡れの目安としては母材と溶融はんだの接触角が９０度以下のものが好ましい。
【００２０】
以上のように構成されたプリント基板１を製造する際には、まず、スルーホール２（導電膜３を含む）及びベタパターン４等が形成され、ソルダレジスト６の一部を剥がすことによって電極７が形成された基材１ａを作製する。そして、図２（ａ）に示すように、電極７上に、フラックスを含むはんだペースト１１を印刷・供給し、続いて図２（ｂ）に示すように、マウンターなどの搭載機で、導体８を電極７とスルーホール２との間に渡すようにして基材１ａ上に搭載する。その後、この状態でリフロー炉等のはんだ付け装置（図示せず）内に挿入してはんだペースト１１の溶融温度以上の環境におく。これにより、図２（ｃ）に示すように、はんだペースト１１が溶融状態となり、その後冷却することで、導体８と電極７とがはんだ付けされ、プリント基板１が完成する。このプリント基板１の完成状態において、導体８とスルーホール２とが接触していないことは上述の通りである。
【００２１】
次に、プリント基板１への電子部品の搭載方法を説明すると共に、本実施の形態のプリント基板１における特徴的な作用について説明する。
【００２２】
図３は、図１のプリント基板への電子部品のはんだ付けが完了した状態を示す斜視図である。図４及び図５は、図１のプリント基板への電子部品の搭載工程を示す図である。
まず、プリント基板１に設けられたスルーホール２に、電子部品１０のリード１０ａを挿入し（図４（ａ））、プリント基板１において電子部品１０の搭載面とは反対側の面にフラックス（図示せず）を塗布し、溶融はんだ１２と接触させる（図４（ｂ））。
【００２３】
これにより、はんだ１２ａがプリント基板１のスルーホール２の内周面を濡れ上がりスルーホール２内に充填される（図４（ｃ））。ここで、スルーホール２の導電膜３は、ベタパターン４から切り離されているため、はんだ１２ａの熱が導電膜３を介してベタパターン４に逃げるのを抑制でき、濡れ上がりの途中ではんだ１２ａが凝固してしまうのを防止できる。
【００２４】
そして、スルーホール２に充填されたはんだ１２ａは、更に電子部品１０のリード１０ａを濡れ上がり導体８の被はんだ付け部８ａと接触する（図５（ｄ））。その後、プリント基板１が溶融はんだ１２から離れ、冷却することにより電子部品１０のリード１０ａはスルーホール２内で保持されると共に、リード１０ａ、導体８及びベタパターン４の電極７がはんだ付けされ、回路が形成される（図５（ｅ））。
【００２５】
なお、プリント基板１に溶融はんだ１２を接触させる方法として、図４（ｂ）には基板全体に入熱するフローはんだ付工法の例を示したが、図６に示すように、ノズル１３から溶融はんだ１２を噴流させて所望の箇所のみをはんだ付けする、部分はんだ付け工法としてもよい。この場合も同様の効果を得ることができる。
【００２６】
ここで、導体８の被はんだ付け部８ａの設置高さについて説明する。
図７は、スルーホール径とフィレット高さの関係を示す図である。図７において横軸はスルーホール径（ｍｍ）、縦軸はフィレット高さ（ｍｍ）である。フィレット高さｈとは、図５（ｅ）に示すように、スルーホール２の端面からはみ出たはんだの高さである。フィレット高さｈは、図６に示すように、スルーホール径の約１／２になるという関係がある。よって、導体８の設置高さ、すなわちスルーホール２の開口と導体８との距離は、スルーホール径の１／２以下とする。
【００２７】
なお、図１（ｂ）には、導体８の先端（被はんだ付け部８ａの端部）がスルーホール２の開口の一部を僅かに覆った例を示しているが、必ずしも覆っていなくてもよい。要は、スルーホール２を濡れ上がったはんだ１２ａが接触してはんだ付け可能な位置に導体８の先端が位置していればよい。よって、導体８の被はんだ付け部８ａとは、スルーホール２を濡れ上がったはんだ１２ａが接触する部分を指し、厳密にその位置を特定するものではない。
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、スルーホール２とベタパターン４とが離れて形成されているため、スルーホール２内のはんだ１２の熱が導電膜３を介してベタパターン４に逃げることがなく、はんだ上がりを向上することができる。よって、接合信頼性の高いプリント基板１とすることができる。
【００２９】
また、プリント基板１においてベタパターン４の電極７には予め導体８がはんだ接合されており、電子部品１０のリードをスルーホール２にはんだ付けするのと一緒に、そのはんだ付け部分のはんだが導体８のはんだ付け部８ａにも接触してはんだ付けされるため、電子部品１０をベタパターン４に電気的に導通可能に接続する作業を、１回のはんだ付け工程で完了できる。よって、上記特許文献３における手はんだ付けが不要であり、コスト低減を図ることができる。また、手はんだ付けが不要であるため、電子部品１０の形状に応じてはんだ付け箇所が隠れてはんだ付けができないといった従来の不都合や、はんだ付け時間が長くなってスルーホール２の導電膜３が剥がれるといった問題を解消できる。
【００３０】
また、電子部品１０とベタパターン４との信頼性の高い接続を１回のはんだ付け工程で完了することができる効果は、ベタパターン４の面積に関係なく達成できる。よって、ベタパターン４の放熱性が高くて、上記特許文献１〜３のような従来のプリント基板でははんだ上がり不良が生じるような場合にも、本実施の形態のプリント基板１を適用することで、はんだ付けが可能である。
【００３１】
また、本実施の形態のプリント基板１に搭載される電子部品１０は任意であるが、ワイドバンドギャップ半導体で構成された電子部品を搭載して回路基板を構成する場合、本実施の形態のプリント基板１は特に効果を発揮する。その理由は以下の通りである。なお、ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン（Ｓｉ）素子と比較して、バンドギャップが大きい半導体素子の総称であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子の他、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド素子等が挙げられる。
【００３２】
ワイドバンドギャップ半導体は高温での動作が可能であることから、高温で用いられることが多く、それ故、プリント基板１に高い放熱性が求められている。このため、ベタパターン４を広面積に形成したり、図８に示すように、ベタパターン４に更に放熱性のヒートシンク１５を接続したりして、ベタパターン４の放熱性を高める構成が採用される。なお、図８において１６はＳｉＣモジュールを示している。
【００３３】
このように、製品使用時の放熱性向上の観点からベタパターン４の放熱性が高められると、上記特許文献１〜３のような従来のプリント基板では、その高い放熱性が逆に電子部品の搭載時にはんだの熱を逃がす方向に作用してしまい、はんだ上がり不足を招くことになる。よって、従来のプリント基板では、ワイドバンドギャップ半導体のような高温動作可能な電子部品の基板としては適当ではない。これに対し、本実施の形態のプリント基板１は、上述したように、ベタパターン４の放熱性に関係なく接合信頼性の高い接合が可能であるため、ワイドバンドギャップ半導体で構成された電子部品の基板として特に好適である。
【００３４】
なお、本発明のプリント基板は、図１に示した構造に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で例えば以下のように種々変形実施可能である。
【００３５】
（変形例１）
図１のプリント基板１では、導体８の形状を長方形とした例を図示して説明したが、導体８の形状は任意である。例えば、図９のように略コ字状としてもよいし、図１０のように周辺部品１４を避けるようにした形状としてもよい。
【００３６】
（変形例２）
図１１及び図１２は、図１のプリント基板１の他の変形例２を示す図である。図１１は、電子部品をはんだ付けした状態のプリント基板の平面図であり、図１２は、図１１のＢ−Ｂ断面図である。
この例は、導体８の被はんだ付け部８ａによりスルーホール２の開口全体を覆うと共に、被はんだ付け部８ａに、電子部品１０のリード１０ａが通過する穴８ｂを設けた構成としたものである。
【００３７】
このように導体８を構成した場合、図１２に示すようにスルーホール２を濡れ上がったはんだ１２ａと導体８のはんだ付け部８ａとのはんだ付け面積を広げることができ、接合信頼性を向上することができる。
【００３８】
（変形例３）
図１３は、図１のプリント基板の他の変形例３を示す図である。図１４は、図１３の導体の斜視図である。
図１では導体８を平板とし、導体８全体が基材１ａ上に近接した構成例を示したが、導体８が電極７にはんだ付けされた状態において、基材１ａとの間に空間を形成する形状としてもよい。このように構成した場合、はんだ付け後の製品使用時において、導体８から周囲空気への放熱性を高めることができる。
【００３９】
（変形例４）
図１５は、図１のプリント基板の他の変形例４を示す図である。図１６は、図１５の導体の斜視図である。
この例は、導体８の被はんだ付け部８ａの一部をスルーホール２の導電膜３に接触しないようにスルーホール２の内部に入り込ませる形状としたものである。この構成とすることにより、はんだとの接触をより確実なものとすることができ、接合信頼性を向上することができる。なお、導体８の一部をスルーホール２の内部に入り込ませる構成は、図１５及び図１６に図示した構成に限られず、加工のしやすさ等に応じて適宜変形可能である。
【００４０】
（変形例５）
図１７は、図１のプリント基板の他の変形例５を示す図である。
図１７の変形例では、電極７と導体８との接合部形状を、セルフアライメント（自己補正）効果を考慮した形状としたものである。セルフアライメント効果とは、電極７上に印刷されたはんだペースト１１（図２（ａ）参照）が加熱されて溶融した際、はんだの表面張力によって導体８の位置ズレを修正する現象である。このような構成とした場合、プリント基板１の製造時において導体８の実装位置精度を向上することができる。なお、図１７に示した形状は一例であって、セルフアライメント効果を考慮した接合部形状はこの形状に限られたものではない。
【００４１】
なお、上記の変形例１〜５においてそれぞれ独立した変形例として説明したが、各変形例を適宜組み合わせて用いることも可能である。これにより、それぞれの効果を備えたプリント基板１を得ることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１プリント基板、１ａ基材、２スルーホール、３導電膜、４ベタパターン、５パターン、６ソルダレジスト、７電極、８導体、８ａ被はんだ付け部、８ｂ穴、１０電子部品、１０ａリード、１１ペースト、１２溶融はんだ、１３ノズル、１４周辺部品、１５ヒートシンク。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の基材に、電子部品のリードがはんだ付けされるスルーホールとベタパターンとが離れて形成され、前記ベタパターンの電極には、前記スルーホールに向けて延びる導体が接合され、前記導体の先端部は、前記スルーホールの少なくとも一部と離間して対向し、前記電子部品のリードが前記スルーホールにはんだ付けされる際に一緒にはんだ付けされる被はんだ付け部となっていることを特徴とするプリント基板。
【請求項２】
前記導体の前記被はんだ付け部により前記スルーホールの開口を覆うと共に、前記被はんだ付け部に前記電子部品のリードを通す穴を設けたことを特徴とする請求項１記載のプリント基板。
【請求項３】
前記導体は、前記基材との間に空間を形成する形状を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプリント基板。
【請求項４】
前記導体の前記被はんだ付け部と前記スルーホールの開口との間の距離が、前記スルーホールの径の１／２以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のプリント基板。
【請求項５】
前記導体の前記被はんだ付け部の一部を前記スルーホールの内部に入り込ませる形状としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のプリント基板。
【請求項６】
前記ベタパターンは放熱用のパターンであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のプリント基板。
【請求項７】
前記ベタパターンは電源又はグラウンドに接続されるパターンであることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のプリント基板。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載のプリント基板の前記スルーホール及び前記導体に電子部品のリードがはんだ付けされて回路が形成された回路基板。
【請求項９】
前記電子部品がワイドバンドギャップ半導体を含むことを特徴とする請求項８記載の回路基板。
【請求項１０】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ又はダイヤモンドの何れかであることを特徴とする請求項９記載の回路基板。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載のプリント基板に電子部品を搭載する方法であって、
前記プリント基板の前記スルーホールに電子部品のリードを挿入する工程と、
前記プリント基板において前記電子部品の前記リードの挿入側とは反対側の面に溶融はんだを接触させ、前記スルーホールに前記溶融はんだを充填させた後、前記スルーホールに充填された前記溶融はんだで前記リードと前記導体の前記被はんだ付け部とをはんだ付けする工程と
を有することを特徴とする電子部品搭載方法。

【図１】