JP4650948B2 - スルーホールのはんだ付け構造 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板に形成したスルーホールに鉛フリーはんだを用いて電子部品のリード端子を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関する。

リード端子を備えた電子部品をプリント基板にスルーホールを形成して実装する場合には、スルーホールにリードを挿入した状態で溶融はんだに浸漬しスルーホール部分にはんだを充填されるようにしている。

このようなはんだ付けをする場合に、最近では、環境汚染の関係から鉛を含んでいる共晶はんだを使用しない方向に進んでおり、代わって、鉛フリーはんだが使用されるようになりつつある。

この場合、鉛フリーはんだは、共晶はんだに比べて融点が高いため、溶融したはんだ槽への浸漬条件を同等として行うときに、十分にはんだがスルーホールの上面側に上がってこない、いわゆる「はんだ上がり」が良くない場合が生ずることがある。この結果、はんだ付け不良が発生してしまう場合があった。

この対策として、例えば特許文献１に示される方法を採用することが考えられる。すなわち、この特許文献１に示される方法は、プリント基板に電子部品を実装する場合に、スルーホールの近傍にプリント基板を貫通するように熱伝導ピンを形成しておき、これによって、スルーホールに入り込むはんだに対して十分に熱を供給してはんだ上がりを良好にしようというものである。
特開平７−１７００６１号公報

しかしながら、上述した特許文献１のものは熱伝導ピンを設ける構成としているので、プリント基板を貫通するように予め熱伝導ピンを挿通する構成が必要となり、構成上において新たな部品が必要になると共に、製造工程上においても熱伝導ピンを設ける構成が必要になる。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、プリント基板にスルーホールを設け、これにリード端子を有する電子部品を鉛フリーはんだを用いてはんだ付けを行う場合でも、別途に熱伝導ピンなどを設けることなくはんだ付け性を向上することができるようにしたスルーホールのはんだ付け構造を提供することにある。

本発明の請求項１のスルーホールのはんだ付け構造は、プリント基板に形成したスルーホールにリード端子を有する電子部品を鉛フリーはんだによりはんだ付けするようにした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近傍に、電気的に孤立したランドに形成されたはんだ保持用の補助スルーホールを設けたところに特徴を有する。

上記発明において、前記補助スルーホールを、前記スルーホールに対して端部間の距離が３ｍｍ以内となるように配置形成することが好ましい（請求項２）。
また、上記各発明において、前記補助スルーホールを、前記スルーホールに対して直径寸法が５０％以上となる寸法に形成することもできる（請求項３）。

そして、上記各発明において、前記補助スルーホールを、前記スルーホール１個に対して複数個配置形成すると良い（請求項４）。

請求項１の発明によれば、プリント基板のスルーホールの近傍に、電気的に孤立したランドに形成されたはんだ保持用の補助スルーホールを設けているので、電子部品のリード端子をスルーホールに実装する場合に、溶融した鉛フリーはんだがスルーホールに入り込むと共に、補助スルーホールにも入り込んで、スルーホールの導体パターンなどからの放熱抑制、補助スルーホールからの熱供給により、スルーホール内の溶融はんだをスルーホールの上部側まで十分にはんだ上がりさせることができ、リード端子を確実にはんだ付けすることができるようになる。

請求項２の発明によれば、補助スルーホールを、スルーホールに対して端部間の距離が３ｍｍ以内となるように配置形成するので、スルーホールからの放熱抑制、補助スルーホールからの熱供給により、確実にはんだ付けを行なうことができるようになる。

請求項３の発明によれば、補助スルーホールを、スルーホールに対して直径寸法が５０％以上となる寸法に形成するので、上述同様にしてスルーホールからの放熱抑制、補助スルーホールからの熱供給により確実にはんだ付けを行なうことができるようになる。

請求項４の発明によれば、補助スルーホールを、スルーホール１個に対して複数個配置形成するので、前述した効果をより高いものとして確実性を高めることができるようになる。

以下、本発明の一実施形態について図１ないし図４を参照して説明する。
図２は、多層プリント基板１の平面図を示しており、これには、表面に配線用の導体パターン２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄなどが形成されると共に、電子部品を実装するためのランド３ａ、３ｂ、３ｃおよびこのランド３ａ〜３ｃに形成されたはんだ付けスルーホール４が設けられている。ランド３ａ〜３ｃのはんだ付けスルーホール４には図示しない電子部品のリード端子５が挿入され、その状態で鉛フリーはんだ６により電気的に接続された状態に形成されている。

また、多層プリント基板１には、ランド３ａ、３ｃなどの近傍に位置して、電子部品を実装しないランド７ａ、７ｂなどが配置形成されている。このランド７ａ、７ｂには本発明でいうところの補助スルーホールであるサーマルスルーホール８が形成され、内部に鉛フリーはんだ６が充填された状態に形成されている。そして、このサーマルスルーホール８を形成したランド７ａ、７ｂは、他の部分に電気的に接続するためのものではなく、後述する鉛フリーはんだ６のはんだ付け処理が良好に行えるようにするためのもので、どこにも電気的に接続されない孤立した状態に設けられるものである。

このサーマルスルーホール８は、はんだ付けスルーホール４に対して、例えば３ｍｍ以内の位置に配置形成されている。またサーマルスルーホール８の直径は、はんだ付けスルーホール４の直径に対して５０％以上となるように設定されている。

図１は、図２に示した構成のうち、はんだ付けスルーホール４が形成されたランド３ａとサーマルスルーホール８が形成されたランド７ａの部分（図中Ａ−Ａ線で示す部分）の断面を示している。この図１において、前述の多層プリント基板１は、複数の配線層を積層してなるもので、上面側および下面側に配線用の導体パターンが形成されると共に、内部の中間層にも配線用の導体パターンが形成されている。

図示の部分には、ランド３ａのはんだ付けスルーホール４の内部に電子部品のリード端子５が挿入された状態で鉛フリーはんだ６が充填されている。図示の状態では、鉛フリーはんだ１６が多層プリント基板１１の上面に形成された導体パターン１３ａの表面まで十分にはんだ上がりができており、良好なはんだ付け性を得られている。

サーマルスルーホール８は、鉛フリーはんだ６のはんだ付け処理の際に次のような作用を得ることができ、これによってはんだ付けスルーホール４でのリード端子５のはんだ付け処理を確実なものとすることができる。

すなわち、はんだ付けスルーホール４への鉛フリーはんだ６のはんだ付け処理では、はんだディップ槽に浸漬したときに、鉛フリーはんだ６が這い上がってきて、はんだ付けスルーホール４およびサーマルスルーホール８に充填されるようになる。次に、多層プリント基板１をはんだディップ槽から上げると、鉛フリーはんだ６が温度の低下に伴って固化する。

はんだ付けスルーホール４内の鉛フリーはんだ６の熱は、挿入されているリード端子５やランド３ａ、３ｂ、３ｃに接続されている導体パターン２ｂ、２ｃ、２ｄなどから熱伝導により伝わると共に、多層プリント基板１内においても図中矢印Ｓ１で示すように伝わることで放熱される。

図２の配置の場合に、はんだ付けスルーホール４が形成されたランド３ａ〜３ｃのうち、ランド３ｂは近傍に２個のランド３ａ、３ｃが位置しているので、それらのはんだ付けスルーホール４内の鉛フリーはんだ６による放熱や熱供給でサーマルスルーホール８と同等の効果を得ることができ、はんだ付けを良好に行なえる。また、ランド３ａ、３ｃについては、それぞれにサーマルスルーホール８が形成されたランド７ａ、７ｂが配置形成されると共に、ランド３ａのはんだ付けスルーホール４がサーマルスルーホール８としての機能を果たすので、はんだ付けを良好に行なえる。

次に、上記したサーマルスルーホール８を配置形成することによる効果を実験により確認した結果について説明する。実験の内容は、サーマルスルーホール８の配置間隔、直径寸法、配置個数などを変えたときの良好な結果が得られる条件を見出すことである。

図３は、実験の条件を示すための模式的な図であり、多層プリント基板１に形成したはんだ付けスルーホール（はんだ付けＴＨ）４およびサーマルスルーホール（サーマルＴＨ）８の関係を示している。サーマルＴＨの直径をα、はんだ付けＴＨの直径をβとし、両者の間隔をＡ、直径比α／βをＢ、サーマルＴＨの個数をＣとしている。図示の状態は、サーマルＴＨの個数Ｃを「２」とした場合で、はんだ付けＴＨを挟んで対向する位置に配置されている。

実験に際して採用した条件は次のとおりである。はんだ付け工法は、「鉛フリーフローはんだ付け」法である。はんだ材である鉛フリーはんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のもので具体的には「Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ」はんだである。そして、はんだ付け時間は「１０秒」である。

はんだ付けの評価は、良好なはんだ上がり状態が得られたかどうかを、はんだ上がりが部品面まで上がりフィレット形成をしているものが「３」点、部品面まで上がるものが「２」点、はんだ付けスルーホールの７５％以上で部品面まで上がらないものを「１」点、はんだ付けスルーホールの７５％未満までのものを「０」点とした４段階の点数を評価点としてカウントし、はんだ付け数を各４ポイントとして１２点満点でその評価点数を条件に対応させてプロットしている。

図４は実験結果を示すもので、図４（ａ）ははんだ付けＴＨとサーマルＴＨとの端部間距離Ａ（ｍｍ）の条件、図４（ｂ）は直径比Ｂの条件、図４（ｃ）はサーマルＴＨの個数Ｃの条件を示している。

まず、図４（ａ）では、はんだ付けＴＨとサーマルＴＨとの端部間距離Ａについて、「１ｍｍ」、「２ｍｍ」、「３ｍｍ」、「４ｍｍ」の４つの条件で、直径比Ｂを「１」、サーマルＴＨの個数Ｃを「１」として実施した。この結果、「１ｍｍ」の場合が最も高い評価点数であり、距離Ａが増えるにしたがって評価点数が低下することがわかった。サーマルＴＨとしての効果が期待できるのは、端部間距離Ａの上限が「３ｍｍ」程度と判断した。

図４（ｂ）では、サーマルＴＨとはんだ付けＴＨとの直径比Ｂについて、「０．２５」、「０．５」、「０．７５」、「１」の４条件と、サーマルＴＨがないものを「０」とした５つの条件とし、端部間距離Ａは「２ｍｍ」、サーマルＴＨを設ける場合の個数Ｃは「１」個として実施した。この結果、直径比Ｂが「１」のものが最も高い評価点数であり、直径比Ｂが小さくなると評価点数が低下することがわかった。また、直径比Ｂが「０．２５」では、「０」の場合と同じであったので、効果が期待できないことがわかった。直径比Ｂについては、効果が期待できるのは、「０．３」以上、好ましくは「０．５」以上（５０％）程度と判断した。

図４（ｃ）では、サーマルＴＨの個数Ｃについて「０」、「１」、「２」、「３」の４条件で、端部間距離Ａを「２ｍｍ」、直径比Ｂを「０．７」として実施した。この結果、個数Ｃが「３」のものが最も評価点数が高く、個数Ｃが少なくなると評価点数が低下することがわかった。また、サーマルＴＨが「１」個あればその効果が十分に得られることがわかった。

このような本実施形態によれば、多層プリント基板１のはんだ付けスルーホール４に対してその近傍にサーマルスルーホール８を設けることで、鉛フリーはんだ６でリード端子５をはんだ付けする場合に、良好なはんだ上がり状態を得ることができ、はんだ付け性の向上を図ることができるようになる。

そして、その場合に、サーマルスルーホール８とはんだ付けスルーホール４との端部間距離Ａが「３ｍｍ」以下であれば良好な効果を得ることができ、また、両者の直径比Ｂが「０．３」以上、好ましくは「５０％（０．５）」以上であれば良好な効果を得ることができることがわかった。さらに、サーマルスルーホール８の配置個数を「１」個以上で増設するほどその効果が高く期待することができることもわかった。

なお、実際には、上記した条件を採用することで、次のような実用的な効果を得ることができた。
（１）Ａ基板の場合で、はんだ付けスルーホールの直径が２ｍｍのものについて、サーマルスルーホールの直径を１．３ｍｍ、つまり直径比Ｂが０．６５となる条件とし、両者の端部間距離Ａを１．５ｍｍとした場合に、サーマルスルーホールがなかった場合に比べてはんだ上がりを向上させることができた。

（２）Ｂ基板の場合で、はんだ付けスルーホールの直径が１．４ｍｍのものについて、サーマルスルーホールの直径を１．４ｍｍ、つまり直径比Ｂが１．０となる条件とし、両者の端部間距離Ａを１．５ｍｍとした場合に、サーマルスルーホールがなかった場合に比べてはんだ上がりを大幅に向上させることができた。

本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
上記実施形態では、実験においてリード端子１４を断面が正方形の場合を想定して行った場合で説明したが、リード端子１４の断面形状は、正方形に限らず長方形でも良いし、円形でも適用することができる。

また、上記実施形態で使用した鉛フリーはんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系であるが、Ｓｎ−Ａｇ系のものを用いることもできる。

本発明の一実施形態を示す模式的断面図 サーマルスルーホールの配置状態を示す平面図 データ取得の実験の設定条件を示す図 はんだ上がりの実験結果を示すグラフ

符号の説明

図面中、１は多層プリント基板（プリント基板）、２ａ〜２ｄは導体パターン、３ａ〜３ｃ、７ａ、７ｂはランド、４ははんだ付けスルーホール、５はリード端子、６は鉛フリーはんだ、８はサーマルスルーホール（補助スルーホール）である。

Claims (4)

1. プリント基板に形成したスルーホールにリード端子を有する電子部品を鉛フリーはんだによりはんだ付けするようにした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近傍に、電気的に孤立したランドに形成されたはんだ保持用の補助スルーホールを設けたことを特徴とするスルーホールのはんだ付け構造。
2. 請求項１に記載のスルーホールのはんだ付け構造において、
   前記補助スルーホールは、前記スルーホールに対して端部間の距離が３ｍｍ以内となるように配置形成されていることを特徴とするスルーホールのはんだ付け構造。
3. 請求項１または２に記載のスルーホールのはんだ付け構造において、
   前記補助スルーホールは、前記スルーホールに対して直径寸法が５０％以上となる寸法に形成されていることを特徴とするスルーホールのはんだ付け構造。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のスルーホールのはんだ付け構造において、
   前記補助スルーホールは、前記スルーホール１個に対して複数個配置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。

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