(57)【要約】【課題】  無鉛ハンダによる部品実装において長期にわたりフィレットのクラック等の発生を抑制し、信頼性の高い電子部品実装基板を製造すること【解決手段】  プリント配線基板１０の表面に形成された金属電極部１０ａ上にハンダペース１１を印刷するとともに、配線基板の表面の電子部品を実装する部位にスペーサ１２を設ける（ａ）。次いで、電子部品１３の電極１３ａがハンダペースト上に来るとともに、スペーサの上方にその電子部品が位置するように置き、その後、加熱してハンダをいったん溶融させた後、そのハンダを固化させて金属電極部と電極間を接合する（ｂ）。プリント配線基板と電子部品との距離は、スペーサにより確保され、広くすることができる。その後、スペーサを除去する（ｃ）。【選択図】  図３
2010080710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に金属電極部を有する配線基板と、
その配線基板上にハンダ付けにより接合される電子部品と、
を備え、
単純に接合した状態に比べて前記配線基板と前記電子部品の間隙の距離を広く設定したことを特徴とする電子部品実装基板。
【請求項２】
前記電子部品と配線基板の接合の際に、前記電子部品と配線基板の間隙部にあらかじめスペーサが挿入されており、そのスペーサの高さにより前記間隙の距離が設定されることを特徴とする請求項１に記載の電子部品実装基板。
【請求項３】
配線基板の表面に形成された金属電極部上にハンダを塗布するとともに、前記配線基板の表面の電子部品を実装する部位にスペーサを設け、
次いで、電子部品の電極が前記ハンダ上に位置するとともに、前記スペーサの上方にその電子部品が位置するように置き、
その後、加熱して前記ハンダをいったん溶融させた後、そのハンダを固化させて前記金属電極部と前記電極間を接合することを特徴とする電子部品実装基板の製造方法。
【請求項４】
前記ハンダを固化させた後で、前記スペーサを除去する工程を行うことを特徴とする請求項３に記載の電子部品実装基板の製造方法。
【請求項５】
前記スペーサは、前記電子部品と前記配線基板の間に形成される間隙部に隙間なく存在させることを特徴とする請求項３または４に記載の電子部品実装基板の製造方法。
【請求項６】
流動性を有する物体から固体に変化する物質を用い、前記流動性の状態で前記配線基板上の電子部品を実装する部位に所定の位置に配置した後、固体に変化されることで前記スペーサを設けるようにしたことを特徴とする請求項３から５のいずれ１項に記載の電子部品実装基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チップ抵抗器等の直方体をなす電子部品を実装する電子部品実装基板およびその製造方法に関するもので、より具体的には、電子部品と配線基板との接合部分の耐久性の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
よく知られるように、配線基板上に電子部品を実装する際に、ハンダ付けにて固定することが行われる。これは、たとえば図１に示すように、表面に金属電極部１ａを有する配線基板１上に電子部品２を配置し、電子部品２の電極２ａと配線基板１の金属電極部１ａとをハンダ付けてして固定する。電極２ａと金属電極部１ａとは、このハンダのフィレット３を介して導通する。
【０００３】
配線基板１を構成する材料は、金属・ガラスをベースに樹脂含浸したものや、紙をベースに樹脂含浸したもの等多くの種類が存在する。ただし、いずれの材料であっても、その弾性係数は５〜２５ＧＰａ、熱膨張率は１５〜２５＊１０−６／℃の範囲に収まっている。一方、電子部品２の一例であるチップ抵抗器の材料として多く利用されているフェライト焼結体では、１００〜２００ＧＰａ程度の弾性係数と５〜１０＊１０−６／℃程度の熱膨張率を示す。
【０００４】
このように、配線基板１と電子部品２とでは、熱膨張係数が大きく異なるので、製造時の温度環境から、高温又は低温に移行すると、配線基板１と電子部品２との熱膨張率の差からストレスが発生する。つまり、温度変化に伴い両者の膨張／収縮する程度が異なるが、配線基板１と電子部品２とは、金属電極部１ａと電極２ａの部分で連結されていて当該部分での両者１，２間の相対的な移動はほぼ０となるので、上記の熱膨張係数の差に伴う膨張・収縮の程度の差が、配線基板１，電子部品２の変形として現れる。そして、配線基板１の持つ弾性係数は電子部品２に比べて明らかに小さく、柔らかいので、特に配線基板１の変形量が著しく大きくなり、結果として配線基板１が反った形状になる。
【０００５】
このような部品構成で基板が沿った状態になると、フィレット３内の電子部品２のコーナー部近傍の位置に応力集中が発生し、局所的に大きなストレスが発生する。ただし、従来から係る電子部品をハンダ付けする際に一般に用いられている錫−鉛の共晶ハンダは、柔らかく伸びと強度のバランスが良いため、配線基板と電子部品の熱膨張係数の相違に伴い接合部分に生じるストレスを吸収でき、耐久性が高いというメリットを有する。
【０００６】
しかし、共晶ハンダに含まれる鉛は人体に有害な金属であり、地球環境の保護も相まって、近年、有害物質（鉛）の使用を回避しようという要求が国際的に高まっている。そこで、鉛を含有しない無鉛ハンダの研究開発が行われている。
【０００７】
この種の無鉛ハンダとして、最も有望とされるものは、３元系の錫−銀−銅の合金である。この合金の代表的な組成として、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７Ｃｕや、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ等が開発され、実用化されつつある。これ以外にも、３元系のＳｎ−Ａｇ−Ｂｉや、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ（Ｎｉは微量添加物）があるし、３元系以外のものとしては、４元系のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉや、５元系のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｇｅ等の無鉛ハンダもある。この種の無鉛ハンダを用いた電子部品の実装技術としては、たとえば特許文献１等に開示されたものがある。
【特許文献１】特開２００２−３６８３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した無鉛ハンダは、上述したストレスの吸収作用が小さい。そのため、使用環境下での温度変化において基板と電子部品との熱膨張率が異なるために生じるストレスを完全に吸収することができず、微小な塑性ひずみが蓄積されてしまう。このように蓄積されたひずみはハンダフィレット内部でのクラックに発展し、さらに温度変化の度に係るクラックが拡大して最終的にハンダフィレットの表層に達する。このように局所的であっても高い応力が発生する場合は、フィレット全体の断裂に繋がってしまい、接合部の断裂を起こし、電気的な接続が保てなくなるという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、特に無鉛ハンダによる部品実装において長期にわたりフィレットのクラック等の発生を抑制し、信頼性の高い電子部品実装基板およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するために、本発明に係る電子部品実装基板は、（１）表面に金属電極部を有する配線基板と、その配線基板上にハンダ付けにより接合される電子部品と、を備え、単純に接合した状態に比べて前記配線基板と前記電子部品の間隙の距離を広く設定した。
【００１１】
（２）記電子部品と配線基板の接合の際に、前記電子部品と配線基板の間隙部にあらかじめスペーサが挿入されており、そのスペーサの高さにより前記間隙の距離が設定されるようにした。
【００１２】
（３）本発明に係る製造方法は、配線基板の表面に形成された金属電極部上にハンダを塗布するとともに、前記配線基板の表面の電子部品を実装する部位にスペーサを設ける。次いで、電子部品の電極が前記ハンダ上に位置するとともに、前記スペーサの上方にその電子部品が位置するように置き、その後、加熱して前記ハンダをいったん溶融させた後、そのハンダを固化させて前記金属電極部と前記電極間を接合する。
【００１３】
（４）前記ハンダを固化させた後で、前記スペーサを除去する工程を行うと良い。（５）前記スペーサは、前記電子部品と前記配線基板の間に形成される間隙部に隙間なく存在させると良い。（６）流動性を有する物体から固体に変化する物質を用い、前記流動性の状態で前記配線基板上の電子部品を実装する部位に所定の位置に配置した後、固体に変化されることで前記スペーサを設けるようにすると良い。
【００１４】
−６０℃〜１５０℃程度の使用環境下での温度範囲では、温度サイクルを印加させた場合のハンダフィレット部位での疲労破壊の原因は、基板と電子部品との熱膨張率が異なるために現れる基板の反りである。つまり、基板が反った状態になると、ハンダフィレット内の電子部品のコーナー部近傍の位置に応力集中が発生し、局所的に大きなストレスが発生する。従って、ハンダフィレットの耐疲労性を高めるには、フィレットの破壊を防ぐため、使用時に応力集中部に蓄積される塑性ひずみの量を小さくすれば良い。
【００１５】
蓄積される塑性ひずみの大きさは、電子部品と配線基板の間隙の距離に影響される。そして、本発明のように間隙部にあるハンダの厚みが増すと、電子部品と配線基板の間に発生する応力が均一に分散されて減少するようになり、接合部の塑性ひずみが減少する。この傾向は電子部品や配線基板の材料や寸法が様々であっても変わらず、総じて塑性ひずみの減少効果が得られる。
【００１６】
ところで、ハンダは接合時にいったん溶融し、凝固する直前の融液形状を保って固体化するので、この溶融したときに電子部品が自重により沈降してしまう。特に疲労寿命が短い傾向にあるサイズの大きな電子部品では、自重も大きくなり単純にハンダの上に電子部品をおいた状態で加熱・溶融させただけでは間隙距離は短くなりがちで疲労寿命に悪影響を及ぼすことになる。そのため、少なくともハンダ接合時（溶融・固化時）に電子部品が自重で沈降せずに間隙部が一定の距離を保つように当該電子部品を持ち上げておくことで間隙距離を調節することができる。
【００１７】
そこで、電子部品と配線基板との間にスペーサを介在させておくことで、たとえハンダが溶融して電子部品が沈降しようとしても電子部品はスペーサに支えられてそれ以上は下降しないので、電子部品と配線基板の間の間隙部の間隔はスペーサの高さ（厚さ）により規定される。よって、たとえばオートーフィーダとリフロー工程を用いるような自動制御による接合工程において、無数にある基板パターンや部品配置パターンであっても、配線基板上の電子部品の実装位置にスペーサを配置するだけで所望の長さ分だけ間隙部の距離を保つことができる。
【００１８】
そして、（４）の発明のように、電子部品に対するハンダ付けによる固定・接合が完了した後でスペーサを除去するようにした場合、電子部品実装基板を実際に使用する場合には従来と同様の構成要素（間隙部の距離は長い）で形成されたものとなるので、長期にわたり問題はない。
【００１９】
また、（５）の発明によれば、配線基板の配線構造やハンダの供給量が不適切であったとしても、配線基板と電子部品との間の間隙部にはスペーサが存在しているので係る間隙部へハンダが浸入してしまうことなどを回避することができ、接合時の故障品発生率を減少させることができる。
【００２０】
（６）の発明のように、レジスト等の流動性を有する状態のものを配線基板上の適宜位置に置き（印刷・滴下等の塗布）、その後、所定の条件で固化させてスペーサを形成するようにした場合、簡単かつ確実に所望の場所にスペーサを形成することができるので好ましい。固化するための所望の条件は、時間経過（乾燥等），紫外線照射等の所定周波数の光の照射，加熱等がある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、ハンダ接合部の破断寿命をのばすことができ、信頼性の高い電子部品実装電子基板を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図２は、本発明の好適な一実施形態を示している。プリント配線基板１０上の所定位置に直方体状の電子部品１３をハンダ付けにて実装するに際し、プリント配線基板１０と電子部品１３との間にスペーサ１２を介在させるようにしている。これにより、プリント配線基板１０の上面と電子部品１３の下面との距離は、スペーサ１２の高さにより規定される。よって、スペーサ１２の高さを適宜に設定することで、単純に接合した状態に比べて配線基板と電子部品の間隙の距離を高くすることができる。なお、このスペーサ１２は、ハンダが溶融後固化する際に存在すれば良く、その後は除去しても良いしそのまま残しても良い。
【００２３】
このプリント配線基板１０は、たとえば、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸した基材の表面に銅箔等からなる配線回路パターンが形成されており、その表面の適宜位置には金属電極部１０ａが形成されている。
【００２４】
電子部品１３は、たとえばチップ抵抗器等であり、その表面所定位置には外部電極１３ａが形成されている。本実施形態では、外部電極１３ａは、長手方向両端に、それぞれ側面および上下面にわたるように形成されているが、たとえば、下面と側面のみとしたり、さらには側面の中間部位までとしてハンダが回り込む部位（高さ）を規定するようにしても良い。
【００２５】
そして、外部電極１３ａと、金属電極部１０ａとは、無鉛ハンダのフィレット１１′が介在され、そのフィレット１１′により両電極１３ａ，１０ａは電気・機械的に接続される。無鉛ハンダは、３元系の錫−銀−銅の合金や、４元系・５元系など各種のものを用いることができる。
【００２６】
次に、製造方法の好適な実施形態を説明する。図３（ａ）に示すように、プリント配線基板１０の金属電極部１０ａの上面に無鉛ハンダからなるハンダペースト１１を印刷する。このハンダペースト１１の印刷工程では、ペースト状の無鉛ハンダをマスクされたプリント配線基板１０に印刷することで金属電極部１０ａ上にハンダの供給を行う。
【００２７】
また、このハンダペースト１１を印刷する前後で、同様の方法で、電子部品１３の設置位置にレジストを塗布することでスペーサ１２を形成する。このスペーサ１２は、印刷・塗布時は液状その他の流動体からなり、任意の位置・範囲に配置することができ、所定の条件により固化する材料で形成すると良い。所定の条件としては、時間経過，特定の波長光（紫外線等）の照射，熱を加えるなどがある。固化されたスペーサ１２の高さは、たとえば、スペーサ１２を設けることなく通常の方法でハンダ付けした場合のプリント配線基板１０と電子部品１３の間隔に対し、５μｍ以上高くすると良い。
【００２８】
また、印刷するハンダペースト１１の厚さも、スペーサ１２の高さ（厚さ）よりも大きく設定すると良い。これは、次工程の電子部品１３を接合する際の加熱により、ハンダパース１１が溶融してその範囲が広がるためである。換言すると、スペーサ１２の高さは、印刷するハンダペースト１１の量等により、電子部品１３の外部電極１３とプリント配線基板１０の金属電極部１０ａとの接合を行うことができれる条件の下でできるだけ高い方が好ましい。
【００２９】
次いで、電子部品１３の外部電極１３をハンダペースト１１の上に位置合わせをしつつ置く。このとき、電子部品１３は、スペーサ１２の上方に位置する。リフロー加熱炉でハンダペースト１１を溶融させて接合する。ハンダの溶融に伴い、電子部品１３が自重によりハンダペースト１１内に沈降しようとするが、本実施形態では電子部品１３の下方にスペーサ１２が存在するのでスペーサ１２に支えられそれ以上は下降移動せず、一定の高さが保持される。すると、溶融したハンダが電子部品１３の外部電極１３ａの表面を濡れ上がり、溶融ハンダと外部電極１３ａの表面との親和性(濡れ性)とハンダ自身の持つ自重や表面張力との釣り合いによりフィレット１１′を形成する。冷却に伴い、無鉛ハンダのフィレット１１′はその形状を保持する（図３（ｂ）参照）。
【００３０】
従って、スペーサ１２がない場合には、電子部品１３とプリント配線基板１０の間隙距離は、電子部品１３の自重と間隙より押し出されたハンダの自重とのバランスでほぼ決定される。一般に接合に用いられるハンダの体積量は電子部品１３の体積に比べて遥かに少ないため、電子部品１３は、ほとんどプリント配線基板１０に接触するすれすれの状態で接合される。しかし、本実施形態では、電子部品１３とプリント配線基板１０の間隙距離はスペーサ１２の高さ分だけ確保でき、充分な長さ（広さ）となる。
【００３１】
さらに、電子部品１３の下側にスペーサ１２が位置することで、プリント配線基板１０の配線構造やハンダの供給量が不適切であったときに起きる間隙部へのハンダの浸入やハンダボールの発生も回避することができ、接合時の故障品発生率を減少させることもできる。
【００３２】
ところで、レジスタを用いたスペーサ１２は、材質によっては使用時に変質するなど、長期的な信頼性を保つ上では不利な影響を与えることがある。従って、ハンダが固化して電子部品１３の固定が完了したならば、スペーサ１２を除去する（図３（ｃ）参照）。除去することが好ましい。このとき、除去工程は、スペーサ１２の材質に応じて独立した工程で行うことができる。また、たとえばフラックス残差の除去を行う洗浄工程で同時に除去されるような材料を用いてスペーサ１２を形成しておけば、独立した除去工程を増やすことなくハンダ付け後のスペーサの除去を行うことができるので好ましい。
【００３３】
次に、電子部品１３とプリント配線基板１０の間隔を広げることによる疲労寿命への影響について説明する。３２１６サイズのチップコンデンサについて応力解析を行い、温度サイクル−５５℃〜１２５℃の熱衝撃試験においてハンダ接合部に発生する最大の累積塑性ひずみ振幅を計算した。疲労寿命はこの累積塑性ひずみ振幅のｎ乗に概ね比例することが知られており、たとえばある３２１６チップコンデンサについての破断サイクル数Ｎと累積塑性ひずみ振幅Δεの関係は、Ｎ＝７４５．５３×Ｘ（Δε）−１．４５と表される。通常の３２１６チップ部品を一般的なリフロー工程でハンダ付けを行った場合、基板との間隙距離は１０μｍ〜５０μｍになることが多い。
【００３４】
そこで標準的な間隙距離として２０μｍのものを想定し、プリント配線基板をガラスコンポジット基板（金属電極部はＣｕ）、電子部品をＮｉとして計算を行った。その結果を図４に示す。間隙が２０μｍ程度の通常に電子部品の疲労寿命は４００回程度と推測された。これに対し、間隙距離が長くなるにつれて破断サイクル数も大きくなり、僅かな間隙距離の増加でも大きな寿命改善効果が認められる。特に間隙距離の小さくなりやすい部品では、間隙距離を僅かに増加（たとえば５μｍ）しただけでも実用上充分な改善効果が見られる。なお、±５μｍ程度は製造時の条件変動などでばらつく範囲内であるので５μｍ以上とすることで、意識的に寿命をのばす効果が発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来例を示す図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態を示す図である。
【図３】製造方法の一実施形態を説明する図である。
【図４】効果を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  プリント配線基板
１０ａ  金属電極部
１１  ハンダペースト
１１′  フィレット
１２  スペーサ
１３  電子部品
１３ａ  外部電極
【図１】
2010080710.tif 000003
【図２】
2010080710.tif 000004
【図３】
2010080710.tif 000005
【図４】
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