(57)【要約】【課題】  基板上の電極ランドにリフロー半田付けにより電子部品が実装された回路基板デバイスにおいて、半田接合部に様々な悪影響を及ぼすボイドの発生を防止する。【解決手段】  電子部品７の部品電極７ａに対応する範囲の電極ランド４を、所定幅の半田レジスト５により複数のランド区域４ａに分割して形成した。半田レジスト５の幅Ｓは、部品電極７ａに対応する電極ランド４の全体の面積に対して２０％以下となるように設定される。これにより、各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５と部品電極７ａの間に部品電極７ａの外部に通じる間隙８が存在するので、リフロー加熱の際に半田６に含有されているフラックス成分が気化することにより発生したガスが上記間隙８を通り抜け、部品電極７ａの外部に排出される。よって、半田接合部６ａにおけるボイドの発生を、従来に比べて工程数を増やすことなく、容易に防止することができる。【選択図】図１
2006303173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板上に形成された電極ランドに、電気部品の部品電極を半田付けし、前記基板上に前記電気部品を実装した回路基板デバイスであって、
前記電極ランドは、前記部品電極に対応する範囲を所定幅の半田レジストにより複数のランド区域に分割して形成され、
これらの各ランド区域のそれぞれに配置された半田により、前記部品電極が前記各ランド区域に電気的および機械的に接合されており、また、
前記各ランド区域の相互間における前記半田レジストと前記部品電極の間には、前記部品電極の外部に通じる間隙が存在することを特徴とする回路基板デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の回路基板デバイスであって、前記電極ランドを分割する半田レジストの面積は、前記電極ランドの全体の面積の２０％以下であることを特徴とする回路基板デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の回路基板デバイスであって、前記回路基板の前記電気部品を搭載する面と反対側の面に、放熱機能を備えたことを特徴とする回路基板デバイス。
【請求項４】
電気部品の部品電極に対応する電極ランドを有し、この電極ランドを所定幅の半田レジストにより複数のランド区域に分割した回路基板を用意する第１の工程、
前記各ランド区域上に、高さが前記半田レジストの膜厚よりも高い半田ペーストを供給する第２の工程、
前記電極ランド上に前記部品電極を配置し、リフロー加熱を行い、前記各ランド区域の相互間の前記半田レジストと前記部品電極の間に間隙を残しながら、前記半田ペーストを溶融させた後に固化させ、前記部品電極を前記各ランド区域に電気的および機械的に接合する第３の工程を含む回路基板デバイスの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の回路基板デバイスの製造方法であって、前記第２の工程で供給される半田ペーストは、溶融後における前記半田ペーストの高さが前記半田レジストの膜厚よりも高くなる量に設定されることを特徴とする回路基板デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板デバイスおよびその製造方法に関し、特に、電子部品のリフロー半田付けによる実装において電子部品と回路基板の間の半田接合部にボイドが発生することを防止するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回路基板デバイスの製造において、基板上にリフロー半田付けにより電気部品を実装する際には、まず基板上に形成された電極ランド上に半田ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、この電極ランド上に電気部品の部品電極を配置し、リフロー加熱を行い、部品電極と電極ランドとを半田接合していた。このような従来方法では、半田ペーストに含有されているフラックス成分がリフロー加熱時に気化してガスが発生し、このガスが外部に逃げきれず半田接合部にボイドとして残るという問題があった。特に、比較的大きな半田付け面積をもった電気部品では、リフロー加熱時に発生したガスを外部へ排出することが難しく、部品電極と電極ランド間の半田接合部に大きなボイドが発生していた。
【０００３】
半田接合部にボイドが残留するのを回避する技術として、例えば特許文献１では、半田ペースト上に、融点が互いに異なり、いずれも半田ペースト中の半田よりも融点が高く、且つ厚さが半田ペーストの厚さよりも高い２種類の半田チップを配置し、電子部品（パワートランジスタ）の両側を支えてリフロー加熱を行う半田付け方法が提案されている。この方法によれば、まず一番融点の低い半田ペーストが溶融した時に発生するガスを半田チップにて確保されている空間から排出し、次に半田チップのうち融点の低い側の一方の半田チップが溶融し、遅れて他方の半田チップが溶融するので、電子部品は傾いた状態で溶融はんだ面に接するようになる。このため、ガスは排除され、半田接合部にガスがボイドとして残ることがなくなると記載されている。
【特許文献１】特開２０００−６８６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、回路基板デバイスの製造において、基板上にリフロー半田付けによって電気部品を実装する際にボイドが発生した場合、半田接合部に十分な機械的強度を得られないという問題がある。また、ボイドに起因して半田接合部にクラックが発生し、クラックの進行により接合強度が低下するという問題も発生する。それに伴い、電気部品の電気的特性の低下が誘発される。さらに、ボイドにより半田接合部の熱抵抗が増加し、電気部品の放熱性が悪くなり温度が上昇し、電気部品の破壊が発生するという問題があった。
【０００５】
これに対して特許文献１で提示された電子部品の半田付け方法では、最初に溶融する半田ペーストから発生したガスに対しては有効であるが、最後に融解する半田チップから発生したガスは電子部品と先に溶融している半田ペーストとの間に閉じ込められ、ボイドとして残留する可能性があるため、ボイド発生防止に極めて有効であるとは言えない。また、融点の異なる半田ペーストと２種類の半田チップを使用しているために、半田の種類や塗布量が増え、半田チップを固定させるために粘着材を使用していることから、接合部材のコストが上昇するという問題がある。また、融点の異なる３種類の半田を使用するため、半田の塗布工程に時間を要し、半田の品質管理が必要となるなど非効率的であり、量産性に問題がある。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、回路基板デバイスの製造において、基板上にリフロー半田付けによって電気部品を実装する際に、半田接合部に様々な悪影響を及ぼすボイドの発生を防止することが可能な信頼性の高い回路基板デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係わる回路基板デバイスは、回路基板上に形成された電極ランドに、電気部品の部品電極を半田付けし、基板上に電気部品を実装した回路基板デバイスであって、電極ランドは、部品電極に対応する範囲を所定幅の半田レジストにより複数のランド区域に分割して形成され、これらの各ランド区域のそれぞれに配置された半田により、部品電極が各ランド区域に電気的および機械的に接合されており、また、各ランド区域の相互間における半田レジストと部品電極の間には、部品電極の外部に通じる間隙が存在するものである。
【０００８】
また、本発明に係わる回路基板デバイスの製造方法は、電気部品の部品電極に対応する電極ランドを有し、この電極ランドを所定幅の半田レジストにより複数のランド区域に分割した回路基板を用意する第１の工程と、各ランド区域上に、高さが半田レジストの膜厚よりも高い半田ペーストを供給する第２の工程と、電極ランド上に部品電極を配置し、リフロー加熱を行い、各ランド区域の相互間の半田レジストと部品電極の間に間隙を残しながら、半田ペーストを溶融させた後に固化させ、部品電極を各ランド区域に電気的および機械的に接合する第３の工程を含むものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係わる回路基板デバイスによれば、電極ランドが半田レジストにより複数のランド区域に分割して形成され、各ランド区域の相互間における半田レジストと部品電極の間に、部品電極の外部に通じる間隙が存在するので、リフロー加熱の際に半田に含有されているフラックス成分が気化することにより発生したガスが、上記の間隙を通り抜け、部品電極外部に排出される。これにより、半田接合部におけるボイドの発生を防止することができる。
【００１０】
また、部品電極と電極ランド間の半田接合部において部品電極の外部に通じる間隙が存在することによりボイドの発生が防止できるため、電気部品から発生した熱を効率よく基板へ伝えることができ、電気部品の放熱性が良好となる。さらに、電極ランドが半田レジストにより複数のランド区域に分割されているため、半田接合部に発生するクラックの進行を抑制することができる。以上のことから、機械的及び電気的接続が良好な信頼性の高い電気部品の実装構造を有する回路基板デバイスが得られる。
【００１１】
また、本発明に係わる回路基板デバイスの製造方法によれば、各ランド区域上に、高さが半田レジストの膜厚よりも高い半田ペーストを供給した後、電極ランド上に部品電極を配置し、リフロー加熱を行い、各ランド区域の相互間の半田レジストと部品電極の間に間隙を残しながら、半田ペーストを溶融させた後に固化させ、部品電極を各ランド区域に電気的および機械的に接合するようにしたので、従来に比べて工程数を増やすことなく、また、作業性、接合信頼性を損なうことなく、容易にボイドの発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態における回路基板デバイスについて図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１における回路基板デバイスの実装構造を示す断面図である。回路基板１（以下基板１と記す）上に実装される電気部品である電子部品７は、部品電極７ａの半田付け面積が比較的大きなＭＯＳＦＥＴ等のパワートランジスタである。ただし、本発明は、パワートランジスタ以外にも、部品電極の半田付け面積が比較的大きな電気部品に対して有効であり、ダイオード等の電子部品に対しても適用できる。
【００１３】
基板１は、アルミニウムをコアとしたアルミ板２上に絶縁層３が形成され、さらに絶縁層３上の全面に電極ランド４がベタパターンとして形成された金属基板である。電極ランド４はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等からなり、めっき法や厚膜印刷法などにより形成されている。なお、本実施の形態では基板１として金属基板を用いたが、本発明は、アルミナなどのセラミック基板やプリント基板などの配線基板を用いた回路基板デバイスにも適用することもできる。
【００１４】
電極ランド４上には、電子部品７の部品電極７ａに対応する範囲が開口部となるように半田レジスト５がパターン形成されている。すなわち、半田レジスト５の開口部からは電極ランド４が露出している。半田レジスト５は、主成分がエポキシ樹脂からなるソルダーレジストインクより形成されており、基板上に電子部品等を半田付けする際に、半田が不要な部分に付着しないように被覆コーティングされるもので、従来も一般的に使用されていた。ただし、本実施の形態では、電子部品７の部品電極７ａに対応する電極ランド４が、所定幅の半田レジスト５により複数のランド区域４ａに分割して形成されていることを特徴としている。
【００１５】
本実施の形態における電極ランド４の分割構造について図２を用いて説明する。本実施の形態では、図２（ａ）に示すように、所定幅Ｓの半田レジスト５によって電極ランド４が１６個のランド区域４ａに分割されている。その寸法は、例えば略正方形の電極ランド４の一辺の長さＸが約１０ｍｍ、半田レジスト５の幅Ｓが約０.３ｍｍである。電極ランド４を分割する半田レジスト５の幅Ｓは、部品電極７ａに対応する電極ランド４の全体の面積に対して２０％以下となるように設定されることが望ましい。半田レジスト５の占める面積が２０％以上になると、半田レジスト５を含むボイド率が２０％以上となり、本発明の効果が低減する。
【００１６】
具体的には、本実施の形態のように一辺の長さＸが約１０ｍｍの略正方形の電極ランド４を１６分割する場合、半田レジスト幅Ｓが０．３ｍｍのときには電極ランド４全体の面積に対して半田レジスト５の占める面積が約１７％であるため、半田レジスト５が半田接合部に対して、機械的及び電気的接続に影響を与えない。しかし、例えば半田レジスト幅Ｓが０．４ｍｍのときには半田レジスト５の占める面積が約２３％となるため機械的及び電気的接続に影響を与える恐れがあるため好ましくない。
【００１７】
また、分割された各ランド区域４ａ上には、図２（ｂ）に示すように半田６がランド区域４ａと同形状に形成される。これにより、電子部品７の部品電極７ａとランド区域４ａ間は半田６を介して機械的、電気的に接続される。ただし、本実施の形態では、電極ランド４が半田レジスト５により１６分割されており、各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５部は半田接合がなされない。すなわち、部品電極７ａと電極ランド４間の半田接合部を断面から見ると、図１に示すように、半田接合部６ａと半田レジスト５による非接合部５ａが規則的に配置され、非接合部５ａには間隙８が存在している。
【００１８】
本実施の形態における回路基板デバイスの製造方法について、図３を用いて説明する。電子部品７を実装するための基板１は、図３（ａ）に示すように、アルミ板２上に絶縁層３が形成され、さらに絶縁層３上の全面に電極ランド４がベタパターンとして形成されたものである。この基板１上に、図３（ｂ）に示すように、スクリーン印刷によりソルダーレジストインクを塗布し、ＵＶ照射により硬化させることにより半田レジスト５を形成する。半田レジスト５の形成時の膜厚は２０μｍ〜３０μｍである。
【００１９】
半田レジスト５は、電子部品７の部品電極７ａに対応する部分が開口部５５となっており、この開口部５５から電極ランド４が露出している。なお、図３（ｂ）を上面から見ると図２（ａ）のようになっており、一辺の長さＸの略正方形の電極ランド４が幅Ｓの半田レジスト５により１６個のランド区域４ａに分割されている（１６分割）。以上の工程により、電子部品７の部品電極７ａに対応する電極ランド４を有し、この電極ランド４を所定幅Ｓの半田レジスト５により１６個のランド区域４ａに分割した基板を用意した（第１の工程）。
【００２０】
次に、図３（ｃ）に示すように、半田レジスト５の開口部５５から露出している各ランド区域４ａ上に、高さが半田レジスト５の膜厚よりも高い半田６をスクリーン印刷にて塗布し、供給する（第２の工程）。なお、半田６は、ディスペンス法によっても供給することができる。ここで使用される半田６は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田やＳｎ−Ａｇ系半田等の鉛を含まない半田、またはＳｎ−Ｐｂ系半田等の鉛入り共晶半田等であり、その形態は半田ペーストである。また、半田６の塗布形状は、半田レジスト５にて１６分割されたランド区域４ａとほぼ同形状であり、上面から見ると図２（ｂ）のようになっている。
【００２１】
ここで供給される半田６は、溶融後における半田６の高さが半田レジスト５の膜厚よりも高くなる量に設定されている。本実施の形態では、基板１のランド区域４ａ上に塗布された時の半田の膜厚は約３００μｍ、リフロー加熱後は約１００μｍとなる。一方、半田レジスト５の形成時の膜厚は２０μｍ〜３０μｍである。このように、半田６の高さを半田レジスト５の膜厚より高く形成するのは、部品電極７ａとランド区域４ａを半田接合した後に、各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５と部品電極７ａの間にガスの抜け道となる間隙８を確保し、ボイドの発生を防止するためである。
【００２２】
次に、各ランド区域４ａのそれぞれに半田６が塗布された電極ランド４上に部品電極７ａを配置し、リフロー加熱を行い、各ランド区域４ａの相互間の半田レジスト５と部品電極７ａの間に間隙８を残しながら、半田６を溶融させた後に固化させ、部品電極７ａを各ランド区域４ａに電気的および機械的に接合する。以上の工程により、図３（ｄ）に示す実装構造を有する回路基板デバイスが完成する（第３の工程）。
【００２３】
第３の工程において、各ランド区域４ａ上にそれぞれ塗布された半田６は、リフローによる溶融時に、それぞれのランド区域４ａ外に濡れ拡がることなく、各ランド区域４ａ内に留まるように半田量が管理されている。また、すべてのランド区域４ａ内の半田量は等しく、半田６は一定の高さに保たれている。これにより、１６分割された半田接合部の接合強度は等しく保たれている。
【００２４】
以上の製造方法によって完成した回路基板デバイスにおける半田接合部の拡大断面図を図４に示す。各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５と部品電極７ａの間には、部品電極７ａの外部に通じる間隙８が存在し、非接合部５ａとなっている。このような実装構造とすることで、リフローによる加熱時に半田６内に含まれているフラックス成分が気化することにより発生したガスが、間隙８を通って部品電極７ａの外部へ排出される。
【００２５】
図５は、電極ランド４と部品電極７ａとの半田接合部６ａにおいて発生したガスの排出経路の例を示している。リフロー加熱により発生したガスは、各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５と部品電極７ａの間の間隙を図中矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示すような経路で通り抜け、部品電極７ａの外部へ拡散していく。これにより、半田接合部６ａ内にボイドが発生するのを防止することができる。
【００２６】
なお、本実施の形態では、各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５の上部には間隙８が存在するため、電極ランド４に対して部品電極７ａが機械的及び電気的に接合されていない状態である。このため、各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５部はボイドがある状態と同様の状態とみなされ、半田レジスト５の面積はボイド率に含まれることになる。従来方法では、半田接合部全体にボイドが形成されており、そのボイド率は２０％〜５０％であった。
【００２７】
これに対し、本実施の形態では、各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５をボイドとして含めたボイド率を測定した結果、平均ボイド率は１８％であり、最大でも２６％であった。なお、電極ランド４において半田レジスト５部の占める面積は約１７％であることから、本実施の形態における回路基板デバイスの製造方法によれば、半田接合部にはボイドが発生していない、もしくは極わずかなボイドの発生であることが明らかであり、常に一定した信頼性の高い半田接合を行うことが可能である。
【００２８】
また、本実施の形態における回路基板デバイスの実装構造では、ボイドの発生が防止できるため、電子部品７から発生した熱を、半田６を通じて効率よく基板１へ伝えることができ、電子部品７の放熱性が良好となる。通常、半田接合部にボイドが存在する場合には、熱抵抗が増加し、電子部品の放熱性が悪くなる。
【００２９】
さらに、図６に示すように、基板１は、電子部品７が搭載された面（これを表面１ａとする）と反対側の面（裏面１ｂ）に放熱機能を備えた片面放熱基板であってもよい。この場合、電子部品７から発生した熱は、半田接合部（図示せず）を介して基板１へと移動し、さらに基板１の裏面１ｂに接合されたヒートシンク９へ、ヒートシンク９から大気中に移動する。このような構造とすることで、電子部品７の熱による破壊を防止することが可能である。
【００３０】
さらに、本実施の形態によれば、温度サイクルや振動の影響により半田接合部６ａにクラック１０等の傷や割れ目が発生した場合でも、図７に示すように電極ランド４を分割している半田レジスト５により、クラック１０の進行を抑制することができる。クラック１０は、通常、温度サイクル等による歪みの大きい半田接合部６ａの外周部から発生し、内部へと進行する。ただし、本実施の形態では、発生したクラック１０の進行が電極ランド４を分割している半田レジスト５により図中Ｅ地点にて阻止されるため、各ランド区域４ａ内に留まる。すなわち、本実施の形態における実装構造によれば、半田接合部６ａに発生したクラック１０の進行を抑制する効果が得られ、機械的及び電気的接続に対して良好な特性を得ることが可能である。
【００３１】
なお、本実施の形態では、略正方形の電極ランド４を半田レジスト５により格子状のランド区域４ａに１６分割して形成する場合を例に挙げて説明したが、他にも様々な分割方法が可能であることは言うまでもない。半田接合の際のリフロー加熱により発生したガスを部品電極７ａ外部へ排出する通路（間隙８）が確保されていれば、格子状以外の例えば放射状、縞状等のパターンであってもよい。
【００３２】
なお、その際も、電極ランド４全体に占める半田レジスト５の面積は、機械的及び電気的接続に対して影響を与えない範囲（２０％以下）であることが望ましい。また、本実施の形態では、電子部品７の下面全面が部品電極７ａとなっている例について示したが、本体と部品電極が離れているような電気部品（例えば帯状のリード線等で繋がっている場合）等にも本発明は有効である。
【００３３】
以上のように、本実施の形態によれば、基板１上に形成された電極ランド４に、電子部品７の部品電極７ａを半田付けし、基板１上に電子部品７を実装した回路基板デバイスにおいて、電極ランド４が所定幅の半田レジスト５により複数のランド区域４ａに分割して形成され、各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５と部品電極７ａの間に部品電極７ａの外部に通じる間隙８が存在するので、リフロー加熱の際に半田６に含有されているフラックス成分が気化することにより発生したガスが、上記間隙８を通り抜け外部に排出されるため、半田接合部６ａにおけるボイドの発生を防止することができる。
【００３４】
さらに、本実施の形態における回路基板デバイスの製造方法によれば、従来に比べて工程数を増やすことなく、また作業性、接合信頼性を損なうことなく、ボイドの発生を容易に防止することができる。
【００３５】
また、各ランド区域４ａの相互間における半田レジスト５と部品電極７ａの間に部品電極７ａの外部に通じる間隙８が存在しているため、ボイドの発生が防止でき、電子部品７から発生した熱を効率よく基板１へ伝えることができ、電子部品７の放熱性が良好となる効果がある。また、基板１の裏面１ｂに放熱機能を備えることにより、さらに放熱性が向上し、電子部品７の熱による破壊を防止することが可能である。
【００３６】
また、電極ランド４を分割している半田レジスト５により、半田接合部６ａに発生するクラック１０の進行を抑制することができるため、機械的及び電気的接続に対してさらに良好な特性を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、部品電極の半田付け面積が比較的大きなＭＯＳＦＥＴ等のパワートランジスタやダイオード等の電子部品を基板に実装した回路基板デバイスに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態１である回路基板デバイスの実装構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における電極ランドの分割構造について説明する上面図である。
【図３】本発明の実施の形態１である回路基板デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１である回路基板デバイスの半田接合部を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における回路基板デバイスの半田接合部から発生したガスの排出経路の例を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態１である回路基板デバイスの放熱構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１である回路基板デバイスの効果を説明する図である。
【００３９】
１  基板、１ａ  表面、１ｂ  裏面、２  アルミ板、３  絶縁層、４  電極ランド、
４ａ  ランド区域、５  半田レジスト、５ａ  非接合部、６  半田、６ａ  半田接合部、
７  電子部品、７ａ  部品電極、８  間隙、９  ヒートシンク、１０  クラック、
５５  開口部。
【図１】
2006303173.tif 000003
【図２】
2006303173.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006303173.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006303173.tif 000008
【図７】
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