(57)【要約】【課題】低コストで導体パターンの酸化を防止し得る半田付け方法を提供する。【解決手段】リフロー炉４４に投入する際には、導体パターン１２のうちクリーム半田４０で覆われていない部分もフラックス３６で覆われていることから、大気中で加熱処理が施されるにも拘わらず、その部分もリフロー炉４４内で空気特に酸素に触れることが抑制される。そのため、大気雰囲気中でも導体パターン１２が酸化し難いことから、炉４４内に窒素ガスを供給する必要がないので、低コストで導体パターン１２の酸化を防止しつつ確実に半田付けすることができる。【選択図】                    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚膜銅から成る導体パターンを備えた銅導体厚膜回路基板をリフロー炉内で加熱することにより、その導体パターンの一部にクリーム半田で部品を半田付けする方法であって、
前記導体パターンのうち前記クリーム半田が塗布されない残部に前記リフロー炉内に投入するに先立ってフラックスを塗布するフラックス塗布工程を含むことを特徴とする銅導体厚膜回路基板の半田付け方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅導体厚膜回路基板への部品の半田付け方法に関し、特に、基板上の導体パターンの酸化防止技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、厚膜銅から成る導体パターンを備え、その導体パターンの一部に金属製のリードピン等の部品が半田付けされた銅導体厚膜回路基板が知られている。
このような厚膜回路基板を製造するに際しては、例えば、基板上にクリーム半田（ソルダペースト）を予め塗布すると共に半田付けしようとする部品をその半田上の所定位置に配置し、その半田の種類に応じて定められる例えば２００（℃）程度の溶融温度でリフロー炉にて加熱することにより、その半田をリフロー（再溶融）させて半田付けをする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のリフローを大気中で行うと、導体パターンのうち半田付けが為されない部分が酸化する不都合がある。また、半田付けされる部分でも、酸化速度が速い場合には半田濡れ性が悪化して接合不良が生じ得る。そのため、従来のリフロー炉においては、炉内に窒素ガスを供給して低酸素濃度下で加熱処理をしていた。しかしながら、半田付けに大量の窒素ガスを必要とすることは製造コストの増大をもたらし、しかも、適切な再溶融状態を得るためには酸素濃度を高精度に制御する必要があるので工程管理が難しいという問題があった。なお、リフロー処理の加熱温度を導体パターンが酸化する温度よりも低温に設定すれば窒素ガスの供給は必要ないが、厚膜銅は低温で酸化するためそのような条件を満たす適当な半田は見当たらないのである。
【０００４】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、低コストで導体パターンの酸化を防止し得る半田付け方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成するため、本発明の要旨とするところは、厚膜銅から成る導体パターンを備えた銅導体厚膜回路基板をリフロー炉内で加熱することにより、その導体パターンの一部にクリーム半田で部品を半田付けする方法であって、前記導体パターンのうち前記クリーム半田が塗布されない残部に前記リフロー炉内に投入するに先立ってフラックスを塗布するフラックス塗布工程を含むことにある。
【０００６】
【発明の効果】
このようにすれば、リフロー炉に投入する際には、導体パターンのうちクリーム半田で覆われていない部分（非半田付け部分）がフラックスで覆われていることから、その部分もリフロー炉内で気体に触れることが抑制される。そのため、炉内の酸素濃度が高くとも導体パターンの非半田付け部分が酸化し難くなることから、炉内を大気雰囲気にしても差し支えない。したがって、炉内に窒素ガスを供給する必要がないので、低コストで導体パターンの酸化を防止することができる。なお、クリーム半田の塗布、フラックスの塗布、および部品の配置は、どのような順序で実施しても差し支えない。
【０００７】
【発明の他の態様】
ここで、好適には、前記フラックス塗布工程は、前記導体パターンの全面に前記フラックスを塗布するものであり、その導体パターンの一部に前記クリーム半田を塗布する半田塗布工程は、そのフラックス塗布工程の後に実施される。このようにすれば、半田がフラックス上に塗布されることとなるので、導体パターンへの半田の濡れ性が向上する。そのため、部品の半田付け強度が高められると共に、部品の半田付けと同時に基板を貫通する貫通孔内に導体を設ける場合にもその貫通孔内に半田が流れ込み易くなる利点がある。すなわち、クリーム半田は半田（ソルダ）粉末とペースト状フラックスとの混合物であることから予めフラックスを塗布することは必須ではないが、フラックスを塗布すれば半田付けの信頼性が高められるのである。
【０００８】
また、好適には、前記フラックス塗布工程は、前記基板の全面にフラックスを塗布するものである。このようにすれば、基板表面のうち導体パターンの一部または全部に選択的にフラックスを塗布する場合に比較して、その塗布が容易になる。塗布方法としては、例えばペースト状または液状のフラックス中に基板全体を浸す方法（どぶ付け）や、吹き付け等が可能である。なお、基板上に塗布されたフラックスは、例えばリフロー後に洗浄除去すればよい。
【０００９】
また、好適には、前記半田付け方法は、前記リフロー炉内で加熱する加熱工程において、１２０（℃）から固相温度までのプリヒート時間を４５秒以下に設定するものである。このようにすれば、そのプリヒート時間の長さに応じて、厚膜銅の酸化が生じ得る１２０（℃）以上の温度での加熱時間を十分に短くできるため、導体パターンの酸化を一層抑制できる。一層好適には、加熱工程において、１９０（℃）以上の温度における加熱時間が２０秒以上に設定される。このようにすれば、クリーム半田が溶融し得る温度における加熱時間が十分に長いことから、半田に与えられる熱容量が十分に多くなるので、溶融不良延いては半田付け不良が生じることが一層抑制される。
【００１０】
また、好適には、前記部品は、金属ピンである。
【００１１】
また、好適には、前記金属ピンは、前記基板に設けられた貫通孔に圧入されるものである。このようにすれば、半田による固着力に加えて圧入による固着力で部品すなわち金属ピンが基板に固定されることから、その固定状態の信頼性が高められる。
【００１２】
一層好適には、前記金属ピンは、前記貫通孔に圧入される頭部がその貫通孔の直径よりも僅かに長い長さ寸法の対角線を有する多角形を成すものである。このようにすれば、貫通孔内壁面と頭部外周面との隙間に半田やフラックスが流れ込むことから、導体パターンと金属ピンとの導通や固着状態の信頼性が一層高められる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明の半田付け方法を適用して製造された銅導体厚膜回路基板（以下、単に厚膜基板という）１０の全体を示す斜視図であり、（ｂ）は、これを裏面側から見た図である。図において、厚膜基板１０は、導体パターン１２が両面に設けられた基板１４に、金属製のリードピン１６が厚み方向に貫通した状態で半田付け（半田１８により固着）されることにより構成されている。
【００１５】
上記の基板１４は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の一般的な基板材料で構成されたものであって、例えば７（ｍｍ）×８（ｍｍ）×厚さ０．８（ｍｍ）程度の外形寸法を備えた矩形の薄板である。また、上記の導体パターン１２は、例えば厚膜スクリーン印刷法を用いて基板１４上に厚膜銅ペーストを塗布して形成された厚膜導体から成るものである。導体パターン１２の厚さ寸法は、例えば１０〜２０（μｍ）程度の範囲内で一様な値になっている。
【００１６】
また、前記リードピン１６は、例えば真鍮で構成されたものであって、例えば直径０．５（ｍｍ）×長さ３（ｍｍ）程度の寸法を備えた断面円形のピンである。このリードピン１６の表面は、下地となる銅鍍金およびその上に重ねられた半田鍍金によって覆われている。なお、図においてこれら銅鍍金および半田鍍金は省略した。リードピン１６の一端は基板１４を貫通してその裏面２０に僅かに突出しているが（図２参照）、半田１８によって覆われているため図１（ｂ）には現れていない。
【００１７】
図２は、上記の厚膜基板１０の断面の要部を用いてリードピン１６の取付状態を説明する図である。基板１４には、表面２２から裏面２０に貫通する複数個の貫通孔２４が設けられており、前記のリードピン１６の一端は、この貫通孔２４内に収容されている。貫通孔２４は、例えば０．５（ｍｍ）程度の内径寸法を備えたものであるが、その内径寸法はリードピン１６の外径寸法よりも僅かに大きいので、それらの間には隙間が存在する。半田１８は、裏面２０において上記貫通孔２４の周囲に設けられた例えば略円形の導体パターン１２上およびその内周側に固着されているが、その隙間内に略満たされ、且つ表面２２側にはみ出してリードピン１６のその表面２０近傍の部分を覆っている。
【００１８】
また、リードピン１６は、基板１４の表面２２上に突出した部分が小径の円柱状を成すものであるが、基板１４に半田付けされている一端すなわち上記の貫通孔２４内に収容されている端部に、図３に示すように矩形断面の圧入部２６を備えた構造を成す。この圧入部２６の対角線の長さ寸法は貫通孔２４の内径寸法よりも僅かに大きいので、リードピン１６は、その圧入部２６の４つの稜部２８が貫通孔２４の内周面をこじる（噛み合う）嵌め合い状態となっている。すなわち、リードピン１６は、上記のような裏面２０上から表面２２上に亘る範囲内においてその貫通孔２４内に設けられた半田１８による固着力と、稜部２８と内周面との噛み合いとによって貫通孔２４内に強固に固定されているのである。なお、図２においては、図における左右に位置する稜部２８，２８が半田１８で隠れた状態を表している。
【００１９】
ところで、上記の厚膜基板１０におけるリードピン１６の半田付けは、例えば図４に示される工程に従って以下のように実施される。
【００２０】
図４において、ピン差込み工程３０においては、例えば図５（ａ）に示されるように、厚膜銅から成る導体パターン１２が形成された基板１４を表面２２が上側となるように配置し、その上方からリードピン１６を前記の圧入部２６が下側となる向きで貫通孔２４内に圧入する。この圧入処理は、基板１４を適当な治具の上に配置して行われ、裏面２０におけるリードピン１６の突出し長さ寸法が揃えられる。前述したように、圧入部２６はその稜部２８が貫通孔２４の内周面と噛み合うような大きさに形成されていることから、リードピン１６は、その内周面との間に空隙が形成されているにも拘わらず圧入された位置で固定される。すなわち、半田付けによって固着される以前においても、ある程度の固着状態が実現される。なお、図においては、厚膜基板１０の１個分の基板１４を示しているが、リードピン１６を半田付けする段階では、例えば複数枚の基板１４が１枚に備えられた多数個取りの基板の形態で各工程において処理される。
【００２１】
上記のようにして全ての貫通孔２４内にリードピン１６を差し込んだ後、フラックス塗布工程３２においては、例えば図５（ｂ）に示すように、基板１４を塗布槽３４内に蓄えられた液状のフラックス３６中に浸漬する。これにより、基板１４の外周面全体およびそこに形成されている導体パターン１２上にそのフラックス３６が薄く塗布される。すなわち、この工程では、全ての導体パターン１２の表面および貫通孔２４の内周面がフラックス３６で覆われた状態とする。このとき、基板表面２２，裏面２０，およびリードピン１６表面にもフラックス３６が塗布されるが何ら支障は無い。なお、上記のフラックス３６は、例えば、ロジンおよびグリコール系溶剤等から成るものである。
【００２２】
次いで、半田塗布工程３８においては、フラックス３６が塗布された基板１４の裏面２０の導体パターン１２上に、例えば厚膜スクリーン印刷法やディスペンサ等を用いてリードピン１６の端部を覆うようにクリーム半田４０を塗布する。
図５（ｃ）は、その塗布後の側面を表している。この段階では、クリーム半田４０は貫通孔２４内に流れ込んでいない。また、表面２２に設けられた導体パターン１２上にはクリーム半田４０が全く塗布されず、露出状態に保たれる。なお、このクリーム半田４０は、例えば、錫・鉛半田、フラックス、および溶剤等から成るものであり、例えば１８０（℃）程度で溶融させられる。
【００２３】
そして、リフロー工程４２においては、図５（ｄ）に示すように、この基板１４をリフロー炉４４内に投入して例えば大気中等の酸化雰囲気で加熱することにより、クリーム半田４０を再溶融させる。溶融させられたクリーム半田４０は、その粘度が十分に低くなって高い流動性を有するので、塗布位置に設けられている貫通孔２４内に流れ込み、その中を満たすこととなる。クリーム半田４０の塗布量は、再溶融して貫通孔２４内に流れ込んだときに、その貫通孔２４内がクリーム半田４０（半田１８）で満たされ、且つリードピン１６の端部が覆われた状態に保たれるように定められているのである。このようにして貫通孔２４内に流れ込んだクリーム半田４０が加熱処理の冷却過程で硬化させられることにより、半田１８でリードピン１６が固定され、且つ導体パターン１２との導通が確保されることとなる。なお、加熱処理は例えば図６に示す温度プロファイルで実施されるが、最高保持温度は例えば２００（℃）よりも僅かに高い例えば２１０（℃）程度の温度であり、２００（℃）以上の温度に保たれる時間は例えば３０秒程度に設定される。なお、図において４６はリフロー処理を施す基板１４を搬送するためのコンベアである。リフロー炉４４は、例えばこのようなコンベア４６を備えた連続炉であって、上記の最高保持温度および保持時間が得られるように、搬送速度や搬送方向の各部における温度が設定されている。
【００２４】
上記の加熱処理の際に、例えば表面２２上の導体パターン１２は、クリーム半田４０に覆われていない状態で加熱される。厚膜銅から成る導体パターン１２は、例えば１２０（℃）を越える温度で加熱すると例えば１２０秒程度の短時間で容易に酸化し得るが、本実施例の厚膜基板１０は、１２０（℃）以上の温度に１８０秒程度曝されても導体パターン１２の酸化が何ら認められなかった。なお、前記の図６において、１２０（℃）から固相温度（本実施例においては例えば１８０（℃）程度）に至るまでの時間は４５秒程度であり、保持温度から温度を降下させる過程における所要時間を含めれば、導体パターン１２が１２０（℃）以上の温度に曝される時間は１８０秒程度である。また、リフロー工程４２でクリーム半田４０は十分に溶融させられており、リードピン１６の接合不良も生じていなかった。なお、塗布されたフラックス３６のうち半田１８によって覆われていないものは、その後洗浄処理を施すことによって除去される。
【００２５】
これに対して、半田塗布工程３８の前にフラックスが塗布されていない基板１４を同様にリフロー炉４４に投入したところ、２００（℃）以上の温度で３０秒程度だけ保たれると共に１２０（℃）以上の温度に曝される時間が１８０秒程度の同様な加熱条件でも明らかな酸化が認められ、１２０（℃）以上の時間を１２０秒程度と短くしても、僅かに酸化（変色）が認められた。これよりも短時間に設定すれば、酸化は認められなくなるが、クリーム半田４０の溶融が不十分になるのでリードピン１６の半田付け強度を確保できなくなる。
【００２６】
要するに、本実施例においては、リフロー炉４４に投入する際には、導体パターン１２のうちクリーム半田４０で覆われていない部分もフラックス３６で覆われていることから、大気中で加熱処理が施されるにも拘わらず、その部分もリフロー炉４４内で空気特に酸素に触れることが抑制される。そのため、大気雰囲気中でも導体パターン１２が酸化し難いことから、炉４４内に窒素ガスを供給する必要がないので、低コストで導体パターン１２の酸化を防止しつつ確実に半田付けすることができる。
【００２７】
また、本実施例においては、基板１４を塗布層３４に浸漬することでフラックス３６をその全面に塗布し、その後、クリーム半田４０を塗布する。この結果、導体パターン１２とクリーム半田４０との間にフラックス３６が介在させられることから、クリーム半田４０の濡れ性が向上するので、リードピン１６の高い半田付け強度が得られる。また、貫通孔２４内に半田１８が流れ込み易いので、表面２２および裏面２０間の導通が一層確実となっている。更に、フラックス３６の塗布自体も容易である。
【００２８】
また、本実施例においては、リフロー工程４２が２００（℃）以上の温度に３０秒程度だけ保たれるものであることから、導体パターン１２の酸化が一層抑制されると共に、半田が確実に溶融するのでリードピン１６の固着強度が確保される。
【００２９】
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施できる。
【００３０】
例えば、実施例においては、基板１４にリードピン１６が固着された厚膜基板１０の半田付け方法に本発明が適用された場合について説明したが、本発明は、厚膜銅から成る導体パターンが備えられ且つ部品がリフローによって半田付けされる厚膜基板であれば、基板の表面に平坦な金属端子を半田付けする場合や、抵抗体やコンデンサ等の電子部品を半田付けする場合等にも同様に適用される。
【００３１】
また、実施例においては、２００（℃）以上の温度における加熱時間が３０秒程度に設定されていたが、この加熱時間は、例えば、基板１４上に塗布されるクリーム半田４０の量やワーク全体の熱容量等に応じて適切な範囲が異なるものであり、酸化が抑制され且つクリーム半田４０が十分に溶融する範囲で適宜設定される。
【００３２】
また、実施例においては、フラックス３６中に浸漬することにより、基板１４の外周面や導体パターン１２全面にフラックス３６を塗布していたが、厚膜印刷法や吹付け等によって全面或いは導体パターン１２上だけに部分的に塗布してもよい。
【００３３】
また、実施例においては、リードピン１６を圧入した後、フラックス３６を塗布し、その後、クリーム半田４０を印刷していたが、これらの順序は工程や設備の都合等に応じて適宜変更できる。例えば、クリーム半田４０を塗布した後にリードピン１６を圧入しても良いし、クリーム半田４０を塗布した後にフラックス３６を塗布してもよい。
【００３４】
また、クリーム半田４０、基板１４やリードピン１６の構成材料は、厚膜基板１０の用途に応じて適宜変更されるものであり、その場合にも本発明は同様に適用される。
【００３５】
また、リフロー炉４４における加熱プロファイルは、図６に示したものに限定されるものではなく、クリーム半田４０の組成に応じて適宜変更される。
【００３６】
その他、一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施例の半田付け方法がリードの取付けに適用された厚膜回路基板の全体を示す斜視図である。
【図２】図１の厚膜回路基板の要部断面においてリードの取付状態を説明する図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ視断面の要部を表した図である。
【図４】図１の厚膜回路基板の製造工程の一例を説明する工程図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は図３の製造工程の要部段階における処理状態を説明する図である。
【図６】図４のリフロー工程における温度プロファイルの一例である。
【符号の説明】
１０：銅導体厚膜回路基板
１２：導体パターン
１４：基板
１６：リードピン（部品）
１８：半田
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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