JP5082428B2 - リード線を有する部品と基板との間のスペース調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、リード線を有する部品と基板との間に挿入されて使用されるスペーサ、基板、基板への部品の搭載方法および電子機器に関する。

従来、アルミ電解コンデンサ等のリード線を有する部品（リードタイプ部品）は、部品のリードを、プリント基板のスルーホールにそのまま挿入して、はんだ付けを行っていた。このため、部品の熱容量やプリント基板のアートワーク形状によって、部品のリード部へのはんだ上がりにバラツキが発生し、はんだ接合部の品質信頼性が安定しなかった。

特に、鉛フリーはんだ（無鉛はんだ）は、例えば、共晶はんだに比べて溶融温度が高く濡れ広がりが悪いために、基板裏面のスルーホールから入り込んだ溶融はんだが、基板表面に達する前に冷却して固まり、はんだ上がり性が悪化しやすく、部品の基板へのはんだ付けが確実にできない。

なお、特許文献１には、プリント配線板において、スルーホールのはんだ上がり性を向上させる技術が示されている。このプリント配線板では、プリント配線板の裏面からはんだ噴流を行う場合に、プリント配線板に形成するスルーホールの表面開口を、裏面開口より基板搬送コンベアの進行方向後方に位置させるように、スルーホールを傾斜させている。そして、このことにより、スルーホールのはんだ上がり性を向上させている。
特開２００２−２４６７３５号公報 「プリント配線板及びプリント配線板の部品実装方法」

本発明の課題は、はんだ接合部の品質信頼性を安定化することを可能とした、リード線を有する部品と基板との間に挿入されて使用されるスペーサ、基板、および、基板への部品の搭載方法基板を提供することである。

本発明の第１態様のスペーサは、リード線を有する部品と基板との間に挿入されて使用されるスペーサにおいて、平行な２つの面と、それら２つの面に垂直な、または、略垂直な方向に設けられた、前記部品のリード線を挿通させるための穴部と、を備えたことを特徴とするスペーサである。

ここで、本願の発明者が実験を行うことによって確認した、「リード線を有する部品（リードタイプ部品）と基板との間にスペーサを挿入することで、はんだ上がり性が向上できる」という事実により、はんだ接合部の品質信頼性を安定化することができる。リード線を有する部品と基板との間に挿入されたスペーサによって、部品本体への熱の流入が遮断され、フロー層の予備加熱で供給された熱が部品のリード部分と、基板のスルーホール部に滞留されやすくなり、はんだを固まりにくくしていることが、はんだ上がり性が向上される理由として予想される。

本発明の第２態様のスペーサは、上記第１態様において、前記２つの面のいずれか一方の面または双方の面において、その面の表面より所定距離以内において、その面の表面に近づくほど広がる面取り部が前記穴部に設けられたことを特徴とするスペーサである。

本発明の第３態様のスペーサは、上記第１態様において、前記２つの面のいずれか一方の面または双方の面において、その面上を交差する溝部が設けられ、前記溝部の底面には、前記穴部の開口が位置することを特徴とするスペーサである。

本発明の第４態様の基板は、リード線を有する部品が搭載される基板において、前記部品のリード線を、第１態様のスペーサの穴部、前記基板のスルーホールに挿通させることで、前記部品を前記基板に搭載したことを特徴とする基板である。

本発明の第５態様の電子機器は、リード線を有する部品が搭載される基板を備える電子機器において、前記部品のリード線を、第１態様のスペーサの穴部、前記基板のスルーホールに挿通させることで、前記部品を前記基板に搭載したことを特徴とする電子機器である。

本発明の第６態様の基板への部品の搭載方法は、基板へリード線を有する部品を搭載する方法において、前記基板の各位置において、その位置に搭載される部品が、リード線を有する部品であるかどうかを判定するステップと、その位置に搭載される部品がリード線を有する部品である場合に、そのリード線を有する部品に対応する請求項１のスペーサについての情報を取得するステップと、前記部品のリード線を、第１態様のスペーサの穴部、前記基板の対応する位置のスルーホールに挿通させることで、前記部品を前記基板に載置するステップと、前記基板のはんだ面側からはんだを流入させて、前記リード線を有する部品を前記スペーサを介して前記基板に固定するステップ、を備えることを特徴とする基板への部品の搭載方法である。

本発明の基板によれば、リード線を有する部品と基板との間にスペーサを挿入することで、はんだ上がり性が向上でき、はんだ接合部の品質信頼性を安定化することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るスペーサを介して部品が搭載されたプリント基板の断面図である。

図１に示すように、部品（この図では、アルミ電解コンデンサ）１１がスペーサ１３を介して、プリント基板１２上に搭載されている。
スペーサ１３は、平行な２つの面を有する円筒形状の耐熱性の絶縁部材であり、それら２つの面に垂直な、または、略垂直な方向に設けられた２つの穴部を備えている。

また、アルミ電解コンデンサ１１は、リード線１４を２本備えている。一方のリード線は、コンデンサの正極（＋極）に対応し、他方のリード線はコンデンサの負極（−極）に対応する。

アルミ電解コンデンサ１１の正極に対応するリード線１４は、スペーサ１３の２つの穴部の一方、基板１２の対応するスルーホールに挿通されて基板１２のはんだ面側に突き出る。また、アルミ電解コンデンサ１１の負極に対応するリード線１４は、スペーサ１３の２つの穴部の他方、基板１２の対応するスルーホールに挿通されて基板１２のはんだ面側に突き出る。

そして、基板１２のはんだ面側からはんだ１５を流入させることで、アルミ電解コンデンサ１１が、スペーサ１３を介して基板１２に固定（搭載）される。
本願の発明者が実験を行うことによって確認した、「リード線を有する部品（リードタイプ部品）と基板との間にスペーサを挿入することで、はんだ上がり性が向上できる」という事実により、はんだ接合部の品質信頼性を安定化することができる。リード線を有する部品と基板との間に挿入されたスペーサによって、部品本体への熱の流入が遮断され、フロー層の予備加熱で供給された熱が部品のリード部分と、基板のスルーホール部に滞留されやすくなり、はんだを固まりにくくしていることが、はんだ上がり性が向上される理由として予想される。

コンデンササイズ、スペーサ有無に対し、はんだ上がり率を測定した実験について以下に説明する。
実験結果を説明する前に、はんだ上がりの評価方法につき、図２を用いて説明する。

図２に示すように、基板のはんだ面からはんだの上がりの最も少ないスルーホール内の位置までの距離ａと、基板の厚さｂに対し、次の式により、はんだ上がり率を定義する。はんだ上がり率＝（ａ／ｂ）×１００（％）
なお、図２には、はんだ上がり率が５０％、８０％、１００％、１２０％の例が示されている。はんだ上がり率が大きいほど好ましいことは言うまでもない。

この実験は、次のような因子の組み合わせにより行われた。
１．フローはんだ層の予備加熱
２．コンベア速度
３．フラックス塗布量
４．アルミ電解コンデンサの寸法（コンデンサ容量）
５．スペーサ有無（スペーサが有る場合は、そのスペーサの厚さ）
実験においては、上記１．予備加熱温度を１５０℃、上記２．コンベア速度（Ｃ／Ｖ速度）を０．６（ｍ／ｍｉｎ）、上記３．フラックス塗布量を１７０（ｍｌ／ｍ^２）、上記４．アルミ電解コンデンサの寸法（コンデンサ本体径×コンデンサ本体高さ）をφ１８ミリ×３３ミリに固定し、スペーサ有無を変化させて、はんだ上がり率を測定した。

図３に実験結果を示す。なお、実験では、鉛フリーはんだを使用した。
図３において、大Ｃ６，大Ｃ７は、φ１８ミリ×３３ミリのサイズを持つコンデンサの番号を示し、＋，−はコンデンサの電極を示している。

スペーサを挿入せず、フローはんだ付けをしたもの（図３における、スペーサ厚さ（部品浮かし欄）が空欄のもの）は、はんだ上がり率が６０％〜９０％の範囲でばらついているのが分かる。

これに対し、スペーサを挿入してフローはんだ付けをしたもの（図３における、スペーサ厚さ（部品浮かし欄）が「６ミリ」または「２ミリ」のもの）は、はんだ上がり率が１００％〜１２０％の範囲におさまり、はんだ接合部の品質信頼性が改善されたことが確認できる。

なお、実験に使用したコンデンサは、コンデンササイズが大きめのコンデンサ、したがって、コンデンサ容量（熱容量）が大きめのコンデンサである。フロー層の予備加熱で供給された熱を吸収しやすい、このようなコンデンサにおいても、スペーサを挿入することによって、はんだ上がり率が十分改善された。

なお、部品をはんだ付けするときの工程としては、フラックス塗布、予備加熱、はんだ浴への浸漬を行う。このとき、加熱によりフラックスから揮発性ガスが発生するが、この発生したガスは、まず、プリント基板のスルーホールと部品のリード線との隙間に追いや
られ、次に、はんだがスルーホールを這い上がるにつれて、基板のさらに部品面側に追いやられる。そして、このガスが留まった部分は、はんだが上がらず、はんだ上がり不良になるという問題がある。

この問題を回避するためには、スペーサに対し以下のような変形を行えばよい。
図４は、本実施形態に係るスペーサの第１変形例を示す図である。
図４に示すように、スペーサ２０は、平行な２つの面と、それら２つの面に垂直な、または、略垂直な方向に設けられた、部品のリード線を挿通させるための穴部２１と、を備えている。

また、スペーサ２０は、それら２つの面のいずれか一方の面において、その面の表面より所定距離以内において、その面の表面に近づくほど広がる面取り部２２が穴部２１に設けられている。

ここで、面取り部２２によって、ガス溜まり空間が大きくとられるので、上記ガスに起因する部品面側のはんだ上がり不良を回避することができる。
なお、図４では、面取り部２２をいずれか一方の面の表面付近にのみ設けているが、双方の面の表面付近において面取り部２２を設けるようにしてもよい。

図５は、本実施形態に係るスペーサの第２変形例を示す図である。
図５に示すように、スペーサ３０は、平行な２つの面と、それら２つの面に垂直な、または、略垂直な方向に設けられた、部品のリード線を挿通させるための穴部３１と、を備えている。

また、スペーサ３０は、それら２つの面のいずれか一方の面または双方の面において、その面上を交差する溝部（ガス抜き溝）３２が設けられ、その溝部３２の底面（の溝同士が交差する位置）には、穴部３１の開口が位置している。

ここで、溝部３２によって、上記発生したガスがはんだ接合部から外部に放出されるので、上記ガスに起因する、はんだ上がり不良を回避することができる。
なお、図５では、面上を交差する溝部３２をいずれか一方の面の面上にのみ設けているが、双方の面の面上において交差する溝部３２を設けるようにしてもよい。

なお、基本的には、スペーサの厚みを大きくするほど、実装部品（アルミ電解コンデンサ等）への熱の流出が少なくなるので、スペーサの厚みは、実験にも示されるように、実装部品のリード線の長さにも応じて２ミリ以上の所定値に設定すればよい。

また、例えば、生産ラインにおいて、リード線を有する部品をスペーサを介して基板に搭載するには、次のような手順で行えばよい。
基板の各位置において、その位置に搭載される部品が、リード線を有する部品であるかどうかを判定し、その位置に搭載される部品がリード線を有する部品である場合に、そのリード線を有する部品に対応するスペーサについての情報を取得し、その部品のリード線を、そのスペーサの穴部、基板の対応する位置のスルーホールに挿通させることで、その部品を基板に載置し、基板のはんだ面側からはんだを流入させて、そのリード線を有する部品をそのスペーサを介して基板に固定する。

本発明の一実施形態に係るスペーサを介して部品が搭載されたプリント基板の断面図である。 はんだ上がり率の評価方法について説明する図である。 スペーサ有無に対するはんだ上がり率を測定結果を示す図である。 本実施形態に係るスペーサの第１変形例を示す図である。 本実施形態に係るスペーサの第２変形例を示す図である。

符号の説明

１１ 部品（アルミ電解コンデンサ）
１２ プリント基板
１３、２０、３０ スペーサ
１４ リード線
１５ はんだ
２１、３１ 穴部
２２ 面取り部
３２ 溝部（ガス抜き溝）

Claims (1)

1. 部品実装時のはんだフロー処理で実行されるスルーホールを有する基板と該部品との間のスペース調整方法において、
   前記部品がリード線を有する場合、間が２ミリ以上である平行な２つの面と、該平行な２つの面に垂直、または略垂直な方向に前記リード線を挿通させるための穴部とを有するスペーサを用いて、該穴部と前記スルーホールとに前記リード線を挿通し、
   前記リード線を挿通した前記基板のはんだ面側からはんだを流入することを特徴とするスペース調整方法。