JP2005074449A - はんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ付けの際に、はんだ付け部周辺に微細なはんだボールが発生するのを抑制し、しかも良好な保存安定性および印刷時の安定性を有する非水溶性のはんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物を提供することである。
【解決手段】ベース樹脂、活性剤、チキソ剤および有機溶剤の総量に対して水を０．１〜０．４重量％含有する非水溶性のはんだ付け用フラックスである。また、このフラックスと、はんだ合金粉末とを含有する非水溶性のはんだペースト組成物である。
【選択図】なし

Description

本発明は、はんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物に関し、より詳しくは、例えば回路基板に対して回路部品等をはんだ接続する際に使用される非水溶性のはんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物に関するものである。

従来から、電子回路部品等をはんだ接続するために、種々のはんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物が使用されている。ところが、従来のフラックスおよびはんだペースト組成物では、はんだ付け部周辺に微細なはんだボールが発生するという問題、保存安定性が低いために増粘や皮張りが生じるという問題、印刷時の安定性が低いために過度に吸湿して増粘するという問題、はんだ付け後に接合部が腐食するという問題等がある。

上記問題点のうち、安定性を改善するには、(a)弱い活性剤を使用する、(b)極性の小さい溶剤を使用する、(c)はんだ合金粉末の粒径を大きくするなどの手段が挙げられる。

上記(a)では、はんだ合金粉末表面の酸化被膜が除去されにくくなるため、安定性が改善される一方で、接合不良やはんだボールが発生しやすくなるという問題がある。また、(b)では、はんだ合金粉末表面の酸化被膜が除去されにくくなるため、安定性が改善される一方で、フラックス成分の結晶化やはんだボールが発生しやすくなるという問題がある。(c)では、はんだ合金粉末の表面積が大きくなり、酸化度が小さくなるので、安定性が改善される一方で、ファイン印刷に対応できないという問題がある。

また、はんだボールの発生を抑制するには、(d)グリセリン、エチレングリコール、ポリエチレングリコールなどの高沸点（沸点２００〜３００℃）の極性溶剤を使用する、(e)強い活性剤を使用する、(f)はんだ合金粉末の粒径を大きくするなどの手段が挙げられる。

上記(d)では、活性剤の解離が促進され、はんだ合金粉末との反応が起こりやすくなるため、酸化被膜除去効果が大きくなってはんだボールの発生が抑制される一方で、保存時にフラックスとはんだ合金粉末との反応が進行し、粘度の上昇が起こる。また、印刷時には過度に吸湿して粘度の上昇が起こるという問題がある。また、(e)のように強い活性剤を使用すると、接合部に腐食が発生しやすいという問題がある。(f)では、はんだ合金粉末の表面積が大きくなり、酸化度が小さくなるので、はんだボールの発生が抑制される一方で、ファイン印刷に対応できないという問題がある。

また、はんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物中に水が存在すると、水分によってはんだ合金が酸化され、はんだボールが発生しやすい傾向にある。さらに、はんだ付け時に、加熱された水が突沸してはんだが飛び散り、そのことによってもはんだボールが発生する。このため、はんだ付け用フラックスやはんだペースト組成物中には、極力、水が含まれないようにされてきた。

以下の各特許文献には、上記の種々の問題点に対する対策が提案されている。たとえば、特許文献１には、樹脂を含有するはんだペーストにおいて、使用する溶剤として、該溶剤に水を混合した時その含水率が１０％以下のものを使用するという内容が開示されている。一般に、はんだペーストは、経時的に空気中の水分を吸収して表面に硬い膜ができ、ディスペンサーのノズル詰まりやスクリーン印刷の網目詰まりなどの原因となるため、水と混合しにくい溶剤を使用することでこれらの問題を解消している。

特許文献２には、粉末はんだとフラックスを混和したクリームはんだにおいて、このフラックス中に特定分子量のカルボン酸と含水率１０％以下のアミンから誘導される塩を添加するという内容が開示されている。含水率が１０％を越えるアミンを使用すると、吸湿しやすくなり、クリームはんだの経時変化や、はんだ付け後の腐食の原因になるとされている。

特許文献３には、粉末はんだとフラックスを混和したクリームはんだにおいて、水に溶けにくいアミンをフラックスに添加することにより、クリームはんだの吸湿に伴なうはんだボールの発生やはんだ付け時のはんだの飛散を防止できるとされている。

特許文献４には、ロジン誘導体及び溶剤を含んでなるクリームはんだ用フラックス組成物において、ロジン誘導体として第１級カルボキシキル基を有するロジン誘導体を含み、また溶剤として、２０℃における水への溶解度が５重量％以下の溶剤を含むことにより、低吸湿性の溶剤を使用して、水分に起因するはんだボールの発生を防止するという内容が開示されている。

しかしながら、これらの特許文献１〜４に記載の内容では、個々の問題点を改善することはできるが、はんだボールの発生と、保存安定性および印刷時の安定性とを同時に改善するのは困難であった。

ところで、はんだ付け用フラックスは、大別すると非水溶性のものと、水溶性のものとがある。非水溶性フラックスは、上記の特許文献１〜４に記載のようなものである。一方、水溶性フラックスは、はんだ付け後の洗浄を水で行うことができるように、水溶性物質を主成分としたものである。また、内容成分の結晶化の防止や、吸湿による性能変化を防止するために、水溶性フラックスには水を含有しているものもある。

すなわち、特許文献５には、鉄ニッケル合金材料のはんだ付に用いる水溶性フラックスにおいて、はんだ付時のはんだボールの飛散・付着を大きく改善し、作業改善及びはんだ付コストを低減するために、水を主成分とし、所定量のＺｎＣｌ₂、ＮＨ₄ Ｃｌ、有機酸（カルボン酸）および界面活性剤を含有する組成の水溶性フラックスが開示されている。

特許文献６には、はんだ接合に用いられる水溶性のフラックスおよびこのフラックスに金属粒子を含有させた金属ペーストにおいて、使用開始時から粘度を安定させ、転写量のばらつきを低減させるために、使用開始時の初期含水率が重量％で１％以上とすることが開示されている。

しかしながら、特許文献５および特許文献６に記載の水溶性フラックスは、リフロー後の残渣の洗浄が必要であり、これを行わないと水分の吸湿、絶縁抵抗の低下、腐食、接合部の劣化等が生じるという問題がある。
特開昭５７−１１８８９１号公報 特開平１−１５４８９７号公報 特開平３−２１６２９３号公報 特開平１０−２３０３８９号公報 特開平５−１２３８９３号公報 特開２０００−２５２６１５号公報

本発明の目的は、はんだ付けの際に、はんだ付け部周辺に微細なはんだボールが発生するのを抑制し、しかも良好な保存安定性および印刷時の安定性を有する非水溶性のはんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、非水溶性のはんだ付け用フラックスにおいて、該フラックス総量に対して所定範囲の微量の水を含有させることにより、はんだ付け部周辺にはんだボールが発生するのを抑制できるとともに、良好な保存安定性および印刷時の安定性を得ることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の非水溶性のはんだ付け用フラックスは、水を総量に対して０．１〜０．４重量％含有することを特徴とする。本発明における水の含有量が０．１重量％未満になると、はんだ付け部周辺に微細なはんだボールが発生するおそれがある。一方、水の含有量が０．４重量％を超えると、保存安定性や印刷時の安定性が低下するおそれがある。ここで、本発明において、非水溶性とは、フラックスを構成する主成分が非水溶性の化合物からなることをいう。

具体例を挙げると、本発明のはんだ付け用フラックスは、ベース樹脂、活性剤、チキソ剤および有機溶剤の総量に対して水を０．１〜０．４重量％添加したものである。また、前記ベース樹脂はロジンまたはアクリル樹脂であるのが好ましい。

また、本発明のはんだ付け用フラックスは、ベース樹脂が平均分子量１００００以下の熱可塑性アクリル樹脂であり、このアクリル樹脂を総量に対して０．５〜８０重量％含有するのがより好ましい。

本発明の非水溶性のはんだペースト組成物は、上記フラックスと、はんだ合金粉末とを含有することを特徴とする。

本発明のはんだ付け用フラックスは、総量に対して所定範囲の微量の水を含有しているので、はんだ付け部周辺にはんだボールが発生するのを抑制できるとともに、良好な保存安定性および印刷時の安定性を得ることができる。これにより、はんだボールの発生が抑制され、良好な安定性を有したはんだペースト組成物を得ることができる。

このように、本発明では、はんだ付け用フラックスやはんだペースト組成物に所定量の水を添加するという簡単、安価かつ安全な方法で、従来両立させるのが困難であったはんだボールの抑制と安定性とを同時に満たすことができる。これにより、はんだボールによる短絡や腐食による断線を防止することができるので、信頼性が高く、高品質な電子機器を得ることができるという効果がある。また、保存安定性や印刷時の安定性が良好であるので、フラックスやはんだペースト組成物を長期にわたって使用でき、コストダウンを図ることができるという効果がある。
また、はんだ付け後の残留フラックスを洗浄しない無洗浄はんだ付けにも対応することができ、電気絶縁性、耐腐食性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明の非水溶性のはんだ付け用フラックスは、総量に対して０．１〜０．４重量％の水を含有するものであり、ベース樹脂、活性剤、チキソ剤等を主成分とする。フラックスを液状にして使用する場合には、さらに有機溶剤を加えるようにしてもよい。ベース樹脂としては、例えばロジンまたはアクリル樹脂を用いることができる。

アクリル樹脂としては、分子量が１００００以下、好ましくは３０００〜８０００であるのがよい。分子量が１００００を超えると、耐亀裂性や耐剥離性が低下するおそれがある。また、活性作用を助長するために、酸価は５０以上のものを使用するのが好ましく、はんだ付け時には軟化している必要があるため、軟化点は２３０℃以下であるのが好ましい。

そのため、重合性不飽和基を有するモノマー、例えば（メタ）アクリル酸、その各種エステル、クロトン酸、イタコン酸、（無水）マレイン酸およびそのエステル、（メタ）アクリロニトリル、（メタ）アクリルアミド、塩化ビニル、酢酸ビニル等を使用し、過酸化物等の触媒を用いて、塊状重合法、液状重合法、懸濁重合法、乳化重合法等のラジカル重合により重合されたものを使用するのがよい。

アクリル樹脂の含有量は、フラックス総量に対して０．５〜８０重量％、好ましく２０〜７０重量％であるのがよい。含有量が０．５重量％未満になると、はんだ付け時において金属に活性剤を均一に塗布することが困難となるため、はんだ付け不良が発生するおそれがある。また、はんだ付け後の皮膜性が低下し、高温耐久性が低下するおそれがある。一方、含有量が８０重量％を超えると、フラックス自体の粘性が高くなってしまうため、フラックスの厚膜化によるはんだ付け性の低下という問題が生じるおそれがある。

ロジンとしては、従来からフラックス用途で用いられているロジンおよびその誘導体を使用することができる。ロジンおよびその誘導体としては、通常のガム、トール、ウッドロジンが用いられ、その誘導体として熱処理した樹脂、重合ロジン、水素添加ロジン、ホルミル化ロジン、ロジンエステル、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性アルキド樹脂等が挙げられる。

ロジンおよびその誘導体の含有量は、フラックス総量に対して２０〜８０重量％、好ましく３０〜６５重量％であるのがよい。含有量が２０重量％未満になると、ヌレ性が悪化するおそれがある。一方、含有量が８０重量％を超えると、粘度調整が出来ず、作業性が悪化するおそれがある。

活性剤としては、エチルアミン、プロピルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、アニリン等のハロゲン化水素塩酸、乳酸、クエン酸、ステアリン酸、アジピン酸、ジフェニル酢酸等の有機カルボン酸が挙げられる。活性剤の含有量は、フラックス総量に対して０．１〜３０重量％であるのがよい。含有量が０．１重量％未満になると、活性力が不足し、はんだ付け性が低下するおそれがある。一方、含有量が３０重量％を超えると、フラックスの皮膜性が低下し、親水性が高くなるので、腐食性および絶縁性が低下するおそれがある。

チキソ剤としては、硬化ひまし油、蜜ロウ、カルナバワックス、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミド等があげられる。チキソ剤の含有量は、フラックス総量に対して１．０〜２５重量％であるのがよい。

有機溶剤としては、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチルセロソルブ、ブチルカルビトール等のアルコール系溶剤、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系溶剤、トルエン、テレピン油等の炭化水素系溶剤等が挙げられ、揮発性、活性剤の溶解性の点でイソプロピルアルコールが好ましい。

有機溶剤は、フラックス総量に対して２０〜９９重量％の範囲で添加するのが好ましい。有機溶剤が２０重量％未満になると、フラックスの粘性が高くなり、フラックスの塗布性が悪化するおそれがある。一方で、有機溶剤が９９重量％を超えると、フラックスとしての有効成分（アクリル樹脂等）の割合が小さくなってしまうため、はんだ付け性が低下するおそれがある。

さらに、本発明のフラックスは、従来から公知のポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、テルベン樹脂等の合成樹脂等の一般にフラックスのベース樹脂として用いられているものを併用することや、酸化防止剤、防黴剤、つや消し剤等の添加剤を添加することもできる。

本発明において、フラックス中の水分量を上記範囲に調整するには、フラックス総量に対して水を０．１〜０．４重量％添加すればよい。例えば、水を添加する前に、予めフラックス中の水分量を測定し、所望の水分量に対する不足分をフラックスに添加する。

上記のようにして得られるはんだ付け用フラックスは、はんだ合金粉末と混合してはんだペースト組成物として用いることができる。はんだ合金粉末としては、一般に用いられている錫−鉛合金、さらに銀、ビスマスまたはインジウムなどを添加した錫−鉛合金等を使用することができる。また、錫−銀系、錫−銅系、錫−銀−銅系等の鉛フリー合金を使用してもよい。このはんだペースト組成物におけるフラックスとはんだ合金粉末との重量比（フラックス：はんだ合金粉末）は、５：９５〜２０：８０程度であるのがよい。また、はんだ合金粉末の粒径は、５〜５０μm程度であるのがよい。

このはんだペースト組成物は、電子機器部品等をはんだ接続する際に、ディスペンサーやスクリーン印刷等により基板上に塗布される。そして、塗布後、例えば１５０〜２００℃程度でプリヒートを行い、最高温度１７０〜２５０℃程度でリフローを行う。基板上への塗布およびリフローは、大気中で行ってもよく、Ｎ₂、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性雰囲気中で行ってもよい。

ベース樹脂（ロジンまたはアクリル樹脂）、活性剤、チキソ剤および溶剤を表１および表２に示す配合比で混合し、均一になるように充分に熱を加えて溶解して試料No.１〜１２のフラックスをそれぞれ得た。ついで、室温まで冷却した後、フラックス中の水分量を測定した。この測定結果に基づいて、表１または表２に示す水分量となるように蒸留水をそれぞれ加え、均一になるように撹拌した。ロジンとしては、不均化ロジン（ハリマ化成（株）製；「Ｇ−１００Ｆ（商品名）」）を使用し、アクリル樹脂としては、酸価が１００で分子量が４５００のものを使用した。

ついで、上記の各フラックスと、Ｓｎ−Ｐｂ合金（重量比６３：３７）からなるはんだ合金粉末とを混合してはんだペースト組成物をそれぞれ得た。得られたはんだペースト組成物を用いて、下記の手順ではんだボールの発生状況およびはんだペースト組成物の粘度変化を調べた。結果を表３に示す。

＜はんだボール試験方法＞
０．８mmピッチのＱＦＰ(Quad Flat Package)パターンが存在する基板に、同じパターンを有する厚み２００μmのメタルマスクを用いて上記はんだペースト組成物を印刷した。印刷後１０分以内に、大気下において、１７５±５℃で４５±５秒間プリヒートを行い、最高温度２３０±１０℃でリフローを行った。はんだボールの発生状況は、２０倍の実体顕微鏡を用いて８０パッド（８０個のはんだ付け部）の周囲に発生したはんだボール数をカウントすることにより評価した。

＜はんだペーストの粘度変化評価方法＞
上記したように、試料No.１〜１２のフラックスと、はんだ合金粉末とを混合してはんだペースト組成物を得た直後に、該はんだペースト組成物の粘度を測定し、このはんだペースト組成物を２０℃の雰囲気中に１週間静置した後、再度粘度を測定した。そして、これらの粘度差を粘度上昇量として表３に示した。なお、粘度の測定は、スパイラル方式粘度測定法（ＪＩＳ Ｚ３２８４の流動特性試験）を用いて行った。

表３から、フラックス中の水分量が０．１〜０．４重量％である試料No.２，３，８，９は、はんだボールの発生が抑制されているとともに、粘度の上昇も抑制されており、安定性が優れていることがわかる。

Claims (5)

1. 水を総量に対して０．１〜０．４重量％含有することを特徴とする非水溶性のはんだ付け用フラックス。
2. ベース樹脂、活性剤、チキソ剤および有機溶剤の総量に対して水を０．１〜０．４重量％添加した請求項１記載のはんだ付け用フラックス。
3. ベース樹脂がロジンまたはアクリル樹脂である請求項１または２記載のはんだ付け用フラックス。
4. ベース樹脂が平均分子量１００００以下の熱可塑性アクリル樹脂であり、このアクリル樹脂を総量に対して０．５〜８０重量％含有する請求項１または２記載のはんだ付け用フラックス。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のフラックスと、はんだ合金粉末とを含有することを特徴とする非水溶性のはんだペースト組成物。