JP2007222932A - プリコート用鉛フリーソルダーペースト、プリコート用鉛フリーソルダーペーストに用いるフラックス - Google Patents

プリコート用鉛フリーソルダーペースト、プリコート用鉛フリーソルダーペーストに用いるフラックス Download PDF

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【課題】電極面を平滑にかつ薄くプリコートすることができるプリコート用鉛フリーソルダーペーストを提供すること。
【解決手段】粒径20μm以下の粉末を90重量%以上の範囲で含むSn系鉛フリーはんだ粉末(a)を60〜85重量%、臭素系化合物を含むフラックス(b)を15〜40重量%含有する、プリコート用鉛フリーソルダーペーストを用いる。

Description

本発明は、プリコート用の鉛フリーソルダーペースト、および、プリコート用の鉛フリーソルダーペーストに用いるフラックス、に関する。
近年、電子機器の小型化・軽量化・高機能化に伴い、電子部品等の多ピン化・狭ピッチ化が一層進行している。そこで業界では、表面実装基板上の電極に電子部品等をはんだ付けする際に、接合信頼性を高める目的で、所謂プリコート法が採用されることがある。
プリコート法とは、電子部品等をはんだ付けする前に、電極(一般に銅系)面に予めはんだ被膜を形成することをいい、例えば特許文献1には、錫鉛系はんだからなるソルダーペーストを用いたプリコート法が開示されている。
ところで、周知のように、鉛が人体や環境に悪影響を与えるとして、錫鉛系はんだは鉛フリーはんだ(Sn−Ag系、Sn−Cu系等)へと急速に置換されている。
しかし、鉛フリーはんだは錫鉛系はんだと比較して溶融時の表面張力が高く、電極に対する濡れ性が大きく劣る。そのため、通常の鉛フリーソルダーペーストで電極面をプリコートしても、はじきによる電極面の露出や、はんだ被膜の凹みが生ずる。かかる欠陥は特に、はんだ被膜を薄くしようとするほど顕著に生じる傾向にあり、電極面を平滑に被覆することが一層困難になる。
また、鉛フリーはんだ粉末は、組成金属間(Sn−Cu、Sn−Bi、Sn−Ag等)の電位差が大きいため極めて酸化しやすい。そのため、従来の鉛フリーソルダーペーストは経時的に増粘しやすく、長時間(例えば24時間以上)の連続スクリーン印刷時に、ローリング性が低下したり、マスク開口部から版抜けし難くなる。かかる問題は特に、表面実装基板の多ピン、狭ピッチ化に対応してメタルマスクの開口部が小さくなるほど深刻になる傾向にある。
特開2001−284793号公報
本発明は、鉛フリーはんだ粉末を用いた場合であっても、電極面をはんだ被膜で薄くかつ平滑にプリコートできる、新規なプリコート用鉛フリーソルダーペーストを提供することを課題とする。
また本発明は、経時的な増粘が殆どなく(以下、貯蔵安定性という)、ローリング性や版抜け性に優れる(以下、連続スクリーン印刷適性という)に優れるプリコート用鉛フリーソルダーペーストを提供することを課題とする。
また、本発明は、電極に対する濡れ性や、貯蔵時の安定性、さらに連続スクリーン印刷適性に優れたプリコート用Sn系鉛フリーソルダーペーストの製造を可能とする、新規なフラックスを提供することを課題とする。
本発明者は、下記特定のSn系鉛フリーはんだ粉末(a)とフラックス(b)を、それぞれ特定量含有するソルダーペーストを用いることによって、前記課題を初めて解決できることを見いだした。
すなわち、本発明は、粒径20μm以下の粉末を90重量%以上の範囲で含むSn系鉛フリーはんだ粉末(a)を60〜85重量%、臭素系化合物を含むフラックス(b)を15〜40重量%含有する、プリコート用鉛フリーソルダーペースト(以下、ソルダーペーストと略する);フラックス(b)が、さらに炭素数8〜40のアルキルアミン化合物を含むことを特徴とする、前記ソルダーペーストに関する。
また、本発明は、プリコート用鉛フリーソルダーペーストに用いるフラックスであって、臭素系化合物を3〜10重量%、炭素数8〜40のアルキルアミン化合物を1〜15重量%含有し、かつ酸価が150〜210mgKOH/gであることを特徴とするフラックス、に関する。
本発明のソルダーペーストは、表面実装基板上の電極に対する濡れ性が非常に優れる。そのため、当該ソルダーペーストによれば、電極面を平滑にかつ薄くプリコートすることができ、電子部品等を電極に高い信頼性ではんだ付けできるようになる。
また本発明のソルダーペーストは、貯蔵安定性や連続スクリーン印刷適性にも優れることから、多ピン・狭ピッチの表面実装基板の生産性を向上させることができる。
また、本発明のフラックスによれば、電極に対する濡れ性に優れ、かつ貯蔵安定性や連続スクリーン印刷適性等に優れる、プリコート用Sn系鉛フリーソルダーペーストを得ることができる。
[ソルダーペーストについて]
本発明では、Sn系鉛フリーはんだ粉末(a)(以下、粉末(a)という)として、主にソルダーペーストの電極に対する濡れ性を確保するために、特定粒径のはんだ粉末を特定量用いる点に特徴がある。
該粉末(a)は、粒径が通常20μm以下の粉末を通常90重量%以上の範囲で含有するものである。より具体的には、粒径が0.5〜20μm程度の粉末を90重量%以上、0.5μm未満の粉末を5重量%以下、20μmを超える粉末を5重量%以下の範囲で含むものである。
なお、該粉末(a)は、粒径が20μm以下であれば、粒径範囲が異なる粉末同士を組み合わせたものであってもよい。具体的には、例えば、粒径が5〜20μm程度の粉末と、粒径が2〜10μm程度の粉末を、前者対後者の重量比で通常1:1〜10:0程度の割合で組み合わせたものであってもよい。
また、該粉末(a)の形状は特に限定されず、球形(通常、粉末の縦横のアスペクト比が1.2以内であるのが好ましい)や、不定形であってもよく、両者が混在したものであってもよい。
また、該粉末(a)の金属組成は、Snが通常90重量%以上、好ましくは95〜99.5重量%である。該粉末(a)の具体例としては、例えば、Sn−Ag系〔Sn−3.5Ag等〕、Sn−Cu系〔Sn−0.7Cu等〕、Sn−Ag−Cu系〔Sn−3Ag−0.5Cu等〕の鉛フリーはんだ粉末が挙げられ、これらは1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。なお、該粉末(a)の金属組成には、他にも、In、Bi、Ge等の金属元素が微量に含まれていてもよい。
また、該粉末(a)のソルダーペーストにおける含有量は、特にソルダーペーストの電極に対する濡れ性を確保する目的から、通常60〜85重量%程度とする必要があり、好ましくは65〜80重量%である。
また本発明では、主にソルダーペーストの電極に対する濡れ性を確保するために、特定の臭素系化合物(分子内に臭素原子を含有する有機化合物)を特定量含むフラックス(b)を特定量用いる点にも特徴がある。
該臭素系化合物の具体例としては、例えば、水酸基含有臭素系化合物〔1−ブロモ−2−ブタノール、1−ブロモ−2−プロパノール、3−ブロモ−1−プロパノール、3−ブロモ−1,2−プロパンジオール、1,4−ジブロモ−2−ブタノール、1,3−ジブロモ−2−プロパノール、2,3−ジブロモ−1−プロパノール、1,4−ジブロモ−2,3−ブタンジオール、2,3−ジブロモ−2−ブテン−1,4−ジオール等〕、カルボキシル基含有臭素系化合物〔2,3−ジブロモコハク酸、2−ブロモコハク酸、2,2−ジブロモアジピン酸等〕、炭化水素基含有臭素系化合物〔1−ブロモ−3−メチル−1−ブテン、1,4−ジブロモブテン、1−ブロモ−1−プロペン、2,3−ジブロモプロペン、1,2−ジブロモ−1−フェニルエタン、1,2−ジブロモスチレン、4−ステアロイルオキシベンジルブロマイド、4−ステアリルオキシベンジルブロマイド、4−ステアリルベンジルブロマイド、4−ブロモメチルベンジルステアレート、4−ステアロイルアミノベンジルブロマイド、2,4−ビスブロモメチルべンジルステアレート、4−パルミトイルオキシベンジルブロマイド、4−ミリストイルオキシベンジルブロマイド、4−ラウロイルオキシべンジルブロマイド、4−ウンデカノイルオキシベンジルブロマイド等〕、アミノ基含有臭素系化合物〔エチルアミン臭素酸塩、ジエチルアミン臭素酸塩、メチルアミン臭素酸塩等〕が挙げられ、これらは1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、特に前記濡れ性の向上の点で優れるため、前記水酸基含有臭素系化合物および/またはカルボキシル基含有臭素系化合物が好ましい。
フラックス(b)における臭素系化合物の含有量は、当該濡れ性や、連続スクリーン印刷適性(連続ローリング性)の観点より、通常3〜10重量%程度、好ましくは4〜8重量%であるのがよい。
フラックス(b)原料としては、他にも、ベース樹脂、活性剤、チキソトロピック剤、溶剤、その他添加剤が挙げられる。
該ベース樹脂としては、各種公知のものを特に制限なく用いることができる。具体的には、例えば、天然ロジン類〔ガムロジン、ウッドロジン、トール油ロジン等〕や、該天然ロジン類の誘導体〔該天然ロジンとα,β不飽和カルボン酸とのディールス・アルダー付加物(アクリロピマル酸、フマロピマル酸、マレオピマル酸等を含有する組成物)やその水素化物、該天然ロジンの多価アルコールエステル(グリセリンエステル、ペンタエリスリトールエステル等)やその水素化物、重合ロジンやその水素化物、該天然ロジン類の水素化物、不均化物、ホルミル化物等〕が挙げられ、これらは1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
該天然ロジン類の物性は特に限定されないが、例えば酸価(JIS−K−5902)が通常170〜180mgKOH/g程度である。また、該天然ロジン類の誘導体は、酸価(同)が通常140〜400mgKOH/g程度である。
該天然ロジン類および/または該誘導体の中でも、ソルダーペーストの電極面に対する濡れ性や貯蔵安定性の観点より、前記誘導体が好ましい。特に、前記ディールス・アルダー付加物、その水素化物、重合ロジン、その水素化物から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
なお、ベース樹脂としては、他にも合成樹脂類〔エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリオレフイン樹脂、フッ素系樹脂、ABS樹脂等〕や、エラストマ類〔イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、クロロプレンゴム、ナイロンゴム、ナイロン系エラストマ、ポリエステル系エラストマ等〕を併用することができる。
フラックス(b)における該ベース樹脂の含有量は、ソルダーペーストの電極面に対する濡れ性や、貯蔵安定性の観点より、通常30〜70重量%程度、好ましくは35〜63重量%であるのがよい。
活性剤としては、各種公知のものを特に限定なく使用することができる。具体的には、例えば、カルボキシル基含有活性剤(臭素を含まない)〔コハク酸、安息香酸、アジピン酸、アビエチン酸、グルタル酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ギ酸、アゼライン酸等〕や、塩素含有アミン系活性剤〔エチルアミン塩酸塩、メチルアミン塩酸塩、エチルアミン臭素酸塩、ジエチルアミン臭素酸塩、メチルアミン臭素酸塩、プロペンジオール塩酸塩、アリルアミン塩酸塩、3−アミノ−1−プロペン塩酸塩、N−(3−アミノプロピル)メタクリルアミド塩酸塩、O−アニシジン塩酸塩、n−ブチルアミン塩酸塩、P−アミノフエノール塩酸塩、ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド、アルキルベンジルジメチルアンモニウムクロライド等〕が挙げられ、これらは1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
フラックス(b)における活性剤の含有量は、主にソルダーペーストの電極面に対する濡れ性の観点より、通常3〜10重量%程度、好ましくは4〜8重量%程度とするのがよい。
チキソトロピック剤としては、各種公知のものを特に制限なく用いることができる。
具体的には、例えば、動植物系チキソトロピック剤〔ひまし油、硬化ひまし油、蜜ロウ、カルナバワックス等〕、アミド系チキソトロピック剤〔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〕が挙げられ、これらは1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
フラックス(b)におけるチキソトロピック剤の含有量は、特に連続スクリーン印刷適性の観点より、通常2〜10重量%程度、好ましくは4〜8重量%であるのがよい。
溶剤としては、各種公知のものを特に制限なく用いることができる。具体的には、例えば、アルコール系溶剤〔ヘキシルグリコール、オクタンジオール、エチルヘキシルグリコール、ベンジルアルコール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール−2−(2−n−ブトキシエトキシ)エタノール、テルピネオール等〕、エーテル系溶剤〔エチレングリコールモノヘキシルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル等〕、エステル系溶剤〔安息香酸ブチル、アジピン酸ジエチル、2−(2−n−ブトキシエトキシ)エチルアセテート等〕、炭化水素系溶剤〔ドデカン、テトラデセン、N−メチル−2−ピロリドン等〕が挙げられ、これらは1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
フラックス(b)における溶剤の含有量は、特に連続スクリーン印刷適性の観点より、通常20〜50重量%程度、好ましくは25〜45重量%であるのがよい。
添加剤としては、各種公知のものを特に制限なく用いることができる。例えば酸化防止剤として、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、パラ−tert−アミルフェノール、2,2’−メチレンビス(4−メチル−6−tert−ブチルフェノール)等を用いることができる。フラックス(b)における添加剤の含有量は、通常0〜5重量%程度である。
本発明では、フラックス(b)にさらに炭素数8〜40のアルキルアミン化合物(以下、アルキルアミン化合物という)を含ませることで、ソルダーペーストのソルダーペーストの貯蔵安定性や、連続スクリーン印刷適性を向上させることができる。
該アルキルアミン化合物は、当該数値範囲内であれば、炭素数が異なる化合物が混在していてもよい。また、該アルキルアミン化合物は、通常200℃以上の沸点を有するものを用いるのがよい。また、該炭素数8〜40のアルキル基は、好ましくは炭素数10〜38であるのがよい。なお、該アルキル基の形状は特に限定されず、直鎖状、分岐状、環状のいずれかであればよく、また炭素−炭素二重結合を含んでいてもよい。
該アルキルアミン化合物の具体例としては、例えば、1級アルキルアミン化合物〔n−オクチルアミン、n−ノニルアミン、n−デシルアミン、n−ステアリルアミン、n−ウンデシルアミン、n−テトラデシルアミン、ココアルキルアミン等〕や、2級アルキルアミン化合物〔N,N−ジ−n−オクチルアミン、N,N−ジ−n−ステアリルアミン、N,N−ジメチル−n−オクタデシルアミン、N,N−ジ−n−ラウリルアミン、N−メチル−n−オクタデシルアミン、3,7−ジメチル−n−オクチルアミン、ジココアルキルアミン等〕や、3級アルキルアミン化合物〔N−メチルジデシルアミン、N−ミチルジココアルキルアミン、N−メチルジオレイルアミン等〕が挙げられ、これらは1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、ソルダーペーストの貯蔵安定性や、連続スクリーン印刷適性の点で特に優れるため、n−ステアリルアミン、ジココアルキルアミン、N,N−ジ−n−ステアリルアミンから選ばれる少なくとも1種が好ましい。
フラックス(b)における該炭素数8〜40のアルキルアミン化合物の含有量は、当該貯蔵安定性、連続スクリーン印刷適性の観点より、通常1〜15重量%程度、好ましくは2〜12重量%程度であるのがよい。
フラックス(b)は、前掲した各材料を、各種公知の器具を用いて溶融、混合することにより得ることができる。
また、フラックス(b)の物性は特に限定されないが、主に前記濡れ性の観点より、酸価(JIS−Z−3197。以下、同様。)が通常150〜210mgKOH/g程度、好ましくは160〜200mgKOH/gであるのがよい。
該フラックス(b)のソルダーペーストにおける含有量は、特にソルダーペーストの電極への濡れを良好にする目的から通常15〜40重量%程度とする必要があり、好ましくは20〜30重量%とするのがよい。
本発明のソルダーペーストは、前記使用量のSn系鉛フリーはんだ粉末(a)とフラックス(b)を、例えばプラネタリーミル等の混練機器を用いて、調製することができる。
なお、本発明のソルダーペーストのその他の物性は特に制限されないが、例えば流動特性(チクソトロピー性)は、連続スクリーン印刷適性を考慮して、スパイラル方式粘度測定法(JIS Z 3284)により得たチクソトロピー指数が0.3〜0.7程度であるのが好ましい。
本発明のソルダーペーストは、各種公知のプリコート法により実用に供することができる。具体的には、該ソルダーペーストを、各種公知のメタルマスクを用いて試験板電極上にスクリーン印刷して、当該試験板を所定時間乾燥した後、リフロー炉で加熱することにより、電極面に平滑で薄いはんだ被膜(プリコート)を形成することができる。なお、メタルマスクの開口面積(φ)や開口形状は、電極の面積や形状、ピッチ間隔等に応じて適宜変更することができる。
[フラックスについて]
本発明のフラックスは、プリコート用Sn系鉛フリーソルダーペーストに適したものである。
当該フラックスは、具体的には、臭素系化合物を通常3〜10重量%程度(好ましく4〜8重量%)、炭素数8〜40のアルキルアミン化合物を通常1〜15重量%程度(好ましくは2〜12重量%)含有し、かつ酸価が通常150〜210mgKOH/g程度(好ましくは160〜200mgKOH/g)である点に特徴がある。かかるフラックスを用いることで、電極に対する濡れ性や、貯蔵時の安定性、さらに連続スクリーン印刷適性に優れるプリコート用Sn系鉛フリーソルダーペーストを提供できる。
なお、当該臭素系化合物、当該炭素数8〜40のアルキルアミン化合物は前記したものと同様である。また、当該フラックスには、他の原料として、前記同様のベース樹脂、活性剤、チキソトロピック剤、溶剤、添加剤を用いることができる。また、該フラックスは、前記フラックス(b)同様の方法で製造することができる。
以下、実施例を通じて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(ソルダーペーストの調製)
表1〜3で示す配合で調製したフラックス(b)をプラネタリーミルで1時間混練して、ソルダーペーストを調製した。
表中、「Sn3Ag0.5Cu」は三井金属鉱業(株)製錫−銀−銅系鉛フリーはんだ粉末を、「Sn0.7Cu」は三井金属鉱業(株)製錫−銅系鉛フリーはんだ粉末を、「2−10/5−20」:粒径2〜10μmのはんだ粒子と5〜20μmのはんだ粒子の1:1混合物であることを、「2−20」は粒径2〜20μmのはんだ粒子であることを示す。
(濡れ試験)
JIS Z 3284(付属書10)に倣い、前記ソルダーペーストの濡れ性を評価した。なお、はんだ被膜で薄くかつ平滑に電極面がプリコートされることを評価しやすくするために、次の条件を設けた。すなわち、試験板としては、銅板に代えて、鉛フリーソルダーペーストが一層濡れ難いニッケル板を用いた。また、リフロープロファイルとしては、ニッケル板やはんだ粒子の酸化が一層促進されるような厳しいものとした。
(器具)
試験板:市販ニッケル板(研磨無)(寸法は40×40×2mm)
メタルマスク:厚さ180μm、開口径640μmの穴が1つ開口しているもの
スクレーパー:ウレタンスキージ
(リフロー装置)
リフローシミュレーター:製品名「RS−1」、(株)マルコム製
リフロー雰囲気:大気
プリヒート温度:200℃
プリヒート時間:120秒
昇温速度:2.0℃/秒以上
ピーク温度:250℃
220℃以上温度維持時間:35秒
(評価方法)
下記基準に従い、試験板上のはんだの濡れ広がり度合いを目し評価した。
なお、各評価の中間の状態については、0.5を加えた値とする。
1:ソルダーペーストから溶解したはんだが、試験板を濡らし、該ペーストを塗布した面積以上に広がった状態。
2:ソルダーペーストを塗布した部分はすべて、はんだで濡れた状態。
3:ソルダーペーストを塗布した部分の大半は、はんだで濡れた状態。
4:試験板は、はんだが濡れた様子はなく、溶融したはんだは一つ又は複数のソルダーボールとなった状態。
(貯蔵安定性、連続スクリーン印刷適性)
各ソルダーペースト連続スクリーン印刷適性の指標として、下記条件で連続ローリング試験を行い、8時間毎の粘度を測定することにより、ソルダーペーストの粘度変化を評価した。
試験機:製品名「MK838SV」、ミナミ工学(株)製
温度湿度調節器:製品名「PAU−920S−HC」、アピステ(株)製
粘度測定回数:
1回目…8時間連続ローリング後に粘度測定
2回目…一晩冷蔵保存し、その後8時間連続ローリング後に粘度測定
3回目…さらに一晩冷蔵保存し、その後8時間連続ローリングした後に粘度測定
評価基準:
×…1回目の粘度測定で粘度増加が認められた。
△…2回目の粘度測定で粘度増加が認められた。
○…3回目の粘度測定でも粘度増加が殆ど認められなかった。
Figure 2007222932
Figure 2007222932
Figure 2007222932



Claims (6)

  1. 粒径20μm以下の粉末を90重量%以上の範囲で含むSn系鉛フリーはんだ粉末(a)を60〜85重量%、臭素系化合物を含むフラックス(b)を15〜40重量%含有する、プリコート用鉛フリーソルダーペースト。
  2. フラックス(b)における臭素系化合物の含有量が3〜10重量%であることを特徴とする、請求項1に記載のプリコート用鉛フリーソルダーペースト。
  3. フラックス(b)が、さらに炭素数8〜40のアルキルアミン化合物を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載のプリコート用鉛フリーソルダーペースト。
  4. フラックス(b)における炭素数8〜40のアルキルアミン化合物の含有量が、1〜15重量%であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のプリコート用鉛フリーソルダーペースト。
  5. フラックス(b)の酸価が150〜210mgKOH/gであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のプリコート用鉛フリーソルダーペースト。
  6. プリコート用鉛フリーソルダーペーストに用いるフラックスであって、臭素系化合物を3〜10重量%、炭素数8〜40のアルキルアミン化合物を1〜15重量%含有し、かつ酸価が150〜210mgKOH/gであることを特徴とするフラックス。
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