JP2008062253A - 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】 鉛を含まない金属やめっきに対し、その金属種に関わらず良好なぬれ性を発揮しうる、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。
【解決手段】 本発明のはんだ付け用フラックスは、ベース樹脂および活性剤を含んでなるフラックスであって、前記活性剤として、分子中にカルボキシル基を１個以上有する含酸素複素環式化合物を含有する。前記含酸素複素環式化合物は、フラン、ヒドロフランおよびオキサゾールからなる群より選ばれる五員環構造を有するものであることが好ましい。また、前記含酸素複素環式化合物の含有量はフラックス総量に対して０．１〜５０重量％であることが好ましい。本発明のはんだペースト組成物は、前記本発明のフラックスとはんだ合金粉末とを含有する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、例えば、回路基板に対して電子部品を実装する際に使用される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。特に、鉛フリーめっきが施された電極部などの電子部品のはんだ付けに好適に用いられる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。

従来から、プリント基板への電子部品の実装には、はんだ付けが汎用されてきた。はんだ付け方法としては、被接合金属表面の酸化皮膜をフラックスにより除去した後に、はんだ付けする方法や、はんだ合金粉末とフラックスとを混合したはんだペースト組成物を用いて酸化皮膜の除去とはんだ付けとを同時に行なう方法等が一般的であった。前者の方法で用いられるフラックスは、通常、ベース樹脂、活性剤、および必要に応じて溶剤等を含んでなり、金属表面に容易に塗布しうるよう比較的低粘度になるよう設計されることが多く、液状フラックスと称される。他方、後者の方法においてはんだペースト組成物に用いられるフラックスは、通常、ロジン等のベース樹脂、活性剤、チキソ剤、および必要に応じて溶剤等を含んでなるペースト状物であり、はんだ合金粉末と混練される。

ところで、電子部品や電気電子機器等のはんだ接合部分には、通常、種々のめっきが施されている。例えば、電子部品のリード部に施されるめっきとしては、錫−鉛めっき、錫−銀めっき、錫−銅めっき、錫−ビスマスめっき、金めっき、パラジウムめっき、錫めっき等がある。これらの中でも、良好なぬれ性を得るには鉛を含む金属を選択するのがよく、ぬれ性を確保するために従来は錫−鉛めっきが汎用されていた。しかし、近年、環境問題への関心が高まるなか、接合母材であるはんだだけでなく、部品のリード部や電極部等のめっきに関しても、鉛の使用が禁止されつつある。ところが、鉛フリーのめっきを施した接合部分に従来のフラックスもしくははんだペースト組成物を用いてはんだ付けを行なった場合、はんだのぬれ性の確保が難しく、ぬれ不良による接合信頼性（例えば電気的信頼性）の低下が問題となっていた。

そこで、鉛フリーのめっきに対しても良好なぬれ性を発揮するフラックスが求められており、これまでに、（ｉ）カルボキシル基を有するピロリジン誘導体を含有させたフラックス（特許文献１参照）や、（ｉｉ）１分子中に潜在化されたカルボキシル基を１個以上有する化合物と、非イオン性有機ハロゲン化物とを含有させたフラックス（特許文献２参照）が提案されている。

特開２００４−１３０３７４号公報 特開２００４−２９１０１９号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のフラックスは、特定の金属種のめっき（具体的には、パラジウムめっきまたは銅めっき）に対するぬれ性は向上させるものの、他の金属やめっき、特に近年ぬれ性が問題視されている酸化銅やニッケルめっき等に対するぬれ性については、必ずしも充分な性能を発揮するものではなかった。

そこで、本発明は、鉛を含まない金属やめっきに対し、その金属種に関わらず良好なぬれ性を発揮しうる、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を目的とする。

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、分子中にカルボキシル基を１個以上有する含酸素複素環式化合物を活性剤として含有させると、これまで良好なぬれ性が得られなかった無鉛ニッケルめっき等を含むあらゆる種類の無鉛めっきに対しても、優れたぬれ性を発揮し、良好な接合信頼性（例えば電気的信頼性）が得られる、という新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は以下の構成からなる。
（１）ベース樹脂および活性剤を含んでなるフラックスであって、前記活性剤として、分子中にカルボキシル基を１個以上有する含酸素複素環式化合物を含有する、ことを特徴とするはんだ付け用フラックス。
（２）前記含酸素複素環式化合物が、フラン、ヒドロフランおよびオキサゾールからなる群より選ばれる五員環構造を有するものである、前記（１）記載のはんだ付け用フラックス。
（３）前記含酸素複素環式化合物の含有量が、フラックス総量に対して０．１〜５０重量％である、前記（１）または（２）に記載のはんだ付け用フラックス。
（４）前記（１）〜（３）のいずれかに記載のはんだ付け用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はんだペースト組成物。

本発明によれば、鉛を含まない金属やめっきに対し、その金属種に関わらず良好なぬれ性を発揮させることができる。これにより、様々な金属種のめっき処理が施された部材からなる電子部品に対して、等しく良好なぬれ性ではんだ付けすることが可能になり、容易に良好な接合信頼性（例えば電気的信頼性）を得ることができる。また、これにより、はんだ付けの品質向上が期待できるとともに、ぬれ不良等によって生じる不具合部の発生件数が減少するので、はんだ付けコストの低減も可能となる。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
本発明のはんだ付け用フラックス（以下、単に「フラックス」と称することもある）は、ベース樹脂および活性剤を含んでなる。活性剤は、はんだ付け時に金属表面の酸化膜を除去し、良好なはんだぬれ性を実現させる作用をするものであり、ベース樹脂はこの活性剤を金属に均一に塗布するためのバインダーとして作用する。

本発明のはんだ付け用フラックスにおけるベース樹脂としては、特に制限されるものではなく、従来から一般的にフラックスに用いられているロジンやその誘導体、合成樹脂等を用いることができる。ロジンとしては、例えば、通常のガムロジン、トールロジン、ウッドロジン等が挙げられ、それらの誘導体としては、重合ロジン、アクリル化ロジン、水素添加ロジン、不均化ロジン、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。合成樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、スチレン−マレイン酸樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、テルペン樹脂等が挙げられる。
ベース樹脂の含有量は、特に制限されないが、例えば、フラックス総量に対して０．５〜８０重量％であるのが好ましく、より好ましくは２〜６０重量％であるのがよい。

本発明のはんだ付け用フラックスは、活性剤として、分子中にカルボキシル基を１個以上有する含酸素複素環式化合物（以下、「カルボキシル基含有含酸素複素環式化合物」と称することもある）を含有する。これにより、鉛を含まない金属やめっきに対し、その金属種に関わらず良好なぬれ性を発揮することができる。なお、本発明において、含酸素複素環式化合物とは、複素環構造中に酸素原子を有する化合物を意味するものである。つまり、本発明におけるカルボキシル基含有含酸素複素環式化合物は、分子中に１個以上のカルボキシル基と、酸素原子を含む複素環構造とを有する化合物である。カルボキシル基含有含酸素複素環式化合物におけるカルボキシル基の数は、１〜５個であるのが好ましく、より好ましくは１〜３個、さらに好ましくは１〜２個、最も好ましくは１個であるのがよい。

カルボキシル基含有含酸素複素環式化合物としては、例えば、１，３−ジオキソラン−４−メチル−２−プロピオン酸（２，５−ジオキソ−４−メチル−３−ピロリン−３プロピオン酸）、２−クマロンカルボン酸、２−ピロン−６−カルボン酸、５−ヒドロキシ−４−ピロン−２−カルボン酸、４−ピロン−２，６−ジカルボン酸等が挙げられる。また、このほかに、フラン、ヒドロフランおよびオキサゾールからなる群より選ばれる五員環構造を有するもの、具体的には、例えば、２−フランカルボン酸、５−メチル−２−フランカルボン酸、３−（２−フリル）アクリル酸、２，５−ジメチル−３−フランカルボン酸、２，５−フランジカルボン酸、４−ブタノリド−３−カルボン酸、テトラヒドロフラン−２−カルボン酸、４−オキサゾールカルボン酸等が挙げられる。これらの中でも特に、フラン、ヒドロフランおよびオキサゾールからなる群より選ばれる五員環構造を有するものが、金属に対する反応性が高い点で好ましい。なお、カルボキシル基含有含酸素複素環式化合物は、１種のみであってもよいし、２種以上であってもよい。

カルボキシル基含有含酸素複素環式化合物の含有量は、フラックス総量に対して０．１〜５０重量％であることが好ましく、より好ましくは０．５〜２０重量％であるのがよい。カルボキシル基含有含酸素複素環式化合物が０．１重量％未満であると、ぬれ性向上効果が不充分となるおそれがあり、一方、５０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、絶縁性が低下するなど、信頼性が悪化するおそれがある。なお、２種以上のカルボキシル基含有含酸素複素環式化合物を併用する場合には、その合計量が前記範囲であればよい。

本発明においては、カルボキシル基含有含酸素複素環式化合物とともに、分子中にカルボキシル基を１個以上有する複素環式化合物であって、該複素環中のヘテロ原子が酸素ではなく窒素もしくは硫黄である化合物を併用することができる。このようなカルボキシル基を含有する含窒素もしくは含硫黄複素環式化合物を併用することにより、パラジウムめっきやニッケルめっきなど一部の金属めっきに対するぬれ性をさらに向上させることができる。

カルボキシル基を含有する含窒素もしくは含硫黄複素環式化合物としては、例えば、２−チオフェンカルボン酸、２−ピロールカルボン酸、２，３−ジメチルピロール−４−プロピオン酸、２，５−ジオキソ−４−メチル−３−ピロリン−３プロピオン酸、１−メチルピロリジン−２−カルボン酸、５−カルボキシ−１−メチルピロリジン−２−酢酸、３−インドール酢酸、ニコチン酸、ピコリン酸、ピリジンジカルボン酸、２−キノリンカルボン酸、２−アミノ−３−（４−イミダゾリル）プロピオン酸、プロリン等が挙げられる。これらカルボキシル基を含有する含窒素もしくは含硫黄複素環式化合物を含有する場合には、その含有量は、フラックス総量に対して０．１〜２０重量％とすることが好ましい。

本発明においては、活性剤として、さらに、従来から使用されている他の活性剤を併用することもできる。他の活性剤としては、例えば、アミン類（ジフェニルグアニジン、ナフチルアミン、ジフェニルアミン、トリエタノールアミン、モノエタノールアミンなど）、アミン塩類（エチレンジアミン等のポリアミンや、シクロヘキシルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン等のアミンの有機酸塩や無機酸（塩酸、硫酸等の鉱酸）塩など）、有機酸類（コハク酸、アジピン酸、グルタル酸、セバシン酸、マレイン酸等のジカルボン酸；ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸等の脂肪酸；乳酸、ジメチロールプロピオン酸、リンゴ酸等のヒドロキシカルボン酸；安息香酸、フタル酸、トリメリット酸など）、アミノ酸類（グリシン、アラニン、アスパラギン酸、グルタミン酸、バリンなど）等が挙げられる。これら他の活性剤を含有させる場合、その含有量は、フラックス総量に対して３０重量％以下とするのがよい。

本発明のはんだ付け用フラックスは、前述したベース樹脂および活性剤のほかに、必要に応じてチキソ剤をも含有するものである。さらに、フラックスを液状にして使用する場合には、適当な有機溶剤を含有させることもできる。

チキソ剤としては、例えば、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挙げられる。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、例えば、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る。本発明のフラックスを液状フラックスとして用いる場合には、これらの中でも、揮発性や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。他方、本発明のフラックスをはんだペースト組成物に適用する場合には、高沸点のブチルカルビトール等のような多価アルコールのエーテルが一般的であり、好ましい。有機溶剤の含有量は、フラックス総量に対して２０〜９９重量％であるのがよい。有機溶剤が２０重量％未満であると、フラックスの粘性が高くなり、フラックスの塗布性やはんだペースト組成物としたときの印刷性が悪化するおそれがある。一方、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（ベース樹脂等）が相対的に少な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、本発明のはんだ付け用フラックスは、前述した各成分のほかに、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じてさらに、酸化防止剤、防錆剤、キレート化剤等を添加してもよい。

本発明のはんだペースト組成物は、前述した本発明のはんだ付け用フラックスとはんだ合金粉末とを含有する。
はんだ合金粉末としては、特に制限はなく、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−鉛合金等を用いることができるが、本発明が鉛フリーのめっきに対するぬれ性向上を目的にしていることを勘案すると、ここでも、錫−銀系、錫−銅系、錫−銀−銅系等の鉛フリー合金を用いるほうがよい。なお、はんだ合金粉末の粒径は、５〜５０μｍ程度であるのがよい。

本発明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、必要とされるはんだペーストの用途や機能に応じて適宜設定すればよく、特に制限されないが、５：９５〜２０：８０程度であるのがよい。

本発明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、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性雰囲気中で行ってもよい。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、得られたフラックスおよびはんだペースト組成物の評価は、下記の方法で行なった。

（実施例１〜６および比較例１〜４）
表１に示す各成分を表１に示す配合組成で混合し、均一になるように充分に熱を加えて溶解させ、フラックスをそれぞれ得た。
得られた各フラックスは下記の方法で評価した。結果を表１に示す。

＜はんだ付け性試験＞
２０本のリードを持つ０．８ｍｍピッチのＳＯＰ（Ｓｈｒｉｎｋ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）パターンが存在するガラスエポキシ基板に、熱硬化性樹脂を用いて各種めっき（錫めっき、ニッケルめっき、パラジウムめっき、金めっき、銀めっき、錫銅合金めっき、錫ビスマス合金めっき）を施したＳＯＰ部品を各めっき毎にそれぞれ１０個（合計７０個）仮固定した後、フラックスを塗布した。フラックス塗布後の基板を噴流はんだ付け装置ではんだ付けした後（はんだ付けには、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：Ａｇ：Ｃｕ＝９６．５：３．０：０．５（重量比））からなるはんだ合金粉末を使用）、ＳＯＰ部品を２０倍の実体顕微鏡を用いて観察し、部品電極部のはんだはじきの有無を判定し、はんだはじきがあった場合、その数（不良発生数）をカウントした。各めっき毎の全ＳＯＰパターン（２００本）に対する不良発生数の割合を百分率で示した値を不良率（％）として求め、評価した。

＜絶縁抵抗試験＞
ＪＩＳ−Ｚ−３１９７に規定するくし形基板（ＩＩ型）に、フラックスを塗布し、フラックス塗布後の基板を噴流はんだ付け装置ではんだ付けした（はんだ付けには、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：Ａｇ：Ｃｕ＝９６．５：３．０：０．５（重量比））からなるはんだ合金粉末を使用）。はんだ付け後の基板を、８５℃、８５％の恒温恒湿槽内に放置して経時的に（初期、５００時間後および１０００時間後）抵抗値（Ω）を測定することにより電気的な信頼性として絶縁抵抗を評価した。
なお、例えば実施例１の初期の抵抗値は５×１０¹³Ωであったが、これを表中では「５Ｅ１３」と表記するようにした。他の抵抗値も全て同様に表記した。

（実施例７〜１２および比較例５〜８）
表２に示す各成分を表２に示す配合組成で混合し、均一になるように充分に熱を加えて溶解させ、フラックスをそれぞれ得た。
次いで、得られた各フラックスと、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：Ａｇ：Ｃｕ＝９６．５：３．０：０．５（重量比））からなるはんだ合金粉末（粒径３８〜２５μｍ）とを、フラックス：はんだ合金粉末＝１１：８９（重量比）の比率で混合して、はんだペースト組成物をそれぞれ得た。
得られた各はんだペースト組成物は下記の方法で評価した。結果を表２に示す。

＜はんだぬれ性試験＞
１００本のリードを持つ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はんだペースト組成物を印刷した。印刷したペースト上に、各種めっき（錫めっき、ニッケルめっき、パラジウムめっき、金めっき、銀めっき、錫銅合金めっき、錫ビスマス合金めっき）を施したＱＦＰ部品を各めっき毎にそれぞれ１０個（合計７０個）搭載し、搭載後１０分以内に、大気下において１７５±５℃で８０±５秒間プリヒートを行い、最高温度２３５±５℃でリフローを行った。リフロー後の部品を２０倍の実体顕微鏡を用いて観察し、はんだはじきの有無を判定し、はんだはじきがあった場合、その数（不良発生数）をカウントした。各めっき毎の全ＳＯＰパターン（１０００本）に対する不良発生数の割合を百分率で示した値を不良率（％）として求め、評価した。

＜絶縁抵抗試験＞
ＪＩＳ−Ｚ−３１９７に規定するくし形基板（ＩＩ型）に、同じパターンを有する厚み１００μｍのメタルマスクを用いて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８０±５秒間プリヒートを行い、最高温度２３５±５℃でリフローを行った。リフロー後の基板を、８５℃、８５％の恒温恒湿槽内に放置して経時的に（初期、５００時間後および１０００時間後）抵抗値（Ω）を測定することにより電気的な信頼性として絶縁抵抗を評価した。
なお、例えば実施例７の初期の抵抗値は６×１０¹³Ωであったが、これを表中では「６Ｅ１３」と表記するようにした。他の抵抗値も全て同様に表記した。

表１および表２から、カルボキシル基含有含酸素複素環式化合物である３−（２−フリル）アクリル酸または２−フランカルボン酸を含有させた各実施例のフラックスは、各種のめっきを施した部品電極に対し、ほぼ等しく良好なぬれ性を発揮するものであり、接合後の電気信頼性に関しても１０００時間経過後も良好な絶縁抵抗を有することから、極めて優れていると言える。

Claims (4)

1. ベース樹脂および活性剤を含んでなるフラックスであって、前記活性剤として、分子中にカルボキシル基を１個以上有する含酸素複素環式化合物を含有する、ことを特徴とするはんだ付け用フラックス。
2. 前記含酸素複素環式化合物が、フラン、ヒドロフランおよびオキサゾールからなる群より選ばれる五員環構造を有するものである、請求項１記載のはんだ付け用フラックス。
3. 前記含酸素複素環式化合物の含有量が、フラックス総量に対して０．１〜５０重量％である、請求項１または２に記載のはんだ付け用フラックス。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のはんだ付け用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はんだペースト組成物。