JP2011173167A - フラックス及びハンダ材料、並びにその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶着の前に加熱することができる、溶着温度で分解しない、並びに分解することなく冷却及び再加熱することができるハンダフラックス及びハンダ材料を提供する。
【解決手段】ハンダ付け用フラックスは、約５０重量％を超える量で存在する第一固体成分と、溶剤、シックナー及び／又は金属酸化物還元剤から選択される１つ又は複数の第二成分とを含む。フラックスは、フラックスが約２７℃を超える最大保存温度以下の温度において非流動性不活性状態であり、活性化温度で液体活性状態であり、最大保存温度超から活性化温度未満の溶着温度範囲において流動性不活性状態である温度プロフィールを有する。ハンダ材料は、フラックスに分散されたハンダ粒子を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、ハンダフラックス及びハンダ材料、より詳細には、所定の温度−粘度関係を有するハンダフラックス及びハンダ材料に関する。

ハンダ付けプロセスでは、２つ以上の部品がハンダで互いに接合される。当技術分野において知られているように、定義により、ハンダは、４５０℃（８４０°Ｆ）を超えない液相線温度を有する合金又は溶加材である。接合される部品と接触する間に、ハンダは融解し、毛管作用により接合点に流れ込む、融解ハンダが冷却すると、永久接合点が部品の間に形成される。ハンダの１つの慣用的な用途は、ハンダが電気部品を接合するのに使用される電子産業においてである。ハンダは、接合される部品の少なくとも１つの表面に溶着される多成分ペーストにより供給され得る。典型的には、ペーストは、フラックス及びハンダ合金の粒子を含有する。フラックスは、ハンダ付け操作を改善するために配合される。例えば、フラックスは、多くの場合、金属部品から表面酸化のような表面汚染を除去するために配合される。このようにして、フラックスは、金属表面の全体にわたってハンダ合金の流れ及び濡れを改善することもできる。ハンダ付け操作において、いったんハンダペーストが表面に分配されると、ハンダペーストは、フラックスが表面を整える温度に加熱される。更に加熱すると、ハンダ粒子は融解し、整えられた表面の全体にわたって流れ、接合点に流れ込み、冷却した後、ハンダは永久接合点を形成する。

現在のハンダペーストは一貫した良質のハンダ接合点の形成を促進するにもかかわらず、ペーストがハンダ付けの前に室温以上の温度に曝露されたときに分解又は劣化する意味において、ペーストは温度感受性なので、それらの使用には困難がある。特に、温度感受性に関して、ハンダペーストが室温の高さの温度でも長期間曝露された場合、その有益な属性は徐々に失われることがある。更に、より高い温度にハンダペーストを曝露すると、その劣化を早める。したがって、現在のペーストは、室温にて及び室温を超えると制限された保存寿命を有すると見なされている。

現在のペーストの保存寿命を延長する１つの解決策は、ハンダが、接合される部品に溶着される時まで、それらを冷蔵することである。冷蔵は、化学反応がペースト内において生じるのを阻止又は低減し、ハンダが、溶着の前にフラックスから分離するのを防止する。典型的な冷蔵温度には、市販の冷蔵又は空調装置により生成される温度が含まれ、そのような温度は、一般に１０℃未満である。しかし、冷蔵は、大きな欠点を有する。最も注目されるものは、冷蔵装置の使用に関わる高い資本及び運転費用である。更に、大抵、製造環境の性質は、これらの環境に固有の高温のため又は例えば製造工場内の床面積を含む他の要因のため、ハンダペーストの分解を防止する手段として冷蔵を除外する。したがって、ハンダペーストはこれらの環境において使用されず、それは、それらの有益な属性が、それらの利益が完全に実現され得る時よりも前に制限又は破壊されるからであり、これらの問題に対して費用効果の高い解決策がないからである。

現在のハンダペーストの使用を制限する又は困難にする別の問題は、ハンダペーストが溶着の後で軟質又はペースト状のままであることである。例えば、問題は、ハンダペーストが部品に前溶着されるが、実際のハンダ付け操作が、後で実施される及び／又は別の製造設備において実施されるときに生じる。溶着とハンダ付け操作の間の合間において、部品が保存される及び／又は取り扱われる場合、異物が軟質ハンダペーストと接触する、これに擦りつけられる又はこの中に刺さったままになってしまうことがある。ペーストに刺さった異物に起因する遭遇した問題に加えて、ペーストは、異物に張り付き、その表面に接着することがある。この種類の接触は、ペーストの元の溶着物を枯渇させ、極限状態では、元の溶着物は、著しく枯渇され得るか、さらには標的表面から完全に除去され得る。加えて、ペーストは、ペースト又はハンダ合金が部品に対して有害である表面に、不用意に移動する場合がある。いずれの場合においても、ほぼ室温においてペースト状で流動性のペーストの性質は、溶着後操作を制限し、製造費用を増加させる場合がある。ハンダペーストの冷蔵はハンダペーストの保存寿命を改善することができるが、ハンダペーストがこれらの温度で非ペースト状になる結果をもたらさない場合がある。換言すると、冷ハンダペーストは、上記の不用意な移動問題の全てを有する場合がある。上記に記載された費用の考慮に加えて、冷蔵は、一般に、溶着されたハンダペーストを保存するための解決策ではない。

輸送及び取扱いの問題に部分的に対処する１つの解決策には、分配されたペーストの直後のリフローと、リフローハンダ合金を保護するためのフラックスの後適用が含まれる。最初のリフローの際に、ハンダペーストは、所定の溶着位置で溶解する。清浄した後、ハンダ合金は、溶着した溶解ハンダ合金を再加熱し、次に冷却することにより平坦化する。フラックスの外側被覆が平坦ハンダに適用されて、ハンダの酸化を防止し、ハンダの後のリフローを促進する。次にフラックス被覆リフローハンダ合金を、後の使用のために輸送又は保存することができる。しかし、留意されるように、そのようなプロセスは部品を少なくとも１回追加的に加熱する必要があり、このことは、電子部品組み立ての場合には部品自体が温度感受性であり得るので、非生産的であり得る。追加的な加熱サイクルは、構成部品の故障の数を増加させる場合がある。更に、フラックスは、剥離シートがフラックスに結合して汚染を防ぐように、粘着性を維持している。

米国特許第５，４３５，４６２号

したがって、前述の問題に対処するハンダフラックス及びハンダ材料が求められている。例えば、必要なものは、室温又はほぼ室温で、並びに通常の製造、保存及び輸送温度を含むこれらの温度よりも高い温度で非ペースト状であるフラックス及び／又はハンダ材料である。更に、必要なものは、溶着の前に加熱することができる、溶着温度で分解しない、並びに分解することなく冷却及び再加熱することができるハンダフラックス及びハンダ材料である。

これらの目的のために、本発明の一実施形態において、ハンダ付け用フラックスは、約５０重量％を超える量で存在する第一固体成分と、溶剤、シックナー及び／又は金属酸化物還元剤から選択される１つ又は複数の第二成分とを含む。フラックスは、フラックスが約２７℃を超える最大保存温度以下の温度において非流動性不活性状態であり、活性化温度で液体活性状態であり、最大保存温度超から活性化温度未満の溶着温度範囲において流動性不活性状態である温度プロフィールを有する。一実施形態において、ハンダ材料は、フラックスに分散されているハンダ粒子を含む。ハンダ粒子は、活性化温度以上で液体状態である。

別の実施形態において、ハンダ材料を作製する方法は、溶着温度の範囲内又は超から活性化温度未満の温度にフラックスを加熱することを含む。方法は、加熱フラックスの全体にハンダ粒子を分散して、ハンダ／フラックス混合物を形成すること、及びハンダ／フラックス混合物を最大保存温度以下の温度に冷却し、それによってハンダ／フラックス混合物が非流動性不活性状態なることを更に含む。本発明の別の実施形態において、ハンダ材料を分配する方法は、溶着温度の範囲内又はこれを超える温度かつ活性化温度未満の温度にハンダ材料を加熱することを含む。ハンダ材料が溶着温度範囲内又はこれを超える温度かつ活性化温度未満であるとともに、方法は、加熱ハンダ材料を基材に分配すること、及びハンダ材料を最大保存温度以下の温度に冷却し、それによってハンダ材料が非流動性不活性状態になることを更に含む。

別の実施形態において、ハンダ材料によりハンダ付けする方法は、溶着温度の範囲内又はこれを超える温度かつ活性化温度未満の温度にハンダ材料を加熱することを含む。ハンダ材料が溶着温度の範囲内又は超から活性化温度未満であるとともに、方法は、加熱ハンダ材料を加工品に分配することを更に含む。

方法は、ハンダ材料を活性化温度以上に加熱し、それによりフラックスが加工品の表面から酸化物を除去すること、ハンダ材料をハンダ粒子の融解温度に加熱して、ハンダ粒子を加工品の表面に接触している間に融解すること、及び融解ハンダを冷却することを更に含む。

別の実施形態において、ハンダ材料によりハンダ付けする方法は、最大保存温度以下からハンダ粒子の融解温度までの温度でハンダ材料を加熱して、ハンダ粒子を融解することを含む。ハンダ材料は、第１加工品と第２加工品の間に且つそれぞれに接触して配置される。方法は、融解ハンダを冷却し、それにより接合点が第１及び第２加工品の間に形成されることを更に含む。

本発明の３つの例示的な実施形態の３つの温度プロフィールを示す温度−粘度／硬度グラフである。本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面の図１は、本発明の実施形態を説明し、下記に示される詳細な説明と一緒に、本発明の多様な態様を説明するのに役立つ。

本発明は、ハンダ付けプロセス用ハンダフラックスを提供する。一実施形態において、フラックスはハンダ合金の粒子と混合されて、ハンダ付け材料を形成する。下記においてより詳細に記載されているように、フラックスは、約５０重量％を超える量で存在する第一固体成分と、溶剤、シックナー及び／又は金属酸化物還元剤から選択される１つ又は複数の第二成分とを含む。

本発明の一実施形態によると、第一固体成分、第二成分及び／又はハンダ粒子は、一連の温度にわたるフラックスの粘度を示す特定の温度−粘度／硬度関係又はプロフィールを確立するように選択される。具体的には、第一及び第二成分は、最大保存温度でのフラックスの粘度、溶着温度範囲の温度でのフラックスの粘度及びフラックスが活性である温度を予め決定するための温度プロフィールを確立するように選択することができる。これらのそれぞれは下記に詳述する。

特に、図１に示されているように、本発明の実施形態において、フラックスは、フラックスの温度とフラックスの粘度／硬度の関係（すなわち、それぞれｘ軸及びｙ軸）を示す温度プロフィールにより特徴付けられる。単独であるか又はハンダ合金との混合（すなわち、ハンダ材料）であるかに関わりなく、温度−粘度／硬度関係はフラックスに適用されることが理解される。したがって、本明細書において特に示されない限り、フラックスの特性に対する言及には、フラックス又はハンダ材料（すなわち、フラックス＋ハンダ合金）が含まれる。図１は、３つの異なる例示的な温度プロフィールを示し（１０、１２及び１４と表示されている）、それぞれ例示的なフラックスについての粘度温度関係を示す。一般に、そして例示的な温度プロフィール１０、１２及び１４を参照すると、それぞれのフラックスの粘度／硬度は、温度が増加すると減少する。フラックスの粘度／硬度は、フラックスの流動性の指標であり、フラックスの流動性は、粘度が減少すると増加する。したがって、温度プロフィールは、フラックスが遭遇する活性化温度までの温度における、粘度／硬度によるフラックスの流動性に関する情報を提供する。例として、そしてフラックスの粘度／硬度とフラックスの温度との関係をより完全に説明するために、例示的な温度プロフィール１０、１２及び１４は、それぞれ、最大保存温度ＴＳ１、ＴＳ２及びＴＳ３；溶着温度範囲ΔＴ１、ΔＴ２及びΔＴ３；並びに活性化温度ＴＡ１、ＴＡ２及びＴＡ３により部分的に示され、それぞれ、それ以上では、フラックスは活性であり、それ未満では、フラックスは不活性である。

最大保存温度、例えばＴＳ１、ＴＳ２及びＴＳ３は、それぞれのフラックスが耐えることができ、非流動性状態を維持できる最高温度を表す。図示されているように、対応するフラックスの最大保存温度ＴＳ１、ＴＳ２及びＴＳ３を含むまでのそれぞれのフラックスの粘度は、比較的高い。これらの粘度では、フラックスは非流動性である。すなわち、フラックスは、フラックスの温度が最大保存温度以下の温度である間は、表面への分配、ポンプ送達又は塗布の助けとはならない。加えて、フラックスは付着性又は粘着性ではない場合がある。しかし、フラックスの組成を、フラックスが非流動性状態で所定の粘着性を有するように、下記により詳細に記載されているように調整することができる。所定の粘着性は、フラックスが使用されることが予定されている用途よって左右され得ることが理解される。

フラックスが、最大保存温度以下の温度に曝露されたときに非流動性であり得る間に、最大保存温度を超える温度にフラックスを加熱すると、フラックスの粘度／硬度を低減する。換言すると、フラックスは、最大保存温度を超える温度でより軟質及びより流動性になる。更に加熱すると、フラックスの温度は、溶着温度範囲の下限温度に達する。溶着温度範囲の下端から上端まで、フラックスは流動性であり、不活性である。換言すると、フラックス温度が溶着温度範囲にある場合、フラックスの粘度は、フラックスの分配を可能にするほど十分に低い。示されているように、溶着温度範囲は、特定のフラックス配合によって変わることができる。更に、溶着温度範囲には、フラックスの最大保存温度超から活性化温度未満の温度が含まれ得る。フラックスが流動性状態である間にフラックスを分配することには、加熱フラックスを、加熱されている場合があるオリフィスの中を通して押し出すことが含まれ得る。一実施形態において、フラックスは、市販の分配装置、例えば、ＤＥＫ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌステンシル装置により分配することができる。例として、溶着温度範囲には、約４５℃〜約１００℃の範囲の温度が含まれ得る。

溶着温度範囲の上端に向かってフラックスを更に加熱すると、フラックスの粘度を更に低減することができる。フラックスの粘度を、フラックスが重力の影響によって流れる点まで低減することができ、更に加熱すると、粘度を、フラックスが液体状態になる点まで減少させることができる。一実施形態において、溶着温度範囲における最高温度は、フラックスの活性化温度を僅かに下回ることができる。しかし、フラックスが溶着するには液体すぎるが未だ活性ではない、最高溶着温度と活性化温度の間の一連の温度があり得ることが理解される。例えば、ハンダ粒子がフラックスと混合される（すなわち、ハンダ材料である）場合、フラックスの粘度は、粒子が沈降するか又はフラックスから分離する点まで減少し得る。したがって、フラックスがこれらの温度で流動性及び不活性であり得る間は、ハンダ材料を分配することは、ハンダ粒子がフラックスに懸濁された状態を維持できない場合、実用的ではない場合がある。したがって、溶着温度範囲の実用的な上限は、フラックスの粘度が、形成されたハンダペースト溶着物の品質に有害な影響を与える速度でハンダ粒子がフラックスから分離する点まで低減される温度であることができる。しかし、当業者は、液体フラックスにおけるハンダ粒子の沈降速度は、各ハンダ粒子の個別の大きさ、並びにハンダ粒子の密度によって影響を受け得ることがわかるであろう。加えて、下記に記載しているように、フラックスの成分を変更して、懸濁液の中のハンダ粒子を促進及び維持することができる。したがって、ハンダ材料の溶着温度範囲の実用的な上限温度は、ハンダ粒子の変化により及びフラックスの成分の変化により影響を受ける場合がある。

溶着温度範囲を超える温度では、フラックスの粘度は、減少し続ける場合がある。特に、更に加熱すると、フラックスの粘度は、液体と考慮されるのに十分なほど低くなり得る。示されているように、フラックスは、ペースト状様粘度を有するから、さらには液体様粘度を有するまで、移行することができる。加えて、この温度範囲において、粘度は、温度を更に増加すると、増加した速度で減少し得る。フラックスの温度が更に増加すると、粘度は減少し得るが、図１に示されているように、粘度がほぼ一定値に達するまで減少した速度で、温度の増加とともに減少し得る。
図１の温度プロフィール１０、１２及び１４を参照すると、それぞれのフラックスの温度がそれぞれの活性化温度ＴＡ１、ＴＡ２及びＴＡ３に達すると、フラックスの粘度は、フラックスが液体状態であると考慮され得るほど相対的に低くなり得る。したがって、活性化温度、例えばＴＡ１、ＴＡ２及びＴＡ３では、フラックスは、溶着表面の全体にわたって容易に流れることができる。加えて、フラックスが活性化温度に達すると、フラックスは活性になる。活性状態では、フラックスは、分配された表面に対して反応性になり得る及び／又はフラックスの成分は、互いに反応し得る。対照的に、活性化温度ＴＡ１、ＴＡ２及びＴＡ３未満であると、それぞれのフラックスは、不活性状態である。したがって、フラックスが、それが存在する表面と反応しない場合も、またフラックス成分が、互いに反応しない場合もある。したがって、フラックスの液体活性状態を考慮すると、活性化温度に達すると、フラックスは表面の全体にわたって流れ、同時に、酸化物のような任意の汚染物質と化学反応して、表面をハンダ付けのために整えることができる。例として、活性化温度は、少なくとも約５０℃であることができる。一実施形態において、活性化温度は、約１２０℃を超える。

活性化温度よりも高い温度では、フラックスの粘度は、更に減少する場合があり、ハンダのあらゆる粒子は融解する。しかし、図１に示されているように、フラックスの粘度は、活性化温度を超える温度では、僅かしか減少しない場合があるか又は全く減少しない場合がある。この場合、フラックスの粘度は、フラックスの温度が活性化温度に近づき、そして次に超えると、一定又はほぼ一定になり得る。更に、幾つかのフラックスでは、フラックスの粘度は、活性化温度未満の温度では最小値に達することができる。任意の特定のフラックスの最小粘度は、異なるフラックスで観察される最小粘度と異なる場合があることが理解される。一実施形態において、フラックスの温度−粘度曲線は、活性化温度を含む温度範囲の温度軸と漸近的になり得る。

活性化温度を超える温度では、ハンダ粒子は融解する場合がある。ハンダ粒子が融解すると、フラックスは、追加的に、融解ハンダと部品表面との間の濡れを促進して、良質のハンダ接合点の形成を促進することができる。フラックスは、融解ハンダと周囲環境との反応を制限することもできる。ハンダ粒子を融解するのに必要な温度（図１には表示されていない）は、ハンダに応じて決まり、少なくとも活性化温度の高さであるが、ハンダの融解温度は、通常、活性化温度よりも高い。例えば、融解温度は、約１５０℃を超えることができ、典型的には約１８５℃〜約２８０℃の範囲である。前述したように、液相線温度（すなわち、ハンダ合金が完全に液体である最低温度）は、ハンダ材料として適切であるためには４５０℃以下でなければならない。ハンダを融解した後、そして冷却すると、ハンダは永久ハンダ接合点を形成する。

特に、図１の温度プロフィール１０を参照すると、フラックスは、最大保存温度ＴＳ１を含むまでの温度での高い粘度により特徴付けられる。より詳細には、温度プロフィール１０により表されるフラックスは、フラックスが最大保存温度ＴＳ１までの任意の温度である場合は固体である。例として、フラックスの粘度は、フラックスが固体である場合は１０１２Ｐａ・ｓを超えることができる。更に、一実施形態において、フラックスの温度が最大保存温度ＴＳ１以下である場合、フラックスは硬質又は堅固であるが、フラックス組成を、フラックスが特定の用途に必要とされる粘着性の最大量を有するように配合することができる。

温度プロフィール１０により表されるフラックスを引き続き参照すると、フラックスが輸送及び倉庫保管の際に経験し得る温度範囲（矢印１６で示されている）に又はそれを僅かに超えて最大保存温度ＴＳ１を設定するように、フラックスを配合することができる。知られているように、多くの製品が輸送及び倉庫保管の際に広範囲の温度を経験しており、それは、これらの温度が多くの場合に制御されておらず、地形及び他の要因に応じて、他の全ての環境におけるフラックスにより経験される温度を超える場合があるからである。一実施形態において、例えば、温度プロフィール１０により表されるフラックスでは、フラックスは、輸送及び倉庫保管環境では非流動性不活性状態であり、それは、最大保存温度Ｔｓ１がこれらの環境において見出され得る極限温度よりも僅かに高いからである。したがって、フラックスの最大保存温度が輸送及び倉庫保管の際に達成される最大温度を超える場合、地理的な位置、例えば、赤道の近くの位置に、又は季節温度が比較的高い場合に、フラックスが使用前に分解又は劣化する心配なく、フラックスを輸送することができる。例として、輸送及び倉庫保管の際に観察される温度は、約４５℃を超える場合があり、幾つかの場合では、５０℃、さらには６０℃に達する場合がある。

最大保存温度ＴＳ１を超えると、粘度は、温度が増加すると減少し、温度プロフィール１０により表されているフラックスは、流動性不活性状態に入り、ここでハンダ材料の溶着が可能になり、有利には、実用的になる。温度プロフィール１０の場合、溶着温度範囲ΔＴ１は、完全に材料のペースト状範囲内であるように示されているが、他の実施形態は、材料の液体範囲における溶着も考慮する。溶着に実用的な温度範囲は、溶着の方法、分配装置の種類、ハンダ材料の組成及び当業者により理解され得る他の要因に応じて決まる。例として、ΔＴ１は、約７０℃〜約９０℃又は約７５℃〜約１０５℃又は約９０℃〜約１２０℃であることができる。

溶着温度範囲ΔＴ１を超え、材料の液体粘度範囲において、フラックスは、活性化温度ＴＡ１で液体活性状態に到達する。ＴＡ１において及び超えると、フラックスは、化学的に活性になり、表面の整え及び濡れの機能が開始する。例として、ＴＡ１は、約１００℃を超える又は約１２０℃を超えることができる。更なる例として、ＴＡ１は、約１２０℃超からハンダ合金の融解温度未満であることができる。理解されるように、温度プロフィール１０のフラックスでは、フラックス構成成分及びハンダ合金の選択は、予測される輸送及び倉庫保管条件に必要な高い最大保存温度に適応する比較的高い活性化及び融解温度を提供することを目的とする。

用語「非流動性」は、上記に記載されているように、固体フラックスを意味することができるが、本発明はそれに限定されない。フラックスは、ペースト様稠度を有する（すなわち、図１に表示されているような粘度のペースト状範囲にある）ことができ、依然として非流動性であると考えることができる。例えば、温度プロフィール１２及び１４により表されているフラックスは、それぞれ、対応する最大保存温度ＴＳ２及びＴＳ３以下で非流動性であり、それは、フラックスの粘度が、ハンダペーストの分配において遭遇する通常の力に付されたとき又は重力に起因してフラックスが分配されるのを防ぐために十分に高いからである。更に、温度プロフィール１０により表されているフラックスと同様に、温度プロフィール１２及び１４により表されているフラックスは、それぞれのフラックスの粘度がペースト状範囲にあっても、対応する最大保存温度ＴＳ２、ＴＳ３を含むまで非粘着性又は非付着性であることができる。

図１への参照を続け、温度プロフィール１２を特に参照すると、最大保存温度をＴＳ１よりも低いＴＳ２に設定することができる。しかし、最大保存温度ＴＳ２は、例えば、温度が制御されていない製造環境（矢印１８により示されている）においてフラックスが経験する温度よりも高い。当技術分野において知られているように、製造環境における温度は、地理的な位置、時候及び実施される操作の種類を含む多数の要因に応じて広範囲に変わることができる。例として、製造環境の温度は、室温未満から約４０℃を超える温度までの範囲であることができる。しかし、制御されていない製造環境温度は、上記に記載された輸送及び倉庫保管の際に遭遇するものよりも低い場合がある。したがって、一実施形態において、例えば、温度プロフィール１２により表されているフラックスでは、フラックスは、製造環境において非流動性不活性状態であり、それは、最大保存温度ＴＳ２が、その環境においてフラックスが経験する最大温度であるか又はそれよりも僅かに高いからである。

加えて、図１に提示されているように、温度プロフィール１０により表されているフラックスも製造環境において非流動性不活性状態であり、それは、ＴＳ１も製造環境において見出される温度を超えているからである。温度プロフィール１０により表されているフラックスを、例えば、フラックスが早期に分解又は劣化する心配なしにハンダ付け装置に近接して製造環境において保存することができるが、温度プロフィール１２により表されているフラックスと同様には機能しないかもしれず、それは、２つの異なるフラックスの配合が異なるからである。温度プロフィール１２により表されているフラックスを、特定の製造環境のために特別に配合することができる。理解できるように、温度プロフィール１２のフラックスを有するハンダ材料におけるフラックス構成成分及びハンダ合金を、必要な最大保存温度が低いので、温度プロフィール１０に必要なものよりも低い溶着及び活性化温度を提供するように選択することができる。したがって、特定の最大保存温度、溶着温度範囲及び活性化温度のためにフラックスの配合を調整することによって、保存寿命を無期限に延長する又は少なくとも引き延ばすことができ、同時に、フラックスの粘度及び他の特性を、特定の溶着技術のために配合することができる及び／又は特定の用途のために最適化することができる。

温度プロフィール１２を更に参照すると、最大保存温度ＴＳ２を超えて、溶着温度範囲ΔＴ２は、ペースト状範囲の低粘度部分から液体範囲の高粘度部分まで延びているように示されている。ΔＴ２とＴＡ２の間では、フラックスの粘度がハンダを懸濁液に維持するには低すぎるのでハンダ粒子が分離し始め、それによって溶着が実用的でなくなる場合があり得る。いずれの場合においても、制御されていない製造環境に適応するように設定された最大保存温度ＴＳ２では、ΔＴ２は、例えば約４５℃〜約１００℃であることができ、更なる例では約５０℃〜約７５℃であることができる。活性化温度ＴＡ２は、例えば、約１００℃超又は約１２０℃超であり、ハンダ合金の融解温度未満であることができる。

同様に、温度プロフィール１４により表されているフラックスを参照すると、一実施形態において、フラックスは、最大保存温度ＴＳ３が室温よりも又は温度制御室の温度（矢印２０で示されている）よりも僅かに高いように配合される。温度制御室は、市販の加熱又は空調装置により温度を保持することができる。温度は、操作者にとって及び／又は室内の電子デバイスを低温に保つために快適であることができる。これらの室温及び／又は制御温度には、約１６℃〜約２７℃の範囲の温度が含まれ得る。例として、最大保存温度は、約３０℃であることができる。ここでも、上記に記載された所望の温度プロフィールを確立するようにフラックスを配合することによって、保存寿命を引き延ばすことができ、同時に、フラックスの粘度及び他の特性を、特定の溶着技術のために配合することができる及び／又は特定の用途のために最適化することができる。したがって、温度プロフィール１０及び１２により表されているフラックスを、それぞれ非流動性不活性状態のままである温度制御室の温度よりも僅かに高い温度で保存することができるが、温度プロフィール１４のフラックスを、温度プロフィール１０及び１２により表されているフラックスが溶着又は活性化するのを可能にしない所定の温度で溶着及び活性化できるように、その環境のために特別に配合することができる。例として、ペースト状範囲の端から液体範囲の高粘度部分まで延びていることを示している、溶着温度範囲ΔＴ３は、約３５℃〜約４５℃、約４０℃〜約５５℃又は約４５℃〜約６０℃であることができる。活性化温度ＴＡ３は、約５０℃の低さであることができ、例として、約１００℃超又は約１５０℃超であり、ハンダ合金の融解温度未満であることができる。

加えて、図１に示されている温度プロフィール１０、１２、１４を参照し、上記に記載された不活性及び活性状態を考慮すると、活性化温度より僅かに低い温度までのそれぞれの温度プロフィール１０、１２、１４の部分は、可逆的である。換言すると、フラックスを、各活性化温度ＴＡ１、ＴＡ２及びＴＡ３未満である（すなわち、フラックスが不活性状態である間の）任意の２つの温度の間で繰り返し加熱及び冷却して、フラックスの粘度を変えることができる。活性化温度までの温度−粘度／硬度プロフィールの可逆性は、有利である。例として、フラックスを、溶着温度範囲内の温度に加熱し、部品の表面に分配又は溶着し、非流動性不活性状態に冷却し、次にフラックスの有意な分解を有することなく必要な限り何回も再加熱する及びリフローさせることができる。次に、任意の再加熱の後のある時点で、フラックスを活性化温度に加熱し、後にハンダ付けすることができる。

温度プロフィールの可逆性に加えて、少なくとも最大保存温度までのフラックスの非流動性は、有利である。上記に記載されたように、最大保存温度以下の温度では、分配されたフラックスは、これまでの分配ハンダペーストに関連するペースト状及び／又は軟質の問題を有することはない。したがって、フラックスが、分配及び冷却の後、意図されずに他の表面に移動する可能性は少ない。例えば、フラックスを加工品に分配することができる。フラックスが最大保存温度未満に冷却されると、フラックスを汚染することなく及びフラックスを不用意に除去することなく、加工品を輸送し、取り扱うことができる。加工品は、回路基板、ワイヤ、銅管又は他の基材であることができる。特定の例として銅管を使用すると、ハンダ材料を最適な量により最適な位置で管に前適用することができる。フラックスがフラックスの最大保存温度未満に冷却されると、管を保存する、輸送する及び後に販売することができる。後の輸送及び取扱いの際には、フラックスは無傷で適切な場所に維持されている。購買人は、単に、前適用ハンダ材料を、ハンダの活性化温度及び融解温度を超えて再加熱して、別の管又は取付け部品と接合点を形成することができる。この種類のプロセスは、より一貫した良質の接合点を提供することができ、非熟練者が良質の接合点を形成するのを可能にする。

別の実施形態において、加工品は回路基板であることができる。当技術分野において知られているように、多くの場合において、回路基板の銅接続点は、酸化を低減するために金、銀又は他の高価な合金でハンダ付けされている。本発明の実施形態によると、これらの高価な合金は必要なく、それはハンダ材料を合金の代わりに適用できるからである。フラックスは疎水性であることができ、したがって、表面を酸化及び他の腐食型反応から保護する疎水性障壁を形成することができる。次にハンダ材料を有する基板を、フラックスの著しい損失又は電気接点の酸化を有することなく別の場所に輸送することができる。これは、回路基板への後のハンダペースト印刷の必要性も排除する。加えて、フラックスを使用することにより、基板は最終接合のためだけに加熱され、このことは、基板が高温に曝露される回数を低減する。当技術分野において知られているように、回路基板のような電気部品が加熱される回数が多いほど、使用の際に早期故障の機会が大きくなる。

一実施形態において、フラックスを溶着温度範囲内の温度でオリフィスの中を通して押し出すことによって、フラックスを分配することができる。一般に、フラックスペーストを分配するのに現在利用されているステンシル系に加えて、伝統的なホットメルト分配方法及び／又は生成物を使用してフラックスを分配することもできると考えられており、それはこれらの系が溶着温度を制御するからである。例えば、カートリッジ分配系を使用することができる。そのような系の例は、米国特許第５，４３５，４６２号に記載されており、その開示は、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。したがって、フラックス又はハンダ材料を含有するカートリッジを、この系の加熱キャビティーに挿入することができる。

或いは、フラックス又はハンダ材料を、５ガロンのバケツ又は５５ガロンのドラムのようなバルク容器に入れることもできる。バケツ又はドラムを加熱盤又は他の加温装置の上に置いて、大量のフラックスを単一供給源から溶着することができるように、溶着温度範囲内の温度にフラックスを加熱することができる。別の実施形態において、スラグ融解器を使用することができる。この場合、予め形成されたロッド又は他の予め形成された形状のハンダ材料を、スラグ融解器に挿入することができ、プランジャー様デバイスを使用して、材料を加熱し、加工品に押し付けることができる。なお別の実施形態において、フラックスを、ステンシル又はスクリーンが溶着温度範囲内の選択された温度に維持されている加熱印刷系により、基材に印刷することができる。基材を加熱することもできる。なお別の実施形態において、溶着には、部品を、溶着温度に保持されたフラックスのレザバーに浸けることが含まれ得る。部品は、標的部品であることができるか又は部品を使用して、所定の量のフラックスを標的部品に移動することもできる。他の同様に適切な系を使用して、フラックスを加熱及び分配することができる。

上記おいて紹介されているように、フラックスは、約５０重量％を超える量の第一固体成分と、溶剤、シックナー及び／又は金属酸化物還元剤、例えば酸から選択される１つ又は複数の第二成分とを含む。第一固体成分と１つ又は複数の第二成分の割合は、上記に記載された所望の温度プロフィールを提供するように選択される。例えば、フラックスの調製において、第一固体成分及び第二成分は、フラックスの保存、取扱い又は輸送に必要な最大保存温度；所望の溶着温度範囲；所望の活性化温度；及び活性化の際のフラックスの機能に基づいて選択することができる。

一実施形態において、第一固体成分は、ロジン、樹脂若しくはロウ又はこれらの組合せ若しくは混合物を含む。追加的な第一固体には、ポリグリコール、コカミド及び他の適切な化合物が含まれ得る。第一固体成分は、フラックスと任意のハンダ粒子を一緒に保持し、フラックスの５０重量％超を集合的に構成する１つ又は複数の化合物を含むことができる。したがって、「成分」は、厳密に単一として解釈されるべきではない。第一固体成分は、約５０℃を超える軟化点を有することができる。一般に、第一固体成分の軟化点が高いほど、最大保存温度が高くなり、溶着温度範囲が高くなる。追加的な例として、軟化点は、少なくとも約８０℃であることができる。ロジンは、例えば、無色透明ロジンのような天然のロジンであることができる。水素化ウッドロジン、トール油ロジン、ガムロジン及び不均化ウッドロジン又はこれらの混合物のような他のロジンを、第二成分と混合して、上記に記載された所望の温度プロフィールを提供することができる。適切な市販のロジンには、Ｅａｓｔｍａｎにより販売されているＤｙｍｅｒｅｘ（商標）又はＮｅｗｐｏｒｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｌｔｄ．により販売されているＮｕｒｏｚ（商標）が含まれる。

樹脂は、樹脂を不飽和有機酸と組み合わせて上記に記載された１つ又は複数のロジンを改質することにより、得ることができる。適切な市販の樹脂の例には、Ａｓｈｌａｎｄにより販売されているＳｔａｙｂｅｌｉｔｅ（登録商標）及びＥａｓｔｍａｎにより販売されているＰｏｌｙ−ＰａＩｅ（商標）が挙げられる。使用に適しているロウの例には、とりわけ、微晶質ロウ、ナフテンロウ及び／又はパラフィンロウが挙げられる。適切な市販のロウには、Ｃａｒｏｍａｘ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌにより販売されているＣＭ ７０１０ Ｗ及び他のＣＭシリーズのロウが含まれる。

一実施形態において、１つ又は複数の第二成分を、上記に記載されたような輸送及び倉庫保管の際に及び／又は製造環境内において予測される温度に対応するために、フラックスの温度プロフィールを調整するのに使用することができる。加えて、第二成分は、他の基準のうちで、溶着温度範囲及び活性化温度、並びに標的表面との特定の反応を調整するために、選択及び配分することができる。例として、第二成分は、ミネラルスピリット及びシックナーのような１つ又は複数の溶剤であることができる。更に、第二成分には、酸又は酸の混合物が含まれ得る。適切な酸には、弱酸、とりわけカルボン酸、例えばステアリン酸及び／又はアゼライン酸のような弱有機酸が含まれ得る。一実施形態において、フラックスは、酸化物及び他の汚染物質を除去して表面を清浄にする活性化剤を含む。活性化剤は、弱有機酸、ハロゲン化化合物、アミン又は他の金属酸化物還元剤であることができる。更に、活性化剤は、フラックスが分配される表面の種類に基づいて選択することができる。他の適切な第二成分には、油、アルコール及び／又はポリエチレングリコールのようなグリコールが含まれる。フラックスは、場合により表面張力改質剤又は界面活性剤のような他の第二成分を含み、これは、フラックスがハンダ粒子と混合され、ハンダ接合点を形成するために使用されるとき、ハンダ球の生成を低減又は排除する。

一実施形態において、フラックスは、およそ７０℃の軟化点を有する水素化ロジンと１−オクタデカノールの２：１比を含むことができる。この混合物は、更に、リフローの際に酸化物を低減するのに適した量の弱有機酸を含むことができる。フラックスは、４０℃の温度を含むように溶着温度範囲を調整するために、チキソトロープを含むこともできる。ハンダ粒子をフラックス内に分散することができ、ミネラルスピリットを加えて、溶着温度範囲を調整することができる。

一実施形態において、フラックスと混合されるハンダ粒子は、用途に適するように、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、銀（Ａｇ）、ビスマス（Ｂｉ）、銅（Ｃｕ）、アンチモン（Ｓｂ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）若しくはニッケル（Ｎｉ）又はこれらの合金若しくは組合せを含むことができる。上述された元素の多様な組合せの合金は、それぞれ特定の用途を有することができる。しかし、広く使用されるハンダ合金には、例えば、６０Ｓｎ−４０Ｐｂ及び６３Ｓｎ−３７ＰｂのようなＳｎ−Ｐｂ合金が含まれる。しかし、「無鉛」ハンダ付け合金、例えば、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ及びＳｎ−Ｓｂ合金に基づいたハンダが当技術分野において知られている。

本発明のより完全な理解を促進するために、以下の非限定的な実施例を提示する。

室温で固体であるフラックスを調製した。フラックスは、およそ８０℃の軟化点及び１５０〜１７０の酸価を有する部分的水素化ロジンを８０重量％、ポリエチレングリコール１４５０を１５重量％、アゼライン酸を２．５重量％及びステアリン酸を２．５重量％含有した。

ハンダ材料は、ハンダ粒子を上記のフラックスに分散することにより調製した。ハンダ材料は、９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金のハンダ粒子を８５重量％を有し、上記のフラックスがハンダ材料の残りの部分を形成した。２２℃で、ハンダ材料は固体であった。溶着温度範囲は、ほぼ４５℃〜６０℃であった。活性化温度は、およそ９５℃であった。

別の実施形態において、フラックスを作製する方法は、第一固体成分を液体状態になるまで加熱することを含む。第一固体成分が液体状態である間、１つ又は複数の第二成分を加えて、フラックス混合物を形成する。フラックス混合物を、フラックス混合物が非流動性不活性状態である、最大保存温度以下の温度に冷却する。

本発明の一実施形態において、ハンダ材料は、溶着温度の範囲内又はこれを超える温度かつ活性化温度未満の温度にフラックスを加熱することにより作製することができる。フラックスが流動性不活性状態である間、ハンダ粒子を加熱フラックスの全体にわたって分散して、ハンダ／フラックス混合物を形成する。ハンダ／フラックス混合物を、最大保存温度以下の温度に冷却すると、ハンダ／フラックス混合物は、非流動性不活性状態になる。

本発明を多様な実施形態により説明し、これらの実施形態をいくらか詳細に記載してきたが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に限定すること又はいかようにも制限することは、本出願者の意図するところではない。追加的な利点及び変更は当業者にとって容易に明白となるであろう。本発明の多様な特徴を、使用者の必要性及び選択に応じて単独又は多数の組合せで使用することができる。

Claims (22)

1. 約５０重量％を超える量で存在する第一固体成分と、溶剤、シックナー及び／又は金属酸化物還元剤から選択される１つ又は複数の第二成分とを含み、約２７℃を超える最大保存温度以下の温度で非流動性不活性状態であり、活性化温度で液体活性状態であり、最大保存温度を超えて活性化温度未満の溶着温度範囲で流動性不活性状態である温度プロフィールを有する、ハンダ付け用フラックス。
2. 第一固体成分が約５０℃を超える軟化点を有する、請求項１に記載のフラックス。
3. 最大保存温度が約４０℃であり、それ以下ではフラックスが非流動性不活性状態である、請求項１に記載のフラックス。
4. 非流動性不活性状態が固体状態である、請求項３に記載のフラックス。
5. 溶着温度範囲が約４５℃〜約１００℃の範囲の温度を含む、請求項３に記載のフラックス。
6. 活性化温度が約１２０℃を超える、請求項５に記載のフラックス。
7. 溶着温度範囲が約７５℃〜約１０５℃の範囲の温度を含み、活性化温度が溶着温度範囲を超える、請求項１に記載のフラックス。
8. 溶着温度範囲が約４５℃〜約６０℃の範囲の温度を含み、活性化温度が溶着温度範囲を超える、請求項１に記載のフラックス。
9. 第一固体成分が、ロジン、樹脂、ロウ若しくはポリグリコール又はこれらの組合せを含む、請求項１に記載のフラックス。
10. ハンダ粒子が分散されている請求項１に記載のフラックスを含み、ハンダ粒子が活性化温度以上で液体状態である、ハンダ材料。
11. フラックスを溶着温度範囲内又はこれを超える温度かつ活性化温度未満の温度に加熱すること、
    ハンダ粒子を加熱フラックスの全体にわたって分散して、ハンダ／フラックス混合物を形成すること、
    ハンダ／フラックス混合物を最大保存温度以下の温度に冷却し、それによりハンダ／フラックス混合物が非流動性不活性状態になること
    を含む、請求項１０に記載のハンダ材料を作製する方法。
12. ハンダ材料を溶着温度範囲内又はこれを超える温度かつ活性化温度未満の温度に加熱すること、
    ハンダ材料が溶着温度範囲内又はこれを超える温度かつ活性化温度未満である間、加熱ハンダ材料を基材に分配すること、及び
    ハンダ材料を最大保存温度以下の温度に冷却し、それによりハンダ材料が非流動性不活性状態になること
    を含む、請求項１０に記載のハンダ材料を分配する方法。
13. 分配が、加熱ハンダ材料をオリフィスの中を通して押し出すことを含む、請求項１２に記載の方法。
14. ハンダ材料を加熱する前に、
    ハンダ材料を最大保存温度以下で保存し、それによりハンダ材料が非流動性不活性状態になること
    を更に含む、請求項１２に記載の方法。
15. ハンダ材料を溶着温度範囲内又はこれを超える温度かつ活性化温度未満の温度に加熱すること、
    ハンダ材料が溶着温度範囲内又はこれを超える温度かつ活性化温度未満である間、加熱ハンダ材料を加工品に分配すること、
    ハンダ材料を活性化温度以上に加熱し、それによりフラックスが加工品の表面から酸化物を除去すること、
    ハンダ材料をハンダ粒子の融解温度に加熱して、加工品の表面に接触している間にハンダ粒子を融解すること、及び
    融解ハンダを冷却すること
    を含む、請求項１０に記載のハンダ材料によりハンダ付けする方法。
16. 分配が、加熱ハンダ材料をオリフィスの中を通して押し出すことを含む、請求項１５に記載の方法。
17. ハンダ材料を最大保存温度以下からハンダ粒子の融解温度までの温度で加熱して、ハンダ粒子を融解し、ハンダ材料が第１加工品と第２加工品の間に且つそれぞれに接触して配置されること、及び
    融解ハンダを冷却し、それにより接合点が第１及び第２加工品の間に形成されること
    を含む、請求項１０に記載のハンダ材料によりハンダ付けする方法。
18. 第１加工品が、銅管若しくは金属取付け部品、電気部品又はワイヤのうちの１つである、請求項１７に記載の方法。
19. 第一固体成分を加熱して液体状態にすること、
    １つ又は複数の第二成分を第一固体成分に液体状態の間に加えて、流動性不活性状態であるフラックス混合物を形成すること、
    フラックス混合物を最大保存温度以下の温度に冷却し、それによりフラックス混合物が非流動性不活性状態になること
    を含む、請求項１に記載のフラックスを作製する方法。
20. 冷却する前、フラックス混合物が流動性不活性状態である間に、フラックス混合物の全体にわたってハンダ粒子を分散すること
    を更に含む、請求項１９に記載の方法。
21. 基材と、
    基材に結合している、請求項１に記載のフラックスを含む層と
    を含む、装置。
22. 基材が、銅管若しくは金属取付け部品、電気部品又はワイヤのうちの１つである、請求項２１に記載の装置。

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