JP2012161828A - フラックス、はんだペースト及び実装基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだペーストの保管時及び取り扱い時における粘度上昇等の経時変化が少なく塗布性に優れ、濡れ性にも優れたはんだペースト用のフラックスを提供する。
【解決手段】Ｐｂ及びＳｎを含有するはんだ合金粉末と混合されてはんだペーストを形成するフラックスであって、はんだペーストが保管ないし取扱われる常温域のイオン伝導率が０．００２ｍＳ／ｍ以下であり、且つリフローされる高温域のイオン伝導率が０．０２ｍＳ／ｍ以上である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フラックスの評価方法、フラックス、これを用いたはんだペースト及び実装基板の製造方法に関する。更に詳しくは、はんだペーストの保管時及び印刷機における取扱時のはんだペーストの粘度上昇等の経時変化や、リフロー時の濡れ性等を評価する方法及び塗布性、濡れ性に優れたはんだペースト用のフラックスに関するものである。

はんだ合金粉末とフラックスとを練り合わせたはんだペーストは、プリント基板に塗布又は印刷されて、その上に電子部品を搭載した後、加熱することで電子部品をプリント基板に実装することに用いられている。
このような電子部品接合に用いられるはんだペーストにおいては、長時間にわたって良好な塗布性を持続させて印刷機等を用いての取り扱い時にはんだペーストの粘度変化がないことや、リフロー時においては溶融性（濡れ性）が低下しないことが求められる。

これらの課題を解決するために、例えば、特許文献１には、増粘抑制剤として解離定数が２．５以下で、且つフラックスを構成する樹脂分と相溶性を有し、フラックス中に均一に溶解するカルボン酸またはその誘導体を含むはんだペーストが提案されている。

特開平５−３１８１７６号公報

特許文献１のはんだペーストにおいては、保管時や印刷機を用いた取り扱い中に、はんだペースト用フラックスがはんだ合金粉末と反応して増粘する危険性は少ないものの、リフロー時にフラックス中の活性剤がはんだ合金粉末表面の酸化膜を十分に除去することが困難であり、ぬれ不良による接合信頼性の悪化を引き起こすおそれがある。
そして、このようなはんだ合金粉末に用いるフラックスの評価は、実際にはんだ合金粉末とフラックスとを混ぜ合わせてはんだペーストを作製し、常温保管して粘度が変化するか否か、あるいは高温に加熱して溶融できるか否かを試してみる以外に方法がないため、効率的ではなかった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、はんだペーストの保管時及び塗布や印刷等の取り扱い時における粘度上昇等の経時変化が少なく塗布性に優れ、リフロー時の濡れ性にも優れたはんだペースト用のフラックスを提供することを目的とする。

フラックスの特性は、フラックスの温度とイオン伝導率との関係を測定することにより評価することができる。
フラックスのイオン伝導率を測定することにより、特定の温度におけるフラックスの活性度を得ることができる。これにより、はんだペーストを作製する前に、はんだペーストの用途に応じたフラックスを選定することができる。

また、そのイオン伝導率の測定は、フラックスを用いて作製するはんだペーストが保管ないし取扱われる常温域およびリフローされる高温域の二つの異なる温度領域を含むように実施されるとよい。
作製するはんだペーストについて、印刷機等での取り扱い時（常温）及び電子部品を実装する際（リフロー時）の温度（高温）を含む温度領域のフラックスのそれぞれの温度でのイオン伝導率を測定することにより、これらの温度領域におけるフラックスの活性度を得ることができるので、常温時には活性が低く粘度上昇等の経時変化を防止して安定した塗布性を得るとともに、高温時には活性が高くはんだ合金粉末表面の酸化膜を除去して良好な濡れ性を有することのできるフラックスを選定することができる。また通常、はんだペーストは冷蔵保管（１０℃以下）されるが、この場合、長期間経過しても増粘しないことが求められる。このような要求に対しても、上記の常温でのフラックスのイオン伝導率を測定することで、冷蔵時のはんだペーストの増粘の有無について推測することができる。
このような知見の下、以下のフラックスとすることを解決手段とした。

本発明のフラックスは、Ｐｂ及びＳｎを含有するはんだ合金粉末と混合されてはんだペーストを形成するフラックスであって、前記はんだペーストが取扱われる常温域のイオン伝導率が０．００２ｍＳ／ｍ以下であり、且つリフローされる高温域のイオン伝導率が０．０２ｍＳ／ｍ以上であることを特徴とする。
このようなフラックスは、印刷機等を用いてのはんだペーストの取り扱い時（常温域）には、フラックス中の活性成分のイオン解離が抑制されているため、はんだ合金粉末と活性成分との反応を防いで、はんだペーストの粘度増加を防ぐことができる。また同時に、はんだペーストのリフロー時（高温域）には、フラックスがはんだ合金粉末表面の酸化膜を除去できるだけの十分な活性度を持つので良好な濡れ性を持つことができる。

ここで、前記常温域が２５〜４０℃であり、前記高温域が１６０〜２１０℃であるとよい。

そして、本発明のはんだペーストは、前記フラックスと、Ｐｂ：３５質量％〜４０質量％、残りがＳｎと不可避不純物からなるはんだ合金粉末とを混合し、ペースト化されるとよい。
共晶組成（Ｐｂ３７質量％−Ｓｎ６３質量％）からずれた組成では冷却後の組織が共晶組成に比べ粗大であり、機械的強度が劣る。一方、共晶組成では冷却後の組織が非常に微細なラメラ構造を取り、機械的強度が高いという利点を持つ。このため、はんだ合金粉末は、Ｐｂ：３５質量％〜４０質量％、残りがＳｎと不可避不純物からなり、共晶組成からのずれが小さい組成であることが好ましい。

また、本発明の実装基板の製造方法は、前記はんだペーストを用いて電子部品を実装することを特徴とする。

本発明によれば、Ｐｂ及びＳｎを含有するはんだ合金粉末と混合されてはんだペーストを形成するフラックスにおいて、常温時には粘度上昇等の経時変化を防止し安定した塗布性を得て、高温時にははんだ合金粉末表面の酸化膜を除去して良好な濡れ性を有することのできるフラックスを得ることができる。

本発明の一実施形態のフラックスのイオン伝導率の測定方法を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態のフラックスとその評価方法を、図面を参照しながら説明する。
本実施形態のフラックスの評価方法は、フラックスを加熱するとともに、作製するはんだペーストの印刷機等を用いての取り扱い時（常温域）及び電子部品等を実装する際（リフロー時）のはんだペーストの溶融時（高温域）を含む温度領域についてイオン伝導率を測定し、フラックスの温度とイオン伝導率との関係から、はんだペーストの用途に応じたフラックスを選定する方法である。

フラックスに含まれる有機酸、ハロゲン化合物等の酸化膜を除去する働きのある活性剤は、はんだペーストの溶融時を含む温度領域に達するとイオンに分解されることにより、これらのイオンが酸化膜にアタックし、酸化膜を除去することによってはんだ付け性を向上させる。しかしながら、印刷機等でのはんだペーストの取り扱い中にイオンに分解されたフラックスがはんだペースト中のＳｎ等の金属と反応して化合物を生成したり、空気中の酸素等と反応したりしてしまうと、はんだペーストの粘度が増加し、塗布性を悪化させてしまうとともに、フラックス中の活性剤が消費されてしまうことになるためにリフロー時にはんだ合金粉末表面の酸化膜が除去できずにはんだペーストが溶融できなくなる。

そこで、この評価方法においては、はんだペーストの印刷機等における取り扱い時あるいは保管時（常温域：２５〜４０℃）及び、電子部品を実装する際（リフロー時）のはんだペーストの溶融時（高温域：１６０〜２１０℃）の温度におけるフラックスのイオン伝導率を測定することによりフラックスの活性度を測定し、はんだペーストに適したフラックスを選定する。

フラックスのイオン伝導率は、例えば、図１に示すイオン伝導率測定装置１００によって測定することができる。この測定装置１００では、スターラー１及びマントルヒーター２を利用して評価対象のフラックスＦを２５℃〜２１０℃に加熱しながら、連続的にイオン伝導率を測定する。
スターラー１には、マントルヒーター２で囲まれたオイルバス３が載置されており、このオイルバス３内にはシリコーンオイル４が貯留されるとともに攪拌子５ａが浸漬され、シリコーンオイル４は均一に加熱された状態とされている。
フラックスＦは試験管６に収容され、この試験管６内のフラックスＦに熱電対７及び電気伝導率計８を挿入した状態で加熱される。この際、熱電対７により、フラックスＦの温度を連続的に測定するとともに、電気伝導率計８により、フラックスＦのイオン伝導率を連続的に測定することができる。
なお、フラックスＦは、試験管６内の攪拌子５ｂによって攪拌され、均一に加熱される。

次に、フラックスのイオン伝導率から、はんだペーストに適したフラックスを評価する方法について説明する。
フラックスのイオン伝導率が低い状態は、フラックス中の活性剤のイオン解離が抑制されたフラックスの活性度が低い状態であり、他の成分との反応が抑制される。一方、イオン伝導率が高い状態では、フラックス中の活性剤が活発にイオン解離されフラックスの活性度が高い状態であり、他の成分との反応が促進される。
はんだペーストに用いられるフラックスに関しては、印刷機等を用いてのはんだペーストの取り扱い時および保管時（常温域）には、フラックス中の活性剤のイオン解離を抑制し、はんだペーストの粘度増加を抑制して（粘度安定性）、長時間にわたって良好な塗布性を維持させることが求められる。また、はんだペーストのリフロー時（高温域）には、フラックス中の活性剤のイオン解離を促進し、はんだ合金粉末表面の酸化膜を除去して良好な濡れ性を持たせることが求められる。
そこで、このフラックス評価方法においては、常温域および高温域のフラックスの活性度をみることにより、常温域における粘度安定性および高温域における濡れ性の両方を評価して、はんだペーストに適したフラックスを選定する。

次に、はんだペースト用フラックスについて説明する。
はんだペーストに適したフラックスは、上述したように、常温域ではフラックス中の活性剤がイオンに分解されることがなくイオン伝導率が低いものが好ましい。一方、高温域ではイオンが分離された状態となりイオン伝導率が高いものが好ましい。特に、鉛フリーはんだペーストに適したフラックスは、２５〜４０℃（常温域）のフラックスのイオン伝導率が０．００２ｍＳ／ｍ以下であり、且つ１６０〜２１０℃（高温域）のフラックスのイオン伝導率が０．０２ｍＳ／ｍ以上のものが好ましい。
このようなフラックスは、印刷機等を用いてのはんだペーストの取り扱い時（常温域）には、フラックス中の活性剤のイオン解離が抑制されているため、はんだ合金粉末と活性剤との反応を防いで、はんだペーストの粘度増加を防ぐことができ、長時間にわたって良好な塗布性を持続させることができる。また、はんだペーストのリフロー時（高温域）には、フラックスがはんだ合金粉末表面の酸化膜を除去できるだけの十分な活性度を持つので、良好な濡れ性を持たせることができる。

以上説明したように、本発明のフラックスの評価方法によれば、予め、フラックスのイオン伝導率を測定することにより、特定の温度領域におけるフラックスの活性度を得ることができるので、はんだペーストを作製する前に、はんだペーストの用途に応じたフラックスを選定することができる。そして、このようなフラックスを用いたはんだペーストにおいては、常温域で粘度上昇等の経時変化を防止でき、安定した塗布性を得ることができるとともに、高温域で良好な濡れ性を得ることができる。

次に、本発明のフラックスの評価方法に係る実施例１〜３及び比較例１〜５について説明する。
（フラックスの作製）
実施例１〜３及び比較例１〜５のフラックスは、表１に示す配合表の比率（質量％）通りに作製した。

（イオン伝導率の測定）
図１に示す測定装置１００を用いて、各フラックスのイオン伝導率を測定した。作製した各フラックスを３０ｍｌずつ取り出して試験管６に入れ、この試験管６内のフラックスに熱電対７及び電気伝導率計８を挿入する。次に、この試験管６を３００℃に加熱したオイルバス３に入れ、２５℃〜２１０℃まで加熱し、その時のイオン伝導率を連続的に測定した。その時の２５〜４０℃の結果と１６０〜２１０℃の結果を表２に示す。

表２に示すとおり、実施例１〜３のフラックスは、２５〜４０℃（常温域）のフラックスのイオン伝導率が０．００２ｍＳ／ｍ以下であり、且つ１６０〜２１０℃（高温域）のフラックスのイオン伝導率が０．０２ｍＳ／ｍ以上の鉛フリーはんだペーストに適したフラックスである。一方、比較例１，２，４のフラックスは、常温域のイオン伝導率が０．００２ｍＳ／ｍを超えるものであり、比較例１，３，５のフラックスは、高温時のイオン伝導率が０．０２ｍＳ／ｍ未満のものである。

（はんだペーストの作製）
次に、これらのフラックスに対し、３７質量％Ｐｂ−６３質量％Ｓｎ組成を持つ平均粒径８．０μｍのはんだ合金粉末（融点：１８３℃）を混合し、ペーストを作製した。混合比は、はんだ合金粉末９０質量％、フラックス１０質量％である。

（はんだペーストの連続印刷時の粘度安定性評価）
作製直後のはんだペーストの粘度を、マルコム社製ＰＣＵ−２０５を用いて測定した。次に、日立プラントテクノロジー社製の印刷機ＮＰ−ＭＢ０４を用いてはんだペーストを１分間に１枚ずつ基板印刷し、これを２４時間繰り返す２４時間連続印刷を実施した。そして、２４時間連続印刷後にはんだペーストを回収し、再度はんだペーストの粘度を測定した。これらの結果を表３の「連続印刷時の粘度安定性」に示す。
「連続印刷時の粘度安定性」には、初期のはんだペーストと２４時間連続印刷後のはんだペーストとの粘度を比較して、その増加値により、はんだペーストの粘度安定性を評価した結果を示した。「○」は粘度増加が０以上３０Ｐａ・ｓ未満の場合で、良好な粘度安定性を得られたことを示している。また、「△」は３０以上６０Ｐａ・ｓ未満の場合、「×」は６０Ｐａ・ｓ以上の場合であり、粘度増加の値が大きくなるほど粘度安定性が悪いことを示している。

（はんだペーストの連続印刷時の濡れ性評価）
作製直後のはんだペーストを、厚さ０．２ｍｍ、開口径（穴の直径）６．５ｍｍのメタルマスクを用いてＣｕ板上に印刷して、窒素中にて最高温度２２０℃で加熱してリフローを実施し、濡れ広がりの直径を測定した。
次に、日立プラントテクノロジー社製の印刷機ＮＰ−ＭＢ０４を用いて、はんだペーストの２４時間連続印刷を実施した。２４時間連続印刷後にペーストを回収し、再度はんだペーストをメタルマスクを用いてＣｕ板上に印刷して、リフローを実施し、濡れ広がりの直径を測定した。これらの結果を表３の「連続印刷時の濡れ性」に示す。
「連続印刷時の濡れ性」には、印刷後とリフロー後の直径を比較して、その増加値により、はんだペーストの濡れ性を評価した結果を示した。「○」は広がり量が０を超えて１０％未満の場合で、良好な濡れ性を得られたことを示している。また、「△」は０％の場合、「×」は、０％未満の場合であり、値が小さいほど濡れ性が悪いことを示している。なお、０％未満は、表面張力によって印刷後よりもリフロー後の直径の方が小さくなることを示している。

表３に示すとおり、実施例１〜３のフラックスを用いたはんだペーストは、粘度変化がなく良好な粘度安定性を有しており、また、良好な濡れ性を有していることがわかる。一方、比較例１，２，４のはんだペーストについては粘度安定性の低下、比較例１，３，５については濡れ性の低下がみられた。良好な結果を得ることができなかった比較例１，２，４のはんだペーストには、常温域のイオン伝導率が０．００２ｍＳ／ｍを超えるフラックスが用いられており、比較例１，３，５には、高温域のイオン伝導率が０．０２ｍＳ／ｍ未満のフラックスが用いられていた。

以上のとおり、本発明のフラックスの評価方法によれば、作製するはんだペーストの常温域及び高温域の温度領域において、予め、フラックスのイオン伝導率を測定することにより、はんだペーストの用途に応じたフラックスを選定することができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１ スターラー
２ マントルヒーター
３ オイルバス
４ シリコーンオイル
５ａ，５ｂ 攪拌子
６ 試験管
７ 熱電対
８ 電気伝導率計

Claims (4)

1. Ｐｂ及びＳｎを含有するはんだ合金粉末と混合されてはんだペーストを形成するフラックスであって、
   前記はんだペーストが取扱われる常温域のイオン伝導率が０．００２ｍＳ／ｍ以下であり、且つリフローされる高温域のイオン伝導率が０．０２ｍＳ／ｍ以上である
   ことを特徴とするフラックス。
2. 前記常温域が２５〜４０℃であり、前記高温域が１６０〜２１０℃であることを特徴とする請求項１記載のフラックス。
3. 請求項１又は２に記載の前記フラックスと、Ｐｂ：３５質量％〜４０質量％、残りがＳｎと不可避不純物からなるはんだ合金粉末とを混合し、ペースト化したことを特徴とするはんだペースト。
4. 請求項３記載の前記はんだペーストを用いて電子部品を実装することを特徴とする実装基板の製造方法。

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