JP2012161829A - 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】はんだペーストのリフロー時におけるに優れ、ボイドの発生が少なく接合強度に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、前記はんだペーストの融点より低い温度領域である１３５〜１６５℃での前記フラックスのイオン伝導率の最大値が０．０５ｍＳ／ｍ以上であり、且つ前記融点を含む温度領域である１８３〜２２０℃での前記フラックスのイオン伝導率が０．０３ｍＳ／ｍ以下である。
【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、はんだペーストのリフロー時におけるボイドの発生を評価する方法及び接合強度の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、はんだペーストのリフロー後（溶融後）にボイドが発生すると、はんだと電子部品の電極との間の接合強度が低下し、長期信頼性に影響を与えるため、ボイドの低減が求められており、フラックスの改善が行われてきた。

例えば、特許文献１では、ＴＧ法による測定において減量率が１５質量％になる温度が、はんだの溶融ピーク温度よりも５℃以上高温の溶剤を含有するフラックスを用いて、ボイドの低減を試みている。

再表２００４−１０８３４５号公報

特許文献１のＴＧ法による溶剤の減量率は、溶剤そのものの熱分解によるボイド発生を評価する場合には有効である。しかしながら、はんだ合金粉末と活性剤の反応ガスによるボイド発生については考慮されていない。
また、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、リフロー時に溶融できるか否か、あるいはボイドの発生による接合強度の低下がみられ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、はんだペーストのリフロー時における濡れ性に優れ、ボイドの発生が少なく接合強度に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。

本発明のフラックスは、下記の評価方法に基づいて評価され、所定の特性を備えるものである。
まず、フラックスを用いて作製するはんだペーストに含有されるはんだ合金粉末の融点の直前からその融点を含む温度領域におけるイオン伝導率を測定している。
フラックス中の活性剤は、特定の温度になるとイオン解離し、はんだ合金粉末表面および電極表面の酸化物と反応して、反応ガスを発生させる。フラックス中の活性剤の活性力は、フラックス中の活性剤のイオン解離の様子、つまりイオン伝導率を評価することで明らかにすることができる。

フラックス中の活性剤の活性力が弱いフラックスを用いた場合、はんだ合金粉末表面や電極表面の酸化膜除去が十分に行えずに濡れ不足が発生し、ボイドが増加する。また、はんだ合金粉末の融点まで活性剤の活性力が持続的に続くようなフラックスにおいても、はんだ合金粉末の融点を迎えても活性剤自身の分解が持続的に続いて、反応ガスを発生し続けるために、ボイドが増大する。
そのため、作製するはんだペーストについて、予め、配合されるはんだ合金粉末の金属成分により決まる融点付近の特定の温度領域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、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、そのイオン伝導率からリフロー時の濡れ性とボイドの発生状況とを指定することができ、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、前記融点を含む温度領域に加えて、前記融点より低い温度領域のイオン伝導率を測定するとよい。
このように、二つの異なる温度領域のイオン伝導率を測定することにより、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とともに、ボイドの発生を抑制して接合強度の低下を防ぐことのできるフラックスを選定することができる。

そして、本発明のフラックスは、Ｐｂ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、前記はんだ合金粉末の融点より低い温度領域である１３５〜１６５℃でのイオン伝導率の最大値が０．０５ｍＳ／ｍ以上であり、且つ前記融点を含む温度領域である１８３〜２２０℃でのイオン伝導率が０．０３ｍＳ／ｍ以下であることを特徴とする。

このようなフラックスは、はんだ合金粉末の融点より低い温度領域（１３５〜１６５℃）で、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、はんだ合金粉末溶解時において良好な濡れ性を持つことができる。また、はんだ合金粉末の融点前までは、フラックスの活性状態が持続的に続き酸化膜を除去して分解ガスを発生し続けるが、融点の直前から到達後の融点を含む温度領域（１８３〜２２０℃）においてはフラックスの活性度が抑えられるので、反応ガスの発生を抑えてボイドを低減でき、はんだの接合強度の低下を防ぐことができる。

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を３５質量％以上４０質量％以下含み、残りの部分はＳｎと不可避不純物から構成され、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。

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、はんだ合金粉末の融点より低い温度領域においては、はんだ合金粉末表面の酸化膜を除去してはんだ合金粉末溶融時において良好な濡れ性を有するとともに、融点直前から融点到達後の融点を含む温度領域においては、フラックスからの分解ガスの発生を抑えてボイドを低減し、はんだの接合強度の低下を防ぐことのできるフラックスを得ることができる。

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に含有されるはんだ合金粉末の融点付近の二つの異なる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、イオンに分解されることにより、これらのイオンがはんだ合金粉末表面および電子部品の電極表面の酸化膜と反応して除去することによってはんだ付け性を向上させる。
フラックス中の活性剤の活性力は、活性剤のイオン解離の様子、つまりイオン伝導率を評価することで明らかにすることができる。
リフロー時に、フラックス中の活性剤の活性力が弱いフラックスを用いた場合、はんだ合金粉末表面や電極表面の酸化膜の除去が十分に行えずに濡れ不足が発生するとともに、反応ガスによるボイドが増加する。また、はんだ合金粉末の融点を迎えても活性剤自身の分解が持続的に続くフラックスを用いた場合、反応ガスを発生し続けるために、ボイドが増大してしまう。

そこで、この評価方法においては、はんだ合金粉末の融点より低い温度領域（１３５〜１６５℃）及び融点直前から融点到達後の融点を含む温度領域（１８３〜２２０℃）の異なる二つの温度領域を含む温度領域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１３５℃〜２２０℃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、はんだペーストのリフロー時に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が、一方で、反応ガスの発生を抑制してボイドを低減させ、はんだの接合強度の低下を防ぐことが求められる。
そこで、このフラックス評価方法においては、はんだ合金粉末の融点付近のフラックスの活性度をみることにより、はんだの濡れ性及び接合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判定する。

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、リフロー時において、はんだ合金粉末の融点より低い温度領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く、はんだ合金粉末の融点直前から融点到達後の融点を含む温度領域では、イオン伝導率が低いものが好ましい。特に、はんだペーストに適したフラックスは、融点より低い温度領域（１３５〜１６５℃）のフラックスのイオン伝導率が０．０５ｍＳ／ｍ以上であり、且つ融点直前から融点到達後の融点を含む温度領域（１８３〜２２０℃）のフラックスのイオン伝導率が０．０３ｍＳ／ｍ以下のものが好ましい。
このようなフラックスは、はんだペーストのリフロー時に、融点より低い温度領域で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、はんだ合金粉末の溶融時（融点）に良好な濡れ性を持たせることができる。また、融点直前から融点到達後の融点を含む温度領域では、フラックスの活性が抑えられ、反応ガスの発生を抑制するので、ボイドを低減することができ、これにより、はんだの接合強度の低下を防ぐことができる。
なお、はんだ合金粉末は、共晶組成からずれがある場合、固液共存領域を持ち、完全に溶解するのは液相線温度を超えたときであるところ、本願では、液相線温度をはんだ合金粉末の融点としている。ここで、例えば、３７質量％Ｐｂ−６３質量％Ｓｎ組成を持つはんだ合金粉末の融点（液相線温度）は１８３℃である。

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、はんだ合金粉末の融点付近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、はんだ合金粉末の融点より低い温度領域で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とともに、融点直前から融点到達後の融点を含む温度領域ではフラックスからの分解ガスの発生を抑えてボイドを低減し、はんだの接合強度の低下を防ぐことのできるフラックスを選定することができる。

次に、本発明のフラックスに係る実施例１〜３及び比較例１〜３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１〜３のフラックスは、表１に示す配合表の配合率（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および電気伝導率計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、１３５〜２２０℃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１３５〜１６５℃の結果と１８３〜２２０℃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、１３５〜１６５℃のフラックスのイオン伝導率の最大値が０．０５ｍＳ／ｍ以上であり、且つ１８３〜２２０℃のフラックスのイオン伝導率が０．０３ｍＳ／ｍ以下のはんだペーストに適したフラックスである。一方、比較例２，３のフラックスは、１３５〜１６５℃のイオン伝導率の最大値が０．０５ｍＳ／ｍ未満のものであり、比較例１のフラックスは、１８３〜２２０℃のイオン伝導率が０．０３ｍＳ／ｍを超えるものである。

（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はんだ合金粉末（融点：１８３℃）を混合し、はんだ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。

（ボイド測定）
作製したはんだペーストをバンプ形成用基板に印刷し（マスク厚３０μｍ、マスク開口径７５μｍ）、窒素中にて最大温度２２０℃にてリフローを実施した。リフロー後に形成されたはんだバンプを透過Ｘ線顕微鏡にて観測し、はんだバンプ中に存在するボイドを測定した。そして、はんだバンプの直径とはんだバンプ中に存在するボイドの直径とを比較し、このはんだバンプの直径に対するボイドの直径の比率に応じて評価した。この際、はんだバンプ中に複数のボイドが存在する場合には、ボイドの直径の総和とはんだバンプの直径との比率を求めて評価した。これらの結果を表２に示す。
「○」はボイド直径がはんだバンプ直径の２０％未満の場合で、ボイドの少ない良好なはんだ接合部が得られたことを示している。また、「△」は２０以上３０未満％の場合、「×」は３０％以上の場合であり、ボイドの占める値が大きくなるほど、はんだの接合性が悪いことを示している。

本発明によれば、１３５〜１６５℃でのフラックスのイオン伝導率の最大値が０．０５ｍＳ／ｍ以上であり、且つ１８３〜２２０℃でのフラックスのイオン伝導率が０．０３ｍＳ／ｍ以下のフラックスを用いることで、ボイドが抑制された良好なはんだ接合部を得ることができる。

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 (3)

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の融点より低い温度領域である１３５〜１６５℃での前記フラックスのイオン伝導率の最大値が０．０５ｍＳ／ｍ以上であり、且つ前記融点を含む温度領域である１８３〜２２０℃での前記フラックスのイオン伝導率が０．０３ｍＳ／ｍ以下であることを特徴とするフラックス。
2. 請求項１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。
3. 請求項２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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