JP2013001977A - 銅または銅合金の表面処理剤及びその利用 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】特定のイミダゾール化合物(イミダゾール環の2位にフェニル基、チエニル基または、ベンゼン環の水素原子が塩素原子で置換されていてもよいベンジル基が結合し、同4(5)位にチエニル基が結合し、同5(4)位には水素原子またはメチル基が結合した構造を有する)を含有することを特徴とする銅または銅合金の表面処理剤。
【選択図】なし
Description
その結果、プリント配線板の回路部を構成する銅または銅合金(以下、単に銅と云うことがある)の表面は、加熱されることにより酸化皮膜の形成が促進されるので、該回路部表面の半田付け性を良好に保つことができない。
そのために種々の無鉛半田が検討されているが、例えば錫(Sn)をベース金属として、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、インジウム(In)、アンチモン(Sb)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)や銅(Cu)などの金属を添加した無鉛半田が提案されている。
これに対して、無鉛半田は、従来のSn−Pb系共晶半田に比べると銅の表面に対する濡れ性が劣っているので、半田付け性が悪く、ボイド発生などの接合不良が生じ、接合強度も低いものであった。
そのため無鉛半田を使用するに当たっては、より半田付け性の良好な半田合金および無鉛半田に適したフラックスの選定が求められているが、銅表面の酸化防止のために使用される表面処理剤に対しても、無鉛半田の濡れ性を改善し半田付け性を良好なものとする機能が求められている。
また、無鉛半田の多くは融点が高く、半田付け温度が従来の錫−鉛系共晶半田に比べて20〜50℃程高くなるため、当該表面処理剤に対しては、優れた耐熱性を有する化成皮膜を形成させることも望まれている。
即ち、第1の発明は、化学式(I)で示されるイミダゾール化合物を含有することを特徴とする銅または銅合金の表面処理剤である。第2の発明は、銅または銅合金の表面に、第1の発明の表面処理剤を接触させることを特徴とする銅または銅合金の表面処理方法である。第3の発明は、銅回路部の銅または銅合金の表面に、第1の発明の表面処理剤を接触させて、銅回路部の銅または銅合金の表面に化成皮膜を形成させたことを特徴とするプリント配線板である。第4の発明は、銅または銅合金の表面に、第1の発明の表面処理剤を接触させた後に半田付けを行うことを特徴とする半田付け方法である。
また、本発明のプリント配線板および半田付け方法は、有害金属である鉛を含まない半田の使用を可能とするので、環境保護の観点において有用なものである。
本発明の実施において使用するイミダゾール化合物は、前記の化学式(I)で示されるものであり、イミダゾール環の2位にフェニル基、チエニル基または、ベンゼン環の水素原子が塩素原子で置換されていてもよいベンジル基が結合し、同4(5)位にチエニル基が結合し、同5(4)位には水素原子またはメチル基が結合した構造を有するイミダゾール化合物である。
2−フェニル−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2,4−ジ(2−チエニル)イミダゾール、
2−(3−チエニル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−ベンジル−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−(2−クロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−(3−クロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−(4−クロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−(2,3−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−(2,4−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−(2,5−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−(2,6−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−(3,4−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−(3,5−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール
(以上、化学式(I)において、Rが水素原子であって、4(5)位に2−チエニル基が結合したイミダゾール化合物)、
5−メチル−2−フェニル−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2,4−ジ(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(3−チエニル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
2−ベンジル−5−メチル−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2−クロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(3−クロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(4−クロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2,3−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2,4−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2,5−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2,6−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(3,4−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(3,5−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール
(以上、化学式(I)において、Rがメチル基であって、4(5)位に2−チエニル基が結合したイミダゾール化合物)、
2−フェニル−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(2−チエニル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2,4−ジ(3−チエニル)イミダゾール、
2−ベンジル−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(2−クロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(3−クロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(4−クロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(2,3−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(2,4−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(2,5−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(2,6−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(3,4−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
2−(3,5−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール
(以上、化学式(I)において、Rが水素原子であって、4(5)位に3−チエニル基が結合したイミダゾール化合物)、
5−メチル−2−フェニル−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2−チエニル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2,4−ジ(3−チエニル)イミダゾール、
2−ベンジル−5−メチル−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2−クロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(3−クロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(4−クロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2,3−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2,4−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2,5−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(2,6−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−2−(3,4−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾールおよび、
5−メチル−2−(3,5−ジクロロベンジル)−4−(3−チエニル)イミダゾール(以上、化学式(I)において、Rがメチル基であって、4(5)位に3−チエニル基が結合したイミダゾール化合物)を包含する。
イミダゾール化合物は、表面処理剤中に好ましくは0.01〜10重量%の割合、より好ましくは0.1〜5重量%の割合で含有される。イミダゾール化合物の含有割合が0.01重量%より少ないと、銅表面に形成される化成皮膜の膜厚が薄くなり、銅表面の酸化を十分に防止することができない虞がある。また、10重量%より多い場合には表面処理剤中にイミダゾール化合物が溶け残ったり、あるいは完溶したとしても再析出して、銅表面にイミダゾール化合物の粒子が付着して、銅表面の半田付け性が損なわれる虞がある。
なお、本発明の実施においては、前記のイミダゾール化合物から選択される1種または2種以上を組み合わせて使用することが可能であり、前記のイミダゾール化合物と共に、本発明と同一技術分野における公知のイミダゾール化合物を併用することも可能である。
代表的な有機酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、ヘプタン酸、カプリル酸、べラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸、イソ酪酸、2−エチル酪酸、オレイン酸、グリコール酸、乳酸、2−ヒドロキシ酪酸、3−ヒドロキシ酪酸、グルコン酸、グリセリン酸、酒石酸、リンゴ酸、クエン酸、クロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、ブロモ酢酸、ヨード酢酸、メトキシ酢酸、エトキシ酢酸、プロポキシ酢酸、ブトキシ酢酸、2−(2−メトキシエトキシ)酢酸、2−[2−(2−エトキシエトキシ)エトキシ]酢酸、2−{2−[2−(2−エトキシエトキシ)エトキシ]エトキシ}酢酸、3−メトキシプロピオン酸、3−エトキシプロピオン酸、3−プロポキシプロピオン酸、3−ブトキシプロピオン酸、レブリン酸、グリオキシル酸、ピルビン酸、アセト酢酸、アクリル酸、クロトン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、マレイン酸、フマール酸、安息香酸、パラニトロ安息香酸、ピクリン酸、サリチル酸、パラトルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、スルファミン酸等が挙げられ、同無機酸としては、塩酸、リン酸、硫酸、硝酸等が挙げられる。
これらの酸は、1種または2種以上を組み合わせて使用することが可能であり、可溶化剤として表面処理剤中に好ましくは0.1〜50重量%の割合、より好ましくは1〜30重量%の割合で含有される。
この有機溶剤としては、例えばメタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノール、n−ブタノール、エチレングリコール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のセロソルブ、あるいはアセトン、N,N−ジメチルホルムアミド、アセチルアセトン等の水と自由に混和するものが好ましく使用される。
これらの有機溶剤は、1種または2種以上を組み合わせて使用することが可能であり、表面処理剤中に好ましくは0.1〜50重量%の割合、より好ましくは1〜40重量%の割合で含有される。
この銅化合物としては、例えばギ酸銅、酢酸銅、シュウ酸銅、塩化第一銅、塩化第二銅、臭化第一銅、臭化第二銅、ヨウ化銅、水酸化銅、リン酸銅、硫酸銅、硝酸銅等が挙げられ、これらから選択される1種または2種以上を組み合わせて使用することができる。
また、この亜鉛化合物としては、例えば酸化亜鉛、ギ酸亜鉛、酢酸亜鉛、シュウ酸亜鉛、乳酸亜鉛、クエン酸亜鉛、硫酸亜鉛、硝酸亜鉛、リン酸亜鉛、塩化亜鉛、臭化亜鉛、ヨウ化亜鉛等が挙げられ、これらから選択される1種または2種以上を組み合わせて使用することができる。
これら銅化合物および亜鉛化合物(これらを金属塩と云うことがある)の何れも、表面処理剤中に好ましくは0.01〜10重量%の割合、より好ましくは0.02〜5重量%の割合で含有される。
このハロゲン化合物としては、例えばフッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化アンモニウム、塩化ナトリム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、クロロプロピオン酸、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化アンモニウム、ブロモプロピオン酸、ヨウ化ナトリム、ヨウ化カリウム、ヨウ化アンモニウム、ヨードプロピオン酸等が挙げられ、これらから選択される1種または2種以上を組み合わせて使用することができる。
これらのハロゲン化合物は、表面処理剤中に好ましくは0.001〜1重量%、より好ましくは0.01〜0.1重量%の割合で含有される。
なお、マンガン化合物としては、例えばギ酸マンガン、塩化マンガン、シュウ酸マンガン、硫酸マンガン、炭酸マンガン等が挙げられ、コバルト化合物としては、例えば酢酸コバルト、硫酸コバルト、硝酸コバルト等が挙げられ、ニッケル化合物としては、例えば塩化ニッケル、酢酸ニッケル、硝酸ニッケル、炭酸ニッケル、硫酸ニッケル等が挙げられる。
これらの金属化合物については、1種または2種以上を組み合わせて使用することが可能であり、表面処理剤中に好ましくは0.01〜10重量%の割合、より好ましくは0.02〜5重量%の割合で含有される。また、同配位化合物についても、1種または2種以上を組み合わせて使用することが可能であり、表面処理剤中に好ましくは0.001〜10重量%の割合、より好ましくは0.01〜5重量%の割合で含有される。
pHを下げる場合には、前述の有機酸または無機酸を使用することができ、pHを上げる場合には、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムの他、アンモニアあるいはモノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミンなどのアミン類等の緩衝作用を有する物質が好ましく使用できる。
なお、実施例および比較例で使用したイミダゾール化合物ならびに評価試験方法は次のとおりである。
実施例に使用したイミダゾール化合物は以下のとおりであり、これらの合成例を参考例1〜6に示す。
・2,4−ジ(2−チエニル)イミダゾール(「A−2」と略記することがある)
・2−(2,4−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾール(「A−3」と略記することがある)
・5−メチル−2−フェニル−4−(2−チエニル)イミダゾール(「A−4」と略記することがある)
・5−メチル−2,4−ジ(2−チエニル)イミダゾール(「A−5」と略記することがある)
・2−フェニル−4−(3−チエニル)イミダゾール(「A−6」と略記することがある)
<A−1の合成>
ベンズアミジン塩酸塩31.3g(0.20mol)、炭酸カリウム91g(0.66mol)とN,N−ジメチルアセトアミド67gからなる懸濁液を55〜60℃にて40分間撹拌後、この懸濁液に2−(ブロモアセチル)チオフェン41.0g(0.20mol)とトルエン80gからなる溶液を、65〜70℃にて50分間かけて滴下し、70℃にて3時間撹拌した。
反応懸濁液を冷却後、水500mlで1回、次いで食塩水550mlで2回洗浄した後、トルエン層を冷却し析出した固形分を濾取した。この固形分をトルエン、アセトニトリルで順次洗浄した後、メタノールに加熱溶解し活性炭素で脱色した後、メタノールを減圧留去し、残留固体をアセトニトリルから再結晶して、淡黄白色結晶状の2−フェニル−4−(2−チエニル)イミダゾール15.6g(0.069mol、収率34.5%)を得た。
<A−2の合成>
参考例1のベンズアミジン塩酸塩を2−チオフェンカルボキサミジン塩酸塩に代えて、参考例1の方法に準拠して2,4−ジ(2−チエニル)イミダゾールを合成した。
<A−3の合成>
参考例1のベンズアミジン塩酸塩を2,4−ジクロロフェニルアセトアミジン塩酸塩に代えて、参考例1の方法に準拠して2−(2,4−ジクロロベンジル)−4−(2−チエニル)イミダゾールを合成した。
<A−4の合成>
参考例1の2−(ブロモアセチル)チオフェンを2−(2−ブロモプロピオニル)チオフェンに代えて、参考例1の方法に準拠して5−メチル−2−フェニル−4−(2−チエニル)イミダゾールを合成した。
<A−5の合成>
参考例1のベンズアミジン塩酸塩を2−チオフェンカルボキサミジン塩酸塩に、2−(ブロモアセチル)チオフェンを2−(2−ブロモプロピオニル)チオフェンに代えて、参考例1の方法に準拠して5−メチル−2,4−ジ(2−チエニル)イミダゾールを合成した。
<A−6の合成>
参考例1の2−(ブロモアセチル)チオフェンを3−(ブロモアセチル)チオフェンに代えて、参考例1の方法に準拠して2−フェニル−4−(3−チエニル)イミダゾールを合成した。
・2−ウンデシルイミダゾール(四国化成工業社製、商品名「C11Z」、「Z−1」と略記することがある)
・2−ベンジル−4−フェニルイミダゾール(特開2010−150651号公報に記載の方法に従って合成した。「Z−2」と略記することがある)
・2−フェニルイミダゾール(四国化成工業社製、商品名「2PZ」、「Z−3」と略記することがある)
・2−フェニル−4−メチルイミダゾール(四国化成工業社製、商品名「2P4MZ」、「Z−4」と略記することがある)
・2−ノニルベンズイミダゾール(SIGMA-ALDRICH社製、試薬、「Z−5」と略記することがある)
・2−ベンジルベンズイミダゾール(「Science of Synthesis,12,529(2002)」に記載の方法に準拠して合成した。「Z−6」と略記することがある)
試験片として、内径0.80mmの銅スルホールを300穴有する120mm(縦)×150mm(横)×1.6mm(厚み)のガラスエポキシ樹脂製のプリント配線板を使用した。この試験片を脱脂、ソフトエッチングおよび水洗を行った後、所定の液温に保持した表面処理剤に所定時間浸漬し、次いで水洗、乾燥して銅表面上に厚さ約0.10〜0.50μmの化成皮膜を形成させた。
この表面処理を行った試験片について、赤外線リフロー装置(製品名:MULTI−PRO−306、ヴィトロニクス社製)を用いて、ピーク温度が240℃であるリフロー加熱を3回行い、次いで、フロー半田付け装置(コンベア速度:1.0m/分)を用いて半田付けを行った。
なお、使用した半田は、63Sn-37Pb(重量%)の組成を有するSn−Pb系共晶半田(商品名:H63A、千住金属工業製)であり、半田付けに際して使用したフラックスはJS−64MSS(弘輝製)である。また、半田温度は240℃とした。
また、前記の表面処理を行った試験片について、Sn−Pb系共晶半田の場合と同様にして無鉛半田を使用して半田付けを行った。なお、使用した半田は、96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu(重量%)の組成を有する無鉛半田(商品名:H705「エコソルダー」、千住金属工業製)であり、半田付けに際して使用したフラックスはJS−E−09(弘輝製)である。また、リフロー加熱のピーク温度は245℃であり、半田温度も245℃とした。
半田付けを行った試験片について、銅スルーホールの上部ランド部分まで半田が上がった(半田付けされた)スルーホール数を計測し、全スルーホール数(300穴)に対する割合(%)を算出した。
銅の表面に対して半田の濡れ性が大きい程、溶融した半田が銅スルーホール内を浸透し該スルーホールの上部ランド部分まで上がり易くなる。即ち、全スルーホール数に対する上部ランド部分まで半田が上がったスルーホール数の割合が大きい程、銅に対する半田濡れ性が優れ、半田付け性が良好なものと判定される。
試験片として、50mm(縦)×50mm(横)×1.2mm(厚み)のガラスエポキシ樹脂製のプリント配線板(回路パターンとして、銅箔からなる導体幅0.80mm、長さ20mmの回路部を、1.0mmの間隔にて幅方向に10本形成させたもの)を使用した。この試験片を脱脂、ソフトエッチングおよび水洗を行った後、所定の液温に保持した表面処理剤に所定時間浸漬し、次いで水洗、乾燥して銅表面上に厚さ約0.10〜0.50μmの化成皮膜を形成させた。
この表面処理を行った試験片について、赤外線リフロー装置(製品名:MULTI−PRO−306、ヴィトロニクス社製)を用いて、ピーク温度が240℃であるリフロー加熱を1回行った。その後、開口径1.2mm、厚み150μmのメタルマスクを使用して銅回路部の中央にSn−Pb系クリーム半田を印刷し、前記条件でリフロー加熱を行い、半田付けを行った。なお、使用したSn−Pb系クリーム半田は63Sn-37Pb(重量%)からなる組成の共晶半田(商品名:OZ−63−330F−40−10、千住金属工業製)である。
また、前記の表面処理を行った試験片について、Sn−Pb系クリーム半田の場合と同様にして無鉛系クリーム半田を使用して半田付けを行った。なお、使用した無鉛系クリーム半田は、96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu(重量%)からなる組成の無鉛半田(商品名:M705−221BM5−42−11、千住金属工業製)である。また、クリーム半田の印刷前および印刷後に行うリフロー加熱は、ピーク温度が245℃になるように設定した。
得られた試験片について、銅回路部上に濡れ広がった半田の長さ(mm)を測定した。
この長さが大きい程、半田濡れ性が優れ、半田付け性が良好なものと判定される。
イミダゾール化合物として2−フェニル−4−(2−チエニル)イミダゾール、酸として酢酸、金属塩として酢酸亜鉛、ハロゲン化合物として塩化アンモニウムおよびヨウ化カリウムを、表1記載の組成になるようにイオン交換水に溶解させた後、アンモニア水でpH3.5に調整して表面処理剤を調製した。
次いで、プリント配線板の試験片を30℃に温調した表面処理剤に180秒間浸漬したのち、水洗、乾燥し、半田上がり性および半田広がり性を測定した。これらの試験結果は表1に示したとおりであった。
実施例1と同様にして、表1記載のイミダゾール化合物、酸、金属塩およびハロゲン化合物を使用して、表1記載の組成を有する表面処理剤を調製し、表1記載の処理条件にて表面処理を行った。得られた試験片について、半田上がり性および半田広がり性を測定した。これらの試験結果は表1に示したとおりであった。
実施例1と同様にして、表1記載のイミダゾール化合物、酸、金属塩およびハロゲン化合物を使用して、表1記載の組成を有する表面処理剤を調製し、表1記載の処理条件にて表面処理を行った。得られた試験片について、半田上がり性および半田広がり性を測定した。これらの試験結果は表1に示したとおりであった。
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