JP2015039718A - 耐冷熱衝撃フラックス組成物、ソルダペースト組成物および電子回路基板 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明のフラックス組成物は、酸価を有する合成樹脂とチキソ剤と活性剤と溶剤とを含む。
本発明のフラックス組成物に用いる酸価を有する合成樹脂としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸の各種エステル、メタクリル酸の各種エステル、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、マレイン酸のエステル、無水マレイン酸のエステル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、塩化ビニルおよび酢酸ビニルの少なくとも1種のモノマーを重合してなるアクリル樹脂、カルボキシル基を有するロジン系樹脂とダイマー酸誘導体柔軟性アルコール化合物とを脱水縮合してなる誘導体化合物等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
本発明のフラックス組成物に用いるチキソ剤としては、例えば水素添加ヒマシ油、脂肪酸アマイド類、オキシ脂肪酸類が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
このようなチキソ剤の配合量は、フラックス組成物全量に対して3重量%から15重量%であることが好ましい。
本発明のフラックス組成物に用いる活性剤としては、例えば有機アミンのハロゲン化水素塩等のアミン塩(無機酸塩や有機酸塩)、有機酸、有機酸塩、有機アミン塩を配合することができる。更に具体的には、ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミン塩、酸塩、コハク酸、アジピン酸、セバシン酸等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
このような活性剤の配合量は、フラックス組成物全量に対して5重量%から15重量%であることが好ましい。
本発明のフラックス組成物に用いる溶剤としては、例えばイソプロピルアルコール、エタノール、アセトン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、グリコールエーテル等を使用することができる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
このような溶剤の配合量は、フラックス組成物全量に対して20重量%から40重量%であることが好ましい。
本発明のフラックス組成物には、はんだ合金粉末の酸化を抑える目的で酸化防止剤を配合することができる。このような酸化防止剤としては、例えばヒンダートフェノール系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリマー型酸化防止剤等が挙げられる。その中でも特にヒンダートフェノール系酸化剤が好ましく用いられるが、使用できる酸化防止剤はこれらに限定されるものではない。またこれらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
このような酸化防止剤の配合量は特に限定されないが、一般的にはフラックス組成物全量に対して0.5重量%から5重量%程度であることが好ましい。
本発明のフラックス組成物には、ロジン系樹脂として例えばトール油ロジン、ガムロジン、ウッドロジン等のロジン、およびロジンを重合化、水添化、不均一化、アクリル化、マレイン化、エステル化、およびフェノール付加反応等を行ったロジン変性樹脂等を使用することができる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
このようなロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物全量に対して20重量%以下であることが好ましい。
本発明のソルダペースト組成物は、上記フラックス組成物とはんだ粉末とを混合することにより得られる。
前記はんだ合金粉末としては、例えばSn、Ag、Cu、Bi、Zn、In、Ga、Sb、Au、Pd、Ge、Ni、Cr、Al、P、In、Pb等を複数組合せたものが挙げられる。代表的なはんだ合金粉末としては、SnとPbを含むSn−Pb系はんだ合金粉末や、Sn−Ag−CuおよびSn−Ag−Cu−Inといった鉛フリーはんだ合金粉末が用いられる。
はんだ合金粉末の配合量が65重量%未満の場合には、得られるソルダペースト組成物を用いた場合に充分なはんだ接合が形成されにくくなる傾向にある。他方はんだ合金粉末の含有量が95重量%を超える場合にはバインダとしてのフラックス組成物が足りないため、フラックス組成物とはんだ合金粉末とを混合しにくくなる傾向にある。
本発明の電子回路基板は、その表面上に形成される電極部と、この電極部上に形成されるはんだ接合部と、このはんだ接合部を介して当該電子回路基板上に実装される電子部品と、前記はんだ接合部およびその近傍に当該電子回路基板表面と前記電子部品とに接着するよう形成されるフラックス残渣とを有し、当該はんだ接合部およびフラックス残渣は上記ソルダペースト組成物を用いて形成される。
また前記はんだ接合部は、上記ソルダペースト組成物をリフロー処理することにより形成されることが望ましい。
電極部2および絶縁層3は基板1表面に形成されている。はんだ接合部4は、電極部2と電子部品6の外部電極7とを接合するように形成されており、フラックス残渣5は、はんだ接合部4、および電子部品6の基板1側表面とこれに対向する絶縁層3表面とに接着するよう形成されている。
特に図1のようにフラックス残渣5が電子部品6の基板1側表面とこれに対向する絶縁層3の表面との隙間を埋めるように形成されている場合、フラックス残渣5が電子部品6と絶縁層3とに強固に接着するため、はんだ接合部4の亀裂進展をより抑制することができる。
その後、冷熱衝撃試験装置等を用いて前記基板に−40℃/30分〜125℃/30分を1サイクルとする冷熱衝撃試験を2000サイクル与える。
そして当該冷熱衝撃試験後の基板上にあるフラックス固形物について、オートグラフ等を用いてその接着力を測定する。測定の条件はJIS規定C60068−2−21に準拠する。測定に用いるジグは端面が平坦で部品寸法と同等以上の幅を持つせん断ジグとする。測定にあたっては、当該せん断ジグを前記冷熱衝撃試験後のチップ部品側面に突き当てて所定のせん断速度にて基板に平行な力を加えてその最大試験力を求め、この値を前記チップ部品の面積で除してフラックス固形物の接着力を算出する。この時、せん断高さは部品高さの1/4以下とし、せん断速度は5mm/分とする。
その後、冷熱衝撃試験装置等を用いて前記基板に−40℃/30分〜125℃/30分を1サイクルとする冷熱衝撃試験を2000サイクル与える。
次いで、当該冷熱衝撃試験後の基板上にあるはんだ接合部について、オートグラフ等を用いてそのはんだシェア強度を測定する。
冷熱衝撃試験前後のはんだシェア強度測定の条件はJIS規定C60068−2−21に準拠する。測定に用いるジグは端面が平坦で部品寸法と同等以上の幅を持つせん断ジグとする。測定にあたっては、当該せん断ジグを基板のチップ部品側面に突き当てて所定のせん断速度にて基板に平行な力を加えてその最大試験力を求め、この値をはんだシェア強度とする。この時、せん断高さは部品高さの1/4以下とし、せん断速度は5mm/分とする。
そして、冷熱衝撃試験前のはんだ接合部のはんだシェア強度に対し、冷熱衝撃試験後により低下したはんだシェア強度の割合を百分率で示した値をはんだシェア強度の低下率(%)とする。なお、本明細書においてはんだ接合部のはんだシェア強度とは、フラックス残渣が付着した状態のはんだ接合部のはんだシェア強度を意味する。
以下の成分および手順にて、本発明に係る酸価を有するアクリル樹脂AからC、および酸価を有するロジン変性樹脂FからH、並びに比較例に係る合成樹脂DおよびEを作製した。
メタクリル酸10重量%、2−エチルヘキシルメタクリレート51重量%、ラウリルアクリレート39重量%を混合した溶液を作製した。
その後、撹拌機、流管および窒素導入管とを備えた500mlの4つ口フラスコにジエチルヘキシルグリコール200gを仕込み、これを110℃に加熱した。その後、上記溶液300gにアゾ系ラジカル開始剤としてジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)(製品名:V−601、和光純薬(株)製)を0.2重量%から5重量%を加えてこれを溶解させた。
この溶液を上記4つ口フラスコに1.5時間かけて滴下し、当該4つ口フラスコ内にある成分を10℃で1時間撹拌した後に反応を終了させ、アクリル樹脂Aを得た。なお、アクリル樹脂Aの重量平均分子量は7,800Mw、酸価は40mgKOH/g、ガラス転移温度は−47℃であった。
撹拌機および還流管を備えた2000mlの4つ口フラスコにアクリル酸243.4g(3.38mol)、2−へキシルデカノール630.3g(2.6mol、製品名:ファインオキソコール1600、日産化学工業(株)製)、p−トルエンスルホン酸一水和物 74.1g(0.39mol)、p−メトキシハイドロキノン4g、トルエン900gを加え、還流下でこれらを6時間反応させた。この溶液を飽和炭酸水素ナトリウム水溶液で中和し、これを酢酸エチルで抽出した後に濃縮し、下記一般式(1)の構造を有する2−ヘキシルデシルアクリレート756g(収率:98%)を得た。
メタクリル酸11重量%、2−エチルヘキシルメタクリレート10重量%、上記2−ヘキシルデシルアクリレート79重量%を混合した溶液を使用した以外はアクリル樹脂Aの作製と同じ条件にてアクリル樹脂Cを得た。なお、アクリル樹脂Cの重量平均分子量は12,500Mw、酸価は70mgKOH/g、ガラス転移温度は−83℃であった。
2−エチルヘキシルアクリレート100重量%からなる溶液を使用した以外はアクリル樹脂Aの作製と同じ条件にてアクリル樹脂Dを得た。なお、アクリル樹脂Dの重量平均分子量は8,200Mw、酸価は0mgKOH/g、ガラス転移温度は−70℃であった。
ラウリルメタクリレート100重量%からなる溶液を使用した以外はアクリル樹脂Aの作製と同じ条件にてアクリル樹脂Eを得た。なお、アクリル樹脂Eの重量平均分子量は9,000Mw、酸価は0mgKOH/g、ガラス転移温度は−60℃であった。
水添酸変性ロジン(製品名:KE−604、荒川化学工業(株)製)62重量%とダイマージオール(製品名:PRIPOL2033、クローダジャパン(株)製)38重量%とを混合した溶液を作製した。
撹拌翼、ディーン・スターク装置および窒素導入管を備えた500mlの4つ口フラスコに上記溶液224gを入れ、これを窒素雰囲気下150℃にて1時間撹拌し、水添酸変性ロジンを溶解させた。
次いで、上記4つ口フラスコにp−トルエンスルホン酸一水和物5.7g(0.03mol)を加えてこれを180℃まで昇温し、脱水反応を行った。脱水が止まるまでこれを3時間反応させた後に室温まで放冷し、更に酢酸エチル200gを加えて均一の溶液とした。これを飽和炭酸水素ナトリウム水溶液で中和させて分液後に濃縮することで、ロジン変性樹脂Fを得た。
なお、ロジン変性樹脂Fの重量平均分子量は2,680Mw、酸価は68mgKOH/g、ガラス転移温度は−10℃から−20℃であった。
水添酸変性ロジン(製品名:KE−604、荒川化学工業(株)製)52.5重量%とダイマージオール(製品名:PRIPOL2033、クローダジャパン(株)製)47.5重量%とを混合した溶液を使用する以外はロジン変性樹脂Fの作製と同じ条件にてロジン変性樹脂Gを得た。なお、ロジン変性樹脂Gの重量平均分子量は3,850Mw、酸価は26mgKOH/g、ガラス転移温度は−10℃から−20℃であった。
水添酸変性ロジン(製品名:KE−604、荒川化学工業(株)製)50重量%とダイマージオール(製品名:PRIPOL2033、クローダジャパン(株)製)50重量%とを混合した溶液を使用する以外はロジン変性樹脂Fの作製と同じ条件にてロジン変性樹脂Hを得た。なお、ロジン変性樹脂Hの重量平均分子量は4,810Mw、酸価は19mgKOH/g、ガラス転移温度は−10℃から−20℃であった。
表1に記載の各成分を混練し、実施例1から10、および比較例1から3の各フラックス組成物を得た。
*2 BASFジャパン(株)製 酸化防止剤
前記ガラスエポキシ基板上に前記メタルマスクを用いて各フラックス組成物を印刷し、前記チップ部品を搭載した。その後、酸素濃度1500±500ppmの窒素雰囲気下において、ピーク温度を240℃に設定したリフロー炉(製品名:TNP−538EM、(株)タムラ製作所製)を用いて前記各基板を加熱し、フラックス残渣にて当該各基板と前記チップ部品とを接着した。
次に、−40℃(30分間)〜125℃(30分間)の条件に設定した冷熱衝撃試験装置(製品名:ES−76LMS、 日立アプライアンス(株)製)を用い、上記冷熱衝撃サイクルを2000回繰り返す環境下に前記各基板を曝した後これを取りだし、各試験基板を作製した。
当該各試験基板について、各基板と前記チップ部品の接着力(フラックス残渣の接着力)をオートグラフ(製品名:EZ−L−500N、(株)島津製作所製)を用いて測定した。測定条件は、JIS規定C60068−2−21に準拠した。また接着力の測定に際しては、ジグは端面が平坦で部品寸法と同等以上の幅を持つせん断ジグを用いた。このせん断ジグを前記チップ部品側面に突き当てて所定のせん断速度で基板に平行な力を加えて最大試験力を求め、この値をフラックス残渣の接着力(N)とした。またこの値を前記チップ部品の面積で除してフラックス残渣の接着力(N/mm2)を算出した。この時、せん断高さは部品高さの1/4以下とし、せん断速度は5mm/分とした。
なお、実施例4および比較例1については、上記冷熱衝撃サイクルを0、500、1000、1500、および2000回繰り返した際のフラックス残渣(N)の接着力を測定した。
3.2mm×1.6mmのサイズのチップ部品と、当該サイズのチップ部品を実装できるパターンを有するソルダレジストおよびチップ部品を接続する電極(1.6mm×1.0mm)とを備えたガラスエポキシ基板と、同パターンを有する厚さ150μmのメタルマスクを用意した。
前記ガラスエポキシ基板上に前記メタルマスクを用いて各ソルダペースト組成物を印刷し、前記チップ部品を搭載した。その後、酸素濃度1500±500ppmの窒素雰囲気下において、ピーク温度を240℃に設定したリフロー炉(製品名:TNP−538EM、(株)タムラ製作所製)を用いて前記各基板を加熱してはんだ付をし、はんだ接合部を形成した。このはんだ付けを行った各基板について、各基板上のはんだ接合部のはんだシェア強度をオートグラフ(製品名:EZ−L−500N、(株)島津製作所製)を用いて測定した。
次に、−40℃(30分間)〜125℃(30分間)の条件に設定した冷熱衝撃試験装置(製品名:ES−76LMS、 日立アプライアンス(株)製)を用い、上記冷熱衝撃サイクルを2000回繰り返す環境下に前記各基板を曝した後これを取りだした。そしてこの冷熱衝撃試験後の各基板上のはんだ接合部のはんだシェア強度をオートグラフ(製品名:EZ−L−500N、(株)島津製作所製)を用いて測定した。
上記はんだシェア強度の測定条件は、いずれもJIS規定C60068−2−21に準拠した。またはんだシェア強度の測定に際しては、ジグは端面が平坦で部品寸法と同等以上の幅を持つせん断ジグを用いた。このせん断ジグをチップ部品側面に突き当てて所定のせん断速度で基板に平行な力を加えて最大試験力を求め、この値をはんだ接合部のはんだシェア強度とした。この時、せん断高さは部品高さの1/4以下とし、せん断速度は5mm/分とした。
そして、冷熱衝撃試験前のはんだシェア強度と冷熱衝撃試験後のはんだシェア強度とを比較し、低下したシェア強度の割合を百分率で示した値をシェア強度低下率(%)として求め、以下の通り評価した。
○:シェア強度低下率が50%以下
×:シェア強度低下率が50%超
なお、実施例4および比較例1については、上記冷熱衝撃サイクルを0、500、1000、1500、および2000回繰り返した際のはんだシェア強度を測定した。
3.2mm×1.6mmのサイズのチップ部品と、当該サイズのチップ部品を実装できるパターンを有するソルダレジストおよびチップ部品を接続する電極(1.6mm×1.0mm)とを備えたガラスエポキシ基板と、同パターンを有する厚さ150μmのメタルマスクとを用意した。
前記ガラスエポキシ基板上に前記メタルマスクを用いて各ソルダペースト組成物を印刷し、前記チップ部品を搭載した。その後、酸素濃度1500±500ppmの窒素雰囲気下において、ピーク温度を240℃に設定したリフロー炉(製品名:TNP−538EM、(株)タムラ製作所製)を用いて前記各基板を加熱してはんだ付をし、はんだ接合部を形成した。
次に、−40℃(30分間)〜125℃(30分間)の条件に設定した冷熱衝撃試験装置(製品名:ES−76LMS、 日立アプライアンス(株)製)を用い、上記冷熱衝撃サイクルを2000回繰り返す環境下に前記各基板を曝した後これを取りだし、各試験基板を作製した。
そして、前記各試験基板の対象部分を切り出し、これをエポキシ樹脂(製品名:エポマウント(主剤および硬化剤)、リファインテック(株)製)を用いて封止した。更に湿式研磨機(製品名:TegraPol−25、丸本ストルアス(株)製)を用いて前記各試験基板に実装された前記チップ部品の中央断面が分かるような状態とし、そのはんだ接合部の組織内部に進行した亀裂の長さを測定顕微鏡(製品名:STM6、オリンパス(株)製)を用いて、以下のように評価した。
○:亀裂の長さが0.5mm以下
×:亀裂の長さが0.5mm超
また本発明のソルダペースト組成物を用いて形成したはんだ接合部は上記冷熱衝撃試験によるはんだ接合部の亀裂進展を抑制することができる。
これに起因してシェア強度の低下も抑性される。 このようなフラックス組成物、ソルダペースト組成物を用いた電子回路基板は、特に高信頼性が要求されると共に−40℃から125℃という激しい冷熱衝撃サイクル下に長時間曝される環境下において好適に用いることができる。特に実施例4のフラックス組成物およびソルダペースト組成物においては、フラックス残渣の接着力が冷熱衝撃サイクルをかけるほどに増しており、このようなフラックス残渣を有する電子回路基板は長時間に渡って冷熱衝撃サイクルを受ける環境下にて非常に好適に用いることができる。
2 電極部
3 絶縁層
4 はんだ接合部
5 フラックス残渣
6 電子部品
7 外部電極
Claims (9)
- 酸価を有する合成樹脂と、チキソ剤と、活性剤と、溶剤とを含むフラックス組成物であって、
フラックス組成物を加熱して形成するフラックス固化物に−40℃/30分〜125℃/30分を1サイクルとする冷熱衝撃試験を2000サイクル与えた後の前記フラックス固化物の接着力が0.2N/mm2以上であることを特徴とするフラックス組成物。 - 前記酸価を有する合成樹脂は、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸の各種エステル、メタクリル酸の各種エステル、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、マレイン酸のエステル、無水マレイン酸のエステル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、塩化ビニルおよび酢酸ビニルの少なくとも1種のモノマーを重合してなるアクリル樹脂、カルボキシル基を有するロジン系樹脂とダイマー酸誘導体柔軟性アルコール化合物とを脱水縮合してなる誘導体化合物の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項1に記載のフラックス組成物。
- 酸化防止剤を更に含むことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載のフラックス組成物。
- ロジン系樹脂を更に含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のフラックス組成物。
- 前記酸価を有する合成樹脂の配合量は、フラックス組成物全量に対して10重量%から90重量%であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のフラックス組成物。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のフラックス組成物とはんだ合金粉末とを含むことを特徴とするソルダペースト組成物。
- 前記はんだ合金粉末は、SnおよびSbからなる合金、SnおよびSb並びにAg、BiおよびInの少なくとも1種からなる合金、Sn並びにAg、CuおよびBiの少なくとも1種からなる合金、SnおよびPbを含む合金のいずれかからなることを特徴とする請求項6に記載のソルダペースト組成物。
- 請求項6または請求項7に記載のソルダペースト組成物を用いて形成されるはんだ接合部であって、前記はんだ接合部に−40℃/30分〜125℃/30分を1サイクルとする冷熱衝撃試験を2000サイクル与える前と与えた後のはんだシェア強度の低下率が50%以下であることを特徴とするはんだ接合部。
- 電子部品が搭載される電子回路基板であって、
請求項6または請求項7に記載のソルダペースト組成物を用いて形成されるはんだ接合部とフラックス残渣とを有し、
前記フラックス残渣が前記はんだ接合部およびその近傍に電子回路基板表面と前記電子部品とに接着するよう形成されることを特徴とする電子回路基板。
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