JP2017030039A - はんだ付け用フラックスおよびソルダペースト - Google Patents

Abstract

【課題】 溶融前のはんだ合金粉末間に存在するフラックスが、はんだ合金粉末の溶融する際にその中に取り込まれることなく外部に排出され易くするようにすることで、リフロー工程時におけるボイドの発生抑制効果を有するはんだ付け用フラックス、およびこれを用いたソルダペーストの提供。【解決手段】 ベース樹脂と、溶剤と、チクソ剤と、活性剤とを含み、前記チクソ剤としてジメチルジベンジリデンソルビトールを含み、前記活性剤として有機ハロゲン化合物を含むことを特徴とするはんだ付け用フラックス。【選択図】図１

Description

本発明は、リフロー工程時におけるボイドの発生抑制効果を有するはんだ付け用フラックス、およびこれを用いたソルダペーストに関する。

従来より、プリント配線板やシリコンウエハといった基板上に形成される電子回路に電子部品を接合する接合材料として、はんだ付け用フラックスとはんだ合金粉末とを混合して作製されるソルダペーストが用いられている。

しかし、従来のはんだ付け用フラックスを用いたソルダペーストの場合、電極上にソルダペーストを印刷した後のリフロー工程時において、形成されるはんだ接合部にボイドが発生するという問題があった。このボイドは接合部と基板や電子部品といった被接合部との間の接合性の低下や放熱性の低下を生じさせ、電子機器や半導体の信頼性の低下を引き起こす原因となる。

このような問題を解決する方法として、例えばリフロー工程時におけるフラックスの溶融粘度を増大する方法（特許文献１参照）、フラックスを低粘度化する方法（特許文献２参照）、若しくははんだ合金を低融点化する方法（特許文献３参照）等が挙げられる。

特開２０１１−１７７７７４号公報 特開２００８−１１０３８０号公報 特開２０１４−３７００５号公報

これら特許文献１乃至特許文献３に開示される方法は、溶融しているはんだ合金に取り込まれたフラックスやこれから発生する気泡をその外部へ排出することをその主たる目的としている。つまり、溶融しているはんだ合金に内包されたフラックスや気泡を外部に排出し易くするものである。従って、これらの方法においては一旦溶融はんだ合金中にフラックスや気泡が取り込まれているため、形成された接合部にはボイドが残存し易くなるというリスクは残る。

本発明の目的はこれらの課題を解決するものであり、溶融前のはんだ合金粉末間に存在するフラックスが、はんだ合金粉末の溶融する際にその中に取り込まれることなく外部に排出され易くするようにすることで、リフロー工程時におけるボイドの発生抑制効果を有するはんだ付け用フラックス、およびこれを用いたソルダペーストに関する。

本発明は、上記目的を達成するために以下の構成からなることをその特徴とする。

（１）本発明のはんだ付け用フラックスは、ベース樹脂と、溶剤と、チクソ剤と、活性剤とを含み、前記チクソ剤としてジメチルジベンジリデンソルビトールを含み、前記活性剤として有機ハロゲン化合物を含むことをその特徴とする。

（２）上記（１）に記載の構成において、前記有機ハロゲン化合物は臭素化トリアリルイソシアヌレートであることをその特徴とする。

（３）上記（２）に記載の構成において、前記臭素化トリアリルイソシアヌレートはトリス（２，３−ジブロモプロピル）イソシアヌレートであることをその特徴とする。

（４）本発明のソルダペーストは、上記（１）乃至（３）のいずれか１に記載のはんだ付け用フラックスと、はんだ合金粉末とを含むことをその特徴とする。

（５）本発明のはんだ接合部は、上記（４）に記載のソルダペーストを用いて形成されることをその特徴とする。

本発明のはんだ付け用フラックスおよびこれを用いたソルダペーストは、溶融前のはんだ合金粉末間に存在するフラックスが、はんだ合金粉末の溶融する際にその中に取り込まれることなく外部に排出され易くするようにすることで、リフロー工程時におけるボイドの発生抑制効果を奏することができる。

実施例および比較例に係る各ソルダペーストをＦＲ４基板上に印刷してこれをリフローする際の熱プロファイルを示す図。 実施例１および２に係る各ソルダペーストをリフローした際の昇温時の所定の温度時における各ソルダペーストの挙動を表す図。 比較例１および２に係る各ソルダペーストをリフローした際の昇温時の所定の温度時における各ソルダペーストの挙動を表す図。

以下、本発明のはんだ付け用フラックスおよびソルダペーストの一実施形態について詳細に説明する。なお、本発明が当該実施形態に限定されないのはもとよりである。

１．はんだ付け用フラックス
本実施形態に係るはんだ付け用フラックスは、ベース樹脂と、溶剤と、チクソ剤と、活性剤とを含み、前記チクソ剤としてジメチルジベンジリデンソルビトールを含み、前記活性剤として有機ハロゲン化合物を含む。

＜ベース樹脂＞
前記ベース樹脂としては、例えばロジン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−マレイン酸樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、テルペン樹脂等を使用することができる。

前記ロジン系樹脂としては、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；水添ロジン、重合ロジン、不均一化ロジン、アクリル酸変性ロジン、マレイン酸変性ロジン等のロジン誘導体等が挙げられる。

また前記アクリル系樹脂としては、（メタ）アクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、クロトン酸等のカルボキシル基を有するモノマー；（メタ）アクリル酸オクチル、（メタ）アクリル酸ノニル、（メタ）アクリル酸デシル、（メタ）アクリル酸ウンデシル、（メタ）アクリル酸ドデシル、（メタ）アクリル酸トリデシル、（メタ）アクリル酸テトラデシル、（メタ）アクリル酸ラウリル、（メタ）アクリル酸ステアリル、およびこれらのイソ体等、（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸ブチル、（メタ）アクリル酸ヘキシル、（メタ）アクリル酸プロピル等のモノマーを単独で重合、または複数種を共重合することにより得られる樹脂が挙げられる。

前記ベース樹脂は上記で挙げた樹脂に限定されず、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。また前記ベース樹脂の配合量は、はんだ付け用フラックス全量に対して２５重量％から５０重量％であることが好ましい。

＜溶剤＞
前記溶剤としては、例えばイソプロピルアルコール系、エタノール系、アセトン系、トルエン系、キシレン系、酢酸エチル系、エチルセロソルブ系、ブチルセロソルブ系、グリコールエーテル系等が挙げられる。

前記溶剤は上記で挙げたものに限定されず、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。前記溶剤の配合量は、はんだ付け用フラックス全量に対して２５重量％から５０重量％であることが好ましい。

＜チクソ剤＞
本実施形態に係るはんだ付け用フラックスは、チクソ剤としてジメチルジベンジリデンソルビトールを含むことが好ましい。
このジメチルジベンジリデンソルビトールは、はんだ合金粉末の合一速度を抑制することができるものと考えられる。はんだ合金粉末の合一速度が抑制されると、溶融前のはんだ合金粉末間に存在するフラックスは溶融するはんだ合金粉末の中に取り込まれ難くなり、即ちこれに取り込まれる前に外部に排出され易くなるため、リフロー工程時におけるボイドの発生抑制効果を奏することができるものと推測される。

前記ジメチルジベンジリデンソルビトールとしては、その主骨格がビス（ｐ−メチルベンジリデン）ソルビトールであるものがより好ましく用いられる。
また前記ジメチルジベンジリデンソルビトールの市販品としては、ゲルオールＥ２００、ゲルオールＭＤ（いずれも新日本理化（株）製）が挙げられる。

本実施形態に係るはんだ付け用フラックスには、前記ジメチルジベンジリデンソルビトール以外のその他のチクソ剤を併用しても良い。このようなその他のチクソ剤としては、例えば硬化ひまし油、ビスアマイド系チクソ剤を使用することができる。前記チクソ剤はこれらに限定されず、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。

前記ビスアマイド系チクソ剤としては、例えばメチレンビスステアリン酸アマイド、エチレンビスラウリン酸アマイド、エチレンビスヒドロキシステアリン酸アマイドなどの飽和脂肪酸ビスアマイド；メチレンビスオレイン酸アマイドなどの不飽和脂肪酸ビスアマイド；ｍ−キシリレンビスステアリン酸アマイドなどの芳香族ビスアマイド等が挙げられる。これらの中でも特に飽和脂肪酸ビスアマイドが好ましく用いられる。

前記ジメチルジベンジリデンソルビトールの配合量ははんだ付け用フラックス全量に対して０．５重量％から５重量％であることが好ましく、より好ましくは０．７質量％から３質量％である。
また当該配合量を１重量％から２重量％とした場合、ボイドの発生抑制効果とソルダペーストの溶融性との良好なバランスを発揮し得るため、更に好ましい。
なお当該配合量が０．５重量％より少ない場合、ボイドの発生抑制効果が発現され難く、また５重量％を超えるとソルダペーストの印刷性および溶融性に影響を及ぼす虞がある。
また前記その他のチクソ剤を併用する場合、前記チクソ剤全体の配合量ははんだ付け用フラックス全量に対して３重量％から１０重量％であることが好ましい。

＜活性剤＞
本実施形態に係るはんだ付け用フラックスは、前記活性剤として有機ハロゲン化合物を含むことが好ましい。
前記有機ハロゲン化合物としては臭素化された有機化合物であれば良く、例えば１−ブロモ−２−ブタノール、１−ブロモー２−プロパノール、３−ブロモー１−プロパノール、３−ブロモー１、２−プロパジオール、１、４−ジブロモ−２−ブタノール、１、３−ジブロモー２−プロパノール、２、３−ジブロモー１−プロパノール、１、４ジブロモー２、３−ブタンジオール、２、３−ジブロモー２−ブテン−１、４−ジオール、１−ブロモー３−メチル−１−ブテン、１、４−ジブロモブテン、１−ブロモー１−プロペン、２、３−ジブロモプロペン、ブロモメチルベンジルステアレート、ブロモメチルフェニルステアレート、ブロモ酢酸エチル、α−ブロモカプリル酸エチル、α−ブロモプロピオン酸エチル、β−ブロモプロピオン酸エチル、α−ブロモー酪酸エチル、２、３−ジブロモコハク酸、２−ブロモコハク酸、２、２−ブロモアジピン酸、テトラブロモステアリン酸、ヘキサブロモステアリン酸、ヘキサブロモシクロドデカン、２，４−ジブロモアセトフェノン、１、１−ジプロモテトラクロロエタン、１、２−ジブロモー１−フェニルエタン、１、２−ジブロモスチレン等が挙げられる。この中でも特にトリアリルイソシアヌレートを臭素化した臭素化トリアリルイソシアヌレートが含まれることが好ましい。
なお、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。

またこのような臭素化トリアリルイソシアヌレートしては、特にトリス（２，３−ジブロモプロピル）イソシアヌレートが好ましく用いられ、市販品としては、Ｔａｉｃ６Ｂ（日本化成（株）製）が挙げられる。

本実施形態に係るはんだ付け用フラックスには、前記有機ハロゲン化合物以外のその他の活性剤を併用しても良い。このようなその他の活性剤としては、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、有機アミン塩等が挙げられる。具体的には、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。前記その他の活性剤はこれらに限定されず、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。

前記ジメチルジベンジリデンソルビトールに前記活性剤として有機ハロゲン化合物、特に臭素化トリアリルイソシアヌレートとを併用することにより、前記ジメチルベンジリデンソルビトールの分解が促進され、その分解生成物によって、合一速度抑制効果を高める事ができるものと推測される。

前記有機ハロゲン化合物の配合量は、はんだ付け用フラックス全量に対して０．５重量％から５重量％であることが好ましい。
また前記その他の活性剤を併用する場合、前記活性剤全体の配合量ははんだ付け用フラックス全量に対して５重量％から２０重量％であることが好ましい。

＜その他＞
本実施形態に係るはんだ付け用フラックスには、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。
前記酸化防止剤としては、例えばヒンダード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。これらの中でも特にヒンダードフェノール系酸化防止剤が好ましく用いられる。
前記酸化防止剤はこれらに限定されるものではなく、またその配合量は特に限定されるものではない。その一般的な配合量は、はんだ付け用フラックス全量に対して０．５重量％から５重量％程度である。

本実施形態に係るはんだ付け用フラックスには、更にハロゲン、つや消し剤、消泡剤等の添加剤を加えてもよい。前記添加剤の配合量は、はんだ付け用フラックス全量に対して１０重量％以下であることが好ましく、更に好ましい配合量は５重量％以下である。

２．ソルダペースト
本実施形態に係るソルダペーストは、前記はんだ付け用フラックスとはんだ合金粉末とを公知の方法にて混合して作製される。

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。なお、前記はんだ合金粉末の合金組成は特に限定されず、本実施形態に係るソルダペーストの効果を阻害するものでなければいずれも使用することができる。
なお、代表的なはんだ合金粉末としてはＳｎ−Ａｇ−ＣｕやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｃｕといった鉛フリーはんだ合金粉末が用いられるが、鉛含有のはんだ合金粉末を用いてもよい。

前記はんだ合金粉末の配合量は、ソルダペースト全量に対して６５重量％から９５重量％であることが好ましい。より好ましいその配合量は８５重量％から９３重量％であり、特に好ましいその配合量は８８重量％から９２重量％である。
前記はんだ合金粉末の配合量が６５重量％未満のソルダペーストは、はんだ付け時に充分なはんだ接合が形成され難くなる傾向にある。他方はんだ合金粉末の配合量が９５重量％を超えるソルダペーストは、バインダとしてのはんだ付け用フラックスが足りないため、はんだ付け用フラックスとはんだ合金粉末とが混合され難くなる傾向にある。

３．はんだ接合部
本実施形態に係るはんだ接合部は、前記ソルダペーストを用いて形成される。
例えば、予め定められた所定の位置に前記ソルダペーストが印刷され、更に所定の位置に電子部品が搭載されたプリント配線板をリフローすることにより形成される。このように形成されたはんだ接合部は発生するボイドが少なく高い信頼性を有することから、半導体、電子機器等に好適に用いることができる。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明を詳述する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

はんだ付け用フラックスの作製
表１に示す組成および配合にて各成分を混練し、各はんだ付け用フラックスを作製した。なお、表１のうち、組成を表すものに係る数値の単位は、特に断り書きがない限り重量％である。
また、表１に各はんだ付け用フラックスの物性（粘度およびＴｉ）を示す。

次いで、実施例１から実施例４、および比較例１から比較例３については、前記各はんだ付け用フラックス１１．５重量％とＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金粉末８８．５重量％と、実施例５については前記はんだ付け用フラックス１１．５重量％とＳｎ−０．７Ｃｕはんだ合金粉末８８．５重量％とをそれぞれ混合し、実施例１から５および比較例１から３に係るソルダペーストを得た。

※１ 飽和脂肪酸ビスアマイド 日本化成（株）製
※２ ジベンジリデンソルビトール 新日本理化（株）製
※３ ジメチルジベンジリデンソルビトール 新日本理化（株）製
※４ ジメチルジベンジリデンソルビトール 新日本理化（株）製
※５ トリス（２，３−ジブロモプロピル）イソシアヌレート 日本化成（株）製
※６ 酸無水物 岡村製油（株）製
※７ ヒンダードフェノール系酸化防止剤 ＢＡＳＦジャパン（株）製
※８ ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールブロックコポリマー 日油（株）製

＜ボイド発生率＞
ＦＲ４基板（電極材質 Ｓｎ、電極ピッチ １８０μｍ、電極開口 直径９０μｍ、基板レジスト厚 ３０μｍ）を使用した。前記ＦＲ４基板に対応するパターンを有するメタルマスク（厚さ４０μｍ）を用いて各ソルダペーストをメタルスキージで手刷りで印刷した。
次いで、リフロー装置（製品名：ＳＭＴ Ｓｃｏｐｅ ＳＫ−５０００ 山陽精工（株）製）を用い、窒素雰囲気（酸素濃度１００ｐｐｍ）下にて、図１に示す熱プロファイル条件下で前記各基板上のソルダペーストを加熱溶融させた。その後、加熱した各基板を室温まで冷却させて各基板上にバンプを形成し、これら各基板の四隅と中心付近のバンプをＸ線観察装置（製品名：ＸＤ７６００ Ｄｉａｍｏｎｄ、Ｎｏｒｄｓｏｎ Ｄａｇｅ社製）を用いて、計測バンプ数約５００／基板の条件にてボイド観察を行い、これらのバンプ中に占める総ボイド面積率１％以上のものが発生する割合を評価した。その結果を表２および表３に示す。

＜合一速度＞
セラミック板（２５ｍｍ×２５ｍｍ×０．６ｍｍｔ）上に、各ソルダペーストをその印刷領域が１５ｍｍ×１５ｍｍ×２０μｍｔとなるようにベタ印刷した。次いでボイド発生率の条件と同条件にて各セラミック板をリフローし、Ｘ線観察装置（製品名：ＸＤ７６００ Ｄｉａｍｏｎｄ、Ｎｏｒｄｓｏｎ Ｄａｇｅ社製）を用いてその溶融挙動を観察した。図１に示すリフロー昇温過程において、各ソルダペーストに含まれるはんだ合金粉末がそのはんだ融点を超えて合一を開始してからそれらが概ね一塊の球状になるまでに要する時間（合一速度）を計測したところ、実施例１から実施例５に係るソルダペーストの合一速度のいずれもが、比較例１から比較例３に係るソルダペーストの合一速度よりも長い結果となった。
なお、合一速度の測定において、昇温時の所定の温度時における実施例１および実施例２、並びに比較例１および比較例２のソルダペーストの挙動を図２および図３に示す。

以上に示す通り、各実施例に係るソルダペーストを用いて形成したバンプは、そのボイド発生率が０．１％未満となった。これは、各実施例に係るソルダペーストに含まれるはんだ合金粉末が隣接するもの同士から徐々に合一することにより、その隙間がフラックスの排出経路となるためと考えられる。そしてこれにより、溶融前のはんだ合金粉末間に存在するフラックスははんだ合金粉末の溶融する際にその中に取り込まれることなく外部に排出され易くなるため、各実施例に係るソルダペーストは、リフロー工程時におけるボイドの発生を抑制できるものと推測される。

Claims (5)

1. ベース樹脂と、溶剤と、チクソ剤と、活性剤とを含み、
   前記チクソ剤としてジメチルジベンジリデンソルビトールを含み、
   前記活性剤として有機ハロゲン化合物を含むことを特徴とするはんだ付け用フラックス。
2. 前記有機ハロゲン化合物は臭素化トリアリルイソシアヌレートであることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け用フラックス。
3. 前記臭素化トリアリルイソシアヌレートはトリス（２，３−ジブロモプロピル）イソシアヌレートであることを特徴とする請求項２に記載のはんだ付け用フラックス。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のはんだ付け用フラックスと、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。
5. 請求項４に記載のソルダペーストを用いて形成されることを特徴とするはんだ接合部。