JP2019147164A - フラックス及びソルダペースト - Google Patents
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Abstract
Description
一般的にソルダペーストはフラックスとはんだ合金粉末を混練して生成される。そしてはんだ接合時においては、ソルダペーストを例えばスクリーン印刷方法により電子回路基板上に印刷し、所望の位置に電子部品を載置し、これを加熱することで、電子回路基板上にソルダペーストからなるはんだ接合体(本明細書においては、はんだ合金粉末が溶融し凝集固化したはんだ接合部と、リフロー後に電子回路実装基板に残ったフラックス残渣とを併せて「はんだ接合体」という。)を形成する。当該はんだ接合体のうちはんだ接合部は、電子回路基板の導体パターンと電子部品の電極とを電気的接合する。
しかし、フラックスに含まれる溶剤や活性剤といった成分は加熱工程中に揮発、分解してガスを発生させる。そして加熱工程時に凝集固化中のはんだ接合部がこのガスを取り込みそのまま固化してしまうと、形成されたはんだ接合部はその中にボイドを含んだままの状態となってしまう。ボイドははんだ接合部の一部が空洞となるものであるため、はんだ接合部に含まれる(発生した)ボイドの面積率が大きいほど、はんだ接合部の信頼性は低下する。
しかしこれらの方法の場合、はんだ接合部のボイドの発生を抑制することができても、フラックスとしての所望の効果、例えば印刷性等を十分に保持しているとは限らない。また例えば2.0mm×1.2mmサイズや3.2mm×1.6mmサイズ等の電子部品(チップ部品)を用いた場合ははんだ接合部に発生するボイドを抑制し得るものの、それ以上の大きさの電子部品を用いる場合には当該効果を発揮し得ない可能性もある。
本実施形態に係るフラックスは、ベース樹脂と、活性剤と、溶剤と、添加剤とを含む。
前記ベース樹脂としては、例えばロジン系樹脂、アクリル樹脂、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、テルペン樹脂及びポリアルキレンカーボネート等が挙げられる。これらの中でも、特にロジン系樹脂及びアクリル樹脂が好ましく用いられる。なおこれらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
前記活性剤としては、例えばカルボン酸類、ハロゲンを含む化合物等が挙げられる。これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
前記モノカルボン酸としては、例えばプロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ツベルクロステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、グリコール酸等が挙げられる。
ジカルボン酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フマル酸、マレイン酸、酒石酸、ジグリコール酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸等が挙げられる。
また前記その他の有機酸としては、ダイマー酸、レブリン酸、乳酸、アクリル酸、安息香酸、サリチル酸、アニス酸、クエン酸、ピコリン酸、アントラニル酸等が挙げられる。
なおこれらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
前記非解離型活性剤としては、ハロゲン原子が共有結合により結合した非塩系の有機化合物が挙げられ、例えば塩素化物、臭素化物、ヨウ素化物、フッ化物のように塩素、臭素、ヨウ素、フッ素の各単独元素の共有結合による化合物でもよく、また2以上の異なるハロゲン原子を共有結合で結合する化合物でもよい。当該化合物は水性溶媒に対する溶解性を向上させるために、例えばハロゲン化アルコールのように水酸基等の極性基を有することが好ましい。当該ハロゲン化アルコールとしては、例えばジブロモブテンジオール、2,3−ジブロモプロパノール、2,3−ジブロモブタンジオール、1,4−ジブロモ−2−ブタノール、トリブロモネオペンチルアルコール等の臭素化アルコール;2−ブロモヘキサン酸等の臭化有機酸;1,3−ジクロロ−2−プロパノール、1,4−ジクロロ−2−ブタノール等の塩素化アルコール;3−フルオロカテコール等のフッ素化アルコール;その他のこれらに類する化合物が挙げられる。これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
前記溶剤としては、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、ヘキシルジグリコール、(2−エチルヘキシル)ジグリコール、フェニルグリコール、ブチルカルビトール、オクタンジオール、αテルピネオール、βテルピネオール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、トリメリット酸トリス(2−エチルヘキシル)、セバシン酸ビスイソプロピル及びマレイン酸ジブチル等を使用することができる。なおこれらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
本実施形態に係るフラックスには、添加剤として下記一般式(1)で表される化合物及び下記一般式(2)で表される化合物の少なくとも一方をフラックス全量に対して0.5質量%以上12質量%以下配合させることが好ましい。
当該添加剤の配合量がフラックス全量に対して0.5質量%未満の場合、はんだ接合部のボイド発生抑制効果を十分に発揮し得ない虞がある。また当該配合量が12質量%超の場合、これを用いて作成したソルダペーストの印刷性が低下する虞がある。
上記一般式(1)で表される化合物としては、例えばトリメチロールプロパン、トリメチロールエタン、ペンタエリトリトール、ジ(トリメチロールプロパン)及び2,2−ビス(ヒドロキシメチル)プロピオン酸が挙げられる。
また上記一般式(2)で表される化合物としては、例えば2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオールが挙げられる。
これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
本実施形態に係るフラックスには、チクソ剤を配合することができる。当該チクソ剤としては、例えば水素添加ヒマシ油、飽和脂肪酸アミド、飽和脂肪酸ビスアミド類、オキシ脂肪酸類及びジベンジリデンソルビトール類等が挙げられる。なおこれらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。これらの中でも特に高級脂肪酸ビスアミドが好ましく用いられる。
本実施形態に係るフラックスには、酸化防止剤を配合することができる。当該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及びポリマー型酸化防止剤等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。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。当該ヒンダードフェノール系酸化防止剤としては、例えばIrganox245(BASFジャパン(株)製)等が挙げられる。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。
本実施形態に係るフラックスには、その他の添加剤として消泡剤、防錆剤、界面活性剤、熱硬化剤及びつや消し剤等を配合することができる。当該その他添加剤の配合量は、フラックス全量に対して10質量%以下、特に5質量%以下であることが好ましい。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。
しかし本実施形態に係るフラックスは、上記一般式(1)に表される化合物及び上記一般式(2)に表される化合物の少なくとも一方を所定量配合することにより、これを用いたソルダペーストで面積が25mm2以上のはんだ付けランド部を有する電子回路基板に電子部品をはんだ接合する場合であっても、はんだ接合部におけるボイド面積率を減少させることができる。
本実施形態に係るソルダペーストは、上記フラックスとはんだ合金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、例えば錫及び鉛を含む合金、錫及び鉛並びに銀、ビスマス及びインジウムの少なくとも1種を含む合金、錫及び銀を含む合金、錫及び銅を含む合金、錫、銀及び銅を含む合金、錫及びビスマスを含む合金等を用いることができる。またこれら以外にも、例えば錫、鉛、銀、ビスマス、インジウム、銅、亜鉛、ガリウム、アンチモン、金、パラジウム、ゲルマニウム、ニッケル、クロム、アルミニウム、リン等を適宜組合せたはんだ合金粉末を使用することができる。なお、上記に挙げた元素以外であってもその組合せに使用することは可能である。
また表1から3に記載の配合量にて上記各フラックスとSn−3Ag−0.5Cuはんだ合金粉末(粒径20μmから38μm)とを混合し、実施例1から16及び比較例1から7に係る各ソルダペーストを作製した。
なお、特に記載のない限り、表1から3に記載の数値は質量%を意味するものとする。
5.9mm×5.9mmのCuランド部(はんだ付けランド部)を形成した電子回路基板(FR−4基板、OSP処理)と、当該Cuランド部に対応するメタルマスク(厚さ:150μm)とを用意した。
印刷機(製品名:SP60P−L、パナソニック(株)製)と上記メタルマスクを用い、実施例及び比較例に係る各ソルダペーストを各電子回路基板上に印刷した。
次いでソルダペーストを印刷した各電子回路基板上にQFNチップ部品(上記ランドサイズに対応、電極:Snめっき)を各4つ載置し、これらをリフロー炉(製品名:TNP40−577PH、(株)タムラ製作所製)を用いて加熱して、はんだ接合体を有する各電子回路実装基板を作製した。この際のリフロー条件は、プリヒートを150℃から200℃で70秒間から90秒間、ピーク温度を230℃から240℃とし、220℃以上の時間を25秒間から35秒間酸素濃度は1,000ppm±200ppmに設定した。
作製した各電子回路実装基板に形成されたはんだ接合部について、電子部品側からX線装置(製品名:NLX−5000、名古屋電機工業(株)製)を用いてこれを観察し、最大ボイド面積率(%)と平均ボイド面積率(%)とを算出した。
そして、QFNチップ部品毎に、以下の計算式にてボイド面積率を算出した。
ボイド面積率=100×「ボイドの面積」/「はんだ接合部が形成された面積」
・最大ボイド面積率(%)
上記計算式にて算出したボイド面積率について、各電子回路実装基板において最大の値を示したボイド面積率(最大ボイド面積率(%))を以下の基準で評価した。その結果を表4から6に示す。
○:最大ボイド面積(%)が27%以下
△:最大ボイド面積(%)が27%超33%未満
×:最大ボイド面積(%)が33%以上
上記計算式にて算出したボイド面積率について、各電子回路実装基板における平均ボイド面積率(%)(各QFNチップ部品におけるボイド面積率の和/4(QFNチップ部品数))を算出し、以下の基準で評価した。その結果を表4から6に示す。
○:平均ボイド面積率(%)が27%以下
△:平均ボイド面積率(%)が27%超33%未満
×:平均ボイド面積率(%)が33%以上
5.9mm×5.9mmのCuランド部(はんだ付けランド部)を形成した電子回路基板(FR−4基板、OSP処理)と、当該Cuランド部に対応するメタルマスク(厚さ:150μm)とを用意した。
印刷機(製品名:SP60P−L、パナソニック(株)製)と上記メタルマスクを用い、実施例及び比較例に係る各ソルダペーストを各電子回路基板上に印刷し、印刷パターンのかすれの有無を確認し、以下の通り評価した。その結果を表4から6に示す。
なお、印刷時の条件はスキージ速度:30mm/秒、版離れ速度:10mm/秒とした。
○:かすれなし
×:かすれあり
特にヒドロキシメチル基を3つ以上有するトリメチロールプロパン、トリメチロールエタン及びペンタエリトリトールジ(トリメチロールプロパン)を添加剤として配合した実施例1から4及び7から16は最大ボイド面積率及び平均ボイド面積率をより低減し得ることが分かる。またこの中でも、ヒドロキシメチル基を3つ以上有する化合物の配合量がフラックス全量に対して1質量%以上6質量%の範囲である実施例8から12及び16は特に最大ボイド面積率及び平均ボイド面積率を低減し得る。
一方、比較例1から5に係るソルダペーストは最大ボイド面積率も平均ボイド面積率も高い数値を示していることが分かる。特に比較例2から4の場合、ヒドロキシメチル基を2つ有してはいるものの第3級アルコールであるグリセロール、有するヒドロキシメチル基が1つである1,2−ドデカンジオール、ヒドロキシメチル基を2つ有してはいるものの沸点が220℃未満であるネオペンチルグリコールを添加剤として使用しているため、実施例と比較して最大ボイド面積率及び平均ボイド面積率を低減し得ないことが分かる。
またヒドロキシメチル基を3つ以上有する化合物を12質量%添加した比較例6及び7は、ソルダペーストの印刷性が低下することが分かる。
Claims (7)
- 上記一般式(1)で表される化合物はトリメチロールプロパン、トリメチロールエタン、ペンタエリトリトール、ジ(トリメチロールプロパン)及び2,2−ビス(ヒドロキシメチル)プロピオン酸から選ばれる少なくともいずれかであり、上記一般式(2)で表される化合物は2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオールであることを特徴とする請求項1に記載のフラックス。
- 上記一般式(1)で表される化合物及び下記一般式(2)で表される化合物の少なくとも一方の配合量は、フラックス全量に対して1質量%以上6質量%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のフラックス。
- 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。
- 面積が25mm2以上のはんだ付けランド部を有する電子回路基板に用いられることを特徴とする請求項4に記載のソルダペースト。
- 請求項4または請求項5に記載のソルダペーストを電子回路基板上に印刷し、
前記ソルダペーストを印刷した前記電子回路基板上に電子部品を載置し、
前記電子部品を載置した前記電子回路基板を所定の温度でリフローすることで、前記電子回路基板上に前記ソルダペーストから形成され前記電子部品と前記電子回路基板とを接合するはんだ接合体を形成することを特徴とする電子回路実装基板の製造方法。 - 請求項6に記載の電子回路実装基板を有することを特徴とする電子制御装置。
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