JP2609391B2 - 水溶性はんだペーストとはんだ付け方法 - Google Patents

水溶性はんだペーストとはんだ付け方法

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は部品を基板にはんだ接続
するのに使用されるタイプの水溶性はんだペーストに関
する。
【０００２】
【従来の技術】電子工業分野では、表面実装部品（すな
わち、回路板の主要面上の複数個のメタライズ領域にリ
ードまたはパッドを直接接触させて実装される部品）を
使用する傾向がますます顕著になってきている。このよ
うな表面実装部品を回路板にはんだ接続するために、部
品のリード／パッドのパターンに対応するパターンに配
列されたメタライズ領域上に多量のはんだペーストを堆
積する。はんだペーストの堆積後、各部品を回路板上に
配置し、部品のリード／パッドを回路板上の対応するは
んだペースト塗布メタライズ領域に接触させる。その
後、はんだペーストを、オーブンまたはその他の手段に
より（例えば、回路板を加熱することにより）リフロー
させ、部品を回路板に接続する。
【０００３】現在、表面実装部品のはんだ接続には、
“ＲＭＡ”タイプのはんだペーストが広く使用されてい
る。一般的に、このタイプのペーストはロジン系フラッ
クスとはんだ粉末からなる。はんだ粉末は１種類以上の
レオロジー変性剤（チキソトロープ剤）と共に溶剤中に
溶解されている。
【０００４】ＲＭＡタイプのはんだペーストは広く使用
されているが、このようなペーストは通常、ペーストリ
フロー後に回路板上にロジン残留物を残す。大抵の場
合、このような残留物は審美的理由または回路板の試験
性向上のために除去しなければならない。運悪く、ペー
ストリフロー後に残るロジン残留物は、強力な溶剤（例
えば、望ましくないクロロフロロカーボンまたはハロゲ
ン化炭化水素）を使用しなければ、除去するのが極めて
困難である。
【０００５】ＲＭＡペーストの使用により残る残留物の
洗浄困難性を排除する努力が続けられた結果、現在、米
国特許第４４６０４１４号および同第４８７２９２８号
明細書に開示されているような水溶性はんだペーストが
開発されている。その名前が意味するように、水溶性ペ
ーストは水に可溶性であり、回路板上に残るはんだペー
スト残留物を、水または水と緩和な洗剤との混合物によ
りはんだ付け後に洗浄することができる。水溶性はんだ
ペーストは、ロジン系フラックスの代わりに、水溶性フ
ラックス（例えば、グリコールビヒクルにより溶解され
る酸および／またはアミン活性剤）を含有する点で、Ｒ
ＭＡペーストと異なる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】水溶性はんだペースト
は、はんだ付後のペースト残留物を除去するために強力
な溶剤を使用する必要性を排除するが、水溶性フラック
スはそれ自体の欠点を被る。現在使用されている水溶性
ペースト内の水溶性フラックスは必ずグリコールビヒク
ルを含有している。ペーストのリフロー中に、本質的に
ポリマー母材である回路板は一般的に、そのガラス転移
温度Ｔg 付近まで加熱され、その結果、ペースト中のフ
ラックスのグリコール分子は回路板の表面内に浸透す
る。回路板が冷えると、グリコール分子は回路板の表面
内に閉じ込められるようになる。
【０００７】閉じ込められた親水性グリコール分子は大
気中の水分子を回路板表面に引き付ける。回路板表面に
引き付けられた水分子は回路板の表面絶縁抵抗（ＳＩ
Ｒ）を低下する傾向がある。回路板のＳＩＲ低下は望ま
しくない。なぜなら、ＳＩＲの低下は、回路板上に配置
された特定の電子部品の入力インピーダンスに悪影響を
及ぼすからである。この理由により、多くのエレクトロ
ニクス製造業者らは水溶性ペーストを容易に採用しなか
った。特に、高いＳＩＲが要求される用途については水
溶性ペーストの使用に極めて慎重であった。
【０００８】従って、本発明の目的は、水および／また
は洗浄剤で洗い流すことができ、しかも、回路板のＳＩ
Ｒに悪影響を与えない水溶性はんだペーストを提供する
ことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、水溶性
であり、しかも、水洗後も回路板のようなポリマー母材
基板の表面絶縁性を劣化しないはんだペーストが提供さ
れる。本発明のペーストは、水溶性フラックス（グリコ
ールビヒクルと少なくとも１種類の活性剤を含有す
る）、はんだ粉末、疎水性界面活性剤および溶剤からな
る。この溶剤はフラックスと界面活性剤を溶解し、はん
だ粉末と共にこれらを基板表面に送る。グリコール分子
が基板表面に吸着され、更に閉じ込められることを防止
するために、ペースト内のフラックスのグリコールビヒ
クルよりも優先的に基板表面に吸着される疎水性界面活
性剤（一般的に、モノ−，ジ−，またはトリ−アルキル
若しくはアリールホスフェートエステルからなる）が選
択される。グリコール分子が閉じ込められることを防止
することにより、基板のＳＩＲは、水で濯いだ後でも、
高い値を維持する。
【００１０】
【実施例】本発明は、表面実装部品を回路板の主要面に
結合させるための、回路板または同様な支持体に使用す
る水溶性はんだペーストに関する。更に詳細に説明すれ
ば、本発明のペーストは水溶性であり、ペースト残留物
は水および／または洗浄剤で回路板から洗い落とすこと
ができ、更に、本発明のペーストは回路板のＳＩＲを低
下させない。
【００１１】本発明のペーストは、水溶性フラックス
（グリコールビヒクルおよび活性剤を含有する）、はん
だ粉末、疏水性界面活性剤（この界面活性剤はフラック
ス中のグリコールよりも優先的に基板表面に吸着され
る）、およびフラックスと界面活性剤をはんだ粉末と共
に回路板に搬送するための溶剤からなる。更に、１種類
以上のレオロジー変性剤（チキソトロープ剤）をペース
トに添加することもできる。
【００１２】本発明のフラックス中のはんだ粉末は常用
のはんだ合金（錫／鉛）からなる。例えば、このはんだ
粉末はペーストの少なくとも７０wt％、最高でも９５wt
％を構成する。
【００１３】ペースト中の水溶性フラックスはポリエチ
レングリコール（またはこれらの混合物）および１種類
以上の活性剤からなる。活性剤はアミン、有機酸（例え
ば、クエン酸、酒石酸、グリコール酸など）またはアミ
ンヒドロハライド（例えば、ジエタノールアミンヒドロ
クロリド）などである。例えば、活性剤はフラックスの
重量を基準にして正確に０．５〜１０wt％からなる。ア
ミン、有機酸およびアミンヒドロクロリドの一般的な添
加量範囲はそれぞれ、０〜２０wt％、０〜２０wt％およ
び０〜５wt％である（この添加量は、はんだ粉末を含ま
ずに測定された各活性剤成分の全ての重量百分率であ
る）。フラックスの残りはポリエチレングリコールであ
る。
【００１４】前記のように、プリント配線板は通常、ポ
リマー母材からなり、ハンダ付けの操作中に母材のガラ
ス転移温度Ｔｇ以上に加熱される。常用の水溶性フラッ
クスをハンダ付け操作中に回路板に塗布した場合、フラ
ックス中の若干の親水性ポリグリコール分子は、回路板
がＴｇ以上に加熱された時に形成された回路板の母材中
の隙間を埋める傾向がある。回路板が冷却されると、親
水性ポリグリコール分子は、たとえ洗浄したとしても、
回路板の母材中に取り込まれ、そのまま残留するように
なる。取り込まれた親水性ポリグリコール分子は高湿度
条件下で、回路板の表面に水を引き付けやすく、その結
果、回路板のＳＩＲを低下する。
【００１５】この結果を避けるために、本発明のフラッ
クスは都合良く、モノ，ジ，トリ−アルキルまたはアリ
ールホスフェートエステルの何れか（またはこれらの混
合物）からなる疎水性界面活性剤を含有する。これらの
界面活性剤はフラックス中のグリコールビヒクルよりも
優先的に回路板に吸着される。
【００１６】一般的に、界面活性剤の疎水性基は次の群
のうちの一つから選択される。 (a) アルキル鎖の分子量が４８超である、アルキル基含
有直鎖または分枝鎖炭素鎖； (b) アリール鎖の分子量が１８９超である、アリール鎖
含有直鎖または分枝鎖炭素鎖； (c) １個以上のポリエチレンオキサイドまたはポリプロ
ピレンオキサイド鎖によりホスフェート基に結合された
直鎖または分枝鎖疎水性基（アルキルおよび／またはア
リール基）。ポリエチレンオキサイド鎖の場合、その結
合は最小に維持されなければならず、アルキルおよびア
リール基の鎖は、前記のように、４８および１８９より
も多くなければならない。ポリプロピレンオキサイドの
場合、それぞれ４８および１８９の最小分子量を有する
アルキルまたはアリール基について５グリコール単位以
下であることができる。ポリプロピレンオキサイド鎖が
増大すると、同じＳＩＲレベルを維持するために、対応
してアルキルまたはアリール鎖の大きさも増大しなけれ
ばならない。
【００１７】フラックスが金属粉末以外にペースト中に
存在する全てである場合、疎水性界面活性剤の配合量は
フラックスの重量を基準にして、０．５〜１５wt％の範
囲内で選択される。正確な配合割合は、界面活性剤の疎
水性、所望のＳＩＲレベルおよびレオロジー、印刷適
性、耐スランプ性ならびにリフロー特性などのようなペ
ーストのその他の特性により決定される。
【００１８】本発明で使用できる市販の疎水性界面活性
剤の具体例を下記に列挙する。 商 品 名 販 売 者 性 状 CRODAFOS N3 クロタ゛ ケミカル社 ３５〜４５％のモノホスフェートエステ ル と５０〜６０％のジホスフェートエステル と の混合物。疏水鎖は３個のエチレンオキサ イ ド基の鎖によりホスフェート基に結合され た Ｃ18基からなる。 CRODAFOS CAP クロタ゛ ケミカル社 ７５％のモノホスフェートエステルと２５ ％ のジホスフェートエステルとの混合物。疏 水 鎖は１０個のエチレンオキサイド基の鎖に よ りホスフェート基に結合されたＣ16基から な る。 EMPHOS PS 400 ウイトコ ケミカル 社 Ｃ8 −Ｃ10アルキルホスフェート混合物 MONOFAX 939 モナ インタ゛ストリ-社 脂肪族ホスフェート混合物 ANTARA LE 900 ロ-ヌ-フ゜-ラン社 ホスフェートエステル混合物 GAFAC RS 410 ロ-ヌ-フ゜-ラン社 ポリ（オキシ−１，２−エタンジイル）− α −トリデシル−Ω−ヒドロキシホスフェー ト
【００１９】CRODAFOS, EMPHOS, GAFAC, MONAFAXおよび
ANTARAブランドの界面活性剤は下記のメーカーから市販
されている。 CRODAFOS ニューヨーク州、ニューヨークに所在のクロ
ダ(Croda) ケミカル社 EMPHOS ニューヨーク州、ニューヨークに所在のウイ
トコ(Witco) ケミカル社 MONAFAX ニュージャージー州、パターソンに所在のモ
ナ(Mona)インダストリー社 ANTARAおよびGAFAC ニュージャージー州、プリンスト
ンに所在のローヌプーラン(Rhone-Poulenc) 社
【００２０】実施例１ 疎水性界面活性剤（ＣＲＯＤＡＦＯＳ ＣＡＰ）と市販
の水溶性ペースト（東京に所在のセンジュ金属により製
造されたセンジュNo. ５０６Ａ）５wt％、１０wt％およ
び１５wt％（ペーストの重量基準）を混合することによ
り本発明の水溶性ペーストを調製した。センジュペース
トは少なくとも７０wt％のはんだ粉末、０．５〜１０wt
％の活性剤からなるものと思われ、残りは溶剤中に溶解
されたビヒクル（例えば、ポリグリコール）であると思
われる。一般的に、組成未公表のレオロジー変性剤およ
びその他の薬剤なども少量存在する。
【００２１】標準的なデザインの回路板試験片にペース
トを印刷することにより前記ペーストのＳＩＲ特性を測
定した。この試験片を密閉オーブン中で加熱および加湿
（３５℃，９０％ＲＨ）し、一方、この試験片のペース
ト塗布メタライズ領域に約１００ボルトの試験電圧を印
加した。結果を下記に要約して示す。
【００２２】 疎水性界面活性剤 平均ｌｏｇ10ＳＩＲ 添加量（wt％） ２４時間 ４８時間 ０ ８．２ ８．０ ５ １０．１ ９．９ １０ １０．５ １０．３ １５ １０．５ １０．３ 対照試験片 ９．９ １０．０
【００２３】センジュ ５０６Ａ水溶性フラックスに疎
水性界面活性剤を添加することにより、回路板試験片の
ＳＩＲは、疎水性界面活性剤を含有しないペーストが塗
布された試験片に比べて劇的に増大した。
【００２４】実施例２ 疎水性界面活性剤（ＣＲＯＤＡＦＯＳ ＣＡＰ）と市販
の水溶性ペースト、Ｋｅｓｔｅｒ Ｎｏ．ＲＳ７２（ケ
スターメタル社製）５wt％、１０wt％および１５wt％
（ペーストの重量基準）と混合することにより本発明の
水溶性ペーストを調製した。ケスターペーストは少なく
とも７０wt％のはんだ粉末、０．５〜１０wt％の活性剤
からなるものと思われ、残りは、溶剤中に溶解されたビ
ヒクル（例えば、ポリエチレングリコール）であると思
われる。一般的に、組成未公表のレオロジー変性剤およ
びその他の薬剤なども少量存在する。
【００２５】標準的なデザインの回路板試験片にペース
トを印刷することにより前記ペーストのＳＩＲ特性を測
定した。この試験片を密閉オーブン中で加熱および加湿
（３５℃，９０％ＲＨ）し、一方、この試験片のペース
ト塗布メタライズ領域に約１００ボルトの試験電圧を印
加した。結果を下記に要約して示す。
【００２６】 疎水性界面活性剤 平均ｌｏｇ10ＳＩＲ 添加量（wt％） ２４時間 ４８時間 ０ ９．１ ７．９ ５ ９．４ ８．４ １０ ８．４ ８．２ １５ ８．８ ８．３ 対照試験片 ８．９ ８．８
【００２７】疎水性界面活性剤が添加されたケスターペ
ーストのＳＩＲ測定値はセンジュペーストのＳＩＲ測定
値よりも若干劣るが、疎水性界面活性剤を含有するペー
ストの４８時間後のＳＩＲ値は疎水性界面活性剤を含有
しないペーストのＳＩＲ値よりも遥かに優れている。
【００２８】実施例３ 疎水性界面活性剤（ＣＲＯＤＡＦＯＳ ＣＡＰ）と市販
の水溶性ペースト、Ａｌｐｈａ Ｎｏ．ＷＳ１１９５
（アルファメタル社製）５wt％、１０wt％および１５wt
％（ペーストの重量基準）と混合することにより本発明
の水溶性ペーストを調製した。アルファペーストは少な
くとも７０wt％のはんだ粉末、０．５〜１０wt％の活性
剤からなるものと思われ、残りは、溶剤中に溶解された
ビヒクル（例えば、ポリエチレングリコール）であると
思われる。一般的に、組成未公表のレオロジー変性剤お
よびその他の薬剤なども少量存在する。
【００２９】標準的なデザインの回路板試験片にペース
トを印刷することにより前記ペーストのＳＩＲ特性を測
定した。この試験片を密閉オーブン中で加熱および加湿
（３５℃，９０％ＲＨ）し、一方、この試験片のペース
ト塗布メタライズ領域に約１００ボルトの試験電圧を印
加した。結果を下記に要約して示す。
【００３０】 疎水性界面活性剤 平均ｌｏｇ10ＳＩＲ 添加量（wt％） ２４時間 ４８時間 ０ ７．１ ７．０ ５ ７．３ ７．２ １０ ７．３ ７．１ １５ ７．３ ７．２ 対照試験片 ８．９ ８．８
【００３１】アルファペーストのＳＩＲ測定値は、疎水
性界面活性剤を含有しないペーストに比べて、疎水性界
面活性剤含有ペーストのうちでは僅かな増加しか示さな
かった。
【００３２】センジュ、ケスターおよびアルファペース
トについてＳＩＲ測定値がそれぞれ異なる理由は十分に
解明されていない。推測で説明すれば、このような相違
はペースト中に存在する疎水性界面活性剤の表面自由エ
ネルギーによるものと思われる。表面上における物質の
割合および吸着は、吸着過程で発生する自由エネルギー
の変化により左右される。吸着された時に最低の自由エ
ネルギーを発生する物質は優先的に吸着される物質であ
る。本発明によれば、親水性界面活性剤よりも優先的に
吸着されるために、粉末はんだ含有水溶性ペーストと水
溶性フラックス（一般的に、ポリエチレングリコールの
ような親水性界面活性剤を含有する）に疎水性界面活性
剤を添加する。
【００３３】各ペースト中の物質の特性に応じて、疎水
性界面活性剤の優先吸着も上手くいく場合と、上手くい
かない場合とがある。センジュペーストでは、本発明の
疎水性界面活性剤はペースト中の親水性界面活性剤より
も優先的に吸着することに完全に成功したが、ケスター
ペーストでは、疎水性界面活性剤は優先吸着に極僅かし
か成功しなかった。アルファペーストの場合、疎水性界
面活性剤よりも低い表面自由エネルギーを発生する本来
の親水性界面活性剤がペースト中に存在するので、親水
性界面活性剤が優先吸着に一層の成功をおさめたものと
思われる。
【００３４】水溶性ではあるが、高ＳＩＲ値をもたらす
はんだペーストについて説明した。このような高ＳＩＲ
値は、ペースト中に存在する全ての親水性界面活性剤よ
りも優先的に吸着される疎水性界面活性剤がペースト中
に存在することにより得られる。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のフラック
スは、水溶性ビヒクルを含有するので水または洗浄剤に
より回路板から容易に洗浄除去することができる。ま
た、好都合なことに、回路板表面により優先的に吸着さ
れ、表面を疎水性にする疎水性界面活性剤がフラックス
中に配合されているので、本発明のフラックスは回路板
のＳＩＲを殆ど劣化しない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン アール モリス アメリカ合衆国 08512 ニュージャー ジー クランベリー、プライオリー ロ ード 11 (72)発明者 グレゴリー シー ムニー アメリカ合衆国 60565 イリノイ ネ ーパーヴィル、ペン コート 1755 (56)参考文献 特開 昭63−140792（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−137195（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−242790（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−88386（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 はんだ粉末と、少なくとも１種類の水溶
    性ビヒクルと活性剤を含有する水溶性フラックスと、界面活性剤と、 前記 水溶性フラックスと前記界面活性剤を溶解する溶剤
    からなり、 基板に部品をはんだ結合し、基板への親水性物質の吸着
    を防止することにより基板がはんだ付け後も高い表面絶
    縁抵抗（ＳＩＲ）を維持できるようにする水溶性はんだ
    ペーストであって、前記界面活性剤 は、モノ−、ジ−、トリ−アルキルおよ
    び−アリールホスフェートエステルならびにこれらの混
    合物からなる群から選択され、基板の表面に前記水溶性
    ビヒクルよりも優先的に吸着され、基板表面を疎水性に
    するものであることを特徴とする水溶性はんだペース
    ト。
  2. 【請求項２】 前記界面活性剤はアルキル鎖の分子量が
    ４８よりも大きいアルキル基を含有する直鎖または分枝
    鎖炭素化合物からなる群から選択される請求項１の水溶
    性はんだペースト。
  3. 【請求項３】 前記界面活性剤はアリール鎖の分子量が
    １８９よりも大きいアリール基を含有する直鎖または分
    枝鎖炭素化合物からなる群から選択される請求項１の水
    溶性はんだペースト。
  4. 【請求項４】 前記界面活性剤は、ポリプロピレンオキ
    シドおよびポリエチレンオキシドからなる群から選択さ
    れる１個のオキシドによりホスフェート基に結合されて
    いるアルキル基またはアリール基を含有する直鎖または
    分枝鎖炭素鎖からなる群から選択される炭素鎖を含むも
    のである請求項１のフラックス。
  5. 【請求項５】 前記界面活性剤はフラックスの重量を基
    準にして０．５〜１４wt％からなる請求項１の水溶性は
    んだペースト。
  6. 【請求項６】 はんだ粉末、水溶性ビヒクルにより運ば
    れる活性剤を含有する水溶性フラックスおよび水溶性フ
    ラックスが溶解される溶剤からなる水溶性はんだペース
    トをプリント配線板上の金属化領域に印刷するステップ
    と、 部品の各導電性部材が配線板上の対応するペースト塗布
    金属化領域に接触するように部品を配置するステップ
    と、 ペーストをリフローして部品の導電性部材を配線板上の
    対応する金属化領域に結合させるステップと、 ペーストリフロー後に配線板を水性洗浄し、配線板上の
    ペースト残留物を全て除去するステップとからなる、 部品の導電性部材をプリント配線板上の対応する金属化
    領域にはんだ付けし、基板に親水性物質が吸着されるこ
    とを効果的に防止することにより基板が高い表面絶縁抵
    抗（ＳＩＲ）を維持できるようにする方法であって、 前記ペーストは、回路板により前記水溶性ビヒクルより
    も優先的に吸着される、モノ−、ジ−、トリ−アルキル
    および−アリールホスフェートエステルならびにこれら
    の混合物からなる群から選択される界面活性剤を更に含
    有することを特徴とするはんだ付け方法。
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