JP4063271B2 - 半田ペーストおよび半田付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品を基板に半田付けするために用いられる半田ペーストおよびこの半田ペーストを用いた半田付け方法に関するものである。

電子部品を基板に実装する方法として、半田付けによる方法が広く用いられている。実装される電子部品がファインピッチ部品で半田接合部の半田量が小さい場合や、使用される半田材料自体の強度が低く十分な接合強度を確保することが難しい場合には、半田接合部を補強樹脂によって補強する半田付け方法が採用される。

補強樹脂としてはエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が使用される場合が多いが、この補強樹脂を硬化させるためのキュア工程を半田接合のためのリフロー工程と同一工程で行うことができれば工程簡略化を図ることができ好都合である。このため、電子部品の基板への実装において電子部品搭載に先立って、補強樹脂を形成する熱硬化性樹脂を含む接合材料を予め実装位置に塗布する、いわゆる「樹脂先塗り」が採用される場合があり、このような工法において使用される半田接合材料として、熱硬化性樹脂を含有した熱硬化型フラックスや、熱硬化型フラックスに半田粉末を予め混入した半田ペーストが提案されている（例えば特許文献１参照）。このような半田ペーストを用いることにより、別途半田材料を供給することなく、同一工程で電極間の半田接合と補強樹脂の形成が同時に行えるという優れた利点がある。
特開２００１−２１９２９４号公報

ところで近年部品実装分野においては環境保護の観点から鉛フリー化が進み、従来主に用いられていた錫鉛共晶半田に替えて、鉛を成分として含まない鉛フリー半田が用いられるようになっている。このような鉛フリー半田の中で、許容加熱温度が低い低耐熱性部品を対象とする半田付けにおいては、融点が低い錫−ビスマス系の半田を採用する場合がある。このとき、錫−ビスマス系の半田は半田接合部が脆く衝撃に対して弱いという強度特性を有しているため、部品実装後の接合信頼性を確保するためには半田接合部を補強樹脂によって補強する必要がある。この場合には、工程簡略化の面から上述の特許文献例に示すような半田ペーストを用いることが望ましい。

しかしながら上述の熱硬化型フラックスに半田を混入した半田ペーストには、フラックス中に含有される活性剤成分に起因して、リフロー過程において正常な半田接合部を形成することが難しいという問題点があった。すなわち、フラックス中には半田表面の酸化膜を除去して半田濡れ性を改善するために活性剤が含まれているが、この活性剤は熱硬化製樹脂の熱硬化反応を促進させる硬化剤としての作用を併せ有している。

活性剤成分はペースト状のフラックス中に固形粒子として含有されており、材質固有の溶融温度まで加熱されると溶融して活性化し、半田ペースト中の半田に作用して酸化膜除去の活性作用を発揮する。従来の熱硬化性フラックスにおいては、酸化膜除去を十分に行わせるため、半田が未溶融の粒子状態の段階から活性剤を作用させることを意図して、半田の溶融温度に到達する以前に活性化するような温度特性を有する成分を含めて活性剤を選定していた。

このような活性剤が配合された半田ペーストを用いた半田付けでのリフロー過程におい
ては、加熱により半田ペースト中の半田が溶融する以前に、活性剤の作用によって熱硬化性樹脂の熱硬化反応が開始する。このため半田が溶融したタイミングにおいては熱硬化性樹脂は既にゲル化しており、溶融半田の流動がゲル化した熱硬化型フラックスによって妨げられてセルフアライメント効果が阻害され、溶融半田が接合対象の電極表面に十分に濡れ拡がらない事態が生じていた。このような事態を避けるため活性剤成分の含有量を少なくすると、活性作用不足のため半田濡れ性が低下して正常な半田付けができない事態を招く。このように、従来の熱硬化型フラックスを用いた半田ペーストには、活性剤成分に起因してセルフアライメント性が阻害され、半田付け不良を発生する場合があるという問題点があった。

そこで本発明は、セルフアライメント性の低下による半田付け不良を防止することができる半田ペーストおよびこの半田ペーストを用いた半田付け方法を提供することを目的とする。

本発明の半田ペーストは、錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、リフロー過程において前記半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、半田付け時の熱で活性化して前記半田の表面の酸化膜を除去する活性剤を含む半田ペーストであって、前記活性剤が、前記半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で活性化する。

また本発明の半田ペーストは、錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、リフロー過程において前記半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、半田付け時の熱で活性化して前記半田の表面の酸化膜を除去する活性剤を含む半田ペーストであって、前記活性剤が、前記半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で溶融する樹脂から成るカプセルに閉じこめられている。

本発明の半田付け方法は、電子部品の端子を基板の電極に半田付けする半田付け方法であって、錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、リフロー過程において前記半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、半田付け時の熱で活性化して前記半田の表面の酸化膜を除去し前記半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で活性化する活性剤とを含む半田ペーストを、前記端子と前記電極との間に介在させた状態で前記電子部品を基板に搭載する搭載工程と、前記半田ペーストを加熱することにより前記半田を溶融させ、その後溶融した半田の表面の酸化膜を活性化された前記活性剤によ
って除去し、その後熱硬化性樹脂を熱硬化させるリフロー工程と、前記リフロー工程の後、前記半田ペーストを冷却して半田を固化する冷却工程とを含む。

また本発明の半田付け方法は、電子部品の端子を基板の電極に半田付けする半田付け方法であって、錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、リフロー過程において前記半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、前記半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で溶融する樹脂から成るカプセルに閉じこめられ半田付け時の熱で活性化して前記半田の表面の酸化膜を除去する活性剤とを含む半田ペーストを、前記端子と前記電極との間に介在させた状態で前記電子部品を基板に搭載する搭載工程と、前記半田ペーストを加熱することにより前記半田を溶融させ、その後前記カプセルを溶融させて前記活性剤を溶け出させ、溶融した半田の表面の酸化膜を前記活性剤によって除去し、その後熱硬化性樹脂を熱硬化させるリフロー工程と、前記リフロー工程の後、前記半田ペーストを冷却して半田を固化する冷却工程とを含む。

リフロー過程において半田粒子と半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と活性剤とを含む半田ペーストにおいて、活性剤として半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で活性化するような物質を選定し、もしくは活性剤を半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で溶融する樹脂から成るカプセルに閉じこめた状態で配合することにより、活性剤の活性作用によって硬化して既にゲル化した熱硬化性樹脂によって溶融半田の流動が妨げられることによるセルフアライメント性の低下を防止することができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の半田付け方法による電子部品実装方法の工程説明図、図２は本発明の実施の形態１の半田接合構造の断面図、図３は本発明の実施の形態１の半田付け方法における半田流動過程の説明図、図５は従来の半田ペーストを用いた半田付け方法における不具合例の説明図である。

まず図１を参照して電子部品実装方法について説明する。この電子部品実装方法は、電子部品の端子を基板に形成された電極に半田付けすることにより、この電子部品を基板に実装するものである。図１（ａ）において、基板１には回路電極２（以下、単に「電極２」と略記する）が形成されている。電極２には、基板１に実装される電子部品の端子がそれぞれ半田接合により接続される。電子部品の搭載に先立って、まず図１（ｂ）に示すように、電極２の上面には半田ペースト３が塗布される。半田ペースト３の塗布には、スクリーン印刷やディスペンサによって塗布する方法などが用いられる。

ここで電子部品を基板に半田接合により実装するために用いられる半田ペースト３について説明する。半田ペースト３は、熱硬化性樹脂に活性剤を配合することにより半田の酸化膜を除去する活性作用を付与した熱硬化型フラックスに、半田粒子を含む金属成分を混入してペースト状とした構成となっている。

ここで半田としては、鉛成分を含まないいわゆる鉛フリー半田が採用されており、極力加熱温度を低く設定することが望まれる低耐熱性の部品をも半田付けの対象とすることができるよう、低融点のＳｎ（錫）−Ｂｉ（ビスマス）系の半田（液相線温度１３９℃）が選定されている。Ｓｎ−Ｂｉ系の半田については、Ａｇ（銀）を１ｗｔ％〜３ｗｔ％の配合比で加えることにより、半田強度を向上させることができる。そしてこれらの半田は、粒子状のものが半田ペースト中に７０ｗｔ％〜９２ｗｔ％の範囲の配合比で含有される。

なお、金属成分として、半田の粒子以外に、純度９０％以上のＡｇ（銀）、パラジウム（Ｐｄ）、Ａｕ（金）などの金属を箔状にした金属粉を、０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％の配合比で混入することにより、半田接合性を向上させることができる。すなわち上述の金属は、使用される半田に対する濡れ性がよく、且つこの半田の融点よりも高い融点を有し、大気中で表面に自然酸化膜を生じにくい性質を有していることから、リフローによる半田接合過程において、半田粒子が溶融した流動状態の半田はこれらの金属粉の表面に沿って濡れ拡がる。これにより、後述するように、これらの金属粉が核となって溶融半田を凝集させるという効果を有している。

ここでいう金属粉には、核となる金属の表面を半田に対する濡れ性がよく且つこの半田の融点よりも高い融点を有する金属でコーティングしたものも含むものとする。例えば、核となる錫の表面を純度９０％以上の金、銀、パラジウムのいずれかで覆った金属粉でもよく、少なくとも表面が、半田に対する濡れ性がよく且つこの半田の融点よりも高い融点を有する金属で構成された金属粉であればよい。

次に熱硬化型フラックスについて説明する。本実施の形態に示す熱硬化型フラックスは、使用される半田の融点（ここでは１３９℃）よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂および可塑剤としての固形樹脂を含有している。本実施の形態１に示す例においては熱硬化性樹脂としてエポキシ系を用いており、エポキシ樹脂を成分とする主剤、この主剤を熱硬化させる硬化剤より構成される。硬化剤としては、熱に鈍感で硬化反応が緩やかな液状硬化剤と、急激に硬化反応を促進させる固形硬化剤とがあり、両者を併用する場合が多い。
固形樹脂は、常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有しており、後述するようにリフロー過程におけるフラックス成分の流動性を増加させるとともに、リフロー後に冷却された状態において固化することにより、熱硬化した熱硬化性樹脂とともに半田接合部を補強する機能を有する。

次に上記基本組成における各成分の種類および配合比を説明する。まず主剤としては、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（３０ｗｔ％〜４５ｗｔ％）、液状硬化剤として、メチルテトラヒドロ無水フタル酸（３０ｗｔ％〜４５ｗｔ％）、固形硬化剤として、２−フェニル４−メチル５−ヒドロキシメチルイミダゾール（１ｗｔ％〜２ｗｔ％）、可塑剤として、アルキルフェノール変性キシレン樹脂（２ｗｔ％〜２０ｗｔ％）、溶剤として、ブチルカルビトール（０ｗｔ％〜５ｗｔ％）をそれぞれ含有している。

ここで、熱硬化型フラックスに配合される活性剤について説明する。本実施の形態１においては、活性剤として、半田酸化膜を除去する活性作用を有する固形物質であって、活性化する温度、すなわち固形物質が液状に変化する融点が半田の融点以上であるような物質が選定される。ここで、活性剤として選定される物質は単一種には限られず、複数種の物質を組み合わせて用いてもよく、合わせて３ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲の含有量で熱硬化型フラックス中に配合される。

活性剤は固形粒子状態で半田ペースト３中に含有されており、常温では活性作用を及ぼさず、リフロー過程において固有の溶融温度まで加熱されることにより溶融して活性化し、半田ペースト３中の半田の表面の酸化膜を除去する活性作用を発揮する。このとき活性剤は半田ペースト３中の熱硬化性樹脂にも作用して熱硬化樹脂の硬化反応を促進する性質を有しており、リフロー過程において活性剤が溶融した後には半田の酸化膜除去と熱硬化性樹脂の硬化とが同時並行的に進行する。

この熱硬化反応の開始時期が半田溶融タイミングに対して早すぎる場合には、リフロー過程における溶融半田の流動を妨げて、溶融半田が端子や電極などの半田付け部位に濡れ拡がるセルフアライメント作用を阻害する。このため、本実施の形態１に示す半田ペースト３では、活性剤として、半田の融点以上の温度で活性化するような温度特性を有する活性剤を用いており、ここでは（表１）〜（表４）に示す物質群から活性剤が選定される。これらの物質は、活性作用を有する固形物質であって、融点（活性化する温度）が、半田の融点（ここではＳｎ−Ｂｉ系半田の液相線温度１３９℃）以上であるような物質であり、（表１）〜（表４）では、このような条件を満たす物質が、融点の低い順に列挙されている。

上記各表に示す物質群から、活性剤として用いられる物質を選定するに際しては、以下に説明するように、リフロー過程における温度プロファイルとの関連が考慮される。すな
わち、熱硬化型フラックスに半田粒子を混入した半田ペーストを用いる半田付けにおいては、リフロー時の加熱によって半田を溶融させて半田接合部を形成するとともに、熱硬化性樹脂を熱硬化させて樹脂補強部を形成することから、温度プロファイルとしては、まず半田の融点まで昇温させて半田を溶融させた後に、熱硬化性樹脂の硬化温度まで昇温させるパターンが採用される。

例えば本実施の形態１に示す半田ペースト３においては、半田として低融点型のＳｎ−Ｂｉ系半田を、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いていることから、まずＳｎ−Ｂｉ系半田の液相線温度１３９℃まで昇温させ、この後エポキシ樹脂の硬化温度（ここでは固形硬化剤として、２−フェニル４−メチル５−ヒドロキシメチルイミダゾールを用いており、１９３℃）を超える温度まで昇温させる。

ここで、活性剤は熱硬化性樹脂が硬化して流動性を失わないうちに溶融させて半田の表面に接触させる必要があることから、活性剤の融点が半田の融点以上であって熱硬化性樹脂の硬化温度以下となるように、活性剤が選定される。例えば本実施の形態１に示す半田ペースト３においては、融点が１４０℃〜１９０℃の範囲にあるような活性剤が選定される。

このとき、活性剤の融点と熱硬化性樹脂の硬化温度との関連が、溶融半田のセルフアライメント性の確保と、必要とされる半田の酸化膜除去の度合いとの兼ね合いにおいて最適となるように選定することが望ましい。すなわち、活性剤の融点が半田の融点に近い場合には、比較的早い段階で活性剤が活性化して半田膜除去が十分に行われるものの、熱硬化性樹脂の硬化も半田が溶融した後の早い時点で開始されることから、溶融半田のセルフアライメント性が十分に確保されないこととなる。反対に活性剤の融点が熱硬化性樹脂の硬化温度に近い場合には、比較的遅い段階で活性剤が活性化することとなり、熱硬化性樹脂の硬化が遅れて溶融半田のセルフアライメント性は十分に確保されるものの、活性化した活性剤が半田に作用する時間が短くなって半田膜除去が十分に行われない結果となる。

したがって、活性剤の選定に際しては、前述のセルフアライメント性の確保と半田の酸化膜除去の度合いとの兼ね合いにおいて、最適な条件が満たされるような活性剤と硬化剤との組み合わせを、実証的に求めることが望ましい。このようにして、活性剤の融点と熱硬化性樹脂の硬化温度との関連を適切に設定することにより、熱硬化性樹脂が過早にゲル化する事態を排除してセルフアライメント性を確保しながら、活性剤を適切に作用させて酸化膜除去能力を担保することが可能となる。

なお熱硬化型フラックスを構成する上述の各成分として、以下の物質が代替物質として選択可能である。まず、主剤として、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に替えて、３，４エポキシシクロヘキセニルメチル−３，’４’エポキシシクロヘキセンカルボキシレート、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂またはビスフェノールＡ型エポキシ樹脂が選択可能である。また液状硬化剤として、メチルテトラヒドロ無水フタル酸に替えて、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸が、固形硬化剤として、２−フェニル４−メチル５−ヒドロキシメチルイミダゾールに替えて、２−フェニル４、５ジヒドロキシメチルイミダゾールが選定できる。そして可塑剤として、アルキルフェノール変性キシレン樹脂に替えて、脂肪酸アマイドもしくは高重合ロジンが、溶剤として、ブチルカルビトールに替えてメチルカルビトールを選択することが可能である。上述各成分の配合比は、前述の基本配合例に示す数値と同じである。

また熱硬化性樹脂としては、主剤としてエポキシ系以外にも、アクリル系、ウレタン系、フェノール系、尿素系、メラミン系、不飽和ポリエステル系、アミン系、ケイ素系のいずれか１つを含む材質を選定することができる。そして可塑剤として用いられる固形樹脂
としては、テルペン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、非結晶性ロジン、イミド樹脂、オレフィン樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、ポリエステル樹脂、スチレン、ポリイミド、脂肪酸誘導体から選ばれた少なくとも１つが熱硬化性樹脂中に混入される。

これらの固形樹脂を選定する際に、主剤の成分との関連で主剤に対して相溶性を有する固形樹脂を選定することにより、固形樹脂を主剤中に混入させる際に、気化性のガス分を含む溶剤を使用することなく流動性を備えた液状の樹脂を実現することが可能となる。これにより、溶剤から気化するガスによるリフロー装置内へのガス成分の付着や工場内の作業環境の汚染など、溶剤使用による環境負荷を低減することが可能となっている。

再び図１において、基板１にはチップ型の電子部品４が搭載される。すなわち、図１（ｃ）に示すように、電子部品４の両端部に設けられた端子４ａを電極２に位置合わせして半田ペースト３に端子４ａを着地させる。これにより、電子部品４は半田ペースト３の粘着力によって仮止め固定される。この後、電子部品４が搭載された基板１はリフロー装置に送られ、ここで所定の加熱温度、すなわち半田ペースト３中の半田の液相線温度以上であってさらに熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度まで加熱される。この加熱により、図１（ｄ）に示すように、半田ペースト３中の半田を溶融させるとともに、半田ペースト３中の熱硬化性樹脂の硬化反応を促進させる。

そしてこの後、基板１をリフロー装置から取り出して基板１を冷却して常温に戻すことにより、半田ペースト３中の固形樹脂および溶融した半田を固化させる。これにより、電子部品４では溶融した半田が電極２と端子４ａとを連結したフィレット形状の半田接合部５ａ（図２参照）が形成される。これにより、半田ペースト３を用い、電子部品４の接続用電極である端子４ａと基板１の電極２を半田接合して成る半田接合構造５が形成される。

この半田溶融時において、半田ペースト３に含まれる熱硬化性フラックス中の固形樹脂は液状に変化し、熱硬化性フラックスに流動性を付与する作用を有する。そして、このリフロー過程が完了した後には、熱硬化型フラックスは熱硬化性樹脂が熱硬化を完了することによる硬化とともに、加熱によって一旦液状化した固形樹脂が常温まで冷却されて再び固化することによって完全な固体状態となり、電極２上面の半田接合部５ａを覆って補強する樹脂補強部５ｂとして機能する。

この半田接合構造５は、図２に示すように、半田ペースト３を電極２と端子４ａとの間に介在させた状態で基板１を加熱して半田を溶融させ次いで冷却することにより電極２と端子４ａとの間に形成された半田接合部５ａと、半田接合部５ａの表面を覆って形成され加熱によって硬化した熱硬化性樹脂と冷却によって固化した固形樹脂より成る樹脂補強部５ｂとを備えた構成となっている。

ここで、図３を参照して、上述のリフロー過程における半田の流動状態について説明する。図３は電極２と端子４ａとを半田接合するために供給された半田ペースト３を部分的に取り出して、半田の溶融・凝集の過程を模式的に示したものであり、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、リフロー過程における半田の挙動を順を追って図示している。

図３（ａ）に示すように、半田ペースト３には半田粒子６および金属粉７、固形粒子状の活性剤８が前述の配合比率で含有されている。このとき半田粒子６の表面は、熱硬化型フラックス中に混入される前に大気暴露されていたことにより、酸化膜６ａで覆われている。そしていくつかの半田粒子６は粒子相互で、あるいは金属粉７と接触状態にある。

リフローにおいて半田ペースト３が液相線温度を超えて加熱されると、図３（ｂ）に示すように、まず半田粒子６が溶融して流動状態の溶融半田６＊となる。そしてさらに加熱されて活性剤８の融点に到達すると、フラックス成分中の活性剤８が溶融してフラックス成分中に溶け出し、溶融半田６＊の表面に存在する酸化膜６ａに接触する。これにより、酸化膜６ａは活性剤８の活性作用により除去され溶融半田６＊の半田濡れ性が向上する。

そして溶融半田６＊が、未だ十分な流動性を有している熱硬化性樹脂中で流動することにより、図３（ｃ）に示すように、相互に接触した溶融半田６＊は１つの溶融半田６＊を形成する。また、金属粉７の表面は半田の濡れ性が良好であることから、金属粉７に接触した溶融半田６＊は金属粉７の表面を濡らしながら表面張力によって金属粉の表面伝いに移動し、やがて図３（ｄ）に示すように、溶融半田６＊は１つのまとまりとなって金属粉７を包み込む。このとき金属粉７は薄片状で表面積が大きいことから半田ペースト３中で溶融半田６＊と高い確率で接触し、溶融半田６＊を凝集させる効果が大きい。すなわち、リフロー過程において、金属粉７は半田ペースト３中で分散状態で存在する半田粒子６が溶融する際に、溶融半田６＊を凝集させるための核として機能する。

このような溶融半田６＊の凝集が、電極２に塗布された半田ペースト３全体で生じ、溶融半田６＊が電極２および端子４ａと接触してこれらの表面を濡らすことにより、半田ペースト３中の半田成分が溶融した溶融半田６＊は、電極２と端子４ａとを連結する良好な形状の半田接合部５ａを形成する。

上述の半田付け方法は、上述成分組成の半田ペースト３を電極２と端子４ａとの間に介在させた状態で電子部品４を基板１に搭載する搭載工程と、半田ペースト３を加熱することにより半田を溶融させ、その後活性化された活性剤で溶融した半田の表面の酸化膜を除去し、その後熱硬化性樹脂を熱硬化させるリフロー工程と、リフロー工程の後、半田ペースト３を冷却して半田を固化する冷却工程とを含む形態となっている。

そしてこの半田付け方法を用いることにより、従来の半田ペーストを用いて同様の電子部品１４を半田付けした場合に発生しやすい接合不良を防止することができる。たとえば図３は、Ｓｎ−Ｂｉ系鉛フリー半田の粒子を従来タイプの熱硬化型フラックス、すなわち半田の融点温度以下を含む広い温度範囲で活性作用を有する活性剤が配合された熱硬化型フラックスに混入した半田ペーストを用いて、端子１４ａを電極１２に半田付けした場合の不具合例を示している。

ここで示す半田付け例では、加熱温度が半田の融点に到達する前に活性剤が溶融して活性化するため、熱硬化性樹脂の硬化反応が早いタイミングで開始される。したがって半田が溶融した時点では熱硬化性樹脂のゲル化がある程度進行しており、溶融半田の流動が阻害される。このためリフロー過程において溶融半田の大部分は相互に凝集して正常な半田接合部を形成することなく半田ボール１５ｃとなってフラックス成分１５ｂとともに離散する傾向にあり、半田接合部１５ａは半田量に乏しく且つ不規則な形状となりやすい。

このような半田接合例を対象とする場合にあっても、本発明に示すように、熱硬化型フラックス中に半田の融点以上の温度範囲で活性化する活性剤を含む組成の半田ペーストを用いる（すなわち、半田の融点よりも低い温度で活性化する活性剤を実質的に含まない）ことにより、次のような効果を得る。すなわちリフロー過程での加熱において、半田が溶融する時点までは活性剤は溶融せず固形状態を保つため、活性剤の活性作用による熱硬化性樹脂の硬化が進行せず、フラックス成分の流動性が低下することがない。これにより、前述の固形樹脂の液化による流動性付与効果と相俟って、リフロー過程において溶融半田の凝集がフラックス成分によって阻害される度合いが少なく、溶融半田の良好な凝集を可能にして、より健全な形状の半田接合部を形成することができる。

更にリフロー後においては、熱硬化した熱硬化性樹脂と冷却されることによって固化した可塑剤とが相溶状態のまま固体となった樹脂補強部が半田接合部を覆って形成されるため、Ｓｎ−Ｂｉ系半田のような脆くて接合強度に劣る低融点型の鉛フリー半田を使用した場合においても、半田接合部は樹脂補強部によって補強され、接合信頼性を確保することができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における半田ペーストに含有される活性剤の構成を示す図である。実施の形態１においては、活性剤８を半田ペースト３中に配合する形態として、活性剤成分を固形粒子の状態で直接半田ペースト３中に混入するようにしているが、実施の形態２は、活性剤成分を樹脂製のカプセルに封入した形で用いる例を示している。

図５において、活性剤８Ａは実施の形態１における活性剤８と同様に半田の表面の酸化膜を除去する作用を有する物質であり、活性剤８Ａは、半田の融点以上の温度で溶融する樹脂より成るカプセル９によって、密封状態で閉じこめられている。活性剤８Ａを半田ペースト３に配合する際には、カプセル９に閉じこめられた状態のまま混入される。半田ペースト３中において、カプセル９の溶融温度に到達するまでは、活性剤８Ａはカプセル９によって閉じこめられて隔離された状態を保ち、カプセル９の溶融温度に到達してカプセル９が溶融すると、活性剤８Ａは熱硬化性樹脂中には溶け出して活性作用を発揮する。

すなわち、カプセル９として用いる樹脂を選択することにより、リフロー過程において活性剤８Ａが活性作用を発揮するタイミングをコントロールすることが可能となっている。このようなカプセル９用の樹脂材質としては、高密度ポリエチレン（融点１４０℃）、ポリプロピレン（融点１６５℃）、ポリエーテルエーテルケトン（融点１９０℃）などを用いることができる。この樹脂材質の選定においても、実施の形態１における活性剤の選定と同様に、樹脂の融点が半田の融点以上であって熱硬化性樹脂の硬化温度以下となるように、液状硬化剤、固形硬化剤との組み合わせで選定することが望ましい。

このように、活性剤の配合形態としてカプセル中に封入する方法を用いることにより、（表５）に示すように、半田の融点よりも融点が低い物質であっても、前述のセルフアライメント性の低下を招くことなく、活性剤として用いることが可能となっている。（表５）は、半田酸化膜除去の活性作用を有し、融点がＳｎ−Ｂｉ系半田の融点よりも低い物質を、融点の低い順に列挙したものであり、常温で液体であるような物質も含んでいる。

このような物質をそのまま活性剤として半田ペースト３中に混入すると、半田の融点以下の温度域で既に熱硬化性樹脂を硬化させてしまうが、これらの物質をカプセル９中に閉
じこめることにより、カプセル９を形成する樹脂の融点に応じたタイミングで活性剤を活性化させることができ、半田が溶融するタイミング以前における熱硬化性樹脂の硬化を防止することができる。

このようなカプセル９に封入された活性剤８Ａが配合された半田ペースト３Ａは、錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、半田付け時の熱で活性化して半田の表面の酸化膜を除去する活性剤を含む半田ペーストであって、活性剤８Ａが、半田の融点以上の温度で溶融する樹脂から成るカプセル９に閉じこめられた形態となっている。そしてカプセル９を構成する樹脂の溶融温度が、半田の融点以上であって半田ペースト３Ａを構成する熱硬化性樹脂の硬化温度以下となるように、カプセル９の材質選定を行う。

そしてこのような活性剤８Ａが配合された半田ペースト３Ａは、実施の形態１に示す半田付け方法と同様の用途に用いることができる。すなわち半田ペースト３Ａを用いて電子部品の端子を基板の電極に半田付けする半田付け方法は、実施の形態１に示す搭載工程と同様に、錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、半田の融点以上の温度で溶融する樹脂から成るカプセルに閉じこめられた活性剤とを含む半田ペースト３Ａを、端子４ａと電極２との間に介在させた状態で電子部品４を基板２に搭載する。

そしてリフロー工程においては、半田ペースト３Ａを加熱することにより半田を溶融させ、その後カプセル９を溶融させて活性剤８Ａを熱硬化性樹脂中に溶け出させる。そして溶融した半田の表面の酸化膜を、溶け出した活性剤８Ａによって除去し、その後さらに加熱することにより、熱硬化性樹脂を熱硬化させる。そしてリフロー工程の後には、実施の形態１における冷却工程と同様に、半田ペースト３Ａを冷却して半田を固化する。そしてこの方法によっても実施の形態１と同様の効果を得る。

上記説明したように、実施の形態１，２に示す半田ペーストは、Ｓｎ−Ｂｉ系の半田粒子と半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と活性剤とを含む半田ペーストにおいて、活性剤として半田の融点以上の温度で活性化するような物質を選定することにより、もしくは活性剤を半田の融点以上の温度で溶融する樹脂から成るカプセルに閉じこめた状態で配合することにより、活性剤による熱硬化樹脂の硬化促進作用が半田の溶融タイミング以前に熱硬化性樹脂に対して及ぶのを防止したものである。これにより、活性剤の活性作用によって硬化して既にゲル化した熱硬化性樹脂によって溶融半田の流動が妨げられることによるセルフアライメント性の低下を防止して、半田接合部の形状不良や未導通などの接合不良を防止することができる。

更に低融点型の鉛フリー半田であるＳｎ−Ｂｉ系の半田を用いることにより、以下に詳述するような優れた効果を得る。近年環境保護の要請から、電子機器製造業界においては鉛フリー半田の使用が主流になっているが、一般に用いられているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田は液相線温度２２０℃であり、従来主に用いられていたＳｎＰｂ共晶半田の液相線温度と比較して高温であるため、対象とする基板や部品によっては適用が困難であった。

これに対し、Ｓｎ−Ｂｉ系の半田は液相線温度１３９℃であることから、従来ＳｎＰｂ共晶半田が用いられていたような半田付け対象に加えて、耐熱温度が低い性質を有する部品（例えばＣＣＤ素子やアルミ電解コンデンサなど）をも適用対象とすることができる。この場合には、熱硬化性樹脂、硬化剤および活性剤を、半田付け対象の部品の耐熱限度によって規定されるリフロー温度に応じて選定する。

またＳｎ−Ｂｉ系の半田は機械的に脆い強度特性を有している上に、前述のようにリフ
ロー過程において健全な形状の半田接合部を形成することが難しく接合信頼性に難点があるため、従来は適用可能範囲が限られていた。本実施の形態においては、このような特性を有するＳｎ−Ｂｉ系の半田を、実施の形態１，２に示すような活性剤を配合した熱硬化型フラックス中に混入して用いることにより、適用可能範囲を大幅に拡大することが可能となっている。すなわちこのような半田ペーストを採用することにより、前述のように、リフロー時の熱硬化性樹脂の硬化によるフラックス成分の流動性の低下を防止するとともに、半田溶融タイミング以降に活性剤の活性作用を急激に立ち上げるようにして、十分な酸化膜除去能力を確保している。

これにより、溶融半田の凝集がフラックス成分によって阻害される程度が少なく且つ半田濡れ性を担保して、より健全な形状の半田接合部を形成することが可能となっている。更に形成された半田接合部は硬化した熱硬化性樹脂および固化した可塑剤よりなる樹脂補強部によって覆われて補強されることから、Ｓｎ−Ｂｉ系の半田の強度特性に由来する強度不足を樹脂補強部によって補うことができ、接合信頼性が向上する。

このように低融点型の鉛フリー半田であるＳｎ−Ｂｉ系の半田の実用化を可能とする接合工法を確保することにより、前述のように低耐熱温度の基板や部品への適用を拡大するとともに、加熱温度を低く設定できることによる副次的効果、すなわち予熱ステージ数の減少によるリフロー装置の小型化や消費電力量の削減が可能となる。

また加熱上限温度の制約から、従来より低温での半田接合が必須とされる場合に採用された高コストの接合工法、例えば銀粉を樹脂接着剤中に含有させたＡｇペーストを用いる方法や、基板全体を加熱することなくレーザ、ソフトビームなどで局所加熱して半田接合を行う個別接合工法を採用する必要がなくなり、高価な資材・装置の使用を不要として、製造コスト低減を図ることができる。

本発明の半田ペーストおよび半田付け方法は、溶融半田の流動が既にゲル化した熱硬化性樹脂によって妨げられることによるセルフアライメント性の低下を防止することができるという効果を有し、錫−ビスマス系の半田を用いて電子部品を基板に実装する用途に利用可能である。

本発明の実施の形態１の半田接合方法による電子部品実装方法の工程説明図 本発明の実施の形態１の半田接合構造の断面図 本発明の実施の形態１の半田付け方法における半田流動過程の説明図 本発明の実施の形態２における半田ペーストに含有される活性剤の構成を示す図 従来の半田ペーストを用いた半田接合方法における不具合例の説明図

符号の説明

１ 基板
２ 電極
３ 半田ペースト
４ 電子部品
５ 半田接合構造
５ａ 半田接合部
５ｂ 樹脂補強部
６ 半田粒子
６ａ 酸化膜
６＊ 溶融半田
７ 金属粉
８，８Ａ 活性剤
９ カプセル

Claims (7)

1. 錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、リフロー過程において前記半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、半田付け時の熱で活性化して前記半田の表面の酸化膜を除去する活性剤を含む半田ペーストであって、
   前記活性剤が、前記半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で活性化することを特徴とする半田ペースト。
2. さらに、Ａｇ（銀）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）の金属粉を含むことを特徴とする請求項１記載の半田ペースト。
3. 錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、リフロー過程において前記半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、半田付け時の熱で活性化して前記半田の表面の酸化膜を除去する活性剤を含む半田ペーストであって、
   前記活性剤が、前記半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で溶融する樹脂から成るカプセルに閉じこめられていることを特徴とする半田ペースト。
4. 前記カプセルを構成する樹脂が、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトンのいずれかを含むことを特徴とする請求項３記載の半田ペースト
5. さらに、Ａｇ（銀）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）の金属粉を含むことを特徴とする請求項３または４記載の半田ペースト。
6. 電子部品の端子を基板の電極に半田付けする半田付け方法であって、
   錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、リフロー過程において前記半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、半田付け時の熱で活性化して前記半田の表面の酸化膜を除去し前記半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で活性化する活性剤とを含む半田ペーストを、前記端子と前記電極との間に介在させた状態で前記電子部品を基板に搭載する搭載工程と、
   前記半田ペーストを加熱することにより前記半田を溶融させ、その後溶融した半田の表面の酸化膜を活性化された前記活性剤によって除去し、その後熱硬化性樹脂を熱硬化させ
   るリフロー工程と、
   前記リフロー工程の後、前記半田ペーストを冷却して半田を固化する冷却工程とを含むことを特徴とする半田付け方法。
7. 電子部品の端子を基板の電極に半田付けする半田付け方法であって、
   錫−ビスマス系の半田よりなる半田粒子と、リフロー過程において前記半田の融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、前記半田の融点以上であって前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で溶融する樹脂から成るカプセルに閉じこめられ半田付け時の熱で活性化して前記半田の表面の酸化膜を除去する活性剤とを含む半田ペーストを、前記端子と前記電極との間に介在させた状態で前記電子部品を基板に搭載する搭載工程と、
   前記半田ペーストを加熱することにより前記半田を溶融させ、その後前記カプセルを溶融させて前記活性剤を溶け出させ、溶融した半田の表面の酸化膜を前記活性剤によって除去し、その後熱硬化性樹脂を熱硬化させるリフロー工程と、
   前記リフロー工程の後、前記半田ペーストを冷却して半田を固化する冷却工程とを含むことを特徴とする半田付け方法。

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