JP4473678B2 - 濡れ広がり性を改善する半田粉の製造方法 - Google Patents
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Description
また、この種の半田付けには、従来、融点が低く、濡れ広がり性が比較的良好である点から錫-鉛系半田(Sn-Pb共晶半田)が用いられてきたが、近年、環境対応のため、鉛を含まない鉛フリー半田も使用されるようになって来ている。ところが、この鉛フリー半田はその組成成分に影響を受けることが多く、例えば錫−亜鉛系の鉛フリー半田の濡れ広がり性は、錫−鉛系共晶半田に比べて劣るものとされており、この観点からも半田の濡れ広がり性に関する課題の重要度は益々高くなってきている。
また、半田合金溶湯の温度を半田合金液相線温度の+10〜+30℃に保持した後は、当該温度でアトマイズするようにしてもよいし、又、当該温度から溶湯温度を上昇させて半田合金溶湯をアトマイズするようにしてもよい。
以下、詳細に説明する。
本実施形態に係る半田粉の原料組成は、半田合金組成を構成する地金等の金属原料の組合わせからなるものであれば特に限定するものではない。例えば、錫(Sn、融点:232℃)、鉛(Pb、融点327.5℃)、金(Au、融点1064℃)、銀(Ag、融点961.9℃)、鋼(Cu、融点1084.5℃)、亜鉛(Zn、融点419.6℃)、ビスマス(Bi、融点271.4℃)、インジウム(In、融点156.6℃)、アンチモン(Sb、融点630.5℃)等の元素のいずれか二種以上を組み合わせた半田合金、具体的には、Sn−Pb系合金、Sn−Sb系合金、Sn−Bi系合金、Sn−Zn系合金、Sn−Zn−Bi系合金、Sn−Ag系合金、或いはこれらの合金にAg、Sb、Bi、In、Ga、Ge、Zn、Cu、Zn等の他元素のいずれか一種又は二種以上を組み合わせた半田合金、その他を採用することができる。中でも、濡れ広がり性に劣るSn−Zn系半田合金は、本発明の対象として好適であり、濡れ広がり性の改善効果を十分に得ることができる。
また、目標とする組成の半田合金を一旦作製した後に分級によって除外されたような半田合金を原料中に添加してリサイクルすることも可能である。
金属原料の溶解は、溶解方法、溶解温度、溶解装置を特に限定するものではなく、従来採用されている方法、温度、装置を採用することができる。ただし、溶解温度は、金属原料を十分かつ効率良く溶解させるために、半田合金液相線温度の+150℃以上、特に半田合金液相線温度の+200℃以上とするのが好ましい。
なお、溶解の際には、異種金属同士が十分に混合するように攪拌しながら加熱溶解するのが好ましく、また、溶解の際に溶湯表面に浮上してくるドロスは除去するのが好ましい。
溶解後は、半田合金溶湯の温度を当該半田合金液相線温度の+10〜+30℃、好ましくは+15〜+25℃に調整する。
ここでの「自然冷却」とは、特に加熱手段及び冷却手段を使用せず、装置(炉)内でそのまま放置して自然に冷却させる冷却方法を意味し、他方の「強制冷却」とは、水冷、風冷など何らかの冷却手段を使用して前記自然冷却よりも短時間で冷却する冷却方法を意味している。
より具体的には、半田合金溶湯の温度の調整は、半田合金溶湯を溶解した装置内(例えば溶解炉)で自然冷却又は強制冷却してもよいし、半田合金溶湯を次の装置(例えば保持炉)に移して自然冷却又は強制冷却してもよいし、半田合金溶湯を滴下する装置(例えば滴下炉)に移して半田合金液相線温度の+10〜+30℃まで自然冷却又は強制冷却してもよい。さらに、半田合金溶湯を溶解した装置(例えば溶解炉)或いは次の装置(例えば保持炉)内で適宜温度まで自然冷却又は強制冷却した後、次の装置(例えば保持炉又は滴下炉)内で半田合金液相線温度の+10〜+30℃まで自然冷却又は強制冷却するようにしてもよい。
上記工程において半田合金溶湯の温度を当該半田合金液相線温度の+10〜+30℃に調整した後、半田合金溶湯の温度を当該半田合金液相線温度の+10〜+30℃、好ましくは+15〜+25℃を維持するように保持することが重要である。
保持する溶湯温度を半田合金液相線温度の+30℃より高くすると、半田の濡れ性改善効果を得ることが難しくなる一方、+10℃よりも低くすると、そのままの温度では溶湯の粘度が高まって滴下した際に頻繁にノズルが詰まるようになるため、再加熱する必要があるが、その再加熱する温度幅が大きくなり実用上好ましくなくなってしまう。
この際、保持時間としては、1分〜24時間、好ましくは1時間〜5時間の間で適宜調整すればよく、又、保持する雰囲気としては、大気中、不活性ガス雰囲気(例えば窒素)のいずれでもよい。
また、半田合金溶湯を半田合金液相線温度の+10〜+30℃で保持する間も、半田合金溶湯を攪拌しながら保持するのが好ましく、また、溶湯表面に浮上してくるドロスは除去するのが好ましい。
上記の如く、半田合金溶湯の温度を当該半田合金液相線温度の+10〜+30℃に維持するように保持した後、半田合金溶湯をアトマイズして半田粉を製造すればよい。
半田合金溶湯をアトマイズする温度、すなわち滴下温度は、特に限定するものではないが、半田合金液相線温度の+10℃以上(例えば+12℃、+24℃、+35℃、+45℃等)、特に+10〜+30℃に調整するのが好ましい。滴下温度を半田合金液相線温度の+10℃未満とすると、溶湯の粘度が高まり滴下する際にノズルが詰まり易くなる。
また、半田合金溶湯の温度を半田合金液相線温度の+10〜+30℃に保持するタイミングも、溶解後チャンバー内に滴下するまでの過程であればいつでもよい。
また、本実施形態では、各種金属原料の溶解工程、溶湯温度調整工程、アトマイズ工程からなる製造方法であるが、他の工程を適宜挿入することは任意である。
本発明で得られる半田合金粉は、特にリフローソルダリング用の半田合金粉として好適であり、フラックス等を加えて好適なリフローソルダリング用の半田ペーストを製造することができる。
例えば、ロジン(松脂)、活性剤、増粘剤、溶剤などを混合して加熱溶解させ、自然放置若しくは攪拌しながら冷却してフラックスを調製した後、フラックスの温度が室温まで下がった時点で半田粉と混合及び攪拌して半田ペーストを製造することができる。
半田粉とフラックスの混合割合を特に限定するものではないが、半田粉とフラックスの合計量を100質量%として、半田粉80〜95質量%程度とフラックス5〜20質量%程度を混合するのが一般的である。
その他、増粘目的で半田ペースト用に配合される材料であれば、チキソ剤として用いることができる。
その他、フラックスベース(ロジン)及び活性剤を溶解し得る媒体であれば、溶剤として用いることができる。
SnZn8Bi3の合金組成(液相線温度197℃)となるように、錫地金(品位99.95質量%)89質量部、亜鉛地金(品位99.99質量%)8質量部及びビスマス地金(品位99.99質量%)3質量部の割合で計量して溶解炉に投入し、溶解炉内で400℃で加熱溶解した後、攪拌しながら溶湯温度を240℃まで自然に低下させた。
次に、溶湯を保持炉に移し、保持炉内において、溶湯を攪拌しながら、熱センサ及び電気ヒータを使用して溶湯温度を207℃に調整し、滴下炉に送るまで溶湯温度を207℃に維持した。滴下炉内に貯留される保持時間(貯留時間)は平均5時間であった。
遠心アトマイズの条件は、ディスク回転速度:5万回転/分、チャンバー内雰囲気:窒素であった。
また、溶解炉、保持炉、滴下炉のいずれの段階においても、溶湯表面に浮き上がってくるドロスはその都度掬い採って除去した。
保持炉内で維持する溶湯温度を212℃に設定し、滴下温度を224℃に設定した以外の点は、実施例1と同様に半田合金粉を製造し、同様に半田合金粉の濡れ広がり性を下記試験で評価した。
保持炉内で維持する溶湯温度を222℃に設定し、滴下温度を234℃に設定した以外の点は、実施例1と同様に半田合金粉を製造し、同様に半田合金粉の濡れ広がり性を下記試験で評価した。
保持炉内で維持する溶湯温度を227℃に設定し、滴下温度を234℃に設定した以外の点は、実施例1と同様に半田合金粉を製造し、同様に半田合金粉の濡れ広がり性を下記試験で評価した。
保持炉内で維持し滴下する溶湯温度を232℃に設定し、滴下温度を234℃に設定した以外の点は、実施例1と同様に半田合金粉を製造し、同様に半田合金粉の濡れ広がり性を下記試験で評価した。
保持炉内で維持し滴下する溶湯温度を237℃に設定し、滴下温度を234℃に設定した以外の点は、実施例1と同様に半田合金粉を製造し、同様に半田合金粉の濡れ広がり性を下記試験で評価した。
保持炉内で維持し滴下する溶湯温度を287℃に設定し、滴下温度を234℃に設定した以外の点は、実施例1と同様に半田合金粉を製造し、同様に半田合金粉の濡れ広がり性を下記試験で評価した。
(1)実施例及び比較例で得られた半田合金粉(20〜53μm)を、フラックス(ロジン50wt%、チキソ剤5wt%、活性剤2wt%、溶剤43wt%)と90:10の質量割で混合して半田ペーストを作製した。
(2)網目状に縦横6×6の合計36(1区画1mm×3mm)に区画された銅配線テストパターンが印刷された銅板(基盤)上に、上記で得られた半田ペーストを厚さ200μmで印刷した。
(3)大気雰囲気中でリフロー(予備加熱150℃で60秒後、本加熱230℃で30秒)を行い、リフロー後の基盤断面の半田層の高さを測定することにより半田の濡れ広がり性を評価した。
(4)すなわち、半田の濡れ広がり性の評価は、36個の各区画ごとに、銅配線の両端部(36×2)から50μm置いた距離の半田層の高さを測定し、下記基準で評価した。
×:半田の高さが10μm未満。
このようにして銅配線テストパターン36区画の両端部(36×2=72)毎に評価を行い、まとめた結果を下記表1に示す。
また、滴下温度を234℃まで高めたとしても、半田合金溶湯を液相線温度の+10℃〜+30℃の範囲で保持すれば、半田の濡れ性を顕著に改良できることが判明した。
Claims (5)
- 半田合金原料を当該半田合金の液相線温度の+150℃以上で溶解した後、半田合金溶湯の温度を当該半田合金の液相線温度の+10〜+30℃に調整して当該温度を保持し、次に半田合金溶湯をアトマイズすることを特徴とする半田粉の製造方法。
- 半田合金溶湯の温度を当該半田合金の液相線温度の+10〜+30℃に調整して当該温度を保持した後、溶湯温度を当該温度から上昇させて半田合金溶湯をアトマイズすることを特徴とする請求項1に記載の半田粉の製造方法。
- 半田合金溶湯の温度を当該半田合金の液相線温度の+10〜+30℃に1〜5時間保持することを特徴とする請求項1又は2に記載の半田粉の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法によって得られた半田粉。
- 請求項4に記載の半田粉とフラックスを含有してなるリフローソルダリング用半田ペースト。
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