JP4854164B2 - カチオン性界面活性剤を含むろう接用フラックス - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、プリント配線盤のような電子アセンブリ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｓｓｅｍｂｌｙ）のためのろう塗布において有用なろう接用フラックス組成物に関する。
【０００２】
（発明の背景）
プリント回路盤（ＰＣＢ）（プリント回線盤（ＰＷＢ）ともいう）は、典型的には２つの処理カテゴリー（製造および組み立て）に分けられる。めっきおよびエッチングの後、ＰＣＢ製造プロセスが終わりに近付くと、ＰＣＢの大部分が、ろうマスクで被覆される。ろうマスクを使用して、ＰＣＢのマスクされた領域を、ろうの付着から保護する。従って、後にろう接されるＰＣＢの領域（例えば、端子領域および穴）は、このマスクで被覆されない。
【０００３】
組み立てプロセスの最初の工程において、通し穴および表面取り付け部品（例えば、集積回路、コネクタ、二重インラインパッケージ、コンデンサーおよび抵抗）は、ＰＣＢと共に配置される。例えば、リード線を含む部品は、そのリード線を基板の穴に通して配置することによりＰＣＢ上に取付けられ得る。表面取り付け部品は、接着剤を使用して基板の底面側（すなわち、ろう接される表面）に付着され得る。次いでこれらの部品を、ＰＣＢにろう接するために準備して、これらの部品とＰＣＢサーキットリーとの間の電気導通状態の信頼性を確実にする。部品のリード線および端子または端子領域は、流動はんだ付け（ｗａｖｅ ｓｏｌｄｅｒ）プロセスによりろう接され得る。
【０００４】
この流動はんだ付けプロセスは、フラクシング工程、予熱工程およびろう接工程を包含する。フラクシング工程において、フラックスは、ろう接されるべき表面を調製するために使用される。このような調製は、一般的に必要である。なぜならば、ＰＣＢおよび部品は、ろう接プロセスの前に非クリーンルーム環境に貯蔵された結果として汚染され得るからである。さらに、酸化物は、リード線、端子および／または端子領域上に形成され得た。汚染物質および酸化物を反応させるかまたはこれらを除去することに加えて、フラックスは、他の機能を果たす（例えば、表面を再酸化から保護すること、およびろうと表面との間の界面表面張力を減少させてぬれを増強すること）。
【０００５】
典型的には、フラックスを、ろう接されるべきＰＣＢおよび部品表面上に塗布するために、スプレー、泡沫体または流動フラクシングプロセスが使用される。このフラクシング手順の後に、フラックス中の溶媒キャリア（アルコールまたは水）をエバポレートし、そして接合されるべき表面を加熱し始めるための予熱工程が続く。この予熱工程の後に、流動はんだ付けプロセスが続く。ここでＰＣＢ（その上に部品が取り付けられている）は、溶融したろうの流動波上を通される。このろう流動波は、ノズルを通してポンピングされ；次いでこの流動波は、接合されるべき表面上に接触し、そしてその表面上に析出する。次いで、析出されたろうは、部品のリード線および端子を、ＰＣＢ上の接触子と接着させ、そして電気的に接続するように作用する。
【０００６】
既存の低固形分（ｌｏｗ−ｓｏｌｉｄ）で未洗浄（ｎｏ−ｃｌｅａｎ）のろう接用フラックスは、非常に多数のろう球（ｓｏｌｄｅｒ ｂａｌｌ）を生じ、これらのろう球は、ＰＣＢ表面上に残留する。これらのフラックスはまた、その表面張力が高すぎるため、ろうブリッジングを引き起こす。さらに、その弱い活性レベルに起因して、これらのフラックスは、接合されるべき表面からくもりおよび酸化物を完全には除去できない。ろう球は、望ましくないろうの球状体であり、ろうマスクの上および／または基板上の部品の間に無作為にまたは規則的に生じる；ろう球は、２つのコンデンサーの間をブリッジングし得、電気的短絡を生じる。ろうブリッジは、接続するように設計されていないトレース（ｔｒａｃｅ）またはリード線の間に短絡を形成し得る。ろうブリッジおよび／またはろう球は、基盤に電気的破損を生じ得る。過剰のろう球およびブリッジングはまた、それらの除去のために、費用のかかるろうのタッチアップ（ｔｏｕｃｈ−ｕｐ）操作を必要とする。小さなろう球（しばしば、ミクロろう球といわれる）でさえ、（これらは拡大（例えば、１０倍）しないと見えないので）非常に狭い間隔の空いた基板回線および端子領域ならびに部品のリード線および端子の電気的短絡を生じえる。既存のフラックスでの別の問題は、ＰＣＢの表面上に目に見える残留物が残り得ることであり、これは、目障りなことに加えて、回路のピン試験（ｉｎ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｉｎ ｔｅｓｔｉｎｇ）で誤った不合格判定を生じ得る。
【０００７】
従って、接合されるべき表面を効率的に調製し、そして目に見える残留物を増加させることなく、ＰＣＢ表面と、部品のリード線／端子と、溶融ろうとの間の表面張力を減少させることにより、ろう球およびろうブリッジの数を減少させる、ろう接用フラックス組成物に関する必要性が存在する。
【０００８】
（要旨）
減少したミクロろう球、少ない残留物、少ない固形物、および未洗浄性能（ｎｏ−ｃｌｅａｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を提供するフラックスが本明細書中に記載される。このフラックスは、溶媒、この溶媒中の活性剤、カチオン性界面活性剤および非イオン性界面活性剤を含む。フラックスは、ろうの塗布前のＰＣＢのコーティングに特に有用である。
【０００９】
１つの実施形態において、溶媒はアルコール（例えば、イソプロピルアルコール）である。カチオン性界面活性剤は、４級アンモニウムフルオロアルキル界面活性剤であり得る。非イオン性界面活性剤は、ノニルフェノキシポリエトキシエタノール界面活性剤であり得る。活性剤は、ジカルボン酸と非イオン性臭素化化合物との組合せであり得る。本明細書中に記載されるフラックスでコーティングされるプリント回路基盤は、導電性経路および導電性接触子（代表的には、金属から形成される）がプリントされ、そして電気的に結合される基板を備える。フラックスは、電導性接触子上にコーティングされ；次いでろうがこのフラックスおよび基盤上に塗布される。ろうは、接触子とＰＣＢに固定された部品との間の電気的結合を提供する。
【００１０】
本明細書中に記載されるフラックスは、種々の利点を提供する。これらのフラックスは、ろうのぬれを促進するように、ろう接されるＰＣＢ表面から金属酸化物を効率的に除去し得る。フラックスはまた、ＰＣＢ表面と溶融ろう合金との間の界面表面張力を実質的に低下させ得、それにより過剰のろうの基盤表面からの排出を促進し、結果としてろう球およびろうブリッジの形成を減少させる。さらに、フラックスは、流動はんだ付けプロセスの間に形成される目に見えるフラックス残留物の量を減少させ得る。
【００１１】
（詳細な説明）
ろう接用フラックス組成物は、揮発性溶媒（例えば、イソプロピルアルコール、エチルアルコール、脱イオン水またはこれらの混合物）に溶解した、１種以上のカチオン性界面活性剤、１種以上の非イオン性界面活性剤および活性剤を組み込む。フラックス組成物中のこれらの成分の適切な濃度範囲（重量パーセント）は、以下の通りである：５０〜９８％の溶媒、０．２〜１０％の活性剤、０．０１〜１．０％のカチオン性界面活性剤および０．０５〜１０％の非イオン性界面活性剤。特定の実施形態において、上記の成分の各々の濃度範囲（重量パーセント）は、以下の通りである：７５〜９８％の溶媒、０．２〜５．０％の活性剤、０．０５〜０．５％のカチオン性界面活性剤、および０．１０〜２．０％の非イオン性界面活性剤。１種以上の高沸点添加剤もまた、例えば、０．２〜２５重量％の濃度でフラックス組成物中に組み込まれ得る。
【００１２】
カチオン性４級アンモニウムフルオロアルキル界面活性剤（例えば、ＦＬＵＯＲＡＤ ＦＣ−１３５界面活性剤（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａの３Ｍ Ｃｏ．製）、ＳＵＲＦＬＯＮ Ｓ−１２１界面活性剤（Ｓｅｉｍｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．製，Ｊａｐａｎ）、またはＮｅｏｓ ＦＴＥＲＧＥＮＴ ３００界面活性剤（Ｎｅｏｓ製、Ｊａｐａｎ））は、フラックス残留物ならびに基盤表面と溶融ろう合金との間の表面張力を実質的に減少させるために使用される。結果として、基盤表面上の無作為および規則的なろう球の体積もまた減少される。芳香族スルホン官能基を含むアンモニウムまたはアミンフルオロアルキル界面活性剤（例えば、Ｎｅｏｓ ＦＴＥＲＧＥＮＴ ３００界面活性剤、これは、芳香族スルホン官能基を含むカチオン性４級アンモニウムフルオロアルキル化合物である）は、特に有効であることが見出された。
【００１３】
非イオン性界面活性剤は、組成物の表面張力をさらに低下し、そしてフラックスの高温残存性（ｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙ）を改善してろう球およびブリッジングをさらに減少させるために添加される。非イオン性界面活性剤は、約５００°Ｆ（２６０℃）における沸騰ろうポットでの分解に耐性であり得る。適切な非イオン性界面活性剤としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない：ノニルフェノキシポリエトキシエタノール、オクチルフェノキシポリエトキシエタノール、アルコールエトキシレート、エトキシル化／プロポキシル化（ＥＯ−ＰＯ）コポリマー、アセチレン性（ａｃｅｔｙｌｉｎｉｃ）ジオール、アセチレン性ジオールエトキシレート、ペルフルオロアルキルエチレンオキシド、ペルフルオロアルキルアミンオキシドおよびペルフルオロアルキルカルボキシレート（例えば、Ｓ−１４１、Ｓ−１４５、Ｓ−１１１、およびＳ−１１３、Ｓｅｉｍｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．製、Ｊａｐａｎ）。
【００１４】
カチオン性界面活性剤または非イオン性界面活性剤はいずれも、それ自体で、溶融ろうおよび接合される金属表面の表面張力を減少し得るが、カチオン性界面活性剤および非イオン性界面活性剤の組合せは、溶融ろうの表面張力、ならびに接合される金属表面、ＰＷＢ上のろうマスクおよびマスクされていない積層体の表面エネルギーを劇的に低下することによって、ろう球およびろうブリッジングを回避するという点において予想外のポジティブな結果を生じ得る。特に、非イオン性界面活性剤の使用は、所望の高温残存性を提供し得るが、その非イオン性界面活性剤の使用は、高濃度においてさえ、相当量のろう球を基盤表面上に残留するようである、対照的に、非イオン性界面活性剤とカチオン性界面活性剤の組み合わせた濃度は、等濃度の非イオン性界面活性剤またはカチオン性界面活性剤のいずれかを他方が存在しない状態で使用した場合よりも顕著に、ろう球およびろうブリッジングを含まない、仕上げ表面を生じ得る。
【００１５】
カチオン性界面活性剤および非イオン性界面活性剤の組み合わせは、溶融ろうの表面張力、ならびに接合されるべき金属表面、ＰＷＢ上のろうマスクおよびマスクされていない積層体の表面エネルギーの両方を低下させることにより、相乗効果を生じる。したがって、ミクロろう球、ブリッジおよびフラックス残留物の量は、非常に低レベルまで減少される。
【００１６】
フラックス組成物はまた、種々の高沸点添加剤（例えば、アルコール、グリコールエーテルおよびエステル）を、特に高温のろう接適用におけるろう接プロセスの熱に対してフラックスを残存させるために含み得る。アルコールは、種々の型：例えば、芳香族アルコールおよび／または長鎖脂肪族アルコールであり得、ロジンアルコールは全て使用され得る。具体例としては、ベンジルアルコール、テトラデカノールおよび／またはヒドロアビエチル（ｈｙｄｒｏａｂｅｉｔｙｌ）アルコールが挙げられる。さらに、エステルガム（例えば、ロジンのメチルエステルまたはグリセロールエステルまたはペンタエリスリトールエステル）、改質ロジンまたは改質樹脂のエステル（例えば、硬化ロジンのメチルエステル）、および／または他の型のエステル（例えば、カルボン酸のメチルエステル）は、フラックス中に含有され得る。種々のグリコールエーテル溶媒（例えば、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルまたはエチレン／プロピレングリコールフェニルエーテル）もまた、フラックス中に含有され得る。フラックス中に組み込まれるロジン、樹脂、およびろうとしては、ロジンゴム、トール油ロジン、ウッドロジン、化学的改質樹脂およびロジン（例えば、硬化ロジン）、重合ロジン、ロジンのフマル／マレイン付加物、フェノール樹脂ならびに他の天然および合成の樹脂、ロジンおよびろうが挙げられる。これらのロジン、樹脂およびろうを、単独または一緒に混合して使用して、ろう接されるＰＷＢの電気的信頼性を増強し得る。
【００１７】
フラックス組成物はまた、活性剤系を含み、これは、１種以上の有機カルボン酸（例えば、コハク酸、アジピン酸、イタコン酸、マロン酸、シュウ酸またはグルタル酸）を含み得る。あるいは、またはさらに、フラックスは、非イオン性共有結合有機ハライド活性剤、特にブロミド活性剤（例えば、ｔｒａｎｓ−２，３−ジブロモ−２−ブテン−１，４−ジオール（ＤＢＤ）、スチレンジブロミドまたはジブロモコハク酸）を含み得る。ブロミド活性剤は、モノブロモカルボン酸、ジブロモカルボン酸、トリブロモカルボン酸であり得る。これらの活性剤は、ろう接される表面から化学的に酸化物を除去する。
【００１８】
フラックスは、少量の種々の特性増強成分をさらに含み得、この成分は、フラックスの基本のフラクシング特性には実質的に影響を及ぼさない。このような成分としては、腐食防止剤、色素、発泡剤および／または消泡剤、殺生剤および安定剤が挙げられるがこれらに限定されない。このような特性増強成分は、フラックス配合の当業者には十分理解される。
【００１９】
部品のリード線または端子を、（例えば、ＰＣＢにおけるメッキされたかまたはメッキされていない通し穴を通してリード線を供給することにより）ＰＣＢ上に配置および位置決めする。フラックスは、スプレー、泡沫、流動波または他の公知の方法によりリード線および接触子に塗布され得る。次いで、必要な場合、エアナイフを使用して、過剰のフラックスを除去し得る。フラックスが塗布された後、基盤を、溶媒を揮発させるために加熱し；次いで、この基盤を典型的には溶融ろう流動波上を通過させることにより、流動ろう接される。流動ろう接プロセスは、ろうをリード線および接触子上に析出し、そしてこのろうが、部品を基盤に接着しかつ電気的に接続するように作用する。
【００２０】
本発明のフラックス組成物は、基盤および溶融ろうの表面張力が、流動ろう接の間に低下され、その結果ろうが不要なろう球および／またはブリッジをろうマスク上および基板上の部品のリード線の中間に形成しないということを実質的に確実にし得る。さらに、ＰＣＢからの残留フラックスの洗浄は省略され、その結果、ＰＣＢは、ＰＣＢ上に残っているフラックス残留物のわずかな痕跡を伴って、電子適用において使用され得る。
【００２１】
さらなるフラックス成分および特徴、ならびにフラックスを包含するさらなる方法および本明細書中に記載される方法は、Ｌ．Ｔｕｒｂｉｎｉ「Ｆｌｕｘｅｓ ａｎｄ Ｃｌｅａｎｉｎｇ」Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ第４版３１章（１９９６）（その教示は、その全体が本明細書中に参考として援用される）において提供される。
【００２２】
（実施例）
フラックスの実施形態は、以下の実施例組成物にさらに例示される。しかし、これらの説明は、本発明の特定の実施形態を特に記載するが、実施例は、主に例示目的のためであり、そして本発明は、（そのより広い局面において）それらに限定されると解釈されるべきではない。
実施例１：
【００２３】
【表１】

実施例２：
【００２４】
【表２】

実施例３：
【００２５】
【表３】

実施例４：
【００２６】
【表４】

実施例５：
【００２７】
【表５】

実施例６：
【００２８】
【表６】

実施例７：
【００２９】
【表７】

実施例８：
【００３０】
【表８】

実施例９：
【００３１】
【表９】

実施例１０：
【００３２】
【表１０】

実施例１１：
【００３３】
【表１１】

実施例１２：
【００３４】
【表１２】

実施例１３
【００３５】
【表１３】

実施例１４
【００３６】
【表１４】

実施例１５
【００３７】
【表１５】

実施例１６
【００３８】
【表１６】

実施例１７
【００３９】
【表１７】

実施例１８
【００４０】
【表１８】

実施例１９
【００４１】
【表１９】

実施例２０
【００４２】
【表２０】

実施例２１
【００４３】
【表２１】

実施例２２
【００４４】
【表２２】

実施例２３
【００４５】
【表２３】

実施例２４
【００４６】
【表２４】

以下の表は、上記の実施例において使用された、商品化された化学物質の各々を記載する：
【００４７】
【表２５】

本発明を、その実施形態を参照して具体的に示し、そして記載してきたが、形態および詳細における種々の変化が、本発明の範囲から逸脱することなくその範囲内でなされ得、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることを、当業者は理解する。

Claims (16)

1. 以下：
   溶媒；
   該溶媒中の活性剤であって、ここで、該活性剤は、コハク酸、アジピン酸、グルタル酸、イタコン酸、シュウ酸、マロン酸、ｔｒａｎｓ−２，３−ジブロモ−１−ブテン−１，４−ジオール；ジブロモスチレン；ならびにモノ、ジおよびトリブロモコハク酸、モノ、ジおよびトリブロモアジピン酸、モノ、ジおよびトリブロモグルタル酸、モノ、ジおよびトリブロモイタコン酸、および、モノおよびジブロモマロン酸からなる群から選択される少なくとも１種の活性剤を含む、活性剤；
   該溶媒中のカチオン性界面活性剤；および
   該溶媒中の非イオン性界面活性剤、
   を含み、
   ここで、該溶媒、該活性剤、該カチオン性界面活性剤および該非イオン性界面活性剤が、それぞれ、７５〜９８重量％、０．２〜５重量％、０．０５〜０．５重量％、および０．１〜２．０重量％の濃度範囲を有している、ろう接用フラックス。
2. 請求項１に記載のろう接用フラックスであって、グリコールエーテル溶媒、芳香族アルコール、長鎖脂肪族アルコール、ロジンアルコール、カルボン酸メチルエステル、エステルガム、ならびに改質ロジンのエステルおよび改質樹脂のエステルからなる群から選択される、高沸点添加剤をさらに含む、ろう接用フラックス。
3. 前記溶媒が、アルコールを含む、請求項１に記載のろう接用フラックス。
4. 前記溶媒が、水を含む、請求項１に記載のろう接用フラックス。
5. 前記カチオン性界面活性剤が、４級アンモニウムフルオロアルキル化合物およびカチオン性フルオロアルキルアミン化合物からなる群から選択される少なくとも１種の界面活性剤を含む、請求項１に記載のろう接用フラックス。
6. 前記非イオン性界面活性剤が、エトキシル化界面活性剤、エトキシル化／プロポキシル化コポリマー界面活性剤、およびフッ化界面活性剤からなる群から選択される少なくとも１種の非イオン性界面活性剤を含む、請求項１に記載のろう接用フラックス。
7. 天然ロジン、天然樹脂、および天然ろう；化学的改質ロジン、化学的改質樹脂、および化学的改質樹脂ろう；合成樹脂および合成ろう；ならびにその混合物からなる群から選択される、少なくとも１種のロジン、樹脂、またはろうをさらに含む、請求項１に記載のろう接用フラックス。
8. 以下：
   溶媒；
   該溶媒中の活性剤であって、ここで、該活性剤は、コハク酸、アジピン酸、グルタル酸、イタコン酸、シュウ酸、マロン酸、ｔｒａｎｓ−２，３−ジブロモ−１−ブテン−１，４−ジオール；ジブロモスチレン；ならびにモノ、ジおよびトリブロモコハク酸、モノ、ジおよびトリブロモアジピン酸、モノ、ジおよびトリブロモグルタル酸、モノ、ジおよびトリブロモイタコン酸、および、モノおよびジブロモマロン酸からなる群から選択される少なくとも１種の活性剤を含む、活性剤；および
   該溶媒中のカチオン性界面活性剤
   を含む、ろう接用フラックスであって、
   該界面活性剤が、カチオン性４級アンモニウムフルオロアルキル化合物およびカチオン性フルオロアルキルアミン化合物からなる群より選択され、ここで、該溶媒、該活性剤および該カチオン性界面活性剤が、それぞれ、７５〜９８重量％、０．２〜５重量％、および０．０５〜０．５重量％の濃度範囲を有している、
   ろう接用フラックス。
9. 前記カチオン性界面活性剤が、芳香族スルホン官能基を含む、請求項８に記載のろう接用フラックス。
10. ろうの塗布のために基板表面を調製する方法であって、該方法は、フラックスを該基板表面に塗布する工程を包含し、該フラックスが、
    溶媒、
    活性剤であって、ここで、該活性剤は、コハク酸、アジピン酸、グルタル酸、イタコン酸、シュウ酸、マロン酸、ｔｒａｎｓ−２，３−ジブロモ−１−ブテン−１，４−ジオール；ジブロモスチレン；ならびにモノ、ジおよびトリブロモコハク酸、モノ、ジおよびトリブロモアジピン酸、モノ、ジおよびトリブロモグルタル酸、モノ、ジおよびトリブロモイタコン酸、および、モノおよびジブロモマロン酸からなる群から選択される少なくとも１種の活性剤を含む、活性剤、
    カチオン性界面活性剤および
    非イオン性界面活性剤
    を含み、
    ここで、該溶媒、該活性剤、該カチオン性界面活性剤および該非イオン性界面活性剤が、それぞれ、７５〜９８重量％、０．２〜５重量％、０．０５〜０．５重量％、および０．１〜２．０重量％の濃度範囲を有している、方法。
11. 前記フラックスが、グリコールエーテル溶媒、芳香族アルコール、長鎖脂肪族アルコール、ロジンアルコール、カルボン酸メチルエステル、エステルガム、ならびに改質ロジンのエステルおよび改質樹脂のエステルからなる群より選択される、少なくとも１種の高沸点添加剤をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記フラックスが前記基板に塗布された後に、該基板をろう接する工程をさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記カチオン性界面活性剤が、カチオン性４級アンモニウムフルオロアルキル化合物およびカチオン性フルオロアルキルアミン化合物からなる群より選択される、請求項１０に記載の方法。
14. 前記カチオン性界面活性剤が、芳香族スルホン官能基を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記非イオン性界面活性剤が、エトキシル化界面活性剤、エトキシル化／プロポキシル化界面活性剤、およびフッ化界面活性剤からなる群より選択される少なくとも１種の界面活性剤を含む、請求項１０に記載の方法。
16. 以下：
    電気的に絶縁された基板；
    該基板上の少なくとも１つの電導性経路；
    該電導性経路と電気接続された少なくとも１つの電導性接触子；および
    該電導性接触子上にコーティングされたろう接用フラックスであって、カチオン性界面活性剤および非イオン性界面活性剤を含む、該ろう接用フラックス、
    を含むプリント回路基板であって、
    ここで、該カチオン性界面活性剤および該非イオン性界面活性剤が、それぞれ、０．０５〜０．５重量％、および０．１〜２．０重量％の濃度範囲を有している、プリント回路基板。