JP5086222B2

JP5086222B2 - 回路基板はんだ付用ソルダーペーストおよび回路基板

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Publication number: JP5086222B2
Application number: JP2008268747A
Authority: JP
Inventors: 剛小野木; 誠治柴田; 隆幸野中; 巧塩見
Original assignee: Denso Corp; Tamura Corp
Current assignee: Denso Corp; Tamura Corp
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: JP2010094719A

Description

本発明は、回路基板はんだ付用ソルダーペーストおよび回路基板に関する。

電子機器には電子部品を搭載した回路基板が一つの機能を有する回路を構成する部品として用いられている。プリント回路基板は、銅張積層基板に回路配線のパターンを形成したものであって、その上に電子部品を搭載して一つの回路ユニットを形成できるようにしたものである。電子部品としてコンデンサや抵抗体等を搭載するには、その回路配線パターンのはんだ付ランドにこれらの部品をはんだ付して接続、固着している。

このようにプリント回路基板に電子部品をはんだ付するには以下の方法がある。
噴流式はんだ付方法：プリント回路基板の所定の箇所に例えば両端に電極を有するチップ状の電子部品をその両端の電極がはんだ付ランドに位置するように配置して仮り止めをし、ついでこの仮り止めした電子部品を噴流する溶融はんだに接触させることによりはんだ付する。
リフローはんだ付方法：はんだ付ランドにソルダーペーストを塗布し、これに上記と同様に電子部品の電極を位置させて加熱し、ソルダーペーストのはんだ粉末を溶融してはんだ付する。リフローは、大気中で行っても良く、窒素等の不活性雰囲気中で行っても良い。

最近では、リフローはんだ付方法を用いることが表面実装の小型化の利点があることから多くなっている。その小型化としては、近年、プリント回路基板における表面実装は、電子部品を小型化してその実装密度を高める、いわゆる高密度化の方向にあり、微小で軽量な例えば０６０３チップ（縦０．６ｍｍ、横０．３ｍｍ）も多数使用されているが、電子部品は小型化の上に多機能化され、狭い間隔で多数のリードが配設されている、例えばＱＦＰやＳＯＰのような集積回路部品では、リード数が１００本以上、リード間隔が０．５ｍｍ以下であり、さらにリード間隔が０．３ｍｍという細密なものも実用化されている。

リフローはんだ付方法、噴流はんだ付方法のいずれのはんだ付方法を用いる場合でも、連続的に搬送されるプリント回路基板に電子部品を自動的に供給し、その電極あるいはリードをはんだ付ランドあるいはスルーホールにはんだ付する自動はんだ付が行われている。通常はその前工程でフラックスをはんだ付ランドあるいはスルーホールに塗布してから溶融はんだを接触させたり、あるいははんだペーストを塗布することが行われており、はんだ付時の熱等によりはんだ付ランドの銅箔が酸化することによりはんだ付が良く行われなくなることを防止している。これは、プリント回路基板のはんだ付ランドは、はんだ付時に２００℃〜３００℃に加熱されるので、その表面が露出されている場合のみならずその表面に保護膜が形成されている場合でも、はんだ付時にフラックスが塗布されると、その膜が酸素を遮断して銅箔の酸化を防止するとともに、既に生じている酸化物を還元し、溶融したはんだを良くぬらすようになるからである。

このようなフラックスとしてはロジン系フラックスが多く用いられており、その組成は、ロジン系樹脂を主成分とし、それにアミンハロゲン塩、有機酸などの活性剤、さらにその他目的に応じて、例えばはんだ付ランドにつや消し効果をもたらすつや消し剤や発泡性を良くしたりする発泡剤等の各種添加剤を加えたものをエチルアルコール、イソプロピルアルコール等のアルコールを主成分とする溶媒に溶解したものが一般的に用いられている。このフラックスが自動はんだ付装置で用いられるときは、その装置内に設けられたフラクサーに収容されて、発泡式、噴流式あるいはスプレー式等の塗布手段により塗布される。
一般にロジンやロジン変性樹脂のロジン系樹脂は、電気絶縁性や耐湿性に優れ、高温ではんだ付する場合でもはんだ付ランドの酸化を防止し、しかも溶融はんだの熱により溶融して銅箔面に溶融はんだが接触することを可能にする、いわゆるはんだ付性能が良く、古くからはんだ付用フラックスとして用いられてきた。

また、ソルダーペーストとしては、はんだ粉末とフラックスを含有するペースト状の組成物が用いられるが、そのフラックスとしては、ロジンあるいはロジン変性樹脂をベースとし、これに少量のアミン塩酸塩のようなアミンハロゲン塩や有機酸類等の活性剤、硬化ひまし油等のチクソ剤、さらにその他目的に応じて種々の材料を溶媒に溶解させたものが一般的に用いられている。これは、上述したように、ロジン系樹脂ははんだ付性能等に優れるからであり、一般にはんだ粉末とロジン系樹脂を用いたフラックスを混合してソルダーペーストを製造することが行われている。

この分野では、鉛を含む有鉛はんだの代わりに、例えばＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金及びＳｎ−Ｚｎ合金等のようなＰｂを含まない、いわゆるＰｂフリーの無鉛系はんだが開発され、用いられるようになってきている。他方、ＱＦＰなどのリードの有鉛はんだによるメッキの代わりに、その無鉛系はんだによるメッキが施されるようになり、例えばパラジウムを用いたメッキも行われている。

しかしながら、このパラジウムやその他の無鉛系はんだのメッキを施されたリードや電極を上記のはんだ付ランドにはんだ付するときに、従来のフラックスや、ソルダーペーストを使用してはんだ付する場合には、特にそのソルダーペースト中のはんだ粉末に無鉛系はんだ粉末を用いたときは、その溶融はんだはこのパラジウムのメッキを施されたリードに対してぬれが悪くなり、その結果、例えばはんだ付強度の不足をもたらし、これが起こるとはんだ付した部品が脱落し易くなる。このためはんだ付不良として処理され、生産性が害されるという問題を生じる。

特に、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系、あるいはＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ−Ａｇ系などの無鉛系はんだ合金粉末を用いたソルダーペーストを用いた場合には、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ合金に融点が近いことから、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ合金粉末を用いたソルダーペーストが使用できる既存の設備を用いてリフローはんだ付が可能である。しかし、これらの無鉛系はんだ合金は、無鉛系はんだの中でも酸化され易い金属であり、そのソルダーペーストを用いてリフローはんだ付を行うと、無鉛系はんだ合金の酸化により、その溶融性が悪化し、溶融はんだのはんだ付部に対するぬれ性が悪くなり、はんだボールが発生し易いというようにはんだ付性が悪くなる。

この問題に対して、以下のような種々のソルダーペースト組成物が提案されている。
特開2004-130374 特開2007-136491 特開2005-152999 特開2004-306092 特開2004-152936 特開2004-141941

しかし、これら各種のソルダーペーストでも、無鉛はんだメッキを行ったリードや電極に対する溶融はんだのぬれ、およびはんだ付ランドの腐食防止という点で更に改善の余地がある。

本発明の課題は、パラジウム等の無鉛はんだメッキを行ったリードや電極に対する溶融はんだのぬれ性を良好とし、回路基板の金属面に対する溶融はんだのぬれ性が良く、はんだ付ランドの腐食を効果的に防止して電気絶縁性を良好とできるようなソルダーペーストを提供することである。

本発明は、回路基板に電子部品をはんだ付する際に用いるソルダーペーストであって、
回路基板はんだ付用フラックスおよびはんだ粉末を含有しており、前記フラックスが、一個の臭素原子およびカルボキシル基を有する炭素数が２から６の脂肪酸を含有し、前記臭素原子がこの脂肪酸の２位に配置されており、前記フラックスの組成が、前記フラックス１００質量部に対して、前記脂肪酸０．１〜６質量部、ロジン系樹脂４０〜７０質量部、溶剤２０〜４０質量部、チクソ剤１〜１０質量部、他の活性剤０〜１２質量部であることを特徴とする。

また、本発明は、前記ソルダーペーストを用いてはんだ付ランドを被覆した、電子部品をはんだ付する前又は後の回路基板に係るものである。

また、本発明は、前記ソルダーペーストを用いたはんだ付後の残さ膜を有する電子部品実装後の回路基板に係るものである。

本発明者は、回路基板に電子部品をはんだ付する際に用いるフラックスに対して、一個の臭素原子およびカルボキシル基を有する脂肪酸を添加することによって、無鉛はんだメッキを行ったリードや電極に対する溶融はんだのぬれ性が著しく改善され、回路基板の金属面に対する溶融はんだのぬれ性が良くなり、はんだ付ランドの腐食を効果的に防止して電気絶縁性を良好とできることを見いだし、本発明に到達した。

（前記脂肪酸）
前記脂肪酸ごとの臭素原子の個数は１である。

前記脂肪酸としては、飽和鎖状脂肪酸、不飽和鎖状脂肪酸、飽和環式脂肪酸、不飽和環式脂肪酸がある。

脂肪酸の炭素数は２〜６であり、３〜６が特に好ましい。また、臭素原子がこの脂肪酸の２位に配置されている。

前記脂肪酸としては、２−ブロモプロピオン酸、２−ブロモ酪酸、２−ブロモヘキサン酸等があるが、これらに限定されるものではない。

フラックス（前記脂肪酸を含む）の質量を１００質量部としたときに、脂肪酸の質量を０．１〜６質量部とし、０．３〜３質量部とすることが更に好ましい。脂肪酸を０．１質量部以上添加することで本発明の効果が一層顕著となる。また、脂肪酸の量を６質量部以下とすることによって、はんだ付ランドの腐食性がなく、電気絶縁性の高いはんだ付が可能となる。

（フラックス）
樹脂成分としては、ロジン系樹脂を用い、二種以上の樹脂を併用することもできる。

「ロジン系樹脂」としては、ガムロジン、ウッドロジン、トール油ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、水素添加ロジン及びこれらの誘導体等のロジン類が挙げられるが、これらの変性物であるロジン系変性樹脂も挙げられる。ロジン系変性樹脂としては、ディールス・アルダー反応の反応成分となり得る上記のロジン類の不飽和有機酸変性樹脂（（メタ）アクリル酸等の脂肪族の不飽和一塩基酸、フマル酸、マレイン酸等のα，β−不飽和カルボン酸等の脂肪族不飽和二塩基酸、桂皮酸等の芳香族環を有する不飽和カルボン酸等の変性樹脂）及びこれらの変性物等のアビエチン酸やその変性物を主成分とするものが挙げられ、これらは単独あるいは２種以上混合して用いられる。

樹脂成分は、フラックス１００質量部のうち４０〜７０質量部を占めている。

フラックスの溶剤としては、アルコール系溶媒が挙げられ、ソルダーペーストのフラックスとしては例えばヘキシルカルビトール（沸点２６０℃）、ブチルカルビトール（沸点２３０℃）等が挙げられる。これら有機溶媒は単独あるいは複数混合して用いられる。

高沸点溶剤としては、沸点が１５０℃より低くない、いわゆる可塑剤とすることができる、（メタ）アクリル酸エステル、フタル酸エステル、脂肪族二塩基酸エステルが挙げられる。

フラックス１００質量部に占める溶剤の比率は、２０〜４０質量部であり、２５〜３５質量部であることが更に好ましい。

フラックスにはカオリン、エアロジール（日本アエロジル社製）、有機ベントナイト、硬化ひまし油等のチクソ剤を添加する。フラックス１００質量部の中で、チクソ剤は１〜１０質量部を占める。

（他の活性剤）
本発明のフラックスには、「非解離性のハロゲン化化合物からなる非解離型活性剤」を含有させてもよく、非解離性のハロゲン化化合物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る。ハロゲン化化合物としては、塩素化物、臭素化物、フッ化物のように塩素、臭素、フッ素の各単独元素の共有結合による化合物でもよいが、その３者の任意の２つ又は全部のそれぞれの共有結合を有する化合物でもよい。これらの化合物は、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。ハロゲン化アルコールとしては、例えば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、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。

更に他の活性剤を併用することもでき、これにはアミン類、アミン塩類（エチレンジアミン等のポリアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン等のアミンの有機酸塩や無機酸塩（塩酸、硫酸等の鉱酸塩））、有機酸類、アミノ酸類（グリシン、アラニン、アスパラギン酸、グルタミン酸、バリン等）、アミド系化合物等が挙げられる。具体的にはジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミン塩酸塩、コハク酸、アジピン酸、セバシン酸、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン、これらのアミンの臭化水素酸塩等が挙げられる。

これら「他の活性剤」は、フラックス１００質量部のうち０〜１２質量部以下を占める。

（はんだ粉末）
はんだ粉末としては、有鉛のはんだ粉末、無鉛のはんだ粉末を使用する事ができる。しかし、無鉛のはんだ粉末のみからなることが好ましい。

無鉛のはんだ粉末としては、Ｓｎ／Ａｇ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｓｂや、Ｓｎ／Ｚｎ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｚｎ、Ｓｎ／Ｚｎ／Ａｌ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｂｉ／Ｉｎ等が挙げられる。

フラックスとはんだ粉末との質量比率は、５：９５〜３５：６５質量部であることが好ましく、８：９２〜１５：８５質量部であることが更に好ましい。

（製法）
本発明のフラックスを製造するには、ロジン系樹脂、これと併用するその他の樹脂、前記脂肪酸、チクソ剤および必要に応じて他の活性剤、添加剤を有機溶剤に溶解すればよい。

本発明のソルダーペーストを製造するには、本発明のフラックスとはんだ粉末を撹拌混合するのが好ましいが、使用するフラックスには、上述したようにロジン系樹脂や、これとそのほかにアクリル系樹脂等の他の樹脂成分、あるいはグリコールエーテル系、アルコール系、芳香族系、エステル系等の溶剤、その他の溶剤の中から選択した溶剤を用い、その他活性剤、チクソ剤、必要に応じてその他添加剤を撹拌混合して製造してもよい。

本発明のソルダーペーストはプリント回路基板にスクリーン印刷法やディスペンサー等により塗布される。

本発明のソルダーペーストについてはその残渣膜は洗浄することなく、電子部品を搭載した回路基板に被覆されたままにされ、本発明はこのようなソルダーペーストの残渣膜付の電子部品搭載後の回路基板を提供する。

本発明のソルダーペーストの印刷膜は、溶融はんだの温度により押し退けられ、溶融はんだを金属面に接触させる事ができる。

（実施例１〜３、比較例１、２）
表１、表２に示す組成で各成分を攪拌および混合することによって、ソルダーペーストを得た。

実施例、比較例で得られたそれぞれのソルダーペーストを用いて以下の試験を行った。
（ａ）ＱＦＰリードへのぬれ性試験
回路パターンを表面に形成した基板を１１％硫酸、３．８％過酸化水素を含む水溶液中に２０±１℃で６０秒間浸漬してソフトエッチングを行った後取り出し、３０秒間イオン交換水で洗浄する。この後、イソプロピルアルコール、酢酸エチルで順次洗浄し、表面を十分脱水した後、自然乾燥した。

この基板に以下の条件で、各例のソルダーペーストを印刷し、ついでマウント部品をはんだ付し、そのリードの溶融はんだに対するぬれ性を評価した。

（印刷条件）
メタルマスク：０．５ｍｍピッチＱＦＰ使用可能（厚さ０．１５ｍｍ）
スキージ：メタルスキージ
スキージ速度：３０ｍｍ／秒
版離れ速度：０．２ｍｍ／秒
圧：１００ｋＰａ
（マウント部品）
０．５ｍｍピッチＱＦＰ（リードはパラジウムメッキのもの）

（はんだ付条件）
上記のソルダーペースト膜を形成した基板に上記部品を載せ、１５０℃６０秒プリヒート後、２００℃、３０秒（ピーク温度２３０℃）加熱してそのソルダーペースト膜のはんだ粉末を溶融し、はんだ付する。

（ぬれ評価）
図１に示すように、基板１の回路パターンの銅パッド（はんだ付ランド）２にＱＦＰ部品３のリード４を接触させた状態で、そのリードの高さｈを１として上記の溶融はんだがこのリードの表面に沿って上昇する高さｘを測定する。

（ｂ）銅板腐食試験
ＪＩＳＺ３２８４（１９８４）により試験を行なった。「銅板腐食」のないものを「合格」、あるものを「不合格」として判定した。
各試験の結果を表１、表２に示す。

以上のように、本発明によれば、無鉛はんだメッキを行ったリードや電極に対する溶融はんだのぬれ性を良好とし、回路基板の金属面に対する溶融はんだのぬれ性が良く、はんだ付ランドの腐食を効果的に防止して電気絶縁性を良好とできる。

ＱＦＰリードのぬれ性試験の説明図である。

１基板
２銅パッド
３ＱＦＰ部品
４リード

Claims

回路基板に電子部品をはんだ付する際に用いるソルダーペーストであって、
回路基板はんだ付用フラックスおよびはんだ粉末を含有しており、前記フラックスが、一個の臭素原子およびカルボキシル基を有する炭素数が２から６の脂肪酸を含有し、前記臭素原子がこの脂肪酸の２位に配置されており、前記フラックスの組成が、前記フラックス１００質量部に対して、前記脂肪酸０．１〜６質量部、ロジン系樹脂４０〜７０質量部、溶剤２０〜４０質量部、チクソ剤１〜１０質量部、他の活性剤０〜１２質量部であることを特徴とする、回路基板はんだ付用ソルダーペースト。
請求項１記載のソルダーペーストを用いてはんだ付ランドを被覆した、電子部品をはんだ付する前又は後の回路基板。
請求項１記載のソルダーペーストを用いたはんだ付後の残さ膜を有する電子部品実装後の回路基板。