JP5150911B2 - はんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物 - Google Patents

Description

本発明は、例えば回路基板に対して回路部品等をはんだ接続する際に使用されるはんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物に関する。

一般に、はんだペースト組成物は、ロジン類などのベース樹脂、溶剤、活性剤、チキソ剤（thixotropic agent）等からなるフラックスおよびはんだ粉末などから構成されている。ここで、フラックスに用いられる溶剤としては、ジエチレングリコールモノブチルエーテル（ブチルカルビトール）やジエチレングリコールモノ−n−ヘキシルエーテル（ヘキシルカルビトール）に代表されるような揮発性有機化合物（以下、ＶＯＣという）が一般的に使用されている。このような溶剤が使用される理由は、フラックス成分の溶解性に優れるとともに、連続印刷時の粘度安定性を確保することが容易であり、かつ、はんだ溶融時には揮発するため電気絶縁抵抗を損なうことがないという優れた特性を持つことにある。

しかしながら、ＶＯＣは、光化学オキシダントの原因物質となり得るため、近年、地球環境に対する配慮から、その使用を制限する対策（ＶＯＣ対策）が要望されている。
そこで、ＶＯＣ対策として、例えば、フラックス成分として水溶性物質を使用することにより、溶剤を水に置換した水溶性はんだペースト（特許文献１参照）や、水を溶剤とし、従来の疎水性ベース樹脂を分散させたはんだ付け用フラックス（特許文献２参照）が提案されている。

しかしながら、特許文献１の水溶性はんだペーストを用いると、水洗浄工程や水すすぎ工程などが必要となるため工程数が増え、電子部品などの製品コストが上昇するという問題が生じるとともに、洗浄やすすぎ工程などで発生する廃液の処理を要するといった問題もあった。他方、特許文献２のはんだ付け用フラックスは、非水溶性の樹脂を乳化分散させているため使用時や保管時の安定性が懸念されるとともに、はんだ粉末と混練してはんだペーストとする際にも、分散粒子の安定を保つことが非常に困難であるという問題があった。

そのため、はんだ付け用フラックスにおけるＶＯＣ対策としては、水以外の溶剤で、かつリフロー時にもほとんど揮発しないような高沸点の有機溶剤を用いた対策が有望視されている。しかし、高沸点の有機溶剤を通常量含有するフラックスでは、乾燥性が悪くなり、はんだ付け後にフラックス残渣の粘着性が高くなるという問題や、マイグレーションが発生するなどして信頼性が低下するといった問題が生じる。したがって、高沸点の有機溶剤を用いる場合、フラックス中の溶剤の含有率をある程度低く設計する必要がある。しかし、溶剤の含有率を下げると、はんだペーストとした時の粘度が高くなり、作業性が著しく低下することになる。
このように、良好な作業性を確保しうるよう通常量の溶剤を用いながら、フラックス残渣の粘着性を抑え、かつ高い信頼性ではんだ付けを可能にするＶＯＣ対策は、確立されていないのが現状であった。

特開平１０−８５９８５号公報 特開２００７−１４４４４６号公報

本発明は、フラックス残渣の粘着性を抑え、高い信頼性を確保しつつ、リフロー時の揮発量を低減して環境負荷の少ないはんだ付けを可能にするはんだ付け用フラックスと、これを用いたはんだペースト組成物とを提供する。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、フラックス中の溶剤として沃素価が１２０〜１７０である油成分を用いると、リフロー時に酸素と反応し、酸化重合により硬化するため、リフロー時の揮発量を大幅に低減できると同時に、フラックス残渣における液状物質の残留も抑制でき、残渣の粘着性増大や信頼性低下といった問題をも解決することが可能になる、という新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のはんだ付け用フラックスは、ベース樹脂、活性剤および溶剤を含有するはんだ付け用フラックスであって、前記溶剤として、沃素価が１２０〜１７０である油成分を含有する、ことを特徴とする。上記構成において、前記油成分の含有量はフラックス総量に対して２２〜８０重量％であることが好ましい。また、上記構成において、前記油成分は、乾性油および半乾性油の少なくとも一方を含むことが好ましく、より好ましくは、桐油、けし油、くるみ油、紅花油、ひまわり油および大豆油からなる群より選ばれる１種以上を含むのがよい。
本発明のはんだペースト組成物は、前記本発明のはんだ付け用フラックスとはんだ合金粉末とを含有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、フラックス中に含まれる溶剤として沃素価が１２０〜１７０である油成分を用いることにより、リフロー時に酸化重合による硬化を起こさせ、その結果、フラックス残渣の粘着性を抑え、高い信頼性を確保しつつ、リフロー時の揮発量を大幅に低減して環境負荷の少ないはんだ付を行うことができる、という効果が得られる。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
本発明のはんだ付け用フラックス（以下、単に「フラックス」と称することもある）は、溶剤として特定の油成分を含有する。ここで、油成分とは、１種の油もしくは２種以上の油の混合物を意味するものである。油は、通常、常温（室温）で液状である。このため、油成分を溶剤として用いることにより、はんだペースト組成物としてはんだ付けに供する際には液状のまま溶剤として機能して、良好な作業性を確保するとともに、リフロー時には空気中の酸素と反応して酸化重合を起こして硬化することとなり、その結果、リフロー時の揮発量を大幅に低減できると同時に、フラックス残渣における液状物質の残留も抑制でき、残渣の粘着性増大や信頼性低下といった問題を回避できる。

前記油成分の沃素価は、１２０〜１７０であることが重要である。好ましくは、１２５〜１６５であるのがよい。前記油成分の沃素価が１２０未満であると、リフロー時の酸化重合による膜の硬化が不充分で、残渣のべとつきや信頼性の低下を招くことになり、一方、沃素価が１７０を超えると、フラックスもしくははんだペースト組成物の保管時や作業時に、過剰な酸化重合反応が進行し、その結果、粘度が上昇して安定性が劣化し、作業性を損なうことになる。
なお、前記油成分が２種以上の油からなる場合には、油成分全体の沃素価が１２０〜１７０になっていればよい。

前記油成分は、乾性油および半乾性油の少なくとも一方を含むことが好ましい。特に、前記油成分は、沃素価が１２０〜１７０である乾性油および沃素価が１２０〜１７０である半乾性油の少なくとも一方を含むことがより好ましい。沃素価が１２０〜１７０である乾性油としては、例えば、桐油、けし油、くるみ油、紅花油などが挙げられ、沃素価が１２０〜１７０である半乾性油としては、例えば、ひまわり油、大豆油などが挙げられる。
前記油成分が２種以上の油からなる場合、前記油成分は、乾性油および半乾性油の少なくとも一方のみからなることが好ましく、より好ましくは、沃素価が１２０〜１７０である乾性油および沃素価が１２０〜１７０である半乾性油の少なくとも一方のみからなるのがよい。ただし、混合した油成分全体の沃素価が１２０〜１７０になるように各油の配合割合が調整されていれば、前記油成分は沃素価が１２０未満の油や沃素価が１７０を超える油を含有していてもよい。沃素価が１２０未満の油としては、例えば、ホホバ油、ひまし油、やし油、ごま油などが挙げられ、沃素価が１７０を超える油としては、亜麻仁油、しそ油などが挙げられる。

前記油成分の含有量（２種以上の油の混合物である場合には、それらの合計含有量）は、フラックス総量に対して２２〜８０重量％であることが好ましく、より好ましくは３５〜６５重量％であるのがよい。油成分の含有量が２２重量％未満であると、フラックス中の液状成分が少なくなるため、フラックスが高粘度化して作業性が著しく低下するおそれがあり、一方、８０重量％を超えると、はんだ金属を清浄化する成分が少なくなるため充分なはんだ付け性が得られないおそれがあるとともに、フラックスの低粘度化により作業性が低下するおそれもある。

本発明のフラックスには、上述した油成分以外の溶剤として、本発明の効果を損なわない範囲で、例えば、多価アルコール系溶剤、エーテル系溶剤、エステル系溶剤等のような従来から一般的にフラックスに用いられている高沸点溶剤を含有させることができる。その場合、本発明の目的を考慮すると、ベース樹脂や活性剤等のフラックス成分を溶解させうる極性溶剤であり、かつ沸点が４００℃以上である溶剤を用いることが好ましい。このような高沸点溶剤としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリグリセリン等の多価アルコールやこれらのエーテル化合物あるいはエステル化合物のほか、トリメリット酸エステル、フタル酸エステル、ソルビトールエーテルなどが挙げられる。これら高沸点溶剤の含有量は、通常、フラックス総量に対して３０重量％以下であるのがよい。

本発明のフラックスは、溶剤のほかに、ベース樹脂および活性剤を含有し、さらに、必要に応じて、チキソ剤、その他の添加剤などを含有することもある。
前記ベース樹脂としては、従来から一般的にフラックスに用いられている通常のロジンおよびその誘導体や、従来から一般的にフラックスに用いられている合成樹脂が挙げられる。ロジンとしては、例えば、ガムロジン、トール油ロジン、ウッドロジン等が挙げられ、ロジン誘導体としては、例えば、重合ロジン、アクリル化ロジン、水素添加ロジン、ホルミル化ロジン、ロジンエステル、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性アルキド樹脂等が挙げられ、合成樹脂としては、例えば、スチレン−マレイン酸樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。ベース樹脂の含有量は、特に限定されないが、フラックス総量に対して５〜７５重量％であるのがよい。

前記活性剤としては、特に限定されないが、ＶＯＣ対策という本発明の目的を考慮すると、低揮発性であることが好ましく、例えば、エチルアミン、プロピルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、アニリン等のハロゲン化水素酸塩、乳酸、クエン酸、ステアリン酸、アジピン酸、トリデカン二酸、ドデカン二酸等の有機カルボン酸等が挙げられる。活性剤の含有量は、特に限定されないが、フラックス総量に対して０．１〜２０重量％であるのがよい。活性剤が０．１重量％未満であると、活性力が不足して、はんだ付け性が低下するおそれがあり、一方、２０重量％を超えると、フラックスの皮膜性が低下し、親水性が高くなるので、腐食性および絶縁性が低下するおそれがある。

前記チキソ剤としては、特に限定されないが、例えば、硬化ひまし油、蜜ロウ、カルナバワックス、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミド等が挙げられる。チキソ剤の含有量は、特に限定されないが、フラックス総量に対して０．５〜２５重量％であるのがよい。
前記その他の添加剤としては、例えば、酸化防止剤、防錆剤、キレート剤等が挙げられる。これらその他の添加剤の含有量は、本発明の効果を損なわない範囲内で適宜設定すればよい。

本発明のはんだペースト組成物は、前述した本発明のはんだ付け用フラックスとはんだ合金粉末とを含有する。
前記はんだ合金粉末としては、特に制限はなく、一般に用いられている錫−鉛合金、さらに銀、ビスマスまたはインジウムなどを添加した錫−鉛合金等を用いることができる。また、錫−銀系、錫−銅系、錫−銀−銅系等の鉛フリー合金を用いてもよい。なお、はんだ合金粉末の粒径は、５〜５０μｍ程度であるのがよい。

本発明のはんだペースト組成物におけるフラックスとはんだ合金粉末との比率は、所望されるはんだペーストの用途や機能に応じて適宜設定すればよく、特に制限されないが、フラックス：はんだ合金粉末（重量比）＝５：９５〜２０：８０程度であるのがよい。

本発明のはんだペースト組成物は、電子機器部品等をはんだ接続する際に、ディスペンサーやスクリーン印刷等により基板上に塗布される。そして、塗布後、例えば、１５０〜２００℃程度でプリヒートを行い、最高温度１７０〜２５０℃程度でリフローを行う。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜６および比較例１〜３）
表１に示すフラックスの各成分を表１に示す配合組成で容器に仕込み、加熱して溶解させた後、冷却して、フラックスをそれぞれ得た。

次いで、容器に、得られた各フラックスと、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：Ａｇ：Ｃｕ（重量比）＝９６．５：３．０：０．５）からなるはんだ合金粉末（融点２１９℃、粒径３０〜２０μｍ）とを、フラックス：はんだ合金粉末（重量比）＝１１：８９の比率で混合攪拌して、はんだペースト組成物をそれぞれ得た。
得られた各はんだペースト組成物は、以下の方法により評価した。結果を表１に示す。

＜フラックスの揮発性＞
銅板（８０ｍｍ×４０ｍｍ×０．３ｍｍ）上に、１０ｍｍ×１０ｍｍの開口部を１０個有する厚み１５０μｍのメタルマスクを用いてはんだペースト組成物を印刷した。このとき、印刷直後の銅板の重量（ａ）を測定し、印刷前後の銅板の重量差から印刷されたはんだペースト組成物の重量（Ａ）を求めた。印刷後３０分以内に、大気下において１７５±５℃で８０±５秒間プリヒートを行い、最高温度２３５±５℃でリフローを行った。リフロー後の銅板の重量（ｂ）を測定し、リフロー前後の重量差（ａ−ｂ）とフラックス含有率（すなわち、１１重量％）とから下記式に基づきフラックスの揮発率（％）を算出した。
フラックスの揮発率（％）＝[（ａ−ｂ）／（Ａ×０．１１）]×１００

＜絶縁性＞
ＪＩＳ−Ｚ−３１９７に規定するくし形基板（ＩＩ型）に、同じパターンを有する厚み１００μｍのメタルマスクを用いてはんだペースト組成物を印刷した。印刷後１０分以内に、大気下において１７５±５℃で８０±５秒間プリヒートを行い、最高温度２３５±５℃でリフローを行った。リフロー後の基板を、温度８５℃、湿度８５％の恒温恒湿槽内に放置し、１０００時間後の抵抗値（Ω）を測定することにより、電気的な信頼性の指標として絶縁性を評価した。
なお、例えば実施例１の抵抗値は６×１０⁹Ωであったが、これを表１中では「６Ｅ９」と表記するようにした。他の抵抗値も全て同様に表記した。

＜腐食性＞
はんだペースト組成物を用いてＪＩＳ−Ｚ−３２８４に規定する銅板腐食試験片を作製し、該試験片を温度４０℃、湿度８５％の恒温恒湿槽内に９６時間放置した後、目視観察により腐食発生の有無を確認した。

＜残渣の粘着性＞
はんだペースト組成物を用いてＪＩＳ−Ｚ−３２８４に規定する乾燥度試験片を作製し、常温まで冷却した試験片に粉末タルクを付着させた後、柔らかいブラシで表面を軽く払った。このとき、粉末タルクの付着の有無を目視観察により確認した。

＜粘度安定性＞
はんだペースト組成物を用いて１２時間の連続印刷を行い、連続印刷前後の粘度を測定し、その差を粘度上昇値（Ｐａ．Ｓ）とした。

表１から、フラックス中の溶剤として沃素価が１２０〜１７０である油成分を用いた実施例１〜６のはんだペースト組成物を用いると、リフロー時（はんだの加熱溶融時）の揮発物の発生が抑えられ、環境負荷を低減することが可能になることがわかる。また、実施例１〜６のはんだペースト組成物を用いると、連続印刷時に粘度が上昇することなく、しかも、油成分の酸化重合反応による硬化が起こるため、絶縁性の低下、腐食および残渣の粘着性発生といった不具合の発生がなく、高い信頼性と良好な作業性を維持できることがわかる。
これに対し、フラックス中の溶剤として揮発性有機化合物であるヘキシルカルビトールを用いた比較例１の従来のはんだペースト組成物では、信頼性は高いものの、フラックスの揮発性が高く、環境負荷が大きいという問題がある。また、フラックス中の溶剤として用いた油成分の沃素価が１７０を超える比較例２のはんだペースト組成物では、揮発物の発生を抑制し、信頼性を確保するうえでは問題はないが、連続印刷後の粘度上昇が大きく、作業性を損なうことが明らかである。また、フラックス中の溶剤として用いた油成分の沃素価が１２０未満である比較例３のはんだペースト組成物では、揮発物の発生は抑えられるものの、絶縁性、腐食性および残渣の粘着性といった特性劣化が発生するという問題が生じることが明らかである。

以上、本発明にかかるはんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物について詳しく説明したが、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更または改善しうるものである。

Claims (5)

1. ベース樹脂、活性剤および溶剤を含有するはんだ付け用フラックスであって、前記溶剤として、沃素価が１２０〜１７０である油成分を含有する、ことを特徴とするはんだ付け用フラックス。
2. 前記油成分の含有量はフラックス総量に対して２２〜８０重量％である、請求項１記載のはんだ付け用フラックス。
3. 前記油成分は、乾性油および半乾性油の少なくとも一方を含む、請求項１または２記載のはんだ付け用フラックス。
4. 前記油成分は、桐油、けし油、くるみ油、紅花油、ひまわり油および大豆油からなる群より選ばれる１種以上を含む、請求項３記載のはんだ付け用フラックス。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のはんだ付け用フラックスとはんだ合金粉末とを含有する、ことを特徴とするはんだペースト組成物。