JP5445717B2 - フラックス - Google Patents
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Description
本発明は、はんだ粉末と混合されてソルダペーストを生成するフラックスに関し、特に、ソルダペーストの粘度変化を抑制できるフラックスに関する。
一般的に、はんだ付けに用いられるフラックスは、はんだが溶解する温度にて、はんだ及びはんだ付け対象の金属表面に存在する金属酸化物を化学的に除去し、両者の境界で金属元素の移動を可能にする効能を持ち、フラックスを使用することで、はんだとはんだ付け対象の金属表面との間に金属間化合物を形成させて、強固な接合が得られるようになる。
ソルダペーストは、はんだ粉末とフラックスとを混合させて得られた複合材料である。ソルダペーストは、プリント基板などの基板の電極や端子等のはんだ付け部に、印刷法や吐出法により塗布される。ソルダペーストが塗布されたはんだ付け部には部品が搭載され、リフロー炉と称される加熱炉で基板を加熱してはんだを溶融させて、はんだ付けが行われる。
ソルダペーストに使用するフラックスには、チキソ剤と呼ばれる粘性調整剤が添加され、フラッックス中ではんだ粉末が沈降を起こさない設計が行われる。従来、チキソ剤としては硬化ヒマシ油が添加される。また、ステアリン酸アミドを添加したフラックスも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
フラックスとはんだ粉末が混合されたソルダペーストにおいて、フラックス中ではんだ粉末が沈降を起こすのは、フラックスの比重を１とすると、はんだ粉末の比重が7.4程度と、両者の比重に大きな隔たりがあるためである。
そこで、フラックスとの比重差があるはんだ粉末の沈降を防止するため、フラックス中に網目構造状の析出物を形成させており、この網目構造状物の析出を可能とするのが従来のチキソ剤である。この網目構造がソルダペーストの弾性を高める原因になっている。
ソルダペーストは、基板の電極等の配置及び大きさに応じて開口部の設けられたメタルスクリーンを使用して、基板等に印刷供給される。ソルダペーストの印刷供給は、メタルスクリーン上にソルダペーストを載せ、スキージと称されるへらを、モータ等の駆動源による力でメタルスクリーン上で滑らせることで行われる。
メタルスクリーン上でスキージを移動させると、ソルダペーストはスキージによって回転しながら移動し、メタルスクリーンの開口部内に進入する。その後、メタルスクリーンを引き剥がすと、開口部に充填されたソルダペーストが基板に転写される。従って、ソルダペーストの印刷供給中は、常にソルダペーストは攪拌される状態におかれる。
そして、チキソ剤の添加で弾性を持ったソルダペーストが攪拌されると、フラックス中の網目構造の一部が破壊されるために、印刷中の粘度低下を引き起こしている。また、ソルダペーストが攪拌されると、フラックスとはんだ粉末間での化学反応が増長し、この化学反応が原因で擬似的に弾性が高められるために、ソルダペーストの粘度が大きく変化してしまう。
従来から使用されてきたチキソ剤には硬化ヒマシ油やアマイド系潤滑剤がある。これらを添加したフラックスと、はんだ粉末が混合されたソルダペーストでは、ソルダペーストの弾性が増長して、はんだ粉末の沈降防止効果が得られ、かつソルダペーストを供給した時の形状維持効果が得られる。
その一方、添加するチキソ剤の材質によっては、沈降防止効果の他に、ソルダペーストの粘度を変化させ、攪拌時の粘度降下による印刷供給性の変化や、加熱時の広がりを変化させる作用も持ち得る。
このため、これらの特性を考慮して、はんだ粉末の沈降を防止でき、かつソルダペーストの粘度の変化を抑制できるようなチキソ剤の配合を調整する必要があるが、はんだ粉末の沈降を防止する効果と、ソルダペーストの粘度の変化を抑制する効果を併せ持つフラックスは無かった。
本発明は、はんだ粉末と混合されることで、粘度の変化が抑えられたソルダペーストを生成するフラックスを提供することを目的とする。
本発明者らは、流動性改善特性を持つポリマーに着目し、チキソ剤の添加によるはんだ粉末の沈降防止効果を阻害せずに、粘度の低下を抑える成分を見出した。
本発明は、はんだ粉末と混合されてソルダペーストを生成するフラックスにおいて、ソルダペーストのチキソ比を低下させ、粘度を増加させるアルキル基を持つポリアルキルメタクリレートを0.5質量％〜5.0質量％含み、ソルダペーストの攪拌状態での粘度の変化を抑制するフラックスである。
チキソ剤として硬化ヒマシ油を含むことが好ましい。なお、％は、特に指定しない限り質量％である。
本発明のフラックスでは、アルキル基を持つポリアルキルメタクリレートを0.5質量％〜5.0質量％添加することで、はんだ粉末と混合してソルダペーストを生成すると、ソルダペーストの粘度を増加させることができる。これにより、ソルダペーストの攪拌時の粘度降下による印刷供給性の変化を抑制することができる。混合されるはんだ粉末の合金組成は特に制限されない。
また、ソルダペーストの加熱時の広がりが抑制され、フラックス残渣の広がりも抑制することができる。
本実施の形態のフラックスは、はんだ粉末と混合されてソルダペーストを生成する。本実施の形態のフラックスは、はんだ粉末の沈降を防止するチキソ剤として、硬化ヒマシ油を含む。この硬化ヒマシ油による沈降防止効果を阻害せずに、ソルダペーストの粘度を増加させるため、本実施の形態のフラックスは、メタクリル酸重合体を含む。メタクリル酸重合体としては、アルキル基をもったポリアルキルメタクリレートが好ましい。
ポリアルキルメタクリレートが添加されたフラックスと、はんだ粉末が混合されたソルダペーストでは、ソルダペーストの粘度を増加させることができる。また、硬化ヒマシ油の添加によりはんだ粉末の沈降が防止され、はんだ粉末とフラックスとの分離が抑制される。フラックスへのポリアルキルメタクリレートの添加は、硬化ヒマシ油の添加によるはんだ粉末の沈降防止効果を阻害しない。
ソルダペーストの粘度は、フラックスへのポリアルキルメタクリレートを添加する量で変化し、ポリアルキルメタクリレートの添加量を増やすと、ソルダペーストの粘度が増加する。一方、ソルダペーストの粘度の増加の度合いが少なくなるポリアルキルメタクリレートの添加量が存在する。
また、ソルダペーストの弾性も、フラックスへのポリアルキルメタクリレートを添加する量で変化し、ポリアルキルメタクリレートの添加量を増やすと、ソルダペーストの弾性が低下する。一方、ソルダペーストの弾性の低下の度合いが少なくなるポリアルキルメタクリレートの添加量が存在する。
このため、ポリアルキルメタクリレートの添加量は、0.5％以上〜5.0％以下であることが好ましい。
以下の表１に示す組成で実施例と比較例のフラックスを調合し、これらのフラックスとはんだ粉末（組成：Sn-3Ag-0.5Cu，粒度：25〜36μｍ）を、フラックスの含有量を11質量％で混ぜて、ソルダペーストを生成した。
ここで、表１に示す組成では、変性ロジンと溶剤としてのジエチレングリコールモノヘキシルエーテルを主成分として、ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩を活性剤として添加する。各実施例では、硬化ヒマシ油を増粘剤（チキソ剤）として添加すると共に、ポリアルキルメタクリレートを増粘剤として添加する。比較例では、ポリアルキルメタクリレートを添加しない。
図１は、ポリアルキルメタクリレートの添加量とソルダペーストの粘度及びチキソ比の関係を示すグラフである。図１では、表１に示す実施例と比較例のフラックスを使用して生成したソルダペーストの粘度とチキソ比を、二重円筒管式粘度計で測定した結果を示す。
図１に示すように、フラックスに添加するポリアルキルメタクリレートの増量と共にチキソ比は下降し、粘度は増加した。チキソ比は、値が大きくなると、せん断速度に対する粘度下降率の度合いを示すもので、チキソ比は弾性のパラメーターである。図１に示すように、フラックスにポリアルキルメタクリレートを0.5質量％添加した実施例１のソルダペーストでは、フラックスにポリアルキルメタクリレートを添加しない比較例１のソルダペーストと比較して、ソルダペーストの弾性が低下することが判る。
従って、フラックスへのポリアルキルメタクリレートの添加は、ソルダペーストの弾性を低下させ、粘度を増加させる効果を持つことが判る。ここで、フラックスにポリアルキルメタクリレートを5質量％添加した実施例３と、ポリアルキルメタクリレートを10質量％添加した実施例４のソルダペーストでは、粘度及び弾性の変化の度合いは少なく、粘度を増加させる効果及び弾性を低下させる効果が実質的に変わらないことが判る。
図２は、ポリアルキルメタクリレートの添加量とずり速度及び応力の関係を示すグラフである。図２では、表１に示す実施例と比較例のフラックスを使用して生成したソルダペーストのずり速度と応力を、コーンプレート式粘度計で測定した結果によるずり速度−応力曲線を示す。
各実施例及び比較例の何れのソルダペーストも、降伏応力は150Paあたりにあり、ここを起点に応力が増すにつれてずり速度が増す傾向がある。一方、ポリアルキルメタクリレートの添加量を1質量％とした実施例２のソルダペーストまでは、比較例１、実施例１との間で、ずり速度−応力曲線の変化は少ない。
これに対し、ポリアルキルメタクリレートの添加量を5質量％とした実施例３のソルダペーストでは、ずり速度−応力曲線の傾きが減少し、応力に対するずり速度の上昇の度合いが緩和されたことがわかる。これは、ポリアルキルメタクリレートの添加量を5質量％程度にすると、ソルダペーストの降伏応力を変えずに粘度を上げることができることを示している。
ここで、ポリアルキルメタクリレートの添加量を5質量％とした実施例３と、ポリアルキルメタクリレートの添加量を10質量％とした実施例４との間では、ずり速度−応力曲線の変化は少なく、粘度を増加させる効果が実質的に変わらないことが判る。
図３は、チキソ剤の添加量とずり速度及び応力の関係を示すグラフである。図３では、比較例として、ポリアルキルメタクリレートを添加せず、チキソ剤として硬化ヒマシ油の添加量を変えたフラックスを使用して生成したソルダペーストのずり速度と応力を、コーンプレート式粘度計で測定した結果によるずり速度−応力曲線を示す。
図３に示すように、フラックスに添加するチキソ剤が少ないソルダペーストでは、降伏応力は低下し、粘度が増す。一方、チキソ剤が多くなると、降伏値は増し、粘度は低下する傾向を示す。このように、チキソ剤のみの添加では、高降伏値と高粘度が同時に得られることはないことが判る。図１と図２の実施例で示すように、チキソ剤に加えてポリアルキルメタクリレートを添加することで、降伏値を維持しながら、粘度を高めることができることが判る。
図４は、ポリアルキルメタクリレートの添加量と粘着力の関係を示すグラフである。図４に示すように、ポリアルキルメタクリレートの添加量を増やすと、ソルダペーストの粘着力が増加し、フラックスへのポリアルキルメタクリレートの添加量を0.5質量％とした実施例１のソルダペーストでは、ポリアルキルメタクリレートを添加しない比較例１のソルダペーストと比較して、ソルダペーストの粘着力が増加することが判る。
また、ポリアルキルメタクリレートの添加量を5質量％とした実施例３のソルダペーストでは、比較例のソルダペーストと比較して、２倍近い粘着力が得られることが判る。ここで、ポリアルキルメタクリレートの添加量を5質量％とした実施例３と、ポリアルキルメタクリレートの添加量を10質量％とした実施例４のソルダペーストでは、粘着量が実質的に変わらないことが判る。
以上の結果から、フラックスへのポリアルキルメタクリレートの添加量を0.5質量％としたソルダペーストでは、弾性を低下させることができるので、粘度を増加させる効果が得られることが判った。
また、ポリアルキルメタクリレートの添加量を5質量％としたソルダペーストでは、粘度をより増加させる効果が得られることが判った。更に、ポリアルキルメタクリレートの添加量を5質量％としたソルダペーストと、ポリアルキルメタクリレートの添加量を10質量％としたソルダペーストでは、粘度を増加させる効果に大きな差がないことが判った。
このため、フラックスに沈降防止効果が得られる量のチキソ剤を添加すると共に、チキソ剤の添加による沈降防止効果を阻害せずに、ソルダペーストの粘度を増加させるためには、フラックスにポリアルキルメタクリレートを0.5質量％以上〜10質量％以下、好ましくは、0.5質量％以上〜5質量％以下で添加することが好ましいことが判った。特に、硬化ヒマシ油を6％、ポリアルキルメタクリレートを5％添加したフラックスを使用したソルダペーストでは、ソルダペーストの弾性を維持しながら、粘度を増加させることができることが判った。
以上説明したように、フラックスにチキソ剤に加えてポリアルキルメタクリレートを添加することで、ソルダペーストは優れた粘着力を有するようになり、ソルダペーストを基板上に印刷供給した後、部品搭載時の保持力が増して、部品の搭載ズレや欠品不良を抑制する効果が期待できる。
また、一般的な印刷供給工程は、ダブルスキージ方式が用いられ、一方のスキージで印刷が終了すると、この一方のスキージが上がり、この時、ソルダペーストは自重により一方のスキージから脱離してスクリーン上に落下し、次に他方のスキージによって印刷が継続される。
このスキージが切り替わる間のソルダペーストの動きとして、印刷終了後にスキージが上がった際に、スキージからソルダペーストが剥がれ落ちなければならないが、従来のフラックスを使用したソルダペーストでは、スキージにソルダペーストが貼り付いて落下しないことがあった。これは、ソルダペーストの弾性が強く粘度が低い場合に発生するため、ソルダペーストの粘度を増加させることは、自動印刷機での印刷安定性を高めることができる効果が期待できる。
図５Ａ及び図５Ｂは、実施例として、フラックスにポリアルキルメタクリレートを添加したソルダペーストの印刷形状の変化を示す顕微鏡写真で、図５Ａは、印刷初期でのソルダペーストの形状を示し、図５Ｂは、１００回印刷後でのソルダペーストの形状を示す。図６Ａ及び図６Ｂは、比較例として、フラックスにポリアルキルメタクリレートを添加しないソルダペーストの印刷形状の変化を示す顕微鏡写真で、図６Ａは、印刷初期でのソルダペーストの形状を示し、図６Ｂは、１００回印刷後でのソルダペーストの形状を示す。
ソルダペーストの印刷特性については、ポリアルキルメタクリレートを添加しない従来のフラックスを使用したソルダペーストでは、連続的印刷を継続すると、メタルスクリーンの開口部にソルダペーストが目詰まりを起こし、図６Ｂに示すように、開口部内の体積に相当するソルダペーストが基板に転写できなくなることがあった。このような目詰まり現象は、高弾性で低粘性のソルダペーストで頻繁に発生する。
そこで、フラックスにポリアルキルメタクリレートを５質量％添加し、ソルダペーストの粘度を増加させると、図５Ａと図５Ｂに示すように、印刷の初期でも、１００回印刷した後でも、印刷形状の変化は少なく印刷量は安定していた。
図７は、実施例として、フラックスにポリアルキルメタクリレートを添加したソルダペーストでのフラックス残渣を示す顕微鏡写真、図８は、比較例として、フラックスにポリアルキルメタクリレートを添加しないソルダペーストでのフラックス残渣を示す顕微鏡写真である。
ソルダペーストをリフロー炉で溶解させた後、フラックスは、はんだ付け部周辺に広がって残渣として残留する。ポリアルキルメタクリレートを添加しない従来のフラックスを使用したソルダペーストでは、図８に示すように、はんだ付け部周辺に広がったフラックス残渣が一点に集中して残留し、フラックス残渣の量が極端に多く見える。このような状態では、はんだ付け部の仕上がりや外観が悪いと判定されることがある。
一方、ポリアルキルメタクリレートを0.5質量％添加した実施例のフラックスを使用したソルダペーストでは、図７に示すように、リフロー後の残差が薄く広がるようになり、見た目にフラックス残渣が少ない様子を呈した。
図９は、ソルダペーストの加熱前の印刷状態を示す顕微鏡写真、図１０〜図１２は、実施例として、フラックスにポリアルキルメタクリレートを添加したソルダペーストの加熱後の広がりを示す顕微鏡写真、図１３は、比較例として、フラックスにポリアルキルメタクリレートを添加しないソルダペーストの加熱後の広がりを示す顕微鏡写真である。
加熱時のソルダペーストの広がりを示すダレ性を検証するため、基板上に、図９に示す間隔でソルダペーストを印刷した。この基板を１００℃で加熱して、架橋が発生しない最小間隔を抽出した。
ソルダペーストの印刷後、加熱した時のダレ性においては、ダレが大きいと実際のはんだ付け工程ではんだブリッジ不良が発生する原因になる。このため、加熱時のダレは小さい方が性能が良い。
フラックスにポリアルキルメタクリレートを添加しないソルダペーストでは、図１３に示すように、印刷されたソルダペーストの間隔が0.9ｍｍまでは架橋が発生しない。
これに対して、ポリアルキルメタクリレートを1質量％添加した実施例のフラックスを使用したソルダペーストでは、図１０に示すように、印刷されたソルダペーストの間隔が0.7ｍｍまでは架橋が発生しない。
また、ポリアルキルメタクリレートを5質量％添加した実施例のフラックスを使用したソルダペーストでは、図１１に示すように、印刷されたソルダペーストの間隔が0.6ｍｍまでは架橋が発生しない。
更に、ポリアルキルメタクリレートを10質量％添加した実施例のフラックスを使用したソルダペーストでは、図１２に示すように、印刷されたソルダペーストの間隔が0.5ｍｍまでは架橋が発生しない。
以上の結果から、フラックスにポリアルキルメタクリレートを添加すると、加熱時のダレを抑制する効果を持ち、ポリアルキルメタクリレートの添加量を増やすと、ダレを抑制する効果が大きくなることが判る。
本発明のフラックスは、ソルダペーストの印刷供給時の信頼性、はんだ付け後の信頼性に加えてはんだ付け後の外観性が求められる分野にも適用可能である。
Claims (2)
- ロジンと、溶剤と、活性剤と、チキソ剤を含み、はんだ粉末と混合されてソルダペーストを生成するフラックスにおいて、
ソルダペーストのチキソ比を低下させ、粘度を増加させるアルキル基を持つポリアルキルメタクリレートを0.5質量％〜5.0質量％含み、ソルダペーストの攪拌状態での粘度の変化を抑制する
ことを特徴とするフラックス。 - チキソ剤として硬化ヒマシ油を含む
ことを特徴とする請求項１記載のフラックス。
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