JP5812230B2 - フラックス及びソルダペースト - Google Patents

Description

本発明は、はんだ付け時の加熱による炭化が抑えられたフラックス、及び、フラックスとはんだ合金の粉末が混合されたソルダペーストに関する。

一般的に、はんだ付けに用いられるフラックスは、はんだ合金及びはんだ付けの対象となる接合対象物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つ。このため、フラックスを使用してはんだ付けを行うことで、はんだ合金と接合対象物の金属表面との間に金属間化合物が形成できるようになり、強固な接合が得られる。

ソルダペーストは、フラックスとはんだ合金の粉末が混合されて生成される。ソルダペーストを使用したはんだ付けの工程では、ソルダペーストが塗布された基板あるいは電極等の接合対象物に、電子部品等の被接合対象物が載置され、接合対象物と被接合対象部がリフロー炉で加熱される。ソルダペーストが加熱されることで、ソルダペースト中のはんだ合金が溶融して凝固し、接合対象物と被接合対象物がはんだ合金で接合される。

リフロー炉を使用したはんだ付けの工程では、溶融して凝固したはんだ合金中にボイドが発生することを防止する必要がある。従来、はんだ溶融時の加熱時間を長くすることにより、ボイドを低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−０４３７０９号公報

フラックスには、リフロー炉を使用したはんだ付け工程での加熱によって分解、揮発しない成分が含まれ、フラックス残渣として残留する。フラックス残渣を除去する必要がある用途では、フラックス残渣が洗浄によって確実に除去できる必要がある。

リフロー炉を使用したはんだ付け工程では、はんだ溶融時間を長くすると、ボイドを低減することができる。しかし、例えばピーク温度を240℃に設定し、このピーク温度を30秒保持するというように、はんだの溶融温度に合わせたピーク温度を所定時間保持するというプロファイルは難しく、通常、ピーク温度を上げ240℃以上を30秒保持するという手法が用いられる。

しかし、はんだ溶融時の加熱温度を高くすると、ボイドは低減するが、フラックス残渣が炭化する可能性がある。フラックス残渣が炭化すると、はんだ付けによる接合対象物である例えば基板に固着し、フラックス残渣を洗浄で除去できなくなる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、フラックス残渣の炭化を抑えて洗浄性を向上させたフラックス、及び、フラックスとはんだ合金の粉末が混合されたソルダペーストを提供することを目的とする。

本願の発明者らは、チキソ剤としてフラックスに添加される化合物の炭化を抑えることで、フラックス残渣の洗浄性を向上できることを見出した。

本発明は、有機酸と、チキソ剤と、ロジンと、溶剤から成り、チキソ剤として、炭素数が１４〜２０の脂肪酸モノアルキロールアミドを3〜10重量%含み、有機酸として、炭素数が１０以下のジカルボン酸を4〜10重量%含み、溶剤を30〜60重量%含むフラックスである。

本発明のフラックスは、脂肪酸モノアルキロールアミドとして、パルミチン酸モノエタノールアミドとステアリン酸モノエタノールアミドのいずれか、あるいは、パルミチン酸モノエタノールアミドとステアリン酸モノエタノールアミドの両方が添加されることが好ましい。

また、本発明は、フラックスとはんだ合金の粉末が混合されたソルダペーストにおいて、フラックスは、有機酸と、チキソ剤と、ロジンと、溶剤から成り、チキソ剤として、炭素数が１４〜２０の脂肪酸モノアルキロールアミドを3〜10重量%含み、有機酸として、炭素数が１０以下のジカルボン酸を4〜10重量%含み、溶剤を30〜60重量%含むソルダペーストである。

本発明では、チキソ剤として添加される炭素数が１４〜２０の脂肪酸モノアルキロールアミドは、SMT(Surface Mount Technology)と呼ばれる表面実装はんだ付け工程で想定される270℃までの温度で炭化しない。270℃はSMTで用いられる主な部品の耐熱温度である。これにより、洗浄によりフラックス残渣の除去が可能となり、フラックス残渣の洗浄性を向上させることができる。

＜本実施の形態のフラックスの組成例＞
本実施の形態のフラックスは、有機酸と、チキソ剤と、ロジンと、溶剤とを含む。本実施の形態のフラックスは、はんだ合金の粉末と混合されてソルダペーストとして使用される。

フラックスには、リフロー炉等を使用したはんだ付け工程での加熱によって分解、揮発しない成分が含まれ、はんだ付けによる接合対象物である例えば基板等にフラックス残渣が残留する。フラックス残渣を除去する必要がある用途では、フラックス残渣が洗浄によって確実に除去できる必要がある。

一方、リフロー炉を使用したはんだ付けでは、はんだ合金中のボイドを抑制する必要がある。はんだ付け工程での加熱の温度を高くすることで、ボイドを抑制できるが、従来、チキソ剤としてフラックスに添加される化合物は、はんだ付け時の加熱の温度を高くすると、炭化してフラックス残渣となる可能性があった。

フラックス残渣が炭化すると、はんだ付けによる接合対象物である例えば基板に固着し、フラックス残渣を洗浄で除去できなくなる。この現象を焼き付きと呼び、焼き付きが起こると品質の低下につながる。

そこで、はんだ付け工程での温度に対する所定の耐熱性を有して炭化が抑えられ、かつ、洗浄によりフラックス残渣の除去が可能な化合物をチキソ剤として添加することで、フラックス残渣の洗浄性を向上させる。

また、溶剤の添加量によって、フラックス残渣中に溶剤成分を残留させることでも、フラックス残渣の洗浄性を向上させる。

有機酸は、金属酸化膜を除去する活性剤成分として添加される。有機酸は、炭素数が１０以下、本例では、炭素数が４〜９（C4〜C9）のジカルボン酸から選択される。上述した有機酸として、洗浄性を考慮して、アゼライン酸、コハク酸、マレイン酸、スベリン酸、グルタル酸の何れか、あるいは、アゼライン酸、コハク酸、マレイン酸、スベリン酸、グルタル酸が所定の組み合わせで添加される。有機酸は、本例では、アゼライン酸とコハク酸、あるいは、アゼライン酸とマレイン酸が、所定の比率で添加される。

チキソ剤は、ソルダペーストの使用用途に合わせて、ソルダペーストに所望のチキソ性を付与する。チキソ剤は、リフロー炉を使用したはんだ付け工程での温度に対する耐熱性を有し、かつ、所定の洗浄剤に対して可溶な性質を有する化合物から選択される。

上述した性質を有するチキソ剤は、炭素数が１４〜２０（C14〜C20）の脂肪酸モノアルキロールアミドが挙げられ、本例では、炭素数が１６〜１８（C16〜C18）の脂肪酸モノアルキロールアミドから選択される。チキソ剤は、脂肪酸モノアルキロールアミドが必須の成分として添加され、ヒマシ硬化油、脂肪酸アミドが任意に添加される。脂肪酸モノアルキロールアミドは、パルミチン酸モノエタノールアミドとステアリン酸モノエタノールアミドのいずれか、あるいは、パルミチン酸モノエタノールアミドとステアリン酸モノエタノールアミドの両方であることが好ましい。

ロジンは、所定の洗浄剤に対して可溶な化合物から選択され、本例では、重合ロジン、水添ロジン、不均化ロジンの何れか、あるいは、重合ロジン、水添ロジン、不均化ロジンが所定の組み合わせで添加される。

溶剤は、フラックス中の固形成分を溶かす。溶剤としては、一般的に知られているグリコールエーテル系の化合物から選択される。

チキソ剤として添加される脂肪酸モノアルキロールアミドは、リフロー炉を使用したはんだ付け工程で想定される炉内のピーク温度で炭化しない。また、チキソ剤として添加される脂肪酸モノアルキロールアミドと、有機酸、ロジン、溶剤の何れも、所定の洗浄剤に対して可溶な化合物から選択される。これにより、洗浄によりフラックス残渣の除去が可能であり、フラックス残渣の洗浄性を向上させることができる。

フラックスでは、有機酸の添加量が少ないと、はんだの濡れ性が低下する。これに対して、有機酸の添加量を多くすれば、はんだの濡れ性が向上する。はんだの濡れ性を向上させることで、ボイドの発生を抑えることができる。

しかし、有機酸の添加量を増加させると、有機酸もフラックス残渣中に残るので、フラックス残渣の炭化の要因となって、洗浄に不具合が生じる。

そこで、有機酸の添加量を4〜10重量%、チキソ剤である脂肪酸モノアルキロールアミドの添加量を3〜10重量%、溶剤の添加量を30〜60重量%、残部をロジンとした。

溶剤の添加量を30〜60重量%とすることで、リフロー炉を使用したはんだ付け工程で、溶剤が完全に揮発するまでの時間を長くすることができる。つまり、溶剤の添加量を増加させることにより、フラックス残渣中に溶剤成分を残留させることができる。フラックス残渣中にフラックス残渣を硬化させない溶剤成分が残留することにより、フラックス残渣の洗浄性を向上させることができる。

また、フラックス中に溶剤が残留することで、接合対象物である基板等の表面にフラックスが流れ、金属酸化膜を除去することができるので、有機酸の添加量を増加させず、4〜10重量%としても、はんだの濡れ性を向上させることができる。

本実施の形態のソルダペーストは、上述した組成のフラックスと、はんだ合金の粉末が混合されて生成される。本例におけるソルダペーストは、はんだ合金の組成がSn-3.0Ag-Cu0.5（各数値は重量%）であるはんだ合金の粉末と、フラックスが混合されて生成される。尚、本発明はこのはんだ合金に限定するものではない。

本実施の形態のはんだ継手は、上述した組成のフラックスと任意の組成のはんだ合金、または、上述したソルダペーストを使用してはんだ付けを行うことで形成される。

以下の表に示す組成で実施例と比較例のフラックスを調合し、実施例及び比較例のフラックスを使用して、フラックス残渣の洗浄性と、はんだ合金中のボイドについて検証した。なお、表１における組成率は、フラックス組成物中の重量％である。

フラックス残渣の洗浄性と、はんだ合金中のボイドについて検証するため、実施例及び比較例のフラックスを9重量%、はんだ合金の粉末を91重量%の割合で混合したソルダペーストを生成し、ソルダペーストを金属板等の試験対象物に塗布し、リフロー炉ではんだ付けを行った。

洗浄性の検証は、洗浄後に目視にてフラックス残渣の焼き付きの有無を確認した。はんだ合金中のボイドの検証は、Cu板にソルダペーストを塗布し、10×10(mm)のCu板を載せてリフロー炉ではんだ付けを行った。本例では、ボイドの発生率が1.0%以下であれば、所望のボイド率を満たすとした。

表１の比較例に示すように、有機酸の添加量とチキソ剤の添加量がそれぞれ10重量%を超える比較例１では、所望の洗浄性及びボイド率を満たさなかった。活性補助剤としてアミンを添加した比較例２では、はんだの濡れ性が向上し、ボイド率は所望の値を満たすが、焼き付きが見られ、所望の洗浄性は満たさなかった。これにより、アミンの添加は、フラックス残渣の洗浄性に影響を及ぼすことが判った。更に、有機酸の添加量を2重量%とした比較例３では、焼き付きは見られず、所望の洗浄性は満たすが、ボイド率は所望の値を満たさなかった。

これに対し、有機酸の添加量を4〜10重量%、チキソ剤である脂肪酸モノアルキロールアミドの添加量を3〜10重量%とした実施例１及び実施例２では、焼き付きは見られず、所望の洗浄性は満たすことが判った。また、ボイド率が所望の値を満たすことが判った。

以上の検証結果から、アミンを添加せず、チキソ剤として脂肪酸モノアルキロールアミドを3〜10重量%添加することで、はんだ付け時の加熱でフラックス残渣が炭化することを抑えられることが判った。

本発明は、ソルダペーストを使用したはんだ付けに適用される。

Claims (3)

1. 有機酸と、チキソ剤と、ロジンと、溶剤から成り、
   チキソ剤として、炭素数が１４〜２０の脂肪酸モノアルキロールアミドを3〜10重量%含み、
   有機酸として、炭素数が１０以下のジカルボン酸を4〜10重量%含み、
   溶剤を30〜60重量%含む
   ことを特徴とするフラックス。
2. 脂肪酸モノアルキロールアミドとして、パルミチン酸モノエタノールアミドとステアリン酸モノエタノールアミドのいずれか、あるいは、パルミチン酸モノエタノールアミドとステアリン酸モノエタノールアミドの両方が添加される
   ことを特徴とする請求項１に記載のフラックス。
3. 請求項１または請求項２に記載のフラックスとはんだ合金の粉末が混合された
   ことを特徴とするソルダペースト。