JP5985368B2 - 銅または銅合金の表面処理液及びその利用 - Google Patents
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Description
その結果、プリント配線板の回路部を構成する銅または銅合金の表面は、加熱されることにより酸化皮膜の形成が促進されるので、該回路部表面の半田付け性を良好に保つことができない。
異種金属上に化成皮膜が形成される理由として、プリント配線板を表面処理液に接触させた際に、銅回路部から表面処理液中に銅イオンが溶出し蓄積され、この銅イオンとイミダゾール化合物が反応して化成皮膜が形成されることが考えられる。
即ち、第1の発明は、化学式(I)で示されるイミダゾール化合物と、鉄イオンと、ホスホン酸系キレート剤を含有することを特徴とする銅または銅合金の表面処理液である。第2の発明は、銅または銅合金の表面に、第1の発明の表面処理液を接触させることを特徴とする銅または銅合金の表面処理方法である。第3の発明は、銅または銅合金の表面を、第1の発明の表面処理液で接触させた後に半田付けを行うことを特徴とする半田付け方法である。
また、本発明の半田付け方法は、有害金属である鉛を含まない半田の使用を可能とするので、環境保護の観点において有用なものである。
なお、本発明における銅合金としては、銅を含む合金であれば特に制限されず、例えば、Cu−Ag系、Cu−Te系、Cu−Mg系、Cu−Sn系、Cu−Si系、Cu−Mn系、Cu−Be−Co系、Cu−Ti系、Cu−Ni−Si系、Cu−Cr系、Cu−Zr系、Cu−Fe系、Cu−Al系、Cu−Zn系、Cu−Co系等の合金を挙げることができる。
4−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(4−クロロフェニル)−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(2,3−ジクロロフェニル)−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(2,4−ジクロロフェニル)−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(2,5−ジクロロフェニル)−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(2,6−ジクロロフェニル)−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(3,4−ジクロロフェニル)−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(3,5−ジクロロフェニル)−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(1−ナフチル)−2−(2−チエニル)イミダゾールおよび
4−(2−ナフチル)−2−(2−チエニル)イミダゾールである。
5−メチル−4−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
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4−(2,4−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(2,5−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(2,6−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(3,4−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(3,5−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−4−(1−ナフチル)−2−(2−チエニル)イミダゾールおよび
5−メチル−4−(2−ナフチル)−2−(2−チエニル)イミダゾールである。
4,5−ジフェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−5−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−5−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
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4−(2,3−ジクロロフェニル)−5−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
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4−(3,4−ジクロロフェニル)−5−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(3,5−ジクロロフェニル)−5−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール、
4−(1−ナフチル)−5−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾールおよび
4−(2−ナフチル)−5−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾールである。
4−フェニル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−2−(3−チエニル)イミダゾール、
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4−(1−ナフチル)−2−(3−チエニル)イミダゾールおよび
4−(2−ナフチル)−2−(3−チエニル)イミダゾールである。
5−メチル−4−フェニル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(4−クロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(2,3−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(2,4−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(2,5−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(2,6−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(3,4−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(3,5−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
5−メチル−4−(1−ナフチル)−2−(3−チエニル)イミダゾールおよび
5−メチル−4−(2−ナフチル)−2−(3−チエニル)イミダゾールである。
4,5−ジフェニル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−5−フェニル−2−(3−チエニル)イミダゾール、
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4−(2−ナフチル)−5−フェニル−2−(3−チエニル)イミダゾールである。
4−フェニル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール、
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4−(1−ナフチル)−2−(2−チエニルメチル)イミダゾールおよび
4−(2−ナフチル)−2−(2−チエニルメチル)イミダゾールである。
5−メチル−4−フェニル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール、
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5−メチル−4−(1−ナフチル)−2−(2−チエニルメチル)イミダゾールおよび
5−メチル−4−(2−ナフチル)−2−(2−チエニルメチル)イミダゾールである。
4,5−ジフェニル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−5−フェニル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール、
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4−(2,5−ジクロロフェニル)−5−フェニル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール、
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4−(1−ナフチル)−5−フェニル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾールおよび
4−(2−ナフチル)−5−フェニル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾールである。
4−フェニル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
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4−(1−ナフチル)−2−(3−チエニルメチル)イミダゾールおよび
4−(2−ナフチル)−2−(3−チエニルメチル)イミダゾールである。
5−メチル−4−フェニル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
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4−(2,4−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
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4−(3,5−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
5−メチル−4−(1−ナフチル)−2−(3−チエニルメチル)イミダゾールおよび
5−メチル−4−(2−ナフチル)−2−(3−チエニルメチル)イミダゾールである。
4,5−ジフェニル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(2−クロロフェニル)−5−フェニル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(3−クロロフェニル)−5−フェニル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
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4−(3,5−ジクロロフェニル)−5−フェニル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾール、
4−(1−ナフチル)−5−フェニル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾールおよび
4−(2−ナフチル)−5−フェニル−2−(3−チエニルメチル)イミダゾールである。
本発明の表面処理液は、前記のイミダゾール化合物を、後述する鉄イオンを供給する鉄化合物、ホスホン酸系キレート剤および可溶化剤や助剤と共に、水に溶解させることにより調製される。
この表面処理液中のイミダゾール化合物の含有量は、0.01〜10重量%の割合が好ましく、0.1〜5重量%の割合がより好ましい。イミダゾール化合物の含有量が0.01重量%より少ないと、銅表面に形成される化成皮膜の膜厚が薄くなり、銅表面の酸化を十分に防止することができない虞がある。また、10重量%より多い場合には表面処理液中にイミダゾール化合物が溶け残ったり、あるいは完溶したとしても再析出する虞があり好ましくない。
表面処理液中の鉄イオンの含有量は、0.0001〜1重量%の割合が好ましく、0.001〜0.5重量%の割合がより好ましい。
前記のキレート剤の含有量(モル濃度)は、表面処理液中の鉄イオンの含有量(モル濃度)に対して、0.5〜20倍モルの割合が好ましく、0.5〜10倍モルの割合がより好ましい。
この際に使用される代表的な有機酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、ヘプタン酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸、イソ酪酸、2−エチル酪酸、オレイン酸、グリコール酸、乳酸、2−ヒドロキシ酪酸、3−ヒドロキシ酪酸、グルコン酸、グリセリン酸、酒石酸、リンゴ酸、クエン酸、クロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、ブロモ酢酸、ヨード酢酸、メトキシ酢酸、エトキシ酢酸、プロポキシ酢酸、ブトキシ酢酸、2−(2−メトキシエトキシ)酢酸、2−[2−(2−エトキシエトキシ)エトキシ]酢酸、2−{2−[2−(2−エトキシエトキシ)エトキシ]エトキシ}酢酸、3−メトキシプロピオン酸、3−エトキシプロピオン酸、3−プロポキシプロピオン酸、3−ブトキシプロピオン酸、レブリン酸、グリオキシル酸、ピルビン酸、アセト酢酸、アクリル酸、クロトン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、マレイン酸、フマル酸、安息香酸、パラニトロ安息香酸、ピクリン酸、サリチル酸、パラトルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、スルファミン酸等が挙げられ、無機酸としては、塩酸、リン酸、硫酸、硝酸等が挙げられる。
これらの酸は、単独または組み合わせて使用することが可能であり、表面処理液中に好ましくは0.1〜50重量%の割合、より好ましくは1〜30重量%の割合で含有される。
この有機溶剤としては、例えばメタノール、エタノール、n−プロパノール、2−プロパノール、n−ブタノール、エチレングリコール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のセロソルブ類、あるいはアセトン、N,N−ジメチルホルムアミド、アセチルアセトン等の水と自由に混和するものが好ましい。
これらの有機溶剤は、単独または組み合わせて使用することが可能であり、表面処理液中に好ましくは0.1〜50重量%の割合、より好ましくは1〜40重量%の割合で含有される。
このハロゲン化合物としては、例えばフッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化アンモニウム、塩化ナトリム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、2−クロロプロピオン酸、3−クロロプロピオン酸、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化アンモニウム、2−ブロモプロピオン酸、3−ブロモプロピオン酸、ヨウ化ナトリム、ヨウ化カリウム、ヨウ化アンモニウム、2−ヨードプロピオン酸、3−ヨードプロピオン酸等が挙げられる。
これらのハロゲン化合物は、単独または組み合わせて使用することが可能であり、表面処理液中に好ましくは0.001〜1重量%の割合、より好ましくは0.01〜0.1重量%の割合で含有される。
この亜鉛化合物としては、例えば酸化亜鉛、ギ酸亜鉛、酢酸亜鉛、シュウ酸亜鉛、乳酸亜鉛、クエン酸亜鉛、硫酸亜鉛、硝酸亜鉛、リン酸亜鉛、塩化亜鉛、臭化亜鉛、ヨウ化亜鉛等が挙げられる。
これらの亜鉛化合物は、単独または組み合わせて使用することが可能であり、表面処理液中に好ましくは0.01〜5重量%の割合、より好ましくは0.02〜3重量%の割合で含有される。
pHを下げる場合には、前述の有機酸または無機酸を使用することができ、pHを上げる場合には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムまたは水酸化バリウムの他、アンモニアあるいはモノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミンなどのアミン類等の緩衝作用を有する物質が好ましく使用できる。
表面処理液を銅の表面に接触させる方法としては、浸漬、噴霧、塗布等の手段を採用することができる。
また、表面処理液と銅を接触させる時間については、1秒〜10分とすることが好ましいが、処理温度との関係において、銅表面に所望の厚さの化成皮膜が形成されるように、適宜設定すればよい。
なお、銅の表面に形成する化成皮膜の厚さは、0.1〜0.5μmであることが好ましい。
なお、実施例および比較例で使用したイミダゾール化合物ならびに評価試験方法は次のとおりである。
・4−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール(参考例1参照)
・4−(1−ナフチル)−2−(2−チエニル)イミダゾール(参考例2参照)
・5−メチル−4−(2−ナフチル)−2−(2−チエニル)イミダゾール(参考例3参照)
・4−(3,4−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニル)イミダゾール(参考例4参照)
・4−(3,4−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾール(参考例5参照)
・2−フェニルイミダゾール(四国化成工業社製、商品名「2PZ」)
・2−ノニルベンズイミダゾール(「J.Am.Chem.Soc.,59,178(1937)」に記載の方法に準拠して合成した。)
・2−ベンジルベンズイミダゾール(「Science of Synthesis,12,529(2002)」に記載の方法に準拠して合成した。)
<4−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾールの合成>
2−シアノチオフェン51.0g(0.467mol)および脱水エタノール22.6g(0.491mol)を脱水ジクロロメタン25gに溶解し、氷冷下4〜10℃にて、塩化水素ガス27.4g(0.752mol)を2時間かけて吹き込んだ。同温度にて撹拌を続けると、約2時間後に結晶が析出した。
この反応液を5℃に温調した冷蔵庫内に3日間放置した後、溶媒を減圧留去して、暗赤色結晶性塊状の2−チオフェンイミド酸エチル塩酸塩89.0g(0.464mol、収率99.4%)を得た。
この2−チオフェンイミド酸エチル塩酸塩を粉砕した後、脱水エタノール80gにアンモニア13.6g(0.799mol)を吸収させたエタノール溶液を、氷冷下にて少量ずつ注ぎ加えた後に4時間撹拌し、更に室温に戻して一晩撹拌した。
反応懸濁液から溶媒を減圧留去し、固体濃縮物をヘキサン−ジクロロメタン(2:1体積比)混合液300mlにて洗浄後、減圧下にて乾燥し、微暗桃色粉末状の2−チオフェンカルボキサミジン塩酸塩72.0g(0.443mol、収率94.8%対2−シアノチオフェン)を得た。
この2−チオフェンカルボキサミジン塩酸塩24.4g(0.150mol)、炭酸カリウム54.0g(0.391mol)とN,N−ジメチルアセトアミド81gからなる懸濁液を50℃にて15分間撹拌後、2−ブロモアセトフェノン29.9g(0.150mol)とトルエン75gからなる溶液を、50〜55℃にて40分間かけて滴下し、70℃にて3.5時間撹拌した。
この反応懸濁液を冷却後、水500mlにて2回洗浄し、トルエン層に析出した固形分を濾取した。取り出したケーキをトルエンと水で順次洗浄し、減圧下にて乾燥して黄褐色粉末18.1g(粗収率53.3%)を得た。
この粉末をアセトニトリルより再結晶して、クリーム色結晶状の標題のイミダゾール化合物12.8g(0.0566mol、収率37.7%)を得た。
<4−(1−ナフチル)−2−(2−チエニル)イミダゾールの合成>
参考例1の2−ブロモアセトフェノンを2−ブロモ−1′−アセトナフトンに代えて、参考例1の方法に準拠して標題のイミダゾール化合物を合成した。
<5−メチル−4−(2−ナフチル)−2−(2−チエニル)イミダゾールの合成>
参考例1の2−ブロモアセトフェノンを2−ブロモ−2′−プロピオナフトンに代えて、参考例1の方法に準拠して標題のイミダゾール化合物を合成した。
<4−(3,4−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニル)イミダゾールの合成>
参考例1の2−ブロモアセトフェノンを2−ブロモ−3′,4′−ジクロロプロピオフェノンに代えて、参考例1の方法に準拠して標題のイミダゾール化合物を合成した。
<4−(3,4−ジクロロフェニル)−5−メチル−2−(2−チエニルメチル)イミダゾールの合成>
まず、参考例1の2−シアノチオフェンを2−チオフェンアセトニトリルに代えて、参考例1の方法に準拠して2−チエニルアセトアミジン塩酸塩を合成した。
次いで、参考例1の2−チオフェンカルボキサミジン塩酸塩を2−チエニルアセトアミジン塩酸塩に代えて、2−ブロモアセトフェノンを2−ブロモ−3′,4′−ジクロロプロピオフェノンに代えて、参考例1の方法に準拠して標題のイミダゾール化合物を合成した。
試験片として、10mm×30mmのサイズの銅と、40mm×30mmのサイズの金(注:銅表面に4μmのニッケルメッキを形成し、その上に0.07μmの金メッキを形成したもの)とを有し、前記銅と金が銅回路により導通したパターンを有する65mm×50mm×1.6mm厚のガラスエポキシ樹脂製のプリント配線板を使用した。
この試験片を脱脂した後、ソフトエッチング、水洗、水切りを行った。次いで、試験片を所定の液温に保持した表面処理液に所定時間揺動浸漬した後、水洗、水切り、乾燥して、銅表面に厚さ約0.1〜0.4μmの化成皮膜を形成させた。この際、表面処理液に酢酸銅を銅イオン濃度が10ppmとなるように添加した(注:プリント配線板からの銅イオンの溶出を想定)。
この表面処理を行った試験片について、目視により金表面を観察して、金表面の変色の程度を評価した。
金表面の変色の程度は、下記の基準で評価した。
○:変色していない。
×:変色している。
金表面の変色が少ない程、金表面への化成皮膜の形成が抑制されていると判定される。
試験片として、内径0.80mmの銅スルホールを300穴有する120mm(縦)×150mm(横)×1.6mm(厚み)のガラスエポキシ樹脂製のプリント配線板を使用した。
この試験片を脱脂した後、ソフトエッチング、水洗、水切りを行った。次いで、試験片を所定の液温に保持した表面処理液に所定時間揺動浸漬した後、水洗、水切り、乾燥して、銅表面に厚さ約0.1〜0.4μmの化成皮膜を形成させた。
この表面処理を行った試験片について、赤外線リフロー装置(製品名:MSAR−200N2H、弘輝テック社製)を用いて、ピーク温度が245℃であるリフロー加熱を3回行った。その後、フロー半田付け装置(コンベア速度:1.0m/分)を用いて半田付けを行った。
なお、使用した半田は、96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu(重量%)の組成を有する無鉛半田(商品名:M705「エコソルダー」、千住金属工業製)であり、半田付けに際して使用したフラックスはJS−E−09(弘輝製)である。また、半田温度は245℃とした。
得られた試験片について、銅スルーホールの上部ランド部分まで半田が上がった(半田付けされた)スルーホール数を計測し、全スルーホール数(300穴)に対する割合(%)を算出した。
銅の表面に対して半田の濡れ性が大きい程、溶融した半田が銅スルーホール内を浸透し該スルーホールの上部ランド部分まで上がり易くなる。即ち、全スルーホール数に対する上部ランド部分まで半田が上がったスルーホール数の割合が大きい程、銅に対する半田濡れ性が優れ、半田付け性が良好なものと判定される。
試験片として、50mm(縦)×50mm(横)×1.2mm(厚み)のガラスエポキシ樹脂製のプリント配線板(回路パターンとして、銅箔からなる導体幅0.80mm、長さ20mmの回路部を、1.0mmの間隔にて幅方向に10本形成させたもの)を使用した。
この試験片を脱脂した後、ソフトエッチング、水洗、水切りを行った。次いで、試験片を所定の液温に保持した表面処理液に所定時間揺動浸漬した後、水洗、水切り、乾燥して、銅表面に厚さ約0.1〜0.4μmの化成皮膜を形成させた。
この表面処理を行った試験片について、赤外線リフロー装置(製品名:MSAR−200N2H、弘輝テック社製)を用いて、ピーク温度が245℃であるリフロー加熱を1回行った。その後、開口径1.2mm、厚み150μmのメタルマスクを使用して銅回路部の中央に、96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu(重量%)からなる組成の無鉛半田系クリーム半田(商品名:M705−221BM5−42−11、千住金属工業製)を印刷し、前記条件でリフロー加熱を行い、半田付けを行った。
得られた試験片について、銅回路部上に濡れ広がった半田の長さ(mm)を測定した。
この長さが大きい程、半田濡れ性が優れ、半田付け性が良好なものと判定される。
イミダゾール化合物として4−フェニル−2−(2−チエニル)イミダゾール、鉄化合物として塩化鉄(II)・4水和物、キレート剤として1−ヒドロキシエチリデン−1,1−ジホスホン酸、酸として酢酸、ハロゲン化合物として塩化アンモニウムおよびヨウ化アンモニウムを、表1記載の組成になるようにイオン交換水に溶解させた後、アンモニア水でpH4.0に調整して、表面処理液を調製した。
次いで、各試験片を40℃に設定した表面処理液に60秒間揺動浸漬したのち、水洗、水切り、乾燥し、金表面の外観、半田上がり性および半田広がり性の評価試験を行った。これらの試験結果は表1に示したとおりであった。
実施例1と同様にして、表1記載の組成を有する表面処理液を調製し、表1に記載の処理条件にて表面処理を行った。得られた試験片について、金表面の外観、半田上がり性および半田広がり性の評価試験を行った。これらの試験結果は表1に示したとおりであった。
実施例1と同様にして、表1記載の組成を有する表面処理液を調製し、表1に記載の処理条件にて表面処理を行った。得られた試験片について、金表面の外観、半田上がり性および半田広がり性を測定した。これらの試験結果は表1に示したとおりであった。
また、無鉛半田を用いた半田付けの際に好適に使用し得るものである。
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