JP6095974B2 - レーザーはんだ付け用はんだ組成物およびそれを用いたプリント配線基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光を使用して電子機器のプリント配線基板に部品を実装するレーザーはんだ付け用はんだ組成物および、このはんだ組成物を用いて電子部品を実装したプリント配線基板の製造方法に関する。

一般的に、はんだごてを使用した糸はんだによる電子部品の実装が行われている。しかし、近年電子製品の軽薄短小化に伴ってプリント配線基板の微細化が進み、はんだごてのような接触方法によるはんだ付けでは対応が難しくなった。
このようなはんだごてによるはんだ付けが困難な狭小部などへのはんだ付けでは、レーザー光を用いた非接触によるはんだ付け方法が利用されている。
この技術は、はんだ付け装置のはんだ付けヘッドからプリント配線基板に向けてレーザー光を照射し、照射されたレーザー光の光エネルギーをはんだに吸収させ発熱を起こし、はんだを溶融させてはんだ付けする方法であり、プリント配線基板の微細な部位に電子部品を短時間で実装することができるという利点がある（特許文献１〜３参照）。
また、はんだ接続を行いたい部分へ選択的にレーザー光を照射することができるため、フロー式やリフロー式と比較して、電子部品の実装時に、部品全体に熱を加えずに実装を行うことが可能であることから、放熱性が高い部品へのはんだ付けに適している。

特開昭６０−１８２１９１号公報 特開昭６３−１２３５９３号公報 特開平４−１３７７９５号公報

熱源としてレーザー光を用いたはんだ付け方法によって、微細な部分へのはんだ付けが非接触で可能となった。しかし、急加熱が行われることから、はんだボールの発生やフラックス飛散によって周辺の部品が汚染するという問題や、フラックスの広がり幅が大きくなるという問題が顕著になってきた。

そこで、本発明は、レーザー光を用いたはんだ付け方法においても、はんだボールの発生およびフラックスの広がりを抑制できるレーザーはんだ付け用はんだ組成物およびそれを用いたプリント配線基板の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決すべく、本発明は、以下のようなレーザーはんだ付け用はんだ組成物およびそれを用いたプリント配線基板の製造方法を提供するものである。
すなわち、本発明のはんだ付け用はんだ組成物は、エポキシアクリレート化合物を含有するフラックスと、はんだ粉末とを含有し、前記エポキシアクリレート化合物の原料となるエポキシ化合物が、ノボラック型エポキシ樹脂であることを特徴とするものである。

本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物においては、前記フラックスが、前記エポキシアクリレート化合物と、活性剤と、溶剤と、チクソ剤、つや消し剤、発泡剤および消泡剤からなる群から選択される少なくとも１種の添加剤と、からなることが好ましい。

本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物においては、前記エポキシ化合物は、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂およびビスフェノールＡノボラック型エポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。

本発明のプリント配線基板の製造方法は、請求項１から請求項３までのいずれかに記載のレーザーはんだ付け用はんだ組成物を用い、レーザー光を用いて加熱することで、電子部品をプリント配線基板に実装することを特徴とする方法である。

本発明によれば、レーザー光を用いたはんだ付け方法においても、はんだボールの発生およびフラックスの広がりを抑制できるレーザーはんだ付け用はんだ組成物およびそれを用いたプリント配線基板の製造方法を提供することが可能となる。

本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物は、以下説明するフラックスと、以下説明するはんだ粉末とを含有するものである。

［フラックス］
本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物に用いるフラックスは、はんだ組成物におけるはんだ粉末以外の成分であり、（Ａ）エポキシアクリレート化合物を少なくとも含有するものである。また、このフラックスは、必要に応じて、前記（Ａ）成分の他に、（Ｂ）活性剤および（Ｃ）溶剤をさらに含有してもよい。

前記フラックスの配合量は、はんだ組成物１００質量％に対して、８質量％以上２０質量％以下であることが好ましく、１０質量％以上１８質量％以下であることがより好ましく、１２質量％以上１６質量％以下であることが特に好ましい。フラックスの配合量が８質量％未満の場合（はんだ粉末の含有量が９２質量％を超える場合）には、バインダーとしてのフラックスが足りないため、フラックスとはんだ粉末とを混合しにくくなる傾向にあり、他方、フラックスの含有量が２０質量％を超える場合（はんだ粉末の含有量が８０質量％未満の場合）には、得られるはんだ組成物を用いた場合に、十分なはんだ接合を形成できにくくなる傾向にある。

［（Ａ）エポキシアクリレート化合物］
本発明に用いる（Ａ）エポキシアクリレート化合物とは、エポキシ化合物中のグリシジル基（好ましくは、全てのグリシジル基）を（メタ）アクリル酸により（メタ）アクリロイル化したものである。
前記エポキシ化合物としては、公知のエポキシ樹脂を適宜用いることができる。このようなエポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ビフェニル型、ナフタレン型、クレゾールノボラック型、フェノールノボラック型、ビスフェノールＡノボラック型、ジシクロペンタジエン型、グリオキサール型、脂肪族環状型などのエポキシ樹脂が挙げられる。これらのエポキシ樹脂の型の中でも、（Ａ）成分の二重結合当量数が小さくしやすいという観点から、クレゾールノボラック型、フェノールノボラック型、ビスフェノールＡノボラック型が好ましい。また、これらのエポキシ樹脂は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。さらに、これらのエポキシ樹脂は、変性されていてもよい。

前記（Ａ）成分の二重結合当量数は、はんだボールの発生およびフラックスの広がりをより確実に抑制するという観点から、１０００以下であることが好ましく、１００以上１０００以下であることがより好ましい。
前記（Ａ）成分の重量平均分子量は、２００以上１０００００以下であることが好ましい。なお、重量平均分子量は、ゲルパーミュエーションクロマトグラフィーで測定し、標準ポリスチレン検量線を用いて換算した値を示す。

前記（Ａ）成分の配合量は、フラックス１００質量％に対する固形分換算にて、３５質量％以上であることが好ましく、４０質量％以上８０質量％以下であることがより好ましく、６０質量％以上７０質量％以下であることが特に好ましい。（Ａ）成分の配合量が前記下限未満では、はんだボールが発生しやすくなるとともに、およびフラックスの広がりやすくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、得られるはんだ組成物の粘度調整などが難しくなる傾向にある。

［（Ｂ）活性剤］
本発明に用いる（Ｂ）活性剤としては、例えば、有機酸、有機ハロゲン化合物、アミン系活性剤が挙げられる。これらの活性剤は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
前記有機酸としては、例えば、モノカルボン酸、ジカルボン酸などの他に、その他の有機酸が挙げられる。
モノカルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、プチリック酸、バレリック酸、カプロン酸、エナント酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ツベルクロステアリン酸、アラキジン酸、ベヘニン酸、リグノセリン酸、グリコール酸などが挙げられる。
ジカルボン酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フマル酸、マレイン酸、酒石酸、ジグリコール酸などが挙げられる。
その他の有機酸としては、ダイマー酸、レブリン酸、乳酸、アクリル酸、安息香酸、サリチル酸、アニス酸、クエン酸、ピコリン酸などが挙げられる。

前記有機ハロゲン化合物としては、例えば、ジブロモブテンジオール、ジブロモコハク酸、５−ブロモ安息香酸、５−ブロモニコチン酸、５−ブロモフタル酸が挙げられる。
前記アミン系活性剤としては、例えば、アミン類（エチレンジアミンなどのポリアミンなど）、アミン塩類（トリメチロールアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミンなどのアミンやアミノアルコールなどの有機酸塩や無機酸塩（塩酸、硫酸、臭化水素酸など））、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、バリンなど）、アミド系化合物が挙げられる。

前記（Ｂ）成分の配合量は、フラックス１００質量％に対して、０．１質量％以上１０質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以上７質量％以下であることがより好ましい。（Ｂ）成分の配合量が前記下限未満では、はんだボールが生じやすくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、絶縁性が低下する傾向にある。

［（Ｃ）溶剤］
本発明に用いる（Ｃ）溶剤としては、例えば、ケトン類（メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなど）、芳香族炭化水素類（トルエン、キシレンなど）、アルコール類（メタノール、イソプロパノール、シクロヘキサノールなど）、脂環式炭化水素類（シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンなど）、石油系溶剤類（石油エーテル、石油ナフサなど）、セロソルブ類（セロソルブ、ブチルセロソルブなど）、カルビトール類（カルビトール、ブチルカルビトールなど）、酢酸エステル類（酢酸エチル、酢酸ブチル、セロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、カルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテートなど）が挙げられる。これらの溶剤は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

前記（Ｃ）成分の配合量は、フラックス１００質量％に対して、２質量％以上６０質量％以下であることが好ましく、１５質量％以上５５質量％以下であることがより好ましく、３５質量％以上４５質量％以下であることが特に好ましい。（Ｃ）溶剤の含有量が前記範囲内であれば、得られるはんだ組成物の粘度を適正な範囲に適宜調整できる。

［その他の成分］
本発明に用いるフラックスには、前記（Ａ）成分〜前記（Ｃ）成分の他に、必要に応じて、添加剤を加えることができる。添加剤としては、チクソ剤（カオリン、コロイダルシリカ、有機ベントナイト、硬化ひまし油、ガラスフリットなど）、つや消し剤、発泡剤、消泡剤などが挙げられる。これらの添加剤の配合量は、フラックス１００質量％に対して、０．１質量％以上１０質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以上５質量％以下であることがより好ましい。

［（Ｄ）はんだ粉末］
本発明に用いる（Ｄ）はんだ粉末は、無鉛のはんだ粉末のみからなることが好ましいが、有鉛のはんだ粉末であってもよい。このはんだ粉末におけるはんだ合金としては、スズを主成分とする合金が好ましい。また、この合金の第二元素としては、銀、銅、亜鉛、ビスマス、アンチモンなどが挙げられる。さらに、この合金には、必要に応じて他の元素（第三元素以降）を添加してもよい。他の元素としては、銅、銀、ビスマス、アンチモン、アルミニウム、インジウムなどが挙げられる。
無鉛のはんだ粉末の合金組成としては、具体的には、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、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｂｉ／Ｉｎ／Ｓｂ、Ｉｎ／Ａｇなどが挙げられる。

前記（Ｄ）成分の配合量は、はんだ組成物１００質量％に対して、８０質量％以上９２質量％以下であることが好ましく、８２質量％以上９０質量％以下であることがより好ましく、８４質量％以上８８質量％以下であることが特に好ましい。

また、（Ｄ）はんだ粉末の平均粒子径は、１μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上３５μｍ以下であることがより好ましく、１５μｍ以上２５μｍ以下であることが特に好ましい。平均粒子径が上記範囲内であれば、はんだ付けランドのピッチの狭くなってきている最近のプリント回路基板にも対応できる。なお、平均粒子径は、動的光散乱式の粒子径測定装置により測定できる。

［プリント配線基板］
次に、本発明のプリント配線基板について説明する。本発明のプリント配線基板は、以上説明したレーザーはんだ付け用はんだ組成物を用い、レーザー光を用いて加熱することで、電子部品をプリント配線基板に実装したことを特徴とするものである。そのため、本発明のプリント配線基板では、レーザー照射時におけるはんだボールの発生やフラックスの広がりを十分に抑制できる。

ここで用いる塗布装置としては、ディスペンサー、ジェットディスペンサー、スクリーン印刷機、メタルマスク印刷機などが挙げられる。
塗布厚みは、特に限定されないが、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。
はんだ付けに使用するレーザー光のレーザー光源の種類は、特に限定されず、金属の吸収帯に合わせた波長に応じて適宜採用できる。レーザー光源としては、例えば、固体レーザー（ルビー、ガラス、ＹＡＧなど）、半導体レーザー（ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなど）、液体レーザー（色素など）、気体レーザー（Ｈｅ−Ｎｅ、Ａｒ、ＣＯ_２、エキシマーなど）が挙げられる。
レーザー照射条件は、特に限定されない。例えば、スポット径φは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。また、照射時間は、０．１秒間以上５秒間以下であることが好ましい。

本発明のはんだ組成物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配線基板に被覆されたままにしてもよい。本発明ではこのようなはんだ組成物の残渣膜付の電子部品搭載後のプリント配線基板を提供できる。

次に、本発明を実施例および比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。なお、実施例および比較例にて用いた材料を以下に示す。
（（Ａ）成分）
エポキシアクリレート：下記合成例１で得られるエポキシアクリレート（固形分：７０質量％）
（（Ｂ）成分）
活性剤Ａ：グルタル酸
活性剤Ｂ：トリエタノールアミンアジピン酸塩
（（Ｃ）成分）
溶剤Ａ：石油系溶剤、商品名「ソルベッソ１５０」、エクソンモービル社製
溶剤Ｂ：カルビトールアセテート、商品名「ＥＤＧＡＣ」、神港有機化学工業社製
溶剤Ｃ：ヘキシルジグリコール、商品名「ＨｅＤＧ」、日本乳化剤社製
（（Ｄ）成分）
鉛フリーはんだ粉末：粒子径は２０〜３６μｍ、はんだ融点は２００〜２３０℃、はんだ組成はＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ
（他の成分）
ロジン系樹脂：水添酸変性ロジン、商品名「ＫＥ−６０４」、荒川化学工業社製

［合成例１］
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量：２１３、商品名「エピクロンＮ−６８０」、ＤＩＣ社製）２１３質量部、アクリル酸７２質量部、ハイドロキノン０．１質量部、ジメチルベンジルアミン（アミン系触媒）０．０２５質量部を、カルビトールアセテートおよびソルベッソ１５０それぞれ６０質量部を溶媒として還流下に温度１１０〜１２０℃で８時間反応させ（エポキシ樹脂の（メタ）アクリロイル化）、エステル化反応により酸価が２以下になったことを確認した。以上のようにして、エポキシアクリレート（固形分：７０質量％）を得た。

［実施例１］
エポキシアクリレート８６質量％、活性剤Ａ１．３質量％、活性剤Ｂ３．６質量％、溶剤Ａ４．６質量％および溶剤Ｂ４．５質量％をそれぞれ容器に投入し、らいかい機を用いて混合してフラックスを得た。
その後、得られたフラックス１４．５質量％および鉛フリーはんだ粉末８５．５質量％（合計で１００質量％）を容器に投入し、混練機にて２時間混合することで、下記表１に示す組成を有するはんだ組成物を調製した。

［比較例１］
下記表１に示す組成に従い各材料を配合した以外は実施例１と同様にして、はんだ組成物を得た。

＜はんだ組成物の評価＞
はんだ組成物の評価（ディスペンス性、フラックスの広がり、残留ボール）を以下のような方法で行った。得られた結果を表１に示す。
（１）ディスペンス性
ディスペンス装置（武蔵エンジニアリング製の「ｓｈｏｔ ｍｉｎｉ」）を用い、吐出圧０．３ＭＰａ、吐出時間１秒間の条件にて、はんだ組成物の塗布を行い、ディスペンス性を評価した。ディスペンス性は、以下の基準に従って評価した。
○：適正に塗布できる。
×：適正に塗布できない。
（２）フラックスの広がり、（３）残留ボール
試験基板のランドサイズが２．２ｍｍ×２．５ｍｍの部分に、マスク厚２００μｍのメタルマスクにて、はんだ組成物を印刷した。次いで、アポロ精工製のレーザーはんだ付け装置を用いて、下記レーザー照射条件にて、レーザー照射を行い、試験片を作製した。
＜レーザー照射条件＞
レーザー波長：８０８ｎｍ
スポット径：Φ１．６ｍｍ
照射時間：３秒間
試験片を観察し、フラックスのランドからの広がり幅を測定して、以下の基準に従ってフラックスの広がりを評価した。
○：フラックスのランドからの広がり幅が１ｍｍ以下である。
×：フラックスのランドからの広がり幅が１ｍｍ超である。
試験片を観察し、溶融はんだ周辺（フラックスの広がり部分）に発生するはんだボール発生個数を測定して、以下の基準に従って残留ボールを評価した。
○：はんだボールの発生個数が５個未満である。
×：はんだボールの発生個数が５個以上である。

表１に示す結果からも明らかなように、本発明のはんだ組成物を用いた場合（実施例１）には、レーザー照射を用いたはんだ付け工法を行ったときに発生してしまうはんだボールの発生とフラックスの広がりが抑制されていることが確認された。
一方で、ベース樹脂成分としてロジン系樹脂を含有するはんだ組成物を用いた場合（比較例１）には、はんだボールの発生およびフラックスの広がりが抑制されていなかった。

本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物は、レーザー光を使用して電子機器のプリント配線基板に部品を実装するための技術として好適に用いることができる。

Claims (4)

1. エポキシアクリレート化合物を含有するフラックスと、はんだ粉末とを含有し、
   前記エポキシアクリレート化合物の原料となるエポキシ化合物が、ノボラック型エポキシ樹脂である
   ことを特徴とするレーザーはんだ付け用はんだ組成物。
2. 請求項１に記載のレーザーはんだ付け用はんだ組成物において、
   前記フラックスが、前記エポキシアクリレート化合物と、活性剤と、溶剤と、チクソ剤、つや消し剤、発泡剤および消泡剤からなる群から選択される少なくとも１種の添加剤と、からなる
   ことを特徴とするレーザーはんだ付け用はんだ組成物。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザーはんだ付け用はんだ組成物において、
   前記エポキシ化合物は、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂およびビスフェノールＡノボラック型エポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも一種である
   ことを特徴とするレーザーはんだ付け用はんだ組成物。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載のレーザーはんだ付け用はんだ組成物を用い、レーザー光を用いて加熱することで、電子部品をプリント配線基板に実装することを特徴とするプリント配線基板の製造方法。