JP6116962B2 - 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
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このようなはんだごてによるはんだ付けが困難な微細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、発熱を引き起こし、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に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。
はんだボールの発生やフラックスの飛散の発生は、予備加熱によって抑制することができるが、その効果は十分ではなかった。
すなわち、本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物は、(A)ロジン系樹脂、(B)25℃で固体であり、かつ155℃以上270℃以下の沸点を有するヒドロキシ化合物、および(C)エステル化合物を含有するフラックスと、(D)はんだ粉末とを含有し、前記(C)成分が、下記一般式(C1)および(C3)〜(C8)で表されるエステル化合物からなる群から選択される少なくとも1種であり、前記(B)成分が、下記一般式(B1)で表されるヒドロキシ化合物および2,5−ジメチル−2,5−ヘキサンジオールからなる群から選択される少なくとも1種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(B)成分の配合量は、前記フラックス100質量%に対して、1質量%以上40質量%以下であることが好ましい。
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(C)成分の配合量は、前記フラックス100質量%に対して2質量%以上40質量%以下であることが好ましい。
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、前記フラックスと前記(D)成分との配合比率(質量比)が5:95〜35:65であることが好ましい。
すなわち、急加熱が行われるレーザーはんだ付けで、はんだボールの発生およびフラックスの飛散の発生する理由は次の通りであると本発明者らは推察する。つまり、レーザー照射による急加熱によって、流動性が急上昇したフラックスがはんだ粉末の溶融よりも先にパッド外に流れ出し、そのときに、未溶融のはんだ粉末を同時にパッド外に流してしまうことによって生じているものと本発明者らは推察する。これに対し、本発明のはんだ組成物中の(B)成分は、常温(25℃)で固体であり155℃以上270℃以下の沸点を有している。そして、本発明では、急加熱が行われるレーザーはんだ付けの際には、(B)成分の固体から液体への融解熱を利用して、はんだ組成物の急加熱を緩和できる。さらに、はんだ組成物の温度がはんだ粉末の溶融温度付近の温度に達した際には、(B)成分の液体から気体への蒸発熱を利用して、はんだ組成物の急加熱を緩和できる。また、はんだ組成物中の(C)成分は、(A)成分および(B)成分を溶解または分散でき、かつ常温(25℃)で液体であり200℃以上の沸点を有している。そして、本発明では、この(C)成分により、はんだ組成物としての印刷性などを確保でき、しかもはんだ組成物の温度がはんだ粉末の溶融温度付近の温度に達した際には、熱容量の高い(C)成分が熱を蓄えることを利用して、フラックスの流動性の急上昇を緩和できる。本発明においては、上記のような(B)成分および(C)成分の作用により、はんだ組成物の急加熱やフラックスの流動性の急上昇を緩和することで、はんだボールの発生およびフラックスの飛散の発生を抑制できるものと本発明者らは推察する。
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前記(D)成分以外の成分であり、(A)ロジン系樹脂と、(B)25℃で固体であり、かつ155℃以上270℃以下の沸点を有するヒドロキシ化合物、および(C)エステル化合物を含有するものである。
本発明に用いる(A)ロジン系樹脂としては、ロジン類およびロジン系変性樹脂が挙げられる。ロジン類としては、ガムロジン、ウッドロジン、トール油ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、水素添加ロジンおよびこれらの誘導体などが挙げられる。ロジン系変性樹脂としては、ディールス・アルダー反応の反応成分となり得る前記ロジン類の不飽和有機酸変性樹脂((メタ)アクリル酸などの脂肪族の不飽和一塩基酸、フマル酸、マレイン酸等のα,β−不飽和カルボン酸などの脂肪族不飽和二塩基酸、桂皮酸などの芳香族環を有する不飽和カルボン酸等の変性樹脂)およびこれらの変性物などのアビエチン酸、並びに、これらの変性物を主成分とするものなどが挙げられる。これらのロジン系樹脂は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。
本発明に用いる(B)25℃で固体であり、かつ155℃以上270℃以下(好ましくは155℃以上220℃以下)の沸点を有するヒドロキシ化合物としては、下記一般式(B1)で表されるヒドロキシ化合物および2,5−ジメチル−2,5−ヘキサンジオールが挙げられる。これらは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(B)成分としては、具体的には、2−エチル−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオール、2−エチル−2−メチル−1,3−プロパンジオール、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオール、2−エチル−2−プロピル−1,3−プロパンジオール、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール、2,5−ジメチルヘキサン−2,5−ジオールなどが挙げられる。これらの中でも、2−エチル−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオール、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール、2,5−ジメチルヘキサン−2,5−ジオールが好ましい。
また、前記(B)成分の市販品としては、三菱ガス化学社製のトリメチロールプロパン、キシダ化学社製のネオペンチルグリコール、日信化学社製の「オルフィンA」などが挙げられる。
本発明に用いる(C)エステル化合物は、前記(A)成分および前記(B)成分を溶解または分散でき、かつ25℃で液体であり200℃以上(好ましくは、250℃以上440℃以下、より好ましくは280℃以上440℃以下)の沸点を有するエステル化合物であることが好ましい。この(C)成分としては、下記一般式(C1)〜(C8)で表されるエステル化合物が挙げられる。これらは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)成分としては、具体的には、トリメリット酸トリス(2−エチルヘキシル)、セバシン酸ビス(2−エチルへキシル)、フタル酸ビス(2−エチルヘキシル)、アジピン酸ビス(2−エチルヘキシル)、アジピン酸ビス(2−ブトキシエチル)、フタル酸ビス(2−ブトキシエチル)、アゼライン酸ビス(2−エチルヘキシル)などが挙げられる。これらの中でも、レーザーはんだ付け適性の観点から、トリメリット酸トリス(2−エチルヘキシル)が特に好ましい。
また、前記(C)成分の市販品としては、ADEKA社製の「アデカイザーC−8」のトリメリット酸トリス(2−エチルヘキシル)、東京化成工業社製のセバシン酸ビス(2−エチルへキシル)などが挙げられる。
また、前記(B)成分および前記(C)成分の合計配合量は、フラックス100質量%に対して、20質量%以上60質量%以下であることが好ましく、25質量%以上50質量%以下であることがより好ましく、30質量%以上40質量%以下であることが特に好ましい。前記(B)成分および前記(C)成分の合計配合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。
前記有機酸としては、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、ブチリック酸、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。
本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物に用いる(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。
本発明のはんだ組成物を製造するには、上記説明したフラックスと上記説明した(D)はんだ粉末を上記所定の割合で配合し、撹拌混合すればよい。
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、以上説明したはんだ組成物に対してレーザーを用いて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やフラックスの飛散を十分に抑制できる。
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、有機物など)、液体レーザー(色素など)、気体レーザー(He−Ne、Ar、CO2、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。
((A)成分)
ロジン系樹脂A:完全水添ロジン、商品名「フォーラルAX」、Eastman Chemical社製
ロジン系樹脂B:水添酸変性ロジン、商品名「KE−604」、荒川化学工業社製
((B)成分)
ヒドロキシ化合物A:トリメチロールプロパン(融点:56〜58℃、沸点:159〜161℃)、商品名「トリメチロールプロパン」、三菱ガス化学社製
ヒドロキシ化合物B:2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール(融点:126〜128℃、沸点:208℃)、商品名「ネオペンチルグリコール」、キシダ化学社製
ヒドロキシ化合物C:2,5−ジメチルヘキサン−2,5−ジオール(融点:86〜90℃、沸点:214〜215℃)、商品名「オルフィンA」、日信化学社製
((C)成分)
エステル化合物A:トリス(2−エチルヘキシル)トリメリテート(沸点:414〜430℃)、商品名「アデカイザーC−8」、ADEKA社製
エステル化合物B:セバシン酸ビス(2−エチルへキシル)(沸点:210〜218℃)、商品名「セバシン酸ビス(2−エチルへキシル)」、東京化成工業社製
エステル化合物C:フタル酸ビス(2−エチルへキシル)(沸点:386℃)
エステル化合物D:アジピン酸ビス(2−エチルへキシル)(沸点:335℃)
エステル化合物E:アジピン酸ビス(2−ブトキシエチル)(沸点:412℃)
エステル化合物F:フタル酸ビス(2−ブトキシエチル)(沸点:412℃)
エステル化合物G:アゼライン酸ビス(2−エチルヘキシル)(沸点:282℃)
((D)成分)
はんだ粉末:平均粒子径20〜30μm、はんだ融点200〜230℃、はんだ組成Sn/Ag/Cu
(その他の成分)
活性剤:スベリン酸、東京化成工業社製
チクソ剤A:N,N’−1,6−ヘキサンジイルビス−12−オキシオクタデカンアミド、商品名「スリパックスZHH」、日本化成社製
チクソ剤B:水添ヒマシ油、商品名「ヒマ硬」、KFトレーディング社製
ヒドロキシ化合物D:2−メチル−1,3−プロパンジオール(沸点:214℃)
溶剤A:2−エチルヘキシルジグリコール(沸点:265〜272℃)、商品名「EHDG」、日本乳化剤社製
溶剤B:1−ヘキサノール(沸点:156〜157℃)、東京化成工業社製
ロジン系樹脂A26質量%、ロジン系樹脂B16質量%、活性剤0.5質量%、チクソ剤A10質量%、チクソ剤B10質量%、ヒドロキシ化合物A15質量%、およびエステル化合物A22.5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11質量%およびはんだ粉末89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。
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。なお、液体成分が不足するために、混合が困難な場合(例えば実施例9)には、ヒドロキシ化合物Aを融点以上に加熱し液状にして配合した。
[比較例1〜6]
下記表2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。なお、液体成分が不足するために、混合が困難な場合(例えば比較例1)には、ヒドロキシ化合物Aを融点以上に加熱し液状にして配合した。
はんだ組成物の評価(はんだ塗れ広がり試験、はんだボール試験、フラックスの飛散試験)を以下のような方法で行った。実施例について得られた結果を表1に示し、比較例について得られた結果を表2に示す。
メタルマスク厚さ:0.2mm
スキージ :メタルスキージ
スキージ速度:30mm/秒
版離れ速度:0.2mm/秒
印圧:100kPa
印刷部位:Cuランド2.1×2.5mm
レーザー波長:980nm
スポット径:Φ1.2mm
照射出力プロファイル:
(I)電流を8Aから15Aに2秒間かけて徐々に上昇させ、15Aを1秒間照射
(II)電流を8Aから18Aに2秒間かけて徐々に上昇させ、18Aを1秒間照射
(1)はんだ塗れ広がり試験
はんだ組成物にレーザー照射し、はんだ組成物が塗れ広がっているか目視で観察した。そして、以下の基準に従って、はんだ塗れ広がりを評価した。
◎:Cuパッド上に十分に塗れ広がっている。
○:Cuパッドの四隅に少しCuが確認できる。
△:Cuパッドの四隅にはっきりとCuが確認できる。
×:Cuパッド上に塗れ広がっていない。
はんだ組成物のレーザー照射時に起きるフラックスの飛散状況を調べるために、25cm2あたりのフラックスの飛散を観察した(個/25cm2)。そして、以下の基準に従って、フラックスの飛散を評価した。
◎:フラックスの飛散が0個/25cm2である。
○:フラックスの飛散が1個/25cm2以上10個/25cm2以下である。
△:フラックスの飛散が11個/25cm2以上25個/25cm2以下である。
×:フラックスの飛散が25個/25cm2を超える。
はんだ組成物のレーザー照射時に起きるはんだボールの発生状況を調べるために、JIS Z 3284(1994)に準じてはんだボール試験を行った。そして、以下の基準に従って、はんだボールを評価した。
◎:はんだボールが0個である。
○:はんだボールが1個以上5個未満である。
△:はんだボールが5個以上10個未満である。
×:はんだボールが10個以上である。
一方で、本発明における(B)成分および(C)成分の少なくともいずれか一方を含有しないはんだ組成物を用いた場合(比較例1〜6)には、良好なはんだ塗れ広がり、はんだボールの発生の抑制、およびフラックスの飛散の抑制の全てを同時に達成できないことが分かった。
Claims (6)
- (A)ロジン系樹脂、(B)25℃で固体であり、かつ155℃以上270℃以下の沸点を有するヒドロキシ化合物、および(C)エステル化合物を含有するフラックスと、(D)はんだ粉末とを含有し、
前記(C)成分が、下記一般式(C1)および(C3)〜(C8)で表されるエステル化合物からなる群から選択される少なくとも1種であり、
前記(B)成分が、下記一般式(B1)で表されるヒドロキシ化合物および2,5−ジメチル−2,5−ヘキサンジオールからなる群から選択される少なくとも1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。
- 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(C)成分は、前記(A)成分および前記(B)成分を溶解または分散でき、かつ25℃で液体であり200℃以上の沸点を有するエステル化合物である
ことを特徴とするレーザーはんだ付け用はんだ組成物。 - 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(B)成分の配合量は、前記フラックス100質量%に対して、1質量%以上40質量%以下である
ことを特徴とするレーザーはんだ付け用はんだ組成物。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項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(C)成分の配合量は、前記フラックス100質量%に対して2質量%以上40質量%以下である
ことを特徴とするレーザーはんだ付け用はんだ組成物。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のレーザーはんだ付け用はんだ組成物において、
前記フラックスと前記(D)成分との配合比率(質量比)が5:95〜35:65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。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項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。
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