JP6402127B2 - 電子部品の接合方法 - Google Patents
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Description
一方で、特許文献1に記載のはんだ組成物において、落下衝撃耐性および絶縁信頼性の観点から、配合組成にて樹脂硬化性を高めた場合には、リフロー工程後にはリワークができないという問題が生じる。近年、異なる種類の電子部品(チップ、QFN(Quad Flat No lead package)、BGA(ボールグリッドアレイ)など)を一緒に実装する、いわゆる混載実装が行われるようになっている。このような混載実装では、QFNやBGAなどの高価な電子部品は、リフロー工程後にリワークが容易であること(リワーク性)が特に求められている。
このように、はんだ組成物の配合組成を検討することで、落下衝撃耐性および絶縁信頼性と、リワーク性とを両立することは非常に困難となっている。
本発明の電子部品の接合方法は、基板に、75質量%以上90質量%以下の(A)130℃以上160℃以下の融点を有するはんだ粉末、並びに、(B)エポキシ樹脂、(C)硬化剤および(D)活性剤を含有する、10質量%以上25質量%以下のフラックス組成物を含有するはんだ組成物を塗布する塗布工程と、前記塗布工程後の基板上に電子部品を搭載する搭載工程と、前記搭載工程後の基板にリフロー処理を行うリフロー工程と、前記リフロー工程後の基板に、熱処理温度が、100℃以上150℃以下であり、熱処理時間が、5分間以上180分間以下である熱処理を行う熱処理工程と、を備え、前記(C)硬化剤が、(C1)イミダゾール系硬化促進剤を含有し、前記塗布工程で用いたフラックス組成物の示差走査熱量計で測定した熱量(Q0)と、前記リフロー工程後のフラックス組成物の示差走査熱量計で測定した熱量(Q1)と、前記熱処理工程後のフラックス組成物の示差走査熱量計で測定した熱量(Q2)と、が下記数式(F1)および(F2)で示される条件を満たすことを特徴とする方法である。
(Q0−Q1)/Q0×100≦80(%)・・・(F1)
(Q0−Q2)/Q0×100≧90(%)・・・(F2)
本発明の電子部品の接合方法においては、前記(D)活性剤が、(D1)有機酸と、(D2)アミンと有機酸との塩である有機酸アミン塩とを含有し、前記(D2)成分は、熱重量示差熱分析(TG/DTA)にて測定した軟化点が、90℃以上150℃以下であることが好ましい。
本発明の電子部品の接合方法においては、前記熱処理工程における熱処理時間が、7分間以上45分間以下であることが好ましい。
まず、本発明の電子部品の接合方法について説明する。
本発明の電子部品の接合方法は、以下説明する塗布工程、搭載工程、リフロー工程および熱処理工程を備える。
塗布工程においては、基板の電極上に、はんだ組成物を塗布する。
基板としては、プリント配線基板などが挙げられる。
はんだ組成物は、詳細は後述するが、(A)はんだ粉末、並びに、(B)熱硬化性樹脂を含有するフラックス組成物を含有するものである。
ここで用いる塗布装置としては、スクリーン印刷機、メタルマスク印刷機、ディスペンサー、およびジェットディスペンサーなどが挙げられる。
電子部品としては、特に限定されないが、チップ、QFN、およびBGAなどが挙げられる。本発明の電子部品の接合方法によれば、リフロー工程後にリワークが容易であるので、電子部品として、異なる種類の電子部品を一緒に実装できる。
リフロー条件は、はんだ組成物中のはんだ粉末の融点に応じて適宜設定でき、特に限定されない。ただし、後述する数式(F1)の条件を満たすように、適宜変更してもよい。なお、リフローでの加熱は、ピーク温度前後の加熱(熱履歴)を含む。
例えば、ヒート温度は、100℃以上250℃以下であることが好ましく、120℃以上220℃以下であることがより好ましく、130℃以上200℃以下であることが特に好ましい。
リフロー処理時間は、1分間以上20分間以下であることが好ましく、2分間以上15分間以下であることがより好ましく、3分間以上10分間以下であることが特に好ましい。
ピーク温度は、120℃以上290℃以下であることが好ましく、140℃以上270℃以下であることがより好ましく、170℃以上250℃以下であることが特に好ましい。
このリフロー工程後において、電子部品の接合不良が発見されたときには、電子部品をリワークすることができる。
熱処理条件は、はんだ組成物中の熱硬化性樹脂や硬化剤の種類に応じて適宜設定でき、特に限定されない。ただし、後述する数式(F2)の条件を満たすように、適宜変更してもよい。
例えば、熱処理温度は、100℃以上180℃以下であることが好ましく、110℃以上160℃以下であることがより好ましく、120℃以上150℃以下であることが特に好ましい。
熱処理時間は、作業効率の観点から、1分間以上180分間以下であることが好ましく、3分間以上120分間以下であることがより好ましく、5分間以上60分間以下であることが更により好ましく、7分間以上45分間以下であることが特に好ましい。
(Q0−Q1)/Q0×100≦80(%)・・・(F1)
(Q0−Q2)/Q0×100≧90(%)・・・(F2)
Q0:塗布工程で用いたフラックス組成物の示差走査熱量計で測定した熱量
Q1:リフロー工程後のフラックス組成物の示差走査熱量計で測定した熱量
Q2:熱処理工程後のフラックス組成物の示差走査熱量計で測定した熱量
前記数式(F2)で示される条件を満たさない場合には、落下衝撃耐性および絶縁信頼性が不十分となる。また、落下衝撃耐性および絶縁信頼性の更なる向上の観点から、(Q0−Q2)/Q0×100の値は、92%以上であることが好ましく、94%以上であることがより好ましく、94%以上100%以下であることが特に好ましい。
なお、塗布工程で用いたフラックス組成物を採取する方法としては、(i)はんだ組成物を溶剤(例えば、イソプロピルアルコール)に溶解させ、はんだ粉末を分離し、その後溶剤を取り除いて、フラックス組成物を得る方法、(ii)はんだ粉末を混合する前のフラックス組成物を準備する方法などが挙げられる。
リフロー工程後または熱処理工程後のフラックス組成物は、銅板(例えば、大きさは50mm×50mm、厚みは0.3mm、酢酸エチルで洗浄)上にマスク(例えば、SP−020、厚みは0.25mm)にて、はんだ組成物を印刷し、その後、リフロー工程や熱処理工程を施したものから採取する。具体的には、図1に示すように、一度溶融した後のはんだSと、はんだSの周りに存在するスズ塩S1と、はんだSおよびスズ塩S1の周りを囲っているフラックス組成物Fのうち、はんだSまたはスズ塩S1からの距離xが700μm以上(より好ましくは、1200μm以上)離れた箇所(図1(B)中の一点鎖線で囲われた部分)からを採取する。このような方法で試料を採取すれば、リフロー工程後または熱処理工程後のフラックス組成物の熱量を適切に測定できる。これに対し、はんだSおよびスズ塩S1の周りのフラックス組成物は、スズ塩S1や有機酸アミン塩(図示なし)の影響で硬化の度合いが変化してしまうため、フラックス組成物の熱量を適切に測定できない。
例えば、リフロー条件を変更することにより、(Q0−Q1)/Q0×100の値を調整できる。
また、熱処理温度を高くしたり、熱処理時間を長くすれば、(Q0−Q2)/Q0×100の値を大きくできる。
さらに、フラックス組成物中の熱硬化性樹脂の種類や、硬化剤の種類および配合量を変更することより、(Q0−Q1)/Q0×100の値、および、(Q0−Q2)/Q0×100の値を調整できる。
次に、本発明のはんだ組成物について説明する。すなわち、本発明のはんだ組成物は、前記電子部品の接合方法に用いるはんだ組成物であり、(A)はんだ粉末、並びに、(B)熱硬化性樹脂を含有するフラックス組成物を含有するものである。また、このはんだ組成物は、具体的には、(B)熱硬化性樹脂を含有するフラックス組成物をバインダーとして、(A)はんだ粉末を分散させたものである。なお、このフラックス組成物には、必要に応じて、(C)硬化剤および(D)活性剤を含有してもよい。
本発明に用いる(A)はんだ粉末としては、適宜公知のものを用いることができる。このはんだ粉末は、240℃以下の融点を有することが好ましく、低温プロセス化の観点からは、180℃以下の融点を有するものであることがより好ましく、160℃以下の融点を有するものであることが特に好ましい。このはんだ粉末の融点が前記上限を超えるものを用いる場合には、リフロー処理時の温度が低温(例えば、180℃以下)の場合に、はんだ粉末を溶融させることができない傾向にある。一方で、はんだ粉末の融点は、通常、130℃以上であるが、はんだ接合の強度の観点からは、160℃以上であることが好ましく、200℃以上であることがより好ましい。
また、このはんだ粉末は、環境への影響の観点から、鉛フリーはんだ粉末であることが好ましい。ここで、鉛フリーはんだ粉末とは、鉛を添加しないはんだ金属または合金の粉末のことをいう。ただし、鉛フリーはんだ粉末中に、不可避的不純物として鉛が存在することは許容されるが、この場合に、鉛の量は、100質量ppm以下であることが好ましい。
本発明のはんだ組成物は、以下説明するフラックス組成物と、前記(A)成分とを含有するものである。
前記フラックス組成物の配合量は、はんだ組成物100質量%に対して、5質量%以上35質量%以下であることが好ましく、10質量%以上25質量%以下であることがより好ましく、12質量%以上22質量%以下であることが特に好ましい。フラックス組成物の配合量が5質量%未満の場合(はんだ粉末の配合量が95質量%を超える場合)には、バインダーとしてのフラックス組成物が足りないため、フラックス組成物とはんだ粉末とを混合しにくくなる傾向にあり、他方、フラックス組成物の配合量が35質量%を超える場合(はんだ粉末の配合量が65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。
本発明に用いる(B)熱硬化性樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂を適宜用いることができるが、フラックス作用を有するという観点から、特にエポキシ樹脂を用いることが好ましい。
なお、本発明において、フラックス作用を有するとは、通常のロジン系フラックスのように、その塗布膜は被はんだ付け体の金属面を覆って大気を遮断し、はんだ付け時にはその金属面の金属酸化物を還元し、この塗布膜が溶融はんだに押し退けられてその溶融はんだと金属面との接触が可能となり、その残渣は回路間を絶縁する機能を有するものである。
本発明に用いる(C)硬化剤としては、適宜公知の硬化剤を用いることができる。例えば、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂を用いる場合には、以下のようなものを用いることができる。これらの硬化剤は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。なお、フラックス組成物の硬化性を調整しやすいという観点からは、(C1)イミダゾール系硬化促進剤を用いることが好ましい。
この(C1)イミダゾール系硬化促進剤としては、例えば、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2−フェニルイミダゾール、2−ウンデシルイミダゾール、2−ヘプタデシルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾリウムトリメリテイト、および1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾールが挙げられる。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。また、低温硬化性の観点からは、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンと、これ以外の(C1)成分との組み合わせで用いることが好ましい。
前記(C1)成分の市販品としては、2P4MHZ、1B2PZ、2MZA、2PZ、C11Z、C17Z、2E4MZ、2P4MZ、C11Z−CNS、2PZ−CN(四国化成工業社製など、商品名)が挙げられる。
脂肪族ポリアミン系硬化剤としては、例えば、フジキュアFXR−1020、FXR−1030、FXR−1050、FXR−1080(富士化成工業社製、商品名)が挙げられる。
エポキシ樹脂アミンアダクト系硬化剤としては、例えば、アミキュアPN−23、PN−F、MY−24、VDH、UDH、PN−31、PN−40(味の素ファインテクノ社製、商品名)、EH−3615S、EH−3293S、EH−3366S、EH−3842、EH−3670S、EH−3636AS、EH−4346S、EH−5016S(ADEKA社製、商品名)が挙げられる。
本発明に用いる(D)活性剤は、(D1)有機酸と、(D2)アミンと有機酸との塩である有機酸アミン塩とを含有することが好ましい。なお、前記(D1)成分および前記(D2)成分以外の公知の活性剤をさらに含有していてもよい。
前記(D1)成分としては、適宜公知の有機酸を用いることができる。このような有機酸は、モノカルボン酸であってもよく、ジカルボン酸であってもよく、これら以外の他のカルボン酸であってもよい。また、このような有機酸は、脂肪族カルボン酸であってもよく、芳香族カルボン酸であってもよい。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。このような有機酸としては、ポットライフとはんだぬれ性とのバランスの観点から、炭素数3〜7のジカルボン酸であることが好ましく、炭素数5〜6のジカルボン酸であることがより好ましい。
前記ジカルボン酸としては、アジピン酸、2,4−ジエチルグルタル酸、2,2−ジエチルグルタル酸、3−メチルグルタル酸、グルタル酸、コハク酸、およびマロン酸などが挙げられる。
前記モノカルボン酸としては、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、およびエナント酸などが挙げられる。
前記他のカルボン酸としては、トリメリット酸、1,2,3−プロパントリカルボン酸、およびクエン酸などが挙げられる。
前記(D2)成分は、熱重量示差熱分析(TG/DTA)にて測定した軟化点(溶融・分解開始温度ともいう)が、90℃以上210℃以下であることが好ましく、110℃以上150℃以下であることがより好ましい。軟化点が前記下限未満では、ポットライフが低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、低温接合でのはんだぬれ性が良好でない傾向にある。ここで、軟化点は、以下のような方法より測定できる。
有機酸アミン塩を試料として10mg±3mg秤量し、30℃〜250℃まで加熱しつつ、下記条件にて、TG/DTA測定を行う。なお、リファレンスとしては、不活性なアルミナ粉末を10mg±3mg秤量し使用する。
測定装置:セイコーインスツルメンツ社製の「TG/DTA6200」
雰囲気:大気
昇温レート:10℃/min
前記芳香族アミンとしては、ベンジルアミン、アニリン、1,3−ジフェニルグアニジンなどが挙げられる。
前記脂肪族アミンとしては、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、シクロヘキシルアミン、トリエタノールアミンなどが挙げられる。
本発明に用いるフラックス組成物には、前記(B)成分、前記(C)成分および前記(D)成分の他に、必要に応じて、その他の添加剤を加えることができる。その他の添加剤としては、前記(D)成分以外の活性剤(ハロゲン系の活性剤など)、溶剤、チクソ剤、消泡剤、酸化防止剤、改質剤、つや消し剤、発泡剤などが挙げられる。
本発明のはんだ組成物は、上記説明したフラックス組成物と上記説明した(A)はんだ粉末とを上記所定の割合で配合し、撹拌混合することで製造できる。
((A)成分)
はんだ粉末:平均粒子径は22μm、はんだの融点は139℃、はんだの組成はSn/Bi
((B)成分)
熱硬化性樹脂A:ビスフェノールA型およびビスフェノールF型液状エポキシ樹脂、商品名「EPICLON EXA−830LVP」、DIC社製
熱硬化性樹脂B:商品名「NC−3000」、日本化薬社製
熱硬化性樹脂C:ジシクロヘンタジエン型エポキシ樹脂、商品名「EPICLON HP−7200H」、DIC社製
((C1)成分)
硬化剤A:商品名「キュアゾール 2P4MHZ−PW」、四国化成工業社製
硬化剤B:商品名「キュアゾール 2MZA−PW」、四国化成工業社製
((D1)成分)
活性剤A:アジピン酸
((D2)成分)
活性剤B:n−ブチルアミンアジピン酸塩
(他の成分)
チクソ剤:商品名「ゲルオールD」、新日本理化社製
消泡剤:商品名「フローレンAC−326F」、共栄社化学社製
熱硬化性樹脂A78.5質量%、熱硬化性樹脂B3質量%、熱硬化性樹脂C3質量%、硬化剤A4質量%、活性剤A3.5質量%、活性剤B5質量%、チクソ剤2.5質量%および消泡剤0.5質量%を容器に投入し、らいかい機を用いて混合してフラックス組成物を得た。その後、得られたフラックス組成物14.5質量%およびはんだ粉末85.5質量%(合計で100質量%)を容器に投入し、混練機にて混合することではんだ組成物を調製した。
そして、基板に、対応するパターンを有するマスクを用い、得られたはんだ組成物を印刷した。次に、電子部品を搭載し、図2に示す条件(リフロー処理時間360秒間、ヒート温度160℃、ピーク温度180℃の条件)でリフロー工程を行い、次いで、熱処理温度130℃、熱処理時間60分間の条件で熱処理工程を行い、電子部品を基板に接合した。
また、熱量Q0、Q1およびQ2の値を示差走査熱量計(装置名「Q2000」、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン社製、昇温速度:10℃/min)で測定し、リフロー工程後の樹脂硬化率((Q0−Q1)/Q0×100)および熱処理工程後の樹脂硬化率((Q0−Q2)/Q0×100)を求めた。得られた結果を表1に示す。なお、塗布工程で用いたフラックス組成物としては、はんだ粉末を混合する前のフラックス組成物を用いた。また、リフロー工程後または熱処理工程後のフラックス組成物は、銅板(大きさは50mm×50mm、厚みは0.3mm、酢酸エチルで洗浄)上にマスク(開口直径は6.5mm、厚みは0.25mm)にて、はんだ組成物を印刷し、その後、リフロー工程や熱処理工程を施したものから採取した。具体的には、図1に示すように、一度溶融した後のはんだSと、スズ塩S1と、はんだSおよびスズ塩S1の周りを囲っているフラックス組成物Fのうち、はんだSまたはスズ塩S1からの距離xが700μm以上離れた箇所(図1(B)中の一点鎖線で囲われた部分)からを採取した。
実施例1と同様のフラックス組成物およびはんだ組成物を準備した。
そして、熱処理時間を下記のように変更した以外は、実施例1と同様にして、はんだ組成物を用いて電子部品を基板に接合した。
実施例2:120分間
実施例3:180分間
比較例1:0分間
比較例2:30分間
また、実施例1と同様の方法で、リフロー工程後の樹脂硬化率((Q0−Q1)/Q0×100)および熱処理工程後の樹脂硬化率((Q0−Q2)/Q0×100)を測定した。得られた結果を表1に示す。
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、フラックス組成物およびはんだ組成物を得た。
そして、基板に、対応するパターンを有するマスクを用い、得られたはんだ組成物を印刷した。次に、電子部品を搭載し、図3に示す条件(リフロー処理時間150秒間、ピーク温度180℃の条件)でリフロー工程を行い、次いで、熱処理温度130℃、熱処理時間30分間の条件で熱処理工程を行い、電子部品を基板に接合した。
また、実施例1と同様の方法で、リフロー工程後の樹脂硬化率((Q0−Q1)/Q0×100)および熱処理工程後の樹脂硬化率((Q0−Q2)/Q0×100)を測定した。得られた結果を表2に示す。
電子部品の接合方法の評価(リワーク性、絶縁抵抗値、落下衝撃試験)を以下のような方法で行った。得られた結果を表1および表2に示す。
(1)リワーク性
リフロー処理後の試験基板について、リワークができるか否かを確認した。リワークができる場合には「○」と判定し、リワークができない場合には「×」と判定した。
(2)絶縁抵抗値
JIS Z 3197−1994の付属書11に記載の方法に準拠して、絶縁抵抗値を測定した。すなわち、串形電極基板(導体幅:0.318mm、導体間隔:0.318mm、大きさ:30mm×30mm)に、メタルマスク(串形電極パターンに合わせてスリット状に加工したもの、厚み:100μm)を用いてはんだ組成物を印刷した。その後、各実施例および比較例と同様のリフロー処理工程および熱処理工程を行い、試験基板を作製した。
この試験基板を、温度85℃、相対湿度85%に設定した高温高湿試験機に投入し、絶縁抵抗値(初期抵抗値)を測定した。
(3)落下衝撃試験
JESD22−B111に記載の方法に準拠して、落下衝撃試験を行った。すなわち、試験基板(大きさ:132mm×77mm、厚み:1mm、表面処理:水溶性プリフラックス)に、メタルマスク(0.5mmピッチBGAの電極パターンに合わせてスリット状に加工したもの、厚み:100μm)を用いてはんだ組成物を印刷した。その後、0.5mmピッチBGA(大きさ:12mm×12mm、228ピン)を搭載し、各実施例および比較例と同様のリフロー処理工程および熱処理工程を行い、試験基板を作製した。
この試験基板を、落下衝撃試験装置(神栄テクノロジー社製)にセットして、落下衝撃が1500G、0.5msの半正弦波となるような高さから、落下衝撃試験を行った。そして、1回の落下衝撃試験毎に、試験基板の接続抵抗値を測定し、接続抵抗値が100Ωを超えたときを導通不良と判定した。試験結果から、導通不良となるBGAの累積不良数と落下回数との関係をワイブルプロットし、5%不良確率に相当する落下回数(落下衝撃試験回数)を求めた。
Claims (4)
- 基板に、75質量%以上90質量%以下の(A)130℃以上160℃以下の融点を有するはんだ粉末、並びに、(B)エポキシ樹脂、(C)硬化剤および(D)活性剤を含有する、10質量%以上25質量%以下のフラックス組成物を含有するはんだ組成物を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程後の基板上に電子部品を搭載する搭載工程と、
前記搭載工程後の基板にリフロー処理を行うリフロー工程と、
前記リフロー工程後の基板に、熱処理温度が、100℃以上150℃以下であり、熱処理時間が、5分間以上180分間以下である熱処理を行う熱処理工程と、を備え、
前記(C)硬化剤が、(C1)イミダゾール系硬化促進剤を含有し、
前記塗布工程で用いたフラックス組成物の示差走査熱量計で測定した熱量(Q0)と、
前記リフロー工程後のフラックス組成物の示差走査熱量計で測定した熱量(Q1)と、
前記熱処理工程後のフラックス組成物の示差走査熱量計で測定した熱量(Q2)と、が下記数式(F1)および(F2)で示される条件を満たす
ことを特徴とする電子部品の接合方法。
(Q0−Q1)/Q0×100≦80(%)・・・(F1)
(Q0−Q2)/Q0×100≧90(%)・・・(F2) - 請求項1に記載の電子部品の接合方法において、
前記(C1)イミダゾール系硬化促進剤が、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンと、
2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、2−ウンデシルイミダゾール、2−ヘプタデシルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾリウムトリメリテイト、および1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾールからなる群から選択される少なくとも1つとの組み合わせである
ことを特徴とする電子部品の接合方法。 - 請求項1または請求項2に記載の電子部品の接合方法において、
前記(D)活性剤が、(D1)有機酸と、(D2)アミンと有機酸との塩である有機酸アミン塩とを含有し、
前記(D2)成分は、熱重量示差熱分析(TG/DTA)にて測定した軟化点が、90℃以上150℃以下である
ことを特徴とする電子部品の接合方法。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電子部品の接合方法において、
前記熱処理工程における熱処理時間が、7分間以上45分間以下である
ことを特徴とする電子部品の接合方法。
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