JP6617793B2 - ソルダペースト用フラックス及びソルダペースト - Google Patents

Description

本発明は、はんだ付けに用いられるソルダペースト用フラックス及びこのフラックスを用い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、はんだ合金の粉末とフラックスとを混合させて得られた複合材料である。ソルダペーストを使用したはんだ付けは、基板の電極等のはんだ付け部にソルダペーストが印刷され、ソルダペーストが印刷されたはんだ付け部に部品が搭載され、リフロー炉と称される加熱炉で基板を加熱してはんだを溶融させて、はんだ付けが行われる。

ソルダペーストのはんだ付性を向上させるために、フラックスの活性を高めようとすると、保存時において活性剤等の活性の高い成分とはんだとが反応することによりソルダペーストの粘度が上がり、ソルダペーストの保存安定性が低下してしまう傾向にある。そこで、はんだ付性と保存安定性を両立させるため、フラックス（ビヒクル）に活性剤としての有機酸に加えイミダゾール化合物を添加したソルダペーストが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

これに対し、ソルダペーストを使用したはんだ付けでは、硬化後のソルダペースト中にボイドと称す気泡が残存することが課題となっている。特許文献１に記載のソルダペーストでは、はんだ付性と保存安定性は向上するものの、ボイドの発生を十分に抑制することができない。

そこで、フラックスの活性を高めることで、ボイドの抑制が試みられており、フラックスの活性を高める手法としては、ハロゲン化合物を添加したフラックスが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３−１６９５５７号公報 特開２０１６−９３８１６号公報

しかし、ボイドの低減要求が厳しくなるに伴い、従来の有機酸やハロゲン化合物を添加することによる活性の向上では、ボイドの発生を十分に抑制することができなかった。

本発明は、このような課題を解決するためなされたもので、ボイドの発生を抑制可能としたソルダペースト用フラックス及びフラックスを用いたソルダペーストを提供することを目的とする。

フラックスと金属粉を含むソルダペーストにおいて、フラックスにイミダゾール化合物を所定量添加すると、ソルダペーストの粘着性を損なうことなく、ボイドの発生を抑制できることを見出した。

そこで、本発明は、ロジンとイミダゾール化合物と溶剤を含み、イミダゾール化合物を２５質量％以上３５質量％以下含むソルダペースト用フラックスである。

本発明のソルダペースト用フラックスは、ロジンを１５質量％以上４０質量％以下、溶剤を１５質量％以上３５質量％以下含むことが好ましい。また、ブロック有機酸を０質量％以上２０質量％、活性剤を０質量％以上３質量％以下含むことが好ましい。

本発明のソルダペースト用フラックスは、さらにチキソ剤を０質量％以上１０質量％以下含むことが好ましく、さらに消泡剤を０質量％以上５質量％以下含むことが好ましく、さらに酸化防止剤を０質量％以上５質量％以下含むことが好ましい。

また、本発明は、上述したソルダペースト用フラックスと、金属粉を含むソルダペーストである。

本発明のソルダペースト用フラックスでは、２５質量％以上のイミダゾール化合物を含むことで、このフラックスと金属粉を含むソルダペーストを用いてリフロー炉ではんだ付けを行うと、ボイドの発生を抑制できる。また、ソルダペーストに粘着性を持たせることができる。

＜本実施の形態のソルダペースト用フラックスの一例＞
本実施の形態のソルダペースト用フラックスは、ロジンとイミダゾール化合物と溶剤を含む。本実施の形態のソルダペースト用フラックスでは、活性剤として機能するイミダゾール化合物を２５質量％以上含むことで、イミダゾール化合物を残存させ、酸化物の除去効果が高められる。

これにより、このフラックスと金属粉を含むソルダペーストを用いてリフロー炉ではんだ付けを行うことで、ボイドの要因となる酸化物が除去され、ボイドの発生を抑制できる。

リフロー中の温度はイミダゾール化合物の沸点は超えないが、融点は超えるため溶融する。溶融するとイミダゾール化合物は蒸気圧曲線の圧力に等しくなるまで気化が起こるため、イミダゾール化合物の添加量が少ないと、リフロー中に十分なイミダゾール化合物を残存させることができず、酸化物の除去ができない。これによりボイドが発生する。また、イミダゾール化合物は常温で固体のため、フラックス中のイミダゾール化合物の含有量が増えるとソルダペーストの粘着性が失われていく。そこで、本実施の形態のソルダペースト用フラックスは、イミダゾール化合物を２５質量％以上３５質量％以下含む。

イミダゾール化合物としては、イミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、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、１，２−ジメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、４−メチル−２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−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等が挙げられる。

また、イミダゾール化合物に加えて、活性剤及びカルボキシ基にアルキルビニルエーテルを反応させたブロック有機酸を含んでも良い。ブロック有機酸を含むことで、イミダゾール化合物とカルボキシ基との反応が抑制され、ソルダペーストの増粘を抑制することができる。

ブロック有機酸としては、有機酸とアルキルビニルエーテルを反応させたヘミアセタールエステル構造を持つ化合物等が挙げられる。

ブロック有機酸は加熱されると有機酸とアルキルビニルエーテルに分離する。そのため、加熱前は活性剤としての機能は潜在化され、はんだ付け時に活性剤として機能するようになる。

ブロック有機酸に用いられる有機酸としては、グルタル酸、アジピン酸、アゼライン酸、エイコサン二酸、クエン酸、グリコール酸、コハク酸、サリチル酸、ジグリコール酸、ジピコリン酸、ジブチルアニリンジグリコール酸、スベリン酸、セバシン酸、チオグリコール酸、テレフタル酸、ドデカン二酸、パラヒドロキシフェニル酢酸、ピコリン酸、フェニルコハク酸、フタル酸、フマル酸、マレイン酸、マロン酸、ラウリン酸、安息香酸、酒石酸、イソシアヌル酸トリス（２−カルボキシエチル）、グリシン、１，３−シクロヘキサンジカルボン酸、２，２−ビス（ヒドロキシメチル）プロピオン酸、２，２−ビス（ヒドロキシメチル）ブタン酸、２，３−ジヒドロキシ安息香酸、２，４−ジエチルグルタル酸、２−キノリンカルボン酸、３−ヒドロキシ安息香酸、リンゴ酸、ｐ−アニス酸、ステアリン酸、１２−ヒドロキシステアリン酸等が挙げられる。

ブロック有機酸に用いられるアルキルビニルエーテルとしては、エチルビニルエーテル、プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、２−エチルヘキシルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテルなどが挙げられる。

本実施の形態のソルダペースト用フラックスは、ブロック有機酸を０質量％以上２０質量％以下含む。

更に、イミダゾール化合物に加えて、活性剤として機能する有機酸、ハロゲン化合物を含んでも良い。有機酸やハロゲン化合物がイミダゾール化合物と共に活性剤として機能することで、酸化物の除去効果が高められる。

有機酸としては、グルタル酸、アジピン酸、アゼライン酸、エイコサン二酸、クエン酸、グリコール酸、コハク酸、サリチル酸、ジグリコール酸、ジピコリン酸、ジブチルアニリンジグリコール酸、スベリン酸、セバシン酸、チオグリコール酸、テレフタル酸、ドデカン二酸、パラヒドロキシフェニル酢酸、ピコリン酸、フェニルコハク酸、フタル酸、フマル酸、マレイン酸、マロン酸、ラウリン酸、安息香酸、酒石酸、イソシアヌル酸トリス（２−カルボキシエチル）、グリシン、１，３−シクロヘキサンジカルボン酸、２，２−ビス（ヒドロキシメチル）プロピオン酸、２，２−ビス（ヒドロキシメチル）ブタン酸、２，３−ジヒドロキシ安息香酸、２，４−ジエチルグルタル酸、２−キノリンカルボン酸、３−ヒドロキシ安息香酸、リンゴ酸、ｐ−アニス酸、ステアリン酸、１２−ヒドロキシステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸等が挙げられる。

ハロゲン化合物としては、１−ブロモ−２−プロパノール、３−ブロモ−１−プロパノール、３−ブロモ−１，２−プロパンジオール、１−ブロモ−２−ブタノール、１，３−ジブロモ−２−プロパノール、２，３−ジブロモ−１−プロパノール、１，４−ジブロモ−２−ブタノール、２，３−ジブロモ−１，４−ブタンジオール、トランス−２，３−ジブロモ−２−ブテン−１，４−ジオール等が挙げられる。

本実施の形態のソルダペースト用フラックスは、活性剤を０質量％以上３質量％以下含む。

また、本実施の形態のソルダペースト用フラックスは、ロジンを１５質量％以上４０質量％以下、溶剤を１５質量％以上３５質量％以下含む。本実施の形態のソルダペースト用フラックスは、さらにチキソ剤を０質量％以上１０質量％以下含む。本実施の形態のソルダペースト用フラックスは、さらに添加剤として消泡剤を０質量％以上５質量％以下、酸化防止剤を０質量％以上５質量％以下含んでも良い。

ロジンとしては、例えば、ガムロジン、ウッドロジン及びトール油ロジン等の原料ロジン、並びに該原料ロジンから得られる誘導体が挙げられる。該誘導体としては、例えば、精製ロジン、水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、酸変性ロジン、フェノール変性ロジン及びα，β不飽和カルボン酸変性物（アクリル化ロジン、マレイン化ロジン、フマル化ロジン等）、並びに該重合ロジンの精製物、水素化物及び不均化物、並びに該α，β不飽和カルボン酸変性物の精製物、水素化物及び不均化物等が挙げられる。

溶剤としては、アルコール系溶剤、グリコールエーテル系溶剤、テルピネオール類等が挙げられる。アルコール系溶剤としてはイソプロピルアルコール、１，２−ブタンジオール、イソボルニルシクロヘキサノール、２，４−ジエチル−１，５−ペンタンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、２，５−ジメチル−２，５−ヘキサンジオール、２，５−ジメチル−３−ヘキシン−２，５−ジオール、２，３−ジメチル−２，３−ブタンジオール、２−メチルペンタン−２，４−ジオール、１，１，１−トリス（ヒドロキシメチル）プロパン、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′−オキシビス（メチレン）ビス（２−エチル−１，３−プロパンジオール）、２，２−ビス（ヒドロキシメチル）−１，３−プロパンジオール、１，２，６−トリヒドロキシヘキサン、１−エチニル−１−シクロヘキサノール、１，４−シクロヘキサンジオール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、２，４，７，９−テトラメチル−５−デシン−４，７−ジオール等が挙げられる。グリコールエーテル系溶剤としては、ジエチレングリコールモノ−２−エチルヘキシルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、メチルプロピレントリグリコール、ブチルプロピレントリグリコール、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等が挙げられる。

チキソ剤としては、ワックス系チキソ剤、アマイド系チキソ剤が挙げられる。ワックス系チキソ剤としては例えばヒマシ硬化油等が挙げられる。アマイド系チキソ剤としてはラウリン酸アマイド、パルミチン酸アマイド、ステアリン酸アマイド、ベヘン酸アマイド、ヒドロキシステアリン酸アマイド、飽和脂肪酸アマイド、オレイン酸アマイド、エルカ酸アマイド、不飽和脂肪酸アマイド、ｐ−トルエンメタンアマイド、芳香族アマイド、メチレンビスステアリン酸アマイド、エチレンビスラウリン酸アマイド、エチレンビスヒドロキシステアリン酸アマイド、飽和脂肪酸ビスアマイド、メチレンビスオレイン酸アマイド、不飽和脂肪酸ビスアマイド、ｍ−キシリレンビスステアリン酸アマイド、芳香族ビスアマイド、飽和脂肪酸ポリアマイド、不飽和脂肪酸ポリアマイド、芳香族ポリアマイド、置換アマイド、メチロールステアリン酸アマイド、メチロールアマイド、脂肪酸エステルアマイド等が挙げられる。

消泡剤としては、アクリルポリマー、ビニルエタノールポリマー、ブタジエンポリマー、シリコーン等が挙げられる。また、酸化防止剤としては、ヒンダードフェノール系酸化防止剤等が挙げられる。

＜本実施の形態のソルダペーストの一例＞
本実施の形態のソルダペーストは、上述したソルダペースト用フラックスと、金属粉を含む。金属粉は、Ｐｂを含まないはんだであることが好ましく、Ｓｎ単体、または、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ-Ｉｎ系等、あるいは、これらの合金にＳｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｐ等を添加したはんだの粉体で構成される。

＜本実施の形態のソルダペースト用フラックス及びソルダペーストの作用効果例＞
ロジンとイミダゾール化合物と溶剤を少なくとも含み、イミダゾール化合物を２５質量％以上３５質量％以下含むソルダペースト用フラックス、及び、このフラックスを用いたソルダペーストでは、活性剤として機能するイミダゾール化合物がはんだの溶融時まで十分に残存し、所望の温度域で酸化物の除去効果が高められる。これにより、ボイドの要因となる酸化物が除去され、ボイドの発生を抑制できる。

以下の表１に示す組成で実施例と比較例のソルダペースト用フラックスを調合し、このフラックスを使用してソルダペーストを調合して、ボイドの抑制能、粘着性について検証した。なお、表１における組成率は、フラックスの全量を１００とした場合の質量％である。

ソルダペーストは、フラックスが１１質量％、金属粉が８９質量％である。また、ソルダペースト中の金属粉は、Ａｇが３．０質量％、Ｃｕが０．５質量％、残部がＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ合金であり、金属粉の粒径は２０μｍ〜３８μｍである。

＜ボイドの抑制能の評価＞
（１）検証方法
ボイドの抑制能の評価は、基板の電極に各実施例及び各比較例に記載のフラックスを使用したソルダペーストを印刷する。印刷厚は０．１５ｍｍである。ソルダペーストの印刷後、３．２ｍｍ×１．６ｍｍのチップ抵抗部品を載置し、リフローを行う。リフローの条件は、Ｎ_２雰囲気下において１５０℃〜２００℃で１１８ｓｅｃの予備加熱を行った後、ピーク温度を２４７℃とし、２２０℃以上で４２ｓｅｃの本加熱を行う。リフロー後、Ｘ線観察装置（ユニハイトシステム社製ＸＶＲ−１６０）にて部品搭載部を撮影し、Ｘ線透過画像においてフィレット部分全体の画素数を分母、ボイド部分の画素数を分子として、（１）式でボイド面積率を算出した。
（ボイド部分の画素数総計／電極部分全体の画素数）×１００（％）・・・（１）

（２）判定基準
〇：ボイド面積率≦５％
×：ボイド面積率＞５％

＜粘着性の評価＞
イミダゾール化合物は常温で固体のため、フラックス中のイミダゾール化合物の含有量が増えるとソルダペーストの粘着性が失われていく。ソルダペーストは搭載する部品の保持を行える程度には粘着性を有さなければならないため、粘着性の評価を行った。

（１）検証方法
ＪＩＳＺ３２８４−３の粘着性試験に準拠して行った。粘着性試験にはレスカ社製タッキング試験機ＴＡＣIIを用いた。

（２）判定基準
〇：粘着力≧１Ｎ／ｍ^２
×：粘着力＜１Ｎ／ｍ^２

本発明では、実施例１〜実施例３に示すように、本発明で規定された範囲内でイミダゾール化合物として２−エチルイミダゾールを２５質量％以上３５質量％以下、ブロック有機酸としてヘミアセタールエステル化合物であるジアルキルビニルエーテルを１５質量％含むソルダペースト用フラックスでは、ボイドの抑制能、粘着性に対して十分な効果が得られ、本発明で規定された範囲内でロジン、溶剤及びチキソ剤を含むことで、イミダゾール化合物及びブロック有機酸を含むことによる効果が阻害されることはなかった。

イミダゾール化合物としては、２−エチルイミダゾール以外でも、イミダゾール、２−メチルイミダゾール、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、１，２−ジメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、４−メチル−２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−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等を本発明で規定された範囲内で含むことで、ボイドの抑制能、粘着性に対して十分な効果が得られた。

また、本発明で規定された範囲内でイミダゾール化合物を含むことで、実施例４に示すように、有機酸及びブロック有機酸を含まないソルダペースト用フラックス、実施例５に示すように、有機酸としてマレイン酸を含み、ブロック有機酸を含まないソルダペースト用フラックス、実施例６に示すように、有機酸及びブロック有機酸を含むソルダペースト用フラックスでも、ボイドの抑制能、粘着性に対して十分な効果が得られた。

更に、本発明で規定された範囲内でイミダゾール化合物を含むことで、実施例７に示すように、ブロック有機酸を２０質量％含むソルダペースト用フラックスでも、ボイドの抑制能、粘着性に対して十分な効果が得られた。

また、本発明で規定された範囲内でイミダゾール化合物を含むことで、実施例８に示すように、消泡剤を５質量％含むソルダペースト用フラックスでも、ボイドの抑制能、粘着性に対して十分な効果が得られた。更に、本発明で規定された範囲内でイミダゾール化合物を含むことで、実施例９に示すように、酸化防止剤を５質量％含むソルダペースト用フラックスでも、ボイドの抑制能、粘着性に対して十分な効果が得られた。

これに対し、比較例１に示すように、本発明で規定された範囲未満でイミダゾール化合物を含むソルダペースト用フラックスでは、本発明で規定された範囲内でブロック有機酸を含んでも、ボイドを抑制することができなかった。

また、比較例２に示すように、本発明で規定された範囲を超えてイミダゾール化合物を含むソルダペースト用フラックスでは、本発明で規定された範囲内でブロック有機酸を含んでも、ボイドを抑制する効果は得られたが、所望の粘着性が得られなかった。

以上のことから、ロジンとイミダゾール化合物と溶剤を含み、イミダゾール化合物を２５質量％以上３５質量％以下含むソルダペースト用フラックスでは、活性剤として機能するイミダゾール化合物がはんだの溶融時まで十分に残存し、所望の温度域で酸化物の除去効果が高められた。

これにより、このソルダペースト用フラックスを用いたソルダペーストでは、ボイドの要因となる酸化物が除去され、ボイドの発生を抑制することができた。

また、本発明に係るソルダペースト用フラックスは、ブロック有機酸を０質量％以上２０質量％以下、活性剤として有機酸を０質量％以上３質量％以下、ロジンを１５質量％以上４０質量％以下、溶剤を１５質量％以上３５質量％以下、さらにチキソ剤を０質量％以上１０質量％以下、消泡剤を０質量％以上５質量％以下、酸化防止剤を０質量％以上５質量％以下含むことでも、イミダゾール化合物を含むことによるボイドの抑制能、粘着性が阻害されず、これらに対して十分な効果が得られた。

Claims (8)

1. ロジンとイミダゾール化合物と溶剤を含み、
   イミダゾール化合物を２５質量％以上３５質量％以下含む
   ことを特徴とするソルダペースト用フラックス。
2. ロジンを１５質量％以上４０質量％以下、
   溶剤を１５質量％以上３５質量％以下含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のソルダペースト用フラックス。
3. ブロック有機酸を０質量％以上２０質量％以下含む
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のソルダペースト用フラックス。
4. 活性剤を０質量％以上３質量％以下含む
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のソルダペースト用フラックス。
5. さらにチキソ剤を０質量％以上１０質量％以下含む
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のソルダペースト用フラックス。
6. さらに消泡剤を０質量％以上５質量％以下含む
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のソルダペースト用フラックス。
7. さらに酸化防止剤を０質量％以上５質量％以下含む
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載のソルダペースト用フラックス。
8. 請求項１〜請求項７の何れか１項に記載のソルダペースト用フラックスと、金属粉を含む
   ことを特徴とするソルダペースト。