JP6959706B2 - 電気部品 - Google Patents

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Description

本発明は、電気部品およびその製造方法に関する。
電気部品ははんだを使用して回路上に実装される。はんだは、電気部品の端子電極上で滑らかによく延びる必要がある。ボイドを有するはんだ層は、電気部品の電気的性質に悪影響を与え得る。
（特許文献１）には、銀粒子と、４００〜５００℃のガラス転移点および４００〜５５０℃のガラス軟化点を有するガラスフリットと、有機ビヒクルとを含有する組成物から製造される端子電極を有する複層キャパシタが開示されている。
欧州特許第０７２０１８７号明細書
目的は、ほとんどボイドを有さずにはんだ付けされる電気部品を提供することである。
本発明の態様は、本体と、本体の少なくとも１つの面上の端子電極と、端子電極上のホットメルトポリマー層とを含む電気部品に関し、そこでホットメルトポリマー層が金属粉末と、ポリマーと、ワックスとを含む。
本発明の別の態様は、本体の少なくとも１つの面上に形成される端子電極を含む電気部品の本体を提供する工程と、ホットメルトポリマーペーストを端子電極上に適用する工程であって、ホットメルトポリマーペーストが金属粉末と、ポリマーと、ワックスと、溶媒とを含む工程と、適用されたホットメルトポリマーを乾燥させる工程とを含む電気部品を製造する方法に関する。
ほとんどボイドを有さずにはんだ付けされる電気部品を本発明によって提供することができる。
電気部品の断面略図である。 はんだ付け前の電気デバイスの断面略図である。 はんだ付け後の電気部品の断面略図である。 実施例において使用される電気部品の試験片の側面図である。
電気部品および電気部品をはんだ付けする方法が以下に説明される。
電気部品
キャパシタとしての電気部品１００が図１に示される。実施形態においてキャパシタ１００が本体１０１と、本体の両面上の端子電極１０４と、端子電極上のホットメルトポリマー層１０５とを含む。端子電極１０４は、回路などの外部導電要素と電気的におよび物理的に接合される電極として定義される。実施形態においてキャパシタの本体１０１は、絶縁セラミック層１０２と内部電極１０３とを含む積層体である。
実施形態において端子電極１０４が焼成型電極または硬化型電極であり得る。実施形態において焼成型電極が、典型的に導電性粉末と、ガラスフリットと、有機ビヒクルとを含む導電性ペーストを適用する工程と、導電性ペーストを焼成する工程とによって形成され得る。実施形態において焼成温度が４００〜１０００℃である。
実施形態において硬化型電極が、典型的に導電性粉末と熱硬化性ポリマーとを含む熱硬化性導電性ペーストを適用する工程と、熱硬化性導電性ペーストを硬化する工程とによって形成され得る。実施形態において硬化温度が１２０〜３９０℃である。別の実施形態において導電性粉末が銀、金、白金、銅、ニッケルおよびそれらの混合物からなる群から選択され得る。実施形態において端子電極１０４が厚さ５〜１００μｍである。
ホットメルトポリマー層１０５が端子電極１０４上に形成される。ホットメルトポリマー層１０５がリフロー温度で溶融する。リフローは、電気部品と回路とをはんだ付けする加熱プロセスである。ホットメルトポリマー層１０５が実施形態において厚さ１〜３０μｍ、別の実施形態において厚さ３〜２５μｍ、別の実施形態において厚さ５〜１５μｍである。
ホットメルトポリマー層１０５が金属粉末と、ポリマーと、ワックスとを含む。実施形態においてホットメルトポリマー層１０５がガラスフリットを含まない。別の実施形態においてホットメルトポリマー層１０５が架橋剤を含まない。
電気部品を製造する方法が、本体と本体の少なくとも１つの面上の端子電極とを含む電気部品を提供する工程と、ホットメルトポリマーペーストを端子電極上に適用する工程と、適用されたホットメルトポリマーペーストを乾燥させる工程とを含む。実施形態においてホットメルトポリマー層１０５は、例えばディッピング、スクリーン印刷および転写によって端子電極１０４上に適用され得る。次に、適用されたホットメルトポリマーペーストを十分に乾燥させて溶媒を除去する。乾燥温度は、実施形態において５０〜２００℃、別の実施形態において６０〜１８０℃、別の実施形態において９０〜１６０℃であり得る。
別の実施形態においてホットメルトポリマー層１０５を端子電極１０４上に部分的に形成することができる。ホットメルトポリマー層１０５を端子電極上に少なくとも、その上に実装されるはんだペーストとの接触領域において形成することができる。別の実施形態において端子電極１０４の表面の少なくとも７０％をホットメルトポリマー層１０５で覆うことができる。別の実施形態においてホットメルトポリマー層１０５を端子電極１０４の全表面上に形成することができる。
別の実施形態において、端子電極が本体の片面だけであり得る。別の実施形態において電気部品が、本体と、本体の片面だけの上の端子電極と、端子電極上のホットメルトポリマー層とを含むことができる。別の実施形態において端子電極を本体１０１の底面上に形成することができる。別の実施形態において本体の底面は、回路に対向する面である。
実施形態において図２に示されるように電気部品１００が電気回路ボード上に実装される。実施形態において電気回路ボードが基材２０１と基材の表面上の回路２０２とを含む。実施形態において基材２０１が硬質であるかまたは可撓性であり得る。別の実施形態において基材２０１が紙フェノール基材、紙エポキシ基材、ガラスエポキシ基材、セラミック基材、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基材、ポリマーフィルム、ガラス基材、セラミック基材またはそれらの組合せであり得る。実施形態において回路２０２が、めっきされた金属、金属箔または厚膜導体ペーストを用いて製造され得る。
実施形態においてはんだペースト２０３を回路２０２上に適用する。実施形態においてはんだペースト２０３がはんだ粉末と融剤とを含む。はんだ粉末は、低い融点を有する金属を含有する金属合金である。実施形態においてはんだペースト２０３が、Ｓｎ／Ｐｂ、Ｓｎ／Ｐｂ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｓｂ、Ｓｎ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ｚｎ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｚｎ／Ａｌ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｉｎ／ＢｉおよびＳｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｎｉおよびそれらの混合物からなる群から選択されるはんだ粉末を含む。
別の実施形態においてはんだペースト２０３が鉛を含有しない。鉛を含有しないはんだは環境にやさしいが、しかしながらしばしば、鉛含有はんだと比較してはんだ付け適性が低下する原因となる。本発明の電気部品は、鉛を含有しないはんだペーストを使用しても十分なはんだ付け適性を有することができる。
はんだペーストは市場で購入可能であり、例えば、千住金属工業株式会社製のＥｃｏ ｓｏｌｄｅｒ（登録商標）、石川金属株式会社製のＥｖａｓｏｌ（登録商標）および松尾ハンダ株式会社製のＦｉｎｅ ｓｏｌｄｅｒ（登録商標）がある。
実施形態において図２に示されるように電気部品１００がはんだペースト２０３上に実装され、ホットメルトポリマー層１０５がその上になる。
次に組立体を加熱して、いわゆる「リフロー」を行なうが、そこではんだが熱によって溶融して電気部品１００と回路２０２とを電気的におよび物理的に接続する。加熱は、組立体をリフローオーブンを通過させるかまたは赤外線ランプ下に送るかまたは個々の接合部をホットエアーペンシルによってはんだ付けすることによって達成されてもよい。
リフロー温度は実施形態において１００〜３５０℃、別の実施形態において１５０〜３１０℃、別の実施形態において２００〜２９０℃である。リフロー時間は実施形態において１〜６０秒、別の実施形態において４〜３０秒、そして別の実施形態において６〜２０秒である。加熱温度および時間は、長時間の間の低温および短時間の間の高温などそれらの組み合わせを考慮して調整しうる。
図３に示されるように、リフローの間にホットメルトポリマー層を溶解する時にはんだペースト２０３が溶融して端子電極１０４上で上方によく延びる。ホットメルトポリマー層１０５内の金属粉末が溶融して溶融はんだ２０３と合金になることができる。溶融はんだはその高めの比重のために端子電極上でよく延びるので、ホットメルトポリマー層内のポリマーは移動することができる。実施形態においてはんだの比重は７〜１０ｇ／ｃｍ3である。実施形態においてポリマーの比重は０．８〜２．０である。
実施形態において電気部品１００が、レジスタ、キャパシタ、インダクタおよび半導体チップからなる群から選択され得る。
ホットメルトポリマー層を形成するためのホットメルトポリマーペーストが以下に説明される。ホットメルトポリマーペーストが、金属粉末と、ポリマーと、ワックスと、溶媒とを含む。
金属粉末
実施形態において金属粉末が銀、銅、金、パラジウム、白金、ロジウム、ニッケル、アルミニウム、ガリウム、インジウム、スズ、亜鉛、ビスマスおよびそれらの混合物からなる群から選択され得る。別の実施形態において金属粉末が銀、ニッケル、スズ、亜鉛、ビスマスおよびそれらの混合物からなる群から選択され得る。別の実施形態において金属粉末が銀であり得る。
実施形態において金属粉末が形状においてフレーク状、球状、結節状またはそれらの混合物であり得る。別の実施形態において金属粉末が形状においてフレーク状であり得る。別の実施形態において金属粉末が形状において球状であり得る。
金属粉末の粒径（Ｄ５０）は実施形態において０．５〜２０μｍ、別の実施形態において０．７〜１５μｍ、別の実施形態において０．９〜１０μｍ、別の実施形態において１〜５μｍ、別の実施形態において０．５〜２μｍ、別の実施形態において３〜５μｍであり得る。このような粒度を有する金属粉末は、有機ビヒクル中でよく分散することができる。粒径（Ｄ５０）は、ＭｉｃｒｏｔｒａｃモデルＸ−１００によるレーザー回折散乱法を使用して粉末直径の分布を測定することによって得られる。
ポリマー
ホットメルトポリマー層がポリマーを含む。金属粉末がポリマー中に分散する。ポリマーは、ホットメルトポリマーペーストにおいて使用される有機溶媒中に２５℃で可溶性である。
ポリマーのガラス転移点（Ｔｇ）は実施形態において−２５〜１８０℃、別の実施形態において１０〜１６８℃、別の実施形態において１２０〜１８０℃、別の実施形態において１０〜５０℃である。ポリマーはそのガラス転移点において硬質結晶域および弾性非晶域を交互に繰り返し始める。
ポリマーの分子量（Ｍｗ）は、実施形態において５００〜３００，０００、別の実施形態において１０，０００〜２６０，０００、別の実施形態において１３，０００〜２３０，０００、別の実施形態において５０，０００〜２００，０００、および別の実施形態において１００，０００〜１９０，０００である。
実施形態においてポリマーがエチルセルロース、ポリビニルブチラール樹脂、フェノキシ樹脂、ヒドロキシプロピルセルロース樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ブチラール樹脂、ポリビニルアルコール、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂およびそれらの混合物からなる群から選択され得る。別の実施形態においてポリマーがエチルセルロース、ポリビニルブチラール樹脂、フェノキシ樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂およびそれらの混合物からなる群から選択され得る。別の実施形態においてポリマーがエチルセルロースを含む。別の実施形態においてホットメルトポリマーペーストが熱硬化性ポリマーを含まない。
実施形態においてポリマーが熱可塑性である。
ポリマーは、金属粉末の１００重量部に対して別の実施形態において０．５〜２０重量部であり、別の実施形態において１〜１５重量部、別の実施形態において１．５〜１０重量部、別の実施形態において２〜７重量部である。
ワックス
ワックスは、２０℃で展性があり３０〜３００℃で液体になる或る種の脂質である。ワックスの融点は別の実施形態において３０〜３００℃である。別の実施形態においてワックスが、植物ワックス、動物ワックス、ミネラルワックス、石油ワックス、合成ワックスおよびそれらの混合物からなる群から選択される。
植物ワックスは、ベーベリワックス、カンデリラワックス、カルナバワックス、ヒマシ油、エスパルトワックス、ホホバ油、オーリクリーワックス、米ぬかワックス、ソイワックス、ナンキンハゼワックス（ｔａｌｌｏｗ ｔｒｅｅ ｗａｘ）およびそれらの混合物からなる群から選択される。
別の実施形態において動物ワックスは、密蝋、羊毛蝋、セラックワックス、鯨ワックスおよびそれらの混合物からなる群から選択される。
別の実施形態においてミネラルワックスは、セレシンワックス、モンタンワックス、モンタンエステルワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、オゾセライトワックス、ピートワックスおよびそれらの混合物からなる群から選択される。
別の実施形態において石油ワックスは、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、石油ゼリーおよびそれらの混合物からなる群から選択される。
合成ワックスは、フィッシャー−トロプシュワックス、ポリエチレンワックス、ポリオレフィンワックス、ポリプロピレンワックス、アミドワックス、水素化油、脂肪酸ワックス、脂肪酸エステルワックスおよびそれらの混合物からなる群から選択される。実施形態において脂肪酸ワックスがステアリン酸である。
別の実施形態においてワックスは、ベーベリワックス、カンデリラワックス、カルナバワックス、ヒマシ油、エスパルトワックス、ホホバ油ワックス、オーリクリーワックス、米ぬかワックス、ソイワックス、ナンキンハゼワックス、密蝋、羊毛蝋、セラックワックス、鯨ワックス、セレシンワックス、モンタンワックス、モンタンエステルワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、オゾセライトワックス、ピートワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、石油ゼリーワックス、フィッシャー−トロプシュワックス、ポリエチレンワックス、ポリオレフィンワックス、ポリプロピレンワックス、アミドワックス、脂肪酸ワックス、脂肪酸エステルワックスおよびそれらの混合物からなる群から選択される。
別の実施形態においてワックスは、ヒマシ油、モンタンワックス、モンタンエステルワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、アミドワックス、脂肪酸ワックスおよびそれらの混合物からなる群から選択される。
ワックスが実施形態において０．１〜５０重量部、別の実施形態において１〜３８重量部、別の実施形態において２〜１５重量部である。
溶媒
溶媒を使用してポリマーを溶解することができる。端子電極上のホットメルトポリマーペーストを十分に乾燥させる間に溶媒が蒸発する。
溶媒が、金属粉末の１００重量部に対して実施形態において２〜６０重量部、別の実施形態において９〜５０重量部、別の実施形態において１５〜４０重量部である。
溶媒の沸点が実施形態において１２０〜３５０℃、別の実施形態において１６０〜３２０℃、別の実施形態において２００〜２９０℃であり得る。
溶媒が実施形態において有機溶媒であり得る。
別の実施形態において溶媒がテキサノール、１−フェノキシ−２−プロパノール、テルピネオール、カルビトールアセテート、エチレングリコール、ブチル カルビトール、ジブチル カルビトール、ジブチルアセテートプロピレングリコールフェニルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルおよびそれらの混合物からなる群から選択され得る。
溶媒を使用して、ホットメルトポリマーペーストの粘度を基材上に適用するために好ましくなるように調節することができる。実施形態においてポリマーペーストの粘度は、１０ｒｐｍでスピンドル＃１４を使用するブルックフィールドＨＢＴによって測定されるとき１０〜３００Ｐａ・ｓである。ディッピングの場合、導電性ペーストの粘度は１０〜１２０Ｐａ・ｓであり得る。
添加剤
界面活性剤、分散助剤、安定剤および可塑剤などの添加剤をペーストの所望の性質に基づいてポリマーペーストに添加することができる。
本発明は、限定されないが、以下の実施例によって説明される。
ホットメルトポリマーペーストを以下のように調製した。
球状銀粉末をエチルセルロース（Ｍｗ：約１８０，０００、Ｔｇ：１３０℃、Ｅｔｈｏｃｅｌ（登録商標）ＳＴＤ−１００、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）と、溶媒と、ポリプロピレンワックス（ＣＥＲＡＦＬＯＵＲ（登録商標）９７０、ＢＹＫ−Ｃｈｅｍｉｅ Ｊａｐａｎ）との混合物中に分散させるため、ミキサー内でよく混合し、その後に、金属粉末が十分に分散されるまで、三本ロール練り機を使用した。ポリプロピレンワックスは合成ワックスであった。溶媒は、テキサノールと１−フェノキシ−２−プロパノールとの混合物であった。ペースト粘度は、５０ｒｐｍでスピンドル＃１４を使用してブルックフィールドＨＢＴによって測定されるとき約３０Ｐａ・ｓまで溶媒を加えることによって調節した。銀粉末の粒径（Ｄ５０）は１．３μｍであった。各材料の量を表１に示す。
上に調製されたホットメルトポリマーの層を、図４に示されるようにセラミック基材４０１上に形成された硬化型電極４０２上にスクリーン印刷した。硬化型電極４０２をあらかじめ調製し、形成するため、熱硬化性導電性ペーストをセラミック基材４０１上にスクリーン印刷し、その後に、３０分間１７０℃で加熱した。硬化型電極は、９１重量％の銅粉末と９重量％のフェノール樹脂とからなった。硬化型電極４０２は、幅１２ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ２２μｍの四角形であった。印刷されたホットメルトポリマーペースト４０３が３０分間１２０℃で加熱され、それによってペースト中の溶媒が蒸発した。ホットメルトポリマー層４０３は幅１２ｍｍ、長さ２５ｍｍおよび厚さ１５μｍの四角形であった。
Ｐｂを含有しないはんだペースト４０４（Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ＝９６．５／３／０．５、Ｍ７０５、千住金属工業株式会社）をホットメルトポリマー層４０３上にスクリーン印刷した。はんだペースト４０４のパターンは、直径６ｍｍおよび厚さ２００μｍの円であった。
電極、ホットメルトペーストおよびはんだペーストの層を有するセラミック基材をホットプレート上に置き、３０秒間２４０℃でリフローした。リフローの間に、はんだペーストが溶融して電極上でよく延びた。
室温まで冷却後に、１ｍｍ2の単位面積にはんだ層に現われたボイドの数を目視で数えた。
比較例１と比べて実施例１〜６が示すようにホットメルトペーストがワックスを含有するときボイドが減少した。よく延びることによって十分なはんだ付け適性が全ての実施例および比較例に観察された。
Figure 0006959706
次に、様々なワックスを検査した。電極、ホットメルトペーストおよびはんだペーストの層を有するセラミック基材を上記の実施例１と同じ方法で形成したが、ただし、表２に示される異なった種類のワックスを使用した。アミドワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、および脂肪酸ワックスは合成ワックスである。ヒマシ油は植物ワックスである。モンタンワックスおよびモンタンエステルワックスはミネラルワックスである。
はんだ層上のボイドを実施例１と同様に数えた。どの種類のワックスを使用しても、実施例７〜１３に示されるようにボイドが少なくなった。
Figure 0006959706
次に、様々なポリマーを検査した。電極、ホットメルトペーストおよびはんだペーストの層を有するセラミック基材を上記の実施例１と同じ方法で形成したが、ただし、表３に示されるように異なった種類のポリマーを使用した。ボイドを実施例１と同様に計算した。全ての種類のポリマーに関して、ボイドは、実施例１４〜１６に示されるように６よりも少なくなった。
Figure 0006959706
１００ 電気部品
１０１ 本体
１０２ 絶縁セラミック層
１０３ 内部電極
１０４ 端子電極
１０５ ホットメルトポリマー層
２０１ 基材
２０２ 回路
２０３ はんだペースト
４０１ セラミック基材
４０２ 硬化型電極
４０３ ホットメルトポリマーペースト
４０４ はんだペースト

Claims (10)

  1. 本体と、前記本体の少なくとも１つの面上の端子電極と、該電気部品および回路を半田付けするためのリフロー温度で溶融する、前記端子電極上のホットメルトポリマー層とを含む電気部品であって、前記ホットメルトポリマー層は、金属粉末と、ポリマーと、ワックスとを含み、前記ホットメルトポリマー層はガラスフリットを含まず、
    前記ホットメルトポリマー層は架橋剤を含まず、前記金属粉末は表面被覆粉を含まないことを特徴とする電気部品。
  2. 前記ホットメルトポリマー層が厚さ１〜３０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
  3. 前記金属粉末が、銀、銅、金、パラジウム、白金、ロジウム、ニッケル、アルミニウム、ガリウム、インジウム、スズ、亜鉛、ビスマスおよびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
  4. 前記ポリマーのガラス転移点（Ｔｇ）が−２５〜１８０℃であることを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
  5. 前記ポリマーが、エチルセルロース、ポリビニルブチラール樹脂、フェノキシ樹脂、ヒドロキシプロピルセルロース樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ブチラール樹脂、ポリビニルアルコール、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂およびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
  6. 前記ワックスが、植物ワックス、動物ワックス、ミネラルワックス、石油ワックス、合成ワックスおよびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
  7. 前記ワックスが、ベーベリワックス、カンデリラワックス、カルナバワックス、ヒマシ油、エスパルトワックス、ホホバ油ワックス、オーリクリーワックス、米ぬかワックス、ソイワックス、ナンキンハゼワックス、密蝋、羊毛蝋、セラックワックス、鯨ワックス、セレシンワックス、モンタンワックス、モンタンエステルワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、オゾセライトワックス、ピートワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、石油ゼリーワックス、フィッシャー−トロプシュワックス、ポリエチレンワックス、ポリオレフィンワックス、ポリプロピレンワックス、アミドワックス、脂肪酸ワックス、脂肪酸エステルワックスおよびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
  8. 前記金属粉末が１００重量部であり、前記ポリマーが０．５〜２０重量部であり、前記ワックスが０．１〜５０重量部であることを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
  9. レジスタ、キャパシタ、インダクタおよび半導体チップからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
  10. 本体の少なくとも１つの面上に形成される端子電極を含む電気部品の前記本体を提供する工程と、
    ホットメルトポリマーペーストを前記端子電極上に適用する工程であって、前記ホットメルトポリマーペーストは、金属粉末と、ポリマーと、ワックスと、溶媒とを含み、前記ホットメルトポリマーペーストはガラスフリットを含まない、該工程と、
    前記適用されたホットメルトポリマーを乾燥させ、前記電気部品および回路を半田付けするためのリフロー温度で溶融するホットメルトポリマー層を形成する工程であって、
    前記ホットメルトポリマー層は架橋剤を含まず、前記金属粉末は表面被覆粉を含まない、該形成する工程と
    を含むことを特徴とする電気部品を製造する方法。
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