JP7063630B2

JP7063630B2 - フラックス及びソルダペースト

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Publication number: JP7063630B2
Application number: JP2018005033A
Authority: JP
Inventors: 裕橋本; 和順 ▲高▼木; 智子永井; 奈菜子宮城; 和哉北澤
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2022-05-09
Anticipated expiration: 2038-01-16
Also published as: JP2019122982A

Description

本発明は、はんだ付けに用いられる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。

特許文献１には、有機アミンのヨウ化水素酸塩と、６員環の芳香族系もしくは脂環族系モノカルボン酸、６員環の芳香族系もしくは脂環族系ジカルボン酸、イミダゾール系化合物またはそのカルボン酸塩との組み合わせにより、ヒートシンク部品のボイド面積率の低減とヒートシンク部品側面へのはんだの濡れ上がりを評価が行われている。

特開２０１４－１１７７３７号公報号

しかし、ボイドの低減要求が厳しくなるに伴い、従来の有機酸やアミン、ハロゲン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、フラックスにトリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを所定量添加することで、ボイドの発生を抑制でき、さらに、接合部品へのはんだの濡れ上がり性の改善ができることを見出した。

そこで、本発明は、ロジンとトリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートとイミダゾール系化合物と溶剤を含み、トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを０．１質量％以上１５質量％以下含み、イミダゾール系化合物を０質量％超５質量％以下含むフラックスである。

本発明のフラックスは、ロジンを１０質量％以上５０質量％以下、溶剤を３０質量％以上６０質量％以下含むことが好ましい。また、その他の活性剤を０質量％超１５質量％以下含んでも良い。

本発明のフラックスは、さらにチキソ剤を０質量％超１０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％超８質量％以下含むことが好ましい。イミダゾール系化合物は、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であることが好ましい。

また、本発明は、上述したフラックスと、金属粉を含むソルダペーストである。

本発明のフラックスでは、０．１質量％以上１５質量％以下のトリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを含むことで、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することができる。また、ボイドの発生を抑制できることに加え、はんだの濡れ上がり性の向上ができる。

はんだの濡れ上り性の評価の一例を示す説明図である。

＜本実施の形態のフラックスの一例＞
本実施の形態のフラックスは、ロジンとトリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートと溶剤を含む。本実施の形態のフラックスでは、トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを０．１質量％以上１５質量％以下含む。

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。また、酸化物が除去されることで、はんだの濡れ上がり性の向上ができる。

そこで、本実施の形態のフラックスは、トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを０．１質量％以上１５質量％以下含む。

また、トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートに加えて、その他の活性剤を含んでも良い。その他の活性剤を含むことで酸化物の除去効果を高めることができる。

その他の活性剤としては、有機酸、有機ハロゲン化合物、アミン、アミンハロゲン化水素酸塩等が挙げられる。

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、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。

有機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。

アミンとしては、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、シクロヘキシルアミン、１，３－ジフェニルグアニジン、１，３－ジ－ｏ－トリルグアニジン、１－ｏ－トリルビグアニド等が挙げられる。

アミンハロゲン化水素酸塩は、アミンとハロゲン化水素を反応させた化合物であり、アミンとしては、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、１，３－ジフェニルグアニジン、１，３－ジ－ｏ－トリルグアニジン、１－ｏ－トリルビグアニド等が挙げられ、ハロゲン化水素としては、塩素、臭素、ヨウ素の水素化物が挙げられる。

そこで、本実施の形態のフラックスは、その他の活性剤を合計で０質量％以上１５質量％以下含む。

また、本実施の形態のフラックスは、ロジンを１０質量％以上５０質量％以下、溶剤を３０質量％以上６０質量％以下含む。本実施の形態のフラックスは、さらにチキソ剤を０質量％以上１０質量％以下含む。本実施の形態のフラックスは、さらにイミダゾール系化合物を０質量％以上５質量％以下、酸化防止剤を０質量％以上８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。

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。

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。

＜本実施の形態のフラックス及びソルダペーストの作用効果例＞
ロジンとトリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートと溶剤を少なくとも含み、トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを０．１質量％以上１５質量％以下含むフラックス、及び、このフラックスを用いたソルダペーストでは、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。また、酸化物が除去されることで、接合部品へのはんだの濡れ上がり性を向上することができる。

以下の表１に示す組成で実施例と比較例の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、はんだの濡れ上がり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。尚、本発明は実施例に限定されるものではない。

＜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０．１２ｍｍである。ソルダペーストの印刷後、ＱＦＮ（ＱｕａｄＦｏｒＮｏｎ－ＬｅａｄＰａｃｋａｇｅ）を載置し、リフローを行う。ＱＦＮとしては、１辺の長さが８ｍｍの正方形で、下面電極は１辺の長さが５ｍｍの正方形である。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ＱＦＮの下面電極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
合格：ボイド面積率≦１５％
不合格：ボイド面積率＞１５％

＜はんだの濡れ上がり性の評価＞
（１）検証方法
図１（ａ）、図１（ｂ）は、はんだの濡れ上り性の評価の一例を示し、図１（ａ）は、ＯＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）１の端子１０を側面から見た図、図１（ｂ）は、ＯＦＰ１の端子１０を正面から見た図である。はんだの濡れ上がり性の評価は、基板１００の電極１０１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０．１２ｍｍである。ソルダペーストの印刷後、ＱＦＰ１を載置し、リフローを行う。

リフローの条件は、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、ＱＦＰ１の端子１０の端面１０ａへのはんだＳの濡れ上がり量を顕微鏡にて観察する。顕微鏡には株式会社キーエンス製のＤＩＧＩＴＡＬＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥＶＨＸ－２０００を用いた。はんだの濡れ上り量は、ＱＦＰ１の端子１０の端面１０ａの面積を１００としたときに、濡れ上がったはんだＳの面積の割合である。

面積の割合の算出方法は、ＱＦＰ１を両面テープで基板に貼り付け、端面を倍率：２００倍で撮影し、画像ソフト：ＡＴ－Ｉｍａｇｅを使用して端面以外の余分なものを削除しピクセル数Ａ１を出した。このピクセル数が端面の面積に相当する。ＱＦＰ１のはんだ付けを行った基板を同じ位置に置き、端面の面積が変わらないようにして撮影をした。画像ソフトで端面が見えている部分以外の余分なものを削除しピクセル数Ａ２を出した。（（Ａ１－Ａ２）／Ａ１）×１００％が濡れ上がったはんだの面積の割合となる。

（２）判定基準
４：７５％以上～１００％以下
３：５０％以上～７５％未満
２：２５％以上～５０％未満
１：０％以上～２５％未満
以上の４段階評価において３以上を合格とした。

＜総合評価＞
〇：ボイドの抑制能の評価、はんだの濡れ上がり性の評価の何れも合格であった
×：ボイドの抑制能の評価、はんだの濡れ上がり性の評価の何れか、または両方が不合格であった

本発明では、実施例１～実施例５に示すように、本発明で規定された範囲内でトリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを０．３質量％以上１５質量％以下含むフラックスでは、ボイドの抑制能、はんだの濡れ上がり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、トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを含むことによる効果が阻害されることはなかった。なお、イソシアヌレートを０．１質量％含むフラックスでも、ボイドの抑制能、はんだの濡れ上がり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トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを含むことで、実施例６、実施例７に示すように、有機酸としてアジピン酸を含むフラックス、実施例８、実施例９に示すように、イミダゾール化合物として２－エチルイミダゾールを含むフラックス、実施例１０に示すように、酸化防止剤を含むフラックスでも、ボイドの抑制能、はんだの濡れ上がり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トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを含むことで、実施例１１に示すように、有機酸としてアジピン酸を含み、イミダゾール化合物として２－エチルイミダゾールを含み、酸化防止剤を含むフラックスでも、ボイドの抑制能、はんだの濡れ上がり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、トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを含まないフラックスでは、ボイドの抑制、はんだの濡れ上がり性を向上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トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを含むフラックスでは、はんだの濡れ上がり性の向上効果は得られたが、所望のボイドの抑制能が得られなかった。

以上のことから、ロジンとトリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートと溶剤を含み、トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを０．１質量％以上１５質量％以下含むフラックスでは、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、接合部品へのはんだの濡れ上がり性が向上した。

また、本発明に係るフラックスは、ロジンを１０質量％以上５０質量％以下、溶剤を３０質量％以上６０質量％以下、さらにその他の活性剤を０質量％以上１５質量％以下、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、トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを含むことによるボイドの抑制能、はんだの濡れ上がり性が阻害されず、これらに対して十分な効果が得られた。

Claims

ロジンとトリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートとイミダゾール系化合物と溶剤を含み、
トリス（２－カルボキシエチル）イソシアヌレートを０．１質量％以上１５質量％以下含み、
前記イミダゾール系化合物を０質量％超５質量％以下含む
ことを特徴とするフラックス。
前記ロジンを１０質量％以上５０質量％以下、
前記溶剤を３０質量％以上６０質量％以下含む
ことを特徴とする請求項１に記載のフラックス。
さらに、その他の活性剤を０質量％超１５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に記載のフラックス。
前記その他の活性剤が、有機酸、有機ハロゲン化合物、アミン、アミンハロゲン化水素酸塩のうち、少なくとも１種である
ことを特徴とする請求項３に記載のフラックス。
さらに、チキソ剤を０質量％超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項に記載のフラックス。
前記イミダゾール系化合物は、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である
ことを特徴とする請求項１～請求項５の何れか１項に記載のフラックス。
さらに、酸化防止剤を０質量％超８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項に記載のフラックス。
請求項１～請求項７の何れか１項に記載のフラックスと、金属粉を含む
ことを特徴とするソルダペースト。