JPH0225291A - はんだペースト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、還元性雰囲気で使用するのに適したはんだペ
ーストに関するもので、具体的には、はんだ粉末とアル
コールを含有するバインダとを含むはんだペーストに関
するものである。

Ｂ、従来技術 はんだは、電子部品の生産で、集積回路モジュールやチ
ップ・キャリアを回路カードや回路板に接合するのに多
く用いられる。たとえば、はんだは、モジュールからの
導電性の金属ピンを、回路板の導電性の回路線に接続す
るのに用いる。はんだは部品にはんだプリフォームまた
ははんだペーストの形で塗布することが知られている。

はんだプリフオームとは、接合すべき各部品の所要の位
置に接触させるのに必要な形状及び寸法にしたはんだの
固形組成物である。プリフォームを所定の位置に置いた
後、加熱してはんだを流動、すなわち「リフロー」させ
て部品を物理的に接合させる。

はんだペーストとは、ＩＮまたは数種の液体溶剤または
バインダにはんだを配合した組成物である。

ペーストは部品上にスクリーン印刷し、乾燥、加熱して
はんだをリフローさせ、２つの部品を接合させる。プリ
フォームの場合もペーストの場合も、通常液体のフラッ
クスを用いて、部品の金属表面を脱酸素してはんだが付
着しやすくする。

従来の液体フラックスを使用すると、はんだ付けをした
後に、部品の表面にフラックスの残渣が残る。たとえば
普通のフラックスである透明ロジンは、ロジンに含まれ
るアビエチン酸が部品の金属表面上の酸化物と反応して
、アビエチン酸の金属塩残渣を生成する。この残渣が部
品の金属表面と接触すると、通常の使用時に電流を通し
たとき、有害な電食を生じる。したがって、はんだ付は
後、電気的使用前に残渣を除去しなければならない。

フラックスの残渣の除去にはいくつかの問題がある。第
１の問題は、残渣の除去に使用するパークロロエチレン
、Ｎ−メチルピロリドン、塩化メチレン、メチルクロロ
フォルム、フロン等の溶剤のコストである。さらに、有
害なこれらの溶剤の大気中への排出を減少させるために
、高価なスクラバ装置が必要である。最後に、スクラバ
を使用しても、有害な排出がある程度起こり、環境に目
に見えない害を与える。

フラックスの残渣が残らない１つのはんだ付は法が知ら
れている。この方法では、フラックスの残渣を除去する
ために、従来の液体フラックスの代りに還元性雰囲気を
使用する。はんだプリフォームを、窒素等の不活性雰囲
気の代りに水素または一酸化炭素等の還元性雰囲気中で
加熱することにより、酸化物が部品の金属表面から除去
される。

したがって液体フラックスが不要になる。さらに、この
「無フラツクス」法（すなわち液体フラックスを使用し
ない方法）では、副生物は気体及びある種の炭化水素で
あり、炭化水素は過剰の水素とともに燃焼させると二酸
化炭素と水蒸気を生成するので、容易に除去できる。

従来のはんだ付は法では、リフロー中にはんだが飛散す
る問題が排除できなかった。はんだが飛散すると、部品
の個々の導電性回路線が短絡する原因となる。従来法で
は、はんだを加熱すると液体ロジン・フラックスが分解
する。上述の金属酸化物とアビエチン酸の反応により二
酸化炭素や水蒸気等の気体が生成する。これらの副生成
物が溶融したはんだからガスとして放出され、部品上に
はんだが飛散する原因となる。

電子部品のはんだ付けに付随する最後の問題は、精度で
ある。電気的接続を確実にするため、電気部品は厳密な
寸法許容差で接合しなければならないことが多い。はん
だプリフォームは、プリフォームを部品上にどの程度正
確に置けるかによって精度が限定されるため、本質的に
このような用途に使用することが難しい。したがって、
このような用途ではんだを扱うには、はんだペーストが
好ましい形態である。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 本発明の主たる目的は、はんだ組ｍｌ物を改良すること
にある。

本発明の他の目的は、フラックスを使用しないはんだ組
成物を改良することにある。

本発明の他の目的は、フラックスを使用しないはんだペ
ーストを提供することにある。

本発明の他の目的は、はんだのりフローの間にはんだの
飛散が少ない、フラックスを使用しないはんだペースト
を提供することにある。

本発明の他の目的は、リフローの間にはんだの飛散が少
なく有害な化学的副生物を生成しない、フラックスを使
用しないはんだペーストを提供することにある。

Ｄ０問題点を解決するための手段 本発明の上記及びその他の目的は、はんだ粉末及びアル
コール・バインダからなるはんだペーストによって達成
される。このはんだペーストは、フラックスとしても機
能する還元性雰囲気中ですフローさせることができる。

このようなフラックスは残渣を残さないので、これにと
もなう問題がなくなる。はんだの飛散は、加熱中にはん
だが液化する前に気化または分解する多価アルコール系
バインダを使用することにより減少する。さらに、フラ
ックスを使用しないはんだペーストを還元性雰囲気中で
使用することにより、有害な化学的副生物を生成せず、
またはんだをペーストの形状で扱うため、厳密な寸法許
容誤差を必要とする電気部品に適合する。

Ｅ、実施例 本発明によるはんだ粉末及びアルコール系バインダから
なるはんだペーストについて説明する。

はんだはペースト状であるため、はんだプリフォームと
異なり、電気部品の接続に必要とされることのある厳密
な寸法許容誤差についてあまり気にする必要がない。さ
らに、このはんだペーストは水素または一酸化炭素等の
還元性雰囲気中で使用することができる。還元性雰囲気
はフラックスとしても機能するため、液体フラックス及
びこれに付随する欠点（すなわちコスト及びフラックス
残渣の除去の問題）が排除される。さらに、本発明を還
元性雰囲気中で実施することによって生じる副生物は気
体及び炭化水素のみであり、炭化水素は過剰の水素とと
もに燃焼させると二酸化炭素と水蒸気を生成するので、
容易に除去することができる。

はんだ粉末に適した材料も、バインダに適した材料も多
数存在する。電気部品の応用分野で使用するはんだ粉末
には、スズ、ビスマス、カドミウム、アンチモン、イン
ジウム、鉛、銀、金、その他の類似の材料が適している
。はんだ粉末は一般に少なくとも２種類のこれらの材料
の混合物である。通常のスズ・鉛はんだ粉末組成物には
、たとえばスズ３％と鉛９７％、スズ５％と鉛８５％、
スズ１０％と鉛９０％、スズ３７％と鉛６３％、スズ５
０％と鉛５０％等がある。バインダとして適当な材料に
は、１．２−エタンジオール、１．２−プロパンジオー
ル、１．３−プロパンジオール、１．２．３−プロパン
トリオール、１．３−ブタンジオール、１．４−ブタン
ジオール、１．５−ベンタンジオール、１．６−ヘキサ
ンジオール、２．５−ヘキサンジオール等の多価アルコ
ールがある。これらのアルコール類は、２ないし３個の
水酸基を有し、炭素原子数２０以下で、分子量は約２０
０ないし６０００である。また、これらのアルコール類
は、粘度が５０セイチポイズ以上で、したがって、はん
だ粉末と混合すると十分な表面張力を有し、リフローす
る前に接着すべき部品を一時的に保持することができる
。

アルコール・バインダは、アルコール類の混合物であっ
てもよい。たとえば、ベンジルアルコール等、１個の水
酸基ををするアルコールを、アラビトール、エリスリト
ール、ソルビトール、キシ＋Ｊ　）−ル等、４個以上の
水酸基を有する多価アルコールに添加して、多価アルコ
ールの沸点を下げ、特定用途に適したバインダを調製す
ることができる。しかし、一般に、必要な沸点と粘度を
有する単一のアルコールを使用することが好ましい。多
価アルコールの代表例とその沸点を第１表に示す。

これらのアルコールの実際の沸点は、ある程度純度に依
存し、メーカーによって異なる。

第工表 名 １．２−エタンジオールグリコール、 ジヒドロキシエタン、 エチレングリコール １．２−ブタンジオール、 プロピレジグリコール １．３−プロパンジオール、 トリメチレングリコ−ん １．２．３−ブタンジオール、 グリｔリン、グリをロール １．２−ブタンジオール、 α−ブチレンジリコール １．３−ブタンジオール、 β−ブチレンジリコール １．４−ブタンジオール、 テトラメチレングリコール ２．３−ブタンジオール １．２−ベンタンジオール １．４−ベンタンジオール １．５−ペンクンジオール ２．３−ベンタンジオール １．６−へキサンジオール ヘキサメチレングリコール ２．３−へキサンジオール ２．５−ヘキサンジオール 多価アルコールの沸点 化成 ％式％ さらに、はんだペーストを構成する特定のはんだ粉末及
びバインダは、各適用例ではんだペーストの特性が最適
となるように選択すべきである。

本発明では、はんだペーストを選択するのに、２段階の
手順を使用する。第１に、はんだ粉末は適用例の材料要
件に従って選択すべきである。これらの要件には、はん
だボンドが特定の疲労寿命を示し、将来の温度に耐え、
必要な電気的性質を示すことが含まれる。

特定の適用例に適したはんだ粉末を選択した後、沸点が
はんだ粉末の状態図のペースト状領域にあるバインダを
選択する。これを説明するには、第１図を参照するとわ
かりやすい。スズ３７％、鉛６３％と仮定する。この状
態図の液相線によれば、はんだ粉末は約２４０℃を超え
る温度では完全に液体である。また状態図の固相線によ
れば、はんだ粉末は約１８３℃未満の温度では完全に固
体である。状態図の液相線と固相線の間の領域を「ペー
スト状」領域という。したがって、前述の処方によれば
、沸点または分解温度が１８３ないし２４Ｏ℃のバイン
ダを選択すべきである。第１表を参照すると、このよう
なバインダの１つは、沸点が２１３℃の１．３−プロパ
ンジオールである。

はんだ粉末の状態図のペースト状領域に沸点を有するバ
インダを選択することにより、はんだの飛散を減、少さ
せることかできる。バインダの沸点がはんだ粉末のペー
スト状領域を超えると（すなわち、状態図の液相線を超
えると）、はんだのりフロー中にはんだの飛散が起こる
。はんだの飛散が起こるのは、はんだが液化してしまう
までバインダがガスを放出しないためである。バインダ
の沸点がはんだ粉末のペースト状領域未膚であると（す
なわち状態図の固相線より低いと）、バインダは早くガ
スを放出し、リフロー中にはんだは保持しなくなる。材
料によっては沸騰しないで、単に分解するものもある。

したがって、本明細書では「沸点」という言葉は、分解
して気体物質を生成する温度も含むものとする。

次に、本発明によって調製したはんだペーストの使い方
について説明する。使用する特定のはんだ粉末及びバイ
ンダを選定した後、この２つを混合してはんだペースト
を形成させる。次にはんだペーストを部品の一方または
両方にスクリーン印刷して、部品を接合のため正しく位
置合わせする。

スクリーン印刷は、当業者に周知の市販のスクリーナを
使って行なう。ペーストは、たとえば銅やスズ等のぬれ
が可能な金属に接触する基板、カードまたは回路板にス
クリーン印刷することができる。

たとえばモジュール、コンデンサ、抵抗、ピン、エツジ
・クリップ等の部品を、はんだペースト中に挿入するか
、あるいは上記の部品を基板、カード、回路板等に挿入
した後、接続箇所にペーストをスクリーン印刷する。そ
の手順は、従来のペーストによるはんだ付けの分野で周
知である。最後に、アセンブリでリフローの賭備をする
。

はんだペーストをリフローさせるには、部品を還元性雰
囲気の炉中に置く。リフローは、炉中で、バッチ式、ま
たはベルト・コンベアを使用した連続式で行なうことが
できる。必要な還元性雰囲気を示すコンベア・ベルト型
の８電としては、米国特許第４５６８２７７号明細書に
開示されている白金触媒容器が適している。

はとんどのスズ・鉛系のりフローは、下記の条件で行な
うことができる。適当な還元性雰囲気は、酸素含有１が
１０ｐｐｍ未満、好ましくはｉｐｐｍ未滴、未満好まし
くは酸素をまったく含有しない水素である。還元性雰囲
気はまた、水の含を量が５０ｐＩ）ｍ未満、好ましくは
水をまったく含有しないものとする。水素雰囲気の温度
は３００ないし５００℃、好ましくは３５０ないし４５
０℃とする。炉中のガスの流速は毎時的８５０ないし１
４１５ＮＱとする。アセンブリを、還元性雰囲気に５な
いし１５分、好ましくは５ないし１０分露出する。長さ
が約５．５ｍのコンベア型の炉では、コンベアの速度は
毎分約１３ないし５０　ｃ　ｍ　１好ましくは毎分約２
９ｃｍとする。その他の処理は従来の方法通りでよい。

本発明の理解を肋げるため、以下に例を示す。

例Ｉ スズ２０％、鉛８０％のはんだ粉末を選定した。

第１図の鉛・スズの状態図を参照すると、沸点が１８３
°Ｃないし２８０℃のバインダが適当であり、１．３−
ブタンジオールを選定した。１．３−ブタンジオールの
沸点は２０８℃で、十分このはんだ系のペースト状領域
内にある。

はんだペーストを混合した後、銅をコーティングした基
板上にスクリーン印刷した。基板を還元性雰囲気の炉中
に置き、リフローさせた。冷却後、基板上のはんだの飛
散を検査したが、飛散はまったくまたはわずかじか見ら
れなかった。

例■ スズ１０％、鉛９０％のはんだ粉末を選定した。

第１図を参照すると沸点が２７５℃ないし３００℃のバ
インダが適当であり、グリセリン（１，２，３−プロパ
ントリオール）を選定した。例Ｉと同様に混合、スクリ
ーン印刷及びリフロー後、飛散はまったくまたはわずか
じか見られなかった。

例■ スズ５％、鉛９５％のはんだ粉末を選定した。

第１図を参照すると、沸点が３０５℃ないし３１２°Ｃ
のバインダが適当である。しかし、本発明の原理を試験
するため、沸点が２２８℃の１．４−ブタンジオールを
選定した。予期したとおり、混合、スクリーン印刷及び
リフロー後、かなりの飛散が見られた。

例■ スズ５％、鉛９５％のはんだ粉末を選定した。

バインダとしてはグリセリンを選定した。グリセリンの
沸点（２９０℃）は、このはんだ組成物のペースト状領
域（３０５ないし３１２℃）外であるが、第１表の他の
多価アルコールよりこの領域に近いために選定した。リ
フロー後、このサンプルは例■のものよりはるかに飛散
が少なかったが、アルコールの沸点がペースト状領域内
にある最初の２例のものよりは幾分多かった。

例■ スズ９５％、アンチモン５％のはんだ粉末を選定した。

第２図を参照すると、沸点が２３３ないし２４０°Ｃの
バインダが適当であるので、沸点が２３９°Ｃの１１５
−ベンタンジオールを選定した。

例■ スズ９５％、銀５％のはんだ粉末を選定した。

第３図を参照すると、沸点が２２１ないし２４５℃のバ
インダが適当であるので、沸点が２２８℃の１．４−ブ
タンジオールを選定した。

例■ スズ５０％、鉛４７％、アンチモン３％のはんだ粉末を
選定した。第４図を参照するさ、沸点が１８５ないし２
０４°Ｃのバインダが適当であるので、沸点が１７４°
Ｃの１．２−ブタンジオールを選定した。

本発明を、好ましい実施例に関して説明したが、当業者
には理解できるように、本発明の原理、範囲及び開示か
ら逸脱することなく細部に各種の変更を加えることがで
きる。たとえば、本明細書に示した特定のはんだ粉末は
例示のために挙げたものにすぎず、他の組成物も使用す
ることができる。

適当な状態図に関する情報は、マックス　ハンセン（１
４ａｘ　ｌ１ａｎｓｃｎ）　　ｒ二元合金の組成（Ｃｏ
ｎｓＬｉむｕｔ、ｉｏｎ　　ｏｒ　Ｂｉｎａｒｙ　　Ａ
１１ｏｙｓ）　　Ｊ　　ｓ　　１　９　５８年、または
ハワード　Ｈ，？７：２つ（Ｈｏｗａｒｄ　Ｈ。

Ｍａｎｋｏ　）　　ｒはんだ及びはんだ付け（Ｓｏｌｄ
ｅｒｓ　ａｎｄＳｏｌｄｅｒｉｎｇ）　Ｊ、１９７９年
及び１９６４年に記載されている。他の多価アルコール
、たとえば１．３−ベンタンジオール、１．２．３−ペ
ンタントリオール、３．４−ヘキサンジオール−３，４
−ジエチル、２．５−ヘキサンジオール−２，５−メチ
ル等もバインダとして使用することができる。

Ｆ０発明の効果 以上述べたように本発明によれば、リフロー中のはんだ
の飛散が少な（、有害な化学的副生物を生成しない、フ
ラックスを使用しないはんだペーストが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鉛・スズ２成分系の状態図である。 第２図は、アンチモン・スズ２成分系の状態図である。 第３図は、銀・スズ２成分系の状態図である。 第４図は、鉛・スズ・アンチモン３成分系の状態図であ
る。 ４合重量 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）還元性雰囲気で使用されるはんだペーストであっ
   て、 （ａ）はんだ粉末と、 （ｂ）少なくとも１つのアルコールを含むバインダとを
   有する、 はんだペースト。
2. （２）還元性雰囲気で使用されるはんだペーストであっ
   て、 （ａ）はんだ粉末と、 （ｂ）はんだの飛散を低減するべく上記はんだ粉末の状
   態図のペースト領域に沸点温度をもつ多価アルコールを
   含むバインダとを有する、 はんだペースト。
3. （３）還元性雰囲気で使用されるはんだペーストを作成
   する方法であつて、 （ａ）はんだ粉末を用意する段階と、 （ｂ）上記はんだ粉末の状態図のペースト領域に沸点温
   度をもつアルコールを含むバインダを用意する段階と、 （ｃ）上記はんだ粉末と上記バインダを混合する段階と
   を有する、 はんだペーストの作成方法。