JPH04192394A - 予備半田層付き回路基板 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、パッド上に予備半田層を形成した回路基板に
関するものである。

〔従来技術〕

回路基板の製造時には通常、回路基板を製造した時点で
、電子部品を半田付けする部分であるパッドの表面に予
め薄い半田層（予備半田層）を形成することが多い。電
子部品を実装するときは、その予備半田層の上にクリー
ム半田を印刷し、その上に電子部品を載置し、リフロー
炉に通して、電子部品と回路基板の半田付けを行う。

パッド表面に予備半田層を形成するのは次の理由による
。すなわち、回路基板のパッドは銅箔が露出する部分で
あるため、その表面に銅の酸化被膜ができやすく、酸化
被膜ができると、部品実装時に半田の濡れ性が悪くなり
、良好な半田付けが行えなくなる。特に回路基板は製造
後、ただちに部品が実装されるわけではなく、部品を実
装するまでに連撮や保存の期間があるため、その間にパ
ッド表面に酸化被膜ができる可能性が大きい。このため
予備半田層を設けて、パッド表面の酸化を防止し、部品
実装時の半田付けを確実に行えるようにするものである
。

従来、回路基板のパッドへの予備半田層の形成にはＨＡ
Ｌ　（ホットエアレベラー）法が広く用いられている。

この方法は、製造された回路基板を溶融半田浴の中に浸
漬した後、引き上げて、パッド上に半田を付着させ、そ
の直後に回路基板に加熱空気を吹きつけて、余分な半田
を吹き飛ばして薄い半田層を形成するという方法である
。

〔課題〕

しかし予備半田層を形成すれば、部品実装時の半田付は
性は万全というわけではない。それは、予備半田層を形
成しても、予備半田層表面の酸化があるからである。

ところで部品実装に使用されるクリーム半田には半田付
は後に洗浄の必要な洗浄タイプと、洗浄の必要がない無
洗浄タイプとがある。ＭＩＬＬ規格でいうと、一般的に
はＲＡ系半田は洗浄タイプであり、ＲＭＡ系半田は無洗
浄タイプである。ＲＡ系半田にはハロゲン系の活性剤が
含まれており、この活性剤が予備半田層表面の酸化物を
除去する作用をする。ＲＭＡ系半田にはハロゲン系の活
性剤が含まれていないか、含まれていてもごくわずかで
ある。クリーム半田の活性の度合は水溶液抵抗で表され
、ＲＡ系半田は５〜９万Ωｃｍ、ＲＭＡ系半田は１０万
０ｃｍ以上で、一般的には１０〜１９万Ωｃｍ程度であ
る　（数値が小さい方が活性力が高い）したがって予備
半田層の表面が酸化されている場合にはＲＭＡ系半田よ
りＲＡ系半田を使用した方が半田の濡れ性はよくなる。

しかしＲＡ系半田にはハロゲン系の活性剤が含まれてい
るため、半田付は後、それを除去しておかないと回路基
板や部品に悪影響が出る。このため半田付は後の洗浄が
必要となるのである。この洗浄には一般にフロンが使用
されているが、最近では環境問題の高まりから、フロン
を使用しないで済む半田付は方法の開発が強く望まれて
いる。

ＲＭＡ系半田はハロゲン系の活性剤が含まれていないか
、または含まれていてもＲＡ系半田に比べごくわずかな
ため、半田付は後、フロンによる洗浄の必要はないが、
予備半田層表面が酸化していると半田の濡れ性が悪く、
実用上問題がある。

予備半田層の表面の酸化があまり進んでないうちであれ
ば、ＲＭＡ系半田でも十分な濡れ性が得られる。しかし
最近の回路基板は高密度化の要求から両面実装が多くな
ってきており、両面実装の場合は、一方の面に部品と載
せてリフロー炉に通し、半田付けをした後、他方の面に
部品を載せて再びリフロー炉に通すことになるたと、１
回目のりフロー炉を通す時に他方の面の予備半田層表面
の酸化が進行してしまい、他方の面に部品を実装すると
きに半田付は性がわるくなる。

またリフロー炉で半田付は出来ない特定の部品や回路モ
ジュールについては、リフロー炉により一般の部品を半
田付けした後、部分付は方式で半田付けする必要があり
、この場合はりフロー炉を２回通過した後の半田付けに
なるため、予備半田層表面の酸化がさらに進行しており
、ハロゲン系の活性剤を含まないＲＭＡ系半田では良好
な半田付は状態を得ることはできない。

〔課題の解決手段〕 予備半田層の表面には錫と鉛が露出しており、この表面
が酸化されると酸化錫と酸化鉛ができる。

このため予備半田層の上にＲＭＡ系クワクリーム半田布
して半田付けを行うためにはクリーム半田に一＆４れる
フラックス（ロジン）でこれらの酸化物が除去されなけ
ればならない。

酸化された半田の表面の、ロジンによる清浄化のメカニ
ズムは次のように考えられる。

Ｋ。

２ＲＣＯＯＨ＋ＳｎＤ　　−（ＲＣＯＯ）２ｓｎ　十８
２０Ｋ。

２［ＩＣ口叶十Ｐｂ（ｌ　　→　（ＲＣＯＯ）　＊Ｐｂ
　＋ＬＯここで、Ｋ１、Ｋ、はロジン酸（ＲＣＤＯＨ）
による酸化鉛、酸化錫の清浄のしやすさを示すパラメー
タと考えられる。つまりこの反応速度の大きさが酸化物
の清浄のしやすさを示す。

そこで次のような実験を行った。１００ｍｆ容量の二つ
のフラスコにそれぞれロジン２０ｇと酸化錫１ｇ１０ジ
ン２０ｇと酸化鉛１ｇを入れ、２１０℃に加熱して１分
間反応させた。反応後、溶剤で希釈して、Ｇ−４ガラス
フイルターでろ過し、未反応酸化物を除去した。ろ過し
た液の金属量を原子吸光分析法で分析し、有機酸金属塩
Ｃ（ＲＣＯ［ｌ）　２ｓｎ　。

（ＲＣＯＯ）２Ｐｂ　’］の量を測定した。その結果を
表−１に示す。

表−１ 酸化錫からの有機酸金属塩の生成率（Ｋ、の反応速度）
が極めて小さいということは酸化錫は極約で清浄化され
にくいことを示し、酸化鉛からの有機酸金属塩の生成率
＜Ｋ２の反応速度）が極ぬで大きいということは酸化鉛
は極とて清浄化されやすいことを示している。

この実験結果より、表面が酸化された予備半田層に、ク
リーム半田を塗布して半田付けを行うときは、酸化錫よ
り酸化鉛の方がクリーム半田のフラックスで清浄化され
やすいので、予備半田層表面は錫の面積より鉛の面積を
大きくしておいた方が半田の濡れ性がよくなることが予
測された。

一方、本発明の発胡者等は先に、回路基板に電子部品を
実装するための半田付は材料として、有機酸鉛と錫粉と
を含むペースト状半田析出組成物を開発したく特開平１
−１５７７９６号公報）。この組成物は、回路基板のパ
ッドに塗布して加熱すると半田合金が析出して半田付け
が行えるものであるが、特にこの組成物は、微小ピッチ
のパッド配列部にベタ塗りしても、加熱すると個々のパ
ッドに半田が選択的に析出するため、ファインパターン
回路基板への部品実装に適している。

上記のペースト状半田析出組成物は、クリーム半田と同
様、半田付は材料として開発されたものであるが、析出
した半田の表面を観察してみると、従来の半田の表面と
は大きく異なっていることが判明した。

図−１は上記ペースト状半田析出組成物を加熱して析出
させた半田層の表面を示し、図−３および図−４は従来
のＨＡＬ法により得た半田層の表面を示す。いずれも半
田層の表面を５００倍に拡大した顕微鏡写真を模写した
ものであり、符号１は錫の領域、２は鉛の領域である。

半田の合金組成はいずれも重量比で錫：鉛−６；４であ
る。

図−１では、錫１と鉛２のパターンが、錫１の中に、丸
みをもった塊状の鉛２が流氷のように無数に分散した状
態となっているが、図−３および図−４では、錫１の中
に、樹枝状結晶の鉛２が分散した状態となっており、同
じ合金組成でありながら、前者の方が鉛の占める面積が
格段に大きくなっている。

重量比で＠：鉛＝６：４であるということは、錫の比重
が７．２８５、鉛の比重が１１．３４であるから、容積
比にすると錫；船−７＝３となり、図−３および図−４
では大体これに近い比率で錫と鉛が露出しているが、図
−１では鉛の露出面積がほぼ５０％以上を占とている。

このような差異がでる理由は駄らかではないが、次のよ
うに推定される。ＨＡＬ法により得た半田層は、完全に
溶解した半田合金が凝固したものであるた狛、錫と鉛が
完全に混ざり合っており、溶融凝固過程で鉛が樹脂状結
晶に成長したものと考えられる。一方、ペースト状半田
析出組成物の方は、加熱により錫粒子の表面で錫と鉛の
置換反応が起き、鉛が析出して錫と合金化し、半田合金
となるわけであるが、析出した鉛の一部が溶融過程を経
ずにそのまま表面に浮き出てきて、図−１のようなパタ
ーンになるものと考えられる。

いずれにせよ半田層表面における鉛の面積が従来のもの
より大きいということは、前述の実験結果によれば、こ
れを予備半田として使用した場合、表面が酸化されても
、その後の半田付は性が損なわれないことを意味する。

そこで、有機酸鉛と銀粉とを含むペースト状半田析出組
成物を回路基板のパッドに塗布し、加熱して、予備半田
層を形成し、その予備半田層の表面を酸化させてから、
その上にＲＭＡ系のりＩＪ　−ム半田を塗布し、加熱溶
融させて、半田の濡れ性を調べた。その結果、以下の実
施例に示すように、この予備半田層は表面が酸化された
後においても十分な半田濡れ性を有することが確認され
た。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

まず試験用の回路基板として、図−５のような書影のパ
ッド３を有する回路基板と、図−６のような凸形のパッ
ド４を有する回路基板を同じ製造条件で多数作製した。

パッド３．４はいずれも銅箔である。図−５のパッド３
はフラットパックタイプ部品用のパッドを想定したもの
で、幅０．２５ｍｍ×長さ３ｍｍである。図−６のパッ
ド４はチップ部品用のパッドを想定したもので、下辺の
長さ２ｍｍ。

下半部の高さｌ　ｍｍ、上半部の高さ１ｍｍである。

実施例１ 上記回路基板のパッド上に、有機酸鉛２８％（重量％、
以下同じ）、銀粉１０％、活性剤３３％、粘度調整剤２
９％からなるペースト状半田析出組成物を２００〜３０
０μｍの厚さに塗布し、２１０℃で２分間加熱して半田
を析出させた。得られた予備半田層の厚さは２〜５μｍ
１合金組成は錫５４〜６８％、残部鉛であり、その表面
をＥＰＭＡ　（Ｂｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒ。

ｂｅ　Ｍｉｃｒｏ　Ａｎａｌｙｚｅｒ）で面分析した結
果は図−１のようになっていた（倍率５００倍）。すな
わち、この予備半田層の表面は、ｓｌの中に、丸みをも
った塊状の鉛２が流氷のように無数に分散した状態とな
っている。また、その表面の鉛／錫の面積仕はほぼ５１
５以上であり、半日合金の鉛／錫の重量比（はぼ４／６
）に対応する鉛／錫の面積比（はぼ３／７）より明らか
に大きくなっている。

これは、この予備半田層は内層部より表層部の方が鉛が
リッチになっていることを示している。

従来例 比較のため上記回路基板のパッド上にＨＡＬ法により予
備半田層を形成した。ＨＡＬ法の条件は、２４０℃±３
℃に保たれた錫：鉛＝６：４の共晶半田浴に回路基板を
５秒間浸漬し、引き上げた後、圧力３．８　ｋｇ／ｃｍ
２、温度２２０℃の加熱空気を吹きつけるというもので
ある。得られた予備半田層の厚さは１〜５μｍ１合金組
成は錫４８〜７０％、残部鉛であり、その表面をＥＰＭ
Ａで面分析した結果は図−３および図−４のとおりであ
った（倍率５００倍）。すなわち、この予備半田層の表
面は、錫１の中に樹枝状結晶の鉛２が分散した状態とな
っており、その表面の鉛／錫の面積比はほぼ３／７であ
り、半日合金の鉛／錫の重量比（はぼ４／６）に対応す
る鉛／錫の面積比（はぼ３／７）とばぼ同程度となって
いる。

次に実施例１および従来例の予備半田層を形成した回路
基板を、予備半田層を酸化させない０回グループと、予
備半田層を１回酸化させた１回グループと、予備半田層
を２回酸化させた２回グループに分けた。予備半田層の
１回の酸化処理はりフロー炉（ＩＲ炉）を通過させるこ
とを想定して図−７のような温度プロファイルで行った
。

次に各グループの予備半田層の上にＲＭＡ系半田（クリ
ーム半田）を塗布した。使用したＲＭＡ系半田の組成を
表−２に示す。

表−２ 半田の塗布領域は、図−５のパッド３の場合は両端にほ
ぼ１０％ずつの長さを残して全長の８０％の領域とし、
図−６のパッド４の場合は、周辺部を残して全面接の８
０％の領域とした 次に前述のＲＭＡ系半田を塗布した回路基板をリフロー
炉に通し、半田を加熱溶融させて固化させたときの、半
田の濡れ性（半田の広がり性、半田付は性）を調べた。

その結果は表−３のとおりであった。

表−３の記号、数値は次のとおりである。

○：良好　△；一部不良不良：不良 数値％：パッド面積に対する半田の広がり割合（８０％
塗布なので、それ以上に広がっていれば良好） 表−３から明らかなように、実施例１の予備半田層は、
表面が酸化した後においても、無洗浄タイプのＲＭＡ系
半田の濡れ性が良好である。

実施例２ 前記回路基板のパッド上に、有機酸鉛６７％、錫粉１３
％、活性剤１０％、粘度調整剤１０％からなるペースト
状半田析出組成物を、２００〜３００μｍの厚さに塗布
し、２１０℃で２分間加熱して半田を析出させた。得ら
れた予備半田層の厚さは２〜４μｍ、合金組成は鉛／錫
−，８／２であり、その表面をＥＰＭＡで面分析した結
果は図−２のようになっていた（倍率５００倍）。すな
わち、この予備半田層の表面は、錫１の中に、丸みをも
った塊状の鉛２が流氷のように無数に分散した状態とな
っており、９０％以上が鉛で占狛られている。

この予備半田層についても、実施例１と同様、酸化処理
０回グループ、１回グループ、２回グループに分け、Ｒ
ＭＡ系半田の濡れ悼試験を行った結果、いずれも良好な
濡れ性が得られた。

以上の実施例から明らかなように表面に鉛が多く露出し
ている予備半田層は、表面が酸化された後においても、
ハロゲン系の活性剤を含まない半田で、良好な半田付は
性を得ることができる。

また本発明における予備半田層は表層部で鉛がリッチに
なっているため、内層部より表層部の方が融点が高く、
クリーム半田を塗布せずにリフロー炉に通して加熱した
場合、表層部の方が溶融しにくい。このためＨＡＬ法に
より形成した予備半田層のように、クリーム半田を塗布
せずに（裸のままで）リフロー炉に通したときに、再溶
融に伴う予備半田層の片寄り（移動）が発生することが
なく、この面からも加熱後（表面酸化後）の良好な半田
付は特性を維持することができる。

以上の実施例ではペースト状半田析出組成物から析出さ
せた予備半田層について説明したが、要は表面に鉛が多
く露出していればよいので、予備半田層の成形の仕方は
問題にならない。例えば従来のＨＡＬ法により形成した
半田層の表面全面に無電解メツキまたは電解メツキによ
り鉛ｉｌ！膜を付着させた構造でもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、予備半田層の表面
が酸化された後においても、ハロゲン系の活性剤を含ま
ないクリーム半田で、良好な半田付けを行うことができ
る。このため半田付は後のフロンによる洗浄が不要とな
り、オゾン層破壊につながるフロンの使用をなくすこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

図−１および図−２はそれぞれ本発明の一実施例に係る
予備半田層付き回路基板における予備半田層の表面状態
の拡大図、図−３および図−４はそれぞれ従来のＨＡＬ
法で形成された予備半田層の表面状態の拡大図、図−５
および図−６はそれぞれ試験に使用した回路基板のパッ
ドの形状を示す平面図、図−７はパッドを酸化させると
きの温度プロファイルを示すグラフである。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．パッド上に予備半田層を形成してなる回路基板にお
   いて、前記予備半田層は、その表面の鉛／錫の面積比が
   、その半田合金の鉛／錫の重量比に対応する鉛／錫の面
   積比より大きくなっていることを特徴とする予備半田層
   付き回路基板。
2. ２．パッド上に予備半田層を形成してなる回路基板にお
   いて、前記予備半田層は、その表面の、鉛の面積が錫の
   面積より大きくなっていることを特徴とする予備半田層
   付き回路基板。
3. ３．請求項１または２記載の予備半田層付き回路基板で
   あって、予備半田層は、その表面の錫と鉛の状態が、錫
   の中に、丸みをもった塊状の鉛が流氷のように無数に分
   散した状態になっていることを特徴とするもの。
4. ４．請求項１、２または３記載の予備半田層付き回路基
   板であって、予備半田層は、内層部より表層部の方が鉛
   がリッチになっていることを特徴とするもの。
5. ５．請求項４記載の予備半田層付き回路基板であって、
   予備半田層表層部の鉛リッチ層が、その予備半田層を裸
   の状態で加熱したときに、パッド上での半田の移動を抑
   制する層となることを特徴とするもの。
6. ６．パッド上に予備半田層を形成してなる回路基板にお
   いて、前記予備半田層は、表面全面に鉛層を有するもの
   からなることを特徴とする予備半田層付き回路基板。