JPH0739039B2 - ハンダ／ポリマー複合ペースト及びその使用方法 - Google Patents

ハンダ／ポリマー複合ペースト及びその使用方法

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JPH0739039B2
JPH0739039B2 JP3055667A JP5566791A JPH0739039B2 JP H0739039 B2 JPH0739039 B2 JP H0739039B2 JP 3055667 A JP3055667 A JP 3055667A JP 5566791 A JP5566791 A JP 5566791A JP H0739039 B2 JPH0739039 B2 JP H0739039B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は導電性要素の間に導電性結合を形
成するための新規な相互結合物質およびそのような導電
性結合を作る方法に関する。
【０００２】導電性ハンダ組成物は導電性要素の間に導
電性結合、例えば印刷回路基板（ＰＣＢ）上の回路に付
随するチップ担体の導線とパッドのような電気部品の間
の導電性結合を形成するためのものとしてよく知られて
いる。慣用的なハンダ組成物は共融混合物合金、例えば
スズ−鉛組成物からなり、これはハンダ金属および接続
される導電性要素から酸化物を除去するためのレジデン
ト（resident）フラックス組成物およびそのフラックス
残渣を除去するための洗浄を要し、又精巧な電気部品に
損傷を与えることのある高いリフロー温度を必要とす
る。又、鉛含有ハンダ粉末は環境的に好ましくない。
【０００３】洗浄を要しない又はフラックスレスのハン
ダ付けを達成するために金属合金粉末充填ポリマー複合
ペーストのあることは公知である。しかしながら、その
ようなペーストは非酸化性、非溶融性の銀又は金合金粉
末を充填剤として含み、このものは高価である。又、銀
イオン移動は他の問題を引き起こす。
【０００４】充填剤としてニッケル粉末と揮発性溶媒に
溶解された熱硬化性ポリマーの溶液からなり、ポリマー
は適用過程の間に硬化されるハンダ付け可能なポリマー
フィルム組成物が米国特許第４,５４８,８７９号に開示
されている。そのようなペーストは適用される間に硬化
するので、そのポリマーは低いリフロー温度で軟化し得
ないか、又は低いリフロー温度で溶媒可溶性ではない。
【０００５】本発明の目的は溶融性金属合金粉末／ポリ
マー複合ペーストを提供することにあり、そのペースト
は充填剤として高価な貴金属や好ましくは有毒な鉛金属
を含まず、そして金属ハンダ粒子の融点より高くリフロ
ー温度と等しいか又は僅かに低い沸点を持つ有機溶媒に
可溶の熱可塑性ポリマーバインダー物質を基材とするも
ので、前記ポリマーは金属ハンダ粒子の融点より高くリ
フロー温度より低い温度で熱軟化性であり、前記リフロ
ー温度は精巧な電気部品の損傷を避けるため熱可塑性ポ
リマーと印刷回路板の熱安定性温度より低い。上述の複
合ペーストをポリマーハンダ複合体（ＰＳＣ）と称す
る。
【０００６】本発明は、ある種の多成分熱可塑性ポリマ
ーが金属合金粉末／ポリマー複合ペーストを作るための
充填剤である溶融性金属合金粉末のすぐれたバインダー
物質となることを発見したことに基づき、その複合ペー
ストはハンダ結合後フラックス除去を要せず、貴金属合
金粉末を含まず、又、揮発性有機溶媒の存在下でも不存
在下でも精巧な電気部品に損傷を与えない比較的低いリ
フロー温度でリワーク（rework）可能である。本発明の
好ましい組成物は有機溶媒としてＮ−メチルピロリド
ン、１,２−ビス（２−メトキシ−エトキシ）エタン、
又はメチルフェニルケトンに溶解したポリ（イミドシロ
キサン）バインダー物質を含み、前記有機溶媒は金属合
金粉末の融点より高い温度で沸騰し、リフローの間に完
全に蒸発する。好ましい金属合金粉末は貴金属や有毒な
鉛を含まない共融混合物ビスマス−スズ合金であるが、
毒性が問題でない場合、共融混合物ビスマス−スズ−鉛
合金粉末および共融混合物鉛−スズ合金粉末も使用する
ことができる。
【０００７】本組成物は一過性フラックスとして少量の
飽和モノカルボン酸をも含み、この酸は合金粉末の融点
より高く、組成物のリフロー温度又はそれより低い沸点
を持つ。
【０００８】又、本組成物は少量の多価アルコール界面
活性剤／フラックスを含むのが好ましく、前記アルコー
ルは金属合金粉末の融点より高く、組成物のリフロー温
度又はそれより低い沸点を持つ。
【０００９】本発明の新規なＰＳＣ結合はポリマー用有
機溶媒を適用してもしなくても単にポリマーマトリック
スの軟化温度以上に加熱することによりリワークするこ
とができ、その際、本組成物で作られた強いハンダ結合
をはずし、電気部品の一つ、例えば損傷されたチップ物
質部品をＰＣＢから除き、低いリフロー温度で新しい電
気部品に交換することができる。
【００１０】本発明の新規複合ペーストは、ハンダ組成
物の成分の性質と相互作用により可能となる新規なハン
ダ結合を提供する。このハンダ結合剤すなわちリフロー
ハンダ組成物は、ハンダ構造を補強する硬化した熱可塑
性ポリマーを含み、溶融性金属粉末の部分的に融合し
て、相互結合した網状構造からなり、又処理条件により
構造を封入することができる。
【００１１】相互結合した網状構造は幾つかの理由から
重要である。ハンダ結合を形成する過程すなわちリフロ
ーの間に、金属粉末粒子は溶融し、隣接する粉末粒子お
よびそこに浸漬された電気導線に溶接する。しかしなが
ら、熱可塑性ポリマーとその揮発性溶媒が存在するた
め、ハンダ粒子はリフロー温度で十分に融合又は溶融し
ても均質な固まりにならないで、揮発性溶媒が蒸発して
できた空間を有する網状構造の形成が起こる。粒子網状
構造は導電性であるが、元のハンダペーストは非導電性
である。
【００１２】リフローの間に一過性フラックスは溶融性
金属合金粒子表面から酸化物を除き、粒子が融合し溶接
して導電性で部分的に融合した網状構造になるのを容易
にする一方、パッドと導線に対する清浄作用が導電性相
互結合をもたらす。フラックス物質はそれらの意図する
機能を実行した後温度がその沸点又はそれ以上に上昇す
るとＰＳＣ結合から完全に消失し、それにより接合部か
らフラックス清掃の必要をなくする。これが「一過性フ
ラックス（Transient Flux）」の意味である。
【００１３】本発明のこれらの特徴はフラックスレスす
なわち洗浄を要する残留フラックスをなくし、一方、充
填剤に高価な貴金属ではなく安価な酸化性金属粉末、例
えばスズ合金を基材とすることを可能にする。本金属合
金粉末は必要により鉛をなくすことも可能である。
【００１４】本発明の新規な複合ハンダ組成物の必須成
分は熱安定性で酸抵抗性熱可塑性ポリマー、前記ポリマ
ー用揮発性有機溶媒、前記有機溶媒の沸点より低い融点
を持つ充填剤としての溶融性金属合金粉末、および前記
金属合金粉末粒子表面に形成される金属酸化物を還元
し、又その形成を防止する一過性フラックスからなり、
前記フラックスは前記金属粉末の融点より高くリフロー
温度より低い沸点を持つ。
【００１５】本ペースト組成物は、一般に、主成分とし
てペースト全重量の約８５〜９３％の共融混合物金属合
金粉末を充填剤として含む。適当な合金としては慣用的
なハンダ粉末組成物に使用されるすべてのものを含み、
所望により高価な貴金属を含む。金属合金粉末の融点は
ペーストが使用される状況に基づいて選択される。すな
わち、エポキシ基体／ＰＣＢを使用する場合融点はエポ
キシの熱安定性温度より下が選ばれるが、一方セラミッ
ク基体を使用する場合融点はペーストのマトリックスポ
リマーの熱安定性温度（例えば非晶質テフロン、ＡＦ
６００の場合４００℃）より下が選ばれる。汚染物質の
鉛合金は所望により排除することができる。無鉛の場合
多孔性共融混合物Ｂｉ−Ｓｎ合金粉末を使用することが
でき、これは約１３８℃付近の融点を持ち、約−３２５
メッシュの粒子サイズを持つ。
【００１６】鉛の存在が問題でない場合、充填剤である
適当な共融混合物合金粉末は融点約１８３℃でメッシュ
サイズ−３２５のＰｂ−Ｓｎ合金粉末、融点約１００℃
でメッシュサイズ−３２５の三元Ｂｉ−Ｓｎ−Ｐｂ合金
粉末（４６〜５０％Ｂｉ、２０〜２８％Ｐｂおよび２２
〜３４％Ｓｎ）、および同様な粒子サイズと約２００℃
より低く一過性フラックス物質およびポリマー用揮発性
有機溶媒の沸点より低い融点を持つ他の慣用的な合金粉
末を含む。
【００１７】本ペースト組成物は揮発性有機溶媒に溶解
した約７〜１４重量％の熱可塑性有機ポリマーを含み、
前記有機溶媒は合金粉末の融点より高く複合ペースト組
成物のリフロー温度より低い沸点を持ち、前記熱可塑性
有機ポリマーはリフロー温度の上限すなわち約３５０℃
より低い温度で熱安定である。ポリマー溶液は一般に約
７０〜８５重量％の一つ又はそれ以上の揮発性有機溶媒
に溶解した約１５〜３０重量％のポリマーを含む。
【００１８】好ましい熱可塑性ポリマーは Huls Chemic
als から商業的に入手可能なポリ（イミドシロキサン）
ポリマーである。高い沸点の溶媒例えばＮ−メチルピロ
リドン（沸点約２０２℃）、又はアセトフェノン（沸点
約２０２℃）、又は１,２−ビス（２−メトキシ−エト
キシ）エタン（沸点２２２〜２２７℃）に少量％のキシ
レンを添加するとすぐれた貯蔵寿命を持つ複合ペースト
組成物が得られる。そのような組成物はより高い融点の
金属合金粉末を充填剤として混和し、より高いリフロー
温度を持つことができ、約５０ミリオームより少ない低
い接触抵抗と、導線当たり約０.３５ポンドより大きい
結合強さを与えることが認められた。
【００１９】他の熱可塑性ポリマーもそれらが混和され
ている複合ペーストのリフロー温度、一般に約１６０〜
２５０℃又はそれより下で酸抵抗性、熱安定および熱軟
化性であり、並びに前記リフロー温度より低く前記合金
粉末の融点より高い沸点を持つ揮発性有機溶媒に可溶性
であることを条件として適当である。適当な熱可塑性ポ
リマーはポリエステル、ポリビニルクロリド又はフルオ
リド、ポリアミド又は本明細書の開示に照らして当業者
に明らかな他のポリマーを含む。
【００２０】複合ペーストの最後の必須成分は一過性フ
ラックスであり、これは複合ペーストに含まれる金属合
金粉末粒子の融点より高くペースト組成物のリフロー温
度より低い融点を持つ還元剤例えば有機酸である。従っ
て、一過性フラックスは金属粒子が溶融されている時、
ペースト中に存在して粒子にフラックス活性を与え、粒
子表面の酸化物を除くと同時にリセプター板のパッドお
よび部品導線から酸化物を除き、次いでリフロー温度で
完全に蒸発する。
【００２１】任意の本複合ペースト組成物に使用される
特別な一過性フラックス物質は金属合金粉末の融点およ
びリフロー温度、並びに溶媒の沸点による。好ましい一
過性フラックスは約１４０〜２００℃の沸点を持つ脂肪
族モノカルボン酸であり、プロピオン酸、酪酸、吉草酸
およびカプロン酸すなわちＣ4〜Ｃ6脂肪酸を含む。しか
しながら他の酸性物質例えば２−メトキシ安息香酸およ
び他のカルボン酸も適当である。フラックスは一般に複
合ペーストの約０.５〜１.５重量％、最も好ましくは約
０.６〜１.０重量％存在する。
【００２２】ハンダペースト組成物は好ましくは約０.
４〜１.０重量％の液体一過性界面活性剤として、例え
ばエチレングリコール又はグリセリンも含み、これは合
金粉末の融点より高い沸点を持ち、ペースト組成物のリ
フロー温度より下すなわち約１４０〜２５０℃、最も好
ましくは１６０〜２２０℃で蒸発可能である。
【００２３】
【実施例】次の実施例は例証のために示すのであり、限
定的に考えるべきではない。
【００２４】実施例１ 成 分 重量％ Ｂｉ（５〜８％）−Ｓｎ（４２％）合金粉末 ８９.９ ポリイミドシロキサンポリマー ２.１ Ｎ−メチルピロリドン ６.４ キシレン ０.４ 酪酸 ０.７０ エチレングリコール ０.５０ リフロー温度＝１７５°〜１８０℃
【００２５】実施例２ 成 分 重量％ Ｐｂ（３７％）−Ｓｎ（６３％）合金粉末 ８９.９ ポリイミドシロキサンポリマー ２.１ １,２−ビス(２−メトキシ−エトキシエタン） ６.１ キシレン ０.４ 吉草酸 ０.９ グリセリン ０.６ リフロー温度＝２１０°〜２２０℃
【００２６】実施例３ 成 分 重量％ Ｂｉ(４６％)−Ｓｎ(３４％)−Ｐｂ(２０％)合金粉末 ９０.０ ポリイミドシロキサンポリマー ２.１ Ｎ−メチルピロリドン ６.４ キシレン ０.４ プロピオン酸 ０.６ エチレングリコール ０.５ リフロー温度＝１６０°〜１６５℃
【００２７】本発明による組成物の適当な例として示し
た上述の実施例の粉末ペーストは成分を均一に混合して
印刷回路基板（ＰＣＢ）のリセプター接触パッドに分配
するのに適当なペーストを形成させることにより調製さ
れる。ペーストは室温で乾燥又は固化に対してすぐれた
貯蔵寿命又は抵抗性を持つ。このペーストはパッド領域
に分配又はスクリーン印刷し、溶媒を蒸発して部分的に
乾燥し、高度に粘稠（すなわち半固体）でリフロー可能
なねばねばした電気的接触領域を形成させることができ
る。
【００２８】ハンダ付け工程は、電気部品の導線をＰＣ
Ｂの部分的に乾燥したペーストで覆ったパッド領域に置
き、リフロー温度まで好ましくは温度を約２０℃／分の
速さで先行例により示される最高リフロー温度まで上
げ、次いで約１分間ほど経った後冷却することにより実
行される。
【００２９】リフロー工程の間、金属粉末粒子は一過性
フラックスの存在下で部分的に融合してすぐれた導電性
と低い接触抵抗を持つ部分的に融合し相互結合した網状
構造を形成する。フラックスは金属合金粉末、パッドお
よび導線から酸化物を除き、リフローの間金属粉末粒子
とパッドおよび導線の間で金属−金属の接触を実現させ
る。これが達成された後、一過性フラックスと界面活性
剤が存在する場合、これを蒸発させ、蒸留溶媒もすべて
蒸発させて、ポリマーに補強された金属合金の相互結合
した網状構造のハンダ結合が形成される。
【００３０】本発明の重要な利点は、ポリマー金属合金
複合結合を、リフロー温度以下で強化ポリマーマトリッ
クスの軟化温度より高い温度で単純に部品を引き離すこ
とにより、低いリフロー温度でリワークできることであ
る。従って、電気部品は熱感受性部品に損傷を与えない
低温で、交換のためＰＣＢからハンダ付けを離すことが
できる。リワークの間、ポリマーは熱軟化し、一方部分
的に融合した金属合金粒子も溶融して、そのハンダ結合
をはずす。もしくはリワークはハンダ結合に少量の元の
溶媒を適用することにより、低い再溶融温度で実行する
ことができる。リワークの間、ポリマーは熱軟化して溶
媒に溶解し、一方金属合金粒子も溶融してハンダ結合を
はずす。
【００３１】これにより元の電気部品のＰＣＢはパッド
領域との結合を引き離すか又は自由に取り除くことがで
きる。パッドに残る古いハンダは所望なら慣用的な方
法、例えば加熱した銅芯を用いて除くことができ、又必
要により新しいペーストを慣用的な分配法又はスクリー
ン印刷法によりパッド領域に適用することができる。最
後に、交換部品は局部加熱用サーモード（thermode）又
は他の加熱装置、例えば抵抗ナイフ、熱ガス又は抵抗ワ
イヤにより、ピックプレースアタッチ（pick-place-att
ach）により付着させることができる。
【００３２】上述の本発明の実施例は例証のためにのみ
示したのであり、当業者にとってあらゆる変更が可能で
あると理解すべきである。従って、本発明はここに開示
した具体例に限定されると考えるべきではなく、特許請
求の範囲の定義により限定されるべきものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イーゴル・ヤン・カーンドロス アメリカ合衆国ニユーヨーク州（10566) ピークスキル．フアーニスドツクロード 503 (72)発明者 ラービー・サラフ アメリカ合衆国ニユーヨーク州（10520) クロトン−オン−ハドソン．マウントエア リーロード55 (72)発明者 リーゼン・シー アメリカ合衆国ニユーヨーク州（10598) ヨークタウンハイツ．オスロドライブ45

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下記溶融性共融金属合金粉末の融点より
    高い温度でかつ下記熱可塑性ポリマーが熱的に安定であ
    るリフロー温度と、該リフロー温度より低いリワーク温
    度を持った、複合ポリマーハンダペーストであって、少
    なくとも全重量の約８５重量％をしめる、溶融性共融金
    属合金粉末と、上記溶融性共融金属合金粉末の融点より
    高く上記リフロー温度より低い軟化点を持ち、上記溶融
    性共融金属合金粉末の融点より高く上記リフロー温度よ
    り低い沸点を持つ揮発性有機溶媒に溶解している、少な
    くとも約７重量％の熱可塑性ポリマーの溶液と、上記溶
    融性共融金属合金粉末の融点より高く上記リフロー温度
    より低い沸点を持つ、少なくとも約０．５重量％の一過
    性の酸性フラックスと、を含み、上記ペーストのリフロ
    ーは導電性ハンダ結合を形成し、その導電性ハンダ結合
    は上記フラックスと上記溶媒を全く含まず、上記ポリマ
    ーによって補強された、上記溶融性共融金属合金粉末の
    部分的に融合して相互結合した網状構造を有し、また、
    上記導電性ハンダ結合は、補強している上記ポリマーの
    軟化温度より高く上記リフロー温度より低い温度で加熱
    されることにより、低い再溶融温度でリワークすること
    のできる、複合ポリマーハンダペースト。
  2. 【請求項２】 上記溶融性共融金属合金粉末はビスマス
    とスズからなる請求項１記載の複合ポリマーハンダペー
    スト。
  3. 【請求項３】 上記溶融性共融金属合金粉末は鉛を含ま
    ない請求項１記載の複合ポリマーハンダペースト。
  4. 【請求項４】 上記ポリマーはポリ（イミドシロキサ
    ン）ポリマーである請求項１記載の複合ポリマーハンダ
    ペースト。
  5. 【請求項５】 上記揮発性有機溶媒はＮ−メチルピロリ
    ドン、１,２−ビス（２−メトキシ−エトキシ）エタン
    およびメチルフェニルケトンからなる群より選ばれる請
    求項１記載の複合ポリマーハンダペースト。
  6. 【請求項６】 上記フラックスはカルボン酸からなる請
    求項１記載の複合ポリマーハンダペースト。
  7. 【請求項７】 約１％以下の、上記リフロー温度より低
    い沸点を持つ一過性液体界面活性剤を含む請求項１記載
    の複合ポリマーハンダペースト。
  8. 【請求項８】 上記界面活性剤はエチレングリコールと
    グリセリンとからなる群より選ばれる請求項７記載の複
    合ポリマーハンダペースト。
  9. 【請求項９】 約８５％〜９３重量％の上記溶融性共融
    混合物金属粉末と約６％〜１４重量％の上記熱可塑性ポ
    リマー溶液と約０.５％〜１.５重量％の上記一過性フラ
    ックスとからなる請求項１記載の複合ポリマーハンダペ
    ースト。
  10. 【請求項１０】 電気部品の導線と導電性パッド要素と
    の間に導電性相互結合をリフロー温度で作り、該結合は
    上記リフロー温度より低い温度でリワークできる、ハン
    ダ結合の方法であって、 （ａ）少なくとも全重量の約８５重量％をしめる、溶融
    性共融金属合金粉末と、上記溶融性共融金属合金粉末の
    融点より高く上記リフロー温度より低い軟化点を持ち、
    上記リフロー温度で熱的に安定であり、上記溶融性共融
    金属合金粉末の融点より高く上記リフロー温度より低い
    沸点を持つ揮発性有機溶媒に溶解している、少なくとも
    約６重量％の熱可塑性ポリマーの溶液と、上記溶融性共
    融金属合金粉末の融点より高く上記リフロー温度より低
    い沸点を持っている少なくとも約０．５重量％の一過性
    の酸性フラックスと、を含む、上記溶融性共融金属合金
    粉末の融点より高いリフロー温度を持った、複合ポリマ
    ーハンダペーストは、上記パッド要素の上に置かれ、そ
    こに上記導線を接触させるステップと、 （ｂ）上記ポリマーと上記フラックスの存在下で、充填
    剤である上記溶融性共融金属合金粉末を溶融するため
    に、上記リフロー温度で上記ペーストを加熱し、上記フ
    ラックスによって、上記溶融性共融金属合金粉末及び上
    記導線におけるすべての金属酸化物は還元され、上記パ
    ッド要素と上記導線との間に、部分的に融合して相互結
    合した金属の網状構造を有し、ポリマーで補強されたマ
    トリックスを形成するよう上記溶融性共融金属合金粉末
    粒子どうしは溶接され、上記リフロー温度以下の温度
    で、上記一過性のフラックスとすべての残留揮発性有機
    溶媒を蒸発させるステップと、 （ｃ）結合を完成させるために上記金属の相互結合を冷
    却するステップと、その形成された結合は、上記補強ポ
    リマーの軟化温度より高く、上記リフロー温度より低い
    温度で加熱することにより、リワークすることができる
    ものであること、 を含むハンダ結合を形成する方法。
  11. 【請求項１１】 上記ペーストは約１４０℃〜２５０℃
    のリフロー温度を持つ請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 上記ペーストは上記溶融性共融金属合
    金粉末の融点を経てリフロー温度まで徐々に加熱する請
    求項１０記載の方法。
  13. 【請求項１３】 上記電気部品はポリマー製の基体／Ｐ
    ＣＢ上に置かれ、上記ペーストは基体／ＰＣＢの熱安定
    性および部品の熱感受性と釣り合うリフロー温度を持つ
    請求項１０記載の方法。
  14. 【請求項１４】 上記電気部品はセラミック基体上に置
    かれ、上記ペーストは補強ポリマー・マトリックスの熱
    安定性および部品の熱感受性と釣り合うリフロー温度を
    持つ請求項１０記載の方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１０記載の方法により形成され
    たハンダ結合に、該結合に含まれる熱可塑性ポリマーの
    ための揮発性有機溶媒の少量を適用し、および上記ハン
    ダ結合を、該結合に含まれるポリマー・マトリックスの
    軟化温度以上の温度に加熱しながら引き離すことを含
    む、電気部品の導線と導電性パッド要素との間のハンダ
    結合をリワークする方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１０記載の方法により形成され
    たハンダ結合を、該結合に含まれるポリマー・マトリッ
    クスの軟化温度以上の温度に加熱しながら引き離すこと
    を含む、電気部品の導線と導電性パッド要素との間のハ
    ンダ結合をリワークする方法。
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