JPH08503168A - 清浄不要のはんだ付用フラックス及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 清浄不要のはんだ付用フラックスがフラックスの約５重量％を越えない合計量の１種またはそれ以上のハロゲン化物不含の水溶性活性化剤、フラックスの約１重量％を越えない量の水溶性フッ素化界面活性剤、及び水から本質的に成る。フラックスは実質的にＶＯＣを含有せず、最小残留イオン汚染を有するはんだ付けしたプリント配線組立品の製造方法に特に有用であり、はんだ付け後の組立品のクリーニングを不要としている。このＶＯＣの有意量の不存在及びはんだ付け後のクリーニングの除去は、実質的に環境及び製造に関連する利点を与える。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 清浄不要のはんだ付用フラックス及びその使用方法発明の背景 本発明は、一般にはんだ付用フラックス及びはんだ付け方法に関し、さらに詳 しくは、特にプリント配線組立品のような重要な高信頼度の電子組立品の製造に おいて、著しい環境的利点および著しい生産関連利点を与える水溶性はんだ付用 フラックス及びその使用方法に関する。 プリント配線組立品は、ふつうウェーブソルダリング（流動はんだ付け）とし て知られる方法により製造され、この場合プリント配線板（プリント回路板）の 表面及びそれにはんだ付けようとする成分リード線及び成端の表面を、上記板及 びその上に置かれた成分に沿って通過するはんだ流動体にさらす。はんだ流動体 は、はんだ付けようとする表面と接触し、結合し、電気的に一緒に連結される。 上記組立品の実際のはんだ付け前に、フラックスをふつう結合しようとする表面 に適用して、例えば酸化物を除去することにより、はんだを受け入れるように表 面を化学的に準備し、こうして良好な電気的および機械的連結を確立する。典型 的には、フラックスをいわゆる発泡フラックス処理によって幾分ゆるく制御した 量で適用し、この場合板及びその上の成分を、はんだ付けようとする表面上に析 出するフラックスの発泡床に沿って送る。フラックス処理した組立品は、はんだ 付け前に予熱され、表面からフラックスキャリヤーを蒸発させる。 プリント配線組立品のウェーブソルダリングにおいて、電子工業で使用される はんだ付用フラックスは、環境に有害な及び（または） それ自体望ましくない環境上の危険であるはんだ付後の清浄剤の使用を必要とす る成分を伝統的に含んでいた。例えば、典型的活性化ロジンフラックスは、環境 を汚染するアルコールのような揮発性有機化合物（ＶＯＣ）キャリヤーを利用し ている。上記フラックスも、イオン性の実質上はんだ付け後の汚染残留物（フラ ックスの痕跡及びその分解及び反応生成物）を残すものであり、これらは最後に は電子組立品を腐食しまた他の物理的及び電気的に劣化し、回路の破損をまねく 。従って、特に重要な高信頼度組立品の場合には、上記残留物の除去が必須のも のであった。清浄は、多分最もふつうには、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ） 清浄剤を使用する蒸気脱脂により遂行されてきた。ＣＦＣの環境的危険、特に地 球の成層圏オゾン層に対するその最近理解されてきた有害作用は、主な世界的関 心事となっている。 電子工学生産方法の環境的結果が一層良く理解されるようになってきたので、 また増加する厳格な政府の規制に合うためには、別の清浄剤を開発することによ って、及び水のような一層安全で環境になじむ清浄剤で清浄できる改良されたフ ラックス処方物を開発することによって、技術は上記の問題を避けることが求め られている。 例えば、水で洗うことにより清浄できる種々の水溶性フラックスが提案されて きた。水清浄は一般問題としてＣＦＣ清浄より明らかに好ましいが、従来の水溶 性フラックスは、一般に多くの望まれることを残している。例えば、そのような フラックスは、典型的にはかなりの量のＶＯＣ溶剤（ふつうはアルコール）及び （または）ハロゲン化物含有活性化剤で処方されてきた。初期から認められてい るように、ＶＯＣ溶剤は環境的見地から問題がある。他方、ハロゲン化物含有活 性化剤は、清浄を必要とする高度にイオン的で高度に 腐食性のはんだ付け後残留物を残す点で問題がある。さらに詳しくは、湿気（水 ）の存在下では、上記残留物に含まれるハロゲン化物は、再生腐食反応において 幾分触媒として働らくことが知られており、上記再生腐食反応ではハロゲン化物 が組立品成分の金属（例えばアルミニウム）と錯体化し、ついでハロゲン化錯体 と水との反応により再生され、それによって再び金属を攻撃するのに自由となる 。従って、湿気が存在する限り（湿気は勿論実際には殆んど常に存在する）、腐 食反応は絶えず進むことができ、最後には回路の破損をまねく。発明の概要 重要な様相の一つに従って、本発明は水溶性であり（事実水溶液の形である） 、実質上ＶＯＣを含まず、ハロゲン化物を含まず、さらに一般的には非腐食性で あるはんだ付用フラックスを提供する。本発明のフラックスは、流動はんだ付け しようとするプリント配線組立品に高度に有効な十分なフラックス処理を与え、 また全く重要なことには、最小の残存イオン汚染と高い表面絶縁抵抗の両者を達 成するように、特に処方されるから、はんだ付け後の清浄は不必要である。従っ て、本発明の独特の清浄不要フラックスは、ＶＯＣと関連した環境問題を避け、 また水洗浄さえも含め、はんだ付け後の清浄工程に関連した問題と費用を避ける 。最も好ましい形態では、本発明の清浄不要フラックスは、くり返しの凍結と解 凍が処方物の本質的性質に悪影響を与えない点で、輸送及び貯蔵のため特に有利 でもある。 さらに簡潔にいえば、本発明は、ＶＯＣを実質上含まず、フラックスの約５重 量％を越えない合計量で１種以上のハロゲン化物不含の水溶性活性化剤と、フラ ックスの約１重量％を越えない量の水溶 性フッ素化界面活性剤と、水とから本質的になる清浄不要のフラックスを提供す る。好ましくは、フラックスの各活性化剤は、水に十分に可溶であって、フラッ クスの凍結及び解凍後も十分に溶液中に留まる。 第２の主様相に従えば、本発明は、プリント配線組立品を上記はんだ付用フラ ックスで噴霧フラックス処理し、フラックス処理した組立品を予熱してフラック スから水を蒸発させ、組立品を流動はんだ付けすることからなる。はんだ付けし たプリント配線組立品の製法を提供する。 上記方法により、特にはんだ付け後の清浄なしの本発明の独特に有利な清浄不 要のフラックスの使用により、はんだ付け後の清浄にかけられたプリント配線組 立品に適用できる軍事規格の厳格な要件以下の残存イオン汚染水準を達成できる 。 本発明における流動はんだ付けは、例えば空気雰囲気中で、または酸素含量の 制御水準を有する、窒素のような実質上不活性雰囲気中で実施できる。発明の詳細な説明 本発明に従うフラックスは、三つの主成分、すなわちハロゲン化物不含の水溶 性活性化剤（１種以上）、水溶性フッ素化界面活性剤、及び水好ましくは脱イオ ン水を含んでいる。活性化剤と界面活性剤の適当割合を室温で水に加え、混合し て水溶液を形成することにより、本発明のフラックスは容易に製造される。勿論 、本発明のフラックスは、プリント配線組立品の流動はんだ付けにふつう使用さ れるはんだと相容性であり、また上記方法でふつうはんだ付けされる金属と相容 性である。はんだは、最もふつうにはスズ約６０重量％と鉛４０重量％を含む二 成分スズ／鉛系であり、スズ６３重量％／ 鉛３７重量％が典型的である。銀、アンチモンのようなさらなる成分も存在でき 、そのような組成物の例はスズ６２重量％／鉛３６重量％／銀２重量％である。 スズ／ビスマス系のような鉛不含のはんだ系も知られており、スズ４２重量％／ ビスマス５８重量％が１例である。ふつうはんだ付けされる金属は、銅、スズ− 鉛被覆銅及び銅合金（例えば青銅、黄銅）を含む。存在できる他の金属は、ニッ ケル、鉄−ニッケル合金、Kovar（鉄−ニッケル−コバルト合金）（多分金被覆 の）、銀、パラジウム、またはスズ−鉛合金を含む。 プリント配線組立品のフラックス処理のためには、本発明のフラックスを噴霧 により適用するのが好ましい。流動はんだ付け方法で伝統的に使用される発泡フ ラックス処理技術に対比して、本発明に従う噴霧フラックス処理は、適用するフ ラックス量を厳密に制御できるから、フラックスを良好なはんだ継手を生じるの に十分な量ではんだ付けようとする表面に適用でき、一方はんだ付け後組立品上 に残るフラックス残留物量を最小にする。過剰量のフラックス残留物は、特に高 温、高湿度の条件下では、組立品の表面絶縁抵抗の劣化及び電気的破損に導くか ら、望ましくない。 乾燥後（水の蒸発後）プリント配線組立品上に残るフラックス「固体」（さら に厳密には不揮発物）の量が、板面積平方インチ当り約２００〜約１，５００μ ｇ（１ｃｍ²当り約３１〜約２３３μｇ）の範囲、さらに好ましくは板面積平方 インチ当り約４００〜約１，２００μｇ（１ｃｍ²当り約６２〜約１８６μｇ） の範囲であるように、噴霧適用割合を選択するのが好ましい。これは、流動はん だ付けしようとする表面をフラックスにより十分にしめらし、良好なはんだ継手 を確実にし、またはんだ付け後の清浄なしで、最小の残留イオン汚染とはんだ付 けした組立品の良好な（高い）表面 絶縁抵抗を確実にする。 １．活性化剤 本発明のフラックスは、１種またはそれ以上のハロゲン化物不含の水溶性活性 化剤を含んでいる。本発明の一層広い範囲内では要求されないが、フラックスの １回以上の凍結／解凍サイクル後、完全に溶液中に残っているのに十分な水溶解 度を示す活性化剤を選ぶのが高度に有利であり、従って好ましいことが判明した 。さらに詳しくは、フラックスが輸送または貯蔵中凍結するときは、上記活性化 剤の使用は、フラックスが解凍後も溶液形であり、そこでなお使用に有効である ことを確実にする。一般的にいって、２０℃（６８゜Ｆ）で少なくとも約５ｇ／ １００ｃｃの水溶解度がこの目的に十分である。低溶解度の活性化剤は上記利点 を与えない。フラックスを凍結／解凍サイクルにかけるとき、活性化剤は溶液か ら析出し、そこでさらに処理（溶液に戻すためにフラックスを室温以上に十分に 加熱するような）なしではフラックスを使用できないからである。 フラックスの全活性化剤含量は、フラックスの約０．２〜約５．０重量％であ るべきである。一層低い活性化剤含量は、十分なフラックス処理活性を与えず、 一方一層高い活性剤含量は、清浄することを意図していない仕上はんだ付けした 組立品に悪影響を与え得る過剰の残留物を生じる。勿論、強い活性化剤と弱い活 性化剤の間では、強い活性化剤は、示した範囲の一層低い量で使用すべきである 。好ましい活性化剤含量は、フラックスの０．５〜３．０重量％である。 本発明で使用するのに適するハロゲン化物不含活性化剤の例としては、カルボ ン酸、スルホン酸、ホスホン酸、リン酸エステル、アミノ酸、アルカノールアミ ン、及びそれらの組合せのような有機活 性化剤が挙げられる。上記活性化剤は、電子工業でふつう使用されるアミンハロ ゲン化水素酸塩（例えばアミン塩酸塩、アミン臭化水素酸塩）のようなハロゲン 化物含有活性化剤に比べ、ごく弱イオン性である。さらに、ハロゲン化物を含ま ないから、上記活性化剤は、ハロゲン化物が存在する場合に生ずる前記の再生腐 食反応を生じない。 本発明の目的には、カルボン酸活性化剤が、はんだ付け性能、最小残存イオン 汚染、高い表面絶縁抵抗のすぐれた組合せを与えることが判明した。カルボン酸 類のうち、グルタル酸とコハク酸が、単独でおよび組合せで、本発明の実施に特 に適する活性化剤であることがわかった。 以下は、すべて２０℃（６８゜Ｆ）で少なくとも５ｇ／１００ｃｃの水溶解度 を有する、本発明で使用するのに適するカルボン酸及び他の活性化剤の例である 。モノカルボン酸 ギ酸 酢酸 プロピオン酸 ラク酸ジカルボン酸 シュウ酸 マロン酸 コハク酸 グルタル酸 マレイン酸 イタコン酸トリカルボン酸 アコニット酸ヒドロキシカルボン酸 グリコール酸 乳酸 マンデル酸 リンゴ酸 酒石酸 クエン酸 ジグリコール酸ケトカルボン酸 レブリン酸スルホン酸 ベンゼンスルホン酸 トルエンスルホン酸ホスホン酸 ホスホノ酢酸 １−ヒドロキシエチリデン−１，１−ジホスホン酸 フェニルホスホン酸リン酸エステル 脂肪族アルコール、脂肪族エトキシル化アルコール、芳香族アルコール、また は芳香族エトキシル化アルコールに基づくモノリン酸エステル及びジリン酸エス テルアミノ酸 グリシン アミノラク酸 アミノ吉草酸アルカノールアミン トリイソプロパノールアミン トリエタノールアミン ２．界面活性剤 フッ素化界面活性剤は、本発明のフラックスの重要な成分である。フッ素化界 面活性剤は、強力な界面活性剤であり、ごく低濃度で有効である。本発明の実施 においては、界面活性剤をフラックスの約１．０重量％未満の濃度で、好ましく は約０．１重量％以下で存在させるべきである。これは、はんだ付けする表面を フラックスで十分しめらすことができ、一方では、はんだ付け後残るフラックス 残留物の水準に実質上寄与しない。 E．I．Du Pont de Nemours & Co., Inc.から入手できる ZonylＦＳＮフルオロ 界面活性剤（ペルフルオロアルキルエトキシラートとして記載されている）が、 本発明に特に適することが判明した。the Industrial Chemical Products Divis ion of ３Ｍ から入手できる Fluorad ＦＣ−４３０（フルオロ脂肪族重合体 エステルとして記載されている）、Imperial Chemical Industries から入手で きるＡＴＳＵＲＦフルオロ界面活性剤のような、他の製造業者からのフッ素化界 面活性剤も使用できる。 ３．他の成分 本発明のフラックスは、その基本的性質に重要な影響を与えない少量で、種々 の他の成分を含むことができる。上記成分としては、例えばベンゾトリアゾール 、置換ベンゾトリアゾール（例えばヒドロキシベンゾトリアゾール）、イミダゾ ール及び置換イミダゾールのような腐食抑制剤、安定剤、殺かび薬が挙げられる 。これらは、 好ましくはフラックスの約０．１重量％を越えない総計量で添加できる。上記成 分の使用は、当業者にはよく理解される。 また、ある種の成分は、イソプロパノールのような有機溶剤キャリヤー中で、 製造業者から供給されることがある。例えば、後の多くの特別の実施例で使用す る Du Pont Zonyl ＦＳＮフルオロ界面活性剤は、水及びイソプロピルアルコー ル各々３０％中の活性成分（界面活性剤）４０％濃度として供給される。しかし 、本発明のフラックス中で実際に使用するこの成分の小濃度のために、フラック スの中に存在するイソプロパノール量は無視できる。一例として、フラックスの ０．０９重量％のZonyl ＦＳＮでは、生じるイソプロピルアルコール含量は、フ ラックスの０．０２７重量％にすぎない。いうまでもないが、そのようなわずか の残量のアルコールの存在は、フラックスの本質的にＶＯＣを含まない性質を変 えるものではない。特別の実施例 以下は、本発明に従って処方された組成物の特別の実施例である。各実施例に おいて、活性化剤と界面活性剤を脱イオン（ＤＩ）水に室温で溶解し、均一水溶 液をつくることにより、フラックスを調製した。実施例に挙げた全ての成分は、 商業上容易に入手でき、変形せずに使用した。実施例１〜８の酸活性剤及び実施 例５のトリイソプロパノールアミンは、商業的に純粋形（実質上１００％純度） であった。実施例５で使用した Maphos Ｌ−１０は、 Mazer Chemical Inc.から 入手できる脂肪族リン酸エステルである。 上記実施例のうち、実施例１−４のフラックスは、カルボン酸活性化剤のみを 含む点で、一層好ましい。これら４種の組成物を、以下のように凍結／解凍試験 にかけた。各フラックスの試料を、ガラスびんに入れ、ふたをし、−１５℃（５゜ Ｆ）の冷凍器に２４時間置いた。次いで、びんを冷凍器からとり出し、凍った フラックスを解凍し、室温に加温した。試験の終りに、いずれのフラックスも室 温（２０〜２５℃；６８〜７７゜Ｆ）で分離または沈殿しなかった。このことは 、フラックスを凍結温度で輸送または貯蔵し、常温に戻し加温するとき、フラッ クスは完全に均一溶液であり、使用に適することを意味している。 上記試験を、５℃（４１゜Ｆ）の冷蔵庫でくり返した。いずれの試料でも、沈 殿の徴候はなかった。 実施例１及び２のフラックスで、流動はんだ付け試験を行った。試験板は、二 重側面の、むき出し銅上にはんだ印のある、熱風レべルの、貫通孔めっき型のも のであった。板を、噴霧フラックス処理し、Electrovert Econopak II機械で流 動はんだ付けした（スズ６３％／鉛３７％はんだ）。予熱器表面温度を５３７℃ （９９９゜Ｆ）にセットし、コンベア速度を１．０７ｍ／分（３．５フィート／ 分）にセットした。このセットは、板がはんだ流動体に達する前に、フラックス から全ての水を蒸発させることができた。はんだポット温度は２６０℃（５００゜ Ｆ）であった。 はんだ付け後、はんだぬれ品位を調査し、優れていることがわかった。認めら れるはんだの非ぬれ、脱ぬれ、架橋、またはつららはなかった。円滑な光沢のあ るはんだフィレットが、完全に孔を充填して形成された。フラックス残留物の痕 跡がわずかに認められ、板表面上に均一に分布していた。 実施例１及び２のフラックスではんだ付けした板の若干のイオン汚染水準を、 ニュージャージー州、ジャージー市にあるAlpha Metals，Inc．製のOmegameter ６００ＳＭＤイオン汚染測定系で測定した。結果は全て、１４μｇ／平方インチ 最高水準以内であり、軍事用規格Ｍｉｌ−Ｐ−２８８０９で許容されるものであ った。このことは、フラックスが非常に低い水準の残存イオン汚染を残すことを 示していた。 実施例１及び２のフラックスではんだ付けした板の表面絶縁抵抗を、ＩＰＣ− ＳＦ−８１８標準、組立品クラス３試験条件で試験した。各フラックスの試験結 果は、８５℃／８５％相対湿度で１．０×１０⁸ｏｈｍの７日最小要件を越え、 フラックス残留物（すなわち、フラックス及びその反応、分解生成物の残留物） は、存在水準では本質的に非腐食性であることが確かめられた。試験の終りに、 板を調査し、目に見える腐食はなかった。 本発明を、好ましい実施態様に関し説明してきたが、本発明の原理と精神を保 ちながら、種々の変更と変形を行えることは、当業者には明らかである。本発明 の範囲は請求の範囲に規定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｈ Ｕ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＧ ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＶＮ (72)発明者 トムクザク，ジョン，ヴィ. アメリカ合衆国．60419 イリノイズ，ド ルトン，イースト エンド アヴェニュー 15645

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．実質上ＶＯＣを含有せず、フラックスの約５重量％を越えない合計量の１ 種またはそれ以上のハロゲン化物不含の水溶性活性化剤、フラックスの約１重量 ％を越えない量の水溶性フッ素化界面活性剤、及び水とから本質的になる清浄不 要のはんだ付用フラックス。 ２．当該各活性化剤が水に十分可溶であり、フラックスの凍結及び解凍後も完 全に溶液中に残る請求の範囲１のはんだ付け用フラックス。 ３．当該各活性化剤が２０℃で少なくとも５ｇ／１００ｃｃの水溶解度を有す る請求の範囲２のはんだ付用フラックス。 ４．当該各活性化剤がカルボン酸、スルホン酸、ホスホン酸、リン酸エステル 、アミノ酸、アルカノールアミンおよびそれらの組合せからなる群から選択され る請求の範囲３のはんだ付用フラックス。 ５．当該各活性化剤がカルボン酸である請求の範囲３のはんだ付用フラックス 。 ６．当該活性化剤の１種だけ、すなわちグルタル酸を含有している請求の範囲 ３のはんだ付用フラックス。 ７．当該活性化剤の１種だけ、すなわちコハク酸を含有している請求の範囲３ のはんだ付用フラックス。 ８．当該活性化剤の２種だけ、すなわちグルタル酸及びコハク酸を含有してい る請求の範囲３のはんだ付用フラックス。 ９．活性化剤の合計量がフラックスの０．５重量％〜３．０重量％である請求 の範囲１のはんだ付用フラックス。 １０．フッ素化界面活性剤の量がフラックスの約０．１重量％以下である請求 の範囲９のはんだ付用フラックス。 １１．実質上ＶＯＣを含まず、フラックスの約５重量％を越えな い合計量の１種またはそれ以上のハロゲン化物不含の水溶性活性化剤、フラック スの約１重量％を越えない量の水溶性フッ素化界面活性剤、及び水とから本質的 になる清浄不要のはんだ付用フラックスで、プリント配線組立品を噴霧フラック ス処理し、 フラックス処理した組立品を予熱して、フラックスから水を蒸発させ、 組立品を流動はんだ付けすることからなるはんだ付けしたプリント配線組立品 の製造方法。 １２．フラックスの当該活性化剤の各々が水に十分な溶解度を有し、フラック スの凍結及び解凍後も完全に溶液中に残ることを特徴とする請求の範囲１１の方 法。 １３．フラックスの当該活性化剤の各々が２０℃で少なくとも５ｇ／１００ｃ ｃの水溶解度を有する請求の範囲１２の方法。 １４．当該活性化剤がカルボン酸、スルホン酸、ホスホン酸、リン酸エステル 、アミノ酸、アルカノールアミン及びそれらの組合せからなる群から選択される 請求の範囲１３の方法。 １５．フラックスの当該活性剤の各々がカルボン酸である請求の範囲１３の方 法。 １６．フラックスが１種の活性剤のみ、すなわちグルタル酸を含有している請 求の範囲１３の方法。 １７．フラックスが１種の活性剤のみ、すなわちコハク酸を含有している請求 の範囲１３の方法。 １８．フラックスが２種の活性剤だけ、すなわちグルタル酸及びコハク酸を含 有している請求の範囲１３の方法。 １９．水の蒸発後、組立品上に残るフラックス固体の量が、組立品の板面積平 方インチ当り約２００μｇ〜約１，５００μｇ （１ｃｍ²当り約３１μｇ〜約２３３μｇ）の範囲であるような適用割合で、フ ラックスを噴霧する請求の範囲１１の方法。 ２０．当該量が組立品の板面積平方インチ当り約４００μｇ〜約１，２００μ ｇ（１ｃｍ²当り約６２μｇ〜約１８６μｇ）の範囲であるような適用割合であ る請求の範囲１９の方法。 ２１．活性化剤の合計量がフラックスの０．５重量％〜３．０重量％である請 求の範囲１１の方法。 ２２．フッ素化界面活性剤の量がフラックスの約０．１重量％以下である請求 の範囲２１の方法。