JPWO2006030665A1 - 半田ペーストおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

微小サイズの受動部品や端子ピッチの小さい半導体集積回路素子の半田付けにおいて課題となる半田粒子の酸化を防止して、微少量の半田ペーストを用いた場合であっても信頼性のよい半田接合を可能とする半田ペーストを提供する。具体的には、半田合金粉末をフラックスに混合してなる半田ペーストであって、フラックスが加熱溶融工程中におけるプリヒート温度において半田合金粉末の表面を被覆する高温滞留特性を有する構成とした。

Description

本発明は、電子機器分野において用いられる半田ペースト、特に微小な電子部品を種々の基板上に半田接合するための半田ペーストおよびそれを用いた電子機器に関する。

近年、電子機器の小型軽量化のために表面実装型電子部品を半田ペーストを用いて、ファインパターンが形成されたプリント配線基板上に高密度実装する技術の開発が続けられている。

ここで使用される半田ペーストは、粒径が数１０μｍの半田微粉末を約８０重量％〜９０重量％、およびロジン、溶剤、活性剤、チキソ性付与剤等からなるフラックスを約１０重量％〜２０重量％として混合してペースト状としたものであり、その粘度はスクリーン印刷に適するように調整して用いられる。

半田ペーストは、主としてプリント配線基板上に半導体素子や抵抗、コンデンサ等の電子部品を接続する目的で使用される。その一般的な実装方法としては、以下のようである。まず、半田ペーストをプリント配線基板の接続端子となる銅箔ランド上にスクリーン印刷またはディスペンサー等により適量塗布する。つぎに、実装すべき電子部品を、半田ペーストが塗布された銅箔ランド上に、例えば自動実装機を用いてマウントする。なお、電子部品としては、いわゆる受動部品や半導体集積回路素子等の表面実装型の電子部品が主体である。その後、リフロー炉、赤外線照射装置あるいはレーザー照射装置等の加熱装置によって加熱して半田を溶融し、プリント配線基板の銅箔ランドと電子部品の電極端子部とを接合して、実装が完了する。

ところで、これらの表面実装型電子部品は、携帯電話等に代表されるように電子機器の小型化、高機能化に伴い高機能化、超小型化されてきている。例えば、受動部品であるチップ抵抗やチップコンデンサは、その形状が従来の１６０８サイズから１００５サイズへと移行し、さらに最近では０６０３サイズが実用に供されている。今後、さらに０４０２サイズも開発されると予測される。また、半導体集積回路素子についても、端子数が増加する傾向にある。しかし、このためにパッケージサイズを大きくすることは好ましくないため、狭端子ピッチ化が要求されている。

このように受動部品の小型化や半導体集積回路の端子ピッチの狭小化に伴い、これらの電子部品の電極端子部の面積も小さくなっている。例えば、チップ抵抗やチップコンデンサの場合、１６０８サイズの半田付け領域の面積および半田ペースト塗布量をそれぞれ１００としたときに、１００５サイズでは面積比は約０．５、塗布量は約０．３となり、０６０３サイズでは面積比は約０．２、塗布量は約０．０７となる。このように、０６０３サイズの電子部品をプリント配線基板の端子に半田接合する場合、塗布する半田ペーストの塗布量は従来に比べて大幅に少ない量とすることが必要になっている。これに伴い、従来では安定して半田付けが可能であった条件においても、半田の溶融が不充分となる。この結果、半田ボール等が生じ、接合不良が発生することが見出されている。

半導体集積回路素子においても、端子数の増加に伴い端子ピッチが小さくなると、同様に半田付け面積を小さくせざるを得なくなり同じような問題が発生している。

一方、半田ペーストの組成においても、環境保全の面から従来用いられていたＰｂ−Ｓｎ合金を主成分とするいわゆる鉛半田から鉛フリー半田、すなわちＳｎ−Ｚｎ系合金、Ｓｎ−Ａｇ系合金またはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金等に代わってきている。

これらの半田材料を用いる場合、電子部品と配線基板との半田付けはリフロー炉中で最初に１４０℃〜１８０℃の温度でプリヒートしてから、半田が溶融する２００℃〜２８０℃の半田付け温度まで加熱して行う。このプリヒート時に、最表面のフラックスが半田粒子間に流れてしまい、表面層の半田粒子はフラックスで覆われなくなり直接大気に露出した状態が発生する。これにより表面層の半田粒子は酸化する。このため、半田ペースト中の大部分の半田粒子が溶融、一体化しても、表面が酸化した半田粒子は溶融、一体化できず、最終的に半田ボールとなって残存する。この半田ボールはショート不良等の原因になる。さらに、上記したような微小サイズの受動部品や狭端子ピッチの半導体集積回路素子では、使用する半田ペーストの量も非常に少なくすることが必要となる。したがって、半田付けに有効に利用されない半田ボールが発生すると、半田付け不良の発生や半田付け部分の信頼性が低下する。

半田ボールの発生を防ぐための従来の方法として、日本特開平６−７９８９号公報には以下のような方法が示されている。例えば、半田ボールの発生がプリヒート時の半田ペーストのダレによるものであるとして、このダレを防ぐためにフラックス中にフッ素化合物を添加した半田ペーストが示されている。

さらに、日本特開２０００−１０７８８７号公報では、フラックス中に亜硝酸ナトリウムのような窒素ガスを発生する材料を含有し、プリヒート時に半田粒子近傍を窒素ガス雰囲気として酸化を防ぐことが提案されている。この方法によれば、大気中リフロー炉を用いても、半田付けする領域部のみは窒素ガス雰囲気にでき、半田粒子の酸化が防止できるとしている。

第１の例では、フラックスにフッ素化合物を添加することで、プリヒート時の半田ペーストのダレを防止して半田ボールの発生を防いでいる。プリヒート時にフラックスが流れ出すと、半田粒子も流れ出して印刷塗布部よりも広く拡がってしまうことでダレが生じる。しかも、拡がった領域の半田粒子は溶融時にも取り残されてしまい、その結果として半田ボールとなる。この現象に対して、フッ素化合物を添加することで防止している。しかし、０６０３サイズの受動部品等のように半田ペースト塗布面積が非常に小さくなり、半田ペーストの塗布量が非常に少なくなると、このようなダレの発生はほとんど生じない。したがって、ダレの発生を防止するだけでは、微少量の半田付けにおいて生じる半田ボールの発生を防ぐことは困難と思われる。

また、第２の例の、フラックス中に窒素ガスを発生する材料を含有させて、プリヒート時に半田粒子近傍を窒素ガス雰囲気とする方法も従来の半田ペーストの塗布量であれば有効に作用しても、半田ペーストの塗布量が非常に少なくなると、発生する窒素ガス量も少なくなるため酸化防止の効果が充分得られなくなると思われる。

本発明は、微小サイズの受動部品や端子ピッチの小さい半導体集積回路素子の半田付けにおいて課題となる半田粒子の酸化を防止して、微少量の半田ペーストを用いた場合であっても信頼性のよい半田接合を可能とするものである。本発明の半田ペーストは半田合金粉末をフラックスに混合してなる構成であって、フラックスが加熱溶融工程中におけるプリヒート温度において半田合金粉末の表面を被覆する高温滞留特性を有することを特徴とする。

この構成により、プリヒート温度まで半田合金粉末はフラックスに覆われていて空気中に曝されることがないため、その表面の酸化を防止できる。したがって、微少量の半田ペーストを用いる０６０３サイズの電子部品や狭ピッチ接続する半導体集積回路素子であっても、半田ボールの発生がなく信頼性の高い接合が可能となる。

さらに、本発明の電子機器は、電子部品が実装された回路基板を含む構成であって、上記の電子部品を回路基板に半田接合するための半田ペーストが上記に記載の半田ペーストであることを特徴とする。なお、電子部品としては、チップ抵抗やチップ部品等の受動部品や半導体集積回路素子やセンサ等の機能部品を含む。

この構成により、従来再現性よく実装が困難であった微小サイズのチップ部品や微小ピッチの半導体素子等を再現性よく、かつ安定に実装することが可能となり、電子機器の小型化を実現できる。

図１Ａは、１００５サイズのチップ部品に対応する塗布量の場合の半田ペーストの加熱挙動の模式図である。 図１Ｂは、同チップ部品に対応する塗布量において、プリヒートを行った状態を示す模式図である。 図１Ｃは、同チップ部品に対応する塗布量において、半田の溶融温度であるピーク温度まで加熱した状態における半田の溶融状態を示す模式図である。 図２Ａは、０６０３サイズのチップ部品に対応する塗布量の場合の半田ペーストの加熱挙動の模式図である。 図２Ｂは、同チップ部品に対応する塗布量において、プリヒートを行った状態を示す模式図である。 図２Ｃは、同チップ部品に対応する塗布量において、半田の溶融温度であるピーク温度まで加熱した状態における半田の溶融状態を示す模式図である。 図３は、実施例１の半田ペーストを用いて携帯電話に使用される電子回路基板を作製した例を示す断面図である。 図４は、図３に示す電子回路基板を用いた携帯電話の斜視図である。

符号の説明

１０ 電極端子
２０，２００ 半田ペースト
２２，２２０ 半田粒子
２４，２４０ フラックス
２６，２６０ 酸化皮膜を有する半田粒子
３０，３００ 溶融後半田
４１０ 多層配線基板
４１２，４１４ チップ部品
４１６ 半導体チップ
４２０ 筐体
４２２ 表示素子
４２４ ボタン

以下、本発明の実施の形態について説明する。

一般的に半田ペースト用のフラックスを作製する場合、フラックスの各構成材料を混合し、加熱して溶液状とする。しかし、本実施の形態では加熱することにより粘度が非可逆的に増加する加熱重合型高分子材料を用いるために、常温で混練して各構成材料を均一に溶解混合してフラックス溶液を作製する。なお、本実施の形態では、熱硬化性樹脂も加熱重合型高分子に含めて説明する。

本実施の形態にかかる半田ペーストは、フラックス成分として松脂系樹脂、チクソ剤、活性剤、溶剤を混合してバインダとし、これに粒径が１０μｍ〜４０μｍの半田合金粉末を混合してペースト状とし、さらに粘度が高温において上昇する加熱重合型高分子を添加したことに特徴を有する。

松脂系樹脂、チクソ剤、活性剤および溶剤には従来から使用されているものを用いることができ、例えば松脂系樹脂としてはＷＷロジン、重合ロジン、水添ロジン等、チクソ剤としてはステアリルアマイドや水素添加ひまし油等、活性剤としてはジフェニールグアニジンＨＢｒ、シクロヘキシルアミンＨＢｒ、アジピン酸、セバチン酸等、溶剤としてはブチルカルビトール、プロピレングリコール、ヘキシレングリコール、α−テレピネオール等、従来使用されている溶剤をそれぞれ単独または組み合わせて用いることが可能である。

本実施の形態にかかる半田ペーストの製造方法は、以下のようにする。すなわち、最初に上記フラックス成分を加熱溶解して溶液状とした後、一旦常温以下に冷却する。この後、エポキシ樹脂等の加熱重合型高分子材料を添加し混合することで、プリヒート温度まで半田合金粉末（以下、半田粒子とよぶこともある）を覆う高温滞留特性を付与する。あるいは、プリヒート温度においても半田粒子の表面をフラックスが覆うように、高温時のフラックスの粘度低下を抑制する増粘剤を添加する。これらのフラックスに対して、半田成分としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ−ＢｉおよびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ等から選択した半田粒子を均一に混合することで半田ペーストを作製する。なお、フラックスと半田合金粉末との混合割合は、フラックス７重量％〜１３重量％、半田合金粉末８７重量％〜９３重量％が好ましい。

また、フラックスのプリヒート時の粘度が常温時の粘度と同等または高い粘度を有する構成としてもよい。これにより、プリヒート温度においてもフラックスが流れ出し難くなり、半田合金粉末を確実に覆い、酸化を防止することができる。

また、フラックスが加熱重合型高分子材料を含有していてもよい。さらに、この加熱重合型高分子材料をポリエステル樹脂、メタクリル酸メチル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノール樹脂および乾性油のうちいずれかより選択して用いてもよい。このような材料を用いることにより、プリヒートにおいてもフラックスが高い粘度を有するので半田ボールの発生を効果的に抑制できる。

また、上記フラックスは１４０℃〜１８０℃における粘度が常温時の粘度に対して同等または７０％以上であるもので、プリヒート温度において半田合金粉末の表面を確実に被覆することができ、半田粒子の酸化を効果的に抑制できる。フラックスとして、この温度範囲でも粘度が比較的大きいことから、一般的に使用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金半田、Ｓｎ−Ｚｎ系合金半田あるいはＳｎ−Ａｇ系合金半田等の鉛フリー半田だけでなく、従来の鉛半田を用いて半田ペーストとした場合に有効である。なお、これらの材料よりも低温で溶融する半田材料を用いて上記のフラックスを混合した半田ペーストとすることもできるが、これらの半田材料の場合には、プリヒートも比較的低温で行うため半田合金粉末の酸化も生じ難く、高温で溶融する半田材料の場合ほど顕著な効果は得られ難い。

また、フラックスが増粘剤としてチクソトロピック性を備えた高分子を含有するようにしてもよい。この高分子がカルボキシビニルポリマー、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸プロピレングリコール、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、合成珪酸ナトリウム・マグネシウム、ジメチルジステアリルアンモニウムヘクトライト、ポリアクリル酸ナトリウム、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースのうち少なくとも一つを用いてもよい。これにより、高温時における粘度変化を抑制することが可能となる。

さらに、フラックスの含有量が２０重量％未満としてもよい。これにより、プリヒート時に半田合金粉末の酸化を確実に防止することができる。また、１５重量％以下とすれば、酸化の防止に加えて印刷特性にも優れた半田ペーストを実現できる。さらに、１１重量％以下とすれば半田合金粉末量が相対的に多くできるので、半田ペーストを微小量塗布した場合でも半田合金粉末間での溶融が確実に生じ、半田ボールの発生をさらに抑制できる。

さらに、半田合金粉末がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系合金のいずれかを用いてもよい。これにより、鉛フリー半田を用いた場合でも、微小領域での半田付け性が良好で、かつ信頼性の高い半田接合を実現できる。

本発明の電子機器は、電子部品が実装された回路基板を含む構成であって、上記の電子部品を回路基板に半田接合するための半田ペーストが上記に記載の半田ペーストであることを特徴とする。なお、電子部品としては、チップ抵抗やチップ部品等の受動部品や半導体集積回路素子やセンサ等の機能部品を含む。

この構成により、従来再現性よく実装が困難であった微小サイズのチップ部品や微小ピッチの半導体素子等を再現性よく、かつ安定に実装することが可能となり、電子機器の小型化を実現できる。

なお、本発明の電子機器としては、小型化、高機能化が特に要求される携帯用電子機器、例えば携帯電話、携帯情報機器、ノートパソコン、録音機器、ビデオカメラ、デジタルカメラ、カーナビ等に適用すると顕著な効果が得られる。しかし、これらに限定されることはない。ラップトップパソコンやテレビ等の受像装置あるいは各種の家庭用電気製品や業務用電気製品等、特に限定されず使用可能である。

以上のように本発明の半田ペーストによれば、半田合金粉末の表面の酸化を効果的に抑制することが可能となり、プリント配線基板上の電極端子と電子部品の電極とを強固に半田付けすることができる。さらに、実装中に半田ボール等の発生を抑制することができるため、端子間の短絡を防止し、高い接続信頼性を得ることができる。

つぎに、本実施の形態における半田ペーストの実施例について説明する。

フラックスを８重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９２重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ５２重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ３３重量％
エポキシ樹脂 ８重量％
さらに、エポキシ樹脂の硬化剤として酸無水物、ポリアミドを必要量添加することにより、リフロー半田付け時のプリヒート温度においても、フラックスが半田粒子の表面を覆う粘度に調整した。

フラックスを１０重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ）を９０重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４６重量％
ステアリルアマイド ４重量％
シクロヘキシルアミンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ４０重量％
ポリエステル樹脂 ８重量％
さらに、ポリエステル樹脂の硬化剤として、過酸化ベンゾイル、ラウリルパーオキサイドにナフテン酸コバルト等の触媒を適量加えることにより、実施例１の場合と同様にリフロー半田付け時のプリヒート温度においても、フラックスが半田粒子の表面を覆う粘度に調整した。

フラックスを８重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ）を９２重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４０重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ２３重量％
ブチルカルビトール ２０重量％
スチレンモノマー １０重量％
さらに、スチレンモノマーの硬化触媒として過酸化ベンゾイルを使用し、実施例１および実施例２の場合と同様に、リフロー半田付け時のプリヒート温度においても、フラックスが半田粒子の表面を覆う粘度に調整した。

フラックスを１１重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を８９重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４０重量％
硬化ひまし油 ５重量％
シクロヘキシルアミンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ３３重量％
ヘキシレングリコール １０重量％
メタクリル酸メチル樹脂 １０重量％
さらに、メタクリル酸メチル樹脂の硬化触媒として、過酸化ベンゾイルを使用し、実施例１から実施例３の場合と同様に、リフロー半田付け時のプリヒート温度においても、フラックスが半田粒子の表面を覆う粘度に調整した。

実施例１から実施例４までに示すように、本実施の形態にかかる半田ペーストはフラックスを８重量％〜１１重量％、半田合金粉末を８９重量％〜９２重量％として、常温または常温以下の温度にて混練することが望ましい。また、保存は常温以下とすることが好ましい。なお、半田合金粉末の粒径が１０μｍ〜３０μｍのものを使用した。

なお、プリヒート温度までフラックスが半田粒子を覆う高温滞留特性を有するようにするためには、上記実施例で説明した材料以外にフェノール樹脂または乾性油を用いることも可能である。

つぎに、プリヒート温度においても半田粒子の表面をフラックスが覆うように、上記のフラックス基本成分に高温時のフラックスの粘度低下を抑制する増粘剤を添加した実施例を以下に説明する。

フラックスを８重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９２重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４８重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
ヘキシレングリコール ２５重量％
ブチルカルビトール ２０重量％
さらに、上記フラックス１００重量％に対して、カルボキシビニルポリマー０．３重量％を添加した。

フラックスを１０重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９０重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４８重量％
硬化ひまし油 ６重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ３重量％
α−テレピネオール ４３重量％
さらに、上記フラックス１００重量％に対して、合成珪酸ナトリウム・マグネシウム０．１重量％を添加した。

フラックスを９重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９１重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４８重量％
硬化ひまし油 ６重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ３重量％
α−テレピネオール ４３重量％
さらに、上記フラックス１００重量％に対して、ヒドロキシエチルセルロース０．５重量％を添加した。

なお、上記実施例における増粘剤以外に、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸プロピレングリコール、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ジメチルジステアリルアンモニウムヘクトライト、ポリアクリル酸ナトリウム、ヒドロキシプロピルメチルセルロースのうち、少なくともいずれかを用いることも可能である。

つぎに、本発明の実施例１から実施例７までに作製した半田ペーストと比較するために、プリヒート温度においてフラックスが流出あるいは揮発する従来の半田ペーストを以下のように作製して比較例とした。

（比較例１）
フラックスを１０重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９０重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ５０重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ４３重量％
（比較例２）
フラックスを１１重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を８９重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４８重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
ヘキシレングリコール ２５重量％
ブチルカルビトール ２０重量％
以上説明した実施例１から実施例７までの半田ペーストと比較例１および比較例２の半田ペーストとを用いて、１００５サイズのチップ抵抗と０６０３サイズのチップ抵抗とをプリント配線基板上に半田付けする場合において、半田ペーストの溶融状態および半田ボール発生の有無を評価した。すなわち、１００５サイズのチップ抵抗に対する半田塗布量に比べて、０６０３サイズのチップ抵抗に対する半田塗布量は約１／４とすることが要求される。したがって、上記の７種類の実施例と２種類の比較例の半田ペーストについて、上記２種類のチップ抵抗に対してそれぞれ要求される半田ペースト量を塗布し、加熱による半田ペーストの溶融状態と半田ボール発生状態を観察した。なお、観察は以下のようにして行った。半田ペーストを塗布したプリント配線基板を高温顕微鏡の加熱部に配置し、以下のようにリフロー条件を設定して加熱時の半田ペーストの変化状態も評価した。室温から約６０秒間で、プリヒート温度である１８０℃まで加熱し、この温度で６０秒間保持した。プリヒートを行った後、ピーク温度である２４５℃まで加熱し、１０秒間保持してから冷却した。このようにして半田ペーストを加熱しながら半田の溶融状態および半田ボール発生状態を観察した。なお、加熱は大気中雰囲気下で行った。

表１に、これらの評価結果を示す。表１からわかるように実施例１から実施例７までの半田ペーストでは、１００５サイズ対応塗布量および０６０３サイズ対応塗布量の場合ともに、プリヒート時においてもフラックスが半田粒子を覆っており、ピーク加熱時点で全体が溶融しているのが観察された。冷却後においても全体が溶融しており半田ボールは見られなかった。これは、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂等の加熱重合型高分子あるいはカルボキシビニルポリマー等の増粘剤を添加することで、プリヒート温度においてもフラックスが半田粒子の表面を覆い、酸化を防止することができたことによる。

上記の実施例１から実施例７までにおいては、半田ペースト中のフラックスの含有量を８重量％〜１１重量％の場合について示したが、さらに種々の組成の半田ペーストを作製して試験した。その結果、フラックス量が２０重量％以下とすれば、従来のスクリーン印刷等で塗布形成でき、かつ酸化防止が可能であることを確認した。なお、フラックス量の下限値は５重量％であった。さらに、上限値を１５重量％とすれば、印刷条件範囲をさらに拡大することが可能となり、望ましい範囲であることも見出した。また、上限値を１１重量％以下とすれば、半田合金粉末量を相対的に多くできる。したがって、半田ペーストを微小量塗布した場合でも、接合のための加熱時に半田合金粉末間での溶融が確実に生じ、半田ボールの発生をさらに抑制できることも見出した。

一方、比較例の半田ペーストは、どちらもプリヒート温度においてフラックスが沈下していき、半田粒子が大気中に露出するようになる。このため、最表面層に存在する半田粒子の表面は酸化される。酸化が生じた半田粒子は、１００５サイズ対応塗布量と０６０３サイズ塗布量の両方でほぼ同じように発生した。しかし、１００５サイズ対応塗布量の場合には、ピーク加熱を行うと全体が溶融することが確認された。一方、０６０３サイズ対応塗布量の場合には、ピーク加熱後に未溶融半田粒子が存在し、冷却後において半田ボールが生じた。

このように比較例の半田ペーストの場合、半田ペーストの塗布量により半田ボールの発生や未溶融状態が発生することについては、以下のように推測している。図１Ａから図１Ｃは、１００５サイズのチップ部品に対応する塗布量の場合の半田ペーストの加熱挙動の模式図である。また、図２Ａから図２Ｃは、０６０３サイズのチップ部品に対応する塗布量の場合の半田ペーストの加熱挙動の模式図である。図１Ａから図２Ｃまでにおいて、プリント配線基板の電極端子１０および半田ペーストは同じ材料を用いているが、半田ペーストの塗布量が異なる。すなわち、図１Ａから図１Ｃまでに示す半田ペースト２０に比べて、図２Ａから図２Ｃまでに示す半田ペースト２００の塗布量は約１／４である。

図１Ａおよび図２Ａは、ともに電極端子１０の面上に半田ペースト２０、２００をそれぞれ塗布した状態を示す断面模式図である。電極端子１０上の半田ペースト２０、２００は、それぞれ半田粒子２２、２２０とフラックス２４、２４０とにより形成されている。

図１Ｂおよび図２Ｂは、ともに同じ温度でプリヒートを行った状態を示す模式図である。プリヒートを行うと、１００５サイズ対応塗布量の場合には、図１Ｂに示すようにフラックス２４の沈下と揮発により、表面側に存在する半田粒子２２が大気に露出し、表面が酸化される。これにより、半田ペースト２０の表面側では、酸化皮膜を有する半田粒子２６が形成される。しかしながら、半田が溶融する溶融温度であるピーク温度まで加熱していくと、内部に存在する酸化されていない半田粒子２２が溶融し、一体化する。これは、半田粒子同士が溶融し一体化するときに体積膨張が生じ、このエネルギーにより酸化皮膜を有する半田粒子２６の表面の酸化膜を破り、全体が溶融するためであると推測している。したがって、半田ボールが生じず、かつ全体として均一に溶融する。

図１Ｃは、半田の溶融温度であるピーク温度まで加熱した状態における半田の溶融状態を示す模式図である。図１Ｃからわかるように、溶融後半田３０は均一に溶融し一体化している。

一方、０６０３サイズ対応塗布量の場合には、図２Ｂに示すようにプリヒート時にフラックスの沈下と揮発により、表面側に存在する半田粒子２２０が大気に露出し、表面が酸化される。これにより、半田ペースト２００の表面側では、酸化皮膜を有する半田粒子２６０が形成される。ピーク温度まで加熱しても、酸化されていない半田粒子２２０の量が少ないので、これらが溶融し一体化するときの体積膨張のエネルギーは小さく、酸化皮膜を有する半田粒子２６０の表面の酸化皮膜を破ることができないものが生じる。このために、半田ボールが発生するものと思われる。

図２Ｃは、半田の溶融温度であるピーク温度まで加熱した状態における半田の溶融状態を示す模式図である。図２Ｃからわかるように、溶融後半田３００だけでなく、半田ボールが残存している。

以上のように、比較例の半田ペーストでは塗布量を少なくすると、未溶融の半田粒子が残存し、半田ボールとなる。しかし、実施例１から実施例７までの半田ペーストでは、半田ボールは生じなかった。これは、プリヒート温度においてフラックスが半田粒子を確実に覆い、酸化を防止していることによる。これらの結果から、０６０３サイズのような微小な電子部品をプリント配線基板に半田接合するときに半田ボールが生じるのを防ぐためには、プリヒート温度において半田粒子の表面をフラックスが覆うように高温滞留特性を持たせることが効果的であることが見出された。

上記の説明より明らかなように、本発明における半田ペーストは、プリヒート温度においても半田粒子の表面を覆うことができる高温滞留特性を有したフラックスを用いているので、半田ペーストの最表面側に存在する半田粒子であっても大気から遮断して表面の酸化を防止することができる。この結果、微少な塗布量であっても安定した溶融状態と半田ボールの発生を抑制することができ、微小な電子部品をプリント配線基板上に高密度に実装することが可能となる。

なお、フラックスの高温滞留特性を付与するためには、上記のように加熱重合型高分子材料や増粘剤を添加するだけでなく、従来のフラックスを用いて、その含有量を増加させることでもよい。ただし、プリント配線基板の電極端子面上に塗布する印刷方法をフラックスの含有量に応じて選択することが必要である。

図３は、上記実施例１の半田ペーストを用いて、携帯電話に使用される電子回路基板を作製した例を示す断面図である。この電子回路基板は、樹脂基材からなる多層配線基板４１０上に、０６０３サイズのチップ部品４１２、１００５サイズのチップ部品４１４および半導体チップ４１６が実装されている。なお、この断面図においては、０６０３サイズのチップ部品４１２が３個、１００５サイズのチップ部品４１４が１個および半導体チップ４１６が２個だけしか示していない。しかし、実際の電子回路基板では、さらに多くのチップ部品が実装されているだけでなく、１６０８サイズのチップ部品、コネクタ、フィルタ素子等も実装されているが、図示していない。また、多層配線基板４１０は、図示するように内装導体やインナービアおよび貫通導体等も形成されている。

このような電子回路基板においては、０６０３サイズのチップ部品が多用されているが、本発明の実施例１で説明した半田ペーストを用いることにより半田ボール等の発生によるショート不良や接続不良等が発生しなかった。なお、実施例２から７までの半田ペーストを用いても同様の結果が得られた。

なお、半導体チップ４１６は、メモリや制御用ＬＳＩ等の種々の機能を有する素子をベアチップで実装してもよいし、パッケージした状態で実装してもよい。また、これらの実装は図示するようなフリップチップ方式、ワイヤボンディング方式あるいはボールグリッドアレーを用いた実装方式等、半導体チップの形態に応じて最適な方式を使用することができる。さらに、半導体チップの多層配線基板への接続については、本発明の半田ペーストを用いず、例えば導電性接着剤や異方導電性樹脂を用いて接続してもよい。

図４は、この電子回路基板を用いた携帯電話の斜視図である。この携帯電話は、折曲げが可能な筐体４２０に種々の機能を有するボタン４２４と表示素子４２２が配設されており、筐体の内部に図３に示す電子回路基板が配設されている。この携帯電話は、電子回路基板のショート不良や接続不良等が生じず、製造歩留まりがよく、かつ高信頼性とすることができた。

微小サイズの受動部品や端子ピッチの小さい半導体集積回路素子の半田付けにおいて課題となる半田粒子の酸化を防止して、微少量の半田ペーストを用いた場合であっても信頼性のよい半田接合が可能な半田ペーストにより、微小サイズの電子部品を基板上に半田接合する回路基板分野に有用である。

本発明は、電子機器分野において用いられる半田ペースト、特に微小な電子部品を種々の基板上に半田接合するための半田ペーストおよびそれを用いた電子機器に関する。

近年、電子機器の小型軽量化のために表面実装型電子部品を半田ペーストを用いて、ファインパターンが形成されたプリント配線基板上に高密度実装する技術の開発が続けられている。

ここで使用される半田ペーストは、粒径が数１０μｍの半田微粉末を約８０重量％〜９０重量％、およびロジン、溶剤、活性剤、チキソ性付与剤等からなるフラックスを約１０重量％〜２０重量％として混合してペースト状としたものであり、その粘度はスクリーン印刷に適するように調整して用いられる。

半田ペーストは、主としてプリント配線基板上に半導体素子や抵抗、コンデンサ等の電子部品を接続する目的で使用される。その一般的な実装方法としては、以下のようである。まず、半田ペーストをプリント配線基板の接続端子となる銅箔ランド上にスクリーン印刷またはディスペンサー等により適量塗布する。つぎに、実装すべき電子部品を、半田ペーストが塗布された銅箔ランド上に、例えば自動実装機を用いてマウントする。なお、電子部品としては、いわゆる受動部品や半導体集積回路素子等の表面実装型の電子部品が主体である。その後、リフロー炉、赤外線照射装置あるいはレーザー照射装置等の加熱装置によって加熱して半田を溶融し、プリント配線基板の銅箔ランドと電子部品の電極端子部とを接合して、実装が完了する。

ところで、これらの表面実装型電子部品は、携帯電話等に代表されるように電子機器の小型化、高機能化に伴い高機能化、超小型化されてきている。例えば、受動部品であるチップ抵抗やチップコンデンサは、その形状が従来の１６０８サイズから１００５サイズへと移行し、さらに最近では０６０３サイズが実用に供されている。今後、さらに０４０２サイズも開発されると予測される。また、半導体集積回路素子についても、端子数が増加する傾向にある。しかし、このためにパッケージサイズを大きくすることは好ましくないため、狭端子ピッチ化が要求されている。

このように受動部品の小型化や半導体集積回路の端子ピッチの狭小化に伴い、これらの電子部品の電極端子部の面積も小さくなっている。例えば、チップ抵抗やチップコンデンサの場合、１６０８サイズの半田付け領域の面積および半田ペースト塗布量をそれぞれ１００としたときに、１００５サイズでは面積比は約０．５、塗布量は約０．３となり、０６０３サイズでは面積比は約０．２、塗布量は約０．０７となる。このように、０６０３サイズの電子部品をプリント配線基板の端子に半田接合する場合、塗布する半田ペーストの塗布量は従来に比べて大幅に少ない量とすることが必要になっている。これに伴い、従来では安定して半田付けが可能であった条件においても、半田の溶融が不充分となる。この結果、半田ボール等が生じ、接合不良が発生することが見出されている。

半導体集積回路素子においても、端子数の増加に伴い端子ピッチが小さくなると、同様に半田付け面積を小さくせざるを得なくなり同じような問題が発生している。

一方、半田ペーストの組成においても、環境保全の面から従来用いられていたＰｂ−Ｓｎ合金を主成分とするいわゆる鉛半田から鉛フリー半田、すなわちＳｎ−Ｚｎ系合金、Ｓｎ−Ａｇ系合金またはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金等に代わってきている。

これらの半田材料を用いる場合、電子部品と配線基板との半田付けはリフロー炉中で最初に１４０℃〜１８０℃の温度でプリヒートしてから、半田が溶融する２００℃〜２８０℃の半田付け温度まで加熱して行う。このプリヒート時に、最表面のフラックスが半田粒子間に流れてしまい、表面層の半田粒子はフラックスで覆われなくなり直接大気に露出した状態が発生する。これにより表面層の半田粒子は酸化する。このため、半田ペースト中の大部分の半田粒子が溶融、一体化しても、表面が酸化した半田粒子は溶融、一体化できず、最終的に半田ボールとなって残存する。この半田ボールはショート不良等の原因になる。さらに、上記したような微小サイズの受動部品や狭端子ピッチの半導体集積回路素子では、使用する半田ペーストの量も非常に少なくすることが必要となる。したがって、半田付けに有効に利用されない半田ボールが発生すると、半田付け不良の発生や半田付け部分の信頼性が低下する。

半田ボールの発生を防ぐための従来の方法として、日本特開平６−７９８９号公報には以下のような方法が示されている。例えば、半田ボールの発生がプリヒート時の半田ペーストのダレによるものであるとして、このダレを防ぐためにフラックス中にフッ素化合物を添加した半田ペーストが示されている。

さらに、日本特開２０００−１０７８８７号公報では、フラックス中に亜硝酸ナトリウムのような窒素ガスを発生する材料を含有し、プリヒート時に半田粒子近傍を窒素ガス雰囲気として酸化を防ぐことが提案されている。この方法によれば、大気中リフロー炉を用いても、半田付けする領域部のみは窒素ガス雰囲気にでき、半田粒子の酸化が防止できるとしている。

第１の例では、フラックスにフッ素化合物を添加することで、プリヒート時の半田ペーストのダレを防止して半田ボールの発生を防いでいる。プリヒート時にフラックスが流れ出すと、半田粒子も流れ出して印刷塗布部よりも広く拡がってしまうことでダレが生じる。しかも、拡がった領域の半田粒子は溶融時にも取り残されてしまい、その結果として半田ボールとなる。この現象に対して、フッ素化合物を添加することで防止している。しかし、０６０３サイズの受動部品等のように半田ペースト塗布面積が非常に小さくなり、半田ペーストの塗布量が非常に少なくなると、このようなダレの発生はほとんど生じない。したがって、ダレの発生を防止するだけでは、微少量の半田付けにおいて生じる半田ボールの発生を防ぐことは困難と思われる。

また、第２の例の、フラックス中に窒素ガスを発生する材料を含有させて、プリヒート時に半田粒子近傍を窒素ガス雰囲気とする方法も従来の半田ペーストの塗布量であれば有効に作用しても、半田ペーストの塗布量が非常に少なくなると、発生する窒素ガス量も少なくなるため酸化防止の効果が充分得られなくなると思われる。

本発明は、微小サイズの受動部品や端子ピッチの小さい半導体集積回路素子の半田付けにおいて課題となる半田粒子の酸化を防止して、微少量の半田ペーストを用いた場合であっても信頼性のよい半田接合を可能とするものである。本発明の半田ペーストは半田合金粉末をフラックスに混合してなる構成であって、フラックスが加熱溶融工程中におけるプリヒート温度において半田合金粉末の表面を被覆する高温滞留特性を有することを特徴とする。

この構成により、プリヒート温度まで半田合金粉末はフラックスに覆われていて空気中に曝されることがないため、その表面の酸化を防止できる。したがって、微少量の半田ペーストを用いる０６０３サイズの電子部品や狭ピッチ接続する半導体集積回路素子であっても、半田ボールの発生がなく信頼性の高い接合が可能となる。

さらに、本発明の電子機器は、電子部品が実装された回路基板を含む構成であって、上記の電子部品を回路基板に半田接合するための半田ペーストが上記に記載の半田ペーストであることを特徴とする。なお、電子部品としては、チップ抵抗やチップ部品等の受動部品や半導体集積回路素子やセンサ等の機能部品を含む。

この構成により、従来再現性よく実装が困難であった微小サイズのチップ部品や微小ピッチの半導体素子等を再現性よく、かつ安定に実装することが可能となり、電子機器の小型化を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

一般的に半田ペースト用のフラックスを作製する場合、フラックスの各構成材料を混合し、加熱して溶液状とする。しかし、本実施の形態では加熱することにより粘度が非可逆的に増加する加熱重合型高分子材料を用いるために、常温で混練して各構成材料を均一に溶解混合してフラックス溶液を作製する。なお、本実施の形態では、熱硬化性樹脂も加熱重合型高分子に含めて説明する。

本実施の形態にかかる半田ペーストは、フラックス成分として松脂系樹脂、チクソ剤、活性剤、溶剤を混合してバインダとし、これに粒径が１０μｍ〜４０μｍの半田合金粉末を混合してペースト状とし、さらに粘度が高温において上昇する加熱重合型高分子を添加したことに特徴を有する。

松脂系樹脂、チクソ剤、活性剤および溶剤には従来から使用されているものを用いることができ、例えば松脂系樹脂としてはＷＷロジン、重合ロジン、水添ロジン等、チクソ剤としてはステアリルアマイドや水素添加ひまし油等、活性剤としてはジフェニールグアニジンＨＢｒ、シクロヘキシルアミンＨＢｒ、アジピン酸、セバチン酸等、溶剤としてはブチルカルビトール、プロピレングリコール、ヘキシレングリコール、α−テレピネオール等、従来使用されている溶剤をそれぞれ単独または組み合わせて用いることが可能である。

本実施の形態にかかる半田ペーストの製造方法は、以下のようにする。すなわち、最初に上記フラックス成分を加熱溶解して溶液状とした後、一旦常温以下に冷却する。この後、エポキシ樹脂等の加熱重合型高分子材料を添加し混合することで、プリヒート温度まで半田合金粉末（以下、半田粒子とよぶこともある）を覆う高温滞留特性を付与する。あるいは、プリヒート温度においても半田粒子の表面をフラックスが覆うように、高温時のフラックスの粘度低下を抑制する増粘剤を添加する。これらのフラックスに対して、半田成分としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ−ＢｉおよびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ等から選択した半田粒子を均一に混合することで半田ペーストを作製する。なお、フラックスと半田合金粉末との混合割合は、フラックス７重量％〜１３重量％、半田合金粉末８７重量％〜９３重量％が好ましい。

また、フラックスのプリヒート時の粘度が常温時の粘度と同等または高い粘度を有する構成としてもよい。これにより、プリヒート温度においてもフラックスが流れ出し難くなり、半田合金粉末を確実に覆い、酸化を防止することができる。

また、フラックスが加熱重合型高分子材料を含有していてもよい。さらに、この加熱重合型高分子材料をポリエステル樹脂、メタクリル酸メチル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノール樹脂および乾性油のうちいずれかより選択して用いてもよい。このような材料を用いることにより、プリヒートにおいてもフラックスが高い粘度を有するので半田ボールの発生を効果的に抑制できる。

また、上記フラックスは１４０℃〜１８０℃における粘度が常温時の粘度に対して同等または７０％以上であるもので、プリヒート温度において半田合金粉末の表面を確実に被覆することができ、半田粒子の酸化を効果的に抑制できる。フラックスとして、この温度範囲でも粘度が比較的大きいことから、一般的に使用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金半田、Ｓｎ−Ｚｎ系合金半田あるいはＳｎ−Ａｇ系合金半田等の鉛フリー半田だけでなく、従来の鉛半田を用いて半田ペーストとした場合に有効である。なお、これらの材料よりも低温で溶融する半田材料を用いて上記のフラックスを混合した半田ペーストとすることもできるが、これらの半田材料の場合には、プリヒートも比較的低温で行うため半田合金粉末の酸化も生じ難く、高温で溶融する半田材料の場合ほど顕著な効果は得られ難い。

また、フラックスが増粘剤としてチクソトロピック性を備えた高分子を含有するようにしてもよい。この高分子がカルボキシビニルポリマー、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸プロピレングリコール、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、合成珪酸ナトリウム・マグネシウム、ジメチルジステアリルアンモニウムヘクトライト、ポリアクリル酸ナトリウム、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースのうち少なくとも一つを用いてもよい。これにより、高温時における粘度変化を抑制することが可能となる。

さらに、フラックスの含有量が２０重量％未満としてもよい。これにより、プリヒート時に半田合金粉末の酸化を確実に防止することができる。また、１５重量％以下とすれば、酸化の防止に加えて印刷特性にも優れた半田ペーストを実現できる。さらに、１１重量％以下とすれば半田合金粉末量が相対的に多くできるので、半田ペーストを微小量塗布した場合でも半田合金粉末間での溶融が確実に生じ、半田ボールの発生をさらに抑制できる。

さらに、半田合金粉末がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系合金のいずれかを用いてもよい。これにより、鉛フリー半田を用いた場合でも、微小領域での半田付け性が良好で、かつ信頼性の高い半田接合を実現できる。

本発明の電子機器は、電子部品が実装された回路基板を含む構成であって、上記の電子部品を回路基板に半田接合するための半田ペーストが上記に記載の半田ペーストであることを特徴とする。なお、電子部品としては、チップ抵抗やチップ部品等の受動部品や半導体集積回路素子やセンサ等の機能部品を含む。

この構成により、従来再現性よく実装が困難であった微小サイズのチップ部品や微小ピッチの半導体素子等を再現性よく、かつ安定に実装することが可能となり、電子機器の小型化を実現できる。

なお、本発明の電子機器としては、小型化、高機能化が特に要求される携帯用電子機器、例えば携帯電話、携帯情報機器、ノートパソコン、録音機器、ビデオカメラ、デジタルカメラ、カーナビ等に適用すると顕著な効果が得られる。しかし、これらに限定されることはない。ラップトップパソコンやテレビ等の受像装置あるいは各種の家庭用電気製品や業務用電気製品等、特に限定されず使用可能である。

以上のように本発明の半田ペーストによれば、半田合金粉末の表面の酸化を効果的に抑制することが可能となり、プリント配線基板上の電極端子と電子部品の電極とを強固に半田付けすることができる。さらに、実装中に半田ボール等の発生を抑制することができるため、端子間の短絡を防止し、高い接続信頼性を得ることができる。

つぎに、本実施の形態における半田ペーストの実施例について説明する。

（実施例１）
フラックスを８重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９２重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ５２重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ３３重量％
エポキシ樹脂 ８重量％
さらに、エポキシ樹脂の硬化剤として酸無水物、ポリアミドを必要量添加することにより、リフロー半田付け時のプリヒート温度においても、フラックスが半田粒子の表面を覆う粘度に調整した。

（実施例２）
フラックスを１０重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ）を９０重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４６重量％
ステアリルアマイド ４重量％
シクロヘキシルアミンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ４０重量％
ポリエステル樹脂 ８重量％
さらに、ポリエステル樹脂の硬化剤として、過酸化ベンゾイル、ラウリルパーオキサイドにナフテン酸コバルト等の触媒を適量加えることにより、実施例１の場合と同様にリフロー半田付け時のプリヒート温度においても、フラックスが半田粒子の表面を覆う粘度に調整した。

（実施例３）
フラックスを８重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ）を９２重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４０重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ２３重量％
ブチルカルビトール ２０重量％
スチレンモノマー １０重量％
さらに、スチレンモノマーの硬化触媒として過酸化ベンゾイルを使用し、実施例１および実施例２の場合と同様に、リフロー半田付け時のプリヒート温度においても、フラックスが半田粒子の表面を覆う粘度に調整した。

（実施例４）
フラックスを１１重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を８９重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４０重量％
硬化ひまし油 ５重量％
シクロヘキシルアミンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ３３重量％
ヘキシレングリコール １０重量％
メタクリル酸メチル樹脂 １０重量％
さらに、メタクリル酸メチル樹脂の硬化触媒として、過酸化ベンゾイルを使用し、実施例１から実施例３の場合と同様に、リフロー半田付け時のプリヒート温度においても、フラックスが半田粒子の表面を覆う粘度に調整した。

実施例１から実施例４までに示すように、本実施の形態にかかる半田ペーストはフラックスを８重量％〜１１重量％、半田合金粉末を８９重量％〜９２重量％として、常温または常温以下の温度にて混練することが望ましい。また、保存は常温以下とすることが好ましい。なお、半田合金粉末の粒径が１０μｍ〜３０μｍのものを使用した。

なお、プリヒート温度までフラックスが半田粒子を覆う高温滞留特性を有するようにするためには、上記実施例で説明した材料以外にフェノール樹脂または乾性油を用いることも可能である。

つぎに、プリヒート温度においても半田粒子の表面をフラックスが覆うように、上記のフラックス基本成分に高温時のフラックスの粘度低下を抑制する増粘剤を添加した実施例を以下に説明する。

（実施例５）
フラックスを８重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９２重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４８重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
へキシレングリコール ２５重量％
ブチルカルビトール ２０重量％
さらに、上記フラックス１００重量％に対して、カルボキシビニルポリマー０．３重量％を添加した。

（実施例６）
フラックスを１０重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９０重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４８重量％
硬化ひまし油 ６重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ３重量％
α−テレピネオール ４３重量％
さらに、上記フラックス１００重量％に対して、合成珪酸ナトリウム・マグネシウム０．１重量％を添加した。

（実施例７）
フラックスを９重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９１重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４８重量％
硬化ひまし油 ６重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ３重量％
α−テレピネオール ４３重量％
さらに、上記フラックス１００重量％に対して、ヒドロキシエチルセルロース０．５重量％を添加した。

なお、上記実施例における増粘剤以外に、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸プロピレングリコール、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ジメチルジステアリルアンモニウムヘクトライト、ポリアクリル酸ナトリウム、ヒドロキシプロピルメチルセルロースのうち、少なくともいずれかを用いることも可能である。

つぎに、本発明の実施例１から実施例７までに作製した半田ペーストと比較するために、プリヒート温度においてフラックスが流出あるいは揮発する従来の半田ペーストを以下のように作製して比較例とした。

（比較例１）
フラックスを１０重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を９０重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ５０重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
α−テレピネオール ４３重量％
（比較例２）
フラックスを１１重量％、半田合金粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を８９重量％とした。なお、フラックスの成分は以下のようにした。

重合ロジン ４８重量％
硬化ひまし油 ５重量％
ジフェニールグアニジンＨＢｒ ２重量％
へキシレングリコール ２５重量％
ブチルカルビトール ２０重量％
以上説明した実施例１から実施例７までの半田ペーストと比較例１および比較例２の半田ペーストとを用いて、１００５サイズのチップ抵抗と０６０３サイズのチップ抵抗とをプリント配線基板上に半田付けする場合において、半田ペーストの溶融状態および半田ボール発生の有無を評価した。すなわち、１００５サイズのチップ抵抗に対する半田塗布量に比べて、０６０３サイズのチップ抵抗に対する半田塗布量は約１／４とすることが要求される。したがって、上記の７種類の実施例と２種類の比較例の半田ペーストについて、上記２種類のチップ抵抗に対してそれぞれ要求される半田ペースト量を塗布し、加熱による半田ペーストの溶融状態と半田ボール発生状態を観察した。なお、観察は以下のようにして行った。半田ペーストを塗布したプリント配線基板を高温顕微鏡の加熱部に配置し、以下のようにリフロー条件を設定して加熱時の半田ペーストの変化状態も評価した。室温から約６０秒間で、プリヒート温度である１８０℃まで加熱し、この温度で６０秒間保持した。プリヒートを行った後、ピーク温度である２４５℃まで加熱し、１０秒間保持してから冷却した。このようにして半田ペーストを加熱しながら半田の溶融状態および半田ボール発生状態を観察した。なお、加熱は大気中雰囲気下で行った。

表１に、これらの評価結果を示す。表１からわかるように実施例１から実施例７までの半田ペーストでは、１００５サイズ対応塗布量および０６０３サイズ対応塗布量の場合ともに、プリヒート時においてもフラックスが半田粒子を覆っており、ピーク加熱時点で全体が溶融しているのが観察された。冷却後においても全体が溶融しており半田ボールは見られなかった。これは、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂等の加熱重合型高分子あるいはカルボキシビニルポリマー等の増粘剤を添加することで、プリヒート温度においてもフラックスが半田粒子の表面を覆い、酸化を防止することができたことによる。

上記の実施例１から実施例７までにおいては、半田ペースト中のフラックスの含有量を８重量％〜１１重量％の場合について示したが、さらに種々の組成の半田ペーストを作製して試験した。その結果、フラックス量が２０重量％以下とすれば、従来のスクリーン印刷等で塗布形成でき、かつ酸化防止が可能であることを確認した。なお、フラックス量の下限値は５重量％であった。さらに、上限値を１５重量％とすれば、印刷条件範囲をさらに拡大することが可能となり、望ましい範囲であることも見出した。また、上限値を１１重量％以下とすれば、半田合金粉末量を相対的に多くできる。したがって、半田ペーストを微小量塗布した場合でも、接合のための加熱時に半田合金粉末間での溶融が確実に生じ、半田ボールの発生をさらに抑制できることも見出した。

一方、比較例の半田ペーストは、どちらもプリヒート温度においてフラックスが沈下していき、半田粒子が大気中に露出するようになる。このため、最表面層に存在する半田粒子の表面は酸化される。酸化が生じた半田粒子は、１００５サイズ対応塗布量と０６０３サイズ塗布量の両方でほぼ同じように発生した。しかし、１００５サイズ対応塗布量の場合には、ピーク加熱を行うと全体が溶融することが確認された。一方、０６０３サイズ対応塗布量の場合には、ピーク加熱後に未溶融半田粒子が存在し、冷却後において半田ボールが生じた。

このように比較例の半田ペーストの場合、半田ペーストの塗布量により半田ボールの発生や未溶融状態が発生することについては、以下のように推測している。図１Ａから図１Ｃは、１００５サイズのチップ部品に対応する塗布量の場合の半田ペーストの加熱挙動の模式図である。また、図２Ａから図２Ｃは、０６０３サイズのチップ部品に対応する塗布量の場合の半田ペーストの加熱挙動の模式図である。図１Ａから図２Ｃまでにおいて、プリント配線基板の電極端子１０および半田ペーストは同じ材料を用いているが、半田ペーストの塗布量が異なる。すなわち、図１Ａから図１Ｃまでに示す半田ペースト２０に比べて、図２Ａから図２Ｃまでに示す半田ペースト２００の塗布量は約１／４である。

図１Ａおよび図２Ａは、ともに電極端子１０の面上に半田ペースト２０、２００をそれぞれ塗布した状態を示す断面模式図である。電極端子１０上の半田ペースト２０、２００は、それぞれ半田粒子２２、２２０とフラックス２４、２４０とにより形成されている。

図１Ｂおよび図２Ｂは、ともに同じ温度でプリヒートを行った状態を示す模式図である。プリヒートを行うと、１００５サイズ対応塗布量の場合には、図１Ｂに示すようにフラックス２４の沈下と揮発により、表面側に存在する半田粒子２２が大気に露出し、表面が酸化される。これにより、半田ペースト２０の表面側では、酸化皮膜を有する半田粒子２６が形成される。しかしながら、半田が溶融する溶融温度であるピーク温度まで加熱していくと、内部に存在する酸化されていない半田粒子２２が溶融し、一体化する。これは、半田粒子同士が溶融し一体化するときに体積膨張が生じ、このエネルギーにより酸化皮膜を有する半田粒子２６の表面の酸化膜を破り、全体が溶融するためであると推測している。したがって、半田ボールが生じず、かつ全体として均一に溶融する。

図１Ｃは、半田の溶融温度であるピーク温度まで加熱した状態における半田の溶融状態を示す模式図である。図１Ｃからわかるように、溶融後半田３０は均一に溶融し一体化している。

一方、０６０３サイズ対応塗布量の場合には、図２Ｂに示すようにプリヒート時にフラックスの沈下と揮発により、表面側に存在する半田粒子２２０が大気に露出し、表面が酸化される。これにより、半田ペースト２００の表面側では、酸化皮膜を有する半田粒子２６０が形成される。ピーク温度まで加熱しても、酸化されていない半田粒子２２０の量が少ないので、これらが溶融し一体化するときの体積膨張のエネルギーは小さく、酸化皮膜を有する半田粒子２６０の表面の酸化皮膜を破ることができないものが生じる。このために、半田ボールが発生するものと思われる。

図２Ｃは、半田の溶融温度であるピーク温度まで加熱した状態における半田の溶融状態を示す模式図である。図２Ｃからわかるように、溶融後半田３００だけでなく、半田ボールが残存している。

以上のように、比較例の半田ペーストでは塗布量を少なくすると、未溶融の半田粒子が残存し、半田ボールとなる。しかし、実施例１から実施例７までの半田ペーストでは、半田ボールは生じなかった。これは、プリヒート温度においてフラックスが半田粒子を確実に覆い、酸化を防止していることによる。これらの結果から、０６０３サイズのような微小な電子部品をプリント配線基板に半田接合するときに半田ボールが生じるのを防ぐためには、プリヒート温度において半田粒子の表面をフラックスが覆うように高温滞留特性を持たせることが効果的であることが見出された。

上記の説明より明らかなように、本発明における半田ペーストは、プリヒート温度においても半田粒子の表面を覆うことができる高温滞留特性を有したフラックスを用いているので、半田ペーストの最表面側に存在する半田粒子であっても大気から遮断して表面の酸化を防止することができる。この結果、微少な塗布量であっても安定した溶融状態と半田ボールの発生を抑制することができ、微小な電子部品をプリント配線基板上に高密度に実装することが可能となる。

なお、フラックスの高温滞留特性を付与するためには、上記のように加熱重合型高分子材料や増粘剤を添加するだけでなく、従来のフラックスを用いて、その含有量を増加させることでもよい。ただし、プリント配線基板の電極端子面上に塗布する印刷方法をフラックスの含有量に応じて選択することが必要である。

図３は、上記実施例１の半田ペーストを用いて、携帯電話に使用される電子回路基板を作製した例を示す断面図である。この電子回路基板は、樹脂基材からなる多層配線基板４１０上に、０６０３サイズのチップ部品４１２、１００５サイズのチップ部品４１４および半導体チップ４１６が実装されている。なお、この断面図においては、０６０３サイズのチップ部品４１２が３個、１００５サイズのチップ部品４１４が１個および半導体チップ４１６が２個だけしか示していない。しかし、実際の電子回路基板では、さらに多くのチップ部品が実装されているだけでなく、１６０８サイズのチップ部品、コネクタ、フィルタ素子等も実装されているが、図示していない。また、多層配線基板４１０は、図示するように内装導体やインナービアおよび貫通導体等も形成されている。

このような電子回路基板においては、０６０３サイズのチップ部品が多用されているが、本発明の実施例１で説明した半田ペーストを用いることにより半田ボール等の発生によるショート不良や接続不良等が発生しなかった。なお、実施例２から７までの半田ペーストを用いても同様の結果が得られた。

なお、半導体チップ４１６は、メモリや制御用ＬＳＩ等の種々の機能を有する素子をベアチップで実装してもよいし、パッケージした状態で実装してもよい。また、これらの実装は図示するようなフリップチップ方式、ワイヤボンディング方式あるいはボールグリッドアレーを用いた実装方式等、半導体チップの形態に応じて最適な方式を使用することができる。さらに、半導体チップの多層配線基板への接続については、本発明の半田ペーストを用いず、例えば導電性接着剤や異方導電性樹脂を用いて接続してもよい。

図４は、この電子回路基板を用いた携帯電話の斜視図である。この携帯電話は、折曲げが可能な筐体４２０に種々の機能を有するボタン４２４と表示素子４２２が配設されており、筐体の内部に図３に示す電子回路基板が配設されている。この携帯電話は、電子回路基板のショート不良や接続不良等が生じず、製造歩留まりがよく、かつ高信頼性とすることができた。

微小サイズの受動部品や端子ピッチの小さい半導体集積回路素子の半田付けにおいて課題となる半田粒子の酸化を防止して、微少量の半田ペーストを用いた場合であっても信頼性のよい半田接合が可能な半田ペーストにより、微小サイズの電子部品を基板上に半田接合する回路基板分野に有用である。

１００５サイズのチップ部品に対応する塗布量の場合の半田ペーストの加熱挙動の模式図 同チップ部品に対応する塗布量において、プリヒートを行った状態を示す模式図 同チップ部品に対応する塗布量において、半田の溶融温度であるピーク温度まで加熱した状態における半田の溶融状態を示す模式図 ０６０３サイズのチップ部品に対応する塗布量の場合の半田ペーストの加熱挙動の模式図 同チップ部品に対応する塗布量において、プリヒートを行った状態を示す模式図 同チップ部品に対応する塗布量において、半田の溶融温度であるピーク温度まで加熱した状態における半田の溶融状態を示す模式図 実施例１の半田ペーストを用いて携帯電話に使用される電子回路基板を作製した例を示す断面図 図３に示す電子回路基板を用いた携帯電話の斜視図

符号の説明

１０ 電極端子
２０，２００ 半田ペースト
２２，２２０ 半田粒子
２４，２４０ フラックス
２６，２６０ 酸化皮膜を有する半田粒子
３０，３００ 溶融後半田
４１０ 多層配線基板
４１２，４１４ チップ部品
４１６ 半導体チップ
４２０ 筐体
４２２ 表示素子
４２４ ボタン

Claims (10)

1. 半田合金粉末をフラックスに混合してなる半田ペーストであって、
   前記フラックスが、加熱溶融工程中におけるプリヒート温度において前記半田合金粉末の表面を被覆する高温滞留特性を有することを特徴とする半田ペースト。
2. 前記フラックスのプリヒート時の粘度が、常温時の粘度と同等または高い粘度を有することを特徴とする請求項１に記載の半田ペースト。
3. 前記フラックスが、加熱重合型高分子材料を含有していることを特徴とする請求項１に記載の半田ペースト。
4. 前記加熱重合型高分子材料が、ポリエステル樹脂、メタクリル酸メチル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノール樹脂および乾性油のいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の半田ペースト。
5. 前記フラックスは、１４０℃〜１８０℃における粘度が常温時の粘度に対して同等または７０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半田ペースト。
6. 前記フラックスが、増粘剤としてチクソトロピック性を備えた高分子を含有することを特徴とする請求項５に記載の半田ペースト。
7. 前記高分子が、カルボキシビニルポリマー、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸プロピレングリコール、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、合成珪酸ナトリウム・マグネシウム、ジメチルジステアリルアンモニウムヘクトライト、ポリアクリル酸ナトリウム、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースのうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項６に記載の半田ペースト。
8. 前記フラックスの含有量が、２０重量％未満であることを特徴とする請求項１に記載の半田ペースト。
9. 前記半田合金粉末が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系合金のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の半田ペースト。
10. 電子部品が実装された回路基板を含む電子機器であって、
    前記電子部品を前記回路基板に半田接合するための半田ペーストが請求項１から請求項９までに記載の半田ペーストであることを特徴とする電子機器。

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