JPWO2008072654A1 - 鉛フリーはんだ用フラックスとはんだ付け方法 - Google Patents

Abstract

共晶はんだよりＳｎ含有量と融点が高い鉛フリーはんだ（例、Ｓｎ−３.０Ａｇ−０.５Ｃｕ）によりプリント基板に電子部品をはんだ付けした場合に起こり易いウイスカの発生を防止できる、フローソルダリングにおいて無洗浄型のポストフラックスとして好適なはんだ付け用フラックスは、主剤樹脂のロジン類と活性剤に加えて、酸性りん酸エステルおよびその誘導体から選ばれた少なくとも１種の化合物を０.２〜４質量％の量で含有する。窒素雰囲気中ではんだ付けを行うとウイスカ発生がより効果的に防止される。

Description

本発明は、プリント基板に電子部品を搭載した後、鉛フリーはんだを用いてフローソルダリング法によりはんだ付けする際に使用されるポストフラックスとして好適なはんだ付け用フラックスに関する。本発明のフラックスは、はんだ付け後にフラックス残渣を洗浄する必要性がない無洗浄型であり、かつ錫含有量の高い錫基合金である鉛フリーはんだによるはんだ付けで問題となっていたウイスカ発生を防止することができる。

プリント基板への電子部品の実装といった、電子機器における電子部品の固定と電気的接続は、コスト面および信頼性の面で最も有利なはんだ付けにより一般に行われている。
この種のはんだ付けに一般に採用されている方法は、溶融はんだにプリント基板および電子部品を接触させてはんだ付けを行うフローソルダリング法、並びにソルダペースト、ソルダプリフォームもしくはソルダボールの形態のはんだをリフロー炉で再溶融してはんだ付けを行うリフローソルダリング法である。

このはんだ付けにおいては、プリント基板および電子部品にはんだが付着し易くなるようにする補助剤であるフラックスが使用される。フラックスは下記(１)〜(３)を含む多くの有用な作用を果たす：
(１)金属表面清浄作用−プリント基板および電子部品の金属表面の酸化膜を化学的に除去して、はんだ付けが可能となるように表面を清浄化する、
(２)再酸化防止作用−清浄になった金属表面をはんだ付け中に覆って酸素との接触を遮断し、加熱により金属表面が再酸化されるのを防止する、
(３)界面張力低下作用−溶融したはんだの表面張力を小さくして、金属表面のはんだによる濡れ性を高める。

フラックスは、金属塩や無機酸などを用いた無機系フラックス、ポリエチレングリコールなどの水溶性の主剤を用いた水溶性フラックス、ロジンなどの樹脂を主剤とする樹脂系フラックスに大別される。樹脂系フラックスは、主剤として用いられる樹脂の他に、有機酸、アミンの有産塩、アミンのハロゲン塩などから選ばれた少なくとも１種の活性剤を含有し、さらにフラックスの塗布および転写のために、必要に応じて適宜溶剤を含有する。

無機系フラックスや水溶性フラックスは腐食性が強いため、はんだ付け後には残留するフラックス残渣を除去するために洗浄が必要である。
一方、樹脂系フラックスでは、主剤として含まれるロジンなどの樹脂が絶縁特性を有している。加熱によるはんだ付け後には、主剤の樹脂に由来する成分を主成分とするフラックス残渣が残るが、このフラックス残渣は、常温では絶縁特性がよく、腐食性を持たず、はんだ付け部を被覆して保護する。そのため、樹脂系フラックスは無洗浄での使用が可能となる。

ただし、１００℃近い高温、高湿度の環境では、フラックス残渣が軟化して、半液体状になる。このような状況では、はんだ付け部は剥き出しになり、湿気がはんだを浸食するので、絶縁抵抗が劣化する。そのため、車載部品のような高温、高湿度の環境に曝される可能性のある部品に搭載されるプリント基板は、はんだ付け後のプリント基板を洗浄した後、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などによるコーンフォーマル・コーティングが一般に施される。その場合には、フラックス残渣があるとコーティングの密着性が損なわれるので、はんだ付け後に洗浄が行われる。

樹脂系フラックスは、高温環境下ではフラックス残渣の絶縁性が低下するという問題はあるものの、フラックス残渣それ自体は実質的に無害であるため、フラックス残渣の洗浄による除去が不要な、無洗浄型のフラックスが開発され、実際に使用されている。無論、無洗浄型フラックスは環境への負荷の低減という観点から好ましく、コスト面でも有利である。ただし、この種のフラックスは、活性力が低いことが多い。

また、フローソルダリングおよびリフローソルダリングのいずれにおいても、窒素雰囲気ではんだ付けを行うことが増えている。窒素雰囲気中では酸化が起こりにくいため、活性力の低いフラックスが使用できる。従って、この方法は特に無洗浄型フラックスに適している。

フローソルダリングによるプリント基板のはんだ付けでは、プリント基板の銅箔表面を保護するために基板の製造直後に基板に塗布されるプリフラックスと、はんだ付け時に電子部品搭載の前か後にはんだ付け部に塗布されるポストフラックスという２種類のフラックスが使用される。プリフラックスは通常は活性剤を含有しない。

特開平５−２１２５８４号公報には、フラックスと粉末はんだとからなるソルダペーストにおいて、ジアルキルアシッドホスフェートまたはこれとモノアルキルアシッドホスフェートとの混合物からなる酸性りん酸エステルを、フラックス１００質量部に対して５〜４０質量部の量で配合したソルダペーストが提案されている。このソルダペーストは、はんだ付け後のフラックス残渣を有機溶剤で洗浄する種類のものである。また、粉末はんだは鉛フリーはんだではない。

特開２００６−１８１６３５号公報には、鉛フリーはんだ粉末と有機ハロゲン化物を含有するフラックスとを混和したソルダペーストにおいて、フラックスに有機リン化合物を含有させて、有機ハロゲン化物に起因するはんだ付け部の黒化を防止することが開示されている。有機リン化合物として提示されているりん酸エステルはトリアルキルもしくはアリールホスファイトのような中性りん酸エステルである。

古来より慣用されてきたはんだは、Ｓｎ−Ｐｂ合金、特に共晶はんだと呼ばれるＳｎ−Ｐｂ共晶合金（Ｓｎ−３７Ｐｂ、融点１８３℃）であった。しかし、Ｐｂの有害性から、現在では世界的規模でＰｂの使用が規制されるようになってきた。そのため、プリント基板のはんだ付けにも、Ｐｂを全く含まない鉛フリーはんだの使用が推奨されるようになってきている。

鉛フリーはんだは、一般にＳｎを主成分とするＳｎ基合金である。現在、提案されている鉛フリーはんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ系などがある。融点が１５０℃以下と非常に低いＳｎ−Ｂｉ系を除くと、これらの鉛フリーはんだのほとんどはＳｎ含有量が９０質量％以上と高い。

本明細書において、例えば、「Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系」鉛フリーはんだとは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの三元合金、並びにこの三元合金に微量の添加元素を添加した合金を包含する意味である。他の合金「系」鉛フリーはんだについても同様である。

現在実用化されている鉛フリーはんだとして、Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ（固相線温度２１７℃、液相線温度２２０℃）があるが、共晶はんだに比較してはんだ付け温度が約４０℃近く高くなる。
特開平５−２１２５８４号公報 特開２００６−１８１６３５号公報

共晶はんだで代表されるＳｎ−Ｐｂはんだから鉛フリーはんだへの移行に伴って、Ｓｎ−Ｐｂはんだではほとんど見られなかった、はんだ付け部でのウイスカ発生が問題となってきた。ウイスカの実体はＳｎのひげ状結晶であり、直径２μｍ、長さ２〜３ｍｍ前後まで成長することがある（図１参照）。

このようなウイスカの発生は、従来からＳｎ電気めっきにおいてはよく知られていた。Ｓｎウイスカの発生原因としては、電気めっきから２〜３年経過するとめっき被膜中に残っている応力により金属の分子が押し出されてひげ状に成長していく物理的要因と、ちりやほこりが付着した部分に金属粒子や湿気等が吸着され、表面上の腐食を促進させる化学的要因とが考えられている。

鉛フリーはんだを用いてフローソルダリングまたはリフローソルダリングにより形成されたはんだ付け部でも、電気めっき被膜ほどの頻度ではないが、ウイスカが発生する。電子機器において、電子部品のはんだ付け部に導通性を持ったウイスカが発生すると、電気回路の短絡を引き起こして、機器が故障する可能性がある。このウイスカは、ある程度まで成長すると脱落するが、微小で軽く、空気中に浮遊するので、予想もしない箇所の不具合となる場合が多い。従って、鉛フリーはんだによる電子部品のはんだ付けにおいては、ウイスカ発生を防止することが望まれている。

しかし、鉛フリーはんだによるはんだ付け部に見られるウイスカの発生を防止することについては、これまで検討されてこなかった。本発明は、鉛フリーはんだによるはんだ付け部においてウイスカの発生を防止することができ、それによりプリント基板の電子回路における短絡を防止して、電子機器の寿命を延ばすことができる技術を提供する。

より具体的な本発明の課題は、無洗浄型のポストフラックスとしてフローソルダリングによるプリント基板のはんだ付けに使用した場合であっても、ウイスカの発生を防止することができる鉛フリーはんだ用のフラックスを提供することである。

本発明者らは、例えばプリント基板に電子部品を鉛フリーはんだを用いてはんだ付けした場合にプリント基板のはんだ付け部に発生するウイスカが、フラックスの種類によって発生率が異なり、フラックスに少量の酸性りん酸エステルを添加するとその発生を抑えることができることを見出した。

ここに、本発明は、主剤樹脂と活性剤に加えて、酸性りん酸エステルおよびその誘導体から選ばれた少なくとも１種の化合物を０.２〜４質量％の量で含有することを特徴とする、鉛フリーはんだ用の無洗浄型樹脂系フラックスである。このフラックスは好ましくは極性溶剤をさらに含有する。

別の側面からは、本発明は主剤樹脂と活性剤と極性溶剤に加えて、酸性りん酸エステルおよびその誘導体から選ばれた少なくとも１種の化合物を０.２〜４質量％の量で含有するフラックスを用いて、はんだ付け後の洗浄を行わずに、プリント基板への実装のために鉛フリーはんだによるはんだ付けを行うことを特徴とする、はんだ付け方法である。

本発明において、「酸性りん酸エステル」の「りん酸」とは、オルトりん酸、ホスホン酸（亜りん酸）、およびホスフィン酸（次亜りん酸または亜ホスホン酸）を包含する、りんの酸素酸の意味である。従って、酸性りん酸エステルは、酸性オルトりん酸エステル（アシッドホスフェート）、酸性ホスホン酸エステル（アシッドホスホネート）、および酸性ホスフィン酸エステル（アシッドホスフィネート）を包含する。好ましい酸性りん酸エステルは、酸性ホスホン酸エステルまたは酸性ホスフィン酸エステルである。

主剤とはフラックス中の溶剤を除く成分中の最も多量に存在する成分のことである。本発明のフラックスは主剤が樹脂である樹脂系フラックスである。主剤樹脂は好ましくはがロジンおよびロジン誘導体から選ばれた１種または２種以上である。

Ｓｎウイスカ発生の防止策として、Ｓｎ電気めっきの分野では、めっき後にめっき被膜を例えば１５０℃で２０分のような条件で熱処理することが広く行われている。電気めっき被膜は、めっきにより析出した金属粒子が堆積したもので、金属粒子間に隙間があるため、熱処理により被膜表面を平坦にすることによって、ウイスカ発生が抑制される。従って、これは主に物理的な要因によるウイスカ発生の抑制を意図したものである。

フローソルダリングやリフローソルダリングにより形成されたはんだ付け部は、はんだが完全に溶融した後で固化したものであり、はんだ表面は平坦であるのに、ウイスカの発生が見られる。このウイスカは、化学的な要因により発生したものと考えられる。

従来のＳｎ−Ｐｂはんだに比べて．鉛フリーはんだによるはんだ付け部にウイスカが発生しやすいのは、次のような状況が関係すると推測される：
・鉛フリーはんだは、酸化反応を受けやすい、活性な元素であるＳｎの含有量がより高い；
・鉛フリーはんだは、溶融はんだの濡れ性がよくない。そこで、濡れ性を向上させるため、鉛フリーはんだ用フラックスはより多量の活性成分を含有し、このフラックスがはんだ付け時に種々の化学反応を生ずる；
・Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系などの鉛フリーはんだでは、はんだ付け温度が高い。

従って、主に物理的原因で発生するＳｎめっき被膜のウイスカとは、ウイスカ発生原因が異なっているが、局所的な多軸圧縮応力により金属（Ｓｎ）がひげ状に押し出される点では同じである。

プリント基板の鉛フリーはんだ付け部で発生するウイスカの発生については、次のようなメカニズムが考えられる。はんだ付け部の鉛フリーはんだに含まれているＳｎが、湿度やフラックス残渣に含まれているハロゲン成分などによって酸化されてＳｎＯ₂変化すると、ＳｎＯ₂はＳｎより密度が低いので、体積が膨張する。また、はんだ付け時には、はんだとプリント基板のＣｕランドとの界面にＳｎ−Ｃｕ金属間化合物であるＣｕ₃Ｓｎが生成する。さらに、電子部品に使用されているＡｇ、Ｆｅ、ＮｉとＳｎとの反応による金属間化合物も生成する。これらの金属間化合物はＳｎ、ＳｎＯ₂、Ｃｕなどに比べて密度が高く、収縮力を発生させる。このようにしてプリント基板上に多軸の圧縮応力が働いて金属をひげ状に押し出してしまうため、ウイスカが発生し、それが脱落すると、電子回路の電気的な短絡の原因となる。

主剤がロジン（松脂）などの樹脂である樹脂系フラックスがはんだ付けに使用されると、フラックス中の溶剤は輝散し、反応性官能基を有する松脂と活性剤は、はんだ中および周辺の酸化物と反応して酸化物を除去する。フラックス中のこの作用に関与しない成分や酸化物との反応で生じた物質が、フラックス残渣としてはんだ付け後のはんだ周辺に残る。フラックス残渣の主成分は、主剤（松脂などの樹脂）が熱で変性したものである。このフラックス残渣は絶縁性で、水分をはじく。そのため、樹脂系フラックスは、はんだ付け後にフラックス残渣を洗浄により除去しなくても電子機器の信頼性には悪影響を及ぼさないので、無洗浄型フラックスとして使用できる。

樹脂系フラックスのフラックス残渣の表面は、多孔質で、その表面に水の分子を取り込みやすい。取り込まれた水の分子は、松脂などの樹脂が水を通さないため、フラックス残渣の内部まで浸透することはない。しかし、高温、高湿度の環境ではフラックス残渣と水の分子がいつも接することになる。

一方、フラックス中の活性剤ははんだ付け時の熱で分解する。例えば、活性剤として使用されるアミンのハロゲン化水素酸塩や有機ハロゲン化物は分解して遊離ハロゲンを生じ、これが酸化物と反応して酸化物を除去する。しかし、はんだ付け時の加熱条件により、活性剤が完全に分解せずに、フラックス残渣中に残ることがある。フラックス残渣中に残った未分解の活性剤は、水分の存在下で、はんだ中のＳｎを酸化物（ＳｎＯ₂）に酸化させて体積膨張を起こす。

上述したように、ウイスカは主にはんだ中のＳｎが酸化することにより生成するので、湿度などの環境の影響を受け易い。はんだがはんだ付け時の熱により基体との界面に合金層を形成していると、合金層自体がバリヤとなって、それ以上の酸化を起こし難くなる。

従来のＳｎ−Ｐｂはんだでは、はんだの溶融温度（約１８３℃）より約３０℃以上高い約２１５〜２３０℃程度の温度ではんだ付けが行われていた。一方、現在実用化されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだは溶融温度が約２２０℃であるが、電子部品の耐熱性は大きく変わっていないため、はんだ付け温度ははんだの溶融温度から２０〜２５℃高い温度に設定することが多い。そのため、はんだ付け部が溶融はんだで濡れている時間が短くなり、はんだ付け時の合金層の成長も少ない。この点も、鉛フリーはんだが使用されるようになってから、ウイスカが多くなった原因の１つであると考えられる。

このウイスカの防止方法として、プリント基板を洗浄してフラックス残渣を除去することが有効である。その後、水分やごみが付着しないようにウイスカが発生する金属を化学的または物理的に被覆すればよい。前述したコンフォマル・コーティングがその一例である。しかし、フラックス残渣の洗浄除去は、環境に対する配慮から使用可能な洗浄剤に制約がある。また、はんだ付け後の樹脂被覆には費用がかかるので、全てのプリント基板に適用するのは困難である。洗浄と樹脂被覆が不要になると、プリント基板のコストは著しく低減する。

本発明では、フラックス残渣を洗浄除去せずにウイスカを防止するために、少量の酸性りん酸エステルをフラックスに含有させる。酸性りん酸エステルは、鉛フリーはんだの主成分であるＳｎと反応してＳｎとの錯体を形成することによって、Ｓｎの酸化および反応（金属間化合物の生成）を防止でき、それによりウイスカ発生を防止することができる。Ｓｎと錯体化する化合物の中でも、酸性りん酸エステルがウイスカ発生の防止に最も効果があることがわかった。

金属との錯体の形成は、金属の周囲に立体的に配位子である化合物が配位するので、化学的な保護効果だけでなく、物理的な保護効果を有している。立体的な構造を形成するが故に、ＡｇやＣｕなどの１価金属の方が錯体を形成し易く、Ｓｎのような多価金属と錯体を形成することができる錯体形成試薬（配位子）は限られる。そのよう試薬の具体例として、酸性りん酸エステルの他に、ジカルボン酸、８−キノリノール、ジフェニルチオカルバゾンなどがある。しかし、はんだ付け後のプリント基板のウイスカ発生を抑制するには、はんだ付け後もＳｎとの錯体を維持できるものでなくてはならない。また、ウイスカは、環境中の水分が原因で発生しやすいことから、使用する試薬は水に溶けにくいことが必要である。

また、フラックスははんだ付け性を向上させるものであるので、フラックスに添加する成分ははんだ付け性を阻害したり、はんだ付け後の絶縁抵抗を劣化させるものであってはならない。これらのすべての条件を満たすのが酸性りん酸エステルである。

本発明に係るフラックスは、鉛フリーはんだによるはんだ付け、例えば、プリント基板への電子部品のはんだ付けに用いた場合に、フローソルダリングとリフローソルダリングのいずれにおいても、はんだ付け後の洗浄を行わずに、はんだ付け部にウイスカが発生するのを防止することができる。従って、特にフローソルダリングにおけるポストフラックスとして有用であるが、リフローソルダリングにも使用でき、またはんだ粉末と混合してリフローソルダリング用のソルダペーストを調製することもできる。

このウイスカ発生の防止は、鉛フリーはんだの通常のはんだ付け温度である２３０〜２６０℃に加熱されてもフラックス中の酸性りん酸成分がフラックス残渣中に残り、Ｓｎの酸化を防止することができることに起因すると考えられる。

ウイスカの発生を示す光学顕微鏡写真である。

本発明に係るフラックスは、主剤樹脂と活性剤に加えて、酸性りん酸エステルおよびその誘導体から選ばれた少なくとも１種の化合物（以下、酸性りん酸エステル類と総称）を含有する。さらに、通常は溶剤を含有する。フラックスの成分およびその配合割合は、酸性りん酸エステル類を除いて、従来より使用されてきた樹脂系フラックスと基本的に同じでよいが、以下に簡単に説明する。

主剤樹脂は、非水溶性の天然または合成樹脂である。好ましい樹脂は、ロジン（松脂）およびその誘導体から選ばれた１種または２種以上である。ロジン誘導体としては、変性ロジン（例、アクリル酸変性ロジン）、水添ロジン、重合ロジン、不均化ロジンなどが挙げられる。

活性剤としては、有機酸、アミンのハロゲン化水素酸塩、アミンの有機酸塩、ジオールなどから選ばれた１種または２種以上を使用することができる。有機酸の例はアジピン酸、セバチン酸、p-tert-ブチル安息香酸などである。アミンハロゲン化水素酸塩の例は、各種モノ、ジおよびトリアルキルアミン、シクロヘキシルアミン、アニリンなどの芳香族アミン、ピリジンなどのヘテロ環アミン、ジフェニルグアニジンなどを含む多様なアミンの塩酸塩、臭化水素酸塩、硼弗化水素酸塩などである。塩酸塩より臭化水素酸塩、硼弗化水素酸塩の方が好ましい。アミンの有機酸塩は、上記のアミンと有機酸との塩である。ジオールとしてはハロゲン化ジオールが好ましく、例えば、2,3−ジブロモ−２−ブテン−1,4−ジオールが例示される。

活性剤の量（２種以上の場合は合計量）は、主剤樹脂に対して、３〜４０質量％の範囲内とすることが好ましく、より好ましくは５〜２０質量％である。
本発明のフラックスは、酸性りん酸エステルおよびその誘導体から選ばれた１種または２種以上を０.２〜４質量％の量で含有する。

酸性りん酸エステルは、一般式：Ｐ(＝Ｏ)Ｈ_x(ＯＨ)_3-ｘで示されるりんの酸素酸である、オルトりん酸（ｘ＝０）、ホスホン酸（ｘ＝１）、およびホスフィン酸（ｘ＝２）の酸性エステルを包含する。酸性りん酸エステルの誘導体の例は、前記一般式においてＨが有機基（例、アルキル基またはアリール基）で置換されているりん酸誘導体の酸性エステルである。

オルトりん酸［Ｐ(＝Ｏ)(ＯＨ)₃］は三塩基酸であるが、ホスホン酸［Ｐ(＝Ｏ)Ｈ(ＯＨ)₂］も、Ｐ(ＯＨ)₃の互変異性体の形態をとることで三塩基酸となる。同様に、ホスフィン酸［Ｐ(＝Ｏ)Ｈ₂(ＯＨ)］は、Ｐ(Ｈ)(ＯＨ)₂の互変異性体の形態をとることで二塩基酸となる。従って、酸性りん酸エステルの形態としては、オルトりん酸のモノおよびジエステル、ホスホン酸のモノおよびジエステル、並びにホスフィン酸のモノエステルがある。

酸性りん酸エステルの中で、特許文献１に開示されている酸性オルトりん酸エステル（アシッドホスフェート）は、はんだ付け時の熱で分解し難く、フラックス残渣に多く残るため、ウイスカの防止効果は優れているが、ホスホン酸エステルおよびホスフィン酸エステルに比べて、わずかながらはんだ付け後のフラックス残渣の絶縁抵抗を低下させる傾向があり、高密度の電子機器ではその影響を考慮する必要にある。そのため、酸性りん酸エステルとしては、酸性ホスホン酸エステル（アシッドホスホネート）と酸性ホスフィン酸エステル（アシッドホスフィネート）の方が好ましく、特に好ましいのは酸性ホスホン酸エステルである。

酸性りん酸エステルのエステル基は、好ましくは炭素数１６以下のアルキル基から誘導されたエステル基である。本発明で使用できる酸性りん酸エステルの具体例としては、それらに限られないが、ジ（２−エチルヘキシル）ホスホネート、ジエチル（ｐ−メチルベンジル）ホスホネート、ジ（イソデシル）ホスホネート、モノ（２−エチルヘキシル）ホスフィネート、ジ（２−エチルヘキシル）ホスフェートなどが挙げられる。

酸性りん酸エステル類は、はんだ表面に吸着されてＳｎの酸化を防止すると共に、はんだ付け後にはフラックス残渣中に残り、はんだ表面に接することで酸化防止効果を持続する。そのため、フラックス中の酸性りん酸エステル類の量が少ないとその効果が発揮できず、多すぎるとはんだ付け後のプリント基板の絶縁抵抗が劣化する。この理由で、フラックス中の酸性りん酸エステル類の量は０.２〜４質量％とする。より好ましい量は０.２〜２質量％である。

フラックスの残部は、溶剤である。溶剤の種類と量は、フラックスの使用形態に応じて選択されるが、極性溶剤、特にアルコールやケトンといった極性有機溶剤であることが好ましい。このような極性有機溶剤は、はんだ付け時に溶融はんだの濡れ性を改善する役目を果たす。フラックスをプリント基板のフローソルダリングにおいてポストフラックスとして使用する場合には、極性溶剤は揮発性の高い低粘性のものが好ましい。そのような極性溶剤の例としては、イソプロピルアルコール（イソプロパノール）、エタノール、メタノールなどの低級アルコールが挙げられる。

ポストフラックスは、例えばスプレイフラクサーまたは発泡式フラクサーにより塗布される。スプレイフラクサーにより塗布されるポストフラックスにおける各成分の配合割合（質量％）の好ましい例は次の通りである：
主剤樹脂：５〜１５％、より好ましくは８〜１２％、
活性剤：０.５〜３％、より好ましくは１〜２.５％
酸性りん酸エステル類：０.２〜４％、より好ましくは０.２〜２％、
溶剤：７０〜９９％。

発泡式フラクサーにより塗布する場合には、フラックス中の溶剤量が多いと発泡が困難となるので、スプレイフラクサーを用いる時より溶剤の量が制限され、通常は溶剤量は８０〜９０％である。

本発明の樹脂系フラックスは、リフローソルダリングや、やに入りはんだのフラックスとしても使用でき、その場合でもはんだ付け部のウイスカ防止効果を得ることができる。やに入りはんだのフラックスは一般に溶剤を実質的に含有しない。

さらに、本発明の樹脂系フラックはス、はんだ粉末と混和してソルダペーストとして使用しても、ウイスカ発生防止効果を得ることができる。ソルダペーストとしての使用では、酸性りん酸エステルがはんだ粉末を被覆してはんだ粉末の酸化防止を抑制することにより、ソルダペーストの保存期間を長くするという二次的な効果も得ることができる。ただし、ソルダペーストでは、はんだ粉末が微細で表面積が広く、反応性が高いことと、はんだ付けに使用するまでの保管期間中はフラックスの成分がはんだ粉末と接触していることから、酸性りん酸エステルの量を少なめ（例、２％以下、より好ましくは１％以下）に調整することが好ましい。

ソルダペーストに用いるフラックスはペースト状であり、溶剤としては高粘度の溶剤を比較的少ない量（例えば、フラックス中の６０質量％以下）で使用する。適当な溶剤の例は、ヘキシレングリコールのようなアルキレングリコール類、カルビトール類、テルピネオールなどが挙げられる。また、フラックスの粘性を調整するために、チキソ剤のような添加剤をフラックスに添加するのが普通である。

はんだ付け時の雰囲気は大気中でもよいが、窒素雰囲気であると、ウイスカ発生の防止効果がより顕著に現れる。はんだ付けの用途は、プリント基板への電子部品のはんだ付けに限られるものではなく、鉛フリーはんだを用いたすべてのはんだ付けに本発明のフラックスは使用できる。はんだ付け後は、前述したように酸性りん酸エステルを含有するフラックス残渣が引き続き鉛フリーはんだに対して酸化防止作用を発揮するので、洗浄を行わなくても、はんだ付けの信頼性に何ら問題が発錆しない。

現在のプリント基板は、両面に電子部品が実装されることが多い。その場合、片面をリフローソルダリングによりはんだ付けした後、他方の面にフローソルダリングを行うことがあり、フローソルダリングに使用するポストフラックスは、リフローソルダリングによる熱履歴を受けたプリント基板に塗布されることになる。従って、ポストフラックスはその場合でもフラックス機能を保持しなければならないが、本発明の樹脂系フラックスはこの点においても満足できる。

表１の配合で成分を混合することによりロジン系樹脂を主剤とする樹脂系フラックスを調製し、はんだ付け後のウイスカ発生、溶融はんだの濡れ性（ゼロクロス試験）、フラックス残渣の絶縁抵抗について試験した。これらの試験結果も表１に併せて示す。

１．ウイスカ発生試験
リフローソルダリングとその後のフローソルダリングによるプリント基板の両面実装を模擬するため、ウイスカ発錆試験用プリント基板（Ｃｕランドを有する１８０×１８０ｍｍサイズの市販品）を、部品を搭載せずに、まずリフロー炉内で加熱した。加熱条件は１６０℃×１分の予熱と、その後の２００℃以上で２０秒（ピーク温度２４０℃で５秒）の本加熱であり、鉛フリーはんだのリフローソルダリングにおいて一般的な温度であった。

このプリント基板に、噴流はんだ槽を備えたフローソルダリング用の自動はんだ付け装置を用いて、電子部品を搭載せずに、試験するフラックスのスプレイフラクサーによる塗布とフローソルダリングを下記条件下で行って、ランド上にはんだバンプを形成した。

装置：千住金属工業製ＳＰＦ−３００Ｎ２
フラックス塗布：噴霧法（塗布量：０.６ｍｌ／ｃｍ²）
はんだ：Ｓｎ−３.０Ａｇ−０.５Ｃｕ（千住金属工業製エコソルダーＭ７０５）
溶融はんだの温度：２５０℃
基板の予備加熱温度：１１０℃
コンベア移動速度：１.２ｍ／ｍｉｎ
溶融はんだ中の浸漬時間：５秒（ダブルウェイブ）
雰囲気：大気雰囲気または窒素雰囲気（酸素含有量：１０００ｐｐｍ）
はんだ付け後のプリント基板をはんだ付けと同じ雰囲気中で放冷し、常温に戻してから、温度８５℃、湿度８５％の大気雰囲気の恒温・恒湿度槽に入れた。２００時間経過するごとにウイスカ試験用基板を取り出して２４時間室温に戻した。このときにウイスカの発生状況を調べた。上記恒温・恒湿度槽中に１０００時間入れた後のウイスカの発生件数を表１に示す。

２．はんだ濡れ性
ＪＩＳ Ｃ ２６００に規定された酸化黄銅板を、温度８５℃、湿度８５％で２４時間エージング処理を行い、メニスコグラフ用の試験板とした。

このメニスコグラフを使用して、試験するフラックスを塗布した後、ゼロクロスタイムを測定した。測定条件は次の通り。
試験装置：レスカ製ソルダーチェッカーＳＡＴ−５１００
はんだ：Ｓｎ−３.０Ａｇ−０.５Ｃｕ（千住金属工業製エコソルダーＭ７０５）
溶融はんだ温度：２５０℃
浸漬速度：１０ｍｍ／ｓｅｃ
浸漬時間：１０秒
浸漬深さ：２ｍｍ
フラックス塗布：浸漬塗布（シャーレにフラックスを４ｍｍ深さ入れ、試験板を５秒浸漬して、引き上げる）
繰り返し回数：５回（平均値を表示）。

３．フラックス残渣の絶縁抵抗試験
ＪＩＳ Ｚ ３１９７に準じて試験を行った。市販の１８０×１８０ｍｍサイズのＣｕランドのプリント基板に、試験するフラックスを０.２ｍｌ塗布し、フローソルダリング用自動はんだ付け装置を用いて、１００℃での予備加熱のみを大気雰囲気中で実施した。その後、プリント基板を温度８５℃、湿度８５％の大気雰囲気の恒温・恒湿槽に入れ、初期値として３時間後と、１６８時間後に、基板絶縁部の絶縁抵抗を測定した。

表１に示した結果からわかるように、酸性りん酸エステル類を添加しなかった試験Ｎｏ.８のフラックスおよびその添加量が０.１質量％と少なかった試験Ｎｏ.９のフラックスでは、はんだ付け後にウイスカが多数発生した。試験Ｎｏ.１１および１３の従来技術のフラックスはウイスカ発生の防止効果がほとんどなかった。

これに対し、酸性りん酸エステル類を０.２〜４質量％の量で含有する本発明に従ったフラックス（試験Ｎｏ.１〜７）では、はんだ付け後のウイスカの発生が少なかった。これは、特に窒素雰囲気でフローはんだ付けしたとき顕著であった。また、これらのフラックスは、はんだの濡れ性が良く、はんだ付け後の絶縁抵抗値は、初期および１６８時間経過後のいずれも、電子機器のリーク不良の目安である１×１０^８Ω以上を確保できた。

ただし、酸性りん酸エステル類の添加量が４質量％を超えた試験Ｎｏ.１０のフラックスは、初期の絶縁抵抗値が電子機器のリーク不良の目安である１×１０^８Ωを確保できなかった。また、試験Ｎｏ.１１、１２でも、絶縁抵抗値が目安より小さくなった。

Claims (11)

1. 主剤樹脂と活性剤に加えて、酸性りん酸エステルおよびその誘導体から選ばれた少なくとも１種の化合物を０.２〜４質量％の量で含有することを特徴とする、鉛フリーはんだ用の無洗浄型樹脂系フラックス。
2. さらに極性溶剤を含有する、請求項１に記載の樹脂系フラックス。
3. 前記酸性りん酸エステルが酸性ホスホン酸エステルおよび酸性ホスフィン酸エステルから選ばれる、請求項１または２に記載の樹脂系フラックス。
4. 主剤樹脂がロジンおよびロジン誘導体から選ばれる、請求項１または２に記載の樹脂系フラックス。
5. 主剤樹脂と活性剤と極性溶剤に加えて、酸性りん酸エステルおよびその誘導体から選ばれた少なくとも１種の化合物を０.２〜４質量％の量で含有するフラックスを用いて、はんだ付け後の洗浄を行わずに、プリント基板への実装のために鉛フリーはんだによるはんだ付けを行うことを特徴とする、はんだ付け方法。
6. 前記はんだ付けをフローソルダリング法により行う請求項５に記載のはんだ付け方法。
7. 前記はんだ付けを窒素雰囲気中で行う請求項５または６に記載のはんだ付け方法。
8. 前記酸性りん酸エステルが酸性ホスホン酸エステルおよび酸性ホスフィン酸エステルから選ばれる、請求項５または６に記載のはんだ付け方法。
9. 主剤樹脂がロジンおよびロジン誘導体類から選ばれる、請求項５または６に記載のはんだ付け方法。
10. 鉛フリーはんだ粉末と請求項１または２に記載の樹脂系フラックスとの混合物からなるソルダペースト。
11. 銅表面に鉛フリーはんだを用いて、はんだ付け後の洗浄を行わずにはんだ付けした場合に見られるウイスカ発生を防止する方法であって、請求項１または２に記載の樹脂系フラックスを用いることを特徴とする方法。

Images