JPWO2009104693A1 - はんだ接合構造およびはんだ付け用フラックス - Google Patents

Abstract

寒暖差が非常に大きいといった過酷な環境においても、充分なはんだ接合強度を保持し、高い接合信頼性が確保できるはんだ接合構造を提供する。このはんだ接合構造は、主面１ａに電極部２および絶縁膜３を備えた基板の主面１ａ上に電子部品４を搭載し、前記電極部２と前記電子部品４とがはんだ部５を介して電気的に接合され、電子部品４と絶縁膜３との間に前記はんだ部５から浸出したフラックスの残渣６が介在しているはんだ接合構造であって、前記フラックスは、アクリル樹脂、活性剤および水酸基を有するチキソ剤を含有し、かつ前記アクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃以下または前記フラックス残渣の軟化温度以上であるとともに、前記フラックス残渣は、−４０℃から該フラックス残渣の軟化温度までの温度範囲における線膨張係数の最大値が３００×１０-6／Ｋ以下である。

Description

本発明は、例えば寒暖差が大きい環境下で使用される回路基板に対して電子部品等をはんだ接続する際に有用なはんだ接合構造およびはんだ付け用フラックス等に関する。

従来から、回路基板への電子部品の実装に際しては、はんだ合金粉末とフラックスとを含むはんだペースト組成物を基板に印刷し、電子部品を搭載した後に加熱接合するはんだ付け方法が汎用されている。このとき、フラックスは、はんだおよび基板表面の金属酸化物を除去するとともに、はんだ付け時の金属の再酸化を防止したり、はんだの表面張力を低下させたりする作用を果たすものであり、はんだ付けを良好に行なうためには必要不可欠である。しかし、フラックスを用いて回路基板に電子部品をはんだ付けすると、はんだ付け終了後にフラックスの一部または大部分が基板に残ることになる。これが一般に「フラックス残渣」と称されるものである。例えば、電極部および絶縁膜を備えた基板の主面上に電子部品を搭載して該電極部と電子部品とをはんだ接続しようとする場合、両者を接続するはんだ部からフラックス成分が浸出し、電子部品と絶縁膜との間にフラックス残渣が介在することになる。

ところが、このようなフラックス残渣には亀裂が発生しやすい。そのため、はんだ付け後に基板上や電子部品と絶縁膜との間などにフラックス残渣が存在したはんだ接合構造においては、亀裂部から水分が浸入して部品リード間の短絡不良を招き、はんだの接合信頼性を損なうという問題があった。

そこで、フラックス残渣の亀裂を防止する方法として、これまでに以下のような手段が提案されてきた。すなわち、ａ）ロジンをベース樹脂とするはんだペーストにおいて、高沸点可塑剤であるトリメリット酸のエステルを添加する方法（特許文献１参照）のように、高沸点の可塑剤を添加してはんだ付け後の残渣中に可塑剤を残留させる手段、ｂ）エチレン−アクリル共重合体を使用したはんだ付け用フラックス（特許文献２参照）や、ガラス転移温度が−５０〜−３５℃の範囲のアクリル樹脂を使用したはんだ付け用フラックス（特許文献３参照）のほか、エチレンあるいはプロピレンの重合体等を使用したフラックスのように、柔軟性を有するよう設計した合成樹脂をベース樹脂とする手段、ｃ）はんだ付け後に洗浄を行い、フラックス残渣を取り除く手段、である。

特開平９−２３４５８８号公報 特開平９−１２２９７５号公報 特開２００１−１５０１８４号公報

しかしながら、近年、実装基板が配置される環境が多様化しており、例えば車載基板では、エンジンルーム内のエンジン付近のように、寒暖差が非常に大きく、しかも激しい振動がかかるといった、より過酷な環境への実装基板の配置が増えている。そのような中、フラックス残渣の亀裂を防止する手段を講じた従来の方法ではんだ付けされた実装基板であっても、充分な接合信頼性を確保できない場合があった。この接合信頼性が悪化するという問題は、特に、電極部および絶縁膜を備えた基板の主面上に電子部品を搭載して該電極部と電子部品とをはんだ接続し、電子部品と絶縁膜との間にフラックス残渣が介在することとなった実装基板において顕著に現われる。これは、寒暖差が非常に大きい過酷な環境においては、形成されたはんだ部の金属に亀裂の伸展が生じ、その結果、接合強度が著しく低下する、というフラックス残渣の亀裂とは別の問題が発生し、これが起因して接合信頼性が悪化したものと考えられた。寒暖差が非常に大きく、しかも振動も負荷される過酷な環境に配置される実装基板は、今後ますます増えていくことが予想されるため、そのような過酷な環境においても充分な接合強度を保持し、優れた接合信頼性を発揮しうるはんだ接合構造の開発が求められているのが現状である。

そこで、本発明は、寒暖差が非常に大きいといった過酷な環境においても、充分なはんだ接合強度を保持し、高い接合信頼性が確保できるはんだ接合構造と、これを可能にするはんだ付け用フラックス等を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、例えば９０℃以上の温度と−３０℃以下の温度との間で冷熱サイクルを繰り返すといった過酷な負荷条件下において、フラックス残渣だけでなく、はんだ部の金属に生じる亀裂をも抑制し、はんだの接合強度を保持させるためには、リフロー後のフラックス残渣の所定温度範囲における線膨張係数の最大値と、フラックス成分とするアクリル樹脂のガラス転移点とがそれぞれ特定範囲になるよう設定することが重要であること、それにはフラックス成分として水酸基を有するチキソ剤が必須となること、を見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明のはんだ接合構造は、電極部および絶縁膜を備えた基板の主面上に電子部品を搭載し、前記電極部と前記電子部品とがはんだ部を介して電気的に接合され、電子部品と絶縁膜との間に前記はんだ部から浸出したフラックスの残渣が介在しているはんだ接合構造であって、前記フラックスは、アクリル樹脂、活性剤および水酸基を有するチキソ剤を含有し、かつ前記アクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃以下または前記フラックス残渣の軟化温度以上であるとともに、前記フラックス残渣は、−４０℃から該フラックス残渣の軟化温度までの温度範囲における線膨張係数の最大値が３００×１０^-6／Ｋ以下である、ことを特徴とする。

本発明のはんだ付け用フラックスは、はんだ合金粉末と混合してリフローさせることによりはんだ付けに用いられるはんだ付け用フラックスであって、アクリル樹脂、活性剤および水酸基を有するチキソ剤を含有し、かつ前記アクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃以下またはリフロー後のフラックス残渣の軟化温度以上であるとともに、リフロー後のフラックス残渣は、−４０℃から該フラックス残渣の軟化温度までの温度範囲における線膨張係数の最大値が３００×１０^-6／Ｋ以下である、ことを特徴とする。

本発明のはんだペースト組成物は、はんだ合金粉末と前記本発明のはんだ付け用フラックスとを含む、ことを特徴とする。
本発明のはんだ接合強度の低下防止方法は、９０℃以上の温度と−３０℃以下の温度との間で冷熱サイクルを繰り返す温度負荷条件下におけるはんだ部の接合強度の低下を防止する方法であって、前記はんだ部をはんだ合金粉末と前記本発明のはんだ付け用フラックスとを用いて形成することを特徴とする。

本発明によれば、寒暖差が非常に大きいといった過酷な環境においても、充分なはんだ接合強度を保持し、高い接合信頼性が確保できる、という効果が得られる。具体的には、本発明によれば、９０℃以上の温度と−３０℃以下の温度との間で冷熱サイクルを繰り返す温度負荷条件下においても、はんだの接合強度の低下を防止することができる。

本発明のはんだ構造の一実施形態を部分的に示す拡大断面図である。

まず、本発明のはんだ付け用フラックスおよびはんだペースト組成物の一実施形態について詳細に説明する。
本発明のはんだ付け用フラックスは、はんだ合金粉末と混合してリフローさせることにより、はんだ付けに用いられる。詳しくは、本発明のフラックスをはんだ合金粉末と混合してリフローさせることで、はんだが形成されるのであるが、その際、本発明のフラックスはフラックス残渣となる。本発明においては、このリフロー後のフラックス残渣の−４０℃から該フラックス残渣の軟化温度までの温度範囲における線膨張係数の最大値（以下、「最大線膨張係数」と称する）が３００×１０^-6／Ｋ以下であることが重要である。好ましくは、前記最大線膨張係数は２００×１０^-6／Ｋ以下であるのがよい。これにより、過酷な冷熱サイクルを負荷された場合であっても、接合強度の低下を抑制することができ、その結果、寒暖差が大きい環境で使用される際にも高い接合信頼性を確保することが可能となる。本発明において、リフロー後のフラックス残渣の軟化温度は、フラックスのみを所定の温度で加熱して溶媒等を除去したときに生じる固化物（残渣）について測定した軟化温度であってもよいし、フラックスをはんだ合金粉末と混合した状態（すなわち、後述する本発明のはんだペースト組成物とした状態）とし、これを所定の温度で加熱してはんだを溶融させるとともに溶媒等を除去したときにはんだの周囲に生じる固化物（残渣）について測定した軟化温度であってもよい。なお、最大線膨張係数は、例えば、後述する実施例に記載の方法で求めることができる。

本発明のフラックスは、アクリル樹脂を必須成分として含有する。アクリル樹脂としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸の各種エステル、メタクリル酸の各種エステル、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、マレイン酸のエステル、無水マレイン酸のエステル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、塩化ビニルおよび酢酸ビニルからなる群より選ばれる少なくとも１種の重合性不飽和基含有モノマーを重合してなるものが、好ましく挙げられる。なお、これら重合性不飽和基含有モノマーの重合は、例えば、過酸化物等の触媒を用い、塊状重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等のラジカル重合により行うことができる。

本発明において、アクリル樹脂は、ガラス転移点が−４０℃以下またはリフロー後のフラックス残渣の軟化温度以上であることが重要である。アクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃を超え、かつリフロー後のフラックス残渣の軟化温度未満である場合には、例えば９０℃以上の温度から−３０℃以下の温度までの過酷な冷熱サイクル負荷がかかった際に接合強度が著しく低下する。ここで、リフロー後のフラックス残渣の軟化温度は、上述した通り、フラックスのみを加熱して生じる固化物（残渣）について測定した軟化温度であってもよいし、フラックスをはんだ合金粉末と混合した状態で加熱してはんだの周囲に生じる固化物（残渣）について測定した軟化温度であってもよい。なお、本発明においては、このリフロー後のフラックス残渣の軟化温度は、−４０℃よりも高いことを前提にする。

なお、本発明において、ガラス転移点（Ｔｇ）は、各種ホモポリマーのＴｇを用いて下記計算式により算出するものとする。

アクリル樹脂の酸価には、特に制限はないが、例えば、１０ｍｇＫＯＨ／ｇ以上であることが、活性作用をさらに助長させうる点では好ましい。ただし、例えば、前記重合性不飽和基含有モノマーとしてエステル類のみを用いた場合などには、アクリル樹脂の酸価は０ｍｇＫＯＨ／ｇであってもよい。

アクリル樹脂は、分子量が３万以下であることが好ましく、より好ましくは２万以下であるのがよい。アクリル樹脂の分子量が前記範囲であると、たとえリフロー時の加熱により樹脂がある程度高分子化しても、それによる特性劣化などの影響を抑制することができるので、寒暖差が大きい環境において、はんだ部の亀裂防止とともに、フラックス残渣に生じる亀裂も防止することができる。その結果、亀裂部に水分が浸入して部品リード間の短絡不良を招くといった問題を回避することが可能となる。
なお、本発明において、アクリル樹脂の分子量は、重量平均分子量を意味するものとする。

前記アクリル樹脂の含有量は、フラックス総量に対して、１０〜８０重量％であることが好ましく、より好ましくは２０〜７０重量％であるのがよい。アクリル樹脂が前記範囲より少ないと、はんだ付け時において金属に活性剤を均一に塗布することが困難になるため、はんだ付け不良が発生するおそれがある。また、はんだ付け後の皮膜性が低下し、高温耐久性が低下してしまうおそれもある。一方、アクリル樹脂が前記範囲より多いと、フラックス自体の粘度が高くなってしまい、フラックスの厚膜化によるはんだ付け性の低下という問題が生じるおそれがある。

本発明のフラックスは、活性剤を必須成分として含有する。活性剤によって、はんだ付け時に金属表面の酸化膜を除去し、良好なはんだ付け性を確保するのである。
活性剤としては、例えば、エチルアミン、プロピルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、アニリン等のハロゲン化水素酸塩、乳酸、クエン酸、ステアリン酸、アジピン酸、ジフェニル酢酸等の有機カルボン酸等が挙げられる。これら活性剤は、１種のみであってもよいし２種以上であってもよい。
活性剤の含有量は、フラックス総量に対して、０．１〜３０重量％であることが好ましく、より好ましくは１〜２０重量％であるのがよい。活性剤が前記範囲より少ないと、活性力が不足し、はんだ付け性が低下するおそれがある。一方、活性剤が前記範囲より多いと、フラックスの皮膜性が低下し、親水性が高くなるので、腐食性および絶縁性が低下するおそれがある。

本発明のフラックスは、水酸基を有するチキソ剤を必須成分として含有する。例えば、水酸基を有さないチキソ剤を含有し、水酸基を有するチキソ剤を含有しない場合、前述した最大線膨張率が前記範囲を外れることとなり、その結果、過酷な冷熱サイクル負荷がかかった後の接合強度が著しく低下することとなる。
水酸基を有するチキソ剤としては、例えば、硬化ひまし油、メチロールベヘン酸アミド、１２−ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミド、エルカ酸モノエタノールアミド、１２−ヒドロキシステアリン酸ヘキサメチレンビスアミド、酸化パラフィンワックスなどが挙げられる。これら水酸基を有するチキソ剤は、１種のみであってもよいし２種以上であってもよい。
水酸基を有するチキソ剤の含有量は、フラックス総量に対して、０．５ 〜１０重量％であることが好ましく、より好ましくは２〜８重量％であるのがよい。水酸基を有するチキソ剤が前記範囲より少ないと、充分なチキソ性を得られず、印刷等の作業性が低下してしまうおそれがある。一方、水酸基を有するチキソ剤が前記範囲より多いと、フラックスの粘度が高くなり、作業性を損なうおそれがある。

なお、水酸基を有さないチキソ剤としては、例えば、パラフィンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、ステアリン酸アミド、オレイン酸アミド、エルカ酸アミド、ラウリン酸エチレンビスアミド、ステアリン酸ブチレンビスアミド、ステアリン酸キシリレンビスアミド、Ｎ，Ｎ’−ジステアリルアジピン酸アミド、Ｎ，Ｎ’−ジオレイルセバシン酸アミド、Ｎ，Ｎ’−ジステアリルイソフタル酸アミド、キシリレンビスステアリル尿素などが挙げられる。これら水酸基を有さないチキソ剤は、本発明の必須成分ではないが、本発明の効果を損なわない範囲であれば含有させてもよい。

本発明のフラックスは、酸化防止剤をも含有することが好ましい。酸化防止剤をも含有することにより、リフロー時の加熱によるフラックス残渣の酸化が防止され、寒暖差が大きい環境において、はんだ部の亀裂防止とともに、フラックス残渣に生じる亀裂も防止することができる。その結果、亀裂部に水分が浸入して部品リード間の短絡不良を招くといった問題をも回避することが可能となる。
酸化防止剤としては、特に制限はなく、例えば、フェノール系、リン系、アミン系、硫黄系の公知の酸化防止剤が挙げられる。これら酸化防止剤は、１種のみであってもよいし２種以上であってもよい。
フェノール系の酸化防止剤としては、例えば、２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−[４，６−ビス（オクチルチオ）−１，３，５−トリアジン−２−イルアミノ]フェノール、２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール、２，４−ジメチル−６−ｔ−ブチル−フェノール、スチレネートフェノール、２，４−ビス［（オクチルチオ）メチル］−ｏ−クレゾールなどが挙げられる。リン系の酸化防止剤としては、例えば、トリフェニルフォスファイト、トリエチルフォスファイト、トリラウリルトリチオフォスファイト、トリス（トリデシル）フォスファイトなどが挙げられる。アミン系の酸化防止剤としては、例えば、α−ナフチルアミン、トリエチルアミン、Ｎ，Ｎ’−ジイソブチル−ｐ−フェニレンジアミン、フェニル−β−ナフリルアミンなどが挙げられる。硫黄系の酸化防止剤としては、例えば、ジラウリルチオジプロピオネート、ジラウリルサルファイド、２−メルカプトベンゾイミダゾール、ラウリルステアリルチオジプロピオネートなどが挙げられる。
酸化防止剤の含有量は、特に制限されないが、例えば、フラックス総量に対して、０．０５〜１０重量％であることが好ましく、より好ましくは０．１〜５重量％であるのがよい。

本発明のフラックスは、さらにロジン系樹脂をも含有することが好ましい。ロジン系樹脂を含有させると、これが金属に前記活性剤を均一に付着させるためのバインダーとして作用し、金属表面の酸化膜の除去をより効率よく行うことができる。
ロジン系樹脂は、従来から一般的にフラックスに用いられているものであればよく、特に限定されないが、例えば、通常のガムロジン、トール油ロジン、ウッドロジンのほか、これらの誘導体（例えば、不均斉化ロジン、熱処理した樹脂、重合ロジン、アクリル化ロジン、水素添加ロジン、ホルミル化ロジン、ロジンエステル、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性アルキド樹脂等）などが挙げられる。これらロジン系樹脂は、１種のみであってもよいし２種以上であってもよい。
ロジン系樹脂を含有させる場合、フラックス中にアクリル樹脂以外の新たな樹脂成分が加わることになるので、その含有量は、アクリル樹脂およびロジン系樹脂のそれぞれのガラス転移点と含有量から算出した、アクリル樹脂と該ロジン系樹脂との混合物の平均ガラス転移点が、前述したアクリル樹脂のガラス転移点の範囲に入るように設定することが望ましい。通常、例えば、フラックス総量に対して、１〜２０重量％であることが好ましく、より好ましくは５〜１０重量％であるのがよい。

本発明のフラックスは、さらに必要に応じて、有機溶剤を含有していてもよい。有機溶剤としては、上述した含有成分を溶解して溶液とする極性溶剤が好ましく、通常、例えば、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチルセロソルブ、ブチルカルビトール、ヘキシルカルビトール等のアルコール系溶剤が好ましく用いられる。また、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系溶剤や、トルエン、テレピン油等の炭化水素系溶剤等も有機溶剤として用いることができる。これらの中でも、揮発性や活性剤の溶解性の点でヘキシルカルビトールが好ましい。これら有機溶剤は、１種のみであってもよいし２種以上であってもよい。
有機溶剤の含有量は、特に制限されないが、例えば、フラックス総量に対して、１５〜７０重量％であるのがよい。有機溶剤が前記範囲よりも少ないと、フラックスの粘性が高くなり、フラックスの塗布性が悪化するおそれがある。一方、有機溶剤が前記範囲よりも多いと、フラックスとしての有効成分（上述した必須成分）が相対的に少なくなってしまうため、はんだ付け性が低下するおそれがある。

さらに、本発明のフラックスは、前述した各成分のほかに、本発明の効果を損なわない範囲で、一般にフラックスのベース樹脂として用いられている従来公知の合成樹脂（例えば、スチレン−マレイン酸樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、テルペン樹脂等）や、防黴剤、つや消し剤等の添加剤を含有させることもできる。

本発明のはんだペースト組成物は、はんだ合金粉末と前述した本発明のはんだ付け用フラックスとを含むものである。
前記はんだ合金粉末としては、特に制限はなく、一般に用いられている錫−鉛合金、さらに銀、ビスマスまたはインジウムなどを添加した錫−鉛合金等を用いることができる。また、錫−銀系、錫−銅系、錫−銀−銅系、錫−ビスマス系等の鉛フリー合金を用いてもよい。なお、はんだ合金粉末の粒径は、５〜５０μｍ程度であるのがよい。

本発明のはんだペースト組成物におけるフラックスとはんだ合金粉末との重量比（フラックス：はんだ合金粉末）は、所望されるはんだペーストの用途や機能に応じて適宜設定すればよく、特に制限されないが、５：９５〜２０：８０程度であるのがよい。
本発明のはんだペースト組成物は、リフローさせることによりはんだ付けに用いられる。リフローは、例えば、１３０〜２００℃程度でプリヒートを行った後、最高温度１７０〜２５０℃程度で行えばよいが、これに限定されるものではない。なお、はんだ付けに際し、はんだペースト組成物は、通常、ディスペンサーやスクリーン印刷等により基板上に塗布される。

次に、本発明のはんだ接合構造の一実施形態について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明のはんだ構造の一実施形態を部分的に示す拡大断面図である。このはんだ接合構造は、主面１ａに電極部２および絶縁膜３を備えた基板１上（主面１ａ上）に電子部品４が搭載されており、前記電極部２と前記電子部品４とははんだ部５を介して電気的に接合されている。このはんだ接合構造においては、電子部品４と絶縁膜３との間には前記はんだ部５から浸出したフラックスの残渣６が介在している。
本発明のはんだ接合構造において、前記はんだ部５は、はんだ合金粉末とフラックスとを混合したはんだペースト組成物をリフローさせることにより形成される。ここで、用いられるフラックスは、アクリル樹脂、活性剤および水酸基を有するチキソ剤を含有し、かつ前記アクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃以下または前記フラックス残渣の軟化温度以上である本発明のフラックスであり、このフラックスの残渣６の最大線膨張係数（すなわち、−４０℃から該フラックス残渣の軟化温度までの温度範囲における線膨張係数の最大値）は３００×１０^-6／Ｋ以下である。これにより、過酷な冷熱サイクルを負荷された場合であっても、接合強度の低下を抑制することができ、その結果、寒暖差が大きい環境で使用される際にも高い接合信頼性を確保することが可能となる。

このように、図１に示すようなはんだ接合構造におけるはんだ部５を、はんだ合金粉末と本発明のフラックスとを用いて形成することは、９０℃以上の温度と−３０℃以下の温度との間（具体的には、例えば−４０℃〜１２５℃）で冷熱サイクルを繰り返す温度負荷条件下におけるはんだの接合強度の低下を防止する方法として、有用である。すなわち、本発明のはんだ接合強度の低下防止方法は、９０℃以上の温度と−３０℃以下の温度との間で冷熱サイクルを繰り返す温度負荷条件下におけるはんだ部の接合強度の低下を防止する方法であって、前記はんだ部をはんだ合金粉末と前記本発明のはんだ付け用フラックスとを用いて形成するものである。
なお、本発明のはんだ接合構造における「フラックス残渣」については、本発明のフラックスの説明で述べた「リフロー後のフラックス残渣」に関する記載を適用すればよく、本発明のはんだ接合構造における「フラックス残渣の軟化温度」については、本発明のフラックスの説明で述べた「リフロー後のフラックス残渣の軟化温度」に関する記載を適用すればよい。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の各製造例や表中に示すアクリル樹脂の平均分子量は、いずれも重量平均分子量である。
実施例および比較例における各種測定および評価は、下記の方法で行なった。

＜フラックス残渣の最大線膨張係数およびフラックス残渣の軟化温度＞
はんだペースト組成物約０．５ｇを銅板（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．５ｍｍ）上に載せ、２５０℃に設定したホットプレート上で３０秒間加熱することによりはんだを溶融させた後、常温まで冷却し、生じたフラックス残渣を掻き取って回収した。この操作を５回行ない、回収した全ての残渣を均一に溶融・混合した後、幅３ｍｍ、厚さ３ｍｍ、長さ１０ｍｍの形状に成形し、これを試料とした。
次いで、この成形した試料の膨張、収縮を熱機械分析装置（セイコーインスツルメンツ製「ＴＭＡ／ＳＳ１２０」）を用いて測定し、線膨張係数を求めた。測定に際しては、試料をアルゴンガス雰囲気下にて毎分５℃の昇温速度で−４０℃から加熱していった。試料を加熱していくと、試料の軟化が始まると同時に試料の見かけ長さの急激な収縮が起こり、最終的に試料長がほぼゼロとなるので、試料の見かけ長さの急激な収縮が起こり始めた温度をフラックス残渣の軟化温度とした。そして、この軟化温度からプラス３０℃の温度になるまで加熱を継続し、線膨張係数を求めた。このようにして求めた−４０℃から軟化温度までの線膨張係数のうち最大値を最大線膨張係数とした。なお、軟化温度からプラス３０℃の温度になるまで加熱する間に、試料は完全に溶解し、試料長はほぼゼロとなったことを確認した。

＜接合強度試験＞
３．２ｍｍ×１．６ｍｍのサイズのチップ部品（電子部品）を１２０個実装できるパターンを有する絶縁膜とチップ部品を接続する電極とを備えたガラスエポキシ基板２枚に、それぞれ、同じパターンを有する厚み１５０μｍのメタルマスクを用いてはんだペースト組成物を印刷し、１２０個のチップ部品を搭載した。チップ部品を搭載後１０分以内に、酸素濃度１５００ｐｐｍの窒素雰囲気下において１６０±５℃で８０±５秒間プリヒートを行い、引き続き、最高温度２４０±５℃でリフローを行うことによって、はんだ付けを実施した。
このようにして得られたはんだ接続構造においては、電極とチップ部品とがはんだ部を介して電気的に接合されているとともに、チップ部品とガラスエポキシ基板表面の絶縁膜との間にフラックス残渣が介在していた。
次に、はんだ付け後の２枚の基板のうちの１枚に、−４０℃×３０分→１２５℃×３０分を１サイクルとして１０００サイクルの条件で冷熱サイクル負荷をかけた。その後、冷熱サイクル負荷をかけた基板と冷熱サイクル負荷をかけなかった基板について、それぞれ、基板上の１２０個のチップ部品の接合強度（せん断強度）を、加圧せん断試験機を用い、ＪＩＳ Ｚ−３１９８−７に準拠して測定した。せん断強度の測定に際しては、ジグは、径０．５ｍｍの圧子をもつせん断ジグとし、せん断ジグがチップ部品に対し、垂直かつ部品の中央部に位置するように基板を試験装置にセットした後、せん断ジグを１５ｍｍ／分の速度で移動させて加重を加えた。
そして、冷熱サイクル負荷をかけなかった基板のせん断強度に対する、冷熱サイクル負荷をかけた基板のせん断強度の割合を百分率で示した値を残存強度率（％）として求め、この残存強度率により、接合部でのはんだ亀裂発生による強度低下を評価した。具体的には、残存強度率は、基板の接合信頼性の観点から７０％以上を「適」とした。

（製造例１）
エチルメタクリレート３４．２重量部、ラウリルアクリレート２４．０重量部、ベンジルメタクリレート３５．２重量部およびメタクリル酸６．６重量部からなるモノマー成分を、溶液重合法で重合して、熱可塑性アクリル樹脂Ａを得た。
この熱可塑性アクリル樹脂Ａは、ガラス転移点（Ｔｇ）が５１℃、酸価が４３ｍｇＫＯＨ／ｇ、平均分子量が約６０００であった。

（製造例２）
ｔ−ブチルメタクリレート２５．４重量部、セチルアクリレート５３．１重量部、シクロヘキシルアクリレート１３．８重量部およびメタクリル酸７．７重量部からなるモノマー成分を、溶液重合法で重合して、熱可塑性アクリル樹脂Ｂを得た。
この熱可塑性アクリル樹脂Ｂは、ガラス転移点（Ｔｇ）が５４℃、酸価が５０ｍｇＫＯＨ／ｇ、平均分子量が約２３５００であった。

（製造例３）
ラウリルアクリレート２４重量部、セチルアクリレート２９．７重量部、ｎ−ブチルアクリレート２５．６重量部およびメタクリル酸２０．７重量部からなるモノマー成分を、溶液重合法で重合して、熱可塑性アクリル樹脂Ｃを得た。
この熱可塑性アクリル樹脂Ｃは、ガラス転移点（Ｔｇ）が１４℃、酸価が１３５ｍｇＫＯＨ／ｇ、平均分子量が約１２０００であった。

（製造例４）
２−エチルヘキシルアクリレート６３．２重量部、ｎ−ブチルアクリレート２２．０重量部およびメタクリル酸１４．８重量部からなるモノマー成分を、溶液重合法で重合して、熱可塑性アクリル樹脂Ｄを得た。
この熱可塑性アクリル樹脂Ｄは、ガラス転移点（Ｔｇ）が−６２℃、酸価が９７ｍｇＫＯＨ／ｇ、平均分子量が約２７０００であった。

（製造例５）
ラウリルメタクリレート２８．９重量部、２−エチルヘキシルアクリレート４１．９重量部およびｎ−ブチルアクリレート２９．２重量部からなるモノマー成分を、溶液重合法で重合して、熱可塑性アクリル樹脂Ｅを得た。
この熱可塑性アクリル樹脂Ｅは、ガラス転移点（Ｔｇ）が−７１℃、酸価が０ｍｇＫＯＨ／ｇ、平均分子量が約９５００であった。

（製造例６）
イソボルニルアクリレート２６．０重量部、シクロヘキシルアクリレート１９．２重量部、ベンジルメタクリレート４４．０重量部およびメタクリル酸１０．８重量部からなるモノマー成分を、溶液重合法で重合して、熱可塑性アクリル樹脂Ｆを得た。
この熱可塑性アクリル樹脂Ｆは、ガラス転移点（Ｔｇ）が６２℃、酸価が７０ｍｇＫＯＨ／ｇ、平均分子量が約７５００であった。

（製造例７）
フェノキシエチルアクリレート３６．３重量部、シクロヘキシルアクリレート２９．１重量部、ベンジルアクリレート３０．５重量部およびメタクリル酸４．１重量部からなるモノマー成分を、溶液重合法で重合して、熱可塑性アクリル樹脂Ｇを得た。
この熱可塑性アクリル樹脂Ｇは、ガラス転移点（Ｔｇ）が１℃、酸価が２７ｍｇＫＯＨ／ｇ、平均分子量が約１７５００であった。

（実施例１〜４および比較例１、２）
ベース樹脂として上記各製造例で得られたアクリル樹脂Ａ、Ｂ、Ｃおよび不均斉化ロジン（ガラス転移点（Ｔｇ）４０℃）のうちの１種以上と、活性剤としてジフェニル酢酸、アジピン酸およびアニリン臭化水素酸塩と、水酸基を有するチキソ剤として１２−ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミドと、フェノール系酸化防止剤としてチバスペシャリティーケミカルズ製の「イルガノックス５６５」と、溶剤としてヘキシルカルビトールとを、それぞれ表１に示す配合組成で混合し、均一になるように充分に熱を加えて溶解、拡散させ、フラックスをそれぞれ得た。
次いで、得られた各フラックスと、Ｓｎ−Ｐｂ合金（Ｓｎ：Ｐｂ＝６３．０：３７．０（重量比））からなるはんだ合金粉末（粒径３８〜２５μｍ）とを、フラックス：はんだ合金粉末＝１０：９０（重量比）の比率で混合して、はんだペースト組成物をそれぞれ得た。
得られた各はんだペースト組成物を用いて、接合強度試験を行った。結果を表１に示す。

表１から、アクリル樹脂と水酸基を有するチキソ剤を使用し、残渣の最大線膨張係数が３００×１０^-6／Ｋ以下であり、かつアクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃以下またはリフロー後の残渣の軟化温度以上である実施例１〜４は、−４０℃から１２５℃までの過酷な冷熱サイクルを負荷した後も高い接合強度を保持している。なお、実施例４は、アクリル樹脂にロジン系樹脂を併用した例であるが、アクリル樹脂とロジン系樹脂の混合物の平均ガラス転移点を算出すると５２℃であり、リフロー後のフラックス残渣の軟化温度以上の値であった。
これに対して、アクリル樹脂の代わりにロジン系樹脂を単独で用いた比較例１においては、残渣の最大線膨張係数が３００×１０^-6／Ｋを超えており、冷熱サイクル後の接合強度の著しい低下が認められる。また、比較例２では、アクリル樹脂のガラス転移点が、−４０℃を超え、かつリフロー後のフラックス残渣の軟化温度未満の範囲内にあるため、冷熱サイクル後の接合強度の著しい低下が認められる。

（実施例５〜８および比較例３〜５）
ベース樹脂として上記各製造例で得られたアクリル樹脂Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇおよび不均斉化ロジン（ガラス転移点（Ｔｇ）４０℃）のうちの１種以上と、活性剤としてジフェニル酢酸、アジピン酸およびモノエチルアミン塩酸塩と、チキソ剤としてメチロールベヘン酸アミド（水酸基を有するチキソ剤）およびステアリン酸ヘキサメチレンビスアミド（水酸基を有さないチキソ剤）のいずれか一方と、フェノール系酸化防止剤としてチバスペシャリティーケミカルズ製の「イルガノックス５６５」と、溶剤としてヘキシルカルビトールとを、それぞれ表２に示す配合組成で混合し、均一になるように充分に熱を加えて溶解、拡散させ、フラックスをそれぞれ得た。
次いで、得られた各フラックスと、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：Ａｇ：Ｃｕ＝９６．５：３．０：０．５（重量比））からなる鉛フリーのはんだ合金粉末（粒径３８〜２５μｍ）とを、フラックス：はんだ合金粉末＝１２：８８（重量比）の比率で混合して、はんだペースト組成物をそれぞれ得た。
得られた各はんだペースト組成物を用いて、接合強度試験を行った。結果を表２に示す。

表２から、アクリル樹脂と水酸基を有するチキソ剤を使用し、残渣の最大線膨張係数が３００×１０^-6／Ｋ以下で、かつアクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃以下またはリフロー後の残渣の軟化温度以上である実施例５〜８は、−４０℃から１２５℃までの過酷な冷熱サイクルを負荷した後も高い接合強度を保持している。なお、実施例６と実施例８は、アクリル樹脂にロジン系樹脂を併用した例であるが、アクリル樹脂とロジン系樹脂の混合物の平均ガラス転移点を算出すると、実施例６は−４６℃、実施例８は−５４℃であり、−４０℃以下の温度であった。
これに対して、実施例５と同じアクリル樹脂を用いているが、水酸基を有さないチキソ剤を使用している比較例３は、残渣の線膨張係数が３００×１０^-6／Ｋを超えることとなるため、冷熱サイクル後の接合強度が著しく低下している。また、アクリル樹脂のガラス転移点はリフロー後の残渣の軟化温度以上であるが、残渣の線膨張係数が３００×１０^-6／Ｋを超えている比較例４でも、冷熱サイクル後の接合強度の著しい低下が認められる。さらに、アクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃を超え、かつリフロー後のフラックス残渣の軟化温度未満の範囲内にあり、残渣の線膨張係数が３００×１０^-6／Ｋを超えている比較例５でも、冷熱サイクル後の接合強度の著しい低下が認められる。

以上、本発明にかかるはんだ接合構造およびはんだ付け用フラックスについて詳しく説明したが、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更または改善しうるものである。

Claims (10)

1. 電極部および絶縁膜を備えた基板の主面上に電子部品を搭載し、前記電極部と前記電子部品とがはんだ部を介して電気的に接合され、電子部品と絶縁膜との間に前記はんだ部から浸出したフラックスの残渣が介在しているはんだ接合構造であって、
   前記フラックスは、アクリル樹脂、活性剤および水酸基を有するチキソ剤を含有し、かつ前記アクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃以下または前記フラックス残渣の軟化温度以上であるとともに、
   前記フラックス残渣は、−４０℃から該フラックス残渣の軟化温度までの温度範囲における線膨張係数の最大値が３００×１０^-6／Ｋ以下である、ことを特徴とするはんだ接合構造。
2. 前記はんだ部は、はんだ合金粉末と前記フラックスとを混合したはんだペースト組成物をリフローさせることにより形成されている、請求項１記載のはんだ接合構造。
3. はんだ合金粉末と混合してリフローさせることによりはんだ付けに用いられるはんだ付け用フラックスであって、
   アクリル樹脂、活性剤および水酸基を有するチキソ剤を含有し、かつ前記アクリル樹脂のガラス転移点が−４０℃以下またはリフロー後のフラックス残渣の軟化温度以上であるとともに、
   リフロー後のフラックス残渣は、−４０℃から該フラックス残渣の軟化温度までの温度範囲における線膨張係数の最大値が３００×１０^-6／Ｋ以下である、ことを特徴とするはんだ付け用フラックス。
4. 酸化防止剤をも含有する、請求項３記載のはんだ付け用フラックス。
5. 前記アクリル樹脂は、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸の各種エステル、メタクリル酸の各種エステル、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、マレイン酸のエステル、無水マレイン酸のエステル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、塩化ビニルおよび酢酸ビニルからなる群より選ばれる少なくとも１種の重合性不飽和基含有モノマーを重合してなる、請求項３または４に記載のはんだ付け用フラックス。
6. 前記アクリル樹脂は、分子量が３万以下である、請求項３〜５のいずれかに記載のはんだ付け用フラックス。
7. 前記アクリル樹脂の含有量が、フラックス総量に対して１０〜８０重量％である、請求項３〜６のいずれかに記載のはんだ付け用フラックス。
8. さらにロジン系樹脂をも含有する、請求項３〜７のいずれかに記載のはんだ付け用フラックス。
9. はんだ合金粉末と請求項３〜８のいずれかに記載のはんだ付け用フラックスとを含む、ことを特徴とするはんだペースト組成物。
10. ９０℃以上の温度と−３０℃以下の温度との間で冷熱サイクルを繰り返す温度負荷条件下におけるはんだ部の接合強度の低下を防止する方法であって、
    前記はんだ部をはんだ合金粉末と請求項３〜８のいずれかに記載のはんだ付け用フラックスとを用いて形成することを特徴とするはんだ接合強度の低下防止方法。

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