WO2005072906A1

WO2005072906A1 - 半田付用のフラックスおよび半田付方法

Info

Publication number: WO2005072906A1
Application number: PCT/JP2005/001087
Authority: WO
Inventors: Tadashi Maeda; Tadahiko Sakai
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2005-08-11
Also published as: KR20060126677A; EP1736273A4; US20080244900A1; JPWO2005072906A1; TW200536652A; US8960526B2; EP1736273B1; CN1914001B; CN1914001A; EP1736273A1; JP4633630B2

Abstract

　接合不良や絶縁性の低下を招くことなく高品質の半田接合部を得ることができる半田付用のフラックスおよびこのフラックスを用いた半田付方法を提供する。　そのようなフラックスは、半田部が形成された第１の電極を第２の電極に半田付けする際に前記半田部と前記第２の電極の間に介在させる半田付用のフラックスであって、樹脂成分を溶剤に溶解した液状の基剤と、酸化膜を除去する作用を有する活性成分と、前記半田部の融点よりも高い融点を有する金属から成る金属粉とを含んで成り、前記金属粉を１～９ｖｏｌ％の範囲で含有する。

Description

明細書

半田付用のフラックスおよび半田付方法

技術分野

[0001] 本発明は、例えば電子部品を基板に半田付けする際に用いる半田付用のフラックスおよびこのフラックスを用いた半田付方法に関するものである。

背景技術

[0002] 電子部品を基板へ実装する際の接合方法として、従来より半田付けによる方法が広く用いられている。半田付けの形態としては、電子部品に設けられた接合用電極としての金属バンプを半田によって形成する方法、基板の電極表面に半田層を形成する半田プリコート法など各種の方法が用いられる。近年環境保護の観点から、上述の半田付けにおいて有害な鉛をほとんど含まなレ、、あるいは実質的に含まない、レヽわゆる鉛フリー半田が採用されるようになっている。

[0003] 鉛フリー半田は従来用いられていた鉛系半田とは成分組成が大きく異なるため、半田接合過程において用いられるフラックスについても、従来一般に用いられていたものをそのまま使用することができない。すなわち、従来のフラックスでは活性作用が不足し、半田表面の酸化膜除去が不十分で良好な半田接合性を確保することが容易でない。このため鉛フリー半田を対象として、活性作用のより強レ、タイプのフラックスが提案されてレ、る（例えば特許文献 1、 2および 3参照）。

[0004] また、半田ボールに十分量転写できる金属ペーストを提供することを目的として、フラックスに多量の金属粉を含ませることも提案されている（例えば特許文献 4参照）。特許文献 1 :特開 2002 - 1581号公報

特許文献 2 :特開 2000 - 135592号公報

特許文献 3：特開平 11 - 254184号公報

特許文献 4：特開 2000 - 31210号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] し力、しながら上記特許文献に示すような、活性作用の強い従来のフラックスを使用する場合には、次のような不具合が生じる場合がある。近年、環境保護や工程簡略化の観点から、従来行われていた半田付後の洗浄工程、すなわち、半田接合過程において用いたフラックスを、洗浄剤を用いて洗浄除去する工程を省略する無洗浄工法が主流となってきている。このため、半田付けに際して供給されたフラックスは半田接合部にそのまま残留する。このとき、フラックスの活性作用が強い場合には、残留するフラックスによって基板の回路電極および/または電子部品の電極が腐食され、その結果、絶縁性が低下して絶縁不良が発生し易い。

[0006] また、電子部品を基板に搭載する場合、これらの間に位置する半田バンプが変形するように、電子部品を基板に対して押圧し、その後、半田バンプを溶融させて半田接合することが行われている。し力、しながら、半田バンプが鉛フリー半田によって形成されている場合、鉛フリー半田の硬度が従来の鉛系半田と比較して高いので、部品搭載時のバンプの変形量が小さいことから、半田接合に際して半田バンプの下端部と基板の電極表面との間に隙間が生じやすレ、。このため、半田付けにおいて溶融した半田が電極と正常に接触しないまま固化し、電子部品と基板との間の接合不良が増大する傾向にある。

[0007] そこで、本発明は、接合不良や絶縁性の低下を抑制し、好ましくは実質的に発生させることなく高品質の半田接合部を得ることができる半田付用のフラックスおよびこのフラックスを用いた半田付方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明は、半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする際に前記半田部と前記第 2の電極との間に介在させる半田付用のフラックスを提供し、このフラックス〖ま、

樹脂成分を溶剤に溶解した液状の基剤と、

酸化物を除去する作用を有する活性成分と、

前記半田部を形成する半田の融点よりも高い融点を有する金属から成る金属粉とを含んで成り、フラックスの体積を基準として前記金属粉を 1一 9vol%の範囲で含有する。

[0009] フラックスに含まれる樹脂成分は、いわゆるバインダーとしての役目を果たし、フラッタスにおいて金属粉の分散状態を維持すると共に、後で詳細に説明するように、フラックスを対象物（例えば半田部）に適切に供給して（例えば転写して）そこで保持できるように粘度を確保するように機能する。活性成分が除去する酸化物は、前記半田部の表面に生成した酸化物の膜の形態である。金属粉は、半田部を形成する半田に対する濡れ性が良レ、ものが特に好ましレ、。

[0010] 本発明は、半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする半田付方法を提供し、この方法は、

上記本発明のフラックスを前記半田部および前記第 2の電極の少なくとも一方に塗布する第 1の工程と、

前記第 1の電極と第 2の電極を位置合わせすることにより前記フラックスを前記半田部と第 2の電極との間に介在させる第 2の工程と、

加熱によって前記半田部を溶融させる第 3の工程と、

第 3の工程の後に前記溶融した半田を固化させる第 4の工程と

を含む。

[0011] 第 3の工程において、半田部が溶融して生じる溶融半田は金属粉の表面伝いに濡れ拡がる。最終的には、溶融した半田が第 2の電極に到達してその上で広がり、第 1 の電極と第 2の電極との間で溶融した状態の半田が存在する。その後、第 4の工程によって、例えば冷却することによって第 1の電極と第 2の電極との間で固化した状態で半田が存在し、これらの電極が半田によって電気的かつ機械的に接続される。

[0012] 尚、第 2の工程において、電極を位置合わせするに際して、電極間に半田部が存在する状態で、必要に応じて、電極が相互に近づくように力をカ卩えて半田部を変形させてよい。例えば一方の電極を他方の電極に向かって押圧してよぐ半田部のコブラナリティを向上させることができる。この場合、力が加わった状態で、第 3の工程を実施してよいが、別の態様では、力を解放した状態で第 3の工程を実施してよぐこの方が簡便である。

発明の効果

[0013] 本発明によれば、上述のような、また、後で詳細に説明する金属粉を所定量で含有するフラックスを半田部と第 2電極との間に介在させた状態で、加熱によって第 1の電極に設けた半田部を溶融させ、溶融した半田を金属粉の表面伝いに濡れ拡がらせて第 2の電極に接触させることができ、その結果、接合不良や絶縁性低下を抑制して高品質の半田接合部を得ることができる。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]本発明のフラックスを用いて半田付けする本発明の半田付け方法の一実施の形態である電子部品実装において、電子部品にフラックスを供給して、その後、電子部品を基板に位置合わせする過程の工程説明図である。

[図 2]本発明のフラックスを用いて半田付けする本発明の半田付け方法の一実施の形態である電子部品実装において、電子部品を基板に位置合わせした後、これらを加熱することによって、これらの間に半田接合部をする過程の工程説明図である。

[図 3]本発明の半田フラックスを用いて半田付けする際に、半田接合部が形成される過程の模式的説明図である。

[図 4]本発明の一実施の形態の電子部品実装におけるフラックスの供給方法の種々の態様の模式的説明図である。

[図 5]種々の金属粉含有率のフラックスを用いて形成した半田接合部の接合不良率と金属粉含有率との関係を示すグラフである。

[図 6]種々の金属粉含有率のフラックスを用いて実施した半田接合後絶縁抵抗値と金属粉含有率との関係を示すグラフである。符号の説明

[0015] 1 基板

2 回路電極（または第 2の電極）

2a 回路電極の表面

3 フラックス

4 電子部品

5 外部接続用電極 (または第 1の電極）

6 バンプ (または半田部）、（6) 低すぎるバンプ、

6a 溶融状態の半田

7 フラックス容器 (または転写テーブル） 8 金属粉

9 ディスぺンサ

10 転写ピン

11 マスクプレート

11a パターン孔

12 スキージ

16 半田接合部

発明を実施するための形態

[0016] 次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図 1および図 2は、本発明の一実施の形態である半田付け方法を用いて電子部品を実装する方法の工程説明図、図 3は、本発明のフラックスを用いた半田接合過程の説明図、図 4は、本発明の一実施の形態である電子部品実装におけるフラックスの供給方法の説明図であり、いずれも側方から見た場合の様子を模式的に示す。

[0017] まず、図 1及び図 2を参照して、本発明のフラックスを用いた半田付けによる電子部品実装について説明することによって本発明の半田付け方法を説明する。この電子部品実装においては、第 1の電極として外部接続用電極 5を有する電子部品 4を、上面に回路電極 2が第 2の電極として形成された基板 1に半田付けにより実装する。尚、第 1の電極および第 2の電極は、いずれの形態であってもよぐ例えばパッド、ランド、配線の一部分、バンプ等であってよレ、。また、これらの電極を構成する材料は、電極用に常套的に使用されているいずれの既知の材料であってもよい。

[0018] 尚、本発明のフラックスを使用するに際して、第 2電極の半田部が接合する部分は、凹部であっても、あるいは平坦であってもよいが、後述するように形成される接合部は向上した絶縁性を有するので、本発明のフラックスは、半田部が接合する、第 2電極の部分が平坦であるカあるいはその窪み量が小さい場合に特に有効である。また、第 2部分が他の電極または導体と近接する場合にも特に有効である。従って、本発明のフラックスは、例えば第 2電極が基板上にて狭ピッチで隣接状態で形成され、これらの第 2電極に第 1電極をそれぞれ接合する場合に有効である。

図 1 (a)に示すように、電子部品 4はその下面に外部接続用電極 5を備えており、外部接続用電極 5には半田部としてのバンプ 6が形成されている。半田部は、第 1の電極 5に設けられた、鉛フリー半田材料から形成された部材であり、その形態は、上述のバンプの形態であっても、あるいは他のいずれかの適当な形態（例えばコーティング等）であってもよレ、。尚、半田部を電極に設けるには、いずれの適当な既知の方法 (例えば半田ボールの溶着または半田付け、メツキ法、ソルダ一^ ^一スト印刷法、ソルダーペーストデイスペンス法等）を使用してもよい。

[0019] 半田部が図示するようなバンプ 6の形態である場合、微細粒状の半田ボールを外部接続用電極 5に半田接合して形成される。尚、本発明に関する限り、半田とは、低融点の複数種類の金属から成る合金 (例えば銀 ·錫系合金、錫'亜鉛系合金、錫'ビスマス系合金、錫'インジウム系合金等）であって、これらの合金中に鉛がほとんど含まれない、あるいは実質的に含まれなレ、、いわゆる鉛フリー半田を半田材料として用レ、るものを意味する。そのような半田材料は、 240°C以下、好ましくは 210°C以下の融点を有するのが好ましい。

[0020] 一般的に、電極 5にバンプ 6を形成した後のバンプのサイズは、例えば半田ボールのサイズのばらつき、ハンダボールの付着方法などの原因によって必ずしも一様ではなぐ電子部品 4のバンプ 6の中には所定のサイズのバンプ 6よりも幾分高さ寸法が低い寸足らずのバンプ（図 1 (a)—（c)において（6)で示すバンプ参照）が発生し得る。このため、図示する各バンプ 6の下端部（頂部の位置）は同一平面上にはなぐ垂直方向にばらついている。即ち、バンプのコブラナリティが十分でない場合ある。

[0021] バンプ 6には、以下に説明するように、本発明のフラックス 3が例えば転写により塗布される。電子部品 4をフラックス 3の膜が形成された転写テーブル 7上に対して降下させてバンプ 6をフラックスに接触させた後、上昇させることにより、図 1 (b)に示すようにバンプ 6の下端部にはフラックス 3が転写塗布される（第 1の工程またはフラックス塗布工程)。フラックス 3は、電子部品 4を、以下に説明する基板 1へ実装するための半田付けにおいて、半田接合性を向上させるためにバンプ 6と回路電極 2との間に介在させて用いられるものである。

[0022] ここで、本発明のフラックス 3について説明する。フラックス 3は、樹脂成分 (例えば口ジン、変性ロジン、ポリアルキレングリコール（例えばポリエチレングリコール等）、ポリアミド榭脂等）を溶剤（例えばプチルカルビトール、イソプロピルアルコール等）に溶解した粘度の高レ、液状の基剤および活性成分ほたは活性剤）に金属粉 8とを混合して得られる組成物である。活性成分は、バンプ 6の表面に生成した半田の酸化膜を除去する目的でフラックス中に存在するものであり、このような酸化膜除去能力を有するものが用いられる。例えば樹脂酸 (例えばァビエチン酸等）、有機酸 (例えばタエン酸、ステアリン酸等）、塩基性有機化合物（例えばジェチルァミン塩酸塩、塩酸ァニリン等）等を例示できる。尚、本発明のフラックスでは、活性成分として、半田付け後の洗浄を必要としない低活性のもの（例えばァビエチン酸等）が含まれているのが好ましい。例えば、フラックス力ロジンおよび金属粉を含んで成り、他の（または追加の活性成分を含まない場合、低活性のフラックスとなり、この場合、半田付け後の洗浄を省略することができる。勿論、他の活性成分を含むことも可能である。

[0023] ロジンおよび変性ロジンは、バインダーの機能に加えて半田付けに際して活性成分としても機能するァビエチン酸等の樹脂酸を含むので、本発明のフラックスにおいてロジンおよび/または変性ロジンを樹脂成分として使用する場合、活性成分を別に追加することは必ずしも必要ではない。この場合、低活性を有するフラックスとなり、後述するように半田付け後の洗浄を省略することが可能である。し力ながら、より強い活性が必要である場合には、ロジンに加えて、追加の活性成分を加えてよい。また、ポリエチレングリコール、ポリアミド樹脂等のように樹脂成分が活性成分の機能を有さない場合には、活性成分 (例えば有機酸、塩基性有機化合物)を追加する必要がある。

[0024] 金属粉 8を構成する材料としては、半田部としてのバンプ 6に用いられる半田の融点（鉛フリー半田の場合、例えば 190°C— 220°C)より高い融点（好ましくは 10°Cまたはそれ以上高い融点、より好ましくは 20°Cまたはそれ以上高い融点）を有する金属である。好ましくは、そのような材料としては、大気中で金属粉 8の表面に自然酸化膜を生成しにくいものであって、さらにバンプ 6を形成する半田に対する濡れ性がよぐバンプ 6が溶融した流動状態の半田が金属粉 8の表面に沿って濡れ拡がりやすい金属が選定される。具体的には、このような条件を満足する材料として、例えば金、銀、パラジウム等の貴金属を例示でき、これらの金属は、その純度が 90%以上であるものが特に好ましい。

[0025] フラックス 3への金属粉の添加は、他の成分中に金属粉を混合することによって実施する。金属粉の添加量は、フラックス全体の体積を基準として、 1一 9vol%、好ましくは 2 7vol%、より好ましくは 3— 5vol%である。尚、本明細書において、 vol% (体積％)は、厳密には 25°Cを基準とし、金属粉を構成する要素 (例えば粒状物、鱗片状物）間の空隙を考慮しない金属粉の真体積に基づく（即ち、そのような空隙をも考慮する見かけ体積基準ではない）。尚、温度は、実用上、通常の室温（20°C 30°C )を基準としても金属粉の体積％は実質的に差がない。

[0026] 金属粉を構成する各要素は、種々の粒状またはその他の形態（例えば平板状、鱗片状、フレーク状、短繊維状、樹枝状、薄片状、不定形状等)であってよぐ例えば球状または不定形粒状であってもよぐそれらは角部分、凹部、凸部等を有してよい。後述するブリッジ形成機能は、金属粉の構成要素が鱗片状、薄片状またはフレーク状のような薄い形態である場合、あるいは樹枝状である場合に特に好都合に発現される。

[0027] 更に、本発明のフラックスにおいて使用する金属粉には、核となる金属要素の表面を半田に対する濡れ性がよく且つこの半田の融点よりも高い融点を有する金属でコ一ティングしたものから構成される金属粉をも含むものとする。即ち、金属粉の構成要素は、核およびその周囲の金属コーティング力成る。例えば、錫の粒の表面を純度 90%以上の金、銀、パラジウムのいずれかで覆った金属粉でもよぐ少なくとも表面力半田部の半田に対する濡れ性がよく且つこの半田の融点よりも高い融点を有する金属である金属粉であればよい。即ち、この場合、上述のように選定される金属の条件は、コーティングを構成する金属に当て嵌まる。

[0028] 尚、本発明のフラックスにおいて使用する成分は、金属粉を除いた他の成分については、一般的なフラックスにおいて使用されている材料を使用することができ、であつてよく、また、それらの量についても一般的に用いられる量であってよい。

[0029] 本発明のフラックスの一例では、樹脂成分 (例えばロジン）を溶剤（例えばプチルカルビトール）に溶解した液状の基剤と、バンプ 6の表面に生成した酸化膜を除去する作用を有する活性成分 (例えばァビエチン酸）と、バンプ 6を形成する半田に対する濡れ性がよく且つ、この半田の融点よりも高い融点を有する金属粉 8とを含み、金属粉は 1一 9vol%の範囲で含有されている。

[0030] フラックス塗布後、電子部品 4は基板 1に実装される。電子部品 4の基板 1への実装は、接続すべき電極間の位置が整合するように基板 1の上に電子部品 4を位置決めした後（即ち、基板と電子部品とを整合させた後）、加熱によりバンプ 6を溶融させて回路電極 2の上面に半田付けすることにより行う。これによつて、それぞれの外部接続用電極 5が対応する回路電極 2に所定のように電気的に接続されるとともに、電子部品 4は、溶融半田が固化して形成された半田接合部によって基板 1に固着される。

[0031] この実装過程においては、電子部品 4を基板 1の上方に位置させ、バンプ 6を回路電極 2に位置合わせして、基板 1に対して下降させる。そして、フラックス 3が塗布されたバンプ 6を回路電極 2に着地させてバンプ 6と回路電極 2との間にフラックス 3を配置する（第 2の工程または電子部品搭載工程)。尚、必要に応じて、図 1 (c)に示すように電子部品 4を所定の押圧力 Fで基板 1に対して押圧してよぐこれにより、平均的な高さを有するバンプ 6については、バンプ高さに多少のばらつきがあってコプラナリティが不十分であっても、高めのバンプ 6が押圧力によって高さ方向につぶされることにより低くなり、バンプ 6の高さのバラツキが小さくなり、その結果、バンプのコプラナリティが向上し、大部分のバンプ 6の下端部が回路電極 2の上面に接触できる。尚、押圧する場合、次の半田溶融工程においても押圧を継続してもよぐあるいは、押圧力を解放して電子部品 4の自重のみが基板に作用するように操作してもよい。

[0032] これに対し、寸足らずのバンプ（6) (即ち、高さが低過ぎるバンプ）は、他の平均的な高さのバンプ 6が多少押しつぶされて電子部品 4全体の位置がその分だけ下降しても、なおバンプ（6)の下端部が回路電極 2の表面に接触せず、バンプ (6)の下端部と回路電極 2との間に隙間が残る状態となる（図 1 (c)参照）。尚、バンプ 6のサイズに大きなばらつきが存在しない場合においても、電子部品 4が薄型の樹脂基板などの反り変形を生じやすい基板の下面にバンプ 6を形成したタイプのものである場合には、そのような基板の反り変形によって外縁側に位置するバンプの下端部と回路電極 2との間に同様に隙間が生じる場合がある。

[0033] 電子部品を搭載した後、バンプ 6を溶融させて第 1の電極 5を回路電極 2に半田接合する半田付過程（第 3の工程または半田溶融工程）について説明する。図 1 (c)に示すように電子部品 4を搭載した基板 1を加熱してバンプ 6を溶融させる。この加熱は、いずれの適当な方法で実施してもよぐ例えば電子部品 4を搭載した基板 1をリフロー炉に送って加熱する。このとき、図 2 (a)に示すように、平均的な高さのバンプ 6については下端部が回路電極 2に接触した状態で、また、寸足らずのバンプ（6)については、その下端部と回路電極 2との間にフラックス 3が介在した状態で、加熱が行われる。

[0034] このような加熱により、バンプ 6および (6)とも、回路電極 2に半田接合される力この接合過程の半田の挙動は、バンプ下端部が回路電極 2に接触しているか否かによつて異なったものとなる。図 2 (b)に示すように、バンプ下端部が回路電極 2に接触しているバンプ 6では、バンプ 6が加熱によって溶融すると、溶融状態の半田 6aは直ちに半田濡れ性のよい材質の回路電極 2の表面に沿って良好に濡れ拡がり、外部接続用電極 5は回路電極 2と半田 6aによって連結される。このとき、フラックス 3中に含まれる活性成分によってバンプ 6および/または回路電極 2の表面の酸化膜が除去される。その後、冷却されて、図 2 (c)に示すように、半田接合部 16が形成される。

[0035] これに対し、バンプ（6)においては、その下端部と回路電極 2の表面 2aとの間に隙間があることから、外部接続用電極 5と回路電極 2の半田 6aによる連結は、図 3に示すような過程を経て行われると推定される。図 3 (a)は、リフロー炉における加熱によつて半田部としてのバンプ（6)の溶融が始まった時の状態を示している。ここで、バンプ (6)の下端部と回路電極 2の表面 2aとの間に介在するフラックス 3中の金属粉 8に関して、金属粉の構成要素 (例えば、粒、鱗片等）がランダムな姿勢で多数存在するため、バンプ（6)の下端部と回路電極 2の表面 2aとを結ぶブリッジが金属粉の構成要素によって形成され易い（図 3 (a)にて矢印 aで示す部分参照）。

[0036] ここで、ブリッジとは、金属粉 8の構成要素が相互に近接した状態にあり、これらがあた力、も連続的に一繋がりとなって存在するとみなし得る状態をいう。尚、ある構成要素とそれに隣接する構成要素とが短い距離を隔てて離れていても、あるいはこれらが相互に接触していてもよい。そして、近接した状態とは、金属粉 8の 1つの構成要素の表面を濡らして覆ってレ、る流動状態の半田が表面張力によってある厚さの層または塊を形成する場合、そのような厚さの半田の層または塊の表面が該 1つの構成要素に隣接する他の 1または複数の構成要素に接触する程度の距離で、これらの構成要素が離れて存在する (接触して存在する場合も含む)ような金属粉 8の状態をレ、う。

[0037] 金属粉 8の構成要素の多数がこのような近接した状態で存在することにより、一繋カ^で存在する金属粉 8の構成要素の一方の端部に接触した溶融半田は、端部に位置する、半田濡れ性のよい金属でできた構成要素の表面を覆って拡がり、ある厚さを有する溶融半田の層または塊を形成し (好ましくはその構成要素を包み込み）、次に、そのように形成された溶融半田の層または塊が端部の構成要素に隣接する他の構成要素に接触して、その構成要素の表面を覆って拡がり溶融半田の層または塊を形成し、これが、更に隣接する次の構成要素の表面を覆って拡がる。このように、半田部が溶融して生成する溶融半田は、近接して一繋がり状態にある構成要素を近い側の端から他方の端に向かって順次覆って拡がっていく。このように溶融半田が一繋がりの構成要素を覆っていくことによって、溶融半田が構成要素に沿って移動し、溶融半田は電極表面 2aに到達する。この濡れ拡がりによる半田の移動が一繋がりの他方の端部まで連続して生じることによって、これらの一繋がりの金属粉 8は、図 3 (a )と図 3 (b)とを比較して分かるように、バンプ（6)の下端部と回路電極 2の表面 2aとを結ぶブリッジとして機能し、このブリッジによって溶融半田 6aが電極表面 2aに到達できる。

[0038] 本発明のフラックスでは、金属粉 8の材質として半田部に用いられる半田の融点よりも融点が高い金属、例えば金や銀等の貴金属を用いていることから、半田が溶融状態となるような高温に加熱された場合においても、金属粉 8は確実に固体状態で存在する。これに対して、フラックス中に半田粒子を含有させたクリーム半田を用いる半田付け方法では、リフロー時の加熱によってフラックス中の半田粒子も同時に溶融してしまい、バンプ（6)の下端部と回路電極 2の表面 2aとの間の隙間内で溶融半田を橋渡しするブリッジが形成されないのに対し、本発明の半田付けフラックスでは、上述のブリッジを確実に形成できる。

[0039] 本発明のフラックスにおいて、金属粉 8の形状として、上述の金属を鱗片状に加工した構成要素を用いることが特に好ましい。この場合、鱗片形状の厚さに垂直な方向、特に鱗片形状の構成要素の長手方向がバンプ (6)の下端部と回路電極 2の表面 2 aとの間の隙間の橋渡し方向（即ち、図 3における縦方向）と平行になる、あるいは平行に近くなるような姿勢で構成要素が存在する場合、金属粉 8は一層ブリッジを形成し易くなり、比較的低い金属粉の含有率であっても効率よくブリッジを形成できる。金属粉が薄片状要素から成る場合にも同様である。

[0040] 上述のようなブリッジを伝って溶融半田 6aが電極表面 2aに一旦到達すると、流動状態の半田 6aは半田濡れ性の良好な電極表面 2aに沿って濡れ拡がる。この半田 6 aの濡れ拡がりにより、図 3 (c)に示すように、電極表面 2a近傍のフラックス 3は外側に押しのけられ、当初回路電極 2との間に隙間を生じていたバンプ（6)を用いても、外部接続用電極 5は半田 6aによって回路電極 2と全面的に連結される。

[0041] この場合においても、フラックス 3中に含まれる活性成分によって接合性が向上するが、上述のようにブリッジが形成されることによって、バンプ表面の酸化膜が部分的にのみ除去されている場合においても良好な半田接合性が確保されるため、フラックス 3中に含まれる活性成分には強レ、活性作用は必ずしも要求されなレ、。換言すれば、金属粉 8の添加により、活性作用が弱い低活性フラックスの使用が可能となり、この場合、半田接合後にフラックスが残留した状態においても回路電極が活性成分によつて腐食される可能性が低い。従って、本発明のフラックスを使用する場合、半田付け後にフラックス除去のための洗浄を行わない無洗浄の半田付工法においても、接合部の十分な信頼性を確保することができる。

[0042] 図 3 (c)は、リフロー工程における所定の加熱シーケンス（半田溶融工程）を終了して、第 4の工程または冷却工程にて冷却した状態を示している。すなわち、バンプが溶融した半田 6aが冷却によって固化することにより、外部接続用電極 5と回路電極 2 とを半田接合により連結する半田接合部 16が形成される。この半田接合部 16の電極表面 2a近傍には、半田付け過程において半田中に取り込まれた金属粉 8が存在しており、場合によっては、合金状態あるいは固溶状態で存在している。

[0043] 尚、回路電極 2の表面 2aやその周囲にはフラックス 3から溶剤成分が蒸発した後の残渣 (樹脂成分や活性成分)が、半田接合部 16中に取り込まれなかった金属粉 8とともに残留する（図 3 (c)参照）。本発明のフラックスにおいて、金属粉含有率は上述のように 1一 9vol%、好ましくは 2— 7vol%、より好ましくは 3— 5vol%の範囲であり、これは比較的低含量であることから、後述するように半田接合後において近接する電極ほたは配線）との間で絶縁不良が起こり難い。特に、活性成分の活性作用が低い場合には、絶縁不良が一層起こり難い。絶縁不良がマイグレーションによって生じる場合には、本発明のフラックスが金属粉をこのような低含量で含むことが有利に作用する。

[0044] 図 2 (c)は、上述のようにして外部接続用電極 5と回路電極 2を連結する半田接合部 16が全ての外部接続用電極 5と回路電極 2との間について形成された状態を示している。即ち、半田付けの対象となる外部接続用電極 5と回路電極 2の組み合わせにおいて、当初は寸足らずのバンプ（6)については、その下端部と回路電極 2との間に隙間が生じていた場合にあっても、本発明のフラックスおよび半田付け方法を適用することにより、良好な半田付けを行うことができる。

[0045] 尚、上述の態様では、フラックス 3を供給するフラックス塗布工程において、バンプ 6 にフラックス 3を転写して供給する例を示している力これ以外にも各種の方法を用いること力 Sできる。例えば、図 4 (a)に示すように、デイスペンサ 9から電極 2上にフラックス 3を吐出させることにより、フラックス 3を回路電極 2へ供給するようにしてもよい。また、図 4 (b)に示すように、転写ピン 10を用いてそれに一旦フラックスを付着させ、その付着したフラックス 3を回路電極 2上に転写により供給するようにしてもよい。

[0046] 更に別の態様では、図 4 (c)に示すように、スクリーン印刷によって回路電極 2上にフラックス 3を印刷するようにしてもよい。即ち、回路電極 2に対応したパターン孔 11 a が設けられたマスクプレート 11を基板 1上に装着し、スキージ 12によってパターン孔 11a内にフラックス 3を充填して回路電極 2の表面に印刷する。当然ながら、本発明のフラックスを、半田部または接続すべき電極のいずれか一方のみに供給してよぐあるいは双方に供給してもよい。

[0047] 次に、図 5および図 6を参照して、フラックス中の金属粉含有率と、フラックスを用いてバンプ 6を回路電極 2に接合した半田接合部の接合品質との関係について説明する。

[0048] (フラックスの調製）樹脂（活性成分を含む）としてロジンを、溶剤としてアルコールおよびベンゼンを、樹脂：溶剤 = 3 : 2 (重量基準)で含み、更に種々の割合で金属粉を含むフラックスを調製した。尚、金属粉として、銀の鱗片状物を使用し、その含有率は 0. 5vol%、 1. 00vol%、 3. 00vol%、 6. 00vol%、 9. 00vol%および 12. 00vol%とした。尚、使用した金属粉の最大寸法の平均値は 5 μ m— 20 μ mの範囲内であった。

[0049] 別の種類のフラックスとして、樹脂（活性成分を含む）としてロジンを、溶剤としてァルコールを、追加の（または他の）活性成分として塩酸ァニリンを、樹脂：溶剤：追加の活性成分 = 20 : 10 : 1 (重量基準）で含み、更に種々の割合で金属粉を含むフラッタスを調製した。尚、金属粉として、銀の鱗片状物を使用し、その含有率は 0. 50vol %、 1. 00vol%、 3. 00vol%、 6. 00vol%、 9. 00vol%および 12. 00vol%とした。尚、使用した金属粉の最大寸法の平均値は 5 μ m 20 μ mの範囲内であった。

[0050] (電子部品の実装）

調製したフラックスを用いて、モデルとしての電子部品 4を基板 1に半田接合して実装し、形成した接合部の接合不良率を算出した。半田接合は、先に図 1および図 2を参照して説明したように実施した。電子部品 4として、カシオマイクロ二タス (株)製 WL CSP (wafer level chip size package, 112ピン、ピッチ 0. 5mm)を使用し、その外部接続用電極 5に半田部として設けたバンプ (材料:錫一銀系鉛フリー半田、バンプ高さ 0. 25mm,ボール直径 0. 3mm)の内、四隅に位置するものについて、意図的に低いバンプ（即ち、寸足らずのバンプ）としたものを用いた。この低いバンプと他のバンプとの高さの差は、 0. 05mmとした。バンプにフラックスを塗布したこの電子部品を基板に押圧して搭載した後、リフロー炉に供給して半田付けを実施した。別の部品として、低いバンプと他のバンプとの高さの差を 0. 1mmとしたものも実装した。

[0051] (接合性の評価）

図 5はフラックス中の金属粉含有率と接合不良率との相関を示しており、金属粉含有率を種々変化させた場合の接合不良、即ち、半田付け完了状態においてバンプ 6 が回路電極 2に接合されてレ、なレ、接合不良の発生度数を％で表している。

[0052] 図 5のグラフから分かるように、フラックス中に金属粉がほとんど存在しない場合には、高い接合不良率を示しているが、金属粉含有率が lvol%以上になるといずれの場合においても接合不良率の発生は 0%であり、接合の面から見れば金属粉含有率が lvol%以上であるのが好ましいことが分かる。

[0053] (絶縁性の評価）

上述のように調製したフラックスを用いて半田接合部を形成し、その絶縁性を電圧印加高温高湿テスト（アメリカ電子回路協会（IPC_Association Connecting

Electronics Industries)規格 IPCZjEDEC J—STD—020C)により評価を実施した

[0054] この評価には、基板として FR— 4を用レ、、その上に形成し JIS Z 3284. 3の 2型のくし歯電極に鉛フリー半田（Sn— 3Ag_0. 5Cu)のプリコート (30 μ m厚）を形成したものを使用した。この基板の半田プリコートに、厚さ 50 z m、開口幅 300 μ ΐηのパターン孔を有するメタルマスクを用いて上述のフラックスをスクリーン印刷で供給し、リフロー工程に付し（予熱 150°C 170°C (60秒）、ピーク温度 240°C)、半田付け完了状態の基板をシミュレートした。

[0055] その後、得られた基板を電圧印加高温高湿テスト（温度 85°C、湿度 85%、印加電圧 20Vの条件にて実施）に付し、電極間の抵抗値を測定した。図 6はフラックス中の金属粉含有率と絶縁抵抗値との相関を示しており、金属粉含有率を種々変化させた場合の絶縁抵抗値、すなわち半田付け完了状態の基板を想定して行った電圧印加高温高湿テストで測定された抵抗値を表している。

[0056] 図 6のグラフから分かるように、絶縁抵抗値はフラックス中の金属粉含有率が大きくなるにつれて低下する傾向を示しており、金属粉 8を過度に添加すると半田付け後の絶縁性が低下することを示している。尚、絶縁性の許容限度を示す下限抵抗値が 10 未満の場合、基板を洗浄して半田付け後に残留するフラックスを除去する必要力ある。し力、しながら、金属粉含有率を 9vol%以下とすることにより、半田付け後の洗浄を必要としない無洗浄タイプのフラックスとすることができる。この知見を考慮すると、本発明のフラックスにおいて、金属粉含有率が 9。/₀以下であることが好ましぐその場合、本発明のフラックスを無洗浄タイプのフラックスとして使用できる。

[0057] 即ち、金属粉含有率が 1一 9vol%の範囲に含まれるように金属粉 8の混合割合を設定すれば、接合性と絶縁性のいずれにも優れた無洗浄タイプのフラックス 3が実現される。その結果、硬度が高くてバンプがつぶれにくい鉛フリー半田によってバンプが半田部として形成された電子部品を対象とする場合において、バンプサイズのばらつきによってバンプと基板の回路電極との間に隙間が生じている状態においても、バンプが回路電極と正常に半田付けさない実装不良の発生を有効に防止することができるとともに、半田付け後のフラックス除去のための洗浄を省略した無洗浄工法を採用する場合においても良好な絶縁性を確保することができる。

[0058] 従って、そのような本発明のフラックスを用いて実施する電子部品実装における半田付方法は、半田部としてのバンプ 6が形成された外部接続用電極 5を回路電極 2 に半田付けする半田付方法であって、本発明のフラックス 3をバンプ 6および回路電極 2の少なくとも一方に塗布する第 1の工程と、バンプ 6と回路電極 2を位置合わせすることによりフラックス 3をバンプ 6と回路電極 2との間に介在させる第 2の工程と、加熱によってバンプ 6を溶融させて金属粉 8の表面伝いに濡れ拡がらせることにより溶融した半田を回路電極 2に接触させる第 3の工程と、第 3の工程の後に溶融した半田を冷却して固化させる第 4の工程とを含む。

[0059] この半田付け方法により、バンプ 6と回路電極 2との間に隙間が存在する場合にあつても、第 3の工程においてバンプ 6が溶融した半田を金属粉 8が形成するブリッジによって導いて回路電極 2へ確実に接触させることができ、隙間に起因する半田付け不良を防止することができる。

[0060] 尚、上記実施の形態においては、第 1の電極が電子部品 4に形成された外部接続用電極 5であり、半田部が外部接続用電極 5に形成されたバンプ 6であり、第 1の電極 5を第 2の電極である回路電極 2に半田接合する例について説明したが、本発明は上記態様に限定されるものではなぐ例えば、第 1の電極が、基板に形成された回路電極であり、半田部がそのような回路電極に形成された半田プリコートであるような場合にも本発明を適用することができる。

[0061] 尚、本発明のフラックスを使用した半田付方法では、上述のように半田付け後の基板の洗浄工程を不要にすることができるが、別の態様では、半田付け後に洗浄工程を付加してもよぐこの場合、残存するフラックス残渣を除去して絶縁性が一層向上する。産業上の利用可能性

[0062] 本発明のフラックスを用いると、接合不良や絶縁性の低下を招くことなく高品質の半田接合部を得ることができ、このことは、鉛フリー半田による電気的接合部の形成、例えば、電子部品を鉛フリー半田によって基板に半田付けする半田付方法に対して非常に有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする際に前記半田部と前記第 2の電極の間に介在させる半田付用のフラックスであって、

樹脂成分を溶剤に溶解した液状の基剤と、

酸化物を除去する作用を有する活性成分と、

前記半田部の融点よりも高い融点を有する金属から成る金属粉と

を含んで成り、前記金属粉を 1一 9vol%の範囲で含有することを特徴とするフラックス

[2] 前記金属粉を構成する金属が、それぞれが純度 90%以上の金、銀およびパラジゥムから成る群から選択される少なくとも 1種であることを特徴とする請求項 1記載のフラッタス。

[3] 前記金属粉を構成する金属は、表面に自然酸化膜を生成しにくい金属であることを特徴とする請求項 1または 2記載のフラックス。

[4] 前記金属粉は、薄片状、鱗片状または樹枝状であることを特徴とする請求項 1一 3 のレ、ずれかに記載のフラックス。

[5] 半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする際に前記半田部と前記第 2の電極の間に介在させる半田付用のフラックスであって、

樹脂成分を溶剤に溶解した液状の基剤と、

酸化物を除去する作用を有する活性成分と、

核およびその周囲のコーティングを有する構成要素から構成された金属粉であって、コーティングは前記半田部の融点よりも高い融点を有する金属から成る金属粉とを含んで成り、前記金属粉を 1一 9vol%の範囲で含有することを特徴とするフラックス

[6] 構成要素のコーティングを形成する金属は、それぞれが純度 90%以上の金、銀およびパラジウムから成る群から選択される少なくとも 1種であることを特徴とする請求項 5 記載のフラックス。

[7] 構成要素のコーティングを形成する金属は、表面に自然酸化膜を生成しにくい金属であることを特徴とする請求項 5または 6記載のフラックス。

[8] 樹脂成分および活性成分としてロジンまたは変性ロジンを含む請求項 1一 7のいずれかに記載のフラックス。

[9] ロジンまたは変性ロジンに由来する活性成分に加えて、他の活性成分を更に含んで成る請求項 8記載のフラックス。

[10] 半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする半田付方法であって請求項 1一 9のいずれかに記載のフラックスを前記半田部および前記第 2の電極の少なくとも一方に供給する第 1の工程と、

前記第 1の電極の半田部と第 2の電極を位置合わせすることにより前記フラックスを前記半田部と第 2の電極との間に介在させる第 2の工程と、

加熱によって前記半田部を溶融させて、溶融した半田を前記第 2の電極に接触させる第 3の工程と、

を含むことを特徴とする半田付方法。

[11] 半田部は、第 1の電極に形成されたバンプである請求項 10記載の半田付方法。

[12] 第 1の電極は、電子部品の外部接続用電極である請求項 10または 11記載の半田付方法。

[13] 第 2の電極は、基板に形成された回路の電極である請求項 10— 12のいずれかに記載の半田付方法。

[14] フラックスの供給は、フラックスの膜を形成し、この膜に前記半田部の下端部を接触させてフラックスを塗布するフラックス塗布工程によって実施する請求項 10— 13のいずれかに記載の半田付方法。

[15] 前記半田溶融の固化は、溶融半田を冷却する冷却工程によって実施する請求項 1 0— 14のいずれかに記載の半田付方法。