WO2013099853A1 - ソルダペースト - Google Patents

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咲枝 岡田
素基 興梠
博晶 井関
太郎 糸山
善次 坂本
敬昌 林
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千住金属工業株式会社
株式会社デンソー
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Definitions

  • the present invention relates to a solder paste in which a flux and solder powder are mixed, and more particularly, to a solder paste that has an effect of suppressing separation of flux and can be used in a discharge method, and can realize no residue of flux.
  • FIG. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, and 7F are explanatory diagrams illustrating an example of a screen printing method.
  • a screen 104 made of a steel plate in which an opening 103 is formed in accordance with the electrode 102 of the substrate 101 and the substrate 101 are brought into close contact as shown in FIG. 7B.
  • solder paste S is put on the screen 104, and as shown in FIG. 7D, the solder paste S is opened by sliding in the direction of arrow F while the squeegee 105 is in close contact with the screen 104.
  • the solder paste S is filled by sliding in the direction of arrow F while the squeegee 105 is in close contact with the screen 104.
  • solder paste S filled in the opening 103 of the screen 104 is transferred to the substrate 101 side by separating the screen 104 and the substrate 101.
  • Solder paste supply method by screen printing has become the most inexpensive and accurate method for supplying solder paste when continuously producing the same type of board, and it has become smaller as the board becomes lighter and thinner. The position is maintained as a method for supplying paste to the extremely narrowed soldering part.
  • the subject needs to be a plane.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of a discharge method.
  • the discharging method the solder paste S is packed in the syringe 106, and the solder paste S is discharged from the nozzle 107 attached to the tip of the syringe 106 using the pressure of air or the like, and the solder paste S is applied to the electrode 102 of the substrate 101. Applied.
  • the discharge method does not have to be a plane to be supplied, and can be supplied even to a subject having a three-dimensional structure, and the supply amount can be freely changed.
  • FIG. 9A, FIG. 9B, FIG. 9C, and FIG. 9D are operation explanatory views showing an example of a manufacturing process of an electronic device.
  • the solder paste S is applied from the nozzle 107 to the die bonding portion 111 of the substrate 110 by the discharge method described in FIG.
  • a plating layer made of Ni (not shown) is formed on the die bonding portion 111.
  • an element 112 such as a power element is mounted on the die bonding portion 111 to which the solder paste S is applied, as shown in FIG. 9B.
  • An Ni plating layer (not shown) is also formed on the bonding surface of the element 112.
  • the die bonding is a process of soldering the element 112 to the die bonding part 111 of the substrate (substrate) 110.
  • the element 112 is mounted on the die bonding part 111 to which the solder paste S is applied, and soldering is performed in a reflow furnace.
  • solder paste is sometimes used from the viewpoint of productivity and cost.
  • the bonding pad 113 of the element 112 and the lead part 114 of the substrate (substrate) 110 are connected by wire bonding.
  • Wire bonding is used to connect the element 112 to an internal circuit or an external terminal.
  • a wire 115 such as an Al wire or an Au wire is connected by vibration pressing with ultrasonic waves.
  • the element 112 and the lead part 114 are connected by wire bonding, as shown in FIG. 9D, the element 112 and the lead part 114 are molded with resin. In the molding, the element 112 and the lead part 114 are sealed with an epoxy resin 116 for the purpose of mechanical reliability, electrical reliability, and protection of a soldered part and a circuit.
  • ⁇ About flux for solder paste> The basic characteristics of the flux for soldering require performances such as removal of metal oxides, prevention of reoxidation during melting of the solder, and reduction of the surface tension of the solder.
  • the flux When such a flux is used in the solder paste, the flux must have the characteristic of suppressing the precipitation of the solder powder due to gravity after mixing and dispersing the solder powder having a large specific gravity and the flux. This is called the flux separation suppression effect.
  • the solder powder dispersed in the flux will settle due to its own weight, and the flux will rise.
  • the flux density in the solder paste is made and stable supply cannot be achieved.
  • the dispersed state can be restored by stirring the solder paste.
  • solder paste S packed in the syringe 106 as in the discharge method shown in FIG. 8
  • the solder paste S cannot be stirred when the separation of the flux occurs.
  • outside air is taken into the solder paste S during the stirring, and this causes empty shots that occur during discharge.
  • the flux used for the solder paste used in the discharge method must be one that has a high flux separation inhibiting effect.
  • the discharge method pressurizes the syringe filled with solder paste and causes the solder paste to flow due to the pressure difference, so the flux and solder powder flow rate is the same during the solder paste flow. Otherwise, the discharge amount will not be stable.
  • the component of the flux used in the solder paste includes a component that does not decompose or evaporate by heating during soldering, and remains as a flux residue around the soldered portion after soldering.
  • the flux residue is corrosive, the soldering part is gradually eroded, causing a short circuit due to migration and a dropout of the soldering part due to corrosion.
  • the flux residue adversely affects the wire bonding property and moldability in the subsequent process. It also affects the insulation reliability of the circuit. Furthermore, in FIG. 9C wire bonding, the surface contamination of a to-be-joined part affects bondability.
  • the higher fatty acid amide added to the flux as a thixotropic agent in Patent Document 1 is excellent in fluidity improving properties as a viscosity modifier and has the effect of decomposing to the residue when heated. The effect as an agent is poor.
  • An object of the present invention is to provide a solder paste that eliminates such unstable ejection and suddenly clogged nozzles, and is free of residue due to decomposition of the flux by heating during soldering. .
  • the material used for the flux for solder paste which has the property of becoming non-residue after heating by reflow soldering, is selected from materials that evaporate / sublimate by heating, and the flux is actually mixed to form solder paste, which is discharged Incorporated into the apparatus, intermittently applied pressure to monitor the discharge amount, and searched for a flux formulation that would ensure that the nozzle was not clogged during discharge and that the discharge amount was stable.
  • the inventors realized discharge stability by combining the effect of preventing sedimentation of solder powder with polyalkylmethacrylate and the effect of increasing the fluidity of solder paste when pressure is applied to the syringe with stearamide.
  • the present inventors have found a solder paste that is suitable for a discharge method in which the supply of solder paste can be freely controlled regardless of the screen, and that takes into account the characteristic that the flux becomes non-residue after soldering.
  • the present invention relates to a solder paste produced by mixing a solder powder and a flux, and the flux is a methacrylic acid polymer that prevents the solder powder from settling in a room temperature range and decomposes or evaporates in the heating process during soldering.
  • Solder paste containing 1.0% by mass to less than 2.0% by mass of polyalkyl methacrylate and 5.0% by mass to less than 15.0% by mass of stearamide as a viscosity modifier and having a viscosity of 50 to 150 Pa ⁇ s. It is.
  • the flux content in the solder paste is preferably 11% by mass to less than 13% by mass.
  • the flux is decomposed or evaporated by heating by reflow soldering, so that no flux residue remains, and no residue can be realized.
  • it maintains the characteristics that the flux becomes non-residue after reflowing, prevents the solder powder from settling, and maintains the desired viscosity to stabilize the discharge amount during discharge supply by the discharge method. Can do.
  • the application position and application amount of the solder paste can be changed, and an inexpensive manufacturing process can be provided at the time of assembling a multi-spec electronic board or electronic component.
  • the solder paste of the present embodiment is generated by mixing flux and solder powder.
  • the flux contained in the solder paste contains a methacrylic acid polymer as a thixotropic agent that prevents sedimentation of the solder powder.
  • a methacrylic acid polymer polyalkyl methacrylate having an alkyl group is preferable.
  • stearamide is included as a viscosity modifier.
  • the alloy composition of the solder powder to be mixed is not particularly limited.
  • the solder powder In the solder paste in which the solder powder is mixed with the flux added with polyalkylmethacrylate, the solder powder is prevented from settling at room temperature such as room temperature, and when the solder paste is used in the discharge method, Even when the syringe is packed and cannot be stirred, the separation of the solder powder and the flux is suppressed.
  • Polyalkylmethacrylate evaporates during the heating process during soldering, and after soldering, the flux does not substantially remain and is not residue.
  • the time required for evaporation of the polyalkyl methacrylate varies depending on the content of the polyalkyl methacrylate added to the flux.
  • the solder paste discharge amount is affected by the viscosity of the solder paste in addition to the suppression of the separation of the solder powder and the flux.
  • the viscosity of the solder paste varies depending on the content of stearamide added to the flux. Also, the viscosity of the solder paste varies depending on the flux content in the solder paste and the particle size of the solder powder.
  • the viscosity of the solder paste is high, the lower the viscosity of the solder paste, the more the amount of solder paste discharged tends to increase.
  • the viscosity of the solder paste decreases as the flux content in the solder paste increases. However, when the flux content is increased, the time until no residue is obtained becomes longer. Moreover, when the viscosity of the solder paste is too low, separation of the solder powder and the flux cannot be suppressed.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a composition example of the solder paste of the present embodiment in a graph.
  • FIG. 1 shows the content of polyalkyl methacrylate, the content of stearic acid amide, and the viscosity of the solder paste by a combination of polyalkyl methacrylate and stearic acid amide at a predetermined content.
  • the time required for the evaporation of the polyalkyl methacrylate is considered in the heating process during soldering.
  • the content of the polyalkyl methacrylate in the flux is preferably 1.0% or more and less than 2.0%.
  • the stearamide content in the flux is preferably 5.0% or more and less than 15.0%.
  • the solder paste has a viscosity of 50 Pa ⁇ s or more and less than 150 Pa ⁇ s in consideration of suppressing separation of the flux and solder powder and securing the amount of solder paste discharged when used in the discharge method. Is preferred.
  • the viscosity of the solder paste is 50 Pa ⁇ s to 150 Pa ⁇
  • the content of polyalkyl methacrylate and stearamide is selected so as to be less than s.
  • a region indicated by a solid line in FIG. 1 is an optimal region that satisfies the conditions that can be discharged by using the discharge method and that are free from residue by heating during soldering.
  • the solder paste of the present embodiment When the solder paste of the present embodiment is used in the discharge method, the nozzle is prevented from being clogged and a desired discharge amount is secured.
  • the solder paste of the present embodiment uses a flux having a composition that evaporates in the heating process during soldering, thereby realizing no residue.
  • the performance of the flux is lost when the solder melts, such as decomposition and removal of metal oxides, prevention of reoxidation during solder melting, and reduction in solder surface tension. Therefore, the soldering ability by the flux becomes insufficient. For this reason, in the heating process at the time of soldering, the inside of the reflow furnace is set to a non-oxidizing atmosphere or a weak reducing atmosphere (5% H 2 or less) that does not explode.
  • Flux of composition 1 to composition 3 was prepared with the composition shown in Table 1 below. Each flux of composition 1 to composition 3 was mixed with solder powder (Sn-3Ag-0.5Cu particle size 25 to 36 ⁇ m) so that the flux content would be 10%, 11% and 12%. 9 types of solder pastes A to I shown in FIG. And when solder paste was used by the discharge method, it compared about the relationship between the content of flux, and the discharge amount of a solder paste.
  • FIG. 2 is a graph showing the transition of flux content and solder paste discharge rate. As shown in the graph of FIG. 2, in the solder paste containing the flux having the composition shown in Table 1, the nozzle clogged within 5 hours from the start of discharge except for the solder paste I in which the content of the flux of the composition 3 is 12%. Occurred and subsequent discharge became impossible.
  • the time until the nozzle is clogged tends to increase as the flux content in the solder paste increases.
  • the time until the nozzle is clogged tends to be longer in the compositions 2 and 3 containing the polyalkyl methacrylate than in the composition 1 not containing the polyalkyl methacrylate.
  • solder pastes A to C with a flux content of 10% are not significantly affected by the flux composition, and the time until the nozzle is clogged with any of the composition 1 to composition 3 fluxes. It tends to be shorter.
  • the flux content in the solder paste needs to be 11% or more.
  • Flux of composition 4 to composition 7 was prepared with the composition shown in Table 3 below, and each flux of composition 4 to composition 7 and solder powder ( Sn-3Ag-0.5Cu particle size of 25 to 36 ⁇ m) was mixed to prepare four types of solder pastes J to M shown in Table 4. And the discharge test was implemented on the conditions mentioned above, and when the solder paste was used by the discharge method, the relationship between the composition of the flux and the discharge amount of the solder paste was compared.
  • FIG. 3 is a graph showing the transition of the flux composition and the discharge amount of the solder paste. As shown in FIG. 3, there was no solder paste in which nozzle clogging occurred for a predetermined continuous discharge time, in this example, for 5 hours. This is considered to be due to the effect of stearamide as a lubricant in addition to the effect of inhibiting separation of the flux and solder paste by polyalkylmethacrylate.
  • the solder paste that can be discharged as the solder paste is the solder pastes J to L that use the flux of the composition 4 to the composition 6, and the solder paste M that uses the flux of the composition 7 has too little discharge amount. It was found to be unsuitable for discharge.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the flux content, the particle size of the solder powder, and the viscosity of the solder paste. As shown in FIG. 4, when the flux content in the solder paste increases, the viscosity of the solder paste tends to decrease. Moreover, when the particle size of the solder powder is reduced, the viscosity of the solder paste tends to increase.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the flux content, the particle size of the solder powder, and the discharge amount of the solder paste.
  • the amount of solder paste discharged tends to increase.
  • the particle size of solder powder becomes large, the discharge amount of solder paste tends to increase.
  • the data of solder paste V in which the particle size of the solder powder is 25 to 36 ⁇ m and the flux content is 13% is missing. This is because the viscosity of the solder paste is too low, and the flux in the solder paste is separated before the discharge test is performed, making the discharge test impossible.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the viscosity of the solder paste and the discharge amount of the solder paste. As shown in FIG. 6, when the viscosity of the solder paste is 150 Pa ⁇ s or more, the average discharge amount is 1 mg or less, and the discharge amount is too small to be suitable for discharge. On the other hand, when the viscosity of the solder paste is lower than 50 Pa ⁇ s, problems such as nozzle clogging occur due to the flux separation phenomenon described above, which is also unsuitable for ejection.
  • the optimum viscosity range of the solder paste was 50 to 150 Pa ⁇ s.
  • the flux has a composition in which the polyalkyl methacrylate content is 1.0% to less than 2.0% and the stearamide content is 5.0% to less than 15.0%.
  • the solder paste has a viscosity of 50 Pa ⁇ s to 150 Pa ⁇ s.
  • the solder paste of the present invention can be applied to supply by a discharge method because it can prevent the settling of solder powder and can achieve no residue of the flux after soldering.

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Abstract

　吐出法で使用される場合に突如として発生するノズルの詰まりを解消し、かつ、はんだ付け時の加熱でフラックスが分解して無残渣となるソルダペーストを提供する。　はんだ粉末とフラックスが混合されて生成されたソルダペーストにおいて、フラックスは、常温域ではんだ粉末の沈降を防止し、はんだ付け時の加熱過程で分解または蒸発する量のメタクリル酸重合体として、ポリアルキルメタクリレートを1.0質量％以上～2.0質量％未満で含むと共に、粘性調整剤としてステアリン酸アミドを5.0質量％以上～15.0質量％未満で含み、粘度を50～150Pa・sとしたソルダペーストである。ソルダペースト中におけるフラックスの含有量は、11質量％以上～13質量％未満とすることが好ましい。

Description

ソルダペースト
　本発明は、フラックスとはんだ粉末が混合されたソルダペーストに関し、特に、フラックスの分離抑制効果を持ち吐出法での使用が可能で、かつ、フラックスの無残渣を実現できるソルダペーストに関する。
　＜ソルダペーストの供給方法について＞
　ソルダペーストが塗布された基板等にチップ部品を搭載し、リフロー工程ではんだを溶解して電気的な接続を行うＳＭＴ工法（Surface Mount Technology：表面実装技術）において、電子基板や電子デバイスを組み立てるための接合工程の第一段階は、はんだ粉末とフラックスを混合して作成されるソルダペーストを接合部に適量供給することに始まる。
　ソルダペーストを接合部に供給する方法の中では、スクリーン印刷といわれる工法が一般的である。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄ、図７Ｅ及び図７Ｆは、スクリーン印刷法の一例を示す説明図である。スクリーン印刷法では、図７Ａに示すように、基板１０１の電極１０２に合わせて開口部１０３が形成された鋼板で構成されるスクリーン１０４と、基板１０１を、図７Ｂに示すように密着させる。
　図７Ｃに示すように、スクリーン１０４上にソルダペーストＳを乗せた状態で、図７Ｄに示すように、スキージ１０５をスクリーン１０４に密着させながら矢印Ｆ方向に滑らせることで、ソルダペーストＳを開口部１０３に充填し、次に、スキージ１０５によって余分なソルダペーストＳを掻き取ることで、図７Ｅに示すように、スクリーン１０４の開口部１０３のみにソルダペーストＳが充填される。
　その後、図７Ｆに示すように、スクリーン１０４と基板１０１を離脱させることで、スクリーン１０４の開口部１０３に充填されたソルダペーストＳが基板１０１側に転写される。
　スクリーン印刷によるソルダペーストの供給方法は、同じ機種の基板を連続的に生産する時に、最も安価で、正確にソルダペースト供給できる方法として一般化しており、また基板の軽薄短小化にともなってより極小極狭化したはんだ付け部にペーストを供給できる方法としてその地位を維持している。但し、スクリーン印刷を行うためには、被写体は平面である必要がある。
　ソルダペーストの供給方法の中で、吐出法といわれる工法も用いられている。図８は、吐出法の一例を示す説明図である。吐出法では、ソルダペーストＳがシリンジ１０６に詰められ、シリンジ１０６の先端に取り付けられたノズル１０７から空気の圧力等を利用してソルダペーストＳを吐き出して、基板１０１の電極１０２にソルダペーストＳが塗布される。
　吐出法はスクリーン印刷法とは異なり、供給対象が平面である必要はなく、立体構造をもった被写体にも供給ができ、かつ供給量も自由自在に変更できるという利便性がある。
　このため、ＩＣチップ等の素子が実装される基質（サブストレート）にソルダペーストを塗布する工程で、吐出法が使用されることがある。図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ及び図９Ｄは、電子デバイスの製造工程の一例を示す動作説明図である。
　図９Ａに示すように、基質（サブストレート）１１０のダイボンディング部１１１に、図８で説明した吐出法でノズル１０７からソルダペーストＳが塗布される。ダイボンディング部１１１には、図示しないNiによるメッキ層が形成されている。ソルダペーストＳが塗布されたダイボンディング部１１１に、図９Ｂに示すように、ダイボンディングでパワー素子等の素子１１２が実装される。素子１１２の接合面にも、図示しないNiによるメッキ層が形成されている。
　ダイボンディングとは、基質（サブストレート）１１０のダイボンディング部１１１に素子１１２をはんだ付けする工程である。ダイボンディングでは、ソルダペーストＳが塗布されたダイボンディング部１１１に素子１１２が搭載され、リフロー炉ではんだ付けが行われる。
　パワー素子は、動作時に発熱するため、はんだ層による放熱性が必要であり、従来は、プリフォームや線はんだによるフラックスレスはんだ付けが一般的であった。近年、生産性やコストの面から、ソルダペーストを使用する場合があり、ソルダペーストを使用する場合、吐出法でソルダペーストが供給される。
　ダイボンディング部１１１にはんだ付された素子１１２は、図９Ｃに示すように、素子１１２のボンディングパッド１１３と、基質（サブストレート）１１０のリード部１１４がワイヤボンディングで接続される。
　ワイヤボンディングは、素子１１２と内部回路や外部の端子との結線に使用される。ワイヤボンディングでは、Ａｌ線あるいはＡｕ線等のワイヤ１１５が、超音波による加振圧着で接続される。
　ワイヤボンディングにより素子１１２とリード部１１４が接続されると、図９Ｄに示すように、素子１１２及びリード部１１４が、樹脂でモールド成型される。モールド成型は、はんだ付け部や回路の機械的信頼性、電気的信頼性や保護の目的で、素子１１２及びリード部１１４がエポキシ樹脂１１６で封止される。
　＜ソルダペースト用のフラックスについて＞
　はんだ付を行うためのフラックスが持つ基本特性は、金属酸化物の除去、はんだ溶融時の再酸化の防止、はんだの表面張力の低下等の性能が必要である。このようなフラックスがソルダペーストに使用される場合は、比重の大きなはんだ粉末とフラックスを混合分散させた後、重力によるはんだ粉末の沈降を抑制する特性をフラックスが兼ね備えている必要がある。これをフラックスの分離抑制効果と言う。
　フラックスの分離抑制効果が弱いと、フラックス中に分散していたはんだ粉末が自重によって沈降を起こしフラックスが浮き上がって来る。はんだ粉末が沈降を起こしてフラックスが分離してくると、ソルダペースト内にフラックスの濃淡ができて、安定な供給ができなくなる。但し、フラックスの分離が発生しても、ソルダペーストを攪拌することによって、分散状態を元に戻すことができる。
　図７Ａ～図７Ｆに示すスクリーン印刷法の場合、図７Ｃ～図７Ｅで示すようにソルダペーストＳの供給中は、スクリーン１０４上にソルダペーストＳを乗せた状態で、スキージ１０５をスクリーン１０４に密着させながら滑らせることで、スクリーン１０４上でローリングと称される現象が起こり、ソルダペーストＳは攪拌されながら供給されるので、フラックスの分離は発生しない。
　しかし、図８に示す吐出法のように、シリンジ１０６に詰められるソルダペーストＳの場合は、フラックスの分離が発生した時にソルダペーストＳを攪拌することができない。また、シリンジ１０６の中でソルダペーストＳを攪拌すると、攪拌中に外気をソルダペーストＳ内に取り込んでしまうことになり、これが吐出中に起こる空ショットの原因になる。
　従って、吐出法で使用するソルダペーストに用いるフラックスは、フラックスの分離抑止効果の高いものを使用しなければならない。また、吐出法は、ソルダペーストを詰めたシリンジに加圧し、圧力差によってソルダペーストに流動を誘発させる機構になるため、ソルダペーストが流動している過程で、フラックスとはんだ粉末の流動レートが同じでないと、吐出量が安定しない。
　＜フラックス残渣について＞
　ソルダペーストに使用されるフラックスの成分には、はんだ付けの加熱によって分解、蒸発しない成分が含まれ、はんだ付け後にフラックス残渣としてはんだ付け部の周辺に残留する。フラックス残渣が腐食性を持った場合、はんだ付け部を徐々に侵食し、マイグレーションによる短絡や、腐食によるはんだ付け部の脱落が発生する。
　このため、腐食防止のためにフラックス残渣を洗浄することが望ましいが、一般的な電子基板のはんだ付けにおいては、洗浄にかかるコストを考慮し、フラックス残渣の信頼性を確認して腐食性の弱いフラックス材料の選定を行った上で、残渣を除去せずにはんだ接合を終了させることが多い。
　しかし、電子デバイス、特に上述した図９Ｂに示すダイボンディングを有するものでは、フラックス残渣が後工程のワイヤボンディング性、モールド成型性に悪影響を及ぼす。また、回路の絶縁信頼性に影響する。更に、図９Ｃワイヤボンディングでは、被結合部の表面汚染が接合性に影響する。
　このため、フラックス残渣を除去せずに、はんだ付けを終了した場合、フラックス残渣が被っているパッド上にはワイヤボンディングが不可能である。特に、はんだ付け部が大面積となるダイボンディング部付近にボンディングパッドがある場合は、ダイボンディング部から排出されたフラックス残渣がボンディングパッドにまで流れ込んで、ワイヤボンディングが完全に不可能になってしまう。
　また、はんだ付け部に防湿コートを施したり、アンダーフィルによってはんだ付け部の強度を向上させる工程があったり、図９Ｄに示すように樹脂モールドの工程がある場合、フラックス残渣と防湿コート剤やアンダーフィル、モールドされたエポキシ樹脂との接触界面において相互溶解して、防湿コート剤やアンダーフィル、樹脂の硬化を阻害する部分が発生することがある。また、フラックス残渣が存在すると、樹脂とリードフレームやはんだ付け部品の密着性が低下する。
　このため、ダイボンディングによるはんだ付けの工程、後工程として、ワイヤボンディング、モールド成型等の工程が存在する電子デバイスの製造工程では、フラックス残渣を洗浄除去する必要があるが、その場合、フラックス残渣の洗浄品質が要求されることになる。
　そこで、はんだ付け中にフラックス成分が蒸発/昇華して、はんだ付け後にはフラックス残渣が限りなくゼロになる仕様のフラックスが望まれるようになり、そのような特性を発揮する成分のフラックスが混合されたソルダペーストが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４－２５３０５号公報
　はんだ付け後にフラックス残渣が残留しないソルダペーストは多数提案されているが、それらはすべてソルダペーストの供給がスクリーン印刷で行うものに限定され、一定の仕様の電子基板や電子部品を大量生産する目的に開発の焦点が当てられていた。
　一方、ソルダペーストを供給する被写体が、平面でない幾何学的な立体構造を採っていた場合、スクリーン印刷による供給は困難であり、そのような被写体にソルダペーストを供給するためには、吐出法を採用する必要がある。
　しかし、特許文献１においてチキソ剤としてフラックスに添加される高級脂肪酸アマイドは、粘性調整剤としての流動性改善特性に優れ、加熱時に分解して無残渣となる効果があるが、はんだ粉末の沈降防止剤としての効果は乏しい。
　このため、特許文献１に記載されたようなスクリーン印刷で使用するソルダペーストを吐出法で使用して、シリンジに詰めて吐出すると、フラックスの分離抑制効果が弱いので、連続的に吐出すると吐出量が不安定になり、また突如として、はんだ粉末がノズル内で詰まってしまい、吐出が停止してしまう。
　本発明は、このような吐出不安定と、突如として発生するノズルの詰まりを解消し、かつ、はんだ付け時の加熱でフラックスが分解して無残渣となるソルダペーストを提供することを目的とする。
　リフローによるはんだ付けの加熱後に無残渣になる特性を有するソルダペースト用フラックスに用いる素材は、加熱によって蒸発/昇華する材料の中から選定し、実際にフラックスを調合してソルダペーストにし、これを吐出装置に組み込み、間欠的に圧力を加えて吐出量をモニタリングして、吐出中にノズルの詰まりがない、かつ吐出量が安定していることが成立するフラックス配合を詮索した。
　結果、発明者らは、ポリアルキルメタクリレートによるはんだ粉末の沈降防止効果と、ステアリン酸アミドによってシリンジに圧力を加えた時のソルダペーストの流動性を高める効果を併用することで、吐出安定性が実現でき、ソルダペーストの供給をスクリーンによらず自在に操れる吐出法に相応しいソルダペーストに、はんだ付け後にフラックスが無残渣になる特性を加味したソルダペーストを見出した。
　本発明は、はんだ粉末とフラックスが混合されて生成されたソルダペーストにおいて、フラックスは、常温域ではんだ粉末の沈降を防止し、はんだ付け時の加熱過程で分解または蒸発する量のメタクリル酸重合体として、ポリアルキルメタクリレートを1.0質量％以上～2.0質量％未満で含むと共に、粘性調整剤としてステアリン酸アミドを5.0質量％以上～15.0質量％未満で含み、粘度を50～150Pa・sとしたソルダペーストである。
　ソルダペースト中におけるフラックスの含有量は、11質量％以上～13質量％未満とすることが好ましい。
　本発明のソルダペーストでは、リフローによるはんだ付けの加熱でフラックスが分解または蒸発してフラックス残渣が残留せず、無残渣を実現することができる。また、フラックスがリフロー後には無残渣になる特性を維持し、かつ、はんだ粉末の沈降を防止すると共に、所望の粘度を維持することで、吐出法での吐出供給時の吐出量を安定させることができる。これにより、ソルダペーストの塗布位置及び塗布量が変更可能となり、多仕様の電子基板や電子部品の組み立て時において、安価な製造工程を提供できる。
本実施の形態のソルダペーストの組成例をグラフで示した説明図である フラックスの含有量とソルダペーストの吐出量の推移を示すグラフである。 フラックスの組成とソルダペーストの吐出量の推移を示すグラフである。 フラックスの含有量及びはんだ粉末の粒径とソルダペーストの粘度の関係を示すグラフである。 フラックス含有量及びはんだ粉末の粒径とソルダペーストの吐出量の関係を示すグラフである。 ソルダペーストの粘度とソルダペーストの吐出量の関係を示すグラフである。 スクリーン印刷法の一例を示す説明図である。 スクリーン印刷法の一例を示す説明図である。 スクリーン印刷法の一例を示す説明図である。 スクリーン印刷法の一例を示す説明図である。 スクリーン印刷法の一例を示す説明図である。 スクリーン印刷法の一例を示す説明図である。 吐出法の一例を示す説明図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示す動作説明図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示す動作説明図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示す動作説明図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示す動作説明図である。
　本実施の形態のソルダペーストは、フラックスとはんだ粉末が混合されて生成される。ソルダペーストに含有されるフラックスは、はんだ粉末の沈降を防止するチキソ剤として、メタクリル酸重合体を含む。メタクリル酸重合体としては、アルキル基をもったポリアルキルメタクリレートが好ましい。また、粘性調整剤としてステアリン酸アミドを含む。混合されるはんだ粉末の合金組成は特に制限されない。
　ポリアルキルメタクリレートが添加されたフラックスと、はんだ粉末が混合されたソルダペーストでは、室温等の常温域でのはんだ粉末の沈降が防止され、ソルダペーストが吐出法で使用される場合において、ソルダペーストがシリンジに詰められて攪拌できない状態であっても、はんだ粉末とフラックスの分離が抑制される。
　ポリアルキルメタクリレートは、はんだ付け時の加熱過程で蒸発し、はんだ付け後にはフラックスが実質的に残らず無残渣となる。はんだ付け時の加熱過程で、ポリアルキルメタクリレートの蒸発に要する時間は、フラックスに添加されるポリアルキルメタクリレートの含有量によって変化する。
　また、ソルダペーストが図８に示すような吐出法で使用される場合、ソルダペースト吐出量は、はんだ粉末とフラックスの分離が抑制されることに加えて、ソルダペーストの粘度の影響を受ける。ソルダペーストの粘度は、フラックスに添加されるステアリン酸アミドの含有量で変化する。また、ソルダペースト中のフラックスの含有量、及びはんだ粉末の粒径によっても、ソルダペーストの粘度が変化する。
　ソルダペーストの粘度が高い場合に比較して、ソルダペーストの粘度が低い方が、ソルダペーストの吐出量が増える傾向にある。ソルダペーストの粘度は、ソルダペースト中のフラックスの含有量が多い方が下がる。但し、フラックスの含有量を増やすと、無残渣となるまでの時間が長くなる。また、ソルダペーストの粘度が低く過ぎると、はんだ粉末とフラックスの分離が抑制できなくなる。
　更に、ソルダペーストを使用してはんだ付けを行う場合、フラックスの含有量が少ない方が、加熱時のダレが抑制され、かつ、はんだ付け後に接合部内に残留するボイドも少なくなることが既知である。このため、フラックスの含有量はできるだけ少ない領域で、ソルダペーストを吐出法で使用する場合における吐出安定性が確保できるフラックスの配合を見出す必要がある。
　図１は、本実施の形態のソルダペーストの組成例をグラフで示した説明図である。図1では、ポリアルキルメタクリレートの含有量と、ステアリン酸アミドの含有量と、所定の含有量でのポリアルキルメタクリレートとステアリン酸アミドとの組み合わせによるソルダペーストの粘度を示す。
　本実施の形態のソルダペーストでは、ポリアルキルメタクリレートの添加によるフラックスとはんだ粉末の分離抑制効果が得られるようにするため、はんだ付け時の加熱過程で、ポリアルキルメタクリレートの蒸発に要する時間を考慮して、フラックス中におけるポリアルキルメタクリレートの含有量は、1.0％以上～2.0％未満であることが好ましい。
　また、ソルダペーストの流動性を高めるため、フラックス中におけるステアリン酸アミドの含有量は、5.0％以上～15.0％未満であることが好ましい。
　更に、フラックスとはんだ粉末との分離の抑制と、吐出法で使用される場合におけるソルダペーストの吐出量の確保を考慮して、ソルダペーストの粘度は、50Pa・s以上150Pa・s未満であることが好ましい。
　そして、フラックス中におけるポリアルキルメタクリレートの含有量が1.0％以上～2.0％未満、ステアリン酸アミドの含有量が5.0％以上～15.0％未満である場合に、ソルダペーストの粘度が50Pa・s以上150Pa・s未満となるように、ポリアルキルメタクリレートとステアリン酸アミドの含有量が選択される。図１に実線で示す領域は、吐出法で使用されて吐出可能で、かつ、はんだ付け時の加熱で無残渣になる条件を満たす最適領域である。
　本実施の形態のソルダペーストは、吐出法で使用される場合において、ノズルへの詰まりを防ぎ、所望の吐出量が確保される。また、本実施の形態のソルダペーストは、はんだ付け時の加熱過程で蒸発する組成のフラックスが使用されることで、無残渣が実現される。
　ここで、はんだ付け時の加熱過程でフラックスが蒸発／昇華すると、金属酸化物の分解除去、はんだ溶解時の再酸化の防止、はんだの表面張力の低下等、フラックスが持つ性能がはんだ溶解時に失われるので、フラックスによるはんだ付け能力が不十分になる。このため、はんだ付け時の加熱過程では、リフロー炉内を無酸化雰囲気、あるいは、爆発しない範囲の弱還元雰囲気（5％Ｈ２以下）とする。
　＜フラックスの含有量とソルダペーストの吐出量の関係＞
　以下の表１に示す組成で組成１～組成３のフラックスを調合した。フラックスの含有量が１０％、１１％、１２％となるように、組成１～組成３の各々のフラックスと、はんだ粉末（Sn-3Ag-0.5Cu 粒度25～36μｍ）を混合して、表２に示すＡ～Ｉの９種類のソルダペーストを作製した。そして、ソルダペーストが吐出法で使用される場合において、フラックスの含有量と、ソルダペーストの吐出量の関係について比較した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　上述した各種のソルダペーストをシリンジに詰め、以下に示す条件で連続的に吐出して、吐出量の推移をモニタリングした。
　ノズル　　　：内径０．７２ｍｍφ
　吐出圧　　　：０．２ＭＰａ・ｓ
　吐出時間　　：０．５ｓｅｃ
　インターバル：０．５ｓｅｃ
　図２は、フラックスの含有量とソルダペーストの吐出量の推移を示すグラフである。図２のグラフに示すように、表１の組成のフラックスを含有したソルダペーストでは、組成３のフラックスの含有量を１２％としたソルダペーストＩ以外は、吐出開始から５時間以内にノズルの詰まりが発生し、以後の吐出が不可能になった。
　図２のグラフに示すように、ノズルが詰まるまでの時間は、ソルダペースト中のフラックスの含有量が多くなると延びる傾向にある。また、フラックスの組成においては、ポリアルキルメタクリレートを含まない組成１より、ポリアルキルメタクリレートを含む組成２及び組成３の方が、ノズルが詰まるまでの時間が延びる傾向にある。
　但し、フラックスの含有量を１０％としたソルダペーストＡ～Ｃでは、フラックスの組成の影響をあまり受けることなく、組成１～組成３のフラックスの何れであっても、ノズルが詰まるまでの時間が短くなる傾向にある。
　この結果から、ソルダペーストをノズルから安定的に吐出させるためには、ソルダペースト中におけるフラックスの含有量は、１１％以上にする必要があることが判った。
　＜フラックスの組成とソルダペーストの吐出量の関係＞
　以下の表３に示す組成で組成４～組成７のフラックスを調合し、上述した検討結果からフラックスの含有量が１１％となるように、組成４～組成７の各々のフラックスと、はんだ粉末（Sn-3Ag-0.5Cu 粒度25～36μｍ）を混合して、表４に示すＪ～Ｍの４種類のソルダペーストを作製した。そして、上述した条件で吐出試験を実施して、ソルダペーストが吐出法で使用される場合において、フラックスの組成と、ソルダペーストの吐出量の関係について比較した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　図３は、フラックスの組成とソルダペーストの吐出量の推移を示すグラフである。図３に示すように、予め決められた連続吐出時間、本例では５時間の間、ノズルの詰まりが発生したソルダペーストは無かった。これは、ポリアルキルメタクリレートによるフラックスとソルダペーストの分離抑止効果に加え、ステアリン酸アミドの潤滑剤としての効果によるものと考えられる。
　一方、フラックスの組成により、平均吐出量の違いが顕著に現れた。これは、フラックスにステアリン酸アミドを多量に投入した場合、ソルダペーストが急激に粘度上昇し、一方、ステアリン酸アミドが少量であった場合は粘度が下降するためであると考えられる。
　これらの点を考慮すると、ソルダペーストとして吐出可能なものは、組成４～組成６のフラックスを使用したソルダペーストＪ～Ｌで、組成７のフラックスを使用したソルダペーストＭは、吐出量が少な過ぎて吐出には不向きであることが判った。
　＜フラックスの含有量及びはんだ粉末の粒径とソルダペーストの吐出量の関係＞
　以上の結果から、ソルダペーストの吐出量が最も多い条件となるポリアルキルメタクリレートの含有量を１％、ステアリン酸アミドの含有量を１０％とした組成４のフラックスを、以下の表５に示す含有量とし、はんだ粉末（Sn-3Ag-0.5Cu）の粒径を、以下の表５に示す粒径としたＮ～Ｖの９種類のソルダペーストを作製した。そして、上述した条件で吐出試験を実施して、ソルダペーストが吐出法で使用される場合において、フラックスの含有量及びはんだ粉末の粒径と、ソルダペーストの吐出量の関係について比較した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　図４は、フラックスの含有量及びはんだ粉末の粒径とソルダペーストの粘度の関係を示すグラフである。図４に示すように、ソルダペースト中におけるフラックスの含有量が多くなると、ソルダペーストの粘度は低下する傾向を示す。また、はんだ粉末の粒径が小さくなると、ソルダペーストの粘度は上昇する傾向を示す。
　図５は、フラックス含有量及びはんだ粉末の粒径とソルダペーストの吐出量の関係を示すグラフである。図５に示すように、フラックスの含有量が多くなると、ソルダペーストの吐出量は増加する傾向を示す。また、はんだ粉末の粒径が大きくなると、ソルダペーストの吐出量は増加する傾向を示す。これにより、図４に示す結果と合わせて、ソルダペーストの粘度が低下すると、ソルダペーストの吐出量は増加する傾向がある。
　なお、図５においては、はんだ粉末の粒度を２５～３６μｍ、フラックスの含有量を１３％としたソルダペーストＶのデータが欠損している。これは、ソルダペーストの粘度が低すぎて、吐出試験を実施する前にソルダペースト中のフラックスが分離を起こし、吐出試験が不可能になったためである。
　図６は、ソルダペーストの粘度とソルダペーストの吐出量の関係を示すグラフである。図６に示すように、ソルダペーストの粘度が150Pa・s以上になると、平均吐出量は1mg以下になり、吐出量が少なすぎて吐出には不向きである。一方で、ソルダペーストの粘度が50Pa・sより低くなると、上述したようなフラックスの分離現象によりノズル詰まり等の問題が発生し、やはり吐出には不向きにある。
　以上の結果から、ソルダペーストの最適粘度範囲は、50～150Pa・sであることが判った。そして、ポリアルキルメタクリレートの含有量を1.0％以上～2.0％未満、ステアリン酸アミドの含有量を5.0％以上～15.0％未満とした組成のフラックスで、ソルダペーストの粘度が50Pa・s以上150Pa・s未満となるように、ポリアルキルメタクリレートとステアリン酸アミドの含有量を選択することにより、図１に実線で示した領域が、吐出法で使用されて吐出可能で、かつ、はんだ付け時の加熱で無残渣になる条件を満たす最適領域であることが判った。
　本発明のソルダペーストは、はんだ粉末の沈降防止及びはんだ付け後のフラックスの無残渣を実現できることから、吐出法での供給に適用可能である。

Claims (2)

  1. 　はんだ粉末とフラックスが混合されて生成されたソルダペーストにおいて、
    　前記フラックスは、ポリアルキルメタクリレートを1.0質量％以上～2.0質量％未満で含むと共に、ステアリン酸アミドを5.0質量％以上～15.0質量％未満で含み、
    　粘度を50～150Pa・sとした
    　ことを特徴とするソルダペースト。
  2. 　前記フラックスの含有量を、11質量％以上～13質量％未満とした
    　ことを特徴とする請求項１記載のソルダペースト。
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