WO2016076220A1 - ソルダペースト用フラックス、ソルダペースト及びはんだ接合体 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a solder paste flux that is mixed with a solder alloy powder to produce a solder paste, a solder paste in which this flux and a solder alloy powder are mixed, and a solder joint that is joined using this solder paste. About the body.
- the flux used for soldering has the effect of preventing removal of the oxide film and reoxidation of the solder and the soldering target at a temperature lower than the temperature at which the solder alloy melts.
- Solder paste is a composite material obtained by mixing solder alloy powder and flux.
- the solder paste is applied to the soldering part such as the electrodes of the board, the parts are mounted on the soldering part to which the solder paste is applied, and the solder is heated by heating the board in a heating furnace called a reflow furnace.
- Soldering is performed.
- the reflow temperature profile of Sn-3Ag-0.5Cu which is a solder alloy that is widely used at present
- the preheating is performed from the start of heating in the furnace to the melting temperature of the solder alloy, and the melting temperature of the solder alloy is 220. This heating is over °C.
- a temperature range of 150 ° C. or higher is generally used as the main active temperature range of the flux.
- This reflow temperature profile varies depending on the solder alloy.
- An electronic component to which BGA is applied includes, for example, a semiconductor package.
- a semiconductor package a semiconductor chip having electrodes is sealed with a resin.
- Solder bumps are formed on the electrodes of the semiconductor package. The solder bumps are formed by joining solder balls to the electrodes of the semiconductor package.
- a semiconductor package to which BGA is applied is such that each solder bump is placed in alignment with the electrode of the substrate to which the solder paste is applied, and the solder paste, which is melted by heating, and the solder bump and the electrode are joined together. Mounted on.
- a problem with conventional BGA solder joints is the unfusion of solder bumps and solder paste.
- the semiconductor package begins to warp by heating, but in this heating process, the solder alloy in the solder paste melts, so that the semiconductor package supported on the substrate by the solder paste descends and is separated by warping the semiconductor package
- the solder paste and the electrode come into contact again.
- the activator component in the flux is volatilized by heating in the reflow process, the metal oxide film on the surface of the electrode cannot be removed even if the solder paste comes into contact with the electrode in this heating process. Therefore, even if the solder alloy in the solder paste is before solidification, the solder alloy and the electrode in the solder paste are not fused. As a result, poor bonding occurs between the solder bumps of the semiconductor package and the electrodes of the substrate.
- FIG. 2A, FIG. 2B, and FIG. 2C are explanatory views showing problems due to thinning of the semiconductor package.
- Solder bumps 2 are formed on electrodes (not shown) of the semiconductor package 1.
- a solder paste 5B is applied to the electrode 4 of the substrate 3.
- the solder bump 2 and the solder paste 5B applied to the electrode 4 are in contact with each other.
- the temperature of the substrate 3 and the like is gradually increased at a temperature lower than the temperature at which the solder alloy melts. Due to the thinning of the semiconductor package 1, the semiconductor package 1 warps in a low temperature range of about 120 ° C. to 150 ° C. in a low temperature range than the main active temperature range of the flux.
- Warpage has occurred in the entire semiconductor package 1, and in particular, at the end portion of the component where warpage is particularly large, as shown in FIG. 2B, the solder paste 5 ⁇ / b> B is peeled from the electrode 4 in a state of adhering to the solder bump 2.
- An event is seen.
- the solder paste The solder alloy of 5B is melted, and the solder bump 2 and the solder alloy in the solder paste 5B are fused.
- solder paste 5B Since the solder paste 5B is peeled off from the electrode 4 in this way, the solder paste 5B and the electrode 4 being melted at the time of main heating do not have sufficient contact area or time for solder bonding, or cannot be contacted, The metal oxide film on the surface of the electrode 4 and the activator component in the flux cannot sufficiently react, and the metal oxide film on the surface of the electrode 4 cannot be removed.
- the present invention has been made to solve such a problem.
- the solder paste particularly focuses on the warpage of parts generated in a lower temperature range than the main active temperature range of the flux.
- An object of the present invention is to provide a solder paste flux and a solder paste that can suppress the peeling from the electrode.
- the present invention includes a rosin, a glycol ether solvent, an organic acid, a thixotropic agent, a halogen compound, and an imidazole compound, and the halogen compound is either an amine hydrohalide or an organic halogen compound, or a combination thereof.
- the addition amount of the amine hydrohalide is 0 wt% or more and 2.5 wt%
- the addition amount of the organic halogen compound is 0 wt% or more and 4 wt%.
- the addition amount of the amine hydrohalide when the addition amount of the amine hydrohalide is in the range of 0% by weight or more and less than 0.02% by weight, the addition amount of the organic halogen compound except for the range of 0% by weight or more and less than 0.1% by weight, When the addition amount of the organic halogen compound is 0% by weight or more and less than 0.1% by weight, the addition amount of the amine hydrohalide excludes the range of 0% by weight or more and less than 0.02% by weight.
- the amount of amine hydrohalide added is X (wt%) and the amount of organic halogen compound added is Y (wt%).
- the amount of the organic halogen compound added is in a range satisfying the formula (1), and the amount of the imidazole compound added is 0.1 wt% to 10 wt%.
- An amine hydrogen halide salt or an organic halogen compound is added as an activator that reacts with the metal oxide film in a predetermined low temperature range to remove the metal oxide film.
- the imidazole compound is added as an activator that reacts with the metal oxide film in a predetermined low temperature range to remove the metal oxide film, and is added as imidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, 4-methyl-2-phenylimidazole, 2 -Phenylimidazole, 2-ethylimidazole, 2-methylimidazole, or a combination thereof is preferable.
- the present invention provides a solder paste in which a flux and a solder alloy powder are mixed.
- the flux includes rosin, glycol ether solvent, organic acid, thixotropic agent, halogen compound, and imidazole compound.
- the addition amount of the amine hydrohalide salt is 0 to 2.5% by weight
- the addition amount of the organic halogen compound is 0% by weight More than 4% by weight.
- the addition amount of the amine hydrohalide when the addition amount of the amine hydrohalide is in the range of 0% by weight or more and less than 0.02% by weight, the addition amount of the organic halogen compound except for the range of 0% by weight or more and less than 0.1% by weight, When the addition amount of the organic halogen compound is 0% by weight or more and less than 0.1% by weight, the addition amount of the amine hydrohalide excludes the range of 0% by weight or more and less than 0.02% by weight. As described above, when the above range is simply expressed, when the addition amount of the amine hydrohalide salt is X (wt%) and the addition amount of the organic halogen compound is Y (wt%), the amine hydrogen halide is added.
- the flux for solder paste is such that the addition amount of the acid salt and the addition amount of the organic halogen compound satisfy the formula (1), and the addition amount of the imidazole compound is 0.1 wt% to 10 wt%.
- the activator component in the flux reacts with the oxide on the metal surface in a low temperature range where no reaction occurs between the solder alloy in the solder paste and the flux, and the metal oxide film becomes Removed. If the metal oxide film can be removed in such a low temperature range, the adhesion between the metal powders can be increased, and the solder paste can be prevented from being peeled off from the object to be joined even when stress due to warpage of the substrate is applied.
- the flux of the present embodiment includes a halogen compound, an imidazole compound, an organic acid, rosin, a solvent, and a thixotropic agent.
- the flux of the present embodiment is mixed with solder alloy powder to produce a solder paste.
- halogen compound examples include amine hydrohalides and organic halogen compounds.
- amine hydrohalide compound examples include ethylamine, diethylamine, dibutylamine, tributylamine, isopropylamine, diphenylguanidine, cyclohexylamine, and aniline.
- hydrohalic acid examples include hydrochloric acid, hydrobromic acid, and hydroiodic acid.
- organic halogen compounds examples include 1-bromo-2-butanol, 1-bromo-2-propanol, 3-bromo-1-propanol, 3-bromo-1,2-propanediol, and 1,4-dibromo-2-butanol 1,3-dibromo-2-propanol, 2,3-dibromo-1-propanol, 2,3-dibromo-1,4-butanediol, 2,3-dibromo-2-butene-1,4diol, etc. Can be mentioned.
- the addition amount of the halogen compound was determined as follows.
- the halogen compound was any one of the above-described amine hydrohalides and organic halogen compounds, or a combination thereof.
- the addition amount of the amine hydrohalide is X (wt%) and the addition amount of the organic halogen compound is Y (wt%)
- the addition amount of the amine hydrohalide and the addition amount of the organic halogen compound are ( 1) It was set as the range which satisfy
- an amine compound is added to the flux as an activator that reacts with the metal oxide film in a predetermined low temperature range to remove the metal oxide film.
- the amine compound to be added as the activator is preferably an imidazole compound, such as imidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, 4-methyl-2-phenylimidazole, 2-phenylimidazole, 2-ethylimidazole, 2- Any of methylimidazole or a combination thereof is preferable.
- the amount of imidazole compound added is set to 0.1 to 10% by weight.
- Rosin protects activator components such as halogen compounds and imidazole compounds from heat and suppresses volatilization of the activator components.
- activator components such as halogen compounds and imidazole compounds
- examples of the rosin include hydrogenated rosin, acid-modified rosin, polymerized rosin, and rosin ester.
- Solvent dissolves solid content in flux.
- the solvent is selected from generally known glycol ether compounds. In order to efficiently bring about the action of the activator, it is preferable that it does not volatilize in a low temperature range of 120 ° C. to 150 ° C. When the solvent volatilizes, the fluidity of the flux deteriorates, making it difficult to spread the action of the activator over the entire metal powder. Therefore, the boiling point is preferably 200 ° C. or higher, and more preferably 240 ° C. or higher.
- Thixo drugs are added to impart thixotropy.
- thixotropic agents include higher fatty acid amides, higher fatty acid esters, castor oil and the like.
- Organic acid is added as an activator component in the flux.
- the organic acid is preferably a room temperature solid organic acid such as adipic acid, suberic acid, or sebacic acid.
- solvents other than glycol ethers, antioxidants, surfactants, antifoaming agents, coloring agents, and the like may be appropriately added as long as the performance of the flux is not impaired.
- the organic acid was added at a normal preheating temperature of 150 ° C. or more to remove the solder alloy and the oxide film to be soldered, and the addition amount was 1 wt% to 10 wt%.
- Rosin protects activator components such as halogen compounds and amine compounds from heat and suppresses volatilization of the activator components.
- the amount of rosin added was 40% to 60% by weight.
- the solvent dissolves the solid components in the flux.
- the amount of the solvent added was 25% to 35% by weight.
- the thixotropic agent imparts viscosity to the solder paste.
- the addition amount of the thixotropic agent was 5 to 10% by weight.
- the solder paste of the present embodiment is generated by mixing the above-described flux and solder alloy powder.
- the solder paste in this example is produced by mixing a solder alloy powder whose composition is Sn-3Ag-0.5Cu (each numerical value is wt%) and a flux.
- the present invention is not limited to this solder alloy.
- the fluxes of Examples and Comparative Examples were prepared with the compositions shown in the following table, and solder pastes were prepared using the fluxes of Examples and Comparative Examples, and the solder paste peeling prevention effect was verified.
- the composition ratios in Tables 1 to 3 are weight% in the flux composition.
- amine hydrohalides were selected as the halogen compounds and added in the ratios shown in Table 1 below.
- the hydrohalic acid was hydrogen bromide (HBr), and diphenylguanidine, diethylamine, and isopropylamine were selected as amine compounds that react with hydrohalic acid to form salts.
- imidazole compounds such as imidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, 4-methyl-2-phenylimidazole, 2-phenylimidazole, 2-ethylimidazole, and 2-methylimidazole are used. Were added at the ratios shown in Table 1 below.
- the organic halogen compound is not included, the addition amount of the amine hydrohalide is less than 0.02% by weight, and the comparative example 1 does not include the imidazole compound, the halogen compound is not included, and the addition amount of the imidazole compound is
- Comparative Example 3 of less than 0.1% by weight, the solder paste adhered to the solder balls and peeled from the copper plate.
- the addition amount of an amine hydrohalide salt does not contain an organic halogen compound, and the addition amount of an amine hydrohalide salt exceeds 2.5% by weight, and does not contain an imidazole compound.
- Comparative Example 4 exceeding 10% by weight, a tendency of thickening was observed by continuous viscosity measurement.
- Examples 14 to 25 an organic halogen compound was selected as the halogen compound, and 2,3-dibromo-1,4-butanediol and 2,3-dibromo-2-butene-1,4-diol were Were added at the ratio shown in Table 2.
- imidazole compounds such as imidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, 4-methyl-2-phenylimidazole, 2-phenylimidazole, 2-ethylimidazole, and 2-methylimidazole were used as imidazole compounds. Were added at the ratios shown in Table 2 below.
- Example 14 to Example 25 to which was added the solder paste remained on the copper plate.
- Comparative Example 5 that does not contain an amine hydrohalide, does not contain an organic halogen compound, and does not contain an imidazole compound, the solder paste adheres to the solder balls, Peeled off.
- Comparative Example 6 which does not contain an amine hydrohalide salt, the addition amount of the organic halogen compound exceeds 4% by weight, and does not contain an imidazole compound, a tendency of thickening was observed by continuous viscosity measurement.
- the amount of amine hydrohalide added is 0.02% to 2.5% by weight, and the amount of organic halogen compound added is 0.1% to 4% by weight.
- the amount of amine hydrohalide added is in the range of 0.02 wt% to 2.5 wt%, and the amount of organic halogen compound added is in the range of 0.1 wt% to 4 wt%. Even in Comparative Examples 7 to 9, there was a tendency for thickening by continuous viscosity measurement.
- the amount of amine hydrohalide added is in the range of 0.02 wt% to 2.5 wt%, and the amount of organic halogen compound added is in the range of 0.1 wt% to 4 wt%.
- the addition amount of the amine hydrohalide is X (wt%) and the addition amount of the organic halogen compound is Y (wt%)
- the addition amount of the amine hydrohalide and the addition of the organic halogen compound The amount is an amount that satisfies the formula (1).
- the addition amount of the amine hydrohalide is not less than 0.02 wt% and not more than 2.5 wt%, and the addition amount of the organic halogen compound is not more than 0.1 wt% and not more than 4 wt%. Even if it exists, it was the result which satisfied both the peeling prevention effect and the continuous viscosity measurement. This is because if either one of the amine hydrohalide or the organic halogen compound is added in an amount capable of obtaining an anti-peeling effect alone, the other may be added in an amount where the anti-peeling effect was not obtained alone. Indicates that there is no problem. However, in both cases, the prevention effect is expected to be low at an addition amount that was not able to obtain the peeling prevention effect alone.
- the activator component in the flux reacts with the oxide on the metal surface and the metal oxide film is removed in the low temperature range where there is usually no reaction between the solder alloy in the solder paste and the flux. It was found that the adhesion between the metal powders in the solder paste increased and remained on the substrate. Due to this increase in holding power, it is possible to suppress the solder paste from peeling off from the electrode even when stress due to warping of the substrate is applied.
- FIG. 1A, FIG. 1B, and FIG. 1C are explanatory views showing an example of the effect of the flux according to the present embodiment.
- Solder bumps 2 are formed on electrodes (not shown) of the semiconductor package 1. Further, a solder paste 5 ⁇ / b> A is applied to the electrode 4 of the substrate 3. As shown in FIG. 1A, in the step before reflow, the solder bump 2 and the solder paste 5A applied to the electrode 4 are in contact with each other.
- the temperature of the substrate 3 and the like is gradually increased at a temperature lower than the temperature at which the solder alloy melts. Due to the thinning of the semiconductor package 1, the semiconductor package 1 warps in a low temperature range of about 120 ° C. to 150 ° C. lower than the main active temperature range of the flux.
- the solder paste 5A does not peel from the electrode 4 as shown in FIG. 1B in the solder paste 5A in which the flux and the solder alloy of the present embodiment are mixed.
- the metal paste film on the surface of the electrode 4 can be removed because the solder paste 5A does not peel from the electrode 4.
- the solder alloy in the solder paste 5A is melted, the semiconductor package 1 supported on the substrate 3 by the solder paste 5A is lowered. As the semiconductor package 1 descends, the solder bumps 2 of the semiconductor package 1 separated by warping of the semiconductor package 1 and the solder paste 5A applied to the electrodes 4 come into contact.
- the volatilization of the activator component in the flux is suppressed by rosin, and when the solder bump 2 of the semiconductor package 1 and the solder paste 5A applied to the electrode 4 come into contact again, the surface of the solder bump 2 is oxidized with metal. The film is removed.
- solder bump 2 and the solder alloy in the solder paste 5A are fused. Therefore, even if the semiconductor package 1 is warped during the reflow process, the solder bumps 2 of the semiconductor package 1 and the electrodes 4 of the substrate 3 are electrically joined with the solder alloy.
- the present invention is applied to soldering of electronic parts to which BGA is applied.
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Abstract
ＢＧＡなどの半導体パッケージのような薄型化した部品で見られる、電極から剥離することを抑制できるようにしたソルダペースト用フラックスを提供する。ロジン、グリコールエーテル系溶剤、有機酸、チキソ剤、ハロゲン化合物、イミダゾール化合物を含み、ハロゲン化合物は、アミンハロゲン化水素酸塩、有機ハロゲン化合物の何れか、あるいは、これらの組み合わせとした。アミンハロゲン化水素酸塩の添加量をＸ（重量％）、有機ハロゲン化合物の添加量をＹ（重量％）としたとき、２．５－Ｘ－０．６２５Ｙ≧０を満たす範囲とする。但し、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量Ｘ（重量％）と有機ハロゲン化合物の添加量Ｙ（重量％）は、０≦Ｘ≦２．５、０≦Ｙ≦４であり、０≦Ｘ＜０．０２ かつ、０≦Ｙ＜０．１の囲まれた範囲を除く。
Description
本発明は、はんだ合金の粉末と混合されてソルダペーストを生成するソルダペースト用フラックス、及び、このフラックスとはんだ合金の粉末とを混合したソルダペースト、このソルダペーストを使用して接合されたはんだ接合体に関する。
一般的に、はんだ付けに用いられるフラックスは、はんだ合金が溶融する温度より低い温度にて、はんだ及びはんだ付けの対象の酸化膜除去と再酸化を防止する効能がある。
ソルダペーストは、はんだ合金の粉末とフラックスとを混合させて得られた複合材料である。ソルダペーストは、基板の電極等のはんだ付け部に塗布され、ソルダペーストが塗布されたはんだ付け部に部品が搭載され、リフロー炉と称される加熱炉で基板を加熱してはんだを溶融させて、はんだ付けが行われる。例えば、現在幅広く使用されているはんだ合金であるＳｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕのリフロー温度プロファイルでは、炉内での加熱開始からはんだ合金溶融温度までを予備加熱とし、はんだ合金の溶融温度である２２０℃超を本加熱としている。特に１５０℃以上の温度帯をフラックスの主な活性温度域としている場合が一般的である。尚、このリフロー温度プロファイルははんだ合金により異なる。
近年、情報機器の小型化により、情報機器に搭載される電子部品においても急速な薄型化が進行している。電子部品は、薄型化の要求により接続端子の狭小化や実装面積の縮小化に対応するため、裏面に電極が設置されたボールグリッドアレイ（以下、ＢＧＡと称す）が適用されている（例えば、特許文献１参照）。また、接続端子の狭小化により、旧来と同一の部品サイズでも多ピン化する事が可能となり、電子部品の高性能化にも適用されている。
ＢＧＡを適用した電子部品には、例えば半導体パッケージがある。半導体パッケージでは、電極を有する半導体チップが樹脂で封止されている。半導体パッケージの電極には、はんだバンプが形成されている。このはんだバンプは、はんだボールを半導体パッケージの電極に接合することによって形成されている。
ＢＧＡを適用した半導体パッケージは、ソルダペーストが塗布された基板の電極に、各はんだバンプが位置を合わせて載置され、加熱により溶融したソルダペーストと、はんだバンプ及び電極が接合することにより、基板に搭載される。
従来のＢＧＡのはんだ接合の問題点としてはんだバンプとソルダペーストの未融合が挙げられる。半導体パッケージは加熱により反り始めるが、本加熱工程で、ソルダペースト中のはんだ合金が溶融することで、ソルダペーストで基板に支持されている半導体パッケージが下降し、半導体パッケージが反ることによって離間したソルダペーストと電極が再接触する。しかし、フラックス中の活性剤成分が、リフロー工程での加熱により揮発するため、本加熱工程でソルダペーストが電極と接触しても、電極の表面の金属酸化膜を除去することができない。従って、ソルダペースト中のはんだ合金が凝固前であっても、ソルダペースト中のはんだ合金と電極は融合されない。これにより、半導体パッケージのはんだバンプと、基板の電極との間で接合不良が発生する。
ＢＧＡを適用した半導体パッケージでは、近年薄型化が要求され、半導体パッケージの薄型化が進行している。このように、半導体チップの薄型化が進行したことで、リフロー時の加熱で、従来では無視できたフラックスの主活性温度域より低温域で半導体パッケージに発生する反りが大きくなり、はんだ付けの新たな問題となってきた。
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、半導体パッケージの薄型化による課題を示す説明図である。半導体パッケージ１の図示しない電極に、はんだバンプ２が形成される。また、基板３の電極４に、ソルダペースト５Ｂが塗布される。図２Ａに示すように、リフローの前の工程では、はんだバンプ２と、電極４に塗布されたソルダペースト５Ｂが接した状態である。
リフロー時の予備加熱工程では、はんだ合金が溶融する温度に対して低い温度で、基板３等の温度を徐々に上昇させる。半導体パッケージ１の薄型化によって、フラックスの主活性温度域より低温域での１２０℃～１５０℃位の低温域で、半導体パッケージ１に反りが発生する。
半導体パッケージ１の全体で反りが発生しており、その中でも特に反りの大きい部品端部では、図２Ｂに示すように、ソルダペースト５Ｂがはんだバンプ２に側に付着した状態で電極４から剥離する事象が見られる。このように、この低温域における半導体パッケージ１での反りの発生により、ソルダペースト５Ｂが電極４から剥離した状態で、炉内が本加熱温度まで上げられると、図２Ｃに示すように、ソルダペースト５Ｂのはんだ合金が溶融し、はんだバンプ２とソルダペースト５Ｂ中のはんだ合金が融合される。
このようにソルダペースト５Ｂが電極４から剥離したことで、本加熱時に溶融中のソルダペースト５Ｂと電極４がはんだ接合に十分な接触面積や時間を有せないか、または、接触できないことにより、電極４の表面の金属酸化膜とフラックス中の活性剤成分が十分な反応をすることができず、電極４の表面の金属酸化膜を除去することができない。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、従来の問題点に加えて、特にフラックスの主活性温度域より低温域で発生した部品の反りに特に着目して、ソルダペーストが電極から剥離することを抑制できるようにしたソルダペースト用フラックス及びソルダペーストを提供することを目的とする。
薄型化した半導体パッケージ等や基板の反りが始まる低温域では、一般的にはソルダペースト中のはんだ合金とフラックスとの間で反応はまだ発生しない。本願の発明者らは、このような低温域で金属酸化膜を除去できれば、金属粉末同士の密着度が増し、基板に反りが発生しても、ソルダペーストが電極から剥離することを抑制できることを見出した。
本発明は、ロジン、グリコールエーテル系溶剤、有機酸、チキソ剤、ハロゲン化合物、イミダゾール化合物を含み、ハロゲン化合物は、アミンハロゲン化水素酸塩、有機ハロゲン化合物の何れか、あるいは、これらの組み合わせであり、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量は０重量％以上２．５重量％、有機ハロゲン化合物の添加量は０重量％以上４重量％である。但し、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量が０重量％以上０．０２重量％未満の範囲である場合、有機ハロゲン化合物の添加量は０重量％以上０．１重量％未満の範囲を除き、有機ハロゲン化合物の添加量が０重量％以上０．１重量％未満の場合、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量は０重量％以上０．０２重量％未満の範囲を除く。上記の範囲を簡潔に表すと、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量をＸ（重量％）、有機ハロゲン化合物の添加量をＹ（重量％）としたとき、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量と有機ハロゲン化合物の添加量が（１）式を満たす範囲であり、イミダゾール化合物の添加量が０．１重量％～１０重量％であるソルダペースト用フラックスである。
アミンハロゲン化水素塩や有機ハロゲン化合物は、所定の低温域で金属酸化膜と反応して、金属酸化膜を除去する活性剤として添加される。
イミダゾール化合物は、所定の低温域で金属酸化膜と反応して、金属酸化膜を除去する活性剤として添加され、イミダゾール、２－エチル－４－メチルイミダゾール、４－メチル－２－フェニルイミダゾール、２－フェニルイミダゾール、２－エチルイミダゾール、２－メチルイミダゾールの何れか、あるいは、これらの組み合わせであることが好ましい。
また、本発明は、フラックスとはんだ合金の粉末が混合されたソルダペーストにおいて、フラックスは、ロジン、グリコールエーテル系溶剤、有機酸、チキソ剤、ハロゲン化合物、イミダゾール化合物を含み、ハロゲン化合物は、アミンハロゲン化水素酸塩、有機ハロゲン化合物の何れか、あるいは、これらの組み合わせであり、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量は０重量％以上２．５重量％、有機ハロゲン化合物の添加量は０重量％以上４重量％である。但し、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量が０重量％以上０．０２重量％未満の範囲である場合、有機ハロゲン化合物の添加量は０重量％以上０．１重量％未満の範囲を除き、有機ハロゲン化合物の添加量が０重量％以上０．１重量％未満の場合、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量は０重量％以上０．０２重量％未満の範囲を除く。上述したように、上記の範囲を簡潔に表すと、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量をＸ（重量％）、有機ハロゲン化合物の添加量をＹ（重量％）としたとき、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量と有機ハロゲン化合物の添加量が（１）式を満たす範囲であり、イミダゾール化合物の添加量が０．１重量％～１０重量％であるソルダペースト用フラックスである。
本発明では、一般的にソルダペースト中のはんだ合金と、フラックスとの間で反応が発生しないような低温域で、フラックス中の活性剤成分と金属表面の酸化物が反応し、金属酸化膜が除去される。このような低温域で金属酸化膜を除去できれば、金属粉末同士の密着度が増し、基板の反り等による応力が加わっても、ソルダペーストが接合対象物から剥離することを抑制できる。
＜本実施の形態のフラックスの組成例＞
本実施の形態のフラックスは、ハロゲン化合物と、イミダゾール化合物と、有機酸と、ロジンと、溶剤と、チキソ剤を含む。本実施の形態のフラックスは、はんだ合金の粉末と混合されてソルダペーストが生成される。
本実施の形態のフラックスは、ハロゲン化合物と、イミダゾール化合物と、有機酸と、ロジンと、溶剤と、チキソ剤を含む。本実施の形態のフラックスは、はんだ合金の粉末と混合されてソルダペーストが生成される。
ハロゲン化合物としては、アミンハロゲン化水素酸塩と有機ハロゲン化合物が挙げられる。アミンハロゲン化水素酸塩のアミン化合物としては、エチルアミン、ジエチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、イソプロピルアミン、ジフェニルグアニジン、シクロヘキシルアミン、アニリンなどが挙げられる。ハロゲン化水素酸としては、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸が挙げられる。
有機ハロゲン化合物としては、１－ブロモ－２－ブタノール、１－ブロモ－２－プロパノール、３－ブロモ－１－プロパノール、３－ブロモ－１，２－プロパンジオール、１，４－ジブロモ－２－ブタノール、１，３－ジブロモ－２－プロパノール、２，３－ジブロモ－１－プロパノール、２，３－ジブロモ－１，４－ブタンジオール、２，３－ジブロモ－２－ブテン－１，４ジオールなどが挙げられる。
ハロゲン化合物の添加量が少ないと、活性が弱く、所定の低温域で酸化膜を除去できない。一方、ハロゲン化合物の添加量が多いと、ソルダペーストの粘度が経時変化で増加する。そこで、ハロゲン化合物の添加量を以下のように定めた。
ハロゲン化合物は、上述したアミンハロゲン化水素酸塩、有機ハロゲン化合物の何れか、あるいは、これらの組み合わせとした。アミンハロゲン化水素酸塩の添加量をＸ（重量％）、有機ハロゲン化合物の添加量をＹ（重量％）としたとき、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量と有機ハロゲン化合物の添加量が（１）式を満たす範囲とした。
フラックスには、ハロゲン化合物以外に、所定の低温域で金属酸化膜と反応して、金属酸化膜を除去する活性剤としてアミン化合物が添加される。活性剤として添加されるアミン化合物は、イミダゾール化合物であることが好ましく、イミダゾール、２－エチル－４－メチルイミダゾール、４－メチル－２－フェニルイミダゾール、２－フェニルイミダゾール、２－エチルイミダゾール、２－メチルイミダゾールの何れか、あるいは、これらの組み合わせであることが好ましい。
イミダゾール化合物の添加量が少ないと、活性が弱く、所定の低温域で酸化膜を除去できない。一方、イミダゾール化合物の添加量が多いと、ソルダペーストの粘度が経時変化で増加する。そこで、イミダゾール化合物の添加量は、０．１重量%～１０重量%とした。
ロジンは、ハロゲン化合物及びイミダゾール化合物等の活性剤成分を熱から保護して、活性剤成分の揮発を抑制する。ロジンとしては、水添ロジン、酸変性ロジン、重合ロジン、ロジンエステルなどが挙げられる。
溶剤は、フラックス中の固形分を溶かす。溶剤としては、一般的に知られているグリコールエーテル系の化合物から選択される。活性剤の作用を効率よくもたらすために、１２０℃～１５０℃の低温域において揮発しないことが好ましい。溶剤が揮発してしまうとフラックスの流動性が悪くなり、活性剤の作用を金属粉末全体に行きわたらすことが難しくなる。そのため、沸点は２００℃以上であることが好ましく、２４０℃以上であることがより好ましい。
チキソ剤は、チキソ性の付与のために添加される。チキソ剤としては、高級脂肪酸アマイド、高級脂肪酸エステル、ひまし硬化油などが挙げられる。
有機酸はフラックスにおける活性剤成分として添加される。有機酸としては、アジピン酸、スベリン酸、セバシン酸など、常温固体の有機酸が好ましい。
その他の添加剤として、グリコールエーテル系以外の溶剤、酸化防止剤、界面活性剤、消泡剤、着色剤などをフラックスの性能を損なわない範囲で適宜添加しても良い。
有機酸は通常の予備加熱温度である１５０℃以上において、はんだ合金およびはんだ付けする対象の酸化膜を除去するために添加し、その添加量は、１重量％～１０重量％とした。ロジンは、ハロゲン化合物及びアミン化合物等の活性剤成分を熱から保護して、活性剤成分の揮発を抑制する。ロジンの添加量は、４０重量％～６０重量％とした。溶剤は、フラックス中の固形成分を溶かす。溶剤の添加量は、２５重量％～３５重量％とした。チキソ剤は、ソルダペーストに粘性を付与する。チキソ剤の添加量は、５重量％～１０重量％とした。
本実施の形態のソルダペーストは、上述した組成のフラックスと、はんだ合金の粉末が混合されて生成される。本例におけるソルダペーストは、はんだ合金の組成がＳｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ（各数値は重量％）であるはんだ合金の粉末と、フラックスが混合されて生成される。尚、本発明はこのはんだ合金に限定するものではない。
以下の表に示す組成で実施例と比較例のフラックスを調合し、実施例及び比較例のフラックスを使用してソルダペーストを調合して、ソルダペーストの剥離防止効果について検証した。なお、表１～３における組成率は、フラックス組成物中の重量％である。まず、各検証の評価方法について説明する。
（１）ソルダペーストの剥離防止効果の検証について
（ａ）評価方法
銅板にソルダペーストを印刷後、はんだボールを搭載し、１２０℃で１分間保持後、保温状態ではんだボールを引き上げた。
（ｂ）判定基準
○：ソルダペーストが銅板に残留した
×：ソルダペーストが銅板から剥離した
（２）ソルダペーストの連続粘度測定について
（a）測定方法
測定に用いた粘度計は株式会社マルコム製、ＰＣＵ－２０５である。試験条件は回転数：１０ｒｐｍ、測定温度：２５℃で粘度を８時間測定し続ける。
（b）判定基準
８時間後の粘度が初期粘度の±２０％以内の値であれば合格（○）とした。
（ａ）評価方法
銅板にソルダペーストを印刷後、はんだボールを搭載し、１２０℃で１分間保持後、保温状態ではんだボールを引き上げた。
（ｂ）判定基準
○：ソルダペーストが銅板に残留した
×：ソルダペーストが銅板から剥離した
（２）ソルダペーストの連続粘度測定について
（a）測定方法
測定に用いた粘度計は株式会社マルコム製、ＰＣＵ－２０５である。試験条件は回転数：１０ｒｐｍ、測定温度：２５℃で粘度を８時間測定し続ける。
（b）判定基準
８時間後の粘度が初期粘度の±２０％以内の値であれば合格（○）とした。
実施例１～実施例１３では、ハロゲン化合物としてアミンハロゲン化水素酸塩を選択し、以下の表１に示す比率で添加した。ハロゲン化水素酸は、臭化水素（ＨＢｒ）とし、ハロゲン化水素酸と反応して塩を生成するアミン化合物としては、ジフェニルグアニジン、ジエチルアミン、イソプロピルアミンを選択した。
また、実施例１～実施例１３では、イミダゾール化合物として、イミダゾール、２－エチル－４－メチルイミダゾール、４－メチル－２－フェニルイミダゾール、２－フェニルイミダゾール、２－エチルイミダゾール、２－メチルイミダゾールを、以下の表１に示す比率で添加した。
表１に示すように、アミンハロゲン化水素酸塩と、イミダゾール化合物を含み、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量Ｘが０．０２重量％～２．５重量％、イミダゾール化合物の添加量が０．１重量％～１０重量％を添加した実施例１～実施例１３では、ソルダペーストが銅板に残留した。一方、有機ハロゲン化合物を含まず、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量が０．０２重量％未満で、かつ、イミダゾール化合物を含まない比較例１、ハロゲン化合物を含まず、イミダゾール化合物の添加量が０．１重量％未満の比較例３では、ソルダペーストがはんだボールに付着して、銅板から剥離した。また、有機ハロゲン化合物を含まず、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量が２．５重量％を超え、かつ、イミダゾール化合物を含まない比較例２、ハロゲン化合物を含まず、イミダゾール化合物の添加量が１０重量％を超える比較例４では、連続粘度測定で増粘の傾向が見られた。
実施例１４～実施例２５では、ハロゲン化合物として有機ハロゲン化合物を選択し、２，３－ジブロモ－１，４－ブタンジオール、２，３－ジブロモ－２－ブテン－１，４－ジオールを、以下の表２に示す比率で添加した。
また、実施例１４～実施例２５では、イミダゾール化合物として、イミダゾール、２－エチル－４－メチルイミダゾール、４－メチル－２－フェニルイミダゾール、２－フェニルイミダゾール、２－エチルイミダゾール、２－メチルイミダゾールを、以下の表２に示す比率で添加した。
表２に示すように、有機ハロゲン化合物と、イミダゾール化合物を含み、有機ハロゲン化合物の添加量Ｙが０．１重量％～４重量％、イミダゾール化合物の添加量が０．１重量％～１０重量％を添加した実施例１４～実施例２５では、ソルダペーストが銅板に残留した。一方、アミンハロゲン化水素酸塩を含まず、有機ハロゲン化合物の添加量が０．１重量％未満で、かつ、イミダゾール化合物を含まない比較例５では、ソルダペーストがはんだボールに付着して、銅板から剥離した。また、アミンハロゲン化水素酸塩を含まず、有機ハロゲン化合物の添加量が４重量％を超え、かつ、イミダゾール化合物を含まない比較例６では、連続粘度測定で増粘の傾向が見られた。
表１、２よりアミンハロゲン化水素酸塩の添加量は０．０２重量％以上２．５重量％以下、有機ハロゲン化合物の添加量は０．１重量％以上４重量％以下である。
そこで、ハロゲン化合物として、アミンハロゲン化水素酸塩と有機ハロゲン化合物を両方選択し、ジフェニルグアニジン・ＨＢｒと２，３－ジブロモ－１，４－ブタンジオールをそれぞれ以下の表３に示す比率で添加した。
表３に示すように、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量が０．０２重量％以上２．５重量％以下、有機ハロゲン化合物の添加量が０．１重量％以上４重量％以下の範囲であっても、比較例７～９では、連続粘度測定で増粘の傾向が見られた。
実施例１～２８より、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量が０．０２重量％以上２．５重量％以下、有機ハロゲン化合物の添加量が０．１重量％以上４重量％以下の範囲であって、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量をＸ（重量％）、有機ハロゲン化合物の添加量をＹ（重量％）としたとき、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量と有機ハロゲン化合物の添加量は（１）式を満たす添加量となる。
実施例２９、３０はアミンハロゲン化水素酸塩の添加量が０．０２重量％以上２．５重量％以下、有機ハロゲン化合物の添加量が０．１重量％以上４重量％以下の範囲以外であっても剥離防止効果と連続粘度測定の両方を満足する結果となった。これは、アミンハロゲン化水素酸塩か有機ハロゲン化合物のどちらか一方が単独で剥離防止効果を得られる添加量を添加していれば、他方は単独では剥離防止効果が得られなかった添加量でも問題ないことを示している。しかし、両方ともが単独では剥離防止効果が得られなかった添加量では防止効果は低いと予想される。
表１～３より、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量をＸ（重量％）、有機ハロゲン化合物の添加量をＹ（重量％）としたとき、アミンハロゲン化水素酸塩の添加量と有機ハロゲン化合物の添加量は（１）式を満たす添加量となる。
以上の検証結果から、通常ではソルダペースト中のはんだ合金と、フラックスの間で反応が発生しない低温域では、フラックス中の活性剤成分が金属表面の酸化物と反応し、金属酸化膜が除去されることで、ソルダペースト中の金属粉末同士の密着度が増し、基板に残留することが判った。この保持力の高まりにより、基板の反り等による応力が加わっても、ソルダペーストが電極から剥離することを抑制できる。
＜本実施の形態の作用効果例＞
図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃは、本実施の形態のフラックスによる作用効果例を示す説明図である。半導体パッケージ１の図示しない電極に、はんだバンプ２が形成される。また、基板３の電極４に、ソルダペースト５Ａが塗布される。図１Ａに示すように、リフローの前の工程では、はんだバンプ２と、電極４に塗布されたソルダペースト５Ａが接した状態である。
図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃは、本実施の形態のフラックスによる作用効果例を示す説明図である。半導体パッケージ１の図示しない電極に、はんだバンプ２が形成される。また、基板３の電極４に、ソルダペースト５Ａが塗布される。図１Ａに示すように、リフローの前の工程では、はんだバンプ２と、電極４に塗布されたソルダペースト５Ａが接した状態である。
リフロー時の加熱で、予備加熱工程では、はんだ合金が溶融する温度に対して低い温度で、基板３等の温度を徐々に上昇させる。半導体パッケージ１の薄型化によって、フラックスの主活性温度域より低い１２０℃～１５０℃位の低温域で、半導体パッケージ１に反りが発生する。
半導体パッケージ１に反りが発生しても、本実施の形態のフラックスとはんだ合金が混合されたソルダペースト５Ａでは、図１Ｂに示すように、ソルダペースト５Ａが電極４から剥離しない。このように、プリヒート時において半導体パッケージ１の反りが発生しても、ソルダペースト５Ａが電極４から剥離しないことで、電極４の表面の金属酸化膜を除去することができる。
はんだ合金が溶融する本加熱温度までリフロー炉内温度を上げていくと、図１Ｃに示すように、ソルダペースト５Ａ中のはんだ合金が溶融し、電極４とソルダペースト５Ａ中のはんだ合金が接合される。
また、ソルダペースト５Ａ中のはんだ合金が溶融することで、ソルダペースト５Ａで基板３に支持されている半導体パッケージ１が下降する。半導体パッケージ１が下降することで、半導体パッケージ１が反ることによって離間した半導体パッケージ１のはんだバンプ２と、電極４に塗布されたソルダペースト５Ａが接触する。
フラックス中の活性剤成分は、ロジンによって揮発が抑えられており、半導体パッケージ１のはんだバンプ２と、電極４に塗布されたソルダペースト５Ａが再接触することで、はんだバンプ２の表面の金属酸化膜が除去される。
これにより、はんだバンプ２とソルダペースト５Ａ中のはんだ合金が融合される。従って、リフロー工程で半導体パッケージ１に反りが発生しても、半導体パッケージ１のはんだバンプ２と、基板３の電極４が、はんだ合金で電気的に接合される。
本発明は、ＢＧＡを適用した電子部品のはんだ付けに適用される。
１・・・半導体パッケージ、２・・・はんだバンプ、３・・・基板、４・・・電極、５Ａ、５Ｂ・・・ソルダペースト
Claims (6)
- ロジン、グリコールエーテル系溶剤、有機酸、チキソ剤、ハロゲン化合物、イミダゾール化合物を含み、
前記ハロゲン化合物は、アミンハロゲン化水素酸塩、有機ハロゲン化合物の何れか、あるいは、これらの組み合わせであり、
前記アミンハロゲン化水素酸塩の添加量は０重量％以上２．５重量％以下、前記有機ハロゲン化合物の添加量は０重量％以上４重量％以下であり、
前記アミンハロゲン化水素酸塩の添加量が０重量％以上０．０２重量％未満である場合、前記有機ハロゲン化合物の添加量は０重量％以上０．１重量％未満を除き、
前記有機ハロゲン化合物の添加量が０重量％以上０．１重量％未満である場合、前記アミンハロゲン化水素酸塩の添加量は０重量％以上０．０２重量％未満を除き、
前記アミンハロゲン化水素酸塩の添加量をＸ（重量％）、前記有機ハロゲン化合物の添加量をＹ（重量％）としたとき、前記アミンハロゲン化水素酸塩の添加量と前記有機ハロゲン化合物の添加量が（１）式を満たす範囲であり、
前記イミダゾール化合物の添加量が０．１重量％～１０重量％である
ことを特徴とするソルダペースト用フラックス。
- 前記アミンハロゲン化水素酸塩は、アミン化合物とハロゲン化水素酸の塩であり、前記アミン化合物としては、エチルアミン、ジエチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、イソプロピルアミン、ジフェニルグアニジン、シクロヘキシルアミン、アニリンの何れかであり、前記ハロゲン化水素酸としては、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸の何れかであり、前記アミンハロゲン化水素酸塩の何れか、あるいは、これらの組み合わせである
ことを特徴とする請求項１に記載のソルダペースト用フラックス。 - 前記有機ハロゲン化合物は、１－ブロモ－２－ブタノール、１－ブロモ－２－プロパノール、３－ブロモ－１－プロパノール、３－ブロモ－１，２－プロパンジオール、１，４－ジブロモ－２－ブタノール、１，３－ジブロモ－２－プロパノール、２，３－ジブロモ－１－プロパノール、２，３－ジブロモ－１，４－ブタンジオール、２，３－ジブロモ－２－ブテン－１，４ジオールの何れか、あるいは、これらの組み合わせである
ことを特徴とした請求項１または２に記載のソルダペースト用フラックス。 - 前記イミダゾール化合物は、イミダゾール、２－エチル－４－メチルイミダゾール、４－メチル－２－フェニルイミダゾール、２－フェニルイミダゾール、２－エチルイミダゾール、２－メチルイミダゾールの何れか、あるいは、これらの組み合わせである
ことを特徴とする請求項１～請求項３の何れか１項に記載のソルダペースト用フラックス。 - 請求項１～４に記載のソルダペースト用フラックスとはんだ合金の粉末が混合された
ことを特徴とするソルダペースト。 - 請求項５に記載されたソルダペーストにより形成された
ことを特徴とするはんだ接合体。
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