JP2004283841A

JP2004283841A - ソルダペーストおよびソルダペースト用はんだ粉末の被覆方法

Info

Publication number: JP2004283841A
Application number: JP2003076290A
Authority: JP
Inventors: Narutoshi Taguchi; 稔孫田口; Masanori Okuyama; 雅宣奥山
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】従来のソルダペーストは長期間の間にはんだ粉末とフラックスが反応することにより粘度が高くなって印刷性が悪くなったり、酸化してリフロー時に微小はんだボールが多発したりしていた。このような不都合に鑑みはんだ粉末表面に被覆材を被覆することも提案されているが、従来の被覆材を被覆したはんだ粉末使用のソルダペーストははんだ付け性に問題があった。
【解決手段】本発明は、表面に尿素を被覆したはんだ粉末とフラックスとを混練したソルダペーストである。そしてはんだ粉末の被覆方法としては１〜２０質量％の尿素を溶剤に溶解させて被覆液を作製し、該被覆液中にはんだ粉末を投入してから濾過して、その後、溶剤を揮発させることにより乾燥する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、電子機器のはんだ付けに用いるソルダペーストおよびソルダペースト用はんだ粉末への被覆材の被覆方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器のはんだ付け方法としては、鏝付け法、フロー法、リフロー法がある。鏝付け法は、はんだ付け部一箇所毎にはんだ付けするため大量生産に即しないが、他のはんだ付け方法で発生した不良箇所の補修や熱に弱い電子部品の後付け等の個々のはんだ付けに適している。フロー法は、プリント基板のはんだ付け面全体を溶融したはんだに浸漬するため多数箇所のはんだ付けが一度の処理で行えるという生産性に優れたものである。しかしながらフロー法は不要箇所にもはんだが付着したり、隣接するはんだ付け部にはんだが跨って付着するブリッジを発生させたりする問題があった。リフロー法は、プリント基板の必要箇所だけにソルダペーストを塗布し、リフロー炉のような加熱装置で加熱するだけで多数箇所のはんだ付けができ、しかも不要箇所へのはんだの付着やブリッジの発生がないという生産性と信頼性に優れたはんだ付けが行えるものである。
【０００３】
上記リフロー法に用いるソルダペーストは、はんだ粉末とフラックスとを混練して粘調性のあるペースト状にしたものであり、スクリーンやマスクを用いた印刷やディスペンサーを用いた吐出によりプリント基板のはんだ付け部に塗布する。そして該塗布部に電子部品を搭載した後、プリント基板をリフロー炉で加熱し、ソルダペースト中のはんだ粉末を溶融させることによりプリント基板と電子部品をはんだ付けする。該ソルダペーストに用いるはんだ粉末としては、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ粉末や鉛フリーはんだ粉末がある。
【０００４】
Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ粉末とは、Ｐｂ−Ｓｎの二元のはんだ粉末やＰｂ−ＳｎにＡｇ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｃｕ等の第三元素を添加して粉末にしたものである。Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ合金のうちＰｂ−６３Ｓｎ合金（共晶合金）は、融点が１８３℃と比較的低く、はんだ付け性に優れ、しかも安価であるため古来より最も多く使用されてきたはんだ合金であり、ソルダペーストにおいても多く使用されてきた。
【０００５】
しかしながら、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ合金ではんだ付けされたプリント基板が埋め立て処分され、そこに酸性雨が接触すると、はんだ中のＰｂ成分が溶出して地下水に混入する。このようにＰｂ成分が混入した地下水を長年月にわたって人間や家畜が飲用すると、体内にＰｂが蓄積されて鉛中毒をおこすとされ、その使用が規制されるようになってきた。このような機運から最近ではＰｂの含まない所謂「鉛フリーはんだ」が使用されるようになってきた。
【０００６】
鉛フリーはんだとは、Ｓｎを主成分として、これにＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ等の第三元素を一種以上添加したものである。ソルダペースト用のはんだ粉末として多く使用されている鉛フリーはんだは、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−９Ｚｎ、Ｓｎ−５８Ｂｉ、Ｓｎ−４Ｓｂのように、その系で最も融点の低い共晶合金、或いは該二元共晶合金近辺の組成に前述のような第三元素を少量添加した合金である。二元系以外の鉛フリーはんだで多く使用されている鉛フリーはんだは、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（液相線温度：２１７℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８Ｉｎ（液相線温度：２１４℃）、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ（液相線温度：１９７℃）等である。
【０００７】
ソルダペーストに用いられるフラックスは、松脂、チキソ剤、活性剤等の固形成分を溶剤で溶解してペースト状にしたものである。フラックス成分の松脂は、それ自体に活性作用が有り、またはんだ粉末が溶融したときに溶融はんだ表面を被ってはんだの酸化を防止するという再酸化防止作用を有している。しかしながら松脂だけの活性作用でははんだ付け性が充分でないため、ソルダペーストでは、それを補う目的で活性剤を添加している。ソルダペースト用フラックスの活性剤としては、アミンのハロゲン化物や有機酸等である。そしてチキソ剤は、比重の大きく相違するはんだ粉末とフラックスとが分離しないようにするものであり、硬化ヒマシ油が多く用いられている。
【０００８】
ところでソルダペーストは、はんだ粉末とフラックスとを混練した後、長期間経過すると、粘度が高くなったり、はんだ付け時にはんだ付け部周辺に微小なはんだボールが多数発生したりするという経時変化することがあった。このようにソルダペーストの粘度が高くなるとソルダペーストを印刷塗布するときにマスクの孔にソルダペーストが侵入していかなくなって印刷ができなくなり、また微小はんだボールが発生すると導体間の絶縁抵抗の低下や短絡を起こして電子機器の機能を低下させてしまう。このようにソルダペーストの粘度が高上したり微小はんだボールが発生したりするのは、ソルダペースト製造後、ソルダペースト中のはんだ粉末がフラックスと長期間接触しているうちに、フラックスに添加された活性剤のハロゲンや酸により酸化したり金属的性質が失われて劣化したりするからである。
【０００９】
そこでソルダペースト中のはんだ粉末がフラックスと接触しなければ経時変化しないことから、従来からソルダペースト用はんだ粉末を被覆材で被覆することが多数提案されていた。従来から提案されていたはんだ粉末の被覆材は、合成樹脂（特許文献１、２）、ロジン（特許文献３、４）、防錆剤（特許文献５）、低温気化有機膜のＮ−エチル−Ｎ’−フェニル尿素（特許文献６）等である。
【００１０】
【特許文献１】特開平４−１４７７８７号公報（第１頁、左欄）
【特許文献２】特開平８−２５０８３号公報（第１頁、左欄）
【特許文献３】特開平４−２３７５９０号公報（第２頁、左欄）
【特許文献４】特開平９−１０９８７号公報（第１頁、左欄）
【特許文献５】特開平９−１３８２号公報（第２頁、左欄）
【特許文献６】特開平１１−２４５０７９号公報（第３頁、右欄）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ソルダペースト用のはんだ粉末を被覆材で被覆しておくとフラックスとの接触が避けられるため、経時変化を起こしにくくなる。しかしながら、はんだ粉末を被覆してもソルダペーストをやや高めの室温雰囲気中に置いたり、ソルダペースト製造後に少し長く時間が経過したりすると、やはり経時変化して粘度増加や微小はんだボールを発生させることがあった。これら経時変化による現象は、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ合金粉末を使用したソルダペーストでも発生するが、鉛フリーはんだ合金粉末、特にＳｎ−Ｚｎ系はんだ合金粉末を使用したソルダペーストで顕著に発生していた。
【００１２】
また従来の被覆はんだ粉末を用いたソルダペーストは、リフロー炉ではんだ付けしたときに、溶融したはんだがはんだ付け部全域に広がらないという未はんだとなることもあった。はんだ付け部に未はんだが発生すると、接合面積が所定の接合面積よりも小さくなるため、接合強度が弱くなって電子機器に少しの衝撃が加わっただけで簡単に剥離してしまうものである。
【００１３】
本発明者らが従来の被覆材で被覆したはんだ粉末使用のソルダペーストにおいて長期間の放置により経時変化したり、リフロー時に未はんだや微小はんだボールが発生したりする原因を究明したところ、ソルダペーストが経時変化するのははんだ表面を被覆した被覆材が長期間経過するうちにフラックスに溶かされてはんだの金属部が露出し、それがフラックスと反応して酸化や劣化するためであることが分かった。また従来の被覆材で被覆したはんだ粉末使用のソルダペーストがリフロー時に未はんだを発生させるのは、リフロー加熱したときに被覆材が完全に溶けなかったり、或いは被覆材がはんだの広がりを邪魔したりするためであることが分かった。
【００１４】
本発明者らは経時変化やリフロー時の未はんだを防止することについて鋭意研究を重ねた結果、はんだ粉末の表面を不動態化させておくと、経時変化や未はんだを防止することができることを見い出し、本発明を完成させた。
【００１５】
本発明は、はんだ粉とフラックスとを混練したソルダペーストにおいて、はんだ粉末の表面に尿素が被覆されていることを特徴とするソルダペーストである。
【００１６】
また別の本発明は、１〜２０質量％の尿素を溶剤中で溶解して被覆液を作製し、該被覆液中にはんだ粉末を投入した後、被覆液とはんだ粉末を濾過し、その後はんだ粉末を乾燥させることを特徴とするソルダペースト用はんだ粉末の被覆方法である。
【００１７】
はんだ粉末の表面に尿素を薄く被覆しておくと、はんだ粉末表面が一種の不動態となり、ハロゲンや酸性の強いフラックスに接触していてもフラックスと反応しにくくなって酸化や劣化が起こらない。はんだ粉末を不動態化するには、はんだ粉末の表面を被覆する材料のｐＨが６．５〜１２でなければならない。尿素はｐＨが７であり、しかもはんだ粉末表面を不動態化する作用を有している。従って、はんだ粉末表面に尿素を被覆しておくと、はんだ粉末がフラックスに犯されにくくなる。また尿素はリフロー時にハロゲン化アルキルの活性を高めるため、溶融したはんだの広がりを邪魔しないばかりでなく、かえってはんだの広がりを促進するようになる。
【００１８】
本発明のソルダペーストは、はんだ粉末がＰｂ−Ｓｎ系はんだ合金粉末、鉛フリーはんだ合金粉末に適用可能である。鉛フリーはんだのうち特にＳｎ−Ｚｎ系はんだ合金粉末は、Ｚｎが卑（ｂａｓｅ）な金属であるため、フラックスとの反応が激しく経時変化しやすいものであるが、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金粉末に尿素を被覆しておくと経時変化を防止する効果が顕著に現れる。Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金粉末とは、Ｓｎ−Ｚｎの共晶組成（Ｓｎ−９Ｚｎ）、或いは該共晶組成近辺にＢｉ、Ａｇ、Ｃｕ等を添加したものである。Ｓｎ−Ｚｎ系としてはＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉがはんだ付け性に優れ、また融点が従来のＰｂ−６３Ｓｎはんだに近いことからソルダペースト用として現在最も多く使用されている。
【００１９】
本発明の被覆方法では、尿素を溶剤で溶解し、該溶剤中にはんだ粉末を浸漬してから濾過して、それを乾燥させる。本発明に使用する溶剤としては、尿素を溶解するものであれば如何なる溶剤でも使用可能である。本発明に使用して好適な溶剤は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、ベンゼン、水である。なかでもＩＰＡは安全性、経済性、乾燥性の点で優れている。ＩＰＡで尿素を溶解させるのは困難であるが、ＩＰＡを沸点近傍まで加熱すると尿素はＩＰＡに容易に溶解する。またＩＰＡは揮発しやすため、尿素をＩＰＡに溶解して作製した被覆液中にはんだ粉末を投入し、それを濾過した後、はんだ粉末を乾燥すればＩＰＡは容易に揮発してはんだ粉末表面に尿素を均一に被覆することができる。
【００２０】
本発明のソルダペースト用はんだ粉末の被覆方法では、１〜２０質量％の尿素を溶剤で溶解して被覆液を作製し、該被覆液中にはんだ粉末を投入するものである。溶剤中への尿素の添加量が１質量％よりも少ないとはんだ粉末表面への尿素の被覆厚さが充分でなく、はんだ粉末の酸化や劣化防止に効果が現れず、しかるに２０質量％を超えて添加するとはんだ粉末表面への尿素の被覆厚さが厚すぎなり過ぎて、ソルダペーストのリフロー時に、溶融したはんだの濡れ性を阻害するようになる。
【００２１】
ここで本発明のソルダペーストと従来のソルダペーストについて経時変化の試験を行った。実施例１と実施例２に使用するフラックスとはんだ粉末は以下の通りであり、これらのフラックスとはんだ粉末を攪拌機で混練してソルダペーストを得た。実施例１のソルダペーストに使用するはんだ粉末には、尿素を次の方法で被覆した。先ずＩＰＡに１０質量％の尿素を添加して被覆液を作製しておく。該被覆液中にＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉの鉛フリーはんだ粉末を投入し、被覆液とともに濾過装置で濾過する。濾過残渣となった鉛フリーはんだ粉末を減圧機内７０℃で乾燥して表面に尿素を被覆した。比較例１と比較例２のソルダペーストに使用するはんだ粉末には、何の処理も施していない。
【００２２】
○フラックス：１０質量％
重合ロジン（松脂）５０質量％
硬化ヒマシ油（チキソ剤）５質量％
エイコサン２酸（活性剤）３質量％
イソシアヌル酸トリス２，３ジブロモプロピルエーテル（活性剤）２質量％
ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル（溶剤）４０質量％
○はんだ粉末：９０質量％
Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ（粒度：３０μｍ）
【００２３】
・はんだ付け性と微小はんだボール発生試験
実施例と比較例のソルダペーストを４０℃の恒温槽中に７日間放置した後、マスクを用いてプリント基板に印刷塗布した。
プリント基板の導体：０．２×２．０（ｍｍ）、ピッチ間隔０．４ｍｍ
プリヒート温度：１５０〜１７０℃
プリヒート時間：９０秒
リフロー温度：２２０℃
リフロー時間：２００℃以上３０秒
試験結果：実施例１のソルダペーストは微小はんだボールや未はんだの発生は皆無であったが、比較例１のソルダペーストでは大量の微小はんだボールが発生していた。
【００２４】
・広がり試験
試験方法は、厚さ０．５ｍｍ、大きさ３０×３０（ｍｍ）の脱酸銅板の表面に実施例１と比較例１のソルダペースト（約０．３ｇ）を載置し、該銅板を２３０℃の溶融はんだ浴上に置いてソルダペーストを溶融させる。銅板上ではんだが溶融した後、冷却してから実施例と比較例の広がり率を測定する。
試験結果：実施例１は広がり率が９３％であり、比較例１は８９％であった。
【００２５】
次にＰｂ−６３Ｓｎはんだ粉末を用いた本発明ソルダペースト（実施例２）と従来ののソルダペースト（比較例２）について経時変化による粘度変化の試験を行った。実施例２と比較例２に使用するフラックスとはんだ粉末は以下の通りであり、これらのフラックスとはんだ粉末を攪拌機で混練してソルダペーストを得た。
○フラックス：１０質量％
重合ロジン（松脂）５３質量％
硬化ヒマシ油（チキソ剤）５質量％
ジエタノールアミンＨＢｒ（活性剤）２質量％
ブチルカルビトール（溶剤）４０質量％
○はんだ粉末：９０質量％
Ｐｂ−６３Ｓｎ（粒度：３０μｍ）
【００２６】
上記と同一方法で表面に尿素が被覆されたＰｂ−６３Ｓｎはんだ粉末を用いた実施例２のソルダペーストと、表面に何の処理も施していないＰｂ−６３Ｓｎ（粒度：３０μｍ）を用いた従来のソルダペースト（比較例２）で粘度変化の実験を行った。実施例２に使用するはんだ粉末には上述実施例１と同様にして表面に尿素を被覆し、比較例２に使用するはんだ粉末には何の処理も施してない。試験方法は以下の通りである。
【００２７】
実施例２のソルダペーストと比較例２のソルダペーストをそれぞれ７個ずつ４０℃の恒温槽にいれ、毎日１個を恒温槽から取り出して粘度を測定した。
【００２８】
粘度変化の実験では図１に示すように実施例２のソルダペーストは恒温槽に入れる前と７日経過後の粘度変化が非常に少なかった。一方、比較例２のソルダペーストでは恒温槽に入れる前の粘度と７日における粘度が大きく増加していた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればはんだ粉末の表面に被覆した尿素がはんだ粉末表面を不導体態化するため、はんだ粉末とフラックスとを混練した後、長期間経過してもはんだ粉末がフラックスによって酸化したり劣化したりしない。その結果、本発明のソルダペーストは、長期間経過しても印刷性が損なわれたり、リフロー時に微小はんだボールが発生したりせず、しかも溶融はんだの広がりを阻害しないことから未はんだの発生もないという信頼性に優れたはんだ付けが行えるものである。また本発明のはんだ粉末の尿素の被覆方法は、尿素を溶剤で完全に溶解するとともに乾燥時に揮発性の溶剤では乾燥が容易となるため、はんだ粉末表面に均一な尿素の被覆が簡単に行えるという従来にない優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ソルダペーストと従来のソルダペーストの粘度変化を表すグラフ

Claims

はんだ粉とフラックスとを混練したソルダペーストにおいて、はんだ粉末の表面に尿素が被覆されていることを特徴とするソルダペースト。
前記はんだ粉末は、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ粉末であることを特徴とする請求項１記載のソルダペースト。
前記はんだ粉末は、鉛フリーはんだ粉末であることを特徴とする請求項１記載のソルダペースト。
前記はんだ粉末は、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ粉末であることを特徴とする請求項１記載のソルダペースト。
１〜２０質量％の尿素を溶剤中で溶解して被覆液を作製し、該被覆液中にはんだ粉末を投入した後、被覆液とはんだ粉末を濾過し、その後はんだ粉末を乾燥させることを特徴とするソルダペースト用はんだ粉末の被覆方法。
前記溶剤は、イソプロピルアルコール、ベンゼン、水のいずれかであることを特徴とする請求項５記載のソルダペースト用はんだ粉末の被覆方法。