JP2006122913A - Soldering paste and soldering method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子部品を基板に半田接合するために用いられる半田ペーストおよびこの半田ペーストを用いた半田接合方法に関するものである。 The present invention relates to a solder paste used for soldering an electronic component to a substrate and a solder bonding method using the solder paste.
電子部品を基板に実装する方法として、半田接合による方法が広く用いられている。実装される電子部品がファインピッチ部品で半田接合部の半田量が小さい場合や、使用される半田接合材料自体の強度が低く十分な接合強度を確保することが難しい場合には、半田接合部を樹脂補強部によって補強する半田接合方法が採用される。 As a method for mounting electronic components on a substrate, a solder bonding method is widely used. If the electronic component to be mounted is a fine pitch component and the solder amount of the solder joint is small, or if the strength of the solder joint material used is low and it is difficult to ensure sufficient joint strength, the solder joint should be A solder joining method in which the resin reinforcing portion reinforces is employed.
樹脂補強部としてはエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が使用される場合が多いが、この補強樹脂を硬化させるためのキュア工程を半田接合のためのリフロー工程と同一工程で行うことができれば工程簡略化を図ることができ好都合である。このため、電子部品の基板への実装において電子部品搭載に先立って補強樹脂を形成する熱硬化性樹脂を含む接合材料を予め実装位置に塗布するいわゆる「樹脂先塗り」が採用される場合があり、このような工法において使用される半田接合材料として、熱硬化型フラックスや、熱硬化型フラックスに半田粉末を予め混入した半田ペーストが提案されている（例えば特許文献１、２参照）。このような半田ペーストを用いることにより、別途半田材料を供給することなく、同一工程で電極間の半田接合と補強樹脂の形成が同時に行えるという優れた利点がある。
しかしながら上述の熱硬化性型フラックスに半田を混入した半田ペーストには、リフロー過程において溶融半田を所望の形態で流動させることが難しいことに起因して、十分な接合強度を与える正常な半田接合部を形成することが難しいという問題点があった。すなわち、リフロー過程においては半田接合のための加熱により半田ペースト中の半田が溶融するとともに、熱硬化性樹脂の熱硬化反応が同時並行的に進行する。このため、半田がボール状に離散したまま固化するなどの接合不良を生じやすく、必要とされる半田量を有し且つ健全な形状で十分な強度の半田接合部を形成することが困難であった。 However, the solder paste in which solder is mixed in the thermosetting flux described above is a normal solder joint that provides sufficient joint strength due to the difficulty in flowing molten solder in a desired form during the reflow process. There was a problem that it was difficult to form. That is, in the reflow process, the solder in the solder paste is melted by heating for solder joining, and the thermosetting reaction of the thermosetting resin proceeds simultaneously. For this reason, it is easy to cause a bonding failure such as solidification of the solder in the form of balls, and it is difficult to form a solder joint having a required amount of solder and having a sound shape and sufficient strength. It was.
そこで本発明は、十分な強度の半田接合部を形成することができる半田ペーストおよびこの半田ペーストを用いた半田接合方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solder paste capable of forming a solder joint portion having sufficient strength and a solder joint method using the solder paste.
本発明の半田ペーストは、電子部品を基板に半田接合により実装するために用いられる半田ペーストであって、半田の粒子と、熱硬化性樹脂を含み半田酸化膜を除去する活性作用を備えた熱硬化型フラックスと、前記半田の融点よりも高温の融点を有し大気中で酸化膜を生成せず且つ前記半田の粒子が溶融した流動状態の半田が表面に沿って濡れ拡がりやすい材質より成る金属粉とを含む。 The solder paste of the present invention is a solder paste used for mounting an electronic component on a substrate by solder bonding, and is a heat paste having an active action of removing solder oxide film containing solder particles and a thermosetting resin. A metal made of a curable flux and a material that has a melting point higher than the melting point of the solder, does not generate an oxide film in the atmosphere, and is in a state where the solder in a fluid state in which the solder particles are melted easily spreads along the surface Including flour.
本発明の半田接合方法は、電子部品の接続用電極を基板の回路電極に半田接合する半田接合方法であって、半田の粒子と、熱硬化性樹脂を含み半田酸化膜を除去する活性作用を備えた熱硬化型フラックスと、半田の融点よりも高温の融点を有し大気中で酸化膜を生成せず且つ前記半田の粒子が溶融した流動状態の半田が表面に沿って濡れ拡がりやすい材質より成る金属粉とを含む半田ペーストを前記回路電極と前記接続用電極との間に介在させ
る工程と、前記基板を加熱して半田を溶融させて前記金属粉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前記回路電極および接続用電極に接触させて半田接合部を形成するとともに前記熱硬化性樹脂の熱硬化を促進する工程と、前記基板を常温に戻すことにより前記半田を固化させる工程とを含む。
The solder bonding method of the present invention is a solder bonding method for soldering a connection electrode of an electronic component to a circuit electrode of a substrate, and has an active action of removing a solder oxide film containing solder particles and a thermosetting resin. A thermosetting flux provided, and a material that has a melting point higher than the melting point of the solder, does not generate an oxide film in the atmosphere, and the solder in a fluid state in which the solder particles are melted easily spreads along the surface. A step of interposing a solder paste containing the metal powder formed between the circuit electrode and the connection electrode, and heating the substrate to melt the solder and spread it over the surface of the metal powder A step of bringing the melted solder into contact with the circuit electrode and the connection electrode to form a solder joint and promoting thermosetting of the thermosetting resin; and a step of solidifying the solder by returning the substrate to room temperature Including the.
本発明によれば、半田粒子と、熱硬化性樹脂を含み半田酸化膜を除去する活性作用を備えた熱硬化型フラックスと、半田の粒子が溶融した流動状態の半田が表面に沿って濡れ拡がりやすい材質より成る金属粉とを含む含む構成の半田ペーストを採用することにより、リフロー工程の半田溶融過程において半田を良好に凝集させて正常な半田接合部を形成することができ、半田接合強度を確保することができる。 According to the present invention, the solder particles, the thermosetting flux containing the thermosetting resin and having the active action of removing the solder oxide film, and the fluidized solder in which the solder particles are melted spread out along the surface. By adopting a solder paste that contains metal powder made of easy-to-use materials, it is possible to form a normal solder joint by agglomerating the solder well in the solder melting process of the reflow process, thereby improving the solder joint strength. Can be secured.
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は本発明の一実施の形態の半田接合方法による電子部品実装方法の工程説明図、図２は本発明の一実施の形態の半田接合構造の断面図、図３は本発明の一実施の形態の半田接合方法における半田流動過程の説明図、図４は本発明の一実施の形態の半田ペーストに混入される金属粉の断面図、図５は従来の半田ペーストを用いた半田接合方法における不具合例の説明図である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process explanatory diagram of an electronic component mounting method using a solder bonding method according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a solder bonding structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of metal powder mixed in the solder paste according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a conventional solder bonding method using a solder paste. It is explanatory drawing of the malfunction example.
まず図１を参照して電子部品実装方法について説明する。この電子部品実装方法は、電子部品の接続用電極を基板に形成された回路電極に半田接合することにより電子部品を基板に実装するものである。 First, an electronic component mounting method will be described with reference to FIG. In this electronic component mounting method, an electronic component is mounted on a substrate by soldering the connection electrode of the electronic component to a circuit electrode formed on the substrate.
図１（ａ）において、基板１には回路電極２（以下、単に「電極２」と略記する）が形成されている。電極２には、基板１に実装される電子部品の接続用電極がそれぞれ半田接合により接続される。電子部品の搭載に先立って、まず図１（ｂ）に示すように、電極２の上面には半田ペースト３が塗布される。半田ペースト３の塗布には、スクリーン印刷やディスペンサによって塗布する方法などが用いられる。
In FIG. 1A, a circuit electrode 2 (hereinafter simply referred to as “
ここで電子部品を基板に半田接合により実装するために用いられる半田ペースト３について説明する。半田ペースト３は、半田の粒子および後述する金属粉より成る金属成分と、熱硬化性樹脂および可塑剤としての固形樹脂を含有し半田酸化膜を除去する活性作用を備えた熱硬化型フラックスとを含む組成になっている。固形樹脂は、常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有する熱可塑性の樹脂である。金属粉としては、Ａｇ（銀）、パラジウム（Ｐｄ）、Ａｕ（金）などの金属を薄片状の金属箔にしたものを、０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％の配合比で混入する。
Here, the
上述の金属は、使用される半田の融点よりも高温の融点を有し、大気中で酸化膜を生成せず、且つ半田の粒子が溶融した流動状態の半田が表面に沿って濡れやすい材質であることから、後述するようにリフローによる半田接合過程において、これらの金属粉が核となって溶融半田を凝集させて半田の濡れ性を向上させるという効果を有している（図３参照）。 The above metal has a melting point higher than the melting point of the solder used, does not produce an oxide film in the atmosphere, and is a material in which the solder in a fluid state in which solder particles are melted easily wets along the surface. Therefore, as described later, in the solder joining process by reflow as described later, these metal powders have an effect of aggregating the molten solder and improving the wettability of the solder (see FIG. 3).
また半田としては、鉛成分を含まないいわゆる鉛フリー半田が採用されており、実装対象の基板や電子部品の特性に応じて、２種類の半田を使い分けるようにしている。すなわち、比較的高温域までの加熱が許容されるような対象には、Ｓｎ（錫）−Ａｇ（銀）−Ｃｕ（銅）系の半田（液相線温度２２０℃）が選定され、また極力加熱温度を低く設定することが望まれるような対象には、Ｓｎ（錫）−Ｂｉ（ビスマス）系の半田（液相線温度１３９℃）が選定される。Ｓｎ−Ｂｉ系の半田については、Ａｇ（銀）を１ｗｔ％〜３ｗｔ％の配合比で加えることにより、半田強度を向上させることができる。そしてこれらの半
田は、粒子状のものが半田ペースト中に７０ｗｔ％〜９２ｗｔ％の範囲の配合比で含有される。
Also, as the solder, so-called lead-free solder that does not contain a lead component is adopted, and two types of solder are properly used according to the characteristics of the substrate to be mounted or the electronic component. That is, Sn (tin) -Ag (silver) -Cu (copper) -based solder (liquidus temperature 220 ° C.) is selected as an object that can be heated to a relatively high temperature range. Sn (tin) -Bi (bismuth) -based solder (liquidus temperature 139 ° C.) is selected for an object for which it is desired to set the heating temperature low. For Sn-Bi solder, the strength of solder can be improved by adding Ag (silver) at a blending ratio of 1 wt% to 3 wt%. And these solders are contained in the solder paste in a mixture ratio in the range of 70 wt% to 92 wt% in the form of particles.
そして固形樹脂としては、半田の液相線温度が固形樹脂の軟化温度以上となるような組み合わせが選定される。このような組み合わせを選定することにより、後述するように、リフロー過程において溶融半田の流動が半田ペースト３中の樹脂成分によって妨げられる度合いが少なく、良好な半田接合が行えるという利点がある。
As the solid resin, a combination is selected such that the liquidus temperature of the solder is equal to or higher than the softening temperature of the solid resin. By selecting such a combination, as will be described later, there is an advantage that the flow of the molten solder is less disturbed by the resin component in the
次いで基板１にはチップ型の電子部品４が搭載される。すなわち、図１（ｃ）に示すように、電子部品４の両端部に設けられた接続用電極である端子４ａを電極２に位置合わせして半田ペースト３に端子４ａを着地させる。これにより、電子部品４は半田ペースト３の粘着力によって仮止め固定される。この後、電子部品４が搭載された基板１はリフロー装置に送られ、ここで半田ペースト３中の半田の液相線温度以上に加熱される。この加熱により、図１（ｄ）に示すように、半田ペースト３中の半田を溶融させるとともに、半田ペースト３中の熱硬化性樹脂の硬化反応を促進し、同時並行的に固形樹脂を液状に変化させる。
Next, a chip-type
そしてこの後、基板１をリフロー装置から取り出して基板１を常温に戻すことにより、半田ペースト３中の固形樹脂および溶融した半田を固化させる。これにより、電子部品４では溶融した半田が電極２と端子４ａとを連結したフィレット形状の半田接合部５ａ（図２参照）が形成される。これにより、半田ペースト３を用い、電子部品４の接続用電極である端子４ａと基板１の電極２を半田接合して成る半田接合構造５が形成される。
After that, the
この半田溶融時において、半田ペースト３に含まれる熱硬化性フラックス中の固形樹脂が液状に変化することにより、熱硬化性フラックスは半田溶融温度に加熱された状態においても流動性を失わず、溶融半田のセルフアライメント現象を阻害することがない。そして、この半田接合過程が完了した後には、熱硬化型フラックスは熱硬化性樹脂が熱硬化を完了することによる硬化とともに、加熱によって一旦液状化した固形樹脂が常温まで冷却されて再び固化することによって完全な固体状態となり、電極２上面の半田接合部５ａを覆って補強する樹脂補強部５ｂとして機能する。
When the solder is melted, the solid resin in the thermosetting flux contained in the solder paste 3 changes to a liquid state, so that the thermosetting flux does not lose its fluidity even when heated to the solder melting temperature. It does not hinder the solder self-alignment phenomenon. Then, after this soldering process is completed, the thermosetting flux is cured by the thermosetting resin completing the thermosetting, and the solid resin once liquefied by heating is cooled to room temperature and solidified again. Therefore, it becomes a completely solid state and functions as a resin reinforcing portion 5b that covers and reinforces the solder joint portion 5a on the upper surface of the
ここで、図３を参照して、半田溶融過程における半田の流動状態について説明する。図３は電極２と端子４ａとを半田接合するために供給された半田ペースト３を部分的に取り出して半田の溶融・凝集の過程を模式的に示したものであり、（イ）（ロ）（ハ）において、リフロー時における半田の挙動を順を追って図示している。
Here, with reference to FIG. 3, the flow state of the solder in the solder melting process will be described. FIG. 3 schematically shows the process of melting and agglomerating the solder by partially taking out the
（イ）に示すように、半田ペースト３には半田粒子６および金属粉７が前述の配合比率で含有されている。このとき、いくつかの半田粒子６は粒子相互で、あるいは金属粉７と接触状態にある。リフローにおいて半田ペースト３が液相線温度を超えて加熱されると、半田粒子６は溶融して流動状態の溶融半田６ａとなるが、半田粒子６の表面は半田ペースト３中に含まれる活性成分によって酸化膜が除去されて濡れ性が向上していることから、（ロ）に示すように、相互に接触した半田粒子６は１つの溶融半田６ａを形成する。
As shown in (a), the
また、金属粉７の表面は半田の濡れ性が良好であることから、金属粉７に接触した溶融半田６ａは金属粉７の表面を濡らしながら表面張力によって金属粉の表面伝いに移動し、やがて（ハ）に示すように、溶融半田６ａは１つのまとまりとなって金属粉７を包み込む。このとき金属粉７は薄片状で表面積が大きいことから半田ペースト３中で溶融半田６ａと高い確率で接触し、溶融半田６ａを凝集させる効果が大きい。
Further, since the surface of the
すなわち、リフロー過程において、金属粉７は半田ペースト３中で分散状態で存在する
半田粒子６が溶融する際に、溶融半田６ａを凝集させるための核として機能する。このような溶融半田６ａの凝集が塗布された半田ペースト３全体で生じ、溶融半田６ａが電極２および端子４ａと接触してこれらの表面を濡らすことにより、半田ペースト３中の半田成分が溶融した溶融半田６ａは、電極２と端子４ａとを連結する良好な形状の半田接合部５ａを形成する。
That is, in the reflow process, the
上述の半田接合方法は、上述成分組成の半田ペースト３を電極２と端子４ａとの間に介在させる工程と、基板１を加熱して半田の粒子６を溶融させて金属粉７の表面伝いに濡れ拡がらせることにより溶融半田６ａを電極２および端子４ａに接触させて半田接合部５ａを形成するとともに、熱硬化性樹脂の熱硬化を促進する工程と、基板１を常温に戻すことにより溶融半田６ａを固化させる工程とを含む形態となっている。
In the soldering method described above, the
そしてこの半田接合方法を用いることにより、従来の半田ペーストを用いて同様の電子部品１４を半田接合した場合に発生しやすい接合不良を防止することができる。たとえば図５は、Ｓｎ−Ｂｉ系鉛フリー半田の粒子を、可塑剤を含まない従来タイプの熱硬化型フラックスに混入した半田ペーストを用いて、端子１４ａを電極１２に半田接合した場合の半田接合構造を示している。
By using this solder bonding method, it is possible to prevent a bonding failure that is likely to occur when a similar
ここで示す半田接合例では、Ｓｎ−Ｂｉ系鉛フリー半田の特性により、健全な形状の半田フィレットを形成することが難しく、十分な接合強度が確保されない場合が多い。すなわち電極１２と端子１４ａとの間に供給された半田の大部分は、リフロー過程において半田ボール１５ｃとなってフラックス成分１５ｂとともに離散する傾向にあり、半田接合部１５ａは半田量に乏しく且つ不規則な形状となりやすい。
In the solder joint example shown here, it is difficult to form a solder fillet having a sound shape due to the characteristics of Sn-Bi lead-free solder, and sufficient joint strength is often not ensured. That is, most of the solder supplied between the
このような半田接合例を対象とする場合にあっても、本発明に示す組成の半田ペーストを用いることにより、次のような効果を得る。すなわち前述の金属粉７の存在により、半田ペースト３中の半田成分を良好に凝集させることができる。またリフロー時の加熱による熱硬化性樹脂の硬化はフラックス成分の流動性の低下を招くが、加熱による可塑剤の液状化が同時に進行するため、フラックス成分の流動性の低下を可塑剤の液状化によって補うことができる。これにより、リフロー過程において溶融半田の凝集がフラックス成分によって阻害される度合いが少なく、前述の金属粉７による溶融半田凝集効果と相俟って、溶融半田の良好な凝集を可能にしてより健全な形状の半田接合部を形成することができる。
Even when such a solder joint example is targeted, the following effects can be obtained by using the solder paste having the composition shown in the present invention. That is, the presence of the above-described
更にリフロー後においては、熱硬化した熱硬化性樹脂と冷却されることによって固化した可塑剤とが相溶状態のまま固体となった樹脂補強部が半田接合部を覆って形成されるため、脆くて接合強度に劣る低融点型の鉛フリー半田を使用した場合においても、半田接合部は樹脂補強部によって補強され、接合信頼性を確保することができる。 Further, after the reflow, the resin reinforced portion, which is solid in a state of being compatible with the thermosetting resin that has been cured by cooling and the plasticizer that has been solidified by cooling, is formed so as to cover the solder joint portion, so that it is brittle. Even when a low melting point type lead-free solder having inferior bonding strength is used, the solder bonding portion is reinforced by the resin reinforcing portion, and bonding reliability can be ensured.
ここで、半田ペースト３の成分組成の詳細例について説明する。半田ペースト３は前述のように半田の粒子を熱硬化型フラックスに混入した構成となっている。本実施の形態において熱硬化型フラックスは、基本組成として、エポキシを成分とする主剤、この主剤を熱硬化させる硬化剤および硬化促進剤、半田の酸化膜を除去する活性剤、熱可塑性の固形樹脂より成る可塑剤および溶剤を含んだ構成となっている。
Here, a detailed example of the component composition of the
次に上記基本組成における各成分の種類および配合比を説明する。まず主剤としては、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（３０ｗｔ％〜４０ｗｔ％）、硬化剤として、メチルテトラヒドロ無水フタル酸（３０ｗｔ％〜４０ｗｔ％）、硬化促進剤として、２−フェニル４−メチル５−ヒドロキシメチルイミダゾール（１ｗｔ％〜２ｗｔ％）、活性剤として、ｍ−ヒドロキシ安息香酸（３ｗｔ％〜１０ｗｔ％）、可塑剤として、高重合ロジン（
半田種類によってはアルキルフェノール変性キシレン樹脂）（３ｗｔ％〜２０ｗｔ％）、そして溶剤として、ブチルカルビトール（０ｗｔ％〜５ｗｔ％）をそれぞれ含有している。
Next, the kind and compounding ratio of each component in the basic composition will be described. First, as a main agent, hydrogenated bisphenol A type epoxy resin (30 wt% to 40 wt%), as a curing agent, methyltetrahydrophthalic anhydride (30 wt% to 40 wt%), and as a curing accelerator, 2-phenyl 4-methyl 5- Hydroxymethylimidazole (1 wt% to 2 wt%), m-hydroxybenzoic acid (3 wt% to 10 wt%) as an activator, and high polymerization rosin (
Depending on the type of solder, alkylphenol-modified xylene resin (3 wt% to 20 wt%) and butyl carbitol (0 wt% to 5 wt%) are contained as solvents.
なお上述の各成分として、以下の物質が代替物質として選択可能である。まず、主剤として、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に替えて、３，４エポキシシクロヘキセニルメチル−３，’４’エポキシシクロヘキセンカルボキシレート、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂またはビスフェノールＡ型エポキシ樹脂が選択可能である。また硬化剤として、メチルテトラヒドロ無水フタル酸に替えて、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸が、硬化促進剤として、２−フェニル４−メチル５−ヒドロキシメチルイミダゾールに替えて、２−フェニル４、５ジヒドロキシメチルイミダゾールが選定できる。
In addition, as the above-mentioned components, the following substances can be selected as alternative substances. First, instead of hydrogenated bisphenol A type epoxy resin, 3,4 epoxycyclohexenylmethyl-3, '4' epoxycyclohexene carboxylate, bisphenol F type epoxy resin or bisphenol A type epoxy resin can be selected as the main agent. . Further, instead of methyltetrahydrophthalic anhydride as a curing agent, methylhexahydrophthalic anhydride is replaced with 2-phenyl 4-methyl 5-hydroxymethylimidazole as a curing accelerator, and 2-
そして活性剤として、ｍ−ヒドロキシ安息香酸に替えて、メサコン酸が、また可塑剤として、アルキルフェノール変性キシレン樹脂に替えて、脂肪酸アマイドもしくは高重合ロジンが、そして溶剤として、ブチルカルビトールに替えてメチルカルビトールを選択することが可能である。上述各成分の配合比は、前述の基本配合例に示す数値と同じである。また硬化剤として用いられる酸無水物は、それ自体で酸化膜を除去する活性作用を有していることから、活性剤の配合を省略してもよい。 As an activator, mesaconic acid is used instead of m-hydroxybenzoic acid, and as a plasticizer, fatty acid amide or highly polymerized rosin is used instead of alkylphenol-modified xylene resin, and as a solvent, methyl is used instead of butyl carbitol. It is possible to select carbitol. The blending ratio of the above components is the same as the numerical values shown in the basic blending example. Moreover, since the acid anhydride used as a curing agent has an active action of removing the oxide film by itself, the blending of the activator may be omitted.
なお、熱硬化性樹脂としては、主剤としてエポキシ系以外にも、アクリル系、ウレタン系、フェノール系、尿素系、メラミン系、不飽和ポリエステル系、アミン系、ケイ素系のいずれか１つを含む材質を選定することができる。そして可塑剤として用いられる固形樹脂としては、テルペン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、非結晶性ロジン、イミド樹脂、オレフィン樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、ポリエステル樹脂、スチレン、ポリイミド、脂肪酸誘導体から選ばれた少なくとも１つが熱硬化性樹脂中に混入される。 In addition, as a thermosetting resin, a material containing any one of acrylic, urethane, phenol, urea, melamine, unsaturated polyester, amine, and silicon as the main agent in addition to epoxy. Can be selected. And as solid resin used as a plasticizer, terpene resin, phenol resin, xylene resin, urea resin, melanin resin, amorphous rosin, imide resin, olefin resin, acrylic resin, amide resin, polyester resin, styrene, polyimide, At least one selected from fatty acid derivatives is mixed in the thermosetting resin.
これらの固形樹脂を選定する際に、主剤の成分との関連で主剤に対して相溶性を有する固形樹脂を選定することにより、固形樹脂を主剤中に混入させる際に、気化性のガス分を含む溶剤を使用することなく流動性を備えた液状の樹脂を実現することが可能となる。これにより、溶剤から気化するガスによるリフロー装置内へのガス成分の付着や工場内の作業環境の汚染など、溶剤使用による環境負荷を低減することが可能となっている。 When selecting these solid resins, by selecting a solid resin that is compatible with the main agent in relation to the components of the main agent, when mixing the solid resin into the main agent, the vaporizable gas content is reduced. It is possible to realize a liquid resin having fluidity without using a solvent containing it. As a result, it is possible to reduce the environmental burden due to the use of the solvent, such as adhesion of gas components into the reflow apparatus by gas vaporized from the solvent and contamination of the work environment in the factory.
更に低融点型の鉛フリー半田であるＳｎ−Ｂｉ系の半田を用いることにより、以下に詳述するような優れた効果を得る。近年環境保護の要請から、電子機器製造業界においては鉛フリー半田の使用が主流になっているが、一般に用いられているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田は液相線温度２２０℃であり、従来主に用いられていたＳｎＰｂ共晶半田の液相線温度と比較して高温であるため、対象とする基板や部品によっては適用が困難であった。 Further, by using Sn-Bi solder which is a low melting point type lead-free solder, excellent effects as described in detail below are obtained. In recent years, the use of lead-free solder has become the mainstream in the electronic equipment manufacturing industry due to the demand for environmental protection, but Sn-Ag-Cu solder that is generally used has a liquidus temperature of 220 ° C. Since the temperature is higher than the liquidus temperature of the SnPb eutectic solder used mainly, it is difficult to apply depending on the target substrate or component.
これに対し、Ｓｎ−Ｂｉ系の半田は液相線温度１３９℃であることから、耐熱温度が低い性質を有する部品（例えばＣＣＤ素子やアルミ電解コンデンサなど）への適用が望まれている。ところがＳｎ−Ｂｉ系の半田は機械的に脆い強度特性を有している上に、前述のようにリフロー過程において健全な形状の半田接合部を形成することが難しく接合信頼性に難点があるため、従来は適用可能範囲が限られていた。 On the other hand, since Sn-Bi solder has a liquidus temperature of 139 ° C., it is desired to be applied to components having a low heat-resistant temperature (for example, a CCD element or an aluminum electrolytic capacitor). However, Sn-Bi solder has mechanically fragile strength characteristics, and, as described above, it is difficult to form a solder joint with a healthy shape in the reflow process, and thus there is a problem in joint reliability. Conventionally, the applicable range is limited.
本実施の形態においては、このような特性を有するＳｎ−Ｂｉ系の半田を、可塑剤を含む熱硬化型フラックス中に混入し、さらに前述の金属粉７を混入して半田ペーストとして用いることにより、適用可能範囲を大幅に拡大することが可能となっている。すなわちこのような半田ペースト３を採用することにより、前述のように、リフロー時の熱硬化性樹脂の硬化によるフラックス成分の流動性の低下を可塑剤の液状化によって補うとともに、
半田の濡れ性を金属粉７によって改善することができる。
In the present embodiment, Sn—Bi solder having such characteristics is mixed in a thermosetting flux containing a plasticizer, and further mixed with the
Solder wettability can be improved by the
これにより、溶融半田の凝集がフラックス成分によって阻害される程度が少なく、より健全な形状の半田接合部を形成することが可能となっている。更に形成された半田接合部は硬化した熱硬化性樹脂および固化した可塑剤よりなる樹脂補強部によって覆われて補強されることから、Ｓｎ−Ｂｉ系の半田の強度特性に由来する強度不足を樹脂補強部によって補うことができ、接合信頼性が向上する。 Thereby, the degree to which the agglomeration of molten solder is inhibited by the flux component is small, and it is possible to form a solder joint having a more healthy shape. Further, since the formed solder joint portion is covered and reinforced by the resin reinforcing portion made of the cured thermosetting resin and the solidified plasticizer, the resin lacks the strength due to the strength characteristics of the Sn-Bi solder. It can be compensated by the reinforcing portion, and the joining reliability is improved.
このように低融点型の鉛フリー半田であるＳｎ−Ｂｉ系の半田の実用化を可能とする接合工法を確保することにより、前述のように低耐熱温度の基板や部品への適用を拡大するとともに、加熱温度を低く設定できることによる副次的効果、すなわち予熱ステージ数の減少によるリフロー装置の小型化や消費電力量の削減が可能となる。 Thus, by securing a bonding method that enables the practical use of Sn-Bi solder, which is a low melting point lead-free solder, the application to low heat-resistant substrates and components as described above is expanded. At the same time, a secondary effect of being able to set the heating temperature low, that is, the reflow device can be reduced in size and power consumption can be reduced by reducing the number of preheating stages.
また加熱上限温度の制約から、従来より低温での半田接合が必須とされる場合に採用された高コストの接合工法、例えば銀粉を樹脂接着剤中に含有させたＡｇペーストを用いる方法や、基板全体を加熱することなくレーザ、ソフトビームなどで局所加熱して半田接合を行う個別接合工法を採用する必要がなくなり、高価な資材・装置の使用を不要として、製造コスト低減を図ることができる。 In addition, due to the limitation on the upper limit temperature of heating, a high-cost bonding method employed when solder bonding at a lower temperature than before is essential, such as a method using an Ag paste containing silver powder in a resin adhesive, or a substrate There is no need to adopt an individual joining method in which soldering is performed by locally heating with a laser, a soft beam or the like without heating the whole, and the use of expensive materials and devices is not required, and the manufacturing cost can be reduced.
更に、液相線温度が従来のＳｎＰｂ共晶半田の液相線温度（１８３℃）と比較して大幅に低いことから、従来は採用が不可能とされた低耐熱性の材質、例えば紙フェノールなどの安価な材質を基板に使用することができ、ＢＴレジンなどの高価な基板材料の使用を不要として、材料コスト低減を図ることができる。 Furthermore, since the liquidus temperature is significantly lower than the liquidus temperature (183 ° C.) of the conventional SnPb eutectic solder, a low heat-resistant material that has been impossible to adopt conventionally, such as paper phenol, is used. An inexpensive material such as BT resin can be used for the substrate, and it is not necessary to use an expensive substrate material such as BT resin, so that the material cost can be reduced.
上述の鉛フリー半田を含有させた半田ペースト３については、次のような成分組成が推奨される。まず、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田（液相線温度２２０℃）を用いる場合には、主剤として、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（３８ｗｔ％）、硬化剤として、メチルテトラヒドロ無水フタル酸（３８ｗｔ％）、硬化促進剤として、２−フェニル４−メチル５−ヒドロキシメチルイミダゾール（１ｗｔ％）、活性剤として、ｍ−ヒドロキシ安息香酸（１０ｗｔ％）、可塑剤として、高重合ロジン（１３ｗｔ％）の成分組成を用いる。この例では、可塑剤の軟化温度は１４０℃であり、半田の液相線温度が可塑剤の軟化温度よりも高くなるような組み合わせとなっている。
The following component composition is recommended for the
次に、Ｓｎ−Ｂｉ系の半田（液相線温度１３９℃）を用いる場合には、主剤として、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（３８ｗｔ％）、硬化剤として、メチルテトラヒドロ無水フタル酸（３８ｗｔ％）、硬化促進剤として、２−フェニル４−メチル５−ヒドロキシメチルイミダゾール（１ｗｔ％）、活性剤として、ｍ−ヒドロキシ安息香酸（１０ｗｔ％）、可塑剤として、アルキルフェノール変性キシレン樹脂（１３ｗｔ％）の成分組成を用いる。この例では、可塑剤の軟化温度は１２０℃であり、上述例と同様に、半田の液相線温度が可塑剤の軟化温度よりも高くなるような組み合わせとなっている。 Next, when Sn-Bi solder (liquidus temperature 139 ° C.) is used, hydrogenated bisphenol A type epoxy resin (38 wt%) as a main agent and methyltetrahydrophthalic anhydride (38 wt%) as a curing agent ), 2-phenyl 4-methyl 5-hydroxymethylimidazole (1 wt%) as a curing accelerator, m-hydroxybenzoic acid (10 wt%) as an activator, and alkylphenol-modified xylene resin (13 wt%) as a plasticizer. Ingredient composition is used. In this example, the softening temperature of the plasticizer is 120 ° C., and the combination is such that the liquidus temperature of the solder is higher than the softening temperature of the plasticizer, as in the above example.
上記説明したように、本実施の形態に示す半田接合方法では、補強樹脂を形成する熱硬化性樹脂を含む接合材料を予め実装位置に塗布するいわゆる「樹脂先塗り」を採用する接合工法において、半田の粒子と、前述組成の熱硬化型フラックスと、金属粉７とを含む構成の半田ペーストを採用している。これにより、リフロー工程の半田溶融過程における半田の流動性、濡れ性を確保して、健全な形状で十分な強度の半田接合部を形成することができる。
As described above, in the soldering method shown in the present embodiment, in a joining method employing a so-called `` resin pre-coating '' in which a joining material including a thermosetting resin that forms a reinforcing resin is applied in advance to a mounting position. A solder paste having a structure including solder particles, a thermosetting flux having the above-described composition, and
なお、半田ペースト３中に混入する金属粉７として、単一の金属種を用いる替わりに、図４（ａ）に示すように、中核体となるコア金属７ａとコア金属７ａの表面を覆う表面金
属７ｂとで構成された金属粉７Ａを用いるようにしてよい。この構成においては、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）からコア金属７ａとして用いられる金属種を選択し、この金属種によって薄片状の金属箔を形成する。そしてこの金属箔の表面に、半田との濡れ性のよい金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）の被膜を電気メッキなどの方法によって形成して表面金属７ｂとする。
In addition, instead of using a single metal species as the
ここで、コア金属７ａと表面金属７ｂに用いられる金属種の組み合わせは、表面金属７ａから内部のコア金属７ｂへの拡散（図４（ｂ）参照）がリフロー時の加熱によって容易に生じ、リフロー終了時において表面金属７ｂのコア金属中７ｂへの拡散が完了してほとんどコア金属７ａ中に取り込まれるような拡散特性が実現される組み合わせが選択される。すなわちこの構成においては、表面金属７ｂは半田との濡れ性のよい金属にて形成され、コア金属７ａはリフローによる加熱により表面金属７ｂを固溶して内部に取り込むことが可能な金属にて形成されている。 Here, in the combination of the metal species used for the core metal 7a and the surface metal 7b, the diffusion (see FIG. 4B) from the surface metal 7a to the core metal 7b inside easily occurs due to heating during reflow, and reflow At the end, a combination is selected that achieves such diffusion characteristics that the diffusion of the surface metal 7b into the core metal 7b is completed and is almost taken into the core metal 7a. That is, in this configuration, the surface metal 7b is formed of a metal that has good wettability with solder, and the core metal 7a is formed of a metal that can be dissolved in the surface metal 7b by heating by reflow and taken into the interior. Has been.
半田ペースト３に混入される金属粉としてこのような構成を採用することにより、以下に説明するような優れた効果を得ることができる。まず、リフロー過程において半田ペースト中の半田が溶融した段階では、金属粉７Ａの表面金属７ｂが、図３において説明したように、表面に接触した溶融半田を表面伝いに導いて凝集させる役割を果たす。
By adopting such a configuration as the metal powder mixed in the
そしてリフロー過程において加熱が継続されることにより、図４（ｂ）に示すように、表面金属７ｂがコア金属７ａ中に拡散により徐々に取り込まれる。なおコア金属７ａの金属種および加熱温度によっては、表面金属７ｂは液相のコア金属７ａに拡散する場合と、固相のコア金属７ａに拡散する場合とが存在するが、いずれの場合も表面金属７ｂは徐々にコア金属７ａ中に取り込まれる。そして表面金属７ｂが完全に取り込まれコア金属７ａの表面が露呈されることにより、図４（ｃ）に示すように、金属粉７Ａの表面にはコア金属７ａが加熱により酸化した酸化膜７ｃが形成される。そしてこの酸化膜７ｃは、半田接合後の絶縁性の向上に以下の説明するような効果を有する。 Then, by continuing the heating in the reflow process, as shown in FIG. 4B, the surface metal 7b is gradually taken into the core metal 7a by diffusion. Depending on the metal type of the core metal 7a and the heating temperature, the surface metal 7b may be diffused into the liquid-phase core metal 7a or diffused into the solid-phase core metal 7a. The metal 7b is gradually taken into the core metal 7a. When the surface metal 7b is completely taken in and the surface of the core metal 7a is exposed, as shown in FIG. 4C, an oxide film 7c in which the core metal 7a is oxidized by heating is formed on the surface of the metal powder 7A. It is formed. The oxide film 7c has the following effects for improving the insulation after soldering.
半田接合工程後にフラックス除去のための洗浄を行わない無洗浄工法においては、半田ペースト中に含まれていた金属粉７Ａはそのまま半田接合部の周囲にフラックス残渣として残留する。金や銀などの金属をそのまま半田ペーストに混入する金属粉として用いた場合には、残留量によっては基板の回路電極間を電気的に腐食させて絶縁性を低下させるマイグレーションが発生するおそれがある。このため、従来は絶縁性の確保を勘案して金属粉の配合割合を低く抑える必要があり、この結果良好な溶融半田凝集効果が実現されない事態が生じていた。 In the non-cleaning method in which the cleaning for removing the flux is not performed after the solder joining process, the metal powder 7A contained in the solder paste remains as a flux residue around the solder joint. When metal such as gold or silver is used as it is as a metal powder mixed in the solder paste, depending on the residual amount, there is a risk of migration that electrically corrodes the circuit electrodes of the board and lowers the insulation. . For this reason, conventionally, it is necessary to keep the blending ratio of the metal powder low in consideration of ensuring insulation, and as a result, a situation in which a good molten solder aggregating effect is not realized has occurred.
これに対し、上記構成の金属粉７Ａを用いることにより、半田接合工程後に金属粉７Ａが半田接合部の周囲に相当量残留した場合にあっても、金属粉７Ａの表面は電気的に安定な酸化膜７ｃに覆われていることから、マイグレーションの発生がなく、良好な絶縁性が確保される。したがって上記構成の金属粉７Ａを用いることにより、半田ペースト中に十分な量の金属粉を混入することによって半田接合性を向上させるとともに、半田接合後の絶縁性を確保して実装信頼性を向上させることが可能となっている。 On the other hand, by using the metal powder 7A having the above configuration, the surface of the metal powder 7A is electrically stable even when a considerable amount of the metal powder 7A remains around the solder joint after the solder joining process. Since it is covered with the oxide film 7c, no migration occurs and good insulation is ensured. Therefore, by using the metal powder 7A having the above-described structure, a sufficient amount of metal powder is mixed in the solder paste to improve the solder joint property and to ensure the insulation after the solder joint, thereby improving the mounting reliability. It is possible to make it.
本発明の半田ペーストおよび半田接合方法ならびに半田接合構造は、健全な形状で十分な強度の半田接合部を形成することができるという効果を有し、電子部品を基板に半田接合により実装する用途に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The solder paste, the solder bonding method, and the solder bonding structure of the present invention have the effect of being able to form a solder bonding portion having a sound shape and sufficient strength, and are used for mounting electronic components on a substrate by solder bonding. Is available.
１ 基板
２ 電極
３ 半田ペースト
４ 電子部品
５ 半田接合構造
５ａ 半田接合部
５ｂ 樹脂補強部
６ 半田粒子
６ａ 溶融半田
７，７Ａ 金属粉
DESCRIPTION OF
Claims (10)
The solder bonding method according to claim 9, wherein the core metal includes any one of tin, zinc, lead, and indium, and the surface metal includes either gold or silver.
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