JP2533431B2 - はんだ付のため電子部品を準備する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は電子部品のはんだ付性の喪失に
関し、特にはんだ付性を劣化することが知られている金
属酸化物を低減して、それによって電子部品リードおよ
びプリント配線基板のはんだ付性を回復しかつ確実にす
る方法に関する。

【０００２】

【発明の背景】エレクトロニクス産業によって経験され
る主要なコスト問題は、特に貯蔵中の電子部品およびプ
リント回路基板のはんだ付性の喪失である。部品リード
およびプリント配線基板の貧弱なはんだ付性ははんだ接
合不良の７５％もの原因であると考えられる。湿気のあ
る環境はこの問題を悪化させることが知られているの、
電気化学的メカニズムは明らかにはんだ付性劣化の原因
である。鉛−錫−銅のはんだ系において、たとえば、以
前の研究によって錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）表面およびその
下の銅−錫（Ｃｕ−Ｓｎ）金属間層の酸化は劣化プロセ
スに含まれることがわかった。

【０００３】金属酸化物を除去する伝統的な方法は有害
な酸化物を溶解するために攻撃的な酸を使用することで
ある。しかしながら、この方法はプリント回路基板とと
もに使用するには望ましくない、なぜなら酸は金属酸化
物を溶解する一方で回路基板および部品材料をも攻撃す
るからである。また、かかる酸（たとえば塩化物）から
の陰イオンはゴム状のフラックス残留物の中に組入れら
れるようになり得る。かかる残留物は完全に除去するこ
とは困難であり、それらは腐食やそれに続く部品不良を
引起こし得る。先行技術で既知の代替の高温酸素還元プ
ロセスもまた部品材料を破壊し、かつゆえにプリント配
線基板および電子部品とともに使用するには適切ではな
い。

【０００４】はんだ付性の劣化は電気化学酸化メカニズ
ムを含むので、電子部品のはんだ付性は有害な金属酸化
物を電気化学的に還元する方法を使ってこのプロセスを
逆にすることによって回復され得ると考えられる。電子
回路および部品リードのはんだ付性を回復するための低
温方法の利用可能性は、エレクトロニクス産業にとって
大幅な節約という結果になりかつはんだ付された部品を
含むシステムの改良された信頼性という結果になるであ
ろう。このように、電子部品およびプリント配線基板の
はんだ付性を回復しかつ確実にする低温で非破壊的な方
法が必要である。

【０００５】

【発明の概要】この発明は酸化された電子部品リードお
よびプリント配線基板のはんだ付性を回復する方法を含
む。このプロセスは鉛−錫−銅はんだ系および他の金属
や合金を含むはんだ系に適用可能である。この方法は電
子部品のはんだ表面および金属間層上に存在するときは
んだ付性を劣化させることが知られている金属酸化物を
電気化学的に還元する。この発明は電子部品およびプリ
ント配線基板のはんだ付性を回復しかつ確実にする電気
化学還元の低温で非破壊的な方法を含む。

【０００６】この発明の方法において、酸化されたかも
しれないはんだ付可能な部分を有する電子部品またはプ
リント配線基板が試薬に浸される。試薬は非はんだ付可
能な回路基板および部品材料と非反応性であるように選
択される。一具体例において、試薬はホウ酸塩緩衝液の
ような良性の電解質を含む。部品または回路基板のはん
だ付可能な部分は電源の陰極に接続されて第１の電極を
形成する。第２の不活性電極は電源の陽極に接続されか
つ電解質に浸される。電極間を流れる電流は部品または
回路基板のはんだ付可能な部分上の金属酸化物を電気化
学的に還元する。第２の具体例において、試薬は水素化
ホウ素イオン、クロム（ＩＩ）イオン、ジメチルアミン
ボランまたはヒドラジンをたとえば含む活性の還元剤を
含む。部品または回路基板のはんだ付可能な部分が還元
剤に浸されると、局在化されたガルバニ電気的作用が金
属／還元剤と存在する任意の金属酸化物との間に起こ
る。この作用は部品または回路基板を外部の電源に接続
させることなく金属酸化物が電気化学的に還元されるこ
とを引起こす。この具体例は相互接続されていない回路
を有するプリント配線基板のはんだ付性を回復するため
に特に有用である。どちらかの具体例において、基準電
極に対する陰極電圧を測定することにより、還元プロセ
スが完了する時を決定することができる。陰極電圧は還
元が進むにつれてより負になり、すべての酸化物が還元
されたとき横ばいになる。酸化物のその金属形への還元
は電子部品またはプリント回路基板のはんだ付可能な部
分のはんだ付性を回復しかつ確実にする。

【０００７】この発明の主要な目的は電子部品およびプ
リント回路板のはんだ付性を回復するおよび／または確
実にすることであって、それによってコストを低減しか
つはんだ付された部品を有するシステムの質および信頼
性を向上させる。この発明の特徴は電子部品のはんだ付
性の喪失を引起こす金属酸化物を電気化学的に還元する
方法の使用である。この発明の利点は、実行するのが容
易でかつプリント配線基板に有害でないはんだ付性を回
復する低温で非破壊的な方法を提供することである。

【０００８】この発明をより完全に理解するためにかつ
そのさらなる利点のために、以下の好ましい実施例の詳
細な説明は添付の図面を参照する。

【０００９】

【好ましい実施例の詳細な説明】はんだコーティングは
プリント配線基板および電子部品の銅をはんだ付性の喪
失につながり得る酸化から保護するために広く使用され
る。典型的なはんだコーティングは溶融めっき法によっ
て直接適用され得る、または電気めっきしてそれからリ
フロー（reflowing ）（溶融）によって密度を高められ
得るたとえば共晶Ｓｎ−Ｐｂを含む。十分な厚さでかつ
適切に適用されると、はんだコーティングは通常の貯蔵
を数年間経た後でさえその元来のはんだ付性を保持し得
る。しかしながら、はんだコーティングは貧弱なコーテ
ィング品質の結果としておよび／または貧弱な貯蔵環境
の結果としてしばしば酸化してはんだ付性を失う。

【００１０】この発明の方法の初期テストは蒸気エイジ
ングされたテスト試料に対して行なわれた。典型的なテ
スト試料は丸味をつけられた端部を有する１ｃｍ長さの
部分を露出するように登録商標テフロン（Ｔｅｆｌｏ
ｎ）熱収縮管でマスクされた長さ２．５ｃｍ、直径１．
５ｍｍの硬質Ｃｕワイヤであった。露出された部分は、
室温で標準のフルオロホウ酸塩浴から０．４ｍｉｌの６
０−４０共晶Ｓｎ−Ｐｂで電気めっきされた。Ｓｎ−Ｐ
ｂコーティングは２３５℃でリフローされ、次いで試料
は１６時間蒸気エイジングされた。

【００１１】この方法の第１の変形例において、図１に
概略で示されるように、電気化学的還元は、部品１２の
ような蒸気エイジングされた試料に対して行なわれ、部
品１２は電解質１４のような試薬に浸された。電気化学
的還元はｐＨを８．０から８．４の範囲に調整するため
に加えられた約０．１Ｍ Ｎａ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ ・Ｈ₂ Ｏとと
もに０．１Ｍホウ酸（６．２ｇ／Ｌ）からなるホウ酸塩
緩衝液を含む電解質１４をうまく使用して行なわれた。
特定のはんだ系と適合できる他の電解質が使用され得る
ことは当業者に明らかであるはずである。部品１２およ
び第２の不活性電極１６（たとえばプラチナを含む）は
電源１８（たとえば電池を含み得る）に接続され、かつ
電解質１４に浸された。部品１２は部品１２のはんだ付
可能な部分を覆う１層の金属酸化物２０とともに示され
る。−０．０１ないし−１．０ｍＡ／ｃｍ² の一定の陰
極電流がホウ酸塩緩衝液における部品電極１２に印加さ
れ、電流は、基準飽和カロメル電極（ＳＣＥ、図示せ
ず）を対照として電極電圧が−１．２と−１．５Ｖとの
間の安定状態で横ばいになるように酸化物還元が起こる
まで印加された。いくつかの実験において、一定の電圧
（たとえばＳＣＥに対して−１．３Ｖ）が一定の電流の
代わりに印加され、同等の結果が得られた。窒素または
アルゴンのような不活性ガスを泡立てることは電解質１
４を脱気し、かつ酸素を含む副反応を排除することによ
って還元プロセスの効率を向上させる。

【００１２】電解質１４で起こる電気化学反応は図１に
示される。金属酸化物２０の表面での反応はＭＯ₂ ＋４
ｅ^- ＋４Ｈ⁺ →Ｍ＋２Ｈ₂ Ｏであり、ここでＭは金属で
ある。不活性電極１６での反応は２Ｈ₂ Ｏ→Ｏ₂ ＋４ｅ
^- ＋４Ｈ⁺ である。したがって、図１に示されたシステ
ムのための正味の反応はＭＯ₂ →Ｍ＋Ｏ₂ である。結果
として、金属酸化物２０はその金属状態まで還元されて
部品１２のはんだ付性を回復する。

【００１３】この方法の第２の無電解の変形例におい
て、これは図２に概略で例示されるが、電気化学的還元
は、活性の還元剤を含む試薬に室温で浸された蒸気エイ
ジングされた試料に対して行なわれた。このプロセスに
適切であると考えられる還元剤は次のものの中から選択
され得る。つまりＣｒ²⁺，Ｖ²⁺およびＥｕ²⁺を含む金属
イオン、ＢＨ₄ ^- イオン、シアノ水素化ホウ素およびＡ
ｌＨ₄ ^- イオンを含む金属水素化物、ジメチルアミンボ
ランを含むボラン、ヒドラジン、置換されたヒドラジン
およびヒドロイルアミンを含む窒素化合物、亜硫酸塩、
硫酸水素塩および亜ジチオン酸塩を含む硫黄化合物、ホ
ルムアルデヒド、ギ酸ならびにシュウ酸およびその塩を
含む炭素化合物、亜リン酸およびその塩ならびに次亜リ
ン酸およびその塩を含むリン化合物、ならびに次亜ハロ
ゲン塩および酸を含むオキソハロゲン化合物から選択さ
れ得る。アルコール、アセトニトリド、プロピレンカー
ボネート、テトラヒドロフラン、エチレンオキシドなど
を含む有機溶媒の使用はいくつかの場合において有利で
あり、かつ水素化物還元剤の多くにとっては必要であ
る。

【００１４】回路基板および他の電子部品材料と反応す
ることが予期されない前述の還元剤は、はんだ／試薬と
はんだ上に存在する任意の金属酸化物との間に局在化さ
れたガルバニ電気的作用を発生する。たとえば、水素化
ホウ素ナトリウムとして添加された水素化ホウ素イオン
（ＢＨ₄ ^- ）により、およびアルゴン雰囲気下でジョー
ンズ（Ｊｏｎｅｓ）反応器においてクロム（ＩＩＩ）イ
オン（Ｃｒ³⁺）が亜鉛金属と反応することにより発生さ
れたクロム（ＩＩ）イオン（Ｃｒ²⁺）により、よい結果
が得られた。図２に例示されるように、還元剤Ｃｒ
²⁺（例として）は電解質に浸された電子部品のはんだに
電子を供給し、はんだの表面上の金属酸化物（Ｏ−Ｍ−
Ｏとして例示される）を電気化学的に還元する。このガ
ルバニ電気的作用は外部から与えられる電流を必要とせ
ずに行なわれ、このため、この変形例は相互接続されて
いない回路を有する回路基板上で酸化物を還元するため
に特に有用である。電子を与える際に、クロム（ＩＩ）
イオンＣｒ²⁺はクロム（ＩＩＩ）イオンＣｒ³⁺になる。
図２に例示されたシステムにおいて、Ｃｒ²⁺は不活性電
極（たとえばプラチナのような、図示せず）での電気化
学的還元によってＣｒ³⁺副生成物から再生され得る。か
かるシステムにおいて、陽極はガラスフリットのような
拡散バリアによって隔離された別個の電解質区画内に囲
まれて、発生されるクロム（ＩＩ）イオンの再酸化を最
小限にするであろう。この具体例は還元剤を浪費せずか
つ再生し廃棄物処理問題を最小限にする閉ループの操作
を可能にするであろう。

【００１５】この発明の電解質溶液において、イオンの
表面への最も近い接近距離（つまりヘルムホルツ（Ｈｅ
ｌｍｈｏｌｔｚ）層の厚さ）は約５−１０Åである。こ
れらの小さな寸法で、１０⁷ ボルト／ｃｍもの高さの電
場勾配がわずか約１ボルトの印加された電圧から引出さ
れ得る。したがって、この発明の室温に近い温度での電
気化学的方法は、高温でのみ化学的に還元され得る金属
酸化物を還元する。上述のように、印加電圧は、電源に
よって外部から発生するか、または還元剤によって生み
出される局所ガルバニ電気的作用によって内部から発生
し得る。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１は同じように準備された共晶Ｓｎ−Ｐ
ｂめっき／リフローされた試料に対するぬれ時間および
その平均（秒）を列挙する。この表は次のような処理に
供された試料に対するぬれ時間を列挙する。すなわち、
リフローされた（すなわち無処理の）もの、９５℃で１
６時間蒸気エイジングされたもの、ｐＨ８．３のホウ酸
塩緩衝液中において−２２５μＡ／ｃｍ² で蒸気エイジ
ングされた試料を電気化学的に還元したもの（＊で記さ
れた試料は−２０μＡ／ｃｍ² で還元されたもの）、Ｃ
ｒ²⁺溶液中において蒸気エイジングされた試料を無電解
還元したもの（約３ないし５分）、およびＢＨ₄ ^- 溶液
中において蒸気エイジングされた試料を無電解還元した
もの（約５分）である。還元前に、エイジングされた試
料はぬれ平衡試験に先立って不活性化されたロジン
（Ｒ）フラックスで処理された。

【００１８】表１で示されたデータから、蒸気エイジン
グは試料のはんだ付性を著しく劣化させることが明らか
である（増大されるぬれ時間によって示されるよう
に）。この表はまたこの発明の様々な酸化物還元処理の
すべてが試料のはんだ付性を回復するのに効果的であっ
たことを示す。加えて、実験結果は還元処理の後の平均
ぬれ時間はリフローされた（処理されていない）試料の
平均ぬれ時間より少ないことを示した。これは試料のは
んだ付性の劣化の幾分かはリフロープロセスの間にすで
に発生していたことを示す。

【００１９】表１に示されたぬれ時間の絶対値は、熱的
慣性の大きかった不活性化ロジン（Ｒ）フラックスおよ
び試料の厚さ（１．５ｍｍ直径）のために相対的に長
い。類似の試料のいくつかのテストシリーズはより短い
ぬれ時間を与えた。これは、特定の試料が固有によりよ
いはんだ付特性を有するためであった。表１のデータに
よって例示された重要な点は、この発明の方法（金属酸
化物の電気化学的還元かまたは無電解還元のいずれか）
がはんだ付可能な部品の金属表面をよいはんだ付性の状
態に回復することである。

【００２０】図３では、蒸気エイジングされた試料に対
するぬれ平衡の結果が、表面酸化物がこの発明の方法に
よって還元されたエイジング試料とグラフで比較され
る。図３は、Ｓｎ−Ｐｂはんだコーティングされた試料
に対してぬれ平衡法により測定された力を時間に対して
プロットする。グラフにおいて、曲線３０は、表面酸化
物を何も処理していない典型的な蒸気エイジングされた
試料に対するぬれ時間（すなわち理論上のぬれ力の３分
の２の点を示す点線３１に到達するための時間）を示
す。曲線３２は図１または図２に例示される還元方法の
いずれかを使って、表面酸化物を電気化学的に還元した
後の典型的な蒸気エイジングされた試料に対するぬれ時
間を示す。点線３３は金属酸化物の還元後のエイジング
試料に対する理論上のぬれ力の約３分の２の点を示す。
酸化物還元なしのエイジング試料に対する線３１と比較
して、線３３は、還元された試料に対する短いぬれ時間
を示している。図３は、この発明の方法を使って表面酸
化物還元を行なったエイジング試料の、ぬれ時間によっ
て測定されたはんだ付性の重大な改良をはっきりと例示
する。

【００２１】この発明をその特定の実施例に関して説明
してきたが、様々な変更および修正が発明の範囲から逸
脱することなく当業者によって実行され得る。したがっ
て、この発明は、前掲の特許請求の範囲内にあるような
変更および修正を包含することを意図するものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】電解質溶液に浸されかつ外部の電源に接続され
た電子部品上の金属酸化物の電気化学還元の概略図であ
る。

【図２】この発明の無電解の実施例における活性の還元
剤に浸された電子部品上の金属酸化物の電気化学還元の
概略図である。

【図３】蒸気エイジングされたＳｎ−Ｐｂコーティング
試料に対するおよびこの発明の電気化学的還元プロセス
によって還元された類似の蒸気エイジング試料に対する
典型的なぬれ力を時間に対してプロットするグラフであ
る。

【符号の説明】

１２ 部品 １４ 電解質 １６ 電極 １８ 電源 ２０ 金属酸化物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デニス・ピィ・アンダーソン アメリカ合衆国、91320 カリフォルニ ア州、ニューバリー・パーク、アベニ ダ・デル・プラティノ、652 (56)参考文献 特開 平３−82187（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 はんだ付のため電子部品を準備する方法
   であって、 前記電子部品のはんだ付性を劣化させている表面金属酸
   化物を有する前記電子部品のはんだ付可能な部分を試薬
   に接触させるステップと、 前記表面金属酸化物を電気化学的に還元するために電子
   を与えるステップと、 前記電子部品の前記はんだ付可能な部分上の前記表面金
   属酸化物の実質的にすべてを金属の状態に還元するステ
   ップと、 後に行なうはんだ付のため前記電子部品のはんだ付性を
   向上させた状態で前記電子部品の前記はんだ付可能な部
   分を前記試薬から取出すステップとを備える、方法。
2. 【請求項２】 前記試薬が電解質溶液を含み、かつ前記
   電子を与えるステップは、さらに、 前記電子部品の前記はんだ付可能な部分を含む第１の電
   極を形成し、前記電解質と接触させるステップと、 第２の電極を前記電解質に接触させるステップと、 前記第１の電極と前記第２の電極とを電力源に接続する
   ステップと、 前記第１および第２の電極に電力を与えて、前記電子部
   品の前記はんだ付可能な部分上の前記表面金属酸化物の
   実質的にすべてを金属状態に電気化学的に還元するステ
   ップとを備える、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記電極を電解質溶液に接触させるステ
   ップは、前記電極をホウ酸塩緩衝液に接触させるステッ
   プを備える、請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 前記電子部品のはんだ付可能な部分を試
   薬に接触させるステップは、外部から電力を与えること
   なく、前記はんだ付可能な部分を活性な還元剤に接触さ
   せるステップを備える、請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 水素化ホウ素イオンおよびシアノ水素化
   ホウ素を含む金属水素化物、クロム（ＩＩ）イオン、第
   １バナジウムイオンおよびユウロピウム（ＩＩ）イオン
   を含む金属イオン、ヒドラジン、ヒドロイルアミン、亜
   硫酸塩、硫酸水素塩、亜ジチオン酸塩、ホルムアルデヒ
   ド、ギ酸、シュウ酸およびその塩、亜リン酸およびその
   塩、次亜リン酸およびその塩、ならびにオキソハロゲン
   からなるグループから前記活性な還元剤を選択するステ
   ップをさらに備える、請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】 前記電子部品はプリント配線基板を含
   み、かつ前記電子部品のはんだ付可能な部分を試薬に接
   触させるステップは、外部から電力を与えることなく前
   記プリント配線基板を活性な還元剤に接触させるステッ
   プを含み、前記活性な還元剤は、前記プリント配線基板
   のはんだ付可能な部分の表面金属酸化物を還元するため
   電子を与える、請求項１記載の方法。