JP4509347B2 - ハンダ合金超微粒子の製造方法及びハンダペーストの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、融点を下げることが可能な鉛フリー（無鉛）のハンダ合金超微粒子の製造方法及びハンダペーストの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ハンダ付けにはいわゆるリフロー方式とフロー式がある。リフロー方式は、一般にハンダ合金粒子とフラックスを混合したペースト状のものを塗布加熱してハンダ接合するものである。フロー方式は、ハンダ溶融槽で溶解したハンダを噴流させるなどして利用するものである。これらのハンダ付け方式に応じて、またハンダ付けを行う電子部品の種類や要求される製品の信頼性等に応じて、使用されるハンダ合金は種々異なっている。
【０００３】
一般的に用いられているハンダ合金は、融点が低く、ハンダ付け時の加熱温度が低く、実装基板や電子部品等に熱的悪影響を与えないものが主流である。その金属成分は例えばＳｎ６０／Ｐｂ４０やＳｎ７０／Ｐｂ３０などで、融点は１８３℃〜１９３℃前後であり、比較的低い温度でのハンダ付けが可能である。
【０００４】
ところで、最近では、環境対策の観点から、産業界に対し鉛を用いない鉛フリーのハンダ合金が要求され、実用化が図られている。例えば、Ｓｎ９６．５／Ａｇ３．５などのように融点が２２１℃前後のＳｎ、Ａｇなどを主成分とした合金がある。
【０００５】
ところが、この鉛フリーのハンダ合金は、上記したＳｎ／Ｐｂ系ハンダ合金と比較して融点が４０℃前後も高く、その分ハンダ付け温度を高くする必要があり、実装基板や電子部品に与える熱的悪影響が懸念される場合があった。また、ハンダ付け温度が高くなると、ハンダ付け時の電子部品や実装基板配線の酸化防止の観点から、雰囲気ガスの制御がより厳格になる。
【０００６】
そこで、ハンダ合金の融点を下げる一手法として、ハンダ合金の成分は変えないで、ハンダ合金を超微粒子化して融点を下げるという工夫が考えられた。一般的にハンダペースト中に混合されペースト状で実装基板の接合部に塗布されるタイプのハンダ合金の粒子径は数μｍ〜数１０μｍ程度であるが、超微粒子化して融点を下げる場合にはこれより更に微細化される。
【０００７】
固体を分割して小さくしていくと、原子、分子にいたる前にもとの固体とは異なる性質を示すことが判明しており、粒径が２ｎｍ〜８００ｎｍ程度の超微粒子になると、固体としての性質と異なる性質になることが判明している。すなわち、表面積が体積に比べて大きくなり、材料の表面状態がその性質に大きな影響を与えることとなって、その性質は表面積の小さな従来の粒径の大きな材料と著しく異なってくる（表面効果）。また、小さな材料内にある電子は、そこから出られなくなるため３次元方向の空間を自由に動き回れなくなり、電子のエネルギーが連続ではなくなって、そのエネルギーが領域のサイズとともに変化することが知られている（量子サイズ効果）。
【０００８】
このように固体が超微粒子化すると、より充填密度が高くよりコンパクトになるように原子の配列が変化して結晶構造に変化が生じ、材料の性質も固体とは異なることになる。そして、金属の超微粒子では、バルクな物質よりもその融点が低下し、しかもその融点はサイズが小さくなるほど低下することが多くの金属で確認されている。
【０００９】
この金属の超微粒子を生成する方法としては、従来では、金属塩溶液の加水分解による方法、金属アルコキシドをアルコール中で加水分解する方法、金属塩溶液の酸化還元による方法、金属化合物の分解反応を利用する方法などのように反応相を液相として合成する方法や、エアロゾル法などのように反応相を気相として合成する方法が知られている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような相反応を液相として合成したり、気相として合成する手法はその処理が複雑であるばかりか、連続的な製造方法とすることができず、量産性に欠けていた。
【００１１】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、その目的は、容易かつ連続的に所望の組成の超微粒子を製造することができ、量産性を実現できるようにした鉛フリーのハンダ合金超微粒子の製造方法及びこれを利用したハンダペーストの製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のハンダ合金超微粒子の製造方法は、間欠的に一定方向に搬送される絶縁耐熱性ベルト上に第１搬送位置でハンダ合金成分を構成するＡｇ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｓｂのうちから選択される少なくとも２種類の金属の薄層を１つの島状に積層する第１工程と、上記絶縁耐熱性ベルトの第２搬送位置で上記積層した上記薄層及び上記絶縁耐熱性ベルトの上記積層部分を帯電させる第２工程と、上記絶縁耐熱性ベルトの第３搬送位置で上記積層した上記薄層を加熱溶融して溶融ハンダ合金超微粒子を生成する第３工程と、上記絶縁耐熱性ベルトの第４搬送位置で上記溶融ハンダ合金超微粒子の静電気を除去し上記絶縁耐熱性ベルトから剥離してハンダ合金超微粒子を形成する第４工程と、上記絶縁耐熱性ベルトの第５搬送位置で上記ハンダ合金超微粒子を回収する第５工程と、有するよう構成した。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、上記絶縁耐熱性ベルトに代えて絶縁耐熱性平板を使用し、該絶縁耐熱性平板を前記第１搬送位置に搬送して前記第１工程を、前記第２搬送位置に搬送して前記第２工程を、前記第３搬送位置に搬送して前記第３工程を、前記第４搬送位置に搬送して前記第４工程を、前記第５搬送位置に搬送して前記第５工程を順次処理するよう構成した。
【００１５】
第３の発明のハンダペーストの製造方法は、請求項１又は２記載の上記第５工程で回収したハンダ合金超微粒子をハンダフラックス中に混合させる第６工程を有するよう構成した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
鉛フリーのハンダ合金としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｂｉ−Ｉｎ系、Ｃｕ−Ｂｉ系などが使用されているが、そのハンダ合金粒子径は、通常１０μｍ前後以上の５０μｍや８０μｍの大きさであり、前記したように融点が高かった。本発明では、リフロー方式のハンダ用として、粒径が０．５μｍ以下のハンダ合金超微粒子を製造する。本発明の製造方法によれば、容易にかつ連続的にハンダ合金超微粒子を生成できるので、量産性に向く。また、このような粒径のハンダ合金超微粒子は従来の鉛フリーのハンダ合金の融点の１／３程度と低融点の性質を呈するので、ハンダ付け時の加熱温度を低下させ、基板や電子部品等の被加熱物に対する熱的悪影響が排除できる。以下、詳しく説明する。
【００１７】
図１は本発明のハンダ合金超微粒子の製造方法の説明図である。図１において、１はポリイミド樹脂等より形成されたエンドレスの絶縁耐熱性ベルト、２は図示しない真空チャンバー部を有する金属蒸着機構部、３はコロナ放電機構部、４は加熱プレート部、５は静電気除去機構を備えた超音波振動機構部、６はベルト送り機構部、７は生成したハンダ合金超微粒子を回収する回収部である。
【００１８】
これらの金属蒸着機構部２、コロナ放電機構部３、加熱プレート部４、超音波振動機構部５は、絶縁性耐熱ベルト１の矢印Ａで示す移動方向の上流から下流にかけて所定の間隔Ｄで順次配置され、その絶縁性耐熱ベルト１はその間隔Ｄだけ移動して一旦停止するよう間欠的に駆動制御される。
【００１９】
さて、その絶縁耐熱性ベルト１が停止しているとき（第１搬送位置）に、まず、金属蒸着機構部２において、絶縁耐熱性ベルト１上にハンダ合金成分を構成する数種類の金属薄層からなる独立した島状の積層を蒸着により形成する（第１工程）。このときの積層は、共晶合金となる所定の割合に設定して行う。例えばＳｎを５００オングストローム、Ａｇを１０オングストロームを各々積層する。
【００２０】
次に、絶縁耐熱性ベルト１を距離ＤだけＡ方向に移動させる（第２搬送位置）と、金属蒸着機構部２で形成した島状の積層がコロナ放電機構部３に送り込まれるので、そこで絶縁耐熱性ベルト１を一旦停止させて、その絶縁耐熱製ベルト１及び積層の部分にコロナ放電により静電気を帯電させる（第２工程）。コロナ帯電の方法は、帯電させるべき表面（積層の表面と絶縁耐熱性ベルト１の裏面）に対して所定の間隙をおいてステンレス細線やタングステン細線などを対置し、その細線に所要の極性で４〜８ｋＶの直流高電庄を加えてコロナ放電を行い、表面に電荷密度１０^-4〜１０^-3Ｃ／ｍ²程度の電荷を帯電させる。
【００２１】
次に、同様に絶縁耐熱性ベルト１を距離ＤだけＡ方向に移動させる（第３搬送位置）と、静電気を帯電した積層が加熱プレート部４に送り込まれるので、そこで絶縁耐熱性ベルト１を一旦停止させて、当該帯電した積層をバルクでの共晶溶融温度よりやや高い２３０℃程度の温度で加熱溶融させる。このとき、積層は共晶合金となる所定の割合に設定して形成されているので、容易に溶融し、かつ、帯電した静電気の作用で相互に反発し合い、溶融状態のハンダ合金の超微粒子となる（第３工程）。このようにハンダ合金超微粒子８が溶融状態で互いに反発している状態を図２に示した。
【００２２】
更に、同様に絶縁耐熱性ベルト１を距離ＤだけＡ方向に移動させる（第４搬送位置）と、溶融状態態になったハンダ合金超微粒子が次の超音波振動機構部５に送り込まれるので、そこで絶縁耐熱性ベルト１を一旦停止させ、自然又は強制冷却により固体状化させるとともに、静電気除去機構を作動させて各超微粒子及び絶縁耐熱性ベルト１に帯電した静電気を除去する。静電気を除去されたハンダ合金超微粒子は、超音波振動が印加されることにより絶縁耐熱性ベルト１より容易に剥離する（第４工程）。
【００２３】
更に、同様に絶縁耐熱性ベルト１を距離ＤだけＡ方向に移動させる（第５搬送位置）と、そのハンダ合金超微粒子は、回収部７に設けたブラシ（図示せず）により剥離されて落下し、そこに回収される（第５工程）。
【００２４】
以上のように、エンドレスの絶縁耐熱性ベルト１を間欠駆動し、距離Ｄだけ移動して一旦停止させる毎に、金属蒸着機構部２、コロナ放電機構部３、加熱プレート部４、超音波振動機構部５の各処理部分での同時処理を繰り返すことによって、ハンダ合金超微粒子が連続的に形成されて回収されることになる。
【００２５】
回収部７に回収されたハンダ合金超微粒子は、そのままでは互いにくっつき合うが、液体中に懸濁させて遠心分離器（図示せず）に投入することにより、非常に小さい超微粒子と比較的粒径の大きい微粒子とに分離することができ、超微粒子を選別できる。また、そのハンダ合金超微粒子はそのままでは酸化しやすいが、液状フラックス中に混合懸濁して遠心分離することにより、超微粒子がフラックスで表面をコーティングされたハンダペーストを作ることができる（第６工程）。
【００２６】
以上において、金属蒸着薄層の積層厚さとコロナ放電による静電気帯電量とを制御することにより、ハンダ合金超微粒子のサイズを制御することが可能である。上述のハンダ合金の蒸着薄層では、０．５μｍ以下程度の超微粒子の生成が可能である。
【００２７】
なお、上記の説明では、金属薄層の積層を形成する基体としてエンドレスの絶縁耐熱性ベルト１を使用したが、例えばポリイミド樹脂等より形成された所定サイズの絶縁耐熱性平板を間欠送りできる搬送装置に組み込み、上記の絶縁耐熱性ベルト１と同様に、絶縁耐熱性平板上にて金属蒸着、コロナ放電による帯電、加熱溶融、静電気除去／超音波振動を順次行ってハンダ合金超微粒子を生成／剥離／回収することでも可能であることはいうまでもない。また、Ａｇ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂの内から選択した２以上の蒸着する金属の組成、蒸着層の厚さ、加熱温度などを変更することで、所望の組成のハンダ合金超微粒子を得ることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、容易に連続的に所望の組成のハンダ合金超微粒子を生成することができ、融点の低い超微粒子ハンダ合金を量産することが可能となる。これにより、いわゆる鉛フリーハンダにおいても容易に低融点のものを得ることができ、ハンダ付け温度の上昇が不要になり、被加熱物への熱的悪影響を低減することが可能となる。更に、信頼性を要求される装置に適用が要求される鉛フリーハンダの実用化が容易になるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のハンダ合金超微粒子の製造方法の説明図である。
【図２】本発明のハンダ合金超微粒子の反発状態の説明図である。
【符号の説明】
１：絶縁耐熱性ベルト、２：金属蒸着機構部、３：コロナ放電機構部、４：加熱プレート部、５：超音波振動機構部、６：ベルト送り機構部、７：超微粒子回収部、８：ハンダ合金超微粒子。

Claims (3)

1. 間欠的に一定方向に搬送される絶縁耐熱性ベルト上に第１搬送位置でハンダ合金成分を構成するＡｇ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｓｂのうちから選択される少なくとも２種類の金属の薄層を１つの島状に積層する第１工程と、 上記絶縁耐熱性ベルトの第２搬送位置で上記積層した上記薄層及び上記絶縁耐熱性ベルトの上記積層部分を帯電させる第２工程と、
   上記絶縁耐熱性ベルトの第３搬送位置で上記積層した上記薄層を加熱溶融して溶融ハンダ合金超微粒子を生成する第３工程と、
   上記絶縁耐熱性ベルトの第４搬送位置で上記溶融ハンダ合金超微粒子の静電気を除去し上記絶縁耐熱性ベルトから剥離してハンダ合金超微粒子を形成する第４工程と、
   上記絶縁耐熱性ベルトの第５搬送位置で上記ハンダ合金超微粒子を回収する第５工程と、
   を有することを特徴とするハンダ合金超微粒子の製造方法。
2. 上記絶縁耐熱性ベルトに代えて絶縁耐熱性平板を使用し、該絶縁耐熱性平板を前記第１搬送位置に搬送して前記第１工程を、前記第２搬送位置に搬送して前記第２工程を、前記第３搬送位置に搬送して前記第３工程を、前記第４搬送位置に搬送して前記第４工程を、前記第５搬送位置に搬送して前記第５工程を順次処理することを特徴とする請求項１記載のハンダ合金超微粒子の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の上記第５工程で回収したハンダ合金超微粒子をハンダフラックス中に混合させる第６工程を有することを特徴とするハンダペーストの製造方法。

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