JP7295157B2 - フラックス組成物及びはんだ組成物 - Google Patents
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Description
なお、成形はんだやはんだバンプを用いる場合においても、成形はんだやはんだバンプ表面にフラックス組成物やはんだ組成物を塗布し、はんだ接合を行うことも少なくない。
またボイドの発生を抑制するために、フラックス組成物に配合させる樹脂や活性剤の含有量を減少させる方法もあるが、この場合はフラックス組成物を用いたはんだ組成物や、はんだ接合に使用するはんだボール等のぬれ性が低下する虞があった。
本実施形態のフラックス組成物は、(A)ロジン系樹脂と、(B)活性剤と、(C)溶剤とを含有する。
前記(A)ロジン系樹脂としては、例えばトール油ロジン、ガムロジン、ウッドロジン等のロジン類;水添ロジン(部分水添、完全水添)、重合ロジン、不均一化ロジン、アクリル酸変性ロジン、マレイン酸変性ロジン、ホルミル化ロジン等のロジン系変性樹脂;並びにこれらの誘導体等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
なお、これらのロジン系樹脂の軟化点は、環球法を用いて測定し得る。
前記(A-1)ロジン系樹脂としては、例えばα,β不飽和カルボン酸(アクリル酸、メタクリル酸、フマル酸、マレイン酸等)で変性したα,β不飽和カルボン酸変性ロジン系樹脂が好ましく用いられ、その中でもアクリル酸変性ロジンに水素添加したアクリル酸変性水添ロジンが好ましく用いられる。なお前記(A-1)ロジン系樹脂は、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
前記(A-1)ロジン系樹脂の軟化点は、100℃以上150℃以下である。また好ましいその軟化点は、120℃以上140℃以下である。この軟化点は、例えばロジン類の重合度の調整、α,β不飽和カルボン酸の種類や変性の方法の調整、ロジン類の分子量の調整等、公知の方法にて調整することができる。
前記(A-1)ロジン系樹脂の酸価は、200mgKOH/g以上である。この酸価は、例えばα,β不飽和カルボン酸の種類や変性の方法の調整等、公知の方法にて調整することができる。
前記(A-1)ロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して10質量%以上15質量%以下である。好ましいその配合量は、フラックス組成物100質量%に対して11質量%以上14質量%以下であり、12質量%以上13質量%以下であることがより好ましい。
前記(A-2)ロジン系樹脂としては、例えばロジン類に水素添加した水添ロジンが好ましく用いられ、その中でも完全水添ロジンが好ましく用いられる。なお前記(A-2)ロジン系樹脂は、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
前記(A-2)ロジン系樹脂の軟化点は、100℃以下である。また好ましいその軟化点は、90℃以下である。この軟化点は、例えばロジン類の重合度の調整、ロジン類の分子量の調整等、公知の方法にて調整することができる。
前記(A-2)ロジン系樹脂の酸価は、140mgKOH/g以上200mgKOH/g未満である。また好ましいその酸価は、150mgKOH/g以上200mgKOH/g未満であり、160mgKOH/g以上180mgKOH/g以下であることがより好ましい。この酸価は、公知の方法にて調整することができる。
前記(A-2)ロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して15質量%以上20質量%以下である。好ましいその配合量は、フラックス組成物100質量%に対して17質量%以上20質量%以下であり、17質量%以上19質量%以下であることがより好ましい。
前記(A-3)ロジン系樹脂は、例えばロジン類と各種アルコールとを脱水縮合して得られるロジンエステルが好ましく用いられる。なお前記(A-3)ロジン系樹脂は、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
前記(A-3)ロジン系樹脂の軟化点は、100℃以下である。また好ましいその軟化点は、90℃以下である。この軟化点は、例えばロジン類の重合度の調整、ロジン類の分子量の調整等、公知の方法にて調整することができる。
前記(A-3)ロジン系樹脂の酸価は、20mgKOH/g以下である。また好ましいその酸価は、10mgKOH/g以下である。この酸価は、公知の方法にて調整することができる。
前記(A-3)ロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して10質量%以上15質量%以下である。好ましいその配合量は、フラックス組成物100質量%に対して11質量%以上15質量%以下であり、12質量%以上14質量%以下であることがより好ましい。
本実施形態のフラックス組成物には、前記(A)ロジン系樹脂として、前記(A-1)ロジン系樹脂、前記(A-2)ロジン系樹脂及び前記(A-3)ロジン系樹脂以外のロジン系樹脂を適宜添加することもできるが、(A-1)ロジン系樹脂、前記(A-2)ロジン系樹脂及び前記(A-3)ロジン系樹脂の使用が好ましい。なおその他のロジン系樹脂は、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
これは、本実施形態のフラックス組成物が、前記(A)ロジン系樹脂として前記(A-1)ロジン系樹脂、前記(A-2)ロジン系樹脂及び前記(A-3)ロジン系樹脂をそれぞれ所定量含有することにより、はんだ接合時におけるフラックス組成物の流動性を確保でき、これにより溶融したはんだ合金内からフラックス組成物が排出され易くなると共に、はんだぬれ性の低下を抑制することができるものと考えられる。
前記(B)活性剤としては、例えば有機酸、ハロゲンを含む化合物、アミン系活性剤等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
非解離型活性剤としては、ハロゲン原子が共有結合により結合した非塩系の有機化合物が挙げられる。当該有機化合物は、例えば塩素化物、臭素化物、ヨウ素化物、フッ化物のように塩素、臭素、ヨウ素、フッ素の各単独元素が共有結合した化合物でもよく、また2以上の異なるハロゲン原子が共有結合で結合した化合物でもよい。また当該有機化合物は水性溶媒に対する溶解性を向上させるために、例えばハロゲン化アルコールのように水酸基等の極性基を有することが好ましい。
前記(C)溶剤としては、例えばアルコール系、エタノール系、アセトン系、トルエン系、キシレン系、酢酸エチル系、エチルセロソルブ系、ブチルセロソルブ系、グリコールエーテル系、エステル系等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
前記(C)溶剤の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して20質量%以上50質量%以下であることが好ましい。より好ましいその配合量は、フラックス組成物100質量%に対して20質量%以上40質量%以下であり、35質量%以上40質量%以下であることが特に好ましい。
本実施形態に係るフラックス組成物には、チクソ剤を配合することができる。前記チクソ剤としては、例えば硬化ひまし油、ビスアマイド系チクソ剤(飽和脂肪酸ビスアマイド、不飽和脂肪酸ビスアマイド、芳香族ビスアマイド等)、ジメチルジベンジリデンソルビトール等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
前記酸化防止剤としては、例えばヒンダードフェノール系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリマー型酸化防止剤等が挙げられる。これらの中でも特にヒンダードフェノール系酸化防止剤が好ましく用いられる。
前記酸化防止剤はこれらに限定されるものではなく、またその配合量は特に限定されるものではない。その一般的な配合量は、フラックス組成物100質量%に対して0.5質量%から5質量%程度である。
本実施形態のはんだ組成物は、前記フラックス組成物と、(D)はんだ合金粉末とを含む。
前記(D)はんだ合金粉末を構成するはんだ合金(以下、単に「はんだ合金」という。)の液相線温度は、225℃以上であることが好ましい。
前記はんだ合金としては、Agを1質量%以上4質量%以下と、Cuを1質量%以下と、Sbを3質量%以上5質量%以下とを含み、残部がSnからなるはんだ合金が好ましく用いられる。
(D-1)Niを0.01質量%以上0.25質量%以下
(D-2)Coを0.001重量%以上0.25重量%以下
(D-3)Inを6重量%以下
(D-4)P、Ga及びGeの少なくとも1種を合計で0.001重量%以上0.05重量%以下
(D-5)Fe、Mn、Cr及びMoの少なくとも1種を合計で0.001重量%以上0.05重量%以下
また前記(D-2)のCoの含有量は、0.001質量%以上0.15質量%以下であることが好ましい。
また前記(D-3)のInの含有量は、4質量%以下であることが好ましく、1質量%以上2質量%以下であることがより好ましい。
例えば、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなるはんだボールを有するBGAを、その液相線温度が220℃を超えるはんだ合金からなるはんだ合金粉末を含むはんだ組成物を用いてはんだ接合する場合、図1に示すような現象が生じ得る。
なお、この例においては、はんだボール11は、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなり、はんだ組成物30に含まれるはんだ合金粉末を構成するはんだ合金の液相線温度は、220℃を超えるものとする。
そのため本実施形態のはんだ組成物は、上述のような特にボイドが発生し易い条件下でのはんだ接合においても、形成されるはんだ接合部内のボイドの発生を抑制し、また信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
このように本実施形態のはんだ組成物は、前記(D)はんだ合金粉末を構成するはんだ合金の液相線温度が、BGAはんだ接合に用いるBGAを構成するはんだボールの液相線温度よりも高い場合のBGAはんだ接合にも好適に用いることができる。
表1に示す組成及び配合にて各成分を混練し、実施例及び比較例に係る各フラックス組成物を作製した。なお、表1のうち、組成を表すものに係る数値の単位は、特に断り書きがない限り質量部である。
※2 完全水添ロジン イーストマン・ケミカル社製(軟化点:79℃~88℃、酸価:165mgKOH/g)
※3 ロジンエステル ハリマ化成(株)製(軟化点:80℃~90℃、酸価:8mgKOH/g)
※4 ダイマー酸 クレイトンコーポレーション社製
※5 12-ヒドロキシステアリン酸トリグリセライド ケイエフ・トレーディング(株)製
※6 ヒンダードフェノール系酸化防止剤 BASFジャパン(株)製
表1に記載の各フラックス組成物10.7質量%と、Sn-4.0Ag―0.9Cu-3.1Sb-0.05Niはんだ合金(液相線温度:225℃)の粉末(粉末粒径20μmから36μm)89.3質量%とを混合し、実施例及び比較例に係る各はんだ組成物を作製した。
以下の用具を準備した。
・ガラスエポキシ基板(FR-4基板)
以下のBGAに対応する電極パターン(Cuランド:Φ0.41mm)と絶縁層を備える。
・メタルマスク
上記電極パターンに対応する開口部を備える(厚み:150μm)
・BGA
0.8mmピッチ(はんだボール(ピン)数:257個)、はんだボール組成:Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金(液相線温度:220℃)
・スキージ速度:30mm/s
・スキージ長さ:350mm
・印圧:35×10-2N/mm
・スキージ角度:60°
・版離れ速度:3mm/s
・印刷機内条件:室温(20℃から25℃)
次いで、前記BGAを載置した前記各ガラスエポキシ基板を以下の条件下でリフローし、はんだ接合部を有する各試験基板を作製した。
リフロー炉:TNV30-508EM2-X、(株)タムラ製作所製
酸素濃度:100ppm
150℃から200℃:90秒から120秒
227℃以上:70秒
ピーク温度:240℃
1つのはんだ接合部に発生したボイドの面積の合計(ボイド面積)と、そのはんだ接合部の面積とを測定し、以下の式に基づき算出した。
ボイド面積率(%):100×((ボイド面積)/(はんだ接合部の面積))
図2に示すように、はんだ接合部Aの面積を「はんだ接合部の面積」とし、はんだ接合部Aに発生した3つのボイド1から3の各面積(ボイド1の面積S1、ボイド2の面積S2及びボイド3の面積S3)の合計を「ボイド面積」とする。
例えばはんだ接合部Aの面積が0.13mm2、面積S1が0.02mm2、面積S2が0.01mm2、面積S3が0.005mm2である場合、ボイド面積は0.035mm2となる。従って、はんだ接合部Aにおけるボイド面積率は、100×(0.035/0.13)=26.9%(小数点第2位切り捨て)となる。
そして、各試験基板について、そのはんだ接合部のうちボイド面積率が最大となったものの値を最大ボイド面積率とし、以下の基準に従い評価した。その結果を表2に示す。
○:最大ボイド面積率が15%以下
×:最大ボイド面積率が15%超え
試験基板毎に、全てのはんだ接合部(257個)の面積の合計(はんだ接合部の合計面積)と、全てのはんだ接合部に発生した全てのボイドの面積の合計(ボイド総面積)を測定し、以下の式に基づき算出した。
平均ボイド面積率(%):100×((ボイド総面積)/(はんだ接合部の合計面積))/257
そして、各試験基板の平均ボイド面積率について、以下の基準に従い評価した。その結果を表2に示す。
○:平均ボイド面積率が7%以下
×:平均ボイド面積率が7%超え
以下の用具を準備した。
・ガラスエポキシ基板(FR-4基板)
以下のBGAに対応する電極パターン(Cuランド:Φ0.40mm)と絶縁層を備える。
・メタルマスク
上記電極パターンに対応する開口部を備える(厚み:150μm)
・BGA
0.8mmピッチ(はんだボール(ピン)数:208個)、はんだボール組成:Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金(液相線温度:220℃)。85℃/85%RHの条件下で24時間劣化処理を施したもの。
・スキージ速度:30mm/s
・スキージ長さ:350mm
・印圧:35×10-2N/mm
・スキージ角度:60°
・版離れ速度:3mm/s
・印刷機内条件:室温(20℃から25℃)
次いで、前記BGAを載置した前記各ガラスエポキシ基板を以下の条件下でリフローし、各試験基板を作製した。
リフロー炉:TNV30-508EM2-X、(株)タムラ製作所製
酸素濃度:100ppm
200℃から220℃:160秒
227℃以上:60秒
ピーク温度:240℃
即ち、前記各試験基板上のCuランド上に塗布された各はんだ組成物とBGAのはんだボールとが、上記リフロー条件にて加熱を行ったが融合できず、はんだボールがBGA側に残ったままの状態となった箇所(BGA不濡れ箇所という。)の有無を目視にて確認し、以下の基準に従い評価した。図3にBGA不濡れ箇所の一例を示す(丸で囲った部分)。なお、上記リフロー条件にて加熱を行い、各はんだ組成物とBGAのはんだボールが確実に融合しているにもかかわらず、BGAを剥がした際に加わった力によってはんだボールが各試験基板上から剥がれた箇所は除くものとする。
またその結果を表2に示す。
○:BGA不濡れ箇所がない
×:BGA不濡れ箇所が1つ以上ある
11 はんだボール
20 基板
21 絶縁層
22 電極
30 はんだ組成物
Claims (8)
- (A)ロジン系樹脂と、(B)活性剤と、(C)溶剤とを含有するフラックス組成物であって、
前記(A)ロジン系樹脂は、
(A-1)軟化点が100℃以上150℃以下であって酸価が200mgKOH/g以上のロジン系樹脂と、
(A-2)軟化点が100℃以下であって酸価が140mgKOH/g以上200mgKOH/g未満のロジン系樹脂と、
(A-3)軟化点が100℃以下であって酸価が20mgKOH/g以下のロジン系樹脂とを含有し、
前記(A-1)ロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して10質量%以上15質量%以下であり、
前記(A-2)ロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して15質量%以上20質量%以下であり、
前記(A-3)ロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して10質量%以上15質量%以下であるフラックス組成物。 - 請求項1に記載のフラックス組成物と、(D)はんだ合金粉末を含むはんだ組成物であって、
前記(D)はんだ合金粉末を構成するはんだ合金の液相線温度は、225℃以上であるはんだ組成物。 - 前記(D)はんだ合金粉末を構成するはんだ合金は、Agを1質量%以上4質量%以下と、Cuを1質量%以下と、Sbを3質量%以上5質量%以下とを含み、残部がSnからなる請求項2に記載のはんだ組成物。
- 前記(D)はんだ合金粉末を構成するはんだ合金は、
(D-1)Niを0.01質量%以上0.25質量%以下、
(D-2)Coを0.001質量%以上0.25質量%以下、
(D-3)Inを6質量%以下、
(D-4)P、Ga及びGeの少なくとも1種を合計で0.001質量%以上0.05質量%以下及び
(D-5)Fe、Mn、Cr及びMoの少なくとも1種を合計で0.001質量%以上0.05質量%以下、
から選ばれる少なくともいずれかを更に含む請求項2または請求項3に記載のはんだ組成物。 - (A)ロジン系樹脂と(B)活性剤と(C)溶剤とを含有するフラックス組成物と、(D)はんだ合金粉末を含むはんだ組成物であって、
BGAはんだ接合に用いられるはんだ組成物であり、
前記(A)ロジン系樹脂は、
(A-1)軟化点が100℃以上150℃以下であって酸価が200mgKOH/g以上のロジン系樹脂と、
(A-2)軟化点が100℃以下であって酸価が140mgKOH/g以上200mgKOH/g未満のロジン系樹脂と、
(A-3)軟化点が100℃以下であって酸価が20mgKOH/g以下のロジン系樹脂とを含有し、
前記(A-1)ロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して10質量%以上15質量%以下であり、
前記(A-2)ロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して15質量%以上20質量%以下であり、
前記(A-3)ロジン系樹脂の配合量は、フラックス組成物100質量%に対して10質量%以上15質量%以下であり、
前記(D)はんだ合金粉末を構成するはんだ合金の液相線温度は、BGAはんだ接合に用いるBGAを構成するはんだボールの液相線温度よりも高いはんだ組成物。 - 前記(D)はんだ合金粉末を構成するはんだ合金の液相線温度は、225℃以上である請求項5に記載のはんだ組成物。
- 前記(D)はんだ合金粉末を構成するはんだ合金は、Agを1質量%以上4質量%以下と、Cuを1質量%以下と、Sbを3質量%以上5質量%以下とを含み、残部がSnからなる請求項5または請求項6に記載のはんだ組成物。
- 前記(D)はんだ合金粉末を構成するはんだ合金は、
(D-1)Niを0.01質量%以上0.25質量%以下、
(D-2)Coを0.001質量%以上0.25質量%以下、
(D-3)Inを6質量%以下、
(D-4)P、Ga及びGeの少なくとも1種を合計で0.001質量%以上0.05質量%以下及び
(D-5)Fe、Mn、Cr及びMoの少なくとも1種を合計で0.001質量%以上0.05質量%以下、
から選ばれる少なくともいずれかを更に含む請求項5から請求項7のいずれか1項に記載のはんだ組成物。
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