JP2008110380A - クリームはんだ用フラックスおよびクリームはんだ - Google Patents

Abstract

【課題】狭ピッチの電子部品の実装においても、スクリーン印刷時の版抜け性が著しく改善され、さらにはんだ接合部におけるボイド発生を抑制することのできるフラックス組成物およびクリームはんだを提供すること。
【解決手段】ポリイミド微粒子、ポリ尿素微粒子、ベンゾグアナミン微粒子、アクリル系架橋微粒子およびスチレン系架橋微粒子からなる群より選ばれる少なくとも１種の球状ポリマー微粒子を０．０５体積％〜１０体積％含有することを特徴とするクリームはんだ用フラックス；はんだ粉末および当該クリームはんだ用フラックスを含有してなるクリームはんだを用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、クリームはんだ用フラックスおよびクリームはんだに関する。

電子部品の表面実装では、フラックスとはんだ粉末を混練した、いわゆるクリームはんだを、プリント基板にステンシルマスク等を用いて印刷塗布し、部品を搭載した後、リフロー炉等を用いて加熱溶融させて、部品を接続する方法が主に採用されている。

このようなはんだ付けでは、スクリーン印刷技術をベースとした手法が利用されている。この手法では、図１に示すように、実装する基板にステンシルマスクを所定の位置に設置し、このマスクに儲けられた窓状の開口部に、ペースト状のはんだをスキージにより塗布充填し、その後、マスクを除去することで、あらかじめメタルマスクに儲けられた開口部のパターンどおりに、クリームはんだが実装基板上に転写される。

近年、基板に実装される電子部品が微小化されてきており、たとえば、ＩＣパッケージではリードピッチが０．５ｍｍから０．４ｍｍ、さらには０．３ｍｍへ狭ピッチ化が進められており、チップ部品も１ｍｍ×０．５ｍｍサイズや０．６ｍｍ×０．３ｍｍサイズの微小部品が使われるようになってきている。このような狭ピッチ化にともない、クリームはんだを供給量不足に陥ることなく、マスクのパターンを精度よく転写できるような、より信頼性の高い実装技術が求められている。すなわち、このような狭ピッチ部品の実装では、クリームはんだの印刷性、特に版抜け性が非常に重要となる。特に、マスク開口径が小さくなった場合、メタルマスクの開口部にペースト状のクリームはんだが付着することによる不良の発生や、パターン転写精度の低下という問題点が顕在化してくる。この版抜け性に影響を与える因子としては、クリームはんだの粘度、印刷プロセス時のクリームはんだの塗布精度などが、一般的に挙げられる。

このような問題を解決するために、クリームはんだの粘度を調整することで、印刷時のダレや滲みを抑制し、版抜け性や印刷性が改善させる方法として、適当な無機系もしくは有機化合物系のチキソトロピック剤を添加する方法（特許文献１）、特定のアミド化合物を添加し、ゲル化させる方法（特許文献２）などが提案されている。

しかし、スクリーン印刷というプロセス操作上、クリームはんだが一定量の粘性と流動性を兼備していることは不可欠であり、このため、特許文献１〜２に示されるようなクリームはんだの粘度調整では、狭ピッチの開口部に不足無く充填できる流動性を保ち、さらにマスクに付着することなく、かつダレや滲みなくはんだ接合部としての形態を維持することは非常に困難となる。さらに、印刷時の形態が維持できるように、上記のような粘度を調整、すなわち高粘度化した場合、はんだリフロー時において、はんだ接合部等で不可避に発生する気泡などがはんだ外部に放出されず、内部に気泡（以下ボイド）として残留する問題がより顕著となる。このようなボイドの発生は接合部の機械的な強度劣化をもたらし、電子部品の信頼性を大きく低下させるという問題があった。

特開２００１−３４７３９５号公報 特開昭６０−１７０５９４号公報

本発明は、狭ピッチの電子部品の実装においても、スクリーン印刷時の版抜け性が著しく改善され、さらにはんだ接合部におけるボイド発生を抑制することのできるフラックス組成物およびクリームはんだを提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題を解決すべく、クリームはんだ印刷時のペースト形状とボイド不良の生成機構に注目し、フラックス中に適当なサイズの球状微粒子を含有させることで、マスク開口部が狭まった狭ピッチ実装においても、印刷時の版抜け性を著しく改善することができ、さらには、リフロー時のボイド発生が顕著に改善できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、ポリイミド微粒子、ポリ尿素微粒子、ベンゾグアナミン微粒子、アクリル系架橋微粒子およびスチレン系架橋微粒子からなる群より選ばれる少なくとも１種の球状ポリマー微粒子を０．０５体積％〜１０体積％含有することを特徴とするクリームはんだ用フラックス；はんだ粉末および当該クリームはんだ用フラックスを含有してなるクリームはんだに関する。

本発明によれば、狭ピッチの電子部品の実装においても、スクリーン印刷時の版抜け性が著しく改善され、さらにはんだ接合部におけるボイド発生を抑制することのできるフラックス組成物およびクリームはんだを提供することができる。

本発明におけるクリームはんだは、通常電子部品実装に用いられているものと同様に、液状のいわゆるクリームはんだ用フラックスとはんだ粉末を混練した組成物である。当該液状フラックスは、一般的にフラックスベース、溶剤、活性剤、チキソ剤などから構成されている。

本発明では、フラックス中に球状のポリマー微粒子を含有することを特徴とする。ポリマー微粒子はポリイミド微粒子、ポリ尿素微粒子、ベンゾグアナミン微粒子、アクリル系架橋微粒子およびスチレン系架橋微粒子からなる群より選ばれる少なくとも１種である。なお、ここで、アクリル系架橋微粒子とは、公知の（メタ）アクリル系モノマーを主成分とするモノマー成分とビニル基を少なくとも２つ以上含有する架橋モノマーとを、たとえば、ラジカル共重合させることにより得られる微粒子であり、スチレン系架橋微粒子とは、スチレン系モノマーを主成分とするモノマー成分と、ビニル基を少なくとも２つ以上含有する架橋モノマーとを、たとえば、ラジカル共重合させることにより得られる微粒子のことである。具体的には、例えば、アクリル系架橋微粒子としては、ジビニルベンゼン−アクリル酸エステル共重合体等が、スチレン系架橋微粒子としては、ジビニルベンゼン−スチレン共重合体等が挙げられる。これらポリマー微粒子は、たとえば、特開平１−２１３３０３号公報、特開平１１−１４０１８１号公報、特開２００６−１８３０１８号公報、特開平５−１７８９１２号公報などに記載された公知の方法により調製してもよく、ベンゾグアナミン樹脂（たとえば、商品名：エポスター、日本触媒（株）製）等の市販品をそのまま用いてもよい。

上記のポリマー微粒子をフラックス中に添加することにより、印刷に適当な比較的低粘度を維持したペースト状のクリームはんだにおいても、微粒子が、チキソ性付与剤として機能し、印刷されたクリームはんだの形態を物理的に保持することで、マスク開口部が狭まった狭ピッチ実装においても、版抜け性が著しく改善される。さらには、フラックスベースの溶融粘度を比較的低くできることで、リフロー時の発泡で生じた気泡を系外に排出しやすくなる作用、もしくははんだ接合部にて発生したボイドの溶融はんだ内での拡散パスを限定し、気泡同士の合体成長を促進することで系外に排出されやすくする作用、もしくは、非常に微細な微粒子を添加した場合には、微粒子表面にガス成分を吸着する消泡作用が発現することで、ボイド発生が顕著に改善される。

上記ポリマー微粒子としては、直径５μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下のものを添加することが好ましい。直径を５μｍ以下とすることにより、リフロー時の流動性を向上させ、はんだ金属粒子の合体を促進することができるため好ましい。粒径の下限は特に限定されないが、通常のポリマー微粒子製造方法による最小の粒径を考慮すると、直径０．０１μｍ以上が好ましい。

フラックスに添加するポリマー微粒子は示差熱分析法、示差走査熱量分析法などにより測定される融点が２６０℃を越えるものが好ましい。通常、リフローによるはんだ付けは２３０〜２６０℃でおこなわれるため、融点が２６０℃を越えるポリマー微粒子を用いた場合には、リフロー時に気泡の合体促進作用や消泡作用が高まるため好ましい。

本発明のフラックスの製造に用いるフラックスベースとしては、特に限定されず公知のものを用いることができる。具体的には、ガムロジン、重合ロジン、水添ロジン、不均化ロジン、変性ロジン（例えば、アクリル酸変性ロジン等）、ロジンエステル類、その他各種ロジン誘導体などのロジン系樹脂や、ポリエステル樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノキシ樹脂、テルペン樹脂等の合成樹脂等があげられる。これらは、一種を単独でまたは二種以上混合して用いることができる。

本発明のフラックスの製造に用いる溶剤としては、特に限定されず公知のものを使用することができる。具体的には、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、イソブタノール等のアルコール類、ブチルカルビトール、ヘキシルカルビトール等のグリコールエーテル類、酢酸イソプロピル、プロピオン酸エチル、安息香酸ブチル、アジピン酸ジエチル等のエステル類、ｎ−ヘキサン、ドデカン、テトラデセン等の炭化水素類等があげられる。これらは、一種を単独でまたは二種以上混合して用いることができる。

本発明のフラックスの製造に用いる活性剤としては、とくに限定されず公知のものを用いることができるが、たとえばアミンのハロゲン化水素酸塩、有機酸類などを用いることができる。アミンのハロゲン化水素酸塩の具体例としては、ジエチルアミン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩などをあげることができ、有機酸類の具体例としては、アジピン酸、ステアリン酸、安息香酸などをあげることができる。なお、これらの活性剤は、一種を単独でまたは二種以上混合して用いることができる。

本発明のフラックスの製造に用いるチキソ剤としては、フラックスの製造に用いられるチキソ剤であれば特に限定されず、公知のものを使用することができる。具体的には、例えば、硬化ひまし油、蜜ロウ、カルナバワックス、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミド等を使用することができる。これらは、一種を単独でまたは二種以上混合して用いることができる。

これら各成分の使用量は用途に応じて適宜調節すればよいが、通常、フラックスベース３０〜７５重量部程度、溶剤２０〜６０重量部程度、チキソ剤１〜１０重量部程度、活性剤０．１〜２０部程度である。なお、本発明のクリームはんだ用フラックス中には、必要に応じて酸化防止剤、防黴剤、艶消し剤等の添加剤を含有させることができる。

なお、前記ポリマー微粒子はフラックスの０．０５〜１０体積％程度となるよう、好ましくは０．０５〜５体積％となるように添加する。添加量を０．０５体積％以上とすることにより、十分なチキソ性をペースト状クリームはんだに付与できるため好ましく、１０体積％以下とすることで、リフロー時に、はんだ金属粒子の溶融合体を促進させることができるため好ましい。

本発明の、クリームはんだは、はんだ粉末および前記クリームはんだ用フラックスを含有するものである。

本発明のはんだ粉末の合金組成は特に限定されず、各種公知のものを使用できる。たとえば、はんだ合金としては、従来公知の錫−鉛合金や、鉛フリーはんだとして開発されている錫−銀合金、錫−亜鉛系合金等のはんだ合金組成；さらには前記はんだ合金に、銅、ビスマス、インジウム、アンチモン等を添加したもの等を使用できる。また、はんだ粉末の形状も特に限定されるものではなく、真球、不定形および両者の混合等、いずれの形状も使用できる。

各成分の使用量は、用途等に応じて適宜決定すれば良いが、通常は、はんだ粉末が８０〜９５重量部程度、クリームはんだ用フラックスが５〜２０重量部程度である。また、必要に応じて、各種公知の添加剤を添加してもよい。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。

実施例１〜６および比較例１〜３
表１に示した各成分を用い、下記方法により、ポリイミド微粒子、クリームはんだ用フラックス、クリームはんだを調製し、下記評価を行った。結果を表１に示す。

（１）ポリイミド微粒子の調製
３，３´，４，４´−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）のアセトン溶液（０．０６モル／ｌ）１５０ｍｌと、４，４´−ジアミノジフェニルエーテル（ＤＰＥ）アセトン溶液（０．０６モル／ｌ）１５０ｍｌを混合した後、３８ｋＨｚの超音波（（株）カイジョー製超音波洗浄機ＳＯＮＯ
ＣＬＥＡＮＥＲ １００Ｚを使用）を照射しながら、２５℃、３０分間反応させ、ポリアミック酸微粒子のアセトン分散液３００ｍｌを得た。マイクロミキサー（ＹＭ−１型、（株）山武製）を用い、図２に示すような反応装置を組み立て、ポリアミック酸微粒子を合成した。すなわち、攪拌装置がついた容量５０００ｍｌの微粒子調製槽に、前記のポリアミック酸微粒子のアセトン分散液３０ｍｌを加え、攪拌しながら、０．０６モル／ｌのＢＴＤＡ、ＤＰＥ-アセトン溶液を無脈流ポンプにより、それぞれ１５ｍｌ／ｍｉｎづつ、室温にてマイクロミキサーに導入して混合した。初流３０ｍｌは受器に入れずに廃棄し、その後の混合液を受器に採取した。温度を一定に保ちながら攪拌し、混合液が４８００ｍｌとなったところで、送液を停止した後、そのまま３０分静置して、吸引ろ過し、４００ｍｌのアセトンで３回洗浄した。これを６０℃で4時間加熱乾燥させた。ここで得られた図3に示すようなポリアミック酸微粒子６０ｇを５４０ｍｌのテトラリンに分散させ、突沸を起こさないようにスターラーで攪拌しながら、分水器を用いて生成した水分を除去しながら、２００℃で４時間加熱してイミド化し、直径１μｍのポリイミド微粒子を得た。なお、他の粒径のポリイミド微粒子は、初期の微粒子調製槽に投入するアセトン分散液量、総送液量を調整することにより製造した。初期の微粒子調製槽に投入するアセトン分散液量を減少させ、総送液量を増加させることにより粒径の大きなポリイミド微粒子が得られる。これらポリイミド微粒子の融点は、示差熱量計ＥＸＳＴＡＲ６２００（ＳＥＩＫＯ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製）にて、ポリイミド微粒子５〜１０mgをＡｌ製容器に封止して、４℃／ｍｉｎにて300℃まで昇降温させ、その発熱および吸熱ピークを評価することにより決定した。その結果、いずれのサンプルでも、融点が２６０℃を超えることを確認した。

（２）フラックスの調製
表１に示したポリイミド微粒以外のフラックスの各成分（表中、各成分の使用量は、重量部で表している。）を容器に仕込み、１８０℃に加熱し、溶解させた。冷却後、前記のポリイミド微粒子を混合し、クリームはんだ用フラックスを得た。各ポリイミド微粒子の添加量、粒子径は表1に示したとおりである（表中、各数値はフラックス組成物における体積％である。）。またポリイミド微粒子を添加しないフラックスを比較例４とした。なお、表中の粒子径は合成したサンプルを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、そのＳＥＭ写真を画像処理することにより、合計５００粒子以上の微粒子における平均直径を求めた。

（３）クリームはんだの調製
はんだ粉末（粒径２０〜４０μｍのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕの含有量は、９６．５重量％／３重量％／０．５重量％である。）８９重量部と前記方法により調製した各フラックス組成物１１重量部とを容器に取り、攪拌してクリームはんだ組成物を調製した。

（４）クリームはんだの評価
（４−１）印刷性
２５℃で１５日間保存したクリームはんだを、スクリーン厚１５０μｍのステンシルマスクを用いて、銅張り積層板上に２０回連続印刷した。パターン形状は孔幅０．２５mm、長さ２．０mm、ピッチを０．５、０．４、０．３mmとした。光学顕微鏡を用いて印刷後のマスク開口部におけるはんだの付着状況および、印刷転写されたクリームはんだのダレ・にじみを評価し、明確なマスクへのはんだ付着、転写パターンのダレ・滲みが観察された場合は印刷性不良とした。◎：不良率０％、○：不良率０％を超えて５％未満、△：不良率５％以上〜１５％未満、×：不良率１５%以上
（４−２）ボイド評価
4−1と同様に、銅張り積層板上に、幅０．２５mm、長さ２．０mm、ピッチを０．５、０．４、０．３mmとしたランドパターンにクリームはんだを印刷し、コンデンサチップ部品を搭載後、窒素中でリフローした。リフロー時のピーク温度は２５０℃であった。この試料の内部をX線顕微鏡（３次元Ｘ線検査装置ＸＶＡ−１６０ （株）ユニハイトシステム製）にてボイドの発生状態を観察した。観察されたボイドの直径とランド面積に対するボイドの面積率は、接続数２０個の平均値を算出することで決定した。なお、表中ＮＧとは、はんだ付けがうまくできずに、測定ができなったことを示す。

図１は、クリームはんだの印刷工程を示す模式図である。 図２は、ポリマー微粒子の合成装置の一例を示す模式図である。 図３は、実施例に示すポリマー微粒子調製法で得られたポリアミック酸微粒子の走査型電子顕微鏡写真である。

Claims (2)

1. ポリイミド微粒子、ポリ尿素微粒子、ベンゾグアナミン微粒子、アクリル系架橋微粒子およびスチレン系架橋微粒子からなる群より選ばれる少なくとも１種の球状ポリマー微粒子を０．０５体積％〜１０体積％含有することを特徴とするクリームはんだ用フラックス。
2. はんだ粉末および請求項１に記載のクリームはんだ用フラックスを含有してなるクリームはんだ。
   
   

Images