(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界面活性剤、炭素数が２０以下の酸無水物およびベース樹脂を含有するはんだ付け用フラックスであって、
前記界面活性剤が、ポリエチレングリコールジメチルエーテルであり、
前記界面活性剤がフラックス中に１〜３０質量％の割合で含有され、
前記酸無水物がフラックス中に０．５〜１５質量％の割合で含有され、
ことを特徴とするはんだ付け用フラックス。
【請求項２】
可塑剤をさらに含有する請求項１に記載のはんだ付け用フラックス。
【請求項３】
ハロゲン化合物を、フラックス中に０．１〜２０質量％の割合でさらに含有する請求項１または２に記載のはんだ付け用フラックス。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のはんだ付け用フラックスと、はんだ合金粉末とを含有する、はんだペースト組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器のプリント基板などの回路基板に対して回路部品などをはんだ接続する際に使用するはんだ付け用フラックスおよびそれを用いたはんだペースト組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子回路部品などをはんだ接続するために、はんだ金属とはんだ付け用フラックス（以下、単に「フラックス」と記載する場合がある）とからなる種々のはんだペースト組成物（以下、単に「はんだペースト」と記載する場合がある）が使用されている。従来のはんだ接合部では、はんだ金属中にボイド（気泡）が発生したり、はんだペースト加熱時におけるフラックスやその含有物、反応によって生じた水などの突沸によって、フラックスやはんだ金属がはんだ付け部以外に飛散したりする現象が認められている。
【０００３】
近年、電子機器の小型化や高機能化に伴い、はんだ接合部の微細化と実装の高密度化が進むにつれ、このような現象が問題視されるようになっている。例えば、はんだ金属中にボイドが発生すると、それを起点とした冷熱サイクル試験によるクラックなどの発生による接合信頼性に影響を及ぼすことになる。従来のようなはんだ接合部が比較的大きい場合にはこの影響を受けにくいが、はんだ接合部が微細化されると、前記影響が大きくなり接合信頼性に問題を生じる。すなわち、ボイド体積が同一であっても、接合部のはんだに対するボイド体積の割合が大きくなるため、接合信頼性が低下する。
また、パワートランジスタ、放熱部品などの比較的接合面積の大きな部品においては、小型部品よりも大きなボイドが発生する。このような大型部品における大きなボイドは、部品の接合性が著しく低下する。
【０００４】
さらに、フラックスの飛散は、コネクタパターンなどの導通を確保しなければならない部分への絶縁物付着不良の原因となる。一方、はんだ金属の飛散は、部品電極間への付着による短絡不良などの原因となる。これらの問題に対し、従来、フラックスやはんだ金属の付着が問題となる部分をはんだ付け部から離して配置するなど、設計を工夫することで対応している。
【０００５】
例えば、特許文献１には、金属粉末、界面活性剤、可塑剤などのスラリ−を加熱・焼結処理を施したシ−ト材を使用すると、はんだシート材の可塑性のため、ボイドの発生が低減されることが記載されている。また、特許文献２には、マレオピマル酸無水物を含む所定のロジン誘導体水素化物を含むフラックスが記載され、そのフラックスは飛散が殆どなく、ソルダーペーストの加熱だれを抑制できることが記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１のはんだシート材は、ボイドの発生を低減する効果が必ずしも十分ではなく、フラックスなどの飛散については開示されていない。また、特許文献２のフラックスは、ボイド発生については開示されておらず、はんだ付後に生成する残渣の洗浄性が悪いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１５５５８５号公報
【特許文献２】特開２０１２−０８６２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、はんだ金属中におけるボイド発生を抑制する効果、ならびにフラックスおよびはんだ金属の飛散を抑制する効果に優れ、合わせてはんだ付後に発生する残渣の洗浄を容易に行うことができるはんだ付け用フラックスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を行った結果、以下の構成からなる解決手段を見出し、本発明を完成するに至った。
（１）界面活性剤、炭素数が２０以下の酸無水物およびベース樹脂を含有するはんだ付け用フラックスであって、界面活性剤がフラックス中に１〜３０質量％の割合で含有され、酸無水物がフラックス中に０．５〜１５質量％の割合で含有されることを特徴とするはんだ付け用フラックス。
（２）界面活性剤が、ポリエチレングリコールアルキルエステル、ポリエチレングリコールアルキルエーテルおよびポリエチレングリコールロジンエステルからなる群より選択される少なくとも１種である、上記（１）に記載のはんだ付け用フラックス。
（３）可塑剤をさらに含有する上記（１）または（２）に記載のはんだ付け用フラックス。
（４）ハロゲン化合物を、フラックス中に０．１〜２０質量％の割合でさらに含有する上記（１）〜（３）のいずれかに記載のはんだ付け用フラックス。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載のはんだ付け用フラックスと、はんだ合金粉末とを含有する、はんだペースト組成物。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のはんだ付け用フラックスによれば、はんだ金属中におけるボイド発生を抑制する効果、ならびにフラックスおよびはんだ金属の飛散を抑制する効果に加えて、はんだ付後に発生する残渣の洗浄を容易に行うことができるという効果が発揮される。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のはんだ付け用フラックス（以下、単に「フラックス」と記載する場合がある）は、界面活性剤、炭素数が２０以下の酸無水物およびベース樹脂を含有し、界面活性剤および炭素数が２０以下の酸無水物が特定の割合で含まれる。
【００１２】
本発明のフラックスは、界面活性剤を含有することによって、ボイドの原因物質である水などの低分子極性分子をフラックスと十分に相溶させることができる。そのため、本発明のフラックスは、ボイドの発生を抑制することができる。界面活性剤としては、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤およびノニオン性界面活性剤が挙げられる。これらの中でも、好ましくはノニオン性界面活性剤が用いられる。
【００１３】
アニオン性界面活性剤としては、例えば、高級脂肪酸塩、モノアルキル硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩などが挙げられる。カチオン性界面活性剤としては、例えば、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩などが挙げられる。両性界面活性剤としては、アルキルカルボキシベタインなどが挙げられる。
【００１４】
ノニオン性界面活性剤としては、ポリアルキレングリコールアルキルエーテル、ポリアルキレングリコールアルキルエステル、ポリアルキレングリコールロジンエステルなどのポリアルキレングリコール系界面活性剤が挙げられる。ここで、アルキレンとしては、メチレン、エチレン、プロピレン、トリメチレン、ブチレン、テトラメチレン、ペンチレンなど炭素数が１〜５のアルキレンが挙げられる。また、アルキルとしては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ヘキシル、オクチル、デシル、ウンデシル、ラウリル、トリデシル、ミリスチル、パルミチル、ステアリル、ベヘニルなど炭素数が１〜２２のアルキルが挙げられる。なお、アルキルは、モノアルキルであっても、ジアルキルであってもよい。
【００１５】
具体的には、ポリメチレングリコールメチルエステル、ポリエチレングリコールメチルエステル、ポリプロピレングリコールメチルエステル、ポリメチレングリコールエチルエステル、ポリエチレングリコールエチルエステル、ポリプロピレングリコールエチルエステル、ポリメチレングリコールメチルエーテル、ポリエチレングリコールメチルエーテル、ポリプロピレングリコールメチルエーテル、ポリメチレングリコールエチルエーテル、ポリエチレングリコールエチルエーテル、ポリプロピレングリコールエチルエーテル、ポリメチレングリコールロジンエステル、ポリエチレングリコールロジンエステル、ポリプロピレングリコールエロジンエステルなどが挙げられる。これらの中でもポリエチレングリコールジメチルエーテルが好ましい。
【００１６】
特に、本発明のフラックスが、ベース樹脂としてロジンを含む場合、ロジンとの相溶性に優れるポリアルキレングリコールロジンエステル（ポリエチレングリコールロジンエステルなど）を用いることが好ましい。このような組み合わせによって、ロジン自体の流動性および界面活性が向上する。そのため、高温域での十分なフラックス残渣と柔軟性とが実現され、フラックスなどの飛散をより抑制することができる。
【００１７】
界面活性剤は、１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。特に、２種以上を併用した場合、より少ない量でボイド抑制効果が発揮され、ロジンなどのベース樹脂や活性剤の溶解性も向上させることができる。界面活性剤の好ましい組み合わせとしては、例えば、ポリエチレングリコールロジンエステルとポリエチレングリコールメチルエステルとの組み合わせ、ポリエチレングリコールジメチルエステルとポリエチレングリコールモノメチルエステルとの組み合わせなどが挙げられる。
【００１８】
本発明において、界面活性剤は、フラックス中に１〜３０質量％の割合で含有される。界面活性剤の含有量が１質量％未満の場合、ボイドの原因物質が十分にフラックスと相溶しにくく、ボイド抑制効果が得られにくくなる。一方、界面活性剤の含有量が３０質量％を超える場合、フラックスに含まれる他の成分（ベース樹脂など）が溶解しにくくなる。界面活性剤は、好ましくは３〜１５質量％、より好ましくは４〜１０質量％の割合で含有される。
【００１９】
また、本発明のフラックスに含有される炭素数が２０以下の酸無水物は、水を吸収して開環し、酸としての活性力を有する。ボイドの発生や、フラックスなどの飛散は、水の存在が原因の１つである。したがって、フラックス中に酸無水物が存在すると、この酸無水物が水を吸収するため、ボイドの発生や、フラックスなどの飛散を抑制することができる。さらに、炭素数が２０以下の酸無水物を用いることによって、はんだ付後に発生する残渣の洗浄性を向上させることができる。炭素数が２０以下の酸無水物としては、カルボン酸無水物やベンゼンスルホン酸無水物だけでなく、硫酸、リン酸などの炭素原子を有さない（すなわち炭素数０）無機酸の無水物も挙げられる。
【００２０】
カルボン酸無水物としては、分子間脱水によって生成されたモノカルボン酸の無水物、分子内脱水によって生成されたジカルボン酸の無水物や分子内脱水によって生成されたトリカルボン酸の無水物のような多価カルボン酸の無水物などが挙げられる。これらのカルボン酸無水物の中でも、炭素数が４〜８のカルボン酸無水物が好ましく、ジカルボン酸やトリカルボン酸などの多価カルボン酸の無水物がより好ましい。モノカルボン酸の無水物としては、例えば、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水乳酸などが挙げられる。また、ジカルボン酸の無水物としては、例えば、無水安息香酸、無水イサト酸、無水コハク酸、無水シトラコン酸、無水フタル酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸などが挙げられる。
【００２１】
これらの酸無水物の中でも、無水シトラコン酸および無水イタコン酸は、フラックスとの優れた相溶性を有しており、ボイド抑制および残渣の洗浄性の観点から好ましい。酸無水物は、１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２２】
本発明において、酸無水物は、フラックス中に好ましくは０．５〜１５質量％、より好ましくは１〜５質量％の割合で含有される。酸無水物が０．５〜１５質量％の割合で含有されると、ボイドの発生や、フラックスなどの飛散をより効果的に抑制することができ、さらに残渣の洗浄性をより向上させることができる。
【００２３】
また、本発明のフラックスは、好ましくは可塑剤を含有する。可塑剤を含有することによって、フラックスなどの飛散をより抑制することができる。すなわち、フラックスなどの飛散を抑制するには、高温域で柔軟性のあるフラックス残渣が十分量存在することが必要であり、可塑剤を用いると、このようなフラックス残渣がより得られやすくなる。
【００２４】
可塑剤としては、例えば、二塩基酸エステル系可塑剤、多塩基酸エステル系可塑剤、芳香族系可塑剤、フッ素系可塑剤などが挙げられる。洗浄用ソルダーペーストの場合、溶融後の洗浄性の観点から、二塩基酸エステル系可塑剤が好ましい。二塩基酸エステル系可塑剤としては、例えば、主鎖の炭素数が１０以下のものは、フラックスなどの飛散抑制に効果的であり、かつボイド抑制に悪影響を与えにくい。さらに、炭素が４以上のアルキル基を側鎖に有するものは、フラックスなどの飛散抑制に対して、より効果的である。このような可塑剤としては、例えば、ジオクチルセバシン酸、ジオクチルアジピン酸、ジブチルマレートなどが挙げられ、ジオクチルセバシン酸がより好ましい。
【００２５】
本発明において、可塑剤は、フラックス中に１〜２５質量％の割合で含有される。可塑剤をこのような割合で含有すると、高温域で柔軟性のあるフラックス残渣がより効率よく得られる。可塑剤は、好ましくは１〜１０質量％、より好ましくは２〜５質量％の割合で含有される。
【００２６】
本発明のフラックスに含有されるベース樹脂は、特に限定されず、従来フラックスに用いられる樹脂が挙げられる。このような樹脂としては、例えば、ロジンやその誘導体などの天然樹脂、合成樹脂などが挙げられる。ロジンとしては、例えば、通常のガムロジン、トールロジン、ウッドロジンなどが挙げられる。ロジンの誘導体としては、例えば、重合ロジン、アクリル化ロジン、水素添加ロジン、不均化ロジン、ホルミル化ロジン、ロジンエステル、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性アルキド樹脂などが挙げられる。
【００２７】
天然樹脂としては、上記ロジン以外にテルペン樹脂などが挙げられる。合成樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、スチレン−マレイン酸樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリアルキレンカーボネート（ポリプロピレンカーボネート、ポリブチレンカーボネートなど）などが挙げられる。ベース樹脂は、１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２８】
本発明において、ベース樹脂は、フラックス中に好ましくは２０〜８０質量％、より好ましくは３０〜６５質量％の割合で含有される。
【００２９】
本発明のフラックスは、本発明の効果を阻害しない範囲で、必要に応じて、活性剤、有機溶剤などを含有していてもよい。
【００３０】
活性剤としては、フラックスに通常用いられる活性剤、例えば、ハロゲン化合物、有機酸、アミン類などが挙げられる。はんだの溶融性を考慮すると、トリブチルアミン臭化水素酸塩、アリルアミン臭化水素酸塩、ビスブロモメチルプロパンジオール、ブロモカプロン酸、コハク酸、グルタル酸、ジエタノールアミン、トリブチルアミンなどが挙げられる。活性剤は、１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
必要に応じて活性剤を用いる場合、活性剤は、フラックス中に好ましくは０．１〜２０質量％、より好ましくは０．１〜１０質量％の割合で含有される。特に、活性剤がハロゲン化合物の場合、好ましくは０．１〜６質量％、より好ましくは０．２〜４質量％の割合で含有される。このような特定量の活性剤を用いることによって、ボイドの発生抑制およびフラックスなどの飛散抑制の効果を阻害せずに、耐腐食性や絶縁性、はんだ付け性を向上させることができる。
【００３１】
有機溶剤としては、フラックスに通常用いられる有機溶剤、例えば、アルコール系溶剤（エチルセロソルブ、ブチルカルビトール、ヘキシルカルビトール、ブチルカルビトールアセテートなど）、エステル系溶剤（酢酸エチル、酢酸ブチルなど）、炭化水素系溶剤（テレピン油など）などが挙げられる。
必要に応じて有機溶剤を用いる場合、有機溶剤は、フラックス中に好ましくは１０〜５０質量％の割合で用いられる。なお、有機溶剤の割合が、１０質量％未満および５０質量％を超えても本発明の効果に影響を与えないが、有機溶剤によっては、各成分が溶解しにくくなったり、はんだペーストの粘度が低下したり、作業性に影響するおそれがある。
【００３２】
なお、本発明のフラックスにおいて、界面活性剤、炭素数が２０以下の酸無水物およびベース樹脂、必要に応じて用いられる可塑剤、活性剤および有機溶剤は、合計で１００質量％となるように配合されることはいうまでもない。
【００３３】
さらに、本発明のフラックスは、本発明の効果を阻害しない範囲で、チキソ剤、酸化防止剤、防錆剤、安定剤など、フラックスに通常用いられる添加剤を添加してもよい。このような添加剤は、フラックス１００質量部に対して、通常０．１〜１０質量部の割合で添加される。
【００３４】
このような本発明のフラックスは、例えばはんだ合金粉末と混合して、はんだペースト組成物として用いられる。はんだ合金粉末は特に限定されず、通常用いられるＳｎ−Ｐｂ合金、さらに銀、ビスマスおよびインジウムの少なくとも１種を添加したＳｎ−Ｐｂ系合金などの粉末が挙げられる。環境への影響を考慮すると、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系など鉛フリーのはんだ合金の粉末が好ましい。はんだ合金粉末の平均粒径は、好ましくは５〜４０μｍ程度である。
【００３５】
本発明のはんだペースト組成物において、上記フラックス（本発明のフラックス）とはんだ合金粉末との混合割合は特に限定されず、はんだペーストの用途に応じて適宜設定される。フラックスとはんだ合金粉末とは、例えば、８：９２〜２０：８０の質量比（フラックス：はんだ合金粉末）で混合される。
【００３６】
本発明のはんだペースト組成物は、電子機器部品などをはんだ接続する際に、ディスペンサー、スクリーン印刷などによって基板上に塗布される。塗布後、例えば１００〜２００℃程度でプリヒートを行い、最高温度１７０〜２６０℃程度でリフローを行う。基板上への塗布およびリフローは、大気中で行ってもよく、不活性雰囲気下（窒素、アルゴン、ヘリウムなど）で行ってもよい。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１）
まず、表１に記載の各成分を表１に記載の割合で混合して、フラックスを調製した。次いで、得られたフラックスとはんだ合金粉末（Ｓｎ／３．５Ａｇ／０．５Ｃｕ、平均粒径３０μｍ）とを、１１．２：８８．８の質量比（フラックス：はんだ合金粉末）で混合し、はんだペースト組成物を得た。
【００３９】
（実施例２〜１０および比較例１〜６）
表１に記載の各成分を表１に記載の割合で混合して、実施例１と同様に、フラックスを調製した。実施例２〜１０および比較例１〜６で得られた各フラックスを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、はんだペースト組成物を得た。
【００４０】
各実施例および各比較例で得られたはんだペースト組成物について、（１）洗浄性、（２）ボイド面積率、（３）フラックス飛散数および（４）印刷性（ペースト形状）を、以下のように評価した。なお、比較例５で得られたはんだペースト組成物については、洗浄性が悪かったため、（２）ボイド面積率、（３）フラックス飛散数および（４）印刷性（ペースト形状）の評価を行わなかった。
【００４１】
（１）洗浄性
ガラスエポキシ製の基板（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚み１．５ｍｍ）に、はんだペースト組成物を、７ｍｍ×７ｍｍの銅電極上に１００μｍの厚みとなるように印刷した。次いで、窒素雰囲気下にて１４０±５℃で１００±５秒間プリヒートを行い、最高温度２３５±５℃で処理（溶融）してはんだ付けを行った。室温まで冷却した後、基板を７０℃に保持したエルノバＮＦ（旭化成（株）製の洗浄溶剤）に２０分間浸漬した。その後、基板を２５℃に保持したエルノバＮＦ−Ｒ（旭化成（株）製のリンス液）に２分間浸漬して取り出し、１０分間自然乾燥した。乾燥後、基板を顕微鏡（２０倍）で観察し、フラックスの洗浄残りを以下の基準で評価した。結果を表１に示す。
＜評価基準＞
Ａ+：フラックスの洗浄残りが無く、はんだ表面全体に金属光沢が認められる場合
Ａ：フラックスの洗浄残りが無く、はんだ表面に白色化も認められない場合
Ｂ：フラックスの洗浄残りは無いが、はんだ表面に白色化が認められる場合
Ｃ：フラックスの洗浄残りが存在する場合。
【００４２】
（２）ボイド面積率
ガラスエポキシ製の基板（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚み１．５ｍｍ）に、はんだペースト組成物を、７ｍｍ×７ｍｍの銅電極上に５０μｍの厚みとなるように印刷し、７ｍｍ×７ｍｍのＮｉメッキ放熱部品を搭載した。次いで、窒素雰囲気下にて１４０±５℃で１００±５秒間プリヒートを行い、最高温度２３５±５℃で処理（溶融）してはんだ付けを行った。はんだ付け後の基板を、軟Ｘ線透視装置（名古屋電機工業（株）製、「ＮＬＸ−３５００Ｆ２」）で観察して写真撮影した。撮影した写真を画像解析ソフト（旭エンジニアリング（株）製、「Ａｚｏ君」）で解析して、はんだ金属中に占めるボイドの面積率（％）を算出し、以下の基準で評価した。結果を表１に示す。
＜評価基準＞
Ａ+：ボイド面積率が１０％未満の場合
Ａ：ボイド面積率が１０％以上、３０％未満の場合
Ｂ：ボイド面積率が３０％以上、５０％未満の場合
Ｃ：ボイド面積率が５０％以上の場合
【００４３】
（３）フラックス飛散数
銅板（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．３ｍｍ）の中央部に、はんだペースト組成物を、直径７ｍｍ、厚さ５０μｍで印刷した。次いで、窒素雰囲気下にて、１４０±５℃で１００±５秒間プリヒートを行い、最高温度２３５±５℃で処理（溶融）したときのフラックスの飛散を顕微鏡（倍率２０倍）で観察した。フラックスの飛散数をカウントして以下の基準で評価した。結果を表１に示す。
＜評価基準＞
Ａ+：フラックス飛散数が１０個未満の場合
Ａ：フラックス飛散数が１０個以上、３０個未満の場合
Ｂ：フラックス飛散数が３０個以上、５０個未満の場合
Ｃ：フラックス飛散数が５０個以上の場合
【００４４】
（４）印刷性（ペースト形状）
スクリーン印刷機内のマスク上にはんだペースト組成物を３００ｇ投入した。ウレタン製のスキージを用い、印刷動作を行った時のマスク上でのローリング状態およびスキージへの付着状態に基づき、以下の基準で評価した。結果を表１に示す。
＜評価基準＞
Ａ：全てにおいて問題がない場合
Ｂ：印刷動作は可能であるが、問題が確認された場合
Ｃ：問題が確認され、印刷が不可能な場合
【００４５】
【表１】
0006460473.tif 000002
【００４６】
表１に示すように、実施例１〜１０で得られたはんだペースト組成物は、いずれも印刷可能であり、ボイド面積率が低く、かつフラックスの飛散数も非常に少ないことがわかる。さらに、はんだ付後に発生する残渣の洗浄を容易に行うことができ、洗浄性にも優れることがわかる。