(57)【要約】  評価対象のろう材がフラックスに覆われた状態で、ろう材の濡れ状態を測定可能としたろう材の濡れ状態測定方法を提供する。  鉛直方向上側が開口し、下側が閉塞した凹部１０を有し、凹部１０の断面が、鉛直方向上側に対して下側の間隔が狭くなる方向に、鉛直方向に対して傾斜した接触面１１を有し、対向する接触面１１のなす角度が１８０°未満の金属の基材１を使用し、凹部１０に、評価対象のフラックスと、はんだ等の評価対象のろう材を充填し、はんだの融点を超える温度まで加熱した後、凝固したはんだと接触面１１との接触角θａを測定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向上側が開口し、下側が閉塞した凹部を有し、前記凹部の断面が、鉛直方向上側に対して下側の間隔が狭くなる方向に、鉛直方向に対して傾斜した接触面を有し、対向する接触面のなす角度が１８０°未満で、少なくとも前記接触面が金属の基材を使用し、前記凹部に、ろう材とフラックスを充填し、
ろう材の融点を超える温度まで加熱した後、前記凹部で凝固したろう材の濡れ状態を測定する
ことを特徴とするろう材の濡れ状態測定方法。
【請求項２】
前記凹部で凝固したろう材と前記接触面との接触角を測定し、ろう材の濡れ状態を測定する
ことを特徴とする請求項１に記載のろう材の濡れ状態測定方法。
【請求項３】
前記凹部は、断面がＶ状の溝または上下方向が反転した錐体で構成される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のろう材の濡れ状態測定方法。
【請求項４】
前記凹部は、頂点を通る平面で切断した断面形状において、前記頂点を通る垂線と一方の前記接触面のなす角及び前記垂線と他方の前記接触面のなす角が等しい対称形状である
ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のろう材の濡れ状態測定方法。
【請求項５】
対向する前記接触面のなす角度が異なる前記基板を用いて、凝固したろう材と前記接触面との接触角を測定する
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のろう材の濡れ状態測定方法。
【請求項６】
前記基材が、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ合金、Ｎｉ合金、Ａｌ合金、Ｆｅ合金、真鍮、洋白、ステンレス鋼の何れかである
ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のろう材の濡れ状態測定方法。
【請求項７】
前記基材の前記接触面に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｐｄ−Ａｕのうち、少なくとも１種のメッキを施した
ことを特徴とする請求項６に記載のろう材の濡れ状態測定方法。
【請求項８】
鉛直方向上側が開口し、下側が閉塞した凹部を有し、前記凹部の断面が、鉛直方向上側に対して下側の間隔が狭くなる方向に、鉛直方向に対して傾斜した接触面を有し、対向する接触面のなす角度が１８０°未満で、少なくとも前記接触面が金属である
ことを特徴とする基材。
【請求項９】
鉛直方向上側が開口し、下側が閉塞した凹部を有し、前記凹部の断面が、鉛直方向上側に対して下側の間隔が狭くなる方向に、鉛直方向に対して傾斜した接触面を有し、対向する接触面のなす角度が１８０°未満で、少なくとも前記接触面が金属である基材を使用した
ことを特徴とするろう材の濡れ状態測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう材の濡れ状態を測定するろう材の濡れ状態測定方法、ろう材の濡れ状態測定方法で使用される基材、及びろう材の濡れ状態測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ろう材による接合では、ろう材の濡れ性は接合強度と共に重要な特性である。ろう材の一例であるはんだの濡れ性評価手法の１つにメニスコグラフ試験機を用いた方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、基板をはんだ浴に浸したときに受ける力の時間変化（濡れ曲線）を求めて、濡れ時間と濡れ力とを評価するものである。はんだ濡れ性評価においては、濡れ時間、濡れ力と共に、溶融後のはんだと基板の接触角も重要な因子として用いられるが、メニスコグラフ法では、この接触角を求めることはできない。【０００３】
また、フラックスとはんだが混合されたソルダペーストを基板に塗布し、熱処理工程における接触角を観測する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５５１２８号公報
【特許文献２】特開２００５−６９７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フラックスとはんだが混合されたソルダペーストを平板状の基板に塗布し、はんだが溶融する温度まで加熱すると、フラックスが液状化して流れ、フラックスによりはんだが覆われない部分が発生する。そのため、はんだを酸化から完全に防ぐことは困難であり、従来のはんだの濡れ性の測定方法では、はんだの濡れ性を測定、評価することが困難であった。はんだのような融点が低い軟ろうに限らず、融点が高い硬ろうでも同様の課題が発生する。【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、ろう材がフラックスに覆われた状態でろう材の濡れの状態を測定可能としたろう材の濡れ状態測定方法、ろう材の濡れ状態測定方法で使用される基材、及びろう材の濡れ状態測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明は、鉛直方向上側が開口し、下側が閉塞した凹部を有し、凹部の断面が、鉛直方向上側に対して下側の間隔が狭くなる方向に、鉛直方向に対して傾斜した接触面を有し、対向する接触面のなす角度が１８０°未満で、少なくとも接触面が金属である基材を使用し、凹部に、ろう材とフラックスを充填し、ろう材の融点を超える温度まで加熱した後、凹部で凝固したろう材の濡れ状態を測定するろう材の濡れ状態測定方法である。【０００８】
また、本発明は、鉛直方向上側が開口し、下側が閉塞した凹部を有し、凹部の断面が、鉛直方向上側に対して下側の間隔が狭くなる方向に、鉛直方向に対して傾斜した接触面を有し、対向する接触面のなす角度が１８０°未満で、少なくとも接触面が金属である基材である。【０００９】
更に、本発明は、鉛直方向上側が開口し、下側が閉塞した凹部を有し、凹部の断面が、鉛直方向上側に対して下側の間隔が狭くなる方向に、鉛直方向に対して傾斜した接触面を有し、対向する接触面のなす角度が１８０°未満で、少なくとも接触面が金属である基材を使用したろう材の濡れ状態測定装置である。【００１０】
本発明では、凹部にろう材とフラックスを充填し、ろう材の融点を超える温度まで加熱することでろう材が溶融し、溶融したろう材が凹部の底部に集まる。また、凹部の底部に集まったろう材が、フラックスで覆われる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、ろう材がフラックスに覆われた状態で、ろう材を集めることができる。これにより、凹部を観察して、ろう材の濡れ状態の評価が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本実施の形態のろう材の濡れ状態測定方法の一例を示す工程図である。
【図１Ｂ】本実施の形態のろう材の濡れ状態測定方法の一例を示す工程図である。
【図１Ｃ】本実施の形態のろう材の濡れ状態測定方法の一例を示す工程図である。
【図１Ｄ】本実施の形態のろう材の濡れ状態測定方法の一例を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明のろう材の濡れ状態測定方法の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ及び図１Ｄは、本実施の形態のろう材の濡れ状態測定方法の一例を示す工程図である。
【００１５】
本実施の形態のろう材の濡れ状態測定方法は、図１Ａに示すように、鉛直方向上側が開口し、下側が閉塞した凹部１０を有した金属の基材１を使用する。
【００１６】
凹部１０は、断面がＶ状の溝、上下方向が反転した角錐、円錐等の錐体で構成され、鉛直方向上側に対して下側の間隔が狭くなる方向に、鉛直方向に対して傾斜した接触面１１を有する。
【００１７】
凹部１０は、錐体であれば、閉塞した底部１０ａにおいて接触面１１が１点で交わり、底部１０ａには、点よりなる頂点Ｐが形成される。また、凹部１０は、溝であれば、閉塞した底部１０ａにおいて接触面１１が直線で交わり、底部１０ａには、線分よりなる頂点Ｐが形成される。
【００１８】
凹部１０は、頂点Ｐを通る平面で切断した断面形状において、凹部１０の断面を切断面に直交する方向からみて一方の側である左側の接触面を左接触面１１Ｌとし、他方の側である右側の接触面を右接触面１１Ｒとしたとき、対向する接触面１１のなす角度、すなわち、左接触面１１Ｌと右接触面１１Ｒのなす角度θが１８０°未満である。なお、対向する接触面１１のなす角θは、６０°以上１２０°以下であることが好ましい。
【００１９】
また、凹部１０は、頂点Ｐを通る垂線Ｇに対し、左接触面１１Ｌと垂線Ｇのなす角θＬと、右接触面１１Ｒと垂線Ｇのなす角θＲが等しい対称形状であることが好ましい。この場合、凹部１０は断面がＶ状の溝、Ｎが偶数のＮ角錐、円錐であることが好ましい。
【００２０】
なお、凹部１０は、閉塞した底部１０ａが、凹状の曲面もしくは平面で構成されていても良く、この場合、接触面１１の延長戦上に仮想の頂点が形成される。
【００２１】
基材１は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ合金、Ｎｉ合金、Ａｌ合金、Ｆｅ合金、真鍮、洋白、ステンレス鋼の何れかであることが好ましい。また、基材１をガラスエポキシ基板等の非金属で構成し、接触面１１に、上記金属を用いても良い。また、上記金属に対して、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｐｄ−Ａｕのうち、少なくとも１種のメッキを施した構成としても良い。
【００２２】
本実施の形態のろう材の濡れ状態測定装置は、図１Ａに示す基材１が使用され、例えば、基材１と、基材１を加熱するヒータを有した炉と、ヒータ等の制御装置を備える。
【００２３】
ろう材として融点が４５０℃未満の軟ろうと称すはんだについて評価する場合を考える。本実施の形態のろう材の濡れ状態測定方法及び測定装置では、フラックス中で溶融したはんだを集められるような形状の凹部１０を有した基材１を使用する。はんだとして、はんだの粉末と液状のフラックスが混合されたソルダペーストを使用する場合、図１Ｂに示すように、ソルダペーストＳをシリンジで供給し、凹部１０に充填する。また、はんだとして、はんだボールと称す球状のはんだ、ペレットと称すはんだ等、固形のはんだを使用する場合、基板１の凹部１０に所定の大きさのはんだとフラックスを入れる。
【００２４】
フラックスは、評価対象によって組成が異なるが、例えば、有機酸、アミン、ハロゲン等の活性剤と、樹脂を含む。樹脂は、ロジン、加熱により硬化する熱硬化性の樹脂等である。熱硬化性の樹脂を含む場合、樹脂の硬化を促進する硬化剤を含む。
【００２５】
はんだは、Ｓｎ単体、または、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ-Ｉｎ系等、あるいは、これらの合金にＳｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｐ等を添加したはんだの粉体で構成される。
【００２６】
以下、ソルダペーストを使用した例で説明すると、ソルダペーストＳｐが凹部１０に充填された基板１を、昇温速度を制御して、はんだの融点を超える温度まで加熱し、所定時間、ピーク温度を保持した後、常温まで冷却する。
【００２７】
凹部１０は、鉛直方向上側に対して下側の間隔が狭くなる方向に、鉛直方向に対して傾斜した接触面１１を有するので、図１Ｃに示すように、ソルダペーストＳｐ中の溶融したはんだＳｏが凹部１０の底部１０ａに集まる。また、凹部１０の底部１０ａに集まったはんだＳｏが、ソルダペーストＳｐ中のフラックスＦｕで覆われる。
【００２８】
フラックスＦｕに所定量の活性剤が含まれている等により、フラックスＦｕが金属酸化物の除去に必要な活性を持つ場合、接触面１１及びはんだＳｏに形成された金属酸化物が、フラックスＦｕ中の活性剤の作用で除去され、図１Ｄに示すように、溶融したはんだＳｏが接触面１１を濡れ上がって凝固する。
【００２９】
これに対し、フラックスＦｕが金属酸化物の除去に必要な活性を持たない場合、接触面１１及びはんだＳｏに形成された金属酸化物が十分に除去できず、はんだＳｏが未融合または不完全な融合となり、はんだＳｏが接触面１１を濡れ上がらずに凝固する。
【００３０】
従って、凹部１０の断面を観察して、はんだＳｏの融合の有無を判断し、はんだが融合した場合は、はんだＳｏと接触面１１の接触角θａを正確に測定することができ、フラックスＦｕ中におけるはんだＳｏの濡れ状態の評価が可能となる。
【００３１】
また、はんだＳｏが凹部１０に沈降するため、はんだＳｏの過剰な濡れ広がりを抑制でき、接触角θａを正確に測定することができる。
【００３２】
さらに、凹部１０を有した基板１をリフロー炉で加熱することで、実際の実装プロファイルと同じ温度履歴を再現でき、実際の実装条件での濡れ性を再現できる。
【実施例】
【００３３】
フラックスに含まれる活性剤の量により、はんだの濡れ性が異なると考えられる。そこで、本発明のろう材の濡れ状態測定方法及び測定装置の実施例として、フラックス中の活性剤の量を異ならせて、はんだの濡れ性を評価した。評価対象のフラックスは、活性剤として有機酸を含み、樹脂として熱硬化性の樹脂を含み、さらに樹脂の硬化を促進する硬化剤と、粘度調整剤を含む。有機酸はグルタル酸、熱硬化性の樹脂はビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、硬化剤はイミダゾール、粘度調整剤は硬化ひまし油である。【００３４】
基準となるフラックスの組成は。活性剤が５質量％、エポキシ樹脂が８７質量％、硬化剤が５質量％、粘度調整剤が３質量％である。はんだは、Ｂｉ５８質量％、残部がＳｎである。【００３５】
上述したフラックスに対して、活性剤を表１に示す量としたフラックスを調合し、各フラックスとはんだの粉体を混合してソルダペーストを作成した。このソルダペーストを、図１Ｂに示すように凹部１０に充填し、昇温速度を２℃／秒、１８０℃で６０秒保持、冷却開始後、１２０℃で１２０秒保持し、常温まで冷却した。【００３６】
凹部１０の断面を切断面に直交する方向からみたとき、左側の接触面１１Ｌにおける接触角を左接触角θ１Ｌとし、右側の接触面１１Ｒにおける接触角を右接触角θ１Ｒとする。また、左接触角θ１Ｌと右接触角θ１Ｒの平均を平均接触角θａとする。【００３７】
活性剤の量を異ならせたフラックスを使用した場合のはんだの融合の有無、接触角を測定した結果を表１に示す。【００３８】
【表１】
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【００３９】
フラックス中の活性剤が０質量％である場合、はんだが未融合であった。また、フラックス中の活性剤が１質量％である場合、はんだの融合が不完全であった。これに対し、フラックス中の活性剤が２質量％である場合、はんだが融合し、平均接触角θａが２２．２°であった。フラックス中の活性剤が３質量％である場合、はんだが融合し、平均接触角θａが１４．５°であった。フラックス中の活性剤が５質量％である場合、はんだが融合し、平均接触角θａが１１．８°であった。なお、フラックス中の活性剤が２質量％、３質量％、５質量％である場合、左接触角θ１Ｌと右接触角θ１Ｒの差は少なく、凝固したはんだの形状も安定していた。【００４０】
フラックスにエポキシ樹脂を含む場合、ソルダペーストがはんだの融点を超える温度まで加熱される昇温途中でフラックスの粘度が低下し、ソルダペースト中のフラックスとはんだの比重の違いから、はんだが重力で沈降した。また、ソルダペーストがはんだの融点を超える温度まで加熱されることで溶融したはんだが凹部１０の底部１０ａに集まった。更に、凹部１０の底部１０ａに集まったはんだが、ソルダペースト中のフラックスで覆われた。フラックスに所定量の活性剤が含まれている場合、接触面１１及びはんだに形成された金属酸化物が、フラックス中の活性剤の作用で除去され溶融したはんだが接触面を濡れ上がって凝固した。【００４１】
以上のことから、本発明のろう材の濡れ状態測定方法及び測定装置を適用し、フラックス中の活性剤の量を異ならせてはんだの濡れ性を評価した結果、フラックスに活性剤が含まれていない場合、はんだが融合せず、フラックスに活性剤が含まれる場合でも、活性剤の量が少ないとはんだが完全に融合しないことが判った。【００４２】
これに対し、フラックスに所定量の活性剤が含まれることではんだが融合し、活性剤の量が増加するにしたがって、濡れ性が向上することが判った。これにより、フラックスに含まれる活性剤の効果があるとの評価ができた。【００４３】
従って、はんだがフラックスで覆われた状態で、はんだを凝固させた後、凹部１０の断面を観察することで、はんだの融合の有無、はんだが融合した場合は、はんだと接触面１１との接触角を測定可能となることが判った。【００４４】
なお、フラックスは、熱硬化性の樹脂を含むもの以外に、ロジン等の熱硬化性以外の樹脂を含むフラックス、ロジン等の水に不溶な成分を含まない水溶性のフラックス等でも、はんだの濡れ性を評価可能である。【００４５】
さらに、評価する金属は、軟ろう材であるはんだに限らず、Ａｇ、ＣｕにＳｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｐ、Ｂ等を添加した硬ろう材であっても良い。【００４６】
硬ろう材に対して測定するには、フラックス成分を硬ろう材に合わせて変える必要がある。【００４７】
また、凹部１０において、対向する接触面１１のなす角度の異なる基板１を用意して測定を行うことで、凹部１０の形状と接触角の関係から、溶融はんだ／金属界面エネルギーと、溶融はんだ／フラックス界面エネルギーを算出することが可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【国際調査報告】
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