(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成ワックスの形態にある場合を除く芳香族アミンで表面処理されていることを特徴とするソルダペースト用Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ粉末。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器のはんだ付け等の用途に使用するためのソルダペーストの製造に用いられるはんだ粉末、特に鉛フリーのＺｎ系、好ましくはＳｎ−Ｚｎ系はんだ粉末に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器のはんだ付け方法には、鏝付け法、浸漬法、リフロー法がある。
鏝付け法は、作業者が片手に線はんだを、もう片方の手に鏝を持ち、はんだ付け部分に線はんだを置き、その上に鏝をあてがって、線はんだを加熱溶融して、はんだ付けを行う方法である。この鏝付け法は、はんだ付け箇所毎にはんだ付けをするため、作業効率が悪い。そのため今日では、鏝付け法の利用は、他のはんだ付け方法で発生したはんだ付け不良の補修や、他のはんだ付け方法ではんだ付けした後、熱に弱い電子部品をはんだ付けするとき等に限られている。
【０００３】
浸漬法は、はんだ槽の中の溶融はんだを噴流させ、該噴流はんだにプリント基板のはんだ付け面を接触させてはんだ付けする方法である。この浸漬法は、多数のはんだ付け箇所が一度の浸漬ではんだ付けできるという、生産性に非常に優れた方法である。しかし、浸漬法は、プリント基板のはんだ付け面全域を溶融はんだと接触させるため、はんだが不必要な箇所に付着したり、熱に弱い電子部品を熱損傷させたり、さらには隣接したはんだ付け部間が狭い所では、はんだが跨がって付着するというブリッジを発生させたりすることがあった。
【０００４】
リフロー法は、プリント基板のはんだ付け部にソルダペーストを印刷塗布した後、該プリント基板をリフロー炉のような加熱装置で加熱することにより、ソルダペーストを溶融させてはんだ付けする方法である。このリフロー法は、ソルダペーストをマスクで必要箇所だけに印刷塗布できるため、多数箇所のはんだ付けが一度にできるばかりでなく、プリント基板の不必要箇所には決してはんだが付着しない。しかも、適切な印刷方法で塗布量を正確に行えば、隣接したはんだ付け部の間隔が狭くてもブリッジを起こしにくいという、他のはんだ付け方法にはない優れた特長を有している。従って、今日の電子機器のはんだ付けには、リフロー法が採用されることが多い。
【０００５】
このリフロー法に用いられるソルダペーストとは、液状のフラックスとはんだ粉末とを均一に混ぜ合わせ、粘稠性のあるペースト状にしたものである。はんだ付け用フラックスは、はんだ付け部を正常にし、金属の酸化を防ぎ、溶融したはんだの表面張力を下げてその濡れ性を高める作用を果たす。ソルダペースト用のフラックスは一般に、ビヒクル（代表例はロジン）、溶剤、活性剤、チキソ剤等の成分を含む。
【０００６】
フラックス中の活性剤は、はんだ付け時に、はんだ付け部の基板やはんだ合金表面の酸化物を還元除去して清浄にし、はんだ付け性を向上させる成分である。活性剤としては、たとえば、ジフェニルグアニジンＨＢｒ、ジエタノールアミンＨＣｌのようなアミンのハロゲン化水素酸塩や、乳酸、オレイン酸、ステアリン酸、グルタミン酸のような有機酸が使用される。
【０００７】
電子機器のはんだ付け用ソルダペーストに用いられているはんだ粉末は、一般にＳｎ−Ｐｂ合金であり、中でも共晶組成の６３Ｓｎ−Ｐｂ合金（共晶はんだと呼ばれる）が最も多く使用されている。その理由は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金は、融点が一番低い（１８３℃）ため、リフロー中に電子部品に与える熱影響が少なくてすみ、しかも液相線温度と固相線温度が同じではんだ付け時にすぐに凝固し、強固なはんだ付け部を形成することができ、はんだ付け不良が少ない、即ち、はんだ付け性が良好であるという特長を持つからである。
【０００８】
この共晶はんだ以外にも、ソルダペーストに用いられるはんだ粉末としては、Ｐｂ主成分の高温はんだや、Ｓｎ−ＰｂにＢｉやＩｎ等を添加して融点を下げた低温はんだ等がある。高温はんだを用いたソルダペーストは、電子機器の使用時に高温となるところ、つまりはんだ付け部周辺が高温となって、共晶はんだでは溶けたり、接合強度が弱くなる可能性があるところ等に適している。低温はんだは、耐熱性のない電子部品をはんだ付けしたり、既に共晶はんだではんだ付けしたところに再度はんだ付けするような場合に、共晶はんだが溶けないように、低い温度の低温はんだではんだ付けするとき等に使用する。
【０００９】
電子機器が故障したり古くなって使い勝手が悪くなったりした場合、修理せずに廃棄処分されることが多い。電子機器は、フレームやケースに金属やプラスチックが使われているため、焼却に適しておらず、埋め立て処分されている。一方、化石燃料の多用により、雨水の酸性化が進んでいる。そのため、Ｓｎ−Ｐｂはんだ合金を用いてはんだ付けした電子機器が埋め立て処分されて地中に染み込んだ酸性雨に触れると、はんだ付け部の鉛分が溶出し、それが地下水に混入して地下水汚染の原因となることが懸念されている。
【００１０】
そこで、最近では、この地下水汚染を避けるため、酸性雨に触れても鉛分が溶出しないように、鉛を含まない、所謂「鉛フリーはんだ」の使用が推奨されるようになってきている。鉛フリーのはんだ合金としては、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ系等がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した鉛フリーはんだ合金のうち、Ｓｎ−Ｚｎ系合金は共晶融点が約１９９℃と低く、鉛フリーはんだの中ではＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに最も近い融点を実現できる上、機械的強度が良好でコスト的にも有利であるという利点がある。このＳｎ−Ｚｎ系はんだ合金は、線状にして鏝ではんだ付けする鏝付け法で使用する場合には、ある程度は良好なはんだ付け性を得ることができる。
【００１２】
しかし、Ｓｎ−Ｚｎ系合金を粉末にし、これをペースト状フラックスと混和して得たソルダペーストを用いてリフロー法によりはんだ付けした場合には、十分なはんだ付け性が得られないことが多かった。同様なリフロー法でのはんだ付け性の悪化は、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金に限らず、Ｚｎを含むＺｎ系はんだ合金に共通して見られる現象である。
【００１３】
本発明は、Ｓｎ−Ｚｎ系を初めとするＺｎ系はんだ合金を粉末にしてフラックスと混和し、ソルダペーストとしてリフロー法によるはんだ付けに用いた場合のはんだ付け性の悪化を防止することができる、ソルダペースト用Ｚｎ系はんだ粉末を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、Ｓｎ−Ｚｎ系等のＺｎ系はんだ合金を用いたソルダペーストをリフロー法に用いた場合のはんだ付け性の劣化の大きな原因が、ソルダペーストのプリヒート段階（所定のリフローはんだ付け温度に達するまでの昇温過程）におけるはんだ粉末合金の表面酸化にあることに気付いた。プリヒート段階ではんだ粉末が酸化してしまうと、リフロー時にはんだ粉末が完全には溶融せず、未溶融のはんだ残渣がはんだボールとして残り、また溶融したはんだ内部にボイドが発生する。このボイドによりはんだ付け性が不良となる。
【００１５】
Ｚｎ系はんだ合金に含まれるＺｎは、イオン化傾向が高く、酸化され易い元素である。このため、Ｚｎ系はんだ合金は一般に表面が酸化され易い。特にソルダペースト中では、はんだ合金が粉末状態にあって、表面積が非常に大きいので、プリヒート段階での酸化によるはんだ付け性への悪影響が顕著に現れるものと推測される。
【００１６】
従って、プリヒート段階でのＺｎ系はんだ粉末の酸化を防止できれば上記課題を解決することができる。リフロー雰囲気から酸素を完全に排除できれば、この酸化は防げるが、それには費用がかかる。本発明者らは、Ｚｎ系はんだ粉末の表面処理により、プリヒート段階でのＺｎ系はんだ粉末の酸化を防止できないか検討した結果、アミンによる表面処理を施すことが有効であることを見出した。
【００１７】
アミンが有効である理由については、断定はできないが、次のように推測される。アミンは、はんだ粉末の表面を均一に覆うことができ、ソルダペーストに用いられるフラックスに溶解しにくい。そのため、ソルダペースト中でもアミンははんだ粉末の表面を覆い、プリヒート段階ではんだ粉末を酸化から保護することができる。また、アミンは、合成樹脂のように強固な皮膜を形成しないので、リフロー時のはんだ合金の溶融と流動を阻害しない。
【００１８】
ここに、本発明は、合成ワックスの形態にある場合を除く芳香族アミンで表面処理されていることを特徴とする、ソルダペースト用のＳｎ−Ｚｎ系はんだ粉末である。
【００１９】
【発明の実態の形態】
本発明のＺｎ系はんだ粉末の合金組成は、Ｓｎ−Ｚｎ系である。Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金は、通常はＳｎを主成分とし、Ｚｎを含有する合金であり、はんだ付け性や他の性質を改善する目的で他の１または２以上の元素をさらに含有していてもよい。Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金の例としては、Ｓｎ−Ｚｎ合金（例、Ｓｎ−９％Ｚｎ）、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金（例、Ｓｎ−８％Ｚｎ−３％Ｂｉ）、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ合金（例、Ｓｎ−９％Ｚｎ−０．２％Ａｇ）、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金（例、Ｓｎ−８％Ｚｎ−１１％Ｂｉ−０．１％Ａｇ）等を挙げることができる（％はいずれも質量％、以下同じ）。
【００２０】
このＺｎ系はんだ粉末の製造法、粉末形状、粒径も特に制限されず、従来と同様でよい。はんだ粉末は、一般にガスアトマイズ法や遠心噴霧法により製造され、形態としては球形粉末、不定形粉末、両者の混合粉などがある。はんだ付け間隔が狭い場合には、球形粉末が適している。はんだ粉末の平均粒径は通常は１０〜５０μｍの範囲が好ましい。
【００２１】
本発明では、このようなＺｎ系はんだ粉末を芳香族アミンで表面処理する。また、アミノ基以外の他の官能基（例、水酸基、カルボキシル基、イミノ基等）を含有する化合物であってもよい。アルキル基が直接アミノ窒素原子に結合している化合物である場合には、アルキル基の炭素数は３以下か、或いは１２以上であることが好ましい。
【００２２】
本発明ではんだ粉末の表面処理に使用するのに適したアミンの例としては、ジフェニルグアニジン、ジエチルアニリン等が挙げられるが、これらに限られるものではない。
【００２３】
Ｚｎ系はんだ粉末のアミンによる表面処理法も特に制限されない。例えば、アミンを適当な溶媒に溶解させた溶液を用いて、はんだ粉末を浸漬またはスプレーにより処理し、乾燥させて溶媒を除去すればよい。溶媒としては、イオン交換水、エタノール、イソプロピルアルコール、トルエン、アセトン等が例示されるが、これら以外の多くの溶媒も使用可能である。また、アミンの蒸気により処理することで、溶媒を用いずに表面処理を行うこともできる。
【００２４】
アミンで表面処理された本発明のＺｎ系はんだ粉末をフラックスと混和すると、リフロー法で電子機器のはんだ付けに用いるのに適したソルダペーストが得られる。フラックスは、水溶性フラックスと非水溶性フラックスのいずれでもよいが、非水溶性フラックスの方が好ましい。フラックスは従来よりソルダペーストに用いられてきたものを使用すればよく、その成分（ビヒクル、活性剤、チキソ剤、溶剤）は当業者であれば適当に選択することができる。ソルダペースト中のＺｎ系はんだ粉末：フラックスの混合比は８８：１２〜９０：１０の範囲内が好ましい。
【００２５】
本発明によりアミンで表面処理されたＺｎ系はんだ粉末を用いて調製したソルダペーストによるリフロー法は、大気中でも窒素雰囲気中でも実施できる。大気中で実施した場合でも、プリヒート段階でのはんだ粉末の酸化を効果的に防止でき、はんだ付け性を良好に保持することができる。
【００２６】
なお、アミンで表面処理した本発明のＺｎ系はんだ粉末は、ソルダペースト中においてフラックス成分、特に活性剤との反応が抑えられるので、ソルダペーストの保存性の改善にもある程度の効果がある。
【００２７】
【実施例】
Ｓｎ−８％Ｚｎ−３％Ｂｉの球形はんだ粉末（平均粒径約４０μｍ）を、アミンの０．５％イソプロピルアルコール溶液中に浸漬し、３分間超音波攪拌した後で濾過し、１００℃で減圧加熱して乾燥させることにより、ジフェニルグアニジンで表面処理した。
【００２８】
上記アミンで表面処理したはんだ粉末を用いて、下記のようにフラックスと混和してソルダペーストを作製した。また、比較のために、表面処理を行わなかったはんだ粉末を用いて同様にソルダペーストを作製した。
フラックス組成：
重合ロジン（松脂）                  ５０％
硬化ヒマシ油（チキソ剤）              ５％
ジフェニルグアニジンＨＢｒ（活性剤）  ２％
α−テレピネオール（溶剤）           ４３％
混合比
はんだ粉末：フラックス質量比＝８９：１１
上記の各ソルダペーストを、２５℃の室内に１時間放置した後、プリント基板に印刷塗布し、遠赤外線加熱方式のリフロー炉で大気中、２２０℃に加熱し、はんだ付け状態を目視で観察して、リフロー性を評価した。リフロー性は、はんだ付け部にはんだが完全に広がり、はんだボールがほとんど発生していない場合を良好とし、はんだ付け部にはんだが完全には広がらず、はんだ付け部の周囲にはんだボールが多数付着している場合を不可とした。結果を次に示す。
表面処理剤           リフロー性
ジフェニルグアニジン    良好
表面処理なし            不可
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係るアミンで表面処理されたＺｎ系はんだ粉末は、フラックスと混和してソルダペーストとして使用した時に、リフロー炉内での昇温過程であるプリヒート段階ではんだ合金がソルダペースト成分と反応することによる酸化が防止できるため、大気中でリフローした場合でも、はんだボール等の異物の発生を抑えて均一にはんだが広がり、良好なはんだ付け性を示す。
【００３０】
Ｚｎ系はんだ合金、中でもＳｎ−Ｚｎ系はんだ合金は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金に近い低融点という利点を持ちながら、リフロー法に用いた場合にははんだボールが発生して、信頼性のあるはんだ付け部を形成することが難しいため、電子機器のリフロー法によるはんだ付けには使用しにくかった。しかし、本発明によりこの問題を解決することができ、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金用に開発された既存のリフロー炉を用いて、鉛フリーのはんだ付けにより、電子部品を効率よく、高い信頼性でリフロー法によりはんだ付けすることが可能となる。