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1. WO1999001251 - PATE A SOUDER

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[ JA ]
明 細 書

ソルダペース卜

技術分野

本発明は、鉛フリーのソルダぺ一スト、特に Sn— Zn系の鉛フリ一はんだ合金を 使用したソルダペース卜に関する。

背景技術

電子機器のはんだ付けに用いられるはんだ合金としては、 Sn— Pb合金が一般的 であり、古来より長い間使用されてきていた。 Sn— Pb合金は、共晶組成(63 % Sn -残部 Pb) の融点が 183 °Cという低いものであり、そのはんだ付け温度は 220〜 230 °Cという熱に弱い電子部品に対しては熱損傷を与えることがない温度である 。しかも Sti - Pb合金は、はんだ付け性が極めて良好であるとともに、液相線温度 と固相線温度間の温度差がなく、はんだ付け時に直ぐに凝固して、はんだ付け部 に振動や衝撃が加わってもヒビ割れや剥離を起こさないという優れた特長も有し ている。

一般に、テレビ、ビデオ、ラジオ、テープレコーダ、コンピュータ、複写機の ような電子機器は、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は 廃棄処分される。これらの電子機器は、外枠やプリント基板がプラスチックのよ うな合成樹脂であり、また導体部やフレームが金属製であるため、焼却処分がで きず、ほとんどが地中に埋められている。

ところで近年、ガソリン、重油等の化石燃料の多用により、大気中に硫黄酸化 物が大量に放出され、その結果、地上に降る雨は酸性雨となっている。酸性雨は 地下に染み込み、地中に埋められた電子機器のはんだを溶出させて地下水を汚染 するようになる。このように鉛を含んだ地下水を長年飲用していると、人体に鉛 分が蓄積され、鉛毒を起こす虞が出てくる。

このような機運から、電子機器業界では鉛を含まないはんだ、所謂「鉛フリ一 はんだ合金」の出現が望まれてきている。

従来より鉛フリ一はんだ合金としては、 Sn主成分の Sn - Ag合金や Sn - Sb合金、 Sn - Bi合金、 Sn— Zn合金等があった。

Sn - Ag合金は、最も溶融温度の低い組成が Sn - 3. 5 % Agの共晶組成であり、そ の溶融温度は 221 てである。この組成のはんだ合金のはんだ付け温度は 260 〜27 0 °Cというかなり高い温度となるため、この温度ではんだ付けを行うと熱に弱い 電子部品は熱損傷を受けて機能劣化や破壊等を起こしてしまう。

Sn - Sb合金は、最も溶融温度の低い組成が Sn - 5 % Sbであるが、この組成の溶 融温度は、固相線温度が 235 °C、液相線温度の 240 °Cという高い温度であるため 、はんだ付け温度は、上述の Sn— 3. 5 % Ag合金よりもさらに高い 280 - 300 °Cと なり、やはり熱に弱い電子部品を熱損傷させてしまう。

一方、 Sn— Bi合金は、共晶組成が Sn— 42 % B iで、共晶温度が 139 °Cである。こ の共晶温度は Sn - Pb共晶はんだの共晶温度よりもかなり低い温度であり、はんだ 付け後にはんだ付け部をその共晶点以上の高温雰囲気に曝さない限り充分に使用 可能なものである。しかしながら、 Sn—Bi合金は、脆くて硬いため引張強度や伸 び等の機械的特性が満足されない。

ところで、 Sn - Zn合金は、共晶組成が Sn - 9 % Znでその共晶温度が 199 °Cであ り、従来の 63% Sn - Pb共晶はんだの共晶温度の 183 。( に近いという点で優位性を 有している。また、 Sn— Zn合金は Sn - Pbはんだ合金よりも機械的強度に優れてい る。

しかし、 Sn— Zn合金は、はんだ付け性が余り良くない。そのため、 Sn - Zn合金 のはんだ付け性を改良するとともに、さらに機械的強度を向上させるために、 Sn 一 Zn合金に Ag、 Cu、 B i、 In、 N i、 P等を適宜添加した Sn - Zn系はんだ合金も多数 提案されている。

これら特性が改善された Sn - Zn系はんだ合金は、線状にして鏝ではんだ付けす る鏝付け法では、適切なフラックスを用いることによりある程度のはんだ付け性 を得ることができる。

しかし、それらの Sn— Zn系はんだ合金を粉末にしてペースト状フラックスと混 和して得たソルダペース卜の形態で使用した場合は、はんだ付け性が充分ではな かった。つまり、 Sn - Zn系はんだ合金を用いたソルダぺ一ストではんだ付けを行 つてみると、はんだ付け部が完全に濡れないというディウエツ卜や、はんだ表面

は濡れているようでもはんだを剝がし取ってみると内部に点状の末はんだ部とな つたボイドができていることがあった。

発明の開示

Sn— Zn系はんだ合金を用いたソルダペースト(以下、 Zn系ソルダぺ一ストとい う)のはんだ付け性を良好にするためには、はんだの濡れ広がりに効果のある強 い活性剤をフラックスに添加すればよいが、そのような場合、今度は、 Sn— Zn中 の Znは強い活性剤に接触すると短時間に酸化したり、腐食したりして金属的な性 能が全くなくなってしまい、 Zn系ソルダペース卜が経時変化を起こしてしまう。

このような経時変化は粘度に現れ、製造直後で未だ経時変化の起きていないも のは粘調性があつて薬匙や棒でも攪拌しやすいが、経時変化を起こすと粘度が高 くなつて攪拌しにくくなつてしまう。

従来の Zn系ソルダペース卜は短時間で経時変化を起こし、プリント基板に印刷 塗布や吐出塗布を行つた後、リフロー炉で加熱したときに、全く溶融しなかった り大量の酸化物が発生したりすることがあった。また従来の Zn系ソルダペース卜 は経時変化していなくとも大気中、すなわち空気存在下のリフロー炉ではんだ付 けを行うと、濡れ広がりにくいというはんだ付け性の悪いものであつた。

本発明は、経時変化が起こりにくく、しかも大気中でのリフ口一はんだ付けに おいてもはんだ付け性が良好な Zn系ソルダペース卜を提供することにある。 本発明者等は、或る種のァミンの化合物が Sn - Zn系はんだ合金粉末に対し被膜 を形成してフラックス中への Znィォンの溶出を抑制する効果があり、経時変化に 対する安定性を実現できるとともに、併せてはんだ付け性を改善することを見い だし本発明を完成させた。

もちろん、はんだ粉末を被覆することによって得られる経時変化に対する安定 性およびはんだ付け性の改善効果は、特に Zn系ソルダペース卜において顕著であ るが、その他のはんだ粉末を用いた場合にも従来以上の経時変化に対する安定性 およびはんだ付け性の改善が実現される。

よって、本発明は、広義には、シクロへキシルァミンにエチレンォキシドを付 加した化合物が 0. 5 〜 5重量%添加されたフラックスと、はんだ粉末とが混和さ れていることを特徴とするソルダペース卜である。

また本発明は、シクロへキシルアミンにエチレンォキシドを付加した化合物が

0. 5 〜 5重量%添加されているとともにポリオキシエチレンアルキルアミンが 0.

5 〜 5重量%添加されたフラックスと、はんだ粉末とが混和されていることを特 徵とするソルダペーストである。

より好ましくは、上記はんだ粉末は Zn系はんだ合金粉末である。

より特定的には、本発明は、シクロへキシルアミンにエチレンォキシドを付加 した化合物が 0. 5 〜 5重量%添加されたフラックスと、 Sn— Zn系はんだ合金の粉 末とが混和されていることを特徴とするソルダペーストである。

さらに、また本発明は、シクロへキシルァミンにエチレンォキシドを付加した 化合物が 0. 5 〜 5重量%添加されているとともにポリオキシエチレンアルキルァ ミンが 0. 5 〜 5重量%添加されたフラックスと、 Sn— Zn系はんだ合金の粉末とが 混和されていることを特徴とするソルダペーストである。

図面の簡単な説明

図 1 は、本発明の実施例における Zn系ソルダペーストと比較例の Zn系ソルダぺ ース卜の粘度変化試験の結果を示すダラフである。

発明を実施するための最良の形態

本発明で用いるシクロへキシルアミンにエチレンォキシドが付加された化合物 (以下、単に「ァミン化合物」という)とは、下記化学式 1 に示す構造を有する ものであり、日本乳化剤株式会社から「CHE- 20」として、また新日本理化株式会 社から「CHE- 20P 」として市販されている。


n = 1〜 3

本発明では、上記ァミン化合物をソルダペース卜のフラックス中に 0· 5 〜 5重 量%添加するものであるが、この添加量が 0. 5 重量%より少ないと、はんだ付け 性向上および経時変化を防止する効果が現れず、しかるに 5重量%を超えて添加

するとはんだ付け性を阻害するようになってしまう。好ましくは、その下限は、

1. 0 重量%、より好ましくは 1. 5 重量%、上限は 3. 0 重量%である。

また、本発明では、ァミン化合物が添加されたフラックス中に、ポリオキシェ チレンアルキルアミンを添加すると経時変化阻止効果がさらに向上する。

本発明に使用するポリオキシエチレンアルキルァミンとは、下記化学式(2) ま たは(3) に示す構造のもので非イオン界面活性剤の一種であり、このポリオキシ エチレンアルキルアミン(以.下単に「ァミン界面活性剤」という)は、はんだ'粉 末の被覆を強化する作用を有するものである。ァミン界面活性剤は、日本乳化剤 株式会社から「ニューコール 405 」、「ニューコール 410 」、「ニューコール LA -407」として、また花王株式会社から「アミ一ト 105 」、「ァミート 320 」とし て市販されている。


または

R N H ( C 2 Η 4 θ )„Η · · · (3) ただし、式(2) 、 (3) において、 R : C m H 2 m + 1 m = 8〜18

前記ァミン化合物が添加されたフラックス中にァミン界面活性剤を添加する量 は 0. 5 〜 5重量%が適当である。ァミン界面活性剤の添加量が 0. 5 重量%未満で は Zn系ソルダペーストの経時変化防止に対する効果が少なく、しかるに 5重量% よりも多くなると、やはりはんだ付け性を阻害するようになつてしまう。好まし くは 1. 5 〜3. 0 重量%である。

従来の Zn系ソルダペーストが経時変化を起こすのは、 Znが酸やアルカリに対し て反応しやすい金属であるため、活性のあるフラックス中で Znが選択的に侵食さ れるからである。特にソルダペーストのように Sn— Zn系はんだ合金が粉末になつ ていると、粉末は表面積が大きいことからフラックスからの侵食を強く受ける。 しかしながら、フラックス中に前記アミン化合物を添加しておくと、ァミンの被

膜がはんだ粉末を覆ってフラックスからの侵食を抑制し、またこのアミン化合物 が添加されたフラックスに前記ァミン界面活性剤を同時に添加すると、ァミンの 被膜がさらに強固になつて経時変化防止の効果が向上するのである。

ここに、「経時変化」とは、一般的には本来ソルダぺ一ストの備えている特性 の時間的劣化であり、本発明にあっては粘度変化でもって評価する。また、「は んだ付け性」とは、空気存在の雰囲気下でのリフロー炉における加熱に際して濡 れ広がりによって評価される特性である。かかる特性は本発明によれば、上記ァ ミン化合物さらにそれと上記アミン界面活性剤を用いることによって改善される 。従来の Sn—Zn合金にあっても、 Ag、 Cu、 Bi、 In、 N i、 Pなどを添加することに よつて一部改善されているが、ソルダペース卜として用いることはできなかった 。しかし、本発明によればそのような従来技術の Sn - Zn系はんだ合金をソルダぺ —ス卜に用いることが可能となる。

本発明にしたがってァミン化合物を添加したり、該アミン化合物とァミン界面 活性剤を同時に添加したりするフラックスは、一般に Sn—Pb系はんだのソルダぺ —ストに使用されるのと同様のフラックス、例えばロジンフラックス、つまり松 脂 (ロジン)を主成分にさらにチキソトロ一プ剤、活性剤等の固形成分を溶剤で 溶解したものであってもよい。

本発明において好適に用いることのできるフラックスの主成分は、ロジン、変 成ロジンであって、これに必要に応じて、チキソトロ一プ剤として硬化ひまし油 、脂肪酸ァミド等、活性剤としてジフェニールグァニジン HBr 、シク口へキシル アミン HBr 等、を溶剤(例: α —テルピネオール、ジエチレングリコール—モノ 一へキシルエーテル)によって溶解したものである。

実施例および比較

以下の各例においてはいずれもフラックス 10重量%と粉末はんだ 90重量%とを 混練してソルダペーストを得、その経時変化およびはんだ付け性を評価した。 実施例 1

フラックス: 10重量%

重合ロジン(ロジン) 47重量%

硬化ひまし油(チキソトロープ剤) 5重量%

ジフヱニールグァニジン HBr (活性剤) 2重量%

CHE- 20 (ァミン化合物) 3重量%

α —テルビネオール(溶剤) 43重量%

Sn— 8 % Zn - 3 % B i合金粉末はんだ: 90重量%

実施例 2

フラックス: 10重量%

重合ロジン(ロジン) 47重量%

硬化ひまし油(チキソトロープ剤) 5重量%

ジフヱニールグァニジン HBr (活性剤) 2重量%

CHE-20 (ァミン化合物) 3重量%

ニューコール 405 (ァミン界面活性剤) 2重量%

α -テルピネオール(溶剤) 41重量%

Sn - 8 % Zn - 3 % B i合金粉末はんだ: 90重量%

比較例 1

フラックス: 10重量%

重合ロジン(ロジン) 50重量%

硬化ひまし油(チキソトロープ剤) 5重量%

ジフヱ二一ルグァニジン HBr (活性剤) 2重量%

α —テルビネオール(溶剤) 43重量%

Sn— 8 % Ζη— 3 % B i合金粉末はんだ: 90重量%

上記各実施例と比較例の Zn系ソルダペース卜の経時変化の試験結果を図 1 にグ ラフで記す。

経時変化の試験方法は、 25°Cの恒温槽に Zn系ソルダペーストを放置しておき、 粘度の変化を測定することで行った。

図 1 に示す結果からも明らかなように、実施例 1 の Zn系ソルダペーストは製造 後 7 日目くらいまで少しずつ粘度が増加しているが、それ以降は大きな粘度変化 が見られず、また実施例 2 の Zn系ソルダペーストは製造後ほとんど粘度変化が見 られなかった。

一方、比較例 1 の Zn系ソルダぺ一ストは製造直後から急激な増粘があり、 3 日 目以降になると印刷や吐出が行えないほど高粘度となつていた。

このように、 Zn系ソルダペーストは経時変化を起こすと粘度が上昇し、印刷塗 布や吐出塗布がしにくくなるばかりでなく、はんだ付け性も悪くなり、しかもは んだ付け部周辺の表面に微小はんだボ一ルゃ酸化物が付着する。

表 1 には、実施例 1 、 2および比較例 1 の Zn系ソルダぺ一ストによるはんだ付 け性の試験結果をまとめて示すが、これからも分かるように、本発明によれば、 はんだ付け性も一層改善されることが分かる。

表 1


(注)〇:未溶融ボールが発生しない

リフロ一性良好

△:一部未溶融ボールが発生

X :ほとんど溶融しない

発明の効果

以上説明したように、本発明にかかる Zn系ソルダぺ一ストは、長期間にわたつ て経時変化が少ないため、印刷塗布や吐出塗布における困難がないばかりでなく 、はんだ付け時に微小はんだボールや酸化物の発生がないという信頼性に優れた はんだ付け部が得られるものである。