JP6895215B2 - フローはんだ付け用フラックス組成物 - Google Patents

Description

本発明は、はんだ付け用フラックス組成物に関する。

電子基板と電子部品とのはんだ付け方法としては、いわゆるリフローはんだ付け法の他に、電子基板に仮留めした電子部品を噴流する溶融はんだに接触させることによりはんだ付けする方法、いわゆるフローはんだ付け法も採用されている。このフローはんだ付け法では、噴流する溶融はんだに接触させる前に、例えば特許文献１に記載のようなフラックス組成物が用いられる。
一方で、近年のはんだの鉛フリー化に伴い、高融点のはんだが用いられる傾向にある。最も利用されている鉛フリーはんだ合金は、スズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｓｕ）系のはんだ合金、いわゆるＳＡＣ系のはんだ合金である。このＳＡＣ系のはんだ合金は、従来のスズ−鉛の共晶はんだと比較して、酸化した銅箔へのぬれ広がりが悪くなる。そのため、ＳＡＣ系のはんだ合金を用いたはんだ広がり試験で、８０％以上となるようなフラックス組成物はなかった。

特開平８−２４３７８７号公報

本発明は、鉛フリーはんだを用いる場合でも、はんだぬれ性が十分に優れるはんだ付け用フラックス組成物を提供することを目的とする。

前記課題を解決すべく、本発明は、以下のようなはんだ付け用フラックス組成物を提供するものである。
本発明のはんだ付け用フラックス組成物は、（Ａ）ロジン系樹脂、（Ｂ）活性剤、（Ｃ）溶剤、並びに、（Ｄ）炭素数１２〜２４の脂肪族カルボン酸と炭素数１〜４のアルコールからなる高級脂肪族エステルを含有することを特徴とするものである。

本発明のはんだ付け用フラックス組成物においては、前記（Ｄ）成分の配合量が、前記フラックス組成物１００質量％に対して、０．１質量％以上５質量％以下であることが好ましい。

本発明によれば、鉛フリーはんだを用いる場合でも、はんだぬれ性が十分に優れるはんだ付け用フラックス組成物を提供することが可能となる。

本実施形態のはんだ付け用フラックス組成物（以下、単に「フラックス組成物」ともいう）は、以下説明する（Ａ）ロジン系樹脂、（Ｂ）活性剤、（Ｃ）溶剤および（Ｄ）高級脂肪族エステルを含有するものである。
本明細書において、鉛フリーはんだとは、鉛を添加しないはんだ金属または合金のことをいう。ただし、鉛フリーはんだ中に、不可避的不純物として鉛が存在することは許容されるが、この場合に、鉛の量は、３００質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。

鉛フリーはんだにおけるはんだ合金としては、具体的には、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｓｂ、Ｉｎ−Ａｇなどが挙げられる。これらの中でも、はんだ接合の強度の観点から、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ合金が好ましく用いられている。そして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだの融点は、通常２００℃以上２５０℃以下である。なお、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだの中でも、銀含有量が低い系のはんだの融点は、２１０℃以上２５０℃以下（より好ましくは、２２０℃以上２４０℃以下）である。

［（Ａ）成分］
本実施形態に用いる（Ａ）ロジン系樹脂としては、ロジン類およびロジン系変性樹脂が挙げられる。ロジン類としては、ガムロジン、ウッドロジンおよびトール油ロジンなどが挙げられる。ロジン系変性樹脂としては、不均化ロジン、重合ロジン、水素添加ロジンおよびこれらの誘導体などが挙げられる。水素添加ロジンとしては、完全水添ロジン、部分水添ロジン、並びに、不飽和有機酸（（メタ）アクリル酸などの脂肪族の不飽和一塩基酸、フマル酸、マレイン酸などのα，β−不飽和カルボン酸などの脂肪族不飽和二塩基酸、桂皮酸などの芳香族環を有する不飽和カルボン酸など）の変性ロジンである不飽和有機酸変性ロジンの水素添加物（「水添酸変性ロジン」ともいう）などが挙げられる。これらのロジン系樹脂は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

（Ａ）成分の配合量は、フラックス組成物１００質量％に対して、０．５質量％以上２０質量％以下であることが好ましく、１質量％以上１０質量％以下であることがより好ましく、２質量％以上６質量％以下であることが特に好ましい。（Ａ）成分の配合量が前記下限以上であれば、ブリッジやつららの発生をより確実に抑制できる。他方、（Ａ）成分の配合量が前記上限以下であれば、フラックス残さをより少なくできる。

［（Ｂ）成分］
活性剤としては、有機酸、非解離性のハロゲン化化合物からなる非解離型活性剤、およびアミン系活性剤などが挙げられる。これらの活性剤は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
有機酸としては、モノカルボン酸、ジカルボン酸などの他に、その他の有機酸が挙げられる。
モノカルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、ブチリック酸、バレリック酸、カプロン酸、エナント酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ツベルクロステアリン酸、アラキジン酸、ベヘニン酸、リグノセリン酸、およびグリコール酸などが挙げられる。
ジカルボン酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フマル酸、マレイン酸、酒石酸、およびジグリコール酸などが挙げられる。
その他の有機酸としては、ダイマー酸、レブリン酸、乳酸、アクリル酸、安息香酸、サリチル酸、アニス酸、クエン酸、およびピコリン酸などが挙げられる。
本実施形態において、（Ｂ）成分は、スルーホールのぬれ上がりの観点から、コハク酸を含有することが好ましい。

非解離性のハロゲン化化合物からなる非解離型活性剤としては、ハロゲン原子が共有結合により結合した非塩系の有機化合物が挙げられる。このハロゲン化化合物としては、塩素化物、臭素化物、フッ化物のように塩素、臭素、フッ素の各単独元素の共有結合による化合物でもよいが、塩素、臭素およびフッ素の任意の２つまたは全部のそれぞれの共有結合を有する化合物でもよい。これらの化合物は、水性溶媒に対する溶解性を向上させるために、例えばハロゲン化アルコールやハロゲン化カルボキシルのように水酸基やカルボキシル基などの極性基を有することが好ましい。ハロゲン化アルコールとしては、例えば臭素化アルコール（２，３−ジブロモプロパノール、２，３−ジブロモブタンジオール、トランス−２，３−ジブロモ−２−ブテン−１，４−ジオール（ＴＤＢＤ）、１，４−ジブロモ−２−ブタノール、およびトリブロモネオペンチルアルコールなど）、塩素化アルコール（１，３−ジクロロ−２−プロパノール、および１，４−ジクロロ−２−ブタノールなど）、フッ素化アルコール（３−フルオロカテコールなど）、および、その他これらに類する化合物が挙げられる。ハロゲン化カルボキシルとしては、ヨウ化カルボキシル（２−ヨード安息香酸、３−ヨード安息香酸、２−ヨードプロピオン酸、５−ヨードサリチル酸、および５−ヨードアントラニル酸など）、塩化カルボキシル（２−クロロ安息香酸、および３−クロロプロピオン酸など）、臭素化カルボキシル（２，３−ジブロモプロピオン酸、２，３−ジブロモコハク酸、２−ブロモ安息香酸など）、および、その他これらに類する化合物が挙げられる。

アミン系活性剤としては、アミン類（エチレンジアミンなどのポリアミンなど）、アミン塩類（トリメチロールアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミンなどのアミンやアミノアルコールなどの有機酸塩や無機酸塩（塩酸、硫酸、臭化水素酸など））、アミノ酸類（グリシン、アラニン、アスパラギン酸、グルタミン酸、およびバリンなど）、アミド系化合物などが挙げられる。具体的には、ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミン塩（塩酸塩、コハク酸塩、アジピン酸塩、セバシン酸塩など）、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン、および、これらのアミンの臭化水素酸塩などが挙げられる。

（Ｂ）成分の配合量としては、フラックス組成物１００質量％に対して、０．５質量％以上１０質量％以下であることが好ましく、１質量％以上８質量％以下であることがより好ましく、２質量％以上５質量％以下であることが特に好ましい。配合量が前記下限以上であれば、はんだ付け性を向上でき、他方、前記上限以下であれば、フラックス組成物の絶縁性を確保できる。

［（Ｃ）成分］
本実施形態に用いる（Ｃ）溶剤としては、公知の溶剤を適宜用いることができる。この（Ｃ）成分としては、（Ｃ１）沸点１００℃以下の水溶性溶剤を用いることが好ましい。
（Ｃ１）成分としては、エチルアルコール、およびイソプロピルアルコールなどが挙げられる。これらの溶剤は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

（Ｃ）成分は、沸点１００℃以下の水溶性溶剤の他に、（Ｃ２）１０１３ｈＰａにおける沸点が１２０℃以上３２０℃以下（好ましくは、２４０℃以上３２０℃以下）のグリコール系溶剤またはテルペン系溶剤を含有していてもよい。このような（Ｃ２）成分であれば、活性剤の熱劣化の抑制に寄与できる。
前記（Ｃ２）成分としては、エチレングリコールモノメチルエーテル（１２４℃）、トリエチレングリコールモノメチルエーテル（２４９℃）、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル（２９５℃）、トリエチレングリコールモノブチルエーテル（２７１℃）、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル（２５９℃）、ジエチレングリコールモノ２−エチルヘキシルエーテル（２７２℃）、エチレングリコールモノフェニルエーテル（２４５℃）、ジエチレングリコールモノフェニルエーテル（２８３℃）、エチレングリコールモノベンジルエーテル（２５６℃）、ジエチレングリコールモノベンジルエーテル（３０２℃）、トリプロピレングリコールモノエチルエーテル（２４２℃）、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル（２７４℃）、プロピレングリコールモノフェニルエーテル（２４３℃）、ジエチレングリコールジブチルエーテル（２５５℃）、テトラエチレングリコールジメチルエーテル（２７５℃）およびイソボルニルシクロヘキサノール（３１０〜３１８℃）などが挙げられる。これらの中でも、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノ２−エチルヘキシルエーテル、イソボルニルシクロヘキサノールが好ましい。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。なお、括弧内に記載の温度は、上記の溶剤の沸点である。

（Ｃ）成分の配合量は、フラックス組成物１００質量％に対して、７０質量％以上９５質量％以下であることが好ましく、７５質量％以上９２質量％以下であることがより好ましく、８０質量％以上９０質量％以下であることが特に好ましい。配合量が前記範囲内であれば、フラックス組成物の塗布性を適正な範囲に調整できる。

［（Ｄ）成分］
本実施形態に用いる（Ｄ）高級脂肪族エステルは、炭素数１２〜２４の脂肪族カルボン酸と炭素数１〜４のアルコールからなる高級脂肪族エステルである。この（Ｄ）成分は、活性作用が高温でも失活しにくいため、鉛フリーはんだを用いた場合のはんだぬれ性を向上できる。なお、脂肪族カルボン酸の炭素数が１１以下の場合には、はんだぬれ性の向上効果が不十分である。他方、脂肪族カルボン酸の炭素数が２５以上のものは入手が困難である。また、アルコールの炭素数が５以上の場合には、はんだぬれ性の向上効果が不十分である。脂肪族カルボン酸の炭素数は、１２〜１８であることが好ましく、１８であることが特に好ましい。アルコールの炭素数は、２〜４であることが好ましく、４であることが特に好ましい。
これらの高級脂肪族エステルは１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

ここで、脂肪族カルボン酸は、飽和であってもよく、不飽和であってもよい。また、脂肪族カルボン酸は、分岐を有していてもよい。
脂肪族カルボン酸としては、ラウリン酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ノナデシル酸、アラキジン酸、ヘンイコシル酸、ベヘン酸、トリコシル酸、リグノセリン酸、α−リノレン酸、リノール酸、およびオレイン酸などが挙げられる。
アルコールとしては、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール、およびｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどが挙げられる。

（Ｄ）成分の配合量としては、フラックス組成物１００質量％に対して、０．１質量％以上５質量％以下であることが好ましく、０．２質量％以上３質量％以下であることがより好ましく、０．５質量％以上２質量％以下であることが特に好ましい。配合量が前記下限以上であれば、はんだぬれ性を更に向上でき、他方、前記上限以下であれば、絶縁信頼性を維持できる。

本実施形態のフラックス組成物は、（Ａ）成分〜（Ｄ）成分の他に、必要に応じて、チクソ剤、酸化防止剤、消泡剤、防錆剤、および界面活性剤などの添加剤を含有していてもよい。これらの添加剤の配合量としては、フラックス組成物１００質量％に対して、０．０１質量％以上５質量％以下であることが好ましい。

［はんだ付け方法］
次に、本実施形態のフラックス組成物を用いたはんだ付け方法について説明する。本実施形態のはんだ付け方法は、以下説明する部品取付工程、フラックス塗布工程およびはんだ付け工程を備える方法である。

部品取付工程においては、先ず、電子部品を電子基板に挿入して、取り付ける。
電子基板としては、例えば、プリント配線基板などが挙げられる。
電子部品は、電子基板のスルーホールに挿入可能で、挿入後にはんだ付けをすることで実装する方法（いわゆるスルーホール実装）で用いるものである。電子部品としては、集積回路、トランジスタ、ダイオード、抵抗器およびコンデンサなどが挙げられる。

フラックス塗布工程においては、電子基板のはんだ付け面に、前述したフラックス組成物を塗布する。
フラックス組成物の塗布装置としては、スプレーフラクサー、および発泡式フラクサーなどを採用できる。これらの中でも、塗布量の安定性の観点から、スプレーフラクサーが好ましい。
フラックス組成物の塗布量は、はんだ付け性の観点から、３０ｍＬ／ｍ^２以上１８０ｍＬ／ｍ^２以下であることが好ましく、４０ｍＬ／ｍ^２以上１５０ｍＬ／ｍ^２以下であることがより好ましく、５０ｍＬ／ｍ^２以上１２０ｍＬ／ｍ^２以下であることが特に好ましい。

はんだ付け工程においては、電子基板のはんだ付け面を、溶融はんだに接触させて、はんだ付けを行う。
溶融はんだを接触させる方法としては、溶融はんだを電子基板に接触できる方法であればよく、特に限定されない。このような方法としては、例えば、電子基板に噴流する溶融はんだに接触させる方法（フローはんだ付け法）を採用してもよい。また、溶融はんだの入ったはんだ槽を電子基板に接触させる方法を採用してもよい。
はんだ付けの条件は、はんだの融点に応じて適宜設定すればよい。例えば、Ｓｎ−Ａｕ−Ｃｕ系のはんだ合金を用いる場合には、溶融はんだの温度は、２３０℃以上２８０℃以下（好ましくは、２５０℃以上２７０℃以下）に設定すればよい。また、プリヒート温度としては、加熱温度８０℃以上１３０℃以下（好ましくは、９０℃以上１２０℃以下）に設定すればよい。

次に、本発明を実施例および比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。なお、実施例および比較例にて用いた材料を以下に示す。
（（Ａ）成分）
ロジン系樹脂：商品名「中国ロジンＸ」、荒川化学工業社製
（（Ｂ）成分）
活性剤Ａ：コハク酸
活性剤Ｂ：アジピン酸
活性剤Ｃ：トランス−２，３−ジブロモ−２−ブテン−１，４−ジオール（ＴＤＢＤ）、丸善油化商事社製
（（Ｃ１）成分）
溶剤Ａ：イソプロピルアルコール
（（Ｃ２）成分）
溶剤Ｂ：トリプロピレングリコールモノブチルエーテル
（（Ｄ）成分）
高級脂肪酸エステルＡ：ステアリン酸ブチル、商品名「エキセパールＢＳ」、島田商会社製
高級脂肪酸エステルＢ：ステアリン酸エチル
高級脂肪酸エステルＣ：パルチミン酸イソプロピル
高級脂肪酸エステルＤ：ラウリン酸メチル
（他の成分）
二塩基酸エステル：コハク酸ジイソプロピル、丸善油化商事社製

［実施例１］
ロジン系樹脂３質量％、活性剤Ａ１．５質量％、活性剤Ｂ０．５質量％、活性剤Ｃ１質量％、高級脂肪酸エステルＡ０．５質量％、溶剤Ａ９０．５質量％および溶剤Ｂ３質量％を容器に投入し、混合してフラックス組成物を得た。

［実施例２〜５および比較例１〜２］
表１に示す組成に従い各材料を配合した以外は実施例１と同様にして、フラックス組成物を得た。

＜フラックス組成物の評価＞
フラックス組成物の特性（はんだ広がり、ぬれ上がり）を以下のような方法で評価した。得られた結果を表１に示す。
（１）はんだ広がり
銅板（大きさ：５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み：０．５ｍｍ）を、６００番耐水研磨紙にて研磨し、さらにイソプロピルアルコールにて洗浄した後、１５０℃乾燥機中にて１時間の酸化処理を施して試験片を得た。
次に、試験片上に、０．０５ｍＬのフラックス組成物を塗布して、その上に、はんだリング（直径φ１．６ｍｍ線はんだを、直径φ３．２ｍｍの棒に巻き付けた１巻）を載せ、これをセラミック板の上に置く。そして、このセラミック板を、２５５℃に設定されたはんだバス上に置き、試験片を加熱した。その後、はんだが溶融してから３０秒間加熱を続け、水平に引き上げ放冷して、評価用試料を得た。
この評価用試料について、マイクロメーターで広がったはんだの高さ（Ｈ）を測定し、広がり率（Ｓｒ）を下記数式（Ｆ１）より求めた。
Ｓｒ＝（Ｄ−Ｈ）／Ｄ×１００ ・・・（Ｆ１）
Ｄ＝１．２４Ｖ^１／３ ・・・（Ｆ２）
Ｓｒ：広がり率（％）
Ｈ：広がったはんだの高さ（ｍｍ）
Ｄ：試験に用いたはんだを球とみなした場合の直径（ｍｍ）
Ｖ：試験に用いたはんだの質量／密度
なお、試験は、（i）はんだリング１および（ii）はんだリング２について、それぞれ行う。
（i）はんだリング１のはんだ合金組成：Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ
（ii）はんだリング１のはんだ合金組成：Ｓｎ０．３Ａｇ０．７Ｃｕ
そして、広がり率に基づいて、以下の基準に従って、はんだ広がりを評価した。なお、広がり率（％）についても表１に示す。
〇：広がり率が、８０％以上である。
×：広がり率が、８０％未満である。
（２）ぬれ上がり
直径１．０ｍｍおよび０．８ｍｍのスルーホールを有する基板（厚み：１．６ｍｍ）に、リフロー処理を３回施して、試験片を得た。ここでのリフロー条件は、プリヒート温度が１５０〜２００℃（８０秒間）で、温度２００℃以上の時間が８０秒間で、ピーク温度が２５０℃である。
次に、この試験片に、スプレーフラックサーにて、フラックス組成物を塗布（塗布量：１１０ｍＬ／ｍ^２）し、その後、フローはんだ付けを行い、評価用試料を得た。ここでのフローはんだ付け条件は、プリヒート温度が１００〜１２０℃（３０〜６０秒間）で、はんだ温度が２５０℃で、はんだ合金組成がＳｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕである。
この評価用試料について、直径１．０ｍｍおよび０．８ｍｍの各１２０箇所の観察を行い、スルーホール端面の全周にはんだがぬれ上がった箇所を「ＯＫ」とし、ぬれ上がり率を下記数式（Ｆ３）より求めた。
ぬれ上がり率（％）＝｛（φ１．０のＯＫ数／１２０）＋（φ０．８のＯＫ数／１２０）｝×１００ ・・・（Ｆ３）
そして、ぬれ上がり率に基づいて、以下の基準に従って、ぬれ上がりを評価した。なお、ぬれ上がり率（％）についても表１に示す。
◎：ぬれ上がり率が、８０％以上である。
○：ぬれ上がり率が、７０％以上８０％以下である。
×：ぬれ上がり率が、７０％未満である。

表１に示す結果からも明らかなように、本発明のフラックス組成物を用いた場合（実施例１〜５）には、はんだ広がり、および、ぬれ上がりの全てが良好であることが分かった。従って、本発明によれば、鉛フリーはんだを用いる場合でも、はんだぬれ性が十分に優れることが確認された。

本発明のはんだ付け用フラックス組成物は、電子機器のプリント配線基板などの電子基板に電子部品を実装するための技術として特に好適に用いることができる。

Claims (2)

1. （Ａ）ロジン系樹脂、（Ｂ）活性剤、（Ｃ）溶剤、並びに、（Ｄ）炭素数１２〜２４の脂肪族カルボン酸と炭素数１〜４のアルコールからなる高級脂肪族エステルを含有し、
   前記（Ｃ）成分の配合量が、当該フラックス組成物１００質量％に対して、７０質量％以上９５質量％以下であり、
   （Ｄ）成分の配合量が、当該フラックス組成物１００質量％に対して、０．１質量％以上５質量％以下である
   ことを特徴とするフローはんだ付け用フラックス組成物。
2. 請求項１に記載のフローはんだ付け用フラックス組成物において、
   前記（Ｃ）成分が、（Ｃ１）１０１３ｈＰａにおける沸点が１００℃以下の水溶性溶剤と、（Ｃ２）１０１３ｈＰａにおける沸点が１２０℃以上３２０℃以下のグリコール系溶剤またはテルペン系溶剤とを含有する
   ことを特徴とするフローはんだ付け用フラックス組成物。