WO2012118074A1

WO2012118074A1 - フラックス

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Publication number: WO2012118074A1
Application number: PCT/JP2012/054928
Authority: WO
Inventors: 智洋山亀; 健吾大田
Original assignee: 千住金属工業株式会社
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-09-07

Abstract

　ハロゲンを添加せずともはんだ付け性を向上させることが可能なフラックスを提供する。　本発明は、有機酸と、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンが、ハロゲン化物に代わる活性剤として作用する組み合わせで添加されたフラックスで、鉛を含まないはんだ粉末と混合されてソルダペーストが生成される。有機酸は、グルタル酸、アジピン酸、アゼライン酸、グリコール酸、ジグリコール酸、ピコリン酸、２フェニルコハク酸のいずれかであることが好ましく、添加量は、0.5～5.0質量％とすることが好ましい。イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンは、２メチルイミダゾール、２エチルイミダゾール、２フェニルイミダゾール、ジフェニルグアニジンのいずれかであることが好ましく、添加量は、0.5～3.0質量％とすることが好ましい。

Description

フラックス

　本発明は、はんだ粉末と混合されるフラックスに関し、特に、ハロゲン化物を含まないフラックスに関する。

　電子機器の組み立てに使用されるソルダペーストは、はんだ粉末とフラックスを混合させて生成されたはんだ付け材料である。ソルダペーストを使用したはんだ付けは、プリント基板等の基板の電極や端子等のはんだ付け部にソルダペーストを塗布し、ソルダペーストが塗布されたはんだ付け部に部品を搭載し、部品が搭載された基板をリフロー炉と称される加熱炉で加熱してはんだを溶解させることで行われる。

　ソルダペースト等のはんだ付け材料は、以前までは良好なはんだ付け性とはんだ付け後の信頼性とに優れていた錫鉛共晶はんだが使用されていた。一方、環境への負荷を低減させる取り組みも急ピッチに進んできている。その一環で、はんだに関しては、鉛を含まない鉛フリーはんだが主流の合金になっている。

　はんだ付けに用いられるフラックスは、はんだが溶解する温度にて、はんだ及びはんだ付け対象の金属表面に存在する金属酸化物を化学的に除去し、両者の境界で金属元素の移動を可能にする効能を持ち、フラックスを使用することで、はんだと母材との間に金属間化合物を形成させて、強固な接合が得られるようになる。

　従来のフラックスには、はんだ付け性を改善するため、活性剤としてハロゲン化物が添加されていた（例えば、特許文献１参照）。ハロゲン化物の添加により、はんだ付け性を良好にしていた。また、鉛フリーはんだ合金が使用されるソルダペーストでも、はんだ付け性を改善するため、フラックスにハロゲン化物が添加されていた。ハロゲン化物の添加により、はんだ付け性の悪い鉛フリーはんだのはんだ付け性を良好にし、また、配合量を制御することで、高品質で高信頼性を有するフラックスを実現してきた。

　しかし、ハロゲン化物を含む物質が廃棄処理で焼却されるような場合、不完全燃焼であると副産物として有毒なダイオキシンを発生する可能性が指摘されており、更なる環境対策から、はんだ付け時に使用するフラックスに関しては、ハロゲンを添加しない所謂ハロゲンフリーフラックスが要求されるようになってきた。

　このようなハロゲンを含まないフラックスとして、有機酸化物類を添加したフラックスが提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。また、ハロゲンを含まないフラックスとして、アミン類を添加したフラックスが提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開平６－３１２２９１号公報特表平８－５０３１６８号公報特開２００４－５８１０４号公報特許第４１６２７０７号公報

　鉛を含むはんだ合金に関しては、フラックスから完全にハロゲンを除去した場合でも、有機酸化物を添加することで、はんだの濡れ性が得られ、所望のハンダ付け性が確保される。しかし、ハロゲンを除去したフラックスでは、ハロゲンに代えて有機酸あるいは有機アミンを添加しても、鉛を含まない鉛フリーはんだ合金に関して、良好なはんだ付け性が損なわれるため、はんだ付け性を維持しながらダイオキシン発生を抑制することは困難であった。

　以下に、ハロゲンに代えて有機酸等を単体で添加したフラックスと、鉛フリーはんだの濡れ性との関係を検証する。

・フラックスの組成
　重合ロジン５０％、ジエチレングリコールモノへキシルエーテル５０％を調合してこれを基本フラックスとする。この基本フラックスに、以下の表１に示す配合量で有機酸またはイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンを添加する。

・試験方法
　銅板上にフラックスを滴下し、これに1.75mmφの鉛フリーのはんだボール（組成Sn-3.0Ag-0.5Cu）を載せ、250℃に設定したホットプレート上で30sec加熱してはんだを溶解させる。このとき、はんだの広がり率が、70％以上をＡ、60～70％をＢ、50～60％をＣ、50％以下をＤと評価する。広がり率とは、はんだ付け後のはんだ高さを計測し、はんだ付け前のボール直径に対するはんだ付け後のはんだ高さの割合を1から差し引いた値とする。

・結果
　はんだの広がり率の結果を、表１に試験結果として示す。

　上述した表１に示すように、有機酸やイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンを単独で基本フラックスに調合した場合、有機酸の添加で若干はんだ付け性が向上するものがあったが、いずれにしてもＢランク以上の良好なはんだ濡れ性を示すものは皆無であった。

　一方、特許文献１に示すように、ハロゲン化物を添加すれば濡れ性が改善されるが、ハロゲンフリーフラックスを実現できない。また、イソシアネート化合物が反応性であるため、イソシアネート化合物が添加されたフラックスを使用して生成されたソルダペーストは保存性が悪い。

　本発明は、ハロゲンを添加せずともはんだ付け性を向上させることが可能なフラックスを提供することを目的とする。

　本発明者らは、活性剤として作用する有機酸とイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの組み合わせを見出し、活性剤としてハロゲン化物を添加しなくても、鉛フリーはんだにおけるはんだ付け性が改善されることを見出した。

　本発明は、有機酸と、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンが、ハロゲン化物に代わる活性剤として作用する組み合わせで添加され、鉛を含まないはんだ粉末と混合されてソルダペーストが生成されるフラックスである。

　有機酸は、グルタル酸、アジピン酸、アゼライン酸、グリコール酸、ジグリコール酸、ピコリン酸、２フェニルコハク酸のいずれかであることが好ましく、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンは、２メチルイミダゾール、２エチルイミダゾール、２フェニルイミダゾール、ジフェニルグアニジンのいずれかであることが好ましい。

　また、有機酸の添加量は、0.5～5.0％とすることが好ましく、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの添加量は、0.5～3.0％とすることが好ましい。なお、％は、質量％である。

　更に、有機酸と、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンは、接合対象の材質として銅、真鍮、洋白あるいはニッケルのいずれか、もしくは複数の材質に対して、鉛を含まないはんだが濡れ性を有する組み合わせで選択される。

　本発明のフラックスでは、特定の有機酸と、特定のイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンを組み合わせて添加することで、鉛を含まないはんだ粉末と混合したソルダペーストでも、はんだ付け時の濡れ性が向上する。これにより、鉛フリーはんだにおけるはんだ付け性が、活性剤としてハロゲン化物を添加することなく向上し、ハロゲンを添加したフラックスを使用した場合と同等の濡れ性を得ることができるので、ハロゲンフリーフラックスを実現できる。

　本実施の形態のフラックスは、鉛を含まないはんだ粉末と混合されてソルダペーストを生成する。本実施の形態のフラックスは、活性剤として、特定の有機酸と、特定のイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの組み合わせを含み、実質的にハロゲン化物を含まない。特定の有機酸と、特定のイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンがフラックス中に共存した場合、有機酸の反応速度を有機アミンが高めると類推され、はんだの濡れ性を促進すると考えられる。

　有機酸と、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンが添加されたフラックスと、鉛を含まないはんだ粉末が混合されたソルダペーストでは、はんだ付け時のはんだの濡れ性が、有機酸と、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンとの組み合わせ、組み合わせる各物質の添加量、及び接合する材質との関係によって異なる。そして、所望の濡れ性が得られる特定の有機酸と、特定のイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの組み合わせが、接合する材質に合わせて存在する。

　このため、特定の有機酸は、グルタル酸、アジピン酸、アゼライン酸、グリコール酸、ジグリコール酸、ピコリン酸、２フェニルコハク酸のいずれかであることが好ましい。また、特定のイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンは、２メチルイミダゾール、２エチルイミダゾール、２フェニルイミダゾール、ジフェニルグアニジンのいずれかであることが好ましい。

　また、特定の有機酸の添加量は、0.5～5.0％とすることが好ましく、特定のイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの添加量は、0.5～3.0％とすることが好ましい。なお、％は、特に指定しない限り質量％である。

　これにより、特定の有機酸と、特定のイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンを組み合わせて添加したフラックスと、鉛を含まないはんだ粉末を混合したソルダペーストでは、はんだ付け時の濡れ性が向上し、鉛フリーはんだにおけるはんだ付け性が、フラックスにハロゲン化物を添加することなく向上する。

（１）有機酸とイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの組み合わせの選択
・フラックスの組成
　重合ロジン５０％　ジエチレングリコールモノへキシルエーテル５０％を調合してこれを基本フラックスとする。この基本フラックスに、以下の表２に示す割合で、有機酸とイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンを組み合わせて添加する。

・試験方法
　接合対象の材質として、本例では、銅（Cu）に加えて、真鍮（Cu- Zn）、洋白（Cu- Zn-Ni）及びニッケル（Ni）を選択する。プリント基板等の電極は、一般的に銅であることが多い。一方、遮蔽板等、基板上にはんだ付けで実装される機構部品には、材質が真鍮や洋白であるものもある。また、電子部品のリードに、ニッケルメッキが施されている場合もある。

　このため、接合対象の材質として、銅板、真鍮板、洋白板及びニッケル板上に、上述した配合のフラックスを滴下し、これに1.75mmφの鉛フリーのはんだボール（組成Sn-3.0Ag-0.5Cu）を載せ、250℃に設定したホットプレート上で30sec加熱してはんだを溶解させて、はんだの濡れ性を検証する。このとき、はんだの濡れ性を表すはんだの広がり率が、70％以上をＡ、60～70％をＢ、50～60％をＣ、50％以下をＤと評価する。

・結果
　はんだの広がり率の結果を以下の表３～表６に示す。ここで、表３は、接合対象が銅である場合のはんだの広がり率の結果を示し、表４は、接合対象が真鍮である場合のはんだの広がり率の結果を示す。表５は、接合対象が洋白である場合のはんだの広がり率の結果を示し、表６は、接合対象がニッケルである場合のはんだの広がり率の結果を示す。

　表３～表６では、有機酸と、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの組み合わせの中で、判定結果がＡまたはＢの組み合わせが実施例であり、判定結果がＣまたはＤの組み合わせが比較例である。

　表３に示すように、接合する材質が銅である場合は、有機酸として、グリコール酸、ピコリン酸、ジクリコール酸、アジピン酸、２フェニルコハク酸、グルタル酸、アゼライン酸のうちの何れかと、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンとして、２メチルイミダゾール、２エチルイミダゾール、２フェニルイミダゾール、ジフェニルグアニジンのうちの何れかを組み合わせて添加したフラックスでは、ハロゲン化物を添加しなくても、良好な濡れ性が得られることが判る。

　表４～表６に示すように、接合する材質が真鍮、洋白及びニッケルの場合は、有機酸として、グリコール酸、ピコリン酸、アジピン酸、２フェニルコハク酸、グルタル酸、アゼライン酸のうちの何れかと、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンとして、２メチルイミダゾール、２エチルイミダゾール、ジフェニルグアニジンのうちの何れかを組み合わせて添加したフラックスでは、ハロゲン化物を添加しなくても、良好な濡れ性が得られることが判る。

　一方、銅に対して良好な濡れ性が得られたジクリコール酸とイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの組み合わせ、あるいは、２フェニルイミダゾールと有機酸の組み合わせは、真鍮、洋白及びニッケルに対しては良好な濡れ性が得られないことが判る。このように、有機酸とイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの組み合わせで、はんだの濡れ性が大きく異なること判る。

（２）有機酸とイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの添加量の選択
・フラックスの組成
　重合ロジン５０％　ジエチレングリコールモノへキシルエーテル５０％を調合してこれを基本フラックスとする。この基本フラックスに、上述した表３～表６に示す実施例の中で、接合対象の各材質に対して良好な濡れ性を示した有機酸とイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの組み合わせとして、グリコール酸と２メチルイミダゾールを選択し、以下の表７に示す割合で添加する。本例では、グリコール酸と２メチルイミダゾールの組み合わせの中で、表７にNo.1～No.12で示す組み合わせについて検証している。

・試験方法
　接合対象の材質として、銅板、真鍮板、洋白板及びニッケル板上に、上述した配合のフラックスを滴下し、これに1.75mmφの鉛フリーのはんだボール（組成Sn-3.0Ag-0.5Cu）を載せ、250℃に設定したホットプレート上で30sec加熱してはんだを溶解させて、はんだの濡れ性を検証する。このとき、はんだの濡れ性を表すはんだの広がり率が、70％以上をＡ、60～70％をＢ、50～60％をＣ、50％以下をＤと評価する。

・結果
　はんだの広がり率の結果を以下の表８～表１１に示す。ここで、表８は、接合対象が銅である場合のはんだの広がり率の結果を示し、表９は、接合対象が真鍮である場合のはんだの広がり率の結果を示す。表１０は、接合対象が洋白である場合のはんだの広がり率の結果を示し、表１１は、接合対象がニッケルである場合のはんだの広がり率の結果を示す。

　表８～表１１では、有機酸の一例であるグリコール酸と、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの一例である２メチルイミダゾールの組み合わせの中で、判定結果がＡまたはＢの組み合わせが実施例であり、判定結果がＣまたはＤの組み合わせが比較例である。

　表８に示すように、接合する材質が銅である場合は、２メチルイミダゾールが1.0％共存した場合、グリコール酸の含有量は0.5％でも濡れ性に効果を示した。またグリコール酸が3.0％共存した場合、２メチルイミダゾールの含有量は0.5％でも濡れ性に効果を示した。

　表９～表１１に示すように、接合する材質が真鍮、洋白、ニッケルの場合は、２メチルイミダゾールが1.0％共存した場合、グリコール酸の含有量は3.0％で濡れ性に効果を示した。またグリコール酸が3.0％共存した場合、２メチルイミダゾールの含有量は0.5％でも濡れ性に効果を示した。

　上述した表８～表１１では、グリコール酸と２メチルイミダゾールの組み合わせについて比較をしたが、上述した表３～表６に示す実施例の中で、接合対象の各材質に対して良好な濡れ性を示した他の有機酸とイミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの組み合わせでも、同様の傾向を示す。なお、有機酸の添加量を増やすと、フラックス残渣が腐食材として作用する可能性がある。はんだ付け部が腐食すると、絶縁性の劣化が懸念され、長期間に亘る信頼性を確保できない可能性がある。このため、有機酸の添加量は、濡れ性に加えて腐食等による信頼性を考慮して決める必要がある。

　従って、銅に対して良好な濡れ性が得られるためには、有機酸として、グリコール酸、ピコリン酸、ジクリコール酸、アジピン酸、２フェニルコハク酸、グルタル酸、アゼライン酸のうちの何れかと、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンとして、２メチルイミダゾール、２エチルイミダゾール、２フェニルイミダゾール、ジフェニルグアニジンのうちの何れかを組み合わせて添加することが好ましいことが判った。また、有機酸の添加量は、0.5～5.0％とすることが好ましく、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの添加量は、0.5～3.0％とすることが好ましいことが判った。

　真鍮、洋白、ニッケルに対して良好な濡れ性が得られるためには、有機酸として、グリコール酸、ピコリン酸、アジピン酸、２フェニルコハク酸、グルタル酸、アゼライン酸のうちの何れかと、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンとして、２メチルイミダゾール、２エチルイミダゾール、ジフェニルグアニジンのうちの何れかを組み合わせて添加することが好ましいことが判った。また、有機酸の添加量は、0.5～5.0％とすることが好ましく、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの添加量は、0.5～3.0％とすることが好ましいことが判った。

　本発明のフラックスは、ハロゲンフリーフラックスを実現できるので、鉛フリーはんだに適用して環境対策への要求に応じることが可能である。

Claims

　有機酸と、イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンが、ハロゲン化物に代わる活性剤として作用する組み合わせで添加され、鉛を含まないはんだ粉末と混合されてソルダペーストが生成される
　ことを特徴とするフラックス。
　前記有機酸は、グルタル酸、アジピン酸、アゼライン酸、グリコール酸、ジグリコール酸、ピコリン酸、２フェニルコハク酸のいずれかで、前記イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンは、２メチルイミダゾール、２エチルイミダゾール、２フェニルイミダゾール、ジフェニルグアニジンのいずれかである
　ことを特徴とする請求項１記載のフラックス。
　前記有機酸の添加量は、0.5～5.0質量％であり、前記イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンの添加量は、0.5～3.0質量％である
　ことを特徴とする請求項１または２記載のフラックス。
　前記有機酸と、前記イミダゾール系誘導体もしくは有機アミンは、銅、真鍮、洋白あるいはニッケルのいずれか、もしくは複数の材質に対して、鉛を含まないはんだが濡れ性を有する組み合わせで選択される
　ことを特徴とする請求項１、２または３記載のフラックス。