JPH04228288A - ハンダ／ポリマー複合ペースト及びその使用方法 - Google Patents

ハンダ／ポリマー複合ペースト及びその使用方法

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JPH04228288A
JPH04228288A JP3055667A JP5566791A JPH04228288A JP H04228288 A JPH04228288 A JP H04228288A JP 3055667 A JP3055667 A JP 3055667A JP 5566791 A JP5566791 A JP 5566791A JP H04228288 A JPH04228288 A JP H04228288A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は導電性要素の間に導電性結合を形
成するための新規な相互結合物質およびそのような導電
性結合を作る方法に関する。
【０００２】導電性ハンダ組成物は導電性要素の間に導
電性結合例えば回路板上に印刷された回路に付随するチ
ップ担体の導線とパッドのような電気部品の間のそれを
形成するためのものとしてよく知られている。慣用的な
ハンダ組成物は共融混合物合金例えばスズ−鉛組成物か
らなり、このものはハンダ金属および接続される導電性
部材から酸化物を清掃するためのレジデント（ｒｅｓｉ
ｄｅｎｔ）フラックス組成物および清掃後フラックスを
除去することを要し、又精巧な電気部品に損傷を与える
ことのある高いリフロー温度を必要とする。又、鉛含有
ハンダ粉末は環境的に好ましくない。
【０００３】清掃を要しない又はフラックスレスのハン
ダ付けを達成するために金属合金粉末充填ポリマー複合
ペーストのあることは公知である。しかしながら、その
ようなペーストは非酸化性、非溶融性の銀又は金合金粉
末充填剤を含み、このものは高価である。又、銀イオン
移動は他の問題を引き起こす。
【０００４】ニッケル粉末充填剤と揮発性溶媒中熱硬化
性ポリマーの溶液からなり、ポリマーは適用過程の間に
硬化されるハンダ付け可能なポリマーフィルム組成物が
米国特許第４，５４８，８７９号に開示されている。そ
のようなペーストは適用される間に硬化するので、その
ポリマーは低いリフロー温度で軟化し得ないか、又は低
いリフロー温度で溶媒可溶性である。
【０００５】本発明の目的は溶融性合金粉末／ポリマー
複合ペーストを提供することにあり、前記ペーストは高
価な貴金属充填剤や好ましくは有毒な鉛金属充填剤を含
まず、そして金属ハンダ粒子の融点より高く、リフロー
温度と等しいか又は僅かに低い沸点を持つ有機溶媒に可
溶の熱可塑性ポリマーバインダー物質を基材とするもの
で、前記ポリマーは金属ハンダ粒子充填材の融点より高
く、リフロー温度より低い温度で熱軟化性であり、前記
リフロー温度は精巧な電気部品の損傷を避けるため熱可
塑性ポリマーと印刷回路板の熱安定性温度より低い。上
述のペースト／複合体をポリマーハンダ複合体（ＰＳＣ
）と称する。
【０００６】本発明はある種の多成分熱可塑性ポリマー
が合金粉末／ポリマー複合ペーストを作るための溶融性
金属合金粉末充填剤のすぐれたバインダー物質となるこ
とを発見したことに基づき、前記複合ペーストは接合後
フラックス清掃を要せず、貴金属合金粉末を含まず、又
揮発性有機溶媒の存在又は不存在下で精巧な電気部品に
損傷を与えない比較的低いリフロー温度で再生可能であ
る。本発明の好ましい組成物は有機溶媒としてＮ−メチ
ルピロリドン、１，２−ビス（２−メトキシ−エトキシ
）エタン、又はメチルフェニルケトンに溶解したポリ（
イミドシロキサン）バインダー物質を含み、前記有機溶
媒は金属合金粉末の融点より高い温度で沸騰し、リフロ
ーの間に完全に蒸発する。好ましい合金粉末は貴金属と
有毒な鉛を含まない共融混合物ビスマス−スズ合金であ
るが、毒性が問題でない場合共融混合物ビスマス−スズ
−鉛合金粉末および共融混合物鉛−スズ合金粉末も使用
することができる。
【０００７】本組成物は一過性フラックスとして小量の
飽和モノカルボン酸をも含み、この酸は合金粉末の融点
より高く、組成物のリフロー温度又はそれより低い沸点
を持つ。
【０００８】又、本組成物は小量の多価アルコール界面
活性剤／フラックスを含むのが好ましく、前記アルコー
ルは金属合金粉末の融点より高く、組成物のリフロー温
度又はそれより低い沸点を持つ。
【０００９】本発明の新規なＰＳＣ結合はポリマー用有
機溶媒を適用するかしないで単にポリマーマトリックス
の軟化温度以上に加熱することにより再生することがで
き、その際本組成物で作られた強いハンダ結合をはずし
、電気部品の一つ例えば損傷されたチップ物質部品をＰ
ＣＢから除き、低いリフロー温度で新しい電気部品に交
換することができる。
【００１０】本発明の新規複合ペーストはハンダ組成物
の成分の性質と相互作用により可能となる新規なハンダ
結合を提供する。このハンダ接合剤すなわちリフローハ
ンダ組成物はハンダ構造を強化する硬化した熱可塑性ポ
リマーを含む溶融性金属粉末充填剤の部分的に融合し、
相互結合した網状構造からなり、又処理条件により構造
を封入することができる。
【００１１】相互結合した網状構造は幾つかの理由から
重要である。ハンダ結合を形成する過程すなわちリフロ
ーの間に金属粉末粒子は溶融し、隣接する粉末粒子およ
びそこに浸漬された電気導線に溶接する。しかしながら
、熱可塑性ポリマーとその揮発性溶媒が存在するため、
ハンダ粒子はリフロー温度で十分に融合又は溶融して均
質な固まりにならないで網状構造の形成が起こる。 粒子網状構造は導電性であるが、元のハンダペーストは
非導電性である。
【００１２】リフローの間に一過性フラックスは溶融性
金属合金粒子表面から酸化物を除き、粒子が融合し溶接
して導電性で部分的に融合した網状構造になるのを容易
にする一方、パッドと導線に対する清浄作用が導電性相
互結合をもたらす。フラックス物質はそれらの意図する
機能を実行した後温度がその沸点又はそれ以上に上昇す
るとＰＳＣ接合部から完全に消失し、それにより接合部
からフラックス清掃の必要をなくする。これが「一過性
フラックス（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＦｌｕｘ）」の意味で
ある。
【００１３】本発明のこれらの態様はフラックスレスす
なわち清掃を要する残留フラックスをなくし、一方なお
高価な貴金属ではなく安価な酸化性金属粉末充填剤例え
ばスズ合金を基材とすることを可能にする。本金属合金
粉末は必要により鉛をなくすことも可能である。
【００１４】本発明の新規な複合ハンダ組成物の必須成
分は熱安定性で酸抵抗性熱可塑性ポリマー、前記ポリマ
ー用揮発性有機溶媒、前記有機溶媒の沸点より低い融点
を持つ溶融性金属合金粉末充填剤、および前記金属粉末
粒子に形成される金属酸化物を減少させるか又はその形
成を防止する一過性フラックスからなり、前記フラック
スは前記金属粉末の融点より高く最高リフロー温度より
低い沸点を持つ。
【００１５】本ペースト組成物は一般に大きい重量の共
融混合物金属合金粉末充填剤すなわちペースト全重量の
約８５〜９３％を含む。適当な合金は慣用的なハンダ粉
末組成物に使用するそれのすべてを含み、所望により高
価な貴金属を含む。金属合金粉末の融点はペーストが使
用される状況に基づいて選択される。すなわち、エポキ
シ基体／ＰＣＢを使用する場合融点はエポキシの熱安定
性温度より下が選ばれるが、一方セラミック基体を使用
する場合融点はペーストのマトリックスポリマーの熱安
定性温度（例えば非晶質テフロン、ＡＦ　６００の場合
４００℃）より下が選ばれる。汚染物質の鉛合金は所望
により排除することができる。無鉛の場合多孔性共融混
合物Ｂｉ−Ｓｎ合金粉末を使用することができ、このも
のは約１３８℃付近の融点を持ち、約−３２５メッシュ
の粒子サイズを持つ。
【００１６】鉛の存在が問題でない場合、適当な共融混
合物合金粉末充填剤は融点約１８３℃でメッシュサイズ
−３２５のＰｂ−Ｓｎ粉末、融点約１００℃でメッシュ
サイズ−３２５の三元Ｂｉ−Ｓｎ−Ｐｂ粉末（４６〜５
０％Ｂｉ、２０〜２８％Ｐｂおよび２２〜３４％Ｓｎ）
、および同様な粒子サイズと約２００℃より低く一過性
フラックス物質およびポリマー用揮発性有機溶媒の沸点
より低い融点を持つ他の慣用的な合金粉末を含む。
【００１７】本ペースト組成物は揮発性有機溶媒に溶解
した約７〜１４重量％の熱可塑性有機ポリマーを含み、
前記有機溶媒は合金粉末の融点より高く複合ペースト組
成物の最高リフロー温度より低い沸点を持ち、前記熱可
塑性有機ポリマーは最高リフロー温度すなわち約３５０
℃より低い温度で熱安定である。ポリマー溶液は一般に
約７０〜８５重量％の一つ又はそれ以上の揮発性有機溶
媒に溶解した約１５〜３０重量％のポリマーを含む。
【００１８】好ましい熱可塑性ポリマーは　Ｈｕｌｓ　
Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ　から商業的に入手可能なポリ（イ
ミドシロキサン）ポリマーである。高い沸点の溶媒例え
ばＮ−メチルピロリドン（沸点約２０２℃）、又はアセ
トフェノン（沸点約２０２℃）、又は１，２−ビス（２
−メトキシ−エトキシ）エタン（沸点２２２〜２２７℃
）に少量％のキシレンを添加するとすぐれた貯蔵寿命を
持つ複合ペースト組成物が得られる。そのような組成物
はより高い融点の金属合金粉末充填剤を混和し、より高
いリフロー温度を持つことができ、約５０ミリオームよ
り少ない低い接触抵抗と、導線当たり約０．３５ポンド
より大きい結合強さを与えることが認められた。
【００１９】他の熱可塑性ポリマーもそれらが混和され
ている複合ペーストの最高リフロー温度、一般に約１６
０〜２５０℃又はそれより下で酸抵抗性、熱安定および
熱軟化性であり、並びに前記リフロー温度より低く前記
合金粉末の融点より高い沸点を持つ揮発性有機溶媒に可
溶性であることを条件として適当である。適当な熱可塑
性ポリマーはポリエステル、ポリビニルクロリド又はフ
ルオリド、ポリアミド又は本明細書の開示に照らして当
業者に明らかな他のポリマーを含む。
【００２０】複合ペーストは最後の必須成分は一過性フ
ラックスであり、このものは複合合金粉末粒子の融点よ
り高くペースト組成物の最高リフロー温度より低い融点
を持つ還元剤例えば有機酸である。従って一過性フラッ
クスは金属充填剤粒子が溶融されている時ペースト中に
存在して粒子にフラックス活性を与え、それから酸化物
を除くと同時にリセプター板のパッドおよび部品導線か
ら酸化物を除き、次いでリフロー温度で完全に蒸発する
。
【００２１】任意の本複合ペースト組成物に使用される
特別な一過性フラックス物質は金属合金粉末充填剤の融
点およびリフロー温度、並びに溶媒の沸点による。好ま
しい一過性フラックスは約１４０〜２００℃の沸点を持
つ脂肪族モノカルボン酸であり、プロピオン酸、酪酸、
吉草酸およびカプロン酸すなわちＣ４〜Ｃ６脂肪酸を含
む。しかしながら他の酸性物質例えば２−メトキシ安息
香酸および他のカルボン酸も適当である。フラックスは
一般に複合ペーストの約０．５〜１．５重量％、最も好
ましくは約０．６〜１．０重量％存在する。
【００２２】ハンダペースト組成物は好ましくは約０．
４〜１．０重量％の液体一過性界面活性剤例えばエチレ
ングリコール又はグリセリンも含み、このものは合金粉
末の融点より高い沸点を持ち、ペースト組成物のリフロ
ー温度より下すなわち約１４０〜２５０℃、最も好まし
くは１６０〜２２０℃で蒸発可能である。
【００２３】
【実施例】次の実施例は例証のために示すのであり、限
定的に考えるべきではない。
【００２４】実施例１ 　　　　　　　　　　　　　　成　　　　　　　　　　
　　　　　　分　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　重量％　　　　　Ｂｉ（５〜８％）−Ｓｎ（４２
％）合金粉末　　　　　　　　　　８９．９　　　　ポ
リイミドシロキサンポリマー　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　２．１　　　　Ｎ−メチルピ
ロリドン　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　６．４　　　　キシレン　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　０．４　　　　酪酸
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．
７０　　　　エチレングリコール　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０
．５０　　　　　　　　リフロー温度＝１７５°〜１８
０℃
【００２５】実施例２ 　　　　　　　　　　　　　　成　　　　　　　　　　
　　　　　　分　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　重量％　　　　　Ｐｂ（３７％）−Ｓｎ（６３％
）合金粉末　　　　　　　　　　　　８９．９　　　　
ポリイミドシロキサンポリマー　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　２．１　　　　１，２−ビ
ス（２−メトキシ−エトキシエタン）　　　　　　　　
　　６．１　　　　キシレン　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　０．４　　　　吉草酸　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　０．９　　　　グリセリン
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　０．６　　　　　
　　　リフロー温度＝２１０°〜２２０℃
【００２６】
実施例３ 　　　　　　　　　　　　　　成　　　　　　　　　　
　　　　　　分　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　重量％　　　　　Ｂｉ（４６％）−Ｓｎ（３
４％）−Ｐｂ（２０％）合金粉末　　　　９０．０　　
　　ポリイミドシロキサンポリマー　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　２．１　　　　Ｎ
−メチルピロリドン　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　６．４　　　　
キシレン　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
０．４　　　　プロピオン酸　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　０．６　　　　エチレングリコール　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　０．５　　　　　　　　リフロー温度＝
１６０°〜１６５℃
【００２７】本発明による組成物の
適当な例として示した上述の実施例の粉末ペーストは成
分を均一に混合して印刷回路板（ＰＣＢ）のリセプター
接触パッドに分配するのに適当なペーストを形成させる
ことにより調製される。ペーストは室温で乾燥又は固化
に対してすぐれた貯蔵寿命又は抵抗性を持つ。このペー
ストはパッド領域に分配又はスクリーン印刷し、溶媒を
蒸発して部分的に乾燥し、高度に粘稠（すなわち半固体
）でリフロー可能なねばねばした電気的接触領域を形成
させることができる。
【００２８】ハンダ付け工程は電気部品の導線をＰＣＢ
の部分的に乾燥したペーストで覆ったパッド領域に置き
、リフロー温度まで好ましくは温度を約２０℃／分の速
さで先行例により示される最高リフロー温度まで上げ、
次いで約１分間ほどの後冷却することにより実行される
。
【００２９】リフロー工程の間、金属粉末充填剤粒子は
一過性フラックスの存在下で部分的に融合してすぐれた
導電性と低い接触抵抗を持つ部分的に融合し相互結合し
た網状構造を形成する。フラックスは金属合金粉末、パ
ッドおよび導線から酸化物を除き、リフローの間金属粉
末粒子とパッドおよび導線の間で金属−金属の接触を実
現させる。これが達成された後、一過性フラックスと界
面活性剤が存在する場合これを蒸発させ、蒸留溶媒もす
べて蒸発させてポリマー強化金属合金の相互結合した網
状構造結合が形成される。
【００３０】本発明の重要な利点はポリマー金属合金複
合結合をリフロー温度又はそれより低く、強化ポリマー
マトリックスの軟化温度より高い温度で単純に部品を引
き離すことにより、低いリフロー温度で再生できること
である。従って、電気部品は熱感受性部品に損傷を与え
ない低温で交換のためＰＣＢからハンダ付けを離すこと
ができる。再生の間、ポリマーは熱軟化し、一方部分的
に融合した金属合金粒子も溶融して、その相互結合をは
ずす。もしくは再生はハンダ結合に少量の元の溶媒を適
用することにより、低い再溶融温度で実行することがで
きる。再生の間、ポリマーは熱軟化して溶媒に溶解し、
一方金属合金粒子も溶融して相互結合をはずす。
【００３１】これにより元の電気部品のＰＣＢはパッド
領域との結合を引き離すか又は自由に取り除くことがで
きる。パッドに残る古いハンダは所望なら慣用的な方法
例えば加熱した銅芯を用いて除くことができ、又必要に
より新しいペーストを慣用的な分配法又はスクリーン印
刷法によりパッド領域に適用することができる。最後に
交換部品は局部加熱用サーモード（ｔｈｅｒｍｏｄｅ）
又は他の加熱装置例えば抵抗ナイフ、熱ガス又は抵抗ワ
イヤにより、ピックプレースアタッチ（ｐｉｃｋ−ｐｌ
ａｃｅ−ａｔｔａｃｈ）により付着させることができる
。
【００３２】上述の本発明の態様は例証のみのため示し
たのであり、当業者にとってあらゆる変更が可能である
と理解すべきである。従って、本発明はここに開示した
具体例に限定されると考えるべきではなく、特許請求の
範囲の定義により限定されるべきものである。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　大きい重量の溶融性共融混合物の金属
    合金粉末充填剤と、小さい重量の熱可塑性ポリマーの溶
    液と、より小さい重量の一過性フラックスとからなる前
    記金属合金粉末充填剤の融点より高い最高リフロー温度
    を持つ複合ポリマーハンダペーストであって、前記熱可
    塑性ポリマーは前記リフロー温度と等しいか又は低い軟
    化温度を持ち、リフロー温度で熱に安定であり、そして
    前記合金粉末充填剤の融点より高く前記リフロー温度よ
    り低い沸点を持つ揮発性有機溶媒に溶解されており、前
    記一過性フラックスは前記合金粉末充填剤の融点より高
    く前記リフロー温度より低い沸点を持つ金属酸化物還元
    剤からなり、前記ペーストのリフローが、前記フラック
    スと前記溶媒とが実質的に存在せず、そして前記金属合
    金粉末がポリマーで強化され、部分的に融合され、相互
    結合された網状構造からなる強い導電性ハンダ結合を作
    るものである複合ポリマーハンダペースト。
  2. 【請求項２】　　金属合金粉末はビスマスとスズからな
    る請求項１記載の複合ポリマーハンダペースト。
  3. 【請求項３】　　金属合金粉末は鉛を含まない請求項１
    記載の複合ポリマーハンダペースト。
  4. 【請求項４】　　ポリマーはポリ（イミドシロキサン）
    ポリマーである請求項１記載の複合ポリマーハンダペー
    スト。
  5. 【請求項５】　　揮発性溶媒はＮ−メチルピロリドン、
    １，２−ビス（２−メトキシ−エトキシ）エタンおよび
    メチルフェニルケトンからなる群より選ばれる請求項１
    記載の複合ポリマーハンダペースト。
  6. 【請求項６】　　フラックスはカルボン酸からなる請求
    項１記載の複合ポリマーハンダペースト。
  7. 【請求項７】　　より小さい量のリフロー温度より低い
    沸点を持つ一過性液体界面活性剤を含む請求項１記載の
    複合ポリマーハンダペースト。
  8. 【請求項８】　　界面活性剤はエチレングリコールとグ
    リセリンとからなる群より選ばれる請求項７記載の複合
    ポリマーハンダペースト。
  9. 【請求項９】　　約８５％〜９３重量％の溶融性共融混
    合物金属粉末充填剤と約６％〜１４重量％の熱可塑性ポ
    リマー溶液と約０．５％〜１．５重量％の一過性フラッ
    クスとからなる請求項７記載の複合ポリマーハンダペー
    スト。
  10. 【請求項１０】　　（ａ）　　電気部品の導線を金属粉
    末充填剤の融点より高いリフロー温度を持つポリマーハ
    ンダペーストと接触させる段階と、この場合前記ペース
    トは大きい重量の溶融性共融混合物の金属合金粉末充填
    剤と、小さい重量の熱可塑性ポリマーの溶液と、より小
    さい重量の一過性フラックスとからなり、前記熱可塑性
    ポリマーは前記リフロー温度と等しいか又は低い軟化温
    度を持ち、リフロー温度で熱安定であり、そして前記合
    金粉末充填剤の融点より高く前記リフロー温度より低い
    沸点を持つ揮発性有機溶媒に溶解されており、前記一過
    性フラックスは前記合金粉末充填剤の融点より高く前記
    リフロー温度より低い沸点を持つ金属酸化物還元剤から
    なるものとし、 （ｂ）　前記ペーストを前記最高リフロー温度に加熱し
    て前記ポリマーとフラックスの存在下で前記粉末充填剤
    を溶融し、前記金属粉末充填剤と前記導線中のすべての
    金属酸化物の還元を起こさせ、前記合金粉末粒子を溶接
    して前記導線の間にポリマーで強化されたマトリックス
    を含む部分的に融合され相互結合された網状構造金属結
    合を形成させ、そして前記一過性フラックス、残留揮発
    性有機溶媒を前記リフロー温度又はそれより下で蒸発さ
    せる段階と、 （ｃ）　　前記結合を冷却して前記リフロー温度又はそ
    れより下で再生することができるそれを形成させる段階
    とからなる比較的低い最高リフロー温度で電気部品の導
    線と導電性パッド要素との間に強い導電性相互結合を作
    る方法であって、前記結合は前記温度で再生可能である
    ものとする、前記結合を作る方法。
  11. 【請求項１１】　　ペーストは約１４０℃〜２５０℃の
    リフロー温度を持つ請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】　　ペーストは金属合金粉末充填剤の融
    点を経て最高リフロー温度まで徐々に加熱する請求項１
    ０記載の方法。
  13. 【請求項１３】　　部品はポリマーペースト基体／ＰＣ
    Ｂ上に置かれ、およびポリマーペーストは基体／ＰＣＢ
    の熱安定性および部品の熱感受性と釣り合うリフロー温
    度を持つ請求項１０記載の方法。
  14. 【請求項１４】　　部品はセラミック基体上に置かれ、
    およびポリマーペーストは強化ポリマーマトリックスの
    熱安定性および部品の熱感受性と釣り合うリフロー温度
    を持つ請求項１０記載の方法。
  15. 【請求項１５】　　相互結合は請求項１０記載の方法に
    より作られ、前記相互結合に前記相互結合に存在する熱
    可塑性ポリマーのための揮発性有機溶媒の小量を適用し
    、および前記相互結合を前記相互結合のポリマーマトリ
    ックスの軟化温度又はそれより高い温度に加熱しながら
    引き離すことを含む電気部品の導線と導電性パッド要素
    との間に相互結合を再生する方法。
  16. 【請求項１６】　　相互結合は請求項１０記載の方法に
    より作られ、前記相互結合を前記相互結合のポリマーマ
    トリックスの軟化温度又はそれより高い温度に加熱しな
    がら引き離すことを含む電気部品の導線と導電性パッド
    要素との間に相互結合を再生する方法。
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