JPH08511732A - ハンダ付け可能な異方伝導性組成物およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 新規な異方伝導性ハンダペースト、および電子工学製造法における、特に直付け電子工学製造法における金属構成部品を接続するためのその使用方法。ハンダペーストは無フラツクス性であり且つ修理目的用に再流動化可能でありそして隣接する接続間の電気絶縁性を保ちながら基板パッドに構成部品リード線をハンダ付けすることにより電気異方性を得る。

Description

【発明の詳細な説明】 ハンダ付け可能な異方伝導性組成物およびその使用方法発明の分野 本発明は新規な異方伝導性のハンダ付け用ペーストおよび電子工学製造法、特 に直付け（surface mount）電子工学製造法におけるその使用方法に関する。発明の背景 ハンダ付け用ペーストは基質または表面に特殊なパターンでスクリーニング方 法または同様な方法で適用することができそれを次に融解させてハンダ付け接続 と一般的に称される電気接続を供する物質である。ハンダ付け用ペーストは一般 的にはフラツクスを含むビヒクル中に含有された例えば錫−鉛、錫−鉛−銀、錫 −鉛−ビスマス、錫−鉛−アンチモン、錫−銀などの如き種々の合金の粉末状金 属ハンダを含んでなる。さらに例えば水素化されたヒマシ油の如き懸濁媒体が均 一な質感のハンダ付け用ペーストを与えるためにビヒクル中に存在しておりそし てフラツクスと組み合わされていてもよい。 電子回路では、電子構成部品を例えばプラスチック、セラミック、ガラスなど の如き基質上で回路に固定するためにハンダ付け用ペーストが使用される。回路 は、プリント基板（ＰＣＢ）上で使用されるものと同様に、基質上で製造される 。電子構成部品を加えようとする回路の部分は一般的にパッドと称される。一般 的には、典型的な直付け電子工学製造法では、ハンダ付け用ペーストはプリント 基板のパッド上でスクリーンまたは鋳型印刷される。次に、電子構成部品をハン ダ付け用ペーストと接触している構成部品の周辺リード線と共に注意深く配置す る。次に 分布された板を炉の中に通してハンダをペースト状に融解させそしてパッドおよ びリード線表面を湿らせて、ハンダ接続を得る。 ハンダペーストの再流動化によりフラツクス残渣が生成する。フラツクス残渣 はしばしば腐食性であり、従って基板から除去しなければならない。典型的には 、フラツクス残渣の除去はプリント基板を塩素化されたフルオロカーボン（ＣＦ Ｃ）を基にした溶媒の中で洗浄することにより行われる。ＣＦＣ溶媒はそれらの 使用および廃棄中に環境的に危険性を生ずるため、フラツクス残渣の除去は追加 段階を生ずることの他に作業場所における有害な状態を引き起こすことがある。 一般的に行われる直付け電子構成部品、特に微小ピッチ電子構成部品における 他の問題は、従来のハンダペーストが隣接するリード線／パッド接続間の電気短 絡をしばしばもたらすことである。これまでは、「異方性」または「Ｚ−軸」物 質がこの問題を解決するために使用されている。金属表面とＺ−軸物質内に含有 された伝導性の粒子対粒子接触との間で生ずる物理的接触により異方性物質が金 属表面に電気的に相互接続する。これらの電気的接触はリード線およびパッド並 びにそれらの間に粒子を硬化した樹脂と共に定位置に固定しそして場合により専 用のしばしば永久的な取り付け具またはクランブと一緒に接続に支持することに より保たれる。 直付け電子工学製造法においては再流動化時に腐食性フラツクス残渣を生成せ ずしかも再流動化ハンダ付け中に微小ピッチリード線／パッド接続間の電気短絡 の発生を最小にする異方性ハンダペーストがあることは有利であろう。発明の要旨 本発明の目的は、融解可能な*合金ハンダ−粒子／重合体複合ペーストを含ん でなる、無フラツクス性のハンダ付け可能な異方伝導性の接着剤組成物を提供す ることである。本発明の目的のためには、「無フラツクス」という語はフラツク スが加えられていないがハンダ付け可能な異方伝導性の接着剤組成物を示すため に使用されており、それによりフラツクスを含まない組成物が生成する。複合ペ ーストは金属合金粒子の融点より低いかまたは等しい沸点を有する１種もしくは それ以上の有機溶媒中に可溶性である１種もしくはそれ以上の合成有機重合体を 基にしており、ここで重合体は金属合金粒子の最高再流動化温度またはそれより 下の温度で熱−軟化可能であり、融解したハンダをペースト内に流動させること ができる。有機溶媒はさらにそれが重合体の軟化温度より上の沸点を有すること によっても特徴づけられている。上記の複合ペーストは以下ではハンダ付け可能 な異方伝導性接着剤（ＳＡＣＡ）と称される。 本発明の他の目的はフラツクス組成物の使用を必要としないハンダ付け用組成 物を提供することであり、それによりハンダ付けされた電気的接続からフラツク ス残渣を除去するための環境的に有害な溶媒を用いる後洗浄の必要性が排除され る。本発明のＳＡＣＡペーストはパッドおよびスペース上に一般的技術を用いて 適用する時に隣接するリード線／パッド接続間の連続的なハンダ相互接続を生じ ないため、これらの短絡を防止または最少にする。さらに、ＳＡＣＡはＰＣＢパ ッド上の自由「ブランケット」適用に都合よく適しており、リード線でつながっ た構成部品の適当な配置後に再流動可能なハンダを与えるため、リード線とパッ ドとの間で製造されるハンダ付けされた接続が隣接するリード線／パッド接続ま たは相互接続間の電気絶縁性を保つ。詳細な記述 本発明の新規なハンダペースト組成物は有機溶媒中に溶解された有機重合体の 溶液の中に分散された融解可能な金属合金粉末または粒子を含んでなる。ＳＡＣ Ａペースト組成物は一般的には、ペースト中の「固体分」の合計重量を基にして 、約５０〜９０、好適には６５〜８０重量％の間の重量の金属合金粉末充填剤を 含有する。 適当な合金には、高価な貴金属を含む従来のハンダ粉末組成物で使用されてい るものの全てが包含される。ハンダ付け用合金は一般的には群Ｓｂ、Ｉｎ、Ｂｉ 、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｄ、ＡｌおよびＡｓから選択される １種もしくはそれ以上の金属が添加された錫および／または鉛を基にしている。 典型的なハンダ付け用合金のリストはKirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology，2nd Ed.，Vol．18，p．544に見られる。しかしながら、一般的に は錫および鉛の合金が良好な一般的目的用のハンダ合金である。食品容器のハン ダ付け用にはアンチモンが錫の代わりにしばしば使用される。錫および銀の合金 は非常に自由流動性であり錫／鉛と比べて増加した強度を有し且つ良好な電気伝 導性を有しており、そして錫／鉛／銀合金は銀メッキされた表面のハンダ付け用 に電子工学産業でしばしば使用されている。例えばビスマス−、インジウムなど の如き低融点ハンダ合金を基にしたハンダを使用することも本発明の範囲内であ る。選択される特定の金属合金粉末はハンダを使用する環境に依存する。 「粉末」という語はハンダ合金の実質的に球形の微細分割された金属粒子を記 載するためにここでは使用されている。ハンダ合金の粒子寸法は意図する使用に よって変動させることができる。例えば、従来のハン ダの使用では一般的には約４４〜約７４ミクロンの粒子寸法を使用する。微小ピ ッチ構成部品の相互接続における使用のためには、粒子寸法は約２４〜約４４ミ クロンの範囲であってよい。本発明のＳＡＣＡペーストでは、ハンダ合金の粒子 寸法は好適には３７ミクロンより小さい。最も好適には、粒子寸法は１５ミクロ ンより小さい。 本発明で使用される有機重合体は熱硬化性、弾性または熱可塑性重合体であっ てよい。好適には、有機重合体は熱可塑性重合体である。重合体が熱的に安定で あり且つＳＡＣＡペースト中の金属合金粒子の融点またはそれ以下において融解 したハンダが重合体樹脂内を流動できるのに十分なほど熱−軟化性である限り、 種々の熱可塑性重合体が適する。適当な熱可塑性重合体には、ポリエステル類、 ポリエチレン類、ポリスチレン類、ポリウレタン類、ポリ塩化もしくは弗化ビニ ル類、ポリアミド類、および本開示に照らして当技術の専門家に明白な重合体が 包含される。本発明における使用に好適な熱可塑性重合体はポリアミド熱融解接 着剤重合体であるジョージア州、サヴァンナのユニオン・キャンプ・コーポレー ションから市販されているUni-Rez^R2642およびUni-Rez^R2665、並びにオハイオ州 アクロンのシェル・ケミカル・カンパニーから市販されているポリエステル重合 体であるVitel^R1870およびVitel^R3300である。 本発明のＳＡＣＡペースト中で有用な熱硬化性または弾性重合体には、ハンダ −湿潤化段階中に液体のままであり且つ硬化およびハンダ付け段階中に重合体樹 脂中で気泡を生ずるような速度で気体状副生物を生成しない重合体が包含される 。 本発明のＳＡＣＡペースト組成物は、有機重合体を溶解させそして重合体の軟 化温度より高く且つハンダ合金の融点より低い沸点を有する有 機溶媒中の有機重合体の溶液を約１０〜約５０重量％含有する。重合体溶液は一 般的に約４５〜５５重量％の１種もしくはそれ以上の有機溶媒を含有する。適当 な有機溶媒には脂肪族および芳香族のアルコール類およびエステル類、芳香族お よび脂肪族の炭化水素類、芳香−脂肪族炭化水素類並びにそれらの混合物が包含 されるが、それらに限定されない。好適には有機溶媒にはベンジルアルコール、 キシレン類、ブタノール、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、ジ エチレングリコールブチルエーテルなどが包含されるが、それらに限定されない 。 ハンダペーストで従来使用されている添加剤を本発明のＳＡＣＡペースト中に 含むことも本発明の範囲内である。そのような添加剤には、例えば、表面活性剤 （好適には非イオン性表面活性剤）、湿潤剤、増粘およびチキソトロピー剤、粘 着付与剤など包含される。添加剤は一般的な量ですなわち接続するリード線およ びパッドのハンダの湿潤化を妨害しない量で加えられる。 本発明に従うＳＡＣＡペーストは成分を均一に混合して均質ペーストを生成す ることにより製造される。混合は当技術の専門家に既知である種々の方法で行う ことができる。例えば、ペーストをステンレス鋼製の混合ボールの中に入れそし てボールを遊星車ミキサーの中に置くことができる。ミキサーを次に始動しそし てハンダ粉末を混合ボールにゆっくり加えて、ペースト溶接剤およびハンダ粉末 を混合することができる。当技術の専門家に明白なように、この方法で製造され るハンダペーストの標準的な混合時間は混合物の粘度に依存して変動するであろ う。ハンダ粉末をペーストとの混合前にフラツクスで清浄化することが望ましい 。フラツクスはペーストとの混合前に除去される。 生じた本発明のＳＡＣＡペーストは電気接点および電線のハンダ付けにおいて 有利に使用され、そして特に直付け電子工学製造法において基板に対して電気構 成部品を溶融させるための使用に有利である。 本発明の直付け方法は、ＳＡＣＡペーストをＰＣＢの金属パッドと接触させ、 電気構成部品をＰＣＢの上に置き、そこで電気構成部品の周辺リード線がＳＡＣ Ａペーストコーテイングパッドと接触し、ＳＡＣＡペーストを再流動または融解 せしめるのに十分な温度に十分な期間にわたりＰＣＢを加熱し、そしてＰＣＢを 放置して冷却させることを含んでなる。場合により、ＰＣＢ上で構成部品を組み 立てる時には、構成部品リード線とＰＣＢパッドの共平面性を与えるのに十分な 量の圧力を構成部品にかけてもよい。一般的には構成部品上に小さな重りを置く ことで十分である。 ＳＡＣＡペーストはプリント基板のパッド上で当技術の専門家に既知である技 術のいずれかにより印刷することにより適用できる。プリント基板のパッド上で ＳＡＣＡペーストを印刷するために適する技術には、スクリーン印刷、ステンシ ル、および注射器を介するＳＡＣＡペーストの分配が包含される。当技術の専門 家に明らかであるように、ＳＡＣＡペーストをプリント基板のパッドに本発明の 範囲から逸脱しない種々の他の方法で適用することもできる。明らかなように、 ＳＡＣＡペーストをパッド以外のプリント基板の部分に適用して電気構成部品を パッド以外のプリント基板の構成部品と接触させることもできる。 ＳＡＣＡペーストをプリント基板のパッドに適用した後に、電気構成部品をプ リント基板上に手または機械により、電気構成部品のリード線がＳＡＣＡペース トと接触するような方法で置く。場合により、構成部 品をＳＡＣＡコーテイングパッド上に置く前にＳＡＣＡペーストを乾燥して非− 粘着性表面を与えてもよい。この場合には、ＳＡＣＡペーストを再流動化させる まで電気構成部品をＳＡＣＡペースト上に定位置に保つことまたは乾燥されたＳ ＡＣＡ表面上に粘着付与剤を適用することが望ましい。 次に、プリント基板またはＰＣＢのＳＡＣＡペースト部分をハンダペーストを 融解させるのに十分な温度に十分な時間にわたり加熱することによりＳＡＣＡを 再流動化させる。プリント基板を次に放置して冷却する。 本発明の目的のためには、「再流動化する」、「再流動化された」または「再 流動可能な」という語は接続するリード線／パッド表面の湿潤化を引き起こすた めの加熱中のハンダ合金の融解を意味する。 生じたＰＣＢは、異方性またはＺ−軸電気伝導性を保ちつつＳＡＣＡがリード 線間に残っていても隣接するハンダ付けされた接続間で電気絶縁性を保有するハ ンダ接続を有する。当技術の専門家に明らかなように、本発明の方法の利点には 該方法がＰＣＢからの溶接剤残渣の清浄除去を必要としないことが包含される。 本発明の方法はまたハンダ付けされたリード線を適切にコーテイングして、リー ド線を環境から保護する。この特徴はリード線／パッド接続が相対的に近接して いる微小ピッチ電子工学構成部品において特に有用である。 下記の実施例は本発明の説明として示されておりそして限定用と考えるべきで はない。 実施例１ ポリアミド熱融解接着剤Uni-Rez^R2642の５０重量％溶液をベンジルア ルコール中で製造した。室温において溶液は硬質ペーストであった。５ｇのこの ペーストに、コネチカット州ブラッドフォードにあるアドバンスト・メタルス・ テクノロジー・インコーポレーテッドから受領した１２.５グラムの非常に微細 なハンダ粉末（ＡＭＴ １４８Ｘ−６、合金Ｓｎ／Ｐｂ ６３／３７）を加えた 。混合物が均質になるまで配合を６０℃で行った。室温に冷却した後に、粘着性 のペーストをエッチングされた銅試験片のパッドおよびスペース、例えばダミー ＱＦＰ５２Ｔ４０直付け構成部品のリード線／スペースの寸法に対応するパッド ／スペース、の列に適用した。ペーストの適用はドクターブレードによりパッド ／スペース上と同じにスペーサーとして５ミル厚さのテープを用いて行われた。 次にテープを除いた。カッド−フラット−パック（「ＱＦＰ」）の一面の１３本 のリード線をＳＡＣＡの頂部に置きそして試験片の各々のパッドと良く整列させ た。小さな重り（５．６ｇ）を構成部品の上に置いてパッド上のリード線と構成 部品に沿った片との共平面性を改良しそして重りを２４０℃に設定された強制空 気箱炉の中に９分間入れた。サンプルを冷却して、接続をリード線対パッドの接 続性に関して（全ての抵抗値は抵抗計の「０」に等しかった）、隣接する相互接 続間の絶縁抵抗に関して（全ての抵抗値は２０ｍｅｇΩ、すなわち抵抗計の限度 より高かった）そしてハンダ付けされた相互接続の引っ張り強度に関して（片上 の３つの構成部品の平均＝７,６９２ｐｓｉ、すなわち１つの相互接続当たり５ ９２ｐｓｉ）試験した。電気工学が異方相互接続性を確認した。結果は以下の表 １に記録された。 実施例２ 実施例１で使用された物質および技術をエッチングされた銅の予備− 錫処理された試験片上で使用した。ここでも、リード線−パッドの接続性は優れ ており、ハンダ付けされたリード線間の抵抗は２０ｍｅｇΩより高く、そして引 っ張り強度は良好であった（３つの構成部品の平均＝６,９６０ｐｓｉ、すなわ ち１つの相互接続当たり５３５ｐｓｉ）。結果は以下の表１に記録された。 実施例３ ポリアミド熱融解接着剤Uni-Rez^R2642の４５重量％溶液をベンジルアルコール 中で製造した。室温において溶液は硬質ペーストであった。５ｇのこのペースト に、ニューヨーク州ウチカにあるインジウム・コーポレーション・オブ・アメリ カから得られた中程度に活性化されたロジンフラツクス溶液（Indalloy #5-RMA ）で予備処理された１２.５グラムの非常に微細なハンダ粉末（ＡＭＴ １４６ Ｘ−３３、Ｓｎ／Ｐｂ ６３／３７）を加えた。予備処理はハンダ粉末を５−Ｒ ＭＡ／ＩＰＡ溶液中に４時間にわたり再融解させ、ＩＰＡで２回洗浄しそしてハ ンダ球を濾過し、その後、一夜にわたり真空乾燥することからなっていた。混合 物が均質になるまでこのハンダ粉末とロジン溶液との配合を６０℃において行っ た。ＳＡＣＡペーストを次に実施例１および２と同じ方法で評価した。各々の結 果３ａおよび３ｂは以下の表１に記録された。 実施例４ １３.９グラムのUni-Rez^R2665のベンジルアルコール中３８.５％溶液に１２. ５グラムのハンダ粉末（ＡＭＴ １４８Ｘ−６、Ｓｎ／Ｐｂ ６３／３７）を加 えそして混合物が均質になるまで６０℃において配合した。ＳＡＣＡペーストを 次に実施例１の通りに予備錫処理された銅試験片に対して評価した。結果は以下 の表１に記録された。 実施例５ Uni-Rez^R2642の４５重量％溶液をベンジルアルコール中で製造した。６.９グ ラムのこのペーストに１２.５グラムの微細なハンダ粉末（ＡＭＴ １４８Ｘ− ６、Ｓｎ／Ｐｂ ６３／３７）を加えそして混合物が均質になるまで６０℃にお いて配合した。この混合物を予備錫処理された銅試験片のパッド上に適用しそし て引き続きＱＦＰ５２Ｔ４０構成部品を置いた後に、片（ＱＦＰ上の５.６グラ ムの重りを含む）を最初に２１５℃に１０分間、その後に２４０℃に３分間加熱 した。試験結果は以下の表１に記録された。 実施例６ Uni-Rez^R2642の２９.４重量％溶液をｎ−ブタノール中で製造した。１２.０グ ラムのこの混合物に１２．５グラムの微細なハンダ粉末（ＡＭＴ １４８Ｘ−６ 、Ｓｎ／Ｐｂ ６３／３７）を加えそして混合物が均質になるまで６０℃におい て配合した。ペーストを次に清浄化された（Oakite 31^R dip）エッチングされた 銅試験片上で評価した。サンプルを１８０℃／１０分間予備加熱し、ハンダ付け を２４０℃／３分間行った。以下の表１に記録されているように異方性が観察さ れた。 実施例７−１３ 実施例１に記載されている方法により、しかし各々表１に実施例７−１３とし て挙げられているハンダ粉末の種々の重量百分率を用いて、種々のＳＡＣＡペー ストを製造した。ペーストを適当な寸法の試験片のパッド上に適用した後に、ペ ーストを１７０℃において２分間予備乾燥した。ＱＦＰ構成部品の一面のリード 線を次にＳＡＣＡの上に置いた。小さな重りを構成部品の上に置きそして組み立 て体を次に２４０℃に７分間加 熱した。冷却しそして重りを除いた後に、リード線／パッドの接続を実施例１に 記載されている方法により抵抗計で試験した。結果は表１に示されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．重合体の軟化温度より上であり且つ金属合金粒子の融点もしくはそれ以下の 沸点を有する有機溶媒中の有機重合体の溶液の中に分散された微細分割状の金属 合金粒子を含んでなる異方伝導性ハンダペースト組成物であり、ここで重合体が 金属合金粒子の融点以下の軟化温度を有しそしてここで該組成物がフラツクスを 含まない組成物。 ２．金属合金粒子が錫／鉛合金、錫／鉛／銀合金、ビスマス／錫合金、およびイ ンジウム／錫合金よりなる群から選択される、請求の範囲第１項のハンダペース ト組成物。 ３.金属合金粒子の粒子寸法が約７４ミクロンより小さい、請求の範囲第１項の ハンダペースト組成物。 ４．金属合金粒子の粒子寸法が約１５ミクロンより小さい、請求の範囲第１項の ハンダペースト組成物。 ５．有機重合体が金属合金粒子の融点もしくはそれ以下で熱軟化性である熱可塑 性重合体である、請求の範囲第１項のハンダペースト組成物。 ６．熱可塑性重合体がポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリ弗化ビニル、ポリア ミド、ポリエチレン、ポリスチレンまたはポリウレタンである、請求の範囲第５ 項のハンダペースト組成物。 ７．金属合金粒子がペーストの合計重量を基にして約５０〜約９０重量％の量で 存在する、請求の範囲第１項のハンダペースト組成物。 ８．有機溶媒中の有機重合体の該溶液がペーストの合金重量を基にして約１０〜 約５０重量％である、請求の範囲第５項のハンダペースト組成物。 ９．該溶媒が脂肪族および芳香族アルコール類、脂肪族および芳香族エ ステル類、芳香族および脂肪族炭化水素類、芳香−脂肪族炭化水素類、並びにそ れらの混合物よりなる群から選択される、請求の範囲第１項のハンダペースト組 成物。 １０．ａ）異方伝導性ハンダペーストをプリント基板のパッドおよびスペースの 上に適用し、 ｂ）電子直付け構成部品を、電子構成部品のリード線がハンダペーストがコーテ イングされたパッドと接触するように、プリント基板の上に置き、 ｃ）プリント基板をハンダペーストを融解せしめるのに十分な温度においてそし て時間にわたり加熱し、そして ｄ）プリント基板を放置して冷却する ことを含んでなる直付け電子工学製造法であり、ここでハンダペーストがフラツ クスを含まずそして重合体の軟化温度より上であり且つ金属合金粒子の融点もし くはそれ以下の沸点を有する有機溶媒中の有機重合体の溶液の中に分散された微 細分割状の金属合金粒子を含んでなる異方伝導性ハンダペースト組成物であり、 ここで重合体が金属合金粒子の融点以下の軟化温度を有する、製造法。 １１．有機重合体が金属合金粒子の融点もしくはそれ以下で熱軟化性である熱可 塑性重合体である、請求の範囲第１０項の方法。 １２．該熱可塑性重合体がポリアミド、ポリエステル、およびポリ塩化ビニル、 ポリ弗化ビニル、ポリエチレン、ポリウレタン、またはポリスチレンよりなる群 から選択される、請求の範囲第１１項の方法。 １３．金属合金粒子が錫／鉛合金、錫／鉛／銀合金、ビスマス／錫合金、および インジウム／錫合金よりなる群から選択される、請求の範囲第１ ０項の方法。 １４．揮発性有機溶媒が脂肪族および芳香族アルコール類、脂肪族および芳香族 エステル類、芳香族および脂肪族炭化水素類、芳香−脂肪族炭化水素類、並びに それらの混合物よりなる群から選択される、請求の範囲第１１項の方法。 １５．段階（ｂ）および（ｃ）の間に電子直付け構成部品上に圧力をかける段階 をさらに含んでなり、ここで該圧力が電子構成部品リード線とプリント基板のパ ッドとの共平面性を与えるのに十分な量で適用される、請求の範囲第１０項の方 法。