WO2012169459A1 - フラックス - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a flux mixed with solder powder, and particularly to a flux having an effect of preventing the occurrence of migration after soldering.
  • electrodes are formed in accordance with terminals such as leads of the electronic components.
  • the electronic component and the substrate are fixed and electrically connected mainly by soldering.
  • ion migration electrochemical migration
  • ion migration electrochemical migration
  • Ion migration (hereinafter referred to as migration) is a reduction in which metal ions dissolved from the anode transfer electrons between the electrodes to which a DC voltage is applied, and the metal reduced from the cathode grows and extends to the anode. This is a phenomenon in which both electrodes are short-circuited by metal. As described above, when migration occurs, a short circuit occurs between the electrodes, so that the function as a substrate is lost.
  • the flux used for soldering removes the metal oxides present on the surface of the solder and the metal to be soldered chemically at the temperature at which the solder melts, By having the effect of enabling movement and using a flux, an intermetallic compound is formed between the solder and the metal surface to be soldered, and a strong bond can be obtained.
  • Solder paste is a composite material obtained by mixing solder powder and flux.
  • the solder paste is applied to a soldered portion such as an electrode or a terminal of a board such as a printed board by a printing method or a discharge method.
  • Components are mounted on the soldering portion to which the solder paste is applied, and the solder is melted by heating the substrate in a heating furnace called a reflow furnace to melt the solder.
  • the flux also includes components that do not decompose or evaporate due to the heating of soldering, and remain around the soldered part as a flux residue after soldering.
  • One of the causes of the migration described above is adhesion of water droplets between the electrodes. Since the rosin (pine resin) contained as a main component in the flux has water breakability, if a flux residue mainly composed of rosin is formed in the soldering part, even if water droplets adhere on the flux residue, There is no immediate migration due to the rosin breaking effect.
  • Addition of glycerin fatty acid ester in the flux can make the flux residue ductile and suppress the occurrence of cracking of the flux residue when the soldered part is exposed to a poor environment after soldering. Can do.
  • making the substrate a structure that prevents the adhesion of water droplets and applying a moisture-proof coating are causes for raising the cost in assembling the substrate.
  • the present invention has been made to solve such a problem.
  • the soldering portion where the flux residue is formed the soldering portion is covered not only by the flux residue, but the migration is surely generated.
  • An object is to provide a flux that can be suppressed.
  • the present inventors pay attention to the adsorption property of phosphonate to metal, and by adding phosphonate to a flux mixed with solder powder to form a solder paste, the phosphonate is soldered during soldering. It was found that it adsorbs to the surface of the metal and forms a hydrophobic film.
  • the present invention relates to a flux that is mixed with solder powder to form a solder paste, and the amount of phosphonate that adsorbs to the surface of the soldered portion where a flux residue is formed during soldering to form a hydrophobic film. It is included flux.
  • the amount of phosphonate added is preferably 1% or more and less than 30%. % Is% by mass unless otherwise specified.
  • the phosphonic acid ester is preferably diethyl benzyl phosphonate, diethyl allyl phosphonate, diethyl (p-methylbenzyl) phosphonate, or 2-ethylhexyl or 2-ethylhexyl phosphonate.
  • the flux of the present invention by adding a phosphonic acid ester having an adsorptivity to a metal, the flux of the present invention is mixed with solder powder to produce a solder paste, and soldering is performed using this solder paste.
  • solder paste When the flux residue is formed, the phosphonic acid ester is adsorbed on the metal surface of the soldered portion where the flux residue is formed, and a hydrophobic film is formed.
  • the hydrophobic phosphonic acid ester film adsorbed on the soldering part prevents water droplets from adhering to the soldering part where the flux residue is formed, and the soldering part is exposed to a poor environment. Even when cracks occur in the flux residue, adhesion of water droplets or the like to the soldering portion is suppressed, and generation of migration due to adhesion of water droplets or the like can be suppressed.
  • substrate was mounted can implement
  • the effect of preventing migration can be obtained with the phosphonic acid ester added to the flux, the water droplet adhesion prevention structure and moisture proof coating conventionally required for substrates are no longer necessary, and the cost required for assembly can be reduced. it can.
  • the flux of the present embodiment is mixed with solder powder to generate a solder paste.
  • the flux of the present embodiment includes a phosphonate that is adsorbed on the surface of a metal such as solder during soldering.
  • the phosphonic acid ester is preferably diethyl benzyl phosphonate, diethyl allyl phosphonate, diethyl (p-methylbenzyl) phosphonate, or 2-ethylhexyl or 2-ethylhexyl phosphonate.
  • the flux contains a component that does not decompose or evaporate due to heating during soldering, and the flux residue is formed so as to cover the soldered portion after soldering. Furthermore, in the solder paste of this embodiment in which a predetermined amount of phosphonate is added to the flux, the phosphonate does not evaporate at the heating temperature at the time of soldering, and the metal such as an electrode to be joined by solder and solder. Adsorbed on the surface, a hydrophobic film is formed on the surface of the soldered portion.
  • This coating inhibits contact between water droplets and metal, thereby suppressing migration. If the soldered part is exposed to a poor environment such as an environment with a large temperature change, an environment where the temperature changes repeatedly, an environment where an impact is applied, etc. in a state where there is a flux residue in the soldered part, the flux residue breaks and moisture enters. Even so, since the surface of the soldering portion is covered with a hydrophobic coating, it is possible to prevent moisture from coming into direct contact with the metal portion of the soldering portion.
  • the properties of the flux residue change depending on the amount of phosphonate added, and when the amount of phosphonate added is increased, the flux residue is liquefied. For this reason, in consideration of the properties of the flux residue after soldering, the amount of phosphonate added is preferably 1% to less than 30% by mass.
  • the fluxes of the examples and comparative examples are blended, the solder paste is blended using the fluxes of the examples and comparative examples, and the effect of preventing the occurrence of migration due to the presence or absence of the addition of phosphonates. Compared. In addition, the relationship between the amount of phosphonate added and the properties of the flux residue was compared.
  • Flux composition The fluxes of Examples and Comparative Examples were prepared with the composition shown in Table 1 below, and the solder powder (composition: Sn-3Ag-0.5Cu particle size: 25-36 ⁇ m) was 89% by mass. A solder paste was prepared so that In addition, the composition rate in Table 1 is mass%.
  • diethyl benzyl phosphonate, diethyl allyl phosphonate, diethyl (p-methylbenzyl) phosphonate, 2 ethyl hexyl, and 2 ethyl hexyl phosphonate are examples of phosphonates, and were selectively added in each example.
  • diethylbenzylphosphonate was added as an example of the phosphonate ester in order to compare the relationship between the amount of phosphonate ester added and the properties of the flux residue.
  • no phosphonic acid ester was added.
  • rosin mainly has an oxide removing action on the metal surface
  • diethylene glycol monohexyl ether has an action of dissolving rosin and other additives.
  • hardened castor oil was added as a viscosity modifier
  • diethylamine hydrobromide was added as an activator.
  • solder pastes of the examples and comparative examples shown in Table 1 are printed and supplied to the electrodes formed on the substrate with a pitch of 0.5 mm, and then components having leads with the same pitch as the electrodes are mounted on the substrate. Then, soldering was performed in a reflow furnace. In order to perform an accelerated deterioration test, ion exchange water was dropped between the soldered electrodes, a voltage of 8 V was applied between the leads, and the occurrence time of migration was measured while observing with a stereomicroscope.
  • Example 5 of Table 2 above when 1% by mass of the phosphonic acid ester is added, the occurrence time of migration becomes longer than when the phosphonic acid ester shown in Comparative Example 2 is not added, It can be seen that the effect of preventing the occurrence of migration is exhibited by the addition of the phosphonate. As shown in Examples 1 to 4, it can be seen that when the amount of phosphonate added is about 10%, the occurrence time of migration is sufficiently long, and the effect of preventing the occurrence of migration is further improved.
  • the addition amount of the phosphonic acid ester may be 1% or more by mass%, and in order to improve the effect of preventing the occurrence of migration, the addition amount of the phosphonic acid ester is preferably about 10%. I understand.
  • Comparative Example 1 when the amount of phosphonate added is 30% by mass, a water-repellent film is formed on the soldered portion where the flux residue is formed. The property of liquefaction. Even if the flux residue is liquefied, the effect of preventing migration is maintained. However, after soldering, dust adheres to a soldered portion or the like where a liquefied flux residue is formed, resulting in a decrease in insulation resistance between electrodes, which may impair the electrical reliability of the circuit.
  • the amount of phosphonate added may be more than 30% by mass, but the amount of phosphonate added is less than 30% considering the properties of the flux residue. It can be seen that it is preferable.
  • the flux of the present invention can also be applied to an electronic device used in an environment that may be affected by water or dust, such as an electronic device mounted on an automobile.

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Abstract

　フラックス残渣が形成されたはんだ付け部において、マイグレーションの発生を確実に抑制可能にするフラックスを提供する。　はんだ粉末と混合されてソルダペーストを生成するフラックスにおいて、はんだ付け時にはんだ付け部の表面に吸着し、疎水性を持つ被膜を形成する量のホスホン酸エステルが含まれる。ホスホン酸エステルの添加量は、1質量％以上～30質量％未満とすることが好ましい。また、ホスホン酸エステルは、ジエチルベンジルホスホネート、ジエチルアリルホスホネート、ジエチル（ｐ－メチルベンジル）ホスホネート、あるいは２エチルヘキシル，２エチルヘキシルホスホネートの何れかであることが好ましい。

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、はんだ付け後のマイグレーションの発生防止効果を持つフラックスに関する。
　電子部品が実装されるプリント基板等の基板では、電子部品のリード等の端子にあわせて電極が形成されている。電子部品と基板の固定及び電気的接続は、主にはんだ付けで行われる。このような基板では、電子部品の端子と基板の電極とのはんだ付け部で、直流電圧がかかる電極間に水滴が付着する等の原因により、イオンマイグレーション（エレクトロケミカルマイグレーション）が発生する可能性がある。
　イオンマイグレーション（以下、マイグレーションと称す）とは、直流電圧がかかる電極間で、陽極から溶け出た金属イオンが陰極で電子を授受し、陰極から還元された金属が成長し、陽極まで延びた還元金属によって、両極がショートする現象である。このように、マイグレーションが発生すると、電極間でショートが発生するので、基板としての機能が失われる。
　さて、一般的に、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、はんだとはんだ付け対象の金属表面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。
　ソルダペーストは、はんだ粉末とフラックスとを混合させて得られた複合材料である。ソルダペーストは、プリント基板などの基板の電極や端子等のはんだ付け部に、印刷法や吐出法により塗布される。ソルダペーストが塗布されたはんだ付け部には部品が搭載され、リフロー炉と称される加熱炉で基板を加熱してはんだを溶融させて、はんだ付けが行われる。
　フラックスには、はんだ付けの加熱によって分解、蒸発しない成分も含まれ、はんだ付け後にフラックス残渣としてはんだ付け部の周辺に残留する。上述したマイグレーションが発生する原因のひとつに、電極間への水滴の付着が挙げられる。フラックスに主成分として含まれるロジン（松脂）には破水性があるため、ロジンを主成分とするフラックス残渣がはんだ付け部に形成されていれば、フラックス残渣の上に水滴が付着しても、ロジンの破水効果によって直ちにマイグレーションが発生することはない。
　但し、フラックス残渣に割れが生じると、フラックス残渣の割れた部分から水分がフラックス残渣中に浸入して、この水分がマイグレーションを誘発させる要因となる。
　そこで、水滴等によって発生するマイグレーションの対策は、従来から、基板の構造を、はんだ付け面に水滴が付着しない構造とすることで行われていた。また、はんだ付け面に防湿コートを施すことで行われていた。
　一方、フラックス残渣によってマイグレーションの発生を抑制する技術で、フラックス中に脂肪酸エステルを添加する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１－０７７３７６号公報
　フラックス中にグリセリンの脂肪酸エステルを添加すると、フラックス残渣に延性を持たせることができ、はんだ付け後にはんだ付け部が劣悪な環境に晒されるような場合に、フラックス残渣の割れの発生を抑制することができる。
　しかし、フラックス残渣に延性を持たせるだけでは、残渣が割れることによる水分の浸入以外の原因によるマイグレーションの発生を抑制することはできない。すなわち、マイグレーションが発生する他の原因として、高温・高湿の状況下において、フラックス残渣の吸湿による残渣の絶縁抵抗の低下や、吸湿した水分の電極間への付着が挙げられる。
　フラックス残渣に延性を持たせてフラックス残渣が割れることによる水分の浸入を防いでも、このような高温・高湿の状況下でのフラックス残渣の吸湿による絶縁抵抗の低下や、フラックス残渣の吸湿による電極への水分の付着等によるマイグレーションの発生を抑制することはできない。このため、フラックス残渣がはんだ付け部に形成されてはんだ付け部が覆われていても、確実にマイグレーションの発生を抑制することはできない。
　また、マイグレーションの発生を抑制する対策として、基板を水滴の付着が防止される構造にすることや防湿コートを施すことは、基板の組み立てにおけるコストを引き上げる原因になっている。
　本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、フラックス残渣が形成されたはんだ付け部において、フラックス残渣によりはんだ付け部が覆われることのみによらず、確実にマイグレーションの発生を抑制可能にしたフラックスを提供することを目的とする。
　本発明者らは、ホスホン酸エステルの金属に対する吸着性に着目し、はんだ粉末と混合されてソルダペーストを生成するフラックスにホスホン酸エステルを添加することで、はんだ付け中にホスホン酸エステルがはんだ等の金属の表面に吸着して、疎水性のある被膜を形成することを見出した。
　本発明は、はんだ粉末と混合されてソルダペーストを生成するフラックスにおいて、はんだ付け時にフラックス残渣が形成されるはんだ付け部の表面に吸着し、疎水性を持つ被膜を形成する量のホスホン酸エステルが含まれるフラックスである。
　ホスホン酸エステルの添加量は、1％以上～30％未満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。また、ホスホン酸エステルは、ジエチルベンジルホスホネート、ジエチルアリルホスホネート、ジエチル（ｐ－メチルベンジル）ホスホネート、あるいは２エチルヘキシル，２エチルヘキシルホスホネートの何れかであることが好ましい。
　本発明のフラックスでは、金属に対する吸着性を持つホスホン酸エステルが添加されることで、本発明のフラックスをはんだ粉末と混合してソルダペーストを生成し、このソルダペーストを用いてはんだ付けが行われ、フラックス残渣が形成されると、フラックス残渣が形成されたはんだ付け部の金属表面にホスホン酸エステルが吸着し、疎水性の被膜が形成される。
　これにより、はんだ付け部に吸着した疎水性のホスホン酸エステルの被膜によって、フラックス残渣が形成されたはんだ付け部に水滴等が付着することが抑制され、はんだ付け部が劣悪な環境に晒されてフラックス残渣に割れが生じるような場合でも、はんだ付け部に水滴等が付着することが抑制されて、水滴等の付着によるマイグレーションの発生を抑制することができる。
　更に、高温・高湿の状況下でフラックス残渣が吸湿して、フラックス残渣の絶縁抵抗が低下するような場合、また、フラックス残渣の吸湿により水分が電極に付着するような場合であっても、はんだ付け部に吸着した疎水性のホスホン酸エステルの被膜によってマイグレーションの発生を抑制することができる。従って、本発明のフラックスが混合されたソルダペーストを用いてはんだ付けが行われた基板及びこの基板が実装された電子機器は、高い信頼性を実現することができる。
　また、フラックスに添加したホスホン酸エステルでマイグレーションの発生防止効果が得られることから、従来、基板で必要とされていた水滴付着防止構造や防湿コートが不要となり、組み立てに要するコストを低減させることができる。
　本実施の形態のフラックスは、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、はんだ付け中にはんだ等の金属の表面に吸着するホスホン酸エステルを含む。ホスホン酸エステルとしては、ジエチルベンジルホスホネート、ジエチルアリルホスホネート、ジエチル（ｐ－メチルベンジル）ホスホネート、あるいは２エチルヘキシル，２エチルヘキシルホスホネートの何れかであることが好ましい。
　フラックスには、はんだ付けの加熱によって分解、蒸発しない成分が含まれ、はんだ付け後にフラックス残渣がはんだ付け部を覆うように形成される。更に、フラックスに所定量のホスホン酸エステルを添加した本実施の形態のソルダペーストでは、ホスホン酸エステルがはんだ付け時の加熱温度で蒸発せずに、はんだ及びはんだで接合される電極等の金属の表面に吸着し、はんだ付け部の表面に疎水性の被膜が形成される。
　この被膜が水滴と金属の接触を阻害することで、マイグレーションの発生が抑制される。はんだ付け部にフラックス残渣がある状態で、温度変化の大きい環境、温度変化を繰り返す環境、衝撃が加わる環境等、はんだ付け部が劣悪な環境に晒される場合に、フラックス残渣が割れて水分が浸入しても、はんだ付け部の表面は疏水性の被膜で覆われているため、水分がはんだ付け部の金属部分に直接接触することが防止される。
　また、高温・高湿の状況下でフラックス残渣が吸湿して、フラックス残渣の絶縁抵抗が低下するような場合、あるいは、フラックス残渣の吸湿により水分が電極に付着するような場合であっても、はんだ付け部の表面は疏水性の被膜で覆われているため、水分がはんだ付け部の金属部分に直接接触することが防止される。これにより、マイグレーションの発生が抑制される。
　ここで、ホスホン酸エステルを添加する量により、フラックス残渣の性状が変化し、ホスホン酸エステルの添加量を増やすと、フラックス残渣が液状化する。このため、はんだ付け後のフラックス残渣の性状を考慮して、ホスホン酸エステルの添加量は、質量％で1％以上～30％未満であることが好ましい。
　以下の表に示す組成で実施例と比較例のフラックスを調合し、実施例及び比較例のフラックスを使用してソルダペーストを調合して、ホスホン酸エステルの添加の有無によるマイグレーションの発生防止効果について比較した。また、ホスホン酸エステルを添加する量とフラックス残渣の性状の関係について比較した。
（１）フラックスの組成
　以下の表１に示す組成で実施例と比較例のフラックスを調合し、はんだ粉末（組成:Sn-3Ag-0.5Cu 粒度:25～36μｍ）が、質量％で89％になるようにソルダペーストを調合した。なお、表１における組成率は質量％である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１中で、ジエチルベンジルホスホネート、ジエチルアリルホスホネート、ジエチル（ｐ－メチルベンジル）ホスホネート、２エチルヘキシル，２エチルヘキシルホスホネートは、ホスホン酸エステルの一例であり、各実施例で選択的に添加した。なお、比較例１では、ホスホン酸エステルの添加量とフラックス残渣の性状の関係を比較するため、ホスホン酸エステルの一例として、ジエチルベンジルホスホネートを添加した。比較例２は、ホスホン酸エステルを無添加とした。
　各実施例及び比較例のフラックスを構成する成分として、ロジンは、主に金属表面の酸化物除去作用を持ち、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテルは、ロジンや他の添加剤を溶解させる作用を持つ。フラックスの残成分として、硬化ヒマシ油を粘度調整剤として添加し、ジエチルアミン臭化水素酸塩を活性剤として添加した。
（２）試験方法
　表１に示す実施例と比較例のソルダペーストを、基板に0.5ｍｍピッチで形成された電極に印刷供給し、その後、電極と同ピッチのリードを有した部品を基板に搭載して、リフロー炉ではんだ付けを行った。そして、加速劣化試験を行うために、はんだ付けされた電極間にイオン交換水を滴下し、リード間に8Vの電圧をかけ、実体顕微鏡で観察しながら、マイグレーションの発生時間を計測した。
（３）結果
　マイグレーションの発生時間を以下の表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　上述した表２の実施例５に示すように、ホスホン酸エステルを質量％で1％添加すると、比較例２に示すホスホン酸エステルが無添加の場合と比較してマイグレーションの発生時間は長くなり、ホスホン酸エステルの添加でマイグレーションの発生防止効果が発揮されることが判る。実施例１～実施例４に示すように、ホスホン酸エステルの添加量を10％程度とすれば、マイグレーションの発生時間は十分に長くなり、マイグレーションの発生防止効果がより向上することが判る。
　このため、ホスホン酸エステルの添加量は、質量％で1％以上であれば良く、マイグレーションの発生防止効果を向上させるには、ホスホン酸エステルの添加量を10％程度とすることが好ましいことが判る。
　一方、比較例１に示すように、ホスホン酸エステルの添加量を質量％で30％にした時は、フラックス残渣が形成されたはんだ付け部に疏水性を持つ被膜が形成されるが、フラックス残渣の性状が液状化する。フラックス残渣が液状化しても、マイグレーションの発生防止効果は維持している。但し、はんだ付け後、液状化したフラックス残渣が形成されたはんだ付け部等にごみが付着し、電極間の絶縁抵抗の低下が起きて、回路の電気的信頼性を損なう等の恐れが生じる。
　このため、マイグレーションの発生防止効果を考慮すると、ホスホン酸エステルの添加量は質量％で30％を超える程度としても良いが、フラックス残渣の性状を考慮すると、ホスホン酸エステルの添加量を30％未満とすることが好ましいことが判る。
　以上の結果から、フラックスにホスホン酸エステルを添加することでマイグレーションの発生防止効果を発揮し、かつ、フラックス残渣が形成されたはんだ付け部にホスホン酸エステルによる疏水性を持つ被膜を形成するためには、ホスホン酸エステルを質量％で1％以上～30％未満で添加することが好ましいことが判った。なお、フラックスにホスホン酸エステルを添加すると、活性剤としてのハロゲン化物の添加を減らしても、濡れ性を向上させることができることも判った。
　本発明のフラックスは、自動車に搭載される電子機器等、水や埃の影響を受ける可能性のある環境で使用される電子機器にも適用可能である。

Claims (3)

  1. 　はんだ粉末と混合されてソルダペーストを生成するフラックスにおいて、
    　はんだ付け時にはんだ付け部の表面に吸着し、疎水性を持つ被膜を形成する量のホスホン酸エステルが含まれる
    　ことを特徴とするフラックス。
  2. 　前記ホスホン酸エステルが1質量％以上～30質量％未満で含まれる
    　ことを特徴とする請求項１記載のフラックス。
  3. 　前記ホスホン酸エステルは、ジエチルベンジルホスホネート、ジエチルアリルホスホネート、ジエチル（ｐ－メチルベンジル）ホスホネート、あるいは２エチルヘキシル，２エチルヘキシルホスホネートの何れかである
    　ことを特徴とする請求項１または２記載のフラックス。
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