JP5118574B2 - はんだ粉及びはんだペースト - Google Patents

Description

本発明は、はんだ粉及びはんだペーストに関し、より詳しくは、リフローでの予備加熱の際の熱ダレを抑制できるはんだ粉に関する。

電子部品等の基板等への実装にははんだ付けが多用されている。はんだ付けの方法として、はんだ粉とフラックスからなるはんだペーストを基板等のはんだ付け部に塗布すると共に電子部品等を実装した後、リフロー、すなわちはんだ粉の溶融温度以上に加熱してはんだ粉を溶融させることによって電子部品等と基板等を接合する方法がある。

リフローでは、急激な加熱によって電子部品等に急激な温度変化を与えないようにするためやフラックスの突沸を防ぐために、予めはんだ粉が溶融せずフラックスが溶解する１００〜１５０℃程度に電子部品等を実装した基板等を加熱する予備加熱を行うが、この予備加熱時にはんだペースト塗膜の形状が崩れる、いわゆる熱ダレが生じる場合がある。熱ダレが生じるとフラックスやはんだ粉がはんだ付け部以外に広がり、マイグレーションや微小はんだボール（サイドボール）が発生し、回路のショート等の不具合が生じる。近年、電子部品の微細化に伴い、はんだ付け部間のピッチが狭くなり、熱ダレが発生し易くなっている。

このような熱ダレの問題を解決しようとする技術として、フラックスを改良したものがある（特許文献１参照）。しかしながら、この方法ではフラックス成分が制限されることから、他の解決方法が望まれている。

なお、上記フラックスとはんだ粉からなるはんだペーストを塗布する場合に限らず、フラックスをはんだ付け部に塗布した後、このフラックス塗膜にはんだ粉を載置して電子部品等を実装した後リフローする場合においても、同様に熱ダレの問題が生じる。

特開平８−３３２５９１号公報

本発明は上述した事情に鑑み、リフローでの予備加熱の際の熱ダレを抑制することができるはんだ粉及びはんだペーストを提供することを目的とする。

本発明者らは上記目的を達成するために鋭意検討した結果、略真球の原料はんだ粉を粉砕機にかける等して、略球形状で表面全体に亘って複数の凹凸を有し走査型プローブ顕微鏡により測定される平均面粗さＲａが１８〜１００ｎｍであるはんだ粉とすることにより、上記目的が達成されることを見いだし、本発明を完成した。

即ち、本発明のはんだ粉は、略球形状であり、表面全体に亘って複数の凹凸を有し、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）により測定される平均面粗さＲａが１８〜１００ｎｍであることを特徴とする。

また、本発明のはんだ粉は、前記凹凸が、球面を平面状にへこませた平面とこれを囲む領域とで形成されていることが好ましい。

そして、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察される前記平面を、粒子１個に対して２〜４０個有していてもよい。

さらに、球形度が６０〜８８％であることが好ましい。そして、ディスクアトマイズ法により得られた原料はんだ粉を粉砕機にかけることにより得たものであることが好ましい。

また、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、又は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系であることが好ましい。

本発明のはんだペーストは、上記のはんだ粉と、フラックスとを含有することを特徴とする。

また、本発明のはんだ粉の製造方法は、原料はんだ粉を粉砕機にかけ、略球形状で表面全体に亘って複数の凹凸を有し走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）により測定される平均面粗さＲａが１８〜１００ｎｍであるはんだ粉を得ることを特徴とする。

本発明によれば、はんだ付けのリフローでの予備加熱の際の熱ダレを抑制することができる。そして、微小なはんだ粉としても熱ダレを抑制することができるので、微細な電子部品等も良好にはんだ付けすることができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
本発明のはんだ粉は、略球形状であり、表面全体に亘って複数の凹凸を有し、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）により測定される走査範囲１０μｍ□（縦１０μｍ×横１０μｍ）における平均面粗さＲａ（以下、単に「Ｒａ」と表記する場合がある）が１８〜１００ｎｍ、好ましくは２０〜６０ｎｍである。

平均面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４に規定される値であり、本発明のはんだ粉は、走査型プローブ顕微鏡により測定される走査範囲１０μｍ□における平均面粗さが１８〜１００ｎｍである。ここで、本発明のはんだ粉は、表面にデンドライドと呼ばれる樹枝状結晶を有していてもよいが、はんだ粉がデンドライドを有する場合は、該デンドライドを除いた表面を走査型プローブ顕微鏡により測定した値を本発明で規定するＲａとする。なお、デンドライドの領域を走査型プローブ顕微鏡で測定すると、Ｒａは例えば１２０ｎｍ以上となる。

また、本発明のはんだ粉は、表面の最大高低差が２００〜５００ｎｍであることが好ましい。なお、最大高低差は、走査型プローブ顕微鏡により測定される走査範囲１０μｍ□における最大山の値と最大谷の値との差である。

また、本発明のはんだ粉は表面に複数の凹凸を有する。該凹凸は、例えば、図１（ａ）〜（ｃ）のはんだ粉１０、２０及び３０の模式図に示すように、破線で表される真球１の球面を平面状にへこませた領域である平面１１ａ〜１１ｄ、２１ａ及び２１ｂ、３１ａ及び３１ｂと、これを囲む領域とで形成されている。具体的には、例えば図１（ａ）では、真球１を平面状にへこませた平面１１ｂと、この平面１１ｂを囲む領域である球面１２とではんだ粉１０の凹凸の一部が形成され、平面１１ｂと球面１２との境界が凸部となっている。さらに、図１（ａ）では、真球１を平面状にへこませた平面１１ｄと、この平面１１ｄを囲む領域である球面１２及び平面１１ｃとではんだ粉１０の凹凸の一部が形成され、平面１１ｄと球面１２との境界や、平面１１ｄと平面１１ｃとの境界が凸部となっている。

この平面は、例えば走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察することができ、はんだ粉粒子１個に対して２〜４０個有することが好ましく、５〜３０個有することがさらに好ましい。

また、本発明のはんだ粉は、球形度が６０〜８８％であることが好ましく、さらに好ましくは６０〜８０％である。球形度が６０〜８８％であると、はんだ粉をペースト化して基板等に塗布する際にローリングが良好になり印刷性が確保され、かつ熱ダレを抑制することができる。本明細書において、球形度は、はんだ粉末、特にディスクアトマイズ法により得られるはんだ粉末の形状の変形度合いを示す指標であり、本明細書においては、円形度（＝円周／周囲長）が０．９５８以上の粒子の存在率（累積％）である。なお、真球のはんだ粉の円形度は１である。本発明のはんだ粉は、例えば球形度が高い金属粉（例えば、球形度９０％以上）を粉砕機等で加工して変形させることにより得られるものであり、この加工により球形度は減少していくが、球形度が６０％未満の場合は加工しすぎを意味し、８８％より高いと加工が足りないことを意味する。球形度は、例えば粒子形状画像解析装置「ＰＩＴＡ−１」（セイシン企業製）で測定することができる。ここで、芋状やひょうたん状など略球形状ではないものは、球形度４％程度であり、本発明のはんだ粉ではない。

本発明のはんだ粉の材質は特に限定されないが、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系とすることができる。

本発明のはんだ粉をフラックスと共にはんだ付けに用いると、リフローでの予備加熱の際の熱ダレを抑制することができる。従来のはんだ粉においては、予備加熱の際には、はんだペーストの形状が崩れる熱ダレが生じ、はんだ粉やフラックスがはんだ付け部位以外の領域に流出する場合があった。特に、微小なはんだ粉を用いた場合、リフローでの予備加熱において熱ダレが発生し易い。このはんだ付け部位以外の領域に流出したはんだ粉やフラックスが原因となって、ショート等の不具合が生じてしまう。しかし、本発明の上記所定のはんだ粉を用いると、予備加熱時の熱ダレを防止することができる。そして、本発明のはんだ粉の粒度分布に特に限定はないが、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置によって測定される体積累積粒径Ｄ_５０は５〜７０μｍであり、体積累積粒径Ｄ_５０が３０μｍ以下、さらには２０μｍ以下の微小なはんだ粉としても、熱ダレを抑制することができる。

本発明のはんだ粉の製造方法は、上述した略球形状で表面全体に亘って複数の凹凸を有し走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）により測定される平均面粗さＲａが１８〜１００ｎｍであるはんだ粉が得られる方法であれば特に限定されないが、例えば以下の方法とすることができる。

まず、高速度で回転するディスク上に金属溶融物（熔湯）を供給し遠心力により噴霧させて粉末化する遠心噴霧法や、熔湯を細孔から流出させこれに窒素ガス等を作用させて飛散させ粉末化するガス噴霧法などにより、球形の金属粉を得、これを原料はんだ粉とする。平面が平滑で、球形度が高い金属粉（例えば、球形度９０％以上）が得られやすいので、遠心噴霧法により製造することが好ましい。なお、原料はんだ粉として９０％以上の球形度が高いものを用いると、後述する原料はんだ粉を粉砕機にかける際、均一に処理し易くはんだ粉のＲａが安定し、球形度等形状が均一になるので好ましい。

上記原料はんだ粉に好適な遠心噴霧法によるはんだ粉を用いた場合、粒子表面は比較的平滑でＲａは小さく、例えば、１５ｎｍ以下程度であり、また、粒子表面をＳＥＭにより観察しても平面はほぼ観察されない。

そして、この原料はんだ粉をハンマーミル、ゲージミル、スクリーンミル、ピンミル等の衝撃力の強い高速回転ミルや、ボールミル等の媒体ミルなどの粉砕機にかけ、原料はんだ粉の表面を押しつぶしてへこませる。これにより、はんだ粉の表面に凹凸が形成され、また、Ｒａも原料はんだ粉よりも大きくなって１８〜１００ｎｍとなる。そして、はんだ粉の表面に、直線又は曲線で囲まれた平面が、粒子１個中に２〜４０個程度形成される。また、粉砕機にかけて得られたはんだ粉の球形度は原料はんだ粉よりも低くなるが、球形度が６０〜８８％、さらには６０〜８０％になるようにすることが好ましい。

はんだ粉を高速回転ミル等の粉砕機にかける条件は、はんだ粉の表面に凹凸を形成し、Ｒａが１８〜１００ｎｍとなる条件であれば特に限定されないが、例えば、ハンマーミルを用いた場合、ハンマーの回転速度１０〜１６ｋｒｐｍ、原料はんだ粉の供給速度１０〜１００ｋｇ／時間である。また、はんだ粉が酸化すると半田ボールの発生など別のペースト特性に悪影響を及ぼすため、窒素雰囲気下で粉砕機にかけることが好ましい。

高速回転ミル等の粉砕機に原料はんだ粉をかけて、原料はんだ粉の表面を押しつぶしてへこませる工程を、図１（ａ）〜（ｃ）に示す模式図を用いて説明する。図１（ａ）に示すように、球形度の高い原料はんだ粉１を粉砕機にかけるとハンマー等の衝撃により表面が平面状にへこんで平面１１ａ〜１１ｄが形成されたはんだ粉１０となる。そして、粉砕機にかけ続けると、図１（ｂ）や図１（ｃ）に示すように、原料はんだ粉１の表面に次々と平面２１ａ及び２１ｂや３１ａ及び３１ｂが形成され、はんだ粉２０やはんだ粉３０となる。このように、高速回転ミル等の粉砕機に原料はんだ粉をかけて原料はんだ粉の表面を押しつぶしてへこませることにより、平面１１ａ〜１１ｄ、２１ａ及び２１ｂ、３１ａおよび３１ｂが表面に形成された本発明のはんだ粉１０、２０及び３０が製造される。

また、本発明のはんだペーストは、上記はんだ粉をフラックスと混合したものである。フラックスに特に限定はなく、ロジンや、活性剤、チキソ剤、溶剤等を混合した通常のフラックスでよい。

このようなはんだペーストを用いて、基板等に電子部品等をリフローではんだ付けする方法を例示する。まず、基板上のはんだ付け部位に、スクリーン印刷やプリコート等によりはんだペーストを塗布し、はんだペーストを塗布したはんだ付け部位に電子部品を実装する。その後、例えば１００〜１７０℃で６０〜９０秒程度基板を加熱して、フラックスを溶融させる予備加熱を行う。ここで、従来この予備加熱の際に、熱ダレが生じる場合があり、特に、微小なはんだ粉を用いた場合に熱ダレが生じ易かった。これに対し、本発明のはんだ粉を含有するはんだペーストを用いると、その機構は明らかではないが、予備加熱時の熱ダレを防止することができる。また、熱ダレが発生し易い体積累積粒径Ｄ_５０が３０μｍ以下、さらには２０μｍ以下の微小なはんだ粉を用いても熱ダレを抑制できるので、本発明のはんだペーストは微細な電子部品のはんだ付けに好適である。

そして、予備加熱の後、はんだ粉が溶融する温度に基板を加熱して溶融させることにより、基板に電子部品等をはんだ付けすることができる。

また、フラックスを基板等のはんだ付け部に塗布したのち、このフラックス塗膜に本発明のはんだ粉を載置して電子部品等を実装し、その後リフローすることによりはんだ付けすることもできる。この場合もリフローでの予備加熱の際の熱ダレを抑制することができるので、微細な電子部品のはんだ付けに好適である。

以下、本発明を下記実施例及び比較例に基づいてさらに詳述する。
（原料はんだ粉Ａ）
遠心噴霧法で得られたＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金粉末を、原料はんだ粉Ａとした。原料はんだ粉Ａについて、Ｒａ、最大高低差、球形度、体積累積粒径Ｄ_５０及び各粒子の平面の数を測定した。この結果、Ｒａは１５．２０ｎｍ、最大高低差は３０４．４ｎｍ、球形度は９０％、体積累積粒径Ｄ_５０は２９．７μｍであった。また、各粒子の表面は平滑で平面は存在しなかった。なお、各粒子の平面の数は、８００倍のＳＥＭにより一方向から各粒子を観察し、観察された平面数を２倍した値とした。ＳＥＭ写真を図２（ａ）に示す。また、Ｒａおよび最大高低差は走査型プローブ顕微鏡ＳＰＭ（セイコー製ＳＰＡ３００／ＮｏｎｏＮａｖｉステーション）を用い、走査モード：ＤＦＭ形状、カンチレバー：ＳＩ−ＤＦ２０ＡＩ、走査範囲：１０μｍ×１０μｍ、環境：大気圧下の条件で測定した。ＳＰＭ写真を図２（ｂ）に示す。そして、球形度は粒子形状画像解析装置「ＰＩＴＡ−１」（セイシン企業製）で測定し、体積累積粒径Ｄ_５０は、はんだ粉０．１ｇをイオン交換水及び分散剤（商品名：ノプコウエット、サンノプコ社製）数滴と混合し分散させた後、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置 Ｍｉｃｒｏ Ｔｒａｃ ＭＴ−３０００（日機装社製）を用いて粒度分布を測定した。

（原料はんだ粉Ｂ）
遠心噴霧法で得られたＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金粉末を、原料はんだ粉Ｂとした。ＳＥＭ観察を１０００倍で行った以外は原料はんだ粉Ａと同様の方法で、原料はんだ粉Ｂについて、Ｒａ、最大高低差、球形度、体積累積粒径Ｄ_５０及び各粒子の平面の数を測定した。この結果、Ｒａは９．６４ｎｍ、最大高低差は１６０．３ｎｍ、球形度は９０％、体積累積粒径Ｄ_５０は１９．８μｍであった。また、各粒子の表面は平滑で平面は存在しなかった。ＳＥＭ写真を図３（ａ）に、ＳＰＭ写真を図３（ｂ）に示す。

（フラックス）
ロジン５０質量％、チキソ剤８質量％、活性剤１．５質量％、溶剤４０．５質量％を混合したものをフラックスとした。

（実施例１）
原料はんだ粉Ａを、窒素雰囲気下、ハンマーの回転数１２ｋｒｐｍ、原料はんだ粉の供給速度３０ｋｇ／時間の条件下でハンマーミル（ＴＡＳＭ、東京アトマイザー製）にかけて、実施例１のはんだ粉を得た。得られたはんだ粉について、原料はんだ粉Ａと同様の方法で、Ｒａ、最大高低差、球形度、体積累積粒径Ｄ_５０及び各粒子の平面の数を測定した。この結果、Ｒａは２４．３９ｎｍ、最大高低差は２３９．３ｎｍ、球形度は７５％、体積累積粒径Ｄ_５０は２９．８μｍであった。また、各粒子の表面には平面が形成されており、該平面は粒子１個当たり２０個であった。ＳＥＭ写真を図４（ａ）に、ＳＰＭ写真を図４（ｂ）に示す。

次いで、得られたはんだ粉とフラックスとを、はんだ粉：フラックス＝９０：１０の質量割合で混合して、はんだペーストを製造した。

（実施例２）
原料はんだ粉Ａの代わりに原料はんだ粉Ｂを用い、ＳＥＭ観察を１０００倍で行った以外は実施例１と同様の操作を行った。得られたはんだ粉のＲａは５１．００ｎｍ、最大高低差は４２２．５ｎｍ、球形度は８０％、体積累積粒径Ｄ_５０は２０．２μｍであった。また、各粒子の表面には平面が形成されており、該平面は粒子１個当たり１６個であった。ＳＥＭ写真を図５（ａ）に、ＳＰＭ写真を図５（ｂ）に示す。

（比較例１）
原料はんだ粉Ａとフラックスとを、はんだ粉：フラックス＝９０：１０の質量割合で混合して、はんだペーストを製造した。

（比較例２）
原料はんだ粉Ａの代わりに原料はんだ粉Ｂを用いた以外は、比較例１と同様の操作を行った。

（熱ダレ性評価）
各はんだペーストを、銅板上に、縦３０００μｍ×横７００μｍ×厚さ２００μｍの配線パターンを、横方向のピッチ間隔が０．２から１．２ｍｍまで０．１ｍｍずつ広くなるようにして横方向に１２個配置したものを、５列並列させるように、印刷した。次いで、この配線パターンを印刷した基板を、大気雰囲気中でリフロー炉にて室温〜１５０℃まで昇温速度１℃／秒で予備加熱した。予備加熱後に、印刷した配線パターン上のはんだ粒子が各ピッチ間へ流出していないか目視で観察し、流出していない場合は○、流出している場合は×として、熱ダレ性を評価した。結果を表１に示す、また、予備加熱後に１００倍のＳＥＭで観察した結果の一例を図６〜９に示す。

図６及び図７に示すように、実施例１及び実施例２では、配線パターンの形状は崩れず、最も狭い０．２ｎｍピッチ間を観察しても、ピッチ間へはんだ粒子が流出せず、熱ダレは生じていなかった。一方、比較例１及び比較例２では、図８及び図９に示すように、０．２ｎｍピッチ間及び０．３ｎｍピッチ間では、熱ダレが生じていた。

本発明のはんだ粉の模式図である。 比較例１（原料はんだ粉Ａ）のＳＥＭ観察結果及びＳＰＭ観察結果を示す写真である。 比較例２（原料はんだ粉Ｂ）のＳＥＭ観察結果及びＳＰＭ観察結果を示す写真である。 実施例１のはんだ粉のＳＥＭ観察結果及びＳＰＭ観察結果を示す写真である。 実施例２のはんだ粉のＳＥＭ観察結果及びＳＰＭ観察結果を示す写真である。 実施例１の試験結果を示す写真である。 実施例２の試験結果を示す写真である。 比較例１の試験結果を示す写真である。 比較例２の試験結果を示す写真である。

符号の説明

１ 真球
１０、２０、３０ はんだ粉
１１ａ〜１１ｄ、２１ａ及び２１ｂ、３１ａ及び３１ｂ 平面
１２ 球面

Claims (7)

1. 略球形状であり、表面全体に亘って複数の凹凸を有し、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）により測定される平均面粗さＲａが１８〜１００ｎｍであることを特徴とするはんだ粉。
2. 前記凹凸が、球面を平面状にへこませた平面とこれを囲む領域とで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ粉。
3. 走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察される前記平面を、粒子１個に対して２〜４０個有することを特徴とする請求項２に記載のはんだ粉。
4. 球形度が６０〜８８％であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のはんだ粉。
5. ディスクアトマイズ法により得られた原料はんだ粉を粉砕機にかけることにより得られたものであることを特徴とする請求項４に記載のはんだ粉。
6. Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、又は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のはんだ粉。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載のはんだ粉と、フラックスとを含有することを特徴とするはんだペースト。