WO2005072906A1 - 半田付用のフラックスおよび半田付方法 - Google Patents

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Tadashi Maeda
Tadahiko Sakai
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • Y10T29/49144—Assembling to base an electrical component, e.g., capacitor, etc. by metal fusion

Definitions

  • the present invention relates to a soldering flux used for soldering an electronic component to a substrate, for example, and a soldering method using the flux.
  • soldering has been widely used as a joining method for mounting electronic components on a substrate.
  • various methods such as a method of forming a metal bump as a bonding electrode provided on an electronic component by solder, and a solder precoating method of forming a solder layer on an electrode surface of a substrate are used.
  • lead-free solder which contains little or no substantial harmful lead in the above-mentioned soldering, has been adopted.
  • solder Since lead-free solder has a significantly different component composition from conventionally used lead-based solder, the flux generally used in the solder joining process cannot be directly used in the past. . That is, the conventional flux is insufficient in the activation action, and the oxide film on the solder surface is insufficiently removed, so that it is not easy to secure good solder jointability. For this reason, a flux having a stronger activation action and a type of flux have been proposed for lead-free solder (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3).
  • Patent Document 1 JP 2002-1581 A
  • Patent Document 2 JP-A-2000-135592
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-254184
  • Patent Document 4 JP-A-2000-31210
  • a conventional flux having a strong active action is used.
  • the following problems may occur.
  • a non-cleaning method that omits the conventional cleaning process after soldering, that is, the process of cleaning and removing the flux used in the solder bonding process using a cleaning agent. Is becoming mainstream. Therefore, the flux supplied during soldering remains at the solder joint. At this time, if the active action of the flux is strong, the remaining flux corrodes the circuit electrodes of the substrate and / or the electrodes of the electronic components, and as a result, insulation properties are reduced and insulation failure is likely to occur.
  • the electronic components When mounting electronic components on a substrate, the electronic components are pressed against the substrate so that the solder bumps located therebetween are deformed, and then the solder bumps are melted and soldered. Has been done.
  • the solder bumps are formed of lead-free solder, the hardness of the lead-free solder is higher than that of conventional lead-based solder, so the amount of deformation of the bumps when mounting components is small.
  • a gap is likely to be formed between the lower end of the solder bump and the electrode surface of the board during solder bonding. For this reason, the molten solder in the soldering is solidified without being normally in contact with the electrodes, and the bonding failure between the electronic component and the substrate tends to increase.
  • the present invention provides a flux for soldering, which can suppress a bonding defect and a decrease in insulation, and can preferably obtain a high-quality soldered joint without substantially generating the flux and a flux for soldering.
  • An object of the present invention is to provide a soldering method used.
  • the present invention provides a flux for soldering that is interposed between the solder portion and the second electrode when the first electrode having the solder portion formed thereon is soldered to the second electrode. And this flux puma,
  • the resin component contained in the flux serves as a so-called binder, and In addition to maintaining the dispersed state of the metal powder in the task, as will be described in detail later, the viscosity is set so that the flux can be appropriately supplied (for example, transferred) to the object (for example, solder) and held there. It works to ensure.
  • the oxide to be removed by the active component is in the form of an oxide film formed on the surface of the solder portion.
  • the metal powder has good wettability to the solder forming the solder portion, and the metal powder is particularly preferable.
  • the present invention provides a soldering method for soldering a first electrode on which a solder portion is formed to a second electrode.
  • a fourth step of solidifying the molten solder after the third step
  • the molten solder generated by melting the solder portion spreads wet on the surface of the metal powder.
  • the molten solder reaches the second electrode and spreads thereon, and there is a molten solder between the first electrode and the second electrode.
  • the solder exists in a solidified state between the first electrode and the second electrode, for example, by cooling, and these electrodes are electrically and mechanically connected by the solder.
  • the solder portion is removed by adjusting the force so that the electrodes approach each other. May be deformed. For example, it is possible to improve the coplanarity of the solder portion where one electrode is pressed toward the other electrode.
  • the third step may be performed in a state where the force is applied. However, in another aspect, it is more convenient to perform the third step in a state where the force is released.
  • the above-described flux containing a predetermined amount of metal powder which will be described in detail later, is interposed between the solder portion and the second electrode, and is heated. 1st electricity The solder portion provided at the pole is melted, and the melted solder spreads along the surface of the metal powder and can be brought into contact with the second electrode. A quality solder joint can be obtained.
  • FIG. 1 In an electronic component mounting which is an embodiment of a soldering method of the present invention for soldering using a flux of the present invention, a flux is supplied to the electronic component, and then the electronic component is mounted on a substrate. It is a process explanatory view of the process of aligning to.
  • FIG. 2 In electronic component mounting, which is an embodiment of the soldering method of the present invention, in which soldering is performed using the flux of the present invention, the electronic components are positioned on a substrate, and then heated.
  • FIG. 8 is an explanatory view of a process in a process of forming a solder joint between the steps.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory view of a process of forming a solder joint when soldering using the solder flux of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic explanatory view of various aspects of a method of supplying a flux in mounting electronic components according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing a relationship between a defective bonding rate and a metal powder content of a soldered joint formed by using fluxes having various metal powder contents.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the insulation resistance after soldering and the metal powder content, which were performed using fluxes having various metal powder contents. Explanation of symbols
  • Two-circuit electrode (or second electrode)
  • FIG. 1 and 2 are process explanatory diagrams of a method of mounting an electronic component using a soldering method according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram of a solder joining process using the flux of the present invention
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a method of supplying a flux in mounting electronic components according to an embodiment of the present invention, and each schematically illustrates a state when viewed from a side.
  • an electronic component 4 having an external connection electrode 5 as a first electrode is mounted by soldering on a substrate 1 on which a circuit electrode 2 is formed as a second electrode.
  • the first electrode and the second electrode may be in any form, for example, a pad, a land, a part of a wiring, a bump, or the like. Further, the material constituting these electrodes may be any known material commonly used for electrodes.
  • the portion of the second electrode to which the solder portion is joined may be a concave portion or a flat portion.
  • the flux of the present invention is particularly effective in the case where the solder portion is joined, the portion of the second electrode is flat, or the amount of depression is small, because the flux has an improved insulating property. It is also particularly effective when the second portion is close to another electrode or conductor. Therefore, the flux of the present invention is effective, for example, when the second electrodes are formed adjacent to each other at a narrow pitch on the substrate, and the first electrodes are respectively joined to these second electrodes.
  • the electronic component 4 has an external connection electrode 5 on its lower surface.
  • a bump 6 as a solder portion is formed on the connection electrode 5.
  • the solder portion is a member provided on the first electrode 5 and formed from a lead-free solder material, and may be in the form of the above-described bump or any other suitable form. (For example, coating).
  • any appropriate known method for example, solder ball welding or soldering, soldering method, solder printing method, solder paste dispensing method, etc. is used to provide the solder portion on the electrode. May be.
  • the solder portion is in the form of a bump 6 as shown in the figure, the solder portion is formed by soldering a fine-grained solder ball to the external connection electrode 5.
  • the solder is an alloy composed of a plurality of metals having a low melting point (for example, a silver-tin alloy, a tin-zinc alloy, a tin-bismuth alloy, a tin-indium alloy, etc.). This means that these alloys contain little or substantially no lead, that is, those which use so-called lead-free solder as a solder material.
  • Such solder materials preferably have a melting point of 240 ° C or less, preferably 210 ° C or less.
  • the size of the bumps after the bumps 6 are formed on the electrodes 5 is not necessarily uniform due to, for example, variations in the size of the solder balls and the method of attaching the solder balls.
  • Small bumps (see bumps (6) in FIGS. 1 (a)-(c)) that are somewhat smaller in height than the bumps 6 of a predetermined size may occur in the bumps 6.
  • the flux 3 of the present invention is applied to the bump 6 by, for example, transfer.
  • the electronic component 4 is lowered on the transfer table 7 on which the flux 3 film is formed, and the bump 6 is brought into contact with the flux, and then raised, so that the lower end of the bump 6 as shown in FIG. Flux 3 is transferred and applied to the part (first step or flux applying step).
  • the flux 3 is used by soldering the electronic component 4 to the substrate 1 described below, with the flux component 3 interposed between the bump 6 and the circuit electrode 2 to improve the solderability. is there.
  • Flux 3 includes resin components (eg, resin, modified rosin, polyalkylene glycol (eg, polyethylene glycol), Amide resin) dissolved in a solvent (eg, butyl carbitol, isopropyl alcohol, etc.) and mixed with a metal powder 8 in a highly viscous, liquid base and active ingredient or activator).
  • resin components eg, resin, modified rosin, polyalkylene glycol (eg, polyethylene glycol), Amide resin
  • a solvent eg, butyl carbitol, isopropyl alcohol, etc.
  • a composition is present in the flux for the purpose of removing the oxide film of the solder generated on the surface of the bump 6, and a material having such an oxide film removing ability is used.
  • the flux of the present invention preferably contains, as an active ingredient, a low-active ingredient (eg, abietic acid) which does not require cleaning after soldering.
  • a low-active ingredient eg, abietic acid
  • the flux force comprises rosin and metal powder, and if it does not contain other (or additional active ingredients) it results in a less active flux, in which case cleaning after soldering can be omitted. Active ingredients.
  • rosin and modified rosin contain a resin acid such as abietic acid which also functions as an active ingredient at the time of soldering in addition to the function of a binder
  • rosin and / or modified rosin are used as a resin component in the flux of the present invention. In such cases, it is not necessary to add the active ingredient separately. In this case, a flux having low activity is obtained, and it is possible to omit cleaning after soldering as described later. However, if stronger activity is required, additional active ingredients may be added in addition to the rosin.
  • the resin component does not have the function of the active component such as polyethylene glycol and polyamide resin, it is necessary to add an active component (for example, an organic acid or a basic organic compound).
  • the material constituting the metal powder 8 is a melting point (preferably 10 ° C.) higher than the melting point (for example, 190 ° C.-220 ° C. in the case of lead-free solder) of the solder used for the bump 6 as a solder portion.
  • such a material is a material that does not easily form a natural oxide film on the surface of the metal powder 8 in the air, and has a good wettability to the solder forming the bump 6.
  • a metal in which the solder in the state spreads easily along the surface of the metal powder 8 is selected.
  • examples of a material satisfying such conditions include noble metals such as gold, silver, and palladium, and these metals have a purity of 90% or more. Is particularly preferred.
  • the addition of the metal powder to the flux 3 is performed by mixing the metal powder with other components.
  • the amount of the metal powder added is 11 to 9 vol%, preferably 27 vol%, more preferably 3 to 5 vol%, based on the total volume of the flux.
  • vol% (volume%) is strictly based on 25 ° C, and does not take into account the voids between elements (for example, granules and flakes) that constitute the metal powder. Based on true volume (ie, not on an apparent volume basis that also takes into account such voids).
  • the temperature does not substantially differ from the practical room temperature (20 ° C. 30 ° C.) by volume% of the metal powder.
  • Each element constituting the metal powder may be in various granular or other forms (for example, a plate, a scale, a flake, a short fiber, a tree, a flake, an irregular shape, etc.).
  • they may be spherical or irregular-grained, and may have corner portions, concave portions, convex portions, and the like.
  • the bridge forming function described below is particularly advantageously exhibited when the component of the metal powder is in a thin form such as a scale, flake, or flake, or when the constituent is a dendrite.
  • the metal powder used in the flux of the present invention includes a core metal element having a surface coated with a metal having good wettability to solder and having a melting point higher than the melting point of the solder. It shall also include the constituted metal powder. That is, the constituent elements of the metal powder are the core and the surrounding metal coating power.
  • a tin powder can be covered with metal powder of 90% or more in purity with gold, silver, or palladium, or at least a surface force.
  • Solder has good wettability to solder and a melting point higher than the melting point of this solder. Any metal powder that is a metal having That is, in this case, the metal conditions selected as described above apply to the metal constituting the coating.
  • the components used in the flux of the present invention can be the same materials as those used in general fluxes. In addition, those amounts may be commonly used amounts.
  • a liquid base obtained by dissolving a resin component (eg, rosin) in a solvent (eg, butyl carbitol) and an active component having an action of removing an oxide film formed on the surface of the bump 6 (For example, abietic acid) and the solder forming bump 6
  • a resin component eg, rosin
  • a solvent eg, butyl carbitol
  • an active component having an action of removing an oxide film formed on the surface of the bump 6 (For example, abietic acid) and the solder forming bump 6
  • Metal powder 8 having good wettability and a melting point higher than the melting point of the solder, and the metal powder is contained in a range of 19 to 9 vol%.
  • the electronic component 4 is mounted on the substrate 1.
  • the mounting of the electronic component 4 on the board 1 is performed after the electronic component 4 is positioned on the board 1 so that the position between the electrodes to be connected is aligned (that is, after the board and the electronic component are aligned).
  • This is performed by melting the bump 6 by heating and soldering the bump 6 to the upper surface of the circuit electrode 2.
  • each external connection electrode 5 is electrically connected to the corresponding circuit electrode 2 in a predetermined manner, and the electronic component 4 is connected by a solder joint formed by solidifying the molten solder. It is fixed to the substrate 1.
  • the electronic component 4 is positioned above the substrate 1, the bumps 6 are aligned with the circuit electrodes 2, and the electronic component 4 is lowered with respect to the substrate 1. Then, the bump 6 coated with the flux 3 is landed on the circuit electrode 2 and the flux 3 is arranged between the bump 6 and the circuit electrode 2 (second step or electronic component mounting step). If necessary, the electronic component 4 is pressed against the substrate 1 with a predetermined pressing force F as shown in FIG. 1 (c), so that the bump 6 having an average height is However, even if there is some variation in the bump height and the coplanarity is insufficient, the higher bumps 6 are crushed in the height direction by the pressing force, so that the bumps 6 are less scattered.
  • the coplanarity of the bump is improved, and the lower end of most of the bumps 6 can contact the upper surface of the circuit electrode 2.
  • the pressing may be continued in the next solder melting step, or the pressing force may be released so that only the own weight of the electronic component 4 acts on the substrate.
  • the small bump (6) (that is, the bump whose height is too low) is slightly crushed by the bump 6 of another average height, and the entire position of the electronic component 4 is reduced by that much. Even if it descends, the lower end of the bump (6) still does not contact the surface of the circuit electrode 2, leaving a gap between the lower end of the bump (6) and the circuit electrode 2 (Fig. )reference). Even when there is no large variation in the size of the bumps 6, if the electronic component 4 is of a type in which the bumps 6 are formed on the lower surface of a substrate such as a thin resin substrate where warpage is likely to occur, the electronic component 4 is not affected. Such a warp deformation of the substrate may similarly cause a gap between the lower end of the bump located on the outer edge side and the circuit electrode 2.
  • the first electrodes 5 are soldered to the circuit electrodes 2 by melting the bumps 6.
  • the substrate 1 on which the electronic components 4 are mounted is heated to melt the bumps 6.
  • This heating may be performed by any suitable method.
  • the substrate 1 on which the electronic component 4 is mounted is sent to a reflow furnace and heated.
  • the lower end of the bump 6 having an average height is in contact with the circuit electrode 2
  • the lower end of the bump (6) having a small height is in contact with the circuit electrode 2. Heating is performed with the flux 3 interposed between the section and the circuit electrode 2.
  • both the bumps 6 and (6) have a force to be solder-bonded to the circuit electrode 2.
  • the behavior of the solder in this bonding process depends on whether the lower end of the bump is in contact with the circuit electrode 2 or not. Will be different.
  • FIG. 2 (b) in the case of the bump 6 where the lower end of the bump is in contact with the circuit electrode 2, when the bump 6 is melted by heating, the molten solder 6a immediately becomes a material having good solder wettability.
  • the external connection electrode 5 is well-spread along the surface of the circuit electrode 2 and connected to the circuit electrode 2 by solder 6a. At this time, the oxide film on the surface of the bump 6 and / or the circuit electrode 2 is removed by the active component contained in the flux 3. After that, it is cooled to form a solder joint 16 as shown in FIG. 2 (c).
  • FIG. 3 (a) shows a state in which melting of the bump (6) as a solder portion has started due to heating in a reflow furnace.
  • the constituents (eg, particles, scales, etc.) of the metal powder are random. Bridges connecting the lower end of the bump (6) and the surface 2a of the circuit electrode 2 are likely to be formed by the constituent elements of the metal powder (indicated by the arrow a in FIG. 3 (a)). Section).
  • the bridge refers to a state in which the constituents of the metal powder 8 are in a state of being close to each other, and these forces can be regarded as being continuously connected to each other.
  • a component and an adjacent component may be separated by a short distance, or they may be in contact with each other.
  • the close state means that the surface of one component of the metal powder 8 is wetted and covered, and the solder in a flowing state is a layer or a layer having a certain thickness due to surface tension.
  • these components are separated by such a distance that the layer of solder or mass of such thickness contacts the other component or components adjacent to the one component.
  • the state of the metal powder 8 that exists apart is checked.
  • the molten solder that has come into contact with one end of the component of the metal powder 8 that is present in one piece is Spreads over the surface of the component made of metal with good solder wettability located in the part, forming a layer or mass of molten solder having a certain thickness (preferably enclosing the component), and then:
  • the layer or mass of molten solder so formed contacts other components adjacent to the component at the end and spreads over the surface of that component to form a layer or mass of molten solder, which is , Spread over the surface of the next adjacent component.
  • the molten solder generated by melting the solder part spreads so as to sequentially cover the components that are closely connected to each other from the near end to the other end.
  • the molten solder covers the connected components, so that the molten solder moves along the components, and the molten solder reaches the electrode surface 2a. Since the movement of the solder due to the wetting and spreading occurs continuously to the other end of the connection, the metal powder 8 of the connection can be understood by comparing FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b).
  • the bridge functions as a bridge connecting the lower end portion of the bump (6) and the surface 2a of the circuit electrode 2, and the molten solder 6a can reach the electrode surface 2a by this bridge.
  • the metal powder 8 is made of a metal having a melting point higher than the melting point of the solder used for the solder portion, for example, a noble metal such as gold or silver, the solder is in a molten state. Even when heated to such a high temperature, the metal powder 8 surely exists in a solid state.
  • the solder particles in the flux are simultaneously melted by heating during reflow, and the lower end of the bump (6) and the circuit
  • the bridge for bridging the molten solder is not formed in the gap between the surface 2a of the electrode 2 and the soldering flux of the present invention, but the above-mentioned bridge can be reliably formed.
  • the shape of the metal powder 8 it is particularly preferable to use a component obtained by processing the above-mentioned metal into a flake shape.
  • the direction perpendicular to the thickness of the scale In particular, the longitudinal direction of the scale-shaped component is parallel to the bridging direction of the gap between the lower end of the bump (6) and the surface 2a of the circuit electrode 2 (that is, the vertical direction in FIG. 3), or is flat.
  • the metal powder 8 more easily forms a bridge, and a bridge can be efficiently formed even with a relatively low content of the metal powder. The same applies when the metal powder is composed of flaky elements.
  • the flowing solder 6a spreads wet along the electrode surface 2a having good solder wettability. Due to the spread of the solder 6a, the flux 3 in the vicinity of the electrode surface 2a is pushed outward as shown in FIG. Even if used, the external connection electrode 5 is entirely connected to the circuit electrode 2 by the solder 6a.
  • the bondability is improved by the active component contained in the flux 3, but the bridge film is formed as described above, so that the oxide film on the bump surface is only partially removed.
  • the active component contained in the flux 3 has a high strength and an active action is not always required, since a good solder bonding property is secured.
  • the addition of the metal powder 8 makes it possible to use a low-activity flux having a weak activation effect. In this case, even if the flux remains after soldering, the circuit electrode is corroded by the active component. Unlikely. Therefore, when the flux of the present invention is used, sufficient reliability of the joint can be ensured even in a non-cleaning soldering method in which cleaning for removing the flux is not performed after soldering.
  • FIG. 3 (c) shows a state in which a predetermined heating sequence (solder melting step) in the reflow step has been completed and cooling has been performed in the fourth step or the cooling step. That is, the solder 6a in which the bumps are melted is solidified by cooling, so that a solder joint 16 that connects the external connection electrode 5 and the circuit electrode 2 by soldering is formed. In the vicinity of the electrode surface 2a of the solder joint 16, the metal powder 8 taken into the solder during the soldering process exists, and depending on the case, exists in an alloy state or a solid solution state.
  • solder melting step solder melting step
  • the metal powder content is as described above. Thus, it is in the range of 1 to 9 vol%, preferably 2 to 7 vol%, more preferably 3 to 5 vol%. Since this is a relatively low content, as will be described later, the electrodes that are close to each other after soldering are joined. Insulation failure is unlikely to occur with the wiring. In particular, when the activity of the active ingredient is low, insulation failure is less likely to occur. When the insulation failure is caused by migration, it is advantageous that the flux of the present invention contains metal powder at such a low content.
  • FIG. 2 (c) shows that the solder joints 16 connecting the external connection electrodes 5 and the circuit electrodes 2 are formed between all the external connection electrodes 5 and the circuit electrodes 2 as described above. Indicates the status. That is, in the combination of the external connection electrode 5 and the circuit electrode 2 to be soldered, a gap was initially formed between the lower end of the bump (6) and the circuit electrode 2 for the small bump (6). Even in such a case, good soldering can be performed by applying the flux and the soldering method of the present invention.
  • the flux 3 in the flux application step of supplying the flux 3, an example is shown in which the flux 3 is transferred and supplied to the bump 6. it can.
  • the flux 3 may be supplied to the circuit electrode 2 by discharging the flux 3 from the dispenser 9 onto the electrode 2.
  • the flux may be once adhered to the transfer pin 10 using the transfer pin 10, and the adhered flux 3 may be supplied onto the circuit electrode 2 by transfer.
  • the flux 3 may be printed on the circuit electrode 2 by screen printing. That is, a mask plate 11 provided with a pattern hole 11 a corresponding to the circuit electrode 2 is mounted on the substrate 1, a flux 3 is filled in the pattern hole 11 a by a squeegee 12, and printing is performed on the surface of the circuit electrode 2.
  • the flux of the present invention may be supplied to only one of the solder portion and the electrode to be connected, or to both.
  • silver flakes were used as the metal powder, and the content was 0.5 vol%, 1.00 vol%, 3.00 vol%, 6.00 vol%, 9.00 vol%, and 12.00 vol%. .
  • the average of the maximum dimensions of the used metal powder was in the range of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the electronic component 4 as a model was mounted on the board 1 by soldering, and the bonding defect rate of the formed joint was calculated. Solder bonding was performed as described above with reference to FIGS.
  • a bump CSP wafer level chip size package, 112 pins, pitch 0.5mm
  • the external connection electrode 5 material: Among tin-silver lead-free solder, bump height 0.25mm, ball diameter 0.3mm
  • those with four intentionally low bumps ie, small bumps
  • the difference in height between this low bump and other bumps was 0.05 mm.
  • This electronic component with the flux applied to the bumps was pressed and mounted on a substrate, and then supplied to a reflow furnace for soldering.
  • a reflow furnace for soldering.
  • one with a height difference of 0.1 mm between the lower bump and the other bumps was also mounted.
  • Fig. 5 shows the correlation between the metal powder content in the flux and the bonding failure rate.
  • the bonding failure when the metal powder content rate was changed variously, that is, the bump 6
  • the percentage of occurrences of unsuccessful, unsuccessful and poor joints is expressed in%.
  • the metal powder content is preferably lvol% or more.
  • a solder joint is formed using the flux prepared as described above, and its insulation is evaluated by applying a voltage to a high-temperature, high-humidity test (IPC_Association Connecting).
  • FR-4 was used as a substrate, and a lead-free solder (Sn-3Ag_0.5Cu) pre-coating (30 Sn-Ag_0.5Cu) was formed on the type 2 comb electrode formed on JIS Z 3284.3. ( ⁇ m thick) was used.
  • the above flux is supplied by screen printing to a solder precoat on this substrate using a metal mask having a pattern hole with a thickness of 50 zm and an opening width of 300 ⁇ , and is subjected to a reflow process (preheating at 150 ° C 170 ° C). ° C (60 seconds), peak temperature 240 ° C), and simulated a board with soldering completed.
  • a voltage application high temperature and high humidity test (implemented under the conditions of a temperature of 85 ° C., a humidity of 85% and an applied voltage of 20 V), and the resistance value between the electrodes was measured.
  • Fig. 6 shows the correlation between the metal powder content in the flux and the insulation resistance. The insulation resistance was measured when the metal powder content was changed in various ways, that is, the board was assumed to have been soldered. Voltage application Indicates the resistance value measured in the high-temperature high-humidity test.
  • the insulation resistance value tends to decrease as the content of the metal powder in the flux increases, and if the metal powder 8 is excessively added, the insulation property after soldering is reduced. It shows that it decreases. If the lower limit resistance value, which indicates the allowable limit of insulation, is less than 10, it is necessary to clean the board to remove the residual flux after soldering.
  • the flux of the present invention has a metal powder content of 9. In this case, the flux is preferably not more than / 0 , and the flux of the present invention can be used as a non-cleaning type flux.
  • the mixing ratio of the metal powder 8 is set so that the metal powder content is within the range of 19 to 9vol%, the non-cleaning type flux 3 excellent in both bonding and insulating properties can be obtained. Realization Is done. As a result, when electronic components having bumps formed as solder portions by lead-free solder having high hardness and hardly breaking bumps are targeted, gaps between the bumps and circuit electrodes of the board due to variations in the bump size. Even if it does occur, it is possible to effectively prevent the occurrence of mounting failures where the bump does not solder properly to the circuit electrodes, and to eliminate the need for cleaning to remove flux after soldering. Good insulation can be ensured even in the case of adopting.
  • the soldering method for mounting electronic components using the flux of the present invention is a method of soldering the external connection electrode 5 on which the bump 6 as a solder portion is formed to the circuit electrode 2.
  • a fourth step of cooling and solidifying the molten solder after the third step is a method of soldering the external connection electrode 5 on which the bump 6 as a solder portion is formed to the circuit electrode 2.
  • the solder in which the bump 6 is melted in the third step is formed by the bridge formed by the metal powder 8. As a result, it is possible to reliably contact the circuit electrode 2 and to prevent poor soldering due to the gap.
  • the first electrode is the external connection electrode 5 formed on the electronic component 4, and the solder portion is the bump 6 formed on the external connection electrode 5.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the first electrode is formed on a substrate.
  • the present invention can also be applied to a case where the circuit portion is a circuit electrode and the solder portion is a solder precoat formed on such a circuit electrode.
  • the washing step of the substrate after soldering can be unnecessary as described above.
  • the washing step after soldering is omitted.
  • the residual flux residue is removed to further improve the insulating property.
  • the flux of the present invention it is possible to obtain a high-quality solder joint without inferior joining or lowering of insulation properties. For example, it is very useful for a soldering method in which electronic components are soldered to a board by lead-free soldering.

Abstract

　接合不良や絶縁性の低下を招くことなく高品質の半田接合部を得ることができる半田付用のフラックスおよびこのフラックスを用いた半田付方法を提供する。 　そのようなフラックスは、半田部が形成された第１の電極を第２の電極に半田付けする際に前記半田部と前記第２の電極の間に介在させる半田付用のフラックスであって、樹脂成分を溶剤に溶解した液状の基剤と、酸化膜を除去する作用を有する活性成分と、前記半田部の融点よりも高い融点を有する金属から成る金属粉とを含んで成り、前記金属粉を１～９ｖｏｌ％の範囲で含有する。

Description

明 細 書
半田付用のフラックスおよび半田付方法
技術分野
[0001] 本発明は、例えば電子部品を基板に半田付けする際に用いる半田付用のフラック スおよびこのフラックスを用いた半田付方法に関するものである。
背景技術
[0002] 電子部品を基板へ実装する際の接合方法として、従来より半田付けによる方法が 広く用いられている。半田付けの形態としては、電子部品に設けられた接合用電極と しての金属バンプを半田によって形成する方法、基板の電極表面に半田層を形成 する半田プリコート法など各種の方法が用いられる。近年環境保護の観点から、上述 の半田付けにおいて有害な鉛をほとんど含まなレ、、あるいは実質的に含まない、レヽ わゆる鉛フリー半田が採用されるようになっている。
[0003] 鉛フリー半田は従来用いられていた鉛系半田とは成分組成が大きく異なるため、半 田接合過程において用いられるフラックスについても、従来一般に用いられていたも のをそのまま使用することができない。すなわち、従来のフラックスでは活性作用が不 足し、半田表面の酸化膜除去が不十分で良好な半田接合性を確保することが容易 でない。このため鉛フリー半田を対象として、活性作用のより強レ、タイプのフラックス が提案されてレ、る（例えば特許文献 1、 2および 3参照）。
[0004] また、半田ボールに十分量転写できる金属ペーストを提供することを目的として、フ ラックスに多量の金属粉を含ませることも提案されている（例えば特許文献 4参照）。 特許文献 1 :特開 2002 - 1581号公報
特許文献 2 :特開 2000 - 135592号公報
特許文献 3：特開平 11 - 254184号公報
特許文献 4：特開 2000 - 31210号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力、しながら上記特許文献に示すような、活性作用の強い従来のフラックスを使用 する場合には、次のような不具合が生じる場合がある。近年、環境保護や工程簡略 化の観点から、従来行われていた半田付後の洗浄工程、すなわち、半田接合過程 において用いたフラックスを、洗浄剤を用いて洗浄除去する工程を省略する無洗浄 工法が主流となってきている。このため、半田付けに際して供給されたフラックスは半 田接合部にそのまま残留する。このとき、フラックスの活性作用が強い場合には、残 留するフラックスによって基板の回路電極および/または電子部品の電極が腐食さ れ、その結果、絶縁性が低下して絶縁不良が発生し易い。
[0006] また、電子部品を基板に搭載する場合、これらの間に位置する半田バンプが変形 するように、電子部品を基板に対して押圧し、その後、半田バンプを溶融させて半田 接合することが行われている。し力、しながら、半田バンプが鉛フリー半田によって形成 されている場合、鉛フリー半田の硬度が従来の鉛系半田と比較して高いので、部品 搭載時のバンプの変形量が小さいことから、半田接合に際して半田バンプの下端部 と基板の電極表面との間に隙間が生じやすレ、。このため、半田付けにおいて溶融し た半田が電極と正常に接触しないまま固化し、電子部品と基板との間の接合不良が 増大する傾向にある。
[0007] そこで、本発明は、接合不良や絶縁性の低下を抑制し、好ましくは実質的に発生さ せることなく高品質の半田接合部を得ることができる半田付用のフラックスおよびこの フラックスを用いた半田付方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0008] 本発明は、半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする際に前記 半田部と前記第 2の電極との間に介在させる半田付用のフラックスを提供し、このフラ ックス〖ま、
樹脂成分を溶剤に溶解した液状の基剤と、
酸化物を除去する作用を有する活性成分と、
前記半田部を形成する半田の融点よりも高い融点を有する金属から成る金属粉と を含んで成り、フラックスの体積を基準として前記金属粉を 1一 9vol%の範囲で含有 する。
[0009] フラックスに含まれる樹脂成分は、いわゆるバインダーとしての役目を果たし、フラッ タスにおいて金属粉の分散状態を維持すると共に、後で詳細に説明するように、フラ ックスを対象物（例えば半田部）に適切に供給して（例えば転写して）そこで保持でき るように粘度を確保するように機能する。活性成分が除去する酸化物は、前記半田 部の表面に生成した酸化物の膜の形態である。金属粉は、半田部を形成する半田 に対する濡れ性が良レ、ものが特に好ましレ、。
[0010] 本発明は、半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする半田付方 法を提供し、この方法は、
上記本発明のフラックスを前記半田部および前記第 2の電極の少なくとも一方に塗 布する第 1の工程と、
前記第 1の電極と第 2の電極を位置合わせすることにより前記フラックスを前記半田 部と第 2の電極との間に介在させる第 2の工程と、
加熱によって前記半田部を溶融させる第 3の工程と、
第 3の工程の後に前記溶融した半田を固化させる第 4の工程と
を含む。
[0011] 第 3の工程において、半田部が溶融して生じる溶融半田は金属粉の表面伝いに濡 れ拡がる。最終的には、溶融した半田が第 2の電極に到達してその上で広がり、第 1 の電極と第 2の電極との間で溶融した状態の半田が存在する。その後、第 4の工程に よって、例えば冷却することによって第 1の電極と第 2の電極との間で固化した状態で 半田が存在し、これらの電極が半田によって電気的かつ機械的に接続される。
[0012] 尚、第 2の工程において、電極を位置合わせするに際して、電極間に半田部が存 在する状態で、必要に応じて、電極が相互に近づくように力をカ卩えて半田部を変形さ せてよい。例えば一方の電極を他方の電極に向かって押圧してよぐ半田部のコブラ ナリティを向上させることができる。この場合、力が加わった状態で、第 3の工程を実 施してよいが、別の態様では、力を解放した状態で第 3の工程を実施してよぐこの方 が簡便である。
発明の効果
[0013] 本発明によれば、上述のような、また、後で詳細に説明する金属粉を所定量で含有 するフラックスを半田部と第 2電極との間に介在させた状態で、加熱によって第 1の電 極に設けた半田部を溶融させ、溶融した半田を金属粉の表面伝いに濡れ拡がらせ て第 2の電極に接触させることができ、その結果、接合不良や絶縁性低下を抑制して 高品質の半田接合部を得ることができる。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]本発明のフラックスを用いて半田付けする本発明の半田付け方法の一実施の 形態である電子部品実装において、電子部品にフラックスを供給して、その後、電子 部品を基板に位置合わせする過程の工程説明図である。
[図 2]本発明のフラックスを用いて半田付けする本発明の半田付け方法の一実施の 形態である電子部品実装において、電子部品を基板に位置合わせした後、これらを 加熱することによって、これらの間に半田接合部をする過程の工程説明図である。
[図 3]本発明の半田フラックスを用いて半田付けする際に、半田接合部が形成される 過程の模式的説明図である。
[図 4]本発明の一実施の形態の電子部品実装におけるフラックスの供給方法の種々 の態様の模式的説明図である。
[図 5]種々の金属粉含有率のフラックスを用いて形成した半田接合部の接合不良率 と金属粉含有率との関係を示すグラフである。
[図 6]種々の金属粉含有率のフラックスを用いて実施した半田接合後絶縁抵抗値と 金属粉含有率との関係を示すグラフである。 符号の説明
[0015] 1 基板
2 回路電極（または第 2の電極）
2a 回路電極の表面
3 フラックス
4 電子部品
5 外部接続用電極 (または第 1の電極）
6 バンプ (または半田部）、（6) 低すぎるバンプ、
6a 溶融状態の半田
7 フラックス容器 (または転写テーブル） 8 金属粉
9 ディスぺンサ
10 転写ピン
11 マスクプレート
11a パターン孔
12 スキージ
16 半田接合部
発明を実施するための形態
[0016] 次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図 1および図 2は、本発 明の一実施の形態である半田付け方法を用いて電子部品を実装する方法の工程説 明図、図 3は、本発明のフラックスを用いた半田接合過程の説明図、図 4は、本発明 の一実施の形態である電子部品実装におけるフラックスの供給方法の説明図であり 、いずれも側方から見た場合の様子を模式的に示す。
[0017] まず、図 1及び図 2を参照して、本発明のフラックスを用いた半田付けによる電子部 品実装について説明することによって本発明の半田付け方法を説明する。この電子 部品実装においては、第 1の電極として外部接続用電極 5を有する電子部品 4を、上 面に回路電極 2が第 2の電極として形成された基板 1に半田付けにより実装する。尚 、第 1の電極および第 2の電極は、いずれの形態であってもよぐ例えばパッド、ランド 、配線の一部分、バンプ等であってよレ、。また、これらの電極を構成する材料は、電 極用に常套的に使用されているいずれの既知の材料であってもよい。
[0018] 尚、本発明のフラックスを使用するに際して、第 2電極の半田部が接合する部分は 、凹部であっても、あるいは平坦であってもよいが、後述するように形成される接合部 は向上した絶縁性を有するので、本発明のフラックスは、半田部が接合する、第 2電 極の部分が平坦であるカ あるいはその窪み量が小さい場合に特に有効である。ま た、第 2部分が他の電極または導体と近接する場合にも特に有効である。従って、本 発明のフラックスは、例えば第 2電極が基板上にて狭ピッチで隣接状態で形成され、 これらの第 2電極に第 1電極をそれぞれ接合する場合に有効である。
図 1 (a)に示すように、電子部品 4はその下面に外部接続用電極 5を備えており、外 部接続用電極 5には半田部としてのバンプ 6が形成されている。半田部は、第 1の電 極 5に設けられた、鉛フリー半田材料から形成された部材であり、その形態は、上述 のバンプの形態であっても、あるいは他のいずれかの適当な形態（例えばコーティン グ等）であってもよレ、。尚、半田部を電極に設けるには、いずれの適当な既知の方法 (例えば半田ボールの溶着または半田付け、メツキ法、ソルダ一^ ^一スト印刷法、ソル ダーペーストデイスペンス法等）を使用してもよい。
[0019] 半田部が図示するようなバンプ 6の形態である場合、微細粒状の半田ボールを外 部接続用電極 5に半田接合して形成される。尚、本発明に関する限り、半田とは、低 融点の複数種類の金属から成る合金 (例えば銀 ·錫系合金、錫'亜鉛系合金、錫'ビ スマス系合金、錫'インジウム系合金等）であって、これらの合金中に鉛がほとんど含 まれない、あるいは実質的に含まれなレ、、いわゆる鉛フリー半田を半田材料として用 レ、るものを意味する。そのような半田材料は、 240°C以下、好ましくは 210°C以下の 融点を有するのが好ましい。
[0020] 一般的に、電極 5にバンプ 6を形成した後のバンプのサイズは、例えば半田ボール のサイズのばらつき、ハンダボールの付着方法などの原因によって必ずしも一様で はなぐ電子部品 4のバンプ 6の中には所定のサイズのバンプ 6よりも幾分高さ寸法が 低い寸足らずのバンプ（図 1 (a)—（c)において（6)で示すバンプ参照）が発生し得る 。このため、図示する各バンプ 6の下端部（頂部の位置）は同一平面上にはなぐ垂 直方向にばらついている。即ち、バンプのコブラナリティが十分でない場合ある。
[0021] バンプ 6には、以下に説明するように、本発明のフラックス 3が例えば転写により塗 布される。電子部品 4をフラックス 3の膜が形成された転写テーブル 7上に対して降下 させてバンプ 6をフラックスに接触させた後、上昇させることにより、図 1 (b)に示すよう にバンプ 6の下端部にはフラックス 3が転写塗布される（第 1の工程またはフラックス塗 布工程)。フラックス 3は、電子部品 4を、以下に説明する基板 1へ実装するための半 田付けにおいて、半田接合性を向上させるためにバンプ 6と回路電極 2との間に介在 させて用いられるものである。
[0022] ここで、本発明のフラックス 3について説明する。フラックス 3は、樹脂成分 (例えば口 ジン、変性ロジン、ポリアルキレングリコール（例えばポリエチレングリコール等）、ポリ アミド榭脂等）を溶剤（例えばプチルカルビトール、イソプロピルアルコール等）に溶 解した粘度の高レ、液状の基剤および活性成分ほたは活性剤）に金属粉 8とを混合し て得られる組成物である。活性成分は、バンプ 6の表面に生成した半田の酸化膜を 除去する目的でフラックス中に存在するものであり、このような酸化膜除去能力を有 するものが用いられる。例えば樹脂酸 (例えばァビエチン酸等）、有機酸 (例えばタエ ン酸、ステアリン酸等）、塩基性有機化合物（例えばジェチルァミン塩酸塩、塩酸ァニ リン等）等を例示できる。尚、本発明のフラックスでは、活性成分として、半田付け後 の洗浄を必要としない低活性のもの（例えばァビエチン酸等）が含まれているのが好 ましい。例えば、フラックス力 ロジンおよび金属粉を含んで成り、他の（または追加の 活性成分を含まない場合、低活性のフラックスとなり、この場合、半田付け後の洗浄 を省略することができる。勿論、他の活性成分を含むことも可能である。
[0023] ロジンおよび変性ロジンは、バインダーの機能に加えて半田付けに際して活性成分 としても機能するァビエチン酸等の樹脂酸を含むので、本発明のフラックスにおいて ロジンおよび/または変性ロジンを樹脂成分として使用する場合、活性成分を別に 追加することは必ずしも必要ではない。この場合、低活性を有するフラックスとなり、 後述するように半田付け後の洗浄を省略することが可能である。し力 ながら、より強 い活性が必要である場合には、ロジンに加えて、追加の活性成分を加えてよい。また 、ポリエチレングリコール、ポリアミド樹脂等のように樹脂成分が活性成分の機能を有 さない場合には、活性成分 (例えば有機酸、塩基性有機化合物)を追加する必要が ある。
[0024] 金属粉 8を構成する材料としては、半田部としてのバンプ 6に用いられる半田の融 点（鉛フリー半田の場合、例えば 190°C— 220°C)より高い融点（好ましくは 10°Cまた はそれ以上高い融点、より好ましくは 20°Cまたはそれ以上高い融点）を有する金属 である。好ましくは、そのような材料としては、大気中で金属粉 8の表面に自然酸化膜 を生成しにくいものであって、さらにバンプ 6を形成する半田に対する濡れ性がよぐ バンプ 6が溶融した流動状態の半田が金属粉 8の表面に沿って濡れ拡がりやすい金 属が選定される。具体的には、このような条件を満足する材料として、例えば金、銀、 パラジウム等の貴金属を例示でき、これらの金属は、その純度が 90%以上であるも のが特に好ましい。
[0025] フラックス 3への金属粉の添加は、他の成分中に金属粉を混合することによって実 施する。金属粉の添加量は、フラックス全体の体積を基準として、 1一 9vol%、好まし くは 2 7vol%、より好ましくは 3— 5vol%である。尚、本明細書において、 vol% (体 積％)は、厳密には 25°Cを基準とし、金属粉を構成する要素 (例えば粒状物、鱗片 状物）間の空隙を考慮しない金属粉の真体積に基づく（即ち、そのような空隙をも考 慮する見かけ体積基準ではない）。尚、温度は、実用上、通常の室温（20°C 30°C )を基準としても金属粉の体積％は実質的に差がない。
[0026] 金属粉を構成する各要素は、種々の粒状またはその他の形態（例えば平板状、鱗 片状、フレーク状、短繊維状、樹枝状、薄片状、不定形状等)であってよぐ例えば球 状または不定形粒状であってもよぐそれらは角部分、凹部、凸部等を有してよい。 後述するブリッジ形成機能は、金属粉の構成要素が鱗片状、薄片状またはフレーク 状のような薄い形態である場合、あるいは樹枝状である場合に特に好都合に発現さ れる。
[0027] 更に、本発明のフラックスにおいて使用する金属粉には、核となる金属要素の表面 を半田に対する濡れ性がよく且つこの半田の融点よりも高い融点を有する金属でコ 一ティングしたものから構成される金属粉をも含むものとする。即ち、金属粉の構成要 素は、核およびその周囲の金属コーティング力 成る。例えば、錫の粒の表面を純度 90%以上の金、銀、パラジウムのいずれかで覆った金属粉でもよぐ少なくとも表面 力 半田部の半田に対する濡れ性がよく且つこの半田の融点よりも高い融点を有す る金属である金属粉であればよい。即ち、この場合、上述のように選定される金属の 条件は、コーティングを構成する金属に当て嵌まる。
[0028] 尚、本発明のフラックスにおいて使用する成分は、金属粉を除いた他の成分につ いては、一般的なフラックスにおいて使用されている材料を使用することができ、であ つてよく、また、それらの量についても一般的に用いられる量であってよい。
[0029] 本発明のフラックスの一例では、樹脂成分 (例えばロジン）を溶剤（例えばプチルカ ルビトール）に溶解した液状の基剤と、バンプ 6の表面に生成した酸化膜を除去する 作用を有する活性成分 (例えばァビエチン酸）と、バンプ 6を形成する半田に対する 濡れ性がよく且つ、この半田の融点よりも高い融点を有する金属粉 8とを含み、金属 粉は 1一 9vol%の範囲で含有されている。
[0030] フラックス塗布後、電子部品 4は基板 1に実装される。電子部品 4の基板 1への実装 は、接続すべき電極間の位置が整合するように基板 1の上に電子部品 4を位置決め した後（即ち、基板と電子部品とを整合させた後）、加熱によりバンプ 6を溶融させて 回路電極 2の上面に半田付けすることにより行う。これによつて、それぞれの外部接 続用電極 5が対応する回路電極 2に所定のように電気的に接続されるとともに、電子 部品 4は、溶融半田が固化して形成された半田接合部によって基板 1に固着される。
[0031] この実装過程においては、電子部品 4を基板 1の上方に位置させ、バンプ 6を回路 電極 2に位置合わせして、基板 1に対して下降させる。そして、フラックス 3が塗布され たバンプ 6を回路電極 2に着地させてバンプ 6と回路電極 2との間にフラックス 3を配 置する（第 2の工程または電子部品搭載工程)。尚、必要に応じて、図 1 (c)に示すよ うに電子部品 4を所定の押圧力 Fで基板 1に対して押圧してよぐこれにより、平均的 な高さを有するバンプ 6については、バンプ高さに多少のばらつきがあってコプラナリ ティが不十分であっても、高めのバンプ 6が押圧力によって高さ方向につぶされること により低くなり、バンプ 6の高さのバラツキが小さくなり、その結果、バンプのコプラナリ ティが向上し、大部分のバンプ 6の下端部が回路電極 2の上面に接触できる。尚、押 圧する場合、次の半田溶融工程においても押圧を継続してもよぐあるいは、押圧力 を解放して電子部品 4の自重のみが基板に作用するように操作してもよい。
[0032] これに対し、寸足らずのバンプ（6) (即ち、高さが低過ぎるバンプ）は、他の平均的 な高さのバンプ 6が多少押しつぶされて電子部品 4全体の位置がその分だけ下降し ても、なおバンプ（6)の下端部が回路電極 2の表面に接触せず、バンプ (6)の下端 部と回路電極 2との間に隙間が残る状態となる（図 1 (c)参照）。尚、バンプ 6のサイズ に大きなばらつきが存在しない場合においても、電子部品 4が薄型の樹脂基板など の反り変形を生じやすい基板の下面にバンプ 6を形成したタイプのものである場合に は、そのような基板の反り変形によって外縁側に位置するバンプの下端部と回路電 極 2との間に同様に隙間が生じる場合がある。
[0033] 電子部品を搭載した後、バンプ 6を溶融させて第 1の電極 5を回路電極 2に半田接 合する半田付過程（第 3の工程または半田溶融工程）について説明する。図 1 (c)に 示すように電子部品 4を搭載した基板 1を加熱してバンプ 6を溶融させる。この加熱は 、いずれの適当な方法で実施してもよぐ例えば電子部品 4を搭載した基板 1をリフロ ー炉に送って加熱する。このとき、図 2 (a)に示すように、平均的な高さのバンプ 6に ついては下端部が回路電極 2に接触した状態で、また、寸足らずのバンプ（6)につ いては、その下端部と回路電極 2との間にフラックス 3が介在した状態で、加熱が行わ れる。
[0034] このような加熱により、バンプ 6および (6)とも、回路電極 2に半田接合される力 こ の接合過程の半田の挙動は、バンプ下端部が回路電極 2に接触しているか否かによ つて異なったものとなる。図 2 (b)に示すように、バンプ下端部が回路電極 2に接触し ているバンプ 6では、バンプ 6が加熱によって溶融すると、溶融状態の半田 6aは直ち に半田濡れ性のよい材質の回路電極 2の表面に沿って良好に濡れ拡がり、外部接 続用電極 5は回路電極 2と半田 6aによって連結される。このとき、フラックス 3中に含ま れる活性成分によってバンプ 6および/または回路電極 2の表面の酸化膜が除去さ れる。その後、冷却されて、図 2 (c)に示すように、半田接合部 16が形成される。
[0035] これに対し、バンプ（6)においては、その下端部と回路電極 2の表面 2aとの間に隙 間があることから、外部接続用電極 5と回路電極 2の半田 6aによる連結は、図 3に示 すような過程を経て行われると推定される。図 3 (a)は、リフロー炉における加熱によつ て半田部としてのバンプ（6)の溶融が始まった時の状態を示している。ここで、バンプ (6)の下端部と回路電極 2の表面 2aとの間に介在するフラックス 3中の金属粉 8に関 して、金属粉の構成要素 (例えば、粒、鱗片等）がランダムな姿勢で多数存在するた め、バンプ（6)の下端部と回路電極 2の表面 2aとを結ぶブリッジが金属粉の構成要 素によって形成され易い（図 3 (a)にて矢印 aで示す部分参照）。
[0036] ここで、ブリッジとは、金属粉 8の構成要素が相互に近接した状態にあり、これらがあ た力、も連続的に一繋がりとなって存在するとみなし得る状態をいう。尚、ある構成要素 とそれに隣接する構成要素とが短い距離を隔てて離れていても、あるいはこれらが相 互に接触していてもよい。そして、近接した状態とは、金属粉 8の 1つの構成要素の 表面を濡らして覆ってレ、る流動状態の半田が表面張力によってある厚さの層または 塊を形成する場合、そのような厚さの半田の層または塊の表面が該 1つの構成要素 に隣接する他の 1または複数の構成要素に接触する程度の距離で、これらの構成要 素が離れて存在する (接触して存在する場合も含む)ような金属粉 8の状態をレ、う。
[0037] 金属粉 8の構成要素の多数がこのような近接した状態で存在することにより、一繋 カ^で存在する金属粉 8の構成要素の一方の端部に接触した溶融半田は、端部に 位置する、半田濡れ性のよい金属でできた構成要素の表面を覆って拡がり、ある厚さ を有する溶融半田の層または塊を形成し (好ましくはその構成要素を包み込み）、次 に、そのように形成された溶融半田の層または塊が端部の構成要素に隣接する他の 構成要素に接触して、その構成要素の表面を覆って拡がり溶融半田の層または塊を 形成し、これが、更に隣接する次の構成要素の表面を覆って拡がる。このように、半 田部が溶融して生成する溶融半田は、近接して一繋がり状態にある構成要素を近い 側の端から他方の端に向かって順次覆って拡がっていく。このように溶融半田が一 繋がりの構成要素を覆っていくことによって、溶融半田が構成要素に沿って移動し、 溶融半田は電極表面 2aに到達する。この濡れ拡がりによる半田の移動が一繋がりの 他方の端部まで連続して生じることによって、これらの一繋がりの金属粉 8は、図 3 (a )と図 3 (b)とを比較して分かるように、バンプ（6)の下端部と回路電極 2の表面 2aとを 結ぶブリッジとして機能し、このブリッジによって溶融半田 6aが電極表面 2aに到達で きる。
[0038] 本発明のフラックスでは、金属粉 8の材質として半田部に用いられる半田の融点より も融点が高い金属、例えば金や銀等の貴金属を用いていることから、半田が溶融状 態となるような高温に加熱された場合においても、金属粉 8は確実に固体状態で存 在する。これに対して、フラックス中に半田粒子を含有させたクリーム半田を用いる半 田付け方法では、リフロー時の加熱によってフラックス中の半田粒子も同時に溶融し てしまい、バンプ（6)の下端部と回路電極 2の表面 2aとの間の隙間内で溶融半田を 橋渡しするブリッジが形成されないのに対し、本発明の半田付けフラックスでは、上 述のブリッジを確実に形成できる。
[0039] 本発明のフラックスにおいて、金属粉 8の形状として、上述の金属を鱗片状に加工 した構成要素を用いることが特に好ましい。この場合、鱗片形状の厚さに垂直な方向 、特に鱗片形状の構成要素の長手方向がバンプ (6)の下端部と回路電極 2の表面 2 aとの間の隙間の橋渡し方向（即ち、図 3における縦方向）と平行になる、あるいは平 行に近くなるような姿勢で構成要素が存在する場合、金属粉 8は一層ブリッジを形成 し易くなり、比較的低い金属粉の含有率であっても効率よくブリッジを形成できる。金 属粉が薄片状要素から成る場合にも同様である。
[0040] 上述のようなブリッジを伝って溶融半田 6aが電極表面 2aに一旦到達すると、流動 状態の半田 6aは半田濡れ性の良好な電極表面 2aに沿って濡れ拡がる。この半田 6 aの濡れ拡がりにより、図 3 (c)に示すように、電極表面 2a近傍のフラックス 3は外側に 押しのけられ、当初回路電極 2との間に隙間を生じていたバンプ（6)を用いても、外 部接続用電極 5は半田 6aによって回路電極 2と全面的に連結される。
[0041] この場合においても、フラックス 3中に含まれる活性成分によって接合性が向上する が、上述のようにブリッジが形成されることによって、バンプ表面の酸化膜が部分的に のみ除去されている場合においても良好な半田接合性が確保されるため、フラックス 3中に含まれる活性成分には強レ、活性作用は必ずしも要求されなレ、。換言すれば、 金属粉 8の添加により、活性作用が弱い低活性フラックスの使用が可能となり、この場 合、半田接合後にフラックスが残留した状態においても回路電極が活性成分によつ て腐食される可能性が低い。従って、本発明のフラックスを使用する場合、半田付け 後にフラックス除去のための洗浄を行わない無洗浄の半田付工法においても、接合 部の十分な信頼性を確保することができる。
[0042] 図 3 (c)は、リフロー工程における所定の加熱シーケンス（半田溶融工程）を終了し て、第 4の工程または冷却工程にて冷却した状態を示している。すなわち、バンプが 溶融した半田 6aが冷却によって固化することにより、外部接続用電極 5と回路電極 2 とを半田接合により連結する半田接合部 16が形成される。この半田接合部 16の電 極表面 2a近傍には、半田付け過程において半田中に取り込まれた金属粉 8が存在 しており、場合によっては、合金状態あるいは固溶状態で存在している。
[0043] 尚、回路電極 2の表面 2aやその周囲にはフラックス 3から溶剤成分が蒸発した後の 残渣 (樹脂成分や活性成分)が、半田接合部 16中に取り込まれなかった金属粉 8とと もに残留する（図 3 (c)参照）。本発明のフラックスにおいて、金属粉含有率は上述の ように 1一 9vol%、好ましくは 2— 7vol%、より好ましくは 3— 5vol%の範囲であり、こ れは比較的低含量であることから、後述するように半田接合後において近接する電 極ほたは配線）との間で絶縁不良が起こり難い。特に、活性成分の活性作用が低い 場合には、絶縁不良が一層起こり難い。絶縁不良がマイグレーションによって生じる 場合には、本発明のフラックスが金属粉をこのような低含量で含むことが有利に作用 する。
[0044] 図 2 (c)は、上述のようにして外部接続用電極 5と回路電極 2を連結する半田接合 部 16が全ての外部接続用電極 5と回路電極 2との間について形成された状態を示し ている。即ち、半田付けの対象となる外部接続用電極 5と回路電極 2の組み合わせに おいて、当初は寸足らずのバンプ（6)については、その下端部と回路電極 2との間に 隙間が生じていた場合にあっても、本発明のフラックスおよび半田付け方法を適用す ることにより、良好な半田付けを行うことができる。
[0045] 尚、上述の態様では、フラックス 3を供給するフラックス塗布工程において、バンプ 6 にフラックス 3を転写して供給する例を示している力 これ以外にも各種の方法を用い ること力 Sできる。例えば、図 4 (a)に示すように、デイスペンサ 9から電極 2上にフラック ス 3を吐出させることにより、フラックス 3を回路電極 2へ供給するようにしてもよい。ま た、図 4 (b)に示すように、転写ピン 10を用いてそれに一旦フラックスを付着させ、そ の付着したフラックス 3を回路電極 2上に転写により供給するようにしてもよい。
[0046] 更に別の態様では、図 4 (c)に示すように、スクリーン印刷によって回路電極 2上に フラックス 3を印刷するようにしてもよい。即ち、回路電極 2に対応したパターン孔 11 a が設けられたマスクプレート 11を基板 1上に装着し、スキージ 12によってパターン孔 11a内にフラックス 3を充填して回路電極 2の表面に印刷する。当然ながら、本発明 のフラックスを、半田部または接続すべき電極のいずれか一方のみに供給してよぐ あるいは双方に供給してもよい。
[0047] 次に、図 5および図 6を参照して、フラックス中の金属粉含有率と、フラックスを用い てバンプ 6を回路電極 2に接合した半田接合部の接合品質との関係について説明す る。
[0048] (フラックスの調製） 樹脂（活性成分を含む）としてロジンを、溶剤としてアルコールおよびベンゼンを、 樹脂：溶剤 = 3 : 2 (重量基準)で含み、更に種々の割合で金属粉を含むフラックスを 調製した。尚、金属粉として、銀の鱗片状物を使用し、その含有率は 0. 5vol%、 1. 00vol%、 3. 00vol%、 6. 00vol%、 9. 00vol%および 12. 00vol%とした。尚、使 用した金属粉の最大寸法の平均値は 5 μ m— 20 μ mの範囲内であった。
[0049] 別の種類のフラックスとして、樹脂（活性成分を含む）としてロジンを、溶剤としてァ ルコールを、追加の（または他の）活性成分として塩酸ァニリンを、樹脂：溶剤：追加 の活性成分 = 20 : 10 : 1 (重量基準）で含み、更に種々の割合で金属粉を含むフラッ タスを調製した。尚、金属粉として、銀の鱗片状物を使用し、その含有率は 0. 50vol %、 1. 00vol%、 3. 00vol%、 6. 00vol%、 9. 00vol%および 12. 00vol%とした。 尚、使用した金属粉の最大寸法の平均値は 5 μ m 20 μ mの範囲内であった。
[0050] (電子部品の実装）
調製したフラックスを用いて、モデルとしての電子部品 4を基板 1に半田接合して実 装し、形成した接合部の接合不良率を算出した。半田接合は、先に図 1および図 2を 参照して説明したように実施した。電子部品 4として、カシオマイクロ二タス (株)製 WL CSP (wafer level chip size package, 112ピン、ピッチ 0. 5mm)を使用し、その外部 接続用電極 5に半田部として設けたバンプ (材料:錫一銀系鉛フリー半田、バンプ高さ 0. 25mm,ボール直径 0. 3mm)の内、四隅に位置するものについて、意図的に低 いバンプ（即ち、寸足らずのバンプ）としたものを用いた。この低いバンプと他のバン プとの高さの差は、 0. 05mmとした。バンプにフラックスを塗布したこの電子部品を 基板に押圧して搭載した後、リフロー炉に供給して半田付けを実施した。別の部品と して、低いバンプと他のバンプとの高さの差を 0. 1mmとしたものも実装した。
[0051] (接合性の評価）
図 5はフラックス中の金属粉含有率と接合不良率との相関を示しており、金属粉含 有率を種々変化させた場合の接合不良、即ち、半田付け完了状態においてバンプ 6 が回路電極 2に接合されてレ、なレ、接合不良の発生度数を％で表している。
[0052] 図 5のグラフから分かるように、フラックス中に金属粉がほとんど存在しない場合に は、高い接合不良率を示しているが、金属粉含有率が lvol%以上になるといずれの 場合においても接合不良率の発生は 0%であり、接合の面から見れば金属粉含有率 が lvol%以上であるのが好ましいことが分かる。
[0053] (絶縁性の評価）
上述のように調製したフラックスを用いて半田接合部を形成し、その絶縁性を電圧 印加高温高湿テスト（アメリカ電子回路協会（IPC_Association Connecting
Electronics Industries)規格 IPCZjEDEC J—STD—020C)により評価を実施した
[0054] この評価には、基板として FR— 4を用レ、、その上に形成し JIS Z 3284. 3の 2型 のくし歯電極に鉛フリー半田（Sn— 3Ag_0. 5Cu)のプリコート (30 μ m厚）を形成し たものを使用した。この基板の半田プリコートに、厚さ 50 z m、開口幅 300 μ ΐηのパ ターン孔を有するメタルマスクを用いて上述のフラックスをスクリーン印刷で供給し、リ フロー工程に付し（予熱 150°C 170°C (60秒）、ピーク温度 240°C)、半田付け完 了状態の基板をシミュレートした。
[0055] その後、得られた基板を電圧印加高温高湿テスト（温度 85°C、湿度 85%、印加電 圧 20Vの条件にて実施）に付し、電極間の抵抗値を測定した。図 6はフラックス中の 金属粉含有率と絶縁抵抗値との相関を示しており、金属粉含有率を種々変化させた 場合の絶縁抵抗値、すなわち半田付け完了状態の基板を想定して行った電圧印加 高温高湿テストで測定された抵抗値を表している。
[0056] 図 6のグラフから分かるように、絶縁抵抗値はフラックス中の金属粉含有率が大きく なるにつれて低下する傾向を示しており、金属粉 8を過度に添加すると半田付け後の 絶縁性が低下することを示している。尚、絶縁性の許容限度を示す下限抵抗値が 10 未満の場合、基板を洗浄して半田付け後に残留するフラックスを除去する必要 力ある。し力、しながら、金属粉含有率を 9vol%以下とすることにより、半田付け後の洗 浄を必要としない無洗浄タイプのフラックスとすることができる。この知見を考慮すると 、本発明のフラックスにおいて、金属粉含有率が 9。/0以下であることが好ましぐその 場合、本発明のフラックスを無洗浄タイプのフラックスとして使用できる。
[0057] 即ち、金属粉含有率が 1一 9vol%の範囲に含まれるように金属粉 8の混合割合を 設定すれば、接合性と絶縁性のいずれにも優れた無洗浄タイプのフラックス 3が実現 される。その結果、硬度が高くてバンプがつぶれにくい鉛フリー半田によってバンプ が半田部として形成された電子部品を対象とする場合において、バンプサイズのばら つきによってバンプと基板の回路電極との間に隙間が生じている状態においても、バ ンプが回路電極と正常に半田付けさない実装不良の発生を有効に防止することがで きるとともに、半田付け後のフラックス除去のための洗浄を省略した無洗浄工法を採 用する場合においても良好な絶縁性を確保することができる。
[0058] 従って、そのような本発明のフラックスを用いて実施する電子部品実装における半 田付方法は、半田部としてのバンプ 6が形成された外部接続用電極 5を回路電極 2 に半田付けする半田付方法であって、本発明のフラックス 3をバンプ 6および回路電 極 2の少なくとも一方に塗布する第 1の工程と、バンプ 6と回路電極 2を位置合わせす ることによりフラックス 3をバンプ 6と回路電極 2との間に介在させる第 2の工程と、加熱 によってバンプ 6を溶融させて金属粉 8の表面伝いに濡れ拡がらせることにより溶融 した半田を回路電極 2に接触させる第 3の工程と、第 3の工程の後に溶融した半田を 冷却して固化させる第 4の工程とを含む。
[0059] この半田付け方法により、バンプ 6と回路電極 2との間に隙間が存在する場合にあ つても、第 3の工程においてバンプ 6が溶融した半田を金属粉 8が形成するブリッジに よって導いて回路電極 2へ確実に接触させることができ、隙間に起因する半田付け 不良を防止することができる。
[0060] 尚、上記実施の形態においては、第 1の電極が電子部品 4に形成された外部接続 用電極 5であり、半田部が外部接続用電極 5に形成されたバンプ 6であり、第 1の電 極 5を第 2の電極である回路電極 2に半田接合する例について説明したが、本発明 は上記態様に限定されるものではなぐ例えば、第 1の電極が、基板に形成された回 路電極であり、半田部がそのような回路電極に形成された半田プリコートであるような 場合にも本発明を適用することができる。
[0061] 尚、本発明のフラックスを使用した半田付方法では、上述のように半田付け後の基 板の洗浄工程を不要にすることができるが、別の態様では、半田付け後に洗浄工程 を付加してもよぐこの場合、残存するフラックス残渣を除去して絶縁性が一層向上す る。 産業上の利用可能性
[0062] 本発明のフラックスを用いると、接合不良や絶縁性の低下を招くことなく高品質の半 田接合部を得ることができ、このことは、鉛フリー半田による電気的接合部の形成、例 えば、電子部品を鉛フリー半田によって基板に半田付けする半田付方法に対して非 常に有用である。
関連出願の相互参照
[0063] 本願は、 日本国特許出願：特願 2004-021090 (出願日： 2004年 1月 29日、発明 の名称：半田付用フラックスおよび半田付方法）および特願 2004-327440 (出願日 ： 2004年 11月 11日、発明の名称：半田付用のフラックスおよび半田付方法）に基づ く優先権を主張し、これらの特許出願の内容は、これらを参照することによって本願 明細書に組み込まれる。

Claims

請求の範囲
[1] 半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする際に前記半田部と前 記第 2の電極の間に介在させる半田付用のフラックスであって、
樹脂成分を溶剤に溶解した液状の基剤と、
酸化物を除去する作用を有する活性成分と、
前記半田部の融点よりも高い融点を有する金属から成る金属粉と
を含んで成り、前記金属粉を 1一 9vol%の範囲で含有することを特徴とするフラックス
[2] 前記金属粉を構成する金属が、それぞれが純度 90%以上の金、銀およびパラジゥ ムから成る群から選択される少なくとも 1種であることを特徴とする請求項 1記載のフラ ッタス。
[3] 前記金属粉を構成する金属は、表面に自然酸化膜を生成しにくい金属であること を特徴とする請求項 1または 2記載のフラックス。
[4] 前記金属粉は、薄片状、鱗片状または樹枝状であることを特徴とする請求項 1一 3 のレ、ずれかに記載のフラックス。
[5] 半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする際に前記半田部と前 記第 2の電極の間に介在させる半田付用のフラックスであって、
樹脂成分を溶剤に溶解した液状の基剤と、
酸化物を除去する作用を有する活性成分と、
核およびその周囲のコーティングを有する構成要素から構成された金属粉であって 、コーティングは前記半田部の融点よりも高い融点を有する金属から成る金属粉と を含んで成り、前記金属粉を 1一 9vol%の範囲で含有することを特徴とするフラックス
[6] 構成要素のコーティングを形成する金属は、それぞれが純度 90%以上の金、銀およ びパラジウムから成る群から選択される少なくとも 1種であることを特徴とする請求項 5 記載のフラックス。
[7] 構成要素のコーティングを形成する金属は、表面に自然酸化膜を生成しにくい金属 であることを特徴とする請求項 5または 6記載のフラックス。
[8] 樹脂成分および活性成分としてロジンまたは変性ロジンを含む請求項 1一 7のいず れかに記載のフラックス。
[9] ロジンまたは変性ロジンに由来する活性成分に加えて、他の活性成分を更に含ん で成る請求項 8記載のフラックス。
[10] 半田部が形成された第 1の電極を第 2の電極に半田付けする半田付方法であって 請求項 1一 9のいずれかに記載のフラックスを前記半田部および前記第 2の電極の 少なくとも一方に供給する第 1の工程と、
前記第 1の電極の半田部と第 2の電極を位置合わせすることにより前記フラックスを 前記半田部と第 2の電極との間に介在させる第 2の工程と、
加熱によって前記半田部を溶融させて、溶融した半田を前記第 2の電極に接触さ せる第 3の工程と、
第 3の工程の後に前記溶融した半田を固化させる第 4の工程と
を含むことを特徴とする半田付方法。
[11] 半田部は、第 1の電極に形成されたバンプである請求項 10記載の半田付方法。
[12] 第 1の電極は、電子部品の外部接続用電極である請求項 10または 11記載の半田 付方法。
[13] 第 2の電極は、基板に形成された回路の電極である請求項 10— 12のいずれかに 記載の半田付方法。
[14] フラックスの供給は、フラックスの膜を形成し、この膜に前記半田部の下端部を接触 させてフラックスを塗布するフラックス塗布工程によって実施する請求項 10— 13のい ずれかに記載の半田付方法。
[15] 前記半田溶融の固化は、溶融半田を冷却する冷却工程によって実施する請求項 1 0— 14のいずれかに記載の半田付方法。
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