説明

錫粉、錫ペースト及び錫粉の製造方法

【課題】錫ペーストに加工した場合の形状安定性に優れ、かつ、接続信頼性にも優れた錫粉、錫ペースト及び錫粉の製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するため、粒子の形状がフレーク状を呈し、粒子の平面方向の平均円相当径が1μm〜10μmであることを特徴とする錫粉を採用する。そして、この錫粉を用いた錫ペーストとした。また、この錫粉を製造するにあたり、粒子形状が粒状を呈する錫粉を分散媒中に分散させ、その分散スラリーを媒体ミル中で処理する方法を採用する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フレーク状の錫粉と、当該錫粉を用いた錫ペースト及び錫粉の製造方法に関するものであり、特に、微細な高密度実装の接合材用途に好適なものである。
【背景技術】
【0002】
半導体等の配線板に関して、電子部品を基板に実装するためにはんだ付けが行われている。従来は、錫−鉛共晶はんだを用いて電子部品の基板へのはんだ付けが行われていたが、鉛による人体及び環境への影響に配慮するために、代替材料のニーズが高まり、鉛以外の種々の所謂「無鉛はんだ」材料が実用化されている。そして、錫粉を用いた錫ペーストは、錫−鉛共晶はんだの代替材料の一つとして錫−鉛共晶はんだに相当する性能を備えるべく種々の改良が検討されている。
【0003】
例えば、特許文献1には、錫粉の表面を表面処理剤で被覆して、乾燥処理し、耐蝕性、耐酸化性及び耐変質性を向上させた錫を材料に用いたはんだペーストが開示されている。また、特許文献2には、無鉛はんだを用いて、導体層に電子部品がはんだ付けされたプリント配線板において、プリント配線板の構成部材の熱膨張係数の乖離に伴い生じるストレスに着目し、導体層が配設される基材の熱膨張係数を抑えることによりリフトオフを抑制し、はんだ付け部の品質、信頼性を向上する技術が開示されている。そして、特許文献3には、無鉛はんだ(Pbフリーはんだ)を用いてチップ部品や半導体装置を基板に実装した場合に基板電極の脇に不要なはんだボールが発生することがない回路基板に関する技術が開示されている。
【0004】
【特許文献1】特開2004−339583号公報
【特許文献2】特開2002−368362号公報
【特許文献3】特開2003−298220号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、配線パターンの微細化、高密度化に伴って、積層配線板のビアホール接続、配線基板への部品実装用接合剤として使用される無鉛はんだペースト(錫ペースト)の実装における寸法誤差がより小さいことが求められている。また、特許文献2に開示されているように基板あるいは部品端子との接続信頼性の向上が望まれているが、従来の無鉛はんだは、物理的特性や取り扱い性が錫−鉛共晶はんだより劣り、形状安定性及び接続信頼性の点で、錫−鉛共晶はんだに相当するような実装精度の改良が求められている。なかでも、溶融後の無鉛はんだのぬれ性が悪く、はんだ付け位置からはみ出して流出したり、落下したりすることが課題となっており、はんだ付け位置の設計とペースト供給量について、このようなペースト自体の物理的特性を考慮しなければならない。したがって、はんだ付け部位の寸法設計の許容範囲と高密度化との関係で、より高い寸法精度で目的位置へのはんだ付けが可能な無鉛はんだペーストが求められている。また、従来のはんだ粉の形状としては、球状粉が主体であるが、平均粒径が数十μmレベルと大きく、微細な回路形成には不向きであった。
【課題を解決するための手段】
【0006】
そこで、本発明者等は、鋭意研究の結果、上記課題を解決するために良好な形状安定性を有し、かつ接続信頼性を向上させる以下の発明に想到した。
【0007】
本発明に係る錫粉: 本発明に係る錫粉は、粒子の形状がフレーク状を呈し、前記粒子の平面方向の平均円相当径が1μm〜10μmであることを特徴とする。
【0008】
また、本発明に係る錫粉は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による体積累積平均粒径D50(以下、「D50」と記す。)が1.5μm〜15μmであることが望ましい。
【0009】
更に、本発明に係る錫粉は、アスペクト比([平面方向の平均円相当径(μm)]/[平均厚さ(μm)])が5〜40であることが好ましい。
【0010】
また、本発明に係る錫粉は、好ましくはタップ密度が3g/cm〜5g/cmである。
【0011】
また、本発明に係る錫粉は、比表面積が0.3m/g〜1m/gであることがより好ましい。
【0012】
本発明に係る錫ペースト: 本発明に係る錫ペーストは、上記の錫粉を含むことを特徴としたものである。
【0013】
本発明に係る錫粉の製造方法:本発明に係る錫粉の製造方法は、粒子形状が粒状を呈する錫粉を分散媒中に分散させ、その分散スラリーを媒体ミル中で処理することを特徴とする。
【0014】
また、本発明に係る錫粉の製造方法は、前記粒子形状が粒状を呈する錫粉の走査型電子顕微鏡(SEM)による一次粒子平均径が0.5μm〜7μmであることが好ましい。
【0015】
そして、本発明に係る錫粉の製造方法は、前記媒体ミルがビーズミルであることが好ましい。
【0016】
更に、本発明に係る錫粉の製造方法では、前記媒体ミルに用いられる媒体が、粒径0.3mm以下のメディアビーズであることが好ましい。
【発明の効果】
【0017】
本発明の錫粉は、粒子形状がフレーク状を呈していることに起因して、錫ペーストとして用いた際に、レオロジー特性が向上し、回路形成性に優れる。したがって、本発明の錫粉は、錫ペーストとして基板上に供給され、接合部を形成する際のペーストの形状安定性に優れるものである。また、はんだ付け部位の寸法設計の許容範囲と高密度化のバランスが保たれ、より高い寸法精度で目的位置へのはんだ付けが可能となり、接続信頼性が向上する。また、本発明の錫粉の製造方法によれば、上記課題を解消できる錫粉を効率良く製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
本発明に係る錫粉: 本発明に係る錫粉は、構成する粒子の形状がフレーク状を呈していることに特徴がある。本件発明者は、溶融前の錫ペーストにおけるレオロジー特性を表す指標であるチキソ性に関して、錫粉の形状を球状とする場合よりフレーク状とする場合の方がチキソ性が高くなることを見出した。この理由については判明していないが、球状粒子同士の接点に比べて、フレーク粉の方が粒子同士の接触面積が多いので、この結果、静置状態と流動状態との間の摩擦抵抗が球状粉に比べて大きいことが考えられる。また、フィラー濃度に関しても、球状粉に比べてフレーク状粉の方がフィラー濃度が低くても接続信頼性が得られることが分かった。したがって、錫ペーストの樹脂添加割合を多くすることが可能となり、接合強度を高くすることが出来る。この理由については、フレーク形状の粒子とすることにより、粒子同士の接点を確保しやすく、効率良く接続信頼性を得ることができると考えられる。以下、本発明に係る錫粉について詳細に示す。
【0019】
まず、本発明に係る錫粉は形状がフレーク状を呈し、且つ粒子面方向の平均円相当径が、1μm〜10μmである。このような特徴を有する錫粉を用いることにより、ペースト化し、回路形成に供した際、良好な形状安定性を得ることができる。この粒子面方向の平均円相当径は、3μm〜8μmであることがより好ましい。粒子面方向の平均円相当径は、2000倍の走査型電子顕微鏡写真を、画像解析装置IP−1000PC(旭エンジニアリング株式会社製)を用いて、円度閾値10、重なり度20にて解析することにより求められる。
【0020】
次に、錫ペーストの良好な形状安定性のためには、粒子の凝集程度も関与することから、D50が1.5μm〜15μmであることが好ましく、3μm〜10μmであることがより好ましい。D50がこのような範囲にあると、適正な粘性状態を備える錫ペーストをより安定的に製造することができる。D50は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置であるMicroTrac HRA9320−X100型(Leeds+Northrup社製)を用いて測定できる(試料0.1gをSNディスパーサント5468の0.1%水溶液(サンノプコ社製)と混合し、超音波ホモジナイザ(日本精機製作所製 US−300T)で5分間分散させた試料を使用)。
【0021】
また、本発明の錫粉はアスペクト比が5〜40であることが好ましく、10〜30であることがより好ましい。このアスペクト比はフレーク状粉のフレーク化の度合を示すものであり、粒子の[粒子面方向の平均円相当径(μm)]/[平均厚さ(μm)]で算出されるものである。ここでいう平均厚さは、まず錫粉をエポキシ樹脂で固めた試料を製造し、次にその試料の断面を走査型電子顕微鏡(倍率10000倍)で直接観察し、視野内にある粒子の30個以上の厚さの総和を粒子の個数で除して求める。このアスペクト比が5〜40の範囲内にあると、ペーストを用いて形成した導体の形状安定性を損なうことなく、かつペースト化した際の増粘を防ぎ、ペーストの回路形成能力を保持することができる。
【0022】
更に、本発明の錫粉は、粒子のタップ密度が3g/cm〜5g/cmであることが好ましい。タップ密度は、本発明に係る錫粉の粉体特性を考える上での一定の指標であり、上述のような望ましいレオロジー特性が得られる粒子のタップ密度が上記範囲となるのである。なお、タップ密度の測定には、パウダースターPT−E(ホソカワミクロン株式会社製)を用いて測定したものである。
【0023】
また、本発明の錫粉の比表面積は0.3m/g〜1.0m/gであることが好ましい。比表面積がこのような範囲内にあると、ペーストのチキソ性を確保しながらも、取り扱い性を損なわない粘度を有するペーストが得られるのである。なお、本明細書における比表面積は、試料3.00gを70℃で10分間脱気処理を行った後、モノソーブ(カンタクロム社製)を用いてBET1点法で測定したものである。以上に示した粉体特性を備える本発明に係る錫粉は、微細かつ良好な粒度分布を示し、更に、好適なアスペクト比を示すフレーク状の形状を備えているので、従来の粒子径大なる球状はんだ粉の課題を克服し、スクリーン印刷性能及びファインピッチ接合に適する錫粉であると言える。
【0024】
本発明に係る錫粉の製造形態: 本発明に係る錫粉の製造方法では、粒子形状が粒状を呈する錫粉を分散媒中に分散させ、その分散スラリーを媒体ミル中で処理する。本来、錫は軟質金属であり、非常に塑性変形しやすい。したがって、媒体ミルを使用して、フレーク状の錫粉を製造しようとすると、粒子が過剰に変形するため、実用可能な錫粉の製造は困難と考えられてきた。しかし、本件発明者は、以下に示す製造条件によって、粒状錫粉を所望のフレーク状とすることが出来ることを知見したのである。
【0025】
まず、粒子形状が粒状を呈する錫粉(以下、「粒状錫粉」と称する)を分散媒中に分散させ、分散スラリーを準備する。粒状錫粉は、粒状であればいかなる形状のものも使用できるが、略球状であれば、フレーク化した際に均整な粒子が得られやすいので好ましい。また、粒状錫粉の粒度は、SEM一次粒子平均粒径が0.5μm〜7μmであれば、過度なフレーク化を要せず、目的とする粒度の錫粉を製造することができるので好ましい。なお、粒状錫粉の製造については、その手段は限定されないが、略球状粉を得ようとするには、乾式アトマイズ法を採用するのが好ましい。
【0026】
分散スラリーを製造する際に用いられる分散媒は、水、有機溶媒、あるいは水と有機溶媒との混合溶媒を用いることが可能であるが、粒子表面に分散媒成分が残留することを考慮すれば、水を採用することが好ましい。一方、スラリー中の粒子の分散性を高めたり、錫粉の酸化を抑制することを主眼とするならば、有機溶媒を用いるのが好ましい。この選択は、用途に応じて行えば良い。なお、有機溶媒として好適なものとしては、メタノール、エタノール、エチレングリコール等のアルコール類が挙げられる。これらは、揮発が容易で、フレーク化後の乾燥時の気散効率が高く、粒子表面への残留が少ない。
【0027】
また、本発明の錫粉の製造方法においては、分散スラリー中の粒状錫粉の濃度を5vol%〜90vol%となるように調整することが好ましい。このような粒状錫粉濃度に調整することにより、スラリー中の粒子同士の凝集を防ぐとともに、粒子分散性に優れ、ペースト製造に好適な錫粉とすることができる。
【0028】
なお、粒状錫粉はスラリー化する前に、適切な解粒装置(風力サーキュレータ等)や分散装置(ホモジナイザ等)を用いて、粒子凝集をできるだけ解除しておくと、フレーク化の際に粒子形状を損なうことなく処理ができて好ましい。
【0029】
こうして得られた粒状錫粉分散スラリーは、媒体ミルを用いてフレーク化処理される。用いられる媒体ミルは特に限定されないが、微細粒子の粉砕に好適なビーズミルを用いるのが好ましい。媒体ミルに使用される媒体としては、微粒メディアビーズを用いるのが好ましく、具体的には、好ましくは粒径0.3mm以下、より好ましくは粒径0.2mm以下のものを使用すると良い。このビーズ粒径の下限は特に限定されないが、工業的に利用されるレベルは0.05mm以上である。なお、ビーズの材質はジルコニアビーズ、アルミナビーズ、ガラスビーズ等、汎用的に用いられるものから選択すれば良い。このようにフレーク加工の際に用いる媒体を適正に選択することにより、粒子の粗大化による結合凝集を抑制し、最適なアスペクト比を有するフレーク粉が得られ、かつ、滑剤を使用しなくても粒子同士が結合した粗大フレーク粒子の生成を防止することができる。
【0030】
また、スラリー中の粒状錫粉とメディアビーズの配合割合は、[スラリー中の粒状錫粉量(wt%)]:[メディアビーズ量(wt%)]=1:1〜1:10の範囲に設定することが好ましい。このような範囲で配合割合を設定すると、被粉砕物である粒状錫粉とメディアビーズのバランスが適正となり、軟質金属である錫粒子への過剰負荷を抑制できる。この結果、得られるフレーク粉の粒度分布を損なうことなく、効率的、かつ安定的に処理を行うことができる。
【0031】
また、軟質金属である錫粒子への過剰負荷を考慮すると、フレーク化処理を行う時間は、3時間以下であることが好ましい。3時間を超えてフレーク化処理を行うと、塑性変形が進行しすぎて、好ましいフレーク状の錫粒子を得難くなる。即ち、弱い塑性変形条件で、且つ、短時間でフレーク化処理を行うことが、従来難しいとされてきた、粒子形状がフレーク状の錫粉を製造する上で好適である。
【0032】
こうしてフレーク化の終了した錫粉を含むスラリーは、媒体を除去した後、常法の洗浄、乾燥を行い、錫粉を得る。洗浄の際には、酸化を避けるため、エタノール、メタノール等のアルコール類を使用すると好ましく、乾燥は50℃〜80℃程度で数10分間〜数時間程度行えば良い。以下、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明する。
【実施例】
【0033】
本発明に係る錫粉の製造: 原料粉には、乾式アトマイズ法によって製造された、表1に示す粉体特性を備えた略球状の粒状錫粉を用いる。粒状錫粉は、乾式アトマイズ法であるディスクアトマイズ法により得られた錫粉を分級処理して得られたものである。この粒状錫粉を分散媒と混合して分散スラリーを製造する。なお、粒状錫粉はスラリー化する前に、風力サーキュレータを用いて粒子凝集をできるだけ解除した。
【0034】
上記粒状錫粉0.4kgを、分散媒としての0.04kgのメタノールに入れてよく撹拌し、錫粉濃度が58vol%(91wt%)のスラリーを生成した。続いて、得られた粒状錫粉分散スラリーは、媒体ミルを用いてフレーク化処理される。本実施例では、ビーズミルを用い、直径0.1mmのジルコニアビーズを使用した。即ち、直径0.1mmのジルコニアビーズ0.8kgを用意して、[スラリー中の球状粉量(wt%)]:[メディアビーズ量(wt%)]=1:2に設定し、ディスパーマットに充填した。そして、回転速度を2000rpmに設定して60分間溶液を循環させ物理的に粒子を塑性変形させフレーク化を行った。
【0035】
こうしてフレーク化の終了した錫粉を含むスラリーは、ジルコニアビーズを45μmの篩網で除去し、その後にスラリーを一定時間静置してフレーク錫粉を沈降させ、上澄みを捨てて媒体を除去した。上澄みを捨てた状態の所に、水を添加して洗浄し上澄みを捨てるという水洗浄操作を2回繰り返し(リパルプ洗浄)、その後洗浄を強化するためエタノールを用いて3回洗浄し、粒子表面の汚染物質を可能な限り除去した。そして、70℃×5時間の乾燥を行い、フレーク状の錫粉を得た。
【0036】
実施例で得られたフレーク状の錫粉の走査型電子顕微鏡観察像(倍率2000倍)を図1に示す。また、このフレーク状の錫粉の粉体特性は表1に示す。図1を見ると、薄く押し延ばされたフレーク形状の粒子であり、扁平面に凹凸が少なく、滑らかな表面を備えたフレーク状を呈していることが分かる。また、全体として見ると、凝集が少ないと言える。
【0037】
錫ペーストの製造: ビスフェノールF型エポキシ樹脂(日本化薬社製:RE−303SL)12.0gと酸無水物系硬化剤(日本化薬社製カヤハードMCD)2.1gと、アミンアダクト型硬化剤(味の素ファインテクノ社製:アミキュアMY−24)0.7gと、粘度調整剤としてα−ターピネオール(ヤスハラケミカル社製)15.2gをパドル型混練機で5分間混練した後、得られたフレーク錫粉130gを加えて更に10分間混練した。そして混練物を引き続き3本ロールで混練した後、脱泡機(シンキー社製:AR−250)を用いて混練物中に含まれる気泡を除去し錫ペーストを得た。
【0038】
本実施例の錫ペーストのチキソ比を測定するために、まず、東機産業社製の回転式粘度計であるRE−105Uを用いて、フィラー濃度90wt%の錫ペーストの粘度を温度20℃、1.0rpmと10rpmの回転数でそれぞれ測定した。測定した1.0rpmのデータと、10rpmのデータとからチキソ比として算出した。その結果を表1に示す。
【比較例】
【0039】
比較例として、実施例の原料粉であるディスクアトマイズ粉を分級処理した粒状錫粉をそのまま評価した。錫ペーストの製造方法は、実施例と同様の方法であるので、説明を割愛する。そして、比較例の錫ペーストのチキソ比を実施例と同様の方法で算出した結果を表1に示す。
【0040】
【表1】

【0041】
錫ペーストのレオロジー特性: 錫ペーストのレオロジー特性の評価について説明する。錫ペーストの粘性は形状安定性に影響すると考えられるが、一般にペーストの粘度は撹拌の回転数によって変化し、撹拌するにつれて粘度が上昇する傾向にあるので、ペーストの粘度のみの比較では、形成した回路等の形状安定性を示すことができない。したがって、錫ペーストを所定の位置にランドし、溶融させる前の形状安定性を示す指標としてチキソ比を採用する。チキソ比は、物質の流動性を示す物性値であり、回転式粘度計を用いて、異なる回転数下で計測した粘度の比として示す。即ち、チキソ比は([1.0rpmの粘度]/[10rpmの粘度])の式で表される数値であり、粘度計のローターの回転数の変化に伴う錫ペーストの粘度比である。上記式では、高速撹拌での粘度(以下「高速撹拌粘度」と記す。)に対する低速撹拌での粘度(以下「低速撹拌粘度」と記す。)の比であり、チキソ比の値が高くなる程にチキソ性が向上すると捉える。即ち、錫ペーストの高速撹拌粘度と低速撹拌粘度とを比較したとき、[高速撹拌粘度]<[低速撹拌粘度]という関係が成立する場合がある。この場合、高速撹拌粘度と低速撹拌粘度との差が大きくなる程、当該錫ペーストを流動化させ回路形成する時には精度よく回路形状を描くことが可能で、基板上に回路として形成された静置状態となると、見かけ上の粘度が上昇して回路形状の維持が容易となる。
【0042】
表1に示す結果から、実施例の錫ペーストは、比較例よりチキソ比が高くなっている。したがって、球状粉よりフレーク形状の粒子の方がチキソ比が大きくなると言える。上述の錫粉は、ペーストに加工した場合の、印刷性能や加工性能等、実用上の粘度に影響を与えない範囲の粉体特性を有し、かつ、レオロジー特性に優れ、供給されたペーストが溶融する前の形状安定性を向上させるものであると言える。そして、この錫粉を用いた錫ペーストは、スクリーン印刷法等において当該ペーストを供給しやすく、かつ供給後における形状安定性に優れたものであると言える。
【0043】
実施例及び比較例を通して、本発明に係る錫粉が良好な形状安定性を備える理由として、以下が考えられる。即ち、球状粉のみのペーストではチキソ性が得にくく、印刷性、形状安定性等のペーストのレオロジー特性の制御が難しかったが、フレーク形状の錫粉とすることにより、球状粉に比べて粒子同士の接触面を多くすることができ、ペースト中に錫粉の充填量が少なくても粒子同士の接点を充分に確保できるので、その分、バインダの添加量を増やすことができる。したがって、ペーストの形状安定性や接着性を向上させられるバインダの添加量を増やすことにより、ペーストの供給性能、形状安定性及び接着性能を向上させることができ、結果として接続信頼性を向上させることができる。この結果、従来の無鉛はんだの課題となっていた取り扱い性や接続信頼性を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【0044】
以上に述べた本発明の錫粉は、当該錫粉を含有した錫ペーストに加工して、基板上に供給した場合の形状安定性に優れる。そして、従来難しいとされてきた、塑性変形による錫粉のフレーク化を実現することができたのである。本発明に係る錫粉を、微細・高密度の配線板等に適用すると、取り扱い性と形状安定性に優れる。更に、錫ペーストを基板に載せた場合に、所定位置からペーストがはみ出すことを防ぐことができ、高精度な実装が可能な錫ペーストを安価に市場に供給可能である。このような錫ペーストは、ビア接続、配線、実装接着剤等の用途への適用に効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】実施例1で得られた錫粉の走査型電子顕微鏡(倍率2000倍)による観察像である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
粒子の形状がフレーク状を呈し、
前記粒子の平面方向の平均円相当径が1μm〜10μmであることを特徴とする錫粉。
【請求項2】
レーザー回折散乱式粒度分布測定法による体積累積平均粒径D50が1.5μm〜15μmである請求項1に記載の錫粉。
【請求項3】
アスペクト比([平面方向の平均円相当径(μm)]/[平均厚さ(μm)])が5〜40である請求項1又は請求項2に記載の錫粉。
【請求項4】
タップ密度が3g/cm〜5g/cmである請求項1〜請求項3のいずれかに記載の錫粉。
【請求項5】
比表面積が0.3m/g〜1m/gである請求項1〜請求項4のいずれかに記載の錫粉。
【請求項6】
請求項1〜請求項5のいずれかに記載の錫粉を含むことを特徴とした錫ペースト。
【請求項7】
粒子形状が粒状を呈する錫粉を分散媒中に分散させ、その分散スラリーを媒体ミル中で処理することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の錫粉の製造方法。
【請求項8】
前記粒子形状が粒状を呈する錫粉の走査型電子顕微鏡(SEM)による一次粒子平均径が0.5μm〜7μmである請求項7に記載の錫粉の製造方法。
【請求項9】
前記媒体ミルがビーズミルである請求項7又は請求項8に記載の錫粉の製造方法。
【請求項10】
前記媒体ミルに用いられる媒体が、粒径0.3mm以下のメディアビーズである請求項7〜請求項9のいずれかに記載の錫粉の製造方法。

【図1】
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【公開番号】特開2008−214678(P2008−214678A)
【公開日】平成20年9月18日(2008.9.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−51869(P2007−51869)
【出願日】平成19年3月1日(2007.3.1)
【出願人】(000006183)三井金属鉱業株式会社 (1,121)
【Fターム(参考)】