超音波洗浄に適した低VOC・一液洗浄剤

フラックス洗浄の目的

　フラックスとは、実装工程においてはんだ付け接合する際にプリント配線板ランドや部品電極表面およびはんだ表面の酸化被膜を除去し、はんだのぬれ性を確保するために使用される補助材料である⁽²⁾ 。フラックスは、はんだ付け工程時に200℃以上の高温に晒され、複雑な化学反応を経てフラックス残渣として電子回路上に残る。フラックス残渣は、後工程でのコーティング樹脂の硬化阻害など製品不良を生じさせたり、経時による吸湿などで回路特性に影響を与える可能性があり、除去することが好ましい。洗浄の目的は、実装後のはんだ接合部の表面からこれらのフラックス残渣やはんだボールを除去し、その表面を清浄にすることである。

フラックス洗浄に有効な超音波洗浄技術⁽³⁾

　近年では鉛フリー、ハロゲンフリーソルダペーストの普及が進んでいる。これらのペーストは無洗浄設計のフラックスが主流であるが、後工程でのワイヤボンディング性や封止工程の樹脂密着性等、製品信頼性確保のため実装後のフラックス残渣を洗浄する要望は依然として多い。

　そして被洗浄物は、製品機能のモジュール化や搭載部品の小型化から、より高密度配線での微細接合となり、対応するソルダペーストの改良も伴って、難洗浄化の傾向にある。

　最近では、ダイボンディング用ペーストにおけるボイドの発生低減や、リフロー時のフラックス飛散の抑制を目的として、はんだメーカーによるフラックス改良が進んでいる。フラックスの改良は、はんだ溶融時に発生するはんだ内部の気泡対策が関係し、フラックスの活性力を高めたり、可撓性樹脂が添加された対策がみられる。金属との反応塩増加や難溶性高分子樹脂の配合は、はんだ付け後の製品洗浄において、難洗浄化の原因となる。

　こうした状況下で、超音波方式は非常に効果的な洗浄手段の一つである。フラックス洗浄における超音波洗浄では、通常は洗浄治具に固定した被洗浄物を洗浄液に浸せきし、低周波数域（50kHz以下）の超音波を照射することで、キャビテーション現象による衝撃力を作用させて被洗浄物からフラックス残渣を分離除去させる。つまり洗浄剤が十分に浸透しにくい狭ギャップ部品間のフラックス残渣や、洗浄剤に殆ど溶解しないような残渣成分についても、衝撃波による物理的な剥離・分散が可能となる。さらにはキャビテーション気泡の圧縮破裂により、液中に局所的・瞬間的にもたらされる超高圧・高温状態は、洗浄剤の化学的作用を著しく促進し⁽⁴⁾、フラックス残渣中の難溶成分を速やかに分解、溶解させることができる。

　しかし実装基板によっては、超音波の照射が水晶振動子の共振破壊、微細バンプ接合のマイクロクラック発生などの原因となる可能性があるため、事前に適用可否の評価が必要である。

　またキャビテーション現象を最大限に利用する洗浄方式のため、洗浄性が環境条件に左右されやすい。

　例えば超音波の定在波は洗浄槽内の媒体の流れが強いと発生し難くなるため、キャビデーションの効果が低くなるといわれている。加えて、液の循環流量を上げると送液ポンプによる泡の噛み込みにより、超音波伝搬の阻害要素となる液中の溶存酸素の量も多くなる。このため、緩やかな液流で、液中の溶存酸素を極力低くした状態を保持しながら洗浄を行うことが基本となる。

　しかし、フラックス残渣の種類によっては樹脂被膜の粘性が高いために、超音波伝搬による剥離拡散効果が薄れ、想定の洗浄性が得られないこともある。このような場合には液循環量を上げることで汚れ周辺の濃度勾配を設け、フラックス溶解速度を高める必要がある。

　超音波洗浄で短時間かつ、より高い洗浄性を実現するには、液中の溶存酸素や気泡を減らしつつも、いかに液流を利用してフラックスの溶解速度を上げるかが重要となる。

一液 ・ 低VOCフラックス洗浄剤

　フラックス洗浄における超音波方式は、キャビテーションの物理的作用と、洗浄剤の化学的作用の相乗効果で成り立っており、洗浄の効率化のためには適切な洗浄剤の選定が不可欠である。

　当社が他社に先駆けて開発に成功した、蒸留再生可能な一液タイプのフラックス洗浄剤「マイクロクリンECO」シリーズ(以下ECOシリーズ)は、いずれも水分リッチな状態で使用するため、運用時のVOC成分の約7割を削減できるだけでなく、超音波洗浄用途に高い適性を示す。

　水はフラックス洗浄剤の原料として使用される有機溶剤類と比較して比重が高く、キャビテーション現象によって生じる衝撃力がより大きくなる。さらに有機溶剤類よりも空気を溶かしこみにくく、超音波伝搬を阻害する溶存酸素量を1/5～1/10程度に抑えることができるため、水を多量に含むことにより、効率的に超音波の物理的作用を利用できる。

　また洗浄剤の化学的作用は一般的に温度が高い程増大するが、一方でキャビテーション現象は、温度上昇によるキャビテーション空洞の発生数の増加が空洞内ガス圧の増加による衝撃力低下作用に相殺されるため、ある温度以上になると却って効果が低下する⁽⁶⁾。

　よって洗浄剤の設定温度は化学的作用を重視するか、物理的作用を重視するかによって変更する必要がある。また水の場合には約50℃でキャビテーション現象の効果が最も高くなることが知られている。

　一般的に含水系フラックス洗浄剤は溶解力を確保するために使用温度を60～70℃程度としている一方、ECOシリーズは50℃で高い洗浄力を発揮するため、超音波方式において化学的作用と物理的作用の双方の作用を最大限に活用できる。

　ECOシリーズは水希釈時に水相と油相に分離するように配合設計しており(写真2)、その油相成分(上層)は樹脂を溶解して洗浄液中に拡散させる役割を、水相成分(下層)はイオン性物質の溶解及びフラックス残渣成分と回路基板の界面に浸透し、樹脂を膨潤・分離させる役割を付与している(特許取得済)。洗浄時には異なる役割を有する分離した2相が、交互・連続的にフラックス残渣に接触するため、親油性の変性ロジン等の樹脂成分及び、親水性の活性剤成分などを総合的に除去することが可能になる。この様な特性により、難溶性の鉛フリーはんだフラックス残渣に対しても、より低い温度で高い洗浄力を発揮できるのである。

　ECOシリーズを代表する商品、「マイクロクリンECO-3002」の一般性状を第2表に示す。各液相の表面張力は水よりも非常に低く溶剤系に近いため、微細な隙間へも液が浸透し、フラックス残渣の洗浄が可能である。加えて良好な液切り性と乾燥性を有するため、リンス剤を必要とせず、一液で洗浄から乾燥までを行うことができる。さらに界面活性剤等の不揮発成分を一切使用していないため、それらが基板表面に残留することで引き起こされる表面親水化による回路特性低下もなく、洗浄後、良好な洗浄品質が確保できる。

　また消防法(危険物)、労働安全衛生法、PRTR法など主な関連法令に該当せず、環境省VOC対象100物質を含まない(第2表)。

第２表　低VOC・一液フラックス洗浄剤　一般性状

※2m³以上保管する場合のみ届出が必要。

　「マイクロクリーナーECO」はこうした特徴的なECOシリーズの性能を最大限引き出すために開発した洗浄システムである。これまで当社は含水アルコールの連続蒸留再生器を内蔵した洗浄システム（マイクロクリーナー）で、多くの市場実績を積み重ねてきた。今回その特長・利点を継承し、新たに減圧蒸留技術を組み込み、水を含む非共沸の多成分系洗浄剤でも安定的に連続蒸留できる再生器(特許取得済)を開発し、洗浄装置に内蔵している。これにより常に清浄な液で仕上げ洗浄ができ、高い洗浄品質を維持できる。さらに、定期的な液の全量交換は必要なく、減量分の新液を注ぎ足すだけで使用でき、液使用量、廃液発生量が共に少なくてすむ。また、従来の「マイクロクリーナー」と異なり、一液洗浄システムであるため、リンス工程が不要で槽数が削減され、よりコンパクトな設計となっている（写真3）。