水溶性フラックス残渣

サマリー

・水溶性フラックスは、残渣に吸湿性があるため、洗浄が必須である。
・半導体の分野では、基板の高密度化やDIEの大型化に伴い、水のみで洗浄できない事例が増えてきている。
・洗浄装置の最適化や、水溶性フラックス洗浄剤（パインアルファST-230A）の使用が、残渣の除去に効果的である。

水溶性フラックスの特徴

製造メーカーにより多少の違いはありますが、一般的に水溶性フラックスはPEG（ポリエチレングリコール）等の水溶性成分で構成されています。したがって、水溶性フラックスは水で洗浄することが可能です。ロジン系フラックスの中には、はんだ実装後に洗浄不要なものもありますが、水溶性フラックスは、はんだ実装後の残渣に吸湿性があり、腐食や導電の恐れがあるため、洗浄が必須となります。

	水溶性フラックス	ロジン系フラックス
洗浄の必要性	必須	不要な場合もある
洗浄剤	水でも可能	パインアルファなど専用の洗浄剤

・ロジン入り水溶性フラックス

一部の水溶性フラックスには、ロジンなどの非水溶用物質を含有しているにもかかわらず、水溶性と表示している製品※があります。このようなフラックスは水洗浄が難しく、準水系洗浄剤や、アルカリ洗浄剤などの使用が必須となります。
（※製品SDSの組成情報の項目にロジン類が記載されている水溶性フラックス）

水溶性フラックスの問題点

半導体パッケージには水溶性フラックスが使用されていますが、基板（サブストレート）の高密度化やチップ（DIE）の大型化により、水のみでは洗浄できない事例が増えてきています。基板とチップの隙間（Bump Gap）やバンプピッチ（Bump Pitch）が狭くなるほど（狭ギャップ化）、またチップの面積が大きくなるほど（大面積化）、隙間内部に液が浸透し難くなり、洗浄に時間を要したり、洗浄自体が不可能になったりすることがあります。

一方、フラックス側の問題としては、最新の半導体製品に対応した水溶性フラックス成分の改良や、リフロー条件の変更（高温化、長時間化）により、フラックスそのものが難洗浄化することや、水に溶けないはんだ金属塩（スズ塩等）が生成し、洗浄不良を引き起こすことがあります。

解決策

・洗浄装置の最適化により、隙間洗浄性を向上させる

洗浄装置面での解決策としては、高圧シャワーにより隙間内へ液を浸透させ、その液流で内部を洗浄する方法や、洗浄チャンバー内でワークを液に浸し、減圧して隙間内の気泡を取り除いたうえで、超音波洗浄等を行う方法（減圧洗浄）などが効果的です。ただし、後者はラボ検討や試作製造などの少量生産向けであり、工場で大量生産を行う場合は前者のシャワー洗浄が最適です。

・水溶性フラックス洗浄剤（パインアルファST-230A）を使用する

フラックス由来の難洗浄成分やリフロー時に生成するはんだ金属塩などを水だけで除去するのには限界があるため、それらの溶解に特化した洗浄剤を使用することが最も効果的です。荒川化学のパインアルファST-230Aは、狭隙間内の水溶性フラックス洗浄用に開発した洗浄剤です。樹脂成分やはんだ金属塩類の除去性に加え、コスト、安全性にも優れた洗浄剤です。

［パインアルファST-230Aの特徴］

コスト：水で10～20倍希釈して使用、廃水負荷も低減
安全性：中性タイプ　pH8.8（10倍希釈品）
腐食性：アルミ、銅、はんだ金属（SAC）、OSP等に対する腐食、変色無し
洗浄装置：シャワー、超音波、液中JET、ダイレクトパス等、各種洗浄方式に対応

［洗浄性評価結果］

・フラックス溶解性評価（浸漬洗浄）

テスト基板：水溶性フラックス（千住金属製WF-6070およびWF-6317）を銅パッド面にマスク印刷し、はんだボール（SAC）を搭載し、240℃、90秒加熱した基板を使用。

洗浄実験：70℃に加温した各液に15分間浸漬した。

ST-230A洗浄品：はんだ金属表面には金属光沢があり、はんだ金属の腐食なし。金属塩なし、フラックス樹脂残渣なし。
水洗浄品：はんだ金属表面全体に金属塩残渣があり、白く曇って見える。

レジスト面にはフラックス樹脂残渣あり。

・隙間洗浄性評価（シャワー洗浄）
テスト基板：ソルダーレジスト開口80μm、バンプピッチ180μm、バンプ高さ35μm、バンプエリア50×40ｍｍの基板を使用。各フラックスをバンプ面全体に約45mg塗布し、240℃90秒加熱、50×40mmのガラス板を載せ、四隅を接着剤で固定した（写真参照）。
洗浄実験：写真赤線部分にシャワー噴流を当てる、基板の搬送なし、洗浄剤温度70℃、シャワー圧0.3MPa。フラックスが溶解するまでの時間を比較した。