CN101589162A - 无铅焊料中过量铜的析出分离装置 - Google Patents

Abstract

用于析出/分离溶出于包含锡作为主成分的无铅焊料中的过量铜的装置。使用该装置，可安全有效地回收锡。该装置(1)可使溶出于包含以锡作为主成分的无铅焊料中的铜作为金属间化合物析出以分离铜。其具有包含下述的构造：析出槽(2)，其中，将溶出有铜的无铅焊料保持熔融状态的同时，在从外部投入的金属和熔融焊料中的铜、与熔融焊料中的锡之间，析出金属间化合物；造粒槽(4)，其具有多孔板(31)、(32)和(33)，并且其中，使熔融无铅焊料通过多孔板，从而使金属间化合物的颗粒互相结合并增大其粒径；和分离槽(5)，其中增大了的金属间化合物颗粒在熔融的无铅焊料中沉积并分离。

Description

无铅焊料中过量铜的析出分离装置

技术领域

本发明涉及，在具有铜箔的印刷基板、具有铜引线的实际安装部件等的无铅焊接工序中，使溶出到以锡作为主成分的无铅焊料中的过量铜作为金属间化合物析出并分离的装置。

背景技术

无铅焊料以锡(Sn)作为主体，其中适量地含有铜、银、锌、镍、钴、铋、铟、磷、锗等，在熔点以上通常250℃左右的温度范围下产生润湿作用。因此，焊接工序是将印刷基板等的构件浸于加热至该温度范围内的焊料槽中，或使印刷基板等构件接触焊料槽内形成的熔融焊料的喷流来实施。

但是，印刷基板或部件的引线等之中使用的铜，在上述焊接工序中被加热至上述温度范围，溶出于焊料中。这就是所谓的“铜浸出”。该铜浸出产生时，焊料槽中的铜浓度急剧上升，使得焊料的熔点上升，因而给焊料的表面张力、流动性带来影响。其结果，产生焊接整平中的表面粗糙、短路、凹坑、虚焊、焊瘤和下塌等缺陷，造成焊料品质下降。

因此，焊料槽中的铜浓度上升时，可对焊料槽中的焊料的部分或全部进行替换。此时，取出的使用完的焊料或者直接废弃，或者加以某种处理分离过量的铜对锡进行回收，将回收的锡作为原料再利用。

一直以来作为锡的回收方法，可使用利用熔点差的方法、电解精炼法等。

但是，现有的锡的回收方法需要大型的设备，因而产生扩大设备的设置面积的需要，此外，为了保持被精炼物的温度至高温，要解决火焰的问题，或必需消耗大量电力的加热器或电解槽等的装备。因此，不利于环境，令作业变得危险且低效。

发明内容

本发明是为了解决上述以往的问题而进行的发明，其目的在于提供为了安全且高效地回收锡，使溶出于无铅焊料中的过量铜析出并分离的装置。

为了实现上述目的，发明人进行了深入研究，结果获得了以下见解。

(1)将金属，即Ni、Co、Fe等的元素，利用经纯锡高浓度地稀释的母合金，适量地添加到溶出有过量铜的无铅焊料槽中时，锡铜熔融合金与其反应并作为金属间化合物、即(CuX)₆Sn₅类化合物(其中，X为Ni、Co、Fe等添加的元素)析出。所以，只要分离该(CuX)₆Sn₅类化合物，即可回收残留的锡(Sn)。

(2)另一方面，上述(CuX)₆Sn₅类化合物，由于粒小，漂浮于熔融焊料中，所以回收并不容易。若长时间放置，不久微细的(CuX)₆Sn₅类化合物即沉淀回收变得容易，但是长时间维持焊料熔融的230-250℃这一温度造成能耗的上升。因此，为了高效地分离、除去(CuX)₆Sn₅类化合物，有用的是使该类微细化合物粗大并加快沉降速度。

于是，本发明人基于上述见解进行了进一步研究，结果发现使析出有金属间化合物的熔融焊料通过形成有大量微孔的多孔板时，微细化合物在通过微孔时，互相结合并变粗大。这种变粗大的金属间化合物与结合前的微细化合物相比，在熔融焊料中的沉降速度变快。

因此，本发明用作解决手段的是：使溶出于以锡作为主成分的无铅焊料中的铜作为金属间化合物析出并分离的装置，其特点在于具有：将溶出有铜的无铅焊料保持熔融状态的同时，使从外部投入的金属以及熔融焊料中的铜、与前述熔融焊料中的锡之间，析出金属间化合物的析出槽，和多孔板；具备使熔融无铅焊料通过前述多孔板，从而使前述金属间化合物互相结合并增大粒径的造粒槽，和使粗大化的金属间化合物在熔融无铅焊料中沉降并分离的分离槽。

此外，优选造粒槽相对于熔融焊料的流路依次配置有：设置有大量小直径的孔的第1多孔板和设置有大量大直径的孔的第2多孔板，使熔融无铅焊料通过第1多孔板后，再通过第2多孔板。这样，通过小直径的孔时结合的金属间化合物在通过大直径的孔时也进行结合，粒径逐渐增大，因此可以更高效地在分离槽中进行沉降分离。

此外，造粒槽若按下述构成，即将多孔板设置成筒状，对该筒状的上下部进行密封的同时，在该筒状多孔板的内侧连接供给析出了金属间化合物的无铅焊料的供给管，则从筒状多孔板的内侧到外侧熔融无铅焊料流出时，金属间化合物互相之间结合，其粒径变大。

此外，造粒槽若按下述构成，即将第1和第2多孔板设置为筒状板，将第2多孔板配置在第1多孔板的外侧，同时密封各筒状板的上下端部，在第1多孔板的内侧连接供给析出了金属间化合物的无铅焊料的供给管，则熔融焊料依次通过第1多孔板和第2多孔板，因而通过小直径的孔时结合的金属间化合物在通过大直径的孔时也再次结合，粒径逐渐变大，可进一步增大从第2多孔板流出的金属间化合物的粒径，因此可更加高效地进行分离槽中的沉降分离。

但是，设置在造粒槽中的多孔板的数量是任意的，相对于熔融焊料的流路配置至少1块多孔板即可。此外，配置多块多孔板时，可使金属间化合物在各多孔板中互相结合，逐渐增大其粒径。该情形中，相对于熔融焊料的流路，优选设置在上游侧的多孔板的孔的内径小于设置在下游侧的多孔板的孔的内径。

另一方面，分离槽为了使粗大化的金属间化合物沉积在槽内底部中心部，优选采用设置有使在槽内的熔融焊料中产生涡流的涡流发生单元的构成，通过该涡流将粗大化的金属间化合物导向槽的中心部。该涡流发生单元可通过在分离槽的内部设置搅拌单元来实现，但在该情形中，有必要对于分离槽另行设置搅拌单元和其驱动机构。因此，通过使含有粗大化的金属间化合物的熔融无铅焊料向分离槽供给时的喷嘴，相对于垂直轴倾斜地配置，以该喷嘴自身作为涡流发生单元的构成是优选的。

此外，上述构成中，析出槽中投入的金属，只要是可在熔融焊料中的铜与熔融焊料中的锡之间，析出金属间化合物即可，优选该元素X选自Ni、Co和Fe等过渡金属的1种以上。

根据本发明，析出槽中投入的金属和熔融焊料中的过量铜、与熔融焊料中的锡之间形成的金属间化合物在析出槽中析出，该微细颗粒的金属间化合物在造粒槽粗大化，因此，分离槽中金属间化合物的沉降速度变快，可高效地分离过量铜。所以，不需要以往那样的大型设备，可安全且高效地回收锡。

附图说明

图1：无铅焊料中的过量铜的析出分离装置的一构成例的示意图。

图2：说明基于无铅焊料中的过量铜的析出分离装置的锡回收处理的概要的工艺图。

图3：表示析出槽的一例的示意图。

图4：造粒槽的概念性构成的示意图。

图5：表示设置在造粒槽中的造粒单元的一构成例的缺少一部分的图。

图6：分离槽的概念性构成的示意图

图7：分离槽中沉降分离的情况的示意图，(a)表示利用涡流搅拌时的状态，(b)表示涡流停止后的状态。

符号说明

1：过量铜的析出分离装置

2：析出槽

3：造粒单元

4：造粒槽

5：分离槽

10：喷嘴

31、32、33：多孔板

50：涡流发生单元

具体实施方式

以下，参照附图的同时对本发明的实施方式进行详细说明。图1为本发明所述无铅焊料中的过量铜的析出分离装置1的一构成例的示意图。该析出分离装置1包含：使溶出于熔融焊料中的过量铜作为金属间化合物析出的析出槽2，和具备造粒单元3的造粒槽4，和对过量铜的金属间化合物进行沉降分离的分离槽5，析出槽2和造粒槽4通过具备阀门6的供给管7连接，从析出槽2向造粒槽4供给熔融焊料，同时造粒槽4和分离槽5通过具备阀门8的供给管9连接，从造粒槽4向分离槽5供给熔融焊料。向分离槽5中供给熔融焊料的供给管9的前端设有喷嘴10，熔融焊料从该喷嘴10的前端开口流入分离槽5中。此外，分离槽5进一步设有阀门11和管12以回收分离出去过量铜后的无铅焊料(主成分为锡)。

图2是基于析出分离装置的锡回收处理的工艺图。该装置1中，首先，向析出槽2供给印刷基板等的铜浸出所造成的含有过量溶出的铜的熔融焊料(工艺P1)。但是也可以将进行焊接工序用的焊料槽自身作为析出槽2利用。向析出槽2添加金属，使过量铜作为规定的金属间化合物析出(工艺P2)。具体地，添加元素X时，元素X在铜以及锡之间作为(CuX)₆Sn₅类化合物析出。含有该金属间化合物的熔融焊料供给到造粒槽4，在造粒槽4中进行造粒(工艺P3)。即，上述金属间化合物颗粒小，因而通过造粒单元3对其进行造粒而粗大化。然后将含粗大化的金属间化合物的熔融焊料供给到分离槽5，在分离槽5分离金属间化合物(工艺P4)。然后从分离槽5进行锡(Sn)的回收和已分离金属间化合物的回收(工艺P5、P6)。回收的锡，例如可作为新焊料原料再利用。此外过量铜的金属间化合物或者被废弃，或者通过之后的精炼，作为铜、锡其它的原料再利用。

图3是表示析出槽2的一例的概念图。例如，使溶出有过量的铜的无铅焊料13流入析出槽2中，用加热器21将其加热至规定的温度范围，将无铅焊料13维持于熔融状态。在该状态下，通过经纯锡高浓度地稀释规定元素X的母合金，向析出槽2适量添加作为金属的元素X。通过添加元素X的金属，(CuX)₆Sn₅类化合物14在析出槽2中析出。此外，利用加热器21获得的加热温度，设定在焊料溶出的温度以上，析出的(CuX)₆Sn₅类化合物不溶解的温度以下即可。即设定为230-250℃即可。

作为元素X，可以是与铜(Cu)不形成金属间化合物，而与锡(Sn)形成金属间化合物的元素，例如可举出Ni、Co、Fe、Pt等。此外，更优选Ni、Co、Fe等的过渡金属。适量添加这些元素，则在熔融焊料中，形成具有比焊料熔点高的结晶构造的金属间化合物，即(CuX)₆Sn₅。但添加的元素X不必需是1种，也可以添加选自Ni、Co、Fe等的2种以上的元素X。并且使金属间化合物析出后，经由设置在析出槽2的底部的排出口22上连接的供给管7，将熔融焊料13导入造粒槽14.

图4是造粒槽4的概念性构成的示意图，图5是表示设置在造粒槽4中的造粒单元3的一构成例的缺少一部分的图。如图4所示，造粒槽4，其内部具有造粒单元3，同时具备加热造粒槽4的加热器41，加热器41将造粒槽4内的温度加热至230-250℃，将无铅焊料保持于熔融状态。并且通过使熔融焊料通过造粒槽4内的造粒单元3，令含于熔融焊料内的微细金属间化合物粗大化，造粒成易于和熔融焊料分离的大粒的金属间化合物。造粒单元3具有复数的多孔板31、32、33，多孔板31、32、33各自设有贯通表里的大量孔。优选形成为多孔板31、32、33沿熔融焊料的流路从上游侧依次配置，随着从上游侧至下游侧，孔径逐渐增大。因此，形成方式为：多孔板31上形成的孔的孔径与别的多孔板32、33的孔径相比最小，多孔板32上形成的孔的孔径变得比多孔板31的孔径大，比多孔板33的孔径小，多孔板33上形成的孔的孔径与别的多孔板31、32的孔径相比最大。从供给管7供给的熔融焊料导入到该造粒单元3中，依次通过多孔板31、32、33，从造粒单元3流出。

多孔板31、32、33的形状没有特别限定，可将平板依次并列，也可以是筒状板。例如本实施方式中，如图5所示，将多孔板31、32、33设置为同心圆状配置的筒状板，各多孔板31、32、33从内测按该顺序配置。并且各筒状多孔板31、32、33的上下端部被上板3a和下板3b所密封，供给管7与配置于最内侧的多孔板31的内侧相连接，含有来自析出槽2的金属间化合物的熔融焊料流入多孔板31的内侧。并且流入多孔板31的内侧的熔融焊料，通过多孔板31的孔31a，流进多孔板31和32之间，之后，通过多孔板32的孔32a流入多孔板32和33之间。进而，通过多孔板33的孔33a，流出到造粒单元3的外侧。

各多孔板31、32、33上设置的大量孔31a、32a、33a，随着从造粒单元3的内侧向外侧，孔径逐渐变大。即，形成为造粒单元3的最内侧(即，熔融焊料流路的上游侧)上配置的第1多孔板31的孔31a的孔径要比第2多孔板32的孔32a的孔径小，第2多孔板32的孔32a的孔径要比第3多孔板的孔33a的孔径小。例如，可以取第1多孔板31的孔31a的孔径为2mm，第2多孔板32的孔32a的孔径为3mm，第3多孔板的孔33a的孔径为4mm。此外，作为多孔板，也可以如同金属网那样，但从强度的观点、内径尺寸精度的观点出发，优选如图5所示，对金属板打孔形成大量的孔，即优选使用打孔金属。

通过使金属间化合物即(CuX)₆Sn₅类化合物14和熔融焊料一道，依次通过上述多个多孔板31、32、33，从而(CuX)₆Sn₅类化合物14在通过多孔板31、32、33的孔31a、32a、33a时进行结合，一点点的增大其粒径。随后在造粒槽4造粒，含有粗大化的金属间化合物的熔融焊料，经由设置于造粒槽4的底部的排出口42上连接的供给管9，供给到分离槽5中。

此外，本实施方式中，作为造粒单元3，例示了配置有3枚多孔板的情形，但多孔板的数目是任意的。例如，即便多孔板取为1枚，在通过多孔板上设置的孔时，金属间化合物也可进行结合并增大粒径。此外，可将多孔板取为2枚，也可配置为4枚以上的构成。

图6为分离槽5的概念性构成的示意图。分离槽5是对熔融焊料13中的粗大化的金属间化合物进行沉降分离的槽，并具备加热器51，以将槽内温度加热至230-250℃并将焊料保持为熔融状态。此外，分离槽的底部中央设置有用以回收锡(熔融焊料)的管12连接的排出口53，该排出口53的上部，设置有接收沉积金属间化合物的金属网等构成的接收皿52。因此，在使金属间化合物沉降时，优选使金属间化合物朝向底部中央的接收皿52沉降。因此，该分离槽5构成为，在槽内的熔融焊料13中产生涡流55，通过该涡流55使金属间化合物向槽中心部集中。作为该涡流发生单元50，本实施方式中，如图6所示，使向分离槽5供给含有粗大化的金属间化合物14的熔融无铅焊料的供给管9的前端上设置的喷嘴10，相对于垂直轴倾斜，通过沿分离槽5的内壁供给熔融焊料，来在槽内的熔融焊料13中产生涡流55.但是并不限定于该方式，也可通过在分离槽5的内部设置搅拌单元来产生涡流55。

图7是分离槽5当中的沉降分离的示意图，分别表示(a)涡流引起的搅拌时的状态、(b)涡流停止后的状态。如图7(a)所示，在分离槽5内产生涡流55的状态下，金属间化合物14，即(CuX)₆Sn₅类化合物被拉至该涡流55，逐渐集中于分离槽5的中心部的下部。之后，当熔融焊料向分离槽5的供给停止并使涡流停止时，如同图(b)所示，沉积于分离槽5的底部中央的接收皿52上。这样的状态下，如果打开分离槽5的排出口53上连接的管12的喷嘴11(参见图1)，则可回收包含高纯度的锡的熔融焊料13。此外，也可构成为在分离槽5的侧壁上部设置排出口，仅排出熔融锡的上清，进行回收，所述排出口用于回收作为熔融焊料13残留的高纯度的锡。

此外，图例中例示了排出口53的上部设置接收皿52，以该接收皿52来回收金属间化合物，但并不限定于这种形式。例如也可构成为，不设接收皿52，使金属间化合物从排出口53直接排出，使包含高纯度锡的熔融焊料残留于分离槽5中。此外，也可构成为，使金属间化合物沉积在分离槽5的底部中央后，在分离槽5的内部配置其它吸引单元，从上方吸引金属间化合物。

如上述的无铅焊料中的过量铜的析出分离装置1，通过将溶出有过量铜的熔融焊料，在析出槽2、造粒槽4和分离槽5中依次处理，可实现分离过量铜并高效地回收高纯度的锡。特别地，造粒槽4中，通过造粒单元3，增大从过量铜生成的金属间化合物的微细颗粒，因而可以加快分离槽5中的金属间化合物的沉降速度，高效地分离过量铜。同时，在分离金属间化合物时，可抑制能耗的上升。此外，该装置设备，和以往的锡回收方法中使用的设备相比，其优点在于规模极小且不伴有危险的设备，因而可确保作业的安全性。

此外，可以从浸渍焊料槽或喷流焊料槽回收使用过的焊料，也在废料处理厂利用上述装置1来回收锡，而不需要转移至别的场所，即可在浸渍焊料槽或喷流焊料槽的旁边设置装置1，在焊接作业的同时进行锡的回收。后者的情形中，可连续地分离过量溶出的铜，因而也有用于调整焊料槽内的铜浓度。

产业利用性

根据本发明，可分离溶出于无铅焊料槽中的过量铜，并高效地回收锡。这样回收的锡可作为焊料资源再利用。

Claims (7)

1、无铅焊料中的过量铜的析出分离装置，其是使溶出于以锡作为主成分的无铅焊料中的铜作为金属间化合物析出并分离的装置，其特征在于具备：

析出槽，所述析出槽在将溶出有铜的无铅焊料维持于熔融状态的同时，在从外部投入的金属和熔融焊料中的铜、与上述熔融焊料中的锡之间，使金属间化合物析出；

造粒槽，所述造粒槽具有多孔板，并且使熔融无铅焊料通过所述多孔板，从而使所述金属间化合物互相结合并增大粒径；和

分离槽，所述分离槽中，粗大化的金属间化合物在熔融无铅焊料中沉降并分离。

2、权利要求1所述的无铅焊料中的过量铜的析出分离装置，其中，所述造粒槽具备大量设置有小直径的孔的第1多孔板和，大量设置有大直径的孔的第2多孔板，并且使熔融无铅焊料通过所述第1多孔板后，通过所述第2多孔板。

3、权利要求1所述的无铅焊料中的过量铜的析出分离装置，其中，所述造粒槽将所述多孔板设置为筒状，对该筒状的上下部进行密封的同时，在所述筒状多孔板的内侧连接供给析出了金属间化合物的无铅焊料的供给管而成。

4、权利要求2所述的无铅焊料中的过量铜的析出分离装置，其中，所述造粒槽将所述第1和第2多孔板设置为筒状，将第2多孔板配置在第1多孔板的外侧，同时密封各筒状板的上下端部，在所述第1多孔板的内侧连接供给析出了金属间化合物的无铅焊料的供给管而成。

5、权利要求1-4中任一项所述的无铅焊料中的过量铜的析出分离装置，其中，所述分离槽具有使涡流在槽内产生的涡流发生单元，以将粗大化的金属间化合物导入涡流的中心部。

6、权利要求5所述的无铅焊料中的过量铜的析出分离装置，其中，所述涡流发生单元由使向所述分离槽供给含有粗大化的金属间化合物的熔融无铅焊料时的喷嘴10相对于垂直轴倾斜而成。

7、权利要求1-6中任一项所述的无铅焊料中的过量铜的析出分离装置，其中，所述金属为过渡金属。

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