JP2005088073A - はんだ槽、ヒータおよび金属基材の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 はんだ槽、ヒータおよび金属基材の表面処理方法において、熱応力が作用しても表面のひび割れや剥離が起こりにくく、鉛フリーはんだなどの錫合金に対して経時的に安定した耐食性を備えることができるようにする。
【解決手段】 はんだ壺、ヒータなど鉛フリーはんだなどの錫合金に対して接触する金属基材の表面を覆う中間金属層２１と、セラミックスからなる表面保護層２０とを順次溶射により形成するようにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、はんだ槽、ヒータおよび金属基材の表面処理方法に関する。

近年、有害金属の自然環境への拡散を防止するため、種々の取り組みが行われている。特に電機業界では、はんだに含まれる鉛（Ｐｂ）の使用量を低減することが急務となっており、鉛を使用しない錫（Ｓｎ）系の低融点合金、いわゆる鉛フリーはんだが普及しつつある。
鉛フリーはんだは、錫−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系、錫−銅系、錫−亜鉛（Ｚｎ）系などが知られている。それらには、他の金属として、例えばビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）などが適宜含有される。これら鉛フリーはんだには、錫が約９０％以上含まれるのが一般的である。
これら鉛フリーはんだは、従来の鉛−錫共晶はんだと同様に、ヒータとはんだ壺とを備えるはんだ槽において融解されて、はんだ壺内に貯留される。そしてこのようなはんだ槽は部品を載せたプリント基板やリード線をディッピングするのに用いられる。
従来、このようなはんだ壺やヒータが鉄鋼を基材として製作される場合、鉄が鉛フリーはんだに溶け込んで腐食することを防止するために、特殊な窒化処理を施したり、耐食性に優れるステンレス鋼を用いたりしていた。ところが、鉛フリーはんだでは、腐食性の強い錫が多量に含まれるとともに、融点が高いため加熱温度が上昇しているので、より腐食性が強まることが明らかとなった。
すなわち、はんだ壺など鉛フリーはんだに触れる箇所に短期間で孔が空いてしまうため交換頻度が高くなったり、貯留されたはんだに基材のイオン化物が溶け込むためはんだの品質が損なわれたりするといった問題があった。
そこで、窒化処理やステンレス鋼に代わる耐食性向上技術が強く望まれていた。
例えば、特許文献１には、母材のステンレス鋼の表面にガラス材またはセラミックス材を溶射してなる耐熱性コーティング層を設けたはんだ槽（上記のはんだ壺に相当）およびはんだ加熱装置が記載されている。また、母材と耐熱性コーティング層との間にモリブデン層とその酸化膜層とが形成されたはんだ槽およびはんだ加熱装置が記載されている。
特開２００２−３３６９６０号公報（第４−５頁、図１−３）

しかしながら、上記のような従来のはんだ槽やヒータには以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、セラミックス材による耐熱性コーティング層により、腐食の進行を抑えられるものの、はんだ槽は常時加熱されているため、熱膨張率が大きく異なるステンレス鋼とセラミックス材との境界部において熱応力が発生し、耐熱性コーティング層にひび割れが生じやすくなっていた。そこで、ひび割れ部から耐熱性コーティング層が剥離したり、ひび割れ部から錫が侵入して母材のステンレス鋼が腐食されたりする結果、寿命が短くなるという問題があった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、熱応力が作用しても表面のひび割れや剥離が起こりにくく、鉛フリーはんだなどの錫合金に対して経時的に安定した耐食性を備えるはんだ槽、ヒータおよび金属基材の表面処理方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、はんだを加熱して融解するヒータと、該ヒータにより融解された液体状のはんだを貯留するはんだ壺とを備えるはんだ槽であって、前記はんだ壺が金属を基材として形成され、少なくとも前記はんだが貯留される側の表面上で前記基材を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、前記基材側から順次、溶射により形成されてなる。
この発明によれば、溶射により金属基材を覆う中間金属層が形成されることにより、その上に溶射される表面保護層がなじみやすい凹凸表面を形成することができる。中間金属層と金属基材とは金属同士のため密着性がよく、一方セラミックスを溶射して形成される表面保護層は、中間金属層の凹凸表面により中間金属層との密着性を向上することができる。セラミックスは錫により腐食されないから、この表面保護層により金属基材が保護される。また、金属基材と中間金属層、ならびに中間金属層と表面保護層との間には、高い密着性を得られるので、それぞれの熱膨張率の違いによる熱応力が作用しても剥離が起こらないようにすることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のはんだ槽において、前記はんだ壺のはんだ貯留領域に、前記融解されたはんだの流れを形成して被はんだ付け物に沿って流すはんだ流形成手段を備え、該はんだ流形成手段の金属部の表面に、該金属部を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、この順に溶射により形成されてなる。
この発明によれば、例えばポンプなどのはんだ流形成手段を備えることによりはんだの流れを形成し被はんだ付け物に沿って流す、いわゆるフローはんだ槽において、はんだ流形成手段の金属部に中間金属層、表面保護層を設けるので、はんだ流形成手段の錫に対する耐食性を向上でき、信頼性の高いはんだ槽とすることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のはんだ槽において、前記ヒータが、絶縁被覆された発熱体を金属管で覆ってなるヒータであって、前記はんだ壺のはんだ貯留領域に配置されてなり、前記金属管の表面に、該金属管を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、この順に溶射により形成されてなる。
この発明によれば、ヒータの金属管に、中間金属層、表面保護層を設けるので、ヒータをはんだ貯留領域に配置してもはんだを直接加熱できるはんだ槽とすることができ、しかもヒータの錫に対する耐食性を向上できるので、信頼性の高いはんだ槽とすることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれか記載のはんだ槽において、前記はんだ壺のはんだ貯留領域に、金属管に覆われた温度センサが配置され、該温度センサの金属管の表面に、該金属管を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、この順に溶射により形成されてなる。
この発明によれば、温度センサを覆う金属管に、中間金属層、表面保護層を設けるので、温度センサの錫に対する耐食性を向上でき、信頼性の高いはんだ槽とすることができる。

請求項５に記載の発明では、絶縁被覆された発熱体を金属管で覆ってなるヒータであって、前記金属管の表面に、該金属管を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、この順に溶射により形成されてなる。
この発明によれば、請求項３に用いることができるヒータとなるから、請求項３と同様の作用効果を備える。

請求項６に記載の発明では、融解された錫合金に曝されるはんだ槽、ヒータなどに用いる金属基材の表面処理方法であって、前記金属基材の表面に、該金属基材を覆う中間金属層を溶射によって形成し、該中間金属層の上に、セラミックスを溶射して表面保護層を形成する方法とする。
この発明によれば、請求項１〜５のいずれかに記載のはんだ槽、またはヒータに表面保護層を形成するのに好適な表面処理方法となる。

本発明のはんだ槽、ヒータおよび金属基材の表面処理方法によれば、金属基材上に、溶射によって中間金属層、表面保護層を形成することにより、熱応力が作用しても表面のひび割れや剥離が起こりにくく、鉛フリーはんだなどの錫合金に対して経時的に安定した耐食性を備えることができ、信頼性を向上することができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なおすべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
図１は、本発明の実施形態に係るはんだ槽について説明するための斜視説明図である。図２は、本発明の実施形態に係るはんだ槽の詳細構成を説明するための、図１におけるＡ−Ａ断面を含む模式説明図である。図３は、本発明の実施形態に係る金属基材の表面処理方法により形成された保護層の概略構成を説明するための模式説明図である。

本発明の実施形態に係るはんだ槽１について説明する。
はんだ槽１は、はんだを加熱融解して所定温度に保って貯留し、必要に応じて上方から、リード線、プリント基板、電子部品などを融解はんだにつけることができるようにしたものであり、特に鉛フリーはんだを貯留するのに好適なものである。
その概略構成は、基台４に、はんだ壺２、加熱部３（ヒータ）および温度調節部５が収められてなる。

はんだ壺２は、図２にＡ−Ａ断面図を示したように、有底円筒状のはんだ貯留部２ｂの開口端部にフランジ部２ａが設けられた融解はんだ貯留用の容器である。はんだ貯留部２ｂの内周部の円筒空間ははんだ貯留領域を形成する。
はんだ壺２の材質は、ステンレス鋼板（金属基材）、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などからなり、はんだ貯留部２ｂの内周面およびフランジ部２ａの上面側に保護層２Ｂが全面にわたって設けられている。符号６は、融解して貯留された鉛フリーはんだを示す。

保護層２Ｂは、鉛フリーはんだ６がはんだ壺本体２Ａと接触するのを防止するためのもので、図３に示したように、はんだ壺本体２Ａ上に、クロム（Ｃｒ）およびニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属を溶射して形成した中間金属層２１と、鉛フリーはんだ６に溶け出さないセラミックスを溶射して形成した表面保護層２０とが、この順に積層された構成を有する。

中間金属層２１の材質は、金属基材との接着性がよく、溶射しやすいものであれば、どのような材質の金属でもよいが、５００℃程度まで加熱されるはんだ壺２の場合には、ＣｒやＮｉ、またはその両方を採用できる。例えば、ＣｒとＮｉの溶射用の線材を適宜の比で用いて、はんだ壺本体２Ａ上でＣｒ−Ｎｉ合金が形成されるようにすることができる。あるいは、Ｃｒ、Ｎｉの他に適宜の金属を添加したＣｒ−Ｎｉ合金線材を用意しておき、それを溶射して、中間金属層２１を形成してもよい。
本実施形態の場合、はんだ壺本体２Ａがステンレス鋼板であり、Ｃｒ、Ｎｉのいずれともなじみがよいので、Ｃｒ：Ｎｉの比の範囲は比較的自由に決めることができるが、例えば１：１、あるいはそれに近い比を好適に採用することができる。
中間金属層２１の厚さｔ_１は、約５０μｍ程度とすることができる。
ここで、中間金属層２１の表面には、溶射後に自然状態の空気と接触して酸化膜が形成されている場合があるが、数ｎｍ程度ときわめて薄いため、その有無は無視できる。

また、中間金属層２１の金属として、金属基材の加熱温度がより低い場合には、例えばモリブデン（Ｍｏ）などを採用することができる。また５００℃より高温であれば、Ｃｒ、Ｎｉより耐熱性の優れた他の金属または合金を採用することができる。

表面保護層２０の材質は、鉛フリーはんだ６にほとんど溶け出さないセラミックスであって、溶射可能であり、鉛フリーはんだ６の貯留温度である２００℃〜２５０℃程度の経時の耐熱特性を有する材料であれば、どのようなセラミックス材料でもよい。例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）やケイ酸塩、ジルコニア（ＺｒＯ_２）などを採用できる。また、それらセラミックス材料を適宜割合で混合したものも好適に採用することができる。
なお、一般的には、鉛フリーはんだ６は錫を９０％程度以上含んでいるため、融解した錫にほとんど溶け出さなければ、鉛フリーはんだ６にもほとんど溶け出さないと考えることができる。
表面保護層２０の厚さｔ_２は、薄すぎると、強度不足となりひび割れの原因ともなり、厚すぎると熱伝導性が悪くなり、はんだ壺２の温度制御の応答性が低下する。例えばセラミック材料としてＡｌ_２Ｏ_３を用いる場合、０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ程度が好適である。

加熱部３は、はんだ壺２のはんだ貯留部２ｂの外周方向を囲繞し、上面でフランジ部２ａの下面側を支持可能に設けられた大略円筒状部材であり、はんだ壺２を加熱して、鉛フリーはんだ６が融解する温度に保つためのものである。その概略構成は、発熱体３ａ、伝熱体３ｂおよび保護カバー３ｃからなり、基台４に、断熱材７を介して固定されている。
発熱体３ａは、例えばニクロム線などの高抵抗で耐熱性を有する電熱線をはんだ貯留部２ｂの外周部を取り巻くようにコイル状に巻いて構成され、端部に通電用の電線５ｄが接続されたものである。
伝熱体３ｂは、発熱体３ａを内部に含む円筒状部材であり、その内径側にはんだ貯留部２ｂの外周部が挿嵌され、上部端面がフランジ部２ａの裏面と当接可能な形状とされ、はんだ壺２を上方側に着脱可能としている。
保護カバー３ｃは、伝熱体３ｂの外周部を覆うカバーである。図２では、略図のため伝熱体３ｂに当接するように描かれているが、伝熱体３ｂの熱を外周側に伝わりにくいように隙間を設けたり、断熱性を有する構成としたりすることが好ましい。

温度調節部５は、不図示の電源から発熱体３ａに電流を流し、はんだ壺２が温度調節つまみ５ｂで調節された設定温度となるように、温度制御手段５ｃにより温度制御を行うものである。符号５ａは、電源を投入・切断するためのスイッチである。

次に、保護層２Ｂをはんだ壺本体２Ａに形成するための、本発明の実施形態に係る金属基材の表面処理方法について説明する。
まず、保護層２Ｂを設ける側のはんだ壺本体２Ａの表面に溶射の妨げとなる付着物がある場合は、必要に応じてこれを除去し清浄化する。
そして、表面に適宜混合率のＣｒとＮｉ、または他の少量金属を含むＣｒ−Ｎｉ合金を溶射し、中間金属層２１を形成する。なお、中間金属層２１の付着力を強化するために、例えばサンドブラスト処理などを予め施して、はんだ壺本体２Ａの表面を目粗ししておいてもよい（図３の境界面Ｓ_１参照）。
次に、セラミックス材料を中間金属層２１上に溶射する。
一般に、Ｃｒ、Ｎｉ、あるいはＣｒ−Ｎｉ合金は、線材として供給され、セラミックス材料は粉体として供給されるという違いはあるものの、本実施形態の溶射方法は適宜の溶射装置を用いた溶射方法を用いることができる。例えば、フレーム溶射、アーク溶射、プラズマ溶射などを必要に応じて用いることができる。

本実施形態の金属基材の表面処理方法によれば、はんだ壺本体２Ａの材質であるステンレス鋼との付着性が高いＣｒ、Ｎｉを主成分とする中間金属層２１を溶射して形成する。溶射では、溶射粒子が衝突し合って溶射皮膜が形成されるので、中間金属層２１の表面（図３の境界面Ｓ_２）は、溶射工法特有の凹凸形状が形成される（図３の境界面Ｓ_２）。
境界面Ｓ_２がこのように凹凸形状を有することにより、その上に形成される表面保護層２０を中間金属層２１に対して強固に付着させることができる。すなわち、表面保護層２０と中間金属層２１とは熱膨張率が異なるので、それぞれの層が延びる方向（図３の左右方向）に剪断応力が生じて剥離の原因ともなるが、本実施形態では、境界面Ｓ_２が層の厚さ方向（図３の上下方向）に凹凸形状をなして係合し合うため、層間の剥離が起こりにくいという利点がある。
また、中間金属層２１、表面保護層２０を溶射により形成するので、例えば真空蒸着などの他のコーティング方法に比べて、層厚の可変範囲を大きくとることができるとともに、材質の選択範囲を広げることができるものである。したがって、はんだ壺２の大きさや使用温度などに応じて、中間金属層２１、表面保護層２０の厚さや材質を比較的自由に選択できることができるという利点がある。

本実施形態のはんだ槽１によれば、鉛フリーはんだ６に曝されると腐食が促進される金属を金属基材とするはんだ壺本体２Ａであっても、鉛フリーはんだ６にほとんど溶け出さない表面保護層２０で表面が覆われているので、はんだ壺２が長寿命化され、交換コストや使用中に孔が空いてトラブルを起こすといった心配のない、信頼性の高いはんだ槽１とすることができる。
さらに、中間金属層２１を溶射で形成するために、表面に比較的大きな凹凸を有する境界面Ｓ_２が形成され、境界面Ｓ_２の熱変形による剪断応力が作用しても、剥離が起こりにくく、はんだ壺本体２Ａの腐食の原因ともなるひび割れの発生を防止できるという利点がある。

次に、本実施形態の変形例について説明する。
図４は、本実施形態に係るはんだ槽の変形例を説明するための斜視説明図である。図５は、図４のＢ−Ｂ断面である。図６は、本変形例に用いるシーズヒータの概略斜視図である。
本変形例の角形はんだ槽１０（はんだ槽）は、上記に説明したはんだ槽１のはんだ壺２に代えて角形はんだ壺１１（はんだ壺）を、加熱部３ａ代えてシーズヒータ１２（ヒータ）をそれぞれ備え、鉛フリーはんだ６の温度を計測するための温度センサ１３がはんだ貯留部１１ｂに設けられる。以下では、上記実施形態と異なる点を中心に簡単に説明する。

角形はんだ壺１１は、平面視角形形状を有する点がはんだ壺本体２Ａと異なる。そして、フランジ部２ａ、はんだ貯留部２ｂに対応して、フランジ部１１ａ、はんだ貯留部１１ｂを備え、いずれも板厚方向は、はんだ壺本体１１Ａ（金属基材）と保護層２Ｂとからなり、保護層２Ｂは、はんだ貯留領域を形成するはんだ貯留部１１ｂの箱状領域の内周面およびフランジ部１１ａの上面に設けられている。
はんだ壺本体１１Ａの材質は、はんだ壺本体２Ａと同様である。また保護層２Ｂの構成は、すでに述べた通りである。

シーズヒータ１２は、図５、６に示したように、角形はんだ壺１１のはんだ貯留部２ｂの底面上を蛇行して覆うように折り曲げられた円形断面を有する線状発熱体である。
シーズヒータ１２の概略構成は、発熱体１２ａ、伝熱体１２ｂ、金属管１２ｃからなる。
発熱体１２ａ、伝熱体１２ｂは、周知のシーズヒータの構成を採用することができる。すなわち、発熱体１２ａは、ジュール熱を発生させるための電熱線であり、径方向の略中心に配置されている。そして角形はんだ壺１１の外側に出された端部（不図示）において温度調節部５に電気的に接続されている。伝熱体１２ｂは、発熱体１２ａを径方向に覆って絶縁被覆するとともに発熱体１２ａで発生した熱を径方向に伝熱するものである。
金属管１２ｃは、伝熱体１２ｂを覆って保護するとともに、外部に放熱するためのもので、耐熱性、耐食性の高い金属、例えばステンレス鋼からなり、表面に保護層２Ｂが形成されている。保護層２Ｂの構成と形成方法は、上記に説明したはんだ壺本体１１Ａなどの表面に設けた保護層２Ｂと同様なので説明を省略する。

温度センサ１３は、熱電対１３ａの周りを絶縁層１３ｂで被覆し、それらをステンレス鋼からなる金属管１３ｃで被覆して構成される。そして、金属管１３ｃの表面のうち少なくとも角形はんだ壺１１内に入れ鉛フリーはんだ６と接触する可能性のある部分に保護層２Ｂが形成されている。

このような角形はんだ槽１０によれば、シーズヒータ１２を鉛フリーはんだ６に浸して直接的に加熱できるから、効率よく加熱保温できるはんだ槽とすることができる。そして、角形はんだ壺１１、シーズヒータ１２の表面に保護層２Ｂが設けられるので、いずれも錫に対する耐食性を向上でき、信頼性の高いはんだ槽とすることができる。

なお、上記の説明では、最も効果的な例として、はんだ槽に鉛フリーはんだを貯留する例で説明したが、通常のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだを貯留してもよいことは言うまでもない。
また、上記の説明では、金属基材がステンレス鋼の例で説明した。従来の鉛フリーはんだ用のはんだ壺やヒータはステンレス鋼が用いられることが多いので、このようにすることにより、従来の成型用金型を共通利用できる利点があるが、中間金属層との密着性がよければ他の鉄鋼や他の金属を用いてもよいことは言うまでもない。

また、上記の説明では、いわゆるディップはんだ槽の例で説明したが、これは一例であって、はんだ槽はディップはんだ槽に限定されない。例えば、はんだ壺のはんだ貯留領域に、融解されたはんだの流れを形成して被はんだ付け物に沿って流すはんだ流形成手段を備える、いわゆるフローはんだ槽において、はんだと接触する金属部に、上記の中間金属層と表面保護層と溶射により形成してもよいことは言うまでもない。その際、特にはんだと激しく接触するはんだ流形成手段の金属部、例えばはんだ流形成手段がポンプである場合にはポンプの羽根車やノズルなどの金属部に、これらの表面処理を施すことが望ましい。それによりフローはんだ槽の信頼性を著しく向上することができる。

本発明の実施形態に係るはんだ槽について説明するための斜視説明図である。 本発明の実施形態に係るはんだ槽の詳細構成を説明するための、図１におけるＡ−Ａ断面を含む模式説明図である。 本発明の実施形態に係る金属基材の表面処理方法により形成された保護層の概略構成を説明するための模式説明図である。 本実施形態に係るはんだ槽の変形例を説明するための斜視説明図である。 図４のＢ−Ｂ断面である。 本変形例に用いるシーズヒータの概略斜視図である。

符号の説明

１ はんだ槽
２ はんだ壺
２Ａ はんだ壺本体（金属基材）
２Ｂ 保護層
３ 加熱部（ヒータ）
３ａ、１２ａ 発熱体
６ 鉛フリーはんだ
１０ 角形はんだ槽（はんだ槽）
１１ 角形はんだ壺（はんだ壺）
１１Ａ はんだ壺本体（金属基材）
１２ シーズヒータ（ヒータ）
１３ 温度センサ
１３ｃ 金属管
２０ 表面保護層
２１ 中間金属層

Claims (6)

1. はんだを加熱して融解するヒータと、該ヒータにより融解された液体状のはんだを貯留するはんだ壺とを備えるはんだ槽であって、
   前記はんだ壺が金属を基材として形成され、少なくとも前記はんだが貯留される側の表面上で前記基材を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、前記基材側から順次、溶射により形成されてなることを特徴とするはんだ槽。
2. 前記はんだ壺のはんだ貯留領域に、前記融解されたはんだの流れを形成して被はんだ付け物に沿って流すはんだ流形成手段を備え、
   該はんだ流形成手段の金属部の表面に、該金属部を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、この順に溶射により形成されてなることを特徴とする請求項１に記載のはんだ槽。
3. 前記ヒータが、絶縁被覆された発熱体を金属管で覆ってなるヒータであって、前記はんだ壺のはんだ貯留領域に配置されてなり、
   前記金属管の表面に、該金属管を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、この順に溶射により形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ槽。
4. 前記はんだ壺のはんだ貯留領域に、金属管に覆われた温度センサが配置され、
   該温度センサの金属管の表面に、該金属管を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、この順に溶射により形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のはんだ槽。
5. 絶縁被覆された発熱体を金属管で覆ってなるヒータであって、
   前記金属管の表面に、該金属管を覆う中間金属層と、セラミックスからなる表面保護層とが、この順に溶射により形成されてなることを特徴とするヒータ。
6. 融解された錫合金に曝されるはんだ槽、ヒータなどに用いる金属基材の表面処理方法であって、
   前記金属基材の表面に、該金属基材を覆う中間金属層を溶射によって形成し、
   該中間金属層の上に、セラミックスを溶射して表面保護層を形成することを特徴とする金属基材の表面処理方法。

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