JP2005125349A

JP2005125349A - はんだごて

Info

Publication number: JP2005125349A
Application number: JP2003362234A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Shimoda; 将義下田; Keiichi Matsumura; 慶一松村
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【目的】鉛フリーはんだを用いたはんだ付け作業において、こて先からの銅の溶出を抑制してはんだ組成の管理精度を高めることができ且つ作業性に優れたはんだごてを提供する。
【構成】発熱体からの熱をはんだ付け部に伝達する部材であるこて先として、銅からなる母材の表面に厚さ１〜30μmのニッケルめっき層が形成されたこて先を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子部品を回路基板にはんだ付け法で実装する技術に関する。

電子機器の製造において、電子部品を回路基板にはんだ付けで実装する方法としては、はんだ付け装置を用いて自動的にはんだ付けする方法が一般的である。しかし、電子部品の形状上や耐熱性上の制限から後工程ではんだ付けされる場合や、はんだ付け不良部を修正する場合等には、はんだごてを用いた手作業によるはんだ付け作業が採用される。
はんだごての加熱される部分は、発熱体と、発熱体からの熱をできる限り効率良くはんだに伝達するための部材であるこて先と、で構成される。こて先は、発熱体からの熱をできる限り効率良くはんだやはんだ付け部に伝達すること、およびはんだやはんだ付け部に接触した際に急激に温度低下せず必要な温度を維持すること、を求められるので、熱伝導性に優れ且つ熱容量の大きい銅を素材として作られる。しかし、はんだ付け作業は200℃を越える高温で実施されるので、はんだに接触するこて先の銅が、はんだ中へ溶け出し、はんだ材の組成を変え、はんだ材の組成の管理を困難にする、という問題がある。はんだ材の組成が変わると、はんだの熔融特性や粘性、濡れ性が変わり、組成の変化が限度を超えると、はんだに必要な性質を維持できなくなる。

一方、電子機器に使用されるはんだ材料は、環境問題に関連して鉛の使用が規制され、従来の錫―鉛共晶はんだから鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）に切り替えられる動きが活発化し、鉛フリーはんだの製品への適用が加速されつつある。鉛フリーはんだは、錫を主成分とするはんだであって、錫―鉛共晶はんだに比べて融点（固相線温度および液相線温度）が高く、且つ濡れ性に劣るので、鉛フリーはんだを使用する場合には、こて先温度を高めることが必要である。このため、鉛フリーはんだへの切り替えは、上述した銅のはんだ中への溶解量を増大させ、はんだ材の組成の管理をより困難にする、という問題を有する。
図1は、はんだ中への銅の溶解速度を錫―鉛共晶はんだ（図1ではSn-37Pbと表示）と２種類の鉛フリーはんだ、Sn-3.5Wt％Ag-0.5Wt％Cu-0.05 Wt％NiおよびSn-3.5Wt％Ag-0.5Wt％Cu-0.1 Wt％Ni（図1においてはWt％を省略して表示しており、以下ではWt％を省略した表示を用いる）とで測定した結果を示したものである。縦軸は、錫―鉛共晶はんだの250℃の溶解速度を基準とする溶解速度の比であり、はんだ浴の温度は、250℃、300℃および350℃の3点とした。ここでは、ニッケルめっき層の膜厚が０の場合についてのみ説明する。銅の溶出速度は、銅線をサンプルとして、これを所定の温度に制御したはんだ浴に一定時間浸漬し、銅線の断面積の減少量を測定して算出した。ニッケルめっき層の膜厚が１μmおよび10μmの場合は、この発明を説明するために必要なものであり、後述する「実施例１」の項で説明する。

鉛フリーはんだへの銅の溶解速度は、250℃においては、錫―鉛共晶はんだと同等以下であるが、300℃および350℃ではその傾向が逆転し、特に、Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.05 Niでは温度が高くなるのに対応して急激に大きくなっている。このような大きな銅の溶解速度を抑制するために、はんだの組成の検討が進められるのに並行して、こて先の素材である銅の表面にニッケルめっき層等を形成することや、銅中にニッケルを添加した素材を用いることが検討され、特許文献１、特許文献２や非特許文献１等に開示されている。
特許文献１においては、厚さ50〜500μmの鉄―ニッケル合金めっき層が好ましいと記されており、特許文献２においては、５〜７重量％のニッケルを添加された銅からなるチップを先端部に密嵌されたこて先とすることが記され、非特許文献1においては、0.08〜0.25mmの鉄またはニッケルの被覆が用いられると記されている。
特開2000−317629号公報特開平５−111759号公報「はんだ付の基礎と応用」（工業調査会）（大澤直著）／２２６頁特開平11−277290号公報特開2001−96394号公報

上述の特許文献１等に示されているニッケルめっき層の形成等が銅の溶出抑制に対して有効であることは明確である。しかしながら、ニッケルめっき層等の形成やニッケル等の添加は、以下に示すように、熱抵抗を増大させて、発熱体からはんだ付け部までのこて先内温度低下を増大させる。この温度低下の増大分が銅からなるこて先の場合の温度低下値に比べて相当な割合を占めるようになると、はんだ付け部を所定の温度まで昇温するのに要する時間を長くし、はんだ付けの作業性を悪くする。
まず、ニッケルめっき層での温度低下分を推定する。
ニッケルの熱伝導率を250℃近傍で71Ｗ／ｍ・Ｋとし、こて先で伝達する熱量の面積密度を５〜10Ｗ／mm^２とすると、厚さ10μmのニッケルめっき層での温度低下分ΔＴ（10）は、
ΔＴ（10）＝50~100／71≒0.7〜1.4（℃）
となり、近似的には、ニッケルめっき層の厚さ10μmに対して１℃程度の温度低下があると、推定することができる。

なお、250℃近傍の熱伝導率を用いたのは、使用状態におけるこて先の先端部の温度が250℃近傍であるとしたためである。
次に、銅にニッケルを添加した場合のこて先の熱抵抗分の増加から推定されるこて先の先端部の温度低下分を推定する。
推定を簡単にするために、こて先をΦ５mm×20mmの円柱状とし、銅の熱伝導率を300℃で381Ｗ／ｍ・Ｋとし、こて先内を50Wの熱量が伝達されるとすると、こて先の両端に発生する温度差ΔＴ（Cu）は、
ΔＴ（Cu）≒50×20×10³／381×19.6≒134（℃）
となる。ニッケルの添加によってこて先材料の熱伝導率が減少すれば、この値に反比例してこて先の両端に発生する温度差ΔＴ（Cu-Ni）は増加する。ニッケルの添加量が0.04 Wt％の場合に、熱伝導率は約3.5%減少し、ニッケルの添加量が0.1 Wt％の場合に、熱伝導率は約５〜６%減少する。すなわち、ニッケルの添加量が0.04 Wt％の場合に、ΔＴ（Cu-Ni）は約５℃増加し、ニッケルの添加量が0.1 Wt％の場合に、ΔＴ（Cu-Ni）は約７〜８℃増加することになる。以上の推定はこて先全体にニッケルを添加した場合であるが、上述のように、こて先の先端にニッケルを添加された銅からなるチップを密嵌する場合には、その影響はこて先全体にニッケルを添加する場合の数分の１になると推定される。

以上の推定結果をまとめる、銅からなるこて先内での温度低下は130℃程度であり、ニッケルめっき層の10μm当たりの温度低下分は約１℃であり、0.1 Wt％のニッケルを添加された銅からなるチップを密嵌する場合の温度低下分は１〜２℃である。したがって、上述のような500μmとか0.25mmを厚さとするニッケルめっき層を有するこて先は、作業性を低下させるという観点から実用的ではない。同様に、５〜７Wt％のニッケルを添加された銅からなるチップを密嵌されたこて先も実用的ではないであろう。
このような作業性の低下は、はんだごてに投入される電力を増大させることによって改善される。しかし、この場合には、こて先の到達最高温度が高くなるので、はんだ付けされる電子部品等への影響が問題となる。
この発明は、鉛フリーはんだを用いたはんだ付け作業における上述のような問題点を解消して、こて先からの銅の溶出を抑制してはんだ組成の管理精度を高めることができ且つ作業性に優れたはんだごてを提供することを課題とする。

この発明は、図1に示したニッケルめっき層を形成しない場合のSn-3.5Ag-0.5Cu-0.05 NiとSn-3.5Ag-0.5Cu-0.1 Niとの比較において、後者が前者に比べて0.05 Wt％だけ多いニッケルを含んでいることで、銅の溶解速度を図1に示されているように大きく低減させていることからヒントを得て、供給するはんだの銅の溶解速度を十分に低くしなくても、こて先に接触しているはんだ層にニッケルを供給することでこて先からの銅の溶出を抑制でき、しかもそれに必要なニッケル量は少ない、と考えて、この発明に至ったのである。
請求項１の発明は、電子部品を回路基板にはんだ付けで実装するためのはんだごてであって、はんだ付けに使用される半田が鉛フリーはんだであり、発熱体からの熱をはんだ付け部に伝達する部材であるこて先として、銅からなる母材の表面に厚さ１〜30μmのニッケルめっき層が形成されているこて先を備えている。

ニッケルめっき層は、はんだ中への銅の溶出を抑制する機能を有するのに加えて、接触しているはんだ層中に溶出することによってニッケルめっき層近傍のはんだ中のニッケル含有率を高め、ニッケル含有率を高められた層が銅の溶解速度を大幅に低下させる。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、はんだ付けに使用されるはんだがニッケルを含む鉛フリーはんだである。
鉛フリーはんだがニッケルを含んでいることによって、ニッケルめっき層からはんだ中へ溶出するニッケル量が少なくなり、且つ少ない溶出量のニッケルが銅の溶解速度を効果的に低下させる。

請求項１の発明においては、こて先として、銅からなる母材の表面に厚さ１〜30μmのニッケルめっき層を形成されているこて先を備えているので、ニッケルめっき層がはんだ中への銅の溶出を抑制するのに加えて、ニッケルめっき層近傍のはんだ中に溶出したニッケルが銅の溶解速度を低減させ、その結果として、はんだ中への銅の溶出が大幅に低減する。なお、ニッケルめっき層の厚さは１〜30μmであるので、「発明が解決しようとする課題」の項での推定結果から明らかなように、作業性には殆んど影響しない。しかも、ニッケルめっき層からのニッケルを溶解するはんだの領域は両者の界面近傍に限られると考えられるので、ニッケルめっき層からのニッケルの溶出量は少なく、はんだ全体としての組成の変動も少ない。言い換えれば、こて先にニッケルめっき層を形成することによって、ニッケルを含有しないか、含有率の低いはんだを使用しても、ニッケルの含有率が高くて、はんだの液相線温度が高いはんだと同等の低い銅の溶解速度とすることができる。したがって、この発明によれば、こて先からの銅の溶出を抑制してはんだ組成の管理精度を高めることができ且つ作業性に優れたはんだごてを提供することができる。

請求項２の発明においては、はんだ付けに使用されるはんだがニッケルを含む鉛フリーはんだである。鉛フリーはんだは錫を主成分としており、銅の溶解速度を低減させるためには、はんだの組成中にニッケル等を添加することが有効であることが特許文献３および特許文献４に開示されている。特許文献３には、0.01〜0.5 Wt％のニッケルと0.5〜3.39 Wt％の銀とを添加し、錫を96.6 Wt％以上とすると有効と記され、特許文献４には、1.0〜4.0 Wt％の銀と0.4〜1.3 Wt％の銅と0.02〜0.06 Wt％のニッケルとを添加すると有効と記されており、ニッケルの添加量の増大に伴って、銅の溶解速度が低下し、液相線温度が高くなっている。したがって、ニッケルめっき層を形成されているこて先を備えたはんだごてをこのようなはんだと組み合わせると、はんだ中に添加されているニッケルがはんだごてのニッケルめっき層の消耗を抑制し、同時に、ニッケルめっき層が銅の溶出を抑制する、という相乗効果を発揮する。その結果、ニッケルめっき層の消耗が少なくなり、高い精度ではんだの組成を管理することができる。

この発明によるはんだごては、こて先に形成されているニッケルめっき層のニッケルをニッケルめっき層の近傍のはんだ中に溶出させることによって、その部分のニッケル含有率を高めて、はんだの銅の溶解速度を低下させ、その結果として、はんだ組成を高い精度で管理しようとするものである。しかも、はんだ中のニッケルの含有率の増加は0.01 Wt％オーダーで有効に機能し、はんだ付けの作業性を悪くするほど厚いニッケルめっき層を必要とはしない。
以下において、この発明によるはんだごての実施の形態について実施例を用いて説明する。

図1は、「背景技術」の項で既に説明したが、はんだ中への銅の溶解速度を錫―鉛共晶はんだ（図1ではSn-37Pbと表示）と２種類の鉛フリーはんだ、Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.05NiおよびSn-3.5Ag-0.5Cu-0.1Niとで測定した結果を示したものであり、鉛フリーはんだのSn-3.5Ag-0.5Cu-0.05Niでニッケルめっき膜厚が１μmおよび10μmの結果が実施例に相当する。図の縦軸は、錫―鉛共晶はんだの250℃の溶解速度を基準とする溶解速度の比であり、銅の溶出速度は、所定のニッケルめっき層を形成した銅線をサンプルとして、これを所定の温度に制御したはんだ浴に一定時間浸漬し、銅線の断面積の減少量を測定して算出した。ニッケルめっき層の厚さは、なしと１μmと10μmの3種とし、はんだ浴の温度は250℃と300℃と350℃の3点とした。
図1に示されている結果から、はんだ温度が高くなると銅の溶解速度が急激に上昇すること、および１〜10μmのニッケルめっき層を形成することで銅の溶解速度を大幅に低減できることが分かる。一方、ニッケルめっき層の厚さの効果が厚さの比ほど明確に現れていないことは、ニッケルめっき層が銅の溶出を抑制するのと同等以上に、ニッケルめっき層からはんだ中に溶出したニッケルによるニッケルめっき層近傍のはんだ中のニッケル含有率の増加が溶解速度を低減させていることによる、と推測できる。したがって、ニッケルの含有率のより高い鉛フリーはんだの場合には、ニッケルめっき層の効果がより顕著になり、且つニッケルめっき層の消耗はより少なくなる、と期待できる。言い換えれば、この発明によるはんだごては、はんだに要求される粘度や液相線温度や濡れ性等の特性が、その許容限界値近くになるようなニッケル含有率の高いはんだに対して最も有効に機能する。ニッケル含有率の低いはんだに対してはニッケルめっきの消耗が激しくなるので、許容使用回数を決めてこて先を交換することが必要となる。

なお、ニッケルめっき層の厚さの下限は使用時のニッケル消耗量で決まるが、はんだ中のニッケル含有率が高いはんだを用いてはんだ付けする場合にはニッケルの消耗が少ないので、ニッケルめっき層の厚さは１μmでも有効であり、この値がニッケルめっき層の厚さの下限となる。ニッケルめっき層の厚さの上限は、はんだ付けの作業性からは100μm程度と考えられるが、膜形成に必要な時間等を勘案すると30μmが適当である。

この発明によるはんだごての有効性を説明するための銅の溶解速度を示す棒グラフ

Claims

電子部品を回路基板にはんだ付けで実装するためのはんだごてであって、
はんだ付けに使用されるはんだが鉛フリーはんだであり、
発熱体からの熱をはんだ付け部に伝達する部材であるこて先として、銅からなる母材の表面に厚さ１〜30μmのニッケルめっき層が形成されているこて先を備えている、
ことを特徴とするはんだごて。
はんだ付けに使用されるはんだがニッケルを含む鉛フリーはんだである、
ことを特徴とする請求項１に記載のはんだごて。