JP2008124121A - 溶融金属吐出装置用ノズル及びその製造方法 - Google Patents

溶融金属吐出装置用ノズル及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】溶融した鉛フリー半田によって浸食され難い耐浸食性の高い溶融金属吐出装置用のノズルプレートを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の溶融金属吐出装置用のノズルプレートは、ステンレス鋼を基材として溶融半田に接する側の表面に鉄と錫からなる金属間化合物の層を有する構成としている。この構成により、半田によるステンレス鋼の浸食を金属間化合物によって抑制できるため、消耗部品であるノズルプレートの寿命を延ばすことができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、溶融金属吐出装置に使用されるノズルとその製造方法に関する。
従来の溶融金属吐出装置は、例えば、溶融半田を同装置のノズルから滴下して、半導体チップや樹脂基板等のランド上に半田のバンプを形成する目的で使用されてきた。
また、同装置用ノズルには、ステンレス板に所定の吐出孔が開口されたものが使用されていた。(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−276069号公報(段落[0009]、第1図)
従来の電子工業における半田付けは、錫鉛共晶半田の使用が主流であった。しかし、廃棄された電子工業製品の鉛が地球環境へ悪影響を及ぼすため、鉛を含まない鉛フリー半田へ移行しつつある。
ところが、半田付け工程の設備機器の多くが溶融鉛フリー半田に対して耐食性が無く、例えば、フローソルダリング用の溶融半田槽の浸食が急速に進み、装置故障の原因となっている。上記特許文献1に開示された溶融金属吐出装置用のノズルプレートにおいても、ノズルプレートの変形やノズル開口部の径が拡大する等の溶融鉛フリー半田による浸食障害が発生する可能性があった。そのため、運転中の溶融金属吐出装置を長時間に渡って止め、溶融した鉛フリー半田によって浸食されるノズル部品等を交換しなければならないという課題があった。
本発明は、かかる課題を解決するために成されたものであり、耐浸食性の高い溶融金属吐出装置用のノズルを提供することを目的とする。
本発明の溶融金属吐出装置用ノズルは、ステンレス鋼を基材として前記溶融半田に接する側の表面に鉄と錫とからなる金属間化合物の層を有することを特徴としている。
本発明によれば、ステンレス鋼を基材としてその表面に鉄と錫とからなる金属間化合物の層を有するので、半田によるステンレス鋼の浸食を金属間化合物によって抑制でき、ノズルの耐久性を向上させることができる。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の形容は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。また、本発明のノズルであるノズルプレートは、必ずしも角板状である必要はなく種々の形状をとり得る。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1におけるノズルプレート1を備えた溶融金属吐出装置を模式的に示した縦断面図である。
はじめに、溶融金属吐出装置の全体構成について図1を参照しながら説明する。図1に示すように、溶融金属吐出装置は、ボディ11、半田タンク12、ヒータ16、圧電素子17、溶融半田室14、ノズルプレート1等からなる吐出ヘッド10と、テーブル30と、制御装置20とを備えて構成されている。吐出ヘッド10は、半田のバンプ33を形成するために、溶融半田13を吐出させる機構を有している。また、テーブル30は、バンプ33が形成される基板31を載置するための台であり、吐出ヘッド10から吐出される半田滴37を基板31上に配置された所定のランド32に滴下できるよう、基板31を移動させるための機構を備えている。制御装置20は、吐出ヘッド10から所望量の溶融半田13を吐出させるための制御と、テーブル30を所定の位置へ移動させるための制御とを行う。また、基板31は、例えば、フレキシブル基板、半導体チップ、半導体ウエハである。
また、保持体18には不活性ガス供給路19が設けられ、不活性ガス供給源(図示せず)と接続されており、吐出孔5の近傍に不活性ガス(例えば、Nガス,Arガス等)を供給して半田滴37が酸化するのを防止している。
以下、吐出ヘッド10について詳細な説明をする。
図1において、ボディ11は、吐出ヘッド10の構成物(例えば、半田タンク12等)を固定する筐体としての機能を有しており、ボディ11の下部には溶融半田13を充填するための溶融半田室14が配置され、ボディ11の外周部には、半田を溶融状態に保つためのヒータ16が設置されている。また、ボディ11の内部には半田タンク12が収納されている。溶融半田室14は、ボディ11上部に設けられた半田タンク12と半田供給路15で接続され、溶融半田13が供給される。溶融半田室14の上面は、ダイヤフラム21が取り付けられている。
さらに、ダイヤフラム21の上面には圧電素子17が密着して取り付けられており、圧電素子17がダイヤフラム21をパルス的に加圧して押し込むことによって吐出口5から半田滴37を吐出する。溶融半田室14の底面には平板状のノズルプレート1が配置されており、ノズルプレート1は保持体18によってボディ11側に取り付けられている。すなわち、溶融半田室14は、底部に吐出口5を備えたノズルプレート1を有し、上部にはダイヤフラム21を備え、側面は保持体18からなる溶融金属の貯蔵室となっている。
つぎに、本実施の形態1のノズルプレート1について説明する。なお、以下の説明では、溶融半田に対して濡れ易い性質を親半田性、濡れ難い性質を撥半田性ということにする。溶融半田に対して濡れ易い性質とは、ノズル基材の表面材料に対する溶融半田の接触角が90度より小さいことをいい、また、濡れ難い性質とは接触角が90度より大きいことをいう。さらに、ステンレス鋼とは日本工業規格で規定されたステンレス鋼のことをいう。
図2はノズルプレート1の斜視図である。図3は、図2中に示したIII−III線に沿う平面において切断した横断面図である。図4は、図1中の吐出孔の周囲を拡大した断面図であって、溶融半田と接触しているときの状態を示しているものである。
ここで、従来のノズルプレートの問題点について説明する。ノズルプレート材料として、ステンレス鋼を使用していた。ステンレス鋼の一般的性質として、鋼表面には不動態膜が自然に形成される。このため、ステンレス鋼を素材としているノズルプレートの表面にも不動態膜が存在し、この膜は撥半田性であるので、ノズルプレート表面は溶融半田に対して濡れ難い。このため、従来の溶融金属吐出装置では、例えば、何らかの原因で溶融半田室内に気泡が混入したときに、気泡がノズルプレートに付着してしまい除去することが難しかった。そのため、溶融半田室に圧力を加えても、気泡が圧縮されることで液面に加わる圧力が減少したり、また、吐出の時間的な遅れが生じるため、本来の吐出性能が得られないという問題があった。上記の対策として、半田となじみ易くするため親半田性を持たせる加工をしていた。ところが、溶融金属吐出装置を連続運転していると、溶融した鉛フリー半田によりノズル基体が浸食され、長期にわたり吐出を繰り返すことにより、ノズル内部の変形や吐出径が拡大するという問題が生じてきた。本願発明者は、この気泡の混入対策(半田となじみ易くするため親半田性持たせる加工)が、半田による浸食反応を更に促進させる結果となっていることを見出した。
上記課題を解決するため、本願発明者は、耐浸食性と親半田性を両立できる表面処理方法について鋭意研究していたところ、鉄と錫とからなる金属間化合物が、この2つの要求を満足することを見出した。すなわち、ノズルプレートの溶融半田と接する側の表面に、鉄と錫とからなる金属間化合物層を形成した構成にすると、従来のステンレス鋼のみからなるものより耐浸食性がはるかに向上し、かつ親半田性を維持し続けるとの知見を得た。本願で説明する鉄と錫とからなる金属間化合物とは、例えば、FeSn、FeSn、FeSnまたはFeSnで表される金属間化合物、またはこれらの2種以上を含む組成物をいう。
以下、本発明を適用したノズルプレート1について説明する。図2及び図3を参照して、ノズルプレート1は、ノズル基材2の表面に鉄と錫とからなる金属間化合物層を有する構造であって、ノズルプレート1の中央部分に吐出口5が開口されたものである。吐出口5は、吐出方向(図3において矢印Zの方向)に平行な軸を有する円筒状になっている。説明の便宜上、この円筒の側壁をオリフィス部6と、鉄と錫とからなる金属間化合物層を第一表面層3と称することにする。
本形態のオリフィス部6は、ノズル基体2に開口された孔であるので、ノズル基体2の材料であるステンレス鋼が露出している。そのため、オリフィス部6の最表面には不動態膜が存在し、オリフィス部6は撥半田性になっている。一方、第一表面層3は、親半田性がある。したがって、溶融半田室側の吐出口5近傍の半田は、親半田性のノズル基材表面
の金属間化合物層には濡れ拡がるが、オリフィス部の不動態膜にはじかれるので、図4に示すような液面形状をなす。溶融はんだ13に圧力を加えることで吐出が可能となり、この圧力を調整して、吐出後の溶融はんだ13の液面端部も、オリフィス部6に保持することにより、吐出前後で気泡を巻き込みにくく、吐出態様の安定化を図ることができる。
つぎに、第一表面層3の優れた耐浸食性について説明する。図5〜図8は、JISで規定された代表的なステンレス鋼(オーステナイト系、析出硬化系、マルテンサイト系、フェライト系)に対してそれぞれ浸食試験をした結果である。浸食試験は、溶融状態の鉛フリー半田にノズルプレートを浸漬し、ステンレス鋼の表面からの浸食された深さと経過時間の関係を調査したものである。試験に供した鉛フリー半田の組成は、Sn−3.5Ag(wt%)である。なお、他の代表的な鉛フリー半田(Sn−3Ag−0.5Cu、Sn−0.7Cu (wt%))についても同様の結果が得られる。
オーステナイト系ステンレス鋼の代表的なものであるSUS304を例にして、耐浸食性について説明する。SUS304のみで何ら防食処理をほどこしていないノズルプレートと、第一表面層3を有したノズルプレートとを比較した結果を図5に示す。図5を参照して、浸漬時間50時間経過後の浸食された深さを比較すると、ノズル基体のみの場合よりも、金属間化合物の表面層(第一表面層3)有りの場合の方が浸食は抑制されていることがわかる。また、図5〜8を参照すると、他のステンレス鋼の場合も同様に、ノズル基体のみよりも金属間化合物の表面層(第一表面層3)有りの場合の方が浸食は抑制されている。また、金属間化合物の表面層(第一表面層3)有りの場合、ステンレス鋼の種類で比較すると、析出硬化系およびオーステナイト系ステンレス鋼の場合は50時間後に5〜8μm程度浸食されているのに対して、フェライト系およびマルテンサイト系ステンレス鋼の場合は1〜2μm程度であり、後者のステンレス鋼に金属間化合物の表面層(第一表面層3)がある場合の方が浸食は抑制されていた。
また、図5〜8を比較すると、フェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼と、析出硬化系またはオーステナイト系ステンレス鋼とで、浸食の進み方(試験時間当たりの浸食深さ)に差があった。この原因についての詳細は必ずしも明確に解明できていないが、ステンレス鋼の組成でNiの含有量が浸食の進み方に影響を及ぼしていると推測している。すなわち、Niを数%含有したステンレス鋼、例えばオーステナイト系または析出硬化系ステンレス鋼を基体として、第一表面層3を表面に形成したノズルプレートよりも、フェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼に第一表面層3を表面に形成したノズルプレートのほうが耐浸食性に優れていた。
つぎに、鉄と錫とからなる金属間化合物層の、溶融した鉛フリー半田に対する濡れ性について説明する。図9は、フェライト系ステンレス鋼の表面に第一表面層3を形成したステンレス鋼に、溶融した鉛フリー半田を滴下し、濡れ性の評価を行ったものである。
図9中で示した拡がり率とは、滴下前の半田滴の径をDとし、滴下後にステンレス鋼上に拡がった後の半田の厚みをhとして、次式により表される百分率である。
Figure 2008124121
図9を参照して、拡がり率は試験時間が100時間を経過しても初期と同じ約82%を維持しており、良好な濡れ性が得られていた。なお、マルテンサイト系ステンレス鋼の他の上述した各ステンレス鋼についても同様の濡れ性が得られる。
上述した結果より、鉄と錫とからなる金属間化合物層は良好な親半田性の材料と考えられ、上述した溶融半田室内に混入した気泡の対策に有効であり、ノズルプレート表面に形成する材料として好都合である。
したがって、第一表面層3を表面に形成したノズルプレートは、半田に対する優れた耐浸食性と親半田性の両方を有するノズルプレートになり、溶融金属吐出装置のノズルプレート寿命を延長することが可能となる。
実施の形態2.
図10は、実施の形態2におけるノズルプレートを模式的に示した縦断面図である。また、図11は、図10で示した吐出孔5付近の拡大図である。ノズルプレート1は、溶融半田室を形成し吐出方向に向かって所定の角度を持って先細るテーパ部7を有し、このテーパ部7から吐出方向に伸びる円筒状のオリフィス部6とその先端の吐出孔5から構成されている。また、テーパ部7の表面には、第一表面層3が形成されている。その他の構成は、実施の形態1と同様である。
以上の構成により、本実施の形態のノズルプレート1は、溶融半田13に接触する側に第一表面層3が存在するため、親半田性および耐侵食性の両方の性質を有する。また、テーパ部7を有することでノズル内部への半田の充填が気泡をともなわずに容易にできる。
実施の形態3.
図12は、実施の形態3におけるノズルプレートを模式的に示した縦断面図である。ノズルプレートには、オリフィス部6及び吐出孔5を含むノズルプレート1の表面に第二表面層4が形成されている。その他の構成は、実施の形態2と同様である。
図12を参照して、実施の形態2の図11に示されたノズルプレートと同様に、ノズルプレートはテーパ部7、円筒状のオリフィス部6及びその先端の吐出孔5から構成されている。図12においては、撥半田性を示す材料である第二表面層4を有することを特徴とする。撥半田性を示す材料としては、例えば、ジルコニア、アルミナ、クロムおよびタンタルオキサイドなどである。またテーパ部7の表面には、図11の場合と同様に、第一表面層3が形成されている。
以上の構成により、テーパ部7は親半田性を有し、さらに溶融半田に浸食されにくい性質を持つ。また、吐出孔5の半田液面の端部を、撥半田領域であるオリフィス部6で保持することができるので、溶融半田の安定した吐出様態を確保できる。さらに、第二表面層4を有することで撥半田性を有し、溶融半田に対して浸食されにくい領域を維持できる。
つぎに、ノズルプレートの製造方法の一例を説明する。
図13,14は、本発明の実施の形態にかかわるノズルの製造方法の一例を示す図である。図中の(a)〜(f)は、ノズルプレートの断面構造であり、工程順にノズルプレートが出来上がっていく様子を示したものである。以下、工程順に従って説明する。
まず、図13中の(a)に示すように、ノズルプレート1の本体となるノズル基体2を用意する。この基板1に微小な吐出孔5を機械加工によって設けると、図13中の(b)に示すノズルができる。ノズル基体2の厚みは1〜5mm程度、吐出孔の開口径は50〜200μm程度である。ノズル基体2の材質はステンレス鋼であり、表面はCrの不動態膜で覆われている。そのままでは半田の濡れ性が悪いので、あらかじめその膜は酸洗い等で除去しておく。
つぎに、図13中の(c)に示すように、吐出孔5の出口側から撥半田性を有する第二表面層4を例えばスパッタリング35で成膜する。このスパッタリング工程において、吐出孔5を含むノズルプレート表面及び、オリフィス部6に第二表面層4を形成すべく、所定の入射角を持ってノズルプレート1に対して斜め方向からスパッタリングする。スパッタリング工程終了後の状態が図13中の(d)に示されるものである。
さらに、図14中の(e)に示すような、スパッタリング工程終了後のノズルプレートを溶融した錫に浸漬する表面処理工程を行う。この工程において、ノズルプレートの内でステンレス鋼が露出している部分のみが溶融錫と反応し、ステンレス鋼の表面に鉄と錫とからなる金属間化合物層である第一表面層3が形成される。なお、第二表面層4を形成した部分には、第一表面層3は形成されない。表面処理工程後のノズルプレート1の完成した状態が図14中の(f)に示すものである。
上述した製造方法では、ノズルプレート全体を溶融錫に浸漬するため、溶融半田と接触するノズルプレート表面に、均一かつ容易に、第一表面層3を形成することができ、溶融はんだに対して親はんだ性を有しつつ、浸食されにくい領域が確保できる。また、オリフィス部6及び、吐出孔5を含むノズルプレート表面には第二表面層4が形成され、溶融半田に浸食されにくい、撥はんだ領域を確保できる。したがって、溶融はんだに対する優れた耐食性を有するノズルプレートを提供でき、溶融金属吐出装置のノズルプレート寿命を延長することが可能となる。また、ノズル表面において親半田性と撥半田性を有する部分を使い分けているので、ノズル吐出孔5から溶融半田を吐出するときの気泡の巻き込みを防止することができる。
上述した実施の形態3の製造方法では、ノズルプレートの一部が第二表面層4に覆われている例を説明したが、第二表面層4を形成する工程を省略すれば、実施の形態1または2のノズルプレートも製造することができる。この場合、図14中の(e)の処理において、第一表面層3が形成されることを防ぐための保護層を、第二表面層4の替わりに一時的に設ければ、所定の領域に第一表面層3を形成することができる。
さらに、上述した実施の形態1から3までの例においては、略平面状のノズルプレートについて説明したが、ノズルプレートの形状はこれらに限られず、例えば半球状のノズルプレートであってもよい。
本発明の実施形態1に係る溶融金属吐出装置の構造模式図である。 本発明の実施形態1に係るノズルプレートの構造を示した斜視図である。 本発明の実施形態1に係るノズルプレートの構造を示した縦断面図である。 本発明の実施形態1に係るノズルプレートの吐出口の拡大模式図である。 本発明の実施形態1に係るノズルプレートの浸食試験を示した図である。 本発明の実施形態1に係るノズルプレートの浸食試験を示した図である。 本発明の実施形態1に係るノズルプレートの浸食試験を示した図である。 本発明の実施形態1に係るノズルプレートの浸食試験を示した図である。 本発明の実施形態1に係るノズルプレートの半田に対する濡れ性を示した図である。 本発明の実施形態2に係るノズルプレートの構造を示した縦断面図である。 本発明の実施形態2に係るノズルプレートの吐出口の拡大模式図である。 本発明の実施形態3に係るノズルプレートの構造を示した縦断面図である。 本発明の実施形態3に係るノズルプレートの製造工程の模式図である。 本発明の実施形態3に係るノズルプレートの製造工程の模式図である。
符号の説明
1 ノズルプレート、 2 ノズル基体、3 第一表面層、4 第二表面層、
5 吐出孔、 6 オリフィス部、 7 テーパ部、
10 吐出ヘッド、 11 ボディ、 12 半田タンク、13 溶融半田、
14 溶融半田室、 15 半田供給路、 16 ヒータ、 17 圧電素子、
18 保持体、 19 不活性ガス供給路、 20 制御装置、21 ダイヤフラム、 30 テーブル、 31 基板、 32 ランド、33 バンプ、
35 スパッタリング、 37 半田滴、

Claims (5)

  1. 溶融半田を吐出するための吐出口を有するステンレス鋼を基材としたノズルであって、前記基材の前記溶融半田に接する側の表面に鉄と錫とからなる金属間化合物の層を有する溶融金属吐出装置用ノズル。
  2. ステンレス鋼がニッケルを合金成分として含有しないステンレス鋼であることを特徴とする請求項1に記載の溶融金属吐出装置用ノズル。
  3. 溶融半田が吐出する方向に向かって先細るテーパ部と該テーパ部に隣接して配置された円筒形のオリフィス部とからなる吐出口を備え、
    前記テーパ部の表面に鉄と錫とからなる金属間化合物の層を有する請求項1または2に記載の溶融金属吐出装置用ノズル。
  4. オリフィス部の表面に撥半田性の材料からなる層を有する請求項3に記載の溶融金属吐出装置用ノズル。
  5. 錫を含有した溶融金属にステンレス鋼を浸漬し、前記ステンレス鋼の表面に鉄と錫とからなる金属間化合物の層を形成する溶融金属吐出装置用ノズルの製造方法。
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