JP2012509992A - 無鉛はんだドロス低減方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、無鉛はんだドロス低減方法を提供する。
【解決手段】当該方法は、以下のステップを含むものである。SnとPを含み、且つPの含有量が0.1〜0.8wt％であるドロス低減マスター合金を製造する。改造する無鉛はんだのPの含有量を分析し、Pを含まず、又はPの含有量が0.008wt％より低い無鉛はんだの中に上記マスター合金を添加し、Pの含有量を0.008〜0.015wt％にする。そして、一つの作業時間区間おきに、サンプリングをして分析し、Pの含有量及びPの含有量の損失量を確定し、Pの含有量が0.008〜0.015wt％より低い時、前記マスター合金を追加し、最終的にPの含有量を0.008〜0.015wt％に維持する。
【選択図】なし
【解決手段】当該方法は、以下のステップを含むものである。SnとPを含み、且つPの含有量が0.1〜0.8wt％であるドロス低減マスター合金を製造する。改造する無鉛はんだのPの含有量を分析し、Pを含まず、又はPの含有量が0.008wt％より低い無鉛はんだの中に上記マスター合金を添加し、Pの含有量を0.008〜0.015wt％にする。そして、一つの作業時間区間おきに、サンプリングをして分析し、Pの含有量及びPの含有量の損失量を確定し、Pの含有量が0.008〜0.015wt％より低い時、前記マスター合金を追加し、最終的にPの含有量を0.008〜0.015wt％に維持する。
【選択図】なし
Description
本発明は、無鉛はんだドロス低減方法に関する。
はんだ無鉛化を行った後、市場に出た無鉛はんだの品種が多い。従来のＳｎ−Ｐｂはんだに比べて、無鉛はんだはＳｎの含有量が高いこと（95wt％以上）、溶解点もＳｎ−Ｐｂ
合金より高いこと、及び使用はんだ温度が高いこと等の問題があるので、ドロスの量が大幅増加することとなり、はんだ付けの品質に影響を及ぼし、また甚大な経済損失をもたらす。
合金より高いこと、及び使用はんだ温度が高いこと等の問題があるので、ドロスの量が大幅増加することとなり、はんだ付けの品質に影響を及ぼし、また甚大な経済損失をもたらす。
最近、当業界ではウェーブはんだ付け、浸漬はんだ付け及びホットエア・レベラーの異なるプロセスの特徴に対して、いろいろな措置を用いてドロス低減を行い、例えば、１）抗酸化オイルの被覆：抗酸化オイルは非イオン性界面活性剤となり、遊離基とオゾンとの作用によって、高温での錫の酸化を低減させる。欠点は使用時間が長くなった後に変質が発生し、回路板が汚染され、錫皿の煙が濃く、環境が悪く、当業界はこのような使用を薦めない。２）窒素の保護：利点は効果が著しく、ドロスの量が少ない。欠点は電気回路板の表面に発生する錫玉が増加し、窒素純度の要求が増え、設備投資が大きい。３）ウェーブ機の構造、即ち電磁弁の改良：利点は激しい機械的攪拌作用がなく、槽中に強烈な渦巻き運動及び液面逆巻きがなく、即ち酸素吸収現象を減少し、欠点は技術が不安定で、価格が高く、設備コストは一台当たり30〜50％の投資を増加することである。４）合金に微量の抗酸化元素：P、Ga、Geなどを添加し、利点は効果がよく、技術が熟達しており、操作が容易で、コスト節約になることだが、この措置の欠点は製品の抗酸化寿命が長くなく、即ち、所謂非「長期効果」の結果、短い時間の区間に、ドロス低減効果は開始の良好な状態から完全に消失する状態に変わり、このような方法の実際に応用する効果は大幅低下される。
以上のドロス低減方法は、それぞれ適用の範囲があり、総合的に考慮すれば好ましくは第4種の方法である。若しその欠点に対して改善すれば、使用効果はより良くなる。
本発明は、無鉛はんだドロス低減方法を提供することを目的とする。当該方法は、操作しやすいプロセスを用いて、実際の製造条件下で、無鉛はんだが長期の安定なドロス低減の効果を有することを保証する。
本発明の目的は、以下のドロス低減のメカニズムを基づく。
P、Ga、Geの微量元素は液体のはんだにおける分布が「表皮効果」を有し、これらの元素自身とO2との結合自由エネルギーはすべてSnとO2との結合自由エネルギーよりずっと低いことによって、酸化膜を形成する時、P、Ga、Geの酸化膜はSnO2膜より優先となる。また、P、Ga、Geの酸化膜の特徴は緻密、丈夫であるので、液体はんだの表面層に被覆され、空気中のＯ２とはんだとの接触を厳密に遮断する効果を発揮し、Ｏ２を液体はんだと絶え間なく酸化させることができない。
「長期効果」の作用問題：P、Ga、Ge、これらの元素は「表皮効果」を有するので、いつでもはんだ中の最表面層の分布濃度は裏面層より永遠に大きく、このように液面の錫ドロスに絶え間なく移動し、P、Ga、Geの含有量をドロス低減効果がなくなるまで絶えまなく減少させることができる。
本発明は以上の点に鑑みて、長期効果を維持できると共に、操作が非常に簡単である無鉛はんだドロス低減方法を提供する。当該方法は、まずマスター合金法でSnとPを含み、且つPの含有量が0.1〜0.8wt％であるドロス低減合金を製造し、そして、改造する錫炉におけるはんだのPの含有量を分析し、錫炉成分の改造を行う。即ち、Pを含まず、又はPの含有量が0.008wt％より低い無鉛はんだの中に上記のドロス低減合金を添加し、錫炉中のPの含有量を0.008〜0.015wt％にする。そして、一つの作業時間区間おきに錫炉中で、サンプリングをして分析し、錫炉中のP含有量及びP含有量の損失を確定し、錫炉内のPの含有量が0.008〜0.015wt％より低い時、Pの含有量の損失に基づいて計算した錫炉中の元のPの含有量を維持するため必要な上記のドロス低減合金の量を追加し、最終的に錫炉中のPの含有量を0.008〜0.015wt％に維持する。
本発明の具体的な実施形態として、前記無鉛はんだは、SnとAgを含む合金はんだであり、SnとCuを含む合金はんだであり、又はSn、Ag及びCuを含む合金はんだであるなど。例えばSn-3-3.5Agの合金はんだであり、Sn-0.7Cuの合金はんだであり、Sn-0.7Cu-Tiの合金はんだであり、又はSn-3-3.5Ag-0.5-0.7Cuの合金はんだであるなど。
本発明の具体的な実施形態として、前記SnとPを含み、且つPの含有量が0.1〜0.8wt％であるドロス低減合金は、Sn-0.1-0.8Pの合金であり、Sn-3-3.5Ag-0.1-0.8Pの合金であり、Sn-0.7Cu-Ti-0.1-0.8P合金であり、Sn-0.7Cu-0.1-0.8P合金、又はSn-3-3.5Ag-0.5-0.7Cu-0.1-0.8Pの合金であるなど。
本発明に提案されたドロス低減合金の成分の設計は、錫炉中のP及び関連合金成分が最適濃度であること、及びドロス低減合金が錫炉の正常の作動温度下で容易に溶解できることを確保する必要がある。即ち、一般の錫棒ように錫炉に加えて使用するため、特別なプロセス条件は必要ない。本発明の方法は、今の電子分野で使用される無鉛はんだに適用し、最小量のドロス量で効果が得られ、大きな経済効果を有する。本発明の方法はウェーブはんだ付けのプロセスに適用するだけでなく、浸漬はんだ付け及びホットエア・レベラーのプロセスにも適用する。
以下の実施例に用いられる無鉛はんだドロス低減方法は、まずマスター合金法でSnとPを含み、且つPの含有量が0.1〜0.8wt％であるドロス低減合金を製造し、そして、改造する錫炉におけるはんだのPの含有量を分析し、錫炉成分の改造を行う。即ち、Pを含まず、又はPの含有量が0.008wt％より低い無鉛はんだの中に上記のドロス低減合金を添加し、錫炉中のPの含有量を0.008〜0.015wt％にし、そして、一つの作業時間区間おきに錫炉中で、サンプリングをして分析し、錫炉中のP含有量及びP含有量の損失を確定する。錫炉内のPの含有量が0.008〜0.015wt％より低い時、Pの含有量の損失に基づいて計算した錫炉中の元のPの含有量を維持するため必要な上記のドロス低減合金の量を追加し、最終的に錫炉中のPの含有量を0.008〜0.015wt％に維持する。以下の比較例に用いられる方法では、はんだ中にドロス低減合金を添加しないことを除き、他のプロセス条件はすべて上記の実施例と同様である。特別説明がある場合以外に、以下の実施例で現れるパーセントはすべて重量パーセントである。
1．錫炉の成分の改造：
Pを含まず、Sn-3Ag-0.5Cuの無鉛はんだの中にPを0.013wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.013wt％にする。
ウェーブはんだ付けの錫炉容量：360kg
錫炉の作動温度：250℃
ドロス低減合金の成分：Sn-3.5Ag-0.5P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：360kg×0.013％＝0.0468kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.0468kg/0.5＝9.36kg
2．作動24時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動24時間ごとのPの損失量は0.001％である
錫炉容量：360kg
ドロス低減合金の成分：Sn-3.5Ag-0.5P
追加が必要なPの量：360kg×0.001％＝0.0036kg
作動24時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.0036kg/0.5＝0.72kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.013wt％まで回復する。
Pを含まず、Sn-3Ag-0.5Cuの無鉛はんだの中にPを0.013wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.013wt％にする。
ウェーブはんだ付けの錫炉容量：360kg
錫炉の作動温度：250℃
ドロス低減合金の成分：Sn-3.5Ag-0.5P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：360kg×0.013％＝0.0468kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.0468kg/0.5＝9.36kg
2．作動24時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動24時間ごとのPの損失量は0.001％である
錫炉容量：360kg
ドロス低減合金の成分：Sn-3.5Ag-0.5P
追加が必要なPの量：360kg×0.001％＝0.0036kg
作動24時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.0036kg/0.5＝0.72kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.013wt％まで回復する。
1．錫炉の成分の改造：
Pを含まず、Sn-3-3.5Agの無鉛はんだの中にPを0.010wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.010wt％にする。
浸漬はんだ付けの錫炉容量：10kg
錫炉の作動温度：260℃
ドロス低減合金の成分：Sn-0.5P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：10kg×0.010％＝0.001kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.001kg/0.5＝0.2kg
2．作動24時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動24時間ごとのPの損失量は0.00086％である
錫炉容量：10kg
ドロス低減合金の成分：Sn-0.5P
追加が必要なPの量：10kg×0.00086％＝0.000086kg
作動24時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.000086kg/0.5＝0.0172kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.010wt％まで回復する。
Pを含まず、Sn-3-3.5Agの無鉛はんだの中にPを0.010wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.010wt％にする。
浸漬はんだ付けの錫炉容量：10kg
錫炉の作動温度：260℃
ドロス低減合金の成分：Sn-0.5P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：10kg×0.010％＝0.001kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.001kg/0.5＝0.2kg
2．作動24時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動24時間ごとのPの損失量は0.00086％である
錫炉容量：10kg
ドロス低減合金の成分：Sn-0.5P
追加が必要なPの量：10kg×0.00086％＝0.000086kg
作動24時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.000086kg/0.5＝0.0172kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.010wt％まで回復する。
1．錫炉の成分の改造：
Pを含まず、Sn-0.7Cuの無鉛はんだの中にPを0.008wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.008wt％にする。
ホットエア・レベラーの錫炉容量：400kg
錫炉の作動温度：265℃
ドロス低減合金の成分：Sn-0.6P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：400kg×0.008％＝0.032kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.032kg/0.6＝5.33kg
2．作動24時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動24時間ごとのPの損失量は0.003％である
錫炉容量：400kg
ドロス低減合金の成分：Sn-0.6P
追加が必要なPの量：400kg×0.003％＝0.012kg
作動24時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.012kg/0.6＝2kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.008wt％まで回復する。
Pを含まず、Sn-0.7Cuの無鉛はんだの中にPを0.008wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.008wt％にする。
ホットエア・レベラーの錫炉容量：400kg
錫炉の作動温度：265℃
ドロス低減合金の成分：Sn-0.6P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：400kg×0.008％＝0.032kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.032kg/0.6＝5.33kg
2．作動24時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動24時間ごとのPの損失量は0.003％である
錫炉容量：400kg
ドロス低減合金の成分：Sn-0.6P
追加が必要なPの量：400kg×0.003％＝0.012kg
作動24時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.012kg/0.6＝2kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.008wt％まで回復する。
1．錫炉の成分の改造：
Pを0.003wt％含む、Sn-0.7Cu-Tiの無鉛はんだの中にPを0.010wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.013wt％にする。
錫炉容量：460kg
錫炉の作動温度：255℃
ドロス低減合金の成分：Sn-0.5P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：460kg×0.010％＝0.046kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.046kg/0.5＝9.2kg
2．作動24時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動24時間ごとのPの損失量は0.0011％である
錫炉容量：460kg
ドロス低減合金の成分：Sn-0.5P
追加が必要なPの量：460kg×0.0011％＝0.00506kg
作動24時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.00506kg/0.5＝1.012kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.013wt％まで回復する。
Pを0.003wt％含む、Sn-0.7Cu-Tiの無鉛はんだの中にPを0.010wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.013wt％にする。
錫炉容量：460kg
錫炉の作動温度：255℃
ドロス低減合金の成分：Sn-0.5P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：460kg×0.010％＝0.046kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.046kg/0.5＝9.2kg
2．作動24時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動24時間ごとのPの損失量は0.0011％である
錫炉容量：460kg
ドロス低減合金の成分：Sn-0.5P
追加が必要なPの量：460kg×0.0011％＝0.00506kg
作動24時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.00506kg/0.5＝1.012kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.013wt％まで回復する。
1．錫炉の成分の改造：
Pを0.002wt％含む、Sn-3Ag-0.5Cuの無鉛はんだの中にPを0.010wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.012wt％にする。
錫炉容量：360kg
錫炉の作動温度：250℃
ドロス低減合金の成分：Sn-3Ag-0.5Cu-0.4P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：360kg×0.010％＝0.036kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.036kg/0.4＝9.0kg
2．作動48時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動48時間ごとのPの損失量は0.0022％である
錫炉容量：360kg
ドロス低減合金の成分：Sn-3Ag-0.5Cu-0.4P
追加が必要なPの量：360kg×0.0022％＝0.00792kg
作動48時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.00792kg/0.4＝1.98kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.012wt％まで回復する。
Pを0.002wt％含む、Sn-3Ag-0.5Cuの無鉛はんだの中にPを0.010wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.012wt％にする。
錫炉容量：360kg
錫炉の作動温度：250℃
ドロス低減合金の成分：Sn-3Ag-0.5Cu-0.4P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：360kg×0.010％＝0.036kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.036kg/0.4＝9.0kg
2．作動48時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動48時間ごとのPの損失量は0.0022％である
錫炉容量：360kg
ドロス低減合金の成分：Sn-3Ag-0.5Cu-0.4P
追加が必要なPの量：360kg×0.0022％＝0.00792kg
作動48時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.00792kg/0.4＝1.98kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.012wt％まで回復する。
1．錫炉の成分の改造：
Pを0.005wt％含む、Sn-3Ag-0.5Cuの無鉛はんだの中にPを0.008wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.013wt％にする。
錫炉容量：460kg
錫炉の作動温度：250℃
ドロス低減合金の成分：Sn-0.7Cu-Ti-0.5P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：460kg×0.008％＝0.0368kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.0368kg/0.5＝7.36kg
2．作動48時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動48時間ごとのPの損失量は0.0023％である
錫炉容量：460kg
ドロス低減合金の成分：Sn-0.7Cu-Ti-0.5P
追加が必要なPの量：460kg×0.0023％＝0.01058kg
作動48時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.01058kg/0.5＝2.116kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.013wt％まで回復する。
Pを0.005wt％含む、Sn-3Ag-0.5Cuの無鉛はんだの中にPを0.008wt％添加し、錫炉中のPの含有量を0.013wt％にする。
錫炉容量：460kg
錫炉の作動温度：250℃
ドロス低減合金の成分：Sn-0.7Cu-Ti-0.5P
改造用ドロス低減合金重量：
追加が必要なPの量：460kg×0.008％＝0.0368kg
必要なドロス低減合金重量：100×0.0368kg/0.5＝7.36kg
2．作動48時間ごとに添加量：
試験分析し、錫炉の作動48時間ごとのPの損失量は0.0023％である
錫炉容量：460kg
ドロス低減合金の成分：Sn-0.7Cu-Ti-0.5P
追加が必要なPの量：460kg×0.0023％＝0.01058kg
作動48時間ごとにドロス低減合金を追加する重量：100×0.01058kg/0.5＝2.116kg、当該重量であるドロス低減合金を添加した後、錫炉中のPの含有量は0.013wt％まで回復する。
実施例１〜６と比較例１〜６の実験結果は以下の通りに表に列挙される。
最適実施形態を上記に列挙したが、説明すべきであるのは、本発明は当業者がいろいろな変更と改良を行うことができるということである。従って、このような変更と改良は本発明の範囲を逸脱することを除き、すべて本発明に求める保護範囲に属するべきである。
Claims (10)
- マスター合金法でSnとPを含み、且つPの含有量が0.1〜0.8wt％であるドロス低減合金を製造する工程と、
改造する錫炉におけるはんだの中のPの含有量を分析し、錫炉成分の改造を行い、即ち、Pを含まず、又はPの含有量が0.008wt％より低い無鉛はんだの中に前記ドロス低減合金を添加し、錫炉中のPの含有量を0.008〜0.015wt％にする工程と、
一つの作業時間区間おきに錫炉中で、サンプリングをして分析し、錫炉中のP含有量及びP含有量の損失量を確定し、錫炉中のPの含有量が0.008〜0.015wt％より低い時、Pの含有量の損失量に基づいて計算した錫炉中の元のPの含有量を維持するため必要な上記のドロス低減合金の量を追加し、最終的に錫炉中のPの含有量を0.008〜0.015wt％に維持させる工程からなることを特徴とする無鉛はんだドロス低減方法。 - 前記無鉛はんだはSnとAgを含む合金はんだであることを特徴とする請求項1に記載の無鉛はんだドロス低減方法。
- 前記無鉛はんだはSnとCuを含む合金はんだであることを特徴とする請求項1に記載の無鉛はんだドロス低減方法。
- 前記無鉛はんだはSn、Ag及びCuを含む合金はんだであることを特徴とする請求項1に記載の無鉛はんだドロス低減方法。
- 前記無鉛はんだはSn-3-3.5Ag-0.5-0.7Cuの合金はんだであることを特徴とする請求項1に記載の無鉛はんだドロス低減方法。
- 前記ドロス低減合金はSn-0.1-0.8Pの合金であることを特徴とする請求項1に記載の無鉛はんだドロス低減方法。
- 前記ドロス低減合金はSn-3-3.5Ag-0.1-0.8Pの合金であることを特徴とする請求項1に記載の無鉛はんだドロス低減方法。
- 前記ドロス低減合金はSn-3-3.5Ag-0.5-0.7Cu-0.1-0.8Pの合金であることを特徴とする請求項1に記載の無鉛はんだドロス低減方法。
- 前記作業時間区間は8〜48時間であることを特徴とする請求項1に記載の無鉛はんだドロス低減方法。
- 当該方法はウェーブはんだ付け、浸漬はんだ付け及びホットエア・レベラーのプロセスに適用することを特徴とする請求項1に記載の無鉛はんだドロス低減方法。
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