JP2929805B2 - はんだ濡れ挙動観測方法及びその装置 - Google Patents

はんだ濡れ挙動観測方法及びその装置

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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02Investigating surface tension of liquids
    • G01N2013/0225Investigating surface tension of liquids of liquid metals or solder

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  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、はんだ濡れ挙動の観測
方法とその装置及びはんだ濡れ性の評価方法に係り、主
としてパーソナル機器用の小形・薄型電子回路基板に搭
載される超小形電子部品の接続用リード部等、微小部分
のはんだ濡れ挙動を観測し、それらのはんだ濡れ性を評
価する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のはんだ濡れ性評価方法は、はんだ
槽への試料浸漬による濡れ性試験(浸漬法)や試料上の
はんだの濡れ広がり試験(濡れ広がり法)等、あるいは
メニスコグラフ法等により評価されていた。これらの方
法による問題点は浸漬法や濡れ広がり法では、動的な濡
れ特性評価が行なえない点、またメニスコグラフ法では
試料の大きさが制限されるという点にあった。実際の電
子回路基板等の製造工程では部品を短時間ではんだ付け
する事が要求されており、部品リード部の濡れ特性とし
ては初期の濡れ広がり速度等の動的な濡れ特性の評価が
必要である。しかしながら前者による濡れ性評価方法で
は、試料上にはんだが濡れ広がった後の平衡状態での静
的な濡れ特性しか評価しておらず、これのみでははんだ
濡れ性の評価方法としては適さない。また、後者のメニ
スコグラフ法では試料をはんだ槽に浸漬させたときに生
じる力を基にして動的な濡れ特性を評価する事ができ
る。しかしながら、この時生じる力は試料面積の大きさ
に依存するため、試料としておよそ10mm×10mm以上
の大きさが必要であり、それより小さな部品の濡れ性評
価方法としては適さない。
【0003】またメニスコグラフ法を微小部品のリード
部の濡れ性評価に応用した例として、サーキット・ワー
ルド、16(1989年)第24頁から32頁(Circui
t World,16(1989)pp24−32)に記載され
ているような、各種部品にあった専用治具を作製し、こ
れを用いて濡れ性を評価する方法もあるが、この方法で
は部品の種類が異なる毎に治具を作製しなければなら
ず、汎用的に使う事ができないという問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、微小
部分におけるはんだ濡れ挙動の観測方法及びその装置を
提供し、それらを用いる事により、上述の従来のはんだ
濡れ性評価方法に代わって、超小形電子部品等における
0.5mm〜1mm幅程度の微小リード部の動的なはんだ濡
れ特性を評価する事ができる、汎用的な濡れ性評価方法
を提供する事にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題は試料上に置か
れたはんだ粒子の、昇温に伴う濡れ広がり挙動を実時間
で観測することによって可能となる。濡れ広がり挙動の
観測方法としては種々考えられるが、水平におかれた試
料に対して真上からはんだ液滴の濡れ広がり面積の経時
変化を観測する方法及び、真横からはんだ液滴の濡れ角
の経時変化を観測する方法等がある。より具体的には、
試料上に置かれたはんだ粒子をそのはんだの融点以上に
加熱した際の、はんだ液滴の濡れ角の経時変化を観測す
るものである。また、試料を載せる試料台と該試料台の
下側に配置された加熱手段と該試料台の上側に形成され
た観測窓とを有する試料容器と、該試料容器の観測窓を
介して該試料台に載せられた試料に含まれるはんだを観
測できる撮像手段と、該撮像手段によって得られた画像
を用いて該はんだの面積変化を求めることのできる画像
処理装置とを備えたものである。また、試料を載せる試
料台と該試料台の下側に配置された加熱手段と該試料台
の側方に形成された観測窓とを有する試料容器と、該試
料容器の観測窓を介して該試料台に載せられた試料に含
まれるはんだを観測できる撮像手段と、該撮像手段によ
って得られた画像を用いて該はんだの角度変化を求める
ことのできる画像処理装置とを備えたものである。ま
た、前記試料容器にガス導入孔とガス排出孔とを形成
し、該試料容器にガスを導入するように構成したもので
ある。また、前記ガス排出孔を前記試料台の下側に形成
したものである。これらの方法によれば試料の大きさに
よらず、その表面のはんだ濡れ特性、特に動的な濡れ性
を評価する事ができる。以下に、図面に従って上記の観
測方法及び装置について詳細に説明する。
【0006】図1に本発明に基づくはんだ濡れ挙動観測
装置の概念図を示した。10mm径×5mmの大きさを有す
る試料台1は、密閉性のある試料容器2に納められてお
り、試料台1の周りには加熱用のヒ−タ3が巻きつけら
れている。この試料台1は、再現性良く観測を行なうた
めに、温度ばらつきが±1℃/cm以下の高い均熱性を有
している事が望ましい。試料容器2にはガス導入孔5及
びガス排出孔6が備えられており、試料容器全体を各種
ガスで置換することが出来ると共に、ガス排出孔6が試
料台1の真下に位置しているために、試料台1近くでの
ガスの流れが本図において上方から下方への流れとな
り、試料からフラックスや溶剤による蒸気等が発生した
場合でも観察窓4がそれらの蒸気等で汚染されることが
ないようになっている。試料台1の温度は熱電対7によ
り常にモニタリングされており、±1℃まで制御できる
精密な温度制御装置13を通して、試料台1が適正な温
度となるようにヒ−タ3への出力が設定される。試料台
1を加熱した際の試料上のはんだ粒子の挙動は、可変倍
率機構を有する観測光学系8を通してCCDセンサ9に
より映像信号に変えられ画像記録装置11に記録される
と共に画像モニタ10に映しだされる。試料台1から観
察窓4までの距離が長いため、観測光学系8に用いる対
物レンズは作動距離が10mm以上あるものが望ましい。
画像記録装置11に記録された画像をもとにして、画像
処理装置12によりはんだ液滴の広がり速度や濡れ角の
変化速度等の動的挙動に関するデ−タを求めることが出
来る。この時、実時間にて画像処理装置12による画像
処理を行なうことが可能ならば、必ずしもそれらの画像
を画像記録装置11に記録する必要はない。
【0007】
【作用】はんだ粒子を試料台上におかれた試料の上に置
き、試料台を1〜10℃/分程度の速度で加熱する場合
を考える。但しこの加熱速度は該はんだの融点近傍約±
30℃の範囲において実現されていればよく、それ以外
の温度範囲においてはより高速での昇温も可能である。
試料台の温度、即ち試料及びはんだ粒子の温度が該はん
だの融点に近づくにつれて、はんだ粒子は溶融し液滴と
なる。この液滴は、試料の表面の清浄度や濡れ性、さら
にはフラックスの有無等にもよるが、次第に試料上に濡
れ広がり始める。この初期の動的な濡れ広がり特性は液
滴と試料との接触面積の時間変化あるいは液滴が試料に
接する角度(濡れ角)の時間変化を観測する事により評
価できる。
【0008】
【実施例】
実施例1 図1に示した構成の濡れ性評価装置を用い、1mm×1mm
×0.2mmの大きさの銅板を試験片としてその上のはん
だ粒子の濡れ広がり挙動を観測した。通常のメニスコグ
ラフ法では、この大きさの試料の濡れ性を評価する事は
極めて困難である。はんだ粒子は直径0.1mmの大きさ
のものを用い組成はSn63wt%残部Pbの共晶組成
とした。フラックスとしてはRMAタイプのwwロジン
をイソプロピルアルコールで希釈して用いた。銅試験片
は酸洗浄を行なって表面の酸化膜を完全に除去したもの
を用いた。加熱時の雰囲気としては窒素ガス雰囲気と
し、加熱中に、フラックス蒸気の付着による観察窓の汚
染を防止するため、試料近傍で常に観察窓から試料台方
向へのガス流が形成されるようにした。まずフラックス
をつけたはんだ粒子を銅試験片上におき、室温から15
0℃まで20℃/分で、その後5℃/分で200℃まで
加熱した。この時のはんだ粒子(液滴)の変化の様子を
上方から観測し、初期のはんだ粒子の投影面積に対する
はんだの広がり面積の経時変化を求め、図2(1)に示
した。共晶はんだの融点である183℃を少し越えた温
度から急に濡れ広がり始め、時間に対してほぼ直線的に
面積が増加した後、一定値に達している。図2には他の
条件での観測結果も示した。(2)及び(3)はそれぞ
れ銅試験片を空気中にて100℃、160℃で各1分間
エージングを行なった後、濡れ挙動観測を行なったもの
である。この図から明らかなように銅板のエージングに
より生じた表面酸化膜が濡れ性に及ぼす影響が顕著に現
れており、特に濡れ広がり開始温度及び初期の濡れ広が
り速度において違いが明らかである。
【0009】図3には、上記の実験を観測光学系を横置
きにして行ない、試料の側面からはんだ液滴の濡れ角の
経時変化を観測した結果を示した。(1)の試料では図
2と同様に183℃を少し越えた温度から急に濡れ角が
減少し始め、その後一定値に達している。(2)及び
(3)はそれぞれ図2の場合と同じ条件の銅試験片の結
果であるが、図2の濡れ広がり面積比の変化の場合と同
様、濡れ角の変化においても表面酸化膜の影響による濡
れ性の違いが顕著に現れている事がわかる。
【0010】以上の例では銅板を試験片として用いた
が、銅板以外のあらゆる試験片が適用可能である。また
試験に供したはんだも、共晶組成以外にもあらゆる組成
のはんだを用いる事ができる。但し、一般的な濡れ指標
の標準化を行なう場合には、一般的な共晶組成のはんだ
を用いる方が望ましいと思われる。
【0011】実施例2 本発明を用いて5種の部品リード部の濡れ挙動観測を行
なった結果を表1に示す。
【0012】
【表1】
【0013】観測条件は実施例1の場合と同様で、窒素
ガス中、昇温速度5℃/分、はんだ粒子径0.1mm、
Pb−Sn系共晶はんだを用いて行なった。濡れ広がり
面積比の経時変化から求めた初期の濡れ広がり速度は、
試料によって差がみられ、これは試料毎の濡れ性の違い
を顕著に表している。表1には平衡に達したときの濡れ
広がり面積比も示したが、ほぼ対応している事がわか
る。この方法により、微小な部分のはんだ濡れ性を評価
する事が可能となった。
【0014】
【発明の効果】本発明により、これまで定量的に評価す
る事が困難であった、微小部品のリード部のはんだ濡れ
性について、その動的な濡れ特性を定量的に評価する事
が可能となった。これにより部品のはんだ付けを行なう
前に、そのはんだ付け性を定量的に評価し、事前に不良
品を除外できる事から、得られる電子回路基板の品質を
大幅に向上する事が可能となった。また、この評価方法
を用いる事により、これまで定量的な取扱いが困難であ
ったはんだ濡れ性というものに対して、ある測定条件を
基準とする事により指標値を設定する事が可能となっ
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づく濡れ挙動観測装置の構成図であ
る。
【図2】はんだ濡れ広がり面積比の時間変化を表す図で
ある。
【図3】はんだ濡れ角の時間変化を表す図である。
【符号の説明】
1…試料台、 2…試料容器、 3…ヒータ、 4…観測窓、 5…ガス導入孔、 6…ガス排出孔、 7…熱電対、 8…観測光学系、 9…CCDセンサ、 10…画像モニタ、 11…画像記録装置、 12…画像処理装置、 13…温度制御装置。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−49950(JP,A) 特開 昭62−7137(JP,A) 実開 昭59−62861(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 13/00 - 13/02 G01N 33/20 H05K 3/34 JICSTファイル(JOIS)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料上に置かれたはんだ粒子をそのはんだ
    の融点以上に加熱した際の、はんだ液滴の濡れ角の経時
    変化を観測することを特徴とするはんだ濡れ挙動観測方
    法。
  2. 【請求項2】試料を載せる試料台と該試料台の下側に配
    置された加熱手段と該試料台の上側に形成された観測窓
    とを有する試料容器と、 該試料容器の観測窓を介して該試料台に載せられた試料
    に含まれるはんだを観測できる撮像手段と、 該撮像手段によって得られた画像を用いて該はんだの面
    積変化を求めることのできる画像処理装置とを備えたこ
    とを特徴とする観測装置。
  3. 【請求項3】試料を載せる試料台と該試料台の下側に配
    置された加熱手段と該試料台の側方に形成された観測窓
    とを有する試料容器と、 該試料容器の観測窓を介して該試料台に載せられた試料
    に含まれるはんだを観測できる撮像手段と、 該撮像手段によって得られた画像を用いて該はんだの角
    度変化を求めることのできる画像処理装置とを備えたこ
    とを特徴とする観測装置。
  4. 【請求項4】前記試料容器にガス導入孔とガス排出孔と
    を形成し、該試料容器にガスを導入するように構成した
    ことを特徴とする請求項2または3記載の観測装置。
  5. 【請求項5】前記ガス排出孔を前記試料台の下側に形成
    したことを特徴とする請求項4記載の観測装置。
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