JP4674436B2 - 噴流式はんだ付け装置 - Google Patents

Description

プリント基板に抵抗、コンデンサなどの電子部品をはんだ付けする際には、噴流式のはんだ付け装置が用いられる（特許文献１、２参照）。図６に噴流式のはんだ付け装置の概略図を示す。

はんだ槽１００には、パネルヒーター１１０が取り付けられており、はんだ槽内の温度をはんだの融点以上にまで加熱する。

はんだ槽内には、噴流装置（番号付けせず）が沈められている。噴流装置は、Ｌ字型に加工され、一方にノズル２１０を、他方にはんだ吸込み口２０２を配したダクト２００からなる噴流装置本体部（番号付けせず）と、モーター２４０とシャフト２３０とポンプインペラー２２０とから成る噴流装置ポンプ部（番号付けせず）とで構成される。

なお、ダクト２００には、噴流装置全体をはんだ槽から引き上げる際に、ダクト２００内に残ったはんだを抜くためにはんだ抜取孔２０４が開けられている。

次に噴流式半田付け装置の動作を説明する。はんだ槽１００に投入されたはんだは、パネルヒーター１１０によって融点以上に加熱され溶融する。

ポンプインペラー２２０は、モーター２４０によって回転駆動されており、はんだ吸込み口２０２に負圧を発生させる。溶融して液体状態になったはんだは、このときの負圧によってはんだ吸込み口２０２からダクト２００内に吸込まれる。

吸込まれたはんだは、ダクト２００内を通って、ノズル２１０に達し、噴水の様に排出される。

排出されたはんだが流れ落ちる部分で、はんだ付けしたい基板３００を通過させる。このとき、流れるはんだの流速と同じ速度で基板３００を通過させることで、はんだ付けしたい部分に不必要な力をかけることなくはんだ付けすることができる。すなわち、静止した状態の溶融はんだに、基板を浸したのと同じ状態を得ることができる。

以上が噴流式半田付け装置の動作説明である。

ところで、上記に示した特許文献１や２の時期には、はんだ付け装置に用いられていたのは、鉛はんだと呼ばれるものが主であった。鉛はんだとは、錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）の合金である。錫と鉛の組成比を調整することで、融点を調整することができ、主として１８３℃の場合が多く使われる。鉛はんだは、低い温度で融けるため、電子部品とプリント基板の接続には従来から用いられてきた。

しかし近年は、鉛はんだを用いた電子機器を廃棄した際に析出する鉛が、環境を汚染するとして社会的に問題視されるようになった。そのため、鉛を使用しない鉛フリーはんだが開発され、実用される局面が広がっている（特許文献３、４参照）。

鉛フリーはんだは、錫（Ｓｎ）と銅（Ｃｕ）を主成分とするものが一般的となっている。そして、融点の調整や耐久性の向上のために、銀（Ａｇ）やビスマス（Ｂｉ）等の金属が添加される（特許文献３、４参照）。

例えば、錫（Ｓｎ）９９．３重量％、銅（Ｃｕ）０．７重量％のものや、錫（Ｓｎ）９６．５重量％、銀（Ａｇ）３重量％、銅（Ｃｕ）０．５重量％のものがある。鉛フリーはんだは、鉛が析出することがないので、環境に対する汚染の心配はない。しかし、融点は鉛はんだが１８３℃であるのに対して、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕのものは２２０℃と高くなってしまう。
特開平２−６３６７８号公報 特開平２−８０１６９号公報 特開平９−９４６８７号公報 特開平９−９４６８８号公報

噴流式のはんだ付け槽は、耐久性および価格の点から、ステンレス鋼（以後「ＳＵＳ材」と記載する。）で作られる。特にクロム（Ｃｒ）１８重量％、ニッケル８重量％、（残部は鉄）からなるＮｉ系ステンレスであるＳＵＳ３０４は、伸びが大きく引っ張り強さも高く、機械的強度も高いため、よく利用される。このようなはんだ付け槽では、使用されるはんだが鉛はんだの場合は、はんだ槽に対して問題を発生させることはなかった。

しかしながら、鉛フリーはんだになると、ＳＵＳ３０４からなるはんだ槽は、侵食され、ひどい場合ははんだ槽に孔が開いてしまうという問題が生じていた。また、噴流装置の侵食、特にポンプインペラーの侵食は、噴流効率を低下させる。

図７には、鉛フリーはんだを噴流式はんだ付け装置で用いた場合に、侵食が著しい箇所を示す。はんだ吸込み口２０２やはんだ抜き取孔２０４の下方部分のはんだ槽１００の壁面（ＡおよびＢ部分）、およびポンプインペラー２２０とその周囲のダクト２００部分（Ｃ部分）の侵食が特に著しかった。これらの部分は、溶融されたはんだの発散源（吸込みまたは吐き出しの源）の近傍であり、溶融はんだの対流に常にさらされている部分である。

この侵食された部分は、はんだによって「ぬれ」が生じており、その断面を調べると、母材であるＳＵＳ３０４とはんだの間に反応層が確認された。つまり、鉛フリーはんだはＳＵＳ３０４との界面で反応し、一体化していた。

なお、「ぬれ」もしくは「ぬれ性」とは、母材に対する親和性の程度を表す指標である。例えば母材Ｘに対して液体Ｙを塗った時に、母材Ｘ上で液体Ｙがはじくことなく、均一に塗ることができる場合は、「ぬれ性が高い」という。塗布や接着の分野では、重要な指標の一つである。定性的な比較方法としては、接触角の測定などが知られている。

鉛フリーはんだをＳＵＳ３０４からなるはんだ槽で使用した場合の、侵食の原因は、まだ特定されてはいない。しかし、上記の事実より、ＳＵＳ３０４の母材と反応したはんだ部分が、はんだ槽内の対流によって運び去られることで、侵食が進行すると考えられる。

特に、はんだの対流が激しい、ダクトの入り口に浸食が集中している点が、この仮説を支持する根拠となる。はんだ抜き取り孔の部分では、ダクト内をはんだの強い流れがあることから、この孔からはんだの流れが発生し、孔の下部分の侵食を進行させたと考えられる。

もちろん鉛フリーはんだの溶融温度が、従来の鉛はんだより高いために、侵食の進行を増長させることになっているということも原因の一端であると考えられる。

上記課題に鑑み、本発明では、鉛を使用しない鉛フリーはんだが投入されるはんだ槽と、前記はんだ槽内の温度をはんだの融点以上に加熱するパネルヒーターと、前記はんだ槽内に配置されかつ一方に配したはんだ吸込み口から溶融したはんだを吸込むとともに他方に配したノズルから溶融したはんだを排出するダクトを有する噴流装置本体部とを備えた噴流式はんだ付け装置であって、前記はんだ槽内において、前記ダクトのはんだ吸込み口と前記はんだ槽の底面との間に、前記はんだ槽の底面に接触しないように中敷を配したことを特徴とする。

本発明で提供する材料によって鉛フリーはんだを用いる場合のはんだ槽を作成すれば、鉛フリーはんだによるはんだ槽の侵食を低減させることができる。

また、本発明で提供する中敷によってはんだ槽内のはんだの対流が直接半田槽の壁面に衝突することがなくなり、侵食の進行を遅らせることができる。

図１には、噴流式はんだ付け装置を示す。はんだ槽１５は、従来のＳＵＳ３０４ではなく、ＳＵＳ３１６を用いている。後述する実験によって鉛フリーはんだに対してはＳＵＳ３１６がＳＵＳ３０４より、侵食に対して対抗力を有することがわかった。従って、はんだ槽１５の材質をＳＵＳ３０４からＳＵＳ３１６に変更することで、好適な鉛フリーはんだの噴流式はんだ付け装置のはんだ槽を得ることができる。ＳＵＳ３１６は、ＳＵＳ３０４と同じＮｉ系ステンレス鋼（オーステナイト系）であり、ＳＵＳ３０４同様、伸びがあり機械強度が高いため、はんだ槽の材料として適している。ただし、ＳＵＳ３１６はクロム（Ｃｒ）１８重量％、ニッケル（Ｎｉ）１２重量％、モリブデン（Ｍｏ）２．５％重量％、残りは鉄（Ｆｅ）という組成になっており、ＳＵＳ３０４と比較すると、モリブデン（Ｍｏ）が添加されている。このモリブデンの添加が鉛フリーはんだに対するぬれ性を低下させる要因になっていると考えられる。

なお、ダクト２０、ノズル２１、ポンプインペラー２２、シャフト２３についてもＳＵＳ３１６へ材質を変更することで、耐久性が向上することは言うまでも無い。特に、肉厚が薄くなるダクトや、激しい対流にさらされるポンプインペラーをＳＵＳ３１６にすることは、噴流式はんだ付け装置自体の耐久性向上に効果がある。

次に鉛フリーはんだに侵食されにくい材料を確認するための実験について述べる。図２にはそのための実験の様子を示す。はんだ槽１００の材質はＳＵＳ３０４を用いた。はんだ槽１００にはパネルヒーター１１０を取付てあり、はんだ槽内の温度を上昇させることができる。はんだ槽には鉛フリーはんだを入れ、融点以上となる２５０℃に加熱して液体状態に溶融した。この溶融はんだの中にモーター２４０につながった、シャフトとポンプインペラーを沈めた。シャフト２３０とポンプインペラー２２０は、ＳＵＳ３０４であり、シャフト２３とポンプインペラー２２は、ＳＵＳ３１６である。

モーターで毎分５００回転の回転をポンプインペラーに与え、２０００時間後の外観を観察した。

その結果、ＳＵＳ３０４のポンプインペラーには、激しい浸食とぬれが認められた。これに対してＳＵＳ３１６では、顕微鏡観察による微小の侵食はあったものの、目視レベルにおいて侵食やはんだのぬれは認められなかった。

同様の実験をＳＵＳ３１６の表面を窒化処理した場合についても行ってみたが、この場合は、微小な侵食跡さえ確認できなかった。

はんだの「ぬれ」性を定量的に比較するのは困難である。しかし、上記の確認実験にそって、表面に１０ｍｍ以上のぬれ部分が存在しない程度であれば、鉛フリーはんだ用のはんだ槽の材質として数年の使用に耐える。すなわち、噴流式はんだ付け装置におけるはんだ槽やダクト、ポンプインペラーなどをＳＵＳ３１６や表面窒化処理を施したＳＵＳ３１６で作成すれば、鉛フリーはんだによる侵食を低減もしくは抑制することができる。

したがって、本明細書で「ぬれない」、「ぬれが生じない」とは、上記確認試験によって表面に１０ｍｍ以上のぬれ部分が存在しないこととする。

図３に本発明の実施の形態による噴流式はんだ付け装置を示す。本実施の形態では、はんだ槽１００は、ＳＵＳ３０４であるが、ダクトのはんだ吸込み口２０２とはんだ槽１００の底面との間に中敷４５を配した点が特徴である。

中敷４５は鉛フリーはんだに侵食されにくい、ＳＵＳ３１６を用いた。もちろん図１で示した表面窒化処理を行ったＳＵＳ３１６を用いてもよいことはいうまでもない。また、中敷４５は取付具５２によってダクト２００に固定されている。このようにすることで、中敷４５は、はんだ槽の底面に直接ふれることを防止できる。中敷４５がはんだ槽と接触していると、その部分ではんだ槽と接着してしまい、中敷を取り出せなくなる。

このように中敷を配することで、はんだ吸込み口２０２の近傍で生じる溶融はんだの対流がはんだ槽に直接当たることがなく、はんだ槽の浸食の進行を抑圧することができる。これは、図７で示した、はんだの対流が直接当たる部分ではんだ槽の浸食が激しいという点を考慮したものである。

同様の理由で、はんだ抜き取り孔２０４の近傍のはんだ槽底面の侵食も抑圧することができる。

なお、ここでは、はんだの吸込み口ははんだ槽の底面を向いている場合について説明を行ったが、半田の吸込み口がはんだ槽の壁面に向いていた場合は、中敷は壁面に沿って、はんだ吸込み口と壁面の間に配するのが好適となる。

図４には、取付具５４によって中敷４５を取り付けた場合を示している。取付具５４は中敷をダクトとは別に保持している。従って、図３と比較して図４の場合は、中敷とダクトが別々になっている。図３の場合は、ダクトと中敷を合算した重量を持ち上げる必要があったが、図４の場合であれば、取り出し時にそれほど重たくならない。

図４の場合も中敷は直接はんだ槽の底面に接触させないようにする。

図５に本実施の形態に関る噴流式はんだ付け装置を示す。本実施の形態では、中敷４７は従来とおりのＳＵＳ３０４である。従って、はんだ吸込み口２０２や、はんだ抜き取り孔２０４の近傍の中敷は鉛フリーはんだによって侵食される。しかし、侵食の進行はほぼ一定に進行するため、中敷の厚さがわかっていれば、どれくらいの期間で交換しなければならないかを予め知ることができる。そこで、取り出して、交換しやすいように配したのが本実施の形態である。

このようにすることで、交換の手間はかかるものの、より安価なＳＵＳ３０４の中敷を従来の噴流式はんだ付け装置に配するだけで、装置全体の使用可能期間を延ばすことができる。

なお、材料については、ＳＵＳ３０４以外の材料を用いてもよい。

噴流式はんだ付け装置を示す図 鉛フリーはんだに侵食されにくい、材料を確認する実験の模式図 本発明の実施の形態による噴流式はんだ付け装置を示す図 本発明の別の実施の形態による噴流式はんだ付け装置を示す図 本発明の別の実施の形態による噴流式はんだ付け装置を示す図 従来の噴流式はんだ付け装置を示す図 鉛フリーはんだによる侵食の著しい箇所を示す図

１５ はんだ槽
２０ ダクト
２１ ノズル
２２ ポンプインペラー
２３ シャフト
１１０ パネルヒーター
２０２ はんだ吸込み口

Claims (1)

1. 鉛を使用しない鉛フリーはんだが投入されるはんだ槽と、前記はんだ槽内の温度をはんだの融点以上に加熱するパネルヒーターと、前記はんだ槽内に配置されかつ一方に配したはんだ吸込み口から溶融したはんだを吸込むとともに他方に配したノズルから溶融したはんだを排出するダクトを有する噴流装置本体部とを備えた噴流式はんだ付け装置であって、前記はんだ槽内において、前記ダクトのはんだ吸込み口と前記はんだ槽の底面との間に、前記はんだ槽の底面に接触しないように中敷を配したことを特徴とする噴流式はんだ付け装置。

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