JP4840960B2 - はんだ槽の侵食防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に鉛フリーはんだに起因するはんだ槽の侵食を防止するための、侵食防止方法及び侵食防止装置に関する。

近年、環境に対する鉛汚染を防止する観点から、鉛フリーはんだが急速に普及しつつある。この鉛フリーはんだは、環境保護に有用である反面、従来のスズ−鉛共晶はんだに比べて、融点が高い、はんだ濡れ性が劣る、などの問題も有する。

その一方で、鉛フリーはんだの使用に伴い、溶融はんだを収容するはんだ槽が激しく侵食されるという事態も発生している。その理由は、鉛フリーはんだを使用することにより、スズの割合が高くなり、かつ溶融はんだの温度が高くなり、かつ強力なフラックスが用いられ、その結果、ステンレス鋼の侵食が進んだためと考えられている。

そのような鉛フリーはんだの使用に伴う侵食を防ぐはんだ槽が、下記特許文献１，２に開示されている。このはんだ槽は、溶融はんだに接触する全てのステンレス鋼表面を、チタンや窒化物で覆うものである。

特開２００２−２８７７８号公報 特開２００４−１４１９１４号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示された技術では、次のような問題があった。第一に、ステンレス鋼表面を溶融はんだから一時的に遠ざけただけであるので、チタンや窒化物が無くなるとはんだ槽が侵食される。つまり、真の原因が究明されていないので、根本的な解決になっていない。第二に、既存のはんだ槽に適用することが困難である。なぜなら、予めチタンや窒化物で表面が覆われたステンレス鋼を用いて、はんだ槽を製造しなければならないからである。

そこで、本発明の目的は、はんだ槽の侵食の真の原因に対応した解決を図るとともに、既存のはんだ槽にも適用可能な侵食防止方法及び侵食防止装置を提供することにある。

本発明者は、鉛フリーはんだによるはんだ槽の侵食について研究を重ねた結果、鉛フリーはんだに含まれるヒ素が関与していることを突き止めた。つまり、鉛フリーはんだに含まれるヒ素がステンレス鋼に含まれるクロムと反応するのである。これは、クロムはヒ素との親和性が強いためと考えられる。詳しく言えば、何らかの理由によってステンレス鋼表面の酸化皮膜が破壊され、そこにヒ素が集まってクロムと反応して化合物を生成し、この化合物がステンレス鋼表面の酸化皮膜の修復を妨げることにより、剥き出しになったステンレス鋼がスズによって侵食される、と考えられる。すなわち、ステンレス鋼のスズによる侵食が、ヒ素によって加速されるのである。このことは、侵食されたステンレス鋼の断面に対して、エネルギ分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）によって二次元的に元素分析をした結果、明らかになった。

鉛フリーはんだに含まれるヒ素は、はんだ槽でプリント配線板のはんだ付けを行う過程で、プリント配線板から供給される。プリント配線板の製造工程では、基材と銅箔との接着性を高めるためにヒ素を添加した銅メッキ液が、一般に使用されている。そのため、プリント配線板の表面にはヒ素が残留しており、このヒ素がはんだ付け時に溶融はんだで洗い落とされてその溶融はんだ中に供給されるのである。したがって、鉛フリーはんだに含まれるヒ素は、新品ではほぼ零であるが、再生品ほど多くなる。

なお、従来のスズ−鉛共晶はんだにおいてヒ素によるはんだ槽の侵食が問題とならなかった理由については、現在のところ明らかになっていない。おそらく、前述したように、スズの割合が低く、溶融はんだの温度が低く、フラックスの作用が弱かったため、と推測される。

本発明は、このような知見に基づき、なされたものである。すなわち、本発明に係る侵食防止方法は、溶融はんだを収容するとともに溶融はんだに接触する部分にステンレス鋼が用いられたはんだ槽に対して、溶融はんだに含まれるヒ素を除去する、というものである。例えば、溶融はんだに含まれるヒ素を酸化させることにより、ヒ素を溶融はんだから除去する。

前述したように、はんだ槽の侵食は、溶融はんだに含まれるヒ素がステンレス鋼に含まれるクロムと反応することにより、著しく加速される。ここで、溶融はんだに含まれるヒ素を酸化させると、ひ素酸化物が生成され、これが溶融はんだ中で浮遊又は沈殿する。その結果、はんだ槽のステンレス鋼と反応するヒ素が無くなるので、はんだ槽の侵食が防止される。換言すると、活性なヒ素を不活性なヒ素に変換するのである。この侵食防止方法は、溶融はんだに施せばよいので、既存のはんだ槽にも適用可能である。なお、通常のはんだ槽では、溶融はんだが酸化することによりはんだ酸化物が生じるので、このはんだ酸化物を収集及び廃棄している。このとき、ヒ素酸化物もはんだ酸化物とともに収集及び廃棄される。また、ヒ素を酸化させることは、ステンレス鋼の酸化皮膜を再生する作用もあるので、はんだ槽の侵食防止により効果的である。

溶融はんだに含まれるヒ素を酸化させるには、溶融はんだ中に酸素を含む気体を供給する。その酸素を含む気体とは、例えば空気である。空気を使用すれば、他の気体を使用する場合に比べて、設備が最も簡略化される。

また、溶融はんだが鉛フリーはんだである場合は、はんだ槽の侵食が著しいので、最も効果的である（請求項５）。鉛フリーはんだとしては、例えばＳｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ等が挙げられる。

更に、はんだ槽がはんだ付に用いられていない時間に、溶融はんだに含まれるヒ素を酸化させる。そうしないと、ヒ素が酸化する際に溶融はんだの一部も酸化することにより、はんだ付の品質を低下させるからである。

本発明に係る侵食防止装置は、本発明に係る侵食防止方法を使用するものであり、ヒ素除去手段を備えている。このヒ素除去手段は、溶融はんだを収容するとともに溶融はんだに接触する部分にステンレス鋼が用いられたはんだ槽に対して、溶融はんだに含まれるヒ素を除去する。このヒ素除去手段は、ヒ素酸化手段である。このヒ素酸化手段は、溶融はんだに含まれるヒ素を酸化させることにより、ヒ素を溶融はんだから除去する。ヒ素酸化手段は、溶融はんだ中に酸素を含む気体を供給することにより、溶融はんだに含まれるヒ素を酸化させる酸素供給手段である。

一例を述べれば、酸素供給手段は、溶融はんだ中に設置され空気を吹き出す吹出口が形成された中空体と、中空体へ空気を送り込むポンプとを備えたものである。空気は、ポンプで中空体に押し込まれ、吹出口から溶融はんだ中へ放出される。溶融はんだ中において空気は比重によって浮上し、その際に空気に含まれる酸素と溶融はんだに含まれるヒ素とが反応することにより、ヒ素酸化物が生成される。

本発明に係る侵食防止方法及び装置によれば、溶融はんだに含まれるヒ素を酸化させて除去することにより、はんだ槽のステンレス鋼と反応するヒ素が無くなるので、はんだ槽の侵食を防止できる。すなわち、はんだ槽の侵食の真の原因が溶融はんだに含まれるヒ素であることを突き止めたので、的確な解決を図ることができる。また、この侵食防止方法は、溶融はんだに施せばよいので、又は、この侵食防止装置は、溶融はんだ中に設ければよいので、既存のはんだ槽にも適用できる。特に、ヒ素を酸化させて除去することは、ステンレス鋼の酸化皮膜を再生する作用もあるので、はんだ槽の侵食防止により効果的である。更に、はんだ槽がはんだ付に用いられていない時間に、溶融はんだに含まれるヒ素を酸化させることにより、ヒ素が酸化する際に溶融はんだの一部も酸化することによるはんだ付の品質低下を抑えることができる。

以下、本発明に係る侵食防止装置の実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。また、この実施形態の説明によって、本発明に係る侵食防止方法についても併せて説明することにする。

図１は本発明に係る侵食防止装置の第一実施形態を示し、図１［１］ははんだ付装置全体の概略断面図であり、図１［２］は侵食防止装置の一部の拡大断面図である。以下、この図面に基づき説明する。

はんだ付装置１０は、はんだ槽１１及び侵食防止装置１２を備えた浸漬式である。はんだ槽１１は、溶融はんだＳを収容するとともに、溶融はんだＳに接触する部分も含めた全体がステンレス鋼からなる。また、はんだ槽１１は、ヒータ１３を備えている。つまり、ヒータ１３の表面もステンレス鋼からなる。なお、はんだ付装置１０には、図示しないが、プリント配線板Ｐの搬送機構が設けられている。溶融はんだＳは、鉛フリーはんだである。

侵食防止装置１２は、溶融はんだＳに含まれるヒ素に起因するはんだ槽１１の侵食を防止するためものであり、溶融はんだＳ中に設置され空気Ａを吹き出す吹出口１２１が形成されたパイプ１２２と、パイプ１２２へ空気Ａを送り込むポンプ１２３とを備えたものである。パイプ１２２は、例えばステンレス鋼からなり、はんだ槽１１内の底壁側に設置された部分に多数の吹出口１２１が穿設されている。

次に、侵食防止装置１２の作用について説明する。まず、はんだ付装置１０の動作から説明する。鉛フリーはんだは、はんだ槽１１内でヒータ１３によってその融点以上に加熱されて、溶融はんだＳとなっている。ここで、電子部品が載置されたプリント配線板Ｐの裏側を溶融はんだＳに浸漬することにより、プリント配線板Ｐのはんだ付を行う。このとき、プリント配線板Ｐの表面に残留していたヒ素が、溶融はんだＳで洗い落とされて溶融はんだＳ中に蓄積されていく。従来は、このヒ素がはんだ槽１１のステンレス鋼に含まれるクロムと反応して化合物を生成することにより、はんだ槽１１の侵食が著しく加速されていた。詳しく言えば、何らかの理由によってステンレス鋼表面の酸化皮膜が破壊され、そこにヒ素が集まってクロムと反応して化合物を生成し、この化合物がステンレス鋼表面の酸化皮膜の修復を妨げることにより、剥き出しになったステンレス鋼がスズによって侵食されていた、と考えられる。

これに対して、本実施形態では、侵食防止装置１２が溶融はんだＳに含まれるヒ素を酸化して除去する。すなわち、空気Ａは、ポンプ１２３でパイプ１２２に押し込まれ、吹出口１２１から溶融はんだＳ中へ放出される。溶融はんだＳ中において空気Ａは比重によって浮上し、その際に空気Ａに含まれる酸素と溶融はんだＳに含まれるヒ素とが反応することにより、ヒ素酸化物が生成される。その結果、はんだ槽１１のステンレス鋼と反応するヒ素が無くなるので、はんだ槽１１の侵食が防止される。また、侵食防止装置１２は、パイプ１２２を溶融はんだＳ中に設ければよいので、既存のはんだ槽にも適用可能である。

一般にはんだ槽１１では、溶融はんだＳが酸化することによりはんだ酸化物（「ドロス」と呼ばれている。）が生じるので、このはんだ酸化物を収集及び廃棄している。このとき、ヒ素酸化物もはんだ酸化物とともに収集及び廃棄される。また、はんだ槽１１がはんだ付に用いられていない時間に、溶融はんだＳに含まれるヒ素を酸化させる。そうしないと、ヒ素が酸化する際に溶融はんだＳの一部も酸化するので、はんだ付の品質が低下するからである。したがって、はんだ付工程は、ヒ素酸化→ドロス廃棄→はんだ付、という手順になる。

なお、パイプ１２２の数量及び形状、並びに吹出口１２１の数量及び形状は、必要に応じて変えてもよい。また、ポンプ１２３の代わりに、既存のエア配管から空気Ａを導入してもよい。

図２は本発明に係る侵食防止装置の第二実施形態を示し、図２［１］ははんだ付装置全体の概略断面図であり、図２［２］は侵食防止装置の一部の拡大断面図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、第一実施形態と同じ部分については、説明を省略又は簡略化する。

本実施形態のはんだ付装置２０は、はんだ槽２１及び侵食防止装置２２を備えた噴流式である。はんだ槽２１は、溶融はんだＳを収容するとともに、溶融はんだＳに接触する部分も含めた全体がステンレス鋼からなる。また、はんだ槽２１は、ヒータ２３、シャフト２４、フィン２５、ダクト２６、整流用多孔板２７ａ，２７ｂ、ノズル２８等を備えている。つまり、ヒータ２３の表面、並びにシャフト２４、フィン２５、ダクト２６、整流用多孔板２７ａ，２７ｂ、及びノズル２８も、ステンレス鋼からなる。なお、はんだ付装置２０には、図示しないが、プリント配線板Ｐの搬送機構が設けられている。溶融はんだＳは、鉛フリーはんだである。整流用多孔板２７ａ，２７ｂは、溶融はんだＳの流れを均一化してノズル２８へ送る働きをする。

侵食防止装置２２は、溶融はんだＳに含まれるヒ素に起因するはんだ槽２１の侵食を防止するためものであり、溶融はんだＳ中に設置され空気Ａを吹き出す吹出口２２１が形成されたパイプ２２２と、パイプ２２２へ空気Ａを送り込むポンプ２２３とを備えたものである。パイプ２２２は、例えばステンレス鋼からなり、はんだ槽２１内の側壁側に設置された部分に多数の吹出口２２１が穿設されている。

次に、侵食防止装置２２の作用について説明する。まず、はんだ付装置２０の動作から説明する。鉛フリーはんだは、はんだ槽２１内でヒータ２３によってその融点以上に加熱されて、溶融はんだＳとなっている。シャフト２４は、図示しないモータから動力を伝達することにより、撹拌用のフィン２５を回転させる。フィン２５よってダクト２６内に送られた溶融はんだＳは、整流用多孔板２７ａ，２７ｂを通過して、ノズル２８から噴き出される。ここで、電子部品が載置されたプリント配線板Ｐの裏側を噴き出てくる溶融はんだＳに接触させることにより、プリント配線板Ｐのはんだ付を行う。このとき、プリント配線板Ｐの表面に残留していたヒ素が、溶融はんだＳで洗い落とされて溶融はんだＳ中に蓄積されていく。従来は、このヒ素がはんだ槽２１のステンレス鋼に含まれるクロムと反応してヒ化クロムを生成することにより、はんだ槽２１の侵食が著しく加速されていた。噴流式のはんだ付装置２０では、強制的に溶融はんだＳを撹拌することにより、溶融はんだＳが激しく当たるシャフト２４、フィン２５、ダクト２６、整流用多孔板２７ａ，２７ｂ、ノズル２８等で大きく侵食される。

これに対して、本実施形態では、侵食防止装置２２が溶融はんだＳに含まれるヒ素を酸化して除去する。すなわち、ポンプ２２３を使って空気Ａをパイプ２２２に押し込み、その空気Ａを吹出口２２１から溶融はんだＳ中へ放出することにより、ヒ素酸化物を生成する。このとき、空気Ａを効率よく溶融はんだＳ中に混ぜ込むために、溶融はんだＳを循環させておくことが望ましい。その結果、はんだ槽２１のステンレス鋼と反応するヒ素が無くなるので、はんだ槽２１の侵食が防止される。また、侵食防止装置２２は、パイプ２２２を溶融はんだＳ中に設ければよいので、既存のはんだ槽にも適用可能である。本実施形態におけるはんだ付工程は、ヒ素酸化→ドロスを廃棄しながらはんだ付、又は、ヒ素酸化→ドロス廃棄→はんだ付、という手順になる。

図３は本発明に係る侵食防止装置の他の実施形態を示す説明図であり、図３［１］は第一例、図３［２］は第二例である。以下、この図面に基づき説明する。

第一例は、図２に示した噴流式のはんだ付装置において、ノズル２８から噴出した溶融はんだＳを、溶融はんだＳの液面に落下させる際に、空気Ａが溶融はんだＳ中に混ざり込むようにしたものである。第二例は、溶融はんだＳの液面を切るように撹拌用羽根車３０を回転させることにより、空気Ａが溶融はんだＳ中に混ざり込むようにしたものである。

なお、本発明は、いうまでもなく、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明が適用されるはんだ槽は、もちろん全体がステンレス鋼である必要はなく、溶融はんだに接触する部分に少しでもステンレス鋼が用いられていればよい。

本発明に係る侵食防止装置の第一実施形態を示し、図１［１］ははんだ付装置全体の概略断面図であり、図１［２］は侵食防止装置の一部の拡大断面図である。 本発明に係る侵食防止装置の第二実施形態を示し、図２［１］ははんだ付装置全体の概略断面図であり、図２［２］は侵食防止装置の一部の拡大断面図である。 本発明に係る侵食防止装置の他の実施形態を示す説明図であり、図３［１］は第一例、図３［２］は第二例である。

符号の説明

１０ はんだ付装置（浸漬式）
１１ はんだ槽（浸漬式）
１２，２２ 侵食防止装置（酸素供給手段、ヒ素酸化手段、ヒ素除去手段）
１２１，２２１ 吹出口
１２２，２２２ パイプ（中空体）
１２３，２２３ ポンプ
２０ はんだ付装置（噴流式）
２１ はんだ槽（噴流式）
Ｓ 溶融はんだ（鉛フリーはんだ）
Ｐ プリント配線板

Claims (2)

1. 鉛フリーはんだからなる溶融はんだを収容するとともに前記溶融はんだに接触する部分にステンレス鋼が用いられたはんだ槽に対して、
   前記はんだ槽がはんだ付に用いられていない時間に、前記溶融はんだ中に酸素を含む気体を供給することにより、前記溶融はんだに含まれるヒ素を酸化させる、
   ことを特徴とするはんだ槽の侵食防止方法。
2. 前記酸素を含む気体は空気である、
   請求項１記載のはんだ槽の侵食防止方法。

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