JP4997926B2

JP4997926B2 - 溶融金属吐出装置用ノズル及びその製造方法

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Publication number: JP4997926B2
Application number: JP2006303791A
Authority: JP
Inventors: 加寿代遠藤; 宏福本; 吉典横山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: JP2008124121A

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、フェライト系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予め飽和状態に達するまで反応させて形成された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_２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_２、Ｆｅ_３Ｓｎ_２またはＦｅ_５Ｓｎ_３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。

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

溶融半田の吐出口を有するフェライト系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予め飽和状態に達するまで反応させて形成された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。
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。
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。
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。
錫を含有した溶融金属にフェライト系ステンレス鋼を浸漬し、前記フェライト系ステンレス鋼の表面に予め飽和状態に達するまで反応させて形成された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。