JP5006787B2

JP5006787B2 - 鉛フリーはんだ中の銅析出方法、（ＣｕＸ）６Ｓｎ５系化合物の造粒方法および分離方法ならびに錫回収方法

Info

Publication number: JP5006787B2
Application number: JP2007528469A
Authority: JP
Inventors: 哲郎西村
Original assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Current assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-07-25
Also published as: US20080216605A1; EP1908853A1; US8163061B2; CN101238229B; RU2007148255A; EP1908853B1; EP2377956A1; ES2435717T3; US20090277302A1; CN101238229A; US7591873B2; JPWO2007013433A1; ES2393029T3; WO2007013433A1; RU2405844C2; EP1908853A4; EP2377956B1

Description

本発明は、銅箔を有するプリント基板、銅リード線を有する実装部品等の鉛フリーはんだ付け工程において、鉛フリーはんだ槽中に溶出する過剰銅を分離し、錫を回収する方法に関するものである。

鉛フリーはんだは、錫を主体として、銅、銀、ニッケル、ビスマス、インジウム、リン、ゲルマニウム等を適量含有させたものであり、通常、250℃程度の温度域でヌレ作用が生じる。従って、はんだ付け工程は、このような温度域に加熱したはんだ槽にプリント基板等の部材をどぶ漬けしたり、はんだ槽内に形成した溶解はんだの噴流にプリント基板等の部材を接触させたりして実施される。

しかし、プリント基板、部品等のリード線に用いられる銅は、上記のはんだ付け工程において、上記温度域に熱せられ、はんだ中に溶け出す。これがいわゆる「銅食われ」である。この銅食われが生じると、はんだ槽中の銅濃度が急激に上昇して、はんだの融点を上昇させるので、はんだの表面張力、流動性に影響を与える。その結果、はんだブリッジ、穴あき、未はんだ、ツノ、ツララ等の不具合が生じ、はんだの品質不良を招く。

このため、はんだ槽中の銅濃度が上昇した場合には、はんだ槽中のはんだの一部または全部を入れ替えることが行われる。このとき、抜き取られた使用済みのはんだは、そのまま廃棄されるか、何らかの処理を加えてSnを回収し、これがはんだ原料として再利用される。

従来、Snの回収方法としては、融点差を利用する方法、電解精錬法などが用いられてきた。

従来のSn回収方法では、大掛かりな設備を必要とするので、設備の設置面積を広くする必要が生じ、また、非精錬物の温度を高く保つためには、火炎や大電力を消費するヒーター等の装備が必要である。このため、危険かつ非効率な作業を強いられる。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、鉛フリーはんだ槽中に溶出した過剰銅を分離して、錫を回収する方法を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意研究を行い、下記の知見を得た。

（１）過剰な銅が溶出した鉛フリーはんだ槽中にNi、Co、Fe等の元素を適量添加すると、銅が（CuＸ）_６Sn_５系化合物（Xは、Ni、Co、Fe等の元素）として析出する場合がある。この（CuＸ）_６Sn_５系化合物を分離すれば、Snを回収できることを知見した。

（２）しかし、上記の（CuＸ）_６Sn_５系化合物は、粒が小さく、はんだ中を浮遊するため、その回収は容易ではない。長時間放置しておけば、沈殿して回収しやすくなるが、はんだが溶融する230〜250℃という温度を長時間維持することはエネルギーコストの上昇を招く。このため、（CuＸ）_６Sn_５系化合物を分離、除去しやすい方法として、この化合物を造粒、沈殿させるのが有用であることを知見した。

本発明者は、上記の知見に基づき研究を重ねた結果、鉛フリーはんだ槽中に溶出した過剰銅を分離して、高効率に錫を回収することができる本発明を完成させた。

本発明は、下記の（ａ）に示す鉛フリーはんだ中の銅析出方法、（ｂ）に示す（CuＸ）_６Sn_５系化合物の造粒方法、（ｃ）に示す（CuＸ）_６Sn_５系化合物の分離方法、および（ｄ）に示す錫回収方法を要旨とする。

（ａ）鉛フリーはんだ中に溶出した銅を金属間化合物として析出させる方法であって、溶融した鉛フリーはんだに、銅および錫との間で（CuＸ）_６Sn_５系化合物を形成する元素Ｘを添加することを特徴とする鉛フリーはんだ中の銅析出方法。

（ｂ）錫中に析出した（CuＸ）_６Sn_５系化合物を造粒する方法であって、（CuＸ）_６Sn_５系化合物を錫とともに多孔板に通すことを特徴とする（CuＸ）_６Sn_５系化合物の造粒方法。

（ｃ）錫中に析出した（CuＸ）_６Sn_５系化合物を分離する方法であって、（CuＸ）_６Sn_５系化合物が混在する錫に渦流を与えて、（CuＸ）_６Sn_５系化合物を沈殿、分離させることを特徴とする（CuＸ）_６Sn_５系化合物の分離方法。

（ｄ）銅が溶出した鉛フリーはんだ中から錫を回収する方法であって、下記の（１）〜（４）の工程により錫を回収することを特徴とする錫回収方法。
（１）溶融した鉛フリーはんだに銅および錫との間で（CuＸ）_６Sn_５系化合物を形成する元素Ｘを添加して、（CuＸ）_６Sn_５系化合物を析出させる工程、
（２）析出した（CuＸ）_６Sn_５系化合物を錫とともに多孔板に通すことにより造粒させる工程、
（３）造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物が混在する錫に渦流を与えて、（CuＸ）_６Sn_５系化合物を沈殿、分離させる工程、
（４）（CuＸ）_６Sn_５系化合物を抜き取り、錫を回収する工程。

なお、上記のいずれの方法においても、元素Ｘは、Ni、CoおよびFeから選択される１種以上であることが望ましい。また、上記の多孔板としては、複数用いるとともに、上流側に設けられた多孔板の内径が下流側に設けられた多孔板の孔の内径より小さいことが望ましい。

本発明によれば、鉛フリーはんだ槽中に溶出した過剰銅を分離して、高効率に錫を回収することができる。このようにして回収された錫は、はんだ原料として再利用される。

本発明に係る錫回収方法の概要を説明する図である。（CuＸ）_６Sn_５系化合物の析出方法を説明する模式図である。本発明の（CuＸ）_６Sn_５系化合物の造粒方法の一例を説明する模式図であり、(a)は全体構成図、(b)は造粒器の断面図、(c)は造粒器に設けられた多孔板の展開図である。本発明の（CuＸ）_６Sn_５系化合物の分離方法を説明する模式図であり、(a)は装入時の状態、(b)は渦流攪拌時の状態、(c)は渦流攪拌停止後の状態を表す。

符号の説明

１．析出容器
２．鉛フリーはんだ
３．（CuＸ）_６Sn_５系化合物
４．造粒容器
５．造粒器
６．造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物
7-1．第１多孔板、7-2．第２多孔板、7-3．第３多孔板
８．多孔板
９．メタル板
10．孔
11．分離容器
12．錫

以下、図を使って、本発明の実施態様を説明する。

１．錫回収方法
図１は、本発明に係る錫回収方法の概要を説明する図である。この図に示すように、本発明の錫回収方法においては、まず、プリント基板等の銅食われにより、鉛フリーはんだ中に過剰に溶出した銅を所定の化合物として析出させた後、場合によってはこれを造粒させ、その後、この化合物と錫とを分離させる。そして、錫は新たなはんだ原料として再利用され、銅化合物は、廃棄されるか、または、その後の精錬により、銅、錫その他の原料として再利用される。

２．（CuＸ）_６Sn_５系化合物の析出方法
図２は、（CuＸ）_６Sn_５系化合物の析出方法の一例を説明する模式図である。図２に示すように、本発明の析出方法においては、例えば、析出容器１に過剰な銅が溶出した鉛フリーはんだ２を流入させ、これをヒーター（図示しない）で所定の温度範囲に加熱しつつ、所定の元素Ｘを適量添加する。合金Ｘを添加することにより、（CuＸ）_６Sn_５系化合物３が析出する。なお、加熱温度は、はんだが溶解する温度以上であって、析出した（CuＸ）_６Sn_５系化合物が溶解しない温度以下に設定すればよい。即ち、230〜250℃とすればよい。また、元素Ｘの添加は、適量の元素ＸをSnに均一溶解させた母合金を添加することによりおこなえばよい。

元素Ｘとしては、Cuには溶けるが、Snと析出物を形成する元素であればよく、例えば、Ni、Co、Fe等が挙げられる。これらの元素が適量添加されると、溶融はんだ中で、はんだより融点の高い結晶構造を有する化合物である（CuＸ）_６Sn_５が形成される。これを沈殿させた後に、除去すれば、高純度の錫を回収することができる。

ただし、上記の（CuＸ）_６Sn_５系化合物は、粒が小さく、はんだ中を浮遊しやすいため、これを沈殿させるには長時間を要する。この間、析出容器内をはんだが溶融する230〜250℃という温度で加熱し続ける必要が生じるので、エネルギーコストの上昇を招く。そこで、本発明者は、はんだ中を浮遊する（CuＸ）_６Sn_５系化合物をより回収しやすい形態にした後、即ち、これを造粒した後に除去する方法を考えた。この方法を以下に示す。

３．（CuＸ）_６Sn_５系化合物の造粒方法
図３は、本発明の（CuＸ）_６Sn_５系化合物の造粒方法の一例を説明する模式図であり、(a)は全体構成図、(b)は造粒器の断面図、(c)は造粒器に設けられた多孔板の展開図である。図３(a)に示すように、本発明の造粒方法においては、例えば、内部に造粒器５を設けた造粒容器４を用いる。

この造粒容器４内に溶融した錫12とともに（CuＸ）_６Sn_５系化合物３を通過させる。（CuＸ）_６Sn_５系化合物３は、図中上部中心付近から下方に流れ、その後、造粒器５を構成する多孔板7-1、7-2、7-3の孔を内側から外側に向かって流れ、そのまま、更に下方に設けられた出口に向かって流れていく。（CuＸ）_６Sn_５系化合物３は、造粒器５を構成する多孔板7-1、7-2、7-3の孔を通過するたびに結合し、少しずつその粒径が大きくなっていく。

造粒器５としては、図３に示すものに限定されず、例えば、多孔板１枚を通過するような構成でも良いが、造粒の効率からすると、図３(b)に示すように、例えば、複数の多孔板を用意し、多孔板7-1、7-2および7-3を同心円状に配列したものとするのがよい。そして、図３(b)に示すように、最も内側（即ち、上流側）に設けられた第１多孔板7-1の孔の内径は第２多孔板7-2の孔の内径より小さく、そして第２多孔板7-2の孔の内径は第３多孔板7-3の孔の内径より小さいものが望ましい。孔の内径は、例えば、第１多孔板7-1は２mm、第２多孔板7-2は３mm、第３多孔板7-3は４mmとすればよい。

なお、図示しないヒーターによって、析出方法における容器内の温度と同様に、造粒容器４内の温度を230〜250℃に保つことが望ましい。多孔板としては、金網のようなものであっても良いが、強度の観点、内径寸法制度の観点からは、図３(c)に示すような、メタル板９に複数の孔１０をパンチした、いわゆるパンチングメタルを用いるのが望ましい。

４．（CuＸ）_６Sn_５系化合物の分離方法
図４は、本発明の（CuＸ）_６Sn_５系化合物の分離方法の一例を説明する模式図であり、(a)は装入時の状態、(b)は渦流攪拌時の状態、(c)は渦流攪拌停止後の状態を表す。図４に示すように、本発明の分離方法においては、例えば、同図(a)に示すように、造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物６が混在する溶融した錫12を分離容器11に流入させた後、同図(b)に示すように、渦流を与える。

そうすると、（CuＸ）_６Sn_５系化合物は次第に分離容器11の中心部の下部に集まり、渦流を停止させると、同図(c)に示すように、分離容器11の中心部の下部に沈殿する。このような状態で、造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物６を分離容器11下部の排出口（図示しない）から抜き取れば、分離容器11内には、高純度の錫が残り、これを回収することができる。

なお、図示しないヒーターによって、析出方法における容器内の温度と同様に、分離容器11内の温度を230〜250℃に保つことが望ましい。図４では、説明を簡単にするため、装入の工程と渦流攪拌の工程とを別々に記載したが、これらの工程は同時に行ってもよい。すなわち、造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物６が混在する溶融した錫12を流入させる角度を調整することによって、分離容器11内に渦流が生じるようにすることもできる。渦流を生じさせる手段としては、例えば、攪拌機を分離容器11の上部から装入して、造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物６が混在する錫12に渦流を生じさせる方法、分離容器11の壁面にノズルを設け、その噴出方向を調整することによって、造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物６が混在する溶融した錫12に渦流を生じさせる方法などを採用することができる。

造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物６を抜き取った後、溶融した錫12を回収する方法としては、ポンプを用いて分離容器11上部から抜き取る方法も考えられるが、溶融はんだの熱によってポンプが損傷するおそれがある。従って、排出口から造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物６を抜き取った後、一旦、排出口を閉じて、（CuＸ）_６Sn_５系化合物６を排出したのとは別の容器に溶融した錫12を排出することもできる。また、錫を回収するための排出口を分離容器の上方付近に設け、溶融した錫の上澄みだけを排出し、回収する方法も採用できる。

なお、上記の説明では、造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物６を分離する方法を説明したが、造粒の工程を省略した場合でも、分離に長時間を有するものの、同様の方法で（CuＸ）_６Sn_５系化合物６を分離することができる。

以上、それぞれの工程について説明したが、これらの工程を連続的に行うことができるのは言うまでもない。そして、この場合には、一旦、ディップはんだ槽または噴流はんだ槽から使用済みはんだを回収し、リサイクル工場において本発明の方法により錫を回収することもできるし、別の場所に移すことなく、即ち、ディップはんだ槽または噴流はんだ槽の横に本発明に係る錫回収方法を実施することができる装置を設置し、はんだ付けの操業とともに、この方法を実施することもできる。後者の場合には、過剰に溶出した銅を連続的に分離することができるので、はんだ槽内の銅濃度の調整にも有用である。

本発明によれば、鉛フリーはんだ槽中に溶出した過剰銅を分離して、高効率に錫を回収することができる。このようにして回収された錫は、はんだ資源として再利用される。

Claims

鉛フリーはんだ中に溶出した銅を金属間化合物として析出させる方法であって、溶融した鉛フリーはんだに、銅および錫との間で（CuＸ）_６Sn_５系化合物を形成する元素Ｘを添加することを特徴とする鉛フリーはんだ中の銅析出方法。
元素Ｘが、Ni、CoおよびFeから選択される１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ中の銅析出方法。
錫中に析出した（CuＸ）_６Sn_５系化合物を造粒する方法であって、（CuＸ）_６Sn_５系化合物を錫とともに多孔板に通すことを特徴とする（CuＸ）_６Sn_５系化合物の造粒方法。
元素Ｘが、Ni、CoおよびFeから選択される１種以上であることを特徴とする請求項３に記載の（CuＸ）_６Sn_５系化合物の造粒方法。
請求項３または４に記載の（CuＸ）_６Sn_５系化合物の造粒方法において、多孔板を複数用いるとともに、上流側に設けられた多孔板の内径が下流側に設けられた多孔板の孔の内径より小さいことを特徴とする請求項３または４に記載の（CuＸ）_６Sn_５系化合物の造粒方法。
錫中に析出した（CuＸ）_６Sn_５系化合物を分離する方法であって、（CuＸ）_６Sn_５系化合物が混在する錫に渦流を与えて、（CuＸ）_６Sn_５系化合物を沈殿、分離させることを特徴とする（CuＸ）_６Sn_５系化合物の分離方法。
元素Ｘが、Ni、CoおよびFeから選択される１種以上であることを特徴とする請求項６に記載の（CuＸ）_６Sn_５系化合物の分離方法。
銅が溶出した鉛フリーはんだ中から錫を回収する方法であって、下記の（１）〜（４）の工程により錫を回収することを特徴とする錫回収方法。
（１）溶融した鉛フリーはんだに銅および錫との間で（CuＸ）_６Sn_５系化合物を形成する元素Ｘを添加して、（CuＸ）_６Sn_５系化合物を析出させる工程、
（２）析出した（CuＸ）_６Sn_５系化合物を錫とともに多孔板に通すことにより造粒させる工程、
（３）造粒した（CuＸ）_６Sn_５系化合物が混在する錫に渦流を与えて、（CuＸ）_６Sn_５系化合物を沈殿、分離させる工程、
（４）（CuＸ）_６Sn_５系化合物を抜き取り、錫を回収する工程。
元素Ｘが、Ni、CoおよびFeから選択される１種以上であることを特徴とする請求項８に記載の錫回収方法。
請求項８または９に記載の錫回収方法において、多孔板を複数用いるとともに、上流側に設けられた多孔板の内径が下流側に設けられた多孔板の孔の内径より小さいことを特徴とする請求項８または９に記載の錫回収方法。