JPH03216277A - 材料の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、はんだ付け、ろう付けまたは溶接のより、熱
を利用して材料を接合する方法に関する。

特に本発明は、被接合材料の表面を清浄に保護するとと
もに、同表面の表面張力を低下させるために、接合温度
またはそれより低い温度で微小爆発して蒸発するような
溶着媒質を使用する新規な接合方法に関している。

（従来の技術） 金属材料、非金属材料を問わず、材料同士の接合には熱
が利用される。はんだ付け接合方法では、被接合の両材
料よりも低い融点を有する別の物質つまりはんだが使用
される。はんだとは、被接合基材とで金属間合金を形成
し、その合金を介して基材同士を接合させる物質である
。接合時に上述の合金が形成されないと、はんだは被接
合部の基材表面上に単に積重せしめられた状態になる。

はんだ付けは一般に軟はんだ法と、硬はんだ法に大別さ
れる。前者は３００℃以下の温度で、錫や鉛のはんだを
介して行われる接合方法である。一方、後者のはんだ法
はろう付け接合方法としても知られるもので、４００℃
以上の温度を必要とし、通常は銅、銀、金等の合金がは
んだとして使用される。

溶接とは、はんだといった別物質を使用せずに、被接合
材料の材質の融解に依存して材料同士を連結させる接合
方法である。

（発明が解決しようとする課題） 通常、溶着媒質としてのフラツクスはすべての型の熱接
合に使用されている。フラツクスは、樹脂等の固体物質
を液状溶媒中に融解したものであるから、被接合材料の
表面上に吹付塗りやはけ塗りにより塗工させることがで
きる。フラツクスの溶媒は、はんだ付けサイクルの初期
段階で蒸発し、被接合材料の表面には固状フラツクスの
みが残置される。この固状フラツクスは、通常は接合温
度つまりはんだ付け温度に到達する以前に融解する一方
、この時点で被接合材料面を積極的に清浄にして保護す
る。

フラックスは、高効率の接合に肝要な二つの要件を満足
させることができる。その要件の一つを挙げると、被接
合材料面からグリース、塵芥、酸化物等の異物を完全に
除去しなければならないことである。他の要件は、接合
終了時まで材料面の清浄状態を維持することである。

被接合部の材料表面を機械的に掻き落したり、削り落し
て清浄にしたとしても、接合時の加熱によって新たな酸
化物や他の異物が発現するため、適切な除去手段が必要
になる。材料表面を清浄に保つことは、表面張力を低下
させるのに欠くことができない。表面張力が高いと、被
接合部での融解した材料またははんだの湿潤性や流動性
が不十分になって好ましくない。湿潤性不良では、はん
だ付けや溶接は達成不能である。

従って、フラックスは熱接合に必須の物質である。フラ
ッグスは、その融解過程において、はんだや被接合材料
の表面上に残存する傾向があり、フラックスの種類によ
っては、はんだ自体を侵す恐れもある。はんだ付け終了
後も、接合部周囲にフラッグスの被膜が残置しているこ
ともある。このような残置フラックスを、機械的手段ま
たは化学的手段により除去せしめ、はんだが周囲温度で
引き続き活性を呈するのを防市しなければならない。し
かし、このような清浄操作は煩雑にして高価である。接
合部を清浄にしたにもかかわらず、フラックスは接合部
の穴部に内（［シている場合も多く、結果的には不当な
孔部や溝部の形成を招き、機械強度に悪影響を及ぼす。

またフラックスは化学作用の強い物質であるから、腐食
耐性や吸水耐性を劣化させる原因にもなる。

（課題を解決するためのｆ段） 本発明の目的は、熱接合過程において、接合而に固状物
質を残留することなく、その接合面を効率良く清浄にし
、清浄状態を維持できるようなフラックス効果を発揮せ
しめることにある。

本発明は、金属材料同士を溶接により直接もしくははん
だを介在して接合するのに加え、プラスチックープラス
チックのごとき非金属材料や金属一非金属材料の接合に
も適用可能である。これらの接合体を例示すると、伝導
性プラスチックスー金属酸化物等のプラスチックー金属
連結体やガルーはんだ連結体である。

被接合材料の表面張力を低下させるに当り、本発明は化
学的ｆ段よりもむしろ機械的手段を利用する。

本発明の熱接合方法によれば、被接合材料の表面上の異
物を除去せしめる第一相と、その材料表面を清浄状態に
維持せしめる第二相とで構成されている。これら両相は
、被接合表面上の湿潤性向上と表面張力低下を意図とし
ている。接合温度よりも低いか、またはその近傍の温度
で蒸発する溶着媒質を被接合材料面に使用すれば、機械
的微小爆発の発生を伴って表面張力を著しく低下させる
ことができるので、優れた溶接体またははんだ接合体が
得られると判明した。媒質の急激な蒸発に起因する微小
爆発が、異物を機械的に飛散させるとともに、はんだま
たは被接合材料の表面融解部を機械的に強制的に流動さ
せるので、接合に必要な湿潤性が向上すると考えられる
。

本発明を実施する際の媒質として、グリセリン等の高級
アルコール類が特に有用であることが見い出された。グ
リセリンは廉価で人手容易な物質であって、蒸発後の残
渣は皆無である。この物質は比較的粘稠なだめ、湿潤剤
を加えることが好ましい。同添加剤の適例として、食器
洗浄用の家庭用液体洗剤を挙げることができる。グリセ
リンがスキントリートメント用の既知物質であることに
注ＩＩすれば、熱接合操作の環境改善に果す役割は大き
い。フラックス溶媒中に任意の芳香剤を添加できる点で
、洗剤の使用もまた有利であり、環境の一層の向上が望
める。本発明によるフラッグスとは対照的に、従来のフ
ラックスでは熱接合操作時に白゛４な煙霧が発生する。

本発明の別の特徴によると、所定量の媒質を使用するの
で、その媒質は接合終了前に完全に蒸発し、事後のｌｌ
浄工程が不要になって至便である。

過剰媒質でも、低温での再加熱により簡単に蒸発除去で
きる。接合完成品を周囲温度またはやや高温度で貯蔵し
ておくだけでも、大半の媒質は飛散する。

接合部の小孔部や細亀裂の中の媒質も完全に除去される
。

本発明によるフラックスは、従来のフラッグスに伴われ
た欠点の大部分を解消したものである。

微小爆発機構は十分に解明されていないが、その爆発を
経て媒質が蒸発すると、被接合材料の固状表面と液状表
面に裂目が形成されると同時に、材料表面および酸化物
表面が機械的に、また多分に化学的にも分断される関係
で、流動性と湿潤性の向上および表面張力の低下といっ
た両効果を奏すると考えられる。本発明のフラックスは
、機構上の点で、化学的というよりは機械的なフラツク
スとして作用すると思われる。

本発明のフラックス媒質としては、その蒸発温度が好ま
しくは接合温度よりやや低いか、またはその近傍の温度
である。水などの比較的低蒸発温度をＨする媒質を使用
してもよいが、蒸発に伴って被接合面から過剰の熱が逸
散するので、接合操作の効率を低めるという問題が起き
る。ただし、例えば被接合面に加熱ガスを吹き付けるこ
とで、接合湿度を保持できるならば、低蒸発性媒質の使
用に何ら支障はない。

接合温度近傍で蒸発するフラックス媒質を利用する別の
特徴は、その媒質の一部分が接合温度で残留するため、
新たな酸化物や他の異物が発生した場合でも、被接合材
料面を保護できることである。

本発明のフラックス媒質は周囲温度下で固体または液体
であって、前記温度で蒸発する物質である。

本発明ではガス流も適用可能である。ガスを使用すると
、はんだ、融解した金属、フラックス媒質のそれぞれに
所望どおりに溝を形成できる点で有利である。ヘリウム
等の不活性ガスを吹き付けることにより、酸化防止を図
るのが好ましく、あるいは還元作用を有するガス類も使
用できる。

本発明によるフラックス媒質が表面張力を低下させ、か
つ湿潤性を向上せしめることに鑑みれば、本発明の原理
を、接合面からはんだを除去する清浄の目的に適用して
もよい。例えば、はんだを担持したはんだこての先端を
一定量の媒質中に浸漬させると、こての先端からはんだ
が払拭されることを見い出した。

直径１龍、６０／４０はんだのはんだ球を上から見たマ
イクロ写真を第１図に示した。このはんだ球を、厚さ０
．２■■の銅箔上に置き、銅箔を２５０℃に加熱した。

加熱は標準空気環境下で行った。加熱温度は一定とし、
本発明の媒質の使用は省いた。

加熱開始６０秒後に熱を除去し、銅箔とはんだ球を冷却
した。はんだ球は、加熱時の膨張と収縮により、理想球
からわずかに形状的に変化した。表面張力が極端に高く
、また重質酸化物が存在しために、収縮は不定であった
。はんだと銅の間に湿潤は発生せず、そのため接合は不
能であった。酸化表面の表面張力が高く、しわを生じた
。さらに、暗色斑点が認められたが、これは新たな酸化
物に起因するものであった。

第１図の実験と同一条件で別の実験を行い、結果を第２
図に示した。はんだ球と銅箔を２５０℃に加熱したあと
、この試料集合体にフラックス媒質を数的滴ドした。こ
の媒質は本発明の、洗剤を含むグリセリンであった。媒
質滴下の前段階で、集合体の一部に酸化層が認められた
。はんだ球は表面張力を失い、銅面に円滑に流動するこ
とが確認された。全面的に湿潤が発生し、第２図から明
らかなように、はんだ球は平坦形状に変化した。この結
果から、内部はんだ張力と外部銅湿潤とが均衡している
と判断できた。加熱１０秒後に熱を除去し、試料を冷却
した。媒質は完全に蒸発しており、接合体周囲の残留物
は皆無であった。第２図の写真は未清浄試料を撮影した
。

第３図は、第２図に示したはんだ球の周辺領域を拡大し
た写真である。第３図から理解できることは、はんだ一
銅界面が略零半径のとき、はんだと銅の間に優れた湿潤
能が達成されることである。

熱処理時に大部分の媒質は蒸発したが、第２図と第３図
の位置に流動したはんだは、冷却前にその表面にわずか
ながら酸化を呈した。この酸化は、はんだの流動、湿潤
後に発生したものであるから、接合には何ら支障を来た
すことはなかった。

第４図と第５図は、本発明の利点を立証するために行っ
た別の実験例を示す。

第４図のマイクロ写真は、代表的なＩＣに取り付けた鉛
の表面を拡大して見た写真である。この鉛は鉄主体の合
金４２で構成され、９０／１０はんだにより厚さ約４μ
ｍに電気めっきしたものである。

同鉛を５年間貯蔵した。その過程で鉄の一部がはんだめ
っきの細孔を通って移行し、めっきの外表面を国った。

外表面からはんだは全く可視不能であった。従って、従
来の評価基準の「はんだ付け適性」に照して不合格品で
あった。この鉛の表面に純鉄の針状小結晶が認められた
。鉛を２５０℃に加熱し、その表面に本発明のグリセリ
ンー洗剤媒質を滴下した。

第５図は微小爆発による蒸発の効果を示す。実験結果か
ら明らかなように、はんだの表面張力が大幅に低ドした
ので、上而鉄膜の下部に在留しているはんだを融解して
表面上に浮動させることができ、その結果、表面に酸化
物を伴うことなく、小はんだ球パターンが形成された。

過剰の媒質を使用したところ、その一部が加熱後も蒸発
しないまま残留した。これは酸化の進行を阻止するのに
役立った。第５図の試料は清浄、洗浄後に写真撮影した
。

表面張力を低下させ、かつはんだの湿潤性と流動性を向
上させるのが微小爆発による蒸発であるから、媒質は周
囲室温で液体または固体であって、しかも接合温度より
も低い温度で蒸発するものでなければならない。好適な
媒質は蒸発後に残渣を生起せず、かくしてはんだや接合
体の清浄操作を必要としない性状のものである。また不
活性ガスや還元性ガスを、ノズルを通して媒質と融解は
んだに吹き込んでもよく、そうすれば熱処理環境が改浮
される。水などの低蒸発性媒質を使用したときは、ガス
を加熱することにより、被接合部を接合温度に保持すれ
ばよい。接合操作の前後で過剰の媒質またははんだを再
配置または蒸発により除去する場合も、上記の加熱ガス
を適用できる。その除去操作のあと、清浄操作を行えば
よく、清浄操作には冷却操作を併用できる。

経済性の点で、媒質の被接合面への配置量を、接合操作
終了前に完全に蒸発してしまうだけの必要最少限に定め
る。清浄操作の軽減は生産性を高める。過剰の媒質を使
用した場合、余分量はガス流によって飛散または蒸発さ
せる。

本発明にパルス加熱法を使用してもよい。パルス加熱時
に被接合面を清浄状態に保つには、媒質を微小爆発させ
るりことがやはり効果的である。

接合操作を密閉環境下で行うことも、本発明の特徴であ
る。密閉操作では、蒸発した媒質を回収、濃縮し、後続
の接合操作に再使用できる。本発明の媒質は非腐食性の
安全な物質だから、環境汚染の恐れはなく、媒質再循環
用装置を腐食させることもない。媒質は所定形状で被接
合面に付着させることが好適である。はんだと媒質のそ
れぞれを一定形状で付着せしめれば、両者の流動が少な
くても、熱処理時に満足な接合を達成できる。密閉環境
下での液状媒質は熱伝導剤として作用し、被接合材料か
らはんだへ熱を伝達する。この熱伝達は、被接合材料の
形状が不規則で、しかも初期段階ではんだの形状と一致
しないような場合に特に有利である。熱伝導剤として作
用する液状媒質を使用すると、非平坦材料のはんだ付け
も可能になる。はんだの融解と同時に、そのはんだ自体
が熱伝導剤として作用する一方、媒質が微小爆発的に蒸
発してフラックス効果を発揮する。

本発明では全操作を行うに当り、操作時間に合わせて温
度を制御できる所定の温度分布を採択するのが好ましい
。この制御法による利点は、温度範囲の確実な制御とパ
ルスはんだ技術のＨ効利川である。後者の技術とは、強
制的熱接触に由来するエネルギーを、パルス加熱はんだ
工具から被接合材料に共給させる技術である。

本発明ははんだ付け接合に限定されるものではなく、は
んだ付き表面めっき、めっき面からのはんだ除去にもａ
用である。本発明のフラックス効４． 果を利用すれば、金属と非金属の溶接も可能である。

さらに、本発明ははんだ自体の清浄にも適している。は
んだ表面から異物を除去したあと、その清浄はんだを密
閉貯蔵してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図はそれぞれ金属の組織に関する図面に
代るマイクロ写真である。第１図は対照実験例の写真で
あり、第２図は本発明に基づく接合効果を示す写真であ
り、第３図は一定量のはんだを銅箔に付着させたことを
示す第２図周辺部位の写真であり、第４図は長期間貯蔵
後の、欠陥はんだめっきを担持したＩＣの鉛層を示す写
真であり、第５図は第４図の鉛層に本発明の原理を適用
した写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 〔１〕二つの材料の表面を被接合部で接合温度に加熱せ
   しめることにより、両材料を接合する方法であって、 （ａ）被接合部側の少なくとも一方の材料の表面上に溶
   着媒質を塗布し、その媒質が周囲温度で固体または液体
   で、かつ接合温度以下の温度に加温されると、微小爆発
   を起こして蒸発し、実質的に固形分を残置しない性状を
   有し、 （ｂ）被接合部を接合温度に加熱し、媒質の微小爆発に
   よる蒸発を発生させることにより、接合部での両材料の
   表面を清浄にし、かつ表面張力を低ドせしめる接合方法
   。 〔２〕被接合部側の少なくとも一方の材料の表面上に、
   両材料の融点より低い温度で、かつ接合温度で溶融する
   はんだを配置する請求項１に記載の接合方法。 〔３〕媒質が接合温度よりわずかに低い温度で蒸発する
   請求項１に記載の接合方法。 〔４〕媒質が湿潤剤を含む請求項１に記載の接合方法。 〔５〕湿潤剤が洗剤である請求項４に記載の接合方法。 〔６〕媒質が高級アルコール類から選ばれる請求項１に
   記載の接合方法。 〔７〕高級アルコールがグリセリンである請求項６に記
   載の接合方法。 〔８〕被接合部側の少なくとも一方の材料の表面上に、
   接合体が形成された時点で完全に蒸発してしまう所定量
   の媒質を塗布する請求項１に記載の接合方法。 〔９〕被接合部にガスを吹き付ける請求項１に記載の接
   合方法。 〔１０〕ガスが不活性ガスである請求項９に記載の接合
   方法。 〔１１〕ガスを接合温度と略同一温度に加熱し、被接合
   部の熱を維持する請求項１０に記載の接合方法。 〔１２〕被接合部側の少なくとも一方の材料の表面上に
   はんだを配置し、さらに十分な量の媒質を塗布し、はん
   だと材料表面の空隙を架橋させることにより、材料とは
   んだの間の熱伝導性を高める請求項１に記載の接合方法
   。 〔１３〕蒸発した媒質を回収、濃縮し、その媒質を後続
   の接合操作に再使用する請求項１に記載の接合方法。 〔１４〕媒質の回収を密閉環境下で行う請求項１３に記
   載の接合方法。 〔１５〕材料の表面にはんだを付着させ、またはその表
   面からはんだを除去する方法であって、 （ａ）材料表面をはんだの融解温度まで加熱し、 （ｂ）その材料表面上に、はんだの融解温度よりも低い
   温度で微小爆発により蒸発する媒質を添加する接合方法
   。 〔１６〕媒質がグリセリンである請求項１５に記載の接
   合方法。 〔１７〕媒質がグリセリンと湿潤剤の混合物である請求
   項１５に記載の接合方法。 〔１８〕湿潤剤が洗剤である請求項１７に記載の接合方
   法。 〔１９〕請求項１の方法によって得られた接合体。 〔２０〕請求項１５の方法によって得られた材料。