JPH0674889A

JPH0674889A - 表面張力の測定装置および測定方法

Info

Publication number: JPH0674889A
Application number: JP22570592A
Authority: JP
Inventors: Seiki Sakuyama; 誠樹作山; Isao Watanabe; 勲渡辺; Hiromoto Uchida; 浩基内田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-08-25
Filing date: 1992-08-25
Publication date: 1994-03-18

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は表面張力の測定装置および測定方法
に関し、はんだ合金などの液体状態とされた被測定物質
固有の表面張力を簡便に測定できる表面張力の測定装置
および測定方法を提供することを目的とする。【構成】被測定物質であるはんだ合金１を浴槽２で一
定温度の溶融状態に保持する。はんだ合金１に対して表
面反応しない（濡れない）物質で構成された試片３ａを
重量センサ４を介して浸漬制御装置５によって支持する
とともに、はんだ合金１に浸漬させる。このとき重量セ
ンサ４に検出される反発力Ｆを信号増幅装置６で増幅
し、出力装置７によって反発力Ｆからはんだ合金１の表
面張力γを算出して出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面張力の測定装置およ
び測定方法に係り、特に物質固有の表面張力にを簡便に
測定できる表面張力の測定装置および測定方法に関す
る。

【０００２】近年、各種電子機器の小型化および軽量化
に伴って、電子部品を搭載して部品相互間を接続するた
めのプリント基板において、配線パターンの微細化が進
みつつある。

【０００３】プリント基板における配線パターンが微細
化すると、はんだ付けによってプリント基板に実装され
る部品の端子間隔がこれまでより短くなる。このため、
ディップソルダリング方式のはんだ付け工程において、
本来は接続されてはならない隣接端子が誤って接続され
てしまい、生産されたプリント回路が不良品となる危険
性が増大する。

【０００４】はんだ付けの失敗の原因のひとつとして、
はんだ合金の構成物質の中に何らかの不純物が添加され
てはんだ合金の表面張力が低下することがあげられる。
そこで、プリント基板への電子部品の実装を行う際に
は、使用されるはんだ合金の表面張力特性を常に厳しく
管理する必要があった。

【０００５】したがって、溶融状態のはんだ合金固有の
表面張力特性を簡便に測定することのできる表面張力の
測定装置および測定方法の提供が望まれていた。

【０００６】

【従来の技術】従来、溶融状態のはんだ合金の表面張力
を評価する方法として、メニスコグラフ法および静滴法
の２種類が知られている。

【０００７】メニスコグラフ法は、もともと物質の濡れ
性を測定する方法であり、溶融状態のはんだ合金の中
に、高感度の重量センサに吊り下げられた試片物質を浸
漬させて、そのとき重量センサに検知される上下方向の
力の時間的変化を記録することによって、表面張力（こ
の場合は特に濡れ張力と呼ばれる）の測定を行ってい
た。

【０００８】上記の記録によって一般的には、浸漬の直
前には試片の自重のみが、浸漬の初期には試片の自重，
はんだ合金による浮力，はんだ合金の表面張力による上
方への力の合力が、浸漬の中期には試片の自重，はんだ
合金による浮力の合力が、浸漬の後期には試片の自重，
はんだ合金による浮力，はんだ合金の表面張力による下
方への力の合力が、それぞれ時間の関数として検出され
る。

【０００９】したがって、上記の測定データを評価し
て、溶融状態のはんだ合金に対する試片の表面張力を評
価することは可能である。

【００１０】静滴法は、はんだ合金と全く表面反応しな
い物質からなる平板、例えばガラスなどの表面に溶融状
態のはんだ合金を載置し、平板に対するはんだ合金の接
触点の角度を測定した後、解析的手法による計算ではん
だ合金の表面張力を算出することによって表面張力の測
定を行っていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の測定方法においては測定精度や簡便性の点で以下の
ような問題点があった。

【００１２】第１に、メニスコグラフ法はもともと物質
の濡れ性を測定する方法であるため、測定される表面張
力（濡れ張力）の値は溶融状態のはんだ合金と特定の試
片との間の表面張力であり、はんだ合金固有の表面張力
を測定することができないという問題点があった。

【００１３】第２に、静滴法は正確にはんだ合金固有の
表面張力を測定できるが、最終的に求めたい表面張力の
算出に時間がかかり、生産現場において測定結果をすぐ
に生産に反映させることが困難であるという問題点があ
った。

【００１４】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、はんだ合金などの液体状態とされた被測定物質
固有の表面張力を簡便に測定できる表面張力の測定装置
および測定方法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに請求項１記載の発明になる表面張力測定装置では、
所定の浴槽内にて液体状態とされた被測定物質と、前記
被測定物質と表面反応しない性質を有する固体状態の試
片と、前記試片に対して重力加速度の方向に作用する外
力を検出する重量センサと、前記重量センサを介して前
記試片を支持するとともに、前記試片を前記被測定物質
に浸漬させる浸漬制御装置と、前記重量センサによって
検出される外力から前記被測定物質の表面張力を算出し
て出力する出力装置とを具備した。

【００１６】また、請求項２記載の発明になる表面張力
測定方法では、液体状態とされた被測定物質と表面反応
しない性質を有する固体状態の試片を、重力加速度の方
向に作用する外力を検出する重量センサを介して、浸漬
制御装置によって支持し、前記浸漬制御装置により、前
記試片を前記被測定物質に浸漬させ、前記浸漬の際に前
記被測定物質と前記試片との間に作用する反発力を、前
記重量センサによって検出し、出力装置によって前記反
発力から前記被測定物質の表面張力を算出して出力す
る。

【００１７】また、請求項３記載の発明になる表面張力
測定装置では、前記試片の形状を丸棒状とした。

【００１８】また、請求項４記載の発明になる表面張力
測定装置では、前記被測定物質の材質をスズ，鉛および
その他の不純物からなるはんだ合金とし、前記試片の材
質をステンレスとした。

【００１９】また、請求項５記載の発明になる表面張力
測定方法では、前記重量センサによって検出される前記
反発力＝Ｆ、前記被測定物質から前記試片に作用する浮
力＝Ｂ、前記試片の外周＝Ｌ、としたとき、 γ＝（−Ｆ＋Ｂ）／Ｌによって前記被測定物質の表面張力γを算出する。

【００２０】また、請求項６記載の発明になる表面張力
測定方法では、前記試片を丸棒状に構成し、前記重量セ
ンサによって検出される前記反発力＝Ｆ、前記試片の半
径＝ｒ、前記被測定物質の密度＝ρ、円周率＝π、重力
加速度＝ｇ、としたとき、 γ＝（−Ｆ＋πｒ²ρｇｈ）／２πｒによって前記被測定物質の表面張力γを算出する。

【００２１】また、請求項７記載の発明になる表面張力
測定方法では、前記被測定物質の材質をスズ，鉛および
その他の不純物からなるはんだ合金とし、前記試片の材
質をステンレスとして、前記被測定物質の表面張力を算
出する。

【００２２】

【作用】上記の構成によれば、試片は被測定物質と表面
反応しない性質を有しているため、試片と被測定物質と
の間の接触角が常に一定となり、被測定物質固有の表面
張力が作用する方向が一定となる。したがって、被測定
物質固有の表面張力の大きさは、浸漬の深さに比例する
浮力と一定の方向のみに作用する表面張力との合力であ
る反発力から、容易に算出することができる。

【００２３】

【実施例】図１は本発明になる表面張力測定装置の第１
実施例であり、装置の横断面を示す。同図中、１は被測
定物質であるはんだ合金（例えば、スズおよび鉛の重量
％比率が６３：３７の共晶はんだ（ＪＩＳ−Ｈ６３
Ｓ））を、２ははんだ合金１を溶融状態で保持する鉄製
の浴槽を、３ａは液体状態のはんだ合金１に浸漬されて
も表面反応しない性質を有する物質にてなる試片を、４
は重力加速度の方向に作用する外力を検出する重量セン
サを、５は試片３ａをはんだ合金１に浸漬させる浸漬制
御装置を、それぞれ示す。

【００２４】また、６は重量センサ４の検出信号を増幅
する信号増幅装置を、７は信号増幅装置６の出力信号か
らはんだ合金１の表面張力を算出して出力する出力装置
を、それぞれ示す。

【００２５】図１において、はんだ合金１は温度調整機
能を有する浴槽２によって所定の温度（例えば 250℃）
に保たれて、溶融状態とされている。試片３ａは液体状
態のはんだ合金１に浸漬されても表面反応しない（濡れ
ない）物質（例えば、ステンレスなど）によって構成さ
れており、後述する表面張力の算出方法の簡便化のた
め、丸棒状とされている。試片３ａは重量センサ４に接
続され、試片３ａに対して重力加速度の方向に作用する
外力が検出される構成とされている。

【００２６】浸漬制御装置５は、重量センサ４を介して
試片３ａを支持するとともに、試片３ａの上下方向の位
置を制御して試片３ａをはんだ合金１に浸漬させる。こ
れにより、試片３ａとはんだ合金１との間に作用する反
発力が重量センサ４によって検出される構成とされてい
る。

【００２７】重量センサ４によって検出された反発力
は、信号増幅装置６によって増幅された後、出力装置７
に供給される。出力装置７は検出された反発力からはん
だ合金１固有の表面張力を算出して出力する構成とされ
ている。

【００２８】図２は本発明になる表面張力測定方法の第
１実施例を示す。同図中、図１と同一構成部分について
は同一符号を付し、その説明を省略する。

【００２９】図２において、ｒは丸棒状とされた試片３
ａの底面半径を、θは試片３ａの側面とはんだ合金１の
液面とがなす接触角を、それぞれ示す。

【００３０】また、Ｆ，Ｂおよびγは、試片３ａをはん
だ合金１に浸漬させたときにはんだ合金１と試片３ａと
の間に作用する力を示し、Ｆは重量センサ４によって検
出される反発力を、Ｂは浸漬深さに比例する浮力を、γ
ははんだ合金１による表面張力を、それぞれ示す。

【００３１】一般に、前記の反発力Ｆは、接触角θ，浮
力Ｂおよび表面張力γによって次式のように表される。
ただし、Ｌは試片３ａの外周を示す。

【００３２】Ｆ＝Ｂ＋Ｌγ cosθ ( 1) ここで試片３ａは、はんだ合金１と表面反応しない（濡
れない）物質によって構成されているため、常に接触角
θ=180°となる。したがって、( 1)式は次のように簡単
にできる。

【００３３】Ｆ＝Ｂ＋Ｌγ cos 180°＝Ｂ−Ｌγ ∴ γ＝（−Ｆ＋Ｂ）／Ｌ ( 2) したがって、Ｆ，Ｂ，Ｌの各値を確定すれば、表面張力
γを求めることが可能となる。このうち反発力Ｆは、試
片３ａがはんだ合金１に浸漬されたとき、重量センサ４
で直接検出される。

【００３４】試片３ａの形状が丸棒状すなわち円柱形状
である場合には、はんだ合金１による浮力Ｂの大きさは
次式によって求められる。

【００３５】Ｂ＝πｒ²ρｇｈ ( 3) ただし、πは円周率を，ρははんだ合金１の密度を，ｇ
は重力加速度を、ｈは浸漬制御装置５による浸漬深さ
を、それぞれ示す。

【００３６】すなわち、浮力Ｂの大きさは、測定される
はんだ合金１の密度，試片３ａの形状および浸漬深さに
よって決定されるため、計算によって容易に求めること
ができる。

【００３７】試片３ａの形状が丸棒状すなわち円柱形状
である場合には、試片３ａの外周Ｌは次式によって求め
られる。

【００３８】Ｌ＝２πｒ ( 4) 以上によって、はんだ合金１固有の表面張力γは次式に
よって求められる。

【００３９】 γ＝（−Ｆ＋πｒ²ρｇｈ）／２πｒ ( 5) すなわち、図１の測定装置によって予め定められた条件
で反発力Ｆを測定すれば、容易にはんだ合金１の表面張
力を求めることができる。

【００４０】したがって、生産現場においてはんだ合金
の表面張力の測定結果をすぐに生産に生かすことが可能
となり、生産物の品質を効率的に管理することができ
る。

【００４１】表１に、上記の測定方法によって３種類の
はんだ合金（不純物を含まないはんだ合金，不純物と
して銅を 0.3％および 0.6％含むはんだ合金および
）の表面張力を測定した数値例を示す。同表中、Sn，
Pb，Cuはそれぞれスズ，鉛，銅であり、記載した数字は
それぞれの重量％による含有率を示す。また、「表面張
力Ａ」は本発明になる測定方法による表面張力の測定結
果を、「表面張力Ｂ」は従来の静滴法による表面張力の
測定結果を、それぞれ示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】なお、表１の数値を得るための共通条件
は、はんだ合金１の総重量＝ 2.5kg，はんだ合金１の溶
融温度＝ 250℃，試片３ａの材質＝ステンレス，試片３
ａの長さ＝50mm，試片３ａの円柱半径＝ 0.5mm，試片３
ａのはんだ合金１への浸漬深さ＝ 5mm であった。

【００４４】表１において、表面張力Ａと表面張力Ｂと
の測定誤差はいずれも 0.2％程度であり、これによって
本発明による測定方法は有効であると判断できる。

【００４５】図３は本発明になる表面張力測定装置の第
２実施例を示す。同図中、図１と同一構成部分について
は同一符号を付し、その説明を省略する。また、３ｂは
はんだ合金１とわずかに表面反応する性質（若干の濡れ
性）を有する物質にてなる試片を示す。

【００４６】図４は本発明になる表面張力測定方法の第
２実施例を示す。同図中、図２と同一構成部分について
は同一符号を付し、その説明を省略する。

【００４７】この場合においても、基本的な算出方法は
第１実施例と同様であり、( 1)式の関係が成り立つ。第
２実施例において第１実施例と異なるのは、試片３ｂが
はんだ合金１に対して若干の濡れ性を有するため、接触
角θが 180°にならないことである。

【００４８】したがって、接触角θを測定することによ
り、濡れ性を有する試片を用いた場合でも第１実施例と
同様にはんだ合金固有の表面張力を求めることができ
る。

【００４９】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、被測定物質
固有の表面張力の大きさは、浸漬の深さに比例する浮力
と一定の方向のみに作用する表面張力との合力である反
発力から、容易に算出することができるため、生産現場
において測定結果をすぐに生産に反映させることが可能
となり、生産物の品質を効率的に管理することができる
という特長がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる表面張力測定装置の第１実施例を
示す図である。

【図２】本発明になる表面張力測定方法の第１実施例を
示す図である。

【図３】本発明になる表面張力測定装置の第２実施例を
示す図である。

【図４】本発明になる表面張力測定方法の第２実施例を
示す図である。

【符号の説明】

１溶融状態のはんだ合金２浴槽３ａ，３ｂ試片４重量センサ５浸漬制御装置６信号増幅装置７出力装置 θ 接触角ｒ試片の半径Ｂ浮力Ｆ反発力 γ 表面張力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の浴槽（２）内にて液体状態とされ
た被測定物質（１）と、前記被測定物質（１）と表面反応しない性質を有する固
体状態の試片（３ａ，３ｂ）と、前記試片（３ａ，３ｂ）に対して重力加速度の方向に作
用する外力を検出する重量センサ（４）と、前記重量センサ（４）を介して前記試片（３ａ，３ｂ）
を支持するとともに、前記試片（３ａ，３ｂ）を前記被
測定物質（１）に浸漬させる浸漬制御装置（５）と、前記重量センサ（４）によって検出される外力から前記
被測定物質（１）の表面張力を算出して出力する出力装
置（７）とを具備したことを特徴とする表面張力測定装
置。
【請求項２】液体状態とされた被測定物質（１）と表
面反応しない性質を有する固体状態の試片（３ａ，３
ｂ）を、重力加速度の方向に作用する外力を検出する重
量センサ（４）を介して、浸漬制御装置（５）によって
支持し、前記浸漬制御装置（５）により、前記試片（３ａ，３
ｂ）を前記被測定物質（１）に浸漬させ、前記浸漬の際に前記被測定物質（１）と前記試片（３
ａ，３ｂ）との間に作用する反発力（Ｆ）を、前記重量
センサ（４）によって検出し、出力装置（７）によって前記反発力（Ｆ）から前記被測
定物質（１）の表面張力を算出して出力することを特徴
とする表面張力測定方法。
【請求項３】前記試片（３ａ，３ｂ）の形状を丸棒状
としたことを特徴とする請求項１記載の表面張力測定装
置。
【請求項４】前記被測定物質（１）の材質をスズ，鉛
およびその他の不純物からなるはんだ合金とし、前記試
片（３ａ，３ｂ）の材質をステンレスとしたことを特徴
とする請求項３記載の表面張力測定装置。
【請求項５】前記重量センサ（４）によって検出され
る前記反発力＝Ｆ、前記被測定物質（１）から前記試片
（３ａ，３ｂ）に作用する浮力＝Ｂ、前記試片（３ａ，
３ｂ）の外周＝Ｌ、としたとき、 γ＝（−Ｆ＋Ｂ）／Ｌによって前記被測定物質（１）の表面張力γを算出する
ことを特徴とする請求項２記載の表面張力測定方法。
【請求項６】前記試片（３ａ，３ｂ）を丸棒状に構成
し、前記重量センサ（４）によって検出される前記反発力＝
Ｆ、前記試片（３ａ，３ｂ）の半径＝ｒ、前記被測定物
質（１）の密度＝ρ、円周率＝π、重力加速度＝ｇ、と
したとき、 γ＝（−Ｆ＋πｒ²ρｇｈ）／２πｒによって前記被測定物質（１）の表面張力γを算出する
ことを特徴とする請求項５記載の表面張力測定方法。
【請求項７】前記被測定物質（１）の材質をスズ，鉛
およびその他の不純物からなるはんだ合金とし、前記試
片（３ａ，３ｂ）の材質をステンレスとして、前記被測
定物質（１）の表面張力（γ）を算出することを特徴と
する請求項５または６記載の表面張力測定方法。