CN1219914C

CN1219914C - 烙铁头及电烙铁

Info

Publication number: CN1219914C
Application number: CNB018050999A
Authority: CN
Inventors: 川胜一郎; 上谷孝司; 宫崎充彦
Original assignee: Hakko Corp
Current assignee: Hakko Corp
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: CN1419610A; US20040065653A1; US6818862B2; WO2002010477A1

Abstract

在由铜或铜合金构成的烙铁用烙铁头3中，在除前端部3a的软钎料涂敷部分9之外的表面上涂布由Al颗粒及助熔剂组成的混合物后，在惰性气氛中仅使Al颗粒熔融，将该表面改性成Al浓度高的Cu-Al合金被覆层10-1。借此，不用镀铬，提供在高温环境下的耐氧化性能优异、热传导性高的电烙铁。

Description

烙铁头及电烙铁

技术领域

本发明涉及电烙铁头，特别是涉及为了增强在高温环境下的耐氧化性能而将基体材料表面改性成为高Al浓度的Cu-Al合金的表面的电烙铁用烙铁头及烙铁。

背景技术

为了进行以电子工业为首的连接、结合，一般采用软钎焊法。这种软钎焊法大致分为成批软钎焊法(汇总在一起的软钎焊法)以及手工焊接法。

在成批焊接法中，有以下几种方法，即，在把元件或部件搭载到印刷电路基板上之后、浸渍在熔融软钎料中的流动焊接法，以及将软钎料粒子和助焊剂利用粘接剂混练成的软钎料糊印刷到印刷电路基板的接合部分上之后、搭载部件加热进行软钎焊的软熔焊接法(SMT)法，其特点是，其中的每一种方法，都可以同时软钎焊多个部位。

另一方面，手工软钎焊法主要利用烙铁进行，不可能同时在多个部位进行软钎焊，这是一种由来已久的方法，其特点是任何人都可以方便地进行操作。此外，为了对利用成批钎焊方法时造成的焊接不好的接头处进行修整，利用烙铁的方法是必不可少的。特别是，最近以来，为了避免公害，无铅软钎料的使用不断增加，与现有技术中的Sn-Pb软钎料相比，由于焊接性能差，不良接头频发，所以，利用烙铁进行修整是不可缺少的，与过去相比，烙铁起着更为重要的作用。

下面对现有技术的电烙铁进行描述。图1是现有技术中一般的电烙铁的前端侧主要部分的分解立体图。如该图所示，将陶瓷加热器5插入并装填到在形成烙铁头3的基端侧开口的中空部(筒体部分8(参照图3))内，把保护管2套装到该烙铁头上之后，将套到该保护管2上的盖形螺母1紧固到螺纹接头6上加以固定。这时，在烙铁头3的中空部内嵌入和陶瓷加热器5相同长度的不锈钢制的内管4。这样，变成图2所示组装状态供使用。采用这种结构，在烙铁头3由于长时间使用损耗时，可以很容易地更换新的烙铁头。

图3表示现有技术的烙铁头3的剖视图。对于烙铁头的材料，由于需要将陶瓷加热器5发出的热量迅速地传递到烙铁头的前端部3a，因而使用热传导性能优异的纯铜或高热传导性的铜合金。

在铜制的烙铁头3的表面上镀以几十微米以上膜厚的铁镀层7，进而，在铁膜上，除其前端部3a之外镀以几个微米厚的铬膜10。然后，在前端部3a上涂敷软钎料合金9，用这部分进行软钎焊作业。此外，这时的铁镀层7的目的是抑制纯铜及铜合金材料被软钎料过分腐蚀，镀铬层10的目的是防止镀铁后的表面被腐蚀，并防止其高温氧化。

另一方面，在与前端部3a相反侧的后端部3b上形成内装棒状陶瓷加热器5的圆筒状筒体部分8，形成如前面所述可从加热器5上自由地插拔的结构。同时，在筒体部分8内，沿内表面嵌入不锈钢制的内管4，保护陶瓷加热器5不与产生的氧化皮接触。

但是，在现有技术的结构中，存在以下多种问题，需要加以改进。

首先，镀在烙铁头3的最外层表面上的铬镀层10，其六价的铬镀液的废水处理等是环境公害的限制对象，需要转换成镀铬以外的镀敷方法或镀敷以外的表面处理方法等。

此外，在结构上，当把上述烙铁头3装在陶瓷加热器5上进行加热时，由于烙铁头3的筒体部分的内表面存在空气层，会剧烈氧化，产生CuO或Cu₂O等氧化皮，除导致热传导恶化之外，还成为短路等故障的原因。

此外，由于烙铁头是可自由插拔的结构，所以，在内管4的内表面与陶瓷加热器5的外周部之间产生狭小的间隙，由于因此而产生的温度差难以进行高精度的温度控制。此外，作为改进的措施，如前面所述在烙铁头3的筒体部分8与陶瓷加热器5之间设置厚度很薄的不锈钢制内管4，但即使在这种情况下，也不能避免基体材料铜的剧烈氧化，并且，由于不锈钢制管热传导性能差，所以会对热传递产生屏蔽效应，使温度传感器的响应速度变慢。

发明内容

为了解决上述课题，本发明的第一种电烙铁用烙铁头，在由铜或铜合金制成的烙铁的烙铁头中，在把Al颗粒和助熔剂构成的混合物涂布到除前端部的软钎料涂敷部分之外的所述烙铁头的表面上之后，在惰性气体气氛中仅把Al颗粒融化，把该表面改性为Al浓度高的Cu-Al合金被覆层。

此外，本发明的第二种电烙铁用烙铁头，在由铜或铜合金构成的烙铁用烙铁头中，在具有内装棒状陶瓷加热器的圆形筒体部分的中空部内表面的所述内表面上涂布由Al颗粒和助熔剂构成的混合物之后，在惰性气体气氛中仅使Al颗粒融化，将该内表面改性成Al浓度高的Cu-Al合金被覆层。

此外，本发明的第三种电烙铁用烙铁头，在进行过镀铁的铜或铜合金构成的烙铁用烙铁头上，以铜镀层膜厚约10～50μm的范围进行镀铜，在该表面上涂布Al颗粒和助熔剂构成的混合物之后，在惰性气体气氛中仅将Al颗粒融化，将该表面改性成Al浓度高的Cu-Al合金被覆层。

根据本发明的第三种电烙铁用烙铁头的一种优选实施方案，本发明的烙铁头由第一构件和第二构件可分离地构成，使前述第一构件与第二构件的接触面接触使用，由镀铁的铜或铜合金制成，前述接触面被分别表面改性成所述的Cu-Al合金被覆层。

根据本发明的第三种电烙铁用烙铁头的另一种优选实施方案，前述接触面形成大致圆锥形。

根据本发明的第三种电烙铁用烙铁头的又一种优选实施方案，前述第一构件固定在大致为圆筒形的管状构件的前端。

此外，本发明的上述烙铁用烙铁头的特征为，将由铜或铜合金构成的烙铁的烙铁头表面改性成Al浓度高的Cu-Al合金被覆层，使该表面形成氧化铝(Al₂O₃)的牢固的被膜，赋予高温下的耐氧化性能。

附图的简单说明

图1是表示现有技术的电烙铁的结构的分解透视图。

图2是表示图1的电烙铁的组装状态的图示。

图3是现有技术的烙铁的烙铁头的简略剖视图。

图4是表示将经过表面改性的铜板与未经过处理的铜板在大气中加热到600℃1小时之后的氧化量的比较的图示。

图5是表示本发明的各实施例的烙铁头的截面形状尺寸的图示。

图6表示本发明的烙铁头的第一个实施例，是仅对烙铁头的前端部镀铁、将除此之外的表面进行根据本发明的表面改性的剖面简图。

图7表示本发明的烙铁头的第二个实施例，是根据本发明将内装棒状陶瓷加热器的烙铁头的筒体部分的内表面进行表面改性的剖面简图。

图8是表示将实施例2的表面改性的烙铁头和未经处理的烙铁头在大气中加热到600℃1小时后的氧化增加量的比较的图示。

图9表示本发明的烙铁头的第三个实施例的制造过程当中的状态，是在烙铁头的整个面上镀铁之后、除前端部之外进行镀铜的剖面简图。

图10表示本发明的烙铁头的第三个实施例制造完毕后的状态，是将图9所示的镀铜层根据本发明进行表面改性的剖面简图。

图11表示根据第四个实施例的烙铁。

图12详细地表示图11的交换构件。

图13是详细地表示图11的加热构件(a)与第二构件(b)的图示。

图14是详细地表示第一构件的图示。

图15是说明实施例5的图示。

实施发明的最佳形式

本发明的电烙铁用烙铁头，在由铜原料制成的烙铁头3的表面上，均匀地涂布利用粘接剂将Al粒子和助熔剂的混合物混练制成的糊状物。在干燥后，在惰性气体的气氛中加热，仅使Al颗粒熔融，把表面改性成Al浓度高的表面。

这时，Al颗粒的粒径和含氧量对被覆层的性质也有一定影响，优选地，采用150μm以下的颗粒，颗粒的含氧量优选其重量百分比在1％以下。此外，在下文中，在表示组成成分时，都采用重量百分比，简单地用％表示。

对于助熔剂，采用氟化物为主体的卤素化合物。在利用粘接剂将80％的Al颗粒和20％的助熔剂构成的混合物混练之后，以2～5mg/cm²的量涂布在烙铁头3上。将其在700℃的氮气气氛中进行加热处理，使Al颗粒熔化。Cu-Al系合金在548℃因共晶反应而熔融，但为了使Al和Cu充分反应，将温度上升到Al的熔点660℃以上，从炉中取出使之自然冷却。

以这样方式将表面改性的烙铁头，被改性成Al浓度高的Cu-Al合金被覆层，变成黄金色的美丽的表面。把经过这种表面改性的烙铁头3安装到图1、图2所示的装置中，加热到250～400℃，在实际当中进行软钎焊操作，其结果，未发现因氧化产生的氧化皮等。

图4是表示表面改性的基础实验的实验结果，它是尺寸为25×40×0.5mmt的纯铜板(磷脱氧铜板：DCuP)以及将其表面进行改性的铜板在300～600℃的大气中加热一小时后测定氧化增加量的结果的曲线图。纯铜板在超过300℃时，剧烈氧化，其氧化增加量增大，与此相对，经过表面改性的铜板一直到600℃完全没有氧化增加量，从而，显示出优异的耐氧化性能。

为了搞清其原因，利用EPMA等进行分析，其结果可以看出，表面改性层的成分含有8～15％的Al，在其最外层表面上生成氧化铝(Al₂O₃)，它对耐氧化性能的改善起着极大的作用。这时的改性层的厚度可通过Al颗粒的涂布量来自由调节，但只要在20～100μm的范围内就可以达到充分的效果。此外，表面改性后的助熔剂的残渣没有腐蚀性，从而无须进行水洗等处理，从不污染环境的观点来看，也比现有技术的电镀法有利。

根据本发明，通过把铜制的烙铁头的表面及筒体部的内表面进行表面改性使之变成Al浓度高的Cu-Al合金组分，在表面上生成极为稳定的氧化铝(Al₂O₃)，赋于它在大气中高温下的耐氧化性能。

此外，由于表面改性层的厚度为几十微米，所以对作为基体材料对铜及铜合金的优异的电性能及热传导性能几乎没有任何影响。从而，通过根据本发明的表面改性，可以预期有以下的作用和效果。

(1)极大地改善其耐氧化性能，在700℃于大气中加热1小时也不产生氧化皮。从而，由于烙铁的常用温度为400℃以下，所以足可以作为烙铁头的被覆材料使用。

(2)到目前为止，在加热烙铁头的棒状加热器的插入部由于前面所述的理由过去一直嵌入并使用不锈钢制的内管，因此会影响到热传导性能及温度控制精度等，而本发明，可以不用这种内管，从而可以期待会显著改善其性能。

(3)由于具有优异的耐氧化性能，从而可以代替现有技术中镀铬制品，从而可以预期，它可以作为解决由此造成的环境问题的一部分的一个措施。

下面对本发明的电烙铁用烙铁头进行更详细的说明。此外，附图的参考标号，对于和图1～图3的现有技术中的产品相同的部分使用相同的序号进行说明。

[实施例1]

本发明的表面改性方法的适用范围，是用来代替现有技术中的烙铁头的镀铬。或者用于铜制烙铁头的铜材料暴露出来的筒体部分8的内表面部分上。在现有技术中，这一部分用内管4加以保护。在本实施例中所使用的烙铁头3是纯铜材料，其尺寸形状示于图5。

首先，说明将过去一直使用的进行镀铬的部分的表面改性。图6是它的一个实施例，在该例子中，预先在烙铁头3的前端部3a上形成局部镀铁层7。向该部分上镀铁层7的目的是，如前面所述，防止作为烙铁头3的原料的铜或铜合金被软钎料腐蚀，没有必要在整个表面上镀铁层7。但从操作性的角度出发，有时在整个面上镀铁层7也是很有利的，关于这个问题在实施例3中再详细描述。

在本实施例中，镀铁层7仅位于烙铁头3的前端部分3a处，除此之外的表面(除前端部3a的烙铁头的外周面)上用粘接剂将80％的Al颗粒和20％的氟化物系助熔剂混练后，用羽毛等以约4mg/cm²的密度涂布，在700℃的氮气气氛中进行加热处理，获得厚度约40μm的表面改性层10-1。将该试样安装到图1及图2所示的电烙铁装置中，在250～400℃进行实际运行。结果看出，在24小时之内，表面几乎没有氧化，当然也一点都没有氧化皮，显示出优异的耐氧化性能。由此看出可以充分起到现有技术中镀铬层所起的作用，但是，在烙铁头3的前端部3a处不镀铁，对整个表面进行改性时，由于其全部被Al₂O₃的稳定氧化被膜所覆盖，利用通常的助焊剂，软钎料难以附着于其上，所以必须严格避免这样做。

[实施例2]

下面说明对铜制烙铁头3的筒体部分8的内表面的表面改性。对于这部分迄今为止没有进行改进的主要原因是，增加耐氧化性能的镀铬等在技术上存在着困难。下面利用实施例进行说明。

试样形状和实施例相同，但筒体部分的直径为4.2mm，深度为23mm。

图7表示，在本实施例中，预先在烙铁头3的外周面上用和实施例1的10-1部分上同样的方法涂布Al颗粒和氟化物系助焊剂的混合物后，进一步均匀地涂布筒体部分8的内表面，然后在和实施例1相同的条件下进行热处理获得表面改性层10-2。处理后，为了观察内表面的状态，将该试样切割成两半，观察结果，获得和外表面的表面改性层10-1相同的外观。

进而，为了弄清楚表面改性层的耐氧化性能，进行如下的实验。该方法和图4一样是测定氧化增加量的方法，将实施例2中制作的烙铁头和未经处理的烙铁头在300～600℃的处于大气中的炉子内加热1小时，由它们的氧化增加量进行耐氧化性能的比较。其结果示于图8。图中表示每个烙铁头随着温度变化引起的氧化增加量，经过表面改性的烙铁头直到600℃其氧化增加量全无变化，确认为它具有优异的耐氧化性能。此外，由于烙铁头的温度在通常的操作时，在400℃以下使用，不必将温度设定在该温度以上，但在本实验中，为了缩短试验时间，一直上升到600℃的高温进行试验。

[实施例3]

在不进行处理使用铜制烙铁头时，软钎料的腐蚀十分明显，迅速地消耗其前端部。因此，通常通过镀铁加以改善。前述实施例1中是仅在其前端部3a处进行镀铁的情况。但是，这种仅在其前端部分进行镀敷时，需要通过屏蔽等将镀敷以外的部分与镀槽隔离开，因此，其制造工艺复杂，并导致制品成本增高，因此，反而是全部镀敷有利。

在本实施例中，说明在烙铁头的整个表面上进行镀铁时的情况。首先，如图9所示，在整个表面上镀铁层7之后，除前端部3a的表面上施以镀铜层11。然后，如图10所示，可以将前述镀铜层11用和实施例1相同的方法进行表面改性。

借此，镀铜层11与Al颗粒合金化，生成Cu-Al合金的表面改性层10-3。该改性层和将实施例1及2的铜原材料进行改性的层具有相同的性质和性能，显示出优异的耐氧化性能。这时，当不加镀铜层11而直接进行镀铁层的处理时，由于镀铁层与Al颗粒加热处理时，通过反应在界面处生成脆弱的合金层，因此是不适当的。此外，这时的镀铜的厚度必须在10μm以上，低于该厚度时，与镀铁层生成类似的合金层。

[实施例4]

下面，说明具有设置实施例1～3所说明的表面改性层的烙铁头的烙铁。图11表示根据实施例4的烙铁30的简略结构图(a)与处于分离状态的各结构构件。图中所示的烙铁30由手柄构件31、加热构件32、固定构件33和交换构件34构成，在每使用规定的次数之后，将交换构件34换成新的。

在组装烙铁30时，将加热构件32插入到手柄构件31内之后，将固定构件33拧入手柄构件31上，将加热构件32固定到手柄构件31上。然后，使交换构件34的切槽36配合到设于固定构件33的前端的圆柱形突起35上，将交换构件34固定到固定构件33上。如图12(a)所示，切槽36由轴向方向的槽36a与径向方向的槽36b形成L形，将圆柱形突起35在轴向方向的槽36a内导向，把交换构件34塞入到固定构件33内之后，旋转交换构件34，用径向方向的槽36b的终端保持圆柱形突起35。

在本实施例中，烙铁头由第一构件37与第二构件38可分离地构成，分别固定到交换构件34的前端和加热构件32的前端(图11(b))。图12是详细地表示交换构件34的图示，交换构件34由大致为圆筒状的管构件39和压入到管构件39的前端的铜制的第一构件37成一整体地构成。

如图14(a)所示，第一构件37具有平坦地形成的作业面40，作为一个整体形成大致圆锥形，在后端侧上，如虚线所示，形成比较浅地切入的圆锥形的接触面41。图14(d)是表示第一构件37的剖面结构的图示，包括接触面41的部分在内的后端侧生成Cu-Al合金的改性层37a。另一方面，第一构件37的除上述后端侧之外的部分预先设置镀铁层37b，在其外侧除前端侧的软钎料镀层37c之外的部分用镀铬层37d覆盖。

如图13(a)所示，加热构件32由形成有底圆筒状的铜制的第二构件38、套装在第二构件38基端侧的外周上的管构件42以及插入到第二构件38内的棒状加热器43构成。此外，加热器43从第二构件38的后端插入后，利用电绝缘性能及热传导性优异的陶瓷粘接材料将第二构件38与加热器43形成一个整体。

图13(b)是表示第二构件38的剖面结构的图示。第二构件38形成与第一构件37的接触面41对应的圆锥形的前端部44。并且，在包含该前端部44在内的第二构件38的外周上生成Cu-Al合金改性层38a。

在这种烙铁的情况下，使第一构件37和第二构件38接触使用，由于接触面41、44被用Al浓度高的Cu-Al合金被膜层进行表面改性，所以表现出优异的热传导性能，显示出令人满意的温度控制特性。此外，不像将接触面镀金或镀银时那样将两个接触面熔敷。

作为分离型烙铁，1988年8月29日申请的实公平6-46617号公报的技术是十分典型的，其后过了很久，提出了1997年1月17日申请的PCT/EP97/00220(WO 97/26108)的技术。但是，所有上述发明都未对接触面采取过措施，不能发挥本发明的优异的热传导性能及温度控制特性。

[实施例5]

图15是实施例1～3的变形例。在该实施例5中，在烙铁头3的筒体部分上形成大致为六棱柱形的开口部80。此外，与开口部80的形状相吻合，陶瓷加热器50也形成大致为六棱柱形的形状。在实施例4的情况下，由于将陶瓷加热器制成棱柱形，与圆柱形的情况相比，烙铁头3与陶瓷加热器50的接触面积加大，可进一步提高热传导性能。

工业上的可利用性

根据上面详细描述的本发明，在高温环境下的耐氧化性能优异，热传导性强，所以能够进行高精度的温度控制。

Claims

1、电烙铁用烙铁头，用镀过铁的铜或铜合金制成，其特征为，在除去前端部的软钎料涂敷部分之外的表面上，以膜厚约10～50μm进行镀铜，在该表面上涂布由Al颗粒和助熔剂组成的混合物之后，在惰性气体气氛中仅使Al颗粒熔融，将该表面表面改性成Al浓度高的Cu-Al合金被覆层。

2、如权利要求1所述的烙铁头，由第一构件和第二构件可分离地构成，使前述第一构件与第二构件的接触面接触使用，由镀铁的铜或铜合金制成，前述接触面被分别表面改性成所述的Cu-Al合金被覆层。

3、如权利要求2所述的烙铁头，前述接触面形成大致圆锥形。

4、如权利要求3所述的烙铁头，前述第一构件固定在大致为圆筒形的管状构件的前端。