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JP3221670B2 - ディップはんだ槽の銅濃度制御方法 - Google Patents

ディップはんだ槽の銅濃度制御方法

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JP3221670B2
JP3221670B2 JP2000047437A JP2000047437A JP3221670B2 JP 3221670 B2 JP3221670 B2 JP 3221670B2 JP 2000047437 A JP2000047437 A JP 2000047437A JP 2000047437 A JP2000047437 A JP 2000047437A JP 3221670 B2 JP3221670 B2 JP 3221670B2
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Japan
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solder
copper
bath
alloy
nickel
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哲郎 西村
益雄 古志
賢一郎 轟木
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Nihon Superior Sha Co Ltd
Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Nihon Superior Sha Co Ltd
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K3/00—Tools, devices, or special appurtenances for soldering, e.g. brazing, or unsoldering, not specially adapted for particular methods
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
  • Molten Solder (AREA)
  • Coating With Molten Metal (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉛フリーはんだの
組成に関係し、特にディップはんだにおいて、はんだ槽
中の組成をコントロールすることによって、常時適正な
はんだ継手を製造することができる方法に関するもので
ある。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】はんだは一般的に２５
０℃前後の比較的低温度において金属表面でヌレ作用を
得るものであるが、プリント基板や部品のリード線等が
銅で形成されている場合には、作業中に表面の銅がはん
だ中に溶け出す「銅食われ」が必然的に生じる。そして
鉛フリーはんだは、このヌレ作用中に銅の溶け込みが非
常に速く、はんだ槽中の銅濃度が急激に上昇することが
発明者らによって経験的に判明している。銅の濃度が上
昇すると、はんだの融点が上昇して表面張力や流動性に
変化を来たし、その結果はんだブリッジ、穴空き、未は
んだ、ツノ、ツララ等が生じるので、はんだ付けの品質
を著しく低下させてしまう。さらになお、銅の濃度上昇
によってはんだの融点が上昇していくが、いったん濃度
が上昇すれば溶解させている温度になるまで相乗的に上
昇が止まらないという結果を引き起こすことになる。
【０００３】また、発明者はニッケルを含有した新規な
はんだ合金を既に開発し（国際公開ＷＯ９９／４８６３
９等）、ニッケルの添加によって流動性を向上させるこ
とに成功したが、この場合でも銅の含有量を適切にコン
トロールすることが好ましい。
【０００４】そのため、いったん銅濃度が上昇した場合
にはこれを解消するために、はんだ槽に入っているはん
だ全てを新しいはんだに入れ替えることが一つの有効な
手段ではあるが、入れ替え作業を頻繁に行なわなければ
ならないので工業的に見てコストアップになる。また、
不必要に資源を廃棄してしまうことにつながる。
【０００５】本発明は上記課題を解決するものであり、
はんだ槽中に既存するはんだを入れ替えることなく、銅
濃度を適正な範囲にコントロールすることができる方法
を開示することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明において最初に着
目したことは、広く用いられている銅箔プリント基板、
あるいは銅のリード線を有する部品をディップはんだで
実装する場合には銅食われによってはんだ槽中の銅濃度
が上昇するが、この現象を抑えることはできないという
事実である。そうであれば、対象を銅に特定してこれを
適宜相対的に希釈することにより、その濃度を積極的に
コントロールするのが確実であるという結論に達した。
【０００７】ところで、銅を必須とするはんだ合金中、
たとえば錫銅ニッケル系合金は、鉛フリーはんだにおい
て最も基本的な構成組成である錫銅共晶合金に少量のニ
ッケルを加え、はんだとしての特性を向上させたもので
ある。このはんだは溶解時の流動性が大変良く、大量の
電子基板を組み立てる際のはんだディップ工程で威力を
発揮する。すなわち、大量生産時に問題となるはんだブ
リッジ、穴空き、未はんだ、ツノ、ツララ等のはんだ付
け不良がいたって少ない。しかし、実装頻度に応じては
んだ槽中の銅分の著しい増加が見られ、この「銅食われ」
現象によって溶けているはんだ槽中に所定の作業温度で
は溶解しない融点の高い錫銅金属間化合物が発生し、こ
れが被接合物の周囲に付着してはんだ付品質を低下させ
ることが観察された。錫に溶け込む銅の量ははんだを溶
解させている温度により変化するが、銅は融点が１０８
３℃と高温であるため少量の増加でもはんだの融点上昇
に与える変化は大きい。従って、銅の濃度をいかに増や
すことなく作業を続けることができるのか熱意研究した
結果、下記の方法を開発した。
【０００８】具体的な手段としては、錫・ニッケル・銅
を主成分とする第１のはんだ合金の場合には、槽中はん
だの銅濃度に上昇が見られれば、銅を含有しない第２の
はんだ合金か、あるいは前記第１のはんだ合金と主成分
が同一であって、その銅濃度よりも低い銅濃度の第３の
はんだ合金を補給はんだとして溶融はんだ槽に投入する
という手段を用いた。一例として、銅約０．５％、ニッ
ケル約０．０５％、残部錫の鉛フリーはんだをはんだ槽
に入れた場合、使用中に増える銅を抑えてはんだの特性
が好ましくない条件にならないようにするために、少な
くともニッケル約０．０５％、残部錫の組成から成る第
２の合金を、あるいは少なくともニッケル約０．０５
％、残部錫の組成に０．５％未満の銅を含む組成から成
る第３の合金を、補給はんだとして投入する。
【０００９】また、別の例として、銅約０．８％、銀約
３．５％、ニッケル約０．０５％、残部錫の鉛フリーは
んだをはんだ槽に入れた場合、使用中に必然的に増える
銅の濃度を抑えてはんだの特性が好ましくない条件にな
らないようにするために、少なくとも銀約３．５％、ニ
ッケル約０．０５％、残部錫の組成から成る合金、ある
いは少なくとも銀約３．５％、ニッケル約０．０５％、
残部錫の組成に０．８％未満の銅を含む組成から成る合
金を補給はんだとして投入する。
【００１０】上記各手段によって、あとから投入する合
金は銅が添加されていないか、または銅濃度がそれぞれ
補給前の槽中はんだにおける銅濃度よりも低いため、合
金が溶融すればはんだ槽全体の銅濃度を希釈することに
なる。補給はんだにあえて銅を添加しておくことは必須
ではないが、例えばはんだ槽の温度条件などに起因して
銅の増加速度が予想よりも遅く、スルーホール基板など
のはんだ付けのような場合にははんだの消費量が多いの
で、銅を含まない合金を補給すればむしろ銅の濃度が低
くなりすぎることが考えられる。従って、適宜銅を少量
含む補給はんだを投入することが好ましい状況を考慮し
たためである。
【００１１】なお、初期の鉛フリーはんだ組成、即ち槽
中はんだは少なくとも錫と銅とニッケルを含むはんだで
あるが、厳密にこれに限定するものではなく、銅を必須
とするはんだ合金がはんだ槽に存在する組成であれば、
広く適用することができる。また、はんだの組成にヌレ
性の向上や酸化防止効果のある成分を添加してある場合
でも同様である。即ち、そのような元素として銀やビス
マス、インジュウム、あるいは燐やゲルマニウムなどを
含む場合でも本発明の本質的な技術から外れるものでは
ない。
【００１２】補給はんだの供給は、槽中はんだの消費
量、液相温度、取り扱うプリント基板の単位あたりはん
だ使用量などによって計算される。多くの場合、銅濃度
の増加とプリント基板の処理枚数はリニアに相関するの
で、槽中はんだの液面を絶えず検知しておき、一定の液
面まで低下すれば補給はんだを投入する手段を採用す
る。補給はんだの形状は、棒はんだ、糸はんだなど自由
である。なお、前記したようにプリント基板の処理枚数
と銅濃度は相関しているので、液面検知に代えてプリン
ト基板の処理枚数単位で所定重量の補給はんだを投入す
るようにしてもよい。さらに、補給はんだを一定時間単
位で補給することも代替的に採用することが可能であ
り、これらを適宜組み合わせることを排除するものでも
ない。
【００１３】実際の槽中はんだの銅濃度については、
錫、銅、ニッケルを主成分とするはんだの場合、槽中は
んだ温度が２５５℃前後において０．８５重量％未満に
制御する手段が、銅濃度の上昇に伴う諸問題を解消する
最適な制御である。なお、０．８５重量％は極めて厳密
という意味にとるものではなく、液層温度の変移によっ
て幅を持っている。しかしながら、上記条件において
０．９０重量％を超えれば継手精度が悪化するので、銅
濃度の上限はこの限りにおいて制約されることになる。
【００１４】上記各手段において制御されたディップは
んだ槽を用いて完成されたプリント基板を搭載した装置
は、有害金属とされる鉛を大幅に削減することができる
ので、製造時の作業雰囲気を汚染することもないし、廃
棄の際でも環境問題への適切な対応を可能とするもので
ある。
【００１５】
【実施例】（比較例）約０．５％銅、約０．０５％ニッ
ケル、残部錫のはんだをはんだ槽に満たし、はんだ温度
を２５５±２℃にして大量のプリント基板をはんだ付作
業した。この時、初期の槽中はんだと同じ組成の補給は
んだを投入し続けると、作業量の増加と共にはんだ槽中
の銅が図１に示すように２万枚のプリント基板を処理し
た後から好ましくない濃度まで増化した。その結果、槽
中はんだの融点が上昇し、槽中はんだの表面張力や流動
性に変化をきたし、はんだブリッジ、穴空き、未はん
だ、ツノ、ツララ等の発生によってはんだ付品質を著し
く低下させた。なお、比較例および実施例のパーセント
は全て重量％を示している。
【００１６】（実施例１）約０．５％銅、約０．０５％
ニッケル、残部錫の鉛フリーはんだをはんだ槽に満た
し、槽中はんだ温度を２５５±２℃にして大量のプリン
ト基板を比較例と同様の条件下ではんだ付作業した。こ
の時、銅を含まない組成を補給はんだとして投入した。
実施例では約０．０５％ニッケル、残部錫の組成から成
るはんだを補給したが、銅の濃度上昇は図２に示すよう
に約０．７％程度で安定し、はんだ付け品質の低下を招
くことがなかった。
【００１７】（実施例２）初期のはんだ組成が０．６％
銅、０．０５％ニッケルに酸化防止効果をもつ金属、例
えばゲルマニウム、燐、カルシウムなどを適量添加し、
残部を錫としたはんだ合金をはんだ槽に投入し、槽中は
んだ温度２５５±２℃で同様の条件下ではんだ付作業を
行い、補給はんだとして槽中はんだの組成から銅だけを
除いた合金を投入した。この結果、銅濃度の上昇は実施
例１とほぼ同様に、約０．７％程度まで至った後に安定
することを確認することができた。
【００１８】（実施例３）初期のはんだ組成が０．６％
銅、０．０５％ニッケル、残部錫のはんだをはんだ槽に
投入し、槽中はんだ温度２５５±２℃で同様の条件下で
はんだ付作業を行い、補給はんだとして銅を含まず、酸
化防止効果をもつ金属、例えばゲルマニウム、燐、カル
シウムなどを適量添加した錫ニッケル−酸化防止剤入り
はんだを投入した。この場合であっても銅濃度の上昇は
上述した実施例と同様に、約０．７％まで至った後に安
定した。
【００１９】今回の対象として主に用いたはんだは錫銅
ニッケル合金であるが、積極的に濃度を制御する成分は
銅のみでその他の成分を積極的に変更する必要はない。
もちろん、はんだの組成にヌレ性の向上や酸化防止効果
のある銀やビスマス、インジュウムまたは燐やゲルマニ
ュウムを添加してある場合でも同様である。
【００２０】
【発明の効果】本発明方法を採用した場合には、本来的
に必要な含有金属ではあるが、ある値を超える濃度にな
れば逆に好ましくない働きをする銅を積極的にコントロ
ールすることができるようになった。従って、同一はん
だ槽におけるはんだ付を大量に行っても継手精度をきわ
めて良好に維持することが可能となる。
【００２１】さらに、本発明方法を基礎として完成した
基板を搭載した装置は、製造環境においても、また使用
環境、廃棄時であっても有害な鉛を大幅に削減すること
ができるので、大量生産による環境破壊の問題は大幅に
回避することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来方法における銅濃度の変化を示すグラフ
【図２】Sn−約０．０５％Ni含有はんだを補給はんだと
した場合の銅濃度変化を示すグラフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 轟木 賢一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開2000−42784（ＪＰ，Ａ) 特開2001−148567（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−226776（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−5996（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−327204（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05K 3/34 B23K 1/00 - 3/08 B23K 35/26

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】銅箔を有するプリント基板、または／およ
    び銅リード線を有する実装部品のディップはんだ付け工
    程において、所定の合金と銅を必須成分とする第１のは
    んだ合金を溶融した槽中はんだの銅濃度が前記プリント
    基板の銅箔、または／および実装部品の銅リード線の銅
    成分が溶融混入することにより上昇したとき、前記第１
    のはんだ合金から銅を除いた合金を主成分とする第２の
    はんだ合金、または前記第１のはんだ合金と主成分が同
    一であって前記第１のはんだ合金の銅濃度よりも低い銅
    濃度の第３のはんだ合金からなる補給はんだをはんだ槽
    に投入し、槽中はんだの銅濃度を希釈させて前記槽中は
    んだの銅濃度を一定濃度以下に抑制するディップはんだ
    槽の銅濃度制御方法。
  2. 【請求項２】槽中はんだは、錫、銅、ニッケルを主成分
    とする第１のはんだ合金であり、補給はんだは錫、ニッ
    ケルを主成分とする第２のはんだ合金である請求項１記
    載のディップはんだ槽の銅濃度制御方法。
  3. 【請求項３】槽中はんだは、錫、銅、ニッケルを主成分
    とする第１のはんだ合金であり、補給はんだは錫、銅、
    ニッケルを主成分とする第３のはんだ合金である請求項
    １記載のディップはんだ槽の銅濃度制御方法。
  4. 【請求項４】槽中はんだは、錫、銅、銀を主成分とする
    第１のはんだ合金であり、補給はんだは錫、銀を主成分
    とする第２のはんだ合金である請求項１記載のディップ
    はんだ槽の銅濃度制御方法。
  5. 【請求項５】槽中はんだは、錫、銅、銀を主成分とする
    第１のはんだ合金であり、補給はんだは錫、銅、銀を主
    成分とする第３のはんだ合金である請求項１記載のディ
    ップはんだ槽の銅濃度制御方法。
  6. 【請求項６】補給はんだは、槽中はんだの液面が所定高
    さに低下すれば投入される請求項１〜５のいずれか記載
    のディップはんだ槽の銅濃度制御方法。
  7. 【請求項７】補給はんだは、一定のプリント基板の処理
    枚数ごとにはんだ槽に投入する請求項１〜５のいずれか
    記載のディップはんだ槽の銅濃度制御方法。
  8. 【請求項８】槽中はんだの銅濃度は、槽中はんだ温度が
    ２５５℃前後において０．８５重量％未満に制御する請
    求項１〜３のいずれか記載のディップはんだ槽の銅濃度
    制御方法。
  9. 【請求項９】請求項１〜８のいずれかの方法におけるデ
    ィップはんだ槽を介して得られたはんだ継手を組み込ん
    だ電気・電子装置。
  10. 【請求項１０】予め溶融した錫、銅、ニッケルを主成分
    とする槽中はんだに投入する補給はんだであって、この
    補給はんだは錫、ニッケルを主成分とすることを特徴と
    した補給はんだ。
JP2000047437A 2000-02-24 2000-02-24 ディップはんだ槽の銅濃度制御方法 Ceased JP3221670B2 (ja)

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