(57)【要約】【課題】フラックスで覆われたはんだのぬれ広がり性を、容易、迅速且つ高精度で評価できる表面張力測定装置を提供する。【解決手段】フラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置を、金属（はんだ粒９０）を溶融するヒーター１及び温度調節手段（温度制御装置３）を備え底部に小孔４を有する容器５と、この容器５の底部の小孔４から溶融金属９１をごく少量ずつセシルドロップ９３として滴下する滴下手段と、滴下する前に前記小孔４を一時的に塞ぐ手段（アーム２１）と、滴下する前の溶融金属９１の表面にはんだフラックス９２を塗布する手段（アーム２２、筆６２、パイプ６４、スプレーノズル７０）と、滴下したセシルドロップ９３の重量を測定する手段（化学天秤３１）を用いて構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を溶融するヒーター及び温度調節手段を備え底部に小孔を有する容器と、
この容器の底部の小孔から溶融金属をごく少量ずつセシルドロップとして滴下させる滴下手段と、
滴下する前に前記小孔を一時的に塞ぐ手段と、
滴下する前の溶融金属の表面にフラックスを塗布する手段と、
滴下したセシルドロップの重量を測定する手段と、を備えたことを特徴とする、フラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置。
【請求項２】
前記小孔の下方に、所定の外径を有するノズルが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置。
【請求項３】
前記フラックスを塗布する手段がアームとされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置。
【請求項４】
前記フラックスを塗布する手段が、滴下する前の溶融金属に接触可能とされた筆であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置。
【請求項５】
前記フラックスを塗布する手段が、滴下する前の溶融金属にフラックスを流下するパイプであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置。
【請求項６】
前記フラックスを塗布する手段が、滴下する前の溶融金属に向けてフラックスを噴射するスプレーであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置に係り、特に、出願人が開発した表面張力測定装置を改良して、フラックスで覆われたはんだのぬれ広がり性を容易、迅速且つ高精度で評価することが可能な、フラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融はんだの良好なぬれ広がり性を得ることは、電子工業界の長年の課題の一つである。リフローはんだ付けの場合、ソルダーペースト（はんだ粉とフラックスなどを混練したペースト）のはんだぬれ広がり性は、日本工業規格（例えばＪＩＳ  Ｚ３１９７「はんだ付け用フラックス試験方法」）で制定されているが、次のように要約できる。
【０００３】
銅板の上にソルダーペーストを一定面積印刷し、一定温度に昇温したときのはんだのぬれ広がり面積が大きいほど良好なソルダーペーストである。
【０００４】
更に理論的に説明すれば、はんだのぬれ広がり性には、以下の二つの作用が大きく影響することが知られている。
（１）ソルダーペーストの化学的作用で、銅板や部品端子の酸化膜を除去する。主として、ソルダーペースト中の活性剤による化学作用と見られる。
（２）高温となったソルダーペーストの主としてロジン成分などが銅板や部品端子を覆うことで、溶融はんだのぬれ角度を低下させ、物理的にぬれ広がりを促進する。ぬれ角度は、溶融はんだの表面張力が小さいほど小さくなり、よくぬれ広がる。
【０００５】
より良いはんだ付け性は、ソルダーペーストに限らず、ウェーブはんだ付け、はんだごてによるはんだ付けでも同様であり、基本的理論は全く変わらない。温度・雰囲気を除けば、主として、金属組成、フラックス組成などで決定される。
【０００６】
フラックスの評価方法としては、従来、例えば特許文献１や２に、所定の温度領域におけるイオン伝導率を測定して、フラックスの活性度を評価することが記載されている。又、特許文献３には、半導体バンプ電極として使用されているソルダボールのぬれ性を、表面張力の相異を利用して測定する方法が記載されている。
【０００７】
一方、出願人は、特許文献４で、溶融金属を少量ずつ滴下させ、滴下金属重量を測定することにより、溶融金属の表面張力を測定する表面張力測定装置を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−４７６８０号公報
【特許文献２】特開２０１２−４７６８１号公報
【特許文献３】特開２００３−１６８６９９号公報
【特許文献４】特開平１０−１９７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１や２に記載の技術では、所定の温度領域におけるイオン伝導率を測定する必要があり、フラックスのぬれ広がり性を容易且つ迅速に評価することは困難である。
【００１０】
又、特許文献３に記載の技術は、ソルダーボールのぬれ性を測定しているだけであり、フラックスのぬれ広がり性を評価することはできない。
【００１１】
更に、特許文献１乃至３に記載の技術は、いずれも、専らはんだフラックス自体又はソルダーボール自体を評価することを目的としており、フラックスで覆われたはんだの評価については考えられていなかった。
【００１２】
一方、特許文献４に記載の表面張力測定装置では、後述するように、溶融金属を溶融筒内に導入すると共に滴下状態を制御するための昇降ロッドを迅速に昇降させないと、溶融金属が滴下孔から下方に流出してしまうという問題があった。
【００１３】
又、従来のメニスコグラフなどの様に、銅板などを介してはんだのぬれ性を評価する場合、銅板自体のぬれ性が影響し、純粋にフラックスと溶融はんだだけがぬれ性に与える影響を評価することはできなかった。
【００１４】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、出願人が開発した表面張力測定装置を改良して、フラックスで覆われたはんだのぬれ広がり性を、容易、迅速且つ高精度で評価できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明者が特許文献４で提案した表面張力測定装置に改良を加えた装置を用いて実験したところ、窒素雰囲気では、滴下セシルドロップ形状は、図１（Ａ）の写真に示すように真球に近いが、フラックスを塗布した滴下セシルドロップ形状は、図１（Ｂ）（Ｃ）の写真に示すように、窒素雰囲気あるいは大気にかかわらず、縦長のラグビーボール形状（マクワメロン形状）となった。フラックス作用の主たる機能の一つは酸化防止機能であるが、この他、溶融はんだ表面の表面張力を低下させる機能もある。フラックスを塗布することにより、表面張力が低下し、溶融金属表面が一つに丸くなろうとする力が弱くなり、溶融金属の重力に耐えきれずラグビーボール形状となったことは明らかである。そして、この場合、滴下する首部の表面張力低下により、フラックス無しの場合に比較し、軽い重量で滴下する。表面張力が低下すれば、勿論はんだが基板表面を広く広がり、ぬれ広がりが良くなることは広く知られている。
【００１６】
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、金属を溶融するヒーター及び温度調節手段を備え底部に小孔を有する容器と、この容器の底部の小孔から溶融金属をごく少量ずつセシルドロップとして滴下させる滴下手段と、滴下する前に前記小孔を一時的に塞ぐ手段と、滴下する前の溶融金属の表面にフラックスを塗布する手段と、滴下したセシルドロップの重量を測定する手段と、を備えたことを特徴とする、フラックスで覆われた溶融金属の表面張力測定装置により、前記課題を解決したものである。
【００１７】
ここで、前記小孔の下方に、所定の外径を有するノズルを形成することができる。
【００１８】
又、前記フラックスを塗布する手段をアームとすることができる。
【００１９】
あるいは、前記フラックスを塗布する手段を、滴下する前の溶融金属に接触可能とされた筆とすることができる。
【００２０】
あるいは、前記フラックスを塗布する手段を、滴下する前の溶融金属にフラックスを流下するパイプとすることができる。
【００２１】
あるいは、前記フラックスを塗布する手段を、滴下する前の溶融金属に向けてフラックスを噴射するスプレーとすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による表面張力測定装置を用いて、滴下する前の溶融金属の表面にフラックスを塗布して、溶融金属を滴下させるだけで、フラックスで覆われた溶融金属のぬれ広がり性を容易、迅速且つ高精度に評価することができる。
【００２３】
この際、フラックスで覆われた溶融金属のぬれ広がり性の評価は、滴下したセシルドロップの重量を測定して行うので、高精度の測定が可能である。
【００２４】
各種フラックスの評価方法として、表面張力をどのくらい下げることができるかは、フラックス開発者の最も重要な点の一つである。フラックス能力を滴下はんだ量で数値として計測できる意味は大きく、本発明により、より効果的なフラックス、溶融金属、及び／又はその組合せを選定見出すことが期待できる。これに対して従来は、フラックスを溶融金属に接触させ覆った状態で直接表面張力を測定することは考えられていなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の原理を説明するための、溶融金属が表面張力測定装置から滴下する直前の状態を示す写真
【図２】本発明に係る表面張力測定装置の第１実施形態の全体構成を示す断面図
【図３】同じく滴下ノズル周辺拡大図
【図４】第１実施形態の動作を説明するための、溶融金属容器の溶融筒にはんだ粒を入れる前の状態を示す断面図
【図５】同じく一方のアームではんだフラックスを塗布している状態を示す断面図
【図６】同じく他方のアームで溶融筒の滴下孔を塞いだ状態を示す断面図
【図７】同じく他方のアームを外してセシルドロップ滴下中の状態を示す断面図
【図８】本発明に係る表面張力測定装置の第２実施形態の要部構成を示す断面図
【図９】同じく第３実施形態の要部構成を示す断面図
【図１０】同じく第４実施形態の全体構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００２７】
本発明に係る表面張力測定装置の第１実施形態は、図２に示す如く、ステンレス製の溶融金属容器５にシーズヒーター１を差し込み、溶融金属容器５の底部の小孔（溶融金属滴下孔又は単に滴下孔とも称する）４の近傍に熱電対２を差し込み固定している。温度制御装置３に設定温度を打ち込むことにより、熱電対２の信号を基に温度制御装置３がシーズヒーター１の出力を制御し、ほぼ小孔４の周辺温度を設定温度にできる。
【００２８】
溶融金属容器５は密閉箱４０へフランジ６、パッキン７を介しボルト８で固定されている。この密閉箱４０には透明ガラス製の扉４３があり、ビーカー３０や化学天秤３１の出し入れは勿論、密閉箱４０内の清掃等も可能としている。又、扉４３は、ガラス窓にあけた穴にトラスネジを差し込み、密閉箱４０に設けられたメスネジ穴へネジ止めすることにより密閉箱４０へ固定される。ここで、扉４３の内側にゴムパッキン等を備えることにより、密閉箱４０へ隙間なく密着固定できる構造となっている。
【００２９】
又、密閉箱４０にはガスの通過可能な弁４１、弁４２が備えつけられており、弁４１には更に弁５０を介し圧縮窒素ボンベ５１へ配管で連結されており、更に弁５５を介し真空ポンプ５６へ連結されている。一方、弁４２には酸素濃度計（Ｏ2計）６０が配管で連結されている。
【００３０】
化学天秤３１は、ゴム製の防震パッド３２を介し、密閉箱４０内に設置されている。化学天秤３１の測定値はリード線３３を経由し、密閉箱４０の外に設置された演算装置３５へ伝送される構造となっており、演算装置３５からはディスプレイ３６やプリンター３７へ配線されている。
【００３１】
密閉箱４０には昇降装置支持部１４を介し、ステッピングモーター１０、直進運動への変換装置つきの減速機１１、昇降ロッド１３が取り付けられている。又、透明ガラス製の扉４３の外部にＣＣＤカメラ８０とディスプレイ８１とが配置されている。
【００３２】
本実施形態においては、さらに、溶融金属の滴下前に小孔４の出口を下から閉じておくための、例えば外部からハンドル（図示省略）を用いて機械的な遠隔操作により回動可能な２本のアーム２０、２１が設けられている。
【００３３】
前記小孔４の下端には、所定外径Ｎのノズル（滴下ノズルとも称する）４’が設けられており、セシルドロップ９３の離れを良くすると共に、ＣＣＤカメラ８０によるセシルドロップ９３径Ｄの比較測定を可能としている。
【００３４】
以上述べた装置を作動させるには、まず、図４に示す通り昇降ロッド１３を円筒状の筒（溶融筒とも称する）９の中へ入るまで下降しておき、はんだ粒９０を溶融金属容器５の中へ入れ、温度制御装置３に、はんだ粒９０の融点よりも高い設定温度を打ち込み、ヒーターパワーを入れる。この時、一方（例えば図の右側）のアーム２１の先端にはんだフラックス９２を塗布しておく。
【００３５】
そして図５に示す如く、アーム２１の先端を上昇させた後、下降させて、ノズル４’の先端にはんだフラックス９２を塗布する。
【００３６】
しばらくすると溶融金属容器５の温度がほぼ設定値となり、はんだ粒９０が溶融して溶融金属９１となるので、その前に図６に示す如く、他方（例えば図の左側）のアーム２０を上昇させて、その先端で小孔４を塞ぐ。
【００３７】
次に昇降ロッド１３を高速で上昇させて筒９内へはんだ粒９０を導入した後、昇降ロッド１３を下降させる。この際、特許文献４に記載の表面張力測定装置では、アーム２０が無かったため、昇降ロッド１３を高速で下降させないと、溶融筒９内の溶融金属９１が滴下ノズル４’から下方に流出してしまうため、制御が難しかった。これに対して本発明では、アーム２０により滴下ノズル４’出口を塞いでいるので、制御が容易になった。
【００３８】
図７に示す通り昇降ロッド１３が円筒状の筒９へ少し入った時点でアーム２０を下降させると、溶融金属９１が滴下ノズル４’よりセシルドロップ９３となって滴下し、ビーカー３０へ落ちるのが、透明ガラス製の扉４３を通して見える。この時、必要であれば、一旦昇降ロッド１３を停止し、真空ポンプ５６を作動させ、密閉箱４０内を真空とすることもできるし、あるいは圧縮窒素ボンベ５１から窒素を供給し、弁４２から密閉箱４０内の気体を排出することにより密閉箱４０内を窒素雰囲気とすることもできる。この排出気体を酸素濃度計６０へ導くことで密閉箱４０内の酸素濃度を測定できる。
【００３９】
次に昇降ロッド１３の下降速度を低速に切り換え作動させると、例えば数十秒に一滴滴下する程度の滴下速度とすることができる。図１の写真には正に滴下せんとする状態を示している。この数十秒に一滴程度の割合で連続的に滴下する溶融金属のセシルドロップ９３をビーカー３０に受け、その重量増加量を次々に化学天秤３１で測定し、演算装置３５で測定重量を小孔４の周長で割り算することにより、表面張力さらにはその平均値をも算出し、ディスプレイ３６上に表示すると共にプリンター３７で印刷できる。
【００４０】
なお、本実施例では重量測定装置として化学天秤を使用したが、レーザー光等で滴下直前の一滴の容量即ち重量を測定することもできる。
【００４１】
本装置による滴下直前のセシルドロップの状態を図１に比較して示す。（Ａ）はフラックスを塗布しなかった場合、（Ｂ）はフラックスＡを塗布した場合、（Ｃ）はフラックスＢを塗布した場合である。
【００４２】
より良いぬれ広がりを期待するには、単にはんだ合金組成の検討の他、フラックスによる表面張力低下作用を重視する必要がある。そして、本実施形態のような表面張力測定装置を使用すれば、その影響は、セシルドロップ形状と共に落下重量測定からすぐに判別できる。
【００４３】
永年、はんだのぬれ性評価はメニスコグラフで行ってきたが、メニスコグラフでは一般にぬれ角度が大きく判定しにくい欠点があった。これに対して本実施形態で用いた表面張力測定装置の場合は、経験上、落下時はセシルドロップ９３の首部分のはんだ表面がほぼ垂直となるので、より妨害因子が少ない。又、ソルダーペーストにする必要がなく、フラックス段階で多くのはんだフラックス９２を容易に評価できる。使用はんだも容易に変更でき、はんだとフラックスの組合せも評価できる。更には、連続滴下できるので、経時変化も容易に測定できる。更に、密閉度が著しく高いので、雰囲気も自由に変えられる。極端に言えば真空とすることもできる。
【実施例】
【００４４】
はんだはＳｎＢｉを使用し、雰囲気を大気とした場合の測定結果は、表１に示すとおりである。
【００４５】
【表１】
2014219202.tif 000003
【００４６】
はんだはＳｎＡｇＣｕを使用し、高融点のため酸化しやすいので雰囲気を窒素（酸素１５０ｐｐｍ）とした場合の測定結果は、表２に示すとおりである。
【００４７】
【表２】
2014219202.tif 000004
【００４８】
図８に、第１実施形態のアーム２１の代わりに筆６２を用いてはんだフラックス９２を塗布するようにした本発明の第２実施形態を示す。
【００４９】
他の構成及び基本的な作用は、第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００５０】
図９に、第１実施形態のアーム２１の代わりに、はんだフラックス９２が滴下ノズル４’の直下に流下するようにされたパイプ６４を用いてはんだフラックス９２を塗布するようにした本発明の第３実施形態を示す。
【００５１】
他の構成及び基本的な作用は、第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００５２】
図１０に、第１実施形態のアーム２１の代わりにスプレーノズル７０を用いてはんだフラックス９２を塗布するようにした本発明の第４実施形態を示す。
【００５３】
本実施形態において、密閉箱４０の内部にはスプレーノズル７０がスプレーノズル支持装置７１を介して密閉箱４０へ固定されている。スプレーノズル７０からは配管７２が延び、密閉箱４０を貫通し、電磁弁７３を経由して耐圧フラックス容器７４へ接続され、更にコンプレッサー７５へ接続されている。又、スプレーノズル７０と溶融金属容器５との間にはフラックス遮蔽板７６が固定されている。他の構成は第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００５４】
本実施形態においては、コンプレッサー７５を作動し、電磁弁７３を瞬間的に作動し、開くことにより、はんだフラックス９２を滴下ノズル４’の先端へ吹き付けることができる。他の動作は第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００５５】
なお、溶融金属表面にフラックスを塗布する方法は、前記実施形態に限定されない。
【符号の説明】
【００５６】
１…シーズヒーター
２…熱電対
３…温度制御装置
４…小孔（溶融金属滴下孔）
４’…滴下ノズル
５…溶融金属容器
６…フランジ
９…筒（溶融筒）
１０…ステッピングモーター
１１…減速機
１３…昇降ロッド
１４…昇降装置支持部
１５…回転制御装置
２０、２１…アーム
３０…ビーカー
３１…化学天秤
３５…演算装置
４０…密閉箱
５６…真空ポンプ
６０…酸素濃度計（Ｏ2計）
６２…筆
６４…パイプ
７０…スプレーノズル
７１…スプレーノズル支持装置
７４…耐圧フラックス容器
７５…コンプレッサー
７６…フラックス遮蔽板
８０…ＣＣＤカメラ
９０…はんだ粒
９１…溶融金属
９２…はんだフラックス
９３…溶融金属セシルドロップ
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014219202.tif 000010
【図８】
2014219202.tif 000011
【図９】
2014219202.tif 000012
【図１０】
2014219202.tif 000013
【図１】
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