(57)【要約】      （修正有）【課題】  鉛フリー半田を用いても、こて先の寿命が長く、また、接合部分の品質を低下させることがなく、作業性や半田付け品質に優れたこて先及びそれを備えた半田ごてを提供する。【解決手段】  熱源を有する半田ごての一端部側に備えられ、この熱源により加熱され接触した半田を溶融するこて先１Ａの半田と接触する表面に、金属ナノ粒子４ｂが混合されたセラミックス層４を形成した。  また、この金属ナノ粒子を、ニッケル，スズ，金，銀，銅，真鍮，鉛，亜鉛及び鉄の内の少なくとも１種の金属、又は、１種の金属を含んだ合金から成る金属ナノ粒子とした。また、セラミックス層の内側に、そのセラミックス層４と隣接してスズ層５を形成した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源を有する半田ごての一端部側に備えられ、前記熱源により加熱され接触した半田を溶融するこて先において、
前記半田と接触する表面に、金属ナノ粒子が混合されたセラミックス層を形成して成ることを特徴とするこて先。
【請求項２】
前記金属ナノ粒子を、ニッケル，スズ，金，銀，銅，真鍮，鉛，亜鉛及び鉄の内の少なくとも１種の金属、又は、前記１種の金属を含んだ合金から成る金属ナノ粒子としたことを特徴とする請求項１記載のこて先。
【請求項３】
前記セラミックス層の内側に、そのセラミックス層と隣接するスズ層を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のこて先
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のこて先を備えた半田ごて。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、こて先及びそれを備えた半田ごてに係り、特に、鉛フリー半田の半田づけに好適なこて先及びそれを備えた半田ごてに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子機器に用いられるプリント配線板と電子部品との接合には、鉛を含んだスズ・鉛共晶半田が用いられていた。このスズ・鉛共晶半田は、接合信頼性に優れ、比較的低い温度での半田付けが可能なものである。
このスズ・鉛共晶半田による半田付けに用いる半田ごてのこて先用ビットの例として、特許文献１に記載された半田こて先用ビットがある。
この半田こて先用ビットは、母材に熱伝導性のよい銅あるいは銅合金を用いる一方、その表面にＦｅ（鉄）めっきやＮｉ（ニッケル）めっきを施し半田のぬれ性と耐食性を付与してなるものである。
【特許文献１】実開平４−６３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年の地球環境を考慮した改善活動や規制（例としてＲｏＨＳ規制）から、鉛を含まない鉛フリー半田への転換が求められ実際に実用化されてきている。
鉛フリー半田は、鉛を含有しない点で環境的に好ましいものである一方、鉛を含有した半田に比べて融点が高く接合部品の耐熱性が必要であり、また、半田接合部品質の向上も要求される等、いくつかの課題を有する半田である。
【０００４】
その課題の一つとして、半田ごてのこて先が侵食して半田ごての寿命が極めて短くなってしまうということがある。
それは、鉛フリー半田と接触する半田ごてのこて先の材料（Ｆｅ，Ｎｉ等）が、鉛フリー半田に含まれるＳｎ（スズ）と拡散反応を起こしてその半田中に溶出してしまうことによる。
【０００５】
また、鉛フリー半田は、スズ・鉛共晶半田と比較して、約２０℃程高い融点を有することに加えて半田濡れ性も良くない。そのため、この半田濡れ性を補うべくこて先の温度を半田の融点よりもさらに５０℃高く設定する必要があり、拡散反応がより促進される状況にある。
この拡散反応により、半田ごてのこて先の寿命は、スズ・鉛共晶半田を用いた場合に比べて１／２〜１／４程度に短縮されてしまう。
【０００６】
従って、頻繁にこて先を交換しなければならず、その交換のための工数が増加し、交換時に設備を停止しなければならず製造効率が低下し、こて先を調達するための費用がアップしてしまうという問題があった。
また、こて先と本体とが一体の半田ごてにおいては、半田ごて自体を交換しなければならず、更に費用がアップしてしまうという問題があった。
【０００７】
また、半田ごてを搭載して自動的に半田付けを行う半田付けロボットにおいては、こて先の激しい侵食により半田付け位置が短期間に変わってしまい、接合部に十分に熱を加えることができずに接合不良が生じたり、この半田付け位置をロボットに対して再度ティーチングして記憶させ直す作業を頻繁に行わなければならない、という問題があった。
【０００８】
そこで、本発明が解決すべき課題は、鉛フリー半田を用いても、半田付け工程に要する工数が増加することなく、また、製造効率を低下させることがなく、また、こて先部品の調達費用がアップすることがなく、また、接合部分の品質を低下させることがなく、作業性や半田付け品質に優れ、長寿命のこて先及びそれを備えた半田ごてを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本願発明は手段として次の構成を有する。
即ち、請求項１に係る発明は、熱源（４２）を有する半田ごての一端部側に備えられ、前記熱源（４２）により加熱され接触した半田を溶融するこて先において、
前記半田と接触する表面に、金属ナノ粒子（４ｂ）が混合されたセラミックス層（４）を形成して成ることを特徴とするこて先（１Ａ，１Ｂ）である。
また、請求項２に係る発明は、前記金属ナノ粒子（４ｂ）を、ニッケル，スズ，金，銀，銅，真鍮，鉛，亜鉛及び鉄の内の少なくとも１種の金属、又は、前記１種の金属を含んだ合金から成る金属ナノ粒子としたことを特徴とする請求項１記載のこて先（１Ａ，１Ｂ）である。
また、請求項３に係る発明は、前記セラミックス層（４）の内側に、そのセラミックス層（４）と隣接するスズ層（５）を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のこて先（１Ｂ）である。
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のこて先（１Ａ，１Ｂ）を備えた半田ごて（５０）である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、こて先の表面に金属ナノ粒子を混合したセラミックス層を形成したので、鉛フリー半田を用いても、半田付け工程に要する工数が増加することがなく、製造効率が低下することがなく、こて先を調達する費用がアップすることがない。また、半田接合部分の高い品質が維持され、半田付け工程における作業性や半田付け品質が優れ、長寿命であるという効果を得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１及び図３を用いて説明する。
図１は、本発明のこて先の実施例１を示す断面図である。
図２は、本発明のこて先の実施例２を示す断面図である。
図３は、本発明の半田ごての実施例を示す斜視図である。
【００１２】
本発明の半田ごての実施例１の外観斜視図を図３に示す。
この半田ごては、こて先部１Ａと本体部２１とを有して構成される。
図３（ａ）は、こて先部１Ａを本体部２１に装着した状態を示す斜視図であり、図３（ｂ）は、こて先部１Ａを本体部２１から外した状態を示す斜視図である。
こて先部１Ａは、本体部２１に対して固定手段であるねじリング４３を締め付けることにより交換可能に固定されている。
実施例の半田ごては、このようにこて先部が分離する形態のものであるが、もちろん、こて先部１Ａと本体部２１とが一体とされている半田ごてであってもよい。
本体部２１は、内部に熱源となるヒータ４２を備えている。
このヒータ４２は、図示しない外部の電源から電源ケーブル４１を介して供給される電力により熱を発生し、この熱がこて先部１Ａに伝達されてこて先部１Ａは加熱される。
こて先部１Ａは、このヒータ４２の一部が挿入される穴１ａを有しており、こて先部１Ａが本体部２１に装着される際にこの穴１ａにヒータ４２が隙間無く装着され、熱をより効率よく受けられるようになっている。
【００１３】
次に、こて先部１Ａについて、その断面図である図１を用いて詳述する。
このこて先部１Ａは、銅（Ｃｕ）からなる母材２と、その表面に積層形成した第１の層３及び第２の層４を有する。
母材２は、本体部２１のヒータ４２と連結し、ヒータ４２からの熱が伝達される。
一方、第１の層３は窒化層として形成される。具体的には窒化クロム（ＣｒＮ）をコーティングした層である。
また、第２の層４は、セラミックス粉末４ａに金属ナノ粒子４ｂを混合させた混合粉を焼結によりコーティングした層である。ここで、金属ナノ粒子とは、直径１０００ｎｍ以下の金属微粒子を意味する。
この層は、セラミックスであるアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の粉末４ａに、金属ナノ粒子である直径１００ｎｍ程度のニッケル（Ｎｉ）粒子４ｂを比率で約５０ｗｔ％混合させた混合粉を用いて形成される。
最も好ましいのは、セラミックス層の厚さを２〜３μｍとし、金属ナノ粒子の径を１０〜１０００ｎｍとし、その混合率を３０〜５０ｗｔ％とした場合である。この場合、最も安定した層が形成でき、良好な接合品質が得られ、こて先が極めて長寿命となる。
また、金属ナノ粒子の径に応じた好ましい混合比率は、径が１０００ｎｍに近い場合５〜３０ｗｔ％、径が約１００ｎｍの場合３０〜５０ｗｔ％、径が約１０ｎｍの場合５０〜７０ｗｔ％、であり、径が小さくなるに従って、配合比率を高くしていくとよい。
セラミックス層の厚さは、１μｍ未満だと効果が得られにくく、５μｍを越えるとその厚みにより昇温時の温度コントロールが難しくなるので、１〜５μｍとするのが好ましい。
【００１４】
この構成において、母材２は熱伝導性に大変優れた銅で形成されているので、ヒータ４２からの熱を良好に伝導し、こて先部１Ａを所望の温度に効率良く容易に加熱することができる。
【００１５】
また、こて先部１Ａの表面をスズにより侵食を受けない第２の層４、即ち、セラミックスでコーティングしているので、このこて先部１Ａは耐侵食性に極めて優れている。
【００１６】
こて先部１Ａは、その表面材をセラミックスのみとすると半田をはじいてしまう（半田濡れ性が低い）ので、実施例においては、このセラミックス層４の中に半田濡れ性が極めて高いニッケル成分を混合させている。これにより、このこて先部１Ａは半田塗れ性も極めて良好である。
【００１７】
一方、第１の層３は、第２の層４に接触した半田からこの第２の層４を熱拡散により通過してきたスズが母材２に到達するのを阻止するためのバリア層である。
この層の厚さは例として約０．１μｍである。
このバリア層は、クロム（Ｃｒ）めっきの層としてもよく、スズが母材に到達するのを防止する材質で形成された層であればよい。
【００１８】
以上の構成により、実施例１の半田ごて５０は、鉛フリー半田に対して極めて良好な耐侵食性と半田塗れ性を有している。
また、こて先部１Ａは、その部位によらず、表面に形成した薄い層の直下が熱伝導率のよい母材２であるから、昇温時の表面温度分布が極めて一様であり、ばらつきのない半田付けができる。
また、こて先部１Ａの先端部であっても、表面直下が母材であるから熱減衰がほとんどない。従って、母材２の温度がほとんどそのまま表面温度となるので、ヒータ４２での昇温効率が極めて高いという効果を奏する。
【００１９】
ところで、実施例１の半田ごてを用いて半田付け作業を行うと、第２の層４に含有した金属ナノ粒子４ｂがこの層に接触した半田の中に溶出する。
従って、第２の層４中には金属ナノ粒子４ｂが溶出して抜けた空隙が残る。
この空隙には、半田付けする半田の一部が充填して半田濡れ性を維持するが、この空隙を積極的にスズで埋めて、半田濡れ性を極めて良好に維持するように構成したのが以下に示す実施例２である。
【００２０】
この実施例２を、図２，図３を用いて説明する。
この実施例２の半田ごての外観は実施例１と同様であり、こて先部の層構造が異なるものである。
即ち、この実施例２は、第１の層３と第２の層４の間に、スズ層である第３の層５を形成したものである。このスズ層は、例えばめっきにより形成することができる。
【００２１】
この実施例２の半田ごてを用いて鉛フリー半田（例として、スズ−銀−銅系）を半田付けする場合には、半田ごてのこて先１Ｂを３６０℃にヒータ４２により昇温する。
【００２２】
ここで、銅の融点は１０８４℃，窒化クロムの融点は１０５０℃，ニッケルの融点は１４５５℃，アルミナの融点は約２０００℃であるから、半田ごて５０の母材（銅）２，第１の層（窒化クロム）３及び第２の層（アルミナ）３，４はこの３６０℃では溶融しない。
【００２３】
一方、第３の層５であるスズめっき層は融点が２３２℃であり、鉛フリー半田（融点：２２３℃）と共に昇温した３６０℃において溶融する。
溶融した半田は、第２の層４の表面に露出しているニッケル粒子４ｂに対して良く濡れ、半田接合されるべき部分に対して十分に供給される。
【００２４】
この時、上述したように、第２の層４の表面付近は、半田の中にニッケル粒子４ｂが溶出することで形成された緻密な多孔質となっている。
この緻密な孔には、溶融して表層に上がってきた第３の層５のスズが確実に充填される。
従って、第２の層４の表面、即ち、こて先部１Ｂの表面には、常に濡れ性に優れた材料（スズ）が露出しているので、鉛フリー半田の半田付けを濡れ性よく極めて良好に行うことができる。
【００２５】
上述した実施例において形成する第１の層及び第２の層は、こて先において、少なくとも溶融させる半田が接触する範囲に形成されていればよく、必ずしもこて先の表面全体に形成されている必要はないのは言うまでもない。
【００２６】
発明者らは、半田ごての寿命について実施例と従来例との比較実験を行った。
その結果、従来の半田ごてを用いて鉛フリー半田を半田付けした場合、約１０，０００箇所の半田付けを行うと侵食に起因する半田付け不良が発生するのに対して、実施例の半田ごてを用いた場合、３０，０００箇所以上の半田付けを行っても侵食による半田付け不良が全く発生しないことを確認した。
このように、実施例の半田ごては、鉛フリー半田の濡れ性も常に極めて良好であり高品質の半田接合が行える。
また、耐侵食性にも大変優れ、こて先をほとんど交換する必要がない。
【００２７】
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
【００２８】
実施例の半田ごては、図３に示したような、これを手で持って半田付けをするための態様に限るものではない。
半田付けロボット等の自動的に半田付けを行う半田付け装置に搭載される半田ごて部であってもよいことは言うまでもない。
また、第２の層４であるセラミックス層中に混合させる金属ナノ粒子４ｂは、ニッケルに限るものではない。半田濡れ性が良好なニッケル以外の金属材料として、スズ，金，銀，銅，真鍮，鉛，亜鉛，鉄等があり、これらの中から金属を選択し金属ナノ粒子４ｂとしてセラミックス層４中に混合することができる。また、この選択数は１種に限らず、複数種を選択し任意の比率で混合してもよい。
こて先部１Ａ，１Ｂの各層の材質やその厚さは、使用する鉛フリー半田の組成や特性に応じて適宜設定することができる。
こて先部１Ａ，１Ｂを交換可能な半田ごて５０においては、使用する半田の組成に応じて最適となる実施例のこて先に交換することで過剰な設備投資をしなくて済み、効率がよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のこて先の実施例１を示す断面図である。
【図２】本発明のこて先の実施例２を示す断面図である。
【図３】本発明の半田ごての実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１（１Ａ，１Ｂ）  こて先部
１ａ  穴
２  母材
３  第１の層
４  第２の層
４ａ  セラミックス（粉末）
４ｂ  金属ナノ粒子
５  第３の層
２１  本体部
４１  電源ケーブル
４２  ヒータ
４３  ねじリング（固定手段）
５０  半田ごて
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006061969.tif 000005