半田ごてチップおよびその製造方法
【課題】半田に対する濡れ性を制御可能であると共に、半田に対する耐食性や強度の優れた半田ごてチップを提供する。
【解決手段】酸化アルミニウムに鉄またはニッケルを含有させた酸化アルミニウムセラミックスにより半田ごてチップ１を構成する。チップとして十分なビッカーズ硬さを確保でき、鉛フリー半田に対する耐食性が高いチップを提供できる。また、半田付け作業において実用的な所定の範囲の濡れ性を兼ね備え更に、所定の範囲内において作業目的や半田付け対象物に応じて濡れ性の制御が可能なチップを提供できる。
【解決手段】酸化アルミニウムに鉄またはニッケルを含有させた酸化アルミニウムセラミックスにより半田ごてチップ１を構成する。チップとして十分なビッカーズ硬さを確保でき、鉛フリー半田に対する耐食性が高いチップを提供できる。また、半田付け作業において実用的な所定の範囲の濡れ性を兼ね備え更に、所定の範囲内において作業目的や半田付け対象物に応じて濡れ性の制御が可能なチップを提供できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半田付け作業に用いる半田ごてチップおよびその製造方法に係り、特に鉛含有の有無によらず十分な耐食性を有し、半田濡れ性の制御が可能な半田ごてチップおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半田ごてのチップ（こて先）において、長期間の使用による劣化のないチップの提供を目的として、例えば、図１８の如くチップ１００の基体１０１の表面に、鉄（Ｆｅ）等のメッキ１０２を施した半田ごてチップなどが開発されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−１５５６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エレクトロニクス機器の廃棄にかかわる環境負荷に対して、近年では半田の鉛フリー化が進められている。このため、従来の鉛−錫（Ｐｂ−Ｓｎ）系の合金よりなる共晶半田に変わって、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系または錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系の材料よりなるいわゆる鉛（Ｐｂ）フリー半田が主流と成りつつある。
【０００４】
しかし、鉛フリー半田は融点が高く、手作業による半田付けにおいて半田ごての使用温度を高くする必要がある。従来、半田ごてのチップ（こて先）の基材は銅材で構成されており、半田の侵食（溶食、半田食われ）を受けやすいものであった。そこで、チップの基体表面に鉄メッキまたはＮｉメッキが施されることが一般的であった。
【０００５】
しかし、鉛フリー半田の採用によって半田ごての使用温度が上昇することとなり、メッキが施されたチップであっても溶食され易い問題があった。そのため、チップの早期劣化・寿命低下が大きな問題となっており、半田食われが少なくかつ半田濡れ性がある程度良いチップが要求されている。
【０００６】
一方、半田付け装置では，半田付け部ごとに所定量の半田を供給し、加熱したチップでこの半田を溶融させて対象物へと流すようにしている。しかし、もともと半田とチップの接触面は、半田に対する付着性が強いので、溶融した半田の全部が対象物へ流れるのでなく、一部はチップ面上に残留する。この状態で所定量の半田が供給されると、残留した半田によって対象物へ流れていく半田の量が一定でなくなる。
【０００７】
つまり、半田とチップの接触面が半田濡れ（ｗｅｔｔｉｎｇ）性の良いもので構成されていると、かえって対象物へ流れていく半田の量が供給量に対して増減して半田付け量にばらつきが生じ、精密部品の高精度半田付けができないという問題が生じる。
【０００８】
また、例えば最近の小型化・高性能化に伴う電子基板の細配線化により、配線間での半田によるブリッジングを回避するため、半田を弾く性質（濡れ性が悪い）のチップが採用される場合もある。このように、半田ごてのチップに関しては必ずしも半田の濡れ性の良いものが優れているとは限らず、使用用途によってはチップの半田濡れ性を制御する必要がある。しかし、従来の半田ごてチップにおいては、半田の濡れ性の不良を改善する目的で開発されたものが多く、半田濡れ性の制御も柔軟に対応でき、なおかつ耐食性に優れた半田ごてチップは知られていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は係る課題に鑑みてなされ、第１に、酸化アルミニウムに半田に対する濡れ性の大きい金属添加物を含有させた酸化アルミニウムセラミックスによって半田ごてチップを構成することにより解決するものである。
【００１０】
また、前記金属添加物は、前記酸化アルミニウムの焼結温度以上の融点を有することを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記金属添加物は、ニッケルまたは鉄であることを特徴とするものである。
【００１２】
また、前記金属添加物の含有量は、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記酸化アルミニウムセラミックスと溶融半田の接触角は、６０度〜１１０度であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記酸化アルミニウムセラミックスのビッカーズ硬さは３００以上であることを特徴とするものである。
【００１５】
第２に、酸化アルミニウムの粉末と半田に対する濡れ性の大きい金属添加物とを粉砕し、前記金属添加物含有の混合原料粉末を生成する工程と、前記混合原料粉末を乾燥する工程と、前記混合原料粉末をホットプレス焼結し、前記金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する工程と、前記酸化アルミニウムセラミックス片を成形する工程と、を具備することにより解決するものである。
【００１６】
また、前記金属添加物は、前記酸化アルミニウムの焼結温度以上の融点を有することを特徴とするものである。
【００１７】
また、前記金属添加物は、ニッケルまたは鉄であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、前記金属添加物の含有量は、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であることを特徴とするものである。
【００１９】
また、半田付けの作業目的または半田付け対象物に応じて前記金属添加物の添加量を変化させ、前記酸化アルミニウムセラミック片に異なる濡れ性を保持させることを特徴とするものである。
【００２０】
また、前記酸化アルミニウムセラミックスと溶融半田の接触角が６０度〜１１０度の範囲で選択可能に前記金属添加物の含有量を変化させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、半田付け作業において耐食性に優れ、長寿命化を実現した半田ごてチップを提供できる。
【００２２】
具体的には、第１に、従来のメッキを施したチップと同程度以上のビッカーズ硬さを確保し、且つ所定の濡れ性を兼ね備えたチップを実現できる。
【００２３】
第２に、チップの基体がセラミックスであるので、メッキが施されたチップと比較して長寿命である。特に、いわゆる鉛フリー半田であっても、その溶食を回避することができる。またチップ成型時の研削等の加工が容易であり、短時間で製造可能である上、材料として安価な酸化アルミニウムと、鉄又はニッケルを採用できるので安価で性能の良いチップを提供できる。
【００２４】
また、本発明の製造方法によれば、作業目的や半田付けの対象物に応じて、半田の濡れ性が制御可能な半田ごてチップの製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１から図１７を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態の半田ごてチップを示す外観図である。
【００２７】
半田ごて１０のチップ１は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）に半田に対する濡れ性の大きい金属添加物を含有させて形成した酸化アルミニウムセラミックスにより構成される。チップ１は、濡れ性を良好にする観点においては少なくとも溶融半田の接触箇所が酸化アルミニウムセラミックスにより構成されていればよい。しかし、図示の如くチップ１全体が金属含有の酸化アルミニウムセラミックスを成形して構成されていれば、半田付け対象物との接触によるチップ１の劣化を防ぐことができ、また製造工程も簡素化する。従って、本実施形態では図示の場合を例に説明する。
【００２８】
セラミックスは耐食性が高く半田の溶食に対して高い抵抗を示す。一方、金属材料に比べ表面エネルギーが小さいため、半田に対する付着性、すなわち濡れ（ｗｅｔｔｉｎｇ）性が悪い。
【００２９】
そこで、本実施形態では、セラミックスに半田濡れ性の良い金属添加物を含有させた。セラミックス材料としては酸化アルミニウムセラミックスが望ましい。例えば他のセラミックス材料としてジルコニア、窒化硅素、炭化硅素等もある。しかしジルコニアは熱に弱く、特に、使用温度が高温となる鉛フリー半田の半田ごてチップ１材料として好ましくない。また、窒化硅素および炭化硅素は製造コストがかかる問題がある。また、窒化硅素および炭化硅素は、焼結温度が１６００℃〜１７００℃と高温であり、含有させる金属の融点を考慮すると制約が大きい。
【００３０】
一方、酸化アルミニウムは焼結温度が約１３００℃程度である。また原料のコストが安価であるため、製造コストを抑えることができる。
【００３１】
また金属添加物は、半田濡れ性の良い材料であり、酸化アルミニウムの焼結温度（約１３００℃）より低い融点を有する金属である。具体的には、鉄（Ｆｅ：１気圧下の単体の融点１５３６℃）やニッケル（Ｎｉ：同１４５５℃）である。また、白金（Ｐｔ：同１７６９℃）でもよいが、鉄やニッケルで有れば安価に実施できる。従って本実施形態では金属添加物は鉄又はニッケルを例に説明する。
【００３２】
チップ１の金属添加物の含有量は７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であり、より好適には８０ｗｔ％程度である。これにより、耐食性と半田に対する濡れ性を共に良好にすることができる。具体的に説明すると、耐食性および半田に対する濡れ性を示す１つの指標として、それぞれビッカーズ硬さおよびチップ１と溶融半田の接触角が知られている。本実施形態では、チップ１（金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス）のビッカーズ硬さが３００以上で、なおかつ６０度〜１１０度の接触角を実現できる。
【００３３】
また本実施形態ではチップ１の濡れ性を制御することが可能である。すなわち、金属添加物（例えばニッケル）の含有量を７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲で変化させることにより、チップ１と溶融半田の接触角を約６０度〜１１０度の範囲で変化させることができる。半田付け対象の多様化に伴い、良好な濡れ性をそれほど要求されないチップの需要も高まっている。本実施形態はこのようなユーザのニーズに応えるチップ１を提供できるものであるが、これについては後述する。
【００３４】
また、チップ１の基体がセラミックスであるので、以下の利点を有する。第１に、メッキの剥離など、組成が不安定な従来のチップ１００（図１８参照）と異なり超寿命である。第２に、チップ１成型時の研削等の加工が容易であり、短時間で製造できる。第３に、例えば錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系または錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系の材料よりなるいわゆる鉛（Ｐｂ）フリー半田であっても、その溶食を回避し、長寿命化を図ることができる。
【００３５】
更に、本実施形態では材料として酸化アルミニウムおよび、鉄又はニッケルを採用できる。従ってコストを抑え、且つユーザのニーズに応じたチップを提供できる。
【００３６】
図２のフロー図を参照し、本実施形態の製造方法について説明する。
【００３７】
本実施形態の半田ごてチップの製造方法は、酸化アルミニウムの粉末と半田に対する濡れ性の大きい金属添加物とを粉砕し、金属添加物含有の原料粉末を生成する工程と、原料粉末を乾燥する工程と、原料粉末をホットプレス焼結し、金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する工程と、酸化アルミニウムセラミックス片を成形する工程と、から構成される。
【００３８】
第１工程（ステップＳ１）：酸化アルミニウムの粉末と半田に対する濡れ性の大きい金属添加物とを粉砕し、金属添加物含有の混合原料粉末を取得する工程。
【００３９】
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末（純度９９．９９％、平均粒径０．１５μｍ）を準備し、金属添加物を添加する。金属添加物は、半田に対する濡れ性が大きく、酸化アルミニウムの焼結温度より融点が高い金属である。具体的には、ニッケル（Ｎｉ）粉末（純度９９．９９％、平均粒径４．３０μｍ）または、鉄（Ｆｅ）粉末（純度９９．５％、平均粒径５．９μｍ）である。
【００４０】
金属添加物の添加量は、作業目的または半田付け対象物（要求される濡れ性）に応じて、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲で適宜選択する。例えば、添加量が８０ｗｔ％程度であれば、チップと溶融半田の接触角がおよそ７０度〜９０度の範囲となり、良好な濡れ性を実現できる。また、添加量を少なくすることにより、より濡れにくいチップを実現でき、添加量を多くすることにより濡れやすいチップを提供することができる。
【００４１】
これらの粉末を、所定の容器内でエタノールを媒介として２４時間混合粉砕し、金属添加物含有の混合原料粉末を生成する。
【００４２】
第２工程（ステップＳ２）：混合原料粉末を乾燥する工程。
【００４３】
混合原料粉末を乾燥温度８０℃で乾燥する。その後、乾燥した混合原料粉末を、粒径を均一にするために、１００メッシュの篩いで篩う。
【００４４】
第３工程（ステップＳ３）：混合原料粉末をホットプレス焼結し、金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する工程。
【００４５】
混合原料粉末をホットプレス焼結する。ホットプレス焼結は、窒素（Ｎ２）雰囲気中で圧力２０ＭＰａ、温度１５７３Ｋ、２時間保持で行う。これにより、金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する。 第４工程（ステップＳ４）：酸化アルミニウムセラミックス片を成形する工程。
【００４６】
酸化アルミニウムセラミックス片を円錐形に切削し、表面を砥粒粗さ＃１０００の研磨材にて鏡面仕上げして図１に示すチップ１を得る。
【００４７】
更に、本実施形態によれば、金属添加物の添加量を適宜選択することにより、異なる濡れ性を有するチップを製造できる。
【００４８】
図３を参照し、添加量による濡れ性の制御について説明する。濡れ性の代表的な指標としては接触角と転落角があり、図３（Ａ）は接触角を説明する図である。一方チップの耐食性および強度は、ＪＩＳに基づくビッカース硬さ試験により評価できる。図３（Ｂ）は添加量と接触角およびビッカーズ硬さの関係を示す。
【００４９】
接触角による評価は、固相と液相の濡れ性を評価する一般的な方法として採用される。接触角はＪＩＳ Ｒ ３２５７に基づく接触角測定法により評価した。
【００５０】
図３（Ａ）は、静止接触角法を説明する図である。
【００５１】
液滴接触角の測定については、図３（Ａ）に示すように液滴（半田）２の容量が少ない場合、液滴の形状は球の一部と見なせるので、接触角閧ニ液滴の形状との間には、次のような関係が成立する。
【００５２】
θ＝２ｔａｎ−１（ｈ／ｒ）
ここで、ｒは液滴すなわち半田２が試験片に接している部分の半径、ｈはチップ１表面から半田２頂点までの高さである。このｒとｈから接触角θを求めた。
【００５３】
図３（Ｂ）の如く、添加量を７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲で変化させることにより、ニッケルの場合には、接触角を約６０度〜１１０度の範囲内で変化させることができ、すなわちこの範囲の様々な濡れ性を得ることができる。同様に鉄の場合にも接触角を約６０度〜９５度の範囲内で変化させることができる。
【００５４】
一方ビッカース硬さ試験による評価では、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲の添加量の場合、ニッケル、鉄共に３００以上のビッカーズ硬さを確保でき、半田に対する耐食性やチップ自身の強度として十分である。つまり、上記の範囲であれば所定のビッカーズ硬さを維持したまま、濡れ性を制御することができる。
【００５５】
特に、ニッケル、鉄共に、添加量が８０ｗｔ％程度であれば、良好な濡れ性と十分なビッカーズ硬さを得ることができる。
【００５６】
近年、半田付けの対象物である例えば電子デバイス等においては、装置の小型化・高性能化に伴い電子基板の配線が細線化されている。また精密部品においては半田付け量のばらつきを抑制した高精度半田付けが要求される。
【００５７】
従って、半田ごてのチップに関しては、半田に対する濡れ性の良いものが優れているとは一概には言えず、半田付けの対象物または使用目的によっては、チップ１にそれほど良好な濡れ性が要求されない場合もある。つまり、半田付け対象物又は使用目的に応じて柔軟に濡れ性を制御することが重要となってきている。一方でチップに対しては、半田に対する耐食性の向上や、半田付け対象物と接触することによるチップの劣化防止などある程度の強度が要求される。
【００５８】
本実施形態によれば、銅の基体に、図１８の如くメッキを施したチップと同程度以上のビッカーズ硬さを確保でき、鉛フリー半田に対しても耐食性が高く、長寿命のチップ１を提供できる。また、半田付け作業において実用的な所定の範囲内において作業目的や半田付け対象物に応じて濡れ性の制御が可能なチップ１を提供できる。例えば、図３（Ｃ）の如く、添加量が８０ｗｔ％であれば、チップ１と溶融半田２の接触角がおよそ６０度〜８０度程度となり、良好な濡れ性を実現できる。また、添加量を７０ｗｔ％にすることにより、より濡れにくいチップ１を実現でき、添加量を８５ｗｔ％にすることにより濡れやすいチップ１を提供することができる。また、この範囲であればビッカーズ硬さは３００以上確保できる。
【００５９】
本実施形態の金属添加物含有のセラミックスの耐食性、および金属添加物の含有量と濡れ性の関係性は、試験片と半田による各種濡れ試験および半田溶食様相観察等により明らかとなったものであり、以下これについて説明する。
【００６０】
試験片は、酸化アルミニウム粉末（純度９９．９９％、平均粒径０．１５μｍ）にニッケル粉末（純度９９．９％、平均粒径４．３０μｍ）および鉄粉末（純度９９．５％、平均粒径５．０μｍ）を所定量添加したものを、図２に示す製造フローに沿って作製した。尚、以下では金属添加物の添加量を０〜１００ｗｔ％まで種々変化させて実験を行った。
【００６１】
すなわち、金属添加物の添加量を種々選択した後、原料粉末をアルミナ製ボールミルでエタノールを媒介として２４時間混合粉砕し、混合原料粉末を得た。ボールミル容器は内径１４００ｍｍ、高さ１６０ｍｍ、内容積２×１０−３ｍ３であり、ボール直径は２０ｍｍである（ステップＳ１）。
【００６２】
その後混合原料粉末を乾燥温度８０℃で乾燥した。乾燥時間は試験片の大きさ（混合原料粉末の量）で変化するが、ここでは１２時間とした。その後、１００メッシュの篩いで篩い（ステップＳ２）、ホットプレス焼結（ステップＳ３）した。ホットプレス焼結は、窒素（Ｎ２）雰囲気中で圧力２０ＭＰａ、温度１５７３Ｋ、２時間保持で行った。ただし、添加成分量９０ｗｔ％以上のものについては、圧力２０ＭＰａ、温度１２７３Ｋ、２時間保持とした）。これにより得られた酸化アルミニウムセラミック片をダイヤモンドバンドソーにより切削加工後、砥粒粗さ＃１５０で寸法５×１０×４０ｍｍに研削加工したのち表面を砥粒粗さ＃１０００のエメリー紙（サンドペーパー）で鏡面仕上げした（ステップＳ４）。これにより作成された試験片を各試験に供した。
［チップの半田濡れ性評価法、硬さ、半田溶食の観察および成分分析法］
試験片の半田に対する濡れ性評価は、前述の接触角を求めることにより評価し、接触角はＪＩＳ Ｒ ３２５７に基づく接触角測定法（図３（Ａ））により評価した。
【００６３】
試験環境は大気中およびＮ２雰囲気中で行った。濡れ性評価に用いた半田は、鉛フリー半田の基準的な合金であるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点２１７℃〜２１９℃）を用い、半田容量は０．２ｇとした。
【００６４】
更に、チップの耐食性および強度の試験として、作製した各試験片の硬さをＪＩＳに基づくビッカース硬さ試験により評価した。
【００６５】
また、成分分析はＸ線回折装置（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）により、組織および断面観察は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）により行った。
［作製した試験片の濡れ特性および耐溶食特性］
図４にＡｌ２Ｏ３／Ｎｉセラミックス（以下試験片）のＮｉ添加量と溶融半田接触角およびビッカース硬さとの関係を示す。
【００６６】
左側縦軸に接触角を、右側縦軸にはビッカーズ硬さを示す。尚、参考として銅の基体にＮｉメッキを施したチップの半田接触角も同図左側縦軸に併記した。メッキは薄膜なので基体によっり硬さが変化するが、基体が銅の場合はＮｉより硬さは低い値となる。
【００６７】
これより、Ｎｉ添加量の増加に伴い接触角が低下（濡れ性が向上）し、その変化量は添加量７０ｗｔ％あたりから次第に大きくなっていることがわかる。
【００６８】
また、添加量８０ｗｔ％では、Ｎｉメッキのチップにおける接触角（７０度〜８０度）にほぼ近い値となっている。これより、本実施形態によればＮｉの添加量によって、ほとんど濡れない状態からＮｉメッキと同程度の濡れ性にまで半田濡れ性を制御可能である。これは、Ｎｉ添加に伴う表面Ｎｉ存在量の変化により表面エネルギーが変化したため、濡れ性も変化したものと考えられる。
【００６９】
一方、ビッカーズ硬さはＮｉ添加量の低下に伴い低下する。すなわち、濡れ性の制御は可能であっても、添加量が低すぎるとチップ自体が柔らかく、耐食性が劣化したり対象物に接触することによりチップがすり減る等し、実用的な観点からは好ましくない。そこで、本実施形態ではチップとして実用的な範囲として、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の添加量を採用した。この範囲であれば、ビッカーズ硬さが３００以上となり、チップとして十分な硬さが実現できる。
【００７０】
特に、濡れ性（接触角）がＮｉメッキに近い添加量８０ｗｔ％ではビッカース硬さが４００〜５００程度であり、半田ごてのチップとしては十分な硬さと濡れ性を実現できる。更に添加量が７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲であれば、所定のビッカーズ硬さを確保しつつ、６０度〜１１０度程度の接触角を選択でき、濡れ性の制御が可能である。
【００７１】
図５および図６は、半田の濡れ性に及ぼすチップの使用温度および雰囲気（Ｎ２）の影響について調べた結果である。図５は濡れ性に及ぼす温度の影響であり、図６は濡れ性に及ぼす雰囲気の影響であり、共に縦軸が接触角、横軸がＮｉの添加量である。
【００７２】
これより、温度を変化させた場合も雰囲気を変化させた場合もまた、濡れ性はあまり変化しないことがわかる。したがって、半田濡れ性に及ぼす使用雰囲気および温度による影響はあまり無いものと考えられる。
【００７３】
尚、試験温度３５０℃の場合Ｎｉ添加量８０〜９０ｗｔ％付近でばらつきが大きくなる傾向にあるが、これは高温によるフラックスの焼きつきが半田の濡れ性に影響したためと考えられる。フラックスは、半田付けを行う場合に不可欠なものであり、例えば糸半田の場合には、松ヤニに少量の活性剤を添加したものなどが使用される。また、フラックスの活性範囲の上限は、約３５０℃程度であるためこれが影響していると思われる。
【００７４】
図７は、本実施形態（Ｎｉ８０ｗｔ％の場合）における溶融半田２付近のフラックス３を示す図である。図の如く雰囲気を変化させた場合については、フラックス３がある程度半田２／セラミックス（試料片）界面で酸化を防いでいるため、大気雰囲気の使用もＮ２雰囲気と同様な濡れ性になったものと考えられる。
【００７５】
図５〜図７により、本実施形態のチップは、大気雰囲気下においても充分使用可能であるといえる。半田ごては一般に大気雰囲気で使用されるものであるが、最近では半田の鉛フリー化に伴う濡れ性低下を改善するため、Ｎ２雰囲気で行えるものが開発されるなどでいる。しかし、本実施形態のチップはＮ２雰囲気下で使用する必要はなく、大気雰囲気であっても充分な濡れ性を確保できる。
【００７６】
図８を参照して、Ｎｉ添加量と転落角との関係を示す。図８（Ａ）は転落法を説明する図であり、図８（Ｂ）は転落法により評価したＮｉ添加量と転落角との関係を示す。
【００７７】
こてチップでの半田の保持力（滑りにくさ）を想定して転落角を求めること（転落法（図８（Ｂ））によって評価した。転落法による評価の試験温度は、一般的なリフロー温度および半田こてチップ温度を想定して２３０℃および３５０℃の２種類とした。
【００７８】
転落法は、図８（Ａ）に示すように溶融半田２が加熱した試験片４表面を滑り落ち始める時の角度θｓ（転落角）を求める評価法である。試験温度は、一般的なリフロー温度および半田こてチップ温度を想定して２３０℃および３５０℃の２種類とした。尚、図８（Ｂ）に示す評価結果において、図４と同様にビッカーズ硬さも右側縦軸に併記してある。
【００７９】
これより、接触角の場合と同様にＮｉ添加量の増加に伴い転落角は上昇、すなわち滑りにくくなっていることがわかる。とくに、５０ｗｔ％以下では極端に滑り易く、それ以上の６０ｗｔ％あたりから転落角は向上し、８０ｗｔ％あたりでは９０度を越えても滑り落ちない場合があった。
【００８０】
図９は、Ｎｉ添加量８０ｗｔ％で、転落角９０度付近の溶融半田２の様相を示す図である。さらに、Ｎｉ添加量９０ｗｔ％以上ではそのほとんどが図の如く９０度を超えても滑り出すことはなかった。以上より、Ｎｉ添加量８０ｗｔ％以上にすれば、半田を材料表面上である程度保持でき（滑りにくくすることができ）、またそれ以下にすれば半田を滑り（弾き）易くするように制御可能であることがわかった。
【００８１】
鉄（Ｆｅ）を添加した材料についてもＮｉの場合と同様に半田濡れ性を調べた。
【００８２】
図１０には、Ｆｅ添加量と半田接触角およびビッカーズ硬さとの関係を示す。これより、Ｎｉの場合と同様にＦｅ添加量７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％程度で接触角が低下（濡れ性が向上）し、３００以上のビッカーズ硬さを得られることがわかる。また、ビッカーズ硬さはＦｅ添加量の増加に伴い低下するが、添加量８０ｗｔ％ではビッカース硬さが４００〜５００程度でありチップとしては充分な硬さが得られている。
【００８３】
一方、図１１には、半田接触角とＮｉおよびＦｅ添加量の関係を比較したものを示した。尚、Ｎｉ添加量と接触角の関係は図４と同様である。これによれば、添加量８０ｗｔ％までは両者（Ｎｉ、Ｆｅ）ともほぼ同様の濡れ性であった。
【００８４】
図１２は、Ｆｅ添加量と転落角との関係についても調べた結果である。図８のＮｉ添加量と転落角の関係も同図に併記してある。これより、Ｆｅの場合もＮｉの場合と同様の傾向を示し、その変化量も大差ないことがわかる。
【００８５】
以上より、Ｆｅの場合でも７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲で添加量を制御することにより、例えば８０ｗｔ％程度では、試料表面での良好な半田濡れ性・保持力を得ることができ、それ以下では滑り（弾き）易くするよう制御可能であることがわかった。なおかつこの範囲で有れば、チップとして十分なビッカーズ硬さを得ることができる。
【００８６】
次に、各材料の半田による溶食（半田食われ）を調べるために、各材料表面で半田を溶融させ所定時間保持した後の半田／セラミックス界面での様相を調べた。
【００８７】
図１３は、Ｎｉの添加量８０〜１００ｗｔ％の場合の様相を示す図であり、ＳＥＭによる断面観察写真である。図１３（Ａ）がＮｉ１００ｗｔ％、図１３（Ｂ）がＮｉ９０ｗｔ％、図１３（Ｃ）がＮｉ８０ｗｔ％の場合である。これより、各材料とも合金層５が生成されているが、その厚さが異なることがわかる。
【００８８】
図１４には、食われの原因であるこの合金層５の厚さを上記の各組成でまとめた結果を示す。これより、合金層５の厚さはＮｉ添加量の減少に伴い小さくなっていることがわかる。これは、Ｎｉ添加量の減少にともないＡｌ２Ｏ３粒子が増加するため、より溶食（半田食われ）が抑制されるためと考えられる。この結果からも、Ｎｉ８０ｗｔ％の場合は耐食性が高いと言える。
【００８９】
図１５は、試料表面の様相を示す図である。図１５は、Ｎｉを添加した材料の組織をＳＥＭにより観察した写真である。図１５（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれＮｉ１００ｗｔ％、Ｎｉ９０ｗｔ％、Ｎｉ８０ｗｔ％の場合である。また各図の左右の写真は倍率が異なり、左が×１０００倍、右が×１００倍である。
【００９０】
図１５によれば、Ｎｉ９０ｗｔ％、Ｎｉ８０ｗｔ％ともＡｌ２Ｏ３粒子６（図中の黒い部分）が均一に分散されており、Ｎｉ８０ｗｔ％の方がその分散量が多いことがわかる。
【００９１】
図１６は、Ｎｉ８０ｗｔ％の半田／セラミックス界面のＳＥＭ写真である。これによれば、図１５で見られるような分散したＡｌ２Ｏ３粒子６により合金化されていない場所が確認できる。
【００９２】
更に図１７には、Ｎｉ添加量を５０％〜１００％まで変化させた場合の試験片のＸＲＤ成分分析結果を示す。これによれば、アルミナはＮｉ添加量の減少に伴い増加している。このことからも、アルミナ粒子の存在によって半田の食われを抑制することが可能であると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の半田ごてチップは、鉛フリー半田を用いた半田付け作業に有効に利用することができる。更に、半田付けの対象物または使用目的に応じて、半田に対する濡れ性を制御することができるので、広範囲な分野における半田付け作業に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の半田ごてチップを示す外観図である。
【図２】本発明の半田ごてチップの製造方法を示すフロー図である。
【図３】本発明の半田ごてチップの（Ａ）静止接触角法を説明する図、（Ｂ）添加量と濡れ性および硬さの関係を示す図である。
【図４】本発明の金属添加物と半田接触角および硬さの関係を示す図である。
【図５】本発明の濡れ性に及ぼす温度の影響を示す図である。
【図６】本発明の濡れ性に及ぼす雰囲気の影響を示す図である。
【図７】本発明の評価に用いた試料表面のフラックスおよび半田を示す図である。
【図８】本発明の（Ａ）転落法を説明する図、（Ｂ）金属添加物と転落角の関係を示す図である。
【図９】本発明の評価に用いた試料表面の溶融半田の様相を示す図である。
【図１０】本発明の金属添加物と半田接触角および硬さとの関係を示す図である。
【図１１】本発明の半田接触角に及ぼす金属添加物の影響を示す図である。
【図１２】本発明の転落角に及ぼす金属添加物の影響を示す図である。
【図１３】本発明の評価に用いた試料／半田界面を示す図である。
【図１４】本発明の評価に用いた各試料界面での合金層厚さを示す図である。
【図１５】本発明の評価に用いた試料を示す図である。
【図１６】本発明の評価に用いた試料／半田界面を示す図である。
【図１７】本発明の評価に用いた試料のＸＲＤ成分分析結果を示す図である。
【図１８】従来の半田ごてチップを示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１ チップ
２ 半田（溶融半田）
３ フラックス
４ 試料片
５ 合金層
６ アルミナ粒子
１０ 半田ごて
１００ チップ
１０１ 基体
１０２ メッキ
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半田付け作業に用いる半田ごてチップおよびその製造方法に係り、特に鉛含有の有無によらず十分な耐食性を有し、半田濡れ性の制御が可能な半田ごてチップおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半田ごてのチップ（こて先）において、長期間の使用による劣化のないチップの提供を目的として、例えば、図１８の如くチップ１００の基体１０１の表面に、鉄（Ｆｅ）等のメッキ１０２を施した半田ごてチップなどが開発されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−１５５６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エレクトロニクス機器の廃棄にかかわる環境負荷に対して、近年では半田の鉛フリー化が進められている。このため、従来の鉛−錫（Ｐｂ−Ｓｎ）系の合金よりなる共晶半田に変わって、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系または錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系の材料よりなるいわゆる鉛（Ｐｂ）フリー半田が主流と成りつつある。
【０００４】
しかし、鉛フリー半田は融点が高く、手作業による半田付けにおいて半田ごての使用温度を高くする必要がある。従来、半田ごてのチップ（こて先）の基材は銅材で構成されており、半田の侵食（溶食、半田食われ）を受けやすいものであった。そこで、チップの基体表面に鉄メッキまたはＮｉメッキが施されることが一般的であった。
【０００５】
しかし、鉛フリー半田の採用によって半田ごての使用温度が上昇することとなり、メッキが施されたチップであっても溶食され易い問題があった。そのため、チップの早期劣化・寿命低下が大きな問題となっており、半田食われが少なくかつ半田濡れ性がある程度良いチップが要求されている。
【０００６】
一方、半田付け装置では，半田付け部ごとに所定量の半田を供給し、加熱したチップでこの半田を溶融させて対象物へと流すようにしている。しかし、もともと半田とチップの接触面は、半田に対する付着性が強いので、溶融した半田の全部が対象物へ流れるのでなく、一部はチップ面上に残留する。この状態で所定量の半田が供給されると、残留した半田によって対象物へ流れていく半田の量が一定でなくなる。
【０００７】
つまり、半田とチップの接触面が半田濡れ（ｗｅｔｔｉｎｇ）性の良いもので構成されていると、かえって対象物へ流れていく半田の量が供給量に対して増減して半田付け量にばらつきが生じ、精密部品の高精度半田付けができないという問題が生じる。
【０００８】
また、例えば最近の小型化・高性能化に伴う電子基板の細配線化により、配線間での半田によるブリッジングを回避するため、半田を弾く性質（濡れ性が悪い）のチップが採用される場合もある。このように、半田ごてのチップに関しては必ずしも半田の濡れ性の良いものが優れているとは限らず、使用用途によってはチップの半田濡れ性を制御する必要がある。しかし、従来の半田ごてチップにおいては、半田の濡れ性の不良を改善する目的で開発されたものが多く、半田濡れ性の制御も柔軟に対応でき、なおかつ耐食性に優れた半田ごてチップは知られていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は係る課題に鑑みてなされ、第１に、酸化アルミニウムに半田に対する濡れ性の大きい金属添加物を含有させた酸化アルミニウムセラミックスによって半田ごてチップを構成することにより解決するものである。
【００１０】
また、前記金属添加物は、前記酸化アルミニウムの焼結温度以上の融点を有することを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記金属添加物は、ニッケルまたは鉄であることを特徴とするものである。
【００１２】
また、前記金属添加物の含有量は、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記酸化アルミニウムセラミックスと溶融半田の接触角は、６０度〜１１０度であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記酸化アルミニウムセラミックスのビッカーズ硬さは３００以上であることを特徴とするものである。
【００１５】
第２に、酸化アルミニウムの粉末と半田に対する濡れ性の大きい金属添加物とを粉砕し、前記金属添加物含有の混合原料粉末を生成する工程と、前記混合原料粉末を乾燥する工程と、前記混合原料粉末をホットプレス焼結し、前記金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する工程と、前記酸化アルミニウムセラミックス片を成形する工程と、を具備することにより解決するものである。
【００１６】
また、前記金属添加物は、前記酸化アルミニウムの焼結温度以上の融点を有することを特徴とするものである。
【００１７】
また、前記金属添加物は、ニッケルまたは鉄であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、前記金属添加物の含有量は、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であることを特徴とするものである。
【００１９】
また、半田付けの作業目的または半田付け対象物に応じて前記金属添加物の添加量を変化させ、前記酸化アルミニウムセラミック片に異なる濡れ性を保持させることを特徴とするものである。
【００２０】
また、前記酸化アルミニウムセラミックスと溶融半田の接触角が６０度〜１１０度の範囲で選択可能に前記金属添加物の含有量を変化させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、半田付け作業において耐食性に優れ、長寿命化を実現した半田ごてチップを提供できる。
【００２２】
具体的には、第１に、従来のメッキを施したチップと同程度以上のビッカーズ硬さを確保し、且つ所定の濡れ性を兼ね備えたチップを実現できる。
【００２３】
第２に、チップの基体がセラミックスであるので、メッキが施されたチップと比較して長寿命である。特に、いわゆる鉛フリー半田であっても、その溶食を回避することができる。またチップ成型時の研削等の加工が容易であり、短時間で製造可能である上、材料として安価な酸化アルミニウムと、鉄又はニッケルを採用できるので安価で性能の良いチップを提供できる。
【００２４】
また、本発明の製造方法によれば、作業目的や半田付けの対象物に応じて、半田の濡れ性が制御可能な半田ごてチップの製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１から図１７を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態の半田ごてチップを示す外観図である。
【００２７】
半田ごて１０のチップ１は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）に半田に対する濡れ性の大きい金属添加物を含有させて形成した酸化アルミニウムセラミックスにより構成される。チップ１は、濡れ性を良好にする観点においては少なくとも溶融半田の接触箇所が酸化アルミニウムセラミックスにより構成されていればよい。しかし、図示の如くチップ１全体が金属含有の酸化アルミニウムセラミックスを成形して構成されていれば、半田付け対象物との接触によるチップ１の劣化を防ぐことができ、また製造工程も簡素化する。従って、本実施形態では図示の場合を例に説明する。
【００２８】
セラミックスは耐食性が高く半田の溶食に対して高い抵抗を示す。一方、金属材料に比べ表面エネルギーが小さいため、半田に対する付着性、すなわち濡れ（ｗｅｔｔｉｎｇ）性が悪い。
【００２９】
そこで、本実施形態では、セラミックスに半田濡れ性の良い金属添加物を含有させた。セラミックス材料としては酸化アルミニウムセラミックスが望ましい。例えば他のセラミックス材料としてジルコニア、窒化硅素、炭化硅素等もある。しかしジルコニアは熱に弱く、特に、使用温度が高温となる鉛フリー半田の半田ごてチップ１材料として好ましくない。また、窒化硅素および炭化硅素は製造コストがかかる問題がある。また、窒化硅素および炭化硅素は、焼結温度が１６００℃〜１７００℃と高温であり、含有させる金属の融点を考慮すると制約が大きい。
【００３０】
一方、酸化アルミニウムは焼結温度が約１３００℃程度である。また原料のコストが安価であるため、製造コストを抑えることができる。
【００３１】
また金属添加物は、半田濡れ性の良い材料であり、酸化アルミニウムの焼結温度（約１３００℃）より低い融点を有する金属である。具体的には、鉄（Ｆｅ：１気圧下の単体の融点１５３６℃）やニッケル（Ｎｉ：同１４５５℃）である。また、白金（Ｐｔ：同１７６９℃）でもよいが、鉄やニッケルで有れば安価に実施できる。従って本実施形態では金属添加物は鉄又はニッケルを例に説明する。
【００３２】
チップ１の金属添加物の含有量は７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であり、より好適には８０ｗｔ％程度である。これにより、耐食性と半田に対する濡れ性を共に良好にすることができる。具体的に説明すると、耐食性および半田に対する濡れ性を示す１つの指標として、それぞれビッカーズ硬さおよびチップ１と溶融半田の接触角が知られている。本実施形態では、チップ１（金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス）のビッカーズ硬さが３００以上で、なおかつ６０度〜１１０度の接触角を実現できる。
【００３３】
また本実施形態ではチップ１の濡れ性を制御することが可能である。すなわち、金属添加物（例えばニッケル）の含有量を７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲で変化させることにより、チップ１と溶融半田の接触角を約６０度〜１１０度の範囲で変化させることができる。半田付け対象の多様化に伴い、良好な濡れ性をそれほど要求されないチップの需要も高まっている。本実施形態はこのようなユーザのニーズに応えるチップ１を提供できるものであるが、これについては後述する。
【００３４】
また、チップ１の基体がセラミックスであるので、以下の利点を有する。第１に、メッキの剥離など、組成が不安定な従来のチップ１００（図１８参照）と異なり超寿命である。第２に、チップ１成型時の研削等の加工が容易であり、短時間で製造できる。第３に、例えば錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系または錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系の材料よりなるいわゆる鉛（Ｐｂ）フリー半田であっても、その溶食を回避し、長寿命化を図ることができる。
【００３５】
更に、本実施形態では材料として酸化アルミニウムおよび、鉄又はニッケルを採用できる。従ってコストを抑え、且つユーザのニーズに応じたチップを提供できる。
【００３６】
図２のフロー図を参照し、本実施形態の製造方法について説明する。
【００３７】
本実施形態の半田ごてチップの製造方法は、酸化アルミニウムの粉末と半田に対する濡れ性の大きい金属添加物とを粉砕し、金属添加物含有の原料粉末を生成する工程と、原料粉末を乾燥する工程と、原料粉末をホットプレス焼結し、金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する工程と、酸化アルミニウムセラミックス片を成形する工程と、から構成される。
【００３８】
第１工程（ステップＳ１）：酸化アルミニウムの粉末と半田に対する濡れ性の大きい金属添加物とを粉砕し、金属添加物含有の混合原料粉末を取得する工程。
【００３９】
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末（純度９９．９９％、平均粒径０．１５μｍ）を準備し、金属添加物を添加する。金属添加物は、半田に対する濡れ性が大きく、酸化アルミニウムの焼結温度より融点が高い金属である。具体的には、ニッケル（Ｎｉ）粉末（純度９９．９９％、平均粒径４．３０μｍ）または、鉄（Ｆｅ）粉末（純度９９．５％、平均粒径５．９μｍ）である。
【００４０】
金属添加物の添加量は、作業目的または半田付け対象物（要求される濡れ性）に応じて、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲で適宜選択する。例えば、添加量が８０ｗｔ％程度であれば、チップと溶融半田の接触角がおよそ７０度〜９０度の範囲となり、良好な濡れ性を実現できる。また、添加量を少なくすることにより、より濡れにくいチップを実現でき、添加量を多くすることにより濡れやすいチップを提供することができる。
【００４１】
これらの粉末を、所定の容器内でエタノールを媒介として２４時間混合粉砕し、金属添加物含有の混合原料粉末を生成する。
【００４２】
第２工程（ステップＳ２）：混合原料粉末を乾燥する工程。
【００４３】
混合原料粉末を乾燥温度８０℃で乾燥する。その後、乾燥した混合原料粉末を、粒径を均一にするために、１００メッシュの篩いで篩う。
【００４４】
第３工程（ステップＳ３）：混合原料粉末をホットプレス焼結し、金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する工程。
【００４５】
混合原料粉末をホットプレス焼結する。ホットプレス焼結は、窒素（Ｎ２）雰囲気中で圧力２０ＭＰａ、温度１５７３Ｋ、２時間保持で行う。これにより、金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する。 第４工程（ステップＳ４）：酸化アルミニウムセラミックス片を成形する工程。
【００４６】
酸化アルミニウムセラミックス片を円錐形に切削し、表面を砥粒粗さ＃１０００の研磨材にて鏡面仕上げして図１に示すチップ１を得る。
【００４７】
更に、本実施形態によれば、金属添加物の添加量を適宜選択することにより、異なる濡れ性を有するチップを製造できる。
【００４８】
図３を参照し、添加量による濡れ性の制御について説明する。濡れ性の代表的な指標としては接触角と転落角があり、図３（Ａ）は接触角を説明する図である。一方チップの耐食性および強度は、ＪＩＳに基づくビッカース硬さ試験により評価できる。図３（Ｂ）は添加量と接触角およびビッカーズ硬さの関係を示す。
【００４９】
接触角による評価は、固相と液相の濡れ性を評価する一般的な方法として採用される。接触角はＪＩＳ Ｒ ３２５７に基づく接触角測定法により評価した。
【００５０】
図３（Ａ）は、静止接触角法を説明する図である。
【００５１】
液滴接触角の測定については、図３（Ａ）に示すように液滴（半田）２の容量が少ない場合、液滴の形状は球の一部と見なせるので、接触角閧ニ液滴の形状との間には、次のような関係が成立する。
【００５２】
θ＝２ｔａｎ−１（ｈ／ｒ）
ここで、ｒは液滴すなわち半田２が試験片に接している部分の半径、ｈはチップ１表面から半田２頂点までの高さである。このｒとｈから接触角θを求めた。
【００５３】
図３（Ｂ）の如く、添加量を７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲で変化させることにより、ニッケルの場合には、接触角を約６０度〜１１０度の範囲内で変化させることができ、すなわちこの範囲の様々な濡れ性を得ることができる。同様に鉄の場合にも接触角を約６０度〜９５度の範囲内で変化させることができる。
【００５４】
一方ビッカース硬さ試験による評価では、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲の添加量の場合、ニッケル、鉄共に３００以上のビッカーズ硬さを確保でき、半田に対する耐食性やチップ自身の強度として十分である。つまり、上記の範囲であれば所定のビッカーズ硬さを維持したまま、濡れ性を制御することができる。
【００５５】
特に、ニッケル、鉄共に、添加量が８０ｗｔ％程度であれば、良好な濡れ性と十分なビッカーズ硬さを得ることができる。
【００５６】
近年、半田付けの対象物である例えば電子デバイス等においては、装置の小型化・高性能化に伴い電子基板の配線が細線化されている。また精密部品においては半田付け量のばらつきを抑制した高精度半田付けが要求される。
【００５７】
従って、半田ごてのチップに関しては、半田に対する濡れ性の良いものが優れているとは一概には言えず、半田付けの対象物または使用目的によっては、チップ１にそれほど良好な濡れ性が要求されない場合もある。つまり、半田付け対象物又は使用目的に応じて柔軟に濡れ性を制御することが重要となってきている。一方でチップに対しては、半田に対する耐食性の向上や、半田付け対象物と接触することによるチップの劣化防止などある程度の強度が要求される。
【００５８】
本実施形態によれば、銅の基体に、図１８の如くメッキを施したチップと同程度以上のビッカーズ硬さを確保でき、鉛フリー半田に対しても耐食性が高く、長寿命のチップ１を提供できる。また、半田付け作業において実用的な所定の範囲内において作業目的や半田付け対象物に応じて濡れ性の制御が可能なチップ１を提供できる。例えば、図３（Ｃ）の如く、添加量が８０ｗｔ％であれば、チップ１と溶融半田２の接触角がおよそ６０度〜８０度程度となり、良好な濡れ性を実現できる。また、添加量を７０ｗｔ％にすることにより、より濡れにくいチップ１を実現でき、添加量を８５ｗｔ％にすることにより濡れやすいチップ１を提供することができる。また、この範囲であればビッカーズ硬さは３００以上確保できる。
【００５９】
本実施形態の金属添加物含有のセラミックスの耐食性、および金属添加物の含有量と濡れ性の関係性は、試験片と半田による各種濡れ試験および半田溶食様相観察等により明らかとなったものであり、以下これについて説明する。
【００６０】
試験片は、酸化アルミニウム粉末（純度９９．９９％、平均粒径０．１５μｍ）にニッケル粉末（純度９９．９％、平均粒径４．３０μｍ）および鉄粉末（純度９９．５％、平均粒径５．０μｍ）を所定量添加したものを、図２に示す製造フローに沿って作製した。尚、以下では金属添加物の添加量を０〜１００ｗｔ％まで種々変化させて実験を行った。
【００６１】
すなわち、金属添加物の添加量を種々選択した後、原料粉末をアルミナ製ボールミルでエタノールを媒介として２４時間混合粉砕し、混合原料粉末を得た。ボールミル容器は内径１４００ｍｍ、高さ１６０ｍｍ、内容積２×１０−３ｍ３であり、ボール直径は２０ｍｍである（ステップＳ１）。
【００６２】
その後混合原料粉末を乾燥温度８０℃で乾燥した。乾燥時間は試験片の大きさ（混合原料粉末の量）で変化するが、ここでは１２時間とした。その後、１００メッシュの篩いで篩い（ステップＳ２）、ホットプレス焼結（ステップＳ３）した。ホットプレス焼結は、窒素（Ｎ２）雰囲気中で圧力２０ＭＰａ、温度１５７３Ｋ、２時間保持で行った。ただし、添加成分量９０ｗｔ％以上のものについては、圧力２０ＭＰａ、温度１２７３Ｋ、２時間保持とした）。これにより得られた酸化アルミニウムセラミック片をダイヤモンドバンドソーにより切削加工後、砥粒粗さ＃１５０で寸法５×１０×４０ｍｍに研削加工したのち表面を砥粒粗さ＃１０００のエメリー紙（サンドペーパー）で鏡面仕上げした（ステップＳ４）。これにより作成された試験片を各試験に供した。
［チップの半田濡れ性評価法、硬さ、半田溶食の観察および成分分析法］
試験片の半田に対する濡れ性評価は、前述の接触角を求めることにより評価し、接触角はＪＩＳ Ｒ ３２５７に基づく接触角測定法（図３（Ａ））により評価した。
【００６３】
試験環境は大気中およびＮ２雰囲気中で行った。濡れ性評価に用いた半田は、鉛フリー半田の基準的な合金であるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点２１７℃〜２１９℃）を用い、半田容量は０．２ｇとした。
【００６４】
更に、チップの耐食性および強度の試験として、作製した各試験片の硬さをＪＩＳに基づくビッカース硬さ試験により評価した。
【００６５】
また、成分分析はＸ線回折装置（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）により、組織および断面観察は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）により行った。
［作製した試験片の濡れ特性および耐溶食特性］
図４にＡｌ２Ｏ３／Ｎｉセラミックス（以下試験片）のＮｉ添加量と溶融半田接触角およびビッカース硬さとの関係を示す。
【００６６】
左側縦軸に接触角を、右側縦軸にはビッカーズ硬さを示す。尚、参考として銅の基体にＮｉメッキを施したチップの半田接触角も同図左側縦軸に併記した。メッキは薄膜なので基体によっり硬さが変化するが、基体が銅の場合はＮｉより硬さは低い値となる。
【００６７】
これより、Ｎｉ添加量の増加に伴い接触角が低下（濡れ性が向上）し、その変化量は添加量７０ｗｔ％あたりから次第に大きくなっていることがわかる。
【００６８】
また、添加量８０ｗｔ％では、Ｎｉメッキのチップにおける接触角（７０度〜８０度）にほぼ近い値となっている。これより、本実施形態によればＮｉの添加量によって、ほとんど濡れない状態からＮｉメッキと同程度の濡れ性にまで半田濡れ性を制御可能である。これは、Ｎｉ添加に伴う表面Ｎｉ存在量の変化により表面エネルギーが変化したため、濡れ性も変化したものと考えられる。
【００６９】
一方、ビッカーズ硬さはＮｉ添加量の低下に伴い低下する。すなわち、濡れ性の制御は可能であっても、添加量が低すぎるとチップ自体が柔らかく、耐食性が劣化したり対象物に接触することによりチップがすり減る等し、実用的な観点からは好ましくない。そこで、本実施形態ではチップとして実用的な範囲として、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の添加量を採用した。この範囲であれば、ビッカーズ硬さが３００以上となり、チップとして十分な硬さが実現できる。
【００７０】
特に、濡れ性（接触角）がＮｉメッキに近い添加量８０ｗｔ％ではビッカース硬さが４００〜５００程度であり、半田ごてのチップとしては十分な硬さと濡れ性を実現できる。更に添加量が７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲であれば、所定のビッカーズ硬さを確保しつつ、６０度〜１１０度程度の接触角を選択でき、濡れ性の制御が可能である。
【００７１】
図５および図６は、半田の濡れ性に及ぼすチップの使用温度および雰囲気（Ｎ２）の影響について調べた結果である。図５は濡れ性に及ぼす温度の影響であり、図６は濡れ性に及ぼす雰囲気の影響であり、共に縦軸が接触角、横軸がＮｉの添加量である。
【００７２】
これより、温度を変化させた場合も雰囲気を変化させた場合もまた、濡れ性はあまり変化しないことがわかる。したがって、半田濡れ性に及ぼす使用雰囲気および温度による影響はあまり無いものと考えられる。
【００７３】
尚、試験温度３５０℃の場合Ｎｉ添加量８０〜９０ｗｔ％付近でばらつきが大きくなる傾向にあるが、これは高温によるフラックスの焼きつきが半田の濡れ性に影響したためと考えられる。フラックスは、半田付けを行う場合に不可欠なものであり、例えば糸半田の場合には、松ヤニに少量の活性剤を添加したものなどが使用される。また、フラックスの活性範囲の上限は、約３５０℃程度であるためこれが影響していると思われる。
【００７４】
図７は、本実施形態（Ｎｉ８０ｗｔ％の場合）における溶融半田２付近のフラックス３を示す図である。図の如く雰囲気を変化させた場合については、フラックス３がある程度半田２／セラミックス（試料片）界面で酸化を防いでいるため、大気雰囲気の使用もＮ２雰囲気と同様な濡れ性になったものと考えられる。
【００７５】
図５〜図７により、本実施形態のチップは、大気雰囲気下においても充分使用可能であるといえる。半田ごては一般に大気雰囲気で使用されるものであるが、最近では半田の鉛フリー化に伴う濡れ性低下を改善するため、Ｎ２雰囲気で行えるものが開発されるなどでいる。しかし、本実施形態のチップはＮ２雰囲気下で使用する必要はなく、大気雰囲気であっても充分な濡れ性を確保できる。
【００７６】
図８を参照して、Ｎｉ添加量と転落角との関係を示す。図８（Ａ）は転落法を説明する図であり、図８（Ｂ）は転落法により評価したＮｉ添加量と転落角との関係を示す。
【００７７】
こてチップでの半田の保持力（滑りにくさ）を想定して転落角を求めること（転落法（図８（Ｂ））によって評価した。転落法による評価の試験温度は、一般的なリフロー温度および半田こてチップ温度を想定して２３０℃および３５０℃の２種類とした。
【００７８】
転落法は、図８（Ａ）に示すように溶融半田２が加熱した試験片４表面を滑り落ち始める時の角度θｓ（転落角）を求める評価法である。試験温度は、一般的なリフロー温度および半田こてチップ温度を想定して２３０℃および３５０℃の２種類とした。尚、図８（Ｂ）に示す評価結果において、図４と同様にビッカーズ硬さも右側縦軸に併記してある。
【００７９】
これより、接触角の場合と同様にＮｉ添加量の増加に伴い転落角は上昇、すなわち滑りにくくなっていることがわかる。とくに、５０ｗｔ％以下では極端に滑り易く、それ以上の６０ｗｔ％あたりから転落角は向上し、８０ｗｔ％あたりでは９０度を越えても滑り落ちない場合があった。
【００８０】
図９は、Ｎｉ添加量８０ｗｔ％で、転落角９０度付近の溶融半田２の様相を示す図である。さらに、Ｎｉ添加量９０ｗｔ％以上ではそのほとんどが図の如く９０度を超えても滑り出すことはなかった。以上より、Ｎｉ添加量８０ｗｔ％以上にすれば、半田を材料表面上である程度保持でき（滑りにくくすることができ）、またそれ以下にすれば半田を滑り（弾き）易くするように制御可能であることがわかった。
【００８１】
鉄（Ｆｅ）を添加した材料についてもＮｉの場合と同様に半田濡れ性を調べた。
【００８２】
図１０には、Ｆｅ添加量と半田接触角およびビッカーズ硬さとの関係を示す。これより、Ｎｉの場合と同様にＦｅ添加量７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％程度で接触角が低下（濡れ性が向上）し、３００以上のビッカーズ硬さを得られることがわかる。また、ビッカーズ硬さはＦｅ添加量の増加に伴い低下するが、添加量８０ｗｔ％ではビッカース硬さが４００〜５００程度でありチップとしては充分な硬さが得られている。
【００８３】
一方、図１１には、半田接触角とＮｉおよびＦｅ添加量の関係を比較したものを示した。尚、Ｎｉ添加量と接触角の関係は図４と同様である。これによれば、添加量８０ｗｔ％までは両者（Ｎｉ、Ｆｅ）ともほぼ同様の濡れ性であった。
【００８４】
図１２は、Ｆｅ添加量と転落角との関係についても調べた結果である。図８のＮｉ添加量と転落角の関係も同図に併記してある。これより、Ｆｅの場合もＮｉの場合と同様の傾向を示し、その変化量も大差ないことがわかる。
【００８５】
以上より、Ｆｅの場合でも７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％の範囲で添加量を制御することにより、例えば８０ｗｔ％程度では、試料表面での良好な半田濡れ性・保持力を得ることができ、それ以下では滑り（弾き）易くするよう制御可能であることがわかった。なおかつこの範囲で有れば、チップとして十分なビッカーズ硬さを得ることができる。
【００８６】
次に、各材料の半田による溶食（半田食われ）を調べるために、各材料表面で半田を溶融させ所定時間保持した後の半田／セラミックス界面での様相を調べた。
【００８７】
図１３は、Ｎｉの添加量８０〜１００ｗｔ％の場合の様相を示す図であり、ＳＥＭによる断面観察写真である。図１３（Ａ）がＮｉ１００ｗｔ％、図１３（Ｂ）がＮｉ９０ｗｔ％、図１３（Ｃ）がＮｉ８０ｗｔ％の場合である。これより、各材料とも合金層５が生成されているが、その厚さが異なることがわかる。
【００８８】
図１４には、食われの原因であるこの合金層５の厚さを上記の各組成でまとめた結果を示す。これより、合金層５の厚さはＮｉ添加量の減少に伴い小さくなっていることがわかる。これは、Ｎｉ添加量の減少にともないＡｌ２Ｏ３粒子が増加するため、より溶食（半田食われ）が抑制されるためと考えられる。この結果からも、Ｎｉ８０ｗｔ％の場合は耐食性が高いと言える。
【００８９】
図１５は、試料表面の様相を示す図である。図１５は、Ｎｉを添加した材料の組織をＳＥＭにより観察した写真である。図１５（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれＮｉ１００ｗｔ％、Ｎｉ９０ｗｔ％、Ｎｉ８０ｗｔ％の場合である。また各図の左右の写真は倍率が異なり、左が×１０００倍、右が×１００倍である。
【００９０】
図１５によれば、Ｎｉ９０ｗｔ％、Ｎｉ８０ｗｔ％ともＡｌ２Ｏ３粒子６（図中の黒い部分）が均一に分散されており、Ｎｉ８０ｗｔ％の方がその分散量が多いことがわかる。
【００９１】
図１６は、Ｎｉ８０ｗｔ％の半田／セラミックス界面のＳＥＭ写真である。これによれば、図１５で見られるような分散したＡｌ２Ｏ３粒子６により合金化されていない場所が確認できる。
【００９２】
更に図１７には、Ｎｉ添加量を５０％〜１００％まで変化させた場合の試験片のＸＲＤ成分分析結果を示す。これによれば、アルミナはＮｉ添加量の減少に伴い増加している。このことからも、アルミナ粒子の存在によって半田の食われを抑制することが可能であると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の半田ごてチップは、鉛フリー半田を用いた半田付け作業に有効に利用することができる。更に、半田付けの対象物または使用目的に応じて、半田に対する濡れ性を制御することができるので、広範囲な分野における半田付け作業に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の半田ごてチップを示す外観図である。
【図２】本発明の半田ごてチップの製造方法を示すフロー図である。
【図３】本発明の半田ごてチップの（Ａ）静止接触角法を説明する図、（Ｂ）添加量と濡れ性および硬さの関係を示す図である。
【図４】本発明の金属添加物と半田接触角および硬さの関係を示す図である。
【図５】本発明の濡れ性に及ぼす温度の影響を示す図である。
【図６】本発明の濡れ性に及ぼす雰囲気の影響を示す図である。
【図７】本発明の評価に用いた試料表面のフラックスおよび半田を示す図である。
【図８】本発明の（Ａ）転落法を説明する図、（Ｂ）金属添加物と転落角の関係を示す図である。
【図９】本発明の評価に用いた試料表面の溶融半田の様相を示す図である。
【図１０】本発明の金属添加物と半田接触角および硬さとの関係を示す図である。
【図１１】本発明の半田接触角に及ぼす金属添加物の影響を示す図である。
【図１２】本発明の転落角に及ぼす金属添加物の影響を示す図である。
【図１３】本発明の評価に用いた試料／半田界面を示す図である。
【図１４】本発明の評価に用いた各試料界面での合金層厚さを示す図である。
【図１５】本発明の評価に用いた試料を示す図である。
【図１６】本発明の評価に用いた試料／半田界面を示す図である。
【図１７】本発明の評価に用いた試料のＸＲＤ成分分析結果を示す図である。
【図１８】従来の半田ごてチップを示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１ チップ
２ 半田（溶融半田）
３ フラックス
４ 試料片
５ 合金層
６ アルミナ粒子
１０ 半田ごて
１００ チップ
１０１ 基体
１０２ メッキ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化アルミニウムに半田に対する濡れ性の大きい金属添加物を含有させた酸化アルミニウムセラミックスにより構成された半田ごてチップ。
【請求項２】
前記金属添加物は、前記酸化アルミニウムの焼結温度以上の融点を有することを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項３】
前記金属添加物は、ニッケルまたは鉄であることを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項４】
前記金属添加物の含有量は、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項５】
前記酸化アルミニウムセラミックスと溶融半田の接触角は、６０度〜１１０度であることを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項６】
前記酸化アルミニウムセラミックスのビッカーズ硬さは３００以上であることを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項７】
酸化アルミニウムの粉末と半田に対する濡れ性の大きい金属添加物とを粉砕し、前記金属添加物含有の混合原料粉末を生成する工程と、
前記混合原料粉末を乾燥する工程と、
前記混合原料粉末をホットプレス焼結し、前記金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する工程と、
前記酸化アルミニウムセラミックス片を成形する工程と、を具備することを特徴とする半田ごてチップの製造方法。
【請求項８】
前記金属添加物は、前記酸化アルミニウムの焼結温度以上の融点を有することを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【請求項９】
前記金属添加物は、ニッケルまたは鉄であることを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【請求項１０】
前記金属添加物の含有量は、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であることを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【請求項１１】
半田付けの作業目的または半田付け対象物に応じて前記金属添加物の添加量を変化させ、前記酸化アルミニウムセラミック片に異なる濡れ性を保持させることを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【請求項１２】
前記酸化アルミニウムセラミックスと溶融半田の接触角が６０度〜１１０度の範囲で選択可能に前記金属添加物の含有量を変化させることを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【請求項１】
酸化アルミニウムに半田に対する濡れ性の大きい金属添加物を含有させた酸化アルミニウムセラミックスにより構成された半田ごてチップ。
【請求項２】
前記金属添加物は、前記酸化アルミニウムの焼結温度以上の融点を有することを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項３】
前記金属添加物は、ニッケルまたは鉄であることを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項４】
前記金属添加物の含有量は、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項５】
前記酸化アルミニウムセラミックスと溶融半田の接触角は、６０度〜１１０度であることを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項６】
前記酸化アルミニウムセラミックスのビッカーズ硬さは３００以上であることを特徴とする請求項１に記載の半田ごてチップ。
【請求項７】
酸化アルミニウムの粉末と半田に対する濡れ性の大きい金属添加物とを粉砕し、前記金属添加物含有の混合原料粉末を生成する工程と、
前記混合原料粉末を乾燥する工程と、
前記混合原料粉末をホットプレス焼結し、前記金属添加物含有の酸化アルミニウムセラミックス片を形成する工程と、
前記酸化アルミニウムセラミックス片を成形する工程と、を具備することを特徴とする半田ごてチップの製造方法。
【請求項８】
前記金属添加物は、前記酸化アルミニウムの焼結温度以上の融点を有することを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【請求項９】
前記金属添加物は、ニッケルまたは鉄であることを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【請求項１０】
前記金属添加物の含有量は、７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％であることを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【請求項１１】
半田付けの作業目的または半田付け対象物に応じて前記金属添加物の添加量を変化させ、前記酸化アルミニウムセラミック片に異なる濡れ性を保持させることを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【請求項１２】
前記酸化アルミニウムセラミックスと溶融半田の接触角が６０度〜１１０度の範囲で選択可能に前記金属添加物の含有量を変化させることを特徴とする請求項７に記載の半田ごてチップの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図７】
【図９】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図７】
【図９】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−７５８２５（Ｐ２００７−７５８２５Ａ）
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６２６６９（Ｐ２００５−２６２６６９）
【出願日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（８０３０００１０４）財団法人ひろしま産業振興機構 (70)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（８０３０００１０４）財団法人ひろしま産業振興機構 (70)
【Ｆターム（参考）】
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