世界最新の各種検査装置の開発販売
株式会社アンベエスエムティ

神奈川の社長  [English]        
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表面張力計の販売及び測定サービスについて

表面張力を正確に測定するため、以下の装置を開発しました。


表面張力計MS-ST1  世界初(特許取得)


表面張力の測定サービスも行っております。
お気軽にお問い合わせ下さい。

ノズルの先端にフラックスを塗布した状態ではんだの表面張力を測定するサービスを始めました。(特許出願中)

フラックス無 フラックス有
 実験の結果、フラックス有りはフラックス無しと比べて、約8割の重さになりました。
※同倍率で撮影、落下直前の写真


フラックスを溶融はんだに塗布することで、溶融はんだの表面張力は大きく低下します。
このため溶融はんだ液滴が丸くなろうとする力が低下、ドロップ形状は球形からラグビーボール状に変化し、このことを裏付けています。
この効果には銅ランドや部品電極の影響は全く無く、各種溶融はんだがフラックスから受ける表面張力低下作用を数値で測定できます。
各種はんだ合金に最適のフラックスあるいはソルダーペーストの開発に大いに有用だと考えます。

なお、ここでフラックスとはソルダーペースト用のロジンリッチのフラックスを指します。
ウェーブはんだ用の多くはIPA(イソプロピルアルコール)が90%程度以上のフラックスのため、高温(おおよそ240℃前後)では直ちに大半が蒸発してしまい表面張力低下作用が得られません。

落下重量∝溶融はんだの表面張力
(A)
落下重量∝フラックスでおおわれた溶融はんだの表面張力
(B)

ここで次式が成立する。 A=B+C
但し、C=フラックスの表面張力を示す。
フラックスは重さがほとんど無いが、フラックス独自の表面張力をもっている。

即ち、エネルギー考える時、最初(はんだ内部)と最後(N2)のみが重要である。
雰囲気はいずれもN2、内部はいずれも溶融はんだ。この間(=N2雰囲気と溶融はんだ内部)のエネルギーは同じ。

即ちフラックスの真の役割は溶融はんだの表面張力低下剤であり、その結果よりぬれ広がりやすくなり、より完全なはんだ接合形状が得られる。
(イメージですが水銀の様に表面張力が大であると、ぬれにくくあくまでも1つにまとまろうとし、ぬれ広がりにくくなります)
従いまして最終的はんだぬれ広がり性は、はんだ材料・リフロー温度そしてフラックスの組成で決まります。
また、窒素雰囲気とすることにより、酸化膜(個体)の発生を防止でき、流動性を確保できます。


以下装置について


1.特徴

  1. あらゆる液体の表面張力を測定できます。
  2. 液体の表面張力を直接計測しますので、外乱少なく高精度です。
  3. 連続的に数十回でも測定可能ですので、平均値をとることで、より精度が向上します。
  4. 各種雰囲気中の表面張力を測定できます。
  5. 既に多くの測定実績があります。
当社の表面張力測定計MS-ST1は当初溶融はんだを対象に開発されました。その他、有機溶剤等においても従来になく超高精度で測定できる装置を比較的安価で製造販売しています。
お問い合わせ下さい。

2.原理

液体を、キャピラリーチューブより少量ずつ連続的に滴下しますと、以下の写真の通りの形状となります。(右側の突起は熱電対線です)

写真(溶融はんだの表面張力測定の場合)

溶融はんだの場合、大きな表面張力があり通常下記の形状になります。

拡大模式図

溶融はんだを少しずつ吐出しますと、玉ころ部の重さmgが、ネック部の表面張力による保持力lγを上回った瞬間、ネック部でちぎれ落下します。この時の重さを化学天秤で測定します。従いまして、測定は連続的に行えます。数十回のデータの平均値をとることで、より精度を向上することができます。 

3.仕様

測定温度範囲 室温~399℃
測定雰囲気 N2、AIR その他ガス中
測定精度 高級アルコール例えば、ポリオールの場合、測定ばらつきは±0.2%程度です。
又、溶融はんだの測定値のばらつきは±1%以内ですが通常10回以上の平均値をとることで精度を向上、最終的精度は±0.2%。
電源 100V、300W
重量 約10kg

4.測定サービス

当社では、測定サービスの他、装置販売も行っております。これまでの実情からいえば測定サービスが大半です。セシルドロップ形状の測定も可能ですのでお問い合わせ下さい。


「溶融はんだの表面張力測定について」

従来、多くの表面張力測定データが報告されていますが、どちらかといいますとこれらのデータは大変古いものも多く、又空気中における測定データはバラツキが大きいのが特徴です。
実は大気中では(フラックスレスの場合)、通常溶融はんだの表面張力は一瞬しか存在しません。というのも表面張力は液体の表面に存在するのですが、溶融はんだは空気中に出されますと一瞬のうちに表面が酸化されてしまい、表面はSnOの固形物で覆われてしまいます。実際、N2雰囲気中のセシルドロップ(一滴の溶融はんだ)が、セル内へ空気を注入した瞬間表面張力を失い(丸くなろうとする力を失い)、まん丸に近い形状から、やや平べったい形状へと劇的に変化します。この光景を観察しましたが、米粒程の大きさですが全く圧倒される衝撃を受けます。過去の空気中における測定データは表面張力の大小を論じているつもりでも、実際は表面張力の有無を論じていたのかもしれません。このことから、溶融はんだの真の表面張力を求めるには少くとも連続的に無酸化状態の溶融はんだが吐出され、これを測定するのでなければ真の表面張力を測定できないことは明らかです。この逆に、既に酸化膜を有するはんだを無酸素雰囲気中に置き、徐々に昇温していくと、ある温度でこの溶融はんだ表面の酸化膜が溶融はんだ内部へ取り込まれ、表面の固体酸化膜が消失し、真の表面張力が現れます。(参考文献下記参考)このことに気づかず、窒素雰囲気中で表面張力を測定すると、測定温度により大きくデータが異なります。
いずれにせよ再言しますが、溶融はんだの表面張力を測定するには少なくとも連続的に無酸化状態の溶融はんだが吐出される測定装置でなければ真の表面張力を測定することは出来ません。


実験装置
See through型で温度・雰囲気を調節できる加熱装置です。
ほぼ完全な窒素雰囲気中で酸化膜を有するはんだを徐々に昇温した場合、以下の(a)から(b)へと変る温度を求めています。
即ちこの温度において表面の酸化膜が溶融はんだの内部へ取り込まれたのです。
図2 Photographs showing the shape change of a fluxless molten solder when the initial oxide layer is dissolved on heating, (a) before and (b) after the dissolution of the initial oxide layer on heating.
下の表は酸化膜が溶融はんだの内部へ取り込まれる温度&雰囲気条件です。Sn0.7Cuは融点が高いにもかかわらず、低酸素雰囲気中(100ppm)ではSnAgCuよりも、より低温度で表面酸化膜が消失し、フラックスレスにもかかわらず Au/Ni にぬれ広がります。Pbフリー化で現在はSnAgCuが最有力ですが、Agの公害性が問題となった場合、条件付(O10~100ppm)ですが代替となる可能性を暗示しています。実際ノートン社ではフロー、リフロー共安価なSnCuを使用しています。融点とぬれ温度は条件により必ずしも比例関係ではありません。

Solder Melting
Point(℃)
Spread Temperature(℃) Superheat(℃)
10ppm 100ppm 1000ppm 10000ppm

63Sn/37Pb 183 205 207 270 ns 22-87
(O2≦ 1000ppm)
96.5Sn/3.5Ag 221 230 238 240 ns 9-19
(O2≦1000ppm)
99.3Sn/0.7Cu 227 230 234 245 ns 3-18
(O2≦ 1000ppm)
95Sn/5Sb 240 246 255 258 ns 6-18
(O2≦ 1000ppm)
43Sn/57Bi 138 - - - - -
48Sn/52In 117 200 ns ns ns 83
(O2≦ 10ppm)
91Sn/9Zn 199 ns ns ns ns not exist
  The experimental error is ±3℃
 ns: the solder did not spread at indicated O2 impurity level.

文献名:ネプコンウェスト'97 proceeding(P211~) C. Christine Day, Alexander Schwary, Dean V. Roth・Air Products & Chemicals Inc.


表面張力計 各種タイプ

ST-M-300-G-S-B ST-M-500-G-C
仕様
型式 ST-M-300-G-S-B ST-M-500-G-C
特徴 ・ 室温~300℃までの金属を
 測定可能
・ 専用制御ボックスによる制御
・ 室温~500℃までの金属を
 測定可能
・ コンピュータ制御
本体寸法 W310×D500×H600mm W340×D470×H620mm
重量 25kg 20kg
消費電力 400W 500W
電源 AC 100V 50/60Hz
加熱方法 ヒーター加熱
70W×3本、50W×3本
ヒーター加熱
70W×4本、25W×4本
測定温度範囲 室温~300℃ 室温~500℃
温度制御 PID制御 PID制御
(専用コンピュータによる制御)
液滴吐出方法 ピストンによるノズルからの押し出し
駆動方法 ステッピングモーターによる滑りねじ駆動
ピストン移動速度 0.05~50mm/min 0.0001~50mm/min
(専用コンピュータによる制御)
液滴重量測定方法 電子天秤による測定
(秤量:210g、読み取り限度:0.1mg)
液滴画像記録方法 130万画素ズーム式マイクロスコープによる動画像
液滴画像表示方法 130万画素ズーム式マイクロスコープによる動画像
液滴形状計測方法 画像から手動で計測 専用ソフトウェアで計測
測定雰囲気 窒素 流量:1.5ℓ/min
(酸素濃度:10ppm以下)
窒素 流量:2.0ℓ/min
(酸素濃度:10ppm以下)
その他の特徴 ・密閉構造の汎用型タイプ ・コンピュータによる温度および
 ピストン駆動の制御
・コンピュータによる液滴重量
 測定および液滴形状計測
・専用アームによる液滴落下防止機構(オプション)
・専用アームによる液滴温度測定(オプション)



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