CN100350539C - 保险丝、其制造方法与焊料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种保险丝,尤其是用于低电压高功率保险(NH保险)的保险丝,该保险丝具有至少一个带有在一个衬底上存储焊剂处的焊料的熔丝,其中,该焊料以锡为基,而衬底以铜为基。其中,该焊剂包含作为作用物质的、由两种其它成分组成的锡合金。其中,第一组成成分按重量百分比大于第二组成成分,但是小于作为基础材料的锡,选择它的目的是降低焊剂的熔断温度;第二组成成分是按重量百分比较小的、不溶解于锡的物质,当其从液体状态冷却成固体状态时形成晶核,该晶核产生细微的金相结构,避免了在保险丝负载作用下使该金相结构变得粗糙。
Description
技术领域
本发明首先涉及一种保险丝,特别是用于低电压高功率保险(NH保险)的保险丝,其具有至少一个带有在衬底(Traeger)上存储焊料处(Lotdepot)中的焊料的熔丝,其中,焊料是以锡为基,而衬底是以铜为基制造的。这种保险丝在市场上是常见的。
背景技术
在市场上见到的保险丝大多数是以锡镉合金作为焊料的。常见的是SnCd8020,即具有80%重量的锡和20%重量的镉的合金。近来,人们出于环保的目的而避免使用镉。在市场上有这样的保险丝,其熔丝具有SnBi955构成的焊料。其中,具有这种焊剂的熔丝的熔断时间,比用常规的SnCd焊剂做成的熔丝的熔断时间明显变长。
SnBi焊剂通常容易溶化。为了避免这一点,在一种市售的保险丝里,焊剂由一个含有硅的层覆盖。这样一来,由于碳原子造成的硅分解,而使保险丝的熔断特性明显变坏。
系统熔丝和焊剂通常是这样设置的,即在出现长时间过电流时焊剂现场熔化,其衬底物质,即熔丝开始脱离从而使断电加速。通常人们将其形容为M效应。其中,焊剂要满足以下条件:
-用于熔丝材料(通常是铜)的焊料具有足够的溶解性(Loeslichkeit),
-在熔断时没有焊剂的溶解,
-应该能避免在熔断的熔丝端点间形成焊接跨接线。
作为能阻止不含镉的焊料中溶化的焊剂终止手段(Lotstoppmittel),已经采用了有机涂层的方法。这样虽然可以避免无镉焊料的溶解,但在熔丝熔断时(即断开保险时)由于有机衬底的热分解,可能构成一个导电塑料薄膜,它能阻止电路的断开。
自从人们尝试用无镉焊剂工作以来,溶解的问题就出现了。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,提供一种保险丝,该保险丝使用在熔丝上不含镉的焊剂来工作,而且对上面所述问题,特别是对关断时间的延长和焊剂的溶解进行改进,以达到含有镉的保险丝系统所具备的良好特征。
根据本发明,上述技术问题的解决,是通过一种保险丝实现的。该保险丝具有至少一个带有在一个衬底上存储焊剂处的焊料的熔丝,其中,所述焊料为包含另外两种作为作用物质的锡合金。其中,第一组成成分按重量的百分比大于第二个组成成分,但是小于作为基础材料的锡,选该第一组成成分的作用是降低焊剂的熔断温度。第二组成成分是按重量百分比较小的,为一种不溶解于锡的物质,当它从液体状态冷却成固体状态时形成晶核,该晶核形成细微金相结构(Gefuege),其中,所述熔丝的焊料是一种锡Sn-铋Bi-铜Cu合金、一种锡Sn-铟In-铜Cu合金或一种锡-铋-铁合金,锡Sn-铋Bi-铜Cu合金的组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占60%至96%,Bi占3%至40%,Cu占0.3%至5.0%,三者共计99.5%,其它为杂质,锡Sn-铟In-铜Cu合金的组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占70%至96%,In占3%至30%,Cu占0.3%至5.0%,三者共计99.5%,其它为杂质。避免了在保险丝负载作用下使该金相结构变得粗糙。这种熔丝-焊剂系统决定了,其具有和使用镉的情况类似的漏电特性及适当的反应时间。细微的金相结构显然促进衬底材料的(即熔丝的)溶解,从而实现与应用常规含镉的熔丝-焊剂相同的熔断时间和相同的熔断特性。由此,使在熔断过程中不会出现其它的能量变换,从而不出现额外的加热。
在一有利的实施方式中,进一步开发一种不含镉的保险丝,即要求焊剂具有能防止溶解的稳定性。其中,作为衬底存储焊剂处的焊料的焊剂和/或衬底有一个氧化层。该氧化层可以用热方法或者化学方法形成。当该氧化层在焊剂和衬底之间的边界处生成时就足够了。在实际中,可以与焊剂区域或其附近的区域的通常的几何结构相结合,通过氧化区域的几何结构,以希望的方式来控制衬底的浸湿。
本发明还涉及一种制造保险丝的方法,按照该方法,使热处理的焊剂和/或衬底经受一个氧化环境。还涉及了一种制造保险丝的方法,按照该方法,利用一种与焊剂和/或衬底亲合的物质对焊剂和/或衬底进行处理。这里尤其合适的是用钠-硫化物溶液。
可以在吸收性的、并用亲合物质浸渍过的辊子之间涂上与焊剂和/或衬底亲合的物质。
最后,本发明的技术问题是通过一种由锡-铋-铜合金、锡-铟-铜合金或者锡-铋-铁合金组成的焊料解决的。尤其优选的是,该焊料是由铋占10%至30%、铜占0.3%至1.0%,且和锡加在一起占99.5%,其余为杂质制成的。
附图说明
下面根据附图和举例对本发明作进一步的说明。
图1是以示意图的形式表示的熔断实验,其中,左侧示出的是作为对比的根据现有技术的常规锡-镉焊料的在多次实验中得出的断电特性。右侧跟随的是表示通过一系列实验得出的按锡-铋-铜不同比例的断电特性。
图2为对照图,左侧针对没有铜的不含镉的焊剂,右侧针对根据本发明的含有镉的焊剂和锡-铋加铜的实施例,它们分别有一个在存储焊剂处之前具有狭窄部位的熔丝,图中示出了在熔丝响应后和熔丝熔断时的情况。
具体实施方式
按照图1所示的示意图,在纵坐标上以秒为单位表示熔丝直至熔断的响应时间,而横坐标表示按给定成分及其含量的锡合金。图中记录的是多次实验的结果。作为焊剂衬底的是铜。锡-镉是标定值(Orientierungswert)。在无镉合金中,铋按重量百分比所占份额为25%、15%和5%,在32A相电流的负载下(这同时意味着1.6倍的额定电流)进行实验。铜的份额均在0.8%。锡的份额是99.5%与前两者的差值,剩余部分是杂质。
锡合金的第一个其它组成成分所占份额比基础物质锡的份额小。通过该组成成分,焊剂的熔断温度得以降低。在给出的实例中为此使用了铋。第二种重量百分较小的组成成分不溶解于锡,当它从液体状态冷却成固体状态时形成晶核,该晶核产生细微的金相结构。在这里使用的是铜。由图1可以看出每种合金的泄漏特性,而对于具有焊剂前的狭窄部位的确定的熔丝的几何结构来说,还可以看出其响应时间和断开时间。对于给定的电流负载和使用特定的合金来说,对这些时间可以通过熔丝的几何结构,以及可能情况下通过焊剂前部狭窄部位的种类和规模来加以很大的影响。
可以证明很适合的保险丝是,其熔丝的焊料由锡-铋-铜合金、锡-铟-铜合金以及锡-铋-铁合金组成。
特别有利的一种锡合金是具有以下份额的重量比例:铋占3%至40%,铜占0.3%至5.0%。锡的份额是99.5%与前两者的差值,其余部分是杂质。
证明为有利的还有一种锡-铟-铜合金,它具有以下份额的重量比例:锡占70%至96%,铟占3%至30%,铜占0.3%至5.0%。
在锡-铋-铜合金中特别有利的是,其组成成分具有以下的重量比例:锡占89%至96%,铋占3%至10%,铜占0.8%至2.3%。
锡-铋-铜合金显示出尤其少的泄漏,在实际中具有特别优选的响应特性的合金其组成成分具有以下的重量比例,其中:锡占69%至89%,铋占10%至30%,铜占0.3%至1.0%。三者共占99.5%,其余部分是杂质。
图2再现了对于一个具有相同几何结构的熔丝经放大了的在焊剂前熔断的狭窄部位,其中熔丝最宽的部位的自然尺寸是14mm。左侧图中为了对比铜熔丝使用的是由大约75%锡和25%铋组成的锡铋焊剂。图2右侧示出的是对锡-铋-铜合金由于焊剂影响的熔丝熔断的情况,其中,该锡-铋-铜合金的组成是:铋占25%,铜占0.8%,锡占73.7%,三者共占99.5%,剩余0.5%是杂质。可以设想,焊剂和腐蚀的(angegriffener)熔丝在显微图上具有一个细微的金相结构和清晰的轮廓。因此熔丝熔断时的能量转换很小,避免了热裂的发生。
上面给出的三种物质的合金的性能可以通过在存储焊剂处的焊剂上和/或熔丝上,至少在存储焊剂处的周围生成一个氧化层来进一步改进。通过这种氧化层,可以防止在保险丝的熔丝响应时熔化的焊剂流出。这种有目的地使用氧化层的措施,对不是本来就位置确定的焊剂均可使用,而与焊剂或者作为焊剂的合金的组成(Aufbau)无关。
这种氧化层的构成可以用热或化学的方法实现。为了热氧化可以将焊剂和/或衬底在一个氧化环境中进行处理。可以有目的地利用局部放热来工作,例如通过夹子(Klamme)。
对于化学处理适合的是同焊剂和/或衬底亲合的物质。于是对于以铜为基的衬底利用钠-硫化物溶液对熔丝进行处理。这种处理在最简单的情况下可以用涂刷(Aufpinseln)的办法,或者通过吸收性的、并用亲合物质浸渍过的辊子来实现,该辊子滚过希望的熔丝部位。为了更好地防止焊剂的流出,只对焊剂区域及其相邻区域进行氧化就足够了。
作为无镉保险丝的焊料,可以优选地为一种锡-铋-铜合金、锡-铟-铜合金或者锡-铋-铁合金。其中,当组成成分按重量百分比如下所示时,可以不考虑熔丝的几何结构,即:铋占10%至30%,铜占0.3%至1.0%,和锡加在一起共占99.5%,其余为杂质。
Claims (13)
1.一种保险丝,该保险丝具有至少一个带有在一个衬底上存储焊剂处的焊料的熔丝,其中,该焊料以锡为基,而衬底以铜为基,其特征在于,该焊剂包含作为作用物质的、由两种其它成分组成的锡合金,其中,第一组成成分按重量百分比大于第二组成成分,但是小于作为基础材料的锡,该第一组成成分的作用是降低焊剂的熔断温度;第二组成成分是按重量百分比较小的、不溶解于锡的物质,当从液体状态冷却成固体状态时其形成晶核,该晶核产生细微的金相结构;其中,所述熔丝的焊料是一种锡Sn-铋Bi-铜Cu合金、一种锡Sn-铟In-铜Cu合金或一种锡-铋-铁合金,锡Sn-铋Bi-铜Cu合金的组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占60%至96%,Bi占3%至40%,Cu占0.3%至5.0%,三者共计99.5%,其它为杂质,锡Sn-铟In-铜Cu合金的组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占70%至96%,In占3%至30%,Cu占0.3%至5.0%,三者共计99.5%,其它为杂质。
2.根据权利要求1所述的保险丝,其特征在于,所述焊料是一种锡-铋-铜合金,其组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占89%至96%,Bi占3%至10%,Cu占0.8%至2.3%,三者共计99.5%,其它为杂质。
3.根据权利要求1所述的保险丝,其特征在于,所述焊料是一种锡-铋-铜合金,其组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占69%至89%,Bi占10%至30%,Cu占0.3%至1.0%,三者共计99.5%,其它为杂质。
4.根据权利要求1所述的保险丝,其特征在于,作为衬底存储焊剂处的焊料的焊剂和/或衬底有一个氧化层。
5.根据权利要求4所述的保险丝,其特征在于,所述氧化层通过加热的方法形成。
6.根据权利要求4所述的保险丝,其特征在于,所述氧化层通过化学方法形成。
7.一种制造根据权利要求5所述的保险丝的方法,其中,该保险丝具有至少一个带有在一个衬底上存储焊剂处的焊料的熔丝,该焊料以锡为基,而衬底以铜为基,所述焊料是一种锡Sn-铋Bi-铜Cu合金、一种锡Sn-铟In-铜Cu合金或一种锡-铋-铁合金,锡Sn-铋Bi-铜Cu合金的组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占60%至96%,Bi占3%至40%,Cu占0.3%至5.0%,三者共计99.5%,其它为杂质,锡Sn-铟In-铜Cu合金的组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占70%至96%,In占3%至30%,Cu占0.3%至5.0%,三者共计99.5%,其它为杂质;对所述焊料和/或衬底在氧化环境下进行热处理。
8.一种制造根据权利要求6所述的保险丝的方法,其中,该保险丝具有至少一个带有在一个衬底上存储焊剂处的焊料的熔丝,该焊料以锡为基,而衬底以铜为基,所述焊料是一种锡Sn-铋Bi-铜Cu合金、一种锡Sn-铟In-铜Cu合金或一种锡-铋-铁合金,锡Sn-铋Bi-铜Cu合金的组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占60%至96%,Bi占3%至40%,Cu占0.3%至5.0%,三者共计99.5%,其它为杂质,锡Sn-铟In-铜Cu合金的组成成分按照重量百分比的关系是:Sn占70%至96%,In占3%至30%,Cu占0.3%至5.0%,三者共计99.5%,其它为杂质;对该焊料和/或衬底用一种对该焊剂和/或衬底亲合的物质进行处理,以形成氧化层。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,对于焊料以锡为基,而衬底以铜为基的保险丝,对所述熔丝用钠-硫化物溶液进行处理。
10.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于,在吸收性的、并用亲合物质浸渍过的辊子之间设置与焊剂和/或衬底亲合的物质。
11.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,所述氧化只在焊剂区域及与其相邻的衬底区域构成。
12.一种用于根据权利要求1至6中任一项所述保险丝的焊料,由一种锡-铋-铜合金、锡-铟-铜合金或者锡-铋-铁合金构成。
13.根据权利要求12所述的焊料,其特征在于,锡Sn-铋Bi-铜Cu合金的组成成分按照重量百分比的关系是:Bi占10%至30%,Cu占0.3%至1.0%,与锡加在一起共占99.5%,其余为杂质。
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