CN102138190B - 电子零件用端子的制造方法及通过该制造方法得到的电子零件用端子 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电子零件端子的制造方法，在将实施了无铅镀锡的引线端子部和/由铝构成的电极端子部接合的电子零件端子中，能够得到具有良好接合强度的电子零件用端子。将实施了无铅镀锡的引线端子部与由铝构成的电极端子部接合而成的电子零件用端子的制造方法中，将所述引线端子部与所述电极端子部隔开间隔地配置，并在所述引线端子部与所述电极端子部之间施加电压、使等离子产生，边通过所述等离子使所述无铅镀锡熔融或半熔融，边将所述引线端子部的一端推压在所述电极端子部的轴芯中，并进行冲击焊接。

Description

电子零件用端子的制造方法及通过该制造方法得到的电子零件用端子
技术领域
本发明涉及具有将由铝部件构成的电极端子与铜线、CP线等的引线端子接合的结构的电子零件用端子的制造方法，更详细地说，涉及将实施了无铅镀锡的引线端子接合在铝电极上的电子零件用端子的制造方法以及通过该制造方法得到的电子零件用端子。
背景技术
用于电池、冷凝器、电容器等的电子零件用的端子，具有在作为一对电极而发挥作用的一对铆接部上接合有引出引线端子的结构。另外，用于电解冷凝器等的焊片端子(tab terminal)具有在一对电极端子上接合有引线的结构。这些各端子都是通过将铝和铜接合而形成的。
以往，在接线柱端子以及揿钮端子中，电极端子与引出引线的接合是通过螺栓紧固、铆接、卷边接缝等的机械的方法或超音波接合等来进行的。其中，作为机械的方法，由于接合部分厚度增加、使电池整体的能量体积密度降低因而容易使接合部的界面电阻变高。而且，需要工时因而不适合量产。另外，作为超音波接合，可能会因施加的振动而对电极的活性物质造成不良影响。为了解决这样的问题，近年，尝试通过焊接对铆接部和引出引线部进行接合。
另外，作为电解冷凝器用的焊片端子，一般是通过焊接将电极端子与引线接合的。
为了提高热传导性以及电传导性，用于这些端子的引出引线大多采用铜。而且，为了提高电子零件的焊锡特性，该引线使用在表面实施了电镀的材料。
另一方面，近年，考虑到环境问题，开始进行电子零件的电极端子的无铅化以及在电子零件的接合中使用无铅焊锡的技术开发。在作为电子零件的端子使用的引线中，取代以往的含铅镀锡，开始使用不用铅的所谓无铅镀锡。
在使用这样的被实施了无铅镀锡的引线的电子零件的端子中，即使通过焊接对电极端子与该引线进行接合，也得不到充分的接合强度。为解决这样的问题，例如，在日本特开平10-229152号公报等中公开了一种方法，通过在镀锡中添加银或铋等，能够使铜引线和铝电极端子的接合强度提高(专利文献1)。
另外，在日本特开平8-222482号公报中公开了一种方法，对铝电极端子部分进行加热，将该铝加热至半熔融状态并接合引线，然后通过进一步对铝部分进行加热，形成由铜-铝-锡构成的扩散合金层，并牢固地接合引线和铝电极(专利文献2)。
但是，在将银等添加到镀锡中的方法中，必须改变电镀工序本身，存在着不能使用市面销售的无铅镀锡铜线的问题。
另外，在边加热铝电极边对引线进行接合的方法中，作为引线使用在铁线上覆盖有铜的引入线(CP线)，虽然经由由铜-铝-锡构成的扩散合金层能够使铝极板与铁线牢固地接合，但在使用不具有这样的铁芯的铜引线的情况下，即使使用上述的方法，也无法提高铜引线与铝电极的接合强度。
另一方面，在作为引线使用铜线的情况下，与CP线相比，能够使冷凝器的内部电阻降低约10％，通过将这样的低ESR型的冷凝器用于数字家电，据说能够期待至少10％以上的节能效果。另外，由于作为用于混合动力汽车、电动汽车等的电容器要求较高的可靠性，因此，与以往那样通过螺钉、铆钉来固定铝电极与引线端子的情况相比，使用通过焊接进行固定的方法。这样，在冷凝器、电容器等的电极端子中，相比CP线，优选使用仅由铜单体构成的引线，急切地期望开发一种铝电极与铜引线的接合技术。
发明内容
本发明的发明者注意到，在将实施了无铅镀锡的引线端子部和/铝电极端子部接合的电子零件端子中，若进行以往的焊接，则在铜与铝的接合界面上形成有锡-铜乃至锡-铝等金属间化合物，由于该金属间化合物的存在，焊接强度降低。而且，发明者发现，通过采用特定的焊接方法，能够不在铜/铝接合界面上形成这些金属间化合物、而实现焊接强度良好的电子零件端子。
因此，本发明的目的在于提供一种电子零件端子、尤其是冷凝器用的焊片端子的制造方法，在将实施了无铅镀锡的引线端子部和铝电极端子部接合的电子零件端子中，作为引线端子部，即使在原封不动地使用市面销售的实施了无铅镀锡的引线的情况下，在铜与铝的接合界面上实质上也不存在金属间化合物、能够得到接合强度良好的电子零件用端子。
另外，本发明的其他目的在于，提供一种通过上述的制造方法而得到的、在铜与铝的接合界面上实质上不存在金属间化合物的、接合强度良好的电子零件用端子。
而且，本发明中的电子零件用端子的制造方法，是将实施了无铅镀锡的引线端子部与由铝构成的电极端子部接合而成的电子零件用端子的制造方法，包括以下步骤：
将所述引线端子部与所述电极端子部隔开间隔地配置，
在所述引线端子部与所述电极端子部之间施加电压、使等离子产生，
边通过所述等离子使所述无铅镀锡熔融或半熔融，边将所述引线端子部的一端推压在所述电极端子部的轴芯中并进行冲击焊接。
在本发明的其他的方式中，还提供通过本发明的制造方法得到的电子零件用端子。
根据本发明，在将实施了无铅镀锡的引线端子部与铝电极端子部接合的电子零件端子中，作为引线端子部，即使在原封不动地使用市面销售的无铅镀锡的引线的情况下，在铜与铝的接合界面上实质上不存在金属间化合物，能够得到具有良好接合强度的电子零件用端子。
附图说明
图1是表示本发明的一例的电解冷凝器用焊片端子的概要图。
图2是将图1中的铝电极端子部与铜引线端子部的焊接部分放大了的、焊片端子的剖视图。
图3是表示本发明的冲击焊接时的推压工序的图。
图4是表示本发明的其他方式的电子零件用端子的制造方法的焊接工序的图。
图5是表示本发明的其他方式的电子零件用端子的制造方法的焊接工序的图。
图6是表示本发明的其他方式的电子零件用端子的制造方法的焊接工序的图。
图7是表示实施例1中的电解冷凝器用焊片端子的焊接部分截面的电子显微镜观察像(50倍)的图。
图8是表示比较例1中的电解冷凝器用焊片端子的焊接部分截面的电子显微镜观察像(50倍)的图。
具体实施方式
参照附图更详细地说明本发明的电子零件用端子。
本发明的电子零件用端子的制造方法包括，将实施了无铅镀锡的引线端子部与由铝构成的电极端子部隔开间隔地配置，并在所述引线端子部与所述电极端子部之间施加电压使等离子产生，边通过所述等离子使所述无铅镀锡熔融或半熔融，边将所述引线端子部的一端推压到所述电极端子部的轴芯中进行冲击焊接。在本发明中，使引线端子部的镀锡层成为半熔融的状态，并在该状态下一边推压引线端子部和铝电极端子部一边进行冲击焊接。这样得到的电子零件用端子，在引线与铝电极的焊接界面上实质上不存在锡金属层。由于在铝电极与引线的界面上不存在锡，因而不会形成锡-铜等的金属间化合物，能够提高端子的焊接强度。这里，“实质上”并不是指在该接合界面上Cu3Sn或Cu6Sn5等金属间化合物被以分子水平去除的状态，而指的是在铜与铝的界面上、锡-铜等合金不作为金属间化合物层存在的程度的状态。另外，无铅镀锡为“半熔融”的状态指的是可以包含一部分没有熔融的固体状态的锡。
以下，对于本发明的电子零件用端子的制造方法，以作为电解冷凝器用端子使用的焊片端子为例进行说明，当然，本发明不限于这些焊片端子的制造方法，也能够适用于双重电解冷凝器等其他的冷凝器用端子或电容器所使用的接线柱端子以及揿钮端子等的制造方法。
图1是表示作为本发明的一例的电解冷凝器用焊片端子的概要图。该电解冷凝器用焊片端子具有如下结构：由无铅镀锡4覆盖的引线2被焊接在具有平板部3的铝电极端子1上。图2是将铝电极端子与引线的焊接部分放大后的、焊片端子的剖视图。
引线2被实施了无铅镀锡4，通常可以适当地使用于在铜线5上覆盖有12μm左右厚度的锡的引线。作为引线端子，除如上所述以无铅镀锡覆盖铜线而得到的结构外，还可以使用以无铅镀锡将在铁线上覆盖有铜的引入线(CP线)覆盖而得到的结构。该引线被切断成作为焊片端子所要求的所希望的长度。在本发明中，引线的与铝电极的接合侧的一端部优选被成形加工成锥形状。作为锥形状，可以形成为楔形或圆锥形。被成形加工成锥形状的引线顶端部分的顶端角优选为30～90°的范围。更优选为55～65°。顶端角若为比30°更小的锐角，则加工变得困难，另外，顶端角若超过90°，则在推压引线并将其焊接在铝电极上时，有时该引线顶端部分会弯曲，从铝电极的中心偏移而被焊接。而且，在楔形的情况下，该楔顶端的棱线相对于引线的轴方向最好具有3～90°、优选为35～85°左右的角度。这样，通过将引线的顶端部分形成为锐角，能够更好地进行冲击焊接时的等离子放电。
另一方面，铝电极端子部是通过如下方法形成的，即，将由铝构成的线材切断成规定长度后，通过焊接与规定长度的铜引线接合，并通过冲压将铝线材的头部成形为扁平状。
参照附图详细说明本发明的焊接方法。首先，以使铜引线(引线端子部)2与铝线(铝电极端子部)1不接触的方式隔开间隔地配置(图3(a))。关于两端子部的配置，例如，可以通过将两端子部握持固定在各卡盘等上来进行。另外，作为两端子不会接触的间隔，约为0.3mm～10mm左右。若间隔比10mm宽，则为了产生等离子需要使电压变高；另外，若比0.3mm窄，则在向两端子部施加电压时可能会发生短路。另外，施加在两端子部上的电压，从使等离子放电的观点来看为5～100V左右，但可以根据两端子间的距离进行适当调整。
在该状态下，若在铜引线与铝线之间施加电压，则如图3(b)所示，在铜引线的顶端部乃至铝线的端部上发生等离子放电P。通过该等离子P，覆盖在铜引线上的无铅镀锡4成为半熔融乃至熔融的状态。另外，铜引线2的顶端以及铝线1的轴芯部分也由于等离子P而成为熔融的状态。
从上述的状态，预先将铜引线固定，以铜引线抵接在铝线的轴芯中的方式推压铝线，通过冲击焊接对铜引线与铝线进行接合(图3(c))。推压时，在仅仅无铅镀锡成为熔融或半熔融的状态下将铜引线与铝线焊接，则如图3(c)所示，推压时，铜引线2的顶端边排除熔融的无铅镀锡层4，边被插入铝线1(电极端子部)的轴芯中。以该状态被固化时，插入至铝电极中的引线的顶端在保持锥形状的状态下接合在铝电极上。在该引线顶端部分的铝/铜的接合界面上几乎没有形成锡金属层。即，形成有锡金属层的部位仅在焊接隆起4′附近，在引线被插入铝电极部中的部分上则是几乎不残留锡4的状态。其结果是，在铜/铝接合界面上，不会形成锡与铝乃至锡与铜的金属间化合物。
两端子部的推压是通过预先将铜引线2固定再推压铝线(电极端子部)1侧而进行的。另外，如图3(d)所示，在通过推压将引线2埋设在铝线1(电极端子部)的轴芯中时，可以进一步增加推压的力。通过进行这样的推压，在铜/铝接合界面上，更加不会形成锡与铝乃至锡与铜的金属间化合物，其结果是，能够得到具有良好接合强度的焊片端子。此外，当然也可以将两端子部的推压的方向颠倒，预先将铝线(电极端子部)1固定再推压铜引线2侧，由此将铜引线2推压到铝线的轴芯中。另外，在本发明中，也可以取代铜引线而使用上述的CP线。
本发明的发明者发现，关于铝电极/引线的接合强度，在该锡层与铝、或锡层与铜的界面上形成Cu3Sn、Cu6Sn5等的金属间化合物，由于存在该金属间化合物相乃至锡金属相，因而会发生裂痕并进一步扩展，在铝电极与引线的接合界面上端子会断裂。即，在以往的焊接中，覆盖在铜引线上的镀锡熔融，在铝与铜的接合界面上形成锡金属相，并且还形成有Cu6Sn5等锡-铜或锡-铝合金相(金属间化合物相)。若由存在于接合界面上的锡金属乃至金属间化合物构成的层具有某种程度的厚度，则因外部应力等而在该层上产生裂痕，因该裂痕扩展到其他部位端子发生断裂。在本发明中，使用实质上不存在铜-锡等金属间化合物的焊接方法将铜引线与铝电极部接合，由此，能够实现具有良好接合强度的电子零件用端子。
另外，发明者发现，通过这样边使引线的无铅镀锡熔融或半熔融边进行冲击焊接，还能够抑制气孔的产生。即，在如以往那样通过电阻焊接来焊接铜引线与铝线的情况下，由于急剧的温度上升(2000℃左右)，锡的一部分气化，有可能会产生气孔，但在本发明的制造方法中，由于是使镀锡层熔融、不在铝/铜界面上形成锡层的结构，因而气孔本身是不会产生的。
在本发明中，通过冲击焊接时的等离子放电，使引线表面的无铅镀锡成为熔融或半熔融状态，但为了更完全地使无铅镀锡成为熔融或半熔融状态，也可以对引线的顶端部进行加热。作为该加热方法，如图4所示，使用卤素灯加热器6，通过透镜7使照射光聚光，由此，能够局部地仅对铜引线2的顶端部进行加热。加热温度以使锡熔融的温度、即铜引线端子的表面成为240℃左右的温度进行。此外，为了防止电镀层的焊锡熔析性的降低，最好尽量使引线的被焊接部以外的部分不被加热，因此，优选仅进行引线顶端部的加热。
另外，为了防止焊接时的铝/铜的氧化，在将氩或氮等的惰性气体喷射到焊接部分上的情况下，作为其他方式的加热方法，还可以如图5所示，通过将经过了加热的惰性气体喷射到焊接部分上而对铜引线的顶端部进行加热。在惰性气体的喷射装置10被组装于焊接装置中的情况下，在气体导入路12的中途，可以通过组装加热装置11来实施。作为加热装置，可以使用陶瓷加热器等现有的加热技术。以使喷射装置10的出口附近的惰性气体温度处于锡的熔点即240℃左右的方式对加热装置11进行调整。此外，惰性气体可以优选使用N2或氩气。
而且，还可以同时实施利用上述的卤素灯加热器进行的加热、和经过了加热的惰性气体的喷射。
此外，在接线柱端子或揿钮端子的制造中，在将引线2焊接到铝电极1上时，还可以如图6所示，以富于弹性的透明树脂容器13将两电极部分罩住，使惰性气体预先充填于其中，从该透树脂容器13的外部通过卤素灯加热器6进行热线照射，对引线2的顶端进行加热。透明树脂容器适合使用聚烯烃等的透明树脂薄膜。
如上述那样制造出来的电子零件用端子，在铝电极部与引线的焊接界面上实质上不存在锡-铜化合物或锡-铝化合物，另外，其接合强度、尤其是由铝构成的电极部与由铜构成的引线之间的断裂强度良好。
另外，通过上述的方法制造出来的电子零件用端子，存在于由铜构成的引线与铝电极部的接合界面上的锡金属层的厚度是铜引线镀锡厚度的80％以下。这样，通过使在铜/铝界面上存在的锡金属层的厚度变薄，能够提高焊接的接合强度。此外，如图3(a)所示，锡金属层无需均匀地形成在通过焊接而形成的接合界面上，更优选在铜引线的顶端部分不形成锡层的情况。本发明中的锡金属层的厚度指的是存在于接合界面上的锡金属层的最大厚度。
而且，在通过上述的制造方法得到的电子零件用端子中，尤其是在作为引线端子部使用铜引线或CP线、作为铝电极部使用铝线的冷凝器用焊片端子中，由于在焊接接合部分的铜与铝的界面上没有形成锡层，因此能够抑制在以往的实施了无铅镀锡的焊片端子上见到的晶须的发生。通过本发明的制造方法能够抑制焊片端子的晶须的发生，是完全没有预料到的惊喜效果。其原因虽然还不确定，但可能是因为在焊片端子的焊接接合部的附近几乎不存在锡金属。
实施例
实施例1
作为引线端子部件，使用被实施了无铅镀锡(电镀厚度12μm)的0.6mmφ的铜引线，将该引线铜线切断成20mm长。另外，作为铝电极端子部件，使用1.2mmφ的铝线，将该铝线切断成9mm长。
将被切断成规定长度的铜引线和铝线分别握持在冲击焊接装置的各自的电极上。然后，使用卤素灯加热器(IHU-A：USHIO电机制造)，使照射光通过透镜聚光，并照射到引线部件的铝电极侧顶端部分上。以非接触温度计测定引线部件的顶端部分的温度时，温度是260℃。
然后，在该状态下，对两电极施加电压(约50V)使其进行等离子放电，边将铜引线的一端推压在铝线的轴芯中，边进行焊接，将铜引线与铝线接合。然后，对焊接的铝线的另一端进行冲压使其扁平化，将扁平部切断成规定的形状，得到电解冷凝器用焊片端子1。
实施例2
作为引线端子部件，使用被实施了无铅镀锡(电镀厚度12μm)的1.0mmφ的铜引线。将铜引线切断成10.0mm的长度，将一侧的顶端部分加工成60°的圆锥形状(锥形加工)。另外，在通过一体成型使铝母材紧密嵌合在树脂中的封口板部件中，通过冲压使铝母材的焊接面平滑化。将这些铜引线和封口板部件分别作为冲击焊接装置的各自的母材。
下面，在该状态下对两电极施加电压(约50V)并使其进行等离子放电，边将铜引线的被加工成锥形状的一端推压在封口板部件的轴芯中，边进行焊接，将铜引线与封口板部件接合，得到电容器用封口板引线端子。
实施例3
除了将实施例2中的铜引线的一个的顶端部分加工成顶端角60°的楔形状以外，与实施例2同样地得到引线端子。
比较例1
作为引线端子部件以及铝电极端子部件，使用与实施例1相同的部件，通过以往的电阻焊接(施加电压50V)将两端子接合，并与实施例1同样地、对被焊接的铝线的另一端进行冲压使其扁平化，将扁平部切断成规定的形状，得到电解冷凝器用焊片端子2。
接合界面的观察
为了对得到的焊片端子的侧截面进行观察，从侧面方向对试料进行研磨。在研磨面上进行约80μm的离子蚀刻处理，使用扫描型俄歇电子能谱仪(PHI制造SAM670)进行表面观察以及俄歇电子能谱法(AES)面分析。在AES面分析中，以加速电压20kV、试料电流15nA、电子束直径70nm以下的条件进行测定。根据AES面分析结果，焊片端子1没有检测出Cu6Sn5等金属间化合物。另一方面，在焊片端子2中，确认了在接合界面上存在有锡及Cu6Sn5等金属间化合物。
另外，与上述相同地、从侧面方向对试料进行研磨，以供SEM观察。将焊片端子1的接合截面的SEM观察图像(50倍)示于图7，将焊片端子1的接合截面的SEM观察图像(50倍)示于图8。根据图7所示的SEM观察的结果，焊片端子1，在引线与铝电极的接合界面部分中，在引线顶端部分没有发现锡层以及铜/铝的金属间化合物层的形成。另外，在焊接隆起附近的接合界面中，在铜层与铝层之间形成有1～2μm的金属间化合物层和1μm以下的锡层。与锡层相比，金属间化合物层的厚度较大的原因在于，在焊接时，锡与铜乃至铝发生反应因而被消耗掉了。另一方面，可以确认在焊片端子2中，在铜引线的顶端部分与铝电极端子的界面上形成有锡层。
而且，根据SEM观察测定锡层的厚度。将结果表示在表1中
弯曲性耐久试验
对得到的焊片端子1以及2进行弯曲性耐久试验。弯曲性耐久试验，是在握持着焊片端子的铝电极端子部的冲压部分、对铜引线施加1kg的负荷的状态下，将使焊接部分向左右各折弯90°作为一个循环，测定在几个循环后发生断裂。结果如表1所示。
晶须长度测定
对在通过上述得到的各端子的焊接接合部表面上成长的晶须的长度进行测定。晶须长度的测定是通过对将各端子在60℃且95RH％的环境下放置2000小时后的从焊接隆起部分成长出来的晶须的长度进行测定来进行的。
从表1所示的结果可知，焊片端子1在铜-铝的焊接部分发生断裂，且断裂循环为2.5次以上，具有良好的接合强度。另一方面，可见，通过以往的焊接方法进行接合的焊片端子2，由于金属间化合物的形成，因而接合强度不充分。另外，通过本发明的制造方法得到的端子，能够抑制晶须的产生。
表1
  引线加热方法   Sn层厚度(μm)   接合强度(循环次数)   晶须长度(μm)
  实施例1   冲击焊接+局部加热   0   3.25   0
  实施例2   冲击焊接+圆锥形状(锥形)加工   0   3.0   0
  实施例3   冲击焊接+楔形状加工   0.3   2.75   0
  比较例1   电阻焊接   10.0   1.2   200

Claims (12)

1.一种电子零件用端子的制造方法，该电子零件用端子是将对在铜线或者铁线上覆盖有铜的CP线实施了无铅镀锡的引线端子部与由铝构成的电极端子部接合而成的，其特征在于，包括以下步骤：
将所述引线端子部与所述电极端子部隔开0.3mm～10mm的间隔地配置，
在所述引线端子部与所述电极端子部之间施加电压、使等离子产生，
边通过所述等离子使所述无铅镀锡熔融或半熔融，边将所述引线端子部的一端推压在所述电极端子部的轴芯中并进行冲击焊接。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，仅对所述引线端子部的被焊接部分进行局部地加热。
3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，通过非接触加热器相对于所述引线端子部进行局部加热。
4.如权利要求1～3的任一项所述的制造方法，其特征在于，通过被加热了的惰性气体的喷射进行所述引线端子部的加热。
5.如权利要求1～3的任一项所述的制造方法，其特征在于，所述引线端子部的接合侧端部被成形加工成锥形状。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述引线端子部的接合侧端部被成形加工成顶端角为30～90°的圆锥形状。
7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述引线端子部的接合侧端部被成形加工成顶端角为30～90°的楔形状，该楔顶端的棱线相对于所述引线端子的轴方向具有3～90°的角度。
8.一种电子零件用端子，是通过权利要求1～7的任一项所述的制造方法得到的电子零件用端子，其特征在于，在所述引线端子部与所述电极端子部的接合界面上实质上不存在锡-铜化合物或锡-铝化合物。
9.如权利要求8所述的电子零件用端子，其特征在于，所述引线端子部是对在铜线或者铁线上覆盖有铜的CP线实施了无铅镀锡的端子部。
10.如权利要求9所述的电子零件用端子，其特征在于，存在于所述铜引线端子部与铝电极端子部的接合界面上的锡层，其厚度是被镀在引线端子部上的无铅镀锡层的厚度的80％以下。
11.如权利要求9所述的电子零件用端子，其特征在于，存在于所述铜引线端子部与铝电极端子部的接合界面上的锡层，其厚度是被镀在引线端子部上的无铅镀锡层的厚度的20％以下。
12.如权利要求8～11的任一项所述的电子零件用端子，其特征在于，该电子零件用端子作为被用作冷凝器用的焊片端子。
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