CN1284198C - 合金型温度熔丝与温度熔丝元件用线材 - Google Patents

合金型温度熔丝与温度熔丝元件用线材 Download PDF

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Abstract

提供了虽然采用以In-Sn合金为主要成分的熔丝元件，但能可靠地保证相对于热循环的工作稳定性，而且即便是In含量多，也能保证可进行熔丝元件成品率良好的拉丝加工而工作温度为120～150℃的合金型温度熔丝。这种熔丝元件的合金组成是在In65～85%而其余为Sn的合金100重量部分中，添加了Ag、Au、Cu、Ni、Pd、Pt、Sb的一或两种以上的金属0.1～7重量部分。

Description

合金型温度熔丝与温度熔丝元件用线材
技术领域
本发明涉及工作温度约120～150℃的合金型温度熔丝与温度熔丝元件用线材。
现有技术
电力设备与电路元件例如半导体装置、电容器、电阻元件等的热防护件已广泛采用合金型温度熔丝。
这种合金型温度熔丝是把规定熔点的合金作为熔丝元件而在此熔丝元件上涂布的熔剂。再将此涂布了助熔件的熔丝元件以绝缘材料密封而构成。
上述合金型温度熔丝的工作机理如下。
合金型温度熔丝以热接触形式设于拟保护的电力设备与电路元件等之上。当电力设备与电路元件等由于某些异常而发热时，所发生的热使得温度熔丝的熔丝元件合金熔融，在与已熔融的助熔剂共存下，熔融合金由于濡湿导线或电极而断开并球状化，随着这种断开球状化的进行，使通电中断，因通电中断便使设备降温，断开的熔融合金凝固，结果是无法复原的切断。因此，要求电力设备等的容许温度和熔丝元件合金的断开温度大致相等。
上述熔丝元件通常使用低熔点合金。但在合金中，如平衡图一般所示，具有固相线温度和液相线温度，于固相线温度和液相线温度一致的共晶点下，经过共晶点温度加热虽是从固相立即变化到液相，但对于共晶点以外的组成，则按固相→固液共存相→液相变化，在固相线温度Ts与液相线温度T1之间在固液共存区温度间隔ΔT。但是，即使在此固液共存区中上述熔丝元件的断开为小概率事件，然而仍存在发生的可能性，为了减少温度熔丝的工作温度波动，要求使用上述固液共存区温度间隔ΔT尽可能小的合金组成，于是ΔT小便成为合金型温度熔丝所要求的条件之一。
再有，在合金型温度熔丝的熔丝元件中，多数以线状片的形式使用，对应于近来设备的小型化而要求熔丝元件细径化，往往需要能拉丝到细直径(例如400μmφ以下)的可加工性。
还有，近来在电力设备中，由于环保意识的增强，对身体有害的物质特别是Pb、Cd、Hg、Tl等的使用受到了限制，即令是在温度熔丝的熔丝元件中也要求不含这类有害金属。
将合金型温度熔丝从工作温度方面分类时，现多用工作温度约150℃的温度熔丝。
但从In-Sn合金平衡状态图可知，In85～52％而其余为Sn时，液相线温度是119～145℃，在此范围内，液相线温度相同。这与119～145℃的In52～43％而其余为Sn的范围相比，固相线温度高，因而前述固液共存区温度间隔狭。于是，In85～52％而其余为Sn的合金中，上述工作温度的波动减少，工作温度为120～150℃(通常，与温度熔丝表面温度相比，熔丝元件温度低数个摄氏度，因此工作温度可视作为比熔丝元件的熔点高数个摄氏度)，可充分满足不含有害金属的环保要求条件。
一般，In的延展性大，大含量In的合金的延展性过大而特别难以进行拉丝加工。
但在In-Sn合金中，若In在70％以下就能进行拉丝，已提出了将In70～52％而其余为Sn的合金组成(In的下限设为52％的理由与前述相同是为了抑制工作温度的波动)作为熔丝元件的，工作温度为120～130℃的合金型温度熔丝(特开2002-25402号)。
在温度熔丝中会经受因设备的负荷变动与气温变动等的热循环，给熔丝元件添加了热应变，但在一般的合金型温度熔丝的熔丝元件中，不会因这种热应变导致特性变动。
但本发明人等发现，当把上述的In52％以上的In-Sn合金作为熔丝元件时，因热循环会使熔丝元件的电阻值变动(电阻增大)。这是由于合金组织内的异相界面处产生的波动大，这种现象反复就会使熔丝元件的横剖面积发生极端变化或使元件的线性长度剧增。
作为这种电阻值加大的结果，由于焦耳热而使熔丝元件的温度上升，设此上升的温度为ΔT，于达到设备容许温度之前该上升温度ΔT只是以低的温度起作用，但当该温度ΔT增大，就会造成大的工作误差。
发明内容
本发明的目的在于提供这样的合金型温度熔丝，它虽然采用了以In-Sn合金为主要成分的熔丝元件，但能可靠地保证相对于热循环加工作稳定性。而且即使是In含量多，也可保证熔丝元件以良好的合格率进行拉丝加工而工作温度则为120～150℃。
根据本发明一实施形式，其特征是在In65～85％而其余为Sn的合金100重量部分中添加Ag、Au、Cu、Ni、Pd、Pt与Sb中的一或二种以上0.1～7重量部分，由此形成所需的合金组成。
根据本发明的第二实施形式，其特征是把上述温度熔丝元件用线材作为熔丝元件，而在本发明的第三实施形式中，其特征是附设有用于熔断熔丝元件的发热体。
在以上各种实施形式中，允许含有在各原料金属制造上以及这些原料在熔融搅拌中产生的不可避免的杂质。
根据本发明，可以获得液相线温度120～150℃、固液共存温度间隔窄小(6℃以下)、以In-Sn系的范围为主要成分、通过添加Ag、Au、Cu、Ni、Pt、Pd与Sb等能充分保持上述熔融特性和显著提高耐疲劳性乃至强度的温度熔丝用线材，由此能提供即使在热循环下也能稳定地保持初始的工作特性，熔丝元件的拉丝加工性能良好和合格率高而能保证优异生产率的，工作温度120～150℃且温度波动小，还适合于环保要求的合金型温度熔丝。
附图说明
图1是示明本发明的合金型温度熔丝一例的视图。
图2是示明本发明的合金型温度熔丝另一例的视图。
图3是示明本发明的合金型温度熔丝又一例的视图。
图4是示明与本发明的合金型温度熔丝的上述例不同例子的视图。
图5是示明与本发明的合金型温度熔丝的上述例不同另一例子的视图。
具体实施形式
本发明中之所以将熔丝元件的合金组成的基础取为In52～85％而其余为Sn，是为了使液相线温度为115～145℃以及使固液共存区温度大致在6℃以内的窄间隔中，这样，温度熔丝的工作温度能在120～150℃且工作温度的波动小(在4～5℃以内)，而之所以添加Ag、Au、Cu、Ni、Pd、Pt与Sb中一或二种以上0.1～7重量部分的理由，是为了使其中的至少一种与延展性大的In或Sn生成金属间化合物，而借助这种金属间化合物的加楔效应使结晶间难以产生滑移，以保证相对于上述热循环的耐热稳定性，能在拉丝中赋予其充分的强度而易拉制出线径为300μmφ的细线材，当上述添加量不到0.1重量部分就不能达到作这种添加的效果，而当超过7重量部分时，液相线温度的增加与固液共存区温度间隔的增加过大，而难以将温度熔丝的工作温度设定到120～150℃。
本发明中，熔丝元件是通过合金原材料拉丝制造，剖面为圆形，或进一步压缩加工成扁平形使用，熔丝元件在圆形时的直径，外径为200～600μmφ而最好为250～350μmφ。
本发明是以作为独立的热保护器的温度熔丝形式实施。此外，也可将温度熔丝元件与半导体装置、电容器以及电阻体串联，在此元件上涂布助熔剂，将此涂布了助熔剂的元件相对于半导体或电容器或电容元件邻接设置，与半导体或电容元件或电阻元件在一起由树脂模塑件或罩件密封，而以这样的形式实施。
图1示明本发明的带状合金型温度熔丝，于厚100～300μm的塑料基膜41上将厚100～200μm的带状导线1、1，由粘合剂或通过熔融粘合，于带状导线之间连接线径为250～500μmφ的熔丝元件2，而在这种熔丝元件2上涂布助熔剂3，再将此涂布有助熔剂的熔丝元件用厚100～300μm的塑料盖膜42由粘合剂或通过熔融粘合密封。
图2示明筒状罩型，于一对导线1、1之间连接纸熔点可熔合金片2，在此低熔点可熔合金片2上涂布助熔剂3，于此涂布3低熔点可熔合金片2上插合耐热和导热性良好的绝缘筒4例如陶瓷筒，在该绝缘筒4的各端和各导线1之间，以常温固化的密封剂5例如环氧树脂密封。
图3示明罩状径向型，于并联的导线1、1的前端部之间通过熔融接合上熔丝元件2，在该熔丝元件2上涂布助熔剂3，将此涂布3助熔剂3的熔丝元件2用一端开口的绝缘罩4例如陶瓷罩包围，用环氧树脂等密封剂5密封此绝缘罩4的开口。
图4示明基板型，于绝缘基板4例如陶瓷基板上由导电膏(例如银膏)通过印刷烧成形成一对电极1、1，在电极1、1之间通过熔融连接上熔丝元件2，于熔丝元件2上涂布助熔剂(flux)3，再用密封剂5例如环氧树脂密封此以助熔剂涂布的熔丝元件。
图5示明树脂浸渍式径合型，于并联导电1、1的前端部间通过熔融连接熔丝元件2，于此熔丝元件2上涂布助熔剂3，再通过树脂液浸渍此涂布了助熔剂的熔丝元件，由绝缘密封剂例如环氧树脂5将其密封。
本发明也可用下述形式实施，即于合金型温度熔丝上附设发热体，例如通过涂布、烧结电阻膏(如氧化钌等氧化金属粉的糊膏)而附设薄膜电阻，检测成为设备异常发热原因的前兆，由此探测信号使薄膜电阻通电发热，利用这种发热来熔断熔丝元件。
此时将上述发热体地绝缘基体的上面，于其上形成耐热和导热性的绝缘膜，例如形成玻璃烧结膜，再设置一对电极，在各电极上连接扁平导线，于两电极间连接熔丝元件，从熔丝元件到前述导线的前端以助熔剂包覆，将绝缘罩设置于上述绝缘基体之上，再由粘合剂将该绝缘罩周围密封到绝缘基体之上。
上述助熔剂通常使用熔点比熔丝元件熔点低的助熔剂，例如松脂90～60重量部分、硬脂酸10～40重量部分、活性剂0～3重量部分。上述松脂可使用天然松脂、改性松脂(例如加水松脂、非均质化松脂、聚合松脂)或它们的精制树脂，而对于上述活性剂则可使用二乙胺的盐酸盐或氢溴酸盐、己二酸等有机酸。
实施例
在以下实施例及比较例的工作温度的测定中，试样形状为基板型，试样数为50个，通以0.1安的电流并浸渍于按1℃/分升温的油浴中，测定因熔断致通电截止时的油温。
至于熔丝元件的电阻值相对于热循环有无变化，则取用了50个试样，于110℃加热30分钟后再于-40℃冷却30分钟作为1个循环，将这样1种热循环进行了500次后测定并判断其电阻值的变化，将未发现有任何电阻值变化的情形评价为◎，将发现电阻值稍有变化的情形(经过热循环低的电阻值是热循环前的电阻值的1.5倍以下)评价为○，将发现电阻值有大的变化情形(经过热循环后的电阻值是热循环前电阻值的1.5倍以上)评价为△，将电阻值变为∞时的情形评价为×。
实施例1
将In：65％，其余为Sn的合金100重量部分中添加0.4重量部分的Ag所得合金组成原材料进行拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率(引落率)为6.5％而拉丝速度为45m/min，完全未发生断丝。
将上述线材按4mm切断，作为熔丝元件，制作小型的基板型温度熔丝。助熔剂采用松脂80重量部分、硬脂酸20重量部分、二乙胺氢溴酸盐1重量部分，包覆材料使用常温固化型环氧树脂。
对此实施例的制品测定了工作温度为124℃±1℃，波动充分地小。
此外进行了热循环试验，评价结果为◎。
实施例2
将In：65％，其余为Sn的合金100重量部分中添加4重量部分的Ag所得合金组成原材料进行拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min，完全未发生断丝。
将此线材按4mm切断，与实施例1相同制作基板型温度熔丝。
对此实施例制品测定了工作温度为124℃±1℃，可使温度波动充分地小。
再进行了热循环试验。评价结果为◎。
实施例3～6
将表1所示合金组成的原材料拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min时，完全未发生断丝。
将这些线材按4mm长度切断作为熔丝元件与实施例1相同制成基板型温度熔丝。
对这些实施例制品测定了工作温度如表1所示，任一实施例中的波动都充分地小。
进行了热循环试验，评价结果如表1所示。
表1
  实施例3   实施例4   实施例5   实施例6
  In(重量部分)   52   52   70   70
  Sn(重量部分)   48   48   30   30
  Ag(重量部分)   0.4   4   0.4   4
  工作温度(℃)   119.0±1   118.0±1   128.0±1   127.0±2
  热循环试验评价   ◎   ◎   ◎   ◎
实施例7～12
将表2所示合金组成的原材料拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min时，完全未发生断丝。
将这些线材按4mm长度切断作为熔丝元件与实施例1相同制成基板型温度熔丝。
对这些实施例制品测定了工作温度如表2所示，任一实施例中的波动都充分地小。
进行了热循环试验，评价结果如表2所示。
表2
  实施例7   实施例8   实施例9   实施例10   实施例11   实施例12
  In(重量部分)   52   52   65   65   70   70
  Sn(重量部分)   48   48   35   35   30   30
  Au(重量部分)   0.4   4   0.4   4   0.4   4
  工作温度(℃)   119.0±1   118.0±1   126.0±1   124.0±2   128.0±1   127.0±2
  热循环试验评价   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
实施例13～18
将表3所示合金组成的原材料拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min时，完全未发生断丝。
将这些线材按4mm长度切断作为熔丝元件与实施例1相同制成基板型温度熔丝。
对这些实施例制品测定了工作温度如表3所示，任一实施例中的波动都充分地小。
进行了热循环试验，评价结果如表3所示。
表3
  实施例13   实施例14   实施例15   实施例16   实施例17   实施例18
  In(重量部分)   52   52   65   65   70   70
  Sn(重量部分)   48   48   35   35   30   30
  Cu(重量部分)   0.4   4   0.4   4   0.4   4
  工作温度(℃)   119.0±1   121.0±2   126.0±1   128.0±1   128.0±1   130.0±3
  热循环试验评价   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
实施例19～24
将表4所示合金组成的原材料拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min时，完全未发生断丝。
将这些线材按4mm长度切断作为熔丝元件与实施例1相同制成基板型温度熔丝。
对这些实施例制品测定了工作温度如表4所示，任一实施例中的波动都充分地小。
进行了热循环试验，评价结果如表4所示。
表4
  实施例19   实施例20   实施例21   实施例22   实施例23   实施例24
  In(重量部分)   52   52   65   65   70   70
  Sn(重量部分)   48   48   35   35   30   30
  Ni(重量部分)   0.4   4   0.4   4   0.4   4
  工作温度(℃)   119.0±1   121.0±2   126.0±1   128.0±2   128.0±2   129.0±2
  热循环试验评价   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
实施例25～30
将表5所示合金组成的原材料拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min时，完全未发生断丝。
将这些线材按4mm长度切断作为熔丝元件与实施例1相同制成基板型温度熔丝。
对这些实施例制品测定了工作温度如表5所示，任一实施例中的波动都充分地小。
进行了热循环试验，评价结果如表5所示。
表5
  实施例25   实施例26   实施例27   实施例28   实施例29   实施例30
  In(重量部分)   52   52   65   65   70   70
  Sn(重量部分)   48   48   35   35   30   30
  Pd(重量部分)   0.1   4   0.4   4   0.4   4
  工作温度(℃)   119.0±1   120.0±2   126.0±1   127.0±1   128.0±1   129.0±1
  热循环试验评价   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
实施例31～36
将表6所示合金组成的原材料拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min时，完全未发生断丝。
将这些线材按4mm长度切断作为熔丝元件与实施例1相同制成基板型温度熔丝。
对这些实施例制品测定了工作温度如表6所示，任一实施例中的波动都充分地小。
进行了热循环试验，评价结果如表6所示。
表6
  实施例31   实施例32   实施例33   实施例34   实施例35   实施例36
  In(重量部分)   52   52   65   65   70   70
  Sn(重量部分)   48   48   35   35   30   30
  Pt(重量部分)   0.4   4   0.4   4   0.4   4
  工作温度(℃)   119.0±1   119.0±2   126.0±1   126.0±2   128.0±1   128.0±2
  热循环试验评价   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
实施例37～42
将表7所示合金组成的原材料拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min时，完全未发生断丝。
将这些线材按4mm长度切断作为熔丝元件与实施例1相同制成基板型温度熔丝。
对这些实施例制品测定了工作温度如表7所示，任一实施例中的波动都充分地小。
进行了热循环试验，评价结果如表7所示。
表7
  实施例37   实施例38   实施例39   实施例40   实施例41   实施例42
  In(重量部分)   52   52   65   65   70   70
  Sn(重量部分)   48   48   35   35   30   30
  Sb(重量部分)   0.4   4   0.4   4   0.4   4
  工作温度(℃)   119.0±1   122.0±1   126.0±1   129.0±1   128.0±1   131.0±1
  热循环试验评价   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
实施例43～45
将表8所示合金组成的原材料拉丝，加工成直径300μmφ的线材，设相对于一个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min时，完全未发生断丝。
将这些线材按4mm长度切断作为熔丝元件与实施例1相同制成基板型温度熔丝。
对这些实施例制品测定了工作温度如表8所示，任一实施例中的波动都充分地小。
进行了热循环试验，评价结果如表8所示。
表8
  实施例43   实施例44   实施例45
  In(重量部分)   52   65   70
  Sn(重量部分)   48   35   30
  Ag(重量部分)   0.4   0.4   0.4
  Pd(重量部分)   0.4   0.4   0.4
  工作温度(℃)   119.0±1   126.0±1   128.0±1
  热循环试验评价   ◎   ◎   ◎
在以上的实施例37～39中，通过将Ag与Pd进行复合添加可增加In与Sn的细微金属间化合物的种类，这同进行单一添加的情形相比，确认有更好的耐热循环性。
比较例1
使用In70％其余为Sn的原材料。与实施例相同，设相对于1个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min，试验过直径300μmφ的拉丝，由于延展性过大，断丝率高，将相对于1个拉丝模的脱落率降低为4.0％而将拉丝速度降至20m/min，控制出直径300μmφ的线材。
与实施例相同制作了基板型温度熔丝，进行了热循环试验，评价结果为△～×。对于评价为×的试样，试样已瓦解，熔丝断裂。
比较例2
使用In52％其余为Sn的原材料。与实施例相同，设相对于1个拉丝模的脱落率为6.5％而拉丝速度为45m/min，制得了直径300μmφ的线材。
与实施例相同制作了基板型温度熔丝，进行了热循环试验，评价结果为△～×。对于评价为×的试样，试样已瓦解，熔丝断裂。

Claims (5)

1、一种合金型温度熔丝，其特征在于，以这样的温度熔丝元件用线材作为熔丝元件，该温度熔丝元件用线材是由In65～85％、其余为Sn的合金100重量部分中添加了Ag、Au、Cu、Ni、Pd、Pt、Sb中的一种或二种以上的金属0.1～7重量部分形成的合金组成。
2、一种合金型温度熔丝，其特征在于，以这样的温度熔丝元件用线材作为熔丝元件，该温度熔丝元件用线材是由In65～85％、其余为Sn的合金100重量部分中添加了Au、Cu、Ni、Pd、Pt、Sb中的一种或Ag、Au、Cu、Ni、Pd、Pt、Sb中的二种以上的金属0.1～7重量部分形成的合金组成。
3、一种合金型温度熔丝，其特征在于，以这样的温度熔丝元件用线材作为熔丝元件，该温度熔丝元件用线材是由In65～70％、其余为Sn的合金100重量部分中添加了Ag为0.1～7重量部分形成的合金组成。
4、根据权利要求1～3中任一项所述的合金型温度熔丝，其特征在于，附设有用于熔断熔丝元件的发热体。
5、一种熔丝元件用线材，其特征在于作为熔丝元件用于权利要求1～4所述的合金型温度熔丝。
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