CZ299341B6

CZ299341B6 - Pojistková vložka, zpusob její výroby a pájecí materiál

Info

Publication number: CZ299341B6
Application number: CZ20031036A
Authority: CZ
Inventors: Etschmaier@Alexander; Wieser@Helmut
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2008-06-25
Also published as: WO2002023575A1; PL202046B1; DE50113976D1; ATE395715T1; BRPI0113834B1; US7109839B2; EP1317763B1; SI1317763T1; EP1189252A1; HUP0300734A3; CZ20031036A3; HU226335B1; BR0113834A; ES2302752T3; PL362409A1; EP1317763A1; HUP0300734A2; CN100350539C; US20040027226A1; CN1455942A

Abstract

Pojistková vložka, zejména pro nízkonapetové pojistky o vysokém výkonu, NH-pojistky, obsahuje alespon jeden tavný vodic s pájecím materiálem v míste uložení pájky na nosici. Pájka je vytvorena na bázi cínu a nosic na bázi medi. Pájka obsahuje jako úcinný materiál prostý kadmia slitinu cínu se dvemadalšími složkami. První, podle hmotnostních procent vetší, složka, která je však podle hmotnostníchprocent menší než podíl cínu jako základního materiálu, je zvolena podle toho, aby snížila teplotu tavení pájky, a druhá, podle hmotnostních procent menší, složka je materiálem, který se v cínu nerozpouští, címž pri ochlazování z kapalného do pevného stavu vznikají krystalizacní zárodky, které zpusobují jemnou strukturu. U zpusobu výroby pojistkové vložky se pájka a/nebo nosic podrobí tepelnému zpracování v oxidacní atmosfére. Dále je uveden i pájecí materiál.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká pojistkové vložky, zejména pro nízkonapěťové pojistky o vysokém výkonu, NH-pojistky, která má alespoň jeden tavný vodič s pájecí látkou v umístění pájky na nosiči, přičemž pájka je tvořena na bázi cínu a nosič na bázi mědi.

Dosavadní stav techniky

U pojistkových vložek na trhu slouží jako pájecí látka většinou slitina cín-kadmium. Běžná je SnCd 80 20, tedy slitina s 80 váhovými procenty zinku a 20 váhovými procenty kadmia. Kadmium bychom chtěli nově z důvodu ochrany životního prostředí vyloučit. Na trhu jsou pojistkové vložky, jejichž tavné vodice mají pájecí látku z SnBi 95 5. Přitom mají časy tavení tavných vodičů, opatřených touto pájkou zřetelně větší rozptyl než tyto s běžnými SnCd-pájkami.

SnBi-pájky mají obecně sklon k roztěkání. Aby se tomuto zabránilo, je u pojistkové vložky, nacházející se na trhu, pájka pokryta vrstvou obsahující silikon. Zhášecí chování pojistkové vložky se přitom muže při rozkládání silikonu zřetelně zhoršovat v důsledku atomů uhlíku.

Systém tavný vodič, a pájka je třeba obecně dimenzovat tak, že při déle působícím nadproudu se pájka místně taví, materiál jejího nosiče, tedy tavný vodič, se natavuje a tím se urychluje vypnutí. Obvykle se zde hovoří o M-efektu. Pájka má přitom splňovat následující podmínky:

- dostatečná rozpustnost pájecí látky pro materiál tavného vodiče, zpravidla měď,

- žádné tečení pájky během tavení,

- má se zabraňovat tavným můstkům mezi konci nataveného tavného vodiče.

Jako brzdicí prostředek, který má zabránit tečení pájky u pájecího materiálu prostého kadmia, již byl upraven organický povlak. Tím se sice může zabránit tečení pájecích materiálů prostých kadmia termickým rozkladem organické mřížky při tavení tavného vodiče, tedy pro vypnutí pojistky, avšak může se vytvořit elektricky vodivý film z plastu, čímž může být zabráněno přerušení proudového obvodu.

Problém tečení existuje od té doby, co existují pokusy pracovat s pájkou bez kadmia.

Spis US 3 627 517 obsahuje pojistkovou vložku tvořící předvýznakovou část nároku 1.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je vyvinout pojistkovou vložku, která pracuje s tavným vodičem na pájce prosté kadmia, a u níž se popsané problémy, týkající se zejména rozptylu vypínacích hodnot a tečení pájky, odstraní tak, že se dosahuje jinak dobrých vlastností systémů tavných vodičů obsahujících kadmium.

Uvedený úkol splňuje pojistková vložka, zejména pro nízkonapěťové pojistky o vysokém výkonu, NH-pojistky, která obsahuje alespoň jeden tavný vodič s pájecím materiálem v místě uložení pájky na nosiči, přičemž pájka je vytvořena na bázi cínu a nosič na bázi mědi, přičemž pájka obsahuje jako účinný materiál prostý kadmia slitinu cínu se dvěma dalšími složkami, podle vynálezu, jehož podstatou je, že první, podle hmotnostních procent větší, složka, která je však podle hmotnostních procent menší než podíl cínu jako základního materiálu, je zvolena podle toho, aby snížila teplotu tavení pájky, a druhá, podle hmotnostních procent menší, složka je materiálem, který se v cínu nerozpouští, čímž při ochlazování z kapalného do pevného stavu vznikají

- 1 CZ 299341 B6 krystalizační zárodky, které způsobují jemnou strukturu a zabraňují zhrubnutí struktury při zatížení pojistky. Takový systém tavný vodič-pájka se nechá přizpůsobit tomu, aby měl podobné chování při rozptylu jako při použití kadmia, a vhodné reakční časy. Jemná struktura podporuje zjevné rozpouštění nosného materiálu, tedy tavného vodiče, čímž se dosahuje stejných času tavení a rovnoměrného tavného chování jako u tavných vodičů s běžnými tavnými vodičipájkami, obsahujícími kadmium. Tavný proces se tím nevystavuje zvláštní přeměně energie, takže se nekoná dodatečný ohřev.

Nároky 2 až 6 se vztahují k přednostním dalším řešením systému pájka-tavný vodič.

Vynález má za základ další úkol, dále vyvinout pojistkovou vložku bez kadmia tak, že se pájka podporuje ve své odolnosti proti tečení. Řešení uvedeného úkolu se uskutečňuje podle vynálezu pomocí pojistkové vložky podle nároku 7. Potom se pájka jako pájecí materiál v umístění pájky na nosiči, a popř. nebo nosič opatřuje oxidovým povlakem. Oxidové povlak se muže vytvářet tepelně nebo chemicky. Stačí, když oxidová vrstva je vytvořena v hraniční oblasti mezi pájkou a nosičem. V praxi se může ve spojení s běžnou geometrickou konfigurací v oblasti pájky nebo v její blízkosti řídit smáčení nosiče i žádaným způsobem pomocí geometrie oxidovaných oblastí.

Vynález se dále tyká způsobu k výrobě pojistkové vložky, pročež se pájka a/nebo nosič podrobují tepelnému ošetření v oxidační atmosféře. Dále je navržen způsob k výrobě pojistkové vložky, přičemž se pájka a/nebo nosník ošetřuje látkou, afinní k pájce a popř. nebo k nosiči. Zejména se k tomu hodí roztok sulfidu sodného.

Látka, afinní k pájce a/nebo nosiči, se může nanášet mezi nasákavými a afinní látkou napuště25 nými válečky.

Řešení uvedeného úkolu se konečně podle vynálezu uskutečňuje pomocí pájecího materiálu, skládajícího se ze slitiny cín-bizmut-měď, slitiny cín-indium-měď nebo slitiny cín-bizmutželezo. Jako zvláště přednostní se ukázala pájecí materiál, který má slitinu cín-bizmut-měď s 10 až 30 % bizmutu a 0,3 až 1,0 % mědi, spolu s 99,5 % cínu, zbytek běžné nečistoty.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález se nyní má blíže vysvětlit podle obrázku a podle příkladů.

Na obrázku 1 jsou tavné zkoušky vynesené v grafu, přičemž vlevo je pro porovnání znázorněna běžná pájecí látka cín-kadmium ve svém vypínacím chování podle několika pokusů a podle stavu techniky. V řadě pokusů, vynesených vpravo, je znázorněno vypínací chování cínu40 bizmutu-mědi při různých podílech.

Na obrázku 2 jsou v poloze proti sobě, vlevo pro bezkadmiovou pájku bez mědi, vpravo pro příkladné provedení podle vynálezu, s pájkou obsahující kadmium a cín-bizmut s mědí, reprodukovány právě tavný vodič s úzkým místem před umístěním pájky po zareagování tavného vodiče a při přerušeném tavném vodiči.

Příklady provedení vynálezu

V grafu podle obr. 1 je na svislé ose vynesen čas reakce tavného vodiče ve vteřinách až po jeho přerušení a na vodorovné ose jsou vynesené slitiny cínu s uvedenými složkami ajejich podíly. Jsou vynesené výsledky více pokusů. Jako nosič pro pájku sloužila měď. Cín-kadmium slouží jako orientační hodnota. U bezkadmiových slitin se zkoumal bizmut s podílem ve váhových procentech 25, 15 a 5% právě při zatížení 32 A proudem fáze, zde ve stejném významu

-2 CZ 299341 B6 s 1,6-násobkem jmenovitého proudu. Podíly mědi leží právě při 0,8 %. Podíl cínu leží při rozdílu na 99,5 %, přičemž zbytek jsou běžné nečistoty.

První další součást slitiny cínu spočívá v menším podílu než je podíl základní látky cínu. Touto součástí se snižuje teplota tavení pájky. V předloženém případě se pro to použil bizmut. Druhá součást, podle váhových procent menší, je látka, která se nerozpouští v cínu, čímž při ochlazování z kapalného stavu do pevného vznikají krystalizační zárodky, které způsobují jemnou strukturu. Zde se používala měď. Z grafu podle obr. 1 je patrné rozptylové chování příslušné slitiny a pro určitou geometrii tavného vodiče, s úzkým místem před pájením, také dobu k zareagování a až k odpojení. Tyto časy se mohou pro upravenou proudovou zátěž a při použití určité slitiny pro pájení silně ovlivňovat geometrií tavného vodiče a popř. druhem a rozměry tenkého místa před pájením.

Jako dobře vhodné se prokázaly pojistkové vložky s pájecí látkou tavného vodiče ze slitiny cínbizmut-měď, ze slitiny cín-indium-měď a ze slitiny cín-bizmut-železo.

Jako zvlášť příznivé se projevila slitina cínu s podílem 3 až 40 % bizmutu a s 0,3 až 5,0 %, právě váhovými procenty, mědi. Celkem při podílu cínu jako rozdílu na 99,5 %, zbytek běžné nečistoty.

Jako příznivá se projevila i slitina cín-indium-měď se složkami v poměru a podle váhových procent: Sn od 70 do 96 %, In od 3 do 30 %, Cu od 0,3 do 5,0 %.

Mezi slitinami cín-bizmut-měď jsou takové zvlášť příznivé, jejichž podíly, právě ve váhových procentech, leží v následující oblasti:

Sn od 89 do 96 %

Bi od 3 do 10 % a

Cu od 0,8 do 2,3 %.

Mezi slitinami cín-bizmut mají zvláště malý rozptyl a v praxi zvláště přednostní chování při zareagování ty s podílem ve váhových procentech:

Sn od 69 do 89 %

Bi od 10 do 30%

Cu od 0,3 do 1,0 %.

Celkem 99,5 %, zbytek běžné nečistoty.

Na obr. 2 je pro tavný vodič stejné geometrické konfigurace reprodukováno přerušené úzké místo před umístěním pájky, právě ve zvětšení, přičemž větší šířka tavného vodiče je ve skutečnosti 14 mm. V levém zobrazení se u měděného tavného vodiče k porovnání použila pájka cín-bizmut s přibližně 75 % cínu a 25 % bizmutu. V pravém zobrazení obr. 2 je pro slitinu cín-bizmut-měď při 25 % bizmutu a 0,8 % mědi a podílu cínu 73,7 %, celkem 99,5 %, při 0,5 % běžných nečistot, reprodukována situace po přerušení tavného vodiče působením pájky. Nechá se představit, že pájka a napadnutý tavný vodič má ve výbrusu jemnou strukturu a čisté obrysy. Přeměna energie při tavení tavného vodiče se tím drží malá a zabraňuje se vzniku tepelných trhlin.

Chování upravené slitiny tří látek se může dále podporovat pomocí oxidového povlaku na pájce v umístění pájky a/nebo na tavném vodiči, minimálně v okolí umístění pájky. Takovým oxidovým povlakem se může zabraňovat stékání tavící se pájky při zareagování tavného vodiče v bezpečnostní vložce. Toto opatření, cíleně použít oxidový povlak, se nechá obecně použít u pájek, které nejsou obecně místně odolné, nezávisle na běžné konstrukci pájky popř. slitiny, sloužící jako pájka.

-3 CZ 299341 Β6

Takový oxidový povlak může být tvořen tepelně nebo chemicky. K tepelné oxidaci se může pájka a/nebo nosič ošetřovat v oxidující atmosféře. Může se cíleně pracovat s lokálním působením tepla/ například pomocí plamene.

Pro chemické ošetření se hodí látka, afinní k pájce nebo k nosiči. Tak se může u nosiče na bázi mědi ošetřovat tavný vodič roztokem na bázi natrium-sulfid. To se může v nejjednodušším případě uskutečňovat nanášením štětcem nebo válečky, napuštěnými afinní látkou, které se na požadovaném místě převalují přes tavný vodič. Aby se ještě bezpečněji zabránilo vytékání pájky, stačí, jen v oblasti pájky a sousedních oblastí nosiče provést oxidaci.

Bezkadmiovými pájecími látkami pro pojistkové vložky mohou být přednostně slitina cínbizmut-měď, slitina cín-indium-měď. Přitom je bez zohlednění geometrické konfigurace tavného vodiče příznivé, když podíly existují jak je uvedeno dále, vždy ve váhových procentech:

bismut 10 až 30 % měď 0,3 až 1,0 % spolu s cínem 99,5 %, zbytek nečistoty.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Pojistková vložka, zejména pro nízkonapěťové pojistky o vysokém výkonu, NH-pojistky, která obsahuje alespoň jeden tavný vodič s pájecím materiálem v místě uložení pájky na nosiči, přičemž pájka je vytvořena na bázi cínu a nosič na bázi mědi, přičemž pájka obsahuje jako účinný materiál prostý kadmia slitinu cínu se dvěma dalšími složkami, vyznačující se tím, že první, podle hmotnostních procent větší, složka, která je však podle hmotnostních procent menší než podíl cínu jako základního materiálu, je zvolena podle toho, aby snížila teplotu tavení pájky, a druhá, podle hmotnostních procent menší, složka je materiálem, který se v cínu nerozpouští, čímž při ochlazování z kapalného do pevného stavu vznikají krystalizační zárodky, které způsobují jemnou strukturu.
2. Pojistková vložka podle nároku 1, vyznačující se tím, že pájecím materiálem tavného vodiče je slitina cín (Sn)-vizmut (Bi)-měď (Cu), slitina cín (Sn)-indium (In}-měď (Cu) nebo slitina cín (Sn)-vizmut (Bi)-železo (Fe).
3. Pojistková vložka podle nároku 2, vyznačující se tím, že slitina cín (Snj-vizmut (Bi)-měď (Cu) obsahuje podíly podle hmotnostních procent: Sn 60 až 96 %, Bi 3 až 40 %, Cu 0,3 až 5,0 %, celkově 99,5 %, zbytek obvyklé nečistoty.
4. Pojistková vložka podle nároku 2, vyznačující se tím, že slitina cín (Sn)-indium (ln)-měď (Cu) obsahuje podíly podle hmotnostních procent: Sn 70 až 96 %, In 3 až 30 %, Cu 0,3 až 5,0 %, celkově 99,5 %, zbytek obvyklé nečistoty.
5. Pojistková vložka podle nároku 3, vyznačující se tím, že pájecím materiálem je slitina cín (Sn)-vizmut (Bi)-měď (Cu) obsahující podíly podle hmotnostních procent: Sn 89 až 96 %, Bi 3 až 10 %, Cu 0,8 až 2,3 %, celkově 99,5 %, zbytek obvyklé nečistoty.
6. Pojistková vložka podle nároku 3, vyznačující se tím, že pájecím materiálem je slitina cín (Sn)-vizmut (Bi)-měď (Cu) obsahující podíly podle hmotnostních procent: Sn 69 až 89 %, Bi 10 až 30 %, Cu 0,3 až 10 %, celkově 99,5 %, zbytek obvyklé nečistoty.

-4CZ 299341 B6
7. Pojistková vložka podle nároku 1, vyznačující se tím, že pájka, jako pájecí materiál v místě uložení pájky na nosiči, a popřípadě nebo nosič, jsou opatřeny oxidovým povlakem.
8. Pojistková vložka podle nároku 7, vyznačující se tím, že oxidový povlak je vytvořen tepelně.
9. Pojistková vložka podle nároku 7, vyznačující se tím, že oxidový povlak je vytvořen chemicky.
10. Způsob výroby pojistkové vložky podle nároku 9, přičemž tavný vodič je opatřen pájecím materiálem v místě uložení pájky na nosiči a pájka a/nebo nosič se podrobí tepelnému zpracování v oxidační atmosféře.
11. Způsob výroby pojistkové vložky podle nároku 9, přičemž tavný vodič je opatřen pájecím materiálem v místě uložení pájky na nosiči a pájka a/nebo nosič se podrobí tepelnému zpracování materiálem afinním vůči pájce a popřípadě nebo k nosiči.
12. Způsob výroby pojistkové vložky podle nároku 11, vyznačující se tím, žeu pojistkové vložky s pájkou na bázi cínu a s nosičem na bázi mědi se tavný vodič podrobí zpracování roztokem natrium-sulfid.
13. Způsob výroby pojistkové vložky podle nároku 11 nebo 12, vyznačující se tím, že zpracování materiálem afinním vůči pájce a/nebo nosiči se uskuteční mezi nasákavými a afinním materiálem napuštěnými válečky.
14. Způsob výroby pojistkové vložky podle jednoho z nároků 10 až 13, vyznačující se tím, že oxidace se vytvoří pouze v oblasti pájky a sousedních oblastí nosiče.
15. Pájecí materiál pro pojistkové vložky, přičemž pájka obsahuje jako účinný materiál prostý kadmia slitinu cínu se dvěma dalšími složkami, vyznačující se tím, že první, podle hmotnostních procent větší, složka, která je však podle hmotnostních procent menší než podíl cínu jako základního materiálu, je zvolena podle toho, aby snížila teplotu tavení pájky, a druhá, podle hmotnostních procent menší, složka je materiálem, který se v cínu nerozpouští, čímž při ochlazování z kapalného do pevného stavu vznikají krystalizační zárodky, které způsobují jemnou strukturu.
16. Pájecí materiál podle nároku 15, sestávající ze slitiny cín-vizmut-měď, slitiny cín-indiumměď nebo slitiny cín-vizmut-železo.
17. Pájecí materiál podle nároku 16, vyznačující se tím, že slitina cín (Sn)-vizmut (Bi)-měď (Cu) obsahuje podíly podle hmotnostních procent: Bi 10 až 30%, Cu 0,3 až 1,0%, celkově s cínem 99,5 %, zbytek obvyklé nečistoty.