JP2006339185A - Method of welding lead terminal for capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スズを主体とする金属メッキされたリード線（ＣＰ線）とアルミニウム等からなる線材、特にコンデンサ用リード端子の溶接方法に関する。 The present invention relates to a metal-plated lead wire (CP wire) mainly composed of tin and a wire made of aluminum or the like, particularly to a method for welding a lead terminal for a capacitor.
従来、コンデンサ用リード端子の溶接方法は、アルミニウム等からなる線材とリード線（ＣＰ線）、即ち鉄、銅等をベースにした線材の表面に極めて高純度のスズでメッキが施されたものをアークスタッド溶接法等で接合する方法がある。
ところが、この方法では、溶接ビード表面にスズのウィスカが発生するという問題がある。
当該ウィスカは、経時的に生長するために回路基板に実装した時に接触して短絡を引き起こす心配があり、この予見が重要となっている。
このような背景から、電子情報産業技術協会（JEITA）では、電子デバイスのウィスカ試験方法の標準化を行い、ＪＩＳ原案の作成および国際電子技術委員会（IEC）国際提案が計画されている。
Conventionally, the welding method for lead terminals for capacitors is to use a wire made of aluminum or the like and a lead wire (CP wire), that is, the surface of a wire based on iron, copper, etc., plated with extremely high purity tin. There is a method of joining by an arc stud welding method or the like.
However, this method has a problem that tin whiskers are generated on the surface of the weld bead.
Since the whisker grows with time, there is a concern that the whisker may come into contact with the whisker when mounted on a circuit board, and this prediction is important.
Against this background, the Japan Electronics and Information Technology Association (JEITA) is standardizing electronic device whisker test methods, and drafting JIS drafts and international proposals for the International Electrotechnical Commission (IEC) are planned.
これまで、電解コンデンサ製作の後工程のハンダ付け特性向上の目的で鉛を含有するスズメッキが施されたリード線が使用され、この場合はウィスカが発生しないことが知られている。
しかし、昨今、地球環境問題に対する関心が高まる中、特に鉛の使用削減に対する要求が高くなってきている。
このような背景から鉛を含有しないスズメッキを施したリード線（ＣＰ線）の使用が急務になっているが、上述のウィスカ発生を完全に防止できる方法は未だ開示されていない。
Up to now, lead wires plated with tin containing lead have been used for the purpose of improving soldering characteristics in the post-process of electrolytic capacitor fabrication. In this case, it is known that whiskers do not occur.
However, in recent years, as interest in global environmental issues has increased, there has been an increasing demand for reducing the use of lead.
From such a background, the use of lead wires (CP wires) plated with tin that does not contain lead is urgently needed, but a method that can completely prevent the occurrence of the above whiskers has not yet been disclosed.
そこで、当該ウィスカを抑制する方法として、ビスマス等の金属を含有したスズメッキを施したリード線を使用する方法（特許文献１）、溶接前処理としてアルカリ性の洗浄液でリード線を洗浄・乾燥後に加熱する方法（特許文献２）、溶接後処理として酸素雰囲気内で加熱する方法と溶接終了後数ミリ秒〜１秒内に珪酸塩やホウ酸塩等を無機酸塩が含まれた加熱水溶液に浸漬する方法（特許文献３）がある。
また、関連技術として、ウィスカ発生を抑制するスズ合金メッキを得る表面処理剤ベンズイミダゾール化合物およびその塩を含むハンダ用の表面処理剤（特許文献４）が開示されている。
また、無鉛スズメッキされた銅リード端子との溶接強度の向上を目的として、スズの溶融温度近くの温度で予熱（加熱されたアルゴン、窒素等の不活性ガスを吹き付ける手段等で）後にアーク溶接する方法（特許文献５）が開示されている。
Therefore, as a method for suppressing the whisker, a method using a lead wire plated with tin containing a metal such as bismuth (Patent Document 1), and heating the lead wire after washing and drying with an alkaline cleaning solution as a pretreatment for welding. Method (Patent Document 2), a method of heating in an oxygen atmosphere as post-welding treatment, and immersing silicate, borate, etc. in a heated aqueous solution containing inorganic acid salt within a few milliseconds to 1 second after the end of welding There is a method (Patent Document 3).
Further, as a related technique, a surface treatment agent for solder containing a benzimidazole compound and a salt thereof for obtaining a tin alloy plating for suppressing whisker generation (Patent Document 4) is disclosed.
Also, for the purpose of improving the welding strength with lead-free tin-plated copper lead terminals, arc welding is performed after preheating at a temperature close to the melting temperature of tin (by means of blowing an inert gas such as heated argon or nitrogen). A method (Patent Document 5) is disclosed.
以上のような方法が開示されているが、鉛が含有しないビスマス・スズ合金メッキによる方法では、当該ウィスカの発生は未だ完全に防止できていない。
また当該ウィスカが発生する溶接ビードの一部になるリード線（ＣＰ線）先端部だけでなく、合金メッキが不要な部分を含む全体に施されてコスト面で問題がある。
Although the method as described above is disclosed, the generation of the whisker has not been completely prevented by the method using bismuth-tin alloy plating that does not contain lead.
Further, there is a problem in terms of cost because it is applied not only to the tip portion of the lead wire (CP wire) that becomes a part of the weld bead generated by the whisker but also to the entire portion including the portion that does not require alloy plating.
溶接前処理としてアルカリ性の洗浄液でリード線（ＣＰ線）を洗浄・乾燥後に加熱する方法では、上述の方法と同様に当該ウィスカの発生は完全に防止できていない。
また、複雑な生産工程管理の下で長時間（約２１分）加熱する必要がある等、生産性やコスト面で問題がある。
In the method of heating the lead wire (CP wire) after washing and drying with an alkaline cleaning liquid as a pretreatment for welding, the generation of the whisker cannot be completely prevented as in the above-described method.
In addition, there is a problem in productivity and cost, such as heating for a long time (about 21 minutes) under complicated production process management.
溶接後処理として酸素雰囲気内で長時間（１０〜６０分）加熱する方法および溶接終了後数ミリ秒〜１秒内に珪酸塩やホウ酸塩等を無機酸塩が含まれた加熱水溶液に浸漬する方法では、上述の方法と同様にリード線（ＣＰ線）とアルミニウムタブとの溶接後に上記加熱工程や浸漬工程等の後工程が更に必要となり生産性やコスト面で問題があるだけでなく、当該ウィスカの長さが約１００μm〜１７０μm程度の抑制効果であって、防止できる状態には至っていない。 A method of heating in an oxygen atmosphere for a long time (10 to 60 minutes) as a post-welding treatment, and immersing a silicate or borate in a heated aqueous solution containing an inorganic acid salt within a few milliseconds to 1 second after the end of welding. In the method to do, there is not only a problem in productivity and cost because it requires further post-processes such as the heating step and immersion step after welding the lead wire (CP wire) and the aluminum tab in the same manner as described above. The whisker length has a suppression effect of about 100 μm to 170 μm and has not yet been prevented.
また、加熱された不活性ガスのみを吹き付けて予熱後にアーク溶接した場合では、例え溶接強度が向上しても溶接ビード表面にウィスカ発生要因のスズが存在して、ウィスカの発生を防止できる状態には至っていない。 Also, in the case of arc welding after preheating by blowing only heated inert gas, even if the welding strength is improved, tin that causes whisker is present on the surface of the weld bead so that whisker generation can be prevented. Has not reached.
当該ウィスカは、リード線（ＣＰ線）を単独で加熱溶融・凝固しても発生せず、溶接による溶融金属（アルミニウム、スズ等をから成る）の凝固過程で発生要因が殆んど形成されることが発明者の研究で判明している。
従って、上述の溶接金属の表面に施す溶接前処理や溶接後処理では、当該ウィスカの長さを１００μm未満に信頼性良く抑制することはもとより完全に防止する効果を得ることは困難である。
Therefore, in the pre-welding process and post-welding process performed on the surface of the above-described weld metal, it is difficult to obtain the effect of completely preventing the whisker length from being reliably suppressed to less than 100 μm.
本発明は、ウィスカの発生要因が形成される溶接過程で生長遮断することによって、ウィスカの発生を防止することができるコンデンサ用リード端子の溶接方法を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a capacitor lead terminal welding method capable of preventing the generation of whiskers by cutting off the growth in the welding process in which the cause of whisker generation is formed.
本発明は、スズを主体とした鉛を含有しない金属メッキされたリード線（ＣＰ線）とアルミニウムタブとを接合するコンデンサ用リード端子の溶接方法であって、溶接シールドガスとして不活性ガスと活性ガスとの混合ガスを用い、リード線とアルミニウムタブとを溶接することを特徴としている。 The present invention relates to a method for welding a lead terminal for a capacitor for joining a lead-free metal-plated lead (CP wire) mainly composed of tin and an aluminum tab, and includes an inert gas and an active gas as a welding shield gas. It is characterized by welding a lead wire and an aluminum tab using a mixed gas with gas.
本発明は、前記活性ガスとして酸素ガスまたは酸素ガスと炭酸ガスとの混合ガス、不活性ガスとしてアルゴンガス、ヘリウムガスの何れか一方または両者の混合ガスを用いたことを特徴としている。 The present invention is characterized in that oxygen gas or a mixed gas of oxygen gas and carbon dioxide gas is used as the active gas, and one or both of argon gas and helium gas are used as the inert gas.
本発明は、コンデンサ用リード端子の溶接方法で、即ち、溶接シールドガスとして不活性ガスであるアルゴンガス、ヘリウムガスの何れか一方または両者の混合ガスに、活性ガスである酸素ガスを１０〜２５％混合したガスを用いたガスシールド溶接を行うことで、溶融したスズが溶接金属内部（アルミニウムを主成分とした）に凝集凝固して取り込まれる。
その結果、溶接金属中にスズが広範囲に分散凝固することが阻止されて、溶接ビード表面からのウィスカの発生を防止することができる。この現象の全てが明らかになってはいないが、アークプラズマ気流中のガスを電離し易くする効果がある酸素が溶融金属を高温で攪拌して、比重が大きいスズが内部に取り込まれたものと推察している。
尚、高価なアルゴンガスやヘリウムガスの消費量の削減する目的で、自ら当該ウィスカの発生を抑制する効果を有する炭酸ガスを混合しても良い。
The present invention relates to a method for welding a capacitor lead terminal, that is, an argon gas or helium gas which is an inert gas as a welding shield gas, or an oxygen gas which is an active gas in a mixed gas of 10 to 25. By performing gas shield welding using a mixed gas, molten tin is agglomerated and solidified inside the weld metal (mainly made of aluminum).
As a result, it is possible to prevent tin from being dispersed and solidified in a wide range in the weld metal, and to prevent generation of whiskers from the surface of the weld bead. Although all of this phenomenon has not been clarified, it is said that oxygen, which has the effect of easily ionizing the gas in the arc plasma stream, stirs the molten metal at a high temperature, and tin with a large specific gravity is taken inside. I guess.
For the purpose of reducing the consumption of expensive argon gas or helium gas, carbon dioxide gas having an effect of suppressing the generation of the whisker itself may be mixed.
溶接ビード形状を改善するシールドガス、即ち、電位傾度の高い不活性ガス（ヘリウムガス）を活性ガスの効果を損なわない範囲の割合で添加することによって、溶接ビード形状を平滑（ぬれ性向上）にする効果とアーク発生時の溶融金属を高温化にする効果によって、更に当該ウィスカの発生防止の信頼性向上を図ることができる。 By adding a shielding gas that improves the weld bead shape, that is, an inert gas (helium gas) having a high potential gradient in a range that does not impair the effect of the active gas, the weld bead shape is made smooth (improves wettability). Due to the effect of increasing the temperature of the molten metal at the time of arc generation, it is possible to further improve the reliability of preventing the occurrence of the whisker.
本発明によれば、従来技術のようなリード線（ＣＰ線）とアルミニウムタブとの溶接における前処理や後処理等の複雑な生産管理工程を経ることなく、溶接シールドガスとして不活性ガスに活性ガスを添加する手段によって、溶接過程が完了すると同時に当該ウィスカの発生源から絶って防止することが可能になる。 According to the present invention, it is active as an inert gas as a welding shield gas without going through complicated production management processes such as pre-treatment and post-treatment in welding of a lead wire (CP wire) and an aluminum tab as in the prior art. By means of adding gas, it is possible to prevent the whisker from being generated at the same time as the welding process is complete.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
本発明である電解コンデンサや電気２重層コンデンサ用リード端子の溶接方法の一例として、図１および図２に示すアークスタッド溶接法のシステム構成図で説明する。
以下、電解コンデンサ用リード端子にて説明する。
アルゴンガス１を充填したガスボンベ及び酸素ガス２を充填したガスボンベから各ガスを供給混合する混合器３を設け、該混合器３で所定の割合で混合された溶接シールドガス１１を供給する複数のシールドノズル４を設ける。
なお、５はガスボンベに充填したヘリウムガスである。
アークスタッド溶接装置６の一方の電極７でリード線（ＣＰ線）８を把持し、他方の電極９でアルミニウムタブ１０を把持して、リード線（ＣＰ線）８先端とアルミニウムタブ１０先端との接触点、即ち、溶接部には前記シールドノズル４から溶接シールドガス１１が供給されるように配置する。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
As an example of the welding method of the electrolytic capacitor and the electric double layer capacitor lead terminal according to the present invention, a system configuration diagram of the arc stud welding method shown in FIGS. 1 and 2 will be described.
Hereinafter, explanation will be made with the lead terminals for electrolytic capacitors.
A
In addition, 5 is helium gas with which the gas cylinder was filled.
The lead wire (CP wire) 8 is gripped by one
リード端子はリード線（ＣＰ線）８とアルミニウムタブ１０とからなり、アルミニウムタブ１０は、０．５〜２ｍｍ程度の丸棒状のアルミニウム線を成形加工して偏平部と丸棒部が形成され、この丸棒部とリード線（ＣＰ線）８が溶接されてリード端子が構成される。
なお、アルミニウム線の平坦部は、ここに示さない電極箔に接続される。
リード線（ＣＰ線）８は、丸棒状の線材が用いられ、この線材には、例えば、０．３〜１．２ｍｍ程度の直径の軟鋼線の表面に銅皮膜を形成したものを用いる。
この線材には、軟鋼線の他、純銅線または銅合金線、その他の金属線を用いても良い。このリード線（ＣＰ線）の表面には、スズやスズ−ビスマス等のスズを主体とする金属メッキが施されている。
The lead terminal is composed of a lead wire (CP wire) 8 and an
The flat portion of the aluminum wire is connected to an electrode foil not shown here.
The lead wire (CP wire) 8 is a round rod-shaped wire, and for this wire, for example, a wire formed by forming a copper film on the surface of a mild steel wire having a diameter of about 0.3 to 1.2 mm is used.
In addition to mild steel wire, pure copper wire, copper alloy wire, or other metal wires may be used for this wire. The surface of the lead wire (CP wire) is subjected to metal plating mainly composed of tin such as tin or tin-bismuth.
次に、本発明の電解コンデンサ用リード端子の溶接方法を説明する。
リード線（ＣＰ線）８の先端と、アルミニウムタブ１０の丸棒部の先端とを一定間隔で対向配置し、アークスタッド溶接装置６の電極７を稼動させてリード線（ＣＰ線）８の先端と丸棒部の先端を接触させると共に前記溶接装置６を作動させてシールドノズル４より溶接シールドガスを供給してリード線８とアルミニウムタブ１０との溶接部をシールドする。
この状態で、リード線（ＣＰ線）８をアルミニウムタブ１０より引き離すことで、リード線（ＣＰ線）８の先端とアルミニウムタブ１０の丸棒部の先端との間にアークが発生、対向するリード線（ＣＰ線）８の先端とアルミニウムタブ１０の丸棒部の先端が溶融する。
この状態で、リード線（ＣＰ線）８をアルミニウムタブ１０の丸棒部の先端側に移動させて当接すると、金属間で溶融・凝固してリード線（ＣＰ線）８とアルミニウムタブ１０の丸棒部とが溶着される。
Next, the welding method of the lead terminal for electrolytic capacitors of this invention is demonstrated.
The tip of the lead wire (CP wire) 8 and the tip of the round bar portion of the
In this state, by separating the lead wire (CP wire) 8 from the
In this state, when the lead wire (CP wire) 8 is moved and brought into contact with the tip of the round bar portion of the
従来、アークスタッド溶接によって、シールドガスとして１００％アルゴンガスを使用して鉛を使用しない純スズメッキされたリード線（ＣＰ線）とアルミニウム線を接合した場合、図３に示すように溶接ビードからウィスカ１２が時間経過と共に発生・生長する。 当該ウィスカ１２は、図４ａの溶接金属内部領域及び図４ｂの溶接金属表層部領域の電子顕微鏡（左）およびＸ線分光分析写真（右）に示すようにリード線（ＣＰ線）の表面にメッキされたスズ（Ｓｎ）が溶接金属中（Ａｌ）に分散凝固した部分から発生することが発明者による研究で明らかになっている。
従って、前述のような溶接ビード表面処理による公知方法では当該ウィスカ１２の発生を防止することは不可能である。
Conventionally, when arc lead welding is used to join a lead wire (CP wire) plated with pure tin that does not use lead using 100% argon gas as a shielding gas and an aluminum wire, as shown in FIG. 12 occurs and grows over time. The
Therefore, it is impossible to prevent the
この発生原因については、溶接によるアルミニウム（Ａｌ）からの外部応力により歪みを受けた島状のスズ（Ｓｎ）が再結晶（再結晶温度０〜２５℃）して歪みのない大きな結晶であるウィスカに変わる現象である等の仮説が有望であるが明らかではない。 As for the cause of this occurrence, whisker is a large crystal without distortion due to recrystallization (recrystallization temperature 0 to 25 ° C.) of island-shaped tin (Sn) which has been strained by external stress from aluminum (Al) due to welding. The hypothesis that it is a phenomenon that changes to is promising but not clear.
そこで、この現象を解決する溶接方法の一例として、図１に示すように不活性ガスであるアルゴンガス１と活性ガスである酸素ガス２とを混合器３でそれぞれ７５〜９０％、１０〜２５％の割合で混合、複数のシールドノズル４からシールドガス１１として溶接部に供給してアークスタッド溶接装置６でリード線（ＣＰ線）８とアルミニウム線１０を図２に示すように溶接する。
Therefore, as an example of a welding method for solving this phenomenon, as shown in FIG. 1, argon gas 1 which is an inert gas and oxygen gas 2 which is an active gas are mixed in a
その結果、図５ａの溶接金属内部領域及び図５ｂの溶接金属表層部領域の電子顕微鏡（左）およびＸ線分光分析写真（右）に示すようにリード線（ＣＰ線）の表面にメッキされたスズ（Ｓｎ）が溶接金属内部に凝集凝固して取り込まれて、溶接金属表層部はアルミニウム（Ａｌ）中にスズ（Ｓｎ）が分散凝固されなくなる。
この反応をアーク溶接による溶融凝固の過程中で行う方法によって、ウィスカの発生を防止することが可能となる。
As a result, the surface of the lead wire (CP line) was plated as shown in an electron microscope (left) and an X-ray spectroscopic analysis photograph (right) of the weld metal inner region of FIG. 5a and the weld metal surface layer region of FIG. 5b. Tin (Sn) is agglomerated and solidified inside the weld metal, and the surface of the weld metal does not disperse and solidify tin (Sn) in aluminum (Al).
By performing this reaction in the process of melt solidification by arc welding, it becomes possible to prevent the generation of whiskers.
更に、上述の混合ガスに電位傾度の大きいヘリウムガス５（アークプラズマエネルギーが大きい）を酸素ガス２の効果が阻害されない範囲で添加、溶接ビードを平滑することで凹凸部にスズ（Ｓｎ）が残存しないようにして当該ウィスカの発生防止の信頼性向上を図ることができる。
Further,
尚、リード線（ＣＰ線）８の金属メッキは、スズを主体とした金属メッキであれば良く、スズ−ビスマス等の他の金属材料を含有するものも含まれる。 The metal plating of the lead wire (CP wire) 8 may be metal plating mainly composed of tin, and includes those containing other metal materials such as tin-bismuth.
また、溶接法として、前記実施例のアークスタッド溶接法はもとより他のガスシールド溶接法（レーザ溶接法、マイクロＴＩＧ溶接法等）に応用した方法も含まれる。
更に、同様のガス雰囲気を形成できるチャンバー内で溶接する方法も含まれる。
In addition, the welding method includes not only the arc stud welding method of the above embodiment but also other gas shield welding methods (laser welding method, micro TIG welding method, etc.).
Furthermore, a method of welding in a chamber capable of forming a similar gas atmosphere is also included.
１ アルゴンガス
２ 酸素ガス
３ 混合器
４ シールドノズル
５ ヘリウムガス
６ アークスタッド溶接装置
７ 一方の電極
８ リード線（ＣＰ線）
９ 他方の電極
１０ アルミニウム線
１１ シールドガス
１２ ウィスカ
1 Argon gas 2
9
Claims (3)
3. The method for welding capacitor lead terminals according to claim 1, wherein tin is coagulated and solidified inside the weld metal of the lead wire and the aluminum tab.
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