JP2007035280A

JP2007035280A - 銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法

Info

Publication number: JP2007035280A
Application number: JP2005211996A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Uemura; 充明植村; Izumi Sakai; 和泉酒井
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】銅リード線と低融点ヒューズエレメントとのレーザ溶接において、溶融ヒューズエレメント部分の冷却固化時間を短くして溶接時間全体の短縮化を図る。
【解決手段】銅リード線の扁平部表面に錫を被覆しておく。レーザ照射時、錫被覆層が溶融され、この溶融被覆層と溶融ヒューズエレメントとの接触界面の合金化が促されて接合強度が高められ、溶融ヒューズエレメント部分の濡れ拡がりが少なくても、すなわち、加熱時間が短くても、充分な強度を接合界面に付与できる。従って、加熱時間を短くできる結果、加熱温度をそれだけ低くでき、ヒューズエレメントの溶融部分が冷却固化するまでの時間がそれだけ短くなる。その結果、レーザ溶接時間全体を短くできる。
【選択図】なし

Description

本発明は銅リード線と低融点ヒューズエレメントとをレーザ溶接により接合する方法に関するものである。

温度ヒューズは、リード線間への低融点ヒューズエレメントの溶接、ヒューズエレメントへのフラックスの塗布、ケース封止等の工程を経て製造される。
この製造工程でのリード線間への低融点ヒューズエレメントの溶接方法には、抵抗溶接法（例えば、特許文献１の図３を参照）、レーザ溶接方法（例えば、特許文献２を参照）、ヒータブロック加熱法（例えば、特許文献２の図６を参照）等が知られている。
図３は抵抗溶接法を示し、リード線３’，３’間上にヒューズエレメント２’を配置し、各リード線端部２１’，２１’に対の溶接用電極４ａ’，４ｂ’を当接し、通電により各リード線端部２１’，２１’を加熱し、各ヒューズエレメント端部２１’と各リード線端部３１’との接触界面をその界面近傍のヒューズエレメント部分の溶融により溶着している。
図４はレーザ溶接方法を示し、ヒューズエレメント２’の両端面に各リード線３’，３’を突合せ接触させ、各リード線３’，３’を軸方向に押圧しつつ各リード線端部２１’，２１’をレーザ照射により加熱し、各ヒューズエレメント端と各リード線端との突合せ接触界面をその界面近傍のヒューズエレメント部分の溶融により溶着している。
ヒータブロック加熱法では、このレーザ照射に代えヒータブロックを接触、脱離している。

図５は前記とは別のレーザ溶接方法を示し、ヒューズエレメント２’の両端部２１’，２１’上に扁平リード線３’，３’の端部３１’，３１’を重ね、ヒューズエレメント各端部２１’，３１’に接する各リード線端部面ｆとは反対側の面Ｆにレーザを照射して各リード線端部３１’，３１’を加熱し、各ヒューズエレメント端部と各リード線端部との接触界面をその界面近傍のヒューズエレメント部分の溶融により溶着している（特許文献３）。
通常、レーザ溶接方法は抵抗溶接法やヒータブロック加熱法に較べて溶接時間を短くできる。

特開平０５−２０５５８７号公報特開昭６３−２１８１１４号公報特開平１０−２０８６０７号公報

しかしながら、本発明者等の銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接についての鋭意検討結果によれば、ヒューズエレメントの加熱溶融部分の冷却固化に時間がかかり過ぎ、レーザ溶接後、次工程に移るのに相当に長い冷却固化時間を置く必要がある。
例えば、液相線温度１２４℃、固相線温度１５２℃、線径１０００μｍφ、長さ４ｍｍのヒューズエレメントの両端部上に帯状の銅リード線端部を接触させ、各帯状銅リード線端部の上面に変換率３．５％のＹＡＧレーザによりキセノンフラッシュランプ入力パルス２８Ａ、１０ｋＨｚにてビーム径０．２ｍｍφでレーザを２秒照射することにより溶接を行い得たが、溶融ヒューズエレメントの冷却固化に１．５秒もの時間を必要とした。

本発明の目的は、銅リード線と低融点ヒューズエレメントとのレーザ溶接において、溶融ヒューズエレメント部分の冷却固化時間を短くして溶接時間全体の短縮化を図ることにある。

請求項１に係る銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法は、銅リード線の扁平部の片面に低融点ヒューズエレメントをレーザ照射により溶接する方法であり、銅リード線の扁平部表面と低融点ヒューズエレメントとの間に錫材を介在させてレーザを照射することを特徴とする銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法。
請求項２に係る銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法は、銅リード線の扁平部の片面に低融点ヒューズエレメントをレーザ照射により溶接する方法であり、銅リード線の扁平部表面と低融点ヒューズエレメントとの間にＳｎ−Ｃｕ合金材またはＳｎ−Ｂｉ合金材を介在させてレーザを照射することを特徴とする。
請求項３に係る銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法は、銅リード線の扁平部の片面に低融点ヒューズエレメントをレーザ照射により溶接する方法であり、銅リード線の扁平部表面と低融点ヒューズエレメントとの間に、融点がヒューズエレメントの融点以上であり、その融点の差が１８０℃以下の金属材を介在させてレーザを照射することを特徴とする。
請求項４に係る銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法は、請求項１〜３何れか記載の銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法において、銅リード線の扁平部の片面の裏側にレーザを照射することを特徴とする。
請求項５に係る銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法は、請求項１〜３何れか記載の銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法において、銅リード線の扁平部の片面のヒューズエレメント横側の近傍にレーザを照射することを特徴とする。
請求項６に係る銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法は、請求項１〜５何れか記載の銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法において、銅リード線に代え銅被覆の鉄リード線を使用することを特徴とする。
請求項７に係る銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法は、請求項１〜６何れか記載の銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法において、ヒューズエレメントに外径１００〜２０００μｍφの丸線または巾が２００〜３０００μｍで厚みが３０〜１２００μｍの扁平線を使用することを特徴とする。

銅リード線の扁平部の被溶接面に錫材を設けているから、この錫材が溶融され、この溶融錫と溶融ヒューズエレメントとの接触界面の合金化が促されて接合強度が高められ、溶融ヒューズエレメント部分の濡れ拡がりが少なくても、すなわち、加熱時間が短くても、充分な強度を接合界面に付与できる。
従って、加熱時間を短くできる結果、加熱温度をそれだけ低くでき、ヒューズエレメントの溶融部分が冷却固化するまでの時間がそれだけ短くなる。その結果、レーザ溶接時間全体を短くできる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１の（イ）は本発明において使用するレーザ溶接装置を示す図面、図１の（ロ）は図１の（イ）におけるロ−ロ断面図である。
図１において、１は作業台である。２は温度ヒューズ用のヒューズエレメントであり、液相線温度は１００℃〜１７０℃である。ヒューズエレメントが断面円形の場合、その線径は１００μｍφ〜３０００μｍφとされる。丸線ヒューズエレメントをロール圧延等で扁平化したものも使用でき、その断面寸法は巾２００μｍ〜３０００μｍ、厚み３０μｍ〜１２００μｍとされる。
３，３は錫被覆銅リード線であり、線径１００μｍ〜３０００μｍの錫メッキ丸線の先端部３１を扁平化したもの、全体が帯状のもの等を使用できる。
錫被覆銅リード線に代え、銅被覆鉄線や銅被覆鋼線の銅被覆層表面に錫をメッキしたリード線を使用することもできる。
前記の錫被覆に代え、ヒューズエレメントと同組成の合金やヒューズエレメントよりも融点(液相線温度または共晶温度)が０〜１８０℃高く、かつヒューズエレメントと相溶して合金化する合金、例えばＳｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金の被覆を使用することも可能である。
錫やＳｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金等の被覆に代え、銅リード線または銅被覆鉄リード線の扁平部とヒューズエレメントとの間に錫やＳｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金のフォイル片を介在させてもよい。
図１において、４はレーザ照射装置であり、ビーム径、出力、照射時間等により入熱を調整可能としてあり、例えばＹＡＧレーザを使用できる。

本発明により銅リード線とヒューズエレメントとをレーザ溶接するには、図１に示すように作業台１上にヒューズエレメント２を配置し、一対の錫メッキ銅リード線３，３をその扁平先端部３１をヒューズエレメント２の両端部に重ねるように配置し、各リード線３，３の後端部をピン１１で押え固定したうえで、各リード線先端扁平部３１，３１に重ねられた各ヒューズエレメント端部２１，２１の中央点にレーザ焦点ｓを位置させてレーザを照射する。

このレーザ照射により熱が発生され、この熱がリード線先端扁平部３１に照射スポットＳを中心として放射状に伝播され、リード線の銅が加熱されると共に錫被覆層及びヒューズエレメント端部が溶融され、錫被覆層とヒューズエレメント端部との接触界面が融合されて合金化される。
この接合界面の合金化のために溶融ヒューズエレメント端部の濡れ拡がりに頼ることなく接合界面に充分な強度を付与できる。
従って、レーザ照射時間を短くでき、入熱量を小さくできる結果、リード線の温度上昇をそれだけ低く抑えることができ、溶融ヒューズエレメント端部の冷却固化をそれだけ早く終結させ得、冷却固化時間を短く設定できる。
而して、レーザ溶接時間を全体として短くでき、次工程への移行をそれだけ早く行うことができる。

前記実施例において、ヒューズエレメント端部に接触させたリード線扁平部面の裏側にレーザを照射した理由は、ヒューズエレメント端部が直接にレーザを浴びると、ヒューズエレメント端部の溶融飛沫化及びこの飛沫化による溶接形状の不揃い化が避け難く、その結果、ヒューズエレメントの動作温度に狂いが生じ易くなるからである。

本発明においては、図２に示すように、一対の錫メッキ銅リード線３，３の扁平部３１，３１間に跨ってヒューズエレメント２を載置し、各ヒューズエレメント端部２１，２１の横側に近接する位置Ｓを狙って各錫メッキ銅リード線扁平部３１，３１の表面にレーザをヒューズエレメント２に当てることのないように照射することもできる。この場合、レーザ照射点Ｓとヒューズエレメント側面との間隔Δｄを１ｍｍ以下とすることが望ましい。
この場合でも、レーザ照射スポットがヒューズエレメント端の極く手前にある場合に較べてレーザ照射スポットからヒューズエレメント側に伝播される熱流を充分に多くできるので、ヒューズエレメント端部への入熱効率をよく確保できる。

上記各リード線扁平部へのレーザの照射は、一方のリード線扁平部への照射を行ったのち他方のリード線扁平部へのレーザ焦点の調整を行いそのレーザ焦点のもとでレーザ照射する方法、一つのレーザ光源から出射されるレーザビームをハーフミラーやプリズム等により分割し、この分割レーザのそれぞれを両リード線扁平部に同時に照射する方法の何れでも行うことができる。

周知の通り、プリント配線板においては、その製作中でのエッチング液等から銅導体パターンの表面を保護するために、その表面をＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ等の安定な金属でメッキすることがある。
このＡｕ、Ａｇ等のメニスコグラフ法による濡れ性の評価〔溶融はんだ（溶融ヒューズエレメント）に線状試料の一端を浸漬し、浸漬直後から接触角が０となるまでの時間ｔ_１、接触角が最大となるまでの時間ｔ_２を測定し、ｔ_１、ｔ_２で濡れ性を評価する〕は、母材Ｃｕに対するメッキ厚み１μｍのＳｎ層でｔ_１＝４．９秒，ｔ_２＞１２．０秒であるのに対し、母材Ｃｕに対するメッキ厚み１μｍのＡｇ層でｔ_１＝４．２秒，ｔ_２＝５．８秒であり、母材Ｃｕに対するメッキ厚み１μｍのＡｕ層でｔ_１＝３．１秒，ｔ_２＝５．５秒であって、Ａｇ被覆層やＡｕ被覆層の方がＳｎ被覆層よりも溶融ヒューズエレメントに対する濡れ性に優れている。
しかしながら、後述の比較例により確認できる通り、Ｓｎ被覆に代えＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ等を被覆してもレーザ照射時間を満足に短縮できない。
これは、前記レーザ照射時間の短縮化が溶融ヒューズエレメントの銅表面の被覆層の濡れ性に依存するのではなく、同被覆層の溶融に依存することによるものと推定される。
なお、Ｓｎの融点２３２℃、Ｃｕの融点１０８４℃に対し、Ａｕの融点は１０６４℃であり、Ａｇの融点は９６２℃であり、Ｎｉの融点は１４５５℃である。

銅母材（メニスコグラフ法による濡れ性の評価：時間ｔ_１＝３．０８秒、ｔ_２＝４．８秒）に対し、融点が低く、かつ濡れ性が銅と同程度の金属の被覆層であっても、その融点の差が小さい金属（例えば、Ａｇ、Ａｕ等）では、前記した通り、レーザ溶接時間を満足に短縮できない。
しかしながら、ヒューズエレメントに対し、融点が０〜１８０℃程度高く、かつヒューズエレメントとの相溶性に優れた合金をＳｎに代えて使用することは有効である。

以下の実施例及び比較例において、レーザ溶接装置には、変換率３．５％のパルスＹＡＧレーザを使用し、そのレーザ装置のキセノンフラッシュランプを２８Ａ、１０ｋＨｚのパルスで励起し、レーザビーム径を０．２ｍｍφにコントロールした。
ヒューズエレメントには、組成がＢｉ：５２％，Ｓｎ：４６％、Ｉｎ：２％で、液相線温度が１２４℃、固相線温度が１５２℃、線径が１０００μｍφ、長さ４ｍｍのものを使用した。

図１に示すようにヒューズエレメントを配置し、線径１０００μｍφのＳｎメッキ銅リード線の先端部を圧延により扁平としたその一対のリード線の扁平先端部を前記ヒューズエレメントの各端部上に重ね、ヒューズエレメントの各端部の中央点上のリード線扁平先端部面位置にレーザ焦点を合わせてレーザを１秒間照射した。
レーザ照射終了時から溶融ヒューズエレメントが冷却固化するまでの時間は０．１秒であった。
溶接後ヒューズエレメントを引張って溶接強度を測定したところ（試料数２０箇）、全てヒューズエレメントが破断した。

線径１０００μｍφのＳｎメッキ銅リード線の先端部を圧延により扁平としたその一対のリード線の扁平先端部を前記ヒューズエレメントの各端部上に厚み１０μｍ、液相線温度３００℃のＳｎ−Ｃｕ合金フォイルを介して重ね、実施例１と同様にヒューズエレメントの各端部の中央点上のリード線扁平先端部面位置にレーザ焦点を合わせてレーザを１秒間照射した。
レーザ照射終了時から溶融ヒューズエレメントが冷却固化するまでの時間は０．１秒であった。
溶接後ヒューズエレメントを引張って溶接強度を測定したところ（試料数２０箇）、全てヒューズエレメントが破断した。

〔比較例１〕
実施例１に対しＳｎメッキを施さずに銅が裸のままの先端部扁平化のリード線を使用した以外、実施例１と同じとした。
実施例１の１秒レーザ照射では溶接不可であった。溶接には２秒のレーザ照射が必要であった。

〔比較例２〕
実施例１のＳｎメッキ銅リード線に代えＮｉメッキ銅リード線を使用した以外、実施例１と同じとした。
実施例１の１秒レーザ照射では溶接不可であった。溶接には２秒のレーザ照射が必要であった。

〔比較例３〕
実施例１のＳｎメッキ銅リード線に代えＡｇメッキ銅リード線を使用した以外、実施例１と同じとした。
実施例１の１秒レーザ照射では溶接不可であった。溶接には２秒のレーザ照射が必要であった。

〔比較例４〕
実施例１のＳｎメッキ銅リード線に代えＡｕメッキ銅リード線を使用した以外、実施例１と同じとした。
実施例１の１秒レーザ照射では溶接不可であった。溶接には２秒のレーザ照射が必要であった。

実施例１は比較例１〜４に較べてレーザ照射時間が短い。これは溶融ヒューズエレメントの銅表面の被覆層の濡れ性に依存するのではなく、同被覆層の溶融に依存しているものと推察できる。

本発明において使用するレーザ溶接装置を示す図面である。請求項４に係る実施例を示す図面である。従来例を示す図面である。前記とは別の従来例を示す図面である。前記とは別の従来例を示す図面である。

符号の説明

２低融点ヒューズエレメント
２１ヒューズエレメント端部
３錫メッキ銅リード線
３１リード線扁平部
４レーザ照射装置
ｓレーザビーム焦点

Claims

銅リード線の扁平部の片面に低融点ヒューズエレメントをレーザ照射により溶接する方法であり、銅リード線の扁平部表面と低融点ヒューズエレメントとの間に錫材を介在させてレーザを照射することを特徴とする銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法。
銅リード線の扁平部の片面に低融点ヒューズエレメントをレーザ照射により溶接する方法であり、銅リード線の扁平部表面と低融点ヒューズエレメントとの間にＳｎ−Ｃｕ合金材またはＳｎ−Ｂｉ合金材を介在させてレーザを照射することを特徴とする銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法。
銅リード線の扁平部の片面に低融点ヒューズエレメントをレーザ照射により溶接する方法であり、銅リード線の扁平部表面と低融点ヒューズエレメントとの間に、融点がヒューズエレメントの融点以上であり、その融点の差が１８０℃以下の金属材を介在させてレーザを照射することを特徴とする銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法。
銅リード線の扁平部の片面の裏側にレーザを照射することを特徴とする請求項１〜３何れか記載の銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法。
銅リード線の扁平部の片面のヒューズエレメント横側の近傍にレーザを照射することを特徴とする請求項１〜３何れか記載の銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法。
銅リード線に代え銅被覆の鉄リード線を使用することを特徴とする請求項１〜５何れか記載の銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法。
ヒューズエレメントに外径１００〜２０００μｍφの丸線または巾が２００〜３０００μｍで厚みが３０〜１２００μｍの扁平線を使用することを特徴とする請求項１〜６何れか記載の銅リード線とヒューズエレメントとのレーザ溶接方法。