JP2007075897A - Lead-free solder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、電子部品や電子機器の組み立てに用いるのに好適な鉛フリーはんだに関するものである。 The present invention relates to a lead-free solder suitable for use in assembling electronic components and electronic devices, for example.
プリント基板等への小型電子部品の表面実装や、電子機器の製造や組み立てには、従来より錫−鉛はんだを使用している。しかし、この種のはんだは、人体等に有害であるだけでなく、環境破壊にもつながる鉛を含むことから、電子機器産業界等により、有害物質である鉛を含まないはんだを実現することが求められ、かかる要求に対して種々の鉛フリーはんだが提案されている。 Conventionally, tin-lead solder has been used for surface mounting of small electronic components on printed circuit boards and the like, and for manufacturing and assembly of electronic devices. However, since this type of solder contains lead that is not only harmful to the human body, but also leads to environmental destruction, it is possible for the electronics industry to realize solder that does not contain lead, which is a harmful substance. Various lead-free solders have been proposed in response to such demands.
例えば、特許文献1には、亜鉛(Zn)7〜10重量パーセント、ニッケル(Ni)0.01〜1重量パーセント、残部錫(Sn)からなる鉛フリーのはんだ合金が記載されている。また、特許文献2に開示されたはんだ材は、電子機器を廃棄した後における環境問題に鑑みてなされたものであり、錫と、その錫に対して3〜18重量パーセントの亜鉛と、少量の添加成分(例えば、ニッケル)を含有する、鉛を含まないはんだ材である。
For example, Patent Document 1 describes a lead-free solder alloy composed of 7 to 10 weight percent zinc (Zn), 0.01 to 1 weight percent nickel (Ni), and the balance tin (Sn). In addition, the solder material disclosed in
上述した錫−亜鉛−ニッケルの鉛フリーはんだは、鉛を含まない点で環境に配慮されたはんだであるが、はんだ特性という観点から見た場合、加工性や濡れ性に劣るという問題や、適切なはんだ流動性が得られないという問題もある。例えば、電子部品を基板に実装する際、この種の鉛フリーはんだを部品内部に使用した場合、基板実装時のリフローによって、部品内部のはんだが溶融して、ヒューズエレメントの断線を引き起こす等、その品質を維持できないという問題がある。 The tin-zinc-nickel lead-free solder described above is an environment-friendly solder that does not contain lead. However, from the viewpoint of solder properties, the problem of poor workability and wettability, and appropriate There is also a problem that a good solder fluidity cannot be obtained. For example, when this kind of lead-free solder is used inside a component when mounting an electronic component on the board, the solder inside the component melts due to reflow when mounting the board, causing the fuse element to break, etc. There is a problem that quality cannot be maintained.
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、電子機器や電子部品に用いるのに好適であって、人体等を含む環境への影響がない鉛フリーはんだを提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to use lead-free solder that is suitable for use in electronic equipment and electronic components and has no influence on the environment including the human body. Is to provide.
上述した目的を達成する一手段として、本発明は、例えば、以下の構成を備える。すなわち、請求項1に記載の鉛フリーはんだは、30〜60重量パーセントの亜鉛と、0.1〜2重量パーセントの銅と、残重量パーセントの錫を含有することを特徴とする。 As one means for achieving the above-described object, the present invention has the following configuration, for example. That is, the lead-free solder according to claim 1 is characterized by containing 30 to 60 weight percent zinc, 0.1 to 2 weight percent copper, and the remaining weight percent tin.
また、請求項2に記載の鉛フリーはんだは、30〜60重量パーセントの亜鉛と、0.1〜2重量パーセントの銅と、0.1〜1重量パーセントのニッケルと、残重量パーセントの錫を含有することを特徴とする。
The lead-free solder according to
請求項3に記載の鉛フリーはんだは、上記の鉛フリーはんだに対して、さらに0.01〜0.5重量パーセントのアルミニウムを含有することを特徴とする。また、請求項4に記載の鉛フリーはんだは、上記の鉛フリーはんだが酸素雰囲気中ではんだ付けされることを特徴とする。
The lead-free solder according to
以上説明したように、本発明によれば、有害物質による環境への悪影響がなく、基板上でのはんだ性等の特性にも優れた鉛フリーはんだを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide lead-free solder that has no adverse environmental impact due to harmful substances and is excellent in properties such as solderability on the substrate.
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施の形態例を詳細に説明する。図1は、本実施の形態例に係るチップ型ヒューズの分解構成図である。同図に示すチップ型ヒューズは、セラミックからなる基体の中空にヒューズを張架した構成であり、この基体は、セラミック製のケース本体2と、同じくセラミック製の蓋3とを嵌着して形成される。
Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an exploded configuration diagram of a chip-type fuse according to the present embodiment. The chip-type fuse shown in the figure has a structure in which a fuse is stretched in the hollow of a ceramic base, and this base is formed by fitting a
ケース本体2の中央部には、上面に向かって開く開口部9が設けられ、また、ケース本体2の両端部には、この開口部9と連通する凹部11が配設されている。
An opening 9 that opens toward the upper surface is provided at the center of the
凹部11各々の底面には、一条の溝部8が形成されている。可溶体であるヒューズ線(ヒューズエレメント)1は、この溝部8に位置合わせされ、開口部9を跨ぐように張架される。
A groove 8 is formed on the bottom surface of each
なお、凹部11間にヒューズ線1を張架する際、そのヒューズ線1に対して一定の張力(テンション)を加えるが、その張力を維持するため、例えば、ヒューズ線1を溝部8に樹脂等で仮止めするようにしてもよい。
When the fuse wire 1 is stretched between the
このようにヒューズ線1が張架されたケース本体2の開口部9には、蓋3が嵌着(ケーシング)される。この蓋3は、その両方の端部13が、凹部11に嵌まる形状(端部13の幅、および深さが、凹部11のそれよりわずかに小さい形状)となっており、また、蓋3の中央部は、開口部9をほぼ完全に覆う形状(蓋中央部の長さ、および幅が、開口部9のそれよりわずかに小さい形状)となっている。
Thus, the
このように、ケース本体2と蓋3とを合体させた基体は、その外形がほぼ直方体状になる。そのときのヒューズの外観を、図2に示す。図2に示すように、ケース本体2と蓋3とが合体した状態では、基体の端部より、ヒューズ線1の折り曲げ部1Dが出るようにする。この折り曲げ部1Dが、後述するように金属製のキャップと接続される。
In this manner, the base body in which the case
金属製のキャップ(電極)4は、例えば、銅材あるいは銅合金材からなり、図2に示す状態にある基体の端部に被せることができるよう、立方体の一面(基体に向いている面)が開口した形状を有する。また、電極4を基体端部に被せる前において、各々の電極4の内部6へ、後述する組成を有するはんだ片5を挿入する(図1参照)。そして、はんだ片5が挿入された電極4を、基体の両端部に被せる(圧入嵌着する)。
The metal cap (electrode) 4 is made of, for example, a copper material or a copper alloy material, and is placed on one side of the cube (a surface facing the base) so that it can be placed on the end of the base in the state shown in FIG. Has an open shape. Further, before the
なお、各々の電極4の内部6へのはんだの供給は、はんだ片に限定されるものではなく、はんだ片に代えて、キャップ内に、溶融させたはんだ、あるいはクリーム状のはんだを供給する方法であっても良い。
The supply of solder to the
図3は、このようにして電極4が被せられたときのヒューズの外観を示している。この状態にあるヒューズに対して、図1に示すように、電極4の斜線部で示す箇所(加熱位置)7を、ヒータにより、例えば、350℃で3秒間程度加熱することで、あらかじめ電極4の内部に挿入されたはんだ片5が溶融する。
FIG. 3 shows the appearance of the fuse when the
その結果、はんだ片5が、上述したヒューズ線1の折り曲げ部1Dにはんだ付け(融着)され、ヒューズ線1と電極4との電気的な接続が行われる。
As a result, the
本実施の形態例に係るチップ型ヒューズのケース本体2と蓋3の形状は、上述したように、蓋3の外形寸法がケース本体2の内部寸法よりもわずかに小さくなるように設定されている。そのため、それらの位置合わせが容易であり、組み立ての際、蓋3をケース本体2に対して垂直方向に差し込むことで、それらを嵌着する。
The shape of the
よって、ケース本体2と蓋3が嵌着された状態において、蓋3の端部13が、ケース本体2の凹部11より突き出ることはなく、基体端部への電極4の圧入嵌着も円滑に行え、しかも、ヒューズ線1と電極4との電気的な接続状態も確実になる。
Therefore, in a state where the case
なお、蓋3とケース本体2を嵌着する際、それらを、例えば、エポキシ等の接着剤で貼り合わせて、一定時間、一定の温度(例えば、150℃で15分程度)、加温する。そして、接着剤が硬化した後、電極4の圧入嵌着を行う。
When the
また、本実施の形態例に係るチップ型ヒューズの電極4は、プリント基板に実装する際、実装基板のランドパターンとはんだ付けされる箇所でもある。そこで、ヒューズ実装時の基板へのはんだ付けを容易、かつ確実に行うため、図示していないが、電極4の寸法は、例えば、圧入嵌着された電極4の周囲4面のうちの1面が、チップ型ヒューズの基体面より、電極4の厚み分だけ出るようになっている。電極4周囲の他の3面については、チップ型ヒューズの基体面と面位置が合う(同一面となる)ようになっている。
Further, the
このように、電極4と基体との面位置を合わせて平坦にすることで、例えば、チップ型ヒューズをプリント基板へ搭載する際のバキュームチャックが容易になり、また、ヒューズ本体への捺印作業も容易に行える。
Thus, by flattening the surface positions of the
次に、本実施の形態例に係るチップ型ヒューズに使用するはんだ片について、詳細に説明する。 Next, the solder piece used for the chip-type fuse according to the present embodiment will be described in detail.
本実施の形態例に係るヒューズにおいて、ヒューズ線の接続に使用するはんだ片は、錫/亜鉛系の高温はんだを用いる。亜鉛の含有率として適切と考える亜鉛(Zn)の含有率が30重量パーセントから60重量パーセントについて、はんだ耐熱性(抵抗値変化率)を測定した。この測定結果の例を図4に示す。 In the fuse according to this embodiment, tin / zinc high-temperature solder is used as the solder piece used for connecting the fuse wire. The solder heat resistance (rate of change in resistance value) was measured when the content of zinc (Zn), which is considered appropriate as the content of zinc, was 30 to 60 weight percent. An example of the measurement result is shown in FIG.
なお、図4の右端部に比較のため、従来の錫―鉛はんだ(鉛90重量パーセント含有)の特性を示す。図4において、Znの前に示された数字が亜鉛(Zn)の含有率である。 For comparison, the characteristic of a conventional tin-lead solder (containing 90 weight percent lead) is shown in the right end portion of FIG. In FIG. 4, the number shown before Zn is the content of zinc (Zn).
錫(Sn)と亜鉛(Zn)の割合としては、亜鉛(Zn)の割合が高いほど高融点となり、はんだ耐熱性が向上するが、亜鉛(Zn)の割合が多すぎると加工しずらくなる。一方、亜鉛(Zn)の割合が少なすぎると流動性が高くなり、また、はんだ耐熱性が低下する。 As the ratio of tin (Sn) and zinc (Zn), the higher the ratio of zinc (Zn), the higher the melting point and the higher the solder heat resistance. However, when the ratio of zinc (Zn) is too large, the processing becomes difficult. . On the other hand, if the proportion of zinc (Zn) is too small, the fluidity increases and the solder heat resistance decreases.
図4に示されるように、以上の条件を勘案しても、亜鉛を30乃至60重量パーセント含有する錫/亜鉛系の高温はんだであれば、十分に実用に供することが可能である。 As shown in FIG. 4, even if the above conditions are taken into consideration, a tin / zinc-based high-temperature solder containing 30 to 60 percent by weight of zinc can be sufficiently put into practical use.
具体的には、亜鉛を30乃至60重量パーセント、銅を0.1乃至2重量パーセント、ニッケルを0.1乃至1重量パーセント、錫を残重量パーセント含有した組成からなる鉛非含有(鉛フリー)はんだを用いる。 Specifically, lead-free (lead-free) composed of 30 to 60 weight percent zinc, 0.1 to 2 weight percent copper, 0.1 to 1 weight percent nickel, and the remaining weight percent tin Use solder.
または、亜鉛を30乃至60重量パーセント、銅を0.1乃至2重量パーセント、錫を残重量パーセント含有した組成からなる鉛非含有(鉛フリー)はんだ、あるいは、亜鉛を30乃至60重量パーセント、ニッケルを0.1乃至1重量パーセント、錫を残重量パーセント含有した組成からなる鉛非含有(鉛フリー)はんだを用いる。 Or lead-free (lead-free) solder composed of 30 to 60 weight percent zinc, 0.1 to 2 weight percent copper and the remaining weight percent tin, or 30 to 60 weight percent zinc, nickel A lead-free (lead-free) solder having a composition containing 0.1 to 1 wt.% Of tin and the remaining weight percent of tin is used.
このように、亜鉛を30乃至60重量パーセント含有することで、電流ヒューズとして好適な、固相温度が199℃、液相温度が360℃以上の錫/亜鉛/ニッケル系、あるいは錫/亜鉛/銅系のはんだとなる。 Thus, tin / zinc / nickel or tin / zinc / copper suitable for current fuses and having a solid phase temperature of 199 ° C. and a liquid phase temperature of 360 ° C. or higher by containing 30 to 60% by weight of zinc. It becomes the solder of the system.
ところで、錫/亜鉛/ニッケル系あるいは錫/亜鉛/銅系はんだは、チップ型ヒューズをプリント基板へ実装する際、リフロー等の再加熱による流動性があるため、チップ型ヒューズ内部の空気が膨張して、はんだを押し流す等の不具合が生じる可能性がある。このため、はんだの流動性を低下させる必要がある。 By the way, tin / zinc / nickel or tin / zinc / copper solder has fluidity due to reheating such as reflow when mounting a chip type fuse on a printed circuit board, so the air inside the chip type fuse expands. Therefore, there is a possibility that troubles such as flushing of solder may occur. For this reason, it is necessary to reduce the fluidity of the solder.
アルミニウムは比重が軽いため、溶融すると継手の表面に凝固する。更に、酸化し易いため、継手表面に強固な酸化膜を形成する。このため、ヒューズは開回路状態に至った場合に絶縁性が高まり、アークを消弧する働きをする。 Since aluminum has a low specific gravity, it solidifies on the surface of the joint when melted. Furthermore, since it is easy to oxidize, a strong oxide film is formed on the joint surface. For this reason, when the fuse reaches an open circuit state, the insulation is enhanced and the arc is extinguished.
また、はんだの流動性を低下させる効果があることから、本実施の形態例では、はんだにアルミニウムを0.01乃至0.5重量パーセント添加した。 Moreover, since there is an effect of reducing the fluidity of the solder, 0.01 to 0.5 weight percent of aluminum is added to the solder in this embodiment.
しかし、アルミニウムの添加量が0.01重量パーセント未満であると、流動性への影響が小さく、所定の効果がない。また、その添加量が0.5重量パーセントよりも多いと、高温で放置した場合、アルミニウムの酸化により導電性が低下する。以上を考慮して、本実施の形態例では、アルミニウムの添加量を流動性に効果がある範囲内において微量とし、はんだの使用条件に応じて添加量を設定することとしている。 However, if the added amount of aluminum is less than 0.01 weight percent, the influence on the fluidity is small and there is no predetermined effect. On the other hand, if the added amount is more than 0.5 weight percent, the conductivity is lowered due to oxidation of aluminum when left at high temperature. In view of the above, in the present embodiment, the amount of aluminum added is set to a very small amount within the range in which fluidity is effective, and the amount added is set according to the solder use conditions.
このように、亜鉛を30乃至60重量パーセント含有することで、電流ヒューズとして好適な、固相温度が得られるが、耐熱性などの特性が従来の錫―鉛はんだと同等になる亜鉛を40重量パーセント含有させた錫―亜鉛はんだを用いることが好ましい。そこで、本実施の形態例では亜鉛を40重量パーセント含有させた錫―亜鉛はんだを使用した電流ヒューズとしている。 Thus, by containing 30 to 60 weight percent of zinc, a solid phase temperature suitable for a current fuse can be obtained, but 40 weight of zinc whose characteristics such as heat resistance are equivalent to those of a conventional tin-lead solder. It is preferable to use a tin-zinc solder containing a percentage. Therefore, in this embodiment, the current fuse uses a tin-zinc solder containing 40 weight percent zinc.
この錫―亜鉛はんだに含有させる銅、ニッケル、アルミニウムの含有割合を変えた場合の評価結果を表1に示す。 Table 1 shows the evaluation results when the content ratios of copper, nickel, and aluminum contained in the tin-zinc solder are changed.
ここで「加工性」とは、はんだ継手を電極キャップに入れるとき等の作業性であり、適度なやわらかさがあると、電極キャップ内面にフィットするので好ましい。また、「はんだ製作性」とは、はんだ材料を溶かして継手を製作するときの作業性である。 Here, “workability” is workability such as when a solder joint is put into an electrode cap, and if it is moderately soft, it is preferable because it fits the inner surface of the electrode cap. Also, “solder manufacturability” is workability when a joint is manufactured by melting a solder material.
また、「耐熱性」は、温度変化に伴う抵抗値変化、「濡れ性」は、接合対象へのはんだの付着性であり、濡れ性が悪いと接合対象の表面ではんだがはがれてしまう。 “Heat resistance” is a change in resistance value accompanying a change in temperature, and “wetability” is the adherence of solder to the bonding target. If the wettability is poor, the solder peels off on the surface of the bonding target.
図5は、本実施の形態例に係るはんだを使用したヒューズと、従来のはんだを使用したヒューズの抵抗値変化を比較して示すグラフである。本実施の形態例に係るはんだとして、ここでは、亜鉛40重量パーセント、銅を1重量パーセント、ニッケルを0.5重量パーセント、錫を残重量パーセント含有するはんだを使用し、従来のはんだとして、錫10重量パーセント、鉛90重量パーセントを使用したものについて、性能試験を行った。 FIG. 5 is a graph showing a comparison in resistance value change between the fuse using the solder according to the present embodiment and the fuse using the conventional solder. As the solder according to the present embodiment, here, a solder containing 40% by weight of zinc, 1% by weight of copper, 0.5% by weight of nickel and the remaining weight percent of tin is used. A performance test was conducted using 10 weight percent and 90 weight percent lead.
なお、ここでの試験条件は、温度を260℃の溶融はんだに10秒間、5回浸漬を繰り返した時の抵抗値変化率であり、図5から判るように本実施の形態例にかかるはんだを使用したヒューズの場合、その抵抗値変化は最大でも2%以下である。これは、従来の鉛含有はんだを使用したヒューズ(図中、点線で示す)と略同等の特性である。 The test conditions here are the rate of change in resistance value when immersion is repeated 5 times in molten solder at 260 ° C. for 10 seconds. As can be seen from FIG. 5, the solder according to this embodiment is used. In the case of the used fuse, the change in resistance value is 2% or less at maximum. This is substantially the same characteristic as a fuse using conventional lead-containing solder (indicated by a dotted line in the figure).
このような特性が得られるのは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、本実施の形態例に係るはんだは、固液共存状態では流動性が低く、プリント基板への実装時に加熱されても、ヒューズと電極を接続するはんだ(継手)の形状が変化せず、その接続状態が維持される。 The reason why such characteristics are obtained is considered to be as follows. That is, the solder according to the present embodiment has low fluidity in a solid-liquid coexistence state, and even when heated when mounted on a printed circuit board, the shape of the solder (joint) connecting the fuse and the electrode does not change, The connection state is maintained.
これは、本実施の形態例に係るはんだが、酸素雰囲気中ではんだ付けされることで、その際の熱により安定して表面酸化し、強固な酸化膜が形成されたために、その流動性が低下したことによる。 This is because the solder according to the present embodiment is soldered in an oxygen atmosphere, the surface is stably oxidized by the heat at that time, and a strong oxide film is formed. This is due to the decline.
また、本実施の形態例に係るはんだによる継手は、特殊なフラックスによって酸素より遮断されているため、はんだの継手の酸化は、一旦、はんだ付けが行われれば、それ以降において進行しないことも、上記の特性が得られる理由の一つである。 In addition, since the joint by solder according to the present embodiment is shielded from oxygen by a special flux, the oxidation of the joint of the solder may not proceed after that once soldering is performed. This is one of the reasons why the above characteristics can be obtained.
以上説明したように、本実施の形態例によれば、ヒューズ基体の端部に電極を圧入する前に、あらかじめ電極の内部にはんだ片を入れておき、その電極の外部より熱を加えて、はんだを溶融することで、電極とヒューズ線との接続を確実に行うことができ、その接合部における電気的な接合状態を良好に維持できる。 As described above, according to the present embodiment, before the electrode is press-fitted into the end portion of the fuse base, a solder piece is put in the electrode in advance, and heat is applied from the outside of the electrode, By melting the solder, it is possible to reliably connect the electrode and the fuse wire, and it is possible to satisfactorily maintain the electrical joining state at the joint.
また、電極内部に入れて、ヒューズ線との接続に使用するはんだ片として、鉛等の有害物質を含有しない、錫/亜鉛/ニッケル系のはんだを使用することで、はんだ付けが、環境や人間の健康への影響、さらには、電流ヒューズとともに実装される他の電子部品に悪影響を与えることを回避できるだけでなく、基板実装時に過熱されても、電流ヒューズの内部状態を維持できる。 In addition, by using tin / zinc / nickel solder that does not contain lead or other harmful substances as solder pieces used for connecting to the fuse wire inside the electrode, soldering can be performed in an environment or human environment. In addition to avoiding adverse effects on the health of the device, and adversely affecting other electronic components mounted together with the current fuse, the internal state of the current fuse can be maintained even if the substrate is overheated.
さらに、はんだ材合金としてアルミニウムを添加することにより、はんだの耐熱性、および流動性を改善することができ、それによって、はんだ付け性が向上し、再加熱によるはんだの継手形状の変化を防止できる。 Furthermore, by adding aluminum as a solder material alloy, the heat resistance and fluidity of the solder can be improved, thereby improving the solderability and preventing changes in the joint shape of the solder due to reheating. .
また、本実施の形態例に係るヒューズでは、その電極を350℃で加熱することで、電極とヒューズ線の充分な接合を得ることができ、セラミック製の基体における放熱を考慮しても、液相温度を下回る温度ではんだ付けが完了していることが判明した。よって、固相温度と液相温度の間における固液共存状態においてもはんだ付けができ、電極表面のメッキの劣化を抑制することができる。 Further, in the fuse according to the present embodiment, by heating the electrode at 350 ° C., sufficient bonding between the electrode and the fuse wire can be obtained. It was found that soldering was completed at a temperature below the phase temperature. Therefore, soldering can be performed even in a solid-liquid coexistence state between the solid phase temperature and the liquid phase temperature, and deterioration of plating on the electrode surface can be suppressed.
以上述べた鉛非含有はんだの組成には、日本工業規格(JIS)等で示される不可避不純物が含まれていることがある。しかし、このような不可避不純物が鉛非含有はんだに含まれている場合においても、本発明の特許請求の範囲を逸脱するものではない。 The composition of the lead-free solder described above may contain inevitable impurities as indicated by Japanese Industrial Standards (JIS) or the like. However, even when such inevitable impurities are contained in the lead-free solder, it does not depart from the scope of the claims of the present invention.
1 ヒューズ線(ヒューズエレメント)
2 ケース本体
3 蓋
4 キャップ(電極)
5 はんだ片
7 加熱位置
9 開口部
8 溝部
11 凹部
1 Fuse wire (fuse element)
2
5
Claims (4)
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100112 |