JP4429476B2

JP4429476B2 - 電気部品内蔵用ヒュ−ズ素子

Info

Publication number: JP4429476B2
Application number: JP2000143461A
Authority: JP
Inventors: 朋晋三井; 教祐服部
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2001325876A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒュ−ズ素子に関し、特に、コンデンサやトランジスタ等の電気部品に内蔵して使用するヒュ−ズ素子として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気部品においては、電流ヒュ−ズ素子を電気部品本体に接続し、これらを樹脂モ−ルド等により封止することがある。
例えば、タンタルコンデンサにおいては、万一の極性誤装着による過電流を未然に防止するために、コンデンサ素子にヒュ−ズ素子を接続し、これらを樹脂でモ−ルドしている。また、パワ−トランジスタにヒュ−ズ素子を接続し、これらを樹脂で封止することも知られている。
【０００３】
これらのヒュ−ズ内蔵電気部品においては、ヒュ−ズ溶断時のヒュ−ズ素子の発熱温度で加熱される。而して、その電気部品本体やモ−ルド樹脂の炭化・燃焼を防止するために、その発熱温度を所定温度以下に抑える必要がある。
すなわち、溶断電流をｉ、溶断時間をｔｍ、ヒュ−ズ素子の溶断時温度をＴｍ、同じく抵抗をＲ、同じくヒュ−ズ素子の単位長さ当たりの熱容量をＫ、周囲温度をθとすると、ほぼ
【数１】
ｔｍ＝Ｋ（Ｔｍ−θ）／Ｒｉ^２（１）
が成立し、Ｔｍを所定温度以下に抑える必要がある。
【０００４】
上記のヒュ−ズ内蔵電気部品は、通常リフロ−法またはフロ−法により、回路基板に実装される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、リフロ−法やフロ−法には、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだが使用されており、その実装温度は２２０℃〜２３０℃とされていた。
従来、上記ヒュ−ズ素子には、実装温度よりも高い固相線温度の合金を使用するとの前提に基づき、Ｐｂ−１〜１０Ｓｎ、Ｐｂ−０．５〜１０Ｓｎ−１〜５Ａｇ、Ｐｂ−１〜２０Ｉｎ、Ｐｂ−１〜２０Ｉｎ−１〜５Ａｇ、Ｐｂ−０．５〜５Ｉｎ−０．１〜５Ｃｕ等のＰｂ系合金（融点２６０℃〜３３０℃）を使用している。
これらの合金系のヒュ−ズ素子では、固相線温度が前記実装温度よりも高いから、ヒュ−ズ内蔵電気部品の安全な実装を保証できる。また、液相線温度が３３０℃程度であり、ヒュ−ズ素子の前記溶断時温度Ｔｍを充分に低くでき、ヒュ−ズ素子を、電気部品本体やモ−ルド樹脂の炭化・燃焼を発生させることなく、安全に溶断作動させることができる。
【０００６】
ところで、近来、廃棄された電子・電気機器からの鉛イオンの溶出による環境汚染を防止するために、鉛フリ−はんだの使用が要請され、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系等の鉛フリ−はんだが開発されている。これらの鉛フリ−はんだを使用しての実装温度は、Ｐｂ−Ｓｎはんだ使用の場合よりも高く、最高で２８０℃が予定されている。
このはんだの鉛フリ−化に対応して、上記ヒュ−ズ素子においても、鉛フリ−化が要請されるが、従来のように固相線温度が実装温度よりも高い合金を使用することを前提としてヒュ−ズ素子の鉛フリ−化を行うと、実装温度２８０℃よりも高い固相線温度の合金がヒュ−ズ素子に使用されることになる。
而して、そのヒュ−ズ素子の液相線温度が従来のＰｂ系ヒュ−ズ素子の液相線温度よりもかなり高くなり、前記ヒュ−ズ素子の溶断時温度Ｔｍが高くなって、ヒュ−ズ溶断時に電気部品本体若しくはモ−ルド樹脂に炭化・燃焼が生じ易くなって危険である。
【０００７】
本発明の目的は、タンタルコンデンサ等の電気部品に内蔵させるヒュ−ズ素子において、ヒュ−ズ内蔵電気部品の鉛フリ−はんだによる安定な実装やヒュ−ズ溶断作動時の電気部品の炭化・燃焼防止を満足に保証しつつ、そのヒュ−ズ素子のＳｎ系での鉛フリ−化を良好に達成することにある。
【０００８】
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係るヒュ−ズ素子は、ヒューズ素子を内蔵させた電気部品を実装温度２３０℃〜２８０℃で回路板に実装する方法において使用するヒューズ素子であり、Ｓｎに、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌの二種以上を配合した固相線温度が２１４℃以上で２３０℃未満、液相線温度が３００℃〜５５０℃の多元合金を細線に加工したことを特徴とする構成であり、他の金属元素の配合量はＡｇ：５〜３０重量％、Ｎｉ：０．５〜５重量％、Ｇｅ：１〜１０重量％、Ａｌ：１〜１０重量％とされる。
本発明に係るヒュ−ズ素子の好適な構成は、Ａｇ５〜３０重量％、Ｃｕ１〜１５重量％、残部Ｓｎである多元合金を細線に加工したことを特徴とする。
【０００９】
〔作用〕
固相線温度がほぼ２１０℃〜２３０℃であり、鉛フリ−はんだによる実装温度２６０℃〜２８０℃よりも低いが、ヒュ−ズ素子の液相線温度が３００℃以上であってその実装温度よりも高くされているために、実装時にヒュ−ズ素子が完全な液状に成らずに半溶融状態になり、ヒュ−ズ電極に対する濡れ性が悪く、かつヒュ−ズ素子の線径が５０μｍ〜１５０μｍと細く表面張力による線状保持力（線径をｒ、表面張力をｆとすれば、ｆ／ｒ）が大きいために、後述の実施例から明らかなように、ヒュ−ズ素子の実質的な損傷なく、ヒュ−ズ素子内蔵電気部品を実装できる。
【００１０】
また、ヒュ−ズ素子の液相線温度を５５０℃以下としてあるから、後述の実施例から明らかなように、前記のＴｍを６００℃以下に抑えることができ、電気部品本体若しくはモ−ルド樹脂を炭化・燃焼させることなく、ヒュ−ズ素子を安全に溶断作動させ得る。
また、Ｓｎと上記の他金属元素一種との２元合金で液相温度を３００℃〜５５０℃とするには、他金属元素の配合量を多くする必要があり、例えばＳｎ−Ａｇ二元合金の場合、Ａｇ配合量を１０〜５５重量％以上にする必要があり、Ａｇ２５重量％以上で合金の脆弱化が顕著になるが、本発明に係るヒュ−ズ素子では、Ｓｎに、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌ等の他金属元素を二種以上配合しており、後述の実施例と比較例との対比から明らかなように、他金属元素の少ない配合量で液相線温度を上げることができ、ヒュ−ズ素子の脆弱化をそれだけよく抑え得、実装時の曲げや製線時のボビン巻取り時にヒュ−ズ素子が折損するのを良好に防止できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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は、本発明に係るヒュ−ズ素子を内蔵させたコンデンサの一例を示している。
図１において、１はタンタルコンデンサ素子、２は陽極リ−ド導体である。３は配線板であり、一対の電極３１，３２を有し、その電極間に本発明に係るヒュ−ズ素子ａを接続し、一方の電極３１をコンデンサ素子１の陰極に接合し、他方の電極３２にリ−ド導体４を接合してある。５は封止樹脂層、例えばエポキシ樹脂層である。
上記ヒュ−ズ素子と電極との接合には、抵抗溶接、ワイヤボ−ルボンディング、ウェッジボンディング等を用いることができる。
【００１２】
上記のコンデンサは、ＩＣ、トランジスタ、チップ抵抗等の他の電気部品と共に鉛フリ−はんだを使用してリフロ−法やフロ−法によって回路板に温度２３０℃〜２８０℃で実装される。
【００１３】
本発明に係るヒュ−ズ素子の合金には、ＳｎにＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌ等の他金属元素の二種以上を配合して液相線温度を３００℃〜５５０℃に調整した多元合金が使用され、他金属元素の配合量がＡｇ：５〜３０重量％、Ｃｕ：１〜１５重量％、Ｎｉ：０．５〜５重量％、Ｇｅ：１〜１０重量％、Ａｌ：１〜１０重量％とされる。下限値未満では、液相線温度が３００℃以下となり、上限値を越えると、液相線温度が５５０℃以上となるからである。また、線径は通常５０μｍ〜１５０μｍとされる。
【００１４】
このヒュ−ズ素子では、固相温度が２１４℃〜２３０℃であり、前記実装温度２３０℃〜２８０℃のもとで半溶融状態になり、液相中に固相粒体が混在した状態となり、濡れ性が悪く、実装加熱中での電極への濡れ広がりによるヒュ−ズ素子の細りを僅かにとどめ得、実装終了時での冷却凝固でほぼ元の太さに保持できる。
従って、上記のヒュ−ズ内蔵コンデンサを、ヒュ−ズ素子の固相線温度温度よりも高い実装温度２４０℃〜２８０℃という鉛フリ−はんだによるリフロ−法またはフロ−法でも、ヒュ−ズ素子を安定に保持しつつ実装できる。
【００１５】
上記したヒュ−ズ素子をタンタルコンデンサに内蔵させる理由は、万一の極性誤接続によって過電流が流れるのを防止するためであり、遮断電流をｉ、遮断時間をｔｍ、ヒュ−ズ素子の溶断時温度をＴｍ、同じく抵抗をＲ、同じくヒュ−ズ素子の単位長さ当たりの熱容量をＫ、周囲温度をθとすると、ほぼ前記の式（１）が成立する。
而るに、本発明に係るヒュ−ズ素子においては、後述の実施例から明らかなように、線径５０μｍφ〜１５０μｍφのもとで、２〜６Ａを数msecの遮断時間で、かつ、ヒュ−ズ素子の溶断時温度６００℃以下で過電流を遮断でき、タンタル焼結体の発煙温度６００℃以下で安全に溶断作動させ得る。
【００１６】
本発明に係るヒュ−ズ素子は、前記したようにタンタルコンデンサに装着して使用することの外、回路板のヒュ−ズ電極にヒュ−ズ素子単体を前記したリフロ−法またはフロ−法により実装する形態でも使用することができる。
また、本発明に係るヒュ−ズ素子は、リフロ−法またはフロ−法により実装した後での補修やあと付けでも、鏝で安全にはんだ付けすることもできる。
これらの場合、ヒュ−ズ素子が曲げをうけるが、充分な柔軟性を有し、折損なく、スム−ズに、装着、実装またはあと付けできる。
【００１７】
本発明に係るヒュ−ズ素子は、充分な柔軟性を有する多元合金を使用しているから、前記５０〜１５０μｍφの線引き加工をスム−ズに行うことができる。この線引き加工の外、回転液中紡糸法によっても製造できる。すなわち、回転ドラムの内周面に遠心力により形成保持された冷却液層に、ノズルから噴射した溶融ジェットを冷却液層の周速と同速・同方向で入射させ、この液層入射ジェットを冷却液層で急冷・凝固させて紡糸することもできる。この場合、ノズルから冷却液層に至る空間でのジェットは、ノズルの円形形状が溶融金属の表面張力により保持されて円形断面となる。更に、ジェットの表面張力による円形保持力を冷却液層の動圧（ジェットを扁平化しようとする圧力）よりも大とするように、冷却液層周速、ジェットの冷却液層入射角等を調整してあり、冷却液層に入射されたジェットも、断面円形を保持しつつ冷却・凝固されていく。従って、線径５０μｍφ〜１５０μｍφという細線のヒュ−ズ素子を容易に製造できる。
これらの製線中、ボビンへの巻取りを必要とするか、充分な柔軟性のために、折損なく、スム−ズに巻き取ることができる。
【００１８】
【実施例】
〔実施例１〜６〕
内径５００ｍｍ，巾４５ｍｍのドラムを２００ｒｐｍで回転させて約１６００ｍｌの水を層状に形成し、この冷却液層中に、ヒ−タにて溶融させた組成材を窒素ガス加圧により、石英ガラスノズルからジェットとして上記冷却液層周速と同速度で噴射して紡糸する方法により、表１に示すＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金で線径ほぼ１００μｍφの細線を製造し、これをヒュ−ズ素子とした。
【００１９】
〔比較例１〕
表１に示すように、合金をＳｎ−４０重量％Ａｇの二元とした以外、上記実施例に同じとした。
【００２０】
これらの実施例品及び比較例品の固相線温度及び液相線温度、抵抗値変化率、電流遮断特性（遮断時間及び温度）及び柔軟性を測定したところ、表１の通りであった（試料数２０個の平均値）。
【００２１】
なお、測定方法は次ぎの通りである。
〔固相線温度及び液相線温度〕ＤＳＣによる測定条件は加熱速度１０℃／ｍｉｎとした。
〔抵抗値変化率〕温度２８０℃のもとでの実装の可否を評価するためのものである。図２に示すように、セラミック基板６１にＡｇペ−ストの塗布・焼成により対電極６２，６２を設け、両電極間にヒュ−ズ素子ａを載置し、更に各電極６２に錫メッキ銅線６３を溶接し、その溶接熱で各電極とヒュ−ズ素子ａとの間を溶接した試料を１０分間、２８０℃に保持し、１０分時の初期に対する抵抗値変化率を測定した。
〔遮断電流特性〕ヒュ−ズ素子に５Ａの電流を通電し、遮断時間と遮断時のヒュ−ズ素子温度を測定した。
〔柔軟性〕長さ約１００ｍｍのヒュ−ズ素子を１８０°で折り曲げ、折れなかったときを合格、折れたときを不合格とした。
【００２２】
【表１】

【００２３】
本発明に係るヒュ−ズ素子においては、溶け始め温度（固相線温度）が実装最高２８０℃より低くても、液相線温度が３００℃以上であり、温度２８０℃のもとでは完全に液化せずに半溶融状態となり、かかる半溶融状態では濡れ性が低くて細くなり難く、本発明に係るヒュ−ズ素子を内蔵させた電気部品を２８０℃という高い温度のもとで実装してもそのヒュ−ズ素子を実質的な細り無く安定に保持できる。このことは、抵抗変化率が１０％以下と充分に小さいことから確認できる。
【００２４】
また、本発明に係るヒュ−ズ素子においては、液相線温度が５５０℃以下であり充分に低く、溶断時のヒュ−ズ素子の温度を６００℃以下に抑え得て電気部品や封止樹脂の炭化・燃焼を防止できることは、表１の電流遮断特性の溶断時温度からも確認できる。
また、比較例１との対比から、二元合金で実施例相当の特性を得るには、柔軟性の悪化が避けられず、コンデンサへの装着作業や製線上から工業的使用が困難であるが、本発明によれば、かかる障害なく円滑に工業的使用できることが明らかである。
【００２５】
〔実施例７〕
実施例３のＳｎ−２０Ａｇ−５Ｃｕに対し、Ｓｎ−２０Ａｇ−１Ｎｉとした以外、上記実施例３に同じとした。
【００２６】
〔実施例８〕
実施例３のＳｎ−２０Ａｇ−５Ｃｕに対し、Ｓｎ−２０Ａｇ−４Ｇｅとした以外、上記実施例３に同じとした。
【００２７】
これらの実施例品の固相線温度及び液相線温度、抵抗値変化率、電流遮断特性（遮断時間及び温度）及び柔軟性を測定したところ、表２の通りであった。
【表２】

実施例３と実施例７や８との対比から、Ｃｕに対するＮｉやＧｅの置換有用性が確認できる。Ａｌについても、同様に確認済みである。
【００２８】
〔実施例９〕
合金組成をＳｎ−５Ｃｕ−１Ｎｉとした以外、上記実施例１に同じとした。
【００２９】
〔比較例２〕
【００３０】
合金組成をＳｎ−２０Ｃｕとした以外、上記実施例１に同じとした。
この実施例品及び比較例２の固相線温度及び液相線温度、抵抗値変化率、電流遮断特性（遮断時間及び温度）及び柔軟性を測定したところ、表３の通りであった。
【表３】

実施例９と比較例２との対比から、Ｓｎ−Ｃｕ二元の劣柔軟性をＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉの三元により解消できることが明らかである。Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉや上記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの外、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｇｅ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｌについても、その有効性を確認済みである。
【００３１】
〔実施例１０〕
合金組成をＳｎ−５．５Ｇｅ−４．５Ａｌとした以外、上記実施例１に同じとした。
【００３２】
〔実施例１１〕
合金組成をＳｎ−８Ｇｅ−７Ａｌとした以外、上記実施例１に同じとした。
【００３３】
これらの実施例品の固相線温度及び液相線温度、抵抗値変化率、電流遮断特性（遮断時間及び温度）及び柔軟性を測定したところ、表４の通りであった。
【表４】

これらの実施例から、Ｓｎ−Ｇｅ−Ａｌの三元系が、上記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｇｅ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｎｉと同様に有効であることが明らかである。これら以外の請求項１に属する三元系の有効性も確認済みである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、タンタルコンデンサ等の電気部品に内蔵させるヒュ−ズ素子において、ヒュ−ズ内蔵電気部品の鉛フリ−はんだによる安定な実装及びヒュ−ズ溶断作動時の電気部品の炭化・燃焼防止、更には、ヒュ−ズ素子の容易な取扱いや製線性等の点を満足に保証しつつそのヒュ−ズ素子のＳｎ系での鉛フリ−化を可能にでき、鉛フリ−化による環境保全上、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒュ−ズ内蔵電気部品の一例を示す図面である。
【図２】抵抗変化率の測定試料を示す図面である。
【符号の説明】
ａヒュ−ズ素子
１コンデンサ素子
５封止樹脂層

Claims

ヒューズ素子を内蔵させた電気部品を実装温度２３０℃〜２８０℃で回路板に実装する方法において使用するヒューズ素子であり、Ｓｎに、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌの二種以上を配合した固相線温度が２１４℃以上で２３０℃未満、液相線温度が３００℃〜５５０℃の多元合金を細線に加工したことを特徴とする電気部品内蔵用ヒュ−ズ素子。
Ａｇが５〜３０重量％、Ｎｉが０．５〜５重量％、Ｇｅが１〜１０重量％、Ａｌが１〜１０重量％である請求項１記載の電気部品内蔵用ヒュ−ズ素子。
ヒューズ素子を内蔵させた電気部品を実装温度２３０℃〜２８０℃で回路板に実装する方法において使用するヒューズ素子であり、Ａｇ５〜３０重量％、Ｃｕ１〜１５重量％、残部Snであって、固相線温度が２１４℃以上で２３０℃未満、液相線温度が３００℃〜５５０℃の多元合金を細線に加工したことを特徴とする電気部品内蔵用ヒュ−ズ素子。