JP4497478B2 - コンデンサ用リード端子の溶接方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
特開２０００−１２３８６公報
特開２０００−２７７３９８公報
特開２００４−３１１９５０公報
特開２００４−１５６０９４公報
特開２００４−３３５８５９公報
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (3)
- スズを主体とした鉛を含有しない金属メッキが施されたリード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、前記リード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。
- 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ることを特徴とする請求項１記載のコンデンサ用リード端子の溶接方法。
- 前記リード線とアルミニウムタブとの溶接金属内部にスズを凝集凝固することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のコンデンサ用リード端子の溶接方法。
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