JP4688406B2 - 端子付き電気化学セル - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボタン型またはコイン型の電池及びキャパシタ等の電気化学セルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、携帯機器の補助電源としてクロック及びメモリー機能のバックアップ用として用いられるコイン型、ボタン型の一次電池、二次電池及びキャパシタなどの電気化学セルは、電池に正負極のリードを取るための端子を取り付けて用いられるのが一般的である。
【0003】
また、その端子形状も最近は部品の小型化が進み、端子用の穴が形成された取り付け基板に端子が差し込まれ、基板の裏側からハンダ付けするタイプが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、端子の付いた二次電池またはキャパシタを基板上にそのまま乗せ、端子先端部のハンダメッキ部を乗せた基板表面側からハンダ付けする表面実装タイプ(例えば、特許文献2参照)が主流となってきている。また、端子先端部のハンダメッキ部としてはSn−Pb合金が主に用いられている。
【0004】
【特許文献1】
実開昭61−18568号公報
【0005】
【特許文献2】
特開平11−40174号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
近年、耐環境問題の高まりにより、環境汚染物質の機器からの削減が求められている。そのため電気化学セルに取り付けられた端子先端部のハンダメッキからもPbをなくさなければならない。その対策としてSnめっき等が検討されているが、レーザー溶接により端子を電気化学セルに取り付けた場合、Snめっきからウィスカが発生しやすいという課題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のコイン、ボタン型の端子付き電気化学セルは、電気的リードを取るために、負極缶または正極缶の少なくとも一方にレーザー溶接により接続された端子を備えており、その端子の厚さは、0.07から0.25mm、レーザー溶接の溶け込み部分の端子表面に位置する径は、0.3から0.6mmで、かつ溶け込み部分の深さが0.1から0.3mmとした。さらにこの端子の表面に、下地層として厚さが0.3から5μmのNi層またはNi合金層を設けた。その上に表面層として、端子の一方端部に、Sn―Bi、Sn−Ag、Sn―Cuのいずれかを含むめっきを施した。この表面層のめっきの厚さは、1から7μmとした。また、レーザー溶接は、端子表面の表面層がめっきされていない箇所に行うこととした。
【0008】
また、本発明は、上記記載の発明において、下地層のNi合金層は、Ni、Ni−B、Ni−Pのいずれかを含むこととした。
【0009】
また、本発明は、上記記載の発明において、レーザー溶接の溶け込み部分から最も近い表面層までの距離が、端子の厚さの10倍以上であることとした。
【0010】
また、本発明のコイン、ボタン型の端子付き電気化学セルは、端子の厚さを、0.07から0.25mmとし、レーザー溶接の溶け込み部分の端子表面に位置する径が0.3から0.6mmで、溶け込み部分の深さが0.1から0.3mmとして缶に端子を接続した。この端子には、下地層として厚さが0.3から5μmのNiまたはNi−B、Ni−Pのいずれかを含むNi合金層を設けた。その上に表面層として、端子の一方端部に、厚さが1から7μmであるSnめっきを施した。
また、レーザー溶接は、前記端子表面の前記表面層がめっきされていない箇所に行うこととした。
【0011】
また、本発明は、上記記載の発明において、レーザー溶接の溶け込み部分から最も近い表面層までの距離が、端子の厚さの10倍以上であることとした。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明は、電気化学セルに取り付けた端子に発生するウィスカがレーザー溶接時の熱の影響によることを突き止めたもので、レーザーの溶接条件によりウィスカを防止できないか検討した。また、表面層としてSnまたはSn合金めっき、および下地層としてNiまたはNi合金めっきが設けられた端子は、ウィスカが発生しにくいことを見出し、表面層、下地層の組成や厚さについて検討した。
【0013】
【実施例】
Snのウィスカは再結晶温度の低い金属から発生する固体成長ウィスカであることがしられている。Snの再結晶温度は0から25℃にあるため、レーザー溶接に伴う端子の温度変化によりウィスカが発生してしまう。そこで、レーザーでの熱と諸条件がウィスカにどう影響を及ぼすか調べた。端子には、幅4mm、長さ10mmのステンレス板(SUS304)に所定の下地めっきと、SnまたはSn合金をめっきしたものを用いた。この端子を、直径6.8mmのボタン型電池にレーザー溶接により固着した。以下の実施例では、ステンレス板の厚み、下地めっきの種類と厚み、めっきの種類と厚み、レーザー溶接条件(溶け込み径、溶け込み深さ)を代えてウィスカの発生を評価した。ウィスカの評価は、溶接後1日および30日後、電子顕微鏡(SEM)で観察し約30μmのウィスカがあるかないかを調べた。1日後の観察においては、溶接点からどのくらいの距離までウィスカが発生しているかを調べた。保管の温度は23±3℃とした。
【0014】
(実施例1〜4)
ステンレス板の厚みを0.1mm、下地めっきをNi、その上のめっきを3μm厚のSn、レーザー溶接条件を溶け込み径0.4mm・溶け込み深さ0.125mmとし、下地めっきの厚みを代えたそれぞれの条件で試験後のウィスカ発生を評価した。この結果を表1に示す。また、比較例として下地めっきがCuの場合も示した。
【0015】
【表1】
下地にCuめっきを施した比較例1では、溶接後1日および30日後ともウィスカが観察された。30日後のウィスカは増加していた。一方、下地めっきのNiを0.2μmと薄くした比較例2では、一日後にレーザー溶接点から3mmまでのところにウィスカが観察された。これは、レーザー溶接時の熱によりウィスカが発生しやすくなったと考えられる。ウィスカは一般に50℃前後の温度で発生しやすいといわれている。そこで、レーザー溶接点から1mmおよび3mmの地点に直径0.1mmの熱電対をロウ付し溶接時の温度を測定したところ、1mmのところで60℃、3mmのところで38℃に温度が上昇した。
【0016】
図1に本実施例の電気化学セルの側面図を示す。本実施例の電気化学セルは、ガスケット108を介して正極缶103と負極缶105で形成され、正極缶103と負極缶105にはそれぞれに正極端子104と負極端子110が接続されている。缶と端子はレーザー溶接点(101、102)にレーザーを照射することにより接続されている。その後、図示しない基板上に端子の接続される。
【0017】
実施例1では、めっき層を構成するNiの厚さを0.3μmとしている。レーザー溶接で温度の上がる1mmまでの距離でウィスカが発生したものの、その後の保存でウィスカの発生はなかった。Niの厚さを0.3mmとした場合は、レーザー溶接点とめっき層までの距離106を1mm以上とればよいことになる。この溶接条件においては、端子厚の約10倍の距離を保てばウィスカが発生しなかった。実施例2から4のNiめっきを厚くした場合は、1日後、および30日後もウィスカの発生はなかった。Niの厚さは、5μm以上でもかまわないがコストの兼ね合いで5μmくらいまでが、効果的な厚さである。同様の試験を、Niめっきの代わりにPを2〜9%含有するNi−Pめっき、NiにBを1〜5%含有するNi−Bめっきで行ったが、Niめっきの時とほぼ同様の効果が確認できた。
【0018】
(実施例5〜8)
同様に、Snめっきの厚さについて検討した。この結果を表2に示す。
【0019】
【表2】
比較例3として、下地にCuめっきを用い、Snめっきを10μm施した場合を示した。レーザー溶接後、溶接点近傍にウィスカが発生するだけで30日保存でもその後のウィスカ発生はなかった。Cu下地の場合Snめっきを厚くすればウィスカは抑制できるが、コスト的に高くなり実用的ではなくなる。比較例4にSnめっきを0.5μmにした場合を示した。レーザー溶接後、溶接点近傍にウィスカが発生するだけで30日保存でもその後のウィスカ発生はなかったが、実際に電気化学セルにこの条件で取り付けてはんだ付けしたところ基板との密着強度が十分でなく実用に耐えないことがわかった。
【0020】
実施例5から8のSnめっきを厚くした場合は、1日後、および30日後もウィスカの発生はなかった。
【0021】
同様の試験を、SnにBiを2〜9%含有するSn-Biめっき、SnにAgを1〜5%含有するSn−Agめっき、SnにCuを1〜5%含有するSn−Cuめっきで行ったが、Snめっきの時とほぼ同様の効果が確認できた。ただし、これらのSn合金系のめっきは、厚くなると端子の曲げ加工時割れやすいため、膜厚の上限は7μmであった。
【0022】
(実施例9〜12)
次に、ステンレス板の厚さとレーザー溶接条件について同様に検討した。ステンレス板の厚さが増えると溶接時のレーザー強度を増す必要がある。そのため溶接時の熱発生も大きくなる。この結果を表3に示す。
【0023】
【表3】
比較例5として、ステンレス板の厚さ0.06mとした場合を示した。レーザー溶接後、ステンレス板厚が薄く、溶接点近傍の温度上昇が大きく、ウィスカが発生したものと考えられる。30日保存のウィスカ発生はなかったが、実際に電気化学セルにこの条件で取り付けてはんだ付けしたところ、ステンレス板厚が薄く、基板落下試験で端子が折れ、実用に耐えないことがわかった。また、ステンレス板の厚さ0.3mとした場合を比較例6とした。ステンレス板が厚いためレーザー強度を上げ、板厚より溶け込み深さを深くする必要があった。そのため、溶け込み径は0.7mm、溶け込み深さは0.33mmとなった。強力なレーザー溶接のため、溶接点近傍の温度上昇が大きく、溶接点からの距離が3mmまでの広範囲にわたりウィスカが発生したものと考えられる。30日保存でそれ以上のウィスカ発生はなかった。
【0024】
実施例9から12ではステンレス板の厚さを0.07から0.25mmまで変化させ、それに応じてレーザー溶接条件を最適化させて評価を行った。1日後、30日後ともにウィスカの発生はなく良好な結果を示した。他のステンレス(SUS430、444、316等)についても上記試験を実施したがほぼ同様の結果であった。
【0025】
上述の各実施例では、めっきによる製膜方法について記載したが、同一組成の膜であれば同一の効果が期待できる。従って、蒸着、スパッタリング、CVD等の製膜方法を用いても一向に問題はない。
【0026】
本発明は、端子付電気化学セルに関するものであり、電気化学セル自体は、一次電池、二次電池、電気二重層キャパシタ等いずれでもかまわない。用途としては、電気化学セルを取り付ける電子回路基板を有するものであればよく、特に限定されるものではない。また、基板へのとりつけもはんだごてによるもの、リフローはんだ付けによるものでもよく特に限定されるものではない。
【0027】
【発明の効果】
実施例に示したように、コインまたはボタン型の端子付電気化学セルに接続される端子の表面にPbを含まないSnまたはSn合金層をもうけても、ウィスカの心配がなくなるものである。それにより、本発明の電気化学セルを搭載した機器が廃棄される場合の環境汚染を抑制することができる。また、ウィスカの発生がないため本発明の電気化学セル取り付けられた基板において、ウィスカが引き起こすショートサーキットが防止でき、機器の故障率を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電気化学セルの側面図
【符号の説明】
101 レーザー溶接点
102 レーザー溶接点
103 正極缶
104 正極端子
105 負極缶
106 レーザー溶接点とめっき層までの距離
107 めっき層
108 ガスケット
109 めっき層
110 負極端子
Claims (5)
- 電気的リードを取るための端子が負極缶または正極缶の少なくとも一方にレーザー溶接により取り付けられたコインまたはボタン型の端子付き電気化学セルにおいて、
前記端子の厚さが0.07から0.25mmであり、
前記レーザー溶接の溶け込み部分の端子表面に位置する径が0.3から0.6mmで、かつ前記溶け込み部分の深さが0.1から0.3mmであり、
さらに前記端子は、下地層として厚さが0.3から5μmのNi層またはNi合金層が設けられ、
前記端子の一方端部には、Sn―Bi、Sn−Ag、Sn―Cuのいずれかを含む厚さが1から7μmの表面層がめっきされ、
前記レーザー溶接は、前記端子表面の前記表面層がめっきされていない箇所に行うことを特徴とする端子付き電気化学セル。 - 前記下地層のNi合金層は、Ni、Ni−B、Ni−Pのいずれかを含むことを特徴とする請求項1に記載の端子付き電気化学セル。
- 前記レーザー溶接の溶け込み部分から最も近い前記表面層までの距離が、前記端子の厚さの10倍以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の端子付き電気化学セル。
- 電気的リードを取るための端子が負極缶または正極缶の少なくとも一方にレーザー溶接により取り付けられたコインまたはボタン型の端子付き電気化学セルにおいて、
前記端子の厚さが0.07から0.25mmであり、
前記レーザー溶接の溶け込み部分の端子表面に位置する径が0.3から0.6mmで、かつ前期溶け込み部分の深さが0.1から0.3mmであり、
さらに前記端子は、下地層として厚さが0.3から5μmのNiまたはNi−B、Ni−Pのいずれかを含むNi合金層が設けられ、
前記端子の一方端部には、厚さが1から7μmであるSnの表面層がめっきされ、
前記レーザー溶接は、前記端子表面の前記表面層がめっきされていない箇所に行うことを特徴とする端子付き電気化学セル。 - 前記レーザー溶接の溶け込み部分から最も近い前記表面層までの距離が、前記端子の厚さの10倍以上であることを特徴とする請求項4に記載の端子付き電気化学セル。
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