JP4818641B2

JP4818641B2 - ヒューズ素子

Info

Publication number: JP4818641B2
Application number: JP2005145009A
Authority: JP
Inventors: 朋晋三井
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: JP2006322027A

Description

本発明は、ヒュ−ズ素子に関し、コンデンサやトランジスタ等の電子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。

電子部品においては、電流ヒュ−ズ素子を部品本体に接続し、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。

これらのヒュ−ズ内蔵電子部品においては、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、その電子部品本体やモ−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の発煙温度以下に抑える必要がある。
そこで、電子部品が発煙するまえにヒューズ素子の溶断で通電を遮断するために、ヒューズ素子の溶断温度を、ヒューズ素子が取付けられる電子部品、例えばタンタルコンデンサやパワートランジスタの発煙温度よりも充分に低くすることが要請される。

前記ヒューズ素子付き電子部品は、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から、ヒューズ素子はこのはんだ付け温度に耐え得るものでなければならず、前記ヒューズ素子の溶断温度をはんだ付け温度よりも高くする必要がある。

従来、廃棄された電子・電気電子部品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、ほぼ２６０℃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−化が要請されている。
従来、動作温度３００〜４００℃の鉛フリーヒューズ素子の一つとして「Ａｌが０．５〜１７％、残部がＺｎの合金を細線に加工したもの」が提案されている（特許文献１）。
特開平１０−１３４６９８号公報

図２−１はＺｎ−Ａｌ合金の状態図を示し、Ａｌが０．５〜１７％での液相線温度がほぼ４４０℃〜ほぼ３８０℃の間にあり、固相線温度がほぼ３８０℃である。
図２−２はＺｎ−５ＡｌのＤＳＣ（示差走査熱量測定）結果を示し、ほぼ３８０℃で溶解し始め、ほぼ３８９℃で溶解を完了して完全に液相化されている（２８４．８℃のピークは結晶変態によるものであり、溶解に関与していない）。
合金が加熱されて固相線温度を越えると液相化が始まり固相分が減少して固液共存状態になり、液相線温度で固相分が零となって完全な液相状態となる。
通常、ヒューズ素子の溶断は固相線温度と液相線温度との間で生じる。而して、前記特許文献１に記載されたヒューズ素子の溶断温度は、図２−１の状態図によれば３８０℃〜４４０℃である。
この３８０℃〜４４０℃の溶断温度では、ヒューズ素子が取付けられる電子部品、例えばタンタルコンデンサやパワートランジスタの発煙温度に対し余裕が少なく、溶断温度を下げるためにＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐから選ばれた少なくとも一種を０．１％〜５％添加することが前記特許文献１に開示されている。

しかしながら、これらの元素を添加すると、固相線温度は低くできても、２６０℃〜３７０℃での溶解熱量が全溶解熱量の数％程度にとどまり、この２６０℃〜３７０℃での液相化は僅かである。
これでは、ヒューズ素子が比較的低い温度で溶解し始めても、ヒューズ素子が溶断される温度は、Ａｕ等無添加のＺｎ−Ａｌヒユーズ素子に較べてさして低くならない。

本発明の目的は、かかる知見に基づき、タンタルコンデンサ等に内蔵させるＺｎ−Ａｌを含む合金からなるヒューズ素子において、ヒューズ溶断温度を充分に低減でき、しかも鉛フリーはんだによるはんだ付け実装に対し安全に保持できるヒューズ素子を提供することにある。

請求項１に係るヒュ−ズ素子は、ＺｎとＡｌとＧｅとを含有し、ＡｌとＧｅのそれぞれの含有量が０．５〜１５質量％（以下、質量％を単に％と記す）、ＡｌとＧｅとの合計量が５〜２０％、残部がＺｎの合金が細線に加工されてなることを特徴とする。ＡｌとＧｅのそれぞれの含有量を０．５〜１５％とする理由は、２６０℃〜３７０℃での溶解熱量Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}と全溶解熱量ΣＨとの比Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}／ΣＨを０．２以上、好ましくは０．５以上としてヒュ−ズ素子溶断温度をＺｎ−Ａｌヒュ−ズ素子の溶断温度よりも一段と低くするためであり、０．５％未満ではその比を０．２以上にできず、１５％を越えると２６０℃近傍でも溶解が生じて鉛フリーはんだ付けを安全に行い難くなるからである。ＡｌとＧｅとの合計量を５〜２０％とする理由は、細線加工を容易に行い得るようにするためであり、５％未満では脆弱であり線引きが難しく、２０％を越えると延性が大になり過ぎ線引きが難しくなるからである。

請求項２に係るヒュ−ズ素子は、ＺｎとＡｌとＭｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種を含有し、ＡｌとＭｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種のそれぞれの含有量が０．５〜１５％、ＡｌとＭｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種との合計量が５〜２０％、残部がＺｎの合金が細線に加工されてなることを特徴とする。ＡｌとＭｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種のそれぞれの含有量を０．５〜１５％とする理由は、２６０℃〜３７０℃での溶解熱量Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}と全溶解熱量ΣＨとの比Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}／ΣＨを０．２以上、好ましくは０．５以上としてヒュ−ズ素子溶断温度をＺｎ−Ａｌヒュ−ズ素子の溶断温度よりも一段と低くするためであり、０．５％未満ではその比を０．２以上にできず、１５％を越えると２６０℃近傍でも溶解が生じて鉛フリーはんだ付けを安全に行い難くなるからである。ＡｌとＭｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種のそれぞれの含有量を５〜２０％とする理由は、細線加工を容易に行い得るようにするためであり、５％未満では脆弱であり線引きが難しく、２０％を越えると延性が大になり過ぎ線引きが難しくなるからである。

請求項３に係るヒュ−ズ素子は、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種（ただし、Ｍｇ1種の場合は除く）が３〜２０％、残部がＺｎである合金が細線に加工されてなることを特徴とする。Ｍｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種（ただし、Ｍｇ1種の場合は除く）の合計含有量を３〜２０％とする理由は、２６０℃〜３７０℃での溶解熱量Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}と全溶解熱量ΣＨとの比Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}／ΣＨを０．２以上好ましくは０．５以上としてヒュ−ズ素子溶断温度をＺｎ−Ａｌヒュ−ズ素子の溶断温度よりも一段と低くするためであり、３％未満ではその比を０．２以上にできず、２０％を越えると２６０℃近傍でも溶解が生じて鉛フリーはんだ付けを安全に行い難くなるからである。

請求項４に係るヒュ−ズ素子は、請求項１〜３何れか記載の合金にＢｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも一種が１％以下添加された合金が細線に加工されてなることを特徴とする。Ｂｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐ、Ｓｂを添加する理由は、ヒュ−ズ素子がスポット溶接等で接続される電極との相溶性を高め、電極との界面に機械的に強靱な合金層を生成させて接合強度を向上させるためである。

請求項５に係るヒュ−ズ素子は、請求項１〜４何れか記載のヒュ−ズ素子において、細線断面が線径０．０３〜０．６ｍｍφの円形または厚み０．０１〜０．２ｍｍ、幅３〜０．１ｍｍのリボン状であることを特徴とする。

（１）生体に有害な金属元素を含有しておらず、環境保全に資する。更に耐食性に優れ、腐食性環境でも安全に使用できる。
（２）２６０℃〜３７０℃での溶解熱量Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}と全溶解熱量ΣＨとの比Ｈ_{２６０℃〜３７０}℃／ΣＨが０．２以上であり、固相線温度を２６０℃に向け低減できると共に２６０℃〜３７０℃の温度域で液相化を充分に進行させることができてヒューズを３７０℃以下で溶断させることができる。この温度はタンタルコンデンサ等の発煙温度に対し充分に低いから、タンタルコンデンサ等の発煙防止を確実に行うことができる。
（４）固相線温度が２６０℃以上であるから、鉛フリーはんだによるはんだ付けでも、ヒューズ素子付き電子部品を回路基板に安全に実装できる。
従って、本発明に係るヒューズ素子によれば、タンタルコンデンサ等の発煙を迅速作動で未然に防止でき、鉛フリーはんだ付けを安全に行い得、電子部品への取付けを容易に行い得る鉛フリーのヒューズ素子を提供できる。

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、超音波溶接、若しくはワイヤボ−ルボンディング、ウェッジボンディング、または熱圧接等を用いることができる。

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子部品と共に鉛フリ−はんだを使用してリフロ−法やフロ−法によって回路基板に温度２３０℃〜２８０℃で実装される。

上記したタンタルコンデンサにヒュ−ズ素子を内蔵させる理由は、万一の極性誤接続によって過電流が流れ発煙するのを防止するためである。
発煙には、温度以外にヒューズ遮断時間も関与し、ヒューズ遮断時間が長いと低い温度で発煙し、そのヒューズ遮断時間はヒューズ素子の抵抗が低くなるほど長くなるから、発煙にはヒューズ素子の抵抗値も関与する。
而るに、コンデンサ等に付設されるヒューズ素子の比抵抗が５．０〜６．０μΩcmであり、ヒューズ遮断時間が６０〜９０ｍｓｅｃであり、かかるもとで発煙を防止するには、ヒューズ溶断温度を４００℃よりも可及的に低くし、かつ鉛フリーはんだによる実装上２６０℃よりも高くすることが有効である。

ヒューズ素子の断面寸法や形状は線径０．０３〜０．６ｍｍφの丸線または厚み０．０１〜０．２ｍｍ、幅３〜０．１ｍｍのリボン状とされる。
上限については、ヒューズ素子の断面積を抑えて遮断時間が長くなり過ぎるのを回避することにあり、下限については、ヒューズ素子を電子部品に内蔵する際のハンドリング、組込の作業性、線引き加工性やコスト低減を保証することにある。
厚み０．０１〜０．２ｍｍ、幅３〜０．１ｍｍのリボン状では、電極との接触面積を充分に広くして接合性を向上できる有利性もある。

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。

本発明に係るヒュ−ズ素子は地金を所定の配合比で溶融してビレットを鋳造し、これを線引き加工することにより得ることができる。
Ｚｎ地金には、不純物Ｐｂ、Ｆｅ、Ｃｄ等をＪＩＳＨ２１０７規定の範囲内で含むものを使用することもできる。

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３０μｍφという細線のヒュ−ズ素子でも容易に製造できる。
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。

Ａｌ：５．０％、Ｇｅ：２．０％、残部Ｚｎの合金組成にて線径６０μｍφの細線をダイス伸線により製造した。この合金のＤＳＣ（昇温速度１０℃／min）の結果は、図３の通りであり、Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}／ΣＨを求めたところ０．８以上であった。
この細線の３ｍｍ切断片をＡｇメッキ４２アロイ電極間に抵抗溶接し、細線中央の上方０．５ｍｍの位置に熱電温度計を配し３Ａを通電してヒュ−ズ遮断温度を測定したところ３７０℃以下であった（ｎ＝１０箇の平均値）。
また、細線を４２アロイ電極に抵抗溶接し（ｎ＝１０箇の平均値）、引張り力を加え細線切断したものが１００％ものを接合性◎、細線切断したものが５０〜９０％ものを接合性○、細線切断したものが１０〜４０％もの、または接合箇所が剥離したものが１００％のものを接合性×として接合性を評価したところ、○であった。
また、２６０℃×１０秒加熱して抵抗値変動の有無をチェックしたが、異常は何ら観られなかった。

〔比較例１〕
実施例１に対しＧｅ無添加とした以外、実施例１と同様にして細線を製造した。ＤＳＣの結果は図２−２の通りであり、Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}／ΣＨは０であった。
また、実施例１と同様にして遮断温度を測定したところ３９０℃以上であった。接合性は○であった。
この比較例１と実施例１との対比から、Ｇｅ添加により無添加の場合に較べヒューズ溶断温度を２０℃以上低減できることを確認できた。

〔実施例２〜実施例５〕
表１に示すように実施例１に対し、Ａｌ量及びＧｅ量を変えた以外、実施例１と同様にして細線を製造し、Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}／ΣＨ及びヒューズ溶断温度並びに接合性を求めたところ表１の通りであった。
２６０℃×１０秒加熱して抵抗値変動の有無をチェックしたが、異常は何ら観られなかった。

〔実施例６〜実施例１３〕
表２に示すように実施例１に対し、Ｂｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐ、Ｓｂを添加した以外、実施例１と同様にして細線を製造し、Ｈ２６０〜３７０℃／ΣＨ及びヒューズ溶断温度並びに接合性を求めたところ表２の通りであった。
何れの実施例品に対しても、２６０℃×１０秒加熱して抵抗値変動の有無をチェックしたが、異常は何ら観られなかった。

〔実施例１４〜実施例１８〕
表３に示すように、ＺｎとＡｌとＭｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種を含有した組成とした以外、実施例１と同様にして細線を製造し、Ｈ２６０〜３７０℃／ΣＨ及びヒューズ溶断温度並びに接合性を求めたところ表３の通りであった。
何れの実施例品に対しても、２６０℃×１０秒加熱して抵抗値変動の有無をチェックしたが、異常は何ら観られなかった。
何れの実施例においても、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐ、Ｓｂの何れかを０．５％添加することにより接合性を◎にできることを確認した。

〔比較例２〜比較例３〕
表３に示すように、ＺｎとＡｌとＳｎまたはＩｎを含有し、ＡｌとＳｎまたはＩｎとの合計量を５％未満とした以外、実施例１と同様にして細線を製造し、Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}／ΣＨ及びヒューズ溶断温度並びに接合性を求めたところ表３の通りであった。

〔実施例１９〜実施例２３〕
表４に示す合金組成とした以外、実施例１と同様にして細線を製造し、固相線温度及び比抵抗を実施例１と同様にして測定したところ、Ｈ_{２６０℃〜３７０℃}／ΣＨ及びヒューズ溶断温度並びに接合性を求めたところ表３の通りであった。
２６０℃×１０秒加熱して抵抗値変動の有無をチェックしたが、異常は何ら観られなかった。
何れの実施例においても、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐ、Ｓｂの何れかを０．５％添加することにより接合性を◎にできることを確認した。

本発明に係るヒュ−ズ内蔵電子部品の一例を示す図面である。Ｚｎ−Ａｌ合金の温度状態図である。Ｚｎ−５Ａｌ合金のＤＳＣ結果である。Ｚｎ−５Ａｌ−２Ｇｅ合金のＤＳＣ結果である。

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

ＺｎとＡｌとＧｅとを含有し、ＡｌとＧｅのそれぞれの含有量が０．５〜１５質量％、ＡｌとＧｅとの合計量が５〜２０質量％、残部がＺｎの合金が細線に加工されてなることを特徴とするヒューズ素子。
ＺｎとＡｌとＭｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種とを含有し、ＡｌとＭｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種のそれぞれの含有量が０．５〜１５質量％、ＡｌとＭｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種との合計量が５〜２０質量％、残部がＺｎの合金が細線に加工されてなることを特徴とするヒューズ素子。
Ｍｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種（ただし、Ｍｇ1種の場合は除く）が３〜２０質量％、残部がＺｎである合金が細線に加工されてなることを特徴とするヒューズ素子。
請求項１〜３何れか記載の合金にＢｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも一種が１質量％以下添加された合金が細線に加工されてなることを特徴とするヒューズ素子。
細線断面が線径０．０３〜０．６ｍｍφの円形または厚み０．０１〜０．２ｍｍ、幅３〜０．１ｍｍのリボン状であることを特徴とする請求項１〜４何れか記載のヒューズ素子。