JP5036796B2 - 表面実装用放電管 - Google Patents

Description

本発明は、プリント回路基板上に直接はんだ接合される表面実装用放電管に関する。

一般に放電管は、円筒形のセラミック外囲器の両端部を各々電極の側面で密閉した構造であり、プリント回路基板上への搭載は、従来は電極の端面に設けたリード線を介して行なわれていた。

リード線を介した搭載は放電管一個毎に行なうが、多数個を一括して搭載したいとの要請が強くなっており、そのためにリード線を用いずに直接にプリント回路基板上に接合する表面実装が必要になってきた。

その際、円筒形の放電管を単にそのままプリント回路基板上に載置すると転がってしまい位置決めが困難になるため、電極の一部に平坦部を設けること（特許文献１，２）が行なわれている。また、放電管と同一の基本構造を持つサージアブソーバにおいて、同趣旨にて電極を多角形にすること（特許文献３）が行なわれている。

表面実装は、プリント回路基板上の各実装箇所にはんだペレットを配置し、そこに各々放電管の電極周縁部のはんだ接合用平坦部位を位置合わせして載置した状態で、加熱炉に装入してはんだペレットを溶解させた後に、炉外へ取り出してはんだを固化させ、接合を完了する。

しかし、このように表面実装を行なった放電管は、はんだ接合時に所定実装位置に対して位置ずれが発生する上、プレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）特性等の信頼性が不十分であるという問題があった。

実開昭５９−３３６９０号公報（実用新案登録請求の範囲、図２〜５） 特開２００３−１５１７１６号公報（特許請求の範囲、図１、３） 特開２００１−１３５４５３号公報（特許請求の範囲、図３）

本発明は、はんだ接合時の位置ずれ発生を抑制すると共に、十分なＰＣＴ特性を備えた表面実装用放電管を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の表面実装用放電管は、円筒形のセラミック外囲器の両端部に各電極の側面を接合することにより、該両端部を各々電極の側面で密閉した構造を備え、実装基板上に直接はんだ接合される表面実装用放電管であって、
上記両端部に接続された電極が角型であって上記セラミック外囲器の端部から外側へ該セラミック外囲器の中心軸に対して張り出しており、該セラミック外囲器と接合される側の電極側面の周縁であって、該張り出した部分の該電極側面の周縁にはんだ接合用のテーパまたは段差を備えており、
該放電管中央部の両電極の対面部で放電を行なうことを特徴とする。

本発明者は、両端の電極を角型とし、セラミック外囲器の端部から外側へ張り出させ、電極側面の周縁にはんだ接合用のテーパまたは段差を設けると、表面実装のためのはんだ接合時の位置ずれ発生を抑制し、同時に、十分な信頼性（特にＰＣＴ特性）を確保できることを見出して本発明を完成させた。

更に、本発明の放電管は、リード線が不要なので、製造プロセスにおいてリード線形成のための諸工程を省けるため、生産性が向上する。

図１は、本発明により電極側面にテーパを備えた放電管の一実施形態を示す（１）縦断面図および（２）横断面図である。 図２は、本発明により電極側面に段差を備えた放電管の一実施形態を示す（１）縦断面図および（２）横断面図である。

〔実施形態１〕 図１に、本発明による表面実装用放電管の一例を示す。図１（１）は放電管の円筒形セラミック外囲器の中心軸を含む面で切断した縦断面図であり、図１（２）は図１（１）に示した線Ｘ−Ｘで切断した横断面図である。

図１に示した放電管１１０は、中心軸Ｃを持つ円筒形のセラミック外囲器１０２の両端部を各々円形の電極１０４の側面Ｓで密閉した構造を備えている。電極１０４は角型であってセラミック外囲器１０２の端部から中心軸Ｃに対して外側へ張り出しており、電極１０４の側面Ｓの周縁にはんだ接合用のテーパＴを備えている。

なお、放電管中央部で両電極１０４、１０４の対面部にそれぞれ形成された多数凹部付き窪み１０６内には、放電を確実に発生させて安定に維持するための物質が塗布または充填されている。窪み１０６内の多数凹部は、図１(１）に各々半球状に示した多数の凹部である（図１（２）では省略）。

電極１０４が角型なので、表面実装時に４辺のどこでも搭載可能である。これにより、実装時に位置決め・ポッティングによる方向出しが不要である。

電極１０４がセラミック外囲器１０２の端部から中心軸Ｃに対して外側へ張り出しているので、プリント回路基板に搭載した際にプリント回路基板の表面と放電管１１０のセラミック外囲器１０２との間に空間が確保されるため、ＰＣＴ特性が向上する。

上記空間の確保による１つの効果として、表面実装時に溶融したはんだがセラミック外囲器１０２と電極１０４との接合界面に毛細管現象で浸透することを防止でき、これにより通電時にはんだのマイグレーションによるショート不良を防止できる。

電極１０４の側面Ｓの周縁にはんだ接合用のテーパＴを備えているので、はんだペレットを用いた表面実装時に、溶融したはんだが表面張力で電極に這い上がり易くなり、はんだ付け時の位置ずれ発生が抑制されると共に、はんだ付け強度が向上する。

テーパ角度θ（図１（１）参照）は、０°＜θ＜９０°の範囲内で上記効果が得られ、特に０°＜θ＜４５°で効果が顕著であり、θ＝２５°付近で最も大きな効果が確認されている。

なお、電極１０４の外側面中央部には大きなディンプル１０８が形成してあって、放電管１１０の搬送時にチャック部として利用できると同時に、電極１０４の体積を小さく且つ表面積を大きくして放熱性を高めている。

〔実施形態２〕 図２に、本発明による表面実装用放電管の他の一例を示す。図２（１）は放電管の円筒形セラミック外囲器の中心軸を含む面で切断した縦断面図であり、図２（２）は図２（１）に示した線Ｘ−Ｘで切断した横断面図である。

図２に示した放電管１２０は、電極１０４の側面Ｓの周縁にはんだ接合用の段差Ｄを備えている点以外は、図１の放電管１１０と同じ構造である。図１の放電管と対応する箇所には共通の参照符号を付した。

本実施形態の放電管１２０は、電極１０４の側面Ｓの周縁にはんだ接合用の段差Ｄを備えており、実施形態１の放電管１１０のはんだ接合用テーパＴと同様に、はんだ付け時の位置ずれ防止効果およびはんだ付け強度向上効果が得られる。はんだ接合用段差は、電極外周から測定した寸法で表すと、一般に０．１〜５ｍｍ程度が適当であり、１〜２ｍｍ程度が望ましく、はんだ接合に用いるはんだペレットの厚みよりも大きいことが望ましい。

他の効果、すなわち実施形態１について説明した、電極１０４が角型であることによる効果、プリント回路基板の表面とセラミック外囲器１０２との間の空間確保による効果、電極１０４の外側面中央部に設けたディンプル１０８による効果も、実施形態１と同様に得られる。

〔リード線形成工程の削減効果〕 電極にリード線を形成するためには、一般に下記工程（１）〜（４）が必要である。

（１）リード線スポット溶接（電極外表面の中央部にリード線を接合） （２）リード線加工（基板への接合用の脚部を形成するためのリード線曲げ加工） （３）リーク確認 （４）点火確認 本発明の放電管はリード線を用いないので上記工程（１）〜（４）を省ける。

更に、工程（１）リード線スポット溶接は、通常１０ｋｇ加圧による抵抗溶接が標準である。しかし、この方式は放電管本体に衝撃を与えるため、セラミック外囲器と電極とを接合しているろう付け面に負荷を与えてしまい、マイクロクラックの発生により封入ガスのリークを起こす原因となる。本発明はリード線形成工程を行なわないので、このような問題が起きることがない。

なお、上記各実施形態では、電極１０４のテーパＴや段差Ｄを、電極１０４の内向き側面Ｓの周縁に設けている例を示した。しかし、はんだの這い上がりによるマイグレーションが生じない場合、内向き側面Ｓの周縁にテーパＴや段差Ｄを設けずに、電極１０４の内向き側面Ｓと反対側の外向き側面の周縁にテーパＴや段差Ｄ設けても良い。

また、電極１０４のテーパＴや段差Ｄを、電極１０４の内向き側面Ｓの周縁と、側面Ｓの反対側の外向き側面の周縁の両方に設けても良い。

〔実施例１〕 電極側面にテーパを付与した本発明の放電管とテーパ無しの従来の放電管とについて、はんだペレットを用いた表面実装試験を行ない、はんだ接合時の位置ずれを測定した。

図１（１）中に示したテーパ角度θを、従来例はθ＝０°（ただし、電極張出し無（従来例１）／有（従来例２）の２種類）、本発明例はθ＝２５°、４５°、７５°の３水準とした。サンプル形状は下記のとおりであった。

＜サンプル形状＞
セラミック外囲器 ：外径φ０．８ｍｍ×長さ６．０ｍｍ（円筒形）
電極 ：□１２．０ｍｍ、外縁部厚み２．０ｍｍ
（従来例１は□８．１ｍｍ）
プリント回路基板との間隔：２．０ｍｍ（従来例１は間隔０）
表面実装試験は下記の手順で行なった。

＜表面実装試験の手順＞
（１）プリント回路基板上にはんだペレット（長さ１２．５ｍｍ、幅２．０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ）を載置。

（２）はんだペレット上にサンプル放電管を載せ、放電管円筒軸方向（Ｘ方向）と放電管直系方向（Ｙ方向）の初期位置を測定。

（３）はんだ溶着炉に装入して３５０℃に加熱。

（４）はんだ溶着炉から取り出し、常温まで冷却後に、サンプルのＸ方向位置およびＹ方向位置を測定。上記初期位置との差からはんだ接合時の位置ずれを算出。

同種のサンプル５個について上記試験を行った（繰返し数：ｎ＝５）。試験結果を表１に示す。

本発明によるテーパ付きサンプルはいずれも、テーパ無しの従来例サンプルに比べて、はんだ接合時の位置ずれが大幅に低減している。

従来例１はテーパ無しであって、かつ電極張出し無しでセラミックス外囲器とプリント回路基板との間に空間が無い形態であり、位置ずれが最も著しく、Ｘ方向（放電管円筒軸方向）が１．１〜３．６ｍｍ、Ｙ方向（放電管直径方向）が１．２〜３．３で、位置ずれのばらつきも大きい。

従来例２はテーパ無しであって、本発明例と同じく電極張出し有りでセラミック外囲器とプリント回路基板との間に２ｍｍの空間が確保されており、位置ずれがＸ方向１．２〜２．２ｍｍ、Ｙ方向１．３〜２．５ｍｍであり従来例１に比べると位置ずれが少なく、ばらつきも小さい。

これに対して本発明例は、試験した範囲ではテーパ角度θ＝２５°で位置ずれが最も少なく、Ｘ方向０．１〜０．２ｍｍ、Ｙ方向０．１〜０．３ｍｍであり、従来例の１０分の１のレベルに低減している。テーパ角度θが４５°、７５°と大きくなるにしたがって、位置ずれが徐々に増加する傾向があるが、位置ずれが最も大きいテーパ角度θ＝７５°の本発明例でも、従来例の数分の１のレベルであって、Ｘ方向０．３〜０．６ｍｍ、Ｙ方向０．８〜１．１である。

〔実施例２〕 電極側面にテーパを付与した本発明の放電管とテーパ無しの従来の放電管とについて、実施例１と同様にはんだペレットを用いて表面実装を行ない、実装後にプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）を行なった。

放電管電極側面のテーパ角度θを、従来例はθ＝０°（ただし、電極張出し無（従来例１）／有（従来例２）の２種類）、本発明例はθ＝２５°、７５°の２水準とした。

放電管サンプル形状は実施例１と同様であった。

ＰＣＴ試験は下記の条件で行なった。

＜ＰＣＴ試験条件＞
温度：１２０℃
湿度：１００％（飽和状態）
圧力：０．１５０ＭＰａ
通電：ＤＣ５００Ｖを常時印加
時間：１００時間〜８００時間（累計）
評価：合格基準（規格）／５００時間で絶縁抵抗１０００ＭΩ以上維持すること。

ＰＣＴ試験後に絶縁抵抗を測定した結果を表２に示す。

従来例および本発明例の全てのサンプルで、１００時間経過後までは１００００ＭΩ（測定可能上限値）以上を維持した。

従来例１（テーパ無し、空間無し）は既に２００時間で６００ＭΩまで低下し、従来例２（テーパ無し、空間確保）は５００時間で５００ＭΩまで低下しており、いずれも合格基準に達しなかった。

これに対して本発明例（テーパ有り、空間確保）は、いずれも５００時間経過後に１００００ＭΩ（測定可能上限値）以上の絶縁抵抗を維持しており合格基準の１０倍を超える優れた特性を示している。特に、テーパ角度θ＝２５°の場合は８００時間経過後もなお１００００ＭΩ以上の絶縁抵抗を維持している。テーパ角度θ＝７５°の場合も、６００時間経過後になお合格基準の７倍に相当する７０００ＭΩの絶縁抵抗を維持している。

表面実装後の観察によると、電極側面にテーパの無い従来例に特有な現象として、電極とセラミック外囲器との接合部分およびセラミック外囲器とプリント回路基板との間に気泡が残存していた。これは電極側面にテーパを付与した本発明例では観察されなかったので、従来例においては気泡の存在が絶縁劣化を促進する一因となった可能性がある。

本発明によれば、はんだ接合時の位置ずれ発生を抑制すると共に、十分な信頼性（特にＰＣＴ特性）を備えた表面実装用放電管が提供される。

１１０、１２０ 本発明の放電管
１０２ 円筒形のセラミック外囲器
１０４ 電極
１０６ 窪み
１０８ ディンプル
Ｃ 円筒形セラミック外囲器１０２の中心軸
Ｓ 電極１０４の側面
Ｔ 電極１０４の側面Ｓの周縁に設けたはんだ接合用テーパ
θ テーパ角度（基準は電極側面Ｓ）
Ｄ 電極１０４の側面Ｓの周縁に設けたはんだ接合用段差

Claims (4)

1. 円筒形のセラミック外囲器の両端部に各電極の側面を接合することにより、該両端部を各々電極の側面で密閉した構造を備え、実装基板上に直接はんだ接合される表面実装用放電管であって、
   前記両端部に接続された電極は、角型の形状を有し、前記セラミック外囲器の端部から外側へ該セラミック外囲器の中心軸に対して張り出すように配置され且つはんだ接合用のテーパまたは段差を備えており、
   前記はんだ接合用のテーパまたは段差は、前記電極の前記セラミック外囲器との接合面と同一面の周縁に形成され、
   前記電極側面周縁のはんだ接合用テーパは、該電極側面を基準としたテーパ角度θが０°＜θ＜９０°であり、
   該放電管中央部の両電極の対面部で放電を行なうことを特徴とする表面実装用放電管。
2. 請求項１において、前記テーパ角度θが０°＜θ＜４５°であることを特徴とする表面実装用放電管。
3. 請求項１において、前記電極側面周縁のはんだ接合用段差は、０．１〜５ｍｍであることを特徴とする表面実装用放電管。
4. 請求項３において、前記段差は、前記はんだ接合に用いるはんだペレットの厚みよりも大きいことを特徴とする表面実装用放電管。

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