JP6767316B2 - 電子部品およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品およびその製造方法に関する。

外部引出端子をハーメチックシールで封止した金属製封口体とアルミニウムケースを封止する手法としては、例えば下記の特許文献１に記載されるようなレーザー溶接が一般的に挙げられ、封口体とケースの合金番号が同じであれば、レーザー溶接の実施にさほど問題はないが、合金番号が異なる場合には、レーザー溶接が困難になり歩留り悪化の原因になる。特にマグネシウムを相当量含有したアルミニウム合金と純アルミニウムやマグネシウムの含有が少ないアルミニウム合金との溶接においては非常に困難さを増す。

マグネシウム含有アルミニウム合金と純アルミニウムやマグネシウムの含有が少ないアルミニウム合金を溶接する場合、レーザー出力を高くする必要があるが、薄板（厚さ６ｍｍ以下）の場合、接合部に穴が空くなど溶接が困難であった。さらにハーメチックシールを備えたアルミニウム材の溶接では、レーザー出力を高くして熱をかけ過ぎるとハーメチックシール部の気密性が低下するので、レーザー溶接による溶接物の温度が高くなりすぎないよう短時間で溶接を終えなければならない。しかしながら、このような短時間での溶接では、溶接部の強度が弱くなり、溶接部の気密性も低くなるという問題があった。

一方、アルミニウムの溶接手法としては、例えば下記の特許文献２に記載されるような超音波はんだによる接合が知られている。この超音波はんだによる接合は、接合時の温度がレーザー溶接より比較的低いため、ハーメチックシール部の気密性低下の問題はないが、レーザー溶接に比べると溶接時間が長くなり熱ストレスとしてはかえってレーザー溶接より高くなるため、ケース内部の温度が高温となりケース内部に収納した素子に含浸された電解液が気化して内圧が上昇し、漏液する懸念があった。

特開２０００−０６７８２６号公報 特開平５−０６９１２０号公報

本発明は、従来技術における上記の問題点を解決し、ハーメチックシールを有する封口体と金属製ケースの接合において歩留り向上が実現可能な電子部品およびその製造方法を提供することを課題とする。
本発明者等は、種々検討を行った結果、電子部品の製造におけるハーメチックシールを有する封口体とケースの接合の際に、歩留り向上が実現できることを見出して、本発明を完成した。

前記の課題を解決可能な本発明の電子部品は、
開口部を有する金属製ケースと、前記ケースの内部に収納された素子と、前記開口部を封口する金属製封口体からなるものにおいて、
前記封口体がハーメチックシールで封止された外部引出端子を有し、
前記封口体の一部が前記ケースに嵌め入れられるとともに、前記封口体と前記ケースの開口側先端とをレーザー溶接にて接合した接合層と、少なくとも前記接合層の表面に超音波はんだによるはんだ層を有することを特徴とする。

また、本発明は、上記の特徴を有した電子部品において、前記ケースおよび前記封口体の材質が、ＪＩＳ規格Ａ１０００系の純アルミニウム、ＪＩＳ規格Ａ３０００系のアルミニウム−マンガン系合金および、ＪＩＳ規格Ａ５０００系のアルミニウム−マグネシウム系合金からなるグループより選ばれるものであることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記の特徴を有した電子部品において、前記接合層の厚さが、前記ケースの厚みの１．２５倍以上であることを特徴とするものである。

また、本発明は、電子部品を製造するための方法であって、当該方法が、
素子が内部に収納された金属製ケースの開口周縁に、当該ケースの開口を封止可能な形状を有し、外部引出端子がハーメチックシールで封止された金属製封口体を嵌め入れ、前記ケースの開口周縁をレーザー溶接により接合する第１の工程、および、
前記第１の工程にてレーザー溶接した接合部分の少なくとも一部を、さらに超音波はんだ付けにより接合する第２の工程
を含むことを特徴とする。

また、本発明は、上記の特徴を有した電子部品の製造方法において、前記ケースおよび前記封口体の材質が、ＪＩＳ規格Ａ１０００系の純アルミニウム、ＪＩＳ規格Ａ３０００系のアルミニウム−マンガン系合金および、ＪＩＳ規格Ａ５０００系のアルミニウム−マグネシウム系合金からなるグループより選ばれるものであることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記の特徴を有した電子部品の製造方法において、前記ケースの材質と前記封口体の材質が異なるものであることを特徴とするものである。

本発明によれば、熱ストレスの少ないレーザー溶接を行った後に超音波はんだ付けを行うことによって、熱ストレスによる素子への影響を抑制しながら、電子部品を構成する金属製ケースと金属製封口体の材質が異なる場合であっても接合箇所を気密状態にて封止でき、製品の歩留り向上を実現することができる。

本発明の電子部品の製造方法における製造工程を示す写真で、左側の写真は、素子１のタブと封口体３に固定された外部引出端子のリードピンを接合した後に、ケース２内に素子１を収納し、ケース２の開口周縁に封口体３を嵌め入れる前の状態を示しており、右側の写真は、封口体３をケース２に嵌め入れた後、ケース２の開口周縁をレーザー溶接および超音波はんだ付けにより接合した後の状態を示している。 左側の写真は、本発明の製造方法を用いて製造される電子部品の、ケース（接合箇所の下側、材質：Ａ３００４材）と封口体（接合箇所の上側、材質：Ａ５０８３材）の接合箇所におけるレーザー溶接表面の状態を示す写真であり、右側の写真は、接合箇所における溶接断面の状態を示す写真である。 本発明の電子部品の溶接部断面概略図である。

本発明における第１の工程（レーザー溶接工程）では、電解液を含浸された素子が内部に収納された金属製ケースの開口周縁に、当該ケースの開口を封止可能な形状を有する金属製封口体を嵌め入れ、金属製ケースの開口周縁をレーザー溶接により接合するが、このレーザー溶接を実施する前、すなわち、素子をケースの内部に収納する前または収納した後に、素子の接続タブとハーメチックシールで封口体に固定された外部引出端子のリードピンを溶接して接合する。本発明では、ケース２の開口周縁に封口体３を嵌め入れた際、封口体３の嵌め入れ側の一部がケース２内に入り込み、ケース２の開口周縁側の内壁面と封口体３が密接して重なった部分が存在し、この重なった部分がレーザー溶接される。
そして、第２の工程（超音波はんだ付け工程）においては、レーザー溶接した接合部分の少なくとも一部を、さらに超音波はんだ付けし、ケース２と封口体３との気密性の向上を図る。

図１には、本発明を用いて電子部品を製造する際の様子が写真により示されており、左側の写真には、素子１の接続タブと封口体３に固定された外部引出端子のリードピンを接合した後、ケース２内に素子１を収納する際の状態が示されており、右側の写真には、ケース２の開口周縁に封口体３を嵌め入れ、ケース２の開口周縁をレーザー溶接し、更に超音波はんだ付けにより接合して得られた電子部品の外観が示されている。

本発明では、レーザー溶接工程を実施する際、接合部分の気密性を向上させるために、レーザー溶接による接合部分の溶接深さ（接合層の厚さ）を、ケース２の厚みの１．２５倍以上とすることが好ましく、レーザーによる入熱を抑えつつも、封口体３に形成されているハーメチックシールにガラスクラックが生じない程度にまで溶接を深く入れることが重要である。また、レーザー溶接の際には、溶接部に電解液が付着しないようにし、電解液量を低減させ溶接時の電解液の気化を極力抑えることも重要である。
本発明の製造方法では、電子部品の製造に使用される一般的なレーザー溶接装置がいずれも使用でき、溶接条件は、使用するケースと封口体の材質によって適宜選択することができる。

本発明では、電子部品を構成する金属製ケースと金属製封口体が同じ材質（同種金属）であっても異なる材質（異種金属）であっても、確実に接合箇所を気密封止することができる。
本発明においては、前記ケースと前記封口体の材質は、ＪＩＳ規格Ａ１０００系の純アルミニウム、ＪＩＳ規格Ａ３０００系のアルミニウム−マンガン系（Ａｌ−Ｍｎ）合金および、ＪＩＳ規格Ａ５０００系のアルミニウム−マグネシウム系（Ａｌ−Ｍｇ）合金からなるグループより選ばれものであることが好ましい。

図２には、ケースとしてＡ３００４材（Ａｌ−Ｍｎ合金）を使用し、ハーメチックシールを有する封口体としてＡ５０８３材（Ａｌ−Ｍｇ合金）を使用した際の、接合箇所におけるレーザー溶接表面の状態（左側の写真）と、接合箇所における溶接断面の状態（右側の写真）が示されており、右側の写真から、ケース（接合部から写真の下側方向に延びた色の濃い部分）の厚みよりも深い位置まで、実質的に断面Ｖ字状に溶接されていることがわかる。

本発明における第２の工程（超音波はんだ付け工程）では、レーザー溶接した接合部分の少なくとも一部を、さらに超音波はんだ付けにより接合することによって、気密性の向上を図ることが可能である。特にケースおよび／または封口体の材質がＡ５０００系（Ａｌ−Ｍｇ合金）である場合には、その合金に含まれるＭｇ等の添加物の影響により溶接が不安定となるため、超音波はんだを用いた接合方法が有効である。
本発明では、レーザー溶接した接合部分を全て、即ち、ケースの開口周縁全周を、超音波はんだ付けにより接合してもよいが、熱ストレスの少ないレーザー溶接で接合を行った後に、接合部の気密性確認試験を行い、気密不良が確認された箇所のみ超音波はんだで補填してもよい。
以下、本発明の電子部品の製造例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。

〔本発明によるレーザー溶接＋超音波はんだ封止を行った場合と、従来法によるレーザー溶接封止を行った場合の歩留り比較〕
電子部品であるアルミ電解コンデンサを一例に説明する。アルミ電解コンデンサ素子を収納するために一方向が開口した角形のケース（外形寸法：２９ｍｍ×１５ｍｍ×３ｍｍ）として、Ａ３００４材（Ａｌ−Ｍｎ合金）から成り、長辺側の厚みが０．１７５ｍｍ、短辺側の厚みが０．２５０ｍｍのものを準備した。
上記ケースの開口を封止するための封口体としては、Ａ１０００系（Ａ１１００材、純アルミニウム）、Ａ３０００系（Ａ３００４材、Ａｌ−Ｍｎ合金）、Ａ５０００系（Ａ５０８３材、Ａｌ−Ｍｇ合金）から成り、封口体のケースより外部に位置する外形寸法が１４．９５ｍｍ×２．９５ｍｍのものをそれぞれ準備した。

１．本発明によるレーザー溶接＋超音波はんだ封止による封止品の製造
上記ケースの開口に上記の各封口体を嵌め入れ、レーザー溶接による接合層の厚さが約０．４００ｍｍ（ケース長辺側厚みに対して２．２９倍、ケース短辺側厚みに対して１．６０倍）となるように、ケースの開口周縁をレーザー出力：２５０Ｗ、溶接速度：１２０ｍｍ／秒、焦点距離：＋０．５ｍｍのレーザー溶接条件にて溶接し、封止した。次に、溶接部分をさらに、こて温度：３５０℃、振動数：６０ｋＨｚの条件にて、Ｓｎ７０〜８０％、Ｚｎ３〜５％、Ｓｂ３〜５％、Ｉｎ１５〜２５％のはんだを用いて超音波はんだ付けで封止し、封止品（本発明品）を得た。本発明品の溶接部断面概略図を図３に示す。ケース２と封口体３の接合箇所にレーザー溶接による接合層４がケース２の厚みの１．２５倍以上に形成され、接合層４の表面全体が超音波によるはんだ層５で覆われている。なお、点線はレーザー溶接前の状態を示している。

２．従来のレーザー溶接封止のみによる封止品の製造
上記１．と同条件でレーザー溶接のみ行って、封止品（従来品）を得た。

３．気密性確認試験
上記で得られた従来品および本発明品をフロリナート（商標）中に１２０℃にて浸漬し、封止部からの気泡の発生の有無を１分間目視により観察し、気泡の発生のないものを「良品」、気泡の発生のあるものを「不良品」として評価した。
なお、上記の気密性確認試験は、封口体の材質（３種類）ごとに、それぞれ１０個ずつ行った。
その結果、従来品（レーザー溶接封止のみによる封止品）についての歩留りが、Ａ１０００系の場合９／１０個（９０％）、Ａ３０００系の場合７／１０個（７０％）、Ａ５０００系の場合５／１０個（５０％）であったのに対し、本発明品（レーザー溶接＋超音波はんだ封止による封止品）についての歩留りは、Ａ１０００系の場合１０／１０個（１００％）、Ａ３０００系の場合１０／１０個（１００％）、Ａ５０００系の場合１０／１０個（１００％）であった。

上記の歩留り比較試験から、本発明は、従来法における問題点を解消できるものであり、レーザー溶接と超音波はんだ封止の併用によって、ケースとハーメチックシールを有する封口体の材質が同じであっても異なっても、接合箇所を確実に気密封止することができ、製品の歩留り向上を実現できることが確認された。

本発明の電子部品は、熱ストレスを押さえたレーザー溶接を行った後に超音波はんだ付けを行うことによって、レーザー溶接のみでは溶接が非常に困難であると言われていた薄板とＡ５０００系の合金からなる封口体の溶接であっても、接合箇所を気密状態にて封止することができ、歩留り良く電子部品を製造するのに非常に有用である。

また、本発明の実施例としてアルミ電解コンデンサを例示して説明したが、電気二重層コンデンサ、リチウムイオンキャパシタ、二次電池などにも利用することができる。

１ 素子
２ ケース
３ 封口体
４ 接合層（レーザー溶接による溶接部）
５ はんだ層

Claims (6)

1. 開口部を有する金属製ケースと、前記ケースの内部に収納された素子と、前記開口部を封口する金属製封口体からなる電子部品において、
   前記封口体がハーメチックシールで封止された外部引出端子を有し、
   前記封口体の一部が前記ケースに嵌め入れられるとともに、前記封口体と前記ケースの開口側先端とをレーザー溶接にて接合した接合層と、少なくとも前記接合層の表面に超音波はんだによるはんだ層を有することを特徴とする電子部品。
2. 前記ケースおよび前記封口体の材質が、ＪＩＳ規格Ａ１０００系の純アルミニウム、ＪＩＳ規格Ａ３０００系のアルミニウム−マンガン系合金および、ＪＩＳ規格Ａ５０００系のアルミニウム−マグネシウム系合金からなるグループより選ばれるものであることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
3. 前記接合層の厚さが、前記ケースの厚みの１．２５倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の電子部品。
4. 電子部品を製造するための方法であって、当該方法が、
   素子が内部に収納された金属製ケースの開口周縁に、当該ケースの開口を封止可能な形状を有し、外部引出端子がハーメチックシールで封止された金属製封口体を嵌め入れ、前記ケースの開口周縁をレーザー溶接により接合する第１の工程、および、
   前記第１の工程にてレーザー溶接した接合部分の少なくとも一部を、さらに超音波はんだ付けにより接合する第２の工程
   を含むことを特徴とする電子部品の製造方法。
5. 前記ケースおよび前記封口体の材質が、ＪＩＳ規格Ａ１０００系の純アルミニウム、ＪＩＳ規格Ａ３０００系のアルミニウム−マンガン系合金および、ＪＩＳ規格Ａ５０００系のアルミニウム−マグネシウム系合金からなるグループより選ばれるものであることを特徴とする請求項４に記載の電子部品の製造方法。
6. 前記ケースの材質と前記封口体の材質が異なるものであることを特徴とする請求項４または５に記載の電子部品の製造方法。