JP6787839B2

JP6787839B2 - 電子部品用筐体

Info

Publication number: JP6787839B2
Application number: JP2017099099A
Authority: JP
Inventors: 渡り　純一; 純一渡り; 浩浜島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2037-05-18
Also published as: JP2018195485A

Description

本開示は、電子部品用筐体に関する。

従来、定格電流を超える電流が流れると自己発熱により溶断して、電気回路を遮断し、各種電装品を保護するヒューズが用いられている。このようなヒューズは、例えば、セラミックスからなる筒状体と、この筒状体内に位置するヒューズ素子と、この筒状体内に位置するとともにヒューズ素子を覆う消弧剤と、筒状体の両端部に位置する金属からなるキャップとを備える。そして、ヒューズ素子は、キャップと電気的に接続されている。また、消弧剤とは、ヒューズ素子が溶断したときに発生するアークを消弧するものである。

このようなヒューズを構成するセラミックスからなる筒状体として、本願出願人は、筒状体の端面と側面との境界部に、第１凸曲面部、凹曲面部及び第２凸曲面部を連続して形成した電子部品用セラミック体を提案している（特許文献１参照）。

特開平８−１０２２４３号公報

ヒューズ素子は自己発熱により溶断する部分がヒューズ素子の長手方向の中央部であることが多く、溶断した部分周辺の消弧剤がまず高温になり、その消弧剤を介して、セラミックスからなる筒状体に熱が伝わる。

ヒューズの小型化が要求される昨今、セラミックスからなる筒状体の破損防止のために、筒状体の中央部における放熱性の高い電子部品用筐体が求められようになっている。

本開示は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、中央部における放熱性の高い電子部品用筐体を提供することを目的とする。

本開示の電子部品用筐体は、第１端から第２端に掛けて貫通する貫通孔を備える筒状体であり、結晶粒子と該結晶粒子間に位置する粒界相を有するセラミックスからなり、前記筒状体の内壁において、中央部における平均結晶粒径が、端部における平均結晶粒径よりも大きい。

本開示の電子部品用筐体は、中央部における放熱性が高い。

本実施形態の電子部品用筐体を含むヒューズの一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。図１に示す電子部品用筐体の内壁のＳＥＭ写真であり、（ａ）は端部、（ｂ）は中央部を示す。図１に示す電子部品用筐体の内壁に垂直な断面の模式図である。

本開示の電子部品用筐体について図を参照しながら説明する。図１は本実施形態の電子部品用筐体を含むヒューズの一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。

また、図２は、図１に示す電子部品用筐体を構成する筒状体の内壁のＳＥＭ写真であり、（ａ）は端部、（ｂ）は中央部を示す。

図１に示すヒューズ１０は、セラミックスからなる筒状体の電子部品用筐体２と、この電子部品用筐体２内に位置するヒューズ素子４と、この電子部品用筐体２内に位置するとともにヒューズ素子４を覆う消弧剤５と、電子部品用筐体２の第１端および第２端に位置する金属からなるキャップ３とを備える。

電子部品用筐体２の第１端および第２端に位置するキャップ３は、はんだによって電子部品用筐体２に接合され、このキャップ３とヒューズ素子４とは電気的に接続されているものである。

そして、キャップ３に電圧を印加すると、ヒューズ素子４に通電することができ、過電流が流れた場合にはヒューズ素子４が溶断して通電を遮断させることができるようになっている。また、電子部品用筐体２の内部には、ヒューズ素子４の溶断によって発生するアークを消弧する消弧剤５が充填されており、この消弧剤５は、例えば、酸化アルミニウム、酸化珪素等を主成分とする。酸化珪素を主成分とする消弧剤５の場合、消弧剤５は、例えば、珪砂、ゼオライトまたはこれらの混合体である。図２は、電子部品用筐体２の内壁のＳＥＭ写真であり、（ａ）は端部、（ｂ）は中央部である。図２に示すように、本実施形態の電子部品用筐体２は、結晶粒子６と結晶粒子６間に位置する粒界相７を有するセラミックスからなり、電子部品用筐体２（筒状体）の内壁において、中央部における平均結晶粒径が、端部における平均結晶粒径よりも大きい。

本実施形態の電子部品用筐体２は、中央部における平均結晶粒径が、端部における平均結晶粒径よりも大きいことにより、中央部における放熱性が高くなり、ヒューズ素子４が溶断した場合においてセラミックスからなる電子部品用筐体２が破損しにくくなる。これは、中央部の方が端部よりも単位体積当たりにおける、結晶粒子６よりも熱伝導性が低い粒界相７の体積が少なくなるためである。

ここで、端部とは、電子部品用筐体２の第１端から第２端までの距離（長さ）を５等分したうちの両端からそれぞれ１／５までの領域をいう。また、中央部とは、５等分したうちの中央の領域をいう。

結晶粒子６の平均結晶粒径は、コード法によって求めることができる。平均結晶粒径は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、倍率を２０００倍として筒状体である電子部品用筐体２の内壁を撮影し、６０μｍ×４５μｍの範囲で同じ長さの直線を４本引き、この４本の直線上に存在する結晶の個数をこれら直線の合計長さ（但し、直線が結晶粒子６間に存在する空隙部を通過する場合には、通過した直線の長さ分を差し引く。）で除すことで求めることができる。なお、直線１本当たりの長さは、例えば、２０μｍとすればよい。

図２（ａ）、（ｂ）に示す写真の結晶粒子２の平均結晶粒径は、コード法によって求めると、それぞれ２．３μｍ、３．６μｍである。

本実施形態の電子部品用筐体２は、端部における平均結晶粒径が１μｍ以上３μｍ以下
であり、中央部における平均結晶粒径が、端部における平均結晶粒径よりも１μｍ以上大きくてもよい。

このような構成を満たすときには、金属製のキャップ３をはんだで接合する場合、線膨張係数の違いにより、端部は熱応力が残留しやすく、中央部よりも機械的強度が低下しやすいが、端部における平均結晶粒径が上記範囲にあると、機械的強度の低下を抑制することができる。

また、中央部においては、フォノン伝導の障害となる粒界相の体積を減少させることができるため、中央部における放熱性をより高くすることができる。

なお、中央部における機械的強度を維持するという点から、中央部における平均結晶粒径と端部における平均結晶粒径との差は、４μｍ以内にするとよい。

本実施形態の電子部品用筐体２は、中央部における結晶粒子のアスペクト比の平均値が、端部における結晶粒子のアスペクト比の平均値よりも大きくてもよい。

ヒューズ素子４の溶断する部分が長手方向の中央部である場合、定格電流を超える電流が流れると、まず、この部分が溶融、液体、気化の順で相変化する。そして、この相変化により、電子部品用筐体２の内壁の中央部が高圧を受けて、マイクロクラックが結晶粒子６や粒界相７の内部を進行しやすい。上述した構成であると、中央部におけるマイクロクラックの進行を抑制することができるため、長期間に亘って用いることができる。

結晶粒子６のアスペクト比の平均値は、ＪＩＳＲ１６７０：２００６に準拠して求めればよい。具体的には、まず、ＳＥＭを用いて、倍率を２０００倍として電子部品用筐体２の内壁を撮影し、６０μｍ×４５μｍの範囲を対象とする。そして、この範囲から、測定個数を、例えば、８個以上１２個以下とし、各結晶粒子６の長径および短径を測定し、長径を短径で割った値をアスペクト比とすればよい。

なお、図２（ａ）、（ｂ）に示す写真の結晶粒子６のアスペクト比は、ＪＩＳＲ１６７０：２００６に準拠して求めると、それぞれ１．４５、１．６４である。

中央部における結晶粒子６のアスペクト比の平均値は、１．６以上であってもよい。このような構成を満たすときには、中央部における破壊靭性が高くなるため、マイクロクラックがさらに進行しにくくなり、長期間に亘って用いることができる。

また、端部における結晶粒子６のアスペクト比の平均値は、１．５以下であってもよい。このような構成を満たすときには、端部において球状化された結晶粒子６が多くなるため、結晶粒子６同士の結合力が高くなり、機械的強度の低下をさらに抑制することができる。

図２に示す電子部品用筐体２を形成するセラミックスは、酸化アルミニウムが主成分であり、結晶粒子６は酸化アルミニウムの結晶である。また、粒界相７は、例えば、珪素、マグネシウムおよびカルシウムの酸化物を含んでいる。

なお、主成分とは、酸化アルミニウムが主成分であるセラミックスの場合、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３に換算した値である酸化アルミニウムの含有量が８０質量％以上である成分をいう。

セラミックスの成分は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）にて測定し同定することにより確認す
ることができる。また、含有量については、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いて、含有元素の含有量を求め、ＸＲＤで同定された成分に換算すればよい。

図３は、図１に示す電子部品用筐体２の内壁に垂直な断面（貫通孔の軸方向に直交する断面）の模式図である。

図３に示すように、電子部品用筐体２の内壁において、粒界相７の露出部７ａよりも突出している突出結晶粒子６ａを有していてもよい。

このような構成を満たすときには、粒界相７の露出部７ａに消弧剤５が接触しにくくるため、粒界相７の露出部を起点とするマイクロクラックが発生しにくくなり、その進展を抑制することができる。

突出結晶粒子６ａは、図２（ａ）、（ｂ）でも観察され、特に、端部では、顕著に観察される。

次に、本実施形態の電子部品用筐体の製造方法の一例を説明する。

主成分が酸化アルミニウムである電子部品用筐体を得る場合、まず、主成分である酸化アルミニウム粉末と、焼結助剤として酸化珪素、炭酸カルシウムおよび酸化マグネシウムムの各粉末と、必要に応じて酸化アルミニウム粉末を分散させる分散剤と、バインダーとをボールミルまたはビーズミルにより４０〜５０時間湿式混合してスラリーとする。

ここで、酸化アルミニウム粉末の平均粒径（Ｄ_５０）は、０．８μｍ以上２．２μｍ以下であり、上記粉末の合計１００質量％における酸化珪素粉末の含有量は３．３〜５質量％、炭酸カルシウム粉末の含有量は、１．３〜２．０質量％、酸化マグネシウム粉末の含有量は、１．７〜２．６質量％である。

そして、スラリーを噴霧乾燥することで主成分が酸化アルミニウムである顆粒を得る。次に、顆粒を上パンチ、下パンチ、ダイおよびコアを組み合わせた成形型の内部空間に充填し、成形圧を、例えば、８０ＭＰａ以上１２０Ｍｐａ以下として、１軸プレス装置を用いて円筒状の成形体を得る。そして、焼成温度を１５００℃以上１６００℃以下として、１時間以上３時間以下保持することで本実施形態の電子部品用筐体を得ることができる。

ここで、成形工程の最終段階で、ダイを所定位置で固定して、上パンチおよびピンコアが同期して動くように制御する。このように制御することで、充填密度の低いニュートラルラインが成形体の上面と内周面との交差部から成形体の下面と外周面との交差部に向う対角線上に現れる。ニュートラルラインは、通常、成形体の高さ方向中央部に現れやすいが、成形工程の最終段階で上述したように制御することで、成形体の部位による密度の差が抑制される。すなわち、従来よりも中央部における充填密度が高くなる。そして、焼成工程では、成形体の内面の中央部は端部よりも熱が滞留しやすく、滞留した熱により粒成長が促進されるため、上記方法により、中央部における平均結晶粒径が、端部における平均結晶粒径よりも大きい、本実施形態の電子部品用筐体を得ることができる。

なお、端部における平均結晶粒径が１μｍ以上３μｍ以下であり、中央部における平均結晶粒径が、端部における平均結晶粒径よりも１μｍ以上大きい電子部品用筐体を得るには、平均粒径（Ｄ_５０）が０．９μｍ以上２．０μｍ以下である酸化アルミニウム粉末を用いればよい。

また、中央部における結晶粒子のアスペクト比の平均値が、端部における結晶粒子のアスペクト比の平均値よりも大きい電子部品用筐体を得るには、焼成温度を１５３０℃以上１６００℃以下として、１時間以上３時間以下保持すればよい。

また、中央部における結晶粒子のアスペクト比の平均値が１．６以上である電子部品用筐体を得るには、焼成温度を１５４０℃以上１６００℃以下として、１時間以上３時間以下保持すればよい。

また、端部における結晶粒子のアスペクト比の平均値が１．５以下である電子部品用筐体を得るには、平均粒径（Ｄ_５０）が０．９μｍ以上１．９μｍ以下である酸化アルミニウム粉末を用いればよい。

また、粒界相の露出部よりも突出している突出結晶粒子を有する電子部品用筐体を得るには、サーマルエッチング、ケミカルエッチング等の表面処理を施せばよい。

このような製造方法によって得られた電子部品用筐体は、中央部における放熱性が高いため、長期間に亘って用いることができる。

なお、本実施形態の電子部品用筐体は、内部にヒューズ素子が収容されている例で示したが、ヒューズ素子以外、真空スイッチ（真空負荷開閉器）等の電子部品が収容されていてもよい。

２：電子部品用筐体（筒状体）
３：キャップ
４：ヒューズ素子
５：消弧剤
６：結晶粒子
６ａ：突出結晶粒子
７：粒界相
１０：ヒューズ

Claims

第１端から第２端に掛けて貫通する貫通孔を備える筒状体であり、結晶粒子と該結晶粒子間に位置する粒界相を有するセラミックスからなり、
前記筒状体の内壁において、
中央部における平均結晶粒径が、端部における平均結晶粒径よりも大きい、電子部品用筐体。
前記端部における平均結晶粒径が１μｍ以上３μｍ以下であり、前記中央部における平均結晶粒径が、前記端部における平均結晶粒径よりも１μｍ以上大きい、請求項１に記載の電子部品用筐体。
前記中央部における結晶粒子のアスペクト比の平均値が、前記端部における結晶粒子のアスペクト比の平均値よりも大きい、請求項１または請求項２に記載の電子部品用筐体。
前記中央部における結晶粒子のアスペクト比の平均値が１．６以上である、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電子部品用筐体。
前記端部における結晶粒子のアスペクト比の平均値が１．５以下である、請求項１乃至請求項４のいずれかにに記載の電子部品用筐体。
前記内壁において、前記粒界相の露出部よりも突出している突出結晶粒子を有する、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電子部品用筐体。