JPH04167997A - 回路基板の温度ヒューズ形成用クリームはんだ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は温度ヒユーズの製造に好適のクリームはんだに
関する。

［従来の技術］ 電子回路は最近ますます高密度化される方向にある。−
船釣に、電子回路が高密度化されると、回路からの発熱
量が大きくなり、放熱手段が必要になる。また、使用さ
れる場所等により、回路基板に強度が要求されることも
ある。このため、自動車用エアコンの制御回路等には、
強度が高く、且つ、放熱性も良好なほうろう基板が使用
されることがある。

ところで、エアコンの制御回路等においては、温度ヒユ
ーズが設けられている。この温度ヒユーズは、周囲の温
度が異常に上昇した場合に溶断し、電気回路を遮断して
安全を確保するという作用を有している。従来、温度ヒ
ユーズは、例えば、特定の温度で溶融する合金材にリー
ド線を取り付け、この合金材を絶縁ケースに封入して形
成されている。この種の温度ヒユーズにおいては、リー
ド線を回路基板上にはんだ付けする等の方法により、温
度ヒユーズを回路基板等に搭載している。

しかし、上述した温度ヒユーズには、搭載作業が煩雑で
あると共に、部品コストが高いという欠点がある。そこ
で、本願発明者等は、クリームはんだを回路基板上に印
刷し、このクリームはんだを温度ヒユーズとして使用す
ることを提案した（特願昭６３−２８６６９１１ｉ　、
特願平２−１６２８３２）。

第４図（ａ）及び（ｂ）は、このクリームはんだを使用
した温度ヒユーズの製造方法を工程順に示す平面図であ
る。

先ず、第４図（ａ）に示すように、回路基板１１の温度
ヒユーズを形成すべき領域に、１対のパターン配線１２
を相互に離隔させて形成する。次に、第４図（ｂ）に示
すように、このパターン配線１２間を接続するようにし
て、クリームはんだ１３を印刷する。次いで、回路基板
１１を加熱し、クリームはんだ１３を半溶融状態にして
はんだ粒子同士を十分に結合させ、回路を導通するよう
にする。これにより、温度ヒユーズが完成する。

このようにして製造された温度ヒユーズを備えた電子回
路においては、回路基板の周囲の温度が異常に上昇する
と、第５図に示すように、はんだ１３が完全に溶融し、
溶融したはんだ１３は表面張力により半球状になって、
パターン配線１２間は電気的に分断される。これにより
、電気回路が遮断される。

温度ヒユーズは、特定の温度で即時に溶融する必要があ
る。このため、温度ヒユーズに使用するはんだの組成は
共晶組成であることが好ましい。

つまり、はんだの組成が共晶組成からずれている場合は
、固相と液相とが共存する温度範囲が存在するため、安
定した作動特性が得られない。つまり、固液共存状態に
なると十分な表面張力が働かないため、はんだが溶融し
てから回路が遮断されるまでに時間がかかったり、作動
温度が一定にならなかったりする。一方、共晶組成のは
んだの場合は、所定の温度に到達すると、はんだ全体が
固相から液相に即時に変化するため、回路を短時間で遮
断することができる。従って、従来の温度ヒユーズは、
通常、共晶組成のはんだを使用して形成されている。

なお、所望の温度で動作する温度ヒユーズを形成するた
めに、共晶組成から僅かに偏移した組成の合金を使用し
て温度ヒユーズを製造することが提案されている（特公
平２−３９０５Ｅｉ号）。この温度ヒユーズは、液相温
度と固相温度との差が１０℃以内の範囲になるように合
金の組成を共晶組成からずらすことにより、所望の動作
温度の温度ヒユーズを得ようとするものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のクリームはんだには以下に示す問
題点がある。即ち、クリームはんだを回路基板上に印刷
した後、はんだ粒子同士を十分に結合させるために、は
んだを半溶融状態で加熱する必要がある。共晶組成のク
リームはんだを使用して温度ヒユーズを形成すると、半
溶融状態が得られる温度範囲が極めて狭いため、加熱温
度及び加熱時間の制御が極めて煩雑である。例えば加熱
温度が共晶温度以上になると、温度ヒユーズとして作動
してしまい、回路が分断されてしまう。−方、加熱温度
が共晶温度以下の場合は、はんだ粒子同士の結合が十分
でなく、機械的強度が不足したり、導通不良が起きたり
してしまう。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
温度ヒユーズ製造時の加熱処理が容易であって、温度ヒ
ユーズの製造に好適のクリームはんだを提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るクリームはんだは、共晶組成の合金に１種
又は２種以上の金属成分を添加することにより１０℃以
下の固液共存温度範囲を設けたことを特徴とする。

［作用コ 本発明においては、共晶組成の合金に１種又は２種以上
の金属成分を添加する。これにより、合金の共晶点から
僅かに組成がずれて、新たに固液共存領域が設けられる
。

第１図（ａ）は第１及び第２の成分Ａ、Ｂの２種類の金
属からなる２元合金の平衡状態図、第１図（ｂ）は第１
及び第２の成分Ａ、Ｂからなる合金に第３の成分Ｃを添
加して得た本発明に係るクリームはんだの擬２元系平衡
状態図である。

この第１及び第２の成分Ａ、Ｂからなる２元合金は、第
１図（ａ）に示すように、共晶点Ｅにおいてα相とβ相
とからなる共晶組織が形成される。

この２元共品合金に第３の成分Ｃを添加すると、第１図
（ａ）にＰＥＱで示した共晶線が変化して、第１図（ｂ
）に示すように、Ｅ、ＰｌＥｏＱｔに囲まれた所謂固液
共存領域が形成される。つまり、第１及び第２の成分Ａ
、Ｂの共晶組成にある合金に第３の成分Ｃを添加するこ
とにより、共晶点Ｅが共晶温度範囲Ｅ。−Ｅｌに変化す
る。この場合に、Ｅｏの温度では１００％固相であるが
、Ｅ、１の温度では１００％液相である。即ち、本発明
に係るクリームはんだは、狭い温度範囲Ｅ。−Ｅ、で固
相から液相に連続的に変化する。

前述した特公平２−３９０５６号に開示された温度ヒユ
ーズの場合も、狭い温度範囲で固相から液相に変化する
。しかし、この温度ヒユーズの場合は、以下に示す問題
点がある。例えば、この温度ヒユーズは、第２図に示す
ように、共晶点からずれた組成を有している。このよう
に共晶点からずれた組成の合金の場合は、組成Ｒのとき
に温度Ｓよりも僅かに低い温度域では１００％固相であ
るが、温度Ｓよりも僅かに高い温度域では、固相と液相
との比率がＳＥ　：　ＰＳであり、大部分が液相になっ
てしまう。つまり、共晶点からずれた組成を有する２元
合金は、吠態図的にはＳ−Ｔの温度範囲で固液共存状態
になるものの、実質的には温度Ｓにおいて殆ど溶融して
しまう。従って、この場合は、印刷したクリームはんだ
を半溶融状態にしようして温度Ｓよりも僅かに高い温度
に加熱すると、はんだの殆どの部分が急激に溶融してし
まい、加熱温度及び加熱時間を厳密に制御しつつ温度ヒ
ユーズを製造することが極めて困難になる。

一方、本発明においては、共晶組成の合金に金属成分を
添加して第１図（ｂ）に示す状態にするため、加熱温度
をＥ。とＥ□との間の温度にすれば固相と液相とが常に
共存した状態になるので、温度ヒユーズ製造時の加熱作
業が容易である。この場合に、温度Ｅ。と温度Ｅ１との
間で、温度を上げるほど液相が多くなり、温度を下げる
と固相が多くなるので、所望の状態に制御することがで
きる。例えば、温度をＥｏとＥｌとの中間にした場合は
、略半分が液相になるので、はんだの粒子同士は相互に
十分に結合するが、元の粒子の形が完全には消滅してお
らず、はんだ層中にはんだ粒子間の空隙が存在する。そ
うすると、前記空隙中に、フラックスが閉じ込められた
状態になり、温度ヒユーズの作動時の動作が迅速になる
という効果を得ることができる。

原理的には、共晶組成の合金に他の金属成分が添加され
れば必然的に固液共存領域が形成される。

しかし、添加する金属成分は、クリームはんだ及び最終
製品の特性及び品質に悪影響を及ぼさないものであるこ
とが必要である。従って、例えば、ＪＩＳ　２３２８２
−１９８６　　（はんだ）に規定されるはんだの化学成
分を不純物の規定量以下の範囲で添加することが好まし
い。しかし、このＪＩＳ　Ｚ　３２８２−１９８６の解
説に記載されているように、−船釣にＺｎ及びＡノはは
んだの不純物として最も嫌われる不純物であるので、Ｚ
ｎ及びＡ！は添加成分として使用しないことが好ましい
。

最も品質が厳しい８級の場合のＺｎ及びＡ！を除いた不
純物にツイテ、ＪＩＳ　Ｚ　３２８２−１９８Ｇ　ノ規
格を下記第１表に示す。但し、Ｓｎ及びＰｂについては
８級には不純物としての規格がないため、Ａ級の規格を
示した。また、Ａｇは不純物としての規格がない。

第１表（その１） 第１表（その２） 本発明においては、共晶組成の合金に金属成分を添加す
ることにより、共晶組成において１０℃以下の固液共存
温度範囲を有するようにする。固液共存温度範囲力月θ
℃を超える場合は、温度ヒユーズとしての作動温度範囲
が広くなりすぎて、所定の温度で温度ヒユーズを作動さ
せることが困難になる。従って、金属成分は、はんだの
共晶組成における固液共存温度範囲が１０℃以下になる
範囲で添加する。この場合に、固液共存温度範囲をどの
程度にするかは、温度ヒユーズに要求される作動温度許
容差及びヒユーズ形成時の加熱作業のやりやすさ等を考
慮して決定すればよい。なお、添加する金属成分は、１
種類又は複数種類のいずれでもよい。

金属成分の添加量は、例えば、添加量と固液共存温度範
囲とを実測しながら決定する。以下に、その方法を説明
する。

先ず、共晶組成の合金として、不純物が十分に少ないも
のを選択する。例えば、不純物含有量が前記第１表に示
した数値の１／ｌＯ程度以下の共晶組成合金を使用する
。次に、この合金に添加すべき金属成分を１種又は２種
以上選択する。そして、この金属成分を例えば前記第１
表の数値以下で添加する。次に、示差走査熱量測定法（
以下、ＤＳＣという）等により、この合金の固液共存温
度範囲を測定する。次いで、前記金属成分の添加量が相
互に異なる複数種類の合金を製造し、これらの合金の固
液共存温度範囲を測定する。そして、これらの測定結果
に基づいて、所望の固液共存温度範囲となる添加量を決
定する。なお、はんだの原材料（Ｓｎ及びｐｂ等）に含
有されている不純物を利用して所望の固液共存温度範囲
となるようにしてもよい。

第３図（ａ）は純度が高いはんだのＤＳＣの測定値を昇
温曲線と共に示すグラフ図、第３図（ｂ）は本発明に係
るクリームはんだのＤＳＣの測定値を昇温曲線と共に示
すグラフ図である。この第３図（ａ）、（ｂ）において
、ＤＳＣがＯ以下のときは試料が吸熱していることを示
す。即ち、ＤＳＣがＯ以下の場合は、固相と液相とが共
存しており、温度上昇に伴って固相が液相に変化する。

この固相が液相に変化する間のＤＳＣの曲線の傾きを直
線で近似して、ＤＳＣ＝０の直線との交点Ｘ。

Ｙを求める。この交点Ｘ、Ｙを温度上昇を示す昇温曲線
に対応させて、溶融開始温度Ｍ及び溶融終了温度Ｎを求
める。なお、この溶融開始温度Ｍ及び溶融終了温度Ｎを
より正確に求めるために、昇温速度は可及的に遅くする
ことが好ましい。

はんだの純度が高い場合は、第３図（ａ）に示すように
、溶融開始温度Ｍと溶融終了温度Ｎとの温度差Δｔが小
さい。この高純度はんだに微量の金属成分を添加すると
、第３図（ｂ）に示すように、溶融開始温度Ｍと溶融終
了温度Ｎとの温度差Δｔを拡大することができる。本発
明においては、この温度差Δｔを１０℃以下に設定する
。

なお、本発明において、クリームはんだとは、−船釣な
低融点合金を含む。

［実施例コ 次に、本発明の実施例についてその特許請求の範囲から
外れる比較例と比較して説明する。

実］Ｌ例」− ８ｎの含有量が６３重量％、Ｐｂの含有量が３７重量％
であり、その他の不純物元素の含有量をいずれも０．０
０５重量％以下に規制した５ｎ−Ｐｂ共晶はんだ（共晶
温度１８３℃）にＢｉを０．０２重量％添加した。

ＤＳＣを使用して、このはんだの溶融開始温度及び溶融
終了温度を測定した。その結果、溶融開始温度は約１８
０℃であり、溶融終了温度は約１８３℃であった。即ち
、このはんだの固液共存温度範囲は約１８０乃至１８３
℃である。

このはんだを使用してクリームはんだを製造し、このク
リームはんだにより温度ヒユーズを製造した。つまり、
はうろう基板に温度ヒユーズ形成用のパターン配線を有
する厚膜回路を印刷形成した後、この基板を焼成した（
第４図（ａ）、（ｂ）参照）。次に、前記パターン配線
の離隔部分を橋渡しするようにして前記クリームはんだ
を印刷した後、このほうろう基板を１８１．５℃に加熱
した。

このようにして製造した温度ヒユーズの良品率は１００
％であった。

比」１例」一 実施例１と同様の５ｎ−Ｐｂ共晶はんだでＢｉを添加し
ない場合の溶融開始温度及び溶融終了温度を調べた。そ
の結果、この５ｎ−Ｐｂ共晶はんだの溶融開始温度は約
１８２°Ｃであり、溶融終了温度は約１８３℃であった
。この共晶はんだを使用し、実施例１と同様にして、は
うろう基板に温度ヒユーズを印刷した後、基板を１８２
．５°Ｃに加熱した。

その結果、加熱時の僅かな温度のバラツキにより、はん
だが過剰に溶融したり、又は溶融不足による不良が発生
した。この比較例１における温度ヒユーズの不良率はＩ
Ｏ乃至２０％であった。

灸五監１ Ｓｎの含を量が９６．５重量％、Ａｇの含有量が３．５
重量％であり、その他の不純物元素の含有量をいずれも
０．００５重量％以下に規制したＳｎ−Ａｇ共晶はんだ
（共晶温度２２１”Ｃ）にＢｉ及びＣｕを夫々０．０１
重量％及び０．０２重量％添加した。

ＤＳＣを使用して、このはんだの溶融開始温度及び溶融
終了温度を測定した。その結果、溶融終了温度約２１Ｇ
℃であり、溶融終了温度は約２２０℃であった。即ち、
このはんだの固液共存温度範囲は約２１６乃至２２０℃
である。

このはんだを使用して、実施例１と同様にして、はうろ
う基板に温度ヒユーズを印刷形成した後、このほうろう
基板を２１８℃に加熱した。これにより、所望の温度ヒ
ユーズを得ることができた。本実施例における温度ヒユ
ーズの良品率は１００％であった。

比１ｕ舛２一 実施例２と同様のＳｎ−Ａｇ共晶はんだでＢｉ及びＣｕ
を添加しない場合の溶融開始温度及び溶融終了温度を調
べた。その結果、このＳｎ−Ａｇ共晶はんだの溶融開始
温度は約２２０℃であり、溶融終了温度は約２２１”Ｃ
であった。この共晶はんだを使用し、実施例１と同様に
して、はうろう基板に温度ヒユーズを印刷した後、この
基板を２２０．５℃に加熱した。その結果、加熱時の僅
かな温度のバラツキにより、はんだが過剰に溶融したり
、又は溶融不足による不良が発生した。この比較例２に
おける温度ヒユーズの不良率はｌＯ乃至２０％であった
。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、共晶合金に微量の
金属成分を添加して１０℃以下の固液共存温度範囲を有
するようにしたから、前記固液共存温度範囲内の温度に
保持することにより、容易に半溶融状態を得ることがで
きる。このため、本発明に係るクリームはんだを使用し
て温度ヒユーズを製造すると、加熱処理が極めて容易に
なる。また、このようにして製造された温度ヒユーズは
、はんだの粒子同士が十分に結合しており、且つ、はん
だ粒子間の空隙にフラックスが閉じ込められた状態にな
るため、機械的強度に優れ、また温度ヒユーズとしての
作動特性も優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は２種類の金属からなる合金の２元系平衡
状態図、第１図（ｂ）は本発明に係るクリームはんだの
擬２元系平衡状態図、第２図は共晶点からずれた組成を
有する２元合金の平衡状態図、第３図（ａ）は純度が高
いはんだのＤＳＣの測定値を昇温曲線と共に示すグラフ
図、第３図（ｂ）は本発明に係るクリームはんだのＤＳ
Ｃの測定値を昇温曲線と共に示すグラフ図、第４図（ａ
）及び（ｂ）はクリームはんだを使用した温度ヒユーズ
の製造方法を工程順に示す平面図、第５図は温度ヒユー
ズが作動した状態を示す平面図である。 １１；回路基板、１２；パターン配線、１３；クリーム
はんだ ＢＯ東■八へ（１量％） Ｂｒｌ絽へ　（１量％） （ｂ） 第１図 第２図 時間−φ 一間一◆ Ｔｂ） 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）共晶組成の合金に１種又は２種以上の金属成分を
   添加することにより１０℃以下の固液共存温度範囲を設
   けたことを特徴とするクリームはんだ。