JPH09129116A

JPH09129116A - ヒューズ用可溶体

Info

Publication number: JPH09129116A
Application number: JP28188895A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Arikawa; 浩雄蟻川; Masaru Igarashi; 賢五十嵐; Takashi Ishimura; 考石村
Original assignee: S O C KK
Current assignee: S O C KK
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】規定値内の通常の負荷条件において切断を生
じない銀ベースのヒューズ用可溶体を提供する。【解決手段】本可溶体は、Ｓｉを０．５〜３．５重量
％含有し、残部がＡｇから成る共晶系合金から成る。線
材を加工する工程において、Ａｇを熔融状態にして、
３．５％以下のＳｉを含むＡｇとＳｉの共晶合金にし
て、連続鋳造によって線状に引き出した後、線引き加工
によって所定の寸法の線材を作ることにより、当該線材
のＡｇの結晶粒界中にＳｉあるいはＳｉＯ₂ないしＳｉ
Ｏ等の酸化シリコン微粒子が微細に分散した状態を生じ
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、定格電流の値が３
０Ａ以下のガラス管ヒューズ、または自動車用のブレー
ド付きプラグインヒューズ、あるいは定格電流の値が１
５０Ａ以下のヒュージブルリンクの可溶体に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】３０Ａ以下の範囲の定格電流を導通する
通常のガラス管ヒューズにおいては、両端の電極キャッ
プで密閉されたガラス管の中に線材または板材の可溶体
が延在しその両端部が両端の電極キャップに半田付けさ
れた状態になっている。そのため、ヒューズ端子を構成
する電極キャップは、ヒューズ取り付け金具の電極に機
械的接続手段によって機械的に接続されると共に、無視
し得る程度に低い接触抵抗をもって電気接続される。

【０００３】また、自動車用のブレード付きプラグイン
ヒューズにおいては、通常Ｚｎ（亜鉛）合金の板材から
可溶体とブレードが一体となった形状をプレスにて打ち
抜き、ヒューズの部分は切削加工にて厚みを調整し、そ
の断面積と長さの調整によって、規定の溶断特性を得
る。この種のヒューズにおいては、ブレード端子をヒュ
ーズホルダーのコネクタ端子に押し込むことによって電
気的に接続する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】かかるヒューズにおい
ては、規定の負荷条件以上の電流を通電した場合、規定
の時間内に溶断することが必須条件とされている。一
方、規定値内の通常の負荷条件においては、当然のこと
ながら可溶体が切断せずに、ヒューズを介しての給電状
態を維持することが要求される。

【０００５】しかしながら、上記のヒューズにおいて
は、規定値内の通常の負荷条件においても、長期間の通
電によって可溶体がしばしば切断するため、正常運転下
での給電遮断という深刻なトラブルが発生することがあ
り問題であった。

【０００６】上述したように許容負荷条件内で可溶体が
切断する原因としては以下の２つの理由が考えられる。

【０００７】第１の理由は、ヒューズ可溶体が通電中、
特にサージ電流などの短時間ながら過負荷ピーク電流値
を持つ過渡電流が流れたときに加熱され、定常時には室
温付近まで冷却されるような熱サイクルを受けるため、
膨張と収縮が繰り返される。この過程で粒界すべりなど
による応力緩和が繰り返し発生することによって、可溶
体の実効的な断面積が減少し、最終的には機械的に破断
したり溶断したりする。このような現象は、ストレスマ
イグレーションと呼ばれ、集積回路のアルミニウム薄膜
配線の断線の原因としても良く知られている。

【０００８】第２の理由は、ヒューズ可溶体に大きな電
流が流れるときに、電子と金属イオンの衝突により、イ
オンが電位勾配に逆らってモビリティの大きな電子の流
れの方向へ移動する現象、いわゆるイオンマイグレーシ
ョンが生じ、結果として結晶粒界ずれを発生させること
である。この場合もストレスマイグレーションのときと
同様に実効的な断面積の減少をもたらし、機械的な断線
あるいは溶断が起こる。

【０００９】一般的に上記２つの原因は独立して作用す
るのではなく、相互に関連しあい、ヒューズの負荷条件
や使用履歴に対応して重複効果をもたらしている。

【００１０】そこで、上記の問題点を克服しようとし
て、従来のヒューズ可溶体では一般的に強度を改善する
ために、例えば、Ｃｕをベースとする場合にはＦｅ
（鉄）を０．５〜１．５％、Ｓｎ（錫）を３．５〜４〜
９％含ませ（特開昭６１−２６６５３９号公報参照）、
さらにＺｎ（亜鉛）をベースにする場合には２．７２％
以下のＣｕを含ませる（特公昭５６−２７５８６号公報
参照）等の例がある。しかし、これらの合金元素の添加
によれば、ストレスマイグレーションおよびエレクトロ
マイグレーションの進行を遅らせる効果は認められるも
のの、現象を十分阻止するに至らず、依然として長期使
用において経時的断線が発生する。しかも、Ａｇ（銀）
をベースとする合金系においては、このような微量元素
の添加によるヒューズ可溶体の強度改善は従来なされて
おらず、その問題の解決が希求されていた。

【００１１】本発明の目的は、かかる問題点を解決し
て、規定値内の通常の負荷条件において切断を生じない
銀ベースのヒューズ用可溶体を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した経時
的断線の原因となるストレスマイグレーション、および
イオンマイグレーション即ちエレクトロマイグレーショ
ンを防止するために、ヒューズ可溶体の材料設計に抜本
的な改良を加えたものである。即ち、ヒューズ可溶体の
金属素材の粒界強度を高め粒界ずれによる応力緩和を減
少させることによって、ストレスマイグレーションやエ
レクトロマイグレーションを減少させ得ること、そして
その結果経時的断線を防止することができる、との考察
に立脚し、発明されたものである。

【００１３】本発明のヒューズ用可溶体は、Ｓｉを０．
５〜３．５重量％含有し、残部がＡｇから成る共晶系合
金であることを特徴とする。

【００１４】上記のような構成により、本発明は、従来
の合金ヒューズ可溶体の問題点を解決するために、特に
耐マイグレーション特性に優れるＡｇ（銀）合金を実現
したものである。即ち、線材を加工する工程において、
Ａｇを熔融状態にして、３．５％以下のＳｉ（シリコ
ン）を含むＡｇとＳｉの共晶合金にして、連続鋳造によ
って線状に引き出した後、線引き加工にて所定の寸法の
線材を作ることにより、当該線材のＡｇの結晶粒界中に
ＳｉあるいはＳｉＯ₂ないしＳｉＯ等の酸化シリコン微
粒子が微細に分散した状態を生じさせたことを最も主要
な特徴としている。

【００１５】従って、本発明のヒューズ可溶体は、Ａｇ
の母材とＡｇの結晶粒界に微細に分散したＳｉあるいは
酸化シリコン微粒子から成る金属組織を有し、線材の導
電率の減少は無添加のＡｇ線に比べ粒子の体積含有率程
度、即ち最大でも１０％以下の極めて少ない減少に留め
ながら、目的とする耐マイグレーション性を実現したも
のであって、従来の可溶体合金とは基本的にその構成と
効果が異なる。

【００１６】本発明のＡｇ−Ｓｉ合金ヒューズ可溶体で
は直径２μｍ以下の微細なＳｉあるいは酸化シリコン微
粒子が結晶粒界に分散していることが、顕微鏡観察によ
って確認されている。粒界に存在するこのような非金属
の微細分散粒子は一般に粒界における原子の拡散バリア
として作用するため、特に粒界ずれに対して大きな抵抗
力となる。従って、ストレスマイグレーションあるいは
エレクトロマイグレーションによって引き起こされる粒
界ずれを阻止し、ヒューズとして長期に使用しても、許
容過負荷条件内において断線あるいは溶断等の性能劣化
を起こさないという顕著な改善効果が認められる。これ
ら、改善効果について以下の実施形態において詳細に説
明する。

【００１７】

【発明の実施の形態】ＡｇにＳｉを仕込み組成として
０．５，１．０，２．０，３．０，４．０重量％添加し
た合金と、比較試料としてＳｉを添加しないＡｇとをそ
れぞれ溶解し、線材の直径の設計値を１００μｍとし
て、線状に引き出す線引き加工により線材を作成した。
なお、最終的に作られた線材の直径は１０３μｍであっ
た。試験に用いた各試料について、仕込み組成と実際の
試料の正味シリコン含有率の分析結果とを表１に示す。

【００１８】

【表１】表１の結果から、試料中のＳｉ含有量は僅かに仕込み組
成よりも減少しているものの、ほぼ所期の組成の線材が
得られたことが分かる。

【００１９】図１は、Ａｇ−Ｓｉ合金の平衡状態を示す
図である。図１に示されるＡｇ−Ｓｉ合金の平衡状態図
から明らかように、この合金系はＳｉが２．９８重量
％、融点８４０℃の共晶合金である。従って、ＡｇとＳ
ｉとは相互に固溶せず、ほぼ純粋なＡｇの基材にＳｉが
分散した金属組織となる。Ｓｉ含有量が２．９８重量％
である共晶組成にほぼ一致する試料は、表１においてＳ
ｉ含有量が２．８５％を示すＳ３の試料である。顕微鏡
観察で溶解直後の金属組織を観察したところ、Ｓｉ含有
量がほぼ共晶組成に一致する試料Ｓ３は、いわゆる共晶
組織と呼ばれる微細なＳｉの分散した組織であることが
確認された。また、上記観察により、Ｓｉ含有量が共晶
組成の２．９８重量％より多い試料、例えば表１の試料
Ｓ４では比較的粗大なＳｉの初晶と共晶組織とが混在し
ていることが確認された。反対に、表１においてＳｉ含
有量が共晶組成の２．９８重量％よりも少ない試料即ち
Ｓ０５、Ｓ１及びＳ２では、比較的粗大なＡｇの初晶と
共晶組成とが混在していることが確認された。表１に示
される試料Ｓ０５〜Ｓ４について、最終的に直径１０３
μｍの線材まで線引き加工することにより、いずれの組
成の試料も粒径数μｍ以下の微細なＳｉ相が均一に分散
する金属組織となった。

【００２０】次に、上記試料を長さ１００ｍｍに切断
し、以下の２種類の熱処理工程、即ち（Ａ）加工歪みを
緩和するための無酸素雰囲気での焼きなまし工程と、
（Ｂ）加工歪みを緩和すると同時にＳｉ分散粒子を酸化
シリコン微粒子に変化させるための酸素雰囲気での焼き
なまし工程とのいずれかの工程を加えた。以下におい
て、表１の各試料に、Ａの工程を加えたものは、試料名
の末尾にＡを、Ｂの工程を加えたものは、試料名の末尾
にＢをそれぞれ付加して表記する。例えば、試料名Ｓ３
の試料にＡ工程を加えたものは、Ｓ３−Ａと、またＢ工
程を加えたものはＳ３−Ｂとそれぞれ表記する。

【００２１】図２は、同一試料の線材が上記Ａ工程とＢ
工程を経た後の状態における分散粒子の比較のため、試
料Ｓ３−Ａと試料Ｓ３−Ｂの線材のそれぞれの断面をＸ
線マイクロアナライザー（ＸＭＡ）により２０００倍に
拡大して示すと共に、ＳｉとＯ（酸素）とのＫα線強度
の線分析結果を示す図である。図２において、（Ａ−
１）及び（Ｂ−１）に示す図は、それぞれ試料Ｓ３−Ａ
と試料Ｓ３−Ｂとの線材の断面を示す。（Ａ−２）及び
（Ａ−３）に示す図は、（Ａ−１）の図に示すＸ₁−Ｘ₂
の線分析位置におけるそれぞれＳｉ及びＯのＫα線強度
を示す。（Ｂ−２）及び（Ｂ−３）に示す図は、（Ｂ−
１）の図に示すＸ₁′−Ｘ₂′の線分析位置におけるそれ
ぞれＳｉ及びＯのＫα線強度を示す。（Ａ−１）及び
（Ｂ−１）の図中に示される島状の部分は分散粒子であ
り、残りの部分はＡｇである。試料Ｓ３−Ａでは、分散
粒子の位置において、（Ａ−２）の図からＳｉのＫα線
強度がピーク状に増加しているが、（Ａ−３）の図から
ＯのＫα線強度は全体にゼロである。一方、試料Ｓ３−
Ｂでは、分散粒子の位置において、（Ｂ−２）及び（Ｂ
−３）の図からＳｉ及びＯのＫα線強度が共にピーク状
に増加している。これらの結果から、試料Ｓ３−Ａの分
散粒子はシリコンであり、試料Ｓ３−Ｂの分散粒子は酸
化シリコンであると判断される。

【００２２】次に、これらの線材を長さ２０ｍｍ、直径
１０３μｍの可溶体として定格電流ＡＣ２．５Ａ、電圧
ＡＣ１２５Ｖのガラス管ヒューズを作製し、１３０％過
負荷通電試験を１００個のサンプルについて実施した。
通電は、３Ａのパルスをパルス幅０．５秒、パルス間隔
１秒にて１００万回通電した。上記テスト後も断線せず
に残存した個数の多少によって、過負荷通電耐性の比較
を行った。

【００２３】表２は、各試料のテスト後の残存個数であ
る。

【００２４】

【表２】上記表２から次のことが言える。即ち、Ａ工程グループ
では、Ｓ４−Ａの試料を除いてＳ０５−Ａ〜Ｓ３５−Ａ
の各試料の残存個数は、純銀のＳ０−Ａの試料のものよ
り多く、特に、共晶組成のＳ３−Ａの試料が８２個と、
純銀のＳ０−Ａの試料の６３個を大きく上回って、残存
していることが分かる。一方、Ｂ工程グループでも、Ｓ
４−Ｂの試料を除いてＳ０５−Ｂ〜Ｓ３５−Ｂの各試料
の残存個数は、純銀のＳ０−Ａの試料のものより多く、
しかも、シリコン含有率が同じ試料ではＢ工程グループ
のほうがＡ工程グループよりも多いことが分かる。特
に、Ｓ２−ＢとＳ３−Ｂとの試料は全数が残存してい
る。シリコン含有率が４％であるＳ４の試料の残存個数
が純銀のＳ０の試料より少ないのは、初晶のＳｉが十分
微細化しなかったためＡｇの通電経路に局部的に電流集
中が発生し、過負荷耐性が低下したものと考えられる。

【００２５】表２の結果から、過負荷耐性はＳｉ含有率
即ち含有量が０．５〜３．０重量％のＢ工程試料におい
て、顕著な改善が認められる。なお、Ａ工程試料につい
ても、Ｂ工程の試料ほどではないが、その改善効果が明
瞭に認められる。従って、Ａｇ中の分散粒子はシリコン
のみでも良いが、酸化シリコンの方がより好ましいと言
える。かかる改善により、本発明の可溶体は、ストレス
マイグレーションおよびエレクトロマイグレーションの
進行を十分阻止することができ、規定値内の通常の負荷
条件においての長期間の通電によっても切断せず、正常
運転下での給電遮断という深刻なトラブルを発生させる
ことがない。

【００２６】なお、Ａｇ−Ｓｉ合金系において、リサイ
クルＡｇ原料を利用して可溶体用線材を作る場合には、
０．２重量％以下程度の不純物元素が混入する可能性が
ある。しかし、この程度のレベルの不純物の存在は、ヒ
ューズの特性を損なうものでなく、また上記過負荷通電
耐性を低下させるものではないので、本発明の主旨を損
なうものではない。従って、本発明は、想定しうる不純
物として、０．２重量％以下のＯ，Ｎ，Ｃ，Ａｌ，Ｍ
ｇ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，
Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｅを許容するものである。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のヒューズ用
可溶体は従来の合金と異なり、Ａｇに非金属のシリコン
あるいは酸化シリコンの微粒子が微細に分散し、結晶粒
界の変形強度を高める構成となっているため、過負荷通
電耐性が顕著に改善される。その結果、本発明のヒュー
ズ用可溶体は、ストレスマイグレーションおよびエレク
トロマイグレーションの進行を十分阻止することがで
き、規定値内の通常の負荷条件においての長期間の通電
によっても切断せず、正常運転下での給電遮断という深
刻なトラブルを発生させることがないという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｇ−Ｓｉ合金の平衡状態を示す図である。

【図２】同一試料のＡｇ−Ｓｉ合金線材が無酸素雰囲気
での焼きなまし工程と酸化雰囲気での焼きなまし工程を
経た後の状態における分散粒子の比較のため、Ｘ線マイ
クロアナライザーによる線材の断面と、ＳｉとＯとのＫ
α線強度の線分析結果とを示す図である。（Ａ−１）及
び（Ｂ−１）は、線材の断面を示し、（Ａ−２）及び
（Ａ−３）は、（Ａ−１）の図に示すＸ₁−Ｘ₂の線分析
位置におけるそれぞれＳｉ及びＯのＫα線強度を示し、
（Ｂ−２）及び（Ｂ−３）は、（Ｂ−１）の図に示すＸ
₁′−Ｘ₂′の線分析位置におけるそれぞれＳｉ及びＯの
Ｋα線強度を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉを０．５〜３．５重量％含有し、残
部がＡｇから成る共晶系合金であることを特徴とするヒ
ューズ用可溶体。
【請求項２】請求項１記載のヒューズ用可溶体におい
て、前記Ｓｉは酸化され酸化シリコンの状態にあること
を特徴とするヒューズ用可溶体。
【請求項３】請求項１又は２記載のヒューズ用可溶体
において、不純物として全体に０．２重量％以下であっ
てＯ，Ｎ，Ｃ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆ
ｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｅのうちの一部
又は全部を許容することを特徴とするヒューズ用可溶
体。