JP2001325876A - ヒュ−ズ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】タンタルコンデンサ等の電気部品に内蔵させる
ヒュ−ズ素子において、ヒュ−ズ内蔵電気部品の鉛フリ
−はんだによる安定な実装やヒュ−ズ溶断作動時の電気
部品の炭化・燃焼防止を満足に保証しつつ、そのヒュ−
ズ素子のＳｎ系での鉛フリ−化を良好に達成する。 【解決手段】Ｓｎに、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌ等
の他の金属元素の二種以上を配合した液相線温度３００
℃〜５５０℃の多元合金を細線に加工した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒュ−ズ素子に関
し、特に、コンデンサやトランジスタ等の電気部品に内
蔵して使用するヒュ−ズ素子として有用なものである。

【０００２】

【従来の技術】電気部品においては、電流ヒュ−ズ素子
を電気部品本体に接続し、これらを樹脂モ−ルド等によ
り封止することがある。例えば、タンタルコンデンサに
おいては、万一の極性誤装着による過電流を未然に防止
するために、コンデンサ素子にヒュ−ズ素子を接続し、
これらを樹脂でモ−ルドしている。また、パワ−トラン
ジスタにヒュ−ズ素子を接続し、これらを樹脂で封止す
ることも知られている。

【０００３】これらのヒュ−ズ内蔵電気部品において
は、ヒュ−ズ溶断時のヒュ−ズ素子の発熱温度で加熱さ
れる。而して、その電気部品本体やモ−ルド樹脂の炭化
・燃焼を防止するために、その発熱温度を所定温度以下
に抑える必要がある。すなわち、溶断電流をｉ、溶断時
間をｔｍ、ヒュ−ズ素子の溶断時温度をＴｍ、同じく抵
抗をＲ、同じくヒュ−ズ素子の単位長さ当たりの熱容量
をＫ、周囲温度をθとすると、ほぼ

【数１】 ｔｍ＝Ｋ（Ｔｍ−θ）／Ｒｉ^２ （１） が成立し、Ｔｍを所定温度以下に抑える必要がある。

【０００４】上記のヒュ−ズ内蔵電気部品は、通常リフ
ロ−法またはフロ−法により、回路基板に実装される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、リフロ−法やフ
ロ−法には、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだが使用されており、そ
の実装温度は２２０℃〜２３０℃とされていた。従来、
上記ヒュ−ズ素子には、実装温度よりも高い固相線温度
の合金を使用するとの前提に基づき、Ｐｂ−１〜１０Ｓ
ｎ、Ｐｂ−０．５〜１０Ｓｎ−１〜５Ａｇ、Ｐｂ−１〜
２０Ｉｎ、Ｐｂ−１〜２０Ｉｎ−１〜５Ａｇ、Ｐｂ−
０．５〜５Ｉｎ−０．１〜５Ｃｕ等のＰｂ系合金（融点
２６０℃〜３３０℃）を使用している。これらの合金系
のヒュ−ズ素子では、固相線温度が前記実装温度よりも
高いから、ヒュ−ズ内蔵電気部品の安全な実装を保証で
きる。また、液相線温度が３３０℃程度であり、ヒュ−
ズ素子の前記溶断時温度Ｔｍを充分に低くでき、ヒュ−
ズ素子を、電気部品本体やモ−ルド樹脂の炭化・燃焼を
発生させることなく、安全に溶断作動させることができ
る。

【０００６】ところで、近来、廃棄された電子・電気機
器からの鉛イオンの溶出による環境汚染を防止するため
に、鉛フリ−はんだの使用が要請され、Ｓｎ−Ａｇ系、
Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系等の鉛フリ
−はんだが開発されている。これらの鉛フリ−はんだを
使用しての実装温度は、Ｐｂ−Ｓｎはんだ使用の場合よ
りも高く、最高で２８０℃が予定されている。このはん
だの鉛フリ−化に対応して、上記ヒュ−ズ素子において
も、鉛フリ−化が要請されるが、従来のように固相線温
度が実装温度よりも高い合金を使用することを前提とし
てヒュ−ズ素子の鉛フリ−化を行うと、実装温度２８０
℃よりも高い固相線温度の合金がヒュ−ズ素子に使用さ
れることになる。而して、そのヒュ−ズ素子の液相線温
度が従来のＰｂ系ヒュ−ズ素子の液相線温度よりもかな
り高くなり、前記ヒュ−ズ素子の溶断時温度Ｔｍが高く
なって、ヒュ−ズ溶断時に電気部品本体若しくはモ−ル
ド樹脂に炭化・燃焼が生じ易くなって危険である。

【０００７】本発明の目的は、タンタルコンデンサ等の
電気部品に内蔵させるヒュ−ズ素子において、ヒュ−ズ
内蔵電気部品の鉛フリ−はんだによる安定な実装やヒュ
−ズ溶断作動時の電気部品の炭化・燃焼防止を満足に保
証しつつ、そのヒュ−ズ素子のＳｎ系での鉛フリ−化を
良好に達成することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るヒュ−ズ素
子は、Ｓｎに、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌ等の他金
属元素の二種以上を配合した液相線温度３００℃〜５５
０℃の多元合金を細線に加工したことを特徴とする構成
であり、他の金属元素の配合量はＡｇ：５〜３０重量
％、Ｃｕ：１〜１５重量％、Ｎｉ：０．５〜５重量％、
Ｇｅ：１〜１０重量％、Ａｌ：１〜１０重量％とされ
る。本発明に係るヒュ−ズ素子の好適な構成は、Ａｇ５
〜３０重量％、Ｃｕ１〜１５重量％、残部Ｓｎである多
元合金を細線に加工したことを特徴とする。

【０００９】〔作用〕固相線温度がほぼ２１０℃〜２３
０℃であり、鉛フリ−はんだによる実装温度２６０℃〜
２８０℃よりも低いが、ヒュ−ズ素子の液相線温度が３
００℃以上であってその実装温度よりも高くされている
ために、実装時にヒュ−ズ素子が完全な液状に成らずに
半溶融状態になり、ヒュ−ズ電極に対する濡れ性が悪
く、かつヒュ−ズ素子の線径が５０μｍ〜１５０μｍと
細く表面張力による線状保持力（線径をｒ、表面張力を
ｆとすれば、ｆ／ｒ）が大きいために、後述の実施例か
ら明らかなように、ヒュ−ズ素子の実質的な損傷なく、
ヒュ−ズ素子内蔵電気部品を実装できる。

【００１０】また、ヒュ−ズ素子の液相線温度を５５０
℃以下としてあるから、後述の実施例から明らかなよう
に、前記のＴｍを６００℃以下に抑えることができ、電
気部品本体若しくはモ−ルド樹脂を炭化・燃焼させるこ
となく、ヒュ−ズ素子を安全に溶断作動させ得る。ま
た、Ｓｎと上記の他金属元素一種との２元合金で液相温
度を３００℃〜５５０℃とするには、他金属元素の配合
量を多くする必要があり、例えばＳｎ−Ａｇ二元合金の
場合、Ａｇ配合量を１０〜５５重量％以上にする必要が
あり、Ａｇ２５重量％以上で合金の脆弱化が顕著になる
が、本発明に係るヒュ−ズ素子では、Ｓｎに、Ａｇ、Ｃ
ｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌ等の他金属元素を二種以上配合し
ており、後述の実施例と比較例との対比から明らかなよ
うに、他金属元素の少ない配合量で液相線温度を上げる
ことができ、ヒュ−ズ素子の脆弱化をそれだけよく抑え
得、実装時の曲げや製線時のボビン巻取り時にヒュ−ズ
素子が折損するのを良好に防止できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。図１は、本発明に係るヒ
ュ−ズ素子を内蔵させたコンデンサの一例を示してい
る。図１において、１はタンタルコンデンサ素子、２は
陽極リ−ド導体である。３は配線板であり、一対の電極
３１，３２を有し、その電極間に本発明に係るヒュ−ズ
素子ａを接続し、一方の電極３１をコンデンサ素子１の
陰極に接合し、他方の電極３２にリ−ド導体４を接合し
てある。５は封止樹脂層、例えばエポキシ樹脂層であ
る。上記ヒュ−ズ素子と電極との接合には、抵抗溶接、
ワイヤボ−ルボンディング、ウェッジボンディング等を
用いることができる。

【００１２】上記のコンデンサは、ＩＣ、トランジス
タ、チップ抵抗等の他の電気部品と共に鉛フリ−はんだ
を使用してリフロ−法やフロ−法によって回路板に温度
２３０℃〜２８０℃で実装される。

【００１３】本発明に係るヒュ−ズ素子の合金には、Ｓ
ｎにＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌ等の他金属元素の二
種以上を配合して液相線温度を３００℃〜５５０℃に調
整した多元合金が使用され、他金属元素の配合量がＡ
ｇ：５〜３０重量％、Ｃｕ：１〜１５重量％、Ｎｉ：
０．５〜５重量％、Ｇｅ：１〜１０重量％、Ａｌ：１〜
１０重量％とされる。下限値未満では、液相線温度が３
００℃以下となり、上限値を越えると、液相線温度が５
５０℃以上となるからである。また、線径は通常５０μ
ｍ〜１５０μｍとされる。

【００１４】このヒュ−ズ素子では、固相温度が２１４
℃〜２３０℃であり、前記実装温度２３０℃〜２８０℃
のもとで半溶融状態になり、液相中に固相粒体が混在し
た状態となり、濡れ性が悪く、実装加熱中での電極への
濡れ広がりによるヒュ−ズ素子の細りを僅かにとどめ
得、実装終了時での冷却凝固でほぼ元の太さに保持でき
る。従って、上記のヒュ−ズ内蔵コンデンサを、ヒュ−
ズ素子の固相線温度温度よりも高い実装温度２４０℃〜
２８０℃という鉛フリ−はんだによるリフロ−法または
フロ−法でも、ヒュ−ズ素子を安定に保持しつつ実装で
きる。

【００１５】上記したヒュ−ズ素子をタンタルコンデン
サに内蔵させる理由は、万一の極性誤接続によって過電
流が流れるのを防止するためであり、遮断電流をｉ、遮
断時間をｔｍ、ヒュ−ズ素子の溶断時温度をＴｍ、同じ
く抵抗をＲ、同じくヒュ−ズ素子の単位長さ当たりの熱
容量をＫ、周囲温度をθとすると、ほぼ前記の式（１）
が成立する。而るに、本発明に係るヒュ−ズ素子におい
ては、後述の実施例から明らかなように、線径５０μｍ
φ〜１５０μｍφのもとで、２〜６Ａを数msecの遮断時
間で、かつ、ヒュ−ズ素子の溶断時温度６００℃以下で
過電流を遮断でき、タンタル焼結体の発煙温度６００℃
以下で安全に溶断作動させ得る。

【００１６】本発明に係るヒュ−ズ素子は、前記したよ
うにタンタルコンデンサに装着して使用することの外、
回路板のヒュ−ズ電極にヒュ−ズ素子単体を前記したリ
フロ−法またはフロ−法により実装する形態でも使用す
ることができる。また、本発明に係るヒュ−ズ素子は、
リフロ−法またはフロ−法により実装した後での補修や
あと付けでも、鏝で安全にはんだ付けすることもでき
る。これらの場合、ヒュ−ズ素子が曲げをうけるが、充
分な柔軟性を有し、折損なく、スム−ズに、装着、実装
またはあと付けできる。

【００１７】本発明に係るヒュ−ズ素子は、充分な柔軟
性を有する多元合金を使用しているから、前記５０〜１
５０μｍφの線引き加工をスム−ズに行うことができ
る。この線引き加工の外、回転液中紡糸法によっても製
造できる。すなわち、回転ドラムの内周面に遠心力によ
り形成保持された冷却液層に、ノズルから噴射した溶融
ジェットを冷却液層の周速と同速・同方向で入射させ、
この液層入射ジェットを冷却液層で急冷・凝固させて紡
糸することもできる。この場合、ノズルから冷却液層に
至る空間でのジェットは、ノズルの円形形状が溶融金属
の表面張力により保持されて円形断面となる。更に、ジ
ェットの表面張力による円形保持力を冷却液層の動圧
（ジェットを扁平化しようとする圧力）よりも大とする
ように、冷却液層周速、ジェットの冷却液層入射角等を
調整してあり、冷却液層に入射されたジェットも、断面
円形を保持しつつ冷却・凝固されていく。従って、線径
５０μｍφ〜１５０μｍφという細線のヒュ−ズ素子を
容易に製造できる。これらの製線中、ボビンへの巻取り
を必要とするか、充分な柔軟性のために、折損なく、ス
ム−ズに巻き取ることができる。

【００１８】

【実施例】〔実施例１〜６〕内径５００ｍｍ，巾４５ｍ
ｍのドラムを２００ｒｐｍで回転させて約１６００ｍｌ
の水を層状に形成し、この冷却液層中に、ヒ−タにて溶
融させた組成材を窒素ガス加圧により、石英ガラスノズ
ルからジェットとして上記冷却液層周速と同速度で噴射
して紡糸する方法により、表１に示すＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ
合金で線径ほぼ１００μｍφの細線を製造し、これをヒ
ュ−ズ素子とした。

【００１９】〔比較例１〕表１に示すように、合金をＳ
ｎ−４０重量％Ａｇの二元とした以外、上記実施例に同
じとした。

【００２０】これらの実施例品及び比較例品の固相線温
度及び液相線温度、抵抗値変化率、電流遮断特性（遮断
時間及び温度）及び柔軟性を測定したところ、表１の通
りであった（試料数２０個の平均値）。

【００２１】なお、測定方法は次ぎの通りである。 〔固相線温度及び液相線温度〕ＤＳＣによる測定条件は
加熱速度１０℃／ｍｉｎとした。 〔抵抗値変化率〕温度２８０℃のもとでの実装の可否を
評価するためのものである。図２に示すように、セラミ
ック基板６１にＡｇペ−ストの塗布・焼成により対電極
６２，６２を設け、両電極間にヒュ−ズ素子ａを載置
し、更に各電極６２に錫メッキ銅線６３を溶接し、その
溶接熱で各電極とヒュ−ズ素子ａとの間を溶接した試料
を１０分間、２８０℃に保持し、１０分時の初期に対す
る抵抗値変化率を測定した。 〔遮断電流特性〕ヒュ−ズ素子に５Ａの電流を通電し、
遮断時間と遮断時のヒュ−ズ素子温度を測定した。 〔柔軟性〕長さ約１００ｍｍのヒュ−ズ素子を１８０°
で折り曲げ、折れなかったときを合格、折れたときを不
合格とした。

【００２２】

【表１】

【００２３】本発明に係るヒュ−ズ素子においては、溶
け始め温度（固相線温度）が実装最高２８０℃より低く
ても、液相線温度が３００℃以上であり、温度２８０℃
のもとでは完全に液化せずに半溶融状態となり、かかる
半溶融状態では濡れ性が低くて細くなり難く、本発明に
係るヒュ−ズ素子を内蔵させた電気部品を２８０℃とい
う高い温度のもとで実装してもそのヒュ−ズ素子を実質
的な細り無く安定に保持できる。このことは、抵抗変化
率が１０％以下と充分に小さいことから確認できる。

【００２４】また、本発明に係るヒュ−ズ素子において
は、液相線温度が５５０℃以下であり充分に低く、溶断
時のヒュ−ズ素子の温度を６００℃以下に抑え得て電気
部品や封止樹脂の炭化・燃焼を防止できることは、表１
の電流遮断特性の溶断時温度からも確認できる。また、
比較例１との対比から、二元合金で実施例相当の特性を
得るには、柔軟性の悪化が避けられず、コンデンサへの
装着作業や製線上から工業的使用が困難であるが、本発
明によれば、かかる障害なく円滑に工業的使用できるこ
とが明らかである。

【００２５】〔実施例７〕実施例３のＳｎ−２０Ａｇ−
５Ｃｕに対し、Ｓｎ−２０Ａｇ−１Ｎｉとした以外、上
記実施例３に同じとした。

【００２６】〔実施例８〕実施例３のＳｎ−２０Ａｇ−
５Ｃｕに対し、Ｓｎ−２０Ａｇ−４Ｇｅとした以外、上
記実施例３に同じとした。

【００２７】これらの実施例品の固相線温度及び液相線
温度、抵抗値変化率、電流遮断特性（遮断時間及び温
度）及び柔軟性を測定したところ、表２の通りであっ
た。

【表２】 実施例３と実施例７や８との対比から、Ｃｕに対するＮ
ｉやＧｅの置換有用性が確認できる。Ａｌについても、
同様に確認済みである。

【００２８】〔実施例９〕合金組成をＳｎ−５Ｃｕ−１
Ｎｉとした以外、上記実施例１に同じとした。

【００２９】〔比較例２〕

【００３０】合金組成をＳｎ−２０Ｃｕとした以外、上
記実施例１に同じとした。この実施例品及び比較例２の
固相線温度及び液相線温度、抵抗値変化率、電流遮断特
性（遮断時間及び温度）及び柔軟性を測定したところ、
表３の通りであった。

【表３】 実施例９と比較例２との対比から、Ｓｎ−Ｃｕ二元の劣
柔軟性をＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉの三元により解消できること
が明らかである。Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉや上記Ｓｎ−Ａｇ−
Ｃｕの外、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｇｅ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｌについ
ても、その有効性を確認済みである。

【００３１】〔実施例１０〕合金組成をＳｎ−５．５Ｇ
ｅ−４．５Ａｌとした以外、上記実施例１に同じとし
た。

【００３２】〔実施例１１〕合金組成をＳｎ−８Ｇｅ−
７Ａｌとした以外、上記実施例１に同じとした。

【００３３】これらの実施例品の固相線温度及び液相線
温度、抵抗値変化率、電流遮断特性（遮断時間及び温
度）及び柔軟性を測定したところ、表４の通りであっ
た。

【表４】 これらの実施例から、Ｓｎ−Ｇｅ−Ａｌの三元系が、上
記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｇｅ、Ｓｎ−Ａｇ−
Ｎｉと同様に有効であることが明らかである。これら以
外の請求項１に属する三元系の有効性も確認済みであ
る。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、タンタルコンデンサ等
の電気部品に内蔵させるヒュ−ズ素子において、ヒュ−
ズ内蔵電気部品の鉛フリ−はんだによる安定な実装及び
ヒュ−ズ溶断作動時の電気部品の炭化・燃焼防止、更に
は、ヒュ−ズ素子の容易な取扱いや製線性等の点を満足
に保証しつつそのヒュ−ズ素子のＳｎ系での鉛フリ−化
を可能にでき、鉛フリ−化による環境保全上、極めて有
用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るヒュ−ズ内蔵電気部品の一例を示
す図面である。

【図２】抵抗変化率の測定試料を示す図面である。

【符号の説明】

ａ ヒュ−ズ素子 １ コンデンサ素子 ５ 封止樹脂層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｓｎに、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌの
   二種以上を配合した液相線温度３００℃〜５５０℃の多
   元合金を細線に加工したことを特徴とするヒュ−ズ素
   子。
2. 【請求項２】Ａｇが５〜３０重量％、Ｃｕが１〜１５重
   量％、Ｎｉが０．５〜５重量％、Ｇｅが１〜１０重量
   ％、Ａｌが１〜１０重量％である請求項１記載のヒュ−
   ズ素子。
3. 【請求項３】Ａｇ５〜３０重量％、Ｃｕ１〜１５重量
   ％、残部Ｓｎである多元合金を細線に加工したことを特
   徴とするヒュ−ズ素子。