JP4305751B2 - High-temperature lead-free solder for lamps - Google Patents
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Description
本発明は、点灯時と非点灯時の温度差の大きいランプ、特にＨＩＤランプやハロゲンランプ等において、ランプのリ−ド線と口金をはんだ付けしたときに、はんだ接合部を長時間安定した状態で使用できる高温鉛フリーはんだに関する。
The present invention provides a stable solder joint for a long time when a lead wire and a base of a lamp are soldered in a lamp having a large temperature difference between lighting and non-lighting, particularly an HID lamp and a halogen lamp. High temperature lead-free solder that can be used in
ランプは、リード線をランプの口金のアイレット部とシェル部に引き出し、該リードをはんだ付けしている。ランプの口金は、黄銅や黄銅にニッケルメッキしたものであり、口金とリードのはんだ付けするはんだ合金としては、これらの材料と良好にはんだ付けできる特性を有していなければならない。
In the lamp, a lead wire is drawn out to an eyelet part and a shell part of a lamp base, and the lead is soldered. The base of the lamp is brass or brass plated with nickel, and a solder alloy for soldering the base and the lead must have a characteristic that can be satisfactorily soldered to these materials.
広く使用されているＨＩＤランプやハロゲンランプ等は、使用時にフィラメントや発光体から発する熱で高温となり、口金部分でも200℃以上の高温となる。従って、ランプの口金とリードのはんだ付けに使用するはんだには200℃以上でも溶融しない高温はんだが使用されている。多くの電子機器のはんだ付けに使用されるはんだはPb-63Snであり、このはんだは183℃で溶け始めるため、ランプの口金のはんだ付けには使用できない。そこでランプの口金のはんだ付けには高温はんだを使用するのである。高温はんだの定義は明確になってなく、一般には固相線温度がPb-63Snの融点である183℃を越えるものを高温はんだと称している。
Widely used HID lamps, halogen lamps, and the like are heated to high temperatures due to heat generated from filaments and light emitters during use, and the base portion is also heated to 200 ° C. or higher. Therefore, high-temperature solder that does not melt even at 200 ° C. or higher is used for soldering the lamp cap and lead. The solder used for soldering many electronic devices is Pb-63Sn, and since this solder starts to melt at 183 ° C, it cannot be used for soldering the lamp cap. Therefore, high-temperature solder is used for soldering the lamp cap. The definition of high-temperature solder is not clear, and generally the one whose solidus temperature exceeds 183 ° C which is the melting point of Pb-63Sn is called high-temperature solder.
従来、ランプの口金に用いられていた高温はんだは、JIS Z 3281(1999)に記載されているPb-5Sn（融点：300~324℃）やPb-10Sn（融点：268~301℃）であった。これらPb主成分の高温はんだは、黄銅や黄銅にニッケルメッキした口金に対して良好なはんだ付け性を有している。
Conventionally, high-temperature solders used for lamp caps are Pb-5Sn (melting point: 300 to 324 ° C) and Pb-10Sn (melting point: 268 to 301 ° C) described in JIS Z 3281 (1999). It was. These high-temperature Pb-based solders have good solderability to brass and brass-plated bases that are nickel-plated.
しかし、従来のPb主成分の高温はんだは、公害において新たな問題が生じるようになってきた。つまりランプは内部の発光体が切れて使用できなくなると廃棄処分される。このときガラスの部分は回収して再使用できるが、口金の部分は、はんだが金属的に付着しており、口金を再溶融すると口金の材料である黄銅中にPbやSnが混入してしまい、不純物が多くなるため再使用ができなくなる。それ故、ランプの口金は再使用されず、埋め立て処分されることが多い。このように埋め立て処分された口金に酸性雨が接触すると、口金のはんだ付け部からPb成分が溶け出して地下水に混入する。Pb成分が含まれた地下水を長年月にわたって人や家畜が飲用していると、Pbが体内に蓄積されて鉛中毒を起こすとされている。そのためPbの使用が世界的に規制されるようになってきており、ランプ業界からもPbを含まない所謂高温の鉛フリーはんだの出現が強く要望されている。
However, conventional Pb-based high-temperature solder has caused new problems in pollution. In other words, the lamp is disposed of when the internal illuminant runs out and can no longer be used. At this time, the glass part can be recovered and reused, but the solder is metallicly attached to the base part, and when the base is remelted, Pb and Sn are mixed into the brass that is the base material. Because of the large amount of impurities, it cannot be reused. Therefore, lamp caps are often not landfilled and disposed of in landfills. When acid rain comes into contact with the base disposed in this way, the Pb component is melted from the soldered portion of the base and mixed into the groundwater. When people and livestock have been drinking groundwater containing Pb for many years, Pb accumulates in the body and causes lead poisoning. For this reason, the use of Pb has been regulated worldwide, and the appearance of so-called high-temperature lead-free solder that does not contain Pb is strongly demanded by the lamp industry.
一般に鉛フリーはんだとは、Snを主成分として、それに他の元素を適宜添加したものである。ランプの口金のはんだ付けに使用する高温の鉛フリーはんだとしては、固相線温度が200℃以上でなければならないため、自ずと添加元素も限られてくる。Sn主成分で固相線温度を200℃以上にする添加元素としてはAg、Cu、Sb等の高融点元素であり、口金のはんだ付け用高温鉛フリーはんだとしては、SnにCuを1.0〜2.5質量％添加した合金が提案されている（参照：特許文献１）。該高温鉛フリーはんだは、固相線温度が227℃である。
In general, lead-free solder is composed of Sn as a main component and other elements added as appropriate. As a high-temperature lead-free solder used for soldering the lamp cap, the solidus temperature must be 200 ° C or higher, so the additive elements are naturally limited. The additive element that makes the solidus temperature 200 ° C or higher with Sn as the main component is a high melting point element such as Ag, Cu, Sb, etc. An alloy added by mass% has been proposed (see Patent Document 1). The high temperature lead-free solder has a solidus temperature of 227 ° C.
ところでランプは屋内のように平時の温度が安定したところ以外にも寒暖の激しいところ、例えば冷凍庫のようなところにも使用される。冷凍庫ではランプを点灯していないときには、ランプの口金は氷点下温度となり、ランプを点灯すると口金は200℃以上となる。従って、ランプの口金のはんだ付け部は極低温から高温のヒートサイクルに曝されるようになる。
By the way, the lamp is used not only in a place where the normal temperature is stable, such as indoors, but also in a place where the temperature is intense, such as a freezer. When the lamp is not lit in the freezer, the lamp cap is below freezing temperature, and when the lamp is lit, the cap is 200 ° C or higher. Accordingly, the soldered portion of the lamp cap is exposed to a heat cycle from a very low temperature to a high temperature.
このように温度差の激しいヒートサイクルに対してSn-Cuはんだ合金ではんだ付けしたランプは、はんだ付け部にヒビ割れやクラックが発生して導通不良となることがあった。つまりランプ使用時に口金が200℃以上になると、Sn-Cuはんだ合金は、固相線温度近く、或いはそれ以上になるため部分的に溶け始めたり、或いは溶けないまでも接合強度が極めて弱くなったりする。そしてランプへの通電を切るとランプの口金は氷点下温度の極低温に冷やされる。このとき口金をはんだ付けしたはんだは口金との熱膨張率の相違からはんだにストレスがかかり、ついにはんだにヒビ割れやクラックが発生してしまうものである。
In this way, the lamp soldered with the Sn—Cu solder alloy against a heat cycle with a large temperature difference sometimes causes cracks or cracks in the soldered portion, resulting in poor conduction. In other words, if the base becomes 200 ° C or higher when the lamp is used, the Sn-Cu solder alloy will be close to the solidus temperature or higher, so it will start to melt partially, or even if it does not melt, the bonding strength will be extremely weak. To do. When the power to the lamp is turned off, the lamp cap is cooled to a very low temperature below the freezing point. At this time, the solder with the die soldered is subjected to stress due to the difference in thermal expansion coefficient with the die, and finally cracks and cracks are generated in the solder.
またSn-Cuはんだ合金ではんだ付けしたＨＩＤランプやハロゲンランプ等では、リードが剥離することがあった。これはSn-Cuはんだ合金は高温に対する耐熱性が充分でないからである。つまりＨＩＤランプやハロゲンランプ等は点灯時に発光体の消費電力が多く、それだけ全体が高温となり、固相線温度が227℃のSn-Cuはんだ合金では耐熱性が不足となって剥離してしまうものである。本発明は、温度差の激しい環境下で使用されても長時間にわたってはんだ付け部が安定しており、しかも口金が200℃以上になっても強い接合強度を有する高温の鉛フリーはんだを提供することにある。
In addition, in HID lamps, halogen lamps, etc. soldered with Sn—Cu solder alloy, the lead may be peeled off. This is because the Sn—Cu solder alloy has insufficient heat resistance against high temperatures. In other words, when HID lamps and halogen lamps are turned on, the power consumption of the illuminant is high, and as a result, the whole becomes high temperature, and the Sn-Cu solder alloy with a solidus temperature of 227 ° C will peel off due to insufficient heat resistance. It is. The present invention provides a high-temperature lead-free solder having a soldering portion that is stable over a long period of time even when used in an environment with a large temperature difference, and that has a strong joint strength even when the die reaches 200 ° C. or higher. There is.
本発明者らは、Sn-Sb合金のうち、Sbがある量を超えると固相線温度が235℃以上となり、耐熱性においてはＨＩＤランプやハロゲンランプ等の口金のはんだ付けとして適していることに着目して本発明を完成させた。
The present inventors, among Sn-Sb alloys, when the Sb exceeds a certain amount, the solidus temperature becomes 235 ° C or higher, and the heat resistance is suitable for soldering of a base such as an HID lamp or a halogen lamp. This invention was completed paying attention to.
請求項１に記載の発明は、前述の課題を解決するために、Sb5〜40質量％、Cu10質量％以下、残部Snであるとともに固相線温度が235℃以上であることを特徴とするランプ用高温鉛フリーはんだを提供するものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高温鉛フリーはんだに、Ni、Co、Fe、Mo、Cr、Mnから選ばれた一種または二種以上が合計で0.5質量％以下添加されていることを特徴とするランプ用高温鉛フリーはんだを提供するものである。
In the invention described in claim 2, one or more selected from Ni, Co, Fe, Mo, Cr and Mn are added to the high temperature lead-free solder described in
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の記載の高温鉛フリーはんだに、Ag、Biから選ばれた一種または二種以上が合計で1質量％以下添加されていることを特徴とするランプ用高温鉛フリーはんだを提供するものである。
The invention according to
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだに、P、Ge、Gaから選ばれた一種または二種が合計で0.001〜0.05質量％添加されていることを特徴とするランプ用高温鉛フリーはんだを提供するものである。
Invention of Claim 4 adds 0.001-0.05 mass% in total to the high temperature lead-free solder in any one of Claims 1-3 from the 1 type or 2 types chosen from P, Ge, and Ga The present invention provides a high-temperature lead-free solder for lamps.
本発明のランプ用高温鉛フリーはんだは、固相線温度が235℃以上であるため、ＨＩＤランプやハロゲンランプ等のように使用時に口金が200℃以上まで昇温するようなところに使用しても充分な耐熱性を有している。また本発明のランプ用高温鉛フリーはんだは、−40〜200℃間のヒートサイクル試験において、250サイクル経過しても口金のはんだ付け部にヒビ割れやクラックが発生しないため、冷凍庫のような過酷な条件において長期間使用できるという信頼性と長寿命性に優れた高温鉛フリーはんだである。
Since the high-temperature lead-free solder for lamps of the present invention has a solidus temperature of 235 ° C or higher, it is used where the base temperature rises to 200 ° C or higher during use, such as HID lamps and halogen lamps. Has sufficient heat resistance. In addition, the high-temperature lead-free solder for lamps of the present invention does not generate cracks or cracks in the soldered part of the die even after 250 cycles in a heat cycle test between −40 and 200 ° C. It is a high-temperature lead-free solder with excellent reliability and long life that can be used for a long time under various conditions.
本発明は、口金とフィラメントのリードをはんだ付けするためのランプ用高温鉛フリーはんだであり、その組成がSb5〜40質量％、Cu10質量％以下、残部Snであるとともに固相線温度が235℃以上のものであり、さらに該はんだ合金に接合強度改善元素、はんだ付け性改善元素、酸化抑制元素等を適宜添加したものである。
The present invention is a high-temperature lead-free solder for a lamp for soldering a lead of a base and a filament, and its composition is Sb5 to 40% by mass, Cu is 10% by mass or less, the remainder is Sn, and the solidus temperature is 235 ° C. Further, the solder alloy is appropriately added with an element for improving the bonding strength, an element for improving solderability, an element for suppressing oxidation, and the like.
本発明では、Sbの添加量が5質量％より少ないと、固相線温度が235℃よりも下がってしまうばかりでなく、ランプの口金のはんだ付けに使用した場合、耐ヒートサイクル性も充分ではない。しかるにSbの添加量が40質量％よりも多くなると、脆性が出てきてはんだ付け部が少しの衝撃を受けただけで剥離してしまう。
In the present invention, when the amount of Sb added is less than 5% by mass, not only the solidus temperature falls below 235 ° C., but also when used for soldering the lamp cap, the heat cycle resistance is not sufficient. Absent. However, if the amount of Sb added exceeds 40% by mass, the brittleness comes out and the soldered part is peeled off with only a slight impact.
また本発明のランプ用高温鉛フリーはんだは、Sn-Sb系にCuを10質量％以下添加する。Sn-Sb合金において、Cuは機械的強度の改善に効果はあるが、Cuの添加量が10質量％を超えると、液相線温度が430℃以上となり、それに伴ってはんだ付け温度が450℃を超えるようになる。ランプの口金のはんだ付けにおいて、はんだ付け温度が450℃を超えると、熱影響でランプのガラス部分に歪が入ったり、はんだ付けの作業性低下をまねくようになる。
In addition, the high-temperature lead-free solder for lamps of the present invention adds 10% by mass or less of Cu to the Sn—Sb system. In Sn-Sb alloys, Cu is effective in improving mechanical strength. However, if the amount of Cu added exceeds 10% by mass, the liquidus temperature becomes 430 ° C or higher, and accordingly the soldering temperature is 450 ° C. It will be over. When the soldering temperature of the lamp cap is over 450 ° C, the glass part of the lamp is distorted by the heat effect, and the workability of the soldering is reduced.
本発明では、リードと口金の接合強度を改善するためにSn-Sb系合金にNi、Co、Fe、Mo、Cr、Mnから選ばれた一種または二種以上を添加することもできる。Sn-Sb系合金へのこれらの添加量は合計で0.5質量％以下である。これらの添加量が0.5質量％を超えるとはんだ付け性を害するようになる。
In the present invention, one or more selected from Ni, Co, Fe, Mo, Cr, and Mn can be added to the Sn—Sb alloy in order to improve the bonding strength between the lead and the die. The total amount of these added to the Sn—Sb alloy is 0.5 mass% or less. If the amount of addition exceeds 0.5% by mass, solderability is impaired.
またリードと口金のはんだ付け性向上のためにAg、Biから選ばれた一種または二種を添加することもできる。これらの添加量が合計で1質量％よりも多く添加されると、固相線温度が230℃よりも下がってしまい、ハロゲンランプの口金のはんだ付けに使用したときに耐熱性が弱まってしまう。
One or two selected from Ag and Bi can be added to improve the solderability of the lead and the base. If the amount added is more than 1% by mass in total, the solidus temperature falls below 230 ° C., and the heat resistance is weakened when used for soldering the base of a halogen lamp.
そして、本発明のランプ用の高温鉛フリーはんだには、酸化抑制元素を添加することもできる。酸化抑制元素を添加することで、ランプ製造時にはんだ合金の酸化を抑制することができる。特に液相線温度が350℃以上のはんだ合金は、はんだ付け作業の際に酸化することがあるが、酸化抑制元素を添加することにより酸化を抑えることができる。酸化抑制としては、P、Ge、Gaのいずれか一種または二種以上を添加する。P、Ge、Gaの添加量は、これらの合計で0.001〜0.05質量％である。これら酸化抑制元素の添加量が0.001質量％より少ないと、酸化抑制効果が現れず、しかるに0.05質量％よりも多くなると、はんだ付け性を阻害するようになる。
In addition, an oxidation inhibiting element can be added to the high-temperature lead-free solder for the lamp of the present invention. By adding an oxidation inhibiting element, the oxidation of the solder alloy can be suppressed during lamp manufacturing. In particular, a solder alloy having a liquidus temperature of 350 ° C. or higher may be oxidized during the soldering operation, but the oxidation can be suppressed by adding an oxidation inhibiting element. As oxidation inhibition, one or more of P, Ge, and Ga are added. The total amount of P, Ge, and Ga is 0.001 to 0.05% by mass. When the addition amount of these oxidation-suppressing elements is less than 0.001% by mass, the oxidation-inhibiting effect does not appear, and when it exceeds 0.05% by mass, solderability is inhibited.
図１は使用時に高温となるＨＩＤランプである。ＨＩＤランプは、ガラス製の本体１の端部に口金２が接着剤により固定されている。本体１内には発光体３が設置されており、該発光体はリード４、５に接続され、一方のリード４は口金２のシェル部６に引き出されて高温鉛フリーはんだ７ではんだ付けされている。そしてもう一方のリード５は黄銅にニッケルメッキのアイレット８に引き出されて、やはり高温鉛フリーはんだ９ではんだ付けされている。
FIG. 1 shows an HID lamp that becomes hot during use. In the HID lamp, a base 2 is fixed to an end of a
ここでランプに使用して好適な高温鉛フリーはんだを表１に示す。
Table 1 shows high-temperature lead-free solder suitable for use in the lamp.
○表の説明
※１溶融温度：示差熱分析により固相線温度と液相線温度を測定
※２温度サイクル試験：図１に示すようなＨＩＤランプの口金に各種の高温鉛フリーはんだではんだ付けを行って、試験試料とした。試験試料を−40℃に30分間放置し、その後200℃に30分間放置するというヒートサイクルをかける。口金のはんだ付け部にヒビ割れやクラックが生じるまでのヒートサイクル数をカウントする。250サイクルまでにヒビ割れやクラックが生じなければ実用上長期間の使用に耐えられるものであり、判定は良とする。該温度サイクル試験で250サイクルまでにはんだ付け部にヒビ割れやクラックが生じたものは不可とする。
○ Explanation of table
* 1 Melting temperature: Measure solidus and liquidus temperatures by differential thermal analysis
* 2 Temperature cycle test: Various high-temperature lead-free solders were used to solder the HID lamp base as shown in FIG. The test sample is allowed to stand at −40 ° C. for 30 minutes and then at 200 ° C. for 30 minutes. Count the number of heat cycles until cracks and cracks occur in the soldered part of the die. If cracks and cracks do not occur by 250 cycles, it can withstand long-term use in practice and is judged good. In the temperature cycle test, cracks or cracks in the soldered part up to 250 cycles are not allowed.
表１から分かるように、実施例に記載された本発明のランプ用高温鉛フリーはんだは、固相線温度が全て235℃以上である。一方、比較例の高温鉛フリーはんだは固相線温度が235℃未満であり、耐熱性に問題のあることが再確認された。また−40〜200℃間の温度サイクル試験においても本発明の高温鉛フリーはんだは250サイクル経過してもはんだ付け部にヒビ割れやクラックが発生しなかったが、Sn-CuやSn-Ag等の高温鉛フリーはんだは、250サイクル未満でヒビ割れやクラックが発生していた。
As can be seen from Table 1, the high-temperature lead-free solder for lamps of the present invention described in the examples all have a solidus temperature of 235 ° C. or higher. On the other hand, the high-temperature lead-free solder of the comparative example had a solidus temperature of less than 235 ° C., and it was reconfirmed that there was a problem with heat resistance. In the temperature cycle test between -40 and 200 ° C, the high-temperature lead-free solder of the present invention did not crack or crack in the soldered part even after 250 cycles, but Sn-Cu, Sn-Ag, etc. The high temperature lead-free solder had cracks and cracks in less than 250 cycles.
１ 本体
２ 口金
３ 発光体
４、５ リード
８ アイレット
７、９ 高温鉛フリーはんだ
1 body
2 base
3 Light emitters
4, 5 lead
8 Eyelets
7, 9 High-temperature lead-free solder
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