(57)【要約】【課題】  アルミニウム電解コンデンサのアルミニウムリードに、鋼素線に銅めっきと錫めっきをしたリード線を溶接している。リード線表面が錫めっきのためアルミニウムリードとリード線の溶接部分から錫ウィスカが発生する。【解決手段】  本発明のリード線１０は、鋼素線１１表面に内側から順に、銅層１２、ニッケル層１３、錫層１４が積層されてなる。本発明のリード線１０は最も錫ウィスカの発生しやすいアルミニウムリードと溶融一体化した部分でも、錫原子がニッケル原子と金属間化合物をつくり、鉄原子、銅原子、アルミニウム原子と溶け合う。このため錫原子が集まってウィスカの発生源となる錫粒子をつくることが防止される。また希少金属を必要としないので安価であり資源不足の心配もない。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼素線表面に内側から順に、銅層、ニッケル層、錫層が積層されてなるリード線。
【請求項２】
請求項１に記載のリード線において、更に最外層に、銀、ビスマス、銅、インジウム、亜鉛の内少なくとも一つを含む錫合金層が積層されてなるリード線。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載のリード線において、前記ニッケル層の厚さが０．５μｍ〜５μｍであるリード線。
【請求項４】
鋼素線表面に内側から順に、銅層、ニッケル層、錫層が積層されてなるリード線と、アルミニウムリードとを溶接したアルミニウム電解コンデンサ用リード端子。
【請求項５】
請求項４に記載のアルミニウム電解コンデンサ用リード端子において、更に最外層に、銀、ビスマス、銅、インジウム、亜鉛の内少なくとも一つを含む錫合金層が積層されてなるリード線と、アルミニウムリードとを溶接したアルミニウム電解コンデンサ用リード端子。
【請求項６】
鋼素線表面に内側から順に、銅層、ニッケル層、錫層が積層されてなるリード線と、アルミニウムリードとを溶接したアルミニウム電解コンデンサ用リード端子を有するアルミニウム電解コンデンサ。
【請求項７】
請求項６に記載のアルミニウム電解コンデンサにおいて、更に最外層に、銀、ビスマス、銅、インジウム、亜鉛の内少なくとも一つを含む錫合金層が積層されてなるリード線と、アルミニウムリードとを溶接したアルミニウム電解コンデンサ用リード端子を有するアルミニウム電解コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリード線、アルミニウム電解コンデンサ用リード端子およびアルミニウム電解コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子部品たとえばコンデンサのリード線はプリント基板に容易に半田付けできるように、銅線や銅被覆鋼線などの金属芯線の表面に半田めっき（錫−鉛合金めっき）を施していた。半田めっきは安価で半田付け性がよい上、高温高湿などの悪環境に置かれても半田付け性が劣化しないという優れた特性を持っているので広く使われてきた。しかし半田に含まれる鉛は有毒であるため、電気製品に鉛を含む半田の使用を禁止する流れとなっている。
【０００３】
リード線の半田めっきから鉛を除き錫めっきとすると毒性はなくなるが、錫めっき層からウィスカ（ひげ状の錫単結晶）が成長して電気ショート事故を起こす恐れがある。それを防止するため例えば錫めっきの表面に錫−パラジウム合金めっきを施す発明が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
アルミニウム電解コンデンサはアルミニウム箔を巻くための芯材としてアルミニウムリード（アルミニウム線）を用い、外部接続のためアルミニウムリードにリード線を溶接している。従来のリード線は銅被覆鋼線などの表面に半田めっきをしたものであったが、半田めっきの中の鉛が有毒であるので、半田めっきは使用できなくなりつつある。半田めっきであればウィスカの発生はないが、錫めっきであると特にアルミニウムリードとリード線の溶接部分からウィスカが発生しやすい。この対策としてリード線の錫めっき表面を酸化して酸化錫にする発明が提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平９−４５５７９号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リード線の錫めっき層からウィスカが成長するのを防止するため錫めっきの表面に錫−パラジウム合金めっきを施す構成は、パラジウムが現在でも希少金属で高価であり、将来もし広く使われるとパラジウム資源が不足する恐れがある。このため希少金属を用いないでウィスカを防止することが望まれる。
【０００６】
アルミニウム電解コンデンサのアルミニウムリードとリード線の溶接部分のウィスカ対策としてリード線の錫めっき表面を酸化して酸化錫にする方法は、酸化錫が少なすぎるとウィスカが発生し、酸化錫が多すぎるとリード線の半田付け性が低下する。そのため適切な量の酸化錫を形成しなければならないが、それを制御するのが難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載のリード線は、鋼素線表面に内側から順に、銅層、ニッケル層、錫層が積層されてなるリード線である。
【０００８】
本発明のリード線は最も錫ウィスカの発生しやすいアルミニウムリードと溶融一体化した部分でも、錫原子がニッケル原子と金属間化合物をつくり、鉄原子、銅原子、アルミニウム原子と原子的尺度で溶け合う。このため錫原子が集まってウィスカの発生源となる錫粒子をつくることが防止される。また希少金属を必要としないので安価であり資源不足の心配もない。またニッケル層はめっき法により精度良く形成できるので、適切な量の酸化錫を形成するような難しい制御をする必要がない。
【０００９】
請求項２記載のリード線は請求項１に記載のリード線において、更に最外層に、銀、ビスマス、銅、インジウム、亜鉛の内少なくとも一つを含む錫合金層が積層されてなるリード線である。
【００１０】
リード線の最外層を銀、ビスマス、銅、インジウム、亜鉛の内少なくとも一つを含む錫合金層とすることにより、純粋な錫のときより融点を下げて半田付け性を向上させることができる。純粋な錫の融点は２３２℃であるが、錫−５重量％ビスマス合金の融点は２２８℃、錫−０．７重量％銅合金の融点は２２９℃というように融点を下げられる。錫−銀合金、錫−インジウム合金、錫−亜鉛合金も同様に融点を下げられる。
【００１１】
請求項３記載のリード線は、請求項１または２のいずれかに記載のリード線において、前記ニッケル層の厚さが０．５μｍ〜５μｍであるリード線である。
【００１２】
ニッケル層の厚さが０．５μｍ未満であると錫原子がニッケル原子と金属間化合物をつくるときニッケル原子が不足するおそれがあり、ニッケル層の厚さが５μｍを越えるとリード線が硬くなりすぎて折れやすくなる。このためニッケル層の厚さは０．５μｍ〜５μｍが適当である。
【００１３】
請求項４記載のアルミニウム電解コンデンサ用リード端子は、鋼素線表面に内側から順に、銅層、ニッケル層、錫層が積層されてなるリード線と、アルミニウムリードとを溶接したアルミニウム電解コンデンサ用リード端子である。
【００１４】
本発明のアルミニウム電解コンデンサ用リード端子はリード線とアルミニウムリードを溶接した部分も含め全ての箇所でウィスカの発生が防止されるので、アルミニウム電解コンデンサのリード端子として好適である。
【００１５】
請求項５記載のアルミニウム電解コンデンサ用リード端子は請求項４に記載のアルミニウム電解コンデンサ用リード端子において、更に最外層に、銀、ビスマス、銅、インジウム、亜鉛の内少なくとも一つを含む錫合金層が積層されてなるリード線と、アルミニウムリードとを溶接したアルミニウム電解コンデンサ用リード端子である。
【００１６】
本発明のアルミニウム電解コンデンサ用リード端子はリード線とアルミニウムリードを溶接した部分も含め全ての箇所でウィスカの発生が防止され、さらにリード線の半田付け性が特に良いのでアルミニウム電解コンデンサのリード端子として好適である。
【００１７】
請求項６記載のアルミニウム電解コンデンサは、鋼素線表面に内側から順に、銅層、ニッケル層、錫層が積層されてなるリード線と、アルミニウムリードとを溶接したアルミニウム電解コンデンサ用リード端子を有するアルミニウム電解コンデンサである。
【００１８】
本発明のアルミニウム電解コンデンサはリード線のウィスカ発生がないのでプリント基板に実装したあとの電気ショート事故を予防できる。
【００１９】
請求項７記載のアルミニウム電解コンデンサは請求項６に記載のアルミニウム電解コンデンサにおいて、更に最外層に、銀、ビスマス、銅、インジウム、亜鉛の内少なくとも一つを含む錫合金層が積層されてなるリード線と、アルミニウムリードとを溶接したアルミニウム電解コンデンサ用リード端子を有するアルミニウム電解コンデンサである。
【００２０】
本発明のアルミニウム電解コンデンサはプリント基板に実装するときリード線の半田付け性が特に良い。またリード線のウィスカ発生がないのでプリント基板に実装したあとの電気ショート事故を予防できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のリード線は最も錫ウィスカの発生しやすいアルミニウムリードと溶接した部分でも、ウィスカの発生が防止できる。また希少金属を必要としないので安価であり資源不足の心配もない。ニッケル層はめっき法により精度良く形成できるので、適切な量の酸化錫を形成するような難しい制御をする必要がない。本発明のコンデンサ用リード端子はリード線とアルミニウムリードを溶接した部分も含め全ての箇所でウィスカの発生が防止されるのでアルミニウム電解コンデンサのリード端子として好適である。本発明のアルミニウム電解コンデンサはリード線のウィスカ発生がないのでプリント基板に実装したあとの電気ショート事故を予防できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
まず従来の錫めっきリード線の錫めっき層からウィスカの成長するメカニズムについて説明する。図１は銅被覆鋼線の半田めっきから単に鉛を除き錫めっきとしただけの、ウィスカ対策を施していない従来のリード線１００の模式図である。図１に示すように、鋼素線１０１の表面に同心円状に順次、銅層１０２を厚さ２０μｍ、錫層１０３を厚さ１２μｍ、めっき法により積層し、直径０．５ｍｍのリード線１００としている。
【００２３】
従来から銅下地層と錫層の組み合わせの場合、最も錫のウィスカの発生しやすい温度は常温であることが分かっている。しかし発明者の実験によればウィスカ対策を施していない従来のリード線１００であっても、溶接などの加工を加えていない状態ならば、常温で６０日間放置してもウィスカの発生は全く見られなかった。ウィスカは、発生する場合は数日で発生することが知られているから、このまま長期間放置しても発生しないと予測される。
【００２４】
ところが同じ従来のリード線１００の一端を図２（ａ）に示すようにアルミニウムリード２０の一端に突き合わせ、抵抗溶接したものを作り、同じように常温放置したところ僅か１日でウィスカが発生することが分かった。なおこれはリード線１００をアルミニウム電解コンデンサに使用するときの実際の構造を模したものであり、同じようなウィスカが実際のアルミニウム電解コンデンサでも発生して問題となっている。
【００２５】
図２（ｂ）は溶接直後のリード線１００とアルミニウムリード２０の突き合わせ溶接部（図２（ａ）の破線の円２１の部分）の拡大模式図である。抵抗溶接の際、突き合わせた部分は２０００℃もの高温になるので、リード線１００とアルミニウムリード２０の先端が溶融一体化して固化している。
【００２６】
図２（ｃ）はリード線１００とアルミニウムリード２０の溶接部の、溶接から２４時間後の拡大模式図である。図２（ｃ）に示すようにリード線１００とアルミニウムリード２０が溶融一体化した部分２２だけに特徴的に錫のウィスカ１０４が多数発生している。しかし同じリード線１００でも溶融一体化した部分２２から離れたところには全くウィスカが見られない。
【００２７】
発明者の推定によれば、リード線１００とアルミニウムリード２０が溶融一体化した部分２２だけにウィスカ１０４が発生する原因は次のとおりである。図３（ａ）の溶融一体化した部分２２の断面図に示すように、リード線１００とアルミニウムリード２０が溶融一体化した部分２２では、リード線１００由来の鉄原子、銅原子と、アルミニウムリード２０由来のアルミニウム原子が原子的尺度で溶け合っている。しかしリード線１００の錫層１０３由来の錫原子はそれらと溶け合わないため、集まって径が数μｍ〜数十μｍの錫粒子１０５となっている。溶融した部分が固化すると錫粒子１０５には強い圧縮応力が働くようになる。
【００２８】
図３（ｂ）の溶融一体化した部分２２の断面図に示すように、この圧縮応力を緩和するため錫のひげ状単結晶ができて溶融一体化した部分２２の表面から押し出されウィスカ１０４となる。溶融一体化した部分２２から離れたリード線１００表面の錫層１０３には圧縮応力がかからないのでウィスカが全く発生しない。
【００２９】
次に図４はウィスカ対策を施した本発明の第一実施例のリード線１０の模式図である。図４に示すように、本発明のリード線１０は鋼素線１１の表面に順次、銅層１２を厚さ２０μｍ、ニッケル層１３を厚さ２μｍ、錫層１４を厚さ１２μｍ、めっき法で積層し、直径０．５ｍｍのリード線１０としている。このときニッケル層１３の厚さは０．５μｍ〜５μｍが適当である。その理由は、ニッケル層１３の厚さが０．５μｍ未満であると錫原子がニッケル原子と金属間化合物をつくるときニッケル原子が不足するおそれがあり、ニッケル層１３の厚さが５μｍを越えるとリード線が硬くなりすぎて折れやすくなるためである。
【００３０】
本発明のリード線１０の一端を図５（ａ）に示すようにアルミニウムリード２０の一端に突き合わせ、抵抗溶接したものを作り６０日間常温放置しておいたが、ウィスカは全く見られなかった。図５（ｂ）は本発明のリード線１０とアルミニウムリード２０の溶接部２３の溶接直後の拡大模式図である。抵抗溶接の際、突き合わせた溶接部分は２０００℃もの高温になるので、リード線１０とアルミニウムリード２０の先端が共に溶融一体化して固化している。溶接直後の外観はウィスカ対策を施していない従来のリード線１００（図２（ｂ））と同じであるが、本発明のリード線１０では６０日放置後も溶融一体化した部分２４からもウィスカが発生することはなかった。すなわち６０日放置後の外観も図５（ｂ）のままである。これにより本発明のリード線１０は長期間放置してもウィスカは発生しないと予測される。
【００３１】
本発明のリード線１０で溶融一体化した部分２４からウィスカが発生しない理由を発明者は次のように推定している。図５（ｃ）の溶融一体化した部分２４の断面図に示すように、リード線１０とアルミニウムリード２０が溶融一体化した部分２４では、リード線１０由来の鉄原子、銅原子とアルミニウムリード２０由来のアルミニウム原子が原子的尺度で溶け合っている。一方錫層１４由来の錫原子はニッケル層１３由来のニッケル原子と金属間化合物（Ｎｉ３Ｓｎ４と推定される）をつくり、鉄原子、銅原子、アルミニウム原子と原子的尺度で溶け合うことができる。このためウィスカ対策を施していない従来のリード線１００とは異なり、錫原子が集まって錫粒子をつくることがない。錫粒子がウィスカの発生源であるため、錫粒子が形成されない本発明のリード線１０ではウィスカの発生源がない。そのため長期間放置しても本発明のリード線１０では溶融一体化した部分２４からもウィスカが発生することがない。
【００３２】
リード線はアルミニウム電解コンデンサの外部接続に必要であり、アルミニウムリードはアルミニウム電解コンデンサの芯材として必要であるから、アルミニウム電解コンデンサには必ず図５（ｂ）のようにリード線１０とアルミニウムリード２０の溶融一体化した部分２４がある。リード線１０とアルミニウムリード２０の溶融一体化した部分に図３（ａ）のように錫粒子１０５が形成されると、錫粒子１０５に圧縮応力が加わるため、錫のウィスカ１０４が発生する確率が非常に高くなる。したがってアルミニウム電解コンデンサにおいて錫のウィスカ１０４を防ぐためには、リード線とアルミニウムリードの溶融一体化した部分に錫粒子１０５が形成されていないことが必要である。ただし錫粒子１０５の粒径が１μｍ程度以下であれば、錫粒子１０５に加わる圧縮応力が小さいためウィスカ１０４は発生しにくい。また、たとえウィスカ１０４が発生しても錫粒子１０５に含まれる錫原子が少量であるため長い（数十μｍ以上）ウィスカ１０４は形成されない。それらからすると粒径１μｍ程度以下の錫粒子１０５は存在してもウィスカ１０４による実害はないと考えられる。
【００３３】
次に図６はウィスカ対策を施した本発明の第二実施例のリード線３０の模式図である。図６に示すように、本発明の第二実施例のリード線３０は鋼素線３１の表面に順次、銅層３２を厚さ２０μｍ、ニッケル層３３を厚さ２μｍ、錫層３４を厚さ１２μｍ、錫−５重量％ビスマス合金層３５を厚さ２μｍ、めっき法で積層し、直径０．５ｍｍのリード線３０としている。このときニッケル層３３の厚さは０．５μｍ〜５μｍ、錫−５重量％ビスマス合金層３５の厚さは１μｍ〜３μｍが適当である。
【００３４】
本発明の第二実施例のリード線３０における錫ウィスカ発生防止メカニズムは、第一実施例のリード線１０の場合と同様である。第二実施例のリード線３０のメリットは最外層が錫−５重量％ビスマス合金３５であるため、最外層が純粋な錫層１４の第一実施例のリード線１０よりも融点が低く半田付け性が良いことである。このため第二実施例のリード線３０を用いたアルミニウム電解コンデンサは、プリント基板に実装したとき、半田付けの歩留まり、信頼性がより高い。
【００３５】
本発明のリード線とアルミニウムリードの溶接は従来の抵抗溶接法により実施でき、アルミニウム電解コンデンサ用リード端子が製造できる。
【００３６】
また本発明のアルミニウム電解コンデンサ用リード端子を用いて、従来の製法により、アルミニウム電解コンデンサが製造できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のリード線は最も錫ウィスカの発生しやすいアルミニウムリードと溶接した部分でも、ウィスカの発生が防止できる。また希少金属を必要としないので安価であり資源不足の心配もない。本発明のアルミニウム電解コンデンサ用リード端子は、リード線とアルミニウムリードを溶接した部分も含め全ての箇所でウィスカの発生が防止されるのでアルミニウム電解コンデンサのリード端子として好適である。本発明のアルミニウム電解コンデンサはリード線のウィスカ発生がないのでプリント基板に実装したあとの電気ショート事故を予防できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ウィスカ対策を施していない従来のリード線の模式図
【図２】（ａ）従来のリード線とアルミニウムリードの溶接図  （ｂ）溶接直後の従来のリード線とアルミニウムリードの溶接部の拡大模式図  （ｃ）ウィスカ発生後の従来のリード線とアルミニウムリードの溶接部の模式図
【図３】（ａ）溶接直後の従来のリード線とアルミニウムリードの溶接部の断面図  （ｂ）ウィスカ発生後の従来のリード線とアルミニウムリードの溶接部の断面図
【図４】本発明の第一実施例のリード線の模式図
【図５】（ａ）本発明のリード線とアルミニウムリードの溶接図  （ｂ）溶接直後の本発明のリード線とアルミニウムリードの溶接部の拡大模式図  （ｃ）本発明のリード線とアルミニウムリードの溶接部の断面図
【図６】本発明の第二実施例のリード線の模式図
【符号の説明】
【００３９】
１０  リード線
１１  鋼素線
１２  銅層
１３  ニッケル層
１４  錫層
２０  アルミニウムリード
２１  溶接部
２２  リード線とアルミニウムリードが溶融一体化した部分
２３  溶接部
２４  リード線とアルミニウムリードが溶融一体化した部分
３０  リード線
３１  鋼素線
３２  銅層
３３  ニッケル層
３４  錫層
３５  錫−５重量％ビスマス合金層
１００  リード線
１０１  鋼素線
１０２  銅層
１０３  錫層
１０４  ウィスカ
１０５  錫粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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