(57)【要約】【課題】  有害物質を含まず、はんだ付け性に優れた電流ヒューズおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  ヒューズ基体の端部に電極を圧入する前に、あらかじめ電極の内部に、亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、銅を０．１乃至２重量パーセント、ニッケルを０．１乃至１重量パーセント、錫を残重量パーセント含有する、あるいは更にアルミニウムを０．０１乃至０．５重量パーセント含有するはんだ片を入れておき、電極の外部より熱を加えて、はんだを溶融して電極とヒューズ線とを接続する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、
前記鉛非含有はんだは、少なくとも亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、銅を０．１乃至２重量パーセント、錫を残重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズ。
【請求項２】
ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、
前記鉛非含有はんだは、少なくとも亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、ニッケルを０．１乃至１重量パーセント、錫を残重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズ。
【請求項３】
ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、
前記鉛非含有はんだは、少なくとも亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、銅を０．１乃至２重量パーセント、ニッケルを０．１乃至１重量パーセント、錫を残重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズ。
【請求項４】
ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、
前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鉛非含有はんだ組成に、アルミニウムを０．０１乃至０．５重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズ。
【請求項５】
ヒューズ線と、
前記ヒューズ線の収容手段と、
前記収容手段の両端部に嵌着される、キャップ状の電極とを備え、
前記ヒューズ線は、前記電極の内側に配された鉛非含有はんだで前記電極とはんだ付けされ、
前記鉛非含有はんだは、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の鉛非含有はんだ組成とすることを特徴とする電流ヒューズ。
【請求項６】
ヒューズ線と電極とを、前記請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の組成からなる鉛非含有はんだを用い、前記鉛非含有はんだの固相温度以上、液相温度以下の温度ではんだ付けして製造されることを特徴とする電流ヒューズの製造方法。
【請求項７】
ヒューズ線と電極とを、前記請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の組成からなる鉛非含有はんだを用い、前記鉛非含有はんだを酸素雰囲気中ではんだ付けして製造されることを特徴とする電流ヒューズの製造方法。
【請求項８】
ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、
前記鉛非含有はんだは、少なくとも亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、銅と錫を残重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電子機器や電子部品に用いるのに好適な、鉛を含有しない電流ヒューズ及び電流ヒューズの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プリント基板等へ表面実装可能な小型ヒューズは、従来より、様々な形式のものが提案されている。例えば、特許文献１には、セラミックからなるケース本体と蓋を嵌着して形成した、直方体状のケース内部の中空空間にヒューズエレメントを張架したものが開示されている。
【０００３】
この小型ヒューズでは、金属製のキャップの内側にあらかじめ被着させた錫−鉛はんだと、ヒューズエレメントとがはんだ付けされる。
【０００４】
一方、錫−鉛はんだは、電子機器の製造や組み立てに不可欠であるが、人体等に有害な鉛が含まれていることから、電子機器産業界等により、有害物質である鉛を含まないはんだを実現することが求められ、これまでにも、種々の鉛フリーのはんだが提案されている。例えば、特許文献２には、亜鉛（Ｚｎ）７〜１０重量パーセント、ニッケル（Ｎｉ）０．０１〜１重量パーセント、残部錫（Ｓｎ）からなる鉛フリーのはんだ合金が記載されている。
【０００５】
また、特許文献３に開示されたはんだ材は、電子機器を廃棄した後における環境問題に鑑みてなされたものであって、錫と、その錫に対して３〜１８重量パーセントの亜鉛と、少量の添加成分（例えば、ニッケル）を含有する、鉛を含まないはんだ材である。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２２２１１７号公報
【特許文献２】特開平９−９４６８８号公報
【特許文献３】特開２０００−１５４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されたヒューズを製造する際、例えば、錫１０重量パーセント、鉛９０重量パーセントのはんだを使用すると、そのはんだが溶融するときに、セラミック基体に熱が奪われるため、金属製のキャップの加熱温度を、はんだの融点よりも約１００℃高い、４００℃程度にする必要がある。
このような温度では、金属製のキャップ表面のメッキが劣化し、ヒューズを基板上に実装するとき、そのはんだ付け性に問題が生じる。
【０００８】
一方、上述した錫−亜鉛−ニッケルの鉛フリーはんだは、基板実装の際に用いられるものであるが、それを部品内部に使用した場合には、基板実装時のリフローによって、部品内部のはんだが溶融して、ヒューズエレメントの断線を引き起こす等、その品質を維持できないという問題がある。
【０００９】
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、電子機器や電子部品に用いるのに好適なはんだ性を有し、人体等を含む環境への影響がない電流ヒューズ及び電流ヒューズの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成する一手段として、本発明は、例えば、以下の構成を備える。
【００１１】
すなわち、ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、前記鉛非含有はんだは、少なくとも亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、銅を０．１乃至２重量パーセント、錫を残重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズとする。
【００１２】
又は、ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、前記鉛非含有はんだは、少なくとも亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、ニッケルを０．１乃至１重量パーセント、錫を残重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズとする。
【００１３】
更にまた、ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、前記鉛非含有はんだは、少なくとも亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、銅を０．１乃至２重量パーセント、ニッケルを０．１乃至１重量パーセント、錫を残重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズとする。
【００１４】
また、ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、前記したいずれかの鉛非含有はんだ組成に、アルミニウムを０．０１乃至０．５重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズとする。
【００１５】
更にまた、ヒューズ線と、前記ヒューズ線の収容手段と、前記収容手段の両端部に嵌着される、キャップ状の電極とを備え、前記ヒューズ線は、前記電極の内側に配された鉛非含有はんだで前記電極とはんだ付けされ、前記鉛非含有はんだを、前記のいずれかに記載の鉛非含有はんだ組成とすることを特徴とする電流ヒューズとする。
【００１６】
また、ヒューズ線と電極とを鉛非含有はんだではんだ付けしてなる電流ヒューズであって、前記鉛非含有はんだは、少なくとも亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、銅と錫を残重量パーセント含有することを特徴とする電流ヒューズとする。
【００１７】
そして、電流ヒューズの製造時に、ヒューズ線と電極とを固相温度以上、液相温度以下の温度ではんだ付けすることを特徴とする。あるいはヒューズ線と電極とを酸素雰囲気中ではんだ付けすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、有害物質による環境への悪影響がなく、基板上でのはんだ性等の特性にも優れた電流ヒューズおよびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施の形態例を詳細に説明する。図１は、本実施の形態例に係るチップ型ヒューズの分解構成図である。同図に示すチップ型ヒューズは、セラミックからなる基体の中空にヒューズを張架した構成であり、この基体は、セラミック製のケース本体２と、同じくセラミック製の蓋３とを嵌着して形成される。
【００２０】
ケース本体２の中央部には、上面に向かって開く開口部９が設けられ、また、ケース本体２の両端部には、この開口部９と連通する凹部１１が配設されている。
【００２１】
凹部１１各々の底面には、一条の溝部８が形成されている。可溶体であるヒューズ線（ヒューズエレメント）１は、この溝部８に位置合わせされ、開口部９を跨ぐように張架される。
【００２２】
なお、凹部１１間にヒューズ線１を張架する際、そのヒューズ線１に対して一定の張力（テンション）を加えるが、その張力を維持するため、例えば、ヒューズ線１を溝部８に樹脂等で仮止めするようにしてもよい。
【００２３】
このようにヒューズ線１が張架されたケース本体２の開口部９には、蓋３が嵌着（ケーシング）される。この蓋３は、その両方の端部１３が、凹部１１に嵌まる形状（端部１３の幅、および深さが、凹部１１のそれよりわずかに小さい形状）となっており、また、蓋３の中央部は、開口部９をほぼ完全に覆う形状（蓋中央部の長さ、および幅が、開口部９のそれよりわずかに小さい形状）となっている。
【００２４】
このように、ケース本体２と蓋３とを合体させた基体は、その外形がほぼ直方体状になる。そのときのヒューズの外観を、図２に示す。図２に示すように、ケース本体２と蓋３とが合体した状態では、基体の端部より、ヒューズ線１の折り曲げ部１Ｄが出るようにする。この折り曲げ部１Ｄが、後述するように金属製のキャップと接続される。
【００２５】
金属製のキャップ（電極）４は、例えば、銅材あるいは銅合金材からなり、図２に示す状態にある基体の端部に被せることができるよう、立方体の一面（基体に向いている面）が開口した形状を有する。また、電極４を基体端部に被せる前において、各々の電極４の内部６へ、後述する組成を有するはんだ片５を挿入する（図１参照）。そして、はんだ片５が挿入された電極４を、基体の両端部に被せる（圧入嵌着する）。
【００２６】
なお、各々の電極４の内部６へのはんだの供給は、はんだ片に限定されるものではなく、はんだ片に代えて、キャップ内に、溶融させたはんだ、あるいはクリーム状のはんだを供給する方法であっても良い。
【００２７】
図３は、このようにして電極４が被せられたときのヒューズの外観を示している。この状態にあるヒューズに対して、図１に示すように、電極４の斜線部で示す箇所（加熱位置）７を、ヒータにより、例えば、３５０℃で３秒間程度加熱することで、あらかじめ電極４の内部に挿入されたはんだ片５が溶融する。
【００２８】
その結果、はんだ片５が、上述したヒューズ線１の折り曲げ部１Ｄにはんだ付け（融着）され、ヒューズ線１と電極４との電気的な接続が行われる。
【００２９】
本実施の形態例に係るチップ型ヒューズのケース本体２と蓋３の形状は、上述したように、蓋３の外形寸法がケース本体２の内部寸法よりもわずかに小さくなるように設定されている。そのため、それらの位置合わせが容易であり、組み立ての際、蓋３をケース本体２に対して垂直方向に差し込むことで、それらを嵌着する。
【００３０】
よって、ケース本体２と蓋３が嵌着された状態において、蓋３の端部１３が、ケース本体２の凹部１１より突き出ることはなく、基体端部への電極４の圧入嵌着も円滑に行え、しかも、ヒューズ線１と電極４との電気的な接続状態も確実になる。
【００３１】
なお、蓋３とケース本体２を嵌着する際、それらを、例えば、エポキシ等の接着剤で貼り合わせて、一定時間、一定の温度（例えば、１５０℃で１５分程度）、加温する。そして、接着剤が硬化した後、電極４の圧入嵌着を行う。
【００３２】
また、本実施の形態例に係るチップ型ヒューズの電極４は、プリント基板に実装する際、実装基板のランドパターンとはんだ付けされる箇所でもある。そこで、ヒューズ実装時の基板へのはんだ付けを容易、かつ確実に行うため、図示していないが、電極４の寸法は、例えば、圧入嵌着された電極４の周囲４面のうちの１面が、チップ型ヒューズの基体面より、電極４の厚み分だけ出るようになっている。電極４周囲の他の３面については、チップ型ヒューズの基体面と面位置が合う（同一面となる）ようになっている。
【００３３】
このように、電極４と基体との面位置を合わせて平坦にすることで、例えば、チップ型ヒューズをプリント基板へ搭載する際のバキュームチャックが容易になり、また、ヒューズ本体への捺印作業も容易に行える。
【００３４】
次に、本実施の形態例に係るチップ型ヒューズに使用するはんだ片について、詳細に説明する。
【００３５】
本実施の形態例に係るヒューズにおいて、ヒューズ線の接続に使用するはんだ片は、錫／亜鉛系の高温はんだを用いる。亜鉛の含有率として適切と考える亜鉛（Zn）の含有率が３０重量パーセントから６０重量パーセントについて、はんだ耐熱性（抵抗値変化率）を測定した。この測定結果の例を図４に示す。
【００３６】
なお、図４の右端部に比較のため、従来の錫―鉛はんだ（鉛９０重量パーセント含有）の特性を示す。図４において、Znの前に示された数字が亜鉛（Zn）の含有率である。
【００３７】
錫（Sn）と亜鉛（Zn）の割合としては、亜鉛（Zn）の割合が高いほど高融点となり、はんだ耐熱性が向上するが、亜鉛（Zn）の割合が多すぎると加工しずらくなる。一方、亜鉛（Zn）の割合が少なすぎると流動性が高くなり、また、はんだ耐熱性が低下する。
【００３８】
図４に示されるように、以上の条件を勘案しても、亜鉛を３０乃至６０重量パーセント含有する錫／亜鉛系の高温はんだであれば、十分に実用に供することが可能である。
【００３９】
具体的には、亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、銅を０．１乃至２重量パーセント、ニッケルを０．１乃至１重量パーセント、錫を残重量パーセント含有した組成からなる鉛非含有（鉛フリー）はんだを用いる。
【００４０】
または、亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、銅を０．１乃至２重量パーセント、錫を残重量パーセント含有した組成からなる鉛非含有（鉛フリー）はんだ、あるいは、亜鉛を３０乃至６０重量パーセント、ニッケルを０．１乃至１重量パーセント、錫を残重量パーセント含有した組成からなる鉛非含有（鉛フリー）はんだを用いる。
【００４１】
このように、亜鉛を３０乃至６０重量パーセント含有することで、電流ヒューズとして好適な、固相温度が１９９℃、液相温度が３６０℃以上の錫／亜鉛／ニッケル系、あるいは錫／亜鉛／銅系のはんだとなる。
【００４２】
ところで、錫／亜鉛／ニッケル系あるいは錫／亜鉛／銅系はんだは、チップ型ヒューズをプリント基板へ実装する際、リフロー等の再加熱による流動性があるため、チップ型ヒューズ内部の空気が膨張して、はんだを押し流す等の不具合が生じる可能性がある。このため、はんだの流動性を低下させる必要がある。
【００４３】
アルミニウムは比重が軽いため、溶融すると継手の表面に凝固する。更に、酸化し易いため、継手表面に強固な酸化膜を形成する。このため、ヒューズは開回路状態に至った場合に絶縁性が高まり、アークを消弧する働きをする。
【００４４】
また、はんだの流動性を低下させる効果があることから、本実施の形態例では、はんだにアルミニウムを０．０１乃至０．５重量パーセント添加した。
【００４５】
しかし、アルミニウムの添加量が０．０１重量パーセント未満であると、流動性への影響が小さく、所定の効果がない。また、その添加量が０．５重量パーセントよりも多いと、高温で放置した場合、アルミニウムの酸化により導電性が低下する。以上を考慮して、本実施の形態例では、アルミニウムの添加量を流動性に効果がある範囲内において微量とし、はんだの使用条件に応じて添加量を設定することとしている。
【００４６】
このように、亜鉛を３０乃至６０重量パーセント含有することで、電流ヒューズとして好適な、固相温度が得られるが、耐熱性などの特性が従来の錫―鉛はんだと同等になる亜鉛を４０重量パーセント含有させた錫―亜鉛はんだを用いることが好ましい。そこで、本実施の形態例では亜鉛を４０重量パーセント含有させた錫―亜鉛はんだを使用した電流ヒューズとしている。
【００４７】
この錫―亜鉛はんだに含有させる銅、ニッケル、アルミニウムの含有割合を変えた場合の評価結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
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「加工性」は、はんだ継手を電極キャップに入れるとき等の作業性であり、適度なやわらかさがあると、電極キャップ内面にフィットするので好ましい。また、「はんだ製作性」は、はんだ材料を溶かして継手を製作するときの作業性である。
【００４９】
また、「耐熱性」は、温度変化に伴う抵抗値変化、「濡れ性」は、接合対象へのはんだの付着性であり、濡れ性が悪いと接合対象の表面ではんだがはがれてしまう。
【００５０】
図５は、本実施の形態例に係るはんだを使用したヒューズと、従来のはんだを使用したヒューズの抵抗値変化を比較して示すグラフである。本実施の形態例に係るはんだとして、ここでは、亜鉛４０重量パーセント、銅を１重量パーセント、ニッケルを０．５重量パーセント、錫を残重量パーセント含有するはんだを使用し、従来のはんだとして、錫１０重量パーセント、鉛９０重量パーセントを使用したものについて、性能試験を行った。
【００５１】
なお、ここでの試験条件は、温度を２６０℃の溶融はんだに１０秒間、５回浸漬を繰り返した時の抵抗値変化率であり、図５から判るように本実施の形態例にかかるはんだを使用したヒューズの場合、その抵抗値変化は最大でも２％以下である。これは、従来の鉛含有はんだを使用したヒューズ（図中、点線で示す）と略同等の特性である。
【００５２】
このような特性が得られるのは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、本実施の形態例に係るはんだは、固液共存状態では流動性が低く、プリント基板への実装時に加熱されても、ヒューズと電極を接続するはんだ（継手）の形状が変化せず、その接続状態が維持される。
【００５３】
これは、本実施の形態例に係るはんだが、酸素雰囲気中ではんだ付けされることで、その際の熱により安定して表面酸化し、強固な酸化膜が形成されたために、その流動性が低下したことによる。
【００５４】
また、本実施の形態例に係るはんだによる継手は、特殊なフラックスによって酸素より遮断されているため、はんだの継手の酸化は、一旦、はんだ付けが行われれば、それ以降において進行しないことも、上記の特性が得られる理由の一つである。
【００５５】
以上説明したように、本実施の形態例によれば、ヒューズ基体の端部に電極を圧入する前に、あらかじめ電極の内部にはんだ片を入れておき、その電極の外部より熱を加えて、はんだを溶融することで、電極とヒューズ線との接続を確実に行うことができ、その接合部における電気的な接合状態を良好に維持できる。
【００５６】
また、電極内部に入れて、ヒューズ線との接続に使用するはんだ片として、鉛等の有害物質を含有しない、錫／亜鉛／ニッケル系のはんだを使用することで、はんだ付けが、環境や人間の健康への影響、さらには、電流ヒューズとともに実装される他の電子部品に悪影響を与えることを回避できるだけでなく、基板実装時に過熱されても、電流ヒューズの内部状態を維持できる。
【００５７】
さらに、はんだ材合金としてアルミニウムを添加することにより、はんだの耐熱性、および流動性を改善することができ、それによって、はんだ付け性が向上し、再加熱によるはんだの継手形状の変化を防止できる。
【００５８】
また、本実施の形態例に係るヒューズでは、その電極を３５０℃で加熱することで、電極とヒューズ線の充分な接合を得ることができ、セラミック製の基体における放熱を考慮しても、液相温度を下回る温度ではんだ付けが完了していることが判明した。よって、固相温度と液相温度の間における固液共存状態においてもはんだ付けができ、電極表面のメッキの劣化を抑制することができる。
【００５９】
以上述べた鉛非含有はんだの組成には、日本工業規格（ＪＩＳ）等で示される不可避不純物が含まれていることがある。しかし、このような不可避不純物が鉛非含有はんだに含まれている場合においても、本発明の特許請求の範囲を逸脱するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る一実施の形態例に係るチップ型ヒューズの分解構成図である。
【図２】本実施の形態例に係るケース本体と蓋とを合体させた基体を有する電流ヒューズの外観を示す図である。
【図３】本実施の形態例に係る電極が被せられたときの電流ヒューズの外観を示す図である。
【図４】本実施の形態例に係る亜鉛の含有率を変えた場合の錫／亜鉛系はんだを使用したヒューズの抵抗値変化を比較して示す図である。
【図５】本実施の形態例に係るはんだを使用したヒューズと、従来のはんだを使用したヒューズの抵抗値変化を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１    ヒューズ線（ヒューズエレメント）
２    ケース本体
３    蓋
４    キャップ（電極）
５    はんだ片
７    加熱位置
９    開口部
８    溝部
１１    凹部
【図１】
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【図２】
2005026188.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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