(57)【要約】  【課題】環境上問題のある有害金属を含まず動作温度を２６０℃以上の高温領域に設定できる低融点可溶合金を使用した可溶合金型温度ヒューズおよび回路保護素子を提供する。  【解決手段】可溶合金型温度ヒューズは、一対のリ−ド部材１、２に低融点可溶合金３が抵抗溶接により接合され、低融点可溶合金３の表面にはフラックスの被膜４が形成され、アルミナ等のセラミック碍管の絶縁容器またはケース５に収容して構成される。たとえば、低融点可溶合金３には溶融動作温度が３８１℃の９５Ｚｎ―５Ａｌ、溶融動作温度３５２℃の８９Ｚｎ―６Ａｌ―５Ｇｅまたは溶融動作温度３４３℃の９３Ｚｎ―４Ａｌ―３Ｍｇ（ｗｔ％）が使用され、フラックスは耐熱性の良いロジン誘導体と有機酸アミド誘導体との配合で調製される。さらに、Ｓｎ、ＩｎおよびＧａのいずれかを溶融動作温度の低下調整のため添加することができる。【選択図】    図１
2007207558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のリ−ド部材に接続された電極部間にフラックスの被膜を有する低融点可溶合金を接続して絶縁ケ−スに収容した温度ヒューズにおいて、前記低融点可溶合金はＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｇｅ系合金およびＺｎ―Ａｌ―Ｍｇ系合金から選択されるいずれかの合金を使用し、溶融動作温度を２６０℃〜４００℃の範囲内で設定したことを特徴とする可溶合金型温度ヒューズ。
【請求項２】
前記フラックスは、所定の配合割合で調製したロジン誘導体および有機酸アミド誘導体を含むことを特徴とする請求項１に記載の可溶合金型温度ヒューズ。
【請求項３】
前記低融点可溶合金は、Ａｌが１．５〜７．０ｗｔ％の範囲内で含まれることを特徴とする請求項２に記載の可溶合金型温度ヒュ−ズ。
【請求項４】
前記低融点可溶合金は、ＳｎおよびＩｎのいずれか一方が５〜２０ｗｔ％の範囲内で添加されることを特徴とする請求項３に記載の可溶合金型温度ヒュ−ズ。
【請求項５】
前記低融点可溶合金は、Ｇａが２〜１０ｗｔ％の範囲内で添加されることを特徴とする請求項３に記載の可溶合金型温度ヒュ−ズ。
【請求項６】
絶縁基板にフラックスの被膜を有する低融点可溶合金と発熱抵抗を配置し、前記絶縁基板上で前記低融点可溶合金を絶縁キャップによりカバーした回路保護素子であって、前記低融点可溶合金はＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｇｅ系合金およびＺｎ―Ａｌ―Ｍｇ系合金のいずれかの合金を使用し、溶融動作温度を２６０℃〜４００℃の範囲内で設定し、前記発熱抵抗の通電加熱により前記低融点可溶合金を前記溶融動作温度で溶断して回路遮断することを特徴とする回路保護素子。
【請求項７】
前記低融点可溶合金はＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ−Ａｌ系合金を使用することを特徴とする請求項６に記載の回路保護素子。
【請求項８】
前記低融点可溶合金はＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％、Ｇｅを１．５〜７．０ｗｔ％、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ系合金を使用することを特徴とする請求項６に記載の回路保護素子。
【請求項９】
前記低融点可溶合金はＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％、Ｍｇを１．５〜５．０ｗｔ％、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金を使用することを特徴とする請求項６に記載の回路保護素子。
【請求項１０】
前記低融点可溶合金１００重量部にＳｎおよびＩｎのいずれかを５〜２５重量部、またはＧａを２〜１３重量部の範囲内で添加することを特徴とする請求項７ないし９に記載の回路保護素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲温度に感応して電気機器の損傷を防ぐ保護素子、特に有害金属を含まずに所定の温度で溶融する低融点可溶合金を用いた可溶合金型温度ヒュ−ズおよびそれを用いて発熱抵抗の通電加熱で回路遮断する表面実装回路装置に好適な回路保護素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気・電子機器等を過熱損傷から保護するため、特定温度で動作して回路を遮断する回路保護素子として温度ヒューズがある。温度ヒューズは使用する感温材によって感温ペレット型温度ヒューズと可溶合金型温度ヒューズがあり、後者の可溶合金型温度ヒューズは低融点可溶合金を感温材に用い、通電回路に配置することで周囲温度の過昇時に低融点可溶合金を溶融して回路遮断する。この種の可溶合金型温度ヒューズは、特許文献１に示されるように、一対のリード線間に接合した低融点可溶合金が所定の温度で溶融する際、低融点可溶合金の表面を被うフラックスの作用もあって溶融物体に表面張力が働き溶融物体を接合したリード線側に凝集させて溶断する。通常、フラックス被膜を有する低融点可溶合金は外部からの化学物理的影響を受けないようにケース等でカバーして保護され、保温コタツ、炊飯器等の家電製品、液晶テレビや複写機器等のＯＡ機器、照明機器など機器の安全手段として広く利用されている。また、この種の可溶合金型温度ヒューズは、特許文献２に示されるように、絶縁基板上に形成した一対の電極間にフラックスで被覆した低融点可溶合金を接続固着し、回路保護素子として電気回路に組み込んで利用される。この場合もフラックスを被覆した低融点可溶合金の外部素子等の悪影響を防止するために絶縁キャップなどを被せて保護して利用される。特に、特許文献３に示すように、絶縁基板上に配置した低融点可溶合金をフラックスで被覆し、さらに絶縁材で直接に被覆して保護カバーとする回路保護素子も知られている。なお、フラックスは、低融点合金体の表面や近傍に予め塗布しておき低融点合金が溶断する際、速やかな動作を保証する機能を有する。加えて、特許文献４および特許文献５に開示されるように、有害物質の使用を回避した鉛フリーの温度ヒューズが提案されている。これらの鉛フリー可溶合金型温度ヒュ−ズは、その使用範囲がいずれも２００℃以下にあるため利用できる適用分野が制限されることがあった。たとえば、絶縁基板上の配線作業でリフロー処理する表面実装構造では２６０℃を越える動作温度に適合するＰｂフリー低融点可溶合金がなかった。        
【特許文献１】特開平５−１５１８７３号公報
【特許文献２】特開２０００−２８５７７７号公報
【特許文献３】特開２０００−２５１５９８号公報
【特許文献４】特開２００３−２４９１５５号公報
【特許文献５】特開２００３−１４７４６１号公報
【０００３】
一方、低融点可溶合金を発熱抵抗と絶縁基板上に併設配置し、発熱抵抗への通電により低融点可溶合金を強制的に加熱して溶断させる回路保護素子は、上述の特許文献２および３に開示するように、周知である。たとえば、特許文献２は、その明細書および図面（図６参照）において、絶縁基板４１に抵抗体５４を設け下地層５５を介して可溶合金５８とフラックス５９を開示する。また、特許文献３はアルミナセラミック等の絶縁基板に関し、一方の面に可溶合金、他方の面に抵抗体を配置した回路保護素子を開示する。このような回路保護素子は、リチウムイオン２次電池の過充電保護動作や過電流保護動作に役立てられる。すなわち、過充電または過電圧や過電流を発熱抵抗に通電して強制加熱し、隣接配置した低融点可溶合金を加熱溶断して回路を遮断する回路保護素子として利用され、保護動作を機能させる回路部品に、発熱抵抗とその発熱で溶断するフラックス被膜を形成した低融点可溶合金とを使用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述する可溶合金型温度ヒューズあるいは回路保護素子は、これが利用される実装回路装置の実用現場でなく、製造現場、特に製作工程中のリフローはんだ付け作業で不具合を発生させる。そのため、低融点可溶合金が組立中に溶融作動しないような注意が必要となり、そうした工程に影響されない感温材の選定が重要であった。通常のリフロー作業温度は、高温はんだ材を使用する場合に略２５０℃であるが、このようなリフロー作業温度範囲では低融点可溶合金が溶融して作動しないことを前提として可溶合金材料の選定が必要である。ここで、２５０℃を越える高温領域で作動する溶融動作温度を有する低融点可溶合金は、高温はんだ材と知られる材料として、たとえば、融点が４２０℃のＺｎ、３８０℃のＡｕ―３％Ｓｉ、３５０℃のＰｂ、３２０℃のＣｄ、３００℃のＴｌ、Ｐｂ―５％Ｓｎ、２８０℃のＡｕ―２０％Ｓｎ、２７０℃のＢｉ、および２５０℃のＳｎ・Ｓｂが挙げられる。このうち、Ｐｂを８５ｗｔ％以上含有する合金は低融点可溶合金として広く利用され、５Ｓｎ―９５Ｐｂ合金は固相温度が３００℃、液相温度が３１４℃の融点範囲を有する高温はんだとして広く使用されている。しかし、近年、環境保護意識の高まりではんだに含まれるＰｂの有毒性が指摘されるようになり、Ｐｂフリーの低融点可溶合金の開発が活発に行われている。しかし、リフロー作業条件に対応できる低融点可溶合金を使用した可溶合金型温度ヒューズまたは回路保護素子については、未だ実用化できる材料が確立されていない。ただし、Ａｕ―２０ｗｔ％Ｓｎ共晶合金が候補にあがっているが、延性に乏しくかつ高価という欠点がある。
【０００５】
ところで、電子部品に使用される材料は環境保全の立場から生態系に有害な物質、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ｈｇ等を含まないことが強く要望されている。このような有害物質を含まない高温はんだにＺｎがあるが、その融点は４２０℃であって実用的な上限の４００℃を越える融点で保護素子用の低融点可溶合金としては不適当である。また、前述のようにＡｕ−Ｓｎ系の合金は融点について適正範囲にあるが貴金属を使用していることから経済的に実用化の困難な合金であった。また、低融点可溶合金が溶断動作する際にスパークが生じると、低融点可溶合金の表面などの周辺に設けるフラックスが急激に分解し、発生したガスにより保護素子のケースが破壊される場合がある。かかる観点から、低融点可溶合金の周辺にカバーを配置してフラックスを外部の環境から完全に保護することが必要になっており、低融点可溶合金とその周囲のフラックスを被うケースカバーの一部に穴を開けてそのような破壊を防ぐ構造も知られている。
【０００６】
したがって、本発明は上述の課題を解決するために、Ｐｂ等の有害物質を含まない低融点可溶合金にフラックスを被覆してリフロー作業に耐えることのできる新規かつ改良された可溶合金型温度ヒューズおよび回路保護素子の提供を目的とする。特に、表面実装構造のリフロー処理の作業温度としては約２６０℃以上であって、実用上で動作温度が最高の４００℃以下に溶融動作温度を有する低融点可溶合金およびその表面に被膜する耐熱・耐酸化性フラックスを材料選定して使用した新規かつ改良された可溶合金型温度ヒューズおよび回路保護素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上述の課題を解決するために、本発明者らは、温度ヒューズまたは回路保護素子の溶断動作機能部である低融点可溶合金とフラックスの材料選択に着目し、低融点可溶合金として高温はんだから比較的酸化し易いＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ系合金およびＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金の基合金を選びこれに耐酸化性のフラックスを組み合わせて使用することで所望する溶融動作温度の可溶合金型温度ヒューズおよび保護素子が得られることを見い出した。本発明によれば、一対のリ−ド部材に接続された電極部間にフラックスの被膜を有する低融点可溶合金を接続して絶縁ケ−スに収容した温度ヒューズにおいて、前記低融点可溶合金はＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｇｅ系合金、およびＺｎ―Ａｌ―Ｍｇ系合金からいずれかが選択され、その溶融動作温度、いわゆる融点範囲である固相点および液相点の間にあって固化状態から液化状態に実質的変化する溶解温度であって、液状化を維持する時の融点温度が、２６０℃〜４００℃の範囲内である合金を使用したことを特徴とする可溶合金型温度ヒューズが提供される。この場合に、前記フラックスは、水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、酸変性水添ロジン、酸変性不均化ロジンおよび酸変性重合ロジンからなる群から選択されるロジン誘導体を４０〜９０ｗｔ％と、パルミチン酸アミド、オレイン酸アミド、ステアリン酸アミド、１２−ヒドロキシステアリン酸アミド、エルカ酸アミド、ベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルパラフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルイソフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスラウリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―メチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスオレイン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビス−１２−ヒドロキシステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ブチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスオレイン酸アミドおよびＮ、Ｎ’―キシリレンビスステアリン酸からなる群から選択される有機酸アミド誘導体を６０〜１０ｗｔ％の範囲内で配合調製して使用することで酸化し易い低融点可溶合金を保護することに着目し、低融点可溶合金はキャップで被い、必要に応じて、キャップは継目全周を封止して外部からの腐食性ガスや水分の侵入を阻止することを提案する。
【０００８】
低融点可溶合金は、その組成が具体的に、Ａｌを１．５〜７．０ｗｔ％で残部がＺｎ、Ａｌを１．５〜７．０ｗｔ％とＧｅを１．５〜７．０ｗｔ％で残部がＺｎ、またはＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％とＭｇを１．５〜５．０ｗｔ％で残部がＺｎおよび不可避不純物であり、具体的に、溶融動作温度が３８１℃のｗｔ％で９５Ｚｎ―５Ａｌ、溶融動作温度が３５２℃のｗｔ％で８９Ｚｎ―６Ａｌ―５Ｇｅまたは溶融動作温度が３４３℃のｗｔ％で９３Ｚｎ―４Ａｌ―３Ｍｇが実用化される。また、これらの組成に加えて、Ｓｎ、ＩｎまたはＧａの添加が溶融動作温度を下げるのに有効であることを見い出した。添加量はＳｎおよびＩｎのいずれか一方が５〜２０ｗｔ％の範囲内で、または、Ｇａが２〜１０ｗｔ％の範囲内で添加される。これらの添加量は選択された基合金の低融点可溶合金１００重量部に対してＳｎおよびＩｎのいずれかを５〜２５重量部の範囲内、または、Ｇａを２〜１３重量部の範囲内で添加して使用してもよい。さらに、低融点可溶合金は、表面にＳｎ、Ａｇ、Ｎｉ、ＰｄおよびＰｔからなる群から選択される金属を溶射またはクラッドめっきを施し、Ｚｎ系合金表面に薄いコーティング膜を形成して腐食防止に役立てることができる。
【０００９】
本発明の別の観点によれば、セラミック絶縁基板にフラックスの被膜を有する低融点可溶合金と発熱抵抗を配置し、絶縁キャップにより前記低融点可溶合金を前記絶縁基板上に気密封着して回路構成し、前記低融点可溶合金はＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｇｅ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｍｇ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｇｅ―Ｓｎ系合金およびＺｎ―Ａｌ―Ｍｇ―Ｓｎ系合金かのいずれかで、その溶融動作温度が２６０℃〜４００℃の範囲内にある合金を使用し、前記発熱抵抗の通電加熱により前記低融点合金を前記溶融動作温度で溶断して回路遮断することを特徴とする回路保護素子が提供される。たとえば、絶縁基板にはセラミックが使用され、その片面に低融点可溶合金、他面に発熱抵抗を配置して熱伝達を改善することができる。ここで、前記低融点可溶合金は、Ａｌを１．５〜７．０ｗｔ％、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ−Ａｌ系合金を使用する場合、Ａｌを１．５〜７．０ｗｔ％、Ｇｅを１．５〜７．０ｗｔ％、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ系合金を使用する場合、およびＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％、Ｍｇを１．５〜５．０ｗｔ％、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金を使用する場合がある。さらには、前記低融点可溶合金１００重量部にＳｎおよびＩｎのいずれかを５〜２５重量部、またはＧａを２〜１３重量部の範囲内で添加することを特徴とする回路保護素子を開示する。
【００１０】
この場合、フラックスとしては水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、酸変性水添ロジン、酸変性不均化ロジンおよび酸変性重合ロジンから自由に選択されたロジン誘導体４０〜９０ｗｔ％、パルミチン酸アミド、オレイン酸アミド、ステアリン酸アミド、１２−ヒドロキシステアリン酸アミド、エルカ酸アミド、ベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルパラフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルイソフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスラウリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―メチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスオレイン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビス−１２−ヒドロキシステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ブチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスオレイン酸アミドおよびＮ、Ｎ’―キシリレンビスステアリン酸アミドから自由に選択される有機酸アミド誘導体１０〜６０ｗｔ％からなる配合物を使用することを特徴とする回路保護素子を開示する。すなわち、フラックスに配合するロジンは耐酸化性、耐熱性、耐候性のある水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、または酸変性水添ロジン、酸変性不均化ロジン、酸変性重合ロジンのいずれかを選定し、これを４０〜９０ｗｔ％の範囲で使用し、天然ロジンの欠陥を解消する。これはＣ＝Ｃに水素付加させた水添ロジン、共役系｛−Ｃ＝Ｃ−Ｃ＝Ｃ−｝を熱に強い芳香族系に変換している不均化ロジン、あるいは｛Ｃ＝Ｃ｝を予め２または３量化重合させている重合ロジン、またはこれらの酸変性化ロジンを使用することで、酸化重合硬化を起こし難いフラックスにする。さらに、このフラックス材１００重量部に対して、パルミチン酸、ステアリン酸、ベへニン酸等の脂肪酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸の脂肪族二塩基酸、または前記脂肪酸および二塩基酸と炭素数１〜７のアルキル基を有する第１級アミン並びに第２級アミン並びに第３級アミンの塩を１.０〜５０重量部の範囲で添加し、それにより、温度ヒューズの動作温度を安定化させることができる。また、必要に応じて前記脂肪酸、脂肪族二塩基酸および脂肪酸アミン塩、脂肪族二塩基酸アミン塩の全量もしくは部分的に取り替える方法で、炭素数１〜７のアルキル基を有する第１級アミン並びに第２級アミン並びに第３級アミンの塩酸塩、臭化水素酸塩を０．１〜５重量部の範囲で添加することもできる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低融点可溶合金の材料として有害物質を含まない高温はんだを使用し、これにフラックスとしてロジン誘導体と有機酸アミド誘導体の配合材料を使用してリフロー作業にも適用可能な溶融動作温度の可溶合金型温度ヒューズが提供できる。具体的にＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％含むＺｎを組成とする合金を基合金とし、Ｚｎの一部をＧｅまたはＭｇに置き換えた基合金の低融点可溶合金を使用するか、これに融点を下げるＳｎ、ＩｎまたはＧａを添加した溶融動作温度が２６０℃〜４００℃の範囲内にある可溶合金型温度ヒューズが開示される。また、同様な低融点可溶合金とフラックスを使用し、これに発熱抵抗を構成部品に加え、その発熱作用を利用して所定の溶融動作温度で回路遮断することのできる回路保護素子が提供される。本発明の温度ヒューズおよび保護素子によれば、有害物質を含まず環境にやさしい回路部品として利用でき、表面実装装置等で広く適応されるリフロー処理に不具合を発生させない安全で信頼性の高い回路部品となる。また、本発明の温度ヒューズおよび保護素子は有害金属フリーで比較的安価なＺｎ基合金の低融点可溶合金を使用し、必要に応じて低融点可溶合金をケースキャップ内に納めて密閉保護するので、合金およびフラックスの材料劣化を防ぎ、高い信頼性を有する環境保全に役立つ可溶合金型温度ヒューズおよび回路保護素子が提供できる。
【００１２】
本発明の可溶合金型温度ヒューズおよび回路保護素子は特定の低融点可溶合金とフラックス被膜を有するので溶融動作温度が２６０〜４００℃の比較的高い温度領域に適用範囲を拡大するなどの工業的価値がある。また、フラックスのロジンを耐酸化性、耐熱性、耐候性を向上させる水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、酸変性水添ロジン、酸変性不均化ロジンまたは酸変性重合ロジンから選定して３０．０〜９０．０ｗｔ％として、残部の有機酸アミドをパルミチン酸アミド、オレイン酸アミド、ステアリン酸アミド、１２−ヒドロキシステアリン酸アミド、エルカ酸アミド、ベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルパラフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルイソフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスラウリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―メチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスオレイン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビス−１２−ヒドロキシステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ブチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスオレイン酸アミドおよびＮ、Ｎ’―キシリレンビスステアリン酸アミドから選び、たとえば、１１０℃を越える融点を有する有機酸アミドが好ましい。また、フラックス被膜のコーティング材１００部に対して、必要に応じて、パルミチン酸、ステアリン酸、ベへニン酸の脂肪酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸の脂肪族二塩基酸または前記脂肪酸および二塩基酸と炭素数１〜７のアルキル基を有する第１級アミン、第２級アミンおよび第３級アミンとの塩を１．０〜５０．０重量部の範囲で添加することでフラックス被膜の硬化による不具合の発生を防止することを提示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明によれば、一対のリ−ド部材に接続された電極部間にフラックスの被膜を有する低融点可溶合金を接続して絶縁ケ−スに収容した温度ヒューズにおいて、前記低融点可溶合金はＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｇｅ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｍｇ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｇｅ―Ｓｎ系合金およびＺｎ―Ａｌ―Ｍｇ―Ｓｎ系合金から選択されるいずれかであって、その溶融動作温度、いわゆる融点範囲である固相点および液相点の間にあって固化状態から液化状態に実質的変化する溶解温度であって、液状化を維持する時の融点が、２６０℃〜４００℃の範囲内である合金を使用したことを特徴とする可溶合金型温度ヒューズが提供される。この場合に、前記フラックスは、ロジン誘導体が４０〜９０ｗｔ％と、有機酸アミド誘導体が６０〜１０ｗｔ％の範囲内で調製したフラックス材を含有し、酸化し易い低融点可溶合金を保護する。なお、従来の天然ロジンおよびその誘導体を主体とするガムロジン、ウッドロジン、トールオイルロジン等は、その化学構造にＣ＝Ｃ二重結合を有し、高温下で保管すると空気中の酸素と反応し酸化重合により次第に硬化するので好ましくない。
【００１４】
低融点可溶合金は、その組成が具体的に、Ａｌを１．５〜７．０ｗｔ％で残部がＺｎ、Ａｌを１．５〜７．０ｗｔ％とＧｅを１．５〜７．０ｗｔ％で残部がＺｎ、またはＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％とＭｇを１．５〜５．０ｗｔ％で残部がＺｎおよび不可避不純物であり、好ましくは、溶融動作温度が３８１℃のｗｔ％で９５Ｚｎ―５Ａｌ、溶融動作温度が３５２℃のｗｔ％で８９Ｚｎ―６Ａｌ―５Ｇｅまたは溶融動作温度が３４３℃のｗｔ％で９３Ｚｎ―４Ａｌ―３Ｍｇである。また、これに加えて、低融点可溶合金１００重量部に、ＳｎおよびＩｎのいずれか一方を５〜２５重量部の範囲内で添加するか、Ｇａを２〜１３重量部の範囲内で添加することを特徴とする可溶合金型温度ヒュ−ズを開示する。この添加量は低融点可溶合金の組成として、ＳｎおよびＩｎのいずれか一方が５〜２０ｗｔ％の範囲内で、または、Ｇａが２〜１０ｗｔ％の範囲内で添加されることになる。さらに加えて、低融点可溶合金は、表面にＳｎ、Ａｇ、Ｎｉ、ＰｄおよびＰｔからなる群から選択される金属を溶射またはクラッドめっきを施して腐食防止に役立てることもできる。
【００１５】
本発明の別の実施態様として、発熱抵抗を有する絶縁基板上に有害金属を含まない低融点可溶合金とフラックスを配置し、これらをケースキャップで被い、これを常温硬化性又は熱硬化性樹脂で封止して外部との通気を遮断して、低融点可溶合金およびフラックスの酸化劣化を防止し得る回路保護素子が提供される。特に、溶断動作する際に発生するスパークによるケース破壊を防止するため、キャップケースおよび低融点可溶合金またはフラックス間に空気層を形成することでスパークによる衝撃を緩衝する。また、キャップの封止は、キャップ内の構成部材が外部環境から遮断されればよく、好ましくは、セラミックスケースの端部をシーム溶接して気密封着する。このようなパッケージ構造のキャップ内には、低融点可溶合金としてＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ−Ａｌ基合金、Ａｌを１．５〜７．０ｗｔ％、Ｇｅを１．５〜７．０ｗｔ％含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ基合金、またはＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％、Ｍｇを１．５〜５．０ｗｔ％含有し残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ基合金を使用した低融点可溶合金が配置される。さらに、これら３種類の基合金に加えて、各基合金１００重量部に対して、ＳｎまたはＩｎを１〜１７重量部の範囲、Ｇａを２〜１３重量部の範囲内で添加し、それにより、低融点可溶合金の溶融動作温度を低い温度に調整し、溶断の速断性を向上させることを見い出した。ここで、低融点合金体の選定に当たっては、一般的な鉛フリーはんだである９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ等を使用したリフローはんだ付け作業時のピーク温度の上限値２７０℃、滞留時間３０秒間の条件で溶融動作しないように合金の固相線温度および液相線温度、すなわち、溶融範囲の固相点および液相点を事前に測定しておいて、この溶融範囲を選択基準として利用する。その結果、特に低融点可溶合金として、８９Ｚｎ−６Ａｌ−５Ｇｅ、９３Ｚｎ−４Ａｌ−３Ｍｇ、８３．３Ｚｎ−５．６Ａｌ−４．８Ｇｅ−６．３Ｓｎ、および８６．９Ｚｎ−４Ａｌ−３．２Ｍｇ−５．９Ｓｎの合金組成群のいずれかの一つの合金組成が選択して利用できることを見い出した。
【００１６】
選択された低融点可溶合金はその表面にフラックスの被膜を形成して使用されるが、これに使用するフラックスは水添ロジン、重合ロジン、不均化ロジンから自由に選択されるロジン誘導体および、パルミチン酸アミド、ステアリン酸アミド、ベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルパラフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルイソフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスラウリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―メチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスオレイン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビス−１２−ヒドロキシステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ブチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスオレイン酸アミドおよびＮ、Ｎ’―キシリレンビスステアリン酸アミドから自由に選択される有機酸アミド誘導体との配合物を使用、それぞれの配合比率をロジン誘導体が４０〜９０ｗｔ％の範囲内、有機酸アミド誘導体が６０〜１０ｗｔ％の範囲内とすることで酸化防止や高精度の溶融動作温度機能を発揮する回路保護素子を提供できることを見い出した。特に、水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、酸変性水添ロジン、酸変性不均化ロジン、または酸変性重合ロジンからなるロジン誘導体は、耐酸化性、耐熱性、耐候性を増大する効果を奏する。必要に応じて、上記フラックス１００重量部に対して、パルミチン酸、ステアリン酸、ベへニン酸等の脂肪酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸の脂肪族二塩基酸または前記脂肪酸および二塩基酸と炭素数１〜７のアルキル基を有する第１級アミン、第２級アミンおよび第３級アミンとの塩を１．０〜５０．０重量部の範囲で添加することもでき、それにより低融点可溶合金の動作温度での溶断を確実にする。
【００１７】
低融点可溶合金にＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％、Ｇｅを１．５〜７．０ｗｔ％、残部をＺｎとするのは、融点が３８１℃である９５Ｚｎ-５Ａｌ組成の共晶合金から溶融温度をより低下させる。この組成範囲を外れると、合金の融点が高くなりすぎ発熱抵抗の発熱加温による溶断動作が緩慢となって回路保護素子として満足な効果が得られない。すなわち、Ｇｅの範囲が７ｗｔ％を超えると合金が脆くなり材料の加工が困難となり、１．５ｗｔ％未満では融点の低下効果が見られない。最良の組成は、前述のＡｌを６ｗｔ％、Ｇｅ５ｗｔ％、残部Ｚｎであり、Ｇｅ添加により低融点可溶合金の酸化を抑止効果が期待できる。
【００１８】
Ａｌを１．５〜７．０ｗｔ％、Ｍｇを１．５〜５．０ｗｔ％、残部がＺｎとする低融点可溶合金は、共晶組成９５Ｚｎ―５Ａｌの溶融温度を所望する範囲に低下させるためであり、Ｍｇの範囲が３ｗｔ％を超えると合金の固相線温度が必要以上に低下し融点に幅が生じて耐リフロー性が損なわれるほか、合金の酸化劣化が早くなり寿命低下を招く。また、Ｍｇが１．５ｗｔ％未満では融点の低下効果が見られ、結果的にＡｌを４ｗｔ％、Ｍｇを３ｗｔ％、残部Ｚｎとするのが最良の組成であった。
【００１９】
同様に選ばれたＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ系合金またはＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金１００重量部に対し、Ｓｎを５〜２５重量部の範囲内で添加すると、この基合金系の融点をさらに低下させる効果が見られる。しかし、Ｓｎが２５重量部を超えると合金の固相線温度が必要以上に低下してしまい融点に幅が生じ耐リフロー性が損なわれるほか、合金の酸化劣化が早くなり部品寿命が低下する。また、５重量部未満では融点の低下効果が見られない。Ｓｎの添加と同じ範囲内でＩｎを添加しても同様な効果が得られることが判明した。また、最良の添加割合は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ系合金に対しては６．７重量部、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系に対しては６．３重量部であることが判明した。具体的な試作実施品は図４の特性表に示される。
【００２０】
ここで、ＳｎおよびＩｎのいずれか一方を５〜２０ｗｔ％の範囲内で、または、Ｇａを２〜１０ｗｔ％の範囲内で添加すること、および低融点可溶合金の表面にＳｎ、Ａｇ、Ｎｉ、ＰｄおよびＰｔからなる群から選択される金属を溶射またはクラッドめっきを施すことによる改善効果は前述と同様である。また、Ｓｎ、Ｉｎ、またはＧａの添加量は低融点可溶合金１００重量部にＳｎおよびＩｎのいずれかを５〜２５重量部添加する替わりに、Ｇａを２〜１３重量部の範囲内で添加することもでき同様な効果を奏することが判明した。なお、構成部品のリード部材の電極部との接合において、Ｚｎ―Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｓｎ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ系合金の各低融点可溶合金と接合する電極端子は、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄを使用するのが好ましく、Ｃｕとの接合は溶融時に脆い金属間化合物を形成し不適であることが分かった。
【実施例１】
【００２１】
本発明の実施例である可溶合金型温度ヒューズ８は、図１に示すように、一対のめっき銅線リ−ド部材１、２の先端電極部にＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％とＧｅを１．５〜７．０ｗｔ％で残部がＺｎおよび不可避不純物からなる低融点可溶合金として、８９Ｚｎ―６Ａｌ―５Ｇｅからなる組成の低融点可溶合金３を抵抗溶接により接合している。この低融点可溶合金３は、図４の特性表に示す試料２で固相点３５２℃、液相点３５２℃の融点範囲で溶融動作温度も３５２℃であるが、表面にはロジン誘導体である水性ロジン６０ｗｔ％と有機酸アミド誘導体であるパルメチン酸アミド４０ｗｔ％とを配合したフラックスの被膜４が被覆されている。低融点可溶合金３を接合した一対のリード部材１、２は、アルミナセラミック碍管の絶縁容器５に収容され、その両端部にエポキシ樹脂と少量の無機物添加材からなる耐熱封着材６、７により気密封着してパッケージ化される。なお、リ−ド部材１、２はＳｎメッキ銅線が使用されるがその電極部にはＮｉめっき層が形成される。このメッキ層は必要に応じて、ニッケル燐（Ｎｉ・Ｐ）またはニッケル硼素（Ｎｉ・Ｂ）のめっき層に変更されるが、めっき厚さは１μｍ以上に形成され、それにより、低融点可溶合金３とリード部材１、２の電極部との相互拡散を抑止し、中間層の生成を阻止する。換言すると、可溶合金型温度ヒューズは、一対のリ−ド部材１、２に低融点可溶合金３が抵抗溶接により接合され、低融点可溶合金３の表面にはフラックスの被膜４が形成され、アルミナ等のセラミック碍管の絶縁容器またはケース５に収容して構成される。ここで、低融点可溶合金３には上述の８９Ｚｎ―６Ａｌ―５Ｇｅのほかに、試料１の溶融動作温度が３８１℃の９５Ｚｎ―５Ａｌ、または試料７の溶融動作温度３４３℃の９３Ｚｎ―４Ａｌ―３Ｍｇ（ｗｔ％）が、耐熱性の良いロジン誘導体と有機酸アミド誘導体とを所定割合で調製した配合材を含むフラックスの使用と組み合わせて可溶合金型温度ヒューズとすることもできる。さらに、Ｓｎ、ＩｎおよびＧａのいずれかを溶融動作温度を低く調整するため添加することができる。
【００２２】
低融点可溶合金３の形状に関し、通常、φ０．３〜０．７ｍｍ線を使用するが、必要に応じて同一の断面積を有するテープ状合金の平角片も使用できるほか、要求に応じてφ０．３ｍｍ以下としたりφ０．７ｍｍ以上に変更することもできる。また、低融点可溶合金は合金鋳塊の押出し加工及び引抜き加工により製造されるが、その後加工処理として必要に応じてテープ状に圧延加工することもできる。一方、耐熱封着材６、７は樹脂材にエポキシ樹脂を無機物添加材にＢＥＴ法による比表面積３００m２／ｇで平均粒径７ｎｍのヒュームドシリカ（ＳｉＯ２）を用いて樹脂材の２液常温硬化型エポキシ樹脂の硬化前主剤１００重量部に対して無機物添加材２．５重量部を均一に混ぜ合わせて準備した。さらに、リ−ド部材１、２はＳｎ−Ｃｕめっき銅線のほかにＡｇめっき銅線、Ｓｎめっき銅線、Ｎｉめっき銅線が使用できる。
【実施例２】
【００２３】
図２は本発明の第２の実施態様としての実施例であり、低融点可溶合金を発熱抵抗と併設配置した回路保護素子１０に関する正面図（ａ）および背面図（ｂ）を示す。この回路保護素子１０はアルミナセラミックを使用した絶縁基板１２の表面側に動作温度の異なる２個の低融点可溶合金１４、１６を配置し、裏面側に薄膜により形成した発熱抵抗１８を配置し、両者を配線パターンとスルーホールを利用して接続される。すなわち、セラミック板の片面に低融点可溶合金を、他面に発熱抵抗を配置し、この発熱抵抗に通電しセラミック板を介して低融点可溶合金を加熱し、これを溶断することで回路を遮断する保護素子である。低融点可溶合金は平板状であってその両端及び中間部が電極に接続され、セラミック基板の片面に発熱抵抗と対向する位置に配置される。発熱抵抗には低融点可溶合金の中間部電極を介して通電される。この中間部電極はセラミック基板上に設けた良熱伝導体で支持される。低融点可溶合金とフラックスはアルミナ製のキャップを被せ内部に空間を設けてエポキシ樹脂で気密封着し、低融点可溶合金とフラックスの劣化を防止している。具体的には、アルミナセラミック絶縁基板１２に搭載した第１の低融点可溶合金１４は図４の特性表に示す試料７の溶融動作温度が３４３℃で９３Ｚｎ―４Ａｌ―３Ｍｇであり、第２の低融点合金は試料１の溶融動作温度が３８１℃の９５Ｚｎ―５Ａｌ（ｗｔ％）である。この回路保護素子１０は、たとえば、第１の低融点可溶合金１４を表面ターミナル経由でメイン動作回路に接続し、第２の低融点可溶合金１６はスルーホールを介して裏面側の発熱抵抗１８と直列に接続してサブ制御回路に接続する。このアルミナセラミック絶縁基板１２はスルーホールの導出用ターミナルｘ、ｙおよびＺがあり、ｘ−ｙのメイン動作回路とｙ−Ｚのサブ制御回路を備える。この実施例の特徴は、低融点可溶合金はいずれも鉛フリーであり、それぞれの表面には前述するフラックスの被膜が形成されると共にメイン動作回路に接続の第１の低融点可溶合金１４はサブ制御回路に接続の第２の低融点可溶合金１６に比べ溶融動作温度を低く設定され、それにより、サブ制御回路の保護に役立てることができる。特に、このような回路保護素子は、２個の低融点可溶合金をメイン動作回路に直列に接続する場合に比べ、低融点可溶合金の長さを実質上半減して回路抵抗を小さくするので回路損失を減らし得ると同時に、特に充放電パック回路の場合には電池のランタイムを延長するなどの実用的効果がある。
【実施例３】
【００２４】
図３は前述の第２の実施態様における別の実施例であり、絶縁基板２１上に本発明の特徴である有害金属Ｐｂフリーの低融点可溶合金２２を搭載した回路保護素子２０を示している。低融点合金２２はＡｌを１．５〜７．０ｗｔ％とＭｇを１．５〜５．０ｗｔ％で残部がＺｎのＺｎ―Ａｌ―Ｍｇ基合金にＳｎを添加したもので、８６．９Ｚｎ―４Ａｌ―３．２Ｍｇ―５．９Ｓｎ（ｗｔ％）の組成からなる。この低融点可溶合金２２は図４の特性表の試作１６に示す溶融動作温度が３３２℃である。この実施例の保護素子は絶縁基板２１の表面側にプリント配線された電極部２３、２４、２５が形成されており、全体が絶縁パッケージ２６で気密封着して構成される。また、絶縁基板２１の裏面側には薄膜抵抗からなる発熱抵抗３０と導出用リード部材２７、２８、２９が設けられている。これらのリード部材２７、２８、２９はそれぞれ表面側の電極部２３、２４、２５に導通スルーホールを介在して電気的に結合されており、たとえば、実施例２に示す導出用ターミナルｘ、ｙ、Ｚと同様にメイン動作回路とサブ制御回路に接続して利用することができる。ここで絶縁基板２１の表面に形成の電極部２３、２４、２５には可溶合金２２がその両端部と中央部を溶接して配置される。なお、低融点可溶合金として、図４の試料１８の８０．２Ｚｎ―３．８Ａｌ―２．８Ｍｇ―１３．２Ｓｎ（ｗｔ％）の組成からなる場合の溶解温度範囲は固相点１８４．４℃、液相点３４８．７℃であり。溶融動作温度は溶解温度範囲内になり、実質的にはこの温度範囲内で固体状態から徐々に温度を高めて、全体のほぼ５０ｗｔ％が溶融した温度であり、後述する固体形状保持温度と言える。
【００２５】
本発明の特徴とする低融点可溶合金は、具体的に試作実施品の試料についての特性を図４に表示している。この図４に示す特性表に用いた用語定義に関し、溶解範囲は合金の溶けはじめる温度を固相点といい、完全に液体となる温度を液相点という。固体形状保持温度とは、合金がその温度以下では固体形状を保持し流動性を有しない温度の上限値のことを称し、この温度以下の合金は固液体積分率で５０％以上が固体で非流動性のため即時溶断することはない。したがって、固相点と液相点が同じであれば固体形状保持温度ともなり、いわゆる融点としての溶融動作温度となる。なお、固相点と液相点とが異なる場合でも両方とも２６０〜４００℃の範囲内の試料については、固体形状保持温度の記入を省略している。また、耐リフロー性は２７０±５℃に温調した循風式恒温槽に試作実施品を入れ３０秒間保持した後、動作しないものを良として○印した。さらに、保護動作性は前記耐リフロー性試験後の試作実施品を５℃／分の昇温速度で昇温させ、溶融動作温度Ｘが２６０℃＜Ｘ＜４００℃の範囲にあったものを良として○印した。上述する実施態様１および２の実施例で使用する低融点可溶合金は、試作実施品としてそれぞれの組成成分、溶解範囲、耐リフロー性および保護動作性が図４の特性表に示される。実施品は基合金として、Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ―Ａｌ―Ｇｅ系合金、およびＺｎ―Ａｌ―Ｍｇ系合金の３種類があり、これに添加金属としてはＳｎ、ＩｎおよびＧａが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施態様に係る実施例１は有害金属フリーの低融点可溶合金を使用した可溶合金型温度ヒューズの断面図である。
【図２】本発明の第２実施態様に係る実施例２は有害金属フリーの低融点可溶合金と発熱抵抗を併設配置した回路保護素子で、（ａ）はその正面図であり（ｂ）はその背面図である。
【図３】同じく実施例３は図２の変形例の回路保護素子で、その表面側の正面斜視図（ａ）および裏面側の背面斜視図（ｂ）である。
【図４】本発明に係る有害金属フリーの低融点可溶合金の試作した実施品の組成成分、溶解範囲、固体形状保持温度および保護動作性を示す特性表である。
【符号の説明】
【００２７】
１、２；リ−ド部材、    ３、１４、１６、２２、２３；低融点可溶合金、    
４；フラックスの被膜、    ５；絶縁容器、    ６、７；耐熱封着材、    
８；可溶合金型温度ヒューズ、    １０、２０；回路保護素子、    
１２；セラミック基板、    １８；発熱抵抗、    ２１；絶縁基板、    
２３、２４、２５；電極部（ＡｇＰｔ＋Ｎｉめっき層）、２６；パッケージ、    
２７、２８、２９；リード部材、    ｘ、ｙ、Ｚ；導出用ターミナル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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