專利名稱：合金型熱熔絲和熔絲元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金型熱熔絲，更具體地，涉及工作溫度為57℃～67℃的合金型熱熔絲以及構(gòu)成該合金型熱熔絲的由低熔點可熔合金形成的熔絲元件的改進。
上述低熔點可熔合金所要求的第一要件是，固相線和液相線之間的固液共存區(qū)很狹窄。即，通常，在合金中，存在位于固相線和液相線之間的固液共存區(qū)。在該區(qū)域中，由于處于在液相中分散有固相粒體的狀態(tài)，具有象液相那樣的性質(zhì)，所以可以發(fā)生上述的球狀化分離，從而在液相線溫度(稱該溫度為T)之前的屬于固液共存區(qū)的溫度范圍(稱為ΔT內(nèi))內(nèi)，低熔點可熔合金片可以球狀化分離。另外，使用這樣的低熔點可熔合金片的熱熔絲，必須在熔絲元件溫度在(T-ΔT)～T的溫度范圍內(nèi)的條件下工作，如果ΔT小，即如果固液共存區(qū)狹窄，熱熔絲的工作溫度范圍的偏差小，熱熔絲可以只在嚴格的設(shè)定溫度下工作。因此，作為熱熔絲的熔絲元件使用的合金要求固液共存區(qū)狹窄。
另外，上述低熔點可熔合金要求的第二要件是電阻低。即，如果由于低熔點可熔合金片的電阻因平常時的發(fā)熱而導(dǎo)致的溫度上升為ΔT′，與沒有該溫度上升時相比，實質(zhì)上工作溫度要低ΔT′。如果ΔT′高，則實際上工作誤差就高。因此，作為熱熔絲的熔絲元件使用的合金要求電阻率低。
在熱熔絲中，由于裝置的熱循環(huán)，反復(fù)加熱冷卻。雖然該熱循環(huán)促進熔絲元件的再結(jié)晶化，但如果熔絲元件的延性太大，在合金組織的異相界面處產(chǎn)生的滑移增大，由于該滑移反復(fù)進行，形成極端的端面積變化和熔絲元件線長度增加。結(jié)果，熔絲元件自身的電阻值不穩(wěn)定，難以保證耐熱穩(wěn)定性。因此，作為上述低熔點可熔合金要求的另一要件，必須重視耐熱穩(wěn)定性。
近年來，由于機器的嚴格管理，要求工作溫度60℃左右的熱熔絲。作為這樣的熱熔絲的熔絲元件，固液共存區(qū)在60℃左右，必須使上述ΔT(屬于固液共存區(qū)的溫度范圍)在允許范圍內(nèi)(4℃以內(nèi))。作為這樣的熔點的低熔點可熔合金，有62℃共晶的In-Bi-Cd合金(In61.7％、Bi30.8％、Cd7.5％，％是重量百分比，以下也是這樣)、60℃共晶的In-Bi-Sn合金(In51％、Bi32.5％、Sn16.5％)、58℃共晶的Bi-In-Pb-Sn合金(Bi49％-In21％-Pb18％-Sn12％)等。
但是，62℃共晶的In-Bi-Cd合金含有對生命系統(tǒng)有害的金屬Pb、Cd、Hg、Tl中的Cd，不適應(yīng)近年來全球范圍的球保要求。而且，延性大的In占組成的一半以上，彈性極限小，所以會因熱循環(huán)導(dǎo)致熔絲元件屈服于熱應(yīng)力，在合金組織內(nèi)產(chǎn)生滑移，由于該滑移反復(fù)進行，使斷面積和元件線長度變化，熔絲元件自身的電阻值不穩(wěn)定，難以保證耐熱穩(wěn)定性。
另外，58℃共晶的Bi-In-Pb-Sn合金含有對生命系統(tǒng)有害的金屬Pb，不適應(yīng)近年來全球規(guī)模的環(huán)保要求。而且，由于Bi含量多導(dǎo)致脆弱，難以進行300μmφ左右的細線的拉絲加工，難以與近年來的電氣和電子裝置的小型化相應(yīng)地要求的合金型熱熔絲的小型化適應(yīng)。而且，這樣的極細線熔絲元件，其合金成分的較高電阻率和極細線化相結(jié)合使得電阻值大大增加，結(jié)果上述熔絲元件的自發(fā)熱造成的工作不良無法避免。
另外，60℃共晶的In-Bi-Sn合金不含有害金屬，可以進行300μmφ左右的細線的拉絲加工，電阻率也小。但是，與上述62℃共晶的In-Bi-Cd合金同樣地，延性大的In占組成的一半以上，彈性極限小，所以會因熱循環(huán)導(dǎo)致熔絲元件屈服于熱應(yīng)力，在合金組織內(nèi)產(chǎn)生滑移，由于該滑移反復(fù)進行，使斷面積和元件線長度變化，熔絲元件自身的電阻值不穩(wěn)定，難以保證耐熱穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的合金型熱熔絲，是以低熔點可熔合金作為熔絲元件的熱熔絲，其特征在于低熔點可熔合金的合金成分為在100重量份的In48～60％、Sn10～25％、其余為Bi中，添加共0.01～7重量份的從Au、Ag、Cu、Ni、Pb中選擇的至少一種。
在上述中，在各原料坯塊的制造上和這些原料的熔融攪拌上允許含有不可避免的雜質(zhì)。
該熔絲元件的合金成分為向100重量份In48～60％、Sn10-25％、其余為Bi的基體中添加從Au、Ag、Cu、Ni、Pd中選擇的至少一種共0.01～7重量份。熔融峰只有一個，具有57℃～67℃的尖銳熔點。而且，不產(chǎn)生低溫固相轉(zhuǎn)變點，可以確定地排除在比工作溫度低的溫度下發(fā)生固相轉(zhuǎn)變分離導(dǎo)致的誤動作。
根據(jù)本發(fā)明的合金型熱熔絲中，在熔絲元件中(1)使用不含環(huán)保上有害的金屬的In-Sn-Bi系；(2)具有以57℃～67℃作為工作溫度的熔點，且為了使上述工作溫度范圍的偏差充分減小，固液共存區(qū)寬度ΔT抑制在至多4℃左右；(3)可以進行300μmφ左右的細線拉絲；(4)為了使電阻值充分低，抑制焦耳發(fā)熱導(dǎo)致的工作誤差，熔絲元件的合金成分為In48～60％、Sn10-25％、其余為Bi。
(5)與延性大的In生成金屬間化合物，該金屬間化合物具有防止晶間滑移的效果，由此，為了提高熔絲元件的耐熱穩(wěn)定性，向100重量份的基體中，添加總添加量為0.01～7重量份的從Au、Ag、Cu、Ni、Pd中選擇的至少一種。
添加0.01～7重量份的從Au、Ag、Cu、Ni、Pd中選擇的至少一種的理由是，如果小于0.01重量份，則難以滿足上述(5)的實現(xiàn)；如果大于7重量份，則難以滿足上述(2)和(3)的實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的熱熔絲的熔絲元件，可以在對合金母材拉絲加工后形成的斷面呈圓形的狀態(tài)下使用，也可在進一步壓縮加工成扁平后再使用。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的帶狀合金型熱熔絲，在厚度為100～300μm的塑料基體膜41上用粘合劑或熔接來固定厚100～200μm的帶狀引線導(dǎo)體1、1，在帶狀引線導(dǎo)體之間連接直徑為250μmφ～500μmφ的熔絲元件2，用焊劑3涂敷該熔絲元件2，用厚100～300μm的塑料封蓋膜41通過粘合劑或熔接來對該涂敷了焊劑的熔絲元件進行固定密封。
根據(jù)本發(fā)明的合金型熱熔絲可以以盒型、基板型、樹脂浸沾型的方式實施。
圖2示出筒狀盒型，在一對引線1，1之間連接熔絲元件2，在該熔絲元件2上涂敷焊劑3，在該涂敷了焊劑的熔絲元件上插套耐熱性和導(dǎo)熱性好的絕緣筒4例如陶瓷筒，在該絕緣筒4的每一端與各引線1之間用常溫硬化的密封劑5例如環(huán)氧樹脂密封。
圖3示出盒型輻射狀，在并排的導(dǎo)體1，1的前端部之間通過熔接接合熔絲元件2，用焊劑3涂敷該熔絲元件2，用一端開口的絕緣盒4例如陶瓷盒包圍該涂敷了焊劑的熔絲元件，用環(huán)氧樹脂等的密封劑5密封該絕緣盒4的開口。
圖4示出基板型，在絕緣基板4例如陶瓷基板上通過導(dǎo)電漿料(例如銀漿料)的印刷燒結(jié)形成一對膜電極1，1，在各電極1上通過熔接等連接引線導(dǎo)體11，在電極1，1之間通過熔接接合熔絲元件2，在熔絲元件2上涂敷焊劑3，用密封劑5例如環(huán)氧樹脂覆蓋該涂敷了焊劑的熔絲元件。
圖5示出樹脂浸沾型，在并排的導(dǎo)體1，1的前端部之間通過熔接接合熔絲元件2，用焊劑3涂敷該熔絲元件2，通過浸沾樹脂液用絕緣密封劑5例如環(huán)氧樹脂密封該涂敷了焊劑的熔絲元件。
而且，還可以以通電式發(fā)熱體附著熔絲，例如在基板型的合金型熱熔絲的絕緣基板上附設(shè)電阻體(膜電阻)，在裝置異常時，使電阻體通電發(fā)熱，由該發(fā)生的熱把低熔點可熔合金片熔斷的附加電阻的基板型熔絲的形式來實施。
上述焊劑中通常使用其熔點比熔絲元件的熔點低的材料，例如可使用松香90～60重量份、硬脂酸10～40重量份、活性劑0～3重量份。此時，松香可使用天然松香、改性松香(例如，添水松香、不均化松香、聚合松香)或它們的精制松香?；钚詣┛墒褂枚野返柠}酸鹽或氫溴酸鹽。
下面，利用實施例更具體地說明本發(fā)明的實施方案，其中，試樣形狀為基板型，試樣個數(shù)為50個，通0.1安培的電流，在升溫速度1℃/分的油槽中浸泡，測定由于熔斷而斷電時的油溫度。
另外，自發(fā)熱影響的有無通過用50個試樣用通常的額定電流(1～2A)來判斷。
而且，熔絲元件的針對熱循環(huán)的電阻值變化的有無，通過對50個樣品，以30分鐘加熱到50℃、30分鐘冷卻到-40℃為一個循環(huán)的熱循環(huán)試驗進行500次循環(huán)后，測量電阻值變化來判斷。實施例1把合金成分為In53％、Bi28％、Sn18％、Au1％的母材拉絲加工成直徑300μmφ的線。1次模(dies)中的引落率為6.5％，拉絲速度為45m/min，但都沒有斷線。
測定該線的電阻率，為29μΩ.cm。把該線切斷成長4mm作為熔絲元件，制作小型的基板型熱熔絲。焊劑使用松香80重量份、硬脂酸20重量份、二乙胺的氫溴酸鹽1重量份的組成物，覆蓋材料使用常溫硬化的環(huán)氧樹脂。
對該實施例的樣品測定了工作溫度，在60℃±2℃的范圍內(nèi)。另外，用通常的額定電流確認為沒有自發(fā)熱的影響。而且，認為沒有因熱循環(huán)導(dǎo)致的熔絲元件的問題即電阻值變化，表現(xiàn)出穩(wěn)定的耐熱性。
另外，已確認如果在In48～60％、Sn10～25％、其余Bi為100重量份，Au為0.01～7重量份的范圍內(nèi)，可以充分保證上述的細線拉絲性、低電阻性、耐熱穩(wěn)定性，使工作溫度在61℃±3℃的范圍內(nèi)。實施例2把合金成分為In52％、Bi27％、Sn18％、Ag3％的母材拉絲加工成直徑300μmφ的線。1次模中的引落率為6.5％，拉絲速度為45m/min，但都沒有斷線。測定該線的電阻率，為26μΩ.cm。
把該線切斷成長4mm作為熔絲元件，與實施例1同樣地制作基板型熱熔絲。
對該實施例的樣品測定了工作溫度，在61℃±1℃的范圍內(nèi)。另外，用通常的額定電流確認為沒有自發(fā)熱的影響。而且認為存在因熱循環(huán)導(dǎo)致的熔絲元件的問題即電阻值變化。
另外，已確認如果在In48～60％、Sn10～25％、其余Bi為100重量份，Ag為0.01～7重量份的范圍內(nèi)，可以充分保證上述的細線拉絲性、低電阻性、耐熱穩(wěn)定性，使工作溫度在61℃±3℃的范圍內(nèi)。實施例3把合金成分為In52％、Bi28％、Sn18％、Cu2％的母材拉絲加工成直徑300μmφ的線。1次模中的引落率為6.5％，拉絲速度為45m/min，但都沒有斷線。
測定該線的電阻率，為28μΩ.cm。把該線切斷成長4mm作為熔絲元件，與實施例1同樣地制作基板型熱熔絲。
對該實施例的樣品測定了工作溫度，在62℃±1℃的范圍內(nèi)。另外，用通常的額定電流確認為沒有自發(fā)熱的影響。
而且認為存在因熱循環(huán)導(dǎo)致的熔絲元件的問題即電阻值變化。
另外，已確認如果在In48～60％、Sn10～25％、其余Bi為100重量份，Cu為0.01～7重量份的范圍內(nèi)，可以充分保證上述的細線拉絲性、低電阻性、耐熱穩(wěn)定性，使工作溫度在62℃±5℃的范圍內(nèi)。實施例4把合金成分為In52％、Bi28％、Sn18％、Ni0.1％、Cu1.9％的母材拉絲加工成直徑300μmφ的線。1次模中的引落率為6.5％，拉絲速度為45m/min，但都沒有斷線。測定該線的電阻率，為26μΩ.cm。
把該線切斷成長4mm作為熔絲元件，與實施例1同樣地制作基板型熱熔絲。
對該實施例的樣品測定了工作溫度，在61℃±1℃的范圍內(nèi)。另外，用通常的額定電流確認為沒有自發(fā)熱的影響。
而且認為存在因熱循環(huán)導(dǎo)致的熔絲元件的問題即電阻值變化。
另外，已確認如果在In48～60％、Sn10～25％、其余Bi為100重量份，Cu和Ni共為0.01～7重量份的范圍內(nèi)，可以充分保證上述的細線拉絲性、低電阻性、耐熱穩(wěn)定性，使工作溫度在62℃±4℃的范圍內(nèi)。實施例5把合金成分為In52％、Bi28％、Sn18％、Pd0.3％、Cu1.7％的母材拉絲加工成直徑300μmφ的線。1次模中的引落率為6.5％，拉絲速度為45m/min，但都沒有斷線。測定該線的電阻率，為27μΩ.cm。
把該線切斷成長4mm作為熔絲元件，與實施例1同樣地制作基板型熱熔絲。
對該實施例的樣品測定了工作溫度，在61℃±1℃的范圍內(nèi)。另外，用通常的額定電流確認為沒有自發(fā)熱的影響。
而且認為存在因熱循環(huán)導(dǎo)致的熔絲元件的問題即電阻值變化。
另外，已確認如果在In48～60％、Sn10～25％、其余Bi為100重量份，Pd和Cu共為0.01～7重量份的范圍內(nèi)，可以充分保證上述的細線拉絲性、低電阻性、耐熱穩(wěn)定性，使工作溫度在62℃±5℃的范圍內(nèi)。比較例1把合金成分為In54％、Bi28％、Sn18％的母材拉絲加工成直徑300μmφ的線。1次模中的引落率為6.5％，拉絲速度為45m/min，但都沒有斷線。測定該線的電阻率，為31μΩ.cm。
把該線切斷成長4mm作為熔絲元件，制作與實施例1相同的小型的基板型熱熔絲，測定了工作溫度，在61℃±1℃的范圍內(nèi)。另外，用通常的額定電流確認為沒有自發(fā)熱的影響。
但是，在500次熱循環(huán)的耐熱試驗中，發(fā)生了大的電阻值變化，分解后觀察熔絲元件，發(fā)現(xiàn)熔絲元件的部分斷面積減少，元件線長增加。推測原因是，由于In的含量多，彈性極限小，熔絲元件因熱應(yīng)力而屈服，在合金組織內(nèi)形成滑移，該滑移反復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致斷面積和元件線長度化，從而熔絲元件自身的電阻值變化。
該比較例與上述實施例相比，與Au、Ag、Cu、Ni、Pd等的添加量為0的情況相當，可以確認，本發(fā)明中，Au、Ag、Cu、Ni、Pd等對于耐熱穩(wěn)定性是有效的。比較例2使用合金成分為Bi49％、In21％、Pb18％、Sn12％的母材，與實施例同樣地進行拉絲成直徑300μmφ的試驗，斷線很多。在此，即使是通過把拉絲率減小到1次模的引落率為5.0％，拉絲速度降低到20m/min，以減小加工畸變的拉絲試驗，斷線也很多，不能加工。
這樣，實質(zhì)上不能通過拉絲進行細線加工，所以用旋轉(zhuǎn)鼓式紡絲法得到直徑300μmφ的細線。測定了該細線的電阻率，為61μΩ.cm。
把該細線切斷成長4mm作為熔絲元件，與實施例1同樣地制作基板型熱熔絲，測定工作溫度，發(fā)現(xiàn)即使熔點(58℃)增大也不能工作的居多數(shù)。
其理由推測是，由于用旋轉(zhuǎn)鼓拉絲法，在熔絲元件的表面形成厚的氧化皮的鞘，即使鞘內(nèi)部的合金熔融，鞘也不熔融，所以不能分離。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種采用對生命系統(tǒng)安全的Bi-In-Sn系低熔點可熔合金母材容易地拉絲加工而成的300μmφ級別的極細線熔絲元件，工作溫度為57℃～67℃，可以充分防止自發(fā)熱導(dǎo)致的動作誤差，且由于Au、Ag、Cu、Ni、Pd等與In形成的金屬間化合物的防止晶間滑移的效果而可以保證優(yōu)良的耐熱穩(wěn)定性的合金型熱熔絲。
權(quán)利要求
1.一種合金型熱熔絲，由合金成分含有In、Sn、Bi的熔絲元件構(gòu)成，其特征在于該合金成分為在100重量份的In48～60％、Sn10～25％、其余為Bi中，添加共0.01～7重量份的從Au、Ag、Cu、Ni、Pb中選擇的至少一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金型熱熔絲，其特征在于還含有不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合金型熱熔絲，其特征在于工作溫度為57℃～67℃。
4.一種構(gòu)成合金型熱熔絲的熔絲元件，其合金成分含有In、Sn、Bi，其特征在于該合金成分為在100重量份的In48～60％、Sn10～25％、其余為Bi中，添加共0.01～7重量份的從Au、Ag、Cu、Ni、Pb中選擇的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熔絲元件，其特征在于還含有不可避免的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的熔絲元件，其特征在于工作溫度為57℃～67℃。
全文摘要
提供一種低熔點可熔合金型熱熔絲和熔絲元件，其中熔絲元件的合金成分為在100重量份的In48～60％、Sn10～25％、其余為Bi中，添加共0.01～7重量份的從Au、Ag、Cu、Ni、Pb中選擇的至少一種。由此，可以在工作溫度57℃～67℃的范圍內(nèi)充分滿足環(huán)保要求，得到熔絲元件直徑大約300μmφ左右的極細化細線，可以抑制自發(fā)熱，且可保證良好的耐熱穩(wěn)定性。
文檔編號C22C28/00GK1442870SQ0311992
公開日2003年9月17日 申請日期2003年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月6日
發(fā)明者田中嘉明 申請人:內(nèi)橋艾斯泰克股份有限公司