JP4848061B2 - コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、碍子を端子とする金属ケース入りコンデンサに関するものであり、特に環境対応および信頼性改善を図ったコンデンサに関するものである。

従来、電力用、各種産業機器用、および車輌用等の電気回路に用いられている金属ケース入りコンデンサは、引出導体端子に碍子を用いている。
上記碍子は、磁器碍子のトップ金具との接合部、および磁器碍子のベースリングとの接合部をはんだ付けした碍子を、上記金属ケースにはんだ付け接合して密閉構造とし、内部の気密性を維持し、絶縁油またはガス漏れを防止している。
上記の各接合部のはんだ付けは、Ｓｎ−Ｐｂ合金を主体としたはんだを用いている（例えば特許文献１参照）。
実開昭５２−５８４４５号公報

具体的に、金属ケース入りコンデンサ用引出導体端子の碍子について説明する。
碍子は、磁器碍子を絶縁体にして、上部に導体接続用のトップ金具、および下部に金属ケース接合用のベースリングをＳｎ−Ｐｂ系はんだ（例えばＳｎ５０ｗｔ％−Ｐｂｗｔ５０％、その他微量の不純物含有）にてはんだ付けを行う。
上記磁器碍子は、はんだ付け部にＡｇを焼き付け、Ｃｕメッキを予め施しておく。また、トップ金具とベースリングは、鋼または黄銅を加工して表面にＣｕメッキした後、Ｓｎ−Ｐｂ系メッキ（例えば、Ｐｂ１０ｗｔ％）を施しておく。
そして、コンデンサ素子体を収納した金属ケース上蓋の碍子孔に、上記碍子のベースリングを接合し、その接合部を上記のＳｎ−Ｐｂ系はんだにてはんだ付けを行う。
その後、絶縁油を真空含浸して、上蓋に設けられた封印栓を、上記のＳｎ−Ｐｂ系はんだにて、はんだ付けして密閉し、コンデンサを作製する。

しかしながら、従来用いられているはんだは、主にＰｂ３７〜６０ｗｔ％を含有するＳｎ−Ｐｂ系はんだで、環境を汚染する有害物質のＰｂ（鉛）を多量に含んでおり、環境対策としてＰｂフリー化（Ｐｂを含まないはんだで、不純物として０．１ｗｔ％以下）を図る必要がある。
これに代わるものとして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ系等のはんだが考えられるが、耐久性および内圧性能に劣るという問題があった。
上記のような問題があったため、環境対策が可能であり、かつ耐久性の改善もできるはんだを使用した碍子を端子とするコンデンサが望まれていた。

本発明は、上記課題を解決するものであり、金属ケースと、前記金属ケースに収納されたコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子に接続される碍子とを備えたコンデンサにおいて、前記碍子は、前記コンデンサ素子のリード線と接続されるトップ金具と、前記金属ケースとはんだ接続されるベースリングと、前記トップ金具および前記ベースリングとの接合部でそれぞれ、はんだ接合される磁器碍子とを有し、前記磁器碍子のうち前記トップ金具および前記ベースリングとそれぞれ、はんだ接合されるメッキ部がＣｕメッキされており、前記金属ケースの材質が亜鉛メッキ鋼、ブリキ、または黄銅であり、前記トップ金具および前記ベースリングは、鋼または黄銅にＣｕメッキした後、Ｓｎメッキ、またはＳｎ−Ｃｕ系メッキを施したものからなり、前記トップ金具と前記磁器碍子との接合部、前記ベースリングと前記磁器碍子との接合部および前記ベースリングと前記金属ケースとの接合部が、Ｃｕ組成が１．０〜２．５ｗｔ％であるＳｎ−Ｃｕ系はんだではんだ接合されることを特徴とするコンデンサである。

本発明の碍子を端子とする金属ケース入りコンデンサは、磁器碍子とトップ金具の接合部、ベースリングとの接合部、および碍子の金属ケース上蓋への取付接合部を、ＰｂフリーはんだであるＣｕ０．７〜２．５ｗｔ％のＳｎ−Ｃｕ系はんだではんだ付けしている。
また、トップ金具とベースリングのメッキとして、ＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ系メッキを施している。よって、環境汚染物質のＰｂを含まず、耐久性に優れ、かつ、はんだ付け性が良好なコンデンサを提供することができる。

碍子を端子とする金属ケース入りコンデンサにおいて、碍子の磁器碍子とトップ金具、ベースリングとの接合部、および碍子の金属ケース上蓋への取付接合部を、Ｃｕ０．７〜２．５ｗｔ％のＳｎ−Ｃｕ系はんだではんだ付けし密閉する。
上記の磁器碍子は、トップ金具、ベースリングとのはんだ付け部にＡｇを焼き付け、Ｃｕメッキを予め施しておく。
また、上記のトップ金具、ベースリングは、鋼板または黄銅を加工し表面にＣｕメッキした後、ＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ系メッキを施す。磁器碍子にトップ金具、ベースリングを組合せて、Ｃｕ０．７〜２．５ｗｔ％のＳｎ−Ｃｕ系はんだではんだ付けし碍子を作製する。

上記金属ケースには、０．８〜３．２ｍｍ厚さの亜鉛メッキ鋼板、０．３〜０．８ｍｍ厚さのブリキ板または黄銅板が用いられる。
亜鉛メッキ鋼板は、上蓋、側面、底蓋を裁断し、側面と底蓋を組み合わせて接合部を溶接する。このケースにコンデンサ素子単体または複数の素子集合体を挿入し、上蓋を組合せ溶接したあと、上蓋の碍子孔に上記碍子を組合せ、ベースリングと上蓋をＣｕ０．７〜２．５ｗｔ％のＳｎ−Ｃｕ系はんだではんだ付けする。
また、ブリキ板または黄銅板は、上蓋、ケース側面、底蓋に、切断・加工し、上蓋には端子を取付ける。このケース側面と底蓋とを組合せ、巻締めを行い、巻締め部とケース側面を接合したハゼ部（つなぎ部）をはんだ付けする。
このケースにコンデンサ素子単体または複数の素子集合体を挿入し、上蓋を組合せ、巻締めを行い、巻締め部をＣｕ０．７〜２．５％のＳｎ−Ｃｕ系はんだではんだ付けする。
ブリキ板または黄銅管のケース接合部に用いるはんだは、Ｃｕ１．０〜２．５ｗｔ％のＳｎ−Ｃｕ系はんだ）である。
上記のように組立てたコンデンサを、真空乾燥し、絶縁油または絶縁ガス充填して封印する。

［実施例１−３〜１−６、比較例１−７、１−８、参考例１−１］コンデンサの温度サイクル試験
本発明の実施例を図１、図２において説明する。図１（ａ）は碍子組立前の部品であり、磁器碍子１、トップ金具２、およびベースリング３を示す。
磁器碍子１は、トップ金具２、ベースリング３とのはんだ付け部にＡｇを焼き付け、Ｃｕメッキ４，５を予め施しておく。
トップ金具２は、黄銅を加工し、表面にＣｕメッキ（厚さ３〜８μｍ）した後、Ｓｎ−Ｃｕ系メッキ（厚さ７〜１５μｍ）を施す。上記トップ金具２には予め、リード線６を接続しておく。
また、ベースリング３は、鋼板を加工し表面にＣｕメッキした後、Ｓｎ−Ｃｕ系（Ｃｕ０．５〜３ｗｔ％）のメッキを施す。
碍子は、磁器碍子１のメッキ部４にトップ金具２を、また、磁器碍子１のメッキ部５にベースリング３を組合せ、それぞれの接合部８、９をはんだごてにてはんだ付けし、図１（ｂ）の碍子７を組み立てた。
はんだ付けにおいては適正なフラックスを用いた（以下同様）。なお、はんだは表１に示す、Ｓｎ−Ｃｕ系のＰｂフリーを使用した（以下同様）。

コンデンサの金属ケースは、図２に示すように厚さ１ｍｍの亜鉛メッキ鋼板を上蓋１１、ケース側面１２、および底蓋１３に切断、加工する。上蓋には碍子孔および封印孔（いずれも図示せず）を設ける。
ケース側面１２と底蓋１３を組合せ、溶接した金属ケースに、コンデンサ素子単体または複数の素子集合体（図示せず）を挿入し、リード線６を接続した後、上蓋１１をケース側面１２に組合せて溶接する（溶接部１４）。
その後、上記のとおり加工した碍子７を上蓋１１の碍子孔に嵌め込み、はんだごてまたはバーナーにてはんだ付けして、コンデンサを組み立てる。また、上蓋１１には油の封印栓１５をはんだ付けする。
組立てたコンデンサは、真空乾燥した後絶縁油を含浸して、大気圧下で封印栓１５を封印し密封して図２のコンデンサを作製した。

ここで用いたＳｎ−Ｃｕ系はんだは、表１に示すＣｕの組成が０．５、０．７、１．０、１．５、２．０、２．５、および３．０ｗｔ％の７種類である（比較例１−８、参考例１−１、実施例１−３〜１−６、比較例１−７）。
上記実施例に用いたコンデンサケースは、幅３８５ｍｍ、奥行１０５ｍｍ、高さ３３０ｍｍのサイズである。
また、碍子は、磁器碍子の外形７６ｍｍ、ケース上蓋からトップ金具までの高さが１３６ｍｍ、ベースリング外形６５ｍｍのものを用いた。なお、試料数は各々、ｎ＝３とした。

碍子のはんだ付け部の耐久性評価として、温度サイクル試験（−２０℃／２ｈ〜＋９０℃／２ｈ、２回／日）を５００回まで行い、はんだ付け部に膨張収縮の歪み応力が加わり、はんだにクラックが入り油洩れするかどうかを確認し、表１の結果を得た。

（比較例１−１〜１−６）コンデンサの温度サイクル試験
比較例として、表１に示すＰｂフリーはんだに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系としてＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−１Ａｇ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−０．３Ａｇ−０．８Ｃｕを、Ｓｎ−Ａｇ系としてＳｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−０．３Ａｇを、Ｓｎ−Ｚｎ系としてＳｎ−１０Ｚｎを用い、上記実施例と同様に金属ケース入りコンデンサを作製し、上記温度サイクル試験（−２０℃／２ｈ〜＋９０℃／２ｈ、２回／日）を５００回まで行い、比較した。しかし、Ｓｎ−１０Ｚｎは、はんだの流れ性が悪く、はんだ付け性に劣るため、作製を中止した。

（従来例１）コンデンサの温度サイクル試験
更に、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだとして、Ｓｎ−５０Ｐｂを用い、上記実施例と同様に金属ケース入りコンデンサを作製し、上記温度サイクル試験（−２０℃／２ｈ〜＋９０℃／２ｈ、２回／日）を５００回まで行い、比較した。

表１（左欄）の温度サイクル試験より、従来例１によるＳｎ−５０Ｐｂはんだは５００回の耐久性があるが、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系はんだは２００〜３２０回で、いずれもトップ金具取付のはんだ部にクラックが入り、油洩れが発生し、耐久性が劣る。
一方、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだにおいては、Ｃｕが０．５ｗｔ％では４０５回、０．７ｗｔ％では４４０回まで油洩れせず、また１．０ｗｔ％以上では５００回でも油洩れしていない。したがって、Ｃｕが０．５〜３．０ｗｔ％では、比較例のはんだより優れた耐久性を示している。
ここで、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだの融点は図３に示すとおり、Ｃｕが０．７ｗｔ％（共晶）より大きくなると、液相温度が上昇し、３．０ｗｔ％では３３５℃となり、はんだ付け時のはんだの流れ性が劣り、また、引けすが発生するため、作業性も考慮すると、Ｃｕ２．５ｗｔ％が上限となる。

フィールドでの耐久性と温度サイクル試験の加速性との関係は、次のＣｏｆｆｉｎ−Ｍａｎｓｏｎ式［数１］で推定できる。

ここで、ｆ１＝１［回／日］、ｆ２＝２［回／日］、ΔＴ１＝２５［Ｋ］、ΔＴ２＝１１０［Ｋ］、Ｔ１max＝３４３［Ｋ］、Ｔ２max＝３６３［Ｋ］、ΔＥ＝１．９７×１０^−２０［Ｊ］、Ｋ＝１．３８×１０^−２３ＪＫ^−１、ｍ＝１／３、ｎ＝２を代入すると、α≒１９．３となる。
そして、耐用年数＝｛（試験サイクル数）×α｝／３６５の関係より、耐用年数１０年は１８９回に相当する。
したがって、本発明のＣｕ０．５ｗｔ％（比較例１−８）の温度サイクル試験４０５回であっても、耐久性は２０年以上の耐用年数に相当し、実用上充分な性能であることが分かる。

［実施例２−２〜２−６、比較例２−７、２−８、参考例２−１］空ケースの水圧試験
次に、上記実施例のコンデンサにおいて、コンデンサ素子単体または複数の素子集合体を入れないケースに、実施例と同様に碍子を取り付けた空ケースを作製した。Ｓｎ−Ｃｕ系はんだも表１と同じものを使用した。
コンデンサケースの内圧性能を評価するために、上記空ケースを用い、封印栓より水による加圧を行いケースが破壊する圧力の試験（水圧試験と称す）を行い、表１の結果を得た。

（比較例２−１〜２−６）空ケースの水圧試験
比較例１−１〜１−６と同様の表１に示すＰｂフリーはんだを用い、上記実施例と同様に空ケースを作製し、上記の水圧試験を行い、表１の結果を得た。

（従来例２）空ケースの水圧試験
更に、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだとしてＳｎ−５０Ｐｂを用い、上記実施例と同様の空ケースを作製し、上記の水圧試験を行い、表１の結果を得た。
水圧試験による破壊箇所はすべて、ケースの膨張による、ケース上蓋に取り付ける碍子のベースリングとのはんだ付け部で、はんだの剥離またはクラックによるものであった。
表１（右欄）の内圧は、従来例２によるＳｎ−６０Ｐｂはんだは１．３〜１．８ＭＰａに対し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系は０．５〜０．８ＭＰａで約１／２と低い。
一方、Ｓｎ−Ｃｕ系においては、Ｃｕが０．５ｗｔ％では０．７〜１．０ＭＰａと従来のはんだより低いが、Ｃｕが０．７ｗｔ％以上では１．３〜２．５ＭＰａを有し、従来のはんだと同等以上の優れた性能がある。

上記したとおり、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだは、Ｐｂフリーはんだとして優れ、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだと同等以上の性能があり、代替使用できる。耐久性能、水圧試験、およびはんだ付け性より、Ｃｕは０．７〜２．５ｗｔ％が優れている。
Ｓｎ−Ｃｕ系はんだは、Ｐｂフリーはんだとして優れ、Ｃｕ組成が０．７〜２．５ｗｔ％のものを用いると、はんだ付け性が良好で、従来のはんだと同等の耐久性、および内圧性能を有し、有害物質のＰｂを用いないＰｂフリーはんだ化により、地球環境の改善を図ることができる。
なお、このＳｎ−Ｃｕ系はんだの不純物としては、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｆｅ等があるが、いずれも０．１ｗｔ％以下である。

また、金属ケース材料としてブリキまたは黄銅板を用いた金属ケースに、上記の碍子をはんだ付けした場合も、上記の実施例と同様の効果を得た。この金属ケースの製缶は、ＰｂフリーはんだのＳｎ−Ｃｕ系（Ｃｕ１．０〜２．５ｗｔ％）によるものである。
上記コンデンサに使用したコンデンサ素子は、金属化フィルム、若しくは金属化フィルムとプラスチックフィルムを巻回するか、または、プラスチックフィルムおよび／または絶縁紙を誘電体として電極箔と重ね合わせて巻回したものである。
また、実施例の油含浸ではなく、気体（ガス）でも同様の効果がある。さらに、碍子の個数は、コンデンサの設計により、１個または複数個の場合がある。
また、磁器碍子のトップ金具、ベースリング、および封印後のメッキは、Ｃｕメッキした後、ＳｎメッキまたはＳｎ―Ｃｕ系メッキのいずれとしてもよい。

本発明の実施例による碍子を説明する図であり、（ａ）は碍子の組立図、（ｂ）は組立後の碍子の図である。 図１の碍子を取り付けた金属ケース入コンデンサの完成図である。 Ｓｎ−Ｃｕ系はんだにおけるＣｕ組成と融点との関係を表す図である。

符号の説明

１ 磁器碍子
２ トップ金具
３ ベースリング
４、５ 磁器表面メッキ部
６ リード線
７ 碍子
８、９、１０ はんだ付け部
１１ 上蓋
１２ ケース側面
１３ 底蓋
１４ 溶接部
１５ 封印栓
１６ 金属ケース入りコンデンサ

Claims (1)

1. 金属ケースと、前記金属ケースに収納されたコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子に接続される碍子とを備えたコンデンサにおいて、
   前記碍子は、前記コンデンサ素子のリード線と接続されるトップ金具と、前記金属ケースとはんだ接続されるベースリングと、前記トップ金具および前記ベースリングとの接合部でそれぞれ、はんだ接合される磁器碍子とを有し、
   前記磁器碍子のうち前記トップ金具および前記ベースリングとそれぞれ、はんだ接合されるメッキ部がＣｕメッキされており、
   前記金属ケースの材質が亜鉛メッキ鋼、ブリキ、または黄銅であり、
   前記トップ金具および前記ベースリングは、鋼または黄銅にＣｕメッキした後、Ｓｎメッキ、またはＳｎ−Ｃｕ系メッキを施したものからなり、
   前記トップ金具と前記磁器碍子との接合部、前記ベースリングと前記磁器碍子との接合部および前記ベースリングと前記金属ケースとの接合部が、Ｃｕ組成が１．０〜２．５ｗｔ％であるＳｎ−Ｃｕ系はんだではんだ接合されることを特徴とするコンデンサ。

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