JP4305751B2 - ランプ用高温鉛フリーはんだ - Google Patents

Description

本発明は、点灯時と非点灯時の温度差の大きいランプ、特にＨＩＤランプやハロゲンランプ等において、ランプのリ−ド線と口金をはんだ付けしたときに、はんだ接合部を長時間安定した状態で使用できる高温鉛フリーはんだに関する。

ランプは、リード線をランプの口金のアイレット部とシェル部に引き出し、該リードをはんだ付けしている。ランプの口金は、黄銅や黄銅にニッケルメッキしたものであり、口金とリードのはんだ付けするはんだ合金としては、これらの材料と良好にはんだ付けできる特性を有していなければならない。

広く使用されているＨＩＤランプやハロゲンランプ等は、使用時にフィラメントや発光体から発する熱で高温となり、口金部分でも200℃以上の高温となる。従って、ランプの口金とリードのはんだ付けに使用するはんだには200℃以上でも溶融しない高温はんだが使用されている。多くの電子機器のはんだ付けに使用されるはんだはPb-63Snであり、このはんだは183℃で溶け始めるため、ランプの口金のはんだ付けには使用できない。そこでランプの口金のはんだ付けには高温はんだを使用するのである。高温はんだの定義は明確になってなく、一般には固相線温度がPb-63Snの融点である183℃を越えるものを高温はんだと称している。

従来、ランプの口金に用いられていた高温はんだは、JIS Z 3281(1999)に記載されているPb-5Sn（融点：300~324℃）やPb-10Sn（融点：268~301℃）であった。これらPb主成分の高温はんだは、黄銅や黄銅にニッケルメッキした口金に対して良好なはんだ付け性を有している。

しかし、従来のPb主成分の高温はんだは、公害において新たな問題が生じるようになってきた。つまりランプは内部の発光体が切れて使用できなくなると廃棄処分される。このときガラスの部分は回収して再使用できるが、口金の部分は、はんだが金属的に付着しており、口金を再溶融すると口金の材料である黄銅中にPbやSnが混入してしまい、不純物が多くなるため再使用ができなくなる。それ故、ランプの口金は再使用されず、埋め立て処分されることが多い。このように埋め立て処分された口金に酸性雨が接触すると、口金のはんだ付け部からPb成分が溶け出して地下水に混入する。Pb成分が含まれた地下水を長年月にわたって人や家畜が飲用していると、Pbが体内に蓄積されて鉛中毒を起こすとされている。そのためPbの使用が世界的に規制されるようになってきており、ランプ業界からもPbを含まない所謂高温の鉛フリーはんだの出現が強く要望されている。

一般に鉛フリーはんだとは、Snを主成分として、それに他の元素を適宜添加したものである。ランプの口金のはんだ付けに使用する高温の鉛フリーはんだとしては、固相線温度が200℃以上でなければならないため、自ずと添加元素も限られてくる。Sn主成分で固相線温度を200℃以上にする添加元素としてはAg、Cu、Sb等の高融点元素であり、口金のはんだ付け用高温鉛フリーはんだとしては、SnにCuを1.0〜2.5質量％添加した合金が提案されている（参照：特許文献１）。該高温鉛フリーはんだは、固相線温度が227℃である。

特開2002-239781号公報

ところでランプは屋内のように平時の温度が安定したところ以外にも寒暖の激しいところ、例えば冷凍庫のようなところにも使用される。冷凍庫ではランプを点灯していないときには、ランプの口金は氷点下温度となり、ランプを点灯すると口金は200℃以上となる。従って、ランプの口金のはんだ付け部は極低温から高温のヒートサイクルに曝されるようになる。

このように温度差の激しいヒートサイクルに対してSn-Cuはんだ合金ではんだ付けしたランプは、はんだ付け部にヒビ割れやクラックが発生して導通不良となることがあった。つまりランプ使用時に口金が200℃以上になると、Sn-Cuはんだ合金は、固相線温度近く、或いはそれ以上になるため部分的に溶け始めたり、或いは溶けないまでも接合強度が極めて弱くなったりする。そしてランプへの通電を切るとランプの口金は氷点下温度の極低温に冷やされる。このとき口金をはんだ付けしたはんだは口金との熱膨張率の相違からはんだにストレスがかかり、ついにはんだにヒビ割れやクラックが発生してしまうものである。

またSn-Cuはんだ合金ではんだ付けしたＨＩＤランプやハロゲンランプ等では、リードが剥離することがあった。これはSn-Cuはんだ合金は高温に対する耐熱性が充分でないからである。つまりＨＩＤランプやハロゲンランプ等は点灯時に発光体の消費電力が多く、それだけ全体が高温となり、固相線温度が227℃のSn-Cuはんだ合金では耐熱性が不足となって剥離してしまうものである。本発明は、温度差の激しい環境下で使用されても長時間にわたってはんだ付け部が安定しており、しかも口金が200℃以上になっても強い接合強度を有する高温の鉛フリーはんだを提供することにある。

本発明者らは、Sn-Sb合金のうち、Sbがある量を超えると固相線温度が235℃以上となり、耐熱性においてはＨＩＤランプやハロゲンランプ等の口金のはんだ付けとして適していることに着目して本発明を完成させた。

請求項１に記載の発明は、前述の課題を解決するために、Sb5〜40質量％、Cu10質量％以下、残部Snであるとともに固相線温度が235℃以上であることを特徴とするランプ用高温鉛フリーはんだを提供するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高温鉛フリーはんだに、Ni、Co、Fe、Mo、Cr、Mnから選ばれた一種または二種以上が合計で0.5質量％以下添加されていることを特徴とするランプ用高温鉛フリーはんだを提供するものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の記載の高温鉛フリーはんだに、Ag、Biから選ばれた一種または二種以上が合計で1質量％以下添加されていることを特徴とするランプ用高温鉛フリーはんだを提供するものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだに、P、Ge、Gaから選ばれた一種または二種が合計で0.001〜0.05質量％添加されていることを特徴とするランプ用高温鉛フリーはんだを提供するものである。

本発明のランプ用高温鉛フリーはんだは、固相線温度が235℃以上であるため、ＨＩＤランプやハロゲンランプ等のように使用時に口金が200℃以上まで昇温するようなところに使用しても充分な耐熱性を有している。また本発明のランプ用高温鉛フリーはんだは、−40〜200℃間のヒートサイクル試験において、250サイクル経過しても口金のはんだ付け部にヒビ割れやクラックが発生しないため、冷凍庫のような過酷な条件において長期間使用できるという信頼性と長寿命性に優れた高温鉛フリーはんだである。

本発明は、口金とフィラメントのリードをはんだ付けするためのランプ用高温鉛フリーはんだであり、その組成がSb5〜40質量％、Cu10質量％以下、残部Snであるとともに固相線温度が235℃以上のものであり、さらに該はんだ合金に接合強度改善元素、はんだ付け性改善元素、酸化抑制元素等を適宜添加したものである。

本発明では、Sbの添加量が5質量％より少ないと、固相線温度が235℃よりも下がってしまうばかりでなく、ランプの口金のはんだ付けに使用した場合、耐ヒートサイクル性も充分ではない。しかるにSbの添加量が40質量％よりも多くなると、脆性が出てきてはんだ付け部が少しの衝撃を受けただけで剥離してしまう。

また本発明のランプ用高温鉛フリーはんだは、Sn-Sb系にCuを10質量％以下添加する。Sn-Sb合金において、Cuは機械的強度の改善に効果はあるが、Cuの添加量が10質量％を超えると、液相線温度が430℃以上となり、それに伴ってはんだ付け温度が450℃を超えるようになる。ランプの口金のはんだ付けにおいて、はんだ付け温度が450℃を超えると、熱影響でランプのガラス部分に歪が入ったり、はんだ付けの作業性低下をまねくようになる。

本発明では、リードと口金の接合強度を改善するためにSn-Sb系合金にNi、Co、Fe、Mo、Cr、Mnから選ばれた一種または二種以上を添加することもできる。Sn-Sb系合金へのこれらの添加量は合計で0.5質量％以下である。これらの添加量が0.5質量％を超えるとはんだ付け性を害するようになる。

またリードと口金のはんだ付け性向上のためにAg、Biから選ばれた一種または二種を添加することもできる。これらの添加量が合計で1質量％よりも多く添加されると、固相線温度が230℃よりも下がってしまい、ハロゲンランプの口金のはんだ付けに使用したときに耐熱性が弱まってしまう。

そして、本発明のランプ用の高温鉛フリーはんだには、酸化抑制元素を添加することもできる。酸化抑制元素を添加することで、ランプ製造時にはんだ合金の酸化を抑制することができる。特に液相線温度が350℃以上のはんだ合金は、はんだ付け作業の際に酸化することがあるが、酸化抑制元素を添加することにより酸化を抑えることができる。酸化抑制としては、P、Ge、Gaのいずれか一種または二種以上を添加する。P、Ge、Gaの添加量は、これらの合計で0.001〜0.05質量％である。これら酸化抑制元素の添加量が0.001質量％より少ないと、酸化抑制効果が現れず、しかるに0.05質量％よりも多くなると、はんだ付け性を阻害するようになる。

図１は使用時に高温となるＨＩＤランプである。ＨＩＤランプは、ガラス製の本体１の端部に口金２が接着剤により固定されている。本体１内には発光体３が設置されており、該発光体はリード４、５に接続され、一方のリード４は口金２のシェル部６に引き出されて高温鉛フリーはんだ７ではんだ付けされている。そしてもう一方のリード５は黄銅にニッケルメッキのアイレット８に引き出されて、やはり高温鉛フリーはんだ９ではんだ付けされている。

ここでランプに使用して好適な高温鉛フリーはんだを表１に示す。

○表の説明

※１溶融温度：示差熱分析により固相線温度と液相線温度を測定

※２温度サイクル試験：図１に示すようなＨＩＤランプの口金に各種の高温鉛フリーはんだではんだ付けを行って、試験試料とした。試験試料を−40℃に30分間放置し、その後200℃に30分間放置するというヒートサイクルをかける。口金のはんだ付け部にヒビ割れやクラックが生じるまでのヒートサイクル数をカウントする。250サイクルまでにヒビ割れやクラックが生じなければ実用上長期間の使用に耐えられるものであり、判定は良とする。該温度サイクル試験で250サイクルまでにはんだ付け部にヒビ割れやクラックが生じたものは不可とする。

表１から分かるように、実施例に記載された本発明のランプ用高温鉛フリーはんだは、固相線温度が全て235℃以上である。一方、比較例の高温鉛フリーはんだは固相線温度が235℃未満であり、耐熱性に問題のあることが再確認された。また−40〜200℃間の温度サイクル試験においても本発明の高温鉛フリーはんだは250サイクル経過してもはんだ付け部にヒビ割れやクラックが発生しなかったが、Sn-CuやSn-Ag等の高温鉛フリーはんだは、250サイクル未満でヒビ割れやクラックが発生していた。

はんだ付け部を高温鉛フリーはんだではんだ付けしたランプ

符号の説明

１ 本体

２ 口金

３ 発光体

４、５ リード

８ アイレット

７、９ 高温鉛フリーはんだ

Claims (3)

1. ランプの口金とリード線を接続するためのランプ用はんだにおいて、はんだ組成はSbが10〜40質量％、Cuが１〜10質量％、残部Snであり、しかも固相線温度が235℃以上であることを特徴とするランプ用高温鉛フリーはんだ。
2. 前記、請求項１に記載のはんだ組成に、さらにNi、Co、Fe、Mo、Cr、Mnから選ばれた一種または二種以上が合計で0.5質量％以下添加されていることを特徴とする請求項１に記載のランプ用高温鉛フリーはんだ。
3. 前記、請求項１から２に記載のはんだ組成に、さらにAg、Biから選ばれた一種または二種が合計で1質量％以下添加されていることを特徴とする請求項１ないし２に記載のランプ用高温鉛フリーはんだ。

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