CN102362328A - 保护元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种保护元件，在因过电流等而进行保护动作时，能够使可熔导体稳定且迅速地熔断。具备：可熔导体（13），其配置于绝缘性的基础基板（11）上，与保护对象设备的电力供给路径连接，通过规定的异常电力而熔断；以及绝缘罩（14），其以覆盖可熔导体（13）的方式安装于基础基板（11）上。且具有：助熔剂（19），其涂敷于可熔导体（13）上且被设于绝缘罩（14）内。可熔导体（13）经由含有相对于熔融的可熔导体（13）润湿性好的金属成分的焊料膏（20）被固定于基础基板（11）上的导体层（17）及电极（12）。焊料膏（20）在电极（12）及导体层（17）上比可熔导体（13）的周缘部更向外侧扩展。

Description

保护元件
技术领域
本发明涉及一种保护元件，其在对电子设备等施加过大的电流或电压的情况下，因其热而使可熔导体熔断，切断电流。
背景技术
以往，搭载于二次电池装置等的保护元件使用不仅防止过电流而且还具有防止过电压功能的元件。该保护元件按如下方式形成：在基板上设有发热体，进一步夹着绝缘层层叠由低熔点金属片构成的可熔导体，通过过电流使可熔导体熔断。进而，在产生过电压的情况下，对保护元件内的发热体通电，通过发热体的热，使可熔导体熔断。可熔导体的熔断是因作为低熔点金属的可熔导体熔融时相对于连接的导体层的表面的润湿性好而产生的。熔融的低熔点金属被吸聚在电极等的导体层上，其结果是可熔导体被截断，电流被切断。
另一方面，伴随近年来的便携式设备等电子设备的小型化，对这种保护元件还要求小型化、薄型化，进而还寻求动作的稳定性和高速化。因此，作为其装置有如下形成的装置：在绝缘基板上配置低熔点金属体的可熔导体，并且将其用绝缘罩密封，并在可熔导体上涂敷助熔剂（flux，亦称为助焊剂）。该助熔剂设置成：实现防止可熔导体的表面的氧化，并且在加热可熔导体时使可熔导体迅速且稳定地熔断。
作为这种保护元件有图13、图14所示的构造的元件。该保护元件在形成于基础基板1的两端上的一对电极5a之间设置有由电阻体构成的发热体2。在发热体2上隔着绝缘层3层叠有与一方的电极5a连接的导体层4。在基础基板1的另一两端还设置有另一对电极5b，在该电极5b间通过焊料膏7连接有由低熔点金属片构成的可熔导体（fusible conductor）6。可熔导体6通过焊料膏7还与其下层的导体层4连接。在基础基板1上的可熔导体6上涂敷有助熔剂8，安装覆盖基础基板1的绝缘罩9，形成保护元件。
对于因过电流等引起的低熔点金属的可熔导体6的熔断，在可熔导体6的熔融时，通过可熔导体6相对于连接的导体层4、电极5b的表面的润湿性，熔融的可熔导体6被吸聚在导体层4及电极5b上，电极5b之间的可熔导体6被截断，电流被切断。因此，该润湿性对电流的切断特性有很大的影响。
鉴于可熔导体的熔断时的凝集动作、润湿性，作为改善熔断特性的保护元件，有专利文献1所公开的构成的保护元件。该保护元件是由绝缘基板、与该绝缘基板的表面隔离形成的一对电极、跨该一对电极间连接的可熔合金、被覆于可熔合金的助熔剂、以及覆盖助熔剂的绝缘密封材料构成的保护元件。而且，在可熔合金的形成位置形成有相对于熔融的可熔合金的润湿性比上述绝缘基板小的基底层。由此，在可熔合金的熔融时，熔融的可熔合金通过基底层被弹起，迅速地熔断。进而，熔断时不会产生火花，熔融的可熔合金通过其表面张力而很容易地凝集于电极，能够可靠进行熔断。
除此之外，如专利文献2所公开的那样，作为缩短由低熔点金属体的熔断时的凝集决定的电路切断时间的技术，提出有如下方案：一种保护元件，其在对低熔点金属体通电流的一对电极间设有两条以上的低熔点金属体，通过将该电极间的各低熔点金属体区分为独立的状态，从而增加低熔点金属体的熔断开始点，缩短动作时间，并且使其稳定化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000－285777号公报
专利文献2：日本特开2004－214032号公报。
发明内容
发明要解决的问题
在上述图13所示的构造的保护元件的情况下，在熔断时如图14、图15所示，可熔导体6在导体层4上凝集，圆形地堆积而与绝缘罩9的内表面接触，热量逸散，熔断时间延长，妨碍了稳定的熔融。特别是，由于保护元件的小型化/薄型化，绝缘罩9的高度变低，当与基础基板1之间的熔融空间变窄时，熔融金属容易与绝缘罩9的内表面接触，保护元件的薄型化和熔断时间的迅速化、稳定化成为互相相反的问题。
另外，虽然在可熔导体6上涂敷了用于防止氧化的助熔剂8，但是在可熔导体6熔融并润湿扩展的两端的电极5b侧没有涂敷助熔剂8，存在表面氧化而使润湿性降低的问题。而且，由于电极5b表面的氧化，熔断后可熔导体6润湿扩展，所以不能充分利用电极5b的表面，熔融的可熔导体6仅在连接的导体层4的表面的局部润湿扩展。虽然熔融的可熔导体6在连接的导体层4及电极5b的整个表面润湿扩展是理想的，但在现有的构造中，如图14、图15所示，熔融的可熔导体6没有扩展而是堆积起来，与绝缘罩9的内表面接触，产生了热量逸散、熔断的动作时间变长的问题。
另外，对于上述问题，在使用活性度高的助熔剂的情况下，对熔断带来不良影响的情况比较少。但是，由于对于使用的材料要减轻环境负荷，所以在推进助熔剂的无卤素化上面存在很大的问题。由于通常无卤素助熔剂的活性度低，所以只是可熔导体6上涂敷的助熔剂8，熔融的可熔导体6不会在导体层4及电极5b上润湿扩展，因此，会产生难以迅速且稳定地熔断可熔导体6的问题。
另外，在专利文献1中公开的保护元件的情况下，由于形成相对于熔融的可熔合金的润湿性比绝缘基板小的基底层，且熔融的可熔合金通过基底层弹开，因此，熔融的可熔合金成为更高地堆积的形状。因此，熔融合金因绝缘罩的薄型化而与内表面接触的可能性变得更高，上述问题进一步变严重。
在专利文献2所公开的保护元件的情况下，也同样存在因保护元件的薄型化而使熔融金属容易与绝缘罩接触的问题。进而，设置两条以上的低熔点金属体且将它们独立区分，这在保护元件的制造上存在需要特殊的金属模具且制造成本变高的问题。
本发明是鉴于上述背景技术而做出的，其目的在于，提供一种在因过电流等引起的保护动作时能使可熔导体稳定且迅速地熔断的保护元件。
用于解决问题的方案
本发明是一种保护元件，其具有：可熔导体，其配置于绝缘性的基础基板上，与保护对象设备的电力供给路径连接，通过规定的异常电力而熔断；绝缘罩，其以隔着规定的空间覆盖所述可熔导体的方式安装于所述基础基板上；以及助熔剂，其涂敷于所述可熔导体表面，且位于所述空间内，在对所述保护对象设备供给所述异常电力的情况下，所述可熔导体熔断，切断其电流路径，其特征在于，所述可熔导体经由含有相对于熔融的所述可熔导体润湿性好的金属成分的导电性膏被固定于所述基础基板上的导体层及电极，所述导电性膏在所述导体层上以比所述可熔导体的周缘部更向外侧扩展的方式设置。
所述导电性膏中的金属成分为比所述可熔导体的熔点低的熔点。特别是，所述导电性膏是将所述可熔导体固定于所述导体层及所述电极的焊料膏。进而，所述导电性膏在所述电极上以比所述可熔导体的周缘部更向外侧扩展的方式设置。所述焊料膏在将所述可熔导体固定于所述电极表面后，还以残留有助熔剂成分的状态扩展。
所述导电性膏在所述导体层表面从所述可熔导体的周缘部呈放射状地扩展。进而，所述导电性膏在所述电极表面从所述可熔导体的周缘部呈放射状地扩展。
另外，所述导电性膏在所述导体层表面从所述可熔导体的周缘部向所述导体层的端缘部扩展。进而，所述导电性膏在所述电极表面从所述可熔导体的周缘部向所述电极的端缘部扩展。
所述绝缘罩在其内表面中央部具备所述助熔剂的保持用的突条部。 
发明效果
根据本发明的保护元件，在可熔导体熔断时，熔融金属能可靠且广泛地在电极、导体层的表面润湿扩展，能进行稳定且迅速的熔断动作。进而，由于可熔导体不会与绝缘罩接触，所以熔断动作不会产生延迟，能够更稳定地进行可靠的动作，有助于保护元件的薄型化。
另外，导电性膏可以使用可熔导体的固定用的焊料膏，可仅改变以往用于可熔导体的固定用的焊料膏的形成图案来进行实施，不会增加任何工时及成本。进而，因为设有焊料膏的电极、导体层表面的氧化被抑制，且防止了相对于熔融金属的表面的润湿性的劣化，因此，据此也会使可熔导体的熔断特性稳定。
附图说明
图1是拆下本发明第一实施方式的保护元件的绝缘罩的状态的平面图。
图2是安装有绝缘罩的状态的图1的A—A剖面图。
图3是安装本发明第一实施方式的保护元件的可熔导体之前的状态的平面图。
图4是表示本发明第一实施方式的保护元件的使用例的电路图。
图5是表示本发明第一实施方式的保护元件工作并使可熔导体熔断的状态的纵剖面图。
图6是表示本发明第一实施方式的保护元件工作并使可熔导体熔断的状态的平面图。
图7是表示本发明第二实施方式的焊料膏的涂敷图案的平面图。
图8是表示本发明第二实施方式的保护元件工作并使可熔导体熔断的状态的平面图。
图9是表示本发明第三实施方式的焊料膏的涂敷图案的平面图。
图10是表示本发明第三实施方式的保护元件工作并使可熔导体熔断的状态的平面图。
图11是本发明第四实施方式的保护元件的纵剖面图。
图12是表示本发明第四实施方式的保护元件工作并使可熔导体熔断的状态的纵剖面图。
图13是现有的保护元件的纵剖面图。
图14是表示现有的保护元件工作并使可熔导体熔断的状态的平面图。
图15是表示现有的保护元件工作并使可熔导体熔断的状态的纵剖面图。
具体实施方式
下面，基于图1～图6对本发明的保护元件的第一实施方式进行说明。该实施方式的保护元件10在绝缘性的基础基板11的上表面两端设有一对电极12，在与一对电极12正交的相向缘部还设有另外一对电极21。在一对电极21上连接有由电阻体构成的发热体15，在发热体15上隔着绝缘层16层叠有与一方的电极21连接的导体层17。而且，对导体层17和一对电极12涂敷有焊料膏（solder paste）20，经由焊料膏20将由低熔点金属构成的作为熔断器的可熔导体13连接固定于一对电极12之间。进而，在基础基板11上，与可熔导体13相面对地安装有绝缘体的绝缘罩14。
在此，作为基础基板11的材质，只要是具有绝缘性的材料即可，例如，优选为陶瓷基板、环氧玻璃基板这样的用于印刷布线基板的绝缘基板。另外，虽然可适当地配合用途来使用玻璃基板、树脂基板、绝缘处理金属基板等，但是更优选耐热性优异、热传导性好的陶瓷基板。
作为电极12、21及导体层17，可以使用铜等的金属箔或表面以Ag-Pt、Au等镀敷的导体材料。另外，也可以是涂敷Ag膏等导电性膏并进行烧制后的导体层17及电极12、21，也可以是通过蒸镀等得到的金属薄膜构造。
作为可熔导体13的低熔点金属箔，只要是以规定的电力熔融的材料即可，也可以使用作为熔断器材料公知的各种低熔点金属。例如，可以使用BiSnPb合金、BiPbSn合金、BiPb合金、BiSn合金、SnPb合金、SnAg合金、PbIn合金、ZnAl合金、InSn合金、PbAgSn合金等。
形成发热体15的电阻体是涂敷例如氧化钌、碳黑等导电材料、和由玻璃等无机类粘合剂或热固化性树脂等有机类粘合剂构成的电阻膏并进行烧制后的电阻体。另外，也可以通过印刷氧化钌、碳黑等的薄膜并烧结而成，或通过镀敷、蒸镀、溅射形成，还可以将这些电阻体材料的膜通过粘贴、层叠等而形成。
安装于基础基板11的绝缘罩14形成为一侧面开口的箱状，相对于可熔导体13形成规定的空间18并覆盖在基础基板11上。绝缘罩14的材质只要为具有能够耐受可熔导体13熔断时的热的耐热性、和作为保护元件10的机械强度的绝缘材料即可。例如可应用玻璃、陶瓷、塑料、玻璃环氧树脂（glass epoxy resin）这样的用于印刷布线基板的基板材料等的各种材料。进而，也可以是使用金属板在与基础基板11的相向面形成有绝缘性树脂等的绝缘层的罩。优选地是，如果为陶瓷这样的机械强度及绝缘性高的材料，则也有助于保护元件整体的薄型化，故优选。
在可熔导体13的整个表面，为防止其表面的氧化而设有助熔剂19。助熔剂19优选为不具有溴等卤元素的无卤素的助熔剂。助熔剂19通过表面张力13保持于可熔导体13上，且被收容于空间18内，如图2所示，也附着于绝缘罩板14的内表面且通过其表面张力而被保持。
作为焊料膏20，为含有相对于熔融的可熔导体13润湿性好的金属成分的材料，优选为无铅的材料，例如可以使用锡（Sn）、银（Ag）、铜（Cu）类的焊料膏。焊料膏20为在助熔剂成分中含有Sn等合金的金属粒子的材料，在此使用的助熔剂也优选为无卤素的材料。焊料膏20中的金属粒子的熔融温度优选为可熔导体13的熔融温度以下，更优选的是若为在尽可能接近的温度、例如10℃以内的温度差熔融的材料则更好。焊料膏20的涂敷图案如图3所示，在导体层17表面，从层叠有可熔导体13的部分溢出，并延伸到导体层17的端缘部而形成。另外，在电极12上，涂敷于载置可熔导体13的部分的大致整个面。
在此，可熔导体13载置于以上述规定图案印刷形成有焊料膏20的电极12及导体层17上，通过回流炉而被固定。此时，可熔导体13以不熔融的温度进行处理，焊料膏20中的金属粒子未完全熔融，而以还残留有助熔剂成分的状态固定可熔导体13。
接着，作为将该实施方式的保护元件10用于电子设备的例子，基于图4对二次电池装置的过电流/过电压保护电路24进行说明。该过电流/过电压保护电路24中，保护元件10的一对电极12被串联连接于输出端子A1和输入端子B1之间，保护元件10的一对电极12的一端子与输入端子B1连接，另一电极12与输出端子A1连接。而且，可熔导体13的中点与发热体15的一端连接，电极21的一端子与发热体15的另一端子连接。发热体15的另一端子与晶体管Tr的集电极连接，晶体管Tr的发射极被连接于另一输入端子A2和输出端子B2之间。进而，在晶体管Tr的基极经由电阻R连接有齐纳二极管ZD的阳极，齐纳二极管ZD的阴极与输出端子A1连接。电阻R被设定为在输出端子A1、A2之间施加设定为异常的规定电压时对齐纳二极管 ZD施加击穿电压以上的电压的值。
在输出端子A1、A2之间连接有例如锂离子电池等作为被保护装置的二次电池23的电极端子，在输入端子B1、B2上连接有与二次电池23连接使用的未图示的充电器等装置的电极端子。
接着，对该实施方式的保护元件10的动作进行说明。在该实施方式的安装有过电流/过电压保护电路24的锂离子电池等的二次电池装置中，当在其充电时向输出端子A1、A2施加异常的电压时，以设定为异常的规定的电压向齐纳二极管ZD施加击穿电压以上的反向电压，使齐纳二极管ZD导通。通过齐纳二极管ZD的导通，在晶体管TR的基极流过基极电流ib，由此，使晶体管Tr导通，集电极电流ic流过发热体15，使发热体15发热。该热传递到发热体15上的低熔点金属的可熔导体13，使可熔导体13熔断，将输入端子B1和输出端子A1间的导通切断，防止向输出端子A1、A2施加过电压。另外，在异常电流流向输出端子A1的情况下，也可以以可熔导体13通过该电流而发热熔断的方式进行设定。
在保护元件10的保护动作时，首先焊料膏20的金属粒子熔融，在电极12及导体层17上扩展。而且，几乎没有时间间隔地在大致同一时间，可熔导体13熔融，如图5所示熔断。此时，在可熔导体熔断时，如图6所示，在焊料膏20熔融并润湿扩展的电极12上及导体层17上，可熔导体13也广泛地润湿扩展，可熔导体13在绝缘罩14内的空间18不会高高堆积，不会与绝缘罩14的内表面接触。
根据该实施方式的保护元件10，在可熔导体13熔断时，首先焊料膏20广泛地在电极12及导体层17的表面润湿扩展，能够进行稳定且迅速的熔断动作。进而，由于可熔导体13不与绝缘罩14接触，所以不会发生熔断动作的延迟，能够稳定地进行可靠的保护动作，可以形成更薄型的保护元件10。进而，焊料膏20兼用作可熔导体13的固定用的焊料，可只通过改变以往的固定用的焊料膏20的形成图案来进行实施，不会增加任何工时及成本。进而，能够抑制设有焊料膏20的电极12、导体层17的表面的氧化，由此也会使可熔导体13的熔断特性稳定。特别是在低电力的发热动作特性中，可以提供与以往的动作偏差相比能够非常小、而且环境负荷小且高性能的保护元件10。
接着，基于图7、图8对本发明的保护元件的第二实施方式进行说明。在此，与上述实施方式相同的部件标以同一附图标记，并省略说明。该实施方式的保护元件10改变了固定可熔导体13的焊料膏20的印刷图案，如图7所示，焊料膏20的印刷线从可熔导体13的载置位置呈放射状延伸。
在保护元件10的保护动作时，也是首先焊料膏20的金属粒子熔融，并如图8所示在电极12及导体层17上扩展。而且，几乎没有时间间隔地在大致同一时间，可熔导体13熔融并熔断。此时，如图8所示，可熔导体13在焊料膏20的熔融图案上广泛地润湿扩展。因此，与上述实施方式相比，可熔导体13的熔融金属的堆积更低，可以利用于更薄型的保护元件。
接着，基于图9、图10对本发明的保护元件的第三实施方式进行说明。在此，与上述实施方式相同的部件标以同一附图标记，并省略说明。该实施方式的保护元件10进一步改变了固定可熔导体13的焊料膏20的印刷图案，如图9所示，在可熔导体13的载置位置的电极12及导体层17的表面的大部分印刷或涂敷有焊料膏20。
由此，在保护元件10的保护动作时，焊料膏20的金属粒子更广泛地熔融，如图10所示，广泛地润湿扩展。而且，大致在同时，可熔导体13熔融并熔断，在焊料膏20的熔融图案上广泛地润湿扩展。因此，与上述实施方式相比，可熔导体13的熔融金属的堆积更低，可以利用于更薄型的保护元件。
接着，基于图11、图12对本发明的保护元件的第四实施方式进行说明。在此，与上述实施方式相同的部件标以同一附图标记，并省略说明。该实施方式的保护元件10中，固定可熔导体13的焊料膏20的印刷图案与上述的各实施方式相同，如图1所示，在绝缘罩14的内表面中央部形成有助熔剂19的保持用的突条部22。突条部22与绝缘罩14形成为一体。
该实施方式中，在形成于绝缘罩14的内表面的突条部22上可靠地保持助熔剂19，在可熔导体13的中央部不发生错位，会稳定地维持其位置。由此，可以维持稳定的熔断动作。而且，如图12所示，由于在熔断时可熔导体13不会高高堆积，所以不会接触突条部22，不会带来由于突条部22而导致熔断动作延迟等的不良影响。
另外，本发明的保护元件不限于上述实施方式，焊料膏的材料、图案可以适当地进行设定。此外，助熔剂或其他材料也没有限定，可以适当地选择合适的材料。
附图标记说明
10保护元件
11基础基板
12、21电极
13可熔导体
14绝缘罩
15发热体
16绝缘层
17导体层
19助熔剂
20焊料膏。

Claims (10)

1.一种保护元件，其具有：可熔导体，其配置于绝缘性的基础基板上，与保护对象设备的电力供给路径连接，通过规定的异常电力而熔断；绝缘罩，其以隔着规定的空间覆盖所述可熔导体的方式安装于所述基础基板上；以及助熔剂，其涂敷于所述可熔导体表面，且位于所述空间内，在对所述保护对象设备供给所述异常电力的情况下，所述可熔导体熔断，切断其电流路径，其特征在于，
所述可熔导体经由含有相对于熔融的所述可熔导体润湿性好的金属成分的导电性膏被固定于所述基础基板上的导体层及电极，
所述导电性膏在所述导体层上以比所述可熔导体的周缘部更向外侧扩展的方式设置。
2.根据权利要求1所述的保护元件，其中，所述导电性膏中的金属成分为比所述可熔导体的熔点低的熔点。
3.根据权利要求2所述的保护元件，其中，所述导电性膏是将所述可熔导体固定于所述导体层及所述电极的焊料膏。
4.根据权利要求2所述的保护元件，其中，所述导电性膏在所述电极上以比所述可熔导体的周缘部更向外侧扩展的方式设置。
5.根据权利要求3所述的保护元件，其中，所述焊料膏在将所述可熔导体固定于所述电极表面后，还以残留有助熔剂成分的状态扩展。
6.根据权利要求2所述的保护元件，其中，所述导电性膏在所述导体层表面从所述可熔导体的周缘部呈放射状地扩展。
7.根据权利要求4所述的保护元件，其中，所述导电性膏在所述电极表面从所述可熔导体的周缘部呈放射状地扩展。
8.根据权利要求2所述的保护元件，其中，所述导电性膏在所述导体层表面从所述可熔导体的周缘部向所述导体层的端缘部扩展。
9.根据权利要求4所述的保护元件，其中，所述导电性膏在所述电极表面从所述可熔导体的周缘部向所述电极的端缘部扩展。
10.根据权利要求3所述的保护元件，其中，所述绝缘罩在其内表面中央部具备所述助熔剂的保持用的突条部。
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