CN105144334A - 保护元件及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供无需扩大基板尺寸而通过基板与盖部件间的粘接强度增强、提高密合性来谋求可靠性的提高的保护元件。保护元件（10）具备：在侧面具有形成通孔电极（2a）的凹部（2）的基板（1）；形成在基板（1）上并且因电流或温度而熔化，从而截断电路的可熔导体（13）；以及以覆盖可熔导体（13）的方式安装于基板（1）的盖部件（6）。而且，盖部件（6）经由填充材料（3）安装于基板（1），所述填充材料（3）填充在当安装于基板（1）时产生的盖部件（6）与凹部（2）的间隙。

Description

保护元件及电子设备

技术领域

本发明涉及具有可熔导体的保护元件及具备保护元件的电子设备，特别涉及具备从外部环境保护安装于基板上的可熔导体的构造的保护元件及电子设备。本申请以在日本于2013年2月22日申请的日本专利申请号特愿2013－033268为基础主张优先权，通过参照该申请，引用至本申请。

背景技术

作为保护元件，通常知道插入电流路径并根据过电流而动作的电流熔丝或者在过热时动作而截断电路的温度熔丝。除了这种以往的保护元件之外，近年来，还增加了用于可充放电的二次电池的安全电路的保护元件的事例。

能够充电而反复利用的大多二次电池被加工成电池组而提供给用户。特别是在重量能量密度高的锂离子二次电池中，为了确保用户及电子设备的安全，一般在电池组内置过充电保护、过放电保护等的数个保护电路，在既定的情况下具有截断电池组的输出的功能。

利用内置于电池组的FET开关来进行输出的导通/截止（ON/OFF），从而进行电池组的过充电保护或过放电保护动作。然而，在因一些原因而FET开关短路破坏的情况下；被施加雷涌等而瞬间流过大电流的情况下；或者因电池单元的寿命而输出电压异常下降或者相反地输出过大异常电压的情况下，电池组或电子设备也需要进行保护，以免发生起火等的事故。因此，在这样的能够设想到的任何异常状态下，为了安全地截断电池单元的输出，使用由具有根据来自外部的信号截断电流路径的功能的熔丝元件构成的保护元件。

在专利文献1、专利文献2中，记载了这样的面向锂离子二次电池等的保护电路的保护元件的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第2790433号公报

专利文献2：日本特许第4110976号公报。

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1、专利文献2记载的保护元件，作为可熔导体使用PbSn等的焊锡。焊锡如果长时间暴露在空气中就会氧化，从而熔断时间有时会出现偏差。因此，在这些专利文献记载的保护元件具备以至少覆盖可熔导体的部分的方式安装于绝缘基板的盖部件。

另一方面，在安装可熔导体的基板，为了与外部电路取得电连接，在基板的侧面形成有电极。一般在保护元件中，在电池组内部的搭载有控制电路等的电路基板等安装之后，进行可焊性等的目视的安装确认。另外，作为元件的小型化带来的电极面积窄小化的对策，在保护元件的基板的侧面形成侧面电极。侧面电极出于制造上的容易度、连接面积的提高等的理由，由通过分割该基板来对开形成在1块基板的长圆形或圆形的通孔的截面形状的凹部构成。

如图9A所示，通过涂敷粘接剂5，在侧面具有凹部2的基板1安装盖部件的情况下，将不能在凹部2的位置涂敷粘接剂，因此粘接面积变小，存在不能增强粘接强度的问题。另外，若在侧面具有凹部2的基板1安装盖部件，则在凹部2的位置与盖部件的连接面会出现空隙，存在不能确保基板1与盖部件间的密合性的问题。另一方面，如图9B所示，如果想避开凹部2的位置地确保安装盖部件的位置，只要形成在基板1a上的可熔导体等的保护元件功能部分的尺寸不变小，就不得不扩大基板1a的尺寸，出现违反小型/薄型化的要求的问题。

进而，随着锂离子二次电池等的用途不断向汽车等发展，保护元件所要求的可靠性水平也有越来越高的倾向。

因此，本发明目的在于提供无需扩大基板尺寸而通过基板与盖部件间的粘接强度增强、密合性提高来谋求可靠性的提高的保护元件。

用于解决课题的方案

作为上述的用于解决课题的方案，本发明的一实施方式所涉及的保护元件具备：基板，在至少一个侧面具有形成通孔电极的凹部；可熔导体，形成在基板上，因电流或温度而熔化，从而截断电路；以及盖部件，以覆盖可熔导体的方式安装于基板。而且，盖部件经由填充材料安装于基板，所述填充材料填充在当安装于基板时产生的盖部件与凹部的间隙。

另外，本发明的一实施方式所涉及的电子设备具备保护元件，该保护元件包括：基板，在至少一个侧面具有形成通孔侧面电极的凹部；可熔导体，形成在基板上，因电流或温度而熔化，从而截断电路；以及盖部件，以覆盖可熔导体的方式安装于基板，盖部件经由填充材料安装于基板，所述填充材料填充在当安装于基板时产生的盖部件与凹部的间隙。

发明效果

适用本发明的保护元件因为在形成通孔电极的凹部与盖部件的间隙埋入填充材料，所以提高基板与盖部件的粘接强度及密封性。

附图说明

图1中图1A～图1C是用于通过制造工序来说明本发明的一实施方式所涉及的保护元件的图。图1A是示出构成适用本发明的保护元件的基板的形状的平面图，图1B是示出涂敷有填充材料的基板的形状的平面图，图1C是示出在填充材料上再涂敷粘接剂的基板的形状的平面图。是盖部件的仰视图。

图2中图2A是构成适用本发明的保护元件的盖部件的立体图，图2B是用于说明对由图1C构成的基板安装盖部件的情况的分解立体图。

图3中图3A～图3C是用于通过制造工序来说明本发明的其他实施方式所涉及的保护元件的图。图3A是示出构成适用本发明的保护元件的基板的形状的平面图，图3B是示出涂敷有填充材料的基板的形状的平面图，图3C是示出在填充材料上再涂敷粘接剂的基板的形状的平面图。

图4中图4A～图4B是示出适用本发明的保护元件的内部元件的结构例的图。图4A是内部元件的平面图，图4B是A－A’上的截面图。

图5是示出包含适用本发明的保护元件的电子设备之一即锂离子二次电池的电池组的电路结构例的框图。

图6是适用本发明的保护元件的等效电路图。

图7是示出实施例和比较例中的基板与盖部件的粘接强度的比较数据的图表。

图8是示出实施例和比较例中的基板与盖部件的动作时间的比较数据的图表。

图9中图9A是示出现有技术的保护元件的基板的形状的平面图。图9B是用于说明在避开形成通孔电极的凹部而涂敷粘接剂的情况下，保护元件的外形尺寸变大的情况的基板的平面图。

具体实施方式

以下，参照附图，对用于实施本发明的方式进行详细说明。此外，本发明不仅限定于以下的实施方式，显然在不脱离本发明的要点的范围内可进行各种变更。

[保护元件的结构例]

如图1A～图1C、图2所示，本发明的一实施方式所涉及的保护元件10具备：具有形成通孔电极2a的凹部2的基板1；搭载于基板1并与通孔电极2a连接的内部元件8；填充凹部2的填充材料3；以及以覆盖内部元件8的方式安装于基板的盖部件6。盖部件6通过粘接剂5安装于基板1。

基板1大致为方形形状，在各边具有对圆形或长圆形的孔进行2分割而形成并遍及上下表面而贯通的凹部2。凹部2既可以仅在基板1的1个边形成，也可以仅在两个边形成，还可以仅在三个边形成。另外，也可以在1个边具有2个以上的凹部。在凹部2的表面及基板1的上表面及下表面形成有用于外部电路连接的通孔电极2a。通孔电极2a既可以在所有的凹部2形成，也可以仅在一部分的凹部2形成。基板1由绝缘性的材料形成。例如，通过氧化铝、玻璃陶瓷、莫来石、氧化锆等的具有绝缘性的部件来形成。此外，也可以使用用于玻璃环氧基板、酚醛基板等的印刷布线基板的材料，但需要留意熔丝熔断时的温度。此外，作为电极材料，使用Ag膏等，用丝网印刷技术等众所周知的方法来形成。

填充材料3通过从基板的表面侧向凹部2的周边涂敷具有粘性、挠性的材料并从上方施加压力而埋入凹部。埋入的量有必要设为在安装所完成的保护元件10的情况下，为了目视确认可焊性而不致于埋入整个基板1厚度的量。填充材料3的材料既可以使用具有导电性的材料，也可以使用绝缘性的材料。具有导电性的材料，例如将Ag膏等使用于填充材料3的情况下，能够使通孔电极2a侧面一侧的导通优良，但是需要留意在涂敷填充材料3时不会与在基板1的表面邻接的电极或内部元件8出现不需要的短路。绝缘性的材料例如使用玻璃等的情况下，安装保护元件10时，能够使焊接时的热难以经由通孔电极2a传到搭载在基板1的内部的包含可熔导体的内部元件8，从而能够有助于提高安装可靠性。另外，能够防止安装时熔化的焊锡浸入到基板1内部，从而能够确保基板1的表面的绝缘性。

盖部件6用于保护元件10的包含可熔导体的内部元件的氧化防止等外部环境中的保护用途，利用绝缘性的材料形成。能够使用例如玻璃环氧、陶瓷等具有既定耐热性的绝缘材料。

为了进一步提高盖部件6与填充材料3的密合性，优选使构成盖部件6的材料和填充材料3的材料为相同材料，例如使用玻璃、环氧类树脂等。

粘接剂5涂敷在基板1表面的外周上且存在凹部2的部位则在填充材料3上与安装盖部件6的位置对应的部位。粘接剂5既可为热硬化性的材料也可为紫外线硬化性的材料，能够使用其他众所周知的材料。为了进一步提高与填充材料3的密合性，粘接剂5优选使用与填充材料3的亲和性高的材料，作为粘接剂的材料优选使用环氧类，作为填充材料3的材料优选使用玻璃或Ag膏。

内部元件8包含担任保护元件10本来的功能的功能元件。例如，内部元件8为在基板1的对置的边形成的通孔电极2a、2a两端间电连接的可熔导体（熔丝）。由可熔导体构成的内部元件8也可以用丝网印刷技术等来形成在基板1，用其他方法连接在通孔2a、2a的端子间。

[保护元件的制造方法]

本发明所涉及的保护元件10如下制造。

如图1A所示，准备具有凹部2的基板1。具有凹部2的基板1预先形成有通孔电极，在排列多个基板1的母基板（未图示）的状态下，安装或形成有担任保护功能的内部元件。接着，如图1B所示，以埋入凹部2的部分的方式涂敷填充材料3。在涂敷填充材料3时，利用丝网印刷技术，在凹部2附近涂敷填充材料3，或者通过分配器向凹部2附近供给所需量，然后用刮刀（squeegee）等来使之对照基板1的表面大致平坦。而且，如图1C所示，在基板1的表面的外周部和埋入的填充材料3的表面涂敷有粘接剂5。关于粘接剂的涂敷，也与填充材料3同样地执行涂敷工序和利用刮刀等的平坦化工序。如图2A所示，准备具有内表面7的盖部件6，如图2B所示，盖部件6的端部以使内部元件8收纳于盖部件6的内表面7的方式与粘接剂5密合。此外，粘接剂5如图1及图2那样，既可以涂敷在基板1及填充材料3的一侧，也可以涂敷在盖部件6的端部。保护元件10通过从母基板切出各自基板1而形成。

[保护元件的其他结构例]

以上对仅在基板1的凹部2附近填充填充材料3，其上涂敷粘接剂5而进行与盖部件6的连接的结构例进行了说明，但是也可以将填充材料3涂敷在基板表面的整个外周而不是仅仅涂敷在凹部2附近。这样通过在基板表面的整个外周涂敷填充材料3，涂敷粘接剂5的粘接面变得更加平坦，并且提高粘接强度及密闭性。

如图3A～图3C所示，本发明的其他实施方式所涉及的保护元件10具备：具有形成通孔电极2a的凹部2的基板1；搭载于基板1并与通孔电极2a连接的内部元件8；涂敷在包含凹部2的基板1的表面的整个外周的填充材料3；以及以覆盖内部元件8的方式安装于基板的盖部件6。如图2A及图2B所示，盖部件6通过进一步涂敷在包含凹部2的基板1的表面的整个外周涂敷的填充材料3上的粘接剂5而安装于基板1。

进而，不管是图1的结构例还是图3的结构例，在连接基板1和盖部件6时，通过选定适当的材料例如环氧类粘接剂作为填充材料3，使得在填充材料3和粘接剂5都能使用，从而可以削减构成部件。

[保护元件的使用方法]

本发明的一实施方式所涉及的保护元件10通过适当地构成内部元件8的电路，能够用作为内置锂离子二次电池的过电压保护功能的保护元件。

如图4A及图4B所示，保护元件10具备：基板1；层叠在基板1并被绝缘部件15覆盖的发热体14；形成在基板1的两端的电极2a（A1）、2a（A2）；在绝缘部件15上以与发热体14重叠的方式层叠的发热体引出电极16；以及两端分别与电极2a（A1）、2a（A2）连接并且中央部与发热体引出电极16连接的可熔导体13。

发热体14是电阻值较高且通电时发热的具有导电性的部件，例如由W、Mo、Ru等构成。将它们的合金或者组成物、化合物的粉状体与树脂粘合剂等混合，做成膏状后利用丝网印刷技术图案形成在基板1上，再经烧成等而形成。

可熔导体13为在既定电力、热下熔化并熔断的导电性的材料即可，能够使用例如BiSn合金、BiPb合金、BiSn合金、SnPb合金、PbIn合金、ZnAl合金、InSn合金、PbAgSn合金等。

如图5所示，上述的保护元件10能用于锂离子二次电池的电池组内的电路。

例如，保护元件10能够装入具有由合计4个的锂离子二次电池的电池单元21～24构成的电池堆栈25的电池组20而使用。

电池组20具备：电池堆栈25；控制电池堆栈25的充放电的充放电控制电路30；保护电池堆栈25和充放电控制电路30的适用本发明的保护元件10；检测各电池单元21～24的电压的检测电路26；以及响应检测电路26的检测结果而控制保护元件10的动作的电流控制元件27。

电池堆栈25串联连接了需要用于保护过充电及过放电状态的控制的电池单元21～24，经由电池组20的正极端子20a、负极端子20b而可装卸地连接在充电装置35，被施加来自充电装置35的充电电压。将利用充电装置35来充电的电池组20的正极端子20a、负极端子20b连接在用电池动作的电子设备，从而能够使该电子设备动作。

充放电控制电路30具备：在从电池堆栈25流过充电装置35的电流路径串联连接的两个电流控制元件31、32；以及控制这些电流控制元件31、32的动作的控制部33。电流控制元件31、32例如由场效应晶体管（以下，称为FET。）构成，利用控制部33来控制栅极电压，从而控制电池堆栈25的电流路径的导通和截断。控制部33从充电装置35接受电力供给而动作，响应检测电路26的检测结果而以在电池堆栈25为过放电或过充电时截断电流路径的方式控制电流控制元件31、32的动作。

保护元件10例如连接在电池堆栈25与充放电控制电路30之间的充放电电流路径上，其动作受电流控制元件27控制。

检测电路26与各电池单元21～24连接，检测各电池单元21～24的电压值，并将各电压值供给充放电控制电路30的控制部33。另外，检测电路26在任意一个电池单元21～24成为过充电电压或过放电电压时输出控制电流控制元件27的控制信号。

电流控制元件27根据从检测电路26输出的检测信号，当电池单元21～24的电压值成为超过既定过放电或过充电状态的电压时，使保护元件10动作，以使电池堆栈25的充放电电流路径不依赖于电流控制元件31、32的开关动作而截断的方式进行控制。

在如以上那样的结构构成的电池组20中，对于保护元件10的结构进行具体说明。

首先，适用本发明的保护元件10，具有例如图6所示那样的电路结构。即，保护元件10是由经由发热体引出电极16串联连接的可熔导体13和经由可熔导体13的连接点而通电并发热从而熔化可熔导体13的发热体14构成的电路结构。另外，保护元件10中，例如，可熔导体13串联连接在充放电电流路径上，发热体14的一个端子（P2）与电流控制元件27连接。保护元件10的2个电极2a、2a之中，一个与A1连接，另一个与A2连接。另外，发热体引出电极2a及发热体14的一个与P1连接，另一个发热体14通过发热体引出电极2a而与P2连接。

这样，锂离子二次电池的电池组中，对发热体14进行通电而使之发热，从而熔断可熔导体13。本发明所涉及的保护元件10中，基板1和盖部件6的密合性得到提高，从而能够防止可熔导体13表面的氧化，因此能够减少可熔导体13的熔断特性的偏差。另外，用于上述的锂离子二次电池的保护用途的保护元件10中，通过提高基板1和盖部件6的密合性，能够减少加热时的散热，从而能够减少盖部件6内部的每个温度上升的个体的偏差。因此，能够进一步减少熔断特性的偏差，从而能够有助于提高可靠性。

[实施例]

[粘接强度]

＜实施例＞

构成图1及图2所示的、由基板1、填充材料3、粘接剂5、内部元件8和盖部件6组成的保护元件10，并实施了从基板1揭开盖部件6的揭开实验。

＜比较例＞

对于图9A所示的按照现有技术的不使用填充材料3的保护元件（搭载与实施例相同的内部元件），在与实施例相同的条件下，实施从基板1揭开盖部件6的揭开实验。

＜结果＞

如图7所示，与按照现有技术的保护元件相比，适合本发明的保护元件10中，粘接强度会成为大致2倍。本发明的保护元件10对填充材料3的部分也涂敷粘接剂5，从而增加粘接面积，显示能实现较高的粘接强度。

[密封性]

＜实施例＞

构成图1及图2所示的、由基板1、填充材料3、粘接剂5、内部元件8和盖部件6组成的保护元件10，投入水中确认有无气泡。

另外，测定了高温高湿保管实施前后的动作时间（可熔导体的熔断时间）的偏差。

＜比较例＞

对于图9A所示的按照现有技术的不使用填充材料3的保护元件（搭载与实施例相同的内部元件），在与实施例相同的条件下，投入水中而确认了有无气泡。

另外，测定了高温高湿保管实施前后的动作时间（可熔导体的熔断时间）的偏差。

＜结果＞

适用本发明的保护元件10中，未观测到水中投入时的气泡发生，而按照现有技术的保护元件中，观测到了气泡发生。

另外，如图8所示，适用本发明的保护元件10中，高温高湿保管实施前后的动作时间上几乎观察不到变化，而按照现有技术的保护元件中不仅动作时间的偏差变大，而且形成在基板1上的可熔导体的表面出现氧化，并且动作时间变长。

本发明的保护元件10中，相对于盖部件6，填充材料3以堵住通孔电极2a的凹部2的方式埋入，因此提高基板1与盖部件6的密封性，显示提高了可靠性。

标号说明

1　基板；2　凹部；2a、2a（A1）、2a（A2）　通孔电极；3　填充材料；5　粘接剂；6　盖部件；7　内表面；8　内部元件；10　保护元件；13　可熔导体；14　发热体；15　绝缘部件；16　发热体引出电极；18　发热体引出电极；20　电池组；20a　正极端子；20b　负极端子；21～24　电池单元；25　电池堆栈；26　检测电路；27、31、32　电流控制元件；30　充放电控制电路；33　控制部；35　充电装置。

Claims (7)

1.一种保护元件，其特征在于，包括：

基板，在至少一个侧面具有形成通孔电极的凹部；

可熔导体，形成在所述基板上，因电流或温度而熔化，从而截断电路；以及

盖部件，以覆盖所述可熔导体的方式安装于所述基板，

所述盖部件经由填充材料安装于该基板，所述填充材料填充在当安装于所述基板时产生的该盖部件与所述凹部的间隙。

2.如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

所述填充材料填充在所述基板的安装所述盖部件的整个部分。

3.如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

所述基板、所述盖部件及所述填充材料由绝缘性的材质构成。

4.如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

所述填充材料包含固定所述基板和所述盖部件的粘接剂。

5.如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

在所述填充材料与盖部件间还具备固定所述基板和所述盖部件的粘接剂层。

6.如权利要求1～5任一项所述的保护元件，其特征在于，还包括：

发热体，形成在所述基板上；

绝缘部件，以至少覆盖所述发热体的方式形成在所述基板上；

两个电极，层叠在形成所述绝缘部件的所述基板；以及

发热体引出电极，以与所述发热体重叠的方式形成在所述绝缘部件上，与所述两个电极间的电流路径上和该发热体电连接，

所述可熔导体经由所述发热体引出电极并遍及所述两个电极而形成。

7.一种电子设备，具备保护元件，该保护元件包括：基板，在至少一个侧面具有形成通孔侧面电极的凹部；可熔导体，形成在所述基板上，因流过电流而发热，从而截断电路；以及盖部件，以覆盖所述可熔导体的方式安装于所述基板，所述盖部件经由填充材料安装于该基板，所述填充材料填充在当安装于所述基板时产生的该盖部件与所述凹部的间隙。