JP2002075151A

JP2002075151A - 保護素子

Info

Publication number: JP2002075151A
Application number: JP2000261747A
Authority: JP
Inventors: Shinya Terao; 慎也寺尾
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】保護回路動作時に発熱体に電圧が印加された際
に、発熱体の加熱によって低融点金属からなる配線層が
溶断するに必要な温度に達するまでの時間を短縮すると
ともに、他の回路に支障を来すことなく、且つ素子の再
生率の高い保護素子を提供する。【解決手段】絶縁基板１の表面に形成された発熱体２の
表面に絶縁層５を被覆してなり、発熱体２から発生した
熱によって絶縁層５の表面に形成される低融点金属から
なる配線層６を溶断する保護素子Ａにおいて、絶縁基板
１を熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下のムライト質焼結体
によって形成するとともに、発熱体２をタングステン
（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはレニウム（Ｒｅ）
の群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする導体に
よって形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム電池等の
過充電を防止するために用いられる保護回路の形成に適
し、所定の回路基板の表面に実装して用いられる保護素
子に関するものである。

【０００２】

【従来技術】近年、パーソナルコンピュータや携帯端末
などに欠かせない、高エネルギー密度の二次電池として
注目されているリチウムイオン電池では、過充電により
電極表面にデンドライトが生成し、電池性能が大きく損
なわれる傾向がある。

【０００３】そこで、充電時に電池が所定電圧以上に充
電されることを防止する必要であり、従来の電流ヒュー
ズやＰＴＣ素子の他に、過電圧により動作する保護素子
が求められるようになっている。

【０００４】そのような保護素子としては、所定の絶縁
基板上に、ＰＴＣ素子と低融点金属体とを直列に配置
し、かつそのＰＴＣ素子または低融点金属体に近接して
発熱体を設けた保護素子が提案されている（特開平８−
２３６３０５号参照）。

【０００５】前述の保護素子に設けられた低融点金属か
らなる配線層を溶断するための発熱体および絶縁基板と
しては、発熱時に発火の危険性がなく、使用上の安全性
が高いことより、絶縁基板としてセラミック絶縁基板
を、また発熱体として無機系抵抗ペーストを用いること
が推奨されている。

【０００６】そこで、従来より、絶縁基板としてアルミ
ナセラミック基板を用い、これに酸化ルテニウム系抵抗
ペーストを用いて発熱体を形成したものが多用されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アルミ
ナセラミック基板は、熱伝導率が約２０Ｗ／ｍ・ｋと高
く、保護回路動作時に低融点金属からなる配線層を溶断
するために発熱体に電圧が印加された際、発熱体から発
生した熱が絶縁基板に取られ、低融点金属体を溶断する
に必要な温度に達するのに時間がかかるという問題があ
った。また、発熱体形成部以外の部位までもが高温にな
ってしまうために、素子内に設けられた他の回路に支障
をきたし、保護素子の再生が出来なくなるという問題が
あった。

【０００８】本発明は、前記課題に鑑み成されたもの
で、その目的は保護回路動作時に発熱体に電圧が印加さ
れた際に、発熱体の加熱によって低融点金属からなる配
線層が溶断するに必要な温度に達するまでの時間を短縮
するとともに、他の回路に支障を来すことなく、且つ素
子の再生率の高い保護素子を提供することを目的とする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
に対して種々検討を重ねた結果、絶縁基板と、該絶縁基
板の表面に形成された発熱体と、該発熱体の表面に形成
された絶縁層とを具備してなり、前記発熱体から発生し
た熱によって前記絶縁層の表面に形成される低融点金属
からなる配線層を溶断する保護素子において、前記絶縁
基板をムライト質焼結体によって形成するとともに、前
記発熱体をタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）あ
るいはレニウム（Ｒｅ）の群から選ばれる少なくとも１
種を主成分とする導体材料によって形成することによっ
て、発熱体から発生した熱が絶縁基板で拡散することを
抑え、低融点金属からなる配線層を溶断するに必要な温
度に達するまでの時間を短縮することができる。

【００１０】また、発熱体として、ムライト質焼結体か
ら成る絶縁基板と同時焼結により取着一体化できるタン
グステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはレニウム
（Ｒｅ）を主成分とする高融点金属を用いることによ
り、保護素子の形成を容易に行なうことができる。

【００１１】また、この発熱体の抵抗温度係数が２４０
０ｐｐｍ／℃以下であることが昇温速度を高める上で望
ましい。

【００１２】また、前記絶縁基板の裏面に、他の回路と
接続するための一対の接続端子を有することによって、
他のあらゆる回路に保護素子を取り付けることが可能と
なる。その場合、前記発熱体および前記低融点金属から
なる配線層が、前記一対の接続端子に対して並列に接続
されてなることが望ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の保護素子の一例の（ａ）
概略平面図と（ｂ）概略断面図とを図１に示した。図１
の保護素子Ａにおいて、１は絶縁基板、２は発熱体、３
は発熱体用の電極、４は低融点金属用電極、５は発熱体
を覆う絶縁層、６は低融点金属からなる配線層である。

【００１４】図１の保護素子Ａによれば、絶縁基板１の
表面には、発熱体２および絶縁層５が順次形成されてお
り、さらには、その絶縁層５の表面には低融点金属から
なる配線層６が形成されている。

【００１５】発熱体２の端部および配線層６の各端部に
は、それぞれ一対の発熱体用電極３と低融点金属用電極
４が形成されており、この電極を通じて発熱体２および
配線層６に電流が印加される。

【００１６】かかる保護素子Ａにおいては、電極３を通
じて過電圧が印加された場合、発熱体２が発熱し、その
発熱した熱によって絶縁層５の表面に形成された配線層
６が溶断して配線層６は電気的に切断され、過電圧から
回路を保護することができる。

【００１７】また、この保護素子Ａにおける絶縁基板１
の裏面には、この保護素子Ａを回路基板などの他の回路
に実装するための一対の接続端子７が設けられており、
この接続端子７によって保護素子Ａを回路基板表面に対
して半田などのロウ剤によって実装して用いることがで
きる。

【００１８】この接続端子７は、絶縁基板１内に設けら
れた垂直導体８や、絶縁基板１の側面に形成された導体
帯（図示せず）等によって一対の発熱体用電極３および
低融点金属用電極４と並列に接続されている。

【００１９】なお、この絶縁基板１の裏面における接続
端子７は、必ずしも一対のみならず、前記一対の発熱体
用電極３に接続される一対の接続端子と、低融点金属用
電極４に接続される他の一対の接続端子を設け、４つの
接続端子を設けることができる。

【００２０】さらには、発熱体用電極３と、低融点金属
用電極４とは、その一方の電極を共有とし、また絶縁基
板１の裏面の接続端子７も一方の電極を共有化すること
も可能である。

【００２１】本発明の保護素子Ａによれば、絶縁基板１
がムライト質焼結体からなることが重要である。このム
ライト質焼結体は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下と従
来のアルミナ質焼結体（熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）
に比較して熱伝導率が非常に低いために、発熱体に過電
圧が印加された際、発熱体の熱の絶縁基板１内への拡散
を抑制し、熱を低融点金属からなる配線層６に集中的に
加熱できる結果、低融点金属からなる配線層６が溶断す
る温度に達するまでの時間を短縮し、保護素子Ａの応答
性を高めることが出来る。

【００２２】このムライト質焼結体は、例えばムライト
（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）粉末に、アルミナ粉末、酸
化珪素粉末、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の助
剤成分を加え、さらに適当な有機バインダー、有機溶
剤、可塑剤、分散剤等を添加混合して泥漿状となすとと
もに該泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレン
ダーロール法等のシート成形法を採用してシート状とな
すことによりセラミックグリーンシートを得、１５００
〜１６００℃の温度で焼成することによって、熱伝導率
が約１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下のムライト質焼結体を得ること
ができる。

【００２３】なお、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下のセ
ラミック焼結体としては、ムライト質焼結体以外に、ホ
ウ珪酸系ガラス、アルカリ珪酸系ガラス、バリウム珪酸
系ガラスなどのガラス粉末、または前記ガラス粉末にア
ルミナ、シリカ（石英、石英ガラス、クリストバライ
ト）、ムライト、ＡｌＮなどのセラミックフィラー粉末
を５〜９０重量％の割合で添加した組成物を成形後、１
０００℃以下にて焼成してなる、いわゆるガラスセラミ
ック焼結体も挙げられる。

【００２４】しかしながら、ガラスセラミック焼結体の
熱伝導率は約２Ｗ／ｍ・ｋと小さいが、曲げ強度が低
く、急速昇温した際に熱衝撃に耐えらないおそれがあ
る。そのために、絶縁基板の抗折強度は２５０ＭＰａ以
上であることが望ましい。かかる強度の観点からはムラ
イト質焼結体は３００ＭＰａ以上の強度を有することか
ら特に好適に用いられる。

【００２５】一方、絶縁基板１の表面に形成される発熱
体２は、高融点金属であるＷ、ＭｏおよびＲｅの群から
選ばれる少なくとも１種を主成分とする導体材料に有機
バインダー、有機溶媒、可塑剤等を添加混合して得た導
体ペーストを絶縁基板１となるセラミックグリーンシー
トに予め所定パターンに印刷塗布しておくことによって
絶縁基板１に形成することが望ましい。

【００２６】また、この発熱体２は、電圧が印加された
際の初期電力を低減させないために、発熱体の抵抗温度
係数が小さいことが望ましく、Ｗ、ＭｏおよびＲｅの群
から選ばれる少なくとも２種を混合し、抵抗温度係数を
小さくするのが良い。特に抵抗温度係数を２４００ｐｐ
ｍ／℃以下とすることが、保護素子の昇温時間を短縮さ
せるのに好適である。

【００２７】さらに、発熱体２の抵抗の調整には、ムラ
イトやアルミナ等のセラミック粉末を添加することによ
り任意の抵抗値に調整することができるが、特に抵抗値
は０．１×１０^-3〜３×１０^-3Ω・ｃｍが望ましい。

【００２８】また、発熱体用電極３および低融点金属用
電極４は、前述の発熱体２と同様の方法で絶縁基板１表
面に形成することができる。発熱体用電極３の組成は発
熱体２の組成と同様であっても発熱体の組成と異なって
いても構わない。発熱体用電極３および低融点金属用電
極４には、部品の実装方法に応じて、表面にＣｕ、Ｎ
ｉ、Ａｕ等のめっきが施される。

【００２９】また、発熱体２を覆う絶縁層５は、絶縁体
であって発熱体２や絶縁基板１に悪影響を及ぼさなけれ
ば、あらゆるものでも使用できるが、特に、絶縁基板１
と同一の材質のセラミック材料を用いれば、前記発熱体
２を絶縁基板１の内部に埋設した形態の保護素子を形成
することもできる。つまり、絶縁基板１を形成するため
のグリーンシートの表面に発熱体を形成する導体ペース
トを印刷した後、グリーンシートと同一組成のグリーン
シートまたは泥漿を塗布した後、焼成することによって
絶縁基板１、発熱体２および絶縁層５を同時焼成によっ
て形成することができる。

【００３０】さらに、本発明の保護素子Ａによれば、絶
縁層５の表面に低融点金属、特に融点が３００℃以下の
金属からなる配線層６が形成される。このような低融点
金属としては、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｐｂ−
Ａｇの群から選ばれる少なくとも１種の半田が好適に用
いられる。この配線層６は、例えば、上記のようにして
焼成によって作製された絶縁層５の表面に、上記低融点
金属を印刷塗布後、１５０〜３００℃で熱処理して形成
することができる。この低融点金属としては、特に融点
が２５０℃以下のＳｎ−Ｐｂからなることが望ましい。

【００３１】本発明は上述の例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更
は可能である。例えば、この保護素子中には、発熱体以
外に、ＩＣやＦＥＴなどの他の回路素子を実装すること
もできるが、本発明の保護素子によれば、絶縁基板とし
て低熱伝導性のセラミック焼結体によって形成している
ために、それらの他の回路素子に損傷を与えることが低
減される結果、低融点金属からなる配線層を溶断した使
用済の保護素子に対して、再度、絶縁層の表面に低融点
金属からなる配線層を形成することによって再度、保護
素子として再生して利用することができる。

【００３２】

【実施例】次に、本発明の保護素子を以下に詳述するよ
うにして評価した。（評価用保護素子Ａの作製）先ず、ムライト粉末に、Ｓ
ｉＯ₂７重量％、ＭｇＯ１重量％、ＣａＯ１重量％の割
合でそれぞれ添加混合した原料粉末に、アクリル系の有
機性バインダーと可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿を調
製し、該泥漿をドクターブレード法により厚さ約６００
μｍのムライトグリーンシートを作製した。

【００３３】また、アルミナ粉末に、ＳｉＯ₂７重量
％、ＭｇＯ１．５重量％、ＣａＯを１．５重量％の割合
でそれぞれ添加混合した原料粉末に、アクリル系の有機
性バインダーと可塑剤、有機溶剤を添加混合して泥漿を
調製し、該泥しょうをドクターブレード法により厚さ約
６００μｍのアルミナグリーンシートを作製した。

【００３４】次に、発熱体用の導体ペーストとして、平
均粒径が１〜３μｍの範囲内で純度が９９．９％以上の
タングステン粉末、平均粒径が０．５〜５μｍの範囲内
で純度が９９．９％以上のモリブデン粉末あるいは０．
５〜３μｍの範囲内で純度が９９．９％以上のレニウム
粉末にセルロース系あるいはアクリル系の有機樹脂成分
と可塑剤や有機溶媒から成るバインダーを添加し、ポッ
トミルにて粉砕混合した後、３本ローラーミル等で混練
し、更に所定の粘度に有機溶媒で調製して導体ペースト
を作製した。また、前記発熱体用の導体ペーストは所定
の比率にてタングステン粉末、モリブデン粉末、レニウ
ム粉末を混合することにより、抵抗体の抵抗温度係数を
種々変化させた。

【００３５】かくして得られた各発熱体用の導体ペース
トを前記のムライトグリーンシートおよびアルミナグリ
ーンシート上にスクリーン印刷等にて印刷塗布し、厚み
が１０μｍ〜２５μｍの所定の発熱体パターンを印刷塗
布した。また、発熱体用電極はタングステンを主体とし
た導体ペーストにより、発熱体パターン形成と同様の方
法にて、印刷塗布した。

【００３６】その後、抵抗体パターン上に、ムライトグ
リーンシートあるいはアルミナグリーンシートと同じ組
成のコーティングペーストを作製し、スクリーン印刷等
にて１５μｍ〜４０μｍの絶縁層を印刷塗布した。

【００３７】そして、このセラミックグリーンシートを
所定の大きさに切断し、約１６００℃の還元（水素＋窒
素）雰囲気中にて焼成することによって、発熱体の抵抗
値が４Ωの５ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍの評価用保護素
子Ａを得た。

【００３８】また、外部リードとの半田付けが容易に出
来るよう前記評価用保護素子Ａの接続端子にＮｉめっき
を施した。（評価用保護素子Ａの作製）次に、既にアルミナグリー
ンシート、ムライトグリーンシートおよびガラスセラミ
ックグリーンシートを焼成して得たアルミナ基板、ムラ
イト基板およびガラスセラミック基板上に、Ａｇペース
トを用いて発熱体用電極パターンを印刷塗布した後、酸
化ルテニウム系抵抗ペーストにて所定の発熱体パターン
を印刷塗布し、９００℃の酸化雰囲気中で１０分間焼成
して抵抗値４Ω・ｃｍの発熱体を形成した。

【００３９】その後、発熱体パターン上にホウ珪酸亜鉛
ガラスのペーストを印刷塗布し、６００℃の酸化雰囲気
中にて１０分間焼成することにより、絶縁層を形成する
ことにより、評価用保護素子Ｂを得た。（評価方法）かくして得られた評価用保護素子Ａ，Ｂの
発熱体用電極に外部リード線を半田にて接合し、外部リ
ード線を直流電源に接続して、４Ｖの電圧を印加した際
の発熱体形成部の温度をサーモグラフィーにて測定し、
２５０℃に達するまでの時間を確認した。また、昇温時
試験後の保護素子の外観を倍率４０倍の双眼にて観察
し、クラックの有無を確認した。

【００４０】さらに長期信頼性評価として、この評価用
保護素子を用いて液相冷熱サイクル（−６５℃、１５０
℃、各温度にて５分保持を１サイクルとする）試験を行
い、１０００サイクル後の各種発熱体の抵抗変化率
（（Ｒ₂−Ｒ₁）／Ｒ₁×１００：単位（％）、Ｒ₁：初期
抵抗値、Ｒ₂：試験後の抵抗値）を測定し、抵抗変化率
が５％以下のものを合格、５％より大きいものを不可と
した。

【００４１】

【表１】

【００４２】表１に示すように、本発明の範囲内におい
ては、発熱部の昇温時間が短く、昇温時に保護素子にク
ラック等の不具合も認められない。さらに、液槽冷熱サ
イクル試験においても発熱体の抵抗値変化も認められ
ず、信頼性の高い保護素子となっている事がわかる。

【００４３】また、発熱体にタングステン、モリブデン
およびレニウムを２種以上混合し、抵抗温度係数を小さ
くした導電性ペーストを用いたものは昇温時間が短く、
特に抵抗温度係数を２４００ｐｐｍ／℃以下とする良い
ことがわかる。

【００４４】試料番号１３、１４、１５、１７のように
絶縁基板をアルミナ質焼結体によって作製したものは、
クラック等の不具合はないものの昇温時間が長いことが
わかる。また、ガラスセラミックスを用いた試料Ｎｏ．
１８では、昇温中にクラックが発生しており、使用上の
安全性に問題がある。また、試料Ｎｏ．１６のムライト
基板および試料Ｎｏ．１８のガラスセラミック基板を用
いて酸化ルテニウム系抵抗ペーストにて発熱体を形成し
たものは、液槽冷熱サイクル試験において、発熱体の抵
抗値が大きく変化しているため、長期信頼性に劣ること
がわかる。

【００４５】

【発明の効果】本発明の保護素子によれば、基板に熱伝
導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるムライト質焼結体から
成る絶縁基板を用いることにより、発熱体に電圧が印加
された際、発熱体の熱が基板に拡散することを抑え、低
融点金属からなる配線層を溶断するに必要な温度に達す
るまでの時間を短縮できるとともに、発熱体にムライト
質セラミック焼結体から成る絶縁基板と同時焼結により
取着一体化出来るタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）あるいはレニウム（Ｒｅ）を主成分とする高融点金
属を用いることにより保護素子をさらに小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の保護素子の一実施例を示す（ａ）平面
図および（ｂ）Ｘ−Ｘ’断面図である

【符号の説明】

Ａ保護素子１絶縁基板２発熱体３発熱体用電極４低融点金属用電極５絶縁層６低融点金属からなる配線層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板と、該絶縁基板の表面に形成され
た発熱体と、該発熱体の表面に形成された絶縁層とを具
備してなり、前記発熱体から発生した熱によって前記絶
縁層の表面に形成される低融点金属からなる配線層を溶
断する保護素子において、前記絶縁基板がムライト質焼
結体からなるとともに、前記発熱体がタングステン
（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはレニウム（Ｒｅ）
の群から選ばれる少なくとも１種を主成分とすることを
特徴とする保護素子。
【請求項２】発熱体の抵抗温度係数が２４００ｐｐｍ／
℃以下であることを特徴とする請求項１または請求項２
記載の保護素子。
【請求項３】前記絶縁基板の裏面に、他の回路と接続す
るための一対の接続端子を有することを特徴とする請求
項１記載の保護素子。
【請求項４】前記発熱体および前記低融点金属からなる
配線層が、前記一対の接続端子に対して並列に接続され
てなることを特徴とする請求項３記載の保護素子。