JP2004214033A

JP2004214033A - 保護素子

Info

Publication number: JP2004214033A
Application number: JP2002382569A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kouchi; 裕治古内
Original assignee: Sony Chemicals Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29
Also published as: TW200414254A; WO2004061886A1; CN101090046B; HK1086666A1; TWI255481B; US20060028314A1; HK1114943A1; CN1732546A; CN101090046A; US7286037B2; CN100361250C; KR20050088326A; KR100783997B1

Abstract

【課題】基板上に発熱体と低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が加熱されて溶断する保護素子において、低融点金属体の加熱溶融時の球状分断化性能を向上させる。
【解決手段】基板２上に発熱体６と低融点金属体４を有し、発熱体６の発熱により低融点金属体４が溶断する保護素子１Ａにおいて、低融点金属体４が下地（例えば、絶縁層５）から浮いている領域を有し、該領域を挟む一対の低融点金属体用電極３ａと３ｂ、３ｂと３ｃにおける低融点金属体４の横断面の面積をＳ（μｍ^２）、前記浮いている領域の浮きの高さをＨ（μｍ）とした場合に、
Ｈ／Ｓ≧５×１０^−５
とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異常時に発熱体に通電されるようにすることにより発熱体が発熱し、低融点金属体が溶断する保護素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、過電流を遮断する保護素子として、鉛、スズ、アンチモン等の低融点金属体からなる電流ヒューズが広く知られている。
【０００３】
また、過電流だけでなく過電圧も防止するために使用できる保護素子として、基板上に発熱体と絶縁層と低融点金属体を順次積層し、過電圧時に発熱体が発熱し、それにより低融点金属体が溶断するようにした保護素子が知られている（特許文献１等）。
【０００４】
しかしながら、このような保護素子に対しては、絶縁層をスクリーン印刷により形成した場合に、絶縁層の表面にスクリーン印刷のメッシュに起因する凹凸が形成され、その凹凸のために、絶縁層上に積層されている低融点金属体の加熱時の円滑な球状化分断が妨げられるという問題点が指摘されている。そしてこの問題点に対しては、発熱体と低融点金属体とを絶縁層を介して積層することなく、基板上で平面的に配置することが提案されている（特許文献２、特許文献３）。
【０００５】
しかし、発熱体を低融点金属体とを平面的に配置すると、素子のコンパクト化を図れない。また、この場合でも低融点金属体は、基板上にベタに接するように設けられるので、基板が、加熱溶融状態にある低融点金属体の流動抵抗となることは避けられず、低融点金属体の円滑な球状分断化が保証されるとはいえない。
【０００６】
【特許文献１】特許２７９０４３３号
【特許文献２】特開平１０−１１６５４９号
【特許文献３】特開平１０−１１６５５０号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、基板上に発熱体と低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が加熱されて溶断する保護素子において、低融点金属体が加熱溶融時に確実に球状分断化されるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、基板上で、低融点金属体と接続する電極間で該低融点金属体を浮かせ、かつその場合の浮きの高さＨと低融点金属体の横断面の面積Ｓに一定の関係をもたせると、低融点金属体の加熱溶融時の球状分断化性能が向上することを見出した。
【０００９】
即ち、本発明は、基板上に発熱体と低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子において、低融点金属体が下地から浮いている領域を有し、該領域を挟む一対の低融点金属体用電極間における低融点金属体の横断面の面積をＳ（μｍ^２）、前記浮いている領域の浮きの高さをＨ（μｍ）とした場合に、
Ｈ／Ｓ≧５×１０^−５
であることを特徴とする保護素子を提供する。
【００１０】
ここで、低融点金属体の横断面とは、該低融点金属体を流れる電流の方向と垂直な低融点金属体の断面をいう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は、同一又は同等の構成要素を表している。
【００１２】
図１は、本発明の一態様の保護素子１Ａの平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ）、（ｃ））である。
【００１３】
この保護素子１Ａは、基板２上に発熱体６、絶縁層５及び低融点金属体４が順次積層された構造を有している。ここで、低融点金属体４は、その両端の低融点金属体用電極３ａ、３ｃと中央部の低融点金属体用電極３ｂとに接続している。これら電極３ａ、３ｂ、３ｃの上面はいずれも、低融点金属体４の下地となっている絶縁層５の上面よりも突出しているため、低融点金属体４はその下地の絶縁層５に接することなく浮いている。
【００１４】
この保護素子１Ａは、一対の低融点金属体用電極３ａ、３ｂ、あるいは電極３ｂ、３ｃの間の低融点金属体４の横断面の面積（図１（ｃ）で、二重線のハッチングをふした部分：Ｗ×ｔ）をＳ（μｍ^２）、浮いている領域の浮きの高さをＨ（μｍ）とした場合に、Ｈ／Ｓ≧５×１０^−５であることを特徴としている。
【００１５】
これにより、発熱体６の発熱により低融点金属体４が加熱され、溶融状態となった場合に、低融点金属体４は、下地の絶縁層５あるいは基板２等の表面性状によらず、確実に球状分断化する。
【００１６】
この保護素子１Ａは、図２に示すように製造される。まず基板２上に発熱体６用の電極（所謂、枕電極）３ｘ、３ｙを形成し（同図（ａ））、次いで、発熱体６を形成する（同図（ｂ））。この発熱体６は、例えば、酸化ルテニウム系ペーストを印刷し、焼成することにより形成する。次に、必要に応じて、発熱体６の抵抗値の調節のため、エキシマレーザー等で発熱体６にトリーミングを形成した後、発熱体６を覆うように絶縁層５を形成する（同図（ｃ））。次に、低融点金属体用電極３ａ、３ｂ、３ｃを形成し（同図（ｄ））、この電極３ａ、３ｂ、３ｃに橋かけするように低融点金属体４を設ける（同図（ｅ））。
【００１７】
ここで、基板２、電極３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｘ、３ｙ、発熱体６、絶縁層５、低融点金属体４の形成素材やそれ自体の形成方法は従来例と同様とすることができる。したがって、例えば、基板２としては、プラスチックフィルム、ガラスエポキシ基板、セラミック基板、金属基板等を使用することができ、好ましくは、無機系基板を使用する。
【００１８】
発熱体６は、例えば、酸化ルテニウム、カーボンブラック等の導電材料と水ガラス等の無機系バインダあるいは熱硬化性樹脂等の有機系バインダからなる抵抗ペーストを塗布し、必要に応じて焼成することにより形成できる。また、発熱体６は、酸化ルテニウム、カーボンブラック等の薄膜を印刷、メッキ、蒸着、スパッタ等により形成してもよく、これらのフィルムの貼付、積層等により形成してもよい。
【００１９】
低融点金属体４の形成材料としては、従来よりヒューズ材料として使用されている種々の低融点金属体を使用することができ、例えば、特開平８−１６１９９０号公報の段落［００１９］の表１に記載の合金を使用することができる。
【００２０】
低融点金属体用電極３ａ、３ｂ、３ｃとしては、銅等の金属単体、あるいは表面がＡｇ−Ｐｔ、Ａｕ等でメッキされている電極を使用することができる。
【００２１】
図１の保護素子１Ａの使用方法としては、例えば、図３示すように、過電圧防止装置で用いられる。図３の過電圧防止装置おいて、端子Ａ１、Ａ２には、例えばリチウムイオン電池等の被保護装置の電極端子が接続され、端子Ｂ１、Ｂ２には、被保護装置に接続して使用される充電器等の装置の電極端子が接続される。この過電圧防止装置によれば、リチウムイオン電池の充電が進行し、ツエナダイオードＤに降伏電圧以上の逆電圧が印加されると、急激にベース電流ｉｂが流れ、それにより大きなコレクタ電流ｉｃが発熱体６に流れ、発熱体６が発熱する。この熱が、発熱体６上の低融点金属体４に伝達し、低融点金属体４が溶断し、端子Ａ１、Ａ２に過電圧の印加されることが防止される。この場合、低融点金属体４は４ａと４ｂの２カ所で溶断されるので、溶断後には、発熱体６への通電が完全に遮断される。
【００２２】
本発明の保護素子は、この他種々の態様をとることができる。例えば、一対の低融点金属体用電極の上面間に段差を設け、この一対の低融点金属体用電極に接続する低融点金属体を、これらの電極間で傾斜させてもよい。
【００２３】
図４の保護素子１Ｂは、このような保護素子の一例であって、中間の電極３ｂの上面を両端の電極３ａ、３ｃの上面よりも突出させ、電極３ａ、３ｂ、３ｃに掛かる低融点金属体４を、保護素子１Ｂの上面側に凸となるように傾斜させたものである。この場合、中間の電極３ｂの上面と両側の電極３ａ、３ｃの上面との段差によって定まる浮きの高さＨ（μｍ）と、低融点金属体の横断面の面積Ｓ（μｍ^２）とが、Ｈ／Ｓ≧５×１０^−５の関係を満たすようにする。低融点金属体４を傾斜させて浮かせることにより、加熱溶融時の球状分断化をより確実に生じさせることができる。
【００２４】
図５の保護素子１Ｃは、中間の電極３ｂの上面が両端の電極３ａ、３ｂの上面よりも低くなるように形成し、電極３ａ、３ｂ、３ｃに掛かる低融点金属体４を、保護素子の下面側に凸となるように傾斜させたものである。この場合にも、中間の電極３ｂの上面と両側の電極３ａ、３ｃの上面との段差によって定まる浮きの高さＨ（μｍ）と、低融点金属体の横断面の面積Ｓ（μｍ^２）とが、Ｈ／Ｓ≧５×１０^−５の関係を満たすようにする。なお、この保護素子１Ｃのように、中間の電極３ｂの上面と絶縁層５の上面とが面一になるように形成するには、例えば、絶縁層５を形成するガラスペーストを印刷し、その上に電極３ｂを形成する導電ペーストを印刷し、さらにプレスしてこれらの印刷面を面一とし、その後に焼成処理をして絶縁層５と電極３ｂを形成すればよい。
【００２５】
図６の保護素子１Ｄは、中間の電極３ｂと両端の電極３ａ、３ｃとの間に、絶縁ガラス等からなるスペーサ７を設け、そのスペーサ７上に低融点金属体４を形成し、それにより低融点金属体４が浮くようにしたものである。この場合、スペーサ７の上面と中間の電極３ｂの上面あるいは両側の電極３ａ、３ｃの上面との高さの差によって定まる浮きの高さＨ（μｍ）と、低融点金属体４の横断面の面積Ｓ（μｍ^２）とが、Ｈ／Ｓ≧５×１０^−５の関係を満たすようにする。
【００２６】
なお、上述した保護素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄにおいては、低融点金属４が電極３ａ、３ｂ間、電極３ｂ、３ｃ間の全領域において浮いており、低融点金属体がその下方の絶縁層５と接していないが、本発明において低融点金属体４は、電極３ａ、３ｂ、３ｃと接する以外の全ての領域において、必ずしも浮いている必要はない。例えば、図７に示す保護素子１Ｅのように、低融点金属体４が両側の電極３ａ、３ｃの近傍で絶縁層５と接していてもよい。
【００２７】
また、図８に示す保護素子１Ｆのように、一つの保護素子の中に、低融点金属体４の高さの異なる浮き（高さＨ_１、Ｈ_２）がある場合、それぞれの浮きについて、上述の浮きの高さＨと低融点金属体の横断面の面積Ｓとの関係が満足されるようにする。
【００２８】
本発明の保護素子は、低融点金属体が、電極３ａと電極３ｂ、及び電極３ｂと電極３ｂという二対の電極間でそれぞれ溶断するものに限らず、その用途に応じて、一対の電極間でのみ溶断するように構成してもよい。例えば、図１０に示した回路図の過電圧防止装置で用いる保護素子は、図９に示す保護素子１Ｇのように、電極３ｂを省略した構成とすることができる。この保護素子１Ｇも、一対の電極間３ａ、３ｃに、高さＨの浮きを有する。
【００２９】
この他、本発明の保護素子において、個々の低融点金属体４の形状は平板状に限らない。例えば、丸棒状としてもよい。また、低融点金属体４は、発熱体６上に絶縁層５を介して積層する場合に限らない。低融点金属体と発熱体とを平面配置し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断するようにしてもよい。
【００３０】
本発明の保護素子をチップ化する場合、低融点金属体４の上には、４、６−ナイロン、液晶ポリマー等のキャップを被せることが好ましい。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３２】
実施例１
図１の保護素子１Ａを次のようにして作製した。基板２として、アルミナ系セラミック基板（厚さ０．５ｍｍ、大きさ５ｍｍ×３ｍｍ）を用意し、これに銀−パラジウムペースト（デュポン社製、６１７７Ｔ）を印刷し、焼成（８５０℃、０．５時間）することにより発熱体６用の電極３ｘ、３ｙ（厚さ１０μｍ、大きさ２．４ｍｍ×０．２ｍｍ）を形成した。
【００３３】
次に、酸化ルテニウム系ペースト（デュポン社製、ＤＰ１９００）を印刷し、焼成（８５０℃、０．５時間）することにより発熱体６（厚さ１０μｍ、大きさ２．４ｍｍ×１．６ｍｍ、パターン抵抗５Ω）を形成した。
【００３４】
その後、発熱体６上に絶縁ガラスペーストを印刷することにより絶縁層５（厚さ１５μｍ）を形成し、さらに、低融点金属体用の電極３ａ、３ｂ、３ｃ（大きさ２．２ｍｍ×０．７ｍｍ、３ａ、３ｃの厚さ２０μｍ、３ｂの厚さ１０μｍ）を、銀−白金ぺ−スト（デュポン社製、５１６４Ｎ）を印刷し、焼成（８５０℃、０．５時間）することにより形成した。この電極３ａ、３ｂ、３ｃに橋かけするように、低融点金属体４として半田箔（Ｓｎ：Ｓｂ＝９５：５、液相点２４０℃、厚さｔ＝１００μｍ、長さＬ＝４０００μｍ、幅Ｗ＝１０００μ０ｍｍ）を接続し、半田箔の浮きの高さＨが１０μｍ、半田箔の横断面の面積Ｓが１００μｍ×１０００μｍ＝１×１０^５ μｍ^２の保護素子１Ａを得た。
【００３５】
比較例１
実施例１の保護素子の製造方法において、電極３ａ、３ｂ、３ｃの焼成前にプレスすることにより電極３ａ、３ｂ、３ｃと絶縁層５とを平面化し、その上に半田箔を接続することにより、図１１に示すように、半田箔（低融点金属体４）に浮きのない保護素子１Ｘを作製した。
【００３６】
実施例２〜７、比較例２〜５
実施例１の保護素子の製造方法において、低融点金属体４の幅、厚み、電極３ａ、３ｂ、３ｃの印刷厚みを変えることにより、表１のように低融点金属体の浮きの高さＨと横断面の面積Ｓが異なる保護素子を作製した。
【００３７】
評価
実施例１〜７及び比較例１〜５の各保護素子の発熱体６に４Ｗを印加した場合において、発熱体６に電圧を印加してから低融点金属体４が溶断するまでの時間（動作時間）を測定し、動作時間が１５秒以内の場合を○、１５秒を超える場合を×と評価した。
【００３８】
結果を表１に示す。表１から、低融点金属体４に浮いた領域を設けることにより動作時間が短くなること、低融点金属体４の浮きの高さＨと横断面の面積Ｓの比Ｈ／Ｓが５×１０^−５以上の場合に、動作時間が１５秒以内となることがわかる。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に発熱体と低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が加熱されて溶断する保護素子において、低融点金属体の加熱溶融時に低融点金属体を確実に球状分断化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ）、（ｃ））である。
【図２】本発明の保護素子の製造工程図である。
【図３】過電圧防止装置の回路図である。
【図４】本発明の保護素子の断面図である。
【図５】本発明の保護素子の断面図である。
【図６】本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図７】本発明の保護素子の断面図である。
【図８】本発明の保護素子の断面図である。
【図９】本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図１０】過電圧防止装置の回路図である。
【図１１】比較例の保護素子の断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ…本発明の保護素子
２…基板
３ａ、３ｂ、３ｃ…低融点金属体用電極
３ｘ、３ｙ…発熱体用電極
４…低融点金属体
５…絶縁層
６…発熱体
７…スペーサ

Claims

基板上に発熱体と低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子において、低融点金属体が下地から浮いている領域を有し、該領域を挟む一対の低融点金属体用電極間における低融点金属体の横断面の面積をＳ（μｍ^２）、前記浮いている領域の浮きの高さをＨ（μｍ）とした場合に、
Ｈ／Ｓ≧５×１０^−５
であることを特徴とする保護素子。
前記一対の低融点金属体用電極の双方の上面が、前記下地の絶縁層の上面よりも突出した位置にある請求項１記載の保護素子。
前記一対の低融点金属体用電極の上面間に段差があり、該一対の低融点金属体用電極間で低融点金属体が傾斜している請求項１記載の保護素子。
前記一対の低融点金属体用電極間に絶縁性のスペーサーが設けられ、該スペーサーの上面が一対の低融点金属体用電極の上面よりも突出している請求項１記載の保護素子。