JP2004363630A - Packaging method of protective element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子の実装方法に関する。 The present invention relates to a method for mounting a protection element in which a fuse element is provided on a substrate.
チップ状の電流ヒューズとして、基板上にヒューズエレメントを設けた保護素子が知られている。また、このような保護素子であって、ヒューズエレメントに近接して発熱体を設けたものは、過電圧防止装置にも使用されている(特許文献1、特許文献2)。
As a chip-shaped current fuse, a protection element in which a fuse element is provided on a substrate is known. Further, such a protection element provided with a heating element close to a fuse element is also used for an overvoltage prevention device (
図2(b)、(c)は、このような保護素子1oの平面図及び断面図である。この保護素子1oでは、基板2上に電極3a、3b、3cが設けられ、これら電極3a、3b、3cに架かるように、ヒューズエレメント4として半田箔が設けられている。また、電極3bの下面には、絶縁層8を介して発熱体7が設けられている。この発熱体7は、電極3oから配線3x、3yを通して通電加熱される。
FIGS. 2B and 2C are a plan view and a cross-sectional view of such a protection element 1o. In this protection element 1o,
この保護素子1oの製造工程においては、基板2上に配線3x、3y、発熱体7、絶縁層8及び電極3a、3b、3cが形成された後、同図(a)に示すように、電極3a、3b、3c上にソルダーペースト5が塗布され、その上にヒューズエレメント4がマウントされ、さらに必要に応じてカバー(図示せず)が被せられる。こうして得られた保護素子1oは、通常、リフローや半田づけ等の手法を用いてベース回路基板に加熱実装される。
In the manufacturing process of the protection element 1o, after the
そこで、ヒューズエレメント4の構成材料としては、保護素子1oの実装時にヒューズエレメント4が溶断することを防止するため、保護素子1oの実装温度より高い固相点、特に、実装時に到達する最高温度より高い固相点と、さらに高い液相点を有するものが使用される。また、ソルダーペースト5の構成材料としては、液相点が最低でも加熱実装時の温度以上のものが選択されている。例えば、保護素子1oの回路基板への実装温度を250℃とする場合、その保護素子1oのソルダーペースト5としては、液相点250℃以上のものが使用され、ヒューズエレメント4としては、固相点がソルダーペースト5の液相点よりも高いものが使用される。
Therefore, as a constituent material of the
上述の保護素子1oを被保護装置の保護装置に使用した場合、被保護装置の異常時には、ヒューズエレメント4に過電流が流れてヒューズエレメント4が溶断するか、あるいは電極3oからの配線3x、3yを通して発熱体7が通電加熱され、その熱によってヒューズエレメント4が溶断する。しかしながら、ヒューズエレメント4の液相点が高いため、ヒューズエレメント4の温度上昇開始から溶断までの時間が長く、保護素子としての動作レスポンスが遅いという問題がある。また、ヒューズエレメント4の溶断までに時間がかかるために、保護素子1oのベース回路基板へ実装部分が、ヒューズエレメント4の溶断前に溶融し、保護素子1oがベース回路基板からはずれたり、周辺実装部品、基板配線などに不具合が引き起こされるという問題もある。
When the above-described protection element 1o is used as a protection device for a device to be protected, when an error occurs in the device to be protected, an overcurrent flows through the
さらに、保護素子1oのソルダーペースト5とヒューズエレメント4のそれぞれの液相点と固相点に上述の関係を持たせることは、材料選択の余地が狭まり、コスト高になるという問題もある。特に、動作レスポンスを改善するため、ヒューズエレメント4の固相点を保護素子1oの実装温度に近づけて実装温度よりも僅かに高い程度にしようとしても、そのような固相点を有する好適なヒューズエレメント材料を見出すことは困難である。
Furthermore, providing the above-mentioned relationship between the liquid phase point and the solid phase point of the
本発明は以上のような従来技術の問題点を解決しようとするものであり、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子において、動作レスポンスを改善し、ヒューズエレメントの材料選択の幅を広げ、製造コストを低下させることを目的としている。 The present invention is intended to solve the above-described problems of the related art. In a protection element in which a fuse element is provided on a substrate, the operation response is improved, and the range of material selection for the fuse element is expanded. It is intended to reduce manufacturing costs.
本発明者らは、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子において、保護素子の実装時にヒューズエレメントが溶断することを防止するためには、ヒューズエレメントの構成材料として、その液相点を保護素子の実装温度より高くすれば、固相点は必ずしも実装温度より高くする必要はないこと、即ち、固相点を実装温度以下としても、液相点が実装温度よりも高ければ、実装時にヒューズエレメントは当初の形状を完全には保持しないが、溶断もしないので、ヒューズエレメントとしての機能が維持されることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors, in a protective element having a fuse element provided on a substrate, in order to prevent the fuse element from being blown when mounting the protective element, the liquid phase point as a constituent material of the fuse element, If the temperature is higher than the mounting temperature of the protection element, the solidus point does not necessarily have to be higher than the mounting temperature.In other words, even if the solidus point is lower than the mounting temperature, if the liquidus point is higher than the mounting temperature, The fuse element does not completely retain the original shape, but does not melt, so that it has been found that the function as the fuse element is maintained, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、基板上の電極にヒューズエレメントが設けられている保護素子を、該保護素子のヒューズエレメントの液相点より低く、固相点以上の温度で実装する保護素子の実装方法を提供する。 That is, the present invention provides a method for mounting a protection element in which a protection element in which a fuse element is provided on an electrode on a substrate is mounted at a temperature lower than the liquidus point of the fuse element of the protection element and equal to or higher than the solidus point. provide.
本発明によれば、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子を架電圧防止装置等の回路基板に実装するにあたり、ヒューズエレメントの固相点を従来例よりも低く設定するので、動作レスポンスを改善することができる。また、これによりヒューズエレメントの材料選択の幅を広げ、製造コストを低下させることが可能となる。さらに、被保護装置の異常時に別途ヒーターでヒューズエレメントが加熱されて溶断するように保護素子を使用した場合において、保護素子のヒューズエレメント以外の周辺部品への熱による影響を低減し、実装の信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, when a protection element having a fuse element provided on a substrate is mounted on a circuit board such as an overvoltage protection device, the solid-state point of the fuse element is set lower than in the conventional example. Can be improved. In addition, this makes it possible to expand the range of material selection for the fuse element and reduce the manufacturing cost. Furthermore, when a protection element is used so that the fuse element is heated by a separate heater and blows when the device to be protected is abnormal, the influence of heat on peripheral components other than the fuse element of the protection element is reduced, and the reliability of mounting is reduced. Performance can be improved.
また、ヒューズエレメントの固相点を実装温度以下としたので、実装時にヒューズエレメントはリフロー状態となる。したがって、ヒューズエレメントを電極上に、ソルダーペーストを介することなく設けることが可能となる。よって、材料削減、製造パラメータの簡易化等により製造コストを低減し、歩留まりを向上させることができる。 In addition, since the solid point of the fuse element is set at a temperature equal to or lower than the mounting temperature, the fuse element is in a reflow state during mounting. Therefore, the fuse element can be provided on the electrode without using the solder paste. Therefore, the manufacturing cost can be reduced by reducing the material, simplifying the manufacturing parameters, and the like, and the yield can be improved.
以下、図面を参照しつつ本発明の保護素子を詳細に説明する。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。 Hereinafter, the protection element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or equivalent components.
本発明の保護素子は、基板上の電極にヒューズエレメントが設けられているものであり、個々の基板、電極、ヒューズエレメントそれ自体の形状や配置には特に制限はない。したがって、本発明の保護素子は、基板上の電極にヒューズエレメントを設けたチップ状の電流ヒューズとして構成してもよく、さらに発熱体をヒューズエレメントに近接して設け、過電圧防止装置にも使用できる保護素子として構成してもよい。例えば、前述の図2で説明した従来の保護素子1oと同様の配置とすることができる。 In the protection element of the present invention, a fuse element is provided on an electrode on a substrate, and the shape and arrangement of each substrate, electrode, and fuse element itself are not particularly limited. Therefore, the protection element of the present invention may be configured as a chip-shaped current fuse in which a fuse element is provided on an electrode on a substrate, and a heating element may be provided close to the fuse element and used for an overvoltage prevention device. You may comprise as a protection element. For example, the arrangement can be the same as that of the conventional protection element 1o described with reference to FIG.
基板及び電極の構成材料については、特に制限はなく、従来の保護素子と同様とすることができるが、ヒューズエレメントについては、液相点が、当該保護素子に予定される実装温度よりも高く、好ましくは実装時の最高到達温度よりも高いものとする。また、固相点が、実装温度以下、好ましくは、実装時の最高到達温度以下のものを使用する。これにより、ヒューズエレメントの構成材料の選択の幅を大きく広げることができる。また、実装時にヒューズエレメントの溶融が始まった状態になるので、電極とヒューズエレメントとの間にソルダーペーストを介さなくても、ヒューズエレメントを電極に良好にマウントすることができる。例えば、図1(a)に示したように、電極3a、3b、3c上にソルダーペーストに代えてロジン等のフラックス6を塗布しただけで、同図(b)、(c)に示すように、ヒューズエレメント4を電極3a、3b、3cと良好に接合させ、保護素子1を得ることができる。よって、保護素子1の製造コストを低下させることができる。また、ヒューズエレメント4として特定の組成の半田箔をソルダーペーストを介してマウントした場合には、リフロー時に半田箔が溶断することがあるが、ソルダーペーストを使用しない場合には、このような問題も解消することができる。
The constituent materials of the substrate and the electrode are not particularly limited and can be the same as those of the conventional protection element.However, for the fuse element, the liquidus point is higher than the mounting temperature expected for the protection element, Preferably, the temperature is higher than the highest temperature at the time of mounting. Further, a solid phase point whose temperature is equal to or lower than the mounting temperature, preferably equal to or lower than the highest temperature at the time of mounting is used. As a result, the range of selection of the constituent material of the fuse element can be greatly expanded. Also, since the fuse element starts to be melted at the time of mounting, the fuse element can be satisfactorily mounted on the electrode without using a solder paste between the electrode and the fuse element. For example, as shown in FIG. 1A, only flux 6 such as rosin is applied on
ヒューズエレメント4の液相点と固相点との差は、5℃以上とすることが好ましく、より好ましくは10℃以上とする。液相点と固相点との差が5℃未満であると、一般に生じる実装温度のバラツキに対応できず、ヒューズエレメントが溶断する場合がある。このようなバラツキをなくすことができれば、液相点と固相点との差が小さいことによるヒューズエレメントの溶断は問題とならないが、このようなバラツキを解消するためには、ヒューズエレメント4の製造条件を非常に厳しくしなくてはならないので好ましくない。また、ヒューズエレメント4の液相点が実装時の最高到達温度よりも50℃以上高くなると、保護素子1の動作レスポンスが遅くなるので好ましくない。
The difference between the liquidus point and the solidus point of the
このような液相点と固相点を有するヒューズエレメント4の構成材料は、公知のヒューズエレメント材料から適宜選択することができ、例えば、SnとPbからなる半田箔、一般半田等を使用することができる。この場合、ヒューズエレメント4に所定の固相点と液相点を持たせるためには、その構成材料の成分比を調整すればよい。特に、SnとPbからなる半田箔を使用する場合、SnとPbの比率を適宜変えることにより連続的に液相点を調整することができる。
The constituent material of the
本発明の保護素子を、過電圧防止装置にも使用できる保護素子として構成するため、基板上の電極にヒューズエレメントを設けるだけでなく、さらに、ヒューズエレメントに近接して発熱体も設ける場合に、ヒューズエレメントと発熱体を近接させるとは、上述の図1、図2や、特許第2790433号、特開平8−161990号公報に記載されているように、発熱体上に絶縁層を介してヒューズエレメント(低融点金属体)を積層した態様、特願平11−94385号明細書に記載されているように、発熱体上に絶縁層を介することなくヒューズエレメントを積層した態様、特開平10−116549号公報、特開平10−116550号公報に記載されているように、発熱体とヒューズエレメントとを基板上に平面的に配置した態様のいずれも包含する。 Since the protection element of the present invention is configured as a protection element that can also be used for an overvoltage prevention device, not only a fuse element is provided on an electrode on a substrate, but also a heating element is provided in the vicinity of a fuse element. To make the element and the heating element close to each other means that the fuse element is placed on the heating element via an insulating layer as described in FIGS. 1 and 2 described above, Japanese Patent No. 2790433, and JP-A-8-161990. (Low melting point metal body), an embodiment in which fuse elements are stacked on a heating element without an insulating layer, as described in Japanese Patent Application No. 11-94385, JP-A-10-116549. As described in JP-A-10-116550, a heating element and a fuse element are arranged in a plane on a substrate. Shift also encompasses.
例えば、図3に示した保護素子1pのように、基板2上に、抵抗ペーストの塗布などにより形成される発熱体7、絶縁層8、ヒューズ材料からなるヒューズエレメント4が順次積層された構造とすることができる。図中、3x、3yは発熱体用電極であり、3a、3bはヒューズエレメント用電極である。また、9は固形フラックス等からなり、ヒューズエレメント4の表面酸化を防止するためにヒューズエレメント4を封止している内側封止部であり、10はヒューズエレメント4よりも高融点又は高軟化点を有する材料からなり、ヒューズエレメント4の溶断時に溶融物が素子外へ流出することを防止する外側封止部である。
For example, as shown in a protection element 1p shown in FIG. 3, a structure in which a
図4は、このような保護素子1pを用いた過電圧防止装置の回路図である。この回路において、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7に流れ、発熱体7が発熱する。この熱が、発熱体7上のヒューズエレメント4に伝達し、ヒューズエレメント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。
FIG. 4 is a circuit diagram of an overvoltage protection device using such a protection element 1p. In this circuit, terminals A1 and A2 are connected to electrode terminals of a device to be protected such as a lithium ion battery, and terminals B1 and B2 are connected to devices such as a charger used in connection with the device to be protected. The electrode terminals are connected. According to this overvoltage prevention device, when the charging of the lithium ion battery progresses and a reverse voltage equal to or higher than the breakdown voltage is applied to the zener diode D, the base current ib suddenly flows, thereby causing a large collector current ic to be generated by the heating element. , And the
図5は、上述の図3の保護素子1pと異なる態様の保護素子1qの平面図(同図(a))及び断面図(同図(b))である。この保護素子1qにおいては、中間電極3zを介して2つの発熱体7が接続され、その上に絶縁層8を介してヒューズエレメント4が設けられている。
FIG. 5 is a plan view (FIG. 5A) and a cross-sectional view (FIG. 5B) of a protection element 1q different from the protection element 1p of FIG. 3 described above. In this protection element 1q, two
図6は、このような保護素子1qを用いた過電圧防止装置の回路図である。上述の図4の回路の過電圧防止装置では、過電圧によりヒューズエレメント4が溶断した後も引き続き発熱体7への通電が持続するが、この図6の回路の過電圧防止装置によれば、発熱体7の発熱により、ヒューズエレメント4が4aと4bの2カ所で溶断されるので、これらの溶断の後は、発熱体7への通電が完全に遮断される。
FIG. 6 is a circuit diagram of an overvoltage prevention device using such a protection element 1q. In the overvoltage protection device of the circuit of FIG. 4 described above, the power supply to the
図7の保護素子1rも、図6の回路の過電圧防止装置に使用できる保護素子である。この保護素子1rは、図5の保護素子1qに比して、ヒューズエレメント4の溶融時に、その溶融したヒューズエレメントで濡れる電極3a、3bや発熱体7の面積を十分に大きくして溶断を生じ易くし、発熱体7上の絶縁層8を省略したものである。発熱体7上の絶縁層8が省略されているので、動作時間をいっそう短縮することができる。
The protection element 1r of FIG. 7 is also a protection element that can be used in the overvoltage protection device of the circuit of FIG. When the
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
実施例1〜7
表1の半田箔とソルダーペーストを用いて、ソルダーペーストを使用しない図1の保護素子又はソルダーペーストを使用する図2の保護素子を作製した。この場合、基板2としてはアルミナ基板(3mm×5mm)を使用し、半田箔の大きさは、0.15mm(厚さ)×1.0mm(幅)×4.2mm(長さ)とした。
Examples 1 to 7
Using the solder foil and the solder paste shown in Table 1, the protection element shown in FIG. 1 without using the solder paste or the protection element shown in FIG. 2 using the solder paste was produced. In this case, an alumina substrate (3 mm × 5 mm) was used as the
評価
各実施例及び比較例で得られた保護素子に対し、(a)オーブン耐熱性、(b)ヒーター抵抗、(c)ヒューズ抵抗、(d)4W動作時間、(e)10A溶断時間、をそれぞれ次のように測定した。結果を表2〜4に示す。
Evaluation For the protection elements obtained in each of the examples and comparative examples, (a) oven heat resistance, (b) heater resistance, (c) fuse resistance, (d) 4W operation time, (e) 10A fusing time, Each was measured as follows. The results are shown in Tables 2 to 4.
(a)オーブン耐熱性:半田箔の酸化防止を図ると共に、半田箔を溶けやすい条件とするため、まず、各保護素子をフラックスで覆った。なお、保護素子にキャップは設けなかった。次に、各保護素子を所定の温度に設定したオーブン(ESPEC製 STH-120)中におき、その後、一旦下がったオーブン内温度が再度設定温度に到達した後、1分間放置し、オーブンから取り出して半田箔の溶断、未溶断を確認し、オーブンの設定温度を+5℃又は−5℃変えて、同じ操作を繰り返した。この繰り返しにおいて、半田箔が一度も溶断しなかった温度を、耐熱性の指標とした。 (a) Oven heat resistance: In order to prevent oxidation of the solder foil and to make the solder foil easy to melt, first, each protective element was covered with a flux. Note that no cap was provided on the protection element. Next, each protective element is placed in an oven (STH-120 manufactured by ESPEC) set to a predetermined temperature. After that, once the temperature inside the oven once again reaches the set temperature, it is left for 1 minute and removed from the oven. The melting and unfusing of the solder foil were confirmed by changing the temperature of the oven by + 5 ° C or -5 ° C, and the same operation was repeated. In this repetition, the temperature at which the solder foil was never blown was used as an index of heat resistance.
(b)ヒーター抵抗:ヒーター部の抵抗値をマルチメータ(ADVANTEST TR 6847)を用いて測定した。 (b) Heater resistance: The resistance value of the heater section was measured using a multimeter (ADVANTEST TR 6847).
(c)ヒューズ抵抗:半田箔の抵抗値をマルチメータ(ADVANTEST TR 6847)を用いて測定した。 (c) Fuse resistance: The resistance value of the solder foil was measured using a multimeter (ADVANTEST TR 6847).
(d)4W動作時間:ヒーター部に4W(電力値)印加し、発熱させ、その熱によって半田箔を溶断する場合において、4W印加開始から半田箔溶断までに要した時間を計測した。 (d) 4W operation time: In the case where 4W (power value) was applied to the heater to generate heat and the solder foil was blown off by the heat, the time required from the start of 4W application until the solder foil was blown was measured.
(e)10A溶断時間:半田箔に10A流し、半田箔の自己発熱により半田箔を溶断する場合において、10A通電開始から半田箔溶断までに要した時間を計測した。 (e) 10A fusing time: In the case where 10A was flowed into the solder foil and the solder foil was blown by self-heating of the solder foil, the time required from the start of 10A energization to the melting of the solder foil was measured.
実施例1〜6のいずれも耐熱性及び動作レスポンスが良好であった。 All of Examples 1 to 6 had good heat resistance and operation response.
特に、表2から、オーブン耐熱性は、ソルダーペーストと半田箔の双方とも液相点の高い方が良好になることがわかる。 In particular, from Table 2, it can be seen that the oven heat resistance is better when the liquidus point of both the solder paste and the solder foil is higher.
4W動作時間の評価では、ソルダーペーストを使用した実施例1〜5よりもソルダーペーストを使用しなかった実施例6の保護素子の方が動作時間が速かった。これは、実施例6の保護素子は、ソルダーペーストを使用しない分、動作時に溶融する半田の量や電極上を濡らす半田の量が少ないためと考えられる。 In the evaluation of the 4W operation time, the operation time of the protection element of Example 6 not using the solder paste was faster than that of Examples 1 to 5 using the solder paste. This is probably because the amount of solder that melts during operation and the amount of solder that wets the electrodes are small because the protection element of Example 6 does not use the solder paste.
10A溶断時間の評価では、実施例6の保護素子は、比較例1に比して平均で10秒も速く溶断した。 In the evaluation of the 10A fusing time, the protective element of Example 6 was blown on average 10 seconds faster than Comparative Example 1.
本発明の実装方法は、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子を過電圧防止装置等の回路基板に実装する方法として有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The mounting method of the present invention is useful as a method for mounting a protection element provided with a fuse element on a substrate on a circuit substrate such as an overvoltage prevention device.
1、1o、1p、1q、1r 保護素子、
2 基板、
3a、3b、3c 電極、
4 ヒューズエレメント、
5 ソルダーペースト、
6 フラックス
7 発熱体
8 絶縁層
9 内側封止部
10 外側封止部
1, 1o, 1p, 1q, 1r protection element,
2 substrates,
3a, 3b, 3c electrodes,
4 fuse elements,
5 Solder paste,
Reference Signs List 6
Claims (7)
The mounting method according to any one of claims 1 to 6, wherein the heating element is arranged close to the fuse element in the protection element to be mounted.
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