JP2007115601A - チップ型ヒューズ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 生産性に優れるとともに、良好な消弧性を実現する。
【解決手段】 基板上に可溶体を備えるとともに、粉体からなる粉末層が可溶体の少なくとも一部に接するように形成されている。可溶体との反応性の低い難焼結性粉末により粉末層が構成されている。難焼結性粉末は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢＮから選ばれる少なくとも１種である。基板上に保護層が形成され、基板と保護層とで粉末層が挟み込まれている。可溶体及び粉末層は印刷法により形成されたものであることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チップ型ヒューズ素子及びその製造方法に関し、特に、溶断時のアークを抑制する技術に関する。

ヒューズ素子としては、過剰な電流による発熱により溶断する溶断線を小径のガラス管の中に配したヒューズ素子が一般的であるが、前記構造では小型化に限度があり用途も制約されることから、より小型のいわゆるチップ型ヒューズ素子が開発されている。チップ型ヒューズ素子は、セラミックチップ等の絶縁基板上に溶断材料からなる幅狭の可溶体を形成し、可溶体の両端に電極を接続することにより構成されるものであり、このような構成を採用することにより、ヒューズ素子の小型化のみならず、低コスト化にもつながるものと期待される。

一般に、ヒューズ素子には、可溶体溶断時のアークの発生を抑制し絶縁性を確保する、いわゆる消弧性が要求される。チップ型ヒューズ素子の分野においても消弧性は重要であり、これを向上させるための様々な技術が提案されている。例えば、シリコンガラス等のガラス保護膜を可溶体上に配置する手法（例えば特許文献１等参照。）や、シリコーン樹脂からなる膜を可溶体上に配置する手法（例えば特許文献２、特許文献３等参照。）等が挙げられる。このようなチップ型ヒューズ素子においては、可溶体溶断時にガラスやシリコーン樹脂等の消弧材が溶解し溶断箇所に流れ込むことにより絶縁性を確保している。
特開２００１−７６６０９号公報 特開昭６３−１４１２３３号公報 特開平１１−１１１１５３号公報

しかしながら、例えば印刷法でチップ型ヒューズ素子を作製する場合、ガラスやシリコーン樹脂等のような既存の消弧材は、生産性を低下させたり、可溶体に悪影響を及ぼす等の不都合を引き起こすおそれがある。

例えば消弧材としてシリコーン樹脂を用いたチップ型ヒューズ素子の製造方法の一例として、基板（グリーンシート）上に可溶体ペーストを印刷、焼成した後、得られた可溶体上にシリコーン樹脂等を印刷し、硬化させ、その後チップ状に切断する方法が挙げられる。しかしながら、焼成後のセラミック基板をチップ状に切断することになるため、ダイシングソーやレーザー等を用いる必要があり、切断作業に長時間を要するという問題がある。

一方、可溶体ペーストと消弧材とを印刷したグリーンシートを積層し、これをチップ状に切断した後で焼成する方法も考えられる。この方法は、グリーンシートの状態で切断を行うため、先に述べた方法に比べて切断作業が容易であり、生産性の面では好ましい。しかしながら、可溶体と消弧材との焼成（例えば９００℃）を同時に行うため、耐熱性の乏しいシリコーン樹脂は使用できないという欠点がある。シリコーン樹脂に代えて耐熱性に優れるガラスを消弧材として用いることも考えられるが、焼成中に可溶体との反応が無視できなくなるおそれがあるため好ましくない。

さらに、消弧材としてシリコーン樹脂を用いる場合、グリーンシート上に可溶体ペーストを印刷し、グリーンシートを積層した後、得られる積層体をチップ状に切断し、これを焼成した後にシリコーン樹脂を印刷する方法も考えられる。しかしながら、この方法では、分割後のチップにシリコーン樹脂を印刷する作業が煩雑であり、時間的、コスト的に見合わないという問題がある。

そこで本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、生産性に優れるとともに、良好な消弧性を実現することが可能なチップ型ヒューズ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明に係るチップ型ヒューズ素子は、基板上に可溶体が形成されるとともに、前記可溶体の少なくとも一部に接するように粉体からなる粉末層が形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係るチップ型ヒューズ素子の製造方法は、可溶体との反応性の低い難焼結性粉末を含む消弧材ペースト及び可溶体ペーストを基板用グリーンシート上に印刷した後、当該基板用グリーンシートをチップ状に切断し、切断後のチップを焼成することを特徴とする。

以上のようなチップ型ヒューズ素子においては、可溶体に接して設けられた粉末層が消弧材として機能する。すなわち、可溶体に所定値を超える電流が流れて可溶体が溶断した際、粉末層を構成する粉末が溶断箇所を埋めるため、アークの発生が抑制され、良好な消弧性が確保される。

また、以上のようなチップ型ヒューズ素子の製造方法においては、予めグリーンシートに可溶体ペースト及び消弧材ペーストを印刷しておき、焼成前のグリーンシートの段階で多数のチップ状に切断するので、例えば焼成後のセラミック基板を切断する場合に比べて切断に要する時間が短縮される。また、切断後のチップに個々に消弧材を配置する工程は不要であるため、消弧材層形成に要する時間も短縮される。

さらに、以上のような製造方法においては、切断後のグリーンシート、可溶体ペースト及び消弧材ペーストを焼成するのであるが、基板材料及び可溶体材料は焼結する一方で、消弧材として用いる難焼結性粉末は焼結せずに粉末層を形成し、消弧材としての機能が維持される。なお、消弧材として可溶体との反応性の低い材料を用いるため、焼成時に消弧材が可溶体と反応して可溶体に悪影響を及ぼすことはない。

本発明によれば、消弧材としての粉末が可溶体の溶断時に溶断箇所を埋めることにより、高い消弧性が確保されたチップ型ヒューズ素子を提供することができる。また、チップ状に切断する作業が容易であるとともに、チップ型ヒューズ素子にそれぞれ消弧材を配置する作業が不要となるため、チップ型ヒューズ素子の製造に要する時間を短縮することができる。したがって、本発明によればチップ型ヒューズ素子の生産性の向上を図ることができ、製造コストの低減も期待される。

以下、本発明を適用したチップ型ヒューズ素子及びその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明を適用したチップ型ヒューズ素子１は、図１及び図２に示すように、チップ状の基板２と、基板２上に形成された可溶体３とを基本的に備えるものである。

基板２は、可溶体３の支持体となるものであり、例えば角形状に形成されている。基板２を構成する材料としては、この種の難焼結性粉末の粉体状態が維持される焼成条件で焼結する絶縁材料を用いることができ、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラスセラミック等の低い熱伝導性を示す絶縁材料を用いることができる。

可溶体３は、図２に示すように、両端部３ａが幅広に形成されるとともに、これらの間の溶断部分３ｂは幅の狭い線状のパターンとして形成されている。この可溶体３の前記溶断部分３ｂの幅、厚さ及び材質を選択することにより、可溶体３が溶断する電流（すなわち、チップ型ヒューズ素子１の定格電流）を設定することができる。

可溶体３は、印刷法により形成することができる。印刷法の場合、可溶体３を構成する溶断材料（例えば金属や合金等）を含有する可溶体ペーストを所定のパターンで印刷し、これを焼成することにより可溶体３が形成される。可溶体３を構成する溶断材料としては、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ等が挙げられる。中でも、特殊な制御を必要とすることなく大気中焼成が可能となるため、Ａｇが好ましい。

可溶体３を形成する方法としては、前記印刷法の他、薄膜形成法も可能である。真空技術を用いた薄膜形成法を利用する場合、可溶体３の厚みを薄く形成することができ、溶断材料の選択の幅も広がるという利点を有するが、コストの点で前記印刷法よりも不利である。

可溶体３の両端には、通常、電極４が接続される。本実施形態の場合、可溶体３の両端部３ａを幅広に形成し、電極４との電気的接続における接触面積を拡大して抵抗値を小さなものとし、余計な抵抗が付加されるのを防止している。

これら電極４の材料は特に限定されるものではなく、例えばＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄ等の良導電材料を含む導電性厚膜や、前記良導電材料のめっき膜、前記良導電材料を含む樹脂等から構成される。チップ型ヒューズ素子１においては、これら電極４が外部接続端子となり、外部回路との電気的接続が図られる。

本実施形態のチップ型ヒューズ素子１においては、可溶体３の少なくとも一部に接するように、粉体からなる粉末層５が配置されている。粉末層５は、チップ型ヒューズ素子１において消弧材として機能するものであり、具体的には、可溶体３との反応性の低い難焼結性粉末により構成される。

ここで難焼結性とは、可溶体及び基板を焼結させるための焼成後においても焼成前の粉体の状態を維持する性質のことをいう。粉末層はその形成過程で可溶体及び基板を焼結させるための条件にさらされるが、消弧作用を発揮するには、粉末層の構成材料が焼結することなく粉体として存在しなければならない。したがって、粉末層５の構成材料には前記難焼結性が要求される。

また、粉末層５を構成する難焼結性粉末は可溶体ペーストと接触した状態で焼成されるため、難焼結性粉末には可溶体との反応性の低いことも要求される。ここで反応性とは、物質又は物質系から組成や構造等の異なる別の物質が生成される過程のことをいう。可溶体との反応性が低いとは、具体的には、可溶体と難焼結性粉末とを接触させて焼成したとき可溶体に組成変化や構造変化等を生じさせない性質をいう。

これら条件を満たす難焼結性粉末としては、可溶体３がＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属を構成材料とする場合、Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物や、ＢＮ等の難焼結性セラミック材料が例示される。

粉末層５は、可溶体３の少なくとも一部に接するように配置すればよいが、図２に示すように少なくとも溶断部分３ｂに接して配置することにより、溶断時のアーク発生をより確実に防止することができる。粉末層５は、溶断部分３ｂより幅広に形成されても構わない。

粉末層５は、印刷法により形成することができる。具体的には、可溶体との反応性の低い難焼結性粉末を含有する消弧材ペーストを印刷し、これを焼成すればよい。

以上のような構成のチップ型ヒューズ素子１においては、可溶体３が溶断部分３ｂで溶断した際、粉末層５を構成する粉末が溶断箇所を埋め込むことによってアークを消し、絶縁性が確保される。

ところで、実際のチップ型ヒューズ素子においては、基板の可溶体が形成された面側に保護層を設け、基板と保護層とで粉末層を挟み込むことが好ましい。焼結により基板と保護層とが一体化することによりチップ型ヒューズ素子内部に消弧材としての粉末が封入されるため、当該粉末の飛散や脱落が防止され、結果として安定した消弧特性を得ることができる。

図１及び図２に示すように、保護層６は例えば基板２とほぼ同形状のチップ状に形成される。保護層６を構成する材料としては、例えば基板２と同一材料を用いることができ、具体的には、低い熱伝導性を示す絶縁材料を用いることができ、より具体的には、ガラスセラミック等の絶縁材料を用いることができる。

以下、前述の構成のチップ型ヒューズ素子１の製造方法について説明する。チップ型ヒューズ素子１は、例えば図３に示す製造プロセスにしたがって作製することができる。図３に示す製造プロセスは、可溶体印刷工程Ｓ１、消弧材印刷工程Ｓ２、グリーンシート積層工程Ｓ３、グリーンシート切断工程Ｓ４、及び焼成工程Ｓ５から構成されるものである。

先ず、可溶体印刷工程Ｓ１を実施する。可溶体印刷工程Ｓ１では、基板２に対応するグリーンシート１１を用意する。グリーンシート１１としては、難焼結性粉末の粉体状態が維持される焼成条件で焼結する材料を含むものを適宜選択することとする。例えば、アルミナを含むガラスセラミックグリーンシートを用いることができる。図４に示すように、このグリーンシート１１の一主面上に可溶体ペーストを例えばスクリーン印刷等により所定形状に印刷し、可溶体３となる印刷パターン（可溶体パターン１２）を形成する。可溶体パターン１２の形状は、例えば図５に示すように複数の可溶体３が長手方向に連なったような略帯状とする。

可溶体ペーストとは、可溶体３を構成する溶断材料（金属や合金等）の粉末と有機ビヒクルとを少なくとも含み、これらを混合してなるものである。ここで、溶断材料としては、先に説明したように、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ等、適当な比抵抗及び融点を示すものを用いることができる。

有機ビヒクルは、各種粉末をペースト化させる役割を有し、この種のペーストに用いられるものがいずれも使用可能である。有機ビヒクルは、バインダを有機溶剤中に溶解することによって調製されるものである。バインダとしては、特に限定されず、例えば、エチルセルロース、ポリビニルブチラール等、各種バインダから適宜選択すればよい。有機溶剤も限定されず、テルピネオール、ブチルカルビトール、アセトン、トルエン等、各種有機溶剤から適宜選択すればよい。さらに、可溶体ペーストの物性を調節するために、分散剤等の各種添加剤を加えてもよい。

次に、消弧材印刷工程Ｓ２を実施する。図６に示すように、消弧材ペーストを例えばスクリーン印刷等により所定形状に印刷し、粉末層５となる印刷パターン（消弧材パターン１３）を形成する。消弧材パターン１３は可溶体パターン１２の一部と接するように形成すればよい。例えば図７に示すように、消弧材パターン１３は、可溶体３の溶断部分３ｂに対応する部分を少なくとも被覆するような形状とする。

消弧材ペーストとは、粉末層５を構成する粉末と有機ビヒクルとを少なくとも含み、これらを混合してなるものである。消弧材粉末としては、可溶体３との反応性の低い難焼結性粉末を用いることとする。有機ビヒクルとしては、可溶体ペーストに含まれる有機ビヒクルと同様のものを用いることができる。

次に、グリーンシート積層工程Ｓ３を実施する。図８に示すように、グリーンシート１１の一主面（可溶体パターン１２及び消弧材パターン１３が形成された面）上に保護層６となるグリーンシート１４を重ね合わせ、プレスすることにより、シート状の積層体１５を形成する。グリーンシート１４としては、特に制限されるものではないが、可溶体印刷工程Ｓ１で用いたグリーンシート１１と同じものを用いることができる。

なお、図８においては、グリーンシート１１の可溶体パターン１２及び消弧材パターン１３が形成された面側に、グリーンシート１４を１枚重ね合わせて積層体１５とする例を挙げたが、グリーンシート１４は複数枚重ね合わせてもよい。また、グリーンシート１１の可溶体パターン１２等の形成されてない側にも１枚又は複数枚のグリーンシート１４を重ね合わせて積層体１５とすることができる。

次に、グリーンシート切断工程Ｓ４において、シート状の積層体１５を所定の形状に切断し、図９に示すような複数のチップ（チップ状の積層体）１６を形成する。積層体１５はグリーンシートの積層体であるため、これを切断する際には、例えばホットナイフ等を用いればよい。本発明では、例えばセラミック基板の切断に用いるようなダイシングソーやレーザー等は不要であり、切断に要する時間の短縮を図ることができる。

次に、焼成工程Ｓ５を実施する。焼成工程Ｓ５は、分割されたチップ１６を酸素含有雰囲気中で熱処理することにより、可溶体パターン１２（可溶体ペースト）、グリーンシート１１及びグリーンシート１４に含まれるバインダを除去するとともに、可溶体３、基板２及び保護層６を構成する材料を焼き固め、焼結体とするための工程である。これにより、可溶体パターン１２中の金属粉末が焼結し、可溶体３が形成される。また、グリーンシート１１及びグリーンシート１４中のセラミック粉末が焼結し、基板２及び保護層６が形成される。

一方、消弧材パターン１３については、焼成工程Ｓ５を実施することにより、消弧材パターン１３中のバインダは除去される。ただし、消弧材パターン１３中の難焼結性粉末は焼結せずに焼成前の粉体の状態が維持され、粉体からなる粉末層５が形成される。

焼成工程Ｓ５を実施する際の雰囲気は、酸素を含有する雰囲気であれば特に限定されず、例えば大気雰囲気とすればよい。また、焼成工程Ｓ５における焼成温度は、グリーンシートに含まれるセラミック粉末及び可溶体ペーストに含まれる金属を焼結させ、且つ消弧材ペーストに含まれる難焼結性粉末が粉体の状態を維持する条件とする。焼成温度はグリーンシートや難焼結性粉末の種類等により異なるが、８５０℃〜９２０℃程度とし、例えば９００℃程度とすることが好ましい。

次に、焼成後のチップの両端に電極４を形成し、チップの端面に露出した可溶体３の両端部３ａとの電気的接続をとる。例えば電極４を厚膜で形成するには、先に説明したような良導体を含有する導電ペーストを印刷し、焼成すればよい。あるいは、Ａｇ熱硬化性導電性樹脂等により形成する場合には、焼成後のチップの両端部分にディッピングし、熱硬化させればよい。さらに、電極４は前記焼成工程Ｓ５の前に形成してもよく、この場合、電極４の焼成と可溶体３の焼成とを同時に行うことができる。以上の工程を経ることにより、図１に示すチップ型ヒューズ素子１が作製される。かかるチップ型ヒューズ素子１の粉末層５には基板２及び可溶体３を焼結させるための焼成処理が施されているが、粉末層５においては焼成前の粉体の状態が維持されているため、チップ型ヒューズ素子１において良好な消弧性を確保することができる。

本発明を適用したチップ型ヒューズ素子の一例を示す概略断面図である。 図１に示すチップ型ヒューズ素子の概略平面図である。 本発明を適用したチップ型ヒューズ素子の製造プロセスの一例を示すフローチャートである。 チップ型ヒューズ素子の製造プロセスを説明する図であり、可溶体印刷工程を示す概略断面図である。 図４の概略平面図である。 チップ型ヒューズ素子の製造プロセスを説明する図であり、消弧材印刷工程を示す概略断面図である。 図６の概略平面図である。 チップ型ヒューズ素子の製造プロセスを説明する図であり、グリーンシート積層工程を示す概略断面図である。 チップ型ヒューズ素子の製造プロセスを説明する図であり、グリーンシート切断工程を示す概略断面図である。

符号の説明

１ チップ型ヒューズ素子、２ 基板、３ 可溶体、４ 電極、５ 粉末層、６ 保護層、１１ グリーンシート（基板用）、１２ 可溶体パターン、１３ 消弧材パターン、１４ グリーンシート（保護層用）、１５ シート状の積層体、１６ 分割されたチップ

Claims (8)

1. 基板上に可溶体が形成されるとともに、前記可溶体の少なくとも一部に接するように粉体からなる粉末層が形成されていることを特徴とするチップ型ヒューズ素子。
2. 前記基板及び前記可溶体を焼結させるための焼成処理が前記粉末層に施されており、前記粉末層において前記焼成前の粉体の状態が維持されていることを特徴とする請求項１記載のチップ型ヒューズ素子。
3. 前記可溶体との反応性の低い難焼結性粉末により前記粉末層が構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のチップ型ヒューズ素子。
4. 前記難焼結性粉末がＡｌ_２Ｏ_３、ＢＮから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項３記載のチップ型ヒューズ素子。
5. 前記基板上に保護層が形成され、前記基板と前記保護層とで前記粉末層が挟み込まれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のチップ型ヒューズ素子。
6. 前記可溶体及び前記粉末層は印刷法により形成されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のチップ型ヒューズ素子。
7. 可溶体との反応性の低い難焼結性粉末を含む消弧材ペースト及び可溶体ペーストを基板用グリーンシート上に印刷した後、当該基板用グリーンシートをチップ状に切断し、切断後のチップを焼成することを特徴とするチップ型ヒューズ素子の製造方法。
8. 前記消弧材ペースト及び前記可溶体ペーストを前記基板用グリーンシート上に印刷した後、当該基板用グリーンシートの前記可溶体ペースト及び前記消弧材ペーストが印刷された面に保護層用グリーンシートを積層して積層体とし、当該積層体をチップ状に切断した後、切断後のチップを焼成することを特徴とする請求項７記載のチップ型ヒューズ素子の製造方法。

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