JP2007165087A - ヒューズ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 可溶体を形成する際に製造コスト上昇の要因となる細線加工を行う必要がなく、可溶体を簡単に形成可能とする。
【解決手段】 基板上に焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉とを含む可溶体ペーストを印刷し、焼成することによりこれら金属粉を合金化し、当該合金を含む可溶体を形成する。焼成温度で溶融する金属粉としてＳｎ粉を用い、焼成温度で溶融しない金属粉として、Ａｇ粉、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉、Ａｕ粉、Ｓｂ粉から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。外形形状は例えばチップ型とされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、可溶体ペーストを印刷し、焼成することにより可溶体を形成するヒューズ素子の製造方法に関する。

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、低コスト化にも繋がるものと期待される。

ところで、ヒューズ素子の可溶体を構成する溶断材料としては、従来よりＰｂ−Ｉｎ、Ｐｂ−Ｓｎ等のＰｂ系合金が良く知られているが、近年の環境問題への関心の高まりから、Ｐｂフリー化が求められている。Ｐｂフリー組成の溶断材料の１つとしてはＳｎ系合金が知られており、低い融点を示すことから溶断特性の向上が期待されている。Ｓｎ系合金を溶断材料としたヒューズ素子としては、例えば特許文献１において、Ｓｎに、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ａｌの２種以上を配合した液相線温度３００℃〜５５０℃の多元合金を細線に加工したヒューズ素子が提案されている。
特開２００１−３２５８７６号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載される発明では、線引き加工又は回転液中紡糸法によりＳｎ系合金を５０〜１５０μｍφに細線に加工し、これをヒューズ素子としているが、合金を細線に加工する工程が煩雑であるため、製造コストを押し上げる要因となる。

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、可溶体を形成する際に製造コスト上昇の要因となる細線加工を行う必要がなく、可溶体を簡単に形成することが可能なヒューズ素子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、本発明に係るヒューズ素子の製造方法は、焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉とを含む可溶体ペーストを基板上に印刷し、焼成することによりこれら金属粉を合金化し、当該合金を含む可溶体を形成することを特徴とする。

本発明では、例えば合金を含む可溶体を形成するに際し、溶断材料を含む可溶体ペーストを用いた印刷法により可溶体を形成するため、例えば線引き加工等に比べて製造コストの削減が実現される。

ここで、可溶体ペースト中の可溶体の原料として、複数の異種金属から構成される合金粉を用いることも考えられるが、この場合には、特殊な合金粉を用意する必要が生じ、製造コストの増加に繋がる。

そこで、可溶体ペーストを焼成するための焼成温度で溶融する低融点の金属粉と、焼成温度で溶融しない高融点の金属粉とを可溶体ペーストに用い、焼成工程で合金化することにより、可溶体を形成する。可溶体ペーストに複数種類の単体金属粉を用いるようにすれば、汎用の金属粉の使用が可能であり、製造コストが大きく抑制される。

例えば焼成温度で溶融する金属粉としてＳｎ粉を用い、焼成温度で溶融しない金属粉としてＡｇ粉を用いた場合、焼成工程で溶融したＳｎ中にＡｇが拡散することで合金化し、Ｓｎ−Ａｇ合金が形成される。形成されるＳｎ−Ａｇ合金はＳｎより高融点であることから、形成された合金は直ちに固まる。このような現象が個々のＳｎ粉において生じているため、焼成により可溶体の外形が崩れることが抑えられ、所望の形状が維持される。

本発明によれば、印刷法を用いるとともに可溶体ペーストに含ませる溶断材料として最適なものを選択することで、製造コストの上昇を抑えつつ溶断特性に優れたヒューズ素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明を適用したヒューズ素子の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明で製造対象となるヒューズ素子は、図１及び図２に示すように、形状がチップ型であるチップ型ヒューズ素子１である。チップ型ヒューズ素子１は、チップ状の基板２の表面に可溶体３が形成されてなるものであり、この可溶体３が過電流の通電により溶断されヒューズとして機能する。

可溶体３の支持体となる基板２は、絶縁材料により形成されている。基板２を構成する材料としては特に制約があるわけではなく、この種のヒューズ素子に用いられる材料をいずれも使用可能である。例えば、低い熱伝導性を示す絶縁材料を用いることができ、具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラスセラミック等の絶縁材料を用いることができる。

可溶体３は、本例の場合、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が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の定格電流）を設定することができる。

前記可溶体３は、本発明においては、印刷法により形成するものとする。印刷法によれば、簡便に可溶体のパターンを形成することができ、薄膜法や線引き加工に比べて高額な設備投資も不要であることから、製造コストの点で有利である。

印刷法により可溶体３を形成する場合、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。このとき、可溶体３を構成する溶断材料としては、前記の通り、金属や合金等が使用可能であるが、本発明においては焼成温度で溶融する金属と焼成温度で溶融しない金属との合金を用いることとする。

ただし、本発明においては、予め合金化した合金粉を含む可溶体ペーストを用いるのではなく、複数種類の単体金属粉を含む可溶体ペーストを用いる。具体的には、焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉を含む可溶体ペーストを用い、これを印刷、焼成して合金化することにより可溶体３を形成する。予め合金化した合金粉を用いる場合、特殊な合金粉を用意する必要があり、製造コストが上昇する要因となる。個々の金属粉を用いるようにすることで、安価な金属粉を用いることが可能になり、製造コストを抑えることが可能となる。

可溶体ペーストに含ませる焼成温度で溶融する金属粉としては、Ｓｎ粉が挙げられる。Ｓｎ系合金は融点が低く、これを可溶体３の溶断材料として用いることで、優れた溶断特性が実現される。

一方、焼成温度で溶融しない金属粉としては、Ａｇ粉、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉、Ａｕ粉、Ｓｂ粉から選ばれる少なくとも１種が例示される。Ａｇ粉、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉、Ａｕ粉及びＳｂ粉は、前記Ｓｎ粉との組合せを考慮した場合、合金を形成し易い点で好ましい。また、これら金属粉は、入手容易であることも有利である。

可溶体３を形成する際には、前記可溶体ペーストを所望のパターンに印刷し、焼成を行うが、本発明で用いる可溶体ペーストは焼成温度で溶融する金属粉を含むため、焼成工程において前記金属粉が溶融することにより可溶体３の外形形状が崩れることが懸念される。しかし、焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉とを混合した可溶体ペーストを印刷し、焼成した場合、所望形状の可溶体３を得られることが本発明者らにより実験的に確かめられている。

可溶体３の形状が維持される理由は必ずしも明確ではないが、焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉との組合せとしてＳｎ粉とＡｇ粉とを用いた場合を例に挙げると、焼成工程においては、先ず、融点の低いＳｎ粉（融点２３０℃）が溶融するが、溶融したＳｎにＡｇ（融点９６１℃）が拡散することにより、Ｓｎ−Ａｇ合金が形成される。得られるＳｎ−Ａｇ合金の融点は、４５０℃程度になる。このような現象が個々のＳｎ粉において生じているため、全体としてみると可溶体３の形状は維持されるのである。これは、Ｓｎ粉とＡｇ粉との組合せ以外も同様である。

焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉との比率は、焼成温度で溶融する金属粉及び前記焼成温度で溶融しない金属粉の合計に対する焼成温度で溶融する金属粉の比率を、１０質量％以上、８０質量％未満とすることが好ましい。Ｓｎ粉の含有比率が８０質量％以上となる場合、チップ型ヒューズ素子１を実装するため等の熱処理により、可溶体３が断線するおそれがある。また、Ｓｎ粉の含有比率が１０質量％未満である場合、溶断特性が低下するおそれがある。

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。

また、前記図１に示す構造を採用した場合には、基板２と可溶体３との間に蓄熱層を介在させたり、可溶体３を覆って保護層を形成することも可能である。蓄熱層を構成する材料としては特に限定されないが、低い熱伝導性を示す材料を用いることが好ましく、例えば樹脂やガラス等を挙げることができる。蓄熱層は、多孔質構造とすることもできる。前記のような蓄熱層を形成することにより、可溶体３で発生するジュール熱を効率的に可溶体３の溶断に利用することができる。

一方、保護層は、可溶体３に定格電流値を超える過電流が流れることによって可溶体３が溶断される際に、溶断した可溶体３を確実に絶縁するとともに、可溶体３を構成する材料の飛散を防止し、外部への影響を極力抑えるようにするものである。保護層を形成するための材料としては、例えばシリコーン樹脂等の樹脂、ガラス等の絶縁材料を用いることができる。

以上のように構成されるチップ型ヒューズ素子１においては、可溶体３が融点の低い合金により形成されることになり、良好な溶断特性を示す。すなわち、定格電流を超える過電流が通電された場合に、短時間での溶断が可能である。

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。先ず、基板２に対応するグリーンシート上に焼成後に可溶体３となる印刷パターンを印刷により形成する。印刷工程では、基板２となるグリーンシート上に、溶断材料を含む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する。可溶体ペーストとは、可溶体３を構成する溶断材料と有機ビヒクルとを混合してなるものであるが、本発明においては、先に説明したような焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉とを含む可溶体ペーストを用いる。

有機ビヒクルは、複数種類の金属粉をペースト化させる役割を有するものであるが、その選択に際して特に制約はなく、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。一般に、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、例えば、エチルセルロース、ポリビニルブチラール等、任意のバインダを選択使用することができる。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、公知の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、焼成工程を実施する。焼成工程では、可溶体ペーストが印刷された基板２を例えば酸素含有雰囲気中で熱処理することにより、可溶体ペースト中のバインダを除去するとともに、可溶体３を構成するための溶断材料を焼き固めるための工程である。この場合、前記焼成工程は、前記の通り酸素を含む雰囲気中（例えば大気中）で行うのが一般的であるが、前記可溶体ペーストに含まれる金属粉や可溶体３の酸化を抑えるために、中性雰囲気中、或いは還元雰囲気中で行うようにしてもよい。還元雰囲気としては、還元性ガスを含む雰囲気であれば如何なるものであってもよく、例えばＨ_２、メタン、Ｎ_２、Ａｒ_２、ＣＯやこれらの混合ガス等を含む雰囲気を挙げることができる。

焼成工程における焼成温度は、用いる溶断材料（金属粉）の種類に応じて適宜決定すればよく、焼成温度で溶融する金属粉の融点以上、焼成温度で溶融しない金属粉の融点未満とする。焼成温度を前記のように設定することにより、合金化により形成される可溶体３の形状を維持することができ、不良品の発生を抑えることができる。焼成温度が高すぎると、用いた金属粉全体が溶融し、可溶体の形状を維持できなくなるおそれがある。逆に焼成温度が低すぎると、合金化しない、焼成できない等の不都合を招くおそれがある。

前記焼成の後、外部接続のための電極４を形成するが、例えば電極４を厚膜で形成する場合には、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ等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、電極４をＡｇ熱硬化性導電性樹脂等により形成する場合には、基板２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、電極は前記焼成工程前に形成してもよく、この場合には電極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。

以上によりチップ型ヒューズ素子１が形成されるが、前述の工程によれば、可溶体３を焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉とを含む可溶体ペーストを印刷、焼成して可溶体３を形成するため、例えば融点の低いＳｎ粉を用いた場合であっても可溶体３の形状が維持され、優れた溶断特性のチップ型ヒューズ素子を得ることができる。また、印刷法により可溶体３を形成しているので、工程の簡略化、設備投資の削減等を実現することもできる。さらに、可溶体３の原料として安価な金属粉を使用するので、製造コストも削減することができる。

なお、前述の実施形態においてはプリント基板上に実装可能なチップ型ヒューズ素子を例に挙げて説明してきたが、ヒューズ素子はチップ型に限定されるものではない。例えば本発明は、基板として配線等が形成されたプリント基板を用い、プリント基板上に焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉とを含む可溶体ペーストを印刷し、プリント基板上に可溶体を直接形成しても構わない。

以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。

〈チップ型ヒューズ素子の作製〉
基板となるグリーンシート上に可溶体ペーストを印刷し、可溶体ペーストパターンを形成した。可溶体ペーストは、溶断材料としてＳｎ粉と、Ａｇ粉、Ｃｕ粉、Ｎｉ粉、Ａｕ粉又はＳｂ粉とを用い、これを表１〜表５に示す比率で混合し、有機ビヒクルに分散することにより調製した。その後、前記可溶体ペーストパターンを形成した基板を焼成温度５００℃で焼成し、チップ型ヒューズ素子を得た。

〈リフロー試験〉
得られたチップ型ヒューズ素子についてリフロー試験を行い、可溶体に断線が発生したか否かを調べた。リフロー試験は、チップ型ヒューズ素子をピーク温度２８０℃で１秒間保持することにより行った。結果を表１〜表５に併せて示す。表中、○印は可溶体が断線せず、後述する溶断特性の検討を行ったときにチップ型ヒューズ素子が正常に機能した場合、×印は可溶体が断線してヒューズとして機能しなかった場合を示す。

〈溶断特性の比較検討〉
前記リフロー試験により可溶体が断線せずに正常に機能したチップ型ヒューズ素子について溶断特性を調べた。溶断特性は、チップ型ヒューズ素子に定格電流を超える過電流を通電し、可溶体が溶断するまでの時間（溶断時間）により評価した。結果を表１〜表５に併せて示す。

表１の結果より、焼成温度で溶融する金属粉を単独で用いると（Ｓｎ粉１００質量％）、リフロー試験で断線してヒューズ素子として機能できなかったが、焼成温度で溶融しない金属粉としてＡｇ粉を組み合わせて用いることにより、リフロー試験により断線することなく、ヒューズ素子として正常に機能した。

ただし、Ｓｎ粉の比率を８０質量％と大きく場合、合金化しなかったＳｎが溶融してリフロー試験により断線し、ヒューズ素子として機能しなかった。逆にＳｎ粉の比率が小さく、１０質量％未満の場合、溶断時間が長くなり、溶断特性の悪化が見られた。以上の結果から、Ｓｎ粉とＡｇ粉の合計質量に対するＳｎ粉の比率を１０質量％以上、８０質量％未満とすることが好ましいことが確認された。以上の傾向は、表２〜表５の結果から明らかなように、焼成温度で溶融しない金属粉として、Ａｇ粉に代えてＣｕ粉、Ａｕ粉、Ｎｉ粉又はＳｂ粉を用いた場合も同様であった。

なお、Ｓｎ粉と組み合わせる金属粉として、Ｓｎ粉と合金化し難い金属であるＲｕ粉を用いた場合、焼成により合金化しなかったＳｎがリフロー試験時に溶融し、可溶体の断線を招いてしまった。

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。

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

Claims (5)

1. 焼成温度で溶融する金属粉と焼成温度で溶融しない金属粉とを含む可溶体ペーストを基板上に印刷し、焼成することによりこれら金属粉を合金化し、当該合金を含む可溶体を形成することを特徴とするヒューズ素子の製造方法。
2. 前記焼成温度で溶融する金属粉としてＳｎ粉を用いることを特徴とする請求項１記載のヒューズ素子の製造方法。
3. 前記焼成温度で溶融しない金属粉として、Ａｇ粉、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉、Ａｕ粉、Ｓｂ粉から選ばれる少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項２記載のヒューズ素子の製造方法。
4. 前記焼成温度で溶融する金属粉及び前記焼成温度で溶融しない金属粉の合計に対する前記焼成温度で溶融する金属粉の比率を、１０質量％以上、８０質量％未満とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のヒューズ素子の製造方法。
5. チップ型であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のヒューズ素子の製造方法。

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