JP2009259724A - 保護素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 リフロー実装に適用することができ、使用する半田の液相点又は固相点が実装温度よりも高温であったとしても良好な電流遮断動作の応答性を得ることができる保護素子を提供する。
【解決手段】 保護素子は、通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板１１の上に形成された第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７に弾性部材２０が半田２１を介して固着されている。半田２１は、その液相点が保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高いものとされる。そして、弾性部材２０は、半田２１が完全に溶融しない状態でも変形することによって第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該第２の導体層１５及び当該通電電極端子１６，１７に半田付けされている。
【選択図】 図１
【解決手段】 保護素子は、通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板１１の上に形成された第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７に弾性部材２０が半田２１を介して固着されている。半田２１は、その液相点が保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高いものとされる。そして、弾性部材２０は、半田２１が完全に溶融しない状態でも変形することによって第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該第２の導体層１５及び当該通電電極端子１６，１７に半田付けされている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子及びその製造方法に関する。
保護対象機器の異常にともなう過電流を防止するために使用できる保護素子として、基板上に低融点金属体（ヒューズエレメント）を設けたチップ状の保護素子が知られている。このような保護素子においては、異常時にヒューズエレメントに過電流が流れることによって当該ヒューズエレメントが溶融する。そして、この保護素子においては、溶融したヒューズエレメントが、当該ヒューズエレメントが載置されている電極表面に対する濡れ性のよさに起因して電極上に引き寄せられる。その結果、保護素子においては、ヒューズエレメントが溶断されて電流が遮断されることになる。
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、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントとを積層したチップ状の保護素子も知られている。このような保護素子においては、異常時に発熱抵抗体に通電がなされ、当該発熱抵抗体が発熱することによってヒューズエレメントが溶融する。そして、この保護素子においては、溶融したヒューズエレメントが、当該ヒューズエレメントが載置されている電極表面に対する濡れ性のよさに起因して電極上に引き寄せられる。その結果、保護素子においては、ヒューズエレメントが溶断されて電流が遮断されることになる。
このような保護素子は、通常、リフロー実装によって保護対象機器のベース回路基板上に実装される。したがって、保護素子のベース回路基板上への実装時にヒューズエレメントが溶断するのを防止するために、ヒューズエレメントの固相点は、実装温度よりも高い材料が用いられている。また、実装温度がヒューズエレメントの液相点よりも低く、且つ、固相点以上であるような保護素子の実装方法も提案されている（例えば、特許文献１等参照。）。
なお、ヒューズエレメントを設けることなく過電流や過電圧を防止するために使用できる保護素子としては、例えば特許文献２及び特許文献３等に記載されているように、弾性部材を利用して電流を遮断するタイプのものも提案されている。
ところで、近年では、環境コンプライアンスの遵守要求にともない、保護素子のリフロー実装に用いる半田ペーストはもとより、ヒューズエレメントとしての半田箔についても無鉛化が要求されている。
しかしながら、半田の無鉛化にともない、実装温度の高温化が進んでおり、ヒューズエレメントに要求される液相点又は固相点にもさらなる高温化が要求されている。
具体的には、半田の無鉛化にともないリフロー温度は２６０℃程度にまで高温化しており、保護素子のベース回路基板上への実装時にヒューズエレメントが溶断するのを防止するために、２６０℃以上の液相点又は固相点を有するとともに、ヒューズエレメントとして実用的な無鉛半田は未だ見つかっていない。なお、ヒューズエレメントとして実用的な無鉛半田とは、２６０℃以上の温度にて半田箔が溶融し、その表面張力によって表面積を最小化すべく凝集する力を用いて半田箔を溶断し、電流を遮断する特性を有するものである。
また、このようなヒューズエレメントの液相点又は固相点の高温化は、電流遮断動作の応答性を悪化させるという問題もある。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、リフロー実装に適用することができ、使用する半田の液相点又は固相点が実装温度よりも高温であったとしても良好な電流遮断動作の応答性を得ることができる保護素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
本願発明者は、既存の半田材料に代わる無鉛半田が現在のところ見つかっていない実情を考慮し、ヒューズエレメントを設けることなく電流を遮断することを考えた。そして、本願発明者は、使用する半田の液相点又は固相点が実装温度よりも高温であったとしても良好な電流遮断動作の応答性を得ることができる斬新な構成を見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、上述した目的を達成する本発明にかかる保護素子は、保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子において、通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板上に形成された複数の電極端子に弾性部材が半田を介して固着されており、上記半田は、その液相点が上記保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高いものであり、上記弾性部材は、上記半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって上記複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該複数の電極端子に半田付けされていることを特徴としている。
このような本発明にかかる保護素子は、電流遮断部の接続部材として弾性部材を用い、これを半田によって電極端子に固着して構成される。そして、本発明にかかる保護素子は、半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該複数の電極端子に半田付けされていることから、電流遮断を行うために半田を完全に溶融させる必要がなく、半田がある程度溶融した段階で弾性部材の応力によって物理的に電極端子から弾性部材が離間し、電流遮断を行うことができる。
また、上述した目的を達成する本発明にかかる保護素子の製造方法は、保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子の製造方法において、通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板上に形成された複数の電極端子上に、液相点が上記保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高い半田を塗布する第１の工程と、上記半田が塗布された上記複数の電極端子上に跨るように所定の弾性部材を搭載する第２の工程と、上記弾性部材を撓ませて上記半田に接触させた状態で加熱して当該半田を溶融させた後、冷却し、当該弾性部材を付勢させた状態で上記複数の電極端子に固着する第３の工程とを備え、上記第３の工程では、上記半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって上記複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、上記弾性部材を当該複数の電極端子に半田付けすることを特徴としている。
さらに、上述した目的を達成する本発明にかかる保護素子の製造方法は、保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子の製造方法において、通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板上に形成された複数の電極端子上に、液相点が上記保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高い半田を塗布する第１の工程と、上記半田が塗布された上記複数の電極端子上に跨るように所定の弾性部材を搭載する第２の工程と、上記弾性部材を搭載した状態で加熱して上記半田を溶融させた後、冷却し、当該弾性部材を上記複数の電極端子に固着する第３の工程と、所定のスタンドオフ材を用いて上記弾性部材を撓ませて付勢させる第４の工程とを備え、上記第３の工程では、上記半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって上記複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、上記弾性部材を当該複数の電極端子に半田付けすることを特徴としている。
このような本発明にかかる保護素子の製造方法においては、電流遮断部の接続部材として弾性部材を用い、これを半田によって電極端子に固着して構成される保護素子を容易に製造することができる。このようにして製造された保護素子は、半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該複数の電極端子に半田付けされていることから、電流遮断を行うために半田を完全に溶融させる必要がなく、半田がある程度溶融した段階で弾性部材の応力によって物理的に電極端子から弾性部材が離間し、電流遮断を行うことができる。
本発明によれば、電流遮断を行うために半田を完全に溶融させる必要がなく、半田がある程度溶融した段階で弾性部材の応力によって物理的に電極端子から弾性部材が離間するように、半田を用いて弾性部材を電流遮断部の電極端子に接続することから、使用する半田の液相点又は固相点が実装温度よりも高温であったとしても良好な電流遮断動作の応答性を得ることができ、リフロー実装にも適用することができる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
この実施の形態は、保護対象機器の通電経路に直列に接続され、当該保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子である。特に、この保護素子は、電流遮断部の接続部材としてヒューズエレメントではなく弾性部材を用い、半田を用いてこの弾性部材を電流遮断部の通電電極端子に接続することにより、電流の通電又は遮断を制御することができるものである。
まず、第１の実施の形態として示す保護素子について説明する。
保護素子は、図１に断面図及び図２に平面図を示すように、所定の大きさの基板１１上に、保護対象機器の異常時に通電されることによって発熱する発熱抵抗体（ヒーター）１２と、この発熱抵抗体１２に電気的に接続された第１の導体層１３とが形成されて構成される。
基板１１としては、絶縁性を有する材質の回路基板であればいかなるものであってもよく、例えば、セラミックス基板やガラスエポキシ基板のようなプリント配線基板に用いられる基板の他、ガラス基板、樹脂基板、絶縁処理金属基板等を用いることができる。なお、これらの中で、耐熱性に優れ、熱良伝導性の絶縁基板であるセラミックス基板が好適である。この基板１１の底面には、通電経路の端部を形成する通電経路端子１，２と、発熱抵抗体１２を発熱させるための発熱抵抗体用端子３と、当該保護素子を保護対象機器のベース回路基板上に実装するための実装用ＮＣ（Non-Connection）端子４とが形成されている。また、基板１１の側面には、これら通電経路端子１，２、発熱抵抗体用端子３、及び実装用ＮＣ端子４のそれぞれに電気的に接続された側面導体層５が形成されている。
発熱抵抗体１２は、例えば、酸化ルテニウム等の導電材料と、水ガラス等の無機系バインダや熱硬化性樹脂等の有機系バインダと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って形成される。また、発熱抵抗体１２としては、酸化ルテニウムやカーボンブラック等の薄膜を、印刷、メッキ、蒸着、スパッタの工程を経て形成してもよく、これらフィルムの貼付や積層等によって形成してもよい。この発熱抵抗体１２は、保護対象機器の異常時に発熱抵抗体用端子３の電位が低下するのにともない、当該発熱抵抗体用端子３に接続された側面導体層５及び第１の導体層１３を介して通電されることによって発熱する。
第１の導体層１３は、発熱抵抗体１２に通電するための発熱抵抗体用電極端子を形成する。この第１の導体層１３の構成材料については特に制限はないが、当該第１の導体層１３が通電経路を形成することから、後述する半田２２と濡れ性が良好である金属からなるものを使用するのが望ましい。例えば、第１の導体層１３としては、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ等から形成されているものや、表面に金メッキを施して形成されているものを用いることができる。
また、保護素子においては、発熱抵抗体１２及び第１の導体層１３の上に、ガラス等の絶縁層１４を介して、第１の導体層１３とは直交する方向に第２の導体層１５が形成されているとともに、通電経路を２つに分割して電流遮断部とするための２つの通電電極端子１６，１７が並列に形成されている。
これら第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７は、第１の導体層１３とともに通電経路を形成する。なお、第２の導体層１５も、通電電極端子１６，１７と同様に通電電極端子であり、多く流れる電流に対する耐性を高めるために設けられるものである。第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７は、それぞれ、絶縁層１４を介して、発熱抵抗体１２と絶縁された状態に配設されている。第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７は、それぞれ、通電経路端子１，２に対応して設けられた電極端子であり、これら通電経路端子１，２のそれぞれに接続された側面導体層５を介して通電されるように形成されている。これら第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７の構成材料についても特に制限はないが、当該第２の導体層１５及び当該通電電極端子１６，１７が通電経路を形成することから、後述する半田２１と濡れ性が良好である金属からなるものを使用するのが望ましい。特に、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７は、通常は第１の導体層１３と同じ製造プロセスにて形成されるため、第１の導体層１３と同様の材料から形成される。なお、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７と発熱抵抗体１２との配置関係については、発熱抵抗体１２の発熱によって第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７と後述する弾性部材２０とを固着している半田２１が溶融する程度の距離以内であれば特に限定はないが、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７の直下、より具体的には、少なくとも第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７の上に弾性部材２０が跨る部分の直下に発熱抵抗体１２を設けることにより、当該発熱抵抗体１２の発熱による後述する半田２１の溶融を速めることができ、電流遮断動作の応答性を向上させることができる。
さらに、保護素子においては、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７に固着された形態で弾性部材２０が配設されている。この弾性部材２０は、例えば非付勢時に略コ字状の形状を呈した導電性を有する板バネ材等として形成されたものであり、略コ字状の対向する２辺を接続する辺の中央部分を略コ字状の内側に撓ませて全体として略Ｍ字状の形状で付勢させた状態で、当該中央部分を第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７に半田２１を介して固着させることにより、これら第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７と電気的に接続されている。また、弾性部材２０は、その一方の端縁が絶縁層１４の上に位置しているとともに、その他方の端縁が発熱抵抗体用電極端子としての第１の導体層１３の上に位置しており、この第１の導体層１３に半田２２を介して固着されることにより、第１の導体層１３と電気的に接続されている。これにより、弾性部材２０は、通電経路を形成する。このような弾性部材２０の構成材料についても特に制限はないが、当該弾性部材２０が通電経路を形成することから、半田２１，２２と濡れ性が良好である金属からなるものを使用するのが望ましい。また、弾性部材２０としては、導電バネ材としての機能を十分に発揮させる観点からは、弾性力は勿論のこと、引っ張り強さや硬度が高い金属からなるものを使用するのが望ましい。例えば、弾性部材２０としては、電気抵抗が比較的小さく半田２１，２２との濡れ性が良好であり、さらに、弾性力、引っ張り強さ、硬度が高く、耐摩耗性や耐食性にも優れているリン青銅から形成されているものを用いることができる。
なお、半田２１，２２としては、同じ組成のものであっても異なる組成のものであってもよいが、いずれにせよ、従来から使用されている種々の低融点金属体を用いることができ、例えば、ＳｎＳｂ合金、ＢｉＳｎＰｂ合金、ＢｉＰｂＳｎ合金、ＢｉＰｂ合金、ＢｉＳｎ合金、ＳｎＰｂ合金、ＳｎＡｇ合金、ＰｂＩｎ合金、ＺｎＡｌ合金、ＩｎＳｎ合金、ＰｂＡｇＳｎ合金等を挙げることができる。特に、半田２１，２２としては、無鉛化の要求の観点から、ＳｎＳｂ合金やＳｎＣｕ合金等の無鉛半田を用いるのが望ましい。また、半田２１，２２のうち少なくとも半田２１としては、その液相点が保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高いものが用いられる。具体的には、半田２１としては、保護対象機器に当該保護素子をリフロー実装する場合には、発熱抵抗体１２の加熱温度も考慮して、その液相点が２６０℃以上３５０℃以下のものが望ましい。ただし、半田２１は、従来の保護素子において電流遮断を担っていたヒューズエレメントのように、その加熱溶断にて必要とされる溶融半田の凝集力、すなわち、表面張力を呈する特性は必要とせず、固相点又は液相点の温度（融点）にて物理的な固着力が低減し、その固着力よりも弾性部材２０の応力（付勢力）が上回って当該弾性部材２０が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７から離間する程度のものであればよい。換言すれば、弾性部材２０は、半田２１が完全に溶融しない状態でも変形することによって第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７のうち少なくとも１つの通電電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該第２の導体層１５及び当該通電電極端子１６，１７に半田付けされていればよい。なお、半田２１，２２の量は、発熱抵抗体用電極端子や第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７との固着面積に依存するが少量で足り、一般的には０．５ｍｇ〜２ｍｇ程度で十分である。
さらにまた、保護素子は、弾性部材２０の挙動範囲を保護及び規制し、且つ、ＳＭＴ（Surface Mount Technology）自動実装対応を目的とした自動部品搭載用吸着エリアを形成したチップ部品として当該保護素子を製造するために、例えば液晶ポリマー製等の絶縁ケース１８によって弾性部材２０を被覆している。この絶縁ケース１８は、弾性部材２０が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７から離間することによる電流遮断動作を妨げないように、キャップ状の中空構造とされる。なお、この絶縁ケース１８によって被覆された空間には、特に図示しないが、その表面酸化を防止するために、フラックス等からなる表面活性部材を設けてもよい。フラックスとしては、ロジン系フラックス等、公知のフラックスをいずれも使用することができ、粘度等も任意である。
このような保護素子の回路構成は、図３に示すように表現することができる。すなわち、保護素子は、少なくとも通電経路端子１，２の間に設けられた第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに弾性部材２０によって通電経路Ａ−Ｂが構成されており、弾性部材２０が半田２２を介して第１の導体層１３と電気的に接続していることから、弾性部材２０を含む通電経路Ａ−Ｂを介して発熱抵抗体１２に通電されるように構成される。したがって、この保護素子においては、通電経路Ａ−Ｂから通電がなされて発熱抵抗体１２が発熱すると、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７のうち少なくとも１つの通電電極端子と弾性部材２０とを接続している半田２１が溶融することになる。
なお、発熱抵抗体１２の抵抗値は、通電経路Ａ−Ｂの電位によって異なるが、例えば１２．６Ｖの電圧が通電経路Ａ−Ｂに印加される設計を想定した場合には、５Ω〜１０Ω程度とするのが望ましい。ただし、この抵抗値は、基板１１の熱伝導特性や前提とする使用温度環境等の諸条件によって左右されるものであり、それぞれのアプリケーション毎の適正設計検証が必要となる。また、弾性部材２０及び半田２１を主とする通電経路Ａ−Ｂの抵抗値は、通電経路に例えば定格電流の２倍以上の電流が流れた場合に弾性部材２０及び半田２１が加熱するように設計すればよく、定格電流や、弾性部材２０の形状、部材厚、熱伝導率等の諸条件によって異なるが、例えば１２Ａの定格電流を想定した場合には、２ｍΩ〜４ｍΩ程度とするのが望ましい。
さて、このような保護素子は、過電圧動作を含む保護回路動作として以下のような動作を行う。すなわち、保護素子においては、保護対象機器の異常時に電界効果トランジスタ等のスイッチからなる外部保護回路から供給される所定の遮断信号を入力するのに応じて発熱抵抗体用端子３の電位がグラウンドレベルに低下する。これにより、保護素子においては、グラウンドよりも高電位である通電経路から発熱抵抗体１２に対して電流が流れ、これにともない当該発熱抵抗体１２が発熱する。そして、保護素子においては、発熱抵抗体１２の近傍に設けられている第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７のうち少なくとも１つの通電電極端子と弾性部材２０とを固着している半田２１が溶融し、例えば図４に示すように、当該弾性部材２０が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７から離間して非付勢状態となり、通電経路を遮断する。このとき、発熱抵抗体１２に流れる電流は、弾性部材２０を介して通電経路から供給されていることから、通電経路の遮断に応じて発熱抵抗体１２の発熱も停止する。なお、図４においては、弾性部材２０が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７の全てから離間した様子を示しているが、保護素子においては、いずれかの通電電極端子から弾性部材２０が離間すれば、通電経路が遮断されることはいうまでもない。ただし、保護素子においては、弾性部材２０が離間する上で、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７の全てから同時に離間する可能性が非常に高いといえる。
また、保護素子においては、過電流動作を行う場合には、通電経路に例えば定格電流の２倍以上の電流が流れることによって当該通電経路を形成する弾性部材２０及び半田２１が加熱し、これにより、保護回路動作の場合と同様に、半田２１が溶融して弾性部材２０が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７から離間して非付勢状態となり、通電経路を遮断する。
このように、保護素子は、弾性部材２０の動作に応じて通電経路を遮断することができ、過電流及び過電圧を防止することができる。
なお、このような動作を行う保護素子は、以下のようにして製造することができる。
まず、既存の配線基板製造技術を利用して、発熱抵抗体１２、第１の導体層１３、絶縁層１４、第２の導体層１５、及び通電電極端子１６，１７を形成した基板１１を用意すると、通電電極端子１６，１７と、弾性部材２０を半田付けする部位の第１の導体層１３との上に半田２１を塗布する。
続いて、略コ字状の形状を呈する弾性部材２０を、その一方の端縁を絶縁層１４の上に位置させるとともに、その他方の端縁を第１の導体層１３の上に位置させ、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７の上に跨るように位置決めして搭載する。
そして、所定の押さえ治具等を用いて、弾性部材２０の中央部分を略コ字状の内側に撓ませて半田２１に接触させた状態で加熱して半田２１，２２を溶融させた後、即座に冷却することにより、弾性部材２０を略Ｍ字状の形状で付勢させた状態で第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに第１の導体層１３に固着する。なお、この加熱及び冷却工程は、準備した完成前素子を所定の加熱及び冷却炉に挿入したり、また、押さえ治具を加熱及び冷却したりすることによって行うことができる。また、発熱抵抗体１２に通電が可能な場合には、当該発熱抵抗体１２に対する通電及び通電遮断を行うことにより、当該発熱抵抗体１２の発熱を利用して弾性部材２０を固着することもできる。さらに、押さえ治具として例えば剣山のように複数の突起を設けた押圧ヘッド等を用いることにより、複数の素子のそれぞれに対して同時に弾性部材２０を搭載することができ、歩留まりを向上させることができる。
保護素子は、このようにして弾性部材２０が搭載された完成前素子に絶縁ケース１８を固着することによって製造することができる。
以上説明したように、保護素子は、電流遮断部の接続部材として、従来のように半田箔からなるヒューズエレメントではなく弾性部材２０を用い、半田２１を用いてこの弾性部材２０を電流遮断部の第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７に接続することにより、無鉛化を図ることができる。したがって、この保護素子においては、使用する半田２１の液相点又は固相点が実装温度よりも高温であったとしても、ヒューズエレメントを用いた従来の保護素子と同程度の電流遮断動作の応答性を得ることができる。
特に、この保護素子においては、半田２１が完全に溶融しない状態でも変形することによって第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７のうち少なくとも１つの通電電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、弾性部材２０が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７に半田付けされていることから、電流遮断を行うために発熱抵抗体１２の発熱によって半田２１を完全に溶融させる必要がなく、半田２１がある程度溶融した段階で弾性部材２０の応力によって物理的に第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７から弾性部材２０が離間する。したがって、この保護素子においては、発熱抵抗体１２を動作させるための電流範囲を従来の保護素子よりも大きくとることができ、さらに、従来のヒューズエレメントと同じ融点の半田２１を用いた場合には、半田２１が完全に溶断する前に電流を遮断することができるため、電流遮断動作の応答性を向上させることができ、より安全性を高めることができる。
つぎに、第２の実施の形態として示す保護素子について説明する。
この第２の実施の形態として示す保護素子は、第１の実施の形態として示した保護素子に対して電流遮断部の電極端子の個数を変えたものである。したがって、この第２の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態の説明と同様の構成については同一符号を付し、その詳細な説明を省略するものとする。
保護素子においては、図５に断面図及び図６に平面図を示すように、通電経路を３つに分割して電流遮断部とするように、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７の間に、中間電極端子３１が並列に形成されている。
中間電極端子３１は、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７と同様に、絶縁層１４を介して、発熱抵抗体１２と物理的に離間した状態で配設されているが、弾性部材２０が搭載される領域の外側において実装用ＮＣ端子４に接続される経路に電気的に接続されている。この中間電極端子３１の構成材料についても特に制限はないが、当該中間電極端子３１が通電経路を形成することから、半田２１と濡れ性が良好である金属からなるものを使用するのが望ましく、また、通常は第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７と同じ製造プロセスにて形成されるため、これら第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７と同様の材料から形成される。
そして、このような保護素子においては、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７と中間電極端子３１とに固着された形態で弾性部材２０が配設される。すなわち、弾性部材２０は、第１の実施の形態と同様に、非付勢時に略コ字状の形状を呈した導電性を有する板バネ材等として形成されたものを用いる場合には、略コ字状の対向する２辺を接続する辺の中央部分を略コ字状の内側に撓ませて全体として略Ｍ字状の形状で付勢させた状態で、当該中央部分を第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７と中間電極端子３１とに半田２１を介して固着させることにより、これら第２の導体層１５、通電電極端子１６，１７、及び中間電極端子３１と電気的に接続される。また、弾性部材２０は、その一方の端縁が絶縁層１４の上に位置しているとともに、その他方の端縁が絶縁層１４の上に所定の接着剤３２を介して固着されている。すなわち、この保護素子においては、発熱抵抗体１２に接続された中間電極端子３１を設けることにより、弾性部材２０と第１の導体層１３とを半田２２を介して電気的に接続することなく、弾性部材２０によって通電経路を形成することができる。なお、弾性部材２０は、第１の実施の形態にて説明したように、半田２１が完全に溶融しない状態でも変形することによって第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該第２の導体層１５及び当該通電電極端子１６，１７並びに当該中間電極端子３１に半田付けされていればよい。
このような保護素子の回路構成は、図７に示すように表現することができる。すなわち、保護素子は、少なくとも通電経路端子１，２の間に設けられた第２の導体層１５、通電電極端子１６，１７、及び中間電極端子３１並びに弾性部材２０によって通電経路Ａ−Ｂが構成されており、弾性部材２０及び中間電極端子３１を含む通電経路Ａ−Ｂを介して発熱抵抗体１２に通電されるように構成される。したがって、この保護素子においては、通電経路Ａ−Ｂから通電がなされて発熱抵抗体１２が発熱すると、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１のうち少なくとも１つの電極端子と弾性部材２０とを接続している半田２１が溶融することになる。
このような保護素子においては、過電圧動作を含む保護回路動作を行う場合には、第１の実施の形態にて説明した動作と同様に、保護対象機器の異常時に外部保護回路から供給される所定の遮断信号を入力するのに応じて発熱抵抗体用端子３の電位がグラウンドレベルに低下することから、グラウンドよりも高電位である通電経路から中間電極端子３１を介して発熱抵抗体１２に対して電流が流れ、これにともない当該発熱抵抗体１２が発熱する。そして、保護素子においては、発熱抵抗体１２の近傍に設けられている第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１のうち少なくとも１つの電極端子と弾性部材２０とを固着している半田２１が溶融し、例えば図８に示すように、当該弾性部材２０が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１から離間して非付勢状態となり、通電経路を遮断する。このとき、発熱抵抗体１２に流れる電流は、中間電極端子３１を介して通電経路から供給されていることから、通電経路の遮断に応じて発熱抵抗体１２の発熱も停止する。なお、図８においては、弾性部材２０が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１の全てから離間した様子を示しているが、保護素子においては、いずれか１つの電極端子から弾性部材２０が離間すれば、通電経路が遮断されることはいうまでもない。特に、保護素子においては、発熱抵抗体１２が中間電極端子３１の直下に位置しているような場合には、中間電極端子３１が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７の中間に配設されていることにより、中間電極端子３１のみが離間することはなく、必ず最初に第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７のいずれかが離間するように設計されている。これにより、保護素子においては、「通電経路の遮断前に発熱抵抗体１２の発熱が停止する」という不具合が生じるのを防止することができる。
また、保護素子においては、過電流動作を行う場合にも、第１の実施の形態にて説明した動作と同様に、通電経路に例えば定格電流の２倍以上の電流が流れることによって当該通電経路を形成する弾性部材２０及び半田２１が加熱し、これにより、保護回路動作の場合と同様に、半田２１が溶融して弾性部材２０が第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７、及び／又は、中間電極端子３１から離間して非付勢状態となり、通電経路を遮断する。
このように、保護素子は、弾性部材２０の動作に応じて通電経路を遮断することができ、過電流及び過電圧を防止することができる。
なお、このような動作を行う保護素子は、以下のようにして製造することができる。
まず、既存の配線基板製造技術を利用して、発熱抵抗体１２、第１の導体層１３、絶縁層１４、第２の導体層１５、通電電極端子１６，１７、及び中間電極端子３１を形成した基板１１を用意すると、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１の上に半田２１を塗布する。
続いて、略コ字状の形状を呈する弾性部材２０を、その両方の端縁を絶縁層１４の上に位置させるとともに、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７の上に跨るように位置決めして搭載した状態で、弾性部材２０の一方の端縁に接着剤３２を塗布する。
そして、第１の実施の形態にて説明したように、所定の押さえ治具等を用いて、弾性部材２０の中央部分を略コ字状の内側に撓ませて半田２１に接触させた状態で加熱して半田２１を溶融させた後、即座に冷却することにより、弾性部材２０を略Ｍ字状の形状で付勢させた状態で第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１に固着する。また、この加熱により、接着剤３２の硬化も同時に行う。
保護素子は、このようにして弾性部材２０が搭載された完成前素子に絶縁ケース１８を固着することによって製造することができる。
このように、保護素子は、電極端子の個数を増やした場合であっても、弾性部材２０による電流遮断動作を行うことができ、無鉛化を図ることができることから、使用する半田２１の液相点又は固相点が実装温度よりも高温であったとしても、ヒューズエレメントを用いた従来の保護素子と同程度若しくはそれ以上の電流遮断動作の応答性を得ることができる。
このような保護素子は、例えばノートブック型のパーソナルコンピュータ等の電子機器本体に着脱されるバッテリーパックをはじめとし、保護対象機器の基板にリフロー実装されるチップ型保護素子として極めて好適である。
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上述した実施の形態では、無鉛半田を用いるのが望ましいものとして説明したが、本発明は、半田の種類に拘泥するものではなく、有鉛半田であっても適用することができる。
また、上述した実施の形態では、発熱抵抗体上に絶縁層を介して電極端子を設けた態様について説明したが、本発明は、通電経路を形成する複数の電極端子と弾性部材とを半田付けするものであれば、発熱抵抗体と電極端子とを同一平面に設けた態様等、発熱抵抗体と電極端子との配置を任意とすることができる。
さらに、上述した実施の形態では、１つの発熱抵抗体を設けた態様について説明したが、本発明は、複数の発熱抵抗体を設けるようにしてもよく、また、発熱抵抗体の発熱によって半田が溶融する程度に当該発熱抵抗体を電極端子の近傍に設けるのであれば保護素子の外部に設けるようにしてもよい。また、本発明は、過電流を防止する保護素子として提供する場合には、発熱抵抗体を設けなくてもよい。
さらにまた、上述した実施の形態では、電極端子が２個又は３個の場合について説明したが、本発明は、通電経路を形成する複数の電極端子と弾性部材とを半田付けするものであれば、任意個数の電極端子を設けてもよい。
また、本発明は、発熱抵抗体の下部に、放熱を抑制するための断熱層を備えるのも望ましい。このような断熱層は、例えばガラス層等を用いることができる。この場合、断熱層は、上述した基板１１の上にガラスペーストを印刷し、約８５０℃で焼成することによって形成することができる。
さらに、上述した実施の形態では、非付勢時に略コ字状の形状を呈した導電性を有する弾性部材を用いるものとして説明したが、本発明は、通電経路を形成する複数の電極端子と弾性部材とを半田付けするものであれば、任意形状の弾性部材を用いることができる。この具体例として、第２の実施の形態にて説明した弾性部材２０に代えて、１枚の導電性を有する平板材を弾性部材として用いる場合について、図９及び図１０を用いて説明する。
この保護素子においては、平板材からなる弾性部材を撓ませて付勢させるために、図９に示すようなスタンドオフ材４０を用いる。このスタンドオフ材４０は、例えば４６−ナイロンや液晶ポリマー製等の絶縁性を有する材料からなり、側断面が逆Ｌ字状に形成された部材４３の両端に、先端が楔状に形成された２つの楔部材４１，４２を結合した形状とされる。なお、スタンドオフ材４０は、逆Ｌ字状の部材４３を形成する水平部分の底面と楔部材４１，４２の上面との間に間隙が設けられるように形成されている。
保護素子においては、半田２１が塗布された第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１の上に、平板材からなる弾性部材２０’が搭載されている状態で加熱して半田２１を溶融させた後、即座に冷却し、弾性部材２０’を第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１に固着させることにより、これら第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１と電気的に接続させる。そして、保護素子においては、スタンドオフ材４０を図９中矢印の方向へスライドセットさせることにより、図１０に示すように、弾性部材２０’の中央部分を撓ませて全体として略Ｕ字状の形状で付勢させる。なお、弾性部材２０’は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態にて説明したように、半田２１が完全に溶融しない状態でも変形することによって第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該第２の導体層１５、当該通電電極端子１６，１７、及び当該中間電極端子３１に半田付けされていればよい。
また、この保護素子においては、スタンドオフ材４０における逆Ｌ字状の部材４３を形成する水平部分の底面と楔部材４１，４２の上面との間に設けられる間隙内に弾性部材２０’が位置することから、当該スタンドオフ材４０が絶縁ケース１８の代わりとしても機能することになる。
なお、このような動作を行う保護素子は、以下のようにして製造することができる。
まず、既存の配線基板製造技術を利用して、発熱抵抗体１２、第１の導体層１３、絶縁層１４、第２の導体層１５、通電電極端子１６，１７、及び中間電極端子３１を形成した基板１１を用意すると、第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１の上に半田２１を塗布し、その上に、平板材からなる弾性部材２０’を第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１の上に跨るように位置決めして搭載する。
続いて、弾性部材２０’を搭載した状態で加熱して半田２１を溶融させた後、即座に冷却することにより、弾性部材２０’を第２の導体層１５及び通電電極端子１６，１７並びに中間電極端子３１に固着する。
そして、スタンドオフ材４０における逆Ｌ字状の部材４３を形成する水平部分の底面と楔部材４１，４２の上面との間に設けられる間隙内に弾性部材２０’が位置するように、当該スタンドオフ材４０をスライドセットし、弾性部材２０’の中央部分を撓ませることにより、当該弾性部材２０’を略Ｕ字状の形状で付勢させる。保護素子は、このようにして製造することができる。
このように、本発明は、通電経路を形成する複数の電極端子と弾性部材とを半田付けするものであれば、任意形状の弾性部材を適用することができる。なお、本発明においては、図９に示したスタンドオフ材４０のように、弾性部材を付勢させるようにセットするために設けられる２つの楔部材の方向が同方向のスタンドオフ材を用いるのではなく、逆方向のスタンドオフ材を用い、そのスタンドオフ材を回転させてセットするようにしてもよく、弾性部材を付勢させることができるのであれば、スタンドオフ材の形状にも限定されることはない。また、絶縁ケースに相当するケース材を別途設けるのであれば、スタンドオフ材としては、図９に示した楔部材４１，４２のように、弾性部材を撓ませて付勢させるための楔部材の部分のみであってもよい。
このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
［実施例］
本願発明者は、保護素子を実際に作製し、通電試験を行って発熱抵抗体の発熱及び過電流による両電流遮断動作を評価した。保護素子としては、先に図１０に示した構成に準じたものを作製した。具体的には、図１１乃至図１３に示すように、スタンドオフ材４０として、上述した楔部材４１，４２に相当する２つの楔部材５１，５２を用意し、これら楔部材５１，５２を弾性部材２０’の下面に挿入し、当該弾性部材２０’の中央部分を撓ませて略Ｕ字状の形状で付勢させた。なお、弾性部材２０’としては、ハイパーリン青銅Ｃ５１９１−Ｈ製の平板材からなり、板厚が０．０５ｍｍ、幅が約２．５ｍｍ、長さが約５ｍｍのものを用いた。
本願発明者は、保護素子を実際に作製し、通電試験を行って発熱抵抗体の発熱及び過電流による両電流遮断動作を評価した。保護素子としては、先に図１０に示した構成に準じたものを作製した。具体的には、図１１乃至図１３に示すように、スタンドオフ材４０として、上述した楔部材４１，４２に相当する２つの楔部材５１，５２を用意し、これら楔部材５１，５２を弾性部材２０’の下面に挿入し、当該弾性部材２０’の中央部分を撓ませて略Ｕ字状の形状で付勢させた。なお、弾性部材２０’としては、ハイパーリン青銅Ｃ５１９１−Ｈ製の平板材からなり、板厚が０．０５ｍｍ、幅が約２．５ｍｍ、長さが約５ｍｍのものを用いた。
まず、このような保護素子を、所定の発熱動作試験装置を用いて実際に加熱し、電流遮断動作を評価した。試験装置は、発熱抵抗体１２に相当するヒータを設けたものであり、保護素子の通電経路を介して電流が流れると、そのヒータが発熱する構造のものである。なお、ヒータの抵抗値は、１３．０３Ωである。動作試験は、動作電力を２２Ｗとして通電した。その結果、図１４に示すように、通電開始から０．４３ｍ秒後に弾性部材２０’が大きく飛び跳ねる現象が確認された。動作後のヒータ抵抗値は、１３．０Ωであり、また、保護素子の抵抗値は、無限大であり、電流遮断動作が確実に行われたことが確認された。
また、このような保護素子に対して、所定の過電流動作試験装置を用いて実際に通電し、電流遮断動作を評価した。動作試験は、２０Ａの電流を通電した。その結果、通電開始から約４５秒後に、発熱動作試験の場合と同様に、弾性部材２０’が大きく飛び跳ねる現象が確認された。
１１ 基板
１２ 発熱抵抗体
１３ 第１の導体層
１４ 絶縁層
１５ 第２の導体層
１６，１７ 通電電極端子
１８ 絶縁ケース
２０，２０’ 弾性部材
２１，２２ 半田
３１ 中間電極端子
３２ 接着剤
４０ スタンドオフ材
４１，４２，５１，５２ 楔部材
４３ 部材
１２ 発熱抵抗体
１３ 第１の導体層
１４ 絶縁層
１５ 第２の導体層
１６，１７ 通電電極端子
１８ 絶縁ケース
２０，２０’ 弾性部材
２１，２２ 半田
３１ 中間電極端子
３２ 接着剤
４０ スタンドオフ材
４１，４２，５１，５２ 楔部材
４３ 部材
Claims (21)
- 保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子において、
通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板上に形成された複数の電極端子に弾性部材が半田を介して固着されており、
上記半田は、その液相点が上記保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高いものであり、
上記弾性部材は、上記半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって上記複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該複数の電極端子に半田付けされていること
を特徴とする保護素子。 - 上記弾性部材は、上記保護対象機器の異常時に通電された発熱抵抗体の発熱によって上記半田が溶融して上記複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間し、上記通電経路を流れる電流を遮断すること
を特徴とする請求項１記載の保護素子。 - 上記発熱抵抗体は、上記通電経路から電流が供給されること
を特徴とする請求項２記載の保護素子。 - 上記発熱抵抗体は、上記複数の電極端子と上記弾性部材とを固着している上記半田が溶融する程度の距離以内に配設されていること
を特徴とする請求項２又は請求項３記載の保護素子。 - 上記発熱抵抗体は、少なくとも上記複数の電極端子上に上記弾性部材が跨る部分の直下に配設されていること
を特徴とする請求項４記載の保護素子。 - 上記発熱抵抗体の下部に放熱を抑制するための断熱層を備えること
を特徴とする請求項２乃至請求項５のうちいずれか１項記載の保護素子。 - 上記発熱抵抗体を備えること
を特徴とする請求項２乃至請求項６のうちいずれか１項記載の保護素子。 - 上記発熱抵抗体は、当該保護素子の外部に設けられていること
を特徴とする請求項２乃至請求項５のうちいずれか１項記載の保護素子。 - 上記弾性部材は、上記通電経路に過電流が流れた際に当該弾性部材及び上記半田が加熱し、当該半田が溶融して上記複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間し、上記通電経路を流れる電流を遮断すること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の保護素子。 - 上記弾性部材は、その一方の端縁のみが上記発熱抵抗体に通電するための発熱抵抗体用電極端子に半田を介して固着されていること
を特徴とする請求項２記載の保護素子。 - 上記弾性部材は、少なくともその一方の端縁が上記発熱抵抗体に通電するための発熱抵抗体用電極端子に接着剤を介して固着されていること
を特徴とする請求項２記載の保護素子。 - 上記弾性部材は、非付勢時に略コ字状の形状を呈した導電性を有する板バネ材として形成されたものであり、略コ字状の対向する２辺を接続する辺を撓ませて全体として略Ｍ字状の形状で付勢させた状態で、撓ませた部分が上記複数の電極端子に上記半田を介して固着されていること
を特徴とする請求項１、請求項１０又は請求項１１記載の保護素子。 - 上記弾性部材は、平板材からなり、所定のスタンドオフ材を用いて撓ませて全体として略Ｕ字状の形状で付勢させた状態で、撓ませた部分が上記複数の電極端子に上記半田を介して固着されていること
を特徴とする請求項１記載の保護素子。 - 上記弾性部材の挙動範囲を保護及び規制するように当該弾性部材を被覆する絶縁ケースを備えること
を特徴とする請求項１記載の保護素子。 - 上記絶縁ケースには、自動部品搭載用吸着エリアが形成されていること
を特徴とする請求項１４記載の保護素子。 - 上記基板は、絶縁性を有する材質の回路基板であること
を特徴とする請求項１記載の保護素子。 - 上記基板は、セラミックス基板であること
を特徴とする請求項１６記載の保護素子。 - 上記半田は、その液相点が２６０℃以上の半田であること
を特徴とする請求項１乃至請求項１７のうちいずれか１項記載の保護素子。 - 上記半田は、無鉛半田であること
を特徴とする請求項１８記載の保護素子。 - 保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子の製造方法において、
通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板上に形成された複数の電極端子上に、液相点が上記保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高い半田を塗布する第１の工程と、
上記半田が塗布された上記複数の電極端子上に跨るように所定の弾性部材を搭載する第２の工程と、
上記弾性部材を撓ませて上記半田に接触させた状態で加熱して当該半田を溶融させた後、冷却し、当該弾性部材を付勢させた状態で上記複数の電極端子に固着する第３の工程とを備え、
上記第３の工程では、上記半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって上記複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、上記弾性部材を当該複数の電極端子に半田付けすること
を特徴とする保護素子の製造方法。 - 保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子の製造方法において、
通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板上に形成された複数の電極端子上に、液相点が上記保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高い半田を塗布する第１の工程と、
上記半田が塗布された上記複数の電極端子上に跨るように所定の弾性部材を搭載する第２の工程と、
上記弾性部材を搭載した状態で加熱して上記半田を溶融させた後、冷却し、当該弾性部材を上記複数の電極端子に固着する第３の工程と、
所定のスタンドオフ材を用いて上記弾性部材を撓ませて付勢させる第４の工程とを備え、
上記第３の工程では、上記半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって上記複数の電極端子のうち少なくとも１つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、上記弾性部材を当該複数の電極端子に半田付けすること
を特徴とする保護素子の製造方法。
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