JP2015002030A

JP2015002030A - 保護素子、及び保護素子が実装された実装体

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Publication number: JP2015002030A
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Inventors: 吉弘米田; Yoshihiro Yoneda
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Filing date: 2013-06-13
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Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池等の高電圧化、大電流化に対応して、定格を向上させることができる保護素子を提供する。
【解決手段】絶縁基板１１と、発熱抵抗体１４と、第１及び第２の電極１２（Ａ１）（Ａ２）と、発熱抵抗体１４に接続された発熱体引出電極１６と、発熱体引出電極１６から第１及び第２の電極１２（Ａ１）（Ａ２）にわたって積層され、加熱により、第１、第２の電極１２（Ａ１）（Ａ２）間の電流経路を溶断する可溶導体１３とを備え、絶縁基板１１には、可溶導体１３が設けられた面と同一面に、第１、第２の外部接続電極２１，２３及び１又は複数の第１、第２の外部接続端子２２、２４が形成され、第１、第２の外部接続電極２１，２３間の導通抵抗よりも、第１の外部接続端子２２と第２の外部接続端子２４との合成抵抗が低い。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流経路を溶断することにより、電流経路上に接続されたバッテリの充放電を停止し、バッテリの熱暴走を抑制する保護素子に関する。

充電して繰り返し利用することのできる二次電池の多くは、バッテリパックに加工されてユーザに提供される。特に重量エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池においては、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護、過放電保護等のいくつもの保護回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの出力を遮断する機能を有している。

この種の保護回路では、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴスイッチを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、バッテリパックの過充電保護又は過放電保護動作を行う。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴスイッチが短絡破壊した場合、雷サージ等が印加されて瞬間的な大電流が流れた場合、あるいはバッテリセルの寿命によって出力電圧が異常に低下したり、逆に過大異常電圧を出力した場合であっても、バッテリパックや電子機器は、発火等の事故から保護されなければならない。そこで、このような想定し得るいかなる異常状態において、バッテリセルの出力を安全に遮断するために、外部からの信号によって電流経路を遮断する機能を有するヒューズ素子からなる保護素子が用いられる。

このようなリチウムイオン二次電池等向けの保護回路の保護素子として、特許文献１に記載されているように、保護素子内部に発熱抵抗体を有し、この発熱抵抗体によって電流経路上の可溶導体を溶断する構造が一般的に用いられている。

本発明の関連技術として、図１１（Ａ）（Ｂ）に保護素子５０を示す。保護素子５０は、絶縁基板５１と、絶縁基板５１に積層され、ガラス等の絶縁部材５２に覆われた発熱抵抗体５３と、絶縁基板５１の両端に形成された一対の電極５４，５４と、絶縁部材５１上に発熱抵抗体５３と重畳するように積層された発熱体引出電極５５と、両端が一対の電極５４，５４にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極５５に接続された可溶導体５６とを備える。

発熱体引出電極５５の一端は、第１の発熱体電極５７に接続される。また、発熱抵抗体５３の他端は、第２の発熱体電極５８に接続される。なお、保護素子５０は、可溶導体５６の酸化防止のために、可溶導体５６上のほぼ全面にフラックス６１が塗布されている。また、保護素子５０は、内部を保護するためにカバー部材を絶縁基板５１上に載置してもよい。

このような保護素子５０は、絶縁基板５１の表面に形成された一対の電極５４，５４が、絶縁基板の側面に形成された導電スルーホール５９を介して、絶縁基板５１の裏面に形成された外部接続電極６０と電気的に接続されている。そして、保護素子５０は、リチウムイオン二次電池等向け保護回路の基板上に、外部接続電極６０が接続されることにより、当該保護回路の電流経路の一部を構成する。

特開２０１０−００３６６５号公報

ところで、近年、バッテリとモーターを使用したＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）やＥＶ（Electric Vehicle）が急速に普及している。ＨＥＶやＥＶの動力源としては、エネルギー密度と出力特性からリチウムイオン二次電池が使用されるようになってきている。また、リチウムイオン二次電池は、航空機においても実用が開始されている。自動車用途や航空機用途では、高電圧、大電流が必要とされる。このため、高電圧、大電流に耐えられる専用セルが開発されているが、製造コスト上の問題から多くの場合、複数のバッテリセルを直列、並列に接続することで、汎用セルを用いて必要な電圧、電流を確保している。

このようなリチウムイオン二次電池等の大電流用途においては、保護素子においても、定格のさらなる向上が求められる。すなわち、リチウムイオン二次電池等が高電圧化、大電流化する一方、保護回路に搭載される保護素子が、当該高電圧化、高電流化に対応した定格を備えていない場合、通常の使用状態において電流経路上の可溶導体が溶断する恐れや、保護素子の発熱により、接続不良や周辺の素子等に悪影響を及ぼす恐れが生じる。

そして、保護素子５０においても、可溶導体によって接続された一対の電極５４，５４間の内部導通抵抗は定格向上に応えることができる程度に十分下げることができる（例えば１ｍΩ未満）。

しかし、絶縁基板５１の裏面に外部接続電極６０を設け、一対の電極５４，５４と当該外部接続電極６０とを導電スルーホール５９によって接続する保護素子５０においては、一対の電極５４，５４のそれぞれと外部接続電極６０との間の導通抵抗が高く（例えば０．５〜１．０ｍΩ）、導電スルーホール内に導体を充填したとしても、保護素子全体の導通抵抗を下げるには限界がある。

そこで、本発明は、リチウムイオン二次電池等の高電圧化、大電流化に対応して、定格を向上させることができる保護素子及び保護素子が実装された実装体を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に配置された発熱抵抗体と、上記絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、上記第１及び第２の電極の間の電流経路上で該発熱抵抗体に電気的に接続された発熱体引出電極と、上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって積層され、加熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、上記絶縁基板の上記可溶導体が設けられた面と同一面に形成され、上記第１の電極と連続する第１の外部接続電極と、上記第１の外部接続電極上に設けられる１又は複数の第１の外部接続端子と、上記第２の電極と連続する第２の外部接続電極と、上記第２の外部接続電極上に設けられる１又は複数の第２の外部接続端子とを備え、上記第１、第２の外部接続電極間の導通抵抗よりも、上記第１の外部接続端子と上記第２の外部接続端子との合成抵抗が低いことを特徴とするものである。

また、本発明に係る実装体は、保護素子が実装対象物に実装された実装体において、上記保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に配置された発熱抵抗体と、上記絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、上記第１及び第２の電極の間の電流経路上で該発熱抵抗体に電気的に接続された発熱体引出電極と、上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって積層され、加熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、上記絶縁基板の上記第１、第２の電極が形成された面と同一表面に形成され、上記第１の電極と連続する第１の外部接続電極及び上記第２の電極と連続する第２の外部接続電極とを備え、上記第１の電極が上記第１の外部接続電極上に接続された第１の外部接続端子を介して上記実装対象物と接続され、上記第２の電極が上記第２の外部接続電極上に接続された第２の外部接続端子を介して上記実装対象物と接続され、上記第１、第２の外部接続電極間の導通抵抗よりも、上記第１の外部接続端子と上記第２の外部接続端子との合成抵抗が低いことを特徴とするものである。

本発明によれば、第１、第２の外部接続電極から先の導通抵抗を容易に下げることができ、第１、第２の電極間の内部導通抵抗の低抵抗化と相まって、素子全体として定格の飛躍的な向上を図ることができる。

本発明が適用された保護素子を示す断面図である。本発明が適用された保護素子を、カバー部材を省略して示す平面図である。本発明が適用された他の保護素子を、カバー部材を省略して示す平面図である。本発明が適用された保護素子が実装された実装体の構成を示すブロック図である。本発明が適用された保護素子の回路構成例を示す図である。可溶導体が溶断された保護素子を示す断面図である。発熱体を絶縁基板に内蔵した保護素子の変形例を示す断面図である。発熱体を絶縁基板の裏面に形成した保護素子の変形例を示す断面図である。発熱体を絶縁基板の表面に形成した保護素子の変形例を示す斜視図である。発熱素子を絶縁基板の表面に形成した保護素子の変形例を示す斜視図である。本発明が適用された保護素子の関連技術に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ‘断面図である。

以下、本発明が適用された保護素子及び保護素子が実装された実装体について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［保護素子の構成］
図１、図２に本発明が適用された保護素子１０を示す。図１は、図２に示すＡ−Ａ‘断面図である。図１、図２に示すように、保護素子１０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱抵抗体１４と、絶縁基板１１の両端に形成された第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と、絶縁部材１５上に発熱抵抗体１４と重畳するように積層された発熱体引出電極１６と、両端が第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。

方形状の絶縁基板１１は、たとえば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成される。その他、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、ヒューズ溶断時の温度に留意する必要がある。

発熱抵抗体１４は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、たとえばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ等からなる。発熱抵抗体１４は、これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板１１上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。

絶縁基板１１は、発熱抵抗体１４を覆うように絶縁部材１５が配置され、この絶縁部材１５を介して発熱抵抗体１４に対向するように発熱体引出電極１６が配置される。なお、発熱抵抗体１４の熱を効率良く可溶導体に伝えるために、発熱抵抗体１４と絶縁基板１１の間に絶縁部材１５を積層しても良い。

発熱体引出電極１６の一端は、発熱体電極１８（Ｐ１）に接続される。また、発熱抵抗体１４の一端は発熱体電極１８（Ｐ１）に接続され、他端は他方の発熱体電極１８（Ｐ２）に接続される。なお、他方の発熱体電極１８（Ｐ２）上には、発熱体接続端子１８ａが設けられている。発熱体接続端子１８ａは、後述する第１、第２の外部接続端子２２，２４と同様に、金属バンプや金属ポストを用いて形成され、上方に突出されている。

可溶導体１３は、例えば高融点金属又は低融点金属からなる単層構造体、あるいは高融点金属と低融点金属とを有する積層構造体であり、好ましくは、内層として高融点金属層、外層として低融点金属層を有する積層構造体である。なお、内層として低融点金属層、外層として高融点金属層を有するようにしてもよい。また、可溶導体１３は、上層と下層の２層積層構造体としてもよく、上層として高融点金属層、下層として低融点金属層を有するようにしてもよい。

高融点金属は、好ましくは、Ａｇ若しくはＣｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする金属であり、リフロー炉によって基板実装を行う場合においても溶融しない高い融点を有する。低融点金属は、好ましくは、Ｓｎを主成分とする金属であり、「Ｐｂフリーハンダ」と一般的に呼ばれる材料である（たとえば千住金属工業製、Ｍ７０５等）。低融点金属の融点は、必ずしもリフロー炉の温度よりも高い必要はなく、２００℃程度で溶融してもよい。高融点金属層と低融点金属層とを積層することによって、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて、低融点金属層が溶融した場合であっても、可溶導体１３として溶断するに至らない。可溶導体１３は、高融点金属層に低融点金属層をメッキ技術を用いて成膜することによって積層構造体を形成してもよく、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いることによって高融点金属層に低融点金属層を積層した積層構造体を形成することができる。また、逆の高融点金属層を外層とする場合も同様の成膜技術で形成することができる。なお、可溶導体１３の発熱体引出電極１６及び第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）への接続は、低融点金属層を用いてハンダ接合することにより実現することができる。

また、保護素子１０は、可溶導体１３の酸化防止のために、可溶導体１３上のほぼ全面にフラックス１７が塗布されている。また、保護素子１０は、内部を保護するためにカバー部材１９が絶縁基板１１上に載置されている。カバー部材１９は、第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）上に形成されたガラス等の絶縁層２０上に立設されてもよい。

[本願構成]
また、保護素子１０は、図１、図２に示すように、絶縁基板１１の第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）が形成された表面に、第１の電極１２（Ａ１）と連続する第１の外部接続電極２１、第１の外部接続電極２１上に設けられた第１の外部接続端子２２、第２の電極１２（Ａ２）と連続する第２の外部接続電極２３、第２の外部接続電極２３上に設けられた第２の外部接続端子２４が形成されている。

第１、第２の外部接続電極２１，２３は、保護素子１０と保護素子１０が組み込まれるリチウムイオン二次電池等の保護回路とを接続する電極であり、第１の外部接続電極２１は第１の電極１２（Ａ１）と連続され、第２の外部接続電極２３は第２の電極１２（Ａ２）と連続されている。

第１、第２の外部接続電極２１，２３は、ＣｕやＡｇ等の一般的な電極材料を用いて形成され、絶縁基板１１の第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）の形成面と同一面に形成されている。すなわち、図１、図２に示す保護素子１０は、可溶導体１３が設けられる表面が実装面となる。なお、第１、第２の外部接続電極２１，２３は、第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同時に形成することができる。

第１の外部接続電極２１上には、第１の外部接続端子２２が設けられている。同様に、第２の外部接続電極２３上には、第２の外部接続端子２４が設けられている。これら第１、第２の外部接続端子２２，２４は、保護回路基板へ実装するための接続端子であり、例えば金属バンプや、金属ポストを用いて形成されている。また、第１、第２の外部接続端子２２，２４は、図１に示すように、絶縁基板１１上に設けられたカバー部材１９よりも突出する高さを有し、保護素子１０の実装対象物となる回路基板側に実装可能とされている。

このように、保護素子１０は、関連技術として示した保護素子５０のように絶縁基板５１の裏面に外部接続電極６０を設けて一対の電極５４と当該外部接続電極６０とを導電スルーホール５９によって接続するものではなく（図１１参照）、第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同一表面に、外部接続電極２１，２３を介して外部接続端子２２，２４を形成している。そして、保護素子１０は、可溶導体１３を介して接続されている第１、第２の外部接続電極２１，２３間の導通抵抗よりも、第１の外部接続端子２２と第２の外部接続端子２４との合成抵抗が低く構成されている。

これにより、保護素子１０は、素子全体の定格を向上させ、大電流に対応することができる。すなわち、ＨＥＶやＥＶ等の動力源等として使用されるリチウムイオン二次電池等の大電流用途においては、保護素子の定格のさらなる向上が求められている。そして、可溶導体１３によって接続された第１、第２の外部接続電極２１，２３間の内部導通抵抗は定格向上に応えることができる程度に十分下げることができる（例えば１ｍΩ未満）。

加えて、保護素子１０は、第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同一表面に外部接続端子２２，２４を設けている。この外部接続端子２２，２４は、外部接続電極２１，２３上に設けるものであり、形状やサイズ等の自由度が高く、導通抵抗の低い端子を容易に設けることができる。これにより、保護素子１０は、第１、第２の外部接続電極２１，２３間の内部導通抵抗よりも、第１の外部接続端子２２と第２の外部接続端子２４との合成抵抗が低く構成されている。

したがって、保護素子１０によれば、保護素子５０の構成おいては高くなる第１、第２の外部接続電極２１，２３から先の導通抵抗を容易に下げることができ、第１、第２の外部接続電極２１，２３間の内部導通抵抗の低抵抗化と相まって、素子全体として定格の飛躍的な向上を図ることができる。

第１、第２の外部接続端子２２，２４としては、例えば、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダからなる金属バンプや金属ポストを用いて構成することができる。金属バンプや金属ポストの形状は問わない。第１、第２の外部接続端子２２，２４の抵抗値は材料や形状、サイズから求めることができる。一例として、Ｃｕコアの表面にハンダをコーティングした直方体の金属ポスト（Ｃｕコア：０．６ｍｍ×０．６ｍｍ、断面積０．３６ｍｍ^２、高さ１ｍｍ、比抵抗１７．２μΩ・ｍｍ）を用いた場合、その１端子のＣｕコア部抵抗値は約０．０４８ｍΩであり、ハンダコーティング分を考慮すると第１、第２の外部接続端子２２，２４を直列接続させた抵抗値が０．０９６ｍΩ未満と低く、保護素子１０全体の定格を向上できることがわかる。

なお、保護素子１０は、第１、第２の外部接続端子２２，２４間に亘る抵抗値より素子全体の全抵抗値を求め、この全抵抗値と既知である第１、第２の外部接続端子２２，２４の合成抵抗との差より、第１、第２の外部接続電極２１，２３間の内部導通抵抗を求めることができる。また、保護素子１０は、第１、第２の外部接続電極２１，２３間の内部導通抵抗を測定し、素子全体の全抵抗値との差より、第１、第２の外部接続端子２２，２４の合成抵抗を求めることができる。

また、図３に示すように、保護素子１０は、第１、第２の外部接続電極２１，２３を矩形状に形成する等により広く設け、第１、第２の外部接続端子２２，２４を複数設けることにより導通抵抗を下げるようにしてもよい。その他にも、保護素子１０は、広く設けた第１、第２の外部接続電極２１，２３に大径の第１、第２の外部接続端子２２，２４を設けることにより導通抵抗を下げるようにしてもよい。

また、第１、第２の外部接続端子２２，２４は、コアとなる高融点金属２２ａ，２４ａの表面に低融点金属層２２ｂ，２４ｂを設けることにより形成してもよい。低融点金属層２２ｂ，２４ｂを構成する金属としては、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダなどのハンダを好適に用いることができ、高融点金属２２ａ，２４ａとしては、ＣｕやＡｇを主成分とする合金などを好適に用いることができる。

高融点金属２２ａ，２４ａの表面に低融点金属層２２ｂ，２４ｂを設けることにより、保護素子１０をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属層２２ｂ，２４ｂの溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、第１、第２の外部接続端子２２，２４として溶融することを防止することができる。また、第１、第２の外部接続端子２２，２４は、外層を構成する低融点金属を用いて、第１、第２の外部接続電極２１，２３へ接続することができる。

第１、第２の外部接続端子２２，２４は、高融点金属２２ａ，２４ａに低融点金属をメッキ技術を用いて成膜することにより形成することができ、またその他の周知の積層技術、膜形成技術を用いることによっても形成することができる。

なお、第１、第２の外部接続端子２２，２４は、金属バンプや金属ポストを用いて形成する他にも、導電メッキ層や、導電ペーストを塗布することにより形成された導電層により形成してもよい。

また、第１、第２の外部接続端子２２，２４は、保護素子１０が実装される回路基板等の実装対象物側に予め設け、保護素子１０が実装された実装体において、第１、第２の外部接続電極２１，２３と接続されるようにしてもよい。

［保護素子の使用方法］
このような保護素子１０は、図４に示すように、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック３０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック３０は、例えば、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル３１〜３４からなるバッテリスタック３５を有する。

バッテリパック３０は、バッテリスタック３５と、バッテリスタック３５の充放電を制御する充放電制御回路４０と、バッテリスタック３５の異常時に充電を遮断する本発明が適用された保護素子１０と、各バッテリセル３１〜３４の電圧を検出する検出回路３６と、検出回路３６の検出結果に応じて保護素子１０の動作を制御する電流制御素子３７とを備える。

バッテリスタック３５は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル３１〜３４が直列接続されたものであり、バッテリパック３０の正極端子３０ａ、負極端子３０ｂを介して、着脱可能に充電装置４５に接続され、充電装置４５からの充電電圧が印加される。充電装置４５により充電されたバッテリパック３０の正極端子３０ａ、負極端子３０ｂをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、この電子機器を動作させることができる。

充放電制御回路４０は、バッテリスタック３５から充電装置４５に流れる電流経路に直列接続された２つの電流制御素子４１、４２と、これらの電流制御素子４１、４２の動作を制御する制御部４３とを備える。電流制御素子４１、４２は、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ。）により構成され、制御部４３によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック３５の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部４３は、充電装置４５から電力供給を受けて動作し、検出回路３６による検出結果に応じて、バッテリスタック３５が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子４１、４２の動作を制御する。

保護素子１０は、たとえば、バッテリスタック３５と充放電制御回路４０との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が電流制御素子３７によって制御される。

検出回路３６は、各バッテリセル３１〜３４と接続され、各バッテリセル３１〜３４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路４０の制御部４３に供給する。また、検出回路３６は、いずれか１つのバッテリセル３１〜３４が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子３７を制御する制御信号を出力する。

電流制御素子３７は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路３６から出力される検出信号によって、バッテリセル３１〜３４の電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子１０を動作させて、バッテリスタック３５の充放電電流経路を電流制御素子４１、４２のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。

以上のような構成からなるバッテリパック３０において、本発明が適用された保護素子１０は、図５に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１０は、発熱体引出電極１６を介して直列接続された可溶導体１３と、可溶導体１３の接続点を介して通電して発熱させることによって可溶導体１３を溶融する発熱抵抗体１４とからなる回路構成である。また、保護素子１０では、たとえば、可溶導体１３が充放電電流経路上に直列接続され、発熱抵抗体１４が電流制御素子３７と接続される。保護素子１０の２個の電極１２のうち、第１の電極は、第１の外部接続端子２２を介してＡ１に接続され、第２の電極は、第２の外部接続端子２４を介してＡ２に接続される。また、発熱体引出電極１６とこれに接続された発熱体電極１８は、Ｐ１に接続され、他方の発熱体電極１８は、Ｐ２に接続される。

このような保護素子１０が実装された実装体であるバッテリパック３０の回路構成において、保護素子１０は、可溶導体１３を介して接続されている第１、第２の外部接続電極２１，２３間の導通抵抗よりも、第１の外部接続端子２２と第２の外部接続端子２４との合成抵抗が低く構成されている。これにより、バッテリパック３０は、保護素子１０が素子全体として定格が向上され、大電流に対応することができる。

また、バッテリパック３０は、保護素子１０の発熱抵抗体１４が発熱されると、可溶導体１３が溶融し、図６に示すように、その濡れ性によって、発熱体引出電極１６上に引き寄せられる。その結果、保護素子１０は、可溶導体１３が溶断することにより、確実に電流経路を遮断することができる。

なお、本発明の保護素子は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電気信号による電流経路の遮断を必要とする様々な用途にももちろん適用可能である。

［変形例１］
図７は、発熱抵抗体１４の配置位置を変えたものを用いた場合の変形例である。なお、以下の説明において、上述した保護素子１０の構成と同じ構成については、同じ符号を付してその詳細を省略する。

図７に示すように、保護素子７０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に内蔵された発熱抵抗体１４と、絶縁基板１１の両端に形成された電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と、絶縁基板１１上に発熱抵抗体１４と重畳するように積層された発熱体引出電極１６と、両端が電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）に接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。

また、保護素子７０は、絶縁基板１１の第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）が形成された表面に、第１の電極１２（Ａ１）と連続する第１の外部接続電極２１、第１の外部接続電極２１上に設けられた第１の外部接続端子２２、第２の電極１２（Ａ２）と連続する第２の外部接続電極２３、第２の外部接続電極２３上に設けられた第２の外部接続端子２４が形成されている。

なお、保護素子７０は、絶縁基板１１の表面上を保護するカバー部材１９が設けられている。また、可溶導体１３は、表面上に、フラックス１７が塗布されている。保護素子７０は、発熱抵抗体１４が絶縁基板１１に内蔵された点、及び絶縁部材１５が設けられていない点を除いて、上述した保護素子１０と同様の構成を有する。

この保護素子７０は、発熱抵抗体１４が絶縁基板１１に内蔵されることにより、絶縁基板１１の表面１１ａが平坦化され、これにより、発熱体引出電極１６を電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同一平面上に形成することができる。そして、保護素子７０は、発熱体引出電極１６を電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同じ高さにすることにより、平坦化された可溶導体１３を接続することができる。したがって、保護素子７０は、可溶導体１３の溶断特性を向上させることができる。

また、保護素子７０は、絶縁基板１１の材料として熱伝導性に優れたものを用いることにより、発熱抵抗体１４によって、ガラス層等の絶縁部材１５を介した場合と同等に可溶導体１３を加熱することができる。

さらに、保護素子７０は、絶縁部材１５が不要となり、また、電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）、発熱体引出電極１６及び第１、第２の外部接続電極２１，２３を構成する導電ペーストを平坦な絶縁基板１１の表面１１ａに塗布することにより、電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）、発熱体引出電極１６及び第１、第２の外部接続電極２１，２３を一括して形成することができるため、製造工程の省力化を図ることができる。また、保護素子７０は、発熱抵抗体１４を絶縁基板１１に内蔵し、１１ａの表面上において発熱抵抗体１４と発熱体引出電極１６と重畳させていないため、絶縁基板１１の厚さ方向の低背化による小型化を図ることができる。

［変形例２］
図８は、発熱抵抗体１４の配置位置を変えたものを用いた場合の変形例である。

図８に示すように、保護素子８０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１の裏面１１ｂに積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱抵抗体１４と、絶縁基板１１の両端に形成された電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と、絶縁基板１１上に発熱抵抗体１４と重畳するように積層された発熱体引出電極１６と、両端が電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）に接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。

また、保護素子８０は、絶縁基板１１の第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）が形成された表面に、第１の電極１２（Ａ１）と連続する第１の外部接続電極２１、第１の外部接続電極２１上に設けられた第１の外部接続端子２２、第２の電極１２（Ａ２）と連続する第２の外部接続電極２３、第２の外部接続電極２３上に設けられた第２の外部接続端子２４が形成されている。

なお、保護素子８０は、絶縁基板１１の表面上を保護するカバー部材１９が設けられている。また、可溶導体１３は、表面上に、フラックス１７が塗布されている。保護素子８０は、発熱抵抗体１４が絶縁基板１１の裏面１１ｂに積層された点を除いて、上述した保護素子１０と同様の構成を有する。

この保護素子８０においても、発熱抵抗体１４が絶縁基板１１の裏面１１ｂに積層されることにより、絶縁基板１１の表面１１ａが平坦化され、これにより、発熱体引出電極１６を電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同一平面上に形成することができる。そして、保護素子８０は、発熱体引出電極１６を電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同じ高さにすることにより、平坦化された可溶導体１３を接続することができる。したがって、保護素子８０は、可溶導体１３の溶断特性を向上させることができる。

また、保護素子８０は、絶縁基板１１の材料として熱伝導性に優れたものを用いることにより、発熱抵抗体１４によって、絶縁基板１１の表面１１ａ上に積層した場合と同等に可溶導体１３を加熱することができる。

さらに、保護素子８０は、電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）、発熱体引出電極１６及び第１、第２の外部接続電極２１，２３を構成する導電ペーストを平坦な絶縁基板１１の表面１１ａに塗布することにより、電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）、発熱体引出電極１６及び第１、第２の外部接続電極２１，２３を一括して形成することができるため、製造工程の省力化を図ることができる。

［変形例３］
図９は、発熱抵抗体１４の配置位置を変えたものを用いた場合の変形例である。

図９に示すように、保護素子９０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１の表面１１ａ上に積層された発熱抵抗体１４と、絶縁基板１１の表面１１ａ上に形成された電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と、絶縁基板１１の表面１１ａ上の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間に積層され、発熱抵抗体１４と電気的に接続された発熱体引出電極１６と、両端が電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）に接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。

また、保護素子９０は、絶縁基板１１の第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）が形成された表面に、第１の電極１２（Ａ１）と連続する第１の外部接続電極２１、第１の外部接続電極２１上に設けられた第１の外部接続端子２２（図示せず）、第２の電極１２（Ａ２）と連続する第２の外部接続電極２３、第２の外部接続電極２３上に設けられた第２の外部接続端子２４（図示せず）が形成されている。保護素子９０は、発熱体引出電極１６が、発熱抵抗体１４から連続して形成されている。

なお、保護素子９０は、絶縁基板１１の表面上を保護するカバー部材が設けられている（図示せず）。また、可溶導体１３は、表面上に、フラックスが塗布されている（図示せず）。保護素子９０は、発熱抵抗体１４が絶縁基板１１の表面１１ａに積層された点を除いて、上述した保護素子１０と同様の構成を有する。なお、発熱抵抗体１４は、図示しない絶縁層によって表面が被覆されている。

この保護素子９０は、発熱抵抗体１４が絶縁基板１１の表面１１ａに積層されることにより、絶縁基板１１の表面１１ａが平坦化され、これにより、発熱体引出電極１６を電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同一平面上に形成することができる。そして、保護素子９０は、発熱体引出電極１６を電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同じ高さにすることにより、平坦化された可溶導体１３を接続することができる。したがって、保護素子９０は、可溶導体１３の溶断特性を向上させることができる。

また、保護素子９０は、発熱抵抗体１４と発熱体引出電極１６とを連続させて積層することにより、発熱した熱を効率よく可溶導体１３に伝達することができ、絶縁部材１５を介して発熱抵抗体１４と発熱体引出電極１６とを重畳させた場合と同等に可溶導体１３を加熱することができる。

さらに、保護素子９０は、電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）、第１、第２の外部接続電極２１，２３、及び発熱体引出電極１６を構成する導電ペーストを平坦な絶縁基板１１の表面１１ａに塗布することにより、電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）、第１、第２の外部接続電極２１，２３、及び発熱体引出電極１６を一括して形成することができるため、製造工程の省力化を図ることができる。また、保護素子９０は、発熱抵抗体１４を絶縁基板１１の表面１１ａに形成し、かつ発熱体引出電極１６と重畳させていないため、絶縁基板１１の厚さ方向の低背化による小型化を図ることができる。

［変形例４］
図１０は、導電性ペーストを塗布、焼成することにより発熱抵抗体１４を形成する構成に代えて、発熱素子を用いて、これを電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）の近傍に隣接させた場合の変形例である。

図１０に示すように、保護素子１００は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１の表面１１ａ上に積層された発熱素子１０１と、絶縁基板１１の表面１１ａ上に発熱素子１０１と隣接して形成された電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）及び第１、第２の外部接続電極２１，２３と、絶縁基板１１の表面１１ａ上の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間に積層され、発熱素子１０１と電気的に接続された発熱体引出電極１６と、両端が電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）に接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。保護素子１００は、発熱抵抗体１４に代えて、発熱素子１０１が絶縁基板１１の表面１１ａに実装され、発熱体引出電極１６と接続されるとともに、発熱素子電極１０２と接続されている点を除いて、上述した保護素子１０と同様の構成を有する。発熱素子１０１は、絶縁基板１１の表面１１ａに形成されたランド部１０３上に実装されている。

保護素子１００は、発熱素子電極１０２と上述した電流制御素子３７とが接続され、バッテリセル３１〜３４のいずれかについて異常電圧を検出すると、発熱素子１０１が動作され、バッテリスタック３５の充放電経路を遮断する。

この保護素子１００においても、発熱素子１０１が絶縁基板１１の表面１１ａに、電極１２（Ａ１）に隣接して実装されることにより、絶縁基板１１の表面１１ａが平坦化され、これにより、発熱体引出電極１６を電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同一平面上に形成することができる。そして、保護素子１００は、発熱体引出電極１６を電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同じ高さにすることにより、平坦化された可溶導体１３を接続することができる。したがって、保護素子１００は、可溶導体１３の溶断特性を向上させることができる。

また、保護素子１００は、発熱素子１０１を電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）に隣接して実装することにより、発熱した熱を効率よく可溶導体１３に伝達することができ、絶縁部材１５を介して発熱抵抗体１４と発熱体引出電極１６とを重畳させた場合（図１参照）と同等に可溶導体１３を加熱することができる。

さらに、保護素子１００は、電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）、第１、第２の外部接続電極２１，２３及び発熱体引出電極１６を構成する導電ペーストを平坦な絶縁基板１１の表面１１ａに塗布することにより、電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）、第１、第２の外部接続電極２１，２３及び発熱体引出電極１６を一括して形成することができるため、製造工程の省力化を図ることができる。また、保護素子１００は、絶縁基板１１の表面１１ａ上に発熱抵抗体１４を発熱体引出電極１６と重畳させて形成するもの（図１参照）ではないため、絶縁基板１１の厚さ方向の低背化による小型化を図ることができる。

また、保護素子１００は、発熱素子１０１として、種々のものを選択、実装することができ、可溶導体１３の溶断に適した高温を発熱する素子を用いることができる。

１０保護素子、１１絶縁基板、１２電極、１３可溶導体、１４発熱抵抗体、１５絶縁部材、１６発熱体引出電極、１７フラックス、１８発熱体電極、１８ａ発熱体接続端子、１９カバー部材、２０絶縁層、２１第１の外部接続電極、２２第１の外部接続端子、２３第２の外部接続電極、２４第２の外部接続端子、３０バッテリパック、３１〜３４バッテリセル、３６検出回路、３７電流制御素子、４０充放電制御回路、４１，４２電流制御素子、４３制御部、４５充電装置

Claims

絶縁基板と、
上記絶縁基板に配置された発熱抵抗体と、
上記絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、
上記第１及び第２の電極の間の電流経路上で該発熱抵抗体に電気的に接続された発熱体引出電極と、
上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって積層され、加熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、
上記絶縁基板の上記可溶導体が設けられた面と同一面に形成され、上記第１の電極と連続する第１の外部接続電極と、上記第１の外部接続電極上に設けられる１又は複数の第１の外部接続端子と、上記第２の電極と連続する第２の外部接続電極と、上記第２の外部接続電極上に設けられる１又は複数の第２の外部接続端子とを備え、
上記第１、第２の外部接続電極間の導通抵抗よりも、上記第１の外部接続端子と上記第２の外部接続端子との合成抵抗が低いことを特徴とする保護素子。
上記外部接続端子が、金属バンプ又は金属ポストである請求項１記載の保護素子。
上記金属バンプ又は金属ポストは、高融点金属の表面に低融点金属層が形成されている請求項２記載の保護素子。
上記高融点金属は銅又は銀を主成分とし、上記低融点金属は錫を主成分とする鉛フリー半田である請求項３記載の保護素子。
上記外部接続端子が、錫を主成分とする鉛フリー半田からなる金属バンプである請求項１記載の保護素子。
上記可溶導体が、高融点金属と低融点金属による積層構造体である請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
上記可溶導体が、内層を高融点金属、外層を低融点金属とする積層構造体である請求項６記載の保護素子。
上記可溶導体が、外層を高融点金属、内層を低融点金属とする積層構造体である請求項６記載の保護素子。
上記可溶導体が、上層を高融点金属層、下層を低融点金属層とする２層積層構造体である請求項６記載の保護素子。
上記可溶導体を構成する上記高融点金属はＡｇ若しくはＣｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする金属であり、上記低融点金属はＳｎを主成分とする金属である請求項６〜９のいずれか１項に記載の保護素子。
保護素子が実装対象物に実装された実装体において、
上記保護素子は、
絶縁基板と、
上記絶縁基板に配置された発熱抵抗体と、
上記絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、
上記第１及び第２の電極の間の電流経路上で該発熱抵抗体に電気的に接続された発熱体引出電極と、
上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって積層され、加熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、
上記絶縁基板の上記第１、第２の電極が形成された面と同一表面に形成され、上記第１の電極と連続する第１の外部接続電極及び上記第２の電極と連続する第２の外部接続電極とを備え、
上記第１の電極が上記第１の外部接続電極上に接続された第１の外部接続端子を介して上記実装対象物と接続され、上記第２の電極が上記第２の外部接続電極上に接続された第２の外部接続端子を介して上記実装対象物と接続され、
上記第１、第２の外部接続電極間の導通抵抗よりも、上記第１の外部接続端子と上記第２の外部接続端子との合成抵抗が低いことを特徴とする実装体。