JP2015041491A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】可溶導体の製造工数を増やすことなく、かつ溶断時間の短縮を図る。【解決手段】絶縁基板１１と、発熱体１４と、発熱体１４を覆う絶縁部材１５と、発熱体１４に電気的に接続された発熱体引出電極１６と、第１及び第２の電極１２と、発熱体引出電極１６から第１及び第２の電極１２にわたって接続され、加熱により、第１の電極１２（Ａ１）と第２の電極（Ａ２）との間の電流経路を溶断する可溶導体１３とを備え、可溶導体１３は、主面部２５よりも肉厚に形成され、相対向する一対の第１の側縁部２６と、第１の側縁部よりも薄い厚さに形成され、相対向する一対の第２の側縁部２７とを有し、第２の側縁部２７が発熱体引出電極１６から第１及び第２の電極１２にわたる電流経路に沿って配設されている。【選択図】図１

Description

本発明は、過充電、過放電等の異常時に、電流経路を遮断する保護素子、及びこの保護素子が実装された保護回路基板に関する。

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。

この種の保護素子には、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ものがある。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も、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ている。

図７（Ａ）〜図７（Ｃ）に示すように、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８０としては、電流経路上に接続された第１及び第２の電極８１，８２間に亘って可溶導体８３を接続して電流経路の一部をなし、この電流経路上の可溶導体８３を、過電流による自己発熱、あるいは保護素子８０内部に設けた発熱体８４によって溶断するものが提案されている。なお、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＡ‐Ａ‘断面図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）のＢ‐Ｂ‘断面図である。

具体的に、保護素子８０は、絶縁基板８５と、絶縁基板８５に積層され、絶縁部材８６に覆われた発熱体８４と、絶縁基板８５の両端に形成された第１、第２の電極８１，８２と、絶縁部材８６上に発熱体８４と重畳するように積層された発熱体引出電極８８と、両端が第１、第２の電極８１，８２にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極８８に接続された可溶導体８３とを備える。

保護素子８０は、過充電、過放電等の異常が検知されると、発熱体８４が通電されることにより発熱する。すると、この熱により可溶導体８３が溶融し、この溶融導体を発熱体引出電極８８に集めることにより、第１及び第２の電極８１，８２間の電流経路を遮断する。

特開２０１０−００３６６５号公報 特開２００４−１８５９６０号公報 特開２０１２−００３８７８号公報

ところで、この種の保護素子８０に用いられる可溶導体８３としては、例えばＰｂフリーハンダ等の低融点金属８３ａからなる箔を、ＡｇやＣｕあるいはこれらを主成分とする合金等の高融点金属８３ｂで被覆したものが提案されている。保護素子８０は、低融点金属８３ａの箔が高融点金属８３ｂで被覆された可溶導体８３を用いることにより、リフロー等の実装温度における溶断を防止し、実装の容易化を図るとともに、溶断時には、低融点金属８３ａによる高融点金属８３ｂの侵食作用（食われ現象）を利用し、高融点金属８３ｂの融点以下の温度で溶融させ、速やかな溶断を実現することができる。

このような可溶導体８３において、低融点金属８３ａの箔を高融点金属８３ｂで被覆する工法としては、長尺状の低融点金属箔に連続して高融点金属メッキを施すことができる電解メッキ法が、作業効率上、製造コスト上、有利となる。

しかし、電解メッキによって高融点金属メッキを施すと、長尺状の低融点金属箔のエッジ部分、すなわち、側縁部において電界強度が相対的に強まり、高融点金属８３ｂが厚くメッキされる（図２参照）。可溶導体８３は、側縁部における高融点金属８３ｂの厚みは、主面部における高融点金属８３ｂの厚さの１１０〜２００％程度にまで達する。このように、側縁部に沿って高融点金属８３ｂが厚く形成された可溶導体８３を所定の長さに切断し、図７（Ａ）（Ｃ）に示すように、第１の電極８１〜発熱体引出電極８８〜第２の電極８２の間に、当該側縁部を渡して接続すると、肉厚の側縁部によって溶断時間が長くなってしまう。

すなわち、高融点金属８３ｂによって形成されている肉厚の側縁部が、溶断すべき第１の電極８１〜発熱体引出電極８８〜第２の電極８２の間にわたされているため、当該側縁部を溶断するためには、より多くの熱エネルギーが必要となる。また、当該外縁部は、高融点金属８３ｂによって相対的に肉厚に形成されていることから、低融点金属８３ａによる食われ現象によっても、溶断するためには相当の時間を要する。さらに、保護素子８０は、絶縁基板８５の外縁から最も遠い基板中心が最も熱く、基板外縁に向かうにつれて放熱されて温度が上がりにくくなる。そして、保護素子８０は、可溶導体８３の高融点金属によって形成される肉厚の側縁部が、絶縁基板８５の中心から外縁にかけて形成されているため、溶断するためには、より多くの時間が必要となってしまう。

また、側縁部に沿って形成される肉厚部を切断し、可溶導体８３全体の厚さを均一にするには、切断工程が増加し生産性が落ちてしまうほか、いずれの側面も高融点金属によって被覆されなくなることで、リフロー実装時や通電時の温度により、可溶導体８３の形状が不安定となり、溶断特性にばらつきが生じる恐れもある。

そこで、本発明は、可溶導体の製造工数を増やすことなく、かつ溶断時間の短縮を図ることができる保護素子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、発熱体と、少なくとも上記発熱体を覆う絶縁部材と、上記発熱体に電気的に接続された発熱体引出電極と、第１及び第２の電極と、上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって接続され、加熱により、上記第１の電極と上記第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体とを備え、上記可溶導体は、主面部よりも肉厚に形成され、相対向する一対の第１の側縁部と、上記第１の側縁部よりも薄い厚さに形成され、相対向する一対の第２の側縁部とを有し、上記第２の側縁部が上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたる電流経路に沿って配設されているものである。

本発明によれば、可溶導体は、主面と同じ厚さに形成された第２の側縁部が発熱体引出電極から第１及び第２の電極にわたる電流経路に沿って配設されているため、第１の側縁部を電流経路に沿って配設した場合に比して、少ない熱エネルギーで速やかに溶断することができる。

（Ａ）は、本発明が適用された保護素子の平面図であり、（Ｂ）はＡ−Ａ’断面図であり、（Ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。 可溶導体を示す斜視図である。 保護素子が適用されたバッテリパックの回路図である。 保護素子の回路図である。 可溶導体が溶断した状態を示す図であり、（Ａ）は保護素子の平面図、（Ｂ）は保護素子の回路図である。 第２の実施例に係る高融点金属層のメッキ厚と溶断時間及び溶融発生率との関係を示すグラフである。 （Ａ）は、参考例に係る保護素子の平面図であり、（Ｂ）はＡ−Ａ’断面図であり、（Ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。

以下、本発明が適用された保護素子について、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］
本発明が適用された保護素子１は、図１（Ａ）に示すように、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱体１４と、絶縁基板１１の両端に形成された第１の電極１２（Ａ１）及び第２の電極１２（Ａ２）と、絶縁部材１５上に発熱体１４と重畳するように積層され、発熱体に電気的に接続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。

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。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。

発熱体１４を覆うように絶縁部材１５が配置され、この絶縁部材１５を介して発熱体１４に対向するように発熱体引出電極１６が配置される。発熱体１４の熱を効率良く可溶導体１３に伝えるために、発熱体１４と絶縁基板１１の間にも絶縁部材１５を積層しても良い。絶縁部材１５としては、例えばガラスを用いることができる。

発熱体引出電極１６の一端は、発熱体電極１８（Ｐ１）に接続されるとともに、発熱体１４の一端と連続される。また、発熱体１４の他端は、他方の発熱体電極１８（Ｐ２）に接続される。なお、発熱体電極１８（Ｐ１）は、絶縁基板１１の第３の辺１１ｄ側に形成され、発熱体電極１８（Ｐ２）は、絶縁基板１１の第４の辺１１ｅ側に形成されている。また、発熱体電極１８（Ｐ２）は、絶縁基板１１の裏面１１ａに形成された外部接続電極２１（Ｐ２）と接続されている。

絶縁基板１１の両側縁１１ｂ，１１ｃに形成され、可溶導体１３によって接続されている第１の電極１２（Ａ１）、第２の電極１２（Ａ２）は、それぞれ、スルーホール（図示せず）を介して、絶縁基板の裏面１１ａに設けられた第１、第２の外部接続端子２１（Ａ１），２１（Ａ２）と接続されている。保護素子１は、外部接続端子２１（Ａ１），２１（Ａ２）が、保護素子１が実装される回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、回路基板上に形成された電流経路の一部に組み込まれる。

なお、第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）、発熱体引出電極１６及び外部接続端子２１（Ａ１），２１（Ａ２），２１（Ｐ２）の各表面には、Ｎｉ／Ａｕメッキ層２２が形成されている。これにより、可溶導体１３の低融点金属１３ａや可溶導体１３の接続用ハンダ２９による第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）及び発熱体引出電極１６の侵食を抑制することができる。

また、第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）には、後述する可溶導体１３の溶融導体や可溶導体１３の接続用ハンダの流出を防止するガラス等の絶縁材料からなる流出防止部２３が形成されている。

［可溶導体］
可溶導体１３は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層となる低融点金属層１３ａが、外層となる高融点金属層１３ｂによって被覆されている。低融点金属層１３ａは、特に限定はなく、例えば、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（たとえば千住金属工業製、Ｍ７０５等）を好適に用いることができる。低融点金属層１３ａ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１３ｂも、特に限定はなく、例えば、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等、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金属を好適に用いることができる。

可溶導体１３は、低融点金属層１３ａを高融点金属層１３ｂで被覆することによって、リフロー温度が低融点金属層１３ａの溶融温度を超えて、低融点金属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ず、保護素子１の回路基板への実装を容易に行うことができる。

また、可溶導体１３は、発熱体１４によって加熱されると、低融点金属層１３ａが溶融して、高融点金属層１３ｂを侵食する。したがって、保護素子１は、可溶導体１３を高融点金属層１３の溶融温度以下の温度で溶断し、速やかに電流経路を遮断することができる。なお、可溶導体１３は、定格を超える過電流が流れた場合にも、自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、電流経路を遮断することができる。

［第１、第２の側縁部］
ここで、図２に示すように、可溶導体１３は、主面部２５よりも肉厚に形成された一対の第１の側縁部２６と、主面部２５と同じ厚さに形成された一対の第２の側縁部２７とを有する。第１の側縁部２６は、相対向して一対設けられ、第２の側縁部２７は、第１の側縁部２６と略直交して、相対向して一対設けられている。

第１の側縁部２６は、側面が高融点金属層１３ｂによって被覆されるとともに、これにより可溶導体１３の主面部２５よりも肉厚に形成されている。第２の側縁部２７は、側面に、外周を高融点金属層１３ｂによって囲繞された低融点金属１３ａが露出されている。第２の側縁部２７は、第１の側縁部２６と隣接する両端部を除き主面部２５と同じ厚さに形成されている。

そして、図１に示すように、可溶導体１３は、第２の側縁部２７が発熱体引出電極１６から第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間にわたる電流経路に沿って配設されている。これにより、保護素子１は、発熱体引出電極１６から第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間にわたる電流経路を速やかに遮断することができる。

すなわち、第２の側縁部２７は、第１の側縁部２６よりも相対的に薄肉に形成されている。また、第２の側縁部２７は、低融点金属層１３ａが高融点金属に被覆されて形成されている。これにより、第２の側縁部２７は、低融点金属層１３ａによる高融点金属層１３ｂの侵食作用が働き、かつ、侵食される高融点金属層１３ｂの厚さも第１の側縁部２６に比して薄く形成されていることにより、高融点金属層１３ｂによって肉厚に形成されている第１の側縁部２６に比して、少ない熱エネルギーで速やかに溶断することができる。

また、保護素子１は、外縁から最も遠い絶縁基板１１の中心が最も熱く、外縁にかけて放熱により温度が上がりにくくなるが、第２の側縁部２７が第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間にわたされることにより、絶縁基板１１の外縁側においても少ない熱エネルギーでも溶断でき、速やかに電流経路を遮断することができる。

さらに、可溶導体１３の第２の側縁部２７は、後述する製法によると、低融点金属層１３ａが端面より外方に露出されているが、比較的狭小の発熱体引出電極１６に対峙されているため、保護素子１のリフロー実装時等、高温環境においても、低融点金属層１３ａの溶出が抑制され、可溶導体１３の形状を維持することができる。

すなわち、第２の側縁部２７を第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）上に配設した場合、端面より外方に露出している低融点金属層１３ａが、比較的広い面積で形成された第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と対峙するため、低融点金属層１３ａが溶融すると、濡れ性の高い第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）に溶出し、形状が維持できなくなる恐れがある。そのため、製品ごとに、可溶導体１３の溶断時間にばらつきが生じ、溶断特性が不安定となるおそれがある。

一方、保護素子１は、低融点金属層１３ａが端面より外方に露出されている第２の側縁部２７が、狭小の発熱体引出電極１６と対峙しているため、低融点金属層１３ａの溶出が抑制され、安定した溶断特性を有する。

［可溶導体の製法］
次いで、可溶導体１３の製造工程について説明する。可溶導体１３は、低融点金属層１３ａを構成する低融点金属箔を高融点金属層１３ｂを構成する金属で被覆することにより製造される。低融点金属層箔を高融点金属被覆する工法としては、長尺状の低融点金属箔に連続して高融点金属メッキを施すことができる電解メッキ法が、作業効率上、製造コスト上、有利となる。

電解メッキによって高融点金属メッキを施すと、長尺状の低融点金属箔のエッジ部分、すなわち、側縁部において電界強度が相対的に強まり、高融点金属層１３ｂが厚くメッキされる（図２参照）。これにより、側縁部が高融点金属層によって肉厚に形成された長尺状の導体リボン３０が形成される。次いで、この導体リボン３０を長手方向と直交する幅方向（図２中Ｃ−Ｃ’方向）に、所定長さに切断することにより、可溶導体１３が製造される。これにより、可溶導体１３は、導体リボン３０の側縁部が第１の側縁部２６となり、導体リボン３０の切断面が第２の側縁部２７となる。また、第１の側縁部２６は、高融点金属１３ｂによって被覆され、第２の側縁部２７は、端面（導体リボン３０の切断面）に上下一対の高融点金属層１３ｂと高融点金属層１３ｂによって挟持された低融点金属層１３ａが外方に露出されている。

すなわち、導体リボン３０は、所定の長さに切断される長手方向が、第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）上に接続される第１の側縁部２６となり、長手方向と直交する幅方向が、第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間に亘って配設される第２の側縁部２７となる。したがって、導体リボン３０は、第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間の幅に応じた幅とし、また第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）のサイズに応じた長さに切断する。

このようにして製造された可溶導体１３は、接続用ハンダ２９等の低融点金属によって、第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）上、及び発熱体引出電極１６上に接続される。このとき、可溶導体１３は、高融点金属層１３ｂによって肉厚に形成された第１の側縁部２６が第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）上に接続され、導体リボン３０の切断面となる第２の側縁部２７が第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間にわたって配設される。

なお、可溶導体１３は、外層の高融点金属層１３ｂ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を塗布されている。また、保護素子１は、このようにして構成された保護素子１の内部を保護するためにカバー部材２０を絶縁基板１１上に設けてもよい。

［保護素子の使用方法］
次いで、保護素子１の使用方法について説明する。図３に示すように、上述した保護素子１は、例えば、リチウムイオン二次電池のバッテリパック内の回路に実装されて用いられる。

たとえば、保護素子１が実装される回路は、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル４１〜４４からなるバッテリスタック４５を有するバッテリパック４０に組み込まれて使用される。

バッテリパック４０は、バッテリスタック４５と、バッテリスタック４５の充放電を制御する充放電制御回路５０と、バッテリスタック４５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１と、各バッテリセル４１〜４４の電圧を検出する検出回路４６と、検出回路４６の検出結果に応じて保護素子１の動作を制御する電流制御素子４７とを備える。

バッテリスタック４５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４１〜４４が直列接続されたものであり、バッテリパック４０の正極端子４０ａ、負極端子４０ｂを介して、着脱可能に充電装置５５に接続され、充電装置５５からの充電電圧が印加される。充電装置５５により充電されたバッテリパック４０の正極端子４０ａ、負極端子４０ｂ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５０は、バッテリスタック４５から充電装置５５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５１、５２と、これらの電流制御素子５１、５２の動作を制御する制御部５３とを備える。電流制御素子５１、５２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５３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４５の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部５３は、充電装置５５から電力供給を受けて動作し、検出回路４６による検出結果に応じて、バッテリスタック４５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５１、５２の動作を制御する。

保護素子１は、たとえば、バッテリスタック４５と充放電制御回路５０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４７によって制御される。

検出回路４６は、各バッテリセル４１〜４４と接続され、各バッテリセル４１〜４４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路５０の制御部５３に供給する。また、検出回路４６は、いずれか１つのバッテリセル４１〜４４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４７を制御する制御信号を出力する。

電流制御素子４７は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路４６から出力される検出信号によって、バッテリセル４１〜４４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１を動作させて、バッテリスタック４５の充放電電流経路を電流制御素子５１、５２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４０において、保護素子１の構成について具体的に説明する。

まず、本発明が適用された保護素子１は、図４に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１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を溶融する発熱体１４とからなる回路構成である。また、保護素子１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、発熱体１４が電流制御素子４７と接続される。保護素子１の２個の電極１２は、それぞれ外部接続端子２１を介して、一方は、Ａ１に接続され、他方は、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、外部接続端子２１を介してＰ２に接続される。

このような回路構成からなる保護素子１は、発熱体１４の発熱により、電流経路上の可溶導体１３を溶断させ、バッテリパック４０の充放電経路を遮断することができる。このとき、保護素子１は、可溶導体１３の第２の側縁部２７が、発熱体引出電極１６から第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間にわたる電流経路に沿って配設されている。第２の側縁部２７は、相対的に薄肉に形成されているため、発熱体引出電極１６から第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間にわたる電流経路を、少ない熱エネルギーで遮断することができる。

また、第２の側縁部２７は、低融点金属層１３ａの上下面に高融点金属層１３ｂが積層されているため、低融点金属による高融点金属の侵食作用によって、高融点金属の融点に至る前の低い温度で溶断することができ、より速やかに溶断することができる。

図５（Ａ）に示すように、可溶導体１３の溶融導体は、濡れ性の高い発熱体引出電極１６及び第１、第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）に引き寄せられて溶断される。したがって、可溶導体１３は、確実に第１の電極１２（Ａ１）〜発熱体引出電極１６〜第２の電極１２（Ａ２）の間を溶断させることができる（図５（Ｂ））。また、可溶導体１３が溶断することにより、発熱体１４への給電も停止される。

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応用可能である。

次いで、本発明の第１の実施例について説明する。第１の実施例では、低融点金属箔を電解メッキ法により高融点金属で被覆した導体リボンを作成、幅方向に切断することにより可溶導体を得た。低融点金属箔は、厚さ６０μｍのＰｂフリーハンダ箔を用い、電解メッキ法により低融点金属箔の全面にＡｇメッキを施し、片側厚さ４μｍの高融点金属層を形成した。

実施例１では、可溶導体の、高融点金属が被覆することにより肉厚に形成された第１の側縁部を第１及び第２の電極上に配設し、導体リボンの切断面となる第２の側縁部を第１の電極〜発熱体引出電極〜第２の電極に亘る電流経路に沿って配設した（図１参照）。比較例１では、第１の側縁部を電流経路上に沿って配設し、第２の側縁部を第１及び第２の電極上に配設した（図７参照）。

実施例１及び比較例１ともに、３５Ｗの電力を印加し、溶断時間を比較した。結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例１では、可溶導体の溶断委０．３０秒を要したのに対して、実施例１では、０．２４秒で溶断することができた。これは、比較例１の溶断時間に比して８０％に短縮できたこととなり、第２の側縁部を電流経路に沿って配設することにより、速やかな溶断が可能となった。

これは、実施例１では、高融点金属によって肉厚に形成された第１の側縁部に比して、相対的に薄肉に形成されるとともに、低融点金属と高融点金属が積層された第２の側縁部を第１及び第２の電極に亘る電流経路に沿って配設しているため、少ない熱エネルギーで、かつ低融点金属による高融点金属の侵食作用を利用して速やかに溶断できたことによる。

［高融点金属層の厚さ］
次いで、可溶導体１３の高融点金属層１３ｂの最適な厚さについて説明する。上述したように、本発明に係る可溶導体１３は、内層となる低融点金属層１３ａが、外層となる高融点金属層１３ｂによって被覆されている。

ここで、可溶導体１３は、高融点金属層１３ｂの膜厚が薄いほど、発熱体１４が発熱すると低融点金属によって速やかに侵食され、溶断時間を速めることができる。したがって、可溶導体１３は、速溶断の観点からは、高融点金属層１３ｂをできるだけ薄く形成することが好ましい。

一方で、保護素子１を回路基板にハンダリフローにより実装する場合、高融点金属層１３ｂの膜厚が薄いと、リフロー加熱の際に低融点金属に侵食されることによって可溶導体１３が変形し、溶断時間にばらつきが生じるなど、安定した溶断特性を維持することができなくなる恐れがある。したがって、可溶導体１３は、リフロー実装による実装を可能としつつ溶断特性を維持する観点からは、高融点金属層１３ｂをできるだけ厚く形成することが好ましい。

そこで、可溶導体１３は、発熱体１４の発熱時における速溶断とリフロー実装及び溶断特性の維持を両立することができる、最適な膜厚で高融点金属層１３ｂが形成されている。具体的に、可溶導体１３は、主面部２５における高融点金属層１３ｂの膜厚が、表裏それぞれ２μｍ以上に形成されている。高融点金属層１３ｂの膜厚を２μ以上に形成することにより、可溶導体１３は、保護素子１を回路基板にリフロー実装により搭載する場合にも、高融点金属層１３ｂが低融点金属により侵食されることなく、可溶導体１３の変形を防止することができる。したがって、可溶導体１３は、定格やサイズに関わらず、高融点金属層１３ｂの膜厚を２μｍ以上とすることにより、製品ごとに溶断時間のばらつきもなく安定した溶断特性を有する。

また、可溶導体１３は、主面部２５における高融点金属層１３ｂの膜厚を、表裏それぞれ６μｍ以下に形成することが好ましい。高融点金属層１３ｂの膜厚を６μｍ以下に形成することにより、可溶導体１３は、定格やサイズに関わらず、発熱体１４の発熱時において、低融点金属が高融点金属を速やかに侵食することができ、短時間で溶断することができる。可溶導体１３は、高融点金属層１３ｂの膜厚が６μｍより厚くなると、低融点金属による侵食量が増えるため、その分、溶断時間も長くなってしまう。

なお、上述したように、可溶導体１３は、電解メッキ法により長尺状の低融点金属箔に連続して高融点金属層１３ｂを形成することができる。このとき、可溶導体１３は、電流制御によって高融点金属層１３ｂを所望の膜厚で形成することができる。

次いで、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例では、低融点金属箔を被覆する高融点金属層の厚さを変えた可溶導体のサンプルを用意し、これら各サンプルを用いて形成された保護素子を回路基板上にハンダリフローによって実装し、各可溶導体サンプルについて変形や溶断の有無を調べた。また、各保護素子に電力を印加し、可溶導体サンプルの溶断時間を測定した。

第２の実施例に用いた可溶導体サンプルは、低融点金属箔として厚さ６０μｍのＰｂフリーハンダ箔を用い、電解メッキ法によりＰｂフリーハンダ箔の全面にＡｇメッキを施し、片側厚さ１〜７μｍの高融点金属層を形成した。なお、各可溶導体サンプルは、電流の量を制御することにより、Ａｇメッキ層を所望の膜厚で形成することができる。各可溶導体サンプルは、電解メッキ後に、幅方向に亘って切断され、所定の長さに形成される。

各可溶導体サンプルとして、比較例２では、片側厚さ１μｍの高融点金属層を形成した。また、実施例２では、片側厚さ２μｍの高融点金属層を形成した。また、実施例３では、片側厚さ３μｍの高融点金属層を形成した。また、実施例４では、片側厚さ４μｍの高融点金属層を形成した。また、実施例５では、片側厚さ５μｍの高融点金属層を形成した。また、実施例６では、片側厚さ６μｍの高融点金属層を形成した。また、実施例７では、片側厚さ７μｍの高融点金属層を形成した。

比較例２及び実施例２〜７に係る各可溶導体サンプルを、高融点金属を被覆することにより肉厚に形成された第１の側縁部を第１及び第２の電極上に配設し、導体リボンの切断面となる第２の側縁部を第１の電極〜発熱体引出電極〜第２の電極に亘る電流経路に沿って配設することにより、実施例２に係る保護素子を形成した（図１参照）。保護素子は、比較例２及び実施例２〜７に係る各可溶導体のそれぞれにつき２４個用意した。

次いで、各保護素子を回路基板上にハンダリフローによって実装した。リフロー温度は約２６０℃である。リフロー実装後、保護素子のカバー部材をあけて可溶導体サンプルを目視観察し、可溶導体の変形について評価し、また可溶導体の溶融発生率（％）を求めた。また、リフロー実装後、各保護素子に３５Ｗの電力を印加し、溶断時間（ｓｅｃ）を比較した。

可溶導体の変形についての評価は、リフロー加熱により可溶導体が溶断してしまった場合を×、リフロー加熱により可溶導体の溶断には至らないが、実使用上問題の無い程度の変形がみられた場合を○、リフロー加熱によっても可溶導体が溶断せず、変形もほとんど見られない場合を◎とした。

可溶導体の溶融発生率は、各可溶導体のサンプル数２４個のうち、溶断に至ったサンプル数から求めた。結果を表２及び図６に示す。

表２及び図６に示すように、高融点金属層の膜厚が２μ以上である実施例２〜７に係る保護素子においては、いずれのサンプルも、リフロー実装によっても可溶導体の実使用に影響するほどの変形は見られなかった。また、Ａｇメッキ厚を２〜６μｍとした実施例２〜実施例６においては、可溶導体の溶断時間も０．４４ｓｅｃ以下と短く、速溶断の要請に十分応えることができた。

一方、Ａｇメッキ厚を１μｍとした比較例１では、溶断時間は短くなったものの、リフロー実装によって可溶導体が溶断してしまったサンプルが全体の３０％発生した。これは、Ａｇメッキ層が薄すぎて、リフロー加熱によってハンダ箔が溶融し、この溶融ハンダによってＡｇメッキ層が侵食されたことによる。

以上のことから、可溶導体の外層を構成するＡｇメッキ層は、厚さ２μｍ以上で形成することが好ましく、６μｍ以下とすることがより好ましいことが分かる。

１ 保護素子、１１ 絶縁基板、１１ａ 裏面、１１ｂ 第１の辺、１１ｃ 第２の辺、１１ｄ 第３の辺、１２ 電極、１３ 可溶導体、１４ 発熱体、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、２０ カバー部材、２１ 外部接続端子、２５ 主面部、２６ 第１の側縁部、２７ 第２の側縁部、３０ 導体リボン、４０ バッテリパック、４１〜４４ バッテリセル、４５ バッテリスタック、４６ 検出回路、４７ 電流制御素子、５０ 充放電制御回路、５１，５２ 電流制御素子、５３ 制御部、５５ 充電装置

Claims (10)

1. 絶縁基板と、
   発熱体と、
   少なくとも上記発熱体を覆う絶縁部材と、
   上記発熱体に電気的に接続された発熱体引出電極と、
   第１及び第２の電極と、
   上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって接続され、加熱により、上記第１の電極と上記第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体とを備え、
   上記可溶導体は、主面部よりも肉厚に形成され、相対向する一対の第１の側縁部と、上記第１の側面部よりも薄い厚さに形成され、相対向する一対の第２の側縁部とを有し、上記第２の側縁部が上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたる電流経路に沿って配設されている保護素子。
2. 上記可溶導体は、上記第１の側縁部が高融点金属によって被覆され、上記第２の側縁部には低融点金属及び上記低融点金属の表面を被覆する上記高融点金属が積層されている請求項１記載の保護素子。
3. 上記可溶導体は、長尺状に形成された上記低融点金属の箔の表面に、上記高融点金属が被覆された導体リボンを、幅方向に切断することにより形成される請求項２記載の保護素子。
4. 上記可溶導体は、上記低融点金属の表面に、電解メッキ法により上記高融点金属が被覆されている請求項２又は３に記載の保護素子。
5. 上記第２の側縁部は、上記低融点金属が端面より外方に露出されている請求項２又は請求項３に記載の保護素子。
6. 上記可溶導体は、上記第２の側縁部が上記発熱体引出電極に対峙されている請求項５記載の保護素子。
7. 上記可溶導体は、上記第１の側縁部が、上記第１及び第２の電極に接続されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の保護素子。
8. 上記低融点金属は、Ｐｂフリーハンダであり、上記高融点金属は、Ａｇ若しくはＣｕ又はＡｇ若しくはＣｕを主成分とする金属である請求項１〜７のいずれか１項に記載の保護素子。
9. 上記可溶導体は、主面部における上記低融点金属の表裏面に積層された上記高融点金属の膜厚が、それぞれ２μｍ以上である請求項２〜８のいずれか１項に記載の保護素子。
10. 上記高融点金属の膜厚が６μｍ以下である請求項９記載の保護素子。

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