JP2015079608A - 保護素子用ヒューズエレメント材およびそれを利用した回路保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】表面実装型の回路保護素子において、ヒューズ動作温度が２２０℃以下でありながら耐リフロー性を具備した無鉛金属複合材からなる保護素子用ヒューズエレメント材を提供する。【解決手段】回路保護素子に搭載する無鉛金属複合材のヒューズエレメント材であって、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度において溶融可能な易融性の低融点金属材１１と、液相の低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材１２とから成り、低融点金属材と金属構造材とを一体成形することで、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材を固相の金属構造材ではんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする保護素子用ヒューズエレメント材１０，２０，３０，４０，５０。【選択図】図１

Description

本発明は、可融性の低融点金属材と、この低融点金属材に可溶性の金属構造材との金属複合材からなる保護素子用ヒューズエレメント材およびそれを利用した電気・電子機器の回路保護素子に関する。

近年、モバイル機器など小型電子機器の急速な普及に伴い、搭載する電源の保護回路に実装される保護素子も小型薄型のものが使用されている。例えば、二次電池パックの保護回路には、表面実装部品（ＳＭＤ）の保護素子が好適に利用される。これらの保護素子には、被保護機器の過電流により生ずる過大発熱や過電圧などの異常状態を検知し、または周囲温度の異常過熱に感応して、所定条件でヒューズを作動させ電気回路を遮断する非復帰型保護素子がある。該保護素子は、機器の安全を図るために、保護回路が機器に生ずる異常を検知すると信号電流により抵抗素子を発熱させ、その発熱で可融性の合金材からなるヒューズエレメントを溶断させて回路を遮断するか、あるいは過電流によってヒューズエレメントを溶断させて回路を遮断できる。例えば、特許文献１および特許文献２には、異常時に発熱する抵抗素子をセラミックス基板などの絶縁基板上に設けた保護素子と、この保護素子を利用してＬｉイオン二次電池の過充電モードで電極表面に生成したデンドライトによる性能劣化などに起因する発火事故を防止する保護装置が開示されている。

従来、これら保護素子に適用されるヒューズエレメント材は、所定の溶融温度を有する単一の可融性合金からなり、抵抗素子付き絶縁基板上のパターン電極に溶融接合させて固着して利用される。この内、特にリードレスパッケージのチップ保護素子は、通常リフローはんだ付けを用いて外部の保護回路基板に表面実装されるため、保護素子のヒューズエレメント材には、２４０℃以上の作業温度に曝されても該ヒューズエレメントが溶断しないものを選定する必要があった。この場合、耐リフロー性を有する高温はんだ材には、Ａｕ−２０Ｓｎ合金（２８０℃共晶）、Ｐｂ−１０Ｓｎ合金（溶融温度２６８℃−３０１℃）、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金（３４０℃共晶）などが考えられるが、Ａｕ−Ｓｎ合金は貴金属材料であり高価なため、所定の径や厚みを要するヒューズエレメント材には商業的に利用し難い。また、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金などは溶融温度が高温であるため、動作温度帯が被保護回路の周辺部品の耐熱限度を超えてしまうおそれがあり、加えて合金自体も腐食しやすく長期信頼性が劣るため使用できない。従って、実用可能な耐リフロー性を具備する単一合金材は、Ｐｂを８５質量％以上含有したＰｂ−Ｓｎ合金からなる高温はんだ材に限られるが、近時においては有毒な環境負荷物質のＰｂ−Ｓｎ合金の使用は極力忌避すべき状況にある。また、保護素子の動作温度をＦＥＴジャンクション温度の１２５〜１７５℃により近い２２０℃以下で使用したい場合には、必然的に適用するヒューズエレメント材の溶融温度が前述したはんだ付け作業温度以下となりリフローはんだ付けを用いることができないので、該保護素子を後付け部品として別途取り付ける必要があり余分な工数が掛かってしまう。さらに後付け部品のためパッケージのリードレス化が難しいため、より多くの実装面積を要し好ましくない。

特開２００８−１１２７３５号公報 特開２０１１−０３４７５５号公報

本発明は、上述の問題点を解消するために提案されたものであり、表面実装型の回路保護素子において、ヒューズ材溶融温度が２２０℃以下でありながら耐リフロー性を具備した無鉛金属複合材からなる保護素子用ヒューズエレメント材およびそれを利用した電気・電子機器の回路保護素子を提供することを目的とする。なお、本発明で無鉛の用語はＰｂ、Ｃｄ、Ｈｇなどの有害重金属類を、不可避不純物を除き含有しないという意味で用いる。

本発明によると、回路保護素子に搭載する無鉛金属複合材のヒューズエレメント材であって、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度において、溶融可能な易融性の低融点金属材と、液相の低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材とから成り、低融点金属材と金属構造材とを一体成形することで、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材を固相の金属構造材ではんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする保護素子用ヒューズエレメント材が提供される。該ヒューズエレメント材の低融点金属材と金属構造材とは互いに固着成形され、はんだ付け作業の熱で液相化した低融点金属材を該作業温度で固相の金属構造材で、一定時間溶断しないように界面張力を利用して付着させ支えて保持する。従って、少なくともはんだ付け作業の間、ヒューズエレメントの形状を維持してヒューズエレメント材がはんだ付け作業温度で誤動作するのを防止する。はんだ付けが完了し回路保護素子が被保護回路に実装されると、ヒューズエレメント材の金属構造材は、はんだ付けの熱で媒質である低融点金属材中に拡散または溶解され希薄化しているので、設置環境の異常過熱や内蔵する抵抗発熱素子のヒータ加熱により容易に消失し、以後溶断を妨げることなく動作するようになる。

本発明の第１の様態の保護素子用ヒューズエレメント材は、回路保護素子に搭載する無鉛金属複合材のヒューズエレメント材であって、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度において溶融可能な易融性の低融点金属材と、液相の低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材とから成り、低融点金属材は、その表面の一部または全部を金属構造材で覆って、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材を該作業温度で固相の金属構造材ではんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする保護素子用ヒューズエレメント材が提供される。該ヒューズエレメント材は、これを搭載した保護素子が外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業で誤動作しないように、はんだ付け作業温度で溶融する低融点金属材の表面を、難融性の金属構造材で予め被覆した金属複合材で構成される。ヒューズエレメント材を上記構成とすることで、このヒューズエレメント材を内蔵した回路保護素子は、リフローはんだ付けの際、その作業温度で易融性の低融点金属材が溶融しても、溶融状態の該低融点金属材に難融性の金属構造材が固体状態で表面を一定時間覆って支えて保持するので、少なくともはんだ付け作業の間、形状を維持してヒューズエレメント材がはんだ付け作業温度で誤動作するのを防止する。はんだ付けが完了し回路保護素子が被保護回路に実装されると、ヒューズエレメント材の金属構造材は、はんだ付けの熱で媒質である低融点金属材中に拡散または溶解され薄層化しているので、設置環境の異常過熱や内蔵する抵抗発熱素子のヒータ加熱により容易に消失し、以後溶断を妨げることなく動作するようになる。

さらに第１の様態のヒューズエレメント材を利用した回路保護素子が提供される。該回路保護素子は、絶縁基板と、該絶縁基板の表面に設けた複数のパターン電極と、このパターン電極に電気接続したヒューズエレメント材とを備え、ヒューズエレメント材は、この保護素子を外部回路板に実装するはんだ付け作業温度で溶融可能な易融性の低融点金属材の表面を、溶融した低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材で被覆して成る無鉛金属複合材を用いて、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材を固相の金属構造材ではんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする。該保護素子の絶縁基板には必要に応じて抵抗発熱素子を設ける。

本発明の第２の様態の保護素子用ヒューズエレメント材は、回路保護素子に搭載する無鉛金属複合材のヒューズエレメント材であって、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度において溶融可能な易融性の低融点金属材と、液相の低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材とから成り、金属構造材は、その外周を低融点金属材で覆って、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材を該作業温度で固相の金属構造材ではんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする保護素子用ヒューズエレメント材が提供される。該ヒューズエレメント材は、これを搭載した保護素子が外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業で誤動作しないように、はんだ付け作業温度で溶融しない難融性の金属構造材の外周を、該作業温度で溶融する低融点金属材で、予め被覆した金属複合材で構成される。ヒューズエレメント材を上記構成とすることで、このヒューズエレメント材を内蔵した回路保護素子は、リフローはんだ付けの際、その作業温度で易融性の低融点金属材が溶融しても、溶質である固相の金属構造材が、溶媒となる液相の低融点金属材に溶解するまでの間、溶融状態の低融点金属材を固体状態の金属構造材が一定時間支えて保持するので、少なくともはんだ付け作業の間、形状を維持してヒューズエレメント材がはんだ付け作業温度で誤動作するのを防止する。はんだ付けが完了し回路保護素子が被保護回路に実装されると、ヒューズエレメント材の金属構造材は、はんだ付けの熱で媒質である低融点金属材中に拡散または溶解され極細線化しているので、設置環境の異常過熱や内蔵する抵抗発熱素子のヒータ加熱により容易に消失し、以後溶断を妨げることなく動作するようになる。

さらに、第２の様態のヒューズエレメント材を利用した回路保護素子が提供される。該回路保護素子は、絶縁基板と、該絶縁基板の表面に設けた複数のパターン電極と、このパターン電極に電気接続したヒューズエレメント材とを備え、ヒューズエレメント材は、無鉛金属複合材であって、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度において溶融可能な易融性の低融点金属材と、液相の低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材とから成り、金属構造材の外周を低融点金属材で被覆した金属複合材を用いて、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材を固相の金属構造材ではんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする。該保護素子の絶縁基板には必要に応じて抵抗発熱素子を設ける。

本発明に係る保護素子用ヒューズエレメント材は、低融点金属材と金属構造材とを固着し一体成形することで、液相化した低融点金属材を固相の金属構造材で該はんだ付け作業が終わるまで一定時間溶断しないように固−液界面の濡れを利用して付着させ支えて保持する。従って、少なくともはんだ付け作業の間、ヒューズエレメントの形状を維持してヒューズエレメント材がはんだ付け作業温度で誤動作するのを防止できる。

また、本発明に係る無鉛金属複合材の保護素子用ヒューズエレメント材を搭載した回路保護素子は、他の表面実装部品と共に被保護回路板にマウントでき、リフロー工法などの一括はんだ付け実装が可能となる。該回路保護素子は、動作温度が２２０℃以下のヒューズエレメント材を搭載しながら、赤外線方式、熱風方式、ＶＰＳ（ベーパーフェーズソルダリング）方式を含む各種リフロー炉、高温バッチ炉、温風ヒータ、ホットプレートなどを用いて被保護回路板に高密度実装でき生産効率を向上すると共に、回路保護素子の無鉛化を実現する。

本発明に係る保護素子用ヒューズエレメント材を表し、（ａ）は低融点金属材の表面を金属構造材で被覆した棒状ヒューズエレメント材１０を、（ｂ）は低融点金属材の表面を金属構造材で被覆した平板状エレメント材２０を、（ｃ）は低融点金属材の表面の一部を金属構造材で被覆した平板状エレメント材３０をそれぞれ示す。また（ｄ）は金属構造材からなる芯材の外周を低融点金属材で覆った棒状ヒューズエレメント材４０を示し、（ｅ）は金属構造材からなる芯材の外周を低融点金属材で覆った平板状エレメント材５０を示す。 本発明に係る回路保護素子の部品部材を分解した斜視図を示す。 本発明の実施例４の回路保護素子３０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿って蓋体を切断した平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図を示し、（ｃ）はその下面図を示す。 本発明の実施例５の回路保護素子４０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿って蓋体を切断した平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図を示し、（ｃ）はその下面図を示す。

本発明に係る保護素子用ヒューズエレメント材は、図１に示すように、回路保護素子に搭載するヒューズエレメント材１０であって、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度において溶融可能な易融性の低融点金属材１１と、液相の低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材１２とから成り、低融点金属材１１と金属構造材１２とを一体成形することで、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材１１を固相の金属構造材１２ではんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする。この低融点金属材１１と金属構造材１２とは互いに固着成形され、該はんだ付け作業で液相化した低融点金属材１１を固相の金属構造材１２で、一定時間溶断しないように固−液界面の濡れを利用して付着した状態で保持できる。従って、少なくともはんだ付け作業の間、ヒューズエレメントの形状を維持してヒューズエレメント材がはんだ付け作業温度で誤動作するのを防止する。はんだ付けが完了し回路保護素子が被保護回路に実装されると、ヒューズエレメント材の金属構造材１２は、はんだ付けの熱で媒質である低融点金属材１１中に拡散または溶解され薄層化しているので、設置環境の異常過熱や内蔵する抵抗発熱素子のヒータ加熱により容易に消失し、以後溶断を妨げることなく動作するようになる。

図１の（ａ）および（ｂ）に示す保護素子用ヒューズエレメント材１０または保護素子用ヒューズエレメント材２０には、低融点金属材１１として１８３℃以上２６０℃以下のはんだ付け作業温度において溶融可能な可融性金属を利用でき、例えばＳｎ−５Ｓｂ合金材（溶融温度２３６−２４０℃）、Ｓｎ材（溶融温度２３２℃）、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金材（溶融温度２２７℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金材（溶融温度２２１℃）、Ｓｎ−３．８Ａｇ−１．２Ｃｕ合金材（溶融温度２１７℃）、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ合金材（溶融温度２１７〜２１９℃）、Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉ合金材（溶融温度２１４〜２２１℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−２．５Ｂｉ−２．５Ｉｎ合金材（溶融温度１９０〜２１０℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８．０Ｉｎ合金材（溶融温度１７０〜２０６℃）、Ｓｎ−５８Ｂｉ合金材（溶融温度１３９℃）、Ｉｎ−１０Ｓｎ−２Ａｇ−０．５Ｂｉ合金材（１３３℃）などの金属材や合金材が好適に利用できる。そして棒状または平板状に形成した低融点金属材１１の表面を、該接合作業温度において溶融しない可溶性の金属皮膜、例えばＡｇ材、Ａｕ材、Ｃｕ材、Ｎｉ材、Ａｕ合金材、Ａｇ合金材、Ｃｕ合金材、Ｎｉ合金材などの金属構造材１２で覆った金属複合材によって本発明に係る保護素子用ヒューズエレメント材を構成する。すなわち低融点金属材１１の外周面を覆って金属構造材１２を設ける。上述の低融点金属材１１の表面に金属構造材１２を設ける手段は、特に限定されず低融点金属材１１に金属構造材１２を固着できればよい。例えば、金属構造材１２はクラッド、電気めっき、無電解めっき、圧着、真空蒸着、溶射、ロジン等の易融性材料による接着などの手段で低融点金属材１１の表面に固着できる。なお、図１の（ｂ）に示す保護素子用ヒューズエレメント材２０は、低融点金属材１１の表面に設ける金属構造材１２が、液相の低融点金属材１１の表面張力にうち勝つに足りる皮膜強度を有する場合には、図１の（ｃ）に示すように、低融点金属材１１の片面のみに金属構造材１２を皮膜形成した保護素子用ヒューズエレメント材３０に変形することができる。

図１の（ｄ）および（ｅ）に示す保護素子用ヒューズエレメント材４０または保護素子用ヒューズエレメント材５０にも低融点金属材１１として１８３℃以上２６０℃以下のはんだ付け作業温度において溶融可能な可融性金属を利用でき、例えばＳｎ−５Ｓｂ合金材（溶融温度２３６−２４０℃）、Ｓｎ材（溶融温度２３２℃）、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金材（溶融温度２２７℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金材（溶融温度２２１℃）、Ｓｎ−３．８Ａｇ−１．２Ｃｕ合金材（溶融温度２１７℃）、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ合金材（溶融温度２１７〜２１９℃）、Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉ合金材（溶融温度２１４〜２２１℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−２．５Ｂｉ−２．５Ｉｎ合金材（溶融温度１９０〜２１０℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８．０Ｉｎ合金材（溶融温度１７０〜２０６℃）、Ｓｎ−５８Ｂｉ合金材（溶融温度１３９℃）、Ｉｎ−１０Ｓｎ−２Ａｇ−０．５Ｂｉ合金材（１３３℃）などの金属材や合金材が好適に利用できる。この場合は、該接合作業温度において溶融しない可溶性の細線、例えばＡｇ材、Ａｕ材、Ｃｕ材、Ｎｉ材、Ａｕ合金材、Ａｇ合金材、Ｃｕ合金材、Ｎｉ合金材など金属構造材１２の細線材の外周を、前述の低融点金属材１１で覆った金属複合材、または該線材をさらに圧延したテープ状の金属複合材によって本発明に係る保護素子用ヒューズエレメント材を構成する。上述の金属構造材１２の表面に低融点金属材１１を設ける手段は、特に限定されず低融点金属材１１に金属構造材１２を固着できればよい。例えば、低融点金属材１１は被覆伸線、巻回被覆などの手段で金属構造材１２の線材表面に固着できる。

本発明に係る保護素子は、上述の本発明に係る保護素子用ヒューズエレメント材を利用した回路保護素子であり、図２に示すように、絶縁基板２３と、該絶縁基板２３の表面に設けた複数のパターン電極２４と、このパターン電極２４に電気接続した少なくとも１つのヒューズエレメント材２５と、このヒューズエレメント材２５の表面に塗布した動作フラックスと、動作フラックスを塗布したヒューズエレメント材２５の上部を覆った蓋体２６とを備え、ヒューズエレメント材２５は、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度の１８３℃以上２６０℃以下で溶融可能な易融性の低融点金属材２１と、液相の低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材２２とから成り、低融点金属材２１と金属構造材２２とを一体成形することで、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材２１を固相の金属構造材２２ではんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする。この保護素子の絶縁基板２３は、耐熱性の絶縁基板、例えば、ガラスエポキシ基板、ＢＴ（Ｂｉｓｍａｌｅｉｍｉｄｅ Ｔｒｉａｚｉｎｅ）基板、テフロン（登録商標）基板、セラミックス基板、ガラス基板などからなり、該絶縁基板２３の片面に必要に応じて抵抗発熱素子を設けてもよい。該抵抗発熱素子は必要に応じて絶縁コーティングを施す。なお、抵抗発熱素子を設けない場合は、ヒューズエレメント材２５に接続されるパターン電極２４のうち中央の電極を省略してもよい。前記蓋体２６は、絶縁基板２３およびヒューズエレメント材２５の上部を覆って所望のキャビティ空間を確保できればよく、形状、材質を制限するものではない。例えば、蓋体２６には、ドーム状樹脂フイルム材、プラスチック材、セラミックス材などが好適に利用できる。

本発明に係る保護素子用ヒューズエレメント材は、図２に示すように、耐熱性の絶縁基板２３に設けた導電性部材からなるパターン電極２４に、このパターン電極２４の表面やヒューズエレメント材の表面に設けた固着手段によって固着され、回路保護素子のヒューズエレメント材２５として使用される。該固着手段は、特に図示しないが金属構造材２２の融点温度未満の溶融温度を有する予備はんだめっき材など可融性金属皮膜やはんだペースト材、または導電性接着材を用いる。一例として、上述の接合前における低融点金属材２１の表面に金属構造材２２の厚みを４μｍから８μｍまでになるようにヒューズエレメント材２５を成形しておくのが好ましい。より好適には前記厚みが５〜６μｍになるようにヒューズエレメント材２５を成形しておくとよい。前記厚みが８μｍを超えると、保護素子を被保護回路に実装した後に、保護素子が異常過熱を検知した際、過剰な金属構造材２２が残留してヒューズエレメント２５の正常な溶断動作を妨げるようになる。また、前記厚みが４μｍ未満であると、保護素子を被保護回路に実装する際にヒューズエレメント材２５が溶断したり、溶融した低融点金属材２１の表面張力に金属構造材２２の支持力が抗しきれずヒューズエレメント材が弓なりに変形し、著しい場合には形状を維持できなくなって耐リフロー性を損なってしまう。

本発明に係る実施例１の保護素子用ヒューズエレメント材１０は、図１（ａ）に示すように、２１７〜２１９℃の溶融温度を有する直径５３８μｍのＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金線からなる低融点金属材１１の外周面に、Ａｇ材からなる厚さ６μｍの金属構造材１２を電気めっきで覆った金属複合材で構成される。特に図示しないが、さらにこの棒状のヒューズエレメント材１０を板状に圧延して用いてもよい。

本発明に係る実施例２の保護素子用ヒューズエレメント材２０は、図１（ｂ）に示すように、溶融温度が２２０℃のＳｎ−３Ａｇ合金板からなる厚さ９５μｍの低融点金属材１１の表面に、Ａｇ材からなる厚さ５μｍの電気めっき材からなる金属構造材１２で覆った金属複合材で構成される。外形が矩形板状でかつ端面異方性を有する保護素子用ヒューズエレメント材２０は、回路保護素子に適用する場合、例えば図２に示すように、絶縁基板２３に設けたパターン電極２４の間を橋設する方向に２つの方向性がある。第１の方向は低融点金属材１１の露出端面が差し渡し側面となるように橋設する方向、第２の方向は金属構造材１２の被覆端面が差し渡し側面となるように橋設する方向である。本発明は第１の方向および第２の方向どちらの橋設方向も適用可能であり方向を特に限定されないが、電気めっきによる金属構造材１２を採用した場合には、より好適には第１の橋設方向が望ましい。その理由は、低融点金属材１１の表面に電気めっきで金属構造材１２を形成する際、板端部のエッジ部分は端電流効果で電流密度が大きくなるため、その部分の膜厚が厚くなりがちであり、その結果、ヒューズ動作時に厚くなった端部のみ溶け残ってしまう可能性があるためである。なお、保護素子用ヒューズエレメント材２０は、図１（ｃ）に示すように低融点金属材１１の一面のみを金属構造材１２で覆った変形例１の保護素子用ヒューズエレメント材３０に変形することができる。

本発明に係る実施例３の保護素子用ヒューズエレメント材４０は、図１（ｄ）に示すように、直径３μｍのＣｕ材からなる金属構造材１２の芯材の外周面に、溶融温度２２１℃を有する厚さ２７４μｍのＳｎ−３．５Ａｇ合金材からなる低融点金属材１１を、被覆伸線により圧着させた金属複合材で構成される。さらに、このヒューズエレメント材４０を板状に圧延して、図１（ｅ）に示すように、変形例２の保護素子用ヒューズエレメント材５０に変形することができる。

上述した実施例の低融点金属材１１と金属構造材１２は、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて自由に変更してよい、例えば、本発明に係る実施例２の保護素子用ヒューズエレメント材２０は、２２７℃の溶融温度を有する厚さ１００μｍのＳｎ−０．７Ｃｕ合金板からなる低融点金属材１１の表面に、厚さ４μｍのＡｕ材からなる金属構造材１２をクラッドした金属複合材に変形してもよい。

実施例１ないし実施例３およびその変形例の保護素子用ヒューズエレメント材は、それぞれ、図２に示すようなアルミナ・セラミックスの絶縁基板２３の表面に設けたＡｇ合金パターン電極２４に接合されて、以下に示す実施例４または実施例５の回路保護素子を形成する。該ヒューズエレメント材は、予め接合フラックスを塗布した絶縁基板のパターン電極とヒューズエレメント材とを互いに接触させて絶縁基板に載置されてパターン電極に接合した後、ヒューズエレメント材に動作用の溶断フラックスを塗布し、絶縁基板に搭載されたヒューズエレメント材を耐熱プラスチック製の蓋体で覆って、蓋体と絶縁基板とをエポキシ系樹脂で固定して回路保護素子とする。

本発明に係る実施例４の回路保護素子は、実施例１または実施例２の保護素子用ヒューズエレメント材を利用した回路保護素子であり、図３に示すように、アルミナ・セラミックスの絶縁基板３３と、この絶縁基板３３の上下面に設けた複数のＡｇ合金製パターン電極３４と、該パターン電極３４と電気接続され該絶縁基板３３の下面に設けた抵抗発熱素子３８と、該絶縁基板３３の上面のパターン電極３４に施した予備はんだめっき材 で電気接続したヒューズエレメント材３５と、このヒューズエレメント材３５の上部を覆って該絶縁基板に固着した液晶ポリマー製の蓋体３６とを備え、ヒューズエレメント材３５は、この回路保護素子を外部回路板へ実装するはんだ付け作業温度の１８３℃以上２６０℃以下で溶融可能な易融性の低融点金属材３１と、液相の低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材３２とを一体成形した金属複合材から成り、パターン電極３４は、基板上下面のパターン電極３４を電気接続するＡｇ合金のハーフ・スルーホール３７を有する。特に図示しないが、実施例４の抵抗発熱素子の表面はガラス材のオーバーグレーズを施している。

本発明に係る実施例５の回路保護素子は、実施例３の回路保護素子を変形したもので、実施例１または実施例２の保護素子用ヒューズエレメント材を利用した回路保護素子である。図４に示すように、アルミナ・セラミックスの絶縁基板４３と、この絶縁基板４３の上下面に設けた複数のＡｇ合金製パターン電極４４と、該パターン電極４４と電気接続され該絶縁基板４３の上面に設けた抵抗発熱素子４８と、この抵抗発熱素子４８に当接して該絶縁基板４３の上面のパターン電極４４にはんだペースト材で電気接続したヒューズエレメント材４５と、このヒューズエレメント材４５の上部を覆って該絶縁基板４３に固着した液晶ポリマー製の蓋体４６とを備え、ヒューズエレメント材４５は、この回路保護素子を外部回路板へ実装するはんだ付け作業温度の１８３℃以上２６０℃以下で溶融可能な易融性の低融点金属材４１と、液相の低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材４２とを一体成形した金属複合材から成り、パターン電極４４は、基板上下面のパターン電極４４を電気接続するＡｇ合金のハーフ・スルーホール４７を有する。特に図示しないが、実施例５の抵抗発熱素子の表面はガラス材のオーバーグレーズを施している。

なお、実施例４および実施例５の回路保護素子は、絶縁基板上下面のパターン電極を電気接続する配線手段は、ハーフ・スルーホールに替えて該基板を貫通した導体スルーホールや、平面電極パターンによる表面配線に変更してもよい。

本発明に係る回路保護素子の耐リフロー性およびリフローはんだ付け後の動作性を評価した結果を表１に示す。供試用回路保護素子は、図１（ｂ）に示すような縦２．１ｍｍ×横２．１ｍｍ×厚さ９７μｍ、溶融温度２２０℃のＳｎ−３Ａｇ合金板からなる低融点金属材の表面に、Ａｇ電気めっき材を厚さ２μｍから１０μｍまで各１μｍ間隔で厚みを変えて施した９種類の供試ヒューズエレメント材を各１００個用意し、これを図３に示した実施例３の回路保護素子に適用し供試用回路保護素子とした。この供試用回路保護素子は、該供試ヒューズエレメント材を図２に示した方向に取り付けて作製した。先ず各供試用回路保護素子を、９６．５Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの鉛フリーはんだペーストを用いて予熱温度１５０〜１８０℃で９０秒、加熱温度２２０℃以上で６０秒間、内ピーク温度２４５±３℃の温度プロファイルでプリント配線基板にリフローはんだ付けし、室温に冷却後にヒューズエレメント材の状態を目視確認することで耐リフロー性の有無を評価した。次いでリフロー工程で動作していないことが確認された供試用回路保護素子については、さらにその抵抗発熱素子に１０Ｗを印加してヒューズエレメント材が正常に動作できるか確認した。その結果、供試用回路保護素子に該寸法サイズのヒューズエレメント材を適用した場合には、ヒューズエレメント合金板の上下面を４〜８μｍ、より好ましくは５〜６μｍのＡｇめっき材で覆った金属複合材からなるヒューズエレメント材を使用したときに回路保護素子は耐リフロー性を具備しながら同時にリフローはんだ付け後の動作性を確保できるのが分かる。

本発明の保護素子用ヒューズエレメント材を搭載した回路保護素子は、他の表面実装部品と共に被保護回路板にマウントでき、リフロー工法などで一括はんだ付け実装されて、電池パックなど２次電池の保護装置に利用できる。

１０、２０、３０、４０、５０・・・保護素子用ヒューズエレメント材、
１１、２１、３１、４１・・・低融点金属材、
１２、２２、３２，４２・・・金属構造材、
２３、３３、４３・・・絶縁基板、
２４、３４、４４・・・パターン電極、
２５、３５、４５・・・ヒューズエレメント材、
２６、３６、４６・・・蓋体、
２７、３７、４７・・・ハーフ・スルーホール、
３８、４８・・・抵抗発熱素子。

Claims (11)

1. 回路保護素子に搭載する無鉛金属複合材のヒューズエレメント材であって、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度において溶融可能な易融性の低融点金属材と、液相の前記低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材とから成り、前記低融点金属材と前記金属構造材とを一体成形することで、前記はんだ付け作業で液相化した前記低融点金属材を固相の前記金属構造材で前記はんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする保護素子用ヒューズエレメント材。
2. 前記低融点金属材は、その表面の一部または全部を前記金属構造材で覆ったことを特徴とする請求項１に記載の保護素子用ヒューズエレメント材。
3. 前記金属構造材は、その外周を前記低融点金属材で覆ったことを特徴とする請求項１に記載の保護素子用ヒューズエレメント材。
4. 前記はんだ付け作業温度は、１８３℃以上２６０℃以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の保護素子用ヒューズエレメント材。
5. 前記低融点金属材は、Ｓｎ−５Ｓｂ合金材、Ｓｎ材、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金材、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金材、Ｓｎ−３．８Ａｇ−１．２Ｃｕ合金材、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ合金材、Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉ合金材、Ｓｎ−３．５Ａｇ−２．５Ｂｉ−２．５Ｉｎ合金材、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８．０Ｉｎ合金材、Ｓｎ−５８Ｂｉ合金材、Ｉｎ−１０Ｓｎ−２Ａｇ−０．５Ｂｉ合金材の群から選択された少なくとも１つの可融性金属を用いたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の保護素子用ヒューズエレメント材。
6. 前記金属構造材は、Ａｇ材、Ａｕ材、Ｃｕ材、Ｎｉ材、Ａｕ合金材、Ａｇ合金材、Ｃｕ合金材、Ｎｉ合金材の群から選択された少なくとも１つの可溶性金属を用いたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の保護素子用ヒューズエレメント材。
7. 絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に設けた複数のパターン電極と、このパターン電極に電気接続した少なくとも１つのヒューズエレメント材と、このヒューズエレメント材の表面に塗布した動作フラックスと、前記動作フラックスを塗布した前記ヒューズエレメント材の上部を覆ったキャップ状蓋体とを備え、前記ヒューズエレメント材は、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度の１８３℃以上２６０℃以下で溶融可能な易融性の低融点金属材と、液相の前記低融点金属材に溶解可能な難融性の金属構造材とから成り、前記低融点金属材と前記金属構造材とを一体成形することで、前記はんだ付け作業で液相化した前記低融点金属材を固相の前記金属構造材で前記はんだ付け作業が終わるまで支えて保持することを特徴とする回路保護素子。
8. 前記絶縁基板は、さらに抵抗発熱素子を設けたことを特徴とする請求項７に記載の回路保護素子。
9. 前記絶縁基板に設けた複数の前記パターン電極間を架橋する前記ヒューズエレメント材は、前記低融点金属材の露出端面が差し渡し側面となる方向に橋設したことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の回路保護素子。
10. 前記低融点金属材は、Ｓｎ−５Ｓｂ合金材、Ｓｎ材、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金材、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金材、Ｓｎ−３．８Ａｇ−１．２Ｃｕ合金材、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ合金材、Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉ合金材、Ｓｎ−３．５Ａｇ−２．５Ｂｉ−２．５Ｉｎ合金材、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８．０Ｉｎ合金材、Ｓｎ−５８Ｂｉ合金材、Ｉｎ−１０Ｓｎ−２Ａｇ−０．５Ｂｉ合金材の群から選択された少なくとも１つの可融性金属を用いたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の回路保護素子。
11. 前記金属構造材は、Ａｇ材、Ａｕ材、Ｃｕ材、Ｎｉ材、Ａｕ合金材、Ａｇ合金材、Ｃｕ合金材、Ｎｉ合金材の群から選択された少なくとも１つの可溶性金属を用いたことを特徴とする請求項７ないし請求項１０の何れか１つに記載の回路保護素子。
    

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