JP2016062649A - 保護素子及び実装体 - Google Patents
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Abstract
Description
図1、図2に本発明が適用された保護素子1を示す。図1(A)は保護素子1の上面側を示す外観斜視図であり、図1(B)は保護素子1の底面側を示す外観斜視図である。図2(A)は保護素子1のカバー部材を省略して示す平面図であり、図2(B)は図2(A)に示すA−A’断面図である。また、図3は可溶導体の溶断後における保護素子1のカバー部材を省略して示す平面図であり、図3(B)は図3(A)に示すA−A’断面図である。保護素子1は、絶縁基板10と、絶縁基板10の表面10aに積層され、絶縁部材12に覆われた発熱体11と、絶縁部材12上に発熱体11と重畳するように積層された発熱体引出電極13と、絶縁基板10の相対向する一対の側縁に嵌合され、中央部が発熱体引出電極13に接続された可溶導体15と、可溶導体15が設けられた絶縁基板10の表面10aを覆うカバー部材19とを備える。
絶縁基板10の相対向する一対の側縁に嵌合されるとともに、中央部が発熱体引出電極13に接続された可溶導体15は、外部回路と接続される一対の端子部20を有し、図3に示すように、発熱体引出電極13と接続された中央部が溶解し、発熱体引出電極13と端子部20との間が溶断することにより外部回路の電流経路を遮断するものである。
また、絶縁基板10は、可溶導体15の端子部20が嵌合される一対の側縁部に嵌合凹部21が形成されている。保護素子1は、絶縁基板10に嵌合凹部21を設けることにより、回路基板への実装面積が広がることもなく、また、可溶導体15の嵌合位置を固定することができる。更に、嵌合凹部21を設けることで、保護素子1の製造プロセスにおいて絶縁基板10を多面付け基板対応とすることができ、生産性向上及び加工コストの低減にも寄与することができる。
ここで、保護素子1は、外部回路の電流経路上に組み込まれるものであり、電流定格の向上を図るとともに、緊急時等には発熱体11の発熱により速やかに可溶導体15が溶断し、外部回路の電流経路を遮断する必要がある。そこで、可溶導体15は、低抵抗化による電流定格の向上、及び発熱体11の発熱による溶断時間の短縮の両立を図るために、低融点金属層と高融点金属層とを含有することが好ましい。
また、保護素子1は、絶縁基板10の表面10aに第1の放熱電極23が形成されている。第1の放熱電極23は、可溶導体15が嵌合される絶縁基板10の一対の側縁近傍に形成され、可溶導体15と接続されることにより端子部20の近傍における可溶導体15の熱を効率よく吸収するものである。第1の放熱電極23は、例えばAgやCu等の電極材料を用いて形成することができ、接続用ハンダ等の接続材料を介して可溶導体15と接続されている。
また、可溶導体15は、外層の高融点金属層又は低融点金属層の酸化防止と、溶断時の酸化物除去及びハンダの流動性向上のために、図2に示すように、可溶導体15の表裏面全面にフラックス27を塗布してもよい。フラックス27を塗布することにより、低融点金属(例えばハンダ)の濡れ性を高めるとともに、低融点金属が溶解している間の酸化物を除去し、高融点金属(例えば銀)への浸食作用を用いて速溶断性を向上させることができる。
また、保護素子1は、可溶導体15が設けられた絶縁基板10の表面10a上に、内部を保護するとともに溶融した可溶導体15の飛散を防止するカバー部材19が取り付けられている。カバー部材19は、各種エンジニアリングプラスチック、セラミックス等の絶縁性を有する部材により形成することができる。カバー部材19は、対向する一対の側壁19aが形成され、この側壁19aが絶縁基板10の表面10a上に設置されるとともに、開放された2側面から可溶導体15の端子部20が絶縁基板10の裏面10b側に突出されている。
保護素子1は、以下の工程により製造される。可溶導体15が搭載される絶縁基板10は、図4(A)に示すように、表面10aに発熱体11、絶縁部材12、発熱体引出電極13、発熱体電極16及び一対の第1の放熱電極23が形成されている。また、絶縁基板10は、裏面10bにスルーホール17を介して発熱体電極16と連続されている外部接続端子18が形成されている。図4(B)に示すように、この絶縁基板10の一対の側縁に形成された嵌合凹部21に、可溶導体15の端子部20を嵌合するとともに、発熱体引出電極13及び第1の放熱電極23に接続用ハンダ等の接合材を介して可溶導体15を接続する。これにより、可溶導体15は、端子部20の先端部が絶縁基板10の裏面10b側に突出される。
保護素子1は、図5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。
また、本発明が適用された保護素子は、図8に示すように、一対の端子部52間に複数の溶断部53が並列された可溶導体51を用いてもよい。なお、以下の説明において、上述した保護素子1と同じ部材については同一の符号を付してその詳細を省略する。
このような複数の溶断部53が形成された可溶導体51は、例えば図9(A)に示すように、板状の低融点金属と高融点金属とを含む板状体54の中央部2か所を矩形状に打ち抜いた後、両端部を折り曲げることにより製造することができる。可溶導体51は、並列する3つの溶断部53A〜53Cの両側が端子部52によって一体に支持されている。また、設けられた可溶導体51は、端子部52を構成する板状体と溶断部53を構成する複数の板状体とを接続することにより製造してもよい。なお、図9(B)に示すように、可溶導体51は、並列する3つの溶断部53A〜53Cの一端が端子部52によって一体に支持され、他端にはそれぞれ端子部52が形成されたものでもよい。
なお、保護素子50は、溶断部53に応じて絶縁基板10の表面10aに複数の第3の放熱電極56を設けてもよい。第3の放熱電極56は、上述した第1の放熱電極23同様に、可溶導体51が嵌合される絶縁基板10の一対の側縁近傍に、各溶断部53に対応し形成され、各溶断部53と接続されることにより端子部52の近傍における可溶導体51の熱を効率よく吸収する。第3の放熱電極56は、例えばAgやCu等の電極材料を用いて形成することができ、接続用ハンダ等の接続材料を介して溶断部53と接続されている。
また、図8に示すように、保護素子50は、複数の溶断部53の間に、並列する溶断部53同士の接続を防止する絶縁壁55を設けてもよい。絶縁壁55を設けることにより、可溶導体51は、溶断部53が溶断していく際に、発熱体11又は自身の発熱により溶融、膨張して隣接する溶断部53に接触し凝集することを防止する。これにより、可溶導体51は、隣接する溶断部53同士が溶融、凝集することで大型化し、溶断に必要な電力が増加することによる溶断時間の増加や溶断後における絶縁性の低下、あるいは過電流に伴う自己発熱による溶断時に生じるアーク放電の大規模化による溶融金属の爆発的飛散を防止することができる。
なお、保護素子50は、絶縁壁55を可溶導体51の溶断部位に応じて設ければよい。図8に示すように、可溶導体51は、各溶断部53が発熱体引出電極13に接続されることにより発熱体11と重畳され、発熱体引出電極13を介して発熱体11の熱が各溶断部53に伝達される。また、可溶導体51は、各溶断部53が可溶導体51の両端部に設けられた端子部52間に形成され、両端部52では電流が集中せず、両端部52間に設けられた各溶断部53の端子部52と発熱体引出電極13間において電流が集中し、高温に発熱することにより溶融する。
保護素子50は、可溶導体51の各溶断部53の間に絶縁壁55を設けることが好ましい。これにより、複数の溶断部53同士が溶融、凝集することを防止し、溶断に必要な電力が増加することによる溶断時間の増加や溶断後において溶融導体の凝集体が端子部52間にわたって連続し絶縁性が低下することを防止することができる。
保護素子50は、以下の工程により製造される。可溶導体51が搭載される絶縁基板10は、図10(A)に示すように、表面10aに発熱体11、絶縁部材12、発熱体引出電極13、発熱体電極16及び可溶導体51の溶断部53と同数の第3の放熱電極56が形成されている。また、絶縁基板10は、裏面10bにスルーホール17を介して発熱体電極16と連続されている外部接続端子18が形成されている。図10(B)に示すように、この絶縁基板10の一対の側縁に形成された嵌合凹部21に、可溶導体51の端子部52を嵌合するとともに、発熱体引出電極13及び第3の放熱電極56に接続用ハンダ等の接合材を介して各溶断部53を接続する。これにより、可溶導体51は、端子部52の先端部が絶縁基板10の裏面10b側に突出される。
また、本発明が適用された保護素子は、図11に示すように、可溶導体として、溶断部53に相当する複数の可溶導体を絶縁基板10の相対向する一対の側縁間に嵌合させ、並列させてもよい。なお、以下の説明において、上述した保護素子1,50と同じ部材については同一の符号を付してその詳細を省略する。
また、本発明が適用された保護素子は、図12及び図13に示すように、可溶導体の端子部を絶縁基板10の表面10a側に突出させてもよい。なお、以下の説明において、上述した保護素子1,50,60と同じ部材については同一の符号を付してその詳細を省略する。図12(A)は保護素子70の底面側を示す外観斜視図であり、図1(B)は保護素子70の上面側を示す外観斜視図である。図13(A)は保護素子70のカバー部材を省略して示す平面図であり、図13(B)は図13(A)に示す保護素子70のA−A’断面図である。
上述した保護素子1,50,60,70は、発熱体11を絶縁基板10の表面10aに積層する他にも、絶縁基板10の裏面10bに設けてもよい。図15(A)に保護素子1,50,60において発熱体11を絶縁基板10の裏面10bに設けた構成を示し、図15(B)に保護素子70において発熱体11を絶縁基板10の裏面10bに設けた構成を示す。
上述したように、可溶導体15,51,61,71は、低融点金属と高融点金属とを含有してもよい。以下では、可溶導体15の構成について説明するが、可溶導体51,61,71も同様の構成とすることができる。可溶導体15は、図18(A)に示すように、内層として低融点金属層91が設けられ、外層として高融点金属層90が設けられた構成としてもよい。この場合、可溶導体15は、低融点金属層91の全面が高融点金属層90によって被覆された構造としてもよく、相対向する一対の側面を除き被覆された構造であってもよい。高融点金属層90による低融点金属層91の被覆構造は、メッキ等の公知の成膜技術を用いて形成することができる。
Claims (27)
- 絶縁基板と、
上記絶縁基板に配置された発熱体と、
上記発熱体と電気的に接続された発熱体引出電極と、
外部回路と接続される一対の端子部を有し、上記一対の端子部間が溶断することにより上記外部回路の電流経路を遮断する可溶導体とを備える保護素子。 - 上記可溶導体と上記発熱体引出電極とが接続されている請求項1記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面に配置され、熱により溶融する溶断部と、上記溶断部の両端に設けられた上記一対の端子部とを有し、
上記絶縁基板に嵌合することにより、上記端子部が上記絶縁基板の裏面側に向けられている請求項1又は2に記載の保護素子。 - 上記絶縁基板は、上記可溶導体が嵌合する嵌合凹部が形成されている請求項3記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面に配置され、熱により溶融する溶断部と、上記溶断部の両端に設けられ、上記溶断部より上記絶縁基板の表面側に突出された上記一対の端子部とを有し、
上記絶縁基板の表面に形成され、上記発熱体の開放端と接続された発熱体電極と、
上記発熱体電極に接続されることにより上記絶縁基板の表面側に突出された外部接続端子とを有する請求項1又は2に記載の保護素子。 - 上記絶縁基板の表面には、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の熱を吸収する放熱電極が設けられている請求項1〜5のいずれか1項に記載の保護素子。
- 上記放熱電極は、スルーホールを介して上記絶縁基板の裏面に設けられた端子部と連続されている請求項6記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、上記一対の端子部間に複数の溶断部が並列されている請求項1〜7のいずれか1項に記載の保護素子。
- 複数の上記溶断部の間には絶縁壁、又は上記発熱体引出電極上に設けられた絶縁層が設けられている請求項8記載の保護素子。
- 複数の上記可溶導体が並列され、上記可溶導体の間には絶縁壁、又は上記発熱体引出電極上に設けられた絶縁層が設けられている請求項1〜7のいずれか1項に記載の保護素子。
- 上記発熱体は、上記絶縁基板の表面に形成されるとともに絶縁部材に被覆され、又は上記絶縁基板の表面に形成された絶縁部材の内部に形成され、
上記発熱体引出電極は、上記絶縁部材上に形成されている請求項1〜10のいずれか1項に記載の保護素子。 - 上記発熱体は、上記絶縁基板の裏面に形成され、絶縁部材に被覆されている請求項1〜10のいずれか1項に記載の保護素子。
- 上記発熱体は、上記絶縁基板の内部に形成されている請求項1〜10のいずれか1項に記載の保護素子。
- 上記発熱体は、上記絶縁基板の表面に形成され、
上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面に、上記発熱体と隣接して配置される請求項1〜10のいずれか1項に記載の保護素子。 - 上記可溶導体は、低融点金属層と高融点金属層とを有し、
上記低融点金属層が、上記高融点金属層を浸食し溶断する請求項1〜14のいずれか1項に記載の保護素子。 - 上記低融点金属は、Sn又はSnを40%以上含む合金であり、上記高融点金属は、Ag、Cu、又はAg若しくはCuを主成分とする合金である請求項15記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、内層が高融点金属であり、外層が低融点金属の被覆構造である請求項15又は16に記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、内層が低融点金属であり、外層が高融点金属の被覆構造である請求項15又は16に記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、低融点金属と、高融点金属とが積層された積層構造である請求項15又は16に記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、低融点金属と、高融点金属とが交互に積層された4層以上の多層構造である請求項15又は16に記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、内層を構成する低融点金属の表面に形成された高融点金属に、開口部が設けられている請求項15又は16に記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、多数の開口部を有する高融点金属層と、上記高融点金属層上に形成された低融点金属層とを有し、上記開口部に低融点金属が充填されている請求項15又は16に記載の保護素子。
- 上記可溶導体は、上記高融点金属により被覆されることにより主面部よりも肉厚に形成された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、内層を構成する上記低融点金属層が外層を構成する上記高融点金属層から露出された相対向する一対の第2の側縁部とを有し、
一対の上記第1の側縁部を上記端子部とする請求項15又は16に記載の保護素子。 - 上記可溶導体は、低融点金属の体積が、高融点金属の体積よりも多い請求項15〜23のいずれか1項に記載の保護素子。
- 上記発熱体引出電極の表面に、Ni/Auメッキ、Ni/Pdメッキ、Ni/Pd/Auメッキのいずれかが被覆されている請求項1〜24のいずれか1項に記載の保護素子。
- 上記可溶導体の表面上の一部又は全部にフラックスがコーティングされ、上記可溶導体の溶断部及び上記フラックスが上記絶縁基板上に設けられたカバー部材により被覆されている請求項1〜25のいずれか1項に記載の保護素子。
- 回路基板に保護素子が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体と、
上記発熱体と電気的に接続された発熱体引出電極と、
外部回路と接続される一対の端子部を有し、上記一対の端子部間が溶断することにより上記外部回路の電流経路を遮断する可溶導体とを備える実装体。
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