JP2016085948A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体と可溶導体間の熱伝導性に優れ、保護素子としての信頼性を高めると共に、低背化、コンパクト化を実現できる保護素子を提供する。【解決手段】絶縁基板１１上に発熱体１２及び可溶導体１４を有し、発熱体１２の発熱により可溶導体１４を溶断する保護素子１０であって、絶縁基板１１上に設けられた第１の端子１５Ａ及び第２の端子１５Ｂと、第１及び第２の端子１５Ａ、１５Ｂと接続される可溶導体１４と、絶縁基板１１に積層され、第３の端子１５Ｃと接続された発熱体１２と、発熱体１２を覆うように積層される絶縁部材１３と、第１及び第２の端子１５Ａ、１５Ｂと可溶導体１４、及び、発熱体１２と可溶導体１４とをそれぞれ電気的に接続可能な接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃとを備え、接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、少なくとも低融点金属と高融点金属を含有する。【選択図】図１

Description

本発明は、異常時に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回路を保護する保護素子に関する。

チップ状のヒューズとして、基板上に発熱体を設け、発熱体に近接させてヒューズエレメントが設けられた保護素子が知られている。このような保護素子は、ノート型ＰＣやタブレット端末等で用いられるリチウムイオン二次電池からなるバッテリーにおいて、過充電（過電圧）や過電流を防止する。

このような保護素子として、例えば特許文献１には、低融点金属と発熱体とが絶縁層を介して接する保護素子で、検知素子が所定の条件を検知したときに、発熱体に通電することで、発熱体の発熱により低融点金属を溶断する保護素子が記載されている。

また、特許文献２には、低融点金属体に電流を通す一対の電極間において、低融点金属体の少なくとも一部の横断面が発熱体の発熱時に２以上の独立的な断面に区分されるように、低融点金属体の中央部に、電流の流れる方向に伸びた溝が形成されている保護素子が記載されている。

さらに、特許文献３には、ヒューズエレメントの液相点と固相点を調整することで、基板上の電極にソルダーペーストを介することなくヒューズエレメントが設けられている保護素子が記載されている。

また、特許文献４には、絶縁基板上に形成された電極間に導通するように高融点金属膜と低融点金属膜とが積層された可溶金属層が設けられた保護素子が記載されている。

特許第２７９０４３３号公報 特許第４１１０９６７号公報 特許第４７３５８７４号公報 特開２００４−１８５９６０号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２のような構造では、電極と低融点金属体とをはんだ等の接続材料で接続することで、複数の層を形成してしまうため、発熱体と可溶導体間の熱伝導率が低くなってしまうが、この点についての対策については記載されていない。また、特許文献３や特許文献４は、主に可溶導体の構成に特徴を有するものであり、保護素子用電極を改良することでの接続用はんだペーストの削減や、発熱体と可溶導体間の熱伝導率を上昇させるということについては記載されていない。

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、発熱体と可溶導体間の熱伝導性に優れ、保護素子としての信頼性を高めると共に、低背化、コンパクト化を実現できる保護素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、絶縁基板上に発熱体及び可溶導体を有し、発熱体の発熱により可溶導体を溶断する保護素子であって、前記絶縁基板上に設けられた第１及び第２の端子と、前記第１及び第２の端子と接続される前記可溶導体と、前記絶縁基板に積層され、第３の端子と接続された前記発熱体と、前記発熱体を覆うように積層される絶縁部材と、前記第１及び第２の端子と前記可溶導体、及び、前記発熱体と前記可溶導体とを電気的に接続可能な接続導電材料とを備え、前記接続導電材料は、少なくとも低融点金属と高融点金属を含有する。

本発明の一態様によれば、接続導電材料が電極と接続剤の両方の機能を果たすため、発熱体と可溶導体間の熱伝導性に優れ、保護素子としての信頼性を高めることができる。

このとき、本発明の一態様では、接続導電材料は、さらに樹脂材料を含有し、低融点金属と高融点金属の合計重量と樹脂材料の重量の比が８０：２０〜９９．５：０．５である。

このような比率、特に樹脂材料の比率を多くすることにより、高温多湿や冷温下において数年立ったような状況下でも、異常時には確実に可溶導体の溶断が起きるようにすることができ、保護素子としての信頼性をさらに高めることができる。

また、本発明の一態様では、低融点金属と高融点金属の重量比が１０：９０〜９０：１０である。

このような比率で低融点金属と高融点金属を配合することで、実装リフローの熱がかかった場合でも、低融点金属は溶けて可溶導体と接続するのに対し、高融点金属の方は溶けず、その場で留まることができるため電極として代用できる。

また、本発明の一態様では、接続導電材料の原料となる低融点金属と高融点金属はそれぞれ粒状であり、低融点金属の粒径は高融点金属の粒径よりも大きい。

これにより、実装リフロー時において低融点金属が溶け出したときに、高融点金属をよりカバーしやすくなり、金属間の空隙をより減らすことで接続導電材料としての導通性を上げることができる。

また、本発明の一態様では、発熱体は、絶縁基板において可溶導体が接続されている面とは反対の面に積層されている。

これにより、可溶導体は接続導電材料上で平坦化されるため、可溶導体の溶断特性を向上させることができる。

本発明によれば、低融点金属と高融点金属を混ぜ合わせた接続導電材料を電極として使用することで、発熱体と可溶導体間の熱伝導性に優れ、保護素子としての信頼性を高めることができると共に、低背化、コンパクト化を実現することができる。

（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る保護素子の平面図であり、（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る保護素子のＡ−Ａ断面図である。 可溶導体が積層されている面とは反対の面に発熱体がある場合の、本発明の一実施形態に係る保護素子の断面図である。 本発明の一実施形態に係る保護素子の回路構成例を示す図である。 （Ａ）は、本発明の一実施形態に係る保護素子の溶断時の平面図であり、（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る保護素子の溶断時のＡ−Ａ断面図である。 実施例と比較例における接続導電材料が溶けた時の必要電力の比率を表したグラフである。 （Ａ）は、従来例の保護素子の平面図であり、（Ｂ）は、従来例の保護素子のＡ−Ａ断面図である。 （Ａ）は、従来例の保護素子において、はんだ等の接続材料を配置した時の保護素子の平面図であり、（Ｂ）は、リフロー時の熱により低融点はんだが溶けて絶縁層上で凝集する状態の一例を表した平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
１．保護素子の構成
２．保護素子の動作

＜１．保護素子の構成＞
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る保護素子１０は、絶縁基板１１上に発熱体１２及び可溶導体１４を有し、発熱体１２の発熱により可溶導体１４を溶断する保護素子１０である。保護素子１０は、絶縁基板１１上に設けられた第１の端子１５Ａ及び第２の端子１５Ｂと、第１及び第２の端子１５Ａ、１５Ｂと接続される可溶導体１４と、絶縁基板１１に積層され、第３の端子１５Ｃと接続された発熱体１２と、発熱体１２を覆うように積層される絶縁部材１３と、接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃとを備える。接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、第１及び第２の端子１５Ａ、１５Ｂと可溶導体１４、及び、発熱体１２と可溶導体１４とをそれぞれ電気的に接続し、接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、少なくとも低融点金属と高融点金属を含有する。

すなわち、本発明の一実施形態に係る保護素子１０は、接続導電材料１６Ｃを介して直列接続された可溶導体１４と、可溶導体１４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１４を溶融する発熱体１２とからなる回路構成である。このように、保護素子１０では、例えば可溶導体１４が第１及び第２の端子１５Ａ、１５Ｂを介して充放電電流経路上に直列接続され、発熱体１２が第３の端子１５Ｃを介して例えば電流制御素子と接続される。

このような回路構成からなる保護素子１０は、発熱体１２の発熱により、電流経路上の可溶導体１４を確実に溶断することができると共に、低背化やコンパクト化を実現することができる。

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、ジルコニア等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して材質を選ぶ必要がある。

発熱体１２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。

絶縁部材１３は、発熱体１２を覆うように配置され、この絶縁部材１３を介して発熱体１２に対向するように接続導電材料１６Ｃが配置される。

可溶導体１４は、発熱体１２の発熱により速やかに溶断される低融点金属からなり、例えばＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだを好適に用いることができる。また、可溶導体１４は、低融点金属と、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金等の高融点金属との積層体であってもよい。

高融点金属と低融点金属とを積層することによって、リフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属層の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、可溶導体１４として溶断するに至らない。かかる可溶導体１４は、低融点金属に高融点金属をメッキ技術を用いて成膜することによって形成してもよく、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いることによって形成してもよい。

また、外層の高融点金属層の酸化防止のために、可溶導体１４上のほぼ全面にフラックスを塗布してもよい。さらに、このようにして構成された保護素子１０の内部を保護するためにカバー部材を絶縁基板１１上に載置してもよい。

接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、少なくとも低融点金属と高融点金属を含有する金属ペーストである。接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが低融点金属と高融点金属の両方を含有することにより、接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが電極と接続剤の両方の機能を果たすため、従来の電極とはんだの２層構造を接続導電材料の１層と薄層化できることで発熱体と可溶導体間の熱伝導率を高めることができる。また、高融点金属の一例である銀（Ａｇ）は、従来のはんだペーストに用いられる錫（Ｓｎ）と比較して、熱、電気の伝導率が６倍以上も高いため、材質的な面からも発熱体と可溶導体間の熱伝導率を高めることができる。このように、発熱体と可溶導体間の熱伝導率を高めることで、異常時には確実に可溶導体１４を接続することができ、保護素子１０としての信頼性を高めることができる。

低融点金属は、例えば、錫（Ｓｎ）やビスマス（Ｂｉ）等の融点が３００℃以下の金属が挙げられる。また、高融点金属は、例えば、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）等の融点が３００℃を超える金属が挙げられる。

低融点金属と高融点金属の重量比は、１０：９０〜９０：１０であることが好ましい。低融点金属の重量比が１０％未満（高融点金属の重量比が９０％を超える）の場合、接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃはほとんど溶けないため、端子１５Ａ、１５Ｂと可溶導体１４とを接続することができなくなる。また、低融点金属の重量比が９０％を超える（高融点金属の重量比が１０％未満）場合、接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、図７（Ｂ）に示すように、実装リフロー時に溶けて例えば矢印の方向（逆方向もあり得る）に移動してしまう。

また、低融点金属の割合を下げると、実装リフロー時に溶け出す低融点金属の量が減少し、高融点金属をカバーする量が減るため、抵抗値は上昇する。一方で、抵抗値自体は高融点金属の方が低いため、高融点金属の割合を下げすぎると、抵抗値はやはり上昇する。具体的な低融点金属と高融点金属の重量比は、これらのことを考慮に入れ、状況に応じて適宜決定する。

低融点金属と高融点金属の重量比は、１０：９０〜９０：１０で配合することで、実装リフローの熱がかかった場合でも、低融点金属は溶けて可溶導体１４と接続するのに対し、高融点金属の方は溶けず、その場で留まることができるため電極として代用できる。

接続導電材料１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、さらに樹脂材料を含有していてもよい。樹脂材料としては、例えばバインダ樹脂やフラックス等が挙げられる。低融点金属と高融点金属の合計重量と樹脂材料の重量の比が８０：２０〜９９．５：０．５であることが好ましい。

このような比率、特により好ましくは、低融点金属と高融点金属の合計重量と樹脂材料の重量の比が８０：２０〜９０：１０と樹脂材料の比率を多くすることにより、高温多湿や冷温下において数年経ったような状況下でも、異常時には確実に可溶導体１４の溶断が起きるようにすることができ、保護素子１０としての信頼性をさらに高めることができる。

また、接続導電材料の原料となる低融点金属の粒径は高融点金属の粒径よりも大きいことが好ましい。ここで、原料となる金属の粒径とは、実装リフロー前（溶融前）の低融点金属及び高融点金属の粒径を指す。金属粒子の形状としては、針形状、扁平形状、電解球、アトマイズ球、ブロック形状などがある。また、金属粒子の粒径としては、低融点金属は１〜１００μｍ、高融点金属は０．５〜５０μｍである。

このように、低融点金属の粒径を高融点金属の粒径よりも大きくすることにより、実装リフロー時において低融点金属が溶け出したときに、低融点金属が高融点金属をよりカバーしやすくなり、金属間の空隙をより減らすことで接続導電材料としての導通性を上げることができる。

また、本発明の一態様では、発熱体２２は、絶縁基板２１において可溶導体２４が接続されている面とは反対の面に積層されていてもよい。

すなわち、図２に示すように、保護素子２０は、絶縁基板２１と、絶縁基板２１上に設けられた第１及び第２の端子と、第１及び第２の端子と接続される可溶導体２４と、絶縁基板２１に積層され、第３の端子と接続された発熱体２２と、発熱体２２を覆うように積層される絶縁部材２３と、第１及び第２の端子と可溶導体２４、及び、発熱体２２と可溶導体２４とをそれぞれ電気的に接続可能な接続導電材料２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃとを備え、発熱体２２は、絶縁基板２１において可溶導体２４が接続されている面とは反対の面に積層されている構成としてもよい。

このような構成の保護素子２０は、発熱体２２が絶縁基板２１の裏面に積層されることにより、絶縁基板２１の表面が平坦化され、これにより、接続導電材料２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃを同じ高さに形成することができる。そして、保護素子２０は、接続導電材料２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃを同じ高さにすることにより、平坦化された可溶導体２４を接続することができる。したがって、保護素子２０は、可溶導体２４の溶断特性を向上させることができる。

また、保護素子２０は、絶縁基板２１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、発熱体２２によって、絶縁基板２１の表面上に積層した場合と同等に可溶導体２４を加熱することができる。

さらに、保護素子２０は、接続導電材料２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃを平坦な絶縁基板２１の表面に塗布することにより、接続導電材料２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ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。

以上のような本発明の一態様に係る保護素子は、ノート型ＰＣやタブレット端末等で用いられるリチウムイオン二次電池からなるバッテリーに用いることができ、その他にも、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応用可能である。

＜２．保護素子の動作＞
まず、比較のために、公知例（例えば、特許文献１や特許文献２）を従来の保護素子とし、その構成について説明する。

図６に示すように、従来の保護素子３０は、基板上の第１及び第２の端子３５Ａ、３５Ｂの上に電極３７Ａ、３７Ｂが設けられ、各電極３７Ａ、３７Ｂと可溶導体３４とがはんだ等の接続材料３８Ａ、３８Ｂを介して接続されている。また、可溶導体３４の下方に絶縁層３３で覆われた第３の端子３５Ｃと接続される発熱体３２を設け、絶縁層３３上の電極３７Ｃをはんだ等の接続材料３８Ｃで可溶導体３４と接続する構造を有する。

しかしながら、このような構造では、電極３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃと可溶導体３４とをはんだ等の接続材料３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃで接続することで、複数の層を構成するため、発熱体と可溶導体間の熱伝導率が低くなってしまう。

また、例えば、図７（Ａ）に示すように、電極を構成せず、はんだ等の接続材料を直接絶縁層に配置する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、接続材料として、通常、はんだ等の低融点金属（３００℃以下）で構成するため、実装リフローの熱を加えることで、図７（Ｂ）に示すように、低融点のため溶けて絶縁基板上で例えば矢印の方向（逆方向もあり得る）に移動して凝集してしまう。

図１に示すような本発明に係る保護素子１０では、接続導電材料として、少なくとも低融点金属と高融点金属を含有する金属ペーストを用いている。このため、接続導電材料が電極と接続剤の両方の機能を果たすことで、従来の保護素子の構造よりも発熱体と可溶導体間の熱伝導性に優れ、保護素子としての信頼性を高めることができる。また、従来の保護素子のような電極とはんだ等の接続材料の２層構造を接続導電材料の１層の構造とすることができるため、低背化、コンパクト化を実現することができる。

さらに、本発明の一実施形態に係る保護素子１０は、接続部材として少なくとも低融点金属と高融点金属を含有する金属ペーストを用いるため、主に低融点金属からなるはんだ等の接続材料のように、実装リフローの熱を加えた際に溶け出して絶縁基板上で凝集するといった問題も生じない。

以下、本発明の一実施形態に係る保護素子１０の動作について、異常時に図１に示したような保護素子１０の発熱体１２に通電し、可溶導体１４がどのように溶断されるのかを模式的に示す。

図３に示すように、第３の端子１５Ｃと第１及び第２の端子１５Ａ、１５Ｂの間に電圧が印加されるように電源をつないで、異常時には発熱体１２に通電される。発熱体１２の発する熱の温度が通常のリフロー温度（〜２６０℃）よりも高い温度（３００℃以上）となるように、印加電圧に従い発熱体１２の抵抗値を設定することが望ましい。

また、図４には、可溶導体１４の溶断時の図を示す。発熱体１２に通電し、発熱体１２が発熱しだすと直上にある可溶導体１４の内層の低融点金属層が溶融を開始して、さらに溶融した低融点金属が外層の高融点金属層に拡散し、溶食現象を生じて、高融点金属層が浸食され、溶融した低融点金属層と交じり合った状態となる。

発熱体１２の温度がさらに上昇すると、可溶導体１４の内層の低融点金属層の溶融による高融点金属層の浸食領域が拡大する。この状態においては、高融点金属層の材料として高い熱伝導度の金属を採用することにより、熱伝導性のよい接続導電材料１６Ｃを含めて高温となり、低融点金属層全体が溶融状態となる。その際、接続導電材料１６Ｃ上で高融点金属層が完全に浸食された状態になると、図４に示すように、溶けた可溶導体１９は、その濡れ性（表面張力）によって、接続導電材料１６Ｃに引き寄せられる。その結果、可溶導体は１４Ａ、１４Ｂに溶断され、各端子間が遮断状態となる。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

実施例として、本発明が適用された接続導電材料を用いた保護素子を作成し、比較例として、従来の各電極と可溶導体とがはんだペーストからなる接続材料を介して接続されている保護素子を作成し、電力を上げて接続導電材料、又は、はんだペーストが溶けた時の必要電力を比較した。

実施例及び比較例は、いずれも、絶縁基板として、６ｍｍ×４ｍｍのアルミナセラミック基板（厚さ０．５ｍｍ）を用いた。また、絶縁基板上に、酸化ルテニウム系抵抗ペーストを印刷し、８５０℃３０分焼成することにより発熱抵抗体を形成した。可溶導体は、いずれもＳｎ：Ｓｂ＝９５：５、融点２４０℃を用いて、１ｍｍ×５ｍｍに形成した。

実施例は、端子と可溶導体とをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕペーストにより接続した。比較例は、電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを印刷した後、８５０℃３０分焼成し、Ｓｎはんだペーストにより電極と可溶導体とを接続した。すなわち、実施例は、可溶導体／接続導電材料（金属ペースト）の２層構造とし、比較例は、可溶導体／はんだペースト／電極の３層構造とした。

図５に、比較例のはんだペーストが溶けた時の必要電力を１００％としたときの、必要電力比率を示す。実施例の保護素子の必要電力比率は約８３％であった。すなわち、実施例の接続導電材料は比較例よりも少ない電力で溶けることを示しており、より早く接続導電材料が溶けるということは、それだけ保護素子としての動作も早く安定していることが分かる。

１０，２０，３０ 保護素子、１１，２１，３１ 絶縁基板、１２，２２，３２ 発熱体、１３，２３，３３ 絶縁部材、１４，２４，３４ 可溶導体、１５Ａ，３５Ａ 第１の端子、１５Ｂ，３５Ｂ 第２の端子、１５Ｃ，３５Ｃ 第３の端子、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ 接続導電材料、３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ 電極、３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ はんだ等の接続材料、１９ 溶けた可溶導体

Claims (5)

1. 絶縁基板上に発熱体及び可溶導体を有し、発熱体の発熱により可溶導体を溶断する保護素子であって、
   前記絶縁基板上に設けられた第１及び第２の端子と、
   前記第１及び第２の端子と接続される前記可溶導体と、
   前記絶縁基板に積層され、第３の端子と接続された前記発熱体と、
   前記発熱体を覆うように積層される絶縁部材と、
   前記第１及び第２の端子と前記可溶導体、及び、前記発熱体と前記可溶導体とをそれぞれ電気的に接続可能な接続導電材料とを備え、
   前記接続導電材料は、少なくとも低融点金属と高融点金属を含有する保護素子。
2. 前記接続導電材料は、さらに樹脂材料を含有し、前記低融点金属と前記高融点金属の合計重量と前記樹脂材料の重量の比が８０：２０〜９９．５：０．５である請求項１記載の保護素子。
3. 前記低融点金属と前記高融点金属の重量比が１０：９０〜９０：１０である請求項１又は２記載の保護素子。
4. 前記接続導電材料の原料となる前記低融点金属と前記高融点金属はそれぞれ粒状であり、前記低融点金属の粒径は前記高融点金属の粒径よりも大きい請求項１乃至３の何れか１項に記載の保護素子。
5. 前記発熱体は、前記絶縁基板において前記可溶導体が接続されている面とは反対の面に積層されている請求項１乃至４の何れか１項に記載の保護素子。

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