JP2016170892A - ヒューズエレメント及びヒューズ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
リフロー実装時における温度で低融点金属が溶融したとしても、溶断箇所が設計上の位置からずれる、又は低融点金属が無くなった部分の導体抵抗が上昇するといった不具合の発生を抑制することが可能なヒューズエレメント及びヒューズ素子を提供することを目的とする。
【解決手段】
ヒューズ素子の通電経路を構成し、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断するヒューズエレメントにおいて、低融点金属層と低融点金属層に積層された高融点金属層とを有し、低融点金属層が、高融点金属層を侵食し溶断する作用を用いたヒューズエレメントであって、低融点金属層と高融点金属層との何れか又は両方が、厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有することを特徴としたヒューズエレメント及び当該ヒューズエレメントを用いたヒューズ素子。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流経路上に実装され、定格を超える異常な電流（過電流）が流れたときに自己発熱により溶断し当該電流経路を遮断するヒューズエレメント及びヒューズ素子に関するものである。

従来から、電流経路に過電流が流れた際、当該電流経路上に配置された回路素子を保護するために、ヒューズエレメントが用いられている。このようなヒューズエレメントとしては、Ｐｂ含有ハンダが好まれて用いられている。しかしながら、２００７年に施行されたＲｏＨＳ指令により鉛含有ハンダの使用は制限されることとなり、今後鉛フリー化に対する要求はますます強くなるものと予想される。

このような状況下において、例えば、特許文献１には、低融点金属層の表面に高融点金属層を積層し、過電流による発熱時には、低融点金属層が溶融しながら高融点金属層を侵食することで高融点金属の融点よりも低い温度で速やかに溶断することが可能なＰｂフリーのヒューズエレメントについて開示がなされている。

特開２０１４−２０９４６７号公報

低融点金属層の表面に高融点金属層を積層したヒューズエレメントを回路基板にリフロー実装した場合、リフロー温度で低融点金属が溶融しても積層された高融点金属は溶融しないので、エレメント形状は維持されるといった利点がある。

しかしながら、実際のリフロー条件によっては、溶融した低融点金属が高融点金属内で流動して偏在し、エレメント形状も変化してしまうことがあった。このような事象が発生した場合、溶断箇所が設計上の位置からずれる、又は低融点金属が無くなった部分の導体抵抗が上昇するといった不具合が生じる恐れがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、リフロー実装時における温度で低融点金属が溶融したとしても、溶断箇所が設計上の位置からずれる、又は低融点金属が無くなった部分の導体抵抗が上昇するといった不具合の発生を抑制することが可能なヒューズエレメント及びヒューズ素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るヒューズエレメントは、ヒューズ素子の通電経路を構成し、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断するヒューズエレメントにおいて、低融点金属層と上記低融点金属層に積層された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侵食し溶断する作用を用いたヒューズエレメントであって、上記低融点金属層と上記高融点金属層との何れか又は両方が、厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有することを特徴とするヒューズエレメントとしている。

また、本発明に係る他の形態のヒューズエレメントは、ヒューズ素子の通電経路を構成し、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断するヒューズエレメントにおいて、低融点金属層と上記低融点金属層に積層された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侵食し溶断する作用を用いたヒューズエレメントであって、上記低融点金属層が、厚さ方向において山折り部と谷折り部とを有することを特徴としている。

また、本発明に係るヒューズ素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に搭載され、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断するヒューズエレメントとを備え、上記ヒューズエレメントは、低融点金属層と、上記低融点金属層に積層された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侵食し溶断する作用を用いたヒューズエレメントであって、上記低融点金属層と上記高融点金属層との何れか又は両方が、厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有することを特徴としている。

本発明によれば、リフロー実装時における温度で溶融した低融点金属層の移動が制限されるため、溶断箇所が設計上の位置からずれる、又は低融点金属が無くなった部分の導体抵抗が上昇するといった不具合の発生を抑制することが可能なヒューズエレメント及びヒューズ素子を提供することができる。

（ａ）は本発明を適用したヒューズエレメント１０の断面形状を説明する概略断面図であり、（ｂ）はヒューズエレメント１０の斜視図である。（ｃ）は本発明を適用したヒューズエレメント２０の断面形状を説明する概略断面図であり、（ｄ）はヒューズエレメント２０の斜視図である。 （ａ）は本発明を適用したヒューズエレメント３０の断面形状を説明する概略断面図であり、（ｂ）はヒューズエレメント３０の斜視図である。（ｃ）は本発明を適用したヒューズエレメント４０の断面形状を説明する概略断面図であり、（ｄ）はヒューズエレメント４０の斜視図である。 （ａ）は本発明を適用したヒューズエレメント５０の断面形状を説明する概略断面図であり、（ｂ）はヒューズエレメント５０の斜視図である。（ｃ）は本発明を適用したヒューズエレメント６０の断面形状を説明する概略断面図であり、（ｄ）はヒューズエレメント７０の斜視図である。 （ａ）は本発明を適用したヒューズエレメント７０の断面形状を説明する概略断面図であり、（ｂ）はヒューズエレメント７０の斜視図である。 本発明を適用したヒューズエレメントの応用例を説明する模式図である。 本発明を適用したヒューズエレメントの応用例を説明する模式図である。 本発明を適用したヒューズエレメントの応用例を説明する模式図である。 本発明を適用したヒューズエレメントの応用例を説明する模式図である。 本発明を適用したヒューズ素子１００の断面形状を説明する概略断面図である。 本発明を適用したヒューズ素子１１０の断面形状を説明する概略断面図である。 本発明を適用したヒューズエレメントをヒューズ素子として用いた例を説明する概略断面図である。 リフロー実装時における温度下での低融点金属の移動抑制効果試験を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の記述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において適宜変更可能である。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。

本発明の一形態に係るヒューズエレメントは、低融点金属層と当該低融点金属層に積層された高融点金属層とを有し、溶融した低融点金属が高融点金属層を侵食し溶断する作用を用いたヒューズエレメントであって、低融点金属層と高融点金属層との何れかが又は両方が厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有することで、リフロー実装時における温度で溶融した低融点金属層の移動を制限するものである。

［ヒューズエレメント］
図１（ａ）は本発明を適用したヒューズエレメント１０の断面形状を説明する概略断面図であり、図１（ｂ）はヒューズエレメント１０の斜視図である。ヒューズエレメント１０は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１１、当該低融点金属層１１の両面に積層された外層として高融点金属層１２を有する。ヒューズエレメント１０は、低融点金属層１１が高膜厚部１１ａと当該高膜厚部１１ａよりも厚み方向における膜厚が薄い低膜厚部１１ｂとを備える。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ヒューズエレメント１０の低融点金属層１１は、断面形状において略矩形状に形成された低膜厚部１１ｂの厚み方向両側に略台形状に形成された高膜厚部１１ａを有し、低膜厚部１１ｂと高膜厚部１１ａとは長さ方向において連続して形成されている。ここで、高膜厚部１１ａは低膜厚部１１ｂに対して２倍以上の厚みを有するように構成するのが好ましい。なお、本発明の説明において、厚み方向とは図１（ａ）紙面上におけるヒューズエレメントの上下方向を表し、長さ方向とは同図紙面上においてヒューズエレメントの左右方向を表すものとする。そして、ヒューズエレメント１０の高融点金属層１２は、低融点金属層１１の外面形状に応じて所定の厚みを有するよう積層されている。

図１（ｃ）は本発明を適用したヒューズエレメント２０の断面形状を説明する概略断面図であり、図１（ｄ）はヒューズエレメント２０の斜視図である。ヒューズエレメント２０は、ヒューズエレメント１０と同様に内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１１、当該低融点金属層１１に積層された外層として高融点金属層１２を有する。ヒューズエレメント２０は、内層たる低融点金属層１１と外層たる高融点金属層１２とが、それぞれ高膜厚部１１ａ及び低膜厚部１１ｂと高膜厚部１２ａ及び低膜厚部１２ｂとを備える。

図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように、ヒューズエレメント２０は、ヒューズエレメント１０と同形状の低融点金属層１１を備え、高融点金属層１２積層後のヒューズエレメント２０の外面形状が平面形状となるように当該高融点金属層１２が積層されている。換言すると、ヒューズエレメント２０の高融点金属層１２は、低融点金属層１１の低膜厚部１１ｂに対応する部分において厚み方向に高膜厚部１２ａを有し、低融点金属層１１の高膜厚部１１ａに対応する部分において厚み方向に高膜厚部１２ａよりも厚みが薄い低膜厚部１２ｂを有するよう積層されている。

図２（ａ）は本発明を適用したヒューズエレメント３０の断面形状を説明する概略断面図であり、図２（ｂ）はヒューズエレメント３０の斜視図である。ヒューズエレメント３０は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１１、当該低融点金属層１１に積層された外層として高融点金属層１２を有する。ヒューズエレメント３０は、内層たる低融点金属層１１が高膜厚部１１ａと当該高膜厚部１１ａよりも厚み方向における膜厚が薄い低膜厚部１１ｂとを備える。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ヒューズエレメント３０の低融点金属層１１は、断面形状において略矩形状に形成された低膜厚部１１ｂの厚み方向片側に略台形状に形成された高膜厚部１１ａを有し、低膜厚部１１ｂと高膜厚部１１ａとは長さ方向において連続して形成されている。そして、ヒューズエレメント３０の高融点金属層１２は、低融点金属層１１の外面形状に応じて所定の厚みを有するよう積層されている。

図２（ｃ）は本発明を適用したヒューズエレメント４０の断面形状を説明する概略断面図であり、図２（ｄ）はヒューズエレメント４０の斜視図である。ヒューズエレメント４０は、ヒューズエレメント３０と同様に内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１１、当該低融点金属層１１に積層された外層として高融点金属層１２を有する。ヒューズエレメント４０は、内層たる低融点金属層１１と外層たる高融点金属層１２とが、それぞれ高膜厚部１１ａ及び低膜厚部１１ｂと高膜厚部１２ａ及び低膜厚部１２ｂとを備える。

図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、ヒューズエレメント４０は、ヒューズエレメント３０と同形状の低融点金属層１１を備え、高融点金属層１２積層後のヒューズエレメント４０の外面形状が平面形状となるように当該高融点金属層１２が積層されている。換言すると、ヒューズエレメント４０の高融点金属層１２は、低融点金属層１１の低膜厚部１１ｂに対応する部分において厚み方向に高膜厚部１２ａを有し、低融点金属層１１の高膜厚部１１ａに対応する部分において厚み方向に高膜厚部１２ａよりも厚みが薄い低膜厚部１２ｂを有するよう積層されている。

ここで、本発明の他の形態に係るヒューズエレメントは、低融点金属層と当該低融点金属層に積層された高融点金属層とを有し、溶融した低融点金属が高融点金属層を侵食し溶断する作用を用いたヒューズエレメントであって、低融点金属層が、厚さ方向において山折り部と谷折り部とを有することで、リフロー実装時における温度で溶融した低融点金属層の移動を制限するものである。

図３（ａ）は本発明を適用したヒューズエレメント５０の断面形状を説明する概略断面図であり、図３（ｂ）はヒューズエレメント５０の斜視図である。ヒューズエレメント５０は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１１、当該低融点金属層１１に積層された外層として高融点金属層１２を有する。ヒューズエレメント５０は、内層たる低融点金属層１１が、厚さ方向において山折り部１１ｃと谷折り部１１ｄとを備える。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、ヒューズエレメント５０の低融点金属層１１は、断面形状において山折り部１１ｃと谷折り部１１ｄとを有し、山折り部１１ｃと谷折り部１１ｄとは長さ方向において連続して形成されている。そして、ヒューズエレメント５０の高融点金属層１２は、低融点金属層１１の外面形状（山折り部１１ｃと谷折り部１１ｄとの形状）に応じて所定の厚みを有するよう積層されている。

図３（ｃ）は本発明を適用したヒューズエレメント６０の断面形状を説明する概略断面図であり、図３（ｄ）はヒューズエレメント６０の斜視図である。ヒューズエレメント６０は、ヒューズエレメント５０と同様に内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１１、当該低融点金属層１１に積層された外層として高融点金属層１２を有する。ヒューズエレメント７０は、内層たる低融点金属層１１が山折り部１１ｃ及び谷折り部１１ｄを、外層たる高融点金属層１２が高膜厚部１２ａ及び低膜厚部１２ｂを備える。

図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すように、ヒューズエレメント６０は、ヒューズエレメント５０と同形状の低融点金属層１１を備え、高融点金属層１２積層後のヒューズエレメント６０の外面形状が平面形状となるように当該高融点金属層１２が積層されている。換言すると、ヒューズエレメント６０の高融点金属層１２は、低融点金属層１１の山折り部１１ｃに対応する部分において厚み方向に低膜厚部１２ｂを有し、低融点金属層１１の谷折り部１１ｄに対応する部分において厚み方向に低膜厚部１２ｂよりも厚みが厚い高膜厚部１２ａを有するよう積層されている。

ところで、ヒューズエレメント１０〜６０等においては、内層たる低融点金属層１１が高膜厚部１１ａと当該高膜厚部１１ａよりも厚み方向における膜厚が薄い低膜厚部１１ｂとを備える構成について説明したが、これに限らず、ヒューズエレメントの構成として外層たる高融点金属層１２のみが高膜厚部１２ａ及び低膜厚部１２ｂを備える構成とすることも可能である。

図４（ａ）は高融点金属層１２のみが高膜厚部１２ａ及び低膜厚部１２ｂを備えるヒューズエレメント７０の断面形状を説明する概略断面図であり、図４（ｂ）はヒューズエレメント７０の斜視図である。ヒューズエレメント７０は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１１、低融点金属層１１に積層された外層として高融点金属層１２を有する。ヒューズエレメント７０は、外層たる高融点金属層１２が高膜厚部１２ａと当該高膜厚部１２ａよりも厚み方向における膜厚が薄い低膜厚部１２ｂとを備える。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、ヒューズエレメント７０の低融点金属層１１は、断面形状において略矩形状に形成されており、当該低融点金属層１１表面に厚み方向両側に略台形状に形成された高膜厚部１２ａ、当該高膜厚部１２ａよりも厚み方向における膜厚が薄い低膜厚部１２ｂを有する高融点金属層１２が積層されている。

次に、ヒューズエレメント１０〜７０を構成する低融点金属層１１及び高融点金属層１２について説明する。低融点金属層１１としては、例えば、Ｓｎ、又はＳｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金といった、所謂、「Ｐｂフリーハンダ」と称される金属材料を用いることができる。そして、これらの金属材料に対して圧延、伸線、アニール処理等を施すことにより、所望の断面積を有する金属素材（素線、箔、延板）を得ることができる。低融点金属層１１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℃〜２４０℃程度で溶融してもよい。また、高融点金属層１２は低融点金属層１１の表面に積層された金属層であり、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｇ又はＣｕを主成分とする合金を用いることができ、ヒューズエレメント１０〜７０をリフロー炉によって絶縁基板上に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ものとする。

ヒューズエレメント１０〜７０は、内層となる低融点金属層１１に、外層として高融点金属層１２を積層することによって、リフロー炉の温度が低融点金属層１１の溶融温度を超えた場合であっても、ヒューズエレメント１０〜７０として溶断するに至らない。したがって、ヒューズエレメント１０〜７０は、リフローによって効率よく実装することができる。なお、リフロー炉の温度が低融点金属層１１の溶融温度を超え、当該低融点金属が溶融したとてしても、低融点金属層１１と高融点金属層１２との何れか又は両方が厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有するため、低融点金属の移動を抑制することができる。

また、ヒューズエレメント１０〜７０は、所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、定格電流よりも高い値の電流が流れると、自己発熱によって溶融し、電極間の電流経路を遮断する。このとき、ヒューズエレメント１０〜７０は、溶融した低融点金属層１１が高融点金属層１２を侵食することにより、高融点金属層１２が溶融温度よりも低い温度で溶融する。したがって、ヒューズエレメント１０〜７０は、低融点金属層１１による高融点金属層１２の侵食作用を利用して短時間で溶断することができる。加えて、ヒューズエレメント１０〜７０の溶融金属は、後述するように、電極を介して絶縁基板上に実装された場合、電極の物理的な引き込み作用により左右に分断することから、速やかに、かつ確実に、電極間の電流経路を遮断することができる。

また、ヒューズエレメント１０〜７０は、内層となる低融点金属層１１に高融点金属層１２が積層されて構成されているため、溶断温度を従来の高融点金属からなるチップヒューズ等よりも大幅に低減することができる。したがって、ヒューズエレメント１０〜７０は、同一サイズのチップヒューズ等に比して、断面積を大きくでき定格電流を大幅に向上させることができる。また、同じ定格電流を持つチップヒューズよりも小型化、薄型化を図ることができ、速溶断性に優れる。

また、ヒューズエレメント１０〜７０は、ヒューズ素子が組み込まれた電気系統に異常に高い電圧が瞬間的に印加されるサージへの耐性（耐パルス性）を向上することができる。すなわち、ヒューズエレメント１０〜７０は、例えば、１００Ａの電流が数ｍｓｅｃ流れたような場合にまで溶断してはならない。この点、極短時間で流れる大電流は導体の表面を流れることから（表皮効果）、ヒューズエレメント１０〜７０は、外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属層が設けられているため、サージによって印加された電流を流しやすく、自己発熱による溶断を防止することができる。したがって、ヒューズエレメント１０〜７０は、従来のハンダ合金からなるヒューズに対して、大幅にサージに対する耐性を向上させることができる。

ところで、ヒューズエレメント１０〜６０は、低融点金属層１１の体積を高融点金属１２の体積よりも大きくすることが好ましい。ヒューズエレメント１０〜６０は、低融点金属の体積を多くすることにより、効果的に高融点金属層の侵食による短時間での溶断を行うことができる。

具体的にヒューズエレメント１０〜６０は、内層が低融点金属層１１、外層が高融点金属層１２の被覆構造であり、低融点金属層１１と高融点金属層１２との層厚比が、低融点金属層１１：高融点金属層１２＝１０：１〜３：１としてもよい。これにより、確実に低融点金属層１１の体積を、高融点金属層１２の体積よりも多くすることができ、効果的に高融点金属層１２の侵食による短時間での溶断を行うことができる。

すなわち、ヒューズエレメント１０〜６０は、内層を構成する低融点金属層１１の上下面に高融点金属層１２が積層されることから、層厚比が、低融点金属層１１：高融点金属層１２＝３：１以上に低融点金属が厚くなるほど低融点金属層の体積が高融点金属層の体積よりも多くすることができる。また、ヒューズエレメント１０〜６０は、層厚比が、低融点金属層１１：高融点金属層１２＝１０：１を超えて低融点金属層が厚く、高融点金属層が薄くなると、高融点金属層１２が、リフロー実装時の熱で溶融した低融点金属層１１によって浸食されてしまう恐れがある。

そして、ヒューズエレメント１０〜７０は、厚さ方向において低融点金属層１１と高融点金属層１２との何れか又は両方が厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有するため、リフロー実装時における温度で溶融した低融点金属層の移動を制限することができ、溶断箇所が設計上の位置からずれる、又は低融点金属が無くなった部分の導体抵抗が上昇するといった不具合の発生を抑制することができる。同様に、ヒューズエレメント１０〜７０は、低融点金属層１１を厚さ方向において山折り部と谷折り部とを有するよう構成することができるため、リフロー実装時における温度で溶融した低融点金属層の移動を制限することができる。

［ヒューズエレメントの製造方法］
ヒューズエレメント１０、３０、５０、及び７０は、低融点金属層１１の表面に高融点金属をメッキ技術を用いて成膜後、プレス加工によて製造することができる。ヒューズエレメント１０、３０、５０、及び７０は、例えば、長尺状のハンダ箔の表面にＡｇメッキ等を施工後、プレス加工することによって効率よく製造でき、使用時には、サイズに応じて切断することで、容易に用いることができる。

また、ヒューズエレメント２０、４０、及び６０は、低融点金属層１１からなる金属素材を所定の形状にプレス加工後、当該低融点金属膜１１の表面をメッキ技術を用いて成膜することにより製造することができる。

また、ヒューズエレメント１０〜７０は、低融点金属箔と高融点金属箔とを貼り合わせることにより製造してもよい。ヒューズエレメント１０〜７０は、例えば、圧延した２枚のＣｕ箔、或はＡｇ箔の間に、同じく圧延したハンダ箔を挟んでプレスすることにより製造することができる。この場合、低融点金属箔は、高融点金属箔よりも柔らかい材料を選択することが好ましい。これにより、厚みのばらつきを吸収して低融点金属箔と高融点金属箔とを隙間なく密着させることができる。また、低融点金属箔はプレス加工によって膜厚が薄くなるため、予め厚めにしておくとよい。プレス加工により低融点金属箔がヒューズエレメント端面よりはみ出した場合は、切り落として形を整えることが好ましい。

その他、ヒューズエレメント１０〜７０は、蒸着等の薄膜成形技術や、他の周知の積層技術を用いることによっても、低融点金属層に高融点金属層を積層したヒューズエレメントを形成することができる。

［ヒューズエレメントの応用例］
次に、ヒューズエレメント１０〜７０の応用例について説明する。以後の説明においては、ヒューズエレメント１０〜７０の代表例としてヒューズエレメント１０に対する応用例について説明するが、本応用例は他のヒューズエレメント２０〜７０に適用可能であることは無論である。

ヒューズエレメント１０は、図５に示すように、低融点金属層１１の対向する２つの端面を除く外周部が高融点金属層１２によって被覆されたヒューズエレメント１０'として構成してもよく、図６に示すように、高融点金属層１２を最外層としたときに、さらに当該最外層の高融点金属層１２の表面に酸化防止膜１３を形成してもよい。ヒューズエレメント１０は、最外層の高融点金属層１２がさらに酸化防止膜１３によって被覆されることにより、例えば、高融点金属層１２としてＣｕメッキやＣｕ箔を形成した場合にも、Ｃｕの酸化を防止することができる。したがって、ヒューズエレメント１０は、Ｃｕの酸化によって溶断時間が長くなる事態を防止することができ、短時間で溶断させることができる。

また、ヒューズエレメント１０は、高融点金属層１２としてＣｕ等の安価で酸化しやすい金属を用いることができ、Ａｇ等の高価な金属材料を用いることなく形成することも可能である。

また、酸化防止膜１３は、内層の低融点金属層１１と同じ金属材料を用いることができる。例えば、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダを用いることができる。また、酸化防止膜１３は、高融点金属の表面にＳｎメッキを施すことにより形成することができる。その他、酸化防止膜１３は、Ａｕメッキやプリフラックスによっても形成することができる。

また、ヒューズエレメント１０は、図７に示すように、外周の少なくとも一部に保護部材１４を設けてもよい。保護部材１４は、ヒューズエレメント１０のリフロー実装時における接続用ハンダの流入や内装の低融点金属層１１の流出を防止して形状を維持するとともに、定格電流を超える電流が流れたときにも溶融ハンダの流入を防止して定格電流の上昇による速溶断性の低下を防止するものである。

すなわち、ヒューズエレメント１０は、外周に保護部材１４を設けることにより、リフロー温度下で溶融した低融点金属層１１の流出を防止し、エレメント形状を維持することができる。特に、低融点金属層１１の上面及び下面に高融点金属層１２を積層し側面から低融点金属層が露出しているヒューズエレメント１０においては、外周部に保護部材１４を設けることにより当該側面からの低融点金属の流出が防止され、形状を維持することができる。

また、ヒューズエレメント１０は、外周に保護部材を設けることにより、定格電流を超える電流が流れたときに溶融ハンダの流入を防止することができる。ヒューズエレメント１０は電極にハンダ接続されている場合、定格電流を超える電流が流れた際の発熱により、電極への接続用のハンダや低融点金属層１１を構成する金属が溶融し、溶断すべきヒューズエレメント１０の中央部に流入する恐れがある。ヒューズエレメント１０は、ハンダ等の溶融金属が流入すると抵抗値が下がり、発熱が阻害され、所定の電流値において溶断しない、又は溶断時間が延び、或は溶断後に電極間の絶縁信頼性を損なう恐れがある。そこで、ヒューズエレメント１０は、保護部材１４を外周に設けることで、溶融金属の流入を防止し、抵抗値を固定させて、所定の電流値で速やかに溶断させ、かつ電極間の絶縁信頼性を確保することができる。

このため、保護部材１４としては、絶縁性やリフロー温度における耐熱性を備え、かつ溶融ハンダ等に対するレジスト性を備えた材料を用いることが好ましい。絶縁性を示す樹脂しては、例えば、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体、ポリメタクリル酸メチル、酢酸セルロース、ポリアミド、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル等を挙げることができる。これらの絶縁性樹脂は単独で用いてもよく、複数組み合わせてもよい。そして、例えば、保護部材として、ポリイミドフィルムを用い、接着剤によってテープ状のヒューズエレメント１０の中央部に貼り付けることにより保護部材を有するヒューズエレメント１０を形成することができる。また、保護部材は、絶縁性、耐熱性、レジスト性を備えたインクをヒューズエレメントの外周に塗布することにより形成することができる。或は、保護部材は、ソルダーレジストを用い、ヒューズエレメントの外周に塗布することにより形成することができる。

上述したフィルム、インク、ソルダーレジスト等からなる保護部材は、長尺状のヒューズエレメントの外周に貼着又は塗工により形成することができ、また使用時には保護部材が設けられたヒューズエレメントを切断すればよく、取扱い性にも優れる。

また、保護部材として、図８に示すような、ヒューズエレメント１０を収納する保護ケース１７を用いてもよい。図８（ａ）に示すように、この保護ケース１７は、例えば、上面が開口された筐体１６と、筐体の上面を覆う蓋体１５とからなる。保護ケース１７は、電極と接続されるヒューズエレメントの両端を外方へ導出させる開口部を有する。保護ケース１７は、ヒューズエレメントを導出する開口部を除き閉塞され、溶融ハンダ等の筐体内への侵入を防止する。保護ケース１７は、絶縁性、耐熱性、レジスト性を備えたエンジニアリングプラスチック等を用いて形成することができる。

保護ケース１７は、図８（ｂ）に示すように筐体１６の開口された上面側よりヒューズエレメント１０を収納し、図８（ｃ）に示すように蓋体１５によって閉塞することにより形成される。ヒューズエレメント１０は、電極と接続される両端が下方に折り曲げられ、筐体１６の側面より導出される。筐体１６は、蓋体１５によって閉塞されることにより、蓋体１５の内面に形成された凸部と筐体１６の側面によって、ヒューズエレメント１０が導出する開口部が形成される。

このような保護部材１４や保護ケース１７が設けられたヒューズエレメントは、ヒューズ素子に組み込まれて用いられる以外にも、自身がヒューズ素子として、そのまま電子部品の回路基板上に直接表面実装されてもよい。

［ヒューズ素子］
次に、本発明を適用したヒューズ素子１００について説明する。図９はヒューズ素子１００の断面形状を説明する概略断面図である。図９に示すように、ヒューズ素子１００は絶縁基板１０１と、絶縁基板１０１上に設けられた第１の電極１０２及び第２の電極１０３と、第１の電極１０２及び第２の電極１０３の間に亘って実装され、定格電流を超える電流が流れた際に自己発熱によって溶断し、当該第１の電極１０２と第２の電極１０３との間の電流経路を遮断するヒューズエレメント１０とを備え、カバー部材１０７で覆われている。なお、以後の説明においても、ヒューズエレメント１０〜７０の代表例としてヒューズエレメント１０を適用した例について説明するが、本発明に係るヒューズ素子には他のヒューズエレメント２０〜７０が適用可能であることは無論である。

絶縁基板１０１は、例えば、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方形状に形成される。その他、絶縁基板１０１としては、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等の、所謂、プリント配線用基板に用いられる材料を用いてもよい。

そして、絶縁基板１０１の相対向する両端部には、第１の電極１０２及び第２の電極１０３が形成されている。第１の電極１０２及び第２の電極１０３は、それぞれ、Ｃｕ配線等の導電パターンによって形成され、表面に適宜、酸化防止対策としてＳｎメッキ等の保護層１０４が設けられている。また、第１の電極１０２及び第２の電極１０３は絶縁基板１０１の表面１０１ａより、側面を介して裏面１０１ｂに至る。ヒューズ素子１００は、絶縁基板１０１の裏面１０１ｂに形成された第１の電極１０２及び第２の電極１０３を介して回路基板の電流回路上に実装される。

前述したとおり、第１の電極１０２及び第２の電極１０３との間に亘って実装されたヒューズエレメント１０は、定格電流を超える電流が流れたときに、自己発熱により溶断し、第１の電極１０２と第２の電極１０３との間の電流経路を遮断するものである。図１（ａ）及び図１（ｂ）で示したように、ヒューズエレメント１０の低融点金属層１１は、断面形状において略矩形状に形成された低膜厚部１１ｂの厚み方向両側に略台形状に形成された高膜厚部１１ａを有し、低膜厚部１１ｂと高膜厚部１１ａとは長さ方向において連続して形成されている。加えて、高融点金属層１２は、低融点金属層１１の外面形状に応じて所定の厚みを有するよう積層されている。このような構成を有するヒューズエレメント１０は、ハンダ等の接着材料１０５を介して第１の電極１０２及び第２の電極１０３に搭載された後、リフローハンダ付け等により絶縁基板１０１上に接続される。このとき、ヒューズエレメント１０の低融点金属層１１は、厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを備えるため、リフロー実装時における温度で溶融した低融点金属層の移動が制限されることとなり、溶断箇所が設計上の位置からずれる、又は低融点金属が無くなった部分の導体抵抗が上昇するといった不具合の発生を抑制することができる。

また、本発明に係るヒューズ素子１００では、絶縁基板１０１とは別に単体でヒューズエレメント１０を形成し、且つ絶縁基板１０１の表面１０１ａから離間して実装されている。したがって、ヒューズ素子１００は、ヒューズエレメント１０の溶断時にも、溶融金属が絶縁基板１０１へ食い込むこともなく、第１の電極１０２及び第２の電極１０３上に引き込まれ、確実に第１の電極１０２と第２の電極１０３との間を絶縁することができる。

さらに、本発明に係るヒューズ素子１００では、ヒューズエレメント１０上の外層の略全面にフラックス１０６を塗布する形態としてもよい。フラックス１０６を塗布することにより、低融点金属層１１の濡れ性を高めるとともに、低融点金属が溶融している間の酸化物を除去し、高融点金属への侵食作用を促進させることができる。また、フラックス１０６を、最外層の高融点金属層１２の表面に、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の酸化防止膜を形成した場合においても、当該酸化防止膜の酸化物を除去することができるため、高融点金属層１２の酸化を防止することができる。

また、本発明の他の形態としてヒューズ素子１１０は、図１０に示すように、ヒューズエレメント１０を第１の電極１０２及び第２の電極１０３と接続されたクランプ端子１０８によって実装する形態としてもよい。クランプ端子１０８は、ヒューズエレメント１０の端部を圧着により挟持することで、容易に接続することができる。

クランプ端子１０８によって物理的に嵌合接続するヒューズエレメント１０は、図９及び図１０に示すようなヒューズ素子１００及びヒューズ素子１１０に組み込まれる以外にも、例えば、図１１に示すように、自身がヒューズ素子として、そのままヒューズボックスやブレーカー装置に直接組み込む形態としてもかまわない。この場合、ヒューズエレメント１０は、絶縁端子台１１１上に配設された第１の電線端子１１２及び第２の電線端子１１３とクランプ端子１０８とによって挟持され、クランプ端子１０８、電線端子１１２、１１３及び絶縁端子台１１１を貫通するボルト１１４と絶縁端子台１１１の裏面に配されたナット１１５等の締結具によって固定される。

［低融点金属の移動抑制効果試験］
次に、本発明を適用したヒューズエレメントでの低融点金属の移動抑制効果試験について説明する。図１２（ａ）は本試験において参照例として用いた低融点金属層１１の両面に高融点金属層１２を積層したヒューズエレメント２００の断面形状を説明する概略断面図であり、図１２（ｂ）は本発明に係るヒューズエレメントの代表例として図１（ａ）に示すヒューズエレメント１０に相当し、低融点金属層１１が１か所の高膜厚部１１ａと２ヶ所の低膜厚部１１ｂとを有するヒューズエレメント３００の断面形状を説明する概略断面図である。

図１２（ａ）に示すヒューズエレメント２００及び図１２（ｂ）に示すヒューズエレメント３００のそれぞれをリフロー実装時の一般的な設定温度である２４０℃で、４分間加熱後、Ｘ線画像により低融点金属の移動有無を確認した。

その結果、単に低融点金属層１１の両面に高融点金属層１２を積層したヒューズエレメント２００では、４分間の加熱に伴い低融点金属の厚みが薄い箇所が生じ、低融点金属の制御不能な移動が発生していることが確認された。一方、低融点金属層１１が１か所の高膜厚部１１ａと２ヶ所の低膜厚部１１ｂとを有するヒューズエレメント３００では、４分間の加熱後においても低融点金属の移動が低膜厚部１１ｂにおいてブロックされ、当該低融点金属の移動を制御することが可能であることが確認された。

以上のように、本発明に係るヒューズエレメント及びヒューズ素子によれば、リフロー実装時における温度で低融点金属が溶融したとしても、溶断箇所が設計上の位置からずれる、又は低融点金属が無くなった部分の導体抵抗が上昇するといった不具合の発生を抑制することが可能なヒューズエレメント及びヒューズ素子を提供することができる。

１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０ ヒューズエレメント
１１ 低融点金属層
１２ 低融点金属層
１１ａ、１２ａ 高膜厚部
１１ｂ、１２ｂ 低膜厚部
１３ 酸化防止膜
１４ 保護部材
１５ 蓋部
１６ 筐体
１７ 保護ケース
１００、１１０ ヒューズ素子
１０１ 絶縁基板
１０２ 第１の電極
１０３ 第２の電極
１０４ 保護層
１０５ 接着材料
１０６ フラックス
１０７ カバー部材
１０８ クランプ端子
１１１ 結合端子台
１１２ 第１の電線端子
１１３ 第２の電線端子
１１４ ボルト
１１５ ナット

Claims (10)

1. ヒューズ素子の通電経路を構成し、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断するヒューズエレメントにおいて、
   低融点金属層と
   上記低融点金属層に積層された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侵食し溶断する作用を用いたヒューズエレメントであって、
   上記低融点金属層と上記高融点金属層との何れか又は両方が、厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有することを特徴とするヒューズエレメント。
2. 上記低融点金属層のみが厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有することを特徴とする請求項１に記載のヒューズエレメント。
3. 上記高融点金属層のみが厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有することを特徴とする請求項１に記載のヒューズエレメント。
4. 上記高膜厚部と上記低膜厚部とは長さ方向において連続して形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のヒューズエレメント。
5. 上記高膜厚部は上記低膜厚部に対して２倍以上の膜厚を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のヒューズエレメント。
6. ヒューズ素子の通電経路を構成し、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断するヒューズエレメントにおいて、
   低融点金属層と
   上記低融点金属層に積層された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侵食し溶断する作用を用いたヒューズエレメントであって、
   上記低融点金属層が、厚さ方向において山折り部と谷折り部とを有することを特徴とするヒューズエレメント。
7. 上記山折り部と上記谷折り部とは長さ方向において連続して形成されることを特徴とする請求項６に記載のヒューズエレメント。
8. 上記低融点金属層はハンダであり、
   上記高融点金属層はＡｇ、Ｃｕ，Ａｇ又はＣｕを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のヒューズエレメント。
9. 上記低融点金属層と上記高融点金属層の層厚比は低融点金属層：高融点金属層＝１０：１〜３：１であることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載のヒューズエレメント。
10. 絶縁基板と、
    上記絶縁基板に搭載され、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断するヒューズエレメントとを備え、
    上記ヒューズエレメントは、
    低融点金属層と、
    上記低融点金属層に積層された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侵食し溶断する作用を用いたヒューズエレメントであって、
    上記低融点金属層と上記高融点金属層との何れか又は両方が、厚さの異なる高膜厚部と低膜厚部とを有することを特徴とするヒューズ素子。