JP2017228379A - バイパス電極付き保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】表面実装型の回路保護素子において、耐リフロー性を具備しながら拡散界面に金属間化合物の高抵抗層が生じても内部抵抗値が増大しない保護素子を提供する。【解決手段】絶縁基板１１と、この絶縁基板に設けた複数のパターン電極１２と、所定のパターン電極間を電気接続した低抵抗材からなるバイパス電極１３と、所定のパターン電極の間を橋設すると共にバイパス電極と近接して設けたヒューズエレメント１４とを備え、バイパス電極は、絶縁基板に設けられ、ヒューズエレメントよりも溶融温度が高く、溶融したヒューズエレメントに溶解性の金属材から構成される。【選択図】図１

Description

本発明は電気・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。二次電池パックの保護回路には、例えば特許文献１に記載されるような表面実装部品（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。

特許文献１によると、はんだ付け温度で溶融する低融点金属材と、低融点金属材に溶解性の金属構造材とを積層して成るヒューズエレメント材を用いた保護素子がある。この保護素子のヒューズエレメント材は、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材を、その温度で固相の金属構造材に付着させて一定時間溶断しないように界面張力で支えて保持することで、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。

特開２０１５−０７９６０８号公報

しかしながら、上記の保護素子は、錫基はんだ合金の低融点金属材に、銀や銅の金属構造材を積層したヒューズエレメント材を用いるが、金属構造材が低融点金属材に溶解すると拡散界面に銀や銅の金属間化合物が生成する。このため、界面に生じた高抵抗の金属間化合層が障壁となって保護素子の電気抵抗を増大させてしまうという欠点があった。

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、耐リフロー性を具備しながら拡散界面に金属間化合物の高抵抗層が生じても内部抵抗値が増大しない保護素子を提供することを目的とする。

本発明によると、絶縁基板と、この絶縁基板に設けた複数のパターン電極と、所定のパターン電極間を電気接続した低抵抗材からなるバイパス電極と、パターン電極の間を橋設すると共にバイパス電極と近接して設けたヒューズエレメントとを備え、バイパス電極は、絶縁基板に設けられ、該ヒューズエレメントよりも溶融温度が高く、溶融したヒューズエレメントに溶解性の金属材から構成されたことを特徴とするバイパス電極付き保護素子が提供される。このバイパス電極付き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。本発明のバイパス電極は、積層セラミック基板の内部電極用に用いられる特定の金属ペーストを焼結して形成された焼結電極からなる。このバイパス電極用の金属ペーストは、ガラスフリット含有量を未添加ないし２質量％未満としたことを特徴とする。ここでいう近接とは、溶融したヒューズエレメントがバイパス電極を速やかに浸潤できる程度に接近していればよく、ヒューズエレメントがバイパス電極に当接した状態でも、ヒューズエレメントをバイパス電極の近傍に設ける（例えば、バイパス電極にヒューズエレメントを被せて、ヒューズエレメントとバイパス電極との間に隙間がある等の）状態でもどちらでもよい。

本発明に係るバイパス電極付き保護素子は、絶縁基板に設けられたバイパス電極を有し、該バイパス電極は、ヒューズエレメントより溶融温度が高い金属からなり、溶融したヒューズエレメントがバイパス電極を濡らすと同時にバイパス電極を溶解して行くが、液相化したヒューズエレメントを固相のバイパス電極で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がはんだ付け作業温度で誤動作するのを防止できる。

さらに本発明のバイパス電極は、金属ペーストを焼結して形成するため、スポンジ様の巣の多いポーラス状の電極材であり、液相化したヒューズエレメントを速やかに浸透させて縦深方向に立体的に溶解させることができ、この保護素子がリフローはんだ付けされた後、再加熱によりヒューズエレメントを速やかに溶断させる。しかも、バイパス電極に浸潤したヒューズエレメントとの界面に高抵抗の金属間化合物層が生成されても、バイパス電極が溶解（すなわち保護素子が動作）するまで、残余のバイパス電極が途中に金属間化合物層を介することなくパターン電極間の導通路を維持するので保護素子の内部抵抗が上昇するのを防止する。

本発明に係るバイパス電極付き保護素子１０の部品部材を分解した斜視図を示す。 本発明に係るバイパス電極付き保護素子２０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。 本発明に係るバイパス電極付き保護素子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。

本発明に係るバイパス電極付き保護素子１０は、図１に示すように、絶縁基板１１と、この絶縁基板１１に設けた銅、銀、銅合金、銀合金からなる複数のパターン電極１２と、所定のパターン電極１２の間を電気接続した銅、銀、銅合金、銀合金などの低抵抗材からなるバイパス電極１３と、所定のパターン電極１２の間を橋設すると共にバイパス電極１３と近接して設けた少なくとも１つのヒューズエレメント１４と、このヒューズエレメント１４の表面に塗布した動作フラックス（図示せず）と、この動作フラックスごとヒューズエレメント１４の上部を覆った蓋体１５とを備え、該バイパス電極１３は、絶縁基板１１に設けられ、ヒューズエレメント１４よりも溶融温度が高く、かつ溶融したヒューズエレメント１４に溶解性の金属材から構成されたことを特徴とする。本発明のバイパス電極１３は、積層セラミック基板の内部電極用に用いられる金属ペーストを焼結して形成された焼結電極からなり、該バイパス電極用金属ペーストは、ガラスフリット含有量を未添加ないし２質量％未満のものを用いたことを特徴とする。ガラスフリット含有量が２質量％を上回るとガラス材がバイパス電極１３の溶解や溶融ヒューズエレメント１４の浸透を阻害するようになるため、バイパス電極１３の融け残りが生じ易くなる。一方、本発明のパターン電極１２は、材料等を特に限定されない。例えば、本発明のパターン電極１２は、上述のバイパス電極用金属ペーストを用いて焼結形成してバイパス電極１３と同じ構成とすることもできるし、あるいは、溶融ヒューズエレメントに溶解しない別の導電材料を選定することもできる。一例として、バイパス電極用の金属ペーストより多くのガラスフリットを含有（すなわち、ガラスフリットを２質量％以上、好ましくは２〜５質量％含有するなど）した別の金属ペーストを用いて焼結形成するか、または同じバイパス電極用の金属ペーストを用いてパターン電極１２も焼結形成し、このパターン電極１２のみを溶融ヒューズエレメントに溶解しないニッケルなどバリア性の被覆材でさらに覆ってもよい。このバイパス電極付き保護素子１０の絶縁基板１１は、耐熱性の絶縁板、例えば、ガラスエポキシ基板、セラミックス基板、ガラス基板などからなり、絶縁基板１１の片面に必要に応じて抵抗発熱素子を設けてもよい。抵抗発熱素子は必要に応じて絶縁コーティングを施す。抵抗発熱素子を設けない場合は、ヒューズエレメント１４に接続されるパターン電極１２のうち中央の電極を省略してもよい。蓋体１４は、絶縁基板１１およびヒューズエレメント１４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１４には、ドーム状樹脂フイルムカバー、プラスチック蓋、セラミックス蓋などが好適に利用できる。

本発明に係るバイパス電極付き保護素子２０は、図２に示すように、絶縁基板２１と、この絶縁基板２１に設けた銅、銀、銅合金、銀合金からなる複数のパターン電極２２と、所定のパターン電極２２の間を電気接続した銅、銀、銅合金、銀合金などの低抵抗材からなるバイパス電極２３と、所定のパターン電極２２の間を橋設すると共にバイパス電極２３と近接して設けた少なくとも１つのヒューズエレメント２４と、このヒューズエレメント２４の表面に塗布した動作フラックス（図示せず）と、この動作フラックスごとヒューズエレメント２４の上部を覆った蓋体２５とを備え、バイパス電極２３は、絶縁基板２１に設けられ、ヒューズエレメント２４よりも溶融温度が高く、溶融したヒューズエレメント２４に溶解性の金属材から構成されたことを特徴とする。このバイパス電極付き保護素子２０の絶縁基板２１は、耐熱性の絶縁板、例えば、ガラスエポキシ基板、セラミックス基板、ガラス基板などからなり、絶縁基板２１の片面に抵抗発熱素子２６を設ける。抵抗発熱素子２６は絶縁コーティング（図示せず）を施す。なお、抵抗発熱素子２６は、図２のようにヒューズエレメント２４の搭載面と異なるもう一方の板面に設けてもよいし、図３のようにヒューズエレメント３４と同じ板面に積層して設けてもよい。蓋体２５は、絶縁基板２１およびヒューズエレメント２４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２５には、ドーム状樹脂フイルムカバー、プラスチック蓋、セラミックス蓋などが好適に利用できる。

本発明に係る実施例１のバイパス電極付き保護素子２０は、図２に示すように、アルミナ・セラミックスの絶縁基板２１と、この絶縁基板２１の上下面に設けた複数の銀合金製パターン電極２２と、所定のパターン電極２２と電気接続され絶縁基板２１の下面に設けた抵抗発熱素子２６と、所定のパターン電極２２の間を電気接続した銀材からなるバイパス電極２３と、所定のパターン電極２２の間を橋設すると共にバイパス電極２３と近接して設けたヒューズエレメント２４と、このヒューズエレメント２４の表面に塗布した動作フラックス（図示せず）と、この動作フラックスごとヒューズエレメント２４の上部を覆って絶縁基板２１に固着した液晶ポリマー製の蓋体２５とを備え、バイパス電極２３は、絶縁基板２１の上面に設けられ、ヒューズエレメント２４よりも溶融温度が高く、溶融したヒューズエレメント２４に溶解性の銀材から構成され、ガラスフリットが未添加の銀ペーストを焼結して成り、パターン電極２２は、基板上下面のパターン電極２２を電気接続する銀合金のハーフ・スルーホール２７を有する。特に図示しないが、実施例１の抵抗発熱素子２６の表面はガラスのオーバーグレーズを施している。

本発明に係る実施例２のバイパス電極付き保護素子３０は、実施例１の回路保護素子２０を変形したもので、図３に示すように、アルミナ・セラミックスの絶縁基板３１と、この絶縁基板３１の上下面に設けた複数の銀合金製パターン電極３２と、所定のパターン電極３２と電気接続され絶縁基板３１の上面に設けた抵抗発熱素子３６と、所定のパターン電極３２の間を電気接続した銀合金からなるバイパス電極３３と、所定のパターン電極３２の間を橋設すると共にバイパス電極３３と近接して設けたヒューズエレメント３４と、このヒューズエレメント３４の表面に塗布した動作フラックス（図示せず）と、この動作フラックスごとヒューズエレメント３４の上部を覆って絶縁基板３１に固着した液晶ポリマー製の蓋体３５とを備え、バイパス電極３３は、絶縁基板３１の上側に設けられ、ヒューズエレメント３４よりも溶融温度が高く、溶融したヒューズエレメント３４に溶解性の銀合金から構成され、ガラスフリットが未添加の銀合金ペーストを焼結して成り、パターン電極３２は、基板上下面のパターン電極３２を電気接続する銀合金のハーフ・スルーホール３７を有する。特に図示しないが、実施例２の抵抗発熱素子３６の所定表面はガラスのオーバーグレーズを施している。

なお、実施例１および実施例２のバイパス電極付き保護素子は、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。

本発明のバイパス電極付き保護素子は、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・・・バイパス電極付き保護素子、
１１、２１、３１・・・絶縁基板、
１２、２２、３２・・・パターン電極、
１３、２３、３３・・・バイパス電極、
１４、２４、３４・・・ヒューズエレメント、
１５、２５、３５・・・蓋体、
２６、３６・・・抵抗発熱素子、
１７、２７、３７・・・ハーフ・スルーホール。

Claims (5)

1. 絶縁基板と、この絶縁基板に設けた複数のパターン電極と、所定の前記パターン電極間を電気接続した低抵抗材からなるバイパス電極と、所定の前記パターン電極の間を橋設すると共に前記バイパス電極と近接して設けたヒューズエレメントとを備え、前記バイパス電極は、前記絶縁基板に設けられ、前記ヒューズエレメントよりも溶融温度が高く、溶融した前記ヒューズエレメントに溶解性の金属材から構成されたことを特徴とするバイパス電極付き保護素子。
2. 前記絶縁基板の片面にさらに抵抗発熱素子を設けたことを特徴とする請求項１に記載のバイパス電極付き保護素子。
3. 前記バイパス電極は、金属ペーストを焼結して形成された焼結電極からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバイパス電極付き保護素子。
4. 前記金属ペーストは、ガラスフリット含有量を未添加ないし２質量％未満のものを用いたことを特徴とする請求項３に記載のバイパス電極付き保護素子。
5. 前記バイパス電極は、銅、銀、銅合金、銀合金の群から選択された少なくとも１つの溶解性の金属材を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバイパス電極付き保護素子。
   

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