JP2018092892A

JP2018092892A - 保護素子

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Publication number: JP2018092892A
Application number: JP2017134377A
Authority: JP
Inventors: 裕二木村; Yuji Kimura; 川津　雅巳; Masami Kawatsu; 雅巳川津
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2018-06-14
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Abstract

【課題】電流定格の向上と異常時の迅速な電流遮断の両立を図り、かつ電流遮断後の絶縁信頼性を向上する保護素子を提供する。【解決手段】絶縁基板１０と、絶縁基板１０に設けられた第１、第２の電極１１，１２と、絶縁基板１０に形成された発熱体１４と、発熱体１４と電気的に接続された発熱体引出電極１６と、第１の電極１１から発熱体引出電極１６にわたって搭載された第１の可溶導体３１と、第２の電極１２から発熱体引出電極１６にわたって搭載された第２の可溶導体３２とを備える。【選択図】図１

Description

本技術は、電源ラインや信号ラインを遮断する保護素子に関する。

充電して繰り返し利用することのできる二次電池の多くは、バッテリパックに加工されてユーザに提供される。特に重量エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池においては、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護、過放電保護等のいくつもの保護回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの出力を遮断する機能を有している。

この種の保護素子には、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴ（Field Effect Transistor）スイッチを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、バッテリパックの過充電保護又は過放電保護動作を行うものがある。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴスイッチが短絡破壊した場合、雷サージ等が印加されて瞬間的な大電流が流れた場合、あるいはバッテリセルの寿命によって出力電圧が異常に低下したり、逆に過大な異常電圧を出力したりした場合であっても、バッテリパックや電子機器は、発火等の事故から保護されなければならない。そこで、このような想定し得るいかなる異常状態においても、バッテリセルの出力を安全に遮断するために、外部からの信号によって電流経路を遮断する機能を有する保護素子が用いられている。

リチウムイオン二次電池等向けの保護回路の遮断素子としては、図１３（Ａ）（Ｂ）に示すように、電流経路上の第１の電極９１，発熱体引出電極９５，第２の電極９２間に亘って可溶導体９３を接続して電流経路の一部をなし、この電流経路上の可溶導体９３を、過電流による自己発熱、あるいは保護素子内部に設けた発熱体９４によって溶断するものがある（特許文献１参照）。このような保護素子９０では、溶融した液体状の可溶導体９３を発熱体９４に繋がる発熱体引出電極９５、及び第１、第２の電極９１，９２上に集めることにより第１、第２の電極９１，９２間を分離し電流経路を遮断する。

保護素子は、発熱体９４の発熱によって可溶導体９３が溶断し、また過電流による自己発熱によっても可溶導体９３は溶断するため、溶断した可溶導体９３が飛散しないように外装部品であるカバー部材９７で封止している。また、保護素子９０は、発熱体９４による可溶導体９３の溶断作用を安定的に実現させるために、カバー部材９７によって可溶導体９３が溶融、流動するための内部空間が設けられている。

なお、保護素子９０は、可溶導体９３の表面の酸化を防止して、速溶断性を維持するために可溶導体９３の表面の酸化被膜を除去するフラックス９８が塗布されている。

特許第４１１０９６７号公報特開２０１５−９７１８３号公報

このような表面実装型の保護素子は、搭載される電子機器やバッテリパック等の高容量化、高定格化に伴い電流定格の向上が求められている。

電流定格を大きくするには、抵抗値を下げるために、より体積の大きな可溶導体を採用することになるが、その一方、大きな可溶導体を採用すると、溶断部分のボリュームが大きいので溶断に時間がかかり、電気回路等の異常時に瞬時に電流を遮断出来ないという問題がある。

そこで、可溶導体に電流方向に伸びる溝を設け、低融点金属体における溶断開始点を増やすことで、体積を増加し、電流容量を大きくさせながらも動作時間の短縮と、動作時間を安定させることが提案されている（特許文献１参照）。

また、ハンダなどの低融点金属箔の表面に抵抗の低いＡｇまたはＣｕ等の高融点金属を被覆したヒューズエレメン卜を用いることで、電流定格を大きくする保護素子も提案されている（特許文献２参照）。

例えば、図１３、図１４（Ａ）に示すように、表面実装型の発熱体付保護素子９０は、両端が機器の通電経路上に接続される第１、第２の電極９１，９２と、その中間にある発熱体９４に通電するための発熱体引出電極９５の３つの電極上に可溶導体９３が配置されている。発熱体９４の発熱により可溶導体９３が溶融すると、３つの電極９１，９２，９５上に盛り上がって凝集することで、発熱体引出電極９５と第１、第２の電極９１，９２との間が離間して電流が遮断される。しかし、可溶導体９３の体積が大きくなると、図１４（Ｂ）に示すように、溶融導体が発熱体引出電極９５の上に納まりきらず、第１、第２の電極９１，９２との間で短絡し、遮断後の絶縁信頼性を損ねるおそれがある。

また、可溶導体９３が第１、第２の電極９１，９２及び発熱体引出電極９５上にわたって搭載されているため、可溶導体９３全体を溶融するまで加熱時間を要し、体積の大型化に比例して、溶断時間が延びてしまい、異常時の迅速な通電遮断が困難となっている。

また、可溶導体９３として、図１５に示すように、ハンダ箔などの低融点金属層９３ａの表面を抵抗の低いＡｇまたはＣｕ等の高融点金属層９３ｂで被覆したヒューズエレメン卜を用いた場合、可溶導体９３の体積の増加を抑制しつつ電流定格を向上させることができるが、高融点金属を用いる分、遮断までに要する時間が延びてしまい、異常時の迅速な通電遮断が困難となっている。

そこで、本技術は、電流定格の向上と異常時の迅速な電流遮断の両立を図る保護素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本技術に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に設けられた第１、第２の電極と、上記絶縁基板に形成された発熱体と、上記発熱体と電気的に接続された発熱体引出電極と、上記第１の電極から上記発熱体引出電極にわたって搭載された第１の可溶導体と、上記第２の電極から上記発熱体引出電極にわたって搭載された第２の可溶導体とを備えるものである。

本技術によれば、第１、第２の可溶導体を発熱体引出電極上に接続することで、電流遮断時において発熱体の発熱によって溶融させるべき可溶導体の体積を削減することができるとともに、発熱体の熱を、溶断すべき第１の電極と発熱体引出電極との間及び第２の電極と発熱体引出電極との間に搭載された第１、第２の可溶導体に効率よく伝達させることができ、速やかに第１、第２の電極間の通電経路を遮断することができる。

図１（Ａ）は本技術が適用された保護素子をケースを省略して示す外観斜視図であり、図１（Ｂ）は本技術が適用された回路モジュールを示す断面図である。図２（Ａ）は本技術が適用された保護素子の可溶導体の溶断前の状態を示す平面図であり、図２（Ｂ）は可溶導体が溶断された状態を示す平面図である。図３は、本技術が適用された保護素子を示す外観斜視図である。図４は、内層を構成する低融点金属層と外層を構成する高融点金属層とを備える積層型の可溶導体を用いた保護素子をケースを省略して示す外観斜視図である。図５は、低融点金属層が高融点金属層で被覆された側面を第１、第２の電極及び発熱体引出電極側に向けて第１、第２の可溶導体を搭載した保護素子を、ケースを省略して示す外観斜視図である。図６は、低融点金属層の全面が高融点金属層で被覆された第１、第２の可溶導体を搭載した保護素子を、ケースを省略して示す外観斜視図である。図７（Ａ）は、図６に示す保護素子の可溶導体の溶断前の状態を示す平面図であり、図７（Ｂ）は可溶導体が溶断された状態を示す平面図である。図８は、可溶導体片を複数配列した保護素子をケースを省略して示す平面図である。図９（Ａ）は可溶導体片を用いた保護素子の溶断前の状態を示す平面図であり、図９（Ｂ）は可溶導体片が溶断された状態を示す平面図である。図１０は、内層を構成する低融点金属層と外層を構成する高融点金属層とを備える積層型の可溶導体片を用いた保護素子をケースを省略して示す外観斜視図である。図１１は、本発明が適用された保護素子を用いたバッテリ回路の一構成例を示す回路図である。図１２は、本発明が適用された保護素子の回路図である。図１３は１つの可溶導体を第１、第２の電極間にわたって発熱体引出電極を跨って搭載している従来の保護素子をケースを省略して示す図であり、図１３（Ａ）は外観斜視図であり、図１３（Ｂ）は断面図である。図１４（Ａ）は従来の保護素子の可溶導体の溶断前の状態を示す平面図であり、図１４（Ｂ）は可溶導体が溶断された状態を示す平面図である。図１５は、内層を構成する低融点金属層と外層を構成する高融点金属層とを備える積層型の可溶導体を用いた従来の保護素子をケースを省略して示す外観斜視図である。

以下、本技術が適用された保護素子について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本技術は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。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。

本発明が適用された回路モジュール３は、回路基板２に保護素子１が表面実装されたものである。回路基板２は、例えばリチウムイオン二次電池の保護回路等が形成され、保護素子１が表面実装されることにより、リチウムイオン二次電池の充放電経路上に第１、第２の可溶導体３１，３２が組み込まれる。そして回路モジュール３は、保護素子１の定格を超える大電流が流れると、第１、第２の可溶導体３１，３２が自己発熱（ジュール熱）によって溶断することにより電流経路を遮断する。また、回路モジュール３は、回路基板２等に設けられた電流制御素子によって所定のタイミングで発熱体１４へ通電し、発熱体１４の発熱によって第１、第２の可溶導体３１，３２を溶断させることによって電流経路を遮断することができる。なお、図１（Ａ）は、本発明が適用された保護素子１を、ケースを省略して示す平面図であり、図１（Ｂ）は、本発明が適用された回路モジュール３の断面図である。

［保護素子］
保護素子１は、図１（Ａ）に示すように、絶縁基板１０と、絶縁基板１０に積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱体１４と、絶縁基板１０の両端に形成された第１の電極１１及び第２の電極１２と、絶縁部材１５上に発熱体１４と重畳するように積層された発熱体引出電極１６と、第１の電極１１から発熱体引出電極１６にわたって搭載された第１の可溶導体３１と、第２の電極１２から発熱体引出電極１６にわたって搭載された第２の可溶導体３２とを備える。

絶縁基板１０は、たとえば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって略方形状に形成される。絶縁基板１０は、その他にも、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、可溶導体１３の溶断時の温度に留意する必要がある。

［第１、第２の電極］
図２（Ａ）に示すように、第１、第２の電極１１，１２は、絶縁基板１０の表面１０ａ上に、相対向する側縁近傍にそれぞれ離間して配置されることにより開放され、それぞれ後述する発熱体引出電極１６との間に第１、第２の可溶導体３１，３２が搭載されることにより、第１、第２の可溶導体３１，３２及び発熱体引出電極１６を介して電気的に接続されている。また、図２（Ｂ）に示すように、第１、第２の電極１１，１２は、保護素子１に定格を超える大電流が流れ第１、第２の可溶導体３１，３２が自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、あるいは発熱体１４が通電に伴って発熱し第１、第２の可溶導体３１，３２が発熱体引出電極１６との間で溶断することにより、遮断される。

図３に示すように、第１、第２の電極１１，１２は、それぞれ、絶縁基板１０の第１、第２の側面１０ｂ，１０ｃに設けられたキャスタレーションを介して裏面１０ｆに設けられた外部接続電極１１ａ，１２ａと接続されている。保護素子１は、これら外部接続電極１１ａ，１２ａを介して外部回路が形成された回路基板２と接続され、当該外部回路の通電経路の一部を構成する。

第１、第２の電極１１，１２は、ＣｕやＡｇ等の一般的な電極材料を用いて形成することができる。また、第１、第２の電極１１，１２の表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜が、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。これにより、保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２の酸化を防止し、導通抵抗の上昇に伴う定格の変動を防止することができる。また、保護素子１をリフロー実装する場合に、第１、第２の可溶導体３１，３２を接続する接続用ハンダあるいは第１、第２の可溶導体３１，３２の外層を形成する低融点金属が溶融することにより第１、第２の電極１１，１２を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。

［発熱体］
発熱体１４は、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、Ｃｕ、Ａｇ、あるいはこれらを主成分とする合金等からなる。発熱体１４は、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１０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ことができる。また、発熱体１４は、一端が第１の発熱体電極１８と接続され、他端が第２の発熱体電極１９と接続されている。

保護素子１は、発熱体１４を覆うように絶縁部材１５が配設され、この絶縁部材１５を介して発熱体１４に対向するように発熱体引出電極１６が形成されている。発熱体１４の熱を効率良く第１、第２の可溶導体３１，３２に伝えるために、発熱体１４と絶縁基板１０の間にも絶縁部材１５を積層しても良い。絶縁部材１５としては、例えばガラスを用いることができる。

発熱体引出電極１６の一端は、第１の発熱体電極１８に接続されるとともに、第１の発熱体電極１８を介して発熱体１４の一端と連続されている。なお、第１の発熱体電極１８は、絶縁基板１０の第３の側面１０ｄ側に形成され、第２の発熱体電極１９は、絶縁基板１０の第４の側面１０ｅ側に形成されている。また、第２の発熱体電極１９は、第４の側面１０ｅに形成されたキャスタレーションを介して絶縁基板１０の裏面１０ｆに形成された外部接続電極１９ａと接続されている。

発熱体１４は、保護素子１が回路基板２に実装されることにより、外部接続電極１９ａを介して回路基板２に形成された外部回路と接続される。そして、発熱体１４は、外部回路の通電経路を遮断する所定のタイミングで外部接続電極１９ａを介して通電され、発熱することにより、第１、第２の電極１１，１２を接続している第１、第２の可溶導体３１，３２を溶断することができる。また、発熱体１４は、第１、第２の可溶導体３１，３２が溶断することにより、自身の通電経路も遮断されることから発熱が停止する。

［第１、第２の可溶導体］
第１の可溶導体３１は、第１の電極１１から発熱体引出電極１６にわたって搭載され、第２の可溶導体３２は、第２の電極１２から発熱体引出電極１６にわたって搭載され、好ましくは、これら第１、第２の可溶導体３１，３２は、発熱体引出電極１６上において互いに離間している。

第１の可溶導体３１は、例えば矩形板状をなし、発熱体引出電極１６の第１の電極１１側の側縁部と第１の電極１１とに接続されている。同様に、第２の可溶導体３２は、例えば矩形板状をなし、発熱体引出電極１６の第２の電極１２側の側縁部と第２の電極１２とに接続されている。これにより、保護素子１は、第１の電極１１、第１の可溶導体３１、発熱体引出電極１６、第２の可溶導体３２、第２の電極１２にわたる通電経路が構成される。

このような保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２間の通電経路を構成する可溶導体を、第１、第２の可溶導体３１、３２に分割して発熱体引出電極１６に接続し、発熱体引出電極１６を第１、第２の電極１１，１２間の通電経路として用いている。これにより、保護素子１は、１つの可溶導体を第１、第２の電極間にわたって発熱体引出電極を跨って搭載している従来の保護素子に比して、発熱体引出電極１６上の第１、第２の可溶導体３１、３２間における可溶導体の体積が削減されている。

すなわち、従来の保護素子では、第１、第２の電極１１，１２間の通電経路の遮断には直接寄与しない発熱体引出電極１６の中央の可溶導体まで溶融させており、また、この中央の可溶導体は発熱体１４の直上に位置することから第１、第２の電極１１，１２間よりも先に溶融させていた。

一方、保護素子１は、第１、第２の可溶導体３１，３２を発熱体引出電極１６上において、好ましくは離間して接続することで、電流遮断時において発熱体１４の発熱によって溶融させるべき可溶導体の体積を削減することができるとともに、発熱体の熱を、溶断すべき第１の電極１１と発熱体引出電極１６との間及び第２の電極１２と発熱体引出電極１６との間の第１、第２の可溶導体３１，３２に効率よく伝達させることができ、速やかに第１、第２の電極１１，１２間の通電経路を遮断することができる。

また、発熱体引出電極１６を第１、第２の電極１１，１２間の通電経路として用いた保護素子１は、１つの可溶導体を第１、第２の電極間にわたって発熱体引出電極を跨って搭載している従来の保護素子に比しても、電流定格は維持されている。したがって、同じ電流定格を備える従来の保護素子に対して、溶断すべき可溶導体の体積が削減された分、速やかに第１、第２の電極１１，１２間の通電経路を遮断することができる。

また、保護素子１は、溶断すべき可溶導体の体積が削減されたことで、溶融導体が発熱体引出電極１６上から溢れることもなく、確実に第１、第２の電極１１，１２間の通電経路を遮断できるとともに、通電遮断後における絶縁信頼性を向上することができる（図２（Ｂ）参照）。

これら第１、第２の可溶導体３１，３２は、発熱体１４の発熱により速やかに溶断される材料からなり、例えばハンダや、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属を好適に用いることができる。

また、第１、第２の可溶導体３１，３２は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする合金等の金属を用いて形成することができる。また、第１、第２の可溶導体３１，３２は、図４に示すように、内層を低融点金属とし外層を高融点金属とする積層体であってもよい。第１、第２の可溶導体３１，３２は、例えば、内層の低融点金属層３３をハンダ箔等により構成し、外層の高融点金属層３４をＡｇメッキ層等により構成することができる。第１、第２の可溶導体３１，３２は、内層を低融点金属層３３とし、外層を高融点金属層３４とする積層構造を有することによって、保護素子１をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、低融点金属の外部への流出が抑制され、第１、第２の可溶導体３１，３２の形状を維持することができる。したがって、第１、第２の可溶導体３１，３２は、変形に伴って局所的に抵抗値が高く又は低くなる等により所定の温度で溶断しない、あるいは所定の温度未満で溶断する等の溶断特性の変動を防止することができる。また、第１、第２の可溶導体３１，３２は、溶断時も、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。

なお、第１、第２の可溶導体３１，３２は、発熱体引出電極１６及び第１、第２の電極１１，１２へ、ハンダ等の接続材料３９により接続されている。第１、第２の可溶導体３１，３２は、リフローはんだ付けによって容易に接続することができる。

第１、第２の可溶導体３１，３２は、低融点金属層３３に高融点金属層３４をメッキ技術を用いて成膜することにより製造できる。第１、第２の可溶導体３１，３２は、例えば、長尺状のハンダ箔の表面にＡｇメッキを施した後、使用するサイズに応じて切断することで、効率よく製造でき、また容易に用いることができる。

このような第１、第２の可溶導体３１，３２は、切断面となる両端面に低融点金属層３３が露出されている。第１、第２の可溶導体３１，３２は、図４に示すように、この低融点金属層３３が露出する端面を第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１６側に向けて載置されてもよく、図５に示すように、高融点金属層３４に被覆された側面を第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１６側に向けて載置されてもよい。なお、遮断後の絶縁信頼性の観点からは、低融点金属層３３が露出する端面が第１、第２の電極１１，１２と発熱体引出電極１６との間の領域に臨む図５に示す構成に比して、低融点金属層３３が露出する端面が第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１６側に臨む図４に示す構成の方が信頼性が高い。

また、第１、第２の可溶導体３１，３２は、図６、図７に示すように、低融点金属層３３の全面に高融点金属３４をメッキ技術を用いて成膜することにより製造してもよい。第１、第２の可溶導体３１，３２は、例えば使用サイズに成形されたハンダ箔の全面にＡｇメッキを施すことにより、低融点金属層３３の全面に高融点金属層層３４を形成することができる。図６に示す第１、第２の可溶導体３１，３２によれば、低融点金属層３３が表面に露出することが無いため、第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１６へリフロー実装する際や、保護素子１を回路基板にリフロー実装する際において、低融点金属層３３の流出を完全に抑えることができ、リフロー加熱による変形が防止され、溶断特性を維持することができる。

したがって、保護素子１は、低融点金属層３３の全面に高融点金属層層３４を形成することで、低融点金属層３３が第１、第２の電極１１，１２と発熱体引出電極１６との間の領域に流出することもなく、所定の溶断特性を維持し、確実に第１、第２の電極１１，１２間の通電経路を遮断できるとともに、通電遮断後における絶縁信頼性を向上することができる（図７参照）。

また、第１、第２の可溶導体３１，３２、発熱体引出電極１６は、酸化防止、濡れ性の向上等のため、フラックス２３が塗布されていることが好ましい。

［ケース］
また、保護素子１は、内部を保護するために、絶縁基板１０の表面１０ａ上にケース２０が設けられている。ケース２０は、絶縁基板１０の形状に応じて略矩形状に形成されている。また、図１（Ｂ）に示すように、ケース２０は、可溶導体１３が設けられた絶縁基板１０の表面１０ａ上に接続される側面２１と、絶縁基板１０の表面１０ａ上を覆う天面２２とを有し、絶縁基板１０の表面１０ａ上に、可溶導体１３が溶融時に球状に膨張し、溶融導体が発熱体引出電極１６や第１、第２の電極１１，１２上に凝集するのに十分な内部空間を有する。

［遮断試験］
本技術が適用された保護素子１と、１つの可溶導体を第１、第２の電極間にわたって発熱体引出電極１６を跨って搭載している従来の保護素子について、それぞれ断面積が同じ可溶導体を接続し、発熱体への通電開始からの遮断時間を計測した。可溶導体としては、ＳｎＳｂ合金（Ｓｎ：Ｓｂ＝９５：５、液相点２４０℃）からなる低融点金属箔を用いた。その結果、本技術が適用された保護素子１では、従来の保護素子に比べて遮断時間が４０％速くなった。

また、保護素子１と従来の保護素子について、内層を低融点金属層とし外層を高融点金属層とする積層構造を有する可溶導体を接続し、発熱体への通電開始からの遮断時間を計測した。可溶導体として、保護素子１及び従来の保護素子とも同じ断面積を有し、内層としてＳｎＳｂ合金（Ｓｎ：Ｓｂ＝９５：５、液相点２４０℃）からなる低融点金属箔を用い、外層としてＡｇメッキ層を形成した積層型の可溶導体を用いた。その結果、本技術が適用された保護素子１では、従来の保護素子に比べて遮断時間が２０％速くなった。

このことより、本技術を適用した保護素子１は、電流遮断時において発熱体１４の発熱によって溶融させるべき可溶導体の体積を削減することができ、第１、第２の電極１１，１２間の通電経路をより速やかに遮断できることが分かる。

［可溶導体片］
また、図８に示すように、保護素子１は、第１、第２の可溶導体３１，３２に代えて、複数個（ｎ個）の小さな第１、第２の可溶導体片３１Ａ，３２Ａを、第１、第２の電極１１，１２と発熱体引出電極１６との間にわたって、各々独立して並列に接続してもよい。可溶導体片３１Ａ，３２Ａは、第１、第２の可溶導体３１，３２と同じ材料で形成され、大きさが第１、第２の可溶導体３１，３２よりも小さく形成されたものである。

保護素子１は、例えば図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１の可溶導体３１として、４個の可溶導体片３１Ａ−１，３１Ａ−２，３１Ａ−３，３１Ａ−４を各々所定の間隔をおいて独立して並列させるとともに、第２の可溶導体３２として、４個の可溶導体片３２Ａ−１，３２Ａ−２，３２Ａ−３，３２Ａ−４を並列させてもよい。

保護素子１は、複数の可溶導体片３１Ａ，３２Ａを並列させることにより、可溶導体片３１Ａ，３２Ａの数を調整することで電流容量の調整が容易となる。

また、保護素子１は、複数の可溶導体片３１Ａ，３２Ａを並列させることで、１個の可溶導体と同じ電流容量を具備しながら、各可溶導体片３１Ａ，３２Ａの変形を防止して、溶断特性の変動を防止することができる。例えば、上述した内層の低融点金属層を外層となる高融点金属層で被覆した積層型の可溶導体は、平面寸法が大きくなると、リフロー加熱時等において内層の低融点金属層が溶融し流動することで変形が生じやすくなる。これにより、可溶導体は、局所的に厚さが厚くなる部位と薄くなる部位が生じ、抵抗値にばらつきが生じ、溶断特性が維持できなくなる恐れがある。

そこで、保護素子１は、複数の可溶導体片３１Ａ，３２Ａを並列させることで、各可溶導体片３１Ａ，３２Ａの平面寸法が小さくなり、リフロー加熱時等においても熱による変形が防止され、溶断特性を維持することができる。

また、１つの可溶導体を第１、第２の電極間にわたって発熱体引出電極を跨って搭載している従来の保護素子では、電流容量を大きくすべく可溶導体の平面寸法を大きくすると、発熱体引出電極との接触面積が広くなることから、低融点金属層が加熱、流動することにより高融点金属層が変形すると、跨いでいる発熱体引出電極を破壊してしまう（引き剥がしてしまう）おそれがあった。しかし、保護素子１は、複数の可溶導体片３１Ａ，３２Ａに分割して接続することにより変形が抑制され、発熱体引出電極１６を破壊するリスクもなく、熱衝撃の耐性を向上させることができる。

なお、可溶導体片３１Ａ，３２Ａに分割数としては、リフロー加熱時等における変形防止による溶断特性の信頼性や、第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１６に対する衝撃緩和のといった面から、例えば図９に示すように可溶導体片３１Ａ，３２Ａをそれぞれ４つ、又はそれ以上に分割する等、分割数を多くすることが望ましい。一方で、各可溶導体片３１Ａ，３２Ａの分割数を多くすると、各可溶導体片３１Ａ，３２Ａの製造コストや、実装の工数も増える。

そのため、各可溶導体片３１Ａ，３２Ａの製造コスト、実装コスト等と溶断特性の信頼性や第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１６に対する衝撃緩和のバランスを考慮すると、可溶導体片３１Ａ，３２Ａをそれぞれ２〜３に分割することが好ましい。

なお、保護素子１は、図９（Ａ）に示すように、可溶導体片３１Ａ，３２Ａを平面視で略矩形状に形成するとともに、通電方向に沿って長手方向を向けるように接続されているが、通電方向に対して長手方向が任意の角度をなすように傾けて接続してもよい。保護素子１は、可溶導体片３１Ａ，３２Ａを通電方向に対して傾けて接続することにより、第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１６への設置面積が変わり、素子全体の電流容量を調整することができる。

また、保護素子１は、図１０に示すように、可溶導体片３１Ａ，３２Ａを、低融点金属の内層と高融点金属の外層からなる積層体として形成してもよい。可溶導体片３１Ａ，３２Ａは、上述した積層型の第１、第２の可溶導体３１，３２と同様に、例えば、内層の低融点金属層３３をハンダ箔等により構成し、外層の高融点金属層３４をＡｇメッキ層等により構成することができる。可溶導体片３１Ａ，３２Ａは、内層を低融点金属層３３とし、外層を高融点金属層３４とする積層構造を有することによって、小型化と高定格化を実現できるととともに、保護素子１をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて低融点金属が溶融しても形状を維持することができ、溶断特性の変動を防止することができる。また、可溶導体片３１Ａ，３２Ａは、溶断時も、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。

なお、保護素子１は、各可溶導体片３１Ａ，３２Ａを、全て同一形状で形成し、第１の可溶導体３１と第２の可溶導体３２とを同数の可溶導体片３１Ａ，３２Ａで構成してもよく、あるいは可溶導体片３１Ａと可溶導体片３２Ａとで形状、大きさ、数を異ならせてもよい。また、保護素子１は、複数の可溶導体片３１Ａの中で形状や大きさを異ならせてもよく、複数の可溶導体片３２Ａの中で形状や大きさを異ならせてもよい。また、保護素子１は、第１、第２の可溶導体３１，３２の一方のみを可溶導体片によって形成してもよく、あるいは第１、第２の可溶導体３１，３２と可溶導体片３１Ａ，３２Ａを併用してもよい。保護素子１は、各可溶導体片３１Ａ，３２Ａの大きさや個数を適宜変更することにより、各可溶導体片３１Ａ，３２Ａの抵抗値を場所ごとに変化させ、第１、第２の可溶導体３１，３２の溶断の順序、あるいは複数の可溶導体片３１Ａ，３２Ａ内における各可溶導体片の溶断の順序や速度等を調整することができる。

［回路基板］
次いで、保護素子１が実装される回路基板２について説明する。回路基板２は、例えばガラスエポキシ基板やガラス基板、セラミック基板等のリジッド基板や、フレキシブル基板等、公知の絶縁基板が用いられる。また、回路基板２は、図１（Ｂ）に示すように、保護素子１がリフロー等によって表面実装される実装部を有し、実装部内に保護素子１の絶縁基板１０の裏面１０ｆに設けられた外部接続端子１１ａ，１２ａ，１９ａとそれぞれ接続される接続電極が設けられている。なお、回路基板２は、保護素子１の発熱体１４に通電させるＦＥＴ等の素子が実装されている。

［回路モジュールの使用方法］
次いで、保護素子１及び保護素子１が回路基板２に表面実装された回路モジュール３の使用方法について説明する。図１１に示すように、回路モジュール３は、例えば、リチウムイオン二次電池のバッテリパック内の回路として用いられる。

たとえば、保護素子１は、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル４１〜４４からなるバッテリスタック４５を有するバッテリパック４０に組み込まれて使用される。

バッテリパック４０は、バッテリスタック４５と、バッテリスタック４５の充放電を制御する充放電制御回路５０と、バッテリスタック４５の異常時に充電を遮断する本発明が適用された保護素子１と、各バッテリセル４１〜４４の電圧を検出する検出回路４６と、検出回路４６の検出結果に応じて保護素子１の動作を制御する電流制御素子４７とを備える。

バッテリスタック４５は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル４１〜４４が直列接続されたものであり、バッテリパック４０の正極端子４０ａ、負極端子４０ｂを介して、着脱可能に充電装置５５に接続され、充電装置５５からの充電電圧が印加される。充電装置５５により充電されたバッテリパック４０の正極端子４０ａ、負極端子４０ｂをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、この電子機器を動作させることができる。

充放電制御回路５０は、バッテリスタック４５から充電装置５５に流れる電流経路に直列接続された２つの電流制御素子５１、５２と、これらの電流制御素子５１、５２の動作を制御する制御部５３とを備える。電流制御素子５１、５２は、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ。）により構成され、制御部５３によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック４５の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部５３は、充電装置５５から電力供給を受けて動作し、検出回路４６による検出結果に応じて、バッテリスタック４５が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子５１、５２の動作を制御する。

保護素子１は、たとえば、バッテリスタック４５と充放電制御回路５０との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が電流制御素子４７によって制御される。

検出回路４６は、各バッテリセル４１〜４４と接続され、各バッテリセル４１〜４４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路５０の制御部５３に供給する。また、検出回路４６は、いずれか１つのバッテリセル４１〜４４が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子４７を制御する制御信号を出力する。

電流制御素子４７は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路４６から出力される検出信号によって、バッテリセル４１〜４４の電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子１を動作させて、バッテリスタック４５の充放電電流経路を電流制御素子５１、５２のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。

以上のような構成からなるバッテリパック４０において、保護素子１の構成について具体的に説明する。

まず、本発明が適用された保護素子１は、図１２に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１は、発熱体引出電極１６を介して直列接続された第１、第２の可溶導体３１，３２と、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２と接続された発熱体引出電極１６を介して通電して発熱させることによって第１、第２の可溶導体３１，３２を溶融する発熱体１４とからなる回路構成である。また、保護素子１では、たとえば、第１、第２の可溶導体３１，３２が充放電電流経路上に直列接続され、発熱体１４が電流制御素子４７と接続される。保護素子１の第１の電極１１は、外部接続電極１１ａを介してバッテリスタック４５の開放端と接続され、第２の電極１２は、外部接続電極１２ａを介してバッテリパック４０の正極端子４０ａ側の開放端と接続される。また、発熱体１４は、発熱体引出電極１６を介して第１、第２の可溶導体３１，３２と接続されることによりバッテリパック４０の充放電電流経路と接続され、また第２の発熱体電極１９及び外部接続電極１９ａを介して電流制御素子４７と接続される。

このようなバッテリパック４０は、保護素子１の発熱体１４が通電、発熱されると、第１、第２の可溶導体３１，３２が溶融し、その濡れ性によって、発熱体引出電極１６上に引き寄せられる（図２（Ｂ）参照）。その結果、保護素子１は、第１、第２の可溶導体３１，３２が溶断することにより、確実に電流経路を遮断することができる。また、第１、第２の可溶導体３１，３２が溶断することにより発熱体１４への給電経路も遮断されるため、発熱体１４の発熱も停止する。

また、バッテリパック４０は、充放電経路上に保護素子１の定格を超える予期しない大電流が流れた場合に、第１、第２の可溶導体３１，３２が自己発熱（ジュール熱）により溶断することによって、電流経路を遮断することができる。

このとき、保護素子１は、第１、第２の可溶導体３１，３２が発熱体引出電極１６に、好ましくは互いに離間して接続されることにより、１つの可溶導体を第１、第２の電極間にわたって発熱体引出電極を跨って搭載している従来の保護素子に比して、発熱体引出電極１６上の可溶導体の体積が削減されているため、電流遮断時において発熱体１４の発熱によって溶融させるべき可溶導体の体積を削減することができ、速やかに第１、第２の電極１１，１２間の通電経路を遮断することができる。

なお、本技術が適用された保護素子１は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、ＩＣの異常過熱等、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ももちろん適用可能である。

１保護素子、２回路基板、３回路モジュール、１０絶縁基板、１０ａ表面、１０ｂ第１の側面、１０ｃ第２の側面、１０ｄ第３の側面、１０ｅ第４の側面、１０ｆ裏面、１１第１の電極、１１ａ外部接続電極、１２第２の電極、１２ａ外部接続電極、１４発熱体、１５絶縁部材、１６発熱体引出電極、１８第１の発熱体電極、１９第２の発熱体電極、１９ａ外部接続電極、２０ケース、２１側面、２１ａ角部、２２天面、３１第１の可溶導体、３２第２の可溶導体、４０バッテリパック、４１〜４４バッテリセル、４５バッテリスタック、４６検出回路、４７電流制御素子、５０充放電制御回路、５１，５２電流制御素子、５３制御部、５５充電装置

Claims

絶縁基板と、
上記絶縁基板に設けられた第１、第２の電極と、
上記絶縁基板に形成された発熱体と、
上記発熱体と電気的に接続された発熱体引出電極と、
上記第１の電極から上記発熱体引出電極にわたって搭載された第１の可溶導体と、
上記第２の電極から上記発熱体引出電極にわたって搭載された第２の可溶導体とを備える保護素子。
上記第１、第２の可溶導体は、上記発熱体引出電極上において互いに離間している請求項１に記載の保護素子。
上記第１、第２の可溶導体に代えて又は上記第１、第２の可溶導体とともに、複数の第１、第２の可溶導体片が、それぞれ上記第１、第２の電極と上記発熱体引出電極との間に独立して並列されている請求項１又は２に記載の保護素子。
上記第１、第２の可溶導体又は上記第１、第２の可溶導体片は、それぞれ内層を低融点金属層とし、外層を高融点金属層とする積層構造を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
上記発熱体と上記発熱体引出電極とが重畳されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の保護素子。