JP2021018983A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】フラックス剤を不用または極少化できる新奇のヒューズ素子または新奇の溶融性の電極材を用いた電気・電子機器の保護素子を提供する。【解決手段】絶絶縁基板１１に発熱素子１２と少なくとも一対の主電極１３と発熱素子１２の通電電極１４とが設けられており、可融性金属材からなり主電極１３と通電電極１４とを導通するように設けたヒューズ素子１５と、少なくともヒューズ素子１５の上部を覆って絶絶縁基板１１に固着された蓋体１６とを有し、ヒューズ素子１５は、還元性の元素を含む合金材を有する保護素子１０である。【選択図】図１

Description

本発明は、電気・電子機器の保護素子に関する。

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。例えば、二次電池パックの保護回路には、表面実装部品（ＳＭＤ）のチップ保護素子が好適に利用される。これらチップ保護素子には、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素子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素子を溶断させて回路を遮断できる。特開２０１３−２３９４０５号公報（特許文献１）には、異常時に発熱する抵抗素子をセラミックス基板などの絶縁基板上に設けた保護素子が開示されている。

現在、上述した保護素子のヒューズ素子を構成する可溶合金は、卑金属元素を主成分とするの合金から構成されることが多く、ヒューズ素子の表面にはスムーズな溶断動作を保障するためフラックス剤が塗布されている。フラックス剤は、ヒューズ素子が溶断するときに合金表面の金属酸化物を化学的に除去し清浄表面を露出させ、動作中これが再酸化しないように金属表面を被覆して、溶融状態のヒューズ素子が表面張力により凝集できるよう維持し、かつヒューズ素子を取付けた電極上へ濡れ広がりやすくしてスムーズな溶断を実現している。

フラックス剤は、保護素子を保護回路基板にはんだ付け実装するときや、保護素子が溶断動作するときに加熱されるが、その際、フラックス剤の一部が気化するため、従来保護素子のパッケージには揮発ガスを逃がすための隙間や開口部が設けられていた。例えば、保護素子のヒューズ素子を保護するために、フラックス剤を塗布したヒューズ素子が搭載された電極基板に被せてキャップ状の蓋体を取付けるが、蓋体と電極基板の封止面とで成すパッケージ空間の所望の場所に、少なくとも１個所以上の隙間や開口部が設けられていた。パッケージに隙間や開口部があるため、内蔵のフラックス剤を含むヒューズ素子および電極周辺が絶えず外気や湿気に曝されており、これら主要部分の酸化や劣化が進み易く、溶断動作が不安定になってしまうという欠点があった。一方、蓋体等に隙間や開口部が無いと、揮発ガスによるパッケージの内圧上昇によって蓋体が外れてしまうおそれがあった。

特許文献１：特開２０１３−２３９４０５号公報

本発明は、フラックス剤を不用または極少化できる新奇のヒューズ素子または新奇の溶融性の電極材を用いた電気・電子機器の保護素子を提供する。

本発明によると、絶縁基板に発熱素子と少なくとも一対の主電極と発熱素子の通電電極とが設けられており、可融性金属材からなり主電極と通電電極とを導通するように設けたヒューズ素子と、少なくとも前記ヒューズ素子の上部を覆って前記電極基板に固着された蓋体とを有し、前記ヒューズ素子は、還元性の元素を含む合金材を有する保護素子が提供される。上記ヒューズ素子は、還元性の元素を含む合金材が溶融すると、含有する微量の還元性元素が酸化することで、ヒューズ素子を構成する他の合金元素の酸化物と電極表面の酸化物とを還元することにより溶断動作を補助する。

前記ヒューズ素子は還元性の元素を含む合金材と、還元性の元素を含まない合金材との複合材で構成してもよい。例えば、前記ヒューズ素子は、還元性の元素を含まない第１の合金材からなる可融性金属材に、この第１の合金材の表面または第１の合金材の何れか所望の面に還元性の元素を含む第２の合金材を固着させて成る複合材で構成してもよい。また、前記ヒューズ素子は、還元性の元素を含まない第１の合金材からなる板状材に、この板状材の上下板面または前記板状材の何れか一方の面に還元性の元素を含む第２の合金材を固着させて成る複合材で構成してもよい。上記ヒューズ素子は、還元性の元素を含む第２の合金材と還元性の元素を含まない第１の合金材とで構成されており、還元性の元素を含む第２の合金材が溶融すると、含有する微量の還元性元素が酸化することで、第１の合金材と第２の合金材を含むヒューズ素子の酸化物と電極表面の酸化物とを還元することにより溶断しやすくする。

本発明の第二の観点によると、絶縁基板に発熱素子と少なくとも一対の主電極と発熱素子の通電電極とが設けられており、還元性の元素を含む合金材からなり主電極と通電電極との間の隙間を埋めた可融性金属の拡張部と、還元性の元素を含まない第１の合金材と還元性の元素を含む第２の合金材との複合材からなるヒューズ素子とを有し、前記ヒューズ素子は、主電極と通電電極と拡張部の上に設けられていることを特徴とした保護素子が提供される。上記ヒューズ素子は、還元性の元素を含まない第１の合金材と還元性の元素を含む第２の合金材とで構成されており、還元性の元素を含む第２の合金材が溶融すると、含有する還元性元素が酸化することでヒューズ素子と拡張部および電極の表面酸化物を還元することにより溶断しやすくする。主電極と通電電極との電極間に還元性の元素を含む第２の合金材からなる拡張部を設けることで、少なくともヒューズ素子を完全に溶断させねばならない電極間部において、還元性の元素の量を集中的に増やして溶融動作時のヒューズ素子表面の酸化物を効率よく還元させると共に、ヒューズ素子の電極部への濡れ性を確保してヒューズ素子の溶断を確実にする。還元性の元素を含む第２の合金材が主電極と通電電極との間の隙間を埋める形で固着されるので、その分ヒューズ素子の厚みを減じ保護素子の低背化に寄与する。さらに第２の合金材が主電極と通電電極との間の隙間を埋めていることで、ヒューズ動作前における保護素子の内部抵抗値を低減することができる。

本発明に係るヒューズ素子は、その表面に揮発ガスによる内圧上昇が無視できる程度の極少量のフラックス剤をさらに塗布してもよい。

本発明の一実施形態によれば、ヒューズ動作時において通電をより確実に遮断することができる。

本発明の保護素子１０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿ってキャップ状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。 本発明の保護素子２０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿ってキャップ状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。 本発明の保護素子３０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿ってキャップ状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。 本発明の保護素子４０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿ってキャップ状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。 本発明の保護素子５０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿ってキャップ状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。 本発明の保護素子６０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿ってキャップ状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。

本発明に係る保護素子１０は、図１に示すように、絶縁基板１１に発熱素子１２と少なくとも一対の主電極１３と発熱素子１２の通電電極１４とが設けられており、可融性金属材からなり主電極１３と通電電極１４とを導通するように設けたヒューズ素子１５と、少なくともヒューズ素子１５の上部を覆って電極基板１１に固着された蓋体１６とを有し、ヒューズ素子１５は、還元性の元素を含む合金材を有する。ヒューズ素子１５は、還元性の元素を含む合金材が溶融すると、含有する還元性元素が酸化することで、ヒューズ素子１５を構成する他の合金元素の酸化物と、ヒューズ素子１５に近接する主電極１３と通電電極１４の電極表面の酸化物とを還元して、溶融したヒューズ素子１５の周辺電極表面への濡れを促進して溶融状態のヒューズ素子１５とその周辺に配置された電極との界面張力を向上し、かつヒューズ素子１５の酸化物を還元することにより、溶融状態にあるヒューズ素子１５自身の表面張力を発現させて溶断することができる。保護素子１０は、フラックス剤なしで溶断動作させることができるが、補助的にヒューズ素子１５の表面に揮発ガスによる内圧上昇が無視できる程度の極少量のフラックス剤をさらに塗布してもよい。

還元性の元素を含むヒューズ素子１５は、少なくとも微量の還元性元素を含有し、発熱素子１２の加熱で溶融可能な易融金属であれば何れの合金を用いてもよく、特に限定されないがＰ、Ｇａ、Ａｌ、ＺｎおよびＧｅの群から選択された還元性元素の少なくとも１つを極微量含んだはんだ合金が有り、一例として、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金、７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金、２９．９８Ｓｎ−７０Ｂｉ−０．０１Ｇｅ−０．０１Ｐ合金（特に断らない限り合金材の係数は元素の質量％を示す）などの錫系はんだ材が利用できる。これら還元性の元素を含むヒューズ素子１５は、還元性元素を好ましくは０．１質量％以下０．００３質量％以上の範囲で極微量含有しており、還元性元素の含有量の上限値が０．５質量％を超えると却ってヒューズ素子の酸化を促進させてしまうので添加効果が無くなる。また、還元性元素の含有量の下限値が０．００１質量％を下回ると還元効果が充分に発揮できない。

本発明に係る保護素子２０は、図２に示すように、絶縁基板２１に発熱素子２２と少なくとも一対の主電極２３と発熱素子２２の通電電極２４とが設けられており、可融性金属材からなり主電極２３と通電電極２４とを導通するように設けたヒューズ素子２５と、少なくともヒューズ素子２５の上部を覆って絶縁基板２１に固着された蓋体２６とを有し、ヒューズ素子２５は還元性の元素を含まない第１の合金材２５１と、還元性の元素を含む第２の合金材２５２との複合材で構成してもよい。例えば、ヒューズ素子２５は、還元性の元素を含まない第１の合金材２５１の表面または第１の合金材２５１の何れか所望の面に、還元性の元素を含む第２の合金材２５２を固着させて成る複合材で構成してもよい。ヒューズ素子２５は、還元性の元素を含まない第１の合金材２５１からなる板状材に、この板状材の上下板面または前記板状材の何れか一方の面に還元性の元素を含む第２の合金材２５２を固着させて成る複合材で構成してもよい。ヒューズ素子２５は、還元性の元素を含まない第１の合金材２５１と還元性の元素を含む第２の合金材２５２とで構成されており、第２の合金材２５２が溶融すると、含有する還元性元素が酸化することで、第１の合金材２５１と第２の合金材２５２とを含むヒューズ素子の酸化物と電極表面の酸化物とを還元することにより溶断しやすくする。第２の合金材２５２は、上述したヒューズ素子１５と共通のものが利用できる。保護素子２０は、フラックス剤なしで溶断動作が可能であるが、補助的にヒューズ素子２５の表面に揮発ガスによる内圧上昇が無視できる程度の極少量のフラックス剤をさらに塗布してもよい。

本発明に係る保護素子３０は、図３に示すように、絶縁基板３１に発熱素子３２と少なくとも一対の主電極３３と発熱素子３２の通電電極３４とが設けられており、主電極３３と通電電極３４との間の隙間を埋めた可融性金属材からなる還元性の元素を含む合金材の拡張部３５０と、還元性の元素を含まない第１の合金材３５１と還元性の元素を含む第２の合金材３５２との複合材からなるヒューズ素子３５とを有し、ヒューズ素子３５は、主電極３３と通電電極３４と拡張部３５０の上に設けられている。ヒューズ素子３５は、還元性の元素を含まない第１の合金材３５１と還元性の元素を含む第２の合金材３５２とで構成されており、第２の合金材３５２が溶融すると、含有した還元性元素が酸化することでヒューズ素子３５と拡張部３５０および電極の表面酸化物を還元することにより溶断しやすくする。主電極３３と通電電極３４との電極間に還元性の元素を含む合金材からなる拡張部３５０を設けることで、少なくともヒューズ素子３５を完全に溶断させねばならない電極間部において、還元性の元素の量を集中的に増やして溶融動作時のヒューズ素子３５表面および拡張部３５０の酸化物を効率よく還元させると共に、ヒューズ素子３５の電極部への濡れ性を確保してヒューズ素子３５の溶断を確実にする。拡張部３５０が主電極３３と通電電極３４との間の隙間を埋める形で固着されるので、その分ヒューズ素子の厚みを減じ保護素子の低背化に寄与する。さらに拡張部３５０が主電極と通電電極との間の隙間を埋めていることで、ヒューズ動作前における保護素子の内部抵抗値を低減することができる。保護素子３０は、フラックス剤なしで溶断動作させることができるが、補助的にヒューズ素子３５の表面に揮発ガスによる内圧上昇が無視できる程度の極少量のフラックス剤をさらに塗布してもよい。

還元性の元素を含む第２の合金材２５２および３５２は、少なくとも微量の還元性元素を含有し発熱素子２２または３２の加熱で溶融可能な易融金属であれば何れの合金を用いてもよく、特に限定されないが、Ｐ、Ｇａ、Ａｌ、ＺｎおよびＧｅの群から選択された還元性元素の少なくとも１つを極微量含んだはんだ合金が利用でき、一例として、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金、７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金、２９．９８Ｓｎ−７０Ｂｉ−０．０１Ｇｅ−０．０１Ｐ合金などの錫系はんだ材が利用できる。

拡張部３５０は、少なくとも微量の還元性元素を含有し発熱素子３２の加熱で溶融可能な易融金属であれば何れの合金を用いてもよく、特に限定されないがＰ、Ｇａ、Ａｌ、ＺｎおよびＧｅの群から選択された還元性元素を極微量含んだはんだ合金が利用でき、一例として、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金、７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金、２９．９８Ｓｎ−７０Ｂｉ−０．０１Ｇｅ−０．０１Ｐ合金などの錫系はんだ材が利用できる。拡張部３５０と第２の合金３５２とは、互いに異なる組成の物または同一組成の物の何れを採用してもよい。拡張部３５０は、少なくとも主電極３３と通電電極３４とを橋設したヒューズ素子の電極橋設部において、還元性の元素を含む合金材を前記両電極間の凹面においてヒューズ素子の橋設部下面の全面に隙間なく接触させて設ける。

還元性の元素を含まない第１の合金材２５１および３５１は、発熱素子２２および３２の加熱で溶融可能な易融金属であれば何れの合金を用いてもよく、特に限定されないが、一例として、Ａｇを３〜４質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ａｇ合金、Ｃｕを０．５〜０．７質量％さらに必要に応じてＡｇを０〜１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ｃｕ−Ａｇ合金（但し銀は必須ではない）、Ａｇを３〜４質量％さらにＣｕを０．５〜１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金またはＡｇを２０〜３０質量％さらにＣｕを１〜１０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｂｉを１０〜６０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ｂｉ合金および９６．５Ｓｎ−３．５Ａｇ合金、９９．２５Ｓｎ−０．７５Ｃｕ合金、９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金、９５．５Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ合金、７２Ｓｎ−２２Ａｇ−６Ｃｕ合金、７０Ｓｎ−２５Ａｇ−５Ｃｕ合金、４２Ｓｎ−５８Ｂｉ合金、８７Ｐｂ−１３Ｓｎ合金、９２Ｐｂ−８Ｓｎ合金などの錫系はんだ材が利用できる。

本発明に係る実施例１の保護素子１０は、図１に示すように、アルミナ製絶縁基板１１の下面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子１２と、絶縁基板１１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極１３と、絶縁基板１１の上面に発熱素子１２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極１４とが設けられており、主電極１３と通電電極１４とを導通するように設けたヒューズ素子１５と、ヒューズ素子１５の上部を覆って絶縁基板１１と気密に封止されて固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体１６とを有し、ヒューズ素子１５は、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金で構成される。発熱素子１２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施している。絶縁基板１１の上面に設けた主電極１３と通電電極１４は、基板下面のパターン電極１７に電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段１８を有する。ヒューズ素子１５は、還元性のリンを含み、溶融すると含有する微量のリンが酸化することで、ヒューズ素子１５を構成する錫および銅由来の酸化物と、ヒューズ素子１５に近接する主電極１３と通電電極１４の電極表面の酸化物とを還元する。これによりヒューズ素子１５を溶断しやすくする。保護素子１０はフラックス剤なしで動作させることができる。

本発明に係る実施例２の保護素子２０は、図２に示すように、アルミナ製絶縁基板２１の下面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子２２と、絶縁基板２１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極２３と、絶縁基板２１の上面に発熱素子２２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極２４とが設けられており、主電極２３と通電電極２４とを導通するように設けたヒューズ素子２５と、ヒューズ素子２５の上部を覆って絶縁基板２１と気密に封止されて固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体２６とを有し、ヒューズ素子２５は９２Ｐｂ−８Ｓｎ合金からなる厚さ７１μｍの第１の合金材２５１と、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金からなる厚さ９μｍの第２の合金材２５２とのクラッド材で構成される。発熱素子２２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施している。絶縁基板２１の上面に設けた主電極２３と通電電極２４は、基板下面の発熱素子２２とパターン電極２７とに電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段２８を有する。保護素子２０の発熱素子２２は、ヒューズ素子２５が設けられた絶縁基板２１の基板面（上面）とは反対側の基板面（下面）に設けられている。ヒューズ素子２５は、還元性のリンを含まない第１の合金材２５１と還元性のリンを含む第２の合金材２５２からなり、第２の合金材２５２が溶融すると、これに含有する微量のリンが酸化することで、第１の合金材２５１と第２の合金材２５２に由来するヒューズ素子の鉛、錫および銅の酸化物と、ヒューズ素子に近接する焼結銀電極の表面酸化物とを還元することにより溶断しやすくする。保護素子２０は、フラックス剤なしの溶断動作が可能である。

本発明に係る実施例３の保護素子３０は、図３に示すように、アルミナ製絶縁基板３１の下面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子３２と、絶縁基板３１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極３３と、絶縁基板３１の上面に発熱素子３２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極３４とが設けられており、主電極３３と通電電極３４との間の隙間を埋めた７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金からなる拡張部３５０と、８７Ｐｂ−１３Ｓｎ合金からなる厚さ７１μｍの第１の合金材３５１と７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金からなる厚さ９μｍの第２の合金材３５２とのクラッド材からなるヒューズ素子３５と、ヒューズ素子３５の上部を覆って絶縁基板３１と気密に封止されて固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体３６とを有し、ヒューズ素子３５は、主電極３３と通電電極３４と拡張部３５０の上に設けられている。発熱素子３２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施している。絶縁基板３１の上面に設けた主電極３３と通電電極３４は、基板下面の発熱素子３２とパターン電極３７とに電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段３８を有する。保護素子３０の発熱素子３２は、ヒューズ素子３５が設けられた絶縁基板３１の基板面（上面）とは反対側の基板面（下面）に設けられている。ヒューズ素子３５は、還元性のリンを含まない第１の合金材３５１と還元性のリンを含む第２の合金材３５２とで構成されており、拡張部３５０と第２の合金材３５２が溶融すると、含有した微量のリンが酸化することでヒューズ素子３５および拡張部３５０に由来する鉛、錫および銀の酸化物と、ヒューズ素子に近接する焼結銀電極の表面酸化物とを還元することにより溶断しやすくする。保護素子３０は、フラックス剤なしで溶断動作することができる。

本発明に係る実施例４の保護素子４０は、実施例１の保護素子１０を変形したもので、図４に示すように、アルミナ製絶縁基板４１の上面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子４２と、絶縁基板４１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極４３と、絶縁基板４１の上面に発熱素子４２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極４４とが設けられており、主電極４３と通電電極４４とを導通するように設けたヒューズ素子４５と、ヒューズ素子４５の上部を覆って絶縁基板４１と気密に封止されて固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体４６とを有し、ヒューズ素子４５は、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金で構成される。発熱素子４２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施している。絶縁基板４１の上面に設けた主電極４３と通電電極４４は、基板下面のパターン電極４７に電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段４８を有する。ヒューズ素子４５は、還元性のリンを含み溶融すると、含有する微量のリンが酸化することで、ヒューズ素子４５を構成する錫および銅由来の酸化物と、ヒューズ素子４５に近接する主電極４３と通電電極４４の電極表面の酸化物とを還元することにより溶断しやすくする。保護素子４０はフラックス剤なしで動作させることができる。

本発明に係る実施例５の保護素子５０は、実施例２の保護素子２０を変形したもので、図５に示すように、アルミナ製絶縁基板５１の上面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子５２と、絶縁基板５１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極５３と、絶縁基板５１の上面に発熱素子５２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極５４とが設けられており、主電極５３と通電電極５４とを導通するように設けたヒューズ素子５５と、ヒューズ素子５５の上部を覆って絶縁基板５１と気密に封止されて固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体５６とを有し、ヒューズ素子５５は、９２Ｐｂ−８Ｓｎ合金からなる厚さ６２μｍの第１の合金材５５１の上下面に、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金からなる厚さ９μｍの第２の合金材５５２がそれぞれ設けられており、２枚の第２の合金材５５２の間に第１の合金材５５１挟んだクラッド材で構成される。発熱素子５２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施している。絶縁基板５１の上面に設けた主電極５３と通電電極５４は、基板下面のパターン電極５７に電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段５８を有する。保護素子５０の発熱素子５２は、ヒューズ素子５５が設けられた絶縁基板５１の基板面（上面）と同一の基板面（上面）に設けられている。ヒューズ素子５５は、還元性のリンを含まない第１の合金材５５１と還元性のリンを含む第２の合金材５５２からなり、第２の合金材５５２が溶融すると、含有する微量のリンが酸化することで、第１の合金材５５１と第２の合金材５５２に由来するヒューズ素子の鉛、錫および銅の酸化物と、ヒューズ素子に近接する焼結銀電極の表面酸化物とを還元することにより溶断しやすくする。保護素子５０は、フラックス剤なしの溶断動作が可能である。

本発明に係る実施例６の保護素子６０は、実施例３の保護素子３０を変形したもので、図６に示すように、アルミナ製絶縁基板６１の上面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子６２と、絶縁基板６１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極６３と、絶縁基板６１の上面に発熱素子６２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極６４とが設けられており、主電極６３と通電電極６４との間の隙間を埋めた７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金からなる拡張部６５０と、８７Ｐｂ−１３Ｓｎ合金からなる厚さ６２μｍの第１の合金材６５１の上下面に、７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金からなる厚さ９μｍの第２の合金材６５２を設けて、２枚の第２の合金材６５２の間に第１の合金材６５１挟んだクラッド材からなるヒューズ素子６５と、ヒューズ素子６５の上部を覆って絶縁基板６１と気密に封止されて固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体６６とを有し、ヒューズ素子６５は、主電極６３と通電電極６４と拡張部６５０の上に設けられている。発熱素子６２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施している。絶縁基板６１の上面に設けた主電極６３と通電電極６４は、基板下面のパターン電極６７に電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段６８を有する。保護素子６０の発熱素子６２は、ヒューズ素子６５が設けられた絶縁基板６１の基板面（上面）と同一の基板面（上面）に設けられている。ヒューズ素子６５は、還元性のリンを含まない第１の合金材６５１と還元性のリンを含む第２の合金材６５２とで構成されており、拡張部６５０と第２の合金材６５２が溶融すると、含有した微量のリンが酸化することでヒューズ素子６５および拡張部６５０に由来する鉛、錫および銀の酸化物と、ヒューズ素子に近接する焼結銀電極の表面酸化物とを還元することにより溶断しやすくする。保護素子６０は、フラックス剤なしで溶断動作することができる。

本発明に係る実施例７の保護素子７０は、実施例２の保護素子２０を変形したもので、図２に示すように、アルミナ製絶縁基板２１の下面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子２２と、絶縁基板２１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極２３と、絶縁基板２１の上面に発熱素子２２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極２４とが設けられており、主電極２３と通電電極２４とを導通するように設けたヒューズ素子２５と、ヒューズ素子２５の上部を覆って絶縁基板２１と気密に封止されて固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体２６とを有し、ヒューズ素子２５は７０Ｓｎ−３０Ａｇ合金からなる厚さ６５μｍの第１の合金材２５１と、２９．９８Ｓｎ−７０Ｂｉ−０．０１Ｇｅ−０．０１Ｐ合金からなる厚さ２５μｍの第２の合金材２５２とのクラッド材で構成される。発熱素子２２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施している。絶縁基板２１の上面に設けた主電極２３と通電電極２４は、基板下面の発熱素子２２とパターン電極２７とに電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段２８を有する。保護素子２０の発熱素子２２は、ヒューズ素子２５が設けられた絶縁基板２１の基板面（上面）とは反対側の基板面（下面）に設けられている。ヒューズ素子２５は、還元性のゲルマニウムとリンを含まない第１の合金材２５１と還元性のゲルマニウムとリンを含む第２の合金材２５２からなり、第２の合金材２５２が溶融すると、これに含有する微量のゲルマニウムとリンが酸化することで、第１の合金材２５１と第２の合金材２５２に由来するヒューズ素子の錫、銀およびビスマスの酸化物と、ヒューズ素子に近接する焼結銀電極の表面酸化物とを還元することにより溶断しやすくする。保護素子２０は、フラックス剤なしの溶断動作が可能である。

本発明に係る実施例８の保護素子８０は、実施例３の保護素子３０を変形したもので、図３に示すように、アルミナ製絶縁基板３１の下面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子３２と、絶縁基板３１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極３３と、絶縁基板３１の上面に発熱素子３２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極３４とが設けられており、主電極３３と通電電極３４との間の隙間を埋めた９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金からなる拡張部３５０と、７２Ｓｎ−２２Ａｇ−６Ｃｕ合金からなる厚さ６５μｍの第１の合金材３５１と２９．９８Ｓｎ−７０Ｂｉ−０．０１Ｇｅ−０．０１Ｐ合金からなる厚さ２５μｍの第２の合金材３５２とのクラッド材からなるヒューズ素子３５と、ヒューズ素子３５の上部を覆って絶縁基板３１と気密に封止されて固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体３６とを有し、ヒューズ素子３５は、主電極３３と通電電極３４と拡張部３５０の上に設けられている。発熱素子３２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施している。絶縁基板３１の上面に設けた主電極３３と通電電極３４は、基板下面の発熱素子３２とパターン電極３７とに電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段３８を有する。保護素子３０の発熱素子３２は、ヒューズ素子３５が設けられた絶縁基板３１の基板面（上面）とは反対側の基板面（下面）に設けられている。ヒューズ素子３５は、還元性のゲルマニウムとリンを含まない第１の合金材３５１および拡張部３５０と、還元性のゲルマニウムとリンを含む第２の合金材３５２とで構成されており、拡張部３５０と第２の合金材３５２が溶融すると、含有した微量のゲルマニウムとリンが酸化することでヒューズ素子３５および拡張部３５０に由来する錫、銀、銅およびビスマスの酸化物と、ヒューズ素子に近接する焼結銀電極の表面酸化物とを還元することにより溶断しやすくする。なお、拡張部３５０を構成する９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金は、Ｐ、Ｇａ、Ａｌ、ＺｎおよびＧｅの群から選択された還元性元素の少なくとも１つを極微量含んだはんだ合金に変更してもよい。

各実施例の保護素子は、主電極および通電電極とパターン電極とを絶縁基板を隔てて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。

本発明の保護素子は、リフローはんだ付けにより他の回路基板に実装することができ、電池パックなど２次電池の保護装置に利用できる。

保護素子１０、絶縁基板１１、発熱素子１２、主電極１３、通電電極１４、ヒューズ素子１５、蓋体１６、パターン電極１７、配線手段１８、保護素子２０、絶縁基板２１、発熱素子２２、主電極２３、通電電極２４、ヒューズ素子２５、蓋体２６、パターン電極２７、配線手段２８、第１の合金材２５１、第２の合金材２５２、保護素子３０、絶縁基板３１、発熱素子３２、主電極３３、通電電極３４、ヒューズ素子３５、蓋体３６、パターン電極３７、配線手段３８、拡張部３５０、第１の合金材３５１、第２の合金材３５２、保護素子４０、絶縁基板４１、発熱素子４２、主電極４３、通電電極４４、ヒューズ素子４５、蓋体４６、パターン電極４７、配線手段４８、保護素子５０、絶縁基板５１、発熱素子５２、主電極５３、通電電極５４、ヒューズ素子５５、蓋体５６、パターン電極５７、配線手段５８、第１の合金材５５１、第２の合金材５５２、保護素子６０、絶縁基板６１、発熱素子６２、主電極６３、通電電極６４、ヒューズ素子６５、蓋体６６、パターン電極６７、配線手段６８、拡張部６５０、第１の合金材６５１、第２の合金材６５２。

Claims (30)

1. 絶絶縁基板に発熱素子と少なくとも一対の主電極と前記発熱素子の通電電極とが設けられており、可融性金属材からなり前記主電極と前記通電電極とを導通するように設けたヒューズ素子と、少なくとも前記ヒューズ素子の上部を覆って前記電極基板に固着された蓋体とを有し、前記ヒューズ素子は、還元性の元素を含む合金材を有することを特徴とする保護素子。
2. 前記ヒューズ素子は、前記発熱素子の加熱で溶融可能な易融金属である請求項１に記載の保護素子。
3. 前記ヒューズ素子は、Ｐ、Ｇａ、Ａｌ、ＺｎおよびＧｅの群から選択された還元性元素の少なくとも１つを微量含んだはんだ合金である請求項１または請求項２に記載の保護素子。
4. 前記ヒューズ素子は、還元性元素の含有量が０．５質量％以下０．００１質量％以上の範囲内である請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の保護素子。
5. 前記ヒューズ素子は、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金、７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金または２９．９８Ｓｎ−７０Ｂｉ−０．０１Ｇｅ−０．０１Ｐ合金の何れか１つである請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の保護素子。
6. 前記ヒューズ素子の上部を覆って前記絶縁基板と気密に封止されて固着した蓋体をさらに有した請求項１ないし請求項５の何れか１つに記載の保護素子。
7. 前記ヒューズ素子は、少なくともその表面に揮発ガスによる内圧上昇が無視できる程度の極少量のフラックス剤をさらに塗布したことを特徴とした請求項１ないし請求項６の何れか１つに記載の保護素子。
8. 前記ヒューズ素子は、少なくとも前記ヒューズ素子に近接する前記主電極と前記通電電極の電極表面の酸化物とを還元して、溶融した前記ヒューズ素子の周辺電極表面への濡れを促進して溶融状態の前記ヒューズ素子とその周辺に配置された電極との界面張力を向上し、かつ前記ヒューズ素子の酸化物を還元することにより、溶融状態にある前記ヒューズ素子自身の表面張力を発現させて溶断することを特徴とした請求項１ないし請求項７の何れか１つに記載の保護素子。
9. 絶絶縁基板に発熱素子と少なくとも一対の主電極と前記発熱素子への通電電極とが設けられており、可融性金属材からなり前記主電極と前記通電電極とを導通するように設けたヒューズ素子と、前記ヒューズ素子は、還元性の元素を含まない第１の合金材と、還元性の元素を含む第２の合金材との複合材で構成したことを特徴とする保護素子。
10. 前記ヒューズ素子は、前記発熱素子の加熱で溶融可能な易融金属である請求項９に記載の保護素子。
11. 前記第１の合金材は、錫系はんだ材である請求項９または請求項１０に記載の保護素子。
12. 前記第１の合金材は、Ａｇを３〜４質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ａｇ合金、Ｃｕを０．５〜０．７質量％さらに必要に応じてＡｇを０〜１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ｃｕ−Ａｇ合金（但し銀は必須ではない）、Ａｇを３〜４質量％さらにＣｕを０．５〜１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金またはＡｇを２０〜３０質量％さらにＣｕを１〜１０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｂｉを１０〜６０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ｂｉ合金の群から選択された何れか１つの合金からなる請求項９ないし請求項１１の何れか１つに記載の保護素子。
13. 前記第１の合金材は、９６．５Ｓｎ−３．５Ａｇ合金、９９．２５Ｓｎ−０．７５Ｃｕ合金、９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金、９５．５Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ合金、、７２Ｓｎ−２２Ａｇ−６Ｃｕ合金、７０Ｓｎ−２５Ａｇ−５Ｃｕ合金、４２Ｓｎ−５８Ｂｉ合金、８７Ｐｂ−１３Ｓｎ合金、９２Ｐｂ−８Ｓｎ合金の群から選択された何れか１つの合金からなる請求項９ないし請求項１２の何れか１つに記載の保護素子。
14. 前記第２の合金材は、Ｐ、Ｇａ、Ａｌ、ＺｎおよびＧｅの群から選択された還元性元素の少なくとも１つを微量含んだはんだ合金である請求項９ないし請求項１３の何れか１つに記載の保護素子。
15. 前記第２の合金材は、還元性元素の含有量が０．５質量％以下０．００１質量％以上の範囲内である請求項９ないし請求項１４の何れか１つに記載の保護素子。
16. 前記第２の合金材は、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金、７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金または２９．９８Ｓｎ−７０Ｂｉ−０．０１Ｇｅ−０．０１Ｐ合金の何れか１つである請求項９ないし請求項１５の何れか１つに記載の保護素子。
17. 前記保護素子は、前記ヒューズ素子の上部を覆って前記絶縁基板と気密に封止されて固着した蓋体をさらに有した請求項９ないし請求項１６の何れか１つに記載の保護素子。
18. 前記ヒューズ素子は、少なくともその表面に揮発ガスによる内圧上昇が無視できる程度の極少量のフラックス剤をさらに塗布したことを特徴とした請求項９ないし請求項１７の何れか１つに記載の保護素子。
19. 前記ヒューズ素子は、少なくとも前記ヒューズ素子に近接する前記主電極と前記通電電極の電極表面の酸化物とを還元して、溶融した前記ヒューズ素子の周辺電極表面への濡れを促進して溶融状態の前記ヒューズ素子とその周辺に配置された電極との界面張力を向上し、かつ前記ヒューズ素子の酸化物を還元することにより、溶融状態にある前記ヒューズ素子自身の表面張力を発現させて溶断することを特徴とした請求項９ないし請求項１８の何れか１つに記載の保護素子。
20. 絶縁基板に発熱素子と少なくとも一対の主電極と前記発熱素子の通電電極とが設けられており、前記主電極と前記通電電極との間の隙間を埋めた可融性金属材からなる還元性の元素を含む合金材の拡張部と、還元性の元素を含まない第１の合金材と還元性の元素を含む第２の合金材との複合材からなるヒューズ素子とを有し、前記ヒューズ素子は、前記主電極と前記通電電極と前記拡張部の上に設けられていることを特徴とした保護素子。
21. 前記ヒューズ素子は、前記発熱素子の加熱で溶融可能な易融金属である請求項２０に記載の保護素子。
22. 前記第１の合金材は、錫系はんだ材である請求項２０または請求項２１に記載の保護素子。
23. 前記第１の合金材は、Ａｇを３〜４質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ａｇ合金、Ｃｕを０．５〜０．７質量％さらに必要に応じてＡｇを０〜１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ｃｕ−Ａｇ合金（但し銀は必須ではない）、Ａｇを３〜４質量％さらにＣｕを０．５〜１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金またはＡｇを２０〜３０質量％さらにＣｕを１〜１０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｂｉを１０〜６０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ−Ｂｉ合金の群から選択された何れか１つの合金からなる請求項２０ないし請求項２２の何れか１つに記載の保護素子。
24. 前記第１の合金材は、９６．５Ｓｎ−３．５Ａｇ合金、９９．２５Ｓｎ−０．７５Ｃｕ合金、９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金、９５．５Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ合金、７２Ｓｎ−２２Ａｇ−６Ｃｕ合金、７０Ｓｎ−２５Ａｇ−５Ｃｕ合金、４２Ｓｎ−５８Ｂｉ合金、８７Ｐｂ−１３Ｓｎ合金、９２Ｐｂ−８Ｓｎ合金の群から選択された何れか１つの合金からなる請求項２０ないし請求項２３の何れか１つに記載の保護素子。
25. 前記第２の合金材は、Ｐ、Ｇａ、Ａｌ、ＺｎおよびＧｅの群から選択された還元性元素の少なくとも１つを微量含んだはんだ合金である請求項２０ないし請求項２４の何れか１つに記載の保護素子。
26. 前記第２の合金材は、還元性元素の含有量が０．５質量％以下０．００１質量％以上の範囲内である請求項２０ないし請求項２５の何れか１つに記載の保護素子。
27. 前記第２の合金材は、９９．２２Ｓｎ−０．７５Ｃｕ−０．０３Ｐ合金、７２Ｐｂ−２７．５７Ｓｎ−０．４Ａｇ−０．０３Ｐ合金または２９．９８Ｓｎ−７０Ｂｉ−０．０１Ｇｅ−０．０１Ｐ合金の何れか１つである請求項２０ないし請求項２６の何れか１つに記載の保護素子。
28. 前記保護素子は、前記ヒューズ素子の上部を覆って前記絶縁基板と気密に封止されて固着した蓋体をさらに有した請求項２０ないし請求項２７の何れか１つに記載の保護素子。
29. 前記ヒューズ素子は、少なくともその表面に揮発ガスによる内圧上昇が無視できる程度の極少量のフラックス剤をさらに塗布したことを特徴とした請求項２０ないし請求項２８の何れか１つに記載の保護素子。
30. 前記ヒューズ素子は、少なくとも前記ヒューズ素子に近接する前記主電極と前記通電電極の電極表面の酸化物とを還元して、溶融した前記ヒューズ素子の周辺電極表面への濡れを促進して溶融状態の前記ヒューズ素子とその周辺に配置された電極との界面張力を向上し、かつ前記ヒューズ素子の酸化物を還元することにより、溶融状態にある前記ヒューズ素子自身の表面張力を発現させて溶断することを特徴とした請求項２０ないし請求項２９の何れか１つに記載の保護素子。
    

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