JP2022034733A - ヒューズエレメント、ヒューズ素子及び保護素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】過電流の発生などの異常時には速やかに溶断させることができ、かつ生産コストが安価なヒューズエレメントと、このヒューズエレメントを用いたヒューズ素子及び保護素子を提供する。
【解決手段】ヒューズエレメント１０は、低融点金属層１１と、低融点金属層１１の少なくとも一方の表面に積層された高融点金属層１２と、低融点金属層１１と高融点金属層１２との間に配置された中間層１３と、を有し、高融点金属層１２と中間層１３は、低融点金属層１１の溶融物に溶解される金属からなる層であって、中間層１３は、融点が低融点金属層１１よりも高く、高融点金属層１２の融点よりも低い。
【選択図】図１
【解決手段】ヒューズエレメント１０は、低融点金属層１１と、低融点金属層１１の少なくとも一方の表面に積層された高融点金属層１２と、低融点金属層１１と高融点金属層１２との間に配置された中間層１３と、を有し、高融点金属層１２と中間層１３は、低融点金属層１１の溶融物に溶解される金属からなる層であって、中間層１３は、融点が低融点金属層１１よりも高く、高融点金属層１２の融点よりも低い。
【選択図】図１
Description
本発明は、ヒューズエレメントと、このヒューズエレメントを用いたヒューズ素子及び保護素子に関する。
回路基板に定格を超える過電流が通電したときに電流経路を遮断させるための電流遮断素子として、ヒューズエレメント自体が発熱して溶断することによって電流経路を遮断させるヒューズ素子が知られている。例えば、特許文献１には、ヒューズ素子用のヒューズエレメントとして、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、定格を超える電流が通電したときに、低融点金属層が溶融し、その溶融物が高融点金属層を溶解することによってヒューズエレメントを溶断させる構成のヒューズエレメントが記載されている。この特許文献１には、低融点金属層の材料としてはんだ、錫、錫合金が例示され、高融点金属層の材料として銀、銅、銀又は銅を主成分とする合金が例示されている。
また、回路基板に過電流の発生以外の異常が発生したときに電流経路を遮断させるための電流遮断素子として、発熱体（ヒーター）を用いた保護素子が知られている。この保護素子は、過電流の発生以外の異常時に、発熱体に電流を通電させることによって、発熱体を発熱させ、その熱を利用してヒューズエレメントを溶断させるように構成されている。例えば、特許文献２には、発熱体を用いた保護素子用のヒューズエレメント（可溶性導体）として、高融点金属層と低融点金属層とを含む積層体からなり、低融点金属層は発熱体が発する熱により溶融して高融点金属層を溶解することによってヒューズエレメントを溶断させる構成のヒューズエレメントが記載されている。この特許文献２には、低融点金属層の材料としてＰｂフリーはんだ、錫、錫合金が例示され、高融点金属層の材料として銀、銅、銀又は銅を主成分とする合金が例示されている。
ヒューズエレメントは、過電流の発生などの異常時は、低融点金属層が速やかに溶融して、その溶融物が高融点金属層を溶解することによって溶断するものであることが好ましい。しかしながら、高融点金属層の材料として銅や銅合金を用いた場合は、銅は、銀と比較して融点が高く、またイオン化傾向が高く酸化皮膜を形成しやすいため、低融点金属層の溶融物による高融点金属層の溶解が進みにくくなり、ヒューズエレメントの溶断速度が遅くなる傾向がある。一方、高融点金属層の材料として銀や銀合金を用いた場合は、低融点金属層の溶融物による高融点金属層の溶解は進みやすくなるが、材料コストが高くなる。材料コストを低減させるために、高融点金属層の厚さを薄くすると、ヒューズエレメントの強度が低下するおそれがある。特に、ヒューズ素子や保護素子を製造する際に行うリフロー時の加熱などによって、低融点金属層が軟化した場合にヒューズエレメントの強度が低下するおそれがある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、過電流の発生などの異常時には速やかに溶断させることができ、かつ生産コストが安価なヒューズエレメントと、このヒューズエレメントを用いたヒューズ素子及び保護素子を提供することにある。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）本発明の一態様に係るヒューズエレメントは、低融点金属層と、前記低融点金属層の少なくとも一方の表面に積層された高融点金属層と、前記低融点金属層と前記高融点金属層との間に配置された中間層と、を有し、前記高融点金属層と前記中間層は、前記低融点金属層の溶融物に溶解される金属からなる層であって、前記中間層は、融点が前記低融点金属層よりも高く、前記高融点金属層の融点よりも低い。
（２）上記（１）に記載の態様において、前記低融点金属層を構成する材料の融点は、１３８℃以上２５０℃以下の範囲内にあり、前記高融点金属層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点に対して２００℃以上高く、前記中間層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点に対して３０℃以上高く、前記高融点金属層を構成する材料の融点に対して３０℃以上低い構成としてもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の態様において、前記低融点金属層を構成する材料の融点、前記高融点金属層を構成する材料の融点、前記中間層を構成する材料の融点は、各々の材料の液相線温度である構成としてもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか一つに記載の態様において、前記中間層と前記高融点金属層との膜厚比は、１０：１～１：３０の範囲内にあって、前記高融点金属層と前記中間層の合計膜厚と、前記低融点金属層の膜厚との膜厚比は、１：２～１：１００の範囲内にある構成としてもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか一つに記載の態様において、前記低融点金属層の膜厚は３０μｍ以上であって、前記高融点金属層の膜厚は１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあり、前記中間層の膜厚は０．１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にある構成としてもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の態様において、前記低融点金属層は、錫もしくは錫を主成分とする錫合金からなる層である構成としてもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか一つに記載の態様において、前記中間層は、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である構成としてもよい。
（８）上記（１）～（７）のいずれか一つに記載の態様において、前記高融点金属層は、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル、コバルト及び鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である構成としてもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の態様において、前記低融点金属層を構成する材料の融点、前記高融点金属層を構成する材料の融点、前記中間層を構成する材料の融点は、各々の材料の液相線温度である構成としてもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか一つに記載の態様において、前記中間層と前記高融点金属層との膜厚比は、１０：１～１：３０の範囲内にあって、前記高融点金属層と前記中間層の合計膜厚と、前記低融点金属層の膜厚との膜厚比は、１：２～１：１００の範囲内にある構成としてもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか一つに記載の態様において、前記低融点金属層の膜厚は３０μｍ以上であって、前記高融点金属層の膜厚は１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあり、前記中間層の膜厚は０．１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にある構成としてもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の態様において、前記低融点金属層は、錫もしくは錫を主成分とする錫合金からなる層である構成としてもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか一つに記載の態様において、前記中間層は、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である構成としてもよい。
（８）上記（１）～（７）のいずれか一つに記載の態様において、前記高融点金属層は、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル、コバルト及び鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である構成としてもよい。
本発明の一態様に係るヒューズ素子は、絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に配置された上記（１）～（８）のいずれか一つに記載のヒューズエレメントと、を備える。
本発明の一態様に係る保護素子は、絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に配置された上記（１）～（８）のいずれか一つに記載のヒューズエレメントと、前記絶縁基板の表面に配置され、前記ヒューズエレメントを加熱する発熱体と、を備える。
本発明によれば、過電流の発生などの異常時には速やかに溶断させることができ、かつ生産コストが安価なヒューズエレメントと、このヒューズエレメントを用いたヒューズ素子及び保護素子を提供することが可能となる。
以下、本発明に係るヒューズエレメントと、このヒューズエレメントを用いたヒューズ素子及び保護素子の実施形態の好ましい例について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、位置、数、比率、種類、大きさ、形状等について、変更、省略、追加、置換、その他の変更が可能である。特に問題のない限り、各例における好ましい特徴や条件を、互いに共有してもよい。
［ヒューズエレメント（第１実施形態）］
図１は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントの概略斜視図である。
図１に示すように、ヒューズエレメント１０は、低融点金属層１１と、低融点金属層１１の表面に積層された高融点金属層１２と、低融点金属層１１と高融点金属層１２との間に配置された中間層１３とを有する。ヒューズエレメント１０の平面視での形状や断面の形状は、任意に選択できる。
図１は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントの概略斜視図である。
図１に示すように、ヒューズエレメント１０は、低融点金属層１１と、低融点金属層１１の表面に積層された高融点金属層１２と、低融点金属層１１と高融点金属層１２との間に配置された中間層１３とを有する。ヒューズエレメント１０の平面視での形状や断面の形状は、任意に選択できる。
低融点金属層１１は、その融点が、ヒューズ素子や保護素子を製造する際に行うリフロー時の加熱温度以下であることが好ましい。リフロー温度が２４０℃～２６０℃の場合には、低融点金属層１１を構成する材料の融点ＴＬは、１３８℃以上２５０℃以下の範囲内にあることが好ましい。融点ＴＬは、必要に応じて、１３８℃以上２１８℃以下の範囲内や２１８℃以上２５０℃以下の範囲内にあってもよい。なお、低融点金属層１１を構成する材料の融点は、その材料の液相線温度であってもよい。
低融点金属層１１の材料は、錫もしくは錫を主成分として含む錫合金であることが好ましい。前記錫合金において、主成分とするとは、前記錫合金の錫の含有量が４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましい。前記錫の含有量は、７０質量％以上や、８０質量％以上であってもよい。前記錫の含有量の上限値は、任意に選択できるが、例えば、９９質量％以下や、９７質量％以下であってもよい。錫合金の例としては、Ｓｎ－Ｂｉ合金、Ｉｎ－Ｓｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金を挙げることができる。
高融点金属層１２は、低融点金属層１１の溶融物に溶解される金属材料からなる層である。低融点金属層１１の材料が錫もしくは錫合金である場合、高融点金属層１２の材料は、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル、コバルト及び鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金であることが好ましい。前記合金において、主成分とするとは、前記合金中の前記金属の含有量が４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましい。前記金属の含有量は、７０質量％以上や、８０質量％以上であってもよい。前記金属の含有量の上限値は、任意に選択できるが、例えば、９９質量％以下や、９７質量％以下であってもよい。前記合金の例としては、リン青銅、銀パラジウム合金、ニッケル鉄合金及びニッケル－コバルト合金を挙げることができる。高融点金属層１２の材料は、平常時のヒューズエレメント１０の電気伝導性を高くする観点から、銅、銅合金、銀及び銀合金のいずれかであることが好ましい。
高融点金属層１２は、この層を構成する材料の融点ＴＨが、低融点金属層１１を構成する材料の融点ＴＬに対して１００℃以上高いことが好ましい。すなわち高融点金属層１２の融点は、低融点金属層１１に対して１００℃以上高いことが好ましい。融点ＴＨと融点ＴＬとの差（融点ＴＨ－融点ＴＬ）は、５００℃以上であることがより好ましく、８００℃以上であることが特に好ましい。融点ＴＨと融点ＴＬとの差は、１５００℃以下であってもよい。また、融点ＴＨは、４００℃以上１７００℃以下の範囲内にあることが好ましい。融点ＴＨは、必要に応じて、４００℃以上６００℃以下の範囲内や、６００℃以上１０００℃以下の範囲内や、１０００℃以上１６００℃以下の範囲内にあってもよい。なお、高融点金属層１２を構成する材料の融点は、その材料の液相線温度であってもよい。
中間層１３は、低融点金属層１１の溶融物に溶解される金属材料からなる層である。低融点金属層１１の材料が錫もしくは錫合金である場合、中間層１３の材料は、錫、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金であることが好ましい。前記合金において、主成分とするとは、前記合金中の前記金属の含有量が４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましい。前記金属の含有量は、７０質量％以上や、８０質量％以上であってもよい。前記金属の含有量の上限値は、任意に選択できるが、例えば、９９質量％以下や、９７質量％以下であってもよい。例えば、低融点金属層１１の材料がＳｎ－Ｂｉ合金 、Ｉｎ－Ｓｎ合金などの錫合金である場合、中間層１３の材料は、錫もしくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金、Ｓｎ－Ａｇ合金、Ｓｎ－Ｃｕ合金等の錫合金であってもよい。
中間層１３は、この層を構成する材料の融点ＴＭが、低融点金属層１１を構成する材料の融点ＴＬに対して３０℃以上高く、高融点金属層１２を構成する材料の融点ＴＨに対して３０℃以上低いことが好ましい。すなわち中間層１３に融点は、低融点金属層１１に対して３０℃以上高く、高融点金属層１２に対して３０℃以上低いことが好ましい。融点ＴＭと融点ＴＬとの差（融点ＴＭ－融点ＴＬ）は、１５０℃以上であることがより好ましく、５００℃以上であることが特に好ましい。融点ＴＭと融点ＴＬとの差は１３００℃以下であってもよい。融点ＴＭと融点ＴＨとの差（融点ＴＨ－融点ＴＭ）は、１００℃以上であることがより好ましく、２００℃以上であることが特に好ましい。融点ＴＭと融点ＴＨとの差は、８００℃以下や、６００℃以下であってもよい。また、融点ＴＭは、２６０℃以上１５００℃以下の範囲内にあることが好ましい。融点ＴＭは、必要に応じて、２６０℃以上６００℃以下の範囲内や、６００℃以上１０００℃以下の範囲内や、１０００℃以上１５００℃以下の範囲内にあってもよい。なお、中間層１３を構成する材料の融点は、その材料の液相線温度であってもよい。
高融点金属層１２の材料と中間層１３の材料は、合金を生成する組み合わせであることが好ましい。例えば、高融点金属層１２の材料が銅又は銅合金である場合、中間層１３の材料は、銀又は銀合金、亜鉛又は亜鉛合金であることが好ましい。また、高融点金属層１２の材料が銀又は銀合金である場合、中間層１３の材料は、亜鉛又は亜鉛合金であることが好ましい。
ヒューズエレメント１０は、過電流の発生などの異常時には、低融点金属層１１が溶融し、生成した溶融物が中間層１３と高融点金属層１２とを溶解することによって、溶断される。ヒューズエレメント１０において、低融点金属層１１は、中間層１３と高融点金属層１２とを溶解して、ヒューズエレメント１０を溶断させるのに必要な量で含まれている。中間層１３と高融点金属層１２は、ヒューズ素子や保護素子を製造する際のリフロー時に、ヒューズエレメント１０の形状を維持するのに必要な量で、かつ異常時には、前記溶融物に速やかに溶解させることができる量で含まれる。
上記の観点から、低融点金属層１１の膜厚は、任意に選択できるが、３０μｍ以上であることが好ましい。低融点金属層１１の膜厚は、６０μｍ以上や、１００μｍ以上や、５００μｍ以上であってもよい。低融点金属層１１の膜厚の上限値は、任意に選択できるが、例えば、３０００μｍ以下であってもよい。必要に応じて、２０００μｍ以下や、１５００μｍ以下などであってもよい。
また、高融点金属層１２の膜厚は、任意に選択できるが、１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。必要に応じて、１μｍ以上６０μｍ以下の範囲内や、６０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内や、１５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内であってもよい。
さらに、中間層１３の膜厚は、任意に選択できるが、０．１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。必要に応じて、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内や、１０μｍ以上２０μｍ以下の範囲内や、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であってもよい。
また、高融点金属層１２と中間層１３の膜厚比（前者：後者）は、任意に選択できるが、３０：１～１：１０の範囲内にあることが好ましい。必要に応じて、例えば、３０：１～１：１の範囲内や、３０：１～１０：１の範囲内や、１０：１～５：１の範囲内や、１：１～１：１０の範囲内であってもよい。中間層１３を構成する材料が、低融点金属層１１の溶融物への溶解性が高い場合は、中間層１３の膜厚を高融点金属層１２の膜厚と同じもしくはそれよりも厚くしてもよい。例えば、低融点金属層１１の材料が錫や錫合金であって、中間層１３の材料が、錫、銀、銅もしくはこれらの金属を主成分とする合金のいずれかである場合は、高融点金属層１２と中間層１３の膜厚比は、１:１～１：１０の範囲内としてもよい。また、中間層１３を構成する材料が、低融点金属層１１の溶融物への溶解性が低い場合は、中間層１３の膜厚を高融点金属層１２の膜厚と同じもしくはそれよりも薄くしてもよい。例えば、低融点金属層１１の材料が錫や錫合金であって、中間層１３の材料が、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、金、ニッケル、コバルトもしくはこれらの金属を主成分とする合金のいずれかである場合は、高融点金属層１２と中間層１３の膜厚比は、３０：１～１：１の範囲内にあってもよい。高融点金属層１２と中間層１３の膜厚比を調整することによって、ヒューズエレメント１０の強度、過電流の発生などの異常時でのヒューズエレメント１０の溶断速度、そして生産コストを調整することができる。
さらに、高融点金属層１２と中間層１３の合計膜厚と、低融点金属層１１の膜厚との膜厚比（前者：後者）は、任意に選択できるが、１：２～１：１００の範囲内にあることが好ましい。必要に応じて、例えば、１：２～１：１０の範囲内や、１：１０～１：３０の範囲内や、１：３０～１：１００の範囲内であってもよい。高融点金属層１２と中間層１３の合計膜厚が厚くなりすぎると、異常時に中間層１３と高融点金属層１２が溶解されるまでの時間が長くなり、ヒューズエレメント１０の溶断速度が遅くなるおそれがある。一方、低融点金属層１１の膜厚が厚くなりすぎると、ヒューズ素子や保護素子を製造する際のリフロー時に、ヒューズエレメント１０の形状を維持しにくくなるおそれがある。
ヒューズエレメント１０は、例えば、めっき法、スパッタ法、蒸着法などの成膜法を利用することによって製造することができる。具体的には、低融点金属層１１となる金属箔を用意し、その金属箔の表面に前記成膜法を用いて中間層１３を形成し、次いで、中間層１３の表面に前記成膜法を用いて高融点金属層１２を形成することによって、ヒューズエレメント１０を製造することができる。低融点金属層１１として錫もしくは錫合金を用いる場合、低融点金属層１１は酸化しやすく、表面に不働態皮膜が形成されている場合がある。この場合には、中間層１３を形成する際に、高電流を付与して短時間で電解めっきする方法（ストライクめっき法）を用いることが好ましい。また、ヒューズエレメント１０は、例えば、金属箔を積層することによって製造することができる。具体的には、低融点金属層１１となる金属箔と、中間層１３となる金属箔と、高融点金属層１２となる金属箔を用意し、これらの金属箔を圧着させることによって、ヒューズエレメント１０を製造することができる。
図１に示すヒューズエレメント１０は、低融点金属層１１の表面に、中間層１３と高融点金属層１２とが積層された構成とされているが、ヒューズエレメントの構成はこれに限定されるものではない。ヒューズエレメント１０の別の構成の例を、図２と図３に示す。
図２は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントの別の例を示す概略斜視図である。図２に示すヒューズエレメント２０は、断面が矩形の低融点金属層２１と、低融点金属層２１の周囲に積層された高融点金属層２２と、低融点金属層２１と高融点金属層２２との間に配置された中間層２３とからなる。ヒューズエレメント２０は、低融点金属層２１の主面も側面も、中間層２３と高融点金属層２２によって被覆されている。このため、高融点金属層２２と中間層２３とからなる外殻の剛性が高まり、リフロー時に、ヒューズエレメント１０の形状を維持しやすくなる。
図３は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントのさらに別の例を示す概略斜視図である。図３に示すヒューズエレメント３０は、断面が円形の低融点金属層３１と、低融点金属層３１の周囲に積層された高融点金属層３２と、低融点金属層３１と高融点金属層３２との間に配置された中間層３３とからなる。ヒューズエレメント３０は、低融点金属層３１の側面が中間層３３と高融点金属層３２によって同心円状に被覆されているので、低融点金属層３１が酸化しにくくなる。また、中間層３３と高融点金属層３２の厚さを均一にしやすく、中間層３３と高融点金属層３２の溶解が均一に進みやすくなる。このため、ヒューズエレメント３０は、溶断速度がさらに速くなる。
以上のような構成とされた本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメント１０、２０、３０によれば、低融点金属層３１と高融点金属層３２との間に、融点が低融点金属層３１よりも高く、高融点金属層３２よりも低い中間層３３が配置されているので、高融点金属層３２の厚さを薄くしても強度を維持することができる。高融点金属層３２の厚さを薄くすることによって、過電流の発生などの異常時には速やかに溶断させることができる。また、高価な高融点金属層３２の厚さを薄くすることによって、生産コストが安価にすることができる。
本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメント１０、２０、３０は、中間層１３、２３、３３と高融点金属層１２、２２、３２との間に、中間層１３、２３、３３よりも融点が高く、高融点金属層１２、２２、３２よりも融点が低く、かつ低融点金属層１１、２１、３１の溶融物に溶解される金属からなる層を、さらに有していてもよい。また、高融点金属層１２、２２、３２の表面に、酸化防止層を有していてもよい。
次に、本発明に係るヒューズ素子と保護素子の実施形態について、ヒューズエレメントとして図１に示すヒューズエレメント１０を用いた場合を例にとって、説明する。
［ヒューズ素子（第２実施形態）］
図４は、本発明の第２実施形態に係るヒューズ素子の概略平面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ’線断面図である。なお、図４は、ヒューズ素子のカバー部材を外した状態とされている。
図４と図５に示すように、ヒューズ素子４０は、絶縁基板４１と、絶縁基板４１の表面４１ａに配置された第１の電極４２及び第２の電極４３と、第１の電極４２と第２の電極４３とを電気的に接続するヒューズエレメント１０とを備える。
図４は、本発明の第２実施形態に係るヒューズ素子の概略平面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ’線断面図である。なお、図４は、ヒューズ素子のカバー部材を外した状態とされている。
図４と図５に示すように、ヒューズ素子４０は、絶縁基板４１と、絶縁基板４１の表面４１ａに配置された第１の電極４２及び第２の電極４３と、第１の電極４２と第２の電極４３とを電気的に接続するヒューズエレメント１０とを備える。
絶縁基板４１は、電気絶縁性を有するものであれば特に制限はなく、樹脂基板、セラミックス基板、樹脂とセラミックスとの複合体基板など、回路基板として用いられている公知の絶縁基板を用いることができる。樹脂基板の例としては、エポキシ樹脂基板、フェール樹脂基板、ポリイミド基板を挙げることができる。セラミックス基板の例としては、アルミナ基板、ガラスセラミックス基板、ムライト基板、ジルコニア基板を挙げることができる。複合体基板の例としては、ガラスエポキシ基板を挙げることができる。
第１の電極４２及び第２の電極４３は、絶縁基板４１の対向する一対の両端部に配置されている。第１の電極４２及び第２の電極４３は、それぞれ銀配線や銅配線などの導電パターンによって形成されている。第１の電極４２及び第２の電極４３の表面のそれぞれは、酸化などによる電極特性の変質を抑制するための電極保護層４４で被覆されている。電極保護層４４の材料としては、例えば、Ｓｎめっき膜、Ｎｉ／Ａｕめっき膜、Ｎｉ／Ｐｄめっき膜、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕめっき膜等を用いることができる。また、第１の電極４２及び第２の電極４３は、それぞれキャスタレーションを介して、絶縁基板４１の裏面４１ｂに形成された第１の外部接続電極４２ａ及び第２の外部接続電極４３ａと電気的に接続されている。第１の電極４２及び第２の電極４３と第１の外部接続電極４２ａ及び第２の外部接続電極４３ａとの接続は、キャスタレーションに限定されず、スルーホールで行ってもよい。
ヒューズエレメント１０は、第１の電極４２及び第２の電極４３と、はんだ等の接続材料４５を介して電気的に接続されている。
ヒューズエレメント１０は、表面にフラックス４６が塗布されていてもよい。フラックス４６を塗布することによって、ヒューズエレメント１０の酸化が防止され、接続材料４５を介してヒューズエレメント１０と第１の電極４２及び第２の電極４３を接続する際の、接続材料４５の濡れ性が向上する。また、フラックス４６を塗布することにより、アーク放電による溶融金属の絶縁基板４１への付着を抑制し、ヒューズエレメント１０の溶断後における絶縁性を向上させることができる。
ヒューズ素子４０は、図５に示すように、カバー部材５０が接着剤を介して取り付けられていることが好ましい。カバー部材５０を取り付けることによって、ヒューズ素子４０の内部を保護するとともに、ヒューズエレメント１０が溶断する際に発生する溶融物の飛散を防止することができる。カバー部材５０の材料としては、各種エンジニアリングプラスチック、及びセラミックスを用いることができる。
ヒューズ素子４０は、第１の外部接続電極４２ａ及び第２の外部接続電極４３ａを介して、回路基板の電流経路上に実装される。回路基板の電流経路上に定格の電流が流れている間は、ヒューズ素子４０に備えられているヒューズエレメント１０の低融点金属層１１は溶融しない。一方、回路基板の電流経路上に定格を超える過電流が通電されると、ヒューズエレメント１０の低融点金属層１１が発熱して溶融する。こうして生成した溶融物が中間層１３と高融点金属層１２とを溶解することによって、ヒューズエレメント１０を溶断させる。そして、このヒューズエレメント１０の溶断により、第１の電極４２と第２の電極４３間が断線され、回路基板の電流経路が遮断される。
以上のような構成とされた本発明の第２実施形態に係るヒューズ素子４０は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメント１０を用いている。このためで、過電流の発生時には、速やかにヒューズエレメント１０が溶断される。このため、回路基板の電流経路を早期に遮断させることができる。
［保護素子（第３実施形態）］
図６は、本発明の第３実施形態に係る保護素子の概略平面図である。図７は、図６のVII－VII’線断面図である。なお、図６において、保護素子はカバー部材を外した状態とされている。
図６と図７に示すように、保護素子６０は、絶縁基板６１と、絶縁基板６１の表面６１ａに配置された第１の電極６２及び第２の電極６３と、第１の電極６２及び第２の電極６３の間に配置された発熱体７０と、発熱体７０に接続する第１の発熱体電極６４及び第２の発熱体電極６５と、第２の発熱体電極６５に接続し、平面視で発熱体７０と重なる場所に位置する発熱体引出電極６６と、発熱体引出電極６６の表面に配置されたヒューズエレメント１０とを備える。
図６は、本発明の第３実施形態に係る保護素子の概略平面図である。図７は、図６のVII－VII’線断面図である。なお、図６において、保護素子はカバー部材を外した状態とされている。
図６と図７に示すように、保護素子６０は、絶縁基板６１と、絶縁基板６１の表面６１ａに配置された第１の電極６２及び第２の電極６３と、第１の電極６２及び第２の電極６３の間に配置された発熱体７０と、発熱体７０に接続する第１の発熱体電極６４及び第２の発熱体電極６５と、第２の発熱体電極６５に接続し、平面視で発熱体７０と重なる場所に位置する発熱体引出電極６６と、発熱体引出電極６６の表面に配置されたヒューズエレメント１０とを備える。
絶縁基板６１は、電気絶縁性を有するものであれば特に制限はない。絶縁基板６１は、としては、第２実施形態のヒューズ素子４０の場合と同様に、回路基板として用いられている公知の絶縁基板を用いることができる。本例では、絶縁基板６１は平面視で長方形であるが、この形状のみに限定されず、任意に選択される形状であってもよい。
第１の電極６２と第２の電極６３は、絶縁基板６１の対向する一対の両端部に配置されている。第１の発熱体電極６４と第２の発熱体電極６５は、絶縁基板６１の対向する別の一対の両端部に配置されている。第１の電極６２、第２の電極６３、第１の発熱体電極６４、第２の発熱体電極６５、及び発熱体引出電極６６は、それぞれが、銀配線や銅配線などの、導電パターンによって形成されている。また、第１の電極６２、第２の電極６３、第１の発熱体電極６４、第２の発熱体電極６５、及び発熱体引出電極６６は、それぞれが、酸化などによる電極特性の変質を抑制するための電極保護層６７で好ましく被覆されている。電極保護層６７の材料は、第２実施形態のヒューズ素子４０の場合と同様である。さらに、第１の電極６２、第２の電極６３、及び第１の発熱体電極６４のそれぞれは、キャスタレーションを介して、絶縁基板６１の裏面６１ｂに形成された第１の外部接続電極６２ａ、第２の外部接続電極６３ａ、及び発熱体給電電極６４ａと、電気的に接続されている。なお、第１の電極６２、第２の電極６３、及び第１の発熱体電極６４と、第１の外部接続電極６２ａ、第２の外部接続電極６３ａ、及び発熱体給電電極６４ａとのそれぞれの接続は、キャスタレーションに限定されず、スルーホールで行ってもよい。
発熱体７０は、比較的抵抗が高く、通電により発熱する、高抵抗導電性材料から形成されている。発熱体７０は、例えば、ニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ等又はこれらを含む材料からなる。発熱体７０は、前記元素を含む合金、組成物、または化合物の粉状体を、樹脂バインダ等と混合してペースト状にしたものを用意し、これを絶縁基板６１の表面にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する方法等によって、好ましく形成することができる。
発熱体７０は、絶縁部材７１で被覆されている。絶縁部材７１の材料としては、例えば、ガラスを用いることができる。発熱体引出電極６６は、絶縁部材７１を介して、発熱体７０と対向するように配置される。この配置により、発熱体７０は、絶縁部材７１及び発熱体引出電極６６を介して、ヒューズエレメント１０と、重畳される。このような重畳構造とすることによって、発熱体７０にて発生した熱を、狭い範囲で、効率よく、ヒューズエレメント１０に伝えることができる。
ヒューズエレメント１０は、その両端がそれぞれ第１の電極６２と第２の電極６３に電気的に接続し、その中央部が発熱体引出電極６６に接続されている。ヒューズエレメント１０と、第１の電極６２、第２の電極６３、及び発熱体引出電極６６とは、はんだ等の接続材料６８を介して、電気的に接続されている。このような構成により、保護素子６０には、発熱体給電電極６４ａ、第１の発熱体電極６４、発熱体７０、第２の発熱体電極６５、発熱体引出電極６６、そしてヒューズエレメント１０に至る、第一の通電経路と、第１の外部接続電極６２ａ、第１の電極６２、ヒューズエレメント１０、第２の電極６３、そして第２の外部接続電極６３ａに至る、第二の通電経路とが形成される。また、ヒューズエレメント１０は、表面にフラックス６９が塗布されている。
保護素子６０は、図７に示すように、カバー部材８０が接着剤を介して取り付けられていることが好ましい。カバー部材８０の材料は、第２実施形態のヒューズ素子４０の場合と同様である。
保護素子６０は、第１の外部接続電極６２ａ、第２の外部接続電極６３ａ及び発熱体給電電極６４ａを介して、回路基板の電流経路上に実装される。これにより、保護素子６０のヒューズエレメント１０は、第１の外部接続電極６２ａと第２の外部接続電極６３ａを介して、外部の回路基板の電流経路上に直列接続される。発熱体７０は、発熱体給電電極６４ａを介して、回路基板に設けられた電流制御素子と接続される。
保護素子６０は、回路基板に異常が発生すると、回路基板に備えられた電流制御素子によって、発熱体給電電極６４ａを介して発熱体７０が通電される。この通電により、発熱体７０が発熱する。そして、その熱が、絶縁部材７１及び発熱体引出電極６６を介して、ヒューズエレメント１０に伝えられる。この熱によって、ヒューズエレメント１０の低融点金属層１１が溶融し、生成した溶融物が中間層１３と高融点金属層１２とを溶解する。その結果、ヒューズエレメント１０が溶断される。そして、このヒューズエレメント１０の溶断により、第１の電極６２と第２の電極６３との間が断線され、回路基板の電流経路が遮断される。
以上のような構成とされた本発明の第３実施形態に係る保護素子６０は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメント１０を用いている。その結果、異常時には速やかにヒューズエレメント１０が溶断される。このため、回路基板の電流経路を早期に遮断させることができる。
１０、２０、３０ ヒューズエレメント
１１、２１、３１ 低融点金属層
１２、２２、３２ 高融点金属層
１３、２３、３３ 中間層
４０ ヒューズ素子
４１ 絶縁基板
４１ａ 表面
４１ｂ 裏面
４２ 第１の電極
４２ａ 第１の外部接続電極
４３ 第２の電極
４３ａ 第２の外部接続電極
４４ 電極保護層
４５ 接続材料
４６ フラックス
５０ カバー部材
６０ 保護素子
６１ 絶縁基板
６１ａ 表面
６１ｂ 裏面
６２ 第１の電極
６２ａ 第１の外部接続電極
６３ 第２の電極
６３ａ 第２の外部接続電極
６４ 第１の発熱体電極
６４ａ 発熱体給電電極
６５ 第２の発熱体電極
６６ 発熱体引出電極
６７ 電極保護層
６８ 接続材料
６９ フラックス
７０ 発熱体
７１ 絶縁部材
８０ カバー部材
１１、２１、３１ 低融点金属層
１２、２２、３２ 高融点金属層
１３、２３、３３ 中間層
４０ ヒューズ素子
４１ 絶縁基板
４１ａ 表面
４１ｂ 裏面
４２ 第１の電極
４２ａ 第１の外部接続電極
４３ 第２の電極
４３ａ 第２の外部接続電極
４４ 電極保護層
４５ 接続材料
４６ フラックス
５０ カバー部材
６０ 保護素子
６１ 絶縁基板
６１ａ 表面
６１ｂ 裏面
６２ 第１の電極
６２ａ 第１の外部接続電極
６３ 第２の電極
６３ａ 第２の外部接続電極
６４ 第１の発熱体電極
６４ａ 発熱体給電電極
６５ 第２の発熱体電極
６６ 発熱体引出電極
６７ 電極保護層
６８ 接続材料
６９ フラックス
７０ 発熱体
７１ 絶縁部材
８０ カバー部材
Claims (10)
- 低融点金属層と、
前記低融点金属層の少なくとも一方の表面に積層された高融点金属層と、
前記低融点金属層と前記高融点金属層との間に配置された中間層と、を有し、
前記高融点金属層と前記中間層は、前記低融点金属層の溶融物に溶解される金属からなる層であって、
前記中間層は、融点が前記低融点金属層よりも高く、前記高融点金属層の融点よりも低いヒューズエレメント。 - 前記低融点金属層を構成する材料の融点は、１３８℃以上２５０℃以下の範囲内にあり、
前記高融点金属層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点に対して１００℃以上高く、
前記中間層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点に対して３０℃以上高く、前記高融点金属層を構成する材料の融点に対して３０℃以上低い請求項１に記載のヒューズエレメント。 - 前記低融点金属層を構成する材料の融点、前記高融点金属層を構成する材料の融点、前記中間層を構成する材料の融点は、各々の材料の液相線温度である請求項１又は２に記載のヒューズエレメント。
- 前記中間層と前記高融点金属層との膜厚比は、１０：１～１：３０の範囲内にあって、
前記高融点金属層と前記中間層の合計膜厚と、前記低融点金属層の膜厚との膜厚比は、１：２～１：１００の範囲内にある請求項１～３のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。 - 前記低融点金属層の膜厚は３０μｍ以上であって、
前記高融点金属層の膜厚は１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあり、
前記中間層の膜厚は０．１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にある請求項１～４のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。 - 前記低融点金属層は、錫もしくは錫を主成分とする錫合金からなる層である請求項１～５のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。
- 前記中間層は、錫、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である請求項１～６のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。
- 前記高融点金属層は、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル、コバルト及び鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である請求項１～７のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。
- 絶縁基板と、
前記絶縁基板の表面に配置された請求項１～８のいずれか一項に記載のヒューズエレメントと、を備えるヒューズ素子。 - 絶縁基板と、
前記絶縁基板の表面に配置された請求項１～８のいずれか一項に記載のヒューズエレメントと、
前記絶縁基板の表面に配置され、前記ヒューズエレメントを加熱する発熱体と、を備える保護素子。
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