JP2024013337A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】環境負荷を回避し、リフロー実装によるヒューズエレメントの速溶断性への影響を防止でき、低コスト化も図ることができる保護素子を提供する。【解決手段】保護素子１は、絶縁基板２と、絶縁基板２に設けられた第１の電極４及び第２の電極５と、第１の電極４及び第２の電極５の面上に配置されて、第１の電極４と第２の電極５との間を電気的に接続するヒューズエレメント７と、第１の電極４及び第２の電極５とヒューズエレメント７とを接続する接続導体８とを備え、ヒューズエレメント７は、鉛フリーの導体からなり、且つ液相点がリフロー加熱温度よりも高く、接続導体８は、ヒューズエレメント７の液相点より液相点が低く、且つリフロー加熱温度を下回る固相点を持つ。【選択図】図１

Description

本技術は、電流経路上に実装され、異常時にヒューズエレメントを溶断し当該電流経路を遮断する保護素子に関する。

リチウムイオン２次電池（ＬｉＢ）は高出力・高エネルギー密度を有する電池であり、電池の性能向上と共に、様々なアプリケーションへ適用されている。しかしながら、ＬｉＢは、何らかの影響で充放電を制御するＩＣやＦＥＴ等が故障することで、過充電状態になった場合に、発煙発火のリスクを有する電池であり、その２次的な保護対策として、発熱体を内蔵する保護素子が採用されている。ＬｉＢ搭載アプリケーションの拡大と共に、ＬｉＢの生産数量も増加し、ＬｉＢを保護する保護素子の需要も高まっている。

ＬｉＢの制御に用いられる先述したＩＣやＦＥＴを含む多くの部品は、表面実装工程に対応するため、保護素子にも表面実装に対応することが求められる。また、内蔵する発熱体で安全にヒューズエレメントの溶断動作を完了させるために、ヒューズエレメントの融点は出来る限り低融点であることが望ましく、理想的には、リフローの温度（２６０℃）にぎりぎり耐える融点（２８０℃～３００℃近辺）が望ましい。

この要求に対応するため、ヒューズエレメントにはコストの観点から、一般的には鉛を多く含んだ合金が用いられている。一方で、環境負荷軽減の要求の高まりに伴って、鉛を用いない新構造のヒューズエレメントも提案されている。

図１０は、保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。図１０に示す保護素子１００は、絶縁基板１０１と、絶縁基板１０１の表面上に形成された第１、第２の電極１０２、１０３と、絶縁基板１０１の表面に形成された発熱体１０４と、発熱体１０４を被覆する絶縁層１０５と、絶縁層１０５上に積層されるとともに発熱体１０４と接続された発熱体引出電極１０６と、第１の電極１０２、発熱体引出電極１０６、及び第２の電極１０３にわたって接続材料１１０を介して搭載される可溶導体であるヒューズエレメント１０７とを備える。

接続材料１１０としては、ヒューズエレメント１０７と同種の材料を用いることができ、例えばＰｂ－Ｓｎ、Ａｕ－Ｓｎ、Ｓｎ－Ｃｕ－Ａｇといったスズベースの各種ソルダーペーストが用いられている。

第１、第２の電極１０２，１０３は、保護素子１００が接続される外部回路の電流経路上に接続される端子部であり、それぞれ絶縁基板１０１の裏面に形成された第１、第２の外部接続電極１０２ａ，１０３ａとキャスタレーションを介して接続されている。保護素子１００は、第１、第２の外部接続電極１０２ａ，１０３ａが、保護素子１００が実装される外部回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、ヒューズエレメント１０７が外部回路基板上に形成された電流経路の一部に組み込まれる。

発熱体１０４は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、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。また、発熱体１０４は、絶縁基板１０１の表面上に形成された発熱体電極１０８と接続されている。発熱体電極１０８は、絶縁基板１０１の裏面に形成された第３の外部接続電極１０８ａとキャスタレーションを介して接続されている。保護素子１００は、第３の外部接続電極１０８ａが、保護素子１００が実装される外部回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、発熱体１０４が外部回路に設けられた外部電源と接続されている。そして、発熱体１０４は、図示しないスイッチ素子等により常時、通電が制御されている。

発熱体１０４は、ガラス層等からなる絶縁層１０５によって被覆されるとともに、絶縁層１０５上に発熱体引出電極１０６が形成されることにより、絶縁層１０５を介して発熱体引出電極１０６と重畳されている。また、発熱体引出電極１０６上には第１、第２の電極１０２，１０３間にわたって接続されたヒューズエレメント１０７が接続材料１１０を介して接続されている。

これにより、保護素子１００は、発熱体１０４とヒューズエレメント１０７が重畳されることにより熱的に接続され、発熱体１０４が通電によって発熱するとヒューズエレメント１０７を溶断することができる。

ヒューズエレメント１０７は、第１の電極１０２から発熱体引出電極１０６を経て第２の電極１０３にかけて接続されることにより、保護素子１００が組み込まれた外部回路の電流経路の一部を構成する。そして、ヒューズエレメント１０７は、定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断し、あるいは発熱体１０４の発熱により溶断し、第１、第２の電極１０２，１０３間を遮断する。

特許第２７９０４３３号公報 特開２０１５－０３５２８１号公報

ヒューズエレメント１０７としては、例えばＰｂ－Ｓｎ等の鉛を８５ｗｔ％以上含んだ高融点はんだにより形成することができる。しかし、上述したように、環境負荷軽減の要求の高まりに伴って、ＲｏＨＳ指令等においては、鉛含有ハンダの使用は、限定的に認められているに過ぎず、今後Ｐｂフリー化の要求は、強まるものと考えられる。

ヒューズエレメント１０７として、鉛フリーはんだを用いた場合、鉛含有はんだよりも融点が高くなり、発熱体１０４の発熱により速やかに溶断することが困難となる。また、ヒューズエレメント１０７として、例えばＡｕ-Ｓｎ等の金を８０ｗｔ％以上含んだ高融点はんだを使用した場合は、環境負荷物質を含有しないメリットを有する反面、高コスト化を招く。

ヒューズエレメント１０７として、例えばＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ等のスズベースの低融点（融点：２２０℃近辺）金属１０７ａをＡｇ等の高融点（融点：６００℃以上）金属１０７ｂで被覆した構造を用いた場合には、環境負荷、及びコスト上の問題を両立させることができる。しかし、図１１に示すように、表面実装工程における加熱温度（２６０℃近辺）で溶融した低融点金属１０７ａが流動し、偏在することにより、ヒューズエレメント１０７の断面形状が変化すると、抵抗値がばらつく等により、速溶断性を損なうことが懸念される。低融点金属１０７ａを被覆する高融点金属１０７ｂを厚くすることで低融点金属１０７ａの偏りを抑制することもできるが、発熱体１０４の発熱による溶断時間が延びる、ヒューズエレメント１０７の溶断前に発熱体１０４が損傷するといったリスクが生じる。ヒューズエレメント１０７の変形対策として、ヒューズエレメント１０７内に高融点金属１０７ｂの支柱を形成することも提案されているが、製造コストの上昇を招いてしまう。

そこで、本技術は、環境負荷を回避し、リフロー実装によるヒューズエレメントの速溶断性への影響を防止でき、低コスト化も図ることができ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、前記絶縁基板に設けられた第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の面上に配置されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間を電気的に接続するヒューズエレメントと、前記第１の電極及び前記第２の電極と前記ヒューズエレメントとを接続する接続導体とを備え、前記ヒューズエレメントは、鉛フリーの導体からなり、且つ液相点がリフロー加熱温度よりも高く、前記接続導体は、前記ヒューズエレメントの液相点より液相点が低く、且つリフロー加熱温度を下回る固相点を持つものである。

本技術によれば、環境負荷を回避し、リフロー実装によっても電気特性の変動を防止でき、低コスト化も図ることができる。

図１は、本技術が適用された保護素子を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。 図２は、ヒューズエレメントが溶断した状態を示す平面図である。 図３は、第１の電極と発熱体引出電極との間、及び発熱体引出電極と第２の電極の間に、それぞれヒューズエレメントを搭載した保護素子をカバー部材を省略して示す平面図である。 図４は、本技術が適用された保護素子が実装されたバッテリパックの構成例を示す回路図である。 図５は、本技術が適用された保護素子の回路図である。 図６は、本技術が適用された変形例に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。 図７は、本技術が適用された変形例に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。 図８は、変形例に係る保護素子の回路図である。 図９は、本技術が適用された変形例に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。 図１０は、保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。 図１１は、表面実装工程における加熱温度（２６０℃近辺）で溶融した低融点金属が流動し、偏在することにより、ヒューズエレメントの断面形状が変化した状態を示す断面図である。

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。

図１に示すように、本技術が適用された保護素子１は、絶縁基板２と、絶縁基板２に設けられた第１の電極４及び第２の電極５と、第１の電極４及び第２の電極５の面上に配置されて、第１の電極４と第２の電極５との間を電気的に接続する可溶導体であるヒューズエレメント７と、第１の電極４及び第２の電極５とヒューズエレメント７とを接続する接続導体８とを備える。

ヒューズエレメント７は、鉛を含有せず、且つ液相点がリフロー加熱温度よりも高い材料組成の合金により形成されている。すなわち、ヒューズエレメント７は、リフロー加熱温度において溶融しない。したがって、ヒューズエレメント７は、リフロー工程においても溶断することなく、第１、第２の電極４，５上にリフロー実装することができる。また、ヒューズエレメント７がリフロー工程において溶断しないため、保護素子１をリフローにより外部回路基板に実装することができる。

また、接続導体８は、ヒューズエレメント７の液相点より液相点が低く、且つリフロー加熱温度を下回る固相点を持つ。すなわち、接続導体８は、ヒューズエレメント７よりも融点が低い。これにより、接続導体８は、リフロー加熱温度において少なくともある程度溶融した状態で、ヒューズエレメント７と第１、第２の電極４，５との接続に供される。また、接続導体８は、ヒューズエレメント７よりも溶融が進んでいるため、第１、第２の電極４，５上に濡れ広がるとともに、ヒューズエレメント７と第１、第２の電極４，５との間に充填され、両者を電気的、機械的に接続することができる。

なお、接続導体８の液相点は、リフロー加熱温度よりも高くてもよいが、低い方が好ましい。完全に溶融した状態でヒューズエレメント７と第１、第２の電極４，５の接続に供することが、良好な電気的、機械的接続を図るうえで好ましいためである。

このように、保護素子１は、ヒューズエレメント７として、鉛を用いず、且つ液相点がリフロー加熱温度よりも高い材料組成の合金を用いることで、環境負荷の低減を図りつつ、速溶断性にも優れる。また、ヒューズエレメント７として、金などの高価な金属を使用することなく、環境負荷の低減と速溶断性の維持の両立が可能となり、低コスト化も図ることができる。

このような保護素子１は、外部回路に組み込まれることにより、ヒューズエレメント７が当該外部回路の電流経路の一部を構成し、所定の条件下で溶断することにより電流経路を遮断する（図２参照）。以下、保護素子１の各構成について詳細に説明する。

図１に示す保護素子１は、発熱体３を備え、ヒューズエレメント７が発熱体３の発熱あるいは定格を超える過電流によって溶断するものである。すなわち、保護素子１は、絶縁基板２と、絶縁基板２に設けられた発熱体３と、絶縁基板２に設けられた第１の電極４及び第２の電極５と、第１の電極４と第２の電極５との間に配置されると共に、発熱体３の一端側と電気的に接続された発熱体引出電極６と、第１の電極４、第２の電極５及び発熱体引出電極６の面上に配置されて、第１の電極４と発熱体引出電極６との間及び第２の電極５と発熱体引出電極６との間を電気的に接続するヒューズエレメント７とを備える。

［絶縁基板］
絶縁基板２は、例えばアルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成される。その他、絶縁基板２は、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。また、絶縁基板２は、絶縁や接続導体８及びヒューズエレメント７の位置制御などを目的として、所定の位置にガラス又はソルダーレジストを設けてもよい。なお、本明細書では、絶縁基板２のヒューズエレメント７が搭載される面を表面２ａとし、ヒューズエレメント７が搭載される面と反対側の面を裏面２ｂとする。

［第１、第２の電極］
絶縁基板２の表面２ａの相対向する両端部には、第１の電極４及び第２の電極５が形成されている。第１の電極４及び第２の電極５は、それぞれ、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらの合金等の導電パターンによって形成されている。第１の電極４及び第２の電極５は、例えばＡｇペーストをスクリーン印刷により所定のパターンで印刷した後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。

第１の電極４は、絶縁基板２の表面２ａより、キャスタレーションを介して裏面２ｂに形成された第１の外部接続電極１１と連続されている。また、第２の電極５は、絶縁基板２の表面２ａより、キャスタレーションを介して裏面２ｂに形成された第２の外部接続電極１２と連続されている。保護素子１が外部回路基板に実装されると、第１、第２の外部接続電極１１，１２が、当該外部回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、ヒューズエレメント７が当該外部回路基板上に形成された電流経路の一部に組み込まれる。

第１、第２の電極４，５は、接続導体８を介してヒューズエレメント７が搭載されることにより、ヒューズエレメント７を介して電気的に接続されている。また、図２に示すように、第１、第２の電極４，５は、発熱体３が通電に伴って発熱しヒューズエレメント７が溶断することにより、あるいは保護素子１に定格を超える大電流が流れヒューズエレメント７が自己発熱（ジュール熱）によって溶断することにより、接続遮断される。

［発熱体引出電極］
発熱体引出電極６は、第１の電極４と第２の電極５の間の領域に設けられ、一端が後述する中間電極１４と接続されている。また、発熱体引出電極６は、後述する絶縁保護層９上に積層され、絶縁保護層９を介して発熱体３と重畳されている。

発熱体引出電極６は、第１、第２の電極４，５と同様に、ＡｇやＣｕ等の導電ペーストを印刷、焼成することによって形成することができる。また、発熱体引出電極６は、接続導体８を介して、第１、第２の電極４，５間において、ヒューズエレメント７が接続されている。

［接続導体］
接続導体８は、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６とヒューズエレメント７とを接続するものであり、ペースト状のはんだ合金等で形成される。具体的に、接続導体８は、ヒューズエレメント７の液相点よりも液相点が低く、且つリフロー加熱温度（２６０℃）を下回る固相点を持つ金属接合材料であり、例えば、スズベースの合金やインジウムベースの合金が例示される。このなかでも、Ｓｎ－Ａｇ３－Ｃｕ０．５（固相点：２１７℃／液相点：２２０℃）、Ｓｎ－Ａｇ３．５（固相点：２２１℃／液相点：２２３℃）や、Ｓｎ－Ｃｕ系はんだ又はＳｎ－Ｓｂ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだが好適に用いられる。特にＳｂを含むことで液相点及び固相点を所望の範囲に調整することが容易となる。

接続導体８は、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６上のヒューズエレメント７が搭載される位置に、スクリーン印刷等の公知の方法により供給され、ヒューズエレメント７が搭載された後、リフロー工程に付される。接続導体８は、ヒューズエレメント７の液相点より液相点が低く、且つリフロー加熱温度を下回る固相点を持つ材料であるため、リフロー加熱温度において少なくともある程度溶融した状態で、好ましくは完全に溶融した状態で、ヒューズエレメント７と第１、第２の電極４，５との接続に供される。これにより、接続導体８は、第１、第２の電極４，５上に濡れ広がるとともに、ヒューズエレメント７と第１、第２の電極４，５との間に充填され、両者を電気的、機械的に接続することができる。

なお、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６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４，５及び発熱体引出電極６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、ヒューズエレメント７を接続する接続導体８が溶融することにより第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６を溶食（ハンダ食われ）することを防ぐことができる。

なお、第１、第２の電極４，５は、第１、第２の外部接続電極１１，１２と接続される外部回路基板の電極に設けられた接続用ハンダがリフロー実装等において溶融し、キャスタレーションを介して第１、第２の電極４，５上に這い上がり、濡れ拡がることを防止する規制壁を設けてもよい。規制壁は、例えばガラスやソルダーレジスト、絶縁性接着剤等ハンダに対する濡れ性を有しない絶縁材料を用いて形成することができ、第１、第２の電極４，５上に印刷等により形成することができる。規制壁を設けることにより、溶融した接続用ハンダが第１、第２の電極４，５まで濡れ広がることを防止し、保護素子１と外部回路基板との接続性を維持することができる。

［発熱体］
図１に示すように、絶縁基板２の表面２ａには発熱体３が形成されている。発熱体３は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、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３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２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。一例として、発熱体３は、酸化ルテニウム系ペーストと銀とガラスペーストの混合ペーストを所定の電圧に応じて調整し、絶縁基板２の表面２ａの所定の位置に所定の面積で製膜し、その後、適正条件にて焼成処理を行うことにより形成することができる。また、発熱体３の形状は適宜設計できるが、図１（Ａ）に示すように、絶縁基板２の形状に応じて略矩形状とすることが発熱面積を最大化するうえで好ましい。

また、発熱体３は、一端部３ａが発熱体電極１７と接続され、他端部３ｂが中間電極１４と接続されている。発熱体電極１７及び中間電極１４は、絶縁基板２の第１、第２の電極４，５が設けられた側縁と異なる相対向する側縁に形成されている。発熱体電極１７は、発熱体３への給電電極であり、発熱体３の一端部３ａと接続されるとともに、キャスタレーションを介して絶縁基板２の裏面２ｂに形成された第３の外部接続電極１３と連続されている。

中間電極１４は、発熱体３と絶縁保護層９上に積層される発熱体引出電極６との間に設けられる電極であり、発熱体３の他端部３ｂと接続されるとともに、発熱体引出電極６と接続されている。

発熱体電極１７、及び中間電極１４は、第１、第２の電極４，５と同様に、ＡｇやＣｕ又はこれらの合金等の導電ペーストを印刷、焼成することによって形成することができる。また、絶縁基板２の表面２ａ上に形成されるこれら各電極を同一の材料により構成することで、一度の印刷及び焼成工程で形成することができる。

［絶縁保護層］
また、発熱体３は、絶縁保護層９で被覆されている。絶縁保護層９は、発熱体３の保護及び絶縁を図るとともに、発熱体３の熱を効率よく発熱体引出電極６及びヒューズエレメント７へ伝えるために設けられ、発熱体３の発熱温度に対する耐熱性を有するガラス等の絶縁材料により構成される。絶縁材料９を構成するガラス原料としては、例えばシリカ系ガラスのオーバーコート用ガラスペーストや絶縁用ガラスペーストがある。

絶縁保護層９は、これらガラス系のペーストをスクリーン印刷等により塗布、焼成することにより形成することができる。図１に示す保護素子１では、絶縁保護層９は、絶縁基板２の表面２ａに形成された発熱体３を覆うように形成されている。

絶縁保護層９の厚さは、ガラスペースト等の材料の塗布性や、求められるヒューズエレメント７の遮断時間に応じて適宜設定され、例えば１０μｍ以上４０μｍ以下とされ、好ましくは２０μｍ以上４０μｍ以下とされる。

［ヒューズエレメント］
次いで、ヒューズエレメント７について説明する。ヒューズエレメント７は、第１及び第２の電極４，５間にわたって実装され、発熱体３の通電による発熱、又は定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断し、第１の電極４と第２の電極５との間の電流経路を遮断するものである。ヒューズエレメント７は、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６上に接続導体８を介して接続される。

ヒューズエレメント７は、発熱体３の通電による発熱、又は過電流状態によって溶融する導電性の材料により形成される。また、上述したように、ヒューズエレメント７は、鉛を含有せず、且つ液相点がリフロー加熱温度（２６０℃）よりも高い材料組成の合金により形成されている。すなわち、ヒューズエレメント７は、リフロー加熱温度において溶融しない。したがって、ヒューズエレメント７は、リフロー工程においても溶断することなく、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６とヒューズエレメント７との接続や保護素子１の外部回路基板上への実装を、リフローによって効率よく行うことができる。

また、ヒューズエレメント７は、液相点がリフロー加熱温度（２６０℃）よりも高い材料組成の合金により形成されているが、液相点がリフロー温度よりも低い低融点金属を高融点金属で被覆する構造と異なり、リフロー工程において高融点金属層に被覆された低融点金属が流動して変形が生じることもなく、変形に伴う速溶断特性への影響もない。

ヒューズエレメント７の材料としては、例えばＳｎ－Ｃｕ系はんだやＳｎ－Ｓｂ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ等のスズベースの合金が挙げられ、具体的には、Ｓｎ－Ｓｂ１０（固相点：２４６℃／液相点２７２℃）、Ｓｎ－Ｃｕ７．０（固相点：２２７℃／液相点：約４００℃）、Ｓｎ－Ｓｂ３５－Ｃｕ５－Ａｇ５（固相点：３００℃／液相点：約３５０℃）を好適に用いることができる。特にＳｂを含むことで液相点及び固相点を所望の範囲に調整することが容易となる。

ヒューズエレメント７は、液相線温度が４００℃以下であることが好ましい。液相線温度が４００℃を超えると、溶断するまでに要する時間が延びてしまう他、発熱体３がヒューズエレメント７の溶断よりも先に損傷する恐れが生じ得る。

なお、ヒューズエレメント７は任意の形状を採り得るが、小型化と定格の向上の観点から、図１に示すように矩形板状に形成されることが好ましい。また、保護素子１は、第１の電極４～第２の電極５にかけて１つのヒューズエレメント７を搭載してもよく、図３に示すように、第１の電極４と発熱体引出電極６との間及び発熱体引出電極６と第２の電極５との間にそれぞれヒューズエレメント７を搭載してもよい。さらに、第１の電極４～第２の電極５にかけて複数のヒューズエレメント７を並列して搭載してもよく、第１の電極４と発熱体引出電極６との間、発熱体引出電極６と第２の電極５との間にそれぞれ複数のヒューズエレメント７を並列して搭載してもよい。

ヒューズエレメント７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、ヒューズエレメント７は、定格よりも高い値の電流が流れると、自己発熱によって溶断し、第１、第２の電極４，５間の電流経路を遮断する。また、ヒューズエレメント７は、発熱体３が通電され発熱することにより溶融し、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６上に溶融導体の引き込み作用を伴って凝集することにより、各電極間で溶断するため、第１、第２の電極４，５間の電流経路を遮断する。

なお、ヒューズエレメント７は、酸化防止、及び溶断時の濡れ性の向上等のため、フラックスを塗布してもよい。また、保護素子１は、絶縁基板２がケース３０に覆われることによりその内部が保護されている。ケース３０は、例えば、各種エンジニアリングプラスチック、熱可塑性プラスチック、セラミックス、ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成することができる。また、ケース３０は、絶縁基板２の表面２ａ上に、ヒューズエレメント７が溶融時に球状に膨張し、溶融導体７ａが発熱体引出電極６や第１、第２の電極４，５上に凝集するのに十分な内部空間を有する。

［回路構成例］
次いで、保護素子１が適用されたリチウムイオン二次電池の回路構成例について説明する。なお、本技術は以下の構成に限定されるものではない。保護素子１は、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック２０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック２０は、複数の、例えば図４に示すように、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル２１ａ～２１ｄからなるバッテリスタック２５を有する。

バッテリパック２０は、バッテリスタック２５と、バッテリスタック２５の充放電を制御する充放電制御回路２６と、バッテリスタック２５の異常時に充放電経路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２１ａ～２１ｄの電圧を検出する検出回路２７と、検出回路２７の検出結果に応じて保護素子１の動作を制御するスイッチ素子となる電流制御素子２８とを備える。

バッテリスタック２５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２１ａ～２１ｄが直列接続されたものであり、バッテリパック２０の正極端子２０ａ、負極端子２０ｂを介して、着脱可能に充電装置２２に接続され、充電装置２２からの充電電圧が印加される。充電装置２２により充電されたバッテリパック２０は、正極端子２０ａ、負極端子２０ｂ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２６は、バッテリスタック２５と充電装置２２との間の電流経路に直列接続された２つの電流制御素子２３ａ、２３ｂと、これらの電流制御素子２３ａ、２３ｂの動作を制御する制御部２４とを備える。電流制御素子２３ａ、２３ｂは、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという。）により構成され、制御部２４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２５の電流経路の充電方向及び／又は放電方向への導通と遮断とを制御する。制御部２４は、充電装置２２から電力供給を受けて動作し、検出回路２７による検出結果に応じて、バッテリスタック２５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２３ａ、２３ｂの動作を制御する。

保護素子１は、例えば、バッテリスタック２５と充放電制御回路２６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２８によって制御される。

検出回路２７は、各バッテリセル２１ａ～２１ｄと接続され、各バッテリセル２１ａ～２１ｄの電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路２６の制御部２４に供給する。また、検出回路２７は、バッテリセル２１ａ～２１ｄのいずれか１つ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２８を制御する制御信号を出力する。

電流制御素子２８は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路２７から出力される検出信号によって、バッテリセル２１ａ～２１ｄ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２５の充放電電流経路を電流制御素子２３ａ、２３ｂ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２０に用いられる、本発明が適用された保護素子１は、図５に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１は、第１の外部接続電極１１がバッテリスタック２５側と接続され、第２の外部接続電極１２が正極端子２０ａ側と接続され、これによりヒューズエレメント７がバッテリスタック２５の充放電経路上に直列に接続される。また、保護素子１は、発熱体３が発熱体電極１７及び第３の外部接続電極１３を介して電流制御素子２８と接続されるとともに、発熱体３がバッテリスタック２５と接続される。このように、発熱体３は、一端を発熱体引出電極６を介してヒューズエレメント７及びバッテリスタック２５の一端と接続され、他端を発熱体電極１７及び第３の外部接続電極１３を介して電流制御素子２８及びバッテリスタック２５の他端と接続される。これにより電流制御素子２８によって通電が制御可能な発熱体３への給電経路が形成される。

［保護素子の動作］
検出回路２７がバッテリセル２１ａ～２１ｄのいずれかの異常電圧を検出すると、電流制御素子２８へ遮断信号を出力する。すると、電流制御素子２８は、発熱体３に通電するよう電流を制御する。保護素子１は、バッテリスタック２５から、発熱体３に電流が流れ、これにより発熱体３が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体３の発熱によりヒューズエレメント７が溶断し、バッテリスタック２５の充放電経路を遮断する。

ヒューズエレメント７の溶融導体７ａは、第１の電極４、第２の電極５、及び発熱体引出電極６に形成された接続部８に凝集し、各電極間が遮断される（図２）。このとき、溶融導体７ａは、第１の電極４、第２の電極５、及び発熱体引出電極６上に凝集するように、積極的に張力が作用し、速やかに第１の電極４と発熱体引出電極６との間、及び第２の電極５と発熱体引出電極６との間を溶断することができる。

また、ヒューズエレメント７は、液相点がリフロー加熱温度（２６０℃）よりも高い材料組成の合金により形成されているため、液相点がリフロー温度よりも低い低融点金属を高融点金属で被覆する構造と異なり、リフローによってもヒューズエレメント７の変形に伴う速溶断特性への影響もなく、所定の時間内で溶断し、電流経路を遮断することができる。このように、ヒューズエレメント７の速やかな溶断が可能となることで、発熱体３がヒューズエレメント７の溶断よりも先に損傷することも防止することができ、安全かつ速やかに電流経路を遮断できる。

保護素子１は、ヒューズエレメント７が溶断することにより、発熱体３への給電経路も遮断されるため、発熱体３の発熱が停止される。

なお、保護素子１は、バッテリパック２０に定格を超える過電流が通電された場合にも、ヒューズエレメント７が自己発熱により溶融し、バッテリパック２０の充放電経路を遮断することができる。

本発明に係る保護素子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、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応用可能である。

［変形例１］
本技術が適用された保護素子の変形例について説明する。なお、以下の説明において上述した保護素子１と同じ部材については同一の符号を付してその詳細を省略することがある。図６に示す保護素子４０は、絶縁基板２の裏面２ｂに発熱体３、発熱体電極１７、中間電極１４、及び絶縁保護層９を形成したものであり、その他の構成は上述した保護素子１と同様である。

発熱体電極１７及び中間電極１４は、絶縁基板２の裏面２ｂの第１、第２の電極４，５が設けられた側縁と異なる相対向する側縁に形成されている。発熱体電極１７は、発熱体３への給電電極であるとともに外部接続電極として機能し、保護素子４０が外部回路に実装されることにより、電流制御素子２８と接続される。

中間電極１４は、発熱体３と絶縁基板２の表面２ａに設けられた発熱体引出電極６との間に設けられる電極であり、発熱体３の他端部３ｂと接続されるとともに、キャスタレーションを介して絶縁基板２の表面２ａに形成された発熱体引出電極６と接続されている。

なお、図７に示すように、保護素子は、絶縁基板２の裏面２ｂに発熱体３を設けるとともに、発熱体３への給電経路とヒューズエレメント７の電流経路を独立して形成してもよい。図７（Ａ）に示す保護素子５０は、発熱体引出電極６を省略しているが、中間電極１４と非接続の発熱体引出電極６を形成してもよい。保護素子５０は、発熱体引出電極６を省略することにより、ヒューズエレメント７の通電経路と、発熱体３の通電経路を分けている。絶縁基板２の裏面２ｂに設けられた発熱体３は、一端を発熱体電極１７と接続され、他端を中間電極１４と接続されている。

図８は、保護素子５０の回路構成を示す図である。保護素子５０は、外部回路に実装されることにより、第１の外部接続電極１１がバッテリスタック２５側と接続され、第２の外部接続電極１２が正極端子２０ａ側と接続され、これによりヒューズエレメント７がバッテリスタック２５の充放電経路上に直列に接続される。発熱体３は、発熱体電極１７を介して電流制御素子２８と接続されるとともに、バッテリスタック２５と接続される。また、発熱体３は、中間電極１４を介して図示しないアースと接続される。これにより電流制御素子２８によって通電が制御可能な発熱体３への給電経路が形成される。保護素子５０は、ヒューズエレメント７が溶断すると、これを検知した検出回路２７及び電流制御素子２８によって発熱体３への通電が停止される。

［変形例２］
次いで、本技術が適用された保護素子の他の変形例について説明する。なお、以下の説明において上述した保護素子１，４０，５０と同じ部材については同一の符号を付してその詳細を省略することがある。図９に示すように、本技術が適用された保護素子６０は、発熱体３を形成せずに、過電流によるヒューズエレメント７の自己発熱によって電流経路を遮断するものである。

保護素子６０は、外部回路基板にリフロー実装されることにより、第１の外部接続電極１１がバッテリスタック２５側と接続され、第２の外部接続電極１２が正極端子２０ａ側と接続され、これによりヒューズエレメント７がバッテリスタック２５の充放電経路上に直列に接続される。

上述した保護素子４０，５０，６０においても、接続導体８は、ヒューズエレメント７の液相点より液相点が低く、且つリフロー加熱温度を下回る固相点を持つ材料であるため、リフロー加熱温度において少なくともある程度溶融した状態で、好ましくは完全に溶融した状態で、ヒューズエレメント７と第１、第２の電極４，５や発熱体引出電極６との接続に供される。これにより、接続導体８は、第１、第２の電極４，５上や発熱体引出電極６上に濡れ広がるとともに、ヒューズエレメント７と第１、第２の電極４，５や発熱体引出電極６との間に充填され、電気的、機械的に接続することができる。

また、保護素子４０，５０，６０においても、ヒューズエレメント７として、鉛を用いず、且つ液相点がリフロー加熱温度よりも高い材料組成の合金を用いることで、環境負荷の低減を図りつつ、速溶断性にも優れる。また、ヒューズエレメント７として、金などの高価な金属を使用することなく、環境負荷の低減と速溶断性の維持の両立が可能となり、低コスト化も図ることができる。

１ 保護素子、２ 絶縁基板、３ 発熱体、４ 第１の電極、５ 第２の電極、６ 発熱体引出電極、７ ヒューズエレメント、８ 接続導体、９ 絶縁保護層、１１ 第１の外部接続電極、１２ 第２の外部接続電極、１３ 第３の外部接続電極、１４ 中間電極、１７ 発熱体電極、２０ バッテリパック、２１ バッテリセル、２２ 充電装置、２３ 電流制御素子、２４ 制御部、２５ バッテリスタック、２６ 充放電制御回路、２７ 検出回路、２８ 電流制御素子、３０ ケース、４０ 保護素子、５０ 保護素子、６０ 保護素子

Claims (6)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極の面上に配置されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間を電気的に接続するヒューズエレメントと、
   前記第１の電極及び前記第２の電極と前記ヒューズエレメントとを接続する接続導体とを備え、
   前記ヒューズエレメントは、鉛フリーの導体からなり、且つ液相点がリフロー加熱温度よりも高く、
   前記接続導体は、前記ヒューズエレメントの液相点より液相点が低く、且つリフロー加熱温度を下回る固相点を持つ、
   保護素子。
2. 前記ヒューズエレメントは、液相線温度が４００℃以下である、請求項１に記載の保護素子。
3. 前記ヒューズエレメントは、Ｓｎ－Ｃｕ系又はＳｎ－Ｓｂ－Ａｇ－Ｃｕ系の合金である、請求項２に記載の保護素子。
4. 前記接続導体は、Ｓｎ－Ｃｕ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系又はＳｎ－Ｓｂ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ合金である、請求項１～３のいずれか１項に記載の保護素子。
5. 前記絶縁基板に設けられた発熱体と、
   前記発熱体の一端と接続された発熱体電極と、
   前記発熱体の他端と接続された中間電極と、
   少なくとも前記発熱体を被覆する絶縁保護層と、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に設けられ、前記中間電極と接続された発熱体引出電極とを備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の保護素子。
6. 外部回路基板に設けられた端子に接続される外部接続電極を有し、前記外部回路基板に表面実装可能とされている、請求項１～３のいずれか１項に記載の保護素子。
   

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