JP2024035140A - ヒューズ合金および保護素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐リフロー性を有し、かつ、リフロー後も低い電気抵抗を維持でき、単一合金からなる鉛フリー・ヒューズエレメントを備えた保護素子を提供する。【解決手段】絶縁基板と、前記絶縁基板に設けた第１電極および第２電極と、少なくとも前記第１電極および前記第２電極の間を電気接続したヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスとを備え、前記ヒューズエレメントは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕの３元合金からなり、その銀含有量が２０から３０質量％、銅含有量が２から１０質量％、残部がＳｎで構成された保護素子。【選択図】図１
Description
本発明は、ヒューズ合金および電気・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。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する。
例えば、特許文献１などに記載されるように、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を積層して成るヒューズエレメント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界面張力で付着させて一定時間溶断しないように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がリフローはんだ付け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て薄層化しているので、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。
二次電池に使用される保護素子は表面実装部品となっている。このため、前記保護素子に用いられるヒューズエレメントは、リフローはんだ付けで溶断しないようにする必要があり、特に両面実装のため2回の高温リフローはんだ付けも耐える必要がある。従来の鉛フリーはんだ合金を用いた耐リフロー性のヒューズエレメントは、ヒューズエレメントが完全に液相となる温度に達する前に、固相と液相が共存する固液共存温度帯を経て溶断するが、保護素子を回路基板にリフローはんだ付けによって表面実装する際、固液共存温度帯でヒューズエレメントが変形してしまう不具合があった。ヒューズエレメントには溶断動作を保証するフラックスが塗布されている。通常、動作温度付近ではフラックスは液状化して流動し易くなるが、ヒューズ動作が完了するまでヒューズエレメント上に必要量のフラックスを保持することが重要となる。しかしながら、変形したヒューズエレメントは、ヒューズが動作する前にヒューズエレメントの変形箇所を起点にフラックスが流失してしまうことがあり、安定した動作を妨げることがあった。
また、一般に保護素子に用いられるヒューズエレメントは、高電流化への対応や充電池の待機エネルギーロス等の観点から、なるべく電気抵抗値の低い材料を用いることが好ましい。しかしながら、鉛フリー組成のヒューズエレメントに利用できるはんだ合金や金属元素は限られており、従来、単一組成の易融合金や金属材で耐リフロー性を有しかつ所望する低電気抵抗値を同時に満足し、環境や人体への影響が軽少なものは極めて少なく、実用を満足するものがなかった。
鉛フリー組成のはんだ合金としてはＳｎ基合金、特にＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系の３元合金が代表的であるが、このＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系の３元合金において高温リフローのはんだ付けにも耐え得る耐リフロー性を発揮させることは、ＮＥＤＯ等の鉛フリー産学官共同プロジェクト等においても実現できておらず、国内外のはんだメーカの努力にも関わらず、その実現が非常に困難であった。
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、回路保護素子において、耐リフロー性を有しかつリフロー後も低い電気抵抗を維持でき、同時に環境や人体への影響が極めて少ない単一合金からなる新規ヒューズエレメントおよびそのヒューズエレメントを備えた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第１電極および第２電極と、少なくとも前記第１電極および前記第２電極の間を電気接続したヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスとを備え、前記ヒューズエレメントは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕの３元合金からなり、その銀含有量が２０から３０質量％、銅含有量が２から１０質量％、残部がＳｎで構成されたことを特徴とする保護素子が提供される。前記ヒューズエレメントは、冶金上不可避な微量元素（不可避不純物）を含有してもよい。一方でヒューズエレメントは、例えばリン、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、インジウム、ガリウム、ゲルマニウム、コバルト等の還元性元素を微量含んでいてもよく、例えば０．００１質量％未満（０質量％を含む）含んでいてもよい。ヒューズエレメントは、還元性元素を含まないのが好ましい。またヒューズエレメントは、還元性元素以外の元素を微量含んでいてもよく、例えば、１質量％未満で含んでいてもよい。
本発明の保護素子は、必要に応じて前記絶縁基板に発熱素子をさらに設けて、この発熱素子に通電できるようにして、前記ヒューズエレメントを加熱して必要なときに溶断動作できるようにしてもよい。すなわち、絶縁基板と、この絶縁基板に設けた第１電極および第２電極と、通電により発熱する発熱素子と、この発熱素子に通電するために設けた通電電極と、前記第１電極、前記第２電極、前記通電電極の間を電気接続したヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスとを備え、前記ヒューズエレメントは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕの３元合金からなり、その銀含有量が２０から３０質量％、銅含有量が２から１０質量％、残部がＳｎで構成されたことを特徴とする保護素子が提供される。同保護素子は、必要に応じて絶縁基板の発熱素子に通電でき、前記ヒューズエレメントを加熱して必要なときに溶断動作できるように構成されている。
本発明のヒューズエレメントは、上述した合金組成範囲のものを使うことで、固液共存温度帯を有する合金であるにもかかわらず単一合金材で耐リフロー性のヒューズエレメントとして利用でき、リフロー後もヒューズエレメントの変形を抑止することで、低電気抵抗を維持しかつヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスの流失を防止しフラックスを保持することができる。Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ３元系合金自体は周知の合金系であるが、前記ヒューズエレメントとして特定組成のＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ３元合金を適用したときに顕著な効果がある。前記ヒューズエレメントは、固相線温度が２１７℃と、一般的なリフロー温度より低いが、液相線温度が３８０℃付近で有りリフロー耐性を満足できる。銀含有量を２０から３０質量％とし、銅を６±４質量％添加し残部を錫とすることにより、リフロー時の固相残存率が上昇することで、従来よりもリフロー耐性が向上する。また前記ヒューズエレメントを構成するＳｎ－Ａｇ－Ｃｕの３元合金は、銀含有量が２２質量％以上、２５質量％以下であることが好ましく、また銅含有量が４質量％以上、８質量％以下であることが好ましい。このような好ましい構成であれば、リフロー時の固相残存率をより向上させて耐リフロー性をより向上させ、その一方で液相線が上がり過ぎないためより優れた溶断特性を発揮できるようになる。ここで固相残存率とは、該当温度における液相に対する固相の割合のことをいう。前記ヒューズエレメントの場合、固相残存率は上昇するが、液相線は上昇しないため耐変形性と溶断性が極めて良好となる。その理由については充分に解明できていないが、ヒューズエレメントに組成範囲内の上記合金材を利用することで、該合金を構成する金属元素の錫、銀、銅いずれかの金属間化合物等の析出強化または晶出強化により、耐熱形状安定性が向上しているものと推定される。前記ヒューズエレメントは、必要に応じて前記ヒューズエレメントを前記絶縁基板に設けた所望の電極に接合する目的ため、接合する電極面と対向する側の面の一部または全部に、接合金属層を設けてもよい。接合金属層は、その溶融温度がヒューズエレメントより低い金属ならば何れの合金材、はんだ材、ろう材または金属材を用いてもよい。
本開示の一実施形態に係る保護素子によれば、ヒューズエレメントは、環境や人体への影響が軽少な単一合金からなり、耐リフロー性を有し、リフロー後も同ヒューズエレメントの変形を抑止することで、低電気抵抗を維持しかつヒューズエレメント上に塗布したフラックスの流失を防止しフラックスを保持する。
本発明の一態様によると、絶縁基板と、この絶縁基板に設けた第１電極および第２電極と、少なくとも前記第１電極および前記第２電極の間を電気接続したヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスとを備え、前記ヒューズエレメントは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕの３元合金からなり、その銀含有量が２０から３０質量％、銅含有量が２から１０質量％、残部がＳｎで構成されたことを特徴とする保護素子が提供される。同保護素子は、表面実装に適用可能な保護素子であって、前記ヒューズエレメントは、上述した合金組成範囲のものを使うことで、単一合金材で耐リフロー性のヒューズエレメントとして利用でき、リフロー後もヒューズエレメントの変形を抑止することで、低電気抵抗を維持しかつヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスの流失を防止しフラックスを保持することができる。前記ヒューズエレメントは、必要に応じて前記ヒューズエレメントを前記絶縁基板に設けた第１電極および第２電極に接合する目的ため、前記ヒューズエレメントを接合する電極面と対向する側のヒューズエレメント平面の一部または全部に、接合金属層を設けてもよい。この接合金属層は、その溶融温度がヒューズエレメントより低い金属ならば何れの合金材、はんだ材、ろう材または金属材を用いてもよい。例えば、半田合金としてBal.Ｓｎ－３．0Ａｇ－０．５Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）のはんだ合金、Bal.Ｓｎ－０．７５Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）のはんだ合金等がある。これらの接合合金層は、冶金上不可避な微量元素（不可避不純物）を含有してもよい。また接合合金層は、例えばリン、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、インジウム、ガリウム、ゲルマニウム、コバルト等の還元性元素を微量含んでいてもよく、例えば０．００１質量％未満（０質量％を含む）含んでいてもよい。接合合金層は、還元性元素を含まないのが好ましい。また接合合金層は、還元性元素以外の元素を微量含んでいてもよく、例えば、１質量％未満で含んでいてもよい。
本発明の別の一形態によると、絶縁基板と、この絶縁基板に設けた第１電極および第２電極と、通電により発熱する発熱素子と、この発熱素子に通電するために設けた通電電極と、前記第１電極、前記第２電極、前記通電電極の間を電気接続したヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスとを備え、前記ヒューズエレメントは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕの３元合金からなり、その銀含有量が２０から３０質量％、銅含有量が２から１０質量％、残部がＳｎで構成されたことを特徴とする保護素子が提供される。同保護素子は、必要に応じて絶縁基板の発熱素子に通電でき、前記ヒューズエレメントを加熱して必要なときに溶断動作できるように構成されている。本発明のヒューズエレメントは、上述した合金組成範囲のものを使うことで、単一合金材で耐リフロー性のヒューズエレメントとして利用でき、リフロー後もヒューズエレメントの変形を抑止することで、低電気抵抗を維持しかつヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスの流失を防止しフラックスを保持することができる。前記ヒューズエレメントは、必要に応じて前記ヒューズエレメントを前記絶縁基板に設けた第１電極および第２電極と通電電極とに接合する目的ため、前記ヒューズエレメントを接合する電極面と対向する側のヒューズエレメント平面の一部または全部に、接合金属層を設けてもよい。前記接合金属層は、その溶融温度がヒューズエレメントより低い金属ならば何れの合金材、はんだ材、ろう材または金属材を用いてもよい。例えば、半田合金としてBal.Ｓｎ－３．0Ａｇ－０．５Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）のはんだ合金がある。
本発明の一実施形態に係わる保護素子は、ヒューズエレメントとフラックスとを覆って絶縁基板に固着したキャップ状蓋体を取り付けてもよい。第１電極および第２電極または通電電極は、外部部品と接続するために絶縁基板を挟んで同基板の反対側に設けたパッド電極と電気接続してもよい。前記電気接続の手段は、電気的に接続できれば何れの方法を用いてもよく、例えば表面配線、スルーホール（ビア、ハーフ・スルーホールを含む）などを用いてもよい。
本発明の一実施形態に係わる接合金属層は、予めヒューズエレメントとクラッドなどで一体に張り合わせて設けてもよい。左記の場合は、接合作業に際してヒューズエレメントの接合金属層面と電極表面が対向するように直に電極上に載置し、そのまま加熱して接合金属層を溶融させることでヒューズエレメントと電極材とを容易に接合できる。また、接合作業時にヒューズエレメントの必要箇所にはんだペーストを塗布し、前記はんだペーストを溶融させて接合金属層を形成させると同時にヒューズエレメントと電極材とを接合させてもよい。換言すると、本発明のヒューズエレメントは、外部の電極に接合して使用されるが、前記電極を接合する側の面に前記ヒューズエレメントよりも液相線温度が低い金属材からなる接合金属層をさらに設けてもよい。または、本発明のヒューズエレメントは、該ヒューズエレメントと電極とを接合する接合部分のみに前記ヒューズエレメントよりも液相線温度が低い金属材からなる接合金属層をさらに設けてもよい。前記接合金属層は前記ヒューズエレメントを電極に接合できればよく、前記ヒューズエレメントの厚さ（または体積ないし断面積）に比べて、より小さい膜厚（または体積ないし断面積）でよい。接合金属層としては、ヒューズエレメントを構成する合金材と構成元素が同じである合金材（すなわち、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金）により構成されているのが好ましい。
本発明の一実施形態にかかる単一合金材であるヒューズエレメントと、絶縁基板上の各電極とを接合する方法の例について説明する。なおヒューズエレメントと各電極との接合方法は、これらに限定されるものではない。
例えばヒューズエレメントと各電極とは、リフロー炉に通すことで、液相化した金属層、はんだペースト又ははんだレベラーにより互いに接合させてよい。この場合、リフロー炉のピーク温度は２２０℃～２４０℃であるのが好ましい。
またヒューズエレメントと各電極とは、超音波ホーンを利用した超音波接合、半導体レーザ、グリーンレーザ、YAGレーザ又はＵＶレーザを利用したレーザ接合、抵抗溶接、又は導電性接着剤により接合されてもよい。
また溶融状態のヒューズエレメントを、ディスペンサを用いて電極上に射出又は滴下することで、ヒューズエレメントと各電極とを接合してもよい。
また、メタルマスク印刷を用いて、ペーストを電極上に印刷したのち、リフロー炉に通すことで、ヒューズエレメントを形成してもよい。
例えばヒューズエレメントと各電極とは、リフロー炉に通すことで、液相化した金属層、はんだペースト又ははんだレベラーにより互いに接合させてよい。この場合、リフロー炉のピーク温度は２２０℃～２４０℃であるのが好ましい。
またヒューズエレメントと各電極とは、超音波ホーンを利用した超音波接合、半導体レーザ、グリーンレーザ、YAGレーザ又はＵＶレーザを利用したレーザ接合、抵抗溶接、又は導電性接着剤により接合されてもよい。
また溶融状態のヒューズエレメントを、ディスペンサを用いて電極上に射出又は滴下することで、ヒューズエレメントと各電極とを接合してもよい。
また、メタルマスク印刷を用いて、ペーストを電極上に印刷したのち、リフロー炉に通すことで、ヒューズエレメントを形成してもよい。
本発明の一実施形態に係わるヒューズエレメントは、環境や人体への影響が軽微な低電気抵抗の単一合金からなり、数回のリフローはんだ付けに耐え、リフロー後も同ヒューズエレメントの変形を防止でき、以ってヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスの流失を防止しフラックスを保持する。
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・セラミック製の絶縁基板１１と、絶縁基板１１に設けた銀合金製の第１電極１２および第２電極１３と、少なくとも第１電極１２および第２電極１３の間を電気接続したヒューズエレメント１６と、ヒューズエレメント１６の溶断動作を補助するフラックスを備え、前記ヒューズエレメント１６は、フラックス（図示せず）を表面に塗布したBal.Ｓｎ－３０Ａｇ－１０Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）の３元合金の平板で構成されたことを特徴とする。前記ヒューズエレメント１６には、必要に応じてヒューズエレメント１６を絶縁基板１１に設けた第１電極１２および第２電極１３にはんだ接合する目的ため、ヒューズエレメント１６を接合する第１電極１２および第２電極１３の電極面と対向する側のヒューズエレメント平面の一部または全部に、接合金属層（図示せず）を設けてもよい。この接合金属層は、その溶融温度がヒューズエレメントより低い半田合金のBal.Ｓｎ－３．0Ａｇ－０．５Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）からなる。保護素子１０には、ヒューズエレメント１６とフラックスとを覆って絶縁基板１１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体１００が取り付けられている。第１電極１２および第２電極１３は、外部部品と接続するために絶縁基板１１を挟んで反対面に設けられたパッド電極１１０にスルーホールで接続されている。
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・セラミック製の絶縁基板２１と、絶縁基板２１に設けた銀合金製の第１電極２１および第２電極２３と、絶縁基板２１に設けられ必要なときにヒューズを動作できるように通電により発熱する抵抗体からなる発熱素子２４と、発熱素子２４に通電するために設けた銀合金製の通電電極２５と、第１電極２２ならびに第２電極２３および通電電極２５の間を電気接続し、かつ発熱素子２４の設置面とは異なる基板面に設けたヒューズエレメント２６と、ヒューズエレメント２６の溶断動作を補助するフラックスを備え、ヒューズエレメント２６は、フラックス（図示せず）を表面に塗布したBal.Ｓｎ－３０Ａｇ－１０Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）の３元合金の平板で構成されたことを特徴とする。保護素子２０には、ヒューズエレメント２６とフラックスとを覆って絶縁基板２１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体２００が取り付けられている。第１電極２２ならびに第２電極２３および通電電極２５は、外部部品と接続するために絶縁基板２１を挟んで反対側に設けられたパッド電極２１０にスルーホールで接続されている。
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・セラミック製の絶縁基板３１と、絶縁基板３１に設けた銀合金製の第１電極３２および第２電極３３と、絶縁基板３１に設けられ必要なときにヒューズを動作できるように通電により発熱する抵抗体からなる発熱素子３４と、発熱素子３４に通電するために設けた銀合金製の通電電極３５と、第１電極３２ならびに第２電極３３および通電電極３５の間を電気接続し、かつ発熱素子３４の設置面とは異なる基板面に設けたヒューズエレメント３６と、ヒューズエレメント３６の溶断動作を補助するフラックスを備え、ヒューズエレメント３６は、フラックス（図示せず）を表面に塗布したBal.Ｓｎ－２０Ａｇ－２Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）の３元合金の平板で構成され、第１電極３２ならびに第２電極３３および通電電極３５と対向した前記平板の平面にヒューズエレメント３６よりも液相線温度が低く、かつ厚みがより薄いはんだ合金のBal.Ｓｎ－３．0Ａｇ－０．５Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）からなる接合金属層３７をクラッドでさらに設け、この接合金属層３７を挟んで第１電極３２ならびに第２電極３３および通電電極３５の間を電気接続したことを特徴とする。保護素子３０には、ヒューズエレメント３６とフラックスとを覆って絶縁基板３１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体３００が取り付けられている。第１電極３２ならびに第２電極３３および通電電極３５は、外部部品と接続するために絶縁基板３１を挟んで反対側に設けられたパッド電極３１０にスルーホールで接続されている。
本発明に係る実施例４の保護素子４０は、図４に示すように、アルミナ・セラミック製の絶縁基板４１と、絶縁基板４１に設けた銀合金製の第１電極４２および第２電極４３と、絶縁基板４１に設けられ必要なときにヒューズを動作できるように通電により発熱する抵抗体からなる発熱素子４４と、発熱素子４４に通電するために設けた銀合金製の通電電極４５と、第１電極４２ならびに第２電極４３および通電電極４５の間を電気接続し、かつ発熱素子４４の設置面とは異なる基板面に設けたヒューズエレメント４６と、ヒューズエレメント４６の溶断動作を補助するフラックスを備え、ヒューズエレメント４６は、フラックス（図示せず）を表面に塗布したBal.Ｓｎ－２０Ａｇ－１０Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）の３元合金の平板で構成され、第１電極４２ならびに第２電極４３および通電電極４５との各接合面にヒューズエレメント４６よりも液相線温度が低いはんだ合金のBal.Ｓｎ－３．0Ａｇ－０．５Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）からなる接合用半田合金４７層をさらに設け、接合金属層４７を挟んで第１電極４２ならびに第２電極４３および通電電極４５の間を電気接続したことを特徴とする。保護素子４０には、ヒューズエレメント４６とフラックスとを覆って絶縁基板４１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体４００が取り付けられている。第１電極４２ならびに第２電極４３および通電電極４５は、外部部品と接続するために絶縁基板４１を挟んで反対側に設けられたパッド電極４１０にスルーホールで接続されている。
本発明に係る実施例５の保護素子５０は、図５に示すように、アルミナ・セラミック製の絶縁基板５１と、絶縁基板５１に設けた銀合金製の第１電極５２および第２電極５３と、絶縁基板５１に設けられ必要なときにヒューズを動作できるように通電により発熱する抵抗体からなる発熱素子５４と、発熱素子５４に通電するために設けた銀合金製の通電電極５５と、第１電極５２ならびに第２電極５３および通電電極５５の間を電気接続し、かつ発熱素子５４の設置面と同じ基板面に設けたヒューズエレメント５６とを備え、ヒューズエレメント５６は、フラックス（図示せず）を表面に塗布したBal.Ｓｎ－３０Ａｇ－１０Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）の３元合金の平板で構成されたことを特徴とする。保護素子５０には、ヒューズエレメント５６とフラックスとを覆って絶縁基板５１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体５００が取り付けられている。第１電極５２ならびに第２電極５３および通電電極５５は、外部部品と接続するために絶縁基板５１を挟んで反対側に設けられたパッド電極５１０にスルーホールで接続されている。
本発明に係る実施例６の保護素子６０は、図６に示すように、アルミナ・セラミック製の絶縁基板６１と、絶縁基板６１に設けた銀合金製の第１電極６２および第２電極６３と、絶縁基板６１に設けられ必要なときにヒューズを動作できるように通電により発熱する抵抗体からなる発熱素子６４と、発熱素子６４に通電するために設けた銀合金製の通電電極６５と、第１電極６２ならびに第２電極６３および通電電極６５の間を電気接続し、かつ発熱素子６４の設置面と同じ基板面に設けたヒューズエレメント６６とを備え、ヒューズエレメント６６は、フラックス（図示せず）を表面に塗布したBal.Ｓｎ－２０Ａｇ－２Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）の３元合金の平板で構成され、第１電極６２ならびに第２電極６３および通電電極６５と対向した前記平板の平面にヒューズエレメント６６よりも液相線温度が低く、かつ厚みがより薄いはんだ合金のBal.Ｓｎ－３．0Ａｇ－０．５Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）からなる接合金属層６７をクラッドでさらに設け、接合金属層６７を挟んで第１電極６２ならびに第２電極６３および通電電極６５の間を電気接続したことを特徴とする。保護素子６０には、ヒューズエレメント６６とフラックスとを覆って絶縁基板６１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体６００が取り付けられている。第１電極６２ならびに第２電極６３および通電電極６５は、外部部品と接続するために絶縁基板６１を挟んで反対側に設けられたパッド電極６１０にスルーホールで接続されている。
本発明に係る実施例７の保護素子７０は、図７に示すように、アルミナ・セラミック製の絶縁基板７１と、絶縁基板７１に設けた銀合金製の第１電極７２および第２電極７３と、絶縁基板７１に設けられ必要なときにヒューズを動作できるように通電により発熱する抵抗体からなる発熱素子７４と、発熱素子７４に通電するために設けた銀合金製の通電電極７５と、第１電極７２ならびに第２電極７３および通電電極７５の間を電気接続し、かつ発熱素子７４の設置面と同じ基板面に設けたヒューズエレメント７６とを備え、ヒューズエレメント７６は、フラックス（図示せず）を表面に塗布したBal.Ｓｎ－２０Ａｇ－１０Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）の３元合金の平板で構成され、第１電極７２ならびに第２電極７３および通電電極７５との各接合面にヒューズエレメント７６よりも液相線温度が低いはんだ合金のBal.Ｓｎ－３．0Ａｇ－０．５Ｃｕ（数値は質量％、Bal.は残部）からなる接合金属層７７をさらに設け、接合金属層７７を挟んで第１電極７２ならびに第２電極７３および通電電極７５の間を電気接続したことを特徴とする。保護素子７０には、ヒューズエレメント７６とフラックスとを覆って絶縁基板７１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体７００が取り付けられている。第１電極７２ならびに第２電極７３および通電電極７５は、外部部品と接続するために絶縁基板７１を挟んで反対側に設けられたパッド電極７１０にスルーホールで接続されている。
また、本発明のヒューズエレメントを構成するＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系合金が、耐リフロー性に優れていることを、シミュレーションを用いた実験により確認した。具体的には、Ａｇ含有量（２０質量％、２１質量％、２２質量％、２３質量％、２４質量％、２５質量％）及びＣｕ含有量（２質量％、４質量％、６質量％、８質量％、１０質量％）が異なる複数のＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系合金について、多元系状態図計算用のソフトウェアを用いて解析し、一般的なリフロー温度である２６０℃における固相残存率と液相線温度とを算出した。その結果を図８に示す。
図８に示すように、Ａｇ含有量が２０質量％～２５質量％であり、Ｃｕ含有量が２質量％～１０質量％であるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系合金はいずれも、液相線温度が２６０℃よりも高く、かつ２６０℃における固相残存率が、０．２以上（２０％以上）であり、優れた耐リフロー性を発揮できることを確認できた。特に、Ａｇ含有量が２２質量％～２５質量％であり、Ｃｕ含有量が４質量％～８質量％であるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系合金は、液相線温度が低く、かつ固相残存率も高く、特に優れた耐リフロー性を発揮することを確認できた。
本発明の電極充填材付き保護素子は、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。
保護素子１０、絶縁基板１１、第１電極１２、第２電極１３、ヒューズエレメント１６、蓋体１００、パッド電極１１０、保護素子２０、絶縁基板２１、第１電極２２、第２電極２３、発熱素子２４、通電電極２５、ヒューズエレメント２６、蓋体２００、パッド電極２１０、保護素子３０、絶縁基板３１、第１電極３２、第２電極３３、発熱素子３４、通電電極３５、ヒューズエレメント３６、接合金属層３７、蓋体３００、パッド電極３１０、保護素子４０、絶縁基板４１、第１電極４２、第２電極４３、発熱素子４４、通電電極４５、ヒューズエレメント４６、接合金属層４７、蓋体４００、パッド電極４１０、保護素子５０、絶縁基板５１、第１電極５２、第２電極５３、発熱素子５４、通電電極５５、ヒューズエレメント５６、蓋体５００、パッド電極５１０、保護素子６０、絶縁基板６１、第１電極６２、第２電極６３、発熱素子６４、通電電極６５、ヒューズエレメント６６、接合金属層６７、蓋体６００、パッド電極６１０、保護素子７０、絶縁基板７１、第１電極７２、第２電極７３、発熱素子７４、通電電極７５、ヒューズエレメント７６、接合金属層７７、蓋体７００、パッド電極７１０。
Claims (11)
- Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕの３元合金からなり、その銀含有量が２０から３０質量％、銅含有量が２から１０質量％、残部がＳｎで構成されたことを特徴とするヒューズエレメント。
- 前記ヒューズエレメントは、前記ヒューズエレメントの電極と接合する面に前記ヒューズエレメントよりも液相線温度が低い金属材からなる接合金属層をさらに設けた請求項１に記載のヒューズエレメント。
- 前記ヒューズエレメントは、前記ヒューズエレメントの電極と接合する部分に前記ヒューズエレメントよりも液相線温度が低い金属材からなる接合金属層をさらに設け請求項１に記載のヒューズエレメント。
- 絶縁基板と、前記絶縁基板に設けた第１電極および第２電極と、少なくとも前記第１電極および前記第２電極の間を電気接続したヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスとを備え、前記ヒューズエレメントは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕの３元合金からなり、その銀含有量が２０から３０質量％、銅含有量が２から１０質量％、残部がＳｎで構成されたことを特徴とする保護素子。
- 前記ヒューズエレメントは、平板で構成され、前記第１電極ならびに前記第２電極と対向した前記平板の平面に前記ヒューズエレメントよりも液相線温度が低い金属材からなる接合金属層をさらに設け、前記接合金属層を挟んで第１電極ならびに第２電極および通電電極の間を電気接続した請求項４に記載の保護素子。
- 前記ヒューズエレメントは、平板で構成され、前記第１電極ならびに第２電極および通電電極との各接合面のみに前記ヒューズエレメントよりも液相線温度が低い金属材からなる接合金属層をさらに設け、前記接合金属層を挟んで前記第１電極ならびに前記第２電極および前記通電電極の間を電気接続した請求項４に記載の保護素子。
- 絶縁基板と、前記絶縁基板に設けた第１電極および第２電極と、通電により発熱する発熱素子と、前記発熱素子に通電するために設けた通電電極と、前記第１電極、前記第２電極、前記通電電極の間を電気接続したヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントの溶断動作を補助するフラックスとを備え、前記ヒューズエレメントは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕの３元合金からなり、その銀含有量が２０から３０質量％、銅含有量が２から１０質量％、残部がＳｎで構成されたことを特徴とする保護素子。
- 前記ヒューズエレメントは、前記発熱素子の設置面とは異なる基板面に設けた請求項７に記載の保護素子。
- 前記ヒューズエレメントは、前記発熱素子の設置面と同じ基板面に設けた請求項７に記載の保護素子。
- 前記ヒューズエレメントは、平板で構成され、前記第１電極ならびに前記第２電極および前記通電電極と対向した前記平板の平面に前記ヒューズエレメントよりも液相線温度が低い金属材からなる接合金属層をさらに設け、前記接合金属層を挟んで第１電極ならびに第２電極および通電電極の間を電気接続した請求項７ないし請求項９の何れか一つに記載の保護素子。
- 前記ヒューズエレメントは、平板で構成され、前記第１電極ならびに第２電極および通電電極との各接合面のみに前記ヒューズエレメントよりも液相線温度が低い金属材からなる接合金属層をさらに設け、前記接合金属層を挟んで前記第１電極ならびに前記第２電極および前記通電電極の間を電気接続した請求項７ないし請求項９の何れか一つに記載の保護素子。
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