JP4196582B2

JP4196582B2 - Electrical fuse element and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4196582B2
Application number: JP2002118877A
Authority: JP
Inventors: 慎輔治田; 信一石飛; 昌孝藤永
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-04-22
Also published as: JP2003317602A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過電流保護用素子として用いられる新規な電気ヒューズ材料およびそれを用いた電気ヒューズ素子に関する。詳しくはＰＴＣ効果を利用せず、定常時の抵抗が小さく異常時の漏れ電流が小さく、応答速度に優れた、繰り返し使用を可能にした電気ヒューズ材料と電気ヒューズ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、過電流を防止する保護素子として電気ヒューズが広く用いられている。電気ヒューズは、電気回路に過大な電流が流れると、金属がジュール熱により溶断して回路を保護する。ヒューズの材料としては、鉛、錫などの低融点金属材料と銅、タングステンなどの非低融点金属材料とに大別され、用途により使い分けられる。またヒューズは、溶断する電流と時間により種類が分けられ、形状によって、糸ヒューズ、板ヒューズ、爪付ヒューズ、筒形ヒューズなどがある。しかしながら、電気ヒューズは過電流により溶断して電流を完全に遮断するが、一旦溶断した後は再度使用することができないという問題がある。
【０００３】
一方、再利用可能な過電流保護素子としては、正の抵抗温度係数を示し、ある温度で抵抗が急激に増加するという特徴（ＰＴＣ特性）を有するＰＴＣサーミスタ材料がある。代表的なＰＴＣ材料としては、チタン酸バリウム系半導体セラミックス材料や結晶性高分子にカーボンブラックなどの導電性粉末を分散させたポリマー系複合材料が知られている。
【０００４】
これらは、過電流発生時にＰＴＣ特性で過電流を抑制し、電子機器の破壊を防止するものであるが、過電流を完全に遮断することができず、その漏れ電流のため素子が発熱状態となり回路に熱的ダメージを与えてしまう。また、大電流用保護素子として利用する場合、定常時において抵抗値が低いことが要求されるが、前記ＰＴＣサーミスタでは低抵抗化によりＰＴＣ特性が劣化してしまい、応答速度が著しく遅れ過電流の抑制が不充分となる。したがってＰＴＣサーミスタ材料では、低抵抗化に限界があり、大電流が流れる用途の保護素子として使用できない。
【０００５】
また、ＰＴＣ特性を有する新しいタイプの過電流保護素子として、本発明者らにより特開平１１−１１１５０７号公報に開示されているように、ビスマス金属を高抵抗の無機材料に分散させた複合材料が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のビスマス金属を高抵抗の無機材料に分散させたＰＴＣ素子は、ビスマス金属粒子が無機材料中で３次元マトリックスを形成し、温度が上昇し、ビスマス金属の融点になるとビスマス金属が溶融しそれに伴い体積が減少し、ビスマス金属粒子間の電気的接続が切れるために抵抗が増大すると考えられている。このタイプのＰＴＣ素子は、従来のＰＴＣサーミスタより定常時の抵抗値が低く、高温時の抵抗値が高い改良されたＰＴＣ素子として提案されている。しかしながら、定常時の抵抗値はまだ十分ではなく、また、温度により作動するため、応答速度がやや遅いという問題がある。また、ビスマス金属等の融点による温度等の制限がある。
【０００７】
本発明は、従来のＰＴＣサーミスタの問題点を解決し、さらに、従来のＰＴＣ素子よりさらに定常時の抵抗値が小さく、電流切断時の漏れ電流が少なく、材料の融点などの温度に影響されず、電流により速い応答速度で作動する新しいタイプの電気ヒューズ材料およびそれを用いた自己修復可能な電気ヒューズ素子を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに詳しくは、定常時の比抵抗値が２．０Ω・ｃｍ以下、異常電流制限時の比抵抗値が１０^５Ω・ｃｍ以上で、電流量による遮断の応答速度が数十ミリ秒以下である電気ヒューズ材料と、それを用いた漏れ電流が０．１ミリアンペア以下の小型で、正常状態に回復した際に再利用可能な自己修復型電気ヒューズ素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、特定の金属または合金からなる導電性物質の粒子を特定の量、電気絶縁性物質に分散させ、かつ該導電性物質の粒子同士が線状の該導電性物質で連結された構造を有する特殊なネットワーク複合組織とすることにより、従来の電気ヒューズとは異なる組織構造で前記導電性物質の融点等の温度に影響されず、過電流に対して敏感に感応して電流を制限し、かつ過電流が除かれた後に自己修復することを見出した。
【００１０】
また本発明のヒューズ素子は、スパッタ法などの薄膜形成プロセスや微細加工プロセスなどの高度な半導体技術を必要とせず一般的で簡便な混合法にて作製できるため、特別な設備も必要でなく製造コストを低減することも可能となる。
【００１１】
本発明は、ビスマス金属またはビスマス基合金からなる導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散した電気ヒューズ材料であり、前記粒子同士が線状の前記導電性物質で連結されており、前記電気ヒューズ材料中の前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％であり、前記導電性物質の融解現象を利用せず電流を遮断することを特徴とする電気ヒューズ材料に関する。
【００１２】
前記電気絶縁性物質は、５００℃以下の軟化点を有する低融点ガラスであることが好ましい。
【００１３】
また、前記線状の前記導電性物質は、１μｍ未満の線幅を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記電気ヒューズ材料を使用した電気ヒューズ素子に関し、その一実施形態は、前記電気ヒューズ材料で形成された電気ヒューズ層と該電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成された一対の電極とを有する電気ヒューズ素子であり、他の一実施形態は、前記電気ヒューズ材料で形成された電気ヒューズ層と、該電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成された導電性保護層と、前記導電性保護層のそれぞれの上に形成された１対の電極とを有する電気ヒューズ素子であって、前記導電性保護層は前記電気ヒューズ層中の導電性物質の溶出を抑える金属または金属と前記絶縁性物質との複合体であることを特徴とする電気ヒューズ素子に関する。
【００１５】
さらに、本発明は、平均粒子径５〜５０μｍの前記導電性物質の粒子と前記絶縁性物質の粒子を、前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％となるように混合し、成形した後、還元性雰囲気下、４００〜５００℃で焼成することを特徴とする前記の電気ヒューズ材料の製造方法に関する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の電気ヒューズ材料は、ビスマス金属またはビスマス基合金からなる導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散した電気ヒューズ材料であり、前記粒子同士が線状の前記導電性物質で連結されたネットワーク構造を有しており、前記電気ヒューズ材料中の前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％であり、前記導電性物質の融解現象を利用せず電流を遮断することを特徴としている。本発明の電気ヒューズ材料により、導通状態では低抵抗であり、かつ異常時では非常に高い絶縁抵抗となり、良好な電流遮断特性を有し、導電性物質の融点などの温度に影響されず、電流量で作動する自己修復型電気ヒューズ素子が得られる。
【００１７】
本発明の電気ヒューズ材料に使われる導電性物質は、ビスマス金属またはビスマス基合金である。前記ビスマス基合金を例示すると、Ｂｉ−Ｐｂ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ｉｎ、Ｂｉ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｉｎ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｄ等である。ビスマス基合金におけるＢｉの量は合金重量に対して４０ｗｔ％以上、特に５０ｗｔ％以上が好ましい。これらの導電性物質は、融解状態で体積収縮を起こす。
【００１８】
本発明の電気ヒューズ材料に使われる絶縁性物質は、電気ヒューズ素子が使用される環境で形状と電気絶縁性を保持する無機材料が好ましい。特に、前記絶縁性物質が、５００℃以下の軟化点を有する低融点ガラスが好ましい。本発明の電気ヒューズ材料は、通常、前記導電性物質の粒子とガラス等の絶縁性物質の粒子を混合し、焼成することにより得られるが、低軟化点のガラスを使用すると、低温度で焼成することが可能であり、ビスマスなどの導電性物質の焼成中の揮発を押さえ、導電性物質が閉じ込められた緻密な材料が得られる。このようなガラスの組成は特に限定されず、所望の性能、用途等に応じて適宜選択することができるが、例えば、ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３、ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ、Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３等のＢ_２Ｏ_３系酸化物、ＳｉＯ_２系酸化物などを挙げることができる。また、ガラス粉末の平均粒子径は特に限定されないが、通常０．１〜１００μｍであるのが、同様な理由から好ましい。
【００１９】
本発明の前記電気ヒューズ材料中の前記導電性物質の含有量は３０〜６０ｗｔ％であり、この範囲内で本発明に適したナノサイズの線状ネットワーク構造が形成される。前記電気ヒューズ材料中の前記導電性物質の含有量が３０ｗｔ％より少ない場合は、ビスマス金属などの融解現象による温度による抵抗変化が大きくなる。また、含有量が少ないほど定常時の抵抗値が高くなり、発熱するという問題が発生する。前記電気ヒューズ材料中の前記導電性物質の含有量が６０ｗｔ％より大きい場合、過電流に対する応答性が著しく低下し、更に含有量が多くなると適度なネットワークを形成せず、電流量による遮断特性を示さなくなる。
【００２０】
本発明の導電性粒子同士は、線状の前記導電性物質で連結されてネットワークを形成している。前記導電性物質の線状組織の線幅は、連結される導電性物質のの粒子径にくらべ細いことが重要である。良好な過電流遮断特性を示すためには、前記線状の前記導電性物質が、１μｍ未満の線幅を有することが好ましい。導電性物質の量が多い場合には、線状導電性物質の線幅が大きくなり電流遮断ができない。また、導電性物質の量が少ない場合には、適度な線状導電性物質が形成されず、融解現象によるＰＴＣ特性を示し、融点以上で使用することができない。
【００２１】
導電性物質の融解現象を利用した過電流保護とは次のような現象をいう。従来のビスマス金属等の導電性粒子を無機材料に分散したＰＴＣ素子では、その導電性粒子は適度な割合で接触してネットワーク構造を形成している。この状態では、金属粒子間に伝導パスが形成されているために低抵抗を示す。次に自己発熱で素子が高温になると、分散している導電性粒子が融点で融解し、急激な体積減少を起こし、導電性粒子のネットワークが除々に切断される。これにより電流値をある程度の漏れ電流のレベルまで制限する。この場合の漏れ電流値は、数百ミリアンペア程度である。
【００２２】
本発明の電気ヒューズ材料またはヒューズ素子は、上記のＰＴＣ素子のような導電性物質の溶解現象を利用するものではなく、温度では電流遮断特性を示さず、過電流でのみ保護機能を発現するものである。これにより、従来材料にくらべ低抵抗で応答速度の速い過電流保護素子を実現できる。また、ビスマス金属またはビスマス基合金の融点以上の温度領域で使用可能であり、保護素子としての用途範囲が格段に広がる。
【００２３】
本発明の電気ヒューズ材料および素子の動作原理は、明確ではないが以下のように推察される。
【００２４】
本発明の電気ヒューズ材料は、導電性粒子間に、局所的にそれらを連結する線状の導電性物質が存在し、これにより導電性物質のネットワークが形成されている。この導電性物質のネットワークに電流が流れることによって、高抵抗な線状導電物質が選択的に発熱し融点以上で体積収縮を伴って融解するが、これだけでは線状導電物質の切断は起こらず、加えて絶縁性物質の急激な熱膨張による応力によって、線状導電物質のネットワークの電気的導通が破れ、その結果として素子の電気抵抗が瞬時に増大し電気絶縁状態に変化し電流をほぼ完全に遮断する。次いで、過電流が除去されると金属ネットワークの温度が低下し、融解金属ネットワークが凝固する際に体積増加して電気的導通を回復する。また、本発明ヒューズ素子が顕著なＰＴＣ特性を示さないことからも、電流遮断特性は前記ＰＴＣ特性にも依存せず、過電流に対して新しい動作原理で過電流保護素子としての機能を発現することが明らかである。
【００２５】
本発明の電気ヒューズ材料は例えば以下のようにして製造できる。まず、ビスマス金属やビスマス基合金などの導電性物質と、ガラスなどの絶縁性物質を、それぞれ、各種ミル等で粉砕し、適度な大きさの粒子とする。導電性物質の粒子の平均径としては５〜５０μｍが好ましい。この様にして粉砕したビスマス金属やビスマス基合金などの導電性物質の粒子とガラスなどの絶縁性物質の粒子を、導電性物質が混合物全体に対し３０〜６０ｗｔ％になるように計量し、均一に分散するように混合して、混合粉とする。
【００２６】
プレス等で成形する場合は、必要に応じてエチルセルロースなどのバインダーを添加し、金型に仕込み、加圧成形する。グリーンシートを作製する場合は、前記の混合粉にトルエン等の溶媒や分散剤、可塑剤等を添加して混合し、ドクターブレード法によりグリーンシートを形成する。
【００２７】
上記の成形体やグリーンシートは、窒素や水素またはそれらの混合物の還元性雰囲気下、電気炉にて焼成される。焼成温度は４００〜５００℃が好ましく、特に４３０〜４７０℃での焼成が好適である。本発明の電気ヒューズ材料の線状の導電性物質を含むネットワークの形成には、焼成時の収縮が必要であり、焼成温度が低いと焼成による収縮が十分でなく、十分な電流遮断特性を示さない。また、焼成温度が高すぎると導電性物質である金属が凝集し巨大球状となり線状の構造ができない傾向がある。
【００２８】
次に、本発明の電気ヒューズ素子について説明する。
【００２９】
本発明の電気ヒューズ素子の一形態は、本発明の電気ヒューズ材料からなる電気ヒューズ層と該電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成された一対の電極を有する電気ヒューズ素子である。電極としては、Ｎｉ，Ａｇなどが好適に用いられる。
【００３０】
本発明の電気ヒューズ素子は、電気ヒューズ材料を上記の方法で焼結した後に、Ｎｉメッキまたは、Ａｇペーストの塗布焼きつけにより電極を形成することで製造できる。
【００３１】
また、本発明の電気ヒューズ素子の他の形態として、前記電気ヒューズ材料で形成された電気ヒューズ層と該電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成された導電性保護層と、前記導電性保護層のそれぞれの上に形成された１対の電極を有する電気ヒューズ素子であって、前記導電性保護層は前記電気ヒューズ層中の導電性物質の溶出を抑える金属または金属と前記絶縁性物質との複合体である電気ヒューズ素子を挙げることが出来る。
【００３２】
導電性保護層は、金属または合金からなる膜、あるいは絶縁性物質に金属または合金を含有させた複合体の層である。この導電性保護層は、焼成時の金属または合金の焼結体外部への溶出による組成変動や電極との反応を防止することにより、製造時の素子特性のばらつきを低減し、さらには素子の安全性や信頼性を格段に向上させる効果がある。導電性保護層の形成方法としては、複合体の場合は、加圧成形法やシート成形法、押し出し成形法などの一般的なセラミックス成形法の他、金属膜の場合は、印刷法やスパッタ法、蒸着法などの膜形成法が挙げられる。
【００３３】
前記金属膜、合金膜あるいは複合体に使用される金属、合金としては、融点が５００℃以上である金属または合金であれば良いが、通常ビスマスまたはビスマス基合金と他の合金または金属間化合物を形成しないものが好ましい。また導電性保護層の導電率については、ビスマスまたはビスマス基合金を絶縁性物質に分散させた電気ヒューズ層よりも高導電率であれば良く、通常、１０^３Ω^−１・ｃｍ^−１以上であるのが好ましい。例えば、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉならびにＴｉＳｉ_２、ＺｒＳｉ_２、ＶＳｉ_２、ＮｂＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＣｒＳｉ_２、ＭｏＳｉ_２、ＷＳｉ_２などの金属ケイ化物、ＴｉＢ_２、ＺｒＢ_２、ＨｆＢ_２、ＶＢ_２、ＮｂＢ_２、ＴａＢ_２、ＣｒＢ_２、ＭｏＢ_２、Ｗ_２Ｂ_５などのホウ化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、Ｃｒ_２Ｎ、Ｍｏ_２Ｎ、Ｗ_２Ｎなどの窒化物、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ｖ_４Ｃ_３、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｍｏ_３Ｃ、ＷＣなどの炭化物などが挙げられる。
【００３４】
導電性保護層を有する素子を製造する場合は、前記の電気ヒューズ材料の製造方法によって得られた焼結体の上にさらに金属膜をスパッタ等で形成することも出来るが、電気ヒューズ材料を焼成する際に反応しない導電性保護層の材料であれば、焼成前の電気ヒューズ材料に予め導電性保護層を形成して一緒に焼成してもよい。特に、導電性保護層が、金属と絶縁性物質との混合物である場合は、導電性保護層と電気ヒューズ層を同時に成形して焼成により一体化させることができる。
【００３５】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を具体的に説明する。
【００３６】
実施例１
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ金属粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６５ｗｔ％、３５ｗｔ％含有するように調整・混合した。また導電性保護層用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金属粉末（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗｔ％含有するように調整・混合した。これら混合紛を、Ｎｉ金属／ガラス混合紛、Ｂｉ金属／ガラス混合紛、Ｎｉ金属／ガラス混合紛の順序で金型に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ^２の圧力で直径１０ｍｍφ、厚さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、導電性保護層付きＢｉ金属／ガラス複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒素の還元性雰囲気中、４３５℃、約１０分の条件で焼成した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペーストを焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
【００３７】
得られた素子の直径は、９．１ｍｍであり、電気ヒューズ層の厚さは１．３ｍｍで、その両側の導電性保護層の厚みはそれぞれ０．２ｍｍであった。この電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は１．１Ω・ｃｍであり、１７アンペアの電流を流し遮断した時の比抵抗は、１．２×１０^５Ω・ｃｍであった。図１に得られた電気ヒューズ素子研磨面の金属ネットワーク構造の光学顕微鏡写真を示す。図１中、白い部分がガラスであり、黒い部分がＢｉ金属である。図１のように、Ｂｉ金属粒子が線幅１μｍ未満の線状組織をした金属ネットワークにより連結されていることがわかる。
【００３８】
この素子の定常抵抗は、０．３Ωであり、図２は、１７アンペアの電流を素子に印加した場合の電流遮断特性である。図からも明らかなように、本実施例のような小型の素子でありながら、１７アンペアの過電流を数十ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限した。
【００３９】
この素子の比抵抗の温度特性を調べた結果を図３に示す。図３から分かるように、Ｂｉ金属の融点２７１℃における融解現象に起因する抵抗の変化は、わずかに観測されるものの、電流の遮断を決定する程の変化ではないことが分かる。
【００４０】
実施例２
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６８ｗｔ％、３２ｗｔ％含有するように調整・混合した。また導電性保護層用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金属粉末（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗｔ％含有するように調整・混合した。これら混合紛を、Ｎｉ金属／ガラス混合紛、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金／ガラス混合紛、Ｎｉ金属／ガラス混合紛の順序で金型に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ^２の圧力で直径１０ｍｍφ、厚さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、導電性保護層付きＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金／ガラス複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒素の還元性雰囲気中、４６５℃、約１０分の条件で焼成した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペーストを焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
【００４１】
得られた素子の直径は、９．１ｍｍであり、電気ヒューズ層の厚さは１．３ｍｍで、その両側の導電性保護層の厚みはそれぞれ０．２ｍｍであった。この電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は０．７６Ω・ｃｍであり、１６アンペアの電流を流し遮断した時の比抵抗は、４．０×１０^６Ω・ｃｍであった。
【００４２】
この素子の定常抵抗は、０．２Ωである。図４は、１６アンペアの電流を素子に印加した場合の電流遮断特性である。図４からも明らかなように、本実施例のような小型の素子でありながら、１６アンペアの過電流を数ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限した。
【００４３】
実施例３
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ−Ｓｎ合金粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６６ｗｔ％、３４ｗｔ％含有するように調整・混合した。また導電性保護層用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金属粉末（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗｔ％含有するように調整・混合した。これら混合紛を、Ｎｉ金属／ガラス混合紛、Ｂｉ−Ｓｎ合金／ガラス混合紛、Ｎｉ金属／ガラス混合紛の順序で金型に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ^２の圧力で直径１０ｍｍφ、厚さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、導電性保護層付きＢｉ−Ｓｎ合金／ガラス複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒素の還元性雰囲気中、４７５℃、約１０分の条件で焼成した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペーストを焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
【００４４】
得られた素子の直径は９．１ｍｍであり、電気ヒューズ層の厚さは１．３ｍｍで、その両側の導電性保護層の厚みはそれぞれ０．２ｍｍであった。この電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は１．１Ω・ｃｍであり、１６アンペアの電流を流し遮断した時の比抵抗は、１．０×１０^５Ω・ｃｍであった。この素子の定常抵抗は、０．３Ωである。図５は、１６アンペアの電流を素子に印加した場合の電流遮断特性である。図５からも明らかなように、本実施例のような小型の素子でありながら、１６アンペアの過電流を数ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限した。
【００４５】
実施例４
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６８ｗｔ％、３２ｗｔ％含有するように調整しシート用原料とした。また導電性保護層用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金属粉末（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗｔ％含有するように調整しシート用原料とした。
【００４６】
各原料１００ｇに、トルエン１４ｇ、イソプロピルアルコール７ｇ、エチルセルロース３ｇ、分散剤１ｇ、可塑剤２．３ｇをポリ容器に入れ、回転容器式混合器で５分混合し、各スラリーを得た。これらスラリーからドクターブレード法にて１００μｍ程度の厚みのグリーンシートを作製した。前記２種のグリーンシートの中から、まずＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金／ガラス混合紛からなるグリーンシートを複数枚積層し厚み方向に仮圧着し、次いでその対向する上下面にＮｉ金属／ガラス混合紛からなる導電性保護層用グリーンシートを複数枚積層し本圧着することで、積層厚さが１．５ｍｍ程度のシート圧着体を得た。この圧着体を、８ｍｍ×８ｍｍ角の平面形状を有するように切断機により切断し成形体を得た。この切断後成形体を還元性雰囲気中、４６５℃、約１０分の条件で焼成した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペーストを焼きつけて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
【００４７】
得られた素子の電極面積は、５３．３ｍｍ^２であり、電気ヒューズ層の厚さは０．７ｍｍで、その両側の導電性保護層の厚みはそれぞれ０．３ｍｍであった。この電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は１．２Ω・ｃｍであり、１７アンペアの電流を流し遮断した時の比抵抗は、１×１０^５Ω・ｃｍであった。
【００４８】
この素子の定常抵抗は、０．３Ωである。図６は、１７アンペアの電流を素子に印加した場合の電流遮断特性である。図６からも明らかなように、本実施例のような小型の素子でありながら、１７アンペアの過電流を数ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限した。
【００４９】
比較例１
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ金属粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ３０ｗｔ％、７０ｗｔ％含有するように調整・混合した。この混合紛を金型に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ^２の圧力で直径１０ｍｍφ、厚さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、Ｂｉ金属／ガラス複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒素の還元性雰囲気中、４３５℃、約１０分の条件で焼成した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペーストを焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
【００５０】
得られた素子の直径は、９．１ｍｍであり、素子の厚みは１．２ｍｍであった。この電気ヒューズ材料の室温における比抵抗は０．０９Ω・ｃｍであった。図７に得られた電気ヒューズ素子研磨面の金属ネットワーク構造の光学顕微鏡写真を示す。図７中、白い部分がガラスであり、黒い部分がＢｉ金属である。図７のように、Ｂｉ金属粒子同士が直接に接合または結合しており、この場合には、線幅が大きくなり１μｍ未満の線状組織をした金属ネットワークが形成されないことがわかる。
【００５１】
この素子の定常抵抗は、０．０３Ωであり、図８は、１９アンペアの電流を素子に印加した場合の電流遮断特性である。図からも明らかなように、本比較例のようにガラスの絶縁物質中のＢｉ量が多い場合は、導電体物質の粒子間に太い導電パスが形成されるが、電流量による遮断が起こらないことがわかる。
【００５２】
比較例２
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ金属粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗｔ％含有するように調整・混合した。この混合紛を金型に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ^２の圧力で直径１０ｍｍφ、厚さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、Ｂｉ金属／ガラス複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒素の還元性雰囲気中、４３５℃、約１０分の条件で焼成した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペーストを焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
【００５３】
得られた素子の直径は、９．１ｍｍであり、素子の厚みは１．９ｍｍであった。この電気ヒューズ材料の室温における比抵抗は２．８Ω・ｃｍであった。図９に得られた電気ヒューズ素子研磨面の金属ネットワーク構造の光学顕微鏡写真を示す。図９中、白い部分がガラスであり、黒い部分がＢｉ金属である。図９のように、Ｂｉ金属粒子がガラスマトリックス中にほぼ均一に分散しており、この場合には、線幅１μｍ未満の線状組織をした金属ネットワークが形成されないことがわかる。
【００５４】
この素子の比抵抗の温度特性を調べた結果を図１０に示す。図１０から分かるように、Ｂｉ金属の融点２７１℃における融解現象に起因する急峻な抵抗増加が観測される。
【００５５】
本比較例のようにガラス中のＢｉ量が少なく、適切なネットワークを形成しない場合は、Ｂｉの融解現象によりＢｉの融点付近の温度で抵抗の大きな変化が見られる。このようなＰＴＣ効果を示す素子では、室温における比抵抗は、小さくなく、また、Ｂｉの融点以上で素子を使用することもできず、また、ＰＴＣ素子の特徴として、電流制限後の漏れ電流は、ＰＴＣ素子の温度を動作後の温度に保つように働き、熱平衡状態を継続するため、素子温度と抵抗値がバランスするような電流値となり、電気ヒューズのように漏れ電流を低くするには限界がある。
【００５６】
【発明の効果】
本発明では、ビスマス金属またはビスマス基合金からなる導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散した電気ヒューズ材料であり、前記粒子同士が線状の前記導電性物質で連結されており、前記電気ヒューズ材料中の前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％である電気ヒューズ材料とすることにより、従来のＰＴＣ材料よりさらに定常時の抵抗値が小さく、電流切断時の漏れ電流が少なく、材料の融点などの温度に影響されず、電流により速い応答速度で作動する新しいタイプの電気ヒューズ材料およびそれを用いた自己修復可能な電気ヒューズ素子を提供できる。
【００５７】
また、前記電気ヒューズ材料からなる電気ヒューズ層の対向する２面の上に導電性保護層を形成し、さらにその上に電極を形成した電気ヒューズ素子とすることで、素子特性のばらつきを低減し、さらには素子の安全性や信頼性を格段に向上させる。
【００５８】
本発明の電気ヒューズ素子は、スパッタ法などの薄膜形成プロセスや微細加工プロセスなどの高度な半導体技術を必要とせず一般的で簡便な混合法にて作製できるため、特別な設備も必要でなく製造コストを低減させることが出来る。
【００５９】
そして、本発明の電気ヒューズ素子は、導通状態で１Ω以下の低抵抗、非導通状態で数百万Ωの高抵抗となり、良好な電流遮断特性を示し、かつ異常が取り除かれた後は元の状態に自己復帰し再利用可能である自己修復型電気ヒューズ素子であり、大電流が流れる過電流保護回路等や非線形特性を利用した各種信号処理回路での利用が見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１で得られた電気ヒューズ素子の研磨面の金属ネットワーク構造を示す図面にかわる光学顕微鏡写真図である。
【図２】本発明の実施例１による電気ヒューズ素子の電流遮断特性の例を示す図である。
【図３】本発明の実施例１による電気ヒューズ素子の比抵抗の温度特性を示す図である。
【図４】本発明の実施例２による電気ヒューズ素子の電流遮断特性の例を示す図である。
【図５】本発明の実施例３による電気ヒューズ素子の電流遮断特性の例を示す図である。
【図６】本発明の実施例４による電気ヒューズ素子の電流遮断特性の例を示す図である。
【図７】比較例１で得られたＢｉ−絶縁性物質複合体の研磨面の構造を示す図面にかわる光学顕微鏡写真図である。
【図８】比較例１で得られたＢｉ−絶縁性物質複合体の電流遮断特性の例を示す図である。
【図９】比較例２で得られたＢｉ−絶縁性物質複合体の研磨面の構造を示す図面にかわる光学顕微鏡写真図である。
【図１０】比較例２で得られたＢｉ−絶縁性物質複合体の比抵抗の温度特性を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel electric fuse material used as an overcurrent protection element and an electric fuse element using the same. More specifically, the present invention relates to an electric fuse material and an electric fuse element that do not use the PTC effect, have a small resistance during normal operation, have a small leakage current at the time of abnormality, and have an excellent response speed, which can be used repeatedly.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, electric fuses are widely used as protection elements for preventing overcurrent. When an excessive current flows in an electric circuit, the electric fuse protects the circuit by melting the metal by Joule heat. The fuse material is roughly classified into low melting point metal materials such as lead and tin and non-low melting point metal materials such as copper and tungsten, and can be used depending on the application. The fuses are classified according to the current to be blown and the time, and there are a thread fuse, a plate fuse, a claw fuse, a cylindrical fuse, and the like depending on the shape. However, the electric fuse is blown by overcurrent to completely cut off the current, but there is a problem that it cannot be used again after being blown once.
[0003]
On the other hand, as a reusable overcurrent protection element, there is a PTC thermistor material that exhibits a positive temperature coefficient of resistance and has a characteristic (PTC characteristic) that the resistance rapidly increases at a certain temperature. As typical PTC materials, barium titanate semiconductor ceramic materials and polymer composite materials in which conductive powder such as carbon black is dispersed in a crystalline polymer are known.
[0004]
These are those that suppress overcurrent with PTC characteristics and prevent destruction of electronic equipment when overcurrent occurs, but the overcurrent cannot be completely cut off, and the leakage current causes the element to generate heat. Doing thermal damage to the circuit. Also, when used as a protection element for a large current, the resistance value is required to be low in a steady state. However, the PTC thermistor deteriorates the PTC characteristic due to the low resistance, and the response speed is remarkably delayed. Insufficient suppression. Therefore, the PTC thermistor material has a limit in reducing the resistance and cannot be used as a protective element for applications in which a large current flows.
[0005]
As a new type of overcurrent protection element having PTC characteristics, a composite material in which bismuth metal is dispersed in a high-resistance inorganic material as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-11507 by the present inventors is provided. Proposed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the PTC element in which the above bismuth metal is dispersed in a high-resistance inorganic material, the bismuth metal particles form a three-dimensional matrix in the inorganic material, the temperature rises, and the bismuth metal melts when the melting point of the bismuth metal is reached. Along with this, the volume is decreased, and the electrical connection between the bismuth metal particles is broken, which is considered to increase the resistance. This type of PTC element has been proposed as an improved PTC element having a resistance value lower than that of a conventional PTC thermistor and higher resistance value at a high temperature. However, the resistance value in a steady state is not yet sufficient, and there is a problem that the response speed is slightly slow because it operates depending on the temperature. In addition, there is a limitation on the temperature due to the melting point of bismuth metal or the like.
[0007]
The present invention solves the problems of the conventional PTC thermistor, and further has a smaller resistance value at the steady state than the conventional PTC element, less leakage current at the time of current disconnection, and is not affected by the temperature such as the melting point of the material. An object of the present invention is to provide a new type of electrical fuse material that operates at a faster response speed with current and a self-repairable electrical fuse element using the same.
[0008]
More specifically, the specific resistance value in a steady state is 2.0 Ω · cm or less, and the specific resistance value in an abnormal current limit is 10 ⁵ An electrical fuse material with a response speed of Ω · cm or higher and a current response to a breaking response of several tens of milliseconds or less, and a small leakage current of 0.1 milliamperes or less using this material, and when it returns to normal, It is an object of the present invention to provide a usable self-healing type electric fuse element.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors disperse particles of a conductive material made of a specific metal or alloy in a specific amount in an electrically insulating material, and the particles of the conductive material are connected by the linear conductive material. By using a special network composite structure with a different structure, the structure is different from conventional electrical fuses and is not affected by the temperature such as the melting point of the conductive material, and sensitively reacts to overcurrent to generate current. It has been found that self-healing after limiting and overcurrent is removed.
[0010]
In addition, the fuse element of the present invention can be manufactured by a general and simple mixing method without requiring advanced semiconductor technology such as a thin film forming process such as sputtering or a microfabrication process. Costs can also be reduced.
[0011]
The present invention is an electrical fuse material in which particles of a conductive substance made of bismuth metal or a bismuth-based alloy are dispersed in an insulating substance, the particles are connected by the linear conductive substance, and the electric fuse The present invention relates to an electrical fuse material characterized in that the content of the conductive substance in the material is 30 to 60 wt%, and current is interrupted without using the melting phenomenon of the conductive substance.
[0012]
The electrically insulating material is preferably a low-melting glass having a softening point of 500 ° C. or lower.
[0013]
The linear conductive material has a line width of less than 1 μm.
[0014]
The present invention also relates to an electrical fuse element using the electrical fuse material, and one embodiment thereof is formed on two opposing surfaces of the electrical fuse layer formed of the electrical fuse material and the electrical fuse layer. In another embodiment, an electrical fuse layer formed of the electrical fuse material and a conductive material formed on two opposing surfaces of the electrical fuse layer are provided. An electrical fuse element having a protective layer and a pair of electrodes formed on each of the conductive protective layers, wherein the conductive protective layer suppresses elution of a conductive substance in the electrical fuse layer. The present invention relates to an electric fuse element characterized by being a metal or a composite of a metal and the insulating substance.
[0015]
Furthermore, the present invention is to mix the particles of the conductive substance having an average particle diameter of 5 to 50 μm and the particles of the insulating substance so that the content of the conductive substance is 30 to 60 wt% and then molded. In addition, the present invention relates to a method for producing the above electrical fuse material, characterized by firing at 400 to 500 ° C. in a reducing atmosphere.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The electric fuse material according to the present invention is an electric fuse material in which particles of a conductive substance made of bismuth metal or a bismuth-based alloy are dispersed in an insulating substance, and the particles are connected by a linear conductive substance. It has a structure, and the content of the conductive substance in the electric fuse material is 30 to 60 wt%, and the current is interrupted without using the melting phenomenon of the conductive substance. The electric fuse material of the present invention has low resistance in a conductive state and extremely high insulation resistance in an abnormal state, has a good current interruption characteristic, is not affected by temperature such as the melting point of a conductive substance, A self-healing electrical fuse element operating in quantity is obtained.
[0017]
The conductive substance used in the electrical fuse material of the present invention is bismuth metal or a bismuth-based alloy. Examples of the bismuth-based alloy include Bi—Pb, Bi—Sn, Bi—In, Bi—Sn—Pb, Bi—Pb—Sn—Sb, Bi—Sb, Bi—Pb—Sn—In, and Bi—Pb—. Sn-Cd or the like. The amount of Bi in the bismuth-based alloy is preferably 40 wt% or more, particularly 50 wt% or more with respect to the alloy weight. These conductive substances cause volume shrinkage in the molten state.
[0018]
The insulating material used in the electrical fuse material of the present invention is preferably an inorganic material that retains its shape and electrical insulation in the environment where the electrical fuse element is used. In particular, the insulating material is preferably a low melting point glass having a softening point of 500 ° C. or less. The electric fuse material of the present invention is usually obtained by mixing the particles of the conductive substance and the particles of an insulating substance such as glass and firing it, but when using a glass with a low softening point, it is fired at a low temperature. It is possible to obtain a dense material in which the conductive substance is confined while suppressing volatilization during firing of the conductive substance such as bismuth. The composition of such glass is not particularly limited and can be appropriately selected according to desired performance, application, etc. For example, PbO-B ₂ O ₃ , PbO-B ₂ O ₃ -SiO ₂ , PbO-B ₂ O ₃ -ZnO, Bi ₂ O ₃ -B ₂ O ₃ Etc. B ₂ O ₃ Oxide, SiO ₂ Examples thereof include system oxides. Moreover, although the average particle diameter of glass powder is not specifically limited, Usually, 0.1-100 micrometers is preferable for the same reason.
[0019]
The content of the conductive substance in the electric fuse material of the present invention is 30 to 60 wt%, and a nano-sized linear network structure suitable for the present invention is formed within this range. When the content of the conductive substance in the electric fuse material is less than 30 wt%, a resistance change due to temperature due to a melting phenomenon of bismuth metal or the like becomes large. In addition, the smaller the content, the higher the resistance value in the steady state, causing the problem of heat generation. When the content of the conductive substance in the electric fuse material is larger than 60 wt%, the response to overcurrent is remarkably lowered, and when the content is further increased, an appropriate network is not formed, and the interruption characteristic depending on the current amount is obtained. Not shown.
[0020]
The conductive particles of the present invention are connected by the linear conductive material to form a network. It is important that the line width of the linear structure of the conductive substance is narrower than the particle diameter of the conductive substance to be connected. In order to exhibit good overcurrent interruption characteristics, the linear conductive material preferably has a line width of less than 1 μm. When the amount of the conductive material is large, the line width of the linear conductive material becomes large and current interruption cannot be performed. Moreover, when there is little quantity of an electroconductive substance, a moderate linear electroconductive substance is not formed, the PTC characteristic by a melting phenomenon is shown, and it cannot use above melting | fusing point.
[0021]
Overcurrent protection using the melting phenomenon of conductive materials refers to the following phenomenon. In a conventional PTC element in which conductive particles such as bismuth metal are dispersed in an inorganic material, the conductive particles are in contact with each other at an appropriate ratio to form a network structure. In this state, since a conduction path is formed between the metal particles, the resistance is low. Next, when the element becomes high temperature due to self-heating, the dispersed conductive particles are melted at the melting point, causing a sudden volume reduction, and the conductive particle network is gradually cut. This limits the current value to a certain level of leakage current. In this case, the leakage current value is about several hundred milliamperes.
[0022]
The electric fuse material or fuse element of the present invention does not utilize the melting phenomenon of conductive substances like the above-mentioned PTC element, does not exhibit current interruption characteristics at temperature, and exhibits a protective function only at overcurrent It is. Thereby, it is possible to realize an overcurrent protection element having a low resistance and a high response speed compared with the conventional material. Further, it can be used in a temperature range higher than the melting point of bismuth metal or bismuth-based alloy, and the application range as a protective element is greatly expanded.
[0023]
The principle of operation of the electrical fuse material and element of the present invention is not clear, but is presumed as follows.
[0024]
In the electric fuse material of the present invention, there is a linear conductive substance that locally connects the conductive particles, thereby forming a network of the conductive substance. When a current flows through the network of the conductive material, the high-resistance linear conductive material selectively generates heat and melts with a volume contraction above the melting point, but this alone does not cause the linear conductive material to be cut, In addition, the electrical continuity of the network of linear conductive material is broken by the stress due to the rapid thermal expansion of the insulating material, and as a result, the electrical resistance of the element increases instantaneously and changes to the electrical insulation state, resulting in almost complete current flow. Cut off. Then, when the overcurrent is removed, the temperature of the metal network decreases, and when the molten metal network solidifies, it increases in volume and restores electrical conduction. In addition, since the fuse element of the present invention does not exhibit a remarkable PTC characteristic, the current interruption characteristic does not depend on the PTC characteristic, and the function as an overcurrent protection element is developed with a new operation principle against the overcurrent. It is clear.
[0025]
The electrical fuse material of the present invention can be manufactured, for example, as follows. First, a conductive material such as bismuth metal or a bismuth-based alloy and an insulating material such as glass are each pulverized with various mills or the like to obtain particles of an appropriate size. The average diameter of the conductive material particles is preferably 5 to 50 μm. The particles of the conductive material such as bismuth metal and bismuth-based alloy and the particles of the insulating material such as glass which are crushed in this way are weighed so that the conductive material is 30 to 60 wt% with respect to the entire mixture. So as to disperse into a powder mixture.
[0026]
In the case of molding with a press or the like, a binder such as ethyl cellulose is added as necessary, charged into a mold, and pressure molded. When producing a green sheet, a solvent such as toluene, a dispersant, a plasticizer, and the like are added to and mixed with the mixed powder, and a green sheet is formed by a doctor blade method.
[0027]
The molded body and the green sheet are fired in an electric furnace in a reducing atmosphere of nitrogen, hydrogen, or a mixture thereof. The firing temperature is preferably 400 to 500 ° C., and firing at 430 to 470 ° C. is particularly suitable. The formation of a network including a linear conductive substance of the electric fuse material of the present invention requires shrinkage during firing. If the firing temperature is low, shrinkage due to firing is not sufficient, and sufficient current interruption characteristics are exhibited. Absent. On the other hand, if the firing temperature is too high, the metal which is a conductive substance tends to aggregate to form a huge sphere and cannot form a linear structure.
[0028]
Next, the electric fuse element of the present invention will be described.
[0029]
One form of the electric fuse element of the present invention is an electric fuse element having an electric fuse layer made of the electric fuse material of the present invention and a pair of electrodes formed on two opposing surfaces of the electric fuse layer. As the electrode, Ni, Ag, or the like is preferably used.
[0030]
The electric fuse element of the present invention can be manufactured by sintering an electric fuse material by the above method and then forming an electrode by Ni plating or Ag paste paste.
[0031]
As another form of the electric fuse element of the present invention, an electric fuse layer formed of the electric fuse material, a conductive protective layer formed on two opposing surfaces of the electric fuse layer, and the conductive An electrical fuse element having a pair of electrodes formed on each of the protective layers, wherein the conductive protective layer is a metal or metal and the insulating material that suppresses elution of the conductive material in the electrical fuse layer And an electric fuse element which is a composite body.
[0032]
The conductive protective layer is a film made of a metal or an alloy, or a composite layer in which an insulating material contains a metal or an alloy. This conductive protective layer reduces variations in device characteristics during manufacturing by preventing composition fluctuations due to elution of the metal or alloy to the outside of the sintered body during firing and reaction with the electrodes, and further, This has the effect of significantly improving safety and reliability. As a method for forming the conductive protective layer, in the case of a composite, in addition to a general ceramic forming method such as a pressure forming method, a sheet forming method, and an extrusion forming method, in the case of a metal film, a printing method or a sputtering method is used. And film formation methods such as vapor deposition.
[0033]
The metal or alloy used in the metal film, alloy film or composite may be any metal or alloy having a melting point of 500 ° C. or higher. Usually, bismuth or a bismuth-based alloy and another alloy or intermetallic compound are used. Those that do not form are preferred. The conductivity of the conductive protective layer may be higher than that of an electrical fuse layer in which bismuth or a bismuth-based alloy is dispersed in an insulating material. ³ Ω ^-1 ・ Cm ^-1 The above is preferable. For example, Cr, Zr, W, Mo, Ni and TiSi ₂ , ZrSi ₂ , VSi ₂ , NbSi ₂ , TaSi ₂ , CrSi ₂ , MoSi ₂ , WSi ₂ Metal silicides such as TiB ₂ , ZrB ₂ , HfB ₂ , VB ₂ , NbB ₂ , TaB ₂ , CrB ₂ , MoB ₂ , W ₂ B ₅ Borides such as TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, Cr ₂ N, Mo ₂ N, W ₂ Nitride such as N, TiC, ZrC, HfC, V ₄ C ₃ , NbC, TaC, Cr ₃ C ₂ , Mo ₃ Examples thereof include carbides such as C and WC.
[0034]
When manufacturing an element having a conductive protective layer, a metal film can be further formed by sputtering or the like on the sintered body obtained by the method for manufacturing an electric fuse material. As long as the material of the conductive protection layer does not react at the time, the conductive protection layer may be formed in advance on the electric fuse material before firing and fired together. In particular, when the conductive protective layer is a mixture of a metal and an insulating material, the conductive protective layer and the electric fuse layer can be simultaneously molded and integrated by firing.
[0035]
【Example】
The present invention will be specifically described with reference to the following examples.
[0036]
Example 1
PbO-B as material for electrical fuse layer ₂ O ₃ -SiO ₂ The system glass powder (average particle size 3 μm) and Bi metal powder (average particle size 10 μm) were adjusted and mixed so as to contain 65 wt% and 35 wt%, respectively. Further, as the material for the conductive protective layer, the glass powder and the Ni metal powder (average particle diameter 5 μm) were adjusted and mixed so as to contain 75 wt% and 25 wt%, respectively. These mixed powders are charged into a mold in the order of Ni metal / glass mixed powder, Bi metal / glass mixed powder, Ni metal / glass mixed powder, and 2.5 t / cm. ² Was pressed into a disk shape having a diameter of 10 mmφ and a thickness of 1.8 mm to obtain a Bi metal / glass composite molded body with a conductive protective layer. Next, this was calcined in a reducing atmosphere of nitrogen containing 4 vol% of hydrogen at 435 ° C. for about 10 minutes. The sintered body thus obtained was baked with Ag paste to form an electrode to obtain an electric fuse element.
[0037]
The diameter of the obtained element was 9.1 mm, the thickness of the electric fuse layer was 1.3 mm, and the thickness of the conductive protective layers on both sides thereof was 0.2 mm. The electrical fuse layer material has a specific resistance at room temperature of 1.1 Ω · cm, and the specific resistance when a current of 17 amperes is cut off is 1.2 × 10 ⁵ It was Ω · cm. FIG. 1 shows an optical micrograph of the metal network structure of the polished surface of the obtained electrical fuse element. In FIG. 1, the white part is glass and the black part is Bi metal. As shown in FIG. 1, it can be seen that Bi metal particles are connected by a metal network having a linear structure with a line width of less than 1 μm.
[0038]
The steady resistance of this element is 0.3Ω, and FIG. 2 shows current interruption characteristics when a current of 17 amperes is applied to the element. As is clear from the figure, the overcurrent of 17 amperes was limited to 0.1 milliamperes or less in a few tens of milliseconds while being a small element as in this example.
[0039]
The results of examining the temperature characteristics of the specific resistance of this element are shown in FIG. As can be seen from FIG. 3, although the change in resistance due to the melting phenomenon of Bi metal at the melting point of 271 ° C. is slightly observed, it is understood that the change is not so large as to determine the interruption of current.
[0040]
Example 2
PbO-B as material for electrical fuse layer ₂ O ₃ -SiO ₂ System glass powder (average particle diameter 3 μm) and Bi—Pb—Sn alloy powder (average particle diameter 10 μm) were adjusted and mixed so as to contain 68 wt% and 32 wt%, respectively. Further, as the material for the conductive protective layer, the glass powder and the Ni metal powder (average particle diameter 5 μm) were adjusted and mixed so as to contain 75 wt% and 25 wt%, respectively. These mixed powders are charged into a mold in the order of Ni metal / glass mixed powder, Bi-Pb-Sn alloy / glass mixed powder, Ni metal / glass mixed powder, and 2.5 t / cm. ² Was pressed into a disk shape having a diameter of 10 mmφ and a thickness of 1.8 mm to obtain a Bi—Pb—Sn alloy / glass composite molded body with a conductive protective layer. Next, this was calcined in a reducing atmosphere of nitrogen containing 4 vol% of hydrogen at 465 ° C. for about 10 minutes. The sintered body thus obtained was baked with Ag paste to form an electrode to obtain an electric fuse element.
[0041]
The diameter of the obtained element was 9.1 mm, the thickness of the electric fuse layer was 1.3 mm, and the thickness of the conductive protective layers on both sides thereof was 0.2 mm. The electrical fuse layer material has a specific resistance at room temperature of 0.76 Ω · cm, and the specific resistance when a current of 16 amperes is cut off is 4.0 × 10 ⁶ It was Ω · cm.
[0042]
The steady resistance of this element is 0.2Ω. FIG. 4 shows current interruption characteristics when a current of 16 amperes is applied to the device. As is clear from FIG. 4, the overcurrent of 16 amperes was limited to 0.1 milliamperes or less in a few milliseconds while being a small element as in this example.
[0043]
Example 3
PbO-B as material for electrical fuse layer ₂ O ₃ -SiO ₂ System glass powder (average particle size 3 μm) and Bi—Sn alloy powder (average particle size 10 μm) were adjusted and mixed so as to contain 66 wt% and 34 wt%, respectively. Further, as the material for the conductive protective layer, the glass powder and the Ni metal powder (average particle diameter 5 μm) were adjusted and mixed so as to contain 75 wt% and 25 wt%, respectively. These mixed powders are charged into a mold in the order of Ni metal / glass mixed powder, Bi-Sn alloy / glass mixed powder, Ni metal / glass mixed powder, and 2.5 t / cm. ² Was pressed into a disk shape having a diameter of 10 mmφ and a thickness of 1.8 mm to obtain a Bi—Sn alloy / glass composite molded body with a conductive protective layer. Next, this was calcined in a reducing atmosphere of nitrogen containing 4 vol% of hydrogen at 475 ° C. for about 10 minutes. The sintered body thus obtained was baked with Ag paste to form an electrode to obtain an electric fuse element.
[0044]
The obtained element had a diameter of 9.1 mm, the thickness of the electric fuse layer was 1.3 mm, and the thickness of the conductive protective layers on both sides thereof was 0.2 mm. The electrical resistance of the material of the electric fuse layer at room temperature is 1.1 Ω · cm, and the specific resistance when a current of 16 amperes is cut off is 1.0 × 10 ⁵ It was Ω · cm. The steady resistance of this element is 0.3Ω. FIG. 5 shows current interruption characteristics when a current of 16 amperes is applied to the device. As is clear from FIG. 5, the 16 amp overcurrent was limited to 0.1 milliampere or less in a few milliseconds while being a small element as in this example.
[0045]
Example 4
PbO-B as material for electrical fuse layer ₂ O ₃ -SiO ₂ Sheet glass raw material (average particle size 3 μm) and Bi—Pb—Sn alloy powder (average particle size 10 μm) were adjusted to contain 68 wt% and 32 wt%, respectively, and used as sheet raw materials. Further, as the material for the conductive protective layer, the glass powder and the Ni metal powder (average particle size 5 μm) were adjusted to contain 75 wt% and 25 wt%, respectively, and used as a raw material for the sheet.
[0046]
To 100 g of each raw material, 14 g of toluene, 7 g of isopropyl alcohol, 3 g of ethyl cellulose, 1 g of a dispersant, and 2.3 g of a plasticizer were placed in a plastic container and mixed for 5 minutes with a rotating container mixer to obtain each slurry. A green sheet having a thickness of about 100 μm was produced from these slurries by a doctor blade method. Of the two types of green sheets, first, a plurality of green sheets made of Bi—Pb—Sn alloy / glass mixed powder are laminated and temporarily pressed in the thickness direction, and then Ni metal / glass mixed powder is placed on the upper and lower surfaces facing each other. By laminating a plurality of green sheets for the conductive protective layer made of the above, and finally press-bonding, a sheet press-bonded body having a stacked thickness of about 1.5 mm was obtained. The pressure-bonded body was cut with a cutting machine so as to have a planar shape of 8 mm × 8 mm square, and a formed body was obtained. After the cutting, the molded body was fired in a reducing atmosphere at 465 ° C. for about 10 minutes. The sintered body thus obtained was baked with Ag paste to form an electrode to obtain an electric fuse element.
[0047]
The electrode area of the obtained element was 53.3 mm. ² The thickness of the electric fuse layer was 0.7 mm, and the thickness of the conductive protective layers on both sides thereof was 0.3 mm. The electrical fuse layer material has a specific resistance of 1.2 Ω · cm at room temperature, and the specific resistance when a current of 17 ampere is cut off is 1 × 10 ⁵ It was Ω · cm.
[0048]
The steady resistance of this element is 0.3Ω. FIG. 6 shows current interruption characteristics when a current of 17 amperes is applied to the device. As is clear from FIG. 6, the 17 amp overcurrent was limited to 0.1 milliampere or less in a few milliseconds even though it was a small device as in this example.
[0049]
Comparative Example 1
PbO-B as material for electrical fuse layer ₂ O ₃ -SiO ₂ System glass powder (average particle size 3 μm) and Bi metal powder (average particle size 10 μm) were adjusted and mixed so as to contain 30 wt% and 70 wt%, respectively. This mixed powder is charged into a mold and 2.5 t / cm. ² Was pressed into a disk shape having a diameter of 10 mmφ and a thickness of 1.8 mm to obtain a Bi metal / glass composite molded body. Next, this was calcined in a reducing atmosphere of nitrogen containing 4 vol% of hydrogen at 435 ° C. for about 10 minutes. The sintered body thus obtained was baked with Ag paste to form an electrode to obtain an electric fuse element.
[0050]
The diameter of the obtained element was 9.1 mm, and the thickness of the element was 1.2 mm. The electrical fuse material had a specific resistance at room temperature of 0.09 Ω · cm. FIG. 7 shows an optical micrograph of the metal network structure on the polished surface of the obtained electrical fuse element. In FIG. 7, the white part is glass and the black part is Bi metal. As shown in FIG. 7, Bi metal particles are directly bonded or bonded to each other. In this case, it can be seen that the line width increases and a metal network having a linear structure of less than 1 μm is not formed.
[0051]
The steady-state resistance of this element is 0.03Ω, and FIG. 8 shows current interruption characteristics when a current of 19 amperes is applied to the element. As is apparent from the figure, when the amount of Bi in the insulating material of the glass is large as in this comparative example, a thick conductive path is formed between the particles of the conductive material, but the blocking due to the amount of current does not occur. I understand that.
[0052]
Comparative Example 2
PbO-B as material for electrical fuse layer ₂ O ₃ -SiO ₂ System glass powder (average particle size 3 μm) and Bi metal powder (average particle size 10 μm) were adjusted and mixed so as to contain 75 wt% and 25 wt%, respectively. This mixed powder is charged into a mold and 2.5 t / cm. ² Was pressed into a disk shape having a diameter of 10 mmφ and a thickness of 1.8 mm to obtain a Bi metal / glass composite molded body. Next, this was calcined in a reducing atmosphere of nitrogen containing 4 vol% of hydrogen at 435 ° C. for about 10 minutes. The sintered body thus obtained was baked with Ag paste to form an electrode to obtain an electric fuse element.
[0053]
The diameter of the obtained element was 9.1 mm, and the thickness of the element was 1.9 mm. The electrical fuse material had a specific resistance at room temperature of 2.8 Ω · cm. FIG. 9 shows an optical micrograph of the metal network structure of the polished surface of the obtained electrical fuse element. In FIG. 9, the white part is glass and the black part is Bi metal. As shown in FIG. 9, the Bi metal particles are almost uniformly dispersed in the glass matrix, and in this case, it is understood that a metal network having a linear structure with a line width of less than 1 μm is not formed.
[0054]
The result of examining the temperature characteristic of the specific resistance of this element is shown in FIG. As can be seen from FIG. 10, a steep increase in resistance due to the melting phenomenon of Bi metal at the melting point of 271 ° C. is observed.
[0055]
When the amount of Bi in the glass is small as in this comparative example and an appropriate network is not formed, a large change in resistance is observed at a temperature near the melting point of Bi due to the melting phenomenon of Bi. In such an element exhibiting the PTC effect, the specific resistance at room temperature is not small, and the element cannot be used at a temperature higher than the melting point of Bi, and as a characteristic of the PTC element, the leakage current after current limiting is Since the temperature of the PTC element is kept at the temperature after the operation and the thermal equilibrium state is continued, the current value is such that the element temperature and the resistance value are balanced, and the limit for reducing the leakage current like an electric fuse is limited. There is.
[0056]
【The invention's effect】
In the present invention, a conductive material made of bismuth metal or a bismuth-based alloy is an electric fuse material in which an insulating material is dispersed, and the particles are connected by a linear conductive material, and the electric fuse By using an electric fuse material in which the content of the conductive substance in the material is 30 to 60 wt%, the resistance value at the steady state is smaller than that of the conventional PTC material, the leakage current at the time of current disconnection is small, It is possible to provide a new type of electric fuse material that operates at a faster response speed with current without being affected by a temperature such as a melting point, and a self-repairable electric fuse element using the same.
[0057]
Further, by forming a conductive protective layer on two opposing surfaces of the electrical fuse layer made of the electrical fuse material and further forming an electrode thereon, variation in element characteristics is reduced. In addition, the safety and reliability of the device are greatly improved.
[0058]
The electric fuse element of the present invention can be manufactured by a general and simple mixing method without requiring advanced semiconductor technology such as a thin film forming process such as a sputtering method or a microfabrication process, so that no special equipment is required. Cost can be reduced.
[0059]
The electric fuse element of the present invention has a low resistance of 1Ω or less in the conductive state and a high resistance of several million Ω in the non-conductive state, exhibits a good current interruption characteristic, and after the abnormality is removed, It is a self-healing type electric fuse element that can be self-recovered and reused, and is expected to be used in an overcurrent protection circuit through which a large current flows and various signal processing circuits using nonlinear characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an optical micrograph showing a metal network structure of a polished surface of an electrical fuse element obtained in Example 1 of the present invention, instead of a drawing.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of current interruption characteristics of the electrical fuse element according to the first embodiment of the invention.
FIG. 3 is a graph showing temperature characteristics of specific resistance of the electrical fuse element according to Example 1 of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an example of current interruption characteristics of the electrical fuse element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a current interruption characteristic of an electrical fuse element according to Example 3 of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an example of current interruption characteristics of the electrical fuse element according to Example 4 of the present invention.
7 is an optical micrograph showing a structure of a polished surface of a Bi-insulating substance composite obtained in Comparative Example 1 instead of a drawing. FIG.
8 is a diagram showing an example of current interruption characteristics of the Bi-insulating substance composite obtained in Comparative Example 1. FIG.
FIG. 9 is an optical micrograph showing the structure of the polished surface of the Bi-insulating substance composite obtained in Comparative Example 2 instead of the drawing.
10 is a graph showing temperature characteristics of specific resistance of the Bi-insulating substance composite obtained in Comparative Example 2. FIG.

Claims

An electric fuse layer formed of an electric fuse material in which particles of a conductive substance made of bismuth metal or a bismuth-based alloy are dispersed in an insulating substance, and conductive protection formed on two opposing surfaces of the electric fuse layer An electrical fuse element having a layer and a pair of electrodes formed on each of the conductive protective layers,
In the electrical fuse material, the particles are connected to each other by the linear conductive material, the content of the conductive material in the electrical fuse material is 30 to 60 wt%, and the conductive material is melted. It is characterized by cutting off the current without using the phenomenon,
The electrical fuse element, wherein the conductive protective layer is a metal or a composite of a metal and the insulating material that suppresses elution of the conductive material in the electrical fuse layer.

The electrical fuse element according to claim 1, wherein the insulating substance is a low melting point glass having a softening point of 500 ° C. or less.

The electric fuse element according to claim 1, wherein the linear conductive material has a line width of less than 1 μm.

The particles of the conductive substance having an average particle diameter of 5 to 50 μm and the particles of the insulating substance are mixed so that the content of the conductive substance is 30 to 60 wt%, together with the conductive protective layer material, after molding, a reducing atmosphere, the production method of the electrical fuse element according to claim 1, wherein forming the electrode by coating baked wear of Ni plating or Ag paste after firing at 400 to 500 ° C..