JP4582724B2

JP4582724B2 - 保護素子

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Publication number: JP4582724B2
Application number: JP2009267445A
Authority: JP
Inventors: 裕治古内
Original assignee: Sony Chemical and Information Device Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: JP2010045056A

Description

本発明は、異常時に低融点金属体の溶断により電流を遮断する保護素子に関するものである。

過電流だけでなく過電圧も防止するために使用できる保護素子として、基板上に発熱体と低融点金属体を積層した保護素子が知られている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照）。これら特許文献に記載される保護素子では、異常時に発熱体に通電がなされ、発熱体が発熱することにより低融点金属体が溶融する。溶融した低融点金属体は、低融点金属体が載置されている電極表面に対する濡れ性の良さに起因して電極上に引き寄せられ、その結果、低融点金属体が溶断されて電流が遮断される。

このタイプの保護素子の低融点金属体と発熱体との接続態様としては、特許文献３や特許文献４等に記載されているように、発熱体上に低融点金属体を積層せずに、低融点金属体と発熱体とを基板上に平面的に配設して接続するという態様も知られているが、低融点金属体の溶断と同時に発熱体への通電が遮断されるようにするという効果は同じである。

ところで、携帯機器等の小型化に伴い、この種の保護素子にも薄型化が要求されており、その目的を達成するための一つの手段として、ベース基板上にヒューズ（低融点金属体）を配置するとともに、これを絶縁カバー板と樹脂で封止することで薄型化する方法が提案されている（例えば、特許文献５等を参照）。特許文献５記載の基板型温度ヒューズでは、ベース基板の片面にヒューズ取付用膜電極を形成し、その膜電極間に低融点可溶合金片を橋設し、低融点可溶合金片にフラックスを塗布し、ベース基板よりも小なる外郭の絶縁カバー板をベース基板の片面上に配し、この絶縁カバー板の周囲端部とベース基板の周囲端部との間隙に封止樹脂を充填し、封止樹脂の絶縁カバー板周囲縁端とベース基板周囲縁端との間の外面を凹曲傾斜面または直線傾斜面としている。

特許２７９０４３３号公報

特開平８−１６１９９０号公報

特開平１０−１１６５４９号公報

特開平１０−１１６５５０号公報

特開平１１−１１１１３８号公報

しかしながら、特許文献５記載の発明のように、絶縁カバー板をフラックス上に載置して周囲に樹脂を充填することにより封止する方法を採用した場合、ベース基板と絶縁カバー板の間の樹脂厚みをコントロールすることが困難であり、保護素子全体の厚みにバラツキが生ずるという不都合がある。特許文献５に記載されるような方法では、ベース基板と絶縁カバー板との間の距離は、フラックスの量や絶縁カバー板の押し込み圧等に依存し、フラックスの塗りムラや押し込み圧の変動によって大きく変化する。

このため、保護素子全体の厚さを保証することができず、保護素子のさらなる薄型化の要求に安定して対応することが困難になっている。近年、機器の小型化や薄型化は益々進められる方向にあり、これに伴い前記保護素子にも一層の小型化、薄型化が要求される中、前記問題は深刻なものとなっている。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、ベース基板と絶縁カバー板との間の距離を確実に決めることができ、厚みのバラツキのない寸法安定性に優れた保護素子を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の保護素子は、ベース基板上に形成された複数の電極間に低融点金属体が配され、前記低融点金属体の溶断により電流が遮断される保護素子において、前記ベース基板と対向して絶縁カバー板が設けられるとともに、前記低融点金属体が接続された前記電極に当該低融点金属体とは接触しないでリードが接続されて設けられており、前記絶縁カバー板は、周囲に配された樹脂を介することなくスペーサとなる部材としての前記リードと直接接触した状態で封止されており、前記ベース基板と前記絶縁カバー板との間の距離は前記リード自身の厚さによって決定され、前記絶縁カバー板には、前記低融点金属体の溶断部に対応して凹部が形成されるように、絶縁カバー板の内面に凹部を形成し、またはカバーを湾曲してなることを特徴とするものである。

以上の構成を有する本発明の保護素子では、絶縁カバー板が、当該絶縁カバー板自体に設けられたスペーサ部をベース基板側に接触させてベース基板に対して固定されるので、スペーサ部の高さによって確実にベース基板と絶縁カバー板との距離が規制される。したがって、ベース基板と絶縁カバー板との間の距離がフラックスの量や絶縁カバー板の押し込み圧等に依存する従来技術と異なり、ベース基板と絶縁カバー板との間の距離が一定したものとなり、薄型化が実現されると同時に、寸法安定性も確保される。

本発明によれば、絶縁カバー板が、当該絶縁カバー板自体に設けられたスペーサ部をベース基板側に接触させてベース基板に対して固定されるので、ベース基板と絶縁カバー板との間の距離を確実に決めることができ、薄型化を実現しながら、厚みのバラツキのない寸法安定性に優れた保護素子を提供することが可能である。

保護素子の内部構造を示す平面図である。絶縁カバー板による封止状態を示す概略断面図である。折り返し部を設けたリードをスペーサとする保護素子の概略断面図である。（ａ）は絶縁カバー板に凹部を形成した例を示す概略断面図であり、（ｂ）は絶縁カバー板を湾曲形成した例を示す概略断面図である。絶縁カバー板側にスペーサ部分を形成した例を示すものであり、（ａ）はピンを形成した例、（ｂ）は筐体状にした例である。実施例で作製した保護素子の内部構成を示す概略平面図である。

以下、本発明を適用し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。

図１に、本発明を適用した保護素子の一例（第１の実施形態）を示す。なお、図１は、絶縁カバー板を取り除いた状態での平面図である。本例の保護素子は、いわゆる基板型の保護素子（基板型ヒューズ）であり、所定の大きさのベース基板１上に、溶断により電流を遮断するヒューズとしての役割を果たす低融点金属体２と、異常時に発熱して前記低融点金属体２を溶融するための発熱体（ヒータ）３とが近接して並列に配置されている。

ここで、ベース基板１の材質としては、絶縁性を有するものであれば如何なるものであってもよく、例えば、セラミックス基板、ガラスエポキシ基板のようなプリント配線基板に用いられる基板、ガラス基板、樹脂基板、絶縁処理金属基板等を用いることができる。これらの中で、耐熱性に優れ、熱良伝導性の絶縁基板であるセラミックス基板が好適である。

また、ヒューズとしての機能を有する低融点金属体２の形成材料としては、従来よりヒューズ材料として使用されている種々の低融点金属体を使用することができ、例えば、特開平８−１６１９９０号公報の表１に記載の合金等を使用することができる。具体的には、ＢｉＳｎＰｂ合金、ＢｉＰｂＳｎ合金、ＢｉＰｂ合金、ＢｉＳｎ合金、ＳｎＰｂ合金、ＳｎＡｇ合金、ＰｂＩｎ合金、ＺｎＡｌ合金、ＩｎＳｎ合金、ＰｂＡｇＳｎ合金等を挙げることができる。また、低融点金属体２の形状は、薄片状でも棒状でもよい。

発熱体３は、例えば、酸化ルテニウム、カーボンブラック等の導電材料と水ガラス等の無機系バインダ、あるいは熱硬化性樹脂等の有機系バインダからなる抵抗ペーストを塗布し、必要に応じて焼成することにより形成できる。また、酸化ルテニウム、カーボンブラック等の薄膜を印刷、メッキ、蒸着、スパッタで形成してもよく、これらのフィルムの貼付、積層等により形成してもよい。

ベース基板１の表面には、前記低融点金属体２用の一対の電極４，５、及び前記発熱体３用の一対の電極６，７が形成されており、これら電極４，５、あるいは電極６，７に接続される形で前記低融点金属体２や発熱体３が形成されている。また、各電極４，５，６，７には、それぞれリード８，９，１０，１１が接続されており、外部端子としての役割を果たす。

溶融した低融点金属体２が流れ込むこととなる電極、すなわち低融点金属体２用の電極４，５の構成材料についても特に制限はなく、溶融状態の低融点金属体２と濡れ性の良いものを使用することができる。例えば、銅等の金属単体や、少なくとも表面がＡｇ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｕ等から形成されているもの等である。発熱体３用の電極６，７については、溶融状態の低融点金属体２との濡れ性を考慮する必要はないが、通常は前記低融点金属体２用の電極４，５と一括して形成されるため、低融点金属体２用の電極４，５と同様の材料により形成される。

リード８，９，１０，１１には、扁平加工線や丸線等の金属製の線材が用いられ、半田付けや溶接等によって前記電極４，５，６，７に取り付けることにより、これらと電気的に接続される。このようなリード付きの形態を採用する場合、リードの位置を左右対称にすることにより、取り付け作業時に取り付け面を意識することなく作業することができる。

また、前記低融点金属体２の上には、その表面酸化を防止するために、フラックス等からなる内側封止部１２が設けられている。フラックスとしては、ロジン系フラックス等、公知のフラックスをいずれも使用することができ、粘度等も任意である。

以上が本実施形態の保護素子の内部構造であるが、本実施形態の保護素子においては、図２に示すように、前記低融点金属体２や発熱体３を覆って絶縁カバー板１３が設けられている。

前記絶縁カバー板１３を設けることにより、例えば封止樹脂の盛り上がり等を抑えることができ、保護素子全体の薄型化を実現することができる。絶縁カバー板１３の材質は、低融点金属体２の溶断に耐え得る耐熱性と機械的な強度を有する絶縁材料であれば如何なるものであってもよく、例えば、ガラス、セラミックス、プラスチック、ガラスエポキシ基板のようなプリント配線基板に用いられる基板材料等、様々な材質を適用することができる。特に、セラミックス板のような機械的強度の高い材質を使用した場合、絶縁カバー板１３自体の厚さも薄くすることができ、保護素子全体の薄型化に大きく寄与する。

前記絶縁カバー板１３をセラミック板のような熱伝導性に優れる材質とし、フラックスを介してベース基板１と接触するようにすることで、通常の取り付け接触面（ベース基板１側）以外からの熱に対しても、応答性の良いヒューズとすることができる。この場合、両面からの熱検出という意味からは、絶縁カバー板１３の大きさはベース基板１の大きさと同等であることが好ましいが、これに限らず、いずれか一方が小さくても、あるいは大きくても同様の効果を得ることができる。

ここで、絶縁カバー板１３は、リード８，９，１０，１１と接触するまで押し込まれ、周囲に樹脂１４を配することによりベース基板１に対して所定の間隔を保って固定され、これら絶縁カバー板１３とベース基板１との間の空間に前記低融点金属体２や発熱体３が収容された形になっている。

すなわち、本実施形態では、絶縁カバー板１３がリード８，９，１０，１１と樹脂１４を介することなく接触しており、したがって、これらリード８，９，１０，１１がベース基板１と絶縁カバー板１３との間の距離を決めるスペーサ部材としての機能を果たしている。

このように、絶縁カバー板１３をベース基板１側に設けられたスペーサ部材であるリード８，９，１０，１１と接触させてベース基板１に対して固定することにより、リード８，９，１０，１１の厚さで確実にベース基板１と絶縁カバー板１３との間隔（距離）が規制される。リード８，９，１０，１１は金属によって形成されており、高い剛性を有するので、ベース基板１と絶縁カバー板１３との間の距離が、フラックスの量や絶縁カバー板の押し込み圧等に依存する従来技術と異なり一定したものとなり、薄型化が実現されると同時に、寸法安定性も確保される。

以上は、リード８，９，１０，１１の厚さが低融点金属体２や発熱体３の厚さよりも厚いことが前提であるが、例えば、リード８，９，１０，１１の厚さが低融点金属体２や発熱体３の厚さよりも薄い場合には、図３に示すように、リード８，９，１０，１１の絶縁カバー板１３が当接する部分、すなわち電極４，５，６，７と接続される先端部分を折り返して折り返し部８ａ，９ａ，１０ａ，１１ａを形成し、これら折り返し部８ａ，９ａ，１０ａ，１１ａに絶縁カバー板１３を接触させて固定することも可能である。この場合、絶縁カバー板１３とベース基板１ａ間の間隔がリード８，９，１０，１１の厚さの２倍程度に拡大され、低融点金属体２や発熱体３の厚さがリード８，９，１０，１１の厚さよりも厚い場合にも対応可能である。

また、溶融した低融点金属体２の収容空間を確保するために、図４（ａ）に示すように、絶縁カバー板１３の内側面に凹部１３ａを設けたり、図４（ｂ）に示すように、絶縁カバー板１３自体を低融点金属体２の溶断部に対応して凹部が形成されるように湾曲形成することも可能である。このような工夫を行うことにより、保護素子の厚さを最小限に抑えながら溶融した低融点金属体２の収容空間を十分に確保することが可能になる。

スペーサ部材として利用するのは、上記リード８，９，１０，１１に限らず、他の部材でも構わない。この場合、保護素子のベース基板１上に実装されている部品等を利用する他、スペーサ部材を別途ベース基板１上に形成しておくことも可能である。また、例えばリード８，９，１０，１１を利用する場合、その高さ調整として、リード８，９，１０，１１を取り付ける電極４，５，６，７の膜厚を調整したり、導電性接着剤やペースト等で調整することも可能である。ただし、後者の場合、これらの厚さがあまり厚いと変動要因となるので注意を要する。

上述の保護素子は、いずれも絶縁カバー板１３のスペーサ部材がベース基板１側に設けられている場合の例であるが、これに限らず、絶縁カバー板１３自体にスペーサとなる部分を形成しておくことも可能である。

例えば、図５（ａ）に示すように、絶縁カバー板１３の４隅部分にピン１３ｂを設けておき、これをベース基板１に当接させることで高さ位置を規制することも可能である。この場合には、ピン１３ｂがスペーサ部材としての役割を果たす。また、ベース基板１のピン１３ｂを受ける部分にピン孔加工を施し、ここにピン１３ｂを差し込むようにすれば、寸法安定性、位置安定性はさらに向上する。

なお、前記ピン１３ｂの代わりにピンよりも大きさの大きいリブを形成し、これをスペーサ部材とすることも可能である。また、図５（ｂ）に示すように、絶縁カバー板１３の周囲に沿って突部、すなわち立ち上がり壁１３ｃを形成し、絶縁カバー板１３を筐体状（キャップ状）とすることも可能である。いずれにしても、前記ピン１３ｂやリブ、立ち上がり壁１３ｃは射出成型等により絶縁カバー板１３に簡単に形成することが可能である。

以上、本発明を適用した実施形態について説明してきたが、本発明がこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることは言うまでもない。例えば、先の実施形態においては、発熱体３の発熱により低融点金属体２を溶断するようにしているが、発熱体の無い自己溶融型の保護素子にも適用することができる。

次に、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。

実施例１
本実施例は、図６に示す自己溶融型の保護素子に適用した例である。作製した保護素子の構成は、図６に示すように、ベース基板２１上に一対の電極２２，２３を設け、これらの間に低融点金属体２４を接続するとともに、各電極２２，２３にリード２５，２６を接続してなるものである。

具体的には、６ｍｍ×６ｍｍの大きさを有する厚さ０．５ｍｍのセラミックス基板をベース基板２１とし、この上に電極２２，２３を形成した。各電極２２，２３としては、Ａｇ−Ｐｄ電極を印刷形成した。

そして、これら電極２２，２３間に低融点金属（幅１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ）を溶接にて接続し、ロジン系フラックスで封止した。また、各電極２２，２３には、ＮｉメッキＣｕリード線（幅１ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を半田付けにて接続しリード２５，２６とした。

次いで、セラミックス基板（ベース基板１）の外周に２液性エポキシ樹脂を塗布し、セラミックス製の絶縁カバー板（大きさ６ｍｍ×６ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を置き、リード２５，２６に接触するまで押し込んで、４０℃、８時間なる条件で硬化した。

実施例２
基本的な保護素子の構成は、先の実施例と同様である。本実施例では、２液性エポキシ樹脂の硬化時に絶縁カバー板上に重りを載せ、硬化時の流動を抑えるようにした。

比較例
基本的な保護素子の構成は、先の実施例１と同様である。ただし、絶縁カバー板をリードに接触するまで押し込んでいないことが実施例１とは異なる。

評価結果
以上により作製した実施例及び比較例の保護素子（各１０個）について、平均厚みと厚み範囲を測定した。結果を表１に示す。

この表１から明らかなように、ベース基板上のリードと絶縁カバー板とを接触させることにより、明らかに保護素子の厚みを薄くすることができ、しかも厚みムラが少なく安定して製造できていることがわかる。

１ベース基板
２低融点金属体
３発熱体
４，５，６，７電極
８，９，１０，１１リード
１３絶縁カバー板
１４樹脂

Claims

ベース基板上に形成された複数の電極間に低融点金属体が配され、前記低融点金属体の溶断により電流が遮断される保護素子において、
前記ベース基板と対向して絶縁カバー板が設けられるとともに、前記低融点金属体が接続された前記電極に当該低融点金属体とは接触しないでリードが接続されて設けられており、
前記絶縁カバー板は、周囲に配された樹脂を介することなくスペーサとなる部材としての前記リードと直接接触した状態で封止されており、
前記ベース基板と前記絶縁カバー板との間の距離は前記リード自身の厚さによって決定され、
前記絶縁カバー板には、前記低融点金属体の溶断部に対応して凹部が形成されるように、絶縁カバー板の内面に凹部を形成し、またはカバーを湾曲してなること
を特徴とする保護素子。
前記低融点金属体の厚さ又は異常時に発熱して当該低融点金属体を溶融するための発熱体の厚さよりも前記リードの厚さが薄く、前記リードを折り返して折り返し部が設けられ、前記リードを折り返した先端が前記絶縁カバー板の端縁よりも外側に位置するように構成されており、前記折り返し部に前記絶縁カバー板が直接接触していることを特徴とする請求項１に記載の保護素子。