JP5207278B2 - 保護回路モジュール - Google Patents

Description

本発明は、二次電池などにおける過充電や過放電、過電流を検出して回路の遮断や復帰を行う保護回路を、二次電池の装着対象物に設ける場合の保護回路モジュールの構成に関する。

電子機器の小型軽量化の進展に伴い、それらの機器に内蔵されるリチウムイオン電池などの二次電池に対しても小型化が要求され、それら二次電池とともに電子機器に内蔵される二次電池の保護回路モジュールについても小型化の要求が強くなっている。二次電池の保護回路モジュールは、パッケージ型のディスクリート半導体素子を使ったものから、ベアチップを絶縁基板に実装し、ワイヤボンディング配線を行った後で回路部分を樹脂で封止したＣＯＢ（Chip on Board）構造によるもの、さらにはＣＯＢ構造に必要とされるワイヤボンディングスペースを不要としたＣＳＰ（Chip Size Package）構造や、フリップチップ実装構造が主流となりつつある。

従来の二次電池の保護回路モジュールの例として、特許文献１に記載の構成が知られている。図５に特許文献１に記載の二次電池の保護回路モジュールの構成の例を示す。図５において、二次電池の保護回路モジュールは電子部品を搭載した基板２１と、この基板２１を上下から挟むように設置されたカバー２７およびケース２９により構成されている。ここで基板２１はＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate：ポリエチレンテレフタレート）樹脂などのフィルムからなり、その両端には電池本体との電気的接続を行う接続リード部２２が延出されている。基板２１の片面（図５では下面）には複数の電子部品２３（図５では点線にて表示）が搭載されており、これらの電子部品２３はＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）などのパワートランジスタ、電池保護用ＩＣ、コンデンサなどの実装部品、および印刷形成された抵抗などからなるものである。これらは二次電池の充放電安全回路を構成している。

基板２１の上側と下側にはそれぞれカバー２７およびケース２９が設けられており、基板２１は上下方向からカバー２７とケース２９により挟持され、熱溶着や接着剤により接合されている。このときに基板２１の片面に搭載された複数の電子部品２３は、ケース２９の上面に設けられた凹部に収納される。カバー２７およびケース２９の材質としては、ＰＥＴ樹脂やＰＣ（Polycarbonate：ポリカーボネート）樹脂が好適である。図５でケース２９の下方には図示しない二次電池が配置され、ケース２９の下方の四隅に設けられた突部により固定される。ケース２９の下方に二次電池が配置された後に、基板２１の両端の接続リード部２２は下方に折り曲げられ、二次電池の電気接点と接続される。また図５の基板２１の上面には３点の電極２４〜２６が設けられており、それぞれカバー２７に開口形成された接続窓２８からそれぞれ外部に露出して外部接続端子を構成している。これら基板２１、カバー２７、ケース２９からなる保護回路モジュールと、その下方に配置された二次電池とが一体に固定されることで、電池パックを構成している。

特許文献１に記載の二次電池の保護回路モジュールにはカバーおよびケースという比較的容積の大きい部材が含まれており、このことが保護回路モジュールの小型化において障害となっていた。保護回路モジュールの構成は二次電池の容量にあまり関係しないので、とくに二次電池部分の容積が比較的小さい、中小容量の二次電池の場合には、二次電池の容積と比較しての保護回路モジュールの相対的な容積の大きさが際立つことになる。ここで特許文献２に記載の二次電池の保護回路モジュールは、特許文献１の場合のカバーやケースに相当する部材を廃止することにより、二次電池の保護回路モジュールにおける一層の小型化を図ったものである。

図６に特許文献２に記載の二次電池の保護回路モジュールの構成の例を示す。図６において、基板３１は樹脂による基板であり、特許文献２ではこの基板としてエポキシ系の樹脂の使用が示唆されている。基板３１の上面には電子部品３３〜３７が搭載されている。また基板３１の上面の両端にはそれぞれ電極端子３２が設けられており、電子部品３３〜３７はこれら２つの電極端子３２に挟まれた領域に配置されている。電極端子３２はそれぞれ二次電池の陽極および陰極に接続される電極であって、後述の封止樹脂３８が基板３１の両端方向にはみ出さないための障壁としての役割も有している。また基板３１の下面には、図示しない３点の外部接続端子が設けられており、電極端子３２に接続される二次電池を含めた電池パックの外部接点となっている。

基板３１の上面には電子部品３３〜３７を被覆する封止樹脂３８が設けられており、その被覆高さは電極端子３２の上面とほぼ一致している。封止樹脂３８の構成樹脂は基板３１と同系の樹脂である、エポキシ系の樹脂であり、とくに基板３１と同じかそれ以上の強度が得られる樹脂を用いることにより、保護回路モジュールに必要な強度の多くをこの封止樹脂３８に負担させることができる。この場合には基板３１のみでは得ることができない大きな強度を保護回路モジュールに与えることができ、また強度保持の負担が小さくなった基板３１を薄く形成して、小型化、軽量化を図ることもできる。さらに封止樹脂３８を形成する際には、複数の基板３１がその両側部にて互いに繋がった状態で樹脂による封止を行い、その硬化の後で互いに個片に切り離すようにすれば、封止の際の型枠が不要になる。従って、封止樹脂３８の離型性を考慮することなく、流動性や硬化後の強度のみを考慮して用いる樹脂を選択することができる。

特開２００７−２７３２４２号公報 特開２００２−１６４０３９号公報

二次電池の保護回路モジュールに用いられる電子部品は、一般に過充電、過放電、過電流の検出機能を有する電池保護用ＩＣと、その検出結果に基づき電池出力のオンオフ（復帰と遮断）を行うＦＥＴなどのパワートランジスタによるＩＣ素子、およびパッシブ素子であるコンデンサ、抵抗、ダイオードなどより構成されている。このうち電池保護用ＩＣとパワートランジスタの２つは比較的容積が大きく、他のパッシブ素子は容積が小さい。ただし、これら電池保護用ＩＣやパワーＩＣはＣＳＰ構造のＩＣとすることで容積を減少することができ、またＢＧＡ（Ball Grid Array）構造を採用すればさらなる小型化が可能である。

しかし二次電池に大電流が印加、放出される場合に保護回路モジュールが十分な信頼性をもって動作するには、これら電子部品どうしの間に絶縁性を確保することが求められ、そのためには互いの間隔（部品間距離）をある程度以上に保つ必要がある。従って基板上に搭載される各々の電子部品の部品間距離の確保のためには、基板上に一定以上の搭載面積が必要であり、それが従来の保護回路モジュールの小型化の限界となっていた。

また、特許文献２に記載の保護回路モジュールでは、基板と電子部品を被覆している封止樹脂が、基板の上面との接続部と両端の電極端子の側面との接続部の３箇所のみで他の構成部材に固定されており、電極端子に接していない、封止樹脂の残りの２箇所の側面は保護回路モジュールの他の構成素子との接続に寄与していない。このため、封止樹脂の固化の際の応力歪みの蓄積や、保護回路モジュールに加えられる曲げ応力などが原因となって、封止樹脂と基板の上面との間で剥離が生じる場合がある。剥離が生じた保護回路モジュールはその強度が大きく低下するとともに、使用時に基板の上面に設置した電子部品が外部応力による振動などにより封止樹脂とともに剥離する可能性があり、耐久性の面から製品として使用することができない。このように、特許文献２に記載の保護回路モジュールの構成はその外部振動に対する耐久性の面でも課題を有していた。

従って、本発明の二次電池の保護回路モジュールにおける解決課題は、従来技術と比較しての保護回路モジュールのさらなる小型化が可能であり、しかも絶縁物による封止を行った場合でもその剥離が生じにくく、外部振動に対する耐久性が高い保護回路モジュールを提供することである。

本発明は、前記の課題を鑑みてなされたものであり、基板の主面となる１面だけではなく、その裏面も含めた両面に電子部品を分散して搭載するとともに、これら電子部品を全て基板の表裏の両面にそれぞれ設けた凹部の内部に設置することとして、絶縁物をこれらの凹部に充填して封止固定する構成としたものである。この絶縁物としてはエポキシ樹脂が適しており、またガラス繊維を含むプリプレグなども好適に使用することができる。

電子部品の搭載領域として基板の両面を用いることによって、必要な部品間距離を確保しつつ保護回路モジュールに必要な基板の寸法を小さくすることができる。また、基板の両面に設けたそれぞれの凹部は、その周縁が略全周に渡ってその基板の構成部材により囲まれた構造である。従って基板表面の凹部に充填された絶縁物は、その底面だけではなく、その側面の全域でも基板の構成部材に固定されることとなる。従って特許文献２の場合に比べて封止樹脂と基板との固定領域は大きく増加することとなり、これにより封止樹脂が剥離する可能性を低下させることができる。

本発明による両面に凹部を有する基板は、複数層の基板素子を積層することにより作製することができる。つまり両面に凹部を有しない基板素子の両面に、一部に穴部が設けられた基板素子をそれぞれ積層する。これらの基板素子はさらに複数層の薄い基板素子から構成されていてもよく、またそれらの基板素子どうしの層間に内部配線が設けられていてもよい。層間に内部配線が設けられている場合は、そうでない場合よりも複雑な配線を基板内部に形成することができるため、保護回路モジュールの設計における自由度を向上させることができる。このように、凹部を有する基板素子を積層して基板を作製する方法は、基板面に切削加工により凹部を設けるなどの方法に比べて、基板へのダメージ低減による歩留まりの向上や、その量産性の面で有利な方法である。

即ち、本発明は、外部接続端子が形成された主面を有し、前記主面および前記主面の裏面の両面に、それぞれ１以上の凹部を有する基板を含む保護回路モジュールであって、前記基板は複数層からなる積層基板であり、前記凹部の１以上にそれぞれ電子部品が設置されており、前記凹部の１以上は、前記凹部の周縁のうち略全域が前記基板の構成要素により囲まれており、前記凹部が絶縁物により封止され、予め穴部が形成されていて、内部または表面に配線が施された樹脂層が順次積層されることにより、前記基板が作製されたことを特徴とする保護回路モジュールである。

また、本発明は、前記外部接続端子が前記基板の主面において、前記凹部の内部以外の位置に配置されていることを特徴とする保護回路モジュールである。

さらに、本発明は、前記凹部の１以上に設置されてなる前記電子部品が、所定値以上の過充電、過放電、もしくは過電流を検出することにより回路を遮断する機能を有する保護回路装置を構成する電子部品を含むことを特徴とする保護回路モジュールである。

さらに、本発明は、前記電子部品がＣＳＰ構造の半導体素子を含むことを特徴とする保護回路モジュールである。

さらに、本発明は、ＣＳＰ構造である前記半導体素子がＢＧＡ構造を有することを特徴とする保護回路モジュールである。

さらに、本発明は、前記基板が複数層の内部配線を有することを特徴とする保護回路モジュールである。

さらに、本発明は、前記基板がガラス繊維エポキシ樹脂からなることを特徴とする保護回路モジュールである。

さらに、本発明は、前記基板が有する前記凹部を封止する前記絶縁物がガラス繊維を含むプリプレグ、もしくはエポキシ樹脂からなることを特徴とする保護回路モジュールである。

本発明による保護回路モジュールは、回路構成に必要な電子部品を基板の主面とその裏面の両面に搭載することにより、必要な基板寸法を小さくして小型化を図ることができる。また基板の両面に凹部を設けてその内部に前記電子部品を実装して、その凹部を封止樹脂などの絶縁物により充填する構成とすることにより、充填された絶縁物により基板の強度を向上させることにもなる。さらに絶縁物の充填領域をその周縁が略全周に渡って基板の構成部材により囲まれた形状とすることによって、絶縁物の剥離の発生を防ぐことができ、その耐久性の向上を図ることが可能である。また保護回路モジュールを構成する基板を、平坦な基板素子とその一部に穴部が設けられた基板素子との積層により作製することにより、基板の作製の際の歩留まりの向上や量産性の向上を図ることができる。

以下に図１ないし図４に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１ないし図４は、本発明の実施の形態に係る二次電池の保護回路モジュールの構成図の例を図示したものである。このうち図１は、電子部品やそれを封止する絶縁物をその基板に組み込む前の状態を図示したものであり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）の左右方向の断面図である。図１（ａ）、図１（ｂ）において、基板１の上下の両面にはそれぞれ凹部１０、１１が１箇所ずつ設けられている。この凹部１０、１１の底部にはそれぞれ複数の電極接点１５が露出しており、これは後述の電子部品との接合点となっている。なお図１（ａ）の記載のように、基板１の上面（主面とする）に設けられた凹部１０はその周縁の全域が基板１の構成部材によって囲まれた構成となっている。また同様に基板１の下面には凹部１１が設けられており、図１（ａ）では凹部１１の領域を点線により示している。なお基板１としては一般的にガラス繊維エポキシ樹脂からなる基板が適しており、また内部に複数層の配線を有する多層基板とすることが好ましい。

また基板１の内部には複数層に渡る内部配線２が設けられており、この配線は電極接点１５にもそれぞれ接続されている。さらに基板１の図の左右の上方には、内部配線２に接続された平板状の電極配線１３がそれぞれ設けられている。一方、基板１の下面には外部接続端子としてプラス出力端子４、ＴＨ端子５、マイナス出力端子６がそれぞれ設けられている。これら３点の出力端子は、二次電池と保護回路モジュールを一体とした電池パックの場合の外部出力となるもので、それぞれ電池パックの正極、モニタ出力、負極に接続される。なおＴＨ端子５は二次電池の内部温度などの監視を行うモニタ出力を取り出すための端子であり、電池パックを使用する装置の電源の監視を行う回路などに接続される。

また図２は図１に記載の二次電池の保護回路モジュールの基板に対し、その主面である上面側にのみ電子部品を搭載した状態を図示したもので、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）の左右方向の断面図である。図２（ａ）、図２（ｂ）において、基板１の上面に設けられた凹部１０には電子部品である半導体素子７、８が並べて配置されている。これらの半導体素子としては、過充電、過放電、過電流の検出機能を有する電池保護用ＩＣや電池出力をオンオフするためのＦＥＴなどのパワートランジスタが一般に用いられる。なお半導体素子７、８の間には、半導体素子どうしや内部配線２との間の絶縁性の確保のために、一定長さの間隔が必要である。また凹部１０を取り囲む、基板の構成部材からなる凹部１０の壁面と半導体素子７、８の間にも同様の理由で一定量の距離が必要であることから、凹部１０の寸法形状はこれらの間隔（部品間距離）が十分に確保されるように設定する必要がある。

半導体素子７、８としては省スペースの観点からＣＳＰ構造の素子とすることが適している。またＢＧＡ構造を採用してより一層の搭載面積の低減を図ることも好ましい。図２（ｂ）は半導体素子７、８をＢＧＡ構造の素子とした場合を図示したものであり、半導体素子７、８の下側には電極としてはんだバンプ１４が配置されている。このはんだバンプ１４は基板１の凹部１０の底面に露出している電極接点１５に接触して配置されている。この状態のまま、リフローはんだ付けなどの方法ではんだバンプ１４を加熱溶融させることで、半導体素子７、８を凹部１０の内部に接続固定することができる。また図２（ａ）、図２（ｂ）の基板１の左右上面には平板状の電極配線１３が露出しているが、その上面にそれぞれ二次電池接続プレート３を配置しておき、半導体素子７、８のはんだ付け固定の際に一緒に接続固定する。この二次電池接続プレート３には金属板が好適に用いられ、この二次電池接続プレートに二次電池の正負の電極が直接接触する。この構成により、二次電池の電極が保護回路モジュールを構成する基板に直接接触することを防ぐことができる。

さらに図３は図２に記載の二次電池の保護回路モジュールにおいて、主面の裏面である基板の下面側にも新たに電子部品を搭載した状態を図示したものであって、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）の左右方向の断面図である。図３（ａ）、図３（ｂ）では、基板１の下面に設けられた凹部１１にも電子部品であるパッシブ素子９が並べて配置されている。これらの半導体素子はコンデンサ、抵抗、ダイオードなどであり、基板１の上面に配置された半導体素子７、８である電池保護用ＩＣやパワートランジスタとともに、二次電池の保護回路を構成する素子である。これらのパッシブ素子９の相互間や、凹部１１を取り囲む周囲の壁面とパッシブ素子９との間にも一定長さの部品間距離が必要である。

パッシブ素子９の実装では、凹部１１の底部に露出している電極接点１５にまずはんだクリームを塗布し、このはんだクリームを塗布した位置に各々のパッシブ素子９を配置して、半導体素子７、８の場合と同様に、リフローなどの方法によるはんだ付け接合を行うこととなる。パッシブ素子９のはんだ付けは、半導体素子７、８や二次電池接続プレート３のはんだ付けと同時に行うことも、別々に実施することも可能である。両者のはんだ付け工程を分離する場合は、２度の接続固定に用いるはんだの種類をそれぞれ変えて、融点の異なるはんだを用いるなどの措置が必要な場合もある。ただしこの場合は基板１の両面のはんだ付けを片面ずつ行うため、パッシブ素子９の接続固定の際には基板１を反転させて、パッシブ素子９をはんだ付けを行う電極接点１５の上側に配置させてはんだ付けを行うことができる。またパッシブ素子９を実装してはんだ付け接合を行う際には、基板１の下面の外部接続端子であるプラス出力端子４、ＴＨ端子５、マイナス出力端子６として、必要に応じてそれぞれ金属板を接合することも可能である。

さらに図４は図３に記載の二次電池の保護回路モジュールにおいて、基板の上下両面の凹部にそれぞれ絶縁物を充填した状態を図示したものであり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）の左右方向の断面図である。図４（ａ）、図４（ｂ）では、基板１の上下両面に設けた凹部１０、１１は各々その上縁の付近まで絶縁物１２により充填されている。絶縁物１２としては封止樹脂が用いられるが、とくに基板１と同系のエポキシ樹脂が好適であり、またガラス繊維を含むプリプレグも加熱することによって軟化するため、封止樹脂として用いることができる。ガラス繊維を含むプリプレグを用いた場合は、とくに基板１を含めた保護回路モジュール全体の強度を高めることが可能である。

図４（ａ）では凹部１０に充填した絶縁物１２から半導体素子７、８の上面のみが露出している場合を示しているが、絶縁物１２の充填によってこれらの素子を凹部１０の内部に完全に埋没させた構成としても構わない。図４（ａ）において、二次電池はこの保護回路モジュールの図の上方に配置されて、２箇所の二次電池接続プレート３がそれぞれ二次電池の正負両極に接続される。そして二次電池を含めた電池パック全体の外部出力は、図４（ａ）の保護回路モジュールの下部に設けられた３点の外部電極端子である、プラス出力端子４、ＴＨ端子５、マイナス出力端子６によって行われる。

図４（ａ）、図４（ｂ）において、基板１の上下両面の凹部１０、１１の周縁は基板１の壁面により全周を囲まれているために、特許文献２の構成の場合に比べて基板１からの絶縁物１２の剥離が生じにくい。また凹部１０、１１を基板１の上下両面に設け、二次電池の保護回路としての機能を生じさせる電子部品である半導体素子７、８やパッシブ素子９を、２箇所の凹部に分散させて配置しているために、絶縁性の維持のために必要となる部品間距離を十分に確保することができる。保護回路モジュールにおいて絶縁性がとくに重要となるのは、２箇所の二次電池接続プレート３と半導体素子７、８の間である。図４に示す構成では特許文献２の場合と異なり、二次電池接続プレート３を基板１の上面の面上、即ち図の基板１の上面よりも上方に搭載する構成としている。一方、半導体素子７、８は基板１の上面よりも低い位置に設置しているので、両者の間の距離（沿面距離）は水平方向の部品間距離よりもさらに大きくなっており、従ってこの間の絶縁性を確保するために有利な構成となっている。

基板の両面に電子部品を搭載した凹部を有し、その凹部を封止樹脂である絶縁物にて充填した二次電池の保護回路モジュールを実施例として実際に作製した。また基板が凹部を持たず、その片面のみに電子部品を搭載した構成の保護回路モジュールを作製し、これを比較例とした。これら実施例および比較例の保護回路モジュールについて信頼性試験を行い、その結果を評価した。実施例および比較例の保護回路モジュールの形状と作製手順、信頼性試験の方法とその評価結果について以下に説明する。

（実施例１）
まず片面もしくは両面に金属箔による配線パターンが形成された複数の基板素子を作製し、各々の基板素子を積層して接着することにより、主面である上面とその裏側の下面の両方に凹部を有する基板を作製した。各々の基板素子はガラス繊維エポキシ樹脂により形成しており、また配線パターンは基板の内部配線となるもので、銅箔をエッチングして形成したものである。この配線パターンは、基板内部の他に基板の上面および下面にも設けられており、また基板の両表面に形成された凹部の底面にも設けられている。この凹部は積層して接着する基板素子として、その一部に穴部が設けられた基板素子を用いることにより形成している。

作製した基板の寸法は長さ１３．５ｍｍ×幅３．０ｍｍ×高さ１．５ｍｍであり、上面には基板の中央部に長さ６．０ｍｍ×幅２．０ｍｍ×深さ０．５ｍｍの凹部を設け、下面には基板の一方の端に寄せて、基板の端より０．５ｍｍの位置から長さ６．０ｍｍ×幅２．０ｍｍ×深さ０．５ｍｍの凹部を設けている。基板下面のうち凹部を設けない側の端の近傍には外部出力端子となる３点の配線パターンが設けられている。

次に基板上面の凹部に、電池保護用ＩＣとＦＥＴによるＩＣ素子の、２つの電子部品を並べて搭載した。電池保護用ＩＣおよびＦＥＴは、いずれもＢＧＡ構造を採用したＣＳＰ構造のＩＣであり、このうち電池保護用ＩＣは長さ２．０ｍｍ×幅１．５ｍｍ×高さ０．５ｍｍ、ＦＥＴは長さ１．０ｍｍ×幅１．０ｍｍ×高さ０．５ｍｍである。これら２つの電子部品の高さはボールはんだによる高さを含むものであり、ボールはんだの直径は０．２ｍｍ、各々のＩＣ部分のみの高さは０．３ｍｍである。基板上面の凹部では、これら２個のＩＣは絶縁の確保のために互いに１ｍｍの間隔を空けて配置し、同時に凹部の長手方向の壁面からも１ｍｍの間隔を空けて配置した。一方、凹部の幅方向については両側の壁面から互いに等距離となるように配置した。このため電池保護用ＩＣは両側の壁面からそれぞれ０．２５ｍｍの位置に配置されている。また基板の上面両端部にはそれぞれ長さ３．０ｍｍ×幅３．０ｍｍ×高さ０．３ｍｍのＮｉ材による二次電池接続プレートを配置し、リフローはんだ付けを行い、これら部品の基板へのはんだ付け固定を行った。

次いで基板を反転させ、下面の凹部を上方に向けてその中に合計５個のパッシブ素子を配置した。これらはいずれもサイズ１００５と呼ばれる長さ１．０ｍｍ×幅０．５ｍｍの外形寸法の素子であり、高さはいずれも０．３ｍｍないし０．４ｍｍの間である。基板端から遠い側の凹部の壁面から０．５ｍｍの位置には、外部出力端子のうち、最も凹部寄りの接続端子の配線パターンが設けられている。サイズ１００５のチップ状の５個のパッシブ素子は、コンデンサが２個、抵抗が２個、ダイオードが１個であり、コンデンサ間およびコンデンサとそれ以外の素子、および外部出力端子の端部領域との間には、それぞれ１．０ｍｍの間隔を設けている。

最初に凹部底面のはんだ付けを行う所定の位置にクリームはんだを塗布し、次いで各々のパッシブ素子を配置した。ここで塗布したクリームはんだは低融点はんだである。まず外部出力端子寄りの凹部の壁面から０．５ｍｍの位置に、基板の長さ方向と垂直な向きにコンデンサを１個配置し、１．０ｍｍ離してもう１つのコンデンサ、さらに１．０ｍｍ離してダイオード、次いで０．５ｍｍずつ離して２個の抵抗の各素子をそれぞれ平行に配置した。最も基板端寄りの抵抗は凹部壁面に接触させ、壁面からの距離は０ｍｍとしている。この配列により５個のパッシブ素子を長さ６．０ｍｍの凹部内に全て配置した。その後リフローはんだ付けを行って、これらのパッシブ素子の基板へのはんだ付け固定を実施した。このときの昇温温度は１回目のリフローはんだ付けよりも低く抑え、２回目の昇温によって電池保護用ＩＣやＦＥＴが基板から剥離することを防いでいる。このリフローはんだ付けには低融点はんだを用いることができるため、リフローの温度が１回目より低くても、各パッシブ素子をはんだ付け固定するには問題はない。

最後に必要な電子部品をその両面に実装固定し、基板両面の凹部に対して絶縁物である封止樹脂を充填した。この封止樹脂は熱硬化性のエポキシ樹脂であり、基板両面の凹部に片面ずつ順にこの封止樹脂を充填し、それぞれ所定の温度まで加熱して硬化させた。この封止樹脂の充填により、基板上面の電池保護用ＩＣとＦＥＴは、その上面のみが封止樹脂から露出した状態となり、また基板下面の各パッシブ素子は封止樹脂内に埋没させている。作製した二次電池の保護回路モジュールは、二次電池接続プレートを含めて長さ１３．５ｍｍ×幅３．０ｍｍ×高さ１．８ｍｍであり、上面に二次電池と接続する２箇所の接点、下面に３点の外部出力端子を有する。このような保護回路モジュールを計２０個作製し、後述の強度試験を実施した。

（実施例２）
次いで実施例１と同じく二次電池の保護回路モジュールを作製した。使用した基板の材質、寸法形状、基板の上下両面の穴部に搭載した電子部品の種別と形状、各部品のリフローはんだ付けの手順などは、いずれも実施例１の場合と同一である。実施例１との違いは、基板両面の凹部に充填した絶縁物である封止樹脂の種別である。ここではガラス繊維を含むプリプレグに熱硬化性のエポキシ樹脂を含浸させたものを用い、加熱して軟化させたこのプリプレグを基板凹部に充填して、所定の温度圧力条件にて加熱加圧して硬化させた。プリプレグはエポキシ樹脂ほどの柔軟性はないものの、適当な温度圧力条件を設定することにより、とくに支障なく各電子部品の封止固定を完了することができた。このようにしてプリプレグにより封止固定を行った保護回路モジュールを計２０個作製し、実施例１と同様に後述の強度試験を実施した。

（比較例１）
比較例として、基板に凹部を設けず、その主面である片面のみに電子部品を実装して絶縁物により封止固定した、二次電池の保護回路モジュールを作製した。これは特許文献２における保護回路モジュールの構成に準拠したものである。基板はガラス繊維エポキシ樹脂からなり、その外形寸法は長さ２０．０ｍｍ×幅３．０ｍｍ×高さ１．０ｍｍであって、主面の両端部にはそれぞれＮｉ材による二次電池接続プレートを配置した。この比較例1における二次電池接続プレートは、前記実施例１、２の場合と同様の二次電池との接触面積を有するとともに、基板の主面に搭載する電子部品よりも突出している必要があることから、長さ３．０ｍｍ×幅３．０ｍｍ×高さ０．８ｍｍの形状としている。また基板の外形寸法では実施例１、２の場合よりも長さが長くなっているが、これは基板の主面上に２個の二次電池接続プレートと全ての電子部品を、相互の絶縁に必要な部品間距離を保持して配置するためには最低限必要な長さである。

基板上に搭載した電子部品は実施例１、２の場合と同じく、ＢＧＡ構造を採用したＣＳＰ構造の電池保護用ＩＣとＦＥＴ、および５個のパッシブ素子である。これらの電子部品と二次電池接続プレートを基板の主面上に搭載し、１回のリフローはんだ付けにより接続固定した。次いで２箇所の二次電池接続プレートの間に搭載された各電子部品を、絶縁物である封止樹脂により被覆し、加熱により樹脂封止を行った。封止樹脂は実施例１と同じく熱硬化性のエポキシ樹脂である。このときに２箇所の二次電池接続プレートにより囲まれていない、基板の幅方向には剥離板を設置して、封止樹脂が流れ出すことを防いでいる。封止樹脂が熱硬化した後にこの剥離板はとくに支障なく取り外すことができた。

上記の方法により作製した二次電池の保護回路モジュールは、二次電池接続プレートを含めて長さ２０．０ｍｍ×幅３．０ｍｍ×高さ１．８ｍｍであり、上面に二次電池と接続する２箇所の接点、下面に３点の外部出力端子を有している。このような保護回路モジュールを計２０個作製し、実施例１、２と同様に後述の強度試験を実施した。

前記実施例１、２および比較例１による各々の二次電池の保護回路モジュールに対して、日本工業規格ＪＩＳ Ｃ８７１３「密閉形小形二次電池の機械的試験」に準拠した信頼性試験を実施し、その耐久性について検討した。試験方法は、各々の保護回路モジュールを二次電池に接続してフル充電し、この二次電池と一体とした電池パックを振動印加装置に固定して、振動数が１０〜５００Ｈｚの間で順次変化する、特定方向の機械振動を加えるものである。振動振幅はピーク間の値が０．３５ｍｍで一定で、振動数の変化速度は１オクターブ／分であり、印加する振動数を１０Ｈｚから５００Ｈｚまで増加させ、そして再び１０Ｈｚまで戻す試験を１サイクルとする。この１サイクル当たりの振動試験に要する時間は１１分であり、この一連の掃引のサイクルを振動方向１軸当たり５サイクルずつ繰り返すものである。従って３軸方向全ての振動試験時間の合計は１６５分間である。

この振動試験の実施後に二次電池を完全に放電させ、電池パックを解体して保護回路モジュールを取り出し、封止樹脂の剥離などの外観不良がないかどうかの目視検査を実施した。この一連の機械振動試験と目視検査を実施例１、２および比較例１の保護回路モジュールのうち各１０個ずつに対して行い、その結果を通常試験として表１にまとめた。

同様に、実施例１、２および比較例１の各々の二次電池の保護回路モジュールに対してさらに過酷な条件による機械振動試験を行った。１サイクル当たりの振動試験の方法は前記の通常試験と同じであるが、３軸方向の各５サイクルずつの一連の機械振動を加えた後にも電池パックを完全放電させずに、フル充電のままで一連の機械振動をさらに連続して４回繰り返して行った。合計５回の機械振動試験を行った後で電池パックを完全放電させて、保護回路モジュールを取り出して目視検査を行った。この試験を実施例１、２および比較例１の保護回路モジュールのうち各１０個ずつに対して行い、その結果を過酷試験として同じく表１にまとめた。

表１は実施例１、２および比較例１の各々の二次電池の保護回路モジュールにおける、その占有体積と通常試験、過酷試験における外観不良の発生数をまとめたものである。サンプル数は各試験ごとにそれぞれ１０個である。各々の機械振動試験を実施する前の各サンプルにはいずれも外観不良は発生しておらず、充電特性などの電気的特性にも問題はなかった。表１に示されているように、本発明の実施例１、２における二次電池の保護回路モジュールでは通常試験、過酷試験のいずれにおいても外観不良は全く発生しなかった。一方、比較例１における保護回路モジュールでは通常試験で１０個中１個、過酷試験では１０個中５個の外観不良が発生しており、機械振動に対する耐久性に課題があることが分かる。また保護回路モジュールの専有体積も、比較例１の場合は実施例１、２の場合よりもその幅が大きいことから体積比で１．４８倍程度となっており、保護回路モジュールの小型化の点でも本発明の方法が優れていることが分かる。

以上示したように、本発明の実施の形態に基づき、基板の主面およびその裏面の両方に凹部を設けて、電子部品をその凹部内に設置してはんだ付け接続を行い、その後に基板の両側の凹部をそれぞれ絶縁物により封止することにより、必要な基板寸法を小さくして、二次電池などの保護回路モジュールの小型化を図ることができる。また絶縁物の充填領域をその周縁が略全周に渡って基板の構成部材により囲まれた形状とすることにより、保護回路モジュールの機械的強度を増加させて、その耐久性を向上させることが可能である。さらに、上記説明は、本発明の実施の形態に係る場合の効果について説明するためのものであって、これによって特許請求の範囲に記載の発明を限定し、あるいは請求の範囲を減縮するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の実施の形態に係る二次電池の保護回路モジュールにおいて、電子部品を基板に組み込む前の状態の例を図示したもの。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）の左右方向の断面図。 図１において、基板の上側にのみ電子部品を組み込んだ状態の例を図示したもの。図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）の左右方向の断面図。 図２において、基板の下側を含む両面に電子部品を組み込んだ状態の例を図示したもの。図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）の左右方向の断面図。 図３において、基板の両面の凹部に絶縁物を充填した状態の例を図示したもの。図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）の左右方向の断面図。 従来の二次電池の保護回路モジュールの構成の例。 従来の二次電池の保護回路モジュールの構成の例。

符号の説明

１ 基板
２ 内部配線
３ 二次電池接続プレート
４ プラス出力端子
５ ＴＨ端子
６ マイナス出力端子
７、８ 半導体素子
９ パッシブ素子
１０、１１ 凹部
１２ 絶縁物
１３ 電極配線
１４ はんだバンプ
１５ 電極接点
２１ 基板
２２ 接続リード部
２３ 電子部品
２４〜２６ 電極
２７ カバー
２８ 接続窓
２９ ケース
３１ 基板
３２ 電極端子
３３〜３７ 電子部品
３８ 封止樹脂

Claims (8)

1. 外部接続端子が形成された主面を有し、前記主面および前記主面の裏面の両面に、それぞれ１以上の凹部を有する基板を含む保護回路モジュールであって、
   前記基板は複数層からなる積層基板であり、
   前記凹部の１以上にそれぞれ電子部品が設置されており、
   前記凹部の１以上は、前記凹部の周縁のうち略全域が前記基板の構成要素により囲まれており、
   前記凹部が絶縁物により封止され、
   予め穴部が形成されていて、内部または表面に配線が施された樹脂層が順次積層されることにより、前記基板が作製されたことを特徴とする保護回路モジュール。
2. 前記外部接続端子が前記基板の主面において、前記凹部の内部以外の位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の保護回路モジュール。
3. 前記凹部の１以上に設置されてなる前記電子部品が、所定値以上の過充電、過放電、もしくは過電流を検出することにより回路を遮断する機能を有する保護回路装置を構成する電子部品を含むことを特徴とする請求項２に記載の保護回路モジュール。
4. 前記電子部品がＣＳＰ構造の半導体素子を含むことを特徴とする請求項３に記載の保護回路モジュール。
5. ＣＳＰ構造である前記半導体素子がＢＧＡ構造を有することを特徴とする請求項４に記載の保護回路モジュール。
6. 前記基板が複数層の内部配線を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の保護回路モジュール。
7. 前記基板がガラス繊維エポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の保護回路モジュール。
8. 前記凹部を封止する前記絶縁物がガラス繊維を含むプリプレグ、もしくはエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の保護回路モジュール。

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