JP5301298B2

JP5301298B2 - 保護素子

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Publication number: JP5301298B2
Application number: JP2009011196A
Authority: JP
Inventors: 裕二木村; 陽三大橋; 隆広浅田
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2013-09-25
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Description

この発明は、電子機器等に過大な電流または電圧が印加された場合に、その熱により可溶導体が溶断し、電流を遮断する保護素子に関する。

従来、二次電池装置等に搭載される保護素子は、過電流だけでなく過電圧防止機能も有するものが用いられている。この保護素子は、基板上に発熱体が設けられさらに絶縁層を挟んで低融点金属片から成る可溶導体が積層され、過電流により可溶導体が溶断されるように形成されている。さらに、過電圧が生じた場合は、保護素子内の発熱体に通電され、発熱体の熱により可溶導体が溶断する。可溶導体の溶断は、低融点金属である可溶導体の溶融時に、接続された導体層の表面に対する濡れ性の良さに起因して、溶融した低融点金属が電極等の導体層上に引き寄せられ、その結果、可溶導体が分断されて電流が遮断されるものである。

一方、近年の携帯機器等の電子機器の小型化に伴い、この種の保護素子にも小型化・薄型化が要求され、さらに動作の安定性と高速化が求められている。そこで、その手段として絶縁基板上に低融点金属体の可溶導体を配置するとともに、これを絶縁カバーで封止し、可溶導体にはフラックスを塗布して形成されたものがある。このフラックスは、可溶導体の表面の酸化防止を図るとともに、可溶導体の加熱時に迅速且つ安定に溶断するように設けられている。

そのような保護素子として、図１３、図１４に示す構造のものがある。この保護素子は、ベース基板１の両端上に形成された一対の電極５間に抵抗体からなる発熱体２が設けられている。発熱体２には、絶縁層３を介して、電極５の一方に接続した導体層４が積層されている。基板1の両端には他の一対の電極５が設けられ、この電極５間に低融点金属片から成る可溶導体６がソルダペースト７により接続されている。可溶導体６は、その下層の導体層４にも、ソルダペースト７により接続されている。そして、ベース基板１上の可溶導体６には、フラックス８が塗布され、ベース基板１を覆う絶縁カバー９が取り付けられて、保護素子が形成されている。

ここで、過電流等による低融点金属の可溶導体６の溶断は、可溶導体６の溶融時に、接続された導体層４や電極５の表面に対する可溶導体６の濡れ性の良さに起因して、溶融した可溶導体６が導体層４及び電極５上に引き寄せられ、その結果、電極５間の可溶導体６が分断されて電流が遮断される。従って、この濡れ性が電流の遮断特性に大きく影響する。

可溶導体の溶断時の凝集動作や濡れ性に鑑みて、溶断特性を改善した保護素子として、特許文献１に開示された構成の保護素子がある。この保護素子は、絶縁基板と、この絶縁基板の表面に離隔して形成された一対の電極と、この一対の電極間に跨って接続された可溶合金と、可溶合金に被着されたフラックスと、フラックスを覆う絶縁封止材とから成る保護素子である。そして、可溶合金の形成位置に、前記絶縁基板よりも溶融した可溶合金に対する濡れ性の小さい下地層を形成したものである。これにより、可溶合金の溶融時に、溶融した可溶合金が下地層によってはじかれて、迅速に溶断する。そして、溶断時にスパークが発生することがなく、溶融した可溶合金がその表面張力で電極に凝集しやすくなり、確実に溶断するものである。

その他、特許文献２に開示されているように、低融点金属体の溶断時の凝集による回路遮断時間を短くする技術として、低融点金属体に電流を通す一対の電極間に、２条以上の低融点金属体を設け、その電極間の低融点金属体の横断面を２以上の独立的な断面に区分することにより、低融点金属体における溶断開始点を増やし、動作時間を短縮するとともに安定化させた保護素子が提案されている。

特開２０００−２８５７７７号公報特開２００４−２１４０３２号公報

上述の図１３に示す構造の保護素子の場合、溶断時に図１４，図１５に示すように、可溶導体６が導体層４上で凝集し、丸く盛り上がって絶縁カバー９の内面に接触し、熱が逃げ溶断時間が延び、安定な溶融の妨げともなっていた。特に、保護素子の小型化・薄型化により、絶縁カバー９の高さが低くなり、ベース基板１との間の溶融空間も狭くなると、溶融金属が絶縁カバー９の内面に接触しやすくなり、保護素子の薄型化と溶断時間の迅速化、安定化とは互いに相反する問題であった。

また、可溶導体６には、酸化防止の為のフラックス８を塗布しているが、可溶導体６が溶融して濡れ広がる両端の電極５側については、フラックス８は塗布されず、表面が酸化して濡れ性が低下する問題があった。そして、表面の酸化により、溶断後に可溶導体６が濡れ広がる為の電極５の表面を充分に利用できず、溶融した可溶導体６は、接続された導体層４の表面の一部でしか濡れ広がらないものであった。溶融した可溶導体６は、接続された導体層４及び電極５の表面全体に濡れ広がる事が理想的であるが、従来の構造では、図１４、図１５に示すように、溶融した可溶導体６が広がらずに盛り上がり、絶縁カバー９の内面に接触して熱が逃げ、溶断の動作時間が長くなると言う問題が発生していた。

上述の問題は、活性度が高いフラックスを用いた場合には、溶断に悪影響を及ぼす事は少ないものであった。しかし、使用する材料について環境負荷を軽減するために、フラックスのハロゲンフリー化を進めていく上では大きな問題となる。一般的にハロゲンフリーフラックスは、活性度が低いため、可溶導体６に塗布したフラックス８だけでは、溶融した可溶導体６が導体層４電極５上に濡れ広がらないため、可溶導体６を迅速に且つ安定に溶断する事が難しいと言う問題が生じるものであった。

また、特許文献１に開示された保護素子の場合、溶融した可溶合金に対して絶縁基板よりも濡れ性の小さい下地層を形成し、溶融した可溶合金が下地層によってはじかれるようにしているので、溶融した可溶合金は、より高く盛り上がる形状になる。従って、溶融合金は、絶縁カバーの薄型化により内面に接触する可能性がより高くなるものであり、上述の問題点がより大きくなる。

さらに、特許文献２に開示された保護素子の場合も、同様に保護素子の薄型化により、溶融金属が絶縁カバーに接触する問題がある。さらに、２条以上の低融点金属体を設けその横断面を２以上の独立的な断面に区分することは、保護素子の製造上、特殊金型を必要とし材料コストが高くなる。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、過電流等による保護動作時に可溶導体が安定に且つ迅速に溶断可能とした保護素子を提供することを目的とする。

この発明は、絶縁性のベース基板上に配置され保護対象機器の電力供給経路に接続されて所定の異常電力により溶断する可溶導体と、前記可溶導体を所定の空間を介して覆って前記ベース基板に取り付けられた絶縁カバーと、前記可溶導体表面に塗布され前記空間内に位置したフラックスとを有し、前記保護対象機器に前記異常電力が供給された場合に、前記可溶導体が溶断してその電流経路を遮断する保護素子であって、前記可溶導体は、溶融した前記可溶導体に対して濡れ性の良い金属成分を含有した導電性ペーストを介して、前記ベース基板上の導体層及び電極に固定され、前記導電性ペーストは、前記電極及び導体層上で前記可溶導体の周縁部よりも外側に広がって設けられている保護素子である。

前記導電性ペースト中の金属成分は、前記可溶導体の融点よりも低い融点のものである。特に、前記導電性ペーストは、前記可溶導体を前記導体層及び前記電極に固定するソルダペーストである。さらに、前記ソルダペーストは、鉛を含まず、錫、銀、または銅系のソルダペーストであり、前記ソルダペースト中にフラックス成分を有するとともに前記金属成分の粒子を含有し、前記可溶導体の溶融温度以下の温度であって、１０℃以内の温度差で溶融するものである。

前記導電性ペーストは、前記電極表面で前記可溶導体の周縁部から前記導体層及び前記電極の端縁部に広がっており、保護動作時には前記電極表面で前記可溶導体よりも先に金属粒子が溶融して、前記電極及び前記導体層上に広がり、その後、間を置かずに前記可溶導体が溶融するものである。また、前記導電性ペーストは、前記導体層及び電極表面で前記可溶導体の周縁部から放射状に広がっており、保護動作時には前記電極表面で前記可溶導体よりも先に金属粒子が溶融して、前記電極及び前記導体層上に広がり、その後、間を置かずに前記可溶導体が溶融するものである。

この発明の保護素子によれば、可溶導体が溶断した際に、確実に広く電極や導体層の表面に濡れ広がり、安定で迅速な溶断動作が可能になる。さらに、可溶導体が絶縁カバーに接触することがないので、溶断動作に遅れが生じることが無く、より安定して確実な動作が可能となり、保護素子の薄型化に貢献するものである。

また、導電性ペーストは、可溶導体の固定用のソルダペーストを用いることが出来、従来可溶導体の固定用に用いていたソルダペーストの形成パターンを変えるだけで実施することが出来、何ら工数やコストの増加がないものである。さらに、ソルダペーストが設けられた電極や導体層表面の酸化が抑えられ、溶融金属に対する表面の濡れ性の劣化を防止するので、これによっても可溶導体の溶断特性を安定なものにする。

この発明の第１実施形態の保護素子の絶縁カバーを外した状態の平面図である。絶縁カバーを取り付けた状態の図１のＡ−Ａ断面図である。この発明の第１実施形態の保護素子の可溶導体を取り付ける前の状態の平面図である。この発明の第１実施形態の保護素子の使用例を示す回路図である。この発明の第１実施形態の保護素子が作動して、可溶導体が溶断した状態を示す縦断面図である。この発明の第１実施形態の保護素子が作動して、可溶導体が溶断した状態を示す平面図である。この発明の第２実施形態のソルダペーストの塗布パターンを示す平面図である。この発明の第２実施形態の保護素子が作動して、可溶導体が溶断した状態を示す平面図である。この発明の第３実施形態のソルダペーストの塗布パターンを示す平面図である。この発明の第３実施形態の保護素子が作動して、可溶導体が溶断した状態を示す平面図である。この発明の第４実施形態の保護素子の縦断面図である。この発明の第４実施形態の保護素子が作動して、可溶導体が溶断した状態を示す縦断面図である。従来の保護素子の縦断面図である。従来の保護素子が作動して、可溶導体が溶断した状態を示す平面図である。従来の保護素子が作動して、可溶導体が溶断した状態を示す縦断面図である。

以下、この発明の保護素子の第１実施形態について、図１〜図６を基にして説明する。この実施形態の保護素子１０は、絶縁性のベース基板１１の上面両端に一対の電極１２が設けられ、一対の電極１２と直交する対向縁部にも、他の一対の電極２１が設けられている。一対の電極２１には、抵抗体から成る発熱体１５が接続され、発熱体１５上には、絶縁層１６を介して一方の電極２１に接続された導体層１７が積層されている。そして、導体層１７と一対の電極１２にはソルダペースト２０が塗布され、ソルダペースト２０を介して、低融点金属から成るヒューズである可溶導体１３が接続固定されている。さらに、ベース基板１１には、可溶導体１３と対面して、絶縁体の絶縁カバー１４が取り付けられている。

ここで、ベース基板１１の材質としては、絶縁性を有するものであれば良く、例えば、セラミック基板、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絶縁基板が好ましい。その他、適宜用途に合わせて、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が、耐熱性に優れ、熱伝導性の良いセラミック基板が、より好ましい。

電極１２，２１及び導体層１７としては、銅等の金属箔、あるいは表面がＡｇ−Ｐｔ、Ａｕ等でメッキされている導体材料を使用することができる。また、Ａｇペースト等の導電性ペーストを塗布して焼成した導体層及び電極でも良く、蒸着等による薄膜構造でも良い。

可溶導体１３の低融点金属箔としては、所定の電力で溶融するものであれば良く、ヒューズ材料として公知の種々の低融点金属を使用することができる。例えば、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合金等を用いることができる。

発熱体１５を形成する抵抗体は、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、焼成したものである。また、酸化ルテニウム、カーボンブラック等の薄膜を印刷し、焼き付けたものや、メッキ、蒸着、スパッタリングにより形成してもよく、これらの抵抗体材料のフィルムを貼付、積層等して形成したものでもよい。

ベース基板１１に取り付けられた絶縁カバー１４は、一側面が開口した箱状に形成され、可溶導体１３に対して所定の空間１８を形成してベース基板１１に被せられている。絶縁カバー１４の材質は、可溶導体１３の溶断時の熱に耐え得る耐熱性と、保護素子１０としての機械的な強度を有する絶縁材料であればよい。例えば、ガラス、セラミックス、プラスチック、ガラスエポキシ樹脂のようなプリント配線基板に用いられる基板材料等、様々な材料を適用することができる。さらに、金属板を用いてベース基板１１との対向面に絶縁性樹脂等の絶縁層を形成したものでも良い。好ましくは、セラミックスのような機械的強度及び絶縁性の高い材料であれば、保護素子全体の薄型化にも寄与し、好ましい。

可溶導体１３の表面全面には、その表面の酸化を防止するために、フラックス１９が設けられている。フラックス１９は、臭素等のハロゲン元素を有しない、ハロゲンフリーのフラックスが好ましい。フラックス１９は、可溶導体１３上で表面張力により保持され、空間１８内に収容され、図２に示すように、絶縁カバー板１４の内面に付着し、その表面張力により保持される。

ソルダペースト２０としては、溶融した可溶導体１３に対して濡れ性の良い金属成分を含有したもので、鉛フリーのものが好ましく、例えば錫（Ｓｎ）銀（Ａｇ）銅（Ｃｕ）系のソルダペーストを用いることが出来る。ソルダペースト２０は、フラックス成分中にＳｎ等の合金の金属粒子を含有するもので、ここで用いられるフラックスもハロゲンフリーのものが好ましい。ソルダペースト２０中の金属粒子の溶融温度は、可溶導体１３の溶融温度以下であることが好ましく、より好ましくは出来るだけ近い温度、例えば１０℃以内の温度差で溶融するものであると良い。また、ソルダペースト２０の塗布パターンは、図３に示すように、導体層１７表面で、可溶導体１３が積層される部分からはみ出して、導体層１７の端縁部に延びて形成されている。また、電極１２上では、可溶導体１３が載せられる部分のほぼ全面に塗布されている。

ここで、可溶導体１３は、ソルダペースト２０が上記所定パターンで印刷形成された電極１２及び導体層１７上に載せられ、リフロー炉を通して固定される。このとき、可溶導体１３が溶融しない温度で処理されるもので、ソルダペースト２０中の金属粒子は、完全に溶融せず、フラックス成分も残った状態で可溶導体１３が固定される。

次に、この実施形態の保護素子１０を電子機器に用いた例として、二次電池装置の過電流・過電圧保護回路２４について、図４を基にして説明する。この過電流・過電圧保護回路２４は、保護素子１０の一対の電極１２が出力端子Ａ１と入力端子Ｂ１との間に直列に接続され、保護素子１０の一対の電極１２の一方の端子が、入力端子Ｂ１に接続され、他方の電極１２が出力端子Ａ１に接続されている。そして、可溶導体１３の中点が発熱体１５の一端に接続され、電極２１の一方の端子が、発熱体１５の他方の端子に接続されている。発熱体１５の他方の端子は、トランジスタＴｒのコレクタに接続され、トランジスタＴｒのエミッタが、他方の入力端子Ａ２と出力端子Ｂ２との間に接続されている。さらに、トランジスタＴｒのベースには、抵抗Ｒを介してツェナダイオードＺＤのアノードが接続され、ツェナダイオードＺＤのカソードが出力端子Ａ１に接続されている。抵抗Ｒは、出力端子Ａ１，Ａ２間に、異常と設定された所定の電圧が印加されたときに、ツェナダイオードＺＤに降伏電圧以上の電圧が印加されるような値に設定されている。

出力端子Ａ１，Ａ２間には、例えばリチウムイオン電池等の被保護装置である二次電池２３の電極端子が接続され、入力端子Ｂ１，Ｂ２には、二次電池２３に接続して使用される図示しない充電器等の装置の電極端子が接続される。

次に、この実施形態の保護素子１０の動作について説明する。この実施形態の過電流・過電圧保護回路２４が取り付けられたリチウムイオン電池等の二次電池装置において、その充電時に異常な電圧が出力端子Ａ１，Ａ２に印加されると、異常と設定された所定の電圧でツェナダイオードＺＤに降伏電圧以上の逆電圧が印加され、ツェナダイオードＺＤが導通する。ツェナダイオードＺＤの導通により、トランジスタＴＲのベースにベース電流ｉｂが流れ、それによりトランジスタＴｒがオンし、コレクタ電流ｉｃが発熱体１５に流れ、発熱体１５が発熱する。この熱が、発熱体１５上の低融点金属の可溶導体１３に伝達し、可溶導体１３が溶断し、入力端子Ｂ１と出力端子Ａ１間の導通が遮断され、出力端子Ａ１，Ａ２に過電圧が印加されることを防止する。また、異常電流が出力端子Ａ１に向けて流れた場合も、可溶導体１３がその電流により発熱し溶断するように設定されている。

保護素子１０の保護動作時には、先ずソルダペースト２０の金属粒子が溶融し、電極１２及び導体層１７上に広がる。そして、ほとんど間を置かずほぼ同時に可溶導体１３が溶融し、図５に示すように溶断する。このとき可溶導体１３が溶断する際、図６に示すように、ソルダペースト２０が溶融して濡れ広がった電極１２及び導体層１７上で、可溶導体１３も広く濡れ広がり、可溶導体１３が絶縁カバー１４内の空間１８で、高く盛り上がり絶縁カバー１４の内面に接触することがない。

この実施形態の保護素子１０によれば、可溶導体１３が溶断する際に、先ずソルダペースト２０が広く電極１２及び導体層１７の表面に濡れ広がり、安定で迅速な溶断動作が可能になる。さらに、可溶導体１３が絶縁カバー１４に接触しないので、溶断動作の遅れが生じることが無く、安定して確実な保護動作が可能となり、より薄型の保護素子１０を形成することが出来る。さらに、可溶導体１３の固定用のソルダペースト２０を兼用しているものであり、ソルダペースト２０の形成パターンを変えるだけで実施することが出来、何ら工数やコストの増加がないものである。さらに、ソルダペースト２０が設けられた電極１２や導体層１７の表面の酸化が抑えられ、これによっても可溶導体１３の溶断特性を安定なものにする。特に、低電力の発熱動作特性において、従来の動作バラツキよりも極めて小さくする事ができ、しかも環境負荷が小さく高性能の保護素子１０を提供することが出来る。

次に、この発明の保護素子の第２実施形態について図７、図８を基にして説明する。ここで、上述の実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の保護素子１０は、可溶導体１３を固定したソルダペースト２０の印刷パターンを変えたもので、図７に示すように、可溶導体１３の載置位置から放射状にソルダペースト２０の印刷ラインが伸びているものである。

保護素子１０の保護動作時も、先ずソルダペースト２０の金属粒子が溶融し、電極１２及び導体層１７上に図８に示すように広がる。そして、ほとんど間を置かずほぼ同時に可溶導体１３が溶融し溶断する。このとき可溶導体１３は、図８に示すように、ソルダペースト２０の溶融パターン上に広く濡れ広がる。従って、上記実施形態と比較して、可溶導体１３の溶融金属の盛り上がりはより低いものであり、より薄型の保護素子に利用することが出来る。

次に、この発明の保護素子の第３実施形態について図９、図１０を基にして説明する。ここで、上述の実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の保護素子１０は、可溶導体１３を固定したソルダペースト２０の印刷パターンをさらに変えたもので、図９に示すように、可溶導体１３の載置位置の電極１２及び導体層１７の表面の大部分にソルダペースト２０を印刷塗布したものである。

これにより、保護素子１０の保護動作時において、より広くソルダペースト２０の金属粒子が溶融し、図１０に示すように広く濡れ広がる。そして、ほぼ同時に可溶導体１３が溶融し溶断し、ソルダペースト２０の溶融パターン上に広く濡れ広がる。従って、上記実施形態と比較して、可溶導体１３の溶融金属の盛り上がりはさらに低いものであり、より薄型の保護素子に利用することが出来る。

次に、この発明の保護素子の第４実施形態について図１１、図１２を基にして説明する。ここで、上述の実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の保護素子１０は、可溶導体１３を固定したソルダペースト２０の印刷パターンは上述の各実施形態と同様であり、図１１に示すように、絶縁カバー１４の内面中央部に、フラックス１９の保持用の突条部２２を形成したものである。突条部２２は絶縁カバー１４と一体に形成されている。

この実施形態は、絶縁カバー１４の内面に形成された突条部２２にフラックス１９が確実に保持され、可溶導体１３の中央部で位置ずれすることなく、安定にその位置が維持されるようにしたものである。これにより、安定した溶断動作を維持することができる。そして、図１２に示すように、溶断時に可溶導体１３が高く盛り上がらないので、突条部２２に接触することが無く、突条部２２により溶断動作に遅れ等の悪影響が及ぶことがない。

なお、この発明の保護素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、ソルダペーストの材料やパターンは適宜設定可能なものである。また、フラックスやその他の材料は問わないものであり、適宜適切な材料を選択し得るものである。

１０保護素子
１１ベース基板
１２，２１電極
１３可溶導体
１４絶縁カバー
１５発熱体
１６絶縁層
１７導体層
１９フラックス
２０ソルダペースト

Claims

絶縁性のベース基板上に配置され保護対象機器の電力供給経路に接続されて所定の異常電力により溶断する可溶導体と、前記可溶導体を所定の空間を介して覆って前記ベース基板に取り付けられた絶縁カバーと、前記可溶導体表面に塗布され前記空間内に位置したフラックスとを有し、前記保護対象機器に前記異常電力が供給された場合に、前記可溶導体が溶断してその電流経路を遮断する保護素子において、
前記可溶導体は、溶融した前記可溶導体に対して濡れ性の良い金属成分を含有した導電性ペーストを介して、前記ベース基板上の導体層及び電極に固定され、
前記導電性ペーストは、前記電極及び導体層上で前記可溶導体の周縁部よりも外側に広がって設けられていることを特徴とする保護素子。
前記導電性ペースト中の金属成分は、前記可溶導体の融点よりも低い融点である請求項１記載の保護素子。
前記導電性ペーストは、前記可溶導体を前記導体層及び前記電極に固定するソルダペーストである請求項１または２記載の保護素子。
前記ソルダペーストは、鉛を含まず、錫、銀、または銅系のソルダペーストであり、前記ソルダペースト中にフラックス成分を有するとともに前記金属成分の粒子を含有し、前記可溶導体の溶融温度以下の温度であって、１０℃以内の温度差で溶融するものである請求項３記載の保護素子。
前記導電性ペーストは、前記電極表面で前記可溶導体の周縁部から前記導体層及び前記電極の端縁部に広がっており、保護動作時には前記電極表面で前記可溶導体よりも先に金属粒子が溶融して、前記電極及び前記導体層上に広がり、その後、間を置かずに前記可溶導体が溶融する請求項１，２，３または４記載の保護素子。
前記導電性ペーストは、前記導体層及び電極表面で前記可溶導体の周縁部から放射状に広がっており、保護動作時には前記電極表面で前記可溶導体よりも先に金属粒子が溶融して、前記電極及び前記導体層上に広がり、その後、間を置かずに前記可溶導体が溶融する請求項１，２，３または４記載の保護素子。