JP5395070B2 - Ｐｔｃデバイス - Google Patents

Description

本発明は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子を有して成るＰＴＣデバイス、特に回路保護素子として使用されるポリマーＰＴＣ素子を有して成るＰＴＣデバイス、およびそのようなＰＴＣデバイスを有して成る電気または電子装置に関する。

種々の電気または電子装置において、電源回路等に過剰に大きい電流が流れた場合に、装置を構成する重要な要素が故障するのを未然に防ぐためにポリマーＰＴＣ素子が回路保護素子として広く使用されている。このような素子自体は周知であり、通常、ポリマー中で導電性フィラーが分散しているポリマー組成物でできた、通常は層状の形態のＰＴＣ要素、およびその対向する主表面に配置された金属電極、例えば金属箔電極を有して成る。

例えば、電気装置としての充電可能な電池パックにおいて上述のようなＰＴＣ素子およびそれに接続されたリードを有して成るＰＴＣデバイスが使用されている。電池パックは、その一方の端部に陰極端子を有し、その陰極端子にリードを介してＰＴＣ素子が電気的に接続されている。

このようなＰＴＣ素子が具備すべき要件の１つとして、電気装置が平常時である場合、ＰＴＣ素子自体の抵抗が小さくなければならないことがある。そのような低抵抗のＰＴＣ素子に用いられるＰＴＣ要素には、ポリマー中に分散させる導電性フィラーとして金属フィラー、特にニッケルまたはニッケル合金のフィラーが用いられる。このような金属フィラーは、ＰＴＣ素子の周辺雰囲気中に存在する酸素によって酸化されやすく、その結果、ＰＴＣ要素の抵抗値が増える。このような抵抗値の増加は、本来的には低抵抗であるべきＰＴＣ素子には好ましくない。

そこで、そのような金属フィラーを用いるポリマーＰＴＣ素子では、ＰＴＣ要素の露出部分が周辺雰囲気に直接触れないように、従って、金属フィラーの酸化を防止するために、少なくとも露出部分を覆う樹脂コーティングを形成する対策が採られている。ＰＴＣ要素の主表面は、上述のように、金属電極で覆われているので、そのような露出部分は、ＰＴＣ要素の専ら側面部分（即ち、層状ＰＴＣ要素の厚みを規定する側面部分または周囲部分、従って、ＰＴＣ要素の対向する主表面の外周部を相互に接続する面）である。

このような樹脂コーティングは、金属フィラーの酸化を防止する点では基本的には有効であるが、ＰＴＣ素子を有して成るＰＴＣデバイスを使用する環境によっては必ずしも十分ではない場合がある。例えば、溶剤（例えば蒸気または微細な液滴の形態である溶剤）が周囲に存在する環境内にＰＴＣ素子が存在する場合、樹脂コーティングが溶媒によって劣化し、その結果、部分的に破壊され、酸素がＰＴＣ要素へアクセスできることがある。その場合、金属フィラーが酸化し、その結果、ＰＴＣ素子が適切に機能しない可能性がある。

国際公開ＷＯ１９９７／０６５３８号公報

従って、本発明が解決しようとする課題は、溶剤のようなＰＴＣ素子に悪影響を与え得る物質が存在する環境においてＰＴＣデバイスを使用する場合においても、ＰＴＣ素子が適切に機能するＰＴＣデバイスを提供することである。

上述の課題に鑑み、発明者が鋭意検討を重ねた結果、半導体デバイス等に汎用されているセラミックパッケージ内にＰＴＣ素子を封入することによって、ＰＴＣデバイスを使用する環境が溶剤のようにＰＴＣ素子に悪影響を与え得る物質を含む場合であっても、ＰＴＣ要素に含まれる金属フィラーの酸化を有効に防止でき、その結果、ＰＴＣ素子の抵抗を低く維持できることが見出された。

従って、本発明は、
（１）ポリマーＰＴＣ要素、およびその両側の主表面に配置された第１および第２金属電極を有して成るポリマーＰＴＣ素子、
（２）ポリマーＰＴＣ素子の少なくとも一方の金属電極に接続されたリード、ならびに
（３）ポリマーＰＴＣ素子を収容する開放空間部を有し、該開放空間部はそれを規定する少なくとも１つの開口部を有するセラミックパッケージ
を有して成るＰＴＣデバイスであって、
該開放空間部に配置されたポリマーＰＴＣ素子をセラミックパッケージの周囲の環境から隔離するように、該リードは該開口部を閉じていることを特徴とするＰＴＣデバイスを提供する。

本発明のＰＴＣデバイスでは、該リードが該開口部を閉じることによって、ＰＴＣ素子がセラミックパッケージ内に実質的に封入されている。このセラミックパッケージは、いわゆるセラミックスと呼ばれる材料でできており、そのような材料は、一般的に耐溶剤性を有することで知られている。そのようなセラミックスとしては、例えば金属（例えばアルミニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、亜鉛等）の酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物等の無機化合物を例示できる。

更に、本発明は、そのようなＰＴＣデバイスの製造方法、ならびにそのようなＰＴＣデバイスを有して成る電気または電子装置をも提供する。

本発明のＰＴＣデバイスでは、セラミックパッケージを構成するセラミックは耐溶剤性を有する。従って、ＰＴＣ素子がセラミックパッケージ内に封入されている状態では、ＰＴＣデバイスを使用する環境において溶剤が含まれる場合であっても、封入状態にあるＰＴＣ素子はＰＴＣデバイスの周辺環境によって実質的に影響を受けない。その結果、ＰＴＣ要素を構成する金属フィラーがＰＴＣデバイスの周辺環境に存在する空気または酸素によって酸化されるのを有効に防止できる。従って、上述のような樹脂コーティングをＰＴＣ素子の周囲部分に施す必要はない。その結果、樹脂コーティングを形成するに際して生じるＰＴＣ素子に樹脂コーティングを形成するための塗料のＰＴＣ素子の金属電極面上への流れ出し（素子の電気的導通を必要とする箇所（例えば金属電極面）への塗料の流れ出しは、素子の必要な電気的導通を確保できない場合がある）を考慮する必要がなくなる。従って、ＰＴＣデバイスまたはＰＴＣ素子の設計上の制約が緩和され、また、ＰＴＣデバイスまたはＰＴＣ素子の歩留まりが向上する。

樹脂コーティングはその寸法精度が必ずしも十分ではないのに対して、本発明のＰＴＣデバイスでは規格寸法を有するセラミックパッケージを用いることができ、それがＰＴＣデバイスの寸法を実質的に確定するため、ＰＴＣデバイスの寸法精度が向上する。その結果、ＰＴＣデバイスをそのユーザーが電気装置等に組み込む際のセッティングが容易になる。更に、セラミックパッケージを構成するセラミック材料は電池（例えば２次電池）の電解液に対しても安定であるので、本発明のＰＴＣデバイスを電池の内部に組み込むことができる。その結果、発熱源のそばにＰＴＣデバイスを配置できるので、結果的にＰＴＣデバイスの異常を検知する感度が向上し、電池の信頼性が向上する。

図１（ａ）は、本発明のＰＴＣデバイスの側方断面図を模式的に示し、また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＰＴＣデバイスに用いるセラミックパッケージの斜視図を模式的に示す。 図２（ａ）は、本発明の別の態様のＰＴＣデバイスの側方断面図を模式的に示し、また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＰＴＣデバイスに用いるセラミックパッケージの斜視図を模式的に示す。 図３（ａ）は、本発明の更に別の態様のＰＴＣデバイスの側方断面図を模式的に示し、また、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＰＴＣデバイスに用いるセラミックパッケージの斜視図を模式的に示す。 図４は、本発明の更に別の態様のＰＴＣデバイスの側方断面図を模式的に示す。

本発明のＰＴＣデバイスが含むＰＴＣ素子自体は周知であり、それを構成するＰＴＣ要素および金属電極も周知である。本明細書中において、ＰＴＣ素子なる用語は、当該技術分野において一般的に使用されている用語の意味で使用し、ポリマーＰＴＣ素子は、いわゆるポリマーＰＴＣ組成物を例えば層状に形成したＰＴＣ要素（即ち、ポリマーＰＴＣ要素）ならびにその各主表面に配置された第１金属電極（特に箔状電極）および第２金属電極（特に箔状電極）を有して成る。また、ポリマーＰＴＣ要素は、ポリマー材料（例えばポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド等）中に金属フィラー（銅、ニッケル、ニッケル−コバルト合金等のフィラー）等）が分散している、いわゆる導電性ポリマー組成物から構成されているものである。通常、そのような組成物を押出成形することによってＰＴＣ要素を得ることができる。

ＰＴＣ素子は、通常、層状のＰＴＣ要素の両側の主表面の全体に積層状態の金属電極（通常、金属箔電極）を有する、全体としても層状またはディスク状の要素である。金属電極をＰＴＣ要素に熱圧着することによって、あるいはＰＴＣ要素を押出成形する時に金属電極を同時に供給するか、または押出成形した直後に熱圧着することによってＰＴＣ素子（通常、素子のサイズは小さいのでＰＴＣ素子の集合体）を形成できる。尚、ＰＴＣ要素は、例えば円板状であっても、薄い矩形状であってもよい。

本発明のＰＴＣ素子において使用するセラミックパッケージは、ＰＴＣ素子を実質的に収容できる空間部を有する。通常、セラミックパッケージは、全体としてＰＴＣ素子をその内部に収容できる箱の形態であり、従って、筐体である。この空間部は、その中にＰＴＣ素子を入れるための開口部を少なくとも１つ有する。従って、空間部は開口部において開放状態にある。即ち、空間部は開放空間部である。

この開放空間部を規定する開口部は、少なくとも１つであり、別の態様では２つであってよい。前者の態様では、セラミックパッケージは、その１つの主表面で開口し、セラミックパッケージ自体は有底筐体である。後者の態様では、セラミックパッケージは、その対向する対の主表面で開口し、従って、セラミックパッケージは貫通空間部を有する。

半導体チップ、水晶振動子等の微小素子をその周辺環境から保護するためにセラミックパッケージが使用されているが、そのようなセラミックパッケージと同様のものを本発明のデバイスに使用できる。セラミックパッケージはいずれの適当なセラミックス材料から形成されていてもよく、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等から形成されていてよい。

本発明のデバイスでは、セラミックパッケージ内にＰＴＣ素子が位置する状態でその空間部内に素子を封入するために、ＰＴＣデバイスに接続するリードによって開口部を閉じる。このリードは、ＰＴＣデバイスを用いる電気装置において、ＰＴＣ素子を所定の回路、より詳細には、配線、部品、パッド、ランド、ターミナル等に電気的に接続するために存在するものであり、開口部を閉じることができる限り、いずれの適当な形態であってもよい。リードは、例えば、正方形もしくは矩形の金属箔、金属シート等のストリップの形態であってよく、また、それを構成する材料はいずれの導電性材料であってもよい。例えば、ニッケル、コバール、４２アロイ（Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金）等の材料でリードを形成できる。

このようなリードは、セラミックパッケージの開口部を閉じるように、いずれの適当な方法によって、セラミックパッケージに接着してもよい。例えば、後述するように、接続材料（ハンダ材料、導電性接着剤、導電性ペースト等）を用いてリードとセラミックパッケージとを接着することができる。別の態様では、リードとセラミックパッケージとをいわゆる銀ロウ付けによって接着してもよい。例えば、セラミックパッケージ上に接続材料としての銀ロウ部材を載せて、その上にリードを配置してリードとセラミックパッケージとの間に銀ロウ部材を位置決めして、銀ロウを溶融させてこれらを一体に溶接してもよい。銀ロウ部材としてはＡｇ−Ｃｕ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金等で形成されたもの、あるいはコバール（Ｋｏｖａｒ、鉄−ニッケル−コバルト合金）等で形成されたもの例示でき、セラミックパッケージの開口部を包囲する形状のもの（例えばリング（円環）形状、矩形環状のもの等）であるのが好ましい。ハンダ材料、銀ロウ部材のような接続材料がリードとセラミックパッケージとの間との介在した状態で加熱することによって（また、必要に応じて力を加えながら）、接続材料を溶融させて、リードをセラミックパッケージに接着する接続部材を形成することができる。

セラミックパッケージは、開口部の周囲に金属層を有するのが好ましく、リードが開放空間部の開口部を閉じるようにリードを配置した場合、この金属層上にリードの周縁部が位置するように構成されているのが好ましい。このような金属層は、セラミックパッケージの開口部を規定する面の周縁部に密着して設けられているのが特に好ましい。そのような密着を確保するために、セラミックパッケージの周縁部に、そのような金属層を例えば焼結、メッキ等によって設けることができる。

上述のように、金属層上にリードが位置した状態でこれらを一体に接続する。この接続には、金属層上にハンダ材料、導電性接着剤、導電性ペースト、銀ロウ部材等のような接続材料、好ましくはハンダ材料を配置し、その上にリードを配置して、その後、例えば加熱手段によって加熱し、あるいはリフロー炉に入れて接続材料を溶融させて接続部材を形成することによって、これらを一体に接続してよく、セラミックパッケージの開放空間部を閉じることができる。

別の態様では、セラミックパッケージに設けた金属層上に直接リードが位置した状態で（即ち、上述のように接続材料を配置することなく、）これらを一体に溶接して接続部材を形成することによってこれらを接続してよい。この場合、金属層とリードが接触界面で溶融することによって形成される溶接部が接続部材として機能する。このような溶接には、例えば抵抗溶接（例えばシーム溶接）、レーザー溶接等を使用することができる。

リードとセラミックパッケージの金属層との間に接続材料が介在する場合（即ち、ハンダ材料、銀ロウ部材等の接続材料を用いて間接的に接続する場合）、あるいはリードとセラミックパッケージの金属層とが直接接触する場合（即ち、溶接によって直接的に接続する場合）、リードのセラミックパッケージへの接着がより確実となり、その結果、ＰＴＣ素子のセラミックパッケージ内への封入がより確実なものとなる。このような金属層は、いずれの適当な材料から形成されていてもよく、そのような材料としては、例えばモリブデン／マンガン合金、タングステン、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等を例示できる。例えば、セラミックパッケージの所定の箇所に、金属層を形成する金属の粉末のペーストを塗布し、これを焼結することによってセラミックパッケージに密着した金属層を形成できる。

上述のようにセラミックパッケージが金属層を有する態様において、リードを金属層にハンダ材料、銀ロウ部材等の接続材料を介して間接的に接続する場合、あるいはこれらを溶接して直接的に接続する場合において、接着を更に促進するために、金属層は、その上に、別の金属層を有してよい。そのような別の金属層は、例えばメッキ、蒸着等によって形成することができる。具体的には、例えば金属層としてのモリブデン／マンガン合金層、タングステン層等の上に別の金属層としてニッケルメッキ層、スズメッキ層等を形成してよく、更には、これに金フラッシュメッキしてよい。

次に、図面を参照して本発明のＰＴＣデバイスをより詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明のＰＴＣデバイスの１つの態様を模式的側方断面図にて示す。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すデバイスに用いるセラミックパッケージの模式的斜視図である。尚、図２および図３においても、（ａ）および（ｂ）は、それぞれ図１（ａ）および図１（ｂ）と同様の図面である。尚、図面において、同じ符号は、実質的に同じ機能を有する要素を示すものとする。

図１に示す態様のＰＴＣデバイス１００は、
（１）層状のポリマーＰＴＣ要素１０２、およびその両側の主表面に配置された第１金属電極１０４および第２金属電極１０６を有して成るポリマーＰＴＣ素子１０８、
（２）ポリマーＰＴＣ素子のそれぞれの金属電極に接続された第１リード１１０および第２リード１１２、ならびに
（３）ポリマーＰＴＣ素子を収容する開放空間部１１４を有し、該開放空間部はそれを規定する上側開口部１１６および下側開口部１１８（従って、２つの開口部）を有するセラミックパッケージ１２０
を有して成り、該開放空間部１１４に配置されたポリマーＰＴＣ素子１０８をセラミックパッケージ１２０の周囲の環境から隔離するように、該リード１１０および１１２は、該開口部１１６および１１８を閉じている。

図１（ｂ）に示すように、セラミックパッケージは、その対向する主表面１２２および１２４がそれぞれ開口部１１６および１１８を有し、それによって開放空間部１１４は、その両側で開口する貫通空間部となっている。そして、主表面の開口部には、金属層１２６が配置され、これが開口部を包囲する（尚、図１（ｂ）においては、上側の金属層１２６のみを図示しているが、図１（ａ）に示すようにセラミックパッケージはその下側にも金属層１２８を有する）。このような金属層は、半導体チップ等に用いられるセラミックパッケージには、種々の目的で設けられており、そのようなセラミックパッケージが市販されている。例えば、パッケージの内部と外部との間の電気的接続を確保するために設けられている。本発明のＰＴＣデバイスでは、リードを直接的に接続する対象としてセラミックパッケージの金属層を用い、この接続によってリードがセラミックパッケージの空間部１１４を封止できる。

具体的には、このような各金属層（１２６および１２８）とそれぞれのリード（１１０および１１２）との間に接続部材１３０が存在し、それによって、リードと金属層とが、従って、リードとセラミックパッケージとが接着される。上述のように、金属層が開放空間部の開口部を包囲するように存在するので、開口部を覆うように、そして、開口部の周縁部上に載るように、リードをセラミックパッケージの主表面に載せて、金属層とリードとを開口部の周囲で接着すると、セラミックパッケージの開放空間部がリードによって閉じられて封止される。

セラミックパッケージの主表面の両側の開口部で、このようにリードと金属層とを接着すると、空間部１１４内に配置されたＰＴＣ素子１０８は、セラミックパッケージの外部から実質的に隔離された状態となり、セラミックパッケージの周辺の雰囲気の影響、即ち、空気（または酸素）のＰＴＣ素子への影響を最小限にすることができ、その結果、ＰＴＣ要素に含まれる導電性フィラーの酸化を可及的に抑制できる。

尚、図示した態様では、ＰＴＣ素子の金属電極１０４および１０６とリード１１０および１１２とがそれぞれ電気的に接続されている。この接続は、これらの間に配置したハンダのような導電性接続材料で形成される接続部材１３２によって確保されている。別の態様では、これらの間の接続に導電性接着剤または導電性ペーストを用いてもよい。

図１（ａ）に示すＰＴＣデバイス１００は、例えば次のような方法によって製造できる：最初に第２リード１１２上に接続材料としてのハンダ材料（接続部材１３２および１３０の前駆体に相当）を載せ、そのようなハンダ材料上に、第２リード１１２とＰＴＣ素子の第２金属電極１０６とが対向するようにＰＴＣ素子１０８を配置し、また、セラミックパッケージ１２０の下側の開口部１１８を第２リード１１２が閉じるようにセラミックパッケージ１２０の金属層１２８を配置する。即ち、第２リード１１２と第２金属電極１０６との間にハンダ材料（接続部材１３２に対応）が位置し、また、第２リード１１２とセラミックパッケージの下側開口部の周縁部の金属層１２８との間にハンダ材料（接続部材１３０に対応）が位置するように、これらを位置決めする。

次に、第１金属電極１０４および金属層１２６の上に接続材料としてのハンダ材料（接続部材１３２および１３０の前駆体に相当）を載せ、そのようなハンダ材料上に、第１リード１１０とＰＴＣ素子の第１金属電極１０４とが対向するように、また、セラミックパッケージの上側の開口部１１６を第１リード１１０が閉じるようにセラミックパッケージの金属層１２６の上に第１リード１１０を載せる。即ち、第１リード１１０と第１金属電極１０４との間にハンダ材料（接続部材１３２に対応）が位置し、また、第１リード１１０とセラミックパッケージの上側開口部の周縁部の金属層１２６との間にハンダ材料（接続部材１３０に対応）が位置するように、これらを位置決めする。

このようにして形成した、第１リードおよび第２リード、セラミックパッケージ、ＰＴＣ素子ならびにこれらの間に位置する接続材料としてのハンダ材料によって構成される組立体（またはアッセンブリ）を得、この組立体を加熱炉（例えばリフロー炉）に入れてハンダ材料を溶融し、その後、冷却することによってハンダ材料を接続部材に変換することによって、図１のデバイスを得ることができる。

図２に別の態様の本発明のＰＴＣデバイスを、図１と同様に示す。図２に示す態様のＰＴＣデバイス２００は、図１と同様のポリマーＰＴＣ素子１０８を有し、ポリマーＰＴＣ素子１０８の第１金属電極としての一方の金属電極１０４に接続部材１３２によって電気的に接続され、また、接続部材１３０によってセラミックパッケージの金属層１２６に接続された第１リード１１０を有する。このＰＴＣ素子１０８は、図２（ｂ）に示すセラミックパッケージ２０１内に配置されている。

セラミックパッケージ２０１は、図２（ｂ）に示すように、ポリマーＰＴＣ素子を収容する開放空間部１１４を有し、図示した態様では、該開放空間部は底部２０２ならびにそれを囲むように位置する４つの壁２０４、２０６、２０８および２１０により規定され、セラミックパッケージの一方の主表面に開放する開口部１１６を有する。即ち、セラミックパッケージは有底筐体であり、開放空間部は１つの開口部１１６を有する。

図１に示す態様と同様に、セラミックパッケージは、開口部１１６を包囲する金属層１２６を有し、更に、空間部を規定する底部の内側（上側）と外側（下側）との間の電気的導通を確保するために、電気導体２１２（例えば金属層、金属ワイヤー、金属ストリップ等のいずれの適当な形態であってもよい）を有する。図示した態様では、図２（ｂ）から分かるように、電気導体は、底部２０２の上側露出面を実質的に全部覆い、底部の上側の露出表面からセラミックパッケージの側方まで延在し、その後、側方からセラミックパッケージの底部の下側の表面へと回り込む金属層２１２の形態である（尚、図２（ｂ）においては底部の上側に露出状態で位置する金属層の部分のみを図示）。従って、図２（ａ）から理解できるように、電気導体２１２は、セラミックパッケージの底部を規定する部材２１４を包囲するように存在する。尚、第１リードについては、図１の場合と実質的に同じである。

図２（ａ）に示すように、上述のような電気導体２１２の、開放空間部を規定する底部の外側に位置する部分、即ち、底部を規定する部材２１４の下側に位置する部分２１６と第２リード１１２とが電気的に接続されている。第２リード１１２と電気導体２１２、詳しくは電気導体２１２の部分２１６との間のそのような接続は、第１リード１１０と金属層１２６との間の接続と同様であってよく、例えばハンダ、導電性接着剤、導電性ペースト等の接続材料を用いて接続部材１３０を形成することによって実施してよい。このような電気導体２１２は、ポリマーＰＴＣ素子の第２電極としての他方の金属電極１０６に接続部材１３２によって電気的に接続されている。

従って、第２金属電極１０６と第２リード１１２とが直接的に電気的に接続されている図１に示すＰＴＣデバイスとは対照的に、図２に示す態様のＰＴＣデバイスでは、ＰＴＣ素子の第２金属電極１０６は、電気導体２１２を介して第２リード１１２に間接的に電気的に接続されている。

図２に示す態様では、第１リード１１０を（ＰＴＣ素子１０８を予め収容している）セラミックパッケージ２０１に、より詳しくはその金属層１２６に取り付けるだけで、ＰＴＣ素子１０８のセラミックパッケージへの封入が完了する点で好都合である。例えば、次の方法によって製造することができる：最初に、第２リード１１２上に、ハンダのような接続材料（接続部材１３０の前駆体に相当）を介してセラミックパッケージ２０１を載せ、次に、セラミックパッケージの底部の露出状態の上側の表面上にハンダ材料（接続部材１３２の前駆体に相当）を載せ、その上にＰＴＣ素子１０８を載せ、次に、ＰＴＣ素子の第１電極１０４上およびセラミックパッケージの金属層１２６上にハンダ材料（それぞれ接続部材１３２および１３０の前駆体に相当）を載せ、その上に第１リード１１０を載せて形成されるアッセンブリを、加熱炉に入れてハンダ材料を溶融させた後に冷却することによって、本発明の図２のＰＴＣデバイスを得ることができる。

従って、図２（ａ）に示すＰＴＣデバイスは、第２リード１１２上に接続材料としてのハンダ材料（接続部材１３０の前駆体に相当）を載せ、その上にセラミックパッケージ２０１を載せて、セラミックパッケージの底部２０２に接続材料としてのハンダ材料を介してＰＴＣ素子１０８を載せ、次に、ＰＴＣ素子の第１金属電極１０４およびセラミックパッケージの金属層１２６の上に接続材料としてのハンダ材料（接続部材１３２および１３０の前駆体に相当）を載せ、その上に開口部１１６を閉じるように第１リード１１０を載せた組立体（またはアッセンブリ）を得、この組立体を加熱炉（例えばリフロー炉）に入れてハンダ材料を溶融し、その後、冷却することによって得ることができる。

図３に更に別の態様の本発明のＰＴＣデバイスを、図１と同様に示す。図３に示す態様のＰＴＣデバイス３００は、図１と同様のポリマーＰＴＣ素子１０８を有し、ポリマーＰＴＣ素子１０８の第１金属電極としての一方の金属電極１０４に接続部材１３２によって電気的に接続された第１リード１１０を有する。このＰＴＣ素子１０８は、図３（ｂ）に示すセラミックパッケージ３０１内に配置されている。容易に理解できるように、図３の第１リードと第１金属電極およびセラミックパッケージとの接続は、図１または図２の態様で同様である。

セラミックパッケージ３０１は、図１および図２に示す態様と同様に、開口部１１６を包囲する金属層１２６を有するが、図３（ｂ）に示すように、ポリマーＰＴＣ素子を収容する開放空間部１１４を規定する底部３０２が貫通孔３０４を有する点で図２（ｂ）に示すセラミックパッケージと異なる。その結果、空間部１１４を規定する底部の内側（上側）と外側（下側）との間の電気的導通を確保するために、図３（ａ）に示すように、貫通孔３０４の内壁を経由して電気導体３０６が設けられている。

図３（ａ）に示すように、上述のような電気導体３０６の、空間部を規定する底部の外側（下側）に位置する部分３０８と第２リード１１２とが電気的に接続されている。第２リード１１２と電気導体３０６の一部分３０８との間の接続は、第１リード１１０と金属層１２６との間の接続と同様であてよく、例えばハンダ、導電性接着剤、導電性ペースト等によって実施してよい。

従って、第２金属電極１０６と第２リード１１２とが直接的に接続されている図１に示すＰＴＣデバイスとは対照的に、図３に示す態様のＰＴＣデバイスにおいても、図２と同様に、ＰＴＣ素子の第２金属電極１０６は、電気導体３０６を介して第２リード１１２に間接的に接続されている。この態様では、セラミックパッケージの側方を経由することなく、セラミックパッケージの内側と外側との電気的導通を確保できるので、セラミックパッケージの製造が容易である。例えば、セラミックパッケージの底部の内側および外側に貫通孔３０４の周縁まで延在する電気導体部分（例えば金属層、金属ワイヤー、金属ストリップ等）を配置し、貫通孔の内壁を金属メッキすることよって内側および外側の電気導体部分を一体に接続することによって電気導体３０６を形成できる。

尚、図３（ａ）に示すＰＴＣデバイスは、貫通孔３０４を有する点で異なるが、アッセンブリの形成については、図２（ａ）のＰＴＣデバイスに関して先に説明したのと実質的に同様に形成できる。従って、図３（ａ）のＰＴＣデバイスの製造は、図２（ａ）の場合と同様である。

図４に更に別の態様の本発明のＰＴＣデバイスを示す。図４に示す態様のＰＴＣデバイス４００は、図１と同様のポリマーＰＴＣ素子１０８を有し、ポリマーＰＴＣ素子１０８の第１金属電極としての一方の金属電極１０４に接続された第１リード１１０を有する。この態様では、図２（ｂ）に示すセラミックパッケージに類似するが、底部がステップ部分（または段差部）４０２を有する点で異なるセラミックパッケージ４０１内にＰＴＣ素子１０８が配置されている。

このセラミックパッケージ４０１では、底部が段差部４０２を有し、段差部の両側で２つの独立した電気導体４０４および４０６（例えば金属層、金属ワイヤー、金属ストリップ等）が設けられている。一方の電気導体４０４は、図２の金属層２１２と同様であり、セラミックパッケージの底部の上側に位置し、ＰＴＣ素子の第２金属電極１０６に電気的に接続されると共に、底部の外側（または下側）に位置する第２リード１１２に電気的に接続されている。他方の電気導体４０６は、第１リード１１０に電気的に接続されると共に、ワイヤーボンディング４０８によってＰＴＣ素子の第１金属電極１０４に電気的に接続されている。従って、図４の態様では、ＰＴＣ素子の各金属電極は、いずれも間接的にリードに接続されている。

図４の態様では、第１リード１１０はセラミックパッケージの電気導体４０６としての金属層に、また、第２リード１１２はセラミックパッケージの電気導体４０４に直接的に接続され、その結果、これらのリードはＰＴＣ素子の金属電極に間接的に接続される。従って、リードの金属層または電気導体への接続は、ＰＴＣ素子に悪影響を与え得る、より過酷な熱的条件下の接続方法によっても実施できる。

従って、図４に示すＰＴＣデバイスは、例えば次の方法によって製造できる：最初に、第２リード１１２上に別の金属層４０９が位置するようにセラミックパッケージ４０１を載せて、これらを一体に溶接して溶接部４１０を形成し、次にセラミックパッケージの底部の上側にハンダ材料（接続部材１３０に対応）を載せ、その上にＰＴＣ素子１０８を載せて加熱してＰＴＣ素子の第２金属電極１０６を金属層４０４に接続し、その後、ＰＴＣ素子の第１電極１０４と金属層４０２とをワイヤーボンディング接続し、次に、セラミックパッケージの開口部１１６を閉じるように第１リード１１０を、別の金属層４０９を介してセラミックパッケージの周囲の金属層４０６上に載せ、第１リード１１０を別の金属層４０９に溶接して溶接部４１０を形成することによって、得ることができる。尚、別の金属層は、セラミックパッケージの金属層に、例えばメッキ、焼結等によって、予め接着されているのが好ましい。

金属電極が薄い場合（通常、金属箔の形態である）が一般的であるので、リードの金属電極への直接的な接続の場合には、ハンダ、導電性接着剤、導電性ペースト等を加熱炉で加熱する方法を用いるのが一般的である。これに対して、リードを金属層または電気導体に直接的に接続する場合には、これらの間を溶接によって接続できるので、これらの間においてより確実な接続を確保できる。即ち、ＰＴＣ素子のセラミックパッケージ内へのより確実な封入を達成できる。

図４において、セラミックパッケージ４０１は、その上側の主表面には金属層４０６を予め有し、更にその上に、溶接を容易ならしめるために別の金属層（例えばＡｇ−Ｃｕ層、コバール層等）４０９を予め有する。尚、図示した態様では、溶接部４１０をも示している。下側の金属層４０４についても、同様に別の金属層４０９を有し、溶接部４１０も図示している。

尚、上述のような種々の態様において、リードによってセラミックパッケージの開口部を閉じる工程を、不活性ガス雰囲気下、例えば窒素雰囲気下または真空下で実施する場合、ＰＴＣ素子が保持されている空間部は不活性ガスで満たされた状態でリードによって閉じられるので、ＰＴＣ要素に含まれる金属フィラーの酸化に関する問題点はより一層緩和される。

以下のセラミックパッケージ、ＰＴＣ素子およびリードを用いて、図４に示す本発明のＰＴＣデバイスをシュミレートした：
・セラミックパッケージ（日本特殊陶業社製、酸化アルミニウム製）
サイズ（外寸）：４．８ｍｍ×９．１ｍｍ×１．３ｍｍ（高さ）
開放空間部サイズ：３．４ｍｍ×７．７ｍｍ×１．０５ｍｍ（高さ）
金属層：Ｍｏ／Ｍｎ層（図４の４０４および４０６に相当）上にＮｉメッキしてその上にＡｕメッキしたもの（これらのメッキ層が図４の４０９に相当）
・ＰＴＣ素子（タイコエレクトロニクスレイケム社製、商品名：ポリスイッチ）
サイズ：２．３ｍｍ×３．０ｍｍ×０．４３ｍｍ（厚さ）
・リード（ニッケル製、サイズ：５ｍｍ×２０ｍｍ×０．１２５ｍｍ（厚さ））

セラミックパッケージ内の開放空間部内にＰＴＣ素子を配置した後、セラミックパッケージ上にリードを配置し、セラミックパッケージの周縁部においてその金属層（４０６＋４０９）とリードとを溶接することによって該空間部を規定する開口部を閉じてＰＴＣ素子をセラミックパッケージ内に封入した。

次に、得られたセラミックパッケージを４０気圧の空気雰囲気下で７日間保持した後、リードをセラミックパッケージから剥がしてＰＴＣ素子を取り出した。取り出したＰＴＣ素子の抵抗値（Ｒ１）を測定した後、６Ｖ／５０Ａの印加条件でトリップさせて５分間保持した後、印加を止め、その１時間後にＰＴＣ素子の抵抗値（Ｒ２）を測定した。また、比較例として、リードによる封入を行うことなく、同じ条件下でセラミックパッケージ内で保持したＰＴＣ素子の抵抗値も同様に測定した。その結果を、表１および表２に示す：

本実施例においては、リードとＰＴＣ素子の金属電極との間の電気的接続を実施していない。リードを用いてセラミックパッケージ内にＰＴＣ素子を封入することによってＰＴＣ要素の金属フィラーの酸化を抑制する効果は、表１および表２の結果を比較すると、そのような電気的接続を実施するまでもなく明らかである。この意味で、「図４に示す本発明のＰＴＣデバイスをシュミレートした」と記載している。

特に、本発明のＰＴＣデバイスでは、ＰＴＣ素子をトリップさせた後の抵抗値の増加を抑制できる。このことは、導電性フィラーの酸化が効果的に防止されるので長期間に渡ってＰＴＣ素子、従って、ＰＴＣデバイスの信頼性が保たれ、その結果、ＰＴＣデバイスを使用する装置等の信頼性、安全性の向上を図れることを意味する。

本発明は、ＰＴＣデバイスを構成するＰＴＣ素子のＰＴＣ要素が含む金属フィラーが酸化することを抑制できるので、ＰＴＣ素子の抵抗が経時的に増加するという問題点を緩和できる。

尚、本願は、日本国特許出願第２００８−１４８８８８号（２００８年６月６日出願；発明の名称「ＰＴＣデバイス」）に基づく優先権を主張し、ここでこれを参照することによって、この日本出願に開示されている事項は、全て本明細書の開示事項に含まれる。

１００…ＰＴＣデバイス、１０２…ＰＴＣ要素、１０４…第１金属電極、
１０６…第２金属電極、１０８…ＰＴＣ素子、１１０…第１リード、
１１２…第２リード、１１４…開放空間部、１１６，１１８…開口部、
１２０…セラミックパッケージ、１２２，１２４…主表面、
１２６，１２８…金属層、１３０，１３２…接続部材、
２００…ＰＴＣデバイス、２０１…セラミックパッケージ、２０２…底部、
２０４，２０６，２０８，２１０…空間部を規定する壁、２１２…電気導体、
３００…ＰＴＣデバイス、３０１…セラミックパッケージ、３０２…底部、
３０４…貫通孔、３０６…電気導体、４００…ＰＴＣデバイス、
４０１…セラミックパッケージ、４０２…段差部、４０４，４０６…電気導体、
４０８…ボンディングワイヤ、４０９…別の金属層、４１０…溶接部。

Claims (11)

1. （１）ポリマーＰＴＣ要素、およびその両側の主表面に配置された第１および第２金属電極を有して成るポリマーＰＴＣ素子、
   （２）ポリマーＰＴＣ素子の少なくとも一方の金属電極に接続されたリード、ならびに
   （３）ポリマーＰＴＣ素子を収容する開放空間部を有し、該開放空間部はそれを規定する少なくとも１つの開口部を有するセラミックパッケージ
   を有して成るＰＴＣデバイスであって、
   該開放空間部に配置されたポリマーＰＴＣ素子をセラミックパッケージの周囲の環境から隔離するように、該リードは該開口部を閉じていることを特徴とするＰＴＣデバイス。
2. 該開放空間部は、セラミックパッケージの相互に対向する第１主表面および第２主表面に位置する第１開口部ならびに第２開口部を有する貫通空間部であり、
   ポリマーＰＴＣ素子の一方の金属電極に接続された第１リードが第１開口部を閉じ、ポリマーＰＴＣ素子の他方の金属電極に接続された第２リードが第２開口部を閉じていることを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣデバイス。
3. セラミックパッケージは、その一つの主表面に開口部を有する有底筐体の形態であり、また、該有底筐体を底部の内側と外側とを接続する電気導体を有し、
   ポリマーＰＴＣ素子の第１金属電極に接続された第１リードとしてのリードがセラミックパッケージの開口部を閉じ、
   ポリマーＰＴＣ素子の第２金属電極は、セラミックパッケージの底部にて該電気導体に接続され、それによって、第２金属電極は、該電気導体に接続された第２リードに接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣデバイス。
4. セラミックパッケージは、貫通孔を底部に有し、また、貫通孔を経由して底部の内側と外側とを接続する電気導体を有し、
   該底部の外側に配置された第２リードが該電気導体に接続されていると共に、該貫通孔を閉じていることを特徴とする請求項３に記載のＰＴＣデバイス。
5. セラミックパッケージは開口部を包囲する金属層をその主表面に有し、
   開口部を閉じる少なくとも１つのリードは、セラミックパッケージの主表面の金属層上に配置され、該リードと金属層との間に位置する接続部材によってセラミックパッケージに接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣデバイス。
6. 接続部材は、ハンダによって形成されていることを特徴とする請求項５に記載のＰＴＣデバイス。
7. 接続部材は、リードと金属層との間に位置するこれらの溶接部であることを特徴とする請求項５に記載のＰＴＣデバイス。
8. ＰＴＣ素子の第１金属電極は、リードまたは第１リードに接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のＰＴＣデバイス。
9. セラミックパッケージの開口部を包囲する金属層は、開放空間部内に延在する部分を有し、ＰＴＣ素子の第１金属電極は、該部分に接続されていることによって該リードに接続されていることを特徴とする請求項５に記載のＰＴＣデバイス。
10. 開放空間部には、窒素雰囲気下または真空下、ＰＴＣ素子が封入されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のＰＴＣデバイス。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載のＰＴＣデバイスを有して成る電気装置。

Images