JP5550140B2 - 温度ヒューズおよびその実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、はんだ付け処理に対応可能な温度ヒューズ、特に、温度ヒューズの動作温度より高い温度でのはんだ処理作業において、温度ヒューズ自体を作動させない温度ヒューズとその温度ヒューズの実装方法に関する。

通常、はんだ処理温度に比べて低い動作温度を有する温度ヒューズは、温度ヒューズの構造を変えるなど適切なプロテクト装置を利用しなければ、フローまたはリフロー・ソルダリングにより一括はんだ付け処理を行うことができなかった。比較的溶融温度の低い感温材を使用する温度ヒューズは、前記はんだ付け工法の作業温度で感温材が溶融してしまうため、フローまたはリフロー・ソルダリングによって、他の実装部品と同時にはんだ付け処理ができず、いわゆる後付はんだを行う必要があった。このような技術背景から、フローまたはリフロー・ソルダリングを可能とする可溶合金型温度ヒューズの実装方法がいくつか試みられている。また近年、モバイルＰＣなどに利用されるリチウムイオン２次電池パックには、最終的な回路安全保護装置として、抵抗付きヒューズや抵抗付き温度ヒューズなどが用いられている。

例えば、特許文献１に記載される抵抗付きヒューズは、簡易な保護手段として用いられ、溶融温度が３００℃前後の低融点可溶合金をヒューズエレメントに使用し、このヒューズエレメントの周辺に抵抗体などのヒータを配置して、異常時にはヒータに通電してヒューズエレメントを強制的に溶断し回路を遮断する強制動作機能を有する。特許文献２に記載される抵抗付き温度ヒューズは、安全性向上の観点から温度ヒューズが有する温度検知機能と、強制動作機能との両方を具備した保護装置として用いられる。すなわちＦＥＴの熱暴走を防止できるように、１３０℃前後の溶融温度を持つ低融点可溶合金のヒューズエレメントを用いて、ＦＥＴのジャンクション温度（約１５０℃）以下の１３０℃前後でヒューズエレメントが溶断して回路を遮断することができ、このヒューズエレメントの周辺に抵抗体を配置することで、前記抵抗付きヒューズと同様の強制動作機能を併せ持つ構成となっている。しかし、特許文献２の抵抗付き温度ヒューズは、被保護基板に実装する場合に、リフロー・ソルダリング（ピーク温度２６０℃／１０秒程度）でヒューズエレメントが溶断してしまうため、ＦＥＴ等の表面実装部品と一緒にはんだ付けすることができず、温度ヒューズを後付け実装する必要があるという欠点があった。一方、特許文献１の抵抗付きヒューズは、リフロー実装温度以上の３００℃前後の溶融温度を有する低融点合金を使用するので、表面実装部品と共に一括はんだ付けすることができるが、ＦＥＴの熱暴走を防止するための温度検知機能がないという欠点がある。ところで、フローまたはリフロー・ソルダリングによる一括はんだ付けを可能とする可溶合金型温度ヒューズの試みとして特許文献３がある。特許文献３には、ヒューズエレメントの融点がフローまたはリフローのはんだ付け温度よりも低い可溶合金型温度ヒューズをフローまたはリフロー・ソルダリングで実装する方法が開示されている。この方法では、活性作用を持たないワックスまたは高分子材料と、活性なフラックス成分とを分画してケース内に配置しておき、はんだ付けの熱による擾乱や対流を利用して両成分が混合されるまでの間、可溶合金型温度ヒューズの動作を遅延させ、その間にはんだ付けを完成しようとするものである。

特許文献１：特開平０８−１６１９９０号公報
特許文献２：特開２００８−１１２７３５号公報
特許文献３：特開２００６−２６９２０９号公報

しかしながら、特許文献３が開示する方法は、フロー炉またはリフロー炉の熱を利用して、分離させた成分どうしを自律的に混合するものであるから、混合作用が完了して、はじめて温度ヒューズが動作できるようになる。完成した温度ヒューズの全数を動作保証するには、この温度ヒューズに特に適合するように予めはんだ付けの温度プロファイルを微調整しておく必要があり、熱容量の異なる部品を多数搭載した種々の回路基板に普遍的に適用できるものではなかった。

したがって、本発明の目的は、上述する問題点を解消するために提案されたものであり、動作温度が使用する合金の溶融温度であってもはんだ付け温度処理に耐えて実装できる新規かつ改良された温度ヒューズとその実装方法を提供するものである。具体的には、感温部が動作温度に対応する低融点金属を使用しながら、従来の特殊フラックスの使用を必要としない温度ヒューズの提供およびその実装方法を提案する。すなわち、低融点金属可溶体を使用し、その融点以上の作業温度で行われるフローまたはリフロー・ソルダリングに耐える温度ヒューズとその実装方法であり、動作温度に対応する融点の可溶体を使用しても可溶体の融点以上で実施されるフローまたはリフロー・ソルダリングの処理温度でも通常の回路部品と一括して実装可能な高信頼性の温度ヒューズとその実装方法とを提供することを目的とする。

本発明は、一対の端子と、この端子間に接続した低融点金属を含む中継接合体と、中継接合体に弾発力を常時付与するスプリングと、さらに中継接合体をソルダリング完了まで一時固定する制動ピンと、それらを収容した絶縁筐体とを備え、上記の中継接合体は、少なくとも上記両端子との接続部分が低融点金属からなり、フローおよびリフロー・ソルダリング工程に耐え、ソルダリング工程後に制動ピンによる中継接合体の固定を解除して稼動状態にできる温度ヒューズを提供する。

具体的には、絶縁筐体に固定した第１端子と第２端子とに低融点合金で導電性の中継接合体を接合し、中継接合体を常時押圧する付勢したスプリングと、さらにスプリングが押圧する中継接合体の反対側に制動ピンを押し当て、中継接合体が動かないように一時的に固定する。このとき制動ピンの一端を絶縁筐体の外側に露出させておき、ソルダリング作業の完了後に制動ピンを動かして中継接合体の固定を解除できるようにした温度ヒューズが提供される。制動ピンが中継接合体を固定している間は、ソルダリングの作業温度で中継接合体の低融点金属が溶解しても制動ピンが中継接合体を固定しているので、中継接合体の端子接合部がスプリングの弾発力によって切り離されることはない。そして、はんだ付けが完了し低融点金属が凝固した後、制動ピンによる中継接合体の固定を解除し、温度ヒューズを稼動状態にして使用する。以後は中継接合体の低融点金属が、所定の動作温度で軟化または溶融すれば、中継接合体を押圧するスプリングの作用によって中継接合体が端子から離脱して回路を遮断する仕組みとなっている。

従って、本発明の温度ヒューズは、ソルダリング工程の間、制動ピンが中継接合体を押さえて動かないように一時的に固定されているため、動作温度以上のはんだ付け作業温度に曝されても、温度ヒューズが工程で動作してしまう心配がなく、他の実装部品と温度ヒューズとを一括して効率的にはんだ付けすることができる。ソルダリング工程の後で温度ヒューズ本体の制動ピンによる中継接合体の固定を解除し温度ヒューズを稼動状態にして安全に使用することができる。換言すると一対の導出リード用端子と、金属可溶体で端子間に接続した金属製中継接合体と、この中継接合体に常時弾発力を付与するコイルばねと、耐熱プラスチック製制動ピンと、これらを収容する絶縁ケースおよび絶縁カバーからなる絶縁筐体とを具備する温度ヒューズであり、制動ピンは中継接合体をフローまたはリフローのソルダリングプロセスの間は所定位置に保持する一時的固定具として利用し、ソルダリングプロセス後に制動ピンを動かすか除去することで中継接合体の固定機能を解除する温度ヒューズを提供する。

本発明によると上記様態に、さらに中継接合体を加熱する発熱素子と、発熱素子に通電供給する第３端子とを、追加して発熱素子付き温度ヒューズとすることもできる。発熱素子付き温度ヒューズは、第１端子と第２端子との端子間に接続した低融点金属を含む中継接合体と、中継接合体に当接する発熱素子と、発熱素子を挟んで中継接合体に弾発力を常時付与する導電性スプリングと、中継接合体をソルダリング完了まで一時固定する制動ピンと、発熱素子に通電供給する第３端子とを収容した絶縁筐体を備え、ソルダリング後に上記制動ピンによる中継接合体の固定を解除して温度ヒューズを稼動状態にできるようにした発熱素子付き温度ヒューズが提供される。稼動後は中継接合体の低融点金属が所定の動作温度で軟化または溶融すれば、中継接合体を押圧するスプリングの作用によって中継接合体が端子から離脱して動作する。加えて異常時には、発熱素子に通電して中継接合体を加熱して能動的にカットオフすることもできる。

本発明の温度ヒューズは、低融点金属を感温材に使用しながら、中継接合体を一時的に固定する制動ピンによって、低融点金属の融点よりも高いはんだ付けの作業温度に曝されてもソルダリング工程で温度ヒューズが動作しないように制動することができ、ソルダリング工程の後で制動ピンの固定を解除することで温度ヒューズを稼動状態にするので、後付工程を必要とせずフローまたはリフロー・ソルダリングによって一括実装することができる。

本発明に係る実施例１の温度ヒューズの実装前の要部断面図である。 同じく図１の温度ヒューズの実装後の要部断面図であり、図２（ａ）は動作前の状態および図２（ｂ）は動作後の状態を示す。 本発明に係る実施例２の温度ヒューズの実装前の要部断面図であり、特殊形状の制動ピンと単一のスプリングを使用している。 本発明に係る実施例３の発熱素子付き温度ヒューズの実装前の要部断面図であり、発熱素子と第３端子が設けられ、特殊形状の制動ピンと単一のスプリングを使用している。 本発明に係る実施例４の発熱素子付き温度ヒューズの実装前の要部断面図であり、発熱素子と第３端子が設けられ、実装前後で制動ピンの位置を切り換えている。 本発明の温度ヒューズに用いる制動ピンの斜視図であり、図６（ａ）は実施例１に使用する制動ピン、図６（ｂ）は実施例２および３に使用する制動ピン、図６（ｃ）は実施例４に使用する回転式制動ピンである。 本発明に係る温度ヒューズをフローまたはリフローのはんだ処理作業のプロセスを示す工程図であり、図７（ａ）は部品挿入実装によるフロー・ソルダリング、図７（ｂ）は表面実装によるフロー・ソルダリング、および図７（ｃ）は表面実装によるリフロー・ソルダリングの各工程プロセスを示す。

本発明の温度ヒューズは、一対の端子間に低融点金属可溶体のろう材で接続された中継接合体と、この中継接合体に対して常時弾発力を付与するスプリングと、はんだ処理作業中の高温に対し、この中継接合体の所定位置を確保するように一時的に固定保持するプロテクト治具である制動ピンとを具備する。ここで、中継接合体は少なくとも端子との接続部分が所定動作温度で溶融する低融点金属からなり、制動ピンおよび単一または複数個のスプリングは絶縁筐体に収容される。また、制動ピンは、温度ヒューズを実装時のフローまたはリフロー・ソルダリング処理の間は、少なくとも中継接合体を所定位置に保持する状態で絶縁筐体に収容されるが、実装後は除去されるか回転操作でその状態を変更され、実装された温度ヒューズを所定の動作温度で動作可能にする。従って、本発明の温度ヒューズは実装後の状態に関し、制動ピンはない場合とある場合が生じ、ある場合は制動ピンの位置は実装前の位置と異なる。なお、温度ヒューズは絶縁筐体に中継接合体、スプリングおよび制動ピンを収容し、中継接合体は、少なくとも一対の導出リードの端子にはんだ処理温度以下の融点を有する低融点可溶体で接合され、制動ピンの作用によりフローまたはリフロー・ソルダリング処理に耐え、所定の状態を維持し、実装後に本来の温度ヒューズとして機能する。本発明の温度ヒューズは、特に、第三端子と発熱素子とを組み込んだ発熱抵抗付き温度ヒューズとして有用される。例えば、電池パック用に１３０℃前後の溶融温度を有する低融点金属を使用した抵抗付き温度ヒューズとして電池パックに利用される。

本発明に係る実施例１の温度ヒューズ１０は、図１に示すように、一対の導出リード用端子１１、１２と、金属可溶体１３で端子間に接続した金属製中継接合体１４と、この中継接合体１４に常時弾発力を付与する第１コイルばね１５−１および第２コイルばね１５−２と、耐熱プラスチック製制動ピン１６（図６（ａ）参照）と、これらを収容する絶縁ケース１７および絶縁カバー１８からなる耐熱プラスチック製絶縁筐体とを具備して構成する。制動ピン１６は金属製中継接合体１４をフローまたはリフローのソルダリングプロセス中、所定位置に保持する一時的固定治具である。第１コイルばね１５−１より強力なばね圧力を有する第２コイルばね１５−２は、制動ピン１６と金属製中継接合体１４との間に配置され、制動ピン１６の厚み分だけ圧縮された状態で中継接合体１４を動かないように一時的に固定する。第２コイルばねが対向する第１コイルばねの弾発力以上の力で金属製中継体１４を押圧しているので、温度ヒューズ１０は稼動停止状態となっている。稼動停止状態ではソルダリングによって金属可溶体１３が溶解しても、制動ピン１６が金属製中継接合体１４を固定しているので、金属製中継接合体１４と端子１１、１２とが第１コイルばねの弾発力によって切り離されることはない。ソルダリングが終了した後で、制動ピン１６を温度ヒューズ１０から引き抜いて取り去ると第２コイルばねが伸びて弾発力を失い、対向する第１コイルばねの弾発力が優勢となって温度ヒューズ１０は、図２（ａ）に示した稼動状態となる。稼動状態の温度ヒューズ１０は、過熱によって金属可溶体１３が溶融すれば、第１コイルばね１５−１の弾発力によって金属製中継接合体１４と端子１１および１２との接続を開離し、図２（ｂ）のように動作する。

実施例２の温度ヒューズ２０は、図３に示すように、先端部をＵ字型にくりぬき加工した耐熱プラスチック製制動ピン２６（図６（ｂ）参照）を用いて、先端部に弾性を与え、中継接合体２４を押圧している。すなわち、一対の端子２１、２２間に金属可溶体２３を介して接合した金属製中継接合体２４と、この中継接合体に弾性押圧力を常時付与するコイルばね２５と、金属製中継接合体をソルダリング完了まで一時固定する制動ピン２６と、これら部品を収容する絶縁ケース２７および絶縁カバー２８からなる耐熱プラスチック製絶縁筐体とを備え、金属製中継接合体２４が金属可溶体２３により端子２１、２２に接続された温度ヒューズ２０となる。この温度ヒューズは、被保護回路にはんだ付けした後に、制動ピン２６を絶縁ケース２７から引き抜くことで、はじめて金属製中継接合体２４にコイルばね２５の弾発力が荷重され、以後は温度ヒューズ２０が過熱を感知すればコイルばね２５の弾発力によって端子２１と端子２２との間を開離して動作できるようになる。制動ピン２６が温度ヒューズ２０にセットされ金属製中継接合体２４を固定している間は、ソルダリングの作業温度で金属製中継接合体２４の金属可溶体２３が溶解しても制動ピン２６が金属製中継接合体２４を固定しているので、金属製中継接合体２４と端子２１、２２とがコイルばね２５の弾発力によって切り離されることはない。ソルダリングが完了し金属可溶体２３が凝固した後、制動ピン２６を外して温度ヒューズ２０を稼動状態にして使用する。

実施例３の発熱素子付き温度ヒューズ３０は、図４に示すように、実施例２と同様の弾発力を付与した耐熱プラスチック製制動ピン３６（図６（ｂ）参照）を用い、実施例１で使用するような第２コイルばねを省略している。温度ヒューズ３０は、絶縁ケース３７に固定した第１端子３１と第２端子３２との間に金属製中継接合体３４を挟んで、第１端子３１と、第２端子３２と、金属製中継接合体３４とを金属可溶体３３で接合し、金属製中継接合体３４には抵抗チップからなる発熱素子５０を当接し、さらに発熱素子５０には付勢した金属製コイルばね３５を当接する。発熱素子５０に通電できるように金属製コイルばね３５に接触させた第３端子６０を耐熱プラスチック製絶縁ケース３７に備える。次いで金属製中継接合体３４と耐熱プラスチック製絶縁カバー３８との間に、制動ピン３６を挟み込み、金属製中継接合体３４がソルダリングで動作しないように一時的に固定しておく。温度ヒューズ３０は、ソルダリング後に制動ピン３６を温度ヒューズ本体より引き抜いて稼動状態にして使用される。稼動状態とした後は金属製中継接合体３４の金属可溶体３３が、所定温度で溶融すれば、金属製中継接合体３４を押圧する金属製コイルばね３５の弾性力によって、金属製中継接合体３４が第１端子３１と第２端子３２から開離して動作する。また保護回路が異常を検出したときには、発熱素子５０に通電して第１端子３１と第２端子３２とを接続する金属製中継接合体３４を強制的にカットオフすることができる。

実施例４の発熱素子付き温度ヒューズ４０は、図５に示すように回転式の金属製制動ピン４６（図６（ｃ）参照）を用いる。前述の実施例とは異なり、制動ピン４６は、終始耐熱プラスチック製絶縁ケース４７に取り付けたままで使用する。すなわち、軸中央を半円柱状に切り欠いた制動ピン４６の円弧部分に金属製中継接合体４４を当接させて、金属製中継接合体４４を一時的に固定しておき、フローまたはリフロー・ソルダリングを実施した後、ドライバー等で制動ピン４６を１８０°回転させて円弧部分の当接を解除して稼動状態とする。制動ピン４６は取り外されずに温度ヒューズ４０に据付けられたまま使用できるので、必要ならば温度ヒューズ４０を再度稼動停止状態にすることができる。制動ピン４６以外の構成は、実施例４と同一であるので詳細な説明を省略する。

実施例１および実施例２は、図１および図３に示すように、ケース端部から端子を導出用リードとして引き出した挿入実装部品の形状を採っているが、図４または図５に示すような導出用リードレスの表面実装部品に変形が可能である。一方、実施例３および実施例４の温度ヒューズは、リードレスタイプの表面実装形式を採っているが、図１または図３に示すような端子リードを引き出した挿入実装部品形式に変更することもできる。

本発明の温度ヒューズを配線基板に他の実装部品と一括実装する場合、フロー・ソルダリングを用いた挿入実装方式ａと、フロー・ソルダリングまたはリフロー・ソルダリングを用いた表面実装方式ｂおよびｃがあるが、本発明の温度ヒューズは何れの方式にも適合する。図７は各実装方式に対応して本発明の温度ヒューズを実装し、稼動させるまでのプロセスを示したフロー図である。図７に示すとおり挿入実装ａ方式では、温度ヒューズは他の実装部品と共に、配線基板１ａのスルーホールに自動挿入機等を用いて一括挿入され２ａ、フラックスを塗布し３ａ、フロー炉を用いてフロー・ソルダリングされ４ａ、フロー・ソルダリング工程の後で温度ヒューズの中継接合体を固定している制動ピンを解除し温度ヒューズを稼動状態にして５ａ使用される。フロー・ソルダリングによる表面実装ｂ方式では、配線基板１ｂに部品を固定する接着剤を塗布し２ｂ、自動部品搭載機等を用いて他の実装部品と一括搭載され３ｂ、フラックスを塗布して４ｂ、フロー炉でフロー・ソルダリングする５ｂ。フロー・ソルダリング工程の後で温度ヒューズの中継接合体を固定している制動ピンを解除し、温度ヒューズを稼動状態にして６ｂ使用する。リフロー・ソルダリングによる表面実装ｃ方式においては、配線基板１ｃにソルダーペーストを印刷し２ｃ、自動部品搭載機等を用いて他の実装部品と一括搭載して３ｃ、リフロー炉でリフロー・ソルダリングされ４ｃ、リフロー・ソルダリング工程の後で、温度ヒューズの中継接合体を固定している制動ピンを解除して、温度ヒューズを稼動させて５ｃ使用する。

本発明の温度ヒューズは、フローまたはリフロー・ソルダリングを用いた一括はんだ付けに対応でき、かつ大電流に適合した温度ヒューズに利用できる。

１０，２０・・・温度ヒューズ、３０，４０・・・発熱素子付き温度ヒューズ、
１１，２１，３１，４１・・・第１端子、１２，２２，３２，４２・・・第２端子、
１３，２３，３３，４３・・・金属可溶体、
１４，２４，３４，４４・・・中継接合体、
１５−１，１５−２，２５，３５，４５・・・スプリング（コイルばね）、
１６，２６，３６，４６・・・制動ピン、
１７，２７，３７，４７・・・絶縁ケース、
１８，２８，３８，４８・・・絶縁カバー、
５０・・・発熱素子、６０・・・第３端子。

Claims (7)

1. 弾性体の付勢作用を利用して中継接合体を動かし回路遮断する温度ヒューズであって、一対の端子と、前記端子間に接続した低融点金属を含む中継接合体と、前記中継接合体に弾発力を常時付与するスプリングと、さらに前記中継接合体をソルダリング完了まで一時固定する制動ピンと、それらを収容した絶縁筐体とを備え、前記中継接合体は、少なくとも前記両端子との接続部分が低融点金属からなり、ソルダリング工程の後に、前記制動ピンを動かし前記中継接合体の固定を解除して稼動する温度ヒューズ。
2. 弾性体の付勢作用を利用して中継接合体を動かし回路遮断する温度ヒューズであって、絶縁ケースに固定した第１端子と第２端子との間に中継接合体を挟んで、前記第１端子と前記第２端子と前記中継接合体とを可溶体で接合し、前記中継接合体に発熱素子を当接し、さらに前記発熱素子に付勢した導電性スプリングを当接させ、前記発熱素子に通電できるように前記導電性スプリングと接触させた第３端子とを絶縁筐体に備え、さらに前記中継接合体と前記絶縁カバーとの間に、制動ピンを挟み込み前記中継接合体が動かないように固定して、ソルダリング工程の後に、前記制動ピンを動かし前記中継接合体の固定を解除して稼動する発熱素子付き温度ヒューズ。
3. 前記中継接合体と前記絶縁筐体との間に、前記スプリング以上の弾発力を有する付勢した第２のスプリングと、前記制動ピンとを挟んで、前記中継接合体をソルダリング完了まで一時固定することを特徴とした請求項１または請求項２に記載の温度ヒューズ。
4. 前記制動ピンに前記中継接合体を押圧するスプリング機能を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度ヒューズ。
5. 断面が半円形の前記制動ピンが回転することによって前記中継接合体の固定を解除して稼動状態となることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度ヒューズ。
6. 一対の端子間に低融点金属可溶体のろう材で接続された中継接合体と、この中継接合体に対して常時弾発力を付与するスプリングと、制動ピンとを具備し、前記中継接合体は少なくとも端子との接続部分が所定動作温度で溶融する低融点金属からなり、前記制動ピンおよび前記スプリングは絶縁筐体に収容され、前記制動ピンは実装時のフローまたはリフロー・ソルダリング処理の間は前記中継接合体を所定位置に保持する状態で前記絶縁筐体に収容されるが、実装後は除去されるか回転操作でその状態を変更されることを特徴とする温度ヒューズ。
7. 一対の導出リード用端子と、金属可溶体で前記端子間に接続した中継接合体と、この中継接合体に常時弾発力を付与するコイルばねと、耐熱プラスチック製制動ピンと、これらを収容するケースおよびカバーを有する絶縁筐体とを具備し、前記制動ピンは中継接合体をフローまたはリフローのソルダリングプロセスの間は所定位置に保持する固定具として利用し、ソルダリングプロセス後に前記制動ピンを回動または除去により前記中継接合体の固定機能を解除する温度ヒューズ。

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