JP6102266B2

JP6102266B2 - ヒューズ

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Publication number: JP6102266B2
Application number: JP2013003130A
Authority: JP
Inventors: 番場　真一郎; 真一郎番場
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: JP2014135217A

Description

本発明は、ヒューズに関する。

従来、電子部品に対してヒューズを接続し、過電流から電子部品を保護する試みがなされている。例えば、特許文献１には、ヒューズの一例として、基板上に形成された複数の電極と、電極間の電流経路に接続された低融点金属体と、低融点金属体を加熱する抵抗体とを備えるヒューズが記載されている。

特開２０１２−３８７８号公報

抵抗体に通電した際にヒューズ機能が発現するまでの時間を短縮したいという要望がある。

本発明の目的は、迅速にヒューズ機能が発現するヒューズを提供することにある。

本発明に係るヒューズは、配線と、低融点金属部と、発熱体と、絶縁層と、高熱伝導体とを備える。低融点金属部は、配線の一方側に設けられている。低融点金属部は、配線よりも低い融点を有するとともに、融液となった際に配線を溶解させる。発熱体は、配線の他方側に設けられている。絶縁層は、発熱体と配線との間に設けられている。絶縁層には、発熱体及び配線に臨む貫通孔が設けられている。高熱伝導体は、貫通孔内に発熱体と配線とを接続するように設けられている。高熱伝導体は、絶縁層よりも熱伝導率が高い。

本発明に係るヒューズのある特定の局面では、平面視において、貫通孔が低融点金属部と重ならないように設けられている。

本発明に係るヒューズの別の特定の局面では、ヒューズは、発熱体を支持する絶縁性基板をさらに備える。

本発明に係るヒューズの他の特定の局面では、ヒューズは、配線を支持する絶縁性基板をさらに備える。発熱体は、絶縁性基板の内部に設けられている。絶縁性基板の発熱体と配線との間に位置する部分が絶縁層を構成している。

本発明に係るヒューズのさらに他の特定の局面では、高熱伝導体と配線とが一体に設けられている。

本発明に係るヒューズのさらに別の特定の局面では、低融点金属部は、Ｓｎを主成分とする。

本発明によれば、迅速にヒューズ機能が発現するヒューズを提供することができる。

本発明の一実施形態におけるヒューズの略図的平面図である。本発明の一実施形態におけるヒューズの略図的裏面図である。図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける略図的断面図である。図１の線ＩＶ−ＩＶにおける略図的断面図である。図１の線Ｖ−Ｖにおける略図的断面図である。本発明の一実施形態における第２の電極層の形状を説明するための略図的平面図である。本発明の一実施形態における第１の電極層及び発熱体の形状を説明するための略図的平面図である。本発明の一実施形態におけるヒューズの略図的回路図である。第１の変形例におけるヒューズの略図的断面図である。第２の変形例におけるヒューズの略図的断面図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、本実施形態におけるヒューズの略図的平面図である。図２は、本実施形態におけるヒューズの略図的裏面図である。図３は、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける略図的断面図である。図４は、図１の線ＩＶ−ＩＶにおける略図的断面図である。図５は、図１の線Ｖ−Ｖにおける略図的断面図である。図６は、本実施形態における第２の電極層の形状を説明するための略図的平面図である。図７は、本実施形態における第１の電極層及び発熱体の形状を説明するための略図的平面図である。図８は、本実施形態におけるヒューズの略図的回路図である。なお、図６及び図７においては、説明対象となる部材の上に位置している部材の描画を省略している。

図８に示されるように、ヒューズ１は、第１の端子１１と、第２の端子１２との間に接続された配線１３を有する。配線１３において、ヒューズ電極部１３ａ、１３ｂが直列に接続されている。ここで、ヒューズ電極部１３ａ、１３ｂは、ヒューズ１に過電流が流れた際や、ヒューズ１にヒューズ機能を発現させる信号が入力された際に溶断し、第１の端子１１と第２の端子１２との間を絶縁する部分である。例えば、第１の端子１１と第２の端子１２との間に過電流が流れると、ヒューズ電極部１３ａ、１３ｂの少なくとも一方が溶断する。これにより、第１の端子１１と第２の端子１２とが絶縁される。このため、ヒューズ１は、過電流を検知し、配線１３が自動的に切断される受動素子として機能する。なお、配線１３の厚みは、例えば、５μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。

ヒューズ電極部１３ａとヒューズ電極部１３ｂとの間の接続点１３ｃは、第４の端子１６に接続されている。第３の端子１４と接続点１３ｃとの間には、抵抗により構成された発熱体１５が設けられている。第３の端子１４と、第１及び第２の端子１１，１２の少なくとも一方との間に電力が付与された際に発熱体１５が発熱する。これにより、ヒューズ電極部１３ａとヒューズ電極部１３ｂとのうちの少なくとも一方が溶断し、第１の端子１１と第２の端子１２とが絶縁される。このため、ヒューズ１は、過電流を検知し、能動的に配線１３を切断する能動素子としても機能する。なお、本発明に係るヒューズは、受動素子としてのみ機能するものであってもよいし、能動素子としてのみ機能するものであってもよい。

次に、ヒューズ１の具体的構成について、図１〜図７を参照しながら詳細に説明する。

図１〜図５に示されるように、ヒューズ１は、絶縁性基板２０を備えている。絶縁性基板２０は、例えば、アルミナ基板などのセラミック基板や樹脂基板等により構成することができる。絶縁性基板２０は、内部に配線を有する多層基板であってもよい。

絶縁性基板２０は、第１の主面２０ａと、第２の主面２０ｂとを有する。図２に示されるように、第２の主面２０ｂの上には、第１〜第４の端子１１，１２，１４，１６が配されている。第４の端子１６は、図８に示す発熱体１５と接続点１３ｃとの間の接続点に接続されている。なお、第１〜第４の端子１１，１２，１４，１６は、それぞれ、Ａｇ，ＡｇＰｔ，ＡｇＰｄ，Ｃｕ等の適宜の導電材料により構成することができる。第１〜第４の端子１１，１２，１４，１６の厚みは、例えば、１０μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。

図１及び図６に示されるように、第１の主面２０ａの上には、電極２１〜２４が設けられている。電極２１は、側面電極２５及びビアホール電極２６（図２を参照）によって第１の端子１１と接続されている。電極２２は、側面電極２７及びビアホール電極２８によって第２の端子１２と接続されている。電極２３は、側面電極２９によって第３の端子１４に接続されている。電極２４は、側面電極３０によって第４の端子１６に接続されている。なお、電極２１〜２４は、それぞれ、Ａｇ，ＡｇＰｔ，ＡｇＰｄ，Ｃｕ等の適宜の導電材料により構成することができる。

図７に示されるように、主面２０ａの上には、電極２３と電極２４との間に接続された発熱体１５が設けられている。電極２３と発熱体１５とは、配線３１により接続されている。電極２４と発熱体１５とは、配線３２により接続されている。発熱体１５は、絶縁性基板２０によって支持されている。なお、発熱体１５は、例えば、ＲｕＯ_２，ＡｇＰｄ等からなる抵抗発熱体により構成することができる。

電極２３，２４、発熱体１５及び配線３１，３２の上には、電極層３５（図３〜図６を参照）が設けられている。電極層３５と、電極２３，２４及び配線３１，３２との間には、絶縁層３６が配されている。本実施形態では、絶縁層３６は、配線３１，３２と低融点金属部４１，４２とが重なっている部分の全体に設けられている。もっとも、本発明においては、例えば、絶縁層に開口等が形成されており、配線の電気抵抗が全体として低下しすぎない程度に配線と低融点金属部とが接続されていてもよい。図３及び図５に示されるように、絶縁層３６には、貫通孔３６ａが設けられている。この貫通孔３６ａは、発熱体１５と、配線１３（詳細には、接続点１３ｃ）とのそれぞれに接続されている。貫通孔３６ａは、中心軸の延びる方向において、直径が略一定に設けられていてもよいし、テーパ状に設けられていてもよい。貫通孔３６ａは、例えば、絶縁性基板２０側に向かって先細るテーパ状に設けられていてもよい。なお、絶縁層３６の厚みは、例えば、１５μｍ〜３０μｍ程度とすることができる。

図５及び図６に示されるように、電極層３５は、電極２１と電極２２とを接続している配線１３を含む。配線１３は、ヒューズ電極部１３ａとヒューズ電極部１３ｂとを含む。ヒューズ電極部１３ａとヒューズ電極部１３ｂとの接続点１３ｃと、電極２４とは、図３及び図６に示される電極３７によって接続されている。また、接続点１３ｃは、貫通孔３６ａ内に配された高熱伝導体３８を介して発熱体１５と接続されている。高熱伝導体３８の熱伝導率は、絶縁層３６の熱伝導率よりも高い。高熱伝導体３８は、例えば、金属により構成することができる。本実施形態では、高熱伝導体３８と、配線１３とが一体に設けられている。この場合、高熱伝導体３８を容易に設けることができる。

なお、電極層３５の厚みは、例えば、５μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。

図１，図４及び図５に示されるように、配線１３の各ヒューズ電極部１３ａ、１３ｂの上には、低融点金属部４１，４２が設けられている。低融点金属部４１，４２は、配線１３よりも低い融点を有すると共に、融液となった際に配線１３を融解させる低融点金属からなる。低融点金属は、例えば、Ｓｎを主成分とするものであってもよい。このような低融点金属の具体例としては、例えば，ＳｎＳｂ、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ，ＳｎＡｇＣｕ，ＳｎＣｕＮｉ等のＳｎ合金が挙げられる。低融点金属部４１，４２の厚みは、例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度とすることができる。

なお、低融点金属部４１，４２の上に、フラックス層等の保護膜や酸化防止膜等が低融点金属部４１，４２及び少なくとも一部を覆うように設けられていてもよい。

図４及び図５に示されるように、ヒューズ１では、配線１３と、低融点金属部４１，４２との間に絶縁層５１，５２が配されている。絶縁層５１，５２の融点は、低融点金属部４１，４２の融点よりも高い。絶縁層５１，５２の融点は、１８０℃〜３５０℃であることが好ましく、２２０℃〜３２０℃であることがより好ましい。絶縁層５１，５２は、適宜の絶縁材料により構成することができるが、例えば、熱可塑性樹脂により構成されていることが好ましい。絶縁層５１，５２を構成するために好ましく用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、融点２６４℃）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ，融点２３２℃）などのポリエステル系樹脂、ポリ塩化ビニル（融点１８０℃）などのビニル系樹脂、ポリスチレン（融点２３０℃）などのポリスチレン系樹脂、ナイロン６（登録商標、融点２２５℃）やナイロン６６（登録商標、融点２６７℃）などのポリアミド系樹脂、ポリカーボネート（融点２５０℃）などのポリカーボネート系樹脂、ポリフッ化ビニリデン（融点２１０℃）、三フッ化塩化エチレン（融点２２０℃）などのフッ素系樹脂等が挙げられる。絶縁層５１，５２の厚みは、例えば、１０μｍ〜２００μｍ、好ましくは２０〜１５０μｍ程度とすることができる。

図６に示されるように、絶縁性基板２０上において、絶縁層５１，５２の外側には、金属膜６１〜６４が配されている。この金属膜６１〜６４は、例えば、Ａｇ，ＡｇＰｔ，ＡｇＰｄ，Ｃｕ等の低融点金属部４１，４２の融液に対する濡れ性が高い金属や合金により構成されていることが好ましい。さらに、金属膜６１〜６４は低融点金属部４１，４２の融液に溶解しにくいことが好ましく、特に、ＡｇＰｔ，ＡｇＰｄ等により構成されていることが好ましい。

金属膜６１〜６４は、配線１３の幅方向において、絶縁層５１，５２の両側に設けられている。本実施形態では、具体的には、配線１３の幅方向において、金属膜６１，６２が絶縁層５１の両側に設けられている。配線１３の幅方向において、金属膜６１，６２は、ヒューズ電極部１３ａを挟むように設けられている。低融点金属部４１は、金属膜６１，６２に接触するように設けられている。具体的には、低融点金属部４１は、金属膜６１の上から、絶縁層５１及び金属膜６２の上に跨がって設けられている。

配線１３の幅方向において、金属膜６３，６４が絶縁層５２の両側に設けられている。配線１３の幅方向において、金属膜６３，６４は、ヒューズ電極部１３ｂを挟むように設けられている。低融点金属部４２は、金属膜６３，６４に接触するように設けられている。具体的には、低融点金属部４２は、金属膜６３の上から、絶縁層５２及び金属膜６４の上に跨がって設けられている。

なお、金属膜６１〜６４は、複数の金属膜の積層体により構成されていてもよい。金属膜６１〜６４を構成している複数の金属膜は、融点が異なる複数種類の金属膜を含んでいてもよい。金属膜６１〜６４は、第１の金属膜と、第１の金属膜の上に設けられており、第１の金属膜よりも融点が低い第２の金属膜を有していてもよい。その場合、第２の金属膜は、絶縁層５１，５２の上にまで至っていてもよい。

金属膜６１〜６４の厚みは、例えば、２０μｍ〜４０μｍ程度とすることができる。

図１に示されるように、低融点金属部４１が設けられた領域と、低融点金属部４２が設けられた領域とのそれぞれを包囲する保護層７０が設けられている。この保護層７０を設けることにより、低融点金属の融液が意図しない方向へ濡れ広がることを効果的に抑制することができる。保護層７０の厚みは、例えば、１０μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。

次に、ヒューズ１におけるヒューズ機能の発動について説明する。

例えば、第１の端子１１と第２の端子１２との間に過電流が流れると、幅細に設けられたヒューズ電極部１３ａ、１３ｂが発熱する。この発熱により、低融点金属部４１，４２が加熱され、融解する。また、絶縁層５１，５２も融解し、低融点金属の融液がヒューズ電極部１３ａ、１３ｂと接触する。その結果、ヒューズ電極部１３ａ、１３ｂが低融点金属の融液に溶解し、配線１３が溶断する。これにより、ヒューズ機能が発現する。

ヒューズ１では、配線１３と低融点金属部４１，４２との間に絶縁層５１，５２が設けられている。この絶縁層５１，５２によって配線１３が低融点金属部４１，４２から電気的に絶縁されている。このため、低融点金属部と配線とが電気的に接続されている場合とは異なり、配線１３の比抵抗が大きい。よって、第１の端子１１と第２の端子１２との間に過電流が流れた際に配線１３が発熱しやすい。従って、ヒューズ１では、第１の端子１１と第２の端子１２との間に過電流が流れた際に、ヒューズ機能が高い確実性で発現する。

また、ヒューズ１では、絶縁層５１，５２の融点が低融点金属部４１，４２の融点よりも高い。このため、絶縁層５１，５２が融解するまで低融点金属部４１，４２と配線１３とが接触することにより、配線１３の比抵抗が低下することが効果的に抑制されている。従って、ヒューズ機能がより高い確実性で発現する。

ヒューズ機能をさらに高い確実性で発現させる観点から、絶縁層５１，５２の融点が低融点金属部４１，４２の融点よりも１０℃以上高いことが好ましく、２０℃以上高いことがさらに好ましい。但し、絶縁層５１，５２の融点が低融点金属部４１，４２の融点に対して高すぎると、絶縁層５１，５２が融解しにくく、低融点金属の融液と配線１３とが接触しにくくなり、かえってヒューズ機能が発現しにくくなる場合がある。従って、絶縁層５１，５２の融点は、低融点金属部４１，４２の融点＋５０℃以下であることが好ましく、低融点金属部４１，４２の融点＋３０℃以下であることがより好ましい。具体的には、絶縁層５１，５２の融点は、１８０℃〜３５０℃の範囲内であることが好ましく、２２０℃〜３２０℃の範囲内であることがより好ましく、２６０℃〜２８０℃の範囲内であることがさらに好ましい。

ところで、低融点金属の融液により配線１３を確実に溶断するためには、低融点金属の融液を配線１３と接触し得る領域に確実にとどめておくことが重要である。しかしながら、低融点金属部４１，４２の下方に、低融点金属の融液の濡れ性が低い絶縁層５１，５２が設けられているため、低融点金属の融液が変位しやすい。そこで、ヒューズ１では、絶縁性基板２０上において、絶縁層５１，５２の外側に金属膜６１〜６４が配されている。低融点金属の融液が金属膜６１〜６４に接触することにより、低融点金属の融液が、金属膜６１〜６４により捕捉される。従って、ヒューズ１では、低融点金属の融液を配線１３と接触し得る領域に確実にとどめておくことができる。従って、ヒューズ１では、ヒューズ機能を高い確実性で発現させることができる。

低融点金属の融液が金属膜６１〜６４により確実に捕捉されるようにする観点からは、低融点金属部４１，４２が金属膜６１〜６４に接触するように設けられていることが好ましい。配線１３の幅方向において、金属膜６１〜６４が絶縁層５１，５２の両側に設けられていることが好ましい。配線１３の幅方向において、金属膜６１〜６４がヒューズ電極部１３ａ、１３ｂの両側に設けられていることが好ましい。低融点金属部４１，４２が、配線１３の両側に設けられた金属膜６１と金属膜６２、金属膜６３と金属膜６４とに跨がって設けられていることが好ましい。

また、ヒューズ１では、第１の端子１１と第２の端子１２に過電流が流れない場合であっても、発熱体１５を発熱させることによりヒューズ機能を発現させることができる。具体的には、第３の端子１４と、端子１１，１２または第４の端子１６との間に電力を付与することにより、発熱体１５を発熱させる。この発熱体１５からの熱により、低融点金属部４１，４２が融解し、配線１３のヒューズ電極部１３ａ、１３ｂが溶断される。

ヒューズ１では、貫通孔３６ａ内に設けられており、絶縁層３６よりも熱伝導率が高い高熱伝導体３８により発熱体１５と配線１３とが接続されている。このため、発熱体１５の熱が配線１３を介して低融点金属部４１，４２に伝わりやすい。従って、ヒューズ１では、発熱体１５を発熱させて能動的にヒューズ機能を発現させる際においても、ヒューズ機能が高い確実性で発現する。高熱伝導体３８として、例えば配線１３を構成する材料と同じものや、発熱体１５を構成する材料と同じ物を用いることができる。配線１３を構成する材料を用いると、配線１３を形成する際に、同時に貫通孔３６ａ内に高熱伝導体３８を充填することができるため、効率よく作製することができる。

ヒューズ機能をより高い確実性で発現させる観点からは、平面視において、貫通孔３６ａが低融点金属部４１，４２と重ならないように設けられていることが好ましい。低融点金属部４１，４２が貫通孔３６ａ上に位置している場合、配線１３を溶断して第１の端子１１と第２の端子１２とを絶縁するためには、高熱伝導体３８が導電性を有する場合、配線１３と共に、高熱伝導体３８まで溶断する必要がある。一方、平面視において、貫通孔３６ａが低融点金属部４１，４２と重ならないように設けられている場合は、配線１３のみを溶断すれば第１の端子１１と第２の端子１２とが絶縁される。従って、ヒューズ機能がより発現しやすくなる。

以下、上記実施形態の変形例について説明する。以下の説明において、上記実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第１の変形例）
図９は、第１の変形例におけるヒューズの略図的断面図である。

図９に示されるように、ヒューズ１ａは、低融点金属部４１，４２を覆っており、低融点金属部４１，４２の融点よりも高い融点を有する絶縁層８０をさらに備えていてもよい。この絶縁層８０を設けることにより、低融点金属部４１，４２が融解してなる低融点金属の融液の意図しない方向へ濡れ広がることを抑制することができる。

絶縁層８０の融点は、低融点金属部４１，４２の融点よりも１０℃以上高いことが好ましく、２０℃以上高いことがより好ましい。絶縁層８０は、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート等、絶縁層５１，５２に用いることのできる絶縁材料により構成することができる。

（第２の変形例）
図１０は、第２の変形例におけるヒューズの略図的断面図である。

上記実施形態に係るヒューズ１では、発熱体１５が絶縁性基板２０上に設けられている例について説明した。但し、本発明はこの構成に限定されない。図１０に示されるように、本変形例に係るヒューズ１ｂでは、発熱体１５は、絶縁性基板２０の内部に設けられている。絶縁性基板２０の発熱体１５と配線１３との間に位置する部分が絶縁層３６を構成している。このような場合であっても、上記実施形態と実質的に同様の効果が得られる。

１，１ａ，１ｂ…ヒューズ
１１…第１の端子
１２…第２の端子
１３…配線
１３ａ、１３ｂ…ヒューズ電極部
１３ｃ…接続点
１４…第３の端子
１５…発熱体
１６…第４の端子
２０…絶縁性基板
２０ａ…第１の主面
２０ｂ…第２の主面
２１〜２４…電極
２５，２７，２９，３０…側面電極
２６，２８…ビアホール電極
３１，３２…配線
３５…電極層
３６…絶縁層
３６ａ…貫通孔
３７…電極
３８…高熱伝導体
４１，４２…低融点金属部
５１，５２…絶縁層
６１〜６４…金属膜
７０…保護層
８０…絶縁層

Claims

配線と、
前記配線の一方側に設けられており、前記配線よりも低い融点を有するとともに、融液となった際に前記配線を溶解させる低融点金属部と、
前記配線の他方側に設けられた発熱体と、
前記発熱体と前記配線との間に設けられており、前記発熱体及び前記配線に臨む貫通孔が設けられた絶縁層と、
前記貫通孔内に前記発熱体と前記配線とを接続するように設けられており、前記絶縁層よりも熱伝導率が高い高熱伝導体と、
を備え、
平面視において、前記貫通孔が前記低融点金属部と重ならないように設けられている、ヒューズ。
前記発熱体を支持する絶縁性基板をさらに備える、請求項１に記載のヒューズ。
前記配線を支持する絶縁性基板をさらに備え、
前記発熱体は、絶縁性基板の内部に設けられており、
前記絶縁性基板の前記発熱体と前記配線との間に位置する部分が前記絶縁層を構成している、請求項１に記載のヒューズ。
前記高熱伝導体と前記配線とが一体に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒューズ。
前記低融点金属部は、Ｓｎを主成分とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒューズ。