JP6201147B2

JP6201147B2 - 回路保護素子

Info

Publication number: JP6201147B2
Application number: JP2013236421A
Authority: JP
Inventors: 崇喜多村; 智幸鷲崎; 雄樹森本; 敏之岩尾; 和俊松村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: CN204167243U; JP2015097141A

Description

本発明は、過電流が流れると溶断して各種電子機器を保護する回路保護素子に関するものである。

従来のこの種の回路保護素子は、図３に示すように、絶縁基板１と、この絶縁基板１の両端部に設けられた一対の上面電極２と、この一対の上面電極２を橋絡するエレメント部３と、このエレメント部３と前記絶縁基板１との間に形成された樹脂からなる下地層４と、絶縁基板１の両端部に形成されかつ前記エレメント部３の上面と接続された端面電極５と、前記エレメント部３を保護する絶縁層６とを備えていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００４−３１９１６８号公報

近年、電子機器では低消費電流が市場から要望されている。そのため、回路保護素子に求められる特性として低電流で溶断するものが求められている。そして、低電流で溶断させるためには、エレメント部の厚みを薄くする必要があった。

しかしながら、上記従来の構成において、エレメント部３の厚みを薄くした場合に、実装時等に上方から必要以上の圧力が加わると、下地層４が柔らかい樹脂で構成されているため、下地層４が変形し易くなり、これにより、下地層４の上面に位置するエレメント部３が変形、または損傷し易くなってしまう。この結果、エレメント部３の厚みを薄くすることができず、低電流で溶断させることができないという課題を有していた。

本発明は、上記課題を解決するもので、低電流で溶断させることができる回路保護素子を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、絶縁基板と、前記絶縁基板の両端部に設けられた一対の上面電極と、前記一対の上面電極を橋絡するように形成され、かつ前記一対の上面電極と電気的に接続されたエレメント部と、前記エレメント部と前記絶縁基板との間に設けられた第１の下地層と、前記エレメント部に形成された溶断部とを備え、前記第１の下地層はガラスと内部が中空もしくは表面より粗のセラミックスを主成分とする複数のフィラーとの混合物で構成され、前記第１の下地層は第１の領域と前記第１の領域の上部に位置する第２の領域とで構成され、前記第２の領域の前記フィラーの密度は第１の領域の前記フィラーの密度より低い、もしくは前記第２の領域の空隙率は第１の領域の空隙率より小さいものとしたもので、この構成によれば、第１の下地層が樹脂よりも硬いガラスで構成されているため、第１の下地層が応力に強くなって、上方から圧力が加わっても第１の下地層がほとんど変形せず、これにより、第１の下地層の上面のエレメント部も変形したり損傷したりし難くなるため、エレメント部の厚みを薄くすることができ、この結果、低電流で溶断させることができる。また、フィラーの内部に空気が含まれているため、第１の下地層の熱伝導率を低くすることができ、これにより、耐インラッシュ性と速断性を向上させることができる。さらに、フィラーの密度が低く、空隙率が小さい第２の領域がエレメント部と直接接しているため、大気中の水分やガスがエレメント部まで達するのを第２の領域で阻止することができ、これにより、エレメント部の劣化を防止することができるという作用効果が得られるものである。

以上のように本発明の回路保護素子は、樹脂よりも硬いガラスと内部が中空もしくは粗のセラミックスを主成分とする複数のフィラーとの混合物で第１の下地層を構成しているため、第１の下地層が応力に強くなって、上方から圧力が加わっても第１の下地層がほとんど変形せず、これにより、第１の下地層の上面のエレメント部も変形したり損傷したりし難くなるため、エレメント部の厚みを薄くすることができ、この結果、低電流で溶断させることができるという効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１における回路保護素子の断面図本発明の実施の形態２における回路保護素子の断面図従来の回路保護素子の断面図

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における回路保護素子の断面図を示したもので、この図１に示すように、本発明の実施の形態１における回路保護素子は、絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の上面の両端部に設けられた一対の上面電極１２と、この一対の上面電極１２を橋絡するように形成され、かつ前記一対の上面電極１２と電気的に接続されたエレメント部１３と、このエレメント部１３と前記絶縁基板１１との間に設けられた第１の下地層１４と、前記第１の下地層１４の上面に位置するエレメント部１３に形成された溶断部１５とを備えた構成において、前記第１の下地層１４をガラスと内部が中空のシリカを主成分とする複数のフィラーとの混合物で構成したものである。

さらに、第１の下地層１４は第１の領域１４ａと、第１の領域１４ａの上部に位置する第２の領域１４ｂとで構成されており、第２の領域１４ｂのフィラーの密度は第１の領域１４ａのフィラーの密度より低くなっている。

また、前記絶縁基板１１の両端部には前記エレメント部１３の一部に重なるように銀系の材料からなる端面電極層１６が形成されており、かつこの端面電極層１６の表面にはめっき膜（図示せず）が形成される。さらに、前記エレメント部１３を覆うように、シリコン樹脂からなる絶縁層１７が設けられている。

上記構成において、前記絶縁基板１１は、その形状が方形状であり、そしてＡｌ₂Ｏ₃を５５％〜９６％含有するアルミナで構成されている。

また、前記一対の上面電極１２は、絶縁基板１１の上面の両端部に設けられ、かつＡｇ等を印刷することによって形成されている。

そしてまた、前記エレメント部１３は、絶縁基板１１の略全面を覆うようにスパッタすることで形成し、第１の下地層１４および一対の上面電極１２の上面に位置して設けられている。このエレメント部１３は、ＴｉやＣｕをスパッタした後、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎをスパッタして形成する。このように、エレメント部１３はスパッタのみで構成されるため、エレメント部１３の厚みを薄くすることができる。なお、エレメント部１３は、他の材料を用いてもよく、さらに、薄くめっきすることによって形成してもよい。

また、前記エレメント部１３の中心部には、レーザによってトリミング溝１８が２ヶ所、互いに対向するエレメント部１３の側面からエレメント部１３の中心方向に向かって形成されているもので、そしてこの２つのトリミング溝１８で囲まれた領域が、過電流が印加されたときに溶融して断線する溶断部１５となっている。なお、溶断部１５は、エレメント部１３をパターンニングすることによって形成してもよい。

そしてまた、前記第１の下地層１４は絶縁基板１１の上面の中央部に設けられており、かつこの第１の下地層１４は前記一対の上面電極１２間に位置するエレメント部１３と絶縁基板１１との間に設けられている。さらに、この第１の下地層１４は、ＳｉＯ₂等からなるガラスと、内部が中空のシリカを主成分とする粒径が約１０μｍのフィラーとを混合させたもので構成している。なお、フィラーの主成分は、非晶質のセラミックスであれば、シリカ以外の例えばアルミナを用いることができる。このとき、内部が中空のセラミックスを第１の下地層１４に混合させているため、第１の下地層１４は所定の空隙率を有している。

そして、この第１の下地層１４は第１の領域１４ａと、第１の領域１４ａより上方に位置する第２の領域１４ｂとからなり、第２の領域１４ｂのフィラーの密度は第１の領域１４ａのフィラーの密度より低くなっている。

なお、第１の領域１４ａと第２の領域１４ｂとは層状にせず、フィラーの密度が第１の下地層１４の下面から上面に向かって徐々に低くなるようにしてもよい。

ここで、フィラーの密度とは、個々のフィラー単体における密度ではなく、第１の下地層１４全体に対するフィラーの含有量の割合を表すもので、フィラーの密度が高いと、中空の量が多くなって、空隙率が大きくなり、フィラーの密度が低いと、中空の量が少なくなって、空隙率が小さくなる。

また、この第１の下地層１４は、フィラーの混合割合を１０〜９０体積％とし、さらに、このフィラーの混合割合は第１の領域１４ａでは３０体積％以上とし、第２の領域１４ｂでは７０体積％以下とするのが特に好ましい。ここで、第１の領域１４ａでのフィラーの混合割合が３０体積％より小さいと、第１の下地層１４の内部の空気が少なくなるため、エレメント部１３で発生した発熱が、絶縁基板１１に逃げ易くなる可能性があり、これにより、速断性が劣化（低下）する場合がある。また、第２の領域１４ｂでのフィラーの混合割合が７０体積％より大きいと、その表面の凹凸が大きくなるため、エレメント部１３が形成できない可能性が生じる。

さらに、このフィラーは、セラミックスのうちシリカあるいはアルミナを主成分とするのが好ましく、そして、このシリカまたはアルミナは化学的に安定し、かつ耐熱性、耐火性に優れているため、過電流が流れてエレメント部１３が高温となっても、溶断特性や溶断後の絶縁抵抗を安定化させることができる。なお、フィラーとしては表面の密度より内部の密度が粗になっているものを使用してもよい。

次に、本発明の一実施の形態における回路保護素子の製造方法について説明する。

図１において、まず、Ａｌ₂Ｏ₃を５５％〜９６％含有するアルミナで構成された絶縁基板１１の上面の両端部に、銀ペーストまたは銀を主成分とする銀パラジウム合金導体ペーストを印刷し、約８５０℃で焼成することにより一対の上面電極１２を形成する。

次に、絶縁基板１１の中央部に、ガラスと、内部が中空のシリカを主成分とするフィラーとを混合させた混合物を印刷して第１の下地層１４を形成する。ここで、第１の下地層１４は、まず、その第１の領域１４ａを印刷後、第１の領域１４ａのフィラーの密度より低いフィラー密度の第２の領域１４ｂを印刷することによって設ける。その後、約８５０℃で焼成して第１の下地層１４を形成する。

このとき、第１の下地層１４は主成分がガラスであるため、一対の上面電極１２と第１の下地層１４を同時に焼成することができ、これにより、生産性を向上させることができる。

次に、第１の下地層１４および一対の上面電極１２の上面にエレメント部１３を形成する。この場合、エレメント部１３は一対の上面電極１２間を橋絡して一対の上面電極１２と電気的に接続されるように構成する。

そして、このエレメント部１３は、まず、ＴｉやＣｕをスパッタし、その後、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎを順にスパッタして形成される。

次に、第１の下地層１４の上面におけるエレメント部１３の中心部の２ヶ所を、互いに対向するエレメント部１３の側面からエレメント部１３の中心方向に向かってレーザで切削してトリミング溝１８を形成することにより、この２つのトリミング溝１８で囲まれた領域に、過電流が印加されたときに溶融して断線する溶断部１５を設ける。

次に、シリコン等の樹脂を少なくとも溶断部１５を覆うようにエレメント部１３上に形成し、絶縁層１７を設ける。

次に、絶縁基板１１の両端部においてエレメント部１３の一部と重なるように樹脂銀ペーストを塗布して硬化させることにより端面電極層１６を形成する。なお、この端面電極層１６はスパッタ等の薄膜プロセスによって形成してもよい。

最後に、前記端面電極層１６に、ニッケルと錫の２層構造からなるめっき膜（図示せず）を形成して、本発明の一実施の形態における回路保護素子を製造するものである。

上記した本発明の一実施の形態においては、樹脂よりも硬い、すなわち応力が印加されても変形しにくいガラスと内部が中空のシリカを主成分とする複数のフィラーとの混合物で第１の下地層１４を構成しているため、第１の下地層１４が応力に強くなって、上方から圧力が加わっても第１の下地層１４がほとんど変形せず、これにより、第１の下地層１４の上面に位置するエレメント部１３の厚みを薄くしてもエレメント部１３は変形したり損傷したりし難くなるため、例えばｍＡオーダーの低電流でも溶断させることができるという効果が得られるものである。

また、フィラーはその内部に空気が含まれているため、熱伝導率が非常に低く、さらにガラスも熱伝導率が低いため、エレメント部１３の熱が絶縁基板１１内へ拡散するのを抑制することができる。したがって、第１の下地層１４を断熱層として使用できるため、耐インラッシュ性を向上させるためにエレメント部１３の断面積を大きくしても、エレメント部１３で発生した熱をエレメント部１３内に蓄熱することができ、これにより、過電流が流れた際にはエレメント部１３を速く溶融させることができるため、耐インラッシュ性と速断性を両立させることができる。

なお、上記したように耐インラッシュ性と速断性を両立させるためには、フィラーの熱伝導率を低くする必要があるため、主成分をシリカとするのが好ましい。

さらに、第１の下地層１４は第１の領域１４ａと、第１の領域１４ａより上方に位置する第２の領域１４ｂとで構成し、第２の領域１４ｂのフィラーの密度は第１の領域１４ａのフィラーの密度より低くなっているため、第１の下地層１４が絶縁基板１１の側面に露出して、外部の大気中の水分やガス等が第１の下地層１４に浸入しても、内部が中空のシリカを主成分としたフィラーの密度が低い、空隙率が小さい第２の領域１４ｂがエレメント部１３と直接接しているため、大気中の水分やガスがエレメント部１３まで達するのを第２の領域１４ｂで阻止することができ、これにより、エレメント部１３の劣化を防止することができる。

また、第２の領域１４ｂは、第１の領域１４ａよりフィラーの密度が低いため、第２の領域１４ｂの熱伝導率は、第１の領域１４ａの熱伝導率よりは高い。したがって、定格電流が印加された場合、発生した熱は拡散され易くなる。

なお、第１の下地層１４にガラスとセラミックス（シリカ、アルミナ）が含まれていることから、アルミナからなる絶縁基板１１と第１の下地層１４との密着性が向上する。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における回路保護素子の断面図である。なお、この本発明の実施の形態２においては、上記した本発明の実施の形態１と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。

本発明の実施の形態２が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、図２に示すように、第１の下地層１４とエレメント部１３との間に第２の下地層１９を設け、すなわち、第１の下地層１４の上部かつエレメント部１３の下部に第２の下地層１９を形成した点である。

このとき、第２の下地層１９のフィラーの密度を第１の下地層１４のフィラーの密度より低くし、第２の下地層１９は溶断部１５と接するようにする。

この場合も、内部が中空のシリカを主成分としたフィラーの密度が低い、すなわち空隙率が小さい第２の下地層１９によって、エレメント部１３に大気中の水分やガスが達するのを阻止できるため、エレメント部１３の劣化を防止することができる。

さらに、第２の下地層１９にフィラーが混合されていないガラス、エポキシ樹脂等の絶縁物を使用してもよい。この構成によれば、第２の下地層１９には空隙がほとんど形成されないため、第２の下地層１９に接するエレメント部１３に大気中の水分やガスが達するのをより効果的に阻止でき、エレメント部１３の劣化を確実に防止することができる。

特に、第２の下地層１９にフィラーが混合されていないガラスを用いれば、過電流が印加されてエレメント部１３が溶融、断線したとき、エレメント部１３の断線後の絶縁抵抗が向上し、かつアークの発生が抑制される。これは、エレメント部１３の溶断部１５が溶断する時にガラスも同時に溶融するため、溶断した溶断部１５の切断距離を長くすることができ、これにより、エレメント部１３が再度電気的に接続することを防止できるため、回路保護素子に電流が流れなくなり、そして、高電圧が印加されてもアークが発生しにくくなるからである。一方、第２の下地層１９がなく、フィラーが混合された第１の下地層１４に直接エレメント部１３が接している場合は、溶融するガラスの量がフィラーの分だけ少なくなり、エレメント部１３の切断距離が短くなって、絶縁抵抗が悪化しアークが発生する恐れがある。

さらにまた、第１の下地層１４の周囲が第２の下地層１９で覆われるようにする、すなわち、第１の下地層１４の上面だけでなく、その端部も第２の下地層１９で覆うようにすれば、第１の下地層１４の端部もエレメント部１３に接することはないため、第１の下地層１４の端部から大気中の水分やガスがエレメント部１３に達するのを防ぐことができる。

そして、エレメント部１３の上面は第２の下地層１９と同一材料で覆われるようにしてもよい。これにより、大気中の水分やガスがエレメント部１３に達するのを確実に防ぐことができる。このとき、第２の下地層１９がフィラーが混合されていないガラスの場合は、ガラス溶断箇所に流入する溶融したガラスの量がより多くなり、絶縁抵抗、およびアーク発生の抑制効果が向上する。

そして、上記した本発明の実施の形態１、２においては、回路保護素子について説明したが、溶断特性の安定化が要求されるヒューズ抵抗等の他の電子部品にも本発明は適用できる。

本発明に係る回路保護素子は、低電流で溶断させることができるという効果を有するものであり、特に過電流が流れると溶断して各種電子機器を保護する回路保護素子等において有用となるものである。

１１絶縁基板
１２上面電極
１３エレメント部
１４第１の下地層
１４ａ第１の領域
１４ｂ第２の領域
１５溶断部
１９第２の下地層

Claims

絶縁基板と、
前記絶縁基板の両端部に設けられた一対の上面電極と、
前記一対の上面電極を橋絡するように形成され、かつ前記一対の上面電極と電気的に接続されたエレメント部と、
前記エレメント部と前記絶縁基板との間に設けられた第１の下地層と、
前記エレメント部に形成された溶断部とを備え、
前記第１の下地層はガラスと内部が中空もしくは表面より粗のセラミックスを主成分とする複数のフィラーとの混合物で構成され、
前記第１の下地層は第１の領域と前記第１の領域の上部に位置する第２の領域とで構成され、
前記第２の領域の前記フィラーの密度は第１の領域の前記フィラーの密度より低い、もしくは前記第２の領域の空隙率は第１の領域の空隙率より小さいものとした回路保護素子。
絶縁基板と、
前記絶縁基板の両端部に設けられた一対の上面電極と、
前記一対の上面電極を橋絡するように形成され、かつ前記一対の上面電極と電気的に接続されたエレメント部と、
前記エレメント部と前記絶縁基板との間に設けられた第１の下地層と、
前記エレメント部に形成された溶断部とを備え、
前記第１の下地層はガラスと内部が中空もしくは表面より粗のセラミックスを主成分とする複数のフィラーとの混合物で構成され、
前記第１の下地層と前記エレメント部との間に位置する第２の下地層を形成し、
前記第２の下地層のフィラーの密度は前記第１の下地層のフィラーの密度より低い、もしくは前記第２の下地層の空隙率は前記第１の下地層の空隙率より小さいものとした回路保護素子。
前記第２の下地層には前記フィラーが混合されていない請求項２記載の回路保護素子。
前記第２の下地層はガラスで構成された請求項３記載の回路保護素子。
前記第１の下地層の周囲が前記第２の下地層で覆われた請求項２記載の回路保護素子。
前記エレメント部の上面は前記第２の下地層と同一材料で覆われた請求項２記載の回路保護素子。