JP6437262B2 - 実装体の製造方法、温度ヒューズ素子の実装方法及び温度ヒューズ素子 - Google Patents
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Description
本発明が適用された温度ヒューズ素子1は、図1に示すように、回路基板2へ表面実装されることにより実装体3を構成し、実装体3の製造工程において、少なくとも1回の熱処理工程を経る温度ヒューズ素子であり、絶縁基板10と、絶縁基板10に設けられた第1、第2の電極11,12と、第1、第2の電極11,12間にわたって搭載され所定の温度雰囲気において溶融することにより第1、第2の電極11,12間を遮断するヒューズエレメント13を備える。
温度ヒューズ素子1は、外部の熱源から伝わる熱によりヒューズエレメント13を溶融させる。温度雰囲気とは、温度ヒューズ素子1の外部の熱源によって作り出されたヒューズエレメント13が溶融する温度環境をいい、例えば温度ヒューズ素子1の近傍に設けられたデバイスの異常発熱による煽り熱が温度ヒューズ素子1の内部に伝わることで作り出される。また、ヒューズエレメント13の融点以上の温度雰囲気は、温度ヒューズ素子1が用いられた電子製品の発火や周囲の火災による熱が温度ヒューズ素子1の内部に伝わることで作り出されたものでもよい。さらに、ヒューズエレメント13の融点以上の温度雰囲気は、事故や災害時等の緊急事態のみならず、不可逆的に電流経路を遮断するための通常の用い方として、外部の熱源による熱が温度ヒューズ素子1の内部に伝わることで作り出されたものでもよい。
また、ヒューズエレメント13を溶融させる温度雰囲気は、温度ヒューズ素子1内部の空気又は素子内部の構成部品が素子外部の熱を伝える伝熱部材として機能することにより作り出される。伝熱部材は、温度ヒューズ素子1外部の熱源の熱を伝えるものであり、例えば温度ヒューズ素子1の外筐体や絶縁基板10、第1、第2の電極11,12、その他の構成部材を用いることができ、直接的、間接的にヒューズエレメント13と接続されることによりヒューズエレメント13を加熱する。また、伝熱部材は、例えば、第1の電極11及び/又は第2の電極12と接続される電極パターン、線材、又はヒートパイプ、熱伝導グリス/接着剤等により形成することができ、熱源からの熱を第1の電極11及び/又は第2の電極12を介して間接的にヒューズエレメント13に伝え、溶融させる。
絶縁基板10は、たとえば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材を用いて略方形状に形成されている。絶縁基板10は、その他にも、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、ヒューズエレメント13の溶断時の温度に留意する必要がある。
第1、第2の電極11,12は、絶縁基板10の表面10aに形成されたCuやAg等の導体パターンであり、表面に適宜、酸化防止対策としてNi/AuメッキやSnメッキ等の保護層14が設けられている。また、第1、第2の電極11,12は、絶縁基板10の裏面10bに形成された外部接続端子11a,12aと接続されている。温度ヒューズ素子1は、これら外部接続端子11a,12aが回路基板2のランド部2aに接続されることにより、電源回路やデジタル信号回路等の各種外部回路に組み込まれる。
第1、第2の電極11,12間にわたって実装されているヒューズエレメント13は、温度ヒューズ素子1の実装体の製造工程における熱処理の温度よりも低い融点を有する低融点金属20と、当該熱処理の温度よりも高い融点を有する高融点金属21とを有し、使用時には低融点金属20の融点以上、高融点金属21の融点未満の温度雰囲気において溶融し、溶融エレメント13aが第1、第2の電極11,12上に凝集することにより、第1、第2の電極11,12間を遮断するものである。また、ヒューズエレメント13は、温度ヒューズ素子1に定格を超える電流が通電すると自己発熱(ジュール熱)により溶断し、第1の電極11と第2の電極12との間の電流経路を遮断するものである。
ヒューズエレメント13は、低融点金属層20aの表面に高融点金属21をメッキ技術を用いて成膜することにより高融点金属層21aを積層させて製造できる。ヒューズエレメント13は、例えば、長尺状のハンダ箔の表面にAgメッキを施すことにより効率よく製造でき、使用時には、サイズに応じて切断することで、容易に用いることができる。
また、ヒューズエレメント13は、外層の高融点金属層21a又は低融点金属層20aの酸化防止と、溶断時の酸化物除去及びハンダの流動性向上のために、図1に示すように、ヒューズエレメント13上の外層のほぼ全面にフラックス17を塗布してもよい。フラックス17を塗布することにより、低融点金属(例えばハンダ)の濡れ性を高めるとともに、低融点金属が溶解している間の酸化物を除去し、高融点金属(例えばAg)への浸食作用を用いて速溶断性を向上させることができる。
また、温度ヒューズ素子1は、ヒューズエレメント13が設けられた絶縁基板10の表面10a上に、内部を保護するとともに溶融したヒューズエレメント13の飛散を防止するカバー部材19が取り付けられている。カバー部材19は、絶縁基板10の表面10a上に接続される脚部19aと、絶縁基板10の表面10a上を覆う天面19bとを有し、各種エンジニアリングプラスチック、セラミックス等の絶縁性を有する部材により形成することができる。
次いで、温度ヒューズ素子1の組み立て工程、及び温度ヒューズ素子1の実装工程について説明する。温度ヒューズ素子1は、絶縁基板10上にヒューズエレメント13を接続し、カバー部材19で覆うことにより形成する。絶縁基板10は、表面10aに第1、第2の電極11,12が形成され、裏面10bに外部接続端子11a,12aが形成される。第1、第2の電極11,12及び外部接続端子11a,12aは、CuやAg等の高融点金属ペーストを絶縁基板10の表面10a及び裏面10bに印刷し、焼成すること等により形成される。また、第1、第2の電極11,12及び外部接続端子11a,12aは、絶縁基板10の側面に設けられたキャスタレーションを介して、電気的に接続される。
また、本技術に係るヒューズエレメントは、複数の溶断部が並列されることにより、複数の通電経路を有するものを用いてもよい。なお、以下の説明において、上述した温度ヒューズ素子1と同じ部材については同一の符号を付してその詳細を省略する。
このような複数の溶断部32が形成されたヒューズエレメント31は、例えば図7(A)に示すように、板状の低融点金属と高融点金属とを含む板状体34の中央部2か所を矩形状に打ち抜くことにより製造することができる。なお、図7(B)に示すように、ヒューズエレメント31は、並列する3つの溶断部32A〜32Cの一端が一体に支持され、他端にはそれぞれ自由端とされたものでもよい。
また、図8に示すように、温度ヒューズ素子30は、複数の溶断部32の間に、並列する溶断部32同士の接続を防止する絶縁壁35を設けてもよい。絶縁壁35を設けることにより、ヒューズエレメント31は、溶断部32が溶断していく際に、周囲の温度雰囲気又は自身の発熱により溶融、膨張して隣接する溶断部32に接触し凝集することを防止する。これにより、ヒューズエレメント31は、隣接する溶断部32同士が溶融、凝集することで大型化し、溶断に必要な熱量が増加することによる溶断時間の増加や溶断後における絶縁性の低下、あるいは過電流に伴う自己発熱による溶断時に生じるアーク放電の大規模化による溶融金属の爆発的飛散を防止することができる。
また、温度ヒューズ素子1は、絶縁壁35を溶断部32の溶断部位に応じて設ければよい。図8に示すように、ヒューズエレメント31は、各溶断部32が絶縁基板10に設けられた第1、第2の電極11,12上に接続されることにより、第1、第2の電極11,12間を導通させている。各溶断部32は、第1、第2の電極11,12に接続されている両端部では、広面積を有する第1、第2の電極11,12に熱が拡散するため、溶融され難い。また、各溶断部32は、第1、第2の電極11,12に接続されている両端部では電流が集中せず、第1の電極11と第2の電極12との中間部において電流が集中し、高温に発熱することにより溶融する。
ヒューズエレメント31を用いた温度ヒューズ素子30は、ヒューズエレメント13を用いた温度ヒューズ素子1と同様の工程により組み立てられ、回路基板2に実装される。このとき、温度ヒューズ素子30は、ヒューズエレメント31を熱処理温度よりも低い融点を有する低融点金属20と熱処理温度よりも高い融点を有する高融点金属21とにより構成するとともに、適宜、低融点金属層20aと高融点金属層21aとの膜厚比を調整することにより、リフロー工程等の熱処理工程を繰り返しても、ヒューズエレメント31の変形や低融点金属20の溶出が防止され、定格や溶断特性の変動を防止することができる。
また、本技術に係るヒューズエレメントは、外部回路と接続される端子部を一体に形成してもよい。なお、以下の説明において、上述した温度ヒューズ素子1,30と同じ部材については同一の符号を付してその詳細を省略する。
このような複数の溶断部42及び端子部43が形成されたヒューズエレメント41は、板状の低融点金属と高融点金属とを含む板状体の中央部2か所を矩形状に打ち抜いた後(図7(A)参照)、両端部を折り曲げることにより製造することができる。ヒューズエレメント41は、並列する3つの溶断部42A〜42Cの両側が端子部43によって一体に支持されている。また、ヒューズエレメント41は、端子部43を構成する板状体と溶断部42を構成する複数の板状体とを接続することにより製造してもよい。なお、ヒューズエレメント41は、図7(B)に示す板状体の両端部を折り曲げることにより、並列する3つの溶断部42A〜42Cの一端が端子部43によって一体に支持され、他端にはそれぞれ端子部43が形成されたものでもよい。
また、絶縁基板10は、図12(C)に示すように、ヒューズエレメント40の端子部43が嵌合される一対の側縁部に嵌合凹部45を形成することが好ましい。温度ヒューズ素子40は、絶縁基板10に嵌合凹部45を設けることにより、回路基板2への実装面積が広がることもなく、また、ヒューズエレメント41の嵌合位置を固定することができる。
なお、ヒューズエレメント41が搭載される温度ヒューズ素子40は、絶縁基板10の表面10aに放熱電極46を設けてもよい。放熱電極46は、ヒューズエレメント41が嵌合される絶縁基板10の一対の側縁近傍に形成され、各溶断部42と接続されることにより端子部43の近傍におけるヒューズエレメント41の熱を効率よく吸収するとともに、溶融エレメントを凝集することができる。放熱電極46は、例えばAgやCu等の電極材料を用いて形成することができ、Pbフリーハンダ等の接続材料を介して、リフロー等の熱処理工程を経て各溶断部42と接続される。なお、放熱電極46は、図12(C)に示すように各溶断部42A〜42Cが接続される共用の電極としてもよく、各溶断部42A〜42Cに応じて複数形成してもよい。
ヒューズエレメント41を用いた温度ヒューズ素子40は、温度ヒューズ素子1と同様の工程により組み立てられ、回路基板2に実装される。このとき、温度ヒューズ素子40は、ヒューズエレメント41を熱処理温度よりも低い融点を有する低融点金属20と熱処理温度よりも高い融点を有する高融点金属21とにより構成するとともに、適宜、低融点金属層20aと高融点金属層21aとの膜厚比を調整することにより、リフロー工程等の熱処理工程を繰り返しても、ヒューズエレメント41の変形や低融点金属20の溶出が防止され、定格や溶断特性の変動を防止することができる。
また、本技術に係るヒューズエレメントは、溶断部31に相当する複数のヒューズエレメントを絶縁基板10の相対向する一対の側縁間に嵌合させ、並列させてもよい。なお、以下の説明において、上述した温度ヒューズ素子1,30,40と同じ部材については同じ符号を付してその詳細を省略する。
また、本技術に係るヒューズエレメントは、ヒューズエレメントの端子部を絶縁基板10の表面10a側に突出させてもよい。なお、以下の説明において、上述した温度ヒューズ素子1,30,40,50と同じ部材については同じ符号を付してその詳細を省略する。
ヒューズエレメント61を用いた温度ヒューズ素子60は、温度ヒューズ素子1と同様の工程により組み立てられ、回路基板2に実装される。このとき、温度ヒューズ素子60は、ヒューズエレメント61を熱処理温度よりも低い融点を有する低融点金属20と熱処理温度よりも高い融点を有する高融点金属21とにより構成するとともに、適宜、低融点金属層20aと高融点金属層21aとの膜厚比を調整することにより、リフロー工程等の熱処理工程を繰り返しても、ヒューズエレメント61の変形や低融点金属20の溶出が防止され、定格や溶断特性の変動を防止することができる。
また、本技術に係るヒューズエレメントは、ヒューズエレメントの両端を接続材料を介して第1の電極及び第2の電極に接続するようにしてもよい。なお、以下の説明において、上述した温度ヒューズ素子1,30,40,50,60と同じ部材については同じ符号を付してその詳細を省略する。
また、本技術に係るヒューズエレメントは、ヒューズエレメントの両端を接続材料を介して第1の電極及び第2の電極に接続するようにしてもよい。なお、以下の説明において、上述した温度ヒューズ素子1,30,40,50,60,70と同じ部材については同じ符号を付してその詳細を省略する。
Claims (25)
- 回路基板に温度ヒューズ素子が実装された実装体の製造方法において、
上記温度ヒューズ素子に対して熱処理を少なくとも1回行い、
上記温度ヒューズ素子は、上記熱処理温度よりも低い融点を有する低融点金属と上記熱処理温度よりも高い融点を有する高融点金属とを有し、上記低融点金属の融点以上、上記熱処理温度以下の温度雰囲気において溶融するヒューズエレメントを備え、
上記熱処理は、上記低融点金属の融点以上の温度で行う実装体の製造方法。 - 上記熱処理では、
回路基板のランド部に接続材料を介して上記温度ヒューズ素子を搭載し、
上記温度ヒューズ素子が搭載された回路基板を加熱炉内で加熱し、上記接続材料を介して上記温度ヒューズ素子を上記回路基板に実装する工程を有する請求項1記載の実装体の製造方法。 - 上記ヒューズエレメントは、少なくとも3回の上記熱処理によっても溶断しない耐性を備える請求項1又は2に記載の実装体の製造方法。
- 上記低融点金属はハンダである請求項1〜3のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記低融点金属は、Sn又はSnを主成分とする合金であり、上記高融点金属は、Ag、Cu、又はAg若しくはCuを主成分とする合金である請求項1〜4のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記低融点金属は、Sn/Bi系又はSn/In系の合金である請求項1〜4のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記低融点金属は上記高融点金属よりも体積が多い請求項1〜6のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記ヒューズエレメントは、上記低融点金属と上記高融点金属とが積層されている請求項1〜7のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記ヒューズエレメントは、上記低融点金属が上記高融点金属で被覆されている請求項1〜7のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記ヒューズエレメントは、上記低融点金属の表面に上記高融点金属がメッキされることにより形成されている請求項1〜9のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記ヒューズエレメントは、上記低融点金属の表面に上記高融点金属の金属箔を貼着させることにより形成されている請求項1〜9のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記ヒューズエレメントは、上記低融点金属の表面に上記高融点金属が薄膜形成工程により設けられることにより形成されている請求項1〜9のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記高融点金属の表面に酸化防止膜が形成されている請求項1〜12のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記ヒューズエレメントは、上記高融点金属と上記低融点金属とが交互に複数層積層されることにより形成されている請求項1〜13のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記ヒューズエレメントは、上記低融点金属の対向する一対の端面を除く外周部が上記高融点金属によって被覆されることにより形成されている請求項1〜13のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記ヒューズエレメントは、上記回路基板のランド部に接続される端子部を備える請求項1〜15のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記端子部は、表面実装用端子である請求項16記載の実装体の製造方法。
- 上記回路基板のランド部は、上記接続材料を介して上記端子部の高融点金属部位のみと接続する請求項16又は17に記載の実装体の製造方法。
- 上記ヒューズエレメントは、外周の少なくとも一部が保護部材によって保護されている請求項1〜17のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記低融点金属の膜厚は30μm以上、上記高融点金属の膜厚は、3μm以上である請求項1〜19のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 上記低融点金属と上記高融点金属の膜厚比は、2.1:1〜100:1である請求項1〜20のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
- 回路基板に温度ヒューズ素子を実装する実装方法において、
上記温度ヒューズ素子に対して熱処理を少なくとも1回行い、
上記温度ヒューズ素子は、上記熱処理温度よりも低い融点を有する低融点金属と上記熱処理温度よりも高い融点を有する高融点金属とを有し、上記低融点金属の融点以上、上記熱処理温度以下の温度雰囲気において溶融するヒューズエレメントを備え、
上記熱処理は、上記低融点金属の融点以上の温度で行う温度ヒューズ素子の実装方法。 - 回路基板へ実装されることにより実装体を構成し、上記実装体の製造工程において、少なくとも1回の熱処理工程を経る温度ヒューズ素子において、
絶縁基板と、
上記絶縁基板に設けられた第1、第2の電極と、
上記熱処理工程の温度よりも低い融点を有する低融点金属と上記熱処理工程の温度よりも高い融点を有する高融点金属とを有し、上記第1、第2の電極間にわたって搭載され、上記低融点金属の融点以上、上記熱処理温度以下の温度雰囲気において溶融することにより上記第1、第2の電極間を遮断するヒューズエレメントを備える温度ヒューズ素子。 - 上記第1、第2の電極と上記ヒューズエレメントの接続において、上記第1、第2の電極は、接続材料を介して上記ヒューズエレメントの高融点金属のみと接続する請求項23に記載の温度ヒューズ素子。
- 上記絶縁基板に設けられた発熱体を有し、上記発熱体の発熱により上記ヒューズエレメントを溶断させる請求項23又は24に記載の温度ヒューズ素子。
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