JP6707428B2 - ヒューズエレメント、ヒューズ素子、保護素子 - Google Patents
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Description
本技術は、電流経路上に実装され、電流定格を超える電流が流れた時の自己発熱、あるいは発熱体の発熱により溶断し電流経路を遮断するヒューズエレメント及びこれを用いたヒューズ素子、保護素子に関する。
従来、電流定格を超える電流が流れた時に自己発熱により溶断し、当該電流経路を遮断するヒューズエレメントが用いられている。ヒューズエレメントとしては、例えば、ハンダをガラス管に封入したホルダー固定型ヒューズや、セラミック基板表面にＡｇ電極を印刷したチップヒューズ、銅電極の一部を細らせてプラスチックケースに組み込んだねじ止め又は差し込み型ヒューズ等が多く用いられている。
しかし、上記既存のヒューズエレメントにおいては、リフローによる表面実装ができない、電流定格が低く、また大型化によって電流定格を上げると速断性に劣る、といった問題点が指摘されている。
また、リフロー実装用の速断ヒューズ素子を想定した場合、リフローの熱によって溶融しないように、一般的には、ヒューズエレメントには融点が３００℃以上のＰｂ入り高融点ハンダが溶断特性上好ましい。しかしながら、ＲｏＨＳ指令等においては、Ｐｂ含有ハンダの使用は、限定的に認められているに過ぎず、今後Ｐｂフリー化の要求は、強まるものと考えられる。
このような要請から、図１６に示すように、Ｐｂフリーハンダ等の低融点金属層１０１に銀や銅等の高融点金属層１０２が積層されたヒューズエレメント１００が用いられている。このようなヒューズエレメント１００によれば、リフローによる表面実装が可能でヒューズ素子や保護素子への実装性に優れ、高融点金属被覆されていることで電流定格を上げて大電流に対応可能であり、さらに溶断時には低融点金属による高融点金属の溶食作用により速やかに電流経路を遮断することができる。
このようなヒューズエレメント１００は、例えば、長尺状のハンダ箔等の低融点金属層１０１の表面にＡｇ等の高融点金属１０２をメッキや蒸着、スパッタ等の薄膜形成技術を用いて成膜することにより製造できる。
ここで、メッキや蒸着、スパッタ等の薄膜形成工法にて成膜した高融点金属層は、バルク材に比べ、結晶性が低く、機械的強度が低い。そのため、屈曲等の変形時に当該屈曲部にクラックが生じたり、粒界や格子欠陥が多く導体抵抗が高くなったりするなど、導電材料としての性能が低い。
特に、Ｓｎを主成分とする合金を用いた厚み１００μｍ以上の低融点金属層の表面に、厚み１０μｍ以上のＡｇ等の高融点金属層をメッキにて積層した場合は、図１７に示すように、積層体を９０°屈曲することにより形成された屈曲部に、高融点金属メッキのクラック１０３が発生する場合がある。このため、ヒューズエレメントとして用いる場合に、電流定格向上の阻害もしくは電流定格の低下が懸念され、また、所望の溶断特性、すなわち、所定の電流値で速やかに溶断するとともに所定の電流値未満では溶断しないというヒューズエレメントに求められる溶断特性が変動する恐れもある。
そこで、本技術は、高融点金属層にクラック等の欠陥が発生することを防止し、良好な導通性能、溶断特性を維持することができるヒューズエレメント及びこれを用いたヒューズ素子、保護素子を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本技術に係るヒューズエレメントは、低融点金属層と高融点金属層を積層したヒューズエレメントであって、上記高融点金属層の表面のＸ線回折スペクトル（２θ）に於けるピークの内、少なくとも１つのピークの半値幅が０．１５度以下である。
また、本技術に係るヒューズエレメントの製造方法は、低融点金属層と高融点金属層とを積層する積層工程と、上記高融点金属層を１２０℃以上且つ低融点金属層の融点以下の温度で加熱する加熱工程とを有するものである。
また、本技術に係るヒューズ素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に搭載された上記ヒューズエレメントとを備えるものである。
また、本技術に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に搭載された上記ヒューズエレメントと、上記絶縁基板上に配置され、上記ヒューズエレメントを加熱・溶断する発熱体とを備えるものである。
本技術によれば、外層を構成する高融点金属層の表面のＸ線回折スペクトル（２θ）に於けるピークの内、少なくとも１つのピークの半値幅が０．１５度以下であるため、結晶性が向上され、折り曲げ加工等に対する機械的強度の向上、及び低抵抗化が図られている。これにより、ヒューズエレメントは、クラックが抑制され、また導体抵抗の上昇が防止されて所望の電流定格を備え、かつ溶断特性の変動を防止することができる。
以下、本技術が適用されたヒューズエレメント、ヒューズ素子及び保護素子について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本技術は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
［ヒューズエレメント］
先ず、本発明が適用されたヒューズエレメントについて説明する。本発明が適用されたヒューズエレメント１は、後述するヒューズ素子、保護素子の可溶導体として用いられ、電流定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断し、あるいは発熱体の発熱により溶断されるものである。なお、以下では、ヒューズエレメント１の構成について、ヒューズ素子２０に搭載した場合を例に説明するが、後述する保護素子に搭載した場合も同様に作用する。
先ず、本発明が適用されたヒューズエレメントについて説明する。本発明が適用されたヒューズエレメント１は、後述するヒューズ素子、保護素子の可溶導体として用いられ、電流定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断し、あるいは発熱体の発熱により溶断されるものである。なお、以下では、ヒューズエレメント１の構成について、ヒューズ素子２０に搭載した場合を例に説明するが、後述する保護素子に搭載した場合も同様に作用する。
ヒューズエレメント１は、例えば、全体の厚さが略２００μｍ程度の略矩形板状に形成され、図１（Ａ）（Ｂ）、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、ヒューズ素子２０の絶縁基板２１上に実装されている。ヒューズエレメント１は、内層を構成する低融点金属層２と、低融点金属層２よりも融点が高く外層を構成する高融点金属層３とを有する。
高融点金属層３は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ若しくはＣｕを主成分とする合金が好適に用いられ、ヒューズエレメント１をリフロー炉によって絶縁基板２１上に実装を行う場合においても溶融しない高い融点を有する。
低融点金属層２は、例えばＳｎ又はＳｎを主成分とする合金で「Ｐｂフリーハンダ」と一般的に呼ばれる材料が好適に用いられる。低融点金属層２の融点は、必ずしもリフロー炉の温度よりも高い必要はなく、２６０℃未満で溶融してもよい。また、低融点金属層２は、さらに低い温度で溶融するＢｉ、Ｉｎ又はＢｉ若しくはＩｎを含む合金を用いてもよい。
［ヒューズエレメント１の製造方法］
ヒューズエレメント１は、低融点金属層２に高融点金属をメッキ技術を用いて成膜することにより製造できる。例えばヒューズエレメント１は、長尺状のハンダ箔に電解メッキ等によりＡｇメッキを施すことによりエレメントフィルムを製造し、使用時には、サイズに応じて切断することで、効率よく製造でき、また容易に用いることができる。
ヒューズエレメント１は、低融点金属層２に高融点金属をメッキ技術を用いて成膜することにより製造できる。例えばヒューズエレメント１は、長尺状のハンダ箔に電解メッキ等によりＡｇメッキを施すことによりエレメントフィルムを製造し、使用時には、サイズに応じて切断することで、効率よく製造でき、また容易に用いることができる。
［端子部］
また、ヒューズエレメント１は、長手方向の両端部が折り曲げられることにより、外部接続回路と接続される一対の端子部５ａ，５ｂが設けられることが好ましい。ヒューズエレメント１に端子部５ａ，５ｂを形成することにより、絶縁基板２１のヒューズエレメント１が搭載される表面に電極を設けるとともに絶縁基板２１の裏面に当該電極と接続された外部接続電極を設ける必要がなくなり、製造工程を簡素化することができ、また絶縁基板２１の電極及び外部接続電極間の導通抵抗によって電流定格が律速されることなく、ヒューズエレメント１自体で電流定格を規定することができ、電流定格を向上させることができる。
また、ヒューズエレメント１は、長手方向の両端部が折り曲げられることにより、外部接続回路と接続される一対の端子部５ａ，５ｂが設けられることが好ましい。ヒューズエレメント１に端子部５ａ，５ｂを形成することにより、絶縁基板２１のヒューズエレメント１が搭載される表面に電極を設けるとともに絶縁基板２１の裏面に当該電極と接続された外部接続電極を設ける必要がなくなり、製造工程を簡素化することができ、また絶縁基板２１の電極及び外部接続電極間の導通抵抗によって電流定格が律速されることなく、ヒューズエレメント１自体で電流定格を規定することができ、電流定格を向上させることができる。
端子部５ａ，５ｂは、絶縁基板２１の表面に搭載されるヒューズエレメント１の端部を絶縁基板２１の側面に沿うように折り曲げることにより形成され、適宜さらに外側もしくは内側に一又は複数回折り曲げられることにより形成される。これにより、ヒューズエレメント１は、略平坦な主面と折り曲げられた先の面との間に、屈曲部６が形成される。
そして、ヒューズ素子２０は、端子部５ａ，５ｂが素子外部に臨まされ、外部回路基板に実装されると、端子部５ａ，５ｂが当該外部回路基板に形成された端子とハンダ等により接続され、これによりヒューズエレメント１が外部回路に組み込まれる。
［凹凸、貫通孔、エンボス加工］
また、ヒューズエレメント１は、リフロー実装時等における高温環境下において低融点金属が流動し局所的に潰れや膨れが発生することによる抵抗値のばらつき、溶断特性の変動を防止するために、貫通孔７（図３）又は非貫通孔８（図４）を形成し、あるいはエンボス加工部９ａ（図５）や溝部９ｂ（図６）等の凹凸部９を表面及び／又は裏面に形成してもよい。このような貫通孔７、非貫通孔８及び凹凸部９は、低融点金属層と高融点金属層とのシート状積層体にパンチやプレス等の加工を施す、あるいは低融点金属箔にパンチやプレス等の加工を施した後に高融点金属で被覆すること等により形成することができる。そして、このような貫通孔７又は非貫通孔８、あるいは凹凸部９を形成することによっても、ヒューズエレメント１は、略平坦な主面と、貫通孔７、非貫通孔８、エンボス加工部９ａ又は溝部９ｂの内周面や凹凸面との間に屈曲部６が形成される。
また、ヒューズエレメント１は、リフロー実装時等における高温環境下において低融点金属が流動し局所的に潰れや膨れが発生することによる抵抗値のばらつき、溶断特性の変動を防止するために、貫通孔７（図３）又は非貫通孔８（図４）を形成し、あるいはエンボス加工部９ａ（図５）や溝部９ｂ（図６）等の凹凸部９を表面及び／又は裏面に形成してもよい。このような貫通孔７、非貫通孔８及び凹凸部９は、低融点金属層と高融点金属層とのシート状積層体にパンチやプレス等の加工を施す、あるいは低融点金属箔にパンチやプレス等の加工を施した後に高融点金属で被覆すること等により形成することができる。そして、このような貫通孔７又は非貫通孔８、あるいは凹凸部９を形成することによっても、ヒューズエレメント１は、略平坦な主面と、貫通孔７、非貫通孔８、エンボス加工部９ａ又は溝部９ｂの内周面や凹凸面との間に屈曲部６が形成される。
［結晶性］
ここで、ヒューズエレメント１は、外層を構成する高融点金属層の結晶性を向上させ、折り曲げ加工等に対する機械的強度の向上、及び低抵抗化が図られている。これにより、ヒューズエレメント１は、屈曲部６におけるクラックが抑制され、また導体抵抗の上昇が防止されて所望の電流定格を備え、かつ溶断特性の変動を防止することができる。
ここで、ヒューズエレメント１は、外層を構成する高融点金属層の結晶性を向上させ、折り曲げ加工等に対する機械的強度の向上、及び低抵抗化が図られている。これにより、ヒューズエレメント１は、屈曲部６におけるクラックが抑制され、また導体抵抗の上昇が防止されて所望の電流定格を備え、かつ溶断特性の変動を防止することができる。
結晶性は、Ｘ線回折スペクトルにおける２θのピークの半値幅にて検証でき、複数の反射ピークの内少なくとも１つのピークの半値幅が０．１５度以下であることが好ましい。更には、一番大きいピークの半値幅が０．１５度以下であることが好ましい。
ヒューズエレメント１は、結晶性を向上させるために、低融点金属層と高融点金属層とを積層させた後、１２０℃以上の温度で加熱処理を行う。加熱処理を行うことで、高融点金属層に安定な結晶構造が形成され、結晶化度を向上させることができる。ヒューズエレメント１は、加熱処理が施された後に、端子部５ａ，５ｂや貫通孔７又は非貫通孔８、凹凸部９等を形成することにより、屈曲部６にクラックが発生することを防止できる。
また、ヒューズエレメント１は、加熱処理は低融点金属の融点以下の温度で行うことが好ましく、上述したように、低融点金属としてＳｎもしくはＳｎを主成分とする合金を用い、高融点金属としてＡｇ、Ｃｕ、Ａｇ又はＣｕを主成分とする合金を用いる場合、加熱処理温度は、２１０℃以下とすることが好ましい。２１０℃以下の温度で加熱処理を行うことで、低融点金属の過剰な流動を抑えるとともに、溶融した低融点金属による高融点金属の溶食を防止することができ、抵抗値の変動に伴う溶断特性の変動を防止することができる。
なお、ヒューズエレメント１は、低融点金属層２の体積を高融点金属層３の体積よりも大きくすることが好ましい。ヒューズエレメント１は、低融点金属層２の体積を多くすることにより、効果的に高融点金属層３の浸食による短時間での溶断を行うことができる。
［ヒューズ素子］
次いで、上述したヒューズエレメント１を用いたヒューズ素子について説明する。本発明が適用されたヒューズ素子２０は、図１に示すように、絶縁基板２１と、絶縁基板２１の表面２１ａ上に実装されるヒューズエレメント１と、ヒューズエレメント１が実装された絶縁基板２１の表面２１ａ上を覆い、絶縁基板２１とともに素子筐体２８を構成するカバー部材２２とを備える。
次いで、上述したヒューズエレメント１を用いたヒューズ素子について説明する。本発明が適用されたヒューズ素子２０は、図１に示すように、絶縁基板２１と、絶縁基板２１の表面２１ａ上に実装されるヒューズエレメント１と、ヒューズエレメント１が実装された絶縁基板２１の表面２１ａ上を覆い、絶縁基板２１とともに素子筐体２８を構成するカバー部材２２とを備える。
ヒューズエレメント１は、絶縁基板２１及びカバー部材２２が接合されることによって形成される素子筐体２８の外に一対の端子部５ａ，５ｂが導出され、端子部５ａ，５ｂを介して外部回路の接続電極と接続可能とされている。
絶縁基板２１は、たとえば、液晶ポリマー等のエンジニアリングプラスチック、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によって方形状に形成される。その他、絶縁基板２１は、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。
カバー部材２２は、絶縁基板２１と同様に、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、例えば絶縁性の接着剤を介して絶縁基板２１と接続されている。ヒューズ素子２０は、ヒューズエレメント１がカバー部材２２によって覆われるため、過電流によるアーク放電の発生を伴う自己発熱遮断時においても、溶融金属がカバー部材２２によって捕捉され、周囲への飛散を防止できる。
また、絶縁基板２１は、ヒューズエレメント１が実装される表面２１ａに、溝部２３が形成されている。また、カバー部材２２も、溝部２３と対向して溝部２９が形成されている。溝部２３，２９は、ヒューズエレメント１が溶融、遮断する空間であり、ヒューズエレメント１は、溝部２３，２９に位置する部位が、熱伝導率の低い空気と触れることにより、絶縁基板２１及びカバー部材２２と接する他の部位に比して相対的に温度が上がり、溶断される溶断部１ａとなる。
なお、絶縁基板２１とヒューズエレメント１との間には適宜導電性の接着剤やハンダを介在させてもよい。ヒューズ素子２０は、接着剤あるいはハンダを介して絶縁基板２１とヒューズエレメント１とが接続されることにより、相互の密着性が高まり、より効率よく熱を絶縁基板２１に伝達させるとともに、相対的に溶断部１ａを過熱、溶断させることができる。
なお、ヒューズ素子２０は、図７に示すように絶縁基板２１に溝２３を設ける代わりに、絶縁基板２１の表面２１ａ上に第１の電極２４及び第２の電極２５を設けてもよい。第１、第２の電極２４，２５は、それぞれ、ＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成され、表面に適宜、酸化防止対策としてＳｎメッキ、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の保護層を設けてもよい。
第１及び第２の電極２４，２５は、接続用ハンダを介してヒューズエレメント１が接続されている。ヒューズエレメント１は、第１、第２の電極２４，２５に接続されることにより、溶断部１ａを除く部位における放熱効果が上がり、より効果的に溶断部１ａを過熱、溶断させることができる。
なお、図７に示す構成においても、ヒューズ素子２０は、絶縁基板２１に溝２３を設けてもよい。
また、ヒューズ素子２０は、ヒューズエレメント１に端子部５ａ，５ｂを設ける代わりに、あるいは図８に示すように、端子部５ａ，５ｂとともに、絶縁基板２１の裏面２１ｂに、第１、第２の電極２４，２５と電気的に接続される第１、第２の外部接続電極２４ａ，２５ａを設けてもよい。第１、第２の電極２４，２５と第１、第２の外部接続電極２４ａ，２５ａとは、絶縁基板２１を貫通するスルーホール２６やキャスタレーション等を介して導通が図られている。第１、第２の外部接続電極２４ａ，２５ａも、それぞれ、ＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成され、表面に適宜、酸化防止対策としてＳｎメッキ、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の保護層を設けてもよい。ヒューズ素子２０は、端子部５ａ，５ｂに代えて又は端子部５ａ，５ｂとともに、第１、第２の外部接続電極２４ａ，２５ａを介して、外部回路基板の電流経路上に実装される。
なお、図７、図８に示すヒューズ素子２０においては、ヒューズエレメント１が、絶縁基板２１の表面２１ａから離間して実装されている。したがって、ヒューズ素子２０は、ヒューズエレメント１の溶融時にも溶融金属が絶縁基板２１へ食い込むこともなく第１、第２の電極２４，２５上に引き込まれ、確実に第１、第２の電極２４，２５間を絶縁することができる。
また、ヒューズ素子２０は、高融点金属層３又は低融点金属層２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、ヒューズエレメント１の表面や裏面に図示しないフラックスをコーティングしてもよい。
フラックスをコーティングすることにより、外層の高融点金属層３の表面に、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の酸化防止膜を形成した場合にも、当該酸化防止膜の酸化物を除去することができ、高融点金属層３の酸化を効果的に防止し、溶断特性を維持、向上することができる。
［回路構成］
このようなヒューズ素子２０は、図９（Ａ）に示す回路構成を有する。ヒューズ素子２０は、端子部５ａ，５ｂ（及び／又は第１、第２の外部接続電極２４ａ，２５ａ）を介して外部回路に実装されることにより、当該外部回路の電流経路上に組み込まれる。ヒューズ素子２０は、ヒューズエレメント１に所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、ヒューズ素子２０は、電流定格を超える過電流が通電すると、図１０（Ａ）（Ｂ）に示すように、ヒューズエレメント１が自己発熱によって溶断し、端子部５ａ，５ｂ（及び／又は第１、第２の外部接続電極２４ａ，２５ａ）間を遮断することにより、当該外部回路の電流経路を遮断する（図９（Ｂ））。
このようなヒューズ素子２０は、図９（Ａ）に示す回路構成を有する。ヒューズ素子２０は、端子部５ａ，５ｂ（及び／又は第１、第２の外部接続電極２４ａ，２５ａ）を介して外部回路に実装されることにより、当該外部回路の電流経路上に組み込まれる。ヒューズ素子２０は、ヒューズエレメント１に所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、ヒューズ素子２０は、電流定格を超える過電流が通電すると、図１０（Ａ）（Ｂ）に示すように、ヒューズエレメント１が自己発熱によって溶断し、端子部５ａ，５ｂ（及び／又は第１、第２の外部接続電極２４ａ，２５ａ）間を遮断することにより、当該外部回路の電流経路を遮断する（図９（Ｂ））。
このとき、ヒューズエレメント１は、上述したように、高融点金属層３よりも融点の低い低融点金属層２が積層されているため、過電流による自己発熱により、低融点金属層２の融点から溶融を開始し、高融点金属層３を浸食し始める。したがって、ヒューズエレメント１は、低融点金属層２による高融点金属層３の浸食作用を利用することにより、高融点金属層３が自身の融点よりも低い温度で溶融され、速やかに溶断することができる。
［保護素子］
次いで、ヒューズエレメント１を用いた保護素子について説明する。なお、以下の説明において、上述したヒューズ素子２０と同一の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。本発明が適用された保護素子３０は、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、絶縁基板３１と、絶縁基板３１に積層され、絶縁部材３２に覆われた発熱体３３と、絶縁基板３１の両端に形成された第１の電極３４及び第２の電極３５と、絶縁基板３１上に発熱体３３と重畳するように積層され、発熱体３３に電気的に接続された発熱体引出電極３６と、両端が第１、第２の電極３４，３５にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極３６に接続されたヒューズエレメント１とを備える。そして、保護素子３０は、絶縁基板３１上に内部を保護するカバー部材３７が取り付けられている。
次いで、ヒューズエレメント１を用いた保護素子について説明する。なお、以下の説明において、上述したヒューズ素子２０と同一の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。本発明が適用された保護素子３０は、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、絶縁基板３１と、絶縁基板３１に積層され、絶縁部材３２に覆われた発熱体３３と、絶縁基板３１の両端に形成された第１の電極３４及び第２の電極３５と、絶縁基板３１上に発熱体３３と重畳するように積層され、発熱体３３に電気的に接続された発熱体引出電極３６と、両端が第１、第２の電極３４，３５にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極３６に接続されたヒューズエレメント１とを備える。そして、保護素子３０は、絶縁基板３１上に内部を保護するカバー部材３７が取り付けられている。
絶縁基板３１は、上記絶縁基板２１と同様に、例えば液晶ポリマー等のエンジニアリングプラスチック、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によって方形状に形成される。その他、絶縁基板３１は、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。
絶縁基板３１の表面３１ａには、相対向する両端部に、第１、第２の電極３４，３５が形成されている。第１、第２の電極３４，３５は、発熱体３３が通電し発熱すると、溶融したヒューズエレメント１がその濡れ性により集まり、端子部５ａ，５ｂ間を溶断させる。
発熱体３３は、通電すると発熱する導電性を有する部材であって、たとえばニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ等又はこれらを含む材料からなる。発熱体３３は、これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合してペースト状にしたものを、絶縁基板３１上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。
また、保護素子３０は、発熱体３３が絶縁部材３２によって被覆され、絶縁部材３２を介して発熱体３３と対向するように発熱体引出電極３６が形成されている。発熱体引出電極３６はヒューズエレメント１が接続され、これにより発熱体３３は、絶縁部材３２及び発熱体引出電極３６を介してヒューズエレメント１と重畳される。絶縁部材３２は、発熱体３３の保護及び絶縁を図るとともに、発熱体３３の熱を効率よくヒューズエレメント１へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。
なお、発熱体３３は、絶縁基板３１に積層された絶縁部材３２の内部に形成してもよい。また、発熱体３３は、第１、第２の電極３４，３５が形成された絶縁基板３１の表面３１ａと反対側の裏面３１ｂに形成してもよく、あるいは、絶縁基板３１の表面３１ａに第１、第２の電極３４，３５と隣接して形成してもよい。また、発熱体３３は、絶縁基板３１の内部に形成してもよい。
また、発熱体３３は、一端が絶縁基板３１の表面３１ａ上に形成された第１の発熱体電極３８を介して発熱体引出電極３６と接続され、他端が絶縁基板３１の表面３１ａ上に形成された第２の発熱体電極３９と接続されている。発熱体引出電極３６は、第１の発熱体電極３８と接続されるとともに発熱体３３と対向して絶縁部材３２上に積層され、ヒューズエレメント１と接続されている。これにより、発熱体３３は、発熱体引出電極３６を介してヒューズエレメント１と電気的に接続されている。なお、発熱体引出電極３６は、絶縁部材３２を介して発熱体３３に対向配置されることにより、ヒューズエレメント１を溶融させるとともに、溶融導体を凝集しやすくすることができる。
また、第２の発熱体電極３９は、絶縁基板３１の表面３１ａ上に形成され、キャスタレーションを介して絶縁基板３１の裏面に形成された発熱体給電電極３９ａ（図１２（Ａ）参照）と連続されている。
保護素子３０は、第１の電極３４から発熱体引出電極３６を介して第２の電極３５に跨ってヒューズエレメント１が接続されている。ヒューズエレメント１は、接続用ハンダ等の接続材料を介して第１、第２の電極３４，３５及び発熱体引出電極３６上に接続されている。
［フラックス］
また、保護素子３０は、高融点金属層３又は低融点金属層２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、ヒューズエレメント１の表面や裏面にフラックス２７をコーティングしてもよい。フラックス２７をコーティングすることにより、保護素子３０の実使用時において、低融点金属層２（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溶断特性を向上させることができる。
また、保護素子３０は、高融点金属層３又は低融点金属層２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、ヒューズエレメント１の表面や裏面にフラックス２７をコーティングしてもよい。フラックス２７をコーティングすることにより、保護素子３０の実使用時において、低融点金属層２（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溶断特性を向上させることができる。
また、フラックス２７をコーティングすることにより、最外層の高融点金属層３の表面に、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の酸化防止膜を形成した場合にも、当該酸化防止膜の酸化物を除去することができ、高融点金属層３の酸化を効果的に防止し、溶断特性を維持、向上することができる。
なお、第１、第２の電極３４，３５、発熱体引出電極３６及び第１、第２の発熱体電極３８，３９は、例えばＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成され、適宜、表面にＳｎメッキ、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の保護層が形成されていることが好ましい。これにより、表面の酸化を防止するとともに、ヒューズエレメント１の接続用ハンダ等の接続材料による第１、第２の電極３４，３５及び発熱体引出電極３６の浸食を抑制することができる。
［カバー部材］
また、保護素子３０は、ヒューズエレメント１が設けられた絶縁基板３１の表面３１ａ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１の飛散を防止するカバー部材３７が取り付けられている。カバー部材３７は、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。保護素子３０は、ヒューズエレメント１がカバー部材３７によって覆われるため、溶融金属がカバー部材３７によって捕捉され、周囲への飛散を防止できる。
また、保護素子３０は、ヒューズエレメント１が設けられた絶縁基板３１の表面３１ａ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１の飛散を防止するカバー部材３７が取り付けられている。カバー部材３７は、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。保護素子３０は、ヒューズエレメント１がカバー部材３７によって覆われるため、溶融金属がカバー部材３７によって捕捉され、周囲への飛散を防止できる。
このような保護素子３０は、発熱体給電電極３９ａ、第２の発熱体電極３９、発熱体３３、第１の発熱体電極３８、発熱体引出電極３６及びヒューズエレメント１に至る発熱体３３への通電経路が形成される。また、保護素子３０は、第２の発熱体電極３９が発熱体給電電極３９ａを介して発熱体３３に通電させる外部回路と接続され、当該外部回路によって第２の発熱体電極３９とヒューズエレメント１にわたる通電が制御される。
また、保護素子３０は、ヒューズエレメント１が発熱体引出電極３６と接続されることにより、発熱体３３への通電経路の一部を構成する。したがって、保護素子３０は、ヒューズエレメント１が溶融し、外部回路との接続が遮断されると、発熱体３３への通電経路も遮断されるため、発熱を停止させることができる。
［回路図］
本発明が適用された保護素子３０は、図１２に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子３０は、発熱体引出電極３６を経て一対の端子部５ａ，５ｂ間にわたって直列接続されたヒューズエレメント１と、ヒューズエレメント１の接続点を介して通電して発熱させることによってヒューズエレメント１を溶融する発熱体３３とからなる回路構成である。そして、保護素子３０は、ヒューズエレメント１の両端部に設けられた端子部５ａ，５ｂ及び第２の発熱体電極３９と接続された発熱体給電電極３９ａが、外部回路基板に接続される。これにより、保護素子３０は、ヒューズエレメント１が端子部５ａ，５ｂを介して外部回路の電流経路上に直列接続され、発熱体３３が発熱体電極３９を介して外部回路に設けられた電流制御素子と接続される。
本発明が適用された保護素子３０は、図１２に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子３０は、発熱体引出電極３６を経て一対の端子部５ａ，５ｂ間にわたって直列接続されたヒューズエレメント１と、ヒューズエレメント１の接続点を介して通電して発熱させることによってヒューズエレメント１を溶融する発熱体３３とからなる回路構成である。そして、保護素子３０は、ヒューズエレメント１の両端部に設けられた端子部５ａ，５ｂ及び第２の発熱体電極３９と接続された発熱体給電電極３９ａが、外部回路基板に接続される。これにより、保護素子３０は、ヒューズエレメント１が端子部５ａ，５ｂを介して外部回路の電流経路上に直列接続され、発熱体３３が発熱体電極３９を介して外部回路に設けられた電流制御素子と接続される。
［溶断工程］
このような回路構成からなる保護素子３０は、外部回路の電流経路を遮断する必要が生じた場合に、外部回路に設けられた電流制御素子によって発熱体３３が通電される。これにより、保護素子３０は、発熱体３３の発熱により、外部回路の電流経路上に組み込まれたヒューズエレメント１が溶融され、ヒューズエレメント１の溶融導体が、濡れ性の高い発熱体引出電極３６及び第１、第２の電極３４，３５に引き寄せられることによりヒューズエレメント１が溶断される。これにより、ヒューズエレメント１は、確実に端子部５ａ〜発熱体引出電極３６〜端子部５ｂの間で溶断され（図１２（Ｂ））、外部回路の電流経路を遮断することができる。また、ヒューズエレメント１が溶断することにより、発熱体３３への給電も停止される。
このような回路構成からなる保護素子３０は、外部回路の電流経路を遮断する必要が生じた場合に、外部回路に設けられた電流制御素子によって発熱体３３が通電される。これにより、保護素子３０は、発熱体３３の発熱により、外部回路の電流経路上に組み込まれたヒューズエレメント１が溶融され、ヒューズエレメント１の溶融導体が、濡れ性の高い発熱体引出電極３６及び第１、第２の電極３４，３５に引き寄せられることによりヒューズエレメント１が溶断される。これにより、ヒューズエレメント１は、確実に端子部５ａ〜発熱体引出電極３６〜端子部５ｂの間で溶断され（図１２（Ｂ））、外部回路の電流経路を遮断することができる。また、ヒューズエレメント１が溶断することにより、発熱体３３への給電も停止される。
このとき、ヒューズエレメント１は、発熱体３３の発熱により、高融点金属層３よりも融点の低い低融点金属層２の融点から溶融を開始し、高融点金属層３を浸食し始める。したがって、ヒューズエレメント１は、低融点金属層２による高融点金属層３の浸食作用を利用することにより、高融点金属層３が溶融温度よりも低い温度で溶融され、速やかに外部回路の電流経路を遮断することができる。
なお、保護素子３０は、ヒューズエレメント１に端子部５ａ，５ｂを設ける代わりに、あるいは図１３に示すように、端子部５ａ，５ｂとともに、絶縁基板３１の裏面３１ｂに、第１、第２の電極３４，３５と電気的に接続される第１、第２の外部接続電極３４ａ，３５ａを設けてもよい。第１、第２の電極３４，３５と第１、第２の外部接続電極３４ａ，３５ａとは、絶縁基板３１を貫通するスルーホール４１やキャスタレーション等を介して導通が図られている。第１、第２の外部接続電極３４ａ，３５ａも、それぞれ、ＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成され、表面に適宜、酸化防止対策としてＳｎメッキ、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の保護層を設けてもよい。保護素子３０は、端子部５ａ，５ｂに代えて又は端子部５ａ，５ｂとともに、第１、第２の外部接続電極３４ａ，３５ａを介して、保護素子３０が実装される外部回路基板の接続電極に接続されることにより、外部回路基板に形成された電流経路上に組み込まれる。
次いで、本技術の実施例について説明する。本実施例では、低融点金属と高融点金属を積層した矩形板状の積層体を所定の温度、時間で加熱処理を行った後、図１４に示すように、凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。そして、実施例及び比較例に係るヒューズエレメントの屈曲部におけるクラックの有無を、目視により評価した。
実施例及び比較例に係るヒューズエレメントは、内層を構成する低融点金属となる厚さ２００μｍのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ箔（Ｓｎ：Ａｇ：Ｃｕ＝９６．５質量％：３．０質量％：０．５質量％）に、電解メッキによりＡｇメッキを施し厚さ１３μｍの高融点金属層を積層したものを用いた。
［実施例１］
実施例１では、低融点金属と高融点金属の積層体を１２０℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、後述の比較例１に比してクラックは低減されていた。
実施例１では、低融点金属と高融点金属の積層体を１２０℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、後述の比較例１に比してクラックは低減されていた。
［実施例２］
実施例２では、低融点金属と高融点金属の積層体を１３０℃、１５ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、後述の比較例１に比してクラックは低減されていた。
実施例２では、低融点金属と高融点金属の積層体を１３０℃、１５ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、後述の比較例１に比してクラックは低減されていた。
なお、実施例２に係るヒューズエレメントを試料としてＸ線回折測定を行って得たＸ線回折スペクトルにおいて、｛１１１｝面と｛２００｝面における２θのピークの半値幅を分析したところ、｛１１１｝面が０．１３５度、｛２００｝面が０．０６０度、｛１１１｝面と｛２００｝面とのピーク強度比（２００面／１１１面）は８．２８０であった。
［実施例３］
実施例３では、低融点金属と高融点金属の積層体を１５０℃、１５ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
実施例３では、低融点金属と高融点金属の積層体を１５０℃、１５ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
なお、実施例３に係るヒューズエレメントを試料としてＸ線回折測定を行って得たＸ線回折スペクトルにおいて、｛１１１｝面と｛２００｝面における２θのピークの半値幅を分析したところ、｛１１１｝面が０．０７７度、｛２００｝面が０．０７０度、｛１１１｝面と｛２００｝面とのピーク強度比（２００面／１１１面）は７．８３３であった。
［実施例４］
実施例４では、低融点金属と高融点金属の積層体を１５０℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
実施例４では、低融点金属と高融点金属の積層体を１５０℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
［実施例５］
実施例５では、低融点金属と高融点金属の積層体を２００℃、１５ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
実施例５では、低融点金属と高融点金属の積層体を２００℃、１５ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
なお、実施例５に係るヒューズエレメントを試料としてＸ線回折測定を行って得たＸ線回折スペクトルにおいて、｛１１１｝面と｛２００｝面における２θのピークの半値幅を分析したところ、｛１１１｝面が０．０６８度、｛２００｝面が０．０７１度、｛１１１｝面と｛２００｝面とのピーク強度比（２００面／１１１面）は５．０７３であった。
［実施例６］
実施例６では、低融点金属と高融点金属の積層体を２００℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
実施例６では、低融点金属と高融点金属の積層体を２００℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
なお、実施例６に係るヒューズエレメントを試料としてＸ線回折測定を行って得たＸ線回折スペクトルにおいて、｛１１１｝面と｛２００｝面における２θのピークの半値幅を分析したところ、｛１１１｝面が０．０６５度、｛２００｝面が０．０７０度、｛１１１｝面と｛２００｝面とのピーク強度比（２００面／１１１面）は５．７９４であった。
［実施例７］
実施例７では、低融点金属と高融点金属の積層体を２１０℃、１５ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
実施例７では、低融点金属と高融点金属の積層体を２１０℃、１５ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックは確認されなかった。
［比較例１］
比較例１では、低融点金属と高融点金属の積層体に対して加熱処理を行わずに、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックが確認された。
比較例１では、低融点金属と高融点金属の積層体に対して加熱処理を行わずに、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックが確認された。
なお、比較例１に係るヒューズエレメントを試料としてＸ線回折測定を行って得たＸ線回折スペクトルにおいて、｛１１１｝面と｛２００｝面における２θのピークの半値幅を分析したところ、｛１１１｝面が０．１８２度、｛２００｝面が０．２３３度、｛１１１｝面と｛２００｝面とのピーク強度比（２００面／１１１面）は０．０４７であった。
［比較例２］
比較例２では、低融点金属と高融点金属の積層体を１００℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックが確認された。
比較例２では、低融点金属と高融点金属の積層体を１００℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックが確認された。
［比較例３］
比較例３では、低融点金属と高融点金属の積層体を１１０℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックが確認された。
比較例３では、低融点金属と高融点金属の積層体を１１０℃、６０ｍｉｎの条件で加熱処理を行った後、常温下で凹凸状に折り曲げることにより屈曲部を有するヒューズエレメントを形成した。屈曲部を目視観察した結果、クラックが確認された。
表１に示すように、各実施例に係るヒューズエレメントでは、低融点金属と高融点金属との積層体を、１２０℃以上の温度で加熱処理をした後に、屈曲部を形成したため、高融点金属の結晶性が向上し、ヒューズエレメントの屈曲部のクラックが抑制された。
一方、比較例１では、加熱処理を行わずに屈曲部を形成したため、クラックが発生した。また、比較例２，３では加熱温度が１２０℃未満であったため、高融点金属の結晶性が低く、クラックが発生した。
図１５は、実施例及び比較例に係るヒューズエレメントの屈曲部の拡大写真である。図１５（Ａ）に示すように、実施例３〜７では、屈曲部にクラックは見られなかった。図１５（Ｂ）に示すように、実施例１，２では、屈曲部のクラックがほぼ見られなかった。しかし、比較例１〜３では、図１５（Ｃ）に示すように、屈曲部にクラックが発生した。
表２に示すように、実施例２，３，５，６に係るヒューズエレメントのＸ線回折スペクトルにおいて、｛１１１｝面と｛２００｝面における２θのピークの半値幅を分析したところ、｛１１１｝面及び｛２００｝面ともに０．１５度以下であり、加熱処理を行わない比較例１の｛１１１｝面及び｛２００｝面におけるピークの半値幅が０．１８度以上であった。これより、高融点金属層の表面のＸ線回折スペクトル（２θ）に於けるピークの内、少なくとも１つのピークの半値幅が０．１５度以下とすることにより、良好な結晶性を有し、クラックを抑制することができることが分かる。
また、比較例１に係るヒューズエレメントの｛１１１｝面と｛２００｝面とのピーク強度比（２００面／１１１面：０．０４７）に対して、実施例２，３，５，６に係るヒューズエレメントの｛１１１｝面と｛２００｝面とのピーク強度比（２００面／１１１面）が逆転していることから、１２０℃以上の温度で加熱処理を行うことで、結晶配向性が変化したことが推察され、これにより結晶化度が向上し、クラックの抑制に寄与したことが分かる。
また、実施例に係るヒューズエレメントは、結晶化度が向上されたことで、粒界や格子欠陥による導通抵抗の上昇も抑えられ、電流定格の向上、及び所定の電流値で速やかに溶断するとともに所定の電流値未満では溶断しないという所望の溶断特性も維持できる。
１ ヒューズエレメント、２ 低融点金属層、３ 高融点金属層、５ 端子部、６ 屈曲部、７ 貫通孔、８ 非貫通孔、９ 凹凸部、２０ ヒューズ素子、２１ 絶縁基板、２２ カバー部材、２３ 溝部、２４ 第１の電極、２４ａ 第１の外部接続電極、２５ 第２の電極、２５ａ 第２の外部接続電極、２７ フラックス、２８ 素子筐体、３０ 保護素子、３１ 絶縁基板、３２ 絶縁部材、３３ 発熱体、３４ 第１の電極、３４ａ 第１の外部接続電極、３５ 第２の電極、３５ａ 第２の外部接続電極、３６ 発熱体引出電極、３７ カバー部材、３８ 第１の発熱体電極、３９ 第２の発熱体電極、４１ スルーホール
Claims (9)
- 低融点金属層と高融点金属層を積層したヒューズエレメントであって、上記高融点金属層の表面のＸ線回折スペクトル（２θ）に於けるピークの内、少なくとも１つのピークの半値幅が０．１５度以下であるヒューズエレメント。
- 上記ヒューズエレメントは、少なくとも１箇所以上の屈曲部を有する請求項１に記載のヒューズエレメント。
- 内層を上記低融点金属層とし、内層の上下に上記高融点金属層を積層する請求項１又は請求項２に記載のヒューズエレメント。
- 上記低融点金属は、ＳｎもしくはＳｎを主成分とする合金とし、上記高融点金属は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｇ又はＣｕを主成分とする合金である請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒューズエレメント。
- 低融点金属層と高融点金属層とを積層する積層工程と、
上記高融点金属層を１２０℃以上且つ低融点金属層の融点以下の温度で加熱する加熱工程とを有するヒューズエレメントの製造方法。 - 上記加熱工程の後、少なくとも１箇所以上の屈曲部を形成する請求項５に記載のヒューズエレメントの製造方法。
- 上記低融点金属は、ＳｎもしくはＳｎを主成分とする合金とし、上記高融点金属は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｇ又はＣｕを主成分とする合金であり、加熱処理は２１０℃以下の温度である請求項５又は請求項６に記載のヒューズエレメントの製造方法。
- 絶縁基板と、
上記絶縁基板に搭載された請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒューズエレメントとを備えるヒューズ素子。 - 絶縁基板と、
上記絶縁基板に搭載された請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒューズエレメントと、
上記絶縁基板上に配置され、上記ヒューズエレメントを加熱・溶断する発熱体とを備える保護素子。
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