JP6782122B2 - 保護素子、回路モジュール及び保護素子の製造方法 - Google Patents

Description

本技術は、電源ラインや信号ラインを遮断する保護素子、及び回路基板に保護素子が実装された回路モジュールに関する。

充電して繰り返し利用することのできる二次電池の多くは、バッテリパックに加工されてユーザに提供される。特に重量エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池においては、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護、過放電保護等のいくつもの保護回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの出力を遮断する機能を有している。

この種の保護素子には、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴ（Field Effect Transistor）スイッチを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、バッテリパックの過充電保護又は過放電保護動作を行うものがある。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴスイッチが短絡破壊した場合、雷サージ等が印加されて瞬間的な大電流が流れた場合、あるいはバッテリセルの寿命によって出力電圧が異常に低下したり、逆に過大な異常電圧を出力したりした場合であっても、バッテリパックや電子機器は、発火等の事故から保護されなければならない。そこで、このような想定し得るいかなる異常状態においても、バッテリセルの出力を安全に遮断するために、外部からの信号によって電流経路を遮断する機能を有する保護素子が用いられている。

リチウムイオン二次電池等向けの保護回路の遮断素子としては、図１７（Ａ）（Ｂ）に示すように、電流経路上の第１の電極９１，発熱体引出電極９５，第２の電極９２間に亘って可溶導体９３を接続して電流経路の一部をなし、この電流経路上の可溶導体９３を、過電流による自己発熱、あるいは保護素子内部に設けた発熱体９４によって溶断するものがある（特許文献１参照）。このような保護素子９０では、溶融した液体状の可溶導体９３を発熱体９４に繋がる発熱体引出電極９５、及び第１、第２の電極９１，９２上に集めることにより第１、第２の電極９１，９２間を分離し電流経路を遮断する。

保護素子は、発熱体９４の発熱によって可溶導体９３が溶断し、また過電流による自己発熱によっても可溶導体９３は溶断するため、溶断した可溶導体９３が飛散しないように外装部品であるカバー部材９７で封止している。また、保護素子９０は、発熱体９４による可溶導体９３の溶断作用を安定的に実現させるために、カバー部材９７によって可溶導体９３が溶融、流動するための内部空間が設けられている。さらに、図１８に示すように、カバー部材９７は、電流遮断時の爆発的なエネルギーを外部に放出し、素子の破壊を防止するために、カバー部材９７に通気孔９９が設けられている。

なお、保護素子９０は、可溶導体９３の表面の酸化を防止して、速溶断性を維持するために可溶導体９３の表面の酸化品膜を除去するフラックス９８が塗布されている。

特開２０１０−００３６６５号公報 特開２００１−０７６６１０号公報

保護素子９０は、電源回路等が形成された回路基板に実装されることにより、充放電経路の一部を構成し、可溶導体９３が溶断することにより、当該充放電経路を遮断することができる。

ここで、保護素子９０が実装された回路基板は、基板の強度及び平滑性を高めるために樹脂が塗布され、保護素子９０も樹脂封止されることがある。あるいは、回路基板は、プリント基板に飛散したフラックスやはんだボールを除去する目的で基板洗浄される等の後処理が行われることがある。

しかし、保護素子９０は、カバー部材９７に通気孔９９を設けることにより、通気孔９９から封止樹脂や洗浄液が内部に浸入し、可溶導体９３が溶融、流動するための内部空間が埋められてしまい、あるいはフラックス９８が除去されてしまうといった問題が生じ、保護素子として適切な遮断機能を損なう恐れが生じる。

カバー部材に通気孔を設けない密封型の保護素子も広く流通しているが、カバー部材を接着する接着剤として、接着強度の強い熱硬化性の接着剤を用いる場合、加熱時に素子内部の空気が膨張し、未硬化で液状の接着剤の間から空気が漏れ出ることによりカバー部材で密封することができなくなり、また、カバー部材の接着強度も低下する。また、密封型の保護素子を回路基板上にリフロー実装する際にも、素子内部の空気が膨張し、またフラックスに含有される溶剤成分が気化することで、素子の内圧が上昇し、加えてリフロー加熱による接着剤の軟化により、同様にカバー部材で密封することができなくなり、カバー部材の接着強度も低下する。さらに、密封型の保護素子では、可溶導体の遮断時に発生する爆発エネルギーを素子外部に逃すことができず、素子が破壊する危険がある。

また、カバー部材に通気孔が設けられた開放型の保護素子の実装後に、保護素子を樹脂封止することにより、回路基板の封止材や洗浄液の浸入を防止する方法も考えられる（図１９参照）。しかし、確実に封止するためには樹脂を保護素子全体及びその周辺部に塗布する必要があり、封止樹脂が多量に必要となる。また、図２０に示すように、保護素子の周囲に他の部品が実装されている場合に、塗布が困難となる。さらに、図２１に示すように、回路基板一枚毎に塗布するため回路基板の生産性が低くなる。

本技術は、上述した課題を解決するものであり、カバー内部に空間を有する保護素子及びこの保護素子を実装した回路モジュールにおいて、内部空気の膨張によるカバー部材の接着強度の低下を防止して電子部品の損傷を防ぐとともに、封止樹脂や洗浄液等の流入を防止できる保護素子、及びこの保護素子が実装された回路モジュール、及び保護素子の製造方法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、本技術に係る保護素子は、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、上記第１、第２の電極間に跨って配置された可溶導体と、上記絶縁基板の上記可溶導体が配置された一面側に配置されたカバー部材とを備え、上記可溶導体が配置された内部空間を素子外部に臨ませる通気孔が設けられ、上記通気孔が封止部材により封止され、上記封止部材は、リフロー温度よりも低いガラス転移点を有する樹脂である。

また、本技術に係る回路モジュールは、保護素子と、上記保護素子が表面実装された回路基板とを有し、上記保護素子は、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、上記第１、第２の電極間に跨って配置された可溶導体と、上記絶縁基板の上記可溶導体が配置された一面側に配置されたカバー部材とを備え、上記可溶導体が配置された内部空間を素子外部に臨ませる通気孔が設けられ、上記通気孔が封止部材により封止され、上記封止部材は、リフロー温度よりも低いガラス転移点を有する樹脂である。

また、本技術に係る保護素子の製造方法は、絶縁基板上に第１、第２の電極を形成し、上記第１、第２の電極間に跨って可溶導体を配置し、上記絶縁基板上に、熱硬化性樹脂を介してカバー部材を搭載し、上記可溶導体が配置された内部空間を素子外部に臨ませる通気孔を有する構造体を形成し、上記構造体を加熱することにより上記カバー部材を上記絶縁基板上に接続し、上記通気孔を封止部材で封止するものである。

本技術によれば、カバー部材の接続時等に内部空間に発生する膨張気体を外部に放出することができる。また、通気孔がカバー部材の接続後に封止部材によって封止されることにより、回路基板に塗布される封止樹脂や回路基板の洗浄液が通気孔から素子内部に浸入することを防止でき、保護素子として適切な遮断機能を維持することができる。さらに、保護素子は、通気孔内が封止部材によって封止されることにより、カバー部材と絶縁基板との接続強度を高めることができ、回路基板へのリフロー実装時や、可溶導体の溶断時において素子内部の空気が膨張して内圧が高まった場合にも、カバー部材の絶縁基板からの剥離や損傷を防止することができる。

図１は、本技術が適用された保護素子を示す外観斜視図である。 図２は、本技術が適用された回路モジュールを示す断面図である。 図３は、保護素子の絶縁基板の表面上を、カバー部材を省略して示す平面図である。 図４は、本技術が適用された保護素子を裏面側から示す外観斜視図である。 図５は、本技術が適用された保護素子の製造工程を示す断面図であり、（Ａ）は絶縁基板上に各種電極、発熱体、及び可溶導体を配置した状態、（Ｂ）はカバー部材を搭載した状態、（Ｃ）は通気孔に封止部材を供給した状態を示す。 図６は、隔壁に張出し部を設けた保護素子を示す図であり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は断面図である。 図７は、隔壁に張り出し部に更に絶縁基板側に突出する第２の張出し部を設けた保護素子を示す図であり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は断面図である。 図８は、隔壁にテーパ部を設けた保護素子を示す図であり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は断面図である。 図９は、内部に隔壁部材を配置した保護素子を示すであり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は断面図である。 図１０は、参考例に係る保護素子パッケージを示す図であり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は断面図である。 図１１は、天面が設けられていないカバー部材を用い隔壁部材の天面まで熱硬化性樹脂を充填した保護素子を示す図であり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は断面図である。 図１２は、通気孔に熱硬化性樹脂及び嵌合ピンを配置して封止した保護素子を示す図であり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は断面図である。 図１３は、通気孔に挿入した嵌合ピンを絶縁基板上に接続した保護素子を示す図であり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は断面図である。 図１４は、カバー部材に設けた係止片を絶縁基板上に係止させた参考例に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は断面図、（Ｃ）は底面図である。 図１５は、保護素子を適用したバッテリパックの一例を示す回路図である。 図１６は、保護素子の回路図である。 図１７は、従来の保護素子を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図、（Ｂ）は断面図である。 図１８は、従来の保護素子を示す外観斜視図である。 図１９は、開放型の保護素子の実装後に、保護素子を樹脂封止する工程を示す外観斜視図である。 図２０は、保護素子の周囲に実装された他の部品と干渉してしまう状態を示す外観斜視図である。 図２１は、回路基板一枚毎に封止樹脂を塗布する工程を示す外観斜視図である。

以下、本技術が適用された保護素子、回路モジュール及び保護素子の製造方法について、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。

図１、図２に示すように、本発明が適用された回路モジュール３は、回路基板２に保護素子１が表面実装されたものである。回路基板２は、例えばリチウムイオン二次電池の保護回路等が形成され、保護素子１が表面実装されることにより、リチウムイオン二次電池の充放電経路上に可溶導体１３が組み込まれる。そして回路モジュール３は、保護素子１の定格を超える大電流が流れると、可溶導体１３が自己発熱（ジュール熱）によって溶断することにより電流経路を遮断する。また、回路モジュール３は、回路基板２等に設けられた電流制御素子によって所定のタイミングで発熱体１４へ通電し、発熱体１４の発熱によって可溶導体１３を溶断させることによって電流経路を遮断することができる。

なお、図１は本発明が適用された保護素子１を示す外観斜視図であり、図２は保護素子１が回路基板２に実装された回路モジュール３の一部を示す断面図であり、図３は保護素子１の絶縁基板１０の表面１０ａ上を、カバー部材２０を省略して示す平面図であり、図４は、保護素子１の裏面側を示す外観斜視図である。

［保護素子］
保護素子１は、図２〜図５に示すように、絶縁基板１０と、絶縁基板１０に積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱体１４と、絶縁基板１０の両端に形成された第１の電極１１及び第２の電極１２と、絶縁部材１５上に発熱体１４と重畳するように積層された発熱体引出電極１６と、両端が第１、第２の電極１１，１２にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。

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によって略方形状に形成される。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。

［第１、第２の電極］
第１、第２の電極１１，１２は、絶縁基板１０の表面１０ａ上に、相対向する側縁近傍にそれぞれ離間して配置されることにより開放され、後述する可溶導体１３が搭載されることにより、可溶導体１３を介して電気的に接続されている。また、第１、第２の電極１１，１２は、保護素子１に定格を超える大電流が流れ可溶導体１３が自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、あるいは発熱体１４が通電に伴って発熱し可溶導体１３が溶断することにより、遮断される。

図２に示すように、第１、第２の電極１１，１２は、それぞれ、絶縁基板１０の第１、第２の側面１０ｂ，１０ｃに設けられたキャスタレーションを介して裏面１０ｆに設けられた外部接続電極１１ａ，１２ａと接続されている。保護素子１は、これら外部接続電極１１ａ，１２ａを介して外部回路が形成された回路基板２と接続され、当該外部回路の通電経路の一部を構成する。

第１、第２の電極１１，１２は、ＣｕやＡｇ等の一般的な電極材料を用いて形成することができる。また、第１、第２の電極１１，１２の表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜が、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。これにより、保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２の酸化を防止し、導通抵抗の上昇に伴う定格の変動を防止することができる。また、保護素子１をリフロー実装する場合に、可溶導体１３を接続する接続用ハンダあるいは可溶導体１３の外層を形成する低融点金属が溶融することにより第１、第２の電極１１，１２を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。

［発熱体］
発熱体１４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Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｇ、あるいはこれらを主成分とする合金等からなる。発熱体１４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１０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、発熱体１４は、一端が第１の発熱体電極１８と接続され、他端が第２の発熱体電極１９と接続されている。

保護素子１は、発熱体１４を覆うように絶縁部材１５が配設され、この絶縁部材１５を介して発熱体１４に対向するように発熱体引出電極１６が形成されている。発熱体１４の熱を効率良く可溶導体１３に伝えるために、発熱体１４と絶縁基板１０の間にも絶縁部材１５を積層しても良い。絶縁部材１５としては、例えばガラスを用いることができる。

発熱体引出電極１６の一端は、第１の発熱体電極１８に接続されるとともに、第１の発熱体電極１８を介して発熱体１４の一端と連続されている。なお、第１の発熱体電極１８は、絶縁基板１０の第３の側面１０ｄ側に形成され、第２の発熱体電極１９は、絶縁基板１０の第４の側面１０ｅ側に形成されている。また、第２の発熱体電極１９は、第４の側面１０ｅに形成されたキャスタレーションを介して絶縁基板１０の裏面１０ｆに形成された外部接続電極１９ａと接続されている。

発熱体１４は、保護素子１が回路基板２に実装されることにより、外部接続電極１９ａ及び第２の発熱体電極１９を介して回路基板２に形成された外部回路と接続される。そして、発熱体１４は、外部回路の通電経路を遮断する所定のタイミングで外部接続電極１９ａ及び第２の発熱体電極１９を介して通電され、発熱することにより、第１、第２の電極１１，１２を接続している可溶導体１３を溶断することができる。また、発熱体１４は、可溶導体１３が溶断することにより、自身の通電経路も遮断されることから発熱が停止する。

［可溶導体］
可溶導体１３は、発熱体１４の発熱により速やかに溶断される材料からなり、例えばハンダや、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属を好適に用いることができる。

また、可溶導体１３は、Ｉｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする合金等の高融点金属を用いてもよく、あるいは低融点金属と高融点金属との積層体であってもよい。高融点金属と低融点金属とを含有することによって、保護素子１をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、低融点金属の外部への流出を抑制し、可溶導体１３の形状を維持することができる。また、溶断時も、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。

なお、可溶導体１３は、発熱体引出電極１６及び第１、第２の電極１１，１２へ、ハンダ等により接続されている。可溶導体１３は、リフローはんだ付けによって容易に接続することができる。

また、可溶導体１３は、酸化防止、濡れ性の向上等のため、フラックス１７が塗布されていることが好ましい。

［カバー部材］
また、保護素子１は、内部を保護するために、絶縁基板１０の表面１０ａ上にカバー部材２０が設けられている。カバー部材２０は、絶縁基板１０の形状に応じて略矩形状に形成されている。また、図１に示すように、カバー部材２０は、可溶導体１３が設けられた絶縁基板１０の表面１０ａ上に接続される側面２１と、絶縁基板１０の表面１０ａ上を覆う天面２２とを有し、絶縁基板１０の表面１０ａ上に、可溶導体１３が溶融時に球状に膨張し、溶融導体が発熱体引出電極１６や第１、第２の電極１１，１２上に凝集するのに十分な内部空間２５を有する。

カバー部材２０は、側面２１が絶縁基板１０の表面１０ａ上に接着剤２６等を介して接続されている。カバー部材２０を接続する接着剤２６としては、接続信頼性に優れる熱硬化性の接着剤を好適に用いることができる。

［通気孔］
また、図１、図２に示すように、カバー部材２０は、カバー部材２０内部に貫通する通気孔２３が設けられるとともに、通気孔２３内が封止部材２４によって封止されている。通気孔２３は、例えばカバー部材２０の天面２２に開口されている。また、通気孔２３は、カバー部材２０の側面２１と、可溶導体１３が配置される内部空間２５との間を隔てる隔壁２７とによって構成されている。隔壁２７はカバー部材２０の天面２２から下方に向かって形成され、カバー部材２０が絶縁基板１０の表面１０ａ上に接続されたときに、絶縁基板１０の表面１０ａとの間に若干の隙間が生じる高さに形成されている。すなわち、通気孔２３は、隔壁２７と絶縁基板１０との隙間を介して内部空間２５と連続され、カバー部材２０の接続時等に内部空間２５に発生する膨張気体を外部に放出することが可能とされている。通気孔２３は、カバー部材２０の接続後に封止部材２４によって封止される。この保護素子１の製造工程については、後に詳述する。

通気孔２３を設けるとともに封止部材２４によって通気孔２４を封止することにより、保護素子１は、回路基板２に塗布される封止樹脂や回路基板２の洗浄液が通気孔２３から素子内部に浸入し、可溶導体１３が溶融、流動するための内部空間が埋められてしまい、あるいはフラックス１７が除去されてしまうといった事態を防止し、保護素子として適切な遮断機能を維持することができる。また、保護素子１は、通気孔２４内が封止部材２４によって封止されることにより、カバー部材２０と絶縁基板１０との接続強度を高めることができ、回路基板２へのリフロー実装時や、可溶導体１３の溶断時において素子内部の空気が膨張して内圧が高まった場合にも、カバー部材２０の絶縁基板１０からの剥離や損傷を防止することができる。

通気孔２３は、素子内部において、発熱体１４や可溶導体１３と干渉しない位置、例えば図２に示すように、第１、第２の電極１１，１２の上方に、第１、第２の側面１０ｂ,１０ｃに沿って形成されている。図２に示すほかにも、通気孔２３は、第１、第２の発熱体電極１８，１９の上方に設けてもよく、また、第１〜第４の側面１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅのいずれかにわたって連続してもよい。あるいは、通気孔２３は、カバー部材２０の側面２１に形成してもよく、絶縁基板１０の表面１０ａから裏面１０ｆに貫通するように形成してもよい。さらに、保護素子１は、通気孔２３を天面２２、側面２１、絶縁基板１０の一又は複数個所に形成することもできる。以下では、カバー部材２０の天面２２に通気孔２３を形成した場合を例に説明を続ける。

［封止部材］
通気孔２３を封止する封止部材２４は、例えば熱硬化性の樹脂２４ａが好適に用いられる。熱硬化性樹脂２４ａの具体例を上げると、例えば、熱硬化性樹脂（例えばセメダイン社製：ＳＸ７２０Ｂ）を用いることができる。また、熱硬化性樹脂２４ａは、封止シート（京セラケミカル社製：ＴＭＳ−７０１）等を用いてもよい。その他、樹脂材料としては、例えば、ポリアミド系樹脂接着剤（ヘンケル社製：ＯＭ６７８）を用いてもよい。熱硬化性樹脂２４ａは、カバー部材２０の通気孔２３を封止し、後述する実装工程で用いられる樹脂材料や洗浄液の内部空間２５への流入を防止することができ、かつ素子内部の気体が膨張することにより内圧が高まった場合にもカバー部材２０の絶縁基板１０との接続を維持できる粘度又は強度を有するものであれば、液状、シート状等の形態は問わない。

熱硬化性接着剤２４ａは、カバー部材２０が絶縁基板１０に接着された後、通気孔２３内に供給、充填され、リフロー実装時等に所定の温度に加熱され、硬化される。

ここで、熱硬化性樹脂２４ａのガラス転移点は、保護素子１が回路基板２にリフロー実装される際のリフロー温度よりも低いことが好ましい。これにより、保護素子１は回路基板２への実装工程において先に熱硬化性樹脂２４ａが硬化するため、内部空間２５内の気体が膨張し、内圧が上昇した場合にも、カバー部材２０が絶縁基板１０の表面１０ａから外れる事態を防止することができる。

なお、熱硬化性樹脂２４ａのガラス転移点は、１００℃以上であることが好ましい。これにより、リフロー工程において確実に硬化して通気孔２３を封止するとともに、カバー部材２０の絶縁基板１０への接続強度を向上させることができる。

なお、封止部材２４として熱硬化性樹脂２４ａを用いる場合を例に説明したが、本技術は、これに限らず、例えば紫外線硬化型の接着剤等の光硬化性樹脂を用いてもよい。光硬化性接着剤は、カバー部材２０が絶縁基板１０に接着された後、通気孔２３内に供給、充填され、紫外光等の所定の波長の光が照射され、硬化される。

［製造工程］
次いで、図５を参照しながら、保護素子１の製造工程について説明する。図５（Ａ）に示すように、まず絶縁基板１０の表面１０ａに第１、第２の電極１１，１２、発熱体１４、第１、第２の発熱体電極１８，１９、絶縁部材１５及び発熱体引出電極１６を形成する。また、絶縁基板１０の裏面１０ｆに外部接続電極１１ａ,１２ａ，１９ａを形成するとともに、キャスタレーションを介して第１、第２の電極１１，１２及び第２の発熱体電極１９と接続する。そして、可溶導体１３を、発熱体引出電極１６を介して第１、第２の電極１１，１２間に跨って搭載する。なお、可溶導体１３と第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１６との間には接続はんだが供給されてもよい。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、カバー部材２０を絶縁基板１０の表面１０ａ上に接続する。カバー部材２０の接続は、接続強度に優れる熱硬化性の接着剤２６が側面２１の下部に供給されることにより行うことが好ましい。カバー部材２０が絶縁基板１０の表面１０ａ上に搭載された構造体２８は、可溶導体１３の周囲に隔壁２７によって区画された内部空間２５が確保されている。

次いで、絶縁基板１０の表面１０ａ上にカバー部材２０が搭載された構造体２８は、加熱処理され、可溶導体１３が接続用はんだを介して第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１６と接続され、また、熱硬化性の接着剤２６が硬化してカバー部材２０が絶縁基板１０の表面１０ａ上に接続される。

このとき、内部空間２５内の膨張気体は、カバー部材２０に設けられた通気孔２３を介して外部に排出されるため、接着剤２６の硬化中にカバー部材２０の内圧が高まることもなく、絶縁基板１０の表面１０ａ上への接続を阻害することもない。

次いで、図５（Ｃ）に示すように、通気孔２３に封止部材２４が供給され、封止されることにより保護素子１が形成される。保護素子１が、電源回路等が形成された回路基板２にリフロー等により実装されることにより、回路モジュール３が形成される。

封止部材２４として熱硬化性樹脂２４ａを用いた場合、保護素子１は、加熱処理を施して熱硬化性樹脂２４ａを硬化させてもよいが、回路基板２へのリフロー実装時における加熱によって熱硬化性樹脂２４ａを硬化させてもよい。このとき、熱硬化性樹脂２４ａとして、ガラス転移点がリフロー温度よりも低い熱硬化性樹脂２４ａを用いることにより、先に熱硬化性樹脂２４ａが硬化するため、カバー部材２０の接続強度が向上され、内部空間２５内の気体が膨張して内圧が上昇した場合にも、カバー部材２０が絶縁基板１０の表面１０ａから外れる事態を防止することができる。

なお、封止部材２４として光硬化性樹脂を用いた場合、通気孔２３に充填した後、回路基板２にリフロー実装する前に、紫外光が照射され、硬化させておくことが好ましい。

［変形例１］
次いで、本技術の変形例について説明する。なお、以下の各変形例の説明において上述した保護素子１及び回路モジュール３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。

図６に示すように、通気孔２３は、内側面に通気孔内部に張り出す張出し部３１を設けてもよい。保護素子１は、通気孔２３の内側面に張出し部３１を設けることにより、封止部材２４として熱光硬化性樹脂２４ａや光硬化性樹脂を充填すると、通気孔２３内における接触面積が増加し、よりカバー部材２０の接続強度を向上させることができる。

張出し部３１は、図６に示すように隔壁２７に形成してもよく、側面２１に形成してもよく、隔壁２７及び側面２１の両方に形成してよい。また、張出し部３１は、天面２２に向かう通気方向に沿って一又は複数形成してもよく、複数形成された張出し部３１のそれぞれが同じ張り出し高さであってもよく異なる張り出し高さであってもよい。また、張出し部３１は、カバー部材２０の周方向にわたって連続して形成してもよく、断続的に形成してもよい。

図６に示すように、天面２２に通気孔２３を設けた場合、張出し部３１は、絶縁基板１０の表面１０ａ上に張り出すため、通気孔２３内に充填された熱硬化性樹脂２４ａや光硬化性樹脂が張出し部３１に対してアンカーとして作用し、よりカバー部材２０を絶縁基板１０から外れにくくすることができる。

また、図７に示すように、天面２２から絶縁基板１０にわたって通気孔２３を設けるとともに、通気孔２３内に張り出す張出し部３１を設け、さらに張出し部３１より絶縁基板１０側に突出する第２の張出し部３１ａを形成してもよい。第２の張出し部３１ａは、絶縁基板１０側に突出形成されることにより、カバー部材２０の絶縁基板１０と平行な方向に対する接続強度を向上させることができる。すなわち、張出し部３１が絶縁基板１０の表面１０ａ上に張り出すことによりカバー部材２０の絶縁基板１０に対する垂直方向への強度を向上させるのに対して、絶縁基板１０の表面１０ａ側に突出する第２の張出し部３１ａはカバー部材２０の絶縁基板１０と平行な方向に対する強度を向上させるものである。

また、第２の張出し部３１ａは、一又は複数形成してもよく、複数形成された第２の張出し部３１ａのそれぞれが同じ突出高さであってもよく異なる突出高さであってもよい。また、第２の張出し部３１ａは、カバー部材２０の周方向にわたって連続して形成してもよく、断続的に形成してもよい。カバー部材２０は、第２の張出し部３１ａが多く形成されるほど、絶縁基板１０と平行な方向に対する強度が増加する。

なお、張出し部３１は、隔壁２７や側面２１の内面に凹部を形成し、相対的に隔壁２７や側面２１の内面が当該凹部に対して張り出すことにより形成される形態も含むものである。また、張出し部３１は、いわゆるシボ加工や粗面化加工、エンボス加工等により形成される形態も含む。

同様に、第２の張出し部３１ａは、張出し部３１に絶縁基板１０に対向する凹部を形成し、相対的に張出し部３１が絶縁基板１０側に突出することにより形成される形態も含むものである。また、第２の張出し部３１ａは、いわゆるシボ加工や粗面化加工、エンボス加工等により形成される形態も含む。

［変形例２］
図８に示すように、通気孔２３は、内側面が断面視で通気方向にわたってテーパ状に形成されたテーパ部３２を形成してもよい。保護素子１は、通気孔２３の内側面にテーパ部３２を形成することにより、封止部材２４として熱光硬化性樹脂２４ａや光硬化性樹脂を充填すると、通気孔２３内における接触面積が増加し、よりカバー部材２０の接続強度を向上させることができる。

テーパ部３２は、図８に示すように隔壁２７に形成してもよく、側面２１に形成してもよく、隔壁２７及び側面２１の両方に形成してよい。また、テーパ部３２は、天面２２に向かう通気方向に沿って拡径していく形態でもよく、縮径していく形態でもよいが、図８に示すように天面２２に向かう通気方向に沿って拡径していく形態とすることにより、通気孔２３内に充填された熱硬化性樹脂２４ａや光硬化性樹脂がテーパ部３２に対してアンカーとして作用し、よりカバー部材２０を絶縁基板１０から外れにくくすることができるため好ましい。

なお、テーパ部３２に上述した張出し部３１や第２の張出し部３１ａを形成してもよい。また、テーパ部３２は、曲面状、階段状に形成されることにより通気方向に沿って拡径又は縮径していく形態を含むものである。

［変形例３］
また、保護素子１は、図９に示すように、カバー部材２０の内部に、内部空間２５を形成する隔壁部材３３を配し、カバー部材２０の天面２２と隔壁部材３３との間に熱硬化性樹脂２４ａや光硬化性樹脂を充填してもよい。

隔壁部材３３は、カバー部材２０と同様に一面が開放された略箱状に形成され、通気孔２３を構成する隔壁側面３３ａと、カバー部材２０の天面２２と対向する隔壁天面３３ｂを有する。そして、隔壁部材３３は、絶縁基板１０の表面１０ａ上に配置されることにより内部空間２５を形成する。隔壁部材３３は、通気孔２３に面する側の隔壁側面３３ａの下部と絶縁基板１０の表面１０ａとの間に隙間が形成され、内部空間２５と通気孔２３とが連続されている。また、隔壁部材３３は、通気孔２３に面していない側の隔壁側面３３ａが絶縁基板１０の表面１０ａ上に接着されることにより固定されている。

保護素子１は、隔壁部材３３を設けることにより、可溶導体１３が溶融、流動する内部空間２５を確保し、さらに隔壁部材３３の上からカバー部材２０を配置する。これにより、隔壁部材３３との間に通気孔２３を形成し、熱硬化性樹脂２４ａ等の封止部材２４を充填してカバー部材２０及び隔壁部材３３の絶縁基板１０への接続強度を向上させることができる。また、隔壁天面３４ｂとカバー部材２０の天面２２との間にも封止樹脂が充填されることで、充填量を増加することができ、よりカバー部材２０及び隔壁部材３３の絶縁基板１０への接続強度を向上させることができる。

なお、隔壁部材３３は、カバー部材２０とは別個の部材としてもよいが、カバー部材２０と一体に成型してもよい。

［参考例１］
ここで、本技術の参考例にかかる保護素子パッケージ３７の構成について図１０を参照しながら説明する。図１０に示す保護素子３５は、絶縁基板１０の表面１０ａ上に上述した隔壁部材３３のみが搭載されている。保護素子３５は、さらにインターポーザ基板３６に実装され、カバー部材２０がインターポーザ基板３６に搭載されることによりパッケージ化され、これにより、保護素子パッケージ３７が形成される。インターポーザ基板３６は、第１、第２の外部接続電極１１ａ,１２ａや発熱体電極１９と接続された外部接続電極と接続される接続電極３７ａを備え、さらに図示しない回路基板２にリフロー実装等により実装される。また、カバー部材２０は、接続信頼性に優れる熱硬化性の接着剤等によりインターポーザ基板３６に接続、あるいは超音波溶着等により接続される。

この保護素子パッケージ３７のカバー部材２０は、保護素子３５全体を覆い、パッケージ外装を構成する大きな内部空間を有するため、リフロー実装や可溶導体１３の溶断時等に素子内部の気体が膨張した場合にも、内圧の上昇は僅かであり、十分な耐性を有する。したがって、保護素子パッケージ３７は、保護素子３５の内圧の上昇によるカバー部材２０の接続不良や破壊を防止することができる。

［変形例４］
また、保護素子１は、図１１に示すように、隔壁部材３３及び天面２２が設けられていないカバー部材３８を用いるとともに、隔壁部材３３の隔壁天面３３ｂ上に熱硬化性樹脂２４ａや光硬化性樹脂等の封止部材２４を充填してもよい。図１１に示す保護素子１は、カバー部材３８の側面２１と隔壁部材３３の隔壁側面３３ａとの間及び隔壁天面３３ｂの上面が樹脂によって固められているため、カバー部材３８及び隔壁部材３３の絶縁基板１０への接続強度を向上させることができる。

なお、隔壁部材３３は、カバー部材３８とは別個の部材としてもよいが、カバー部材３８と一体に成型してもよい。

［変形例５］
また、保護素子１は、図１２に示すように、通気孔２３を封止する封止部材２４として、熱硬化性樹脂２４ａ等の接着剤に加えて、通気孔２３に嵌合される嵌合ピン２４ｂを用いてもよい。図１２に示す保護素子１は、通気孔２３内に嵌合ピン２４ｂが係止される係止段部３９が設けられている。また、通気孔２３は、嵌合ピン２４ｂの形状に応じて、円柱状に形成されている。なお、通気孔２３は、第１、第２の電極１１，１２の上方に、第１、第２の側面１０ｂ,１０ｃに沿って複数形成してもよい。図１２に示すほかにも、通気孔２３は、第１、第２の発熱体電極１８，１９の上方に設けてもよい。

保護素子１は、封止部材２４として、熱硬化性樹脂２４ａ等の接着剤に加えて、通気孔２３に嵌合される嵌合ピン２４ｂを用いることにより、より確実に通気孔２３を封止するとともに、カバー部材２０の接続強度を向上させることができる。

なお、嵌合ピン２４ｂは、係止段部３９に係止させる他にも、例えば通気孔２３に圧入させてもよい。このとき通気孔２３は天面２２側に向かってテーパ状に拡径するテーパ部を形成してもよく、同様に嵌合ピン２４ｂも先端に向かって縮径するテーパ状に形成してもよい。あるいは、通気孔２３及び嵌合ピン２４ｂは、相互にねじ溝を形成して螺着させてもよい。また、通気孔２３及び嵌合ピン２４ｂは、一方にガイド凸部を形成し、他方に嵌合ピン２４ｂの挿入方向にわたってガイド凸部が摺動するガイド凹部を形成してもよい。

［変形例６］
また、保護素子１は、図１３に示すように、通気孔２３を封止する封止部材２４として、嵌合ピン２４ｂのみを用いてもよい。この場合、嵌合ピン２４ｂは絶縁基板１０と接続されていることが、カバー部材２０の接続強度を向上させる上で好ましい。例えば、嵌合ピン２４ｂは、ねじ溝が形成され、絶縁基板１０の表面１０ａに設けられたねじ穴に螺合することにより、カバー部材２０を絶縁基板１０にねじ止めすることができる。その他、嵌合ピン２４ｂは、鋭利な先端部を形成して絶縁基板１０の表面１０ａに挿通させることにより接続されてもよい。

なお、図１３に示す構成においても、嵌合ピン２４ｂは、係止段部３９に係止させる他にも、例えば通気孔２３に圧入させてもよい。このとき通気孔２３は天面２２側に向かってテーパ状に拡径するテーパ部を形成してもよく、同様に嵌合ピン２４ｂも先端に向かって縮径するテーパ状に形成してもよい。あるいは、通気孔２３及び嵌合ピン２４ｂは、相互にねじ溝を形成して螺着させてもよい。また、通気孔２３及び嵌合ピン２４ｂは、一方にガイド凸部を形成し、他方に嵌合ピン２４ｂの挿入方向にわたってガイド凸部が摺動するガイド凹部を形成してもよい。

［参考例２］
ここで、本技術の参考例にかかる保護素子パッケージ３７の構成について図１４を参照しながら説明する。図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示す保護素子４０は、絶縁基板１０の裏面１０ｆにカバー部材４１の側面４２に形成された係止片４２ａが係止されたものである。カバー部材４１は、絶縁基板１０と略同等の内寸を有し、相対向する一対の側面４２には絶縁基板１０の裏面１０ｆに係止される係止片４２ａが形成されている。

カバー部材４１は、絶縁基板１０の表面１０ａ側から嵌め込み、係止片４２ａを絶縁基板１０の裏面１０ｆに係止することにより、素子外装体を構成する。また、保護素子４０は、カバー部材４１が絶縁基板１０に嵌め込まれることにより、天面４３と絶縁基板１０の表面１０ａとの間に可溶導体１３が溶融、流動する内部空間２５が形成される。

保護素子４０は、係止片４２ａが絶縁基板１０の裏面１０ｆに係止することにより、カバー部材４１と絶縁基板１０とが強固に接続されるため、リフロー実装や可溶導体１３の溶断時等に素子内部の気体が膨張した場合にも、内圧の上昇に対して十分な耐性を有する。したがって、保護素子４０は、内圧の上昇によるカバー部材４１の接続不良や破壊を防止することができる。

［回路基板］
次いで、保護素子１が実装される回路基板２について説明する。回路基板２は、例えばガラスエポキシ基板やガラス基板、セラミック基板等のリジッド基板や、フレキシブル基板等、公知の絶縁基板が用いられる。また、回路基板２は、図１、図２に示すように、保護素子１がリフロー等によって表面実装される実装部を有し、実装部内に保護素子１の絶縁基板１０の裏面１０ｆに設けられた外部接続電極１１ａ，１２ａ及び第２の発熱体電極１９と接続された外部接続電極１９ａとそれぞれ接続される接続電極が設けられている。なお、回路基板２は、保護素子１の発熱体１４に通電させるＦＥＴ等の素子が実装されている。

［回路モジュールの使用方法］
次いで、保護素子１及び保護素子１が回路基板２に表面実装された回路モジュール３の使用方法について説明する。図１５に示すように、回路モジュール３は、例えば、リチウムイオン二次電池のバッテリパック内の回路として用いられる。

たとえば、保護素子１は、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル５１〜５４からなるバッテリスタック５５を有するバッテリパック５０に組み込まれて使用される。

バッテリパック５０は、バッテリスタック５５と、バッテリスタック５５の充放電を制御する充放電制御回路６０と、バッテリスタック５５の異常時に充電を遮断する本発明が適用された保護素子１と、各バッテリセル５１〜５４の電圧を検出する検出回路５６と、検出回路５６の検出結果に応じて保護素子１の動作を制御する電流制御素子５７とを備える。

バッテリスタック５５は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル５１〜５４が直列接続されたものであり、バッテリパック５０の正極端子５０ａ、負極端子５０ｂを介して、着脱可能に充電装置６５に接続され、充電装置６５からの充電電圧が印加される。充電装置６５により充電されたバッテリパック５０の正極端子５０ａ、負極端子５０ｂをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、この電子機器を動作させることができる。

充放電制御回路６０は、バッテリスタック５５から充電装置６５に流れる電流経路に直列接続された２つの電流制御素子６１、６２と、これらの電流制御素子６１、６２の動作を制御する制御部６３とを備える。電流制御素子６１、６２は、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ。）により構成され、制御部６３によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック５５の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部６３は、充電装置６５から電力供給を受けて動作し、検出回路５６による検出結果に応じて、バッテリスタック５５が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子６１、６２の動作を制御する。

保護素子１は、たとえば、バッテリスタック５５と充放電制御回路６０との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が電流制御素子５７によって制御される。

検出回路５６は、各バッテリセル５１〜５４と接続され、各バッテリセル５１〜５４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路６０の制御部６３に供給する。また、検出回路５６は、いずれか１つのバッテリセル５１〜５４が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子５７を制御する制御信号を出力する。

電流制御素子５７は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路５６から出力される検出信号によって、バッテリセル５１〜５４の電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子１を動作させて、バッテリスタック５５の充放電電流経路を電流制御素子６１、６２のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。

以上のような構成からなるバッテリパック５０において、保護素子１の構成について具体的に説明する。

まず、本発明が適用された保護素子１は、図１６に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１は、発熱体引出電極１６を介して直列接続された可溶導体１３と、可溶導体１３の接続点を介して通電して発熱させることによって可溶導体１３を溶融する発熱体１４とからなる回路構成である。また、保護素子１では、たとえば、可溶導体１３が充放電電流経路上に直列接続され、発熱体１４が電流制御素子５７と接続される。保護素子１の第１の電極１１は、外部接続電極１１ａを介してバッテリスタック５５の開放端と接続され、第２の電極１２は、外部接続電極１２ａを介してバッテリパック５０の正極端子５０ａ側の開放端と接続される。また、発熱体１４は、発熱体引出電極１６を介して可溶導体１３と接続されることによりバッテリパック５０の充放電電流経路と接続され、また第２の発熱体電極１９及び外部接続電極を介して電流制御素子５７と接続される。

このようなバッテリパック５０は、保護素子１の発熱体１４が通電、発熱されると、可溶導体１３が溶融し、その濡れ性によって、発熱体引出電極１６上に引き寄せられる。その結果、保護素子１は、可溶導体１３が溶断することにより、確実に電流経路を遮断することができる。また、可溶導体１３が溶断することにより発熱体１４への給電経路も遮断されるため、発熱体１４の発熱も停止する。

また、バッテリパック５０は、充放電経路上に保護素子１の定格を超える予期しない大電流が流れた場合に、可溶導体１３が自己発熱（ジュール熱）により溶断することによって、電流経路を遮断することができる。

上述したように、保護素子１は、通気孔２４内が封止部材２４によって封止されているため、回路基板２へのリフロー実装時や、可溶導体１３の溶断時において素子内部の空気が膨張して内圧が高まった場合にも、カバー部材２０と絶縁基板１０との接続強度を高めることができ、カバー部材２０の絶縁基板１０からの剥離や損傷を防止することができる。

なお、本技術が適用された保護素子１は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電気信号による電流経路の遮断を必要とする様々な用途にももちろん適用可能である。また、本技術が適用された保護素子１は、発熱体１４を備えず、過電流時における自己発熱遮断のみを行うヒューズ素子として構成してもよい。

１ 保護素子、２ 回路基板、３ 回路モジュール、１０ 絶縁基板、１１ 第１の電極、１２ 第２の電極、１３ 可溶導体、１４ 発熱体、１５ 絶縁部材、１６ 発熱体引出電極、１７ フラックス、１８ 第１の発熱体電極、１９ 第２の発熱体電極、２０ カバー部材、２１ 側面、２２ 天面、２３ 通気孔、２４ 封止部材、２４ａ 熱硬化性樹脂、２４ｂ 嵌合ピン、２５ 内部空間、２６ 接着剤、２７ 隔壁、２８ 構造体、３１ 張出し部、３２ テーパ部、３３ 隔壁部材、３３ａ 隔壁側面、３３ｂ 隔壁天面、３５ 保護素子、３６ インターポーザ基板、３７ 保護素子パッケージ、３８ カバー部材、３９ 係止段部、４０ 保護素子、４１ カバー部材、４２ 側面、４２ａ 係止片、４３ 天面、５０ バッテリパック、５１〜５４ バッテリセル、５５ バッテリスタック、５６ 検出回路、５７ 電流制御素子、６０ 充放電制御回路、６１ 電流制御素子、６２ 電流制御素子、６３ 制御部、６５ 充電装置

Claims (11)

1. 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、
   上記第１、第２の電極間に跨って配置された可溶導体と、
   上記絶縁基板の上記可溶導体が配置された一面側に配置されたカバー部材とを備え、
   上記可溶導体が配置された内部空間を素子外部に臨ませる通気孔が設けられ、
   上記通気孔が封止部材により封止され、
   上記封止部材は、リフロー温度よりも低いガラス転移点を有する樹脂である保護素子。
2. 上記樹脂のガラス転移点は、１００℃以上である請求項１に記載の保護素子。
3. 上記封止部材として、上記樹脂に加えて、上記通気孔に嵌合される嵌合部材を用いた請求項１に記載の保護素子。
4. 上記通気孔は上記カバー部材に設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
5. 上記通気孔は、内側面に上記通気孔内部に張り出す張出し部が設けられている請求項４に記載の保護素子。
6. 上記通気孔は、内側面が断面視でテーパ状に形成されたテーパ部が設けられている請求項４に記載の保護素子。
7. 上記カバー部材の内部に、上記内部空間を形成する隔壁部材を有し、上記カバー部材と上記隔壁部材との間に上記樹脂が充填される請求項１又は２に記載の保護素子。
8. 上記カバー部材の天面と上記隔壁部材の天面との間に上記樹脂が充填される請求項７に記載の保護素子。
9. 天面が設けられていないカバー部材を用い、
   上記隔壁部材の天面上に上記樹脂が充填される請求項７に記載の保護素子。
10. 保護素子と、
    上記保護素子が表面実装された回路基板とを有し、
    上記保護素子は、
    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、
    上記第１、第２の電極間に跨って配置された可溶導体と、
    上記絶縁基板の上記可溶導体が配置された一面側に配置されたカバー部材とを備え、
    上記可溶導体が配置された内部空間を素子外部に臨ませる通気孔が設けられ、
    上記通気孔が封止部材により封止され、
    上記封止部材は、リフロー温度よりも低いガラス転移点を有する樹脂である回路モジュール。
11. 絶縁基板上に第１、第２の電極を形成し、上記第１、第２の電極間に跨って可溶導体を配置し、
    上記絶縁基板上に、熱硬化性樹脂を介してカバー部材を搭載し、上記可溶導体が配置された内部空間を素子外部に臨ませる通気孔を有する構造体を形成し、
    上記構造体を加熱することにより上記カバー部材を上記絶縁基板上に接続し、
    上記通気孔を封止部材で封止する保護素子の製造方法。

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