JP7050019B2

JP7050019B2 - 保護素子

Info

Publication number: JP7050019B2
Application number: JP2019035079A
Authority: JP
Inventors: 真之松本; 修一掘; 理大岡本
Original assignee: Schott Japan Corp
Current assignee: Schott Japan Corp
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2022-04-07
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: JP2020140845A

Description

本発明は、電気・電子機器の保護素子に関する。

近年、モバイル機器など小型電子機器の急速な普及に伴い、搭載する電源の保護回路に実装される保護素子も小型薄型のものが使用されている。例えば、二次電池パックの保護回路には、表面実装部品（ＳＭＤ）のチップ保護素子が好適に利用される。これらチップ保護素子には、被保護機器の過電流により生ずる過大発熱を検知し、または周囲温度の異常過熱に感応して、所定条件でヒューズを作動させ電気回路を遮断する非復帰型保護素子がある。該保護素子は、機器の安全を図るために、保護回路が機器に生ずる異常を検知すると信号電流により抵抗素子を発熱させ、その発熱で可融性の合金材からなるヒューズ素子を溶断させて回路を遮断するか、あるいは過電流によってヒューズ素子を溶断させて回路を遮断できる。特開２０１３－２３９４０５号公報（特許文献１）には、異常時に発熱する抵抗素子をセラミックス基板などの絶縁基板上に設けた保護素子が開示されている。

現在、上述した保護素子のヒューズ素子を構成する可溶合金は、改正ＲｏＨＳ指令などの化学物質の規制強化により鉛フリー化が進んでいる。特開２０１５－０７９６０８号公報（特許文献２）に記載されるように、無鉛金属複合材のヒューズ素子であって、この保護素子を外部回路板に表面実装する際のはんだ付け作業温度において、溶融可能な易融性の低融点金属材と、前記はんだ付け作業温度で液相の低融点金属材に溶解可能な固相の高融点金属材とから成り、低融点金属材と高融点金属材とを一体成形することで、液相化した低融点金属材を固相の高融点金属材ではんだ付け作業が終わるまで保持することを特徴とするヒューズ素子がある。このヒューズ素子の低融点金属材と高融点金属材とは互いに固着成形され、はんだ付け作業の熱で液相化した低融点金属材を上記はんだ付け作業温度で固相の高融点金属材で、溶断しないように保持しながら、液相の低融点金属材でヒューズ素子を保護素子の電極パターンに接合できるようにし工夫されている。さらに、この保護素子を回路基板に表面実装する際のはんだ付け作業温度においてヒューズ素子が溶断するのを防止している。この保護素子は内蔵してる抵抗素子を発熱させ、その熱でヒューズ素子の高融点金属材を、媒質である低融点金属材中に拡散または溶解させて溶断動作するようなっている。

これら保護素子は被保護デバイスの異常を検知してメイン回路の電流を遮断する働きをするため、保護素子の電極間抵抗値は、ヒューズ動作前はできるだけ小さく極力通電のロスが無いように、ヒューズ動作後の遮断時はできるだけ大きい絶縁抵抗値を示すようになっていることが好ましい。上述した従来の保護素子の内部抵抗値は、ヒューズ素子を取付けた電極間に橋設された可溶合金の電気導電度によって決まっていた。しかし、可溶合金の電気導電度は、銀や銅などの導体金属よりも劣ってしまうため、従来は特開２０１５－０７９６０８号公報（特許文献２）に記載されるように可溶合金の表面に銀や銅の高融点金属材を被覆するか、特開２０１７－２２８３７９号公報（特許文献３）に記載されるように電極基板上に、溶融した可溶合金に可溶性の銀または銀合金の焼結電極からなるバイパス電極を設ける必要があった。しかし銀や銅の高融点金属材は銀または銀合金の焼結電極材は保護素子の発熱体の加熱のみでは溶融できず、可溶合金に溶解させ切る必要があり、これが残った場合には、ヒューズ動作不良やヒューズ動作後における絶縁抵抗値の低下につながるおそれがある。

特許文献１：特開２０１３－２３９４０５号公報
特許文献２：特開２０１５－０７９６０８号公報
特許文献３：特開２０１７－２２８３７９号公報

本発明は、保護素子の化学物質規制に対応しながら、ヒューズ素子を取付けた電極間にヒューズ素子の溶融を補助または溶融残りが生じる心配が無いようにヒューズ動作時の遮断安定性を向上させ、かつヒューズ動作前の通電ロスが少なくなるように内部抵抗値を低減した電気・電子機器の保護素子を提供する。

本発明によると、絶縁基板に発熱素子と少なくとも一対の主電極と発熱素子の通電電極とが設けられており、第１の低融点合金からなり主電極と通電電極との間の隙間を埋めて低融点合金を増量する拡張合金部と、第２の低融点合金と第１および第２の低融点合金よりも固相線温度が高い高融点金属材との複合材からなり主電極と通電電極と拡張合金部の上に設けたヒューズ素子とを有し、高融点金属材は主電極と通電電極および拡張合金部とに当接しないように設けたことを特徴とする保護素子が提供される。上記ヒューズ素子は、第２の低融点合金と高融点金属材とで構成されており、第１および第２の低融点合金が溶融すると協働して高融点金属材を溶かして溶断することができる。主電極と通電電極との電極間に第１の低融点合金からなる拡張合金部を設けることで、少なくともヒューズ素子を完全に溶断させねばならない電極間部において、低融点合金の量を集中的に増やして高融点金属材を溶解させることでヒューズ素子の溶断を確実にすると共に、ヒューズ素子の全体の厚みを減じ保護素子の低背化にも寄与する。さらに第１の低融点合金が主電極と通電電極との間の隙間を埋めていることで、ヒューズ動作前における保護素子の内部抵抗値を低減することができる。

本発明の一実施形態によれば、ヒューズ動作時において通電をより確実に遮断することができる。

本発明の保護素子１０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ－ｄ線に沿ってキャップ状蓋体を切断した平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＤ－Ｄ線に沿った断面図を示し、（ｃ）はその下面図を示す。本発明の保護素子２０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ－ｄ線に沿ってキャップ状蓋体を切断した平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＤ－Ｄ線に沿った断面図を示し、（ｃ）はその下面図を示す。

本発明に係る保護素子１０は、図１に示すように、絶縁基板１１に発熱素子１２と少なくとも一対の主電極１３と発熱素子１２の通電電極１４とが設けられており、第１の低融点合金からなり主電極１３と通電電極１４との間の隙間を埋めて低融点合金の量を増やす拡張合金部１５と、第２の低融点合金１６と第１および第２の低融点合金よりも固相線温度が高い高融点金属材１７との複合材からなり主電極１３と通電電極１４と拡張合金部１５の上に設けたヒューズ素子１００とを有し、高融点金属材１７は主電極１３と通電電極１４および拡張合金部１５とに当接しないように設けたことを特徴とする。主電極１３および通電電極１４は、動作時に開成するように設けられており、ヒューズ素子１００は、第２の低融点合金１６と高融点金属材１７とで構成されており、第１および第２の低融点合金１６が溶融することで、第１の低融点合金からなる拡張合金部１５と第２の低融点合金１６とに高融点金属材１７を溶かし込んでヒューズ動作する。第１および第２の低融点合金は、発熱素子１２の加熱で溶融しかつ高融点金属材１７を溶解可能な無鉛の易融金属であれば何れの合金を用いてもよく、特に限定されないが、第１および第２の低融点合金の一例として、Ａｇを３～４質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ合金、Ｃｕを０．５～０．７質量％さらに必要に応じてＡｇを０～１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ｃｕ－Ａｇ合金（但し銀は必須ではない）、Ａｇを３～４質量％さらにＣｕを０．５～１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金、Ｂｉを１０～６０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ｂｉ合金および９６．５Ｓｎ－３．５Ａｇ合金、９９．２５Ｓｎ－０．７５Ｃｕ合金、９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金、９５．５Ｓｎ－４Ａｇ－０．５Ｃｕ合金、４２Ｓｎ－５８Ｂｉ合金などの無鉛錫系はんだ材が利用できる。（合金材の係数は元素の質量％を示す。）なお、拡張合金部（第１の低融点合金）１５と第２の低融点合金１６は、互いに異なる組成の物または同一組成の物の何れを採用してもよい。拡張合金部（第１の低融点合金）１５は一様一体の金属材からなる。高融点金属材１７は、発熱素子１２の加熱によって第１および第２の低融点合金に溶解する金属材であれば何れの金属材を用いてもよく、特に限定されないが、高融点金属材１７の一例として、銀、銅またはこれらを含む合金が好適に利用できる。例えば銀合金として、Ａｇを２５～４０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ合金などの無鉛錫系はんだ材が利用できる。拡張合金部１５は、少なくとも主電極１３と通電電極１４とを橋設したヒューズ素子１００の電極橋設部において、第２の低融点合金１６の前記両電極間の下面全面に隙間なく接触させて設ける。

本発明に係る実施例１の保護素子１０は、図１に示すように、アルミナ製絶縁基板１１の下面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子１２と、絶縁基板１１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極１３と、絶縁基板１１の上面に発熱素子１２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極１４とが設けられており、ハンダペーストを加熱して前記電極間に設けた９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金の第１の低融点合金からなる拡張合金部１５と、主電極１３と通電電極１４と拡張合金部１５の上に設けた９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金製の第２の低融点合金１６と銀製の高融点金属材１７との複合材からなるヒューズ素子１００とを有し、ヒューズ素子１００を構成する高融点金属材１７は主電極１３と通電電極１４および拡張合金部１５とに当接しないように設けられており、さらに、図示しないがヒューズ素子１００を覆って塗布した動作用フラックスと、ヒューズ素子１００と動作用フラックスとを覆って絶縁基板１１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体１８とで構成される。発熱素子１２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施しており、拡張合金部１５は、その平面端面が主電極１３と通電電極１４の電極平面と平坦になるまで充填されている。絶縁基板１１の上面に設けた主電極１３と通電電極１４は、基板下面の通電電極１４とパターン電極１９に電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段１１０を有する。銀製の高融点金属材１７は、Ａｇを２５～４０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ合金に変更することができる。

本発明に係る実施例２の保護素子２０は、実施例１の保護素子１０を変形したもので、図２に示すように、アルミナ製絶縁基板２１の上面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子２２と、絶縁基板２１の上面に設けた一対の焼結銀製の主電極２３と、絶縁基板２１の上面に発熱素子２２への通電に用いられる焼結銀製の通電電極２４とが設けられており、ハンダペーストを加熱して前記電極間に設けた９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金の第１の低融点合金からなる拡張合金部２５と、主電極２３と通電電極２４と拡張合金部２５の上に設けた９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金製の第２の低融点合金２６と７０Ｓｎ－３０Ａｇ合金製の高融点金属材２７との複合材からなるヒューズ素子２００とを有し、ヒューズ素子２００を構成する高融点金属材２７は主電極２３と通電電極２４および拡張合金部２５とに当接しないように設けられており、さらに、図示しないがヒューズ素子２００を覆って塗布した動作用フラックスと、ヒューズ素子２００と動作用フラックスとをさらに覆って絶縁基板２１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体２８とで構成される。発熱素子２２は、表面にガラスグレーズ（保護絶縁膜）を施しており、拡張合金部２５は、その平面端面が該当電極間の発熱素子２２を覆って主電極２３と通電電極２４の電極平面と平坦になるまで充填されている。絶縁基板２１の上面に設けた主電極２３と通電電極２４は、基板下面のパターン電極２９に電気接続する焼結銀製ハーフ・スルーホールの配線手段２１０を有する。実施例２の保護素子の発熱素子２２は、ヒューズ素子２００が設けられた絶縁基板２１の基板面（上面）と同一の基板面（上面）に設けられている。

実施例１および実施例２の保護素子は、主電極および通電電極とパターン電極とを絶縁基板を隔てて電気接続する配線手段は、ハーフ・スルーホールに替えて該基板を貫通した導体スルーホールや、平面電極パターンによる表面配線に変更してもよい。高融点金属材は、銀または銅に替えて少なくとも銀、銅の何れかまたは両方を含む錫基合金を利用できる。

本発明の保護素子は、リフローはんだ付けにより他の回路基板に実装することができ、電池パックなど２次電池の保護装置に利用できる。

保護素子１０，２０、絶縁基板１１，２１、発熱素子１２，２２、主電極１３，２３、通電電極１４，２４、拡張合金部（第１の低融点合金）１５，２５、第２の低融点合金１６，２６、高融点金属材１７, ２７、蓋体１８，２８、パターン電極１９，２９、ヒューズ素子１００，２００、配線手段１１０，２１０。

Claims

絶縁基板に発熱素子と少なくとも一対の主電極と発熱素子の通電電極とが設けられており、第１の低融点合金からなり主電極と通電電極との間の隙間を埋めて低融点合金を増量する拡張合金部と、第２の低融点合金と第１および第２の低融点合金よりも固相線温度が高い高融点金属材との複合材からなり主電極と通電電極と拡張合金部の上に設けた無鉛錫系はんだ材からなるヒューズ素子とを有し、高融点金属材は主電極と通電電極および拡張合金部とに当接しないように設け、かつ前記拡張合金部は、前記第２の低融点合金と同一の組成からなり、少なくとも前記主電極と前記通電電極とを橋設した前記ヒューズ素子の電極橋設部において、第２の低融点合金の前記両電極間の下面全面に隙間なく接触させて設けたことを特徴とする保護素子。
前記第１および第２の低融点合金は、溶融すると協働して前記高融点金属材を溶かして溶断する請求項１に記載の保護素子。
前記高融点金属材は前記第１および第２の低融点合金に溶解する金属材で構成された請求項１または請求項２に記載の保護素子。
前記高融点金属材は、銀、銅またはこれらを含む合金の何れか１つの金属導体である請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の保護素子。
前記合金は、少なくとも銀、銅の何れかまたは両方を含む錫基合金である請求項４に記載の保護素子。
前記第１および第２の低融点合金は、Ａｇを３～４質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ合金、Ｃｕを０．５～０．７質量％さらに必要に応じてＡｇを０～１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ｃｕ－Ａｇ合金、Ａｇを３～４質量％さらにＣｕを０．５～１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金、Ｂｉを１０～６０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ｂｉ合金から選択された合金材である請求項１ないし請求項５の何れか１つに記載の保護素子。
前記第１および第２の低融点合金は、９６．５Ｓｎ－３．５Ａｇ合金、９９．２５Ｓｎ－０．７５Ｃｕ合金、９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金、９５．５Ｓｎ－４Ａｇ－０．５Ｃｕ合金、４２Ｓｎ－５８Ｂｉ合金から選択された合金材である請求項６に記載の保護素子。
絶縁基板の下面に設けた発熱素子と、前記絶縁基板の上面に設けた少なくとも一対の主電極と、前記絶縁基板の上面に設けられ前記発熱素子への通電に用いられる通電電極と、前記主電極と前記通電電極との電極間に設けた第１の低融点合金からなる拡張合金部と、前記主電極と前記通電電極と前記拡張合金部との上に設けた無鉛錫系はんだ材からなる第２の低融点合金と前記第１および第２の低融点合金よりも固相線温度が高い無鉛錫系はんだ材からなる高融点金属材との複合材からなるからなるヒューズ素子とを有し、前記高融点金属材は、前記主電極と前記通電電極および前記拡張合金部とに当接しないように設け、かつ前記拡張合金部は、前記第２の低融点合金と同一の組成からなり、少なくとも前記主電極と前記通電電極とを橋設した前記ヒューズ素子の電極橋設部において、第２の低融点合金の前記両電極間の下面全面に隙間なく接触させて設けられており、さらに前記ヒューズ素子を覆って塗布した動作用フラックスと、前記ヒューズ素子と前記動作用フラックスとを覆って前記絶縁基板に固着した蓋体とで構成されたことを特徴とする保護素子。
前記第１および第２の低融点合金は、溶融すると協働して前記高融点金属材を溶かして溶断する請求項８に記載の保護素子。
前記高融点金属材は前記第１および第２の低融点合金に溶解する金属材で構成された請求項８または請求項９に記載の保護素子。
前記高融点金属材は、銀、銅またはこれらを含む合金の何れか１つの金属導体である請求項８ないし請求項１０の何れか１つに記載の保護素子。
前記合金は、少なくとも銀、銅の何れかまたは両方を含む錫基合金である請求項１１に記載の保護素子。
前記第１および第２の低融点合金は、Ａｇを３～４質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ合金、Ｃｕを０．５～０．７質量％さらに必要に応じてＡｇを０～１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ｃｕ－Ａｇ合金、Ａｇを３～４質量％さらにＣｕを０．５～１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金、Ｂｉを１０～６０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ｂｉ合金から選択された合金材である請求項８ないし請求項１２の何れか１つに記載の保護素子。
前記第１および第２の低融点合金は、９６．５Ｓｎ－３．５Ａｇ合金、９９．２５Ｓｎ－０．７５Ｃｕ合金、９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金、９５．５Ｓｎ－４Ａｇ－０．５Ｃｕ合金、４２Ｓｎ－５８Ｂｉ合金から選択された合金材である請求項１３に記載の保護素子。
絶縁基板の上面に設けた発熱素子と、前記絶縁基板の上面に設けた少なくとも一対の主電極と、前記絶縁基板の上面に設けられ前記発熱素子への通電に用いられる通電電極と、前記主電極と前記通電電極との電極間に設けた第１の低融点合金からなる拡張合金部と、前記主電極と前記通電電極と前記拡張合金部との上に設けた無鉛錫系はんだ材からなる第２の低融点合金と前記第１および第２の低融点合金よりも固相線温度が高い無鉛錫系はんだ材からなる高融点金属材との複合材からなるヒューズ素子とを有し、前記高融点金属材は、前記主電極と前記通電電極および前記拡張合金部とに当接しないように設け、かつ前記拡張合金部は、前記第２の低融点合金と同一の組成からなり、少なくとも前記主電極と前記通電電極とを橋設した前記ヒューズ素子の電極橋設部において、第２の低融点合金の前記両電極間の下面全面に隙間なく接触させて設けられており、さらに前記ヒューズ素子を覆って塗布した動作用フラックスと、前記ヒューズ素子と前記動作用フラックスとを覆って前記絶縁基板に固着した蓋体とで構成されたことを特徴とする保護素子。
前記第１および第２の低融点合金は、溶融すると協働して前記高融点金属材を溶かして溶断する請求項１５に記載の保護素子。
前記高融点金属材は前記第１および第２の低融点合金に溶解する金属材で構成された請求項１５または請求項１６に記載の保護素子。
前記高融点金属材は、銀、銅またはこれらを含む合金の何れか１つの金属導体である請求項１５ないし請求項１７の何れか１つに記載の保護素子。
前記合金は、少なくとも銀、銅の何れかまたは両方を含む錫基合金である請求項１８に記載の保護素子。
前記第１および第２の低融点合金は、Ａｇを３～４質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ合金、Ｃｕを０．５～０．７質量％さらに必要に応じてＡｇを０～１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ｃｕ－Ａｇ合金、Ａｇを３～４質量％さらにＣｕを０．５～１質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金、Ｂｉを１０～６０質量％含有し残部がＳｎからなるＳｎ－Ｂｉ合金から選択された合金材である請求項１５ないし請求項１９の何れか１つに記載の保護素子。
前記第１および第２の低融点合金は、９６．５Ｓｎ－３．５Ａｇ合金、９９．２５Ｓｎ－０．７５Ｃｕ合金、９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金、９５．５Ｓｎ－４Ａｇ－０．５Ｃｕ合金、４２Ｓｎ－５８Ｂｉ合金から選択された合金材である請求項２０に記載の保護素子。