JP7344857B2

JP7344857B2 - 保護素子

Info

Publication number: JP7344857B2
Application number: JP2020156078A
Authority: JP
Inventors: 憲之前田; 理大岡本; 慎太郎中島; 真之松本; 修一掘
Original assignee: Schott Japan Corp
Current assignee: Schott Japan Corp
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2023-09-14
Anticipated expiration: 2040-09-17
Also published as: JP2022049835A

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。前記保護素子は、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エレメント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エレメント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）に記載されるような、ヒューズエレメントを溶断させる発熱素子を絶縁基板上に設けた保護素子がある。

これらの保護素子は、ヒューズエレメントの正常な溶断を保障するため、ヒューズ合金の表面に動作フラックスを塗布し溶断するまで表面に保持しておく必要がある。動作フラックスは、変性ロジン樹脂に活性剤やチクソ剤などの化学剤を配合したコーティング材であって、加熱溶断時にヒューズ合金の金属酸化物と反応してこれを還元させる働きをする。溶断動作時は前記還元反応によってＣＯ_２、Ｈ_２Ｏなどのガスが生成する。近年、保護素子は小型薄型化しておりヒューズエレメントも小さな薄板状のものが多くなって来ている。このような小型薄板状のヒューズエレメントを搭載した保護素子においては、ヒューズエレメントが上記還元生成ガスの影響を強く受けてしまい、液状となったフラックスから発生する気泡の振動や膨張によってヒューズ合金の塗布表面からフラックスが流出し失われてしまうことがあった。その結果、ヒューズ合金の正常な溶断が妨げられることがあった。

特開２０１３－２３９４０５号公報

保護素子のヒューズエレメントは、絶縁基板に設けた一対の主電極と、発熱素子の通電電極とをそれぞれ接続できるように各電極を覆うように設けられている。特に電極周辺部は、大部分がヒューズエレメントに覆われおり、かつ主電極に挟まれているので、フラックスから生成したガスが滞留しやすい構成となっている。このため、ヒューズエレメントに塗布されたフラックスの生成ガスの気泡により、ヒューズエレメントの板面が振動したり、ヒューズエレメントが所定位置より移動したりすることがあった。このようなヒューズエレメント板面の不規則な運動は、加熱によって流動性が増したフラックスがヒューズエレメントの塗布面から脱落ないし流失してしまう恐れがあり好ましくない。

本発明は、保護素子のフラックスから生成するガスの影響を軽減して、フラックスがヒューズ合金表面から流出し難いようにした電気・電子機器の保護素子を提供する。

本発明によると、可溶体のヒューズエレメントを用いた保護素子および保護装置において、排気路を設けたことを特徴とする保護素子が提供される。前記排気路は、フラックス由来の生成ガスが滞留せず抜けやすいようにする。本発明に係る保護素子は、絶縁体に設けた２つ以上の主電極と、前記絶縁体に設けた発熱体と、前記発熱体に通電するために設けた通電電極と、主電極と通電電極の間を電気接続したヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントに塗布した動作フラックスとを備え、前記主電極または通電電極またはヒューズエレメントまたは絶縁体の何れか１つ以上に排気路を有する。前記排気路は、ヒューズエレメントの表面に塗布した動作フラックスから発生したガスの排出路を形成できればよく、その手段は特に限定されないが、例えば、主電極または通電電極またはヒューズエレメントまたは絶縁体の絶縁基板に溝を設けて形成しても、これらにスリット状等の切れ込みまたは貫通孔を設けて形成してもよい。前記手段は互いに組み合わせてもよい。

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でヒューズエレメントは隠れた部分が判るように半透過で描いてある、（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でヒューズエレメントは隠れた部分が判るように半透過で描いてある、（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３０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でヒューズエレメントは隠れた部分が判るように半透過で描いてある、（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４０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でヒューズエレメントは隠れた部分が判るように半透過で描いてある、（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５０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でヒューズエレメントは隠れた部分が判るように半透過で描いてある、（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は、主電極と発熱体とを設けた絶縁体と、前記発熱体に通電するために前記絶縁体に設けた通電電極と、前記主電極と前記通電電極の間を電気接続したヒューズエレメントとを備え、前記主電極、前記通電電極、前記ヒューズエレメント、または前記絶縁体の何れか１つ以上に排気路を設けたことを特徴とする。前記ヒューズエレメントには動作フラックスが塗布されている。前記排気路は、前記ヒューズエレメントの表面に塗布した動作フラックスから発生したガスを排出できればよい。例えば、主電極または通電電極あるいはヒューズエレメントまたは前記絶縁体の何れか１つ以上に溝またはスリット、切欠部または貫通孔を設けて形成してもよい。

一例として、図１に示す保護素子１０のように、絶縁体を構成する絶縁基板１１の片面に設けた発熱体を構成する発熱素子１２と、絶縁基板１１のもう一方の面に設けた主電極１３と発熱素子１２の通電電極１４と、主電極１３と通電電極１４の間を電気接続したヒューズエレメント１５とを備え、主電極１３と通電電極１４の一部に設けた切欠部からなる排気路１６を有する。発熱体の発熱素子１２は、主電極４３と通電電極４４とは異なった絶縁基板１１の板面に設けられている。ヒューズエレメント１５は、可溶体１５ａとはんだ層１５ｂからなり、主電極１３と通電電極１４にはんだ付け接合されており動作フラックス１７が塗布されている。排気路１６は、ヒューズエレメント１５の裏面にトンネル状の穴を形成して動作フラックス１７から発生したガスを排出する。ヒューズエレメント１５は、その上部を覆ってキャップ状の蓋体１００が取り付けられている。主電極１３および通電電極１４は、外部部品と接続するために絶縁基板１１の反対面に設けられたランド電極１１０に基板側面のハーフ・スルーホール１２０で接続されている。

保護素子１０は、図２の保護素子２０のように変形してもよい。保護素子２０は、絶縁基板２１の片面に設けた発熱素子２２と、絶縁基板２１のもう一方の面に設けた主電極２３と発熱素子２２の通電電極２４と、主電極２３と通電電極２４の間を電気接続したヒューズエレメント２５とを備え、主電極２３および通電電極２４は、切欠部からなる排気路２６ａを有し、ヒューズエレメント２５は、その一部を切り欠いて設けた排気路２６ｂを有する。ヒューズエレメント２５は、可溶体２５ａとはんだ層２５ｂからなり、主電極２３と通電電極２４にはんだ付け接合されており動作フラックス２７が塗布されている。排気路２６ａは、ヒューズエレメント２５の裏面にトンネル状の穴を形成し、このトンネルを通してヒューズエレメント２５の裏面に滞留した動作フラックス２７由来のガスを排出する。排気路２６ｂは、ヒューズエレメント２５に設けた切り欠き部から動作フラックス２７から発生したガスを排気する。ヒューズエレメント２５は、その上部を覆ってキャップ状の蓋体２００が取り付けられている。主電極２３および通電電極２４は、外部部品と接続するために絶縁基板２１の反対面に設けられたランド電極２１０に基板側面のハーフ・スルーホール２２０で接続されている。

保護素子１０は、さらに図３の保護素子３０に変形できる。保護素子３０は、絶縁基板３１の片面に設けた発熱素子３２と、絶縁基板３１のもう一方の面に設けた主電極３３と発熱素子３２の通電電極３４と、主電極３３と通電電極３４の間を電気接続したヒューズエレメント３５とを備え、通電電極３４は、切欠部からなる溝状の排気路３６ａと絶縁基板３１を貫通した貫通孔からなる排気路３６ｃとを有し、主電極３３は、絶縁基板３１の板面を貫通した貫通孔からなる排気路３６ｃを有する。ヒューズエレメント３５は、可溶体３５ａとはんだ層３５ｂからなり、主電極３３と通電電極３４にはんだ付け接合されており動作フラックス３７が塗布されている。排気路３６ａは、ヒューズエレメント３５の裏面にトンネル状の穴を形成し、このトンネルを通してヒューズエレメント３５の裏面に滞留した動作フラックス３７由来のガスを排出する。排気路３６ｃは、絶縁基板３１に設けた貫通孔で形成され動作フラックス３７から発生したガスを排気する。ヒューズエレメント３５は、その上部を覆ってキャップ状の蓋体３００が取り付けられている。主電極３３および通電電極３４は、外部部品と接続するために絶縁基板３１の反対面に設けられたランド電極３１０に基板側面のハーフ・スルーホール３２０で接続されている。

もう一つの例として、図４に示す保護素子４０のように、絶縁体を構成する絶縁基板４１の片面に設けた発熱体を構成する発熱素子４２と、発熱素子４２と同一の面に設けた主電極４３と発熱素子４２の通電電極４４と、主電極４３と通電電極４４の間を電気接続したヒューズエレメント４５とを備え、主電極４３と通電電極４４の一部に設けた切欠部からなる排気路４６を有する。発熱体の発熱素子４２と主電極４３と通電電極４４は、絶縁体の絶縁基板４１の同じ板面に設けられている。ヒューズエレメント４５は、可溶体４５ａとはんだ層４５ｂからなり、主電極４３と通電電極４４にはんだ付け接合されており動作フラックス４７が塗布されている。排気路４６は、ヒューズエレメント４５の裏面にトンネル状の穴を形成して動作フラックス４７から発生したガスを排出する。ヒューズエレメント４５は、その上部を覆ってキャップ状の蓋体４００が取り付けられている。主電極４３および通電電極４４は、外部部品と接続するために絶縁基板４１の反対面に設けられたランド電極４１０に基板側面のハーフ・スルーホール４２０で接続されている。

保護素子４０は、図５の保護素子５０のように変形してもよい。保護素子５０は、絶縁基板５１の片面に設けた発熱素子５２と、発熱素子５２と同一の面に設けた主電極５３と発熱素子５２の通電電極５４と、主電極５３と通電電極５４の間を電気接続したヒューズエレメント５５とを備え、主電極５３および通電電極５４は、切欠部からなる排気路５６ａを有し、ヒューズエレメント５５は、その一部を切り欠いて設けた排気路５６ｂを有する。ヒューズエレメント５５は、可溶体５５ａとはんだ層５５ｂからなり、主電極５３と通電電極５４にはんだ付け接合されており動作フラックス５７が塗布されている。排気路５６ａは、ヒューズエレメント５５の裏面にトンネル状の穴を形成し、このトンネルを通してヒューズエレメント５５の裏面に滞留した動作フラックス５７由来のガスを排出する。排気路５６ｂは、ヒューズエレメント５５に設けた切り欠き部から動作フラックス５７から発生したガスを排気する。ヒューズエレメント５５は、その上部を覆ってキャップ状の蓋体５００が取り付けられている。主電極５３および通電電極５４は、外部部品と接続するために絶縁基板５１の反対面に設けられたランド電極５１０に基板側面のハーフ・スルーホール５２０で接続されている。

本発明の排気路は、ヒューズエレメントの周囲（ヒューズエレメントの下部など）に滞留したガスが排出できればよく、その手段は特に限定されない。例えば、主電極または通電電極またはヒューズエレメントまたは絶縁基板に溝を設けて形成しても、これらにスリット状等の切れ込みまたは貫通孔を設けて形成してもよい。前記手段は互いに組み合わせてもよい。

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の下側板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の上側板面に設けた一対の焼結銀合金製の主電極１３と、絶縁基板１１の上側板面に発熱素子１２への通電に用いられる焼結銀合金製の通電電極１４とが設けられており、主電極１３と通電電極１４の上にはんだ接合したヒューズエレメント１５とを備え、主電極１３と通電電極１４に溝を設けて形成した排気路１６を有する。ヒューズエレメント１５は、９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金製の可溶体１５ａと接合用はんだ層１５ｂからなり動作フラックス１７が塗布されている。排気路１６は、ヒューズエレメント１５の裏面にトンネル状の穴を形成して動作フラックス１７から発生したガスを排出する。ヒューズエレメント１５と動作フラックス１７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１００が取り付けられている。主電極１３および通電電極１４は、外部部品と接続するために絶縁基板１１の下側板面に設けられた結銀合金製のランド電極１１０に基板側面の結銀合金製ハーフ・スルーホール１２０で接続されている。

本発明に係る実施例２の保護素子２０は、図２に示すように、アルミナ製絶縁基板２１の下側板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の上側板面に設けた焼結銀合金製の主電極２３と、絶縁基板２１の上側板面に発熱素子２２への通電に用いられる焼結銀合金製の通電電極２４とが設けられており、主電極２３と通電電極２４の上にはんだ接合したヒューズエレメント２５とを備え、主電極２３および通電電極２４は、電極に溝を設けて形成した排気路２６ａを有し、ヒューズエレメント２５は、その一部を切り欠いて設けた排気路２６ｂを有する。ヒューズエレメント２５は、９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金製の可溶体２５ａと接合用はんだ層２５ｂからなり動作フラックス２７が塗布されている。排気路２６ａは、ヒューズエレメント２５の裏面にトンネル状の穴を形成し、このトンネルを通してヒューズエレメント２５の裏面に滞留した動作フラックス２７由来のガスを排出する。排気路２６ｂは、ヒューズエレメント２５に設けた切り欠き部から動作フラックス２７から発生したガスを排気する。ヒューズエレメント２５と動作フラックス２７とを覆って絶縁基板２１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体２００が取り付けられている。主電極２３および通電電極２４は、外部部品と接続するために絶縁基板２１の下側板面に設けられた結銀合金製のランド電極２１０に基板側面の結銀合金製ハーフ・スルーホール２２０で接続されている。

本発明に係る実施例３の保護素子３０は、図３に示すように、アルミナ製絶縁基板３１の下側板面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子３２と、絶縁基板３１の上側板面に設けた焼結銀合金製の主電極３３と、絶縁基板３１の上側板面に発熱素子３２への通電に用いられる焼結銀合金製の通電電極３４とが設けられており、主電極３３と通電電極３４の上にはんだ接合したヒューズエレメント３５とを備え、通電電極３４は、電極に溝を設けて形成した排気路３６ａと絶縁基板３１を貫通した貫通孔からなる排気路３６ｃとを有し、主電極３３は、絶縁基板３１を貫通した貫通孔からなる排気路３６ｃを有する。ヒューズエレメント３５は、９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金製の可溶体３５ａと接合用はんだ層３５ｂからなり動作フラックス３７が塗布されている。排気路３６ａは、ヒューズエレメント３５の裏面にトンネル状の穴を形成し、このトンネルを通してヒューズエレメント３５の裏面に滞留した動作フラックス３７由来のガスを排出する。排気路３６ｃは、絶縁基板３１に設けた貫通孔で形成され動作フラックス３７から発生したガスを排気する。ヒューズエレメント３５と動作フラックス３７とを覆って絶縁基板３１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体３００が取り付けられている。主電極３３および通電電極３４は、外部部品と接続するために絶縁基板３１の下側板面に設けられた結銀合金製のランド電極３１０に基板側面の結銀合金製ハーフ・スルーホール３２０で接続されている。

本発明に係る実施例４の保護素子４０は、図４に示すように、アルミナ製絶縁基板４１の上側板面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子４２と、絶縁基板４１の上側板面に設けた焼結銀合金製の主電極４３と、絶縁基板４１の上側板面に発熱素子４２への通電に用いられる焼結銀合金製の通電電極４４とが設けられており、主電極４３と通電電極４４の上にはんだ接合したヒューズエレメント４５とを備え、主電極４３と通電電極４４は、電極に溝を設けて形成した排気路４６を有する。ヒューズエレメント４５は、９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金製の可溶体４５ａと接合用はんだ層４５ｂからなり動作フラックス４７が塗布されている。排気路４６は、ヒューズエレメント４５の裏面にトンネル状の穴を形成して動作フラックス４７から発生したガスを排出する。ヒューズエレメント４５と動作フラックス４７とを覆って絶縁基板４１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体４００が取り付けられている。主電極４３および通電電極４４は、外部部品と接続するために絶縁基板４１の下側板面に設けられた結銀合金製のランド電極４１０に基板側面の結銀合金製ハーフ・スルーホール４２０で接続されている。

本発明に係る実施例５の保護素子５０は、図５に示すように、アルミナ製絶縁基板５１の上側板面に設けた厚膜抵抗体からなる発熱素子５２と、絶縁基板５１の上側板面に設けた焼結銀合金製の主電極５３と、絶縁基板５１の上側板面に発熱素子５２への通電に用いられる焼結銀合金製の通電電極５４とが設けられており、主電極５３と通電電極５４の上にはんだ接合したヒューズエレメント５５とを備え、主電極５３および通電電極５４は、電極に溝を設けて形成した排気路５６ａを有し、ヒューズエレメント５５は、その一部を切り欠いて設けた排気路５６ｂを有する。ヒューズエレメント５５は、９６．５Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金製の可溶体５５ａと接合用はんだ層５５ｂからなり動作フラックス５７が塗布されている。排気路５６ａは、ヒューズエレメント５５の裏面にトンネル状の穴を形成し、このトンネルを通してヒューズエレメント５５の裏面に滞留した動作フラックス５７由来のガスを排出する。排気路５６ｂは、ヒューズエレメント５５に設けた切り欠き部から動作フラックス５７から発生したガスを排気する。ヒューズエレメント５５と動作フラックス５７とを覆って絶縁基板５１に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体５００が取り付けられている。主電極５３および通電電極５４は、外部部品と接続するために絶縁基板５１の下側板面に設けられた結銀合金製のランド電極５１０に基板側面の結銀合金製ハーフ・スルーホール５２０で接続されている。

本発明の保護素子は電池パックなど２次電池の保護装置に利用できる。

保護素子１０、絶縁基板１１、発熱素子１２、主電極１３、通電電極１４、ヒューズエレメント１５、可溶体１５ａ、はんだ層１５ｂ、排気路１６、動作フラックス１７、蓋体１００、ランド電極１１０、ハーフ・スルーホール１２０、
保護素子２０、絶縁基板２１、発熱素子２２、主電極２３、通電電極２４、ヒューズエレメント２５、可溶体２５ａ、はんだ層２５ｂ、排気路２６ａ、排気路２６ｂ、動作フラックス２７、蓋体２００、ランド電極２１０、ハーフ・スルーホール２２０、
保護素子３０、絶縁基板３１、発熱素子３２、主電極３３、通電電極３４、ヒューズエレメント３５、可溶体３５ａ、はんだ層３５ｂ、排気路３６ａ、排気路３６ｃ、動作フラックス３７、蓋体３００、ランド電極３１０、ハーフ・スルーホール３２０、
保護素子４０、絶縁基板４１、発熱素子４２、主電極４３、通電電極４４、ヒューズエレメント４５、可溶体４５ａ、はんだ層４５ｂ、排気路４６、動作フラックス４７、蓋体４００、ランド電極４１０、ハーフ・スルーホール４２０、
保護素子５０、絶縁基板５１、発熱素子５２、主電極５３、通電電極５４、ヒューズエレメント５５、可溶体５５ａ、はんだ層５５ｂ、排気路５６ａ、排気路５６ｂ、動作フラックス５７、蓋体５００、ランド電極５１０、ハーフ・スルーホール５２０。

Claims

主電極と発熱体とを設けた絶縁体と、前記発熱体に通電するために前記絶縁体に設けた通電電極と、前記主電極と前記通電電極の間を電気接続したヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントの表面に塗布されたフラックスと、を備え、
前記主電極、前記通電電極、前記ヒューズエレメント、または前記絶縁体の何れか１つ以上に排気路を有し、
前記排気路は、前記ヒューズエレメントの溶断動作時に前記フラックスから発生するガスを排気するように構成されている、保護素子。
前記発熱体は、前記主電極と前記通電電極とは前記絶縁体の異なった板面に設けられた請求項１に記載の保護素子。
前記発熱体と前記主電極と前記通電電極は、前記絶縁体の同じ板面に設けられた請求項１に記載の保護素子。
前記排気路は、該当部位の一部を切り欠いた切欠部からなる請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の保護素子。
前記排気路は、溝状である請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の保護素子。
前記排気路は、スリット状である請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の保護素子。
前記排気路は、貫通孔である請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の保護素子。
主電極と発熱体とを設けた絶縁体と、前記発熱体に通電するために前記絶縁体に設けた通電電極と、前記主電極と前記通電電極の間を電気接続したヒューズエレメントとを備え、前記主電極、前記通電電極、前記ヒューズエレメント、または前記絶縁体の何れか１つ以上に排気路を有し、前記発熱体は、前記主電極と前記通電電極とは前記絶縁体の異なった板面に設けられている保護素子。
主電極と発熱体とを設けた絶縁体と、前記発熱体に通電するために前記絶縁体に設けた通電電極と、前記主電極と前記通電電極の間を電気接続したヒューズエレメントとを備え、前記主電極、前記通電電極、前記ヒューズエレメント、または前記絶縁体の何れか１つ以上に排気路を有し、前記排気路は溝状である、保護素子。
主電極と発熱体とを設けた絶縁体と、前記発熱体に通電するために前記絶縁体に設けた通電電極と、前記主電極と前記通電電極の間を電気接続したヒューズエレメントとを備え、前記主電極、前記通電電極、前記ヒューズエレメント、または前記絶縁体の何れか１つ以上に排気路を有し、前記排気路はスリット状である、保護素子。