KR102373602B1 - 보호 소자 - Google Patents

Abstract

보호 소자(10, 20)는, 절연기판(11, 21)과, 상기 절연기판(11, 21)에 마련한 복수의 전극(12, 22)과, 상기 전극(12, 22) 중 적어도 한 쌍의 전극의 사이에 충전된 저융점 금속의 전극 충전재(13, 23)와, 상기 적어도 한 쌍의 전극의 사이를 가교하면서 상기 전극 충전재(13, 23)의 상부를 덮는 퓨즈 엘리먼트(14, 24)를 구비하고 있다. 상기 전극 충전재(13, 23)는, 그 용융 온도가 상기 퓨즈 엘리먼트(14, 24)의 액상선(液相線) 온도 이하의 금속재로 구성되어 있다.

Description

보호 소자

본 발명은, 전기 기기 및 전자 기기 등에 이용되는 보호 소자에 관한 것이다.

근래, 모바일 기기 등의 소형 전자 기기의 급속한 보급에 수반하여, 탑재하는 전원의 보호 회로에 실장되는 보호 소자도 소형 박형의 것이 이용되고 있다. 2차 전지 팩의 보호 회로로서, 예를 들면 특허문헌 1(일본 특개2015-079608호 공보)에 기재되는 바와 같은 표면 실장 부품(SMD)의 보호 소자가 알맞게 이용된다.

이들의 보호 소자로서, 피보호 기기의 과전류에 의해 생기는 과대 발열이나 과전압 등의 이상(異常) 상태를 검지하여, 또는 주위 온도의 이상 과열에 감응하여, 소정 조건에서 퓨즈를 작동시켜 전기 회로를 차단하는 비복귀형 보호 소자가 있다. 보호 소자에서는, 기기의 안전을 도모하기 위해, 보호 회로가 기기에 생기는 이상을 검지하면, 보호 회로로부터의 신호 전류에 의해 저항 소자를 발열시킨다. 보호 소자에서는, 그 발열로 가융성의 합금재로 이루어지는 퓨즈 엘리먼트를 용단(溶斷)시켜서 회로를 차단하든지, 또는 과전류에 의해 퓨즈 엘리먼트를 용단시켜서 회로를 차단한다.

예를 들면, 특허문헌 1 등에 기재되는 바와 같은, 솔더링 온도에서 용융하는 저융점 금속재와, 저융점 금속재에 적층된 용해성의 금속 구조재로 구성된 퓨즈 엘리먼트재를 이용한 보호 소자가 있다. 이 보호 소자의 퓨즈 엘리먼트재에서는, 솔더링 작업으로 액상화(液相化)한 저융점 금속재를 그 온도에서 고상(固相)의 금속 구조재에 계면장력으로 부착시킴으로써, 저융점 금속을 일정 시간 용단하지 않도록 지탱하여 유지한다. 이에 의해, 적어도 솔더링 작업의 사이, 퓨즈 엘리먼트의 형상을 유지하여, 퓨즈 엘리먼트재가 리플로우 솔더링에서 오동작하는 것을 방지한다.

솔더링이 완료되어 회로 보호 소자가 피보호 회로에 실장되면, 퓨즈 엘리먼트재의 금속 구조재는, 솔더링의 열로 매질인 저융점 금속재 중에 확산 또는 용해되어 박층화(薄層化)한다. 박층화된 금속 구조재는, 설치 환경의 이상 과열이나 내장한 저항 발열 소자의 히터 가열에 의해 용이하게 소실하여, 이후 용단을 방해하는 일 없이 동작한다.

일본 특개2015-079608호 공보

상기 보호 소자에 이용되는 퓨즈 엘리먼트에는, 고전류화에의 대응이나 충전지의 대기(待機) 에너지 로스를 저감하는 등의 관점에서, 가능한 한 전기저항치가 낮은 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 그렇지만 보호 소자의 퓨즈 엘리먼트에 적용할 수 있는 이융(易融) 합금의 종류는 한정되어 있고, 반드시 저(低)전기저항치의 것을 선택할 수 있는 것은 아니다. 실제로는 동작 성능 등의 실용성을 확보하기 위해, 비교적 전기저항치가 큰 퓨즈 엘리먼트를 이용하지 않을 수 없는 것도 많다.

본 발명은, 상술한 문제점을 해소하고 더욱 개량하기 위해 제안된 것이고, 퓨즈 엘리먼트재의 고유 저항치에 좌우된 일 없이, 내부 저항치를 저감할 수 있는 보호 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의거한 보호 소자에 따르면, 절연기판과, 상기 절연기판에 마련된 복수의 전극과, 상기 전극 중 적어도 한 쌍의 전극의 사이에 충전된 저융점 금속의 전극 충전재와, 상기 적어도 한 쌍의 전극의 사이를 가교(架橋)하면서 상기 전극 충전재의 상부를 덮는 퓨즈 엘리먼트를 구비하고 있다. 상기 전극 충전재는, 그 용융 온도가 상기 퓨즈 엘리먼트의 액상선(液相線) 온도 이하의 금속재로 구성되어 있다.

상기 보호 소자에서, 상기 절연기판의 편면(片面)에 발열 소자를 마련하여도 좋다.

상기 보호 소자에서, 상기 전극 충전재는, 주석기(錫基) 합금, 주석-납 합금, 주석-구리 합금, 주석-은 합금, 및, 주석-은-구리 합금의 군에서 선택된 어느 하나의 합금으로 구성하여도 좋다.

상기 보호 소자에서, 상기 전극 충전재는, 솔더 페이스트가 충전 형성된 금속재, 솔더 볼이 충전 형성된 금속재, 및, 부분 도금에 의해 충전 형성된 금속재의 군에서 선택된 어느 하나의 금속재로 구성하여도 좋다.

상기 보호 소자에서, 상기 퓨즈 엘리먼트는, 주석기 합금, 주석-납 합금, 주석-구리 합금, 주석-은 합금, 및, 주석-은-구리 합금의 군에서 선택된 어느 하나의 합금으로 구성하여도 좋다.

상기 보호 소자에서, 상기 퓨즈 엘리먼트는, 조성이 다른 복수의 금속재를 조합시킨 복합재로 구성하여도 좋다.

본 발명의 보호 소자에서는, 전극 충전재가, 퓨즈 엘리먼트가 가교하는 전극 사이의 간극을 메우도록 마련됨에 의해, 보호 소자의 내부 저항이 저감한다. 전극 사이의 간극은, 대향하는 한 쌍의 전극의 단면(端面)과 그 사이의 절연기판면으로 구성된 홈형상의 부분이다. 전극 충전재는, 그 용융 온도가 퓨즈 엘리먼트와 동등 또는 보다 낮은 금속이라면 어느 금속재를 이용하여도 좋다. 전극 충전재는, 퓨즈 엘리먼트보다도 전기저항이 작은 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 한 예로서 주석 또는 주석계 솔더재(材)가 있다.

본 발명에 관한 보호 소자에서는, 전극 충전재는, 퓨즈 엘리먼트가 가교된 전극 사이의 간극(중공(中空) 공간)을 메운다. 이에 의해 퓨즈 엘리먼트의 통전로(通電路)의 단면적을 확대시켜서, 보호 소자의 내부 저항을 저감시킬 수 있다. 전극 충전재는, 퓨즈 엘리먼트의 용융 온도 이하의 금속재로 구성되기 때문에, 퓨즈 엘리먼트의 용단 동작을 방해하는 일이 없다. 게다가 전극 충전재는, 솔더재 등 이융 합금을 그대로 이용할 수 있고, 순은이나 은계 합금(고은(高銀) 함유율 합금) 등의 귀금속재를 이용하지 않아도 좋아 경제적이다.

도 1은 본 발명의 한 실시 형태에 관한 보호 소자의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 한 실시 형태에 관한 보호 소자를 도시하고, (a)는 (b)의 Ⅱa-Ⅱa선에 따라 덮개체를 절단한 평면도, (b)는 (a)의 Ⅱb-Ⅱb 시시 단면도, (c)는 하면도.
도 3은 본 발명의 한 실시 형태에 관한 보호 소자의, 덮개체, 절연기판 이면의 전극 및 발열 소자를 생략한, 주요부 단면도.

본 실시 형태에 관한 전극 충전재 부착의 보호 소자(10)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 절연기판(11)과, 이 절연기판(11)에 마련한 복수의 전극(12a∼12g)과, 이 전극(12a∼12g) 중 적어도 한 쌍의 전극의 사이, 한 예로서 전극(12a)과 전극(12b)과의 사이 및 전극(12b)과 전극(12c)과의 사이에 충전한 저융점 금속의 전극 충전재(13)와, 상기 적어도 한 쌍의 전극의 사이를 가교하면서 전극 충전재(13)의 상부를 덮는 퓨즈 엘리먼트(14)와, 퓨즈 엘리먼트(14)의 표면에 도포한 동작(動作) 플럭스(도시 생략)와, 이 동작 플럭스 및 퓨즈 엘리먼트(14)의 상부를 덮는 덮개체(蓋體)(15)를 구비하고 있다. 전극 충전재(13)는, 그 용융 온도가 퓨즈 엘리먼트(14)의 액상선 온도 이하의 금속재로 구성되어 있다.

절연기판(11)은 절연재라면 어느 재료, 조성의 것이라도 좋다. 절연기판(11)의 재료로서는, 예를 들면, 플라스틱, 글라스, 글라스 세라믹, 세라믹 등이 알맞다.

절연기판(11)에 마련한 전극(12)은, 도전재라면 어느 재료, 조성의 것이라도 좋다. 전극(12)의 재료로서는, 예를 들면, 구리, 은, 구리 합금, 은 합금이 알맞다.

전극 충전재(13)는, 전극(12a)과 전극(12b) 사이의 간극 및 전극(12b)과 전극(12c) 사이의 간극에 충전 형성할 수 있고, 또한 용융 온도가 퓨즈 엘리먼트(14)와 동등 또는 보다 낮은 금속재라면 어느 재료, 조성의 것이라도 좋다. 전극 충전재(13)로서는, 예를 들면, 주석기 합금, 주석-납 합금, 주석-구리 합금, 주석-은 합금, 주석-은-구리 합금으로 이루어지는 솔더 페이스트가 충전 형성된 금속재, 주석기 합금, 주석-납 합금, 주석-구리 합금, 주석-은 합금, 주석-은-구리 합금으로 이루어지는 솔더 볼이 충전 형성된 금속재, 주석기 합금, 주석-납 합금, 주석-구리 합금, 주석-은 합금, 주석-은-구리 합금으로 이루어지는 부분 도금에 의해 충전 형성된 금속재 등이 이용될 수 있다.

이 전극 충전재(13)는, 보호 소자(10)의 표면 실장에 수반하여 퓨즈 엘리먼트(14)와 일체화할 수 있다. 퓨즈 엘리먼트(14)가 용단할 때는, 액상화한 퓨즈 엘리먼트(14)와 함께 구상화(球狀化)하기 때문에, 전극 충전재(13)가 용단 동작을 방해하는 일은 없다.

퓨즈 엘리먼트(14)는, 이융성의 금속재라면 어느 재료, 조성의 것이라도 좋다. 퓨즈 엘리먼트(14)로서는, 예를 들면, 주석기 합금, 주석-납 합금, 주석-구리 합금, 주석-은 합금, 주석-은-구리 합금 등이 알맞게 이용할 수 있다. 퓨즈 엘리먼트(14)는, 단일 조성의 금속재를 이용하여도, 조성이 다른 복수의 금속재를 조합시켜서 복합재로 하여 이용하여도 좋다.

본 실시의 형태의 보호 소자(10)에서는, 절연기판(11)의 편면에 필요에 응하여 발열 소자를 마련하여도 좋다. 발열 소자에는 필요에 응하여 절연 코팅을 시행한다. 발열 소자를 마련하지 않는 경우는, 전극(12a, 12b, 12c) 중, 퓨즈 엘리먼트(14)에 접속된 중앙의 전극(12b)을 생략하여도 좋다.

덮개체(15)는, 절연기판(11) 및 퓨즈 엘리먼트(14)의 상부를 덮어 소망하는 공간을 확보할 수 있으면 좋고, 형상, 재질을 제한하는 것이 아니다. 예를 들면, 덮개체(15)에는, 돔형상 수지 필름 커버, 플라스틱 덮개, 세라믹 덮개 등이 알맞게 이용할 수 있다.

실시례 1

실시례 1의 전극 충전재 부착의 보호 소자(20)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 알루미나 세라믹의 절연기판(21)을 갖는다. 이 절연기판(21)에는 복수의 은(銀) 합금제의 전극(22a∼22h)이 마련되어 있다. 절연기판(21)의 하면에는, 전극(22f) 및 전극(22h)과 전기적으로 접속된 저항 발열 소자(26)가 마련되어 있다.

이 전극(22a∼22h) 중 3개의 전극(22a, 22b, 22c)의 사이, 즉 전극(22a)과 전극(22b)의 사이 및 전극(22b)과 전극(22c)의 사이에는, 96.5Sn-3Ag-0.5Cu 합금의 전극 충전재(23)가 충전되어 있다. 3개의 전극(22a, 22b, 22c)의 사이를 가교하면서 전극 충전재(23)의 상부를 덮도록, 92Pb-8Sn 합금(24a)과 99.3Sn-0.7Cu 합금(24b)과의 클래드재로 이루어지는 퓨즈 엘리먼트(24)가 마련되어 있다.

퓨즈 엘리먼트(24)의 표면에 도포한 동작 플럭스(도시 생략)와, 이 동작 플럭스 및 퓨즈 엘리먼트(24)의 상부를 덮도록, 액정 폴리머제의 덮개체(25)가 마련되어 있다.

전극 충전재(23)는, 그 용융 온도가 퓨즈 엘리먼트(24)의 액상선 온도 이하의 금속재로 구성되어 있다. 전극(22a)과 전극(22e)의 사이, 전극(22b)과 전극(22f)의 사이, 전극(22c)과 전극(22g)의 사이, 및, 전극(2d2)과 전극(22h)의 사이는, 각각, 은 합금의 하프 스루홀로 전기적으로 접속되어 있다.

실시례 1의 저항 발열 소자(26)의 표면에는 절연 글라스의 오버글레이즈를 시행하고 있다. 여기서, 실시례 1의 전극 충전재 부착의 보호 소자(20)와 비교하는 목적으로, 실시례 1과 공통의 부품, 부재를 이용하여 전극 충전재를 마련하지 않은 비교례의 보호 소자를 준비하고, 양자의 내부 저항치를 측정했다. 실시례 1의 전극 충전재 부착의 보호 소자(20)의 내부 저항치가 0.45mΩ(정격전류 25A에 상당)였음에 대해, 전극 충전재를 갖지 않는 비교례의 보호 소자의 내부 저항치는 0.60mΩ(정격전류 20A에 상당)이였다. 본 실시례의 구조에 의해 보호 소자의 내부 저항이 저감하고, 그로써 정격전류치도 향상함을 알 수 있다.

본 실시 형태의 전극 충전재 부착 보호 소자에서는, 가열에 의해 전극 충전재와 절연기판과의 계면에 보이드가 생기는 일이 있지만, 도통 경로는 유지되기 때문에 무방하다.

금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명의 전극 충전재 붙고 보호 소자는, 다른 표면 실장 부품과 함께 피보호 회로판에 마운트 할 수 있고, 리플로우 공법 등으로 일괄 솔더링 실장되어, 전지 팩 등 2차 전지의 보호 장치로서 이용할 수 있다.

10, 20 : 보호 소자
11, 21 : 절연기판
12, 22 : 전극
13, 23 : 전극 충전재
14, 24 : 퓨즈 엘리먼트
15, 25 : 덮개체
26 : 저항 발열 소자

Claims (6)

1. 절연기판과, 상기 절연기판에 마련된 복수의 전극과, 상기 전극 중 적어도 한 쌍의 전극의 사이에 충전된 저융점 금속의 전극 충전재와, 상기 적어도 한 쌍의 전극의 사이를 가교하면서 상기 전극 충전재의 상부를 덮는 퓨즈 엘리먼트를 구비하고,
   상기 전극 충전재는, 그 용융 온도가 상기 퓨즈 엘리먼트의 액상선 온도 이하의 금속재로 구성된 것을 특징으로 하는 보호 소자.
2. 제1항에 있어서,
   상기 절연기판의 편면에 발열 소자를 마련한 것을 특징으로 하는 보호 소자.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전극 충전재는, 주석기 합금, 주석-납 합금, 주석-구리 합금, 주석-은 합금, 및, 주석-은-구리 합금의 군에서 선택된 어느 하나의 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전극 충전재는, 솔더 페이스트가 충전 형성된 금속재, 솔더 볼이 충전 형성된 금속재, 및, 부분 도금에 의해 충전 형성된 금속재의 군에서 선택된 어느 하나의 금속재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
5. 제1항에 있어서,
   상기 퓨즈 엘리먼트는, 주석기 합금, 주석-납 합금, 주석-구리 합금, 주석-은 합금, 및, 주석-은-구리 합금의 군에서 선택된 어느 하나의 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
6. 제5항에 있어서,
   상기 퓨즈 엘리먼트는, 조성이 다른 복수의 금속재를 조합시킨 복합재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보호 소자.

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