KR20160044472A - 보호 소자 - Google Patents

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Abstract

가용 도체의 제조 공수를 늘리지 않으면서 또한 용단 시간의 단축을 도모한다.
절연 기판 (11) 과, 발열체 (14) 와, 발열체 (14) 를 덮는 절연 부재 (15) 와, 발열체 (14) 에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극 (16) 과, 제 1 및 제 2 전극 (12) 과, 발열체 인출 전극 (16) 으로부터 제 1 및 제 2 전극 (12) 에 걸쳐서 접속되고, 가열에 의해, 제 1 전극 (12(A1)) 과 제 2 전극 (A2) 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체 (13) 를 구비하고, 가용 도체 (13) 는, 주면부 (25) 보다 두껍게 형성되며 서로 대향하는 한 쌍의 제 1 측연부 (26) 와, 제 1 측연부보다 얇은 두께로 형성되며 서로 대향하는 한 쌍의 제 2 측연부 (27) 를 갖고, 제 2 측연부 (27) 가 발열체 인출 전극 (16) 으로부터 제 1 및 제 2 전극 (12) 에 걸친 전류 경로를 따라서 배치 형성되어 있다.

Description

보호 소자{PROTECTIVE ELEMENT}
본 발명은 과충전, 과방전 등의 이상시에 전류 경로를 차단하는 보호 소자, 및 이 보호 소자가 실장된 보호 회로 기판에 관한 것이다. 본 출원은, 일본에서 2013년 8월 21일에 출원된 일본 특허출원번호 특원 2013-171786호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것으로, 이 출원은 참조에 의해서 본 출원에 원용된다.
충전하여 반복 이용할 수 있는 이차 전지의 대부분은, 배터리 팩으로 가공되어 사용자에게 제공된다. 특히 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지에 있어서는 사용자 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위해서, 일반적으로 과충전 보호, 과방전 보호 등의 몇 가지 보호 회로를 배터리 팩에 내장하여, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 갖고 있다.
이러한 종류의 보호 소자에는, 배터리 팩에 내장된 FET 스위치를 사용하여 출력을 ON/OFF 함으로써 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호 동작을 실시하는 것이 있다. 그러나, 어떠한 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴된 경우, 뇌 서지 등이 인가되어 순간적인 대전류가 흐른 경우, 또는 배터리 셀의 수명에 의해서 출력 전압이 비정상적으로 저하되거나 거꾸로 과대 이상 전압을 출력한 경우에도, 배터리 팩이나 전자 기기는 발화 등의 사고로부터 보호되지 않으면 안된다. 그래서, 이러한 상정 가능한 어떠한 이상 상태에 있어서도 배터리 셀의 출력을 안전하게 차단하기 위해, 외부로부터의 신호에 의해서 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자로 이루어지는 보호 소자가 사용되고 있다.
도 7(A) ∼ 도 7(C) 에 나타내는 바와 같이, 이러한 리튬 이온 이차 전지 등을 위한 보호 회로의 보호 소자 (80) 로는, 전류 경로 상에 접속된 제 1 및 제 2 전극 (81, 82) 사이에 걸쳐서 가용 도체 (83) 를 접속하여 전류 경로의 일부를 이루고, 이 전류 경로 상의 가용 도체 (83) 를, 과전류로 인한 자기 발열 또는 보호 소자 (80) 내부에 형성한 발열체 (84) 에 의해서 용단 (溶斷) 하는 것이 제안되어 있다. 또, 도 7(B) 는, 도 7(A) 의 A-A' 단면도이고, 도 7(C) 는, 도 7(A) 의 B-B' 단면도이다.
구체적으로 보호 소자 (80) 는, 절연 기판 (85) 과, 절연 기판 (85) 에 적층되고, 절연 부재 (86) 로 덮인 발열체 (84) 와, 절연 기판 (85) 의 양단에 형성된 제 1, 제 2 전극 (81, 82) 과, 절연 부재 (86) 상에 발열체 (84) 와 중첩되도록 적층된 발열체 인출 전극 (88) 과, 양단이 제 1, 제 2 전극 (81, 82) 에 각각 접속되고, 중앙부가 발열체 인출 전극 (88) 에 접속된 가용 도체 (83) 를 구비한다.
보호 소자 (80) 는 과충전, 과방전 등의 이상이 검지되면, 발열체 (84) 가 통전됨으로써 발열한다. 그러면, 이 열에 의해 가용 도체 (83) 가 용융되고, 이 용융 도체를 발열체 인출 전극 (88) 으로 모음으로써 제 1 및 제 2 전극 (81, 82) 사이의 전류 경로를 차단한다.
일본 공개특허공보 2010-003665호 일본 공개특허공보 2004-185960호 일본 공개특허공보 2012-003878호
그런데, 이러한 종류의 보호 소자 (80) 에 사용되는 가용 도체 (83) 로는, 예를 들어 Pb 프리 땜납 등의 저융점 금속 (83a) 으로 이루어지는 박 (箔) 을 Ag 이나 Cu 또는 이들을 주성분으로 하는 합금 등의 고융점 금속 (83b) 으로 피복한 것이 제안되어 있다. 보호 소자 (80) 는, 저융점 금속 (83a) 의 박이 고융점 금속 (83b) 으로 피복된 가용 도체 (83) 를 사용함으로써, 리플로 등의 실장 온도에 있어서의 용단을 방지하여 실장의 용이화를 도모함과 함께, 용단시에는, 저융점 금속 (83a) 에 의한 고융점 금속 (83b) 의 침식 작용 (마모 현상) 을 이용하여, 고융점 금속 (83b) 을 융점 이하의 온도에서 용융시켜, 빠른 용단을 실현할 수 있다.
이러한 가용 도체 (83) 에 있어서, 저융점 금속 (83a) 의 박을 고융점 금속 (83b) 으로 피복하는 공법으로는, 장척상 (長尺狀) 의 저융점 금속박에 연속적으로 고융점 금속 도금을 실시할 수 있는 전해 도금법이 작업 효율상, 제조 비용상 유리하게 된다.
그러나, 전해 도금에 의해서 고융점 금속 도금을 실시하면, 장척상의 저융점 금속박의 에지 부분, 즉 측연부 (側緣部) 에 있어서 전계 강도가 상대적으로 강해져, 고융점 금속 (83b) 이 두껍게 도금된다 (도 2 참조). 가용 도체 (83) 는, 측연부에 있어서의 고융점 금속 (83b) 의 두께는, 주면부 (主面部) 에 있어서의 고융점 금속 (83b) 의 두께의 110 ∼ 200 ％ 정도까지 이른다. 이와 같이, 측연부를 따라 고융점 금속 (83b) 이 두껍게 형성된 가용 도체 (83) 를 소정의 길이로 절단하여, 도 7 의 (A) (C) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 전극 (81) ∼ 발열체 인출 전극 (88) ∼ 제 2 전극 (82) 사이에 당해 측연부를 걸치게 하여 접속시키면, 두꺼운 측연부에 의해서 용단 시간이 길어진다.
즉, 고융점 금속 (83b) 에 의해 형성되어 있는 두꺼운 측연부가, 용단해야 할 제 1 전극 (81) ∼ 발열체 인출 전극 (88) ∼ 제 2 전극 (82) 사이에 걸쳐져 있기 때문에, 당해 측연부를 용단하기 위해서는 보다 많은 열 에너지가 필요하게 된다. 또한, 당해 외연부는 고융점 금속 (83b) 에 의해 상대적으로 두껍게 형성되어 있는 점에서, 저융점 금속 (83a) 에 의한 침식 현상에 의해서도, 용단하기 위해서는 상당한 시간을 필요로 한다. 그리고, 보호 소자 (80) 는 절연 기판 (85) 의 외연으로부터 가장 먼 기판 중심이 가장 뜨겁고, 기판 외연을 향함에 따라서 방열되어 온도가 잘 올라가지 않게 된다. 그리고, 보호 소자 (80) 는, 가용 도체 (83) 의 고융점 금속에 의해서 형성되는 두꺼운 측연부가 절연 기판 (85) 의 중심에서부터 외연에 걸쳐서 형성되어 있기 때문에, 용단하기 위해서는 보다 많은 시간이 필요하게 된다.
또, 측연부를 따라서 형성되는 두꺼운 부분을 절단하고, 가용 도체 (83) 전체의 두께를 균일하게 하기 위해서는, 절단 공정이 증가하여 생산성이 떨어져 버리는 것 외에, 어느 측면도 고융점 금속에 의해 피복되지 않게 됨으로써, 리플로 실장시나 통전시의 온도에 의해 가용 도체 (83) 의 형상이 불안정해져, 용단 특성에 편차가 생길 우려도 있다.
그래서 본 발명은, 가용 도체의 제조 공수를 늘리지 않으면서 또한 용단 시간의 단축을 도모할 수 있는 보호 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관련된 보호 소자는, 절연 기판과, 발열체와, 적어도 상기 발열체를 덮는 절연 부재와, 상기 발열체에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과, 제 1 및 제 2 전극과, 상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제 1 및 제 2 전극에 걸쳐서 접속되고, 가열에 의해, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 구비하고, 상기 가용 도체는, 주면부보다 두껍게 형성되며 서로 대향하는 한 쌍의 제 1 측연부와, 상기 제 1 측면부보다 얇은 두께로 형성되며 서로 대향하는 한 쌍의 제 2 측연부를 갖고, 상기 제 2 측연부가 상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제 1 및 제 2 전극에 걸친 전류 경로를 따라서 배치 형성되어 있는 것이다.
본 발명에 의하면, 가용 도체는, 주면과 동일한 두께로 형성된 제 2 측연부가 발열체 인출 전극으로부터 제 1 및 제 2 전극에 걸친 전류 경로를 따라서 배치 형성되어 있기 때문에, 제 1 측연부를 전류 경로를 따라서 배치 형성한 경우와 비교하여, 적은 열 에너지에 의해 빠르게 용단할 수 있다.
도 1(A) 는 본 발명이 적용된 보호 소자의 평면도이고, 도 1(B) 는 A-A' 단면도이고, 도 1(C) 는 B-B' 단면도이다.
도 2 는 가용 도체를 나타내는 사시도이다.
도 3 은 보호 소자가 적용된 배터리 팩의 회로도이다.
도 4 는 보호 소자의 회로도이다.
도 5 는 가용 도체가 용단된 상태를 나타내는 도면으로, (A) 는 보호 소자의 평면도, (B) 는 보호 소자의 회로도이다.
도 6 은, 제 2 실시예에 관련된 고융점 금속층의 도금 두께와 용단 시간 및 용융 발생률과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7(A) 는 참고예에 관련된 보호 소자의 평면도이고, 도 7(B) 는 A-A' 단면도이고, 도 7(C) 는 B-B' 단면도이다.
이하, 본 발명이 적용된 보호 소자에 관해서, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또, 본 발명은 이하의 실시형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경이 가능함은 물론이다. 또한, 도면은 모식적인 것으로, 각 치수의 비율 등은 현실의 것과는 다른 경우가 있다. 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작하여 판단해야 할 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있음은 물론이다.
[보호 소자]
본 발명이 적용된 보호 소자 (1) 는, 도 1(A) 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (11) 과, 절연 기판 (11) 에 적층되고, 절연 부재 (15) 로 덮인 발열체 (14) 와, 절연 기판 (11) 의 양단에 형성된 제 1 전극 (12(A1)) 및 제 2 전극 (12(A2)) 과, 절연 부재 (15) 상에 발열체 (14) 와 중첩되도록 적층되고, 발열체에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극 (16) 과, 양단이 제 1, 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 에 각각 접속되고, 중앙부가 발열체 인출 전극 (16) 에 접속된 가용 도체 (13) 를 구비한다.
절연 기판 (11) 은, 예를 들어, 알루미나, 유리 세라믹, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재에 의해서 형성된다. 그 밖에, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용해도 되지만, 퓨즈 용단시의 온도에 유의할 필요가 있다.
발열체 (14) 는, 비교적 저항치가 높아 통전되면 발열하는 도전성을 갖는 부재로서, 예를 들어 W, Mo, Ru 등으로 이루어진다. 이들 합금 또는 조성물, 화합물의 분상체를 수지 바인더 등과 혼합하여 페이스트상으로 한 것을 절연 기판 (11) 상에 스크린 인쇄 기술을 사용하여 패턴 형성하고, 소성하는 등에 의해서 형성한다.
발열체 (14) 를 덮도록 절연 부재 (15) 가 배치되고, 이 절연 부재 (15) 를 사이에 두고 발열체 (14) 에 대향하도록 발열체 인출 전극 (16) 이 배치된다. 발열체 (14) 의 열을 효율적으로 가용 도체 (13) 에 전달하기 위해서, 발열체 (14) 와 절연 기판 (11) 사이에도 절연 부재 (15) 를 적층해도 된다. 절연 부재 (15) 로는, 예를 들어 유리를 사용할 수 있다.
발열체 인출 전극 (16) 의 일단은 발열체 전극 (18(P1)) 에 접속됨과 함께, 발열체 (14) 의 일단과 연속된다. 또한, 발열체 (14) 의 타단은 타방의 발열체 전극 (18(P2)) 에 접속된다. 또, 발열체 전극 (18(P1)) 은 절연 기판 (11) 의 제 3 변 (11d) 측에 형성되고, 발열체 전극 (18(P2)) 은 절연 기판 (11) 의 제 4 변 (11e) 측에 형성되어 있다. 또한, 발열체 전극 (18(P2)) 은 절연 기판 (11) 의 이면 (11a) 에 형성된 외부 접속 전극 (21(P2)) 과 접속되어 있다.
절연 기판 (11) 의 양 측연 (11b, 11c) 에 형성되고, 가용 도체 (13) 에 의해 접속되어 있는 제 1 전극 (12(A1)), 제 2 전극 (12(A2)) 은 각각 스루홀 (도시 생략) 을 통하여, 절연 기판의 이면 (11a) 에 형성된 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (21(A1), 21(A2)) 와 접속되어 있다. 보호 소자 (1) 는, 외부 접속 단자 (21(A1), 21(A2)) 가, 보호 소자 (1) 가 실장되는 회로 기판에 형성된 접속 전극에 접속됨으로써, 회로 기판 상에 형성된 전류 경로의 일부에 편입된다.
또한, 제 1, 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)), 발열체 인출 전극 (16) 및 외부 접속 단자 (21(A1), 21(A2), 21(P2)) 의 각 표면에는, Ni/Au 도금층 (22) 이 형성되어 있다. 이로써, 가용 도체 (13) 의 저융점 금속 (13a) 이나 가용 도체 (13) 의 접속용 땜납 (29) 에 의한 제 1, 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 및 발열체 인출 전극 (16) 의 침식을 억제할 수 있다.
또한, 제 1, 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 에는, 후술하는 가용 도체 (13) 의 용융 도체나 가용 도체 (13) 의 접속용 땜납의 유출을 방지하는 유리 등의 절연 재료로 이루어지는 유출 방지부 (23) 가 형성되어 있다.
[가용 도체]
가용 도체 (13) 는 내층과 외층으로 이루어지는 적층 구조체로, 내층이 되는 저융점 금속층 (13a) 이 외층이 되는 고융점 금속층 (13b) 에 의해 피복되어 있다. 저융점 금속층 (13a) 은 특별히 한정은 없으며, 예를 들어, Sn 을 주성분으로 하는 금속으로, 일반적으로 「Pb 프리 땜납」이라고 불리는 재료 (예를 들어 센쥬 금속 공업 제조, M705 등) 를 바람직하게 사용할 수 있다. 저융점 금속층 (13a) 의 융점은, 반드시 리플로로의 온도보다 높을 필요는 없고, 200 ℃ 정도에서 용융해도 된다. 고융점 금속층 (13b) 도 특별히 한정은 없으며, 예를 들어, Ag 혹은 Cu 또는 이들 중 어느 것을 주성분으로 하는 금속 등, 리플로로에 의해서 기판 실장을 실시하는 경우에 있어서도 용융되지 않는 높은 융점을 갖는 금속을 바람직하게 사용할 수 있다.
가용 도체 (13) 는, 저융점 금속층 (13a) 을 고융점 금속층 (13b) 으로 피복함으로써, 리플로 온도가 저융점 금속층 (13a) 의 용융 온도를 넘어서 저융점 금속이 용융된 경우라도, 가용 도체 (13) 로서 용단되기까지는 이르지 않아, 보호 소자 (1) 의 회로 기판에 대한 실장을 용이하게 실시할 수 있다.
또한, 가용 도체 (13) 는, 발열체 (14) 에 의해서 가열되면 저융점 금속층 (13a) 이 용융되어, 고융점 금속층 (13b) 을 침식한다. 따라서, 보호 소자 (1) 는, 가용 도체 (13) 를 고융점 금속층 (13) 의 용융 온도 이하의 온도에서 용단하여, 빠르게 전류 경로를 차단할 수 있다. 또, 가용 도체 (13) 는, 정격을 초과하는 과전류가 흐른 경우에도 자기 발열 (줄열) 에 의해 용단되어, 전류 경로를 차단할 수 있다.
[제 1, 제 2 측연부]
여기서, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13) 는, 주면부 (25) 보다 두껍게 형성된 한 쌍의 제 1 측연부 (26) 와, 주면부 (25) 와 동일한 두께로 형성된 한 쌍의 제 2 측연부 (27) 를 갖는다. 제 1 측연부 (26) 는 서로 대향하여 한 쌍 형성되고, 제 2 측연부 (27) 는 제 1 측연부 (26) 와 대략 직교하고, 서로 대향하여 한 쌍 형성되어 있다.
제 1 측연부 (26) 는 측면이 고융점 금속층 (13b) 에 의해 피복됨과 함께, 이로써 가용 도체 (13) 의 주면부 (25) 보다 두껍게 형성되어 있다. 제 2 측연부 (27) 는 측면에, 외주가 고융점 금속층 (13b) 에 의해 둘러싸인 저융점 금속 (13a) 이 노출되어 있다. 제 2 측연부 (27) 는, 제 1 측연부 (26) 와 인접하는 양단부를 제외하고 주면부 (25) 와 동일한 두께로 형성되어 있다.
그리고, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13) 는, 제 2 측연부 (27) 가 발열체 인출 전극 (16) 으로부터 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 사이에 걸친 전류 경로를 따라서 배치 형성되어 있다. 이로써, 보호 소자 (1) 는, 발열체 인출 전극 (16) 으로부터 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 사이에 걸친 전류 경로를 빠르게 차단할 수 있다.
즉, 제 2 측연부 (27) 는, 제 1 측연부 (26) 보다 상대적으로 두께가 얇게 형성되어 있다. 또한, 제 2 측연부 (27) 는, 저융점 금속층 (13a) 이 고융점 금속에 피복되어 형성되어 있다. 이로써, 제 2 측연부 (27) 는, 저융점 금속층 (13a) 에 의한 고융점 금속층 (13b) 의 침식 작용이 기능하고, 또한 침식되는 고융점 금속층 (13b) 의 두께도 제 1 측연부 (26) 에 비하여 얇게 형성되어 있음으로써, 고융점 금속층 (13b) 에 의해 두껍게 형성되어 있는 제 1 측연부 (26) 에 비하여 적은 열 에너지에 의해 빠르게 용단할 수 있다.
또한, 보호 소자 (1) 는 외연으로부터 가장 먼 절연 기판 (11) 의 중심이 가장 뜨겁고, 외연에 걸쳐서 방열로 인해 온도가 잘 올라가지 않게 되지만, 제 2 측연부 (27) 가 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 사이에 걸쳐짐으로써, 절연 기판 (11) 의 외연측에 있어서도 적은 열 에너지로도 용단할 수 있어, 빠르게 전류 경로를 차단할 수 있다.
그리고, 가용 도체 (13) 의 제 2 측연부 (27) 는 후술하는 제법에 의하면, 저융점 금속층 (13a) 이 단면보다 외측으로 노출되어 있지만, 비교적 협소한 발열체 인출 전극 (16) 에 대치되어 있기 때문에, 보호 소자 (1) 의 리플로 실장시 등, 고온 환경에 있어서도 저융점 금속층 (13a) 의 용출이 억제되어, 가용 도체 (13) 의 형상을 유지할 수 있다.
즉, 제 2 측연부 (27) 를 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 상에 배치 형성한 경우, 단면보다 외측으로 노출되어 있는 저융점 금속층 (13a) 이 비교적 넓은 면적으로 형성된 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 과 대치하기 때문에, 저융점 금속층 (13a) 이 용융되면, 젖음성이 높은 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 으로 용출되어, 형상을 유지할 수 없게 될 우려가 있다. 그 때문에, 제품마다 가용 도체 (13) 의 용단 시간에 편차가 생겨, 용단 특성이 불안정해질 우려가 있다.
한편, 보호 소자 (1) 는, 저융점 금속층 (13a) 이 단면보다 외측으로 노출되어 있는 제 2 측연부 (27) 가 협소한 발열체 인출 전극 (16) 과 대치하고 있기 때문에, 저융점 금속층 (13a) 의 용출이 억제되어, 안정적인 용단 특성을 갖는다.
[가용 도체의 제법]
이어서, 가용 도체 (13) 의 제조 공정에 관해서 설명한다. 가용 도체 (13) 는, 저융점 금속층 (13a) 을 구성하는 저융점 금속박을 고융점 금속층 (13b) 을 구성하는 금속으로 피복함으로써 제조된다. 저융점 금속층박을 고융점 금속 피복하는 공법으로는, 장척상의 저융점 금속박에 연속적으로 고융점 금속 도금을 실시할 수 있는 전해 도금법이 작업 효율상, 제조 비용상, 유리하게 된다.
전해 도금에 의해서 고융점 금속 도금을 실시하면, 장척상의 저융점 금속박의 에지 부분, 즉 측연부에 있어서 전계 강도가 상대적으로 강해져, 고융점 금속층 (13b) 이 두껍게 도금된다 (도 2 참조). 이로써, 측연부가 고융점 금속층에 의해 두껍게 형성된 장척상의 도체 리본 (30) 이 형성된다. 이어서, 이 도체 리본 (30) 을 길이 방향과 직교하는 폭 방향 (도 2 중 C-C' 방향) 으로 소정 길이로 절단함으로써, 가용 도체 (13) 가 제조된다. 이로써, 가용 도체 (13) 는, 도체 리본 (30) 의 측연부가 제 1 측연부 (26) 가 되고, 도체 리본 (30) 의 절단면이 제 2 측연부 (27) 가 된다. 또한, 제 1 측연부 (26) 는 고융점 금속 (13b) 에 의해 피복되고, 제 2 측연부 (27) 는, 단면 (도체 리본 (30) 의 절단면) 에 상하 한 쌍의 고융점 금속층 (13b) 과 고융점 금속층 (13b) 에 의해 협지된 저융점 금속층 (13a) 이 외측으로 노출되어 있다.
즉, 도체 리본 (30) 은, 소정의 길이로 절단되는 길이 방향이 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 상에 접속되는 제 1 측연부 (26) 가 되고, 길이 방향과 직교하는 폭 방향이 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 사이에 걸쳐서 배치 형성되는 제 2 측연부 (27) 가 된다. 따라서, 도체 리본 (30) 은, 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 사이의 폭에 따른 폭으로 하고, 또 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 의 사이즈에 따른 길이로 절단한다.
이렇게 해서 제조된 가용 도체 (13) 는, 접속용 땜납 (29) 등의 저융점 금속에 의해 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 상 및 발열체 인출 전극 (16) 상에 접속된다. 이 때, 가용 도체 (13) 는, 고융점 금속층 (13b) 에 의해 두껍게 형성된 제 1 측연부 (26) 가 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 상에 접속되고, 도체 리본 (30) 의 절단면이 되는 제 2 측연부 (27) 가 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 사이에 걸쳐서 배치 형성된다.
또, 가용 도체 (13) 는, 외층인 고융점 금속층 (13b) 의 산화 방지를 위해, 가용 도체 (13) 상의 거의 전체면에 플럭스 (17) 가 도포되어 있다. 또한, 보호 소자 (1) 는, 이렇게 해서 구성된 보호 소자 (1) 의 내부를 보호하기 위해 커버 부재 (20) 를 절연 기판 (11) 상에 형성해도 된다.
[보호 소자의 사용 방법]
이어서, 보호 소자 (1) 의 사용 방법에 관해서 설명한다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 상기 서술한 보호 소자 (1) 는, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩 내의 회로에 실장되어 사용된다.
예를 들어, 보호 소자 (1) 가 실장되는 회로는, 합계 4 개의 리튬 이온 이차 전지의 배터리 셀 (41 ∼ 44) 로 이루어지는 배터리 스택 (45) 을 갖는 배터리 팩 (40) 에 장착되어 사용된다.
배터리 팩 (40) 은, 배터리 스택 (45) 과, 배터리 스택 (45) 의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로 (50) 와, 배터리 스택 (45) 의 이상시에 충전을 차단하는 본 발명이 적용된 보호 소자 (1) 와, 각 배터리 셀 (41 ∼ 44) 의 전압을 검출하는 검출 회로 (46) 와, 검출 회로 (46) 의 검출 결과에 따라서 보호 소자 (1) 의 동작을 제어하는 전류 제어 소자 (47) 를 구비한다.
배터리 스택 (45) 은, 과충전 및 과방전 상태로부터 보호하기 위한 제어를 필요로 하는 배터리 셀 (41 ∼ 44) 이 직렬 접속된 것으로, 배터리 팩 (40) 의 정극 단자 (40a), 부극 단자 (40b) 를 개재하여 착탈 가능하게 충전 장치 (55) 에 접속되어, 충전 장치 (55) 로부터의 충전 전압이 인가된다. 충전 장치 (55) 에 의해 충전된 배터리 팩 (40) 의 정극 단자 (40a), 부극 단자 (40b) 를 배터리에 의해 동작하는 전자 기기에 접속함으로써 이 전자 기기를 동작시킬 수 있다.
충방전 제어 회로 (50) 는, 배터리 스택 (45) 으로부터 충전 장치 (55) 에 흐르는 전류 경로에 직렬 접속된 2 개의 전류 제어 소자 (51, 52) 와, 이들 전류 제어 소자 (51, 52) 의 동작을 제어하는 제어부 (53) 를 구비한다. 전류 제어 소자 (51, 52) 는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터 (이하, FET 라고 부른다) 에 의해 구성되고, 제어부 (53) 에 의해 게이트 전압을 제어함으로써 배터리 스택 (45) 의 전류 경로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부 (53) 는 충전 장치 (55) 로부터 전력 공급을 받아 동작하며, 검출 회로 (46) 에 의한 검출 결과에 따라서, 배터리 스택 (45) 이 과방전 또는 과충전일 때 전류 경로를 차단하도록 전류 제어 소자 (51, 52) 의 동작을 제어한다.
보호 소자 (1) 는, 예를 들어, 배터리 스택 (45) 과 충방전 제어 회로 (50) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되고, 그 동작이 전류 제어 소자 (47) 에 의해 제어된다.
검출 회로 (46) 는 각 배터리 셀 (41 ∼ 44) 과 접속되어, 각 배터리 셀 (41 ∼ 44) 의 전압치를 검출하고, 각 전압치를 충방전 제어 회로 (50) 의 제어부 (53) 에 공급한다. 또한, 검출 회로 (46) 는, 어느 1 개의 배터리 셀 (41 ∼ 44) 이 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에 전류 제어 소자 (47) 를 제어하는 제어 신호를 출력한다.
전류 제어 소자 (47) 는 예를 들어 FET 에 의해 구성되고, 검출 회로 (46) 로부터 출력되는 검출 신호에 의해서, 배터리 셀 (41 ∼ 44) 의 전압치가 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때 보호 소자 (1) 를 동작시켜, 배터리 스택 (45) 의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자 (51, 52) 의 스위치 동작에 의하지 않고서 차단하도록 제어한다.
이상과 같은 구성으로 이루어지는 배터리 팩 (40) 에 있어서, 보호 소자 (1) 의 구성에 관해서 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명이 적용된 보호 소자 (1) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자 (1) 는, 발열체 인출 전극 (16) 을 통하여 직렬 접속된 가용 도체 (13) 와, 가용 도체 (13) 의 접속점을 통해서 통전하여 발열시킴으로써 가용 도체 (13) 를 용융하는 발열체 (14) 로 이루어지는 회로 구성이다. 또한, 보호 소자 (1) 에서는, 예를 들어, 가용 도체 (13) 가 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되고, 발열체 (14) 가 전류 제어 소자 (47) 와 접속된다. 보호 소자 (1) 의 2 개의 전극 (12) 은 각각 외부 접속 단자 (21) 를 통해서, 일방은 A1 에 접속되고, 타방은 A2 에 접속된다. 또한, 발열체 인출 전극 (16) 과 이것에 접속된 발열체 전극 (18) 은 P1 에 접속되고, 타방의 발열체 전극 (18) 은 외부 접속 단자 (21) 를 통해서 P2 에 접속된다.
이러한 회로 구성으로 이루어지는 보호 소자 (1) 는, 발열체 (14) 의 발열에 의해 전류 경로 상의 가용 도체 (13) 를 용단시켜, 배터리 팩 (40) 의 충방전 경로를 차단할 수 있다. 이 때, 보호 소자 (1) 는, 가용 도체 (13) 의 제 2 측연부 (27) 가, 발열체 인출 전극 (16) 으로부터 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 사이에 걸친 전류 경로를 따라서 배치 형성되어 있다. 제 2 측연부 (27) 는 상대적으로 두께가 얇게 형성되어 있기 때문에, 발열체 인출 전극 (16) 으로부터 제 1 및 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 사이에 걸친 전류 경로를 적은 열 에너지에 의해 차단할 수 있다.
또한, 제 2 측연부 (27) 는, 저융점 금속층 (13a) 의 상하면에 고융점 금속층 (13b) 이 적층되어 있기 때문에, 저융점 금속에 의한 고융점 금속의 침식 작용에 의해서, 고융점 금속의 융점에 도달하기 전의 낮은 온도에서 용단할 수 있어, 보다 빠르게 용단할 수 있다.
도 5(A) 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13) 의 용융 도체는, 젖음성이 높은 발열체 인출 전극 (16) 및 제 1, 제 2 전극 (12(A1), 12(A2)) 으로 끌어 당겨져 용단된다. 따라서 가용 도체 (13) 는, 확실하게 제 1 전극 (12(A1)) ∼ 발열체 인출 전극 (16) ∼ 제 2 전극 (12(A2)) 사이를 용단시킬 수 있다 (도 5(B)). 또한, 가용 도체 (13) 가 용단됨으로써, 발열체 (14) 에 대한 급전도 정지된다.
또, 본 발명의 보호 소자는, 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩에 사용하는 경우에 한정되지 않고, 전기 신호에 의한 전류 경로의 차단을 필요로 하는 여러 가지 용도에도 물론 응용 가능하다.
실시예 1
이어서, 본 발명의 제 1 실시예에 관해서 설명한다. 제 1 실시예에서는, 저융점 금속박을 전해 도금법에 의해 고융점 금속으로 피복한 도체 리본을 제조하고, 폭 방향으로 절단함으로써 가용 도체를 얻었다. 저융점 금속박은, 두께 60 ㎛ 의 Pb 프리 땜납박을 사용하고, 전해 도금법에 의해 저융점 금속박의 전체면에 Ag 도금을 실시하여, 편측 두께가 4 ㎛ 인 고융점 금속층을 형성하였다.
실시예 1 에서는, 가용 도체의, 고융점 금속이 피복됨으로써 두껍게 형성된 제 1 측연부를 제 1 및 제 2 전극 상에 배치 형성하고, 도체 리본의 절단면이 되는 제 2 측연부를 제 1 전극 ∼ 발열체 인출 전극 ∼ 제 2 전극에 걸친 전류 경로를 따라서 배치 형성하였다 (도 1 참조). 비교예 1 에서는, 제 1 측연부를 전류 경로 상에 따라 배치 형성하고, 제 2 측연부를 제 1 및 제 2 전극 상에 배치 형성하였다 (도 7 참조).
실시예 1 및 비교예 1 모두 35 W 의 전력을 인가하여, 용단 시간을 비교하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1 에 나타내는 바와 같이, 비교예 1 에서는 가용 도체의 용단에 0.30 초를 필요로 한 데 반하여, 실시예 1 에서는 0.24 초에서 용단할 수 있었다. 이는, 비교예 1 의 용단 시간에 비하여 80 ％ 로 단축할 수 있었던 것으로, 제 2 측연부를 전류 경로를 따라서 배치 형성함으로써 빠른 용단이 가능해졌다.
이는, 실시예 1 에서는, 고융점 금속에 의해서 두껍게 형성된 제 1 측연부에 비하여 상대적으로 얇게 형성됨과 함께, 저융점 금속과 고융점 금속이 적층된 제 2 측연부를 제 1 및 제 2 전극에 걸친 전류 경로를 따라서 배치 형성하고 있기 때문에, 적은 열 에너지에 의해 또한 저융점 금속에 의한 고융점 금속의 침식 작용을 이용하여 빠르게 용단할 수 있었던 것에 따른 것이다.
[고융점 금속층의 두께]
이어서, 가용 도체 (13) 의 고융점 금속층 (13b) 의 최적 두께에 관해서 설명한다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 관련된 가용 도체 (13) 는, 내층이 되는 저융점 금속층 (13a) 이 외층이 되는 고융점 금속층 (13b) 에 의해 피복되어 있다.
여기서, 가용 도체 (13) 는, 고융점 금속층 (13b) 의 막두께가 얇을수록, 발열체 (14) 가 발열하면 저융점 금속에 의해 빠르게 침식되어, 용단 시간을 빠르게 할 수 있다. 따라서, 가용 도체 (13) 는, 빠른 용단의 관점에서는 고융점 금속층 (13b) 을 가능한 한 얇게 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 보호 소자 (1) 를 회로 기판에 납땜 리플로에 의해 실장하는 경우, 고융점 금속층 (13b) 의 막두께가 얇으면, 리플로 가열시에 저융점 금속에 침식됨으로써 가용 도체 (13) 가 변형되어 용단 시간에 편차가 생기는 등, 안정된 용단 특성을 유지할 수 없게 될 우려가 있다. 따라서, 가용 도체 (13) 는, 리플로 실장에 의한 실장을 가능하게 하면서 용단 특성을 유지하는 관점에서는, 고융점 금속층 (13b) 을 가능한 한 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
그래서, 가용 도체 (13) 는, 발열체 (14) 의 발열시에 있어서의 빠른 용단과 리플로 실장 및 용단 특성의 유지를 양립시킬 수 있는, 최적의 막두께로 고융점 금속층 (13b) 이 형성되어 있다. 구체적으로 가용 도체 (13) 는, 주면부 (25) 에 있어서의 고융점 금속층 (13b) 의 막두께가 표리 각각 2 ㎛ 이상으로 형성되어 있다. 고융점 금속층 (13b) 의 막두께를 2 ㎛ 이상으로 형성함으로써, 가용 도체 (13) 는, 보호 소자 (1) 를 회로 기판에 리플로 실장에 의해 탑재하는 경우에도, 고융점 금속층 (13b) 이 저융점 금속에 의해 침식되지 않고, 가용 도체 (13) 의 변형을 방지할 수 있다. 따라서, 가용 도체 (13) 는 정격이나 사이즈에 상관없이, 고융점 금속층 (13b) 의 막두께를 2 ㎛ 이상으로 함으로써, 제품마다 용단 시간의 편차도 없고 안정된 용단 특성을 갖는다.
또한, 가용 도체 (13) 는, 주면부 (25) 에 있어서의 고융점 금속층 (13b) 의 막두께를 표리 각각 6 ㎛ 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 고융점 금속층 (13b) 의 막두께를 6 ㎛ 이하로 형성함으로써, 가용 도체 (13) 는 정격이나 사이즈에 상관없이, 발열체 (14) 의 발열시에 있어서, 저융점 금속이 고융점 금속을 빠르게 침식할 수 있어 단시간에 용단할 수 있다. 가용 도체 (13) 는, 고융점 금속층 (13b) 의 막두께가 6 ㎛ 보다 두꺼워지면 저융점 금속에 의한 침식량이 늘어나기 때문에, 그만큼 용단 시간도 길어진다.
또, 전술한 바와 같이, 가용 도체 (13) 는, 전해 도금법에 의해 장척상의 저융점 금속박에 연속적으로 고융점 금속층 (13b) 을 형성할 수 있다. 이 때, 가용 도체 (13) 는, 전류 제어에 의해 고융점 금속층 (13b) 을 원하는 막두께로 형성할 수 있다.
실시예 2
이어서, 본 발명의 제 2 실시예에 관해서 설명한다. 제 2 실시예에서는, 저융점 금속박을 피복하는 고융점 금속층의 두께를 변경한 가용 도체의 샘플을 준비하고, 이들 각 샘플을 사용하여 형성된 보호 소자를 회로 기판 상에 납땜 리플로에 의해서 실장하여, 각 가용 도체 샘플에 대해 변형이나 용단의 유무를 조사하였다. 또한, 각 보호 소자에 전력을 인가하여, 가용 도체 샘플의 용단 시간을 측정하였다.
제 2 실시예에 사용한 가용 도체 샘플은, 저융점 금속박으로서 두께 60 ㎛ 의 Pb 프리 땜납박을 사용하고, 전해 도금법에 의해 Pb 프리 땜납박의 전체면에 Ag 도금을 실시하여, 편측 두께 1 ∼ 7 ㎛ 의 고융점 금속층을 형성하였다. 또, 각 가용 도체 샘플은 전류의 양을 제어함으로써, Ag 도금층을 원하는 막두께로 형성할 수 있다. 각 가용 도체 샘플은, 전해 도금 후에, 폭 방향에 걸쳐서 절단되고, 소정의 길이로 형성된다.
각 가용 도체 샘플로서, 비교예 2 에서는, 편측 두께 1 ㎛ 의 고융점 금속층을 형성하였다. 또한, 실시예 2 에서는, 편측 두께 2 ㎛ 의 고융점 금속층을 형성하였다. 또한, 실시예 3 에서는, 편측 두께 3 ㎛ 의 고융점 금속층을 형성하였다. 또한, 실시예 4 에서는, 편측 두께 4 ㎛ 의 고융점 금속층을 형성하였다. 또한, 실시예 5 에서는, 편측 두께 5 ㎛ 의 고융점 금속층을 형성하였다. 또한, 실시예 6 에서는, 편측 두께 6 ㎛ 의 고융점 금속층을 형성하였다. 또한, 실시예 7 에서는, 편측 두께 7 ㎛ 의 고융점 금속층을 형성하였다.
비교예 2 및 실시예 2 ∼ 7 에 관련된 각 가용 도체 샘플을, 고융점 금속을 피복함으로써 두껍게 형성된 제 1 측연부를 제 1 및 제 2 전극 상에 배치 형성하고, 도체 리본의 절단면이 되는 제 2 측연부를 제 1 전극 ∼ 발열체 인출 전극 ∼ 제 2 전극에 걸친 전류 경로를 따라서 배치 형성함으로써, 실시예 2 에 관련된 보호 소자를 형성하였다 (도 1 참조). 보호 소자는, 비교예 2 및 실시예 2 ∼ 7 에 관련된 각 가용 도체의 각각에 대해 24 개 준비하였다.
이어서, 각 보호 소자를 회로 기판 상에 납땜 리플로에 의해서 실장하였다. 리플로 온도는 약 260 ℃ 이다. 리플로 실장 후, 보호 소자의 커버 부재를 열어 가용 도체 샘플을 육안으로 관찰하여 가용 도체의 변형에 관해서 평가하고, 또한 가용 도체의 용융 발생률 (％) 을 구하였다. 또한, 리플로 실장 후, 각 보호 소자에 35 W 의 전력을 인가하여, 용단 시간 (sec) 을 비교하였다.
가용 도체의 변형에 관한 평가는, 리플로 가열에 의해 가용 도체가 용단되어 버린 경우를 ×, 리플로 가열에 의해 가용 도체의 용단에는 이르지 않지만, 실사용상 문제가 없는 정도의 변형이 보인 경우를 ○, 리플로 가열에 의해서도 가용 도체가 용단되지 않고, 변형도 거의 보이지 않은 경우를 ◎ 로 하였다.
가용 도체의 용융 발생률은, 각 가용 도체의 샘플수 24 개 중 용단에 이른 샘플수로부터 구하였다. 결과를 표 2 및 도 6 에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 고융점 금속층의 막두께가 2 ㎛ 이상인 실시예 2 ∼ 7 에 관련된 보호 소자에 있어서는, 모든 샘플이 리플로 실장에 의해서도 가용 도체의 실사용에 영향을 미칠 정도의 변형은 보이지 않았다. 또한, Ag 도금 두께를 2 ∼ 6 ㎛ 로 한 실시예 2 ∼ 실시예 6 에 있어서는, 가용 도체의 용단 시간도 0.44 sec 이하로 짧아, 빠른 용단의 요청에 충분히 부응할 수 있었다.
한편, Ag 도금 두께를 1 ㎛ 로 한 비교예 1 에서는, 용단 시간은 짧아졌지만, 리플로 실장에 의해서 가용 도체가 용단된 샘플이 전체의 30 ％ 발생하였다. 이는, Ag 도금층이 지나치게 얇아, 리플로 가열에 의해서 땜납박이 용융되고, 이 용융 땜납에 의해서 Ag 도금층이 침식된 것에 따른 것이다.
이상으로부터, 가용 도체의 외층을 구성하는 Ag 도금층은 두께 2 ㎛ 이상으로 형성하는 것이 바람직하고, 6 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직함을 알 수 있다.
1 : 보호 소자
11 : 절연 기판
11a : 이면
11b : 제 1 변
11c : 제 2 변
11d : 제 3 변
12 : 전극
13 : 가용 도체
14 : 발열체
15 : 절연 부재
16 : 발열체 인출 전극
17 : 플럭스
18 : 발열체 전극
20 : 커버 부재
21 : 외부 접속 단자
25 : 주면부
26 : 제 1 측연부
27 : 제 2 측연부
30 : 도체 리본
40 : 배터리 팩
41 ∼ 44 : 배터리 셀
45 : 배터리 스택
46 : 검출 회로
47 : 전류 제어 소자
50 : 충방전 제어 회로
51, 52 : 전류 제어 소자
53 : 제어부
55 : 충전 장치

Claims (11)

  1. 절연 기판과,
    발열체와,
    적어도 상기 발열체를 덮는 절연 부재와,
    상기 발열체에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과,
    제 1 및 제 2 전극과,
    상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제 1 및 제 2 전극에 걸쳐서 접속되고, 가열에 의해, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 구비하고,
    상기 가용 도체는, 주면부보다 두껍게 형성되며 서로 대향하는 한 쌍의 제 1 측연부와, 상기 제 1 측면부보다 얇은 두께로 형성되며 서로 대향하는 한 쌍의 제 2 측연부를 갖고, 상기 제 2 측연부가 상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제 1 및 제 2 전극에 걸친 전류 경로를 따라서 배치 형성되어 있는, 보호 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가용 도체는, 상기 제 1 측연부가 고융점 금속에 의해 피복되고, 상기 제 2 측연부에는 저융점 금속 및 상기 저융점 금속의 표면을 피복하는 상기 고융점 금속이 적층되어 있는, 보호 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가용 도체는, 장척상으로 형성된 상기 저융점 금속의 박의 표면에 상기 고융점 금속이 피복된 도체 리본을, 폭 방향으로 절단함으로써 형성되는, 보호 소자.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 가용 도체는, 상기 저융점 금속의 표면에 전해 도금법에 의해 상기 고융점 금속이 피복되어 있는, 보호 소자.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 측연부는, 상기 저융점 금속이 단면보다 외측으로 노출되어 있는, 보호 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가용 도체는, 상기 제 2 측연부가 상기 발열체 인출 전극에 대치되어 있는, 보호 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가용 도체는, 상기 제 1 측연부가 상기 제 1 및 제 2 전극에 접속되어 있는, 보호 소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 가용 도체는, 상기 제 1 측연부가 상기 제 1 및 제 2 전극에 접속되어 있는, 보호 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저융점 금속은 Pb 프리 땜납이고, 상기 고융점 금속은 Ag 혹은 Cu 또는 Ag 혹은 Cu 를 주성분으로 하는 금속인, 보호 소자.
  10. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 가용 도체는, 주면부에 있어서의 상기 저융점 금속의 표리면에 적층된 상기 고융점 금속의 막두께가 각각 2 ㎛ 이상인, 보호 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고융점 금속의 막두께가 6 ㎛ 이하인, 보호 소자.
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