KR20230034380A - 퓨즈 엘리먼트, 퓨즈 소자 및 보호 소자 - Google Patents
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Abstract
이 퓨즈 엘리먼트(10)는, 저융점 금속층(11)과, 저융점 금속층(11)의 적어도 한쪽 표면에 적층된 고융점 금속층(12)과, 저융점 금속층(11)과, 고융점 금속층(12) 사이에 배치된 중간층(13)을 갖고, 고융점 금속층(12)과 중간층(13)은, 저융점 금속층(11)의 용융물에 용해되는 금속으로 이루어지는 층이며, 중간층(13)을 구성하는 재료의 융점은, 저융점 금속층(11)을 구성하는 재료의 융점보다 높고, 고융점 금속층(12)을 구성하는 재료의 융점보다 낮다.
Description
본 발명은, 퓨즈 엘리먼트와, 이 퓨즈 엘리먼트를 이용한 퓨즈 소자 및 보호 소자에 관한 것이다.
본원은, 2020년 8월 19일에, 일본에 출원된 일본국 특허출원 2020-138571호에 의거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
회로 기판에 정격을 초과하는 과전류가 통전했을 때에 전류 경로를 차단시키기 위한 전류 차단 소자로서, 퓨즈 엘리먼트 자체가 발열하여 용단(溶斷)함으로써 전류 경로를 차단시키는 퓨즈 소자가 알려져 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 퓨즈 소자용의 퓨즈 엘리먼트로서, 저융점 금속층과, 저융점 금속층에 적층된 고융점 금속층을 갖고, 정격을 초과하는 전류가 통전했을 때에, 저융점 금속층이 용융되고, 그 용융물이 고융점 금속층을 용해함으로써 퓨즈 엘리먼트를 용단시키는 구성의 퓨즈 엘리먼트가 기재되어 있다. 이 특허문헌 1에는, 저융점 금속층의 재료로서 땜납, 주석, 주석 합금이 예시되고, 고융점 금속층의 재료로서 은, 구리, 은 또는 구리를 주성분으로 하는 합금이 예시되어 있다.
또, 회로 기판에 과전류의 발생 이외의 이상이 발생했을 때에 전류 경로를 차단시키기 위한 전류 차단 소자로서, 발열체(히터)를 이용한 보호 소자가 알려져 있다. 이 보호 소자는, 과전류의 발생 이외의 이상 시에, 발열체에 전류를 통전시킴으로써, 발열체를 발열시키고, 그 열을 이용하여 퓨즈 엘리먼트를 용단시키도록 구성되어 있다. 예를 들면, 특허문헌 2에는, 발열체를 이용한 보호 소자용의 퓨즈 엘리먼트(가용성 도체)로서, 고융점 금속층과 저융점 금속층을 포함하는 적층체로 이루어지고, 저융점 금속층은 발열체가 발하는 열에 의해 용융되어 고융점 금속층을 용해함으로써 퓨즈 엘리먼트를 용단시키는 구성의 퓨즈 엘리먼트가 기재되어 있다. 이 특허문헌 2에는, 저융점 금속층의 재료로서 Pb 프리 땜납, 주석, 주석 합금이 예시되고, 고융점 금속층의 재료로서 은, 구리, 은 또는 구리를 주성분으로 하는 합금이 예시되어 있다.
퓨즈 엘리먼트는, 과전류의 발생 등의 이상 시에는, 저융점 금속층이 신속하게 용융되고, 그 용융물이 고융점 금속층을 용해함으로써 용단하는 것임이 바람직하다. 그러나, 고융점 금속층의 재료로서 구리나 구리 합금을 이용했을 경우는, 구리는, 은과 비교하여 융점이 높고, 또 이온화 경향이 높아 산화 피막을 형성하기 쉽기 때문에, 저융점 금속층의 용융물에 의한 고융점 금속층의 용해가 진행되기 어려워져, 퓨즈 엘리먼트의 용단 속도가 느려지는 경향이 있다. 한편, 고융점 금속층의 재료로서 은이나 은 합금을 이용했을 경우는, 저융점 금속층의 용융물에 의한 고융점 금속층의 용해는 진행되기 쉬워지지만, 재료 비용이 높아진다. 재료 비용을 저감시키기 위해서, 고융점 금속층의 두께를 얇게 하면, 퓨즈 엘리먼트의 강도가 저하될 우려가 있다. 특히, 퓨즈 소자나 보호 소자를 제조할 때에 행하는 리플로 시의 가열 등에 의해, 저융점 금속층이 연화되었을 경우에 퓨즈 엘리먼트의 강도가 저하될 우려가 있다.
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 과전류의 발생 등의 이상 시에는 신속하게 용단시킬 수 있고, 또한 생산 비용이 저렴한 퓨즈 엘리먼트와, 이 퓨즈 엘리먼트를 이용한 퓨즈 소자 및 보호 소자를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 이하의 수단을 제공한다.
(1) 본 발명의 일 양태에 따른 퓨즈 엘리먼트는, 저융점 금속층과, 상기 저융점 금속층의 적어도 한쪽 표면에 적층된 고융점 금속층과, 상기 저융점 금속층과 상기 고융점 금속층 사이에 배치된 중간층을 갖고, 상기 고융점 금속층과 상기 중간층은, 상기 저융점 금속층의 용융물에 용해되는 금속으로 이루어지는 층이며, 상기 중간층을 구성하는 재료의 융점은, 상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점보다 높고, 상기 고융점 금속층을 구성하는 재료의 융점보다 낮다.
(2) 상기 (1)에 기재된 양태에 있어서, 상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점은, 138℃ 이상 250℃ 이하의 범위 내에 있고, 상기 고융점 금속층을 구성하는 재료의 융점은, 상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점에 대해 200℃ 이상 높고, 상기 중간층을 구성하는 재료의 융점은, 상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점에 대해 30℃ 이상 높고, 상기 고융점 금속층을 구성하는 재료의 융점에 대해 30℃ 이상 낮은 구성으로 해도 된다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 양태에 있어서, 상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점, 상기 고융점 금속층을 구성하는 재료의 융점, 상기 중간층을 구성하는 재료의 융점은, 각각의 재료의 액상선 온도인 구성으로 해도 된다.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 양태에 있어서, 상기 중간층과 상기 고융점 금속층의 막두께 비는, 10:1~1:30의 범위 내에 있으며, 상기 고융점 금속층과 상기 중간층의 합계 막두께와, 상기 저융점 금속층의 막두께의 막두께 비는, 1:2~1:100의 범위 내에 있는 구성으로 해도 된다.
(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 양태에 있어서, 상기 저융점 금속층의 막두께는 30μm 이상이고, 상기 고융점 금속층의 막두께는 1μm 이상 200μm 이하의 범위 내에 있으며, 상기 중간층의 막두께는 0.1μm 이상 50μm 이하의 범위 내에 있는 구성으로 해도 된다.
(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 양태에 있어서, 상기 저융점 금속층은, 주석 혹은 주석을 주성분으로 하는 주석 합금으로 이루어지는 층인 구성으로 해도 된다.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 양태에 있어서, 상기 중간층은, 비스무트, 아연, 안티몬, 알루미늄, 은, 금, 구리, 니켈 및 코발트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 혹은 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 층인 구성으로 해도 된다.
(8) 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 양태에 있어서, 상기 고융점 금속층은, 아연, 안티몬, 알루미늄, 은, 금, 구리, 니켈, 코발트 및 철로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 혹은 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 층인 구성으로 해도 된다.
본 발명의 일 양태에 따른 퓨즈 소자는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 표면에 배치된 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 퓨즈 엘리먼트를 구비한다.
본 발명의 일 양태에 따른 보호 소자는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 표면에 배치된 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 퓨즈 엘리먼트와, 상기 절연 기판의 표면에 배치되고, 상기 퓨즈 엘리먼트를 가열하는 발열체를 구비한다.
본 발명에 의하면, 과전류의 발생 등의 이상 시에는 신속하게 용단시킬 수 있고, 또한 생산 비용이 저렴한 퓨즈 엘리먼트와, 이 퓨즈 엘리먼트를 이용한 퓨즈 소자 및 보호 소자를 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트의 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트의 다른 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트의 또 다른 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 퓨즈 소자의 예를 나타내는 개략 평면도이다.
도 5는, 도 4의 V-V'선 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 보호 소자의 예를 나타내는 개략 평면도이다.
도 7은, 도 6의 VII-VII'선 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트의 다른 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트의 또 다른 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 퓨즈 소자의 예를 나타내는 개략 평면도이다.
도 5는, 도 4의 V-V'선 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 보호 소자의 예를 나타내는 개략 평면도이다.
도 7은, 도 6의 VII-VII'선 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 퓨즈 엘리먼트와, 이 퓨즈 엘리먼트를 이용한 퓨즈 소자 및 보호 소자의 실시 형태의 바람직한 예에 대해, 도면을 적절히 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 이용하는 도면은, 특징을 알기 쉽게 하기 위해서 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있으며, 각 구성 요소의 치수 비율 등은 실제와는 상이한 경우가 있다. 이하의 설명에 있어서 예시되는 재료, 치수 등은 일례이며, 본 발명은 그들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위에서 적절히 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 위치, 수, 비율, 종류, 크기, 형상 등에 대해, 변경, 생략, 추가, 치환, 그 외의 변경이 가능하다. 특별히 문제가 없는 한, 각 예에 있어서의 바람직한 특징이나 조건을, 서로 공유해도 된다.
[퓨즈 엘리먼트(제1 실시 형태)]
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트의 개략 사시도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 퓨즈 엘리먼트(10)는, 저융점 금속층(11)과, 저융점 금속층(11)의 표면에 적층된 고융점 금속층(12)과, 저융점 금속층(11)과 고융점 금속층(12) 사이에 배치된 중간층(13)을 갖는다. 퓨즈 엘리먼트(10)의 평면에서 봤을 때의 형상이나 단면의 형상은, 임의로 선택할 수 있다.
저융점 금속층(11)은, 그 융점이, 퓨즈 소자나 보호 소자를 제조할 때에 행하는 리플로 시의 가열 온도 이하인 것이 바람직하다. 리플로 온도가 240℃~260℃인 경우에는, 저융점 금속층(11)을 구성하는 재료의 융점 TL은, 138℃ 이상 250℃ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 융점 TL은, 필요에 따라, 138℃ 이상 218℃ 이하의 범위 내나 218℃ 이상 250℃ 이하의 범위 내에 있어도 된다. 또한, 저융점 금속층(11)을 구성하는 재료의 융점은, 그 재료의 액상선 온도여도 된다. 즉, 저융점 금속층(11)을 구성하는 재료가 합금인 경우에, 그 융점은 그 합금의 평형 상태도에 있어서 소정의 조성에 있어서의 액상선 상의 온도여도 된다.
저융점 금속층(11)의 재료는, 주석 혹은 주석을 주성분으로 하여 포함하는 주석 합금인 것이 바람직하다. 상기 주석 합금에 있어서, 주성분으로 한다는 것은, 상기 주석 합금의 주석의 함유량이 40질량% 이상인 것이 바람직하고, 60질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 상기 주석의 함유량은, 70질량% 이상이나, 80질량% 이상이어도 된다. 상기 주석의 함유량의 상한값은, 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면, 99질량% 이하나, 97질량% 이하여도 된다. 주석 합금의 예로서는, Sn-Bi 합금, In-Sn 합금, Sn-Ag-Cu 합금을 들 수 있다.
고융점 금속층(12)은, 저융점 금속층(11)의 용융물에 용해되는 금속 재료로 이루어지는 층이다. 저융점 금속층(11)의 재료가 주석 혹은 주석 합금인 경우, 고융점 금속층(12)의 재료는, 아연, 안티몬, 알루미늄, 은, 금, 구리, 니켈, 코발트 및 철로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 혹은 상기 금속을 주성분으로 하는 합금인 것이 바람직하다. 상기 합금에 있어서, 주성분으로 한다는 것은, 상기 합금 중의 상기 금속의 함유량이 40질량% 이상인 것이 바람직하고, 60질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 상기 금속의 함유량은, 70질량% 이상이나, 80질량% 이상이어도 된다. 상기 금속의 함유량의 상한값은, 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면, 99질량% 이하나, 97질량% 이하여도 된다. 상기 합금의 예로서는, 인청동, 은팔라듐 합금, 니켈철 합금 및 니켈-코발트 합금을 들 수 있다. 고융점 금속층(12)의 재료는, 평상시의 퓨즈 엘리먼트(10)의 전기 전도성을 높이는 관점에서, 구리, 구리 합금, 은 및 은 합금 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
고융점 금속층(12)은, 이 층을 구성하는 재료의 융점 TH가, 저융점 금속층(11)을 구성하는 재료의 융점 TL에 대해 100℃ 이상 높은 것이 바람직하다. 즉 고융점 금속층(12)의 융점은, 저융점 금속층(11)에 대해 100℃ 이상 높은 것이 바람직하다. 융점 TH와 융점 TL의 차(융점 TH-융점 TL)는, 500℃ 이상인 것이 보다 바람직하고, 800℃ 이상인 것이 특히 바람직하다. 융점 TH와 융점 TL의 차는, 1500℃ 이하여도 된다. 또, 융점 TH는, 400℃ 이상 1700℃ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 융점 TH는, 필요에 따라, 400℃ 이상 600℃ 이하의 범위 내나, 600℃ 이상 1000℃ 이하의 범위 내나, 1000℃ 이상 1600℃ 이하의 범위 내에 있어도 된다. 또한, 고융점 금속층(12)을 구성하는 재료의 융점은, 그 재료의 액상선 온도여도 된다. 즉, 고융점 금속층(12)을 구성하는 재료가 합금인 경우에, 그 융점은 그 합금의 평형 상태도에 있어서 소정의 조성에 있어서의 액상선 상의 온도여도 된다.
중간층(13)은, 저융점 금속층(11)의 용융물에 용해되는 금속 재료로 이루어지는 층이다. 저융점 금속층(11)의 재료가 주석 혹은 주석 합금인 경우, 중간층(13)의 재료는, 주석, 비스무트, 아연, 안티몬, 알루미늄, 은, 금, 구리, 니켈 및 코발트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 혹은 상기 금속을 주성분으로 하는 합금인 것이 바람직하다. 상기 합금에 있어서, 주성분으로 한다는 것은, 상기 합금 중의 상기 금속의 함유량이 40질량% 이상인 것이 바람직하고, 60질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 상기 금속의 함유량은, 70질량% 이상이나, 80질량% 이상이어도 된다. 상기 금속의 함유량의 상한값은, 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면, 99질량% 이하나, 97질량% 이하여도 된다. 예를 들면, 저융점 금속층(11)의 재료가 Sn-Bi 합금, In-Sn 합금 등의 주석 합금인 경우, 중간층(13)의 재료는, 주석 혹은 Sn-Ag-Cu 합금, Sn-Ag 합금, Sn-Cu 합금 등의 주석 합금이어도 된다.
중간층(13)은, 이 층을 구성하는 재료의 융점 TM이, 저융점 금속층(11)을 구성하는 재료의 융점 TL에 대해 30℃ 이상 높고, 고융점 금속층(12)을 구성하는 재료의 융점 TH에 대해 30℃ 이상 낮은 것이 바람직하다. 즉 중간층(13)에 융점은, 저융점 금속층(11)에 대해 30℃ 이상 높고, 고융점 금속층(12)에 대해 30℃ 이상 낮은 것이 바람직하다. 융점 TM과 융점 TL의 차(융점 TM-융점 TL)는, 150℃ 이상인 것이 보다 바람직하고, 500℃ 이상인 것이 특히 바람직하다. 융점 TM과 융점 TL의 차는 1300℃ 이하여도 된다. 융점 TM과 융점 TH의 차(융점 TH-융점 TM)는, 100℃ 이상인 것이 보다 바람직하고, 200℃ 이상인 것이 특히 바람직하다. 융점 TM과 융점 TH의 차는, 800℃ 이하나, 600℃ 이하여도 된다. 또, 융점 TM은, 260℃ 이상 1500℃ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 융점 TM은, 필요에 따라, 260℃ 이상 600℃ 이하의 범위 내나, 600℃ 이상 1000℃ 이하의 범위 내나, 1000℃ 이상 1500℃ 이하의 범위 내에 있어도 된다. 또한, 중간층(13)을 구성하는 재료의 융점은, 그 재료의 액상선 온도여도 된다. 즉, 중간층(13)을 구성하는 재료가 합금인 경우에, 그 융점은 그 합금의 평형 상태도에 있어서 소정의 조성에 있어서의 액상선 상의 온도여도 된다.
고융점 금속층(12)의 재료와 중간층(13)의 재료는, 합금을 생성하는 조합인 것이 바람직하다. 예를 들면, 고융점 금속층(12)의 재료가 구리 또는 구리 합금인 경우, 중간층(13)의 재료는, 은 또는 은 합금, 아연 또는 아연 합금인 것이 바람직하다. 또, 고융점 금속층(12)의 재료가 은 또는 은 합금인 경우, 중간층(13)의 재료는, 아연 또는 아연 합금인 것이 바람직하다.
퓨즈 엘리먼트(10)는, 과전류의 발생 등의 이상 시에는, 저융점 금속층(11)이 용융되고, 생성된 용융물이 중간층(13)과 고융점 금속층(12)을 용해함으로써 용단된다. 퓨즈 엘리먼트(10)에 있어서, 저융점 금속층(11)은, 중간층(13)과 고융점 금속층(12)을 용해하여, 퓨즈 엘리먼트(10)를 용단시키는데 필요한 양으로 포함되어 있다. 중간층(13)과 고융점 금속층(12)은, 퓨즈 소자나 보호 소자를 제조할 때의 리플로 시에, 퓨즈 엘리먼트(10)의 형상을 유지하는데 필요한 양으로, 또한 이상 시에는, 상기 용융물에 신속하게 용해시킬 수 있는 양으로 포함된다.
상기의 관점에서, 저융점 금속층(11)의 막두께는, 임의로 선택할 수 있지만, 30μm 이상인 것이 바람직하다. 저융점 금속층(11)의 막두께는, 60μm 이상이나, 100μm 이상이나, 500μm 이상이어도 된다. 저융점 금속층(11)의 막두께의 상한값은, 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면, 3000μm 이하여도 된다. 필요에 따라, 2000μm 이하나, 1500μm 이하 등이어도 된다.
또, 고융점 금속층(12)의 막두께는, 임의로 선택할 수 있지만, 1μm 이상 200μm 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 1μm 이상 60μm 이하의 범위 내나, 60μm 이상 150μm 이하의 범위 내나, 150μm 이상 200μm 이하의 범위 내여도 된다.
또한, 중간층(13)의 막두께는, 임의로 선택할 수 있지만, 0.1μm 이상 50μm 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 0.1μm 이상 10μm 이하의 범위 내나, 10μm 이상 20μm 이하의 범위 내나, 1μm 이상 30μm 이하의 범위 내여도 된다.
또, 고융점 금속층(12)과 중간층(13)의 막두께 비(전자의 막두께:후자의 막두께)는, 임의로 선택할 수 있지만, 30:1~1:10의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 예를 들면, 30:1~1:1의 범위 내나, 30:1~10:1의 범위 내나, 10:1~5:1의 범위 내나, 1:1~1:10의 범위 내여도 된다. 중간층(13)을 구성하는 재료가, 저융점 금속층(11)의 용융물에 대한 용해성이 높은 경우는, 중간층(13)의 막두께를 고융점 금속층(12)의 막두께와 같거나 혹은 그보다 두껍게 해도 된다. 예를 들면, 저융점 금속층(11)의 재료가 주석이나 주석 합금이며, 중간층(13)의 재료가, 주석, 은, 구리 혹은 이들 금속을 주성분으로 하는 합금 중 어느 하나인 경우는, 고융점 금속층(12)과 중간층(13)의 막두께 비는, 1:1~1:10의 범위 내로 해도 된다. 또, 중간층(13)을 구성하는 재료가, 저융점 금속층(11)의 용융물에 대한 용해성이 낮은 경우는, 중간층(13)의 막두께를 고융점 금속층(12)의 막두께와 같거나 혹은 그보다 얇게 해도 된다. 예를 들면, 저융점 금속층(11)의 재료가 주석이나 주석 합금이며, 중간층(13)의 재료가, 비스무트, 아연, 안티몬, 알루미늄, 금, 니켈, 코발트 혹은 이들 금속을 주성분으로 하는 합금 중 어느 하나인 경우는, 고융점 금속층(12)과 중간층(13)의 막두께 비는, 30:1~1:1의 범위 내에 있어도 된다. 고융점 금속층(12)과 중간층(13)의 막두께 비를 조정함으로써, 퓨즈 엘리먼트(10)의 강도, 과전류의 발생 등의 이상 시에서의 퓨즈 엘리먼트(10)의 용단 속도, 그리고 생산 비용을 조정할 수 있다.
또한, 고융점 금속층(12)과 중간층(13)의 합계 막두께와, 저융점 금속층(11)의 막두께의 막두께 비(전자의 막두께:후자의 막두께)는, 임의로 선택할 수 있지만, 1:2~1:100의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 예를 들면, 1:2~1:10의 범위 내나, 1:10~1:30의 범위 내나, 1:30~1:100의 범위 내여도 된다. 고융점 금속층(12)과 중간층(13)의 합계 막두께가 너무 두꺼워지면, 이상 시에 중간층(13)과 고융점 금속층(12)이 용해될 때까지의 시간이 길어져, 퓨즈 엘리먼트(10)의 용단 속도가 느려질 우려가 있다. 한편, 저융점 금속층(11)의 막두께가 너무 두꺼워지면, 퓨즈 소자나 보호 소자를 제조할 때의 리플로 시에, 퓨즈 엘리먼트(10)의 형상을 유지하기 어려워질 우려가 있다.
퓨즈 엘리먼트(10)는, 예를 들면, 도금법, 스퍼터법, 증착법 등의 성막법을 이용함으로써 제조할 수 있다. 구체적으로는, 저융점 금속층(11)이 되는 금속박을 준비하고, 그 금속박의 표면에 상기 성막법을 이용하여 중간층(13)을 형성하고, 그 다음에, 중간층(13)의 표면에 상기 성막법을 이용하여 고융점 금속층(12)을 형성함으로써, 퓨즈 엘리먼트(10)를 제조할 수 있다. 저융점 금속층(11)으로서 주석 혹은 주석 합금을 이용하는 경우, 저융점 금속층(11)은 산화되기 쉬워, 표면에 부동태 피막이 형성되어 있는 경우가 있다. 이 경우에는, 중간층(13)을 형성할 때에, 고전류를 부여하여 단시간에 전해 도금하는 방법(스트라이크 도금법)을 이용하는 것이 바람직하다. 또, 퓨즈 엘리먼트(10)는, 예를 들면, 금속박을 적층함으로써 제조할 수 있다. 구체적으로는, 저융점 금속층(11)이 되는 금속박과, 중간층(13)이 되는 금속박과, 고융점 금속층(12)이 되는 금속박을 준비하고, 이들 금속박을 압착시킴으로써, 퓨즈 엘리먼트(10)를 제조할 수 있다.
도 1에 나타내는 퓨즈 엘리먼트(10)는, 저융점 금속층(11)의 표면에, 중간층(13)과 고융점 금속층(12)이 적층된 구성으로 되어 있지만, 퓨즈 엘리먼트의 구성은 이것에 한정되는 것은 아니다. 퓨즈 엘리먼트(10)의 다른 구성의 예를, 도 2와 도 3에 나타낸다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트의 다른 예를 나타내는 개략 사시도이다. 도 2에 나타내는 퓨즈 엘리먼트(20)는, 단면이 직사각형인 저융점 금속층(21)과, 저융점 금속층(21) 주위에 적층된 고융점 금속층(22)과, 저융점 금속층(21)과 고융점 금속층(22) 사이에 배치된 중간층(23)으로 이루어진다. 퓨즈 엘리먼트(20)는, 저융점 금속층(21)의 주면이나 측면도, 중간층(23)과 고융점 금속층(22)에 의해 피복되어 있다. 이로 인해, 고융점 금속층(22)과 중간층(23)으로 이루어지는 외각의 강성이 높아져, 리플로 시에, 퓨즈 엘리먼트(10)의 형상을 유지하기 쉬워진다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트의 또 다른 예를 나타내는 개략 사시도이다. 도 3에 나타내는 퓨즈 엘리먼트(30)는, 단면이 원형인 저융점 금속층(31)과, 저융점 금속층(31) 주위에 적층된 고융점 금속층(32)과, 저융점 금속층(31)과 고융점 금속층(32) 사이에 배치된 중간층(33)으로 이루어진다. 퓨즈 엘리먼트(30)는, 저융점 금속층(31)의 측면이 중간층(33)과 고융점 금속층(32)에 의해 동심원상으로 피복되어 있으므로, 저융점 금속층(31)이 산화되기 어려워진다. 또, 중간층(33)과 고융점 금속층(32)의 두께를 균일하게 하기 쉬워, 중간층(33)과 고융점 금속층(32)의 용해가 균일하게 진행되기 쉬워진다. 이로 인해, 퓨즈 엘리먼트(30)는, 용단 속도가 더욱 빨라진다.
이상과 같은 구성이 된 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트(10, 20, 30)에 의하면, 저융점 금속층(31)과 고융점 금속층(32) 사이에, 융점이 저융점 금속층(31)보다 높고, 고융점 금속층(32)보다 낮은 중간층(33)이 배치되어 있으므로, 고융점 금속층(32)의 두께를 얇게 해도 강도를 유지할 수 있다. 고융점 금속층(32)의 두께를 얇게 함으로써, 과전류의 발생 등의 이상 시에는 신속하게 용단시킬 수 있다.
또, 고가의 고융점 금속층(32)의 두께를 얇게 함으로써, 생산 비용을 저렴하게 할 수 있다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트(10, 20, 30)는, 중간층(13, 23, 33)과 고융점 금속층(12, 22, 32) 사이에, 중간층(13, 23, 33)보다 융점이 높고, 고융점 금속층(12, 22, 32)보다 융점이 낮고, 또한 저융점 금속층(11, 21, 31)의 용융물에 용해되는 금속으로 이루어지는 층을, 추가로 갖고 있어도 된다. 또, 고융점 금속층(12, 22, 32)의 표면에, 산화 방지층을 갖고 있어도 된다.
다음에, 본 발명에 따른 퓨즈 소자와 보호 소자의 실시 형태에 대해, 퓨즈 엘리먼트로서 도 1에 나타내는 퓨즈 엘리먼트(10)를 이용했을 경우를 예를 들어 설명한다.
[퓨즈 소자(제2 실시 형태)]
도 4는, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 퓨즈 소자의 개략 평면도이다. 도 5는, 도 4의 V-V'선 단면도이다. 또한, 도 4는, 퓨즈 소자의 커버 부재를 떼어낸 상태로 되어 있다.
도 4와 도 5에 나타내는 바와 같이, 퓨즈 소자(40)는, 절연 기판(41)과, 절연 기판(41)의 표면(41a)에 배치된 제1 전극(42) 및 제2 전극(43)과, 제1 전극(42)과 제2 전극(43)을 전기적으로 접속하는 퓨즈 엘리먼트(10)를 구비한다.
절연 기판(41)은, 전기 절연성을 갖는 것이면 특별히 제한은 없고, 수지 기판, 세라믹스 기판, 수지와 세라믹스의 복합체 기판 등, 회로 기판으로서 이용되고 있는 공지의 절연 기판을 이용할 수 있다. 수지 기판의 예로서는, 에폭시 수지 기판, 페르 수지 기판, 폴리이미드 기판을 들 수 있다. 세라믹스 기판의 예로서는, 알루미나 기판, 유리 세라믹스 기판, 멀라이트 기판, 지르코니아 기판을 들 수 있다. 복합체 기판의 예로서는, 유리 에폭시 기판을 들 수 있다.
제1 전극(42) 및 제2 전극(43)은, 절연 기판(41)의 대향하는 한 쌍의 양단부에 배치되어 있다. 제1 전극(42) 및 제2 전극(43)은, 각각 은 배선이나 구리 배선 등의 도전 패턴에 의해 형성되어 있다. 제1 전극(42) 및 제2 전극(43)의 표면 각각은, 산화 등에 의한 전극 특성의 변질을 억제하기 위한 전극 보호층(44)으로 피복되어 있다. 전극 보호층(44)의 재료로서는, 예를 들면, Sn 도금막, Ni/Au 도금막, Ni/Pd 도금막, Ni/Pd/Au 도금막 등을 이용할 수 있다. 또, 제1 전극(42) 및 제2 전극(43)은, 각각 캐스털레이션을 통해, 절연 기판(41)의 이면(41b)에 형성된 제1 외부 접속 전극(42a) 및 제2 외부 접속 전극(43a)과 전기적으로 접속되어 있다. 제1 전극(42) 및 제2 전극(43)과 제1 외부 접속 전극(42a) 및 제2 외부 접속 전극(43a)의 접속은, 캐스털레이션에 한정되지 않고, 스루홀로 행해도 된다.
퓨즈 엘리먼트(10)는, 제1 전극(42) 및 제2 전극(43)과, 땜납 등의 접속 재료(45)를 통해 전기적으로 접속되어 있다.
퓨즈 엘리먼트(10)는, 표면에 플럭스(46)가 도포되어 있어도 된다. 플럭스(46)를 도포함으로써, 퓨즈 엘리먼트(10)의 산화가 방지되고, 접속 재료(45)를 통해 퓨즈 엘리먼트(10)와 제1 전극(42) 및 제2 전극(43)을 접속할 때의, 접속 재료(45)의 젖음성이 향상된다. 또, 플럭스(46)를 도포함으로써, 아크 방전에 의한 용융 금속의 절연 기판(41)으로의 부착을 억제하여, 퓨즈 엘리먼트(10)의 용단 후에 있어서의 절연성을 향상시킬 수 있다.
퓨즈 소자(40)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 커버 부재(50)가 접착제를 통해 장착되어 있는 것이 바람직하다. 커버 부재(50)를 장착함으로써, 퓨즈 소자(40)의 내부를 보호함과 더불어, 퓨즈 엘리먼트(10)가 용단할 때에 발생하는 용융물의 비산을 방지할 수 있다. 커버 부재(50)의 재료로서는, 각종 엔지니어링 플라스틱, 및 세라믹스를 이용할 수 있다.
퓨즈 소자(40)는, 제1 외부 접속 전극(42a) 및 제2 외부 접속 전극(43a)을 통해, 회로 기판의 전류 경로 상에 실장된다. 회로 기판의 전류 경로 상에 정격의 전류가 흐르고 있는 동안은, 퓨즈 소자(40)에 구비되어 있는 퓨즈 엘리먼트(10)의 저융점 금속층(11)은 용융되지 않는다. 한편, 회로 기판의 전류 경로 상에 정격을 초과하는 과전류가 통전되면, 퓨즈 엘리먼트(10)의 저융점 금속층(11)이 발열하여 용융된다. 이렇게 하여 생성된 용융물이 중간층(13)과 고융점 금속층(12)을 용해함으로써, 퓨즈 엘리먼트(10)를 용단시킨다. 그리고, 이 퓨즈 엘리먼트(10)의 용단에 의해, 제1 전극(42)과 제2 전극(43) 사이가 단선되고, 회로 기판의 전류 경로가 차단된다.
이상과 같은 구성이 된 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 퓨즈 소자(40)는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트(10)를 이용하고 있다. 이 때문에, 과전류의 발생 시에는, 신속하게 퓨즈 엘리먼트(10)가 용단된다. 이로 인해, 회로 기판의 전류 경로를 조기에 차단시킬 수 있다.
[보호 소자(제3 실시 형태)]
도 6은, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 보호 소자의 개략 평면도이다. 도 7은, 도 6의 VII-VII'선 단면도이다. 또한, 도 6에 있어서, 보호 소자는 커버 부재를 떼어낸 상태로 되어 있다.
도 6과 도 7에 나타내는 바와 같이, 보호 소자(60)는, 절연 기판(61)과, 절연 기판(61)의 표면(61a)에 배치된 제1 전극(62) 및 제2 전극(63)과, 제1 전극(62) 및 제2 전극(63) 사이에 배치된 발열체(70)와, 발열체(70)에 접속하는 제1 발열체 전극(64) 및 제2 발열체 전극(65)과, 제2 발열체 전극(65)에 접속하며, 평면에서 봤을 때 발열체(70)와 겹쳐지는 장소에 위치하는 발열체 인출 전극(66)과, 발열체 인출 전극(66)의 표면에 배치된 퓨즈 엘리먼트(10)를 구비한다.
절연 기판(61)은, 전기 절연성을 갖는 것이면 특별히 제한은 없다. 절연 기판(61)으로서는, 제2 실시 형태의 퓨즈 소자(40)의 경우와 동일하게, 회로 기판으로서 이용되고 있는 공지의 절연 기판을 이용할 수 있다. 본 예에서는, 절연 기판(61)은 평면에서 봤을 때 장방형이지만, 이 형상만으로 한정되지 않고, 임의로 선택되는 형상이어도 된다.
제1 전극(62)과 제2 전극(63)은, 절연 기판(61)의 대향하는 한 쌍의 양단부에 배치되어 있다. 제1 발열체 전극(64)과 제2 발열체 전극(65)은, 절연 기판(61)의 대향하는 다른 한 쌍의 양단부에 배치되어 있다. 제1 전극(62), 제2 전극(63), 제1 발열체 전극(64), 제2 발열체 전극(65), 및 발열체 인출 전극(66)은, 각각이, 은 배선이나 구리 배선 등의, 도전 패턴에 의해 형성되어 있다. 또, 제1 전극(62), 제2 전극(63), 제1 발열체 전극(64), 제2 발열체 전극(65), 및 발열체 인출 전극(66)은, 각각이, 산화 등에 의한 전극 특성의 변질을 억제하기 위한 전극 보호층(67)으로 바람직하게 피복되어 있다. 전극 보호층(67)의 재료는, 제2 실시 형태의 퓨즈 소자(40)의 경우와 동일하다.
또한, 제1 전극(62), 제2 전극(63), 및 제1 발열체 전극(64) 각각은, 캐스터레이션을 통해, 절연 기판(61)의 이면(61b)에 형성된 제1 외부 접속 전극(62a), 제2 외부 접속 전극(63a), 및 발열체 급전 전극(64a)과 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 제1 전극(62), 제2 전극(63), 및 제1 발열체 전극(64)과, 제1 외부 접속 전극(62a), 제2 외부 접속 전극(63a), 및 발열체 급전 전극(64a) 각각의 접속은, 캐스터레이션으로 한정되지 않고, 스루홀로 행해도 된다.
발열체(70)는, 비교적 저항이 높고, 통전에 의해 발열하는, 고저항 도전성 재료로 형성되어 있다. 발열체(70)는, 예를 들면, 니크롬, W, Mo, Ru 등 또는 이들을 포함하는 재료로 이루어진다. 발열체(70)는, 상기 원소를 포함하는 합금, 조성물, 또는 화합물의 분상체를, 수지 바인더 등과 혼합하여 페이스트상으로 한 것을 준비하고, 이것을 절연 기판(61)의 표면에 스크린 인쇄 기술을 이용하여 패턴 형성하고, 소성하는 방법 등에 의해 바람직하게 형성할 수 있다.
발열체(70)는, 절연 부재(71)로 피복되어 있다. 절연 부재(71)의 재료로서는, 예를 들면, 유리를 이용할 수 있다. 발열체 인출 전극(66)은, 절연 부재(71)를 통해, 발열체(70)와 대향하도록 배치된다. 이 배치에 의해, 발열체(70)는, 절연 부재(71) 및 발열체 인출 전극(66)을 통해, 퓨즈 엘리먼트(10)와 중첩된다. 이러한 중첩 구조로 함으로써, 발열체(70)에서 발생한 열을 좁은 범위에서, 효율적으로 퓨즈 엘리먼트(10)에 전달할 수 있다.
퓨즈 엘리먼트(10)는, 그 양단이 각각 제1 전극(62)과 제2 전극(63)에 전기적으로 접속하고, 그 중앙부가 발열체 인출 전극(66)에 접속되어 있다. 퓨즈 엘리먼트(10)와, 제1 전극(62), 제2 전극(63), 및 발열체 인출 전극(66)은, 땜납 등의 접속 재료(68)를 통해, 전기적으로 접속되어 있다. 이러한 구성에 의해, 보호 소자(60)에는, 발열체 급전 전극(64a), 제1 발열체 전극(64), 발열체(70), 제2 발열체 전극(65), 발열체 인출 전극(66), 그리고 퓨즈 엘리먼트(10)에 이르는, 제1 통전 경로와, 제1 외부 접속 전극(62a), 제1 전극(62), 퓨즈 엘리먼트(10), 제2 전극(63), 그리고 제2 외부 접속 전극(63a)에 이르는, 제2 통전 경로가 형성된다. 또, 퓨즈 엘리먼트(10)는, 표면에 플럭스(69)가 도포되어 있다.
보호 소자(60)는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 커버 부재(80)가 접착제를 통해 장착되어 있는 것이 바람직하다. 커버 부재(80)의 재료는, 제2 실시 형태의 퓨즈 소자(40)의 경우와 동일하다.
보호 소자(60)는, 제1 외부 접속 전극(62a), 제2 외부 접속 전극(63a) 및 발열체 급전 전극(64a)을 통해, 회로 기판의 전류 경로 상에 실장된다. 이에 의해, 보호 소자(60)의 퓨즈 엘리먼트(10)는, 제1 외부 접속 전극(62a)과 제2 외부 접속 전극(63a)을 통해, 외부의 회로 기판의 전류 경로 상에 직렬 접속된다. 발열체(70)는, 발열체 급전 전극(64a)을 통해, 회로 기판에 설치된 전류 제어 소자와 접속된다.
보호 소자(60)는, 회로 기판에 이상이 발생하면, 회로 기판에 구비된 전류 제어 소자에 의해, 발열체 급전 전극(64a)을 통해 발열체(70)가 통전된다. 이 통전에 의해, 발열체(70)가 발열한다. 그리고, 그 열이, 절연 부재(71) 및 발열체 인출 전극(66)을 통해, 퓨즈 엘리먼트(10)에 전달된다. 이 열에 의해, 퓨즈 엘리먼트(10)의 저융점 금속층(11)이 용융되고, 생성된 용융물이 중간층(13)과 고융점 금속층(12)을 용해한다. 그 결과, 퓨즈 엘리먼트(10)가 용단된다. 그리고, 이 퓨즈 엘리먼트(10)의 용단에 의해, 제1 전극(62)과 제2 전극(63) 사이가 단선되어, 회로 기판의 전류 경로가 차단된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 보호 소자(60)는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 퓨즈 엘리먼트(10)를 이용하고 있다. 그 결과, 이상 시에는 신속하게 퓨즈 엘리먼트(10)가 용단된다. 이로 인해, 회로 기판의 전류 경로를 조기에 차단시킬 수 있다.
10, 20, 30: 퓨즈 엘리먼트
11, 21, 31: 저융점 금속층
12, 22, 32: 고융점 금속층 13, 23, 33: 중간층
40: 퓨즈 소자 41: 절연 기판
41a: 표면 41b: 이면
42: 제1 전극 42a: 제1 외부 접속 전극
43: 제2 전극 43a: 제2 외부 접속 전극
44: 전극 보호층 45: 접속 재료
46: 플럭스 50: 커버 부재
60: 보호 소자 61: 절연 기판
61a: 표면 61b: 이면
62: 제1 전극 62a: 제1 외부 접속 전극
63: 제2 전극 63a: 제2 외부 접속 전극
64: 제1 발열체 전극 64a: 발열체 급전 전극
65: 제2 발열체 전극 66: 발열체 인출 전극
67: 전극 보호층 68: 접속 재료
69: 플럭스 70: 발열체
71: 절연 부재 80: 커버 부재
12, 22, 32: 고융점 금속층 13, 23, 33: 중간층
40: 퓨즈 소자 41: 절연 기판
41a: 표면 41b: 이면
42: 제1 전극 42a: 제1 외부 접속 전극
43: 제2 전극 43a: 제2 외부 접속 전극
44: 전극 보호층 45: 접속 재료
46: 플럭스 50: 커버 부재
60: 보호 소자 61: 절연 기판
61a: 표면 61b: 이면
62: 제1 전극 62a: 제1 외부 접속 전극
63: 제2 전극 63a: 제2 외부 접속 전극
64: 제1 발열체 전극 64a: 발열체 급전 전극
65: 제2 발열체 전극 66: 발열체 인출 전극
67: 전극 보호층 68: 접속 재료
69: 플럭스 70: 발열체
71: 절연 부재 80: 커버 부재
Claims (10)
- 저융점 금속층과,
상기 저융점 금속층의 적어도 한쪽 표면에 적층된 고융점 금속층과,
상기 저융점 금속층과 상기 고융점 금속층 사이에 배치된 중간층을 갖고,
상기 고융점 금속층과 상기 중간층은, 상기 저융점 금속층의 용융물에 용해되는 금속으로 이루어지는 층이며,
상기 중간층을 구성하는 재료의 융점은, 상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점보다 높고, 상기 고융점 금속층을 구성하는 재료의 융점보다 낮은, 퓨즈 엘리먼트. - 청구항 1에 있어서,
상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점은, 138℃ 이상 250℃ 이하의 범위 내에 있고,
상기 고융점 금속층을 구성하는 재료의 융점은, 상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점에 대해 100℃ 이상 높고,
상기 중간층을 구성하는 재료의 융점은, 상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점에 대해 30℃ 이상 높고, 상기 고융점 금속층을 구성하는 재료의 융점에 대해 30℃ 이상 낮은, 퓨즈 엘리먼트. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 저융점 금속층을 구성하는 재료의 융점, 상기 고융점 금속층을 구성하는 재료의 융점, 상기 중간층을 구성하는 재료의 융점은, 각각의 재료의 액상선 온도인, 퓨즈 엘리먼트. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간층과 상기 고융점 금속층의 막두께 비는, 10:1~1:30의 범위 내에 있으며,
상기 고융점 금속층과 상기 중간층의 합계 막두께와, 상기 저융점 금속층의 막두께의 막두께 비는, 1:2~1:100의 범위 내에 있는, 퓨즈 엘리먼트. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저융점 금속층의 막두께는 30μm 이상이고,
상기 고융점 금속층의 막두께는 1μm 이상 200μm 이하의 범위 내에 있으며,
상기 중간층의 막두께는 0.1μm 이상 50μm 이하의 범위 내에 있는, 퓨즈 엘리먼트. - 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저융점 금속층은, 주석 혹은 주석을 주성분으로 하는 주석 합금으로 이루어지는 층인, 퓨즈 엘리먼트. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간층은, 주석, 비스무트, 아연, 안티몬, 알루미늄, 은, 금, 구리, 니켈 및 코발트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 혹은 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 층인, 퓨즈 엘리먼트. - 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고융점 금속층은, 아연, 안티몬, 알루미늄, 은, 금, 구리, 니켈, 코발트 및 철로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 혹은 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 층인, 퓨즈 엘리먼트. - 절연 기판과,
상기 절연 기판의 표면에 배치된 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 퓨즈 엘리먼트를 구비하는, 퓨즈 소자. - 절연 기판과,
상기 절연 기판의 표면에 배치된 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 퓨즈 엘리먼트와,
상기 절연 기판의 표면에 배치되고, 상기 퓨즈 엘리먼트를 가열하는 발열체를 구비하는, 보호 소자.
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