KR20240035594A - 보호 소자 및 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

퓨즈 엘리먼트의 속(速)용단과 절연 파괴의 방지를 도모하여, 고응답성, 고신뢰성에 대응할 수 있는 보호 소자 및 배터리 팩을 제공한다. 보호 소자(1)는, 절연 기판(2)과, 절연 기판(2)에 설치된 제1, 제2 전극(4a, 4b)과, 절연 기판(2)에 형성된 발열체(5)와, 발열체(5)와 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극(4c)과, 발열체 인출 전극(4c)을 통해 제1 전극(4a)으로부터 제2 전극(4b)에 걸쳐서 탑재된 가용 도체(3)와, 발열체(5)를 덮는 절연 보호층(7)을 구비하며, 절연 보호층(7)은, 열전도성 필러(10)가 함유되어 있다.

Description

보호 소자 및 배터리 팩

본 기술은, 과충전, 과방전 등의 이상 시에, 전류 경로를 차단하는 보호 소자, 및 이 보호 소자를 이용한 배터리 팩에 관한 것이다. 본 출원은, 일본국에서 2021년 9월 10일에 출원된 일본 특허 출원번호 특원2021-148187을 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이며, 이 출원은 참조됨으로써, 본 출원에 원용된다.

충전하여 반복해서 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 개의 보호 회로를 배터리 팩에 내장하여, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 가지고 있다.

이러한 리튬 이온 이차 전지 등을 위한 보호 회로의 보호 소자로서, 보호 소자 내부에 발열체를 갖고, 이 발열체의 발열에 의해서 전류 경로 상의 가용 도체를 용단하는 구조가 이용되고 있다.

리튬 이온 이차 전지의 용도는, 근래에 확대되고 있으며, 보다 대전류의 용도, 예를 들면 전동 드라이버 등의 전동 공구나, 드론, 전동 바이크, 하이브리드 카, 전기 자동차, 전동 어시스트 자전거 등의 기기에 대한 채용이 개시되어 있다. 이와 같이 리튬 이온 이차 전지의 용도의 확대에 따라서 보호 소자도 다양한 요구를 만족할 필요가 있는데, 그 중에서도, 고응답, 고신뢰성에 관한 특성은, 안전을 담보하는 보호 소자의 성질 상, 가장 중요한 지표 중 하나가 되고 있다.

도 12는, 종래의 보호 소자의 일 구성예를 나타내는 도면이며, (A)는 커버 부재를 생략하여 나타내는 평면도이고, (B)는 단면도이며, (C)는 저면도이다. 도 12에 나타내는 보호 소자(100)는, 절연 기판(101)과, 절연 기판(101)의 표면 상에 형성된 제1, 제2 전극(102, 103)과, 절연 기판(101)의 표면에 형성된 발열체(104)와, 발열체(104)를 피복하는 절연층(105)과, 절연층(105) 상에 적층됨과 더불어 발열체(104)와 접속된 발열체 인출 전극(106)과, 제1 전극(102), 발열체 인출 전극(106), 및 제2 전극(103)에 걸쳐서 접속용 땜납을 통해 탑재되는 가용 도체인 퓨즈 엘리먼트(107)를 구비한다.

제1, 제2 전극(102, 103)은, 보호 소자(100)가 접속되는 외부 회로의 전류 경로 상에 접속되는 단자부이며, 제1 전극(102)은 절연 기판(101)의 이면에 형성된 제1 외부 접속 전극(102a)과 캐스텔레이션을 통해 접속되고, 제2 전극(103)은 절연 기판(101)의 이면에 형성된 제2 외부 접속 전극(103a)과 캐스텔레이션을 통해 접속되어 있다. 보호 소자(100)는, 제1, 제2 외부 접속 전극(102a, 103a)이, 보호 소자(100)가 실장되는 외부 회로 기판에 설치된 접속 전극에 접속됨으로써, 퓨즈 엘리먼트(107)가 외부 회로 기판 상에 형성된 전류 경로의 일부에 장착되어 있다.

발열체(104)는, 비교적 저항값이 높아 통전되면 발열하는 도전성을 갖는 부재이며, 예를 들면 니크롬, W, Mo, Ru 등 또는 이들을 포함하는 재료로 이루어진다. 또, 발열체(104)는, 절연 기판(101)의 표면 상에 형성된 발열체 전극(108)과 접속되어 있다. 발열체 전극(108)은, 절연 기판(101)의 이면에 형성된 제3 외부 접속 전극(108a)과 캐스텔레이션을 통해 접속되어 있다. 보호 소자(100)는, 제3 외부 접속 전극(108a)이, 보호 소자(100)가 실장되는 외부 회로 기판에 설치된 접속 전극에 접속됨으로써, 발열체(104)가 외부 회로에 설치된 외부 전원과 접속되어 있다. 그리고, 발열체(104)는, 도시하지 않는 스위치 소자 등에 의해 상시, 통전 및 발열이 제어되고 있다.

발열체(104)는, 유리층 등으로 이루어지는 절연층(105)에 의해서 피복됨과 더불어, 절연층(105) 상에 발열체 인출 전극(106)이 형성됨으로써, 절연층(105)을 통해 발열체 인출 전극(106)과 중첩되어 있다. 또, 발열체 인출 전극(106) 상에는 제1, 제2 전극(102, 103) 사이에 걸쳐서 접속된 퓨즈 엘리먼트(107)가 접속되어 있다.

이에 의해, 보호 소자(100)는, 발열체(104)와 퓨즈 엘리먼트(107)가 중첩됨으로써 열적으로 접속되며, 발열체(104)가 통전에 의해서 발열하면 퓨즈 엘리먼트(107)를 용단할 수 있다.

퓨즈 엘리먼트(107)는, Pb 프리 땜납 등의 저융점 금속이나 Ag, Cu 또는 이들을 주성분으로 하는 합금 등의 고융점 금속에 의해 형성되거나, 혹은 저융점 금속과 고융점 금속의 적층 구조를 갖는다. 그리고, 퓨즈 엘리먼트(107)는, 제1 전극(102)으로부터 발열체 인출 전극(106)을 거쳐 제2 전극(103)에 걸쳐서 접속됨으로써, 보호 소자(100)가 장착된 외부 회로의 전류 경로의 일부를 구성한다. 그리고, 퓨즈 엘리먼트(107)는, 정격을 초과하는 전류가 통전됨으로써 자기 발열(줄열)에 의해 용단되거나, 혹은 발열체(104)의 발열에 의해 용단되어, 제1, 제2 전극(102, 103) 사이를 차단한다.

그리고, 보호 소자(100)는, 외부 회로의 전류 경로를 차단할 필요가 생기면, 스위치 소자에 의해 발열체(104)로 통전된다. 이에 의해, 보호 소자(100)는, 발열체(104)가 고온으로 발열되어, 외부 회로의 전류 경로 상에 장착된 퓨즈 엘리먼트(107)가 용융된다. 퓨즈 엘리먼트(107)의 용융 도체는, 젖음성이 높은 발열체 인출 전극(106) 및 제1, 제2 전극(102, 103)에 끌어당겨짐으로써 퓨즈 엘리먼트(107)가 용단된다. 따라서, 보호 소자(100)는, 제1 전극(102)~발열체 인출 전극(106)~제2 전극(103)의 사이를 용단시켜, 외부 회로의 전류 경로를 차단할 수 있다.

일본국 특허공개 2015-35281호 공보

절연층(105)은, 예를 들면 후막 인쇄 기술을 이용하여 형성된다. 인쇄 프로세스에 의해서 형성할 수 있는 유리의 두께는 일반적으로 10~60μm 정도로, 매우 얇게 형성하는 것이 가능하기 때문에, 발열체(104)에서 발생한 열을 효율적으로 퓨즈 엘리먼트(107)에 전달할 수 있다.

그러나, 이차 전지의 용도의 고전압화가 진행되어, 발열체(104)에 인가되는 전압도 안전하고 저전압인 42V를 초과하는 사용이 표준적으로 행해지게 되었다. 또, 절연층(105)은, 상술한 바와 같이 매우 얇게 형성되기 때문에, 인쇄 시에 유리층 내에 발생하는 핀홀 등이 형성되는 경우가 있다. 그 때문에, 도 13에 나타내는 바와 같이, 발열체(104)에 고전압이 인가되었을 때에, 핀홀 등의 절연 성능이 저하되어 있는 개소에 있어서, 절연 파괴가 발생하여, 발열체(104)가 충분한 발열을 하기 전에, 발열체(104)가 파괴되어 버리는 경우가 있었다.

이 대책으로서, 인쇄하는 횟수를 늘려 절연층(105)의 두께를 두껍게 하는 것을 들 수 있다. 발열체(104)로의 통전 시에 있어서의 절연 파괴를 방지하기 위해서, 절연층(105)은, 일반적으로 20μm 이상의 막 두께로 형성된다.

그러나, 절연층(105)의 막 두께를 두껍게 할수록 퓨즈 엘리먼트(107)로의 열전도 효율이 내려가, 대전류에 대응하는 보호 소자를 실현하기 위해서 퓨즈 엘리먼트(107)의 두께를 증대시켰을 경우 등에는 신속하게 용단할 수 없게 된다.

그래서, 본 기술은, 퓨즈 엘리먼트의 속(速)용단과 절연 파괴의 방지를 도모하여, 고응답성, 고신뢰성에 대응할 수 있는 보호 소자 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 기술에 따른 보호 소자는, 절연 기판과, 상기 절연 기판에 설치된 제1, 제2 전극과, 상기 절연 기판에 형성된 발열체와, 상기 발열체와 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과, 상기 발열체 인출 전극을 통해 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극에 걸쳐서 탑재된 가용 도체와, 상기 발열체를 덮는 절연 보호층을 구비하고, 상기 절연 보호층은, 열전도성 필러가 함유되어 있는 것이다.

또, 본 기술에 따른 배터리 팩은, 1개 이상의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되어, 당해 충방전 경로를 차단하는 보호 소자와, 상기 배터리 셀의 전압값을 검출하여 상기 보호 소자로의 통전을 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고, 상기 보호 소자는, 절연 기판과, 상기 절연 기판에 설치된 제1, 제2 전극과, 상기 절연 기판에 형성된 발열체와, 상기 발열체와 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과, 상기 발열체 인출 전극을 통해 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극에 걸쳐서 탑재된 가용 도체와, 상기 발열체를 덮는 절연 보호층을 구비하고, 상기 절연 보호층은, 열전도성 필러가 함유되어 있는 것이다.

본 기술에 의하면, 절연층의 열전도율을 높게 함으로써, 발열체로부터 가용 도체로의 전열 속도가 높아지고, 또, 절연 파괴를 방지할 수 있어, 고응답성, 고신뢰성에 대응한 보호 소자를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 기술이 적용된 보호 소자의 일 구성예를 나타낸 도면이며, (A)는 커버 부재를 생략하여 나타내는 평면도이고, (B)는 단면도이며, (C)는 저면도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 보호 소자에 있어서, 가용 도체가 용단된 상태를 나타낸 도면이며, (A)는 커버 부재를 생략하여 나타내는 평면도이며, (B)는 단면도이다.
도 3은, 절연 보호층에 있어서의 열전도를 나타낸 개념도이다.
도 4는, 유리(열전도율: 1W/mK) 중에 산화 알루미늄(열전도율: 40W/mK)을 분산시킨 절연 보호층의, 열전도율과 산화 알루미늄 체적 분율의 대응을 나타내는 그래프이다.
도 5는, 유리(열전도율: 1W/mK) 중에 질화 알루미늄(열전도율: 285W/mK)을 분산시킨 절연 보호층의, 열전도율과 질화 알루미늄 체적 분율의 대응을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 가용 도체의 단면도이다.
도 7은, 배터리 팩의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 8은, 보호 소자의 회로도이다.
도 9는, 본 기술이 적용된 보호 소자의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 10은, 절연 기판의 이면에 발열체를 설치한 보호 소자의 일 구성예를 나타내는 도면이며, (A)는 커버 부재를 생략하여 나타내는 평면도이고, (B)는 단면도이며, (C)는 저면도이다.
도 11은, 도 10에 나타내는 보호 소자에 있어서, 가용 도체가 용단된 상태를 나타내는 도면이며, (A)는 커버 부재를 생략하여 나타내는 평면도이며, (B)는 단면도이다.
도 12는, 종래의 보호 소자를 나타내는 도면이며, (A)는 평면도, (B)는 단면도, (C)는 저면도이다.
도 13은, 도 12에 나타내는 보호 소자에 있어서, 스파크가 발생한 상태를 나타낸 평면도이다.

이하, 본 기술이 적용된 보호 소자 및 배터리 팩에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 기술은, 이하의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 기술의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에 있어서 여러 가지의 변경이 가능한 것은 물론이다. 또, 도면은 모식적인 것이며, 각 치수의 비율 등은 현실의 것과는 상이한 경우가 있다. 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작하여 판단해야 하는 것이다. 또, 도면 상호 간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.

본 기술이 적용된 보호 소자(1)는, 도 1의 (A)~(C)에 나타내는 바와 같이, 절연 기판(2)과, 절연 기판(2) 상에 지지된 가용 도체(3)와, 가용 도체(3)에 접속된 제1 전극(4a), 제2 전극(4b) 및 발열체 인출 전극(4c)과, 절연 기판(2)에 설치되어, 통전됨으로써 발열하는 발열체(5)와, 발열체(5)와 접속되어, 발열체(5)로의 급전 단자가 되는 발열체 전극(6)과, 발열체(5)를 피복하는 절연 보호층(7)을 구비한다.

도 1에 나타내는 보호 소자(1)에서는, 절연 기판(2)의 가용 도체(3)가 지지된 표면(2a)에, 발열체(5) 및 발열체(5)를 피복하는 절연 보호층(7)이 형성되어 있다. 또, 절연 기판(2)의 표면(2a)에는, 통전부로서, 가용 도체(3)의 일단부와 접속된 제1 전극(4a) 및 가용 도체(3)의 타단부와 접속된 제2 전극(4b)이 형성되어 있다. 또한, 절연 기판(2)의 표면(2a) 측에는, 발열체(5)와 전기적으로 접속됨과 더불어, 절연 보호층(7) 상에 중첩되고 가용 도체(3)와도 접속된 발열체 인출 전극(4c)이 형성되어 있다.

여기서, 절연 보호층(7)은, 유리 등의 절연 재료에 의해 구성됨과 더불어, 열전도성 필러가 함유되어 있다. 그 때문에, 절연 보호층(7)은 열전도 효율이 향상되며, 발열체(5)의 발열을 효율적으로 가용 도체(3)에 전한다. 이에 의해, 열전도 효율을 올리기 위해서 절연 보호층(7)을 극도로 얇게 형성할 필요가 없어, 핀홀 등의 발생을 방지할 수 있을 정도로 두껍게 형성하여 절연 파괴를 억제할 수 있다. 또, 절연 보호층(7)을 극도로 얇게 형성하지 않고도 가용 도체(3)를 신속하게 용단할 수 있으며, 이 때문에 발열체(5)가 가용 도체(3)의 용단보다 먼저 손상되는 것도 방지할 수 있다.

이러한 보호 소자(1)는, 외부 회로에 장착됨으로써, 가용 도체(3)가 당해 외부 회로의 전류 경로의 일부를 구성하고, 발열체(5)의 발열, 혹은 정격을 초과하는 과전류에 의해서 용단됨으로써 전류 경로를 차단한다. 이하, 보호 소자(1)의 각 구성에 대해서 상세하게 설명한다.

[절연 기판]

절연 기판(2)은, 예를 들면 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재에 의해서 형성된다. 그 외, 절연 기판(2)은, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 이용되는 재료를 이용해도 된다.

[제1, 제2 전극]

절연 기판(2)의 서로 대향하는 양 단부에는, 제1, 제2 전극(4a, 4b)이 형성되어 있다. 제1, 제2 전극(4a, 4b)은, 각각, Ag나 Cu 등의 도전 패턴에 의해서 형성되어 있다. 또, 제1, 제2 전극(4a, 4b)의 표면 상에는, Ni/Au 도금, Ni/Pd 도금, Ni/Pd/Au 도금 등의 피막이, 도금 처리 등의 공지의 수법에 의해 코팅되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 보호 소자(1)는, 제1, 제2 전극(4a, 4b)의 산화를 방지하고, 도통 저항의 상승에 수반하는 정격의 변동을 방지할 수 있다. 또, 보호 소자(1)를 리플로우 실장하는 경우에, 가용 도체(3)를 접속하는 접속용 땜납이 용융됨으로써 제1, 제2 전극(4a, 4b)을 용식(溶食)(땜납 침식)하는 것을 막을 수 있다.

제1 전극(4a)은, 절연 기판(2)의 표면(2a)으로부터, 캐스텔레이션을 통해 이면(2b)에 형성된 제1 외부 접속 전극(11)과 연속되어 있다. 또, 제2 전극(4b)은, 절연 기판(2)의 표면(2a)으로부터, 캐스텔레이션을 통해 이면(2b)에 형성된 제2 외부 접속 전극(12)과 연속되어 있다. 보호 소자(1)가 외부 회로 기판에 실장되면, 제1, 제2 외부 접속 전극(11, 12)이, 당해 외부 회로 기판에 설치된 접속 전극에 접속됨으로써, 가용 도체(3)가 당해 외부 회로 기판 상에 형성된 전류 경로의 일부에 장착된다.

제1, 제2 전극(4a, 4b)은, 접속 땜납 등의 도전 접속 재료를 통해 가용 도체(3)가 탑재됨으로써, 가용 도체(3)를 통해 전기적으로 접속되어 있다. 또, 도 2의 (A), (B)에 나타내는 바와 같이, 제1, 제2 전극(4a, 4b)은, 보호 소자(1)에 정격을 초과하는 대전류가 흘러 가용 도체(3)가 자기 발열(줄열)에 의해서 용단되거나, 혹은 발열체(5)가 통전에 수반하여 발열하여 가용 도체(3)가 용단됨으로써, 접속 차단된다.

[발열체]

발열체(5)는, 비교적 저항값이 높아 통전되면 발열하는 도전성을 갖는 부재이며, 예를 들면 니크롬, W, Mo, Ru 등 또는 이들을 포함한 재료로 이루어진다. 발열체(5)는, 이들의 합금 혹은 조성물, 화합물의 분상체를 수지 바인더 등과 혼합하여, 페이스트상으로 한 것을 절연 기판(2) 상에 스크린 인쇄 기술을 이용하여 패턴 형성하고, 소성하는 등에 의해서 형성할 수 있다. 일례로서, 발열체(5)는, 산화 루테늄계 페이스트와 은과 유리 페이스트의 혼합 페이스트를 소정의 전압에 따라 조정하여, 절연 기판(2)의 표면(2a)의 소정의 위치에 소정의 면적으로 제막하고, 그 후, 적정 조건으로 소성 처리를 행함으로써 형성할 수 있다. 또, 발열체(5)의 형상은 적당히 설계할 수 있는데, 도 1에 나타내는 바와 같이, 절연 기판(2)의 형상에 따라 대략 직사각형 형상으로 하는 것이 발열 면적을 최대화하는 데에 있어서 바람직하다.

또, 발열체(5)는, 일단부(5a)가 제1 인출 전극(15)과 접속되고, 타단부(5b)가 제2 인출 전극(16)과 접속되어 있다. 제1 인출 전극(15)은, 발열체 전극(6)으로부터 발열체(5)의 일단부(5a)를 따라서 인출 형성되며, 도 1에 나타내는 보호 소자(1)에서는, 대략 직사각형 형상으로 형성된 발열체(5)의 일 측연(側緣)을 따라서 연장됨과 더불어, 당해 발열체(5)의 일 측연이 중첩되어 있다. 마찬가지로, 제2 인출 전극(16)은, 중간 전극(8)으로부터 발열체(5)의 타단부(5b)를 따라서 인출 형성되며, 도 1에 나타내는 보호 소자(1)에서는, 대략 직사각형 형상으로 형성된 발열체(5)의 타 측연을 따라서 연장됨과 더불어, 당해 발열체(5)의 타 측연이 중첩되어 있다.

발열체 전극(6) 및 중간 전극(8)은, 절연 기판(2)의 제1, 제2 전극(4a, 4b)이 설치된 측연과 상이한 서로 대향하는 측연에 형성되어 있다. 발열체 전극(6)은, 발열체(5)로의 급전 전극이며, 제1 인출 전극(15)을 통해 발열체(5)의 일단부(5a)와 접속됨과 더불어, 캐스텔레이션을 통해 절연 기판(2)의 이면(2b)에 형성된 제3 외부 접속 전극(13)과 연속되어 있다.

발열체 전극(6), 제1, 제2 인출 전극(15, 16), 및 중간 전극(8)은, 제1, 제2 전극(4a, 4b)과 동일하게, Ag나 Cu 등의 도전 페이스트를 인쇄, 소성함으로써 형성할 수 있다. 또, 절연 기판(2)의 표면(2a) 상에 형성되는 이들 각 전극을 동일한 재료에 의해 구성함으로써, 한 번의 인쇄 및 소성 공정으로 형성할 수 있다.

또한, 발열체 전극(6)은, 제3 외부 접속 전극(13)과 접속되는 외부 회로 기판의 전극에 설치된 접속용 땜납이 리플로우 실장 등에 있어서 용융되어, 캐스텔레이션을 통해 발열체 전극(6) 상으로 기어올라가, 발열체 전극(6) 상에 젖어 퍼지는 것을 방지하는 규제벽을 설치해도 된다. 제1, 제2 전극(4a, 4b)도 동일하게 규제벽을 설치해도 된다. 규제벽은, 예를 들면 유리나 솔더 레지스트, 절연성 접착제 등 땜납에 대한 젖음성을 갖지 않는 절연 재료를 이용하여 형성할 수 있으며, 발열체 전극(6) 상에 인쇄 등에 의해 형성할 수 있다. 규제벽을 설치함으로써, 용융된 접속용 땜납이 발열체 전극(6)이나 제1, 제2 전극(4a, 4b)까지 젖어 퍼지는 것을 방지하여, 보호 소자(1)와 외부 회로 기판의 접속성을 유지할 수 있다.

중간 전극(8)은, 발열체(5)와 절연 보호층(7) 상에 적층되는 발열체 인출 전극(4c) 사이에 설치되는 전극이며, 발열체(5)의 타단부(5b)와 접속됨과 더불어, 발열체 인출 전극(4c)과 접속되어 있다. 발열체 인출 전극(4c)은, 절연 보호층(7)을 통해 발열체(5)와 중첩됨과 더불어 가용 도체(3)와 접속된다.

[절연 보호층]

또, 발열체(5), 제1 인출 전극(15) 및 제2 인출 전극(16)은, 절연 보호층(7)에 피복되어 있다. 또, 절연 보호층(7) 상에는 발열체 인출 전극(4c)이 형성되고, 가용 도체(3)가 중첩되어 있다.

절연 보호층(7)은, 발열체(5)의 보호 및 절연을 도모함과 더불어, 발열체(5)의 열을 효율적으로 발열체 인출 전극(4c) 및 가용 도체(3)로 전하기 위해서 설치되며, 도 3에 나타내는 바와 같이, 발열체(5)의 발열 온도에 대한 내열성을 갖는 유리 등의 절연 재료(9)에 의해 구성됨과 더불어, 이 절연 재료(9)에 열전도성 필러(10)가 함유되어 있다. 절연 재료(9)를 구성하는 유리 원료로서는, 예를 들면 실리카계 유리의 오버 코트용 유리 페이스트나 절연용 유리 페이스트가 있다.

절연 보호층(7)은, 예를 들면 유리계의 페이스트를 스크린 인쇄 등에 의해 도포, 소성함으로써 형성할 수 있다. 도 1에 나타내는 보호 소자(1)에서는, 절연 보호층(7)은, 절연 기판(2)의 표면(2a)에 형성된 발열체(5)를 덮도록 형성되어 있다.

절연 보호층(7)의 두께는, 유리 페이스트 등의 도포성이나 가용 도체(3)의 차단 시간의 관점에서 설정된다. 즉, 유리 페이스트는 열전도성 필러(10)의 함유량에 따라 점도가 바뀌며, 도포 두께에 따라서는 절연 파괴의 원인이 되는 핀홀 등이 생기거나, 미세한 개구 패턴의 경우에는 마스크로부터 페이스트가 벗겨지기 어려워져 패턴에 결손이 생긴다. 또, 절연 보호층(7)의 두께가 증가하면, 발열체 인출 전극(4c) 및 가용 도체(3)까지의 거리가 연장되기 때문에, 절연 보호층(7)의 열전도율에 따라서는 가용 도체(3)의 차단 시간이 연장된다. 그 때문에, 절연 보호층(7)의 두께는, 유리 페이스트 등의 재료의 도포성이나, 요구되는 가용 도체(3)의 차단 시간에 따라 적당히 설정되며, 예를 들면 10μm보다 두껍고 40μm 이하가 되고, 바람직하게는 20μm 이상 40μm 이하가 된다.

[열전도성 필러]

절연 재료(9)에 함유되어 있는 열전도성 필러(10)는, 절연 보호층(7)을 구성하는 절연 재료(9)보다 열전도율이 높다. 그 때문에, 열전도성 필러(10)를 함유함으로써, 절연 보호층(7)은 열전도 효율이 향상되어, 발열체(5)의 발열을 효율적으로 가용 도체(3)에 전한다(도 3 참조). 이에 의해, 절연 보호층(7)을 핀홀 등의 발생을 방지할 수 있을 정도로 두껍게 형성하여 절연 파괴를 억제함과 더불어, 발열체(5)의 발열을 효율적으로 가용 도체(3)에 전달하여, 신속하게 용단할 수 있다. 또, 가용 도체(3)를 신속하게 용단함으로써, 발열체(5)가 가용 도체(3)의 용단보다 먼저 손상되는 것도 방지할 수 있다.

열전도성 필러(10)는, 열도전성이 뛰어난 필러이면 특별히 한정되지 않는다. 열전도성 필러(10)는, 예를 들면, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 알루미나, 마그네시아, 이산화 규소 등의 금속 산화물, 질화 알루미늄, 질화 붕소 등의 질화물 등을 이용할 수 있다. 이들 중에서도, 내열성(고열 신뢰성), 저비중, 저비용화 등의 관점에서, 산화 알루미늄이나 질화 알루미늄을 이용하는 것이 바람직하다. 열전도성 필러(10)로서는, 계면 강화나 분산성의 향상을 목적으로, 실란 커플링제로 처리한 것을 이용해도 된다. 또, 열전도성 필러(10)는, 1종 단독으로 이용해도 되지만, 고열전도율의 필러를 함유하는 등 2종 이상을 병용하여, 절연 보호층(7)이 원하는 열전달 효율을 구비하기 위해서 필요한 열전도성 필러(10)의 체적 용량을 조정해도 된다.

또, 열전도성 필러(10)의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 구상, 분말상, 과립상, 편평상, 인편상(鱗片狀) 등의 열전도성 필러를 들 수 있다.

열전도성 필러(10)는, 열전도율이 높은 것을 이용할수록, 적은 함유량으로도 절연 보호층(7)의 열전도율을 향상시킬 수 있다. 또, 열전도성 필러(10)는, 열전도율이 높은 것을 이용할수록, 절연 보호층(7)에 있어서의 원하는 열전도율을 확보하기 위해서 필요한 함유량이 적어지고, 절연 보호층(7)을 구성하는 절연 재료(9)의 도포 점도의 상승을 억제하여, 양호한 도포성을 갖는다.

도 4는, 유리(열전도율: 1W/mK) 중에 산화 알루미늄(열전도율: 40W/mK)을 분산시킨 절연 보호층(7)의, 열전도율과 산화 알루미늄의 체적 분율의 대응을 나타내는 그래프이다. 도 5는, 유리(열전도율: 1W/mK) 중에 질화 알루미늄(열전도율: 285W/mK)을 분산시킨 절연 보호층(7)의, 열전도율과 질화 알루미늄의 체적 분율의 대응을 나타내는 그래프이다.

또한, 절연 보호층(7)의 열전도율은, 예를 들면 필러를 배합한 복합체의 열전도율에 관한 Bruggeman의 식에 의해 구할 수 있다. 하기에 나타내는 Bruggeman의 식에서는, 수지와 필러의 열전도율, 복합 수지 중에 차지하는 필러의 충전율, 필러 형상(구상) 및 사이즈의 효과, 근접 필러 간의 온도 분포의 영향이 고려되어 있다.

[수학식 1]

열전도성 필러(10)와 절연 보호층(7)을 구성하는 절연 재료(9)의 열전도율의 차는 19W/mK 이상으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 절연 재료(9)로서 유리(열전도율: 1W/mK), 열전도성 필러(10)로서 알루미나(함유량 96%)(열전도율: 20W/mK)를 이용한 경우, 열전도율의 차는 19W/mK이다. 또, 절연 재료(9)로서 유리(열전도율: 1W/mK), 열전도성 필러(10)로서 산화 마그네슘(열전도율: 50W/mK)을 이용한 경우, 열전도율의 차는 49W/mK이다. 후술하는 바와 같이, 고열전도의 열전도성 필러(10)를 이용함으로써, 절연 보호층(7)을 원하는 열전도율로 하기 위해서 필요한 열전도성 필러(10)의 체적 용량이 적어지고, 양호한 도포성을 가져, 제조 효율을 향상시킬 수 있다.

절연 보호층(7) 중의 열전도성 필러(10)의 함유량은, 당해 열전도성 필러(10)의 열전도율, 절연 보호층(7)의 원하는 열전도율 및 절연 재료(9)의 도포성을 근거로 하여 설정된다. 절연 보호층(7) 중의 열전도성 필러(10)의 함유량은, 예를 들면, 20체적% 초과 60체적% 미만으로 하는 것이 바람직하다. 열전도성 필러(10)의 함유량이 20체적% 미만인 경우, 절연 보호층(7)의 열전도율의 향상이 도모되지 않아, 절연 보호층(7)이나 가용 도체(3)의 두께에 따라서는 가용 도체(3)의 신속한 용단이 곤란해진다. 또, 열전도성 필러(10)의 함유량이 60체적%를 초과하면, 절연 재료(9)의 도포 점도가 높아져, 도포 두께에 따라서는 도포성에 지장을 초래한다. 예를 들면, 절연 보호층(7)에 2W/mK의 열전도율을 확보하기 위한 열전도성 필러(10)의 함유량은, 20W/mK 이상의 고열전도율을 갖는 열전도성 필러(10)를 이용하여 20~25체적%이다.

열전도성 필러(10)의 평균 입자경은, 예를 들면, 0.5~20μm의 범위로 할 수 있다. 또, 열전도성 필러(10)의 충전량의 고충전(최밀충전)화를 겨냥함과 더불어, 절연 보호층(7)의 열전도율을 보다 향상시키는 관점에서, 평균 입자경이 상이한 2종 이상의 열전도성 필러(10)를 이용해도 된다. 단일의 열전도성 필러(10)를 이용한 경우에는, 입자와 입자 사이에 간극이 생기는 경우가 있지만, 평균 입자경이 상이한 2종 이상의 열전도성 필러(10)를 이용함으로써, 입자와 입자 사이의 간극이 메워지기 쉬워져, 그 결과, 절연 보호층(7)을 보다 고열전도화시킬 수 있다. 예를 들면, 분산성과 고열전도성의 관점에서는, 열전도성 필러(10)로서, 평균 입자경 0.5~5μm의 소경의 필러와, 평균 입자경 5~20μm의 대경의 필러를 병용하는 것이 바람직하다.

또, 평균 입자경이 상이한 2종의 열전도성 필러(10)를 병용하는 경우, 상대적으로 소경인 열전도성 필러(10)와, 상대적으로 대경인 열전도성 필러(10)의 체적비(소경의 열전도성 필러:대경의 열전도성 필러)는, 예를 들면, 15:85~90:10의 범위로 할 수 있고, 40:60~60:40의 범위로 할 수도 있다.

보호 소자(1)는, 외부 회로 기판에 실장됨으로써, 제3 외부 접속 전극(13)을 통해 발열체(5)와 외부 회로에 형성된 전류 제어 소자 등이 접속된다. 발열체(5)는, 평상시에 있어서는 통전 및 발열이 규제되어 있지만, 외부 회로의 통전 경로를 차단하는 소정의 타이밍에 제3 외부 접속 전극(13)을 통해 통전되어, 발열한다.

보호 소자(1)는, 발열체(5)의 열이 절연 보호층(7) 및 발열체 인출 전극(4c)을 통해 가용 도체(3)에 전달됨으로써, 제1, 제2 통전부(4a, 4b)를 접속하고 있는 가용 도체(3)를 용융시킬 수 있다. 이 때, 보호 소자(1)에 의하면, 절연 보호층(7)을 구성하는 절연 재료(9)에 열전도성 필러(10)가 함유되어 있기 때문에, 발열체(5)의 발열을 효율적으로 가용 도체(3)에 전한다. 이에 의해, 가용 도체(3)를 신속하게 용단할 수 있다. 절연 보호층(7)은, 고열전달 효율을 갖추기 때문에, 가용 도체(3)에 신속하게 열을 전하기 위해서 극도로 얇게 형성될 필요가 없고, 핀홀 등의 발생을 방지할 수 있어, 절연 파괴를 억제할 수 있다. 또, 가용 도체(3)를 신속하게 용단함으로써, 발열체(5)가 가용 도체(3)의 용단보다 먼저 손상되는 것도 방지할 수 있다.

가용 도체(3)의 용융 도체(3a)는 발열체 인출 전극(4c) 상 및 제1, 제2 통전부(4a, 4b)에 응집하며, 이에 의해 제1, 제2 통전부(4a, 4b) 간의 전류 경로가 차단된다(도 2). 또한, 후술하는 바와 같이, 발열체(5)는, 가용 도체(3)가 용단됨으로써, 자신의 통전 경로도 차단되기 때문에 발열이 정지된다.

[발열체 인출 전극]

절연 보호층(7) 상에 형성되는 발열체 인출 전극(4c)은, 일단이 중간 전극(8)과 접속됨과 더불어, 절연 보호층(7)을 통해 발열체(5)와 중첩되어 있다. 또, 발열체 인출 전극(4c)은, 접속 땜납 등의 접합 재료를 통해, 제1, 제2 전극(4a, 4b) 사이에 있어서, 가용 도체(3)가 접속되어 있다.

또, 발열체 인출 전극(4c)은, 제1, 제2 전극(4a, 4b)과 마찬가지로, Ag나 Cu 등의 도전 페이스트를 인쇄, 소성함으로써 형성할 수 있다. 또, 발열체 인출 전극(4c)의 표면 상에는, Ni/Au 도금, Ni/Pd 도금, Ni/Pd/Au 도금 등의 피막이, 도금 처리 등의 공지의 수법에 의해 코팅되어 있는 것이 바람직하다.

[가용 도체]

이어서, 가용 도체(3)에 대해서 설명한다. 가용 도체(3)는, 제1 및 제2 전극(4a, 4b) 사이에 걸쳐서 실장되며, 발열체(5)의 통전에 의한 발열, 또는 정격을 초과하는 전류가 통전됨으로써 자기 발열(줄열)에 의해 용단되어, 제1 전극(4a)과 제2 전극(4b) 사이의 전류 경로를 차단하는 것이다.

가용 도체(3)는, 발열체(5)의 통전에 의한 발열, 또는 과전류 상태에 의해서 용융되는 도전성의 재료이면 되고, 예를 들면, SnAgCu계의 Pb 프리 땜납이나, BiPbSn 합금, BiPb 합금, BiSn 합금, SnPb 합금, PbIn 합금, ZnAl 합금, InSn 합금, PbAgSn 합금 등을 이용할 수 있다.

또, 가용 도체(3)는, 고융점 금속과 저융점 금속을 함유하는 구조체여도 된다. 예를 들면, 도 6에 나타내는 바와 같이, 가용 도체(3)는, 내층과 외층으로 이루어지는 적층 구조체이며, 내층으로서 저융점 금속층(18), 저융점 금속층(18)에 적층된 외층으로서 고융점 금속층(19)을 갖는다. 가용 도체(3)는, 제1, 제2 전극(4a, 4b) 및 발열체 인출 전극(4c) 상에 접속 땜납 등의 접합 재료를 통해 접속된다.

저융점 금속층(18)은, 바람직하게는, 땜납 또는 Sn을 주성분으로 하는 금속이며, 「Pb 프리 땜납」이라고 일반적으로 불리는 재료이다. 저융점 금속층(18)의 융점은, 반드시 리플로우 온도보다 높을 필요는 없고, 200℃ 정도에서 용융되어도 된다. 고융점 금속층(19)은, 저융점 금속층(18)의 표면에 적층된 금속층이며, 예를 들면, Ag 혹은 Cu 또는 이들 중 어느 하나를 주성분으로 하는 금속이며, 제1, 제2 전극(4a, 4b) 및 발열체 인출 전극(4c)과 가용 도체(3)의 접속이나 보호 소자(1)의 외부 회로 기판 상으로의 실장을 리플로우에 의해서 행하는 경우에 있어서도 용융되지 않는 높은 융점을 갖는다.

이러한 가용 도체(3)는, 저융점 금속박에, 고융점 금속층을 도금 기술을 이용하여 성막함으로써 형성할 수 있고, 혹은, 다른 주지의 적층 기술, 막 형성 기술을 이용하여 형성할 수도 있다. 또, 가용 도체(3)는, 저융점 금속층(18)의 전면이 고융점 금속층(19)에 의해서 피복된 구조로 해도 되고, 서로 대향하는 한 쌍의 측면을 제외하고 피복된 구조여도 된다. 또한, 가용 도체(3)는, 고융점 금속층(19)을 내층으로 하고, 저융점 금속층(18)을 외층으로 하여 구성해도 되고, 또 저융점 금속층(18)과 고융점 금속층(19)이 번갈아 적층된 3층 이상의 다층 구조로 하거나, 외층의 일부에 개구부를 형성하여 내층의 일부를 노출시키는 등, 다양한 구성에 의해서 형성할 수 있다.

가용 도체(3)는, 내층이 되는 저융점 금속층(18)에, 외층으로서 고융점 금속층(19)을 적층함으로써, 리플로우 온도가 저융점 금속층(18)의 용융 온도를 초과한 경우여도, 가용 도체(3)로서 형상을 유지할 수 있어, 용단에 이르지 않는다. 따라서, 제1, 제2 전극(4a, 4b) 및 발열체 인출 전극(4c)과 가용 도체(3)의 접속이나 보호 소자(1)의 외부 회로 기판 상으로의 실장을, 리플로우에 의해서 효율적으로 행할 수 있으며, 또, 리플로우에 의해서도 가용 도체(3)의 변형에 수반하여 국소적으로 저항값이 높아지거나 또는 낮아지는 등에 의해 소정의 온도에서 용단되지 않는, 혹은 소정의 온도 미만에서 용단되는 등의 용단 특성의 변동을 방지할 수 있다.

또, 가용 도체(3)는, 소정의 정격 전류가 흐르고 있는 동안에는, 자기 발열에 의해서도 용단되는 일이 없다. 그리고, 정격보다 높은 값의 전류가 흐르면, 자기 발열에 의해서 용융되어, 제1, 제2 전극(4a, 4b) 사이의 전류 경로를 차단한다. 또, 발열체(5)가 통전되어 발열함으로써 용융되어, 제1, 제2 전극(4a, 4b) 사이의 전류 경로를 차단한다.

이 때, 가용 도체(3)는, 용융된 저융점 금속층(18)이 고융점 금속층(19)을 용식(땜납 침식)함으로써, 고융점 금속층(19)이 용융 온도보다 낮은 온도에서 용해된다. 따라서, 가용 도체(3)는, 저융점 금속층(18)에 의한 고융점 금속층(19)의 침식 작용을 이용하여 단시간에 용단될 수 있다. 또, 가용 도체(3)의 용융 도체(3a)는, 발열체 인출 전극(4c) 및 제1, 제2 전극(4a, 4b)의 물리적인 인입 작용에 의해 분단되기 때문에, 신속하게, 또한 확실하게 제1, 제2 전극(4a, 4b) 사이의 전류 경로를 차단할 수 있다(도 2).

또, 가용 도체(3)는, 저융점 금속층(18)의 체적을, 고융점 금속층(19)의 체적보다 많이 형성하는 것이 바람직하다. 가용 도체(3)는, 과전류에 의한 자기 발열 또는 발열체(5)의 발열에 의해서 가열되어, 저융점 금속이 용융됨으로써 고융점 금속을 용식하고, 이에 의해 신속하게 용융, 용단될 수 있다. 따라서, 가용 도체(3)는, 저융점 금속층(18)의 체적을 고융점 금속층(19)의 체적보다 많이 형성함으로써, 이 용식 작용을 촉진하여, 신속하게 제1, 제2 전극(4a, 4b) 사이를 차단할 수 있다.

또, 가용 도체(3)는, 내층이 되는 저융점 금속층(18)에 고융점 금속층(19)이 적층되어 구성되어 있기 때문에, 용단 온도를 종래의 고융점 금속으로 이루어지는 칩 퓨즈 등보다 큰 폭으로 저감할 수 있다. 따라서, 가용 도체(3)는, 동일 사이즈의 칩 퓨즈 등에 비해, 단면적을 크게 할 수 있어 전류 정격을 큰 폭으로 향상시킬 수 있다. 또, 같은 전류 정격을 갖는 종래의 칩 퓨즈보다 소형화, 박형화를 도모할 수 있고, 속용단성이 뛰어나다.

또, 가용 도체(3)는, 보호 소자(1)가 장착된 전기 계통에 이상하게 높은 전압이 순간적으로 인가되는 서지에 대한 내성(내펄스성)을 향상시킬 수 있다. 즉, 가용 도체(3)는, 예를 들면 100A의 전류가 수 msec 흐른 것과 같은 경우로까지 용단되어서는 안 된다. 이 점에서, 극단시간에 흐르는 대전류는 도체의 표층을 흐르기 때문에(표피 효과), 가용 도체(3)는, 외층으로서 저항값이 낮은 Ag 도금 등의 고융점 금속층(19)이 형성되어 있기 때문에, 서지에 의해서 인가된 전류를 흐르게 하기 쉬워, 자기 발열에 의한 용단을 방지할 수 있다. 따라서, 가용 도체(3)는, 종래의 땜납 합금으로 이루어지는 퓨즈에 비해, 큰 폭으로 서지에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.

또한, 가용 도체(3)는, 산화 방지, 및 용단 시의 젖음성의 향상 등을 위해, 플럭스(도시 생략)를 도포해도 된다. 또, 보호 소자(1)는, 절연 기판(2)이 케이스(17)에 덮임으로써 그 내부가 보호되어 있다. 케이스(17)는, 예를 들면, 각종 엔지니어링 플라스틱, 열가소성 플라스틱, 세라믹스, 유리 에폭시 기판 등의 절연성을 갖는 부재를 이용하여 형성할 수 있다. 또, 케이스(17)는, 절연 기판(2)의 표면(2a) 상에, 가용 도체(3)가 용융 시에 구상으로 팽창하고, 용융 도체(3a)가 발열체 인출 전극(4c)이나 제1, 제2 전극(4a, 4b) 상에 응집하기에 충분한 내부 공간을 갖는다.

[회로 구성예]

이러한 보호 소자(1)는, 예를 들면 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩(20) 내의 회로에 장착되어 이용된다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 배터리 팩(20)은, 예를 들면, 합계 4개의 리튬 이온 이차 전지의 배터리 셀(21a~21d)로 이루어지는 배터리 스택(25)을 갖는다.

배터리 팩(20)은, 배터리 스택(25)과, 배터리 스택(25)의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로(26)와, 배터리 스택(25)의 이상 시에 충방전 경로를 차단하는 본 발명이 적용된 보호 소자(1)와, 각 배터리 셀(21a~21d)의 전압을 검출하는 검출 회로(27)와, 검출 회로(27)의 검출 결과에 따라 보호 소자(1)의 동작을 제어하는 스위치 소자가 되는 전류 제어 소자(28)를 구비한다.

배터리 스택(25)은, 과충전 및 과방전 상태로부터 보호하기 위한 제어를 필요로 하는 배터리 셀(21a~21d)이 직렬 접속된 것이며, 배터리 팩(20)의 양극 단자(20a), 음극 단자(20b)를 통해, 착탈 가능하게 충전 장치(22)에 접속되어, 충전 장치(22)로부터의 충전 전압이 인가된다. 충전 장치(22)에 의해 충전된 배터리 팩(20)은, 양극 단자(20a), 음극 단자(20b)를 배터리로 동작하는 전자 기기에 접속함으로써, 이 전자 기기를 동작시킬 수 있다.

충방전 제어 회로(26)는, 배터리 스택(25)과 충전 장치(22) 사이의 전류 경로에 직렬 접속된 2개의 전류 제어 소자(23a, 23b)와, 이들 전류 제어 소자(23a, 23b)의 동작을 제어하는 제어부(24)를 구비한다. 전류 제어 소자(23a, 23b)는, 예를 들면 전계 효과 트랜지스터(이하, FET라고 한다.)에 의해 구성되며, 제어부(24)에 의해 게이트 전압을 제어함으로써, 배터리 스택(25)의 전류 경로의 충전 방향 및/또는 방전 방향으로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부(24)는, 충전 장치(22)로부터 전력 공급을 받아 동작하며, 검출 회로(27)에 의한 검출 결과에 따라, 배터리 스택(25)이 과방전 또는 과충전일 때, 전류 경로를 차단하도록, 전류 제어 소자(23a, 23b)의 동작을 제어한다.

보호 소자(1)는, 예를 들면, 배터리 스택(25)과 충방전 제어 회로(26) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되며, 그 동작이 전류 제어 소자(28)에 의해서 제어된다.

검출 회로(27)는, 각 배터리 셀(21a~21d)과 접속되어, 각 배터리 셀(21a~21d)의 전압값을 검출하며, 각 전압값을 충방전 제어 회로(26)의 제어부(24)에 공급한다. 또, 검출 회로(27)는, 배터리 셀(21a~21d) 중 어느 하나가 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에 전류 제어 소자(28)를 제어하는 제어 신호를 출력한다.

전류 제어 소자(28)는, 예를 들면 FET에 의해 구성되며, 검출 회로(27)로부터 출력되는 검출 신호에 의해서, 배터리 셀(21a~21d)의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 보호 소자(1)를 동작시켜, 배터리 스택(25)의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자(23a, 23b)의 스위치 동작에 따르지 않고 차단하도록 제어한다.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 배터리 팩(20)에 이용되는, 본 발명이 적용된 보호 소자(1)는, 도 8에 나타내는 것과 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자(1)는, 제1 외부 접속 전극(11)이 배터리 스택(25) 측과 접속되고, 제2 외부 접속 전극(12)이 양극 단자(20a) 측과 접속되며, 이에 의해 가용 도체(3)가 배터리 스택(25)의 충방전 경로 상에 직렬로 접속된다. 또, 보호 소자(1)는, 발열체(5)가 발열체 전극(6) 및 제3 외부 접속 전극(13)을 통해 전류 제어 소자(28)와 접속됨과 더불어, 발열체(5)가 배터리 스택(25)의 개방단과 접속된다. 이와 같이, 발열체(5)는, 일단이 발열체 인출 전극(4c)을 통해 가용 도체(3) 및 배터리 스택(25)의 한쪽의 개방단과 접속되고, 타단이 제3 외부 접속 전극(13)을 통해 전류 제어 소자(28) 및 배터리 스택(25)의 다른 쪽의 개방단과 접속된다. 이에 의해 전류 제어 소자(28)에 의해서 통전이 제어 가능한 발열체(5)로의 급전 경로가 형성된다.

[보호 소자의 동작]

검출 회로(27)가 배터리 셀(21a~21d) 중 어느 하나의 이상 전압을 검출하면, 전류 제어 소자(28)에 차단 신호를 출력한다. 그러면, 전류 제어 소자(28)는, 발열체(5)로 하여금 통전되도록 전류를 제어한다. 보호 소자(1)는, 배터리 스택(25)으로부터, 발열체(5)에 전류가 흐르고, 이에 의해 발열체(5)가 발열을 개시한다. 보호 소자(1)는, 발열체(5)의 발열에 의해 가용 도체(3)가 용단되어, 배터리 스택(25)의 충방전 경로를 차단한다. 또, 보호 소자(1)는, 가용 도체(3)를 고융점 금속과 저융점 금속을 함유시켜 형성함으로써, 고융점 금속의 용단 전에 저융점 금속이 용융되고, 용융된 저융점 금속에 의한 고융점 금속의 용식 작용을 이용하여 단시간에 가용 도체(3)를 용해시킬 수 있다.

이 때, 보호 소자(1)는, 절연 보호층(7)에 열전도성 필러(10)가 함유됨으로써, 열전도율이 향상되어 있다. 이에 의해, 절연 보호층(7)은, 발열체(5)의 발열을 효율적으로 가용 도체(3)에 전달하여, 신속하게 용단할 수 있다. 또, 절연 보호층(7)은, 극도로 얇게 형성할 필요가 없어, 핀홀 등의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 발열체 전극(6), 제1 인출 전극(15) 또는 발열체(5)와, 발열체 인출 전극(4c) 사이의 절연 파괴(스파크)를 방지할 수 있다. 또한, 가용 도체(3)를 신속하게 용단함으로써, 발열체(5)가 가용 도체(3)의 용단보다 먼저 손상되는 것도 방지할 수 있어, 안전하고 신속하게 전류 경로를 차단할 수 있다.

보호 소자(1)는, 가용 도체(3)가 용단됨으로써, 발열체(5)로의 급전 경로도 차단되기 때문에, 발열체(5)의 발열이 정지된다.

또한, 보호 소자(1)는, 배터리 팩(20)에 정격을 초과하는 과전류가 통전된 경우에도, 가용 도체(3)가 자기 발열에 의해 용융되어, 배터리 팩(20)의 충방전 경로를 차단할 수 있다.

이와 같이, 보호 소자(1)는, 발열체(5)의 통전에 의한 발열, 혹은 과전류에 의한 가용 도체(3)의 자기 발열에 의해서 가용 도체(3)가 용단된다. 상술한 바와 같이, 보호 소자(1)는, 회로 기판으로의 리플로우 실장 시나, 보호 소자(1)가 실장된 회로 기판이 추가로 리플로우 가열 등의 고온 환경하에 노출된 경우에도, 저융점 금속이 고융점 금속에 의해서 피복된 구조를 가짐으로써, 가용 도체(3)의 변형이 억제되어 있다. 따라서, 가용 도체(3)의 변형에 의한 저항값의 변동 등에 기인하는 용단 특성의 변동이 방지되어, 소정의 과전류나 발열체(5)의 발열에 의해서 신속하게 용단될 수 있다.

본 발명에 따른 보호 소자(1)는, 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩에 이용하는 경우에 한정되지 않으며, 전기 신호에 의한 전류 경로의 차단을 필요로 하는 다양한 용도에도 물론 응용 가능하다.

[변형예 1]

본 기술이 적용된 보호 소자의 변형예에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 상술한 보호 소자(1)와 같은 부재에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 세부 사항을 생략하는 경우가 있다. 도 9에 나타내는 보호 소자(30)는, 절연 보호층(7)을, 표면에 발열체(5)가 형성되는 기판 측 보호층(7a)과, 기판 측 보호층(7a) 상에 형성된 발열체(5)를 덮는 피복 보호층(7b)에 의해 구성한다. 기판 측 보호층(7a)은, 절연 기판(2)의 표면(2a)에 형성되고, 발열체(5) 및 제1, 제2 인출 전극(15, 16)이 형성되어 있다. 피복 보호층(7b)은, 기판 측 보호층(7a) 상에 적층 형성됨으로써, 기판 측 보호층(7a)과 함께 발열체(5)를 덮는다. 이에 의해 절연 보호층(7)은, 내부에 발열체(5)가 설치된다. 또, 피복 보호층(7b)은, 발열체 인출 전극(4c)이 적층되어 있다. 기판 측 보호층(7a) 및 피복 보호층(7b)의 형성 방법은, 상술한 절연 보호층(7)과 동일하다.

피복 보호층(7b)은, 기판 측 보호층(7a)보다 열전도율이 높은 것이 바람직하다. 이에 의해, 발열체(5)의 발열이 절연 기판(2) 측으로 빠져나가기 어렵게 함과 더불어 피복 보호층(7b) 측으로 보다 빠르게 열을 전달하는 것이 가능해져, 단위 시간당 피복 보호층(7b) 측으로 전해지는 열량이 증가하여, 효율적으로 가용 도체(3)를 가열할 수 있다. 피복 보호층(7b)의 열전도율을 기판 측 보호층(7a)보다 높게 하는 방법으로서는, 예를 들면 피복 보호층(7b)에만 열전도성 필러(10)를 함유시키고, 기판 측 보호층(7a)에는 열전도성 필러(10)를 함유하지 않게 하는 방법이 있다. 또, 피복 보호층(7b)에 함유시키는 열전도성 필러(10)를, 기판 측 보호층(7a)에 함유시키는 열전도성 필러(10)보다 열전도율이 높은 것을 사용하는 방법이 있다. 혹은, 피복 보호층(7b)에 함유시키는 열전도성 필러(10)의 양을, 기판 측 보호층(7a)에 함유시키는 열전도성 필러(10)의 양보다 많게 하는 방법이 있다. 본 기술은, 피복 보호층(7b)의 열전도율을 기판 측 보호층(7a)보다 높게 하는 방법으로서, 이들 방법에 한정되지 않는 것은 물론이다.

[변형예 2]

이어서, 본 기술이 적용된 보호 소자의 다른 변형예에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 상술한 보호 소자(1, 30)와 같은 부재에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 세부 사항을 생략하는 경우가 있다. 도 10, 도 11에 나타내는 바와 같이, 본 기술이 적용된 보호 소자(40)는, 절연 기판의 이면에 발열체를 설치해도 된다. 보호 소자(40)는, 절연 기판(2)의 표면(2a)과 반대 측의 이면(2b)에, 발열체(5), 제1, 제2 인출 전극(15, 16) 및 이들을 피복하는 절연 보호층(7)이 형성되어 있다. 또, 절연 기판(2)의 이면(2b)에는, 발열체 전극(6), 이면 측 중간 전극(8b), 제1, 제2 외부 접속 전극(11, 12)이 형성되어 있다.

또, 절연 기판(2)의 표면(2a)에는, 제1, 제2 전극(4a, 4b)과, 가용 도체(3)와, 발열체 인출 전극(4c)과, 표면 측 중간 전극(8a)이 형성되어 있다.

이면 측 중간 전극(8b)은, 상술한 중간 전극(8)과 마찬가지로, 제2 인출 전극(16)이 인출되어 있다. 또, 표면 측 중간 전극(8a)과 이면 측 중간 전극(8b)은, 절연 기판(2)의 측면에 형성된 캐스텔레이션이나 절연 기판(2)을 관통하는 도전 스루홀 등에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 표면 측 중간 전극(8a)은, 발열체 인출 전극(4c)이 접속되어 있다. 표면 측 중간 전극(8a)과 이면 측 중간 전극(8b)은, 상술한 중간 전극(8)과 동일한 재료, 동일한 공정에 의해서 형성할 수 있다.

발열체 인출 전극(4c)은, 표면 측 중간 전극(8a) 및 이면 측 중간 전극(8b)을 통해 발열체(5)와 전기적 및 열적으로 접속된다. 즉, 보호 소자(40)는, 발열체(5)가 절연 기판(2)을 통해 발열체 인출 전극(4c)을 가열함과 더불어, 열전도성이 뛰어난 표면 측 중간 전극(8a) 및 이면 측 중간 전극(8b)을 통해 발열체(4)의 열이 발열체 인출 전극(4c)에 전해져, 가용 도체(3)를 가열, 용단할 수 있다(도 11의 (A), (B)).

또한, 보호 소자(40)에서는, 발열체 전극(6)이 외부 회로 기판의 전극과 접속되는 외부 접속 전극도 되기 때문에, 보호 소자(1)에 설치한 제3 외부 접속 전극(13)은 설치되어 있지 않다.

보호 소자(40)에 있어서는, 절연 보호층(7)은, 보호 소자(30)와 동일하게, 절연 보호층(7)을, 표면에 발열체(5)가 형성되는 기판 측 보호층(7a)과, 기판 측 보호층(7a) 상에 형성된 발열체(5)를 덮는 피복 보호층(7b)에 의해 구성한다. 기판 측 보호층(7a)은 절연 기판(2)의 이면(2b)에 형성되며, 표면에 발열체(5) 및 제1, 제2 인출 전극(15, 16)이 형성되어 있다. 피복 보호층(7b)은, 기판 측 보호층(7a) 상에 적층 형성됨으로써, 기판 측 보호층(7a)과 함께 발열체(5)를 덮는다.

보호 소자(40)와 관련된 피복 보호층(7b)은, 기판 측 보호층(7a)보다 열전도율이 낮은 것이 바람직하다. 이에 의해, 발열체(5)의 발열이 피복 보호층(7b) 측으로 빠져나가기 어렵게 함과 더불어 절연 기판(2) 측으로 보다 빠르게 열을 전달하는 것이 가능해져, 단위 시간당 기판 측 보호층(7a) 측으로 전해지는 열량이 증가하여, 효율적으로 가용 도체(3)를 가열할 수 있다. 기판 측 보호층(7a)의 열전도율을 피복 보호층(7b)보다 높게 하는 방법으로서는, 예를 들면 기판 측 보호층(7a)에만 열전도성 필러(10)를 함유시키고, 피복 보호층(7b)에는 열전도성 필러(10)를 함유하지 않게 하는 방법이 있다. 또, 기판 측 보호층(7a)에 함유시키는 열전도성 필러(10)를, 피복 보호층(7b)에 함유시키는 열전도성 필러(10)보다 열전도율이 높은 것을 사용하는 방법이 있다. 혹은, 기판 측 보호층(7a)에 함유시키는 열전도성 필러(10)의 양을, 피복 보호층(7b)에 함유시키는 열전도성 필러(10)의 양보다 많게 하는 방법이 있다. 본 기술은, 기판 측 보호층(7a)의 열전도율을 피복 보호층(7b)보다 높게 하는 방법으로서, 이들 방법에 한정되지 않는 것은 물론이다.

실시예 1

이어서, 본 기술의 실시예 1 및 실시예 2에 대해서 설명한다. 실시예 1에서는, 절연 보호층으로서 유리층을 형성하며, 유리층의 두께 및 열전도율을 변경한 보호 소자 샘플을 준비하고, 발열체의 통전으로부터 가용 도체의 차단에 소요되기까지의 시간(차단 시간)을 계측했다. 보호 소자의 구성은, 상술한 보호 소자(30)와 동일하다. 발열체는 산화 루테늄에 의해 형성하고, 두께 15μm로 했다. 발열체에는 인가 전압 60V로 15A를 통전했다.

유리층의 막 두께는, 발열체 상부의 피복 보호층의 막 두께를 말하며, 각 샘플의 막 두께는 10μm, 20μm, 30μm, 40μm로 했다. 기판 측 보호층의 두께는 15μm로 했다. 유리층에 함유시키는 열전도성 필러는 산화 알루미늄(열전도율: 40W/mK)을 사용했다. 또, 유리층의 열전도율은, 열전도성 필러의 체적 분율을 변경함으로써 1W/mK~20W/mK의 범위에서 조정했다(도 4 참조).

보호 소자 샘플의 평가는, 차단 시간을 기준으로 하고, 0.2초 이하를 우수(◎), 0.2초 초과 0.3초 이하를 양호(○), 0.3초 초과를 불량(×)으로 했다. 전압을 인가했을 때에 절연 파괴가 발생했을 경우, 당해 막 두께를 갖는 보호 소자 샘플의 평가는 유리층의 열전도율에 관계없이 모두 불량(×)으로 했다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 유리층의 막 두께를 10μm로 한 보호 소자 샘플에 있어서 절연 파괴가 발생했기 때문에, 당해 막 두께의 샘플은 모두 불량으로 했다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 유리층의 막 두께를 20μm로 한 보호 소자에서는, 모든 샘플에 있어서 차단 시간이 0.3초 이하였다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 유리층의 막 두께를 30μm로 한 보호 소자에서는, 유리층의 열전도율이 1W/mK 및 1.25W/mK인 샘플에서 차단 시간이 0.3초를 초과했지만, 유리층의 열전도율이 1.5W/mK 이상인 샘플에서는 차단 시간이 0.3초 이하였다.

표 4에 나타내는 바와 같이, 유리층의 막 두께를 40μm로 한 보호 소자에서는, 유리층의 열전도율이 1W/mK~1.75W/mK인 샘플에서 차단 시간이 0.3초를 초과했지만, 유리층의 열전도율이 2W/mK 이상인 샘플에서는 차단 시간이 0.3초 이하였다.

이상과 같이, 열전도율이 높은 열전도성 필러를 함유시켜 절연 보호층의 열전도율을 높게 할수록, 절연 보호층을 두껍게 형성할 수 있어 절연 파괴가 방지된 신뢰성이 높은 보호 소자를 제공할 수 있고, 또한 용단 시간도 짧게 할 수 있다. 또, 절연 보호층의 두께가 같으면, 절연 보호층의 열전도율이 높아질수록, 용단 시간을 단축할 수 있어, 보다 응답성이 높은 보호 소자를 제공할 수 있다.

실시예 2

실시예 2에서는, 절연 보호층으로서 유리층을 형성하고, 절연 보호층의 열전도율을 2W/mK로 하기 위해서 필요한 열전도성 필러의 체적 용량(%)을 열전도성 필러의 열전도율마다 구하고, 유리 페이스트의 도포성에 대해서 평가했다.

절연 보호층은, 유리 페이스트를 절연 기판 상에 스크린 인쇄에 의해 형성했다. 마스크의 개구부는 1000×100μm로 하고, 유리 페이스트의 도포 두께는 20μm로 했다.

도포성의 평가 지표로서는, 도포 패턴에 핀홀이나 결손도 없어 원활하게 인쇄할 수 있었을 경우를 ○(우량), 인쇄 속도를 떨어뜨려 양호한 인쇄 상태를 얻었을 경우를 △(보통), 인쇄 속도를 떨어뜨려도 핀홀이나 결손이 발생했을 경우를 ×(불량)로 했다.

표 5에 나타내는 바와 같이, 유리 페이스트에 대한 열전도성 필러의 체적 용량이 35% 이상이 되면 절연 보호층을 구성하는 유리 페이스트의 점도 상승을 초래하기 때문에, 도포성이 저하하는 것을 알 수 있다.

즉, 열전도성 필러의 열전도율이 낮을수록, 절연 보호층의 열전도율을 2W/mK로 하기 위해서 필요한 열전도성 필러의 체적 용량은 많아지고, 절연 보호층을 구성하는 유리 페이스트의 점도 상승을 초래하기 때문에, 도포성이 저하한다.

한편, 열전도성 필러의 열전도율이 높아질수록, 절연 보호층의 열전도율을 2W/mK로 하기 위해서 필요한 열전도성 필러의 체적 용량은 적어도 되어, 유리 페이스트의 점도 상승을 억제하여, 양호한 도포성을 갖는다.

실시예 2에서는, 열전도성 필러의 체적 용량을 25% 이하로 억제함으로써, 유리 페이스트의 양호한 도포성을 갖추는 것을 알 수 있다. 그 때문에, 절연 보호층의 열전도율을 2W/mK로 하기 위해서, 열전도성 필러로서 적어도 20W/mK의 열전도율을 갖추는 것을 함유시키는 것이 유효한 것을 알 수 있다.

1 보호 소자, 2 절연 기판, 3 가용 도체, 4a 제1 전극, 4b 제2 전극, 4c 발열체 인출 전극, 5 발열체, 6 발열체 전극, 7 절연 보호층, 7a 기판 측 보호층, 7b 피복 보호층, 8 중간 전극, 9 절연 재료, 10 열전도성 필러, 11 제1 외부 접속 전극, 12 제2 외부 접속 전극, 13 제3 외부 접속 전극, 15 제1 인출 전극, 16 제2 인출 전극, 18 저융점 금속층, 19 고융점 금속층, 20 배터리 팩, 21 배터리 셀, 22 충전 장치, 23 전류 제어 소자, 24 제어부, 25 배터리 스택, 26 충방전 제어 회로, 27 검출 회로, 28 전류 제어 소자, 30 보호 소자, 40 보호 소자

Claims (8)

1. 절연 기판과,
   상기 절연 기판에 설치된 제1, 제2 전극과,
   상기 절연 기판에 형성된 발열체와,
   상기 발열체와 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과,
   상기 발열체 인출 전극을 통해 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극에 걸쳐서 탑재된 가용 도체와,
   상기 발열체를 덮는 절연 보호층을 구비하고,
   상기 절연 보호층은, 열전도성 필러가 함유되어 있는, 보호 소자.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열전도성 필러는, 산화 알루미늄 및/또는 질화 알루미늄을 포함하는, 보호 소자.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 절연 보호층은, 20μm 이상의 두께를 갖는, 보호 소자.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 절연 보호층의 열전도율은 1.5W/mk 이상인, 보호 소자.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 절연 보호층을 구성하는 절연 재료의 체적 용량에 대한 상기 열전도성 필러의 체적 용량은 20% 이상인, 보호 소자.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 발열체 및 상기 절연 보호층은, 상기 절연 기판의 상기 가용 도체가 탑재된 면에 형성되어 있는, 보호 소자.
7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 발열체 및 상기 절연 보호층은, 상기 절연 기판의 상기 가용 도체가 탑재된 면과 반대 측의 면에 형성되어 있는, 보호 소자.
8. 1개 이상의 배터리 셀과,
   상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되어, 당해 충방전 경로를 차단하는 보호 소자와,
   상기 배터리 셀의 전압값을 검출하여 상기 보호 소자로의 통전을 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
   상기 보호 소자는,
   절연 기판과,
   상기 절연 기판에 설치된 제1, 제2 전극과,
   상기 절연 기판에 형성된 발열체와,
   상기 발열체와 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과,
   상기 발열체 인출 전극을 통해 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극에 걸쳐서 탑재된 가용 도체와,
   상기 발열체를 덮는 절연 보호층을 구비하고,
   상기 절연 보호층은, 열전도성 필러가 함유되어 있는,
   배터리 팩.

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