TW201539509A - 保護元件 - Google Patents

Abstract

提供一種保護元件，在將電極引出至外部之路徑中謀求低電阻化，進而使元件整體之額定提升，亦能對應於大電流用途。 其具備：絕緣基板11；發熱體12及第1、第2電極13,14，積層於絕緣基板11；發熱體引出電極15，電性連接於發熱體12；可熔導體16，積層於第1、第2電極13,14與發熱體引出電極15，成為跨第1、第2電極13,14間之電流路徑；以及覆蓋構件17，覆蓋絕緣基板11之表面；於覆蓋構件17，形成有與第1電極13連接且露出至外側之第1外部連接端子21、以及與第2電極14連接且露出至外側之第2外部連接端子22。

Description

保護元件

本發明係關於一種於過充電、過放電等異常時阻斷電流路徑之保護元件。本申請係以在日本於2014年4月15日提申之日本專利申請號特願2014-083659為基礎主張優先權者，參照此申請援用於本申請中。

可充電且反覆利用之二次電池之多數係加工為電池組以提供給使用者。尤其於重量能量密度較高之鋰離子二次電池中，為了確保使用者及電子機器之安全，一般而言，將過充電保護、過放電保護等數個保護電路內置於電池組，具有於特定之情形時阻斷電池組之輸出之功能。

此種保護元件中，有藉由使用內置於電池組之FET開關進行輸出之導通/斷開(ON/OFF)，而進行電池組之過充電保護或過放電保護動作者。然而，即便於因某些原因而使FET開關短路破壞之情形時，於施加雷電突波(lightning surge)等而流通瞬間性大電流之情形時，或於因電池單元之壽命而使輸出電壓異常降低，或者相反地輸出過大異常電壓之情形時，亦必須保護電池組或電子機器免受起火等事故。因此，為了於如此之可假定之任何異常狀態下，均可安全地阻斷電池單元之輸出，而使用一種保護元件，其具有根據來自外部之訊號而阻斷電流路徑之功能的保險絲元 件所構成。

如圖9(A)及圖9(B)所示，作為針對此種鋰離子二次電池等之保護電路之保護元件80，有如下者：橫跨連接於電流路徑上之第1及第2電極81、82間地連接可溶導體83，而形成電流路徑之一部分，藉由過電流引起之自發熱、或設置於保護元件80內部之發熱體84而將該電流路徑上之可熔導體83熔斷。

第1及第2電極81、82，形成於絕緣基板85之表面，透過未圖示之通孔與形成在絕緣基板85背面之外部連接端子81a,82a導通，藉由此等外部連接端子81a,82a構裝於對電路基板之連接端子，而與形成於該電路基板之電流路徑連接。

保護元件80中，在藉由可熔導體83過電流引起之自發熱、或發熱體84之通電、發熱而熔融後，藉由液體狀之可熔導體83凝集於第1及第2電極81、82上而阻斷電流路徑。

[先行技術文獻]

[專利文獻1]日本特開2010-003665號公報

[專利文獻2]日本特開2004-185960號公報

[專利文獻3]日本特開2012-003878號公報

以往，此種保護元件80，多使用於攜帶電話或筆記型電腦之類電流容量較低之用途，可熔導體83具有最大15A左右之電流容量。然而， 鋰離子二次電池之用途近年不斷擴大，亦有研究採用於更大電流之用途、例如電動起子等電動工具或油電混合車、電動車、電動自行車等輸送機器，其一部分已有開始採用。此等用途中，特別是在啟動時等有時會有超過數10A~100A之大電流流通的情形。而被期望有對應此種大電流容量之保護元件之實現。

為了實現對應大電流容量之保護元件，必須謀求元件整體之額定提升。因此，藉由使可熔導體之剖面積增大等來降低電阻值，以實現所欲之額定的方法較為容易。

此處，如上所述，連接可熔導體之第1、第2電極81,82係透過形成於絕緣基板之通孔與外部連接端子81a,82a及保護電路連接。通孔係藉由印刷導電糊而形成導電層，透過此導電層將第1、第2電極81,82與外部連接端子81a,82a電性連接。

然而，充填於通孔之導電糊，為了實現能印刷之黏度而添加了溶劑成分，藉由燒成使溶劑成分揮發而收縮，而有於通孔內產生空隙等無法形成較厚導電層之情形。又，於導電糊中，為了將金屬粒子間保持為一定形狀，添加了無助於電氣傳導之玻璃成分。

因此，保護元件80在將第1、第2電極81,82透過通孔引出至外部之過程中電阻會變高，即使能謀求可熔導體之低電阻，亦難以實現元件整體之高額定。

又，藉由使大電流流通高電阻化後之第1、第2電極81,82與外部連接端子81a,82a間之電流路徑所致之發熱，亦被擔心會造成電流路徑之破壞、或構裝保護元件80之電路基板之連接電極等對其他周邊機器之熱 影響。

因此，本發明之目的在於，提供一種保護元件，在將第1、第2電極引出至外部之路徑中謀求低電阻化，進而使元件整體之額定提升，亦能對應於大電流用途。

為了解決上述之課題，本發明之保護元件，其具備：絕緣基板；發熱體；第1及第2電極，積層於上述絕緣基板；發熱體引出電極，電性連接於上述發熱體；可熔導體，積層於上述第1及第2電極與上述發熱體引出電極，成為跨上述第1及第2電極間之電流路徑；以及覆蓋構件，覆蓋上述絕緣基板之設有上述第1及第2電極之表面；於上述覆蓋構件，形成有與上述第1電極連接且露出至外側之第1外部連接端子、以及與上述第2電極連接且露出至外側之第2外部連接端子。

根據本發明，藉由任意選擇第1、第2外部連接端子之材料或形狀等，即能容易地謀求低電阻。因此，本發明之保護元件，相較於透過通孔引出至外部連接電極之習知保護元件，不會因自可熔導體設於前之第1、第2外部連接端子導致電阻值上升。藉此，保護元件能使跨第1、第2外部連接端子間之電流路徑之額定提升，能對應大電流。

1‧‧‧保護元件

11‧‧‧絕緣基板

12‧‧‧發熱體

13‧‧‧第1電極

14‧‧‧第2電極

15‧‧‧發熱體引出電極

16‧‧‧可熔導體

17‧‧‧覆蓋構件

18‧‧‧絕緣構件

19‧‧‧發熱體電極

20‧‧‧助焊劑

21‧‧‧第1外部連接端子

22‧‧‧第2外部連接端子

23‧‧‧第3外部連接端子

30‧‧‧電池組

31~34‧‧‧電池單元

35‧‧‧電池堆

36‧‧‧檢測電路

37‧‧‧電流控制元件

40‧‧‧充放電控制電路

41、42‧‧‧電流控制元件

43‧‧‧控制部

45‧‧‧充電裝置

圖1係表示適用本發明之保護元件內部之立體圖。

圖2係表示適用本發明之保護元件內部之俯視圖。

圖3係表示適用本發明之保護元件之剖面圖。

圖4係表示覆蓋構件之立體圖，(A)係表示頂面部側，(B)係表示底面側。

圖5係表示組裝有保護元件之電池組之電路圖。

圖6係保護元件之電路圖。

圖7係表示適用本發明之其他保護元件之剖面圖。

圖8係表示適用本發明之其他保護元件之剖面圖。

圖9係表示習知保護元件內部之立體圖，(A)係立體圖，(B)係剖面圖。

以下，一面參照圖式，一面對適用本發明之保護元件進行詳細說明。再者，本發明當然並非僅限定於以下之實施形態，可於不脫離本發明之主旨之範圍內進行各種變更。又，圖式係示意性之圖式，各尺寸之比率等有時與實物不同。具體尺寸等應參考以下之說明而判斷。又，當然包含即便於圖式彼此間相互之尺寸之關係或比率亦不同之部分。

如圖1~圖3所示，適用本發明之保護元件1具備絕緣基板11、積層於絕緣基板11之發熱體12、積層於絕緣基板11之第1、第2電極13,14、電性連接於發熱體12之發熱體引出電極15、從發熱體引出電極15跨至第1、第2電極13,14而積層且成為第1、第2電極13,14間之電流路徑的可熔導體16、以及覆蓋絕緣基板11之設有第1、第2電極13,14之表面之覆蓋構件17。

絕緣基板11，係使用例如氧化鋁、玻璃陶瓷、莫來石、及氧化鋯等具有絕緣性之構件形成為大致方形。絕緣基板11雖亦可使用其他 玻璃環氧基板、苯酚基板等用於印刷配線基板的材料，但需留意可熔導體17熔斷時之溫度。

於絕緣基板11之相對向側緣部形成有第1、第2電極13,14。第1、第2電極13,14藉由連接可熔導體16而電性連接。又，第1、第2電極13,14與形成於後述之覆蓋構件17之第1、第2外部連接端子21,22電性連接，透過此第1、第2外部連接端子21,22連接於使用保護元件1之外部電路之電流路徑。第1、第2電極13,14例如能藉由印刷、燒成Ag糊等高熔點金屬糊來形成。

發熱體12積層於絕緣基板11表面，被絕緣構件18覆蓋。發熱體12係具有阻抗值較高、會因通電而發熱之導電性之構件，由例如W、Mo、Ru等所構成。能藉由將此等合金或組成物、化合物之粉狀體與樹脂黏結劑等混合，將形成之糊狀物使用網版印刷技術於絕緣基板11上形成圖案，並藉由燒成等方式而形成。又，發熱體12一端連接有發熱體引出電極15，另一端連接有發熱體電極19。

發熱體引出電極15從發熱體12一端引出至第1、第2電極13,14間，搭載有後述之可熔導體16。又，發熱體電極19形成於絕緣基板11之表面上，與形成於後述之覆蓋構件17之第3外部連接端子23電性連接。發熱體12透過發熱體電極19及第3外部連接端子23與外部電路連接。

保護元件1以覆蓋發熱體12之方式配置有絕緣構件18，以隔著此絕緣構件18對向於發熱體12之方式配置發熱體引出電極15。能使用例如玻璃作為絕緣構件18。此外，保護元件1，為了將發熱體12之熱以良好效率傳至可熔導體，亦可於發熱體12與絕緣基板11之間積層絕緣構件 18，並將發熱體12設於形成在絕緣基板11之表面之絕緣構件18內部。

可熔導體16能使用會藉由發熱體12之發熱迅速熔斷之任一金屬，例如能非常合適地使用以Sn為主成分之無鉛焊料等低熔點金屬。

又，可熔導體16亦可積層低熔點金屬與高熔點金屬來形成。作為低熔點金屬與高熔點金屬之積層構造，雖能舉出例如藉由高熔點金屬鍍敷來覆蓋低熔點金屬箔的構造，但亦可使用其他周知之積層技術、膜形成技術來形成。作為低熔點金屬，較佳為使用以Sn為主成分之無鉛焊料等焊料，作為高熔點金屬，較佳為使用Ag、Cu或以此等為主成分之合金等。藉由含有高熔點金屬與低熔點金屬，將保護元件1回焊構裝之情形，即使回焊溫度超過低熔點金屬層之熔融溫度而低熔點金屬熔融，亦可抑制低熔點金屬往外部流出，能維持可熔導體16之形狀。又，在熔斷時，亦藉由低熔點金屬熔融，熔蝕(焊料沖蝕)高熔點金屬，而能以高熔點金屬之熔點以下之溫度迅速地熔斷。

此外，可熔導體16焊接於發熱體引出電極15及第1電極13及第2電極14。藉此，保護元件1中，透過可熔導體16形成有跨第1、第2電極13,14間之電流路徑。又，此時，藉由將設於下層之低熔點金屬透過無鉛焊料構成，而能使用此低熔點金屬連接於發熱體引出電極15及第1、第2電極13,14。

此外，保護元件1為了防止可熔導體16之氧化及提升可熔導體16熔融時之濕潤性而於可熔導體16上塗布有助焊劑20。

[覆蓋構件]

其次，說明覆蓋絕緣基板11表面之覆蓋構件17。圖4(A)係表示覆蓋構 件17之頂面側之立體圖，圖4(B)係表示覆蓋構件17之底面側之立體圖。覆蓋構件17係保護內部且將第1、第2電極13,14連接於外部電路者，藉由工程塑膠等來形成。

如圖4(A)(B)所示，覆蓋構件17具有連接於絕緣基板11之表面上之側面部17a與頂面部17b。又，覆蓋構件17形成有與第1電極13連接且露出至外側之第1外部連接端子21及與第2電極14連接且露出至外側之第2外部連接端子22。

第1、第2外部連接端子21,22，與第1、第2電極13,14連接且連接於構裝保護元件1之電路基板之連接電極。藉此，保護元件1中，透過可熔導體16連接之跨第1及第2電極間之電流路徑組裝至外部電路之電流路徑上。

第1、第2外部連接端子21,22，由金屬柱或金屬板等具有導電性之材料構成，藉由嵌入成形等與覆蓋構件17一體成形。第1外部連接端子21，如圖3、圖4所示，一端作為與引出至覆蓋構件17之頂面部17b側之外部電路之連接電極連接之端子部21a，另一端作為與面對覆蓋構件17內部之第1電極13連接之連接部21b。同樣地，第2外部連接端子22，一端作為與引出至覆蓋構件17之頂面部17b側之外部電路之連接電極連接之端子部22a，另一端作為與面對覆蓋構件17內部之第2電極14連接之連接部22b。

覆蓋構件17藉由搭載於絕緣基板11之表面上，第1、第2外部連接端子21,22之各連接部21b,22b位於第1、第2電極13,14上。又，連接部21b,22b與第1、第2電極13,14透過焊料等導電性接著材料導通連 接。藉此，保護元件1中，透過可熔導體16連接之跨第1及第2電極間之電流路徑透過第1、第2外部連接端子21,22被引出至外部。

此處，使用金屬柱或金屬板導電材料形成之第1、第2外部連接端子21,22能藉由任意選擇材料或形狀等來容易地謀求低電阻化。是以，保護元件1，相較於透過通孔引出至外部連接電極之習知保護元件，不會因自可熔導體16設於前之第1、第2外部連接端子21,22導致電阻值上升。

藉此，保護元件1能使跨第1、第2外部連接端子21,22間之電流路徑之額定提升，能對應大電流。亦即，保護元件1，即使係作為HEV或EV等之動力源使用之鋰離子二次電池等之大電流用途，第1、第2外部連接端子21,22間之導通電阻亦能充分降低至能對應額定提升之程度。

又，保護元件1中，第1、第2外部連接端子21,22之各端子部21a,22a被引出至覆蓋構件17之頂面部17b側，藉此能將覆蓋構件17之頂面部17b側作為對電路基板之構裝面。

此種保護元件1，由於係於絕緣基板11之表面側設有第1、第2電極13,14、發熱體12、可熔導體16等，且連接有形成有第1、第2外部連接端子21,22之覆蓋構件17，覆蓋構件17之頂面部17b作為對電路基板之構裝面，因此不需要對絕緣基板11之背面進行外部連接電極等之加工，能簡化製程。

此外，覆蓋構件17形成有與發熱體電極19連接之第3外部連接端子23。第3外部連接端子23亦與上述之第1、第2外部連接端子21,22同樣地，由金屬柱或金屬板等具有導電性之材料構成，藉由嵌入成形等 與覆蓋構件17一體成形。又，第3外部連接端子23，一端作為與引出至覆蓋構件17之頂面部17b側之外部電路之連接電極連接之端子部23a，另一端作為與面對覆蓋構件17內部之發熱體電極19連接之連接部23b。

又，第3外部連接端子23形成於與設有第1、第2外部連接端子21,22之側面相鄰之側面，如圖4所示，亦可分別設於相對向之側面。保護元件1中，第1、第2電極13,14及第1、第2外部連接端子21,22形成於對稱位置，且與發熱體電極19之位置對應地，兩個第3外部連接端子23形成於對稱位置，藉此不論第1、第2外部連接端子之方向或第3外部連接端子23之方向為何均能搭載覆蓋構件17。

[第1、第2外部連接端子之合成電阻值]

保護元件1較佳為，第1外部連接端子21與第2外部連接端子22之合成電阻值較第1、第2電極13,14間之導通電阻值低。藉此，保護元件1，其額定主要取決於可熔導體16本身之電阻值，不會因第1、第2外部連接端子21,22而受影響。亦即，保護元件1，電流額定可依據可熔導體16之電阻值來決定，能保證所欲之電阻值，且在超過額定電流時能藉由自體發熱來熔斷電流路徑。

第1、第2外部連接端子21,22之電阻值能從材料或形狀、尺寸來求出。又，保護元件1能從跨第1、第2外部連接端子21,22之電阻值求出元件整體之全電阻值，從此全電阻值與已知之第1、第2外部連接端子21,22之合成電阻之差來求出第1、第2電極13,14間之導通電組。又，保護元件1，可測定第1、第2電極13,14間之電阻，從與元件整體之全電阻值之差求出第1、第2外部連接端子21,22之合成電阻。

[第1、第2外部連接端子與可熔導體之直接連接]

此外，保護元件1中，亦可藉由覆蓋構件17搭載於絕緣基板11之表面，使第1、第2外部連接端子21,22與可熔導體16直接連接。保護元件1，藉由不透過第1、第2電極13,14而將第1、第2外部連接端子21,22與可熔導體16直接連接，能謀求更低電阻化。

[電池電路]

如圖5所示，此種保護元件1例如被組裝至鋰離子二次電池之電池組30內之電路而使用。電池組30例如具有由合計4個鋰離子二次電池之電池單元31~34所構成之電池堆35。

電池組30具備：電池堆35；充放電控制電路40，其對電池堆35之充放電進行控制；適用本發明之保護元件1，其於電池堆35之異常時阻斷充電；檢測電路36，其檢測各電池單元31~34之電壓；及電流控制元件37，其根據檢測電路36之檢測結果而控制保護元件1之動作。

電池堆35係串聯連接有需要用以保護以免受過充電及過放電狀態傷害之控制之電池單元31~34，經由電池組30之正極端子30a、負極端子30b，而可裝卸地連接於充電裝置45，且被施加來自充電裝置45之充電電壓。將藉由充電裝置45而充電之電池組30之正極端子30a、負極端子30b連接於以電池而動作之電子機器，藉此可使該電子機器動作。

充放電控制電路40具備串聯連接於自電池堆35向充電裝置45流通之電流路徑之2個電流控制元件41、42、及控制該等電流控制元件41、42之動作之控制部43。電流控制元件41、42例如由場效電晶體(Field Effect Transistor)(以下，稱為FET)構成，藉由控制部43而對閘極電壓進 行控制，藉此對電池堆35之電流路徑之導通與阻斷進行控制。控制部43自充電裝置45接受電力供給而動作，根據檢測電路36之檢測結果，於電池堆35過放電或過充電時，以阻斷電流路徑之方式，控制電流控制元件41、42之動作。

保護元件1例如連接於電池堆35與充放電控制電路40之間之充放電電流路徑上，其動作由電流控制元件37控制。

檢測電路36與各電池單元31~34連接，檢測各電池單元31~34之電壓值，將各電壓值供給至充放電控制電路40之控制部43。又，檢測電路36於任一個電池單元31~34成為過充電電壓或過放電電壓時輸出控制電流控制元件37之控制訊號。

電流控制元件37例如由FET所構成，根據自檢測電路36輸出之檢測訊號，於電池單元31~34之電壓值成為超過既定之過放電或過充電狀態之電壓時，使保護元件1動作，以無關電流控制元件41、42之開關動作地阻斷電池堆35之充放電電流路徑之方式進行控制。

於由如以上之構成所構成之電池組30中，適用本發明之保護元件1具有如圖6所示之電路構成。即，保護元件1係由可熔導體16及發熱體12所構成之電路構成，該可熔導體16係經由發熱體引出電極15而串聯連接，該發熱體12係利用經由可熔導體16之連接點通電使之發熱而將可熔導體16熔融。又，保護元件1中，例如，可熔導體16串聯連接於充放電電流路徑上，發熱體12透過與發熱體電極19連接之第3外部連接端子23而與電流控制元件37連接。保護元件1之第1電極13經由設於覆蓋構件17之第1外部連接端子21而連接於電池堆35側。又，保護元件1之第 2電極14經由設於覆蓋構件17之第2外部連接端子22而連接於正極端子30a側。

由此種電路構成所構成之保護元件1藉由利用發熱體12之發熱將可熔導體16熔斷，而可確實地阻斷電池組30之電流路徑。

此外，本發明之保護元件並不限定於用於鋰離子二次電池之電池組之情形，當然亦可應用於必須根據電氣訊號阻斷電流路徑之各種用途。

[其他實施形態1]

此外，如圖7所示，保護元件1中，亦可將第1、第2外部連接端子21,22之各端子部21a,22a從覆蓋構件17之側面部17a引出至與頂面部17b相反側，並將絕緣基板11之背面側作為對電路基板之構裝面。在圖7所示之構成中亦同樣地，保護元件1由於係於絕緣基板11之表面側設有第1、第2電極13,14、發熱體12、可熔導體16等，且連接有形成有第1、第2外部連接端子21,22之覆蓋構件17，因此不需要對絕緣基板11之背面進行外部連接電極等之加工，能簡化製程。

[其他實施形態2]

又，如圖8所示，保護元件1中，亦可將第1、第2外部連接端子21,22之各端子部21a,22a從覆蓋構件17之側面部17a引出至側方，並藉由表面構裝以外之方法使之與外部電路連接。在圖8所示之構成中亦同樣地，保護元件1由於係於絕緣基板11之表面側設有第1、第2電極13,14、發熱體12、可熔導體16等，且連接有形成有第1、第2外部連接端子21,22之覆蓋構件17，因此不需要對絕緣基板11之背面進行外部連接電極等之加工， 能簡化製程。

1‧‧‧保護元件

11‧‧‧絕緣基板

12‧‧‧發熱體

13‧‧‧第1電極

14‧‧‧第2電極

15‧‧‧發熱體引出電極

16‧‧‧可熔導體

17‧‧‧覆蓋構件

17a‧‧‧側面部

17b‧‧‧頂面部

18‧‧‧絕緣構件

20‧‧‧助焊劑

21‧‧‧第1外部連接端子

21a‧‧‧端子部

21b‧‧‧連接部

22‧‧‧第2外部連接端子

22a‧‧‧端子部

22b‧‧‧連接部

Claims (6)

1. 一種保護元件，其具備：絕緣基板；發熱體；第1及第2電極，積層於上述絕緣基板；發熱體引出電極，電性連接於上述發熱體；可熔導體，積層於上述第1及第2電極與上述發熱體引出電極，成為跨上述第1及第2電極間之電流路徑；以及覆蓋構件，覆蓋上述絕緣基板之設有上述第1及第2電極之表面；於上述覆蓋構件，形成有與上述第1電極連接且露出至外側之第1外部連接端子、以及與上述第2電極連接且露出至外側之第2外部連接端子。
2. 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中，上述第1、第2外部連接端子被引出至上述覆蓋構件之頂面側；將上述覆蓋構件之上述頂面作為對電路基板之構裝面。
3. 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中，上述第1、第2外部連接端子被引出至與上述覆蓋構件之頂面相反側；將上述覆蓋構件之背面側作為對電路基板之構裝面。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之保護元件，其中，上述第1、第2外部連接端子係與上述可熔導體直接連接。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之保護元件，其中，上述第1、第2外部連接端子之合成電阻值較上述第1、第2電極間之電流路徑之電 阻值低。
6. 如申請專利範圍第4項之保護元件，其中，上述第1、第2外部連接端子之合成電阻值較上述第1、第2電極間之電流路徑之電阻值低。