TWI518729B - Protective element and manufacturing method of protective element - Google Patents

Description

保護元件及保護元件之製造方法

本發明係關於一種從過電流狀態及過電壓狀態保護電路之保護元件及該保護元件之製造方法。

本案係以2010年6月15日在日本申請之日本專利申請號碼特願2010-135806號為基礎主張優先權者，參照該申請，援引於本案中。

以直以來，在電路中，構成有用以從過電流狀態及過電壓狀態之至少一方保護之對策。

例如，專利文獻1中已揭示有，在印刷基板之一部分配線形成焊料，利用如焊料腐蝕銅現象等之焊料侵蝕作用而將過電流時之配線圖案熔斷。又，專利文獻1中已揭示有，為縮短熔斷時間，將熔斷部之圖案寬度作成纖細，在電流流動之方向設置狹縫。

專利文獻1：日本特開平09-223854號公報

由於上述專利文獻1所揭示之保護功能只是過電流保護之熔絲功能，因此不能對應例如電池用二次保護電路所要求之功能，例如依據來自電壓偵測用IC(偵測電池之電壓異常)之異常訊號儘速且確實截斷電流路徑之功能。

又，保護元件，從代替材料之無鉛化觀點來看，與以鉛為主材料之焊料箔相較，即使使用以熔點低之金屬為主材料之焊料糊，亦期望對印刷基板能回焊構裝。

因此，本發明係有鑑於上述實情而提案者，其目的在於提供一種保護元件及保護元件之製造方法，依據過電壓等異常，使由低熔點金屬體所組成之焊料通電，藉此藉由電阻體之發熱或過電流所造成之僅本身發熱而使其熔融，利用熔融焊料之侵蝕現象，能儘速且確實截斷電流路徑。

作為用以解決上述問題之手段，本發明之保護電路，具備：基板；電極，於基板上形成有複數個；低熔點金屬體，係連接於電極間之電流路徑，藉由加熱熔斷而截斷電流路徑；以及電阻體，通電後，產生使低熔點金屬體熔融之熱；各電極，係由積層於基板上之第1導電層、及積層於在積層有第1導電層之基板上之面方向彼此離開之位置之第2導電層形成；低熔點金屬體，與電極之潤濕性較基板高，積層於積層有第1導電層與第2導電層之基板上，藉由電阻體產生之熱、及由電極與低熔點金屬體構成之積層部產生之熱之至少一方加以熔融，藉此一邊侵蝕積層於電極間之第1導電層、一邊吸引至潤濕性較基板高之電極側並熔斷。

又，本發明之保護電路之製造方法，具有：第1積層步驟，在設有通電後產生使低熔點金屬體熔融之熱之電阻體之基板積層第1導電層；第2積層步驟，在藉由第1積層步驟積層有第1導電層之基板上之面方向彼此離開之位置積層複數個第2導電層，藉此形成複數個電極；以及第3積層步驟，將與藉由第2積層步驟形成之電極之潤溼性較基板高、藉由加熱熔斷而截斷電極間之電流路徑之低熔點金屬體，以藉由電阻體產生之熱、及由電極與低熔點金屬體構成之積層部產生之熱之至少一方加以熔融、一邊侵蝕積層於電極間之第1導電層、一邊吸引至潤濕性較基板高之電極側並熔斷之方式，積層於積層有第1導電層與第2導電層之基板上。

本發明，由於低熔點金屬體係在電極間積層於第1導電層上，因此除電阻體發熱或因過電流而本身發熱以外，不會引起第1導電層之侵蝕作用，不使電流路徑熔斷。又，本發明，由於藉由對基板設層厚差之積層構造以形成電極，因此低熔融金屬熔融時，能一邊僅侵蝕第2導電層、一邊藉由表面張力吸引至潤濕性比基板高之電極側。

因此，本發明，依據過電壓等異常使由低熔點金屬體組成之焊料通電，藉此僅藉由電阻體所產生之熱或過電流所造成之本身發熱而使其熔融，利用熔融焊料之侵蝕現象，能儘速且確實截斷電流路徑。

以下，邊參照圖式邊詳細說明用以實施本發明之形態。另外，本發明並非僅限定於以下之實施形態者，在不脫離本發明要旨之範圍內，當然能進行各種變更。

＜整體構成＞

本發明適用之保護元件係從過電流狀態及過電壓狀態之至少一方以保護電路之保護元件，例如，可組裝於具有電池10之電池包1使用，該電池包10係由如圖1所示合計4個能充放電之電池單元11至14構成。

亦即，電池包1具備：電池10、控制電池10充放電之充放電控制電路20、保護電池10與充放電控制電路20之保護元件100、檢測各電池單元11至14之電壓之檢測電路40、以及依據檢測電路40之檢測結果控制保護元件100之動作之電流控制元件50。

電池10，係如上所述，串聯電池單元11至14者，需要對例如鋰離子電池進行控制使不成為過充電及過放電狀態，透過電池包1之正極端子1a、負極端子1b，以可拆裝方式連接於充電裝置2，施加來自充電裝置2之充電電壓。

充放電控制電路20，具備：2個電流控制元件21、22，串聯於從電池10流至充電裝置2之電流路徑；以及控制部23，用以控制此等電流控制元件21、22之動作。電流控制元件21、22，係由例如場效電晶體(以下稱為FET)構成，藉由受控制部23控制之閘電壓，以控制電池10之電流路徑之導通與截斷。控制部23，係從充電裝置2接受電力供應進行動作，依據檢測電路40之檢測結果，在電池10為過放電或過充電時，控制電流控制元件21、22之動作，俾使截斷電流路徑。

保護元件100係連接於電池10與充放電控制電路20間之充放電電流路徑上，其動作藉由電流控制元件50加以控制。

檢測電路40係連接於各電池單元11至14，檢測各電池單元11至14之電壓值，將各電壓值供應至充放電控制電路20之控制部23。又，檢測電路40，當任一個電池單元11至14為過充電電壓或過放電電壓時，輸出控制電流控制元件50之控制訊號。

電流控制元件50，依據從檢測電路40所輸出之檢測訊號，當各電池單元11至14之電壓值為既定範圍外時，具體而言，當成為過放電或過充電狀態時，使保護元件100動作，進行控制，俾使截斷電池10之充放電電流路徑。

由以上構成所組成之電池包1中，以下，具體說明保護元件100之構成。

＜保護電路之構成＞

本發明適用之保護元件100，為從過電流狀態及過電壓狀態保護上述之電池包1內之電路，形成為圖2所示之電路構成。

亦即，保護元件100，如圖2所示，具備：熔絲101、102，由藉由加熱予以熔斷之低熔點金屬體構成；以及電阻體103，通電後，產生熔融熔絲101、102之熱。

熔絲101、102，在物理上，係在電路構成上將1個低熔點金屬體分離，透過接點P1予以串聯之元件，串聯在電池10與充放電控制電路20間之充放電電流路徑上。例如，熔絲101，係透過未與熔絲102連接之接點A1而與電池10連接，熔絲102，係透過未與熔絲101連接之接點A2而與充放電控制電路20連接。

電阻體103，其一端部透過接點P1而與熔絲101、102連接，其另一端部透過接點P2而與電流控制元件50連接。

由以上之電路構成所組成之保護元件100，係藉由電流控制元件50之動作，使電阻體103通電後，產生熔融熔絲101、102之熱，藉由熔斷熔絲101、102，以保護電池包1內之電路。

保護元件100，使用由低熔點金屬體組成之焊料，發揮作為熔絲101、102之功能，為利用焊料之侵蝕現象，儘速且確實截斷電流路徑，具體而言，係藉由以下所示之製造步驟進行製造者。

參照圖3，說明本發明適用之保護元件100之製造方法。

保護元件100，係在如圖3A所示之陶瓷基板111a上透過玻璃層111b形成有電阻體103者，又，在該電阻體103上透過玻璃層111c積層有第1導電層112者。另外，本發明適用之保護元件中，並非限定於上述之積層構造，亦可使用藉由玻璃以外之絕緣構件之積層構造，或使用將電阻體103直接積層於陶瓷基板111a之表面，未形成玻璃層111b之構造。作為陶瓷基板111a，能使用例如氧化鋁基板、玻璃陶瓷基板等。

首先，在第1積層步驟中，銀(Ag)或鉑(Pt)等良導體藉由印刷處理等積層膜厚d1之第1導電層112。

接著，在第2積層步驟中，在已形成有第1導電層112之基板111上，在該基板111上之面方向彼此離開之複數個位置，銀(Ag)或鉑(Pt)等良導體藉由印刷處理等分別積層膜厚d2之第2導電層113，藉此形成複數個電極114a、114b、114c。此處，電極114a係相當於上述圖2所示之電路構成中之接點A1之部位，電極114b係相當於上述圖2所示之電路構成中之接點P1之部位，電極114c係相當於上述圖2所示之電路構成中之接點A2之部位。為便於說明，以下，統稱電極114a、114b、114c之情形，稱為電極114者。

又，第1導電層112及第2導電層113，雖均使用銀(Ag)或鉑(Pt)等良導體，但如後所述，由於相對提高焊料對第1導電層112之侵蝕作用，因此相對於第2導電層113，較佳係將第1導電層112之材料調整成易引起焊料之侵蝕作用之物性。

接著，在第3積層步驟中，在已形成有電極114之基板111上，作為低熔點金屬體，印刷處理例如錫銀(SnAg)系等非鉛系之焊料116，藉此，如圖3B所示，以使第1導電層112及第2導電層113接觸之方式進行積層。藉由該步驟，以橋接電極114a、114b間之方式積層之焊料116發揮作為熔絲101之功能，以橋接電極114b、114c間之方式積層之焊料116發揮作為熔絲102之功能。

又，第3積層步驟中所積層之金屬材料，該金屬材料熔融時之潤溼性，只要電極114具有比基板111高之特性即可，並不限定於錫銀(SnAg)系之金屬材料。

又，從能以均勻層厚焊料116容易積層之觀點來看，較佳係，在進行第3積層步驟前，在藉由第2積層步驟所形成之各電極114上進行形成絕緣膜117之成膜步驟。以這種方式，在各電極114上形成絕緣膜117，藉此在保護元件100之製造方法中，用從上部觀察圖3(A)之積層體之圖4之俯視圖所示之絕緣膜117分隔開之各配置位置116a、116b，能保持印刷處理後凝固前間之液狀焊料116，結果，能以成為均勻層厚之方式積層焊料116。

又，如圖4所示，電極114b係與相當於接點P1之電極118a連接。又，配置於基板111內部之電阻體103係透過導電體103a而與電極118a連接，透過導電體103b而與電極118b連接。

保護元件100，又如圖5所示，在焊料116之積層部位，積層有在焊料116熔融時使流動性活化之助焊劑119，進一步設置有保護該保護元件100整體之罩體120。

由以上構成所組成之保護元件100，焊料116係由電阻體103所產生之熱、電極114與焊料116構成，例如，藉由相當於如圖5所示之部位之積層部121所產生之熱之至少一方開始熔融。又，保護元件100，係如圖6及圖7所示，熔融之焊料116一邊侵蝕積層於電極114間之第1導電層112，一邊利用表面張力使吸引至潤濕性比基板111高之電極114側。

以這種方式，保護元件100，係如圖6所示，雖存在有由焊料116與第1導電層112所組成之熔融餘料131，但係微量，因此電極114間被熔斷。亦即，保護元件100，位於未積層第2導電層之電極114間之第1導電層112係發揮作為熔斷部132之功能，形成有電極114之第2導電層113係發揮作為吸引被侵蝕之焊料之焊料積存部133之功能。

以這種方式，保護元件100使用第1導電層112及第2導電層113，藉由對基板111設層厚差之積層構造，形成電極114，因此焊料116，能一邊僅侵蝕第1導電層112一邊吸引至電極114側。

又，保護元件100，由於焊料116係在電極114間積層於第1導電層112之上，因此能防止例如保護元件100回焊構裝於電池1內之電路基板上時因所施加之熱而熔斷。亦即，保護元件100，除了電阻體103所產生之熱或因過電流所引起之本身發熱以外，不會引起第1導電層112之侵蝕作用，能不使電流路徑截斷。

因此，本發明適用之保護元件100，依據過電壓等異常，使由低熔點金屬體所組成之焊料116通電，藉此僅藉由電阻體103所產生之熱或過電流所引起之本身發熱使熔融，利用熔融焊料之侵蝕現象，能儘速且確實截斷電流路徑。

又，本發明適用之保護元件100，其較佳點係，特別使用非鉛系之糊狀焊料，藉此能邊擴大焊料原料之選擇性，能邊藉由印刷處理容易進行上述之第3積層處理。另外，本發明適用之保護元件，並不限定於如上述之非鉛系糊狀，作為焊料之材料，亦可使用含鉛者，或或使用非糊狀例如焊料箔等。

作為本發明適用之保護元件之變形例，從儘速且確實截斷電流路徑之觀點來看，較佳係如下所述，保護元件100係如圖8及圖9所述，位於基板111上之電極114間，在藉由焊料116熔融而被侵蝕之第1導電層112，形成有1個以上使該第1導電層112彼此離開之狹縫112a。

亦即，變形例之保護元件100，如圖8所示，形成使基板111上之電極114間之第1導電層112彼此離開之狹縫112a，又，如圖9所示，係為接觸於第1導電層112與第2導電層113之兩方而積層焊料116者。

此處，在變形例之保護元件100之製造步驟中，在各電極114上形成絕緣膜117，藉此，用從上部觀察圖9之積層體之圖10之俯視圖所示之絕緣膜117分隔開之各配置位置116a、116b，能以形成均勻層厚方式積層焊料116。

又，如圖11所示，變形例之保護元件100，在焊料116之積層部位，積層有焊料116熔融時使流動性活化之助焊劑119，進一步設有保護該保護元件100整體之罩體120。

以上述方式所製造之變形例之保護元件100，係如圖12之剖面圖所示，由於在焊料116熔融時，焊料116流入狹縫112a，藉此能更高效率侵蝕第1導電層112，因此如圖13之俯視圖所示，由焊料116與第1導電層112組成之熔融餘料131幾乎不產生。亦即，變形例之保護元件100，能更減小電極114間之漏電流，能儘速且確實截斷電流路徑。

又，本發明適用之保護元件100，雖使用第1導電層112與第2導電層113，藉由對基板111設層厚差之導電層以形成電極114，但特別是，藉由依據以下測試所獲得之導電層之層厚對焊料之侵蝕特性來看，較佳係電極114之膜厚對第1導電層112之膜厚之比率係2以上。

藉由使用圖14所示之測試基板200之測試，針對依據導電層之層厚對焊料之侵蝕特性進行評價。此處，圖14A係表示測試基板200之剖面構造圖，圖14B係從上部觀察測試基板200之俯視圖。測試基板200，電阻體201係在設於內部之基板202上，依序積層以層厚d規定之導電層203與焊料204者。此處，本測試中，作為導電層203之材料，使用了銀系厚膜燒成材料。又，該銀系厚膜燒成材料，將藉由電阻體201加熱之面積如圖14B所示設為2.5[mm]×0.8[mm]。又，該導電層203，其表面溫度，藉由電阻體201被加熱至約650℃。又，在導電層203之表面，膜厚約為0.1mm，積層了熔點約300℃之鉛系焊料204。

另外，本測試條件中，雖使用熔點比錫銀(SnAg)系材料高之鉛系焊料204，但如錫銀(SnAg)之非鉛系焊料，由於熔點較低，在更容易引起焊料之侵蝕作用之傾向之點較佳。

在以上測試條件下，使用導電層203之層厚d為7[μm]、14[μm]、22[μm]之三種類，施以加熱處理時，被焊料204侵蝕之面積分別如以下表1所示。

由上述表1可明瞭，在加熱條件固定時，層厚d為7[μm]左右之導電層203，侵蝕作用較大，適合發揮作為熔斷部132功能之第1導電部112，層厚d為14[μm]左右之導電層203，侵蝕作用較少，適合發揮作為焊料積存部133功能之電極部114。又，層厚d為22[μm]左右之導電層203，無侵蝕作用，特別適合電極部114。

由以上結果可明瞭，從確實熔斷電極114間之觀點來看，保護元件100，電極114之膜厚對第1導電部112之膜厚之比率較佳係2以上，特別係3以上。此處，所謂電極114之膜厚，係第1導電部112與第2導電部113之合計膜厚。又，保護元件100，將電極114之膜厚對第1導電部112之膜厚之比率設定為2至3之範圍，藉此在能一面謀求導電層之材料費降低一面電極114不會引起侵蝕作用之點，特別佳。

第1導電層112之厚度，從上述測試可明瞭，從高效率發揮侵蝕作用之觀點來看，其膜厚較佳係7[μm]以下，又，作為在回焊構裝時亦不被侵蝕之最低膜厚，特佳係1[μm]以上。

從不引起侵蝕作用之觀點來看，電極114之膜厚，亦即，第1導電層112與第2導電層113之合計厚度較佳係14[μm]以上，特別係22[μm]以上。

第1導電層112被侵蝕之熔斷部132，其面積較佳係寬度0.5至2[mm]×長度0.2至0.4[mm]左右，又，如作為變形例所示，形成狹縫之情形，該狹縫尺寸較佳係，在電極114間之寬度方向為0.5至2[mm]，在與該寬度方向正交之長度方向為0.1至2[mm]左右。

又，本發明適用之保護元件之目的，不僅保護如上述之電池包1，而且從過電流狀態及過電壓狀態之至少一方進行保護，因此即使組裝於其他之電路，當然亦可利用焊料之侵蝕現象，儘速且確實截斷電流路徑。

1．．．電池包

1a．．．正極端子

1b．．．負極端子

2．．．充電裝置

10．．．電池

11、12、13、14．．．電池單元

20．．．充放電控制電路

21、22．．．電流控制元件

23．．．控制部

40．．．檢測電路

50．．．電流控制元件

100．．．保護元件

101、102．．．熔絲

103．．．電阻體

103a．．．導電體

111．．．基板

111a．．．陶瓷基板

111b、111c．．．玻璃層

112．．．第1導電層

112a．．．狹縫

113．．．第2導電層

114a、114b、114c．．．電極

116‧‧‧焊料

116a、116b‧‧‧配置位置

117‧‧‧絕緣膜

118a、118b‧‧‧電極

119‧‧‧助焊劑

121‧‧‧積層部

131‧‧‧熔融餘料

132‧‧‧熔斷部

133‧‧‧焊料積存部

200‧‧‧測試基板

201‧‧‧電阻體

202‧‧‧基板

203‧‧‧導電層

204‧‧‧焊料

A1、A2、P1、P2‧‧‧接點

圖1係表示本發明適用之電池包之整體構成之圖。

圖2係表示本發明適用之保護電路之電路構成之圖。

圖3A係用來說明本發明適用之保護元件100之製造方法之圖，圖3B係用來說明本發明適用之保護元件100之製造方法之圖。

圖4係從上部觀察圖3A之積層體之俯視圖。

圖5係從上部觀察圖3B之積層體之俯視圖。

圖6係用來說明藉由保護元件之焊料116使電流路徑被熔斷狀態之剖面圖。

圖7係用來說明藉由保護元件之焊料116使電流路徑被熔斷狀態之俯視圖。

圖8係用來說明本發明適用之變形例之保護元件之積層構造之圖。

圖9係用來說明本發明適用之變形例之保護元件之積層構造之圖。

圖10係從上部觀察圖8之積層體之俯視圖。

圖11係從上部觀察圖9之積層體之俯視圖。

圖12係用來說明藉由變形例之保護元件之焊料116使電流路徑被熔斷狀態之剖面圖。

圖13係用來說明藉由變形例之保護元件之焊料116使電流路徑被熔斷狀態之俯視圖。

圖14A係表示測試基板之剖面構造之圖，圖14B係從上部觀察測試基板之俯視圖。

103．．．電阻體

103a．．．導電體

111c．．．玻璃層

112．．．第1導電層

114a、114b、114c．．．電極

116．．．焊料

116a、116b．．．配置位置

117．．．絕緣膜

118a、118b．．．電極

119．．．助焊劑

121．．．積層部

A1、A2、P1、P2．．．接點

Claims (8)

1. 一種保護元件，具備：一個基板；複數個電極，於該基板上形成有複數個；複數個低熔點金屬體，係連接於該電極間之電流路徑，藉由加熱熔斷而截斷該電流路徑；以及一個電阻體，通電後，產生使該低熔點金屬體熔融之熱；該各電極，係由積層於該基板上之第1導電層、及積層於在積層有該第1導電層之基板上之面方向彼此離開之位置之第2導電層形成；該低熔點金屬體，與該電極之潤濕性較該基板高，積層於積層有該第1導電層與該第2導電層之基板上，藉由該電阻體產生之熱、及由該電極與該低熔點金屬體構成之積層部產生之熱之至少一方加以熔融，藉此一邊侵蝕積層於該電極間之第1導電層、一邊吸引至潤濕性較該基板高之該電極側並熔斷。
2. 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中，該電極之層厚相對該第1導電層之層厚之比率係2以上。
3. 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中，在位於形成於該基板上之電極間、藉由該低熔點金屬體熔融而被侵蝕之第1導電層，形成有1個以上使該第1導電層彼此離開之狹縫。
4. 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中，該低融點 金屬體係非鉛系之焊料。
5. 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中，該第1導電層與該第2導電層分別含有銀。
6. 一種保護元件之製造方法，具有：第1積層步驟，在設有通電後產生使低熔點金屬體熔融之熱之電阻體之基板積層第1導電層；第2積層步驟，在藉由該第1積層步驟積層有第1導電層之該基板上之面方向彼此離開之位置積層複數個第2導電層，藉此形成複數個電極；以及第3積層步驟，將與藉由該第2積層步驟形成之電極之潤溼性較該基板高、藉由加熱熔斷而截斷該電極間之電流路徑之低熔點金屬體，以藉由該電阻體產生之熱、及由該電極與該低熔點金屬體構成之積層部產生之熱之至少一方加以熔融、一邊侵蝕積層於該電極間之該第1導電層、一邊吸引至潤濕性較該基板高之該電極側並熔斷之方式，積層於積層有該第1導電層與該第2導電層之基板上。
7. 如申請專利範圍第6項之保護元件之製造方法，其進一步具有在藉由該第2積層步驟形成之各電極上使絕緣膜成膜之成膜步驟；該第3積層步驟，將該低熔點金屬體在藉由成膜於該各電極上之絕緣膜隔離之狀態下，積層於積層有該第1導電層與該第2導電層之基板上。
8. 如申請專利範圍第6或7項之保護元件之製造方法，其中，在該第3積層步驟，藉由印刷處理糊狀之該低熔點 金屬體，積層於積層有該第1導電層與該第2導電層之基板上。