WO2011158851A1 - 保護素子、及び、保護素子の製造方法 - Google Patents

保護素子、及び、保護素子の製造方法 Download PDF

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吉弘 米田
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ソニーケミカル＆インフォメーションデバイス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a protection element for protecting an electric circuit from an overcurrent state and an overvoltage state, and a method for manufacturing the protection element.
  • Patent Document 1 describes the melting of a wiring pattern at the time of overcurrent using solder erosion such as solder erosion by forming solder on a part of wiring of a printed circuit board. ing.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 describes that the pattern width of the fusing part is narrowed in order to shorten the fusing time and a slit is formed in the direction in which current flows.
  • protection function described in Patent Document 1 described above is a fuse function for overcurrent protection to the last, for example, for voltage detection that detects a battery voltage abnormality as required by a secondary protection circuit for a battery. It is not possible to cope with a function that quickly and reliably cuts off the current path in response to an abnormal signal from the IC.
  • the present invention has been proposed in view of such a situation, and the solder made of a low melting point metal body is energized in accordance with an abnormality such as an overvoltage, and the self generated by the heat generated by the resistor or the overcurrent. It is an object of the present invention to provide a protection element capable of quickly and surely interrupting a current path using a solder erosion phenomenon that is melted only by heat generation and melted solder, and a method of manufacturing the protection element.
  • a protection circuit is connected to a substrate, a plurality of electrodes formed on the substrate, and a current path between the electrodes, and is blown by heating, thereby causing a current path.
  • Each of the electrodes includes a first conductive layer laminated on the substrate, and a first conductive layer comprising: a low-melting-point metal body that cuts off the metal; and a resistor that generates heat that melts the low-melting-point metal body when energized.
  • the low melting point metal body has a higher wettability with the electrode than the substrate, and is formed of a second conductive layer laminated at positions spaced apart from each other in the surface direction on the laminated substrate.
  • the protection circuit manufacturing method includes a first laminating step of laminating a first conductive layer on a substrate provided with a resistor that generates heat that melts a low-melting point metal body when energized; A second laminating step of forming a plurality of electrodes by laminating a plurality of second conductive layers at positions spaced apart from each other on the substrate on which the first conductive layer is laminated by the laminating step of The low melting point metal body that has higher wettability with the electrode formed by the second lamination step than the substrate and is cut off by heating to cut off the current path between the electrodes, the heat generated by the resistor, and While being melted by at least one of the heat generated by the laminated portion composed of the electrode and the low-melting-point metal body, the first conductive layer laminated between the electrodes is eroded and drawn to the electrode side having higher wettability than the substrate. The first conductive layer and the second conductive layer so that they are blown out. And having a third lamination
  • the low-melting point metal body is laminated on the first conductive layer between the electrodes, the erosion action by the first conductive layer is achieved except for the heat generated by the resistor and self-heating due to overcurrent. The current path can be prevented from fusing without causing it.
  • the electrode since the electrode is formed by a laminated structure having a layer thickness difference with respect to the substrate, the low-melting point metal body erodes only the second conductive layer when melted, and the surface tension Thus, the electrode can be drawn closer to the electrode having higher wettability than the substrate.
  • the present invention melts the solder made of a low melting point metal body only by heat generated by the resistor or self-heating due to overcurrent by energizing the solder in response to abnormality such as overvoltage, and the erosion phenomenon of the melted solder.
  • the current path can be interrupted quickly and reliably.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a battery pack to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of a protection circuit to which the present invention is applied.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining a manufacturing method of the protection element 100 to which the present invention is applied, and
  • FIG. 3B is a diagram for explaining a manufacturing method of the protection element 100 to which the present invention is applied.
  • FIG. 4 is a plan view of the stacked body of FIG. 3A as viewed from above.
  • FIG. 5 is a plan view of the laminate of FIG. 3B as viewed from above.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a state where the current path is blown by the solder 116 of the protection element.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a battery pack to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of a protection circuit to which the present invention is applied.
  • FIG. 7 is a plan view for explaining a state where the current path is melted by the solder 116 of the protection element.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a laminated structure of protective elements according to a modification to which the present invention is applied.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a laminated structure of protective elements according to a modification to which the present invention is applied.
  • FIG. 10 is a plan view of the laminate of FIG. 8 as viewed from above.
  • FIG. 11 is a plan view of the laminate of FIG. 9 as viewed from above.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view for explaining a state where the current path is melted by the solder 116 of the protection element according to the modification.
  • FIG. 13 is a plan view for explaining a state where the current path is blown by the solder 116 of the protection element according to the modification.
  • FIG. 14A is a diagram showing a cross-sectional structure of the test substrate
  • FIG. 14B is a plan view of the test substrate as viewed from above.
  • the protection element to which the present invention is applied is a protection element that protects an electric circuit from at least one of an overcurrent state and an overvoltage state.
  • a total of four chargeable / dischargeable battery cells 11 as shown in FIG. Used in a battery pack 1 having a battery 10 consisting of ⁇ 14.
  • the battery pack 1 includes a battery 10, a charge / discharge control circuit 20 that controls charge / discharge of the battery 10, a protection element 100 that protects the battery 10 and the charge / discharge control circuit 20, and each of the battery cells 11-14.
  • a detection circuit 40 that detects a voltage and a current control element 50 that controls the operation of the protection element 100 according to the detection result of the detection circuit 40 are provided.
  • the battery 10 includes battery cells 11 to 14 that need to be controlled so as not to be overcharged and overdischarged, such as a lithium ion battery, and is connected to the positive terminal of the battery pack 1.
  • the charging device 2 is detachably connected to the charging device 2 through the negative electrode terminal 1b and the charging voltage from the charging device 2 is applied.
  • the charge / discharge control circuit 20 includes two current control elements 21 and 22 connected in series to a current path flowing from the battery 10 to the charging device 2, and a control unit 23 that controls the operation of these current control elements 21 and 22.
  • the current control elements 21 and 22 are constituted by, for example, field effect transistors (hereinafter referred to as FETs), and control conduction and interruption of the current path of the battery 10 by a gate voltage controlled by the control unit 23.
  • the control unit 23 operates by receiving power supply from the charging device 2, and according to the detection result by the detection circuit 40, the current control element is configured to interrupt the current path when the battery 10 is overdischarged or overcharged.
  • the operations of 21 and 22 are controlled.
  • the protection element 100 is connected on a charge / discharge current path between the battery 10 and the charge / discharge control circuit 20, and its operation is controlled by the current control element 50.
  • the detection circuit 40 is connected to each battery cell 11 to 14, detects the voltage value of each battery cell 11 to 14, and supplies each voltage value to the control unit 23 of the charge / discharge control circuit 20.
  • the detection circuit 40 outputs a control signal for controlling the current control element 50 when any one of the battery cells 11 to 14 becomes an overcharge voltage or an overdischarge voltage.
  • the protection element 100 is operated so that the charge / discharge current path of the battery 10 is cut off.
  • the configuration of the protection element 100 will be specifically described below.
  • Protective element 100 to which the present invention is applied has a circuit configuration as shown in FIG. 2 in order to protect the electric circuit in battery pack 1 described above from an overcurrent state and an overvoltage state.
  • the protection element 100 includes fuses 101 and 102 made of a low melting point metal body that is melted by heating, and a resistor 103 that generates heat that melts the fuses 101 and 102 when energized.
  • the fuses 101 and 102 are, for example, elements in which one low-melting point metal body is physically separated on the circuit configuration and connected in series via the connection point P1, and charge and discharge control with the battery 10 is performed. They are connected in series on the charge / discharge current path between the circuit 20 and the circuit 20.
  • the fuse 101 is connected to the battery 10 via a connection point A1 that is not connected to the fuse 102
  • the fuse 102 is connected to the charge / discharge control circuit 20 via a connection point A2 that is not connected to the fuse 101.
  • the resistor 103 has one end connected to the fuses 101 and 102 via the connection point P1, and the other end connected to the current control element 50 via the connection point P2.
  • the protection element 100 having the circuit configuration as described above generates heat that melts the fuses 101 and 102 when the resistor 103 is energized by the operation of the current control element 50, and the fuses 101 and 102 are blown, so that the battery pack Protect the electrical circuit in 1.
  • the protection element 100 functions as the fuses 101 and 102 using solder made of a low melting point metal body, and uses the solder erosion phenomenon to quickly and reliably cut off the current path. It is manufactured by a manufacturing process as shown.
  • the protective element 100 has a resistor 103 formed on a ceramic substrate 111a via a glass layer 111b, and a first conductive layer 112 stacked thereon via a glass layer 111c.
  • the protective element to which the present invention is applied is not limited to the above-described laminated structure, and a laminated structure using an insulating member other than glass is used, or the resistor 103 is directly laminated on the surface of the ceramic substrate 111a.
  • a structure in which the glass layer 111b is not formed may be used.
  • the ceramic substrate 11a for example, an alumina substrate, a glass ceramic substrate, or the like is used.
  • the first conductive layer 112 having a film thickness d1 is laminated on the substrate 111 by a printing process or the like with a good conductor such as Ag or Pt.
  • a good conductor such as Ag or Pt is printed on the substrate 111 on which the first conductive layer 112 is formed, at a plurality of positions spaced apart from each other in the surface direction on the substrate 111.
  • a plurality of electrodes 114a, 114b, and 114c are formed by stacking the second conductive layers 113 each having a film thickness d2 by treatment or the like.
  • the electrode 114a is a portion corresponding to the connection point A1 in the circuit configuration shown in FIG. 2
  • the electrode 114b is a portion corresponding to the connection point P1 in the circuit configuration shown in FIG.
  • the electrode 114c is a portion corresponding to the connection point A2 in the circuit configuration shown in FIG.
  • the electrodes 114a, 114b, and 114c will be collectively referred to as the electrode 114 below.
  • a good conductor such as Ag or Pt is used for both the first conductive layer 112 and the second conductive layer 113, but in order to relatively enhance the erosion action of the first conductive layer 112 by solder as described later. It is preferable to adjust the material of the first conductive layer 112 with respect to the second conductive layer 113 so as to easily cause erosion by solder.
  • a non-lead solder 116 such as SnAg is printed as a low melting point metal body on the substrate 111 on which the electrode 114 is formed, as shown in FIG. 3B.
  • the first conductive layer 112 and the second conductive layer 113 are stacked in contact with each other.
  • the solder 116 laminated so as to bridge between the electrodes 114a and 114b functions as the fuse 101
  • the solder 116 laminated so as to bridge between the electrodes 114b and 114c functions as the fuse 102.
  • the metal material to be laminated in the third lamination step is not limited as long as the electrode 114 has higher characteristics than the substrate 111 in terms of wettability when the metal material is melted. It is not limited to metal materials.
  • the insulating film 117 is formed on each electrode 114 formed by the second laminating process before the third laminating process. It is preferable to perform a process. In this way, by forming the insulating film 117 on each electrode 114, in the manufacturing method of the protection element 100, the insulation shown in the plan view of FIG. 4 when the stacked body of FIG. The liquid solder 116 can be held at each of the arrangement positions 116a and 116b partitioned by the film 117 until it is solidified after the printing process. As a result, the solder 116 is laminated so as to have a uniform layer thickness. Can do.
  • the electrode 114b is connected to an electrode 118a corresponding to the connection point P1.
  • the resistor 103 disposed inside the substrate 111 is connected to the electrode 118a through the conductor 103a and is connected to the electrode 118b through the conductor 103b.
  • the protective element 100 is further laminated with a flux 119 that activates fluidity when the solder 116 is melted, at a portion where the solder 116 is laminated, and further protects the entire protective element 100.
  • a cap 120 is provided.
  • the solder 116 includes heat generated by the resistor 103 and heat generated by the laminated portion 121 that corresponds to the portion illustrated in FIG. 5, for example, the electrode 114 and the solder 116. Start to melt by at least one. As shown in FIGS. 6 and 7, the protective element 100 has wettability from the substrate 111 due to surface tension while the melted solder 116 erodes the first conductive layer 112 stacked between the electrodes 114. Is attracted to the higher electrode 114 side.
  • the protection element 100 has a molten residue 131 composed of the solder 116 and the first conductive layer 112, but the amount of the molten residue 131 is small.
  • the first conductive layer 112 positioned between the electrodes 114 on which the second conductive layer 113 is not stacked functions as the fusing part 132, and the second conductive layer in which the electrode 114 is formed.
  • Reference numeral 113 functions as a solder reservoir 133 that attracts the eroded solder.
  • the protective element 100 uses the first conductive layer 112 and the second conductive layer 113 to form the electrode 114 with a stacked structure in which a layer thickness difference is provided with respect to the substrate 111.
  • the solder 116 can be attracted to the electrode 114 side while only the first conductive layer 112 is eroded.
  • the protection element 100 since the solder 116 is laminated on the first conductive layer 112 between the electrodes 114, for example, when the protection element 100 is reflow-mounted on the circuit board in the battery 1, for example. It is possible to prevent fusing by the generated heat. That is, in the protective element 100, the current path can be prevented from being interrupted without causing erosion by the first conductive layer 112 except for heat generated by the resistor 103 and self-heating due to overcurrent.
  • the solder 116 made of a low melting point metal body is melted only by heat generated by the resistor 103 or self-heating due to overcurrent when energized according to abnormality such as overvoltage.
  • the current path can be quickly and reliably interrupted.
  • the third lamination process described above can be easily performed by a printing process while using a lead-free paste-like solder to expand the choice of solder materials. It is preferable in that it can be performed.
  • the protection element to which the present invention is applied is not limited to the above lead-free paste form, and the solder material includes Pb or a paste material such as a solder foil instead of the paste form. Good.
  • the protection element 100 is positioned between the electrodes 114 on the substrate 111 and is eroded by melting of the solder 116, as shown in FIGS.
  • One or more slits 112a for separating the first conductive layer 112 from each other are preferably formed in one conductive layer 112 from the viewpoint of quickly and reliably blocking the current path.
  • the protection element 100 forms slits 112a that separate the first conductive layers 112 between the electrodes 114 on the substrate 111, and further, as shown in FIG.
  • the solder 116 is laminated so as to be in contact with both the first conductive layer 112 and the second conductive layer 113.
  • the insulating film 117 is formed on each electrode 114, whereby the insulating film shown in the plan view of FIG. Solder 116 can be laminated at each of the arrangement positions 116 a and 116 b partitioned by 117 so as to have a uniform layer thickness.
  • a flux 119 that activates fluidity when the solder 116 is melted is laminated on a portion where the solder 116 is laminated, and further, the protection element 100.
  • a cap 120 is provided to protect the whole.
  • the protection element 100 according to the modification manufactured as described above when the solder 116 is melted, the solder 116 enters the slit 112a, so that the first element is more efficiently performed. Since the conductive layer 112 is eroded, as shown in the plan view of FIG. 13, it is possible to prevent the molten residue 131 composed of the solder 116 and the first conductive layer 112 from being generated. That is, in the protection element 100 according to the modification, the leakage current between the electrodes 114 can be further reduced, and the current path can be quickly and reliably interrupted.
  • the electrode 114 is formed by using a first conductive layer 112 and a second conductive layer 113 and a conductive layer having a layer thickness difference with respect to the substrate 111.
  • the ratio of the film thickness of the electrode 114 to the film thickness of the first conductive layer 112 is 2 or more, and erosion characteristics by solder according to the layer thickness of the conductive layer obtained from the following test. To preferred.
  • FIG. 14A is a diagram showing a cross-sectional structure of the test substrate 200
  • FIG. 14B is a plan view of the test substrate 200 as viewed from above.
  • the test substrate 200 is obtained by sequentially laminating a conductive layer 203 defined by a layer thickness d and a solder 204 on a substrate 202 in which a resistor 201 is provided.
  • a silver-based thick film fired material was used as the material of the conductive layer 203.
  • the area where the silver-based thick film fired material is heated by the resistor 201 is set to 2.5 [mm] ⁇ 0.8 [mm] as shown in FIG. 14B. Furthermore, the surface temperature of the conductive layer 203 is heated to about 650 ° C. by the resistor 201.
  • lead-based solder 204 having a relatively high melting point compared to SnAg-based material was used, but lead-free solder such as SnAg-based solder has a relatively low melting point. This is preferable in that the erosion action by solder tends to occur.
  • the conductive layer 203 having a layer thickness d of about 7 [ ⁇ m] has a large erosion action and functions as the fusing part 132.
  • the conductive layer 203 having a layer thickness d of about 14 [ ⁇ m] is suitable for the electrode portion 114 that has less erosion and functions as the solder pool portion 133.
  • the conductive layer 203 having a layer thickness d of about 22 [ ⁇ m] has no erosion action and is particularly suitable for the electrode portion 114.
  • the ratio of the film thickness of the electrode 114 to the film thickness of the first conductive layer 112 is 2 or more, particularly 3 or more.
  • the film thickness of the electrode 114 is the total film thickness of the first conductive layer 112 and the second conductive layer 113.
  • the ratio of the film thickness of the electrode 114 to the film thickness of the first conductive layer 112 is in the range of 2 to 3, so that the electrode 114 can be eroded while reducing the material cost of the conductive layer. It is particularly preferable in that it does not occur.
  • the thickness of the first conductive layer 112 is preferably 7 [ ⁇ m] or less from the viewpoint of efficiently exerting the erosion action, and is the lowest that is not eroded during reflow mounting.
  • the film thickness is particularly preferably 1 [ ⁇ m] or more.
  • the film thickness of the electrode 114 that is, the total film thickness of the first conductive layer 112 and the second conductive layer 113 is 14 [ ⁇ m] or more, particularly 22 [ ⁇ m] from the viewpoint of preventing erosion. It is preferable that it is above.
  • the fusing part 132 in which the first conductive layer 112 is eroded preferably has an area of about 0.5 to 2 [mm] ⁇ 0.2 to 0.4 [mm] in length, and is further shown as a modification.
  • the slit size is 0.5 to 2 [mm] in the width direction between the electrodes 114, and 0.1 to 0.2 [mm] in the length direction orthogonal to the width direction. ] Is preferable.
  • the protective element to which the present invention is applied is intended to protect not only the battery pack 1 as described above but also at least one of an overcurrent state and an overvoltage state.
  • the current path can be cut off quickly and reliably by utilizing the solder erosion phenomenon.

Abstract

　本発明は、溶融させた半田の浸食現象を利用して、電流経路を素早く且つ確実に遮断することが可能な保護素子を提供する。各電極（１１４）は、基板（１１１）上に積層された第１の導電層（１１２）と、第１の導電層（１１２）が積層された基板（１１１）上の面方向に互いに離間した位置に積層された第２の導電層（１１３）とから形成され、半田ペースト（１１６）は、電極（１１４）との濡れ性が基板（１１１）よりも高く、第１の導電層（１１２）と第２の導電層（１１３）とが積層された基板（１１１）上に積層され、抵抗体（１０３）が発する熱、及び、電極（１１４）と半田ペースト（１１６）とからなる積層部が発する熱との少なくとも一方により溶融することで、電極（１１４）間に積層された第１の導電層（１１２）を浸食しながら、基板（１１１）に比べて濡れ性が高い電極（１１４）側に引き寄せられて溶断される。

Description

保護素子、及び、保護素子の製造方法
　本発明は、電気回路を過電流状態及び過電圧状態から保護する保護素子と、この保護素子の製造方法に関する。
　本出願は、日本国において２０１０年６月１５日に出願された日本特許出願番号特願２０１０－１３５８０６を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照することにより、本出願に援用される。
　従来から、電気回路には、過電流状態及び過電圧状態の少なくとも一方から保護するための対策がなされている。
　例えば、特許文献１には、プリント基板の一部の配線に半田を形成して、半田の銅喰われ現象などのような、半田の浸食作用を利用した過電流時の配線パターン溶断について記載されている。また、特許文献１には、溶断時間を短縮する上で溶断部のパターン幅を細くし、電流が流れる方向にスリットを入れることについて記載されている。
特開平０９－２２３８５４号公報
　上述した特許文献１に記載された保護機能は、あくまで過電流保護のヒューズ機能であるため、例えば、バッテリ用二次保護回路で求められているような、バッテリの電圧異常を検知する電圧検知用のＩＣからの異常信号に応じて電流経路を素早く且つ確実に遮断するような機能には対応できない。
　また、保護素子では、代替材料による鉛フリー化の観点などから、鉛を主材料とする半田箔に比べて融点が低い金属を主材料とした半田ペーストを用いても、プリント基板へのリフロー実装が可能であることが望まれている。
　そこで、本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、低融点金属体からなる半田を、過電圧などの異常に応じて通電することで抵抗体が発する熱や過電流による自己発熱のみによって溶融させ、溶融させた半田の浸食現象を利用して、電流経路を素早く且つ確実に遮断することが可能な保護素子、及び、保護素子の製造方法を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決するための手段として、本発明に係る保護回路は、基板と、基板上に複数形成された電極と、電極間の電流経路に接続され、加熱により溶断されることで電流経路を遮断する低融点金属体と、通電すると低融点金属体を溶融する熱を発する抵抗体とを備え、各電極は、基板上に積層された第１の導電層と、第１の導電層が積層された基板上の面方向に互いに離間した位置に積層された第２の導電層とから形成され、低融点金属体は、電極との濡れ性が基板よりも高く、第１の導電層と第２の導電層とが積層された基板上に積層され、抵抗体が発する熱、及び、電極と低融点金属体とからなる積層部が発する熱との少なくとも一方により溶融することで、電極間に積層された第１の導電層を浸食しながら、基板に比べて濡れ性が高い電極側に引き寄せられて溶断されることを特徴とする。
　また、本発明に係る保護回路の製造方法は、通電すると低融点金属体を溶融する熱を発する抵抗体が設けられた基板に第１の導電層を積層する第１の積層工程と、第１の積層工程により第１の導電層が積層された基板上の面方向に互いに離間した位置に、複数の第２の導電層を積層することで、複数の電極を形成する第２の積層工程と、第２の積層工程により形成された電極との濡れ性が基板よりも高く、加熱により溶断されることで電極間の電流経路を遮断する低融点金属体を、抵抗体が発する熱、及び、電極と低融点金属体とからなる積層部が発する熱の少なくとも一方により溶融して、電極間に積層された第１の導電層を浸食しながら、基板に比べて濡れ性が高い電極側に引き寄せられて溶断されるように、第１の導電層と第２の導電層とが積層された基板上に積層する第３の積層工程とを有することを特徴とする。
　本発明は、低融点金属体が、電極間において第１の導電層の上に積層されているので、抵抗体が発する熱や過電流による自己発熱以外では、第１の導電層による浸食作用を起こすことなく、電流経路を溶断させないようにすることができる。また、本発明は、基板に対して層厚差を設けた積層構造によって電極を形成しているので、低融点金属体が、溶融したときに第２の導電層のみを浸食しながら、表面張力により基板に比べて濡れ性が高い電極側に引き寄せることができる。
　したがって、本発明は、低融点金属体からなる半田を、過電圧などの異常に応じて通電することで抵抗体が発する熱や過電流による自己発熱のみによって溶融させ、溶融させた半田の浸食現象を利用して、電流経路を素早く且つ確実に遮断することができる。
図１は、本発明が適用されたバッテリパックの全体構成を示す図である。 図２は、本発明が適用された保護回路の回路構成を示す図である。 図３Ａは、本発明が適用された保護素子１００の製造方法について説明するための図であり、図３Ｂは、本発明が適用された保護素子１００の製造方法について説明するための図である。 図４は、図３Ａの積層体を上部から見た平面図である。 図５は、図３Ｂの積層体を上部から見た平面図である。 図６は、保護素子の半田１１６によって電流経路が溶断された状態について説明するための断面図である。 図７は、保護素子の半田１１６によって電流経路が溶断された状態について説明するための平面図である。 図８は、本発明が適用された変形例に係る保護素子の積層構造について説明するための図である。 図９は、本発明が適用された変形例に係る保護素子の積層構造について説明するための図である。 図１０は、図８の積層体を上部から見た平面図である。 図１１は、図９の積層体を上部から見た平面図である。 図１２は、変形例に係る保護素子の半田１１６によって電流経路が溶断された状態について説明するための断面図である。 図１３は、変形例に係る保護素子の半田１１６によって電流経路が溶断された状態について説明するための平面図である。 図１４Ａは、試験基板の断面構造を示す図であり、図１４Ｂは、試験基板を上部から見た平面図である。
　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
　＜全体構成＞
　本発明が適用された保護素子は、電気回路を過電流状態及び過電圧状態の少なくとも一方から保護する保護素子であって、例えば、図１に示すような合計４個の充放電可能なバッテリセル１１～１４からなるバッテリ１０を有するバッテリパック１に組み込まれて使用される。
　すなわち、バッテリパック１は、バッテリ１０と、バッテリ１０の充放電を制御する充放電制御回路２０と、バッテリ１０と充放電制御回路２０とを保護する保護素子１００と、各バッテリセル１１～１４の電圧を検出する検出回路４０と、検出回路４０の検出結果に応じて保護素子１００の動作を制御する電流制御素子５０とを備える。
　バッテリ１０は、上述したように、例えばリチウムイオン電池のような過充電及び過放電状態とならないような制御を要するバッテリセル１１～１４が直列接続されたものであって、バッテリパック１の正極端子１ａ、負極端子１ｂを介して、着脱可能に充電装置２に接続され、充電装置２からの充電電圧が印加される。
　充放電制御回路２０は、バッテリ１０から充電装置２に流れる電流経路に直列接続された２つの電流制御素子２１、２２と、これらの電流制御素子２１、２２の動作を制御する制御部２３とを備える。電流制御素子２１、２２は、例えば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ。）により構成され、制御部２３により制御されるゲート電圧によって、バッテリ１０の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部２３は、充電装置２から電力供給を受けて動作し、検出回路４０による検出結果に応じて、バッテリ１０が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子２１、２２の動作を制御する。
　保護素子１００は、バッテリ１０と充放電制御回路２０との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が電流制御素子５０によって制御される。
　検出回路４０は、各バッテリセル１１～１４と接続され、各バッテリセル１１～１４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路２０の制御部２３に供給する。また、検出回路４０は、いずれか１つのバッテリセル１１～１４が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子５０を制御する制御信号を出力する。
　電流制御素子５０は、検出回路４０から出力される検出信号によって、バッテリセル１１～１４の電圧値が所定の範囲外となったとき、具体的には過放電又は過充電状態になったとき、保護素子１００を動作させて、バッテリ１０の充放電電流経路を遮断するように制御する。
　以上のような構成からなるバッテリパック１において、以下では、保護素子１００の構成について具体的に説明する。
　＜保護回路の構成＞
　本発明が適用された保護素子１００は、上述したバッテリパック１内の電気回路を過電流状態及び過電圧状態から保護するため、図２に示すような回路構成となっている。
　すなわち、保護素子１００は、図２に示すように、加熱により溶断される低融点金属体からなるヒューズ１０１、１０２と、通電するとヒューズ１０１、１０２を溶融する熱を発する抵抗体１０３とを備える。
　ヒューズ１０１、１０２は、例えば、物理的に１つの低融点金属体を回路構成上で分離して、接続点Ｐ１を介して直列接続されるようにした素子であって、バッテリ１０と充放電制御回路２０との間の充放電電流経路上に直列接続される。例えば、ヒューズ１０１は、ヒューズ１０２と接続されていない接続点Ａ１を介してバッテリ１０と接続され、ヒューズ１０２は、ヒューズ１０１と接続されていない接続点Ａ２を介して充放電制御回路２０と接続される。
　抵抗体１０３は、一方の端部が接続点Ｐ１を介して、ヒューズ１０１、１０２と接続され、もう一方の端部が接続点Ｐ２を介して電流制御素子５０と接続されている。
　以上のような回路構成からなる保護素子１００は、電流制御素子５０の動作によって、抵抗体１０３が通電するとヒューズ１０１、１０２を溶融する熱を発し、ヒューズ１０１、１０２が溶断することで、バッテリパック１内の電気回路を保護する。
　保護素子１００は、低融点金属体からなる半田を用いてヒューズ１０１、１０２として機能させ、半田の浸食現象を利用して、電流経路を素早く且つ確実に遮断するため、具体的には、次に示すような製造工程により製造されるものである。
　本発明が適用された保護素子１００の製造方法について、図３を参照して説明する。
　保護素子１００は、図３Ａに示すような、セラミック基板１１１ａ上にガラス層１１１ｂを介して抵抗体１０３が形成され、更にその上にガラス層１１１ｃを介して第１の導電層１１２が積層されたものである。なお、本発明が適用された保護素子では、上述した積層構造に限定されず、ガラス以外の絶縁部材による積層構造を用いたり、また、セラミック基板１１１ａの表面に抵抗体１０３を直接積層して、ガラス層１１１ｂを形成しない構造を用いるようにしてもよい。セラミック基板１１ａとしては、たとえば、アルミナ基板、ガラスセラミックス基板等が用いられる。
　まず、第１の積層工程において、基板１１１には、Ａｇ又はＰｔなどの良導体が、印刷処理などにより膜厚ｄ１の第１の導電層１１２が積層される。
　次に、第２の積層工程において、第１の導電層１１２が形成された基板１１１上には、この基板１１１上の面方向に互いに離間した複数の位置に、Ａｇ又はＰｔなどの良導体が印刷処理などにより膜厚ｄ２の第２の導電層１１３がそれぞれ積層されることで、複数の電極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃが形成される。ここで、電極１１４ａは、上述した図２に示す回路構成中の接続点Ａ１に相当する部位であり、電極１１４ｂは、上述した図２に示す回路構成中の接続点Ｐ１に相当する部位であり、電極１１４ｃは、上述した図２に示す回路構成中の接続点Ａ２に相当する部位である。便宜上、以下では電極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃを総称した場合、電極１１４と呼ぶものとする。
　なお、第１の導電層１１２及び第２の導電層１１３は、ともにＡｇ又はＰｔなどの良導体が用いられるが、後述するように半田による第１の導電層１１２の浸食作用を相対的に高めるため、第２の導電層１１３に対して第１の導電層１１２の材料を半田による浸食作用を起こしやすい物性に調整することが好ましい。
　次に、第３の積層工程において、電極１１４が形成された基板１１１上には、低融点金属体として、例えばＳｎＡｇ系などの非鉛系の半田１１６を印刷処理することによって、図３Ｂに示すように、第１の導電層１１２と第２の導電層１１３と接するようにして積層する。この工程により、電極１１４ａ、１１４ｂ間を橋渡しするように積層された半田１１６はヒューズ１０１として機能し、電極１１４ｂ、１１４ｃ間を橋渡しするように積層された半田１１６はヒューズ１０２として機能する。
　なお、第３の積層工程において積層される金属材料は、当該金属材料が溶融したときの濡れ性が、基板１１１に比べて電極１１４の方が高い特性を有していればよく、ＳｎＡｇ系の金属材料に限定されない。
　また、均一な層厚で半田１１６が容易に積層する観点から、第３の積層工程を行う前に、第２の積層工程により形成された各電極１１４上に絶縁膜１１７を成膜する成膜工程を行うことが好ましい。このようにして各電極１１４上に絶縁膜１１７を成膜することで、保護素子１００の製造方法においては、図３（Ａ）の積層体を上部から見た図４の平面図で示される絶縁膜１１７で仕切られた各配置位置１１６ａ、１１６ｂに、印刷処理後凝固するまでの間の液状の半田１１６を保持することができ、結果として均一な層厚となるように半田１１６を積層することができる。
　なお、図４に示すように、電極１１４ｂは、接続点Ｐ１に相当する電極１１８ａと接続されている。また、基板１１１内部に配置された抵抗体１０３は、導電体１０３ａを介して電極１１８ａと接続され、導電体１０３ｂを介して電極１１８ｂと接続されている。
　保護素子１００は、さらに図５に示すように、半田１１６の積層された部位に、半田１１６が溶融したときに流動性を活性化させるフラックス１１９が積層され、さらに当該保護素子１００全体を保護するキャップ１２０が設けられる。
　以上のような構成からなる保護素子１００は、半田１１６が、抵抗体１０３が発する熱と、電極１１４と半田１１６とからなり、例えば図５に示すような部位に当たる積層部１２１が発する熱との少なくとも一方により溶融し始める。そして、保護素子１００は、図６及び図７に示すように、溶融した半田１１６が、電極１１４間に積層された第１の導電層１１２を浸食しながら、表面張力によって基板１１１よりも濡れ性が高い電極１１４側に引き寄せられる。
　このようにして、保護素子１００は、図６に示すように、半田１１６と第１の導電層１１２とからなる溶融残り１３１が存在するが微量であるため、電極１１４間が溶断されることとなる。すなわち、保護素子１００では、第２の導電層１１３が積層されていない電極１１４間に位置する第１の導電層１１２が、溶断部１３２として機能し、電極１１４が形成された第２の導電層１１３が、浸食された半田を引き寄せる半田溜まり部１３３として機能する。
　このようにして、保護素子１００は、第１の導電層１１２と第２の導電層１１３とを用いて、基板１１１に対して層厚差を設けた積層構造によって電極１１４を形成しているので、半田１１６が、第１の導電層１１２のみを浸食させながら電極１１４側に引き寄せられるようにすることができる。
　また、保護素子１００では、半田１１６が、電極１１４間において第１の導電層１１２の上に積層されているので、例えば保護素子１００がバッテリ１内の回路基板上にリフロー実装されるときに加えられる熱によって溶断することを防止することができる。すなわち、保護素子１００では、抵抗体１０３が発する熱や過電流による自己発熱以外では、第１の導電層１１２による浸食作用を起こすことなく、電流経路を遮断させないようにすることができる。
　したがって、本発明が適用された保護素子１００では、低融点金属体からなる半田１１６を、過電圧などの異常に応じて通電することで抵抗体１０３が発する熱や過電流による自己発熱のみによって溶融させ、溶融させた半田の浸食現象を利用して、電流経路を素早く且つ確実に遮断することができる。
　また、本発明が適用された保護素子では、特に非鉛系のペースト状の半田を用いることで、半田素材の選択肢を広げつつ、印刷処理によって容易に上述した第３の積層処理を行うことができる点で好ましい。なお、本発明が適用された保護素子では、上記のような非鉛系のペースト状に限定されず、半田の材料として、Ｐｂを含んだものや、ペースト状でなく例えば半田箔などを用いてよい。
　本発明が適用された保護素子の変形例として、保護素子１００は、図８及び図９に示すように、基板１１１上における電極１１４間に位置し、半田１１６が溶融することで浸食される第１の導電層１１２に、この第１の導電層１１２を互いに離間するスリット１１２ａが１以上形成されていることが、電流経路を素早く且つ確実に遮断する観点から好ましい。
　すなわち、変形例に係る保護素子１００は、図８に示すように、基板１１１上における電極１１４間の第１の導電層１１２を互いに離間するスリット１１２ａを形成し、さらに、図９に示すように、第１の導電層１１２と第２の導電層１１３との両方に接するようにして、半田１１６を積層したものである。
　ここで、変形例に係る保護素子１００の製造工程において、各電極１１４上に絶縁膜１１７を成膜することで、図９の積層体を上部から見た図１０の平面図で示される絶縁膜１１７で仕切られた各配置位置１１６ａ、１１６ｂに、均一な層厚となるように半田１１６を積層することができる。
　さらに図１１に示すように、変形例に係る保護素子１００は、半田１１６の積層された部位に、半田１１６が溶融したときに流動性を活性化させるフラックス１１９が積層され、さらに当該保護素子１００全体を保護するキャップ１２０が設けられる。
　以上のようにして製造される変形例に係る保護素子１００では、図１２の断面図に示すように、半田１１６の溶融時において、半田１１６がスリット１１２ａに入り込むことで、より効率よく第１の導電層１１２が浸食されるので、図１３の平面図に示すように、半田１１６と第１の導電層１１２とからなる溶融残り１３１が殆ど生じないようにすることができる。すなわち、変形例に係る保護素子１００では、電極１１４間のリーク電流をより小さくすることができ、電流経路を素早く且つ確実に遮断することができる。
　また、本発明が適用された保護素子１００では、第１の導電層１１２と第２の導電層１１３とを用いて、基板１１１に対して層厚差を設けた導電層によって電極１１４を形成しているが、特に、第１の導電層１１２の膜厚に対する電極１１４の膜厚の比率は、２以上であることが、下記の試験から得られる導電層の層厚に応じた半田による浸食特性から好ましい。
　導電層の層厚に応じた半田による浸食特性については、図１４に示すような試験基板２００を用いた試験により評価した。ここで、図１４Ａは、試験基板２００の断面構造を示す図であり、図１４Ｂは、試験基板２００を上部から見た平面図である。試験基板２００は、抵抗体２０１が内部に設けられた基板２０２上に、層厚ｄで規定される導電層２０３と、半田２０４とが順に積層されたものである。ここで、本試験では、導電層２０３の材料として、銀系厚膜焼成材料を用いた。また、この銀系厚膜焼成材料が抵抗体２０１により加熱される面積を、図１４Ｂに示すように２．５［ｍｍ］×０．８［ｍｍ］とした。さらに、この導電層２０３は、その表面温度が、抵抗体２０１によって約６５０℃に加熱されることとした。また、導電層２０３の表面には、膜厚が約０．１ｍｍであって、融点が約３００℃の鉛系の半田２０４を積層した。
　なお、本試験条件では、比較的、ＳｎＡｇ系の材料に比べて融点が高い鉛系の半田２０４を用いたが、ＳｎＡｇ系のような非鉛系の半田では、比較的融点が低いため、より半田による浸食作用が起きやすい傾向がある点で好ましい。
　以上の試験条件の下、導電層２０３の層厚ｄを７［μｍ］、１４［μｍ］、２２［μｍ］の３種類を用いて加熱処理を施したときに、半田２０４により浸食される面積は、それぞれ下記の表１のようになった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記の表１から明らかなように、加熱条件が一定であったとき、層厚ｄが７［μｍ］程度の導電層２０３は、浸食作用が大きく、溶断部１３２として機能する第１の導電層１１２に適しており、層厚ｄが１４［μｍ］程度の導電層２０３では、浸食作用が少なく、半田溜まり部１３３として機能する電極部１１４に適している。さらに、層厚ｄが２２［μｍ］程度の導電層２０３では、浸食作用がなく、特に電極部１１４に適している。
　以上の結果から明らかなように、保護素子１００では、第１の導電層１１２の膜厚に対する電極１１４の膜厚の比率が２以上、特に３以上であることが、電極１１４間を確実に溶断する観点から好ましい。ここで、電極１１４の膜厚とは、第１の導電層１１２と第２の導電層１１３との合計の膜厚である。また、保護素子１００では、第１の導電層１１２の膜厚に対する電極１１４の膜厚の比率を２乃至３の範囲とすることで、導電層の材料費低減を図りつつ、電極１１４が浸食作用が起きないようにする点で特に好ましい。
　第１の導電層１１２の厚さは、その膜厚が、上記の試験から明らかなように、効率よく浸食作用を発揮させる観点から７［μｍ］以下が好ましく、さらにリフロー実装時にも浸食されない最低膜厚として１「μｍ」以上が特に好ましい。
　電極１１４の膜厚、すなわち、第１の導電層１１２と第２の導電層１１３との合計の膜厚は、浸食作用が起きないようにする観点から、１４［μｍ］以上、特に２２［μｍ］以上であることが好ましい。
　第１の導電層１１２が浸食される溶断部１３２は、その面積が幅０．５～２［ｍｍ］×長さ０．２～０．４［ｍｍ］程度が好ましく、更に変形例として示したようにスリットを形成する場合には、そのスリットサイズが電極１１４間の幅方向に０．５～２［ｍｍ］とし、この幅方向に直交する長さ方向に０．１～０．２［ｍｍ］程度であることが好ましい。
　なお、本発明が適用された保護素子は、上述したようなバッテリパック１だけでなく、過電流状態及び過電圧状態の少なくとも一方から保護することを目的とするため、これ以外の電気回路に組み込んでも、半田の浸食現象を利用して、電流経路を素早く且つ確実に遮断可能であることは勿論である。

Claims (8)

  1. 基板と、
    　上記基板上に複数形成された電極と、
    　上記電極間の電流経路に接続され、加熱により溶断されることで該電流経路を遮断する低融点金属体と、
    　通電すると上記低融点金属体を溶融する熱を発する抵抗体とを備え、
    　上記各電極は、上記基板上に積層された第１の導電層と、該第１の導電層が積層された基板上の面方向に互いに離間した位置に積層された第２の導電層とから形成され、
    　上記低融点金属体は、上記電極との濡れ性が上記基板よりも高く、上記第１の導電層と上記第２の導電層とが積層された基板上に積層され、上記抵抗体が発する熱、及び、該電極と該低融点金属体とからなる積層部が発する熱の少なくとも一方により溶融することで、上記電極間に積層された第１の導電層を浸食しながら、該基板に比べて濡れ性が高い該電極側に引き寄せられて溶断されることを特徴とする保護素子。
  2. 上記第１の導電層の層厚に対する上記電極の層厚の比率は、２以上であることを特徴とする請求項１記載の保護素子。
  3. 上記基板上に形成された電極間に位置し、上記低融点金属体が溶融することで浸食される第１の導電層には、該第１の導電層を互いに離間するスリットが１以上形成されていることを特徴とする請求項１記載の保護素子。
  4. 上記低融点金属体は、非鉛系の半田であることを特徴とする請求項１記載の保護素子。
  5. 上記第１の導電層と上記第２の導電層とは、それぞれ銀を含むことを特徴とする請求項１記載の保護素子。
  6. 通電すると低融点金属体を溶融する熱を発する抵抗体が設けられた基板に第１の導電層を積層する第１の積層工程と、
    　上記第１の積層工程により第１の導電層が積層された上記基板上の面方向に互いに離間した位置に、複数の第２の導電層を積層することで、複数の電極を形成する第２の積層工程と、
    　上記第２の積層工程により形成された電極との濡れ性が上記基板よりも高く、加熱により溶断されることで該電極間の電流経路を遮断する低融点金属体を、上記抵抗体が発する熱、及び、該電極と該低融点金属体とからなる積層部が発する熱の少なくとも一方により溶融して、該電極間に積層された上記第１の導電層を浸食しながら、該基板に比べて濡れ性が高い該電極側に引き寄せられて溶断されるように、上記第１の導電層と上記第２の導電層とが積層された基板上に積層する第３の積層工程とを有することを特徴とする保護素子の製造方法。
  7. 上記第２の積層工程により形成された各電極上に絶縁膜を成膜する成膜工程を更に有し、
    　上記第３の積層工程は、上記低融点金属体を、上記各電極上に成膜された絶縁膜によって離隔された状態で、上記第１の導電層と上記第２の導電層とが積層された基板上に積層することを特徴とする請求項６記載の保護素子の製造方法。
  8. 上記第３の積層工程では、ペースト状の上記低融点金属体を印刷処理することによって、上記第１の導電層と上記第２の導電層とが積層された基板上に積層することを特徴とする請求項６又は７記載の保護素子の製造方法。
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