WO2022039136A1 - ヒューズエレメント、ヒューズ素子及び保護素子 - Google Patents

ヒューズエレメント、ヒューズ素子及び保護素子 Download PDF

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    • H01H85/11—Fusible members characterised by the shape or form of the fusible member with applied local area of a metal which, on melting, forms a eutectic with the main material of the fusible member, i.e. M-effect devices

Definitions

  • the present invention relates to a fuse element, and a fuse element and a protective element using the fuse element.
  • Patent Document 1 has a low melting point metal layer and a high melting point metal layer laminated on the low melting point metal layer as a fuse element for a fuse element, and is low when a current exceeding the rating is applied. Described is a fuse element having a structure in which a melting point metal layer is melted and the melt melts the melting point metal layer to blow the fuse element.
  • solder, tin, and a tin alloy are exemplified as the material of the low melting point metal layer, and silver, copper, silver, or an alloy containing copper as a main component is exemplified as the material of the high melting point metal layer.
  • a protection element using a heating element is known as a current cutoff element for cutting off the current path when an abnormality other than the occurrence of an overcurrent occurs in the circuit board.
  • This protective element is configured to generate heat by energizing a heating element in the event of an abnormality other than the generation of an overcurrent, and to use the heat to blow the fuse element.
  • the fuse element (soluble conductor) for a protective element using a heating element is composed of a laminate including a high melting point metal layer and a low melting point metal layer, and the low melting point metal layer is a heating element. Described is a fuse element having a configuration in which the fuse element is blown by melting with the generated heat and melting the refractory metal layer.
  • Patent Document 2 Pb-free solder, tin, and tin alloy are exemplified as the material of the low melting point metal layer, and silver, copper, silver, or an alloy containing copper as a main component is exemplified as the material of the high melting point metal layer. There is.
  • the fuse element is one in which the low melting point metal layer is rapidly melted and the melt is melted by melting the high melting point metal layer in the event of an abnormality such as the generation of an overcurrent.
  • copper or a copper alloy is used as the material of the high melting point metal layer, copper has a higher melting point than silver and has a high ionization tendency and easily forms an oxide film. Therefore, the low melting point metal layer is melted. The melting of the refractory metal layer by an object is difficult to proceed, and the melting speed of the fuse element tends to be slow.
  • the melting of the high melting point metal layer by the melt of the low melting point metal layer is easy to proceed, but the material cost is high. If the thickness of the refractory metal layer is reduced in order to reduce the material cost, the strength of the fuse element may be reduced. In particular, when the low melting point metal layer is softened by heating during reflow performed when manufacturing a fuse element or a protective element, the strength of the fuse element may decrease.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to use a fuse element which can be quickly blown in the event of an abnormality such as an overcurrent and has a low production cost, and this fuse element. It is an object of the present invention to provide the used fuse element and protection element.
  • the present invention provides the following means for solving the above problems.
  • the fuse element according to one aspect of the present invention includes a low melting point metal layer, a high melting point metal layer laminated on at least one surface of the low melting point metal layer, the low melting point metal layer, and the high melting point metal. It has an intermediate layer arranged between the layers, and the refractory metal layer and the intermediate layer are layers made of a metal dissolved in a melt of the low melting point metal layer, and the intermediate layer is formed.
  • the melting point of the material constituting the low melting point metal layer is higher than the melting point of the material constituting the low melting point metal layer, and lower than the melting point of the material constituting the high melting point metal layer.
  • the melting point of the material constituting the low melting point metal layer is in the range of 138 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and the melting point of the material constituting the high melting point metal layer is
  • the melting point of the material constituting the intermediate layer is higher than the melting point of the material constituting the low melting point metal layer by 200 ° C. or more, and the melting point of the material constituting the intermediate layer is higher than the melting point of the material constituting the low melting point metal layer by 30 ° C. or more.
  • the composition may be 30 ° C. or higher lower than the melting point of the material constituting the high melting point metal layer.
  • the melting point of the material constituting the low melting point metal layer, the melting point of the material constituting the high melting point metal layer, and the melting point of the material constituting the intermediate layer. May be configured to be the liquidus temperature of each material.
  • the film thickness ratio between the intermediate layer and the refractory metal layer is in the range of 10: 1 to 1:30.
  • the film thickness ratio of the total film thickness of the refractory metal layer and the intermediate layer to the film thickness of the low melting point metal layer may be in the range of 1: 2 to 1: 100.
  • the film thickness of the low melting point metal layer is 30 ⁇ m or more, and the film thickness of the high melting point metal layer is 1 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the film thickness of the intermediate layer may be in the range of 0.1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the low melting point metal layer may be configured to be a layer made of tin or a tin alloy containing tin as a main component.
  • the intermediate layer is selected from the group consisting of bismuth, zinc, antimony, aluminum, silver, gold, copper, nickel and cobalt.
  • the layer may be composed of at least one metal or an alloy containing the metal as a main component.
  • the refractory metal layer is composed of a group consisting of zinc, antimony, aluminum, silver, gold, copper, nickel, cobalt and iron.
  • the layer may be composed of at least one selected metal or an alloy containing the metal as a main component.
  • the fuse element according to one aspect of the present invention includes an insulating substrate and the fuse element according to any one of (1) to (8) above, which is arranged on the surface of the insulating substrate.
  • the protective element according to one aspect of the present invention is provided on the insulating substrate, the fuse element according to any one of (1) to (8) arranged on the surface of the insulating substrate, and the surface of the insulating substrate.
  • a heating element, which is arranged and heats the fuse element, is provided.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line VV'of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic plan view which shows the example of the protection element which concerns on 3rd Embodiment of this invention.
  • 6 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII'of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuse element according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuse element 10 is composed of a low melting point metal layer 11, a high melting point metal layer 12 laminated on the surface of the low melting point metal layer 11, a low melting point metal layer 11 and a high melting point metal layer 12. It has an intermediate layer 13 arranged between them.
  • the shape of the fuse element 10 in a plan view and the shape of the cross section can be arbitrarily selected.
  • the melting point of the low melting point metal layer 11 is equal to or lower than the heating temperature at the time of reflow performed when manufacturing a fuse element or a protective element.
  • the melting point TL of the material constituting the low melting point metal layer 11 is preferably in the range of 138 ° C. or higher and 250 ° C. or lower.
  • the melting point TL may be in the range of 138 ° C. or higher and 218 ° C. or lower, or 218 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, if necessary.
  • the melting point of the material constituting the low melting point metal layer 11 may be the liquidus temperature of the material. That is, when the material constituting the low melting point metal layer 11 is an alloy, the melting point may be the temperature on the liquidus line at a predetermined composition in the equilibrium state diagram of the alloy.
  • the material of the low melting point metal layer 11 is preferably tin or a tin alloy containing tin as a main component.
  • the main component is preferably 40% by mass or more and more preferably 60% by mass or more of the tin content of the tin alloy.
  • the tin content may be 70% by mass or more or 80% by mass or more.
  • the upper limit of the tin content can be arbitrarily selected, but may be, for example, 99% by mass or less or 97% by mass or less.
  • Examples of tin alloys include Sn—Bi alloys, In—Sn alloys, and Sn—Ag—Cu alloys.
  • the high melting point metal layer 12 is a layer made of a metal material that is dissolved in the melt of the low melting point metal layer 11.
  • the material of the high melting point metal layer 12 is at least one selected from the group consisting of zinc, antimony, aluminum, silver, gold, copper, nickel, cobalt and iron. It is preferably a kind of metal or an alloy containing the metal as a main component.
  • the main component is preferably 40% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, of the metal content in the alloy.
  • the content of the metal may be 70% by mass or more or 80% by mass or more.
  • the upper limit of the metal content can be arbitrarily selected.
  • the alloy include phosphor bronze, silver-palladium alloy, nickel-iron alloy and nickel-cobalt alloy.
  • the material of the refractory metal layer 12 is preferably any one of copper, copper alloy, silver and silver alloy from the viewpoint of increasing the electric conductivity of the fuse element 10 in normal times.
  • the melting point TH of the material constituting the high melting point metal layer 12 is 100 ° C. or higher with respect to the melting point TL of the material constituting the low melting point metal layer 11. That is, the melting point of the high melting point metal layer 12 is preferably 100 ° C. or higher with respect to the low melting point metal layer 11.
  • the difference between the melting point TH and the melting point TL is more preferably 500 ° C. or higher, and particularly preferably 800 ° C. or higher.
  • the difference between the melting point TH and the melting point TL may be 1500 ° C. or less.
  • the melting point TH is preferably in the range of 400 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower.
  • the melting point TH may be in the range of 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, or 1000 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower, if necessary.
  • the melting point of the material constituting the high melting point metal layer 12 may be the liquidus temperature of the material. That is, when the material constituting the refractory metal layer 12 is an alloy, the melting point may be the temperature on the liquidus line at a predetermined composition in the equilibrium state diagram of the alloy.
  • the intermediate layer 13 is a layer made of a metal material that is dissolved in the melt of the low melting point metal layer 11.
  • the material of the low melting point metal layer 11 is tin or a tin alloy
  • the material of the intermediate layer 13 is at least one selected from the group consisting of tin, bismuth, zinc, antimony, aluminum, silver, gold, copper, nickel and cobalt. It is preferably a kind of metal or an alloy containing the metal as a main component.
  • the main component is preferably 40% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, of the metal content in the alloy.
  • the content of the metal may be 70% by mass or more or 80% by mass or more.
  • the upper limit of the metal content can be arbitrarily selected, but may be, for example, 99% by mass or less or 97% by mass or less.
  • the material of the low melting point metal layer 11 is a tin alloy such as Sn—Bi alloy or In—Sn alloy
  • the material of the intermediate layer 13 is tin or Sn—Ag—Cu alloy, Sn—Ag alloy, Sn— It may be a tin alloy such as a Cu alloy.
  • the melting point TM of the material constituting this layer is higher than the melting point TL of the material constituting the low melting point metal layer 11 by 30 ° C. or more, and the melting point TH of the material constituting the high melting point metal layer 12 is higher. It is preferably as low as 30 ° C. or higher. That is, the melting point of the intermediate layer 13 is preferably 30 ° C. or higher with respect to the low melting point metal layer 11 and 30 ° C. or higher with respect to the high melting point metal layer 12.
  • the difference between the melting point TM and the melting point TL (melting point TM-melting point TL) is more preferably 150 ° C. or higher, and particularly preferably 500 ° C. or higher.
  • the difference between the melting point TM and the melting point TL may be 1300 ° C. or less.
  • the difference between the melting point TM and the melting point TH (melting point TH-melting point TM) is more preferably 100 ° C. or higher, and particularly preferably 200 ° C. or higher.
  • the difference between the melting point TM and the melting point TH may be 800 ° C. or lower or 600 ° C. or lower.
  • the melting point TM is preferably in the range of 260 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.
  • the melting point TM may be in the range of 260 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, or 1000 ° C.
  • the melting point of the material constituting the intermediate layer 13 may be the liquidus temperature of the material. That is, when the material constituting the intermediate layer 13 is an alloy, the melting point may be the temperature on the liquidus line at a predetermined composition in the equilibrium state diagram of the alloy.
  • the material of the refractory metal layer 12 and the material of the intermediate layer 13 are preferably a combination that forms an alloy.
  • the material of the intermediate layer 13 is preferably silver or a silver alloy, zinc or a zinc alloy.
  • the material of the intermediate layer 13 is preferably zinc or a zinc alloy.
  • the fuse element 10 is blown by melting the low melting point metal layer 11 and melting the generated melt between the intermediate layer 13 and the high melting point metal layer 12 in the event of an abnormality such as the generation of an overcurrent.
  • the low melting point metal layer 11 is contained in an amount necessary for melting the intermediate layer 13 and the high melting point metal layer 12 to blow the fuse element 10.
  • the intermediate layer 13 and the refractory metal layer 12 are in an amount necessary to maintain the shape of the fuse element 10 during reflow when manufacturing a fuse element or a protective element, and in the event of an abnormality, the intermediate layer 13 and the refractory metal layer 12 are rapidly dissolved in the melt. Included in an amount that can be made to.
  • the film thickness of the low melting point metal layer 11 can be arbitrarily selected, but is preferably 30 ⁇ m or more.
  • the film thickness of the low melting point metal layer 11 may be 60 ⁇ m or more, 100 ⁇ m or more, or 500 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the film thickness of the low melting point metal layer 11 can be arbitrarily selected, but may be, for example, 3000 ⁇ m or less. If necessary, it may be 2000 ⁇ m or less, 1500 ⁇ m or less, and the like.
  • the film thickness of the refractory metal layer 12 can be arbitrarily selected, but is preferably in the range of 1 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less. If necessary, it may be within a range of 1 ⁇ m or more and 60 ⁇ m or less, a range of 60 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less, or a range of 150 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the film thickness of the intermediate layer 13 can be arbitrarily selected, but it is preferably in the range of 0.1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less. If necessary, it may be in the range of 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, in the range of 10 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, or in the range of 1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the film thickness ratio between the refractory metal layer 12 and the intermediate layer 13 (the film thickness of the former: the film thickness of the latter) can be arbitrarily selected, but is preferably in the range of 30: 1 to 1:10. If necessary, for example, within the range of 30: 1 to 1: 1, within the range of 30: 1 to 10: 1, within the range of 10: 1 to 5: 1, or 1: 1 to 1:10. It may be within the range of.
  • the film thickness of the intermediate layer 13 is made equal to or thicker than the film thickness of the high melting point metal layer 12. May be good.
  • the high melting point when the material of the low melting point metal layer 11 is tin or a tin alloy and the material of the intermediate layer 13 is tin, silver, copper or an alloy containing these metals as a main component, the high melting point
  • the film thickness ratio between the metal layer 12 and the intermediate layer 13 may be in the range of 1: 1 to 1:10.
  • the film thickness of the intermediate layer 13 is the same as or thinner than the film thickness of the high melting point metal layer 12. You may.
  • the material of the low melting point metal layer 11 is tin or a tin alloy
  • the material of the intermediate layer 13 is either bismuth, zinc, antimony, aluminum, gold, nickel, cobalt, or an alloy containing these metals as main components.
  • the film thickness ratio between the refractory metal layer 12 and the intermediate layer 13 may be in the range of 30: 1 to 1: 1.
  • the film thickness ratio (the former film thickness: the latter film thickness) between the total film thickness of the high melting point metal layer 12 and the intermediate layer 13 and the film thickness of the low melting point metal layer 11 can be arbitrarily selected. : It is preferably in the range of 2 to 1: 100. If necessary, for example, it may be in the range of 1: 2 to 1:10, in the range of 1:10 to 1:30, or in the range of 1:30 to 1: 100. If the total film thickness of the refractory metal layer 12 and the intermediate layer 13 becomes too thick, the time until the intermediate layer 13 and the refractory metal layer 12 are melted becomes long at the time of abnormality, and the melting speed of the fuse element 10 becomes slow. There is a risk. On the other hand, if the film thickness of the low melting point metal layer 11 becomes too thick, it may be difficult to maintain the shape of the fuse element 10 during reflow when manufacturing the fuse element or the protective element.
  • the fuse element 10 can be manufactured by using, for example, a film forming method such as a plating method, a sputtering method, or a vapor deposition method. Specifically, a metal foil to be a low melting point metal layer 11 is prepared, an intermediate layer 13 is formed on the surface of the metal foil by using the film forming method, and then the film forming method is formed on the surface of the intermediate layer 13.
  • the fuse element 10 can be manufactured by forming the refractory metal layer 12 using the above. When tin or a tin alloy is used as the low melting point metal layer 11, the low melting point metal layer 11 is easily oxidized, and a passivation film may be formed on the surface.
  • the fuse element 10 can be manufactured, for example, by laminating metal foils. Specifically, a metal foil to be the low melting point metal layer 11, a metal foil to be the intermediate layer 13, and a metal foil to be the high melting point metal layer 12 are prepared, and these metal foils are crimped to obtain a fuse element. 10 can be manufactured.
  • the fuse element 10 shown in FIG. 1 has a structure in which an intermediate layer 13 and a high melting point metal layer 12 are laminated on the surface of a low melting point metal layer 11.
  • the configuration of the fuse element is not limited to this.
  • An example of another configuration of the fuse element 10 is shown in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing another example of the fuse element according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuse element 20 shown in FIG. 2 includes a low melting point metal layer 21 having a rectangular cross section, a high melting point metal layer 22 laminated around the low melting point metal layer 21, a low melting point metal layer 21, and a high melting point metal layer 22. It is composed of an intermediate layer 23 arranged between the two.
  • the fuse element 20 is covered with an intermediate layer 23 and a high melting point metal layer 22 on both the main surface and the side surface of the low melting point metal layer 21. Therefore, the rigidity of the outer shell composed of the refractory metal layer 22 and the intermediate layer 23 is increased, and it becomes easy to maintain the shape of the fuse element 10 at the time of reflow.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view showing still another example of the fuse element according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuse element 30 shown in FIG. 3 includes a low melting point metal layer 31 having a circular cross section, a high melting point metal layer 32 laminated around the low melting point metal layer 31, a low melting point metal layer 31, and a high melting point metal layer 32. It is composed of an intermediate layer 33 arranged between the two. Since the side surface of the low melting point metal layer 31 of the fuse element 30 is concentrically covered with the intermediate layer 33 and the high melting point metal layer 32, the low melting point metal layer 31 is less likely to be oxidized. Further, the thickness of the intermediate layer 33 and the refractory metal layer 32 can be easily made uniform, and the dissolution of the intermediate layer 33 and the refractory metal layer 32 can be easily promoted uniformly. Therefore, the fuse element 30 has a higher melting speed.
  • the melting point metal layer has a melting point between the low melting point metal layer 31 and the high melting point metal layer 32. Since the intermediate layer 33, which is higher than 31 and lower than the refractory metal layer 32, is arranged, the strength can be maintained even if the thickness of the refractory metal layer 32 is reduced. By reducing the thickness of the refractory metal layer 32, it can be quickly melted in the event of an abnormality such as the generation of an overcurrent. Further, by reducing the thickness of the expensive refractory metal layer 32, the production cost can be reduced.
  • the fuse elements 10, 20, and 30 according to the first embodiment of the present invention have a melting point between the intermediate layers 13, 23, 33 and the refractory metal layers 12, 22, 32, rather than the intermediate layers 13, 23, 33. It may further have a layer made of a metal having a high melting point, a melting point lower than that of the high melting point metal layers 12, 22 and 32, and being dissolved in the melt of the low melting point metal layers 11, 21 and 31. Further, an antioxidant layer may be provided on the surfaces of the refractory metal layers 12, 22 and 32.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of the fuse element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line VV'of FIG. Note that FIG. 4 shows a state in which the cover member of the fuse element is removed.
  • the fuse element 40 includes an insulating substrate 41, a first electrode 42 and a second electrode 43 arranged on the surface 41a of the insulating substrate 41, a first electrode 42, and a first electrode 42.
  • a fuse element 10 for electrically connecting the electrode 43 of 2 is provided.
  • the insulating substrate 41 is not particularly limited as long as it has electrical insulating properties, and a known insulating substrate used as a circuit board such as a resin substrate, a ceramics substrate, or a composite substrate of resin and ceramics may be used.
  • a resin substrate include an epoxy resin substrate, a fail resin substrate, and a polyimide substrate.
  • the ceramic substrate include an alumina substrate, a glass ceramic substrate, a mullite substrate, and a zirconia substrate.
  • a glass epoxy substrate can be mentioned.
  • the first electrode 42 and the second electrode 43 are arranged at both ends of the insulating substrate 41 facing each other.
  • the first electrode 42 and the second electrode 43 are each formed of a conductive pattern such as silver wiring or copper wiring.
  • Each of the surfaces of the first electrode 42 and the second electrode 43 is covered with an electrode protective layer 44 for suppressing deterioration of electrode characteristics due to oxidation or the like.
  • an electrode protective layer 44 for suppressing deterioration of electrode characteristics due to oxidation or the like.
  • a Sn plating film, a Ni / Au plating film, a Ni / Pd plating film, a Ni / Pd / Au plating film, or the like can be used as the material of the electrode protection layer 44.
  • first electrode 42 and the second electrode 43 are electrically connected to the first external connection electrode 42a and the second external connection electrode 43a formed on the back surface 41b of the insulating substrate 41 via the castering, respectively. It is connected to the.
  • the connection between the first electrode 42 and the second electrode 43 and the first external connection electrode 42a and the second external connection electrode 43a is not limited to casting, and may be performed through a through hole.
  • the fuse element 10 is electrically connected to the first electrode 42 and the second electrode 43 via a connecting material 45 such as solder.
  • the surface of the fuse element 10 may be coated with flux 46.
  • the flux 46 By applying the flux 46, oxidation of the fuse element 10 is prevented, and the wettability of the connection material 45 when the fuse element 10 is connected to the first electrode 42 and the second electrode 43 via the connection material 45. Is improved. Further, by applying the flux 46, it is possible to suppress the adhesion of the molten metal to the insulating substrate 41 due to the arc discharge and improve the insulating property after the fuse element 10 is blown.
  • the cover member 50 is attached to the fuse element 40 via an adhesive.
  • an adhesive By attaching the cover member 50, it is possible to protect the inside of the fuse element 40 and prevent the scattering of the melt generated when the fuse element 10 is blown.
  • the material of the cover member 50 various engineering plastics and ceramics can be used.
  • the fuse element 40 is mounted on the current path of the circuit board via the first external connection electrode 42a and the second external connection electrode 43a. While the rated current is flowing on the current path of the circuit board, the low melting point metal layer 11 of the fuse element 10 provided in the fuse element 40 does not melt. On the other hand, when an overcurrent exceeding the rating is applied on the current path of the circuit board, the low melting point metal layer 11 of the fuse element 10 generates heat and melts. The melt thus produced melts the intermediate layer 13 and the refractory metal layer 12 to blow the fuse element 10. Then, due to the blown fuse element 10, the wire is disconnected between the first electrode 42 and the second electrode 43, and the current path of the circuit board is cut off.
  • the fuse element 40 according to the second embodiment of the present invention having the above configuration uses the fuse element 10 according to the first embodiment of the present invention. Therefore, when an overcurrent occurs, the fuse element 10 is quickly blown. Therefore, the current path of the circuit board can be cut off at an early stage.
  • FIG. 6 is a schematic plan view of the protective element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line VII-VII'of FIG. In FIG. 6, the protective element is in a state where the cover member is removed.
  • the protective element 60 includes an insulating substrate 61, a first electrode 62 and a second electrode 63 arranged on the surface 61a of the insulating substrate 61, a first electrode 62, and a first electrode 62.
  • a heating element 70 arranged between the electrodes 63 of 2, a first heating element electrode 64 and a second heating element electrode 65 connected to the heating element 70, and a flat surface connected to the second heating element electrode 65. It includes a heating element extraction electrode 66 located at a position where it visually overlaps with the heating element 70, and a fuse element 10 arranged on the surface of the heating element extraction electrode 66.
  • the insulating substrate 61 is not particularly limited as long as it has electrical insulation.
  • a known insulating substrate used as a circuit board can be used as in the case of the fuse element 40 of the second embodiment.
  • the insulating substrate 61 is rectangular in a plan view, but the shape is not limited to this shape and may be an arbitrary shape.
  • the first electrode 62 and the second electrode 63 are arranged at both ends of the insulating substrate 61 facing each other.
  • the first heating element electrode 64 and the second heating element electrode 65 are arranged at two opposite ends of the insulating substrate 61.
  • the first electrode 62, the second electrode 63, the first heating element electrode 64, the second heating element electrode 65, and the heating element extraction electrode 66 each have a conductive pattern such as silver wiring or copper wiring. It is formed.
  • the first electrode 62, the second electrode 63, the first heating element electrode 64, the second heating element electrode 65, and the heating element extraction electrode 66 each suppress deterioration of electrode characteristics due to oxidation or the like. It is preferably coated with an electrode protective layer 67 for the purpose of heating.
  • each of the first electrode 62, the second electrode 63, and the first heating element electrode 64 has a first external connection electrode 62a formed on the back surface 61b of the insulating substrate 61 via a casting. It is electrically connected to the second external connection electrode 63a and the heating element feeding electrode 64a.
  • the connection is not limited to the casting, and may be made through a through hole.
  • the heating element 70 is made of a high resistance conductive material that has a relatively high resistance and generates heat when energized.
  • the heating element 70 is made of, for example, nichrome, W, Mo, Ru or the like or a material containing these.
  • As the heating element 70 an alloy, a composition, or a powder of a compound containing the above elements is mixed with a resin binder or the like to form a paste, which is then screen-printed on the surface of the insulating substrate 61. It can be preferably formed by a method of forming a pattern using the material and firing it.
  • the heating element 70 is covered with an insulating member 71.
  • As the material of the insulating member 71 for example, glass can be used.
  • the heating element extraction electrode 66 is arranged so as to face the heating element 70 via the insulating member 71. With this arrangement, the heating element 70 is superimposed on the fuse element 10 via the insulating member 71 and the heating element extraction electrode 66. With such a superposed structure, the heat generated by the heating element 70 can be efficiently transferred to the fuse element 10 in a narrow range.
  • the protective element 60 includes a heating element feeding electrode 64a, a first heating element electrode 64, a heating element 70, a second heating element electrode 65, a heating element extraction electrode 66, and a fuse element 10.
  • the cover member 80 is attached to the protective element 60 via an adhesive.
  • the material of the cover member 80 is the same as that of the fuse element 40 of the second embodiment.
  • the protection element 60 is mounted on the current path of the circuit board via the first external connection electrode 62a, the second external connection electrode 63a, and the heating element feeding electrode 64a.
  • the fuse element 10 of the protection element 60 is connected in series on the current path of the external circuit board via the first external connection electrode 62a and the second external connection electrode 63a.
  • the heating element 70 is connected to a current control element provided on the circuit board via the heating element feeding electrode 64a.
  • the heating element 70 When an abnormality occurs in the circuit board of the protection element 60, the heating element 70 is energized via the heating element feeding electrode 64a by the current control element provided on the circuit board. This energization causes the heating element 70 to generate heat. Then, the heat is transferred to the fuse element 10 via the insulating member 71 and the heating element extraction electrode 66. This heat melts the low melting point metal layer 11 of the fuse element 10, and the generated melt melts the intermediate layer 13 and the high melting point metal layer 12. As a result, the fuse element 10 is blown. Then, due to the blown fuse element 10, the wire between the first electrode 62 and the second electrode 63 is disconnected, and the current path of the circuit board is cut off.
  • the protective element 60 according to the third embodiment of the present invention having the above configuration uses the fuse element 10 according to the first embodiment of the present invention. As a result, the fuse element 10 is quickly blown in the event of an abnormality. Therefore, the current path of the circuit board can be cut off at an early stage.

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Abstract

このヒューズエレメント１０は、低融点金属層１１と、低融点金属層１１の少なくとも一方の表面に積層された高融点金属層１２と、低融点金属層１１と高融点金属層１２との間に配置された中間層１３と、を有し、高融点金属層１２と中間層１３は、低融点金属層１１の溶融物に溶解される金属からなる層であって、中間層１３を構成する材料の融点は、低融点金属層１１を構成する材料の融点よりも高く、高融点金属層１２を構成する材料の融点よりも低い。

Description

ヒューズエレメント、ヒューズ素子及び保護素子
　本発明は、ヒューズエレメントと、このヒューズエレメントを用いたヒューズ素子及び保護素子に関する。
　本願は、２０２０年８月１９日に、日本に出願された特願２０２０－１３８５７１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　回路基板に定格を超える過電流が通電したときに電流経路を遮断させるための電流遮断素子として、ヒューズエレメント自体が発熱して溶断することによって電流経路を遮断させるヒューズ素子が知られている。例えば、特許文献１には、ヒューズ素子用のヒューズエレメントとして、低融点金属層と、低融点金属層に積層された高融点金属層とを有し、定格を超える電流が通電したときに、低融点金属層が溶融し、その溶融物が高融点金属層を溶解することによってヒューズエレメントを溶断させる構成のヒューズエレメントが記載されている。この特許文献１には、低融点金属層の材料としてはんだ、錫、錫合金が例示され、高融点金属層の材料として銀、銅、銀又は銅を主成分とする合金が例示されている。
　また、回路基板に過電流の発生以外の異常が発生したときに電流経路を遮断させるための電流遮断素子として、発熱体（ヒーター）を用いた保護素子が知られている。この保護素子は、過電流の発生以外の異常時に、発熱体に電流を通電させることによって、発熱体を発熱させ、その熱を利用してヒューズエレメントを溶断させるように構成されている。例えば、特許文献２には、発熱体を用いた保護素子用のヒューズエレメント（可溶性導体）として、高融点金属層と低融点金属層とを含む積層体からなり、低融点金属層は発熱体が発する熱により溶融して高融点金属層を溶解することによってヒューズエレメントを溶断させる構成のヒューズエレメントが記載されている。この特許文献２には、低融点金属層の材料としてＰｂフリーはんだ、錫、錫合金が例示され、高融点金属層の材料として銀、銅、銀又は銅を主成分とする合金が例示されている。
特許第６４２００５３号公報 特許第６２４９６００号公報
　ヒューズエレメントは、過電流の発生などの異常時は、低融点金属層が速やかに溶融して、その溶融物が高融点金属層を溶解することによって溶断するものであることが好ましい。しかしながら、高融点金属層の材料として銅や銅合金を用いた場合は、銅は、銀と比較して融点が高く、またイオン化傾向が高く酸化皮膜を形成しやすいため、低融点金属層の溶融物による高融点金属層の溶解が進みにくくなり、ヒューズエレメントの溶断速度が遅くなる傾向がある。一方、高融点金属層の材料として銀や銀合金を用いた場合は、低融点金属層の溶融物による高融点金属層の溶解は進みやすくなるが、材料コストが高くなる。材料コストを低減させるために、高融点金属層の厚さを薄くすると、ヒューズエレメントの強度が低下するおそれがある。特に、ヒューズ素子や保護素子を製造する際に行うリフロー時の加熱などによって、低融点金属層が軟化した場合にヒューズエレメントの強度が低下するおそれがある。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、過電流の発生などの異常時には速やかに溶断させることができ、かつ生産コストが安価なヒューズエレメントと、このヒューズエレメントを用いたヒューズ素子及び保護素子を提供することにある。
　本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）本発明の一態様に係るヒューズエレメントは、低融点金属層と、前記低融点金属層の少なくとも一方の表面に積層された高融点金属層と、前記低融点金属層と前記高融点金属層との間に配置された中間層と、を有し、前記高融点金属層と前記中間層は、前記低融点金属層の溶融物に溶解される金属からなる層であって、前記中間層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点よりも高く、前記高融点金属層を構成する材料の融点よりも低い。
（２）上記（１）に記載の態様において、前記低融点金属層を構成する材料の融点は、１３８℃以上２５０℃以下の範囲内にあり、前記高融点金属層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点に対して２００℃以上高く、前記中間層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点に対して３０℃以上高く、前記高融点金属層を構成する材料の融点に対して３０℃以上低い構成としてもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の態様において、前記低融点金属層を構成する材料の融点、前記高融点金属層を構成する材料の融点、前記中間層を構成する材料の融点は、各々の材料の液相線温度である構成としてもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか一つに記載の態様において、前記中間層と前記高融点金属層との膜厚比は、１０：１～１：３０の範囲内にあって、前記高融点金属層と前記中間層の合計膜厚と、前記低融点金属層の膜厚との膜厚比は、１：２～１：１００の範囲内にある構成としてもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか一つに記載の態様において、前記低融点金属層の膜厚は３０μｍ以上であって、前記高融点金属層の膜厚は１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあり、前記中間層の膜厚は０．１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にある構成としてもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の態様において、前記低融点金属層は、錫もしくは錫を主成分とする錫合金からなる層である構成としてもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか一つに記載の態様において、前記中間層は、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である構成としてもよい。
（８）上記（１）～（７）のいずれか一つに記載の態様において、前記高融点金属層は、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル、コバルト及び鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である構成としてもよい。
　本発明の一態様に係るヒューズ素子は、絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に配置された上記（１）～（８）のいずれか一つに記載のヒューズエレメントと、を備える。
　本発明の一態様に係る保護素子は、絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に配置された上記（１）～（８）のいずれか一つに記載のヒューズエレメントと、前記絶縁基板の表面に配置され、前記ヒューズエレメントを加熱する発熱体と、を備える。
　本発明によれば、過電流の発生などの異常時には速やかに溶断させることができ、かつ生産コストが安価なヒューズエレメントと、このヒューズエレメントを用いたヒューズ素子及び保護素子を提供することが可能となる。
本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントの一例を示す概略斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントの別の一例を示す概略斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントのさらに別の一例を示す概略斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るヒューズ素子の例を示す概略平面図である。 図４のＶ－Ｖ’線断面図である。 本発明の第３実施形態に係る保護素子の例を示す概略平面図である。 図６のVII－VII’線断面図である。
　以下、本発明に係るヒューズエレメントと、このヒューズエレメントを用いたヒューズ素子及び保護素子の実施形態の好ましい例について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、位置、数、比率、種類、大きさ、形状等について、変更、省略、追加、置換、その他の変更が可能である。特に問題のない限り、各例における好ましい特徴や条件を、互いに共有してもよい。
［ヒューズエレメント（第１実施形態）］
　図１は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントの概略斜視図である。
　図１に示すように、ヒューズエレメント１０は、低融点金属層１１と、低融点金属層１１の表面に積層された高融点金属層１２と、低融点金属層１１と高融点金属層１２との間に配置された中間層１３とを有する。ヒューズエレメント１０の平面視での形状や断面の形状は、任意に選択できる。
　低融点金属層１１は、その融点が、ヒューズ素子や保護素子を製造する際に行うリフロー時の加熱温度以下であることが好ましい。リフロー温度が２４０℃～２６０℃の場合には、低融点金属層１１を構成する材料の融点ＴＬは、１３８℃以上２５０℃以下の範囲内にあることが好ましい。融点ＴＬは、必要に応じて、１３８℃以上２１８℃以下の範囲内や２１８℃以上２５０℃以下の範囲内にあってもよい。なお、低融点金属層１１を構成する材料の融点は、その材料の液相線温度であってもよい。すなわち、低融点金属層１１を構成する材料が合金である場合に、その融点はその合金の平衡状態図において所定の組成における液相線上の温度であってもよい。
　低融点金属層１１の材料は、錫もしくは錫を主成分として含む錫合金であることが好ましい。前記錫合金において、主成分とするとは、前記錫合金の錫の含有量が４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましい。前記錫の含有量は、７０質量％以上や、８０質量％以上であってもよい。前記錫の含有量の上限値は、任意に選択できるが、例えば、９９質量％以下や、９７質量％以下であってもよい。錫合金の例としては、Ｓｎ－Ｂｉ合金、Ｉｎ－Ｓｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金を挙げることができる。
　高融点金属層１２は、低融点金属層１１の溶融物に溶解される金属材料からなる層である。低融点金属層１１の材料が錫もしくは錫合金である場合、高融点金属層１２の材料は、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル、コバルト及び鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金であることが好ましい。前記合金において、主成分とするとは、前記合金中の前記金属の含有量が４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましい。前記金属の含有量は、７０質量％以上や、８０質量％以上であってもよい。前記金属の含有量の上限値は、任意に選択できる。が、例えば、９９質量％以下や、９７質量％以下であってもよい。前記合金の例としては、リン青銅、銀パラジウム合金、ニッケル鉄合金及びニッケル－コバルト合金を挙げることができる。高融点金属層１２の材料は、平常時のヒューズエレメント１０の電気伝導性を高くする観点から、銅、銅合金、銀及び銀合金のいずれかであることが好ましい。
　高融点金属層１２は、この層を構成する材料の融点ＴＨが、低融点金属層１１を構成する材料の融点ＴＬに対して１００℃以上高いことが好ましい。すなわち高融点金属層１２の融点は、低融点金属層１１に対して１００℃以上高いことが好ましい。融点ＴＨと融点ＴＬとの差（融点ＴＨ－融点ＴＬ）は、５００℃以上であることがより好ましく、８００℃以上であることが特に好ましい。融点ＴＨと融点ＴＬとの差は、１５００℃以下であってもよい。また、融点ＴＨは、４００℃以上１７００℃以下の範囲内にあることが好ましい。融点ＴＨは、必要に応じて、４００℃以上６００℃以下の範囲内や、６００℃以上１０００℃以下の範囲内や、１０００℃以上１６００℃以下の範囲内にあってもよい。なお、高融点金属層１２を構成する材料の融点は、その材料の液相線温度であってもよい。すなわち、高融点金属層１２を構成する材料が合金である場合に、その融点はその合金の平衡状態図において所定の組成における液相線上の温度であってもよい。
　中間層１３は、低融点金属層１１の溶融物に溶解される金属材料からなる層である。低融点金属層１１の材料が錫もしくは錫合金である場合、中間層１３の材料は、錫、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金であることが好ましい。前記合金において、主成分とするとは、前記合金中の前記金属の含有量が４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましい。前記金属の含有量は、７０質量％以上や、８０質量％以上であってもよい。前記金属の含有量の上限値は、任意に選択できるが、例えば、９９質量％以下や、９７質量％以下であってもよい。例えば、低融点金属層１１の材料がＳｎ－Ｂｉ合金 、Ｉｎ－Ｓｎ合金などの錫合金である場合、中間層１３の材料は、錫もしくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金、Ｓｎ－Ａｇ合金、Ｓｎ－Ｃｕ合金等の錫合金であってもよい。
　中間層１３は、この層を構成する材料の融点ＴＭが、低融点金属層１１を構成する材料の融点ＴＬに対して３０℃以上高く、高融点金属層１２を構成する材料の融点ＴＨに対して３０℃以上低いことが好ましい。すなわち中間層１３に融点は、低融点金属層１１に対して３０℃以上高く、高融点金属層１２に対して３０℃以上低いことが好ましい。融点ＴＭと融点ＴＬとの差（融点ＴＭ－融点ＴＬ）は、１５０℃以上であることがより好ましく、５００℃以上であることが特に好ましい。融点ＴＭと融点ＴＬとの差は１３００℃以下であってもよい。融点ＴＭと融点ＴＨとの差（融点ＴＨ－融点ＴＭ）は、１００℃以上であることがより好ましく、２００℃以上であることが特に好ましい。融点ＴＭと融点ＴＨとの差は、８００℃以下や、６００℃以下であってもよい。また、融点ＴＭは、２６０℃以上１５００℃以下の範囲内にあることが好ましい。融点ＴＭは、必要に応じて、２６０℃以上６００℃以下の範囲内や、６００℃以上１０００℃以下の範囲内や、１０００℃以上１５００℃以下の範囲内にあってもよい。なお、中間層１３を構成する材料の融点は、その材料の液相線温度であってもよい。すなわち、中間層１３を構成する材料が合金である場合に、その融点はその合金の平衡状態図において所定の組成における液相線上の温度であってもよい。
　高融点金属層１２の材料と中間層１３の材料は、合金を生成する組み合わせであることが好ましい。例えば、高融点金属層１２の材料が銅又は銅合金である場合、中間層１３の材料は、銀又は銀合金、亜鉛又は亜鉛合金であることが好ましい。また、高融点金属層１２の材料が銀又は銀合金である場合、中間層１３の材料は、亜鉛又は亜鉛合金であることが好ましい。
　ヒューズエレメント１０は、過電流の発生などの異常時には、低融点金属層１１が溶融し、生成した溶融物が中間層１３と高融点金属層１２とを溶解することによって、溶断される。ヒューズエレメント１０において、低融点金属層１１は、中間層１３と高融点金属層１２とを溶解して、ヒューズエレメント１０を溶断させるのに必要な量で含まれている。中間層１３と高融点金属層１２は、ヒューズ素子や保護素子を製造する際のリフロー時に、ヒューズエレメント１０の形状を維持するのに必要な量で、かつ異常時には、前記溶融物に速やかに溶解させることができる量で含まれる。
　上記の観点から、低融点金属層１１の膜厚は、任意に選択できるが、３０μｍ以上であることが好ましい。低融点金属層１１の膜厚は、６０μｍ以上や、１００μｍ以上や、５００μｍ以上であってもよい。低融点金属層１１の膜厚の上限値は、任意に選択できるが、例えば、３０００μｍ以下であってもよい。必要に応じて、２０００μｍ以下や、１５００μｍ以下などであってもよい。
　また、高融点金属層１２の膜厚は、任意に選択できるが、１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。必要に応じて、１μｍ以上６０μｍ以下の範囲内や、６０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内や、１５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内であってもよい。
　さらに、中間層１３の膜厚は、任意に選択できるが、０．１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。必要に応じて、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内や、１０μｍ以上２０μｍ以下の範囲内や、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であってもよい。
　また、高融点金属層１２と中間層１３の膜厚比（前者の膜厚：後者の膜厚）は、任意に選択できるが、３０：１～１：１０の範囲内にあることが好ましい。必要に応じて、例えば、３０：１～１：１の範囲内や、３０：１～１０：１の範囲内や、１０：１～５：１の範囲内や、１：１～１：１０の範囲内であってもよい。中間層１３を構成する材料が、低融点金属層１１の溶融物への溶解性が高い場合は、中間層１３の膜厚を高融点金属層１２の膜厚と同じもしくはそれよりも厚くしてもよい。例えば、低融点金属層１１の材料が錫や錫合金であって、中間層１３の材料が、錫、銀、銅もしくはこれらの金属を主成分とする合金のいずれかである場合は、高融点金属層１２と中間層１３の膜厚比は、１:１～１：１０の範囲内としてもよい。また、中間層１３を構成する材料が、低融点金属層１１の溶融物への溶解性が低い場合は、中間層１３の膜厚を高融点金属層１２の膜厚と同じもしくはそれよりも薄くしてもよい。例えば、低融点金属層１１の材料が錫や錫合金であって、中間層１３の材料が、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、金、ニッケル、コバルトもしくはこれらの金属を主成分とする合金のいずれかである場合は、高融点金属層１２と中間層１３の膜厚比は、３０：１～１：１の範囲内にあってもよい。高融点金属層１２と中間層１３の膜厚比を調整することによって、ヒューズエレメント１０の強度、過電流の発生などの異常時でのヒューズエレメント１０の溶断速度、そして生産コストを調整することができる。
　さらに、高融点金属層１２と中間層１３の合計膜厚と、低融点金属層１１の膜厚との膜厚比（前者の膜厚：後者の膜厚）は、任意に選択できるが、１：２～１：１００の範囲内にあることが好ましい。必要に応じて、例えば、１：２～１：１０の範囲内や、１：１０～１：３０の範囲内や、１：３０～１：１００の範囲内であってもよい。高融点金属層１２と中間層１３の合計膜厚が厚くなりすぎると、異常時に中間層１３と高融点金属層１２が溶解されるまでの時間が長くなり、ヒューズエレメント１０の溶断速度が遅くなるおそれがある。一方、低融点金属層１１の膜厚が厚くなりすぎると、ヒューズ素子や保護素子を製造する際のリフロー時に、ヒューズエレメント１０の形状を維持しにくくなるおそれがある。
　ヒューズエレメント１０は、例えば、めっき法、スパッタ法、蒸着法などの成膜法を利用することによって製造することができる。具体的には、低融点金属層１１となる金属箔を用意し、その金属箔の表面に前記成膜法を用いて中間層１３を形成し、次いで、中間層１３の表面に前記成膜法を用いて高融点金属層１２を形成することによって、ヒューズエレメント１０を製造することができる。低融点金属層１１として錫もしくは錫合金を用いる場合、低融点金属層１１は酸化しやすく、表面に不働態皮膜が形成されている場合がある。この場合には、中間層１３を形成する際に、高電流を付与して短時間で電解めっきする方法（ストライクめっき法）を用いることが好ましい。また、ヒューズエレメント１０は、例えば、金属箔を積層することによって製造することができる。具体的には、低融点金属層１１となる金属箔と、中間層１３となる金属箔と、高融点金属層１２となる金属箔を用意し、これらの金属箔を圧着させることによって、ヒューズエレメント１０を製造することができる。
　図１に示すヒューズエレメント１０は、低融点金属層１１の表面に、中間層１３と高融点金属層１２とが積層された構成とされている。が、ヒューズエレメントの構成はこれに限定されるものではない。ヒューズエレメント１０の別の構成の例を、図２と図３に示す。
　図２は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントの別の例を示す概略斜視図である。図２に示すヒューズエレメント２０は、断面が矩形の低融点金属層２１と、低融点金属層２１の周囲に積層された高融点金属層２２と、低融点金属層２１と高融点金属層２２との間に配置された中間層２３とからなる。ヒューズエレメント２０は、低融点金属層２１の主面も側面も、中間層２３と高融点金属層２２によって被覆されている。このため、高融点金属層２２と中間層２３とからなる外殻の剛性が高まり、リフロー時に、ヒューズエレメント１０の形状を維持しやすくなる。
　図３は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメントのさらに別の例を示す概略斜視図である。図３に示すヒューズエレメント３０は、断面が円形の低融点金属層３１と、低融点金属層３１の周囲に積層された高融点金属層３２と、低融点金属層３１と高融点金属層３２との間に配置された中間層３３とからなる。ヒューズエレメント３０は、低融点金属層３１の側面が中間層３３と高融点金属層３２によって同心円状に被覆されているので、低融点金属層３１が酸化しにくくなる。また、中間層３３と高融点金属層３２の厚さを均一にしやすく、中間層３３と高融点金属層３２の溶解が均一に進みやすくなる。このため、ヒューズエレメント３０は、溶断速度がさらに速くなる。
　以上のような構成とされた本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメント１０、２０、３０によれば、低融点金属層３１と高融点金属層３２との間に、融点が低融点金属層３１よりも高く、高融点金属層３２よりも低い中間層３３が配置されているので、高融点金属層３２の厚さを薄くしても強度を維持することができる。高融点金属層３２の厚さを薄くすることによって、過電流の発生などの異常時には速やかに溶断させることができる。
　また、高価な高融点金属層３２の厚さを薄くすることによって、生産コストが安価にすることができる。
　本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメント１０、２０、３０は、中間層１３、２３、３３と高融点金属層１２、２２、３２との間に、中間層１３、２３、３３よりも融点が高く、高融点金属層１２、２２、３２よりも融点が低く、かつ低融点金属層１１、２１、３１の溶融物に溶解される金属からなる層を、さらに有していてもよい。また、高融点金属層１２、２２、３２の表面に、酸化防止層を有していてもよい。
　次に、本発明に係るヒューズ素子と保護素子の実施形態について、ヒューズエレメントとして図１に示すヒューズエレメント１０を用いた場合を例にとって、説明する。
［ヒューズ素子（第２実施形態）］
　図４は、本発明の第２実施形態に係るヒューズ素子の概略平面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ’線断面図である。なお、図４は、ヒューズ素子のカバー部材を外した状態とされている。
　図４と図５に示すように、ヒューズ素子４０は、絶縁基板４１と、絶縁基板４１の表面４１ａに配置された第１の電極４２及び第２の電極４３と、第１の電極４２と第２の電極４３とを電気的に接続するヒューズエレメント１０とを備える。
　絶縁基板４１は、電気絶縁性を有するものであれば特に制限はなく、樹脂基板、セラミックス基板、樹脂とセラミックスとの複合体基板など、回路基板として用いられている公知の絶縁基板を用いることができる。樹脂基板の例としては、エポキシ樹脂基板、フェール樹脂基板、ポリイミド基板を挙げることができる。セラミックス基板の例としては、アルミナ基板、ガラスセラミックス基板、ムライト基板、ジルコニア基板を挙げることができる。複合体基板の例としては、ガラスエポキシ基板を挙げることができる。
　第１の電極４２及び第２の電極４３は、絶縁基板４１の対向する一対の両端部に配置されている。第１の電極４２及び第２の電極４３は、それぞれ銀配線や銅配線などの導電パターンによって形成されている。第１の電極４２及び第２の電極４３の表面のそれぞれは、酸化などによる電極特性の変質を抑制するための電極保護層４４で被覆されている。電極保護層４４の材料としては、例えば、Ｓｎめっき膜、Ｎｉ／Ａｕめっき膜、Ｎｉ／Ｐｄめっき膜、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕめっき膜等を用いることができる。また、第１の電極４２及び第２の電極４３は、それぞれキャスタレーションを介して、絶縁基板４１の裏面４１ｂに形成された第１の外部接続電極４２ａ及び第２の外部接続電極４３ａと電気的に接続されている。第１の電極４２及び第２の電極４３と第１の外部接続電極４２ａ及び第２の外部接続電極４３ａとの接続は、キャスタレーションに限定されず、スルーホールで行ってもよい。
　ヒューズエレメント１０は、第１の電極４２及び第２の電極４３と、はんだ等の接続材料４５を介して電気的に接続されている。
　ヒューズエレメント１０は、表面にフラックス４６が塗布されていてもよい。フラックス４６を塗布することによって、ヒューズエレメント１０の酸化が防止され、接続材料４５を介してヒューズエレメント１０と第１の電極４２及び第２の電極４３を接続する際の、接続材料４５の濡れ性が向上する。また、フラックス４６を塗布することにより、アーク放電による溶融金属の絶縁基板４１への付着を抑制し、ヒューズエレメント１０の溶断後における絶縁性を向上させることができる。
　ヒューズ素子４０は、図５に示すように、カバー部材５０が接着剤を介して取り付けられていることが好ましい。カバー部材５０を取り付けることによって、ヒューズ素子４０の内部を保護するとともに、ヒューズエレメント１０が溶断する際に発生する溶融物の飛散を防止することができる。カバー部材５０の材料としては、各種エンジニアリングプラスチック、及びセラミックスを用いることができる。
　ヒューズ素子４０は、第１の外部接続電極４２ａ及び第２の外部接続電極４３ａを介して、回路基板の電流経路上に実装される。回路基板の電流経路上に定格の電流が流れている間は、ヒューズ素子４０に備えられているヒューズエレメント１０の低融点金属層１１は溶融しない。一方、回路基板の電流経路上に定格を超える過電流が通電されると、ヒューズエレメント１０の低融点金属層１１が発熱して溶融する。こうして生成した溶融物が中間層１３と高融点金属層１２とを溶解することによって、ヒューズエレメント１０を溶断させる。そして、このヒューズエレメント１０の溶断により、第１の電極４２と第２の電極４３間が断線され、回路基板の電流経路が遮断される。
　以上のような構成とされた本発明の第２実施形態に係るヒューズ素子４０は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメント１０を用いている。このためで、過電流の発生時には、速やかにヒューズエレメント１０が溶断される。このため、回路基板の電流経路を早期に遮断させることができる。
［保護素子（第３実施形態）］
　図６は、本発明の第３実施形態に係る保護素子の概略平面図である。図７は、図６のVII－VII’線断面図である。なお、図６において、保護素子はカバー部材を外した状態とされている。
　図６と図７に示すように、保護素子６０は、絶縁基板６１と、絶縁基板６１の表面６１ａに配置された第１の電極６２及び第２の電極６３と、第１の電極６２及び第２の電極６３の間に配置された発熱体７０と、発熱体７０に接続する第１の発熱体電極６４及び第２の発熱体電極６５と、第２の発熱体電極６５に接続し、平面視で発熱体７０と重なる場所に位置する発熱体引出電極６６と、発熱体引出電極６６の表面に配置されたヒューズエレメント１０とを備える。
　絶縁基板６１は、電気絶縁性を有するものであれば特に制限はない。絶縁基板６１は、としては、第２実施形態のヒューズ素子４０の場合と同様に、回路基板として用いられている公知の絶縁基板を用いることができる。本例では、絶縁基板６１は平面視で長方形であるが、この形状のみに限定されず、任意に選択される形状であってもよい。
　第１の電極６２と第２の電極６３は、絶縁基板６１の対向する一対の両端部に配置されている。第１の発熱体電極６４と第２の発熱体電極６５は、絶縁基板６１の対向する別の一対の両端部に配置されている。第１の電極６２、第２の電極６３、第１の発熱体電極６４、第２の発熱体電極６５、及び発熱体引出電極６６は、それぞれが、銀配線や銅配線などの、導電パターンによって形成されている。また、第１の電極６２、第２の電極６３、第１の発熱体電極６４、第２の発熱体電極６５、及び発熱体引出電極６６は、それぞれが、酸化などによる電極特性の変質を抑制するための電極保護層６７で好ましく被覆されている。電極保護層６７の材料は、第２実施形態のヒューズ素子４０の場合と同様である。
　さらに、第１の電極６２、第２の電極６３、及び第１の発熱体電極６４のそれぞれは、キャスタレーションを介して、絶縁基板６１の裏面６１ｂに形成された第１の外部接続電極６２ａ、第２の外部接続電極６３ａ、及び発熱体給電電極６４ａと、電気的に接続されている。なお、第１の電極６２、第２の電極６３、及び第１の発熱体電極６４と、第１の外部接続電極６２ａ、第２の外部接続電極６３ａ、及び発熱体給電電極６４ａとのそれぞれの接続は、キャスタレーションに限定されず、スルーホールで行ってもよい。
　発熱体７０は、比較的抵抗が高く、通電により発熱する、高抵抗導電性材料から形成されている。発熱体７０は、例えば、ニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ等又はこれらを含む材料からなる。発熱体７０は、前記元素を含む合金、組成物、または化合物の粉状体を、樹脂バインダ等と混合してペースト状にしたものを用意し、これを絶縁基板６１の表面にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する方法等によって、好ましく形成することができる。
　発熱体７０は、絶縁部材７１で被覆されている。絶縁部材７１の材料としては、例えば、ガラスを用いることができる。発熱体引出電極６６は、絶縁部材７１を介して、発熱体７０と対向するように配置される。この配置により、発熱体７０は、絶縁部材７１及び発熱体引出電極６６を介して、ヒューズエレメント１０と、重畳される。このような重畳構造とすることによって、発熱体７０にて発生した熱を、狭い範囲で、効率よく、ヒューズエレメント１０に伝えることができる。
　ヒューズエレメント１０は、その両端がそれぞれ第１の電極６２と第２の電極６３に電気的に接続し、その中央部が発熱体引出電極６６に接続されている。ヒューズエレメント１０と、第１の電極６２、第２の電極６３、及び発熱体引出電極６６とは、はんだ等の接続材料６８を介して、電気的に接続されている。このような構成により、保護素子６０には、発熱体給電電極６４ａ、第１の発熱体電極６４、発熱体７０、第２の発熱体電極６５、発熱体引出電極６６、そしてヒューズエレメント１０に至る、第一の通電経路と、第１の外部接続電極６２ａ、第１の電極６２、ヒューズエレメント１０、第２の電極６３、そして第２の外部接続電極６３ａに至る、第二の通電経路とが形成される。また、ヒューズエレメント１０は、表面にフラックス６９が塗布されている。
　保護素子６０は、図７に示すように、カバー部材８０が接着剤を介して取り付けられていることが好ましい。カバー部材８０の材料は、第２実施形態のヒューズ素子４０の場合と同様である。
　保護素子６０は、第１の外部接続電極６２ａ、第２の外部接続電極６３ａ及び発熱体給電電極６４ａを介して、回路基板の電流経路上に実装される。これにより、保護素子６０のヒューズエレメント１０は、第１の外部接続電極６２ａと第２の外部接続電極６３ａを介して、外部の回路基板の電流経路上に直列接続される。発熱体７０は、発熱体給電電極６４ａを介して、回路基板に設けられた電流制御素子と接続される。
　保護素子６０は、回路基板に異常が発生すると、回路基板に備えられた電流制御素子によって、発熱体給電電極６４ａを介して発熱体７０が通電される。この通電により、発熱体７０が発熱する。そして、その熱が、絶縁部材７１及び発熱体引出電極６６を介して、ヒューズエレメント１０に伝えられる。この熱によって、ヒューズエレメント１０の低融点金属層１１が溶融し、生成した溶融物が中間層１３と高融点金属層１２とを溶解する。その結果、ヒューズエレメント１０が溶断される。そして、このヒューズエレメント１０の溶断により、第１の電極６２と第２の電極６３との間が断線され、回路基板の電流経路が遮断される。
　以上のような構成とされた本発明の第３実施形態に係る保護素子６０は、本発明の第１実施形態に係るヒューズエレメント１０を用いている。その結果、異常時には速やかにヒューズエレメント１０が溶断される。このため、回路基板の電流経路を早期に遮断させることができる。
　１０、２０、３０　ヒューズエレメント
　１１、２１、３１　低融点金属層
　１２、２２、３２　高融点金属層
　１３、２３、３３　中間層
　４０　ヒューズ素子
　４１　絶縁基板
　４１ａ　表面
　４１ｂ　裏面
　４２　第１の電極
　４２ａ　第１の外部接続電極
　４３　第２の電極
　４３ａ　第２の外部接続電極
　４４　電極保護層
　４５　接続材料
　４６　フラックス
　５０　カバー部材
　６０　保護素子
　６１　絶縁基板
　６１ａ　表面
　６１ｂ　裏面
　６２　第１の電極
　６２ａ　第１の外部接続電極
　６３　第２の電極
　６３ａ　第２の外部接続電極
　６４　第１の発熱体電極
　６４ａ　発熱体給電電極
　６５　第２の発熱体電極
　６６　発熱体引出電極
　６７　電極保護層
　６８　接続材料
　６９　フラックス
　７０　発熱体
　７１　絶縁部材
　８０　カバー部材

Claims (10)

  1. 　低融点金属層と、
    　前記低融点金属層の少なくとも一方の表面に積層された高融点金属層と、
    　前記低融点金属層と前記高融点金属層との間に配置された中間層と、を有し、
    　前記高融点金属層と前記中間層は、前記低融点金属層の溶融物に溶解される金属からなる層であって、
    　前記中間層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点よりも高く、前記高融点金属層を構成する材料の融点よりも低いヒューズエレメント。
  2. 　前記低融点金属層を構成する材料の融点は、１３８℃以上２５０℃以下の範囲内にあり、
    　前記高融点金属層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点に対して１００℃以上高く、
    　前記中間層を構成する材料の融点は、前記低融点金属層を構成する材料の融点に対して３０℃以上高く、前記高融点金属層を構成する材料の融点に対して３０℃以上低い請求項１に記載のヒューズエレメント。
  3. 　前記低融点金属層を構成する材料の融点、前記高融点金属層を構成する材料の融点、前記中間層を構成する材料の融点は、各々の材料の液相線温度である請求項１又は２に記載のヒューズエレメント。
  4. 　前記中間層と前記高融点金属層との膜厚比は、１０：１～１：３０の範囲内にあって、
    　前記高融点金属層と前記中間層の合計膜厚と、前記低融点金属層の膜厚との膜厚比は、１：２～１：１００の範囲内にある請求項１～３のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。
  5. 　前記低融点金属層の膜厚は３０μｍ以上であって、
    　前記高融点金属層の膜厚は１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあり、
    　前記中間層の膜厚は０．１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にある請求項１～４のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。
  6. 　前記低融点金属層は、錫もしくは錫を主成分とする錫合金からなる層である請求項１～５のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。
  7. 　前記中間層は、錫、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である請求項１～６のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。
  8. 　前記高融点金属層は、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル、コバルト及び鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属もしくは前記金属を主成分とする合金からなる層である請求項１～７のいずれか一項に記載のヒューズエレメント。
  9. 　絶縁基板と、
    　前記絶縁基板の表面に配置された請求項１～８のいずれか一項に記載のヒューズエレメントと、を備えるヒューズ素子。
  10. 　絶縁基板と、
    　前記絶縁基板の表面に配置された請求項１～８のいずれか一項に記載のヒューズエレメントと、
    　前記絶縁基板の表面に配置され、前記ヒューズエレメントを加熱する発熱体と、を備える保護素子。
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