JP2019029244A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】表面実装型の回路保護素子において、耐リフロー性を具備しながら内部抵抗値を低減でき、溶質金属の溶食残りによる溶断不良のおそれのない保護素子を提供する。【解決手段】絶縁基板１１と、この絶縁基板に設けた複数の電極１２と、この電極のうち所定電極の間に充填した低融点金属の電極充填材１３と、所定電極の間を橋設しかつ電極充填材の上部を覆ったヒューズエレメント１４とを備え、電極充填材は、その溶融温度が該ヒューズエレメントの液相線温度以下の金属材から構成された。【選択図】図１

Description

本発明は、電気・電子機器の保護素子に関する。

近年、モバイル機器など小型電子機器の急速な普及に伴い、搭載する電源の保護回路に実装される保護素子も小型薄型のものが使用されている。二次電池パックの保護回路には、例えば特許文献１に記載されるような表面実装部品（ＳＭＤ）の保護素子が好適に利用される。これらの保護素子には、被保護機器の過電流により生ずる過大発熱や過電圧などの異常状態を検知し、または周囲温度の異常過熱に感応して、所定条件でヒューズを作動させ電気回路を遮断する非復帰型保護素子がある。該保護素子は、機器の安全を図るために、保護回路が機器に生ずる異常を検知すると信号電流により抵抗素子を発熱させ、その発熱で可融性の合金材からなるヒューズエレメントを溶断させて回路を遮断するか、あるいは過電流によってヒューズエレメントを溶断させて回路を遮断する。

例えば、特許文献１などに記載されるように、はんだ付け温度で溶融する低融点金属材と、低融点金属材に溶解性の金属構造材を積層して成るヒューズエレメント材を用いた保護素子がある。この保護素子のヒューズエレメント材は、はんだ付け作業で液相化した低融点金属材を、その温度で固相の金属構造材に界面張力で付着させて一定時間溶断しないように支えて保持することで、少なくともはんだ付け作業の間、ヒューズエレメントの形状を維持してヒューズエレメント材がリフローはんだ付けで誤動作するのを防止する。はんだ付けが完了し回路保護素子が被保護回路に実装されると、ヒューズエレメント材の金属構造材は、はんだ付けの熱で媒質である低融点金属材中に拡散または溶解されて薄層化しているので、設置環境の異常過熱や内蔵する抵抗発熱素子のヒータ加熱により容易に消失し、以後溶断を妨げることなく動作するようになる。

特開２０１５−０７９６０８号公報

上記保護素子に用いられるヒューズエレメントは、高電流化への対応や充電池の待機エネルギーロス等の観点から、なるべく電気抵抗値の低い材料を用いることが好ましい。しかしながら保護素子のヒューズエレメントに適用できる易融合金の種類は限られており、必ずしも低電気抵抗値のものを選択できる訳ではない。実際には動作性能など実用性を確保するため、比較的電気抵抗値の大きいヒューズエレメントを使用せざるを得ないことも多い。

本発明は、上述の問題点を解消し更に改良するために提案されたものであり、回路保護素子において、ヒューズエレメント材の固有抵抗値に左右されることなく、内部抵抗値を低減できる新規構成を備えた保護素子を提供することを目的とする。

本発明によると、絶縁基板と、この絶縁基板に設けた複数の電極と、この電極のうち所定電極の間に充填した低融点金属の電極充填材と、所定電極の間を橋設しかつ電極充填材の上部を覆ったヒューズエレメントとを備え、電極充填材は、その溶融温度が該ヒューズエレメントの液相線温度以下の金属材から構成されたことを特徴とする電極充填材付き保護素子が提供される。本発明の保護素子は、必要に応じて絶縁基板に発熱素子を設けてもよい。本発明の電極充填材は、ヒューズエレメントを橋設する電極間の隙間を埋めるように設けられることにより、内部抵抗値を低減する。電極間の隙間は、対向する電極端とその間の絶縁基板面から構成された溝状の部分である。電極充填材は、その溶融温度がヒューズエレメントと同等またはより低い金属ならば何れの金属材を用いてもよく、ヒューズエレメントより電気抵抗が小さいものがより好ましい。一例として錫または錫系はんだ材がある。

本発明の電極充填材は、ヒューズエレメントが橋設された電極間の隙間（中空空間）を埋めることで、その分ヒューズエレメントの通電路の断面積を拡張させて、保護素子の内部抵抗を低減させる。電極充填材は、ヒューズエレメントの溶融温度以下の金属材からなるため、ヒューズエレメントの溶断動作を妨げることが無い。しかも電極充填材は、はんだ材など易融合金をそのまま使用でき、純銀材や銀系合金（高銀含有率合金）などの貴金属材を用いなくてもよく経済的である。

本発明に係る電極充填材付き保護素子１０の部品部材を分解した斜視図を示す。 本発明に係る電極充填材付き保護素子２０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿って蓋体を切断した平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図を示し、（ｃ）はその下面図を示す。 本発明に係る電極充填材付き保護素子２０の要部断面図を示す。図３においては、蓋体と絶縁基板裏面の電極と発熱素子は省略している。

本発明に係る電極充填材付き保護素子１０は、図１に示すように、絶縁基板１１と、この絶縁基板１１に設けた複数の電極１２と、この電極１２のうち所定電極の間に充填した低融点金属の電極充填材１３と、前記所定電極の間を橋設しかつ電極充填材１３の上部を覆ったヒューズエレメント１４と、ヒューズエレメント１４の表面に塗布した動作フラックス（図示せず）と、この動作フラックスごとヒューズエレメント１４の上部を覆った蓋体１５とを備え、電極充填材１３は、その溶融温度がヒューズエレメント１４の液相線温度以下の金属材から構成されたことを特徴とする。絶縁基板１１は絶縁材であれば何れの材料、組成のものでもよく、例えば、プラスチック、ガラス、ガラスセラミック、セラミックなどが好適である。絶縁基板１１に設けた電極１２は、導電材であれば何れの材料、組成のものでもよく、例えば、銅、銀、銅合金、銀合金が好適である。電極充填材１３は、電極１２の電極間隙に充填形成でき、かつ溶融温度がヒューズエレメント１４と同等またはより低い金属材であれば何れの材料、組成のものでもよく、例えば、錫基合金、錫−鉛合金、錫−銅合金、錫−銀合金、錫−銀−銅合金からなるはんだペーストにより充填形成した金属材、錫基合金、錫−鉛合金、錫−銅合金、錫−銀合金、錫−銀−銅合金からなるはんだボールにより充填形成した金属材、錫基合金、錫−鉛合金、錫−銅合金、錫−銀合金、錫−銀−銅合金からなる部分メッキにより充填形成した金属材などが利用できる。この電極充填材１３は、電極充填材付き保護素子１０の表面実装に伴いヒューズエレメント１４と一体に合体化できる。そしてヒューズエレメント１４が溶断するときは、液相化したヒューズエレメント１４と共に球状化するので、電極充填材１３が溶断動作を妨げることはない。ヒューズエレメント１４は、易融性の金属材であれば何れの材料、組成のものでもよく、例えば、錫基合金、錫−鉛合金、錫−銅合金、錫−銀合金、錫−銀−銅合金などが好適に利用できる。また、ヒューズエレメント１４は、単一組成の金属材を用いても、組成の異なる複数の金属材を組み合わせて複合材にして用いてもよい。本発明の電極充填材付き保護素子１０は、絶縁基板１１の片面に必要に応じて発熱素子を設けてもよい。発熱素子は必要に応じて絶縁コーティングを施す。発熱素子を設けない場合は、ヒューズエレメント１４に接続される電極１２のうち中央の電極を省略してもよい。蓋体１５は、絶縁基板１１およびヒューズエレメント１４の上部を覆って所望のキャビティ空間を確保できればよく、形状、材質を制限するものではない。例えば、蓋体１５には、ドーム状樹脂フイルムカバー、プラスチック蓋、セラミック蓋などが好適に利用できる。

本発明に係る実施例１の電極充填材付き保護素子２０は、図２および図３に示すように、アルミナ・セラミックの絶縁基板２１と、この絶縁基板２１に設けた複数の銀合金製電極２２と、電極２２と電気接続され絶縁基板２１の下面に設けた抵抗発熱素子２６と、この電極２２のうち所定電極の間に充填した９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金の電極充填材２３と、前記所定電極の間を橋設しかつ電極充填材２３の上部を覆った９２Ｐｂ−Ｓｎ合金２４−１と９９．３Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金２４−２とのクラッド材からなるヒューズエレメント２４と、ヒューズエレメント２４の表面に塗布した動作フラックス（図示せず）と、この動作フラックスごとヒューズエレメント２４の上部を覆った液晶ポリマー製の蓋体２５とを備え、電極充填材２３は、その溶融温度がヒューズエレメント２４の液相線温度以下の金属材から構成されたことを特徴とする。電極２２は、基板上下面の電極２２を電気接続する銀合金のハーフ・スルーホールを有する。実施例１の抵抗発熱素子２６の表面は絶縁ガラスのオーバーグレーズを施している。ここで、実施例１の電極充填材付き保護素子２０と比較する目的で、実施例１と共通の部品、部材を用いて電極充填材を設けずに作製した比較例の保護素子を用意し、両者の内部抵抗値を測定した。実施例１の電極充填材付き保護素子２０の内部抵抗値が０．４５ｍΩ（定格電流２５Ａに相当）であったのに対して、電極充填材を持たない比較例の保護素子の内部抵抗値は０．６０ｍΩ（定格電流２０Ａに相当）であった。本発明により保護素子の内部抵抗が低減し、もって定格電流値も向上したことが分かる。

本発明の電極充填材付き保護素子は、加熱によって電極充填材と絶縁基板との界面にボイドが生じることがあるが、導通経路は保持されるため差し支えない。

本発明の電極充填材付き保護素子は、他の表面実装部品と共に被保護回路板にマウントでき、リフロー工法などで一括はんだ付け実装されて、電池パックなど２次電池の保護装置に利用できる。

１０、２０・・・電極充填材付き保護素子、
１１、２１・・・絶縁基板、
１２、２２・・・電極、
１３、２３・・・電極充填材、
１４、２４・・・ヒューズエレメント、
１５、２５・・・蓋体、
２６・・・発熱素子。

Claims (6)

1. 絶縁基板と、この絶縁基板に設けた複数の電極と、この電極のうち所定電極の間に充填した低融点金属の電極充填材と、前記所定電極の間を橋設しかつ電極充填材の上部を覆ったヒューズエレメントとを備え、電極充填材は、その溶融温度が前記ヒューズエレメントの液相線温度以下の金属材から構成された電極充填材付き保護素子。
2. 前記絶縁基板の片面にさらに発熱素子を設けた請求項１に記載の電極充填材付き保護素子。
3. 前記電極充填材は、錫基合金、錫−鉛合金、錫−銅合金、錫−銀合金、錫−銀−銅合金の群から選択された請求項１または請求項２に記載の電極充填材付き保護素子。
4. 前記電極充填材は、はんだペーストにより充填形成した金属材、はんだボールにより充填形成した金属材、部分メッキにより充填形成した金属材の群から選択された請求項１ないし請求項３の何れか一つに記載の電極充填材付き保護素子。
5. 前記ヒューズエレメントは、錫基合金、錫−鉛合金、錫−銅合金、錫−銀合金、錫−銀−銅合金の群から選択された請求項１ないし請求項４の何れか一つに記載の電極充填材付き保護素子。
6. 前記ヒューズエレメントは、組成の異なる複数の金属材を組み合わせた複合材からなる請求項５に記載の電極充填材付き保護素子。
   

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