JPH012303A - 回路保護素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子素子に関し、より詳細には、温度」二昇
に伴って比較的狭い温度領域でこの素子の電気抵抗が急
増する性質（ＰＴＣ特性（ＰｏｓＩＬｉｖｅＬｅｍｐｅ
ｒａＬｕｒｅ　ｅｏｅｌＴｉｅｉｅｎＬ　）　）を６す
る層を偏えた回路保護素子に関する。

〔従来の技術〕

ＰＴＣ特性を有する物質（ＰＴＣ組成物）は、一定の温
度に上昇すると発熱が止まるヒータ、正特性サーミスタ
（ＰＴＣＴＩＩＥＲＭＩＳ′ｒｌ：Ｒ）　、感熱センサ
、電池などを含む回路が短絡したとき過電流を所定の電
流値以上に制限し他方その短絡が取除かれたとき回路を
復帰する回路保護素子などに利用することができる。Ｐ
ＴＣ組成物として現在種々の物質が開発され、従来から
、例えばＢ　ａ　Ｔ　ｉＯａに１価または３価の金属酸
化物を添加したもの、また１、ポリエチレン、エチレン
−アクリル酸共重合体などの小合体にカーボンブラック
などの導電性粒子が均一に分散されたものがある。

このＰＴＣ組成物の製造法は、−船釣に、重合体として
用いる１種またはそれ以上の樹脂に必要二のカーボンブ
ラックなどの導電性粒子を混練して重合体中に分散する
ことからなる。更に、ＰＴＣ組成物を利用する、例えば
、この物質を金属電極板で挟持する従来の回路保護素子
は、第１０図に示すように、主にＰＴＣ組成物成形体２
と、これを挟持する電極板４ａおよび４ｂと、その電極
板の各々に接続されたり一ド８ａおよび８ｂとからなる
。

この素子のＰＴＣ組成物の温度と素子抵抗との関係は、
例えば、第１１図に示すように、室温での素子電気抵抗
（室温抵抗Ｒｒ）は小さいが、ある温度量−［−にＬ昇
すると抵抗が急激に増大し、ピークに到達する（ピーク
抵抗）。

この従来の回路保護素子の電極の両端に過電圧Ｖｏが印
加されると、第７図の点線に示す様に、この回路保護素
子の室温抵抗Ｒｒとすると（Ｖ。

／　Ｒｒ　）の過電流か流れて発熱し、ＰＴＣ特性に基
づいてこの素子の抵抗が急激に増大して過電流を一定以
下の値に制限する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、ＰＴＣ組成物からなる従来の回路保護素
子では、ＰＴＣ組成物の温度に応じた抵抗を示し、過電
圧が印加された初期では自己発熱が少なくて低い抵抗（
室温）に応じた大きい電流が流れる。また、ＰＴＣ組成
物の抵抗を温度により制御しようとする素子であるため
に素子の環境温度に左右されて、外部からの熱によって
回路保護素子が誤動作する恐れがある。上記のように過
電圧が印加された初期では温度が低いので小さい抵抗値
に応じた過電流が流れ、この過電流を所定の電流値まで
制限するための遮断時間は、１０−１〜数百秒もかかり
、ＩＣなどの過電流に弱い電子デバイスを含む回路を保
護することができない。

この発明は上述の背景に基づいてなされたものであり、
その目的とするところは、過電圧が印加された初期から
しきい値以下に電流を制限し、外部環境温度に影響され
ず温度安定性に優れ、過電流に弱い電子デバイスを含む
回路をも確実に保護する回路保護素子を提供することで
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によればこの課題は、しきい電流以上を流さない
電流抑制層と、該電流抑制層と電気的熱的に接続したＰ
ＴＣ特性を有するＰＴＣ層と、外部と電気的に接続する
少なくとも２の電極とを含むことを特徴とする回路保護
素子によって達成される。

好ましい態様において、ＰＴＣ層は重合体に導電性粒子
が分散されたものである。

以下、この発明をより詳細に説明する。

ＰＴＣ組成物 この発明における回路保護素子は、少なくとも２の電極
と、電流制御層と、ＰＴＣ組成物からなるＰＴＣ層とを
備える。このＰＴＣ組成物は、例えば、Ｂ　ａ　Ｔ　ｉ
Ｏａに１価または３価の金属酸化物を添加したもの、重
合体に、導電性粒子、および必要に応じて熱伝尋性充填
材が添加されたものなどがある。

この発明に於いて用いる重合体として、ポリエチレン、
ポリエチレンオキシド、ｔ−４−ポリブタジェン、ポリ
エチレンアクリレート、エチレン−エチルアクリレート
共重合体、エチレン−アクリル酸共１Ｆ合体、ポリエス
テル、ポリアミド、ポリエーテル、ポリカプロラクタム
、フッ素化エチレン−プロピレンＪｌ：ｉＲ合体、塩素
化ポリエチレン、クロロスルホン化エチレン、エチレン
−酢酸ビニル共重合体、ポリプロピレン、ポリスチレン
、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリ塩化ビニ
ル、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリアルキレ
ンオキシド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、
フッ素樹脂、およびこれ等のうちから選ばれた少なくと
も２種のブレンドポリマー等がある。この発明のおいて
、重合体の種類、組成比などは、所望の性能、用途など
に応じて適宜選択することができる。

重合体に分散される導電性粒子は、電気伝導性を持つ物
質からなり、その様なものとして、カーボンブラック、
銀粉、金粉、カーボン粉、グラファイト、銅粉、カーボ
ン繊維、ニッケル粉、銀めっき微粒子などの導電性物質
の粒子を用いることができる。この導電性粒子の粒径、
比面積などは、ＰＴＣ組成物の用途、所望の特性に応じ
て種々のものを適宜選択することが望ましい。

この発明の好ましく態様において、重合体に分散するこ
とのできる熱伝導性粒子は、熱伝導性を持つ無機または
６機性の物質からなり、その様なものとして、例えば、
シリコン、窒化ケイ素、炭化ケイ素、Ｂｅｄ、アルミナ
から選ばれた少なくとも一種の物質、これらの混合物な
どがある。この熱伝導性粒子の粒径、比面積などは、Ｐ
ＴＣ組成物の用途、所望の特性に応じて種々のものを適
宜選択することができる。

ＰＴＣ組成物の調製に際して、上記の重合体、導電性粒
子、熱伝導性粒子以外に、必要に応じて種々の添加剤を
混合することができる。そのような添加剤として、例え
ば、アンチモン化合物、リン化合物、塩素化化合物、臭
素化化合物などの難燃剤、酸化防止剤、安定剤などがあ
る。

この発明においてＰＴＣ組成物は、その原材料、重合体
、導電性粒子、熱伝導性粒子その他添加剤を所定の割合
いで配合・混練して調製される。この発明において、重
合体に導電性粒子次いで熱伝導性粒子、若しくは熱伝導
性粒子次いで導電性粒子、または同時に両者を配合・混
練して調製してもよい。更に、重合体と粒子との配合割
合は、目的組成物の粒子含量、重合体の種類、ミキサー
、ニーダ−のＦｕ？Ｊｉなどに応じて適宜選択すること
ができる。この発明において、混練前に粉砕、加熱、混
合などの前処理をしてもよい。

電流抑制層 この発明の回路保護素子は、ＰＴＣ層と電気的熱的に接
続した電流抑制層を有する。この発明における電流抑制
層とは、印加電圧を増すとこの層に流れる電流が増大す
るが、印加電圧がある値を超えても、流れる電流が実質
的に飽和してしきい電流１ｓｈ以」二の電流を流さない
電気特性を有するものであり、例えば、第１２図に示す
印加電圧Ｖ−電電流時特性持つものである。

このような動作を示す層は、種々のデバイスを用いて得
ることができる。そのようなものとして、例えば、半導
体中に電流経路（チャネル）が形成されたものであって
このチャネルを外部電界により変化させることのできる
デバイスがある。この電流抑制層は、また、電界効果ト
ランジスタ（ＦＥＴ）および関連デバイスで代用するこ
ともできる。その様なＦＥＴとしてＭＯＳ−ＦＥＴ　（
絶縁ゲートＦＥＴ）、接合ゲートＦＥＴ、ショットキー
陣！ＦＥＴなどがある。

回路保護素子 この発明の回路保護歯Ｔは、上述のＰＴＣ層と、電流抑
制層と外部と電気的に接続する少なくとも２の電極とか
らなる。ここで用いることのできる電極材料の種類とし
ては、通常の電極として用いることのできる金属であり
、その様なものとして、例えば、ニッケル、コバルト、
アルミニウム、クロム、スズ、銅、銀、鉄（ステンレス
鋼などの鉄合金を含む）、亜鉛、金、鉛、白金などがあ
る。

電極の形状、寸法などは回路保護素子の用途などに応じ
て適宜選択することが望ましい。この発明において電極
材料として、圧延金属箔の他、焼鈍処理した金属でもよ
い。

この発明の回路保護素子では、ＰＴＣ層と電流抑制層と
が電気的熱的に接続されている。ここで「熱的接続」と
は、ＰＴＣ層の温度と電流抑制層の温度との間に差異が
あるとき、すなわち温度勾配があるときに、高温側から
低温側に熱エネルギーに供給されることを意味する。

この発明の各部材の組合せは、この発明の目的に反しな
い限り任意である。次ぎにその構成の態様およびその作
製法を添附図面を参照しながら説明する。

第１図にこの発明による回路保護素子の一態様を示す。

この態様の回路保護素子１では、ＰＴＣ層２と、電流抑
制層３とが積層され、さらにその外側に電極４ａおよび
４ｂが接続され、この電極から外部にさらの電気接続さ
れている。

第２図にこの発明の別の態様を示す。この態様では、２
枚のＰＴＣ層２ａおよび２ｂに電流抑制層３が挾まれる
ように積層され、ＰＴＣ層にさらに電極４ａおよび４ｂ
が接続されている。この回路保護素子１は、例えば、ｐ
形Ｓｔ″′１′導体阪を用意し、この板の面と垂直に貫
通穴５を開け、これに不純物をドーピングして電流経路
（ｎチャンネル）を形成し、その１ト導体板の上ドにＰ
ＴＣ組成物および電極を各々載せ熱プレスして得られる
。

次いで、ＦＥＴを用いた態様を第３図（Ａ）および（Ｂ
）に示す。この態様の回路保護索子１では、電流抑制層
３が接合ＦＥＴを構成し、ドレイン電極りがこの素子の
電）ｊＴｈ４ａであり、ＦＥＴのソース電極Ｓおよびゲ
ート電極ＧがＦＥＴ裏面のＰＴＣ電極Ｐに電気的Ｉと続
し、この電極Ｐと電極４ｂとにＰＴＣ層２か挟持され、
電極Ｐを介して電流抑制層３とＰＴＣ層２とが熱的に接
続されている。この態様の回路構成図を第３図（Ｂ）に
示す。

第４図にこの発明による別の態様を示す。この電流抑制
層３は接合ＦＥＴで構成され、ＦＥＴとソースＳにＰＴ
Ｃ層２ａが接続され、他方、ＦＥＴのドレインＤにＰＴ
Ｃ層２ｂが接続され、それぞれのＰＴＣ層に電極４ａお
よび４ｂが積層されている。

第５図に更に別の態様の示す。この例では、電流抑制層
３としてＤ−ＥモードのＭＯＳ−ＦＥＴを用い、ＦＥＴ
とソースＳにＰＴＣ層２ａが接続され、他ノｊ、、ＦＥ
ＴのドレインＤにＰＴＣ層２ｂが接続され、それぞれの
ＰＴＣ層に電極４ａおよび４ｂが積層されている。

第６図は他の回路保護素子の態様を示す。この態様では
、２個のショットキ障壁ＦＥＴを用い、この２個のＦＥ
Ｔ３ａおよび３ｂの間にＰＴＣ層２を挟みシリコン樹脂
で接着して熱的接続したものであり、この素子１では、
ＦＥＴのソース電極Ｓおよびゲート電極Ｇか共通導電層
７に接続され、この共通導電層７がＦＥＴの裏面の電極
Ｐａに接続され、ＰＴＣ層２とＦＥＴＢｂ間の電極ｐｂ
が素子の外部電極４ｂをなし、ＦＥＴのドレイン電極り
が導電層８に接続して、素子の電極４ａをなす。

この発明は上記の態様に限定されず種々の変形態様が口
Ｊ能である。

例えば、例示はｎチャナネルであったが、−に記の態様
の構成のｎ形をｐ形を全部逆転しさらに、極性を逆にし
たｐ形の態様等がある。

樹脂彼覆 この発明において回路保護素子の表面に必要に応じて樹
脂膜を形成することができる。その様な樹脂の種類とし
て、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル
、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、アクリル樹
脂、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹
脂、ポリアセタール樹脂、ポリアルキレノキシド、飽和
ポリエステル樹脂、ポリフェニレンオキシド、ポリスル
ホン、ポリ−ｐ−キシレン、ポリイミド、ポリアミドイ
ミド、ポリエステルイミド、ポリベンゾイミダシル、ポ
リフェニレンスルフィド、ケイ素樹脂、尿素樹脂、メラ
ミン樹脂、フラン樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエス
テル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリウレタン樹脂
、これらのブレンドポリマー、化学試薬との反応、放射
線架橋、共重合などによる改質されたＬ記樹脂などがあ
る。これらの樹脂のなかで好ましい樹脂はエポキシ樹脂
、フェノール樹脂である。これら樹脂には、種々の添加
剤を、例えば、可塑剤、硬化剤、架橋剤、酸化防市剤、
充填剤、帯電防ＩＩ−剤、難燃剤、などを添加してもよ
い。この発明において用いる樹脂は少なくとも絶縁性を
白′しており、回路保：Ｊｋ素子表面に対して密着性を
何している。樹脂の彼葭法は、特に限定されず、例えば
、墳霧、塗付け、浸漬などで行うことができる。さらに
、樹脂塗布後の硬化は、化学処理、加熱、放射線照射な
ど樹脂の種類に応じて行うことができる。

〔作　用〕

上記の構成を有するこの発明の素子の動作を説明する。

第３図の態様を例として説明する。

この構成では、ｎチャンネルとそれを取巻くｐ形半導体
との界面でのｐｎ接合では空乏層か形成されｎチャンネ
ルが多少細くなっている。通常電圧が印加されていると
き、このｎチャンネルを電流が流れる。

事故などから回路に過電圧がかかると、この電流抑制層
のＳ−Ｄ間にも過電圧か印加されるとゲ−トのｐ領域か
らせり出してきた空乏層と基板のｐ領域からせり出して
きた空乏層とが接してピンチオフ状態になる。Ｓ−Ｄ間
の電圧が増しても、この空乏層の接触点とソース間の電
位差が変わらないため空乏層を流れる電流が一定となり
、飽和する。すなわち、この電流抑制層はしきい電流以
上の電流を流さない。こ、の飽和電流と過電圧との債に
相当するエネルギーがこの電流抑制層から発熱し、これ
と熱的に接続したＰＴＣ層の温度を上げ、このＰＴＣ特
性により所定；Ｈ度量上で急激に電気抵抗を増す。この
高い抵抗がこの回路保護素子を流れる電流を所定値に制
限して回路を過電圧およびその過電流から保護する。

第７図の実線にこの発明の回路保護素子に過電圧が印加
されたときの電流Ｉ−時間を特性を示す。

この図のように初期は電流抑制層によりしきい電流１ｓ
ｈに制限され、次いでＰＴＣ層による更に電流を所定値
まで制限する。

〔発明の効果〕

上記のように構成され、動作するこの発明による回路保
護素子は次の効果を奏する。

過電圧が回路に印加された初期から素子に流れる電流を
、しきい値以ドの電流に制限して、より回路保護をより
確実に行う。従来のＰＴＣ層のみの回路保護素子では、
ＰＴＣ層の発熱後にトリップして遮断時間が長かったが
、過電圧が回路に印加された初期からしきい電流具Ｆに
制限するので過電流に弱いＩＣなどをａ効に保護するこ
とかできる。

〔実施例〕

２個のｎチャンネルショットキ障壁ゲート形ＦＥＴ（王
菱電機製２５に２７９　（ＭＧＦ−１８Ｏ−１））用意
し、別に下記成分をニーダて６０分間混練してＰＴＣ組
成物を調製した。

高密度ポリエチレン　　　　　　　　　６２Ｗｔ’、、
６（三井石油化学製ミラソン２７） カーボンブラック　　　　　　　　　　３８ｗｔ％これ
らを用いて第６図に示すように構成して回路保護素子を
得た。なお、ソースＳが接続した導電層と、ドレインＤ
が接続した導電層との間に保護用の抵抗８５０にΩが接
続されている。ＦＥＴのドレインＤとソースＳとの間の
抵抗が２．０ΩＰＴＣ層間のＰａ−Ｐｂ間の抵抗が２．
８Ωであった。この例の素子の静特性を第８図に示す。

ここで、Ｉ　ＤＳＳは素子に流れる電流を、ｖＳＥはＰ
ＴＣ層の両端の電圧を、ＶＤＳはＦＥＴの両端の電圧を
表す。ＶＤＲ（−ＶＳＥ＋ＶＤＳ）が１■を超えた頃で
、Ｉ　ＤＳＳが約１７０ｍＡに飽和し、それ以にの電圧
ではむしろ電流が低下する。従って、この例の回路保護
素子でのトリップ電流は約１７０ｍＡに設定されている
。

次いで、この素子の動特性を測定するために、この素子
に過電圧を一気に印加し、その時に流れる電流を測定し
た。その結果を第９図の実線に示す。この例の素子に３
Ｖを印加した。素子の抵抗が約５Ωであるから６００ｍ
Ａの電流が流れるはずであるが、電流抑制層の動作によ
り約４００ｍＡに制限された。

比較のためにこの素子のＰＴＣ層間のみ、すなわち、Ｓ
Ｅ間に１．８Ｖの電圧を印加した。その結果を第９図の
点線に示す。この図に示されるように、初期電流が約６
００ｍＡ流れ、オームの法則が成１７．つとしたときの
ＳＥ間電圧（１，８Ｖ）／ＳＥ間抵抗抵抗、８オーム）
−約０．６４Ａの計算値とほぼ一致し、そのことから電
流は印加電圧に依存するといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による一態様を示す素子の断面図、第
２図はこの発明の他の態様を示す断面図、第３図Ａはこ
の発明による一態様を示す素子の断面図、第３図Ｂは第
３図Ａに示す素子の回路構成図、第４〜５図はこの発明
の他の態様を示す断面図、第６図Ａはこの発明の他の態
様を示す断面図、第６図Ｂは第６図Ａに示す索ｒの回路
構成図、第７図はこの発明の素子および従来の素子の電
流−経過時間の関係を示すグラフ、第８図は実施例の素
子の静特性を示すグラフ、第９図は実施例の素子の動特
性を示すグラフ、第１０図は従来の回路保護素子を示す
断面図、第１１図はＰＴＣ特性を示す温度−抵抗関連グ
ラフ、第１２図は電流抑制層の印加電圧−電流特性を示
すグラフである。 １・・・回路保護素子、２・・・ＰＴＣ層、３・・・電
流抑１□１１層、４・・・電極、５・・・貫通孔、７・
・・共通導電層、８・・・導電層 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 Ｐｂ　　（Ｅ） ＤＥ 第８図 第１０図 温度 第１１図 印加電圧　（Ｖ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．しきい電流以上を流さない電流抑制層と、該電流抑
   制層と電気的熱的に接続したＰＴＣ特性を有するＰＴＣ
   層と、外部と電気的に接続する少なくとも２の電極とを
   含むことを特徴とする回路保護素子。
2. ２．ＰＴＣ層が重合体に導電性粒子が分散されたもので
   ある、特許請求の範囲第１項記載の回路保護素子。