JP4735874B2

JP4735874B2 - 保護素子

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Publication number: JP4735874B2
Application number: JP2009063176A
Authority: JP
Inventors: 雅巳川津; 則和岩崎
Original assignee: Sony Chemical and Information Device Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2019-04-16
Also published as: JP2009135114A

Description

本発明は、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子の実装方法に関する。

チップ状の電流ヒューズとして、基板上にヒューズエレメントを設けた保護素子が知られている。また、このような保護素子であって、ヒューズエレメントに近接して発熱体を設けたものは、過電圧防止装置にも使用されている（特許文献１、特許文献２）。

図２（ｂ）、（ｃ）は、このような保護素子１ｏの平面図及び断面図である。この保護素子１ｏでは、基板２上に電極３ａ、３ｂ、３ｃが設けられ、これら電極３ａ、３ｂ、３ｃに架かるように、ヒューズエレメント４として半田箔が設けられている。また、電極３ｂの下面には、絶縁層８を介して発熱体７が設けられている。この発熱体７は、電極３ｏから配線３ｘ、３ｙを通して通電加熱される。

この保護素子１ｏの製造工程においては、基板２上に配線３ｘ、３ｙ、発熱体７、絶縁層８及び電極３ａ、３ｂ、３ｃが形成された後、同図（ａ）に示すように、電極３ａ、３ｂ、３ｃ上にソルダーペースト５が塗布され、その上にヒューズエレメント４がマウントされ、さらに必要に応じてカバー（図示せず）が被せられる。こうして得られた保護素子１ｏは、通常、リフローや半田づけ等の手法を用いてベース回路基板に加熱実装される。

そこで、ヒューズエレメント４の構成材料としては、保護素子１ｏの実装時にヒューズエレメント４が溶断することを防止するため、保護素子１ｏの実装温度より高い固相点、特に、実装時に到達する最高温度より高い固相点と、さらに高い液相点を有するものが使用される。また、ソルダーペースト５の構成材料としては、液相点が最低でも加熱実装時の温度以上のものが選択されている。例えば、保護素子１ｏの回路基板への実装温度を２５０℃とする場合、その保護素子１ｏのソルダーペースト５としては、液相点２５０℃以上のものが使用され、ヒューズエレメント４としては、固相点がソルダーペースト５の液相点よりも高いものが使用される。

特許２７９０４３３号特開平８−１６１９９０号公報

上述の保護素子１ｏを被保護装置の保護装置に使用した場合、被保護装置の異常時には、ヒューズエレメント４に過電流が流れてヒューズエレメント４が溶断するか、あるいは電極３ｏからの配線３ｘ、３ｙを通して発熱体７が通電加熱され、その熱によってヒューズエレメント４が溶断する。しかしながら、ヒューズエレメント４の液相点が高いため、ヒューズエレメント４の温度上昇開始から溶断までの時間が長く、保護素子としての動作レスポンスが遅いという問題がある。また、ヒューズエレメント４の溶断までに時間がかかるために、保護素子１ｏのベース回路基板へ実装部分が、ヒューズエレメント４の溶断前に溶融し、保護素子１ｏがベース回路基板からはずれたり、周辺実装部品、基板配線などに不具合が引き起こされるという問題もある。

さらに、保護素子１ｏのソルダーペースト５とヒューズエレメント４のそれぞれの液相点と固相点に上述の関係を持たせることは、材料選択の余地が狭まり、コスト高になるという問題もある。特に、動作レスポンスを改善するため、ヒューズエレメント４の固相点を保護素子１ｏの実装温度に近づけて実装温度よりも僅かに高い程度にしようとしても、そのような固相点を有する好適なヒューズエレメント材料を見出すことは困難である。

本発明は以上のような従来技術の問題点を解決しようとするものであり、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子において、動作レスポンスを改善し、ヒューズエレメントの材料選択の幅を広げ、製造コストを低下させることを目的としている。

本発明者らは、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子において、保護素子の実装時にヒューズエレメントが溶断することを防止するためには、ヒューズエレメントの構成材料として、その液相点を保護素子の実装温度より高くすれば、固相点は必ずしも実装温度より高くする必要はないこと、即ち、固相点を実装温度以下としても、液相点が実装温度よりも高ければ、実装時にヒューズエレメントは当初の形状を完全には保持しないが、溶断もしないので、ヒューズエレメントとしての機能が維持されることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、基板上の電極にソルダーペーストを介することなくヒューズエレメントが設けられている保護素子であって、ヒューズエレメントの液相点が、該保護素子に予定される実装温度よりも高く、ヒューズエレメントの固相点が、該保護素子に予定される実装温度以下である保護素子を提供する。

本発明によれば、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子を架電圧防止装置等の回路基板に実装するにあたり、ヒューズエレメントの固相点を従来例よりも低く設定するので、動作レスポンスを改善することができる。また、これによりヒューズエレメントの材料選択の幅を広げ、製造コストを低下させることが可能となる。さらに、被保護装置の異常時に別途ヒーターでヒューズエレメントが加熱されて溶断するように保護素子を使用した場合において、保護素子のヒューズエレメント以外の周辺部品への熱による影響を低減し、実装の信頼性を向上させることができる。

また、ヒューズエレメントの固相点を実装温度以下としたので、実装時にヒューズエレメントはリフロー状態となる。したがって、ヒューズエレメントを電極上に、ソルダーペーストを介することなく設けることが可能となる。よって、材料削減、製造パラメータの簡易化等により製造コストを低減し、歩留まりを向上させることができる。

本発明の保護素子の製造工程の説明図である。保護素子の製造工程の説明図である。保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。過電圧防止装置の回路図である。保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。過電圧防止装置の回路図である。保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。

以下、図面を参照しつつ本発明の保護素子を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。

本発明の保護素子は、基板上の電極にヒューズエレメントが設けられているものであり、個々の基板、電極、ヒューズエレメントそれ自体の形状や配置には特に制限はない。したがって、本発明の保護素子は、基板上の電極にヒューズエレメントを設けたチップ状の電流ヒューズとして構成してもよく、さらに発熱体をヒューズエレメントに近接して設け、過電圧防止装置にも使用できる保護素子として構成してもよい。例えば、前述の図２で説明した従来の保護素子１ｏと同様の配置とすることができる。

基板及び電極の構成材料については、特に制限はなく、従来の保護素子と同様とすることができるが、ヒューズエレメントについては、液相点が、当該保護素子に予定される実装温度よりも高く、好ましくは実装時の最高到達温度よりも高いものとする。また、固相点が、実装温度以下、好ましくは、実装時の最高到達温度以下のものを使用する。これにより、ヒューズエレメントの構成材料の選択の幅を大きく広げることができる。また、実装時にヒューズエレメントの溶融が始まった状態になるので、電極とヒューズエレメントとの間にソルダーペーストを介さなくても、ヒューズエレメントを電極に良好にマウントすることができる。例えば、図１（ａ）に示したように、電極３ａ、３ｂ、３ｃ上にソルダーペーストに代えてロジン等のフラックス６を塗布しただけで、同図（ｂ）、（ｃ）に示すように、ヒューズエレメント４を電極３ａ、３ｂ、３ｃと良好に接合させ、保護素子１を得ることができる。よって、保護素子１の製造コストを低下させることができる。また、ヒューズエレメント４として特定の組成の半田箔をソルダーペーストを介してマウントした場合には、リフロー時に半田箔が溶断することがあるが、ソルダーペーストを使用しない場合には、このような問題も解消することができる。

ヒューズエレメント４の液相点と固相点との差は、５℃以上とすることが好ましく、より好ましくは１０℃以上とする。液相点と固相点との差が５℃未満であると、一般に生じる実装温度のバラツキに対応できず、ヒューズエレメントが溶断する場合がある。このようなバラツキをなくすことができれば、液相点と固相点との差が小さいことによるヒューズエレメントの溶断は問題とならないが、このようなバラツキを解消するためには、ヒューズエレメント４の製造条件を非常に厳しくしなくてはならないので好ましくない。また、ヒューズエレメント４の液相点が実装時の最高到達温度よりも５０℃以上高くなると、保護素子１の動作レスポンスが遅くなるので好ましくない。

このような液相点と固相点を有するヒューズエレメント４の構成材料は、公知のヒューズエレメント材料から適宜選択することができ、例えば、ＳｎとＰｂからなる半田箔、一般半田等を使用することができる。この場合、ヒューズエレメント４に所定の固相点と液相点を持たせるためには、その構成材料の成分比を調整すればよい。特に、ＳｎとＰｂからなる半田箔を使用する場合、ＳｎとＰｂの比率を適宜変えることにより連続的に液相点を調整することができる。

本発明の保護素子を、過電圧防止装置にも使用できる保護素子として構成するため、基板上の電極にヒューズエレメントを設けるだけでなく、さらに、ヒューズエレメントに近接して発熱体も設ける場合に、ヒューズエレメントと発熱体を近接させるとは、上述の図１、図２や、特許第２７９０４３３号、特開平８−１６１９９０号公報に記載されているように、発熱体上に絶縁層を介してヒューズエレメント（低融点金属体）を積層した態様、特願平１１−９４３８５号明細書に記載されているように、発熱体上に絶縁層を介することなくヒューズエレメントを積層した態様、特開平１０−１１６５４９号公報、特開平１０−１１６５５０号公報に記載されているように、発熱体とヒューズエレメントとを基板上に平面的に配置した態様のいずれも包含する。

例えば、図３に示した保護素子１ｐのように、基板２上に、抵抗ペーストの塗布などにより形成される発熱体７、絶縁層８、ヒューズ材料からなるヒューズエレメント４が順次積層された構造とすることができる。図中、３ｘ、３ｙは発熱体用電極であり、３ａ、３ｂはヒューズエレメント用電極である。また、９は固形フラックス等からなり、ヒューズエレメント４の表面酸化を防止するためにヒューズエレメント４を封止している内側封止部であり、１０はヒューズエレメント４よりも高融点又は高軟化点を有する材料からなり、ヒューズエレメント４の溶断時に溶融物が素子外へ流出することを防止する外側封止部である。

図４は、このような保護素子１ｐを用いた過電圧防止装置の回路図である。この回路において、端子Ａ1、Ａ2には、例えばリチウムイオン電池等の被保護装置の電極端子が接続され、端子Ｂ1、Ｂ2には、被保護装置に接続して使用される充電器等の装置の電極端子が接続される。この過電圧防止装置によれば、リチウムイオン電池の充電が進行し、ツエナダイオードＤに降伏電圧以上の逆電圧が印加されると、急激にベース電流ｉb が流れ、それにより大きなコレクタ電流ｉc が発熱体７に流れ、発熱体７が発熱する。この熱が、発熱体７上のヒューズエレメント４に伝達し、ヒューズエレメント４が溶断し、端子Ａ1、Ａ2 に過電圧の印加されることが防止される。

図５は、上述の図３の保護素子１ｐと異なる態様の保護素子１ｑの平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。この保護素子１ｑにおいては、中間電極３ｚを介して２つの発熱体７が接続され、その上に絶縁層８を介してヒューズエレメント４が設けられている。

図６は、このような保護素子１ｑを用いた過電圧防止装置の回路図である。上述の図４の回路の過電圧防止装置では、過電圧によりヒューズエレメント４が溶断した後も引き続き発熱体７への通電が持続するが、この図６の回路の過電圧防止装置によれば、発熱体７の発熱により、ヒューズエレメント４が４ａと４ｂの２カ所で溶断されるので、これらの溶断の後は、発熱体７への通電が完全に遮断される。

図７の保護素子１ｒも、図６の回路の過電圧防止装置に使用できる保護素子である。この保護素子１ｒは、図５の保護素子１ｑに比して、ヒューズエレメント４の溶融時に、その溶融したヒューズエレメントで濡れる電極３ａ、３ｂや発熱体７の面積を十分に大きくして溶断を生じ易くし、発熱体７上の絶縁層８を省略したものである。発熱体７上の絶縁層８が省略されているので、動作時間をいっそう短縮することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

実施例１〜７
表１の半田箔とソルダーペーストを用いて、ソルダーペーストを使用しない図１の保護素子又はソルダーペーストを使用する図２の保護素子を作製した。この場合、基板２としてはアルミナ基板（３ｍｍ×５ｍｍ）を使用し、半田箔の大きさは、０．１５ｍｍ（厚さ）×１．０ｍｍ（幅）×４．２ｍｍ（長さ）とした。

評価
各実施例及び比較例で得られた保護素子に対し、(a)オーブン耐熱性、(b)ヒーター抵抗、(c)ヒューズ抵抗、(d)４Ｗ動作時間、(e)１０Ａ溶断時間、をそれぞれ次のように測定した。結果を表２〜４に示す。

(a)オーブン耐熱性：半田箔の酸化防止を図ると共に、半田箔を溶けやすい条件とするため、まず、各保護素子をフラックスで覆った。なお、保護素子にキャップは設けなかった。次に、各保護素子を所定の温度に設定したオーブン（ESPEC製 STH-120）中におき、その後、一旦下がったオーブン内温度が再度設定温度に到達した後、１分間放置し、オーブンから取り出して半田箔の溶断、未溶断を確認し、オーブンの設定温度を＋５℃又は−５℃変えて、同じ操作を繰り返した。この繰り返しにおいて、半田箔が一度も溶断しなかった温度を、耐熱性の指標とした。

(b)ヒーター抵抗：ヒーター部の抵抗値をマルチメータ（ADVANTEST TR 6847）を用いて測定した。

(c)ヒューズ抵抗：半田箔の抵抗値をマルチメータ（ADVANTEST TR 6847）を用いて測定した。

(d)４Ｗ動作時間：ヒーター部に４Ｗ（電力値）印加し、発熱させ、その熱によって半田箔を溶断する場合において、４Ｗ印加開始から半田箔溶断までに要した時間を計測した。

(e)１０Ａ溶断時間：半田箔に１０Ａ流し、半田箔の自己発熱により半田箔を溶断する場合において、１０Ａ通電開始から半田箔溶断までに要した時間を計測した。

実施例１〜６のいずれも耐熱性及び動作レスポンスが良好であった。

特に、表２から、オーブン耐熱性は、ソルダーペーストと半田箔の双方とも液相点の高い方が良好になることがわかる。

４Ｗ動作時間の評価では、ソルダーペーストを使用した実施例１〜５よりもソルダーペーストを使用しなかった実施例６の保護素子の方が動作時間が速かった。これは、実施例６の保護素子は、ソルダーペーストを使用しない分、動作時に溶融する半田の量や電極上を濡らす半田の量が少ないためと考えられる。

１０Ａ溶断時間の評価では、実施例６の保護素子は、比較例１に比して平均で１０秒も速く溶断した。

本発明の実装方法は、基板上にヒューズエレメントが設けられている保護素子を過電圧防止装置等の回路基板に実装する方法として有用である。

１、１ｏ、１ｐ、１ｑ、１ｒ保護素子
２基板
３ａ、３ｂ、３ｃ電極
４ヒューズエレメント
５ソルダーペースト
６フラックス
７発熱体
８絶縁層
９内側封止部
１０外側封止部

Claims

基板上の電極にソルダーペーストを介することなくヒューズエレメントが設けられている保護素子であって、ヒューズエレメントの液相点が、該保護素子に予定される実装温度よりも高く、ヒューズエレメントの固相点が、該保護素子に予定される実装温度以下である保護素子。
ヒューズエレメントにおけるＳｎ：Ｐｂの質量比が２５：７５〜３３：６７である請求項１記載の保護素子。