特開 2024-1714 保護素子、及び保護素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024001714

(43)【公開日】2024-01-10

(54)【発明の名称】保護素子、及び保護素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01H 37/76 20060101AFI20231227BHJP

【ＦＩ】

H01H37/76 F

H01H37/76 L

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022100560

(22)【出願日】2022-06-22

(71)【出願人】

【識別番号】000108410

【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113424

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 信博

(74)【代理人】

【識別番号】100185845

【弁理士】

【氏名又は名称】穂谷野 聡

(72)【発明者】

【氏名】小森 千智

【テーマコード（参考）】

5G502

【Ｆターム（参考）】

5G502AA01

5G502AA02

5G502AA20

5G502BA08

5G502BB08

5G502BB13

5G502BB16

5G502BB17

5G502BC07

5G502BC08

5G502BC20

5G502BD02

5G502BD10

5G502CC04

5G502CC28

5G502CC32

5G502EE06

5G502FF08

5G502JJ01

(57)【要約】

【課題】電極形成材料の使用量の削減を図りつつ、導通性、接続性を維持し、大電流化にも対応可能な保護素子を提供する。
【解決手段】絶縁基板２と、絶縁基板２に設けられた発熱体３と、絶縁基板２に設けられた第１の電極４及び第２の電極５と、第１の電極４と第２の電極５との間に配置されると共に、発熱体３の一端側と電気的に接続された発熱体引出電極６と、第１の電極４、第２の電極５及び発熱体引出電極６の面上に配置されて、第１の電極４と発熱体引出電極６との間及び第２の電極５と発熱体引出電極６との間を電気的に接続する可溶導体７とを備え、第１の電極４、第２の電極５及び発熱体引出電極６の可溶導体７と接続される接続部８の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁基板と、
前記絶縁基板に設けられた発熱体と、
前記絶縁基板に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されると共に、前記発熱体の一端側と電気的に接続された発熱体引出電極と、
前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極の面上に配置されて、前記第１の電極と前記発熱体引出電極との間及び前記第２の電極と前記発熱体引出電極との間を電気的に接続する可溶導体とを備え、
前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極の前記可溶導体と接続される接続部の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されていることを特徴とする保護素子。

【請求項2】

前記接続部は、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極の各前記可溶導体が搭載される部位と、当該部位にそれぞれ積層された接続電極からなる請求項１に記載の保護素子。

【請求項3】

前記接続電極の成分は、各々積層される前記第１の電極、前記第２の電極又は前記発熱体引出電極の成分と同じである請求項２に記載の保護素子。

【請求項4】

前記接続部の厚さは、２０μｍ以上である請求項１～３のいずれか１項に記載の保護素子。

【請求項5】

前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極は１０μｍ以上の厚さを有する請求項４に記載の保護素子。

【請求項6】

前記接続部の厚さは、各々積層される前記第１の電極、前記第２の電極又は前記発熱体引出電極の前記接続部以外の部位の厚さの２倍以上である請求項１又は２に記載の保護素子。

【請求項7】

前記発熱体は、前記絶縁基板の前記可溶導体が設けられた表面と反対側の裏面に形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の保護素子。

【請求項8】

前記発熱体は、前記絶縁基板の前記可溶導体が設けられた表面に形成され、
前記発熱体を被覆する絶縁保護層を有し、
前記発熱体引出電極は、前記絶縁保護層上に設けられている、請求項１～３のいずれか１項に記載の保護素子。

【請求項9】

前記絶縁基板は、セラミックス基板である、請求項１～３のいずれか１項に記載の保護素子。

【請求項10】

絶縁基板と、
前記絶縁基板の裏面に配置された発熱体と、
前記絶縁基板に配置された第１の電極及び第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極の面上に配置されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間を電気的に接続する可溶導体とを備え、
前記第１の電極及び前記第２の電極の前記可溶導体と接続される接続部の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されていることを特徴とする保護素子。

【請求項11】

前記接続部は、前記第１の電極及び前記第２の電極の各前記可溶導体が搭載される部位と、当該部位にそれぞれ積層された接続電極からなる請求項１１に記載の保護素子。

【請求項12】

絶縁基板上に導電ペーストを印刷し、焼成することにより、第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された発熱体引出電極を形成する工程と、
前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極に導電ペーストを印刷し、焼成することにより、前記第１の電極及び前記発熱体引出電極、並びに前記第２の電極及び前記発熱体引出電極を接続する可溶導体が接続される接続電極を形成する工程を有し、
前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極の前記可溶導体と接続される接続部の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されている、保護素子の製造方法。

【請求項13】

絶縁基板上に導電ペーストを印刷し、焼成することにより、第１の電極及び第２の電極を形成する工程と、
前記第１の電極及び前記第２の電極に導電ペーストを印刷し、焼成することにより、前記第１の電極及び前記第２の電極を接続する可溶導体が接続される接続電極を形成する工程を有し、
前記第１の電極及び前記第２の電極の前記可溶導体と接続される接続部の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されている、保護素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、電流経路上に実装され、定格を超える電流が流れた時に発熱体による加熱で可溶導体を溶断し当該電流経路を遮断する保護素子に関する。

【背景技術】

【0002】

リチウムイオン２次電池（ＬｉＢ）は高出力・高エネルギー密度を有する電池であり、電池の性能向上と共に、様々なアプリケーションへ適用されている。しかしながら、ＬｉＢは、何らかの影響で充放電を制御するＩＣやＦＥＴ等が故障することで、過充電状態になった場合に、発煙発火のリスクを有する電池であり、その２次的な保護対策として、発熱体付き保護素子が採用されている。ＬｉＢ搭載アプリケーションの拡大と共に、ＬｉＢの生産数量も増加し、ＬｉＢを保護する保護素子の需要も高まっている。

【0003】

図１２に示すように、一般に発熱体付き保護素子１００は、絶縁基板１０１と、絶縁基板１０１の表面１０１ａに形成され保護回路と接続される第１、第２の電極１０２，１０３と、絶縁基板１０１の裏面１０１ｂに形成され、外部信号に基づき通電し発熱する発熱体１０５と、発熱体１０５と電気的に接続された発熱体引出電極１０６と、第１、第２の電極１０２，１０３間にわたって接続される可溶導体１０７とを備える。

【0004】

第１、第２の電極１０２，１０３や発熱体引出電極１０６は、絶縁基板１０１の表面１０１ａ上に銀ペーストを塗布、焼成することにより形成されている。このため、それぞれの電極１０２，１０３，１０６は、全体的に同じ厚さになっている。可溶導体１０７は、接続ハンダ等の接続材料によって第１、第２の電極１０２，１０３や発熱体引出電極１０６上に接続される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－１７４５９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年のＬｉＢ搭載アプリケーションの拡大に伴い、保護素子には、さらなる大電流化及び低価格化の要求が高まっている。第１、第２の電極や発熱体引出電極を構成する銀ペーストは高価であり、その使用量の削減も検討されるが、電極厚みを薄くすると（例えば１０μｍ未満）、焼結及び固定用の成分として含有するガラス成分が焼成に伴い電極表面に析出し、可溶導体との導通性や絶縁基板及び可溶導体との接続性を損なう恐れが生じる。また、電極厚みを薄くすることにより、導体抵抗も上昇し、大電流化の障害ともなり得る。さらに、銀ペーストの使用量を削減するために電極面積を小さくした場合には、可溶導体も小型化する必要が生じ、大電流化に対応することが困難となる。

【0007】

本技術は、電極形成材料の使用量の削減を図りつつ、導通性、接続性を維持し、大電流化にも対応可能な保護素子、及び保護素子の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述した課題を解決するために、本技術に係る保護素子は、絶縁基板と、前記絶縁基板に設けられた発熱体と、前記絶縁基板に設けられた第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されると共に、前記発熱体の一端側と電気的に接続された発熱体引出電極と、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極の面上に配置されて、前記第１の電極と前記発熱体引出電極との間及び前記第２の電極と前記発熱体引出電極との間を電気的に接続する可溶導体とを備え、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極の前記可溶導体と接続される接続部の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されていることを特徴とするものである。

【0009】

上述した課題を解決するために、本技術に係る保護素子は、絶縁基板と、前記絶縁基板の裏面に配置された発熱体と、前記絶縁基板に配置された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の面上に配置されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間を電気的に接続する可溶導体とを備え、前記第１の電極及び前記第２の電極の前記可溶導体と接続される接続部の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されていることを特徴とするものである。

【0010】

また、本技術に係る保護素子の製造方法は、絶縁基板上に導電ペーストを印刷し、焼成することにより、第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された発熱体引出電極を形成する工程と、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極に導電ペーストを印刷し、焼成することにより、前記第１の電極及び前記発熱体引出電極、並びに前記第２の電極及び前記発熱体引出電極を接続する可溶導体が接続される接続電極を形成する工程を有し、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記発熱体引出電極の前記可溶導体と接続される接続部の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されているものである。

【0011】

また、本技術に係る保護素子の製造方法は、絶縁基板上に導電ペーストを印刷し、焼成することにより、第１の電極及び第２の電極を形成する工程と、前記第１の電極及び前記第２の電極に導電ペーストを印刷し、焼成することにより、前記第１の電極及び前記第２の電極を接続する可溶導体が接続される接続電極を形成する工程を有し、前記第１の電極及び前記第２の電極の前記可溶導体と接続される接続部の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されているものである。

【発明の効果】

【0012】

本技術によれば、電極形成材料の使用量の削減を図りつつ、導通性、接続性を維持し、大電流化にも対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本技術が適用された保護素子を示す図であり、（Ａ）はケースを省略して示す平面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は断面図である。

【図2】図２は、可溶導体が溶断した状を示す平面図である。

【図3】図３は、第１の電極の接続部を示す断面図である。

【図4】図４は、接続部を、第１の電極及び第２の電極の内側縁からやや内側に形成した構成を示す平面図である。

【図5】図５は、可溶導体の断面図である。

【図6】図６は、バッテリパックの構成例を示す回路図である。

【図7】図７は、本技術が適用された保護素子の回路図である。

【図8】図８は、変形例に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）はケースを省略して示す平面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は断面図である。

【図9】図９は、変形例に係る保護素子において、ケース、発熱体引出電極、及び可溶導体を省略して示す平面図である。

【図10】図１０は、他の変形例に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）はケースを省略して示す平面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は断面図である。

【図11】図１１は、他の変形例に係る保護素子の回廊構成を示す図である。

【図12】図１２は、発熱体付き保護素子を示す図であり、（Ａ）はケースを省略して示す平面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本技術が適用された保護素子及び保護素子の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本技術は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本技術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。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

【0015】

本技術が適用された保護素子１は、図１（Ａ）～（Ｃ）に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２に設けられた発熱体３と、絶縁基板２に設けられた第１の電極４及び第２の電極５と、第１の電極４と第２の電極５との間に配置されると共に、発熱体３の一端側と電気的に接続された発熱体引出電極６と、第１の電極４、第２の電極５及び発熱体引出電極６の面上に配置されて、第１の電極４と発熱体引出電極６との間及び第２の電極５と発熱体引出電極６との間を電気的に接続する可溶導体７とを備える。そして、保護素子１は、第１の電極４、第２の電極５及び発熱体引出電極６の可溶導体７と接続される接続部８の厚さが、それ以外の部分の厚さよりも厚く形成されている。

【0016】

第１の電極４、第２の電極５及び発熱体引出電極６は、可溶導体７と接続される接続部８が、それ以外の部分の厚さより厚く形成されている、すなわち、接続部８以外の部分の厚みを薄く形成できるため、全面が均一の厚さで形成する場合に比して、第１の電極４、第２の電極５及び発熱体引出電極６を形成する電極形成材料の使用量の削減を図ることができる。

【0017】

また、電極形成材料には、焼結及び絶縁基板２との固定用の成分としてガラス成分が含有されており、電極厚みを極端に薄くするとガラス成分が電極表面に析出し可溶導体７との導通性や接続性を損なう恐れが生じるが、保護素子１は、可溶導体７と接続される接続部８においては、十分な厚みを有するため、ガラス成分の析出もなく可溶導体７との導通性及び接続性を維持することができる。さらに、接続部８が十分な厚みを有することで、導通抵抗の上昇を招くこともない。したがって、電極形成材料の使用量の削減を図りつつ、導通性、接続性を維持し、大電流化にも対応することができる。

【0018】

このような保護素子１は、外部回路に組み込まれることにより、可溶導体７が当該外部回路の電流経路の一部を構成し、発熱体３の発熱、あるいは定格を超える過電流によって溶断することにより電流経路を遮断する（図２参照）。以下、保護素子１の各構成について詳細に説明する。

【0019】

［絶縁基板］
絶縁基板２は、例えばアルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成される。その他、絶縁基板２は、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよい。なお、本明細書では、絶縁基板２の可溶導体７が搭載される面を表面２ａとし、可溶導体７が搭載される面と反対側の面を裏面２ｂとする。

【0020】

［第１、第２の電極］
絶縁基板２の表面２ａの相対向する両端部には、第１の電極４及び第２の電極５が形成されている。第１の電極４及び第２の電極５は、それぞれ、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらの合金等の導電パターンによって形成されている。第１の電極４及び第２の電極５は、例えばＡｇペーストをスクリーン印刷により所定のパターンで印刷した後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。

【0021】

第１の電極４は、絶縁基板２の表面２ａより、キャスタレーションを介して裏面２ｂに形成された第１の外部接続電極１１と連続されている。また、第２の電極５は、絶縁基板２の表面２ａより、キャスタレーションを介して裏面２ｂに形成された第２の外部接続電極１２と連続されている。保護素子１が外部回路基板に実装されると、第１、第２の外部接続電極１１，１２が、当該外部回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、可溶導体７が当該外部回路基板上に形成された電流経路の一部に組み込まれる。

【0022】

第１、第２の電極４，５は、接続ハンダ等の導電接続材料を介して接続部８に可溶導体７が搭載されることにより、可溶導体７を介して電気的に接続されている。また、図２に示すように、第１、第２の電極４，５は、発熱体３が通電に伴って発熱し可溶導体７が溶断することにより、あるいは保護素子１に定格を超える大電流が流れ可溶導体７が自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、接続遮断される。

【0023】

［発熱体引出電極］
発熱体引出電極６は、第１の電極４と第２の電極５の間の領域に設けられ、一端が後述する中間電極１４と接続されている。また、発熱体引出電極６は、接続ハンダ等の接合材料を介して、第１、第２の電極４，５間において、可溶導体７が接続されている。

【0024】

［接続部］
これら、第１の電極４、第２の電極５、及び発熱体引出電極６は、可溶導体７が接続される接続部８が形成されている。図３は、第１の電極４の接続部８を示す断面図である。図１、図３に示すように、接続部８は、第１の電極４及び第２の電極５の可溶導体７が接続される部位、例えば第１、第２の電極４，５の各内側縁に沿って、また発熱体引出電極６の中央部に、接続電極１０が積層されることにより形成されている。可溶導体７は、接続電極１０と接続用ハンダなどの接続材料を介して接続される。

【0025】

接続電極１０は、第１、第２の電極４，５や発熱体引出電極６と同じ成分で形成されていることが好ましい。例えば、接続電極１０は、Ａｇペーストをスクリーン印刷により所定のパターンで印刷した後、所定の温度で焼成して形成することにより、Ａｇペーストに含まれる溶融したガラス成分によって、先に形成した第１、第２の電極４，５や発熱体引出電極６と積層一体化する。これにより、接続部８は、十分な厚みを有するため、ガラス成分の析出もなく可溶導体７との導通性及び接続性を維持することができる。

【0026】

また、接続部８はそれ以外の部分の厚さよりも厚く形成され、接続電極１０が第１、第２の電極４，５上や発熱体引出電極６上に突出する。これにより、外部からの熱や圧力を可溶導体７との接続部位となる接続電極１０に効率的に伝達することができる。したがって、例えばはんだごて等で可溶導体７を接続電極１０上に実装する場合にも、熱と圧力が第１、第２の電極４，５の全体に拡散することなく、効率よく接続電極１０に供給することができる。

【0027】

また、接続部８はそれ以外の部分の厚さよりも厚く形成されているため、可溶導体７の実装時に可溶導体７を接続する接続ハンダ等の溶融体が接続部８に凝集し、第１、第２の電極４，５の外縁側に流出することを防止することができる。したがって、接続ハンダ等の溶融体が第１、第２の外部接続電極１１，１２まで濡れ広がることを防止でき、可溶導体７の接続や保護素子１と外部回路基板との接続を維持することができる。

【0028】

図１に示すように、接続部８は、第１、第２の電極４，５上において、可溶導体７と略同等の面積を有することが好ましい。接続部８が可溶導体７よりも小さすぎると、導通抵抗の上昇を招くおそれがある。また、接続部８の面積が可溶導体７よりも大きすぎても、電極材料の使用量の削減効果が低下する。このため、接続部８の大きさは可溶導体７を配置した際に、第１、第２の電極４，５上における可溶導体７の接続部８に対する重畳面積割合が９０％～１１０％となるように接続部８を形成することが好ましい。

【0029】

接続部８の厚さ、すなわち第１の電極４及び接続電極１０の合計厚み、第２の電極５及び接続電極１０の合計厚み、並びに発熱体引出電極６及び接続電極１０の合計厚みは、各々２０μｍ以上とすることが好ましい。これにより、接続電極１０の形成過程や可溶導体７の実装工程において、接続電極１０の表面にガラス成分が析出することを抑制でき、可溶導体７の導通性、及び機械的な接続信頼性を確保することができる。

【0030】

また、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６は、１０μｍ以上の厚さを有することが好ましい。これにより、接続部８以外の領域においてもガラス成分の析出を抑制でき、絶縁基板２との機械的な接続信頼性を確保することができる。

【0031】

接続部８の厚さは、第１、第２の電極４，５や発熱体引出電極６の接続部８以外の部位の厚さの２倍以上とすることが好ましい。接続部８における印刷回数を増やし、接続部８の厚さがそれ以外の部分の厚さより厚くなることで、可溶導体５を接続するための接続ハンダ等の接合材料の濡れ性を向上させることができる。なお、第１、第２の電極４，５、発熱体引出電極６及び接続電極１０を形成する導電ペーストの印刷及び焼成は、複数回繰り返すことにより、所望の厚みで形成することができる。

【0032】

また、図４に示すように、接続部８は、第１の電極４及び第２の電極５の内側縁からやや内側に形成してもよい。接続部８はそれ以外の部分の厚さよりも厚く形成されることにより突出しているため、可溶導体７の溶断時において、溶融導体７ａが接続部８上に凝集するように、第１、第２の電極４，５側に積極的に張力が作用し、より速やかに第１の電極４と発熱体引出電極６との間、及び第２の電極５と発熱体引出電極６との間を溶断することができる。このとき、接続部８が第１の電極４及び第２の電極５の内側縁からやや内側に形成されることで、溶断後に各接続部８に凝集した溶融導体７ａの接触を防ぎ、絶縁信頼性を向上させることができる。

【0033】

なお、第１、第２の電極４，５及び接続部８の表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜が、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。これにより、保護素子１は、第１、第２の電極４，５及び接続部８の酸化を防止し、導通抵抗の上昇に伴う定格の変動を防止することができる。また、保護素子１をリフロー実装する場合に、可溶導体７を接続する接続用ハンダが溶融することにより接続部８を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。

【0034】

なお、第１、第２の電極４，５は、第１、第２の外部接続電極１１，１２と接続される外部回路基板の電極に設けられた接続用ハンダがリフロー実装等において溶融し、キャスタレーションを介して第１、第２の電極４，５上に這い上がり、濡れ拡がることを防止する規制壁を設けてもよい。規制壁は、例えばガラスやソルダーレジスト、絶縁性接着剤等ハンダに対する濡れ性を有しない絶縁材料を用いて形成することができ、第１、第２の電極４，５上に印刷等により形成することができる。規制壁を設けることにより、溶融した接続用ハンダが第１、第２の電極４，５まで濡れ広がることを防止し、保護素子１と外部回路基板との接続性を維持することができる。

【0035】

［発熱体］
図１（Ｂ）に示すように、絶縁基板２の裏面２ｂには発熱体３が形成されている。発熱体３は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、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３は、これらの合金あるいは組成物、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絶縁基板２上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。一例として、発熱体３は、酸化ルテニウム系ペーストと銀とガラスペーストの混合ペーストを所定の電圧に応じて調整し、絶縁基板２の裏面２ｂの所定の位置に所定の面積で製膜し、その後、適正条件にて焼成処理を行うことにより形成することができる。また、発熱体３の形状は適宜設計できるが、図１（Ｂ）に示すように、絶縁基板２の形状に応じて略矩形状とすることが発熱面積を最大化するうえで好ましい。

【0036】

また、発熱体３は、一端部３ａが第１の引出電極１５と接続され、他端部３ｂが第２の引出電極１６と接続されている。第１の引出電極１５は、発熱体電極１７から発熱体３の一端部３ａに沿って引き出し形成され、図１に示す保護素子１では、略矩形状に形成された発熱体３の一側縁に沿って延在されるとともに、当該発熱体３の一側縁が重畳されている。同様に、第２の引出電極１６は、中間電極１４から発熱体３の他端部３ｂに沿って引き出し形成され、図１に示す保護素子１では、略矩形状に形成された発熱体３の他側縁に沿って延在されるとともに、当該発熱体３の他側縁が重畳されている。

【0037】

発熱体電極１７及び中間電極１４は、絶縁基板２の第１、第２の電極４，５が設けられた側縁と異なる相対向する側縁に形成されている。発熱体電極１７は、発熱体３への給電電極であり、第１の引出電極１５を介して発熱体３の一端部３ａと接続されるとともに、保護素子１が外部回路に接続する際の外部接続電極として機能する。

【0038】

発熱体電極１７、第１、第２の引出電極１５，１６、及び中間電極１４は、第１、第２の電極４，５と同様に、ＡｇやＣｕ又はこれらの合金等の導電ペーストを印刷、焼成することによって形成することができる。また、絶縁基板２の裏面２ｂ上に形成されるこれら各電極を同一の材料により構成することで、一度の印刷及び焼成工程で形成することができる。

【0039】

中間電極１４は、発熱体３と絶縁基板２の表面２ａに設けられた発熱体引出電極６との間に設けられる電極であり、発熱体３の他端部３ｂと接続されるとともに、キャスタレーションを介して絶縁基板２の表面２ａに形成された発熱体引出電極６と接続されている。発熱体引出電極６は、絶縁基板２を介して発熱体３と重畳するとともに可溶導体７と接続される。

【0040】

［絶縁保護層］
また、発熱体３、第１の引出電極１５及び第２の引出電極１６は、絶縁保護層９で被覆されていてもよい。絶縁保護層９は、発熱体３の保護及び絶縁を図るために設けられ、発熱体３の発熱温度に対する耐熱性を有するガラス等の絶縁材料により構成される。絶縁材料９を構成するガラス原料としては、例えばシリカ系ガラスのオーバーコート用ガラスペーストや絶縁用ガラスペーストがある。

【0041】

絶縁保護層９は、これらガラス系のペーストをスクリーン印刷等により塗布、焼成することにより形成することができる。図１に示す保護素子１では、絶縁保護層９は、絶縁基板２の裏面２ｂに形成された発熱体３、第１の引出電極１５及び第２の引出電極１６を覆うように形成されている。

【0042】

絶縁保護層９の厚さは、ガラスペースト等の塗布性や可溶導体７の遮断時間の観点から設定される。すなわち、絶縁保護層９の厚さは、ガラスペースト等の材料の塗布性や、求められる可溶導体７の遮断時間に応じて適宜設定され、例えば１０μｍ以上４０μｍ以下とされ、好ましくは２０μｍ以上４０μｍ以下とされる。

【0043】

［可溶導体］
次いで、可溶導体７について説明する。可溶導体７は、第１及び第２の電極４，５間にわたって実装され、発熱体３の通電による発熱、又は定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断し、第１の電極４と第２の電極５との間の電流経路を遮断するものである。可溶導体７は、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６上に接続ハンダ等の接合材料を介して接続される。

【0044】

可溶導体７は、発熱体３の通電による発熱、又は過電流状態によって溶融する導電性の材料であればよく、例えば、ＳｎＡｇＣｕ系のＰｂフリーハンダや、ＢｉＰｂＳｎ合金、ＢｉＰｂ合金、ＢｉＳｎ合金、ＳｎＰｂ合金、ＰｂＩｎ合金、ＺｎＡｌ合金、ＩｎＳｎ合金、ＰｂＡｇＳｎ合金等を用いることができる。

【0045】

また、可溶導体７は、高融点金属と、低融点金属とを含有する構造体であってもよい。例えば、図５に示すように、可溶導体７は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１８、低融点金属層１８に積層された外層として高融点金属層１９を有する。

【0046】

低融点金属層１８は、好ましくは、ハンダ又はＳｎを主成分とする金属であり、Ｐｂフリーハンダと一般的に呼ばれる材料である。低融点金属層１８の融点は、必ずしもリフロー温度よりも高い必要はなく、２００℃程度で溶融してもよい。高融点金属層１９は、低融点金属層１８の表面に積層された金属層であり、例えば、Ａｇ若しくはＣｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする金属であり、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６と可溶導体７との接続や保護素子１の外部回路基板上への実装をリフローによって行う場合においても溶融しない高い融点を有する。

【0047】

このような可溶導体７は、低融点金属箔に、高融点金属層をメッキ技術を用いて成膜することによって形成することができ、あるいは、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いて形成することもできる。また、可溶導体７は、低融点金属層１８の全面が高融点金属層１９によって被覆された構造としてもよく、相対向する一対の側面を除き被覆された構造であってもよい。なお、可溶導体７は、高融点金属層１９を内層とし、低融点金属層１８を外層として構成してもよく、また低融点金属層１８と高融点金属層１９とが交互に積層された３層以上の多層構造とする、外層の一部に開口部を設けて内層の一部を露出させるなど、様々な構成によって形成することができる。

【0048】

可溶導体７は、内層となる低融点金属層１８に、外層として高融点金属層１９を積層することによって、リフロー温度が低融点金属層１８の溶融温度を超えた場合であっても、可溶導体７として形状を維持することができ、溶断するに至らない。したがって、第１、第２の電極４，５及び発熱体引出電極６と可溶導体７との接続や保護素子１の外部回路基板上への実装を、リフローによって効率よく行うことができ、また、リフローによっても可溶導体７の変形に伴って局所的に抵抗値が高く又は低くなる等により所定の温度で溶断しない、あるいは所定の温度未満で溶断する等の溶断特性の変動を防止することができる。

【0049】

また、可溶導体７は、所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、定格よりも高い値の電流が流れると、自己発熱によって溶融し、第１、第２の電極４，５間の電流経路を遮断する。また、発熱体３が通電され発熱することにより溶融し、第１、第２の電極４，５間の電流経路を遮断する。

【0050】

このとき、可溶導体７は、溶融した低融点金属層１８が高融点金属層１９を溶食（ハンダ食われ）することにより、高融点金属層１９が溶融温度よりも低い温度で溶解する。したがって、可溶導体７は、低融点金属層１８による高融点金属層１９の浸食作用を利用して短時間で溶断することができる。また、可溶導体７の溶融導体７ａは、発熱体引出電極６及び第１、第２の電極４，５に設けた接続部８の物理的な引き込み作用により分断されることから、速やかに、かつ確実に、第１、第２の電極４，５間の電流経路を遮断することができる（図２）。

【0051】

また、可溶導体７は、低融点金属層１８の体積を、高融点金属層１９の体積よりも多く形成することが好ましい。可溶導体７は、過電流による自己発熱又は発熱体３の発熱によって加熱され、低融点金属が溶融することにより高融点金属を溶食し、これにより速やかに溶融、溶断することができる。したがって、可溶導体７は、低融点金属層１８の体積を高融点金属層１９の体積よりも多く形成することにより、この溶食作用を促進し、速やかに第１、第２の電極４，５間を遮断することができる。

【0052】

また、可溶導体７は、内層となる低融点金属層１８に高融点金属層１９が積層されて構成されているため、溶断温度を従来の高融点金属からなるチップヒューズ等よりも大幅に低減することができる。したがって、可溶導体７は、同一サイズのチップヒューズ等に比して、断面積を大きくでき電流定格を大幅に向上させることができる。また、同じ電流定格をもつ従来のチップヒューズよりも小型化、薄型化を図ることができ、速溶断性に優れる。

【0053】

また、可溶導体７は、保護素子１が組み込まれた電気系統に異常に高い電圧が瞬間的に印加されるサージへの耐性（耐パルス性）を向上することができる。すなわち、可溶導体７は、例えば１００Ａの電流が数ｍｓｅｃ流れたような場合にまで溶断してはならない。この点、極短時間に流れる大電流は導体の表層を流れることから（表皮効果）、可溶導体７は、外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属層１９が設けられているため、サージによって印加された電流を流しやすく、自己発熱による溶断を防止することができる。したがって、可溶導体７は、従来のハンダ合金からなるヒューズに比して、大幅にサージに対する耐性を向上させることができる。

【0054】

なお、可溶導体７は、酸化防止、及び溶断時の濡れ性の向上等のため、フラックス（図示せず）を塗布してもよい。また、保護素子１は、絶縁基板２がケース３０に覆われることによりその内部が保護されている。ケース３０は、例えば、各種エンジニアリングプラスチック、熱可塑性プラスチック、セラミックス、ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成することができる。また、ケース３０は、絶縁基板２の表面２ａ上に、可溶導体７が溶融時に球状に膨張し、溶融導体７ａが発熱体引出電極６や第１、第２の電極４，５上に凝集するのに十分な内部空間を有する。

【0055】

［回路構成例］
このような保護素子１は、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック２０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック２０は、複数の、例えば図６に示すように、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル２１ａ～２１ｄからなるバッテリスタック２５を有する。

【0056】

バッテリパック２０は、バッテリスタック２５と、バッテリスタック２５の充放電を制御する充放電制御回路２６と、バッテリスタック２５の異常時に充放電経路を遮断する本発明が適用された保護素子１と、各バッテリセル２１ａ～２１ｄの電圧を検出する検出回路２７と、検出回路２７の検出結果に応じて保護素子１の動作を制御するスイッチ素子となる電流制御素子２８とを備える。

【0057】

バッテリスタック２５は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル２１ａ～２１ｄが直列接続されたものであり、バッテリパック２０の正極端子２０ａ、負極端子２０ｂを介して、着脱可能に充電装置２２に接続され、充電装置２２からの充電電圧が印加される。充電装置２２により充電されたバッテリパック２０は、正極端子２０ａ、負極端子２０ｂをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、この電子機器を動作させることができる。

【0058】

充放電制御回路２６は、バッテリスタック２５と充電装置２２との間の電流経路に直列接続された２つの電流制御素子２３ａ、２３ｂと、これらの電流制御素子２３ａ、２３ｂの動作を制御する制御部２４とを備える。電流制御素子２３ａ、２３ｂは、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという。）により構成され、制御部２４によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック２５の電流経路の充電方向及び／又は放電方向への導通と遮断とを制御する。制御部２４は、充電装置２２から電力供給を受けて動作し、検出回路２７による検出結果に応じて、バッテリスタック２５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２３ａ、２３ｂの動作を制御する。

【0059】

保護素子１は、例えば、バッテリスタック２５と充放電制御回路２６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２８によって制御される。

【0060】

検出回路２７は、各バッテリセル２１ａ～２１ｄと接続され、各バッテリセル２１ａ～２１ｄの電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路２６の制御部２４に供給する。また、検出回路２７は、バッテリセル２１ａ～２１ｄのいずれか１つ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２８を制御する制御信号を出力する。

【0061】

電流制御素子２８は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路２７から出力される検出信号によって、バッテリセル２１ａ～２１ｄの電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子１を動作させて、バッテリスタック２５の充放電電流経路を電流制御素子２３ａ、２３ｂのスイッチ動作によらず遮断するように制御する。

【0062】

以上のような構成からなるバッテリパック２０に用いられる、本発明が適用された保護素子１は、図７に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１は、第１の外部接続電極１１がバッテリスタック２５側と接続され、第２の外部接続電極１２が正極端子２０ａ側と接続され、これにより可溶導体７がバッテリスタック２５の充放電経路上に直列に接続される。また、保護素子１は、発熱体３が発熱体電極１７を介して電流制御素子２８と接続されるとともに、発熱体３がバッテリスタック２５と接続される。このように、発熱体３は、一端を発熱体引出電極６を介して可溶導体７及びバッテリスタック２５の一端と接続され、他端を発熱体電極１７を介して電流制御素子２８及びバッテリスタック２５の他端と接続される。これにより電流制御素子２８によって通電が制御可能な発熱体３への給電経路が形成される。

【0063】

［保護素子の動作］
検出回路２７がバッテリセル２１ａ～２１ｄのいずれかの異常電圧を検出すると、電流制御素子２８へ遮断信号を出力する。すると、電流制御素子２８は、発熱体３に通電するよう電流を制御する。保護素子１は、バッテリスタック２５から、発熱体３に電流が流れ、これにより発熱体３が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体３の発熱により可溶導体７が溶断し、バッテリスタック２５の充放電経路を遮断する。また、保護素子１は、可溶導体７を高融点金属と低融点金属とを含有させて形成することにより、高融点金属の溶断前に低融点金属が溶融し、溶融した低融点金属による高融点金属の溶食作用を利用して短時間で可溶導体７を溶解させることができる。

【0064】

可溶導体７の溶融導体７ａは、第１の電極４、第２の電極５、及び発熱体引出電極６に形成された接続部８に凝集し、各電極間が遮断される。接続部８は、接続電極１０がそれ以外の部分から突出しているため、溶融導体７ａが接続部８上に凝集するように、第１、第２の電極４，５側に積極的に張力が作用し、より速やかに第１の電極４と発熱体引出電極６との間、及び第２の電極５と発熱体引出電極６との間を溶断することができる。また、可溶導体７の速やかな溶断が可能となることで、発熱体３が可溶導体７の溶断よりも先に損傷することも防止することができ、安全かつ速やかに電流経路を遮断できる。

【0065】

保護素子１は、可溶導体７が溶断することにより、発熱体３への給電経路も遮断されるため、発熱体３の発熱が停止される。

【0066】

なお、保護素子１は、バッテリパック２０に定格を超える過電流が通電された場合にも、可溶導体７が自己発熱により溶融し、バッテリパック２０の充放電経路を遮断することができる。

【0067】

このように、保護素子１は、発熱体３の通電による発熱、あるいは過電流による可溶導体７の自己発熱によって可溶導体７が溶断する。上述したように、保護素子１は、回路基板へのリフロー実装時や、保護素子１が実装された回路基板が更にリフロー加熱等の高温環境下に曝された場合にも、低融点金属が高融点金属によって被覆された構造を有することにより、可溶導体７の変形が抑制されている。したがって、可溶導体７の変形による抵抗値の変動等に起因する溶断特性の変動が防止され、所定の過電流や発熱体３の発熱によって速やかに溶断することができる。

【0068】

本発明に係る保護素子１は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電気信号による電流経路の遮断を必要とする様々な用途にももちろん応用可能である。

【0069】

［変形例１］
本技術が適用された保護素子の変形例について説明する。なお、以下の説明において上述した保護素子１と同じ部材については同一の符号を付してその詳細を省略することがある。図８に示す保護素子４０は、絶縁基板２の表面２ａに発熱体３、第１の引出電極１５、第２の引出電極１６、発熱体電極１７、及び絶縁保護層９を形成したものであり、その他の構成は上述した保護素子１と同様である。

【0070】

図９は、保護素子４０において、ケース３０、発熱体引出電極６、及び可溶導体７を省略して示す平面図である。発熱体電極１７及び中間電極１４は、絶縁基板２の表面２ａの第１、第２の電極４，５が設けられた側縁と異なる相対向する側縁に形成されている。発熱体電極１７は、キャスタレーションを介して絶縁基板２の裏面２ｂに形成された第３の外部接続電極１３と連続されている。第３の外部接続電極１３は、保護素子４０が外部回路に実装されることにより、電流制御素子２８と接続される。

【0071】

なお、発熱体電極１７は、第１、第２の電極４，５と同様に、第３の外部接続電極１３と接続される外部回路基板の電極に設けられた接続用ハンダがリフロー実装等において溶融し、キャスタレーションを介して発熱体電極１７上に這い上がり、発熱体電極１７上に濡れ拡がることを防止する規制壁を設けてもよい。

【0072】

発熱体３、第１の引出電極１５及び第２の引出電極１６は、第１の電極４と第２の電極５の間の領域に形成され、絶縁保護層９で被覆される。また、発熱体引出電極６は、一端を中間電極１４と接続されるとともに、絶縁保護層９上に形成され、これにより絶縁保護層９を介して発熱体３と重畳されている。

【0073】

保護素子４０は、発熱体３が可溶導体７と同じ絶縁基板２の表面２ａに形成されているため、発熱体３の熱が可溶導体７に伝達しやすくなる。

【0074】

［変形例２］
次いで、本技術が適用された保護素子の他の変形例について説明する。なお、以下の説明において上述した保護素子１，４０と同じ部材については同一の符号を付してその詳細を省略することがある。図１０に示すように、本技術が適用された保護素子５０は、発熱体引出電極６を省略し、可溶導体７の通電経路と、発熱体３の通電経路を分けている。絶縁基板２の裏面２ｂに設けられた発熱体３は、一端を第１の引出電極１５を介して発熱体電極１７と接続され、他端を第２の引出電極１６を介して中間電極１４と接続されている。

【0075】

図１１は、保護素子５０の回路構成を示す図である。保護素子５０は、保護素子５０が外部回路に実装されることにより、第１の外部接続電極１１がバッテリスタック２５側と接続され、第２の外部接続電極１２が正極端子２０ａ側と接続され、これにより可溶導体７がバッテリスタック２５の充放電経路上に直列に接続される。発熱体３は、発熱体電極１７を介して電流制御素子２８と接続されるとともに、バッテリスタック２５と接続される。また、発熱体３は、中間電極１４を介して図示しないアースと接続される。これにより電流制御素子２８によって通電が制御可能な発熱体３への給電経路が形成される。保護素子５０は、可溶導体７が溶断すると、これを検知した検出回路２７及び電流制御素子２８によって発熱体３への通電が停止される。

【符号の説明】

【0076】

１ 保護素子、２ 絶縁基板、３ 発熱体、４ 第１の電極、５ 第２の電極、６ 発熱体引出電極、７ 可溶導体、８ 接続部、９ 絶縁保護層、１０ 接続電極、１１ 第１の外部接続電極、１２ 第２の外部接続電極、１３ 第３の外部接続電極、１４ 中間電極、１５ 第１の引出電極、１６ 第２の引出電極、１７ 発熱体電極、１８ 低融点金属層、１９ 高融点金属層、２０ バッテリパック、２１ バッテリセル、２２ 充電装置、２３ 電流制御素子、２４ 制御部、２５ バッテリスタック、２６ 充放電制御回路、２７ 検出回路、２８ 電流制御素子、３０ ケース、４０ 保護素子、５０ 保護素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】