JP2007149512A - サーモプロテクタ及び通電性感熱可溶材 - Google Patents

Abstract

【課題】フロー法またはリフロー法はんだ付け温度よりも低い温度を動作温度と死するサーモプロテクタをフロー法またはリフロー法により他の電子部品と同様に実装できるサーモプロテクタを提供する。
【解決手段】比抵抗が正温度特性の半導体セラミックス粒子ａと抵抗体粒子ｂとを、所定の温度で融解するバインダーｃで結合してなる通電性感熱材を可溶材とする。周囲温度が上昇すると、バインダーの溶融開始点よりも低いある特定の温度を境として半導体セラミックス粒子の比抵抗値が指数関数的に増加し、その結果、抵抗体粒子を流れる電流の密度が飛躍的に増加し、抵抗体粒子のジュール発熱により通電性感熱可溶材が加熱されてバインダーが溶融され、バインダーが液状化される。而して、通電性感熱可溶材のバインダーの融点乃至軟化点をフロー法またはリフロー法はんだ付け温度より高く設定することにより、サーモプロテクタをフロー法等で支障なく実装できる。
【選択図】図１

Description

本発明はサーモプロテクタ及びそのサーモプロテクタに使用する通電性感熱可溶材に関し、特に、フロー法またはリフロー法によりサーモプロテクタを半導体装置、コンデンサ、抵抗等の回路素子と同様に実装するのに有用なものである。

電子・電気機器のサーモプロテクタとして、所定の温度で動作する合金型温度ヒューズが知られている。
例えば、ＦＥＴに合金型温度ヒューズを熱的に接触させ、ＦＥＴが異常発熱すると合金型温度ヒューズのヒューズエレメントを溶断させてＦＥＴへの課電を遮断することが行われている。
ＦＥＴ等の回路素子の回路基板への実装は、回路素子のリード導体を回路基板のスルーホールに差し込み、噴流はんだ槽のはんだ噴流に接触させ、次で付着はんだを冷却凝固させるフロー法やチップタイプ回路素子を回路基板にソルダーペーストで仮固定し、これを加熱炉に通してソルダーペーストを溶融させ、次で凝固させるリフロー法により行われている。
前記のサーモプロテクタ、例えば合金型温度ヒューズをフロー法またはリフロー法で実装すると、合金型温度ヒューズのヒューズエレメント（可溶合金片）の溶融損傷が避けられないので、前記半導体装置等を実装したのちに、合金型温度ヒューズを後付けしている。
しかしながら、この後付け手作業で行われ、作業性に劣り、その対策が要請される。

そこで、はんだ付け時に温度ヒューズ嵌着用ケースを他の回路素子と同様に実装し、この実装後に温度ヒューズを前記ケースに装着することが提案されている（特許文献１）。
また、温度ヒューズのヒューズエレメント（可溶合金片）の融点Ｔｍをフロー法またはリフロー法はんだ付けの温度よりも高くし、ヒューズエレメントを加熱するための抵抗体を付設した抵抗体付き合金型温度ヒューズをフロー法またはリフロー法はんだ付け時に実装し、常温よりΔＴ℃の昇温で動作させるとすると、前記抵抗体の通電発熱によりヒューズエレメントの常時温度を常温より（Ｔｍ−ΔＴ）℃だけ高く保持することが提案されている（特許文献２）。
特開２０００−３１６２０号公報 特開平０８−６４０９７号公報

しかしながら、前者では、フロー法またはリフロー法はんだ付け後に、実装した温度ヒューズ嵌着用ケースに温度ヒューズを装着する必要があり、この装着を手作業で行わざるを得ず、作業性のさしたる向上は期待できない。
また、後者の抵抗体付き合金型温度ヒューズでは寸法アップが避けられず、しかも常時、抵抗体の通電発熱によるヒューズエレメントの温度バイアス課けが必要であり、消費電力量アップの不具合もある。

本発明の目的は、フロー法またはリフロー法はんだ付け温度よりも低い温度を動作温度と死するサーモプロテクタをフロー法またはリフロー法により他の電子部品と同様に実装できるサーモプロテクタ及びそのサーモプロテクタの部材としての通電性感熱可溶材を提供することにある。

請求項１に係る通電性感熱可溶材は、比抵抗が正の温度特性である半導体セラミックス粒子と抵抗体粒子とを、所定の温度で融解するバインダーで結合してなり、半導体セラミックス粒子及び抵抗体粒子間が接触されて所定の比抵抗を有することを特徴とする。
請求項２に係る通電性感熱可溶材は、比抵抗が正の温度特性である半導体セラミックス粒子を、所定の温度で融解するバインダーで結合してなり、半導体セラミックス粒子間が接触されて所定の比抵抗を有することを特徴とする。
請求項３に係る通電性感熱可溶材は、請求項１または２の通電性感熱可溶材において、バインダーが可溶合金であることを特徴とする。
請求項４に係る通電性感熱可溶材は、請求項３の通電性感熱可溶材において、半導体セラミックス粒子または抵抗体粒子の少なくとも何れかが可溶合金と同一の金属または可溶合金との濡れ性が高い金属で被覆されていること特徴とする。
請求項５に係る通電性感熱可溶材は、請求項１または２の通電性感熱可溶材において、バインダーが樹脂或は油脂であることを特徴とする。
請求項６に係る通電性感熱可溶材は、請求項５に係る通電性感熱可溶材において、油脂に炭素または導電性金属粒体が含有されていることを特徴とする。
請求項７に係る通電性感熱可溶材は、請求項１〜６何れかの通電性感熱可溶材において、半導体セラミックス粒子がＶ_２Ｏ_３またはＢａＴｉＯ_３をベースとする半導体セラミックスであることを特徴とする。
請求項８に係る通電性感熱可溶材は、請求項１、３、４〜７何れかの通電性感熱可溶材において、抵抗体粒子が金属の酸化物、炭化物、ケイ化物、硫化物、窒化物、または単体金属或は金属間化合物または炭素の何れかであることを特徴とする。
請求項９に係るサーモプロテクタは、弾性を有する導電片が、弾性歪エネルギーを保持した状態で電極間に固定され、少なくとも一方の固定が、請求項１〜８何れかの通電性感熱可溶材で行われていることを特徴とする。
請求項１０に係るサーモプロテクタは、一端固定の歪まされたバネの他端と、一端が一方の電極に固定された導電片の他端とが共に他方の電極に請求項１〜８何れかの通電性感熱可溶材で固定されていることを特徴とする。
請求項１１に係るサーモプロテクタは、請求項１〜８何れかの通電性感熱可溶材でヒューズエレメントが形成されていることを特徴とする。

本発明に係る通電性感熱可溶材においては、比抵抗が正の温度特性である半導体セラミックス粒子と抵抗体粒子との接触により所定の比抵抗値を有し、これらの粒子がバインダーで結合されて固形を呈している。
この通電性感熱可溶材がサーモプロテクタの通電路中に介在され、周囲温度が上昇すると、バインダーの溶融開始点よりも低いある特定の温度を境として半導体セラミックス粒子の比抵抗値が指数関数的に増加し、その結果、抵抗体粒子を流れる電流の密度が飛躍的に増加し、抵抗体粒子のジュール発熱により通電性感熱可溶材が加熱されてバインダーが溶融され、バインダーが液状化される。
それまでの通電性感熱可溶材の固形性のために弾性歪エネルギーが保持されていた弾性導電片の弾性歪エネルギーが通電性感熱可溶材の液状開始に伴い解放されてサーモプロテクタが動作される。
前記周囲温度の昇温時からサーモプロテクタの動作時までの時間は、半導体セラミックス粒子の比抵抗値の増加が指数関数的であり急峻であるために充分に短くできる。
而して、通電性感熱可溶材のバインダーの溶融開始点をフロー法またはリフロー法はんだ付け温度（例えば２６０℃）より高くす設定する（例えば２９０℃に設定する）ことにより、サーモプロテクタを他の回路素子と同様にフロー法またはリフロー法により支障なく実装できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る通電性感熱可溶材を示す拡大説明図である。
図１において、ａは比抵抗が正の温度特性である半導体セラミックス粒子であり、Ｖ_２Ｏ_３またはＢａＴｉＯ_３をベースとするものを使用できる。
ｂは抵抗体粒子であり、金属の酸化物、炭化物、ケイ化物、硫化物、窒化物、または単体金属或は金属間化合物または炭素の何れかを使用できる。
ｃは所定融点のバインダーであり、半導体セラミックス粒子と抵抗体粒子との間がこのバインダーで結合されてそれらの粒子間が接触されている。このバインダーには、可溶合金や熱可塑性樹脂もしくは油脂を使用できる。熱可塑性樹脂もしくは油脂に炭素や導電性金属粒体を添加して導電性とすることもできる。
前記通電性感熱可溶材の比抵抗は、半導体セラミックス粒子と抵抗体粒子との体積比や各粒子の粒径等の調整により設定される。

前記通電性感熱可溶材は、例えば、棒状とすることができ、これは半導体セラミックス粒子、抵抗体粒子及び粉状バインダー（半導体セラミックス粒子径及び抵抗体粒子径よりも細かい粒子径）を混合し、これをバインダーの軟化点乃至は融点よりもやや高い温度のもとで型により棒状に加圧成形することにより得ることができる。
また、バインダーの皮膜を被覆した半導体セラミックス粒子とバインダーの皮膜を被覆した抵抗体粒子とをバインダーの軟化点乃至は融点よりもやや高い温度のもとで型により棒状に加圧成形することにより得ることもできる。
半導体セラミックス粒子と抵抗体粒子の双方または一方に可溶金属と同一の金属または可溶金属に対し高い濡れ性を呈する金属例えばＡｇ、Ｓｎ、Ｃｕ等を被覆することもできる。

前記可溶合金には、環境衛生上、ＰｂやＣｄ等の生体系に有害な元素を含まないものを使用することが好ましく、次ぎの組成[Ａ]（１）４３％＜Ｓｎ≦７０％，０．５％≦Ｉｎ≦１０％，残Ｂｉ、（２）２５％≦Ｓｎ≦４０％，５０％≦Ｉｎ≦５５％，残Ｂｉ、（３）２５％＜Ｓｎ≦４４％，５５％＜Ｉｎ≦７４％，１％≦Ｂｉ＜２０％、（４）４６％＜Ｓｎ≦７０％，１８％≦Ｉｎ＜４８％，１％≦Ｂｉ≦１２％、（５）５％≦Ｓｎ≦２８％，１５％≦Ｉｎ＜３７％，残Ｂｉ（但し、Ｂｉ５７．５％，Ｉｎ２５．２％，Ｓｎ１７．３％とＢｉ５４％，Ｉｎ２９．７％，Ｓｎ１６．３％のそれぞれを基準にＢｉ±２％，Ｉｎ及びＳｎ±１％の範囲を除く）、（６）１０％≦Ｓｎ≦１８％，３７％≦Ｉｎ≦４３％，残Ｂｉ、（７）２５％＜Ｓｎ≦６０％，２０％≦Ｉｎ＜５０％，１２％＜Ｂｉ≦３３％、（８）（１）〜（７）の何れか１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（９）３３％≦Ｓｎ≦４３％，０．５％≦Ｉｎ≦１０％，残Ｂｉ、（１０）４７％≦Ｓｎ≦４９％，５１％≦Ｉｎ≦５３％の１００重量部にＢｉを３〜５重量部を添加、（１１）４０％≦Ｓｎ≦４６％，７％≦Ｂｉ≦１２％，残Ｉｎ、（１２）０．３％≦Ｓｎ≦１．５％，５１％≦Ｉｎ≦５４％，残Ｂｉ、（１３）２．５％≦Ｓｎ≦１０％，２５％≦Ｂｉ≦３５％，残Ｉｎ、（１４）（９）〜（１３）の何れか１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（１５）１０％≦Ｓｎ≦２５％，４８％≦Ｉｎ≦６０％，残Ｂｉを１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金の組成[Ｂ]（１６）３０％≦Ｓｎ≦７０％，０．３％≦Ｓｂ≦２０％，残Ｂｉ、（１７）（１６）の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＢｉ−Ｓｎ−Ｓｂ系合金の組成[Ｃ]（１８）５２％≦Ｉｎ≦８５％，残Ｓｎ、（１９）（１８）の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＩｎ−Ｓｎ系合金の組成[Ｄ]（２０）４５％≦Ｂｉ≦５５％，残Ｉｎ、（２１）（２０）の組成の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＩｎ−Ｂｉ系合金の組成、[Ｅ]（２２）５０％Ｂｉ≦５６％，残Ｓｎ、（２３）（２２）の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＢｉ−Ｓｎ系合金の組成[Ｆ]（２４）Ｉｎの１００重量部にＡｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（２５）９０％≦Ｉｎ≦９９．９％，０．１％≦Ａｇ≦１０％の１００重量部にＡｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（２６）９５％≦Ｉｎ≦９９．９％，０．１％≦Ｓｂ≦５％の１００重量部にＡｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加等のＩｎ系合金の組成（２７）２％≦Ｚｎ≦１５％，７０％≦Ｓｎ≦９５％，残Ｂｉ及びその合金１００重量部にＡｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加した合金の組成等からサーモプロテクタの動作温度に適合した融点の組成を選定することができる。

前記油脂としては、例えばロジンを使用できる。

前記熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレ−ト、ポリエチレンナフタレ−ト、ポリアミド、ポリイミド、ポリブチレンテレフタレ−ト、ポリフェニレンオキシド、ポリエチレンサルファイド、ポリサルホン、ポリアセタ−ル、ポリカ−ボネ−ト、ポリフェニレンスルフィド、ポリオキシベンゾイル、ポリエ−テルエ−テルケトン、ポリエ−テルイミド、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレ−ト、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンポリテトラフルオロエチレン共重合体、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アイオノマ−、ＡＡＳ樹脂、ＡＣＳ樹脂等中から所定融点のものを選定できる。

図２は本発明に係るサーモプロテクタの一実施例を示す断面図である。
図２において、１は絶縁基板であり、例えばセラミックス板、耐熱性樹脂板等を使用できる。２１，２２は基板１の両端部に表面側から裏面側にわたって設けた電極であり、導電ペイント例えば銀系ペイントの印刷・焼き付けにより設けることができる。
３は弾性歪エネルギーを付与した弾性導電片、例えば弾性引張りエネルギーを付与した燐青銅コイルであり、一端を前記の通電性感熱可溶材４を接合材として一方の電極２１に固定し、他端を他方の電極２２に同通電性感熱可溶材４のバインダーよりも高融点のはんだによる接合または溶接により固定してある。
弾性導電片一端と一方の電極との通電性感熱可溶材による接合は、一方の電極に弾性導電片一端を弾性導電片の弾性反力に抗して接触させ、この接触箇所に粉末状の通電性感熱可溶材を加熱射出治具で射出成形することにより行うことができる。また、棒状の通電性感熱可溶材を加熱鏝を用いて前記接触箇所に盛り付けるようにしてもよい。
５は封止カバーである。
本発明に係るサーモプロテクタにおいては、通電性感熱可溶材の半導体セラミックス粒子と抵抗体粒子との安定な接触のために通電性感熱可溶材の常時比抵抗値が一定であり、サーモプロテクタの初期抵抗値を充分に低くするように通電性感熱可溶材による接合部の厚みや外郭寸法を設定してある。

本発明に係るサーモプロテクタにおいは、周囲温度が上昇すると、ある特定の温度を境として通電性感熱可溶材の半導体セラミックス粒子の比抵抗が指数関数的に増加し、抵抗体粒子を流れる電流の密度も指数関数的に増加し、その電流密度のもとでのジュール発生熱が急激に増えて通電性感熱可溶材のバインダーの溶融開始点へと急速に昇温され、バインダーの溶融で前記燐青銅コイルの弾性引張りエネルギーが解放され、そのコイル一端と一方の電極との間の接合が脱離されてオフ動作される。
図２において、両方の固定とも通電性感熱可溶材により行うことができる。

図３は本発明に係るサーモプロテクタの別実施例を示す断面図である。
図３において、１は絶縁基板であり、例えばセラミックス板、耐熱性樹脂板等を使用できる。２１，２２は基板１の両端部に表面側から裏面側にわたって設けた電極であり、導電ペイント例えば銀系ペイントの印刷・焼き付けにより設けることができる。
３１は一端が一方の電極２１に溶接等により固定された鋼製のバネ、３０は一端が一方の電極２１に溶接等により固定された弓状の導電片であり、鋼製バネ３１の他端と導電片３０の他端とが溶接ｅ等により結着され、鋼製バネ３１の引張りにより導電片３０が伸ばされ、鋼製バネ３１の引張り反力に抗して鋼製バネ３１及び導電片３０の他端ｅが他方の電極２２に通電性感熱可溶材４で固定されている。
このサーモプロテクタにおいても、周囲温度が上昇すると、通電性感熱可溶材４の半導体セラミックス粒子の比抵抗が特定の温度（通電性感熱可溶材のバインダーの溶融開始温度よりも低い）を境にして指数関数的に増加し、抵抗体粒子を流れる電流の密度も指数関数的に増加し、その電流密度のもとでのジュール発生熱が急激に増えて通電性感熱可溶材４のバインダーの溶融開始点へと急速に昇温され、バインダーの溶融で前記鋼製バネ３１の弾性引張りエネルギーが解放され、鋼製バネ３１と前記弓状導電片３０とが共に収縮され他方の電極２２との接合が脱離されてオフ動作される。
図３において、両方の固定とも通電性感熱可溶材により行うことができる。

本発明に係るサーモプロテクタにおいては、一直線状に対向するリード導体間を絶縁体の介在やギャップにより絶縁し、引っ張り状態の導電性コイルバネを両リード導体間に跨って挿通し、該バネの一端を一方のリード導体の端部に溶接等により結着し、同バネの他端を他方のリード導体の端部に本発明に係る通電性感熱可溶材で接着固定した構成とし、通電性感熱過溶剤の軟化乃至は溶融でバネを引っ張りから解放して一方のリード導体端部側に寄せバネによるリード導体間の導通を遮断させるようにしてもよい。
この場合、筒状ケースで包囲し、ケース各端と各リード導体との間をエポキシ樹脂等の封止材で封止することもできる。

本発明において、通電性感熱可溶材には、比抵抗が正の温度特性である半導体セラミックス粒子を、所定の温度で融解するバインダーで結合してなり、半導体セラミックス粒子間が接触されて所定の比抵抗を有し、半導体セラミックス粒子の比抵抗がバインダーの溶融開始温度よりも低い既知の特定温度（Ｔｅ）を境として指数関数的に増加するものも使用でき、Ｔｅをサーモプロテクタの実質的な動作温度とすることができる。

本発明に係るサーモプロテクタにおいては、通電性感熱可溶材でヒューズエレメントを形成し、このヒューズエレメントを通電性感熱可溶材のバインダーに対し優れた濡れ性を呈する電極の間に接続し、ヒューズエレメントの溶融した通電性感熱可溶材を電極との濡れにより分断させるようにすることも可能である。
この場合、通電性感熱可溶材のバインダーに可溶合金を使用し、電極には可溶合金との濡れに優れた材質、例えば銀メッキ電極、錫メッキ電極を使用することが好ましい。

本発明に係る通電性感熱可溶材を示す説明図である。 本発明に係るサーモプロテクタの一実施例を示す図面である。 本発明に係るサーモプロテクタの別実施例を示す図面である。

符号の説明

ａ 半導体セラミックス粒子
ｂ 抵抗体粒子
ｃ バインダー
１ 絶縁基板
２１ 電極
２２ 電極
３ 弾性導電片
３０ 導電片
３１ バネ
４ 通電性感熱可溶材
５ 封止ケース

Claims (11)

1. 比抵抗が正の温度特性である半導体セラミックス粒子と抵抗体粒子とを、所定の温度で融解するバインダーで結合してなり、半導体セラミックス粒子及び抵抗体粒子間が接触されて所定の比抵抗を有することを特徴とする通電性感熱可溶材。
2. 比抵抗が正の温度特性である半導体セラミックス粒子を、所定の温度で融解するバインダーで結合してなり、半導体セラミックス粒子間が接触されて所定の比抵抗を有することを特徴とする通電性感熱可溶材
3. バインダーが可溶合金であることを特徴とする請求項１または２記載の通電性感熱可溶材。
4. 半導体セラミックス粒子または抵抗体粒子の少なくとも何れかが可溶合金と同一の金属または可溶合金との濡れ性が高い金属で被覆されていること特徴とする請求項３記載の通電性感熱可溶材。
5. バインダーが樹脂或は油脂であることを特徴とする請求項１または２記載の通電性感熱可溶材。
6. 樹脂或は油脂に炭素または導電性金属粒体が含有されていることを特徴とする請求項５記載の通電性感熱可溶材。
7. 半導体セラミックス粒子がＶ_２Ｏ_３またはＢａＴｉＯ_３をベースとする半導体セラミックスであることを特徴とする請求項１〜６何れか記載の通電性感熱可溶材。
8. 抵抗体粒子が金属の酸化物、炭化物、ケイ化物、硫化物、窒化物、または単体金属或は金属間化合物または炭素の何れかであることを特徴とする請求項１、３、４〜７何れか記載の通電性感熱可溶材。
9. 弾性を有する導電片が、弾性歪エネルギーを保持した状態で電極間に固定され、少なくとも一方の固定が、請求項１〜８何れか記載の通電性感熱可溶材で行われていることを特徴とするサーモプロテクタ。
10. 一端固定の歪まされたバネの他端と、一端が一方の電極に固定された導電片の他端とが共に他方の電極に請求項１〜８何れか記載の通電性感熱可溶材で固定されていることを特徴とするサーモプロテクタ。
11. 請求項１〜８何れか記載の通電性感熱可溶材でヒューズエレメントが形成されていることを特徴とするサーモプロテクタ。

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