JP2548202B2

JP2548202B2 - 回路保護素子

Info

Publication number: JP2548202B2
Application number: JP62158656A
Authority: JP
Inventors: 新吾吉田
Original assignee: Nippon Mektron KK
Current assignee: Nippon Mektron KK
Priority date: 1987-06-25
Filing date: 1987-06-25
Publication date: 1996-10-30
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: JPS642303A

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、温度上昇
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（Positive temperature coeffici
ent）〕を有する層を備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（PT
C THERMISTER）、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下に制限し他方その
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。PTC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BaTiO₃に１価または
３価の金属酸化物を添加したもの、また、ポリエチレ
ン、エチレン−アクリル酸共重合体などの重合体にカー
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、一般的に、重合体として
用いる１種またはそれ以上の樹脂に必要量のカーボンブ
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
に接続されたリード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、ある温度以上に上昇すると
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（Vo/Rr）の過電流が流れて発
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
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
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、BaTiO₃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導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−アクリル酸共重合体、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−プロピレン共重合体、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。この発明において、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
は有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、BeO、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、
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、ニーダーの種類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Ish以上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−電流Ｉ特性を持つものである。

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F
ET）、接合ゲートFET、ショットキー障壁FETなどがあ
る。

回路保護素子この発明の回路保護素子は、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が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に電気接続され
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が挟まれるよう
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Si半導体
板を用意し、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、その半導体板の上下にPTC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素子１では、電流抑
制層３が接合FETを構成し、ドレイン電極Ｄがこの素子
の電極4a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に電気的接続し、この電極Ｐと
電極4bとにPTC層２が挟持され、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PTC層2a
が接続され、他方、FET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５図に更に別の態様を示す。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FET3a
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が共通導電層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FET3b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Ｄ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
可能である。

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

樹脂被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、ポリベンゾイミダソル、
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上記樹脂などが
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、酸化防止
剤、充填剤、帯電防止剤、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
有しており、回路保護素子表面に対して密着性を有して
いる。樹脂の被覆法は、特に限定されず、例えば、噴
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接合では空乏層が形成され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間にも過電圧が印加されるとゲートの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積に
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
り所定温度以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ｔ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Ish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、しきい値以下の電流に制限して、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、P
TC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以下に制限
するので過電流に弱いICなどを有効に保護することがで
きる。特に本発明によれば、PTC層による熱による電流
の制御に加えて、PTC層の機能が発現する前の段階（0.1
秒〜数百秒の間）でも電流抑制層による電流制御機能が
働き、回路のデバイスを保護することができて有効であ
る。

〔実施例〕

２個のｎチャンネルショッキ障壁ゲート形FET（三菱
電機製2SK279（MGF−1801））を用意し、別に下記成分
をニーダで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％（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850KΩ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PTC層の両端の電圧
を、ＶDSはFETの両端の電圧を表す。ＶDE（＝ＶSE＋ＶD
S）が1Vを超えた頃で、ＩDSSが約170mAに飽和し、それ
以上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
3Vを印加した。素子の抵抗が約５Ωであるから600mA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、SE
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600mA流
れ、オームの法則が成立つとしたときのSE間電圧（1.8
V）/SE間抵抗（2.8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に示す素子の回路
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……電流抑制
層、４……電極、５……貫通孔、７……共通導電層、８
……導電層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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P
TC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。
【請求項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。