JP5586370B2 - セラミックヒューズおよびセラミックヒューズパッケージ - Google Patents

Description

本発明は、電子機器の電流または温度の異常に基づいて、電子機器を緊急停止させるセラミックヒューズおよびセラミックヒューズパッケージに関する。

セラミックヒューズは、外部機器に組み込まれ、外部からの信号に基づいて発熱抵抗体を高温にして温度ヒューズエレメントを溶断することによって、外部機器との電気的接続状態を解消し、外部機器を緊急停止させる。外部機器の誤作動を防止する技術として、このようなセラミックヒューズが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

近年では、セラミックヒューズの開発において、外部機器の複数の異常を検出可能な機能性を向上させる技術が求められている。

特開平１１−９６８７１号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、多機能性のセラミックヒューズおよびセラミックヒューズパッケージを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るセラミックヒューズは、積層された第１実装面，第２実装面および第３実装面を有するセラミック基板と、該セラミック基板の第１実装面に設けられた温度ヒューズエレメントと、前記セラミック基板に設けられ、平面透視して前記温度ヒューズエレメントと重なる領域に配置された発熱抵抗体と、前記セラミック基板の第２実装面に設けられた、流れる電流の電流値が所定以上の電流値になると溶断する電流ヒューズ
エレメントと、前記セラミック基板の第３実装面に設けられた、温度が所定温度以上になると溶断する低融点合金とを備えている。

本発明によれば、多機能性のセラミックヒューズおよびセラミックヒューズパッケージを提供することができる。

本実施形態に係るセラミックヒューズの概観を示す斜視図である。 本実施形態に係るセラミックヒューズの低融点合金を除いた状態を示す斜視図である。 図１のＸ−Ｘ’に沿ったセラミックヒューズの断面図である。 図１のＹ−Ｙ’に沿ったセラミックヒューズの断面図である。 電流ヒューズエレメントおよび発熱抵抗体を示す透過斜視図である。 温度ヒューズエレメントを示す透過斜視図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかるセラミックヒューズの実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。

＜セラミックヒューズの概略構成＞
図１は、本実施形態に係るセラミックヒューズの概観斜視図である。図２は、低融点合金を取り除いた状態を示すセラミックヒューズの概観斜視図である。また、図３は、図１のＸ−Ｘ’に沿ったセラミックヒューズの断面図である。図４は、図１のＹ−Ｙ’に沿ったセラミックヒューズの断面図である。図５は、セラミックヒューズの電流ヒューズエレメントおよび発熱抵抗体を示すセラミック基板の一層の透過斜視図である。図６は、セラミックヒューズの温度ヒューズエレメントを示すセラミック基板の一層の透過斜視図である。

本実施形態のセラミックヒューズは、外部機器の回路保護素子として用いるものであって、特定の回路に異常検出器とともに組み込むものであって、複数の機能を有している。一つの目の機能としては、セラミックヒューズを外部機器に組み込んだ状態で、外部機器の異常を検出すると、異常検出器が発熱抵抗体を通電し、温度ヒューズエレメントを溶断することで、回路の動作を緊急停止させる機能を含んでいる。

また、二つ目の機能としては、セラミックヒューズの電流ヒューズエレメントが、外部機器と電気的に接続されており、外部機器に所定以上の電流値が流れると、セラミックヒューズ内の電流ヒューズエレメントにも所定以上の電流値が流れる。その結果、セラミックヒューズは、電流ヒューズエレメントが溶断することで、回路の動作を緊急停止させる機能を含んでいる。

さらに、三つ目の機能としては、外部機器に組み込まれたセラミックヒューズの低融点合金が、外部機器の異常発熱を検出して、低融点合金が溶断することで、回路の動作を緊急停止させる機能を含んでいる。

本実施形態に係るセラミックヒューズ１は、セラミックヒューズパッケージ２と、セラミックヒューズパッケージ２に実装される温度ヒューズエレメント３とを備えている。

セラミックヒューズパッケージ２は、温度ヒューズエレメントが実装される第１実装面Ｒ１と、流れる電流の電流値が所定以上の電流値になると溶断する電流ヒューズエレメントとが実装される第２実装面Ｒ４と、温度が所定温度以上になると溶断する低融点合金が実装される第３実装面Ｒ３とを有するセラミック基板４と、セラミック基板４に設けられ、平面透視して温度ヒューズエレメントが実装される第１実装面Ｒ１と重なる領域に設けられた発熱抵抗体５とを備えている。

セラミック基板４は、絶縁性の基板であって、複数の基板を積層した構造であって、例えば、アルミナ、ムライトまたは窒化アルミ等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、セラミック基板４の厚みは、例えば、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。また、セラミック基板４の熱伝導率は、例えば、１４Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。なお、セラミック基板４は、５枚のセラミック板を積層したものである。

セラミック基板４の最上層に位置するセラミック基板４の上面には、凹部Ｐ１が設けられている。低融点合金７は、凹部Ｐ１内に配置される。また、セラミック基板４の最下層に位置するセラミック基板４の下面には、凹部Ｐ２が設けられている。温度ヒューズエレメント３は、凹部Ｐ２内に配置される。

セラミック基板４の凹部Ｐ１内には、低融点合金７を実装したときに、低融点合金７と電気的に接続される導電層８が形成されている。また、導電層８の一部は、セラミック基板４の内部に形成された発熱抵抗体５および電流ヒューズエレメント６と接続されている。本実施形態では、導電層８は、低融点合金７が溶断したとき、温度ヒューズエレメント３が溶断したとき、あるいは電流ヒューズエレメント６が溶断したときに、導電層８が電気的にオープンになるように形成されている。なお、導電層８は、低融点合金７、温度ヒューズエレメント３、電流ヒューズエレメント６と電気的に接続されるものであって、任意のパターンに形成されている。導電層８の幅は、例えば０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。ここで、導電層８の幅とは、導電層８に流れる電流方向と直交する方向の幅をいう。

導電層８は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料あるいはそれらの材料の複合層からなる。

発熱抵抗体５は、セラミック基板４内に設けられた閉空間Ｐ３内に形成されている。発熱抵抗体５は、温度ヒューズエレメント３に発熱した温度を伝えて、温度ヒューズエレメント３を溶断するものである。発熱抵抗体５は、平面透視して温度ヒューズエレメント３と重なる領域であって、温度ヒューズエレメント３とセラミック基板４を介して設けられている。

発熱抵抗体５には、セラミックヒューズとともに回路に組込まれた異常検出器による回路の異常検出によって、導電層８を介して発熱抵抗体５に通電する。そして、発熱抵抗体５の温度が上昇する。さらに、その温度が、セラミック基板４を介して温度ヒューズエレメント３に伝わり、温度ヒューズエレメント３が所定温度以上になると温度ヒューズエレメント３を溶断することができる。

発熱抵抗体５は、一端が導電層８と接続され、他端が導電層８と接続される。発熱抵抗体５は、所要の発熱量を確保するための抵抗値を有しており、その抵抗値確保方法の例示として、そのパターン形状はセラミック基板４の内部にて何度も折れ曲がって形成されている。なお、発熱抵抗体５の幅は、例えば０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下に設定されている。ここで、発熱抵抗体５の幅とは、発熱抵抗体５に流れる電流方向と直交する方向の幅をいう。なお、発熱抵抗体５は、例えば、タングステンまたはモリブデン等を含むメタライズ材料からなる。

電流ヒューズエレメント６は、所定以上の電流値が流れると溶断するものである。電流ヒューズエレメント６は、セラミック基板４の内部に設けられた空隙Ｐ２内に設けられ、発熱抵抗体５と並設して配置されている。なお、Ｐ２内には、電流ヒューズエレメント６と発熱抵抗体５を併設しても、別個の空隙内に設けても良い。電流ヒューズエレメント６は、中央部Ｆ１が両端部Ｆ２に比べて単位長さ当たりの抵抗値が大きい。電流ヒューズエレメント６は、セラミック基板４内の空隙Ｐ２内の表面にメタライズ手法にて設けられる。もしくは、電流ヒューズエレメント６は、セラミック基板４の上下面に別途設けられた空隙に予め設けた電流ヒューズエレメント６の搭載用の実装部に実装しても良い。

電流ヒューズエレメント６は、導電層８を介して通電される。このとき、電流値がなん
らかの異常により過電流になり、所定値以上の電流値になったときに、電流ヒューズエレメント６が溶断する。

電流ヒューズエレメント６は、中央部の単位長さ当りの抵抗値が両端部Ｆ２の単位長さ当たりの抵抗値に比べて大きくなれば、電流ヒューズエレメント６の中央部Ｆ１の幅を電流ヒューズエレメント６の中央部Ｆ１の中心に向かって漸次幅が狭くなるように設定してもよい。さらに、電流ヒューズエレメント６の中央部Ｆ１の中心が、その周囲の電流ヒューズエレメント６の両端部Ｆ２を構成する材料に比べて、抵抗温度係数が大きくなる材料を選択して用いる。その結果、電流ヒューズエレメント６の中央部Ｆ１の単位長さ当たりの抵抗値を、電流ヒューズエレメント６の両端部Ｆ２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きくすることができ、さらに、電流ヒューズエレメント６の中央部Ｆ１の温度上昇を効果的に向上させることができる。その結果、電流ヒューズエレメント６の中央部Ｆ１を素早く溶断することができる。なお、電流ヒューズエレメント６は、例えば、０．３Ａ以上の電流値になると溶断するように設計されている。

中央部Ｆ１の温度上昇を効果的に向上させる方法としての他の例としては、中央部と両端部の抵抗温度係数に差を設けることも有効である。例えば、電流ヒューズエレメント６の中央部Ｆ１は、例えば、タングステンまたはモリブデン等を含むメタライズ材料から成り、抵抗温度係数は、例えば４０００ｐｐｍ以上であって、電流ヒューズエレメント６の両端部Ｆ２は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはレニウム等を含むメタライズ材料から成る抵抗温度係数が、例えば３０００ｐｐｍ以下に設定されている。

また、発熱抵抗体５の抵抗温度係数は、正特性抵抗温度係数である。発熱抵抗体５の中央部Ｆ１および発熱抵抗体５の両端部Ｆ２は電流が流れて、発熱すると、発熱量に依存して温度が上昇し、抵抗値が大きくなる。このときに発熱抵抗体５の中央部Ｆ１と両端部Ｆ２の温度上昇は両部の放熱影響を受け、発熱抵抗体５の中央部Ｆ１の温度上昇が大きくなり、その結果として、中央部Ｆ１の抵抗値の上昇幅は両端部Ｆ２の上昇幅より大きくなる。そして、中央部Ｆ１への印加される分圧が両端部Ｆ２への印加される分圧より大きくなり、中央部Ｆ１の発熱量が増加することによって、発熱抵抗体５の中央部Ｆ１が効果的に温度上昇する。その結果、発熱抵抗体５の中央部Ｆ１を短時間で高温にすることができ、発熱抵抗体５で発生した熱に起因して温度ヒューズエレメント３を素早く溶断することができる。

セラミック基板４の最上層の凹部Ｐ１内には、低融点合金７が設けられている。低融点合金７は、低融点合金７の温度が所定値以上にまで上昇すると、溶断する機能を備えている。そして、低融点合金７が溶断すると、導電層８が電気的にオープンになる。低融点合金７の一端は、セラミック基板４内からセラミック基板４の下面にまで電流ヒューズエレメント、もしくは温度ヒューズエレメントの一方を介して引き伸ばされた導電層８と電気的に接続されている。さらに、低融点合金７の他端は温度ヒューズエレメント、もしくは電流ヒューズエレメントのどちらか一方を介して、セラミック基板４の下面にまで引き伸ばされた導電層８と電気的に接続されている。なお、電流ヒューズエレメント、低融点合金、および温度ヒューズエレメントの結成順番は、どのような順番であっても良い。

低融点合金７は、セラミック基板４の上面に設けられた凹部Ｐ１にフラックスを充填し、低融点合金７の上部を被覆することにより低融点合金７の酸化を防止し、溶融合金への熱伝達を早める役目とともに、低融点合金の溶け別れを促進することが可能となる。セラミック基板４の下面に設けられたパッドが外部回路に電気的に接続された実装状態では、セラミック基板４の上方に配置された外部機器で発生する熱による温度上昇が、セラミックヒューズ１に伝わろうとする。そのとき、低融点合金７と外部機器との間の熱伝達距離が短いほうが、外部機器の温度変化の影響を受けやすい。このように、セラミックヒュー
ズ１は、低融点合金７には伝わりやすいように設計されている。

低融点合金７は、外部機器が異常な温度になったときに、その異常な温度に起因して、外部機器が破壊されたり、発煙、燃焼するのを防止するためのものである。外部機器が異常な温度になると、その温度がセラミックヒューズ１の低融点合金７に伝わり、低融点合金７が溶断する。そして、セラミックヒューズ１の導電層８が電気的にオープンになって、外部機器を緊急停止させることができる。なお、低融点合金７は、例えば、インジウム、ビスマス、錫または亜鉛等の材料、あるいはこれらの混合材料からなる。低融点合金７は、例えば１２０度以上になると溶断するように設計されている。

セラミック基板４の最下層の凹部Ｐ２内には、温度ヒューズエレメント３が実装される。温度ヒューズエレメント３は、特定の温度以上になると溶断するものである。温度ヒューズエレメント３は、例えば、インジウム、ビスマス、錫または亜鉛等の材料、あるいはこれらの混合材料からなる。また、温度ヒューズエレメント３の溶断する融点は、例えば、８０℃以上１８０℃以下に設定されている。

温度ヒューズエレメント３は、平面透視したときに発熱抵抗体５と重なる領域に設けられている。また、温度ヒューズエレメント３は、平面透視したときに発熱抵抗体５が存在する領域から食み出さないように設けられると、発熱抵抗体５の温度を効率良く温度ヒューズエレメント３に伝えることができる。なお、温度ヒューズエレメント３を矩形状に設定したときは、温度ヒューズエレメント３の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であって、平面視したときの一辺の縦または横の長さが、例えば、０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下に設定されている。

上述したように、本実施形態は、外部回路に組み込んだセラミックヒューズ１は、発熱抵抗体５に電流が流れると素早く温度が上昇し、その熱によって温度ヒューズエレメント３を溶断することができる。また、本実施形態によれば、電流値がなんらかの異常により過電流になり、所定値以上の電流値になったときに、電流ヒューズエレメント６が溶断する。さらに、本実施形態によれば、外部回路が異常に高温になると、低融点合金７が溶断する。その結果、外部回路を緊急停止させることができ、被害を最小限に食い止めることができる。このように、本実施形態に係るセラミックヒューズ１は、外部回路の複数の異常のいずれをも検出することができ、多機能性を備えている。本実施形態によれば、多機能性のセラミックヒューズ１およびセラミックヒューズパッケージ２を提供することができる。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。なお、上述した本実施形態では、温度ヒューズエレメントと低融点合金とを別々に設けたが、セラミックヒューズパッケージに温度ヒューズエレメントと低融点合金の両方の機能を兼務する一つのエレメントを実装したものであってもよい。また、上述した実施形態では、電流ヒューズエレメントをメタライズ法を用いてパターニングして形成したが、これに限らない。例えば、別途電流ヒューズエレメントを別体で実装するものであっても構わない。なお、閉空間Ｐ３は、二つに分かれていて、一方に発熱抵抗体５が設けられており、他方に電流ヒューズエレメント６が設けられていてもよい。閉空間Ｐ３を二つに分けることで、発熱抵抗体５で発生する熱と電流ヒューズエレメント６で発生する熱とが両者混じるのを抑制することができ、セラミックヒューズ１の保護素子としての精度を高めることができる。なお、閉空間Ｐ３は、還元性または中性のガス雰囲気、もしくは真空雰囲気にて気密封止されている。また、上述した実施形態では、電流ヒューズエレメントを閉空間Ｐ３内に設けたが、これに限られない。例えば、セラミック基板の最外層に凹部を設け、該凹部内に電流ヒューズエレメントを設けてもよい。

また、上述した実施形態では、セラミックヒューズパッケージに、温度ヒューズエレメント、電流ヒューズエレメントおよび低融点合金を組み入れた構造であったが、これに限られない。例えば、セラミックヒューズパッケージに、電流ヒューズエレメントを設けずに、温度ヒューズエレメントおよび低融点合金のみの機能を組み入れた構造であってもよい。かかる場合は、さらに温度ヒューズエレメントと低融点合金のどちらか一種のみとし、両機能を兼用するような構造としてもよい。

＜セラミックヒューズの製造方法＞
ここで、図１に示すセラミックヒューズ１、ならびにセラミックヒューズパッケージ２の製造方法について説明する。

先ず、セラミック基板４を構成する５枚のセラミック板を準備する。セラミック基板４を構成する５枚のセラミック板は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤および溶剤等を添加混合して、混合物を得る。そして、その混合物を用いてグリーンシートを成型する。

また、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。

そして、グリーンシートの状態のセラミック板のそれぞれの所定箇所に貫通穴を設けて、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って導電層８およびビア導体を形成する。また、同様にして、発熱抵抗体５および電流ヒューズエレメント６を形成し、さらにセラミック板の側面にキャスタレーションとしての金属ペースト塗る。その後、５枚のセラミック板を積層してセラミック基板４を作製する。

次に、準備した焼結前のセラミック基板４を接続させた状態で、約１６００度の温度で焼成する。そして、セラミック基板４を一体焼結する。一体焼結後の部材の、温度ヒューズエレメント搭載部の表面に所要のめっきを行う。ここでは、セラミックヒューズについての個片製品の製法を述べたが、多数個取のシート形状による製造が量産性、コスト面からは好ましい。このようにして、セラミックヒューズパッケージ２を作製することができる。

次に、セラミック基板４の最下層の凹部Ｐ２内の所定箇所に温度ヒューズエレメント３を、最上層の凹部Ｐ１内に低融点合金を実装する。そして、温度ヒューズエレメント３と導電層８とを電気的に接続する。その結果、セラミックヒューズ１を作製することができる。

１ セラミックヒューズ
２ セラミックヒューズパッケージ
３ 温度ヒューズエレメント
４ セラミック基板
５ 発熱抵抗体
６ 電流ヒューズエレメント
７ 低融点合金
８ 導電層
Ｆ１ 中央部
Ｆ２ 端部

Claims (4)

1. 積層された第１実装面，第２実装面および第３実装面を有するセラミック基板と、
   該セラミック基板の第１実装面に設けられた温度ヒューズエレメントと、
   前記セラミック基板に設けられ、平面透視して前記温度ヒューズエレメントと重なる領域に配置された発熱抵抗体と、
   前記セラミック基板の第２実装面に設けられた、流れる電流の電流値が所定以上の電流値になると溶断する電流ヒューズエレメントと、
   前記セラミック基板の第３実装面に設けられた、温度が所定温度以上になると溶断する低融点合金とを備えたことを特徴とするセラミックヒューズ。
2. 請求項１に記載のセラミックヒューズであって、
   前記セラミック基板の上面に設けられた凹部内に前記低融点合金が配置されていることを特徴とするセラミックヒューズ。
3. 請求項１または請求項２に記載のセラミックヒューズであって、
   前記発熱抵抗体および前記電流ヒューズエレメントは、前記セラミック基板内に設けられた閉空間に配置されていることを特徴とするセラミックヒューズ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセラミックヒューズであって、前記温度ヒューズエレメントは、前記セラミック基板の下面に設けられた凹部内に配置されていることを特徴とするセラミックヒューズ。
   

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