JP5807969B2

JP5807969B2 - 保護素子用フラックス組成物およびそれを利用した回路保護素子

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Publication number: JP5807969B2
Application number: JP2012245144A
Authority: JP
Inventors: 栄吾岸
Original assignee: NEC Schott Components Corp
Current assignee: NEC Schott Components Corp
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: CN104781901A; KR20150082254A; TWI586472B; KR101925669B1; WO2014073356A1; CN104781901B; JP2014091162A; TW201427790A

Description

本発明は、保護素子用のフラックス組成物およびそれを利用した電気・電子機器の回路保護素子に関する。

近年、モバイル機器など小型電子機器の急速な普及に伴い、搭載する電源の保護回路に実装される保護素子も小型薄型のものが使用されている。例えば、二次電池パックの保護回路には、表面実装部品（ＳＭＤ）の保護素子が好適に利用される。これらの保護素子には、被保護機器の過電流により生ずる過大発熱を検知し、または周囲温度の異常過熱に感応して、所定条件でヒューズを作動させ電気回路を遮断する非復帰型保護素子がある。該保護素子は、機器の安全を図るために、保護回路が機器に生ずる異常を検知すると信号電流により抵抗素子を発熱させ、その発熱で可融性の合金材からなるヒューズ合金を溶断させて回路を遮断するか、あるいは過電流によってヒューズ合金を溶断させて回路を遮断できる。

これら保護素子の正常な溶断を確保するため、ヒューズ合金の表面には保護素子用フラックスが塗布されている。しかしながら従来の保護素子用フラックスは熱流動性に富むため、保護素子を回路基板に実装する際にリフロー炉などの熱環境下に曝されるとヒューズ合金表面に塗布したフラックスが流出してしまい、極薄膜層を残してヒューズ合金表面から失われてしまうことがあった。ヒューズ合金表面からフラックスが失われるとヒューズ合金の球状溶断が妨げられ、未溶断や合金表面に残留する酸化物などによる糸引きなど溶断不良の原因となっていた。従来、例えば特許文献１に記載されるように、保護素子のヒューズ合金を覆う絶縁カバー部材にフラックスを所定の位置に保持する段部が形成された突条部を設け、環状に形成した段部とヒューズ合金の中央部とにフラックスを接触させて塗布し、フラックスと絶縁カバー部材との界面張力を用いてフラックスを保持する技術がある。また、ヒューズ合金を載置したベース基板にもフラックスの流出を防ぐためのダム状の突起を設けたりする必要があった。

特開２０１０−００３６６５号公報

従来のフラックスは、有機系チクソ剤を含有していてもリフロー温度（最高温度２５０〜２６０℃）まで昇温されるとチクソ性を失い流動するため、形状保持ができなくなる。従って特許文献１に記載されるように、熱環境下で流動化したフラックスの流出範囲を規制するため、ヒューズ合金の中央部に対向する絶縁カバー部材に段部を設けるなど特定のパッケージ構造を用いる必要があった。しかしながら、特に小型薄型パッケージを用いた場合、絶縁カバー部材の中央部に段部を設けると、ヒューズ合金が溶断する際に、絶縁カバー部材の段部が内部空間を狭隘にするため、溶融したヒューズ合金が電極部から押し出されて電極間をブリッジしたり、または溶融したヒューズ合金の電極部への濡れ流動を阻害したりして溶断不良の原因となる。すなわち溶融状態のヒューズ合金は、表面張力によって熱せられた電極部を濡らしながら加熱された電極上にドーム状に寄り集って溶断するが、このドーム状に形成される溶融合金の高さをカバー部材に設けた段部・突条部が制限するため、余剰の溶融合金が周辺にはみ出し電極間をブリッジして未溶断を生じる欠点があった。また、パッケージの躯体や蓋体の一部を特定形状に成形した場合、パッケージの構造が複雑となり部品コストが高くなってしまう欠点もあった。

本発明は、上述の問題点を解消するために提案されたものであり、表面実装型の回路保護素子に適用する保護素子用フラックスにおいて、パッケージの躯体や蓋体の形状に依らず、この保護素子が回路基板に実装する際の熱環境下に曝されてもヒューズ合金表面に塗布したフラックスがヒューズ合金表面から流出して失われないようにした保護素子用フラックスを提供することを目的とする。

本発明によると、保護素子用フラックスにおいて、フラックス組成物は、ロジンなど熱可融性樹脂を含み、これに比較的低温域で流動性を調整するレオロジーコントロール材のチクソ剤や、有機酸類、有機酸アミン塩類、ハロゲン化水素酸アミン塩類等の活性剤、高融点溶剤などの助剤成分を適宜選択添加して調製した有機フラックス基材に、この有機フラックス基材と反応しない不溶不融性かつ絶縁性の無機粒子からなる保持材をさらに添加したことを特徴とする保護素子用フラックスが提供される。室温で固形状またはペースト状の有機フラックス基材に無機粒子を添加することにより、この無機粒子間の間隙に熱環境下で融解し液状化したフラックスを保持させ、熱環境下に曝されてもヒューズ合金表面に塗布したフラックスがヒューズ合金表面から流出して失われないようにヒューズ合金表面に保持できる。

本発明の別の観点によると、上記の保護素子用フラックスを用いた電気回路の保護素子であって、パターン電極を有するベース基板と、ベース基板のパターン電極に電気接続したヒューズ合金と、このヒューズ合金の表面に塗布した有機フラックスと、ヒューズ合金を覆ってベース基板に固着した蓋体とを備え、前記有機フラックスは、ロジンなどの熱可融性樹脂を含み、これに比較的低温域で流動性を調整するレオロジーコントロール材のチクソ剤や、有機酸類、有機酸アミン塩類、ハロゲン化水素酸アミン塩類等の活性剤、高融点溶剤などの助剤成分を適宜選択添加して調製した有機フラックス基材に、これら有機フラックス基材と反応しない不溶不融性かつ絶縁性の無機粒子をさらに添加したことを特徴とする回路保護素子が提供される。さらに該回路保護素子のベース基板には必要に応じて抵抗発熱素子を設けてもよい。

保護素子用フラックスにフラックス基材と反応しない不溶不融性かつ耐熱性、絶縁性の無機粒子を添加することで、熱環境下で融解し液状となったフラックスの界面張力を利用して無機粒子の間隙にフラックスを保持させ、この保護素子がリフロー炉などの熱環境下に曝されても塗布したフラックスがフラックス単体で位置保持が可能となる。従って保護素子を実装する際にリフロー炉などの熱環境下に曝されてもヒューズ合金表面に塗布したフラックスの流出を防止できる。本発明のフラックスは、ヒューズ合金の略中央部に盛り付け、部分的に転写するだけでもリフローの熱によって液状化し、保持材から滲み出したフラックス成分を無機粒子により形成された盛土で保持することができる。すなわち無機粒子により形成した盛土の頂きが液状フラックス表面の凸状頂点部を支える働きをしてフラックスが絶縁基板上へ流出するのを防止でき、かつフラックスをヒューズ合金の表面全面に塗布しなくても、予めヒューズ合金板の略中央部に部分転写しておくだけで、滲み出した液状フラックスがヒューズ合金表面に自己拡張して被覆するので塗布作業を効率化できる。さらに、蓋体に段部を設けなくてもよいので、溶断の際に溶融したヒューズ合金の電極部への濡れ流動を阻害せず、電極間ブリッジを防止できる。

本発明の実施例３の回路保護素子１０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿って蓋体を切断した平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図を示し、（ｃ）はその下面図を示す。本発明の実施例４の回路保護素子２０であり、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿って蓋体を切断した平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図を示し、（ｃ）はその下面図を示す。

本発明に係る保護素子用フラックスは、精製天然ロジン、酸変性ロジン、水添ロジン、不均化ロジンなどの熱可融性樹脂を含み、これに高級脂肪酸アミド類、水添高級脂肪酸エステル類、水添高級脂肪酸類、ヒュームドシリカ類などのチクソ剤や、有機酸類、有機酸アミン塩、ハロゲン化水素酸アミン塩などの活性剤、石油系炭化水素類、グリコールエステル類、有機酸エステル類などの高沸点溶剤等の助剤成分を適宜選択添加して調製した有機フラックス基材に、ガラス粉、セラミックス粉、炭酸カルシウム、タルク、シリカ、カオリン、酸化チタン、マイカ、モンモリロナイトなどの中から選択された少なくとも１つの無機粒子からなる保持材をさらに含有したことを特徴とする。

有機フラックス基材と混合した保持材の分散安定性を評価するため５０％粒径（メジアン径）の異なる無機粒子をペースト状フラックスに配合した供試フラックスを調製し、各供試フラックス２０ｍｌをそれぞれ試験管に充填し、８０℃で４８時間静置した後の外観を観察した。これと併行して各供試フラックス０．７５ｍｇを図１に示した回路保護素子１０に適用した供試保護素子を用意し、各供試保護素子をプレヒート１８０℃で６０秒間、リフロー温度２２５℃で３０秒間、内ピーク温度２５０℃で１２秒以内の温度プロファイルで２回リフロー炉を通過させた後、ヒューズ合金に塗布したフラックスがベース基板表面に流出していないか確認し、次いで保護素子の抵抗発熱素子に７Ｗ印加してヒューズ合金が溶断するまでの動作時間を計測した結果を表１に示す。

本発明に係る保持材の粒径は、表１に示すように、粒径０．０１〜１０μｍの無機粒子が利用でき、中でも０．０１〜１．５μｍのものが粒子分離も無く、分散状態の安定性が良いのでペースト状フラックスに好適であった。

次に、同有機フラックス基材を用いて保持材の配合量を変化させた供試フラックスを調製し、塗布温度を調節できるディスペンサを用いて各供試フラックスの塗布作業性を評価した。同時に各供試フラックス０．７５ｍｇを回路保護素子１０に適用した供試保護素子を用意し、各供試保護素子をプレヒート１８０℃で６０秒間、リフロー温度２２５℃で３０秒間、内ピーク温度２５０℃で１２秒以内の温度プロファイルで２回リフロー炉を通過させた後、ヒューズ合金に塗布したフラックスがベース基板表面に流出していないか確認し、その後、抵抗発熱素子に７Ｗ印加してヒューズ合金が溶断するまでの動作時間を計測した結果を表２に示す。

本発明に係る保持材は、表２に示すように、有機フラックス基材に０．５〜７０質量％の範囲で混合して用いることができ、中でも含有量５〜３０質量％の添加範囲が８０℃未満の低温でディスペンサ塗布ができ好適である。該保持材は、有機フラックス基材と混合しても化学反応しない不溶不融性かつ絶縁性の無機粒子であれば何れも利用できる。例えば、ガラス粉、セラミックス粉などが利用でき、特にアルミナ粒子、炭酸カルシウム粒子、シリカ粒子などが好適に利用できる。また、無機粒子の表面は、有機フラックス基材中に添加混合し易いように、脂肪酸類、樹脂酸類、ワックス類、リン酸化合物、シランカップリング剤などで表面修飾を施してもよい。

本発明に係る回路保護素子は、上記の保護素子用フラックスを用いた電気回路の保護素子であって、パターン電極を有する耐熱絶縁材からなるベース基板と、ベース基板のパターン電極に電気接続した可融性金属からなるヒューズ合金と、このヒューズ合金の表面に塗布した有機フラックスと、ヒューズ合金を覆ってベース基板に固着した蓋体とを備え、有機フラックスは、精製天然ロジン、酸変性ロジン、水添ロジン、不均化ロジンなどの熱可融性樹脂を含み、これに高級脂肪酸アミド類、水添高級脂肪酸エステル類、水添高級脂肪酸類、ヒュームドシリカ類などのチクソ剤や、有機酸類、有機酸アミン塩、ハロゲン化水素酸アミン塩などの活性剤、高融点溶剤などの助剤成分を適宜選択添加して調製した有機フラックス基材に、ガラス粉、セラミックス粉、アルミナ、炭酸カルシウム、タルク、シリカ、カオリン、酸化チタン、マイカ、モンモリロナイトなどの中から選択された少なくとも１つの無機粒子からなる保持材をさらに含有したことを特徴とする。さらに該回路保護素子のベース基板には必要に応じて抵抗発熱素子を設けてもよい。

本発明に係る実施例１の保護素子用フラックスは、酸変性水添重合ロジンからなる熱可融性樹脂と、ステアリン酸アミドからなるチクソ剤と、セバシン酸およびセバシン酸ジシクロヘキシルアミン塩からなる活性剤と、ジエチレングリコールモノエステル系高沸点溶剤とを含んで均一に混練した有機フラックス基材に、粒径１〜１．５μｍの無定形粒状炭酸カルシウムからなる保持材を配合量１０質量％となるように添加した。

本発明に係る実施例２の保護素子用フラックスは、酸変性水添重合ロジンからなる熱可融性樹脂と、ステアリン酸アミドからなるチクソ剤と、セバシン酸およびセバシン酸ジシクロヘキシルアミン塩からなる活性剤と、ジエチレングリコールモノエステル系高沸点溶剤とを含んで均一に混練した有機フラックス基材に、粒径０．３μｍの球状シリカからなる保持材を配合量２０質量％となるように添加した。

本発明に係る実施例３の保護素子用フラックスは、酸変性水添重合ロジンからなる熱可融性樹脂と、ステアリン酸アミドからなるチクソ剤と、セバシン酸およびセバシン酸ジフェニルアミン塩からなる活性剤と、ジエチレングリコールモノエステル系高沸点溶剤とを含んで均一に混練した有機フラックス基材に、粒径１〜１．５μｍの無定形粒状アルミナからなる保持材を配合量３０質量％となるように添加した。

本発明に係る実施例４の回路保護素子１０は、実施例１ないし実施例３の何れか１つの保護素子用フラックスを使用した回路保護素子であり、図１に示すように、上下面に複数のＡｇ合金製パターン電極１１を設けたアルミナ・セラミックス製のベース基板１２と、該パターン電極１１と電気接続され該ベース基板１２の下面に設けた抵抗発熱素子１３と、該ベース基板１２の上面のパターン電極１１に電気接続したヒューズ合金１４と、このヒューズ合金の表面に塗布した有機フラックス１５と、フラックス１５を含むヒューズ合金１４の上部を覆って該ベース基板１２に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体１６とを備え、有機フラックス１５は、酸変性水添重合ロジンからなる熱可融性樹脂と、ステアリン酸アミドからなるチクソ剤と、セバシン酸およびセバシン酸アミン塩からなる活性剤と、ジエチレングリコールモノエステル系高沸点溶剤とを含んだ有機フラックス基材に、炭酸カルシウム、シリカ、またはアルミナから選択された無機粒子からなる保持材を含有したことを特徴とする。パターン電極１１は、基板上下面のパターン電極１１を電気接続するＡｇ合金のスルーホール１７を有する。特に図示しないが、抵抗発熱素子１３の表面はガラス材のオーバーグレーズを施している。

本発明に係る実施例５の回路保護素子２０は、前述の実施例４の回路保護素子１０を変形した回路保護素子である。図２に示すように、上下面に複数のＡｇ合金製パターン電極２１を設けたアルミナ・セラミックス製のベース基板２２と、該パターン電極２１と電気接続され該ベース基板２２の上面に設けた抵抗発熱素子２３と、この抵抗発熱素子２３に当接して該ベース基板２２の上面のパターン電極２１に電気接続したヒューズ合金２４と、このヒューズ合金２４の表面に塗布したフラックス２５と、このフラックス２５を含むヒューズ合金２４の上部を覆って該ベース基板２２に固着した液晶ポリマー製のキャップ状蓋体２６とを備え、前記有機フラックス２５は、酸変性水添重合ロジンからなる熱可融性樹脂と、ステアリン酸アミドからなるチクソ剤と、セバシン酸およびセバシン酸アミン塩からなる活性剤と、ジエチレングリコールモノエステル系高沸点溶剤とを含んだ有機フラックス基材に、炭酸カルシウム、シリカ、またはアルミナから選択された無機粒子からなる保持材を含有したことを特徴とする。パターン電極２１は、基板上下面のパターン電極２１を電気接続するＡｇ合金のスルーホール２７を有する。特に図示しないが、抵抗発熱素子２３の表面はガラス材のオーバーグレーズを施している。

本発明に係る実施例のフラックス０．７５ｍｇを用いた回路保護素子１０を、プレヒート１８０℃で６０秒間、リフロー温度２２５℃で３０秒間、内ピーク温度２５０℃で１２秒以内の温度プロファイルで２回リフロー炉を通過させた後、ヒューズ合金に塗布したフラックスがベース基板表面に流出していないか確認し、次いで保護素子の抵抗発熱素子に７Ｗ印加してヒューズ合金が溶断するまでの動作時間を計測した結果を表３に示す。

表３に示すように、実施例１、実施例２、および実施例３を含む各実施例のフラックスを適用した回路保護素子１０は、何れもリフロー２回後もベース基板へのフラックス流出が無く、かつ十数秒で正常に溶断動作しているのが分かる。

本発明の保護素子用フラックスおよびこれを用いた回路保護素子は、他の表面実装部品と共に被保護回路板にマウントでき、リフロー工法などで一括はんだ付け実装されて、電池パックなど２次電池の保護装置に利用できる。

１０，２０・・・回路保護素子、
１１，２１・・・パターン電極、
１２，２２・・・ベース基板、
１３，２３・・・抵抗発熱素子、
１４，２４・・・ヒューズ合金、
１５，２５・・・有機フラックス、
１６，２６・・・蓋体、
１７，２７・・・スルーホール。

Claims

パターン電極を有する耐熱絶縁材からなるベース基板と、前記ベース基板の前記パターン電極に電気接続した可融性金属からなるヒューズ合金と、このヒューズ合金の表面に塗布した有機フラックスと、前記ヒューズ合金を覆って前記ベース基板に固着した蓋体とを備え、前記有機フラックスは、ロジンなどの熱可融性樹脂を含み、これに比較的低温域で流動性を調整するチクソ剤や、有機酸類、有機酸アミン塩類、ハロゲン化水素酸アミン塩類等の活性剤、高融点溶剤などの助剤成分を適宜選択添加して調製した有機フラックス基材に、この有機フラックス基材と反応しない不溶不融性かつ絶縁性の無機粒子からなる保持材をさらに含有したことを特徴とする回路保護素子。
前記保持材は、ガラス粉、セラミックス粉、炭酸カルシウム、タルク、シリカ、カオリン、酸化チタン、マイカ、モンモリロナイトの中から選択された少なくとも１つの無機粒子であることを特徴とする請求項１に記載の回路保護素子。
前記回路保護素子は、前記ベース基板にさらに抵抗発熱素子を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路保護素子。