KR100783997B1

KR100783997B1 - 보호 소자

Info

Publication number: KR100783997B1
Application number: KR1020057011926A
Authority: KR
Inventors: 유우지 후루우찌
Original assignee: 소니 케미카루 앤드 인포메이션 디바이스 가부시키가이샤
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2007-12-07
Also published as: KR20050088326A; US20060028314A1; US7286037B2; CN101090046B; CN1732546A; CN100361250C; TWI255481B; HK1114943A1; JP2004214033A; WO2004061886A1; HK1086666A1; TW200414254A; CN101090046A

Abstract

저융점 금속체의 가열 용융시의 구형상 분단화 성능을 향상시키는 보호 소자는 기판 상에 발열체와 저융점 금속체를 갖고, 발열체의 발열에 의해 저융점 금속체가 녹아 절단되는 보호 소자이다. 이 보호 소자는 저융점 금속체가 베이스(예를 들어, 절연층)로부터 부유하고 있는 영역을 갖고, 상기 영역을 사이에 끼우는 한 쌍의 저융점 금속체용 전극(3a와 3b, 3b와 3c)에 있어서의 저융점 금속체(4)의 횡단면의 면적을 S(μ㎡), 상기 부유하고 있는 영역의 부유 높이를 H(㎛)라 한 경우에, H/S ≥ 5 × 10^-5의 관계식을 충족한다. 여기서, 상기 한 쌍의 저융점 금속체용 전극의 쌍방의 상면이 상기 베이스 절연층의 상면보다도 돌출된 위치에 있는 것이 바람직하다. 혹은 상기 한 쌍의 저융점 금속체용 전극의 상면 사이에 단차가 있고, 상기 한 쌍의 저융점 금속체용 전극 사이에서 저융점 금속체가 경사져 있는 것이 바람직하다.

저융점 금속체, 발열체, 절연층, 기판, 보호 소자

Description

보호 소자{PROTECTION ELEMENT}

본 발명은 이상시에 발열체에 통전되도록 함으로써 발열체가 발열하여 저융점 금속체가 녹아 절단되는 보호 소자에 관한 것이다.

종래, 과전류를 차단하는 보호 소자로서, 납, 주석, 안티몬 등의 저융점 금속체로 이루어지는 전류 퓨즈가 널리 알려져 있다.

또한, 과전류뿐만 아니라 과전압도 방지하기 위해 사용할 수 있는 보호 소자로서, 기판 상에 발열체와 절연층과 저융점 금속체를 차례로 적층하여 과전압시에 발열체가 발열하고, 그에 의해 저융점 금속체가 녹아 절단되도록 한 보호 소자가 알려져 있다(일본 특허 제2790433호).

그러나, 이와 같은 보호 소자에 대해서는, 절연층을 스크린 인쇄에 의해 형성한 경우에, 절연층의 표면에 스크린 인쇄의 메쉬에 기인하는 요철이 형성되고, 그 요철로 인해 절연층 상에 적층되어 있는 저융점 금속체의 가열시의 원활한 구형상화 분단이 방해된다는 문제점이 지적되고 있다. 그리고 이 문제점에 대해서는 발열체와 저융점 금속체를 절연층을 거쳐서 적층하는 일 없이, 기판 상에서 평면적으로 배치하는 것이 제안되어 있다(일본 특허 공개 평10-116549호 공보, 일본 특허 공개 평10-116550호 공보).

그러나, 발열체를 저융점 금속체와 평면적으로 배치하면, 소자의 콤팩트화를 도모할 수 없다. 또한, 이 경우에도 저융점 금속체는 기판 상에 베타에 접하도록 설치되므로, 기판이 가열 용융 상태에 있는 저융점 금속체의 유동 저항이 되는 것은 피할 수 없고, 저융점 금속체의 원활한 구형상 분단화가 보증된다고는 할 수 없다.

그래서, 본 발명은 기판 상에 발열체와 저융점 금속체를 갖고, 발열체의 발열에 의해 저융점 금속체가 가열되어 녹아 절단되는 보호 소자에 있어서 저융점 금속체가 가열 용융시에 확실하게 구형상 분단화되도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 기판 상에서 저융점 금속체와 접속하는 전극 사이에 상기 저융점 금속체를 부유하게 하고, 또한 그 경우의 부유 높이(H)와 저융점 금속체의 횡단면의 면적(S)에 일정한 관계를 갖게 하면, 저융점 금속체의 가열 용융시의 구형상 분단화 성능이 향상되는 것을 발견하였다.

즉, 본 발명은 기판 상에 발열체와 저융점 금속체를 갖고, 발열체의 발열에 의해 저융점 금속체가 녹아 절단되는 보호 소자에 있어서, 저융점 금속체가 베이스로부터 부유하고 있는 영역을 갖고, 상기 영역을 사이에 두는 한 쌍의 저융점 금속체용 전극 사이에 있어서의 저융점 금속체의 횡단면의 면적을 S(μ㎡), 상기 부유하고 있는 영역의 부유 높이를 H(㎛)라 한 경우에,

H/S ≥ 5 × 10^-5

인 것을 특징으로 하는 보호 소자를 제공한다.

여기서, 저융점 금속체의 횡단면이라 함은, 상기 저융점 금속체를 흐르는 전류의 방향과 수직인 저융점 금속체의 단면을 말한다.

도1의 (a)는 본 발명의 보호 소자의 평면도이고, 도1의 (b) 및 도1의 (c)는 그 단면도이다.

도2a 내지 도2e는 본 발명의 보호 소자의 제조 공정도이다.

도3은 과전압 방지 장치의 회로도이다.

도4는 본 발명의 보호 소자의 단면도이다.

도5는 본 발명의 보호 소자의 단면도이다.

도6a는 본 발명의 보호 소자의 평면도이고, 도6b는 그 단면도이다.

도7은 본 발명의 보호 소자의 단면도이다.

도8은 본 발명의 보호 소자의 단면도이다.

도9a는 본 발명의 보호 소자의 평면도이고, 도9b는 그 단면도이다.

도10은 과전압 방지 장치의 회로도이다.

도11은 비교예의 보호 소자의 단면도이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명을 상세하게 설명한다. 또, 각 도면 중 동일 부호는 동일 또는 동등한 구성 요소를 나타내고 있다.

도1의 (a)는 본 발명의 일형태의 보호 소자(1A)의 평면도이고, 도1의 (b) 및 도1의 (c)는 그 단면도이다.

이 보호 소자(1A)는 기판(2) 상에 발열체(6), 절연층(5) 및 저융점 금속체(4)가 차례로 적층된 구조를 갖고 있다. 여기서, 저융점 금속체(4)는 그 양단부의 저융점 금속체용 전극(3a, 3c)과 중앙부의 저융점 금속체용 전극(3b)과 접속하고 있다. 이들 전극(3a, 3b, 3c)의 상면은 모두 저융점 금속체(4)의 베이스로 되어 있는 절연층(5)의 상면보다도 돌출되어 있으므로, 저융점 금속체(4)는 그 베이스 절연층(5)에 접하는 일 없이 부유되어 있다.

이 보호 소자(1A)는 한 쌍의 저융점 금속체용 전극(3a, 3b), 혹은 전극(3b, 3c) 사이의 저융점 금속체(4)의 횡단면의 면적(도1의 (c))이고, 2중선의 해칭을 부여한 부분(W × t)을 S(μ㎡), 부유하고 있는 영역의 부유 높이를 H(㎛)라 한 경우에, H/S ≥ 5 × 10^-5인 것을 특징으로 하고 있다.

이에 의해, 발열체(6)의 발열에 의해 저융점 금속체(4)가 가열되어 용융 상태가 된 경우에, 저융점 금속체(4)는 베이스 절연층(5) 혹은 기판(2) 등의 표면 성상(性狀)에 관계없이 확실하게 구형상 분단화된다.

이 보호 소자(1A)는 도2에 도시한 바와 같이 제조된다. 우선 기판(2) 상에 발열체(6)용 전극(소위, 침전극)(3x, 3y)을 형성하고(도2a), 계속해서 발열체(6)를 형성한다(도2b). 이 발열체(6)는 예를 들어 산화루테늄계 페이스트를 인쇄하고, 소성함으로써 형성한다. 다음에, 필요에 따라서 발열체(6)의 저항치의 조절을 위해 엑시머 레이저 등으로 발열체(6)에 트리밍을 형성한 후, 발열체(6)를 덮도록 절 연층(5)을 형성한다(도2c). 다음에, 저융점 금속체용 전극(3a, 3b, 3c)을 형성하고(도2d), 이 전극(3a, 3b, 3c)에 다리를 걸쳐 놓은 것처럼 저융점 금속체(4)를 설치한다(도2e).

여기서, 기판(2), 전극(3a, 3b, 3c, 3x, 3y), 발열체(6), 절연층(5), 저융점 금속체(4)의 형성 소재나 그 자체의 형성 방법은 종래예와 마찬가지로 할 수 있다. 따라서, 예를 들어 기판(2)으로서는 플라스틱 필름, 유리 에폭시 기판, 세라믹 기판, 금속 기판 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 무기계(無機系) 기판을 사용한다.

발열체(6)는 예를 들어 산화리튬, 카본 블랙 등의 도전 재료와 물유리 등의 무기계 바인더 혹은 열경화성 수지 등의 유기계(有機系) 바인더로 이루어지는 저항 페이스트를 도포하고, 필요에 따라서 소성함으로써 형성할 수 있다. 또한, 발열체(6)는 산화리튬, 카본블랙 등의 박막을 인쇄, 도금, 증착, 스패터 등에 의해 형성해도 좋고, 이들 필름의 첨부, 적층 등에 의해 형성해도 좋다.

저융점 금속체(4)의 형성 재료로서는, 종래부터 퓨즈 재료로서 사용되고 있는 다양한 저융점 금속체를 사용할 수 있고, 예를 들어 일본 특허 공개 평8-161990호 공보의 단락 [0019]의 표 1에 기재한 합금을 사용할 수 있다.

저융점 금속체용 전극(3a, 3b, 3c)으로서는 구리 등의 금속 단일 부재, 혹은 표면이 Ag-Pt, Au 등으로 도금되어 있는 전극을 사용할 수 있다.

도1의 (a)의 보호 소자(1A)의 사용 방법으로서는, 예를 들어 도3에 도시한 바와 같이 과전압 방지 장치에서 이용된다. 도3의 과전압 방지 장치에 있어서, 단 자(A1, A2)에는 예를 들어 리튬 이온 전지 등의 피보호 장치의 전극 단자가 접속되고, 단자(B1, B2)에는 피보호 장치에 접속해서 사용되는 충전기 등의 장치의 전극 단자가 접속된다. 이 과전압 방지 장치에 따르면, 리튬 이온 전지의 충전이 진행되어 제너 다이오드(D)에 항복 전압 이상의 역전압이 인가되면, 급격히 베이스 전류(ib)가 흐르고, 그에 의해 큰 콜렉터 전류(ic)가 발열체(6)에 흘러 발열체(6)가 발열한다. 이 열이 발열체(6) 상의 저융점 금속체(4)에 전달하여 저융점 금속체(4)가 녹아 절단되고, 단자(A1, A2)에 과전압이 인가되는 것이 방지된다. 이 경우, 저융점 금속체(4)는 4a와 4b의 2군데에서 녹아 절단되므로, 녹아 절단된 후에는 발열체(6)로의 통전이 완전히 차단된다.

본 발명의 보호 소자는 이 외 다양한 형태를 들 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 저융점 금속체용 전극 상면 사이에 단차를 마련하고, 이 한 쌍의 저융점 금속체용 전극에 접속하는 저융점 금속체를 이들 전극 사이에서 경사지게 해도 좋다.

도4의 보호 소자(1B)는 이와 같은 보호 소자의 일예이며, 중간 전극(3b)의 상면을 양단부의 전극(3a, 3c)의 상면보다도 돌출시켜, 전극(3a, 3b, 3c)에 걸쳐지는 저융점 금속체(4)를 보호 소자(1B)의 상면측에 볼록해지도록 경사지게 한 것이다. 이 경우, 중간 전극(3b)의 상면과 양측 전극(3a, 3c)의 상면과의 단차에 의해 정해지는 부유 높이(H)(㎛)와, 저융점 금속체의 횡단면의 면적(S)(μ㎡)이 H/S ≥ 5 × 10^-5의 관계를 충족시키도록 한다. 저융점 금속체(4)를 경사지게 하여 부유하게 함으로써, 가열 용융시의 구형상 분단화를 보다 확실하게 생기게 할 수 있다.

도5의 보호 소자(1C)는 중간 전극(3b)의 상면이 양단부 전극(3a, 3b)의 상면보다도 낮아지도록 형성하고, 전극(3a, 3b, 3c)에 걸쳐지는 저융점 금속체(4)를 보호 소자의 하면측으로 볼록해지도록 경사지게 한 것이다. 이 경우에도, 중간 전극(3b)의 상면과 양측 전극(3a, 3c)의 상면과의 단차에 의해 정해지는 부유 높이(H)(㎛)와, 저융점 금속체의 횡단면의 면적(S)(μ㎡)이 H/S ≥ 5 × 10^-5의 관계를 충족시키도록 한다. 또, 이 보호 소자(1C)와 같이 중간 전극(3b)의 상면과 절연층(5)의 상면이 높이가 같아지도록 형성하기 위해서는, 예를 들어 절연층(5)을 형성하는 유리 페이스트를 인쇄하고, 그 위에 전극(3b)을 형성하는 도전 페이스트를 인쇄하고, 또한 압박하여 이들 인쇄면을 같은 높이로 하고, 그 후에 소성 처리를 하여 절연층(5)과 전극(3b)을 형성하면 된다.

도6a의 보호 소자(1D)는 중간 전극(3b)과 양단부 전극(3a, 3c) 사이에 절연 유리 등으로 이루어지는 스페이서(7)를 설치하고, 그 스페이서(7) 상에 저융점 금속체(4)를 형성하고, 그에 의해 저융점 금속체(4)가 부유하도록 한 것이다. 이 경우, 스페이서(7)의 상면과 중간 전극(3b)의 상면 혹은 양측 전극(3a, 3c)의 상면과의 높이의 차에 의해 정해지는 부유 높이(H)(㎛)와, 저융점 금속체(4)의 횡단면의 면적(S)(μ㎡)이 H/S ≥ 5 × 10^-5의 관계를 충족시키도록 한다.

또, 상술한 보호 소자(1A, 1B, 1C, 1D)에 있어서는, 저융점 금속(4)이 전극(3a, 3b) 사이, 전극(3b, 3c) 사이의 전체 영역에 있어서 부유되어 있고, 저융점 금속체가 그 하방의 절연층(5)과 접해 있지 않지만, 본 발명에 있어서 저융점 금속 체(4)는 전극(3a, 3b, 3c)과 접하는 이외의 모든 영역에 있어서 반드시 부유될 필요는 없다. 예를 들어, 도7에 도시하는 보호 소자(1E)와 같이 저융점 금속체(4)가 양측 전극(3a, 3c)의 근방에서 절연층(5)과 접해 있어도 좋다.

또한, 도8에 도시하는 보호 소자(1F)와 같이, 하나의 보호 소자 중에 저융점 금속체(4)의 높이가 다른 부유(높이 H₁, H₂)가 있는 경우, 각각의 부유에 대해 상술한 부유의 높이(H)와 저융점 금속체의 횡단면의 면적(S)과의 관계가 충족되도록 한다.

본 발명의 보호 소자는 저융점 금속체가 전극(3a)과 전극(3b), 및 전극(3b)과 전극(3b)은 2쌍의 전극 사이에서 각각 녹아 절단되는 것에 한정되지 않고, 그 용도에 따라서 한 쌍의 전극 사이에서만 녹아 절단되도록 구성해도 좋다. 예를 들어, 도10에 도시한 회로도의 과전압 방지 장치에서 이용하는 보호 소자는 도9a에 도시하는 보호 소자(1G)와 같이 전극(3b)을 생략한 구성으로 할 수 있다. 이 보호 소자(1G)도 한 쌍의 전극간(3a, 3c)에 높이(H)로 부유된다.

그 밖에, 본 발명의 보호 소자에 있어서, 각각의 저융점 금속체(4)의 형상은 평판 형상에 한정되지 않는다. 예를 들어, 둥근 막대 형상으로 해도 좋다. 또한, 저융점 금속체(4)는 발열체(6) 상에 절연층(5)을 거쳐서 적층하는 경우에 한정되지 않는다. 저융점 금속체와 발열체를 평면 배치하여, 발열체의 발열에 의해 저융점 금속체가 녹아 절단되도록 해도 좋다.

본 발명의 보호 소자를 칩화하는 경우, 저융점 금속체(4) 상에는 4, 6-나일 론, 액정 폴리머 등의 캡을 씌우는 것이 바람직하다.

<실시예>

이하, 본 발명을 실시예를 베이스로 하여 구체적으로 설명한다.

<제1 실시예>

도1의 (a)의 보호 소자(1A)를 다음과 같이 하여 제작하였다. 기판(2)으로서, 알루미나계 세라믹 기판(두께 0.5 ㎜, 크기 5 ㎜ × 3 ㎜)을 준비하고, 이에 은-파라듐 페이스트(듀퐁사제, 6177T)를 인쇄하고, 소성(850 ℃, 0.5시간)함으로써 발열체(6)용 전극(3x, 3y)(두께 10 ㎛, 크기 2.4 ㎜ × 0.2 ㎜)을 형성하였다.

다음에, 산화리튬계 페이스트(듀퐁사제, DP1900)를 인쇄하고, 소성(850 ℃, 0.5시간)함으로써 발열체(6)(두께 10 ㎛, 크기 2.4 ㎜ × 1.6 ㎜, 패턴 저항 5 Ω)를 형성하였다.

그 후, 발열체(6) 상에 절연 유리 페이스트를 인쇄함으로써 절연층(5)(두께 15 ㎛)을 형성하고, 또한 저융점 금속체용 전극(3a, 3b, 3c)(크기 2.2 ㎜ × 0.7 ㎜, 3a, 3c의 두께 20 ㎛, 3b의 두께 10 ㎛)을, 은-백금 페이스트(듀퐁사제, 5164N)를 인쇄하고, 소성(850 ℃, 0.5시간)함으로써 형성하였다. 이 전극(3a, 3b, 3c)에 다리를 걸쳐 놓은 것처럼 저융점 금속체(4)로서 땜납박[Sn : Sb ＝ 95 : 5, 액상점 240 ℃, 두께(t) ＝ 100 ㎛, 길이(L) ＝ 4000 ㎛, 폭(W) ＝ 1000 μ 0 ㎜]을 접속하여, 땜납박의 부유 높이(H)가 10 ㎛, 땜납박의 횡단면의 면적(S)이 100 ㎛ × 1000 ㎛＝ 1 × 10⁵ μ㎡인 보호 소자(1A)를 얻었다.

<제1 비교예>

제1 실시예의 보호 소자의 제조 방법에 있어서, 전극(3a, 3b, 3c)의 소성 전에 압박함으로써 전극(3a, 3b, 3c)과 절연층(5)을 평면화하고, 그 위에 땜납박을 접속함으로써 도11에 도시한 바와 같이 땜납박[저융점 금속체(4)]에 부유가 없는 보호 소자(1X)를 제작하였다.

<제2 내지 제7 실시예, 제2 내지 제5 비교예>

제1 실시예의 보호 소자의 제조 방법에 있어서, 저융점 금속체(4)의 폭, 두께, 전극(3a, 3b, 3c)의 인쇄 두께를 바꿈으로써, 표 1과 같이 저융점 금속체의 부유 높이(H)와 횡단면의 면적(S)이 다른 보호 소자를 제작하였다.

<평가>

제1 내지 제7 실시예 및 제1 내지 제5 비교예의 각 보호 소자의 발열체(6)에 4 W를 인가한 경우에 있어서, 발열체(6)에 전압을 인가한 후 저융점 금속체(4)가 녹아 절단되기까지의 시간(동작 시간)을 측정하고, 동작 시간이 15초 이내인 경우를 G, 15초를 초과하는 경우를 NG라고 평가하였다.

결과를 표 1에 나타낸다. 표 1로부터 저융점 금속체(4)에 부유 영역을 마련함으로써 동작 시간이 짧아지는 것, 저융점 금속체(4)의 부유 높이(H)와 횡단면의 면적(S)의 비(H/S)가 5 × 10^-5 이상인 경우에, 동작 시간이 15초 이내가 되는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 기판 상에 발열체와 저융점 금속체를 갖고, 발열체의 발열에 의해 저융점 금속체가 가열되어 녹아 절단되는 보호 소자에 있어서, 저융점 금속체의 가열 용융시에 저융점 금속체를 확실하게 구형상 분단화할 수 있다.

Claims

기판 상에 발열체와 저융점 금속체를 갖고, 발열체의 발열에 의해 저융점 금속체가 녹아 절단되는 보호 소자에 있어서, 저융점 금속체가 베이스로부터 부유하고 있는 영역을 갖고, 상기 영역을 사이에 끼우는 한 쌍의 저융점 금속체용 전극 사이에 있어서의 저융점 금속체의 횡단면의 면적을 S(μ㎡), 상기 부유하고 있는 영역의 부유 높이를 H(㎛)라 한 경우에,

H/S ≥ 5 × 10^-5이며,

상기 한 쌍의 저융점 금속체용 전극의 상면 사이에 단차가 있고, 상기 한 쌍의 저융점 금속체용 전극 사이에서 저융점 금속체가 경사져 있는 보호 소자.
제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 저융점 금속체용 전극의 쌍방의 상면이 상기 베이스 절연층의 상면보다도 돌출된 위치에 있는 보호 소자.
삭제
제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 저융점 금속체용 전극 사이에 절연성의 스페이서가 설치되고, 상기 스페이서의 상면이 한 쌍의 저융점 금속체용 전극의 상면보 다도 돌출되어 있는 보호 소자.