KR20160040567A

KR20160040567A - 보호 소자 및 배터리 팩

Info

Publication number: KR20160040567A
Application number: KR1020167003293A
Authority: KR
Inventors: 다케오 기무라; 고지 사토; 요시히로 요네다
Original assignee: 데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-04-14
Also published as: TWI671777B; JP6364243B2; KR102251913B1; JP2015053260A; WO2015020111A1; CN105453211B; TW201523679A; CN105453211A

Abstract

과전류 보호시의 전류 용량을 확보하면서 발열체의 발열에 의해 확실하게 용단시킨다. 제 1 절연 기판 (55) 과, 제 1 및 제 2 외부 전극 (51, 52) 과, 제 1 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측에 형성된 발열체 (57) 와, 제 1 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 의 제 1 외부 전극 (51) 과 제 2 외부 전극 (52) 사이에 형성된 표리면 전극 (56, 64) 과, 표면 (55a) 에, 표면 전극 (56) 과 중첩되도록, 제 1 및 제 2 외부 전극 (51, 52) 에 걸쳐 적층되는 가용 도체 (53) 와, 내측면에 도전층 (65) 이 형성된 관통공 (58) 과, 관통공 (58) 내에 충전된 예비 땜납 (66) 을 구비한다. 발열체 (57) 의 열에 의해, 예비 땜납 (66) 및 가용 도체 (53) 가 용융되어, 표리면 전극 (56, 64), 관통공 (58) 내의 도전층 (65) 등의 젖음성에 의해, 온도가 높은 제 1 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측으로, 용융된 예비 땜납 (66) 및 가용 도체 (53) 가 이동한다.

Description

보호 소자 및 배터리 팩{PROTECTIVE ELEMENT AND BATTERY PACK}

본 발명은, 전류 경로를 용단함으로써, 전류 경로 상에 접속된 회로를 보호하는 보호 소자 및 배터리 팩에 관한 것이다. 본 출원은, 일본에서 2013년 8월 7일에 출원된 일본 특허출원번호 특원 2013-163950호, 및 2014년 5월 30일에 출원된 일본 특허출원번호 특원 2014-113044호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이고, 이들 출원은 참조됨으로써, 본 출원에 원용된다.

충전하여 반복 이용할 수 있는 이차 전지의 상당수는, 배터리 팩에 가공되어 사용자에게 제공된다. 특히 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지에 있어서는, 사용자 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위해서, 일반적으로, 과충전 보호, 과방전 보호 등의 몇 개나 되는 보호 회로를 배터리 팩에 내장하고, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 가지고 있다.

많은 리튬 이온 이차 전지를 사용한 전자 장치에 있어서는, 배터리 팩에 내장된 FET 스위치를 사용하여 출력의 ON/OFF 를 실시함으로써, 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호 동작을 실시한다. 그러나, 어떠한 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴된 경우, 뇌서지 등이 인가되어 순간적인 대전류가 흐른 경우, 혹은 배터리 셀의 수명에 의해 출력 전압이 비정상적으로 저하되거나, 반대로 과대 이상 전압을 출력한 경우라도, 배터리 팩이나 전자 기기는 발화 등의 사고로부터 보호되어야 한다. 그래서, 이와 같은 상정할 수 있는 어떠한 이상 상태에 있어서도, 배터리 셀의 출력을 안전하게 차단하기 위해서, 외부로부터의 신호에 의해 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자로 이루어지는 보호 소자가 사용된다.

이와 같은 리튬 이온 이차 전지 등을 위한 보호 회로의 보호 소자로서, 특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 보호 소자 내부에 발열체를 갖고, 이 발열체의 발열에 의해 전류 경로 상의 가용 도체를 용단하는 구조가 일반적으로 사용되고 있다.

일본 공개특허공보 2010-3665호

특허문헌 1 에 기재되어 있는 보호 소자에 있어서, 휴대 전화나 노트북 PC 와 같은 전류 용량이 비교적 낮은 용도에 사용하기 위해서, 가용 도체 (퓨즈) 는, 최대 15 A 정도의 전류 용량을 가지고 있다. 리튬 이온 이차 전지의 용도는 최근 확대되고 있으며, 보다 대전류의 용도, 예를 들어 전동 드라이버 등의 전동 공구나, 하이브리드카, 전기 자동차, 전동 어시스트 자전거 등의 수송 기기에 채용이 검토되고, 일부 채용이 개시되고 있다. 이러한 용도에 있어서, 특히 기동시 등에는, 수십 A ∼ 100 A 를 초과하는 대전류가 흐르는 경우가 있다. 이와 같은 대전류 용량에 대응한 보호 소자의 실현이 요망되고 있다.

대전류에 대응하는 보호 소자를 실현하기 위해서는, 가용 도체의 단면적을 증대시키면 된다. 그러나, 보호 소자는, 과전류 상태에 의해 용단시키는 경우 이외에도, 전지 셀의 과전압 상태를 검출하여, 저항체로 형성된 발열체에 전류를 흘리고, 그 발열에 의해 가용 도체를 절단할 필요가 있다. 대전류에 대응하기 위해서 단면적을 증대시키면, 용단시의 가용 도체의 용융량이 많아지기 때문에, 가용 도체를 안정적으로 용단하는 것이 곤란해진다. 또, 가용 도체의 용융량이 많아지면 과전류에 의한 전류 차단의 직전에 용융 도체가 응집량도 증대되고, 차단시의 아크 방전에 의해 용융 도체가 다량으로 비산하여, 절연 저항의 저하나 가용 도체의 탑재 위치의 주변 회로의 단락 등의 리스크도 높아진다. 또한, 보호 소자가 배치되는 자세에 따라 용단 동작이 변동되는 것도 문제이다.

그래서, 본 발명은, 과전류 보호시의 전류 용량을 확보하면서, 과전류에 의한 전류 차단시에 아크 방전에 의한 용융 도체의 비산을 억제할 수 있는 보호 소자 및 배터리 팩을 얻는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은, 과전류 보호시의 전류 용량을 확보하면서, 발열체에 의한 발열에 의해 가용 도체를 확실하게 용단시킬 수 있는 보호 소자 및 배터리 팩을 얻는 것을 목적으로 한다.

상기 서술한 과제를 해결하는 본 발명에 관련된 보호 소자는, 제 1 절연 기판과, 상기 제 1 절연 기판의 표면에 탑재된 가용 도체를 갖고, 상기 제 1 절연 기판의 표면에는, 용융된 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인공 (吸引孔) 이 개구되어 있는 것이다.

또, 본 발명에 관련된 배터리 팩은, 1 개 이상의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되고, 그 충방전 경로를 차단하는 보호 소자를 구비하고, 상기 보호 소자는, 제 1 과, 상기 제 1 절연 기판의 표면에 탑재되고, 상기 충방전 경로가 되는 가용 도체를 갖고, 상기 제 1 절연 기판의 표면에는, 용융된 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인공이 개구되어 있는 것이다.

또, 본 발명에 관련된 보호 소자는, 제 1, 제 2 외부 전극과, 상기 제 1, 제 2 외부 전극 사이에 걸쳐 접속된 가용 도체와, 상기 가용 도체에 접속되고, 용융된 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인 부재를 갖고, 상기 흡인 부재는, 상기 제 1, 제 2 외부 전극 사이에 배치 형성된 제 1 절연 기판과, 상기 제 1 절연 기판의 표면에 형성되고, 상기 가용 도체의 일부와 접속된 표면 전극과, 상기 제 1 절연 기판에 형성된 발열체와, 상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성되고, 상기 표면 전극과 연속되는 관통공을 구비하고, 상기 가용 도체가 용융됨으로써 상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극 사이의 전류 경로를 차단하는 것이다.

또, 본 발명에 관련된 배터리 팩은, 1 개 이상의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되고, 그 충방전 경로를 차단하는 보호 소자와, 상기 배터리 셀의 전압값을 검출하여 상기 보호 소자로의 통전을 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고, 상기 보호 소자는, 제 1, 제 2 외부 전극과, 상기 제 1, 제 2 외부 전극 사이에 걸쳐 접속된 가용 도체와, 용융된 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인 부재를 갖고, 상기 흡인 부재는, 상기 제 1, 제 2 외부 전극 사이에 배치 형성된 제 1 절연 기판과, 상기 제 1 절연 기판의 표면에 형성되고, 상기 가용 도체의 일부와 접속된 표면 전극과, 상기 제 1 절연 기판에 형성된 발열체와, 상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성되고, 상기 표면 전극과 연속되는 관통공을 구비하고, 상기 가용 도체가 용융됨으로써 상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극 사이의 전류 경로를 차단하는 것이다.

또, 상기 서술한 과제를 해결하는 본 발명에 관련된 보호 소자는, 제 1 절연 기판과, 제 1 및 제 2 외부 전극과, 상기 제 1 절연 기판의 일방의 면측에 있는, 상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극 사이에 형성된 중간 전극과, 상기 제 1 절연 기판의 타방의 면측에 형성된 발열체와, 상기 제 1 절연 기판의 일방의 면에, 상기 중간 전극과 접속됨과 함께 상기 제 1 및 제 2 외부 전극에 걸쳐 접속되고, 상기 발열체에 의한 가열에 의해, 그 제 1 외부 전극과 그 제 2 외부 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체와, 상기 제 1 절연 기판의 타방의 면측에 형성되고, 상기 발열체의 일방의 단자에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과, 상기 중간 전극과 상기 발열체 인출 전극 사이에 상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성되고, 내측면에 상기 중간 전극과 상기 발열체 인출 전극과 연속되는 도전층이 형성된 관통공을 구비한다.

본 발명에 관련된 배터리 팩은, 1 개 이상의 배터리 셀과, 배터리 셀에 흐르는 전류를 차단하도록 접속된 보호 소자와, 배터리 셀 각각의 전압값을 검출하여 보호 소자를 가열하는 전류를 제어하는 전류 제어 소자를 구비한다. 그리고, 보호 소자는, 제 1 절연 기판과, 제 1 및 제 2 외부 전극과, 상기 제 1 절연 기판의 일방의 면측에 있는, 상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극 사이에 형성된 중간 전극과, 상기 제 1 절연 기판의 타방의 면측에 형성된 발열체와, 상기 제 1 절연 기판의 일방의 면에, 상기 중간 전극과 접속됨과 함께 상기 제 1 및 제 2 외부 전극에 걸쳐 접속되고, 상기 발열체에 의한 가열에 의해, 그 제 1 외부 전극과 그 제 2 외부 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체와, 상기 제 1 절연 기판의 타방의 면측에 형성되고, 상기 발열체의 일방의 단자에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과, 상기 중간 전극과 상기 발열체 인출 전극 사이에 상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성되고, 내측면에 상기 중간 전극과 상기 발열체 인출 전극과 연속되는 도전층이 형성된 관통공을 구비한다.

본 발명에 의하면, 가용 도체가 용융되면, 용융된 가용 도체가 제 1 절연 기판에 형성된 흡인공으로 인입되기 때문에, 용융 도체가 다량으로 발생한 경우에도 확실하게 용단된다. 따라서, 정격을 향상시키기 위해서 가용 도체의 단면적을 증대시킨 경우에도, 전류 경로를 확실하게 절단할 수 있다.

도 1 은, 본 발명이 적용된 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2 는, 본 발명이 적용된 보호 소자에 있어서, 용융 도체가 흡인되어 있는 상태를 나타내는 단면도이다.
도 3 은, 본 발명이 적용된 보호 소자에 있어서, 가용 도체가 용단된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4 는, 보호 소자가 사용된 배터리 팩의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 5 는, 본 발명이 적용된 보호 소자의 회로도이다.
도 6 은, 제 1 절연 기판의 표면측에 발열체를 구비한 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 7 은, 제 1 절연 기판의 이면측에 발열체를 구비한 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 8 은, 제 1 절연 기판 내에 발열체를 구비한 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 9 는, 보호 소자가 사용된 배터리 팩의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 10 은, 본 발명이 적용된 보호 소자의 회로도이다.
도 11(A) 는, 본 발명이 적용된 보호 소자의 평면도이다. 도 11(B) 는, 도 11(A) 의 AA' 선 단면도이다.
도 12 는, 본 발명이 적용된 보호 소자의 응용예를 나타내는 블록도이다.
도 13 은, 본 발명이 적용된 보호 소자의 회로 구성예를 나타내는 도면이다.
도 14(A) 는, 본 발명이 적용된 보호 소자의 발열체의 동작시를 나타내는 단면도이다. 도 14(B) 는, 가용 도체가 용단된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 15(A) - (E) 는, 본 발명이 적용된 보호 소자의 사용 양태의 자세를 나타내는 도면이다.
도 16 은, 도 15(A) - (E) 의 각 자세에 있어서의 가용 도체의 용단 시간을 나타내는 도면이다.
도 17(A) 는, 참고예가 되는 응집식 보호 소자의 평면도이고, 도 17(B) 는, 도 17(A) 의 AA' 선 단면도이다. 도 17(C) 는, 용단된 상태의 단면도이다.
도 18(A) - (E) 는, 도 17 에 나타내는 참고예의 보호 소자의 사용 양태에 있어서의 자세를 나타내는 도면이다.
도 19 는, 도 18(A) - (E) 의 각 자세에 있어서의 가용 도체의 용단 시간을 나타내는 도면이다.
도 20 은, 제 1 절연 기판의 중간 전극에 형성되는 관통공의 변형예를 나타내는 도면이고, (A) 는, 관통공을 2 열로 형성한 예를 나타내고, (B) 는, 관통공을 슬릿으로 한 예를 나타낸다.
도 21 은, 제 1 절연 기판의 표면측에 발열체를 구비한 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 22(A) - (E) 는, 본 발명이 적용된 보호 소자의 사용 양태의 자세를 나타내는 도면이다.
도 23 은, 도 22(A) - (E) 의 각 자세에 있어서의 가용 도체의 용단 시간을 나타내는 도면이다.
도 24 는, 응집 부재를 구비한 보호 소자를 나타내는 단면도이고, (A) 는 가용 도체의 용단 전, (B) 는 가용 도체의 용단 후를 나타낸다.
도 25 는, 응집 부재를 구비한 보호 소자를 나타내는 회로도이다.
도 26 은, 흡인 부재를 복수 구비한 보호 소자를 나타내는 단면도이고, (A) 는 가용 도체의 용단 전, (B) 는 가용 도체의 용단 후를 나타낸다.
도 27 은, 흡인 부재를 복수 구비한 보호 소자를 나타내는 회로도이다.
도 28 은, 고융점 금속층과 저융점 금속층을 갖고, 피복 구조를 구비하는 가용 도체를 나타내는 사시도이고, (A) 는 고융점 금속층을 내층으로 하여 저융점 금속층으로 피복한 구조를 나타내고, (B) 는 저융점 금속층을 내층으로 하여 고융점 금속층으로 피복한 구조를 나타낸다.
도 29 는, 고융점 금속층과 저융점 금속층의 적층 구조를 구비하는 가용 도체를 나타내는 사시도이고, (A) 는 상하 2 층 구조, (B) 는 내층 및 외층의 3 층 구조를 나타낸다.
도 30 은, 고융점 금속층과 저융점 금속층의 다층 구조를 구비하는 가용 도체를 나타내는 단면도이다.
도 31 은, 고융점 금속층의 표면에 선상의 개구부가 형성되어 저융점 금속층이 노출되어 있는 가용 도체를 나타내는 평면도이고, (A) 는 길이 방향을 따라 개구부가 형성된 것, (B) 는 폭 방향을 따라 개구부가 형성된 것이다.
도 32 는, 고융점 금속층의 표면에 원형의 개구부가 형성되어 저융점 금속층이 노출되어 있는 가용 도체를 나타내는 평면도이다.
도 33 은, 고융점 금속층에 원형의 개구부가 형성되고, 내부에 저융점 금속이 충전된 가용 도체를 나타내는 평면도이다.
도 34 는, 고융점 금속에 피복되어 두꺼운 제 1 측가장자리부와, 저융점 금속이 노출되는 제 2 측가장자리부가 형성된 가용 도체를 나타내는 평면도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경이 가능한 것은 물론이다.

[제 1 실시형태]

본 발명이 적용된 보호 소자 (1) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 제 1 절연 기판 (10) 과, 제 1 절연 기판 (10) 의 표면 (10a) 에 탑재된 가용 도체 (13) 를 갖고, 제 1 절연 기판 (10) 의 표면 (10a) 에는, 용융된 가용 도체 (13) 를 흡인하는 흡인공 (20) 이 개구되어 있다. 그리고, 보호 소자 (1) 는, 외부 회로에 장착됨으로써, 가용 도체 (13) 가 당해 외부 회로의 전류 경로의 일부를 구성하고, 정격을 초과하는 과전류에 의해 용단됨으로써 전류 경로를 차단하는 것이다.

제 1 절연 기판 (10) 은, 예를 들어, 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재에 의해 방 (方) 형상으로 형성된다. 그 밖에, 제 1 절연 기판 (10) 은, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용해도 된다.

제 1 절연 기판 (10) 의 표면 (10a) 의 서로 대향하는 양단부에는, 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 이 형성되어 있다. 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 은, 각각 Cu 배선 등의 도전 패턴에 의해 형성되고, 표면에 적절히 산화 방지 대책으로서 Sn 도금 등의 보호층이 형성되어 있다. 또, 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 은, 제 1 절연 기판 (10) 의 측면을 개재하여 이면 (10b) 에 이르는 도전층 (11b, 12b) 을 개재하여, 이면 (10b) 에 형성된 제 1, 제 2 외부 접속 전극 (11a, 12a) 과 접속되어 있다. 보호 소자 (1) 는, 제 1, 제 2 외부 접속 전극 (11a, 12a) 이 외부 회로를 구성하는 회로 기판에 접속됨으로써, 당해 회로 기판의 전류 경로 상에 접속된다. 그리고, 보호 소자 (1) 는, 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 사이에 걸쳐 후술하는 가용 도체 (13) 가 탑재됨으로써, 가용 도체 (13) 가 제 1, 제 2 외부 접속 전극 (11a, 12a) 을 개재하여 회로 기판의 전류 경로의 일부가 된다.

또, 제 1 절연 기판 (10) 은, 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 사이에 흡인공 (20) 이 형성되어 있다. 흡인공 (20) 은, 가용 도체 (13) 가 과전류에 의한 자기 발열에 의해 용융되면, 모세관 현상에 의해 이 용융 도체 (13a) 를 흡인하여, 용융 도체 (13a) 의 체적을 감소시키는 것이다 (도 2 참조). 보호 소자 (1) 는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (13) 의 단면적을 증대시킴으로써, 용융량이 증대된 경우에도, 흡인공 (20) 에 흡인시킴으로써, 용융 도체 (13a) 의 체적을 감소시킬 수 있다. 이로써, 보호 소자 (1) 는, 차단시의 아크 방전에 의한 용융 도체 (13a) 의 비산을 경감하여, 절연 저항의 저하를 방지하고, 또, 가용 도체 (13) 의 탑재 위치의 주변 회로에의 부착에 의한 단락 고장을 방지할 수 있다.

흡인공 (20) 은, 내면에 도전층 (21) 이 형성되어 있다. 도전층 (21) 이 형성됨으로써, 흡인공 (20) 은, 용융 도체 (13a) 를 쉽게 흡인할 수 있다. 도전층 (21) 은, 예를 들어 구리, 은, 금, 철, 니켈, 팔라듐, 납, 주석 중 어느 것, 또는 어느 것을 주성분으로 하는 합금에 의해 형성되고, 흡인공 (20) 의 내면을 전해 도금이나 도전 페이스트의 인쇄 등의 공지된 방법에 의해 형성할 수 있다. 또, 도전층 (21) 은, 복수의 금속선이나, 도전성을 갖는 리본의 집합체를 흡인공 (20) 내에 삽입함으로써 형성해도 된다.

또, 흡인공 (20) 은, 제 1 절연 기판 (10) 의 두께 방향으로 관통하는 관통공으로서 형성되는 것이 바람직하다. 이로써, 흡인공 (20) 은, 용융 도체 (13a) 를 제 1 절연 기판 (10) 의 이면 (10b) 측까지 흡인할 수 있으며, 보다 많은 용융 도체 (13a) 를 흡인하여, 용단 부위에 있어서의 용융 도체 (13a) 의 체적을 감소시킬 수 있다. 또한, 흡인공 (20) 은, 비관통공으로서 형성해도 된다.

제 1 절연 기판 (10) 의 표면 (10a) 에는, 흡인공 (20) 의 도전층 (21) 과 접속된 표면 전극 (22) 이 형성되어 있다. 표면 전극 (22) 은, 가용 도체 (13) 가 접속되는 지지 전극이 된다. 또, 표면 전극 (22) 은, 도전층 (21) 과 연속됨으로써, 가용 도체 (13) 가 용융되면, 용융 도체 (13a) 가 응집되어 흡인공 (20) 내에 유도되기 쉽게 한다.

또, 제 1 절연 기판 (10) 의 이면 (10b) 에는, 흡인공 (20) 의 도전층 (21) 과 접속된 이면 전극 (23) 이 형성되어 있다. 이면 전극 (23) 은, 도전층 (21) 과 연속됨으로써, 가용 도체 (13) 가 용융되면, 흡인공 (20) 을 통해 이동한 용융 도체 (13a) 가 응집된다 (도 3 참조). 이로써, 보호 소자 (1) 는, 보다 많은 용융 도체 (13a) 를 흡인하여, 용단 부위에 있어서의 용융 도체 (13a) 의 체적을 감소시킬 수 있다.

또한, 보호 소자 (1) 는, 흡인공 (20) 을 복수 형성함으로써, 가용 도체 (13) 의 용융 도체 (13a) 를 흡인하는 경로를 늘려, 보다 많은 용융 도체 (13a) 를 흡인함으로써, 용단 부위에 있어서의 용융 도체 (13a) 의 체적을 감소시키도록 해도 된다.

이어서, 가용 도체 (13) 에 대해 설명한다. 가용 도체 (13) 는, 제 1 및 제 2 전극 (11, 12) 사이에 걸쳐 실장되고, 정격을 초과하는 전류가 통전됨으로써 자기 발열 (줄열) 에 의해 용단되어, 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (12) 사이의 전류 경로를 차단하는 것이다.

가용 도체 (13) 는, 과전류 상태에 의해 용융되는 도전성의 재료이면 되고, 예를 들어, SnAgCu 계의 Pb 프리 땜납 외에, BiPbSn 합금, BiPb 합금, BiSn 합금, SnPb 합금, PbIn 합금, ZnAl 합금, InSn 합금, PbAgSn 합금 등을 사용할 수 있다.

또, 가용 도체 (13) 는, 고융점 금속과 저융점 금속을 함유하는 구조체여도 된다. 예를 들어, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13) 는, 내층과 외층으로 이루어지는 적층 구조체이고, 내층으로서 저융점 금속층 (13b), 저융점 금속층 (13b) 에 적층된 외층으로서 고융점 금속층 (13c) 을 갖는다. 가용 도체 (13) 는, 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 및 표면 전극 (22) 상에 땜납 등의 접합 재료를 개재하여 접속된다.

저융점 금속층 (13b) 은, 바람직하게는, 땜납 또는 Sn 을 주성분으로 하는 금속이고, 「Pb 프리 땜납」 이라고 일반적으로 불리는 재료이다 (예를 들어 센쥬 금속 공업 제조, M705 등). 저융점 금속층 (13b) 의 융점은, 반드시 리플로로의 온도보다 높을 필요는 없고, 200 ℃ 정도에서 용융되어도 된다. 고융점 금속층 (13c) 은, 저융점 금속층 (13b) 의 표면에 적층된 금속층이고, 예를 들어, Ag 혹은 Cu 또는 이들 중 어느 것을 주성분으로 하는 금속이며, 보호 소자 (1) 를 리플로로에 의해 외부 회로 기판 상에 실장을 실시하는 경우에 있어서도 용융되지 않는 높은 융점을 갖는다.

이와 같은 가용 도체 (13) 는, 저융점 금속박에 고융점 금속층을 도금 기술을 사용하여 성막함으로써 형성할 수 있고, 혹은 다른 주지된 적층 기술, 막형성 기술을 사용하여 형성할 수도 있다. 또한, 가용 도체 (13) 는, 고융점 금속층을 내층으로 하고, 저융점 금속층을 외층으로 하여 구성해도 되고, 또 저융점 금속층과 고융점 금속층이 교대로 적층된 4 층 이상의 다층 구조로 하는 등, 이후에 설명하는 바와 같이, 여러 가지 구성에 의해 형성할 수 있다.

가용 도체 (13) 는, 내층이 되는 저융점 금속층 (13b) 에, 외층으로서 고융점 금속층 (13c) 을 적층함으로써, 리플로 온도가 저융점 금속층 (13b) 의 용융 온도를 초과한 경우에도, 가용 도체 (13) 로서 용단되는 데에 이르지 않는다. 따라서, 보호 소자 (1) 는, 리플로에 의해 효율적으로 실장할 수 있다.

또, 가용 도체 (13) 는, 소정의 정격 전류가 흐르고 있는 동안은, 자기 발열에 의해서도 용단되는 경우가 없다. 그리고, 정격보다 높은 값의 전류가 흐르면, 자기 발열에 의해 용융되어, 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 사이의 전류 경로를 차단한다. 이 때, 가용 도체 (13) 는, 용융된 저융점 금속층 (13b) 이 고융점 금속층 (13c) 을 침식함으로써, 고융점 금속층 (13c) 이 용융 온도보다 낮은 온도에서 용융된다. 따라서, 가용 도체 (13) 는, 저융점 금속층 (13b) 에 의한 고융점 금속층 (13c) 의 침식 작용을 이용하여 단시간에 용단할 수 있다. 또, 가용 도체 (13) 의 용융 도체 (13a) 는, 상기 서술한 흡인공 (20) 에 의한 흡인 작용에 더하여, 표면 전극 (22) 및 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 의 물리적인 인입 작용에 의해 분단되므로, 신속하게, 또한 확실하게 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 사이의 전류 경로를 차단할 수 있다.

또, 가용 도체 (13) 는, 내층이 되는 저융점 금속층 (13b) 에 고융점 금속층 (13c) 이 적층되어 구성되어 있기 때문에, 용단 온도를 종래의 고융점 금속으로 이루어지는 칩 퓨즈 등보다 대폭 저감시킬 수 있다. 따라서, 가용 도체 (13) 는, 동일 사이즈의 칩 퓨즈 등에 비해, 단면적을 크게 할 수 있어 전류 정격을 대폭 향상시킬 수 있다. 또, 동일한 전류 정격을 갖는 종래의 칩 퓨즈보다 소형화, 박형화를 도모할 수 있고, 속(速)용단성이 우수하다.

또, 가용 도체 (13) 는, 보호 소자 (1) 가 장착된 전기 계통에 비정상적으로 높은 전압이 순간적으로 인가되는 서지에 대한 내성 (내펄스성) 을 향상시킬 수 있다. 즉, 가용 도체 (13) 는, 예를 들어 100 A 의 전류가 수 msec 흐른 경우까지 용단해서는 안 된다. 이 점에서, 극히 단시간에 흐르는 대전류는 도체의 표층을 흐르는 점에서 (표피 효과), 가용 도체 (13) 는, 외층으로서 저항값이 낮은 Ag 도금 등의 고융점 금속층 (13c) 이 형성되어 있기 때문에, 서지에 의해 인가된 전류를 흐르게 하기 쉬워, 자기 발열에 의한 용단을 방지할 수 있다. 따라서, 가용 도체 (13) 는, 종래의 땜납 합금으로 이루어지는 퓨즈에 비해, 대폭 서지에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.

또한, 가용 도체 (13) 는, 산화 방지, 및 용단시의 젖음성의 향상 등을 위해서, 플럭스 (14) 가 도포되어 있다. 또, 보호 소자 (1) 는, 제 1 절연 기판 (10) 이 커버 부재 (15) 로 덮임으로써 그 내부가 보호되어 있다. 커버 부재 (15) 는, 상기 제 1 절연 기판 (10) 과 동일하게, 예를 들어, 열가소성 플라스틱, 세라믹스, 유리 에폭시 기판 등의 절연성을 갖는 부재를 사용하여 형성할 수 있다.

[회로 구성]

이와 같은 보호 소자 (1) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩 (30) 내의 회로에 장착되어 사용된다. 배터리 팩 (30) 은, 예를 들어, 합계 4 개의 리튬 이온 이차 전지의 배터리 셀 (31 ∼ 34) 로 이루어지는 배터리 스택 (35) 을 갖는다.

배터리 팩 (30) 은, 배터리 스택 (35) 과, 배터리 스택 (35) 의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로 (40) 와, 배터리 스택 (35) 의 이상시에 충전을 차단하는 본 발명이 적용된 보호 소자 (1) 와, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압을 검출하는 검출 회로 (36) 를 구비한다.

배터리 스택 (35) 은, 과충전 및 과방전 상태로부터 보호하기 위한 제어를 필요로 하는 배터리 셀 (31 ∼ 34) 이 직렬 접속된 것이고, 배터리 팩 (30) 의 정극 단자 (30a), 부극 단자 (30b) 를 개재하여, 착탈 가능하게 충전 장치 (45) 에 접속되고, 충전 장치 (45) 로부터의 충전 전압이 인가된다. 충전 장치 (45) 에 의해 충전된 배터리 팩 (30) 의 정극 단자 (30a), 부극 단자 (30b) 를 배터리로 동작시키는 전자 기기에 접속함으로써, 이 전자 기기를 동작시킬 수 있다.

충방전 제어 회로 (40) 는, 배터리 스택 (35) 으로부터 충전 장치 (45) 로 흐르는 전류 경로에 직렬 접속된 2 개의 전류 제어 소자 (41, 42) 와, 이들 전류 제어 소자 (41, 42) 의 동작을 제어하는 제어부 (43) 를 구비한다. 전류 제어 소자 (41, 42) 는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터 (이하, FET 라고 한다) 에 의해 구성되고, 제어부 (43) 에 의해 게이트 전압을 제어함으로써, 배터리 스택 (35) 의 전류 경로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부 (43) 는, 충전 장치 (45) 로부터 전력 공급을 받아 동작하고, 검출 회로 (36) 에 의한 검출 결과에 따라, 배터리 스택 (35) 이 과방전 또는 과충전일 때, 전류 경로를 차단하도록, 전류 제어 소자 (41, 42) 의 동작을 제어한다.

보호 소자 (1) 는, 예를 들어, 배터리 스택 (35) 과 충방전 제어 회로 (40) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속된다.

검출 회로 (36) 는, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 과 접속되고, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압값을 검출하여, 각 전압값을 충방전 제어 회로 (40) 의 제어부 (43) 에 공급한다.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 배터리 팩 (30) 에 사용되는 본 발명이 적용된 보호 소자 (1) 는, 도 5 에 나타내는 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자 (1) 는, 제 1 외부 접속 전극 (11a) 이 배터리 스택 (35) 측과 접속되고, 제 2 외부 접속 전극 (12a) 이 정극 단자 (30a) 측과 접속되고, 이로써 가용 도체 (13) 가 배터리 스택 (35) 의 충방전 경로 상에 직렬로 접속된다.

[보호 소자의 동작]

배터리 팩 (30) 에 정격을 초과하는 과전류가 통전되면, 보호 소자 (1) 는, 가용 도체 (13) 가 자기 발열에 의해 용융되어, 배터리 팩 (30) 의 충방전 경로를 차단한다. 이 때, 도 2, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (1) 는, 용융 도체 (13a) 가 모세관 현상에 의해 표면 전극 (22) 을 개재하여 흡인공 (20) 에 흡인되기 때문에, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (13) 의 단면적을 증대시킨 경우에도, 차단시에 있어서의 용융 도체 (13a) 의 체적을 감소시켜, 아크 방전에 의한 용융 도체 (13a) 의 비산을 경감시킬 수 있다. 또, 보호 소자 (1) 는, 가용 도체 (13) 를 고융점 금속과 저융점 금속을 함유시켜 형성함으로써, 고융점 금속의 용단 전에 저융점 금속이 용융되어, 효율적으로 가용 도체 (13) 를 흡인공 (20) 에 흡인할 수 있다.

또한, 본 발명에 관련된 보호 소자 (1) 는, 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩에 사용하는 경우에 한정되지 않고, 과전류에 의한 전류 경로의 차단을 필요로 하는 여러 가지 용도에도 물론 응용 가능하다.

[발열체]

또, 본 발명이 적용된 보호 소자는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 제 1 절연 기판 (10) 에 가용 도체 (13) 를 용단하는 발열체 (25) 를 형성해도 된다. 또한, 이하의 설명에 있어서 상기 서술한 보호 소자 (1) 와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세를 생략한다.

발열체 (25) 가 형성된 보호 소자 (24) 는, 예를 들어 배터리 팩에 장착되면, 과전류시에 있어서의 가용 도체 (13) 의 자기 용단에 더하여, 배터리 셀의 과전압을 검지하여 발열체 (25) 를 통전, 발열시켜, 가용 도체 (13) 를 용단시킴으로써, 배터리 팩의 충방전 경로를 차단할 수 있다.

발열체 (25) 는, 비교적 저항값이 높고 통전되면 발열하는 도전성을 갖는 부재로서, 예를 들어 W, Mo, Ru 등으로 이루어진다. 이들의 합금 혹은 조성물, 화합물의 분상체 (粉狀體) 를 수지 바인더 등과 혼합하여 페이스트상으로 한 것을, 제 1 절연 기판 (10) 의 표면 (10a) 에 스크린 인쇄 기술을 사용하여 패턴 형성하여, 소성하는 등에 의해서 형성한다.

발열체 (25) 는, 제 1 절연 기판 (10) 의 표면 (10a) 상에 있어서 절연층 (26) 에 피복되어 있다. 절연층 (26) 상에는, 표면 전극 (22) 이 적층된다. 절연층 (26) 은, 발열체 (25) 의 보호 및 절연을 도모함과 함께, 발열체 (25) 의 열을 효율적으로 표면 전극 (22) 및 가용 도체 (13) 에 전달하기 위해서 형성되고, 예를 들어 유리층으로 이루어진다. 표면 전극 (22) 은, 발열체 (25) 에 의해 가열됨으로써, 가용 도체 (13) 의 용융 도체 (13a) 를 쉽게 응집함과 함께, 흡인공 (20) 내에 쉽게 흡인시킬 수 있다.

발열체 (25) 는, 일단이 표면 전극 (22) 과 접속되고, 표면 전극 (22) 을 개재하여, 표면 전극 (22) 상에 탑재된 가용 도체 (13) 와 전기적으로 접속된다. 또, 발열체 (25) 는, 타단이 도시되지 않은 발열체 전극과 접속되어 있다. 발열체 전극은, 제 1 절연 기판 (10) 의 표면 (10a) 에 형성됨과 함께, 이면 (10b) 에 형성된 제 3 외부 접속 전극 (27) (도 9 참조) 과 접속되고, 이 제 3 외부 접속 전극 (27) 을 개재하여 외부 회로와 접속된다. 그리고, 보호 소자 (1) 는, 외부 회로를 구성하는 회로 기판에 실장됨으로써, 제 3 외부 접속 전극 (27) 을 개재하여 발열체 (25) 가 회로 기판에 형성된 발열체 (25) 로의 급전 경로에 장착된다.

또, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (24) 는, 발열체 (25) 를 제 1 절연 기판 (10) 의 이면 (10b) 에 형성해도 된다. 발열체 (25) 는, 제 1 절연 기판 (10) 의 이면 (10b) 에 형성됨과 함께, 이면 (10b) 상에 있어서 절연층 (26) 에 피복된다. 절연층 (26) 상에는, 이면 전극 (23) 이 적층된다.

발열체 (25) 는, 일단이 이면 전극 (23) 과 접속되고, 흡인공 (20) 에 형성된 도전층 (21) 및 표면 전극 (22) 을 개재하여, 표면 전극 (22) 상에 탑재된 가용 도체 (13) 와 전기적으로 접속된다. 또, 발열체 (25) 는, 타단이 도시되지 않은 발열체 전극을 개재하여 제 3 외부 접속 전극 (27) 과 접속된다.

발열체 (25) 를 제 1 절연 기판 (10) 의 이면 (10b) 에 형성함으로써, 보호 소자 (24) 는, 이면 전극 (23) 이 발열체 (25) 에 의해 가열됨으로써, 보다 많은 용융 도체 (13a) 를 응집하기 쉬워진다. 따라서, 보호 소자 (24) 는, 표면 전극 (22) 으로부터 도전층 (21) 을 개재하여 이면 전극 (23) 으로 용융 도체 (13a) 를 흡인하는 작용을 촉진시켜, 확실하게 가용 도체 (13) 를 용단할 수 있다.

또, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (24) 는, 발열체 (25) 를 제 1 절연 기판 (10) 의 내부에 형성해도 된다. 이 경우, 발열체 (25) 는, 유리 등의 절연층에 의해 피복할 필요는 없다. 또, 발열체 (25) 는, 일단이 표면 전극 (22) 또는 이면 전극 (23) 과 접속되고, 표면 전극 (22) 상에 탑재된 가용 도체 (13) 와 전기적으로 접속된다. 또, 발열체 (25) 는, 타단이 도시되지 않은 발열체 전극을 개재하여 제 3 외부 접속 전극 (27) 과 접속된다.

발열체 (25) 를 제 1 절연 기판 (10) 의 내부에 형성함으로써, 보호 소자 (24) 는, 도전층 (21) 을 개재하여 표면 전극 (22) 및 이면 전극 (23) 이 발열체 (25) 에 의해 가열됨으로써, 보다 많은 용융 도체 (13a) 를 응집하기 쉬워진다. 따라서, 보호 소자 (24) 는, 표면 전극 (22) 으로부터 도전층 (21) 을 개재하여 이면 전극 (23) 으로 용융 도체 (13a) 를 흡인하는 작용을 촉진시켜, 확실하게 가용 도체 (13) 를 용단할 수 있다.

또한, 발열체 (25) 는, 제 1 절연 기판 (10) 의 표면 (10b), 이면 (10b) 또는 내부에 형성하는 어느 경우에 있어서도, 흡인공 (20) 의 양측에 형성하는 것이, 표면 전극 (22) 및 이면 전극 (23) 을 가열하고, 또 보다 많은 용융 도체 (13a) 를 응집, 흡인하는 데에 있어서 바람직하다.

[회로 구성]

이와 같은 보호 소자 (24) 는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩 (30) 내의 회로에 장착되어 사용된다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 상기 서술한 배터리 팩 (30) 과 동일한 부재에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 그 상세를 생략한다.

배터리 팩 (30) 은, 배터리 스택 (35) 과, 배터리 스택 (35) 의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로 (40) 와, 배터리 스택 (35) 의 이상시에 충전을 차단하는 본 발명이 적용된 보호 소자 (24) 와, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압을 검출하는 검출 회로 (36) 와, 검출 회로 (36) 의 검출 결과에 따라 보호 소자 (24) 의 동작을 제어하는 스위치 소자가 되는 전류 제어 소자 (37) 를 구비한다.

보호 소자 (24) 는, 예를 들어, 배터리 스택 (35) 과 충방전 제어 회로 (40) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되고, 그 동작이 전류 제어 소자 (37) 에 의해 제어된다.

검출 회로 (36) 는, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 과 접속되고, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압값을 검출하여, 각 전압값을 충방전 제어 회로 (40) 의 제어부 (43) 에 공급한다. 또, 검출 회로 (36) 는, 어느 1 개의 배터리 셀 (31 ∼ 34) 이 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에 전류 제어 소자 (37) 를 제어하는 제어 신호를 출력한다.

전류 제어 소자 (37) 는, 예를 들어 FET 에 의해 구성되고, 검출 회로 (36) 로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 보호 소자 (24) 를 동작시켜, 배터리 스택 (35) 의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자 (41, 42) 의 스위치 동작에 상관없이 차단하도록 제어한다.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 배터리 팩 (30) 에 사용되는 본 발명이 적용된 보호 소자 (24) 는, 도 10 에 나타내는 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자 (24) 는, 제 1 외부 접속 전극 (11a) 이 배터리 스택 (35) 측과 접속되고, 제 2 외부 접속 전극 (12a) 이 정극 단자 (30a) 측과 접속되며, 이로써 가용 도체 (13) 가 배터리 스택 (35) 의 충방전 경로 상에 직렬로 접속된다. 또, 보호 소자 (24) 는, 발열체 (25) 가 발열체 전극 및 제 3 외부 접속 전극 (27) 을 개재하여 전류 제어 소자 (37) 와 접속됨과 함께, 발열체 (25) 가 배터리 스택 (35) 의 개방단과 접속된다. 이로써, 발열체 (25) 는, 일단을 표면 전극 (22) 을 개재하여 가용 도체 (13) 및 배터리 스택 (35) 의 일방의 개방단과 접속하고, 타단을 제 3 외부 접속 전극 (27) 을 개재하여 전류 제어 소자 (37) 및 배터리 스택 (35) 의 타방의 개방단과 접속하며, 전류 제어 소자 (37) 에 의해 통전이 제어되는 발열체 (25) 로의 급전 경로가 형성된다.

[보호 소자의 동작]

배터리 팩 (30) 에 정격을 초과하는 과전류가 통전되면, 보호 소자 (24) 는, 가용 도체 (13) 가 자기 발열에 의해 용융되어, 배터리 팩 (30) 의 충방전 경로를 차단한다. 이 때, 보호 소자 (24) 는, 용융 도체 (13a) 가 모세관 현상에 의해 표면 전극 (22) 을 개재하여 흡인공 (20) 에 흡인되기 때문에, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (13) 의 단면적을 증대시켰을 경우에도, 차단시에 있어서의 용융 도체 (13a) 의 체적을 감소시켜, 아크 방전에 의한 용융 도체 (13a) 의 비산을 경감시킬 수 있다. 또, 보호 소자 (24) 는, 가용 도체 (13) 를 고융점 금속과 저융점 금속을 함유시켜 형성함으로써, 고융점 금속의 용단 전에 저융점 금속이 용융되어, 효율적으로 가용 도체 (13) 를 흡인공 (20) 에 흡인할 수 있다.

또, 검출 회로 (36) 가 배터리 셀 (31 ∼ 34) 중 어느 것의 이상 전압을 검출하면, 전류 제어 소자 (37) 에 차단 신호를 출력한다. 그러면, 전류 제어 소자 (37) 는, 발열체 (25) 에 통전하도록 전류를 제어한다. 보호 소자 (24) 는, 배터리 스택 (35) 으로부터, 제 1 전극 (11), 가용 도체 (13) 및 표면 전극 (22) 을 통해 발열체 (25) 에 전류가 흐르고, 이로써 발열체 (25) 가 발열을 개시한다. 보호 소자 (24) 는, 발열체 (25) 의 발열에 의해 가용 도체 (13) 가 용단되어, 배터리 스택 (35) 의 충방전 경로를 차단한다.

이 때, 보호 소자 (24) 는, 용융 도체 (13a) 가 모세관 현상에 의해 표면 전극 (22) 을 개재하여 흡인공 (20) 에 흡인되기 때문에, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (13) 의 단면적을 증대시켰을 경우에도, 확실하게 배터리 팩 (30) 의 충방전 경로를 차단할 수 있다. 또, 보호 소자 (24) 는, 가용 도체 (13) 를 고융점 금속과 저융점 금속을 함유시켜 형성함으로써, 용융된 저융점 금속에 의한 고융점 금속의 용식 작용을 이용하여 단시간에 용단할 수 있다.

또한, 보호 소자 (24) 는, 가용 도체 (13) 가 용단됨으로써, 발열체 (25) 로의 급전 경로도 차단되기 때문에, 발열체 (25) 의 발열이 정지된다.

본 발명에 관련된 보호 소자 (24) 는, 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩에 사용하는 경우에 한정되지 않고, 전기 신호에 의한 전류 경로의 차단을 필요로 하는 여러 가지 용도에도 물론 응용 가능하다.

[제 2 실시형태]

[보호 소자의 구성]

이어서, 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 도 11(A) 및 도 11(B) 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (50) 는, 제 1 및 제 2 외부 전극 (51, 52) 과, 제 1 및 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이에 걸쳐 적층된 가용 도체 (53) 와, 가용 도체 (53) 에 접속되고, 가용 도체 (53) 의 용융 도체 (53a) 를 흡인하는 흡인 부재 (54) 를 구비한다. 흡인 부재 (54) 는, 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이에 배치 형성된 절연 기판 (55) 과, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 에 형성되고, 가용 도체 (53) 의 일부와 접속된 표면 전극 (56) 과, 절연 기판 (55) 에 형성된 발열체 (57) 와, 절연 기판 (55) 의 두께 방향에 형성되고, 표면 전극 (56) 과 연속되는 관통공 (58) 을 구비한다. 보호 소자 (50) 는, 발열체 (57) 가 발열함으로써 가용 도체 (53) 를 용융시킨다. 이 때, 보호 소자 (50) 는, 흡인 부재 (54) 에 의해 가용 도체 (53) 가 용융된 용융 도체 (53a) 를 흡인하여, 확실하게 가용 도체 (53) 를 용단시켜, 제 1 외부 전극 (51) 과 제 2 외부 전극 (52) 사이의 전류 경로를 차단한다.

제 1 및 제 2 외부 전극 (51, 52) 은, 보호 소자 (50) 를 외부 회로에 접속하는 접속 단자이고, 보호 소자 (50) 의 내부에서 가용 도체 (53) 를 개재하여 접속되어 있다. 제 1 및 제 2 외부 전극 (51, 52) 은, 보호 소자 (50) 의 외측 케이싱에 지지됨으로써 보호 소자 (50) 의 내외에 걸쳐 배치 형성되어 있다. 또한, 제 1 및 제 2 외부 전극 (51, 52) 은, 흡인 부재 (54) 의 절연 기판 (55) 상에 형성해도 되고, 혹은 절연 기판 (55) 과 인접 혹은 일체가 된 에폭시 수지 등으로 이루어지는 절연 소재에 형성하도록 해도 된다.

가용 도체 (53) 는, 과전류 상태에 의해, 및 발열체 (57) 의 발열에 의해 용융되는 것이며, 따라서, 용단되는 도전성의 재료이면 되고, 예를 들어, SnAgCu 계의 Pb 프리 땜납 외에, BiPbSn 합금, BiPb 합금, BiSn 합금, SnPb 합금, PbIn 합금, ZnAl 합금, InSn 합금, PbAgSn 합금 등을 사용할 수 있다. 또한, 가용 도체 (53) 는, Ag 혹은 Cu 또는 Ag 혹은 Cu 를 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 고융점 금속과, Sn 을 주성분으로 하는 Pb 프리 땜납 등의 저융점 금속의 적층체여도 되고, 또, 저융점 금속층과 고융점 금속층이 교대로 적층된 4 층 이상의 다층 구조로 하는 등, 이후에 설명하는 바와 같이, 여러 가지 구성에 의해 형성할 수 있다.

절연 기판 (55) 은, 예를 들어, 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재에 의해 형성된다. 그 밖에, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용해도 되지만, 퓨즈 용단시의 온도에 유의할 필요가 있다.

발열체 (57) 는, 비교적 저항값이 높고, 통전되면 발열하는 도전성을 갖는 부재로서, 예를 들어 W, Mo, Ru 등으로 이루어진다. 이들의 합금 혹은 조성물, 화합물의 분상체를 수지 바인더 등과 혼합하여, 페이스트상으로 한 것을 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 상에 스크린 인쇄 기술을 사용하여 패턴 형성하여, 소성하는 것 등에 의해서 형성한다. 발열체 (57) 는, 양단이 제 1, 제 2 발열체 전극 (59, 60) 과 접속되어 있다. 제 1, 제 2 발열체 전극 (59, 60) 은, 발열체 (57) 와 동일한 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 에 형성되어 있다. 제 1 발열체 전극 (59) 은, 후술하는 발열체 인출 전극 (63) 을 개재하여 가용 도체 (53) 와 접속되고, 제 2 발열체 전극 (60) 은, 제 3 외부 접속 전극 (61) (도 12, 도 13 참조) 과 접속되고, 이로써 발열체 (57) 를 발열시키기 위한 전원에 접속한다.

발열체 (57) 는, 유리 등의 절연 부재 (62) 에 의해 덮이고, 이 절연 부재 (62) 를 개재하여 발열체 (57) 에 대향하도록 발열체 인출 전극 (63) 이 배치된다. 이 절연 부재 (62) 는, 발열체 (57) 가 내부에 일체적으로 적층된 적층 기판이어도 된다. 또, 발열체 (57) 는, 후술하는 이면 전극 (64) 의 양측에 형성하는 것 외에, 이면 전극 (64) 의 일방의 측에만, 또는 이면 전극 (64) 을 둘러싸도록 형성해도 된다.

절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 에는 표면 전극 (56) 이 형성되어 있다. 표면 전극 (56) 은, 땜납 등의 접속 재료를 개재하여, 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이를 접속하는 가용 도체 (53) 와 접속되어 있다. 또, 표면 전극 (56) 은, 절연 기판 (55) 의 두께 방향에 형성된 관통공 (58) 과 연속되어 있다. 표면 전극 (56) 은, 가용 도체 (53) 가 발열체 (57) 의 발열에 의해 용융되면, 용융 도체 (53a) 가 응집되어, 모세관 현상에 의해 관통공 (58) 내에 흡인시킬 수 있다. 이로써, 보호 소자 (50) 는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (53) 의 단면적을 증대시켰을 경우에도, 용융 도체 (53a) 가 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 상에 과잉으로 응집되지 않고, 확실하게 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이의 전류 경로를 차단할 수 있다.

도 11(A) 에 나타내는 바와 같이, 관통공 (58) 은, 표면 전극 (56) 의 폭 방향에 중앙에 형성되어 있다. 또한, 관통공 (58) 은, 복수 형성해도 된다. 여기서는, 복수의 관통공 (58) 이 직선상으로 일렬로 늘어서서 형성되어 있다.

관통공 (58) 의 내주면에는, 표면 전극 (56) 과 연속되는 도전층 (65) 이 형성되어 있다. 도전층 (65) 은, 예를 들어, 용융 도체 (53a) 가 젖어 퍼지는 금속 재료이고, 페이스트 처리, 도금 처리 등으로 형성된다. 이로써, 보호 소자 (50) 는, 표면 전극 (56) 에 응집된 용융 도체 (53a) 를 관통공 (58) 내로 인입하기 쉬워져, 보다 많은 용융 도체 (53a) 를 흡인시킬 수 있다.

또, 보호 소자 (50) 는, 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 에 관통공 (58) 및 도전층 (65) 과 연속되는 이면 전극 (64) 이 형성되어 있다. 보호 소자 (50) 는, 이면 전극 (64) 을 형성함으로써, 도전층 (65) 을 따라 관통공 (58) 내에 흡인된 용융 도체 (53a) 가 이면 전극 (64) 에 응집되므로, 또한 보다 많은 용융 도체 (53a) 를 흡인시킬 수 있다.

또, 상기 서술한 바와 같이, 이면 전극 (64) 의 근방, 예를 들어 양측, 일방측 또는 주위에는, 상기 서술한 발열체 (57) 가 형성되어 있다. 이로써, 보호 소자 (50) 는, 발열체 (57) 의 열이 효율적으로 이면 전극 (64), 도전층 (65), 및 표면 전극 (56) 에 전달되어, 신속하게 가용 도체 (53) 를 가열, 용단시킬 수 있다.

또, 보호 소자 (50) 는, 관통공 (58) 내의 일부 또는 전부에 가용 도체 (53) 와 동일 혹은 유사한 재료 또는 가용 도체 (53) 보다 융점이 낮은 예비 땜납 (66) 이 충전되어 있다. 예비 땜납 (66) 은, 발열체 (57) 가 발열했을 때, 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측의 온도가 표면 (55a) 측의 온도보다 높아지고, 또한 도전층 (65) 이나 표면 전극 (56) 이나 이면 전극 (64) 이나 발열체 인출 전극 (63) 이 절연 기판 (55) 보다 먼저 온도가 높아짐으로써, 가용 도체 (53) 보다 먼저 용융되고, 이어서 용융 도체 (53a) 를 관통공 (58) 에 끌어들일 수 있다. 이로써, 용융 도체 (53a) 는, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 으로부터 이면 (55b) 으로 이동하여, 자세에 관계없이, 제 1 외부 전극 (51) 과 제 2 외부 전극 (52) 사이의 전류 경로를 확실하게 차단할 수 있다.

절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 에 형성되는 발열체 인출 전극 (63) 은, 이면 (55b) 의 이면 전극 (64) 과 중첩하여 전기적으로 접속된다. 또, 발열체 인출 전극 (63) 은, 이면 전극 (64), 관통공 (58) 및 예비 땜납 (66), 표면 전극 (56) 을 개재하여 가용 도체 (53) 와 접속되고, 일단에 형성된 탭 (63a) 이 제 1 발열체 전극 (59) 에 접속되어 있다.

또한, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 의 표면 전극 (56) 의 외측에는, 이간되어 섬상 전극 (67a, 67b) 이 형성되어 있다. 섬상 전극 (67a, 67b) 은, 가용 도체 (53) 가 용단되었을 때, 젖음성에 의해, 용융 도체 (53a) 의 일부를 표면 전극 (56) 이나 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 과 이간시켜 유지한다.

이상과 같은 보호 소자 (50) 에서는, 발열체 (57) 를 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측에 형성함으로써, 발열체 (57) 가 발열했을 때, 이면 (55b) 측이 표면 (55a) 측보다 온도가 높아진다. 또한, 도전층 (65), 표면 전극 (56) 및 이면 전극 (64) 이나 발열체 인출 전극 (63) 은, 일반적으로 구리 패턴 등의 도전 재료이고 열전도성도 우수하다. 또, 이면 (55b) 의 이면 전극 (64) 은, 발열체 (57) 의 사이에 형성되고, 발열체 (57) 의 열이 효율적으로 전달되는 구성으로 되어 있다. 따라서, 보호 소자 (50) 는, 보다 많은 용융 도체 (53a) 를 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측에 흡인시킬 수 있고, 대전류에 대응하기 위해서 가용 도체 (53) 의 단면적을 증대시켜, 용단시의 용융 도체 (53a) 의 용융량이 많아졌을 경우에도, 가용 도체 (53) 를 안정적으로 용단할 수 있다.

또, 보호 소자 (50) 는, 관통공 (58) 내에 예비 땜납 (66) 을 충전함으로써, 도전층 (65) 이나 표면 전극 (56) 이나 이면 전극 (64) 이나 발열체 인출 전극 (63) 이 절연 기판 (55) 보다 먼저 온도가 높아짐으로써, 예비 땜납 (66) 이 가용 도체 (53) 보다 먼저 용융되어, 용융 도체 (53a) 를 관통공 (58) 에 끌어들일 수 있다. 이로써, 용융 도체 (53a) 를 효율적으로 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 으로부터 이면 (55b) 으로 흡인하여, 자세에 관계없이, 제 1 외부 전극 (51) 과 제 2 외부 전극 (52) 사이의 전류 경로를 확실하게 차단할 수 있다. 또한, 흡인 부재 (54) 는, 예비 땜납 (66) 과 함께, 또는 예비 땜납 (66) 대신에, 플럭스를 관통공 (58) 내의 일부 또는 전부에 충전시켜도 된다. 플럭스를 충전시키는 것에 의해서도, 가용 도체 (53) 의 젖음성을 높여, 효율적으로 용융 도체 (53a) 를 관통공 (58) 에 끌어들일 수 있다.

[보호 소자의 사용 방법]

보호 소자 (50) 는, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 상기 서술한 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩 (30) 내의 회로에 사용된다. 보호 소자 (50) 는, 보호 소자 (10) 와 동일하게, 배터리 스택 (31) 과 충방전 제어 회로 (32) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되고, 그 동작이 전류 제어 소자 (34) 에 의해 제어된다.

배터리 팩 (30) 에 있어서, 보호 소자 (50) 는, 도 13 에 나타내는 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자 (50) 는, 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이에 걸쳐 접속됨과 함께 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 에 형성된 표면 전극 (56) 과 접속된 가용 도체 (53) 와, 표면 전극 (56) 을 개재하여 통전, 발열됨으로써 가용 도체 (53) 를 용융시키는 발열체 (57) 로 이루어지는 회로 구성이다. 발열체 (57) 는, 일단이 제 1 발열체 전극 (59), 발열체 인출 전극 (63), 이면 전극 (64) 및 도전층 (65) 을 개재하여 표면 전극 (56) 에 접속되고, 타방이 제 2 발열체 전극 (60) 을 개재하여 제 3 외부 접속 전극 (61) 에 접속된다. 보호 소자 (50) 에서는, 가용 도체 (53) 가 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되고, 발열체 (57) 가 표면 전극 (56) 을 개재하여 가용 도체 (53) 와 접속됨과 함께, 제 3 외부 접속 전극 (61) 을 개재하여 전류 제어 소자 (34) 와 접속된다.

이와 같은 회로 구성으로 이루어지는 배터리 팩 (30) 은, 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 전류 제어 소자 (37) 가 보호 소자 (50) 를 동작시켜, 배터리 스택 (35) 의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자 (41, 42) 의 스위치 동작에 상관없이 차단하도록 제어한다. 구체적으로, 보호 소자 (50) 는, 발열체 (57) 가 발열하여, 도 14(A) 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (53) 및 관통공 (58) 내의 예비 땜납 (66) 을 가열한다. 이 때, 절연 기판 (55) 은, 발열체 (57) 가 배치 형성된 이면 (55b) 측의 쪽이 표면 (55a) 측보다 온도가 높은 온도 구배가 된다. 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측의 이면 전극 (64) 이나 발열체 인출 전극 (63) 이나 관통공 (58) 의 도전층 (65) 이나 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 의 표면 전극 (56) 은, 세라믹 등의 절연 기판 (55) 보다 열전도성이 우수하다.

따라서, 발열체 (57) 의 열은, 주로 발열체 (57) 의 사이에 형성된 이면 전극 (64), 발열체 (57) 상의 발열체 인출 전극 (63), 관통공 (58) 의 도전층 (65), 표면 (55a) 의 표면 전극 (56) 의 경로로 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 에 전달되며, 경로에 있는 예비 땜납 (66) 과 가용 도체 (53) 를 용융시킨다. 물론, 가용 도체 (53) 는 효율은 떨어지지만, 절연 기판 (55) 의 세라믹 등의 절연층을 개재하여 전달되는 열에 의해서도 용융된다. 이로써, 도 14(B) 에 나타내는 바와 같이, 예비 땜납 (66) 은, 가용 도체 (53) 보다 먼저 용융 개시하고, 점차 표면 전극 (56), 도전층 (65), 이면 전극 (64), 발열체 인출 전극 (63) 의 젖음성에 의해, 절연 기판 (55) 의 이면 (11b) 으로 이동하고, 예비 땜납 (66) 에 뒤처져서 용융된 가용 도체 (53) 도, 젖음성에 의해 관통공 (58) 을 통해 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측으로 끌려가듯이 하여 이동한다. 또, 용융 도체 (53a) 의 일부는, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 의 섬상 전극 (67a, 67b) 에도 유지된다 (도 14(A) 중 화살표 참조). 이로써, 보호 소자 (50) 는, 제 1 및 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이의 전류 경로 상에 있는 가용 도체 (53) 를 확실하게 용단할 수 있다.

본 발명의 보호 소자 (50) 는, 상기 서술한 바와 같이, 대량의 가용 도체 (53) (땜납) 를 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 으로부터 이면 (55b) 으로 유도함으로써, 가용 도체 (53) 를 용이하게 용단할 수 있다. 여기서는, 보호 소자 (50) 가 배치된 자세에 관계없이 안정적으로 가용 도체 (53) 를 용단할 수 있는지를 확인하기 위해서, 도 15 및 도 16 에 나타내는 실험을 실시하였다. 여기서, 도 16 은, 도 15(A) - (E) 에 나타낸 본 발명의 보호 소자 (50) 의 각 자세와 용단 시간의 관계를 나타낸다. 또한, 여기서는, 보호 소자 (50) 를 15 W 로 동작시키고 있다.

·도 15(A) 는, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 측을 상향으로 하고, 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측을 하향으로 하여 재치 (載置) 한 보호 소자 (50) 의 용단 후의 상태를 나타내는 평면도이다.

·도 15(B) 는, 보호 소자 (50) 를 도 15(A) 의 자세로부터 90°도립 (倒立) 시켜 관통공 (58) 을 수평 방향을 향하게 함과 함께, 제 2 외부 전극 (52) 을 상향으로 하여 상하 방향으로 가용 도체 (53) 를 지지한 보호 소자 (50) 의 용단 후의 상태를 나타내는 측면도이다.

·도 15(C) 는, 다시 도 15(B) 의 자세로부터 90°회전하여, 관통공 (58) 을 상하 방향으로 병렬시킴과 함께, 가용 도체 (53) 를 수평 방향으로 지지한 보호 소자 (50) 의 용단 후의 상태를 나타내는 측면도이다.

·도 15(D) 는, 도 15(A) 의 자세를 뒤를 향하게 한 상태이다. 즉, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 측을 하향으로 하고, 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측을 상향으로 하여 재치한 보호 소자 (50) 의 용단 후의 상태를 나타내는 평면도이다.

·도 15(E) 는, 제 1 외부 전극 (51) 을 상향으로 도립시킨 자세로부터 절연 기판 (55) 을 면내 방향으로 45°회전하여, 관통공 (58) 이 경사지게 병렬됨과 함께, 가용 도체 (53) 를 경사지게 지지한 보호 소자 (50) 의 용단 후의 상태를 나타내는 측면도이다.

도 16 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 보호 소자 (50) 는, 어떤 자세여도, 용단 시간에 편차가 없고, 확실하게 가용 도체 (53) 를 용단할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

도 17 은, 본 발명의 비교예가 되는 보호 소자 (100) 로, 응집 방식의 것을 나타낸다. 이 보호 소자 (100) 는 , 도 17(A) 및 (B) 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (101) 과, 절연 기판 (101) 의 표면 (101a) 의 단에 형성된 제 1 및 제 2 외부 전극 (102, 103) 과, 절연 기판 (101) 의 표면 (101a) 에 형성된 발열체 (104) 와, 제 1 및 제 2 외부 전극 (102, 103) 에 걸쳐 적층되고, 발열체 (104) 를 횡단하며, 발열체 (104) 에 의한 가열에 의해, 제 1 외부 전극 (102) 과 제 2 외부 전극 (103) 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체 (105) 를 구비한다. 발열체 (104) 는, 양단이 절연 기판 (101) 의 표면 (101a) 에 형성되고, 발열체 (104) 에 전류를 흘려 발열시키기 위해서 전원을 접속하는 제 1, 제 2 발열체 전극 (106, 107) 과 접속되어 있다.

제 1, 제 2 발열체 전극 (106, 107) 은, 절연 기판 (101) 의 표면 (101a) 에 형성되어 있다. 제 1 발열체 전극 (106) 은, 발열체 (104) 와 접속됨과 함께 발열체 인출 전극 (108) 의 탭 (108a) 이 접속되어 있다. 제 2 발열체 전극 (107) 은, 발열체 (104) 와 접속됨과 함께, 도시되지 않은 외부 접속 전극과 접속되어 있다.

발열체 인출 전극 (108) 은, 일단이 가용 도체 (105) 와 접속되고, 타단이 발열체 인출 전극 (108) 의 탭 (108a) 에 의해 제 1 발열체 전극 (106) 에 접속되어 있다. 또, 발열체 (104) 의 외측에는, 발열체 (104) 와 이간되어 섬상 전극 (109a, 109b) 이 형성되어 있다. 섬상 전극 (109a, 109b) 은, 가용 도체 (105) 가 용단되었을 때, 젖음성에 의해, 가용 도체 (105) 가 용융된 용융 도체 (105a) 를 유지하여, 제 1 외부 전극 (102) 과 제 2 외부 전극 (103) 사이의 전류 경로를 용단한다. 즉, 이 보호 소자 (100) 는, 절연 기판 (101) 에 관통공이 형성되어 있지 않아, 용융 도체 (105a) 가 절연 기판 (101) 의 이면 (101b) 으로 이동할 일은 없다.

이 보호 소자 (100) 도, 보호 소자 (50) 와 동일한 사용법을 하며, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 검출 회로 (36) 로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 전류 제어 소자 (37) 는, 보호 소자 (100) 를 동작시켜, 배터리 스택 (35) 의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자 (41, 42) 의 스위치 동작에 상관없이 차단한다. 이로써, 발열체 (104) 는 발열하여, 도 17(C) 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (105) 를 용단시키고, 용융 도체 (105a) 의 일부는 섬상 전극 (109a, 109b) 에 유지되어, 전류 경로를 차단한다.

도 19 는, 참고예가 되는 보호 소자 (100) 의 자세와 용단 시간의 관계를 나타낸다. 또한, 여기서는, 보호 소자 (100) 를 15 W 로 동작시키고 있다. 또, 도 18(A) - (E) 의 각 자세는, 도 15(A) - (E) 의 각 자세와 대응하고 있다.

·도 18(A) 는, 절연 기판 (101) 의 표면 (101a) 측을 상향으로 하고, 절연 기판 (101) 의 이면 (101b) 측을 하향으로 하여 재치한 보호 소자 (100) 의 용단 후의 상태를 나타내는 평면도이다.

·도 18(B) 는, 보호 소자 (100) 를 도 18(A) 의 자세로부터 90°도립시켜, 제 1 외부 전극 (102) 을 상향으로 하여 상하 방향으로 가용 도체 (105) 를 지지한 보호 소자 (100) 의 용단 후의 상태를 나타내는 측면도이다.

·도 18(C) 는, 다시 도 18(B) 의 자세로부터 90°회전하여, 가용 도체 (105) 를 수평 방향으로 지지한 보호 소자 (100) 의 용단 후의 상태를 나타내는 측면도이다.

·도 18(D) 는, 도 18(A) 의 자세를 뒤를 향하게 한 상태이다. 즉, 절연 기판 (101) 의 표면 (101a) 측을 하향으로 하고, 절연 기판 (101) 의 이면 (101b) 측을 상향으로 하여 재치한 보호 소자 (100) 의 용단 후의 상태를 나타내는 평면도이다.

·도 18(E) 는, 제 1 외부 전극 (102) 을 상향으로 도립시킨 자세로부터 절연 기판 (101) 을 면내 방향으로 45°회전하여, 가용 도체 (105) 를 경사지게 지지한 보호 소자 (100) 의 용단 후의 상태를 나타내는 측면도이다.

·도 19 는, 본 발명의 보호 소자 (100) 를 도 18(A) - (E) 와 같은 자세로 했을 때의 가용 도체 (105) 의 용단 시간을 나타낸다.

도 19 에 나타내는 바와 같이, 비교예의 보호 소자 (100) 는, 보호 소자 (100) 의 배선 자세에 따라 용단 시간에 편차가 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 보호 소자 (50) 는, 참고예의 보호 소자 (100) 와 비교하여 자세에 관계없이 용단 시간의 편차를 작게 할 수 있고, 따라서, 자세에 관계없이, 대략 일정한 시간에 확실하게 가용 도체 (53) 를 용단할 수 있다.

또한, 도 20 에 나타내는 바와 같이, 관통공 (58) 은, 도 11(B) 에 나타내는 바와 같이, 직선상으로 일렬로 형성하는 경우 외에, 도 20(A) 에 나타내는 바와 같이, 2 열로 해도 되고, 그 이상 형성해도 된다. 또, 도 20(B) 에 나타내는 바와 같이, 복수의 관통공으로 구성하는 것이 아니라, 가늘고 긴 슬릿 (58a) 으로 구성하도록 해도 되고, 복수개여도 된다.

[발열체]

또, 본 발명이 적용된 보호 소자는, 도 21 에 나타내는 바와 같이, 발열체 (57) 를 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 측에 형성한 흡인 부재 (70) 를 사용해도 된다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상기 서술한 보호 소자 (50) 와 동일한 부재에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고 그 상세를 생략한다. 발열체 (57) 가 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 측에 형성된 흡인 부재 (70) 를 사용한 보호 소자 (71) 는, 발열체 (57) 가 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 에 형성됨과 함께, 절연 부재 (62) 에 의해 피복되어 있다.

발열체 (57) 는, 양단이 동일하게 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 에 형성된 제 1, 제 2 발열체 전극 (59, 60) 과 접속되어 있다. 제 1 발열체 전극 (59) 은, 발열체 인출 전극 (63) 을 개재하여 가용 도체 (53) 와 접속되고, 이로써 발열체 (57) 가 가용 도체 (53) 와 접속된다. 또, 제 2 발열체 전극 (60) 은, 제 3 외부 접속 전극 (61) (도 12, 도 13 참조) 과 접속되고, 이로써 발열체 (57) 가 발열시키기 위한 전원에 접속된다.

발열체 (57) 는, 절연 부재 (62) 에 의해 덮이고, 이 절연 부재 (62) 를 개재하여 발열체 (57) 에 대향하도록 발열체 인출 전극 (63) 이 배치된다. 이 절연 부재 (62) 는, 발열체 (57) 가 내부에 일체적으로 적층된 적층 기판이어도 된다. 또, 발열체 (57) 는, 표면 전극 (56) 의 양측에 형성하는 것 외에, 표면 전극 (56) 의 일방의 측에만, 또는 표면 전극 (56) 을 둘러싸도록 형성해도 된다.

또, 발열체 인출 전극 (63) 은, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 에, 절연 부재 (62) 를 개재하여 발열체 (57) 와 중첩하여 형성되어 있다. 발열체 인출 전극 (63) 은, 표면 전극 (56) 을 개재하여 가용 도체 (53) 와 접속되고, 일단에 형성된 탭 (63a) 이 제 1 발열체 전극 (59) 에 접속되어 있다.

또한, 보호 소자 (71) 는, 상기 서술한 보호 소자 (50) 와 동일하게 관통공 (58) 이 형성됨과 함께, 도전층 (65) 이나 이면 전극 (64) 을 형성하고, 관통공 (58) 내의 일부 또는 전부에는 예비 땜납 (66) 을 충전시켜도 된다. 또, 흡인 부재 (70) 는, 예비 땜납 (66) 과 함께, 또는 예비 땜납 (66) 대신에, 플럭스를 관통공 (58) 내의 일부 또는 전부에 충전시켜도 된다. 플럭스를 충전시키는 것에 의해서도, 가용 도체 (53) 의 젖음성을 높여, 효율적으로 용융 도체 (53a) 를 관통공 (58) 에 끌어들일 수 있다.

보호 소자 (71) 는, 발열체 (57) 를 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 측에 형성함으로써, 발열체 (57) 가 발열했을 때, 열을 효율적으로 가용 도체 (53) 에 전달할 수 있어, 신속하게 가용 도체 (53) 를 용단시킬 수 있다. 또, 보호 소자 (71) 는, 발열 초기에 있어서는, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 측이 이면 (55b) 측보다 온도가 높은 온도 구배가 된다. 따라서, 보호 소자 (71) 는, 용융 도체 (53a) 가 고온의 표면 전극 (56) 상에 응집됨과 함께, 표면 전극 (56) 과 연속되는 도전층 (65) 을 개재하여 관통공 (58) 내에 신속하게 흡인시킬 수 있어, 단면적이 커 다량의 용융 도체 (53a) 가 용융된 경우에도, 확실하게 가용 도체 (53) 를 용단시킬 수 있다.

[실시예]

본 발명의 보호 소자 (71) 는, 상기 서술한 바와 같이, 대량의 가용 도체 (53) 를 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 으로부터 이면 (55b) 으로 유도함으로써, 가용 도체 (53) 를 용이하게 용단할 수 있다. 여기서는, 보호 소자 (71) 가 배치된 자세에 관계없이 안정적으로 가용 도체 (53) 를 용단할 수 있는지를 확인하기 위해서, 도 22 및 도 23 에 나타내는 실험을 실시하였다. 실험에 사용한 보호 소자 (71) 는, 절연 기판 (55) 으로서 두께 0.635 ㎜ 의 알루미나계 기판에, 0.85 φ 의 관통공 (58) 을 형성하고, 내측면에 Ni/Au 도금 처리를 실시하였다. 또, 가용 도체 (53) 로서, 두께 0.35 ㎜ 의 Sn-Ag-Cu 계 금속박에 두께 6 ㎛ 의 Ag 도금 처리를 실시한 것을 사용하였다.

이와 같은 보호 소자 (71) 를 31 W 로 동작시켰을 때의 도 22 에 나타내는 각 자세에 있어서의 가용 도체 (53) 의 용단 시간을 계측하였다. 여기서, 도 23 은, 도 22(A) - (E) 에 나타낸 본 발명의 보호 소자 (71) 의 각 자세와 용단 시간의 관계를 나타낸다. 또, 도 22(A) - (E) 의 각 자세는, 도 15(A) - (E) 의 각 자세와 대응하고 있다.

·도 22(A) 는, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 측을 상향으로 하고, 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측을 하향으로 하여 재치한 보호 소자 (71) 의 용단 후의 상태를 나타내는 평면도이다.

·도 22(B) 는, 보호 소자 (71) 를 도 22(A) 의 자세로부터 90°도립시켜 관통공 (58) 을 수평 방향을 향하게 함과 함께, 제 2 외부 전극 (52) 을 상향으로 하여 상하 방향으로 가용 도체 (53) 를 지지한 보호 소자 (71) 의 용단 후의 상태를 나타내는 측면도이다.

·도 22(C) 는, 다시 도 22(B) 의 자세로부터 90°회전하여, 관통공 (58) 을 상하 방향으로 병렬시킴과 함께, 가용 도체 (53) 를 수평 방향으로 지지한 보호 소자 (71) 의 용단 후의 상태를 나타내는 측면도이다.

·도 22(D) 는, 도 22(A) 의 자세를 뒤를 향하게 한 상태이다. 즉, 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 측을 하향으로 하고, 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측을 상향으로 하여 재치한 보호 소자 (71) 의 용단 후의 상태를 나타내는 평면도이다.

·도 22(E) 는, 제 2 외부 전극 (52) 을 상향으로 도립시킨 자세로부터 절연 기판 (55) 을 면내 방향으로 45°회전하여, 관통공 (58) 이 경사지게 병렬됨과 함께, 가용 도체 (53) 를 경사지게 지지한 보호 소자 (71) 의 용단 후의 상태를 나타내는 측면도이다.

도 23 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 보호 소자 (71) 는, 어떤 자세여도, 용단 시간에 편차가 없고, 확실하게 가용 도체 (53) 를 용단할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명이 적용된 보호 소자는, 발열체 (57) 를 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 이나 이면 (55b) 에 형성하는 것 외에, 절연 기판 (55) 의 내부에 형성해도 된다. 이 경우, 발열체 (57) 는 절연 부재 (62) 로 피복할 필요는 없고, 또, 발열체 (57) 는 도전층 (65) 을 개재하여 표면 전극 (56) 또는 이면 전극 (64) 과 접속된다.

[응집 부재]

또, 본 발명이 적용된 보호 소자는, 흡인 부재 (54, 70) 에 더하여, 용융 도체 (53a) 를 응집하여, 가용 도체 (53) 의 용단을 보조하는 응집 부재 (75) 를 병용해도 된다. 도 24(A)(B) 는, 흡인 부재 (70) 및 응집 부재 (75) 를 병용한 보호 소자 (74) 의 단면도이다. 도 24(A)(B) 에 나타내는 바와 같이, 응집 부재 (75) 는, 제 2 절연 기판 (76) 과, 제 2 절연 기판 (76) 의 표면 (76a) 상에 형성된 발열체 (77) 와, 발열체 (77) 를 피복하는 절연 부재 (78) 와, 절연 부재 (78) 상에 적층되고, 용융 도체 (53a) 를 응집하는 집전극 (79) 을 구비한다.

응집 부재 (75) 는, 제 2 절연 기판 (76), 발열체 (77) 및 절연 부재 (78) 로서, 보호 소자 (50) 의 절연 기판 (55), 발열체 (57) 및 절연 부재 (62) 와 동일한 부재를 사용할 수 있다. 또, 집전극 (79) 은, 예를 들어 Ag 나 Cu 등의 고융점 금속 페이스트를 인쇄, 소성하는 것 등에 의해서 형성할 수 있다.

도 25 에 보호 소자 (74) 의 회로도를 나타낸다. 응집 부재 (75) 는, 발열체 (57) 와 동일하게, 발열체 (77) 가 도시되지 않은 발열체 전극을 개재하여 제 3 외부 접속 전극 (61) 과 전기적으로 접속되고, 외부 회로에 형성된 전류 제어 소자 (37) 등에 의해, 흡인 부재 (70) 의 발열체 (57) 와 연동하여 통전이 제어되고 있다. 또, 응집 부재 (75) 는, 발열체 (77) 가 도시되지 않은 발열체 전극을 개재하여 집전극 (79) 과 접속되고, 집전극 (79) 을 개재하여 가용 도체 (53) 와 전기적으로 접속되어 있다.

응집 부재 (75) 는, 집전극 (79) 이 가용 도체 (53) 의 흡인 부재 (70) 가 형성된 면과 반대측의 면에 접속되어 있다. 따라서, 보호 소자 (74) 는, 흡인 부재 (70) 의 발열체 (57) 가 통전, 발열되면, 동시에 응집 부재 (75) 의 발열체 (77) 도 통전, 발열하여, 가용 도체 (53) 를 양측에서 가열함으로써, 신속하게 용융시킨다.

이 때, 보호 소자 (74) 는, 흡인 부재 (70) 에 의해 용융 도체 (53a) 를 관통공 (58) 내에 흡인함과 함께, 응집 부재 (75) 에 의해 용융 도체 (53a) 를 집전극 (79) 에 응집시킴으로써, 용융 도체 (53a) 를 흡인, 유지하는 허용량이 증대되어 있다. 따라서, 보호 소자 (74) 는, 단면적이 크고 고정격화된 가용 도체 (53) 를 사용하여, 다량의 용융 도체 (53a) 가 발생한 경우에도, 확실하게 용단시킬 수 있어, 정격의 향상을 도모하면서 용단 특성을 유지, 향상시킬 수 있다.

또, 보호 소자 (74) 는, 가용 도체 (53) 로서, 내층을 구성하는 저융점 금속을 고융점 금속으로 피복하는 피복 구조를 사용한 경우에도, 가용 도체 (53) 를 신속하게 용단시킬 수 있다. 즉, 고융점 금속으로 피복된 가용 도체 (53) 는, 발열체 (57, 77) 가 발열한 경우에도, 외층의 고융점 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 데에 시간을 필요로 한다. 여기서, 보호 소자 (74) 는, 흡인 부재 (54) 및 응집 부재 (75) 를 구비하고, 동시에 발열체 (57, 77) 를 발열시킴으로써, 외층의 고융점 금속을 신속하게 용융 온도까지 가열할 수 있다. 따라서, 보호 소자 (74) 에 의하면, 외층을 구성하는 고융점 금속층의 두께를 두껍게 할 수 있어, 추가적인 고정격화를 도모하면서, 속용단 특성을 유지할 수 있다.

또, 보호 소자 (74) 는, 응집 부재 (75) 의 집전극 (79) 을 흡인 부재 (70) 의 관통공 (58) 과 대향시키는 것이 바람직하다. 이로써, 관통공 (58) 상에 보다 많은 용융 도체 (53a) 가 모여, 효율적으로 용융 도체 (53a) 를 관통공 (58) 내에 흡인시킬 수 있어, 신속하게 가용 도체 (53) 를 용단할 수 있다.

[복수의 흡인 부재]

또, 본 발명이 적용된 보호 소자는, 도 26(A)(B) 에 나타내는 바와 같이, 흡인 부재 (54, 70) 를 복수 구비하고, 가용 도체 (53) 의 표면 및 이면에 배치 형성해도 된다. 도 26 에 나타내는 보호 소자 (80) 는, 예를 들어 상기 서술한 흡인 부재 (54) 가, 가용 도체 (53) 의 표면 및 이면에 각각 배치 형성되어 있다. 도 27 은, 보호 소자 (80) 의 회로도이다. 가용 도체 (53) 의 표면 및 이면에 배치 형성된 각 흡인 부재 (54) 는, 각각 발열체 (57) 의 일단이 제 1 발열체 전극 (59) 및 발열체 인출 전극 (63) 을 개재하여 가용 도체 (53) 와 접속되고, 발열체 (57) 의 타단이 제 2 발열체 전극 (60) 및 제 3 외부 접속 전극 (61) 을 개재하여 발열체 (57) 를 발열시키기 위한 전원에 접속된다.

보호 소자 (80) 는, 가용 도체 (53) 를 용단할 때에는, 각 흡인 부재 (54, 54) 의 발열체 (57) 가 각각 발열함과 함께 용융 도체 (53) 를 각 관통공 (58) 내에 흡인시킨다. 따라서, 보호 소자 (80) 는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (13) 의 단면적을 증대시켜 용융 도체 (53a) 가 다량으로 발생한 경우에도, 복수의 흡인 부재 (54) 에 의해 흡인하여, 확실하게 가용 도체 (53) 를 용단시킬 수 있다. 또, 보호 소자 (80) 는, 복수의 흡인 부재 (54) 에 의해 용융 도체 (53a) 를 흡인함으로써, 보다 신속하게 가용 도체 (53) 를 용단시킬 수 있다.

보호 소자 (80) 는, 가용 도체 (53) 로서, 내층을 구성하는 저융점 금속을 고융점 금속으로 피복하는 피복 구조를 사용한 경우에도, 가용 도체 (53) 를 신속하게 용단시킬 수 있다. 즉, 고융점 금속으로 피복된 가용 도체 (53) 는, 발열체 (57) 가 발열한 경우에도, 외층의 고융점 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 데에 시간을 필요로 한다. 여기서, 보호 소자 (80) 는, 복수의 흡인 부재 (54) 를 구비하고, 동시에 각 발열체 (57) 를 발열시킴으로써, 외층의 고융점 금속을 신속하게 용융 온도까지 가열할 수 있다. 따라서, 보호 소자 (80) 에 의하면, 외층을 구성하는 고융점 금속층의 두께를 두껍게 할 수 있어, 추가적인 고정격화를 도모하면서, 속용단 특성을 유지할 수 있다.

또, 보호 소자 (80) 는, 도 26 에 나타내는 바와 같이, 1 쌍의 흡인 부재 (54, 54) 가 대향하여 가용 도체 (53) 에 접속되는 것이 바람직하다. 이로써, 보호 소자 (80) 는, 1 쌍의 흡인 부재 (54, 54) 로, 가용 도체 (53) 의 동일 지점을 양면측으로부터 동시에 가열함과 함께 용융 도체 (53a) 를 흡인할 수 있어, 보다 신속하게 가용 도체 (53) 를 가열, 용단할 수 있다.

또한, 보호 소자 (80) 는, 흡인 부재로서 발열체 (57) 가 절연 기판 (55) 의 이면 (55b) 측에 형성된 상기 흡인 부재 (54) 를 사용하는 것 외에, 발열체 (57) 가 절연 기판 (55) 의 표면 (55a) 측에 형성된 흡인 부재 (70) 를 복수 사용해도 되고, 혹은 양흡인 부재 (54, 70) 를 병용해도 된다.

[가용 도체의 구성]

상기 서술한 바와 같이, 가용 도체 (13, 53) 는, 저융점 금속과 고융점 금속을 함유해도 된다. 저융점 금속으로는, Sn 을 주성분으로 하는 Pb 프리 땜납 등의 땜납을 사용하는 것이 바람직하고, 고융점 금속으로는, Ag, Cu 또는 이들을 주성분으로 하는 합금 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이 때, 가용 도체 (13, 53) 는, 도 28(A) 에 나타내는 바와 같이, 내층으로서 고융점 금속층 (90) 이 형성되고, 외층으로서 저융점 금속층 (91) 이 형성된 가용 도체를 사용해도 된다. 이 경우, 가용 도체 (13, 53) 는, 고융점 금속층 (90) 의 전체면이 저융점 금속층 (91) 에 의해 피복된 구조로 해도 되고, 서로 대향하는 1 쌍의 측면을 제외하고 피복된 구조여도 된다. 고융점 금속층 (90) 이나 저융점 금속층 (91) 에 의한 피복 구조는, 도금 등의 공지된 성막 기술을 사용하여 형성할 수 있다.

또, 도 28(B) 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13, 53) 는, 내층으로서 저융점 금속층 (91) 이 형성되고, 외층으로서 고융점 금속층 (90) 이 형성된 가용 도체를 사용해도 된다. 이 경우에도, 가용 도체 (13, 53) 는, 저융점 금속층 (91) 의 전체면이 고융점 금속층 (90) 에 의해 피복된 구조로 해도 되고, 서로 대향하는 1 쌍의 측면을 제외하고 피복된 구조여도 된다.

또, 가용 도체 (13, 53) 는, 도 29 에 나타내는 바와 같이, 고융점 금속층 (90) 과 저융점 금속층 (91) 이 적층된 적층 구조로 해도 된다.

이 경우, 가용 도체 (13) 는, 도 29(A) 에 나타내는 바와 같이, 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 이나 표면 전극 (22), 혹은 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 이나 표면 전극 (56) 에 접속되는 하층과, 하층 상에 적층되는 상층으로 이루어지는 2 층 구조로서 형성되고, 하층이 되는 고융점 금속층 (90) 의 상면에 상층이 되는 저융점 금속층 (91) 을 적층해도 되고, 반대로 하층이 되는 저융점 금속층 (91) 의 상면에 상층이 되는 고융점 금속층 (90) 을 적층해도 된다. 혹은, 가용 도체 (13, 53) 는, 도 29(B) 에 나타내는 바와 같이, 내층과 내층의 상하면에 적층되는 외층으로 이루어지는 3 층 구조로서 형성해도 되고, 내층이 되는 고융점 금속층 (90) 의 상하면에 외층이 되는 저융점 금속층 (91) 을 적층해도 되고, 반대로 내층이 되는 저융점 금속층 (91) 의 상하면에 외층이 되는 고융점 금속층 (90) 을 적층해도 된다.

또, 가용 도체 (13, 53) 는, 도 30 에 나타내는 바와 같이, 고융점 금속층 (90) 과 저융점 금속층 (91) 이 교대로 적층된 4 층 이상의 다층 구조로 해도 된다. 이 경우, 가용 도체 (13, 53) 는, 최외층을 구성하는 금속층에 의해, 전체면 또는 서로 대향하는 1 쌍의 측면을 제외하고 피복된 구조로 해도 된다.

또, 가용 도체 (13, 53) 는, 내층을 구성하는 저융점 금속층 (91) 의 표면에 고융점 금속층 (90) 을 스트라이프상으로 부분적으로 적층시켜도 된다. 도 31 은, 가용 도체 (13, 53) 의 평면도이다.

도 31(A) 에 나타내는 가용 도체 (13, 53) 는, 저융점 금속층 (91) 의 표면에, 폭 방향으로 소정 간격으로, 선상의 고융점 금속층 (90) 이 길이 방향에 복수 형성됨으로써, 길이 방향을 따라 선상의 개구부 (92) 가 형성되고, 이 개구부 (92) 로부터 저융점 금속층 (91) 이 노출되어 있다. 가용 도체 (13, 53) 는, 저융점 금속층 (91) 이 개구부 (92) 로부터 노출됨으로써, 용융된 저융점 금속과 고융점 금속의 접촉 면적이 증가하여, 고융점 금속층 (90) 의 침식 작용을 보다 촉진시켜 용단성을 향상시킬 수 있다. 개구부 (92) 는, 예를 들어, 저융점 금속층 (91) 에 고융점 금속층 (90) 을 구성하는 금속의 부분 도금을 실시함으로써 형성할 수 있다.

또, 가용 도체 (13, 53) 는, 도 31(B) 에 나타내는 바와 같이, 저융점 금속층 (91) 의 표면에, 길이 방향으로 소정 간격으로, 선상의 고융점 금속층 (90) 을 폭 방향에 복수 형성함으로써, 폭 방향을 따라 선상의 개구부 (92) 를 형성해도 된다.

또, 가용 도체 (13, 53) 는, 도 32 에 나타내는 바와 같이, 저융점 금속층 (91) 의 표면에 고융점 금속층 (90) 을 형성함과 함께, 고융점 금속층 (90) 의 전체면에 걸쳐 원형의 개구부 (93) 가 형성되고, 이 개구부 (93) 로부터 저융점 금속층 (91) 을 노출시켜도 된다. 개구부 (93) 는, 예를 들어, 저융점 금속층 (91) 에 고융점 금속층 (90) 을 구성하는 금속의 부분 도금을 실시함으로써 형성할 수 있다.

가용 도체 (13, 53) 는, 저융점 금속층 (91) 이 개구부 (93) 로부터 노출됨으로써, 용융된 저융점 금속과 고융점 금속의 접촉 면적이 증가하여, 고융점 금속의 침식 작용을 보다 촉진시켜 용단성을 향상시킬 수 있다.

또, 가용 도체 (13, 53) 는, 도 33 에 나타내는 바와 같이, 내층이 되는 고융점 금속층 (90) 에 다수의 개구부 (94) 를 형성하고, 이 고융점 금속층 (90) 에, 도금 기술 등을 사용하여 저융점 금속층 (91) 을 성막하고, 개구부 (94) 내에 충전해도 된다. 이로써, 가용 도체 (13, 53) 는, 용융되는 저융점 금속이 고융점 금속에 접하는 면적이 증대되므로, 보다 단시간에 저융점 금속이 고융점 금속을 용식시킬 수 있게 된다.

또, 가용 도체 (13, 53) 는, 저융점 금속층 (91) 의 체적을 고융점 금속층 (90) 의 체적보다 많게 형성하는 것이 바람직하다. 가용 도체 (13, 53) 는, 발열체 (25, 57) 의 발열에 의해 가열되고, 저융점 금속이 용융됨으로써 고융점 금속을 용식시켜, 이로써 신속하게 용융, 용단할 수 있다. 따라서, 가용 도체 (13, 53) 는, 저융점 금속층 (91) 의 체적을 고융점 금속층 (90) 의 체적보다 많게 형성함으로써, 이 용식 작용을 촉진시켜, 신속하게 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 사이, 혹은 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이를 차단할 수 있다.

또, 가용 도체 (13, 53) 는, 도 34 에 나타내는 바와 같이, 대략 사각형판상으로 형성되고, 외층을 구성하는 고융점 금속에 의해 피복되어 주면부 (96) 보다 두껍게 형성된 서로 대향하는 1 쌍의 제 1 측가장자리부 (97) 와, 내층을 구성하는 저융점 금속이 노출되어 제 1 측가장자리부 (97) 보다 얇은 두께로 형성된 서로 대향하는 1 쌍의 제 2 측가장자리부 (98) 를 가져도 된다.

제 1 측가장자리부 (97) 는, 측면이 고융점 금속층 (90) 에 의해 피복됨과 함께, 이에 의해 가용 도체 (13, 53) 의 주면부 (96) 보다 두껍게 형성되어 있다. 제 2 측가장자리부 (98) 는, 측면에, 외주를 고융점 금속층 (90) 에 의해 둘러싸인 저융점 금속층 (91) 이 노출되어 있다. 제 2 측가장자리부 (98) 는, 제 1 측가장자리부 (97) 와 인접하는 양단부를 제외하고 주면부 (96) 와 동일한 두께로 형성되어 있다.

보호 소자 (1) 에 있어서는, 가용 도체 (13) 는, 제 1 측가장자리부 (97) 가 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 의 폭 방향을 따라 탑재되고, 제 2 측가장자리부 (98) 가 통전 방향의 양측단이 되는 방향으로, 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 사이에 걸쳐 접속되어 있다. 동일하게, 보호 소자 (50) 에 있어서는, 가용 도체 (53) 는, 제 1 측가장자리부 (97) 가 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 의 폭 방향을 따라 탑재되고, 제 2 측가장자리부 (98) 가 통전 방향의 양측단이 되는 방향으로, 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이에 걸쳐 접속되어 있다.

이로써, 보호 소자 (1, 50) 는, 가용 도체 (13, 53) 가 신속하게 용단되어, 외부 회로의 전류 경로를 차단시킬 수 있다.

즉, 제 2 측가장자리부 (98) 는, 제 1 측가장자리부 (97) 보다 상대적으로 얇게 형성되어 있다. 또, 제 2 측가장자리부 (98) 의 측면은, 내층을 구성하는 저융점 금속층 (91) 이 노출되어 있다. 이로써, 제 2 측가장자리부 (98) 는, 저융점 금속층 (91) 에 의한 고융점 금속층 (90) 의 용식 작용이 작용하고, 또한 용식되는 고융점 금속층 (90) 의 두께도 제 1 측가장자리부 (97) 에 비해 얇게 형성되어 있음으로써, 고융점 금속층 (90) 에 의해 두껍게 형성되어 있는 제 1 측가장자리부 (97) 에 비해, 적은 열에너지로 신속하게 용융시킬 수 있다. 이에 대해, 제 1 측가장자리부 (97) 는, 고융점 금속층 (90) 에 의해 두껍게 피복되어, 제 2 측가장자리부 (98) 에 비해 용단될 때까지 많은 열에너지를 필요로 한다.

따라서, 보호 소자 (1, 50) 는, 발열체 (25, 57) 가 발열함으로써, 즉시 제 2 측가장자리부 (98) 가 걸쳐져 있는 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (12) 사이, 혹은 제 1 외부 전극 (51) 과 제 2 외부 전극 (52) 사이가 용단된다. 이로써, 보호 소자 (1, 50) 는, 제 1, 제 2 전극 (11, 12) 사이, 혹은 제 1, 제 2 외부 전극 (51, 52) 사이의 충방전 경로가 차단됨과 함께, 발열체 (25, 57) 로의 급전 경로가 차단되어, 발열체 (25, 57) 의 발열이 정지된다.

이와 같은 구성을 갖는 가용 도체 (13, 53) 는, 저융점 금속층 (91) 을 구성하는 땜납박 등의 저융점 금속박을, 고융점 금속층 (90) 을 구성하는 Ag 등의 금속으로 피복함으로써 제조된다. 저융점 금속층박을 고융점 금속 피복하는 공법으로는, 장척상의 저융점 금속박에 연속해서 고융점 금속 도금을 실시할 수 있는 전해 도금법이 작업 효율상, 제조 비용상, 유리해진다.

전해 도금에 의해 고융점 금속 도금을 실시하면, 장척상의 저융점 금속박의 에지 부분, 즉, 측가장자리부에 있어서 전계 강도가 상대적으로 강해져, 고융점 금속층 (90) 이 두껍게 도금된다 (도 34 참조). 이로써, 측가장자리부가 고융점 금속층에 의해 두껍게 형성된 장척상의 도체 리본 (95) 이 형성된다. 이어서, 이 도체 리본 (95) 을 길이 방향과 직교하는 폭 방향 (도 34 중 C-C' 방향) 으로, 소정 길이로 절단함으로써, 가용 도체 (13, 53) 가 제조된다. 이로써, 가용 도체 (13, 53) 는, 도체 리본 (95) 의 측가장자리부가 제 1 측가장자리부 (97) 가 되고, 도체 리본 (95) 의 절단면이 제 2 측가장자리부 (98) 가 된다. 또, 제 1 측가장자리부 (97) 는, 고융점 금속에 의해 피복되고, 제 2 측가장자리부 (98) 는, 단면 (도체 리본 (95) 의 절단면) 에 상하 1 쌍의 고융점 금속층 (90) 과 고융점 금속층 (90) 에 의해 둘러싸인 저융점 금속층 (91) 이 외방에 노출되어 있다.

1 보호 소자,
10 제 1 절연 기판,
10a 표면,
10b 이면,
11 제 1 전극,
11a 제 1 외부 접속 전극,
11b 도전층,
12 제 2 전극,
12a 제 2 외부 접속 전극,
12b 도전층,
13 가용 도체,
13a 용융 도체,
14 플럭스,
15 커버 부재,
20 흡인공,
21 도전층,
22 표면 전극,
23 이면 전극,
24 보호 소자,
25 발열체,
26 절연층,
27 제 3 외부 접속 전극,
30 배터리 팩,
30a 정극 단자,
30b 부극 단자,
31 ∼ 34 배터리 셀,
35 배터리 스택,
36 검출 회로,
37 전류 제어 소자,
40 충방전 제어 회로,
41, 42 전류 제어 소자,
43 제어부,
50 보호 소자,
51 제 1 외부 전극,
52 제 2 외부 전극,
53 가용 도체,
53a 용융 도체,
54 흡인 부재,
55 절연 부재,
55a 표면,
55b 이면,
56 표면 전극,
57 발열체,
58 관통공,
59 제 1 발열체 전극,
60 제 2 발열체 전극,
61 제 3 외부 접속 전극,
62 절연 부재,
63 발열체 인출 전극,
63a 탭,
64 이면 전극,
65 도전층,
66 예비 땜납,
67 섬상 전극,
70 흡인 부재,
71 보호 소자,
74 보호 소자,
75 응집 부재,
76 제 2 절연 기판,
77 발열체,
78 절연 부재,
79 집전극,
80 보호 소자,
90 고융점 금속층,
91 저융점 금속층,
95 도체 리본,
97 제 1 측가장자리부,
98 제 2 측가장자리부

Claims

제 1 절연 기판과,
상기 제 1 절연 기판의 표면에 탑재된 가용 도체를 갖고,
상기 제 1 절연 기판의 표면에는, 용융된 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인공이 개구되어 있는, 보호 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 흡인공은, 내면에 도전층이 형성됨과 함께, 상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성된 관통공 또는 비관통공인, 보호 소자.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 절연 기판의 표면에는, 상기 도전층과 접속된 표면 전극이 형성되어 있는, 보호 소자.
제 3 항에 있어서,
상기 흡인공은 관통공이고,
상기 제 1 절연 기판의 이면에는, 상기 도전층과 접속된 이면 전극이 형성되어 있는, 보호 소자.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 흡인공이 하나 또는 복수 형성되어 있는, 보호 소자.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 절연 기판은, 상기 가용 도체와 접속된 제 1, 제 2 전극이 형성되고,
상기 제 1, 제 2 전극은, 상기 제 1 절연 기판의 이면에 형성된 외부 접속 전극과 접속되어 있는, 보호 소자.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 절연 기판에, 상기 가용 도체를 용융시키는 발열체가 형성되어 있는, 보호 소자.
제 7 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 제 1 절연 기판의 표면에 형성되고, 절연 부재를 개재하여 상기 가용 도체와 중첩되어 있는, 보호 소자.
제 7 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 제 1 절연 기판의 이면에 형성되고, 상기 가용 도체와 중첩되어 있는, 보호 소자.
제 7 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 제 1 절연 기판의 내부에 형성되어 있는, 보호 소자.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 절연 기판에, 상기 가용 도체를 용융시키는 발열체가 형성되고,
상기 발열체는, 상기 표면 전극을 개재하여 상기 가용 도체와 접속되어 있는, 보호 소자.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 절연 기판은, 상기 가용 도체와 접속된 제 1, 제 2 전극이 형성되고,
상기 제 1, 제 2 전극은, 상기 제 1 절연 기판의 이면에 형성된 외부 접속 전극과 접속되어 있는, 보호 소자.
제 12 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 제 1 절연 기판의 표면에 형성되고, 절연 부재를 개재하여 상기 가용 도체와 중첩되어 있는, 보호 소자.
제 12 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 제 1 절연 기판의 이면에 형성되고, 상기 가용 도체와 중첩되어 있는, 보호 소자.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가용 도체의 표면에 플럭스가 도포되어 있는, 보호 소자.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도전층은, 구리, 은, 금, 철, 니켈, 팔라듐, 납, 주석 중 어느 것, 또는 어느 것을 주성분으로 하는, 보호 소자.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가용 도체는 땜납인, 보호 소자.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가용 도체는 저융점 금속과 고융점 금속을 함유하는, 보호 소자.
제 18 항에 있어서,
상기 저융점 금속은 땜납이고,
상기 고융점 금속은, 은, 구리, 또는 은 혹은 구리를 주성분으로 하는 합금인, 보호 소자.
제 18 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 내층이 상기 고융점 금속이고, 외층이 상기 저융점 금속의 피복 구조인, 보호 소자.
제 18 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 내층이 상기 저융점 금속이고, 외층이 상기 고융점 금속의 피복 구조인, 보호 소자.
제 18 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 상기 저융점 금속과 상기 고융점 금속이 적층된 적층 구조인, 보호 소자.
제 18 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 상기 저융점 금속과 상기 고융점 금속이 교대로 적층된 4 층 이상의 다층 구조인, 보호 소자.
제 18 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 내층을 구성하는 상기 저융점 금속의 표면에 형성된 상기 고융점 금속에 개구부가 형성되어 있는, 보호 소자.
제 18 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 복수의 개구부를 갖는 고융점 금속층과, 상기 고융점 금속층 상에 형성된 저융점 금속층을 갖고, 상기 개구부에 상기 저융점 금속이 충전되어 있는, 보호 소자.
제 18 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 외층을 구성하는 상기 고융점 금속에 의해 피복되어 주면부보다 두껍게 형성된 서로 대향하는 1 쌍의 제 1 측가장자리부와, 내층을 구성하는 상기 저융점 금속이 노출되어 상기 제 1 측가장자리부보다 얇은 두께로 형성된 서로 대향하는 1 쌍의 제 2 측가장자리부를 갖고,
상기 제 1 측가장자리부가 상기 제 1 절연 기판의 표면에 형성된 상기 제 1, 제 2 전극을 따라 탑재되고, 상기 제 2 측가장자리부가 제 1, 제 2 전극 사이에 걸쳐 접속되어 있는, 보호 소자.
제 18 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 상기 저융점 금속의 체적이 상기 고융점 금속의 체적보다 많은, 보호 소자.
1 개 이상의 배터리 셀과,
상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되고, 그 충방전 경로를 차단하는 보호 소자를 구비하고,
상기 보호 소자는,
제 1 절연 기판과,
상기 제 1 절연 기판의 표면에 탑재되고, 상기 충방전 경로가 되는 가용 도체를 갖고,
상기 제 1 절연 기판의 표면에는, 용융된 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인공이 개구되어 있는, 배터리 팩.
제 1, 제 2 외부 전극과,
상기 제 1, 제 2 외부 전극 사이에 걸쳐 접속된 가용 도체와,
상기 가용 도체에 접속되고, 용융된 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인 부재를 갖고,
상기 흡인 부재는,
상기 제 1, 제 2 외부 전극 사이에 배치 형성된 제 1 절연 기판과,
상기 제 1 절연 기판의 표면에 형성되고, 상기 가용 도체의 일부와 접속된 표면 전극과,
상기 제 1 절연 기판에 형성된 발열체와,
상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성되고, 상기 표면 전극과 연속되는 관통공을 구비하고,
상기 가용 도체가 용융됨으로써 상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극 사이의 전류 경로를 차단하는, 보호 소자.
제 29 항에 있어서,
상기 관통공은, 내주면에 상기 표면 전극과 연속되는 도전층이 형성되어 있는, 보호 소자.
제 30 항에 있어서,
상기 제 1 절연 기판의 이면에 형성된 이면 전극을 구비하고,
상기 관통공은, 상기 표면 전극과 상기 이면 전극 사이에 상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성되고, 상기 도전층이 상기 표면 전극 및 상기 이면 전극과 연속되어 있는, 보호 소자.
제 31 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 제 1 절연 기판의 표면측에 형성되고, 상기 표면 전극과 전기적으로 접속되어 있는, 보호 소자.
제 31 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 제 1 절연 기판의 이면측에 형성되고, 상기 이면 전극과 전기적으로 접속되어 있는, 보호 소자.
제 31 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 제 1 절연 기판의 내부에 형성되고, 상기 표면 전극 또는 이면 전극과 전기적으로 접속되어 있는, 보호 소자.
제 29 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관통공 내의 일부 또는 전부에는 예비 땜납 및/또는 플럭스가 충전되어 있는, 보호 소자.
제 32 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 절연 기판은, 상기 발열체가 발열했을 때, 상기 발열체가 형성된 표면측 또는 이면측의 일방이 타방보다 온도가 높은 온도 구배가 되는, 보호 소자.
제 35 항에 있어서,
상기 제 1 절연 기판은, 상기 발열체가 발열했을 때, 상기 발열체가 형성된 표면측 또는 이면측의 일방이 타방보다 온도가 높은 온도 구배가 되는, 보호 소자.
제 29 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 관통공의 양측에 배치되어 있는, 보호 소자.
제 38 항에 있어서,
복수의 상기 관통공이 형성되고,
상기 발열체는, 상기 복수의 관통공의 양측에 배치되어 있는, 보호 소자.
제 29 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 2 절연 기판과,
상기 제 2 절연 기판에 형성되고, 상기 가용 도체를 용융시키는 발열체와,
상기 가용 도체와 접속되고, 상기 가용 도체가 용융된 용융 도체를 응집시키는 집전극을 갖는 응집 부재를 구비하는, 보호 소자.
제 40 항에 있어서,
상기 응집 부재는, 상기 집전극이 상기 가용 도체의 상기 흡인 부재가 접속된 면과 반대측의 면에 접속되어 있는, 보호 소자.
제 41 항에 있어서,
상기 응집 부재는, 상기 집전극이 상기 흡인 부재의 상기 관통공과 대향되어 있는, 보호 소자.
제 29 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가용 도체에는, 복수의 상기 흡인 부재가 접속되어 있는, 보호 소자.
제 43 항에 있어서,
상기 가용 도체에는, 2 개의 상기 흡인 부재가 대향하여 접속되어 있는, 보호 소자.
제 40 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 내층이 저융점 금속이고, 외층이 고융점 금속의 피복 구조인, 보호 소자.
제 43 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 내층이 저융점 금속이고, 외층이 고융점 금속의 피복 구조인, 보호 소자.
1 개 이상의 배터리 셀과,
상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되고, 그 충방전 경로를 차단하는 보호 소자와,
상기 배터리 셀의 전압값을 검출하여 상기 보호 소자로의 통전을 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
상기 보호 소자는,
제 1, 제 2 외부 전극과,
상기 제 1, 제 2 외부 전극 사이에 걸쳐 접속된 가용 도체와,
용융된 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인 부재를 갖고,
상기 흡인 부재는,
상기 제 1, 제 2 외부 전극 사이에 배치 형성된 제 1 절연 기판과,
상기 제 1 절연 기판의 표면에 형성되고, 상기 가용 도체의 일부와 접속된 표면 전극과,
상기 제 1 절연 기판에 형성된 발열체와,
상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성되고, 상기 표면 전극과 연속되는 관통공을 구비하고,
상기 가용 도체가 용융됨으로써 상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극 사이의 전류 경로를 차단하는, 배터리 팩.
제 1 절연 기판과,
제 1 및 제 2 외부 전극과,
상기 제 1 절연 기판의 일방의 면측에 있는, 상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극 사이에 형성된 중간 전극과,
상기 제 1 절연 기판의 타방의 면측에 형성된 발열체와,
상기 제 1 절연 기판의 일방의 면에, 상기 중간 전극과 접속됨과 함께 상기 제 1 및 제 2 외부 전극에 걸쳐 접속되고, 상기 발열체에 의한 가열에 의해, 상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체와,
상기 제 1 절연 기판의 타방의 면측에 형성되고, 상기 발열체의 일방의 단자에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과,
상기 중간 전극과 상기 발열체 인출 전극 사이에 상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성되고, 내측면에 상기 중간 전극과 상기 발열체 인출 전극과 연속되는 도전층이 형성된 관통공을 구비하는, 보호 소자.
제 48 항에 있어서,
추가로, 당해 보호 소자는, 상기 관통공 내에 충전된 예비 땜납을 구비하는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제 48 항에 있어서,
상기 제 1 절연 기판은, 상기 발열체가 발열했을 때, 상기 제 1 절연 기판의 타방의 면측의 쪽이 일방의 면측보다 온도가 높은 온도 구배가 되는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제 48 항에 있어서,
상기 발열체는, 상기 관통공의 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제 51 항에 있어서,
상기 관통공은 복수이고,
상기 발열체는, 상기 복수의 관통공의 양측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
1 개 이상의 배터리 셀과,
상기 배터리 셀에 흐르는 전류를 차단하도록 접속된 보호 소자와,
상기 배터리 셀 각각의 전압값을 검출하여 상기 보호 소자를 가열하는 전류를 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
상기 보호 소자는,
제 1 절연 기판과,
제 1 및 제 2 외부 전극과,
상기 제 1 절연 기판의 일방의 면측에 있는, 상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극 사이에 형성된 중간 전극과,
상기 제 1 절연 기판의 타방의 면측에 형성된 발열체와,
상기 제 1 절연 기판의 일방의 면에, 상기 중간 전극과 접속됨과 함께 상기 제 1 및 제 2 외부 전극에 걸쳐 접속되고, 상기 발열체에 의한 가열에 의해, 그 제 1 외부 전극과 그 제 2 외부 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체와,
상기 제 1 절연 기판의 타방의 면측에 형성되고, 상기 발열체의 일방의 단자에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과,
상기 중간 전극과 상기 발열체 인출 전극 사이에 상기 제 1 절연 기판의 두께 방향에 형성되고, 내측면에 상기 중간 전극과 상기 발열체 인출 전극과 연속되는 도전층이 형성된 관통공을 갖는, 배터리 팩.