JPH10162714A

JPH10162714A - チップヒューズ素子

Info

Publication number: JPH10162714A
Application number: JP31810096A
Authority: JP
Inventors: Masanaga Inagaki; 正祥稲垣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-11-28
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1998-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】異常電流に対しては安定的に溶断動作すると
ともに、同時に、突入電流に対して感度を低下させて、
突入電流で溶断することがなく、しかも、製造方法が簡
略し、小型・低背化が可能なチップヒューズ素子を提供
するものである。【解決手段】異常電流の入力によって発熱する発熱導体
膜３と、該発熱導体膜３の融点よりも低い融点の金属材
料から成り、且つ該発熱導体膜３の発熱によって溶断す
る溶断導体膜４とが直列接続するように、端子電極５、
５間に被着配置されたチップヒューズ素子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、電源投入時など、
瞬時に発生する大電流（以下、突入電流という）に対し
ては溶断しにくく、１／１０〜１秒程度持続する過電流
（以下、異常電流という）に対して安定的に溶断するチ
ップヒューズの構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】チップ
ヒューズ素子は、絶縁基板の主面にガラスグレーズ層を
形成し、絶縁基板の長手方向の両端部に端子電極を形成
し、この両端子電極間にアルミニウムなどの金属材料か
らなるヒューズ導体薄膜を被着し、さらに、溶断導体膜
上に保護ガラス層を形成していた。

【０００３】チップヒューズ素子は、端子電極間に印加
される異常電流によって、ヒューズ導体薄膜が発熱す
る。この時、ガラスグレーズ層はヒューズ導体膜で発熱
された熱が過度に絶縁基板側に逃げないように、熱伝導
率が適宜設定されていた。そして、この発熱によって、
ヒューズ導体薄膜自体が溶断し、ヒューズとして作用す
る。さらに、ヒューズ導体の発熱によって軟化した保護
ガラス膜が充填され、溶断後の高い絶縁性を維持してい
た。

【０００４】しかし、このような端子電極間のヒューズ
導体薄膜が発熱及び溶断作用を行うチップヒューズ素子
においては、異常電流に対して正常に溶断動作し、且つ
電源投入時に発生する突入電流には溶断動作することが
ないようにすることは、ヒューズ導体薄膜の金属材料、
厚み、導体パターンなどの種々の条件を組み合わせて達
成しなくてはならず、その制御が非常に困難であった。

【０００５】そこで、本出願人は先に、２つの端子電極
間に、異常電流の入力によって発熱する発熱導体膜と、
該発熱導体膜の融点よりも低い融点の金属材料で形成さ
れ、前記発熱導体膜の発熱によって溶断する溶断導体線
とを直列接続させるとともに、前記溶断導体線を前記発
熱導体膜上に架設させたチップヒューズ素子を提案し
た。

【０００６】この構造によれば、発熱作用が発生する導
体膜（発熱導体膜）と、溶断作用が発生する導体線（溶
断導体線）とを夫々別々に設けることによって、異常電
流、突入電流に対応する発熱特性を簡単に制御でき、ま
た、この発熱によって溶断する溶断導体の溶断特性も簡
単に制御することができるため、例えば、突入電流に対
しては溶断せず、異常電流に対しては溶断するチップヒ
ューズ素子を構成することが簡単にできる。

【０００７】しかし、発熱作用が発生する導体膜（発熱
導体膜）と、溶断作用が発生する導体線とを別々に形成
していたとしても、溶断導体は、例えばアルミニウムな
どのワイヤボンディング細線によって構成するために、
組立工程が複雑になってしまうという問題点があった。

【０００８】本発明は上述の課題に鑑みて案出されたも
のであり、その目的は、異常電流に対しては安定的に溶
断動作し、突入電流に対して感度を低下し、突入電流で
溶断することがない、製造方法、構造が簡略化するチッ
プヒューズ素子を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、絶縁基
板上に異常電流の入力によって発熱する発熱導体膜と、
該発熱導体膜の融点よりも低い融点の金属材料で形成さ
れ、前記発熱導体膜の発熱によって溶断する溶断導体膜
とを被着形成させるとともに、該発明導体膜及び溶断導
体膜を絶縁基板に設けた２つの端子電極間に直列接続さ
せたことを特徴とするチップヒューズ素子である。

【００１０】

【作用】本発明のチップヒューズ素子では、発熱作用が
発生する導体膜（発熱導体膜）と、溶断作用が発生する
導体膜（溶断導体膜）とを直列接続されて構成されてい
る。そして、溶断導体膜の溶断は、発熱導体膜が発熱し
た溶断導体膜の融点以上の熱が、発熱導体膜から溶断導
体膜に、また、基板を伝わって溶断導体膜に達すること
によって溶断することになる。即ち、突入電流のように
非常に短い時間、例えば、０〜０．５μｓｅｃ間に発生
する電流では、仮に発熱導体膜で発熱しても、その間で
溶断導体膜を溶断するにまで到らないものとなり、それ
以上の時間、例えば０．１〜１ｓｅｃを越えて流れる異
常電流に対しては、発熱導体膜から溶断導体膜へ熱が伝
わり、溶断導体膜を溶断させることができる。従って、
チップヒューズ素子の溶断導体膜での突入電流または異
常電流が発生したから発熱導体膜から伝わる熱による昇
温特性が、下に凸の曲線とすることができる。

【００１１】これによって、突入電流に対しては溶断せ
ず、異常電流に対しては溶断するチップヒューズ素子を
構成することが簡単にできる。

【００１２】また、基板の表面には、発熱導体膜と溶断
導体膜が夫々被着されているため、従来のようにアルミ
ワイヤによるボンディング接合作業が不要となり、発熱
導体膜及び溶断導体膜が一連の薄膜技法を用いて形成す
ることができ、また、発熱導体膜及び溶断導体膜の被覆
が、通常のチップヒューズのように、直接被着できるた
め、製造方法、構造が非常に簡略化することになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明のチップヒューズ素
子を図面に基づいて詳説する。

【００１４】図１は本発明の本発明の実施例を説明する
ためのチップヒューズの断面図であり、図２は端子電
極、保護用オーバコート層を省略した状態のチップヒュ
ーズの平面である。図中、１は絶縁基板、２はガラスグ
レーズ層、３は発熱体導体膜、４は溶断導体膜、５、５
は端子電極、６は保護用オーバーコート層である。

【００１５】絶縁基板１は、アルミナセラミック基板や
ガラス−セラミック基板などが例示でき、概略直方体形
状を成している。この絶縁基板１の表面には、熱伝導率
を制御するためのガラスグレーズ層２が形成されてい
る。また、絶縁基板１の対向する両端部には、端子電極
５、５が形成されている。端子電極５、５は、絶縁基
板１に焼きつけによって形成されたＡｇ系下地金属導体
膜、該下地導体膜上に被着されたＮｉや半田などの表面
メッキ層が積層して構成されている。

【００１６】絶縁基板１の表面で、２つの端子電極５、
５間には、発熱導体膜３及び溶断導体膜４とが被着され
て配置されている。具体的には、絶縁基板１の表面の溶
断導体膜４が被着形成され、その一端部は、電極パッド
３ｃを介して一方の端子電極５に接続している。また、
溶断導体膜４の他端は、例えば発熱導体膜３の一端部で
もある電極パッド３ｂが重畳して接続している。また、
発熱導体膜３の他端部である電極パッド３ａは他方の端
子電極５に接続している。即ち、端子電極５、５間に、
電極パッド３ａ、溶断導体膜４、発熱導体膜３（電極パ
ッド３ｂ、３ｃ）が夫々直列的に接続した状態で配置さ
れている。

【００１７】ここで、発熱導体膜３は、例えば高融点金
属材料でありるタングステンまたはその合金、モリブデ
ンまたはその合金、Ａｇまたはその合金などからなる。

【００１８】溶断導体膜４は、その融点が発熱導体膜３
の融点（いずれも９６０℃以上）に比較して低い材料、
例えばアルミニウムなどからなっている。

【００１９】いずれの導体膜３、４は、抵抗加熱方法、
スパッタリング法などの薄膜技法を用いて形成される。
また、所定の形状は、マスクを用いたり、フォトリソグ
ラフィ技術でもって達成される。

【００２０】発熱導体膜３、溶断導体膜４の材料の選
択、その形状は、ガラスグレズ層２の熱伝導性を考慮し
て、ヒューズの定格に基づいて種々決定されるものであ
り、例えば、定格電流以下の突入電流では、発熱導体膜
３から発熱して、その熱が溶断導体膜４に伝わっても、
溶断導体膜４の融点以上に達することがなく、また、定
格電流においては、発熱導体膜３から発熱して、その熱
が溶断導体膜４に伝わって確実に溶断導体膜４が溶断す
るように形状を設定すればよい。

【００２１】この発熱導体膜３、溶断導体膜４は、保護
用オーバーコート層６によって被覆されている。保護用
オーバコート層６は、例えば低融点のガラス層とその表
面を覆う耐湿性樹脂層の積層構造となっている。低融点
ガラス層は、発熱導体膜３の発熱作用により軟化し、溶
断導体膜４が溶断した際、その溶断部分にガラス成分が
充填され、溶断後に高い絶縁性を確保するものである。

【００２２】以上の構成によれば、２つの端子電極５、
５間に正常電流が流れるに当たって、発熱導体膜３、溶
断導体膜４を介して、その電流の流れを許容する。

【００２３】また、２つの端子電極５、５間に、電源投
入時に発生する突入電流が流れた時には、発熱導体膜３
での発生時間が例えば０．５μｓｅｃと非常に短いた
め、この熱が溶断導体膜４側に伝わったとしても、溶断
導体膜４で溶断発生しえる程度にまで昇温することがな
いため、その電流の流れを許容する。

【００２４】さらに、０．１〜１．０秒程度持続する異
常電流が流れた時には、発熱導体膜３で発熱し、その熱
が溶断導体膜４側に直接伝わり、またガラスグレーズ層
２を介して伝わり、溶断導体膜４の融点以上の温度とな
り、溶断導体膜４で溶断し、その電流の流れが遮断され
ることになる。

【００２５】

【実施例】本発明者は、上述の構造のチップヒューズ素
子の効果を有限要素法に基づいてその効果を確認すべ
く、実験を行った。

【００２６】まず、チップヒューズ素子の構造は、幅1.
25mm、長さ2.0mm 、厚さ0.49mmのアルミナセラミックか
ら成る基板１（熱伝導率16W/m ・ K 、比熱0.8J/g・ k 、
密度3.6g/cm3）の表面に、幅1.0mm 、長さ1.3mm 、厚さ
0.013mm のグレーズガラス層２（熱伝導率0.5W/m・ K 、
比熱1.2J/g・ k 、密度4.0g/cm3）を形成し、さらにその
表面に、厚さ10μm のタングステンメタライズからなる
発熱導体膜３を被着形成した。具体的には、基板１の長
手方向の両端と中央の３カ所に、Ａｇなどからなる長手
方向が0.4mm 、幅方向が0.6mm の概略矩形状の電極パッ
ドを形成しておき、中央のパッドと一方のパッドとの間
に幅0.2mm の形状とした。その後、中央のハッドと他方
のパッドとの間に、幅0.2mm 、長さ0.6mm 、厚さ2.7 μ
m のアルミニウムからなる溶断導体膜４をを蒸着形成す
る。これにより、発熱導体膜３と溶断導体膜４とはパッ
ドを介して直列的に接続されることになる。なお、基板
１の表面の両端部のパッドは、基板１の両端部に形成す
る端子電極５、５となる。

【００２７】その後、発熱導体膜３、溶断導体膜４上
に、厚さ10μm の低融点のガラスから成る保護オーバー
コート層６を形成する。最後に、基板１の長手方向の両
端部に、両端のパッドに接続するように銀を主成分とす
る端面電極５、５を形成した。

【００２８】上述の構造のチップヒューズ素子の端子電
極５、５間に、電流発生源を用いて、電流値とその持続
時間を０．１秒から２秒まで変えながら、溶断導体膜４
での溶断が発生する条件を求めた。その結果、持続時間
が２秒の場合では２Ａで溶断が発生したのに対し、０．
１秒では１０Ａでも溶断は発生しなかった。

【００２９】上述の理由は、有限要素法を用いて非定常
熱伝導解析で明らかとなる。尚、解析にあったて、電流
の計算値は２Ａとした。

【００３０】その結果、図３に示すように、アルミニウ
ムから成る溶断導体膜４の昇温曲線は、下に凸の曲線を
描くことが理解できる。通常の発熱作用及び溶断作用を
兼ねるヒューズ導体膜を用いた従来のチップヒューズで
は、昇温曲線は、急激に上昇する上に凸の曲線を描き、
突入電流、異常電流に係わらず突発的な大電流が加わっ
た場合には初期に急激に温度が上昇し、溶断が発生する
危険性がある。しかし、上述の構造のように、仮に発熱
導体膜３側で急激に発熱が発生したとしても、熱の伝達
に要する時間などから、溶断導体膜４側では、初期の温
度上昇が緩やかとなり、初期に、瞬時に溶断する可能性
は低いということになる。

【００３１】このように、発熱体導体膜３と溶断導体膜
４との間にある距離を置いて配置することにより、電源
投入時などの突入電流に対しては溶断しにくく、且つ１
／１０〜１秒程度持続する異常電流に対して安定的に溶
断するチップヒューズとなる。

【００３２】また、構造的に、発熱作用を行う発熱手段
と、溶断作用を行う溶断手段が、夫々絶縁基板１のガラ
スグレーズ層２上に、何れも薄膜技法を用いて発熱導体
膜３及び溶断導体膜４として直接被着形成されている。
このため、発熱導体膜３から溶断導体膜４に伝わる熱の
伝導率の制御が、ガラスグレーズ層の材料、厚みによっ
て制御できるため、チップピューズの定格に合致するチ
ッフヒューズを簡単に達成できる。

【００３３】また、これらの発熱導体膜３及び溶断導体
膜４を被覆保護するための低融点ガラス層が、一括的
に、且つ既知の成膜技術を用いて簡単に形成できるた
め、小型、低背で且つ製造方法が簡略化できる。また、
特性的には、溶断導体膜４の溶断によって形成される溶
断溝部分に低融点ガラス成分が充填されることになるた
め、溶断後、安定した絶縁特性が得られ、スパークなど
が発生することがなく、さらに、例えば溶断導体膜４の
アルミニウムの酸化などの変質が少なく、安定した特性
を長期に維持できる実用性の高いチップヒューズ素子と
なる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、電源投
入時の突入電流に対して、感度が鈍く、また、所定時間
以上持続する異常電流に対して、安定的に遮断し得るチ
ップヒューズ素子となり、しかも、溶断導体膜の昇温制
御が比較的容易に行え、小型低背で、特性が安定した実
用性の高いチップヒューズ素子となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のチップヒューズ素子の断面図である。

【図２】本発明のチップヒューズ素子の部分平面面図で
ある。

【図３】本発明の溶断導体膜の温度上昇特性を有限要素
法解析により求めた特性図である。

【符号の説明】

１・・・セラミック基板２・・・ガラスグレーズ層３・・・発熱導体膜４・・・溶断導体膜５・・・端子電極６・・・保護用オーバーコート層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上に異常電流の入力によって発熱
する発熱導体膜と、該発熱導体膜の融点よりも低い融点
の金属材料で形成され、前記発熱導体膜の発熱によって
溶断する溶断導体膜とを被着形成させるとともに、該発
明導体膜及び溶断導体膜を絶縁基板に設けた２つの端子
電極間に直列接続させたことを特徴とするチップヒュー
ズ素子。