保护元件、保护元件的制造方法及装入有保护元件的电池模块的制作方法
【专利摘要】提供实现降低高度并且可利用发热体的热将电流路径上的低熔点金属可靠地熔断的保护元件。具备：形成有凹部（11a）的基板（11）；在凹部（11a）层叠的发热体（12）；以覆盖发热体（12）的方式在基板（11）层叠的第2基板（13）；在层叠有第2基板（13）的基板（11）的面上层叠的第1及第2电极（14a、14b）；以与发热体（12）重叠的方式在第2基板（13）之上层叠、与上述第1及第2电极之间的电流路径上和发热体（12）电连接的发热体电极（15）；以及从发热体电极遍及第1及第2电极而层叠、通过加热将第1电极与第2电极之间的电流路径熔断的低熔点金属（16），发热体电极（15）在基板（11）的厚度方向上被规定的位置，相对于第1电极和第2电极，配置为相同的位置。
【专利说明】保护元件、保护元件的制造方法及装入有保护元件的电池模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过使电流路径熔断来保护在电流路径上连接的电路的保护元件、该保护元件的制造方法及装入有该保护元件的电池模块。
[0002]本申请以在日本2011年12月19日申请的日本专利申请号特愿2011 — 277123及2012年12月17日申请的日本专利申请号特愿2012 — 274222为基础而主张优先权，通过参照而将这些申请引用于本申请。
【背景技术】
[0003]锂离子电池等的二次电池的充放电电路，一般具有通过使数个保护电路工作来切断电池的输出的功能(专利文献I)。
[0004]在该充放电电路通常动作的情况下，使用FET晶体管来进行输出的0N/0FF (通/断)，但由于以雷击电涌等为代表的瞬间的大电流超过FET晶体管的动作时间，所以出于内部电路保护的观点，探测并切断过电流的熔断器等被用作保护电路。另外，监视电池的状态，在探测到过充电、过放电、电池的发热等的异常状态的情况下，为了切断电池的输出，使用 FET。
[0005]另外，如专利文献2所记载地，在进行二次电池的充电的情况下，使用具有在检测对电池的过充电、或电池的异常的温度上升、或FET的发热导致的误动作之时，强制切断对电池的充电动作的保护元件的多重保护电路，来确保二次电池的安全。
[0006]进而，作为这样的锂离子二次电池的保护电路的保护元件，如专利文献3所记载地，一般使用在保护元件内部具有发热体，利用该发热体将电流路径上的低熔点金属熔断的构造。
[0007]现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2008 - 29167号公报 专利文献2:日本特开2006 - 109596号公报 专利文献3:日本特开平7 - 153367号公报。
【发明内容】
[0008]发明要解决的课题
例如，由于板型信息终端等的登场，期待需要多重保护的电子设备的进一步薄型化。
[0009]如上述的专利文献3所记载的保护元件中，采用隔着绝缘体，将发热体与低熔点金属热连接的构造，但存在如下的问题。
[0010]首先，现有的保护元件的构造，需要在基板上层叠发热体、绝缘层及作为低熔点金属连接用的电极。而且，需要在该电极的上部连接低熔点金属，进而在其上部具备用于保护元件内部的盖或内部保护板等的构造，制品的总厚度变厚。[0011]进而，在连接有低熔点金属的电极间产生比较大的突出部，因此在低熔点金属被加热而流动时，其流动受阻碍，为了熔断而需要的时间变长。
[0012]本发明是鉴于这样的实情而提出的，目的在于提供实现降低高度，并且能利用发热体的热将电流路径上的低熔点金属可靠地熔断的保护元件、该保护元件的制造方法及装入有该保护元件的电池模块。
[0013]用于解决课题的方案
作为用于解决上述课题的方案，本发明所涉及的保护元件具备:由形成有凹部的第I绝缘部件构成的基板；在基板的凹部层叠的发热体；以至少覆盖发热体的方式在基板层叠的第2绝缘部件；在层叠有第2绝缘部件的基板的面上层叠的第I及第2电极；以与发热体重叠的方式在第2绝缘部件之上层叠、与第I及第2电极之间的电流路径上和发热体电连接的发热体电极；以及从发热体电极遍及第I及第2电极而层叠，通过加热将第I电极与第2电极之间的电流路径熔断的低熔点金属，发热体电极在基板的厚度方向上被规定的位置，相对于第I电极和第2电极，配置在相同的位置或较低的位置。
[0014]另外，本发明所涉及的保护元件的制造方法具有:在由形成有凹部的第I绝缘部件构成的基板的凹部层叠发热体的步骤；以至少覆盖发热体的方式在基板层叠第2绝缘部件的步骤；在层叠有第2绝缘部件的基板的面上层叠第I及第2电极的步骤；将与第I及第2电极之间的电流路径上和发热体电连接的发热体电极，以与发热体重叠的方式层叠于第2绝缘部件的步骤；以及将通过加热可使第I电极与第2电极之间的电流路径熔断的低熔点金属，从发热体电极遍及第I及第2电极而层叠的步骤，发热体电极在基板的厚度方向上被规定的位置，相对于第I电极和第2电极，配置在相同的位置或较低的位置。
[0015]另外，本发明所涉及的电池模块具备:由I个以上的可充放电的电池单元构成的电池；与电池串联连接，控制电池的充放电的充放电控制电路；在电池与充放电控制电路之间的充放电电流路径上连接的保护元件；检测电池的各电池单元的电压值的检测电路；以及控制在保护元件流动的电流的电流控制元件，保护元件具有:由形成有凹部的第I绝缘部件构成的基板；在基板的凹部层叠的发热体；以至少覆盖发热体的方式在基板层叠的第2绝缘部件；在层叠有第2绝缘部件的基板的面上层叠，与充放电电流路径连接的第I及第2电极；以与发热体重叠的方式在第2绝缘部件之上层叠、与第I及第2电极之间的电流路径上和发热体电连接的发热体电极；以及从发热体电极遍及第I及第2电极而层叠，通过加热将第I电极与第2电极之间的电流路径熔断的低熔点金属，发热体电极在基板的厚度方向上被规定的位置，相对于第I电极和第2电极，配置为相同的位置或较低的位置，电流控制元件进行控制，使得在由检测电路检测的各电池单元的电压值成为既定范围外时，电流从发热部电极流动至发热部。
[0016]另外，本发明所涉及的保护元件具备:由绝缘部件构成的基板；在基板的面上层叠的第I及第2电极；在基板的面上的第I及第2电极间层叠的基板电极；从基板电极遍及第I及第2电极而层叠，通过加热将第I电极与第2电极之间的电流路径熔断的低熔点金属；覆盖基板的面上的盖；设在盖的上表面部的发热体；以及在基板的面上层叠，经由在盖形成的导电层与发热体电连接的发热体电极，基板电极在上述基板的厚度方向上被规定的位置，相对于第I电极和第2电极，配置为相同的位置或较低的位置。
[0017]另外，本发明所涉及的电池模块具备:由I个以上的可充放电的电池单元构成的电池；与电池串联连接，控制电池的充放电的充放电控制电路；在电池与充放电控制电路之间的充放电电流路径上连接的保护元件；检测电池的各电池单元的电压值的检测电路；以及控制在保护元件流动的电流的电流控制元件，保护元件具备:由绝缘部件构成的基板；在基板的面上层叠的第I及第2电极；在基板的面上的第I及第2电极间层叠的基板电极；从基板电极遍及第I及第2电极而层叠，通过加热将第I电极与第2电极之间的电流路径熔断的低熔点金属；覆盖基板的面上的盖；设在盖的上表面部的发热体；以及在基板的面上层叠，经由在盖形成的导电层与发热体电连接的发热体电极，基板电极在基板的厚度方向上被规定的位置，相对于第I电极与第2电极，配置为相同的位置或较低的位置，电流控制元件进行控制，使得在由检测电路检测到各电池单元的电压值成为既定范围外时，电流从发热体电极流动至发热部。
[0018]发明效果
本发明在由第I绝缘部件构成的基板与第2绝缘部件之间夹住发热体，因此能够与第2绝缘部件的厚度相应地，精度良好地调节发热体与低熔点金属的位置，而且，位于第I及第2电极的电流路径间的发热体电极相对于第I电极和第2电极并不突出，因此低熔点金属没有成为凸形状，在被加热而流动时，没有阻碍其流动的情况。因此，本发明能够实现降低高度，并且通过发热体的热，将电流路径上的低熔点金属可靠地熔断。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是示出装入有应用了本发明的保护元件的电池模块的整体结构的图；
图2是示出应用了本发明的保护元件的电路结构的图；
图3 (A)及图3 (B)是用于说明应用了本发明的保护元件的具体的构造的图；
图4是用于说明在使发热体与发热体电极之间的距离dl变化时的熔断时间的变化的
图；
图5是用于说明比较例所涉及的保护元件的结构的图；
图6 (A)及图6 (B)是用于说明应用了本发明的保护元件与比较例所涉及的保护元件中的低熔点金属的熔断特性的图；
图7 (A)及图7 (B)是用于评价应用了本发明的保护元件与比较例所涉及的保护元件中的制品总厚的图；
图8 (A)及图8 (B)是用于说明应用了本发明的变形例所涉及的保护元件的具体的构造的图；
图9 (A)及图9 (B)是用于说明应用了本发明的其他实施例所涉及的保护元件的具体的构造的图；
图10 (A)、图10 (B)及图10 (C)是用于说明在使电极阶梯差d4变化时的熔断时间的变化的图；
图11是用于说明应用了本发明的保护元件的变形例的图；
图12是用于说明应用了本发明的保护元件的变形例的图。
【具体实施方式】
[0020]以下，关于用于实施本发明的方式，一边参照附图一边详细说明。此外，本发明并不仅限定于以下的实施方式，而当然在不脱离本发明的要点的范围内能进行各种变更。
[0021 ] 应用了本发明的保护元件，例如是装入由可充放电的电池单元构成的电池和充放电控制电路的电路，例如，装入如图1所示的具有由总计4个可充放电的电池单元111~114构成的电池110的电池模块100而使用。
[0022]g卩，电池模块100具备:电池110 ;控制电池110的充放电的充放电控制电路120 ；保护电池110和充放电控制电路120的应用了本发明的保护元件I ;检测各电池单元111~114的电压的检测电路140 ;以及与检测电路140的检测结果相应地控制保护元件I的动作的电流控制元件150。
[0023]电池110如上所述，是例如如锂离子电池的要求不会成为过充电及过放电状态这样的控制的电池单元111~114串联连接的电池，经由电池模块100的正极端子100a、负极端子100b，可装卸地与充电装置200连接，施加来自充电装置200的充电电压。
[0024]充放电控制电路120具备:与从电池110流动至充电装置200的电流路径串联连接的两个电流控制元件121、122 ;以及控制这些电流控制元件121、122的动作的控制部123。电流控制元件121、122由例如场效应晶体管(以下，称作FET。)构成，通过由控制部123控制的栅极电压，来控制电池110的电流路径的导通和切断。控制部123从充电装置200接收电力供给而动作，与由检测电路140得到的检测结果相应地，在电池110过放电或过充电时，以切断电流路径的方式，控制电流控制元件121、122的动作。
[0025]保护元件I在例如电池110与充放电控制电路120之间的充放电电流路径上连接，其动作由电流控制元件150控制。
[0026]检测电路 140与各电池单元111~114连接，检测各电池单元111~114的电压值，将各电压值供给至充放电控制电路120的控制部123。另外，检测电路140在任一个电池单元111~114成为过充电电压或过放电电压时，输出控制电流控制元件150的控制信号。
[0027]电流控制元件150根据从检测电路140输出的检测信号，在电池单元111~114的电压值成为既定范围外时，具体而言在成为过放电或过充电状态时，使保护元件I动作，以切断电池Iio的充放电电流路径的方式进行控制。
[0028]在由以上那样的结构构成的电池模块100中，关于保护元件I的结构详细进行说明。
[0029]首先，应用了本发明的保护元件I具有例如如图2所示的电路结构。即，保护元件I是由串联连接的熔断器101、102和当经由熔断器101、102的连接点进行通电则将熔断器101、102熔融的电阻器103构成的电路结构。另外，保护元件I中，例如熔断器101、102在充放电电流路径上串联连接，另外，电阻器103与电流控制元件150连接。
[0030]由这样的电路结构构成的保护元件1，为了实现降低高度，并且通过发热体的热将电流路径上的低熔点金属可靠地熔断，例如通过如图3所示的构造体Ia来实现。
[0031]在此，图3 (A)是以三维正交坐标XYZ轴为基准而配置的构造体Ia的从XY平面观察的截面图。另外，图3 (B)是用于说明从XZ平面观察的构造体Ia的层叠构造的图。
[0032]构造体Ia通过在由形成有凹部Ila的第I绝缘部件构成的矩形形状的基板11上层叠下面这样的部件而构成。在此，所谓第I绝缘部件，是例如氧化铝、玻璃陶瓷、莫来石(^ 5 4卜)、氧化锆等的具有绝缘性的部件。[0033]首先，在基板11，在其中央形成的凹部11a，层叠作为上述的电阻器103发挥功能的发热体12。在此，发热体12是电阻值比较高、当通电时发热的具有导电性的部件，例如由W、Mo、Ru等构成。
[0034]接着，以覆盖包含层叠有发热体12的凹部Ila的基板11的表面Ilb整体的方式，层叠作为第2绝缘部件的第2基板13。在此，第2绝缘部件与第I绝缘部件相同，是例如氧化铝、玻璃陶瓷、莫来石、氧化锆等的具有绝缘性的部件。
[0035]此外，第2基板13例如使用膜状或片状的陶瓷基板，或者也可以通过将膏状的绝缘材料涂敷于表面Ilb来形成。出于防止将第2基板13薄型化时产生小孔从而损害绝缘性的担忧的观点，特别优选将膜状的陶瓷基板作为第2基板13来采用。
[0036]另外，关于后述的低熔点金属16为了实现良好的熔断特性，由第2绝缘部件构成的第2基板13，优选比由第I绝缘部件构成的基板11热传导性更高的部件。例如，在作为基板11的第I绝缘部件，使用热传导率为1.9~2.2的玻璃陶瓷的情况下，作为第2基板13的绝缘材料，优选使用热传导率为2.5~3.5的电介质膏。
[0037]接着，在层叠有第2基板1 3的基板11的面Ilb的上方，层叠第I电极14a、第2电极14bο在此,所谓第I电极14a和第2电极14b,例如由W、Mo、Ag、Pt、Pd、Sn、Au、Cu等构成，在装入上述的充放电控制电路120的情况下，与充放电电流路径连接。
[0038]接着，在与发热体12重叠的第2基板13的上表面部13a，层叠发热体电极15。在此，发热体电极15例如由W、Mo、Ag、Pt、Pd、Sn、Au、Cu等构成,是将第I电极14a及第2电极14b之间的电流路径上与发热体12电连接的电极。另外，关于发热体电极15，基板11的厚度方向、即z轴向的高度，配置在与第I电极14a和第2电极14b的高度相同的位置。
[0039]接着,从发热体电极15遍及第I电极14a及第2电极14b,层叠低熔点金属16。在此，低熔点金属16是与上述的熔断器101、102相当的部件，例如由In、Ag、Sn、Pb、Au等构成，作为通过加热将第I电极14a与第2电极14b之间的电流路径熔断部件而发挥功能。
[0040]另外，层叠低熔点金属16后，以覆盖低熔点金属16的方式配置盖17。
[0041]此外，构造体Ia如图3 (A)所示，发热体电极15经由在基板11的厚度方向上形成的通孔151与发热体12电连接。另外，发热体12与连接端子152电连接，如上所述，例如经由该连接端子152与电流控制元件150电连接。
[0042]如以上那样形成的构造体Ia所涉及的保护元件1，在基板11与第2基板13之间夹住发热体12，发热体电极15的基板11的厚度方向的高度，成为与第I电极14a和第2电极14b相同的高度。
[0043]这样地，构造体Ia所涉及的保护元件I，能够通过第2基板13的厚度，精度良好地调节发热体12与低熔点金属16的位置，作为结果能够容易地得到良好的熔断特性。
[0044]例如，表1示出如图4所示，在使发热体12与发热体电极15之间的距离dl变化时的熔断时间的变化。在此，作为前提条件，将基板11和第2基板13的厚度的总计t设为200 μ m,使用功耗为4W的发热体12,使距离dl在20 μ m~200 μ m变化。
[0045][表 I]
【权利要求】
1.一种保护元件，具备: 由形成有凹部的第I绝缘部件构成的基板； 在上述基板的上述凹部层置的发热体； 以至少覆盖上述发热体的方式在上述基板层叠的第2绝缘部件； 在层叠有上述第2绝缘部件的上述基板的面上层叠的第I及第2电极； 以与上述发热体重叠的方式在上述第2绝缘部件之上层叠、与上述第I及第2电极之间的电流路径上和该发热体电连接的发热体电极；以及 从上述发热体电极遍及上述第I及第2电极而层叠，通过加热将该第I电极与该第2电极之间的电流路径熔断的低 熔点金属， 上述发热体电极在上述基板的厚度方向上被规定的位置，相对于上述第I电极和上述第2电极，配置为相同的位置或较低的位置。
2.如权利要求1所述的保护元件，上述发热体和上述第2绝缘部件埋设于在上述基板形成的上述凹部。
3.如权利要求1所述的保护元件，上述发热体在上述基板的厚度方向上被规定的位置，配置为相对于上述第I电极和上述第2电极较低的位置。
4.如权利要求3所述的保护元件，上述第2绝缘部件是热传导性比上述第I绝缘部件更高的部件。
5.一种保护元件的制造方法，具有: 在由形成有凹部的第I绝缘部件构成的基板的凹部层叠发热体的步骤； 以至少覆盖上述发热体的方式在上述基板层叠第2绝缘部件的步骤； 在层叠有上述第2绝缘部件的上述基板的面上层叠第I及第2电极的步骤； 将与上述第I及第2电极之间的电流路径上和上述发热体电连接的发热体电极，以与上述发热体重叠的方式在上述第2绝缘部件层叠的步骤；以及 将通过加热来熔断上述第I电极与上述第2电极之间的电流路径的低熔点金属，从上述发热体电极遍及该第I及第2电极而层叠的步骤， 上述发热体电极在上述基板的厚度方向上被规定的位置，相对于上述第I电极和上述第2电极，配置为相同的位置或较低的位置。
6.—种电池模块,具备: 由I个以上的可充放电的电池单元构成的电池； 与上述电池串联连接，控制该电池的充放电的充放电控制电路； 在上述电池与上述充放电控制电路之间的充放电电流路径上连接的保护元件； 检测上述电池的各电池单元的电压值的检测电路；以及 控制在上述保护元件流动的电流的电流控制元件， 上述保护元件具有: 由形成有凹部的第I绝缘部件构成的基板； 在上述基板的上述凹部层置的发热体； 以至少覆盖上述发热体的方式，在上述基板层叠的第2绝缘部件； 在层叠有上述第2绝缘部件的上述基板的面上层叠、与上述充放电电流路径连接的第I及第2电极；以与上述发热体重叠的方式在上述第2绝缘部件之上层叠、与上述第I及第2电极之间的电流路径上和该发热体电连接的发热体电极；以及 从上述发热体电极遍及上述第I及第2电极而层叠，通过加热将该第I电极与该第2电极之间的电流路径熔断的低熔点金属， 上述发热体电极在上述基板的厚度方向上被规定的位置，相对于上述第I电极和上述第2电极，配置为相同的位置或较低的位置， 上述电流控制元件进行控制，使得在由上述检测电路所检测的各电池单元的电压值成为既定范围外时，电流从上述发热部电极流动至上述发热部。
7.一种保护元件，具备: 由绝缘部件构成的基板； 在上述基板的面上层叠的第I及第2电极； 在上述基板的面上的上述第I及第2电极间层叠的基板电极； 从上述基板电极遍及上述第I及第2电极而层叠，通过加热将该第I电极与该第2电极之间的电流路径熔断的低熔点金属； 覆盖上述基板的面上的盖； 设在上述盖的上表面部的发热体；以及 在上述基板的面上层叠，经由在上述盖形成的导电层与上述发热体电连接的发热体电极， 上述基板电极在上述基板的厚度方向上被规定的位置，相对于上述第I电极和上述第2电极，配置为相同的位置或较低的位置。
8.—种电池模块,具备: 由I个以上的可充放电的电池单元构成的电池； 与上述电池串联连接，控制该电池的充放电的充放电控制电路； 在上述电池与上述充放电控制电路之间的充放电电流路径上连接的保护元件； 检测上述电池的各电池单元的电压值的检测电路；以及 控制在上述保护元件流动的电流的电流控制元件， 上述保护元件具备: 由绝缘部件构成的基板； 在上述基板的面上层叠的第I及第2电极； 在上述基板的面上的上述第I及第2电极间层叠的基板电极； 从上述基板电极遍及上述第I及第2电极而层叠，通过加热将该第I电极与该第2电极之间的电流路径熔断的低熔点金属； 覆盖上述基板的面上的盖； 设在上述盖的上表面部的发热体；以及 在上述基板的面上层叠，经由在上述盖形成的导电层与上述发热体电连接的发热体电极， 上述基板电极在上述基板的厚度方向上被规定的位置，相对于上述第I电极和上述第2电极，配置为相同的位置或较低的位置， 上述电流控制元件进行控制，使得在由上述检测电路所检测的各电池单元的电压值成为既定范围外时，电 流从上述发热体电极流动至上述发热部。
【文档编号】H02H7/18GK103988277SQ201280062878
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年12月17日 优先权日:2011年12月19日
【发明者】小森千智, 古内裕治, 米田吉弘, 向幸市, 江岛康二, 藤畑贵史, 古田和隆, 荒木利显 申请人:迪睿合电子材料有限公司