(57)【要約】【課題】シリコーン樹脂をポッティングする必要を無くす。【解決手段】回路基板（２０）上に複数個のベアチップを直接実装したＣＯＢモジュール（１０，１０Ａ）は、二次電池（４０）を保護するための保護ＩＣチップ（１２）と、保護ＩＣチップによってオン／オフ制御されるトランジスタを内蔵する、発熱源であるスイッチＩＣチップ（１４）と、温度センサ素子（ＴＨ）とを有し、発熱源と温度センサ素子とは互いに所定の距離（Ｌ）離間した状態で、複数個のベアチップ全体がモールド樹脂（１６）でコーティングされている。温度センサ素子はサーミスタ（ＴＨ）や温度センサＩＣチップであって良い。モールド樹脂は熱伝播性の高い樹脂から成るのが望ましい。温度センサ付きＣＯＢモジュール（１０）は、二次電池の一側面に接触させた状態で配置されても良い。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板上に複数個のベアチップを直接実装したＣＯＢ（Ｃｈｉｐ　ｏｎ　Ｂｏａｒｄ）モジュールであって、
前記複数個のベアチップのうちの少なくとも１個が発熱源として作用し、
前記複数個のベアチップのうちの１個が温度センサ素子であり、
前記発熱源と前記温度センサ素子とが互いに所定の距離離間した状態で、前記複数個のベアチップ全体がモールド樹脂でコーティングされていることを特徴とする温度センサ付きＣＯＢモジュール。
【請求項２】
前記温度センサ素子がサーミスタである、請求項１に記載の温度センサ付きＣＯＢモジュール。
【請求項３】
前記温度センサ素子が温度センサＩＣチップである、請求項１に記載の温度センサ付きＣＯＢモジュール。
【請求項４】
前記モールド樹脂が熱伝播性の高い樹脂から成る、請求項１に記載の温度センサ付きＣＯＢモジュール。
【請求項５】
前記複数個のベアチップのうちの１個が、二次電池を保護するための保護ＩＣチップであり、前記発熱源が前記保護ＩＣチップによってオン／オフ制御されるトランジスタを内蔵するスイッチＩＣチップである、請求項１に記載の温度センサ付きＣＯＢモジュール。
【請求項６】
前記温度センサ付きＣＯＢモジュールは、前記二次電池の一側面に接触させた状態で配置される、請求項５に記載の温度センサ付きＣＯＢモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板上に複数個のベアチップを直接実装したＣＯＢ（Ｃｈｉｐ　ｏｎ　Ｂｏａｒｄ）モジュールに関し、特に、充電可能な二次電池を保護するための二次電池保護回路として用いられるＣＯＢモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が適用される二次電池保護回路は、リチウムイオン電池のような二次電池を備えた二次電池ユニットに用いられ、二次電池の過充電状態、過放電状態、過電流状態を検出してそれぞれに応じた保護動作を行うことで二次電池を保護するためのものである。
【０００３】
二次電池にはニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池、リチウムイオン電池等、様々なタイプのものがある。二次電池の充電にはそのタイプに合った充電器を使用する必要がある。様々なタイプの二次電池のうち、リチウムイオン電池は、過放電、過充電に弱い。このため、リチウムイオン電池を備えた電池ユニットの二次電池保護回路は、リチウムイオン電池の過放電状態、過充電状態を検出する検出装置が不可欠である。この二次電池保護回路は更に、過電流状態を検出する検出装置も必要である。
【０００４】
過充電について言えば、リチウムイオン電池は、充電器で充電していくと満充電状態を過ぎても電池電圧は上昇を続ける。過充電状態になると、電池内部応力の上昇により電池が破損したり、リチウム金属の析出により電極間ショートが発生するおそれがある。このため、リチウムイオン電池の充電は定電流、定電圧で行う。また、定電圧充電の制御電圧は、リチウムイオン電池の定格を越えないようにしなければならない。しかし、充電器の故障や、誤って別のタイプの二次電池用の充電器による充電が行われた場合は、電池電圧がリチウムイオン電池の定格電圧を越えるおそれがある。このような場合に、電池電圧がリチウムイオン電池の最大定格を越えないように充電電流を遮断する機能が過充電保護機能である。
【０００５】
過放電について言えば、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池は、電池容量が０になるまで使った後に充電するという使用方法をとらないと電池能力が低下する。言い換えれば、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池は、浅い放電・充電を繰り返して使用すると、電池能力が低下する。このような効果はメモリ効果と呼ばれる。一方、リチウムイオン電池はメモリ効果を持たず、二次電池として理想的である。しかし、その反面、放電し過ぎて電池電圧が所定値以下になってしまうと、リチウムイオン電池の構成物質が変質し電池寿命を縮める場合がある。このため、電池電圧が所定値以下に低下した場合に、放電電流を遮断する機能が過放電保護機能である。
【０００６】
次に、過電流について言えば、リチウムイオン電池を保管したり持ち運ぶ際、誤って何らかの金属でリチウムイオン電池の＋端子と−端子との間をショートさせてしまった場合や、接続機器が故障してショート状態となった場合は、大電流が流れるおそれがある。このため、二次電池保護回路において電流値を検出して放電電流を遮断する機能が過電流保護機能である。
【０００７】
上記のいずれの保護機能においても、電圧あるいは電流を検出して保護動作を行うようにしている。
【０００８】
ところで、従来においては、上述した二次電池保護回路として、ディスクリート品である保護ＩＣ部品を使用している。この保護ＩＣ部品は二次電池と共に電池パックを構成している。ここでは、二次電池を除く電池パックの部分を電池モジュールと呼ぶことにする。
【０００９】
また、電池パック内での温度を検出するために、サーミスタ等の温度センサ素子をも備えた電池モジュールも知られている。温度センサ素子は充電器の充電制御回路に接続されている。充電制御回路は、二次電池に対する充電を制御するための回路であって、ＡＣアダプタと電池パックとの間に介在し、ＡＣアダプタから電池パック内の二次電池へ流す充電電流を制御する回路である。温度センサ素子で検出された温度を示す温度検出信号は充電制御回路に送られる。この温度検出信号に応答して、充電制御回路は、充電制御トランジスタのオン／オフを制御する。
【００１０】
図１を参照して、従来の温度センサ付き電池モジュール１０’について説明する。電池モジュール１０’は、図示しない二次電池が接続される正極電池接続端子ＢＨおよび負極電池接続端子ＢＧと、図示しない負荷又は充電器が接続される正極端子ＰＨおよび接地端子（負極端子）ＰＧと、温度検出出力端子ＴＨとを持つ。
【００１１】
二次電池の陰極が接続される負極電池接続端子ＢＧと接地端子ＰＧとの間には、第１及び第２のトランジスタＱ１、Ｑ２が直列に接続されている。第１及び第２のトランジスタＱ１、Ｑ２の各々は電界効果トランジスタから構成されている。第１のトランジスタＱ１は放電制御スイッチとして動作し、第２のトランジスタＱ２は充電制御スイッチとして動作する。
【００１２】
電池モジュール１０’は保護ＩＣ部品１２’を有する。保護ＩＣ部品１２’は、ＶＤＤ端子と、ＶＳＳ端子と、Ｄ端子と、ＣＯ端子と、Ｖ−端子とを持つ。ＶＤＤ端子は抵抗値が３３０Ωの抵抗器Ｒ１を介して正極電池接続端子ＢＨ及び正極端子ＰＨに接続されている。ＶＳＳ端子は負極電池接続端子ＢＧに接続されている。ＶＤＤ端子とＶＳＳ端子との間には容量値が０．１μＦのコンデンサＣ１が接続されている。Ｄ端子は第１のトランジスタＱ１のゲートに接続されている。Ｖ−端子は抵抗値が１．０ｋΩの抵抗器Ｒ２を介して接地端子ＰＧに接続されると共に、容量値が０．１μＦのコンデンサＣ２を介して負極電池接続端子ＢＧに接続されている。ＣＯ端子は第２のトランジスタＱ２のゲートに接続されている。
【００１３】
前述したように、保護ＩＣ部品１２’の主な機能は、過放電保護機能と過充電保護機能である。保護ＩＣ部品１２’は、過放電保護機能を司る過放電制御回路（図示せず）と、過充電保護機能を司る過充電制御回路（図示せず）である。
【００１４】
正極端子ＰＨと負極端子ＰＧとの間に負荷が接続されたとする。過放電制御回路には、過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）が設定されている。すなわち、過放電制御回路は、二次電池の電池電圧と過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）とを比較し、電池電圧が過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）よりも低くなると過放電と判定して、論理ローレベルの過放電検出信号を出力する。この過放電検出信号が第１のトランジスタＱ１のゲートに供給されると、第１のトランジスタＱ１はオフする。
【００１５】
次に、正極端子ＰＨと負極端子ＰＧとの間に後述する充電器が接続されたとする。電池電圧が過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）に過放電用ヒステリシス電圧Ｖｈｙ（ｏｄ）を加えて得られる過放電復帰電圧（Ｖｔｈ（ｏｄ）＋Ｖｈｙ（ｏｄ））よりも高くなると、論理ハイレベルの過放電保護解除信号を出力する。この過放電保護解除信号が第１のトランジスタＱ１のゲートに供給されると、第１のトランジスタＱ１はオンする。
【００１６】
一方、過充電制御回路には、過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）が設定されている。すなわち、過充電制御回路は、二次電池の電池電圧と過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）とを比較し、電池電圧が過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）よりも高くなると過充電と判定して、論理ローレベルの過充電検出信号を出力する。この過放電検出信号が第２のトランジスタＱ２のゲートに供給されると、第２のトランジスタＱ２はオフする。
【００１７】
再び、正極端子ＰＨと負極端子ＰＧとの間に負荷が接続されたとする。電池電圧が過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）から過充電用ヒステリシス電圧Ｖｈｙ（ｏｃ）を引いて得られる過充電復帰電圧（Ｖｔｈ（ｏｃ）−Ｖｈｙ（ｏｃ））よりも低くなると、過充電制御回路は論理ハイレベルの過充電保護解除信号を出力する。この過充電保護解除信号が第２のトランジスタＱ２のゲートに供給されると、第２のトランジスタＱ２はオンする。
【００１８】
尚、図１に示されるように、第１のトランジスタＱ１は寄生ダイオードを持ち、その順方向が二次電池の充電方向となるように接続されている。従って、第１のトランジスタＱ１がオフ状態となっても、その寄生ダイオードにより充電は可能である。同様に、第２のトランジスタＱ２も寄生ダイオードを持ち、その順方向が二次電池の放電方向となるように接続されている。従って、第２のトランジスタＱ２がオフ状態となっても、その寄生ダイオードにより放電は可能である。
【００１９】
温度検出出力端子ＴＨと接地端子（負極端子）ＰＧとの間には、温度センサ素子として働く抵抗値が６８ｋΩのサーミスタＴＨと抵抗値が１２０Ωの抵抗値Ｒ３とが並列に接続されている。
【００２０】
図２に電池モジュール１０’の回路基板２０’上のレイアウトを示す。回路基板２０’は、例えば、縦が５〜６ｍｍで、横が３０ｍｍの矩形形状をしている。第１および第２のトランジスタＱ１、Ｑ２は、スイッチＩＣ部品１４’として構成される。この回路基板２０’上に、保護ＩＣ部品１２’，スイッチＩＣ部品１４’、サーミスタＴＨ等が搭載される。
【００２１】
スイッチＩＣ部品１４’は発熱源として動作する。このスイッチＩＣ部品１４’に近接してサーミスタＴＨが配置されている。スイッチＩＣ部品１４’とサーミスタＴＨとを熱的に結合するために、スイッチＩＣ部品１４’およびサーミスタＴＨを覆うように、シリコーン樹脂１６’をポッティングしている。尚、シリコーン樹脂１６’は熱伝播性の高い樹脂である。
【００２２】
次に、図３を参照して、充電器の充電制御回路３０について説明する。充電制御回路は、ＡＣアダプタ（図示せず）と電池モジュール１０’（図１）との間に介在し、ＡＣアダプタから二次電池へ流す充電電流を制御する。
【００２３】
充電制御回路（充電制御ＩＣ）３０は、ＶＣＣ端子、ＣＮＴ端子、ＣＳ端子、ＢＡＴ端子、ＧＮＤ１端子、ＧＮＤ２端子等を持つ。ＶＣＣ端子はＡＣアダプタに接続されると共に、充電制御トランジスタＱ３のエミッタに接続されている。ＣＮＴ端子は抵抗器Ｒ５を介して充電制御トランジスタＱ３のベースに接続されている。充電制御トランジスタＱ３のコレクタはダイオードＤを介してＣＳ端子に接続されている。ＣＳ端子とＢＡＴ端子との間に電流検出抵抗器Ｒ４が接続されている。
【００２４】
Ｂ＋端子は電池モジュール１０’の正極端子ＰＨに接続され、Ｂ−端子は電池モジュール１０’の負極端子ＰＧに接続されている。サーミスタＴＨの温度検出出力端子ＴＨは充電制御回路３０に接続されている。
【００２５】
充電器による二次電池の充電中に、スイッチＩＣ部品１４’の温度が上昇する。この温度をサーミスタＴＨが検出し、その温度検出信号が充電制御回路３０に送られる。この温度検出信号で表される温度が所定温度以上になると、充電制御回路３０は、充電制御トランジスタＱ３をオフする。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の電池モジュール１０’では、スイッチＩＣ部品１４’とサーミスタ（温度センサ素子）ＴＨとを熱的に結合するために、シリコーン樹脂１６’でポッティングする必要がある。
【００２７】
したがって、本発明の課題は、シリコーン樹脂をポッティングする必要がない、電池モジュールを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、回路基板（２０）上に複数個のベアチップを直接実装したＣＯＢ（Ｃｈｉｐ　ｏｎ　Ｂｏａｒｄ）モジュール（１０，１０Ａ）であって、複数個のベアチップのうちの少なくとも１個が発熱源（１４）として作用し、複数個のベアチップのうちの１個が温度センサ素子（ＴＨ、１８）であり、発熱源と温度センサ素子とが互いに所定の距離（Ｌ、Ｌ’）離間した状態で、複数個のベアチップ全体がモールド樹脂（１６）でコーティングされていることを特徴とする温度センサ付きＣＯＢモジュールが得られる。
【００２９】
上記温度センサ付きＣＯＢモジュール（１０，１０Ａ）において、温度センサ素子はサーミスタ（ＴＨ）であって良いし、温度センサＩＣチップ（１８）であって良い。また、モールド樹脂は熱伝播性の高い樹脂から成るのが望ましい。複数個のベアチップのうちの１個が、二次電池（４０）を保護するための保護ＩＣチップ（１２）であり、発熱源が保護ＩＣチップによってオン／オフ制御されるトランジスタを内蔵するスイッチＩＣチップ（１４）であって良い。さらに、温度センサ付きＣＯＢモジュール（１０）は、二次電池（４０）の一側面に接触させた状態で配置されても良い。
【００３０】
上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３２】
図４を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る温度センサ付きＣＯＢモジュール（電池モジュール）１０について説明する。
【００３３】
この技術分野において周知のように、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐ　ｏｎ　Ｂｏａｒｄ）とは、ベアチップを回路基板２０上に直接実装した形態をいう。従来の電池モジュール１０’では、ＩＣとしてディスクリート品（ＩＣ部品）を使用していたが、本発明の電池モジュール１０では、ＩＣとしてベアチップ（ＩＣチップ）を使用する。
【００３４】
チップの接続はワイヤボンディングまたはフリップチップ実装が用いられる。なお、チップや抵抗器などの接続関係は、図１と同じである。
【００３５】
図４に示されるように、回路基板２０上には、保護ＩＣチップ１２、スイッチＩＣチップ１４、抵抗器Ｒ１〜Ｒ３、コンデンサＣ１、Ｃ２、サーミスタＴＨが実装されている。これら実装チップ全体は、熱伝播性の高いモールド樹脂１６でコーティングされる。回路基板２０は、例えば、縦が４ｍｍで、横が３０ｍｍの矩形形状をしている。熱伝播性の高いモールド樹脂１６としては、例えば、エポキシ樹脂と無水珪酸を主とするモールド樹脂等を使用することができる。
【００３６】
スイッチＩＣチップ１４とサーミスタＴＨとは所定の距離Ｌだけ互いに離間している。その為、この離間距離Ｌを変えることによって、スイッチＩＣチップ１４で発生した熱の影響の度合を変更することができる。離間距離Ｌは、例えば、５〜１０ｍｍであるが、それ以上の長さがあっても良い。
【００３７】
従来の温度センサ付き電池モジュール１０’では、スイッチＩＣ部品１４’とサーミスタＴＨとを熱的に結合するためにシリコーン樹脂１６’をポッティングする必要があったが、ＣＯＢモジュール１０では、もともと回路基板２０上に実装している複数個のベアチップを熱伝播性の高いモールド樹脂１６でコーティングするので、新たに熱的結合手段を設ける必要はない。
【００３８】
図５に、スイッチＩＣチップ１４での発熱と、その発熱に起因するサーミスタＴＨでの温度の変化を離間距離Ｌをパラメータとして示す。図５において、（ａ）はスイッチＩＣチップ１４の温度変化を示し、（ｂ）は離間距離ＬをパラメータとしたサーミスタＴＨでの温度変化を示す。図５（ａ）及び（ｂ）において、縦軸は温度を示し、横軸は時間ｔを示す。
【００３９】
図５から明らかなように、離間距離Ｌが短い程、サーミスタＴＨの温度は急速に上昇して急速に降下する。一方、離間距離Ｌが長いほど、サーミスタＴＨの温度は緩やかに上昇して緩やかに降下する。
【００４０】
この第１の実施の形態では、図１および図２に示した従来の温度センサ付き電池モジュール１０’と同様に、発熱源での発熱に起因する温度が所定の温度以上に上昇したときに、充電器側で二次電池に対する充電電流を遮断するようにしている。しかしながら、以下の実施の形態で述べるように、電池モジュール内でも、放電電流や充電電流を遮断するようにしても良い。
【００４１】
図６を参照すると、本発明の第２の実施の形態に係る温度センサ付きＣＯＢモジュール（電池モジュール）１０Ａは、温度センサＩＣチップ１８を更に備えている点を除いて、図４に示したＣＯＢモジュール（電池モジュール）１０と同様の構成を有する。
【００４２】
温度センサＩＣチップ１８の所定の端子は保護ＩＣチップ１２の所定の端子と電気的に接続されている。温度センサＩＣチップ１８も、モールド樹脂１６でコーティングされており、サーミスタＴＨと同様に、発熱源であるスイッチＩＣチップ１４に起因する電池モジュール１０Ａの温度を検出するためのものである。温度センサＩＣチップ１８とスイッチＩＣチップ１４とは、互いに所定の距離Ｌ’だけ離間している。
【００４３】
温度センサＩＣチップ１８で検出された温度検出信号は保護ＩＣチップ１２に供給される。この温度検出信号に応答して、保護ＩＣチップ１２は、スイッチＩＣチップ１４内の第１又は第２のトランジスタＱ１、Ｑ２をオン／オフ制御する。
【００４４】
上記第２の実施の形態では、温度検出手段として、サーミスタＴＨと温度センサＩＣチップ１８との２つを用いているが、サーミスタＴＨを省いても良い。すなわち、温度検出手段として温度センサＩＣチップ１８のみを使用しても良い。
【００４５】
上述した実施の形態では、発熱源であるスイッチＩＣチップ１４に起因する温度のみを検出しているが、後述するように、本発明に係る電池モジュールを二次電池に接触して配置することにより、二次電池の発熱に起因する温度を検出することも可能である。
【００４６】
図７を参照して、本発明の第３の実施の形態では、温度センサ付きＣＯＢモジュール（電池モジュール）１０が二次電池４０の一側面に接触して配置されている。この場合、電池モジュール１０のモールド樹脂１６を二次電池４０の一側面に接触させる。また、電池モジュール１０を接触させる面は、二次電池４０の４側面のうちのどの側面でも良い。
【００４７】
二次電池４０に対する電池モジュール１０の配置位置により、二次電池４０の発熱に起因する熱（温度）の伝わり方も変わる。二次電池４０に比較して電池モジュール１０は小型であるので、電池モジュール１０の置き場所の自由度が大きい。
【００４８】
以上、本発明について実施の形態によって例を挙げて説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、回路基板上に複数個のベアチップを実装するＣＯＢモジュールにおいて、ベアチップである発熱源と温度検出素子とをモールド樹脂でコーティングするので、従来の電池モジュールのように、熱的結合のためにシリコーン樹脂をポッティングする必要がないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電池モジュールを示すブロック図である。
【図２】図１に示した電池モジュールの回路基板上でのレイアウトを示す概略平面図である。
【図３】充電器の充電制御回路を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態による温度センサ付きＣＯＢモジュール（電池モジュール）の回路基板上でのレイアウトを示す概略平面図である。
【図５】発熱源での発熱と、離間距離をパラメータとしたときのその発熱に起因するサーミスタにおける温度の変化を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による温度センサ付きＣＯＢモジュール（電池モジュール）の回路基板上でのレイアウトを示す概略平面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ　　温度センサ付きＣＯＢモジュール（電池モジュール）
１２　　保護ＩＣチップ
１４　　スイッチＩＣチップ
１６　　モールド樹脂
１８　　温度センサＩＣチップ
Ｒ１〜Ｒ３　　抵抗器
Ｃ１、Ｃ２　　抵抗器
ＴＨ　　サーミスタ
Ｑ１，Ｑ２　　トランジスタ
Ｌ、Ｌ’　　離間距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004006524.tif 000008
【図７】
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