(57)【要約】      （修正有）【課題】二次電池の充放電を保護する容積が小さな保護モジュールを提供する。【解決手段】単層または多層に配線された配線板面２に、電池接続端子４Ｂ、負荷との接続端子８を有し、電池保護回路を構成する電子部品９、１１、１０の少なくともいずれかは、配線板面２に形成された凹部１２Ａ、１２Ｂに実装配置され、前記保護回路を構成する平板状半導体素子は部品実装面に対してフリップチップ実装されたものである保護モジュール。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単層または多層に配線された配線板面に、電池接続端子、機器接続端子を有し、電池保護回路を構成する電子部品の少なくともいずれかは、配線板面に形成された凹部に実装配置され、前記保護回路を構成する平板状半導体素子は部品実装面に対してフリップチップ実装されたものであることを特徴とする保護モジュール。
【請求項２】
配線板面の一方の主面に、電池接続端子および電池保護回路を構成する電子部品を有し、他方の主面に機器接続端子を有したことを特徴とする請求項１記載の保護モジュール。
【請求項３】
配線板面の一方の主面に、機器接続端子および電池接続端子を有し、他方の主面に電池保護回路を構成する電子部品の実装面を有したことを特徴とする請求項１記載の保護モジュール。
【請求項４】
凹部に実装された保護回路装置を構成する電子部品上を絶縁性物質で封止し、埋め込み構造としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の保護モジュール。
【請求項５】
すべての実装部品を絶縁性物質で封止したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の保護モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の過充電、過放電、過電流等の充放電を制御することができる保護回路装置を電池あるいは電池の取り付け対象物等に取り付けた保護モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話をはじめとした携帯型の電池使用機器の小型軽量化はますます進展し、機器に使用される二次電池に対しても小型化が要求されている。また、それに伴って二次電池に内蔵されたり、電池使用機器側に設けられる保護モジュールも小型化が要求されており、パッケージ型のディスクリート半導体素子を使ったものから、ベアチップを絶縁基板に実装し、ワイヤボンディング配線後に全体を樹脂で封止するＣＯＢ(Chip on Board)構造、さらに小型化が進みワイヤボンディングスペースを不要としたＣＳＰ(Chip Size Package)、更には、チップの回路面に接続用金属を多数並べ、回路面を下に向けて基板に押し付けることで電気的に接続するフリップチップ実装によって実装したものが主流となりつつある。
【０００３】
一方、従来の二次電池用保護モジュール１は、図１１（Ａ）に斜視図、図１１（Ｂ）に垂直方面で切断した断面図を示すように、単層または多層配線３を形成した配線基板２に、二次電池の正極との接続端子４Ａ、二次電池の負極との接続端子４Ｂ、電池使用機器あるいは充電器の正極との接続端子５、二次電池の温度検出信号端子６、電池使用機器あるいは充電器の負極との接続端子７からなる機器接続端子８を有し、上面には過充電、過放電、過電流検出機能等を有する電池状態検出素子９、および充放電制御素子１０およびこれらの素子と保護回路を構成するコンデンサ、抵抗器等の受動素子１１が配置されている。
【０００４】
また、過充電、過放電、過電流検出機能等を有する電池状態検出素子９には、ＣＳＰ(Chip Size Package)からなる小型で厚みの薄い素子が用いられており、充放電制御素子１０としては、大電流をオンオフするためにＦＥＴ等のパワートランジスタが用いられている。
【０００５】
これらの半導体素子９，１０は、ＢＧＡ(Ball Grid Array)構造をフリップチップ実装されたＣＳＰ(Chip Size Package)等が用いられているが、半導体素子とに比べて厚みが大きな受動素子１１とが同一平面上に実装されており、それぞれの部品間にはそれらを接続するための配線及び、それらを絶縁するために部品間スペースが必要である。このため、小型化には限界があった。
【０００６】
また、凹型構造の絶縁ケース及び蓋の両面に保護回路を構成する素子をそれぞれの面に実装して、両者を組み合わせて保護回路部品をケース内部に組み込んだ立体構造のものが提案されているが（例えば、特許文献１）、パッケージ型ディスクリート半導体素子を搭載しており、また二つのケースを積み重ねた構造であり、立体構造を実現しているものの小型には限界がある。以上のように、従来の二次電池用保護回路モジュールには、小型化し難いという問題点があった
【特許文献１】特開２００６−４７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、小型、軽量化が進む電池使用機器に対応して、厚みが薄く、容積が小さな小型の電池保護モジュールを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、単層または多層に配線された配線板面に、電池接続端子、機器接続端子を有し、電池保護回路を構成する電子部品の少なくともいずれかは、配線板面に形成された凹部に実装配置され、前記保護回路を構成する板状の半導体素子は部品実装面に対してフリップチップ実装された保護モジュールである。
配線板面の一方の主面に、電池接続端子および電池保護回路を構成する電子部品を有し、他方の主面に機器接続端子を有した前記の保護モジュールである。
配線板面の一方の主面に、機器接続端子および電池接続端子を有し、他方の主面に電池保護回路を構成する電子部品の実装面を有した前記の保護モジュールである。
凹部に実装された保護回路装置を構成する電子部品上を絶縁性物質で封止し、埋め込み構造とした前記の保護モジュールである。
すべての実装部品を絶縁性物質で封止した前記の保護モジュールである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、保護モジュールに実装した少なくとも一部の部品を配線基板の凹部に埋め込むことにより、埋め込んだ部品と表面に実装された部品の配線が凹部から基板内層を通して配線可能となり、全部品を同一平面へ実装した場合に部品間に設けられた配線スペースを除くことにより、配線のためのスペースを減少することが可能となる。また、部品を基板の凹部に埋め込むことによりモジュール厚みを薄くすることができる。
更に、三次元実装構造をとることから、埋め込んだ部品と埋め込まれていない部品の絶縁のための距離も大きく確保することができ、従来の絶縁距離を確保した場合に比べて二次元的な平面距離を小さくできる。更に、凹部に実装された部品上を絶縁物で封止することにより更に絶縁性が向上し、同一の絶縁性が要求される場合、封止無し構造に比べて更に部品間距離を短縮できる。
以上のように実装される部品を三次元的に配することで、高密度実装可能となり、保護モジュールの小型化をはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、電池の保護モジュールにおいて、配線基板の表面に実装される部品の少なくともいずれかは、配線基板上に設けた凹部に配置することによって、実装密度を高めて保護モジュールの小型化を実現することが可能であることを見出したものである。
【００１１】
以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１ないし図７を用いて本発明の一実施形態を説明する。
図１（Ａ）は、本発明の一実施例の保護モジュールを説明する斜視図であり、図１（Ｂ）は、垂直面で切断した断面図である。
保護モジュール１は、単層または多層の配線３を形成した配線基板２の一方の主面には、電池接続端子４Ａ，４Ｂを有し、他方の主面には、電池使用機器あるいは充電器の正極との接続端子５、二次電池の温度検出信号端子６、電池使用機器あるいは充電器の負極との接続端子７からなる機器接続端子８を有している。
【００１２】
また、上面には過充電、過放電、過電流検出機能等を有する電池状態検出素子９および電流を接続および遮断する充放電制御素子１０が設けられており、電池あるいは電池使用機器の状態に応じて電池の入出力電流を制御している。
一方、保護回路を構成する抵抗器、コンデンサ等の受動素子１１は、配線基板２に設けて凹部１２Ａ、１２Ｂに配置されている。
【００１３】
電池状態検出素子９および充放電制御素子１０は、ＣＳＰ(Chip Size Package)構造半導体素子が用いられている。これらの素子は、配線基板２の実装面および内部に形成された配線３と結合した接続用金属部と素子側のバンプとの導電接続によるフリップチップ実装によって接続される。
【００１４】
これらの半導体素子は、半田ボールによって接続するＢＧＡ(Ball Grid Array)構造の素子を用いることができる。ハンダボールは、直径０．１〜０．３ｍｍ程度の大きさであり、実装した素子は、半田ボールを含めて全体の厚さは０．３〜０．５ｍｍ程度のものを得ることができる。
【００１５】
したがって、これらの受動素子を凹部に収納する場合には、受動部品を凹部に収納することによって保護モジュールの厚みを薄くすることが可能となる。
受動素子としては、１６０８すなわち長さ１．６ｍｍ、幅０．８ｍｍ、１００５すなわち長さ１．０ｍｍ、幅０．５ｍｍ、０６０３すなわち長さ０．４ｍｍ、幅０．２ｍｍ程度の大きさのものが用いられているが、これらは一般に厚さが０．６〜０．７ｍｍである。
【００１６】
したがって、配線基板として厚さが１．０〜１．５ｍｍ程度のガラスエポキシ基板を使用し、凹部の深さとして０．５〜０．８ｍｍ程度のものを使用すると凹部に配置した受動素子は凹部に収まるか、凹部からわずかに突出するものとすることができる。
【００１７】
また、ＣＳＰ構造、ＢＧＡ構造の素子は薄型化が進んでいるので、これらの素子は保護モジュールの表面にフリップチップ実装によって実装し、比較的厚みが厚い受動素子のみを凹部に配置することによって保護モジュールの厚みを薄くすることが実現可能である。
なお、図１（Ｂ）では、機器接続端子８と電池接続端子４Ａ，４Ｂとは異なる面に形成されているが、図１（Ｃ）のように、これらを同一の面に形成しても良い。
【００１８】
図２は、本発明の保護モジュールを電池と接続する一実施態様を説明する分解斜視図である。
保護モジュール１の部品実装面２１の電池接続端子（図示せず）に一端を接合した接続ＴＡＢ等からなる電池接続部材２２Ａ，２２Ｂを電池２０と結合して電池２０との導電接続を形成する例を示したものである。
電池との接続は、上記したように接続ＴＡＢを用いたものに限らず断面の外形が円形の一般的なリード線を接合することができる。この場合には、接続端子との接合は小さな面積で実現できるので保護モジュールに設ける接続端子の大きさを小さくすることができる。
【００１９】
また、図に示した例では、凹部は、一つの平面からなる底面とその周囲の垂直な平面からなる壁面によって形成されているが、底面は配置する部品毎に段差を設けたり、あるいは、周囲の垂直な壁面にはひだ状の凹凸面を形成し、限られた空間の中での沿面距離を大きくすることによって絶縁距離を大きくすることができる。
【００２０】
図３ないし図５は、本発明の第一の実施態様の保護モジュールの製造工程の一例を説明する図である。
図３（Ａ）は、斜視図を示し、図３（Ｂ）は、垂直面で切断した断面図である。
配線基板２の一方の主面に、凹部１２Ａ、１２Ｂを形成し、前記主面の表面および凹部の底面には、電池の接続端子を設けるため接続端子用配線１４Ａ、１４Ｂ、電子部品を実装するため電極配線１５、１６を形成するとともに、他方の主面に二電池使用機器あるいは充電器の正極との接続端子５、二次電池の温度検出信号端子６、電池使用機器あるいは充電器の負極との接続端子７からなる機器接続端子８を形成する。
【００２１】
次いで、第４図（Ａ）に斜視図を示し、図４（Ｂ）には、垂直面で切断した断面図を示すように、配線基板２の凹部１２Ａ、１３Ｂの電極配線１６上に、保護回路を構成する受動素子１１を実装する。実装は、電極配線１６部に半田クリームを塗布し、その上に受動素子１１を搭載し、リフロー等の加熱で半田実装することによって行うことができる。
【００２２】
次に、第５図に垂直面で切断した断面図を示すように、基板の電極配線１５に、過充電、過放電、過電流検出機能等を有する電池状態検出素子９としては、ＣＳＰ構造半導体素子を、電極配線１５に半田クリームを塗布してリフロー等の加熱を行ってフリップチップ実装を行う。同様に、充放電制御素子１０としてＣＳＰ構造を有するＦＥＴ等のパワートランジスタもフリップチップ実装によって実装する。
更に、電池接続端子用配線１４Ａ、１４Ｂに導電性部材を配置してリフロー等の加熱で半田によって接合して電池接続端子４Ａ，４Ｂを作製する。
以上の工程によって本発明の保護モジュールを作製することができる。
なお、以上の説明では、電池使用機器、充電器等との機器接続端子および電池接続端子の両者について、正負の両極に対応する端子を設ける例について説明したが、いずれかの端子を共通の端子としても良い。
【００２３】
次に本発明の第二の実施態様を図面を参照して説明する。
図６は、本発明の第二の実施態様の保護モジュールを説明する図であり、図６（Ａ）は斜視図を示し、図６（Ｂ）は、垂直面で切断した断面図を示す。
図６に示した保護モジュール１は、単層または多層の配線３を形成した配線基板２の上面側の主面には、電池接続端子４Ａ，４Ｂを有し、他方の主面には、電池使用機器あるいは充電器の正極との接続端子５、二次電池の温度検出信号端子６、電池使用機器あるいは充電器の負極との接続端子７からなる機器接続端子８を有している。
【００２４】
また、上面には過充電、過放電、過電流検出機能等を有する電池状態検出素子９および電流を接続および遮断する充放電制御素子１０が設けられており、電池あるいは電池使用機器の状態に応じて電池の入出力電流を制御している。
一方、保護回路を構成する抵抗器、コンデンサ等の受動素子１１は、配線基板２に設けて凹部１２Ａ、１２Ｂに配置されており、凹部の壁面と受動素子との空間には、絶縁性物質１７が充填されている。絶縁性物質としては、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂、あるいは絶縁性樹脂とガラス繊維等を配合したプリプレグ等を配合した組成物を使用することができる。
【００２５】
このように、一部の構成部品を配線基板に設けた凹部に配置して絶縁性物質を充填したので、周囲環境の変化による絶縁性能の低下を防止することができる。また、絶縁性樹脂を充填しない場合に比べて同一の絶縁性能を維持する場合には、部品相互の距離を小さくすることができるので、高密度実装が可能となり、実装面積を小さくでき、モジュールを小型化できる。
例えば、図１で示した保護モジュールでは、一方の主面に配置した電池接続端子４Ａ、４Ｂの間には、電池状態検出素子９、充放電制御素子１０、および受動素子を設けた２個所の凹部が存在するがこれらの凹部との間の距離を小さくすることが可能となるので保護モジュールの小型化をはかることができる。
【００２６】
図６に示すように、絶縁性物質１７を充填した２個所の凹部の両側の空間をそれぞれ０．５ｍｍ短くした場合には、合計で２ｍｍの小型化が可能となる。また、凹部に受動素子を配置したことによって、０．２ｍｍの厚さの減少の効果が得られたとすると、外形が長さ２０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの保護モジュールの場合には、外形は、１８ｍｍ×３ｍｍ×１．３ｍｍとなり、体積比では、２２％の小型化が実現できる。
【００２７】
以下に、本発明の第二の実施態様の保護モジュールの製造方法を説明する。
図７は、本発明の第二の実施態様の保護モジュールを説明する垂直面で切断した断面図である。
図７（Ａ）に示すように配線基板２の一方の主面に、凹部１２Ａ、１２Ｂを形成し、該主面の表面および凹部の底面には、電子部品を実装するため電極配線１５、１６を形成するとともに、電池接続端子を設けるため接続端子用配線１４Ａ、１４Ｂを形成する。また、他方の主面に、電池使用機器あるいは充電器の正極との接続端子５、二次電池の温度検出信号端子６、電池使用機器あるいは充電器の負極との接続端子７からなる機器接続端子８を形成する。
【００２８】
次いで、図７（Ｂ）に示すように、絶縁性支持基板１の凹部１２Ａ、１２Ｂの電極配線１６上に、保護回路を構成する受動素子１１を実装する。実装は、電極配線１６部に半田クリームを塗布し、その上に受動素子１１を搭載し、リフロー等の加熱で半田実装することによって行うことができる。
【００２９】
次に、図７（Ｃ）に示すように、凹部１２Ａ、１２Ｂの空間に絶縁性樹脂等からなる絶縁性物質１７を充填する。
更に、図７（Ｄ）に示すように、基板の電極配線１５に、過充電、過放電、過電流検出機能等を有する電池状態検出素子９としては、ＣＳＰ構造半導体素子を、フリップチップ実装によって搭載し、電極配線１５に半田クリームを塗布してリフロー等の加熱で実装する。同様に、充放電制御素子１０としてＣＳＰ構造を有するＦＥＴ等のパワートランジスタをフリップチップ実装によって実装する。
また、電池接続端子用配線１４Ａ、１４Ｂに導電性部材を配置してリフロー等の加熱で半田によって接合して接続端子４Ａ，４Ｂを作製することによって本発明の第二の実施態様の保護モジュールを作製することができる。
【００３０】
次に、図８に垂直面で切断した断面図を示すように、本発明の第三の実施態様の保護モジュールを説明する。
第二の実施態様では、第一の主面に設けた保護モジュールの凹部に、高さが凹部の深さよりも低い受動素子を配置する例について述べたが、第三の実施態様では、凹部１２Ａ、１２Ｂの深さよりも高さが高い受動素子１１を実装した場合であっても、第一の主面の表面に配置する部品の表面の高さＨ１よりも受動素子１１の表面および絶縁性物質１７の表面が低くなる場合を示している。このようにすることによって第一あるいは第二の実施態様と同様に保護モジュールの小型化を実現することができる。
【００３１】
次に本発明の第四の実施態様について説明する。
図９に垂直面で切断した断面図を示し、本発明の第四の実施態様の保護モジュールを説明する図である。
第四の実施態様の保護モジュールは、図９（Ａ）に斜視図を示すように、第一あるいは第二の実施態様において示した保護モジュール１の第一の主面に配置された構成部品を保護部材１８で被覆したものである。保護部材１８としては、絶縁性の部材であれば各種のものを用いることができるが、第二の実施態様において凹部に充填した絶縁性物質と同様のエポキシ樹脂等を含む組成物を使用することができる。
【００３２】
図９（Ｂ）は、第二の実施態様の保護モジュール１を保護部材１８によって被覆した例を説明する断面図である。
このように保護モジュール１の構成部品を保護部材１８で被覆すると、少なくとも保護部材１８の厚みに相当する大きさの容積が大きくなるが、本発明の保護モジュールにあっては保護部材１８で被覆する前の保護モジュールの容積を小さくすることができるので、従来の保護モジュールに比べて保護部材１８で被覆した保護モジュール１の容積を小さなものとすることができるので、容積が小さく機械的な衝撃による影響を受けにくい保護モジュール１を提供することができる。
例えば、第二の実施態様で説明した、外形が長さ２０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの従来の保護モジュールの第１の主面を厚さ０．２ｍｍの樹脂で封止した場合には、２０ｍｍ×３ｍｍ×１．７ｍｍとなるが、第２の実施態様で説明した外形が、１８ｍｍ×３ｍｍ×１．３ｍｍの保護モジュールの主面を厚さ０．２ｍｍの樹脂で封止した場合には、１８ｍｍ×３ｍｍ×１．５ｍｍのとなり、体積比では、２１％の小型化が実現できる。
【００３３】
以上に示した例では、受動素子を凹部に配置する例を示したが、厚みが大きな受動素子を凹部に配置することによって保護モジュールの厚みを小さくすることが可能であることを示したものであって、受動素子のみを凹部に配置することを特定したものではなく、すべての部品を凹部に配置しても良い。
図１０は、本発明の第五の実施形態を説明する図であって、受動素子および半導体素子の全てを凹部に配置した例を説明する断面図である。
図１０では、厚みが大きな受動素子１１を、凹部１２Ａ、１２Ｂに配置するとともに、電池状態検出素子９および充放電制御素子１０をそれぞれ凹部１２Ｃ、１２Ｄに配置した例を示している。このように半導体素子を凹部に配置した場合には、外来の電気的なノズル、特に静電気による影響を受けやすい半導体素子の静電気耐量を向上させることが可能となり信頼性が大きな保護モジュールを提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の保護モジュールは、少なくとも一部の部品を実装基板の凹部に埋め込むことにより、埋め込んだ部品と表面に実装された部品の配線を凹部から基板内層を通して配線可能となり、全部品を同一平面へ実装した場合に部品間に設けられた配線スペースを除去でき、配線のためのスペースを減少することができるので、容積が小さな保護モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の保護モジュールを説明する図である。
【図２】図２は、本発明の保護モジュールを装着した電池の一の実施態様を説明する図である。
【図３】図３は、本発明の保護モジュールの第一の実施態様を説明する図である。
【図４】図４は、本発明の第一の実施態様の保護モジュールの製造工程を説明する図である。
【図５】図５は、本発明の第一の実施態様の保護モジュールの製造工程を説明する図である。
【図６】図６は、本発明の第二の実施態様の保護モジュールを説明する図である。
【図７】図７は、本発明の第二の実施態様の保護モジュールの製造工程を説明する図である。
【図８】図８は、本発明の第三の実施態様の保護モジュールを説明する図である。
【図９】図９は、本発明の第四の実施態様の保護モジュールを説明する図である。
【図１０】図１０は、本発明の第五の実施態様の保護モジュールを説明する図である。
【図１１】図１１、従来の二次電池用の保護モジュールの一例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…保護モジュール、３…配線、２…配線基板、４Ａ，４Ｂ…電池接続端子、５…電池使用機器あるいは充電器の正極との接続端子、６…二次電池の温度検出信号端子、７…電池使用機器あるいは充電器の負極との接続端子、８…機器接続端子、９…電池状態検出素子、１０…充放電制御素子、１１…受動素子、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ…凹部、１４Ａ，１４Ｂ…接続端子用配線、１５，１６…電極配線、Ｈ１…部品の表面の高さ、１７…絶縁性物質、１８…保護部材、２０…電池、２１…部品実装面、２２Ａ，２２Ｂ…電池接続部材
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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