새로운 덱세리얼의 2차 보호 소자 특성: 무연 및 환경 친화적

고융점 솔더를 사용한 퓨즈 소자를 사용하는 SCP

SCP(Self Control Protectors)는 퓨즈 요소를 녹이고 회로를 차단하는 2차 보호 퓨즈입니다. 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 기본 보호 기능이 제대로 작동하지 않아 과전류 또는 과전압이 발생할 때 사용됩니다. 덱세리얼즈의 SCP는 1994년 출시 이래 노트북, 스마트폰, 전동 공구, 전기 오토바이 등 리튬 이온 배터리를 사용하는 기기에 널리 사용되고 있습니다.

SCP는 2차 보호 퓨즈로, 리튬 이온 배터리가 과충전 또는 과전류로 인해 1차 보호 회로가 어떤 이유로든 작동하지 않을 때 작동합니다. SCP는 퓨즈 소자와 히터로 구성되어 있으며, 전류 또는 전압이 인가되면 온도가 상승합니다. 온도가 일정 수준에 도달하면 퓨즈가 용단되고 리튬 이온 배터리 회로가 정지하여 화재 및 발열을 방지합니다. SCP는 1992년에 처음 개발되었으며, 그 이후로 퓨즈 소자는 납이 함유된 땜납 합금으로 제작되었습니다.

일부 제품을 제외하고 대부분의 SCP는 리플로우 솔더링을 통해 인쇄 회로 기판에 직접 부착됩니다. SCP에 사용되는 재료는 리플로우 공정의 열을 견뎌야 하며, 내부 퓨즈 소자는 230~260°C로 가열되어도 녹지 않아야 합니다. 그러나 퓨즈 소자는 과충전을 감지하면 빠르게 녹아야 하므로, 부품 실장 시 발생하는 열(260°C)을 견딜 수 있도록 허용 한계보다 약간 높은 녹는점을 가져야 합니다. 이 두 가지 요건을 충족하는 재료로서, SCP는 퓨즈 소자의 주재료로 고융점 솔더를 사용합니다.

이 두 가지 요구 사항을 충족하는 데 편리한 것이 융점 296 ° C의 납 함유 합금이었습니다.

그러나 시대를 거치면서 이 '납'이 큰 과제가 되었습니다. 그래서 큰 혁신이 요구되기 시작합니다.

'무연'이 글로벌 산업 트렌드로 부상

그 과제란, 크게 나누어 2개. 각각에 대해 자세히 살펴 보겠습니다.

납은 지구상에 풍부하게 존재하고, 다른 금속에 비해 낮은 온도에서 용융하기 때문에, 저렴하고 가공하기 쉽다는 특징이 있습니다. 그러므로 납은 고대부터 다양한 용도로 산업 이용되어 왔지만, 한편으로는 납에는 독성이 있어, 음식이나 물을 통해 인체에 축적하면 건강 피해를 미칠 위험이 있는 것으로 알려져 왔습니다. 그 때문에 최근에는 납에 의한 토양이나 하천, 바다의 오염을 막기 위해 많은 기업들이 「납의 사용량 삭감」 「납 프리」의 대처를 실시하고 있습니다.

유럽에 있어서의 유해 물질의 사용 제한을 정하는 「RoHS 지령」에서는, 납 함유율이 중량으로 85% 이상의 고융점 땜납, 전기 전자 부품에 사용되는 유리·세라믹·납의 복합 재료 등은 적용 제외가 되고 있습니다. 따라서 당사가 개발한 납 함유 퓨즈를 사용하는 SCP도 현재까지 규제 대상이 되지 않았습니다.

그러나 향후, 납 사용에 대한 규제는 점점 엄격해질 것으로 예상되고, 기업도 보다 환경에 배려한 부품이나 재료의 조달에 주력하는 것은 틀림없습니다. 이것이 첫 번째 과제. 이러한 시대 배경에 대응하기 위해, 우리는 "무연"퓨즈 엘리먼트의 개발에 착수하기로 했습니다.

건전지의 대전류화의 발판이 된 납 퓨즈

환경에 대한 악영향과 함께, 납 사용의 퓨즈에는 또 다른 큰 과제가 있었다. 그것은 납이 전기를 흘리기 어려운, 즉 "저항률이 높은 금속"인 것입니다. 저항률이 높은 금속일수록 전류가 흐르면 발열량이 커집니다. 퓨즈라는 부품은 자신에게 전기가 흐를 때 발생하는 열로 용단됨으로써 기능을 발휘합니다. 즉 납제의 퓨즈는 발열하기 쉽기 때문에, 조금의 전류로 끊어져 버리는 것입니다.

전동 자전거 등에 사용되는 리튬 이온 전지는 대전류화가 진행되고 있으며, 그에 대응하는 SCP에도 "큰 전류가 흐르는"퓨즈가 필요합니다. 납보다 낮은 저항률의 소재로 퓨즈를 만들면, 「종래와 같은 전류를 보다 작은 사이즈로 흘리는 것」 「종래와 같은 사이즈로 보다 큰 전류를 흘리는 것」의 양쪽 모두가 가능하게 됩니다. 즉, SCP의 소형화·대전류화를 실현할 수 있습니다.

주석과 은도금의 조합으로 기술 혁신

이상으로 꼽은「납 프리화」와「저저항화」라고 하는 2개의 어려운 과제를 해결하기 위해서, 우리가 짜내는 것이 「퓨즈의 모재를 융점 217℃의 주석 합금으로 만들어, 그것을 융점 962℃의 은으로 도금으로 덮는다」라고 하는 수법이었습니다.

이 방법으로 만들어진 퓨즈는 리플로우 납땜 공정에서 내부 주석은 녹지만, 은도금의 피막에 의해 형상은 유지된 채로 있습니다. 그러나 리튬 이온 전지에 과전류나 과충전이 발생하여 히터에 의해 퓨즈가 400℃ 이상으로 따뜻해지고 일정 시간이 경과하면 내부 주석 합금이 갑자기 녹아 표면의 은도금과 접하고 있는 부분에 '용해 현상'이 발생합니다. 액체의 물에 고체의 암염을 가라앉히면 천천히 염분이 물 속에 녹아 갑니다만, 그것과 같이 고체의 금속(은)도 액체의 금속(주석)과 접하는 것으로, 접촉하고 있는 면이 용해해 가는 것입니다.

이 방법을 사용하면 은의 녹는점(962°C)보다 훨씬 낮은 온도에서 퓨즈 소자를 녹일 수 있으며, 이는 납이 없는 SCP를 달성하기 위한 중요한 단계입니다.

낮은 저항으로 새로운 제품의 잠재력을 창출

은도금 피막형 퓨즈는 무연과 동시에 「저저항화」도 달성했습니다. 납의 저항률은 21μΩ·cm입니다만, 주석은 11μΩ·cm로 낮고, 은은 한층 더 1.6μΩ·cm로 매우 전기를 통과하기 쉬운 금속입니다. 이 주석과은 도금을 조합한 것으로, 퓨즈 전체의 저항률은 7μΩ・cm가 되어, 종래의 약 3배의 전류를 같은 사이즈로 흘리는 것이 가능하게 되었습니다.

Dexerials는 무연 퓨즈 요소 외에도 세라믹 기판의 재료 조성을 검토하여 전체적으로 무연 SCP를 개발했습니다. 이러한 기술을 바탕으로 덱세리얼즈는 스마트폰, 드론, 전동 공구 등 고전류와 고속 충전이 필요한 기기와 호환되는 SCP를 성공적으로 개발하여 특허를 취득했습니다.

앞으로도 우리는 축적해 온 기술과 지견을 살려, 보다 지구 환경에의 부하를 저감하는 것과 동시에, 사회의 요구에 대응하는 제품의 개발을 진행해 나갈 것입니다.