JP4712943B2 - 抵抗器の製造方法および抵抗器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗器およびその製造方法に関し、例えば、高電流検出に適する低抵抗素子部と導電率の高い金属導体よりなる電極を有する抵抗器およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大電流の検出用にミリオーム程度の極めて抵抗値が小さい抵抗器（シャント抵抗器）を用いることは良く知られている。このシャント抵抗器を用いた大電流Ｉ（Ａ）の検出では、既知の低抵抗値を有し、抵抗値の変動が小さいシャント抵抗器Ｒ（Ω）に、高電流Ｉ（Ａ）を流した時のシャント抵抗器の両端における電圧降下Ｖ（Ｖ）を測定し、Ｉ＝Ｖ／Ｒを用いて電流値Ｉ（Ａ）を算出する。
【０００３】
シャント抵抗器の一例を図７に示す。シャント抵抗器１０００は、金属製の抵抗部１４００および２つの電極部１１００から構成されている。抵抗部１４００は、例えば、Ｃｕ−Ｎｉ合金（例えば、ＣＮ４９Ｒ）などの金属合金が用いられる。電極１１００には、はんだ付け性を考慮してはんだめっき１２００が施されている。
【０００４】
ここで、シャント抵抗器の特性は、抵抗の温度係数（ＴＣＲ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）やシャント抵抗器を所定条件下で長時間使用した場合（例えば、１０００時間）の使用前後における抵抗値変化（寿命試験）などを用いて評価される。
【０００５】
ここで、抵抗の温度係数（ＴＣＲ）は、（１）式で求められ、１０００時間の寿命試験前後の抵抗値変化ΔＲ／Ｒは、（２）式を用いて評価される。
【０００６】
ＴＣＲ＝（（Ｒ_１−Ｒ_０）／Ｒ_０）×（１／（Ｔ_１−Ｔ_０）） （１）
Ｒ１：測定温度Ｔ_１における抵抗値（Ω）、Ｔ_１：測定温度
Ｒ０：基準温度Ｔ_０における抵抗値（Ω）、Ｔ_０：基準温度
ΔＲ／Ｒ＝（Ｒ_１０００−Ｒ_０）／Ｒ_０ （２）
Ｒ_１０００：１０００時間の寿命試験後の抵抗値（Ω）
Ｒ_０ ：寿命試験前の抵抗値（Ω）
また、シャント抵抗器をプリント配線板などに実装するためには、シャント抵抗器を小型化し、高密度実装に適した構造にすることが必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シャント抵抗器を用いて大電流を精度よく測定するためには、シャント抵抗器の特性である設定した抵抗の温度係数に限りなく近づけたり、使用時の抵抗の経時変化を小さくする必要がある。また、大電流を流したときの電流に対する抵抗値変化を小さくして電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性を良くする必要がある。
【０００８】
図７に示すシャント抵抗器１０００では、所定の抵抗値とするためにレーザ加工機などを用いて１３００で示される切り込みが抵抗部１４００中に数カ所入れられている。この切り込み１３００は、抵抗調整には必要であるが、シャント抵抗器１０００の特性を劣化させる原因となっている。
【０００９】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、特性の良好な大電流測定用のシャント抵抗器およびその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の抵抗器の製造方法は、以下の構成を有する。すなわち略板状の抵抗用合金からなる抵抗材と、略板状の高導電率の金属からなる電極材と、前記電極材と異なる金属からなる略板状のボンディングパッド材とを、前記抵抗材の第１面に前記電極材が配置されかつ前記抵抗材の第１面に対向する第２面に前記ボンディングパッド材が配置されるように重ねて積層し、前記積層された界面をそれぞれ接合して接合体を形成する接合工程と、前記接合された接合体の前記電極材の所定範囲を前記電極材面から前記抵抗材の第１面まで除去して前記抵抗材を露出させることにより前記電極材を少なくとも２分割して一対の電極を形成し、かつ前記接合された接合体の前記ボンディングパッド材面の所定範囲を前記ボンディングパッド材から前記抵抗材の第２面まで除去して前記抵抗材を露出させることにより前記ボンディングパッドを少なくとも２分割して一対のボンディングパッドを形成する除去工程と、前記除去工程で形成される接合体を分割して複数の抵抗器を形成する分割工程と、前記分割された抵抗器の前記露出された抵抗材に切り込みを入れずに前記露出された抵抗材の側面部または表面部の一部を除去することにより前記分割された抵抗器の抵抗値を調整する抵抗調整工程と、を有することを特徴とする。
【００１１】
また例えば、さらに、前記電極にはんだ層を形成する工程を有することを特徴とする。
【００１３】
また例えば、前記抵抗用合金は、銅・ニッケル合金、ニッケル・クロム合金、鉄・クロム合金、マンガン・銅・ニッケル合金、白金・パラジウム・銀合金、金・銀合金、金・白金・銀合金、のいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
また例えば、前記電極は、銅または銅を含む合金であることを特徴とする。
【００１６】
また例えば、前記ボンディングパッドは、ニッケル、ニッケルを含む合金、アルミニウム、アルミニウムを含む合金、金、金を含む合金であることを特徴とする。また例えば、前記電極材の所定範囲を除去する工程は、切削により行われることを特徴とする。
【００１７】
上記目的を達成するための本発明の抵抗器は、以下の構成を有する。すなわち、高導電率の金属によりなる互いに分離した少なくとも２つの電極と、前記電極に接合された略板状の抵抗用合金からなる抵抗部と、前記抵抗部に接続され、前記電極に用いられる金属とは異なる金属からなる互いに分離した少なくとも２つのボンディングパッドと、を有し、前記電極が前記抵抗部の第１平面上に接合されており、前記ボンディングパッドが前記抵抗部の第１平面と対向する第２平面上に接合され、前記２つの電極の間に配置される前記抵抗部には抵抗値を調整するための切り込みが入れられておらず、前記抵抗部の側面部または表面部の一部が除去されることにより前記抵抗部の抵抗値が調整されていることを特徴とする。
【００１８】
また例えば、前記抵抗用合金は、銅・ニッケル合金、ニッケル・クロム合金、鉄・クロム合金、マンガン・銅・ニッケル合金、白金・パラジウム・銀合金、金・銀合金、金・白金・銀合金、のいずれかであることを特徴とする。
【００１９】
また例えば、前記電極は、銅または銅を含む合金であることを特徴とする。
【００２１】
また例えば、前記ボンディングパッドは、ニッケル、ニッケルを含む合金、アルミニウム、アルミニウムを含む合金、金、金を含む合金であることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態であるシャント抵抗器１００およびシャント抵抗器１００の製造方法を詳細に説明する。
【００２３】
なお、本実施の形態に記載されているシャント抵抗器の抵抗体として用いられる合金組成は、一例であり、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、製造するシャント抵抗器の必要特性や仕様に応じて決定されるものである。
【００２４】
［シャント抵抗器の構造］
図１に、基板１５０の導体パターン上にはんだ付けされた本実施の形態であるシャント抵抗器１００を示す。シャント抵抗器１００は、１１０の金属製の抵抗体、接続端子である電極１２１と１２２、およびボンディングパッド１４１と１４２から構成されている。
【００２５】
シャント抵抗器１００は、１つの直方体形状を有する抵抗体１１０に２つの直方体形状の電極１２１と１２２および２つの直方体形状のボンディングパッド１４１と１４２を図１に示すように接合した構造である。抵抗体の寸法は、厚さが、約１００〜１０００μｍである。また、各電極の厚さは、約１０〜３００μｍであり、各ボンディングパッドの寸法は、厚さが、約１０〜１００μｍである。また、各電極の表面には、約２〜１０μｍのはんだ膜が形成されている。
【００２６】
シャント抵抗器１００は、放熱しやすいように設計されており、プリント配線板などに実装する際の基板１５０としては、例えばアルミ基板などが用いられ、その基板１５０もヒートシンクなどに接続された構造となっている。
【００２７】
すなわち、高電流を測定したときにシャント抵抗器１００に発生する熱は、基板１５０方向に伝達されるために、シャント抵抗器１００と基板１５０との接合面が重要であり、シャント抵抗器１００は、基板１５０との接合面である電極１２１、１２２に熱伝導の良い銅の厚板を用い、接合面積を大きく取ることを特徴としている。
【００２８】
また、高電流を測定するときの電流は、基板１５０のパターンよりシャント抵抗器１００の一方の電極１２１を介して抵抗体１１０に流れ、さらに抵抗体１１０から他の１つの電極１２２へと流れる。また、ボンディングパッド１４１と１４２を基板１５０のパターンにアルミニウムワイアなどによりワイアボンディングによって接続し、高電流を流したときのパターン間、すなわちシャント抵抗器１００の両端における電圧降下を測定する。なおボンディングパッド１４１と１４２は、抵抗値精度を向上させる目的で抵抗体１１０に接合されている。このため図１の構造を有するシャント抵抗器１００は、大電流での使用が可能である。
【００２９】
抵抗体１１０用材料としては、例えば、Ｃｕ−Ｎｉ合金（ＣＮ４９Ｒなど）や図４に示す各種金属合金および各種貴金属合金が用いられ、仕様に応じて決定される比抵抗、ＴＣＲ、抵抗値変化などの各種特性に適合する金属合金や貴金属合金などが図４より適宜選択されて使用される。また図４以外にも、例えば、マンガン・銅・ニッケル合金などを使用しても良い。
【００３０】
また、図４に示すように、貴金属合金を使用する場合には、約２〜約７μΩ・ｃｍと極めて低い電気抵抗を有する抵抗体１１０が得られ、例えば、これらの貴金属合金を抵抗体１１０として使用する場合には、図１に示す構造のシャント抵抗器１００の抵抗値は、約０．０４〜０．１５ｍΩとなる。
【００３１】
また電極１２１および１２２の材料としては、電気抵抗が抵抗体１１０に比べて小さい銅材料（例えば、１．５μΩ・ｃｍ程度）が用いられ、抵抗体１１０と電極１２１あるい抵抗体１１０と電極１２２とはクラッド接合により接合される。
【００３２】
ボンディングパッド１４１と１４２の材料としては、ニッケル材料（例えば、６．８μΩｃｍ程度）、アルミニウム材料（例えば、２．６μΩｃｍ程度）または金材料（例えば、２．０μΩｃｍ程度）などが用いられる。２つの電極１２１および１２２の電極面は、高電流を測定する際に発生する熱を放熱しやすくするため、基板１５０方向に熱が伝達されやすいように電極面積を広くとるように設計されており、熱伝導性の良い銅の厚板を用い、接合面積を大きく取ることを特徴としている。
【００３３】
また電極１２１および１２２の表面には、基板の導体パターンへのはんだ付け性を向上するために、例えば、溶融はんだ材（Ｓｎ：Ｐｂ＝９：１）または鉛フリーはんだ材の膜１３１および１３２が形成されている。溶融はんだ材は、銅材の電極１２１または１２２との間に拡散層を有するため、電極の接合強度および電気的信頼性は、向上する。
【００３４】
なお、シャント抵抗器１００の特徴は、抵抗体１１０が平板からなる単純構造となっており、従来のシャント抵抗器１０００に見られるような切れ込み１３００が無い点である。このように抵抗体１１０中に切れ込みがないため、大電流を流したときの電流経路が安定し、抵抗値変化（ΔＲ／Ｒ）は、約０．１％以下に抑えることができ、切れ込みがある場合の抵抗値変化（ΔＲ／Ｒ）数〜２０％に比べて抵抗値変化を１／数１０〜１／２００程度に低減できる。
【００３５】
また、抵抗体１１０に約２〜７μΩ・ｃｍの極めて低い電気抵抗を有する貴金属合金を使用すると、シャント抵抗器１００の抵抗値は、約０．０４〜０．１５ｍΩとなるため、高電流の測定に適したシャント抵抗器が得られる。
【００３６】
［シャント抵抗器の製造方法］
次に、図２および図３を用いて、シャント抵抗器１００の製造方法について以下に説明する。図２は、シャント抵抗器１００の製造方法の一例を示すものであり、図３は、図２の各製造工程で用いられる各素材や製造中のシャント抵抗器１００の形状を示したものである。
【００３７】
図２において、電極材の銅合金２１０としては、例えば、比抵抗約１．５μΩ・ｃｍの銅材が選択され、素材加工２２０工程において、所定の寸法に加工される。
【００３８】
また、抵抗材の合金２３０としては、例えば、図４に示す所定の比抵抗を有する各種金属合金や各種貴金属合金の中から用途や仕様に応じて選択され、素材加工２４０工程において、所定の寸法に加工される。
【００３９】
また、ボンディングパッド材の合金２４２としては、例えば、ニッケル材料、金材料またはアルミニウム材料などが用途や仕様に応じて選択され、素材加工２４４工程において、所定の寸法となるように加工される。
【００４０】
次に、図３の１２０に示す銅材と、１１０に示す抵抗体、例えば、貴金属合金とが接合２５０工程にてクラッド接合される。この接合体３１０における抵抗体１１０と電極１２０の界面は、拡散層により強固に結合されるため、抵抗体１１０と電極１２０との接合強度および電気的信頼性は向上する。
【００４１】
次に、図３の１４０に示すボンディングパッドであるアルミニウム材（または金材、ニッケル材）は、接合体３１０の抵抗体１１０面上にクラッド接合され、図３の３２０に示す接合体が得られる。この時、接合体３２０における抵抗体１１０とボンディングパッド材１４０の界面は、拡散層により強固に結合され、抵抗体１１０とボンディングパッド材１４０との接合強度および電気的信頼性は、向上する。
【００４２】
次に、接合体３２０は、両面電極加工２６０工程にて、図３の３３０に示す所定の形状の接合体となるように電極１２０とボンディングパッド１４０の一部が除去される。例えば、切削装置などを用いて、まず、電極１２０の一部を除去する。すなわち、図３の３３０に示すように電極１２０の中央部分が１２３に示すように抵抗体１１０が露出するまで除去され、電極１２０は、１２１と１２２に分割される。電極１２１と電極１２２の厚さは、約１０〜３００μｍである。また、抵抗体１１０の厚さは、約１００〜１０００μｍである。
【００４３】
次に、ボンディングパッド１４０の一部を除去する。すなわち、図３の３３０に示すようにボンディングパッド１４０の中央部分が１４３に示すように抵抗体１１０が露出するまで除去され、ボンディングパッド１４０は、１４１と１４２に分割される。ボンディングパッド１２１と１２２の厚さは、約１０〜１００μｍである。
【００４４】
次に、接合体３３０は、溶融はんだ加工２７０工程にて、電極１２１と電極１２２の表面に１３１と１３２で示す約２〜１０μｍのはんだ膜が形成され、接合体３４０を得る。この時使用されるはんだとしては、例えば、溶融はんだ材（Ｓｎ：Ｐｂ＝９：１）あるいは、鉛フリーはんだ材などが用いられる。
【００４５】
この溶融はんだ材と銅材の電極１２０との間には、拡散層が形成されるため、溶融はんだ材１３１と電極１２１および溶融はんだ材１３２と電極１２２とは強固に接合される。そのためそれらの界面の接合強度は高く電気的信頼性も向上し、さらに、溶融はんだ材１３１および１３２を介してシャント抵抗器１００をアルミ基板１５０の導体パターンにはんだ付けすることが可能となる。
【００４６】
次に、接合体３４０は、切断加工２８０工程にて、レーザ加工機、プレス加工機、ワイヤー放電加工機、円盤切削機などを用いて、所定の長さに切断され、３５０に示す所定の寸法を有する接合体、例えば、厚さ約０．１〜２０ｍｍを得る。
【００４７】
次に、接合体３５０は、抵抗調整２９０工程にて、所定の抵抗値を有するように調整される。すなわち接合体３５０の抵抗値を測定しながら、サンドブラスト法など、またはレーザー加工機などの各種切断機を用いて、接合体３５０の側面部や表面部の一部を除去する。その結果、所定の抵抗値を有すシャント抵抗器１００が得られる。
【００４８】
［シャント抵抗器の諸特性］
図４の各種金属合金および各種貴金属合金を用いて製造したシャント抵抗器の抵抗値の一例を以下に説明する。例えば、図４に示す約２〜約７μΩｃｍの低抵抗の貴金属合金を使用した場合の図１に示す構造のシャント抵抗器の抵抗値は、約０．０５〜０．１４ｍΩ程度であり、低抵抗値を有するシャント抵抗器が得られる。
【００４９】
図５に、Ｃｕ−Ｎｉ系合金であるＣＮ４９を抵抗体１１０として用い図２の本製造方法で製造されたシャント抵抗器１００のＴＣＲ値および１０００時間の寿命試験後の抵抗値変化を一例として示す。また、図５には、比較として図７に示す従来の方法で製造されたシャント抵抗器１０００のＴＣＲ値および１０００時間の寿命試験後の抵抗値変化を合わせて示す。図５より、本製造方法で製造されたシャント抵抗器１００は、従来品に比べてＴＣＲ値が約１／３以下に、抵抗値変化が１／２０〜１／３０以下に低下し、各々の特性が向上していることがわかる。
【００５０】
ここで、Ｃｕ−Ｎｉ系合金であるＣＮ４９のＴＣＲ値は、約５０ｐｐｍ／℃であり、シャント抵抗器１１０のＴＣＲ値に極めて近い。このことから、本製造方法で製造されるシャント抵抗器１１０は、Ｃｕ−Ｎｉ系合金（ＣＮ４９）がもつ本来のＴＣＲ値をほぼ再現できる製造方法といえる。また、従来の製造方法で製造されたシャント抵抗器１０００は、抵抗調整用の切り込み１４００がＣｕ−Ｎｉ系合金（ＣＮ４９）の本来のＴＣＲ値を発現できない阻害要因として働いているといえる。
【００５１】
なお、図５には示さなかったが、シャント抵抗器１００の抵抗体として図４に示す各金属合金または各基金属合金を抵抗体１１０として用いてＴＣＲ値および１０００時間の寿命試験後の抵抗値変化を行った。その結果も図５とほぼ同様のＴＣＲ値や抵抗値変化値が得られた。これらのことから、図４に示す各金属合金または各基金属合金を抵抗体１１０として用い、図２の製造方法によって製造されたたシャント抵抗器１００は優れたＴＣＲ値や抵抗値変化値が得られることがわかる。
【００５２】
また、図６に、図５で示した本実施の形態であるシャント抵抗器１００と従来例のシャント抵抗器１０００との電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性を測定した結果を示す。図６の結果より、抵抗体１１０に切り込みが無いシャント抵抗器１００の電流値の増加に伴う抵抗値の変化は、０．１％以下に抑えることができ、優れた電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性が得られた。
【００５３】
一方、抵抗体に切り込みが多数あるシャント抵抗器１０００では、電流値の増加に伴い抵抗値が数％から２０％も増加し、大電流を流したときの抵抗値の変化が大きい。これは、切り込みがあると電流経路が安定しないためである。このことから、大電流を流したときのシャント抵抗器の抵抗値変化を小さくするためには、切り込みの無い形状が望ましいことがわかる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、シャント抵抗器を製造する際に貴金属合金などの低抵抗材料を抵抗体として用い、抵抗体中にさらに抵抗調整用の切り込みを入れないでシャント抵抗器を製造することにより、低抵抗で高電流の測定に適した電流経路を有する抵抗変化率の小さなシャント抵抗器が提供ができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により特性の良好な大電流測定用のシャント抵抗器およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるシャント抵抗器の概略構造図である。
【図２】シャント抵抗器の製造方法を示す図である。
【図３】シャント抵抗器の各製造工程における接合体の形状を示す図である。
【図４】抵抗体の種類を示す図である。
【図５】シャント抵抗器のＴＣＲ値及び寿命試験後の抵抗値変化を比較した図である。
【図６】シャント抵抗器のＶ−Ｉ特性を比較した図である。
【図７】従来の切れ込みが入ったシャント抵抗器の概略構造図である。
【符号の説明】
１００ シャント抵抗器
１１０ 抵抗体
１２１ 電極
１２２ 電極
１３１ 溶融はんだ材
１３２ 溶融はんだ材
１５０ 基板

Claims (10)

1. 略板状の抵抗用合金からなる抵抗材と、略板状の高導電率の金属からなる電極材と、前記電極材と異なる金属からなる略板状のボンディングパッド材とを、前記抵抗材の第１面に前記電極材が配置されかつ前記抵抗材の第１面に対向する第２面に前記ボンディングパッド材が配置されるように重ねて積層し、前記積層された界面をそれぞれ接合して接合体を形成する接合工程と、
   前記接合された接合体の前記電極材の所定範囲を前記電極材面から前記抵抗材の第１面まで除去して前記抵抗材を露出させることにより前記電極材を少なくとも２分割して一対の電極を形成し、かつ前記接合された接合体の前記ボンディングパッド材面の所定範囲を前記ボンディングパッド材から前記抵抗材の第２面まで除去して前記抵抗材を露出させることにより前記ボンディングパッド材を少なくとも２分割して一対のボンディングパッドを形成する除去工程と、
   前記除去工程で形成される接合体を分割して複数の抵抗器を形成する分割工程と、
   前記分割された抵抗器の前記露出された抵抗材に切り込みを入れずに前記露出された抵抗材の側面部または表面部の一部を除去することにより前記分割された抵抗器の抵抗値を調整する抵抗調整工程と、
   を有することを特徴とする抵抗器の製造方法。
2. さらに、前記電極にはんだ層を形成する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の抵抗器の製造方法。
3. 前記抵抗用合金は、銅・ニッケル合金、ニッケル・クロム合金、鉄・クロム合金、マンガン・銅・ニッケル合金、白金・パラジウム・銀合金、金・銀合金、金・白金・銀合金、のいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の抵抗器の製造方法。
4. 前記電極は、銅または銅を含む合金であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の抵抗器の製造方法。
5. 前記ボンディングパッドは、ニッケル、ニッケルを含む合金、アルミニウム、アルミニウムを含む合金、金、金を含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗器の製造方法。
6. 前記電極材の所定範囲を除去する工程は、切削により行われることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の抵抗器の製造方法。
7. 高導電率の金属によりなる互いに分離した少なくとも２つの電極と、
   前記電極に接合された略板状の抵抗用合金からなる抵抗部と、
   前記抵抗部に接続され、前記電極に用いられる金属とは異なる金属からなる互いに分離した少なくとも２つのボンディングパッドと、を有し、
   前記電極が前記抵抗部の第１平面上に接合されており、前記ボンディングパッドが前記抵抗部の第１平面と対向する第２平面上に接合され、
   前記２つの電極の間に配置される前記抵抗部には抵抗値を調整するための切り込みが入れられておらず、前記抵抗部の側面部または表面部の一部が除去されることにより前記抵抗部の抵抗値が調整されていることを特徴とする抵抗器。
8. 前記抵抗用合金は、銅・ニッケル合金、ニッケル・クロム合金、鉄・クロム合金、マンガン・銅・ニッケル合金、白金・パラジウム・銀合金、金・銀合金、金・白金・銀合金、のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の抵抗器。
9. 前記第電極は、銅または銅を含む合金であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の抵抗器。
10. 前記ボンディングパッドは、ニッケル、ニッケルを含む合金、アルミニウム、アルミニウムを含む合金、金、金を含む合金であることを特徴とする請求項７に記載の抵抗器。

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