JP6149288B2 - シャント抵抗モジュール - Google Patents

Description

本発明は、シャント抵抗モジュールに関し、詳しくは、シャント抵抗モジュールの放熱構造に関する。

シャント抵抗器は、回路の電流を検出するために用いられる。例えば、パワーモジュールにおける断線や短絡の検出に用いられている。こうしたシャント抵抗器は、一対の端子（電極）の間に、例えば１ｍΩ以下の低抵抗の抵抗体（シャント抵抗体）を接続してなる。パワーモジュールに用いられるシャント抵抗器では、例えば１００Ａ以上の電流が流れることもある。このため低抵抗の抵抗体であっても、ジュール熱によってシャント抵抗器は高温になる。シャント抵抗器が高温になると、電流検出特性などに影響を及ぼす場合があるとともに、当該シャント抵抗器を備えたシャント抵抗モジュールにも影響を及ぼす場合があり、適切な冷却が必要である。

従来のシャント抵抗器の冷却構造を図３に示す。図３に示すシャント抵抗器１０は、シャント抵抗体としてハット型部材１１を採用している。このハット型部材１１と基板１２によって区画された内部空間には、絶縁性で、かつ熱伝導性の良好なエポキシ樹脂１３が充填されている。（例えば、特許文献１参照）。

実用新案登録第３０６７２１３号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示されたシャント抵抗器は、ハット型部材の内部に樹脂を充填した構造である。樹脂の熱伝導性は、金属と比較すると大きく劣ることが一般的であり、シャント抵抗器の放熱特性の改善には必ずしも十分ではない。また、ハット型部材の内部に充填された樹脂は熱によって劣化しやすく、経時変化による放熱特性低下の懸念も大きい。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、放熱特性を改善し、かつ、経時変化による放熱特性の劣化が少ないシャント抵抗器を備えたシャント抵抗モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は次のようなシャント抵抗モジュールを提供した。すなわち、本発明のシャント抵抗モジュールは、一面に配線層が形成された基板と、該基板に実装されたシャント抵抗器とを、少なくとも備えたシャント抵抗モジュールであって、前記シャント抵抗器は、シャント抵抗体と、該シャント抵抗体を前記基板の一面に対して離間させて支持する一対の端子と、を有し、前記基板の一面には、前記一対の端子どうしの間に配され、前記シャント抵抗体に向けて延び、かつ先端面が前記シャント抵抗体に対して所定のギャップを保つ、金属からなる熱伝導体を備え、前記先端面は、前記端子と前記配線層との接合部よりも前記シャント抵抗体に近接する位置において、両端部から中央部に向かって前記シャント抵抗体側に突出した湾曲面を成すことを特徴とする。

前記熱伝導体と、前記シャント抵抗体との間の前記ギャップには、絶縁体が配されていることを特徴とする。

前記熱伝導体と、前記シャント抵抗体および前記一対の端子によって区画された領域には、樹脂が充填されていることを特徴とする。

前記シャント抵抗器の外側は、樹脂によって覆われることを特徴とする。

前記熱伝導体の先端面は、前記シャント抵抗体の平面形状と近似した形状であることを特徴とする。

前記熱伝導体は、はんだ層を介して前記基板に接合されていることを特徴とする。

本発明のシャント抵抗モジュールによれば、シャント抵抗体で発生した熱は、シャント抵抗体の一面に対して所定のギャップを介して対面する熱伝導体の先端面から基板に向かって速やかに伝搬される。基板からシャント抵抗体に向かって延びる熱伝導性の高い熱伝導体を形成することにより、従来のようなシャント抵抗体の内部全体に樹脂が充填された場合と比較して、シャント抵抗体で生じたジュール熱を効率よく放熱することができる。これにより、シャント抵抗体が高温になることを防止し、高温化に起因して電流検出特性が低下することを防止したシャント抵抗モジュールを実現できる。

本発明のシャント抵抗器を備えたシャント抵抗モジュールの一例を示す断面図である。 熱伝導体の形状例を示す断面図である。 従来のシャント抵抗器を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るシャント抵抗モジュールの一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本発明のシャント抵抗モジュールの一例を示す断面図である。シャント抵抗モジュール２０は、所定のパターンの配線層２２が配された基板２１と、シャント抵抗器２３とを少なくとも備えている。シャント抵抗器２３は、基板２１の一面２１ａに対して所定の間隔を開けて配されたシャント抵抗体２４と、このシャント抵抗体２４を基板２１の一面２１ａに対して離間させて支持する一対の端子２５，２６とを備えている。そして、基板２１の一面２１ａには、端子２５と端子２６との間に配され、シャント抵抗体２４に向けて延びる熱伝導体２７が形成されている。また、基板２１の他面２１ｂには、基板２１に実装されたシャント抵抗器２３を含む電子部品などから発生した熱を放熱するヒートシンク２９が接合されている。なお、基板２１の一面２１ａ側と熱伝導体２７との間には、基板２１の酸化膜などからなる絶縁層２１ｃが形成されている。

シャント抵抗器２３は、例えば、電流の流入側となる配線層２２ａと、流出側となる配線層２２ｂとの間に配される。シャント抵抗体２４は、例えば、外形が平板状の直方体を成し、１ｍΩ以下の低抵抗の抵抗体によって形成されている。

端子２５，２６は、全体が良導体、例えば銅、銀、アルミニウムなどによって形成され、それぞれ、接合部２５ａ，２６ａと、起立部２５ｂ，２６ｂとからなる。接合部２５ａ，２６ａは、基板２１の一面２１ａに対して平行に配され、配線層２２ａ，２２ｂに対して、例えば、はんだによって接合される。

端子２５，２６の起立部２５ｂ，２６ｂは、一端側が接合部２５ａ，２６ａと一体に形成され、基板２１の一面２１ａに対して略垂直に延び、更にシャント抵抗体２４に向けて水平に延長され、それぞれの他端側の間でシャント抵抗体２４を支持する。これにより、平板状のシャント抵抗体２４は、基板２１の一面２１ａに対して所定の間隔を開けて平行に支持される。シャント抵抗体２４を基板２１の一面２１ａから離して立体的に配置することによって、シャント抵抗器２３の実装スペースを少なくすることが可能になる。

なお、端子２５，２６を構成する接合部２５ａ，２６ａと、起立部２５ｂ，２６ｂとは、互いに同一の部材で一体に形成されていればよい。また、接合部２５ａ，２６ａは、起立部２５ｂ，２６ｂから互いに接近する方向に延びているが、起立部２５ｂ，２６ｂから互いに離間する方向に延びる形状、いわゆるハット形状であってもよい。

熱伝導体２７は、例えば、外形が直方体を成す金属ブロックから構成される。熱伝導体２７の一面２７ａは、熱伝導性材料、例えば、はんだ層２８を介して基板２１の一面２１ａに接合され、他面（以下、先端面と称する）２７ｂは、シャント抵抗体２４の一面２４ａに対面する。熱伝導体２７は、全体が、例えば銅、銀、アルミニウム、鉄、ニッケル、あるいはこれらの合金など、熱伝導性に優れた材料によって形成されている。特に熱伝導性に優れた銅、銅合金から形成されることが好ましい。

熱伝導体２７の先端面２７ｂとシャント抵抗体２４の一面２４ａとの間は、所定のギャップΔｔが保たれている。このギャップΔｔは、熱伝導体２７とシャント抵抗体２４との絶縁性を保ち、かつ、シャント抵抗体２４の熱を効率よく吸収する距離に設定されるのが好ましい。例えば、ギャップΔｔは、熱伝導体２７の先端面２７ｂとシャント抵抗体２４の一面２４ａとの距離である。

熱伝導体２７の先端面２７ｂは、シャント抵抗体２４の平面形状と近似した形状、例えば、シャント抵抗体２４の一面２４ａと同じ大きさか、それよりも大きく広がる矩形を成すように形成されていることが好ましい。

熱伝導体２７と、シャント抵抗体２４および端子２５，２６によって区画された領域、つまり、断面略矩形を成すシャント抵抗体２４の内部空間には、樹脂が充填され、第一の樹脂体３１を形成している。この第一の樹脂体３１は、所定のギャップΔｔを保って対面している熱伝導体２７の先端面２７ｂとシャント抵抗体２４の一面２４ａとの間にも形成されている。これにより、熱伝導体２７とシャント抵抗体２４との間の絶縁性が一層向上する。なお、熱伝導体２７の先端面２７ｂとシャント抵抗体２４の一面２４ａとの間には第一の樹脂体３１を介在させず、空気層とした構成であってもよい。

シャント抵抗体２４の外側は樹脂によって覆われ、第二の樹脂体３２を形成している。この第二の樹脂体３２は、シャント抵抗体２４の内部空間に充填された第一の樹脂体３１と同一の部材であっても、また、異なる部材であってもよい。これら第一の樹脂体３１と第二の樹脂体３２は、耐熱性、および絶縁性に優れた樹脂材料から形成されていればよい。

以上のような構成のシャント抵抗モジュール２０の作用を説明する。シャント抵抗モジュール２０を構成するシャント抵抗器２３は、接合部２５ａ，２６ａにそれぞれ接合された配線層２２ａと配線層２２ｂとの間を流れる電流を検出する。この時、シャント抵抗体２４を流れる電流が１００Ａ以上など大きい電流値をもつ場合、シャント抵抗体２４にはジュール熱が発生する。

シャント抵抗体２４で発生した熱は、シャント抵抗体２４の一面２４ａに対して狭いギャップΔｔを介して対面する熱伝導体２７の先端面２７ｂから、熱伝導体２７の一面２７ａに向かって速やかに伝搬する。そして、基板２１を介してヒートシンク２９から放熱される。基板２１からシャント抵抗体２４に向かって延びる熱伝導性の高い熱伝導体２７を形成することにより、従来のようにシャント抵抗体の内部全体が熱伝導性の低い樹脂で満たされている場合と比較して、シャント抵抗体２４で生じたジュール熱を効率よくヒートシンク２９に向けて伝搬し、放熱することができる。これにより、第二の樹脂体３２によって外面を覆われたシャント抵抗体２４が高温になることを防止し、高温化によって電流検出特性が低下することを防止したシャント抵抗モジュール２０を実現できる。

なお、シャント抵抗体２４の外面全体を第二の樹脂体３２によって覆うことにより、シャント抵抗体２４で生じた熱がシャント抵抗体２４の周囲に拡散して、基板２１に実装された他の電子部品が高温化することを防止できる。

図２は、本発明のシャント抵抗モジュールにおける、熱伝導体の形状例を示す断面図である。なお、以下の説明では、図１に示す実施形態と同様の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図２（ａ）に示すシャント抵抗モジュール４０では、はんだ層２８を介して基板２１に形成された熱伝導体４７の先端面４７ｂは、平坦面と比較して表面積が多い複数の斜面を組み合わせ形状としている。これにより、シャント抵抗体２４で生じた熱を、シャント抵抗体２４の一面２４ａからより効率的に受け止め、ヒートシンク２９に向けて伝搬させることができ、シャント抵抗体２４の放熱性を一層高めることが可能になる。なお、この図２（ａ）におけるギャップΔｔは、例えば、シャント抵抗体２４の一面２４ａと、熱伝導体４７の先端面４７ｂを構成する斜面どうしが交わる頂部との距離である。

図２（ｂ）に示すシャント抵抗モジュール５０では、基板２１に形成された熱伝導体５７の先端面５７ｂは、平坦面と比較して表面積が多い湾曲面としている。これにより、シャント抵抗体２４で生じた熱を、シャント抵抗体２４の一面２４ａからより効率的に受け止め、ヒートシンク２９に向けて伝搬させることができ、シャント抵抗体２４の放熱性を一層高めることが可能になる。なお、この図２（ｂ）におけるギャップΔｔは、例えば、シャント抵抗体２４の一面２４ａと、熱伝導体５７の先端面５７ｂを構成する湾曲面の頂部との距離である。

以上のような実施形態以外にも、例えば、シャント抵抗体の一面、および他面の両面に先端面がそれぞれ向き合うように熱伝導体を形成することも好ましい。

２０，４０，５０…シャント抵抗モジュール、２１…基板、２２…配線層、２３…シャント抵抗器、２４…シャント抵抗体、２５，２６…端子、２７，４７，５７…熱伝導体、２９…ヒートシンク。

Claims (6)

1. 一面に配線層が形成された基板と、該基板に実装されたシャント抵抗器とを、少なくとも備えたシャント抵抗モジュールであって、
   前記シャント抵抗器は、シャント抵抗体と、該シャント抵抗体を前記基板の一面に対して離間させて支持する一対の端子と、を有し、
   前記基板の一面には、前記一対の端子どうしの間に配され、前記シャント抵抗体に向けて延び、かつ先端面が前記シャント抵抗体に対して所定のギャップを保つ、金属からなる熱伝導体を備え、
   前記先端面は、前記端子と前記配線層との接合部よりも前記シャント抵抗体に近接する位置において、両端部から中央部に向かって前記シャント抵抗体側に突出した湾曲面を成すことを特徴とするシャント抵抗モジュール。
2. 前記熱伝導体と、前記シャント抵抗体との間の前記ギャップには、絶縁体が配されていることを特徴とする請求項１記載のシャント抵抗モジュール。
3. 前記熱伝導体と、前記シャント抵抗体および前記一対の端子によって区画された領域には、樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１または２記載のシャント抵抗モジュール。
4. 前記シャント抵抗器の外側は、樹脂によって覆われることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載のシャント抵抗モジュール。
5. 前記熱伝導体の先端面は、前記シャント抵抗体の平面形状と近似した形状であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のシャント抵抗モジュール。
6. 前記熱伝導体は、はんだ層を介して前記基板に接合されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載のシャント抵抗モジュール。

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