CN1359111A - 电阻器 - Google Patents
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Abstract
提供一种高精度度检测电流的电阻器,其电阻不会随温度变化而明显变化。这种电阻器中,电阻合金板和散热金属板通过树脂绝缘层叠压起来,电阻合金板由包含镍和铜的合金形成,将该合金晶界蚀刻为凹形后,将电阻合金板粘着在树脂绝缘层上。
Description
发明领域
本发明涉及在功率变流设备如反用换流器中使用的检测电流的电阻器。
现有技术
在功率变流设备如换流器或其上安装IGBT装置等的功率组件中,提供约0.1-100mΩ的高精度电阻,以便精确检测数A至400A的大电流。由于电阻器因大电流而产生大量能量,功率变流设备必须要能散热。作为散热手段,使用的电阻器其结构为通过树脂绝缘层3叠压电阻合金板2和散热金属板4,如图1所示。这样的电阻器是层叠的三层结构,披露于日本专利3-16799和日本专利公开公报10-149901中。
具有高电阻率的铜锰合金、铜锰镍合金或铜镍合金可用作电阻合金,以高精确度检测电流。已知锰[镍]铜是铜锰镍合金的一个例子。含少量Mn、Fe和Si的商品如Advance或Ideal以及康铜已知是铜镍合金的例子。
解决问题的方法
然而,上述层叠的电阻存在下列问题。
图2所示为作为典型的铜锰镍合金的锰[镍]铜(含85%铜,12%锰和2%镍)和铜镍合金(含54.5%铜,43.7%镍和1.8%锰)在不同温度下的电阻温度系数。对广泛使用的铜锰合金或铜锰镍合金情况,如果环境温度在常温至60℃范围,电阻的温度系数绝对值极小,为10ppm/℃或更小,但是随环境温度上升或下降超出上述范围时电阻温度系数的绝对值就增大。不同的是,在铜镍合金的情况,电阻的温度系数绝对值与合金温度无关,恒定在15ppm/℃或更小。所以,对其环境温度会升至100℃的功率变流设备,需要使用周围温度很高时其电阻温度系数很小的铜镍合金。
当电阻合金板2中通入电流时会产生焦耳热。为正确测定电流,功率变流设备中使用的电阻器必须控制电阻合金板2的温度上升,以防止由于产生的热量而使功率变流设备内部环境温度的上升。层叠的电阻器通过树脂绝缘层3散热并冷却产生的热量。因此,要求树脂绝缘层3的热导率尽可能高。
加入大量无机填充材料能有利于提高热导率。常规层叠电阻器的树脂材料中加入的无机填充材料量最多为70%(重量),而电阻器的热导率仍低,热阻仍高。所以,如果是冷却性能不够,为提高散热性能加入多达80-90%(重量)无机填充材料即有大量填充材料的树脂材料,结果填充材料和金属表面的接触面积增加,会使电阻合金板2和树脂材料之间的粘合情况变差。为提高粘合力,通常使粘合面粗糙化。印刷线路板中使用的电解铜箔等进行了粗糙化,深度达5-15微米。即使是加入80-90%(重量)无机填充材料的含大量填充材料的树脂材料对电阻合金板的具有很强的粘着作用。在有光滑表面的轧制铜箔情况,在所谓黑化法中,在表面上生长的氧化铜针状结晶使表面粗糙化。
用作常规层叠电阻器中使用的电阻合金板2的轧制板有一光滑表面。由于这一原因,表面不能粗糙化,除非进行粗糙化过程,就象轧制箔的情况。对轧制铜箔的情况,上述铜锰合金或铜锰镍合金由于含有大量铜(82-85%)而容易黑化或微蚀刻。相反,其电阻温度系数在很宽温度范围内恒定在较低值的铜镍合金,基本上很难被氧化,因此,不象铜锰合金或铜锰镍合金那样,对其很难粗糙化。
如果电阻器直接安装在有接地电位的功率组件的金属板上,使其能充分冷却,功率变流设备的线路电压就施加到绝缘树脂层3上。施加的线路电压最高可达到约1000Vp(峰值电压)。因此,绝缘树脂层需要具备高的绝缘强度,并能长期维持。
本发明的目的是提供一种功率变流设备中使用的电阻器,这种电阻器能够达到在电阻铜镍合金板和导热树脂材料间的高粘合力,低热阻率、优良的冷却性能和绝缘性能。
本发明的另一个目的是提供一种在功率变流设备中使用的电阻器,这种电阻器能够在宽温度范围内具有低的电阻温度系数、电流检测中的高精度、电阻板和导热树脂材料间的高粘合力、高热导率、优良的冷却性能和绝缘性能。
在一个电阻器中,其中电阻合金板2和散热金属板4通过树脂绝缘层3叠压起来,电阻合金板由(合金总重量为基准)含42.0-48.0%(重量)镍、0.3-2.5%(重量)锰以及铜,铜、镍和锰的总含量不小于98%(重量)的合金构成,板厚度为1毫米或更大,其上蚀刻出凹形的颗粒边界,使电阻合金板可以粘着在树脂绝缘层上。
发明的实施方案
本发明中使用的铜镍合金是以合金总重量为基准包含40-50%(重量)镍和60-50%(重量)铜的合金。具体而言,该铜镍合金包含42.0-48.0%(重量)镍和58.0-52.0%(重量)铜。铜镍合金主要包含铜和镍,但可以包含少量另一种金属(如Mn、Fe和Si),只要不增加电阻温度系数的绝对值范围。例如,本发明使用的铜镍合金包含42.0-48.0%(重量)镍、0.3-0.5%(重量)锰和铜,铜、镍和锰的总含量不小于98%(重量)。具有上述组成的铜镍合金,在-50℃至200℃温度范围,其电阻温度系数在±20ppm/℃范围内,更好为-15至15ppm/℃。
根据本发明,由这种铜镍合金形成的电阻合金板2的厚度为0.1毫米或更大,更好为0.1-0.5毫米。
本发明由这种铜镍合金形成的电阻合金板2宜使用一种有机酸蚀刻剂进行粗糙化。用于本发明有机酸粗糙化的有机酸例子是饱和脂肪酸如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸;不饱和脂肪酸如丙烯酸、巴豆酸和异巴豆酸;脂族饱和二羧酸如草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸和庚二酸;脂族不饱和二羧酸如马来酸;芳族羧酸如苯甲酸、苯二甲酸和肉桂酸;氧碳酸(oxycarbonic acid)如乙醇酸、乳酸、苹果酸和柠檬酸;有取代基的碳酸如硫氨酸(sulphamine acid)、β-氯丙酸、烟酸、抗坏血酸、羟基特戊酸、乙酰丙酸;以及这些酸的衍生物。这些有机酸可以单独使用,或组合使用。较好是使用甲酸作为本发明的有机蚀刻剂。需要时,有机酸蚀刻剂可以含有添加剂(如第二种铜离子源和卤离子源)。本发明中使用的有机酸蚀刻剂,较好的是包含有机酸、10-20%(重量)第二铜离子源和卤离子源的水溶液,pH为3.0-3.5。
根据使用的有机酸蚀刻剂的种类和浓度,一般进行30秒至3分钟的粗糙化过程。通常,在25-40℃,更好在30-40℃范围,以0.15-0.2Mpa压力喷射蚀刻剂,进行粗糙化过程。
上述粗糙化过程形成的凹陷深度沿铜镍合金晶界为数微米。具体而言,铜镍合金表面经粗糙化,提高了随后与树脂绝缘层3粘合时的粘合力。
本发明中使用的绝缘树脂层3包括含无机填充材料的环氧树脂。树脂绝缘层3必须具备高热导率(低热阻),能将热量有效地从电阻合金板2传递到散热金属板4上。要达到高热导率,本发明的树脂绝缘层3含有(树脂绝缘层总重量为基准)71-95%(重量),更好为71-90%(重量)无机填充材料。
本发明中使用的环氧树脂包括双酚A环氧树脂、或双酚A环氧树脂和线型酚醛环氧树脂的混合物。本发明中使用的无机填充材料包括SiO2、Al2O3、BN、AlN或MgO,或它们的混合物。
本发明的树脂绝缘层3可以以分散液或溶液形式涂布在电阻合金板2或散热金属板4上制成。可以使用甲基乙基酮或甲苯作为溶剂。
如上面指出的,本发明电阻器直接安装在有接地电位的功率组件的金属板情况时,可以施加在树脂绝缘层3上的最大电压约为1000Vp(峰值电压)。因此,要求树脂绝缘层3具备并长期保持高绝缘强度。而且,要求树脂绝缘层3相对于电阻合金板2和散热金属板4具有良好的粘合力。为满足这些要求,绝缘树脂层3厚度为50-200微米,更好为50-150微米。绝缘树脂层的绝缘强度应为5kVrms(根均方电压)或更高,更好为6kVrms或更高。由于有这样高的绝缘强度,本发明的电阻即使直接安装在有接地电位的功率组件的金属板上,长期也不会发生击穿。
根据本发明,宜使用高热导率的铜或铝形成的金属板作为散热金属板4。和电阻合金板2一样,粘着在绝缘树脂层3上的散热金属板4表面必须粗糙化,使它能够粘着在导热树脂(绝缘树脂层3)上。无论使用何种材料,可以采用常规方法对散热金属板4表面进行粗糙化。如果使用铜,可采用称之黑化法的氧化法进行表面粗糙化,此时形成针状结晶。如果使用铝,可以使用阳极氧化法对表面粗糙化。而且,可以在与绝缘树脂层3接触的散热金属板4的相背表面上提供毛刺或棱柱体,增加表面积,从而提高散热效率。
通过热压,将绝缘树脂层3粘着在电阻合金板2和散热金属板4之间。具体是将涂布在散热金属板4上,干燥至树脂半固化的绝缘树脂层3,层放到电阻合金板2上,使绝缘树脂层2在热压后粘着在电阻合金板2上。或者,将涂布在电阻合金板2上,干燥至树脂半固化的绝缘树脂层3,层放到散热金属板4上,使绝缘树脂层2在热压期后粘着在散热合金板4上。还可以使用提供绝缘树脂层的片,其制法是在如PET的暂时性载体上涂布绝缘树脂层3,然后干燥至树脂半固化。这种情况下,将此提供绝缘树脂层的片放在电阻合金板2或散热金属板4上,使该片与电阻合金板2或散热金属板4紧密接触,通过施加热量等方法,绝缘树脂层3就粘着在电阻合金板2或散热金属板4上。之后,从绝缘树脂层3上除去暂时性载体,形成绝缘树脂层3和电阻合金板2或散热金属板4的层叠体。再将散热金属板4或电阻合金板2叠放在该层叠体上,通过热压它们就彼此粘合,从而形成本发明的电阻器。粘合时,在180℃下施加4.9Mpa(50kgf/cm2)压力6分钟。
最后,使用化学试剂如氯化铁和氯化铜,按照预定图形蚀刻用作电阻合金板2的铜镍板。通过加压或V形切割法,分割形成的图形,形成一单个的电阻器。
实施方案1
进行上面的粗糙化过程,使包含54.5%(重量)铜、43.7%(重量)镍和1.8%(重量)锰,厚度为0.2毫米的铜镍合金板表面粗糙化。图3至图8的SEM照片(直径放大2,000)表明各种方法中粗糙化过程的结果。
图3是未处理的铜镍合金板的SEM照片。铜镍合金板经轧制是表面光滑的。
图4是用#320非织造织物机械抛光的样品1表面的SEM照片。该表面尽管有少量纹路,但并未粗糙化。
图5是使用铬酸电解抛光的样品2表面的SEM照片。和样品1一样,铜镍合金板表面没有粗糙化。
图6是通过亚硝酸蚀刻剂粗糙化的样品3表面的SEM照片。在表面形成少量纹路。
图7是通过盐酸蚀刻剂粗糙化的样品4表面的SEM照片。该表面并未粗糙化。
图8是在35℃,0.15Mpa压力下喷射甲酸基有机酸蚀刻剂进行粗糙化的样品5表面的SEM照片。沿铜镍合金颗晶界形成数微米深的凹陷。
如上面指出的,通过使用铬酸的电解抛光或使用盐酸或亚硝酸蚀刻剂的蚀刻,不能使本发明的铜镍合金表面充分粗糙化。然而,根据本发明,用有机酸蚀刻剂粗糙化,可以蚀刻出凹陷形的铜镍合金晶界。
之后,将按照上述方式粗糙化了的宽150毫米,长500毫米,厚0.2毫米的铜镍合金板和2毫米厚度的铝板,通过加入了SiO2填料的环氧树脂绝缘材料叠压在一起。绝缘材料含有80%(重量)的SiO2填料,由双酚A环氧树脂形成。采用热压机,在180℃,4.9Mpa压力下热压60分钟,将铜镍合金板与绝缘材料粘合。绝缘层厚度为125微米。绝缘层完全固化后,用氯化铁将层叠后的铜镍合金板蚀刻成10×10毫米的尺寸。
在层叠板上焊上一个测定抗张强度的夹具,用张力试验仪测量抗张强度。样品1-3的粘合强度很低,为160N/cm2,但是样品5的粘合强度达到654N/cm2。
表1
样品 | 粘合强度(N/cm2) | |
1 | 通过#320非织造织物机械抛光 | 17.5 |
2 | 电解抛光 | 21 |
3 | 亚硝酸蚀刻剂 | 157 |
5 | 有机酸蚀刻剂 | 654 |
实施方案2
对实施方案1制造的层叠板,改变绝缘树脂层厚度,测定其击穿电压。表2列出测定结果。由表2可知,当绝缘树脂层3的厚度为50微米或更大时,可以达到对电阻器要求的绝缘强度(击穿电压)。
表2
厚度(微米) | 击穿电压(kVrms) |
50 | 6 |
100 | 9 |
150 | 11 |
200 | 15 |
本发明效果
根据本发明,使用铜镍合金制成的电阻合金板,可以将这种电阻器用于功率变流设备如换流器。本发明还制得了高精度检测电流的电阻器,其电阻不会随温度变化而明显变化。而且,通过有机酸蚀刻剂使铜镍合金表面粗糙化,可以提高其与包含大量无机填充材料的绝缘树脂层之间的粘合强度。另外,使用包含大量无机填充材料的绝缘树脂层制成的电阻器具有优良的散热特性和绝缘强度。
附图简述
图1是电阻器的剖面图。
图2是铜锰镍合金和铜镍合金的电阻温度系数与环境温度之间的关系图。
图3是铜镍合金板表面的SEM照片。
图4是用#320非织造织物抛光的铜镍合金板表面的SEM照片。
图5是经电解抛光粗糙化的铜镍合金板表面的SEM照片。
图6是用亚硝酸蚀刻剂粗糙化的铜镍合金板表面的SEM照片。
图7是用盐酸蚀刻剂粗糙化的铜镍合金板表面的SEM照片。
图8是用有机酸蚀刻剂粗糙化的铜镍合金板表面的SEM照片。部件表
1电阻器
2电阻合金板
3绝缘层
4散热金属板
Claims (6)
1.一种电阻器,包括:
电阻合金板,由以总重量为基准,包含42.0-48.0%重量的镍、0.3-2.5%重量的锰和铜,铜、镍和锰总含量不小于98%重量的合金构成,合金的晶界被蚀刻为凹形;
树脂绝缘层,叠压在所述电阻合金板上;
散热金属板,叠压在所述树脂绝缘层与电阻合金板接触的那一面的背面上。
2.如权利要求1所述的电阻器,其特征在于所述电阻合金板厚度为0.1毫米或更大。
3.如权利要求1或2所述的电阻器,其特征在于使用有机酸蚀刻剂对所述合金进行蚀刻。
4.如权利要求1或2所述的电阻器,其特征在于所述树脂绝缘层是含71-95%重量的无机填充材料的,并具有高热导率的环氧树脂。
5.如权利要求1或2所述的电阻器,其特征在于所述树脂绝缘层的厚度为50-200微米,击穿电压为5kVrms或更高。
6.如权利要求1或2所述的电阻器,其特征在于所述散热金属板由铜或铝构成。
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