JP2002175901A

JP2002175901A - 抵抗器

Info

Publication number: JP2002175901A
Application number: JP2000370615A
Authority: JP
Inventors: Kenji Okamoto; 健次岡本; Kazuhiko Imamura; 一彦今村; Mayumi Matsumoto; 真弓松本; Yuzo Saito; 祐蔵斎藤; Atsushi Fujiki; 淳藤木
Original assignee: SEIDEN TECHNO CO Ltd; Fuji Electric Co Ltd; Nitto Shinko Corp
Current assignee: SEIDEN TECHNO CO Ltd; Fuji Electric Co Ltd; Nitto Shinko Corp
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2002-06-21
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: US6528860B2; CN1359111A; JP3803025B2; CN1256736C; US20020140038A1; DE10159587B4; DE10159587A1

Abstract

(57)【要約】【課題】温度変化による抵抗値の変化が少なく、かつ
絶縁耐力に優れた高精度の電流検出用抵抗器の提供。【解決手段】電気抵抗用合金板と放熱用金属板とが樹
脂絶縁層を介して積層構造となっている電気用抵抗器に
おいて、その電気抵抗用合金板は、ニッケルと銅とを含
む合金で形成され、その合金の結晶粒界を凹状にエッチ
ングすることによって樹脂絶縁層と接着されていること
を特徴とする抵抗器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインバータ装置等の
電力変換装置における電流検出用抵抗器に属する。

【０００２】

【従来の技術】インバータまたはＩＧＢＴ素子等が実装
されたパワーモジュール等の電力変換機では、数Ａ〜４
００Ａ程度までの大電流を精度よく検出するため０．１
ｍΩ〜１００ｍΩ程度の高精度の電気用抵抗器が用いら
れる。電力変換機は大電流のため抵抗器で発生する電力
も大きく、放熱が必要である。この放熱の手段として、
図１に示すような抵抗用合金板２と放熱用金属板４を樹
脂絶縁層３を介し積層した構造の抵抗器が用いられる。
このような３層の積層構造からなる抵抗器は特公平３−
１６７９９号や特開平１０−１４９９０１号公報に示さ
れている。

【０００３】抵抗用合金には電流を精度よく検出するた
めに抵抗率の大きい、銅・マンガン系合金、銅・マンガ
ン・ニッケル系合金、または銅・ニッケル系合金が用い
られる。そのような銅・マンガン・ニッケル系合金とし
ては、たとえばマンガニンが知られている。また、銅・
ニッケル系合金としては、コンスタンタン等の他に、少
量のＭｎ、Ｆｅ、Ｓｉを含有するアドバンス、アイデア
ル等の商品名で知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の積
層タイプの抵抗器では次に示す課題があった。

【０００５】図２に代表的な銅・マンガン・ニッケル系
合金であるマンガニン（銅８５％、マンガン１２％、ニ
ッケル２％および鉄１％の合金）と銅・ニッケル系合金
（銅５５％、ニッケル４４％、マンガン２％の合金）の
各温度における抵抗温度係数を示す。従来から比較的一
般的に用いられてきた銅・マンガン系合金もしくは銅・
マンガン・ニッケル系合金の抵抗温度係数は周囲温度が
常温〜６０℃の場合は、絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下の
範囲できわめて小さいが、その範囲外の高温領域や低温
領域では周囲温度とともに大きくなる。それに対して、
銅・ニッケル系合金の場合は抵抗温度係数が周囲温度に
関わらず、絶対値が１５ｐｐｍ／℃以下で一定である。
したがって、周囲温度が１００℃まで上昇する電力変換
機器では、高温領域において抵抗温度係数が小さい銅・
ニッケル系合金を用いることが要望されている。

【０００６】抵抗用合金板２は電流が流れた時にジュー
ル熱が発生する。電力変換機用抵抗器では電流を正確に
測定するために、および発生熱で電力変換機内の内気温
度を上昇させないためにも抵抗用合金板２の温度上昇は
低くおさえる必要がある。積層タイプの抵抗器では、発
生熱を樹脂絶縁層３を介し放散させ冷却させる。したが
って樹脂絶縁層３の熱伝導率はできるだけ高いことが望
まれる。

【０００７】熱伝導率を上げるには無機充填材の添加量
が多いほど有利である。しかしながら、従来の積層タイ
プの抵抗器で用いられている樹脂材料中の無機充填材の
添加量が多くても７０重量％であり、熱伝導率が低く熱
抵抗が高いために、冷却性が十分でない。ここで放熱性
を向上させるために、無機充填材の添加量が８０〜９０
重量％程度の高充填の樹脂材料を用いると、充填材と金
属面との接触が多くなり、抵抗用合金板２との接着性が
低下することが知られている。接着性を向上させるため
に、通常、接着面を凹凸にする粗化処理が行われる。プ
リント基板に用いられる電解銅箔等は５〜１５μｍの凹
凸が形成されており無機充填材の添加量が８０〜９０重
量％程度の高充填の樹脂材料でもアンカー効果は強い。
圧延銅箔の場合は表面が平滑であるので通常黒化処理と
呼ばれる酸化銅の針状結晶を表面に成長させ凹凸を形成
する。また最近は銅表面に数μｍの凹凸を形成するマイ
クロエッチングと呼ばれる粗化処理が施されるようにな
ってきた。

【０００８】従来の積層タイプの抵抗器で用いられる抵
抗用合金板２は圧延板であるので、その表面は平滑であ
る。したがって圧延箔のように粗化処理を施さないと凹
凸は形成できない。前述の銅・マンガン系合金もしくは
銅・マンガン・ニッケル系合金は銅の組成比が８２％〜
８５％と多く含まれるので、圧延銅箔のように黒化処理
やマイクロエッチング処理が施しやすい。それに対し
て、抵抗温度係数が広い温度範囲で低くかつ一定である
銅・ニッケル系合金は、本来酸化されにくい材料であ
り、銅・マンガン系合金もしくは銅・マンガン・ニッケ
ル系合金のように粗化処理を行なうのが極めて困難であ
った。

【０００９】また効率的に冷却できるように抵抗器を直
接パワーモジュールのアース電位となる金属板に搭載す
る場合、絶縁樹脂層３には電力変換機の回路電圧が加わ
りその値は、最大で１０００Ｖｐ（ピーク電圧）程度に
なる場合がある。したがって、絶縁樹脂層３には、高い
絶縁耐力を有すること、およびその絶縁耐力を長期にわ
たって維持することが必要である。

【００１０】本発明の目的は、抵抗用銅・ニッケル系合
金板と熱伝導性樹脂材の接着強度が高く、低熱抵抗で冷
却性に優れ、かつ絶縁性に優れた電力変換装置用の抵抗
器を提供することにある。

【００１１】本発明の目的は、抵抗温度係数が広い温度
範囲で小さく、精度の高い電流検出ができ、抵抗板と熱
伝導性樹脂材の接着強度が高く、高熱伝導で冷却性が優
れ、かつ絶縁性に優れた電力変換装置用の抵抗器を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】電気抵抗用合金板２と放
熱用金属板４が樹脂絶縁層３を介して積層構造となって
いる電気用抵抗器において、上記抵抗合金板は、全重量
を基準として４２．０〜４８．０質量％のニッケル、
０．３〜２．５質量％のマンガン、銅を含み、銅、ニッ
ケルおよびマンガンの含有量の合計が９８質量％以上で
ある合金で形成され、厚みが０．１ｍｍ以上からなる板
状であり、その結晶粒界を凹状にエッチングすることに
よって樹脂絶縁層と接着されていることを特徴とする抵
抗器に係わるものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明に用いることができる銅・
ニッケル系合金は、合金の全重量を基準としてニッケル
を４０〜５０質量％、および銅を６０〜５０質量％を含
む合金である。より好ましくは、ニッケルを４２．０〜
４８．０質量％、および銅を５８．０〜５２．０質量％
含む。銅・ニッケル系合金は、銅およびニッケルから主
として構成されるが、その抵抗温度係数の絶対値を増加
させないことを条件として、少量の他の金属（Ｍｎ、Ｆ
ｅ、Ｓｉ等）をさらに含有してもよい。たとえば、本発
明の銅・ニッケル系合金は、合金の全重量を基準とし
て、４２．０〜４８．０質量％のニッケル、０．３〜
２．５質量％のマンガン、銅を含み、銅、ニッケルおよ
びマンガンの含有量の合計が９８質量％以上であること
ができる。上記の組成を有する銅・ニッケル系合金は、
−５０℃から２００℃の範囲内の温度において、±２０
ｐｐｍ／℃の範囲内、好ましくは−１５〜＋１５ｐｐｍ
／℃の範囲内の抵抗温度係数を有する。

【００１４】本発明において、銅・ニッケル系合金から
形成される電気抵抗用合金板２は、０．１ｍｍ以上の厚
さを有し、好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さを
有する。

【００１５】本発明の銅・ニッケル系合金から形成され
る電気抵抗用合金板２は、好ましくは有機酸系エッチン
グ剤を用いて粗化処理を受ける。本発明の有機酸系エッ
チング剤に用いることができる有機酸は、ギ酸、酢酸、
プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸等の飽和脂肪
酸、アクリル酸、クロトン酸、イソクロトン酸等の不飽
和脂肪酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル
酸、アジピン酸、ピメリン酸等の脂肪族飽和ジカルボン
酸、マレイン酸などの脂肪族不飽和ジカルボン酸、安息
香酸、フタル酸、桂皮酸等の芳香族カルボン酸、グリコ
ール酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸等のオキシカルボン
酸、スルファミン酸、β−クロロプロピオン酸、ニコチ
ン酸、アスコルビン酸、ヒドロキシピバリン酸、レブリ
ン酸等の置換基を有するカルボン酸、およびそれらの誘
導体を含む。これら有機酸は、単独または２種以上の併
用で用いることができる。本発明において好ましいもの
は、ギ酸ベースの有機酸系エッチング剤である。有機酸
系エッチング剤は、必要に応じて添加剤（第２銅イオン
源、ハロゲンイオン源など）を含有することができる。
本発明において好ましい有機酸系エッチング剤は、有機
酸、第２銅イオン源およびハロゲンイオン源を組み合わ
せたものを１０〜２０質量％含有し、３．０〜３．５の
ｐＨを有する水溶液である。

【００１６】粗化処理は、用いる有機酸系エッチング剤
の種類および濃度に依存するが、一般的に３０秒〜３分
間にわたって行われる。また、粗化処理は、通常２５℃
〜４０℃の範囲内の温度において、より好ましくは３０
〜４０℃の範囲内の温度において、スプレー圧０．１５
〜０．２ＭＰａでエッチング剤を吹き付けることにより
行うことができる。

【００１７】上記の粗化処理により、銅・ニッケル系合
金の結晶粒界に沿って深さ数μｍの凹状の谷が形成され
る。すなわち、銅・ニッケル系合金の表面が粗面化さ
れ、引き続いて行われる絶縁樹脂層３との接着性が向上
する。

【００１８】本発明において用いられる絶縁樹脂層３
は、無機充填材を含有するエポキシ樹脂から構成され
る。絶縁樹脂層３は、電気抵抗用合金板２から放熱用金
属板４への伝熱を効率よく行う必要性があるので、高い
熱伝導性（低い熱抵抗）を有する必要がある。その高い
熱伝導性を実現するために、本発明の絶縁樹脂層３は、
７１質量％〜９５質量％（絶縁樹脂層総重量を基準とし
て）、好ましくは７１質量％〜９０質量％（絶縁樹脂層
総重量を基準として）の無機充填材を含有する。

【００１９】本発明において用いられるエポキシ樹脂
は、ビスフェノールＡ系エポキシ樹脂、またはビスフェ
ノールＡ系エポキシ樹脂とフェノールノボラック系エポ
キシ樹脂との混合物を含む。また、本発明において用い
られる無機充填材は、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＢＮ，Ａｌ
Ｎ，ＭｇＯ、およびそれらの混合物からなるものを含
む。

【００２０】本発明の絶縁樹脂層３は、分散液または溶
液の形態で調製し、電気抵抗用合金板２または放熱用金
属板４に塗工することができる。溶剤としては、メチル
エチルケトンまたはトルエンを用いることができる。

【００２１】前述のように、パワーモジュールのアース
電位となる金属板に本発明の抵抗器を直接搭載する場
合、絶縁樹脂層３に対して、最大で１０００Ｖｐ（ピー
ク電圧）程度の電圧が印加される可能性がある。したが
って、絶縁樹脂層３は、高い絶縁耐力を有し、それを長
期にわたって維持することが求められる。また、絶縁樹
脂層３は、電気抵抗用合金板２および放熱用金属板４に
対して、良好な接着性を有することが求められる。それ
らの特性を満足させるために、絶縁樹脂層３は、５０μ
ｍ〜２００μｍの範囲内の厚さ、好ましくは５０μｍ〜
１５０μｍの範囲内の厚さを有する。また、上記の組成
および厚さを有して作成される本発明の絶縁樹脂層３
は、５ｋＶｒｍｓ（平方自乗平均電圧）以上、好ましく
は６ｋＶｒｍｓ以上の絶縁耐力を有する。上記範囲の絶
縁耐力を有するので、本発明の抵抗器は、パワーモジュ
ールのアース電位となる金属板に直接搭載された場合に
おいても、長期にわたって絶縁破壊を起こすことがな
い。

【００２２】本発明においては、放熱用金属板４とし
て、その高い熱伝導性により、銅またはアルミニウムか
らなる金属板を用いることが好ましい。放熱用金属板４
の絶縁樹脂層３との接着面は、抵抗用合金板２と同様
に、熱伝導性樹脂（絶縁樹脂層３）との接着力を得るた
めに粗化処理が必要である。いずれの材料を用いる場合
にも一般的な処理を用いることができる。銅を用いる場
合には、黒化処理と呼ばれる針状結晶を形成する酸化処
理を行ない、表面を凹凸にすることができる。アルミニ
ウムを用いる場合には、アルマイト処理を行ない凹凸を
形成することができる。また、放熱用金属板４の絶縁樹
脂層３とは反対側の面に、フィンないし小柱を設けて、
表面積を増大させ、それによって放熱効率を向上させる
ことができる。

【００２３】絶縁樹脂層３と電気抵抗用合金板２との接
着、および絶縁樹脂層３と放熱用金属板４との接着は、
加熱プレスによって行うことができる。絶縁樹脂層３を
放熱用金属板４に塗工し、樹脂が半硬化した状態に乾燥
させたものを、電気抵抗用合金板２に積層して加熱プレ
ス中で接着を行うことができる。あるいはまた、絶縁樹
脂層３を電気抵抗用合金板２に塗工し、樹脂が半硬化し
た状態に乾燥させたものを、放熱用金属板４に積層して
加熱プレス中で接着を行ってもよい。さらに別法とし
て、絶縁樹脂層３をＰＥＴ等の一時的支持体上に塗工
し、樹脂が半硬化した状態に乾燥させた絶縁樹脂層供与
シートを用いることができる。この場合には、電気抵抗
用合金板２または放熱用金属板４のいずれかに対して、
絶縁樹脂層３が密着するように絶縁樹脂層供与シートを
載置し、熱の印加などにより絶縁樹脂層３と電気抵抗用
合金板２または放熱用金属板４とを仮接着させ、引き続
いて一時的支持体を剥離することによって、絶縁樹脂層
３と電気抵抗用合金板２または放熱用金属板４との積層
体を形成することができる。該積層体に対して、放熱用
金属板４または電気抵抗用合金板２を積層し、加熱プレ
ス中において接着を行うことで本発明の抵抗器を形成す
ることができる。加熱プレス中での接着は、６０分間に
わたって、１８０℃の温度および４．９ＭＰａ（５０ｋ
ｇｆ／ｃｍ²）の圧力を印加することによって実施され
る。

【００２４】最後に、電気抵抗用合金板２である銅・ニ
ッケル板は塩化第二鉄，塩化銅などの薬品でエッチング
処理され、所定のパターンに形成される。形成された各
パターンを、プレス加工もしくはＶカット加工により分
割し、単体の抵抗器を形成する。

【００２５】［実施例１］銅５４．５質量％、ニッケル
４３．７質量％、およびマンガン１．８質量％の組成を
有し、かつ０．２ｍｍの厚さを有する銅・ニッケル系合
金板を用いて、その表面の粗化処理を検討した。各種の
方法による粗化処理の結果を、図３〜図８のＳＥＭ写真
（２０００倍）によって示す。

【００２６】図３は、未処理の銅・ニッケル系合金板の
表面のＳＥＭ写真である。圧延加工により銅・ニッケル
系合金板表面は平滑である。

【００２７】図４は、＃３２０の不織布で機械的に研磨
したサンプル１の表面のＳＥＭ写真である。筋状の傷が
若干増えているが、凹凸は形成されていない。

【００２８】図５は、クロム酸を用いた電解研磨で処理
したサンプル２の表面のＳＥＭ写真である。同様に、銅
・ニッケル系合金板の表面は凹凸が形成されていない。

【００２９】図６は、硝酸系のエッチング剤で粗化処理
を行なったサンプル３の表面のＳＥＭ写真である。若干
凹凸が形成されている。

【００３０】図７は、塩酸系のエッチング剤で粗化処理
を行なったサンプル４の表面のＳＥＭ写真である。凹凸
は形成されていない。

【００３１】図８は、３５℃の温度において、ギ酸ベー
スの有機酸系のエッチング剤をスプレー圧０．１５ＭＰ
ａで吹き付けることにより、粗化処理を行なったサンプ
ル５の表面のＳＥＭ写真である。銅・ニッケル系合金の
結晶粒界に沿って深さ数μｍの谷が形成されている。

【００３２】以上のように、本発明の銅・ニッケル系合
金は、従来法であるクロム酸による電解研磨、硝酸系お
よび塩酸系のエッチング剤による処理では、その表面を
充分に粗面化することができなかった。しかし、本発明
にしたがって有機酸系のエッチング剤による銅・ニッケ
ル系合金の粗化処理を行うことによって、銅・ニッケル
系合金の結晶粒界を凹状態にエッチングできることが明
らかとなった。

【００３３】次に上記の各粗化処理を施した幅１５０ｍ
ｍ，長さ５００ｍｍ，厚み０．２ｍｍの銅・ニッケル系
合金板を、ＳｉＯ₂フィラー充填エポキシ樹脂絶縁材を
介して厚さ２ｍｍのアルミ板と積層した。該絶縁材は、
８０質量％のＳｉＯ₂フィラーを含有し、エポキシ樹脂
はビスフェノールＡ系であった。加熱プレス機を用い
て、６０分間にわたって、１８０℃の温度および４．９
ＭＰａの圧力を印加して接着を行った。絶縁層の厚みは
１２５μｍであった。絶縁層の硬化が完了した後に、積
層板の銅・ニッケル系合金板を、１０×１０ｍｍの大き
さに塩化第二鉄でエッチング加工した。

【００３４】該積層板に引張強度を測定するための治具
をはんだ付けし、引張強度を引張試験装置で評価した。
その結果を表１に示す。サンプル１〜３までは接着強度
が１６０Ｎ／ｃｍ²以下と得られなかったが、サンプル
５では６５４Ｎ／ｃｍ²と高い値が得られた。

【００３５】

【表１】

【００３６】［実施例２］実施例１で作成した積層板に
おいて、その絶縁樹脂層３の厚さを変化させて、絶縁破
壊電圧を測定した。結果を表２に示す。表２に示される
ように、絶縁樹脂層３が５０μｍ以上の厚さを有する際
に、抵抗器に必要とされる絶縁耐力（絶縁破壊電圧）を
実現できることが分かった。

【００３７】

【表２】

【００３８】

【発明の効果】本願発明にしたがって、銅・ニッケル系
合金からなる電気抵抗用合金板を用いることにより、イ
ンバータ装置等の電力変換装置に用いることができる、
温度変化による抵抗値の変化が少なく、高精度の電流検
出用抵抗器を得ることが可能となる。また、有機酸系の
エッチング剤を用いて銅・ニッケル系合金の表面の粗面
化を行い、該合金と無機充填材を多く含有する絶縁樹脂
層との間の接着強度を高めることができる。さらに、無
機充填材を多く含有する絶縁樹脂層を用いることによ
り、放熱特性に優れ、かつ絶縁耐力に優れた抵抗器を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】抵抗器の断面図である。

【図２】銅・マンガン系合金および銅・ニッケル系合金
の周囲温度と抵抗温度係数との関係を示したグラフであ
る。

【図３】銅・ニッケル系合金板の粗化処理前の表面のＳ
ＥＭ写真である。

【図４】銅・ニッケル系合金板を＃３２０の不織布で機
械的に研磨した場合のＳＥＭ写真である。

【図５】銅・ニッケル系合金板を電解研磨で粗化処理し
た場合のＳＥＭ写真である。

【図６】銅・ニッケル系合金板を硝酸系のエッチング剤
で粗化処理した場合のＳＥＭ写真である。

【図７】銅・ニッケル系合金板を塩酸系のエッチング剤
で粗化処理した場合のＳＥＭ写真である。

【図８】銅・ニッケル系合金板を有機酸系のエッチング
剤で粗化処理した場合のＳＥＭ写真である。

【符号の説明】

１抵抗器２抵抗用合金板３絶縁層４放熱用金属板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本健次神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者今村一彦神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者松本真弓東京都町田市原町田１丁目２番23号セイデンテクノ株式会社内 (72)発明者斎藤祐蔵東京都町田市原町田１丁目２番23号セイデンテクノ株式会社内 (72)発明者藤木淳福井県坂井郡丸岡町舟寄110号１番地１日東シンコー株式会社内Ｆターム(参考） 5E028 AA10 BA30 BB01 GA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全重量を基準として４２．０〜４８．０
質量％のニッケル、０．３〜２．５質量％のマンガン、
および銅を含み、銅、ニッケルおよびマンガンの含有量
の合計が９８質量％以上である合金で形成され、および
前記合金の結晶粒界を凹状にエッチングされている電気
抵抗用合金板と、前記電気抵抗用合金板に積層されている樹脂絶縁層と、前記樹脂絶縁層の、前記電気抵抗用合金板とは反対側の
面に積層されている放熱用金属板とを備えたことを特徴
とする電気用抵抗器。
【請求項２】上記電気抵抗用合金板は、０．１ｍｍ以
上の厚さを有する板状であることを特徴とする請求項１
に記載の電気用抵抗器。
【請求項３】前記エッチングは、有機酸系エッチング
剤を用いて実施されていることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の電気用抵抗器。
【請求項４】前記樹脂絶縁層は、無機充填剤を７１質
量％から９５質量％含有する高熱伝導性のエポキシ樹脂
であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気
用抵抗器。
【請求項５】前記樹脂絶縁層は、５０μｍ〜２００μ
ｍの範囲の厚さと、５ｋＶｒｍｓ以上の絶縁破壊電圧を
有していることを特徴とする請求項１または２に記載の
電気用抵抗器。
【請求項６】前記放熱用金属板は、銅またはアルミニ
ウムからなることを特徴とする請求項１または２に記載
の電気用抵抗器。