JP2022091263A - シャント抵抗器、及びその実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化で、大電流に対応可能であり、精度良く電流検出を行うことができるシャント抵抗器、及びその実装構造を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のシャント抵抗器（１）は、プリント基板（３）に実装されるシャント抵抗器であって、電流経路となる複数の棒状抵抗体（４）が略平行に一体連結されてなることを特徴とする。本発明のシャント抵抗器１の実装構造は、上記に記載のシャント抵抗器を、プリント基板に実装する実装構造であって、プリント基板（３）は、対向する表面（６ａ）及び裏面（６ｂ）を有する基板本体（６）と、表面に形成された表面電極（７）と、裏面に形成された裏面電極（８）と、表面電極から裏面電極にかけて基板本体を貫く複数の貫通孔（９）と、を具備し、シャント抵抗器１の各棒状抵抗体が、各貫通孔に挿通されて、シャント抵抗器がプリント基板に支持される。【選択図】図４

Description

この発明は、シャント抵抗器及び、その実装構造に関する。

パワー半導体装置等の電流を検出するために、シャント抵抗器が用いられる。例えば、特許文献１に示すような板状の抵抗体と、その両端に設けられた電極とを備えた表面実装型のシャント抵抗器が知られている。特許文献１に示す表面実装型のシャント抵抗器では、電圧検出信号を、抵抗体の近傍に設けられたボンディングワイヤから取り出している。

国際公開２０１６／０６３９２８号

パワー半導体装置等の高電圧用途（電流検出）において、大電流に対応したシャント抵抗器が求められている。表面実装型のシャント抵抗器において、大電流通電に適応するには、シャント抵抗器が大型化する問題があった。

そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、小型で、大電流に対応可能であり、精度良く電流検出を行うことができるシャント抵抗器、及びその実装構造を提供することを目的とする。

本発明の一態様のシャント抵抗器は、プリント基板に実装されるシャント抵抗器であって、電流経路となる複数の棒状抵抗体が略平行に一体連結されてなることを特徴とする。

また、本発明の一態様のシャント抵抗器の実装構造は、上記に記載のシャント抵抗器を、プリント基板に実装する実装構造であって、前記プリント基板は、対向する第１の面及び第２の面を有する基板本体と、前記第１の面に形成された第１の電極と、前記第２の面に形成された第２の電極と、前記第１の電極から前記第２の電極にかけて前記基板本体を貫く複数の貫通孔と、を具備し、前記シャント抵抗器の各棒状抵抗体が、各貫通孔に挿通されて、前記シャント抵抗器が前記プリント基板に支持されることを特徴とする。

本発明のシャント抵抗器によれば、表裏に電極を備えたプリント基板に、シャント抵抗器を差し込む構造を採用し、このとき、複数の棒状抵抗体を一体連結して、複数の電流経路を確保可能な構造とした。これにより、小型化で、大電流に対応可能な構造にできる。

また、本発明のシャント抵抗器を用いた実装構造では、電圧信号検出回路に対し、シャント抵抗器に電流が流れた際に生じる磁束の影響を低減することができ、測定精度を向上させることができる。

図１は、第１の実施の形態に係るシャント抵抗器の正面図である。 図２は、第２の実施の形態に係るシャント抵抗器の正面図である。 図３は、本実施の形態のシャント抵抗器の実装構造の斜視図である。 図３に示すＡ－Ａ線に沿って厚さ方向に切断し、矢印方向から見たシャント抵抗器の実装構造の断面図である。 図１に示すシャント抵抗器をプリント基板に実装した際の断面図と、二点鎖線で囲った領域を拡大して示した部分拡大断面図である。 図２に示すシャント抵抗器をプリント基板に実装した際の断面図と、二点鎖線で囲った部分拡大断面図である。

まずは、本発明に至った背景や、本発明の概要について説明する。
＜本発明に至った背景について＞
従来より、パワー半導体装置等の電流を検出するために、シャント抵抗器が用いられるが、大電流の通電経路として、例えば、バスバーのような金属板が用いられ、これに接続する大型のシャント抵抗器が用いられている。

その一方で、銅箔厚が１ｍｍに達する厚銅を用いたプリント基板が登場するに至り、表面実装部品においても、大電流を通電・測定する技術が求められるようになった。

そこで、特許文献１に挙げたような表面実装型のシャント抵抗器においても、大電流を流すために大型化が必要とされる。

＜本発明のシャント抵抗器の概要＞
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、大電流に対応すべく、表裏面に電極を備えたプリント基板に実装可能で、且つ複数の電流経路を備えるシャント抵抗器を開発するに至った。

すなわち、本実施の形態におけるシャント抵抗器は、プリント基板に実装されるシャント抵抗器であって、電流経路となる複数の棒状抵抗体が略平行に一体連結されてなることを特徴とする。
以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係るシャント抵抗器について説明する。

＜本実施の形態のシャント抵抗器＞
図１は、第１の実施の形態に係るシャント抵抗器１の正面図である。図１に示すように、シャント抵抗器１は、２本の棒状抵抗体４、４と、各棒状抵抗体４を一体連結する連結部５と、を有して構成される。

図１に示すように、各棒状抵抗体４は、高さ方向（Ｚ方向）に向けて、略垂直に延びる棒状であり、且つＸ方向に所定の間隔を空けて略平行に配置されている。「棒状」とは、断面が円形状であることに限定されず、楕円形状や多角形状も含まれる。

棒状抵抗体４の高さ方向の長さ寸法は、後述するプリント基板３の厚みより大きい。棒状抵抗体４は、プリント基板３に形成される貫通孔９に挿通される部分であり、したがって、棒状抵抗体４の先端部４ａは、プリント基板３の裏面６ｂから外方にはみ出す（図４参照）。ここで、「先端部４ａ」とは、各棒状抵抗体４の両端部のうち、連結部５が連結された側とは反対側の端部を指す。

図１に示すように、各棒状抵抗体４の表面の一部には、電気絶縁性の保護膜１５が形成される。保護膜１５の材質を限定するものではないが、例えば、エポキシ樹脂やソルダーレジスト等である。第１の実施の形態では、各棒状抵抗体４に連続する曲面状の湾曲部５ａの部分にも保護膜１５が形成されることが好ましい。保護膜１５は、各棒状抵抗体４の先端部４ａには形成されていない。

また、保護膜１５が形成されていない湾曲部５ａや先端部４ａの各表面には、メッキ層が形成されることが好ましい。このメッキ層は、後述するプリント基板３の各電極とはんだ接合する領域に形成され、これにより、プリント基板３との間のはんだ付けを効果的に安定させることができる。メッキ層の材質を限定するものではないが、例えば、メッキ層は、Ｓｎめっきである。

各棒状抵抗体４を一体連結する連結部５は、各棒状抵抗体４と同じ径の抵抗体であることが好ましい。一例であるが、金属棒の両端を同じ方向に向けて折り曲げることで、２本の平行な棒状抵抗体４と、各棒状抵抗体４を一体連結する連結部５を備えたシャント抵抗器１を簡単に製造することができる。このとき、略一定の径を有する金属棒を折り曲げてシャント抵抗器１を形成することで、２本の棒状抵抗体４を同径に形成でき、したがって、各棒状抵抗体４に同量の電流を流すことができる。

ただし、本実施の形態では、金属棒を折り曲げてシャント抵抗器１を形成する構成に限定するものでなく、例えば、金型などを用いて、初めから、複数本の棒状抵抗体４と、各棒状抵抗体４の間を一体連結する連結部５と、を有するシャント抵抗器１を形成することもできる。

また、本実施の形態では、棒状抵抗体４が３本以上であってもよく、この場合は、各棒状抵抗体４の同じ側を連結部５にて一体的に連結した構造とされることが好ましい。これにより、複数の棒状抵抗体４をプリント基板３に差し込むことができ、且つ各棒状抵抗体４には、同じ方向に流れる電流経路を形成することができる。

また、材質を限定するものではないが、各棒状抵抗体４及び連結部５は、Ｃｕ－Ｎｉ系、Ｃｕ－Ｍｎ系、Ｎｉ―Ｃｒ系等の金属で形成される。

図２に示すシャント抵抗器１は、図１と異なって、連結部５の中央部に、各棒状抵抗体４の先端部４ａの方向に向けて突出するように折り曲げられた凸曲げ部５ｂが形成されている。凸曲げ部５ｂを設けた効果に関しては、後述する。

＜本実施の形態のシャント抵抗器の実装構造＞
図３は、本実施の形態のシャント抵抗器をプリント基板に実装した実装構造の斜視図であり、図４は、図３に示すＡ－Ａ線に沿って厚さ方向に切断し、矢印方向から見たシャント抵抗モジュールの断面図である。

図３に示すＸ方向及びＹ方向は、平面内にて直交する２方向を示し、Ｚ方向は、高さ方向を示す。シャント抵抗器１を実装するプリント基板３について説明する。

（プリント基板３）
図３及び図４に示すように、プリント基板３は、相対向する表面（第１の面）６ａと、裏面（第２の面）６ｂとを有する基板本体６と、基板本体６の表面６ａに形成された表面電極（第１の電極）７と、基板本体６の裏面６ｂに形成された裏面電極（第２の電極）８と、を有して構成される。基板本体６は、例えば既存のガラエポ基板であり、各電極７、８は、銅箔等である。電極７、８は、例えば、厚みが１ｍｍ程度ある。

図３、図４に示すように、表面電極７から裏面電極８にかけて基板本体６を貫く複数の貫通孔９が高さ方向（Ｚ方向）に向けて形成されている。これら貫通孔９は、シャント抵抗器１の棒状抵抗体４が挿通される穴である。したがって、貫通孔９は、抵抗体４と同数形成される。この実施の形態では、シャント抵抗器１の棒状抵抗体４は２本であるため、貫通孔９も２つ形成される。また、棒状抵抗体４の径や断面形状、及び各棒状抵抗体４の間隔に基づいて、貫通孔９の孔径や内部形状、及び各貫通孔９の間隔が規制される。

（シャント抵抗器１のプリント基板３への実装）
図３、図４に示すように、シャント抵抗器１の各棒状抵抗体４を、プリント基板３の各貫通孔９に挿通する。各棒状抵抗体４は、Ｘ方向に間隔を空けて夫々、平行に配置される。このため、シャント抵抗器１の各棒状抵抗体４を、プリント基板３の各貫通孔９に簡単に差し込むことができる。このとき、棒状抵抗体４の高さ方向（Ｚ方向）への長さは、プリント基板３の厚みよりも大きいため、棒状抵抗体４を貫通孔９に通すと、棒状抵抗体４の先端部４ａが、プリント基板３の裏面６ｂから外部に露出する（図４参照）。

また、シャント抵抗器１は、各棒状抵抗体４を一体連結する連結部５を有しているため、各棒状抵抗体４を、プリント基板３の各貫通孔９に挿通した際に、シャント抵抗器１が貫通孔９から抜け落ちる不具合を防止することができる。

図４に示すように、シャント抵抗器１は、プリント基板３の表面電極７との間、及び裏面電極８との間で、夫々、はんだ付けされ、半田層１０を介して、シャント抵抗器１と各電極７、８とが導通接続される。具体的には、シャント抵抗器１の湾曲部５ａ付近や湾曲部５ａに近い棒状抵抗体４付近と表面電極７との間がはんだ接合され、シャント抵抗器１の先端部４ａと裏面電極８との間がはんだ接合される。本実施の形態では、シャント抵抗器１のはんだ接合される表面に、メッキ層が形成されているため、より安定してはんだ付けすることができる。

図４に示すように、各電極７、８の表面には、半田層１０を形成する領域以外の部分に絶縁層１１が設けられており、半田層１０の形成領域が絶縁層１１により規制されている。

（本実施の形態のシャント抵抗器１、及びその実装構造の作用・効果について）
本実施の形態に示すシャント抵抗器１は、プリント基板３の貫通孔９に通して実装することができ、シャント抵抗器１を介して、プリント基板３の表面６ａから裏面６ｂにまたがる電流経路を形成することができる。

また、本実施の形態では、シャント抵抗器１には、複数本の棒状抵抗体４が設けられているため、複数の電流経路を確保することができ、より大きな電流の通電が可能になる。

すなわち、図３に示すように、プリント基板３の表面電極７から裏面電極８に向けて、プリント基板３の厚さ方向に貫く位置に、シャント抵抗器１の棒状抵抗体４を通すことで、表面電極７から裏面電極８にまたがる電流経路Ｃ１～Ｃ４を形成することができる。

本実施の形態では、シャント抵抗器１に複数本の棒状抵抗体４が設けられる。このため、表面電極７から裏面電極８に向けて複数の電流経路Ｃ２、Ｃ３を確保することができ、しかも棒状の抵抗体であるため、板状とするよりも、小型化しつつ、各棒状抵抗体４の断面が大きくなるように形成でき、棒状抵抗体４に流す電流量を増やすことができる。

このように、本実施の形態では、シャント抵抗器１をプリント基板３の厚み方向に差し込むとともに、複数の電流経路Ｃ２、Ｃ３を確保した構造としたことで、シャント抵抗器１の小型化、ひいては、シャント抵抗器１とプリント基板３を含むシャント抵抗モジュールの小型化・低背化を促進しつつ、より大きな電流の通電が可能になる。

また、本実施の形態のシャント抵抗器１は、各棒状抵抗体４に一体に連結する連結部５を有することで、電極７、８等に特段の工夫を凝らすことなく、シャント抵抗器１が貫通孔９から抜け落ちる不具合を防止することができる。

＜電圧信号を検出するための配線パターン１３について＞
続いて、電圧信号を検出するための配線パターン１３について説明するが、まずは、従来の問題点について、特許文献１を参照しながら説明する。すなわち、特許文献１では、電圧検出信号を、抵抗体近傍からワイヤボンディングにて取り出している。しかしながら、このような構造では、主電流の通電に伴って、シャント抵抗器の周囲に磁束が生じ、この磁束が変化すると、ワイヤボンディングで囲まれた領域に誘導起電力が発生し、この結果、測定誤差が生じる。また、大電流通電のために、シャント抵抗器を大型化していくと、測定誤差が益々大きくなる。

本実施の形態では、シャント抵抗器１の各棒状抵抗体４に電流が流れた際に、右ねじの法則により、各棒状抵抗体４の周囲に、磁束（磁場）Ｂが生じる（図４参照）。このとき、各棒状抵抗体４には同じ方向に電流が流れるため、各磁束Ｂの方向は、各棒状抵抗体４の間の位置では、互いに打ち消しあう（相殺する）方向に作用する。特に、各棒状抵抗体４は平行に形成されているので、適切に磁束を相殺させることができる。このため、裏面電極８から基板本体６の内部を通って、プリント基板３の表面６ａ側から引き出す、電圧信号を検出する配線パターン１３を、各棒状抵抗体４の間の位置、換言すれば、各貫通孔９の間の位置から引き出すことで、磁束の影響を極力小さくでき、その結果、測定誤差を小さくすることができる。

具体的には、以下の構造とすることができる。すなわち、図４に示すように、貫通孔９の間に位置する基板本体６には、表面６ａから裏面６ｂにかけて、プリント基板３の厚み方向（Ｚ方向）に向けてスルーホール１２が形成されており、そのスルーホール１２の内壁面に配線パターン（導電層）１３が形成されている。配線パターン１３は、裏面電極８とは電気的に接続されているが、表面電極７とは電気的に接続されていない。そして、配線パターン１３は、基板本体６の表面６ａにて、表面電極７と非接触の状態を保ちながら、電流の流れる方向と平行なＸ方向に延出して形成されている。

表面電極７と接続する電圧検出用の配線パターン（図示せず）と、裏面電極８と接続する配線パターン１３は、図示しない電流計に接続され、各配線パターンの間の電圧値、すなわち電極７、８間の電圧値を計測することができる。

上記したように、シャント抵抗器１の各棒状抵抗体４の周囲には磁束Ｂが生じるが、電圧信号検出用の配線パターン１３を２本の棒状抵抗体４の間の位置に通すことで、配線パターン１３、ひいては電圧信号検出回路に対する磁束の影響を弱めることができ、測定誤差を小さくすることができる。

また、各棒状抵抗体４（各貫通孔９）の中央の位置では、磁束Ｂがより確実に相殺されるため、配線パターン１３を中央の位置から引き出すことで、より効果的に、磁束Ｂの影響を抑制することができる。好ましくは、配線パターン１３を、２個のシャント抵抗器１の間の中心に配置することで、磁束Ｂのキャンセル効果が適切に発揮され、より効果的に、配線パターン１３への磁束の影響を抑制することができる。

本実施の形態では、複数本の棒状抵抗体４を備えたシャント抵抗器１を、プリント基板３に挿通するといった簡単な実装構造により、電圧信号検出回路に対し磁束の影響を小さくすることができる。

＜抵抗変化の抑制構造＞
図５は、図１に示すシャント抵抗器をプリント基板に実装した際の断面図と、二点鎖線で囲った領域を拡大して示した部分拡大断面図である。

既に説明したように、シャント抵抗器１に設けられた各棒状抵抗体４の表面の一部には、電気絶縁性の保護膜１５が設けられている。図５に示すように、棒状抵抗体４がプリント基板３に挿通されたときに、プリント基板３の内部に納まる位置に保護膜１５を設けることが好ましい。

これにより、シャント抵抗器１と各電極７、８との間で適切にはんだ付けを行うことができ、はんだ付けのばらつきによる抵抗値変化を抑制することができる。図５の部分拡大断面図に示すように、第１の実施の形態では、シャント抵抗器１の湾曲部５ａの位置でプリント基板３と接しやすいため、プリント基板３と接する湾曲部５ａの位置にも保護膜１５がかかるように形成することが好ましい。

図６は、図２に示すシャント抵抗器をプリント基板に実装した際の断面図と、二点鎖線で囲った部分拡大断面図である。

既に説明したように、図２に示すシャント抵抗器１は、連結部５の中央部に、各抵抗体４の先端部４ａの方向に向けて突出するように折り曲げられた凸曲げ部５ｂが形成されている。また、図２に示すように、シャント抵抗器１の各棒状抵抗体４の表面には、先端部４ａを除いて保護膜１５が形成されている。

図６に示すように、シャント抵抗器１の各棒状抵抗体４をプリント基板３の貫通孔に挿通した際、凸曲げ部５ｂがプリント基板３の表面に当接し、シャント抵抗器１がプリント基板３に対し位置決めされる。しかも、シャント抵抗器１の湾曲部５ａは、図４に比べてプリント基板３の表面から上方に位置し、図６の部分拡大断面図に示すように、湾曲部５ａが貫通孔９にかからず、プリント基板３と接しないため、保護膜１５を湾曲部５ａから外すことができ、より効果的に、はんだ付けのばらつきを低減することができる。

また、シャント抵抗器１の保護膜１５が形成されていない領域であって、プリント基板３の電極７、８とはんだ接合される領域に、メッキ層が形成されていることが好ましい。メッキ層の材質を限定するものではないが、例えば、メッキ層はＳｎめっきである。これにより、はんだ付けをより効果的に安定させることができる。

また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
下記に、上記実施の形態における特徴点を整理する。

上記実施の形態に記載のシャント抵抗器１は、プリント基板３に実装されるシャント抵抗器１であって、電流経路となる複数の棒状抵抗体４が略平行に一体連結されてなる。

本実施の形態のシャント抵抗器１の一態様は、金属棒の両端を同じ方向に折り曲げてなる。

また、本実施の形態のシャント抵抗器１の一態様は、複数の前記棒状抵抗体４と、前記棒状抵抗体４の間を繋ぐ連結部５と、を備え、前記連結部５には、前記棒状抵抗体４の前記連結部５が連結された側とは逆側の先端部４ａの方向に、突出するように折り曲げられた凸曲げ部を備える。

また、本実施の形態のシャント抵抗器１の一態様は、棒状抵抗体４の表面の一部に、電気絶縁性の保護膜１５が形成されている。

また、本実施の形態のシャント抵抗器１の一態様は前記プリント基板３の電極７、８とはんだ接合される領域に、メッキ層が形成されている。

また、本実施の形態のシャント抵抗器１の実装構造は、上記に記載のシャント抵抗器１を、プリント基板３に実装する実装構造であって、前記プリント基板３は、対向する第１の面（表面６ａ）及び第２の面（裏面６ｂ）を有する基板本体６と、前記第１の面に形成された第１の電極（表面電極７）と、前記第２の面に形成された第２の電極（裏面電極８）と、前記第１の電極から前記第２の電極にかけて前記基板本体を貫く複数の貫通孔９と、を具備し、前記シャント抵抗器１の各棒状抵抗体４が、各貫通孔９に挿通されて、前記シャント抵抗器１が前記プリント基板３に支持される。

また、本実施の形態のシャント抵抗器１の実装構造の一態様は、前記プリント基板３には、複数の前記貫通孔９の間に、前記第２の電極から前記基板本体６の内部を通って、前記第１の電極と非接触な位置の前記第１の面に引き出された電圧信号を検出するための配線パターン１３が形成されている。

また、本実施の形態のシャント抵抗器１の実装構造の一態様は、複数の前記貫通孔９の中央の位置から前記配線パターン１３が引き出される。

以上説明したように、本発明のシャント抵抗器、及びそれを用いた実装構造は、小型化で、大電流に対応可能であり、精度良く電流検出を行うことができ、例えば、パワー半導体装置等の制御用途の電流検出、バッテリーのエネルギーマネジメントに適用することができる。

１ シャント抵抗器
３ プリント基板
４ 棒状抵抗体
４ａ 先端部
５ 連結部
５ａ 湾曲部
５ｂ 凸曲げ部
６ 基板本体
６ａ 表面
６ｂ 裏面
７ 表面電極
８ 裏面電極
９ 貫通孔
１０ 半田層
１１ 絶縁層
１２ スルーホール
１３ 配線パターン
１５ 保護膜
Ｂ 磁束
Ｃ１～Ｃ４ 電流経路

Claims (8)

1. プリント基板に実装されるシャント抵抗器であって、
   電流経路となる複数の棒状抵抗体が略平行に一体連結されてなることを特徴とするシャント抵抗器。
2. 金属棒の両端を同じ方向に折り曲げてなることを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗器。
3. 複数の前記棒状抵抗体と、前記棒状抵抗体の間を繋ぐ連結部と、を備え、前記連結部には、前記棒状抵抗体の前記連結部が連結された側とは逆側の先端部方向に、突出するように折り曲げられた凸曲げ部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシャント抵抗器。
4. 前記棒状抵抗体の表面の一部に、電気絶縁性の保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のシャント抵抗器。
5. 前記プリント基板の電極とはんだ接合される領域に、メッキ層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のシャント抵抗器。
6. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のシャント抵抗器を、プリント基板に実装する実装構造であって、
   前記プリント基板は、対向する第１の面及び第２の面を有する基板本体と、前記第１の面に形成された第１の電極と、前記第２の面に形成された第２の電極と、前記第１の電極から前記第２の電極にかけて前記基板本体を貫く複数の貫通孔と、を具備し、
   前記シャント抵抗器の各棒状抵抗体が、各貫通孔に挿通されて、前記シャント抵抗器が前記プリント基板に支持されることを特徴とするシャント抵抗器の実装構造。
7. 前記プリント基板には、複数の前記貫通孔の間に、前記第２の電極から前記基板本体の内部を通って、前記第１の電極と非接触な位置の前記第１の面に引き出された電圧信号を検出するための配線パターンが形成されていることを特徴とする請求項６に記載のシャント抵抗器の実装構造。
8. 複数の前記貫通孔の中央の位置から前記配線パターンが引き出されることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のシャント抵抗器の実装構造。
   

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