JP4673750B2 - 金属板抵抗器および抵抗体 - Google Patents

Description

本発明は、金属板抵抗器に係り、特にセラミックス基板に実装される電流検出用抵抗器として、好適に用いることができる金属板抵抗器およびその抵抗体に関する。

金属板抵抗器は、銅・ニッケル系合金、銅・マンガン系合金、鉄・クロム系合金、ニッケル・クロム系合金等の板体状の抵抗合金からなる抵抗体の両端部に、銅等の高導電性金属板体からなる電極を接合して構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１８４６０１号公報

ここで、抵抗合金の線熱膨張係数は一般的に８〜２０［×１０^−６／Ｋ］であり、セラミックス基板の線熱膨張係数は一般的に５〜７［×１０^−６／Ｋ］であり、大きな差がある。そのため、セラミックス基板に金属板抵抗器が実装されたモジュールに関しては、金属板抵抗器に急な温度変化が生じた場合や、長期間使用した場合には、両者間の熱膨張係数の差によって、最も強度が弱い金属板抵抗器の電極実装面（半田部）にクラックが生じ、オープンになる場合があるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、金属板抵抗器を電流検出用抵抗器として、セラミックス基板に実装する場合にも、金属板抵抗器とセラミックス基板との熱膨張係数の相違による電極実装面における歪みの発生を防止することができる、セラミックス基板に対する実装性の良好な抵抗体、および該抵抗体を用いた金属板抵抗器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、本発明のセラミックス基板に実装するのに好適な金属板抵抗器は、抵抗合金層と、該抵抗合金層よりも低い熱膨張係数の低膨張合金層とを積層した抵抗体と、前記抵抗体の両端部に接合した電極と、を備えたことを特徴とする。ここで、前記低膨張合金層の熱膨張係数は７×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましい。

抵抗合金層と、該抵抗合金層よりも低い熱膨張係数の低膨張合金層とを積層した抵抗体とすることで、抵抗合金層だけでは実現できない、抵抗体としての低い熱膨張係数が得られる。これにより、金属板抵抗器の抵抗体の熱膨張係数を、セラミックス基板のそれに近づけることが可能となり、上記の問題が解決される。一方、抵抗合金層よりも低い熱膨張係数の低膨張合金層だけを抵抗体として使用した場合に比べて、抵抗体としての抵抗温度係数（ＴＣＲ）を低くすることができる。このため、より抵抗体として適した特性を得ることができる。また、本発明の抵抗体によれば、使用するセラミックス基板の熱膨張係数にあわせて、金属板抵抗器の抵抗体の熱膨張係数を合成する設計が可能になる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態の金属板抵抗器を示す。銅・ニッケル系合金、銅・マンガン系合金、鉄・クロム系合金、ニッケル・クロム系合金等の板体状の抵抗合金からなる抵抗合金層１１と、ニッケル・鉄系合金、または、ニッケル・コバルト・鉄系合金からなる板体状の低い熱膨張係数の低膨張合金層１２とが積層して抵抗体１０が形成されている。抵抗体１０の両端部下面に、銅等の高導電性金属からなる電極１３が接合され、金属板抵抗器が構成されている。電極１３の下面には、はんだメッキ等のメッキ層が形成され、セラミックス基板等の実装基板に、はんだ接合により実装される。

低膨張合金層の材料の選択としては、セラミックス基板の線熱膨張係数は一般的に５〜７［×１０^−６／Ｋ］であり、抵抗合金の線熱膨張係数は一般的に８〜２０［×１０^−６／Ｋ］であるので、抵抗合金層と低膨張合金層と合成熱膨張係数が上記セラミックスの熱膨張係数に近くなる熱膨張係数を有する合金を選択する。低膨張合金層１２は、上述のように、ニッケル・鉄系合金、または、ニッケル・コバルト・鉄系合金からなる熱膨張係数の低い材料により構成される。

より具体的には、ニッケル・鉄系合金としては、４２Ｎｉ−Ｆｅ（４２アロイ）や、３６Ｎｉ−Ｆｅ（インバー）が選択できる。ニッケル・コバルト・鉄系合金としては、２９Ｎｉ−１７Ｃｏ−Ｆｅ（コバール）や、３２Ｎｉ−４Ｃｏ−Ｆｅ(スーパーインバー)が選択できる。また、Ｎｉ−Ｃｏが４１−４３％であり、Ｍｎが０．７−１．２５％であり、Ｓｉが０．３％以下であり、残余がＦｅである合金（４２インバー）が選択できる。なお、以上の合金には、他の添加物や不純物が含まれる場合がある。これらの合金は、熱膨張係数が７×１０^−６／Ｋ以下の材料である。例えば、スーパーインバー（商品名）は、その熱膨張係数が０．７×１０^−６／Ｋ程度である。

この実施形態においては、抵抗体１０は、抵抗合金層１１を低膨張合金層１２，１２で上下からサンドイッチ状に挟んだものである。抵抗体１０の厚みは０．４ｍｍであり、電極１３の厚みは０．２ｍｍである。

熱膨張係数を低減させるとともにＴＣＲ値に影響が大きくないようにするため、抵抗合金層１１の電気抵抗率が、低熱膨張合金層１２の電気抵抗率より小さいことが望ましく、更にこれらの電気抵抗率の差が大きい方がより望ましい。なお、抵抗合金層１１の電気抵抗率が、低熱膨張合金層１２の電気抵抗率より大きい場合でも、各層厚を変えることで、ＴＣＲ特性への対応が可能である。

実施例１として、抵抗合金層１１に銅・ニッケル系合金（ＣＮ４９）を用い、低膨張合金層１２にスーパーインバー（商品名）（商標「ＩＮＶＡＲ」国際登録０３２３７５５）を用い、各層の厚みの比を、
上層低膨張合金層：抵抗合金層：下層低膨張合金層＝３．１：３．８：３．１
とした。

この場合、抵抗体１０の合成熱膨張係数α_Compoundは、下記式により求められる。

ここで、
α：熱膨張係数
Ｅ：ヤング率
Ｖ：体積率
すなわち、抵抗体１０の熱膨張係数は、抵抗合金層１１と低膨張合金層１２の性質（熱膨張係数、ヤング率、体積率）から算出することができる。

そして、抵抗体１０の合成ＴＣＲ_Compoundは、下記式により求められる。

実施例２として、抵抗合金層１１に鉄・クロム系合金を用い、低膨張合金層１２にスーパーインバー（商品名）を用い、各層の厚みの比を、
上層低膨張合金層：抵抗合金層：下層低膨張合金層＝２．５：５．０：２．５
とした。

実施例３として、抵抗合金層１１に銅・マンガニン系合金を用い、低膨張合金層１２にスーパーインバー（商品名）を用い、各層の厚みの比を、
上層低膨張合金層：抵抗合金層：下層低膨張合金層＝２．５：５．０：２．５
とした。

上記各実施例における抵抗材料及び低膨張合金材料の電気抵抗率、抵抗温度係数（ＴＣＲ）、熱膨張係数は下表に示すとおりとなる。

実施例１，２，３について、シミュレーションにより、合成電気抵抗率、合成抵抗温度係数ＴＣＲ_Compound、合成熱膨張係数α_Compoundを求めた結果は、下記に示すとおりである。

以上の通り、いずれも抵抗合金のみの場合と比較して熱膨張係数が大きく改善され、セラミックス基板の熱膨張係数である５〜７×１０^−６／Ｋに近い特性が得られることが分かる。

図２は、図１に示す実施形態の変形例を示す。（ａ）は、上下層を抵抗合金層１１とし、中間層を低膨張合金層１２として、サンドイッチ状に挟み込んで抵抗体１０を形成した例を示す。（ｂ）は、上層を抵抗合金層１１とし、下層を低膨張合金層１２とした例である。（ｃ）は、上層を低膨張合金層１２とし、下層を抵抗合金層１１とした例である。（ｄ）は、抵抗合金層１１と低膨張合金層１２をそれぞれ交互に複数積層した例である。図示の場合は、４層の抵抗合金層１１と、各抵抗合金層間に３層の低膨張合金層層１２を形成している。この逆でも勿論よい。

次に、上記抵抗体１０を備えた金属板抵抗器の製造方法について説明する。まず、抵抗合金層を形成するための抵抗合金からなる薄板と低膨張合金層を形成するための熱膨張係数の低い低膨張合金からなる薄板を重ねて、加圧（０．０１〜５００ｔ）、及び加熱（６００℃〜１２００℃）を行って接合する。これにより、抵抗合金層と低膨張合金層とが積層され、その接合は、拡散接合または固相接合によるものである。

上記実施例１に示す構造の抵抗体１０を形成するためには、銅・ニッケル系合金の薄板をインバーの薄板で挟み込み、加圧及び加熱して、抵抗体（積層体）を形成する。さらに、抵抗体（積層体）の薄板と、電極用材料（例えば銅）の薄板とを重ねて圧延し、クラッド材を得る。そして、化学的エッチングにより電極用材料の不要部分を除去し、抵抗体１０の両端部に電極１３，１３を分離する。

その他の方法としては、抵抗体材料に２列の電極用材料を接合して、電極１３，１３を形成してもよく、また、フライス盤などを使った切削により電極１３，１３を分離してもよい。このとき、電極１３，１３は分離させるが、低膨張合金層１２は全部を切削しないで一部を残すようにする（つまり、抵抗合金層が切削により露出しないようにする）。下側の低膨張合金層を切削してしまうと、上側の低膨張合金層とのバランスが崩れて、部品全体に反りが生じる可能性があるからである。

そして、電極１３，１３部分の下面に、はんだメッキ層が形成され、金属板抵抗器として完成する。このようにして製造された金属板抵抗器は、熱膨張係数が通常の金属板抵抗器とかなり異なるセラミックス基板に実装しても、上述したように合成熱膨張係数がセラミックス基板のそれに近いため、熱歪みの生じる量が少なく、高信頼性の金属板抵抗器として動作する。

なお、上記実施形態では、板体状の抵抗体の両端部下面に板体状の電極を接合し、その下面にはんだメッキ層を形成する例について説明したが、その他の形式の金属板抵抗器についても、同様に上記本発明の抵抗体を用いることができることは勿論である。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態の金属板抵抗器を示す斜視図である。 上記金属板抵抗器の各種の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 抵抗体
１１ 抵抗合金層
１２ 低膨張合金層
１３ 電極

Claims (9)

1. 抵抗合金層と、該抵抗合金層よりも低い熱膨張係数の低膨張合金層とを積層した抵抗体と、
   前記抵抗体の両端部に接合した電極と、を備えたことを特徴とする金属板抵抗器。
2. 前記低膨張合金層の熱膨張係数は７×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１記載の金属板抵抗器。
3. 前記抵抗体は、前記抵抗合金層を前記低膨張合金層でサンドイッチ状に挟んだものであることを特徴とする請求項１または２記載の金属板抵抗器。
4. 前記抵抗合金層は、銅・ニッケル系合金、銅・マンガン系合金、鉄・クロム系合金、ニッケル・クロム系合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金属板抵抗器。
5. 前記低膨張合金層は、ニッケル・鉄系合金、または、ニッケル・コバルト・鉄系合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属板抵抗器。
6. 前記抵抗合金層と、前記低膨張合金層との接合は、拡散接合または固相接合によるものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金属板抵抗器。
7. 抵抗合金層と、該抵抗合金層よりも低い熱膨張係数の低膨張合金層とを積層したことを特徴とする抵抗体。
8. 前記低膨張合金層の熱膨張係数は７×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項７記載の抵抗体。
9. 前記抵抗合金層を前記低膨張合金層でサンドイッチ状に挟んだことを特徴とする請求項７または８記載の抵抗体。

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