JP4971693B2

JP4971693B2 - 金属板抵抗器

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Publication number: JP4971693B2
Application number: JP2006161511A
Authority: JP
Inventors: 忠彦吉岡
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: JP2007329421A

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するのに好適な低熱膨張係数の金属板抵抗器に関する。

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）。

ここで、抵抗合金の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おいては、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。

一方で、金属板抵抗器においては、抵抗温度係数（ＴＣＲ）が小さいことが要請されており、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の低減について、種々の提案がなされている（例えば、特許文献２，３，４）。また、金属板抵抗器においては、広幅の電流端子と狭幅の電圧検出端子とを備えた四端子構造が古くから知られている（例えば、特許文献５，６）。
特開２００２−１８４６０１号公報特開昭６２−１６９３０１号公報特開２００１−１５５９０２号公報特開昭５４−６１６６０号公報特開平１０−１１６７１０号公報ＵＳ５９９９０８５号公報

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、且つ、抵抗温度係数（ＴＣＲ）が良好な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、本発明の金属板抵抗器は、板状の抵抗体と、該抵抗体の両端部に形成された電極と、を備えた金属板抵抗器であって、前記電極は銅であり前記抵抗体と厚み方向に重なるように形成され、前記抵抗体と前記電極とが重なる部分に、前記金属板抵抗器の電極が形成された両端方向に開放するように、且つ、前記電極を分離しない切欠き部を備えることを特徴とする。抵抗体は、抵抗合金と、該抵抗合金よりも低い熱膨張係数を有する低熱膨張合金とを積層したものであることが好ましい。

抵抗合金と、該抵抗合金よりも低い熱膨張係数の低熱膨張合金とを積層した抵抗体とすることで、抵抗合金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。そして、低熱膨張合金は抵抗温度係数（ＴＣＲ）が高いが、電極部分に切欠き部を形成し、切欠き部の大きさを調整することで、抵抗器の抵抗温度係数を抵抗体の抵抗温度係数よりも低減することができる。

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状の抵抗合金からなる抵抗合金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状の低熱膨張係数の低熱膨張合金１２とを積層して、低熱膨張係数の抵抗体１０を形成している。板状の抵抗体１０の一面（下面）両端部に、高導電性金属である板状の電極１３が接合され、金属板抵抗器が構成されている。電極１３の下面等には、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。

低熱膨張合金の材料の選択としては、セラミックス基板の熱膨張係数は一般的に５〜７［×１０^−６／Ｋ］であり、抵抗合金の熱膨張係数は一般的に８〜２０［×１０^−６／Ｋ］であるので、抵抗合金と低熱膨張合金との合成熱膨張係数が上記セラミックス基板の熱膨張係数に近くなる熱膨張係数を有する合金材料を選択する。低熱膨張合金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・鉄系合金からなる低熱膨張係数の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）を選択できる。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)を選択できる。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）を選択できる。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１１を低熱膨張合金１２，１２で上下からサンドイッチ状に挟むように積層したものである。一例として、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。なお、例えば、抵抗合金に重ねる１層目は、当該抵抗合金よりも熱膨張係数が若干低い合金を積層し、次に、それよりも熱膨張係数が低い合金を積層するというように、低熱膨張合金を複数積層した構成にしてもよい。このような構成にすることで、抵抗合金と低熱膨張合金との熱膨張係数の違いによる歪の発生等の問題を抑制できる。

抵抗体１０の熱膨張係数を低減させるとともに、ＴＣＲ値への影響を小さくするため、抵抗合金１１の電気抵抗率が、低熱膨張合金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１１の電気抵抗率が、低熱膨張合金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値への対応が可能である。

実施例１として、抵抗合金１１に銅・ニッケル系合金（ＣＮ４９）を用い、低熱膨張合金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、
上層低熱膨張合金層：抵抗合金層：下層低熱膨張合金層
＝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１１と低熱膨張合金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の合成抵抗温度係数（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１１に鉄・クロム系合金を用い、低熱膨張合金１２にスーパーインバー（商品名）を用い、各層の厚みの比を、
上層低熱膨張合金層：抵抗合金層：下層低熱膨張合金層
＝２．５：５．０：２．５
とした。

実施例３として、抵抗合金１１に銅・マンガン系合金を用い、低熱膨張合金１２にスーパーインバー（商品名）を用い、各層の厚みの比を、
上層低熱膨張合金層：抵抗合金層：下層低熱膨張合金層
＝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に近い値が得られることが分かる。しかしながら、抵抗温度係数（ＴＣＲ）は低熱膨張係数合金単体の値と比較するとかなり低下しているが、電流検出用抵抗器として用いる場合には、±１００［×１０^−６／Ｋ］程度が好ましく、上記実施例１−３でのＴＣＲ値は未だかなり高い値である。

すなわち、セラミックス（アルミナ）に近い熱膨張係数をもつ４２アロイやインバーなどの単体低熱膨張係数合金のＴＣＲ値は、＋２０００［×１０^−６／Ｋ］以上であり、上記のように積層した構造にすることで＋５００〜＋１０００［×１０^−６／Ｋ］とその値を小さくすることができる。しかし、電流検出用抵抗器として使用するためには、より低いＴＣＲ値とすることが必要である。

そこで、本発明の金属板抵抗器は、図２に示すように、板状の抵抗体１０の一面の両端部に板状の電極１３を接合した、一対の電極部分１４，１４にＴＣＲ調整用の切欠き部であるスリット１６，１６を形成した。なお、符号１６は電極部分１４に形成された切欠き部全体を示すほか、後述の粗調整スリットを示す場合がある。スリット１６を形成することにより、電極部分１４を広幅の電流端子１７と狭幅の電圧検出端子１８とからなる四端子構造とすると共に、スリット１６の大きさを調整することで、抵抗器の抵抗温度係数を調整可能とした。

ここで、電極部分１４は、電極１３と、抵抗体１０の両端部の電極１３が接合した部分とであり、実質的に抵抗器の電極となる部分である。両側の電極部分１４，１４間の抵抗体１０の電極１３が接合されていない部分を抵抗体部分１５とし、この部分で実質的に抵抗器の抵抗値が形成される。電極部分１４と抵抗体部分１５の境界を図中符号Ａで示す。

スリット１６の幅や深さは、実測値やシミュレーションの結果で決めておいてもよい。実測値あるいはシミュレーションの結果、必要な切欠き部の深さと幅が確定できれば、例えば、抵抗体材料と電極材料とを積層した大判の板体から個々の抵抗器を打ち抜いた段階で、そのような形状で切欠き部が形成されるようにしてもよい。

図３は、図２に示すサイズの金属板抵抗器について、切欠き部の幅（スリット幅Ｘ）を変化させた場合のＴＣＲ値のシミュレーション結果を示す。切欠き部の幅は、０ｍｍ、０．６ｍｍ、１．０ｍｍ、１．８ｍｍの各４種類とした。なお、抵抗体１０は、銅・マンガン系合金と、スーパーインバーを積層した場合のものである。このシミュレーション結果は、電流端子１７，１７間に所定電流を流し、電圧検出端子１８，１８間で検出される電圧に基づいて、抵抗器の抵抗値を算出し、抵抗器の温度変化に対する抵抗値の変化からＴＣＲ値を計測したものである。図示するように、スリット幅Ｘが０ｍｍ（即ちスリットを設けない）場合、ＴＣＲ値は７７０［×１０^−６／Ｋ］が得られた。尚、このＴＣＲ値は抵抗体１０そのもののＴＣＲ値である。スリット幅Ｘが０．６ｍｍの場合、ＴＣＲ値５５２［×１０^−６／Ｋ］が得られた。スリット幅Ｘが１．０ｍｍの場合、ＴＣＲ値４６７［×１０^−６／Ｋ］が得られた。スリット幅Ｘが１．８ｍｍの場合、ＴＣＲ値１５８［×１０^−６／Ｋ］が得られた。上述したように、低熱膨張係数合金の単体のＴＣＲ値は、＋２０００［×１０^−６／Ｋ］以上であり、積層した構造にすることで＋５００〜＋１０００［×１０^−６／Ｋ］と低減するが、スリット１６を設けることで、積層体（抵抗体）のＴＣＲ値よりも十分に低いＴＣＲ値に調整できる。

以上のことは、電極としてＴＣＲの大きい材料（特に、銅）を用い、切欠き部の幅（スリット幅Ｘ）の大きさを調整した場合の抵抗体に流れる電流経路の変化に着目し、これが抵抗器全体のＴＣＲ値の減少に寄与することを見出したことにより確立したものである。

さらに、図４（ａ）に示すように、粗調整スリット１６にさらに部分的に深さ方向の微調整スリット１９を入れてもよい。幅広の粗調整スリット１６の場合、深さ方向に切欠き部を入れることによるＴＣＲ値変動が大きいため、切欠き部の深さ方向の加工精度が必要になる。しかし、粗調整スリット１６よりも幅を狭くした微調整スリット１９なら深さ方向へのＴＣＲ値変動を小さくすることができるので、ＴＣＲ値の微調整が容易である。

なお、微調整スリット１９は抵抗体１０と電極１３とが接合された電極部分１４においてのみ形成される必要がある。図４（ｂ）に示すように、切欠き部（微調整スリット１９若しくはスリット１６）が電極部分１４と抵抗体部分１５の境界Ａを超え、抵抗体部分１５に入ると、電流端子１７と電圧検出端子１８との間で電極１３により接続された部分が無くなり、ＴＣＲ値に対する銅（電極）の寄与がなくなり、抵抗体１０そのもののＴＣＲ値になってしまうので、ＴＣＲ値を低くできなくなってしまう。また、抵抗体と電極とを積層した構造において、切欠き部を抵抗体と電極とが重なる部分に形成することにより、ＴＣＲ値の高い調整効果が得られる。

図４（ｃ）及び（ｄ）は切欠き部１６を形成する位置の他の例を示す図である。（ｃ）は、抵抗器の中心部分において点対称になるような位置にスリット１６を形成した例である。（ｄ）は、（ａ）等のように、電流方向へ突出する形状での電圧検出端子を形成せず、電極の角部分を切り欠くことにより切欠き部１６を形成してＴＣＲを調整した例である。切欠き部１６を形成し、幅狭となった電極部分が電圧検出端子１８を構成している。その他、電流方向と直行する方向に切欠き部（粗調整スリットおよび／または微調整スリット）を形成してもよい。

次に、上記抵抗体１０および切欠き部（スリット１６）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１１を形成するための抵抗合金からなる薄板と低熱膨張合金層１２を形成するための低熱膨張係数の低熱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、抵抗合金層と低熱膨張合金層とが積層され、抵抗体１０となる薄板２０が形成される。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）薄板２０を形成する。

さらに、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、抵抗体（積層体）の薄板２０と、電極用材料（銅）の薄板２１とを重ねて圧延し、クラッド材２２を得る。この場合、銅の薄板２１には銅の電極が接合されていない抵抗体部分１５を形成するための開口１３ａが予め設けられている。従って、クラッド材２２を図中破線で示すように打ち抜くと、抵抗体部分１５の両側に電極１３を有する電極部分１４を備えた金属板抵抗器が多数形成される。

抵抗体１０を形成するその他の方法としては、抵抗体薄板２０に２列の電極用ストリップを接合して、電極１３，１３を形成してもよく、また、開口無しの銅の薄板を抵抗体薄板２０に接合した後、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。また、電極１３，１３を銅などの高導電性金属をめっきすることにより形成してもよい。

図５（ｂ）において、破線で示すように打ち抜かれた金属板抵抗器は、図６（ａ）に示すように、抵抗体１０に電極１３が接合された電極部分１４と、電極１３が接合されていない抵抗体１０のみの抵抗体部分１５とから構成されている。

次に、図６（ｂ）に示すように、電極部分１４に粗調整スリット１６形成し、ＴＣＲの粗調整を行い、さらに必要に応じて、図６（ｃ）に示すように、微調整スリット１９を形成し、ＴＣＲの微調整を行う。なお、量産時の便宜のため、切欠き部の形状（幅や深さなど）が決定したら、これを金型に反映して一括で打ち抜くようにしてもよい。また、粗調整スリットの形状（幅や深さなど）を金型に反映させ、個々に微調整スリット１９によりＴＣＲの微調整を行うようにしてもよい。

そして、電極１３，１３部分の下面に、はんだメッキ層などを形成し、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、且つ良好な抵抗温度係数（ＴＣＲ）が得られるため、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、板状の抵抗体の両端部下面に板状の電極を接合し、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。

抵抗合金と該抵抗合金よりも低い熱膨張係数を有する低熱膨張合金とを積層した抵抗体を備えた金属板抵抗器を示す斜視図である。本発明の一実施形態の金属板抵抗器の平面（左側）と側面（右側）の寸法図である。上記金属板抵抗器のスリット幅Ｘを変更した時のＴＣＲ値の変化を示すシミュレーション結果のグラフである。切欠き部（スリット）の形成例を示す平面図である。上記金属板抵抗器の製造工程例を示す図である。上記金属板抵抗器の切欠き部の形成例を示す平面図である。

符号の説明

１０抵抗体
１１抵抗合金
１２低熱膨張合金
１３電極
１４電極部分
１５抵抗体部分
１６粗調整スリット
１７電流端子
１８電圧検出端子
１９微調整スリット
２０抵抗体薄板
２１薄板
２２クラッド材
Ｘ切欠き部幅

Claims

板状の抵抗体と、該抵抗体の両端部に形成された電極と、を備えた金属板抵抗器であって、
前記電極は銅であり前記抵抗体と厚み方向に重なるように形成され、
前記抵抗体と前記電極とが重なる部分に、前記金属板抵抗器の電極が形成された両端方向に開放するように、且つ、前記電極を分離しない切欠き部を備えることを特徴とする金属板抵抗器。
前記抵抗体は、抵抗合金と、該抵抗合金よりも低い熱膨張係数を有する低熱膨張合金とを積層したものであることを特徴とする請求項１記載の金属板抵抗器。
前記切欠き部は、第１の切欠き部と、該第１の切欠き部よりも幅が狭い該第２の切欠き部とからなることを特徴とする請求項１記載の金属板抵抗器。
前記切欠き部により、前記電極に広幅部分と狭幅部分とが形成されることを特徴とする請求項１記載の金属板抵抗器。