JP7089555B2 - 電流検出用抵抗器、回路基板及び電流検出用抵抗器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電流検出用抵抗器及び回路基板に関する。

回路基板上にはんだを介して実装される電流検出用抵抗器として、所定の抵抗値を有しており金属板により形成された本体部と、本体部の両側端部に連設されており本体部を回路基板上にはんだ付けするはんだ付け部とを有する抵抗器が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００９－２０６２９０号公報

特許文献１に記載された抵抗器では、本体部のための金属材料として、銅ニッケル系、ニッケルクロム系、銅マンガンニッケル系などの抵抗体材料が用いられる。しかし、抵抗体材料として汎用の銅マンガンニッケル系抵抗体材料は、成分中のマンガン（Ｍｎ）が高温で酸化しやすく、酸化の進行に伴って抵抗値の変化が大きくなってしまう。

このため、銅マンガンニッケル系抵抗体材料では、１７０～１８０℃程度の温度が、抵抗値の変動を許容範囲に収められる上限温度として設定されている。

一方、近年、電気自動車の普及や電子機器の高機能化に伴って、電子部品を実装する回路基板に対する高電力化及び高耐熱性への要求が高まっている。特に、ワイドギャップパワー半導体と呼ばれるＳｉＣやＧａＮなどのように、高温で動作する半導体素子の開発が進められている。

これに伴い、回路基板に実装される電流検出用抵抗器に対しても、上記温度を上回る温度、例えば、２００℃以上の温度領域でも使用可能なスペックが要求されている。

本発明は、高い温度領域において、抵抗値の変化が大きくなるのを抑制する電流検出用抵抗器及び当該電流検出用抵抗器が実装された回路基板を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ニッケルとクロムとモリブデンとの合金が高耐熱性を有することに着目し、本発明を完成するに至った。

本発明の一態様としての電流検出用抵抗器は、抵抗体材料の板体から形成され、前記抵抗体材料は、ニッケルとクロムとモリブデンとの合金を含み、前記合金の全質量比で前記ニッケルを６３質量％以上７０質量％以下、前記クロムを８質量％以上２２質量％以下、前記モリブデンを８質量％以上２５質量％以下、含有する。
本発明の一態様としての電流検出用抵抗器は、抵抗体材料の板体から形成され、前記抵抗体材料は、ニッケルとクロムとモリブデンとの合金を含み、前記合金の全質量比で前記ニッケルを６３質量％以上７０質量％以下、前記クロムを８質量％以上２２質量％以下、前記モリブデンを８質量％以上２５質量％以下、含有し、前記抵抗体材料は、タングステン及びマンガンの少なくとも一方を前記合金の全質量比で６質量％以下、含有する。

この態様によれば、高耐熱性を有するニッケルとクロムとモリブデンとの合金を抵抗体材料として用いたことにより、高い温度領域において、抵抗値の変化が大きくなるのを抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る電流検出用抵抗器の一例を説明する平面図である。 図２は、図１に示す電流検出用抵抗器の側面図である。 図３は、本実施形態に係る電流検出用抵抗器の製造方法を説明する図である。 図４は、電流検出用抵抗器が実装された回路基板を説明する図である。

［電流検出用抵抗器の説明］
本発明の実施形態に係る電流検出用抵抗器について、図１～図４を用いて詳細に説明する。

＜電流検出用抵抗器の構造＞
図１は、本実施形態に係る電流検出用抵抗器の一例を説明する平面図である。また、図２は、図１に示す電流検出用抵抗器の側面図である。

電流検出用抵抗器１は、ニッケル（Ｎｉ）とクロム（Ｃｒ）とモリブデン（Ｍｏ）の合金を含む抵抗体材料から形成された板状のシャント抵抗器である。

電流検出用抵抗器１は、本体部１１と、第一接続部１２と、第二接続部１３と、第一起立部１４と、第二起立部１５とを有する。

本体部１１は、矩形状であり、回路基板の実装面から所定間隔離間して配置される。

第一接続部１２の一方の端部は、実装面に接続される。また、第一接続部１２の他方の端部は、第一起立部１４を介して本体部１１に連結されている。第二接続部１３の一方の端部は、実装面に接続される。また、第二接続部１３の他方の端部は、第二起立部１５を介して本体部１１に連結されている。第一起立部１４及び第二起立部１５は、本体部１１を実装面から離間させるように、本体部１１の端部と第一接続部１２及び第二接続部１３とを連結する。

本実施形態においては、第一接続部１２及び第二接続部１３は、図２に示すように、実装面に対向する面に形成された実装面用めっき層１６と、実装面に対向する面の反対面に形成されたボンディング用めっき層１７と、実装面用めっき層１６とボンディング用めっき層１７とに連なって形成された端面電極１８とを有する。なお、端面電極１８は無くてもよい。

電流検出用抵抗器１は、抵抗体材料から形成された板体をプレス加工により形成することができる。

＜抵抗体材料＞
本実施形態において、電流検出用抵抗器１を形成する抵抗体材料は、ニッケルとクロムとモリブデンとの合金を含み、この合金の全質量比で、ニッケルを６３質量％以上７０質量％以下、クロムを８質量％以上２２質量％以下、モリブデンを８質量％以上２５質量％以下、含有するものである。

抵抗体の耐熱性を向上させる観点から、モリブデンの含有量は多い方がよい。しかし、モリブデンは硬度が高く脆弱であるため、モリブデンの含有量が過多になると、抵抗体材料の加工性が低下する。このため、モリブデンの含有量は、８質量％以上２５質量％以下に設定する。

さらに、抵抗体材料は、タングステン（Ｗ）及びマンガン（Ｍｎ）の少なくとも一方をこの合金の全質量比で６質量％以下含有してもよい。抵抗体材料がタングステン及びマンガンの少なくとも一方をこの合金の全質量比で６質量％以下含有することにより、抵抗体材料におけるモリブデンの含有量を増加させることなく耐熱性を確保することができる。

上記抵抗体材料として市販品を使用する場合には、クロムを２２質量％、モリブデンを８質量％、ニッケルを７０質量％含有するＤＳＡＬＯＹ６２５（大同特殊鋼株式会社製）、クロムを２１質量％、モリブデンを１３質量％、タングステンを３質量％、ニッケルを６３質量％含有するＤＳＡＬＯＹ２２（大同特殊鋼株式会社製）、クロムを８質量％、モリブデンを２５質量％、ニッケルを６７質量％含有するＤＳＡＬＯＹ２４２（大同特殊鋼株式会社製）を好適に使用することができる。

これらのなかでも特に、クロムを８質量％、モリブデンを２５質量％、ニッケルを６７質量％含有するＤＳＡＬＯＹ２４２は、抵抗値の変化が小さく、抵抗温度係数（ＴＣＲ）が低いことから、好適に用いられる。

［電流検出用抵抗器の製造方法］
図３は、本実施形態に係る電流検出用抵抗器の製造方法を説明する図である。電流検出用抵抗器の製造方法は、ニッケルとクロムとモリブデンとの合金を含み、当該合金の全質量比でニッケルを６３質量％以上７０質量％以下、クロムを８質量％以上２２質量％以下、モリブデンを８質量％以上２５質量％以下含有する抵抗体材料を、所定形状になるようにプレス加工を行うというものである。

上述した抵抗体材料は、２００℃以上に加熱されると、温度が上昇している間の所定期間に亘って抵抗値の変化が大きくなり、所定期間が経過した後は、抵抗体材料の抵抗値が特定のところで収束するという挙動を有する。この抵抗体材料では、抵抗値の変化が特定のところで収束した状態における抵抗体材料のビッカース硬さが２００ＨＶ以上２４０ＨＶ以下となっている。

そこで、本製造方法では、プレス加工して得られた抵抗体に、ビッカース硬さが２００ＨＶ以上２４０ＨＶ以下になるような処理を行うことにより、抵抗値の変動が小さい抵抗体材料を製造することができる。

具体的には、図３に示すように、上述したニッケルとクロムとモリブデンとの合金を所定形状へのプレス加工前に、抵抗体材料のビッカース硬さが２２０ＨＶ以上２９０ＨＶ以下になるように、第一の処理を行っておく。続いて、抵抗体材料をプレス加工し、さらに、プレス加工により得られた抵抗体のビッカース硬さが１５％～２５％減少するような第二の処理を行う。

第二の処理としては、プレス加工後の抵抗体を、１７５℃以上で２００時間以上曝す加熱処理を用いることができる。一例として、２００℃以上に２５０時間曝す処理を行うことが好ましい。これにより、ビッカース硬さが２００ＨＶ以上２４０ＨＶ以下の抵抗体を得ることができる。

このように、ビッカース硬さが２００ＨＶ以上２４０ＨＶ以下になるように、抵抗体材料に事前の処理を施すことより、抵抗値の変化が大きくなるのを抑制する効果を高めることができる。

［回路基板］
図４は、本発明の実施形態に係る電流検出用抵抗器が実装された回路基板を説明する図である。

本実施形態に係る回路基板１００は、絶縁基板１１０と、絶縁基板１１０に形成された回路パターン１２０とを有し、上述した電流検出用抵抗器１は、第一接続部１２及び第二接続部１３において、回路パターン１２０に、ワイヤーボンディング１３０やはんだ実装による電極１４０によって接続された回路基板である。

本実施形態において、絶縁基板１１０としては、ガラスエポキシ基板、メタル基板、セラミックス基板を用いることができる。なかでも、高耐熱性の観点からセラミックス基板を用いることが好ましい。本実施形態においては、セラミックス基板として、酸化アルミニウム、窒化ケイ素及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つの材料を用いることができる。

セラミックス基板の厚みは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のものを用いることができる。基板の強度の観点から、セラミックス基板の厚みは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。また、放熱性の観点から、１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

回路パターン１２０と電流検出用抵抗器１とを接続するための電極として、一般的に電極として用いられる銅（Ｃｕ）は、耐熱性が低く酸化されやすい。このため、本実施形態では、耐熱性を向上させるために、ニッケル系めっき及び金系めっきを用いるができる。これらのなかでも、ニッケル－タングステンめっき、ニッケル－リンめっき、ニッケル－タングステン／金めっき、ニッケル－リン／金めっき、ニッケル／金めっき等を用いることが好ましい。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。例えば、本実施形態に係る電流検出用抵抗器１の形状は、図１に説明されたものに限定されない。

本発明の実施形態に係る電流検出用抵抗器を作製し、耐熱性及び抵抗特性の評価を行った。供試体の作製方法及び評価方法は、以下のとおりである。

［供試体の作製］
＜実施例１＞
ニッケル－クロム－モリブデン合金（以下、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金と記す）として、クロムを２２質量％、モリブデンを８質量％、ニッケルを７０質量％含有するＤＳＡＬＯＹ６２５（大同特殊鋼株式会社製、２２Ｃｒ－８Ｍｏ－７０Ｎｉと記す）を用い、これを板状に加工した後、図1及び図２に示す抵抗器を作製した。各部の寸法は、以下のとおりである。

Ｌｄ＝５．０ｍｍ
Ｌｃ＝３，２ｍｍ
ｄ＝０．２ｍｍ

＜実施例２＞
Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金として、クロムを２１質量％、モリブデンを１５質量％、タングステンを３質量％、ニッケルを６３質量％含有するＤＳＡＬＯＹ２２（大同特殊鋼株式会社製、２１Ｃｒ－１３Ｍｏ－３Ｗ－６３Ｎｉと記す）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして供試体を作製した。

＜実施例３＞
Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金として、クロムを８質量％、モリブデンを２５質量％、ニッケルを６７質量％含有するＤＳＡＬＯＹ２４２（大同特殊鋼株式会社製、８Ｃｒ－２５Ｍｏ－６７Ｎｉと記す）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして供試体を作製した。

＜比較例＞
Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金の代わりに、銅マンガンニッケル系抵抗体材料を用いたこと以外は、実施例１と同様にして供試体を作製した。

［測定方法］
＜体積抵抗率＞
試料の本体部１１の幅と厚みは一定であるため、本体部１１の断面積は、本体部１１の長手方向に沿って一様に断面積Ｓ（ｃｍ²）となっている。このため、抵抗体材料の体積抵抗率ρは、第一接続部１２と第二接続部１３の間の電圧Ｖと、電流Ｉと、断面積Ｓ（ｃｍ²）と、第一接続部１２と第二接続部１３の間の長さＬｄ（ｃｍ）とから、以下の式により算出される。
ρ＝（Ｖ／Ｉ）×（Ｓ／Ｌｄ） ［１０^-6Ω・ｃｍ］
本測定では、体積抵抗率ρの許容範囲は、１２０～１５０［１０^-6Ω・ｃｍ］とされる。

＜抵抗温度係数（ＴＣＲ）の測定＞
抵抗温度係数（ＴＣＲ）とは、抵抗体の温度変化による内部抵抗値の変化の割合を表すものであり、以下の式により算出される。
抵抗温度係数（ｐｐｍ／℃）＝（Ｒ－Ｒａ）／Ｒａ÷（Ｔ－Ｔａ）×１００００００
ここで、Ｒａ：基準温度における抵抗値、Ｔａ：基準温度、Ｒ：定常状態における抵抗値、Ｔ：定常状態になる温度である。
本実施例では、Ｔａ＝２５℃、Ｔ＝１００℃である。なお、製品スペックに基づいて、ＴＣＲの許容範囲を±１００ｐｐｍ／℃に設定した。測定結果は、第１表に示される。

＜耐熱性試験：抵抗体の抵抗値の変化率＞
実施例１～３及び比較例の供試体について、２００℃に加熱し、２００℃を所定時間保持する熱放置試験を行って、放置時間の違いによる抵抗値の変化を測定した。
抵抗値の変化率は、以下の式により算出される。

抵抗値変化率（％）＝｛（Ｒｈ－Ｒａ）／Ｒａ｝×１００
ここで、Ｒａは、熱放置試験前における抵抗値であり、Ｒｈは、熱放置試験において所定時間経過後の抵抗値である。結果は、第１表に示される。
本測定では、１０００時間に至っても抵抗値の変化率が±０．５０％の範囲に納まるものを許容する。

＜ビッカース硬さ＞
ビッカース硬さは日本工業規格ＪＩＳ Ｚ２２４４：２００９（ビッカース硬さ試験‐試験方法）に従って測定することができる。ビッカース硬さの測定には、硬度計（例えばマイクロビッカース硬度計ＨＭＶ－Ｇ２１：島津製作所）が使用される。ビッカース硬さは、例えば試験温度２５℃、試験力１００ｇｆ、ダイヤモンド圧子の接近速度２０μｍ／ｓ、および試験力の保持時間１０秒の条件で測定することができる。試験片の表面は、研磨機（例えば自動研磨機Ｒａｎａ-３：ＩＭＴ）等により表面を平滑にし、汚れ等を取り除くことが望ましい。

［結果］
耐熱性試験、体積抵抗率、抵抗温度係数（ＴＣＲ）、耐熱性試験、ビッカース硬さを第１表に示す。

耐熱試験を行った実施例１～３では、供試体の抵抗値の変化率が概ね０～０．２０％、或いは０～０．４０％の間に収まっている。したがって、本実施形態に係るＮｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金を抵抗体材料として用いた場合に、２００℃の高温においても、抵抗体材料の抵抗値の変化率を安定化できることがわかる。これらの抵抗値の変化率は、十分に低く、良好な値であると考えられるが、いずれの実施例においても、加熱開始から２５０時間までの間において、抵抗値変化率が顕著に観測されていることがわかる。また、概ね２５０時間以降は、抵抗値の変化率が横這いとなっていることがわかる。

以上のことから、２００℃／２５０時間の条件の加熱処理を、予め行っておけば、抵抗体材料の抵抗値の変化が安定化し、変化率が小さい状態で、電流検出用抵抗器を回路基板に実装することができる。

このことから、本実施形態に係る電流検出用抵抗器によれば、ニッケルとクロムとモリブデンとの合金を含み、合金の全質量比でニッケルを６３質量％以上７０質量％以下、クロムを８質量％以上２２質量％以下、モリブデンを８質量％以上２５質量％以下、含有する抵抗体材料によれば、より高い温度領域において、抵抗値の安定化を高いレベルで実現できる。

１ 電流検出用抵抗器
１１ 本体部
１２ 第一接続部
１３ 第二接続部
１４ 第一起立部
１５ 第二起立部
１６ 実装面用めっき層
１７ ボンディング用めっき層
１００ 回路基板
１１０ 絶縁基板
１２０ 回路パターン
１３０ ワイヤーボンディング

Claims (8)

1. 電流検出用抵抗器であって、
   抵抗体材料の板体から形成され、
   前記抵抗体材料は、ニッケルとクロムとモリブデンとの合金を含み、
   前記合金の全質量比で前記ニッケルを６３質量％以上７０質量％以下、
   前記クロムを８質量％以上２２質量％以下、
   前記モリブデンを８質量％以上２５質量％以下、含有し、
   前記抵抗体材料は、タングステン及びマンガンの少なくとも一方を前記合金の全質量比で６質量％以下、含有する、
   電流検出用抵抗器。
2. 請求項１に記載の電流検出用抵抗器であって、
   前記抵抗体材料のビッカース硬さが２００ＨＶ以上２４０ＨＶ以下である、
   電流検出用抵抗器。
3. 請求項１又は２に記載の電流検出用抵抗器であって、
   矩形状であり、実装面に対向し、前記実装面から所定間隔離間して配置される本体部と、
   前記実装面に接続される第一接続部と、
   前記実装面に接続される第二接続部と、
   前記本体部を前記実装面から離間させるように前記本体部と前記第一接続部とを連結する第一起立部と、
   前記本体部を前記実装面から離間させるように前記本体部と前記第二接続部とを連結する第二起立部と、
   を有する、
   電流検出用抵抗器。
4. 請求項３に記載の電流検出用抵抗器であって、
   前記第一接続部及び前記第二接続部がめっき層を備える、
   電流検出用抵抗器。
5. 絶縁基板に所定の回路パターンが形成された回路基板であって、
   請求項３又は４に記載の電流検出用抵抗器が、前記第一接続部及び前記第二接続部において、前記回路パターンにワイヤーボンディングにより接続されてなる回路基板。
6. 電流検出用抵抗器の製造方法であって、
   ニッケルとクロムとモリブデンとの合金を含み、前記合金の全質量比で前記ニッケルを６３質量％以上７０質量％以下、前記クロムを８質量％以上２２質量％以下、前記モリブデンを８質量％以上２５質量％以下、含有し、タングステン及びマンガンの少なくとも一方を前記合金の全質量比で６質量％以下、含有する、抵抗体材料の板体を所定形状にプレス加工する、
   電流検出用抵抗器の製造方法。
7. 請求項６に記載の電流検出用抵抗器の製造方法であって、
   前記プレス加工後に、前記抵抗体材料のビッカース硬さが２００ＨＶ以上２４０ＨＶ以下になるような処理を行う、
   電流検出用抵抗器の製造方法。
8. 請求項６又は７に記載の電流検出用抵抗器の製造方法であって、
   前記プレス加工前に、前記抵抗体材料のビッカース硬さが２２０ＨＶ以上２９０ＨＶ以下になるような処理を行う、
   電流検出用抵抗器の製造方法。

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