JP7273469B2 - シャント抵抗器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シャント抵抗器およびその製造方法に関する。

近年、電子機器で使用される電流が大電流化されている。中でも、パワー半導体のスイッチングにより電力の変換や制御を行うパワーモジュールが盛んに開発されている。この様なパワーモジュールには、ＤＢＣ基板と呼ばれるセラミック基板など、大電流を流すことができる高放熱基板が使用される。

高放熱基板では、アルミワイヤーなどを用いてワイヤーボンディングすることによって、電流経路を形成したり、信号をセンシングしたりする。
例えば、パワーモジュールとして用いられ、シャント抵抗器を利用した電流検出装置の場合には、電流の経路の確保や電圧信号のセンシングのためにワイヤーボンディングが行われることがある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５－１１５４６０号公報

シャント抵抗器にワイヤーボンディングを行うためには、ボンディングを行う部分（通常は電極面）の表面状態が、平坦な鏡面を有すること、酸化膜等が無いクリーンな状態であることなどが求められる。
通常、シャント抵抗器には、プリント基板上にシャント抵抗器を実装するための電極が形成されており、銅などの電極や、その表面にはんだメッキやＳｎめっきが行われ製品化される。その電極の鏡面仕上げや、酸化膜の少ないボンディング用めっき加工が行われることはない。

本発明は、シャント抵抗器の表面をワイヤーボンディングに適するように粗さ調整をすることを目的とする。また、本発明は、シャント抵抗器の粗さ調整を行いながら、シャント抵抗器の抵抗値を調整することを目的とする。

本発明の一観点によれば、抵抗材と前記抵抗材の両側に形成される第１の電極材および第２の電極材とからなるシャント抵抗器であって、前記第１の電極材および前記第２の電極材の少なくとも一の面の平均表面粗さＲａが２μｍ以下であることを特徴とするシャント抵抗器が提供される。

前記一の面の最大粗さＲｚが４μｍ以下であることが望ましい。また、前記第１の電極材および前記第２の電極材の他の面は、前記一の面よりも平均表面粗さＲａが大きい。

また、本発明は、抵抗材と前記抵抗材の両側に形成される第１の電極材および第２の電極材とからなるシャント抵抗器のチップ素材を準備する工程と、前記第１の電極材および前記第２の電極材の少なくとも一方の面を研磨する工程と、を有するシャント抵抗器の製造方法が提供される。また、前記研磨する工程は前記抵抗材も研磨する工程であり、前記チップ素材の抵抗値を測定する工程を更に含む製造方法が提供される。

本発明によれば、シャント抵抗器の表面をワイヤーボンディングに適するように粗さ調整をすることができる。また、本発明によれば、シャント抵抗器の粗さ調整を行いながら、シャント抵抗器の抵抗値を調整することができる。

本発明の実施の形態によるシャント抵抗器の製造方法を示す図であり、電極と抵抗とが突き合わされて接合されている突き合わせ構造のシャント抵抗器を作製する手順を簡単に示す図である。 シャント抵抗器の研磨装置の概略構成例を示す図である。 図３（ａ）はチップホルダーに嵌め込まれたシャント抵抗器の断面図であり、その拡大図も示している。図３（ｂ）は、研磨工程を経た或いは研磨工程の途中においてシャント抵抗器の抵抗を測定する様子を示す図である。 図４は、これらの工程を含む本実施の形態によるシャント抵抗器の製造工程の流れの一例を示すフローチャート図である。 本発明の第２の実施の形態によるシャント抵抗器の製造方法における、シャントチップを、チップホルダーに嵌め込んだ状態の一例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態によるシャント抵抗器の製造方法における、シャントチップを、チップホルダーに嵌め込んだ状態の一例を示す図である。 シャント抵抗器を実装した状態の一例を示す図である。 シャント抵抗器を実装した状態の他の例を示す図である。

本明細書において、シャント抵抗器のチップ素材とは、抵抗体の両端に電極が形成されている構成を指す。但し、抵抗体と電極材とが同じ材料で一体に形成されたものでも良い。
シャント抵抗器は、はんだペーストを使用してプリント基板に実装する用途向けに造られており、特許文献１のように、ワイヤーボンディングで使用することを意識して製造されている製品は少ない。
従って、電極の表面の粗度に着目した製造方法はほとんど存在しない。すなわち、通常は、ロール圧延での仕上げ状態であり、その平均表面の粗さ（平均粗度）Ｒａ±１０μｍ以上である。

また、シャント抵抗器においては、抵抗体と電極を溶接で接続するものが多く、抵抗体と電極との接続界面にはビードとよばれる瘡蓋状の凹凸部が存在し、抵抗体と電極との界面にはボンディングを行いにくい。
加えて、シャント抵抗器の電極の表面処理はワイヤーボンディングがしやすいかどうかが考慮されていない。

以下において説明する本発明は、パワーモジュールで使用される、ワイヤーボンディングに対応可能な平滑な電極を有し、ボンディングしやすい表面処理を施したシャント抵抗器の製造方法に関連する。
とりわけ、ワイヤーボンディングでシャント抵抗器に配線をする場合には、大電流を流すための電流線と電圧信号をセンシングするための電圧線をボンディングする必要があるため、何本ものワイヤーボンディングを１つの電極などに対して行う必要がある。従って、ワイヤーボンディングをするための大面積かつ平滑な面が求められる。

また、電圧センシング線は抵抗体と電極との境界線の出来るだけ近くにワイヤーボンディングすることによって、温度変化の影響を受けにくくなり、高精度に使用することができる。そのため、抵抗体と電極との境界部においては凹凸の少ない平滑面が求められる。抵抗体と電極との溶接による接合を行うと、ビードと呼ばれる瘡蓋状の凹凸部が形成され、ワイヤーボンディングがしにくくなる。従って、抵抗体と電極との境界線（接合面）をいかにして平坦に加工するかが大きなポイントとなる。

また、ワイヤーボンディングを高い信頼性を確保しつつ行うためには、シャント抵抗器の電極表面の粗度が重要であり、鏡面の様に綺麗な面とすることが望ましい。例えば、平均表面粗さＲａとして２μｍ以下、最大粗さＲｚとして４μｍ以下が求められる。
これらの値は、通常の圧延加工技術を用いると、圧延加工用ロールの表面状態に影響されるため達成することが困難である。そして、溶接ビードのある状態では、さらに達成が困難である。
以下において、本発明の実施の形態によるシャント抵抗器の製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１から図４までは、本発明の第１の形態によるシャント抵抗器の製造方法を示す図である。図１は、電極と抵抗とが突き合わされて接合されている突き合わせ構造のシャント抵抗器を作製する手順を簡単に示す図である。図２は、シャント抵抗器の研磨装置の概略構成例を示す図である。図３（ａ）はチップホルダーに嵌め込まれたシャント抵抗器の断面図であり、その拡大図も示している。図３（ｂ）は、研磨工程を経た或いは研磨工程の途中においてシャント抵抗器の抵抗を測定する様子を示す図である。図４は、これらの工程を含む本実施の形態によるシャント抵抗器の製造工程の流れの一例を示すフローチャート図である。

処理が開始され（Ｓｔａｒｔ）、ステップＳ１において、図１に示すように、平板状の電極材１，５と抵抗材３とを積層し、圧接加工により電極材１と抵抗材３，電極材５と抵抗材３とを圧接することで積層体Ａを形成する。次いで、ステップＳ２において、積層体Ａの一側面から長尺のフープ材Ｂを所定の厚さで切り出す（図１（ｂ））。
次いで、ステップＳ３において、フープ材Ｂを接合面の位置Ｙ１，Ｙ２を含むように切り出して、突き合わせ構造を有するシャント抵抗器のチップ素材（シャントチップ）Ｃを形成する（図１（ｃ））。

次いで、ステップＳ４において、図２に示すように、研磨用ホルダー１１のチップホルダー１５内に例えば上面１３からシャントチップＣを嵌め込む。この際、ワイヤーボンディングを行う研磨面を下面にする。ステップＳ５において、研磨用ホルダー１１の研磨面側に、研磨剤３３をペーストした下側回転板３１を対向配置する。
尚、チップホルダー１５は、研磨用ホルダー１１上において、放射状に配置することが好ましい。これにより、チップホルダー１５内の多数のシャントチップをより均一に研磨することができる。

次いで、ステップＳ６において、研磨用ホルダー１１の非研磨面側（反対側:図の上側）に上側押圧プレート２１を配置する。
尚、研磨用ホルダー１１、下側回転板３１、上側押圧プレート２１は、いずれも円板の形状で、ほぼ同じ径を有していても良い。
ステップＳ７において、上側押圧プレート２１で研磨用ホルダー１１を矢印で示すように押圧しながら、下側回転板３１を回転させて研磨用ホルダー１１のチップホルダー１５内に嵌め込まれたシャントチップＣの下面を研磨する。

このような研磨方法をラッピング加工とも称する。ラッピング加工には、砥粒を用いた研磨加工が挙げられる。下側回転板３１の上に研磨剤となる砥粒３３を載せてその上に製品（この場合はシャントチップＣ）を押し当てて加工する方法である。砥粒の粒径や材質を選択することによって、表面研磨がなされるシャント抵抗などの表面粗さを制御することができる。

本実施の形態で使用することができる研磨材としては、アルミナ、ジルコニア、ガラスなどの球状体の研磨材が例示的に挙げられる。研磨材の粒径は、例えば、２μmφ以下のものを使用することができる。
抵抗材３用の材料としては、例えばＣｕ－Ｎｉ系、Ｃｕ－Ｍｎ系、Ｎｉ－Ｃｒ系などの金属の板材を用いることができる。電極材１，３用の材料としては例えばＣｕなどを用いることができる。

図３は、研磨用ホルダー１１内にシャントチップＣを嵌め込み、実際に研磨を行っている様子を示す断面図であり、引き出し線でその拡大図を示す。研磨されるのは、チップホルダー１５内に嵌め込まれたシャントチップＣの下面Ｓ１２であり、上面Ｓ１１は上側押圧プレート２１により押圧される。シャントチップＣと下側回転板３１の間には研磨剤３３が介在している。拡大図に示されるように、シャントチップＣの下面は、チップホルダー１５に嵌め込まれた状態で、少なくともその下面がチップホルダー１５の下側開口縁部Ｌ２よりも下側に位置している。すなわち、符号Ｔに示すように、シャントチップＣの下面がΔｔ１（＞０）だけ突出した状態で固定されている。従って、シャントチップＣの下面を研磨することができる。

次いで、ステップＳ８において、研磨処理を一旦停止し、上側押圧プレート２１を外す。すると、図３（ｂ）に示すように、シャントチップＣの裏面が露出する。

ステップＳ９において、例えば、プローブＰ１，Ｐ２を一方の電極１に、プローブＰ３，Ｐ４を他方の電極５に当てて裏面側から四端子法により、シャント抵抗器のその時点での抵抗値を測定する。多数のシャントチップを配置した場合には、例えば自動的にプローブＰ１からＰ４までをスキャンして一括して抵抗値を測定することもできる。すなわち、研磨後にシャントチップＣを研磨用ホルダー１１に嵌め込んだまま、シャントチップＣの抵抗値を測定し、抵抗値が必要な抵抗になっているか確認する。

ステップＳ１０において、ステップＳ９で測定したシャント抵抗器の抵抗値が設計目標値に達したか否かをステップＳ９の測定結果に基づいて判定し、抵抗値が設計目標値に達した場合には（Ｙｅｓ）、研磨が終了したと判定して、研磨を終了する（Ｅｎｄ）。
ステップＳ１０において、Ｎｏの場合には、さらに研磨を続ける必要があるため、ステップＳ６に戻る。このように、もし、必要な抵抗値が得られていない場合は、再度ラッピング研磨を行い、シャントチップＣの厚み調整を行う。抵抗値を確認しながらラッピング研磨を行うと、抵抗値調整と粗さ調整の両方の調整を１工程で行うことができる。

尚、ステップＳ６からステップＳ１０までの処理は、最初から研磨量を大きくしすぎると、研磨によっては設計値よりも抵抗値を低くする調整は難しいため、最初は設計値よりも抵抗値が高くなりすぎないように研磨量を少なめにすることが好ましい。
すなわち、研磨によるラッピング加工では、厚みの仕上げ精度が±５～１０μｍで対応することができる。通常のシャントチップＣ材料の厚みは５００μｍ以上であるため、±１％の高精度での抵抗値調整が可能である。

尚、電子ビームやレーザービーム等で、抵抗材と電極材とを溶接した場合でも、ビードと呼ばれる溶接部の発生する瘡蓋状の凹凸もラッピング加工で除去することができる。
このようにして、抵抗値の調整までできたシャントチップＣにおいては、はんだ付けが可能で、ワイヤーボンディングを行いやすいようにめっき加工を行い製品を完成することもできる。ここで、めっきの種類は、ＮｉＰ、ＮｉＷ、Ａｕめっきなどを用いることができる。

以上に説明したように、本実施の形態によるシャント抵抗器の製造方法によれば、シャント抵抗器の表面をワイヤーボンディングに適するように粗さ調整をすることを目的とする。また、本発明は、シャント抵抗器の粗さ調整を行いながら、シャント抵抗器の抵抗値を調整することができる。また、シャントチップＣの研磨は、一面のみ行ってもよいが、他方の面、即ちシャントチップＣの両面を研磨してもよい。なお、シャントチップＣの研磨は一面のみとし、他の面はそれよりも粗さを有することで、シャントチップＣを実装する際に、他の面を実装基板に当接して実装すれば、実装のための接着材とのアンカー効果により接着力を高める効果がある。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。基本的なシャント抵抗器の製造方法は第１の実施の形態と同様である。

図５（ａ），（ｂ）は、本実施の形態によるシャント抵抗器の製造方法における、シャントチップＣ１，Ｃ２を、チップホルダー１５に嵌め込んだ状態の一例を示す図である。第１の実施の形態では、平板状の突き合わせ構造のシャントチップＣを用いた例を示したが、本実施の形態では、電極１ａ，１ｂおよび５ａ，５ｂに対して、抵抗体３ａ，３ｂおよびその両側の電極部分（Ｙ１１，Ｙ１２を境界とする）が持ち上がった持ち上がり構造（スタンドオフ構造）のシャントチップＣ１，Ｃ２を用いている。図５（ａ）は、立ち上がり部分４３ａが、電極１ａ，５ａの平板に対してほぼ垂直に立ち上がっている構造を示しており、図５（ｂ）は、立ち上がり部分４３ｂが、電極１ｂ，５ｂの平板に対して斜めに立ち上がっている構造を示している。このような持ち上がり構造のシャントチップＣ１，Ｃ２をチップホルダー１５に嵌め込んで、シャント抵抗器の持ち上がった部分、すなわち、抵抗体３ａ，３ｂおよびその両側の電極部分を研磨するようにしても良い。この場合においても、チップホルダー１５の下面の開口縁部からΔｔ２，Δｔ３（いずれも、ｔ＞０）だけ抵抗体３ａ，３ｂおよびその両側の電極部分を突出させて研磨を行うことで、抵抗体３ａ，３ｂおよびその両側の電極部分を研磨することにより電極部の平坦化が可能であり、電極部にワイヤーボンディングを行うことができるように平坦にすることができるとともに、抵抗値を調整することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。基本的なシャント抵抗器の製造方法は第１，第２の実施の形態と同様である。

図６は、本実施の形態によるシャント抵抗器の製造方法における、シャントチップＣ３を、チップホルダー１５に嵌め込んだ状態の一例を示す図である。第１の実施の形態では、平板状の突き合わせ構造のシャントチップＣを用いた例を示したが、本実施の形態では、電極１ｃ，５ｃに対して、抵抗体３ｃ部分が凹んだ構造のシャントチップＣ３を用いている。このような構造のシャントチップＣ３をチップホルダー１５に嵌め込んで、両側の電極部分を研磨するようにしても良い。この場合においても、チップホルダー１５の下面の開口縁部からΔｔ４（＞０）だけ抵抗体３ｃを突出させているが、それよりも電極部分が突出しているため、研磨を行うことで、電極部分を研磨によりワイヤーボンディングを行うことができるように平坦にすることができる。抵抗値調整が不要な場合は本実施の形態が好適である。なお、図６に示す上面側を研磨面とすれば、上述の実施例と同様に、抵抗体３ｃおよびその両側の電極１ｃ，５ｃ部分を研磨することができ、表面研磨できるとともに、抵抗値の調整も可能となる。

図７は、シャント抵抗器Ｃを実装した状態の一例を示す図である。回路基板に形成された配線５０ａ，５０ｂ間に、シャント抵抗器Ｃが配置されている。電極１と配線５０ａは３本のワイヤ３０ａで接続されている。電極５と配線５０ｂは３本のワイヤ３０ｂで接続されている。シャント抵抗器Ｃの電極１，５には、電圧測定のためのワイヤ４０ａ，４０ｂがそれぞれ接続されている。ワイヤ４０ａ，４０ｂの他端は、ＩＣ５５に接続されている。ＩＣ５５は、Ａ／Ｄ変換回路、増幅回路、絶縁回路等が組み込まれ、電圧信号に応じた信号を各種機器に出力する。この構造により、配線５０ａ，５０ｂの電流をシャント抵抗器Ｃにより計測することができる。シャント抵抗器Ｃの電極１，５におけるボンディング面（図７において上面側）は研磨されており、表面の凹凸が少なく、超音波等によるワイヤーボンディングにおいて好適な表面状態が形成されている。

図８は、シャント抵抗器Ｃを実装した状態の他の例を示す図である。多層基板６０は、複数のセラミックシートを重ねて多層に形成されている。セラミックシートには配線パターンが形成され、各層はビア接続されている。図８はこのような多層基板６０の断面を示している。シャント抵抗器Ｃは多層基板６０の内部に埋め込まれている。シャント抵抗器Ｃによる測定対象の電流は、配線５１ａ，５１ｂを流れる電流である。配線５１ａはビア５２ａを通じて電極１に接続されている。配線５１ｂはビア５２ｂを通じて電極５に接続されている。電圧信号は、電極１に接続されたビア４１ａと、電極５に接続されたビア４１ｂにより取得され、電圧検出回路により処理される。シャント抵抗器Ｃの電極１，５の表面は、上述のとおり研磨されているため、各ビアと接続するのに好適である。なお、電極１，５の表裏面の両方を研磨しておくと、表裏面でビア接続するのに好適であり、回路設計の自由度が増す。

尚、上記の各実施の形態では電極と抵抗体との材料が異なるシャントチップを用いた例について説明したが、電極と抵抗体とが同じ材料で構成されている単体の板体状のシャントチップを利用して、同様の製造方法で表面研磨と抵抗値調整とを行うことができる。

このように、シャントチップの形態に依存せずに、同様の製造方法でワイヤーボンディングに適した表面が形成でき、かつ、抵抗値の調整も可能である。
また、シャント抵抗器において電極と抵抗体との溶接部分を平坦にするために、上記の構成を用いても良い。このようにすると、溶接部分を平坦にすることができるため、ワイヤーボンディングを行う際に、溶接部分のビードなどの影響を抑制することができる。

上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、シャント抵抗器の製造方法に利用可能である。

Ｃ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ シャントチップ
１，５ 電極材
３ 抵抗材
１１ 研磨用ホルダー
１５ チップホルダー
２１ 上側押圧プレート
３１ 下側回転板
３３ 砥粒〔研磨剤〕
Ｐ１～Ｐ４ 抵抗測定用のプローブ

Claims (4)

1. 抵抗材と前記抵抗材の両側に形成される第１の電極材および第２の電極材とからなるシャント抵抗器の製造方法であって、
   前記抵抗材と前記第１の電極材および第２の電極材を突き合せて接合したチップ素材を準備する工程と、
   前記抵抗材と前記第１の電極材および第２の電極材とが接合された境界を含めて、前記チップ素材の一方の面を研磨する工程と、
   前記研磨する工程の後に、前記チップ素材の抵抗値を測定する工程と、を有し、
   前記抵抗値が設計目標値に達するまで、前記研磨する工程と前記抵抗値を測定する工程とを繰り返し行う、シャント抵抗器の製造方法。
2. 前記第１の電極材および前記第２の電極材の少なくとも前記一方の面の平均表面粗さＲａが２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗器の製造方法。
3. 前記一方の面の最大粗さＲｚが４μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のシャント抵抗器の製造方法。
4. 前記チップ素材の他の面は、前記一方の面よりも平均表面粗さＲａが大きいことを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗器の製造方法。

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