WO2013146671A1 - 抵抗器およびその実装構造 - Google Patents

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健司 亀子
平沢　浩一
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コーア株式会社
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    • H01C17/281—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for applying terminals by thick film techniques
    • H01C17/283—Precursor compositions therefor, e.g. pastes, inks, glass frits

Definitions

  • the present invention relates to a resistor and its mounting structure, and more particularly to an electrode structure of a current detection resistor and its mounting structure.
  • Current detection resistors are used for the purpose of monitoring the charge / discharge current of the battery and controlling the charge / discharge current of the battery.
  • the current detection resistor is inserted in the path of the current to be monitored, detects a voltage generated across the resistor by the current, and detects a current from a known resistance value.
  • the current density may increase at the portion where the resistor is mounted. Then, due to the increase in current density, electromigration may occur in the portion where the resistor is mounted by solder, which may cause a connection failure.
  • Fig. 1 shows the mounting state of a conventional current detection resistor. Copper is generally used as the material for the electrodes 12 disposed at both ends of the resistor 11. The electrode 12 is fixed to the wiring pattern 21 by solder 22. In this case, the current density generally increases at the position indicated by the symbol A or B at the end of the electrode 12. For this reason, depending on the current density, electromigration may gradually progress from the portion A or B, leading to disconnection.
  • a voltage detection terminal is drawn out between the pair of wiring patterns 21.
  • electromigration progresses at a position indicated by reference numeral B, an error occurs in the voltage detected in the vicinity thereof, and current detection accuracy is improved. There is a problem of adverse effects.
  • the present invention has been made based on the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a resistor in which a connection failure due to electromigration does not occur in a state where a current detection resistor is mounted on a mounting substrate. To do.
  • the resistor of the present invention is a resistor including a resistor and an electrode, and the electrode includes a first electrode portion connected to the resistor and a second electrode portion formed on the first electrode portion.
  • the second electrode part is a material having a higher resistivity than the first electrode part, and a material having a higher resistivity than the solder used for mounting on the mounting board, To do.
  • the provision of the second electrode portion contributes to uniform current density distribution from the solder to the inside of the electrode, and current concentration on the end portion of the electrode is alleviated.
  • the resistance of the current detection resistor can be increased against electromigration that occurs during mounting.
  • the resistor shown in FIG. 2A is a resistor for current detection provided with a resistor 11 and electrodes 12 at both ends of the lower surface thereof.
  • a resistance material made of a metal having a low resistivity and a good resistance temperature coefficient such as a copper-nickel alloy or a nickel-chromium alloy, is used.
  • the electrode 12 includes a first electrode portion 12a, a second electrode portion 12b, and a third electrode portion 12c. Copper, which is a high conductivity material, is used for the first electrode portion 12.
  • the second electrode portion 12b is made of a material having a higher resistivity than the first electrode portion 12a and the third electrode portion 12c.
  • a material having a higher resistivity than the first electrode portion 12a and the third electrode portion 12c for example, an alloy such as nichrome or nickel phosphorus having a high resistivity with respect to copper of the first electrode portion and tin of the third electrode portion is used.
  • a nichrome alloy is used as the second electrode portion 12b.
  • a metal material used as a resistor may be used for the second electrode portion 12b. The reason why the high resistivity layer is interposed in the second electrode portion 12b is to make the current density distribution inside the electrode 12 and the solder between the resistor 11 and the wiring pattern 21 uniform.
  • the reason why the tin-based solder material is used for the third electrode portion 12c is to ensure mountability such as solder wettability.
  • a generally used solder material can be used for the third electrode portion 12c, and Sn-based, Sn-Ag-based, Sn-Cu-based lead-free solder, or Sn-Pb-based solder can also be used. Note that when the second electrode portion 12b is made of a material that is easily compatible with solder (such as a copper-nickel alloy), the third electrode portion may not be provided.
  • the electric resistivity of the exemplified metal is 1.7 ⁇ ⁇ cm for Cu used for the first electrode part, 10.9 ⁇ ⁇ cm for tin used for the third electrode part, and about 108 ⁇ ⁇ cm for the nichrome alloy used for the second electrode part.
  • cm, nickel-phosphorus alloys are about 90 ⁇ ⁇ cm.
  • a metal used as a resistor a copper nickel alloy is 49 ⁇ ⁇ cm, and a nichrome alloy is 108 ⁇ ⁇ cm.
  • an electrical resistivity may differ from the above by the metal component contained.
  • each layer of the electrode 12 is such that the first electrode portion 12a has a thickness of about 200 ⁇ m, the second electrode portion 12b has a thickness of about 5 to 10 ⁇ m, and the third electrode portion 12c has a thickness of about 3 to 12 ⁇ m. is there.
  • the second electrode portion 12b is preferably formed thinner than the first electrode portion 12a and the third electrode portion 12c.
  • FIG. 3A shows a structure in which the resistor shown in FIG. 2A is mounted on a mounting board. Between the 1st electrode part 12a and the wiring pattern 21, the 2nd electrode part 12b joined to the 1st electrode part 12a and the 3rd electrode part 12c which consists of Sn type solder intervene. The resistor is fixed to the wiring pattern 21 formed on the mounting substrate 20 using solder.
  • solder material is also formed in advance at the fixing position of the electrode 12 in the wiring pattern 21 (not shown).
  • the solder material and the third electrode portion 12c are generally the same Sn-based metal material.
  • the solder material on the wiring pattern 21 and the third electrode portion 12c are melted by reflow. Therefore, there is no distinction between the solder formed on the wiring pattern and the third electrode portion 12c between the second electrode portion 12b and the wiring pattern 21, and the solder is interposed.
  • the second electrode portion 12b which is a metal material having a higher resistivity
  • the current density distribution inside the electrode 12 or the solder can be reduced. It acts to make it uniform, and the current concentration on the end portions of the electrode 12 (portions indicated by symbols A and B in FIG. 1) is alleviated.
  • the electrode structure of this invention it can be set as the resistor which has high tolerance with respect to electromigration.
  • the thickness of the second electrode portion 12b is 1/10 of the thickness including the solder formed on the third electrode portion 12c and the wiring pattern 21 (solder thickness when mounted by reflow).
  • the following thickness is preferable.
  • FIG. 2B shows a current detecting resistor according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 3B shows its mounted state.
  • This resistor has a structure in which electrodes 12 are fixed to both ends in the longitudinal direction of the resistor 11, and the electrode 12 has a relatively high resistance first electrode portion 12a made of copper and relatively resistant such as nichrome or nickel phosphorus alloy.
  • the second electrode portion 12b has a high rate and the third electrode portion 12c has a high conductivity made of tin.
  • the second electrode portion 12b is formed by electrolytic plating using a nickel phosphorus alloy.
  • the third electrode portion 12c is a coating formed by electrolytic plating.
  • the outer periphery (upper and lower surfaces and both side surfaces) of the resistor 11 other than the bonding surface with the electrode 12a is covered with an insulating protective film 13 such as an epoxy resin.
  • the bottom surface of the third electrode portion 12c is mounted on the wiring pattern 21 of the mounting substrate 20 by solder bonding.
  • the voltage detection terminal 23 a is fixed not to the wiring pattern 21 but to the upper surface of the electrode 12 by wire bonding.
  • the second electrode portion 12b since the second electrode portion 12b has a higher resistivity than solder and copper, the density distribution of the current flowing between the wiring pattern 21 and the resistor 11 inside the electrode 12 is made uniform. Thereby, the portion with a high current density indicated by the symbol A or B in FIG. 1 can be eliminated, and the resistor having high resistance to electromigration can be obtained as in the first embodiment.
  • the second electrode portion 12b covers the exposed portion of the first electrode portion 12a.
  • the first electrode portion 12a is formed on the exposed portion of the metal other than the portion covered with the protective film 13 by electrolytic plating or the like. For this reason, it is possible to prevent the solder such as Sn from being connected to the first electrode portion 12a without the second electrode portion 12b interposed during mounting.
  • the voltage detection terminal 23a is taken out from the upper surface of the first electrode portion 12a, not from the wiring pattern 21, so that the resistor is not affected by the voltage generated by the second electrode portion 12b having a high resistivity. There is an advantage that the voltage at both ends of 11 can be detected accurately.
  • a long plate 11A made of a resistance material such as a copper-nickel alloy is prepared (see (a)). Then, a copper plate material 12A serving as the first electrode portion is overlaid on the plate material 11A (see (b)). Further, a nichrome plate material 12B serving as the second electrode portion is stacked thereon, and pressure and heat are applied to create a three-layer clad material in which the respective plate materials are diffusion-bonded (see (c)).
  • the nichrome plate material 12B and the copper plate material 12A indicated by the symbol X are removed by metal cutting.
  • the nichrome plate material 12B and the copper plate material 12A are separately formed on both sides of the resistance material plate 11A (see (d)).
  • the surface of the plate material 12B is immersed in a molten solder bath to form a tin coating 12C serving as the third electrode portion on the surface of the nichrome plate material 12B (see (e)). If the third electrode portion is not necessary, the step (e) may be omitted.
  • the long plate is cut into pieces corresponding to one resistor.
  • a resistor including the electrode 12 including the first electrode portion 12a, the second electrode portion 12b, and the third electrode portion 12c is formed on both ends of the flat resistor 11 (see (f)).
  • the insulating material 13 is formed by apply
  • coating pastes such as an epoxy resin
  • the electrode 12a made of copper is abutted against both longitudinal ends of the prismatic resistor 11 and fixed by diffusion bonding or the like, and the outer peripheral surface of the resistor 11 is an insulating material such as an epoxy resin. 13 and can be manufactured by forming the second electrode part 12b having a relatively high resistivity and the third electrode part 12c made of tin by electrolytic plating.
  • FIG. 5 shows an example of a jumper chip having the electrode structure of the present invention.
  • a second electrode portion 12b having a relatively high resistivity is provided on the electrode portion 12 of the jumper chip 14 made of a resistance material such as a copper-nickel alloy, and a third electrode portion 12c having a high conductivity such as tin is provided on the bottom surface thereof. ing.
  • the current density distribution inside the electrode 12 can be made uniform, and the resistance to electromigration can be improved, as in the above embodiments.
  • the present invention is particularly useful for high-power type surface-mounted resistors because when the current detection resistor is reduced in size, the electrode mounting surface is also reduced and electromigration becomes a problem.

Abstract

　電流検出用抵抗器を実装基板に実装した状態で、エレクトロマイグレーションによる接続不良等が生じないようにした抵抗器を提供する。抵抗体（１１）と電極（１２）とを備えた抵抗器であって、電極（１２）は、抵抗体（１１）に接続した第１電極部（１２ａ）と、該第１電極部（１２ａ）に形成された第２電極部（１２ｂ）とを含み、前記第２電極部（１２ｂ）は、前記第１電極部（１２ａ）よりも抵抗率が高い材料であって、且つ、実装基板への実装に用いるハンダよりも抵抗率が高い材料である。

Description

抵抗器およびその実装構造
　本発明は抵抗器およびその実装構造に係り、特に電流検出用抵抗器の電極構造およびその実装構造に関する。
　電池の充放電電流を監視し、電池の充放電電流を制御する等の目的で電流検出用抵抗器が使用される。電流検出用抵抗器は、監視対象電流の経路に挿入され、該電流によって抵抗器両端に生じる電圧を検出し、既知の抵抗値から電流を検出する。電流検出用抵抗器には種々の形式が存在するが、一例として平板状の金属抵抗体の下面両端に銅片からなる電極を備えた構造が知られている（特開２００２－５７００９号公報参照）。
　しかしながら、電子機器の小型化に伴い、小型化された上記抵抗器に大電流を通電すると、抵抗器の実装部分で電流密度が高くなる場合がある。そして、電流密度の増加により、ハンダによる抵抗器の実装部分においてエレクトロマイグレーションが発生し、接続不良を起こす可能性がある。
　図１は従来の電流検出用抵抗器の実装状態を示す。抵抗体１１の両端に配置した電極１２の材料として一般に銅が用いられる。電極１２はハンダ２２によって配線パターン２１に固定されている。この場合、一般に電流密度は電極１２の端の符号ＡまたはＢに示す個所で高くなる。このため、電流密度によっては、符号ＡまたはＢの部分から徐々にエレクトロマイグレーションが進行し、断線にいたる場合がある。
　また、一対の配線パターン２１の間から電圧検出端子を引き出す場合があるが、特に符号Ｂに示す個所でエレクトロマイグレーションが進行した場合に、その付近で検出する電圧に誤差が生じ、電流検出精度に悪影響を及ぼすという問題がある。
　本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、電流検出用抵抗器を実装基板に実装した状態で、エレクトロマイグレーションによる接続不良等が生じないようにした抵抗器を提供することを目的とする。
　本発明の抵抗器は、抵抗体と電極とを備えた抵抗器であって、前記電極は、前記抵抗体に接続した第１電極部と、該第１電極部に形成された第２電極部とを含み、前記第２電極部は、前記第１電極部よりも抵抗率が高い材料であって、且つ、実装基板への実装に用いるハンダよりも抵抗率が高い材料であることを特徴とする。
　本発明によれば、第２電極部を備えていることにより、ハンダから電極内部の電流密度分布の均一化に寄与し、電極の端の部分への電流集中が緩和される。これにより、実装時に発生するエレクトロマイグレーションに対して電流検出用抵抗器の耐性を高めることができる。
従来の抵抗器の実装状態を示す断面図である。 本発明の第１実施例の抵抗器を示す断面図である。 本発明の第２実施例の抵抗器を示す断面図である。 第１実施例の抵抗器の実装状態を示す斜視図である。 第２実施例の抵抗器の実装状態を示す斜視図である。 第１実施例の抵抗器の製造工程を示す斜視図である。 ジャンパーチップに本発明の電極構造を適用した例を示す斜視図である。
　以下、本発明の実施形態について、図２Ａ乃至図５を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。
　図２Ａに示す抵抗器は、抵抗体１１とその下面両端部に電極１２を備えた電流検出用抵抗器である。抵抗体１１には、銅－ニッケル系合金、ニッケル－クロム系合金などの低抵抗率で且つ抵抗温度係数の良好な金属からなる抵抗材料が用いられる。電極１２は、第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂおよび第３電極部１２ｃからなる。第１電極部１２には高導電率材料である銅が用いられる。
　本発明の電極構造では、第２電極部１２ｂは、第１電極部１２ａと第３電極部１２ｃよりも、抵抗率の高い材料からなることを特徴とする。例えば、第２電極部１２ｂには第１電極部の銅や第３電極部のスズに対して抵抗率の高いニクロム、ニッケルリン系などの合金が用いられる。
　図２Ａに示す例では、第２電極部１２ｂとしてニクロム系合金を用いている。この例のように第２電極部１２ｂには抵抗体として用いられる金属材料を用いてもよい。第２電極部１２ｂに抵抗率の高い層を介在させるのは、抵抗体１１と配線パターン２１との間における電極１２およびハンダ内部の電流密度分布を均一化するためである。
　第３電極部１２ｃにスズ系のハンダ材を用いるのはハンダ濡れ性などの実装性を確保するためである。第３電極部１２ｃは一般に用いられるハンダ材が利用でき、Ｓｎ系、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系の鉛フリーハンダや、Ｓｎ－Ｐｂ系等のハンダを用いることも可能である。なお、第２電極部１２ｂにハンダとなじみやすい材料（例えば銅－ニッケル系合金など）を用いる場合には、第３電極部を備えていなくてもよい。
　例示した金属の電気抵抗率は、第１電極部に用いるＣｕは１．７μΩ・ｃｍ、第３電極部に用いる錫は１０．９μΩ・ｃｍ、第２電極部に用いるニクロム系合金は約１０８μΩ・ｃｍ、ニッケルリン系合金は約９０μΩ・ｃｍである。抵抗体として用いられる金属として、銅ニッケル系合金は４９μΩ・ｃｍ、ニクロム系合金は１０８μΩ・ｃｍである。なお、含まれる金属成分によって電気抵抗率が上記と異なる場合がある。
　電極１２の各層の厚みの関係は、第１電極部１２ａが厚み２００μｍ程度であり、第２電極部１２ｂの厚みは５～１０μｍ程度であり、第３電極部１２ｃの厚みは３～１２μｍ程度である。第２電極部１２ｂは、第１電極部１２ａと第３電極部１２ｃよりも、薄く形成されていることが好ましい。
　図３Ａは、図２Ａに示す抵抗器を実装基板に搭載した構造を示している。第１電極部１２ａと配線パターン２１の間には、第１電極部１２ａに接合した第２電極部１２ｂと、Ｓｎ系のハンダからなる第３電極部１２ｃが介在している。抵抗器はハンダを用いて実装基板２０に形成された配線パターン２１に固定される。
　なお、配線パターン２１における電極１２の固定位置にもあらかじめハンダ材が形成されている（図示せず）。かかるハンダ材と第３電極部１２ｃは、一般に同じＳｎ系等の金属材である。抵抗器の実装のときには、配線パターン２１上のハンダ材と第３電極部１２ｃとはリフローによって溶融する。従って、第２電極部１２ｂと配線パターン２１の間には、配線パターン上に形成されたハンダと第３電極部１２ｃとの区別が無く、ハンダが介在した実装状態となる。
　本発明では、このハンダと第１電極部１２ａとの間に、これらよりも高い抵抗率の金属材料である第２電極部１２ｂを介在させることにより、電極１２あるいはハンダの内部の電流密度分布を均一化させるように作用し、電極１２の端の部分（図１の符号Ａ，Ｂで示す部分）への電流集中が緩和される。これにより、本発明の電極構造では、エレクトロマイグレーションに対して高い耐性を有する抵抗器とすることができる。
　実装状態においては、第３電極部１２ｃと配線パターン２１に形成されたハンダを含めた厚み（リフローにより実装された状態のハンダ厚み）に対して、第２電極部１２ｂの厚みが、１／１０以下の厚みになることが好ましい。これにより、電圧検出端子２３を一対の配線パターン２１の対向する部分から取り出す場合でも、比較的高い抵抗率の第２電極部１２ｂによる誤差電圧の発生を最小限に留めることができる。
　図２Ｂは本発明の第２実施例の電流検出用抵抗器を示し、図３Ｂはその実装状態を示す。この抵抗器は抵抗体１１の長手方向両端面に電極１２を固定した構造であり、電極１２は銅からなる高導電率の第１電極部１２ａと、ニクロムやニッケルリン系合金等の比較的抵抗率の高い第２電極部１２ｂと、スズからなる高導電率の第３電極部１２ｃとから構成されている。
　図２Ｂで示す例において、第２電極部１２ｂは、ニッケルリン系合金を用い、電解メッキにより形成されている。第３電極部１２ｃは電解メッキにより形成された被膜である。抵抗体１１における電極１２ａとの接合面以外の外周（上下面および両側面）はエポキシ樹脂などの絶縁性の保護膜１３で被覆されている。そして、第１実施例と同様に第３電極部１２ｃの底面が実装基板２０の配線パターン２１にハンダ接合により実装される。この実施例では、電圧検出端子２３ａは配線パターン２１からではなく、電極１２の上面にワイヤボンドにより固定されている。なお、ボンディングに用いるワイヤの種類に応じて、第３電極部１２ｃの材料を、例えばニッケル等に変更してもよい。
　この実施例においても、第２電極部１２ｂはハンダおよび銅に比べて抵抗率が高いので、電極１２の内部で配線パターン２１と抵抗体１１の間に流れる電流の密度分布を均一化する。これにより、図１の符号ＡまたはＢで示す電流密度の高い部分を解消することができ、エレクトロマイグレーションに対する高い耐性を有する抵抗器とすることができる点も第１実施例と同じである。
　第２電極部１２ｂは、第１電極部１２ａの露出部分を被覆している。第１電極部１２ａは、電解メッキ法などにより、保護膜１３で覆われた部分以外の金属が露出した部分に形成される。このため、実装の際に、Ｓｎなどのハンダが第２電極部１２ｂを介在することなく第１電極部１２ａと接続することを防ぐことができる。さらに、この実施例では電圧検出端子２３ａは配線パターン２１からではなく、第１電極部１２ａの上面から取り出すので、抵抗率の高い第２電極部１２ｂにより生じる電圧の影響を受けることなく、抵抗体１１の両端の電圧を正確に検出できるというメリットがある。
　次に、本発明の第１実施例の抵抗器の製造工程について図４を参照して説明する。まず、銅－ニッケル系合金等の抵抗材料からなる長尺の板材１１Ａを準備する（（ａ）参照）。そして、板材１１Ａの上に第１電極部となる銅の板材１２Ａを重ねる（（ｂ）参照）。さらに、その上に、第２電極部となるニクロムの板材１２Ｂを重ね、圧力と熱を印加することで、各板材間が拡散接合した３層のクラッド材を作成する（（ｃ）参照）。
　次に、金属の切削加工により符号Ｘで示す部分のニクロムの板材１２Ｂと銅の板材１２Ａを除去する。これにより、抵抗材料の板材１１Ａの両側にニクロムの板材１２Ｂと銅の板材１２Ａが分離して形成される（（ｄ）参照）。そして、例えば溶融したハンダの槽に板材１２Ｂの表面を浸けて、第３電極部となるスズの被膜１２Ｃをニクロムの板材１２Ｂの表面に形成する（（ｅ）参照）。なお、第３電極部が不要な場合は、（ｅ）の工程を省略してもよい。
　次に、長尺状の上記板材をカットして、１個の抵抗器に対応した個片にする。この状態で平板状の抵抗体１１の片面両端部に第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂと第３電極部１２ｃからなる電極１２を備えた抵抗器が形成される（（ｆ）参照）。そして、両端部の電極１２間の抵抗体１１の露出面にエポキシ樹脂等のペーストを塗布し加温硬化することで、絶縁材１３を形成する。これにより、図２Ａに示す本発明の電極構造を備えた抵抗器が完成する（（ｇ）参照）。
　なお、第２実施例の抵抗器は角柱状の抵抗体１１の長手方向両端面に銅からなる電極１２ａを突き合わせて拡散接合等により固定し、抵抗体１１の外周面をエポキシ樹脂等の絶縁材１３で被覆し、比較的抵抗率の高い第２電極部１２ｂとスズからなる第３電極部１２ｃを電解メッキにより形成することで製作できる。
　図５は本発明の電極構造を備えたジャンパーチップの例を示す。銅－ニッケル系合金等の抵抗材料からなるジャンパーチップ１４の電極部１２に比較的抵抗率の高い第２電極部１２ｂと、さらにその底面にスズ等の導電率の高い第３電極部１２ｃを備えている。これにより、電極１２内部での電流密度分布を均一化でき、エレクトロマイグレーションに対する耐性を向上させ得る点は上述の各実施例と同様である。
　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例に限定されず、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。
　本発明は、電流検出用抵抗器を小型化した場合、電極実装面も小さくなり、エレクトロマイグレーションが問題となるので、特に大電力タイプの面実装型抵抗器に対して有用である。

Claims (3)

  1. 　抵抗体と電極とを備えた抵抗器であって、
    　前記電極は、前記抵抗体に接続した第１電極部と、該第１電極部に形成された第２電極部とを含み、
    　前記第２電極部は、前記第１電極部よりも抵抗率が高い材料であって、且つ、実装基板への実装に用いるハンダよりも抵抗率が高い材料であることを特徴とする抵抗器。
  2. 　前記電極は第３電極部を含み、
    　前記第１電極部と前記第３電極部との間に前記第２電極部を備え、
    　前記第２電極部は前記第３電極部よりも抵抗率が高い材料であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗器。
  3. 　抵抗体と電極とを備えた抵抗器を、実装基板に形成された配線パターンに実装した抵抗器の実装構造であって、
    　前記電極は、前記抵抗体に接続した第１電極部と、該第１電極部に形成された第２電極部とを含み、
    　前記配線パターンと前記第１電極部との間に、前記第２電極部とハンダが介在し、
    　前記第２電極部は、前記第１電極部よりも抵抗率が高い材料であって、実装基板への実装に用いるハンダよりも抵抗率が高い材料であることを特徴とする抵抗器の実装構造。
     
     
PCT/JP2013/058558 2012-03-26 2013-03-25 抵抗器およびその実装構造 WO2013146671A1 (ja)

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