WO2015146433A1 - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

　電流検出用抵抗器と、前記電流検出用抵抗器が実装され、前記電流検出用抵抗器に電流を流すための一対のランドと、前記電流検出用抵抗器と前記一対のランドとをそれぞれ接続する一対の接続材と、前記電流検出用抵抗器に接続され、電圧を検出するための一対のボンディングワイヤーと、を有し、前記ボンディングワイヤーと電流検出用抵抗器との接続位置を、前記一対の接続材の内側端部よりもさらに内側の領域とした電流検出装置。

Description

電流検出装置

　本発明は、電流検出技術に関する。

　電流の検出用にミリオーム程度の極めて抵抗値が小さいチップ抵抗器を用いることは良く知られている。チップ抵抗器は、例えば、貴金属合金あるいは金属合金から作製される抵抗体および高伝導性の電極および溶融はんだ材から構成されている。

　例えば、下記特許文献１には、電流検出用抵抗器の実装構造が開示されている。

特開２０１２－２３３７０６号公報

　図９は、特許文献１に記載の電流検出装置（電流検出用抵抗器）の一例であるシャント抵抗器の実装構造の一例を示す側面図である。

　シャント抵抗器１００を搭載するためのアルミ等の金属基板１０２には、金属基板１０２に形成され抵抗器１００に電流を流すための配線パターン１０３ａ、１０３ｂと、配線パターン１０３ａ、１０３ｂ間に設けられた抵抗体１０１と、抵抗体１０１と配線パターン１０３ａ、１０３ｂとを接続するはんだ層１０５ａ、１０５ｂとを有している。また、基板１０２に形成されシャント抵抗器１００の両端に生じる電圧を検出する一対の電圧検出配線１０７ａ、１０７ｂを備える。シャント抵抗器１００は、Ｃｕ－Ｍｎ系、Ｎｉ－Ｃｒ系などの金属材料を抵抗体とするものが一例としてあげられる。

　電圧検出配線１０７ａ、１０７ｂの先端と、シャント抵抗器１００の両端の電圧検出位置とが、ボンディングワイヤー１０９ａ、１０９ｂにより接続される。

　シャント抵抗器１００には検出電流Ｉが流れ、検出電流Ｉにシャント抵抗器１００の抵抗値Ｒを乗じた電圧Ｖが電圧検出配線１０７ａ、１０７ｂから図示しない電圧検出回路に取り出される。

　ところで、近年、部品の小型化の進展と、大電流化により、製品部における電流密度が増加している。電流密度の増加により、はんだによる接合部分にエレクトロマイグレーションが発生するという問題が注目されている。特に高温であり電流密度の高い個所ではエレクトロマイグレーションの発生の可能性が高い。

　図９の構造では、特に、○印部分１１１に電流が集中することになる。この状態で長期間使用を継続すると、○印部分１１１のはんだ層１０５ａ、１０５ｂがエレクトロマイグレーションにより消失する可能性がある。その結果として、抵抗体のＬ寸法が長くなるため、電圧検出端子であるボンディングワイヤー１０９ａ、１０９ｂ間の電位差が大きくなる。つまり、抵抗値が高いほうへドリフトすることになる。

　このため、例えば１０年などの長期間の使用においては、電流検出装置（電流検出用抵抗器）の電流検出精度を良好に保つことが難しくなるという問題があった。

　本発明は、電流検出装置における電流検出精度を長期間にわたって良好に保つことを目的とする。

　本発明の一観点によれば、電流検出用抵抗器と、前記電流検出用抵抗器が実装され、前記電流検出用抵抗器に電流を流すための一対のランドと、前記電流検出用抵抗器と前記一対のランドとをそれぞれ接続する一対の接続材と、前記電流検出用抵抗器に接続され、電圧を検出するための一対のボンディングワイヤーと、を有し、前記ボンディングワイヤーと電流検出用抵抗器との接続位置を、前記一対の接続材の内側端部よりもさらに内側の領域とした電流検出装置が提供される。

　この電流検出装置の構造によれば、抵抗器と配線パターンとの接合部分において、エレクトロマイグレーションにより接続材の付着領域の対向する内側端部間の距離が長くなる方向に接続材が削れていったとしても、電圧検出端子である電圧検出位置間の抵抗は変わらないため、検出精度を保つことができる。また、エレクトロマイグレーション以外に、何らかの原因で抵抗器と配線パターンとの接合部分にクラックが入ること等があっても、検出精度を保つことができる。

　前記接続材は、前記電流検出用抵抗器の抵抗体の端部と前記ランドとの間に介在するようにすると良い。接続材は、抵抗体の端部と前記ランドとを直接接続している。

　前記電流検出用抵抗器は、単一の抵抗材を用いて、抵抗部と端子部とを構成したことを特徴とする。

　例えば、端部を除いた領域に凹部を形成し、この凹部を本体部とする。凹部等により段差を形成することで、はんだ材等の接続材がボンディングワイヤーの接続個所に対応する部分まではい上がることを防止することも可能である。

　前記電流検出用抵抗器は、前記ボンディングワイヤーとの接続位置を規制する構造を備えることが好ましい。

　本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願２０１４－０６２４８５号の明細書および／または図面に記載される内容を包含する。

　本発明によれば、電流検出装置における電流検出精度を長期間にわたって良好に保つことができる。

本発明の第１の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す図であり、上図は電流検出装置の斜視図であり、下図は、上図に対応する電流検出装置の平面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、図１の下図（図２（ａ）に対応する。）に示すボンディングワイヤーによる接続構造を有する電流検出装置における、はんだ層による抵抗体と配線パターンとの接合領域の経時変化の例を示す図である。 図２の示す構造により４端子測定を行う等価回路図である。 本発明の第２の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す斜視図である。 特許文献１に記載の電流検出装置（電流検出用抵抗器）の一例であるシャント抵抗器の実装構造の一例を示す側面図である。

　以下、本発明の実施の形態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は、本発明の第１の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す図であり、上図は電流検出装置の斜視図であり、下図は、上図に対応する電流検出装置の平面図である。基本的な構造及び材料等は、図９において説明した構造と同様でも良い。

　電流検出装置１は、例えば金属基板（図示せず）に形成され低抵抗な抵抗体を有する電流検出用の抵抗器３の両端間に電流を流すための配線パターン５ａ、５ｂと、配線パターン５ａ、５ｂ間に設けられ、抵抗器３の両端の端子部３ｂ、３ｃと配線パターン５ａ、５ｂとを接続する接続材、例えばＳｎ－Ａｇ－Ｃｕはんだなどにより形成されるはんだ層７ａ、７ｂとを有している。接続材としては、はんだ以外に、導電性接着剤、ろう材、等を用いてもよい。エレクトロマイグレーションによる影響に関しては、例えばＳｎ系の接続材に対して本発明は特に有効である。また、電流検出装置１においては、基板に形成され抵抗器３の両端に生じる電圧を検出する一対の電圧検出配線８ａ、８ｂと、抵抗器３においてある距離だけ離れた電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２とが、抵抗器３の本体部３ａにおいて、ボンディングワイヤー１１ａ、１１ｂにより接続されている。ボンディングワイヤー１１ａ、１１ｂは電圧検出端子として機能する。尚、図１等では、抵抗器と抵抗体とを同じとした簡単な構造により例示している。抵抗器３の抵抗体の両端には、電極が形成されていても良い。

　抵抗器３の端子部３ｂ、３ｃ間には検出電流Ｉが流れ、抵抗器３の抵抗値Ｒを乗じた電圧Ｖが電圧検出配線８ａ、８ｂから図示しない電圧検出回路に取り出される。

　この構造により、抵抗器３における４端子測定が可能となる。

　ここで、電圧検出端子（ボンディングワイヤ１１ａ、１１ｂ）の抵抗器３側の一端は、平面視において、はんだ付着領域（実装領域、ランド、以下、同様）ＡＲ１、ＡＲ２にかからない電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２において抵抗器３と接合されている。はんだ層７ａ、７ｂは、はんだ付着領域（ＡＲ１、ＡＲ２）において、配線パターン５ａ、５ｂと抵抗器３の両端部において、例えば抵抗体とそれぞれ直接接続するように介在している。

　図２（ａ）、（ｂ）は、図１の下図（図２（ａ）に対応する。）に示すボンディングワイヤー１１ａ、１１ｂによる接続構造を有する電流検出装置１における、はんだ層による抵抗器３と配線パターン５ａ、５ｂとの接合領域の経時変化の例を示す図である。接合領域であるはんだ付着領域ＡＲ１、ＡＲ２は、図９でも説明したように、エレクトロマイグレーションの影響により対向する内側端部側からはんだが削れていくことで、図２（ｂ）に示すように、はんだ付着領域ＡＲ１、ＡＲ２の対向する内側端部間の距離が長くなる方向、すなわち、矢印１４ａ、１４ｂに示す方向にはんだ層７ａ、７ｂの内側端部の位置が変化し、はんだ付着領域ＡＲ１ａ、ＡＲ２ａに示すように変化する。

　そこで、電圧検出端子（ボンディングワイヤ１１ａ、１１ｂ）を、平面視において、初期のはんだ付着領域ＡＲ１、ＡＲ２にかからない位置であって、かつ、抵抗体３の上面の、はんだ付着領域ＡＲ１、ＡＲ２の対向する内側端部間にある電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２において、抵抗体３と接続する。このような構造により、長期使用による経時変化があっても、電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２は、経時変化後のはんだ付着領域ＡＲ１ａ、ＡＲ２ａの対向する内側端部間に入っている状態が保たれる。

　この電流検出装置１の構造によれば、抵抗器３と配線パターン５ａ、５ｂとの接合部分において、エレクトロマイグレーションによりはんだ付着領域ＡＲ１、ＡＲ２の対向する内側端部間の距離が長くなる方向にはんだが削れていったとしても、電圧検出端子である電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２間の抵抗は変わらないため、電圧検出精度を長期間にわたって保つことができる。

　尚、電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２間の距離は、はんだ付着領域ＡＲ１、ＡＲ２を避けた内側の領域であって、ある程度距離が離れていれば良い、電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２間の距離が近くなる場合には、検出した電圧を増幅する等により検出感度を良くすることができる。

　図３は、図２に示す構造により４端子測定を行う等価回路図である。電流検出装置１の抵抗器３においては、はんだ層７ａ、７ｂが削れたとしても、図３に示すように、はんだ付着領域の内側端部よりもさらに内側において電圧検出端子として機能するボンディングワイヤーが抵抗体３に直接又は間接に電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２で接続されており、電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２間の距離は変わらない。また、電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２間において電流をまっすぐに流した場合には、図２（ｂ）の矢印１４ａ、１４ｂに示すように、電圧検出位置Ｐ１、Ｐ２に変化がなく、また、はんだ付着領域ＡＲ１、ＡＲ２の対向する内側端部間の距離が長くなるが内側端部が平行に保たれた状態ではんだが削れていく傾向にあるため、抵抗体３内の電位分布にも経時変化の影響は殆どない。

　従って、本実施の形態による電流検出装置によれば、エレクトロマイグレーションの影響によりはんだが削れていって抵抗器の実装状態における抵抗値は変化しても、４端子測定における電流検出においてはその影響を受けにくいため、長期間に亘って電流検出精度を良好に保つことができるという利点がある。
（第２の実施の形態）
　図４は、本発明の第２の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す断面図である。図４に示す電流検出装置３１は、例えば金属基板に形成され抵抗器３３に電流を流すための配線パターン３５ａ、３５ｂと、配線パターン３５ａ、３５ｂ間に設けられ、低抵抗な抵抗体を有する抵抗器３３と、抵抗器３３と配線パターン３５ａ、３５ｂとを接続するはんだ層３７ａ、３７ｂとを有している。ここで、図４においては、抵抗器３３は、はんだ層３７ａ、３７ｂにより配線パターン３５ａ、３５ｂと接続される抵抗体の端部３３ｂ、３３ｃと、それとは段差がある本体部３３ａと、により構成されており、図４に示す実装構造において、抵抗器３３の抵抗体の本体部３３ａは、端部３３ｂ、３３ｃに対して、高さ方向に持ち上げられた（配線パターン３５ａ、３５ｂとより離れた方向）構造となっている。この段差を、Δｈ１とする。

　また、電流検出装置３１においては、基板に形成され抵抗器３３の両端に生じる電圧を検出する一対の電圧検出配線３９ａ、３９ｂと、抵抗器３３の両端の電圧検出位置Ｐ３、Ｐ４とが、ボンディングワイヤー４１ａ、４１ｂにより接続されている。電圧検出位置Ｐ３、Ｐ４は、端部３３ｂ、３３ｃに対して、高さ方向に持ち上げられた抵抗器３３の本体部３３ａに位置する。

　抵抗器３３には検出電流Ｉが流れ、抵抗器３３の抵抗値Ｒを乗じた電圧Ｖが電圧検出配線３９ａ、３９ｂから図示しない電圧検出回路に取り出される。電流検出装置３１におけるこの構造により、４端子測定が可能となる。

　この構造によれば、抵抗器３３と配線パターン３５ａ、３５ｂとの接合部分において、エレクトロマイグレーションによりはんだ付着領域の対向する内側端部間の距離が長くなる方向にはんだが削れていったとしても、電圧検出端子である電圧検出位置Ｐ３、Ｐ４間の抵抗は変わらないため、電流検出装置３１の電流検出精度を保つことができる。

　加えて、抵抗器３３の本体部３３ａは、端部３３ｂ、３３ｃに対して、高さ方向に持ち上げられた構造となっているため、はんだ層３７ａ、３７ｂが、電圧検出端子である電圧検出位置Ｐ３、Ｐ４まではい上がることを抑制することもできる。

　従って、エレクトロマイグレーションの影響によりはんだが削れていっても長期間に亘って電流検出精度を良好に保つことができるという利点がある。
（第３の実施の形態）
　図５は、本発明の第３の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す斜視図である。図５に示す電流検出装置５１は、例えば金属基板（図示せず）に形成され抵抗器５３に電流を流すための配線パターン５５ａ、５５ｂと、配線パターン５５ａ、５５ｂ間に設けられ、低抵抗な抵抗体を有する抵抗器５３と配線パターン５５ａ、５５ｂとを接続するはんだ層５７ａ、５７ｂとを有している。ここで、図５においては、抵抗器５３の抵抗体の一面に凹部５３ｄを形成することにより形成される本体部５３ａと、本体部５３ａの両端に位置する端部５３ｂ、５３ｃとが画定される。抵抗器５３の本体部５３ａには、端部５３ｂ、５３ｃに対して、凹部５３ｄにより厚さが薄くなる肉薄部が形成されることで段差ｈ２が形成されている。そして、端部５３ｂ、５３ｃと配線パターン５５ａ、５５ｂとの間には、それぞれ、はんだ層５７ａ、５７ｂが設けられることにより配線パターン５５ａ、５５ｂと端部５３ｂ、５３ｃとが接続されている。そして、本体部５３ａの凹部５３ｄ側の表面は、保護膜５８により覆われている。このように、抵抗器５３は、単一の抵抗材を用いて、抵抗部（本体部５３ａ）と端子部５３ｂ、５３ｃとが構成されていてもよい。

　また、電流検出装置５１においては、基板に形成され抵抗器５３の両端に生じる電圧を検出する一対の電圧検出配線５９ａ、５９ｂと、抵抗器５３の両端の電圧検出位置Ｐ５、Ｐ６とが、ボンディングワイヤー６１ａ、６１ｂにより接続されている。電圧検出位置Ｐ５、Ｐ６は、端部５３ｂ、５３ｃに対して、抵抗器５３の抵抗体が肉薄である本体部５３ａの領域に位置する。

　抵抗器５３には検出電流Ｉが流れ、抵抗器５３の抵抗値Ｒを乗じた電圧Ｖが電圧検出配線５９ａ、５９ｂから図示しない電圧検出回路に取り出される。この構造により、４端子測定が可能となる。

　この構造によれば、抵抗器５３と配線パターン５５ａ、５５ｂとの接合部分において、エレクトロマイグレーションによりはんだ付着領域の対向する内側端部間の距離が長くなる方向にはんだが削れていったとしても、電圧検出端子である電圧検出位置Ｐ５、Ｐ６間の抵抗は変わらないため、電流検出装置５１の検出精度を保つことができる。

　加えて、端部５３ｂ、５３ｃ間の本体部５３ａは、保護層５８によって覆われているため、はんだ層５７ａ、５７ｂが、電圧検出端子である電圧検出位置Ｐ５、Ｐ６まではい上がることを抑制することもできる。

　従って、エレクトロマイグレーションの影響によりはんだが削れていっても長期間に亘って電流検出精度を良好に保つことができるという利点がある。
（第４の実施の形態）
　図６から図８までは、本発明の第４の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す斜視図である。図６から図８までは、はんだ付着領域に、ワイヤーボンディングしないための技術の例を示す図である。ここでは、図５の第３の実施の形態による本体部に凹部を設けることで肉薄とした構造を例にして説明するが、第１又は第２の実施の形態を含むその他の構造に適用することが可能である。

　本実施の形態による電流検出装置は、ボンディングワイヤーとの接続位置部位を規制する構造を備えるとすることを特徴とする。

　図６に示す電流検出装置７１は、抵抗器７３の抵抗体の一面に凹部７３ｄを設けることで形成された肉薄の本体部７３ａと、その両端の端部７３ｂ、７３ｃとにより図５に示すような抵抗器が形成されている。ここでは、電極やはんだ層などの構成を省略しているが、基本的には図５と同様である。

　図６において、はんだ層により配線パターンと接続する端部７３ｂ、７３ｃの領域が、符号Ｌ５、Ｌ６の外側の領域として示されており、ワイヤーボンディングする方の一面にであって、符号Ｌ５、Ｌ６の内側の領域内に、例えば、ワイヤーボンディングをする位置の目安を示す目印Ｐ７、Ｐ８が付されている。この目印は、例えば、凹部を形成する際の位置を基準として設けることができる。目印の形成方法は、抵抗体の表面を削る、インクを塗布する、等により形成できる。本実施の形態では、ボンディングワイヤーとの接続位置部位を目視により識別可能とする。

　図６に示す構造では、目印Ｐ７、Ｐ８を目安にしてワイヤーボンディング作業をすることにより、はんだ付着領域を避けた領域にワイヤーボンディングを行うことが確実になるため、電流検出装置の製造工程において、長期間に亘って電流検出精度を良好に保つ構造を歩留まり良く製造することができる。

　図７に示す電流検出装置８１は、抵抗器８３の抵抗体の一面に凹部８３ｄを設けることで形成された肉薄の本体部８３ａと、その両端の端部８３ｂ、８３ｃとにより図５、図６に示すような抵抗器が形成されている。ここでは、電極やはんだ層などの構成を省略しているが、基本的には図５と同様である。

　図７に示す構造では、端部８３ｂ、８３ｃ上の、抵抗器８３の抵抗体の本体部８３ａのワイヤーボンディングする方の一面にボンディングをできないようにするためのエポキシ樹脂などの保護膜８５が形成されている。本実施の形態では、ボンディングワイヤーとの接続位置部位を保護膜により、はんだ付着領域（ランド）を避けた領域にするように規制する。

　図７に示す構造では、保護膜８５により保護されたはんだ付着領域を避けた領域にワイヤーボンディングを行うことが確実になるため、電流検出装置８１の製造工程において、長期間に亘って電流検出精度を良好に保つ構造を歩留まり良く製造することができる。

　図８に示す電流検出装置９１は、抵抗器９３の抵抗体の一面に凹部９３ｄを設けることで形成された肉薄の本体部９３ａと、その両端の端部９３ｂ、９３ｃとにより図５、図６に示すような抵抗器が形成されている。ここでは、電極やはんだ層などの構成を省略しているが、基本的には図５－図７と同様である。

　図８に示す構造では、抵抗器９３のワイヤーボンディングする方の一面にエポキシ樹脂などの保護膜９５が形成されており、端部９３ｂ、９３ｃを避けた領域の保護膜９５を開口して抵抗器９３の抵抗体の表面を露出することでボンディングすることが許容されるボンディングエリア９５ａを形成している。本実施の形態では、ボンディングワイヤーとの接続位置部位を保護膜と開口とにより本体部内の特定の位置に規制する。

　図８に示す構造では、保護膜９５により保護されたはんだ付着領域を避けた領域にワイヤーボンディングを行うことが許容されるボンディングエリア９５ａが形成されているため、ワイヤーボンディングされる位置Ｐ１１，Ｐ１２が、ボンディングエリア９５ａ内に限定されるため、電流検出装置の製造工程において、長期間に亘って電流検出精度を良好に保つ構造を歩留まり良く製造することができる。

　これ以外のはんだ付着領域にボンディングしないための構造も本実施の形態に含まれる。

　以上に説明したように、本発明の各実施の形態によれば、本体部の両端に配線とはんだにより接続される端子部を有する抵抗器において、はんだ付着領域の内側端部よりもさらに内側において電圧検出端子として機能するボンディングワイヤーが抵抗体に直接又は間接に電圧検出位置で接続される。

　このように、はんだ付着領域を避けた内側の領域にワイヤーボンディングを行うため、抵抗体と配線パターンとの接合部分において、エレクトロマイグレーションによりはんだが削れたり、また、熱収縮や衝撃等のなんらかの原因でクラックが入る等、はんだ付着領域である接合領域の対向する内側端部間の距離が長くなる方向に接合状態が変化したとしても、電圧検出端子である電圧検出位置間の抵抗は変わらないため、電流検出精度を長期間にわたって保つことができる。

　上記の実施の形態において、添付図面に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、電流検出装置に利用可能である。

ＡＲ１、ＡＲ２…はんだ付着領域（ランド）
Ｐ１、Ｐ２…電圧検出位置
１…電流検出装置
３…抵抗器（抵抗体を含む）
３ａ…本体部
３ｂ、３ｃ…端部
５ａ、５ｂ…配線パターン（ランド）
７ａ、７ｂ…はんだ（接続材）層
８ａ、８ｂ…電圧検出配線
１１ａ、１１ｂ…ボンディングワイヤー
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

Claims (4)

1. 　電流検出用抵抗器と、
   　前記電流検出用抵抗器が実装され、前記電流検出用抵抗器に電流を流すための一対のランドと、
   　前記電流検出用抵抗器と前記一対のランドとをそれぞれ接続する一対の接続材と、
   　前記電流検出用抵抗器に接続され、電圧を検出するための一対のボンディングワイヤーと、を有し、
   　前記ボンディングワイヤーと電流検出用抵抗器との接続位置を、前記一対の接続材の内側端部よりもさらに内側の領域とした
   電流検出装置。
2. 　前記接続材は、
   　前記電流検出用抵抗器の抵抗体の端部と前記ランドとの間に介在することを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 　前記電流検出用抵抗器は、単一の抵抗材を用いて、抵抗部と端子部とを構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電流検出装置。
4. 　前記電流検出用抵抗器は、前記ボンディングワイヤーとの接続位置を規制する構造を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の電流検出装置。

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