CN101673602B

CN101673602B - 电阻元件及其制造方法

Info

Publication number: CN101673602B
Application number: CN200810212796A
Authority: CN
Inventors: 王钟雄; 生田英雄; 朱武良; 林彦霆; 郭至圣; 廖玟雄
Original assignee: Qiankun Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Cyntec Co Ltd; Qiankun Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: CN101673602A

Abstract

本发明提供一种电阻元件及其制造方法，适用于感测一电路中的电流，电阻元件包含一承载体、一设置于承载体上的电阻层、一电连接于电阻层的电极单元、直接设置于部分电阻层上的上氧化层及覆盖部分的上氧化层的保护层；电阻层包括铜合金，而上氧化层包含铜合金的氧化物；通过上氧化层的设置可以增强保护层与电阻层间的接触面积及附着力，且可增加电阻元件于高温下的安定性；而且包含铜合金的氧化物的上氧化层的电阻率及电阻温度系数均接近于铜合金，故不会显著地影响电阻元件的特性。

Description

电阻元件及其制造方法

技术领域

本发明是关于一种电阻元件，尤其关于一种用以感测电流的电阻元件及其制造方法。

背景技术

于电子装置中通常装设有是为被动元件之一的电阻元件用以感测电路中的电流。此种用以感测电流的电阻元件通常必须具有低电阻值(resistancevalue)及低电阻温度系数(temperature coefficient of resistance，TCR)。

美国专利第7,238,296号揭露一种已知电阻元件，利用厚膜印刷技术将电阻层印刷于基板上，后覆盖玻璃保护层并利用激光修整技术调整电阻值，最后覆盖保护层；而电阻层是采用铜锰锗(Cu-Mn-Ge)的金属粉末与铜氧化物(Copper-Oxide Power)粉末混合的合金，以降低电阻值及TCR。然为了使基板与电阻层间有较好的附着力，电阻层中除添加铜氧化物粉末外还需要添加玻璃粉末(glass powder)当作接合剂，而玻璃粉末会形成杂质使得TCR不容易控制，且玻璃粉末与铜氧化物粉末添加的比例过大(大于10wt％)会使得电阻值增加及使电阻层形成多孔结构，故工艺上需加强控制玻璃粉末与铜氧化物粉末添加量。此外，电阻元件于制造过程中需在960℃～980℃的氮气环境下进行烧结，而电阻层中的铜为容易氧化的材料，使得工艺的困难度较高。

美国专利第6,771,160号揭露另一种已知电阻元件，利用蒸发、溅射、化学镀或电镀的方式，使多层电阻层附着在铜箔上，然后再将其埋入于印刷电路板(PCB)中。多层电阻层分别由不同的合金或氧化物形成且构成一并联电路，藉以便于制造出不同电阻值的电阻元件；但使用蒸发或溅射等工艺，制造成本偏高，且刻蚀电阻层的工艺难度较高。

发明内容

本发明的一目的，在于提供一种具有低电阻值及低电阻温度系数的电阻元件及其制造方法。

本发明的另一目的，在于提供一种电阻元件及其制造方法，通过上氧化层的设置可增强电阻层与保护层的附着力且可增加电阻元件于高温下的安定性。

本发明的又一目的，在于提供一种电阻元件的制造方法，达到简化制造程序及提升工艺稳定性。

为达到上述的一目的或全部目的，本发明一实施例的电阻元件，适用于感测一电路中的电流且包含一承载体、一设置于承载体上的电阻层、一电连接于电阻层的电极单元、直接设置于部分电阻层上的上氧化层及覆盖部分的上氧化层的保护层，所述上氧化层为一利用湿法腐蚀工艺而形成的粗糙面；电阻层包括铜合金，而上氧化层包含铜合金的氧化物；通过上氧化层的设置可以增强保护层与电阻层间的接触面积及附着力，且可增加电阻元件于高温下的安定性；而且包含铜合金的氧化物的上氧化层的电阻率及电阻温度系数均接近于铜合金，故不会显著地影响电阻元件的特性。本发明一实施例的电阻元件的制造方法，包括提供一包括铜合金的电阻体与一基板形成的一多层的组合板体、移除部分电阻体以形成多个互相分离的电阻层、进行氧化处理以形成一包含铜合金氧化物的粗糙面于部分的电阻层上，所述氧化处理是选用一湿法腐蚀工艺、形成保护层于粗糙面上及切割组合板体以形成电阻元件，藉以达到简化制造程序及提升工艺稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例的电阻元件的剖面示意图。

图2为本发明另一实施例的电阻元件的剖面示意图。

图3A至图3J为本发明一实施例的电阻元件的制造流程示意图。

附图标号：

201 组合板体

202 组合条体

203 组合块体

250 金属片

261 上胶片

262 下胶片

263 基板

280 电阻片

282 下氧化层

300 电阻元件

300′ 电阻元件

31、31’承载体

310 基板

311 上表面

312 下表面

313 侧面

314 上附着层

315 下附着层

320 上氧化层

321 第一氧化层

322 第二氧化层

323 第三氧化层

330 电极单元

331、332 上电极

333、334 下电极

335、336 端电极

337、338 外部电极

340 电阻层

341 第一表面

342 第二表面

343 侧面

350 保护层

360 下氧化层

371 第一金属层

372 第二金属层

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

如图1所示，本发明一实施例的电阻元件300适用于感测电路中的电流，其具有低电阻值(resistance value)及低电阻温度系数(temperature coefficientofresistance，TCR)，较佳地，其电阻值约小于10mΩ且电阻温度系数约小于100×10^-6/K(ppm/K)。

电阻元件300包括一承载体31、一电阻层340、一电极单元330、一上氧化层320及一保护层350。其中，承载体31具有一基板310，基板310是采用绝缘且热传导性佳的材质，例如：氧化铝(Al₂O₃)，基板310具有相对的上表面311、下表面312及连接于上表面311与下表面312之间的侧面313。

电阻层340设置于基板310的上表面311上且其由铜合金所构成，铜合金可为以镍及铜为主成分的镍铜合金或以锰及铜为主成分的锰铜合金；电阻层340可利用溅射或蒸发等薄膜工艺直接形成于基板310上；电阻层340具有一相对的第一表面341、第二表面342及连接于第一表面341与第二表面342之间的侧面343，第一表面341设置于基板310的上表面311上；于本实施例中，电阻层340的厚度约为0.2mm至0.6mm。

电极单元330包括一对上电极331&332，上电极331&332分别电连接于电阻层340且互相分离，本实施例中，上电极331&332可为分别设置于电阻层340的第二表面342的两侧上的导电凸块，以覆盖部分的电阻层340的第二表面342。上电极331&332的材料可为铜。

上氧化层320直接设置于电阻层340的部分的第二表面342上及上电极331&332远离电阻层340的表面上，且上氧化层320为一利用湿法腐蚀工艺氧化处理部分的电阻层340及部分的上电极层331&332而形成的一粗糙面。详细地说，本发明可为一采用棕化工艺或黑化工艺的氧化处理，较佳地是采用棕化工艺形成氧化铜成分的上氧化层320，使得上氧化层320的电阻率可接近于电阻层340。粗糙面的中心线平均粗糙度Ra约为

亦即介于

至

之间。本实施例中，上氧化层320包含一覆盖上电极331的第一氧化层321、一覆盖上电极332的第二氧化层322及一覆盖于未设置有上电极331&332的电阻层340的第二表面342上的第三氧化层323；上氧化层320的厚度约为40至100μm，使上氧化层的厚度远小于电阻层340的厚度，藉此可降低电阻元件的电阻温度系数的变异(variance)。部分上氧化层320的材料至少包含电阻层340的氧化物，详细地说，第一氧化层321及第二氧化层322至少包括上电极331&332的氧化物，第三氧化层323至少包括电阻层340的氧化物。

保护层350至少覆盖第三氧化层323，本实施例中，保护层350的材质例如为压克力或环氧树脂，且保护层350亦覆盖第一氧化层321及第二氧化层322的靠近第三氧化层323的部分。

电极单元330还包括一对下电极333&334、一对端电极335&336及一对外部电极337&338。下电极333&334互相分离且分别设置于基板310的下表面312的两侧。端电极335&336分别设置于基板310的侧面313及电阻层340的侧面343，且每一端电极的两端分别电连接于对应的下电极及上电极，详细地说，端电极335的两端分别电连接于下电极333及上电极331，端电极336的两端分别电连接于下电极334及上电极332；端电极335&336的材质可为钛(Ti)、铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)、镍铬合金、钛钨合金、或镍铜合金等金属。外部电极337&338包覆端电极335&336、部分的上电极331&332及部分的下电极333&334，并与端电极335&336、上电极331&332及下电极333&334电连接。外部电极337&338是为多层结构，较佳地是以镀膜技术，例如以滚镀方式，由内至外分别形成有例如铜层、镍层及锡层，其中镍层作为缓冲层，锡层用以与其他外部元件焊接。

利用于电阻层340及上电极331&332上直接设置具粗糙面的上氧化层320，可以增强保护层350与电阻层340与上电极331&332的接触面积及附着力，因此能够提升电阻元件300的可靠度及耐久信赖性。再者，将电阻层340经氧化处理后形成的上氧化层320，其可作为一钝化层，当保护层350因高温而熔化为液态树脂时，钝化层可阻绝液态树脂中胺类对电阻层340的影响，藉以可增加电阻元件300于高温下的安定性。而且，由于铜合金氧化物的电阻率及电阻温度系数均接近于铜合金，因此，本实施例中采用铜合金构成电阻层340以及直接将电阻层340的部分的第二表面342氧化而形成的上氧化层320，以使包含铜合金氧化物的上氧化层320的电阻率及电阻温度系数接近于由铜合金构成电阻层340，而不会影响电阻元件300的特性。因此，本发明的电阻元件300，除可提升可靠度及高温下的安定性外，还可维持感测电流用电阻元件所需的低电阻值及低电阻温度系数。值得一提的是，已知采用铜作为电阻层材料，因铜本身的电阻温度系数很高故铜经氧化处理后形成的氧化铜与铜的电阻温度系数较铜合金本身与形成的氧化物共同体来的大，故不易达到感测电流所需的低TCR(即小于100×10^-6/K)。

另外，以本发明图1的电阻元件300进行特性测试，其中采用表1的铜合金(例如：CuNi44及CuMn12Ni)为电阻层340及采用棕化工艺的氧化处理形成上氧化层320。测试结果如表2及表3，表2为电阻层340采用CuNi44的镍铜合金且所制得的电阻元件300的电阻值为约5mΩ及约10mΩ的测试结果，表3为电阻层340采用CuMn12Ni的锰铜合金且所制得的电阻元件300的电阻值为约1mΩ的测试结果。由表2可得知，电阻值为10mΩ时，平均电阻温度系数为24.52ppm/K，电阻值为5mΩ时，平均电阻温度系数为6.6ppm/K；由表3可得知，电阻值为1mΩ时，平均电阻温度系数为107.9ppm/K；因此，可证实本实施例的电阻元件300可达到低电阻值(小于10mΩ)及低电阻温度系数(小于100×10^-6/K)。值得注意的是，表1中电阻率(electrical resistivity)的测量温度为20℃，电阻温度系数的测量温度为20℃至105℃，热电动势(thermoelectromotive force，thermo EMF)的测量温度为20℃。

表1

表2

表3

如图2所示，本发明另一实施例的电阻元件300’的剖面示意图。为方便说明，以下电阻元件300’中具有与电阻元件300的元件相同的元件，给予相同的元件符号。而本实施例与上述实施例不同之处在于电阻元件300’还包括一下氧化层360及散热单元；而承载体31’还包括上附着层314及下附着层315。

其中，下氧化层360为利用湿法腐蚀工艺氧化电阻层340的第一表面341而形成的一粗糙面，下氧化层360的材料至少包含电阻层340的氧化物，即包括铜合金的氧化物。下氧化层360的作用及功效与上氧化层320相同，故在此不赘述。

承载体31’包含一由氧化铝材质所构成的基板310、一设置于基板310上表面311的一上附着层314及一设置于基板310下表面312的下附着层315，上附着层314设置于电阻层340与基板310之间，且上附着层314利用具有粗糙面的下氧化层360与电阻层340紧密结合，使电阻层340能够较稳固地与承载体31’接合。上附着层314及下附着层315可以为一胶片，用以提供基板310与其他元件接合时所需的附着力，上附着层314及下附着层315的材质可为环氧树脂。较佳地，上附着层314及下附着层315为散热胶片，以将电阻层340所产生的热传导至电阻元件300’外。散热胶片的材质可为含有氮化铝(AlN)与三氧化二铝(Al₂O₃)粉末的环氧树脂。

散热单元分别形成于下附着层315与下电极333&334之间。本实施例中，散热单元包含一接合于下附着层315的下表面的第一金属层371及第二金属层372，第一金属层371及第二金属层372的材料为铜。

通过上附着层314及下附着层315的设置，使得电阻元件300’可利用压合工艺制作，相较于电阻元件300，可节省制造成本；而下氧化层360的设置，可使电阻元件300’中各层间的接触面积及附着力提升，故电阻元件300’具有较佳的可靠度及耐久信赖性；而且采用散热胶片作为上附着层314及下附着层315，再加上散热单元的设置，可使电阻层340产生的热量易于导出，故本实施例的电阻元件300’的散热效果佳。

如图3A至图3J所示，有关本发明一实施例电阻元件300&300’的制造方法包括(A)提供由一包括铜合金的电阻体与一基板所形成的一多层的组合板体、(B)移除部分电阻体以形成多个互相分离的电阻层、(C)形成多个导电凸块于此些电阻层上、(D)进行氧化处理以形成一包含铜合金氧化物的粗糙面于部分的电阻层上、(E)形成保护层于粗糙面上及(F)切割组合板体以形成电阻元件。以下详细说明各步骤。图3A至图3F、图3H及图3J为依据本发明一实施例的电阻元件制造过程一步骤的侧视示意图，图3G及图3I为依据本发明一实施例的电阻元件制造过程一步骤的俯视示意图。

(A)提供由包括铜合金的电阻体与基板所形成的多层的组合板体的步骤，如图3A及图3B所示。首先，如图3A所示，提供一由铜合金所构成的电阻片280作为电阻体，再对电阻片280的第一表面进行氧化处理，使得电阻片280的第一表面形成一下氧化层282。氧化处理可利用湿法腐蚀工艺，即将第一表面浸于刻蚀液中或喷洒刻蚀液于第一表面，利用刻蚀液与电阻片进行微蚀反应及有机物附着反应，而形成颜色为棕色且具有二价铜的铜合金氧化物或者形成颜色为黑色且具有一价铜的铜合金氧化物，以使电阻片280的第一表面形成具有铜合金的氧化物的粗糙面。本实施例中采用伊希特化(股)公司(Rockwood Electrochemical ASIA Ltd)的CO-BRA BOND的工艺。刻蚀液可包含氧化剂及添加剂，添加剂可包含形状改质剂(topography modifier)及促进剂(promoter)。本实施例中采用硫酸及双氧水为氧化剂，故铜合金氧化物为颜色为棕色且具有二价铜的铜合金氧化物。再来，如图3B所示，将电阻片280与一上胶片261、一基板263、一下胶片262及一金属片250进行压合，形成一多层的组合板体201。详细地说，依序放置金属片250、下胶片262、基板263及上胶片261，再将电阻片280的下氧化层282以面向上胶片261设置于上胶片261上，再进行压合。金属片250可以为一铜片或电阻片。另外，除采用压合方式形成组合板体外，亦可利用薄膜工艺形成组合板体，详细地说，利用蒸发或溅射工艺形成包含铜合金的电阻膜(图未示)于基板上，电阻膜做为电阻体，藉以基板与电阻膜组成组合板体。

(B)移除部分电阻体以形成多个互相分离的电阻层的步骤，如图3C所示。先覆盖一层光刻胶后利用光刻技术移除部分电阻体(电阻片280或电阻膜)及金属片250，以将电阻体及金属片250区隔出多个互相分离的区域，而形成每一电阻元件的电阻层340及金属层371、372。详细地说，每一区域即为一电阻元件且包括一电阻层340、第一金属层371及第二金属层372。

(C)形成多个导电凸块于电阻层上的步骤，如图3D所示。利用光刻与电镀技术于电阻层340的第二表面342形成互相分离的一导电凸块以作为上电极331&332，再利用光刻与电镀技术于第一金属层371及第二金属层372上形成导电凸块以作为下电极333&334。

(D)进行氧化处理以形成一包含铜合金氧化物的粗糙面于部分的电阻层上的步骤，如图3E所示。本步骤是利用刻蚀液对组合板体201的上表面进行氧化处理，使电阻层340的第二表面及上电极331&332的上表面形成一具有粗糙面的上氧化层320；亦可于形成多个导电凸块前先对电阻层340的表面进行氧化处理，使得粗糙面仅形成于电阻层340上。详细地说，氧化处理可利用湿法腐蚀工艺，即先将组合板体201置于装有一刻蚀液的预浸槽中以使组合板体201的上表面接触一刻蚀液或是将一刻蚀液喷洒于组合板体201的上表面，使刻蚀液吸附于组合板体201的上表面；再利用刻蚀液与电阻层及上电极进行刻蚀反应及有机物附着反应，而形成颜色为棕色且具有二价铜的铜合金氧化物或者形成颜色为黑色且具有一价铜的铜合金氧化物；于过程中，有机物会随机地附着于组合板体201的上表面，被有机物覆盖的部分不会被刻蚀，而无有机物覆盖的部分会被刻蚀。刻蚀液可包含氧化剂及添加剂，添加剂可包含形状改质剂(topography modifier)及促进剂(promoter)。本实施例中，所使用的刻蚀液包含氧化剂(即硫酸与双氧水)及添加剂，因此形成具有二价铜的铜合金氧化物。值得注意的是，由于刻蚀液对铜合金中镍、锰及铜的刻蚀速率不同，即镍的刻蚀速率较铜慢，锰的刻蚀速率较铜快，故不同比例的铜合金经湿法腐蚀后会获得不同粗糙度的表面，因此，可依据产品规格的需求，使用不同比例的镍、锰及铜构成铜合金来制造具有所需电阻温度系数及电阻值的电阻元件。上氧化层320的粗糙度愈大时保护层350的附着性较好，但上氧化层320的粗糙度愈大其电阻元件的程序能力指数(ProcessCapability index，CP及/或CPK)会较大，有时需要较久时间进行激光修调，制造的工时会较长，因此，本发明的上氧化层320的表面的中心线平均粗糙度Ra设为约

之间为较佳。

另外，也可以透过刻蚀液中形状改质剂来增加粗糙度。而促进剂更可包含附着力促进剂(adhesion promoter)及覆盖度促进剂(coverage promoter)的促进剂，附着力促进剂能够促进形状改质剂与铜的反应作用，且能够于电阻层340的表面上形成不溶于水的有机膜(于一实施例中可以包含上氧化层320)，覆盖度促进剂能够提升有机膜的均匀度。

于(E)形成保护层于粗糙面上的步骤前，需利用激光修整电阻层340以调整电阻元件300的电阻值。而(E)形成保护层于粗糙面上的步骤，如图3F所示，是利用印刷方式于上氧化层320上形成保护层350。

(F)切割组合板体以形成电阻元件的步骤，如图3G所示。首先，将组合板体201沿A-A方向切割成至少一组合条体202(如图3I)；再利用溅射的方式，于组合条体202的侧面分别形成端电极335&336。如图3I所示，将组合条体202沿B-B方向切割成至少一组合块体203(如图3J)，并利用滚镀方式，于组合块体203的侧面形成外部电极337&338，藉以完成本发明的电阻元件300&300’。

由于本发明利用压合方式将电阻片与基板结合，并以湿法腐蚀工艺形成氧化层，且制造过程中不需于960℃～980℃的氮气环境下进行烧结，相较于已知技术可免去使用高成本及高难度的工艺，而达到简化制造程序及成本，且可提升工艺的稳定性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求的范围所界定为准。另外本发明的任一实施例或权利要求范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims

1.一种电阻元件的制造方法，其特征在于，所述方法的步骤包含：

提供由一包含铜合金的电阻体与一基板所形成的一多层的组合板体；

移除部分所述电阻体以形成多个互相分离的电阻层；

选用一湿法腐蚀工艺进行氧化处理以形成一包含铜合金氧化物的粗糙面于部分的所述多个互相分离的电阻层上；

形成一保护层于所述粗糙面上；以及

切割所述组合板体，以形成所述电阻元件。

2.如权利要求1的电阻元件的制造方法，其特征在于，还包括设置一上附着层于所述电阻体与所述基板之间，所述电阻体为一电阻片，所述电阻片、所述上附着层与所述基板利用压合方式形成所述组合板体。

3.如权利要求2的电阻元件的制造方法，其特征在于，提供由所述电阻体与所述基板所形成的所述多层的组合板体的步骤还包括于所述电阻片的一表面进行氧化处理以形成一粗糙面。

4.如权利要求1的电阻元件的制造方法，其特征在于，利用一薄膜工艺形成一电阻膜于所述基板上以形成所述组合板体，所述电阻膜形成所述电阻体。

5.如权利要求1的电阻元件的制造方法，其特征在于，所述湿法腐蚀工艺是采用一刻蚀液，所述刻蚀液包含一氧化剂及一添加剂，且所述添加剂包含一形状改质剂、一附着力促进剂及一覆盖度促进剂。

6.如权利要求1的电阻元件的制造方法，其特征在于，移除部分所述电阻体以形成多个互相分离的电阻层的步骤后，还包括形成多个导电凸块于所述多个互相分离的电阻层的部分表面上。

7.如权利要求6的电阻元件的制造方法，其特征在于，进行氧化处理以形成一粗糙面于部分的所述多个互相分离的电阻层上的步骤还包括进行氧化处理以形成一粗糙面于所述导电凸块上。

8.如权利要求1的电阻元件的制造方法，其特征在于，所述铜合金为以锰及铜为主成分的锰铜合金，或为以镍及铜为主成分的镍铜合金。