JP3803025B2

JP3803025B2 - 抵抗器

Info

Publication number: JP3803025B2
Application number: JP2000370615A
Authority: JP
Inventors: 健次岡本; 一彦今村; 真弓松本; 祐蔵斎藤; 淳藤木
Original assignee: Nitto Shinko Corp; Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Nitto Shinko Corp
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: US20020140038A1; US6528860B2; DE10159587A1; CN1359111A; CN1256736C; DE10159587B4; JP2002175901A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ装置等の電力変換装置における電流検出用抵抗器に属する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータまたはＩＧＢＴ素子等が実装されたパワーモジュール等の電力変換機では、数Ａ〜４００Ａ程度までの大電流を精度よく検出するため０．１ｍΩ〜１００ｍΩ程度の高精度の電気用抵抗器が用いられる。電力変換機は大電流のため抵抗器で発生する電力も大きく、放熱が必要である。この放熱の手段として、図１に示すような抵抗用合金板２と放熱用金属板４を樹脂絶縁層３を介し積層した構造の抵抗器が用いられる。このような３層の積層構造からなる抵抗器は特公平３−１６７９９号や特開平１０−１４９９０１号公報に示されている。
【０００３】
抵抗用合金には電流を精度よく検出するために抵抗率の大きい、銅・マンガン系合金、銅・マンガン・ニッケル系合金、または銅・ニッケル系合金が用いられる。そのような銅・マンガン・ニッケル系合金としては、たとえばマンガニンが知られている。また、銅・ニッケル系合金としては、コンスタンタン等の他に、少量のＭｎ、Ｆｅ、Ｓｉを含有するアドバンス、アイデアル等の商品名で知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の積層タイプの抵抗器では次に示す課題があった。
【０００５】
図２に代表的な銅・マンガン・ニッケル系合金であるマンガニン（銅８５％、マンガン１２％、ニッケル２％および鉄１％の合金）と銅・ニッケル系合金（銅５５％、ニッケル４４％、マンガン２％の合金）の各温度における抵抗温度係数を示す。従来から比較的一般的に用いられてきた銅・マンガン系合金もしくは銅・マンガン・ニッケル系合金の抵抗温度係数は周囲温度が常温〜６０℃の場合は、絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下の範囲できわめて小さいが、その範囲外の高温領域や低温領域では周囲温度とともに大きくなる。それに対して、銅・ニッケル系合金の場合は抵抗温度係数が周囲温度に関わらず、絶対値が１５ｐｐｍ／℃以下で一定である。したがって、周囲温度が１００℃まで上昇する電力変換機器では、高温領域において抵抗温度係数が小さい銅・ニッケル系合金を用いることが要望されている。
【０００６】
抵抗用合金板２は電流が流れた時にジュール熱が発生する。電力変換機用抵抗器では電流を正確に測定するために、および発生熱で電力変換機内の内気温度を上昇させないためにも抵抗用合金板２の温度上昇は低くおさえる必要がある。積層タイプの抵抗器では、発生熱を樹脂絶縁層３を介し放散させ冷却させる。したがって樹脂絶縁層３の熱伝導率はできるだけ高いことが望まれる。
【０００７】
熱伝導率を上げるには無機充填材の添加量が多いほど有利である。しかしながら、従来の積層タイプの抵抗器で用いられている樹脂材料中の無機充填材の添加量が多くても７０重量％であり、熱伝導率が低く熱抵抗が高いために、冷却性が十分でない。ここで放熱性を向上させるために、無機充填材の添加量が８０〜９０重量％程度の高充填の樹脂材料を用いると、充填材と金属面との接触が多くなり、抵抗用合金板２との接着性が低下することが知られている。接着性を向上させるために、通常、接着面を凹凸にする粗化処理が行われる。プリント基板に用いられる電解銅箔等は５〜１５μｍの凹凸が形成されており無機充填材の添加量が８０〜９０重量％程度の高充填の樹脂材料でもアンカー効果は強い。圧延銅箔の場合は表面が平滑であるので通常黒化処理と呼ばれる酸化銅の針状結晶を表面に成長させ凹凸を形成する。また最近は銅表面に数μｍの凹凸を形成するマイクロエッチングと呼ばれる粗化処理が施されるようになってきた。
【０００８】
従来の積層タイプの抵抗器で用いられる抵抗用合金板２は圧延板であるので、その表面は平滑である。したがって圧延箔のように粗化処理を施さないと凹凸は形成できない。前述の銅・マンガン系合金もしくは銅・マンガン・ニッケル系合金は銅の組成比が８２％〜８５％と多く含まれるので、圧延銅箔のように黒化処理やマイクロエッチング処理が施しやすい。それに対して、抵抗温度係数が広い温度範囲で低くかつ一定である銅・ニッケル系合金は、本来酸化されにくい材料であり、銅・マンガン系合金もしくは銅・マンガン・ニッケル系合金のように粗化処理を行なうのが極めて困難であった。
【０００９】
また効率的に冷却できるように抵抗器を直接パワーモジュールのアース電位となる金属板に搭載する場合、絶縁樹脂層３には電力変換機の回路電圧が加わりその値は、最大で１０００Ｖｐ（ピーク電圧）程度になる場合がある。したがって、絶縁樹脂層３には、高い絶縁耐力を有すること、およびその絶縁耐力を長期にわたって維持することが必要である。
【００１０】
本発明の目的は、抵抗用銅・ニッケル系合金板と熱伝導性樹脂材の接着強度が高く、低熱抵抗で冷却性に優れ、かつ絶縁性に優れた電力変換装置用の抵抗器を提供することにある。
【００１１】
本発明の目的は、抵抗温度係数が広い温度範囲で小さく、精度の高い電流検出ができ、抵抗板と熱伝導性樹脂材の接着強度が高く、高熱伝導で冷却性が優れ、かつ絶縁性に優れた電力変換装置用の抵抗器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
電気抵抗用合金板２と放熱用金属板４が樹脂絶縁層３を介して積層構造となっている電気用抵抗器において、上記抵抗合金板は、全重量を基準として４２．０〜４８．０質量％のニッケル、０．３〜２．５質量％のマンガン、銅を含み、銅、ニッケルおよびマンガンの含有量の合計が９８質量％以上である合金で形成され、厚みが０．１ｍｍ以上からなる板状であり、その結晶粒界を凹状にエッチングすることによって樹脂絶縁層と接着されていることを特徴とする抵抗器に係わるものである。ここで、樹脂絶縁層３は、無機充填剤を７１質量％から９５質量％含有する高熱伝導性のエポキシ樹脂である。また、エッチングは有機酸系エッチング剤を用いて行われる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に用いることができる銅・ニッケル系合金は、合金の全重量を基準としてニッケルを４０〜５０質量％、および銅を６０〜５０質量％を含む合金である。より好ましくは、ニッケルを４２．０〜４８．０質量％、および銅を５８．０〜５２．０質量％含む。銅・ニッケル系合金は、銅およびニッケルから主として構成されるが、その抵抗温度係数の絶対値を増加させないことを条件として、少量の他の金属（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｉ等）をさらに含有してもよい。たとえば、本発明の銅・ニッケル系合金は、合金の全重量を基準として、４２．０〜４８．０質量％のニッケル、０．３〜２．５質量％のマンガン、銅を含み、銅、ニッケルおよびマンガンの含有量の合計が９８質量％以上であることができる。上記の組成を有する銅・ニッケル系合金は、−５０℃から２００℃の範囲内の温度において、±２０ｐｐｍ／℃の範囲内、好ましくは−１５〜＋１５ｐｐｍ／℃の範囲内の抵抗温度係数を有する。
【００１４】
本発明において、銅・ニッケル系合金から形成される電気抵抗用合金板２は、０．１ｍｍ以上の厚さを有し、好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さを有する。
【００１５】
本発明の銅・ニッケル系合金から形成される電気抵抗用合金板２は、好ましくは有機酸系エッチング剤を用いて粗化処理を受ける。本発明の有機酸系エッチング剤に用いることができる有機酸は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸等の飽和脂肪酸、アクリル酸、クロトン酸、イソクロトン酸等の不飽和脂肪酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸等の脂肪族飽和ジカルボン酸、マレイン酸などの脂肪族不飽和ジカルボン酸、安息香酸、フタル酸、桂皮酸等の芳香族カルボン酸、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸等のオキシカルボン酸、スルファミン酸、β−クロロプロピオン酸、ニコチン酸、アスコルビン酸、ヒドロキシピバリン酸、レブリン酸等の置換基を有するカルボン酸、およびそれらの誘導体を含む。これら有機酸は、単独または２種以上の併用で用いることができる。本発明において好ましいものは、ギ酸ベースの有機酸系エッチング剤である。有機酸系エッチング剤は、必要に応じて添加剤（第２銅イオン源、ハロゲンイオン源など）を含有することができる。本発明において好ましい有機酸系エッチング剤は、有機酸、第２銅イオン源およびハロゲンイオン源を組み合わせたものを１０〜２０質量％含有し、３．０〜３．５のｐＨを有する水溶液である。
【００１６】
粗化処理は、用いる有機酸系エッチング剤の種類および濃度に依存するが、一般的に３０秒〜３分間にわたって行われる。また、粗化処理は、通常２５℃〜４０℃の範囲内の温度において、より好ましくは３０〜４０℃の範囲内の温度において、スプレー圧０．１５〜０．２ＭＰａでエッチング剤を吹き付けることにより行うことができる。
【００１７】
上記の粗化処理により、銅・ニッケル系合金の結晶粒界に沿って深さ数μｍの凹状の谷が形成される。すなわち、銅・ニッケル系合金の表面が粗面化され、引き続いて行われる絶縁樹脂層３との接着性が向上する。
【００１８】
本発明において用いられる絶縁樹脂層３は、無機充填材を含有するエポキシ樹脂から構成される。絶縁樹脂層３は、電気抵抗用合金板２から放熱用金属板４への伝熱を効率よく行う必要性があるので、高い熱伝導性（低い熱抵抗）を有する必要がある。その高い熱伝導性を実現するために、本発明の絶縁樹脂層３は、７１質量％〜９５質量％（絶縁樹脂層総重量を基準として）、好ましくは７１質量％〜９０質量％（絶縁樹脂層総重量を基準として）の無機充填材を含有する。
【００１９】
本発明において用いられるエポキシ樹脂は、ビスフェノールＡ系エポキシ樹脂、またはビスフェノールＡ系エポキシ樹脂とフェノールノボラック系エポキシ樹脂との混合物を含む。また、本発明において用いられる無機充填材は、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＢＮ，ＡｌＮ，ＭｇＯ、およびそれらの混合物からなるものを含む。
【００２０】
本発明の絶縁樹脂層３は、分散液または溶液の形態で調製し、電気抵抗用合金板２または放熱用金属板４に塗工することができる。溶剤としては、メチルエチルケトンまたはトルエンを用いることができる。
【００２１】
前述のように、パワーモジュールのアース電位となる金属板に本発明の抵抗器を直接搭載する場合、絶縁樹脂層３に対して、最大で１０００Ｖｐ（ピーク電圧）程度の電圧が印加される可能性がある。したがって、絶縁樹脂層３は、高い絶縁耐力を有し、それを長期にわたって維持することが求められる。また、絶縁樹脂層３は、電気抵抗用合金板２および放熱用金属板４に対して、良好な接着性を有することが求められる。それらの特性を満足させるために、絶縁樹脂層３は、５０μｍ〜２００μｍの範囲内の厚さ、好ましくは５０μｍ〜１５０μｍの範囲内の厚さを有する。また、上記の組成および厚さを有して作成される本発明の絶縁樹脂層３は、５ｋＶｒｍｓ（平方自乗平均電圧）以上、好ましくは６ｋＶｒｍｓ以上の絶縁耐力を有する。上記範囲の絶縁耐力を有するので、本発明の抵抗器は、パワーモジュールのアース電位となる金属板に直接搭載された場合においても、長期にわたって絶縁破壊を起こすことがない。
【００２２】
本発明においては、放熱用金属板４として、その高い熱伝導性により、銅またはアルミニウムからなる金属板を用いることが好ましい。放熱用金属板４の絶縁樹脂層３との接着面は、抵抗用合金板２と同様に、熱伝導性樹脂（絶縁樹脂層３）との接着力を得るために粗化処理が必要である。いずれの材料を用いる場合にも一般的な処理を用いることができる。銅を用いる場合には、黒化処理と呼ばれる針状結晶を形成する酸化処理を行ない、表面を凹凸にすることができる。アルミニウムを用いる場合には、アルマイト処理を行ない凹凸を形成することができる。また、放熱用金属板４の絶縁樹脂層３とは反対側の面に、フィンないし小柱を設けて、表面積を増大させ、それによって放熱効率を向上させることができる。
【００２３】
絶縁樹脂層３と電気抵抗用合金板２との接着、および絶縁樹脂層３と放熱用金属板４との接着は、加熱プレスによって行うことができる。絶縁樹脂層３を放熱用金属板４に塗工し、樹脂が半硬化した状態に乾燥させたものを、電気抵抗用合金板２に積層して加熱プレス中で接着を行うことができる。あるいはまた、絶縁樹脂層３を電気抵抗用合金板２に塗工し、樹脂が半硬化した状態に乾燥させたものを、放熱用金属板４に積層して加熱プレス中で接着を行ってもよい。さらに別法として、絶縁樹脂層３をＰＥＴ等の一時的支持体上に塗工し、樹脂が半硬化した状態に乾燥させた絶縁樹脂層供与シートを用いることができる。この場合には、電気抵抗用合金板２または放熱用金属板４のいずれかに対して、絶縁樹脂層３が密着するように絶縁樹脂層供与シートを載置し、熱の印加などにより絶縁樹脂層３と電気抵抗用合金板２または放熱用金属板４とを仮接着させ、引き続いて一時的支持体を剥離することによって、絶縁樹脂層３と電気抵抗用合金板２または放熱用金属板４との積層体を形成することができる。該積層体に対して、放熱用金属板４または電気抵抗用合金板２を積層し、加熱プレス中において接着を行うことで本発明の抵抗器を形成することができる。加熱プレス中での接着は、６０分間にわたって、１８０℃の温度および４．９ＭＰａ（５０ｋｇｆ／ｃｍ²）の圧力を印加することによって実施される。
【００２４】
最後に、電気抵抗用合金板２である銅・ニッケル板は塩化第二鉄，塩化銅などの薬品でエッチング処理され、所定のパターンに形成される。形成された各パターンを、プレス加工もしくはＶカット加工により分割し、単体の抵抗器を形成する。
【００２５】
［実施例１］
銅５４．５質量％、ニッケル４３．７質量％、およびマンガン１．８質量％の組成を有し、かつ０．２ｍｍの厚さを有する銅・ニッケル系合金板を用いて、その表面の粗化処理を検討した。各種の方法による粗化処理の結果を、図３〜図８のＳＥＭ写真（２０００倍）によって示す。
【００２６】
図３は、未処理の銅・ニッケル系合金板の表面のＳＥＭ写真である。圧延加工により銅・ニッケル系合金板表面は平滑である。
【００２７】
図４は、＃３２０の不織布で機械的に研磨したサンプル１の表面のＳＥＭ写真である。筋状の傷が若干増えているが、凹凸は形成されていない。
【００２８】
図５は、クロム酸を用いた電解研磨で処理したサンプル２の表面のＳＥＭ写真である。同様に、銅・ニッケル系合金板の表面は凹凸が形成されていない。
【００２９】
図６は、硝酸系のエッチング剤で粗化処理を行なったサンプル３の表面のＳＥＭ写真である。若干凹凸が形成されている。
【００３０】
図７は、塩酸系のエッチング剤で粗化処理を行なったサンプル４の表面のＳＥＭ写真である。凹凸は形成されていない。
【００３１】
図８は、３５℃の温度において、ギ酸ベースの有機酸系のエッチング剤をスプレー圧０．１５ＭＰａで吹き付けることにより、粗化処理を行なったサンプル５の表面のＳＥＭ写真である。銅・ニッケル系合金の結晶粒界に沿って深さ数μｍの谷が形成されている。
【００３２】
以上のように、本発明の銅・ニッケル系合金は、従来法であるクロム酸による電解研磨、硝酸系および塩酸系のエッチング剤による処理では、その表面を充分に粗面化することができなかった。しかし、本発明にしたがって有機酸系のエッチング剤による銅・ニッケル系合金の粗化処理を行うことによって、銅・ニッケル系合金の結晶粒界を凹状態にエッチングできることが明らかとなった。
【００３３】
次に上記の各粗化処理を施した幅１５０ｍｍ，長さ５００ｍｍ，厚み０．２ｍｍの銅・ニッケル系合金板を、ＳｉＯ₂フィラー充填エポキシ樹脂絶縁材を介して厚さ２ｍｍのアルミ板と積層した。該絶縁材は、８０質量％のＳｉＯ₂フィラーを含有し、エポキシ樹脂はビスフェノールＡ系であった。加熱プレス機を用いて、６０分間にわたって、１８０℃の温度および４．９ＭＰａの圧力を印加して接着を行った。絶縁層の厚みは１２５μｍであった。絶縁層の硬化が完了した後に、積層板の銅・ニッケル系合金板を、１０×１０ｍｍの大きさに塩化第二鉄でエッチング加工した。
【００３４】
該積層板に引張強度を測定するための治具をはんだ付けし、引張強度を引張試験装置で評価した。その結果を表１に示す。サンプル１〜３までは接着強度が１６０Ｎ／ｃｍ²以下と得られなかったが、サンプル５では６５４Ｎ／ｃｍ²と高い値が得られた。
【００３５】
【表１】

【００３６】
［実施例２］
実施例１で作成した積層板において、その絶縁樹脂層３の厚さを変化させて、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表２に示す。表２に示されるように、絶縁樹脂層３が５０μｍ以上の厚さを有する際に、抵抗器に必要とされる絶縁耐力（絶縁破壊電圧）を実現できることが分かった。
【００３７】
【表２】

【００３８】
【発明の効果】
本願発明にしたがって、銅・ニッケル系合金からなる電気抵抗用合金板を用いることにより、インバータ装置等の電力変換装置に用いることができる、温度変化による抵抗値の変化が少なく、高精度の電流検出用抵抗器を得ることが可能となる。また、有機酸系のエッチング剤を用いて銅・ニッケル系合金の表面の粗面化を行い、該合金と無機充填材を多く含有する絶縁樹脂層との間の接着強度を高めることができる。さらに、無機充填材を多く含有する絶縁樹脂層を用いることにより、放熱特性に優れ、かつ絶縁耐力に優れた抵抗器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】抵抗器の断面図である。
【図２】銅・マンガン系合金および銅・ニッケル系合金の周囲温度と抵抗温度係数との関係を示したグラフである。
【図３】銅・ニッケル系合金板の粗化処理前の表面のＳＥＭ写真である。
【図４】銅・ニッケル系合金板を＃３２０の不織布で機械的に研磨した場合のＳＥＭ写真である。
【図５】銅・ニッケル系合金板を電解研磨で粗化処理した場合のＳＥＭ写真である。
【図６】銅・ニッケル系合金板を硝酸系のエッチング剤で粗化処理した場合のＳＥＭ写真である。
【図７】銅・ニッケル系合金板を塩酸系のエッチング剤で粗化処理した場合のＳＥＭ写真である。
【図８】銅・ニッケル系合金板を有機酸系のエッチング剤で粗化処理した場合のＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１抵抗器
２抵抗用合金板
３絶縁層
４放熱用金属板

Claims

全重量を基準として４２．０〜４８．０質量％のニッケル、０．３〜２．５質量％のマンガン、および銅を含み、銅、ニッケルおよびマンガンの含有量の合計が９８質量％以上である合金で形成され、および有機酸系エッチング剤を用いて前記合金の結晶粒界を凹状にエッチングされている電気抵抗用合金板と、
前記電気抵抗用合金板に積層されており、無機充填剤を７１質量％から９５質量％含有する高熱伝導性のエポキシ樹脂である樹脂絶縁層と、
前記樹脂絶縁層の、前記電気抵抗用合金板とは反対側の面に積層されている放熱用金属板と
を備えたことを特徴とする電気用抵抗器。
上記電気抵抗用合金板は、０．１ｍｍ以上の厚さを有する板状であることを特徴とする請求項１に記載の電気用抵抗器。
前記樹脂絶縁層は、５０μｍ〜２００μｍの範囲の厚さと、５ｋＶｒｍｓ以上の絶縁破壊電圧を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の電気用抵抗器。
前記放熱用金属板は、銅またはアルミニウムからなることを特徴とする請求項１または２に記載の電気用抵抗器。