(57)【要約】【課題】電流検出用抵抗器を実装した基板において、抵抗器両側の電極でのペルチェ効果による吸発熱を相殺し、抵抗器両側の電極で均等に温度上昇するようにした電流検出用抵抗器の実装基板を提供する。【解決手段】銅ニッケル合金等の金属からなる抵抗体１２ａと、該抵抗体とは異種の銅等の金属からなる電極１２ｂ，１２ｃとを接合してなる電流検出用抵抗器１２と、表層に該抵抗器が実装される一対のランドを備えた多層構造の基板１３と、該基板の内層または裏面に形成され、前記抵抗器の下方への投影面を含み、且つ該投影面よりも広く形成した金属層からなる放熱パターン１４を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる抵抗体と、該抵抗体とは異種の金属からなる電極とを接合してなる電流検出用抵抗器と、
表層に該抵抗器が実装される一対のランドを備えた多層構造の基板と、
該基板の内層または裏面に形成され、前記抵抗器の下方への投影面を含み、且つ該投影面よりも広く形成した金属層からなる放熱パターンを備えた、電流検出用抵抗器の実装基板。
【請求項２】
前記一対のランドのうち、一方のランドと前記放熱パターンとを接続するサーマルビアを備えた、請求項１に記載の電流検出用抵抗器の実装基板。
【請求項３】
前記抵抗器は、通電によるペルチェ効果によって一方の電極が発熱し、他方の電極が吸熱し、発熱する一方の電極を固定したランドと前記放熱パターンとが、サーマルビアを介して接続されている、請求項１に記載の電流検出用抵抗器の実装基板。
【請求項４】
前記抵抗器は、銅ニッケル合金からなる抵抗体の両端に、銅からなる電極を固定した、請求項１に記載の電流検出用抵抗器の実装基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流を高精度で検出する、金属板からなる抵抗体と該抵抗体とは異種の金属からなる電極とを備えた電流検出用抵抗器に係り、特に該抵抗器の多層構造の基板への実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、銅ニッケル合金等の金属板からなる抵抗体の両端に、銅等の高導電性金属板を電極として接合した電流検出用抵抗器が知られている（特許文献１参照）。係る抵抗器によれば、数ｍΩ以下の低抵抗値が容易に高精度で得られ、且つＴＣＲ値も良好で、大電流を高精度で検出することが可能である。また、特に発熱が大きな電子部品では、該部品を表面に実装する絶縁基板の裏面に放熱用の金属プレートを具備し、絶縁基板の表面に設けた配線層と導電性のサーマルビアで接続し、電子部品の発熱を金属プレートに逃がし、電子部品を冷却することが行われている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−５７００９号公報
【特許文献２】特開２００５−１５８７９２号公報
【０００３】
しかしながら、銅ニッケル合金等の金属板からなる抵抗体の両端に、銅等の高導電性金属板を電極として固定した電流検出用抵抗器では、大電流を通電すると、ペルチェ効果による吸発熱という問題がある。すなわち、第１の金属板の両側に異なる種類の第２の金属板を接合し通電すると、ペルチェ効果により、片方の接合面で発熱して温度が上昇し、他方の接合面で吸熱して温度が低下する。そして、特に、銅ニッケル合金と銅との異種金属界面では、このペルチェ効果が顕著に現れる。このため、銅ニッケル合金板からなる抵抗体の両端に銅板の電極を固定した電流検出用抵抗器では、ジュール熱による抵抗体の温度上昇にペルチェ効果による吸発熱に基づく温度上昇と温度低下とが加わり、ペルチェ効果による発熱側の電極近傍においてジュール熱による温度上昇からさらに温度が上昇するという問題がある。
【０００４】
図６（ａ）（ｂ）は、ペルチェ効果が顕著な電流検出用抵抗器を基板に実装した状態を示し、図６（ｃ）はその基板における抵抗器実装領域周辺の温度分布を示す。すなわち、ガラスエポキシ樹脂等からなる絶縁基板１３に銅配線パターン１１ａ，１１ｂが配置され、その先端のランドに電流検出用抵抗器１２がハンダ接合等により実装されている。抵抗器１２は、銅ニッケル合金板からなる抵抗体１２ａの両端に銅板からなる電極１２ｂ，１２ｃが固定され、＋極側配線パターン１１ａから−極側配線パターン１１ｂに通電すると、抵抗体のジュール熱による発熱にペルチェ効果による＋極側電極１２ｂ界面における発熱と−極側電極１２ｃ界面における吸熱が加わり、抵抗器１２の電極１２ｂ近傍に最大温度上昇点が現れる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一例として、抵抗値１ｍΩの金属板抵抗器に概略定格電流を流すと、ジュール熱による温度上昇は抵抗器中央がピークで１００℃近くとなり、電流の流れ方向に沿って対称な温度分布が得られる。しかしながら、これにペルチェ効果による吸発熱が加わると、発熱側電極１２ｂの近傍で１１０−１２０℃に達し、吸熱側電極１２ｃの近傍で８０−９０℃となり、温度分布が非対称となるという問題がある。最大温度上昇点では、ジュール熱による温度上昇以上の温度となるので、絶縁基板に局部的な焦げや熱応力による損傷が発生する恐れが生じる。
【０００６】
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した基板において、抵抗器両側の電極でのペルチェ効果による吸発熱を相殺し、抵抗器両側の電極で均等に温度が上昇するようにした電流検出用抵抗器の実装基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電流検出用抵抗器の実装基板は、金属からなる抵抗体と、該抵抗体とは異種の金属からなる電極とを接合してなる電流検出用抵抗器と、表層に該抵抗器が実装される一対のランドを備えた多層構造の基板と、該基板の内層または裏面に形成され、前記抵抗器の下方への投影面を含み、且つ該投影面よりも広く形成した金属層からなる放熱パターンを備えた、ことを特徴とする。特に、銅ニッケル合金からなる抵抗体の両端に、銅からなる電極を固定した電流検出用抵抗器は、ペルチェ効果が顕著に現れ、該抵抗器を実装する多層構造の基板に前記放熱パターンを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電流検出用抵抗器を実装する基板の内層または裏面に形成され、前記抵抗器の下方への投影面を含み、且つ該投影面よりも広く形成した金属層からなる放熱パターンを備えることで、発熱側電極で発生した熱を吸熱電極側に伝導し、ペルチェ効果による吸発熱を相殺することができる。これにより、抵抗器中央をピークとした略対称な温度分布が得られ、ペルチェ効果に伴う過度の非対称温度上昇を防止できる。また、ペルチェ効果に伴う非対称温度上昇を防止できることから、通電状態直後の無通電時のゼーベック効果に伴う誤電圧の発生を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の電流検出用抵抗器の実装基板の実施形態について、図１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。
【００１０】
図１（ａ）（ｂ）は比較例として従来の電流検出用抵抗器の実装基板を示し、図１（ｃ）（ｄ）は本発明の実施例１の電流検出用抵抗器の実装基板を示し、図１（ｅ）（ｆ）は本発明の実施例２の電流検出用抵抗器の実装基板を示す。電流検出用抵抗器１２は、いずれも、銅ニッケル合金板からなる抵抗体１２ａの両端に、銅板からなる電極１２ｂ，１２ｃを熱圧着接合等により固定したものである。そして、ガラスエポキシ樹脂等からなる絶縁基板１３の表層に一対の銅配線パターン１１ａ，１１ｂが配置され、その先端のランドにハンダ１６を介して抵抗器１２の電極１２ｂ，１２ｃが接合され、抵抗器１２が実装されている。
【００１１】
図１（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示すように、本発明の実装基板においては、抵抗器１２の実装領域の下方で、絶縁基板１３の内部に銅等の熱伝導性の良好な金属層からなる放熱パターン１４，１４ａを備えている。放熱パターン１４，１４ａは、該基板１３の内層または裏面に形成され、抵抗器１２の下方への投影面を含み、且つ該投影面よりも広く形成した金属層からなる放熱パターン１４，１４ａを備えている。すなわち、抵抗器１２の両側の電極１２ｂの実装領域（ハンダ１６による接合面）の下方を含み、且つ抵抗器１２の下方への投影面を十分に含む領域に形成されているので、ペルチェ効果による発熱側電極１２ｂに生じる熱を吸熱側電極１２ｃに伝熱し、言い換えると、放熱パターンにより電極１２ｂ，１２ｃ間で熱交換が行われ、両電極１２ｂ，１２ｃの温度上昇を均熱化することができる。
【００１２】
＋極側銅配線パターン１１ａと放熱パターン１４，１４ａとは、サーマルビア１５を介して接続されている。これにより、ペルチェ効果により発熱側の電極１２ｂに生じる熱を効率的に放熱パターン１４，１４ａに伝導することができる。また、実施例１の放熱パターン１４は矩形状であるが、実施例２の放熱パターン１４ａは発熱電極１２ｂ側で狭幅で吸熱電極１２ｃ側で広幅の凸形状をなしている。矩形状の放熱パターン１４では発熱側と吸熱側で対称の熱流が期待でき、凸形状の放熱パターン１４ａでは高温の発熱側電極の熱を狭幅の放熱板部分で受けて広幅の放熱板部分に拡散し、吸熱側の広い領域で温度上昇させることが期待できる。
【００１３】
図２は、上述の比較例、実施例１、実施例２について、温度分布をシミュレーションした結果を示す。横軸は抵抗器中央からの距離（単位：ｍｍ）であり、縦軸は温度（単位：℃）である。図中、×印は放熱パターンの無い比較例についてのもので、図の左側（放熱電極側）で極端に温度が高く、図の右側（吸熱電極側）で極端に温度が低く、ペルチェ効果の影響により温度分布が非対称であることを示している。
【００１４】
図中、○印は矩形状の放熱パターンを備えた実施例１についてのもので、放熱パターン１４の作用により発熱電極１２ｂ側の熱が吸熱電極１２ｃ側に伝導し、両電極１２ｂ，１２ｃ間で均熱化され、温度分布がジュール熱に基づき略対称となることを示している。図中、□印は凸形状の放熱パターン１４ａを備えた実施例２についてのもので、同様にペルチェ効果の影響が相殺され、温度分布がジュール熱に基づき略対称となることを示している。
【００１５】
図３（ａ）（ｂ）は、実施例１の変形例を示す。実施例１ではサーマルビア１５が＋極側銅配線パターン１１ａと放熱パターン１４とを接続しているのに対し、この変形例ではサーマルビア１５ａが−極側銅配線パターン１１ｂと放熱パターン１４とを接続している点で相違する。図３（ｃ）（ｄ）は、実施例２の変形例を示す。この変形例も、実施例２ではサーマルビア１５が＋極側銅配線パターン１１ａと放熱パターン１４ａとを接続しているのに対し、サーマルビア１５ａが−極側銅配線パターン１１ｂと放熱パターン１４ａとを接続している点で相違する。実施例１，２の変形例の構成でも、＋極側銅配線パターン１１ａからの熱が−極側銅配線パターン１１ｂに伝達されるため、両電極１２ｂ，１２ｃ間の均熱化を図ることができる。
【００１６】
図４（ａ）（ｂ）は本発明の実施例３の電流検出用抵抗器の実装基板を示し、図４（ｃ）（ｄ）は本発明の実施例４の電流検出用抵抗器の実装基板を示し、図４（ｅ）（ｆ）は本発明の実施例５の電流検出用抵抗器の実装基板を示す。実施例３の実装基板では、矩形状の金属層からなる２層の放熱パターン１４ｃ，１４ｄを備えるが、サーマルビアを備えない。実施例４の実装基板では、矩形状の金属層からなる２層の放熱パターン１４ｃ，１４ｄを備え、放熱電極１２ｂ側のサーマルビア１５を上層の放熱パターン１４ｃに接続し、吸熱電極１２ｃ側のサーマルビア１５ａを下層の放熱パターン１４ｄに接続している。実施例５の実装基板では、矩形状の金属層からなる２層の放熱パターン１４ｃ，１４ｄを備え、放熱電極１２ｂ側のサーマルビア１５を下層の放熱パターン１４ｄに接続し、吸熱電極１２ｃ側のサーマルビア１５ａを上層の放熱パターン１４ｃに接続している。
【００１７】
図５は、上述の実施例３、実施例４、実施例５について、温度分布をシミュレーションした結果を示す。横軸は抵抗器中央からの距離（単位：ｍｍ）であり、縦軸は温度（単位：℃）である。図中、■印は実施例３についてのものであり、○印は実施例４についてのものであり、□印は実施例５についてのものである。いずれの実施例も２層の放熱パターン１４ｃ，１４ｄの存在により、ペルチェ効果による温度分布の非対称性が相殺され、ジュール熱に基づく略対称な温度分布が得られていることが分かる。なお、実施例３ではサーマルビアを備えないため、実施例４，５と比較して抵抗器中央部分での温度上昇が高くなっている。実施例４，５では、放熱パターン１４ｃ，１４ｄを積層方向に対峙させることで、放熱電極１２ｂと吸熱電極１２ｃとの間での熱交換をより効率的に行うことができる。
【００１８】
なお、銅配線パターンは、表層のみに配置する例について説明したが、内層の配線パターンを含む複数層であっても勿論良い。また、放熱パターンについても、独立した構成例について説明したが、電源に接続した金属配線層、或いはＧＮＤに接続した金属配線層を用いてもよい。また、基板外部のヒートシンク等の冷却装置にさらに接続するようにしてもよい。
【００１９】
ペルチェ効果が生じる異種金属接合として、銅ニッケル合金と銅との組合せについて説明したが、低比抵抗の抵抗合金として広く用いられているニクロム合金と銅との組合せでは、電流の流入側（＋側）電極と抵抗体の界面で吸熱反応が生じ、電流の流出側（−側）電極と抵抗体の界面で発熱反応が生じる。従って、この場合には、発熱側電極と吸熱側電極とが電流の流れ方向に対して逆転するが、放熱パターンの均熱化作用は変わらない。
【００２０】
なお、上記の実施例は、銅ニッケル合金板からなる抵抗体の両端に、銅板からなる電極を固定した抵抗器についてのものであるが、銅ニッケル合金板からなる抵抗体の両端をハンダ接合或いはボルト締め等により銅配線パターンに直接接合した場合にもペルチェ効果が同様に生じる。従って、面実装型の銅ニッケル合金板からなる抵抗器両端を一対のランドに直接固定する場合、該抵抗器の下方への投影面を含み、且つ該投影面よりも広く形成した金属層からなる放熱パターンを備えることで、ペルチェ効果による吸発熱を相殺し、ジュール熱に基づく抵抗器中心に対して対称な温度分布を形成できる。
【００２１】
また、ペルチェ効果の顕著な異種金属の組合せは、ゼーベック効果も顕著に出現する。ゼーベック効果とは、異種金属接合に外部から温度差を生じさせると、起電力が発生する現象である。従って、背景技術で述べたように、ペルチェ効果の顕著な異種金属の組合せを用いた電流検出用抵抗器では、電流計測のため通電すると両電極間に温度差が形成される。その後、通電が無くなる（電流がゼロになる）と、ペルチェ効果により両電極間に温度差が存在するため、ゼーベック効果による起電力で両電極から引き出した電圧検出端子間に電位差が生じる。すなわち、通電が無くなると、本来電圧検出端子間の電位差はゼロでなければならないが、ペルチェ効果による非対称温度分布とゼーベック効果とにより誤電圧が生じることになる。上述したように、電流検出用抵抗器の両電極実装面の下方に、抵抗器の投影面を含み、且つ該投影面よりも広く形成した金属層からなる放熱パターンを備えることで、ペルチェ効果による温度分布の非対称性を無くすことができ、これに伴いゼーベック効果による誤電圧の検出という問題も防止することができる。
【００２２】
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形態に限定されず、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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１（ａ）（ｂ）は比較例としての従来の電流検出用抵抗器の実装基板の断面図と平面図であり、図１（ｃ）（ｄ）は本発明の実施例１の電流検出用抵抗器の実装基板の断面図と平面図であり、図１（ｅ）（ｆ）は本発明の実施例２の電流検出用抵抗器の実装基板の断面図と平面図である。
【図２】上記比較例、実施例１、実施例２の実装基板の温度分布を示すグラフである。図中、比較例は×印で示し、実施例１は○印で示し、実施例２は□印で示す。
【図３】図３（ａ）（ｂ）は上記実施例１の変形例を示す断面図と平面図であり、図３（ｃ）（ｄ）は上記実施例２の変形例を示す断面図と平面図である。
【図４】図４（ａ）（ｂ）は本発明の実施例３の電流検出用抵抗器の実装基板の断面図と平面図であり、図４（ｃ）（ｄ）は本発明の実施例４の電流検出用抵抗器の実装基板の断面図と平面図であり、図４（ｅ）（ｆ）は本発明の実施例５の電流検出用抵抗器の実装基板の断面図と平面図である。
【図５】上記実施例３、実施例４、実施例５の実装基板の温度分布を示すグラフである。図中、実施例３は■印で示し、実施例４は○印で示し、実施例５は□印で示す。
【図６】図６（ａ）は従来の電流検出用抵抗器の実装基板の平面図であり、（ｂ）は上記平面図のＡＡ線に沿った断面図であり、（ｃ）は上記平面図の区画Ｃ部分の温度分布を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００２４】
１１ａ，１１ｂ  銅配線パターン
１２    電流検出用抵抗器
１２ａ，１２ｂ  電極
１３    絶縁基板
１４，１４ａ，１４ｃ，１４ｄ  放熱パターン
１５，１５ａ  サーマルビア
１６    ハンダ接合層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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