[테크월드=양대규 기자] 전류 검출용 저항기는, 주로 모터의 구동 회로·전원의 과전류 보호·배터리 잔량 검지에 사용된다. 지금까지 자동차 시장·산업기기 시장·컴퓨터 시장 등에서 폭넓게 사용했지만, 최근 자동차 시장에서는 전기자동차와 하이브리드카의 개발이 활발해짐에 따라 시장 전체에서 애플리케이션의 고기능화와 전자화가 가속화되고 있다.
이런 자동차와 산업기기 시장에서는 ‘한층 더 고전력에 대응 가능한 소형 사이즈의 저저항’, ‘회로의 소비전력을 억제하기 위한 초저저항’, ‘가혹한 온도 환경에서도 우수한 저항 온도 계수를 확보하는 고정밀도의 저저항’ 등에 대한 요구가 높아지고 있다. 로옴은 저저항에 대한 다양한 시장 요구에 대응해, 풍부한 저저항 시리즈 제품군을 갖춰 나가고 있다.[그림1]
자동차 시장에서 저저항의 주요 용도[그림 2] : 각종 모터의 구동 회로, DC/DC 컨버터의 출력부, 배터리의 충방전 감시 회로·잔량 검지 등
전류 검출 저저항의 트렌드
전류 검출용 저저항은 부하에 대해 직렬로 실장하고, IC를 사용해 양 단자의 전위차를 측정함으로써 전류 검출을 실현한다. IC에 따른 전류 검출의 정밀도를 향상시키고자 하는 경우, 저저항의 저항치를 높게 설정하면 되지만, 그 경우 전류를 흘릴 때 제품의 발열(손실)이 커지게 된다. 이처럼 측정 정밀도와 발열은 트레이드오프 관계이므로, 저저항은 검출 정밀도와 발열의 밸런스에 따라 제품을 선정할 필요가 있다. 그러나, 최근 IC의 성능 향상에 따라 기존보다 작은 전위차로 전류 검출을 고정밀도로 측정하는 것이 가능해졌다. 즉, 보다 낮은 저항치의 저저항을 사용함으로써, 기존보다 작은 소비전력으로 대전류를 검출할 수 있어 저저항에 대한 요구가 확대되고 있다. 로옴은, 이런 유저의 요구에 대응해, 2016년부터 PSR 시리즈 양산을 개시했으며 고객들에게 호평을 받고 있다.
저저항 기술의 개요
면실장 타입의 저저항은, 재료와 구조에 따라 크게 두 가지 타입으로 나눌 수 있다. 하나는 범용 후막 칩 저항기의 기술을 베이스로 한 후막 저저항이며, 또 하나는 금속 재료를 사용한 금속 저저항이다. 이들은 요구되는 성능에 따라 구분해 사용된다. 수 10mΩ~는 후막 저저항, 수 mΩ 부근은 금속 저저항으로 제작되는 경우가 많으므로, 금속 저저항은 높은 정격전력 보증이 특징이다.[그림 3]
칩의 형태로는 실장 기판과 접속하는 전극의 구조에 따라 2가지 타입으로 나뉜다. 칩의 단변측에 전극을 형성한 일반적인 타입과, 칩의 장변측 전극을 형성한 장변전극 타입이다. 일반적으로 장변전극 타입의 제품은 기판 실장 후의 접합 신뢰성과 온도 사이클 특성이 높다. 또한, 실장 기판으로의 방열성도 높으며, 단변전극 타입의 제품보다 높은 정격전력을 보증하는 제품이 많은 점도 특징이다. [그림 4]
전극의 도금은, 니켈 도금·주석 도금이 대표적이지만, 저저항의 경우는 저저항화·온도 특성의 개선·저항치 측정의 안정성 등을 고려해, 동 도금을 하는 경우도 있다.
후막 기술을 통한 저저항
후막 칩 저항기에 있어서 소자 형성의 주요한 공정은 스크린 인쇄를 통한 패턴 형성이다. 스크린을 사용한 인쇄 공법으로 알루미나 기판 위에 저항 소자와 전극 등을 형성한다. 저저항의 경우, 저항체 재료에 저항치가 낮은 것을 사용한다. 하지만 통상적인 저항치의 재료에 비해 전극 재료의 조성이나 저항체와 전극의 두께에 따라 온도 계수와 온도 사이클 특성 등이 영향을 받기 쉬우므로, 각각 최적의 조건을 고려해 설계할 필요가 있다. 로옴은 후막 칩 저항기를 세계 최초로 개발한 후막 칩 저항기의 선구자로서, 오랜 기간 축적해 온 기술을 활용해 다양한 후막 저저항을 제공하고 있다.
로옴에서는 자동차 시장에서의 높은 접합 신뢰성과 정격전력의 요구에 대응하는 제품으로서, 장변전극 타입의 저저항 LTR 시리즈를 제공하고 있다. 칩의 장변 측에 전극을 배치함으로써, 높은 접합 신뢰성과 온도 사이클 특성을 실현한다. 또한, 장변전극 타입의 높은 방열성을 활용해, 통상적인 후막 저저항보다 높은 정격전력(예 : 3216 사이즈로 1W 보증)에 대응한다.
기본적인 제품으로는 ▲일반적인 범용 후막 칩 저항기인 MCR ▲저저항 시리즈(47mΩ~)와 MCR ▲저저항 시리즈보다 넓은 저항치 범위(11mΩ~)를 커버하며, 전극 사이즈의 확대와 저항체 재료의 변경을 통해 보다 높은 정격전력과 우수한 온도 특성을 보증하는 UCR 시리즈 라인업을 구비하고 있다. UCR 시리즈는 정격전력과 온도 특성의 메리트와 더불어 실장 시, 저항치 편차 저감을 고려한 이면 실장 구조를 채용하고 있다.[그림 5] 또한, UCR 시리즈는 자동차 시장에서 검토가 활발히 진행되고 있는 초소형 0603사이즈(UCR006 시리즈)를 -55℃~155℃의 사용 온도 범위에서 보증하고 있다.
이런 후막 저저항(LTR 시리즈, UCR 시리즈)은 높은 정격전력으로, 기존제품(MCR, 저저항 시리즈)보다 더 소형의 패키지로 교체가 가능해, 기판의 소형화에도 기여할 수 있는 제품이다.
금속 저항 재료에 따른 저저항
저항체 금속을 사용한 저저항은 후막 저저항의 기술과는 완전히 다른 구조이며, 저항체 소자로서 수 10μm~수mm 두께 정도의 저항체 금속 재료를 사용한다. 이 저항체 재료를 에칭(Etching)과 기계 가공 등 각종 가공 기술을 이용해, 소자를 형성함으로써 원하는 저항치와 특성을 실현한다. 금속 저저항은 동일 사이즈의 후막 저저항과 비교해, 높은 정격전력 보증과 고정밀도의 저항 온도 계수 보증이 가능한 점이 특징이다. 또한, 0.2mΩ~10mΩ 정도의 매우 낮은 저항치 영역에서는 비교적 두꺼운 저항체 금속을 사용하기 때문에 저항체 자체를 칩으로 형성하는 공법이 일반적이다.
로옴은 정격전력 4W 이상의 영역에서 0.2mΩ~3.0mΩ의 저항치 범위를 커버한 PSR 시리즈를 제공하고 있다. PSR 시리즈는 저항체 금속과 동 전극을 독자적인 용접 기술을 통해 접합시켜, 높은 방열성과 열 용량을 지닌 구조를 실현한다.[그림 6] 또한, 대형 동 전극으로 방열성을 확보하고 최고 5W의 높은 정격전력을 실현해, 저항치마다 최적의 저항체 금속을 선정함으로써 고정밀도의 저항 온도 계수를 달성하는 점이 특징이다.
정격전력 2W 이하의 영역에서는 1mΩ~10ｍΩ의 저항치 범위에서 PMR 시리즈를 제공하고 있다. PMR 시리즈의 구조는 PSR 시리즈와는 상이하지만, 저항체 금속을 본체로 한 제품이라는 점은 PSR 시리즈와 같다. 또한, PMR 시리즈는 트리밍을 통해 저항치를 조정하지 않는 로옴 독자적인 설계를 채용해, 사용 시 자주 문제가 되는 저항체의 발열을 저감할 수 있는 구조가 특징이다.[그림 7]
PSR 시리즈보다 저항치가 큰 5mΩ~220mΩ에 대응하는 제품으로는, GMR 시리즈 라인업이 있다. 제품의 특징 중 하나는, 재료의 재검토와 독자적인 구조를 채용함으로써 표면 온도를 대폭 저감한 것이다. 예를 들어, 10mΩ 제품을 3W에서 사용할 때 기존품이 181℃에 달하는데 비해, GMR100 제품은 100℃로 표면 온도 상승을 45% 줄이는데 성공했다.[그림 8] 또한, 저항체 금속에 고기능 합금 재료를 채용함으로써, 저저항 영역에서도 우수한 저항 온도 계수(TCR)를 달성한다. 열에 좌우되지 않는 고정밀도의 전류 검출이 가능하며, 애플리케이션의 신뢰성 향상에 기여할 수 있다.
향후 전개에 대해
1W 이상의 영역에서, 금속 재료를 사용해 수 10mΩ 이상의 저저항 영역에 대응하려면 금속 저항체의 두께가 100μm 전후이므로, 저항체 자체를 본체로 한 구조에서는 칩 형성이 어렵다. 본체가 되는 기재에 저항체 재료를 고정함으로써 칩 형성이 가능하지만, 기존의 로옴에서는 시도하지 않았던 방식이다. 이 영역에서는 리드 저항과 후막 저저항을 사용해 회로를 구성하는 경우가 많았다. 하지만 최근에는 검출 정밀도 향상, 기판의 소형화, 리드 부품의 삭감 등 다양한 요구가 증가함에 따라, 금속 저저항에 대한 요구가 높아지고 있다. 이런 점에 주목해, 로옴은 이 영역을 향후 금속 저저항의 중요한 라인업으로 인식하고, 소형·고방열을 컨셉으로 한 신상품 개발에 주력하고 있다.
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