CN104871279A - 防放电结构体 - Google Patents

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Abstract

在包括具有金属化部的陶瓷部件、与上述金属化部接触的金属部件和接合上述陶瓷部件与上述金属部件的钎料的防放电结构体中，形成利用含V(钒)并具有导电性的玻璃覆盖上述金属化部尖端的加厚部。此外，在具有金属化部的陶瓷部件、与上述金属化部接触的金属部件、以及利用钎料接合上述陶瓷部件与上述金属部件的防放电结构体的制造方法中，包括：将含有V并具有导电性的玻璃加热到玻璃化温度以上且小于结晶温度的工序；和形成覆盖上述金属化部的尖端的加厚部的工序。

Description

防放电结构体
技术领域
本发明涉及接合导体(金属)与绝缘体(陶瓷)的结构的防放电部件。
背景技术
真空阀和半导体功率模块等为接合了提供导电性的金属与提供绝缘性的陶瓷的结构体。在接合金属与陶瓷时一般使用焊料或钎料等。焊料或钎料由于对陶瓷的浸润性差，因此对陶瓷的接合面施以金属化处理。通过金属化处理，可改善焊料或钎料的浸润性，提高接合强度，但是在导体部负载了高电压时，金属化部尖端产生电场集中，成为放电的原因。如果以遮蔽金属化部尖端的方式使导体部端部与陶瓷端部对齐并接合，则残留应力显著增大，陶瓷容易发生破裂。因此，目前为了缓和金属化部尖端的电场集中，在与接合部离开的位置上设置有缓和电场的机构。
作为缓和金属化部尖端的电场集中的方法，例如如专利文献1提出了利用导电性橡胶覆盖的方法。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2001-167673号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，由于专利文献1的导电性橡胶与金属化部的紧贴(密接)性较差，所以存在产生电场易于集中的部位、在该部位发生放电的问题。
本发明的目的在于缓和在金属化部的电场集中，防止放电。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明提供的一种防放电结构体，其包括：具有金属化部的陶瓷部件；与上述金属化部接触的金属部件；和接合上述陶瓷部件和上述金属部件的钎料，上述防放电结构体的特征在于：形成有由含钒并具有导电性的玻璃覆盖上述金属化部的尖端而成的加厚部。
此外，本发明提供的一种防放电结构体的制造方法，该防放电结构体包括具有金属化部的陶瓷部件和与上述金属化部接触的金属部件，并由钎料将上述陶瓷部件和上述金属部件接合，上述防放电结构体的制造方法的特征在于，包括：将含有钒并具有导电性的玻璃加热至玻璃化温度以上且小于结晶温度的工序；和形成覆盖上述金属化部的尖端的加厚部的工序。
发明效果
根据本发明，能够缓和在金属化部的电场集中，防止放电。
附图说明
图1是在真空断路器的陶瓷筒与金属端板的接合部利用玻璃加厚的整体图。
图2是加厚部分的放大截面图。
图3是半导体模块的示意图。
图4是表示实施例2的真空绝缘开关设备的结构的图。
图5是表示实施例3的真空绝缘开关设备的结构的图。
附图记号说明
1……端板
2……玻璃(加厚部)
3……Al2O3筒(陶瓷筒)
4……模具
5……金属化部
6……钎料
8……散热基板
9……金属化层
10……钎料
11……导体
12……玻璃
13、25……真空绝缘开关设备
14、26……开关单元
15……母线
16……负载电缆
17……仪表室
18、27、28……真空开关
19……接地开关
20……接合部
21……接合部
22……操作机构
23……操作机构
24……电流互感器
具体实施方式
金属化部尖端为金属化部的端部尖锐(突起)的部分，由导体的金属、绝缘体的陶瓷、接合介质的焊料或钎料等构成。为了缓和金属化部尖端的电场集中，可靠地防止放电，改善覆盖金属化部尖端的导体的贴紧性并简化其构造和形状。
在本发明中，用于缓和电场的导体使用含V(钒)的导电性玻璃。含V的玻璃(以下称为V玻璃)由于与金属或金属氧化物的浸润性高、贴紧性良好，因此即使不进行金属化也能够与Al2O3等陶瓷接合。因此，与以往的导电性或绝缘性橡胶相比具有极高的贴紧性。此外，由于V玻璃的熔点比金属低，所以与利用金属加厚金属化部尖端相比，能够在更低温度下施工，能够防止陶瓷因热应力而破裂。
V主要为氧化物，例如为V2O5(五氧化二钒)。玻璃例如至少含有V2O5、Ag2O(氧化银(I))和TeO2(二氧化碲)作为主要成分，如果使得通过按氧化物换算V2O5、Ag2O和TeO2的合计含有率为75质量％以上，则能够获得软化点为320℃的玻璃，因此能够进一步低温施工，故在这一方面优选。
软化点是指在数Pa的外力下能够变形的温度，位于通过差热分析而得到的玻璃化温度与结晶温度之间。由于玻璃能够通过温度大范围地控制粘度，如果在玻璃化温度与结晶温度之间的温度范围内，则能够防止玻璃落下等。因此，与如Pb(铅)这样的低熔点但粘度低的金属相比，容易加厚成期望的形状。玻璃覆盖金属化部的尖端，平滑地形成表面，使电场不集中。
这样，通过使玻璃含有70～95体积％的导电性金属颗粒，能够进一步提高导体的导电性。作为金属颗粒，例如优选为银、银合金例如Ag-Cu合金)、铝、铝合金(例如Al-Cu合金、Al-Si合金)、铜或铜合金(例如Cu-Ag合金、Cu-Al合金)。此外，在考虑到成本的情况下，使用铁类或不锈钢(Fe-Cr合金、Fe-Cr-Ni合金)的金属颗粒也是有效的。特别地，在本发明的结构体由于施加了交流高压，从导电性和成本方面考虑，期望为Al或奥氏体类不锈钢等。
例如真空阀或功率模块由绝缘树脂进行模制(mold)的情况较多。加厚材与被加厚材的界面必须承受被模制(模塑)的树脂的凝固、收缩时产生的应力，所需的附着力为大致1～3MPa左右。V玻璃由于相对于作为对象的被加厚材具有5MPa以上的贴紧力，也不需要设置电场缓和环等，因此能够简化结构。
图1表示在真空断路器的Al2O3筒与端板的接合部利用玻璃加厚的整体图。将两个金属制端板1接合在Al2O3筒2的上下。端板1与Al2O3筒2的接合面被金属化处理，存在金属化部5。在由端板1的侧面与金属化部5夹着的部分加厚(堆焊)玻璃2。特别地，以覆盖金属化部5的尖端的方式覆盖玻璃2。
玻璃的加厚方法为，将加厚材(玻璃2)预先临时烧制成环状，放置在被加热的模具4中，通过对被加厚材(端板1、Al2O3筒2)进行加压成形，能够制作该结构体。图1表示加压之后。模具4的加压面形成为没有尖锐部分的曲面。如果预先将模具4加热到玻璃的软化点附近，则能够易于对玻璃2进行加压，能够不落下地成形为期望的形状。此时，根据玻璃的种类在模具涂敷脱模剂也是有效的。玻璃通过使用V类玻璃，例如即使加厚材附着在模具上，也能够通过水或酸等药品简单地除去。
图2是表示加厚部分的放大截面图。在被加厚部分的金属化部5尖端附着有接合端板1和Al2O3筒2的接合介质。在真空阀的情况下，作为接合介质多采用Ag-Cu类或Cu-Mn-Ni类的钎料，因此要求对于这些接合介质的贴紧性。V玻璃对这些Ag-Cu类或Cu-Mn-Ni类钎料、端板材质多采用的Cu、作为陶瓷筒材质多采用的Al2O3、作为金属化层采用的Mo-Mn表现出优良的贴紧性，因此为优选的加厚材。加厚部2以从端板1侧面的某个位置开始形成向下弯曲的弧的方式覆盖钎料6，以不露出钎料接触的金属化部尖端(前端)的方式形成。即，加厚部的露出面形成为曲面。
此外，在作为对象的接合体为如真空阀那样处理高达数kV～数十kV的高电压的制品的情况下，优选加厚厚度较厚。在真空阀的情况下，还取决于电力的容量，如果能够确保奥氏体不锈钢等级的1×106S/m或其1/10左右的1×105S/m的导电率，则能够通过使加厚厚度为1～10mm左右，来抑制从金属化部尖端的放电。
作为使用模具之外的玻璃加厚方法，能够混合玻璃粉末和溶剂，使其成膏状加厚在该部位后，通过在规定的温度下使玻璃软化或熔化来施工。此时，通过调整处理温度，能够利用玻璃的表面张力形成自然的曲面。
本发明的防放电结构还能够应用于电力用半导体装置等。半导体模块等中，导体由焊料接合在陶瓷基板上。因此，为了改善焊料的浸润性，在陶瓷基板上施以金属化，与上述的真空阀的金属化部尖端同样地，多产生放电问题。半导体模块由负责散热和绝缘的陶瓷和导体(Cu、Al等)构成，而为了接合陶瓷与导体，陶瓷表面被施以金属化。半导体模块中，接合介质使用焊料或钎料，焊料或钎料多使用Sn-Pb类、Sn-Ag-Bi类、Ag-Cu类等。在半导体模块中，能够利用与上述相同的方法，通过导电性玻璃的加厚来抑制金属化部尖端的电场集中。特别地，V玻璃等是对Al2O3、SiC、AlN、Si3N4、Cu、Al、Sn-Pb类、Sn-Ag-Bi类、Ag-Cu类的焊料或钎料都表现出优良的施工性和贴紧性的合适的加厚材。图3表示构成半导体模块的散热板和导体的接合体的示意图。半导体模块的散热基板8由Al2O3、SiC、AlN、Si3N4等构成，在其表面设置有由Mo-Mn等形成的金属化层9，由Cu、Al等构成的导体11通过Sn-Pb类、Sn-Ag-Bi类、Ag-Cu类焊料或钎料10接合。在该结构体中，导电性的玻璃12以覆盖金属化层9的尖端部的方式加厚。在将玻璃加厚于半导体模块时，也能够与上述真空阀的方法同样地制作模具进行加厚，不过也能够混合玻璃粉末和溶剂，使其成膏状加厚在该部位后，通过在规定的温度下使玻璃软化或熔化来施工。对半导体模块的所需要的加厚厚度取决于该器件的电压等，但是只要能够确保金属化层的厚度的2倍～250倍左右，就能够防止放电。金属化厚度一般为10μm左右，因此具体而言只要为20μm～2500μm(0.5mm～2.5mm)就能够防止放电。此时，通过调整处理温度，也能够利用玻璃的表面张力构成自然的曲面。
(实施例1)
为了验证导电性玻璃与各结构部件的贴紧力(附着力)，进行导电性玻璃与各结构部件的接合实验。导电性玻璃中，在低熔点V玻璃中添加80vol％的粉末粒径为10μm的奥氏体类不锈钢SUS304。该玻璃的导电率为大致5.0×105S/m。令导电性玻璃为接合介质，分别制作No.1为Al2O3/Al2O3、No.2为Si3N4/Si3N4、No.3为AlN/AlN、No.4为Cu/Cu、No.5为72wt％Ag-28wt％/72wt％Ag-28wt％、No.6为Mo/Mo的拉伸样片。No.1～No.6的被接合体为构成真空阀和半导体模块的陶瓷/导体接合部的材料。在作为样片的被接合体的接合面上以厚度成为20μm的方式涂敷在玻璃中添加溶剂形成膏状物并使其干燥后，重叠另一片被接合体，放入250℃的恒温槽并保持10min(分钟)。气氛为大气中。各接合体的拉伸实验结果表示在表1中。在每个接合体中都能够确认具有5MPa以上的拉伸强度。
(实施例2)
在本实施例中针对真空绝缘开关设备进行说明。真空绝缘开关设备对真空阀进行绝缘模制，进一步地具有各种功能。图4表示真空绝缘开关设备的结构。真空绝缘开关设备13包括：向开关单元14供给电力的三相母线15、连接到开关单元14并向负载侧供给电力的负载电缆16、设置于负载电缆16的电流互感器24和设置于绝缘开关装置上部的仪表室17。开关单元14由将在两个部位设置进行切断·断路的触点(双断)的结构容纳在一个真空容器内的真空开关18、通过导体将该真空开关18连接到负载侧的接地开关19、以及将它们一体地模制的环氧树脂类固体绝缘树脂构成。真空开关18和接地开关19的陶瓷与接合部20、21分别采用基于导电性玻璃的防放电结构。操作机构中，操作机构22为切断·断路部用的操作机构，操作机构23为接地开关用的操作机构。通过本实施方式，通过使用在接合部20、21使用了基于导电性玻璃的防放电结构的提高了抗绝缘性能的开关单元14，能够提供绝缘性可靠性较高的真空绝缘开关设备。
(实施例3)
在本实施例中对与上述实施例2不同的真空绝缘开关设备进行说明。图5表示真空绝缘开关设备的结构。本实施例的真空绝缘开关设备25除了实施例2中说明的开关单元26之外为相同的结构，因此在此省略详细说明。
开关单元26由将在两个部位设置进行切断·断路的触点(双断)的结构按触点容纳在不同的真空容器内的真空开关27、28、通过导体将该真空开关27、28连接到负载侧的接地开关19、以及将它们一体地模制的固体绝缘树脂构成。真空开关27、28和接地开关19中，各个开关的接合部20、21使用了基于导电性玻璃的防放电结构。开关单元26可以如本实施例这样例如为双断结构，按触点设置真空容器。此时有增加制造的自由度的优点。
[表1]

Claims (15)

1.一种防放电结构体，其包括：具有金属化部的陶瓷部件；与所述金属化部接触的金属部件；和接合所述陶瓷部件和所述金属部件的钎料，所述防放电结构体的特征在于：
形成有由含钒并具有导电性的玻璃覆盖所述金属化部的尖端而成的加厚部。
2.如权利要求1所述的防放电结构体，其特征在于：
所述加厚部的露出面由曲面构成。
3.如权利要求1所述的防放电结构体，其特征在于：
所述加厚部含有金属颗粒。
4.如权利要求1所述的防放电结构体，其特征在于：
所述加厚部的导电率为1.00×105S/m以上。
5.如权利要求1所述的防放电结构体，其特征在于：
所述玻璃与所述金属部件之间的接合强度、或者所述玻璃与所述陶瓷部件之间的接合强度为5MPa以上。
6.如权利要求1所述的防放电结构体，其特征在于：
所述玻璃还含有Ag和Te。
7.如权利要求1所述的防放电结构体，其特征在于：
所述玻璃含有V2O5、Ag2O和TeO2，并且按氧化物换算V2O5、Ag2O和TeO2的合计含有率为75质量％以上。
8.如权利要求1所述的防放电结构体，其特征在于：
所述陶瓷部件为散热基板。
9.一种真空阀，其特征在于：
具有权利要求1所述的防放电结构体。
10.一种真空开关，其特征在于：
其是利用环氧树脂对权利要求9所述的真空阀进行模制而成的。
11.一种真空绝缘开关设备，其特征在于：
其是利用环氧树脂对权利要求9所述的真空阀进行模制而成的。
12.一种防放电结构体的制造方法，该防放电结构体包括具有金属化部的陶瓷部件和与所述金属化部接触的金属部件，并由钎料将所述陶瓷部件和所述金属部件接合，所述防放电结构体的制造方法的特征在于，包括：
将含有钒并具有导电性的玻璃加热至玻璃化温度以上且小于结晶温度的工序；和
形成覆盖所述金属化部的尖端的加厚部的工序。
13.如权利要求12所述的防放电结构体的制造方法，其特征在于：
所述形成加厚部的工序包含用模具对所述玻璃进行加压的工序。
14.如权利要求12所述的防放电结构体的制造方法，其特征在于：
所述形成加厚部的工序包含用加压面为曲面的模具对所述玻璃进行加压的工序。
15.如权利要求12所述的防放电结构体的制造方法，其特征在于：
所述形成加厚部的工序包含涂敷含有所述玻璃和溶剂的膏体的工序。
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