JP2001076902A - スナバ抵抗器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スナバ抵抗器を使用した機器を小型化する
ことができ、しかも、電気比抵抗の温度依存性が低く、
通電耐量が大幅に改善されたスナバ抵抗器、及び該スナ
バ抵抗器を歩留りよく、高生産効率で製造可能な製造方
法を提供することを課題とする。 【解決手段】 スナバ抵抗器は炭化珪素抵抗体を用
い、スナバ抵抗器の製造方法は平均粒径が 0.1〜 10 μ
ｍのα型炭化珪素粉末と、平均粒径が 0.1μｍ未満のβ
型及び／または非晶質の炭化珪素微粉末とを含有する混
合粉を焼結し、金属不純物含有量が 0.5重量％以下、α
型結晶相が 50 体積％以上で、室温下での電気比抵抗と
熱伝導率がそれぞれ 1〜100 Ω・ｃｍ、 100Ｗ／ｍ・Ｋ
以上である炭化珪素焼結体を得、この炭化珪素焼結体を
抵抗体とするように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スナバ抵抗器及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、スナバ抵抗器としては、例え
ば、アルミナ等の絶縁基板上にＡｌ,Ｒｕ, Ｐｂ等を主
成分とした金属ペーストを焼き付形成した金属薄膜抵抗
体が用いられている。

【０００３】〔問題点〕しかしながら、前記の金属薄膜
抵抗体を用いたスナバ抵抗器にあっては、以下のような
問題点があり、また、通電耐量も僅か 600Ｗ程度と低か
った。 金属は本来低抵抗であるので、薄膜化して抵抗値を
上げる必要があり、薄膜化すると印可可能な電流値が小
さくなってしまう、すなわち負荷電力が小さくなってし
まい、金属抵抗体を用いて大電流を制御するためには、
多数の抵抗体を並列に接続する必要があり、ヒートシン
ク、ダイオード等と組み合わせてモジュール化し電力制
御機器とした場合、この電力制御機器が大型化してしま
う。 電流が印可され抵抗体の温度が上昇した際に、金属
薄膜抵抗体と絶縁基板との熱膨張係数の差に起因する熱
ストレスにより、抵抗体が破損する。 金属薄膜抵抗体の電気比抵抗は温度依存性が高く、
金属抵抗体の温度上昇に伴って電気比抵抗が増加するこ
とにより、電流が流れずらくなる。 金属材料は融点が低いために、通電による発熱によ
って熔損しやすい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の技
術が有する前記問題点に鑑みてなされたものであり、そ
のために具体的に設定された課題は、機器を小型化する
ことができ、しかも、電気比抵抗の温度依存性が低く、
通電耐量が大幅に改善されたスナバ抵抗器、及び該スナ
バ抵抗器を歩留りよく、高生産効率で製造可能な製造方
法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来の金
属薄膜抵抗体に替えて炭化珪素抵抗体を用いれば、前記
課題を効果的に解決し得ることを知見し、本発明に至っ
た。即ち、本発明の請求項１に係るスナバ抵抗器は、炭
化珪素抵抗体を用いたことを特徴とするものである。そ
して、請求項２に係るスナバ抵抗器は、前記炭化珪素焼
結体は、金属不純物含有量が 0.5重量％以下、室温下で
の電気比抵抗と熱伝導率がそれぞれ 1〜100Ω・ｃｍ、
100Ｗ／ｍ・Ｋ以上である炭化珪素焼結体であることが
好ましい。

【０００６】また、請求項３に係るスナバ抵抗器の製造
方法は、平均粒径が 0.1〜 10 μｍのα型炭化珪素粉末
と、平均粒径が 0.1μｍ未満のβ型及び／または非晶質
の炭化珪素微粉末とを含有する混合粉を焼結し、金属不
純物含有量が 0.5重量％以下、α型結晶相が 50 体積％
以上で、室温下での電気比抵抗と熱伝導率がそれぞれ1
〜100 Ω・ｃｍ、 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上である炭化珪素焼
結体を得、この炭化珪素焼結体を抵抗体とすることを特
徴とするものである。そして、請求項４に係るスナバ抵
抗器の製造方法は、前記α型炭化珪素粉末と、前記β型
及び／又は非晶質の炭化珪素微粉末との配合比率は、 9
9 〜 70 重量％： 1〜 30 重量％であることを特徴とす
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態を掲げ、
本発明を詳細に説明する。なお、この実施の形態は本発
明の趣旨をより良く説明するためになされたものであ
り、特に限定のない限り、発明内容を制限するものでな
い。

【０００８】「スナバ抵抗器」この実施の形態に係るス
ナバ抵抗器は、炭化珪素焼結体を板状に形成した抵抗体
の両面をメタライズ処理し、各面に金属製電極板を密着
した構造を有する。抵抗体としての炭化珪素焼結体は、
焼結助剤や導電性成分（本明細書において、これらを
「助剤」と総称する）を添加することなく焼結される。
この炭化珪素焼結体は、α型の結晶相を 50 容量％以上
含有し、室温下での電気比抵抗は 1〜100 Ω・ｃｍであ
り、また室温下での熱伝導率が 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好
ましくは 200Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、しかも電気比抵抗
の温度依存性も、例えば図２に示されているように極め
て小さいものとなる。また、助剤が添加されることなく
焼結されるため、金属不純物含有量が 0.5重量％以下で
あり、電気比抵抗、熱伝導率、焼結体密度等の各種特性
のばらつきも小さいものとなり、しかも局所的な発熱の
虞もない。

【０００９】従って、この炭化珪素焼結体を抵抗体とし
たスナバ抵抗器は、以下のような優れた特性を有するも
のとなる。 適度な電気比抵抗を有していることから薄膜化する
必要がなく、印可可能な電流値、即ち負荷電力を大きく
することができる。 電流が印可され抵抗体の温度が上昇した際の熱スト
レスにより、抵抗体が破損することがない。 抵抗体の温度上昇に伴って電気比抵抗が増加するこ
とがなく、電流が流れずらくなることはない。 通電による発熱によって熔損することがない。

【００１０】以下、本実施の形態に係るスナバ抵抗器の
製造方法、特に炭化珪素焼結体からなる抵抗体の製造方
法について詳しく説明する。 「スナバ抵抗器の製造方法」この実施の形態に係るスナ
バ抵抗器は、平均粒径が 0.1〜 10 μｍ、好ましくは
0.1〜1 μｍのα型炭化珪素粉末と、平均粒径が 0.1μ
ｍ未満のβ型及び／又は非結晶質の炭化珪素微粉末、好
ましくはβ型の炭化珪素微粉末とを含有する混合粉を、
助剤を添加することなく焼結して、金属不純物含有量が
0.5重量％以下、α型結晶相が 50 体積％以上の炭化珪
素焼結体を得、該炭化珪素焼結体の両面をメタライズ処
理した後、上下２枚の金属製電極板で把持したものであ
る。

【００１１】ここに、前記の平均粒径が 0.1〜 10 μｍ
のα型炭化珪素粉末は特に制限されるものでなく、一般
に使用されるものを使用することができ、例えば以下に
述べる方法などによって製造されたものを用いることが
できる。 （Ａ）黒鉛と珪素を 1150 ℃以上で反応させる方法。 （Ｂ）黒鉛と二酸化珪素を 1475 ℃以上で反応させる方
法。 （Ｃ）珪砂、コークス、のこくず、等を電気炉中にて 2
200 〜 2500 ℃で反応させる方法。 また、このようにして製造されて用いられるα型炭化珪
素粉末の平均粒子径としては 0.1〜 10 μｍ、好ましく
は 0.1〜1 μｍとされる。これは、粒子径が大きいと表
面応力が小さくなり、焼結駆動力が減少して高密度焼結
体が得られにくくなるからである。

【００１２】また、前記の平均粒径が 0.1μｍ未満のβ
型及び／または非晶質の炭化珪素微粉末も特に制限され
るものではないが、例えば、非酸化性雰囲気のプラズマ
中にシラン化合物またはハロゲン化珪素と炭化水素の原
料ガス、例えばモノシランとエチレンとを導入し、反応
系の圧力を 1気圧〜 0.1torrの範囲で制御しつつ気相反
応させることによって得られたものを使用するのが好ま
しい。このようにして得られたβ型及び／又は非晶質の
炭化珪素微粉末、特にβ型の炭化珪素微粉末は、焼結性
が非常に優れているため、上記α型炭化珪素粉末と混合
するのみで焼結助剤を添加することなく高密度焼結体を
得ることができる。

【００１３】次いで、上記のα型炭化珪素と、β型及び
／又は非晶質の炭化珪素とを混合して混合物とする。こ
こでα型炭化珪素粉末と、β型及び／又は非晶質の炭化
珪素微粉末とを混合するにあたっては、β型及び／又は
非晶質の炭化珪素微粉末の配合量を 1〜 30 重量％の範
囲とするのが好適とされる。すなわち、β型及び／又は
非晶質の炭化珪素微粉末の配合量を 1重量％未満とする
と、このβ型及び／又は非晶質の炭化珪素微粉末を混合
した効果が十分発揮されず、また 30 重量％以上とする
と、得られる炭化珪素焼結体の主結晶相であるα型が 5
0 容量％以下となって室温下での電気比抵抗を 1〜100
Ω・ｃｍに制御することが困難となり、またβ型及び／
又は非晶質の炭化珪素微粉末はプラズマCVD 法により気
相合成されることからコストが高く、よって得られた製
品が高価となり、また焼結密度を上げるための効果もこ
れ以上ではほぼ横這いに達するからである。

【００１４】その後、上記混合物を加熱しさらに焼結し
て、好ましくは焼結体密度が 2.80ｇ／ｃｍ² 以上の炭
化珪素焼結体を得る。前記焼結体密度が 2.80 ｇ／ｃｍ
² 以下となると熱伝導性が低下する虞があり好ましくな
い。焼結温度としては、 1800 ℃から 2400 ℃とするの
が好ましい。また焼結方法としては、常圧焼結、雰囲気
加圧焼結、ホットプレス焼結、あるいは熱間静水圧焼結
（ＨＩＰ）等の従来の方法で行うことが可能であるが、
より高密度で導電性、熱伝導性等に優れた炭化珪素焼結
を得るためにはホットプレス等の加圧焼結法を使用する
ことが望ましく、特に焼結雰囲気を真空雰囲気、不活性
雰囲気もしくは還元ガス雰囲気とするのが好ましい。

【００１５】このようにして得られた炭化珪素焼結体
は、金属不純物含有量が 0.5重量％以下、室温下での電
気比抵抗が 1〜100 Ω・ｃｍ、室温下での熱伝導率が 1
00Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、また電気比抵抗の温度依存性
も極めて小さいものとなり、しかもグレインサイズが 2
〜3 μｍと小さく均一な微細組織を有して局所的な発熱
の虞もないものとなる。また、この炭化珪素焼結体は助
剤を添加することなく焼結されたものであるから、金属
不純物含有量も低く、電気比抵抗、熱伝導率、密度等の
各種特性のばらつきも小さいものとなっており、融点も
金属材料に比べて高くて熔損することがないものとなっ
ている。

【００１６】次いで、この炭化珪素焼結体の両面をメタ
ライズ処理し、上下２枚の金属製電極板で把持した構造
のスナバ抵抗器を備えた、例えば図１に示す、電力制御
機器モジュールにあっては、多数のスナバ抵抗器を並列
に接続する必要がなく、小型化が達成されたものとな
る。なお、図１の電力制御機器モジュールにおいて、１
は前記炭化珪素焼結体製の抵抗体、２は前記炭化珪素焼
結体製抵抗体に通電するための金属（銅等）製電極、３
はステアタイト焼結体製等の絶縁材、４は窒化アルミニ
ウム焼結体製等のヒートシンク、５はダイオードに電流
を導入するための金属（銅等）製電極板、６は電流値を
制御するためのＩＧＢＴ (Insulated Gate Bipolar Tra
nsistor)、またはＧＴＯサイリスタ（Gate Turn-Off Th
yristor)等のダイオードである。

【００１７】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に具体的に説
明する。 〔実施例１〕平均粒径 0.55 μｍのα型炭化珪素粉末
（屋久島電工社製）と、モノシランとエチレンとを原料
としてプラズマＣＶＤ法により気相合成した平均粒径
0.03 μｍのβ型炭化珪素微粉末とを重量比で 8：2 の
割合で混合し、これをメタノール中にて分散せしめ、さ
らに遊星ミルで 12 時間混合し、造粒して顆粒とした。
次いで、この顆粒を金型を用いて円盤形状に予備成形し
た後に、ホットプレスにてアルゴン雰囲気下、 2370 ℃
の温度下にて４時間焼結した。

【００１８】この焼結体の結晶相をＸ線回折装置を用い
て確認したところ、 99 容量％以上α型であることが判
明した。また、この焼結体の密度をアルキメデス法によ
り測定したところ 3.19 ｇ／ｃｍ³ であり、金属不純物
含有量をＩＣＰ発光分光分析法により測定したところ数
十ｐｐｍ以下であった。次いで、この焼結体の室温から
300℃までの電気比抵抗と熱伝導率とを測定し、その結
果を図２、図３に示した。測定方法は次のとおりであ
る。 電気比抵抗：四探針法 熱伝導率 ：レザーフラッシュ法

【００１９】そして、この焼結体の両面及び側面を研削
し、直径 85 ｍｍ、厚さ 3ｍｍの円盤形状に加工した
後、Ａｇ―Ｃｕ―Ｔｉ系ペーストを用い、スクリーン印
刷法によりメタライズ層を円盤両面に形成してスナバ抵
抗器を作製した。このスナバ抵抗器の通電耐量を、図４
に示す試験回路を用いて測定したところ、図５に示され
るように負荷電力 1.3×10⁴ ＫＷ、電流 1.3×10⁴ Ａ以
上のパルス耐量があることが判明した。なお、図４にお
いて、１１は測定対象となるスナバ抵抗器、１２は直流
電源、１３は直流電源により電圧が加えられると蓄電す
るキャパシタンス、１４は直流電源による蓄電と抵抗器
への放電との通電方向の切換を行うスイッチである。

【００２０】〔実施例２〕実施例１に用いたα型炭化珪
素粉末とβ形炭化珪素微粉末との配合比を、 95重量
部：5 重量部に変更した他は、実施例１に準じて焼結体
を得た。これらの焼結体の結晶相を実施例１に準じて確
認したところ、いずれの焼結体も 99.9 容量％以上がα
型であった。また、焼結体密度も全て 3.19 ｇ／ｃｍ²
以上であり、金属不純物含有量も数十ｐｐｍ以下であっ
た。また、これらの焼結体の電気比抵抗を実施例１に準
じて測定した。その結果を図２に示した。熱伝導率も実
施例１に準じて測定したところ、図３に示されるように
全く同じ値を示した。更に、通電耐量を実施例１に準じ
て測定したところ、負荷電力 1.3×10⁴ ＫＷ、電流 1.3
×10⁴ Ａ以上のパルス耐量があることが判明した。

【００２１】

【発明の効果】本発明の請求項１に係るスナバ抵抗器
は、従来の金属薄膜抵抗体に替えて炭化珪素抵抗体を用
いたことにより、例えばヒートシンク、ダイオード等と
組み合わせてモジュール化して電力制御機器とした場合
に該電力制御機器を小型化することができ、更に、熱ス
トレスによる破損、熔損、局所的な発熱の虞がなく、し
かも、電気比抵抗の温度依存性が低く、抵抗器の温度上
昇に伴って電気比抵抗が増加して電流が流れずらくなる
ことがない、通電耐量が大幅に改善されたものとなる。

【００２２】また、請求項２に係るスナバ抵抗器は、前
記炭化珪素抵抗体の金属不純物含有量が 0.5重量％以
下、室温下での電気比抵抗と熱伝導率がそれぞれ 1〜10
0 Ω・ｃｍ、 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上である炭化珪素焼結体
により構成したことから、上記の効果に併せ、更に熱ス
トレスによる破損、熔損、局所的な発熱の虞がないもの
となる。

【００２３】更に、請求項３に係るスナバ抵抗器の製造
方法は、平均粒径が 0.1〜 10 μｍのα型炭化珪素粉末
と、平均粒径が 0.1μｍ未満のβ型及び／または非晶質
の炭化珪素微粉末とを含有する混合粉を焼結し、金属不
純物含有量が 0.5重量％以下、α型結晶相が 50 体積％
以上で、室温下での電気比抵抗と熱伝導率がそれぞれ1
〜100 Ω・ｃｍ、 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上である炭化珪素焼
結体を得、この炭化珪素焼結体を抵抗体とすることとし
たことにより、前記の効果を奏するスナバ抵抗器を、各
種特性のばらつきがなく、歩留まりよく、高生産効率で
製造することができる。

【００２４】更に、請求項４に係るスナバ抵抗器の製造
方法は、前記α型炭化珪素粉末と、前記β型及び／また
は非晶質の炭化珪素微粉末との配合比率を 99 〜 70 重
量％： 1〜 30 重量％としたことにより、室温下での電
気比抵抗を 1〜100 Ω・ｃｍに容易に制御することがで
き、製造コストも廉価なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施の形態におけるスナバ抵抗器
を備えた電力制御機器モジュールを示す縦断面図であ
る。

【図２】本発明による実施例における炭化珪素焼結体の
電気比抵抗の温度依存性を示すグラフである。

【図３】同上実施例における炭化珪素焼結体の熱伝導率
の温度依存性を示すグラフである。

【図４】同上実施例におけるスナバ抵抗器の通電耐量試
験回路の回路図である。

【図５】同上実施例におけるスナバ抵抗器の通電耐量試
験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 抵抗体 ２ 金属製電極 ３ 絶縁材 ４ ヒートシンク ５ 電極 ６ ダイオード １１ スナバ抵抗器 １２ 直流電源 １３ キャパシタンス １４ スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 正道 千葉県市川市二俣新町22−１ 住友大阪セ メント株式会社新材料事業部内 Ｆターム(参考） 4G001 BA22 BB22 BB71 BC12 BC13 BD03 BD22 BE02 BE32 5E033 AA65

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化珪素抵抗体を用いたことを特徴とする
   スナバ抵抗体。
2. 【請求項２】前記炭化珪素抵抗体は、金属不純物含有量
   が 0.5重量％以下、室温下での電気比抵抗と熱伝導率が
   それぞれ 1〜100 Ω・ｃｍ、 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭化
   珪素焼結体である請求項１記載のスナバ抵抗器。
3. 【請求項３】平均粒径が 0.1〜 10 μｍのα型炭化珪素
   粉末と、平均粒径が 0.1μｍ未満のβ型及び／または非
   晶質の炭化珪素微粉末とを含有する混合粉を焼結し、金
   属不純物含有量が 0.5重量％以下、α型結晶相が 50 体
   積％以上で、室温下での電気比抵抗と熱伝導率がそれぞ
   れ 1〜100 Ω・ｃｍ、 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上である炭化珪
   素焼結体を得、この炭化珪素焼結体を抵抗体とすること
   を特徴とするスナバ抵抗器の製造方法。
4. 【請求項４】前記α型炭化珪素粉末と、前記β型及び／
   又は非晶質の炭化珪素微粉末との配合比率は、 99 〜 7
   0 重量％： 1〜 30 重量％である請求項３記載のスナバ
   抵抗器の製造方法。