JP2006114881A - 発熱電気抵抗素子を有する電気装置及びそのための熱放散手段 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱素子が設けられる基板の熱伝導性を改良した電力抵抗器等の電気装置の提供。
【解決手段】電気装置１０は導電性抵抗素子１８を具備し、抵抗素子１８は、抵抗素子１８からの熱を移送するために熱移送媒体上に設けられる。抵抗素子１８は、窒化アルミニウム基板の一表面にスパッタリングされた80/20ニッケル・クロム材料を具備する。80/20ニッケル・クロム材料は0.5〜25μmの範囲内の厚さで基板表面に付着される。抵抗素子の抵抗は、スパッタリング工程で反応ガスを導入することによってスパッタリングされた膜の化学組成を変更することにより、制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は電力抵抗器等の電気装置に関し、特にこのような装置の熱放散特性の改良に関する。

電力抵抗器等の電気装置は、作動中に著しく発熱し、装置から金属板又は別の熱伝導材料性本体等の適当なヒートシンクに熱を移送させる熱移送媒体を装置に提供することが通常である。

引用文献１には、接合されたセラミック・銅積層板の一面に発熱導電素子が固定された電力抵抗器が開示されている。発熱素子は、ハウジングの一開放端に熱伝導性板を取り付けることにより、抵抗器ハウジング内に収容される。積層板は、第１及び第２のアルミナ（酸化アルミニウム）セラミック層間に挟まれたニッケルめっきされた銅製の中間層を具備する。発熱素子が板の一側のアルミナ基板に固定されているのに対し、板の他側のセラミック基板はニッケルめっきされると共に組立後の装置の外部に配置される。内部では、発熱素子が、ハウジングの外部に設けられた端子に電気的に接続されている。この種の装置において代表的には、ハウジングの内部が、絶縁部内の隙間（void）を無くすために真空条件下で混合されたシリコーン樹脂の絶縁材料製のいわゆる「ポッティングコンパウンド」で充填されるので、作動中の高電圧抵抗素子の部分的放電は最小になる。
米国特許第５３５５２８１号明細書 欧州特許出願公開第０５４８６５２号明細書 欧州特許出願公開第０４８４７３１号明細書 米国特許第５２６６５２９号明細書 独国特許出願公開第４１０５７８６号明細書 英国特許第２１３６２１３号明細書 英国特許第１３７９４７８号明細書

上述した電力抵抗器は、発熱抵抗素子がアルミナ（酸化アルミニウム）セラミック基板上に設けられる代表的な公知の電力抵抗器である。熱伝導性基板は、抵抗器の熱移送媒体の一部を構成する。基板の熱伝導性は、抵抗素子から使用時に通常、抵抗に取り付けられるヒートシンクへの熱移送の最大速度を決定する。酸化アルミニウムは約30Ｗ/m°Ｋの熱伝導性を有し、多くの用途では十分であるのに対し、例えばスナバ用途等のの特定用途のワット損要求事項に合致するために、複数の電力抵抗器を使用する必要があることが多い。

従って、電力抵抗器等の電気装置内に発熱素子が設けられる基板の熱伝導性を改良するニーズが存在する。特に、そのような装置に使用される電力抵抗器の構造及び材料を改良するニーズが存在する。

本発明の一側面によれば、窒化アルミニウム基板上に蒸着されたワット損（power dissipating）電気抵抗素子を具備する電気装置が提供される。

窒化アルミニウムの熱伝導性は約165Ｗ/m°Ｋであるので、酸化アルミニウムの熱伝導性の少なくとも５倍である。窒化アルミニウムはまた酸化アルミニウムと同様な誘電特性を有するので、発熱電気抵抗素子を有する電気装置の使用に適当な基板材料である。窒化アルミニウム基板の表面に抵抗素子材料を蒸着すると、基板に対して抵抗素子を良好に接着するので、装置の耐用年数の間、抵抗素子及び基板の剥離を最小にする。

蒸着素子及び基板間に達成される高品質の接着はまた、抵抗素子から使用中の基板への熱移送を改善することになる。

好適な実施形態において、抵抗素子は、例えばアルゴンに代表される不活性ガスと組み合わせた窒素又は酸素反応ガスを使用し、好適にはスパッタリングにより、最も好適には反応スパッタリングによる物理蒸着工程により、窒化アルミニウム基板上に付着される。反応スパッタリングは、スパッタリング工程中に蒸着炉内に導入される反応ガスの濃度を調整することにより、抵抗素子の蒸着材料の化学的組成を容易に変更することができる。これにより、スパッタリング中の反応ガスの相対濃度に従って製造中に抵抗素子の抵抗を容易に制御できる。

好適には、抵抗素子は、基板上に付着された電気抵抗材料製の膜を有する。膜厚は0.5〜25μmの範囲内、好適には8〜20μmの範囲内にある。8μmより薄い膜厚では、例えば10.5msで460Ｊのオーダーのパルス等、短時間で大量パルスエネルギーを吸収する抵抗素子の能力が限定される。8μmの膜厚では、代表的には深さ6μmまでの基板材料の穴又は窪みが蒸着材料で十分に覆われない。このため、電気装置の作動中に高電圧を受けると、表面の窪み領域においてコーティングされていない、又は部分的にコーティングされた基板材料を放電侵食するおそれもある。

好適には、抵抗素子は基板上に付着した金属材料膜を有する。一実施形態において、高純度80/20ニッケル・クロム合金が使用される。

好適には、抵抗素子の少なくとも縁は、これら縁で隣接する基板材料上に延びる電気絶縁膜で覆われる。絶縁膜は、絶縁及び保護（不動態化）層の形成に適当な例えば低温ガラス封入組成物又は同様の材料等の厚膜シリカ釉薬（over-glaze）を有してもよい。或いは、絶縁膜は、抵抗網等の封入用途に適当な厚膜ポリマ封入組成物を有してもよい。別の実施形態において、水晶又はアルミナ等の薄膜誘電材料を使用してもよい。

絶縁膜は抵抗素子のほぼ全領域にわたって付加され、絶縁膜により囲まれる膜のない領域に接触領域が設けられ、膜のない領域又は接触領域で抵抗素子に電気接続されてもよい。絶縁膜は、抵抗膜を酸化から保護し、電気素子の安定性を改善する。

好適には、本発明の上述の側面に従った電気装置は、少なくとも１ワットの電力定格を有する電力抵抗器を具備する。

本発明の別の側面によれば、物理蒸着工程により窒化アルミニウム基板上に抵抗材料層を付加する方法が提供される。この方法は、
ｉ）プラズマを発生する工程、
ii）目標物の領域にプロセスガス少なくとも一部を導入する工程、及び
iii）基板の領域に反応ガスを導入する工程
とを具備する。

上述の方法は、容認可能な製造及び性能の許容差を有し、「目標毒作用」（目標物及び反応ガス間の反応）がなく、抵抗の広い範囲で、大量生産環境での高度な再現性で、ワット損抵抗素子を有する電気装置を製造することができる。抵抗材料の蒸着を経済的に容認できる割合で再現できることは、基板領域での蒸着炉内の反応ガスの導入を制御することにより容易に達成することができる。好適には、高密度プラズマが、蒸着炉から離れたプラズマ発生管の回りに配置された螺旋状高周波（ＲＦ）アンテナにより発生する。

好適には、プラズマは高密度プラズマとして発生し、好適な実施形態においては、目標物の表面及びコーティングされる基板から離れて発生する。

この方法は、基板のマスクされていない部分のみが蒸着中にコーティングされるように、コーティングされる基板表面をマスクする工程を具備するのが好適である。

この方法は、コーティングされる基板表面を蒸着前に清浄する工程をさらに具備するのが好適である。この表面は、溶剤を使用して最初に清浄されてもよい。基板表面は、高周波清浄工程により清浄されてもよい。基板表面は、プラズマ洗淨により、さらに又は或いはプラズマエッチングにより清浄されるのが好適である。基板表面清浄工程は、目標物ではなく、基板に向かってプラズマを向けることにより、蒸着炉内で実施されるのが好適である。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態を例示としてのみより詳細に説明する。

図１を参照すると、電気装置１０は、電力抵抗器、すなわち１ワット以上の電力定格を有する抵抗器を具備する。装置１０は射出成形された外部ケース１２を有し、外部ケース１２は、各透孔１６を貫通する１対の電気端子１４を有する。４本以上の端子１４が設けられた実施形態も可能である。端子１４は、熱伝導性誘電セラミック基板２０上に設けられた抵抗素子１８（図２参照）を有する抵抗器に電気接続されている。本発明の実施形態において、セラミック基板２０は窒化アルミニウム基板である。端子１４は、線２２を介して抵抗素子１８に接続されている。線２２は内部ケース２６の開口２４を通過し、各３点電気コンタクト２８で終端する。コンタクト２８は、各圧縮ばね３０により抵抗素子１８上の接触面に付勢される。使用の際、セラミック基板２０は、円盤状ばね部材３２により与えられる所定強度の圧縮締付け力により、隣接するヒートシンク（図示せず）の一表面に抗して保持される。締付け力は、装置１０の固定ねじを締め付けることにより与えられる。装置１０はヒートシンクに締め付けられ、それらの間には熱グリスが塗布される。締付け力は中央に印加され、最適な熱移送を確保するよう所定の大きさである。内部ケース２６は、好適にはシリコーンを主材料とする接着剤でセラミック基板２０に接合される。内部ケース２６は、その内部が基板２０により閉じられるようにセラミック基板２０上に着座する。内部ケース２６の内部は、当業者に周知の方法でシリコーン樹脂絶縁材料で「ポッティング」される。

セラミック基板２９は、使用時に抵抗素子１８が発生する熱を移送するための熱移送媒体を提供する。

円盤状弾性ばね部材３２は内部ケース２６及び外部ケース１２間に設けられ、それらケース２６，１２を分離する方向に付勢する。外部ケース１２の内部にある弾性フック３４は、図１の分解図に示される部品が組み立てられる際に、内部ケース２６の外表面の対応する窪み３６に係止する。

図２は、基板２０上の抵抗素子１８を示す平面図である。窒化アルミニウム基板２０上に抵抗素子１８の製造工程を順に示す図３及び図４を参照して、抵抗素子１８の詳細な構造を説明する。図３において、80/20ニッケル・クロム材料製の複数の平行なストリップ４０は、蒸着により基板２０上に設けられる。この工程において、窒化アルミニウム基板２０は、抵抗材料でコーティングされた窒化アルミニウム基板２０の表面をプラズマエッチングする工程を具備するのが好適である清浄工程に最初に曝される。基板２０が一旦清浄されると、抵抗材料が付着した平行ストリップ４０を除いた基板２０全体を覆うように、基板２０の表面にマスクが貼られる。抵抗材料は物理蒸着工程によって付着される。この工程において、高密度プラズマが、目標のニッケル・クロム材料の表面及びコーティングされる窒化アルミニウム基板２０から離れて発生する。ニッケル・クロム材料は基板２０上に付着し、蒸着炉内の目標物の領域に例えばアルゴン等の少なくともプロセスガスの一部を導入し、基板２０の領域に例えば酸素又は窒素等の制御された量の反応ガスを導入することにより、平行ストリップ４０を形成する。この工程は、英国特許出願第２３６０５３０号で説明されたタイプのスパッタリングシステムで実施されるのが好適である。当該英国特許出願は、主蒸着炉に接続されるが主蒸着炉から離れたプラズマ発生管の周囲に配置された螺旋状高周波アンテナを使用し、高密度のプラズマを発生させる工程を説明する。この工程により、0.5〜25μmの間のニッケル・クロム膜を平行ストリップ４０として基板２０上に付着させることができる。反応ガスの量を制御することにより、基板２０のスパッタリングされた材料の化学組成は、平行ストリップ４０の抵抗率が製造中に制御できて大量生産環境で高度の再現性が達成されるように、変更できる。

さて、図４を参照すると、基板２０上に抵抗材料の平行ストリップ４０が一旦付着されると、例えば銅等の薄膜金属の接続ストリップ４２が平行ストリップ４０の各縁上に付着され、基板２０上に蛇行した導電材料の連続ストリップを形成する。接続ストリップ４２は隣接する平行ストリップ４０の端部間の間隙を架橋し、隣接する平行ストリップ４０対の端部にＵ形状曲げ部を形成して蛇行状の抵抗素子１８を提供する。接続ストリップ４２は、接続ストリップ４２が抵抗材料を有していたなら生じたであろう、接続ストリップ４２の内側隅のいわゆる「電流込み合い」を防止する。ストリップ４２に導電材料が使用されていない場合、電流集中による内側隅の焼損という結果となる。

接続ストリップ４２は４μmの厚さを有するのが好適である。接続ストリップ４２に加えて、やはり４μmの銅薄膜が、電力抵抗器の３点接触２８と接触するために蛇行の端子端に付加される。銅膜が抵抗素子１８に一旦付加されると、例えば30nmの薄膜80/20ニッケル・クロムが接続ストリップ４２の全表面及び端子端部４６の銅コンタクト上に付加される。この最終ニッケル・クロム膜はまた、スパッタリングにより付加される。最後に図２に示されるように、ハッチング線領域で示される絶縁膜４８が基板２０の表面に付加され、端子端部４６を除いた抵抗素子１８全体を覆う。絶縁膜４８は、抵抗素子１８が付加される基板２０の表面に部分放出シールを与える。基板２０の反対側もまた、基板２０の反対面全体にわたって導電性厚膜又は薄膜のコーティングを設けることにより形成される部分放出層を有する。この層により、基板２０を隣接する表面上に同じ電位で実装することができ、基板２０及び隣接する表面間の隙間の発生を回避する。

添付図面に示された実施形態を参照して本発明の側面を説明したが、本発明はこれら特定実施形態に限定されず、発明的な技能及び努力をさらに伴うことなく、種々の変更及び変形が可能であることを理解すべきである。例えば、本発明は、接続線２２が端子端部４６に直接食んだ付けされる実施形態、又は抵抗素子１８が筒状物（管状、中実又は円弧状の直径窒化アルミニウム基板）に設けられる実施形態も意図している。本発明はまた、図１ないし図４の実施形態のような直列である代わりに、各端部で平行に結合された平行ストリップ４０等の、窒化アルミニウム基板上の複数の平行なストリップを有する抵抗素子１８も意図している。

本発明の一実施形態に従った電力抵抗器の分解断面図である。 図１のIIから見た電力抵抗器の基板の平面図である。 基板の一表面に付加された抵抗材料の平行ストリップを示す、図２のセラミック基板の平面図である。 基板表面の抵抗材料の平行ストリップの各隣接端上に付加された金属薄膜接続ストリップを有する、図３のセラミック基板の平面図である。

符号の説明

１０ 電気装置
１８ 抵抗素子
２０ 窒化アルミニウム基板
４８ 絶縁膜

Claims (20)

1. 窒化アルミニウム基板上に蒸着されたワット損抵抗素子を具備することを特徴とする電気装置。
2. 前記抵抗素子は物理蒸着により前記基板に付着されていることを特徴とする請求項１記載の電気装置。
3. 前記抵抗素子はスパッタリングにより前記基板に付着されていることを特徴とする請求項２記載の電気装置。
4. 前記抵抗素子は反応スパッタリングにより付着されていることを特徴とする請求項３記載の電気装置。
5. 前記抵抗素子は、反応スパッタリングにより付着されると共に窒素又は酸素反応ガスを使用してドープされていることを特徴とする請求項４記載の電気装置。
6. 前記抵抗素子は前記基板上に付着された抵抗材料製の膜を具備することを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項記載の電気装置。
7. 前記膜の厚さは0.5〜25μmの範囲内にあることを特徴とする請求項６記載の電気装置。
8. 前記膜の厚さは8〜20μmの範囲内にあることを特徴とする請求項７記載の電気装置。
9. 前記抵抗素子は前記基板上に付着された金属材料製の膜を具備することを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれか１項記載の電気装置。
10. 前記金属材料はニッケル・クロム合金からなることを特徴とする請求項９記載の電気装置。
11. 前記抵抗素子の少なくとも縁は、該抵抗素子の縁で隣接する基板材料上に延びる絶縁膜でコーティングされていることを特徴とする請求項１ないし１０のうちいずれか１項記載の電気装置。
12. 前記抵抗素子全体は、該抵抗素子と電気的に接触するために該抵抗素子上の非コーティング領域を有して絶縁膜でコーティングされていることを特徴とする請求項１１記載の電気装置。
13. 前記電気装置は電力抵抗器を具備することを特徴とする請求項１ないし１２のうちいずれか１項記載の電気装置。
14. 前記電力抵抗器は少なくとも１ワットの電力定格を有することを特徴とする請求項１３記載の電気装置。
15. 物理蒸着工程により窒化アルミニウム基板上に抵抗材料層を付加する方法であって、
    プラズマを発生する工程と
    目標物の領域にプロセスガス少なくとも一部を導入する工程と
    前記基板の領域に反応ガスを導入する工程と
    を具備することを特徴とする抵抗材料層の付加方法。
16. 前記高密度プラズマは、プラズマ発生管の回りに配置された螺旋状高周波アンテナにより発生することを特徴とする請求項１５記載の付加方法。
17. 蒸着前にコーティングされる前記基板の表面をプラズマ清浄する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１５又は１６記載の付加方法。
18. 前記基板の表面をマスクする工程と、
    前記基板の非マスク部分に金属層を付加する工程とをさらに具備することを特徴とする請求項１５ないし１７のうちいずれか１項記載の付加方法。
19. 前記プラズマは高密度プラズマであることを特徴とする請求項１５ないし１８のうちいずれか１項記載の付加方法。
20. 前記プラズマは、前記目標物の表面及びコーティングされる前記窒化アルミニウム基板から離れて高密度に発生することを特徴とする請求項１５ないし１９のうちいずれか１項記載の付加方法。

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