JP2011155296A - 金属のマイグレーションを阻止するバッファ・ゾーン - Google Patents

Abstract

【課題】金属のマイグレーションを阻止するバッファ・ゾーンを提供する。
【解決手段】平坦なセラミック表面上に形成された２つの銀導体１０，２０の導体間で、基板表面上に形成された上方に垂直な障壁１６、または表面内に形成された溝によって、導体間に生じる電界を低減させるバッファ・ゾーンを設けて、銀エレクトロマイグレーションなどの粒子マイグレーション速度をほぼゼロとすることにより、エレクトロマイグレーションを効果的に抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属マイグレーション（金属迂移、metal migration）を阻止することに関し、より詳細には、表面上の銀マイグレーションを阻止することに関する。

金属エレクトロマイグレーション（metallic electro-migration）は、多くの電気および電子システムにおいて重大な故障モードとして長いこと認識されてきた。電解と固体の２種類のエレクトロマイグレーションがあると広く考えられている。固体エレクトロマイグレーションは本来、電子運動量の移動であり、一方、電解エレクトロマイグレーションの移動はイオンによるものであり、例えば金属は、そのイオン形態で移動される。

いくつかの酸素発生器および燃料電池は電気化学デバイスであり、それらの例が米国特許第５，９８５，１１３号、第５，８７１，６２４号、および第６，１９４，３３５号に示されている。これら３つの特許は参照により本明細書に組み込まれる。この種の酸素発生器の中には一体型マニホールド管（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍａｎｉｆｏｌｄ ａｎｄ Ｔｕｂｅ（ＩＭＡＴ））モジュールで使用されるものもある。ＩＭＡＴモジュールは、主として、広い面積のシールの数を最小限に抑えらながら多数の直列の電気的接続で製作することが可能であることから、電気的に駆動される酸素分離用に魅力ある構成として登場してきた。これらの直列接続は、異なる電位にある２つの導電領域を分離するセラミック電解質材料の裸の領域を含む。

米国特許出願第１０／９７４，４０３号 米国特許第５，９８５，１１３号 米国特許第５，８７１，６２４号 米国特許第６，１９４，３３５号

ＩＭＡＴモジュールは、従来の、ほぼ１０００℃の動作温度に比べると低い動作温度の方向に移行しつつある。７５０℃または、それより低い動作温度の利点の１つは、白金など他の貴金属の代わりに電極および／または電流コレクタに銀の使用を可能にしている。したがって、これらのシステムのコストは、かなり低減可能である。しかし、最も導電性の材料の１つであるが、銀は特にエレクトロマイグレーションも受けやすい。今日までの固体電気化学デバイスに関する銀マイグレーションの実験は電解マイグレーションに注目されてきた。

銀エレクトロマイグレーションは、銀マイグレーションによって酸素流量が減少するために酸素発生用のＩＭＡＴの寿命が制限されるという問題で足りる。銀のマイグレーションが、ついには導体間間隔を横切って短絡させることによって故障を引き起こす。

本発明の主たる目的はエレクトロマイグレーションによって生じる銀導体の間の短絡を阻止することである。

簡潔に説明すると、第１実施形態では、表面上に置かれた少なくとも１つの導体が銀を含む２つの間隔を空けた導体間で表面内に形成された溝によって銀マイグレーションが効果的に阻止される。

第２実施形態も説明され、そこでは、表面上に置かれた少なくとも１つの導体が銀を含む２つの間隔を空けた導体間で表面上に形成されたリッジによって銀マイグレーションが効果的に阻止される。

添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって、本発明の前述した、また別の特徴や利点と、それらを達成する方法が認識されるようになり、より容易に理解されることになるであろう。

明快にするために、また適切であると見なされる場合に、図の中で対応する特徴を表すために参照番号が繰り返されること、さらに図面中、様々な要素が本発明の特徴をよりよく示すために必ずしも原寸通りに描かれていないことを理解されたい。

セラミック表面上の２つの導体の断面図である。 ２つの導体の間にリッジを備える図１の断面図である。 ２つの導体の間に段差を備える図１の断面図である。 ２つの導体の間に溝を備える図１の断面図である。 セリア・ベース電解質上に、そこに形成した溝を備えて形成された２つの銀導体を示しているＩＭＡＴ部品の一部分の写真である。 電力駆動の熱処理を受けた後の図４ａのＩＭＡＴ部品の別の部分の写真である。

図１を参照すると、セラミック表面１４上に２つの導体１０および１２の断面図が図示されている。（銀イオンを表す丸はもちろん原寸通りに描かれていない。）導体１０は、導体１２に対して正であると想定しており、銀イオンは、導体１０から導体１２へマイグレートし、ついには２つの導体間に短絡を形成することになる。

図２は、２つの導体の間に垂直な障壁、つまりリッジ１６を備える図１の断面図であり、図３は、２つの導体の間に段差（ステップ）１８を備える断面図であり、図４は、２つの導体１０と１２の間に溝２０を備える図１の断面図である。リッジ（突起部）１６、段差１８および溝２０は、銀が導体間間隔を横切ってマイグレート（移動）し、２つの導体１０と１２の間に短絡が生じるのを阻止するバッファ・ゾーンを形成する。銀電解マイグレーションは、２つの導体１０と１２の間で電界によって駆動される。リッジ１６と溝２０は、銀マイグレーション速度が、このゾーン内部でゼロまたは、ほぼゼロとなるようにゼロまたは、ほぼゼロの電界をともなって２つの導体１０と１２の間でセラミック表面内にゾーンを生じさせる。段差１８は、２つの導体１０と１２の間で短絡を効果的に阻止するように、２つの導体１０と１２の間で電界が十分、低減されるゾーンを形成する。

好ましくは、これらの障壁１６と２０は、電界方向に対し垂直または、ほぼ垂直（＜２°）の少なくとも１つの壁を有する。これらの壁に沿う電界がゼロまたは、ほぼゼロであることから、銀イオンは、これらの壁に沿って移動することができないか、移動することはとてもありそうもないことになる。したがってリッジまたは溝は、銀がアノードからカソードへマイグレートするのを阻止するバッファ・ゾーンとなる。

金属の種類、２つの導体１０と１２の間の電位差、２つの導体１０と１２の間のギャップの幅、および溝２０の深さ、または段差１８やリッジ１６の高さなど金属マイグレーションに関する他の要因によって決まる２°より大きい角度が用いられることもある。好ましい実施形態では、溝２０の深さは１．０１６ｍｍから１．２７ｍｍ（０．０４０インチから０．０５０インチ）の範囲であり、電位差は０．５Ｖと１Ｖの間であり、導体１０と１２の間の最も狭いギャップは約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）である。

好ましい実施形態では、溝２０は、セラミック成形操作中に形成され、表面１４に対し垂直から約１°になるように溝２０の壁が傾けられ、その結果セラミック部品が押型（モールド、mold）から取り外されることになる。成形操作中に溝２０を形成する代わりに、その部品が成形された後に、溝２０が表面１４内に機械的にカットされてもよい。所定の溝２０の深さ、ならびに所定のリッジ１６と段差１８の高さに対し側壁が、ほぼ平坦であるだけ長ければ、溝２０の底およびリッジ１６や段差１８の上面は、何か特別の形状である必要はない。

図５ａと５ｂは、その中に形成した溝を備える電気的駆動の熱処理前と、後のセリア・ベース電解質上に形成された２つの銀導体を示しているＩＭＡＴ部品の２つの異なる部分の写真である。９つの溝がグリーン部品上に機械加工され、その後に焼結された。図１に図示された２つの導体１０および１２に相当し、銀ストライプ２２および２４が溝の両側に置かれた。溝２０は、電解質内に形成された９つの溝の内の１つである。溝は約１．１６８ｍｍ（０．０４６インチ）幅、１．０１６ｍｍ（０．０４０インチ）深さであった。４５６時間、６５０℃で、導体２２と２４の両端に８Ｖの電圧が印加された。テスト後、溝２０内に銀堆積の兆候はなく、また他の溝のどれにも銀がある兆候はなかった。同様の結果が、溝２０の代わりにリッジ１６を障壁として用いた場合に見いだされた。やはり同様の結果が、溝幅２０を０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）に減少させた場合に見いだされた。

意図された特定の用途に適するように、様々な実施形態中で、また様々な変更形態と共に、当業者がそれによって本発明を利用可能であるように、説明した実施形態は、本発明の原理の図示とその実際の適用例を提供するために選択されている。したがって、前述の説明は限定であるよりは、むしろ例示であると見なされるべきであり、本発明の真の範囲は、添付の特許請求の範囲に説明されているそれである。

Claims (1)

1. 絶縁表面に隣接して配置された第１導体と第２導体とを分離する前記絶縁表面を横切るエレクトロマイグレーションを抑制する方法であって、前記導体間に段差、溝およびリッジの内の１つを形成する工程を含む方法。

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