JP2014216210A - 放電防止構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】 メタライズ部での電界集中を緩和して放電を防止する。【解決手段】 メタライズ部を有するセラミックス部材と、前記メタライズ部と接する金属部材と、前記セラミックス部材と前記金属部材とを接合するろう材とを備えた放電防止構造体において、Vを含み導電性を有するガラスで前記メタライズ部の先端を被覆する肉盛部を形成する。また、メタライズ部を有するセラミックス部材と、前記メタライズ部と接する金属部材と、前記セラミックス部材と前記金属部材とをろう材で接合する放電防止構造体の製造方法において、Vを含み導電性を有するガラスをガラス転移点以上、結晶化温度未満に加熱する工程と、前記メタライズ部の先端を被覆する肉盛部を形成する工程を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は導体（金属）と絶縁体（セラミックス）を接合する構造の放電防止に関する。
真空バルブおよび半導体パワーモジュールなどは、導電性を担う金属と絶縁性を担うセラミックスを接合した構造体である。金属とセラミックスを接合する場合、一般に、はんだやろう材などが用いられる。はんだやろう材は、セラミックスに対し濡れ性が悪いため、セラミックスの接合面にはメタライズ処理が施される。メタライズ処理により、はんだやろう材の濡れを改善し接合強度が向上するが、導体部に高電圧が負荷された場合、メタライズ部先端に電界集中が生じ放電の原因となる。メタライズ部先端を隠すように、導体部端部をセラミックス端部とそろえて接合すると、残留応力が著しく増大しセラミックスに割れが生じやすくなる。このため、現状ではメタライズ部先端の電界集中を緩和するために、接合部とは離れた位置に電界を緩和する機構を設けている。
メタライズ部先端の電界集中を緩和する方法として、例えば特許文献１のように導電性ゴムで覆う手法が提案されている。
特開2001-167673号公報
しかし、特許文献１の導電性ゴムはメタライズ部との密着性に劣るため、電界集中しやすい部位ができることで、当該部位で放電が生じるという課題がある。
本発明の目的は、メタライズ部での電界集中を緩和して放電を防止することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、メタライズ部を有するセラミックス部材と、前記メタライズ部と接する金属部材と、前記セラミックス部材と前記金属部材とを接合するろう材とを備えた放電防止構造体において、Vを含み導電性を有するガラスで前記メタライズ部の先端を被覆する肉盛部を形成することを特徴とする。
また、メタライズ部を有するセラミックス部材と、前記メタライズ部と接する金属部材と、前記セラミックス部材と前記金属部材とをろう材で接合する放電防止構造体の製造方法において、Vを含み導電性を有するガラスをガラス転移点以上、結晶化温度未満に加熱する工程と、前記メタライズ部の先端を被覆する肉盛部を形成する工程を備えることを特徴とする。
本発明によれば、メタライズ部での電界集中を緩和して放電を防止することができる。
真空遮断器のセラミック筒と金属端板との接合部にガラスで肉盛りした全体図。 肉盛り部分の拡大断面図。 半導体モジュールの模式図。 実施例2における真空絶縁スイッチギヤの構成を示す図。 実施例3における真空絶縁スイッチギヤの構成を示す図。
メタライズ部先端は、メタライズ部の端部のとがった部分であり、導体の金属、絶縁体のセラミックス、接合媒体のはんだやろう材などから構成される。メタライズ部先端の電界集中を緩和し、確実に放電を防止するために、メタライズ部先端を覆う導電体の密着性を改善し、かつその構造と形状を単純化する。
本発明では、電界緩和のための導電体に、V（バナジウム）を含む導電性のガラスを用いる。Vを含むガラス（以下、Vガラスと称する）は金属や金属酸化物との濡れ性が良く密着性に優れるので、Al2O3等のセラミックスにメタライズ無しでも接合可能である。このため、従来の導電性あるいは絶縁性ゴムに比べ、極めて高い密着性を有する。また、Vガラスは金属よりも融点が低いので、メタライズ部先端を金属で肉盛りするのと比較して、より低温で施工することができ、セラミックスが熱応力によって割れることを防止できる。
Vは主に酸化物であり、例えばV2O5（五酸化二バナジウム）である。ガラスは例えば、主要成分としてV2O5とAg2O（酸化銀（I））とTeO2（二酸化テルル）とを少なくとも含有し、酸化物換算でV2O5とAg2OとTeO2との合計含有率が75質量％以上にすると、軟化点320℃のガラスが得られるので、更に低温施工できる点で好ましい。
軟化点とは、数Paの外力で変形できる温度を差し、示唆熱分析によって得られるガラス転移点と結晶化温度の間にある。ガラスは温度により粘度を幅広くコントロールすることが可能であり、ガラス転移点と結晶化温度の間の温度域であればガラスの垂れなどを防止することができる。従って、Pb（鉛）のよいに低融点ではあるものの粘度の低い金属と比較して、所望の形状に肉盛りすることが容易となる。ガラスはメタライズ部の先端を被覆し、電解が集中しないように表面を滑らかに形成する。
このようなガラスに導電性の金属粒子を70〜95体積％含ませることにより、導電体の導電性が更に向上する。金属粒子としては、例えば、銀、銀合金（例えばAg-Cu合金）、アルミニウム、アルミニウム合金（例えばAl-Cu合金、Al-Si合金）、銅、または銅合金（例えばCu-Ag合金、Cu-Al合金）が好ましい。また、コストを考えた場合は、鉄系やステンレス鋼（Fe-Cr合金、Fe-Cr-Ni合金）の金属粒子を使用することも有効である。本発明の構造体は、特に交流の高電圧が印加されるため、導電性とコストの面から、Alあるいはオーステナイト系ステンレス鋼などが望ましい。
例えば真空バルブやパワーモジュールは、絶縁樹脂によりモールドされることが多い。肉盛り材と被肉盛り材との界面は、モールドされる樹脂の凝固・収縮時に発生する応力に耐えなければならず、必要とされる密着力はおよそ1〜3MPa程度である。Vガラスは、対象となる被肉盛り材に対して5MPa以上の密着を有するので、電界緩和リングなどの設置も不要となるため、構造を簡素化することが可能となる。
図1に真空遮断器のAl2O3筒と端板との接合部にガラスで肉盛りした全体図を示す。2つの金属製の端板1をAl2O3筒2の上下に接合する。端板1とAl2O3筒2の接合面はメタライズ処理され、メタライズ部5が存在する。端板1の側面とメタライズ部5で挟まれる部分にガラス2を肉盛りする。特に、メタライズ部5の先端を覆うようにガラス2を被覆する。
ガラスの肉盛り方法は、肉盛り材（ガラス2）をあらかじめリング状に仮焼成し、加熱された金型4にセットし、被肉盛り材（端板1、Al2O3筒2）にプレス成形することで、当該構造体を作製することができる。図1はプレス後を示す。金型4のプレス面は尖った部分のない曲面で形成される。金型4はあらかじめガラスの軟化点近傍に加熱しておけば、ガラス2を容易にプレスすることができ、垂れることなく所望の形状に成形できる。この時、ガラスの種類によっては金型に離型材を塗布しておくことも有効である。ガラスにV系ガラスを用いることにより、例え金型に肉盛り材が付着しても、水あるいは酸などの薬品によって簡単に除去することが可能である。
図2に肉盛り部分の拡大断面図を示す。被肉盛り部のメタライズ部5先端には端板1とAl2O3筒2を接合する接合媒体が付着している。真空バルブの場合は、接合媒体としてAg-Cu系あるいはCu-Mn-Ni系のろう材が多く用いられているため、これら接合媒体に対しての密着性が要求される。VガラスはこれらAg-Cu系あるいはCu-Mn-Ni系ろう材や、端板の材質と多く用いられるCu、セラミックス筒の材質として多く用いられるAl2O3、メタライズ層として用いられるMo-Mnに対して優れた密着性を示すため、好適な肉盛り材である。肉盛部2は端板1側面のある位置から、下に湾曲した弧を描くようにろう材6を覆い、ろう材が接するメタライズ部の先端が露出しないように形成される。即ち、肉盛部の露出面は曲面で形成される。
また、対象となる接合体が真空バルブのように数kV〜数十kVにおよぶ高電圧を扱う製品である場合、肉盛り厚さは厚い方が好ましい。真空バルブの場合では電力の容量にもよるが、オーステナイト系ステンレス鋼並みの1×106 S/mあるいはその1/10程度の1×105 S/mの導電率を確保することができれば、肉盛り厚さを1〜10mm程度とすることにより、メタライズ部先端からの放電を抑制することが可能である。
金型を使用する以外のガラス肉盛り方法として、ガラス粉末と溶媒を混ぜ、ペースト状にして当該部に盛った後、所定の温度でガラスを軟化あるいは溶融させることで施工することができる。この時、処理温度を調整することにより、ガラスの表面張力により自然な曲面を構成することができる。
本発明の放電防止構造は、電力用半導体装置などにも適用することができる。半導体モジュールなどはセラミック基板の上に導体がはんだにより接合されている。そのため、セラミックス基板上には、はんだの濡れ性を改善するため、メタライズが施されており、前述の真空バルブのメタライズ部先端と同様に放電が問題となることが多い。半導体モジュールは、放熱や絶縁を担うセラミックスおよび導体（Cu、Alなど）で構成されるが、セラミックスと導体を接合するために、セラミックス表面はメタライズされる。半導体モジュールでは、接合媒体にはんだやろう材が使用され、はんだやろうはSn-Pb系、Sn-Ag-Bi系、Ag-Cu系などが用いられていることが多い。半導体モジュールにおいても、上記と同様の手法によりメタライズ部先端の電界緩和が導電性ガラスの肉盛りにより抑制することができる。特にVガラスなどはAl2O3、SiC、AlN、Si3N4、Cu、Al、Sn-Pb系、Sn-Ag-Bi系、Ag-Cu系のはんだやろう材に対しても優れた施工性と密着性を示す好適な肉盛り材である。半導体モジュールを構成する放熱板と導体の接合体の模式図を図3に示す。半導体モジュールの放熱基板8はAl2O3、SiC、AlN、Si3N4などで構成され、その表面にはMo-Mnなどによるメタライズ層9が設けられ、Cu、Alなどで構成される導体11とは、Sn-Pb系、Sn-Ag-Bi系、Ag-Cu系はんだやろう材10によって接合される。この構造体では、メタライズ層9の先端部を覆うように導電性のガラス12が肉盛りされる。半導体モジュールへガラスを肉盛りする場合は、前述の真空バルブの方法と同様に金型を作製して肉盛りすることも可能だが、ガラス粉末と溶媒を混ぜ、ペースト状にして当外部に盛った後、所定の温度でガラスを軟化あるいは溶融させることで施工することができる。半導体モジュールに対する必要な肉盛り厚さはそのデバイスの電圧等に依存するが、メタライズ層の厚さの2倍〜250倍程度を確保できれば放電を防止することができる。メタライズ厚さは一般的には10μm程度であるので、具体的には20μm〜2500μm（0.02mm〜2.5mm）あれば放電を防止することができる。この時、処理温度を調整することにより、ガラスの表面張力により自然な曲面を構成することもできる。
導電性ガラスと各構成部品との密着力を検証するため、導電性ガラスと各構成部品との接合試験を行った。導電性ガラスには、低融点Vガラスに粉末粒子径10μmのオーステナイト系ステンレスSUS304を80vol%添加した。当該ガラスの導電率は約5.0×105 S/mであった。導電性ガラスを接合媒体とし、それぞれNo.1がAl2O3/Al2O3、No.2がSi3N4/Si3N4、No.3がAlN/AlN、No.4がCu/Cu、No.5が72wt%Ag-28wt%/72wt%Ag-28wt%、No.6がMo/Moの引張試験片を作製した。No.1〜No.6の被接合体は、真空バルブおよび半導体モジュールのセラミックス/導体接合部を構成する材料である。試験片となる被接合体の接合面には、ガラスに溶媒を加えペースト状にしたものを厚さ20μmになるよう塗布し乾燥させた後、もう片方の被接合体を重ね、250℃の恒温槽に入れ10min保持した。雰囲気は大気中とした。各接合体の引張試験結果を表1に示す。いずれの接合体でも引張強度が5MPa以上を有することを確認することができた。
本実施例では真空絶縁スイッチギヤについて説明する。真空絶縁スイッチギヤは真空バルブを絶縁モールドし、さらに種々の機能を有している。真空絶縁スイッチギヤの構成を図4に示す。真空絶縁スイッチギヤ13は、開閉器ユニット14に電力を供給する三相の母線15と、開閉器ユニット14に接続され、負荷側に電力を供給する負荷ケーブル16と、負荷ケーブル16に設置される交流器24と、絶縁スイッチギヤ内上部に供えられた計器室17とから構成される。開閉器ユニット14は、遮断・断路を行う接点を2箇所設ける（2点切り）構成を一つの真空容器に納める真空開閉器18と、当該真空開閉器18と導体を介して負荷側に接続される接地開閉器19と、これらを一体にモールドしたエポキシ系の固体絶縁樹脂から構成される。真空開閉器18および接地開閉器19のセラミックスと接合部20、21には、それぞれ導電性ガラスによる放電防止構造が採用されている。操作機構のうち、操作機構22は、遮断・断路部用の操作機構であり、操作機構23は、接地開閉部用の操作機構である。本実施形態によれば、接合部20、21に導電性ガラスによる放電防止構造を用いた耐絶縁性能の向上した開閉器ユニット14を使用したことにより、絶縁性信頼性の高い真空絶縁スイッチギヤを提供することができる。
本実施例では、上記の実施例２と異なる真空絶縁スイッチギヤについて説明する。真空絶縁スイッチギヤの構成を図5に示す。本実施例に係る真空絶縁スイッチギヤ25は、実施例２で説明した開閉器ユニット26を除いては、同一の構成をとるため、ここでの詳細な説明は省略する。
開閉器ユニット26は、遮断・断路を行う接点を2箇所設ける（2点切り）構成を接点ごとに別々の真空容器内に納める真空開閉器27、28と当該真空開閉器27および28と導体を介して負荷側に接続される接地開閉器19と、これらを一体にモールドした固体絶縁樹脂とから構成される。真空開閉器27、28および接地開閉器19には、それぞれの開閉器の接合部20、21に導電性ガラスによる放電防止構造が用いられている。開閉器ユニット26は、本実施例のように例えば2点切り構成で、接点ごとに真空容器を設けてもよい。この場合、製作の自由度が増すという利点がある。
１：端板
２：ガラス（肉盛部）
３：Al2O3筒（セラミックス筒）
４：金型
５：メタライズ部
６：ろう材
８：放熱基板
９：メタライズ層
１０：ろう材
１１：導体
１２：ガラス
１３、２５：真空絶縁スイッチギヤ
１４、２６：開閉器ユニット
１５：母線
１６：負荷ケーブル
１７：計器室
１８、２７、２８：真空開閉器
１９：接地開閉器
２０：接合部
２１：接合部
２２：操作機構
２３：操作機構
２４：交流器

Claims (15)

  1. メタライズ部を有するセラミックス部材と、前記メタライズ部と接する金属部材と、前記セラミックス部材と前記金属部材とを接合するろう材とを備えた放電防止構造体において、
    Vを含み導電性を有するガラスで前記メタライズ部の先端を被覆する肉盛部を形成することを特徴とする放電防止構造体。
  2. 請求項１において、前記肉盛部の露出面は曲面で形成されることを特徴とする放電防止構造体。
  3. 請求項１において、前記肉盛部は金属粒子を含むことを特徴とする放電防止構造体。
  4. 請求項１において、前記肉盛部の導電率が1.00×105 S/m以上であることを特徴とする放電防止構造体。
  5. 請求項１において、前記ガラスと前記金属部材との間の接合強度、又は前記ガラスと前記セラミックス部材との間の接合強度が5MPa以上であることを特徴とする放電防止構造体。
  6. 請求項１において、前記ガラスは更にAgとTeとを含むことを特徴とする放電防止構造体。
  7. 請求項１において、前記ガラスはV2O5とAg2OとTeO2とを含み、酸化物換算でV2O5とAg2OとTeO2の合計含有率が75質量％以上であることを特徴とする放電防止構造体。
  8. 請求項１において、前記セラミックス部材が放熱基板であることを特徴とする半導体モジュール。
  9. 請求項１の放電防止構造体を備えた真空バルブ。
  10. 請求項９の真空バルブをエポキシモールドした真空開閉器。
  11. 請求項９の真空バルブをエポキシモールドした真空絶縁スイッチギヤ。
  12. メタライズ部を有するセラミックス部材と、前記メタライズ部と接する金属部材と、前記セラミックス部材と前記金属部材とをろう材で接合する放電防止構造体の製造方法において、
    Vを含み導電性を有するガラスをガラス転移点以上、結晶化温度未満に加熱する工程と、前記メタライズ部の先端を被覆する肉盛部を形成する工程を備えることを特徴とする放電防止構造体の製造方法。
  13. 請求項１２において、前記肉盛部を形成する工程は、金型で前記ガラスをプレスする工程を含むことを特徴とする放電防止構造体の製造方法。
  14. 請求項１２において、前記肉盛部を形成する工程は、プレス面が曲面の金型で前記ガラスをプレスする工程を含むことを特徴とする放電防止構造体の製造方法。
  15. 請求項１２において、前記肉盛部を形成する工程は、前記ガラスと溶媒とを含むペーストを塗布する工程を含むことを特徴とする放電防止構造体の製造方法。
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