JP3163380B2 - 電気絶縁材とその製造方法 - Google Patents
電気絶縁材とその製造方法Info
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Description
導性及び耐熱性に優れた電気絶縁性被膜を形成した電気
絶縁材及びその製造方法に関する。
電気絶縁材は、その用途に応じて種々のものが知られて
おり、以下にその代表的なものを示す。例えば、シリコ
ーングリースを塗布したアルミナ薄板は,熱透過特性及
び耐熱特性に優れた電気絶縁材として,従来の熱電モジ
ュールに広く使用されている。しかしながら,この材料
は、高価であり,しかも割れ易い欠点を有している。
スは,空気中で乾燥させるとガラス状になり,ガラス及
び陶磁器等の接合材として広く使用されている。一方、
ガラス粉末を用いて、金属表面にガラス被膜を形成させ
る技術は、電気絶縁性被膜形成技術として古くから知ら
れている。このガラス被膜形成のための熱処理の多く
は、600℃以上の高温で行わなければならない。
0℃以下の温度領域での使用が要求される物品、例え
ば、本発明者らが提案した新型熱電モジュール(特許第
287396号参照)の金属アルミ等の低融点部品の絶
縁被膜や、BiTe系及びPbTe系熱電素子等の揮発
性材料の揮発防止被膜の形成には適用できない。
絶縁性補強剤としてアルミナ粉末を添加した水ガラスを
金属表面に塗布し、さらに乾燥処理を施すことにより、
室温においては、水ガラスのもつ熱伝導性と電気伝導性
はかなり改良される。しかし、水ガラスのもつ吸湿性は
残存され、その特性は安定しない。
薄板は、上記の耐熱性と熱透過性を満足するが、割れ易
く、従って熱ひずみに弱い。かつ高価であるという欠点
をもっている。一方、エナメル等の合成樹脂塗布材は、
室温における電気絶縁性は優れているが、100〜20
0℃の温領域で長時間使用すると、その絶縁性は劣化
し、熱透過性もよくない欠点がある。また雲母薄板の耐
熱性及び電気絶縁性は、500℃程度まで保持される
が、やはり熱透過性がよくない欠点がある。
が、200〜500℃の温度領域で、上記熱電モジュー
ルに適合し、アルミナ薄板と同等かそれよりも優れた耐
熱性、熱透過性をもち、しかも廉価な電気絶縁材は、従
来知られている材料の中から見出すことは出来なかっ
た。
2(Te,Se)3系及びPbTe系熱電素子をもつ熱電モ
ジュールの熱源温度は、それぞれ200〜300℃と3
00〜450℃である。従って、それぞれの常用温度
で、十分な耐熱性及び熱透過性をもつ電気絶縁材が要求
される。
下の熱処理温度で電気絶縁性被膜が形成され、常用温度
200〜500℃で、安定して耐熱性及び熱透過性の優
れた電気絶縁材は、従来知られていない。従って、従来
知られている電気絶縁性被膜の形成技術は、例えば本発
明者らが先に提案した前記新型モジュールの製造技術等
には適用できないものである。
であって、500℃以下の熱処理温度で電気絶縁性被膜
が形成され、常用温度200〜500℃での使用で、安
定して耐熱性及び熱透過性に優れ、且つ廉価である電気
絶縁材及びその製造方法を提供することを目的とする。
明の電気絶縁材は、主原料が水ガラスと酸化剤からなる
電気絶縁性被膜材を金属板表面に塗布し、乾燥及び加熱
処理を施して熱酸化反応を起こさせ、前記水ガラスの吸
湿性を消失させると同時に、前記金属表面に電気絶縁性
酸化物層とガラス基被膜からなる電気絶縁性被膜を形成
させてなることを特徴とするものである。前記酸化剤と
しては、PbO等を含むガラス粉末等が採用できる。前
記水ガラスに電気絶縁性補強材を添加することによっ
て、ガラス被膜の電気絶縁性を補強することができ好ま
しい。なお、特許請求の範囲に記載されている「酸化
剤」の用語は直接的な酸化剤に限らず、酸化剤の原料と
なるものも含むものものである。
ミツク粉末を添加することによって、ガラス基被膜の電
気絶縁性がより向上する。絶縁性セラミック粉末として
は、例えばAl2O3,SiO2、ZrO2、Si3N4、S
iAlON、SiC等の電気絶縁性絶縁性セラミック粉
末が採用できる。本発明の電気絶縁材は、種々の用途の
物品に適用できるが、例えば熱電変換装置の低温側の熱
伝達板となるモジュール基板に好適である。
縁材の製造方法は、主原料が水ガラスと酸化剤からなる
電気絶縁性被膜材を金属板表面に塗布し、乾燥及び50
0℃以下の温度で加熱処理して熱酸化反応を起こさせ、
前記水ガラスのもつ吸湿性を消失させると同時に、前記
金属面に電気絶縁性酸化物層とガラス基被膜からなる電
気絶縁性被膜を生成させることを特徴とするものであ
る。前記熱酸化反応は、PbO等を含む低軟化温度をも
つ複合ガラス粉末を用いることにより、500℃以下の
比較的低い熱処理温度で電気絶縁性酸化物層を形成する
ことができる。
細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定される
ものでなく、その技術的思想の範囲内で種々の設計変更
が可能である。本実施形態の電気絶縁材は、本発明者ら
が先に提案した前記熱電モジュールに適用可能な電気絶
縁材を得るものであり、図1にその模式図が示されてい
る。
ガラス、PbO等を含む複合系ガラス粉末からなる酸化
剤、及びAl2O3等の電気絶縁性粉末3で構成される原
料を適当な量の水の中に溶いたもの(電気絶縁性被膜材
2)を金属表面に塗布する(図1(a))。次いで、そ
れを適当な温度で乾燥及び熱処理を行うと、水ガラスの
中に含まれる水分は消失すると同時にガラス粉末の中に
含まれる酸化剤が金属との熱酸化反応によって金属と塗
布されたガラス被膜との界面に電気絶縁性酸化物層が形
成される。それと同時に水ガラスの組成が変質しその吸
湿性が失われる。その結果、図1(b)に示すように、
電気絶縁性酸化物層5と、Al2O3の電気絶縁性粉末3
が分散したガラス基被膜6からなる電気絶縁性被膜7が
形成される。
は、可能な限り軟化温度の低いもの、例えば300℃近
傍であることが望ましい。しかしながら、酸化剤は、必
ずしもPbO等を含む複合系ガラス粉末に限らず、例え
ばPbO2、酸化銀、酸化銅等の粉末が採用できる。ま
た、金属基板は、アルミニウム板に限らず他の酸化し易
い金属材料を使用することが好ましい。
は、水ガラス、PbO等を含む複合ガラス粉末、Al2
O3粉末の電気絶縁性セラミック粉末(電気絶縁性補強
材)の混合物で構成され、その混合割合は、各成分がそ
の効果を奏するためには少なくとも10%以上含まれて
いるのが望ましく、用途に応じて適宜選択できる。な
お、前記のように、電気絶縁性補強材は必ずしも必須の
ものではなく、電気絶縁性補強材を添加しないで水ガラ
スと酸化剤のみで構成する場合も、水ガラスと酸化剤が
それぞれ10%以上含まれていることが望ましい。
粉末を用いて熱処理することにより、アルミニウムのよ
うな酸化され易い金属との界面に、ごく薄い電気絶縁性
酸化物層5が形成される。本実施形態では、低軟化温度
(320℃)をもつPbOの酸化剤原料を含む複合系ガ
ラス粉末を用いているため、500℃以下の比較的低い
熱処理温度で電気絶縁性酸化物層を形成することができ
る。また、電気絶縁性酸化物層と同時にガラス基被膜が
形成されるが、該ガラス基被膜は、水ガラスが持ってい
た吸湿性が失われている。また、ガラス被膜内にAl2
O3等の電気絶縁性粉末を絶縁性補強材として添加する
ことによって、電気絶縁性を補強することができる。
域において耐熱性、熱透過性に優れ、かつ剥離しにくい
密着性の優れたものでなければならない。そのために
は、被膜を形成させる材料の耐熱温度に応じて、ガラス
粉末の軟化温度を調整し、酸化剤の流動性を確保する。
例えば、アルミニウム板の絶縁被膜形成や、BiTe系
及びPbTe系モジュール素子等の揮発性防止被膜形成
のためには、300℃近傍に軟化温度をもつガラス粉末
を使用する。
膜材は、従来の水ガラスがもっていた吸湿性を消失した
水ガラス中のアルカリ塩のイオン伝導による電気伝導は
なくなり、優れた耐熱性、熱透過性及び密着性のみ残
る。その結果、熱電モジュールの絶縁材料として好適で
ある。
結晶水を含む水ガラス及び硼酸鉛系ガラス粉末(軟化温
度320℃)をそれぞれ1:1:1の割合で混合し、そ
の混合物を適当な量の水の中に溶いたものを、板厚10
0μmの金属アルミニウム薄板上に刷毛で塗布する。そ
の際、被膜の均一性を確認するためにベンガラを混入し
着色することもできる。それを200℃の真空乾燥炉の
中で乾燥処理を施す。この状態で既に、室温において優
れた熱透過性をもつ電気絶縁性被膜が形成されるが、中
高温における電気絶縁性と被膜の密着強度は十分でな
い。金属板が660℃の融点をもつアルミニウム薄板で
あることを考慮して、500℃に保持された大気炉中で
数分間加熱すると、金属アルミ板上に塗布されたうぐい
す色の被膜は黒褐色に変色する。これはガラス粉末中の
PbOがPbO2に変化したことを意味する。このPb
O2が酸化剤として作用する。即ち、金属との界面に薄
い電気絶縁性酸化物層が形成されると同時に被膜成分の
水ガラスが変質し、吸湿性を消失する。生成されたガラ
ス基被膜にはAl2O3粉末が均一に分散している。な
お、被膜形成が十分でなかった場合には、上記の熱処理
を繰り返すことにより、所定の被膜を得ることができ
る。
の表面粗度は1500#の研磨紙程度であった。また、
板厚100μmの金属アルミニウム板上に形成された電
気絶縁性被膜は、折り曲げたり、接着テープによる剥離
テスト(JIS8305−1982)を数回繰り返して
も剥離することがなく、優れた形状追随性を有し熱ひず
みが生じても剥離しにくい特徴を有していることが確認
された。また、加熱しながら熱透過性及び電気絶縁性を
測定した結果、温度500℃近傍までは、熱透過性及び
電気絶縁性は良好に保持され、初期の目的を達成するこ
とができた。
℃以下の熱処理温度で電気絶縁性被膜が形成され、常用
温度200〜500℃での使用で、耐熱性、熱透過性、
及び耐熱ひずみ特性に優れ、特に優れた形状追随性を有
し熱ひずみが生じても剥離しにくい特徴を有し、且つ廉
価である電気絶縁材を得ることができる。また、水ガラ
スと酸化剤からなる電気絶縁性被膜材に、さらに電気絶
縁性補強材を混合することによって、金属基板上に形成
されるごく薄い電気絶縁性酸化物層と電気絶縁性粉末が
均一に分散したガラス基被膜が構成され、より良好な耐
熱性、熱透過性、密着性を持つ電気絶縁性被膜を得るこ
とができる。
図であり、(a)は乾燥、熱処理前の状態を示し、
(b)は乾燥、熱処理後の状態を示している。
被膜材 3 電気絶縁性粉末 5 電気絶縁性
酸化物層 6 ガラス基被膜 7 電気絶縁性
被膜
Claims (6)
- 【請求項1】 主原料が水ガラスと酸化剤からなる電気
絶縁性被膜材を金属板表面に塗布し、乾燥及び加熱処理
を施して熱酸化反応を起こさせ、前記水ガラスの吸湿性
を消失させると同時に、前記金属表面に電気絶縁性酸化
物層とガラス基被膜からなる電気絶縁性被膜を形成させ
てなることを特徴とする電気絶縁材。 - 【請求項2】 前記酸化剤がPbO等を含むガラス粉末
である請求項1記載の電気絶縁材。 - 【請求項3】 前記電気絶縁性被膜材に、電気絶縁性補
強材として絶縁性セラミック粉末が添加され、前記ガラ
ス基被膜に電気絶縁性粉末が分散している請求項1又は
2記載の電気絶縁材。 - 【請求項4】 主原料が水ガラスと酸化剤からなる電気
絶縁性被膜材を、金属板表面に塗布し、乾燥及び500
℃以下の温度で加熱処理して熱酸化反応を起こさせ、前
記水ガラスの吸湿性を消失させると同時に、前記金属表
面に電気絶縁性酸化物層とガラス基被膜からなる電気絶
縁性被膜を生成させてなることを特徴とする電気絶縁材
の製造方法。 - 【請求項5】 前記酸化剤として、PbOを含むガラス
粉末を使用すること特徴とする請求項4記載の電気絶縁
材の製造方法。 - 【請求項6】 前記電気絶縁性被膜材に電気絶縁性補強
材として、電気絶縁性セラミックス粉末が添加されてい
ることを特徴とする請求項4又は5記載の電気絶縁材の
製造方法。
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---|---|---|---|
JP22252799A JP3163380B2 (ja) | 1999-08-05 | 1999-08-05 | 電気絶縁材とその製造方法 |
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP22252799A Expired - Lifetime JP3163380B2 (ja) | 1999-08-05 | 1999-08-05 | 電気絶縁材とその製造方法 |
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CN103762182B (zh) * | 2013-12-11 | 2017-08-01 | 上海交通大学 | 基于水玻璃‑陶瓷复合介质的tsv封装再分布层制备方法 |
CN108682478B (zh) * | 2018-05-07 | 2019-12-13 | 宁波职业技术学院 | 一种复合氧化物微晶玻璃、绝缘介质浆料及其制备方法和应用 |
EP3857275A4 (en) | 2018-09-28 | 2022-10-12 | Corning Research & Development Corporation | SMALL DIAMETER FIBER OPTIC CABLES WITH LOW FRICTION COATS AND OPTICAL FIBERS WITH REDUCED COAT AND COATING DIAMETER |
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-
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- 1999-08-05 JP JP22252799A patent/JP3163380B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
大木道則、大沢利昭、田中元治、千原秀昭.「化学大辞典」第1版第1刷、1989年10月20日、p.1657、株式会社東京化学同人 |
Also Published As
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JP2001052526A (ja) | 2001-02-23 |
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