TWI404147B - 防止金屬遷移之緩衝區裝置及方法 - Google Patents

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Description

防止金屬遷移之緩衝區裝置及方法
本件發明與防止金屬遷移有關，更具體的說，與防止表面上銀遷移有關。
金屬電子遷移長久以來被認為是一種在許多電機及電子系統中顯著的故障模式。普遍認為有兩種電子遷移的形式：電解質及固態。固態電子遷移是自然的電子動量轉移，而電解質電子遷移則是離子轉移，例如金屬以其離子形式做轉移。
某些氧氣製造器及燃料電池都是電氣化學裝置，相關範例已揭示於美國專利案號第5,985,113、5,871,624及6,194,335號案中，將此三件專利案併入本文參考。此類型的氧氣製造器會用在一些整合式岐管及管路(IMAT)模組中。由於IMAT模組具有能力大規模製作出許多連續性電子連接，以減少大型區域上的密封數量，進而在電子式驅動氧氣分離上顯現引人注目的組態。這些連續性連接包括了一個裸露的陶瓷電解質材料，並在不同的電位上由兩個導體區域分隔開來。
與傳統操作溫度約1,000℃相較，IMAT模組會朝較低操作溫度方向移動。在750℃或更低溫度下操作的優點之一，就是在電極及/或集電器中使用銀以取代其它如鉑等貴重金屬。因此，這些系統的成本可被大幅度降低。然而，即使為最具傳導性的金屬，銀亦會特別受到電子遷移的影響。迄今，在固態電氣化學裝置上，銀遷移的實驗均指向於電解質遷移。
銀電子遷移所導致之問題為，氧氣製造器會因銀遷移所造成氧氣流動率減低，使得IMAT使用期限受到限制。銀遷移會造成故障實際上是因內部導體空間短路。
本件發明的主要目標，是藉由防止銀導體之間的電遷移所導致的短路。
簡言之，在第一具體實施例中，位在一表面上而互相分離之二個導體，其中至少有一個導體包含銀，而位於此一表面上二個導體間之溝槽可以有效地防止銀遷移。
而在第二具體實施例中，位在一表面上而互相分離之二個導體，其中至少有一個導體包含銀，而位於此一表面上二個導體間之脊狀物可以有效地防止銀遷移。
參考第1圖，顯示一陶瓷表面14上的二個導體10及12之橫截面圖。(當然，圖中圓圈所代表之銀離子並非以實際比例顯示)，假使導體10相對於導體12而屬於正極，則銀離子會由導體10遷移到導體12，最後在二個導體之間形成短路。
第2圖所示為第1圖中二個導體間具有垂直障礙物或脊狀物16之橫截面圖，第3圖為二個導體間具有一階梯18之橫截面圖，而第4圖則為第1圖之二個導體10及12間具有一溝槽20之橫截面圖。其中，脊狀物16、階梯18及溝槽20均可形成緩衝區，以防止銀在內部導體空間遷移而導致在二個導體10及12之間形成短路，而銀電解質遷移則是由二個導體10及12之間的電磁場所驅動。其中，脊狀物16及溝槽20則在二個導體10及12間之陶瓷表面上建立一零電磁場或接近於零電磁場的區域，所以在該區域中銀遷移率為零或接近於零。而階梯18則在二個導體10及12之間形成一區域，該區域中的電磁場會降低到足以有效防止在二個導體10及12之間的短路。
較理想的情況是，這些障礙物16及20至少都有一壁面垂直於或近乎垂直(<2°)於電磁場的方向。因為沿著這些壁面的電磁場是零或接近於零，所以銀離子將無法或幾乎不可能沿著這些壁面移動。因此脊狀物或溝槽會是一防止銀由陽極遷移到陰極上的緩衝區。
至於角度大於2°的情形，可依據金屬遷移之其它相關因素而被使用，如金屬種類、二個導體10及12之間的電壓差、二個導體10及12之間的間隙寬度與溝槽20之深度或階梯18或脊狀物16的高度等。在較佳的具體實施例中，溝槽20的深度在0.040到0.050英吋之間，而電壓差會在0.5伏特到1伏特之間，而二個導體10及12之間的最狹窄間隙約是0.050英吋。
在一較佳的具體實施例中，溝槽20會在陶瓷鑄模操作期間形成，且溝槽20之側壁係傾斜的，大約是以1°垂直表面14，所以陶瓷部分會自鑄模分離。溝槽20亦可在零件鑄模之後在表面14上以物理切割而得，以取代於鑄模製程中所形成的溝槽20，溝槽20的底部及脊狀物16與階梯18之頂部不必是任何特殊的形狀，只要溝槽20之側壁的深度或脊狀物16與階梯18之側壁的高度實質平坦。
第5a圖及第5b圖是一IMAT零件的二個不同部分之照片，顯示在經通電加熱處理之前及之後，二個銀導體形成在一以氧化鈰為基礎之電解質上而形成一溝槽之照片。在綠色部分有九個以機械製作並燒結的溝槽，銀條22及24會相對應第1圖中所示的二個導體10及12且位在溝槽的二側，而溝槽20則是在電解質中形成的九個溝槽之一。這個溝槽大約是0.046英吋寬及0.040英吋深，在650℃時會在導體22及24之間施加一8V電壓長達456個小時。測試之後，溝槽20中並沒有銀沈澱跡象，而在任何其它溝槽中亦無銀的跡象。當使用脊狀物16來取代溝槽20作為障礙時，亦可發現相同的結果。此外，當溝槽20寬度降低為0.030英吋時，亦發現相同的結果。
上述具體實施例僅被選擇用於示範本件發明的原則及其實際應用，使熟知先前技術者可將本件發明應用在各種具體實施例，並依使用時的特定考量而做出各種修改。因此，上述描述的具體實施例僅為示範，而非本件發明之限制，本件發明真正之精神範疇敘述於下列申請專利範圍中。
10．．．導體
12．．．導體
14．．．陶瓷表面
16．．．障礙物、脊狀物
18．．．階梯
20．．．溝槽、障礙物
22．．．銀條
24．．．銀條
上述及其他關於本件發明之功能與優點，以及達到的方法，可藉由下列詳細敘述及參考附圖而能進一步瞭解，其中：第1圖顯示一陶瓷表面上的二個導體之橫截面圖；第2圖顯示一脊狀物位在第1圖中所示之二個導體間之橫截面圖；第3圖顯示一階梯位在第1圖中所示之二個導體間之橫截面圖；第4圖顯示一溝槽位在第1圖中所示之二個導體間之橫截面圖；第5a圖顯示IMAT零件之部份照片，顯示二個銀導體形成在一以氧化鈰為基礎之電解質上而形成一溝槽；以及第5b圖顯示第5a圖中IMAT零件之另一部分經熱處理後之照片。
應瞭解的是，各圖式中重複的元件符號代表相同元件，為表現本件發明特色，圖式中不同元件並非以正確比例顯示。
10．．．導體
12．．．導體
16．．．障礙物、脊狀物

Claims (23)

  1. 一種防止金屬遷移之緩衝區方法，即防止電子遷移橫跨一分隔並傾向鄰接第一及第二導體之絕緣表面的方法，該方法包括在該導體之間的表面內或表面上形成一階梯、溝槽以及脊狀物的步驟；其中該階梯、溝槽或脊狀物形成一緩衝區，防止電子遷移通過該表面。
  2. 一種防止金屬遷移之緩衝區方法，即防止一實質平坦表面之粒子遷移，該表面上有第一及第二導體，其中至少一個導體包含在電磁場存在時傾向遷移之粒子，該方法包括在前述表面之導體間形成溝槽的步驟；其中該溝槽形成一緩衝區，防止粒子遷移通過該表面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中形成前述溝槽的步驟包括形成深度大於0.030英吋之溝槽。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中形成溝槽的步驟包括在第一及第二導體電位不同時形成前述溝槽至少一側壁的一部份，且該側壁的一部份形成後以小於2°之角度垂直於穿過該部分之最強電磁場。
  5. 一種防止金屬遷移之緩衝區裝置，包括：a)一絕緣表面，具有二個分隔導體位在該表面上，其中前述導體至少有一個包含在電磁場存在時傾向遷移之粒子；及b)一位於該導體間之該表面內之溝槽，該溝槽形成一緩衝區，從而因導體間遷移粒子所造成的短路實質上會被排除。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中溝槽深度大於0.030英吋。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中二個導體之間隔大於0.050英吋。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中溝槽具有至少一側壁的一部份會在第一及第二導體電位不同時形成，且該側壁的一部份形成後以小於2°之角度垂直於穿過該部分之最強電磁場。
  9. 一種防止金屬遷移之緩衝區方法，即防止實質平坦絕緣表面之粒子遷移，該表面具有第一及第二導體，其中至少一個導體包含在電磁場存在時傾向遷移之粒子，該方法包括在導體間之該表面上形成一緩衝區之脊狀物的步驟。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中形成該脊狀物的步驟包括形成高度大於0.030英吋之脊狀物。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中形成脊狀物的步驟包括在第一及第二導體電位不同時形成前述脊狀物至少一側壁的一部份，且該側壁的一部份形成後以小於2°之角度垂直於穿過該部分之最強電磁場。
  12. 一種防止金屬遷移之緩衝區裝置，包括：a)一絕緣表面，具有二個分隔導體位在該表面上，其中前述導體至少有一個包含在電磁場存在時傾向遷移之粒子；以及b)一位於該導體間之表面上之脊狀物，該脊狀物形成一 緩衝區，從而因導體間遷移粒子所造成的短路實質上會被排除。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中脊狀物高度大於0.030英吋。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中二個導體之間隔大於0.050英吋。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中脊狀物具有至少一側壁的一部份會在第一及第二導體電位不同時形成，且該側壁的一部份形成後以小於2°之角度垂直於穿過該部分之最強電磁場。
  16. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中至少該導體之一含有在電磁場存在時傾向遷移的粒子，該粒子包含銀。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中至少該導體之一含有在電磁場存在時傾向遷移的粒子，該粒子包含銀。
  18. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中在電磁場存在時傾向遷移的粒子包含銀粒子。
  19. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中在電磁場存在時傾向遷移的粒子包含銀粒子。
  20. 一種防止金屬遷移之緩衝區方法，即防止在分隔之第一及第二導體中的至少其中之一內，而附著在一實質平坦的絕緣表面，並傾向朝電磁場方向移動的粒子做電子遷移；該方法在該絕緣表面內或表面上形成該第一及第二 導體之間之屏障區，該屏障區具有一表面，該表面實質與由該兩導體間之預定電壓差所形成的電磁場垂直，其中該電磁場強度實質降低，從而防止該粒子在該導體之間遷移。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該屏障區包含一脊狀物。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該屏障區包含一溝槽。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中至少該導體之一包含銀。
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