TWI433191B - 絕緣導體元件及電壓結構的電性屏蔽方法 - Google Patents

Description

絕緣導體元件及電壓結構的電性屏蔽方法

本發明是有關於電場應力屏蔽，特別是關於一種用以對處於一定電壓的結構進行電性屏蔽的絕緣導體元件。

離子植入(ion implantation)是一種用以將改變電導率的雜質引入或摻雜至半導體晶圓的標準技術。典型的離子植入製程使用高能離子束將雜質(離子)引入到半導體晶圓。在離子植入過程中，對源進料(source feed inaterial)進行賦能從而産生離子束，並且產生的離子束需要由高壓(諸如670千伏)的加速筒(acceleration column)進行加速。電壓結構(通常稱爲終端)用於提供上述高壓。

遞交於2006年9月27日的共同未決美國專利申請第11,527,842號公開了一種在離子植入裝置中作爲電壓結構之電應力屏蔽的絕緣導體，此專利申請併入本案以供參考。圖1是11,527,842號所公開的電壓結構400的透視圖。參照圖1，電壓結構400可包括基底、一或多個耦接於基底的直立側壁404以及耦接於一或多個直立側壁404的頂部402。直立側壁404可包括具有把手442的門440，以提供能到達電壓結構400內腔的人員通道(personnel access)。電壓結構400的直立側壁404可由一實心材質件或任意多個分離件製成。儘管顯示成實心件，但電壓結構400的頂部402也可由多個相間隔的導體製成，從而形成一導體網格以允許空氣流經網格的開口。

一或多個絕緣導體412設置於具有過量電應力的電壓結構400的部份外表面附近。圖1中，頂部絕緣導體412設置於電壓結構400的頂部邊緣470的整個週邊附近，而底部絕緣導體412設置於底部邊緣472的整個週邊附近。儘管頂部絕緣導體412和底部絕緣導體412位於各自邊緣470、472的整個週邊附近，但其他實施例絕緣導體412可定位在附加或其他的外圍部份。這些部份可包括但不限於水平邊緣、垂直邊緣、角落以及開口或電壓結構400與外部部件交界的界面。外部部件可包括馬達、發電機或使用界面。在一實例中，球形絕緣導體可位於電壓結構400的角落附近。絕緣導體417可包括介電強度大於75千伏/英寸的絕緣體416。

多個支架422可耦接到電壓結構400和相關絕緣導體412，從而將絕緣導體412支撐於電壓結構100的外圍部份附近。支架422的長度可使絕緣導體412定位成與電壓結構400相距所需距離。所需距離可從近乎為零(近似接觸)到周圍空氣空隙所允許的最大距離。在一實施例中，所需距離至少爲1.5英寸。支架422可由導體材質或非導體材質製成。支架422還可作為電壓結構400與絕緣導體412之間的電性連接。

如圖1所示，絕緣導體412和絕緣體416為單個連續閉合結構。單片絕緣體416的大尺寸在製作、安裝、維護、成本和可靠性上都會產生問題。

本發明的第一方面提供一種電壓結構的絕緣導體元件，此絕緣導體元件包括導體及多個絕緣區段，導體連接一電壓，多個絕緣區段包圍導體且多個絕緣區段彼此交界。

本發明的第二方面提供一種電壓結構的絕緣導體元件，此絕緣導體元件包括彼此交界的多個區段，每一區段包括由絕緣部包圍的導體；其中導體包括多個導體線纜，其中一導體線纜連接至電壓結構。

本發明的第三方面提供一種電壓結構的電性屏蔽方法，此方法包括下列步驟。首先，提供多個區段，每一區段包括由介電材質包裹的導體。接著，將每一導體連接至電壓結構。而後，定位這些區段，以使兩個直接相鄰的導體接近成使得此兩個直接相鄰的導體的等位線實質上與連續導體的等位線相似。

本發明的示意性方面設計成解決本案所描述的問題或未討論的其他問題。

透過本發明各方面的後續詳細描述並結合附圖可更輕易地理解本發明的上述以及其他特徵，附圖中描述本發明的各種實施例，要注意本發明的附圖並未按比例繪製。附圖意圖僅描述本發明的典型方面，並且不應認為是限制本發明的範圍。在附圖中，相同的標號代表相似的元件。

圖2繪示本發明一實施例之絕緣導體元件的示意圖。如圖2所示，系統8包括電壓結構11和絕緣導體元件10。 絕緣導體元件10位於電壓結構11和接地13(例如，金屬結構)之間。絕緣導體元件10與接地13之間的空隙填充有空氣15。絕緣導體元件10包括多個區段12(顯示為12a、12b)，每一區段12分別包括導體區段14(顯示為14a、14b)和絕緣區段16(顯示為16a、16b)。絕緣區段16可由諸如氯化聚氯乙烯(Chlorinated Poly Vinyl Cholride，CPVC)、合成矽泡沫(synthetic silicone foam)或環氧樹脂(epoxy resin)等介電材質製得。如僅在區段12b中所示，絕緣區段16(16b)可包括多層不同材質161、162以控製絕緣區段16內部以及絕緣區段16周圍的空氣15內的徑向應力(radial stress)。導體區段14由各自的絕緣區段16包圍/包裹。

直接相鄰的二絕緣區段16a、16b相互交界。在本案的描述中，“交界”(interface)是指二絕緣區段16a、16b的位置相互靠近，包括但不限於絕緣區段16a、16b相互接觸。根據一實施例，二交界絕緣區段16a、16b之間可施加界面媒質(interface medium)20來改良界面區21內的絕緣強度。根據一實施例中，界面媒質20延伸出界面區21並部份覆蓋絕緣區段16a、16b。

雖然圖2顯示了導體區段14a、14b分別透過各自的連接通路22a、22b各別地連接到電壓結構11，但這並不是必定的。例如，根據另一實施例，若能夠使導體區段14a、14b兩者的電勢實質上相當，則導體區段14a、14b可分別連接到不同於電壓結構11的電源。例如，導體區段14a、 14b可連接到不同於電壓結構11(如處於670千伏下)的電勢(如500千伏)。當處於500千伏時，絕緣導體元件10仍然可以對電壓結構11進行屏蔽，但接地13與絕緣導體元件10之間的電應力將減小。

根據如圖3所示的一實施例，導體區段14a、14b接近成使得導體區段14a、14b的等位線24實質上相似於連續導體的等位線，即導體區段14a、14b相似於整體的單一導體。另外，等位線24將電壓結構11的電應力主要分配在絕緣區段16a、16b的絕緣材質和/或界面媒質20上，而非分配在電壓結構11周圍的空氣15上。如此一來可避免電性擊穿現象的產生。絕緣導體元件10的詳細功能可參閱美國專利申請第11,527,842號。

根據如圖2所示的實施例，絕緣區段16a、16b的交界面18a、18b實質上分別垂直於相鄰表面，例如表面26a和26b。導體區段14的邊緣27(僅顯示於14a)朝交界面18a的方向呈圓形。

根據圖4所示的另一實施例，交界面118a或118b實質上傾斜於相鄰表面126a或126b。在這種情況下，交界面118a、118b相互交疊。根據如圖4所示的實施例，相鄰於交界面118a的導體區段14a的邊緣128a實質上也是傾斜的。較佳地，傾斜的邊緣128a與傾斜的交界面118a相匹配，即邊緣128a與交界面118a的傾斜角度相近。根據圖2和圖4所示的實施例，每個導體區段14a、14b可為單一的中空金屬管(並未顯示細節部份)。根據如圖5A所 示的另一實施例，導體區段214可包括導體線纜群組215。導體線纜215被稱為線纜，優選地為高壓線纜，其包括包裹在絕緣材質內的中心導體。

請同時參閱圖5A和圖5B，區段212(在圖5A和圖5B中分別顯示了212a和212b)分別包括具有導體線纜群組215的導體區段214(為清楚起見顯示於圖5A的左邊)。根據實施例，導體線纜群組215包括多個導體線纜，如四個導體線纜215(1)、215(2)、215(3)和215(4)。四個導體線纜之一(此處為導體線纜215(4))透過連接通路222與電壓結構11電性連接。連接通路222可為連接線纜215(4)的一體部件。

導體區段211還可包括相鄰於交界面218(顯示為218a、218b)的屏蔽導體部236(對於區段212a、212b分別顯示為236a、236b)。屏蔽導體部236相較於導體線纜群組215朝交界面218進一步延伸。線纜群組215藉由延伸入屏蔽導體部236的開口238(顯示為238a、238b)與屏蔽導體部236進行電性連接。

根據一實施例，屏蔽導體部236實質上是U形的，如圖5A中由屏蔽導體部236a以橫截面圖顯示的，其中U形的連接邊緣240面向交界面218a。連接邊緣240朝交界面218a呈圓形。根據一實施例，相鄰於U形的開口238a的端部242同樣呈圓形。

根據另一實施例，屏蔽導體部236實質上是H形的，如圖5B中由屏蔽導體部236b以橫截面圖顯示的，其中H 形的開口244面向交界面218b。相鄰於開口244的端部246朝交界面218a呈圓形。根據一實施例，相鄰於H形之開口238b的端部248同樣呈圓形。

屏蔽導體部236的其他物理結構也是可能的並且包括於本發明範圍中。

請繼續參閱圖5A和圖5B，區段212可包括具有管狀部份230和連接模部份232的絕緣區段216(為了簡單起見，僅顯示於圖5A中)。根據一實施例，連接模部份232可包括交界面218。管狀部份230可包括氯化聚氯乙烯(CPVC)管。管狀部份230可包括單管(如圖5A和圖5B所示)或包括多個套管231、233(如圖5C所示)，從而將絕緣區劃分成分離/不同的腔體235、237，其中不同的腔體235、237更包括不同的絕緣材質(圖未示)。

導體線纜215實質上可為直線的(如圖5A和圖5B所示)，或盤繞於管狀部份230內部(如圖5D所示)以進一步降低電應力。另外，二導體線纜215可進行換位(transpose)，例如在管狀部份230內改變其相對位置或纏繞在一起。

請再次參閱圖5A，連接模部份232相鄰於區段212的交界面218。連接模部份232的一部份234收容於或延伸到管狀部份230內，使得連接模部份232和管狀部份330相耦接。連接模部份232實質上包裹屏蔽導體部236，除了其連接到線纜215的部份248。連接模部份232實質上可為實心的非導電材質，如環氧樹脂(塑膠)。

根據圖5A所示的實施例，較佳地，連接模部份232可包括中空部250，其延伸至屏蔽導體部236的部份248。導體線纜群組215可穿過中空部250並連接到屏蔽導體部份236。

請參閱如圖6所示的另一實施例，絕緣導體元件312包括連續導體314和多個絕緣區段316(顯示為316a、316b)。連續導體314可包括多個導體線纜315，其中之一連接到電壓結構11。絕緣區段316彼此交界，並共同地包圍連續導體314。根據一實施例，絕緣區段316可包括諸如氯化聚氯乙烯(CPVC)的絕緣管338。另一絕緣層340位於連續導體314和絕緣管338之間，絕緣層340諸如加壓空氣、六氟化硫(SF6)、合成矽泡沫或者環氧樹脂的。

根據另一實施例，本發明還包括一種藉由提供圖2及圖4至圖6的絕緣導體元件並將絕緣導體元件耦接(定位)到電壓結構來電性屏蔽電壓結構(例如，電壓結構11)的方法。

已經公開了具有絕緣區段的絕緣導體元件的結構及其製造方法。儘管已經結合較佳實施例具體顯示了上述內容，但應知道本領域熟知此項技藝者在不脫離本發明範圍情況下可進行各種修改及潤飾。

8‧‧‧系統

10‧‧‧絕緣導體元件

11‧‧‧電壓結構

12‧‧‧區段

12a‧‧‧區段

12b‧‧‧區段

13‧‧‧接地

14‧‧‧導體區段

14a‧‧‧導體區段

14b‧‧‧導體區段

15‧‧‧空氣

16‧‧‧絕緣區段

16a‧‧‧絕緣區段

16b‧‧‧絕緣區段

18a‧‧‧交界面

18b‧‧‧交界面

20‧‧‧界面媒質

21‧‧‧界面區

22‧‧‧連接通路

22a‧‧‧連接通路

22b‧‧‧連接通路

24‧‧‧等位線

26a‧‧‧相鄰表面

26b‧‧‧相鄰表面

27‧‧‧導體區段邊緣

118a‧‧‧交界面

118b‧‧‧交界面

126a‧‧‧相鄰表面

126b‧‧‧相鄰表面

128a‧‧‧導體區段邊緣

161‧‧‧材質

162‧‧‧材質

212‧‧‧區段

212a‧‧‧區段

212b‧‧‧區段

214‧‧‧導體區段

215‧‧‧導體線纜群組

215(1)‧‧‧導體線纜

215(2)‧‧‧導體線纜

215(3)‧‧‧導體線纜

215(4)‧‧‧導體線纜

216‧‧‧絕緣區段

218‧‧‧交界面

218a‧‧‧交界面

218b‧‧‧交界面

222‧‧‧連接通路

230‧‧‧管狀部份

231‧‧‧套管

232‧‧‧連接模部份

233‧‧‧套管

234‧‧‧連接模部份的一部份

235‧‧‧腔體

236‧‧‧屏蔽導體部

236a‧‧‧屏蔽導體部

236b‧‧‧屏蔽導體部

237‧‧‧腔體

238‧‧‧開口

238a‧‧‧開口

238b‧‧‧開口

240‧‧‧連接邊緣

242‧‧‧端部

244‧‧‧開口

246‧‧‧端部

248‧‧‧屏蔽導體部一部份

250‧‧‧中空部

312‧‧‧絕緣導體元件

314‧‧‧連續導體

315‧‧‧導體線纜

316‧‧‧絕緣區段

316a‧‧‧絕緣區段

316b‧‧‧絕緣區段

338‧‧‧絕緣管

340‧‧‧絕緣層

400‧‧‧電壓結構

402‧‧‧頂部

404‧‧‧直立側壁

412‧‧‧絕緣導體

416‧‧‧絕緣體

422‧‧‧支架

440‧‧‧門

422‧‧‧把手

470‧‧‧頂部邊緣

472‧‧‧底部邊緣

圖1繪示先前技術的一種絕緣導體。

圖2繪示本發明一實施例之絕緣導體元件的示意圖。

圖3繪示圖2的絕緣導體元件的等位線。

圖4繪示本發明另一實施例之絕緣導體元件的示意圖。

圖5A至圖5D繪示本發明一實施例之具有線纜群組的絕緣導體元件。

圖6繪示具有由分段絕緣體系統包裹的連續導體的絕緣導體元件。

8‧‧‧系統

10‧‧‧絕緣導體元件

11‧‧‧電壓結構

12‧‧‧區段

12a‧‧‧區段

12b‧‧‧區段

13‧‧‧接地

14‧‧‧導體區段

14a‧‧‧導體區段

14b‧‧‧導體區段

15‧‧‧空氣

16‧‧‧絕緣區段

16a‧‧‧絕緣區段

16b‧‧‧絕緣區段

161‧‧‧多層不同材質

162‧‧‧多層不同材質

18a‧‧‧交界面

18b‧‧‧交界面

20‧‧‧界面媒質

21‧‧‧界面區

22a‧‧‧連接通路

22b‧‧‧連接通路

26a‧‧‧相鄰表面

26b‧‧‧相鄰表面

27‧‧‧導體區段邊緣

Claims (25)

1. 一種絕緣導體元件，用於電壓結構，所述絕緣導體元件包括：導體，連接一電壓，所述導體在第一方向上延伸；多個絕緣區段，包圍所述導體，各所述絕緣區段具有在所述第一方向上延伸的延長形狀且在末端終止，各所述絕緣區段的一末端面向與其緊鄰的所述絕緣區段的一末端，所述多個絕緣區段彼此交界；及絕緣材料，配置於彼此靠近或接觸的兩個所述絕緣區段之間。
2. 如專利申請範圍第1項所述的絕緣導體元件，其中所述電壓不同於所述電壓結構的電壓。
3. 如專利申請範圍第1項所述的絕緣導體元件，其中所述導體包括中空金屬管或導體線纜群組之一。
4. 如專利申請範圍第3項所述的絕緣導體元件，其中所述導體線纜群組包括一連接到所述電壓結構的導體線纜。
5. 如專利申請範圍第1項所述的絕緣導體元件，其中所述導體包括多個導體區段，各所述導體區段由所述多個絕緣區段中之一者所包圍，並分開地連接到所述電壓結構。
6. 如專利申請範圍第5項所述的絕緣導體元件，其中直接相鄰的二導體區段接近成使得所述二導體區段之等位線實質上與連續導體的等位線相似。
7. 如專利申請範圍第5項所述的絕緣導體元件，其中 各所述絕緣區段的交界面為以下情況之一：所述交界面實質上垂直於所述絕緣區段的相鄰表面；或者所述交界面實質上相對於所述相鄰表面傾斜。
8. 如專利申請範圍第7項所述的絕緣導體元件，其中在所述交界面實質上傾斜的情況下，所述交界面與直接相鄰的絕緣區段的交界面交疊。
9. 如專利申請範圍第8項所述的絕緣導體元件，其中相鄰於所述交界面的所述絕緣區段內所包圍的導體區段的邊緣實質上是傾斜的。
10. 如專利申請範圍第7項所述的絕緣導體元件，其中所述絕緣區段內所包圍的導體區段的邊緣實質上朝所述交界面的方向呈圓形。
11. 如專利申請範圍第5項所述的絕緣導體元件，其中所述導體區段包括導體線纜群組，所述導體線纜群組連接到相鄰於包圍所述導體區段的對應絕緣區段之交界面的屏蔽導體部上，所述屏蔽導體部相較於所述導體線纜群組朝所述交界面進一步延伸。
12. 如專利申請範圍第11項所述的絕緣導體元件，其中所述導體線纜實質上為直線形或盤繞形。
13. 如專利申請範圍第12項所述的絕緣導體元件，其中二導體線纜為進行換位以及纏繞在一起這兩種情況中的至少一種。
14. 如專利申請範圍第11項所述的絕緣導體元件，其 中所述屏蔽導體部在橫截面圖中為以下情況之一：實質上為U形，且所述U形的連接端實質上朝所述交界面呈圓形；或者實質上為H形，且所述H形的開口面向所述交界面，並且所述H形的相鄰端部朝所述交界面呈圓形。
15. 如專利申請範圍第11項所述的絕緣導體元件，其中所述絕緣區段包括管狀部份，所述管狀部份耦接到相鄰於所述交界面的連接模部份，所述連接模部份包裹相鄰於所述交界面的一部份所述屏蔽導電部，且實質上為實心介電材質。
16. 如專利申請範圍第15項所述的絕緣導體元件，其中所述管狀部份包括氯化聚氯乙烯(CPVC)管。
17. 如專利申請範圍第15項所述的絕緣導體元件，其中所述管狀部份包括多個套管，所述多個套管將所述管狀部份劃分為獨立的不同腔體。
18. 如專利申請範圍第17項所述的絕緣導體元件，其中所述不同腔體包括不同的絕緣材質。
19. 如專利申請範圍第1項所述的絕緣導體元件，其中所述導體為連續導體。
20. 如專利申請範圍第19項所述的絕緣導體元件，其中所述絕緣區段包括多個絕緣管。
21. 如專利申請範圍第20項所述的絕緣導體元件，更包括位於所述連續導體和所述多個絕緣管之間的另一絕緣層。
22. 如專利申請範圍第1項所述的絕緣導體元件，其中所述多個絕緣區段包括多層不同絕緣材質。
23. 一種絕緣導體元件，用於電壓結構，所述絕緣導體元件包括：多個區段，所述多個區段彼此交界，各所述區段包括由絕緣部包圍的導體，所述導體在第一方向上延伸，各所述絕緣區段具有在所述第一方向上延伸的延長形狀且在末端終止，各所述絕緣區段的一末端面向與其緊鄰的所述絕緣區段的一末端；其中所述導體包括多個導體線纜，所述導體線纜中之一者連接至所述電壓結構。
24. 如專利申請範圍第23項所述的絕緣導體元件，其中所述絕緣部包括氯化聚氯乙烯(CPVC)管和相鄰於所述區段的交界面的連接模部份，其中所述導體包括相鄰於所述交界面的屏蔽導體部，所述屏蔽導體部的邊緣實質上朝所述交界面的方向呈圓形。
25. 一種電壓結構的電性屏蔽方法，包括：提供多個區段，每一區段包括由介電材質包裹的導體；將每一導體連接至所述電壓結構；及定位所述多個區段，以使兩個直接相鄰的導體接近成使得所述兩個直接相鄰的導體的等位線實質上與連續導體的等位線相似。