(57)【要約】平坦なセラミック表面上で、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が、２つの銀導体の間の表面上に形成された上方に垂直な障壁、または表面内に形成された溝によって効果的に除かれる。
2008518485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項２】
第１導体と第２導体とをその上に配置したほぼ平坦な表面を横切る銀マイグレーションを阻止する方法であって、前記第１導体及び第２導体の少なくとも１つが銀を含み、前記第１導体及び第２導体の間で前記表面内に溝を形成する工程を含む方法。
【請求項３】
前記溝を形成する前記工程が、０．７６２ｍｍより大きな深さを有する前記溝を形成する工程を含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記溝を形成する前記工程が、０．７６２ｍｍから１．２７ｍｍの範囲の深さを有する前記溝を形成する工程を含む請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記溝を形成する前記工程が、前記溝の少なくとも１つの側壁の部分を、前記第１導体と第２導体とが異なる電位にある場合に前記部分上の最も強い電界に対して垂直な方向から２°以内となるように形成する工程を含む請求項２に記載の方法。
【請求項６】
ａ）少なくとも１つの導体が銀を含む、間隔を空けて配置された２つの導体を有する表面と、
ｂ）前記２つの導体間の前記表面内の溝であって、前記２つの導体間で銀マイグレーションにより引き起こされる短絡をほぼ除く溝とを含む装置。
【請求項７】
前記溝が０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）より深い請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記溝が０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）から１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）の範囲の深さにある請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記２つの導体が約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）より離れている請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記溝の少なくとも１つの側壁の部分が、前記第１導体と第２導体とが異なる電位にある場合に前記部分上の最も強い電界に対して垂直な方向から２°以内である請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
第１導体と第２導体とをその上に配置したほぼ平坦な表面上の銀マイグレーションを阻止する方法であって、前記第１導体及び第２導体の少なくとも１つが銀を含み、前記第１導体及び第２導体の間で前記表面上にリッジを形成する工程を含む方法。
【請求項１２】
前記リッジを形成する前記工程が、０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）より大きな高さを有する前記リッジを形成する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記リッジを形成する前記工程が、０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）から１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）の範囲の高さを有する前記リッジを形成する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記リッジを形成する前記工程が、前記リッジの少なくとも１つの側壁の部分を、前記第１導体と第２導体とが異なる電位にある場合に前記部分上の最も強い電界に対して垂直な方向から２°以内となるように形成する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
ａ）少なくとも１つの導体が銀を含む、間隔を空けて配置された２つの導体を有する表面と、
ｂ）前記２つの導体間の前記表面上のリッジであって、前記２つの導体間で銀マイグレーションによって引き起こされる短絡をほぼ除くリッジとを含む装置。
【請求項１６】
前記リッジが０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）より高い請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記リッジが０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）から１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）の範囲の高さにある請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記２つの導体が約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）より離れている請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記リッジの少なくとも１つの側壁の部分が、前記第１導体と第２導体とが異なる電位にある場合に前記部分上の最も強い電界に対して垂直な方向から２°以内である請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
電界が存在する際に移動しやすい粒子であって、間隔を空けて絶縁材料のほぼ平坦な表面に取り付けられた第１導体と第２導体との内の少なくとも１つに存在する粒子のエレクトロマイグレーションを抑制する方法において、
前記第１導体上の全ての点と前記第２導体上の全ての点との間で前記粒子に対して最小の抵抗の経路を確立する工程を含み、
各経路の一部がある方向に並んでおり、前記２つの導体の間で所定の電位によって形成される電界の強度が、前記各経路の一部の方向と前記各経路の一部における前記２つの導体間の最も強い電界の方向との相対的な角度によってほぼ低減され、前記粒子の移動が抑制される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【特許文献１】米国特許出願第１０／９７４，４０３号
【特許文献２】米国特許第５，９８５，１１３号
【特許文献３】米国特許第５，８７１，６２４号
【特許文献４】米国特許第６，１９４，３３５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】セラミック表面上の２つの導体の断面図である。
【図２】２つの導体の間にリッジを備える図１の断面図である。
【図３】２つの導体の間に段差を備える図１の断面図である。
【図４】２つの導体の間に溝を備える図１の断面図である。
【図５ａ】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。
【図５ｂ】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】
2008518485.tif 000003
【図２】
2008518485.tif 000004
【図３】
2008518485.tif 000005
【図４】
2008518485.tif 000006
【図５ａ】
2008518485.tif 000007
【図５ｂ】
2008518485.tif 000008