JPH0997637A - 酸化物超電導体と金属端子との接合部およびその形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化物超電導体と金属端子とを低い接触抵抗
で電気的に接続する接合部を提供する。 【解決手段】 酸化物超電導体と金属端子とを電気的に
接続する接合部は、酸化物超電導体１と、これに密着し
かつ銀または銀合金からなる被覆層３と、被覆層３に密
着しかつＰｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合金からなるハンダ付
け層４と、ハンダ付け層４に密着する金属端子２ａとを
備える。Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合金をハンダ付けに用
いることにより、ハンダへの銀の溶解が抑制され、電気
抵抗の低い接合部が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電流容量の大きい
酸化物超電導体と金属端子とを接合するための技術に関
するものであり、特に、電力、輸送、高エネルギ、医療
等の酸化物超電導体が有効利用される分野において、用
いられる技術である。

【０００２】

【従来の技術】近年、より高温領域で超電導状態を示す
酸化物超電導体が発見され、その実用的な応用が期待さ
れている。

【０００３】その用途において、酸化物超電導体は、外
部電源と電気的に接続されるが、室温中から超電導体の
機能する低温部まで電流を導入するには、金属端子を介
するのが一般的である。そこで、金属端子と酸化物超電
導体との接続部における電気抵抗が問題となる。

【０００４】たとえば、酸化物超電導体において抵抗に
よるジュール熱の発生しない液体窒素中（約７７Ｋの温
度）で、１μΩの接続抵抗が金属端子と超電導体との間
に発生するとすると、１ｋＡの通電時には、１Ｗのジュ
ール熱が発生することになる。このような熱の発生下で
は、低損失という特性を損なうばかりか、発熱により超
電導体を溶断させてしまうおそれもある。

【０００５】酸化物超電導体と金属端子とを接合する方
法として、酸化物超電導体上にＰＶＤまたはＣＶＤによ
り銀または銀合金をメタライズし、その上にＰｂ−Ｓｎ
の共晶ハンダを用いて金属端子をハンダ付けすることが
考えられる。また、酸化物超電導体と銀または銀合金と
を機械的に複合化し、加工後に、銀または銀合金上にＰ
ｂ−Ｓｎの共晶ハンダを用いて金属端子をハンダ付けす
る方法も考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、本発明者の
実験によれば、銀は溶融したＰｂ−Ｓｎ合金ハンダに溶
解しやすく、特に高温、長時間の浸漬時には、かなりの
銀が溶解し、消失することがわかった。このように酸化
物超電導体を覆う銀が損失すると、金属端子が銀を介し
て酸化物超電導体と接続される部分において、接触抵抗
が増大し、通電時に大量の発熱が生じ、その結果、酸化
物超電導体が溶断するおそれもあった。

【０００７】銀で覆われた大電流容量の酸化物超電導体
をハンダ付けで金属端子に接続する場合、ハンダと銀被
覆およびハンダと金属端子との濡れ性を確認しながら慎
重に行なう必要があるため、どうしてもある程度の作業
時間が必要であり、したがって、溶融ハンダに銀被覆材
料を浸漬する時間は長くなってしまう。

【０００８】また一方で、より低温においてハンダ付け
ができるよう、ＩｎまたはＢｉを含む低融点ハンダを採
用することも考えられる。しかし、これらの低融点ハン
ダは、一般に用いられているＰｂ−Ｓｎハンダに比べて
低温での比抵抗が大きく、また、銀や金属との濡れ性が
悪い。このため、低融点ハンダを用いると、接触抵抗に
ばらつきが生じ、安定して電気的に良好な接続を得るこ
とが困難である。

【０００９】本発明の目的の１つは、上述した問題点を
解決し、酸化物超電導体と金属端子とを低い接触抵抗で
電気的に接続する技術を提供することである。

【００１０】本発明のさらなる目的は、酸化物超電導体
と金属端子とを容易にかつ機械的に強く接合できる技術
を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、酸化物超電導
体と金属からなる端子とを電気的および機械的に接続す
る接合部を提供するものであり、この接合部は、酸化物
超電導体と、酸化物超電導体に密着しかつ銀または銀合
金からなる被覆層と、被覆層に密着しかつＰｂ−Ｓｎ−
Ｓｂ−Ａｇ合金からなるハンダ付け層と、ハンダ付け層
に密着する端子とを備える。

【００１２】さらに本発明は、酸化物超電導体と金属か
らなる端子とを電気的および機械的に接続する接合部を
形成する方法を提供し、この方法は、銀または銀合金か
らなる層で覆われた酸化物超電導体を準備する工程と、
銀または銀合金からなる層にＰｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合
金からなるハンダを用いて端子をハンダ付けする工程と
を備える。

【００１３】

【発明の実施の形態】上述した課題を解決するため、拡
散反応により銀がハンダ中に溶解していく現象、いわゆ
る銀食われ現象を起こさないＰｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合
金をハンダとして使用した。この合金をハンダとして使
用することで、酸化物超電導体にコーティングした銀が
消失するという問題点は解決された。また、４．２〜７
７Ｋという低温において、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合金
ハンダは、一般に使用されるＰｂ−Ｓｎ合金ハンダと同
等またはそれ以下の比抵抗を有するため、接合部におけ
る接触抵抗に悪影響を与えることがなかった。

【００１４】本発明において用いられるハンダは、６
１．５〜３０重量％好ましくは４６．５〜３８．５重量
％のＰｂ、３５〜６０重量％好ましくは５０〜５７重量
％のＳｎ、３〜８重量％好ましくは３〜３．５重量％の
Ｓｂおよび０．５〜２重量％好ましくは０．５〜１重量
％のＡｇからなるＰｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合金とするこ
とができる。Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合金について、こ
の組成範囲は好ましく本発明を実施し得る範囲である。
本合金は、Ｐｂを基とする。Ｓｎは、ハンダ付けをよく
するため添加される。その添加量は、ハンダ付けを向上
させるため３５重量％以上が好ましい。また、Ｓｎを過
度に添加すると、ハンダの銀食われ防止能を維持するた
めＡｇをより多く添加する必要がある。Ａｇの含量が高
くなるとハンダの融点が上がる。銀食われ防止能を維持
しつつ比較的低い融点を維持するには、Ｓｎの含量を６
０重量％までとすることが望ましい。Ｓｂは、熱処理後
の接着強度の低下を防止するため添加される。またＳｂ
はＡｇの添加による融点上昇を抑制する。このような効
果をもたらすため、Ｓｂの添加量は３重量％以上が好ま
しい。一方、Ｓｂの添加量が高くなりすぎると融点がか
えって上昇し、ハンダ付けが悪くなるため、その添加量
は８重量％以下が好ましい。Ａｇは、銀食われ現象を防
止するため添加される。この防止効果を顕著なものとす
るため、添加量は０．５重量％以上が好ましい。一方、
銀の添加量が高くなると融点が上昇するため、その添加
量は２重量％以下とすることが好ましい。以上に示す組
成の合金は、約２００℃〜約２３０℃の液相線温度を示
し得る。

【００１５】本発明において酸化物超電導体には、イッ
トリウム系酸化物超電導体、ビスマス系酸化物超電導
体、タリウム系酸化物超電導体などの種々の酸化物超電
導体が用いられる。用いられる酸化物超電導体の形状
は、特に限定されるものではなく、バルク、線材、フィ
ルム等、種々の形態の酸化物超電導体について本発明が
適用される。

【００１６】本発明において酸化物超電導体は銀または
銀合金で被覆される。被覆層は、たとえばスパッタリン
グ、イオンプレーティング等により形成できる。酸化物
超電導体の表面に銀または銀合金からなるメタライズ層
を形成する場合、その厚みは特に限定されることはない
が、たとえば０．０１〜２０μｍとすることができる。
メタライズ層の顕著な効果を得るため、その厚みは０．
０１μｍ以上が好ましい。またその効果は、２０μｍ程
度で飽和に達すると考えられる。

【００１７】一方、本発明は、酸化物超電導体と銀また
は銀合金からなる安定化材とを複合した材料、たとえば
線材の接合に適用される。このような複合材料には、酸
化物超電導体の原料粉末を銀または銀合金からなるチュ
ーブに充填し、これに塑性加工および熱処理を施すプロ
セス（いわゆるパウダー・イン・チューブ法）によって
得られる線材、銀または銀合金の基材上に蒸着やゾルゲ
ル法などによって酸化物超電導材料を堆積させた線材や
素子などが含まれる。この場合、銀または銀合金の被覆
は、上述したメタライズ層の場合よりも一般的により厚
い。

【００１８】本発明において酸化物超電導体の被覆に用
いられる銀合金には、たとえば、Ａｇ−Ｍｎ、Ａｇ−Ａ
ｕ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｍｇなどを挙げることができる
が、これらに限定されるものではない。

【００１９】本発明では、銀または銀合金からなる被覆
上にＰｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇのハンダを用いて金属端子
をろう付けする。このハンダを用いることにより、被覆
における銀のハンダへの溶解は抑制され、ろう付けによ
る固定は容易に達成される。ろう付け温度は、たとえば
２００℃〜２３０℃とすることができる。用いられる金
属端子の材質は、特に制限されるものではないが、たと
えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、
貴金属、貴金属合金などがある。

【００２０】

【実施例】Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＳｒＣＯ₃ 、ＣａＣＯ₃ および
ＣｕＯの粉末を、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：
１：２となるよう混合し、仮焼結と粉砕を繰返し、ビス
マス系２２１２相の組成からなる粉末を調整した。次
に、得られた粉末を静水圧プレスにより成形し、得られ
た成形体を加熱し、焼結体を得た。得られた焼結体に、
通常のレーザペデスタル法に従ってＣＯ₂ レーザビーム
を照射し、溶融させた部分から、ビスマス系酸化物超電
導体の多結晶を成長させた。その後、得られた多結晶を
大気中でアニールしてビスマス系２２１２相酸化物超電
導体のバルク材を調製した。

【００２１】得られた酸化物超電導体の両端部に、銀を
スパッタリング法によってメタライズした。次に、メタ
ライズした部分に、円筒状の銅電極をハンダ付けした。
ハンダには、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合金および一般的
なＰｂ−Ｓｎ共晶合金をそれぞれ用いた。Ｐｂ−Ｓｎ−
Ｓｂ−Ａｇ合金の組成は、Ｓｎ５３重量％、Ｓｂ３重量
％、Ａｇ１重量％、Ｐｂ残部であった。ハンダ付けは、
下に示す表１の液相線温度（合金の融点に相当する）か
ら２２０℃の間の温度にて行なった。

【００２２】図１は、円筒状の酸化物超電導体１の両端
に円筒状の銅電極２ａおよび２ｂが接合された様子を示
している。図２は、銅電極と酸化物超電導体との接合部
を拡大した（ａ）Ｘ−Ｘ′断面図および（ｂ）Ｙ−Ｙ′
部分断面図である。酸化物超電導体１の周囲には、銀か
らなるメタライズ層３が形成され、その周りにはハンダ
付け層４が形成されている。銅電極２ａは、メタライズ
層３およびハンダ付け層４を介して酸化物超電導体１に
接合されている。酸化物超電導体１は、銅電極２ａに電
気的に接続され、かつ機械的に接続固定されている。

【００２３】温度約７７Ｋの液体窒素中で、ハンダ付け
を行なった接合部の接触抵抗を測定した。接触抵抗は、
図１に示すように、電圧端子を銅電極および酸化物超電
導体からそれぞれ取り、電流−電圧特性から求めた。ま
た接触抵抗を測定した後、ハンダを溶融させて銅電極を
外し、酸化物超電導体表面からの銀の消失の有無を確認
した。銀が消失した部分はハンダがついていなかった。
以上の実験結果を表１に示す。表に示すように、本発明
に従えば、酸化物超電導体上に形成された銀のメタライ
ズ層を消失させることなく、接触抵抗の低い接合を行な
うことができる。

【００２４】

【表１】

【００２５】次に、接触抵抗に寄与するハンダの比抵抗
について測定を行なった。測定は、超電導体が使用され
る代表的な液体ヘリウム温度４．２Ｋおよび液体窒素温
度７７Ｋにて、４端子法により行なった。上述したそれ
ぞれのハンダについて測定を行なった結果を表２に示
す。いずれの温度でも、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合金の
比抵抗はＰｂ−Ｓｎ共晶ハンダ合金より低かった。

【００２６】

【表２】

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
酸化物超電導体と金属端子とを低い接触抵抗で電気的に
接続することができる。また本発明は、酸化物超電導体
と金属端子とを容易にかつ機械的に強く接合する技術を
提供する。このことより、本発明は、電力ケーブル、マ
グネット、超電導素子など、酸化物超電導体が有効利用
される分野において有用なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸化物超電導体のバルク材に円筒状電極を接合
した状態を示す平面図である。

【図２】図１に示す接合部分を拡大した（ａ）Ｘ−Ｘ′
断面図および（ｂ）Ｙ−Ｙ′部分断面図である。

【符号の説明】

１ 酸化物超電導体 ２ａ、２ｂ 銅電極 ３ メタライズ層 ４ ハンダ付け層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化物超電導体と金属からなる端子とを
   電気的および機械的に接続する接合部であって、 前記酸化物超電導体と、 前記酸化物超電導体に密着し、かつ銀または銀合金から
   なる被覆層と、 前記被覆層に密着し、かつＰｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ合金
   からなるハンダ付け層と、 前記ハンダ付け層に密着する前記端子とを備える、酸化
   物超電導体と金属端子との接合部。
2. 【請求項２】 酸化物超電導体と金属からなる端子とを
   電気的および機械的に接続する接合部を形成する方法で
   あって、 銀または銀合金からなる層で覆われた酸化物超電導体を
   準備する工程と、 前記銀または銀合金からなる層にＰｂ−Ｓｎ−Ｓｂ−Ａ
   ｇ合金からなるハンダを用いて前記端子をハンダ付けす
   る工程とを備える、酸化物超電導体と金属端子との接合
   部の形成方法。