無電解金属皮膜抵抗体の短時間過負荷特性の改善

青木博夫 樋浦正

1 . ま え が き

無電解めっき法によれば,従来か らの真空蒸着法に比 べ て,未調整抵抗値 1 0 ks l以上で かつ小さな温度係数 ( 以下 TCR と略記)を有する金属皮膜抵抗体が容易に作製やきる ( I ) ̲

しか しなが ら,定格の 2 . 5 倍電圧を 5 秒間印加後の抵抗値変化率で 表 わ す 短時間過負荷特性 ( 以下 STOL と略記)は, 目標値の ±0 . 2 5 % 以内( 2 ) におさまらないことが判明した.そこで 筆者 らは,パルスエージングを施す ことにより ,STOL の改善を試みた ところ印加電圧 と時 間の組み合わせにより ,STOL をほぼ 0にすることができたので ここに報告する.

2 . 試 料

直径 1 . 7 mm ,長 さ 5 . 5 mm の表面未研磨の 1 / 4 W型のムライ ト磁器円筒を抵抗基体 として 用いた.これに超音波洗浄を行った後,塩化第 1 スズによる感受性化,塩化パラジウムに よ る活性化の前処理を施 した.次にこれを,めっき浴に浸潰するわけであるが,今回はその前 段にめっき浴 と同温度の純水に3 分間投法する工程を挿入 した.その目的は,各基体の表面 温度分布のバラツキを少なくし,全表面にわたってめっき開始の時間をそろえるためである｡

本処理は,めっき膜厚の均一化および抵抗体間の抵抗値の. ミラツキの減少に効果があること が予想される. この処理の後に,裏面温度が低下 しな い よ う直ちに Ni ･ P めっき浴 ( 浴量 3 0 0 m l ,浴温 5 0o C) 中基体 1 0 0 本を 5 0 秒間浸漬 し皮膜形成を行った.次に両端にスズめっき 鉄製キャップを圧入 し ,2 5 0o C,2 時間の熱処理を施 した.熱処理後 の抵抗値が 1 2 ‑1 3 ks と のものを以下の実険の試料 として用いた.なお工程ブロック図を図 1 に示す.

3 . 実 験 方 法

パルス電圧印加装置のブロック図 と信号のタ イ ミソグチャー トを図 2 および図 3 に示す.普 ず 1 0 進 2 桁のディジタルスイッチに,パルス時 間の倍数を設定する.つぎにスター トスイッチ を押す ことによりスター ト信号が発生 し, これ をモノステ‑プルマルチバイブレータにより立 ち上 り微分を取 る. これがダウンカウソタのロ ー ド信号 とな り,ディジタルスイッチの値をロ

図1 めっき工程ブロック図

* 電気工学科 講師

** 電気工学科 教授

原稿受付 昭和 61 年 9 月 2 9 日

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‑ ドす る･ この ロ｢ ド信号の立 ち上が りを再びモ/ステープルマルチノ ｡ くィプ レー烈 こ導 きセ ット信号 とする. このセ■ ッ ト信号によ り RSFF をセ ッ トし,その 〟 1 " 出力によりカウソタ に入力するクロック信号のゲー トを開 く. クT Zック信号は外部の発振器か ら供給 され, この 時点か らカウンタが 0になるまで, ダウンカウン トを続ける. カウンタが Oになると,ボ ロ ー信号が出力されるが, これを用いて ,RSFF の リセ ッ ト信号 としクロック信号のゲー トを 閉 じる. したが って, カウン ト開始か ら終了までの時間巾のパルスを 1 個出力す ることにな り,パルス時間は発振器の信号の周期 とデ ィジタルスイ ッチの値 との積で決定される. この 単一パルスは, フォ トカプラーに より,次段の高圧部 とは絶縁 され増巾部に導かれる.増 巾 された . i . ) レスは,高耐圧 トラソジスタを駆動 し,高圧直流電源か らの電流をス ^イ ッチ ングし てパルス電圧を負荷に供給す ることになる.

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図2 J ミ ルス電圧印加装置ブロック図 図 3 タイミングチャー ト

ここでパルス印加時間は,1 ,1 0 ,l o o ms ,1 ,5 Sの 5 段階 とし, また印加電圧の倍数は定 格に対 して 3,4 . 5 ,6 の 3 段階 とした. ここで定格電圧 E は,定格電力を P,抵抗値を R と すれば次式 のとお りとなる.

E‑ ノ 戸 豆 ( ただ し p‑0 . 2 5 W)

次に短時間過負荷特性の改l l 定法を述べる.まず直流抵抗をディジタルメータに よ. り測定す る.つぎに上式 で求めた定格電圧の 2 . 5 倍を以下の条件の下で 5 秒間印加す る.

( a) 抵抗体は,あ らゆる物体か ら,下方 2 インチ,上方お よび左右 3 インチ以上離 して水 平に保持す る.

( b ) 抵抗体の発熱によって起 こされ る対流以外の空気の動 きはあってはいけない.その後 3 0 士1 . 5分以内に,再び抵抗値を測定 し,電圧印加前の抵抗値を基準 として,抵抗値変化 率をアミ‑セソ t や 単位 として求める･最後に試験後の抵抗体に, アーク,焼け焦げなど の異状がないか どうか調べる.

' ーなお,以下の図中のプロットは 5 本づつの測定データの平均値を示す.

4 . 結果お よび検討

図 4にパルス印加による抵抗値変化率を示す.図 より変化率はすべて負であ り, しか も, 印加電圧が大 きくなるほ ど,お よび印加時間が長 くなるほどその値は大 きくなることがわか る.電圧印加に より抵抗値が減少す る原田 として,次の 2 つが考 えられる.

( 1 ) ジュール熱に よる結晶化の進行 :無電解 Ni ‑ P め っき膜の組織は,熱処理前の状態で は非晶質であ り,熱処理を施す ことにより結晶化を進行 させ ることがで きる. しか し完 全に結晶化を終了させ るには ,50 0o C の高温熱処理を必要 とす る ( 3 ) . 我 々の熱処理は.

TCR な どの特性上の観点か ら 2 5 0o C で行 ったわけであるが,定格以上 の電圧印加によ るジュール熱 ( V 2 /R ･t ) に より皮膜が熱処理温度以上にな り,抵抗値が減少す るもの と考え られる. この影響は,特に国中で 4 . 5 倍 , 6 倍電圧 印加に お いて抵抗値が急激に 減少 している領域に現われている.なおこの影響は,抵抗膜厚が不均一になるほ ど強 く

0 1 2 3 4 .5 6 1 l ] l I ( (.( ,) 山 9 N V U U U N V B

S U 仁

1 6 3 1 0 ‑ 2 1 0 ‑ 1 1 5 TI ME( S) 図4 パルス印加による抵抗値変化率

ResT st ance Low ugh Low

Thi ck Thi n T hi ck FHm Th; ckness 図5 薄膜の等価回路

cont actp oi nt s

図6 無電解めっきの成長

一現われ ると考えられる.図 5 の等価回路に示す ごとく,皮膜が厚い部分は抵抗が低 く, 逆に薄い部分は高 くなる. このため電力消費は,高抵抗部分にかた より比較的低い電圧 で も皮膜温度を局部的に上昇させ抵抗値を減少 させ る.

( 2 ) 電界による組織粒の連結 :無電解めっきの成長は,図 6 に示す ように基体上の触媒点

を核 として,その上に同心半球状に成長 しさらに,析出 した Ni が新たなめ っき中心 と

な り,堆積 してゆ くことが知 られて い る ( 4 ) . このことか らめっき膜の最上部では,完全

に接続 していない個所が存在 し, これが接触抵抗 として抵抗値の一部を占めると考 えら

れ る. これは,めっき膜厚が薄 くなる高低抗体になるほ ど影響が大 きくなる.そこで高

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電界を印加することにより皮膜の徽細組織の接触点が, コヒーラ破壊を起 こして連結す るため,抵抗値が減少す るものと考 えられる. この現象は,図中 1 0 ms 以下 のジュール 熱の影響の現われない窮域における抵抗値減少の原因 と推定 され る.

したがって全体の抵抗値変化率を △R/ R とす ると, これは原 田( 1 ) による変化率 △Rl / R と原因( 2 ) による変化率 △R2 / R の和 と考えられる. △R2 / R は l mS 程度ではば終了 してい ると考えられるので, △R/ R か ら △R2 / R ( l mS) を差 し引 くと, △Rl / R が求め られ る･そ の ようにして補正 した後,変化率が例えは ‑2% になる時間を求めると ,6 倍印加では 0 ･ 9 S 4 . 5 倍印加では 2 . 6 S となる.同一変化率において, ジュール熱は同一 と考えられるが,実 際にジュール熱 の比を求めてみると ( 4 . 5 ² ･2 . 6 ) /( 6 ² ･0 . 9 ) ‑ 1 . 6 と な り電圧が低い程,電力 量は大 きくなっている. これは電圧が低い程,同一抵抗値変化を起すには,電力の逆数比以 上 の長い時間電圧を印加す る必要があることを意味す る.

抵抗皮膜の負荷時の温度上昇は,通電に より発生 した熱量か ら,基体, リー ド線を通 して の熱伝導および表面か ら空気中‑の放散等を差 し引いた結果に関係す ることが予想される･

したがって低い電圧 の場合,発生 した熱に比べて発散す る熱の割合が大 きいため,温度上昇 に高電圧の場合に比べて,電力の逆数比以上の時間を要す るもの と考 えられ る.

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n op u t 主 es a mp L e: ‑ 0 . 7 2 ( . / . ) 1 6 3 1 62 1 0 ‑ 1 1 5

. T I M E( S) 図 7 パルス印加後の STOL 特性

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o xん5 0 ＼ i n op u t s es a mp t e: 6 2 ( p p ml . C) 1 6 3 1 6 2 1 6 1 1 5

TI ME( S) 図 8 パルス印加後の TCR 特性

図 7 にパルス電圧 印加後の試料の STOL 特性を示す.無印加のものは ‑0 . 7 2 % と負の大 きな値を示すが , パルス印加 の時間の増大 とともに 0に近づき, さらには正側に転ず るよう になる.そして 6 倍電圧印加のものは 1 0 0 mS で ,4 . 5 倍電圧印加のものは l Sで ピークに達 し,それ以上では STOL は減少する. しか しその最大値は +0 . 2 % 程度であ り,規格を十分 満足す る値である. また高電圧になる程 ,STOL が零の点は短時間側に移行 していることが わか る.

図 8 は,パルスエージングが TCR に与える影響を調べた ものである.なお TCR の算出

は次式による.

TCR ≡ Rt l ‑R t o

R t o ･( tl ‑ t O ) ^{×1 0 8 ( ppm/O c)( t は温度,Rは抵抗値)}

TCR は,無印加のものは 62 ppm/o C であるが,印加後の試料はほ とん どすべてこれを 下 まわ っている. しか し,図中印加時間および電圧による TCR の変化は顕著ではな く, こ の程度の変化は母集団のバ ラツキの範囲内であ り,その影響を判定することは困難である.

したがってパルス印加は,TCRに関 しては悪影響を与 えない と判断 してよい.

5 . あ と が き

1 0f nS以下で定格の 6 倍程度のパルス電圧を印加す ることに より ,STOL特性が改善 され ることがわかった.

STOL試験後の抵抗値の減少が,ジュール熱に よるものか,コヒーラ破壊に よ る も のか は,試料を絶縁性の冷却媒体中に浸漬 して試験を行えば, ジュール熱による影響は除去で き 両者の分離は より明確になると思われ る.

今後,STOL特性をさらに改善す るためには,めっき膜厚の均一化 とめっき成長粒 の微細 化が有効 と考えられ るので,その方法を開発す る必要がある. また,パル ス 電 圧 印加に よ

り ,STOL と相関が強い と思われる電流雑音減少の可能性について検討 して行 きたい.

参 考 文 献

( 1 ) 青木,樋浦 :無電解 Ni ･ Pめっき膜を用いた高抵抗体,電子通信学会論文 誌 ,J 6 7 ‑ C,No . l l , ( 1 9 8 4 )

( 2 ) MI L‑ R‑1 0 5 0 9 R

( 3 ) S.T.Pa i a ndJ .P.Ma r t o n:Anne a l i ngEf fec t sont heSt r uc t ur eand Re s i s t i vi t y of Ni ･ PFi l ms ,∫ .Appl .Phys . ,γol .4 3,No . 2 , ( 1 9 7 2 )

( 4 ) J .P.Ma r t o na ndM.Sc hl e s i nge r: Thenuc l e a t i on,gr o wt ha nds t r uc t ur eoft hi nNi ･ P

丘I ms ,∫.El e c t r o c he m.So c . ,1 1 5, 1 6 , ( J am1 9 6 8 )