CN101433126A - 用于陶瓷加热器的功率端子及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷加热器(10)，该陶瓷加热器包括用于将电阻加热元件(14)连接到电源的功率端子(16)。中间层(30)位于接近电阻加热元件(14)的AlN陶瓷基体(12)上。功率端子通过活性钎料被结合到中间层。中间层由Mo/AlN或W/AlN制成，并且热膨胀系数介于活性钎料的热膨胀系数和AlN陶瓷基体的热膨胀系数之间，因此可以减少在陶瓷基体中产生的热应力。

Description

用于陶瓷加热器的功率端子及其制作方法
技术领域
本公开大体涉及陶瓷加热器，尤其涉及用于陶瓷加热器的功率端子以及将该功率端子固定到陶瓷加热器的方法。
背景技术
本节的陈述仅仅提供与本公开相关的背景信息，且不构成现有技术。
典型的陶瓷加热器大体包括陶瓷基体和电阻加热元件，该电阻加热元件被嵌入陶瓷基体或被固定到陶瓷基体的外表面上。由于陶瓷材料具有优良的热传导性，因此由电阻加热元件产生的热量可以被快速传递到靠近陶瓷基体设置的目标对象。
但是，因为陶瓷材料和金属材料的可润湿性不好，陶瓷材料很难与金属材料相结合。另外，陶瓷材料和金属材料之间的热膨胀系数的差异很大，因此陶瓷材料和金属材料之间的结合很难维持。
按照惯例，用以下两种方法之一将功率端子连接到陶瓷基体。第一种方法是：将金属箔钎焊到电阻加热元件的一部分上，从而形成端子垫，然后再将功率端子钎焊到金属箔上。金属箔和功率端子被钎焊到陶瓷基体的非加热区，从而避免使用过程中在高温时产生热应力。但是，在包括陶瓷加热器的诸多领域的紧凑型设计的趋势下，仅仅为了保证功率端子的安全创造非加热区并不实用和经济。
第二种方法是：在陶瓷基体上钻孔，以将电阻加热元件的一部分暴露出来，并且把功率端子放入该孔内，然后在孔中填充活性钎焊合金，从而把功率端子固定到电阻加热元件和陶瓷基体。与第一种方法不同的是：第二种方法将功率端子固定到陶瓷基体的加热区。陶瓷材料、活性钎焊合金和金属材料之间不兼容的热膨胀使得陶瓷基体和活性钎焊合金之间的界面在高温时产生热应力，从而在陶瓷基体接近孔的位置产生裂纹。
公开内容
本公开的一种形式是，提供了一种陶瓷加热器，该加热器包括陶瓷基体、附连到陶瓷基体上的电阻加热元件、适合将电阻加热元件电连接到电源的端子以及设于端子和陶瓷基体之间的中间层。中间层选自由钼/氮化铝(Mo/AlN)和钨/氮化铝(W/AlN)构成的组。
另一种形式的陶瓷加热器包括：包括凹槽的陶瓷基体、嵌入陶瓷基体的电阻加热元件、以及用于将电阻加热元件连接到电源的端子。凹槽包括内表面，以暴露电阻加热元件的一部分。中间层布置在内表面上和所述电阻加热元件的一部分上。活性钎料设于中间层和端子之间，用于将端子结合到中间层上。中间层选自由钼/氮化铝(Mo/AlN)和钨/氮化铝(W/AlN)构成的组。
在另一种形式中，提供了一种连接结构，该连接结构包括陶瓷基体、金属元件、以及设于金属元件和陶瓷基体之间的中间层，该中间层用于将金属元件连接到陶瓷基体。中间层选自由钼/氮化铝(Mo/AlN)和钨/氮化铝(W/AlN)构成的组。
在另一种形式中，提供了一种将端子固定到陶瓷加热器上的方法，其中陶瓷加热器包括陶瓷基体和电阻加热元件。该方法包括：暴露电阻加热元件的一部分；将中间层施加到所述电阻加热元件的一部分和接近所述电阻加热元件一部分的陶瓷基体这二者的至少之一上；将端子结合到中间层。中间层选自由Mo/AlN和W/AlN构成的组。
在另一种形式中，提供了一种将端子固定到包括陶瓷基体和电阻加热元件的陶瓷加热器上的方法。该方法包括：在陶瓷基体中形成凹槽，从而将电阻加热元件的一部分暴露出来，该凹槽限定了内表面；将中间层以膏的形式形成在内表面和所述电阻加热元件的一部分上，该中间层选自由Mo/AlN和W/AlN构成的组；烧结中间层、电阻加热元件以及陶瓷基体；调整中间层的尺寸以便接收端子；将活性钎料施加于中间层；将端子放入凹槽；在真空中加热活性钎料，从而将端子结合到中间层。
根据以下说明可清楚本公开的其它应用领域。应理解的是，这里的说明和特定例子仅是用于例举，并不是为了限制本公开的范围。
附图说明
文中的附图仅是用于例举，绝不是为了限制本公开的范围。
图1是依据本公开教导构造的陶瓷加热器和一对功率端子的透视图；
图2是依据本公开教导的图1中的陶瓷加热器和功率端子的分解透视图；
图3是依据本公开教导的沿图1中线3-3截取的陶瓷加热器和功率端子的截面视图；
图4是图3中局部A的放大图，该图显示了依据本公开教导在其中一个功率端子和陶瓷加热器之间的结合；
图5是与图4类似的放大图，该图显示了在功率端子和陶瓷加热器之间的一种可替代的结合；并且
图6是一个流程图，用于显示依据本公开教导将功率端子固定到陶瓷加热器的方法。
在所有附图中，相应的附图标记表示相应部分。
具体实施方式
下面的描述仅是作为示例，并不用于限制本公开、申请或用途。应理解的是，所有附图的相应附图标记都表示相似或相应的部分或特征。
参见图1，该图举例说明了依据本公开教导构造的陶瓷加热器，并且该陶瓷加热器大体上用附图标记10表示。陶瓷加热器10包括陶瓷基体12、嵌入陶瓷基体12的电阻加热元件14(虚线显示)、以及一对功率端子16。电阻加热元件14终止于两个端子垫18(虚线显示)处，功率端子16被附连至端子垫18，用于通过导线20将电阻加热元件14连接到电源(未显示)。陶瓷基体12优选由氮化铝(AlN)制造。电阻加热元件14可以是本领域任意已知类型，例如电阻线圈或电阻薄膜等。
与电阻加热元件14的其它部分相比，端子垫18优选具有扩大的面积，以便于功率端子16和电阻加热元件14之间的连接。可替代的是，端子垫18采用与电阻加热元件14不同的材料形成，和/或采用与成形电阻加热元件14的方法不同的方法制成。可替代地，端子垫18由电阻加热元件14的两个相反端19形成，因此端子垫与由电阻加热元件14限定的电阻电路21(例如图示的蛇形图案)具有相同的材料和宽度。
参见图2和图3，陶瓷基体12限定了一对从端子垫18延伸到陶瓷基体12的外表面24的凹槽22。所述一对功率端子16布置在凹槽22内。
如图4更清楚的图示，凹槽22包括侧面26和底面28。图4所示的端子垫18限定了底面28。但是，当凹槽22制造得比端子垫18更大时，底面28可由端子垫18和陶瓷基体12共同限定。侧面26和底面28由中间层30覆盖，其中中间层可由钼/氮化铝(Mo/AlN)或钨/氮化铝(W/AlN)构成。
位于中间层30和功率端子16之间的是用于将功率端子16结合到中间层30的活性钎料32。活性钎料32优选为活性钎焊合金。优选的活性钎焊合金包括Ticusil
Figure A200780015750D0008133101QIETU
(Ag-Cu-Ti合金)、Au-Ti合金、Au-Ni-Ti合金、以及Silver ABA
Figure A200780015750D0008133101QIETU
(Ag-Ti合金)。
如图4所示，中间层30覆盖了凹槽22的整个内表面，包括凹槽22的侧面26和底面28。可替代的是，当底面28基本上由端子垫18所限定时，中间层30可以只设置在侧面26上，这是由于活性钎料32和端子垫18之间的连接不会产生问题，而如果活性钎料32与陶瓷基体12接触，则会产生问题。
由Mo/AlN或W/AlN制成的中间层30的热膨胀系数介于陶瓷基体12的热膨胀系数和活性钎料32的热膨胀系数之间。因此，就能减小高温时在陶瓷基体12和活性钎料32之间的界面处产生的热应力。而且，中间层30比AlN的陶瓷基体12具有更高的机械强度和断裂韧性。因此，中间层30能吸收更多的热应力并防止在AlN的陶瓷基体12中产生裂纹。
中间层30可以形成为具有可变的Mo或W的浓度，以适应AlN陶瓷基体12和活性钎料32的成分以及陶瓷加热器10的工作温度范围。例如，AlN陶瓷基体12大体具有约368.6±61.5MPa的挠曲强度，以及约2.9±0.2MPa·m1/2的断裂韧性。Mo体积百分比为25％的Mo/AlN层的中间层30大体具有约412.0±68.8MPa的挠曲强度，以及约4.4±0.1MPa·m1/2的断裂韧性。Mo体积百分比为45％的Mo/AlN层的中间层30具有约561.3±25.6MPa的挠曲强度，以及约7.6±0.1MPa·m1/2的断裂韧性。
功率端子16优选采用如图所示的销的形式，但是，也可以采用其它的几何形状，并且仍然属于本公开的范围内。普通使用的功率端子是由Co-Fe-Ni合金制成的Kovar
Figure A200780015750D0008133101QIETU
销。制作功率端子16的其它优选材料包括镍、不锈钢、钼、钨和它们的合金。当功率端子16由除了Ni以外的材料制作时，优选在功率端子16上覆盖Ni镀层34，用于保护端子16在高温时不被氧化。
参见图5，该图显示了陶瓷加热器10’，该陶瓷加热器的功率端子16’和陶瓷基体12’之间具有替代的结合方式。在下面的描述中，相似的附图标记用于指图1到图4中的相似元件。
如图所示，电阻加热元件14’和从电阻加热元件14’延伸的端子垫18’位于陶瓷基体12’的外表面24’上。端子垫18’和靠近端子垫18’的陶瓷基体12’被中间层30’覆盖。中间层30’包括Mo/AlN合金或W/AlN合金，或者两者都包括。在中间层30’上施加活性钎料32’，用于将功率端子16’连接到中间层30’。功率端子16’优选由镍镀层34’覆盖，从而避免高温时氧化。此外，由于中间层30’的热膨胀系数介于活性钎料32’的热膨胀系数和陶瓷基体12’的热膨胀系数之间，因此可减小高温时在陶瓷基体12’中产生的热应力，并因此减少了在陶瓷基体12’中生成的裂纹。
现在参见图6，该图描述了依据本公开的教导将功率端子16固定到陶瓷基体12的方法。应理解的是，可改变或变更图中所示和描述的步骤顺序，但依然属于本发明的范围，因此，这些步骤仅仅是本公开的一种形式的示范。
首先，将电阻加热元件14嵌入由AlN基质构成的生坯形式的陶瓷基体12内。陶瓷基体12可以通过粉末压制或带坯成形(green tapeforming)、注浆成形及其它方法成形。电阻加热元件14由任意传统方法制成，例如丝网印刷法、直写法等。
接下来，优选将陶瓷基体12钻出两个凹槽22，从而将电阻加热元件14的一部分暴露出来，特别是将端子垫18暴露出来。凹槽22比将要插入的功率端子16的外径略大。
然后，将膏形式的Mo/AlN或W/AlN施加到凹槽22里。为了提高结合和保护，按照前面的说明和图示将Mo/AlN或W/AlN施加在凹槽的侧壁26和底壁28。接下来，将带有Mo/AlN或W/AlN膏的陶瓷基体12放入烘箱(未显示)，加热以除掉Mo/AlN或W/AlN膏内的溶剂，从而形成中间层30。
然后，在约1700℃到1950℃的温度下将陶瓷基体12和中间层30烧结约0.5到10个小时，以使陶瓷基体12内的电阻加热元件14和凹槽22内的中间层30被固化，因此获得烧结的陶瓷基体12。
烧结工艺完成后，优选用金刚石钻头修平凹槽22，以去除烧结工艺过程中成形于中间层30上的表面多孔层(未显示)，从而暴露致密的Mo/AlN或W/AlN。
接下来，将膏形式的活性钎料32施加到中间层30，并且把功率端子16插入凹槽22，这样功率端子就被活性钎料32包围。在插入功率端子16之前，优选用无电极电镀在功率端子16上镀上Ni层以保护功率端子16。
当功率端子16定位后，将膏形式的活性钎料32在室温或高温下干燥一段时间，该时间须足以蒸发掉溶剂。膏被干燥后，将带有功率端子16的陶瓷加热器10放入真空室。在5×10-6托的压力下将整个组件加热到950℃，持续约5到60分钟，以完成钎焊过程。接下来，将真空室冷却到室温，这样就完成了将功率端子16固定到陶瓷加热器10的过程。
依据本公开，功率端子16通过中间层30被结合到端子垫18以及接近端子垫18的陶瓷基体12上。因为中间层30的热膨胀系数介于AlN陶瓷基体的热膨胀系数和活性钎料32的热膨胀系数之间，因此可减小高温时产生于陶瓷基体12中的热应力，并因此而减少了在接近凹槽22的陶瓷基体12中生成裂纹。
本发明的说明仅作为示例，因此，不背离本发明要点的变化均属于本发明的范围。这些变化不应被视为背离本发明的精神和范围。

Claims (22)

1、一种陶瓷加热器，该陶瓷加热器包括：
陶瓷基体；
附连到陶瓷基体上的电阻加热元件；
适于将电阻加热元件电连接到电源的端子；以及
位于端子和陶瓷基体之间的中间层，中间层选自于由钼/氮化铝(Mo/AlN)和钨/氮化铝(W/AlN)构成的组。
2、根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，陶瓷基体限定有凹槽，并且端子的一部分位于该凹槽内。
3、根据权利要求2所述的陶瓷加热器，其中，中间层位于凹槽内。
4、根据权利要求1所述的陶瓷加热器，该陶瓷加热器还包括位于端子和中间层之间用于将端子结合到中间层上的活性钎料。
5、根据权利要求4所述的陶瓷加热器，其中，活性钎料选自于由Au-Ti合金、Au-Ni-Ti合金、Ag-Cu-Ti合金以及Ag-Ti合金构成的组。
6、根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，端子是销，该销是由选自由Co-Fe-Ni合金、镍、不锈钢、钼和钨构成的组的材料制作的。
7、根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，端子包括镍镀层。
8、根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，陶瓷基体由氮化铝(AlN)制作。
9、一种陶瓷加热器，该陶瓷加热器包括：
包括凹槽的陶瓷基体，凹槽包括内表面；
嵌入陶瓷基体内的电阻加热元件，电阻加热元件的一部分暴露于凹槽；
将电阻加热元件连接到电源的端子；
位于所述内表面和所述一部分电阻加热元件上的中间层，中间层选自于由钼/氮化铝(Mo/AlN)和钨/氮化铝(W/AlN)构成的组；以及
位于中间层和端子之间用于将端子结合到中间层上的活性钎料。
10、一种连接结构，包括：
陶瓷基体；
金属元件；以及
位于金属元件和陶瓷基体之间用于将金属元件连接到陶瓷基体上的中间层，中间层选自于由钼/氮化铝(Mo/AlN)和钨/氮化铝(W/AlN)构成的组。
11、根据权利要求10所述的连接结构，该连接结构还包括位于金属元件和中间层之间用于将金属元件结合到中间层上的活性钎料。
12、一种将端子固定到陶瓷加热器上的方法，陶瓷加热器包括陶瓷基体和电阻加热元件，该方法包括：
暴露电阻加热元件的一部分；
在电阻加热元件的所述一部分和接近电阻加热元件所述一部分的陶瓷基体这二者的至少之一上形成中间层，中间层选自于由Mo/AlN和W/AlN构成的组；以及
将端子结合到中间层。
13、根据权利要求12所述的方法，其中，暴露电阻加热元件的一部分的步骤包括在陶瓷基体中形成凹槽。
14、根据权利要求13所述的方法，其中，凹槽限定了内表面，并且施加中间层的步骤包括在该内表面上形成中间层。
15、根据权利要求13所述的方法，其中，施加中间层的步骤包括以选自于由膏、粉末和带构成的组的形式施加Mo/AlN或W/AlN。
16、根据权利要求12所述的方法，该方法还包括烧结中间层、电阻加热元件和陶瓷基体。
17、根据权利要求16所述的方法，其中，烧结步骤在约1700℃到约1950℃的温度下进行约0.5到10个小时。
18、根据权利要求12所述的方法，该方法还包括机加工中间层，以使其尺寸适合端子的尺寸。
19、根据权利要求12所述的方法，其中，将端子结合到中间层的步骤包括在中间层和端子之间施加活性钎料。
20、根据权利要求19所述的方法，该方法还包括将活性钎料加热到约950℃到约1100℃的温度，并维持该温度约5到约60分钟。
21、根据权利要求12所述的方法，该方法还包括在端子上施加镍镀层。
22、一种将端子固定到陶瓷加热器上的方法，该陶瓷加热器包括陶瓷基体和电阻加热元件，该方法包括：
在陶瓷基体中形成凹槽，以将电阻加热元件的一部分暴露，该凹槽限定了内表面；
在所述内表面和所述一部分电阻加热元件上形成膏形式的中间层，中间层选自于由Mo/AlN和W/AlN构成的组；
烧结中间层、电阻加热元件和陶瓷基体；
调整中间层，以使其尺寸可接收端子；
在中间层上施加活性钎料；
将端子放置到凹槽内；以及
在真空中加热活性钎料，从而将端子结合到中间层。
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