CN2935695Y - 陶瓷加热器及采用它的加热用烙铁 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷加热器，具备：陶瓷体，具有内设的导体和与该导体导通的包覆层；借助钎焊料接合在所述包覆层上的引线部件，并且，所述钎焊料的覆盖所述引线部件的被覆区域设定为，从所述引线部件上的离所述包覆层最近的接近端到离所述包覆层最远的上端为止的距离的40～99％的范围内。由此，本实用新型能够提供一种即使在高温或振动或排气气氛等严酷条件下耐久性也优异的、对急速加热冷却具有高可靠性的陶瓷加热器。

Description

陶瓷加热器及采用它的加热用烙铁

技术领域

本发明涉及陶瓷加热器及采用它构成的加热用烙铁。

背景技术

以往，陶瓷加热器广泛作为半导体加热用加热器、锡焊烙铁、烫发烙铁、石油风扇加热器等石油气化器用热源等，或发光系统等中的发热源使用。此外，近年来，在空燃比检测传感器(氧传感器)加热用等，尤其是向车载用陶瓷加热器的用途增大。

在此种陶瓷加热器中，有平板状·圆柱状·圆筒状等种种形状，但都是例如通过在以氧化铝为主成分的陶瓷基体中，埋设由W、Re、Mo等高熔点金属构成的导体而构成。图11作为其一例，表示圆柱形状的陶瓷加热器。该陶瓷加热器由埋设导体的陶瓷体、设在其表面上的端子安装电极部106、利用钎焊料111接合在其表面上的引线部件110构成。该端子安装电极部106由包覆(metallized)层和Ni镀层构成，为向埋设的导体供给电力，使埋设的导体和包覆层连接(专利文献1)。

此外，近年来，为提高可靠性，还提出了具有如下特征的陶瓷加热器，即，钎焊料外缘的钎焊料端部的接线、和电极外缘的与钎焊料端点接触的点上的接线形成的角度在规定范围(专利文献2)。

专利文献1：特开平8-109063号公报

专利文献2：特开2000-286047号公报

但是，近年来，在需求增大的车载用陶瓷加热器中，由于处在高温或振动或废气气氛等严酷的使用环境下，因此要求可靠性，尤其是固定引线部件的接合部，要求高可靠性。

此外，最近，在采用陶瓷加热器构成的装置中，要求快速升温特性，要求如此快速升温的陶瓷加热器中，接合部的温度变化也激烈，对接合部要求高的可靠性。即，因将引线部件固定在端子取出电极部的钎焊料和陶瓷基体的热膨胀差，应力集中在该钎焊部，存在陶瓷加热器的耐久性降低的问题。

尤其例如如烫发器，在发热区域广、陶瓷加热器整体夹持在保持部件内的陶瓷加热器中，由于与加热同时，电极取出部被急速加热，因此耐久性的提高成为主要课题。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种即使在高温或振动或废气气氛等严酷条件下耐久性也优异的、对急速加热冷却具有高可靠性的陶瓷加热器。

本发明此外的目的在于提供一种具有高耐久性的加热烙铁。

为达到上述目的，本发明的第1陶瓷加热器，其特征是：具备：陶瓷体，具有内设的导体和与该导体导通的包覆层；借助钎焊料接合在所述包覆层上的引线部件，并且，所述钎焊料的覆盖所述引线部件的被覆区域设定为，从所述引线部件上的离所述包覆层最近的接近端到离所述包覆层最远的上端为止的距离的40～99％的范围内。

此外，本发明的第2陶瓷加热器，其特征是具备：陶瓷体，具有内设的导体和与该导体导通的包覆层；借助钎焊料接合在所述包覆层上的引线部件，并且，所述钎焊料含有2种以上的金属，该2种以上的金属在所述钎焊料中以可识别的状态分别存在。

另外，本发明中所谓可识别，是指2种以上的金属以不成为固容体的方式混入，例如，是指在通过用扫描型电子显微镜(SEM)观察反射电子像(BEI)时能够确认各金属像。观察时的倍率例如在50倍以上。

此外，本发明的加热用烙铁，其特征是：作为发热机构，采用本发明的第1或第2陶瓷加热器。

如上构成的本发明的第1陶瓷加热器，由于在接合部确定钎焊料在引线部件上的被覆区域范围，所以能够确保引线和钎焊料的接合面积，能够减小热循环发生的应力。

因此，根据本发明的第1陶瓷加热器，能够形成耐久性优良的高可靠性的接合，能够提供耐久性高陶瓷加热器。

此外，本发明的第2陶瓷加热器，由于通过作为钎焊料含有2种以上的金属，以可识别的状态分别存在该2种以上的金属，构成钎焊料的2种以上的金属的更低的电阻侧的组成部分与通电相关，所以能够降低电阻值。由此，能够降低钎焊料上的发热量，提高钎焊料与包覆层及引线部件的接合的可靠性，能够提供耐久性高的陶瓷加热器。

附图说明

图1(A)是本发明的实施方式1的陶瓷加热器的立体图。

图1(B)是实施方式1的陶瓷加热器的剖面图。

图2是表示实施方式1的陶瓷加热器的引线部件10的接合部的剖面图。

图3(A)是实施方式1的陶瓷加热器的制造工序中的第1工序的立体图。

图3(B)是实施方式1的陶瓷加热器的制造工序中的第2工序的立体图。

图3(C)是实施方式1的陶瓷加热器的制造工序中的第3工序的立体图。

图3(D)是实施方式1的陶瓷加热器的制造工序中的第4工序的立体图。

图4是本发明的实施方式2的陶瓷加热器100的立体图。

图5是图4所示的陶瓷加热器100的钎焊部的剖面示意图。

图6是表示实施方式2的陶瓷加热器100的钎焊部的一例的断面的断面照片。

图7是图6所示的区域E的放大照片。

图8是图6所示的区域D的放大照片。

图9是图6所示的区域C的放大照片。

图10是本发明的实施方式1的加热用烙铁的立体图。

图11是以往的陶瓷加热器的立体图。

图12是以往的陶瓷加热器的钎焊部的断面照片。

图中：1、100-陶瓷加热器，2-陶瓷芯材，3-陶瓷片(ceramic sheet)，4-导体，5-引线引出部，6-端子取出电极，6a-包覆层，6b-镀层，7-通路孔(via hole)，8-粘接层，9-陶瓷体，10-引线部件，11-钎焊料，12-电极取出部，13-空隙(void)，14-引线部件的成分向钎焊料的扩散层，16-近位端，17-远位端，18-被覆区域的被覆高度，22-陶瓷芯材，23-陶瓷生片(ceramic greensheet)，24-导体，25-引线引出部，26-包覆层，27-通路孔用的贯通孔，28-电极取出部。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

实施方式1

图1A是示意性表示本发明的实施方式1的陶瓷加热器的立体图，图1B是图1A上的A-A线的剖面图，图2是表示接合部的详细结构的剖面图。

本实施方式1的陶瓷加热器1，如图1A、图1B所示，由圆柱形状的陶瓷芯材2和通过粘接层8卷装在该陶瓷芯材2上的陶瓷片3构成，在陶瓷芯材2和陶瓷片3的之间埋设导体4、引线引出部5和电极取出部12。然后，该电极取出部12，与设在陶瓷片3的外侧的包覆层6a连接。此外，在包覆层6a的表面上形成由Ni构成的镀层6b，由包覆层6a和镀层6b构成端子取出电极6，利用钎焊料11接合固定该端子取出电极6和引线部件10。此外，电极取出部12和包覆层6a，如图1B所示，通过设在陶瓷片3的包覆层6a下面的通路孔7连接。在如此构成的陶瓷加热器1中，通过经由引线部件10向包覆层6a通电，则导体4发热，从而具有作为加热器的功能。

另外，在本实施方式1的陶瓷加热器中，其特征在于：作为钎焊料11覆盖引线部件10的区域的被覆区域的被覆高度18，设定在引线部件10的最接近端子安装电极6的接近端、和引线部件10的最远离端子安装电极6的上端之间的距离的40～99％的范围内。

即，在端子安装电极6和引线部件10的接合部，如果引线部件10的横断面上的被覆高度18，低于从最接近端子安装电极6的接近端16到远离端子安装电极6的上端17的距离(以下，在本说明书中将该距离称为引线高度)的40％，则由于引线部件10和钎焊料11的接合界面的面积小，导致初期的引线接合强度低，不均度大。所以，如本实施方式1，在钎焊料11的被覆高度是引线高度的40％～99％的情况下，能够提高初期的引线接合强度，并且能够减小不均。

另外，如图2所示，在引线部件10是具有圆形的断面的线材的情况下，引线高度成为引线部件10的圆形断面的直径。

此外，钎焊料11覆盖引线部件10的被覆高度18，如果超过高度的99％，在被钎焊料覆盖的区域，在进行热循环的情况下，在引线部件10和钎焊料11的界面易发生裂纹，降低引线接合强度。

即，如果引线部件10用钎焊料覆盖到使被覆高度18相对于引线高度超过99％的范围，则因引线部件10和钎焊料11的线热膨胀差，在引线部件和钎焊料的界面产生应力，而由于没有应力释放场所，所以在界面发生裂纹。另外，如果比较引线部件10和钎焊料11的线热膨胀的值，则是引线部件10＜钎焊料11。具体是，在用钎焊料沿全周方向覆盖引线部件，进行热循环试验的情况下，在引线部件和钎焊料的界面发生裂纹。

对此，如果将相对于引线高度的被覆高度18设定在40％～99％的范围，则由于钎焊料11不覆盖引线部件10的一部分，因此在进行热循环试验的情况下，能够缓和因引线部件10和钎焊料11的热膨胀而发生的应力，在热循环试验中不在引线部件和钎焊料的界面发生裂纹。

在本陶瓷加热器中，为了更有效地防止在热循环试验中在引线部件和钎焊料的界面发生裂纹，优选相对于引线高度，将被覆高度18设定在60％～99％的范围。

相对于引线高度的被覆高度18的范围，能够根据引线部件10和钎焊料的润湿性控制，更具体地是，通过引线部件10的材质及表面粗糙度、钎焊料的材质、接合时的温度、保护气氛，进行控制。在本实施方式1中，更优选通过引线部件10的表面粗糙度进行控制，如果如此控制，能够比较简易且确实地将被覆高度设定在规定的范围。

此外，在本实施方式1中，优选在引线部件10和钎焊料的界面上存在空孔13。在引线部件10和钎焊料的界面上无空孔的情况下，在陶瓷加热器1的发热时，从陶瓷体9向引线部件10的导热良好，引线部件表面温度增高，但在界面存在空孔13的情况下，阻碍从陶瓷体9向引线部件10的导热，引线部件表面温度与无空孔时相比降低。因而，如果在引线部件10和钎焊料的界面存在空孔13，接合部的热应力减小，能够减小热循环试验后的引线接合强度的劣化。

确认了空孔13的尺寸和初期的引线接合强度后发现，在空孔13为0.1～200μm时，初期和热循环试验后的引线接合强度高，几乎没有差别，但在空孔13大于200μm的情况下，初期和热循环试验后的引线接合强度低，在空孔13低于0.1μm的情况下，由于引线部件11的表面温度高，因此虽然初期的引线接合强度高，但热循环试验后的引线接合强度降低。

此外，在空孔13发生在大于界面的40％的范围内的情况下，初期的引线接合强度降低，由此，为降低引线部件的表面温度并提高初期和热循环试验后的引线接合强度，优选在界面的20％～40％的范围内存在0.1～200μm的空孔13。

另外，在本实施方式1中，在不具有引线部件10的成分向钎焊料11扩散的扩散层14的情况下，初期和热循环试验后的引线接合强度低，在界面有扩散层14的情况下，初期的引线接合强度提高。这认为是，通过引线部件10的成分向钎焊料11的扩散，界面的一部分从物理接合向化学接合变化，提高了引线接合强度之故。

因而，在本发明中，优选引线部件10的成分向钎焊料11扩散。

为了有效提高引线接合强度，优选界面上的扩散层14的距离(厚度)为0.1～30μm，更优选为3～30μm。在扩散层14低于0.1μm的情况下，提高引线接合强度的效果小，在扩散层大于30μm的情况下，由于引线部件10的成分向钎焊料11大量扩散，因此有提高钎焊料11的硬度，在热循环试验后，容易在钎焊料11发生裂纹，降低引线接合强度的顾虑。

此外，为了稳定生成扩散层14，得到有效的固着效果(anchor effect)，提高引线接合强度，优选引线部件10的表面上的算术平均表面粗糙度Ra在0.05～5μm的范围内。如果引线部件10的表面上的算术平均表面粗糙度Ra低于0.05μm，则有时扩散层14只生成0.05μm厚，提高热循环试验后的引线接合强度的效果小，如果算术平均表面粗糙度Ra大于5μm，在测定热循环厚的引线接合强度时，有因热循环裂纹从表面扩展，引起断线的顾虑。

下面，说明本实施方式1的陶瓷加热器1的制造方法。

在制造陶瓷加热器1时，采用包含图3A～图3D所示的工序的方法。

首先，在制作了陶瓷生片23后，在该陶瓷生片23上形成通路孔用的贯通孔27(参照图3A)。

接着，在该贯通孔27内充填导体浆料(paste)后，形成成为导体24和引线引出部25的导体浆料层，然后进行干燥(参照图3B)。

然后，反转陶瓷生片23，在背面形成成为包覆层26的导体浆料层(参照图3C)。

接着，再反转一次，通过在陶瓷芯材22上卷贴陶瓷生片23，制作由烧结前的原材料构成的生成型体(参照图3D)。

通过在1500～1650℃的还原保护气氛中烧成如此成型的生成型体，得到陶瓷体9，然后，如图1所示，在包覆层6a的表面上形成由Ni构成的镀层6b后，利用钎焊料11固定引线部件10，得到陶瓷加热器1。

关于陶瓷加热器1的材质，能够采用氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅、莫来石等。

例如，作为氧化铝(Alumina)，能够使用由Al₂O₃：88～95重量％、SiO₂：2～7重量％、CaO：0.5～3重量％、MgO：0.5～3重量％、ZrO₂：0～3重量％构成的氧化铝。如果Al₂O₃含量比该值小，则由于玻璃质增多，通电时的迁移增大，因此不优选采用。此外，相反如果Al₂O₃含量比该值大，则由于向内藏的发热电阻体4的金属层内扩散的玻璃量减少，时陶瓷加热器1的耐久性劣化，因此不优选采用。

作为氮化硅，可含有Si₃N₄：85～95％重量％、Y₂O₃或Yb₂O₃、Er₂O₃等稀土元素氧化物：2～12重量％、Al₂O₃：0.3～2.0重量％、此外按SiO₂换算氧：0.5～3重量％。作为氮化铝，可使用以下构成：含有AlN：85～97重量％、Y₂O₃或Yb₂O₃、Er₂O₃等稀土元素氧化物：2～8重量％、CaO：0～5重量％、其中作为杂质按Al₂O₃换算氧：0.5～3重量％。作为莫来石，可采用：由Al₂O₃：58～75重量％、SiO₂：25～42重量％、1重量％以下的不可避免的杂质构成。

此外，关于陶瓷加热器1的形状，除圆筒及圆柱状外，也可以是板状。

本发明的陶瓷加热器，也不局限于此，在不脱离本发明的宗旨的范围内，可进行多种变更。

实施方式2

下面，参照附图说明本发明的实施方式2的陶瓷加热器100。

图4及图5所示的本实施方式2的陶瓷加热器100，与实施方式1同样，形成以下构成，即，在陶瓷基体9的内部内设导体4，在延伸到陶瓷基体9的表面的电极取出部12上形成连接在该电极取出部12上的包覆层6a，在通过该包覆层6a构成的端子安装电极6上，用钎焊料11焊接引线部件10。另外，根据需要，在包覆层6a上形成镀层(未图示)，通过包覆层6a和镀层，构成端子安装电极6。

此外，陶瓷基体9例如可通过以下方式获得，即，通过利用刮片(doctorblade)法制作生片(烧成后成为片3的部分)，利用挤压成型法制作成为陶瓷芯材2的成型体，使它们一体化，从而获得。作为陶瓷基体9的材质，能够使用氧化铝、莫来石、镁橄榄石等氧化物陶瓷，或氮化硅、氮化铝等非氧化物陶瓷等，但是，其中优选使用氧化物陶瓷。例如，作为陶瓷基体9的材质，在采用氧化铝质陶瓷的情况下，采用由Al₂O₃：88～95重量％、SiO₂：2～7重量％、CaO：0.5～3重量％、MgO：0.5～3重量％、ZrO₂：1～3重量％构成的组成。另外，也不局限于氧化铝质陶瓷，也可以采用氮化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷、碳化硅质陶瓷等。

此时，在生片上，利用网板印刷法印刷导体4，在通过冲裁等预先形成在生片上的规定的位置上的通路孔内，形成电极取出部12。导体4及电极取出部12的材质，以W、Mo、Re的单体作为主成分，添加它们的合金或TiN、WC等金属硅化物、金属碳化物。导体4及电极取出部12，最好以提高导体4的电阻、降低电极取出部12的电阻的方式调整这些材料，分别网板印刷。

此处，为消除生片和导体4的错差(高低差)，并使生片紧密粘接在圆筒状的成型体上，优选在导体4上利用网板印刷等涂布在以Al₂O₃为主成分，添加SiO₂、MgO等的混合物中加入粘合剂并用有机溶剂调制成膏状的浆料。

然后，通过在1500℃～1650℃的还原保护气氛中烧成被一体化的成型体，能够得到所要求的烧结体。

在得到的烧结体的电极取出部12上，涂布以W为主成分的浆料，在真空中烧结，形成包覆层6a。关于包覆层6a的材质，优选作为导电成分，含有由高熔点金属如W、Mo、Re及它们的合金构成的成分。关于包覆层6a的厚度，优选规定在10μm以上。如果厚度低于10μm，则电极取出部4的与陶瓷基体9的粘接强度低，使用中热循环的相对于引线部件10的抗拉强度的耐久性降低，所以不优选采用。更优选厚度在15μm以上，最优选在20μm以上。包覆层6a的厚度影响引线部件10的抗拉强度的原因是因为，包覆层6a是由W、Mo、Re等构成的高熔点金属的多孔质烧结体，从陶瓷基体9向该孔扩散晶粒边界上的玻璃成分，靠该固着效果增加强度。因而，越增加包覆层6a的厚度，就越增大接合的引线部件10的抗拉强度。

另外，在形成包覆层6a后，也可以在包覆层6a上实施镀敷，该镀敷优选以Ni作为主成分。

然后，利用真空钎焊，将引线部件10安装在包覆层6a上。

作为引线部件10的材质，优选使用耐热性良好的Ni系或Fe-Ni系合金等。这是因为，有因来自导体4的导热，在使用中引线部件10的温度升高而引起劣化的可能性。其中，作为引线部件10的材质，在使用Ni系或Fe-Ni系合金的情况下，优选将其平均晶体粒径规定在400μm以下。如果所述平均粒径超过400μm，则因使用时的振动及热循环，钎焊部附近的引线部件疲劳，发生裂纹，所以不优选采用。关于其它材质，例如，如果引线部件10的粒径大于引线部件10的厚度，则由于在钎焊料11和引线部件10的边界附近的晶粒中集中应力，发生裂纹，所以不优选采用。为了使引线部件10的平均粒径小于400μm以下，只要尽量降低钎焊时的温度，缩短处理时间就可以。

而且，本发明的特征在于钎焊料11中的结构。即，如图6～9所示，钎焊料含有2种以上的金属，优选含有2种金属，该金属形成斑状存在的结构，或点状存在的结构。此处，在本说明书中，所谓“斑状存在”、“点状存在”是指这些2种以上的金属以例如采用显微镜等可识别的状态分别存在。此外，图6通过采用矩形的引线部件10a的例子表示断面。此外，该成为斑状的金属或点状存在的金属，作为主成分，最好至少从第10族(Ni、Pd、Pt等)、或第11族(Cu、Ag、Au等)的元素中选择2种。这是因为，因第10族及第11族的元素扩散系数比较小，能够抑制金属的扩散，难形成均匀的相，而且，由于固有电阻小，因此导电性也优越的原因。

作为如此的钎焊料11，可列举Ag-Cu钎焊料、Au-Cu钎焊料等，其中更优选采用Ag-Cu钎焊料。

如此，在将引线部件10钎焊在包覆层6a上后，由于在钎焊料11内部，斑状或点状存在2种以上的金属(例如Ag和Cu)，因此需要调整钎焊料11的钎焊时的保持时间。例如，在采用Ag-Cu钎焊料中的BAg-8(JISZ3261)时，由于BAg-8的熔化温度(熔点)在大约780℃，因此优选从钎焊温度780℃到800℃，将保持时间规定在5～40分钟，通过设定在此范围内，能够使Ag和Cu在钎焊料11内部以斑状或点状存在。

由Ag和Cu构成钎焊料11，如果在钎焊温度保持60分钟以上，就引起相互扩散，Ag和Cu容易形成均匀熔化的合金。如果均匀熔化，则与沿电阻值更低的Ag有选择地通电的斑组织比较，钎焊料内部的电阻值增高，因伴随钎焊料内部的发热，耐久后的接合强度存在问题。因此，为了在钎焊料中形成Ag和Cu的斑组织，最好将在所述钎焊温度的保持时间规定在小于60分钟。另外，所述钎焊温度下的保持时间，为了充分熔化钎焊料，至少需要5分钟。

以往，由于不调整保持时间，超出上述范围，所以均匀熔化。图12是在图11所示的陶瓷加热器中，表示钎焊料111形成的钎焊部的断面照片。作为钎焊料111，采用由2种以上的金属构成的Ag-Cu系、Au-Cu系的钎焊料。钎焊后的钎焊料部的断面，如图12所示，没有出现构成的金属组成的偏析，以均匀的金属存在。另外，本发明通过将保持时间调整在上述范围内，在均匀熔化之前降到低于所述钎焊温度，能够得到斑组织。

另外，为了在钎焊料中形成Ag和Cu的斑组织，除将在钎焊温度下的保持时间规定在低于60分钟，还优选将Ag含量规定在60～90重量％，更优选将Ag含量规定在70～75重量％。由此，Ag-Cu钎焊料的熔化温度接近共晶点(Ag和Cu熔合，任何一方都不以固体存在的温度)，由于Ag和Cu相互成为液相的温度降低，所以能够降低钎焊温度，也降低钎焊后的残余应力。

如此，通过在钎焊料11内部形成斑组织，在从引线部件10给陶瓷加热器100供电时，由于在电阻值更低的Ag侧有选择地通电，所以降低钎焊料11的电阻值，抑制钎焊料11的温度升高，提高接合的可靠性。

此外，如图6中的区域E(钎焊料和包覆层的界面附近)的放大照片即图7，图6中的区域D(钎焊料和包覆层及钎焊料和引线部件的界面附近)的放大照片即图8，图6中的区域C(钎焊料和引线部件的界面附近)的放大照片即图9所示，在与钎焊料11和包覆层6a的界面、钎焊料11和引线部件10的界面的至少任何一方邻接的部位，优选形成不是斑状的、杨氏模量在180GPa以下的金属层，例如在由Ag及Cu构成的钎焊料11上，优选形成Cu层6c。与该钎焊料11和包覆层6a的界面邻接的Cu层6c，由于相对于钎焊后的残余应力具有作为应力缓和层的功能，因此降低该部分的残余应力，提高钎焊引线部件7的接合强度。

为了形成该Cu层6c，预先在包覆层6a及引线部件10通过钎焊与钎焊料11接触的部分上，实施Cu镀层是有效的。在Ag和Cu中，由于Cu一侧的表面张力小，因此在钎焊时，在钎焊料11熔化、接触的部分，Cu容易有选择地润湿。利用此现象，能够在与钎焊料接触的包覆层6a及引线部件的界面邻接的部位，形成Cu层6c。

而且，该Cu层6c，在与包覆层6a的界面的相反侧具有凹凸，优选该凹凸的厚度在10μm以下，优选包括凸部的Cu层6c整体的厚度在20μm以下。由于Cu层6c，在与其接触的异种材的界面上形成凹凸，凹凸具有作为应力缓冲层的作用，所以提高耐久后的接合强度。

此处，作为优选的例，说明了Cu层6c的凹凸面，但是本发明并不局限于Cu，即使在界面上存在具有高度10μm以下的凸部且包含该凸部的层整体的厚度在20μm以下的Cu以外的金属层的情况下，也能够提高界面上的紧密粘接强度，能够提高可靠性·耐久性。

但是，如果Cu层的凸部的厚度在10μm以上，包括凸部的厚度在20μm以上，则由于降低钎焊料的紧密粘接强度，所以不优选采用。在此种情况下，在钎焊料的熔化温度的保持时间，优选规定在5～20分钟。

包覆层6a，在真空中烧结在陶瓷基体9上，但由于降低因与陶瓷基体9的热膨胀差而形成的残余应力，因此优选采用热膨胀率小的导电材料。包覆层6a的主成分，按热膨胀率讲，更优选在5.5×10^-6/℃以下。具体是，优选以具有上述物性的W或Mo作为主成分。由此，能够缓和在陶瓷基体9和包覆层6a的界面上发生的烧结包覆层6a时的残余应力。即，通过在钎焊料中扩散如此的金属，钎焊料的热膨胀率降低，发生在与包覆层的界面上的钎焊后的残余应力也降低，能够提高电极取出部与钎焊料及引线部件的接合可靠性，从而更加提高陶瓷加热器的可靠性·耐久性。

但是，在包覆层6a和钎焊料11中，由于热膨胀率的差极大，因此在钎焊后发生大的残余应力。因而，需要降低钎焊料的热膨胀率。为降低钎焊料的热膨胀率，只要热膨胀率小的包覆层6a的主成分向钎焊料中扩散就可以。这能够通过在钎焊后进行热处理来完成。该热处理，优选在含有氢气等的还原保护气氛中，在钎焊料的熔化温度以下进行，更优选在700℃～750℃进行。通过该热处理，热膨胀率在5.5×10^-6/℃以下的金属或合金向钎焊料中扩散，降低钎焊料的热膨胀率，提高钎焊部的耐久后的强度。

此外，优选的是，在钎焊料11的表面上形成由Ni构成的镀层，用于钎焊料11的高温耐久性提高及腐蚀防止。为使该Ni镀层具有作为保护层的功能，可以将构成镀层的结晶的粒径规定在10μm以下，能够作为致密、密度高的镀层存在于钎焊部的表面。如果将该粒径规定在5μm以下，则表面的镀层更加致密化，同时能够使Ni向钎焊料11的内部扩散。由于Ni的杨氏模量大于250Mpa即很硬，所以向钎焊料11的内部的扩散的Ni，提高钎焊料11的内部的硬度，由于钎焊料11的内部的强度提高，因此能够提高电极取出部和钎焊料及引线部件的初期接合强度和耐久后的接合强度。由此，能够提高陶瓷加热器的可靠性·耐久性。

另外，作为镀层，优选采用硼系的无电镀Ni。无电镀的种类除硼系的无电镀外，也能够被覆磷系的无电镀层，但在有在高温环境下使用的可能性时，通常一般实施硼系的无电镀Ni镀敷。

此外，图10是采用本发明的陶瓷加热器1或陶瓷加热器100的一例加热用烙铁的立体图。该加热用烙铁，在前端的臂杆32之间插入头发，通过握住把手31，一边加热头发一边加压，加工头发。在臂杆32的内部，插入陶瓷加热器1或陶瓷加热器100，在与头发直接接触的部分，设置铝等金属板33、涂敷表面的金属板、陶瓷板等。此外，形成在臂杆32的外侧装有用于防止烫伤的耐热塑料制的罩的构成。

实施例1

利用下面所示的方法，制作本发明的陶瓷加热器。

首先，调制以氧化铝(alumina)作为主成分，作为烧结辅助剂含有6重量％的SiO₂、2重量％的MgO、2重量％的CaO、1.5重量％的ZrO₂的原料。采用该调制的原料，利用挤压成型及铸带法，准备外径15mm的陶瓷芯材2及厚800μm的陶瓷生片23。

接着，在陶瓷生片23的一方的主面，印刷由钨(W)构成的导体24和引线引出部25和电极引出部28。然后，在电极取出部28的端部的背面印刷包覆层26，接着在包覆层26上形成通路孔用的贯通孔。然后，通过在贯通孔内埋入由钨(W)构成的浆料，形成通路孔7，连接电极取出部28和包覆层26。

在还原保护气氛中，用1600℃烧成准备的生的陶瓷体9，使其烧结，在包覆层6a的表面上，利用由Ni构成的无电场镀敷形成厚5μm的镀层6b。

在按以上得到的试样的端子安装电极6上，钎焊引线部件10，但在本实施例1中，变化由Ag钎焊料构成的钎焊料11的量，进行引线部件10的接合，制作钎焊料在引线部件10的表面上的被覆高度18，在引线高度的20～100％的范围内不同的评价用试样。然后，对这些评价用的试样，分别确认初期的引线接合强度、热循环试验(25℃·3分钟～400℃·3分钟)3000次后的引线接合强度、及界面的裂纹发生比例。

引线接合强度的测定是，通过相对端子取出电极6向垂直方向拉伸引线部件10而进行测定。

表1表示在引线部件10的表面上的被覆区域18和初期的引线接合强度及热循环试验(3000次)后的引线接合强度的判定结果。

表1

No.	相对于引线高度的被覆高度	接合强度(N)		界面上裂纹的发生	判定
						初期	热循环试验后
		1	20					60	31	无	×
2	40			109	57	无	○
		3	60					118	61	无	◎
4	80			120	63	无	◎
		5	99					123	62	无	◎
6	100			124	29	有	×

No.1、6，是本发明的范围以外的试样。此外，表中的热循环试验后的数据，是3000次循环重复热循环试验后的数据。另外，表1中的“相对于引线高度的被覆高度”的值，是测定在引线部件的长度方向上相对于引线高度的被覆高度最高的部分的值。

初期引线接合强度在85N以上，且热循环试验后的引线接合强度为35～50N的试样判定为△，50～60N的试样判定为○，60N以上的试样判定为◎。

从表1看出，本发明的实施例1的范围内的No2～5的引线部件10的表面上的被覆区域18为40～99％的试样，初期和热循环试验后的引线接合强度的平均值高，得到良好的结果。其中，No3～5的引线部件10的表面上的被覆区域18为60～99％的试样，得到非常好的结果。

但是，比较例的No1的引线部件10的表面上的被覆区域18为20％的试样，初期和热循环试验后的引线接合强度低，No6的引线部件10的表面上的被覆区域18为100％的试样，初期的引线接合强度高，但是热循环试验后的引线接合强度降低。

本发明的实施例1的No2～5的引线部件10的表面上的被覆区域18为40～99％的试样，由于无界面上的裂纹，所以认为引线接合强度的降低小。

但是，在作为比较例的No6的被覆区域18为100％的试样中，由于在界面产生裂纹，所以认为引线接合强度降低。

发生上在界面上的裂纹，认为是因引线部件10和钎焊料11的热膨胀率的差而发生的。因此，认为覆盖区域18为100％的试验，难缓和因热膨胀率差而产生的应力，容易在界面产生裂纹。

此外，确认了界面上发生的空孔13的尺寸·界面上的空孔的占有率、初期和热循环试验后的引线接合强度、陶瓷加热器在800℃发热时的引线部件表面温度之间的关系。判定结果如表2所示，初期引线接合强度在85N以上，且热循环试验后的引线接合强度为35～50N的试样判定为△，50～60N的试样判定为○，60N以上的试样判定为◎。

表2

No.	界面上的空孔的占有率(％)	空孔尺寸(μm)	接合强度(N)		800℃发热时引线部件表面温度(℃)	判定
							初期	热循环试验后(3000循环后)
			7	0					0	121	48	157	△
8	1	250			110	47	151	△
			9	1					200	119	56	146	○
10	1	50			125	57	143	○
			11	1					0.1	121	59	141	○
12	20	250			98	45	144	△
			13	20					200	112	62	136	◎
14	20	50			119	65	135	◎
			15	20					0.1	117	63	135	◎
16	40	250			94	47	133	△
			17	40					200	104	62	132	◎
18	40	50			110	64	125	◎
			19	40					0.1	108	66	126	◎
20	50	250			87	41	130	△
			21	50					250	90	43	127	△
22	50	50			92	43	120	△
			23	50					0.1	93	47	119	△

以上都是被覆高度60％的试样。

在本发明的实施例1的No13～15和17～19的界面发生的空孔13的尺寸为0.1～200μm，界面的空孔13的占有率为20～40％的范围，热循环试验后的引线接合强度达到60N以上，得到非常好的结果。

此外，No9～11的界面发生的空孔13的尺寸为0.1～200μm，界面的空孔13的占有率为0.1～20％的范围，得到热循环试验后的引线接合强度在50～60N的非常好的结果。认为这是由于位于界面上的空孔13阻碍从陶瓷体9的导热，引线部件表面温度降低之故。

但是，认为No7是由于引线部件表面温度高，因此热循环试验后的引线接合强度降低；认为No20～23是由于界面中的空孔13的占有率大于50％，因此虽然引线部件表面温度达到-20℃以下，但接合强度降低；认为No12、16是由于空孔13的尺寸大于250μm，因此引线接合强度降低。

此外，制作通过变化接合的温度及时间，来变化从界面到扩散层14的距离的试样，测定初期和热循环试验后的引线接合强度，结果如表3所示，初期引线接合强度为85N以上，且热循环试验后的引线接合强度为35～50N的试样判定为△，50～60N的试样判定为○，60N以上的试样判定为◎。

表3

No.	扩散层厚度(μm)	接合强度(N)		判定
					初期	热循环后
		24	0				94	41	△
25	0.1			112	52	○
		26	3				114	63	◎
27	5			118	66	◎
		28	15				120	62	◎
29	30			119	65	◎
		30	45				118	38	△

从本发明的实施例1的No26～29的界面到扩散层14的距离为3～30μm的范围，热循环试验后的引线接合强度高达60N以上，得到非常好的结果。此外，从No25的界面到扩散层14的距离为0.1μm的尺寸，热循环试验后的引线接合强度为50～60N，得到良好的结果。认为，这是由于通过引线部件的成分向钎焊料扩散，界面从物理接合向化学接合变化，所以引线接合强度提高。

但是，完全无扩散层的No24是，初期及热循环试验后的引线接合强度低；有45μm厚的扩散层14的No30，由于引线部件的成分向钎焊料11大量扩散，因此钎焊料11的硬度增高，热循环试验后钎焊料11发生裂纹，引线接合强度降低。

此外，测定用于接合的引线部件10的算术平均表面粗糙度Ra和初期和热循环试验后的引线接合强度，结果如表4所示，初期引线接合强度为85N以上，且热循环试验后的引线接合强度为35～50N的试样判定为△，50～60N的试样判定为○，60N以上的试样判定为◎。

表4

No.	算术平均表面粗糙度Ra(μm)	扩散层的厚度(μm)	接合强度(N)		判定
						初期	热循环后
			31	0.01				0.05	104	43	△
32	0.05	3			116	63	◎
			33	0.5				9	123	62	◎
34	1.0	10			119	65	◎
			35	2.0				9	123	63	◎
36	3.0	9			115	62	◎
			37	5.0				12	117	61	◎
38	7.0	9			119	36(引线切断)	△

所谓热循环后，是进行3000次热循环试验后的数据。

本发明的实施例1的No32～37的引线部件10的算术平均表面粗糙度Ra为0.05～5μm的范围，热循环试验后的引线接合强度高达60N以上，得到非常好的结果。从评价结果得出，随着引线部件10的算术平均表面粗糙度Ra增大，有容易从界面生成扩散层14的倾向，随着引线部件10的算术平均表面粗糙度Ra增大，有热循环试验后的引线接合强度通过固着效果增高的倾向。

但是，认为No31是，由于从界面到扩散层14的距离小，引线部件10的算术平均表面粗糙度Ra小，因而不能得到充分的固着效果，因此热循环试验后的引线接合强度低，No38是，从界面到扩散层的距离为9μm，具有充分的引线接合强度，但由于引线部件10的算术平均表面粗糙度Ra为7μm，因此通过热循环试验，从引线部件10的表面扩展裂纹，因此用36N就以引线切断的方式被破坏。

实施例2

以Al₂O₃为主成分，以合计达到10重量％以内的方式调整SiO₂、CaO、MgO、ZrO₂，用刮片(doctor blade)法制作生片，在该生片的表面上印刷由W构成浆料，形成导体4和电极取出部12。

此外，利用挤压成型法，制作圆柱状的成型体，在圆柱状的成型体上密接卷装印刷有导体4的陶瓷片，在1600℃的还原保护气体中烧成，各准备20根陶瓷加热器100。

然后，在电极取出部12的表面上，实施厚5μm的无电场Ni镀敷，另外，在电极取出部12上涂布以W为主成分的浆料，在真空炉中烧结。

然后，采用Ag-Cu钎焊料，钎焊作为引线部件的φ1.0mm的Ni丝。

此时，钎焊条件分别规定为钎焊温度：780℃、800℃、820℃，保持时间：5分钟、10分钟、40分钟、60分钟，实施钎焊。

然后，为了确认连续使用时的耐久性，测定初期的抗拉强度和400℃×800小时连续通电后的抗拉强度。拉伸试验是通过向与陶瓷加热器100的主面垂直的方向拉伸引线部件4的端部，测定其剥离强度。此外，用电子显微镜观察各组(lot)2个断面，确认钎焊料内部的组织。表5示出其结果。

表5

No.	钎焊温度(℃)	保温时间(分钟)	初期抗拉强度(N)	耐久后抗拉强度(N)	钎焊料内部斑点	钎焊料界面的层
							*39	780	5	340	178	无	Ag/Cu合金
40	780	10	345	303	有	Cu
							41	780	40	342	311	有	Cu
*42	780	60	339	188	无	Ag/Cu合金
							*43	800	5	338	191	无	Ag/Cu合金
44	800	10	341	307	有	Cu
							45	800	40	345	305	有	Cu
*46	800	60	337	183	无	Ag/Cu合金
							*47	820	5	344	188	无	Ag/Cu合金
48	820	10	348	302	有	Cu
							49	820	40	339	307	有	Cu
*50	820	60	343	173	无	Ag/Cu合金

此处，所谓钎焊料界面的层，是指在包覆层和钎焊料间的界面、及引线部件和钎焊料间的界面上的层。

此外，*标记的试样，是本发明范围外的试样。

从表5看出，看不见图7～图9所示的斑组织的No.39、42、43、46、47、50是，疲劳试验后的抗拉强度降到200N以下。对此，发现图7～图9所示的斑组织的No.40、41、44、45、48、49，得到300N以上的高抗拉强度。

Claims (11)

1.一种陶瓷加热器，其特征是：

具备：陶瓷体，具有内设的导体和与该导体导通的包覆层；借助钎焊料接合在所述包覆层上的引线部件，

所述钎焊料的覆盖所述引线部件的被覆区域设定为，从所述引线部件上的离所述包覆层最近的接近端到离所述包覆层最远的上端为止的距离的40～99％的范围内。

2.如权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征是：在所述引线部件和所述钎焊料的界面，存在直径0.1～200μm的空孔。

3.如权利要求2所述的陶瓷加热器，其特征是：由所述空孔，所述引线部件和所述钎焊料之间的接触面积达到所述界面整体的60～99％。

4.如权利要求2所述的陶瓷加热器，其特征是：在所述引线部件和所述钎焊料之间设置有所述引线部件的成分向所述钎焊料扩散的扩散部，该扩散部的厚度是0.1μm～30μm的范围。

5.如权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征是：所述引线部件的算术平均表面粗糙度Ra为0.05～5μm。

6.一种陶瓷加热器，其特征是：

具备：陶瓷体，具有内设的导体和与该导体导通的包覆层；借助钎焊料接合在所述包覆层上的引线部件，

所述钎焊料含有2种以上的金属，该2种以上的金属在所述钎焊料中以可识别的状态分别存在。

7.如权利要求6所述的陶瓷加热器，其特征是：所述2种以上的金属是从由元素周期表中的第10族的金属及11族的金属组成的组中选择。

8.如权利要求6所述的陶瓷加热器，其特征是：所述2种以上的金属中的1种是杨氏模量为180GPa以下的第1金属，该第1金属位于所述钎焊料和所述引线部件的边界部及所述钎焊料和所述包覆层的边界部中的至少一方的边界部。

9.如权利要求8所述的陶瓷加热器，其特征是：所述第1金属在与所述引线部件的界面、或在与所述包覆层的界面的相反侧具备凹凸，该凸部的高度为10μm以下，包含该凸部的层整体的厚度在20μm以下。

10.如权利要求6所述的陶瓷加热器，其特征是：所述包覆层作为主成分含有热膨胀率5.5×10^-6/℃以下的金属，该金属向钎焊料中扩散。

11.一种加热用烙铁，其特征是：作为发热机构，采用如权利要求1～10中任何一项所述的陶瓷加热器。

Images