DE60222195T2

DE60222195T2 - Keramisches Heizelement für Glühkerzen

Info

Publication number: DE60222195T2
Application number: DE60222195T
Authority: DE
Inventors: Masato Mizuho-ku Nagoya-shi Taniguchi; Manabu Mizuho-ku Nagoya-shi Okinaka
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: JP2002270339A; EP1239701A2; EP1239701B1; EP1239701A3; US20020170903A1; US6794614B2; DE60222195D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Heizgerät und insbesondere ein keramisches Heizgerät, das auf eine Glühkerze angewendet werden soll, die beispielsweise zum Beschleunigen des Starts eines Dieselmotors verwendet wird, oder unter anderem auf ein Heizgerät angewendet werden soll, das zum Zünden eines Kerosingebläseheizgeräts verwendet wird. Ein solches keramisches Heizgerät ist aus EP 0 930 282 bekannt.
Durch die hohe Stärke bei Raumtemperatur sowie bei hoher Temperatur und einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird ein keramisches Siliziumnitrid-Heizgerät in einer Glühkerze oder einer ähnlichen Vorrichtung umfangreich verwendet. 7 der zugehörigen Zeichnungen zeigt ein Beispiel eines keramischen Siliziumnitrid-Heizgeräts 72, das als Glühkerze verwendet werden soll. Das keramische Heizgerät 72 ist derart konfiguriert, dass ein umgedrehtes (U-förmiges) Heizelement (kann nachstehend einfach als Heizelement bezeichnet werden) 76, das aus einer elektrisch leitenden Keramik besteht, in ein Keramiksubstrat 75, das aus einer Siliziumnitridkeramik ausgebildet ist, an einem Teil, der in Richtung eines Vorderendes 72a versetzt ist, eingebettet ist. Verbindungsdrähte 78 und 79, die aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt wie z.B. Wolfram oder Molybdän gebildet sind, weisen jeweils ein Ende auf, das mit einem entsprechenden Endteil (entsprechenden Schenkelendteil) des U-förmigen Heizelements 76 verbunden ist. Die restlichen Endteile der Verbindungsdrähte 78 und 70 liegen auf der Seitenfläche des keramischen Heizgeräts 72 in der Nähe eines Hinterendes 72c des keramischen Heizgeräts 72 frei, wodurch sie als Paar von Verbindungsleitungsanschlussabschnitten (können nachstehend einfach als Anschlüsse bezeichnet werden) 81 dienen. Eine Metallisierungsschicht (nicht dargestellt) ist auf der Oberfläche des Keramiksubstrats 75 in der Nähe der Verbindungsleitungsanschlussabschnitte 81 ausgebildet. Die Verbindungsleitungen 15 sind mit den entsprechenden Anschlüssen 81 unter Verwendung eines aktiven Lötmetalls auf Ag-Basis verbunden. Dies ist eine allgemeine Verbindungsstruktur für das keramische Heizgerät 72.
Um die Anforderung für die Größenverringerung zu erfüllen, wird das keramische Heizgerät 72 selbst verkürzt, mit einer resultierenden Verringerung des Abstandes zwischen dem Vorderende 72a und den Verbindungsleitungsverbindungen, wo die Verbindungsleitungen 15 und die Verbindungsleitungsanschlussabschnitte 81 verbunden sind. Für den Fall, in dem das keramische Heizgerät 72 als Glühkerze in einer Nebenkammer eines Motors installiert ist, war folglich die Temperatur der Verbindungsleitungsverbindungen (können nachstehend einfach als Verbindungen bezeichnet werden) einmal höchstens 200°C, aber in den letzten Jahren wurden die Verbindungsleitungsverbindungen einer hohen Temperatur von 300°C oder höher ausgesetzt.
Das Aussetzen der Verbindungen einer solchen hohen Temperatur hat jedoch das folgende Problem verursacht. Die herkömmliche Verbindungsstruktur unter Verwendung eines Lötmetalls auf Ag-Basis hat insofern ein Problem beinhaltet, als die Verbindung zwischen einer Verbindungsleitung und einem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt unter einer Trennung (Ablösung) leidet, die vorstellbar durch das Auftreten von Wanderung verursacht wird.
Eine denkbare Maßnahme zum Bewältigen des Problems besteht beispielsweise darin, einem Lötmetall auf Ag-Basis durch Verwendung einer an Ag reichen Zusammensetzung einen hohen Schmelzpunkt zu verleihen, um die Wärmebeständigkeit der Verbindungsleitungsverbindungen zu verbessern. Da jedoch eine Glühkerze in Verlauf der Verwendung starken Wärmezyklen ausgesetzt wird, wird, um die Erzeugung einer thermischen Beanspruchung in der Keramik, die durch eine Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Keramik und einem Lötmetall auf Ag-Basis verursacht wird, zu lindern, eine solche Verbindungsstruktur wünschenswerterweise derart konfiguriert, dass Kupfer, das leicht verformbar ist, in Form einer Pufferplatte an einem Zwischenteil einer Schicht aus Lötmetall (kann nachstehend als Lötmetallschicht bezeichnet werden) vorhanden ist. Die Verbindungsstruktur ist mit einer an Ag reichen Zusammensetzung aus dem folgenden Grund nicht kompatibel. Eine an Ag reiche Zusammensetzung induziert eine eutektische Reaktion zwischen Ag und Kupfer; folglich kann ein Puffereffekt nicht erwartet werden. Die Verwendung einer Nickelpufferplatte ist auch mit dem Gehalt an Ti als Aktivierungsmetall in einem Lötmetall nicht kompatibel und ist folglich nicht auf die Verbindungsarbeit anwendbar. Wenn Ti in einem Lötmetall enthalten ist, reagiert Ti stark mit Ni, so dass eine Schicht einer intermetallischen Verbindung gebildet wird, wodurch die Verbindungsstärke beeinträchtigt wird.
Ferner wurde ein Verfahren zum Verhindern des Auftretens einer Wanderung in der Verbindung durch die Verwendung eines Lötmetalls auf Au-Basis vorgeschlagen, das einen überwiegenden Anteil an Gold (Au) enthält. Diesem Verfahren misslingt es jedoch, den Bedarf für die Kostenverringerung zu erfüllen. Ferner verbessern wenige Kombination eines Lötmetalls auf Au-Basis und eines Aktivierungsmetalls, das darin enthalten sein soll, die Benetzbarkeit beim Löten an Keramik. Daher ist die Verbindung unter Verwendung eines Lötmetalls auf Au-Basis nicht ausführbar.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend beschriebenen Probleme durchgeführt und eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verbindungsstruktur bereitzustellen, die keine Beeinträchtigung in der Verbindungsstärke, die induziert wird, indem sie Wärmezyklen ausgesetzt wird, keine Kostenerhöhung und kein Auftreten einer Wanderung beinhaltet.
Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein keramisches Heizgerät bereit, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Heizelement in ein isolierendes Keramiksubstrat eingebettet ist, und eine Verbindungsleitung mit einem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt (Elektrodenausführungsteil), der mit dem Heizelement verbunden ist, während ein Stromdurchgang dazwischen hergestellt ist, mittels eines Lötmetalls, das einen überwiegenden Anteil an Kupfer enthält, verbunden ist, wobei die Dicke der Schicht aus Lötmaterial, die die Verbindungsleitung und den Verbindungsleitungsanschlussabschnitt verbindet, im Bereich von 30 bis 400 μm liegt.
Ein Lötmetall, das einen überwiegenden Anteil an Kupfer enthält, weist eine ausgezeichnete Wanderungsbeständigkeit auf und kann die Erzeugung einer bleibenden Spannung, die von der Differenz der Wärmeausdehnung zwischen der elektrisch leitenden Keramik und einer Verbindungsleitung stammt, durch die leichte Verformbarkeit des Kupfers verzögern, wodurch nur eine geringfügige Beeinträchtigung der Verbindungsstärke aufgezeigt wird, selbst wenn sie Wärmezyklen ausgesetzt wird. Daher kann das keramische Heizgerät der vorliegenden Erfindung, in dem Verbindungsleitungen mit Verbindungsleitungsanschlussabschnitten unter Verwendung eines solchen Lötmetalls verbunden sind, ohne Kostenerhöhung eine Verbindungsstruktur annehmen, die vom Auftreten von Wanderung frei ist. Folglich kann das keramische Heizgerät eine Verbindungsstruktur mit hoher Haltbarkeit, Wärmebeständigkeit und Zuverlässigkeit annehmen.
Um solche Eigenschaften von Kupfer zu nutzen, enthält das Lötmetall vorzugsweise Kupfer in einem Anteil von nicht weniger als 85 Massenprozent. Vorzugsweise enthält das Lötmetall auch Ti oder Si als Aktivierungsmetall, um dadurch die Notwendigkeit für die Ausbildung einer Metallisierungsschicht zu vermeiden. Si verbessert wirksam die Benetzbarkeit beim Löten an Metall oder Keramik. Ein Lötmetall, das eine große Menge an Si enthält, leidet jedoch unter einer geringen Biegsamkeit im Verlauf von dessen Herstellung. Angesichts dieser Phänomene ist Si vorzugsweise in einem Anteil von 0,1-5 Massenprozent enthalten. Ti verbessert effektiv die Benetzbarkeit beim Löten an Keramik und trägt am meisten zur Verbesserung der Benetzbarkeit bei. Wenn jedoch der Ti-Gehalt übermäßig ist, weist eine Lötmetallschicht, wie durch Verbinden ausgebildet, eine erhöhte Härte auf und wird folglich spröde. Angesichts dieser Phänomene ist der Ti- oder Si-Gehalt des Lötmetalls vorzugsweise 0,1-5 Massenprozent.
Vorzugsweise ist eine Auflage an der Verbindungsleitung so ausgebildet, dass sie als mit dem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt zu verbindende Verbindungsfläche dient, wobei die Verbindungsleitung über die Auflage mit dem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt verbunden ist. Die Verbindung einer solchen Auflage ist besonders bevorzugt, wenn eine Verbindungsleitung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, da die Zuverlässigkeit der Verbindung verbessert wird. Bedeutenderweise kann die Auflage aus einer Fe-Ni-Legierungsplatte, einer Fe-Ni-Co-Legierungsplatte, einer Ni-Platte oder einer ähnlichen Platte ausgebildet werden und an einen Endteil einer Verbindungsleitung geschweißt werden. Alternativ kann ein Endteil einer Verbindungsleitung in eine planare oder flache Form gewalzt werden.
Gemäß der Erfindung ist die Dicke der Schicht des Lötmetalls 30-400 μm. Dieser Dickenbereich der Lötmetallschicht eignet sich für die Verringerung der bleibenden Spannung in der Keramik durch Absorbieren der Differenz der Wärmeausdehnung zwischen der Keramik und einer Verbindungsleitung, wie nach der Verbindung beobachtet, unter Verwendung einer leichten plastischen Verformbarkeit des Kupfers. Die untere Grenze des Dickenbereichs ist aus dem folgenden Grund weitaus dicker als die Dicke einer Lötmetallschicht bei der Verbindung unter Verwendung eines Lötmetalls auf Ag-Basis. Da ein Kupferlötmetall selbst nahe dem Schmelzpunkt eine hohe Viskosität aufweist, erleidet eine dünne Schicht aus Kupferlötmetall gewöhnlich eine Erzeugung von Poren aufgrund einer unzureichenden Ausbreitung des Lötmetalls über der Grenzfläche der Verbindung, was potentiell zu einer unzureichenden Verbindungsstärke führt. Ein Umfangsteil der Lötmetallschicht ist jedoch für das Problem besonders anfällig. Die Verwendung einer großen Dicke von nicht weniger als 30 μm erhöht jedoch die Menge der flüssigen Phase zur Zeit des Schmelzens, um dadurch das Problem zu vermeiden.
Da Kupfer eine leichte plastische Verformung aufweist, verzögert, wie vorher erwähnt, Kupfer effektiv durch dessen Verformung die Erzeugung einer bleibenden Spannung in der Keramik, die von der Differenz der Wärmeausdehnung zwischen der Keramik und einer Verbindungsleitung stammt. Wenn die Dicke einer Lötmetallschicht geringer als 30 μm ist, wird jedoch Kupfer weniger verformbar und der Effekt der Verzögerung der Erzeugung einer bleibenden Spannung kann nicht erwartet werden. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer dagegen weitaus größer ist als jener von Keramik, ist vorzugsweise die Dicke einer Lötmetallschicht nicht höher als 400 μm. Wenn die Dicke einer Lötmetallschicht (einer Lötmetallschicht, die einen überwiegenden Anteil an Kupfer enthält) 400 μm übersteigt, wird die in der Lötmetallschicht erzeugte bleibende Spannung zu groß, um einen Puffereffekt durch die Verformung von Kupfer zu ergeben. Die so erzeugte große Spannung wirkt auf die Grenzfläche der Verbindung mit der Keramik, was potentiell eine Ablösung verursacht.
Bevorzugter ist die Dicke einer Schicht des Lötmetalls 50-300 μm. Weitaus bevorzugter ist die Dicke einer Schicht des Lötmetalls 150-250 μm.
Vorzugsweise ist eine zwischenliegende Pufferplatte, die aus Kupfer gebildet ist, in einer Schicht aus Lötmetall vorhanden, um die Verbindungsleitung und den Verbindungsleitungsanschlussabschnitt zu verbinden, und die Dicke der Schicht aus Lötmetall umfasst jene der Pufferplatte. In der vorliegenden Erfindung umfasst, wenn ein Lötmetall, das einen überwiegenden Anteil an Kupfer enthält, mit einer zwischenliegenden Pufferplatte, die aus Kupfer gebildet ist, verwendet wird, eine Lötmetallschicht die Pufferplatte.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein vertikaler vorderer Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer keramischen Heizvorrichtung (Glühkerze) gemäß der vorliegenden Erfindung und eine vergrößerte Ansicht von Verbindungsleitungsverbindungen zwischen Elektrodenausführungsanschlüssen und Verbindungsleitungen in dem Ausführungsbeispiel ist;
2 eine Ansicht in der Richtung des Pfeils A in der vergrößerten Ansicht von 1 betrachtet ist;
3 eine Ansicht vom Hinterende des keramischen Heizgeräts (in der Richtung des Pfeils B betrachtet) in der vergrößerten Ansicht von 1 betrachtet ist;
4 eine vergrößerte Ansicht von Verbindungen eines weiteren Ausführungsbeispiels zwischen Verbindungsleitungsanschlussabschnitten und Verbindungsleitungen ist;
5 eine Ansicht in der Richtung des Pfeils B in 4 betrachtet ist;
6 eine Ansicht noch eines weiteren Ausführungsbeispiels von Verbindungen zwischen Verbindungsleitungsanschlussabschnitten und Verbindungsleitungen vom Hinterende eines keramischen Heizgeräts (in der Richtung des Pfeils B betrachtet) betrachtet ist; und
7 ein vertikaler vorderer Schnitt eines herkömmlichen keramischen Heizgeräts ist.
Bezugsziffern werden zum Identifizieren von Elementen, die in den Zeichnungen gezeigt sind, folgendermaßen verwendet:

2, 22:: keramisches Heizgerät
5:: Siliziumnitrid-Keramiksubstrat
7, 8:: elektrisch leitende Keramik
6:: Heizelement
15:: Verbindungsleitung
16:: Auflage der Verbindungsleitung
11:: Verbindungsleitungsanschlussabschnitt
20:: Lötmetall (Lötmetallschicht) zur Verbindung mit dem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt
25:: Pufferplatte (Puffermaterial), z.B. aus Kupfer gebildet
G:: Achse des keramischen Heizgeräts

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Einzelnen mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben. In 1 bis 3 bedeutet die Bezugsziffer 2 ein keramisches Heizgerät des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das derart konfiguriert ist, dass ein im Wesentlichen U-förmiges keramisches Heizelement 6, das aus einer elektrisch leitenden Keramik gebildet ist, in einem Eingusseinsatzzustand in ein Siliziumnitrid-Keramiksubstrat 5 eingebettet ist, das die Form eines runden Stabes mit einem Durchmesser von 3,5 mm und einer Länge von 25 mm annimmt, während ein umgedrehter Teil 7a in der Form des Buchstaben U auf der Seite in Richtung des Vorderendes des keramischen Heizgeräts 2 liegt. Das keramische Heizelement 6 erstreckt sich zwischen dem umgedrehten Teil 7a, der in der Nähe eines Vorderendes 2a des keramischen Heizgeräts 2 liegt, und einem Teil, der in der Nähe eines Hinterendes 2c der keramischen Heizgeräts 2 liegt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nimmt das keramische Heizelement 6 eine solche Verbundstruktur ein, dass ein keramisches Heizelement 7, das den umgedrehten Teil 7a umfasst und eine Zusammensetzung mit hohem Widerstand annimmt, auf der Seite in Richtung des Vorderendes 2a angeordnet ist, und ein keramisches Heizelement 8, das nicht den umgedrehten Teil 7a umfasst und einen niedrigen Widerstand aufweist, auf der Seite in Richtung des Hinterendes 2c angeordnet ist. Eine solche Verbundstruktur wird durch einen Prozess der Vorbereitung von zwei Substrathälften aus grüner Keramik, die in der Lage sind, ein Heizelement aus grüner Keramik aufzunehmen, des sandwichartigen Einfügens des Heizelements aus grüner Keramik zwischen die Substrathälften aus grüner Keramik, des Heißpressens der Anordnung zu einer einzigen Einheit und des gleichzeitigen Brennens der Einheit ausgebildet.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden das Keramiksubstrat 5 und das keramische Heizelement 6 in einem planaren Zustand geschliffen, so dass die entgegengesetzten äußeren Seitenflächen der zwei Schenkel 9 des keramischen Heizelements 6 entlang einer vorbestimmten Länge von den Stirnflächen (hinteren Enden) 6c parallel zu einer Achse G des keramischen Heizgeräts 2 freiliegen. Die so geschliffenen und freiliegenden Oberflächen der zwei Schenkel 9 des keramischen Heizelements 6 dienen als Verbindungsleitungsanschlussabschnitte 11. Die Länge der Verbindungsleitungsanschlussabschnitte 11 entlang der Achse G kann angesichts der Dicke und Breite der metallischen Verbindungsleitungen 15 festgelegt werden, um eine geeignete Stärke in Bezug auf die Verbindung mit den Verbindungsleitungen 15 zu erhalten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Verbindungsleitungsanschlussabschnitte 11 eine Länge von 6 mm und eine Breite von 3 mm auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die zwei Verbindungsleitungsanschlussabschnitte 11 auch parallel zueinander planar.
Im keramischen Heizgerät 2 des vorliegenden Ausführungsbeispiels dienen die freiliegenden Oberflächen der zwei Schenkel des keramischen Heizelements 6 als Verbindungsleitungsanschlussabschnitte 11 und die Verbindungsleitungen 15, die einen Durchmesser von 0,7 mm und einen kreisförmigen Querschnitt annehmen und aus Nickel gebildet sind, sind mit den Verbindungsleitungsanschlussabschnitten 11 verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jedoch Auflagen 16 an die entsprechenden Endteile der Verbindungsleitungen 15 geschweißt, so dass die Verbindungsleitungen 15 mit den Verbindungsleitungsanschlussabschnitten 11 über die Auflagen 16 verbunden sind. Die Verbindungsarbeit verwendet ein Hartlötmetall (kann nachstehend als Kupferlötmetall bezeichnet werden) 20, das Kupfer in einem Anteil von 95% und Si und Ti, die als Aktivierungsmetalle dienen, in einem geeigneten Anteil (0,1-5%) enthält, und wird derart durchgeführt, dass die Dicke Ti einer Lötmetallschicht (kann nachstehend als Kupferlötmetallschicht bezeichnet werden) 20 etwa 60 μm ist. Die Auflagen 16 sind im Wesentlichen rechteckige Platten, die 3 mm × 1,5 mm × 0,2 mm (Dicke) messen und aus einer Fe-Ni-Co-Legierung gebildet sind.
Als nächstes wird eine Handlung oder Wirkung in Bezug auf eine Verbindungsstruktur beschrieben, in der die Verbindungsleitungen 15 mit den entsprechenden Verbindungsleitungsanschlussabschnitten 11 des Heizelements 6, das teilweise das keramische Heizgerät 2 des vorliegenden Ausführungsbeispiels bildet, unter Verwendung eines Kupferlötmetalls verbunden werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Verbindungsleitungen 15 mit den entsprechenden Verbindungsleitungsanschlussabschnitten 11 unter Verwendung des Kupferlötmetalls (ein Lötmetall, das einen überwiegenden Anteil an Kupfer enthält) 20 verbunden, um dadurch wirksam das Auftreten von Wanderung an entsprechenden Verbindungen zu verhindern. Da die Lötmetallschicht 20 eine große Dicke Ti von etwa 60 μm annimmt, wird selbst, wenn sie Wärmezyklen ausgesetzt wird, die Lötmetallschicht 20 leicht verformt, wodurch die Erzeugung von Spannung gemäßigt wird und folglich die Beeinträchtigung der Verbindungsstärke vermieden wird. Selbst wenn das keramische Heizgerät 2 in einer Nebenkammer eines Motors zur Verwendung als Glühkerze montiert wird und verbundene Teile der Verbindungsleitungen 15 einer hohen Temperatur von nicht geringer als 300°C ausgesetzt werden, wird eine sehr zuverlässige Verbindung aufrechterhalten.
Da das vorliegende Ausführungsbeispiel ein Kupferlötmetall verwendet, das Si und Ti als Aktivierungsmetalle in einem geeigneten Anteil enthält, besteht kein Bedarf, eine Metallisierungsschicht auf den keramischen Oberflächen auszubilden, die als Verbindungsleitungsanschlussabschnitte 11 dienen, wodurch ein Herstellungsprozess vereinfacht wird. Eine Erhöhung der Lötmetallkosten wird auch nicht eingegangen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nimmt die Lötmetallschicht 20 eine Dicke T1 von etwa 60 μm an. Vorzugsweise wird jedoch die Dicke Ti im größtmöglichen Ausmaß erhöht. Die Dicke Ti kann auf 300-400 μm erhöht werden, indem beispielsweise eine Vielzahl von Lötmetallfolien, die in einer Schicht angeordnet sind, durch Aufbringen von Wärme geschmolzen werden, oder indem die Verbindungsarbeit unter Verwendung einer zwischenliegenden Kupferplatte durchgeführt wird. 4 und 5 veranschaulichen eine solche Verbindungspraxis.
4 und 5 zeigen ein Beispiel einer Verbindung, die in einem keramischen Heizgerät 22 verwendet wird, wobei eine Pufferplatte (ein Puffermaterial) 25, die aus Kupfer gebildet ist, zwischen jedem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt 11 und der Auflage 16 der entsprechenden Verbindungsleitung 15 vorhanden ist, und die Verbindung derart durchgeführt wird, dass die Pufferplatte 25 zwischen Schichten aus Kupferlötmetall 20 sandwichartig eingefügt wird. Das heißt, die Auflage 16 und die Pufferplatte 25, die aus Kupfer (eine Kupferplatte) gebildet ist, sowie die Pufferplatte 25, die aus Kupfer (eine Kupferplatte) gebildet ist, und der Verbindungsleitungsanschlussabschnitt 11 werden jeweils unter Verwendung des Kupferlötmetalls 20 verbunden. Nach einer solchen Verbindung werden die Pufferplatte 25 und das Kupferlötmetall einteilig zu einer Lötmetallschicht gebildet. Daher bilden die Lötmetallschicht 20 mit einer Dicke Ti, die Lötmetallschicht 20 mit einer Dicke T2 und die Pufferplatte 25 eine dicke Lötmetallschicht T. Zusätzlich zu einem Effekt, dass die Verwendung eines Kupferlötmetalls das Auftreten von Wanderung verhindert, trägt folglich die leichte Verformung, die aus der Wärmeausdehnungsdifferenz nach der Verbindung entsteht, erheblich zur Verringerung der bleibenden Spannung in der Keramik bei.
Je größer die Dicke der Lötmetallschicht ist, desto schwieriger wird die Dicke zu steuern. Die Verwendung einer zwischenliegenden Pufferplatte, die aus Kupfer gebildet ist, ermöglicht jedoch die Integration der Pufferplatte und eines Lötmetalls. Wenn eine solche zwischenliegende Pufferplatte verwendet wird, kann folglich die Dicke der Lötmetallschicht, einschließlich der Pufferplatte, leicht gesteuert werden. Wenn eine solche Pufferplatte, die aus Kupfer gebildet ist, nicht verwendet wird, müssen beispielsweise eine Vielzahl von Kupferlötmetallfolien in Schichten zur Einstellung des Gewichts angeordnet werden, was eine problematische Arbeit ist. Die Verwendung einer zwischenliegenden Pufferplatte erleichtert die Steuerung der Dicke einer Lötmetallschicht.
In beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen weist jede der Verbindungsleitungen 15 die an ihrem Ende ausgebildete Auflage 16 auf. Eine solche Auflage ist jedoch unnötig, wenn Verbindungsleitungen die Form eines flachen Streifens annehmen. Im Fall von Verbindungsleitungen mit einem kreisförmigen Querschnitt können ihre Endteile verformt oder flach gewalzt werden.
In Bezug auf die vorstehend beschriebenen Verbindungsformen wurden verschiedene Kupferlötmetalle (Proben) von verschiedenen Komponenten (verschiedene Kupfer- und Aktivierungsmetallgehalte) vorbereitet; unter Verwendung der verschiedenen Kupferlötmetalle wurden Proben des verbundenen Körpers (keramisches Heizgerät) hergestellt, während die Dicke einer Lötmetallschicht und ein ähnlicher Parameter verändert wurden; und die Proben wurden den nachstehend beschriebenen Tests unterzogen, um den Wanderungswiderstand aus einer Änderung des Widerstandes und die Verbindungsstärke einer Verbindung zu untersuchen. Die Proben wurden in einem Ofen angeordnet, der auf einer Temperatur von 400°C gehalten wurde, und eine Gleichspannung von 25 V wurde an ihre Verbindungsleitungen angelegt. 100 Stunden später wurden die Proben hinsichtlich einer Änderung des Widerstandes und einer Verbindungsstärke einer Verbindung gemessen. Die Verbindungsstärke einer Verbindung wurde in der folgenden Weise untersucht: eine Verbindungsleitung wurde entlang der Achse G zum Prüfen gezogen, um festzustellen, ob die Verbindungsleitung bricht, oder um die Bruchlast einer Verbindung zu messen. Wenn eine Änderung des Widerstandes nicht größer als 1% ist und eine Verbindung gebrochen ist, wurde die Probe als frei vom Auftreten oder Fortschritt einer Wanderung beurteilt. Im Fall der Proben Nrn. 13-17, die Vergleichsbeispiele darstellen, wurde die Dicke der Lötmetallschicht auf 25 μm gesetzt, was eine Standarddicke für diese Art einer Lötmetallschicht ist.
Materialien für die Komponenten des keramischen Heizgeräts waren folgendermaßen: Keramiksubstrat: isolierende Keramik; beispielsweise Keramik, die einen überwiegenden Anteil an Siliziumnitrid enthält (Si₃N₄: 85 Massenprozent, Seltenerdmetalloxide: 10 Massenprozent, SiO₂: 5 Massenprozent); keramisches Heizelement auf der Seite in Richtung des Vorderendes: WC: 50 Massenprozent, Si₃N₄: 44 Massenprozent, Seltenerdmetalloxide: 4 Massenprozent, SiO₂: 2 Massenprozent; und keramisches Heizelement auf der Seite in Richtung des Hinterendes: WC: 60 Massenprozent, Si₃N₄: 35 Massenprozent, Seltenerdmetalloxide: 3 Massenprozent, SiO₂: 2 Massenprozent.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, war im Fall der Proben, bei denen die Verbindung unter Verwendung eines Lötmetalls durchgeführt wird, das Kupfer in einem Anteil von nicht weniger als 85 Massenprozent enthält, eine Änderung des Widerstandes so niedrig wie nicht größer als 1% im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen (in denen die Verbindung unter Verwendung eines Lötmetalls durchgeführt wird, das einen überwiegenden Anteil an einem anderen Metall als Kupfer enthält oder das einen überwiegenden Anteil an Silber enthält). Ferner wurden bei einem Zugtest an den Verbindungsleitungsverbindungen alle Verbindungsleitungen gebrochen. Außerdem waren die Verbindungen von einer Trennung frei. Diese Testergebnisse bedeuten, dass das vorliegende Ausführungsbeispiel (Proben Nrn. 1-5) vom Auftreten oder Fortschritt von Wanderung frei ist.
Im Fall der Probe Nr. 4, bei der eine Lötmetallschicht eine Dicke von 25 μm annimmt, die für ein Kupferlötmetall ziemlich dünn ist, wurde die Verbindung bei einer etwas kleinen Last von 68,6 N gebrochen. Im Fall der Probe Nr. 9, bei der eine Lötmetallschicht mit einer Pufferplatte eine ziemlich große Dicke von 450 μm annimmt, wurde eine große Widerstandsänderung von 26% beobachtet. Dies bedeutet, dass eine teilweise Trennung an der Verbindung aufgetreten ist, da die durch thermische Schrumpfung induzierte Spannung aufgrund einer übermäßig großen Dicke der Kupferschicht übermäßig groß wird. Als die Probe Nr. 9 einem Zugtest unterzogen wurde, wurde daher die Verbindung bei einer kleinen Last von 10,8 N gebrochen. Bedeutenderweise ist die Bruchlast einer Verbindungsleitung, wie durch einen Zugtest gemessen, etwa 98 N.
Im Fall der Probe Nrn. 13-15 (Vergleichsbeispiele), bei denen die Verbindung unter Verwendung eines Lötmetalls durchgeführt wird, das Silber in einem überwiegenden Anteil (60-92 Massenprozent) und Kupfer in einem kleinen Anteil von 5-35 Massenprozent enthält, und der Probe Nrn. 16 und 17 (Vergleichsbeispiele), bei denen die Verbindung unter Verwendung eines Lötmetalls durchgeführt wird, das Silber in einem überwiegenden Anteil (86 Massenprozent) und kein Kupfer enthält, lag eine Widerstandsänderung oberhalb 2 Bei einem Zugtest an Verbindungsleitungsverbindungen wurden ferner die Verbindungsleitungen nicht gebrochen, aber die Verbindungen wurden bei einer kleinen Last gebrochen. Diese Testergebnisse implizieren, dass eine Wanderung in den Vergleichsbeispielen aufgetreten ist, die durch die Probe Nrn. 13-15 und Proben 16 und 17 dargestellt sind. In dem durch die Probe Nr. 17 dargestellten Vergleichsbeispiel wurde eine Kupferpufferplatte verwendet, aber eine Widerstandsänderung von 2 wurde beobachtet. Dies impliziert, dass eine Wanderung infolge der Verwendung des Lötmetalls aufgetreten ist, das einen überwiegenden Anteil an Silber enthält.
Die vorstehend beschriebenen Testergebnisse bedeuten, dass eine wirksame Verbindung unter Verwendung eines Lötmetalls bereitgestellt wird, das Kupfer in einem Anteil von nicht weniger als 85 Massenprozent enthält. Eine wirksame Verbindung wird auch durch die Verwendung einer Lötmetalldicke von 30-400 μm ungeachtet dessen, ob eine Pufferplatte vorhanden ist oder nicht, bereitgestellt. Im Fall der Probe Nrn. 7 und 8, bei denen eine Lötmetallschicht eine große Dicke von 140 μm und 400 μm annimmt und eine aus Kupfer gebildete Pufferplatte umfasst, wurden vorteilhafte Testergebnisse erhalten. Diese Testergebnisse demonstrieren die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wurden dieselben Proben, die im vorstehend beschriebenen Test verwendet worden waren, zur Wärmezyklusbewertung getestet. Die Proben wurden einem Haltbarkeitstest in der folgenden Weise unterzogen: die Proben wurden 1000 Wärmezyklen unter Verwendung einer Gasphasen-Wärmetestvorrichtung unterzogen, wobei jeder Wärmezyklus darin bestand, sie einer Temperatur von 40°C für eine Minute auszusetzen und einer Temperatur von 500°C für 5 Minuten auszusetzen. Anschließend wurde ein Zugtest an den Verbindungsleitungsverbindungen der Proben durchgeführt, um dadurch den Einfluss der Wärmezyklen auf die Verbindungsstärke zu überprüfen. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurden im Fall der Proben, bei denen die Verbindung unter Verwendung eines Lötmetalls durchgeführt wird, das Kupfer in einem Anteil von nicht weniger als 85 Massenprozent enthält, so dass eine Lötmetallschicht eine Dicke von 25-400 μm annimmt, die Verbindungsleitungen ohne Beteiligung einer Trennung oder Ablösung der Verbindungen gebrochen. Dies bedeutet, dass, wenn sie Wärmezyklen ausgesetzt werden, eine Kupferschicht, die als Lötmetallschicht dient, die erzeugte Spannung durch Schrumpfung oder Verformung, die gemäß den Wärmezyklen bewirkt wird, absorbierte, da die Kupferschichtdicke geeignet ist. In dem Fall, in dem die Verbindung derart durchgeführt wurde, dass die Dicke einer Lötmetallschicht 450 μm ist, wurden die Verbindungen gebrochen. Dies impliziert, dass, wenn sie Wärmezyklen ausgesetzt werden, eine Kupferschicht, die als Lötmetallschicht dient, gemäß den Wärmezyklen nicht geschrumpft ist oder sich nicht verformt hat, da die Kupferschicht zu dick ist. Im Fall der Vergleichsbeispiele (Probe Nrn. 13 und 15) wurden die Verbindungen auch gebrochen. Dies bedeutet, dass eine Lötmetallschicht nicht gemäß den Wärmezyklen geschrumpft ist oder sich verformt hat, mit einem resultierenden Versagen, eine Spannung zu absorbieren, da der Kupfergehalt der Lötmetallschicht gering ist. Eine Lötmetallschicht, die einen überwiegenden Anteil an Kupfer enthält, kann keine Spannungsabsorptionswirkung bewirken, wenn sie zu dünn oder zu dick ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern kann in vielen weiteren speziellen Formen verkörpert werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Das obige Ausführungsbeispiel ist beispielsweise beschrieben, während die Heizelemente und die Verbindungsleitungsanschlussabschnitte erwähnt sind, die aus elektrisch leitender Keramik gebildet sind. Die Heizelemente und die Verbindungsleitungsanschlussabschnitte können jedoch aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt wie z.B. W oder Mo oder einer Metallverbindung mit hohem Schmelzpunkt wie z.B. WC oder TiN gebildet werden. Das obige Ausführungsbeispiel ist auch beschrieben, während der Verbindungsleitungsanschlussabschnitt 11 erwähnt ist, der durch Abflachen einer Seitenfläche des keramischen Heizgeräts implementiert ist. Wie in 6 gezeigt, kann jedoch der Verbindungsleitungsanschlussabschnitt 11 durch eine zylindrische Oberfläche implementiert werden. In diesem Fall kann die Auflage 16, die als Verbindung der Verbindungsleitung 11 dient, eine konkave, zylindrische Oberfläche annehmen, die der zylindrischen Oberfläche des Verbindungsleitungsanschlussabschnitts 11 entspricht.
In der vorliegenden Erfindung kann das Keramiksubstrat aus einer isolierenden Keramik gebildet sein, deren Zusammensetzung, wie geeignet, beispielsweise gemäß der Anwendung des keramischen Heizgeräts festgelegt wird.
Wie scheinbar aus den vorstehend beschriebenen Testergebnissen verständlich ist, kann die vorliegende Erfindung eine Verbindungsstruktur bereitstellen, die keine Beeinträchtigung der Verbindungsstärke, die induziert wird, indem sie Wärmezyklen ausgesetzt wird, keine Kostenerhöhung und kein Auftreten von Wanderung beinhaltet, da ein Lötmetall, das einen überwiegenden Anteil an Kupfer enthält, zum Verbinden des Verbindungsleitungsanschlussabschnitts und einer Verbindungsleitung verwendet wird. Daher ist die vorliegende Erfindung infolge der Erfüllung eines Bedarfs für die Größenverringerung besonders effektiv auf eine Glühkerze anwendbar, bei der Verbindungsleitungsverbindungen einer hohen Temperatur von nicht niedriger als 300°C ausgesetzt werden.

Claims

Keramisches Heizgerät, umfassend: ein Heizelement (6), welches in ein isolierendes Keramiksubstrat (5) eingebettet ist; einen Verbindungsleitungsanschlussabschnitt (11), welcher mit dem Heizelement (6) verbunden ist; und eine Verbindungsleitung (15), welche mit dem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt (11) mit dazwischen hergestelltem Stromdurchgang verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung (15) mittels eines Lötmaterials (20) mit dem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt (11) verbunden ist, welches einen überwiegenden Anteil an Kupfer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht des Lötmaterials (20), welches die Verbindungsleitung (15) mit dem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt (11) verbindet, in einem Bereich von 30 bis 400 μm liegt.
Keramisches Heizgerät nach Anspruch 1, wobei das Lötmaterial (20) Kupfer in einem Umfang von nicht weniger als 85 Massenprozent enthält.
Keramisches Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lötmaterial (20) Ti oder Si als Aktivierungsmaterial enthält.
Keramisches Heizgerät nach Anspruch 3, wobei der Ti- oder Si-Gehalt des Lötmaterials (20) in einem Bereich von 0,1 bis 5 Massenprozent liegt.
Keramisches Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Auflage (16) auf der Verbindungsleitung (15) ausgebildet ist, um als mit dem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt (11) zu verbindende Verbindungsoberfläche zu dienen, wobei die Verbindungsleitung (15) über die Auflage (16) mit dem Verbindungsleitungsanschlussabschnitt (11) verbunden ist.
Keramisches Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke der Schicht des Lötmaterials (20) zum Verbinden der Verbindungsleitung (15) und des Verbindungsleitungsanschlussabschnitts (11) in einem Bereich von 50 bis 300 μm liegt.
Keramisches Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke der Schicht des Lötmaterials (20) zum Verbinden der Verbindungsleitung (15) und des Verbindungsleitungsanschlussabschnitts (11) in einem Bereich von 150 bis 250 μm liegt.
Keramisches Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine aus Kupfer gebildete zwischenliegende Pufferplatte in der Schicht des Lötmaterials (20) vorhanden ist, welche die Verbindungsleitung (15) und den Verbindungsleitungsanschlussabschnitt (11) verbindet, und wobei die Dicke der Schicht des Lötmaterials (20) die Dicke der aus Kupfer gebildeten Pufferplatte (25) umfasst.