JP2000048934A - 金属リード材とこれを用いた通電デバイス - Google Patents

金属リード材とこれを用いた通電デバイス

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JP2000048934A JP10216276A JP21627698A JP2000048934A JP 2000048934 A JP2000048934 A JP 2000048934A JP 10216276 A JP10216276 A JP 10216276A JP 21627698 A JP21627698 A JP 21627698A JP 2000048934 A JP2000048934 A JP 2000048934A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ろう付け部の金属リード7の耐硫化性及び耐酸
化性を改善し、これらにより信頼性を向上させたセラミ
ックヒータ等の通電デバイスを提供する。 【解決手段】セラミック体1に発熱抵抗体等の導体を内
蔵し、該導体に通電するための電極パッドと外部金属リ
ード7とをろう付けした構造のセラミックヒータ等の通
電デバイスにおいて、上記金属リード7をNiを主成分
とし、副成分としてMnを0.5〜1.5重量%含有す
る金属材で形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、石油ファンヒータ
ーの点火用・気化用及び酸素濃度検出用センサーの補助
加熱ヒーターなど各種産業機種に使用するセラミックヒ
ータ、あるいは半導体素子を搭載する基板やパッケー
ジ、さらには各種電子部品等、通電して機能を持たせる
ようにした通電デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、セラミック体に、発熱体、回
路等の導体を備え、この導体に通電することによって、
何らかの機能を持たせるようにした通電デバイスが使用
されている。
【0003】この通電デバイスの一つとして、従来から
平板・ロッド状及び管状などの形状をしたセラミックヒ
ータが使用されている。
【0004】図1〜3に、ロッド状のセラミックヒータ
の概略図を示した。内部電極の取り出し構造として、あ
らかじめセラミックシート2にスルーホール12を設
け、この中に導電性ペーストを充填して、セラミックシ
ート2外側へ導通をとり、その上にメタライズ8を導電
性ペーストを用いてプリントする。その後、セラミック
軸3に、発熱体ペースト(発熱部4、引き出し部5)を
プリントしたセラミックシート2を巻き付け焼成し、セ
ラミックヒータ焼結体を得る。
【0005】その後、メタライズ8の表面にNiメッキ
9を施した後、Ni等の金属リード7をAu/Cu系・
Ag/Cu系・Ag系等のろう材10を用いてろう付け
して、セラミックヒータとしている。またその際、メタ
ライズ8・ろう材10及び金属リード7の高温酸化及び
湿度変色を防止するために、Niメッキ11を施し全体
を覆っているものもある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記セラミックヒータ
のろう付けで使用される金属リード7は、一般的に純N
i(Ni:99.0%以上)が使用されている。
【0007】ところが、上記のようなセラミックヒータ
においては、Niメッキ時のメッキ液もしくは、前処理
・後処理の微少な残留によりSが残留し、金属リード7
の粒界層が侵され容易に金属リードが脆性破壊するとい
う問題があった。
【0008】また、ろう付けにおいて還元雰囲気炉を使
用するが、微妙な雰囲気の変動においてNiの粒界に酸
素が進入し、粒界酸化を生じ上記同様に、容易に金属リ
ード7が脆性破壊するという問題があった。
【0009】また、上記セラミックヒータを使用する環
境として、密封されている場合が多い。上記セラミック
ヒータを通電した際、密封状態で発熱させるため、電極
部まで加熱される。このことにより、金属リード7が酸
化して、クラックが入り、破壊を助長する可能性があっ
た。
【0010】なお、上記はセラミックヒータについて述
べたが、半導体装置等の他の通電デバイスにおいても、
同様に金属リードを備えて、高温雰囲気で使用されるよ
うな場合、同様の問題が生じていた。
【0011】本発明は、かかる問題点に鑑み、ろう付け
部の金属リード7の耐硫化性及び耐酸化性を改善し、こ
れらにより信頼性を向上させたセラミックヒータ等の通
電デバイスを提供しようとするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記に鑑みて、本発明
は、セラミック体に発熱抵抗体や回路等の導体を備え、
該導体に通電するための電極パッドと外部金属リードと
をろう付けした構造の通電デバイスにおいて、上記金属
リードの材質がNiを主成分とし、副成分としてMnを
0.5〜1.5重量%含有することを特徴とする。
【0013】また、上記金属リード内に含まれるSiを
0.5重量%以下としたことを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態としてセラミッ
クヒータについて、図1〜図3を用いて説明する。
【0015】図1,3に示すごとく、本例のセラミック
ヒータは発熱体Aとして発熱部4と引き出し部5をセラ
ミック体1の内部に内蔵してなる。該セラミック体1に
は、上記内部の引き出し部5からスルーホール12を介
して、外部に電極部6を有してなる。図2に示すごと
く、上記セラミック体1は、セラミックシート2とセラ
ミック中軸3よりなり、セラミックシートに発熱体Aと
して発熱部4と引き出し部5を設けてなる。そして、該
セラミック軸3の周囲にセラミックシート2を巻き付け
て一体的に焼成する。
【0016】電極部6の詳細構造として、図3に示すご
とく、スルーホール12を介して外部に取り出したメタ
ライズ8の上部にNiメッキ9を施す。この上に、Ag
ろう等のろう材10を用いて金属リード7を接合する。
さらにその上部に、Niメッキ11を施し、セラミック
体1を得る。
【0017】なお、この際の金属リード7は、Niを主
成分とし、副成分としてMnを0.5〜1.5重量%含
有し、且つSiを0.5重量%以下とした金属材により
形成することにより、耐食性を向上させたものである。
【0018】次に、本発明の作用効果につき説明する。
本例のセラミックヒータにおいては、Niメッキ9、1
1の製造工程で使用されるメッキ液内に微量のSが存在
する。そのメッキ液の微少な残渣により、金属リード7
上にSが残留し、その後の熱処理により、Sが粒界拡散
したとしても、金属リード7として耐食性の高い金属材
を用いているため、容易に破壊しない。
【0019】さらに、電極部6のろう付け時の還元雰囲
気炉中における、微妙な雰囲気変動が発生した場合で
も、金属リード7の粒界が酸化せず、破壊することはな
い。
【0020】また、上記セラミックヒータを使用する環
境として、密封されている場合が多い。上記セラミック
ヒータを通電した際、密封状態で発熱させるため、電極
部6まで加熱される。このことにより、金属リード7が
酸化したとしても、クラックが入り、破壊を助長するよ
うなことはない。また、金属リード7の引っ張り強度も
低下しない。
【0021】よって、本例のセラミックヒータは金属リ
ード7の耐久性を向上させることができる。
【0022】本発明の他の実施形態として平面状のヒー
タとすることもできる。
【0023】図4、5に示すごとく、本例のセラミック
ヒータは発熱体Aとして発熱部4と引き出し部5をセラ
ミック体1の内部に内蔵してなる。該セラミック体に
は、上記内部の発熱体Aの上に電極部6を形成するた
め、あらかじめ打ち抜かれたセラミックシート13を重
ね一体的に焼成する。このことにより、同時に電極部6
も有してなる。
【0024】以下、電極部6の詳細構造を説明する。図
6に示すごとく、引き出し部5を露出させたメタライズ
8の上部にNiメッキ9を施す。また、上記Niメッキ
9を施したメタライズ8と金属リード7の接合にろう材
10を用いてなる。この際のろう材10はAgろうを用
いる。
【0025】なお、この際の金属リード7は、Niを主
成分とし、副成分としてMnを0.5〜1.5重量%含
有し、且つSiを0.5重量%以下とした金属材を用い
る。本例の場合、金属リード7を接合させる設置場所は
平面である。
【0026】この方法で得られたセラミックヒータにお
いても、優れたリード接合強度を有すると共に、発明の
実施の形態と同様の作用効果も有している。
【0027】なお、以上の実施形態ではセラミックヒー
タについて述べたが、本発明は、半導体装置、回路基
板、各種電子部品等の通電デバイスにも適用することが
できる。
【0028】
【実施例】以下、本発明をセラミックヒータに適用し、
さまざまな実験を行った。
【0029】実施例1 下記表1に、Mn量を変量させた金属リードの耐硫化試
験及び耐酸化試験並びに、金属リードとAgろうからな
るろう材の濡れ性確認及び金属リードの引っ張り強度を
示す。
【0030】また、表1中の各評価基準は以下の通りで
ある。
【0031】 耐硫化 ○:破壊しない ×:脆性破壊する 確認方法:金属リード中心部より左右90°へ1回ず つ屈曲試験後、破壊の有無を目視確認 耐酸化 ○:表面にクラックなし ×:表面にクラック発生 確認方法:金属リード中心部より左右90°へ1回ず つ屈曲試験後、屈曲部のクラックを40倍 の双眼顕微鏡にて確認 濡れ性確認 ○:金属リード表面に膜なし 金属リードとろう材は密着している △:金属リード表面に膜あり 金属リードとろう材は密着している ×:金属リード表面に膜あり 金属リードとろう材の間に隙間がある 確認方法:ろう付け後の金属リード表面及び金属リー ドとろう材の接合部を40倍の双眼顕微鏡 にて確認 引っ張り強度 確認方法:金属リード先端をチャッキングし、セラミ ックヒータ全長方向と垂直になるように引 っ張る 引っ張り速度:32mm/min 耐硫化試験は、Sの影響を確認するべく、Sを各金属リ
ードに含有させ、700℃にて5時間熱処理を施した後
の屈曲による金属リードの破壊を確認した。Aは容易に
脆性破壊を呈したが、B〜Fは破壊しなかった。
【0032】また、耐酸化試験は、約1000℃にて1
時間酸化雰囲気にて熱処理を施した後の屈曲による金属
リードの破壊を確認した。Aは金属リードの表面にクラ
ックを呈するが、B〜Fはクラックは見られなかった。
【0033】濡れ性の確認においては、ろう付け部を観
察した結果を示す。A〜Dにおいては金属リードにろう
材が密着し、非常に良好な状態でろう付けされており、
表面膜は見られなかった。
【0034】Eにおいては、金属リードの表面に膜が見
られ、Fにおいては、表面膜がある上金属リードとろう
材に隙間が見られる。金属リード引っ張り強度において
は濡れ性確認と相関のある結果を示しており、E,Fに
おいては非常に強度の低い結果となっており製品として
機能しない。このことは、金属リード表面上にMnが浮
きだし、Mn膜で金属リード表面を覆うことにより、ろ
う材との濡れ性が低下し且つ強度低下を招いたものと判
断した。
【0035】以上、試験により得られた結果より、Mn
量を0.5〜1.5重量%含有するNi金属リードを使
用することにより、本発明の目的とするところの、ろう
付け部の金属リードの耐硫化性及び耐酸化性よっては信
頼性を向上させたセラミックヒータを得ることができ
る。
【0036】
【表1】
【0037】次に、下記表2に金属リード内Mn含有量
が請求項1記載範囲内のもので、Si量を変量させた耐
硫化試験及び耐酸化試験並びに、金属リードとろう材の
濡れ性確認及び金属リードの引っ張り強度を示す。
【0038】また、表2中の各評価基準は以下の通りで
ある。
【0039】 耐硫化 ○:破壊しない ×:脆性破壊する 確認方法:金属リード中心部より左右90°へ1回ず つ屈曲試験後、破壊の有無を目視確認 耐酸化 ○:表面にクラックなし ×:表面にクラック発生 確認方法:金属リード中心部より左右90°へ1回ず つ屈曲試験後、屈曲部のクラックを40倍 の双眼顕微鏡にて確認 濡れ性確認 ○:金属リード表面に膜なし 金属リードとろう材は密着している △:金属リード表面に膜あり 金属リードとろう材は密着している ×:金属リード表面に膜あり 金属リードとろう材の間に隙間がある 確認方法:ろう付け後の金属リード表面及び金属リー ドとろう材の接合部を40倍の双眼顕微鏡 にて確認 引っ張り強度 確認方法:金属リード先端をチャッキングし、セラミ ックヒータ全長方向と垂直になるように引 っ張る 引っ張り速度:32mm/min 各々の試験は上記と同様に実施した。耐硫化試験及び耐
酸化試験においては、Si量を変動させることによる影
響はなく良好な結果を示す。但し、濡れ性の確認におい
てはIにおいて上記E同様に金属リードの表面に膜が見
られ、同じく金属リード引っ張り強度においても濡れ性
確認と相関のある結果を示しており、Iにおいては非常
に強度の低い結果となっている。このことは、上記同様
金属リード表面上にSiが浮きだし、Si膜で金属リー
ド表面を覆うことにより、ろう材との濡れ性が低下し且
つ強度低下を招くものである。
【0040】以上、試験により得られた結果より、Ni
を主成分とする金属リード中のSiの含有量を0.5重
量%以下とすることにより、本発明の目的とするところ
の、ろう付け部の金属リードの耐硫化性及び耐酸化性を
改善し、これらにより信頼性を向上させたセラミックヒ
ータを得ることができる。
【0041】
【表2】
【0042】実施例2 本発明の他の実施例として、金属リード7の接合に用い
るろう材をAu/Cuろうとしたところ、優れたリード
接合強度を有すると共に、上記実施例と同様の作用効果
も有していた。
【0043】実施例3 本発明の他の実施例として、Niメッキ11を形成しな
いセラミックヒータを作製した。本実施例では、耐熱保
護の役割を有するNiメッキ11を有しないため、電極
部6が加熱される場合にかかる熱負荷が発明の実施の形
態よりも大きい。しかし、この場合でも金属リード7の
酸化によるクラックの発生及びそのことによる破壊の助
長はなく、発明の実施の形態と同様の作用効果も有して
いた。
【0044】実施例4 図4〜6に示す平面セラミックヒータを作製した。この
方法で得られたセラミックヒータにおいても、優れたリ
ード接合強度を有すると共に、発明の実施の形態と同様
の作用効果も有していた。
【0045】
【発明の効果】本発明の通電デバイスにおいては、ろう
付けされる金属リードの材質をNiを主成分とし、副成
分としてMnを0.5〜1.5重量%含有し、且つ、金
属リード内に含まれるSiを0.5重量%以下としたこ
とによって、Niメッキ時のメッキ液もしくは、前処理
・後処理の微少な残留によりSが残留したとしても、上
記金属リードを用いた通電デバイスにおいては、粒界層
が侵されず、金属リードが破壊しない、優れたリード接
合強度を有する通電デバイスを得ることができる。
【0046】更に、ろう付け時の還元雰囲気炉中の微妙
な雰囲気の変動に伴う粒界酸化も生じず、破壊しない。
また、実際のセラミックヒータ等の通電デバイスの使用
環境における、電極部の温度上昇及び熱負荷にも耐えう
る、優れたリード接合強度を有する通電デバイスを得る
ことができる。
【0047】よって、本発明によれば、金属リードの故
障等が少なく、信頼性が高い通電デバイスを得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の通電デバイスの一実施形態であるセラ
ミックヒータを示す斜視図である。
【図2】上記セラミックヒータの製造工程を示す斜視図
である。
【図3】図1中のZ−Z線拡大断面図である。
【図4】本発明の通電デバイスの一実施形態であるセラ
ミックヒータの他の実施例を示す斜視図である。
【図5】図4に示すセラミックヒータの製造工程を示す
斜視図である。
【図6】図4中のY−Y線拡大断面図である。
【符号の説明】
1...セラミック体 2,13...セラミックシート 3...セラミック軸 4...発熱部 5...引き出し部 6...電極部 7...金属リード 8...メタライズ 9,11...Niメッキ 10...ろう材 12...スルーホール

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Niを主成分とし、副成分としてMnを
    0.5〜1.5重量%含有することを特徴とする金属リ
    ード材。
  2. 【請求項2】上記金属リード材に含まれるSiを0.5
    重量%以下としたことを特徴とする請求項1記載の金属
    リード材。
  3. 【請求項3】セラミック体に発熱抵抗体、回路等の導体
    を備え、該導体に通電するための電極パッドと、請求項
    1又は2に記載の材料からなる金属リードとをろう付け
    してなる通電デバイス。
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