JP2000048939A - 通電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

通電デバイスおよびその製造方法

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JP2000048939A
JP2000048939A JP21627798A JP21627798A JP2000048939A JP 2000048939 A JP2000048939 A JP 2000048939A JP 21627798 A JP21627798 A JP 21627798A JP 21627798 A JP21627798 A JP 21627798A JP 2000048939 A JP2000048939 A JP 2000048939A
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chlorine
ceramic
ceramic heater
plating
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Eiji Kurahara
英治 蔵原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】リード線のろう付け部の耐久性及び信頼性が高
い通電デバイスを得る。 【解決手段】発熱体4と該発熱体4とに接続した取り出
し電極部6とをセラミック体1の内部に内蔵してなるセ
ラミックヒーター等の通電デバイスにおいて、該電極部
に付着する塩素量をEPMA分析値で2000カウント
以下とする。

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。中でも、車用の排気ガスセンサ
に使用されているロッド状のヒータは、世界的な地球環
境保護の動きに連動して、使用量が増加する傾向にあ
る。
【0004】図1に、ロッド状のセラミックヒータの概
略図を示す。該セラミックヒータは、発熱体Aと該発熱
体Aを内蔵したセラミック体1とよりなり、該セラミッ
ク体1には、内部の発熱体Aに電力を供給するためのリ
ード線7がロウ付けされている。
【0005】図2に示す如く、上記セラミック体1は、
セラミック軸3に発熱体Aを印刷したセラミックグリー
ンシート2を巻き付けた構造である。上記発熱体Aは、
通電により発熱する発熱部4及び該発熱部4と電極部6
との電気的導通を取るための引き出し部5とよりなる。
【0006】上記セラミックシート2には、図1に示し
た上記発熱体Aとリード線7とを接続するための電極部
6が設けられている。上記電極部6は、引き出し部5と
の間のセラミックシート2に導体を充填したスルーホー
ル12を設けることより、両者を電気的に接続する。
【0007】上記電極部6の構造を図3に示す。タング
ステン金属をメタライズ8し、Niめっき9を施しリー
ド線7をAu−Cu系、およびAg系等のロウ材でロウ
付けしている。また、ヒーター使用環境により、該電極
部6の温度・湿度などをによる劣化を防ぐために、更に
Niメッキを施すものもある。なお、管状のセラミック
ヒータは、上記棒状ヒータにおけるセラミック軸3が中
空になった構造である。
【0008】次に板状のセラミックヒータについて図4
に示す。上記棒状のセラミックヒータと同様に発熱体A
と該発熱体Aを内蔵したセラミック体1とよりなり、該
セラミック体1には、内部の発熱体Aに電力を供給する
ためのリード線7がロウ付けされている。
【0009】図5に示す如く、上記セラミック体1は、
後述する電極部6の形状に加工されたセラミックシート
13に発熱体をAを印刷したセラミックシート2を積層
した構造である。上記発熱体Aは、通電により発熱する
発熱部4及び該発熱部4と電極部6との電気的導通を取
るための引き出し部5とよりなる。
【0010】上記セラミックシート2には、図4に示し
た上記発熱体Aとリード線7とを接続するための電極部
6が設けられている。上記電極部6は、引き出し部5上
の発熱体Aとは逆方向の端に設けられている。。
【0011】上記電極部6の構造を図6に示す。タング
ステン金属をメタライズ8し、Niめっき9を施しリー
ド線7をAu−Cu系、Ag系などのロウ材でロウ付け
している。また、ヒータ使用環境により、該電極部6の
温度・湿度などを防ぐために、更にロウ材表面にNiめ
っきを施すものもある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】近年のセラミックヒー
タに求められる使用環境としては、高温、多湿の厳しい
雰囲気中での高寿命・高信頼性である。例えば、自動車
用の排気ガスセンサに使用されるセラミックヒータの場
合、水の侵入により、発熱したセラミックヒータやセン
サの熱衝撃による破壊を防止するため、防水加工が施さ
れる。ところが、現実には水が直接侵入しない場合で
も、水蒸気は空気と一緒に侵入するので、セラミックヒ
ータ発熱時は、ヒータ付近は、かなり高温多湿の状態に
なる。
【0013】そして、上記の如くセラミックヒータ1の
電極部6にAu/Cu系、Ag系などのろう材でNiリ
ードをろう付けした構造、及びその上の最表面にNiめ
っきを全面施した構造において、メッキ工程にて塩素等
の酸化性腐食元素が若干残留する。そして、リード線7
やろう材の表面に酸化性腐食元素(特に塩素)が残留し
ていた場合、使用環境の影響でNiCl2 、Ni(O
H)2 などの化合物を生成し、また、加熱冷却のサイク
ルにより、前記化合物付近に水の生成・蒸発を繰り返す
うちにこれらが濃縮され、Niのリード線4や、リード
線4とろう材10界面、及びろう材10とNiメッキ9
界面が塩素の孔食作用により腐食されるようになる。腐
食が進行すると最終的に電極部6とセラミックヒータへ
の電源供給部との導通が取れず、機能を満足しなくなる
という問題があった。
【0014】ここで、想定される反応式を以下に示し
た。
【0015】Ni線もしくはNiメッキの上に、塩化ニ
ッケル等の塩が付着し、湿度がその塩の臨界湿度を越え
ると塩が吸湿して周囲に水が生成するようになる。そし
て、Niの表面に、塩が水中で解離する事により塩素イ
オンが生成する。そうすると、(1)式に示したよう
に、さらにNiメッキ部からNiが溶解してNiイオン
が生成するようになる。この反応式で生成した電子は、
水中に溶解した酸素とさらに反応して(2)式に示した
ように水酸イオンを生成する。セラミックヒータ加熱時
は、乾燥によりここで生成した水酸イオンが(1)式の
Niイオンと結合して、(3)式に示したように水酸化
ニッケルが生成することになる。乾燥がさらに進むと、
水酸化ニッケルは(4)式に示したように酸化ニッケル
に変わる。ここで蒸発した水分は、冷却時に塩化ニッケ
ル等の塩の部分に再度凝結して(1)の反応に帰するよ
うになる。
【0016】 こうして、Niの浸食が進行していくものと推定され
る。この反応は、比較的室温に近い温度でゆっくりと進
展する反応であると思われる。
【0017】塩酸等の強酸にNi線を入れると、一気に
Ni線全体が腐食するが、上記のようにpHが中性に近
い領域で進行する腐食は、比較的限定された領域で反応
が進行する。Ni表面に付着した塩が、水和・析出の繰
り返しにより濃縮されやすい部分で、上記のような腐食
が徐々に進行していくものと推定される。
【0018】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。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明は、通電デバイス
のリード線及びロウ材の表面に付着している塩素量をE
PMA分析値で2000カウント以下とすることを特徴
とする。
【0020】また、塩素付着量を低減する手法の一つと
して、リード線のロウ付け後、500℃以上の還元炉熱
処理工程を行うことを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】以下本発明の通電デバイスの一実
施形態としてセラミックおよびその製法について説明す
る。
【0022】図1〜3に示すセラミックヒータは、セラ
ミック中軸3に発熱体4と引き出し部5を設け、電極部
6上にさらにロウ付によりNiリードを固定したセラミ
ックヒータである。
【0023】以下、上記セラミックヒータの製造方法に
ついて説明する。始めに、セラミックシートを作製する
工程について説明する。まず、原料を混合した後、この
混合物をセラミックグリーンシートに成形する。上記原
料として。例えば、Al2 3 94重量%に対して、C
aO、MgO、SiO2 を合わせて6重量%混合したセ
ラミック粉末を準備し、さらに、有機バインダー、有機
溶剤を適宜混合してスラリーとし、これをドクターブレ
ード法でシート状に成形する。このセラミックグリーン
シートを適当な大きさに切断し、表面に発熱部4、引き
出し部5を、さらにその裏面に電極部6を、Wを主成分
とするペーストを用いてプリント印刷し、さらに前記引
き出し部5と電極部6を導通させるため、スルーホール
加工後、導通の為にインクを充填する。このグリーンシ
ートを適当な大きさに切断した後、前記発熱部前記セラ
ミック軸3に密着させ、還元雰囲気中1500〜160
0℃の温度で焼成して棒状のセラミックヒータを得る。
【0024】さらに電極部の構造を図3を用いて説明す
る。前述の工程で得られたセラミックヒータ外周に形成
されたWメタライズ8にNiメッキ9を2〜6μm厚み
で形成し、その後、Au−Cu、Ag−Cuロウを用い
てNi線からなるリード線7をロウ付けする。そして、
ロウ材10の上にさらにNiメッキ11を施し、600
〜1000℃の温度で還元雰囲気で熱処理し、リード付
けしたセラミックヒータを得る。
【0025】上記メッキ工程にて、表面に塩素が残留す
るが、最後の還元雰囲気での熱処理工程によって、残留
した塩素を除去し、塩素の付着量をEPMA分析値で2
000カウント以下とすることができる。これにより、
上述した腐食を防止し、耐久性を向上させることができ
る。
【0026】なお、本発明の他の実施形態として図4〜
6に示す平面型セラミックヒータについても同様の構成
とすることができる。
【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】本発明の通電デバイスの一例であるセラミッ
クヒータにおいて、リード線とロウ材上に塩素付着量を
2000カウント以下とする根拠と、付着残留する塩素
量を減少させるための製造方法についての有効性を示す
実験を行った。
【0029】実施例1:塩素付着量とセラミックヒータ
ー寿命 セラミックヒータのサンプルをそれぞれ違う濃度のNiCl
2 溶液に浸漬し、付着する塩素量を変化させた(試料A
〜E)。その後、ある試験環境下でセラミックヒータと
して径時変化の目安である、内蔵の抵抗体における抵抗
変化率を調査した。結果として、抵抗変化率が3%以下
のサンプルに付着させた塩素のカウント数を上限基準と
した。なお、試験条件は以下の通りとした。
【0030】 ・塩素付着量:サンプルA〜Eを5〜40%のNiCl2溶液に浸漬後乾燥させ、 EPMA分析によりNiリード上及びろう付け部を各5点測定 し、その平均値を求めた。 ・EPMA分析条件 方法:EPMA波長分散型 装置:JXA−8600M 蒸着:なし 加速電圧:15 KV プローブ電流:7.0 ×10-7[A] 分析測定エリア:100 ×100 μm 分析サンプリングタイム:0.5 SEC ・試験環境 :大気中 湿度50 % −8000 hr 放置 ・評価項目 :OK:初期抵抗に対する変化が3[%]未満 NG:初期抵抗に対する変化が3[%]以上 結果を表1に示すように、リード線及びロウ材上の塩素
付着量が、EPMA分析値で、2000カウント以内で
あれば、抵抗変化が3%以内となりセラミックヒータの
信頼性が向上することがわかる。
【0031】
【表1】
【0032】実施例2:塩素付着量と還元炉熱処理温度 セラミックヒータのサンプルを40%濃度のNiCl2 溶液
に浸漬し、塩素を付着させる。その後、アンモニア分解
ガスを主とする還元雰囲気炉に入炉する。その際、炉内
温度を400℃から600℃まで変化させる(試料A〜
E)。その際、塩素付着量を先に述べたEPMA分析値
で2000カウント以下となる炉内温度を調査する。な
お、試験条件は以下の通りとした。
【0033】・塩素付着量:サンプルA〜Eを40%の
NiCl2 溶液に浸漬後乾燥させ、EPMA分析によりNi
リード上及びろう付け部を測定し、最小値を求めた。
【0034】 ・EPMA分析条件 方法:EPMA波長分散型 装置:JXA−8600M 蒸着:なし 加速電圧:15 KV プローブ電流:7.0 ×10-7[A] 分析測定エリア:100 ×100 μm 分析サンプリングタイム:0.5 SEC ・試験環境 :大気中 湿度50 % −2000 hr 放置 ・評価項目 :OK:塩素付着量≦2000カウント NG:塩素付着量>2000カウント 結果を表2に示すように、500℃以上の還元雰囲気で
熱処理することによって、塩素付着量を2000カウン
ト以下に減らせることがわかる。
【0035】
【表2】
【0036】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、通電デバ
イスの製造工程中にリード線やロウ材上に塩素が付着し
ても、還元雰囲気中500℃以上の熱処理工程によっ
て、塩素付着量をEPMA分析値で2000カウント以
下とすることによって、耐食性に優れ、長寿命の通電デ
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】図1の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...リード線 8...メタライズ 9,11...Niメッキ 10...ろう材 12...スルーホール

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】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部とリード線とを
    ロウ付けした構造の通電デバイスにおいて、上記リード
    線とロウ材上における塩素元素の表面付着量がEPMA
    分析値で2000カウント以下であることを特徴とする
    通電デバイス。
  2. 【請求項2】セラミック体に発熱抵抗邸、回路等の導体
    を備え、該導体に通電するための電極部とリード線とを
    ロウ付けした後、500℃以上の還元雰囲気中で熱処理
    を行うことを特徴とする通電デバイスの製造方法。
JP21627798A 1998-07-30 1998-07-30 通電デバイスおよびその製造方法 Pending JP2000048939A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005002279A1 (ja) * 2003-06-27 2005-01-06 Kyocera Corporation セラミックヒータおよびその製造方法
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DE10100125B4 (de) * 2000-04-14 2015-01-08 Kyocera Corp. Keramische Heizvorrichtung

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