JP2005040408A

JP2005040408A - 発熱素子

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Publication number: JP2005040408A
Application number: JP2003278727A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Aoki; 幸広青木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-02-17
Also published as: DE602004014685D1; US20050016992A1; EP1500379B1; EP1500379A1; US7145113B2

Abstract

【課題】半田接続層と加熱体が挟持された絶縁体との密着性を向上させて高信頼性をもたせると共に、発熱体から被加熱体への熱伝導性を向上させることの可能な発熱素子を提供する。
【解決手段】ニッケルクロム又は高融点金属からなる発熱体７を、酸化物あるいは窒化物からなる絶縁体２，３で挟持し、発熱体の細長部７ａに対応する絶縁体２の表面に、バッファ層としてのニッケル層８ａと半田融合層としてのニッケルめっき層９ａとからなる半田接続層５ａを形成して発熱素子１を構成する。
【選択図】図３

Description

この発明は、被加熱体へ熱供給するため半田又はロウ付け層により接着される発熱素子に関し、特に発熱素子の加熱部の構造に関する。

従来、内視鏡の処置具としての焼灼止血装置に関して、特開平９−３２２９０１号公報には、高融点金属薄膜抵抗加熱ヒータを用いた発熱素子が開示されている。図９及び図10は、上記公報に開示されている発熱素子の発熱部の一部省略して透視して示す斜視図と側面断面図であり、図11は図９のＡ−Ａ′線に沿った断面図である。図12は、被加熱体を接合した発熱素子発熱部を示す側面図である。

図９及び図10に示すように、前記公報開示の発熱素子においては、半導体もしくは二酸化珪素もしくはセラミックからなる厚さ 0.2mm〜3.0mm の発熱素子基板101 の一主面に、絶縁材料、好ましくは二酸化珪素やポリイミドなどの高分子材料からなる厚さ 0.3μｍ〜 100μｍの絶縁保護膜102 が被着形成されている。この絶縁体である絶縁保護膜102 は、発熱素子基板101 が誘電体の場合には必要はない。

図11に示すように、絶縁保護膜102 上には、パターニングされたチタンやモリブデンあるいはタングステン等の厚さ 0.1μｍ〜50μｍの高融点金属薄膜、もしくはその高融点金属の合金薄膜からなるヒーター103 が被着形成されており、このヒーター103 の発熱する部分は、線幅 0.1μｍ〜 100μｍと細くし高抵抗化して局所的に発熱しやすくしている。前記ヒーター103 及び絶縁保護膜102 上には、パターニングされたアルミニウムや銅などの低抵抗金属薄膜、もしくはその低抵抗金属の合金薄膜からなる厚さ 0.1μｍ〜50μｍの配線104 が被着形成されており、ヒーター103 と配線104 の接触部分は電気的に接続されている。前記配線104 を配設する理由は、発熱素子基板101 の中央部分での通電による発熱を防止するためである。

前記ヒーター103 上の発熱する部分には、絶縁性を有する材料の中で熱伝導率が比較的高い窒化アルミニウム，酸化アルミニウムなどを材料とした、厚さ 0.3μｍ〜50μｍの熱伝導絶縁膜105 が被着形成されており、熱伝導絶縁膜105 の縁部105a部と配線104 及び絶縁保護膜102 上には、厚さ 0.3μｍ〜 100μｍの絶縁保護膜106 が被着形成されている。前記熱伝導絶縁膜105 上には、発熱素子から被加熱体への接着が高温耐性半田の場合、半田の密着性を確保するために、ニッケル等の金属材料を使用した半田接続層107 が配設してある。ここで、発熱素子側半田接続層107 は、単にニッケル等の金属材料を使用することとなっている。

図12に示すように、被加熱体108 と半田接続層107 の間には、高温耐性半田もしくは高熱耐性があり熱伝導率が良い接着材を材料とした接着層109 が配設されており、発熱素子発熱部から被加熱体108 への熱伝導を容易にしている。
特開平９−３２２９０１号公報

上記公報に開示されている発熱素子発熱部の半田接続層107 は、高温にさらされる。したがって、単にニッケル等の金属材料を使用して形成するのみでは、半田接続層107 は、熱伝導絶縁膜105 と半田接続層107 及び絶縁保護膜102 の線熱膨張係数差による歪みなどが原因で、半田接続層107 下の熱伝導絶縁膜105 との密着性が悪化して半田接続層107 が剥がれ、被加熱体108 への熱伝達能力の低下という問題が発生する。

本発明は、従来の発熱素子における上記問題点を解決するためになされたもので、半田接続層と発熱体が挟持された絶縁体との密着性を向上させて、半田接続層が剥がれにくくして高信頼性をもたせると共に、発熱体から被加熱体への熱伝導性を向上させた発熱部を備えた発熱素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、絶縁体に挟持された発熱体と、前記絶縁体表面に形成された半田接続層とを有する発熱素子において、前記半田接続層は積層構造であることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発熱素子において、前記半田接続層は、少なくとも１層以上からなるバッファ層と半田融合層とからなることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る発熱素子において、前記バッファ層は、金属層であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３に係る発熱素子において、前記半田融合層は、ニッケルめっき層あるいは銅めっき層であることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に係る発熱素子において、前記半田接続層は、前記絶縁体の少なくとも一面に形成されていることを特徴とするものである。

上記請求項１に係る発熱素子の構成とすることにより、半田接続層と絶縁体との密着性を確保して高信頼性のある発熱部を備えた発熱素子が実現可能となる。請求項２〜４に係る発熱素子の構成とすることにより、半田融合層並びに絶縁体の両方に十分な密着性がある高信頼性の半田接続層を備え、同時に熱伝導性を向上させることが可能な発熱素子を提供することができる。請求項５に係る発熱素子の構成とすることにより、発熱素子と被加熱体との間の熱伝導性が向上し、効率よい発熱素子が実現可能となる。

次に、図面を参照して、本発明を実施するための最良形態について説明する。

まず、実施例１について説明する。図１及び図２は、実施例１に係る発熱素子１の発熱部１ａの構造を示す斜視図で、図１は半田接続層５ａを分離している態様を示している。図１及び図２において、２及び３は酸化物あるいは窒化物からなる絶縁体、７はニッケルクロムあるいは高融点金属であるモリブデン，タングステンなどからなる発熱体で、絶縁体２及び３に挟持され、発熱部１ａ内では幅Ｗを狭くすると共に長くして、グリッド状に細長部７ａを形成している。このような形状とするのは、発熱部１ａ内での抵抗値を上げて発熱を容易にするためである。更に、発熱体７の細長部７ａに対応する絶縁体２の表面には、発熱部１ａの半田接続層５ａが形成され、発熱素子１が構成されている。ここで、半田接続層５ａは、発熱部１ａに対応して同じ大きさでもよいし、あるいは発熱部１ａを広く覆うように形成してもよい。なお、図１及び図２においては、絶縁体２及び３は、説明の便宜上透明な物体として表示している（以下同様）。

次に、発熱部１ａの断面構造について説明する。図３に、図２に示した発熱素子におけるＢ−Ｂ′線に沿った断面図を示す。図３に示すように、発熱体７が挟持された絶縁体２の表面に、バッファ層としてのニッケル層８ａ及び半田融合層としてのニッケルめっき層９ａを形成して半田接続層５ａが構成されている。ここで、バッファ層であるニッケル層８ａは、絶縁体２への密着性の確保という役割と、後述する電解もしくは無電解方法により形成するニッケルめっき層９ａの成膜種という役割をもっている。詳しく説明すると、ニッケル層８ａは、酸化物もしくは窒化物などの絶縁体２との接触部において、ニッケル酸化物もしくはニッケル窒化物を形成し、これらがニッケル層８ａと絶縁体２との密着性を高めるので、半田接続層５ａの剥離を抑える働きをする。また、ニッケル層８ａはニッケルめっき層９ａの成膜種としても適しており、主成分が同一金属であることから、ニッケル層（バッファ層）８ａとニッケルめっき層（半田融合層）９ａ間の密着性がよい。

次に、半田接続層５ａの形成方法について簡単に説明する。まず、発熱素子１における絶縁体２の発熱部１ａに対応する表面に、蒸着方法ないしスパッタリング方法にて、厚さ10nm〜500nm のニッケル層８ａをバッファ層として形成する。このとき、ニッケル層（バッファ層）８ａのパターニングは、蒸着ないしスパッタリング時に、所望の形状にパターニングされた遮蔽マスクを用いて堆積とパターニングを同時に行う方法、もしくは絶縁体２の表面全面にニッケル層（バッファ層）を堆積した後にフォトエッチングを行い、ニッケル層８ａを形成する方法にて行う。なお、ニッケル層８ａの成膜直前に、アルゴンなどの不活性ガスにより絶縁体２の表面にプラズマクリーニングを施すことが望ましい。これは、ニッケル層（バッファ層）８ａと絶縁体２の間の密着性を阻害する不純物を除去するためである。

続いて、ニッケル層８ａ上に、電解もしくは無電解法により、 500nm〜50μｍの厚さで、ボロンを含有するニッケルめっき層（以下、Ｎi-Ｂ層と略す）９ａを形成する。これは、Ｎi-Ｂ層中に含まれるボロンが発熱時における、窒化珪素、窒化アルミニウムもしくは酸化アルミニウムなどからなる絶縁体２及び３の腐食を発生しにくくするためである。なお、ニッケルめっき層９ａの成膜直前に、アルゴンなどの不活性ガスによるニッケル層（バッファ層）８ａの表面のプラズマクリーニングを施すか、もしくは、ニッケル層（バッファ層）８ａの表面に対してニッケルエッチング液にて５nm〜10nm程度のエッチングを施して、ニッケル層（バッファ層）８ａとニッケルめっき層９ａとの間の密着性を阻害する不純物を除去することが望ましい。以上により、半田接続層５ａが完成するが、半田接続層５ａの表面を覆う最外皮層として、ニッケルめっき層９ａの酸化防止膜となるフラッシュ金などを形成してもよい。

このような構成により、半田融合層（ニッケルめっき層）並びに絶縁体の両方に十分な密着性があり高信頼性の半田接続層５ａを備え、同時に熱伝導性の向上が可能な発熱素子が得られる。また、この構成により、半田接続層５ａ及び絶縁体２間の線熱膨張係数差による歪みに十分対抗しうる半田接続層５ａと絶縁体２間の高い密着性が確保でき、発熱素子及び被加熱体を半田ないしロウ材を用いて接続した発熱装置においての高信頼性が図れる。

次に、実施例２について説明する。本実施例における全体の構成は、実施例１と同様であり、半田接続層の構成が異なるのみなので、半田接続層のみについて説明する。図４に本実施例に係る発熱素子の断面図を示す。図４に示すように、半田接続層５ａは、バッファ下層としての金属層10ａとバッファ上層としてのニッケル層11ａと半田融合層としてのニッケルめっき層12ａとで構成される。

ここで、金属層（バッファ下層）10ａを形成する材料としては、絶縁体２及びニッケル層（バッファ上層）11ａとの密着性のよい金属材料が好ましく、例えば、酸化物あるいは窒化物生成の自由エネルギーがニッケルより小さいチタンやクロムなどがある。これらの金属は、バッファ上層であるニッケル層11ａとの合金層を形成し、金属層（バッファ下層）10ａとニッケル層（バッファ上層）11ａとの密着性を高める。一方、絶縁体２に対しては、金属層（バッファ下層）10ａと絶縁体２の間に金属層（バッファ下層）10ａの酸化物もしくは窒化物を形成して、金属層（バッファ下層）10ａと絶縁体２との密着性を高める。また、バッファ上層であるニッケル層11ａは、半田融合層としてのニッケルめっき層12ａの成膜種になるもので、主成分が同一金属であることから、ニッケル層（バッファ上層）11ａとニッケルめっき層（半田融合層）12ａとの密着性が向上する。

次に、この実施例２における半田接続層５ａの形成方法について簡単に説明する。まず、発熱体７が挟持された絶縁体２の発熱部１ａに対応する表面に、蒸着方法ないしスパッタリング方法にて厚さ10nm〜500nm の厚さでバッファ下層となる金属層10ａを、例えばチタンあるいはクロムで形成する。ここで、金属層（バッファ下層）10ａの成膜直前にアルゴンなどの不活性ガスにより絶縁体２の表面にプラズマクリーニングを施して、金属層（バッファ下層）10ａと絶縁体２の間の合金化を阻害し、密着性を阻害する不純物を除去することが望ましい。

次に、金属層（バッファ下層）10ａ上に、蒸着方法ないしスパッタリング方法にて厚さ10nm〜500nm のニッケル層11ａをバッファ上層として形成する。ここで、ニッケル層（バッファ上層）11ａの成膜直前に、アルゴンなどの不活性ガスにより金属層（バッファ下層）10ａの表面にプラズマクリーニングを施し、金属層（バッファ下層）10ａとニッケル層（バッファ上層）11ａの間の合金化を阻害し、密着性を阻害する不純物を除去することが望ましい。

なお、上記金属層（バッファ下層）10ａ及びニッケル層（バッファ上層）11ａのパターニングは、蒸着ないしスパッタリング時に所望の形状にパターニングされた遮蔽マスクを用いて金属層（バッファ下層）10ａ及びニッケル層（バッファ上層）11ａを堆積とパターニングを同時に行ってもよいし、もしくは、絶縁体２の表面全面に金属層（バッファ下層）10ａ及びニッケル層（バッファ上層）11ａを堆積した後にフォトエッチングする方法で行ってもよい。また、金属層（バッファ下層）10ａ及びニッケル層（バッファ上層）11ａは、同一の装置で連続して成膜してもよい。

続いて、ニッケル層11ａ上に電解もしくは無電解法により、 500nm〜50μｍの厚さで、ボロンを含有するニッケルめっき層（Ｎi-Ｂ層）12ａを半田融合層として形成する。これは、Ｎi-Ｂ層中に含まれるボロンが発熱時における、窒化珪素，窒化アルミニウムもしくは酸化アルミニウムなどからなる絶縁体２及び３の腐食を発生しにくくするためである。なお、ニッケルめっき層12ａの成膜直前に、アルゴンなどの不活性ガスによるニッケル層（バッファ上層）11ａの表面のプラズマクリーニングを施すか、もしくは、ニッケル層（バッファ上層）11ａの表面に対してニッケルエッチング液にて５nm〜10nm程度のエッチングを施して、ニッケル層（バッファ上層）11ａとニッケルめっき層12ａとの間の密着性を阻害する不純物を除去することが望ましい。以上により、半田接続層５ａの表面を覆う最外皮層として、ニッケルめっき層12ａの酸化防止膜となるフラッシュ金などを形成してもよい。

このような構成により、実施例１の構成よりバッファ層（金属層及びニッケル層）と絶縁体との間の密着性に関して、更なる向上が図れ、半田接続層及び絶縁体間の線熱膨張係数差による歪みに十分対抗しうる半田接続層と絶縁体間の高い密着性が確保でき、発熱素子及び被加熱体を半田ないしロウ材を用いて接続した発熱装置においての高信頼性が図れる。

次に、実施例３について説明する。本実施例における全体の構成は、実施例１と同様であり、半田接続層の構成が異なるのみなので、半田接続層のみについて説明する。図５に本実施例に係る発熱素子の断面図を示す。図５に示すように、半田接続層５ａは、バッファ下層としての金属層13ａとバッファ上層としての銅層14ａと半田融合層としての銅めっき層15ａとで構成される。

ここで、金属層（バッファ下層）13ａを形成する材料としては、絶縁体２及び銅層（バッファ上層）14ａとの密着性のよい金属材料が好ましく、例えば、酸化物あるいは窒化物生成の自由エネルギーがニッケルより小さいチタンやクロムなどがある。これらの金属は、バッファ上層である銅層14ａとの合金層を形成し、金属層（バッファ下層）13ａと銅層（バッファ上層）14ａとの密着性を高める。一方、絶縁体２に対しては、金属層（バッファ下層）13ａと絶縁体２の間に金属層（バッファ下層）13ａの酸化物もしくは窒化物を形成して、金属層（バッファ下層）13ａと絶縁体２との密着性を高める。また、バッファ上層である銅層14ａは、半田融合層としての銅めっき層15ａの成膜種になるもので、主成分が同一金属であることから、銅層（バッファ上層）14ａと銅めっき層（半田融合層）15ａとの密着性が向上する。

次に、この実施例３における半田接続層15ａの形成方法について簡単に説明する。まず、発熱体７が挟持された絶縁体２の発熱部１ａに対応する表面に、蒸着方法ないしスパッタリング方法にて厚さ10nm〜200nm の厚さでバッファ下層となる金属層13ａを、例えばチタンあるいはクロムで形成する。ここで、金属層（バッファ下層）13ａの成膜直前に、アルゴンなどの不活性ガスにより絶縁体２の表面にプラズマクリーニングを施して、金属層（バッファ下層）13ａと絶縁体２の間の合金化を阻害し、密着性を阻害する不純物を除去することが望ましい。

次に、金属層（バッファ下層）13ａ上に、蒸着方法ないしスパッタリング方法にて厚さ10nm〜200nm の銅層14ａをバッファ上層として形成する。ここで、銅層（バッファ上層）14ａの成膜直前に、アルゴンなどの不活性ガスにより金属層（バッファ下層）13ａの表面にプラズマクリーニングを施し、金属層（バッファ下層）13ａと銅層（バッファ上層）14ａの間の合金化を阻害し、密着性を阻害する不純物を除去することが望ましい。

なお、上記金属層（バッファ下層）13ａ及び銅層（バッファ上層）14ａのパターニングは、蒸着ないしスパッタリング時に所望の形状にパターニングされた遮蔽マスクを用いて金属層（バッファ下層）13ａ及び銅層（バッファ上層）14ａを堆積とパターニングを同時に行ってもよいし、もしくは、絶縁体２の表面全面に金属層（バッファ下層）13ａ及び銅層（バッファ上層）14ａを堆積した後にフォトエッチングする方法で行ってもよい。また、金属層（バッファ下層）13ａ及び銅層（バッファ上層）14ａは、同一の装置で連続して成膜してもよい。

続いて、銅層14ａ上に電解もしくは無電解法により、 500nm〜50μｍの厚さで、銅めっき層15ａを半田融合層として形成する。ここで、銅めっき層15ａはニッケルめっき層と比較して、高温では半田ないしロウ材の半田接続層への拡散が低いため、半田ないしロウ材と半田接続層間の密着性の寿命延長が図れる。以上により、半田接続層５ａが完成するが、半田接続層５ａの表面を覆う最外皮層として、銅めっき層15ａの酸化防止膜となるフラッシュ金などを形成してもよい。

このような構成により、半田ないしロウ材と半田接続層５ａとの間の密着性の寿命延長が図れ、実施例１の構成よりバッファ層（金属層及び銅層）と絶縁体との間の密着性に関して、更なる向上が図れ、半田接続層及び絶縁体間の線熱膨張係数差による歪みに十分対抗しうる半田接続層と絶縁体間の高い密着性が確保でき、発熱素子及び被加熱体を半田ないしロウ材を用いて接続した発熱装置においての高信頼性が図れる。

なお、上記実施例２及び実施例３においては、半田接続層のバッファ層を２層で構成する例について説明したが、バッファ層は２層に限定されるものではなく、３層以上で構成してもよい。このとき、バッファ層としては、線熱膨張係数が絶縁体及び半田融合層（ニッケルめっき層又は銅めっき層）の線熱膨張係数と大きく異なることはなく、その中間の値を有する材質を選択することが望ましい。

次に、実施例４について説明する。本実施例では、半田接続層を発熱体を挟持した絶縁体の両面に形成した発熱素子、及びその発熱素子を用いた加熱方法について説明する。図６及び図７に本実施例に係る発熱素子の斜視図を示す。なお、図６では半田接続層を分離した状態で示している。また、図８に発熱素子を被加熱体に実装した例を示す。

図６及び図７に示すように、発熱体７を挟持した絶縁体２及び３の両面に、半田接続層５ａ及び５ｂを形成した発熱素子１を、図８に示すように、被加熱体４ａ，４ｂに実装している。ここで、発熱素子１と被加熱体４ａ，４ｂ，すなわち半田接続層５ａ及び５ｂと被加熱体４ａ，４ｂとの接続は、熱伝導層６ａ，６ｂにて接続されている。この熱伝導層６ａ，６ｂは、熱伝導性がよい金属合金である半田もしくはロウ材であり、発熱素子１の発熱部１ａの発熱による熱を効率よく被加熱体４ａ，４ｂへ伝達している。一方、前述したように、絶縁体２及び３に挟持された、例えばニッケルクロムや高融点金属であるモリブデン，タングステンなどの発熱体７は、発熱部１ａ内では幅Ｗを狭くすると共に長くして細長部７ａとし、抵抗値を上げ発熱素子１における発熱部１ａ領域での発熱を容易にしている。

このように、発熱体７を絶縁体２，３の両面に半田接続層５ａ，５ｂを設け、半田接続層５ａ，５ｂと被加熱体４ａ，４ｂとを熱伝導層６ａ，６ｂにて接続することにより、被加熱体４ａ，４ｂへの熱伝導面積が大きくなり、効率よい熱伝導が行われ、被加熱体４ａ，４ｂへの熱伝導性が向上する。また、被加熱体４ａ，４ｂの高い温度立ち上がり性が図れる。

以上のように、本発明によれば、半田接続層を積層構造とすることにより、半田融合層並びに絶縁体の両方に十分な密着性があり高信頼性の半田接続層を備え、同時に熱伝導性の向上が可能な発熱素子が実現できる。また、半田ないしロウ材からなる熱伝導層を用いた発熱素子と被加熱体との接続によって、熱伝導層と半田接続層及び絶縁体間の線熱膨張係数差による歪みに十分対抗しうる半田接続層と絶縁体間の高い密着性が確保できる。また発熱素子の発熱部両面に半田接続層と熱伝導層とを設けることにより、被加熱体への熱伝導性を向上することができると共に、被加熱体の高い温度立ち上がり性と、発熱素子及び被加熱体を接続している発熱装置における高信頼性が得られる。

本発明に係る発熱素子の実施例１の発熱部の構造を半田接続層を分離した態様で示す斜視図である。図１に示した実施例１に係る発熱素子の発熱部の構造を半田接続層を接合した態様で示す斜視図である。図２のＢ−Ｂ′線に沿った断面を示す図である。本発明の実施例２に係る発熱素子の構成を示す断面図である。本発明の実施例３に係る発熱素子の構成を示す断面図である。本発明の実施例４に係る発熱素子の構造を半田接続層を分離した態様で示す斜視図である。図６に示した実施例４に係る発熱素子の発熱部の構造を半田接続層を接合した態様で示す斜視図である。図７に示した実施例４に係る発熱素子に被加熱体を熱伝導層で接続して実装した態様を示す図である。従来の発熱素子の発熱部の構成を示す斜視図である。図９に示した従来例の側面断面図である。図９に示した従来例のＡ−Ａ′線に沿った断面を示す図である。図９に示した従来の発熱素子の発熱部に被加熱体を接合した態様を示す断面図である。

符号の説明

１発熱素子
１ａ発熱部
２，３絶縁体
４ａ，４ｂ被加熱体
５ａ，５ｂ半田接続層
６ａ，６ｂ熱伝導層
７発熱体
７ａ発熱体の細長部
８ａニッケル層（バッファ層）
９ａニッケルめっき層（半田融合層）
10ａ金属層（バッファ下層）
11ａニッケル層（バッファ上層）
12ａニッケルめっき層（半田融合層）
13ａ金属層（バッファ下層）
14ａ銅層（バッファ上層）
15ａ銅めっき層（半田融合層）

Claims

絶縁体に挟持された発熱体と、前記絶縁体表面に形成された半田接続層とを有する発熱素子において、前記半田接続層は積層構造であることを特徴とする発熱素子。
前記半田接続層は、少なくとも１層以上からなるバッファ層と半田融合層とからなることを特徴とする請求項１に係る発熱素子。
前記バッファ層は、金属層であることを特徴とする請求項２に係る発熱素子。
前記半田融合層は、ニッケルめっき層あるいは銅めっき層であることを特徴とする請求項２又は３に係る発熱素子。
前記半田接続層は、前記絶縁体の少なくとも一面に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に係る発熱素子。