JP2006222008A - Ceramic heater and heater-built-in electronic component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、耐久性に優れ、半導体基板の加熱用ヒータや、石油ファンヒータ、及び車両用の酸素ガスセンサの加熱用として好適に用いられるセラミックヒータに関する。 The present invention relates to a ceramic heater excellent in durability and suitably used for heating a semiconductor substrate heater, a petroleum fan heater, and an oxygen gas sensor for a vehicle.
従来、アルミナなどの絶縁性セラミックスからなる絶縁基板の内部に発熱体を埋設したセラミックヒータが知られており(例えば、特許文献1参照)、半導体基板の加熱ヒータの他、温水ヒータや、石油ファンヒータとして用いられている。 Conventionally, a ceramic heater in which a heating element is embedded in an insulating substrate made of an insulating ceramic such as alumina is known (see, for example, Patent Document 1). In addition to a heater for a semiconductor substrate, a hot water heater or an oil fan is known. It is used as a heater.
一方、自動車等の内燃機関においては、排出ガス中の酸素濃度を検出して、その検出値に基づいて内燃機関に供給する空気及び燃料供給量を制御することにより、内燃機関からの有害物質、例えばCO、HC、NOxを低減させる方法が採用されている。 On the other hand, in an internal combustion engine such as an automobile, by detecting the oxygen concentration in the exhaust gas and controlling the amount of air and fuel supplied to the internal combustion engine based on the detected value, harmful substances from the internal combustion engine, For example, a method of reducing CO, HC, and NO x is employed.
この検出素子として、主として酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主成分とする固体電解質基板の外面及び内面にそれぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素センサが用いられている。 As this detection element, a solid electrolyte type oxygen sensor is used in which a pair of electrode layers are respectively formed on the outer surface and the inner surface of a solid electrolyte substrate mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity.
この酸素センサの代表的なものとしては、平板状の固体電解質基板の外面及び内面に基準電極と測定電極をそれぞれ設けると同時に、セラミック絶縁体の内部に白金からなる発熱体を埋設したセラミックヒータを一体型した酸素センサが提案されている(例えば、特許文献2、3参照)。
A typical oxygen sensor includes a ceramic heater in which a reference electrode and a measurement electrode are provided on the outer and inner surfaces of a flat solid electrolyte substrate, and at the same time a platinum heating element is embedded in the ceramic insulator. An integrated oxygen sensor has been proposed (see, for example,
上記のセラミックヒータを一体化した酸素センサは、セラミックヒータによって直接加熱されることによって検知部は800〜1000℃の高温まで急速昇温されるメリットを有する。
しかしながら、セラミックヒータを、直流電流を用いて1000℃を超えるような高温の環境で使用される場合や、急速にヒータを加熱する場合、負電圧となるリード配線の発熱体近傍のリード配線が比較的低温度(600〜900℃)に保持されるリード配線の周囲にクラックが発生し、最悪の場合にはセラミックヒータが破損するという問題があった。 However, when the ceramic heater is used in a high temperature environment exceeding 1000 ° C. using DC current, or when the heater is heated rapidly, the lead wiring near the heating element of the lead wiring that becomes negative voltage is compared. There was a problem that cracks occurred around the lead wiring held at a low temperature (600 to 900 ° C.), and the ceramic heater was damaged in the worst case.
例えば、図8に示したセラミックヒータは、セラミック基体1の内部に、一対のリード配線105aと、一対のリード配線105aを連結するように接続してなる発熱体105bと、からなるヒータ回路105が設けられており、ヒータ回路105に直流電流を流して加熱すると、次第にマイナス側のリード配線の発熱体105bとの境界付近にクラック110が発生する
従って、本発明は、高温での耐久性に優れると同時に、リード配線の周囲からクラックが発生しにくいセラミックヒータ及びそれを具備するヒータ内蔵電子部品を提供することを目的とするものである。
For example, the ceramic heater shown in FIG. 8 includes a
本発明は、直流電流を用いたセラミックヒータに膨張緩和層を設けることによって、リード配線の特定温度領域に蓄積されたNa等のアルカリ金属の体積膨張反応によって生じる応力を低下せしめるため、高温での耐久性に優れ、リード配線の周囲からクラックが発生せず、リード配線の抵抗値の変化の少ないセラミックヒータ及びそれを具備するヒータ内蔵電子部品を実現することができる。 The present invention reduces the stress caused by the volume expansion reaction of alkali metals such as Na accumulated in a specific temperature region of the lead wiring by providing an expansion relaxation layer in the ceramic heater using a direct current. A ceramic heater that is excellent in durability, does not generate cracks from the periphery of the lead wiring, and has a small change in the resistance value of the lead wiring, and a heater built-in electronic component including the ceramic heater can be realized.
即ち、本発明のセラミックヒータは、セラミック層に、並行に配列するように設けられた一対のリード配線と、該一対のリード配線を電気的に結ぶように該リード配線に一体的に接続された発熱体と、からなるヒータ回路を埋設してなるセラミックヒータにおいて、前記発熱体との境界付近における前記リード配線の表面の少なくとも一部に、膨張緩和層を設けてなることを特徴とする。 That is, the ceramic heater of the present invention is integrally connected to the lead wiring so as to electrically connect the pair of lead wirings and the pair of lead wirings arranged in parallel in the ceramic layer. In a ceramic heater in which a heater circuit comprising a heating element is embedded, an expansion relaxation layer is provided on at least a part of the surface of the lead wiring near the boundary with the heating element.
特に、前記膨張緩和層が多孔質層からなることが好ましい。 In particular, the expansion relaxation layer is preferably composed of a porous layer.
前記膨張緩和層が空隙であることが好ましい。 The expansion relaxation layer is preferably a void.
前記空隙が、前記ヒータ回路と前記セラミック層との間にスリット状に形成されてなることが好ましい。 It is preferable that the gap is formed in a slit shape between the heater circuit and the ceramic layer.
前記スリット状の空隙の最大幅が、10nm以上であることが好ましい。 The maximum width of the slit-shaped gap is preferably 10 nm or more.
前記空隙が、前記リード配線の側端部に形成されてなることが好ましい。 It is preferable that the gap is formed at a side end portion of the lead wiring.
前記空隙が、前記リード配線から200μm以内に形成されていることが好ましい。 The gap is preferably formed within 200 μm from the lead wiring.
前記ヒータ回路に100時間以上通電し、前記発熱体を1000℃以上の温度に加熱した後に、前記リード配線の前記境界付近に、Na含有量が酸化物換算で10〜300ppmであることが好ましい。 After energizing the heater circuit for 100 hours or more and heating the heating element to a temperature of 1000 ° C. or more, the Na content is preferably 10 to 300 ppm in terms of oxide in the vicinity of the boundary of the lead wiring.
前記セラミック層が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、ジルコニア及びフォルステライトのうち少なくとも1種を主成分とすることが好ましい。 The ceramic layer preferably contains at least one of alumina, aluminum nitride, silicon nitride, zirconia, and forsterite as a main component.
前記発熱体及びリード配線が、タングステン、金、銀及び白金の少なくとも1種を主成分とすることが好ましい。 It is preferable that the heating element and the lead wiring are mainly composed of at least one of tungsten, gold, silver, and platinum.
前記一対のリード配線間の距離が0.5mm以上であることが好ましい。 The distance between the pair of lead wires is preferably 0.5 mm or more.
前記発熱体と前記リード配線との境界から、前記膨張緩和層の前記発熱体側の端部までの最大距離dhに対する、前記膨張緩和層の前記リード配線側の端部までの最大距離dLとの比dL/dhが、0.5〜8であることが好ましい。 From the boundary between the lead wires and the heating element, to the maximum distance d h to the end of the heating side of the expansion buffer layer, and the maximum distance d L to the end of the lead wire side of the expansion buffer layer the ratio d L / d h of is preferably 0.5 to 8.
また、本発明のヒータ内蔵電子部品は、のセラミックヒータを内蔵するとともに、該セラミックヒータの発熱体によって加熱される部位に電気素子を搭載してなることを特徴とする。 Further, the electronic component with built-in heater according to the present invention is characterized in that the ceramic heater is built in and an electric element is mounted on a portion heated by a heating element of the ceramic heater.
前記電気素子がセンサであることが好ましい。 The electrical element is preferably a sensor.
一般的に、工業用に使用するセラミック粉末には、数10〜数100ppmのNaを含有するとともに、バインダーや白金粉末等の添加物にNa等のアルカリ金属及びアルカリ土類金属が含まれ、さらに、セラミックヒータの製造プロセスにおいて汗やその他の不純物としてセラミック中にNaやCa等のアルカリ金属及びアルカリ土類金属が混入する。 In general, ceramic powder for industrial use contains several tens to several hundred ppm of Na, and an additive such as a binder or platinum powder contains an alkali metal and an alkaline earth metal such as Na. In the ceramic heater manufacturing process, alkali metals such as Na and Ca and alkaline earth metals are mixed in the ceramic as sweat and other impurities.
セラミック磁器に含まれる上記不可避金属は、イオンとしてセラミック磁器中に存在する電界に沿って負極に移動し、負極に達したイオン及びヒータ回路に含まれる上記不可避金属は、イオンとしてヒータ回路の電界に沿って正極から負極に移動し、マイナス側のリード配線に到達する。特に、発熱体によって加熱される領域の移動速度は大きい。しかし、低温ではイオンの移動が困難となるため、リード配線の600〜900℃の特定温度領域に蓄積される。 The inevitable metal contained in the ceramic porcelain moves to the negative electrode along the electric field existing in the ceramic porcelain as ions, and the ions that have reached the negative electrode and the inevitable metal contained in the heater circuit become ions in the electric field of the heater circuit. And move from the positive electrode to the negative electrode and reach the negative lead wiring. In particular, the moving speed of the region heated by the heating element is high. However, since it becomes difficult to move ions at a low temperature, the ions are accumulated in a specific temperature region of 600 to 900 ° C. of the lead wiring.
このように、マイナス側のリード配線の特定温度領域において、Naイオンが濃縮されると同時に、Naイオンは酸化等の体積膨張を伴う化学反応を起こす。この体積膨張が、従来のセラミックヒータにおいてはクラック発生の原因になると考えられる。そして、本発明によれば、リード配線の表面に設けた膨張緩和層が、上記の体積膨張によって発生する応力を緩和することができ、その結果、急速昇温においてリード配線の破損を効果的に防止することができる。 In this way, Na ions are concentrated in the specific temperature region of the negative lead wiring, and at the same time, Na ions cause a chemical reaction accompanied by volume expansion such as oxidation. This volume expansion is considered to cause cracks in the conventional ceramic heater. According to the present invention, the expansion relaxation layer provided on the surface of the lead wiring can relieve the stress generated by the above volume expansion, and as a result, the breakage of the lead wiring can be effectively performed at a rapid temperature rise. Can be prevented.
このように、本発明における膨張緩和層とは、リード配線の体積膨張を吸収し、発生する応力を緩和することの可能なものであり、具体的には、空隙や多孔質層等を示すものである。 As described above, the expansion relaxation layer in the present invention can absorb the volume expansion of the lead wiring and can relieve the generated stress. Specifically, it indicates a void, a porous layer, and the like. It is.
本発明によれば、Naが意外にも、Mg等のアルカリ金属やアルカリ土類金属等の陽イオンについても同様の効果が期待できる。 According to the present invention, Na is surprisingly expected to have the same effect on cations such as alkali metals such as Mg and alkaline earth metals.
本発明の一実施様態であるセラミックヒータを例として説明する。 A ceramic heater according to an embodiment of the present invention will be described as an example.
図1は、本発明のセラミックヒータの透過斜視図であり、内部に形成されたヒータ回路も示してある。また、図2は、図1のX−X’における断面図である。 FIG. 1 is a transparent perspective view of a ceramic heater of the present invention, and also shows a heater circuit formed therein. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line X-X ′ in FIG. 1.
本発明のセラミックヒータは、セラミック基体1に、発熱体2と、発熱体2に電気的に接続され、発熱体2に電流を供給するためのリード配線3と、からなるヒータ回路5が埋設されている。セラミック基体1の表面には、外部配線と接続するための電極パッド6が一対設けられており、それぞれが、スルーホール導体7を介して各リード配線3に接続されている。
In the ceramic heater of the present invention, a
本発明によれば、リード配線3の表面の少なくとも一部に膨張緩和層4を具備することが重要である。膨張緩和層4は、図2に示したように、リード配線3を覆うように形成した包含型の膨張緩和層4aであっても良いし、また、リード配線3の表面の一部に形成した部分形成型の膨張緩和層4bであっても良い。
According to the present invention, it is important to provide the expansion relaxation layer 4 on at least a part of the surface of the
膨張緩和層4は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも1種がリード配線3の特定の温度領域に相当する部位に蓄積され、体積膨張を伴う化学反応を生じるため、リード配線3の膨張を吸収する構造を有していることが重要である。
In the expansion relaxation layer 4, at least one of alkali metal and alkaline earth metal is accumulated in a portion corresponding to a specific temperature region of the
例えば、膨張緩和層4として、空隙、多孔質層及びこれらの組合せを用いることができる。その具体的を図3に示した。図3(a)によれば、セラミック基体1とリード配線3との間にスリット状の空隙4cが膨張緩和層4として設けられている。このスリット状の空隙4cは、リード配線3の少なくとも一方の表面に形成されていることが好ましい。
For example, as the expansion relaxation layer 4, a void, a porous layer, and a combination thereof can be used. The specific example is shown in FIG. According to FIG. 3A, a slit-
特に、その最大幅Lpを10nm以上、特に20nm以上、50nm以上に設定することで、リード配線3が膨張しても、その膨張した分の体積を容易に確保することができ、体積膨張による応力をより低減してクラックの発生を効果的に抑制することができる。 また、図3(b)に示したように、空隙4dがリード配線3の表面に不連続に複数形成しても同様の効果が期待できる。
In particular, by setting the maximum width L p to 10 nm or more, particularly 20 nm or more, 50 nm or more, even if the
特に、図3(c)に示したように、リード配線3の長軸方向の側端部に目尻状の空隙4eを形成すると、体積膨張による長軸方向の延びが大きいため、非常に効果的にクラックを抑制できる。さらに、図3(d)に示したように、リード配線3とセラミック基体の一部1aが密着し、セラミック基体の一部1aとセラミック基体1との間に空隙4fが形成されていても良い。特に、空隙4fが、リード配線3から200μm以内、特に150以内、更には100μm以内に形成されていることが好ましい。
In particular, as shown in FIG. 3 (c), when the corners of the
リード配線3の側端部に形成された空隙4eの長さLcは、空隙4eが破壊の起点になりにくくするために200μm以下、特に150μm以下、更には100μm以下とすることが好ましい。また、空隙4eの上記効果を効果的に奏するため、空隙4eの長さLcを1μm以上、特に2μm以上、更には5μm以上が好ましい。また、空隙4cの幅Lwとしては、通常リード配線の端部近傍で最大となり、0.1〜10μm以下、特に1〜5μmであること望ましい。
The length L c of the
リード配線3の長軸方向の側端部の空隙4eのみを膨張緩和層4として用いる場合には、
空隙4eの長さLcを20〜100μmに設定するのが好ましい。なお、本発明では、空隙の長さLcを、断面の4箇所におけるリード配線の側端面に存在する空隙4eの最大長さと定義した。
When only the
Preferably, setting the length L c of the
図3のような断面図において、各リード配線3の断面積に対する膨張緩和層4の総断面積の比率βが、0.01〜10%、特に0.1〜5%、更には0.5〜2%であることが好ましい。この面積比率は、セラミックヒータが含有するアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量によって、上記の値の範囲に適宜設定することで、体積膨張による発生する応力を低減できる。
In the cross-sectional view as shown in FIG. 3, the ratio β of the total cross-sectional area of the expansion relaxation layer 4 to the cross-sectional area of each
例えば、図3(b)のようにリード配線3の表面に複数の空隙4dが設けられた場合、セラミックヒータの長手方向に対して垂直な方向に切断し、その断面を鏡面状に研磨する。その研磨面を操作型電子顕微鏡(SEM)で写真撮影し、それを画像解析によって各空隙の断面積を算出し、その総和を上記面積比率βとすることができる。なお、膨張緩和層4として、多孔質層と空隙とを組み合わせて用いる場合には、多孔質層の総面積と空隙の総面積とを合算したものを上記比率βとすることができる。
For example, when a plurality of
また、セラミック基体1よりもリード配線3の熱膨張率差が大きい場合には、急昇温を伴う温度サイクルを与えると、リード配線3がセラミック基体1よりも先に温度が上昇するため、セラミック基体1の体積変化よりもリード配線3の体積変化が大きくなるため、その体積変化の差を吸収することもでき、リード配線3にクラックの発生やセラミックヒータの破損を防止する効果も奏することができる。
Further, in the case where the thermal expansion coefficient difference of the
なお、リード配線3の断面形状は楕円形状に限らず、楕円を中心から半分に切り落した半楕円形状でも、円形形状でも、半円形形状でも、矩形状でも、他の曲面からなる形状であっても良い。
The cross-sectional shape of the
図4は、本発明のセラミックヒータの部分平面図であり、内部に形成されたヒータ回路5を表示したものである。磁器中のアルカリ金属及びアルカリ土類金属、特にNaは、電界に沿って負極の方向(図中矢印参照)に沿って負極に達する。負極に達すると、ヒータ回路の電界に沿って、発熱体からリード配線に達し(図中矢印参照)、さらにリード配線中を電界に沿って移動するが、温度が低温になるとイオンの移動速度が極端に低くなるため、イオンはリード配線の600〜900℃の温度領域に濃縮される。
FIG. 4 is a partial plan view of the ceramic heater of the present invention, and shows the
従って、負電極に相当するリード配線3の表面の一部に形成された膨張緩和層4は、Na等のアルカリ金属やアルカリ土類金属が濃縮される600〜900℃に加熱される部位に設定するのが良い。具体的には、ヒータ回路5の形状、発熱体2とリード配線3の断面積比、材質等にもよるが、一般的には、図4(a)のように、発熱体2との境界付近に設定するのが好ましい。
Therefore, the expansion relaxation layer 4 formed on a part of the surface of the
また、対称性を高めるため、または、焼結時の反りを抑制するため、負極となるリード配線3の表面以外にも形成することができる。例えば、図4(b)のように、ヒータ回路の形成面において、負極となるリード配線3aと正極となるリード配線3b間及びその周辺に形成することができる。また、本発明の主旨を逸脱しない限りであれば、リード配線3の側面に加えて、発熱体の周辺にも形成することもできる。その場合、発熱体2とリード配線3との境界から発熱体側の幅dHが、リード配線側の幅dLの比dH/dLが1.0を越えない範囲、特に0.8以下、更には0.5以下であるのが好ましい。
Moreover, in order to improve symmetry or to suppress warping during sintering, it can be formed other than the surface of the
さらに、膨張緩和層4の形成領域は、リード配線全体に形成しても良いし、発熱体パターンの周囲に拡大しても良い。例えば、リード配線と発熱体の境界から発熱体側に約2〜5mmの範囲まで及んでも良い。 Furthermore, the formation region of the expansion relaxation layer 4 may be formed on the entire lead wiring, or may be expanded around the heating element pattern. For example, it may extend from the boundary between the lead wiring and the heating element to a range of about 2 to 5 mm toward the heating element.
なお、図5(a)における境界付近Tを拡大した図5(b)において、発熱体2とリード配線3との境界部にテーパー部が存在するが、本発明の主旨に鑑みれば、テーパー部は発熱体2の温度よりも抵抗が低いために温度も低くなるので、テーパー部をリード配線3の一部とみなすことができる。即ち、図5(b)の矢印で示した部位を境界Boと見なすことができる。
In FIG. 5B in which the vicinity T of the boundary in FIG. 5A is enlarged, there is a tapered portion at the boundary portion between the
本発明によれば、略均一な抵抗値を具備する領域からなる発熱体部分2aの温度が1000℃以上になるようにヒータ回路5に電流を通電し、通算100時間以上の加熱を行った時、リード配線3aの境界付近の濃縮部CtにおけるNaの含有量が酸化物換算で10〜300ppm、特に上限は100ppm以下、更には50ppm以下に設定することが好ましい。これにより、体積膨張量を低減し、発生する応力をより低減し、膨張緩和層の領域を低減することができる。
According to the present invention, when the
セラミック基体1は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、炭化珪素、チタニア、コージェライト、スピネル、フォルステライトのうち少なくとも1種を主成分とするセラミックスで構成されることが望ましい。特に、低コスト及び耐酸化性に優れる点でアルミナが好ましく、高強度である点で窒化珪素が好ましく、高熱伝導率である点で窒化アルミニウムが好ましく、高靱性である点でジルコニアが、高絶縁性という点でフォルステライトが好ましい。 The ceramic substrate 1 is preferably made of a ceramic mainly composed of at least one of alumina, silicon nitride, aluminum nitride, zirconia, silicon carbide, titania, cordierite, spinel, and forsterite. In particular, alumina is preferable in terms of low cost and excellent oxidation resistance, silicon nitride is preferable in terms of high strength, aluminum nitride is preferable in terms of high thermal conductivity, and zirconia is highly insulating in terms of high toughness. Forsterite is preferred in terms of sex.
発熱体2及びリード配線3は、白金、金、銀、タングステン、モリブデン、ロジウム、ルテニウム、パラジウムから選ばれた1種以上の金属、合金又は化合物を適時用いることができる。これらの中で、不活性という点で白金及び金が好ましく、高融点で、熱膨張率がセラミックスに近いという点でタングステンが好ましい。
As the
また、共材として、アルミナ等の絶縁性セラミックを含有することができる。 Moreover, insulating ceramics, such as an alumina, can be contained as a co-material.
また、発熱体及びリード配線、それぞれ白金を主成分とし、さらにそれにアルミナが含有されている。含有されるアルミナは、焼結中や通電中に高温度で白金が焼結して、抵抗が変化するのを防止する役目を有する。セラミックヒータの用途にもよるが、発熱体及びリード配線とも、アルミナ含有量としては、それぞれ5〜45体積%、特に20〜40体積%が優れる。 Further, the heating element and the lead wiring are each composed mainly of platinum, and further contains alumina. The contained alumina has a role of preventing the resistance from changing due to sintering of platinum at a high temperature during sintering or energization. Although it depends on the use of the ceramic heater, both the heating element and the lead wiring have excellent alumina contents of 5 to 45% by volume, particularly 20 to 40% by volume.
なお、発熱体の形状(パターン)は、特に限定されるものではなく、発熱体の厚みを均一に印刷する観点及び発熱体5を高密度に形成することができるため、昇温性に優れる観点から、発熱体は、図5に示したように、セラミックヒータの長手方向に対して、折り返しのある発熱体パターンが好ましい。
In addition, the shape (pattern) of the heating element is not particularly limited. From the viewpoint of uniformly printing the thickness of the heating element and the ability to form the
また、リード配線における発熱を防止する観点から、発熱体中にセラミックスを含有させて抵抗値を高くするのが好ましく、例えば、発熱体中に、リード配線のアルミナ含有量と少なくとも同量、好ましくは発熱体中のアルミナ含有量を多くして、発熱体の抵抗を高くすることが望ましい。 From the viewpoint of preventing heat generation in the lead wiring, it is preferable to increase the resistance value by adding ceramics in the heating element. For example, in the heating element, at least the same amount as the alumina content of the lead wiring, preferably It is desirable to increase the resistance of the heating element by increasing the alumina content in the heating element.
発熱体とリード配線のアルミナ含有量が異なる場合、発熱体のアルミナ含有量は30〜40体積%、リード配線は20〜25体積%の範囲が、発熱体とリード配線との抵抗比率を調整しやすいという観点で好ましい。 When the alumina content of the heating element is different from that of the lead wiring, the alumina content of the heating element is 30 to 40% by volume and the lead wiring is 20 to 25% by volume. Adjust the resistance ratio between the heating element and the lead wiring. It is preferable from the viewpoint of easy.
本発明によれば、隣接するリード配線間の距離が0.5mm以上、特に1mm以上、更には、1.5mm以上とすることが、Naの拡散を抑制することができる点で好ましい。それ未満では、隣接するリード配線間の電界を弱める効果が少なく、Naの拡散を抑制することが困難となる。 According to the present invention, the distance between adjacent lead wires is preferably 0.5 mm or more, particularly 1 mm or more, and more preferably 1.5 mm or more from the viewpoint of suppressing the diffusion of Na. Below that, there is little effect of weakening the electric field between adjacent lead wires, and it becomes difficult to suppress the diffusion of Na.
図1に示すセラミックヒータは、急速昇温性が可能で、急速昇温による破損のしにくい形状として、外形寸法としては幅が2〜3.5mmで、厚みが0.5〜2mmが好ましい。その中でも、幅が2.5〜3.2mmで、厚みが1〜1.5mmが、特に優れた性能を示す。 The ceramic heater shown in FIG. 1 is capable of rapid temperature rise and is not easily damaged by rapid temperature rise. The outer dimensions are preferably a width of 2 to 3.5 mm and a thickness of 0.5 to 2 mm. Among them, a width of 2.5 to 3.2 mm and a thickness of 1 to 1.5 mm show particularly excellent performance.
また、前記発熱体により形成されたヒータパターンを左右対称(例えば、図5の中心線Z1参照)とすることが、発熱体が形成された積層面において、熱の分布が対称となるため、セラミックヒータ素子の温度分布を対称的にすることができ、熱応力が偏ることを抑制することができるため、好適に使用できる。 Further, the heater pattern formed by heating elements symmetric (e.g., see the center line Z 1 in FIG. 5) be in the laminated surface of the heating element is formed, the heat distribution is symmetrical, Since the temperature distribution of the ceramic heater element can be made symmetric and thermal stress can be prevented from being biased, it can be suitably used.
次に、本発明のセラミックヒータの作製方法を説明する。 Next, a method for producing the ceramic heater of the present invention will be described.
次に、リード配線とセラミック絶縁層の界面に図1に示す本発明のセラミックヒータ1の製造方法について以下に詳述する。 Next, a manufacturing method of the ceramic heater 1 of the present invention shown in FIG. 1 at the interface between the lead wiring and the ceramic insulating layer will be described in detail below.
まず、セラミックグリーンシートを作製する。セラミック原料粉末としては、例えば、アルミナグリーンシートを作製する場合、平均粒径0.2〜3μmのアルミナ原料粉末に対して、適宜、成形用有機バインダーや、溶剤を添加してドクターブレード法や、押出成形や、静水圧成形(ラバープレス)あるいはプレス形成などの周知の方法により作製される。 First, a ceramic green sheet is produced. As the ceramic raw material powder, for example, when preparing an alumina green sheet, for the alumina raw material powder having an average particle size of 0.2 to 3 μm, an organic binder for molding and a doctor blade method by adding a solvent, It is produced by a known method such as extrusion molding, isostatic pressing (rubber press) or press formation.
得られたセラミックグリーンシートの表面に、白金等の導電性粉末とアルミナ粉末等のセラミック材料との混合粉末にバインダーを加えて印刷ペーストを作製し、発熱体パターン、リード配線となるリード配線パターンを形成する。 A binder is added to a mixed powder of a conductive powder such as platinum and a ceramic material such as alumina powder on the surface of the obtained ceramic green sheet to produce a printing paste, and a lead wiring pattern to be a heating element pattern and a lead wiring is formed. Form.
次に、前記リード配線の少なくとも一部の表面に、膨張緩和層となる空隙形成層又は多孔質形成層を形成する。多孔質形成層の形成方法としては、アクリル樹脂、ポリビニルブチラール樹脂等にアルミナやスピネル紛を添加したペーストや、または微粉のカーボン等の気孔形成剤等を含む有機バインダーを用いたペーストを好適に用いることができる。これらは、焼成後に多孔質層を形成することができる。 Next, a void forming layer or a porous forming layer serving as an expansion relaxation layer is formed on at least a part of the surface of the lead wiring. As a method for forming the porous forming layer, a paste obtained by adding alumina or spinel powder to an acrylic resin, polyvinyl butyral resin, or the like, or a paste using an organic binder containing a pore forming agent such as fine powder carbon is preferably used. be able to. These can form a porous layer after firing.
空隙形成層の形成方法としては、脱脂時又は焼成時に熱分解する気孔形成材を用いることができる。これによって、脱脂後又は焼成後に空隙を形成することができる。これらの気孔形成材を、所望により、発熱体近傍のリード配線となるリード配線パターンの表面の少なくとも一部に所定量印刷塗布して膨張緩和層を形成することができる。 As a method for forming the void forming layer, a pore forming material that is thermally decomposed during degreasing or firing can be used. Thereby, voids can be formed after degreasing or after firing. If desired, a predetermined amount of these pore forming materials can be printed and applied to at least a part of the surface of the lead wiring pattern to be a lead wiring near the heating element to form an expansion relaxation layer.
また、他の空隙形成層の形成方法としては、予めグリーンシートに凹部を形成し、この凹部がリード配線パターンに当接するように積層せしめ、グリーンシートと配線パターンとの間に空隙を形成することもできる。 As another method for forming the gap forming layer, a recess is formed in the green sheet in advance, and the recess is laminated so as to contact the lead wiring pattern, and a gap is formed between the green sheet and the wiring pattern. You can also.
さらに、図3(c)に示したような空隙を形成させる方法としては、前記グリーンシートを得る際、バインダーや可塑剤を調整することにより、例えばヤング率が500〜800MPaと高くして、変形しにくいシートを作製し、これを用いてヒータパターンを印刷し、後述の積層工程において弱い圧力(例えば50〜200MPa)で積層すれば、リード配線の側端部に目尻状の空隙を形成することが可能である。 Furthermore, as a method of forming the voids as shown in FIG. 3 (c), when obtaining the green sheet, by adjusting the binder and the plasticizer, for example, the Young's modulus is increased to 500 to 800 MPa and the deformation is performed. If a sheet that is difficult to fabricate is produced, a heater pattern is printed using the sheet, and lamination is performed at a weak pressure (for example, 50 to 200 MPa) in a later-described lamination process, a corner-like void is formed at the side edge of the lead wiring. Is possible.
次に、このようにして作成した発熱体パターン、リード配線パターン及び膨張緩和層を形成したグリーンシートに対して、所望により、貫通導体や取り出し電極となる成形体を備えた他のグリーンシートを積層する。 Next, on the green sheet formed with the heating element pattern, the lead wiring pattern, and the expansion relaxation layer formed in this manner, another green sheet provided with a molded body to be a through conductor or an extraction electrode is laminated as desired. To do.
貫通導体の形成には、先ず、グリーンシートに対して、所望の大きさの貫通孔を形成する。次いで、この貫通孔に、白金とアルミナとの混合粉末とバインダーからなる導体ペーストを充填して、貫通導体を具備する貫通導体成形体を形成する。 In forming the through conductor, first, a through hole having a desired size is formed in the green sheet. Next, the through hole is filled with a conductive paste made of a mixed powder of platinum and alumina and a binder to form a through conductor molded body having a through conductor.
次に、導体ペーストを貫通導体成形体を覆うように印刷し、取出電極となる取出電極成形体を作製する。なお、これらの導体ペーストは、スクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で印刷して形成することができる。 Next, the conductor paste is printed so as to cover the through conductor molded body, and the extraction electrode molded body to be the extraction electrode is produced. These conductor pastes can be formed by printing by screen printing, pad printing, or roll transfer.
その後、リード配線となるリード配線パターンを具備するグリーンシートと、貫通導体となる貫通導体成形体と取出電極となる取り出し電極成形体とを具備するグリーンシートとを積層し、得られた積層体を焼成することで、本発明のセラミックヒータ素子を作製することができる。 Thereafter, a green sheet having a lead wiring pattern to be a lead wiring, and a green sheet having a through conductor molded body to be a through conductor and a takeout electrode molded body to be a takeout electrode are laminated, and the obtained laminate is obtained. By firing, the ceramic heater element of the present invention can be produced.
なお、積層時のグリーンシートの変形を抑制するために、発熱体パターン、リード配線パターン、取出電極成形体の厚みは、グラインドゲージによる測定値で20μm以下、15μm以下とすることが望ましい。 In order to suppress deformation of the green sheet during lamination, the thickness of the heating element pattern, lead wiring pattern, and extraction electrode molded body is preferably 20 μm or less and 15 μm or less as measured by a grind gauge.
なお、セラミックヒータの形状は、長尺状で平板形状はもちろん、円柱状や楕円柱状であっても良い。例えば、図6は円柱状のセラミックヒータの構造を示すもので、図6(a)は斜視図、図6(b)は図6(a)のY−Y’における断面図である。図6によれば、円筒絶縁体21aの表面に、複数のグリーンシートを巻き付けて絶縁層21bを形成するとともに、絶縁層21bの内部に発熱体とリード配線23からなるヒータ回路を形成し、ヒータ回路は電極パッド26に電気的に接続している。そして、リード配線23の周囲には膨張吸収層24が形成されている。
The shape of the ceramic heater may be long and flat, as well as cylindrical or elliptical. For example, FIG. 6 shows the structure of a cylindrical ceramic heater, FIG. 6 (a) is a perspective view, and FIG. 6 (b) is a cross-sectional view taken along line Y-Y 'in FIG. 6 (a). According to FIG. 6, a plurality of green sheets are wound around the surface of the
本発明のヒータ内蔵電子部品は、上記のセラミックヒータを内臓し、セラミックヒータの発熱体に加熱される部位に電子素子を搭載してなるものである。次に、ヒータ内蔵電子部品の一例としてセラミックヒータ内臓の酸素センサを取り上げて説明する。 The electronic component with a built-in heater according to the present invention includes the above-described ceramic heater and has an electronic element mounted on a portion heated by a heating element of the ceramic heater. Next, an oxygen sensor with a built-in ceramic heater will be described as an example of an electronic component with a built-in heater.
図7は酸素センサの構造を示すもので、図7(a)に示したように、セラミックヒータAの上に電子素子Bが一体的に形成されている。セラミックヒータAは、図5のヒータからなり、図7(a)は発熱体の先端付近Z2における断面図に相当するものであり、図7(b)は、リード配線付Z3における断面図に相当するものである。 FIG. 7 shows the structure of the oxygen sensor. As shown in FIG. 7A, the electronic element B is integrally formed on the ceramic heater A. Ceramic heater A is made from the heater of Figure 5 is intended FIG. 7 (a) corresponds to a cross-sectional view of the distal end near the Z 2 of the heating element, FIG. 7 (b) is a sectional view in the Lead wires Z 3 It is equivalent to.
図7によれば、本発明のヒータ内蔵電子部品は、セラミックヒータAをその内部に具備しており、基体31に発熱体32が埋設されており、発熱体32によって加熱される位置に電子素子Bが搭載されている。
According to FIG. 7, the electronic component with built-in heater according to the present invention includes the ceramic heater A therein, the
電子素子Bは、固体電解質基板36と、固体電解質基板36を挟持するように配設された一対の白金を主成分とする電極37a、37bから構成される酸素センサ部を設けることで、急速に昇温することのできる信頼性に優れた酸素ガスセンサとなる。
The electronic element B is rapidly provided by providing an oxygen sensor unit composed of a
酸素ガスセンサは、セラミック絶縁層中に埋設された発熱体のリード配線を内在するとともに、先端が封止された大気導入孔35を具備する平板状の中空形状からなるセラミックヒータAに、平板状のジルコニアからなる酸素イオン導電性を有する固体電解質基板36と、この固体電解質基板36の対向する両面に形成された、空気に接する基準電極37aの基準リード配線と、例えば、排気ガスの酸素濃度などの測定ガスと接する測定電極37bの検知リード配線とが形成されている。
The oxygen gas sensor includes a lead wire for a heating element embedded in a ceramic insulating layer, and a flat plate-like ceramic heater A having an
本発明によれば、上述したように、Na等のアルカリ金属やアルカリ土類金属が濃縮されるリード配線の周囲に膨張緩和層を形成することが重要である。 According to the present invention, as described above, it is important to form the expansion relaxation layer around the lead wiring where the alkali metal such as Na or the alkaline earth metal is concentrated.
なお、図7(b)に示した膨張緩和層は、空隙または多孔質層を用いることができ、その形状は、図3の(a)、(b)、(c)及び(d)のいずれかを採用できるのは言うまでもない。 In addition, the expansion | swelling relaxation layer shown in FIG.7 (b) can use a space | gap or a porous layer, and the shape is any of (a), (b), (c) and (d) of FIG. It goes without saying that can be adopted.
基準電極37aと測定電極37bには、基準リード配線、検知リード配線(いずれも不図示)が接続されており、基準電極37aと測定電極37bとの間で発生する起電力を測定することで酸素ガスセンサとしての機能を発現することができる。即ち、酸素濃度の濃い側(基準ガス側)のジルコニアセラミックス表面で酸素分子が酸素イオンとなり、酸素濃度の薄い側(排気ガス側)に向かって移動する。また、一方酸素濃度の薄い側(排気ガス側)のジルコニアセラミックス表面では酸素イオンから酸素分子になろうとするような反応が起こる。この際、高濃度側ではイオンになるための電子が必要となり、低濃度側では逆に酸素ガスになるために電子が不要となり、排気ガス側から基準ガス側に向かって電子が流れようとする電位が発生する。この電位を捕らえることで両側の酸素濃度に差があるかどうかをセンシングすることができる。
A reference lead wire and a detection lead wire (both not shown) are connected to the
酸素ガスセンサは、セラミック基体31に埋設された発熱体32を内在するとともに、先端が封止された大気導入孔35を具備する平板状の中空形状からなるセラミックヒータAに、平板状のジルコニアからなる酸素イオン導電性を有する固体電解質基板36と、この固体電解質基板36の対向する両面に形成された、空気に接する基準電極37aと、測定電極37bとが形成された、酸素濃度を検知する機能を有するセンサ部とが一体化されたものである。
The oxygen gas sensor includes a
さらに、図7(a)に示したように、測定電極37bの上部に、測定電極37bを保護するためのセラミック多孔質層38を形成することもできる。
Further, as shown in FIG. 7A, a ceramic
次に、本発明のセラミックヒータA及び電子素子Bを構成するセラミック基体31は、例えば、アルミナセラミックスからなる相対密度が90%以上、特に95%以上の緻密質なセラミックスによって構成されていることが望ましい。
Next, the
また、相対密度を上記の範囲とすることによって、絶縁基体1及びセラミックヒータ素子9の強度が高くなる結果、酸素ガスセンサ自体の機械的な強度を高めることができる。 In addition, by setting the relative density within the above range, the strength of the insulating base 1 and the ceramic heater element 9 is increased, so that the mechanical strength of the oxygen gas sensor itself can be increased.
また、本発明のヒータ内蔵電子部品である酸素ガスセンサにおいては、固体電解質31は、ZrO2を含有するセラミックスからなり、安定化剤として、Y2O3及びYb2O3、Sc2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3等の希土類酸化物を酸化物換算で1〜30モル%、好ましくは3〜15モル%含有する部分安定化ZrO2あるいは安定化ZrO2が用いられている。また、ZrO2中のZrを1〜20原子%をCeで置換したZrO2を用いることにより、イオン導電性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった効果がある。さらに、焼結性を改善する目的で、上記ZrO2に対して、Al2O3やSiO2を添加含有させることができるが、多量に含有させると、高温におけるクリープ特性が悪くなることから、Al2O3及びSiO2の添加量は総量で5質量%以下、特に2質量%以下であることが望ましい。
Moreover, in the oxygen gas sensor which is an electronic component with a built-in heater according to the present invention, the
また、固体電解質基板36の表面に被着形成される基準電極37a、測定電極37bは、いずれも白金単体、あるいは白金と、ロジウム、パラジウム、ルテニウム及び金の群から選ばれる1種との合金が用いて形成することが望ましい。また、酸素ガスセンサ動作時の電極中の金属の粒成長を防止する目的と、応答性に係わる白金粒子と固体電解質と気体との、いわゆる3相界面の接点を増大する目的で、上述のセラミック固体電解質成分を1〜50体積%、特に10〜30体積%の割合で上記電極中に混合してもよい。また、電極形状としては、四角形でも楕円形でもよい。また、電極の厚さは、3〜20μm、特に5〜10μmが好ましい。
The
また、測定電極37bの表面に形成されるセラミック多孔質層38は、厚さ10〜1500μm、特に100〜500μmで、気孔率が10〜50%のジルコニア、アルミナ、γ−アルミナ、チタニア及びスピネルの群から選ばれる少なくとも1種を含むセラミックによって形成されていることが望ましい。これにより、電極被毒物質P、Pb、Si等が電極に達しにくくなるため電極性能が安定し、且つガス応答性も維持することができる。
The porous
なお、セラミックヒータとセンサ部との一体化に関しては、セラミックヒータとセンサ部それぞれを焼結して作製した後、焼結体をガラス等で接合してもよい。また、セラミックヒータとセンサ部からなる成形体を予め作製した後、同時焼成でセラミックヒータとセンサ部を一体化した焼結体を作製することも可能である。 In addition, regarding the integration of the ceramic heater and the sensor portion, the sintered body may be bonded with glass or the like after being manufactured by sintering the ceramic heater and the sensor portion. It is also possible to produce a sintered body in which the ceramic heater and the sensor unit are integrated by simultaneous firing after forming a molded body including the ceramic heater and the sensor unit in advance.
次に、上述の酸素ガスセンサの製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the above oxygen gas sensor will be described.
まず、固体電解質のグリーンシートを作製する。このグリーンシートは、例えば、ジルコニアの酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質粉末に対して、適宜、成形用有機バインダーを添加してドクターブレード法や、押出成形や、静水圧成形(ラバープレス)あるいはプレス形成などの周知の方法により作製される。 First, a solid electrolyte green sheet is prepared. This green sheet is prepared by adding a forming organic binder, as appropriate, to a ceramic solid electrolyte powder having oxygen ion conductivity of zirconia, for example, by a doctor blade method, extrusion molding, isostatic pressing (rubber press) or It is produced by a known method such as press forming.
得られたグリーンシートを所望の大きさに切断し、グリーンシートの両面に、それぞれ測定電極及び基準電極となるパターンや、測定電極及び基準電極に接続されるリード配線となるリード配線パターンや電極パッド、スルーホールなどを、例えば、白金を含有する導電性ペーストを用いて、スクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で印刷形成し、センサ部を作製する。 The obtained green sheet is cut into a desired size, and a pattern serving as a measurement electrode and a reference electrode, a lead wiring pattern serving as a lead wiring connected to the measurement electrode and the reference electrode, and an electrode pad on both sides of the green sheet, respectively. A through hole or the like is printed and formed by screen printing, pad printing or roll transfer using, for example, a conductive paste containing platinum, and a sensor unit is manufactured.
一方、絶縁性を有するセラミック材料からなるグリーンシートを作製する。得られたグリーンシートを所望の大きさに切断し、グリーンシートの両面に、それぞれ発熱体およびリード配線となるパターンや取り出し電極パッド、スルーホールなどを、例えば、白金を含有する導電性ペーストを用いて、スクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で印刷形成し、ヒータ部を作製する。 On the other hand, a green sheet made of an insulating ceramic material is produced. The obtained green sheet is cut into a desired size, and a pattern that becomes a heating element and a lead wiring, an extraction electrode pad, a through hole, etc. are used on both sides of the green sheet, for example, using a conductive paste containing platinum. Then, printing is performed by screen printing, pad printing, and roll transfer, and a heater portion is manufactured.
そして、リード配線パターンの少なくとも一部に、膨張緩和層となる空隙形成層又は多孔質形成層を形成する。具体的には、セラミックヒータの膨張緩和層の製造方法と同じであるが、例えば、空隙形成層としては、有機バインダー(ポリビニルブチラール樹脂等)を塗布し、多孔質形成層としては、樹脂ビーズとセラミック材料からなる多孔質スラリーを印刷塗布形成することができる。 Then, a void forming layer or a porous forming layer serving as an expansion relaxation layer is formed on at least a part of the lead wiring pattern. Specifically, the method is the same as the method for manufacturing the expansion relaxation layer of the ceramic heater. For example, an organic binder (polyvinyl butyral resin or the like) is applied as the void forming layer, and resin beads are used as the porous forming layer. A porous slurry made of a ceramic material can be formed by printing.
セラミックヒータ部は、前述したセラミックヒータの製造方法に従い作製されるが、酸素ガスセンサにおいては、基準電極に空気を供給するための空気導入孔を形成する必要がある。空気導入孔は、予めパンチ等によりアルミナのグリーンシートに孔を開けたものを、アクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら機械的に接着すればよい。 The ceramic heater portion is manufactured according to the above-described ceramic heater manufacturing method. However, in the oxygen gas sensor, it is necessary to form an air introduction hole for supplying air to the reference electrode. The air introduction hole may be mechanically bonded to an alumina green sheet previously punched or the like, with an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent interposed therebetween, or with pressure applied by a roller or the like. .
この後、センサ部とセラミックヒータ部の積層体をアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら両者を機械的に接着することにより接着一体化した後、これらを焼成する。焼成は、大気中または不活性ガス雰囲気中、1300℃〜1700℃の温度範囲で1〜10時間焼成する。なお、焼成時には、焼成時のセンサ部の反りを抑制するため、錘として高純度の平滑なアルミナ等の基板を積層体の上に置くことにより反り量を低減することができる。 After this, the laminated body of the sensor unit and the ceramic heater unit is bonded and integrated by interposing an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent, or by mechanically bonding the two while applying pressure with a roller or the like, These are fired. Firing is performed in the air or in an inert gas atmosphere at a temperature range of 1300 ° C. to 1700 ° C. for 1 to 10 hours. Note that, during firing, the amount of warpage can be reduced by placing a substrate of high-purity smooth alumina or the like as a weight on the laminate in order to suppress warping of the sensor portion during firing.
また、センサ部とセラミックヒータ部の積層体とを同時焼成して一体化する場合には、両者の熱膨張係数差による応力の発生を低減するために、例えば、センサ部を形成する固体電解質成分とセラミックヒータ部のセラミック絶縁層を形成する絶縁成分との複合材料を介在させることが望ましい。 Further, when the sensor unit and the laminated body of the ceramic heater unit are simultaneously fired and integrated, in order to reduce the generation of stress due to the difference in thermal expansion coefficient between them, for example, the solid electrolyte component forming the sensor unit It is desirable to interpose a composite material of an insulating component forming a ceramic insulating layer of the ceramic heater portion.
その後、所望により、焼成後の測定電極の表面に、プラズマ溶射法、ディップ法、印刷法、テープ貼り付け法等により,アルミナ、ジルコニア、スピネルの群から選ばれる少なくとも1種のセラミックを含むセラミック多孔質層38を形成することによってセラミックヒータ部Aが一体化された酸素ガスセンサを形成することができる。
Thereafter, if desired, the surface of the measurement electrode after firing may be a porous ceramic material containing at least one ceramic selected from the group consisting of alumina, zirconia, and spinel by plasma spraying, dipping, printing, tape attaching, or the like. By forming the
なお、上記の方法では、セラミックヒータAと電子素子Bを同時焼成して形成した場合について説明したが、セラミックヒータAと電子素子Bとはそれぞれ別体で焼成した後、ガラスなどの適当な無機接合材によって接合することによって一体化することも可能である。 In the above method, the case where the ceramic heater A and the electronic element B are formed by simultaneous firing has been described. However, after the ceramic heater A and the electronic element B are fired separately from each other, an appropriate inorganic material such as glass is used. It is also possible to integrate by bonding with a bonding material.
なお、本発明のセラミックヒータは酸素ガスセンサとして、例えば、酸素センサの他に、NOxセンサ、COセンサ等の酸素ガスセンサに好適に使用することもできる。 The ceramic heater of the present invention can also be suitably used as an oxygen gas sensor, for example, an oxygen gas sensor such as a NOx sensor and a CO sensor in addition to an oxygen sensor.
膨張緩和層として図3(a)のスリット状の空隙を用いたセラミックヒータを作製した。 A ceramic heater using the slit-shaped gap of FIG. 3A as an expansion relaxation layer was produced.
純度が99.9%で平均粒子径が0.2μmのアルミナ粉末(シリカ0.1質量%含有)にアクリル系のバインダーとトルエンを添加してスラリーを作製し、ドクターブレード法により、厚みが0.2mmになるようなアルミナのグリーンシートを作製した。 A slurry is prepared by adding an acrylic binder and toluene to an alumina powder (containing 0.1% by mass of silica) having a purity of 99.9% and an average particle diameter of 0.2 μm. The thickness is 0 by a doctor blade method. An alumina green sheet having a thickness of 2 mm was prepared.
次に、グリーンシートの所定の位置にパンチ金型で貫通孔を形成した。 Next, a through hole was formed at a predetermined position of the green sheet with a punch die.
次に、この貫通孔に、平均粒子径が1μmの白金粉末を60体積%と、平均粒子径が0.5μmのアルミナ粉末を20体積%含有する混合粉末に、アクリルバインダーとテルピネオール(以下、単にTPOと言う)とを3本ロール混合して作製した導電性ペーストをスクリーン印刷により、充填した。 Next, a mixed powder containing 60% by volume of platinum powder having an average particle diameter of 1 μm and 20% by volume of alumina powder having an average particle diameter of 0.5 μm in this through-hole is mixed with an acrylic binder and terpineol (hereinafter simply referred to as “pure powder”). A conductive paste prepared by mixing three rolls of TPO) was filled by screen printing.
次に、平均粒子径が1μmの白金粉末を60体積%と、平均粒子径が0.5μmのアルミナ粉末を40体積%含有する混合粉末に、アクリルバインダーとTPOとを3本ロールで混合して発熱体用の導電性ペーストを作製した。一方、平均粒子径が1μmの白金粉末を65体積%と、平均粒子径が0.5μmのアルミナ粉末を35体積%含有する混合粉末に、アクリルバインダーとTPOとを3本ロールで混合してリード配線用の導電性ペーストを作製した
これら2種の導電性ペーストを用いて、アルミナのグリーンシートの表面に焼成後に室温での抵抗値が約8Ωになるように、まず発熱体用導電性ペーストを用いて発熱体をスクリーン印刷した後、リード配線用導電性ペーストを用いてリード配線を発熱体パターンに重なるようにスクリーン印刷しセラミックヒータパターンを形成した。なお、このセラミックヒータのパターンは、焼成後に理想的には図4に示す形状となるように形成した。
Next, an acrylic binder and TPO are mixed with three rolls into a mixed powder containing 60% by volume of platinum powder having an average particle diameter of 1 μm and 40% by volume of alumina powder having an average particle diameter of 0.5 μm. A conductive paste for a heating element was produced. On the other hand, mixed lead powder containing 65% by volume of platinum powder having an average particle diameter of 1 μm and 35% by volume of alumina powder having an average particle diameter of 0.5 μm is mixed with an acrylic binder and TPO by three rolls. A conductive paste for wiring was prepared. Using these two types of conductive paste, a conductive paste for a heating element was first formed on the surface of an alumina green sheet so that the resistance value at room temperature after firing was about 8Ω. The heating element was screen printed using the conductive paste for lead wiring, and the lead wiring was screen printed so as to overlap the heating element pattern to form a ceramic heater pattern. The ceramic heater pattern was ideally formed after firing as shown in FIG.
次に、セラミックヒータのパターンと貫通導体となる成形体とを備えたグリーンシートの表裏面に前記導電性ペーストを用いて、リード配線となるパターンと、取り出し電極となるパターンを形成した。 Next, a pattern to be a lead wiring and a pattern to be a take-out electrode were formed on the front and back surfaces of a green sheet provided with a ceramic heater pattern and a molded body to be a through conductor using the conductive paste.
次に、試料No.2〜19について膨張緩和層を形成した。試料No.2〜7及び16〜19は、焼成後に、リード配線の周囲に形成される空隙の形態が図3(a)のようになるように、有機バインダー(ポリビニルブチラール樹脂)をリード配線のパターン上にスクリーン印刷で印刷した。この際、バインダー固形分量が異なるスラリーを、図4(b)の範囲になるように、スクリーン印刷で印刷した。 Next, sample No. The expansion relaxation layer was formed about 2-19. Sample No. In Nos. 2 to 7 and 16 to 19, an organic binder (polyvinyl butyral resin) is placed on the lead wiring pattern so that the shape of the void formed around the lead wiring after firing is as shown in FIG. Printed by screen printing. At this time, slurries with different binder solid contents were printed by screen printing so as to be in the range of FIG.
また、試料No.8〜10は、空隙の形態が図3(b)のようになる空隙を形成するため、有機バインダーに気孔形成剤としてアクリルビーズ(粒径5μm)20体積%とセラミック基体となるセラミックシートと同じ組成の混合粉末が80体積%となるペーストを3本ロールにて作製し、前記ペーストをリード配線のパターン上にスクリーン印刷で印刷した。 Sample No. 8 to 10 are the same as the ceramic sheet serving as the ceramic substrate and 20% by volume of acrylic beads (particle size: 5 μm) as a pore-forming agent in the organic binder in order to form a void whose void shape is as shown in FIG. A paste having a composition mixed powder of 80% by volume was prepared with three rolls, and the paste was printed on the pattern of the lead wiring by screen printing.
さらに、試料No.11〜14は、空隙の形態が図3(c)のようになる空隙を形成するため、有機バインダー(アクリル樹脂)をリード配線のパターン沿端部にスクリーン印刷で印刷した。 Furthermore, sample no. In Nos. 11 to 14, an organic binder (acrylic resin) was printed by screen printing on the end portion of the lead wiring pattern in order to form a void in which the shape of the void was as shown in FIG.
さらにまた、試料No.15は、空隙の形態が図3(d)のようになる空隙を形成するため、セラミック基体となるセラミックシートを形成するためのスラリーをリード配線の上に印刷し、その上に、有機バインダー(ポリビニルブチラール樹脂)をリード配線のパターン上にスクリーン印刷で印刷した。 Furthermore, sample no. 15, a slurry for forming a ceramic sheet to be a ceramic base is printed on the lead wiring in order to form a void in which the shape of the void is as shown in FIG. 3D, and an organic binder ( (Polyvinyl butyral resin) was printed on the pattern of the lead wiring by screen printing.
そして、これらのセラミックヒータ素子パターンの上面にアルリルバインダーを用いてアルミナのグリーンシートを5枚積層してセラミックヒータ素子となる積層体を作製した。 And the laminated body used as a ceramic heater element was produced by laminating | stacking five sheets of the alumina green sheets on the upper surface of these ceramic heater element patterns using the allyl binder.
次に、この積層体を大気中にて1500℃、2hの条件で焼成した。 Next, this laminate was fired in the atmosphere at 1500 ° C. for 2 hours.
この焼成工程の後、この焼結体を外形寸法が幅3mm、長さ40mmとなるようにカットした。 After this firing step, the sintered body was cut so that the external dimensions were 3 mm wide and 40 mm long.
このようにして、作製したセラミックヒータ素子に対して、熱サイクル試験と空隙を形成した部分に荷重が掛かるようにして坑折試験を行った。 In this way, a fold test was performed on the manufactured ceramic heater element so that a load was applied to the portion where the thermal cycle test and the void were formed.
また、リード配線の空隙の大きさは、セラミックヒータのリード配線の断面を鏡面出しして走査型電子顕微鏡で写真撮影を行い、空隙の大きなものの上位5個を選び出し、その平均値を最大の空隙の大きさとした。空隙形状は、図3(a)〜(d)に分類し、それぞれ単に(a)、(b)、(c)及び(d)で表示した。 In addition, the size of the lead wiring gap is mirrored on the lead wiring cross section of the ceramic heater, photographed with a scanning electron microscope, the top five of the largest gaps are selected, and the average value is the maximum gap. The size of The void shapes were classified into FIGS. 3A to 3D and simply indicated by (a), (b), (c), and (d), respectively.
また、図3(a)及び(d)の空隙の最大幅Lp、図3(b)の面積比率β、図3(c)の空隙長さLc及び空隙幅Lwを測定するとともに、膨張緩和層の発熱体側の端部までの最大距離dhに対する、膨張緩和層のリード配線側の端部までの最大距離dLとの比dL/dh及びリード配線間距離Kを測定した。 In addition, while measuring the maximum width L p of the gaps in FIGS. 3A and 3D, the area ratio β in FIG. 3B, the gap length L c and the gap width L w in FIG. for the maximum distance d h to the end of the heating side of the expansion buffer layer was measured ratio d L / d h and the lead wiring distance K between the maximum distance d L to the end of the lead wire side of the expansion buffer layer .
セラミックヒータ素子熱サイクル試験は、セラミックヒータ素子間に約25V前後の電圧を印加し、室温から1100℃まで約20秒で昇温し、さらにこの温度で1分保持した後、印加電圧を切ってセラミックヒータ素子を室温まで空冷する温度サイクルを1サイクルとして、これを10万回繰り返した時のセラミックヒータ素子の破損率を求めた。この際、試料はそれぞれ50個とした。また、抗折強度の測定は、スパン20mm、クロスヘッド速度0.5mm/minで、3点曲げ試験をセラミックヒータ素子が破損した荷重を測定した。 In the ceramic heater element thermal cycle test, a voltage of about 25 V was applied between the ceramic heater elements, the temperature was raised from room temperature to 1100 ° C. in about 20 seconds, held at this temperature for 1 minute, and then the applied voltage was turned off. The temperature cycle of air-cooling the ceramic heater element to room temperature was taken as one cycle, and the breakage rate of the ceramic heater element when this was repeated 100,000 times was determined. At this time, 50 samples were used. The bending strength was measured by measuring the load at which the ceramic heater element was damaged in a three-point bending test at a span of 20 mm and a crosshead speed of 0.5 mm / min.
また、100時間通電し、発熱体を1000℃以上の温度に加熱した後に、リード配線の境界付近を、ICP分析によりNa含有量を測定した。 Further, after energizing for 100 hours and heating the heating element to a temperature of 1000 ° C. or higher, the Na content was measured by ICP analysis near the boundary of the lead wiring.
なお、比較例として、リード配線の周辺に空隙がない従来のセラミックヒータも作製したが、リード配線の周辺に空隙がない従来のセラミックヒータについては、前記空隙を形成するため気孔形成剤を含有する有機バインダーを塗布する工程を除く以外は、実施例同様の工程で作製した。 As a comparative example, a conventional ceramic heater having no gap around the lead wire was also produced. However, the conventional ceramic heater having no gap around the lead wire contains a pore forming agent to form the gap. Except for the step of applying an organic binder, it was prepared in the same manner as in the examples.
結果を表1に示した。
本発明の試料No.2〜19は、高速昇温耐久試験での破損率が30%以下であった。 Sample No. of the present invention. Nos. 2 to 19 had breakage rates of 30% or less in the high-speed temperature rise durability test.
一方、膨張緩和層を具備しない本発明の範囲外の試料No.1は、破損率が80%と高かった。 On the other hand, Sample No. No. 1 had a high breakage rate of 80%.
よって、本発明のセラミックヒータは、格段に高い高速昇温性と、信頼性さらには、機械的強度、取り扱い性に優れていることがわかった。 Therefore, it was found that the ceramic heater of the present invention has a remarkably high high-speed temperature rise property, reliability, mechanical strength, and handleability.
ヒータ内蔵電子部品として、酸素ガスセンサを作製した。 An oxygen gas sensor was fabricated as an electronic component with a built-in heater.
まず、市販の純度が99.9%で平均粒子径が0.2μmのアルミナ粉末(シリカ0.1質量%含有)にアクリル系のバインダーとトルエンを添加してスラリーを作製し、ドクターブレード法により、シートの厚さが0.2mmになるようなアルミナのグリーンシートを作製した。 First, a slurry is prepared by adding an acrylic binder and toluene to an alumina powder (containing 0.1% by mass of silica) having a commercial purity of 99.9% and an average particle size of 0.2 μm. An alumina green sheet having a sheet thickness of 0.2 mm was prepared.
次に、グリーンシートの所定の位置にパンチ金型で貫通孔を形成した。 Next, a through hole was formed at a predetermined position of the green sheet with a punch die.
次に、この貫通孔に、平均粒子径が1μmの白金粉末を60体積%と、平均粒子径が0.5μmのアルミナ粉末を40体積%含有する混合粉末に、アクリルバインダーとTPOとを3本ロール混合して作製した導電性ペーストをスクリーン印刷により、充填した。 Next, a mixed powder containing 60% by volume of platinum powder having an average particle diameter of 1 μm and 40% by volume of alumina powder having an average particle diameter of 0.5 μm in this through hole, three acrylic binders and TPO. The conductive paste produced by roll mixing was filled by screen printing.
次に、平均粒子径が1μmの白金粉末を60体積%と、平均粒子径が0.5μmのアルミナ粉末を40体積%含有する混合粉末に、アクリルバインダーとTPOとを3本ロールで混合して導電性ペーストを作製し、これを用いてアルミナのグリーンシートの表面に焼成後に室温での抵抗値が約8Ωになるようなセラミックヒータ素子パターンをスクリーン印刷で印刷した。 Next, an acrylic binder and TPO are mixed with three rolls into a mixed powder containing 60% by volume of platinum powder having an average particle diameter of 1 μm and 40% by volume of alumina powder having an average particle diameter of 0.5 μm. A conductive paste was prepared, and a ceramic heater element pattern having a resistance value of about 8Ω at room temperature after firing was printed on the surface of an alumina green sheet by screen printing.
次に、セラミックヒータ素子パターンと貫通導体となる成形体とを備えたグリーンシートの表裏面に前記導電性ペーストを用いて、リード配線となるパターンと、取り出し電極となるパターンを形成した。 Next, a pattern to be a lead wiring and a pattern to be a take-out electrode were formed on the front and back surfaces of a green sheet provided with a ceramic heater element pattern and a molded body to be a through conductor using the conductive paste.
次に、試料No.20〜38について膨張緩和層を形成した。試料No.21〜26及び35〜38は、焼成後にリード配線の周囲に形成される空隙の形態が図3(a)のようになるように、有機バインダー(ポリビニルブチラール樹脂)をリード配線のパターン上にスクリーン印刷で印刷した。この際、バインダー固形分量が異なるスラリーを、図4(b)の範囲になるように、スクリーン印刷で印刷した。 Next, sample No. An expansion relaxation layer was formed for 20-38. Sample No. 21-26 and 35-38 are screened with an organic binder (polyvinyl butyral resin) on the pattern of the lead wiring so that the shape of the void formed around the lead wiring after firing is as shown in FIG. Printed by printing. At this time, slurries with different binder solid contents were printed by screen printing so as to be in the range of FIG.
また、試料No.27〜29は、空隙の形態が図3(b)のようになる空隙を形成するため、有機バインダーに気孔形成剤としてアクリルビーズ(粒径5μm)20体積%とセラミック基体となるセラミックシートと同じ組成の混合粉末が80体積%となるペーストを3本ロールにて作製し、前記ペーストをリード配線のパターン上にスクリーン印刷で印刷した。 Sample No. Nos. 27 to 29 are the same as the ceramic sheet as the ceramic base, and 20% by volume of acrylic beads (particle size: 5 μm) as a pore forming agent in the organic binder in order to form a void whose void shape is as shown in FIG. A paste having a composition mixed powder of 80% by volume was prepared with three rolls, and the paste was printed on the pattern of the lead wiring by screen printing.
さらに、試料No.30〜33は、空隙の形態が図3(c)のようになる空隙を形成するため、有機バインダー(アクリル樹脂)をリード配線のパターン沿端部にスクリーン印刷で印刷した。 Furthermore, sample no. In Nos. 30 to 33, an organic binder (acrylic resin) was printed on the end portions of the lead wiring pattern by screen printing in order to form a void having a void shape as shown in FIG.
さらにまた、試料No.34は、空隙の形態が図3(d)のようになる空隙を形成するため、セラミック基体となるセラミックシートを形成するためのスラリーをリード配線の上に印刷し、その上に、有機バインダー(ポリビニルブチラール樹脂)をリード配線のパターン上にスクリーン印刷で印刷した。 Furthermore, sample no. 34, a slurry for forming a ceramic sheet to be a ceramic substrate is printed on the lead wiring in order to form a void in which the shape of the void is as shown in FIG. 3D, and an organic binder ( (Polyvinyl butyral resin) was printed on the pattern of the lead wiring by screen printing.
また、焼成後に幅1.4mm、高さ0.5mmになるような空気導入孔に相当する部分を、金型パンチにて打ち抜いた打ち抜きグリーンシートも準備した。 A punched green sheet was also prepared by punching a portion corresponding to an air introduction hole having a width of 1.4 mm and a height of 0.5 mm after firing with a die punch.
そして、これらのセラミックヒータ素子パターン及び有機バインダーを印刷したグリーンシートの上面に前記アルミナのグリーンシート5枚と前記打ち抜きグリーンシート3枚をアルリルバインダーを用いて積層し、セラミックヒータ素子となる積層体を作製した。 Then, 5 layers of the alumina green sheet and 3 punched green sheets are laminated on the upper surface of the green sheet on which the ceramic heater element pattern and the organic binder are printed, using an allyl binder, to obtain a ceramic heater element. Was made.
一方、平均粒子径が0.2μmの部分安定化ジルコニア(イットリア5モル)に、アクリル系のバインダーとトルエンを添加してスラリーを作製し、ドクターブレード法により、シートの厚さが0.25mmになるような固体電解質のグリーンシートを作製した。
On the other hand, a slurry is prepared by adding an acrylic binder and toluene to partially stabilized zirconia (
上記のジルコニア粉末を20体積%と、平均粒径1μmの白金粉末80体積%とをアクリルバインダーとTPOとを3本ロール混合して作製した導電性ペーストを作製し、これを用いて前記ジルコニアのグリーンシートの表裏面にそれぞれ、検知電極、基準電極及びリード配線パターンをスクリーン印刷で印刷した。 A conductive paste prepared by mixing 20% by volume of the above zirconia powder and 80% by volume of platinum powder having an average particle diameter of 1 μm with three rolls of an acrylic binder and TPO was prepared. A detection electrode, a reference electrode, and a lead wiring pattern were printed on the front and back surfaces of the green sheet by screen printing.
また、検知電極の表面には、平均粒径5μmの前記気孔形成剤を50体積%含むアルミナペーストを塗布し、保護層を形成した。その後、前記ジルコニアのグリーンシートの基準電極となるパターンを設けた側の面と、セラミックヒータ素子の空気導入孔となる空間を形成した面との間にアルリルバインダー塗布し、両者を当接させ、積層し、酸素ガスセンサ積層体を得た。 Further, an alumina paste containing 50% by volume of the pore forming agent having an average particle diameter of 5 μm was applied to the surface of the detection electrode to form a protective layer. Thereafter, an allyl binder was applied between the surface of the zirconia green sheet on which the pattern serving as the reference electrode was provided and the surface on which the space serving as the air introduction hole of the ceramic heater element was formed. And an oxygen gas sensor laminate was obtained.
次に、この積層体を大気中にて1500℃、2hの条件で焼成した。 Next, this laminate was fired in the atmosphere at 1500 ° C. for 2 hours.
この焼成工程の後、この焼結体を外形寸法が幅3mm、長さ40mmとなるようにカットし、エッジ部を加工した。 After the firing step, the sintered body was cut so that the outer dimensions were 3 mm wide and 40 mm long, and the edge portion was processed.
このようにして、作製した酸素ガスセンサに対して、熱サイクル試験、抗折荷重の測定を行った。 Thus, the thermal cycle test and the bending load were measured with respect to the produced oxygen gas sensor.
また、発熱体断面積S1に対する空隙の断面積S2の比率は酸素ガスセンサの発熱体の断面を鏡面出しして走査型電子顕微鏡で写真撮影を行い、画像処理にて算出した。 The ratio of the cross-sectional area S2 of the air gap to the cross-sectional area S1 of the heating element was calculated by image processing by taking a mirror image of the cross section of the heating element of the oxygen gas sensor and taking a photograph with a scanning electron microscope.
酸素ガスセンサの熱サイクル試験は、発熱体に約25V前後の電圧を印加し、室温から1100℃まで約20秒で昇温し、さらにこの温度で1分保持した後、印加電圧を切ってセラミックヒータ素子を室温まで空冷する温度サイクルを1サイクルとして、これを10万回繰り返した時のセラミックヒータ素子の破損率を求めた。その際に、試料はそれぞれ50個とした。 In the thermal cycle test of the oxygen gas sensor, a voltage of about 25 V was applied to the heating element, the temperature was raised from room temperature to 1100 ° C. in about 20 seconds, and held at this temperature for 1 minute. The temperature cycle in which the element was air-cooled to room temperature was defined as one cycle, and the breakage rate of the ceramic heater element was determined when this was repeated 100,000 times. At that time, the number of samples was 50.
また、抗折荷重の測定は、スパン20mm、クロスヘッド速度0.5mm/minで、3点曲げ試験を酸素ガスセンサが破損した荷重を測定した。 The bending load was measured by measuring the load at which the oxygen gas sensor was damaged in a three-point bending test at a span of 20 mm and a crosshead speed of 0.5 mm / min.
なお、比較例として、リード配線の周辺に空隙がない従来の酸素ガスセンサを作製した。 As a comparative example, a conventional oxygen gas sensor having no gap around the lead wiring was produced.
リード配線の周辺に空隙がない従来の酸素ガスセンサは、前記空隙を形成するため気孔形成剤を含有する有機バインダーを塗布する工程を削除する以外は、実施例4同様の工程で作製した。 A conventional oxygen gas sensor having no void around the lead wiring was prepared in the same manner as in Example 4 except that the step of applying an organic binder containing a pore forming agent was removed to form the void.
作製した試料について、セラミックヒータ素子の場合と同様の評価を行った。 The same evaluation as the case of the ceramic heater element was performed about the produced sample.
結果を表2に示す。
本発明の試料No.21〜38は、高速昇温耐久試験での破損率が30%以下であった。 Sample No. of the present invention. Nos. 21 to 38 had breakage rates of 30% or less in the high-speed temperature rise durability test.
一方、膨張緩和層を具備しない本発明の範囲外の試料No.20は、破損率が80%と高かった。 On the other hand, Sample No. No. 20 had a high breakage rate of 80%.
よって、本発明の酸素ガスセンサは、格段に高い高速昇温性と、信頼性さらには、機械的強度、取り扱い性に優れていることがわかった。 Therefore, it was found that the oxygen gas sensor of the present invention is remarkably excellent in high-speed temperature rise performance, reliability, mechanical strength, and handleability.
1、31・・・セラミック基体
2、32・・・発熱体
2a・・・発熱体部分
3、33・・・リード配線
4、34・・・膨張緩和層
4a・・・包含型の膨張緩和層
4b・・・部分形成型の膨張緩和層
4c〜4f・・・空隙
5・・・ヒータ回路
6・・・電極パッド
7・・・スルーホール導体
35・・・大気導入孔
36・・・固体電解質基板
37a・・・基準電極
37b・・・測定電極
38・・・セラミック多孔質層
A・・・セラミックヒータ
B・・・電子素子
T・・・境界付近
Bo・・・境界
Ct・・・濃縮部
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