JP2010129290A

JP2010129290A - 加熱装置

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Publication number: JP2010129290A
Application number: JP2008301172A
Authority: JP
Inventors: Toyotoshi Morimoto; 豊年森本
Original assignee: Kyushu Nissho KK
Current assignee: Kyushu Nissho KK
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: JP4987839B2

Abstract

【課題】均一加熱性及び耐久性に優れ、電気的短絡も発生しない加熱装置を提供する。
【解決手段】加熱装置１０は、密着状態に積層された複数の電気絶縁性基材１１，１２と、電気絶縁性基材１１，１２同士を接合するため電気絶縁性基材１１の凹溝１５内に充填された状態で融着された抵抗発熱材１３と、を備え、抵抗発熱材１３はケイ素若しくはケイ素化合物を含んでいる。抵抗発熱材１３は、電気絶縁性基材１１，１２同士の接触領域１４における一方の電気絶縁性基材１１に形成された凹溝１５内に隙間無く充填された状態で融着されている。電気絶縁性基材１１，１２は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスで形成されている。また、電気絶縁性基材１１，１２同士の接触領域１４の外周１４ａの一方の電気絶縁性基材１１の全周に渡って形成された開先部１１ａ内にも抵抗発熱材１３ａが充填された状態で融着されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、各種電子機器の部品や半導体材料などの熱処理に使用される電気抵抗発熱方式の加熱装置に関する。

電子機器部品や半導体材料などの熱処理に使用される加熱装置については、従来、様々な方式のものが提案されているが、本発明に関連するものとして、窒化アルミニウム製のヒータ基材上に設けられた発熱体埋設溝内に抵抗発熱材を配置し、その上面に窒化アルミニウム製のヒータカバーを重ね合わせた構造のセラミックスヒータがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−０１１７６９号公報

特許文献１記載のセラミックスヒータは、抵抗発熱材の表面や発熱体埋設溝が電気絶縁性物質の皮膜で被覆されているため、高温加熱時に抵抗発熱材間でリーク電流が生じない点においては優れている。しかしながら、基材及びヒータカバーと、抵抗発熱体との間に電気絶縁性物質の被膜が介在しているため、抵抗発熱体から基材及びヒータカバーへの熱伝導効率が悪く、加熱状態が不均一となることがある。

本発明が解決しようとする課題は、均一加熱性及び耐久性に優れ、電気的短絡も発生しない加熱装置を提供することにある。

本発明の加熱装置は、密着状態に積層された複数の電気絶縁性基材と、前記電気絶縁性基材同士の接触領域における少なくとも一方の面に形成された凹溝内に充填された状態で融着された抵抗発熱材と、を備え、前記抵抗発熱材がケイ素若しくはケイ素化合物を含むことを特徴とする。ここで、抵抗発熱材とは、電流を流すことによってジュール熱を発する性質を有する材料をいう。

このような構成とすれば、電気絶縁性基材の凹溝内に充填された状態で融着された抵抗発熱材が、密着状態に積層された電気絶縁性基材同士を強く接合するため、抵抗発熱材の熱がムラ無く電気絶縁性基材へ伝達され、優れた均一加熱性が得られる。また、抵抗発熱材は、片方の電気絶縁性基材の凹溝と他方の電気絶縁性基材との間に隙間無く充填された状態で融着されているため、通電発熱中に抵抗加熱体にクラックが生じたり、割れたりすることがなく、耐久性にも優れている。さらに、抵抗発熱材は、電気絶縁性素材に予め形成された凹溝内に充填した状態で融着することができるため、予定位置に抵抗発熱体を正確に配置することができ、融着過程における抵抗発熱体のしみだしや拡散に起因する電気的短絡も発生しない。

ここで、前記電気絶縁性基材は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスで形成することが望ましい。このような構成とすれば、窒化アルミニウムは、ケイ素若しくはケイ素化合物を含む抵抗発熱材との密着性が良好で、熱伝導性も高いため、均一加熱性が高まり、エネルギ効率も向上する。

一方、前記電気絶縁性基材同士の接触領域の外周の少なくとも一部に形成された開先部内にケイ素若しくはケイ素化合物を含む抵抗発熱材を充填した状態で融着させることができる。このような構成とすれば、電気絶縁性基材同士の接触領域の外周の少なくとも一部が抵抗発熱材で接合されるため、電気絶縁性基材同士の密着力が高まり、耐久性が向上する。

また、前記電気絶縁性基材の外面から前記電気絶縁性基材同士の接触領域に至るように形成された貫通孔内にケイ素若しくはケイ素化合物を含む抵抗発熱材を充填した状態で融着させることもできる。このような構成とすれば、貫通孔内に充填された状態で融着した抵抗発熱材が、重なり合った電気絶縁性基材同士を接合する機能を発揮するので、電気絶縁性基材同士の密着力が高まり、耐久性が向上する。

本発明により、均一加熱性及び耐久性に優れ、電気的短絡も発生しない加熱装置を提供することができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態である加熱装置を示す平面図、図２は図１に示す加熱装置の正面図、図３は図１におけるＡ−Ａ線断面図、図４は図１におけるＢ−Ｂ線断面図、図５は図２におけるＣ−Ｃ線断面図である。

図１〜図４に示すように、第１実施形態の加熱装置１０は、密着状態に積層された複数の電気絶縁性基材１１，１２と、電気絶縁性基材１１，１２同士を接合するため電気絶縁性基材１１の凹溝１５内に充填された状態で融着された抵抗発熱材１３と、を備え、抵抗発熱材１３はケイ素若しくはケイ素化合物を含んでいる。抵抗発熱材１３は、電気絶縁性基材１１，１２同士の接触領域１４における一方の電気絶縁性基材１１に形成された凹溝１５と他方の電気絶縁性基材１２の下面１２ｃの一部とで囲まれた空間内に隙間無く充填された状態で融着されている。電気絶縁性基材１１，１２は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスで形成されている。また、電気絶縁性基材１１，１２同士の接触領域１４の外周１４ａの一方の電気絶縁性基材１１の全周に渡って形成された開先部１１ａ内に抵抗発熱材１３ａが充填された状態で融着されている。この抵抗発熱材１３ａは抵抗発熱材１３と同じ組成である。

図３，図５に示すように、電気絶縁性基材１１，１２同士の接触領域１４である電気絶縁性基材１１の上面１１ｃに形成された凹溝１５は交差する部分のない連続した曲線状をなし、その端部１５ａ，１５ｂは、開先部１１ａの内側に位置している。また、図４に示すように、電気絶縁性基材１２における、凹溝１５ａの端部１５ａ，１５ｂと対向する位置には、それぞれ貫通孔１２ａ，１２ｂが開設され、これらの貫通孔１２ａ，１２ｂに棒状の通電部材１６ａ，１６ｂがそれぞれ差し込まれている。通電部材１６ａ，１６ｂの下端部は凹溝１５の端部１５ａ，１５ｂ内の抵抗発熱材１３に接続されている。通電部材１６ａ，１６ｂの外周は抵抗発熱材１３ｂによって被覆されている。抵抗発熱材１３ｂは抵抗発熱材１３と同じ組成である。

電気絶縁性基材１２から突出する通電部材１５，１６を通電端子として外部電源（図示せず）から給電すると抵抗発熱材１３が発熱し、電気絶縁性基材１１，１２が昇温するので、上方の電気絶縁性基材１２の上面１２ｈに被加熱物（図示せず）を載置することによって当該被加熱物を熱処理することができる。加熱装置１０においては、電気絶縁性基材１１の凹溝１５内に充填された状態で融着された抵抗発熱材１３によって積層状態の電気絶縁性基材１１，１２同士が強く接合されているため、抵抗発熱材１３の熱がムラ無く電気絶縁性基材１１，１２へ伝達され、電気絶縁性基材１２の上面１２ｈの温度分布が均一となる。従って、絶縁性基材１２の上面１２ｈに載置される被加熱物（図示せず）を均一に加熱することができる。

また、片方の電気絶縁性基材１１の上面１１ｂの凹溝１５と、他方の電気絶縁性基材１２の下面１２ｃの一部で囲まれた空間内に抵抗発熱材１３が隙間無く充填された状態で融着されているため、通電発熱中に抵抗加熱体１３にクラックが生じたり、割れたりすることがなく、耐久性にも優れている。さらに、電気絶縁性素材１１に予め形成された凹溝１５内に隙間無く充填した状態で抵抗発熱材１３を融着することができるため、予定位置に抵抗発熱体１３を正確に配置することができ、融着過程における抵抗発熱体１３のしみだしや拡散に起因する電気的短絡も発生しない。

電気絶縁性基材１１，１２は窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスで形成されているため、ケイ素若しくはケイ素化合物を含む抵抗発熱材１３との密着性が良好で、熱伝導性も高いため、均一加熱性及びエネルギ効率を高める上で有効である。

図３〜図５に示すように、電気絶縁性基材１１，１２同士の接触領域１４の外周１４ａに沿って形成された開先部１１ａ内に抵抗発熱材１３ａを充填した状態で融着させたことにより、電気絶縁性基材１１，１２同士の接触領域１４の外周１４ａ全体が抵抗発熱材１３ａで接合された状態となるため、電気絶縁性基材１１，１２同士が強く接合され、耐久性に優れている。また、電気絶縁性基材１１，１２同士の接触領域１４は外部から気液が浸入できない密閉状態に保持されるため、加熱装置１０を液体洗浄することもできる。さらに、図２に示すように、抵抗発熱材１３ａからアース１７を配線すれば、電気絶縁性基材１１，１２などの帯電を回避することができる。

次に、図６に基づいて、加熱装置１０の製造工程について説明する。図６は図１に示す加熱装置の製造工程を示す模式図である。図６（ａ）に示すように、電気絶縁性基材１１の上面１１ｃに凹溝１５を設けるとともに、外周１１ｃの外周に沿って開先部１１ａを形成する。そして、図６（ｂ）に示すように、加熱処理によって溶融、焼結して抵抗発熱材１３（図３参照）となるペースト状の抵抗発熱素材１３ｍを凹溝１５内へ充填する。

なお、抵抗発熱素材１３ｍとしては、「Ｓｉ−７％Ｔｉ−５％Ｍｏ合金組成（ｗｔ％）の金属粉末とＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）のアルコール溶液とを混合して形成したペースト」、「Ｓｉ−１０％Ｎｉ合金組成（ｗｔ％）の金属粉末とＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）のアルコール溶液とを混合して形成したペースト」あるいは「Ｓｉ−７％Ｃｒ合金組成（ｗｔ％）の金属粉末とＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）のアルコール溶液とを混合して形成したペースト」などが好適であるが、これらに限定するものではない。

次に、図６（ｃ）に示すように、電気絶縁性基材１１の上面１１ｃに電気絶縁性基材１２を重ね合わせ、開先部１１ａ内に抵抗発熱材素材１３ｍを隙間無く充填した後、真空加熱炉１８内に装入し、１３００〜１４００℃程度に加熱する。これにより、抵抗発熱素材１３ｍが溶融、焼結され、抵抗発熱材１３，１３ａとなって凹溝１５内や開先部１１ａ内に融着され、図１に示す加熱装置１０が完成する。なお、開先部１１ａに抵抗発熱材素材１３ｍを充填する段階において、図４に示す通電部材１６ａ，１６ｂを電気絶縁性基材１２の貫通孔１２ａ，１２ｂに挿入すれば、図６（ｃ）の過程を経ることにより、抵抗発熱材１３と通電可能に接続される。

次に、図７〜図１３に基づいて、本発明のその他の実施形態について説明する。図７は本発明の第２実施形態である加熱装置を示す平面図、図８は図７に示す加熱装置の正面図、図９は図７におけるＤ−Ｄ線断面図、図１０は図８におけるＥ−Ｅ線断面図である。また、図１１は本発明の第３実施形態である加熱装置を示す平面図、図１２は図１１に示す加熱装置の正面図、図１３は図１２におけるＦ−Ｆ線断面図である。なお、図７〜図１３において、図１〜図６と同じ符号を付している部分は加熱装置１０の構成部分と同じ構造、機能を有する部分であり、説明を省略する。

図７〜図１０に示すように、第２実施形態の加熱装置２０は、密着状態に積層された複数の電気絶縁性基材２１，２２と、電気絶縁性基材２１，２２同士を接合するため電気絶縁性基材２１の凹溝１５内に充填された状態で融着された抵抗発熱材１３と、を備えている。また、電気絶縁性基材２２の外面（上面２１ｈ）から電気絶縁性基材２１，２２同士の接触領域１４に至る複数の貫通孔２３が各コーナ付近に開設され、これらの貫通孔２３とそれぞれ同軸をなす凹部２４が電気絶縁性基材２２の上面２１ｃに形成されている。それぞれの貫通孔２３及び凹部２４内に抵抗発熱材１３ａが隙間無く充填された状態で融着されている。抵抗発熱材１３ａは、前述と同様、ケイ素若しくはケイ素化合物を含んでおり、抵抗発熱素材１３ｍ（図６参照）を焼結することによって形成されている。

加熱装置２０においては、電気絶縁性基材２２の貫通孔２３及び電気絶縁性基材２１の凹部２４内に充填された状態で融着された抵抗発熱材１３ａが、重なり合った電気絶縁性基材２１，２２同士を接合する機能を発揮するので、電気絶縁性基材２１，２２同士の密着力が高く、耐久性も優れている。また、貫通孔２３内の抵抗発熱材１３ａからアース１７を配線すれば、電気絶縁性基材２１，２２などの帯電を回避することができる。

図１１〜図１３に示すように、第３実施形態の加熱装置３０においては、密着状態に積層された複数の電気絶縁性基材３１，３２と、電気絶縁性基材３１，３２同士を接合するため電気絶縁性基材３１の凹溝１５内に充填された状態で融着された抵抗発熱材１３と、を備えている。電気絶縁性基材３１，３２同士の接触領域１４の外周縁１４ａにおいて両方の電気絶縁性基材３１，３２の全周に渡って形成された開先部３１ａ，３２ａ内に充填された状態で抵抗発熱材１３ａが融着されている。この抵抗発熱材１３ａは抵抗発熱材１３と同じ組成である。

図１に示す加熱装置１０及び図７に示す加熱装置２０はいずれも平面視形状が四角形であるのに対し、図１１に示す加熱装置３０の平面視形状は円形をなしている。従って、平面視形状が円形の被加熱物（図示せず）を電気絶縁性基材３２の上面３２ｈに載置して熱処理する場合などに好適である。なお、本発明に係る加熱装置を構成する電気絶縁性基材の平面視形状は四角形や円形に限定するものではないので、被加熱物の形状に適した形容とすることができる。

本発明の熱処理装置は、各種電子機器の部品や半導体材料などの熱処理手段として電子・電気産業分野あるいは機械部品産業などにおいて広く利用することができる。

本発明の第１実施形態である加熱装置を示す平面図である。図１に示す加熱装置の正面図である。図１におけるＡ−Ａ線断面図である。図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。図２におけるＣ−Ｃ線断面図である。図１に示す加熱装置の製造工程を示す模式図である。本発明の第２実施形態である加熱装置を示す平面図である。図７に示す加熱装置の正面図である。図７におけるＤ−Ｄ線断面図である。図８におけるＥ−Ｅ線断面図である。本発明の第３実施形態である加熱装置を示す平面図である。図１１に示す加熱装置の正面図である。図１２におけるＦ−Ｆ線断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０加熱装置
１１，１２，２１，２２，３１，３２電気絶縁性基材
１１ａ，３１ａ，３２ａ開先部
１１ｃ，２１ｃ上面
１２ａ，１２ｂ，２３貫通孔
１２ｃ下面
１２ｈ，２２ｈ，３２ｈ上面
１３，１３ａ，１３ｂ抵抗発熱材
１３ｍ抵抗発熱素材
１４接触領域
１４ａ外周
１５凹溝
１５ａ，１５ｂ端部
１６ａ，１６ｂ通電部材
１７アース
１８真空加熱炉
２４凹部

Claims

密着状態に積層された複数の電気絶縁性基材と、前記電気絶縁性基材同士の接触領域における少なくとも一方の面に形成された凹溝内に充填された状態で融着された抵抗発熱材と、を備え、前記抵抗発熱材がケイ素若しくはケイ素化合物を含むことを特徴とする加熱装置。
前記電気絶縁性基材を、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスで形成した請求項１記載の加熱装置。
前記電気絶縁性基材同士の接触領域の外周の少なくとも一部に形成された開先部内にケイ素若しくはケイ素化合物を含む抵抗発熱材を充填した状態で融着させた請求項１〜３のいずれかに記載の加熱装置。
前記電気絶縁性基材の外面から前記電気絶縁性基材同士の接触領域に至るように形成された貫通孔内にケイ素若しくはケイ素化合物を含む抵抗発熱材を充填した状態で融着させた請求項１〜３のいずれかに記載の加熱装置。