JP2016103345A

JP2016103345A - 接続構造体およびそれを備えたヒータ

Info

Publication number: JP2016103345A
Application number: JP2014240078A
Authority: JP
Inventors: 井上　将吾; Shogo Inoue; 将吾井上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-02

Abstract

【課題】絶縁基体にクラックが生じるおそれを低減する構造を提供する。【解決手段】表面に凹部１１を有する絶縁基体１と、凹部１１の底面に形成された導電層２と、凹部１１に挿入されて導電層２に接続されたリード線３と、凹部１１の内部に設けられてリード線３を囲む筒状部材４とを備えており、筒状部材４の熱膨張率がリード線３の熱膨張率よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、接続構造体およびそれを備えたヒータに関するものである。

セラミック部品に埋設された内部電極と内部電極に接続される給電端子との接合構造として、例えば特許文献１に記載の給電端子の接合構造が知られている。

特許文献１に記載の給電端子の接合構造は、表面に凹部を有するセラミック部材と、凹部の底面に設けられた内部電極と、凹部の内部に挿入された給電端子とを備えている。そして、給電端子はろう付けによって内部電極に接合されている。

特開２００５−１９４８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の給電端子の接合構造においては、給電端子とセラミック部材との熱膨張率の違いから、セラミック部材に熱応力が生じるおそれがあった。その結果、セラミック部材にクラックが生じてしまうという問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的はセラミック部材に生じる熱応力を低減して、セラミック部材にクラックが生じるおそれを低減することにある。

本発明の１つの態様に基づく接続構造体は、表面に凹部を有する絶縁基体と、前記凹部の底面に形成された導電層と、前記凹部に挿入されて前記導電層に接続されたリード線と、前記凹部の内部に設けられて前記リード線を囲む筒状部材とを備えており、該筒状部材の熱膨張率が前記リード線の熱膨張率よりも小さいことを特徴とする。

本発明の１つの態様に基づく接続構造体によれば、リード線よりも熱膨張率が小さい筒状部材がリード線を囲んでいることによって、絶縁基体に生じる熱応力を低減でき、絶縁基体にクラックが生じるおそれを低減できる。

本発明の実施形態の例の接続構造体を示す断面図である。接続構造体のうち凹部周辺を示す拡大断面図である。図１に示す接続構造体を備えたヒータを示す斜視図である。図１に示す接続構造体の他の例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態の例について図面を参照して説明する。

図１、２に示すように、本発明の実施形態の例の接続構造体１０は、絶縁基体１と、絶縁基体１の内部に形成された導電層２と、導電層２に接続されたリード線３と、リード線
３を囲む筒状部材４とを備えている。接続構造体１０は、例えば、半導体のボンディング用のヒータ等に用いることができる。本実施形態においては、図３に示すように、接続構造体１０をヒータ１００に用いた場合を例に挙げて説明する。この場合には、絶縁基体１の内部にさらに発熱抵抗体（図示せず）が設けられている。

絶縁基体１は、内部に導電層２および発熱抵抗体が埋設された部材である。絶縁基体１の内部に発熱抵抗体を設けることによって、発熱抵抗体の耐環境性を向上させることができる。絶縁基体１は、例えば板状の部材である。

絶縁基体１は、例えば酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。具体的には、絶縁基体１は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等から成る。

絶縁基体１は、特に窒化珪素質セラミックスから成ることが好ましい。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているためである。窒化珪素質セラミックスから成る絶縁基体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５質量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２を混合して、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成る絶縁基体１を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス焼成を用いることができる。

なお、絶縁基体１として窒化珪素質セラミックスを用い、さらに後述する導電層２および発熱抵抗体としてＭｏまたはＷ等の化合物を用いる場合には、絶縁基体１が、さらにＭｏＳｉ_２またはＷＳｉ_２等を含むことが好ましい。導電層２および発熱抵抗体に用いる金属の珪化物を絶縁基体１に分散していることによって、絶縁基体１の熱膨張率と導電層２および発熱抵抗体の熱膨張率とを近づけることができる。その結果、ヒータ１００の耐久性を向上させることができる。

絶縁基体１は表面に凹部１１を有している。凹部１１は、壁面と底面とを有している。底面には導電層２の一部が形成されている。言い換えると、導電層２は、絶縁基体１の内部に設けられているとともに、凹部１１の底面にまで引き出されている。凹部１１は、例えば、円柱状に形成されている。

絶縁基体１の形状が板状である場合は、絶縁基体１の長さは、例えば１０〜３０ｍｍに設定され、幅は１０〜３０ｍｍ、厚みは１．３〜６ｍｍに設定される。凹部１１が円柱状の場合には、凹部１１の開口部から底面までの深さは０．５〜１ｍｍ、底面の径は１〜１．８ｍｍに設定される。

発熱抵抗体は、電流が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体は、絶縁基体１に埋設されている。発熱抵抗体に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体が発熱する。この発熱によって生じた熱が絶縁基体１の内部を伝わって、絶縁基体１の表面が高温になる。そして、絶縁基体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１００が機能する。絶縁基体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば半導体チップ等が挙げられる。

発熱抵抗体は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＴｉ等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。絶縁基体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体の主成分
が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、絶縁基体１の熱膨張率と発熱抵抗体の熱膨張率とを近づけることができる。さらに、炭化タングステンは、耐熱性に優れている。

さらに、絶縁基体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体は、炭化タングステンを主成分とするとともに、窒化珪素が２０質量％以上添加されていることが好ましい。発熱抵抗体に窒化珪素を添加することによって、発熱抵抗体の熱膨張率と絶縁基体１の熱膨張率とを近づけることができる。これにより、ヒータ１００の昇温時または降温時に発熱抵抗体と絶縁基体１との熱膨張差によって生じる熱応力を低減することができる。

導電層２は、外部の電源と発熱抵抗体とを接続するための部材である。導電層２は、絶縁基体１の内部に設けられている。導電層２は、一端が発熱抵抗体に接続されるとともに、他端が絶縁基体１の表面の凹部１１に引き出されている。導電層２は、金、ニッケル、タングステン、または炭化タングステン等の金属材料から成る。導電層２は、例えばスクリーン印刷等によって形成される。

リード線３は、導電層２と同じく、外部の電源と発熱抵抗体とを接続するための部材である。リード線３は、絶縁基体１の凹部１１の内部に挿入されて導電層２に接続されている。リード線３と導電層２との接続には、例えば、ろう材等の接合材による接合を用いることができる。リード線３と導電層２とを接合することによって、リード線３と導電層２との接続の信頼性を高めることができる。特に、図２に示すように、接合材５が、筒状部材４の内周面とリード線３との間に設けられているとともに、凹部１１の壁面と筒状部材４の外周面との間には設けられていないことが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において接合材５が熱膨張したとしても絶縁基体１に熱応力が生じることを低減できる。

また、接合材を用いることなく、リード線３を導電層２に押し当てることによって両者の接続を行なってもよい。一般的に、接合材は熱膨張率が大きいが、このような接合材を用いないことによって、ヒートサイクル下において絶縁基体１に生じる熱応力を低減できる。

リード線３としては、例えば、ニッケル等の金属材料を用いることができる。

筒状部材４は、リード線３の径方向の熱膨張を低減するための部材である。筒状部材４は、凹部１１の内部に設けられてリード線３を囲むように設けられている。筒状部材４は、金属材料またはセラミック材料から成る。金属材料を用いる場合には、例えば、鉄ニッケルコバルト合金、チタン、モリブデンまたはタングステン等を用いることができる。セラミック材料を用いる場合には、例えば、アルミナ質セラミックスまたは窒化珪素質セラミックス等を用いることができる。電気的な信頼性を考慮すると、筒状部材４は絶縁材料から成ることが好ましい。これにより、筒状部材４と外部の導体とが接触したときに、筒状部材４を介してリード線３を通る電流が漏れてしまうことを抑制できる。

筒状部材４の熱膨張率は、リード線３の熱膨張率よりも小さい。具体的には、例えば、リード線３がニッケルから成る場合には、筒状部材４はアルミナから成る。この場合、例えば、リード線３の熱膨張率は１３×１０^−６／Ｋであり、筒状部材４の熱膨張率は７×１０^−６／Ｋになる。リード線３および筒状部材４の熱膨張率は、例えば、押し棒式膨張計によって確認できる。例えば、筒状部材４がセラミック材料から成る場合にはＪＩＳ
Ｒ１６１８に準ずる方法で、筒状部材４が金属材料から成る場合にはＪＩＳＺ２２８
５に準ずる方法で確認することができる。筒状部材４の寸法は、例えば、内径が０．５〜１ｍｍに、外径が１〜１．５ｍｍに設定される。

本実施形態の接続構造体１０によれば、リード線３を囲む筒状部材４を備えるとともに、筒状部材４の熱膨張率がリード線３の熱膨張率よりも小さいことによって、リード線３の熱膨張を低減できる。その結果、絶縁基体１に生じる熱応力を低減でき、絶縁基体１にクラックが生じるおそれを低減できる。そして、クラックの発生が低減された接続構造体１０を備えていることによって、ヒータ１００の長期信頼性を向上させることができる。

また、絶縁基体１と筒状部材４とを構成する主成分が同じであってもよい。これにより、絶縁基体１と筒状部材４との間で熱応力が発生することを低減できる。なおこの場合における主成分とは、絶縁基体１または筒状部材４が質量％で５０％以上含有する成分のことを意味している。

また、絶縁基体１の熱膨張率が筒状部材４の熱膨張率よりも小さくてもよい。このように、熱膨張率をリード線３、筒状部材４、絶縁基体１に向かうにつれて段階的に小さくすることで、絶縁基体１に大きな熱応力が加わらないようにすることができる。

また、筒状部材４の熱膨張率が絶縁基体１の熱膨張率よりも小さくてもよい。この場合には、筒状部材４自体が熱膨張することによる絶縁基体１への影響を低減できる。なお、筒状部材４の熱膨張率を絶縁基体１の熱膨張率よりも小さくした場合には、リード線３が熱膨張したときに筒状部材４に大きな熱応力が発生するおそれがある。しかしながら、仮に筒状部材４にクラック等が生じてしまったとしても、絶縁基体１と筒状部材４とが別々の部材であることから、絶縁基体１にはクラックが進展しにくい。そのため、この場合であっても絶縁基体１にクラックが生じるおそれを低減することができる。

また、筒状部材４の高さは、凹部１１の深さの半分以上であることが好ましい。これにより、リード線３が斜めに取り付けられてしまったとしても、リード線３と凹部１１の壁面とが接触してしまう可能性を低減できる。そのため、リード線３と絶縁基体１との間で熱応力が生じることを低減できる。

特に、筒状部材４の上端が凹部１１の開口部または凹部１１の開口部よりも上方に位置していることが好ましい。これにより、凹部１１の内部に位置しているリード線３を筒状部材４によって完全に囲むことができるので、リード線３の熱膨張をさらに低減できる。より好ましくは、筒状部材４の上端が凹部１１の開口部に位置しているとよい。これにより、凹部１１の内部においてはリード線３の熱膨張を低減するとともに、凹部１１の外部においてはリード線を適度に撓ませることができるので、リード線３の接続信頼性を向上させることができる。

さらに、図２に示すように、筒状部材４の下端が導電層２に接触していることが好ましい。これにより、リード線３と筒状部材４とを接合材５によって接合したときに、接合材５が筒状部材４の外周面と凹部１１の壁面との間に濡れ広がってしまうことを低減できる。これにより、筒状部材４と絶縁基体１との間に接合材５が入り込むことによってヒートサイクル下に生じる、熱応力を低減できる。

また、本実施形態の接続構造体１０においては、導電層２のうち、絶縁基体１の内部に設けられた部分と凹部１１の表面（底面）に設けられた部分とが同一平面上に位置していたが、これに限られない。具体的には、図４に示すように、導電層２のうち絶縁基体１の内部に設けられた部分の端部が、凹部１１の壁面に引き出されていてもよい。この場合には、導電層２のうち凹部１１の表面に設けられた部分が、底面だけではなく壁面にも設けられている。これにより、導電層２とリード線３とを凹部１１の底面において接続することができる。

また、図１に示した構成および図４に示した構成に関わらず、導電層２のうち、絶縁基体１の内部に設けられた部分と凹部１１の表面に設けられた部分とが、別々に形成されていてもよい。より詳しくは、２つの部分が別々の製法によって形成されていてもよいし、２つの部分が別々の材料から成っていてもよい。例えば、導電層２のうち、絶縁基体１の内部に設けられた部分を炭化タングステンによって形成するとともに、凹部１１の表面に設けられた部分を金等によって形成してもよい。

１：絶縁基体
１１：凹部
２：導電層
３：リード線
４：筒状部材
５：接合材
１０：接続構造体
１００：ヒータ

Claims

表面に凹部を有する絶縁基体と、前記凹部の底面に形成された導電層と、前記凹部に挿入されて前記導電層に接続されたリード線と、前記凹部の内部に設けられて前記リード線を囲む筒状部材とを備えており、該筒状部材の熱膨張率が前記リード線の熱膨張率よりも小さいことを特徴とする接続構造体。
前記筒状部材が、絶縁材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の接続構造体。
前記絶縁基体と前記筒状部材とを構成する主成分が同じであることを特徴とする請求項２に記載の接続構造体。
前記絶縁基体の熱膨張率が前記筒状部材の熱膨張率よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接続構造体。
前記筒状部材の熱膨張率が前記絶縁基体の熱膨張率よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接続構造体。
前記リード線と前記筒状部材との間に接合材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の接続構造体。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の接続構造体と、前記絶縁基体の内部に設けられて前記導電層に接続された発熱抵抗体とを備えたことを特徴とするヒータ。