JP3820706B2

JP3820706B2 - 窒化アルミニウムヒーター

Info

Publication number: JP3820706B2
Application number: JP29807697A
Authority: JP
Inventors: 益宏夏原; 博彦仲田; 泰久湯塩
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: CA2251875A1; DE69809687T2; JPH11135234A; DE69809687D1; EP0914022A3; CA2251875C; US6084221A; EP0914022A2; EP0914022B1; HK1017564A1; KR19990037488A; KR100539634B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス基板の表面に発熱体を設けたセラミックスヒーター、特に発熱体の密着性に優れたセラミックスヒーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電熱器やアイロン、電気ストーブなどの各種ヒーターとして、セラミックスからなる基板の表面に金属の発熱体や給電用の電極を設けたセラミックスヒーターが知られている。また、かかるセラミックスヒーターの基板としては、従来からアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）基板が用いられてきた。
【０００３】
アルミナ基板は、電気絶縁性、機械的強度、及びコストの面で優れているが、耐熱衝撃性に劣っている。このため、急速な昇温及び冷却が要求されるヒーターにおいては、熱衝撃によりアルミナ基板が破断してしまい、実際の使用に対する信頼性が低いなどの問題点があった。また、アルミナ基板は熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ程度と小さいため、発熱体が存在する部分と、それ以外の部分との温度差が大きくなり、温度分布の均一さ、即ち均熱性が要求されるヒーターには不向きであった。
【０００４】
これらアルミナ基板の問題点を解決するため、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる基板を用いたセラミックスヒーターが提案されている。例えば、特開平４−２０６１８５号公報には、Ｐｄ及びＰｔのペーストを用いた窒化アルミニウムヒーター及びその製造方法が開示されている。また、特公平７−１０９７８９号公報には、高融点金属を発熱体として用いた窒化アルミニウムヒーターが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板を用いたセラミックスヒーターは、均熱性に優れ、基板の耐熱衝撃性も向上する。しかし、窒化アルミニウム基板を用いたセラミックスヒーターでは、上記Ｐｄ及びＰｔや、高融点金属の発熱体を始め、ＡｇやＡｇ合金などの、公知の発熱体を基板表面に形成したとき、その発熱体と基板との密着性が十分ではなく、信頼性に劣るという欠点があった。
【０００６】
また、上記特開平４−２０６１８５号公報に記載のヒーターは、発熱体がＰｔ及びＰｄであるため、製造コストが非常に高価になるという欠点があった。このため、特公平７−１０９７８９号公報などにおいて、高融点金属を用いた発熱体や、活性金属を用いた発熱体などが提案されている。
【０００７】
しかしながら、高融点金属を用いて発熱体を形成する場合、基板である窒化アルミニウムと高融点金属とを同時に焼成すると、窒化アルミニウムと高融点金属の焼結による収縮率の差によって、基板に反りや変形が生じてしまう。そこで、窒化アルミニウム焼結体上に高融点金属を印刷した後、焼成することになるが、２回の焼成のため製造コストが高くなるうえ、基板の反りや変形を完全に解消することは困難であった。また、活性金属を用いて発熱体を形成する場合には、その形成時に高真空が要求されるため、やはり製造コストが高くなるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、低コストで製造でき、セラミックス基板とその表面に形成した発熱体との密着性に優れ、高い信頼性を有するセラミックスヒーターを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供するセラミックスヒーターは、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体からなる基板と、該窒化アルミニウム焼結体の基板表面に形成した銀又は銀合金を主成分とする発熱体及び給電用電極とを備えた窒化アルミニウムヒーターであって、前記窒化アルミニウム焼結体が周期律表の２Ａ族又は３Ａ族の元素又はその化合物と、ケイ素元素換算で０.０１〜０.５重量％のケイ素又はケイ素化合物とを含有していることを特徴としている。
【００１０】
本発明の窒化アルミニウムヒーターにおいては、窒化アルミニウム焼結体が８族遷移元素の少なくとも１種の元素又はその化合物を、その元素換算で０.０１〜１重量％含有することが好ましい。また、窒化アルミニウム焼結体中のケイ素又はケイ素化合物の含有量は、ケイ素元素換算で０.１〜０.５重量％であることが好ましい。更に、窒化アルミニウム焼結体に含まれる２Ａ族元素がカルシウムであって、３Ａ族元素がイッテルビウム及びネオジウムであることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のヒーターにおいては、発熱体及び電極として安価なＡｇ又はＡｇ合金を使用し、発熱体及び電極と基板との密着性を確保するために、Ｓｉ又はＳｉ化合物を含有させた窒化アルミニウム焼結体からなる基板を使用する。更に、窒化アルミニウムの焼結を促進し、発熱体との濡れ性を向上させるため、２Ａ族の元素又はその化合物及び／又は３Ａ族の元素又はその化合物を添加する。
【００１２】
発熱体及び電極に使用するＡｇ又はＡｇ合金と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板との良好な密着性を実現するため、多くの研究を重ねた結果、ＡｌＮ焼結体中にＳｉ又はＳｉ化合物を含有させることで良好な密着性を実現できることが判明した。Ｓｉ又はＳｉ化合物は、焼結助剤である２Ａ族又は３Ａ族元素などと反応してＳｉＯ₂やサイアロンなど各種の酸化物を形成する。このＳｉを含む酸化物は、ＡｌＮの粒界に存在し、窒化アルミニウムとの密着性に優れ、且つＡｇ及びＡｇ合金との濡れ性に関しても良好であるため、発熱体及び電極とＡｌＮ基板との密着性を向上させることができる。
【００１３】
窒化アルミニウム焼結体中のＳｉ又はＳｉ化合物の含有量は、Ｓｉ元素換算で０.０１重量％以上とする。これ未満の含有量では、ＡｌＮの粒界に形成される酸化物中のＳｉ量が少なくなるため、Ａｇ及びＡｇ合金との濡れ性の低下、即ち密着強度の低下を引き起こすからである。また、Ｓｉの含有量を０.１重量％以上とすることにより、Ａｇ及びＡｇ合金との更に良好な密着性を実現することができ、安定した粒径のＡｌＮ焼結体を得ることができる。しかし、Ｓｉの含有量が０.５重量％を越えると、ＡｌＮ焼結体の熱伝導率が低下し、それ以上の密着性の向上も望めないので、０.５重量％を上限とすることが好ましい。尚、Ｓｉ化合物としては、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、サイアロンなどがある。
【００１４】
周期律表の２Ａ族元素又はその化合物、或は３Ａ族元素又はその化合物は、難焼結性物質である窒化アルミニウムの焼結を促進する焼結助剤として作用する。即ち、これらの元素又は化合物は、原料である窒化アルミニウム粉末の粒子表面に存在する酸化物（アルミナ）と反応して、液相を形成する。この液相がＡｌＮ粒子同士を結合させ、焼結を促進させる。これらの元素又は化合物の含有量は、通常の焼結助剤としての添加量で良く、具体的には元素換算の合計で０.１〜１０重量％の範囲が好ましい。
【００１５】
また、基板となる窒化アルミニウム焼結体においては、焼結体を形成しているＡｌＮの粒径をできるだけ小さくすることが望ましい。それにより、焼結体表面に析出する助剤成分の分布が均一且つ密になり、発熱体及び電極との密着性を更に良好にするからである。逆にＡｌＮの粒径が大きいと、基板の表面粗さが粗くなるため、例えばヒーターの伝熱面と被加熱物との隙間が大きくなり、伝熱効率が低下するなどの不都合がある。特に、ヒーターと被加熱物とが相互に摺動する場合、ＡｌＮ粒子が大きいと脱粒を生じやすくなり、また被加熱物に損傷を与える恐れがあるため好ましくない。ＡｌＮ粒子の平均粒径としては、４.０μｍ以下が好ましく、３.０μｍ以下が更に好ましい。
【００１６】
一般に窒化アルミニウム焼結体中のＡｌＮ粒子は、焼結温度が高いほど粒成長が進み、粒径が大きくなる。このため、焼結温度をできるだけ低くすることが望ましく、そのためには添加する焼結助剤として周期律表２Ａ族と３Ａ族の元素又はその化合物を併用することによって、液相の出現温度を低下させ、焼結温度を低下させることが好ましい。その場合、２Ａ族のカルシウム（Ｃａ）、３Ａ族のネオジウム（Ｎｄ）及びイッテルビウム（Ｙｂ）、或はそれらの化合物が好ましく、中でもこの３種の元素の併用が特に好ましい。これら３種の焼結助剤を併用することにより、焼結温度は１８００℃以下になり、焼結体中のＡｌＮの平均粒径は４.０μｍ以下に小さくなり、更に焼結体基板の熱伝導率も高くなる。
【００１７】
尚、これらＣａ、Ｙｂ、Ｎｄの３種の焼結助剤の添加による効果を高めるためには、それらの量を以下の範囲とすることが好ましい。即ち、Ｃａ化合物、Ｙｂ化合物及びＮｄ化合物のＣａＯ、Ｙｂ₂Ｏ₃及びＮｄ₂Ｏ₃に換算したときの含有量（重量％）をそれぞれｘ、ｙ及びｚとしたとき、０.０１≦ｘ≦１.０且つ０.１≦ｙ＋ｚ≦１０を同時に満たす範囲が好ましく、又はこの関係を満たすと共に、(ｙ＋ｚ)／ｘ≧１０の関係も満たすことが更に好ましい。
【００１８】
また、窒化アルミニウム焼結体中に周期律表の８族遷移元素の少なくとも１種の元素又はその化合物を含有させることにより、Ａｇ及びＡｇ合金との密着に寄与する前記Ｓｉを含む酸化物の融点が低下し、発熱体及び電極との密着性をより一層向上させることができる。８族遷移元素又はその化合物の含有量としては、その元素換算で０.０１〜１重量％の範囲とすることが好ましく、更にはその下限を０.１重量％とすることが更に好ましい。尚、好ましい８族遷移元素の化合物としては、ＦｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ(ＯＨ)₃、ＦｅＳｉ₂等をあげることができる。
【００１９】
本発明のヒーターでは、上記窒化アルミニウム焼結体からなる基板の表面に、発熱体及び発熱体に給電するための電極を具備している。発熱体及び電極の形成は、Ａｇ又はＡｇ合金の粉末に有機溶剤とバインダーを加えてペースト状にし、スクリーン印刷などの手法により基板上に電極と発熱体の回路パターンを形成した後、これを焼成する。このとき、ペースト中にホウケイ酸ガラスなどのガラス成分を加えることにより、Ａｇ及びＡｇ合金とＡｌＮとの熱膨張差によるＡｌＮ基板の反りを防ぐことができる。添加するガラス量としては、導体成分であるＡｇ及びＡｇ合金１００重量部に対して１.０〜２５.０重量部が好ましい。
【００２０】
発熱体に関しては、Ａｇ又はＡｇ合金にＰｄ又はＰｔを加えることでシート抵抗値を高くし、それにより発熱効率を高めることができる。Ｐｄ又はＰｔの添加量は、所望の発熱量や、回路パターン等により適宜変化させることができる。また、シート抵抗値を高める手法として、Ａｇ又はＡｇ合金ペーストに加えるガラス成分の量を多くすることもできる。
【００２１】
また、給電用の電極もＡｇ又はＡｇ合金を主成分とするが、発熱体よりも単位面積当りの発熱量を低くすることが望ましい。外部電源との接続により発熱体に電力が供給されたとき、電極部での発熱が大きいと、外部電源との接続部が熱的に劣化する可能性が生じるからである。特に、電極と外部電源の接続部に安価な銅又は銅合金を使用した場合、発熱により銅の酸化が加速され、接触不良を引き起こすため好ましくない。電極部の発熱量を低下させる手法としては、発熱体よりもシート抵抗値を低くすること、電極パターンの幅を発熱体より広くすることなどが挙げられる。また、電極に関しても少量のＰｄを加えることができ、これにより回路間のマイグレーションを防止することができる。
【００２２】
尚、本発明のヒーターにおいては、発熱体や電極をガラスなどの物質でオーバーコートすることも可能である。ガラスなどの物質をオーバーコートすることによって、発熱体回路のマイグレーションを防止し、回路間の絶縁性を高めることができる。
【００２３】
【実施例】
実施例１
ＡｌＮ粉末と、下記表１に示すＳｉ粉末及びＦｅ粉末、焼結助剤としてＹｂ₂０₃、Ｎｄ₂０₃、ＣａＯ、Ｙ₂Ｏ₃の各粉末を使用して、それぞれＡｌＮ焼結体を製造した。即ち、ＡｌＮ粉末に上記各粉末を表１に示す割合で添加し、更に有機溶剤とバインダーを所定量加え、ボールミル混合により混合してスラリーを作製した。次に、得られたスラリーをドクタープレード法により所定の厚みのシートに成形し、窒素雰囲気中にて９００℃で脱脂を行った後、非酸化性雰囲気中にて下記表１に示す１６５０〜１８００℃の温度で焼結した。
【００２４】
【表１】

【００２５】
次に、上記各ＡｌＮ焼結体を基板とし、その表面を表面粗さＲｚで２μｍになるように仕上げた後、表面にＡｇ−Ｐｄ及びＡｇ−Ｐｔペーストを１ｍｍ角のパターンに厚膜印刷し、大気中にて８９０℃で焼成して厚さ１０〜２０μｍの導体層を形成した。その後、この導体層に直径０.５ｍｍのＳｎメッキ銅線を半田を用いて取り付け、１ｍｍ角の導体層の全面が半田で濡れるようにした。次に、このＳｎメッキ銅線にバネ秤を接続して、これを基板に垂直な方向に引っ張ることにより、導体層と基板との間で剥離が生じたときの荷重を測定し、その値を密着強度とした。
【００２６】
尚、いずれの試料においても、ペースト中のＡｇに対するＰｔ及びＰｄの含有量は１０重量％とした。また、これらのペーストには、金属成分１００重量部に対してホウケイ酸ガラス１０重量部を添加した。下記表２に、各試料について得られた密着強度を導体層の種類ごとに示し、各ＡｌＮ焼結体の熱伝導率及びＡｌＮ粒子の平均粒径を併せて示した。
【００２７】
【表２】

【００２８】
この結果から分かるように、基板となるＡｌＮ焼結体が２Ａ族又は３Ａ族元素と共に、Ｓｉを元素換算で０.０１重量％以上含むことによって、発熱体や電極となるＡｇを主成分とする導体層と基板との密着強度が大幅に向上する。また、２Ａ族及び３Ａ族元素としてＹｂ、Ｎｄ、Ｃａの３種を併用すれば、ＡｌＮ粒子の平均粒径が３μｍ以下に小さくなり、密着強度がより一層向上することが分かる。
【００２９】
実施例２
上記実施例１で得られたＡｌＮ焼結体のうち、本発明の試料３、４、５と比較例の試料１２からなる基板を用いて、図１に示す形状のアイロン用ヒーターを作製した。即ち、発熱体用としてＡｇ１００重量部にＰｄ２５重量部を加えたペーストと、電極用としてＡｇ１００重量部にＰｄ３.０重量部を加えたペーストを用意し、更に各ペーストにホウケイ酸ガラス３重量部を加えた。これらのペーストを用い、実施例１と同様にして、ＡｌＮ焼結体の基板１の表面に図１に示す回路パターンを作製し、その後焼成して発熱体２及び給電用電極３を形成した。
【００３０】
得られた各ヒーターを用い、発熱体２と反対側の基板１の表面がプレス面となるようにアイロンを組み立て、純毛のセーターにアイロンをかけた。その結果、試料４及び５のＡｌＮ焼結体の基板を用いたアイロンは良好な仕上がりであったが、試料３及び１２のＡｌＮ焼結体の基板を用いたアイロンではセーターに多少のほつれが認められた。これは、ＡｌＮ粒子の粒径が大きく、表面粗さの粗い基板を用いたアイロンの場合、セーター上を移動する際に繊維に引っ掛かるためであることが分かった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、低コストで製造することができ、窒化アルミニウムからなる基板とその表面に形成した発熱体及び電極との密着性に優れ、高い信頼性を有するセラミックスヒーターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックスヒーターの一具体例を示す概略の正面図である。
【符号の説明】
１基板
２発熱体
３給電用電極

Claims

窒化アルミニウムを主成分とする焼結体からなる基板と、該窒化アルミニウム焼結体の基板表面に形成した銀又は銀合金を主成分とする発熱体及び給電用電極とを備え、前記窒化アルミニウム焼結体が周期律表の２Ａ族又は３Ａ族の元素又はその化合物と、ケイ素元素換算で０.０１〜０.５重量％のケイ素又はケイ素化合物を含有していることを特徴とする窒化アルミニウムヒーター。
前記窒化アルミニウム焼結体が、周期律表の８族遷移元素の少なくとも１種の元素又はその化合物を、その元素換算で０.０１〜１重量％含有していることを特徴とする、請求項１に記載の窒化アルミニウムヒーター。
前記窒化アルミニウム焼結体が、周期律表の８族遷移元素又はその化合物を、その元素換算で０ . １〜１重量％含有していることを特徴とする、請求項２に記載の窒化アルミニウムヒーター。
前記ケイ素又はケイ素化合物の含有量が、ケイ素元素換算で０.１〜０.５重量％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化アルミニウムヒーター。
前記窒化アルミニウム焼結体が、２Ａ族元素としてカルシウムを、３Ａ族元素としてイッテルビウム及びネオジウムを含有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化アルミニウムヒーター。
前記窒化アルミニウム焼結体中の窒化アルミニウムの平均粒径が４.０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化アルミニウムヒーター。