JP4325926B2 - セラミックヒータ - Google Patents

Description

本発明は、各種センサーの加熱ヒータ、あるいは一般家庭用、電子部品用、産業機器用等の加熱用ヒータ関するもので、特に、局部的に加熱させたり、被加熱物を押圧加熱させたりする押圧加熱ヒータに関するものである。

モーターやトランスは銅などの線材がコイル状にチップ状の絶縁体へ巻き付けられ固定されているが、この線材を固定するボンド材にＡｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｐｂ−Ｓｎ等の低融点ロウを使用している。このボンド材を軟化もしくは溶融し線材を固定するためにヒータを加熱しながら押圧し固定する方法が取り入れられている。近年パソコンやテレビ等のＡＶ機器の小型化が進み、小型モーターや小型トランスの需要が伸びておりヒータを利用し押圧加熱する熱圧着装置のヒータも小型化および昇温時間の短縮が要求されている。

従来の熱圧着に使用されているセラミックヒータの構造を図６により説明する。

図６に示すように、従来のセラミックスヒータ１５０は、酸化物、窒化物、炭化物セラミックスからなる基板１５に発熱部１２、外部電極１４が形成され、さらに、発熱部１２と外部電極１４とが導通する引き出し電極１３が形成されている。

このようなセラミックヒータ１５０で、不図示の線材とボンド材をチップ状の絶縁体に熱圧着する場合、セラミックス基板１５の発熱部端部１６ａおよび１６ｂから線材とボンド材を固定する製品に押し当て加熱していた。このような熱圧着に利用されるセラミックヒータに求められる特性としては、ボンド材を軟化もしくは溶融するための熱を線材およびボンド材を介してチップ状の絶縁体まで効率良く伝える必要がある。また、生産効率の点から、所要温度までの昇温時間が短いことも重要である。さらに、熱圧着する際には、熱と同時に圧力も加えるため、セラミックヒータ１５０のセラミックス基板１５には機械的強度や耐摩耗性、あるいは靭性が要求される。

しかしながら、従来のセラミックス基板１５は小型製品を加熱する場合、発熱部１２が押圧する箇所は、製品の一部分であり、製品を加熱していないセラミックス基板１５の部分は放熱され電力を無駄に消費してしまうという問題点を有していた。

また、セラミックス基板１５は加熱した場合、発熱部１２からの熱が引き出し電極１３側へも熱引きされる為、効率良く加熱できないという問題点を有していた。従って、昇温に時間が掛かり効率良く生産できないという問題があった。

また、昇温速度を早くするために急激に発熱させると、発熱部１２が瞬間的に部分発熱され、発熱部１２に熱応力かかり、破損する虞もあった。

本発明は上述の問題点に鑑み成されたものであり、セラミックス基板に、帯状の抵抗体からなる発熱部および該発熱部の両端に接続されて電圧が印加される一対の面状の引き出し電極を備えており、上記セラミックス基板は、上記一対の面状の引き出し電極の間に位置するように一部が突出した突出部を有しているとともに、該突出部に上記発熱部が形成されていることを特徴とするセラミックヒータを提供する。

また、本発明のセラミックヒータは、上記引き出し電極の一端に外部電極が接続されており、上記発熱部の抵抗値は、上記発熱部、上記引き出し電極および上記外部電極の抵抗値に対する抵抗比率が７０％以上であることが好ましい。さらに、上記セラミックス基板の上記突出部に、上記発熱部の全体が配置されていることが好ましい。

さらに、上記セラミックス基板の比熱が０．６×１０^３J／ｋｇ・Ｋ以上であることを特徴とする。

さらにまた、上記セラミックス基板の材質がＡｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４ およびＡｌＮの少なくとも一種を主成分とするものであることが好ましい。

また、上記突出部を略矩形状に形成するとともに、その２つの先端角部をＣ面またはＲ面に切削してなり、該切削部のＣ面またはＲ面に倣って上記発熱部が配線されていることが好ましい。
また、本発明のセラミックヒータは、セラミックス基板に、帯状の抵抗体からなる発熱部および該発熱部の両端に接続されて電圧が印加される一対の引き出し電極を備えており、上記セラミックス基板は、上記一対の引き出し電極の間に位置するように一部が突出した突出部を有しているとともに、該突出部に上記発熱部が形成されており、上記突出部の先端で被加熱物を加熱することを特徴とする。

本発明のセラミックヒータによれば、セラミックス基板は、一対の面状の引き出し電極の間に位置するように一部が突出した突出部を有しているとともに、その突出部に発熱部が形成されていることにより、主に突出部が発熱することができるため、部分的に加熱できて加熱効率を向上させることができる。

また、発熱部の抵抗値が、発熱部、引き出し電極および外部電極の抵抗値に対する抵抗比率が７０％以上であるときには、抵抗の大きい発熱部に電流を集中させることができ、これにより主に突出部を発熱させることができる。その結果、昇温速度を早くすることができる。

そして、発熱部の全体が突出部の領域内に入ることにより、突出部のみを発熱することができるため、より部分的に加熱させることができ、昇温速度も早くなる。

また、比熱が０．６×１０^３Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上のセラミック基板を使用することにより、突出部で発熱した熱を製品に効率良く加熱することができる。また、セラミックス基板の材質がＡｌ _２ Ｏ _３ 、Ｓｉ _３ Ｎ _４ およびＡｌＮの少なくとも一種を主成分とするものであるときには、機械的強度、摩耗性および絶縁性に優れたセラミックヒータを供給することができる。

さらに、略矩形状に形成された突出部の２つの先端角部の形状をＣ面またはＲ面に切削し、この切削部のＣ面またはＲ面に倣って発熱部が配線されているために、チッピングがなく充分な強度を維持することが可能となるとともに、切削部のＣ面、Ｒ面に倣わずに発熱部を配線した場合、配線が切削部の外周よりも遠くなると発熱効率が悪くなるのに対して、発熱部の配線がＣ面またはＲ面に倣って配置されているので、効率のよい加熱が可能となる。従って、突出部は、先端の接触領域を加熱する部材の幅に合わせた形状に加工したとしても効率よく加熱することが可能である。

以下、本発明のセラミックヒータについて、図面に基づき説明する。

図１は、本発明のセラミックヒータの中央断面図である。

本発明のセラミックヒータ１は、セラミック基板５中に、一端が電荷を印加する外部電極４に接続され、他端が発熱部２に接続された引き出し電極３を有している。

セラミック基板５は平面が長方形状に形成されており、その長手方向中央部の先端側には略矩形状に形成された突出部７を有している。この突出部７は不図示ではあるが、その先端面でチップ状の絶縁体を加熱するようになっていて、セラミック基板５は、電力の消費を抑制するために、比熱が０．６×１０^３Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上のセラミック基板５を使用することが好ましい。セラミックス基板５の材質は、酸化物質焼結体Ａｌ_２Ｏ_３、窒化珪素質焼結体Ｓｉ_３Ｎ_４、窒化アルミニウム質焼結体ＡｌＮ等を主成分とするセラミックスからなり、これらの材料により機械的強度や摩耗性に優れたヒータを安定し供給することができ、また、絶縁性にも優れていることから、加熱製品に形成された導電材であるボンド材を押圧しながら局部的に加熱するために効果的であり好ましい。

中でも、Ｓｉ_３Ｎ_４が押圧加熱するヒータとして、高強度、高靱性、高絶縁性、耐熱性の観点で一番優れている。
窒化珪素質焼結体Ｓｉ₃Ｎ₄としては、主成分の窒化珪素に対し焼結助剤として３〜１２重量％の希土類元素酸化物と０．５〜３重量％のＡｌ_２Ｏ_３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量として１．５〜５重量％となるようにＳｉＯ_２を混合し、１６５０〜１７５０℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。ここで示すＳｉＯ_２量とは、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するＳｉＯ_２と、他の添加物に含まれる不純物としてのＳｉＯ_２と、意図的に添加したＳｉＯ_２の総和である。

また、窒化珪素にＭｏＳｉ_２やＷＳｉ_２を分散させることにより、母材の熱膨張率を発熱部２の熱膨張率に近づけることにより、発熱部２の耐久性を向上させることが可能である。

さらに、上記セラミックス基板５としてＡｌＮを用いる場合は、ＡｌＮに対して、焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物やＣａＯを２〜８重量％添加したものを使用する。

さらにまた、セラミックス基板５としてＡｌ_２Ｏ_３を用いる場合は、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ等を焼結助剤として含有するものである。

ここで、セラミックス基板５の比熱は０．６×１０^３Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上、好ましくは、
０．６４×１０^３〜０．８０×１０^３Ｊ／ｋｇ・Ｋのものを用いることが重要である。このように、製品を加熱する際に比熱が０．６×１０^３Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上のセラミックス基板５を使用することにより、突出部７で発熱した熱を製品に効率良く加熱できる。

引き出し電極３は、長方形状の２つの導体膜が印刷形成されたものであり、それらがセラミック基板５の長手方向に並んで配設されている。一方の導体膜の一端側に外部電極４が接続されており、他端には発熱部２に接続されている。同様に他方の導体膜の一端側に外部電極４が接続されており、他端には発熱部２が接続されている。

本発明では、後述する抵抗比率を高くするために、セラミック基板５に対して引き出し電極３の面積を極大化させて形成してある。なお材質はタングステン（Ｗ）モリブデン（Ｍｏ）、タングステンカーバイト（ＷＣ）等の高融点金属の単体あるいは炭化物、窒化物等からなる。

発熱部２はセラミックス基板５に埋設されており、蛇行した帯状の抵抗体が蛇行して突出部７に形成されていて、両端が２つの引き出し電極３、３の一端に接続されている。なお、図１ではセラミックス基板５の突出部７に発熱部２の全体が配置されているが、これに限定されるものではない。

また、発熱部２は、無機導電体のＷＣを主成分とし、これに添加するＢＮの比率が４重量％以上となるように調整することが好ましい。例えば、セラミックス基板５として窒化珪素を用いる場合は、発熱部２となる導体成分は窒化珪素に較べて熱膨張率が大きいため、通常は引張応力が掛かった状態にある。これに対して、ＢＮは、窒化珪素に較べて熱膨張率が小さく、また、発熱部２の導体成分とは不活性であり、セラミックヒータ１の昇温降温時の熱膨張差による応力を緩和するのに適している。また、ＢＮの添加量が２０重量％を超えると抵抗値が安定しなくなるので、２０重量％が上限である。さらに好ましくは、ＢＮの添加量は、４〜１０重量％とすることが良い。

さらに、発熱部２への添加物として、ＢＮの代わりに窒化珪素を１０〜４０重量％添加することも可能である。窒化珪素の添加量を増すにつれ、発熱部２の熱膨張率を母材の窒化珪素に近づけることができる。

発熱部２は、外部電極４、発熱部２、引き出し電極３の抵抗比率は１００×（発熱部／（発熱部＋引き出し電極＋外部電極））≧７０であることが好ましく、さらに好ましくは
８０〜９８％となるように形成するとよい。抵抗比率が７０％未満であると、引き出し電極３及び外部電極４の電気抵抗が高いため、発熱部２の昇温速度が遅くなり、また、引き出し電極３においても多少の発熱がみられるようになる。従って、上述のような抵抗比率とすることにより、抵抗の大きい発熱部２が選択的に発熱させることができ、発熱部２のみが部分的に発熱することができ、昇温速度を早くすることができる。

ところで、本発明の製造方法を図４、図５に基づいて説明する。まず、セラミックヒータ１は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ等のセラミックスの成形体１１ａに、タングステン（Ｗ）モリブデン（Ｍｏ）、タングステンカーバイト（ＷＣ）等の高融点金属の単体あるいは炭化物、窒化物等からなるペーストをスクリーン印刷法等で印刷し発熱部８、引き出し電極９及び外部電極１０を形成する。印刷した成形体１１ａと成形体１１ｂを積み重ねてホットプレス焼成によりセラミックヒータ１を得る。

また、成形体１１ａ、１１ｂはプレス成形以外に、テープ成形等の手法を用いて形成しても問題なく、その場合、発熱部、引き出し電極、外部電極を印刷したテープと重ね合わせるテープを加圧密着させたのち焼成してセラミックヒータ１を得ることも可能である。その後、得られた焼結体を図５に示すように発熱部２が突出部の領域内に入るような研削加工する。

また、突出部７の端面７ａは、押圧加熱する重要な部分であるため平滑に加工する必要がある。平滑に加工されていなければ、突出部７が効率良く製品を加熱できないという問題が生じる。さらに、セラミックス基板５のエッジはダイヤモンドヤスリ等で糸面取りを施すことがより好ましい。特に突出部において、急速加熱した時、加工時に発生したチッピング等によりキズの部分に熱応力が発生しクラックが生じる虞があるためである。また、製品が万一何らかの物体に当たっても破損しなくするためである。

さらに、外部電極４が露出するよう基板の側面も研削加工し、不図示のメタライズを形成し、その上面にはＮｉリードを溶接された不図示の電極金具をロウ付けし、セラミックヒータ１が得られる。

なお、電極金具の材質としては、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金や４−２アロイ、インコロイ、インコネル、ステンレス、Ｎｉ等の熱膨張係数の小さい金属が好ましい。

外部電極４に接合するメタライズ層は、高温耐久性を増すために活性金属を含むＡｇ、Ｃｕを主成分とする金属主成分のメタライズ層を用いることが好ましい。一方、活性金属を含まないガラスを主成分としたメタライズ層を使用すると、応力は緩和されるが高温になると接合力が弱いため外部電極４とメタライズ層との間に隙間が生じて抵抗変化が生じやすい。
なお、Ａｇ−Ｃｕ合金を主成分とする場合、Ｃｕの比率はメタライズ層が硬くならないように５〜２０％とすることが好ましい。

次に本発明の他の実施の形態について説明する。図２は本発明のセラミックヒータ１の突出部７をＣ面形状にしたときの断面図である。上述の実施の形態と異なるところは、２つの先端角部をＣ面に切削してなり、Ｃ面に倣って発熱部２が配線されていることである。

図３は本発明のセラミックヒータ１の突出部７をＲ面形状にしたときの断面図である。上述の実施の形態と異なるところは、図２と同様に、Ｒ面に倣って発熱部２が配線されていることである。

このように、突出部７の先端角部の形状をＣ面もしくはＲ面形状にし、この切削部のＣ面、Ｒ面に倣って上記発熱部が配線されているために、チッピングがなく充分な強度を維持することが可能となるとともに、仮にＣ面、Ｒ面に倣わずに発熱部を配線した場合、配線が切削部の外周よりも遠くなると発熱効率が悪くなるのに対して、発熱部２の配線がＣ面、Ｒ面に倣って配置されていると効率のよい加熱が可能となる。従って、突出部７は、先端の接触領域を加熱する部材の幅に合わせた形状に加工したとしても効率よく加熱することが可能である。

従って、小型製品を、要求される顧客ニーズに合わせて生産できる。ここで、例えば、突出部７を細くして突出部先端７ａを小さくすることが考えられるが、より小さな製品を加熱するとき、突出部７の強度が得られなくなることがあるので、先端両角をＣ面もしくはＲ面にすることが好ましい。

本発明の有効性を確認するためにテスト品を作製し、下記試験を実施して従来の構造のものと比較した。
先ず、図１に示すセラミックヒータを作製するため、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末にイッテリビウム（Ｙｂ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類元素の酸化物からなる焼結助剤を添加したセラミック原料粉末をプレス成形法によって基板長さ２０ｍｍ、基板幅２０ｍｍ、厚み２ｍｍのセラミック生成形体を得た後、セラミック生成形体の上面にＷＣとＢＮを主成分とするペーストを用いて発熱部と外部電極を接続する引き出し電極をプリント法により形成した。発熱部の抵抗比が５０〜９５％の寄与となるよう発熱部および引き出し電極の断面積を変化させた。

その後、上記セラミック生成形体と同一形状のセラミック生成形体を重ねて密着させ、これを円筒のカーボン型に入れた後、還元雰囲気下、１６５０℃〜１７５０℃の温度でおよそ３時間２０ｔｏｎの圧力を加えたホットプレスにより焼成した。

しかる後、得られた焼結体を発熱部が突出部の領域内に入るように角形状に研削加工したもの及び比較評価品として、発熱部が突出部の領域外にあるものを作製した。さらに、突出部の形状がＣ面形状およびＲ形状に沿った発熱部のセラミック基板を作製し、研削加工した。また、外部電極を露出するため焼結体の側面を研削加工し、表面に露出した外部電極にＡｇを主成分とするメタライズ層を形成し、Ｎｉ線が溶接されたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の電極金具をロウ付けし作製した。

なお、試料の大きさは、突起物まで含んだ基板長さ２０ｍｍ、基板幅２０ｍｍ、厚み２ｍｍ、突出部の長さ５ｍｍ、幅５ｍｍとした。突出部の両角がＣ面形状した製品は、突起物まで含んだ基板長さ２０ｍｍ、基板幅２０ｍｍ、厚み２ｍｍ、突出部の長さ５ｍｍ、幅５ｍｍとし、Ｃ面を１および２ｍｍとした。突出部の両角がＲ形状した製品は、突起物まで含んだ基板長さ２０ｍｍ、基板幅２０ｍｍ、厚み２ｍｍ、突出部の長さ５ｍｍ、幅５ｍｍとし、Ｒの大きさを１および２ｍｍとした。これにより得られたセラミックヒータの昇温時間の測定をおこなった。

図６に示すような従来構造のセラミックヒータも同様に比較測定を実施した。

試料の大きさは、基板長さ５４ｍｍ、基板幅５ｍｍ、厚み２ｍｍとし、発熱部長さを５ｍｍとし 発熱部の抵抗比率を７０〜９５％の製品を作製した。

セラミックヒータに各々突入Ｗ数が同一になる電圧を印加して、突出部の端面が５００℃に昇温する時間をサーモビュアにて測定し結果を表１に示す。但し、この表の昇温時間の欄における×は５００℃に２秒以内で到達しなかったことを表し、○は５００℃に２秒以内で到達したことを表す。

この結果によると、突出部を角形状とした場合、発熱部の抵抗比率が７０％以上であれば５００℃に２秒以内で十分到達することが分かる。また、発熱部が突出部の領域内に無い場合、発熱部の抵抗比率が９０％以上なければ５００℃に２秒以内で到達できなかった。これにより、突出部領域外で発熱した熱が引き出し電極側の非発熱部へ熱引きされ、突出部内の発熱効率が低下していることが分かる。

また、突出部の先端の両角をＣ形状ないしＲ形状にした場合でも、５００℃まで２秒以内で到達することでき、加熱させる製品が小型になっても突出したセラミックヒータを用いれば押圧加熱できることがわかる。

突出部を設けていない従来形状品５１〜５８は発熱部の抵抗比率を高くしても５００℃に２秒以内で到達できなかった。

突出部を角形状にしたテスト品を比熱が０．６×１０^３Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上であるＡｌ₂Ｏ₃ないしＡｌＮでは、Ｓｉ₃Ｎ₄と同様に５００℃に２秒以内で到達しており、押圧加熱用ヒータとして使用できることが分かる。

本発明の押圧加熱型セラミックヒータは、小型な被加熱物に接触し加熱するようなヒータであればさまざまな用途に適用することができ、具体的にはＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔ Ｃａｂｌｅ）等の半田接続、半導体パッケージキャップのシール、レーザーヘッド等の光学系ヘッドのキャンシール、チップ接続のリワーク等に用いることができる。

本発明のセラミックヒータの発熱部および引き出し電極および外部電極の位置を示す基板部分の断面図である。 本発明のセラミックヒータの突出部をＣ面形状にしたときの発熱部および引き出し電極および外部電極の位置を示す基板部分の断面図である。 本発明のセラミックヒータの突出部をＲ形状にしたときの発熱部および引き出し電極および外部電極の位置を示す基板部分の断面図である。 本発明のセラミックヒータの製造方法を示すための基板部分のみの分解斜視図である。 本発明のセラミックヒータを切削加工し製品形状にした全体図である。 従来のセラミックヒータの発熱部および引き出し電極および外部電極の位置を示す基板部分の全体断面図である。

符号の説明

１：セラミックヒータ
２：発熱部
３：引き出し電極
４：外部電極
５：セラミックス基板
７：突出部

Claims (7)

1. セラミックス基板に、帯状の抵抗体からなる発熱部および該発熱部の両端に接続されて電圧が印加される一対の面状の引き出し電極を備えており、上記セラミックス基板は、上記一対の面状の引き出し電極の間に位置するように一部が突出した突出部を有しているとともに、該突出部に上記発熱部が形成されていることを特徴とするセラミックヒータ。
2. 上記引き出し電極の一端に外部電極が接続されており、上記発熱部の抵抗値は、上記発熱部、上記引き出し電極および上記外部電極の抵抗値に対する抵抗比率が７０％以上であることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
3. 上記セラミックス基板の上記突出部に、上記発熱部の全体が配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のセラミックヒータ。
4. 上記セラミックス基板の比熱が０．６×１０^３Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上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セラミックヒータ。
5. 上記セラミックス基板の材質がＡｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４ およびＡｌＮの少なくとも一種を主成分とするものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
6. 上記突出部を略矩形状に形成するとともに、その２つの先端角部をＣ面またはＲ面に切削してなり、該切削部のＣ面またはＲ面に倣って上記発熱部が配線されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックヒータ。
7. セラミックス基板に、帯状の抵抗体からなる発熱部および該発熱部の両端に接続されて電圧が印加される一対の引き出し電極を備えており、上記セラミックス基板は、上記一対の引き出し電極の間に位置するように一部が突出した突出部を有しているとともに、該突出部に上記発熱部が形成されており、上記突出部の先端で被加熱物を加熱することを特徴とするセラミックヒータ。

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