JP4934867B2 - 熱電対センサ基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度センサに用いられる熱電対センサ基板及びその製造方法に関し、特に、製造が容易な熱電対センサ基板及びその製造方法に関する。

温度センサとしては、白金測温抵抗体、サーミスタ、熱電対等が知られている。その中でも、熱電対は、測定精度が高く、また比較的安価であるという利点があり、幅広く利用されている。熱電対は、二種類の金属材料を接合させることにより閉回路を形成し、その接合点を異なる温度にさらすと熱起電力が生じて電流が流れる現象（ゼーベック効果）を利用するものである。

この熱電対は、熱電対センサ素子として線状の導電体を用いたものが一般的であったが、近年、薄い金属箔を重ね合わせて薄膜化を図った形状の薄型熱電対が種々知られている。この薄型熱電対は、熱容量が小さいために測定対象の温度分布を大きく乱すことなく測定することができ、また時間応答性が優れている等の利点を有している。

そして、この熱電対センサ素子は、絶縁基板としてポリイミド等のプラスチック、ガラス／エポキシなどの複合材、各種セラミックスが用いられ、基板上に微細プリント配線技術により、例えば、０．３ｍｍ間隔で多数の熱電対を配列形成することができる。

これにより、射出成形用ノズル内の流動樹脂内部あるいは金型内流動樹脂内部のように、樹脂内のわずかな厚さ範囲内で大きな温度変化が存在するような温度分布を高い精度で計測することができる。

このような、熱電対センサ素子を利用した温度センサとして特許文献１に挙げるようなものが提案されている。
特許文献１で提案されている発明によれば、細長い板状の絶縁基板の端部に熱電対接合部が配列形成され、その表面に熱電対を構成する異種導体が印刷配線された熱電対センサ素子と、この熱電対センサ素子を保持する保持体とから構成されている。

この熱電対センサ素子は、保持体に設けられたスリットに挿入することにより、温度センサとして一体化するものであり、測定対象機器への装着が容易であることを特徴としたものである。
特開２００２−１３１１４４号公報

特許文献１で提案されている温度センサに用いられる熱電対センサ素子は、セラミック基板の表面にＮｉ配線が印刷配線され、裏面にＣｕ配線が印刷配線されており、端部に設けられたスルーホール内でＣｕ−Ｎｉ間の接合がされており、これらの配線が電気的に接続されている。このスルーホールの形成は、多くの工程や精密性を必要とし、構造が複雑であるため、熟練の技術が求められる。このため、形成の時間とコストがかかることによりこれらが製造上の弊害となる問題が発生する。

本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、複雑な構成を必要とせず、容易な方法によって熱電対センサ基板を構成することができる熱電対センサ基板および、その製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、絶縁基板と、前記絶縁基板の上層に積層される第１の金属の薄膜と、前記第１の金属の薄膜とは異種の金属であって前記絶縁基板の下層に積層される第２の金属の薄膜と、からなり、前記上層から前記下層にかけて、前記第１の金属の薄膜のエッチング処理、前記絶縁部の除去処理および該除去処理が行なわれた部位への前記第１の金属の薄膜と同種の金属によるめっき処理を行なうことにより、前記第１の金属の薄膜と前記第２の金属の薄膜を電気的に接続することを特徴とする熱電対センサ基板を提供するものである。

以上の構成において、前記第１の金属の薄膜側の最外層および前記第２の金属の薄膜側の最外層にはそれぞれ絶縁層が形成されていることが望ましい。

また、前記第２の金属の薄膜側の最外層の前記絶縁層は、前記第１の金属の薄膜と第２の金属の薄膜との接続位置のみ前記第２の金属の薄膜が露出されていることが望ましい。

また、前記第１の金属の薄膜は銅であり、第２の金属の薄膜はニッケルであることが望ましい。

また、本発明は、上記目的を達成するため、絶縁基板の上層および下層に異種金属の薄膜をそれぞれ積層し、前記上層の薄膜の一部を剥離し、前記剥離して露出した箇所の前記絶縁部を除去し、前記除去して露出した位置の前記下層の薄膜に対して前記上層の薄膜側から前記上層の薄膜と同種の金属でめっき処理し、前記めっき処理により前記上層と前記下層の異種金属を電気的に接続させることを特徴とする熱電対センサ基板の製造方法を提供するものである。

この場合、前記下層の薄膜に更に絶縁層を積層し、前記電気的接続が行なわれる位置の前記下層の薄膜を露出させることが望ましい。

本発明によれば、絶縁基板の両面に積層された一対の異種金属製の薄膜のうち、一方の薄膜の一部を剥離して露出した絶縁部を除去して、露出させた他方の薄膜へめっき処理を施すことにより、異種金属の接合を形成し、熱電対を構成することができる。このため、複雑な工程を必要とすることなく容易に熱電対を形成することが可能となる。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、熱電対センサ基板の構成を示した平面図であり、図１は（ａ）は、熱電対センサ基板の表面側を示した図であり、図１（ｂ）は、熱電対センサ基板の裏面側を示した図である。

図に示すように、熱電対センサ基板１０上には、配線パターンが形成されており、表面側に銅配線パターン１００が形成され（図１（ａ））、裏面側にニッケル配線パターン１０１が形成されている（図１（ｂ））。これらの配線パターンの一端には、測定対象となる流体や気体に接触させてそれらの温度を測定するためのセンサ部１０２が設けられ、他端縁部には測定機器に接続するためのコネクタ部１０３が設けられている。

センサ部１０２では、銅配線パターン１００とニッケル配線パターン１０１とが接合することにより熱電対を構成しており、この接合点で熱起電力が生じる現象を利用して温度を測定する。

図２は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ断面を示した図である。
図２に示すように、熱電対センサ基板１０は、複数の部材が積層することで構成されている。最下層から順に、絶縁層２００と、ニッケル箔面パターン層２０１と、絶縁基板２０２と、銅箔層２０３と、銅めっき層２０４と、絶縁層２０５とが積層されている。

最下層の絶縁層２００と最上層の絶縁層２０５は、測定機器に接続するためのコネクタ部１０３には積層されておらず、センサ部１０２側の一端からコネクタ部１０３の手前付近にのみ積層されている。

センサ部１０２では、ニッケル箔面パターン層２０１と銅めっき層２０４とが接合点を形成している。即ち、ニッケルと銅とによる異種金属の接合点の形成により熱電対が構成されている。そして、センサ部１０２の下部の絶縁層２００にはニッケル箔面パターン層２０１が露出した空隙１０４が形成されている。

コネクタ部１０３は、ニッケル箔面パターン層２０１および銅めっき層２０４が露出した形状となっており、測定機器と電気的な接続を可能としている。

次に、図３〜図５を参照して、熱電対センサ基板１０の製造方法について説明する。
図３（ａ）〜（ｂ）は、異種金属貼り積層板の形成工程を示した図であり、図３（ｃ）は金属箔のエッチングを示し、図３（ｄ）は絶縁層のレーザ除去を示す。図４（ａ）〜（ｂ）は、銅めっき工程を示した図であり、図４（ｃ）は、配線パターンの形成工程を示した図であり、図５（ａ）〜（ｄ）は、保護層の形成工程を示した図である。

＜異種金属貼り積層板の形成工程＞
まず、図３（ａ）に示すように、絶縁基板２０２の表面に銅箔層２０３を積層し、裏面にニッケル箔２０１を積層する。積層した部材をプレス積層法にて加熱加圧を施し、積層板を形成する。

＜エッチング工程＞
次に、図３（ｂ）に示すように、前述したセンサ部１０２を形成するために、銅箔層２０３の一部をエッチング処理して絶縁基板２０２を露出させる。そして、図３（ｃ）に示すように、銅箔層２０３から露出している絶縁基板２０２をレーザ装置（図示せず）により除去することで、ニッケル箔面パターン層２０１が露出した穴２０６を形成する。

＜銅めっき工程＞
次に、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように銅箔層２０３の上面及び穴２０６に銅めっきを行う。まず、図４（ａ）では、ニッケル箔面パターン層２０１の表面に銅めっきが付着することを防止するためにテープ（日東電工株式会社：エレップマスキング Ｎ−３８０）２０７を貼着する。このテープ２０７は、金属めっきを行う際にマスキング用として使用されるものであって、ポリ塩化ビニルフィルムを支持体とした表面保護材である。

次に、図４（ｂ）に示すように無電解銅めっき処理及び電気銅めっき処理を行うことで、銅箔層２０３と穴２０６に銅めっきを施し、銅めっき層２０４を形成する。
まず、無電解銅めっき処理では、上記工程を経て製造された基板をめっき溶液が入った無電解銅めっきの浴に浸漬させ、銅箔層２０３と穴２０６に銅を析出させる。次に、満足な銅めっきの厚さを得るために、電解銅めっき処理を行う。電解銅めっき処理では、めっき溶液とめっき溶液に浸漬させた無電解銅めっき処理後の基板に電流を流すことで基板上に銅を析出させる。これにより、銅箔層２０３および穴２０６に十分な厚さの銅めっき層２０４を積層させることができる。そして、銅めっき工程が終了するとテープ２０７を剥離する（図４（ｃ））。
この銅めっき工程によって、ニッケル箔面パターン層２０１と銅めっき層２０４とで接合点を形成することができ、いわゆる異種金属の接合による熱電対を構成することができる。

＜配線パターン形成工程＞
次に、図４（ｃ）に示す積層された基板に銅配線パターン１００とニッケル配線パターン１０１を形成する。配線パターンの形成は、公知の技術であるフォトレジストを利用して、ニッケル箔面パターン層２０１と銅めっき層２０４とに露光処理、現像処理、エッチング処理を行い、配線パターンを形成する。

＜保護層の形成工程＞
次に、ニッケル箔面パターン層２０１の下層と銅めっき層２０４の上層に絶縁層２００，２０５を形成する。この絶縁層２００，２０５は、ニッケル箔面パターン層２０１と銅めっき層２０４とを外部から電気的に絶縁することができると共に、防塵や防湿、金属面の酸化防止をいった役割を果たすことができる。

まず、絶縁層２０５の形成について説明すると、銅めっき層２０４の上層全面に紫外線硬化樹脂である絶縁層膜を塗布し、紫外線露光によって絶縁層膜の有無の選択形成を行う（図５（ａ））。即ち、銅めっき層２０４のコネクタ部１０３となる箇所については、銅めっき層２０４を露出させる必要がある。そこで、紫外線露光する際に、コネクタ部１０３となる箇所への紫外線の露光を遮蔽する。紫外線が露光された箇所は絶縁層膜が硬化し、露光が遮蔽された箇所は硬化せず、現像処理によって可溶して除去される。これにより、コネクタ部１０３では、銅めっき層２０４が露出した絶縁層２０５を形成することができる（図５（ｂ））。

次に、ニッケル箔面パターン層２０１の下層に絶縁層２００を形成する。まず、ニッケル箔面パターン層２０１の全面に上記と同様の紫外線硬化樹脂である絶縁層膜を塗布し（図５（ｃ））、紫外線露光による絶縁層膜の有無の選択形成を行う（図５（ｄ））。即ち、センサ部１０２の下部およびコネクタ部１０３においてニッケル箔面パターン層２０１を露出させる必要があるため、センサ部１０２の下部およびコネクタ部１０３となる箇所には紫外線露光を遮蔽させる。これにより、紫外線が露光された箇所は絶縁層膜が硬化し、紫外線が遮蔽された部分は硬化せず、現像処理によって可溶して除去される。これにより、センサ部１０２の下部に空隙１０４が形成され、コネクタ部１０３では、ニッケル箔面パターン層２０１が露出された絶縁層２００を形成することができる。

このように本発明の実施形態によれば、一対の異種金属が両面に積層された基板の一部において、一方の金属面から他方の金属面を露出させ、そこにめっき処理を行うことにより、異種金属の接合を形成することができるために、容易に熱電対を構成することができる。
また、従来のプリント配線技術の製造ラインで製造することができるため、熱電対センサ基板の専用の製造ラインを必要とすることなく、低コストでの製造が実現可能となる。

本発明の実施形態に係る熱電対センサ基板の構成を示した平面図である。 図１に示すＡ−Ａ断面を示した断面図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は異種金属貼り積層板の形成工程および銅めっき工程を示した図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は銅めっき工程および配線パターン形成工程を示した図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は保護層の形成工程を示した図である。

符号の説明

１０ 熱電対センサ基板
１００ 銅配線パターン
１０１ ニッケル配線パターン
１０２ センサ部
１０３ コネクタ部
１０４ 空隙
２００ 絶縁層
２０１ ニッケル箔面パターン層
２０２ 絶縁基板
２０３ 銅箔層
２０４ 銅めっき層
２０５ 絶縁層
２０６ 穴
２０７ テープ

Claims (6)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の上層に積層される第１の金属の薄膜と、
   前記第１の金属の薄膜とは異種の金属であって前記絶縁基板の下層に積層される第２の金属の薄膜と、
   からなり、
   前記上層から前記下層にかけて、前記第１の金属の薄膜のエッチング処理、前記絶縁部の除去処理および該除去処理が行なわれた部位への前記第１の金属の薄膜と同種の金属によるめっき処理を行なうことにより、前記第１の金属の薄膜と前記第２の金属の薄膜を電気的に接続することを特徴とする熱電対センサ基板。
2. 前記第１の金属の薄膜側の最外層および前記第２の金属の薄膜側の最外層にはそれぞれ絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電対センサ基板。
3. 前記第２の金属の薄膜側の最外層の前記絶縁層は、前記第１の金属の薄膜と第２の金属の薄膜との接続位置のみ前記第２の金属の薄膜が露出されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電対センサ基板。
4. 前記第１の金属の薄膜は銅であり、第２の金属の薄膜はニッケルであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電対センサ基板。
5. 絶縁基板の上層および下層に異種金属の薄膜をそれぞれ積層し、
   前記上層の薄膜の一部を剥離し、
   前記剥離して露出した箇所の前記絶縁部を除去し、
   前記除去して露出した位置の前記下層の薄膜に対して前記上層の薄膜側から前記上層の薄膜と同種の金属でめっき処理し、
   前記めっき処理により前記上層と前記下層の異種金属を電気的に接続させることを特徴とする熱電対センサ基板の製造方法。
6. 前記下層の薄膜に更に絶縁層を積層し、前記電気的接続が行なわれる位置の前記下層の薄膜を露出させることを特徴とする請求項５に記載の熱電対センサ基板の製造方法。

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