JP6251045B2 - 配線基板および検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック焼結体からなる絶縁基体の表面に、電極が設けられてなる配線基板および検出装置に関するものである。

排気ガス用センサ等に用いられる配線基板として、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック焼結体からなる絶縁基体と、絶縁基体の表面および内部に設けられた電極および内部配線とを含む配線基板が用いられている。電極および内部配線は、メタライズ層として絶縁基体との同時焼成によって設けられている。

特表2005-502403号公報

例えば850℃以上の高温となる環境において配線基板を使用する場合、耐熱性の観点か
ら、電極および内部配線として白金（Ｐｔ）を用いることがある。

しかしながら、内部配線として白金を用いると、絶縁基体に含まれるガラスが白金の粒子間に浸入し、白金において過焼結を進行させてしまい、ボイドが発生して内部配線の抵抗が大きくなってしまう可能性があった。

本発明の一つの態様による配線基板は、絶縁基体と、該絶縁基体の主面に形成された電極と、前記絶縁基体の内部に形成され、前記電極に接続された内部配線とを有しており、該内部配線はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金の表面にＴｉＯ _２ およびＡｌ _２ Ｏ _３ を含む不動態膜を有している。

本発明の他の態様による検出装置は、上記構成の配線基板と、該配線基板が周囲の雰囲気を検出可能に設置されている。

本発明の一つの態様による配線基板は、絶縁基体と、該絶縁基体の主面に形成された検出電極と、前記絶縁基体の内部に形成され、前記検出電極に接続された内部配線とを有しており、該内部配線はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金の表面にＴｉＯ _２ およびＡｌ _２ Ｏ _３ を含む不動態膜を有していることから、白金のような酸化しにくい金属を用いなくても、不動態膜を有する内部配線とすることで、高温環境下における耐酸化性に優れるものとすることが可能となっている。

本発明の他の態様による検出装置は、上記構成の配線基板を有していることから、特性、信頼性が向上されたものとすることができる。

本発明の実施形態の配線基板を示す概略縦断面図である。 図１に示す配線基板のＡ部における要部拡大縦断面図である。

本発明の実施形態の配線基板を添付の図面を参照して説明する。以下の説明における上
下の区別は便宜的なものであり、実際に配線基板等が使用される際の上下を限定するものではない。

配線基板１は、絶縁基体２と、絶縁基体２の主面例えば上面に形成された電極３と、内部配線４とを有している。なお、電極３は絶縁基体２の上面だけでなく、下面に形成されていてもよい。

絶縁基体２は、例えば四角板状等の平板状であり、電極３を電気的に絶縁して設けるための基体部分である。絶縁基体２は、例えば酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック焼結体等のセラミック焼結体によって形成されている。絶縁基体２は、このようなセラミック焼結体からなる複数の絶縁層が積層されて形成されていてもよい。

絶縁基体２は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる複数の絶縁層２ａが積層されて形成されている場合であれば、以下の方法で製作することができる。まず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダーおよび溶剤等を添加混合して泥漿状とし、これをドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシートを得て、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを必要に応じて複数枚積層し、高温（約1600℃）で焼成することによって製作される。

内部配線４は、絶縁基体２の内部に形成されており、絶縁基体２の上面の電極３と後述する下面の外部電極５とを電気的に接続するための導電路であり、例えば、内部配線４が絶縁基体２の主面（上面等）の電極３から、絶縁基体２のうち電極３が設けられている主面部分と反対側の他の主面（下面等）にかけて設けられている。これにより、電極３が絶縁基体２の下面等の外表面に電気的に導出されている。なお、このような導電路を形成するものは、貫通導体に限らず、絶縁基体２の内部に設けられた回路パターン状等の配線導体が含まれていても構わない。

また、内部配線４は、表面に酸化物を含む不動態膜４ａを有している。このような構成を有することによって、白金のような酸化しにくい金属を用いなくても、不動態膜４ａを有する内部配線４とすることで、高温環境下における耐酸化性に優れるものとすることが可能となる。

不動態膜４ａは、内部配線４の内部がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金４ｂである場合、ＴｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３を含んでいる。このような構成とすることによって、絶縁基体２に含まれるガラスのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金４ｂ粒子間への浸入による過焼結が発生しにくくなるとともに、内部配線４が表面にＴｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３を含む不動態膜４ａを有しているので高温環境下における耐酸化性に優れるものとすることが可能となる。

また、不動態膜４ａは、内部配線４の内部がＭｏＳｉ_２金属４ｃである場合、ＳｉＯ_２を含んでいる。このような構成とすることによって、絶縁基体２に含まれるガラスのＭｏＳｉ_２金属４ｃ粒子間への浸入による過焼結が発生しにくくなるとともに、内部配線４が表面にＳｉＯ_２を含む不動態膜４ａを有しているので高温環境下における耐酸化性に優れるものとすることが可能となる。

なお、不動態膜４ａは、図２に示すように、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金４ｂまたはＭｏＳｉ_２金属４ｃと絶縁基体２との界面に位置するように設けられている。

また、不動態膜４ａは例えば配線基板１を縦断面視可能なように切断し、内部配線４の表面に位置する箇所を対象に電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）分析を行うことによって検出することができる。

内部配線４は、例えばＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌの各金属粉末に適当な有機バインダーおよび溶媒等を添加混合して得た内部配線４用の導体ペーストを、絶縁基体２となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法によって所定のパターンに印刷塗布し、導体ペーストが形成されたセラミックグリーンシートを積層して、絶縁基体２となるセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金４ｂの表面に不動態膜４ａを有するように絶縁基体２に形成される。この場合、電極３と同様にＦｅ粉末１〜55質量％，Ｎｉ粉末20〜80質量％，Ｃｒ粉末10〜25質量％，Ｔｉ粉末0.1〜５質量％，Ａｌ粉末0.1〜５質量％とするのが好ましい。この場合、上述の比率となるようなＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金粉末を用いてもかまわない。なお、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌの各金属粉末またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金粉末の代わりにＭｏＳｉ_２の金属粉末を用いたものでもよい。なお、不動態膜４ａは上述の焼成時に内部配線４の表面に酸化物を含んだ状態で形成される。

貫通導体は、例えば絶縁基体２となるセラミックグリーンシートに機械的な打ち抜き加工またはレーザ加工等の孔あけ加工を施して貫通孔を設け、この貫通孔内に上記のような金属材料の導体ペーストを充填し、その後同時焼成することによって形成することができる。

絶縁基体２の下面または側面等の外表面には配線基板１を外部電気回路に電気的に接続するための外部電極５が設けられており、内部配線４が接続されている。

電極３および外部電極５は、酸化しにくい白金を用いてもよい。なお、電極３および外部電極５は絶縁基体２の表面に被着形成されるため、絶縁基体２に含まれるガラスが白金の粒子間に浸入するのは少ないものとなる。

電極３および外部電極５は、白金を用いる場合には白金の金属粉末に適当な有機バインダーおよび溶媒等を添加混合して得た電極３および外部電極５用の導体ペーストを、絶縁基体２となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法によって所定のパターンに印刷塗布して、絶縁基体２となるセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって、絶縁基体２の表面に被着形成される。

また、電極３および外部電極５は、内部配線４と同様の表面に酸化物を含む不動態膜４ａを有するものであってもよい。このような構成とすることによって、絶縁基体２に含まれるガラスの例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金４ｂ粒子またはＭｏＳｉ_２金属４ｃ粒子間への浸入による過焼結が発生しにくくなるとともに、電極３および外部電極５が表面にＴｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３を含む不動態膜４ａを有しているので高温環境下における耐酸化性に優れるものとすることが可能となる。

電極３および外部電極５は、表面に酸化物を含む不動態膜４ａを有するものである場合には、内部配線４と同様の例えばＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌの各金属粉末またはＭｏＳｉ_２の金属粉末を用いたものでもよい。Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌの各金属粉末を用いる場合は、Ｆｅ粉末１〜55質量％，Ｎｉ粉末20〜80質量％，Ｃｒ粉末10〜25質量％，Ｔｉ粉末0.1〜５質量％，Ａｌ粉末0.1〜５質量％とするのが好ましい。この場合、上述の比率となるようなＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金粉末を用いてもかまわない。なお、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌの各金属粉末またはＭｏＳｉ_２の金属粉末を用いる場合も、白金の金属粉末を用いる場合と同様の形成方法により作製される。

なお、電極３および外部電極５となる導体ペーストについて、一回の印刷で所定の厚みにまで印刷せずに、複数回に分けて印刷するようにしてもよい。

電極３および外部電極５の露出する表面には、さらに電解めっき法または無電解めっき法によって金属めっき層が被着されていてもよい。金属めっき層は、ニッケル，銅，金または銀等の耐食性や接続部材との接続性に優れる金属から成るものであり、例えば、厚さ0.5〜10μｍ程度のニッケルめっき層と0.1〜３μｍ程度の金めっき層とが、あるいは厚さ１〜10μｍ程度のニッケルめっき層と0.1〜１μｍ程度の銀めっき層とが、順次被着され
る。これによって、電極３、外部電極５および導電路が腐食することを効果的に抑制できるとともに、外部電極５と外部電気回路との接合、あるいは外部電極５と金属リードとの接合を強固にできる。

また、上記以外の金属からなる金属めっき層、例えば、パラジウムめっき層等を介在させていても構わない。

上記の配線基板１を排気ガス等の検出対象である雰囲気を検出可能な箇所、例えば排気管の内部に設置して検出装置となる。なお、配線基板１の外部電極５あるいは配線基板１の外部電極５に接合した金属リードと、排気ガス等の雰囲気中の粒子を判定する判定機器の外部電気回路等とを接続することによって、排気ガス等の雰囲気中の粒子の量が判定される。

次に、本実施形態の配線基板１の製造方法について説明する。

絶縁基体２は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体からなる。この絶縁基体２は、主成分が酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）である酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、Ａｌ_２Ｏ_３の粉末に焼結助材としてシリカ（ＳｉＯ_２），マグネシア（ＭｇＯ），カルシア（ＣａＯ）等の粉末を添加し、さらに適当なバインダ、溶剤および可塑剤を添加し、次にこれらの混合物を混錬してスラリー状となす。その後、従来周知のドクターブレード法等の成形方法によって多数個取り用のセラミックグリーンシートを得る。

このセラミックグリーンシートを用いて、以下の（１）〜（５）の工程により配線基板１が作製される。

（１）貫通導体となる部位の打ち抜き金型を用いた打ち抜き工程またはレーザーを用いたレーザー加工工程。

（２）絶縁基体２の上面に電極３、絶縁基体２の内部に貫通導体、配線導体を含む内部配線４、絶縁基体２の下面または側面に外部電極５をそれぞれ形成するための導体ペーストの印刷塗布工程。

（３）各絶縁層となるセラミックグリーンシートを積層してセラミックグリーンシート積層体を作製する工程。

（４）このセラミックグリーンシート積層体または成型体を個々の絶縁基体２となる積層体または成型体に切断分離し、これらを焼成して焼結体を得る工程。

（５）電極３、外部電極５を保護して酸化防止するとともにろう付けを容易にするための金属メッキ層を電極３、外部電極５の表面に被着する工程。

この配線基板１は、これを多数個取りで一括して作製でき、焼成して得られた多数個取り形成の配線基板１の外縁となる箇所に沿って分割溝を形成しておき、この分割溝に沿って破断させて分割する方法、またはスライシング法等により配線基板１の外縁となる箇所に沿って切断する方法等を用いることができる。なお、分割溝は、焼成後にスライシング装置により多数個取りで形成する配線基板１の厚みより小さく切り込むことによって形成することができるが、多数個取りで形成する配線基板１用のセラミックグリーンシート積層体または成型体にカッター刃を押し当てたり、スライシング装置により積層体または成型体の厚みより小さく切り込んだりすることによって形成してもよい。

また、セラミックグリーンシート積層体または成型体から切り出した個々の積層体または成型体、もしくは配線基板１を多数個取りとするセラミックグリーンシート積層体または成型体を焼成することにより、各電極３、外部電極５が焼成されて被着形成される。すなわち、各電極３、外部電極５は５〜30μｍの厚さで形成される。

さらに、電極３、外部電極５の絶縁基体２の表面に露出した箇所を保護するとともに酸化防止するために、電極３、外部電極５の絶縁基体２の表面に露出した箇所に、厚さ0.5
〜10μｍのＮｉメッキ層を被着させるか、またはこのＮｉメッキ層および厚さ0.1〜３μ
ｍの金（Ａｕ）メッキ層を順次被着させるのがよい。

なお、本発明は、上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、例えば電極３、内部配線４、外部電極５は絶縁基体２に複数設けられていてもよい。

本実施形態の配線基板１によれば、絶縁基体２と、絶縁基体２の主面に形成された電極３と、絶縁基体２の内部に形成され、電極３に接続された内部配線４とを有しており、内部配線４は表面に酸化物を含む不動態膜４ａを有していることから、白金のような酸化しにくい金属を用いなくても、不動態膜４ａを有する内部配線４とすることで、高温環境下における耐酸化性に優れるものとすることが可能となる。

本実施形態の検出装置によれば、上記構成の配線基板１を有していることによって、特性、信頼性が向上されたものとすることができる。

１・・・配線基板
２・・・絶縁基体
３・・・電極
４・・・内部配線
４ａ・・不動態膜
４ｂ・・Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金
４ｃ・・ＭｏＳｉ_２金属

Claims (2)

1. 絶縁基体と、
   該絶縁基体の主面に形成された電極と、
   前記絶縁基体の内部に形成され、前記電極に接続された内部配線とを有しており、
   該内部配線はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金の表面にＴｉＯ _２ およびＡｌ _２ Ｏ _３ を含む不動態膜を有していることを特徴とする配線基板。
2. 請求項１に記載された配線基板と、
   該配線基板が周囲の雰囲気を検出可能に設置されていることを特徴とする検出装置。

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