JPH04324276A

JPH04324276A - ＡｌＮセラミックヒータ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04324276A
Application number: JP3094355A
Authority: JP
Inventors: Etsuro Udagawa; 悦郎宇田川; Naomi Mura; 直美村; Eizo Maeda; 榮造前田; Masato Kumagai; 正人熊谷
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 1992-11-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、家庭用機器、電子機器
、産業用機器、及び自動車等に利用されるセラミックヒ
ータ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまでにセラミックスを基体とするヒ
ータとしては、Ｗ（タングステン）−アルミナ系、ある
いはＭｏ（モリブデン）−アルミナ系において実用化が
図られており、多くの製品がでている。このようなアル
ミナ系におけるセラミックヒータは基体が電気的、化学
的に安定であるばかりでなく、発熱抵抗体の電気的特性
、熱的特性に関して設計上に多くの利点を有する。

【０００３】しかし、アルミナは熱膨張が大きく、熱伝
導が悪いことから急激な温度変化に弱く、耐熱衝撃温度
が１５０〜２５０℃と低い。さらに、熱伝導性に劣るこ
とから、プレート状の基体の場合には、通電時に発熱部
とプレート周辺部の温度差が大きくなりやすく、被加熱
物に対する熱伝達効率が低いといった問題がある。また
、家庭用機器、電子機器、産業用機器及び自動車用と広
く用いられいているセラミックヒータ一般に対し、（１
）　　設定の温度への到達時間の短縮（２）　　熱サイ
クル及び電圧印加サイクルにおける、電気的、機械的信
頼性の向上（３）　　熱伝達効率の向上（４）　　使用環境に対する耐性の向上などの要求が高
まってきている。このような要求に対し、アルミナを基
体とした既存のセラミックヒータでは十分に応えられな
くなっている。

【０００４】そこで、従来のアルミナに代る基体として
、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ケイ素などのセ
ラミックスが注目されている。これらは機械的な強度に
優るだけでなく、特に、ＡｌＮは熱膨張が小さい上に、
熱伝導率がアルミナの１０倍程度もあることなどから、
新しいセラミックヒータ用の基体として有望視されてい
る。

【０００５】しかし、ＡｌＮはアルミナと比べ単身でも
焼結が難しく、発熱抵抗体を内蔵したものはいまだに実
現していない。これはＡｌＮの焼成が一般には１８００
℃以上という高温でなされることと、脱脂及び窒素不雰
囲気でなされることが原因で、ＡｌＮと同時に焼成でき
る材料が限られているためである。これまでに、ＡｌＮ
と同時に焼成できる材料としてＷやＭｏをはじめとする
高融点金属を用いた開発が進められてきたが、ＡｌＮと
の焼結性の一致をはかりながら所望の物性値を得ること
が困難であった。

【０００６】また、発熱抵抗体のパターンをセラミック
焼結体内に形成する方法も、単純なものに限られており
、このためプレート状の基体表面での温度分布が不均一
となったりする場合が多い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来からあ
るセラミックシートの積層技術と厚膜印刷技術、さらに
はスルーホールメタライズ技術を用いて、発熱抵抗体を
内蔵したセラミックヒータを開発するにあたり、プレー
ト状の基体内の温度分布の均一化を図ることを目的とす
る。また電極部を外部へ取出す方法として、ビアホール
を利用する技術、さらには電極部とニクロム線等の外部
配線との基体中におけるろう付け部に切欠を設けること
によって、電極部が突出しない、すなわち両面が平坦な
セラミックヒータを製造する技術を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板の上面に
発熱抵抗体を設け、その上にビアホール電極を有する基
板及び該電極部に対応する切欠を有する最上層基板を積
層してなることを特徴とするＡｌＮセラミックヒータで
ある。この場合、上記上面に発熱抵抗体を設けた基板を
複数の積層体とし、これらの基板上の発熱抵抗体を導通
ビアホールで結合すると好適である。

【０００９】また、本発明のＡｌＮセラミックヒータは
その好ましい実施態様として、基板が熱伝導率１６０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上のＡｌＮ質焼結体であり、発熱抵抗体はＷ
−ＡｌＮの複合焼結体からなり室温時の電気低効率が１
０−３Ω・ｃｍ以下でかつ抵抗温度係数が正であるセラ
ミックヒータを提供する。また、上記のようなセラミッ
クヒータの製造方法としては、厚膜印刷法によって発熱
抵抗体を形成し、グリーンシート積層法によって発熱抵
抗体をセラミック基体中に埋設する。

【００１０】

【作用】本発明は、ＡｌＮを基体としたセラミックヒー
タであって、内蔵された発熱抵抗体として、Ｗ、Ｗの酸
化物、あるいはＷの酸化物からの変成物よりなる少なく
とも１種類以上の主成分と、基体となるＡｌＮとの複合
焼結体を用いる。本発明はこのような場合のセラミック
ヒータ基体の構造及び発熱抵抗体のパターンの配列、並
びに電極の外部への取り出し構造を改善したものである
。

【００１１】本発明は次の作用を生じる。（１）　　ヒータパターンを積層し、３次元配線とする
ことによって、熱密度を向上させる。（２）　　基体内の温度分布が均一化する。（３）　　積層方向の導通はビアホールを用いることに
よって、端子を基体外部へ露出させない。

【００１２】（４）　　最上層基板は切欠を設けた構造
により、立体的な基体とし、外部電極部の突出部をなく
し、両面が平坦となるようにする。

【００１３】

【実施例】図１、図２に、本発明の実施例の説明図を示
した。実施例は４層積層体である。第１層基板１はセラ
ミック基板５の上面全面に発熱抵抗体６、端子７を有す
る。第２層基板２はセラミック基板８の上面の周縁部に
発熱抵抗体９を有する。第３層基板３はセラミック基板
１２に上下貫通ビアホール１３を有する。第４層基板４
は切欠１５を有する第１層基板１の端子７は、第２層基
板２のビアホール１０対向する位置に設けられている。第２層基板２の端子１１は、第３層基板３のビアホール
１３に対向する位置に設けられている。第４層基板４の
切欠１５は第３層基板３のビアホール１３に対向する位
置に設けられている。

【００１４】次に実施例の製造方法を説明する。平均粒
径１．２μｍのＡｌＮ粉末（酸素含有量０．６５重量％
、カーボン含有量０．０２重量％）に、平均粒径０．５
μｍのＹ２　Ｏ３　を２．５重量％を添加し、ポリビニ
ルブチラール（ＰＶＢ）を適量加えＡｌＮスラリーとし
た。このスラリーより、ドクタープレード法にて厚さ約
１ｍｍのグリーンシートを成形し、さらに６５×６５ｍ
ｍ角に打ち抜き加工した。

【００１５】外形加工の後、図１に示すように、グリー
ンシートのビアホール１０、１３の位置にスルーホール
を形成し、さらに切欠１５を打ち抜いた。引き続き、Ｗ
粉末（平均粒径１．３μｍ）、ＷＯ３　粉末（１０μｍ
）を重量比で３：１となるように配合したのちシートと
同じＡｌＮ粉末を体積比で１：１となるように加え、エ
タノールを溶媒として用い、アルミナボールによる湿式
のミリングを１２時間行った。引き続き有機結合剤とし
てＰＭＭＡ（ポリメチル・メタ・アクリレート）と、酢
酸ブチルを適量加え１２時間のミリングを行った後、テ
レピネオールを適量加えて粘度を調整し、三本ロールミ
ルを通し、印刷用ペーストとした。

【００１６】このペーストをＡｌＮグリーンシート上に
スクリーンマスクを用い厚さ約１５μｍのヒータパター
ン（図１に示す発熱抵抗体６、９）を形成した。またス
ルーホール１０、１３にも同様にペーストを充填した。乾燥後、荷重４００ｋｇ／ｃｍ２　、温度１３０℃で図
２に示すように、積層した。ついで、１．６ｔのＣＩＰ
（冷間等方プレス）をかけた。

【００１７】積層体を湿潤水素（Ｎ２　−８％Ｈ２　）
雰囲気で、６００℃、８時間の脱脂を行った。引き続き
、窒素雰囲気中で１８４０℃、６時間の焼成を行い図３
に示す焼結体２０を得た。ビアホール１３の露出部にＮ
ｉ−Ｂメッキを施して電極としニクロム線１６をろう付
けした。焼結体２０は、基板１〜４の積層体である。同
種の積層体をアルミナを基板として製造し、比較例とし
た。

【００１８】実施例及び比較例について通電試験（約５
秒で８００℃となるように１００Ｖを印加）を行い、プ
レート状基体の温度分布をサーモビューアにより観察し
た。１００Ｖ印加１秒後の温度分布及び５秒後の定常状
態における観察結果を図４〜図７に示した。図４は実施
例の上面、図５は実施例の下面を示し、それぞれ１００
Ｖ印加１秒後（ａ）に示すように、２００℃のリング状
の領域２１と、２５０℃のコア領域２２が観察され、５
秒後には（ｂ）に示すように８００℃の一様な加熱域２
３が観察された。図６は比較例の上面、図７比較例の下
面を示し、それぞれ１００Ｖ印加１秒後（ａ）に示すよ
うに、１５０℃の領域２４と島状の領域２５とを生じ、
５秒後に（ｂ）に示すように８００℃の定常状態におい
ても７００℃の周縁領域２６、７５０℃の中央領域２７
、８００℃の電極近傍領域２８を生じ、一様な加熱状態
とならなかった。

【００１９】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によると、基
体にＡｌＮを用い、プレート内の温度分布の均一性が著
しく向上したセラミックヒータを実現することができる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の４枚の基板の平面図である。

【図２】実施例のセラミックヒータの積層構造を示す斜
視図である。

【図３】実施例のセラミックスヒータの（ａ）平面図、
（ｂ）側面図である。

【図４】サーモビュアによる実施例の観察面の説明図で
ある。

【図５】サーモビュアによる実施例の観察面の説明図で
ある。

【図６】サーモビュアによる比較例の観察面の説明図で
ある。

【図７】サーモビュアによる比較例の観察面の説明図で
ある。

【符号の説明】

１，２，３，４　　　　基板５，８，１２，１４　　　　セラミック基板６，９　　
　　発熱抵抗体７，１１　　　　端子１０，１３　　　　ビアホール１５　　　　切欠１６　　　　ニクロム線２０　　　　焼結体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　基板の上面に発熱抵抗体を設け、その
上にビアホール電極を有する基板及び該電極部に対応す
る切欠を有する最上層基板を積層してなることを特徴と
するＡｌＮセラミックヒータ。
【請求項２】　　上面に発熱抵抗体を設けた基板が複数
の積層体であり、該基板上の発熱抵抗体を結合する導通
ビアホールを有することを特徴とする請求項１記載のＡ
ｌＮセラミックヒータ。
【請求項３】　　基板が熱伝導率１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
のＡｌＮ質焼結体であり、発熱抵抗体がＷ−ＡｌＮの複
合焼結体からなり１０−３Ω・ｃｍ以下の室温時の電気
抵抗率及び正の抵抗温度係数を有することを特徴とする
請求項１又は２記載のＡｌＮセラミックヒータ。
【請求項４】　　厚膜印刷法によって発熱抵抗体を形成
し、該発熱抵抗体をグリーンシート積層法によりセラミ
ック基体中に埋設することを特徴とする請求項１、２又
は３記載のＡｌＮセラミックヒータの製造方法。