JPH08169777A - 接合構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】加熱焼結型セラミックスよりなる基材表面上に
白金電極、白金よりなる発熱体などを形成した接合構造
において、該基材に対する接合力が高く、高温下におい
ても接合力の低下及び白金の特性の変化が十分抑えられ
た接合構造体を提供する。 【構成】加熱焼結型セラミックスよりなる基材に、酸化
スズ及び／又は酸化インジウムよりなる層を介して白金
を接合したことを特徴とする接合構造体である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス焼結体、
ガラス等の加熱焼結型セラミックスよりなる基材と白金
との接合構造体に関し、特に加熱焼結型セラミックスよ
りなる基材に対する白金の接合力の向上、並びに高温加
熱時における安定性の向上が達成された接合構造体であ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気・電子機器の小型化、軽量化
などの傾向が顕著である。このようなことが可能になっ
た背景には、機器に組み込まれる部品や回路などを微細
化、微小化する技術の開発がめざましい勢いで発達した
ことが挙げられる。

【０００３】微細化、微小化技術のなかで重要な役割を
占めるものに膜化技術がある。かかる膜化技術とは、部
品や回路などを搭載するための基材表面に固体材料を膜
状に生成し、これを所定のパターンに加工する技術であ
る。この技術は、パターンの大きさをミクロンメートル
もしくはこれ以下のレベルで精度良く制御することがで
きるため、部品や回路などの微小化、微細化を可能とす
る。

【０００４】従来、導電材料等の機能性材料を基材表面
に膜状に形成する方法として、機能性材料を含んだペー
ストを基材表面に印刷した後、焼成することにより膜化
するスクリーン印刷法、金属アルコキシドの反応を利用
して機能性材料を膜状に形成するゾルーゲル法、機能性
材料を一旦気化し、基材上で凝縮させる蒸気凝縮法など
が提案されている。

【０００５】一方、上記機能性材料の中で、白金は、比
較的高い抵抗率を有し、しかも高温に加熱されても酸化
せず、抵抗率も変動しないことから抵抗体、主として発
熱体に用いられる。

【０００６】また、機能性材料よりなる膜を生成するた
めの基材としては、種々の絶縁性基材が利用されるが、
このうちセラミックス、ガラス等の加熱焼結型セラミッ
クスは、良好な絶縁性を有すること、成形加工が容易で
あることなどの理由により広く活用されている。

【０００７】ところが、前記機能性材料を膜状に形成す
る方法により、かかる白金よりなる膜を上記加熱焼結型
セラミックス表面に形成しようとした場合、該白金膜の
基材への接合力に問題を有する。

【０００８】例えば、白金膜を酸化アルミニウム基材表
面に蒸気凝縮法等の方法により直接生成し、白金ー基材
の２層よりなる接合構造体を構成した場合、該酸化アル
ミニウム基材は、白金膜とある程度の接合力を発揮する
ものの、その接合力は必ずしも高いものではない。ま
た、白金膜の他の加熱焼結型セラミックスに対しての接
合力が低く、更に改良の余地があった。

【０００９】この問題点を解決するため、白金と基材と
の双方に良好な接合力を有するチタン、ジルコニウムな
どの活性金属を介して白金膜を基材表面に形成した接合
構造体が提案されている。

【００１０】上記の３層構造よりなる接合構造体は、基
材の加熱焼結型セラミックスの種類に影響を受けること
なく高い接合力を有する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
接合構造体は、特に、３００℃以上の高温に外部より加
熱された場合、若しくは白金が自己発熱した場合の耐熱
性において未だ改良の余地があった。即ち、かかる接合
体が外部より加熱もしくは白金が自己発熱することによ
り約３００℃以上の温度下に曝された場合、白金と活性
金属の間で化合物の形成や拡散などの反応が進み、ま
た、活性金属が酸化するなどして膜構造が崩壊するとい
う問題を生じることがある。その結果、白金が加熱焼結
型セラミックスよりなる基材から剥離し易くなったり、
白金自体の変質によって抵抗値が著しく変動するといっ
た不具合が生じていた。

【００１２】従って、かかる高温下においても、接合力
の低下がなく、且つ白金自体の抵抗変化が抑制された耐
熱性を有する加熱焼結型セラミックスよりなる基材と白
金との接合構造体の開発が望まれていた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる特
性を有する加熱焼結型セラミックスよりなる基材と白金
との接合構造体を開発すべく研究を重ねた結果、該基材
表面に酸化スズ及び／又は酸化インジウムよりなる層を
介して白金を接合することにより、該基材と白金との高
い接合力を有する接合構造体が得られ、しかも、得られ
た接合構造体は高温下に長時間曝されても白金の変質が
殆ど起こらない安定した接合構造体が得られることを見
い出し、本発明を提案するに至った。

【００１４】即ち、本発明は、加熱焼結型セラミックス
よりなる基材に、酸化スズ及び／又は酸化インジウムよ
りなる層を介して白金を接合したことを特徴とする接合
構造体である。

【００１５】以下に、本発明の接合構造体の構成につい
て詳細に説明する。

【００１６】本発明において、基材を構成する加熱焼結
型セラミックスは、加熱焼結により製造される公知のセ
ラミックスが特に制限なく使用される。代表的なものを
例示すれば、酸化アルミニウム、ムライト、チタニア、
炭化ケイ素、窒化アルミニウムなどの焼結体、ガラス等
が挙げられる。上記焼結体のうち、酸化アルミニウムお
よび窒化アルミニウムが、酸化スズ及び／又は酸化イン
ジウムよりなる層との接合性の面で好適である。特に、
後記するように、接合構造体を発熱体として用い、発熱
体が形成されている基材面の裏面を加熱部とする場合に
は、熱伝導性の良好な窒化アルミニウムを該基材に採用
するのが最適である。

【００１７】また、上記ガラスは、非晶質、結晶質など
の材質やアルカリ成分の含有量に関係なく、公知の材質
より特に制限なく選択して使用することができる。具体
的には、ガラスセラミック、高膨張ガラス等の結晶化ガ
ラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、
９６％ケイ酸ガラス等の非晶質ガラスなどが挙げられ
る。

【００１８】このうち、結晶化ガラスを使用すること
が、酸化スズ及び／又は酸化インジウムよりなる層との
接合性の面で好適である。かかるガラスよりなる基材の
使用は接合構造体を発熱体として用い、該発熱体が形成
されている基材面と同一の面を加熱する場合、該ガラス
の断熱性が発揮することができ好ましい。

【００１９】また、上記加熱焼結型セラミックスよりな
る基材の形状、表面荒さ等についての制限も全くなく、
かかる基材の機械的強度が保たれる範囲で、用途に応じ
て適宜決定することができる。例えば、上記基材の形状
は、板状が一般的であり、表面荒さはＲａが０．０３〜
０．３μｍとすることが好ましい。

【００２０】本発明において、上記セラミックス又はガ
ラス基材上には、酸化スズ及び／又は酸化インジウムよ
りなる層を介して白金を接合することが極めて重要であ
る。即ち、かかる酸化スズ及び／又は酸化インジウムよ
りなる層（介在層）を加熱焼結型セラミックスよりなる
基材と白金との接合層として設けることにより、該基材
と白金とが強固に接合された接合構造体が得られ、しか
も、該接合構造体は、３００℃以上の長時間加熱に対し
ても白金の変質や劣化が生じることがなく、接合力の低
下や白金の抵抗値の変動を効果的に防止することができ
る。

【００２１】本発明において、酸化スズ及び／又は酸化
インジウムよりなる介在層は、酸化スズ又は酸化インジ
ウムの単一相であっても、両者の混合相であっても同様
の効果を発揮するが、特に、該介在層を酸化スズ又は酸
化インジウムの単一相で形成する態様が、基材上に安定
して形成し易いことから好ましい。

【００２２】上記介在層を構成する酸素と金属スズ、酸
素と金属インジウムの比率は、量論比であっても非量論
比であってもよい。一般には、酸化スズの場合は酸素／
金属スズが量論比で１．５〜２．５の範囲のものが、酸
化インジウムの場合は酸素／金属インジウムが量論比で
１．０〜２．０の範囲のものが好適に使用される。

【００２３】また、上記介在層の厚みについても特に制
限はなく、目的とする接合面積、接合強度に応じて最適
な厚みを適宜決定すれば良い。一般には、０．０１〜
２．０μｍの範囲に調整することが接合力を十分発揮さ
せるために好ましい。

【００２４】本発明において、上記介在層によって加熱
焼結型セラミックスに接合される白金の形態について
は、特に制限されるものではないが、該白金を電気伝導
体や抵抗体、具体的には、電極やデバイス間の配線或い
はヒータとして該基材上に接合する場合は、該白金を膜
状の形態を採ることが望ましい。この場合、かかる膜の
厚みは、パターンの幅等によって異なり、一概に限定さ
れるものではないが、０．２〜１０μｍ程度が一般的で
ある。

【００２５】そして、上記酸化スズ及び／又は酸化イン
ジウムよりなる層を介して形成された白金膜は、１５０
０℃以下の温度であれば、長時間にわたる加熱或いは自
己発熱による加熱下におかれても劣化することはなく、
安定した接合力と抵抗値を維持できる。

【００２６】本発明の接合構造体の製造方法は特に制限
されるものではない。加熱焼結型セラミックスよりなる
基材表面に白金を膜状に接合するための代表的な方法を
例示すれば、該基材の表面に、公知の膜の形成方法によ
り酸化スズ及び／又は酸化インジウムよりなる層及び白
金の膜を順次形成することによって得られる。

【００２７】上記の膜の形成方法を具体的に例示すれ
ば、スクリーン印刷法、真空蒸着法、スパッタリング法
等の蒸気凝縮法など、前記した公知の方法が特に制限な
く採用される。この中で、スパッタリング法が膜の形成
の容易さから好適である。

【００２８】上記方法において、接合構造体の白金膜
は、該膜の形成時に特定のパターンになるように形成さ
れても良いし、膜の形成を基材の全面に対して行い、後
にエッチング等の手段によりパターンを形成することも
可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明より理解されるように、本発
明の接合構造体は、白金と加熱焼結型セラミックスより
なる基材との間に酸化スズ及び／又は酸化インジウムよ
りなる層を介在させることにより、該基材と白金とを極
めて強固に接合することが可能である。特に、白金と酸
化アルミニウム、窒化アルミニウム、または結晶化ガラ
スよりなる基材との接合に好適である。

【００３０】また、本発明の接合構造体は、高温で長時
間加熱もしくは自己発熱しても、酸化スズ及び／又は酸
化インジウムと白金、酸化スズ及び／又は酸化インジウ
ムと加熱焼結型セラミックスよりなる基材間の接合強度
の低下が殆どなく、しかも、白金、酸化スズ及び／又は
酸化インジウム及び基材自体が外部よりの加熱や白金の
自己発熱によって殆ど変質することがないので、外部か
らの加熱又は自己発熱後の白金の物性、表面状態をも接
合当初とほぼ同じ状態に保つことができる。

【００３１】従って、本発明の接合構造体は、電子機器
における電気伝導体や抵抗体として幅広く活用すること
ができる。特に、加熱の影響を受けないことから、デバ
イス等の放熱によって高温に曝される部材、あるいはガ
スセンサに代表されるように安定した高温発熱を要求さ
れる発熱体が不可欠な機器に対して用いると、その効果
は顕著である。

【００３２】

【実施例】以下、本発明を更に具体的に説明するために
実施例を挙げるが、本発明はこれらの実施例に限定され
るものではない。

【００３３】尚、実施例および比較例における各種試験
は下記の方法によって行った。

【００３４】（１）接合力測定試験 得られた接合構造体の白金表面に、断面積が１ｍｍ²の
ステンレス棒を白金表面に対して垂直に取り付けた。ス
テンレス棒と白金の接合は、その間にはんだを介在させ
ることによって行った。

【００３５】はんだが正しく装着されたことを確認した
後、接合構造体を動かないように固定し、引張試験機に
よってステンレス棒を上方に引き上げた。そして、接合
構造体とステンレス棒が分離した瞬間の引張強度を、接
合構造体の接合力とした。

【００３６】接合力の測定は、接合構造体作製直後のも
のだけでなく、加熱後のものに対しても行った。すなわ
ち、試験片を８００℃で５０時間加熱した後、上記と同
様の方法および条件で接合力測定用試験片を作製し、そ
の接合力を測定した。上記試験を同一の試験片に対して
１０回行い、その平均を測定値とした。

【００３７】（２）抵抗率測定試験 得られた接合構造体の白金の抵抗率が、外部からの加熱
の影響でどのように変化するかを測定した。

【００３８】まず、得られた試験片の白金の加熱前の抵
抗率を、四探針法によって測定した。 次に、試験片を
８００℃で５０時間加熱した後、上記と同様の方法で抵
抗率を測定した。

【００３９】そして、抵抗率の変化は、下記式により評
価した。

【００４０】 (((加熱後の抵抗率)−(加熱前の抵抗率))／(加熱前の抵抗率))×100 （％） （３）発熱試験 得られた接合構造体で発熱体を形成した場合、発熱体の
抵抗値が白金の自己発熱の影響でどのように変化するか
を測定した。

【００４１】まず、得られた接合構造体の白金表面に、
ポジ型の厚膜レジスト材を膜厚が均一になるように塗布
し、発熱体のパターンが得られるように露光、現像し
た。発熱体のパターンは、幅２０μｍの線が長さ５００
μｍごとに、２０μｍの間隔をもって、同一平面上で隣
接の線に平行に１８０度で４回折り曲げられたものとし
た。なお、線の両端には電極用に２００μｍ角のパター
ンを取り付けた。

【００４２】次に、得ようとするパターン以外の部分の
白金及び酸化スズ及び／又は酸化インジウムを、イオン
ミリング法によって除去した。イオンミリング時の加速
電圧は６００Ｗ、導入ガスはアルゴンとした。

【００４３】イオンミリング後、電極部に直径５０μｍ
の白金線をスポット溶接法によって取り付け、通電前の
発熱体の抵抗値を測定した後、発熱体が６００℃に発熱
するように通電した。この時の電圧を５００時間保持
し、通電後の発熱体の抵抗値を測定した。

【００４４】抵抗値の変化は、下記式により評価した。

【００４５】 (((通電後の抵抗値)−(通電前の抵抗値))／(通電前の抵抗値))×１００ （％） 実施例１〜１２ 表１に示すような酸化スズ及び／又は酸化インジウムの
膜を介して白金の膜が形成されてなるセラミックス又は
ガラスー白金接合構造体を次のように作製した。

【００４６】まず、１インチ角、厚さ０．６３５ｍｍの
純度９９．５％酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、
結晶化ガラスよりなる各種基材を研削して、その形状を
１インチ角、厚さ０．５ｍｍに仕上げた。尚、表面荒さ
はＲａ０．２μｍとした。

【００４７】次に、これらの基材の表面全体に、スパッ
タリング法によって、酸化スズ、酸化インジウム、５重
量％の酸化スズを含有した酸化インジウムの各種類の膜
を、所定の厚みでそれぞれ接合させた。上記スパッタリ
ングは、高周波マグネトロンスパッタリング法式を採用
し、ターゲットはそれぞれの酸化物粉末を加圧焼結した
ものを用いた。この場合、高周波の出力は３００Ｗ、導
入ガスはアルゴンと酸素を９：１の割合で混合したもの
を用い、スパッタリング時の圧力は１．３３パスカル
（１０ｍＴｏｒｒ）とした。この間、基材は１００℃に
加熱保持し、ターゲットに対して静止したままスパッタ
リングを行った。

【００４８】このようにして、酸化スズ及び／又は酸化
インジウムよりなる介在層を形成した後、該介在層表面
全体にスパッタリング法によって所定の厚みの白金を形
成させた。ここで、スパッタリングは高周波マグネトロ
ンスパッタリング方式を採用し、ターゲットはペレット
状の白金を用いた。かかる高周波の出力は４００Ｗ、導
入ガスはアルゴンとし、スパッタリング時の圧力は０．
６７パスカル（５ｍＴｏｒｒ）とした。この間、基材−
介在層の接合体は１００℃に加熱保持し、ターゲットに
対して静止したままスパッタリングを行った。

【００４９】以上のようにして得られた接合構造体につ
き、前記の各種試験を実施した結果を表２に示す。

【００５０】比較例１〜７ 表１に示す加熱焼結型セラミックスよりなる基材上に白
金の膜を直接又はチタンの介在層を介して形成して接合
構造体を得た。

【００５１】即ち、実施例１と同様の方法で各種基材を
仕上げた後、その表面全体にスパッタリング法によって
白金を直接接合した。また、別途用意した基板におい
て、その表面全体に、チタン、白金の順にスパッタリン
グ法によって層を形成した。

【００５２】上記スパッタリングの条件は、各実施例に
おける白金のスパッタリング条件と同様に設定した。

【００５３】以上のようにして得られた接合構造体につ
き、前記試験を実施した結果を表２に併せて示す。

【００５４】

【表１】

【００５５】

【表２】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱焼結型セラミックスよりなる基材
   に、酸化スズ及び／又は酸化インジウムよりなる層を介
   して白金を接合したことを特徴とする接合構造体。