JPS60253202A - 炭化珪素質サ−ミスタ - Google Patents

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】 ０産業上の利用分野 本発明は、炭化珪素質焼結体から成るサーミスタに係り
、特に本発明は炭化珪素の耐熱特性を生かした広範囲の
温度で使用できるサーミスタに関する。

サーミスタは、温度に敏感な抵抗体であるため主な用途
は温度測定又は温度コントロールのための温度センサの
一種などとして多くの用途がある。

０従来の技術 従来のサーミスタは（イ）Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌなど
の遷移金属酸化物複合焼結体、（ロ）Ｇｅ、８ｉなどの
単結晶、ｆｉＢａ、　Ｃｏ、　Ｎｉなどの溶融固化形多
結晶、に）８ｉＣスパツタリング薄膜及び（ホ）■、Ｆ
ｅ、Ｇｅなどの酸化物のガラス質のものに大別される。

そして主な従来技術としては、（１）前記（イ）の遷移
金属酸化物複合焼結体に白金被覆線等の耐熱性の細線を
予め取付け、空気中で高温焼成し、焼成収縮と固溶によ
り前記細線を安定に接着せしめる高温用セラミック質サ
ーミスタの製造方法が特公昭５３−１６９１４号公報に
より提案されている。また、（２）純粋な８ｉＣと周期
律表の開Ａ及びＶＡ族から選ばれた元素を添加したＳｉ
Ｃの単結晶と、前記結晶の隔離された点にリード線を高
温溶融物を介して直接に接合して成る単結晶８ｉＣのサ
ーミスタ組立体が特公昭４２−１９０６１号公報によっ
て開示されている。さらには、（ハ）サーミスタベレッ
トの対向スる面に電極を形成し、該電極と引出線を溶融
圧接して接続し、接続された引出線をガラス封入し一体
化しｔコサ−ミスタの電極引出構造が特開昭５４−４３
５６０号公報により開示されている。

０発明が解決しようとする問題点 しかしながら、前記（１）の特公昭５３−１６９１４号
公報に係る発明は、複合酸化物の成形物に予め耐熱性の
細線を取付は高温焼成し焼成収縮により細線を固着する
ものであるため、前記酸化物は短期間空気中においては
安定であるが長時間経過により拡散による経時変化が起
こり、抵抗やその他の電気特性が変動すると共に、耐熱
性の細線であっても高温焼成時には若干劣化することは
避けられず、細線埋設は電極との接触が悪い欠点がある
。

また、前記（２）の特公昭４２−１９０６１号公報に係
る発明は、単結晶ＳｉＣのサーミスタであるため、２７
００°Ｃ以上の高融点を有し、４００°Ｃ以上の高温に
おいても他の微量物質の拡散を起こし難く、きわめて安
定である特徴を有しているものの、単結晶８ｉＣ及び他
の微量元素を含むＳｉＣ単結晶は製造技術が複雑で高価
であると共に、リード線の高温融着のみで接合されてい
るため高温時の熱膨張収縮によるひずみ変形やリード線
と電極との接触不良を起こし易い欠点がある。

さらには、前記（３）の特開昭５４−４３５６０号公報
に係る発明は、サーミスタベレット基板の対向する両面
にそれぞれ電極を形成し、その表面にリード線を溶融圧
接するため、接合が片面の場合に比し２倍の作業を要す
ると共に、リード線をガラス封入して一体化するため基
板にひずみやクラックが生じ易く、またガラス被膜によ
り熱応答性が悪くなる欠点がある。

本発明は、上記従来の技術の有する諸欠点を除去・改善
することを目的とし、特許請求の範囲記載の特徴を有す
る炭化珪素質サーミスタを提供することによって、前記
目的を達成するものである。

以下に、本発明を図面等に基づいて具体的に説明する。

０問題点を解決するための手段・作用 本発明の炭化珪素質サーミスタは、第１図の斜視図に示
すように、炭化珪素を主成分とする焼結体（以下８ｉＣ
焼結体ともいう）から成る半導体の基板（１）の両面に
炭化コバルト及びチタン粉末などを主成分とするベート
を被覆し焼結することにより形成された金属化層（以下
メタライズ層ともいう）（２）を有し、前記金属化膜表
面上に電極リード線（３）を有し、前記リード線はメッ
キ膜（４）により固着されていることを特徴とするもの
である。

すなわち、炭化ケイ素質焼結体は、一般に高硬度である
と共に、耐酸性やその他の化学的安定性などにも優れ、
熱伝導性が良好であり、高温下でも強度は劣下すること
なく優れた破壊しん性及び耐熱衝撃性を有し、まｔコ寸
法精度が高いので複雑形状の各種機械部品などに応用さ
れる耐熱構造材料や耐摩耗材料などの広範囲にわたって
広く使用されている。

本発明者らは、このような炭化ケイ素質焼結体の特性が
サーミスタ基板としても最適であり、さらには、そのサ
ーミスタ特性が嵩密度やＳｉＣ焼結体の成分調整並びに
焼結温度や圧力の諸条件を変化させることにより電気抵
抗値と共に一定の範囲内で自由に選択し、高温下でも使
用できることを新規に知見して本発明を完成するに至っ
たものである。

即ち、本発明のサーミスタは、８ｉＣ焼結体の特性をそ
のまま有効に活かしているｔこめに高耐熱性を有し、高
温下でも微量物質の拡散は少なくきわめて安定であり、
熱膨張収縮によるひずみ変形や電極と引き出線との接触
不良を起こすことのない特徴を有するものである。特に
本発明のサーミスタは、８ｉＣ焼結体の特性である高耐
熱性と優れた耐熱衝撃性及び破壊しん性により広い温度
範囲にわたって安定であり、熱伝導性が良好であるため
熱応答性が速い特徴を有している。しかも高硬度で耐摩
耗性や化学的安定性にも優れた８ｉＣの特性が活され化
学的、熱的及び機械的に極めて安定であり長時間経過後
の抵抗値変化率が±３％以下と低いことを特徴とするも
のである。

一般にサーミスタに要望される条件としては、次のよう
なものがある。

（１）抵抗の温度係数はできるだけ大きいこと。

（２）熱的に特性が安定で熱敏感性があること。

（３）使用温度範囲が広く、その範囲で結晶の変態を伴
わないこと。

（４）基板としての半導体素子と電極との接触状態が良
好で、基板と電極との熱膨張差が少ないこと。

（５１基板、電極及びリード線が周囲の雰囲気により変
質しにくいことなどが挙げられる。。

つまり、本発明の８ｉＣ焼結体を基板とするサーミスタ
は、上記（１）〜（５）のいずれの条件にも適合する特
性を有していることを、本発明者らは実験により確認し
実用化に成功したものである。サーミスタの安定度は、
単に温度だけでなく、湿度や有機物、腐食性のガスや薬
品によっても大きく影響を受けるので８ｉＣ焼結体を基
板として使用することにより、前述のような従来技術の
未解決の課題としての欠点を解消できることが判明した
のである。

次に、本発明のサーミスタを作る一例について説明する
。前述のように数々の優れた特性を有する８ｉＣ焼結体
の基板（１）の表面に金属化層（２）を設けた後、第２
図の斜視図に示すように、電極リード線（３）をテンシ
ョンをかけた状態でピーンと張っておく。このとき、Ａ
とＢの方向にそれぞれテンションをかけると共に、Ｃの
方向にもテンションがかけられてリード線（３）が金属
化層（２）の表面に圧締された状態で密着させておくこ
とが肝要である。

このような状態下でメッキ浴の中に浸漬して、リード線
（３）が金属化面（２）に固着するようメッキ膜（４）
を被覆することにより、電極とリード線とがＳｉＣ焼結
体の基板表面に接触良好状態で強固に形成される。ココ
で、電極には、Ｃ０１Ｎｉ、　Ｆｅ、　ＡＡ’、Ｐｄ。

Ｐｔ、Ｈのなかから選ばれるいずれか少なくともｌ化合
物を必要により添加される有機質バインダーで混練した
金属化組成物を８ｉＣ焼結体表面にコーティングして非
酸化性雰囲気中で加熱焼結して形成することが好ましい
。前記各種の元素などの炭化物は、分解反応により原子
状の極めて活性なＣを容易に生成し、このＣと前記各種
の元素、特にＴ　ｉ、　Ｗ、　Ｍｏなどが安定な炭化物
を８ｉＣ焼結体表面に形成して強固なメタライズ層（２
）が密着性よくつくられるからである。また、リード線
（３）は、タングステン線、銅線、コバール線、金線、
白金線などを使用することが有利である。これらの金属
線は腐食性や耐久性にも優れ、極めて良好な導体である
と共に、この表面に被覆するメッキ膜との密着性が優れ
ているからである。

本発明のサーミスタは、第３図〜第７図の各種の図面に
示すように、（イ）チップ形、（ロ）ディスク形、ｅタ
フレーク形、に）ビート形及び（ホ）ロッド形などの各
種の構造のものに適用される。前記０）のチップ（９） 形は、ＳｉＣ焼結体をチップ形に切り出して、両面又は
両端に電極とリード線を付けるもので、素子として最適
の形状で安定度は高い。前記（ロ）のディスク形は、量
産に適しており、ビード形との互換性を有する。前記（
ハ）のフレーク形はデスク形やチップ形と共通する特徴
を有しており、前記に）のビート形は安定度は高く小形
で連応性に優れ高温に耐える。また、前記（ホ）のロッ
ド形は、ディク形を細長くした形状で安定度はディスク
形と同じで、比較的高い抵抗値とサーミスタ特性（Ｂ値
）をもつことができる。

次に、第８図は本発明のサーミスタの使用される雰囲気
温度と電気固有抵抗値との関係を示すグラフである。こ
のグラフにおいて、（６）はＳＩＣ焼結体を基板とする
本発明のサーミスタであり、（ハ）は従来技術の遷移金
属酸化物複合体を基板とするサーミスタである。このグ
ラフで明らかなように、本発明のサーミスタ（６）は、
その使用される雰囲気温度が０から５００℃の範囲にお
いて、電気固有抵抗はほぼ直線的に変化しており、使用
雰囲気温度（１０） と電気固有抵抗との間には明らかに相関関係があるため
、この温度域においてサーミスタとして十分に使用でき
ることが判明した。これに対し、従来のサーミスタ（ハ
）は、０〜２００℃の温度範囲においては使用雰囲気温
度と電気固有抵抗との間には相関関係はあるが、２００
〜５００°Ｃの温度範囲において直線的に変化しておら
ず、そのためこの温度域ではサーミスタとして使用でき
ないことが確認された。つまり、従来のサーミスタはそ
の使用範囲が常温から２００℃位までの比較的低温まで
の汎用サーミスタであるのに対し、本発明のサーミスタ
は広い温度範囲で使用でき、しかも３００°Ｃ〜５００
°Ｃの比較的高温域で使用できる高温サーミスタとして
の用途も可能となった。その理由は、次のように考えら
れる。

（１）ＳｉＣ焼結体はＳｉＣの純度が高く、例えば９０
重′！！ｌｋ％以上であるため、３００°Ｃ〜５００℃
の高温域においても電子密度も相対的に変化しほぼ一定
の状態を保ち得るので、電気固有抵抗やその他の電気特
性も変化が少ない特徴を有すること。

（１１） （２）ＳｉＣ焼結体は耐熱性などに優れており、その理
由として上記高温においても電子密度が高い状態を保ち
得ると共に、上記高温においても分散が起りにくく安定
であること。

（３）８ｉＣ焼結体は熱伝導性にも優れており、その理
由としてＳ１＋とＣとの原子が振動し易く、したがって
電子の振動もし易い性質を有しており、これが前記の分
散が起りにくい要因とも考えられる。

これに対し従来のサーミスタは２００℃位の使用温度で
は分散が起り易く、一般に熱伝導性は８ｉＣ焼結体に比
べてはるかに小さいことがその理由とも考えられる。

その他、８ｉＣ焼結体の特性として、焼結組成原料の一
部に焼結助剤として、たとえばアルミニラふやボロンな
どを含有するが、８ｉＣの焼結体にボロンなどを微量に
存在させ、また嵩密度を変化させることにより抵抗の温
度係数と密接な関係を有する抵抗変化率を変更すること
も可能である。なお、嵩密度を８ｉＣ焼結体の５０〜９
９％ＴＤの範囲（１２） で変化させ、サーミスタ特性としてのＢ値を５００〜５
０００に変更することもできる。その主な手段としては
、８ｉＣ焼結体に炭素や金属微粉を混入させたり、焼結
温度や圧力をやや低めに制御することによって嵩密や電
気固有抵抗値を一定の範囲で自由に制御することができ
る特徴も有している。

サーミスタの基本特性は、Ｒ＝ＲｏｅＸｐ　Ｂ（１／Ｔ
−１／Ｔｏ）として抵抗と温度特性の関係によって表わ
され、サーミスタ定数Ｂは周囲温度’Ｉ’（’Ｋ）のと
きの抵抗によって定まり、抵抗温度係数は周囲温度とサ
ーミスタ定数Ｂとの関数であり、熱放散定数は周囲温度
と熱伝導率とに左右されることからも、前述のような本
発明のサーミスタの特徴が説明できる。なお、本発明の
サーミスタは、電気固有抵抗が１０７〜１０−１の範囲
内であれば、嵩密度の制御などにより自由に変更し得る
ので、第８図に示したグラフの場合よりもさらに電気固
有抵抗の温度係数を大きくしたり、使用温度範囲を拡大
することは可能である。そして、サーミスタ特性の評価
は抵抗と温度特性、サーミスタ定数（Ｂ定数）、ま（１
３） たは抵抗温度係数、熱放散定数、熱応答時間などの基板
特性にもよって決まり、さらには基板の耐熱性、耐候性
、耐食性などの環境特性によっても左右される。この点
、８ｉＣ焼結体は、従来のいずれのサーミスタ、殊に、
　８ｉＣ薄膜のサーミスタよりも優れている。その理由
は、サーミスタの抵抗は電極構造によっても異なるが、
サーミスタ定数の精度は、基板と電極の種類や厚さによ
って決定され、本発明のサーミスタは従来の８ｉＣ薄膜
サーミスタよりも８ｉＣの占める割合が大きく、したが
って８ｉＣ焼結体の特性である耐熱性やその他の特性が
より多く活かされるからである。

以下、本発明の最も代表的な実施例について説明する。

Ｏ実施例 β型結晶の炭化珪素を９５襲以上含有する原料組成物よ
り得た嵩密度が３．１２でＢ定数が３４００の８ｉＣ焼
結体から、１ミリメートル立方の小片を精密加工し、そ
の−表面にＣｏＣとＴｉとを主成分とし有機質バインダ
ーで混練した金属化組成物をコー（１４） ティングして金属化層を形成し、その表面に直径が０．
２ミリメートルのタングステン線をニッケルメッキによ
り固着してサーミスタを作成し、その使用温度を０〜５
００°Ｃまで順次変化させたところ、第８図に示すよう
な電気固有抵抗値との関係を示すデータを得た。

以上のことからも明らかなように、本発明のサーミスタ
には次に示すような優れｊこ特徴があることが判明した
。

０発明の効果 本発明のサーミスタは、ＳｉＣ焼結体を基板としている
ため、耐熱性に特に優れており３００〜５００℃のよう
な高温域において使用できると共に、３００℃以下の低
温域においても使用できるので、広い温度範囲で使用す
ることができる。

そして、本発明のサーミスタは電極としての金属化層と
基板としての８ｉＣ焼結体との密着性が良好であり、電
極と基板との熱膨張差がきわめて少ない。

また、電極リード線はメッキ膜のように導電性（１５） のよい金属被膜で固着されているので熱応答性がよく、
さらには基板としての８ｉＣ素子は耐食性、耐摩耗性な
どに優れているため周囲の使用雰囲気などに変質するこ
となく経時変化もきわめて少な（、しかも抵抗値などの
バラツキが±３％以下であって再現性に優れており熱履
歴が少ないなどの数々の特徴を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のサーミスタの斜視図、第２図は本発
明のサーミスタ作成途中の中間品の斜視図、第３図〜第
６図は本発明のサーミスタの各種形状の断面図、第７図
は本発明のサーミスタの一例の斜視図及び第８図は電気
固有抵抗とサーミスタ使用温度との関係を示すグラフで
ある。１・・・・・・・・・８ｉＣ基板、２・・・・・
・・・・金属化層、３・・・・・・・・・電極リード線
、４・・・・・・・・・メッキ膜。 特許出願人 イビデン株式会社 代表者多賀潤一部 （１６） Ｑ− 第３図 一〇− 第７図 Ｊ］［

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、密度の可変によす電気抵抗値を調整しサーミスタ特
   性としてのＢ定数を可変し得る炭化珪素質焼結体から成
   る半導体の基板両面に金属化層を有し、前記金属化膜表
   面上に電極リード線を有し、前記リード線はメッキ膜に
   より固着されていることを特徴とする炭化珪素質サーミ
   スタ。 ２、密度が理論密度の５０〜９９％ＴＤであって、サー
   ミスタ特性としてのＢ値が５００〜５０００であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の炭化珪素質サ
   ーミスタ。 値は１０７〜１［１オーム・センナメートルの範囲にあ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の炭化珪素質サーミスタ。