KR100762212B1

KR100762212B1 - 세라믹 히터 및 이것을 사용한 가열용 인두

Info

Publication number: KR100762212B1
Application number: KR1020060043367A
Authority: KR
Inventors: 히로시 타케노우치
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2007-10-01
Also published as: JP2006331936A; KR20060122702A; JP4514653B2; CN1870839A; CN100584128C

Abstract

세라믹 히터에 있어서의 리드부재의 접합부의 냉열 사이클에 대한 내구성을 향상시켜, 장기간에 걸쳐 사용할 수 있는 세라믹 히터 및 이것을 사용한 가열용 인두를 제공한다.

발열저항체(2)와 상기 발열저항체(2)에 접속되는 인출패턴(3)을 매설한 세라믹체(1)와, 상기 세라믹체(1)에 형성된 스루홀(4)과, 상기 스루홀(4)의 적어도 내주에 형성된 스루홀 도체층(5)과, 세라믹체(1) 표면에 스루홀 도체층(5)과 접속된 전극패드 패턴(6)을 갖고, 적어도 상기 전극패드 패턴(6)이 리드부재(7)를 접속하여 이루어지고, 도체층(5)과 인출패턴(3) 사이에 금속재료(9)가 충전되어 있다.

Description

세라믹 히터 및 이것을 사용한 가열용 인두{CERAMIC HEATER AND IRON FOR HEATING USING THE SAME}

도 1은, 본 발명의 세라믹 히터의 일실시형태를 나타내는 것으로, (a)는 사시도, (b)는 전극패드 패턴 주변의 부분단면도이다.

도 2의 (a)는 본 발명의 세라믹 히터에 있어서의 스루홀 부분을 나타내는 단면도이며, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 평면도를 나타내는 평면도이다.

도 3은, 본 발명의 세라믹 히터의 제조방법을 설명하는 사시도이다.

도 4의 (a)는 종래의 세라믹 히터를 나타내는 사시도이며, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 세라믹체의 분해사시도, 도 4의 (c)는 전극패드 패턴 주변의 부분단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 21···세라믹체

2, 22···발열저항체

3, 23···인출패턴

4, 24···스루홀

5, 25···스루홀 도체층

6, 26···전극패드 패턴

7, 27···리드부재

8, 28···도금층

9, 29···금속재료

10, 10a, 10b, 30, 30a, 30b···세라믹 그린시트

11, 31···세라믹 심재

12···볼록형상

본 발명은, 세라믹 히터 및 이것을 사용한 가열용 인두에 관한 것이고, 특히 자동차용 공연비 검지센서 가열용 히터, 기화기용 히터, 글로우 플러그, 기화기, 석유스토브 점화·기화기, 밀봉기, 각종 산업기기, 땜납인두용 히터, 헤어인두용 히터 등에 사용하는 세라믹 히터 및 이것을 사용한 가열용 인두에 관한 것이다.

종래부터, 공연비 센서 가열용 히터 등의 자동차용 히터로서 도 4 (a)에 나타내는 바와 같은 원기둥형상의 세라믹 히터가 다용되고 있다. 이 세라믹 히터는, 예를 들면, 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹체(21) 중에 W, Re, Mo 등의 고융점금속으로 이루어지는 발열저항체(22)가 매설되고, 상기 발열저항체(22)의 끝부에 형성된 인출패턴(23)에 전극패드(26)를 개재해서 리드부재(27)가 접속되어 구성되어 있다(예를 들면, 특허문헌1, 특허문헌2 참조).

상기 원기둥형상의 세라믹 히터는, 예를 들면 이하와 같이 해서 제조할 수 있다. 즉, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 세라믹 심재(31)와 세라믹 그린시트(30a, 30b)를 준비하고, 세라믹 그린시트(30a)의 한쪽의 주면에 W, Re, Mo 등의 고융점금속의 페이스트를 인쇄해서 발열저항체(22)와 인출패턴(23)을 형성한다. 이어서, 이 세라믹 그린시트(30a)와 세라믹 그린시트(30b)를 적층한 세라믹 그린시트(30)를 세라믹 심재(31)의 주위에 감고, 전체를 소성 일체화한 후, 리드부재를 부착한다. 세라믹 그린시트(30b)에는, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 발열저항체(22)에 접속된 인출패턴(23)의 말단부근에 대응하는 위치에 스루홀(24)이 형성되어 있고, 이 스루홀(24)의 내측면에는 스루홀 도체층(25)이 형성되어 있다. 이것에 의해, 소성 후의 세라믹체(21) 중의 인출패턴(23)은 스루홀 도체층(25)을 통해서 전극패드(26)와 전기적으로 접속된다(도 4(c) 참조).

또한, 전극패드(26) 및 스루홀 도체층(25)에는 Ni, Cr 등의 내열금속재료로 이루어지는 도금층(28)이 형성된다. 또, 스루홀(24)에는 땜납재(29)가 충전된다. 이 땜납재(29)는 Fe-Ni합금이나 Ni, Cr 등을 함유하는 내열금속재료로 이루어지는 리드부재(27)와 전극패드(26) 사이에도 충전되어, 리드부재(27)를 전극패드(26)에 납땜해서 접합하고 있다. 그리고, 이 리드부재(27)로부터 통전함으로써 발열저항체(22)가 발열한다. 또한, 땜납재(29)의 표면에는, 또 도금층이 형성되어 있다(도시생략).

[특허문헌1] 일본 특허공개 2001-126852호 공보

[특허문헌2] 일본 특허공개 평 11-354255호 공보

그런데, 종래부터 사용되고 있는 상기와 같은 세라믹 히터에 있어서는, 리드 부재가 부착되어 있는 전극패드(26)에 열이력이 반복하여 가해지므로, 전극패드(26)와 리드부재(27)의 접합부가 열화되어서 리드부재가 떨어지는 일이 있어 내구성의 점에서 문제가 있었다.

또한, 최근에는 자동차의 배기가스에 관한 규제가 엄격해져, 공연비 제어용으로 사용하는 산소센서의 상승속도를 높이는 것이 필요로 되고 있다. 이 때문에, 세라믹 히터의 상승특성을 개선하는 것이 필요하게 됨으로써 세라믹 히터의 사용온도가 높아져, 상기의 문제가 현저해졌다.

특히, 자동차용으로 사용하는 세라믹 히터에 대해서는 높은 신뢰성이 요구되므로, 1000개 중 1개라도 상기와 같은 불량이 발생하는 것은 바람직하지 않다.

또한, 최근의 땜납의 납 프리화가 진행되는 중으로, 히터의 고온화가 진행되고, 그것에 따라 리드부재가 부착되어 있는 전극패드부에 가해지는 온도차도 커지는 경향이 있다. 또한, 헤어인두 등은 소형화가 진행되어, 발열부분과 전극패드의 거리가 짧아지는 경향이 있고, 온도차가 큰 열이력이 전극패드에 가해지도록 되어 오고 있다.

본 발명은 상술의 문제점을 감안하여 안출된 것이며, 본 발명의 목적은 세라믹 히터에 있어서의 리드부재의 접합부의 냉열 사이클에 대한 내구성을 향상시켜, 장기간에 걸쳐 사용할 수 있는 세라믹 히터 및 이것을 사용한 가열용 인두를 제공하는 것에 있다.

본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해 예의검토한 결과, 스루홀 도체층과 인출패턴 사이 등의 잘록한 부분에 금속재료를 충전하고, 이 금속재료를 리드부재에 접합함으로써, 리드부재의 접합강도를 현저하게 향상시킬 수 있다는 새로운 사실을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 세라믹 히터는 발열저항체와, 상기 발열저항체에 접속된 인출패턴과, 상기 발열저항체 및 인출패턴이 매설되고, 상기 인출패턴에 도달하는 스루홀이 형성된 세라믹체와, 상기 스루홀의 적어도 내측면에 형성된 스루홀 도체층과, 상기 스루홀 도체층에 전기적으로 접속되고, 상기 세라믹체의 표면에 형성된 전극패드 패턴과, 상기 전극패드 패턴에 전기적으로 접속된 리드부재를 갖는 세라믹 히터에 있어서, 상기 스루홀 도체층은 상기 스루홀의 내측면측에 잘록한 두께가 얇은 영역을 갖고, 상기 두께가 얇은 영역에 금속재료가 충전되어 있으며, 상기 금속재료가 상기 리드부재에 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서의 상기 두께가 얇은 영역은, 상기 스루홀 도체층의 최대 두께부분보다 상기 인출패턴측의 위치이고, 또한, 상기 최대 두께부분의 근방에 위치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 세라믹 히터는 발열저항체와, 상기 발열저항체에 접속된 인출패턴과, 상기 발열저항체 및 인출패턴이 매설되고, 상기 인출패턴에 도달하는 스루홀이 형성된 세라믹체와, 상기 스루홀의 적어도 내측면에 형성된 스루홀 도체층과, 상기 스루홀 도체층에 전기적으로 접속되고, 상기 세라믹체의 표면에 형성된 전극패드 패턴과, 상기 전극패드 패턴에 전기적으로 접속된 리드부재를 갖는 세라 믹 히터에 있어서, 상기 스루홀 도체층과 상기 인출패턴 사이에 금속재료가 충전되어 있고, 상기 금속재료가 상기 리드부재에 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서의 상기 금속재료는 상기 스루홀 내에 충전되어, 상기 리드부재와 접합되어 있는 것이 좋다.

또한, 본 발명에 있어서의 상기 금속재료는 땜납재인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는, 상기 스루홀 도체층의 표면 및 상기 스루홀이 형성된 부분에 있어서의 상기 인출전극 패턴(인출패턴)의 표면에는 금속도금층이 형성되어 있고, 상기 스루홀 도체층의 표면의 상기 금속도금층과 상기 인출패턴의 표면의 상기 금속도금층 사이에 상기 금속재료가 충전되어 있는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에서는, 상기 인출패턴은 상기 스루홀이 형성된 부분이 상기 스루홀측에 볼록형상으로 솟아올라 있는 것이 좋다.

또한, 본 발명에서는, 상기 전극패드 패턴 및 스루홀 도체층의 표면조도 (Ra)를 1㎛이상으로 하고, 상기 전극패드 패턴상에 땜납재를 사용해서 상기 리드부재를 고정하는 것이 좋다.

본 발명에 있어서의 상기 스루홀 도체층의 두께는 스루홀 지름의 5%~25%인 것이 좋다.

또한, 본 발명에 있어서의 상기 스루홀 도체층의 두께는 상기 스루홀의 개구측보다 상기 인출패턴측 쪽이 두꺼운 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서의 상기 스루홀 도체층은, 상기 스루홀의 개구측으로부터 상기 인출패턴측을 향해서 점차 두께가 증가되고 있는 것이 좋다.

또한, 본 발명에서는, 상기 스루홀 도체층의 표면에 존재하는 Si를 주성분으로 하는 유리입자의 최대지름이 100㎛이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 가열용 인두는, 상기 세라믹 히터를 가열수단으로서 사용한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 세라믹 히터의 실시형태를 도면에 기초해서 설명한다.

도 1은, 본 발명의 세라믹 히터의 일실시형태를 나타내는 도면이며, (a)는 사시도, (b)는 동도(a)의 전극패드부 주변을 나타내는 부분단면도이다.

본 실시형태의 세라믹 히터는 발열저항체(2)와, 상기 발열저항체(2)에 접속된 인출패턴(3)과, 발열저항체(2) 및 인출패턴(3)이 매설되고, 상기 인출패턴(3)에 도달하는 스루홀(4)이 형성된 세라믹체(1)와, 스루홀(4)의 내측면에 형성된 스루홀 도체층(5)과, 상기 스루홀 도체층(5)에 전기적으로 접속되고, 세라믹체(1)의 표면에 형성된 전극패드 패턴(6)과, 상기 전극패드 패턴(6)에 전기적으로 접속된 리드부재(7)를 갖고 있다.

스루홀 도체층(5)의 표면 및 스루홀(4)이 형성된 부분에 있어서의 인출패턴(3)의 표면에는 금속도금층(8)이 형성되어 있다. 또한, 스루홀(4) 내에는 금속재료(9)가 충전되어 있다. 이 금속재료(9)는 전극패드 패턴(6)과 리드부재(7) 사이에도 충전되어 있다. 이것에 의해, 리드부재(7)는 전극패드 패턴(6)에 접합됨과 아울러, 전극패드 패턴(6)에 전기적으로 접속되고, 스루홀 도체층(5)을 개재해서 인출패턴(3) 및 발열저항체(2)와 전기적으로 접속된 구조로 되어 있다.

도 2(a)는, 도 1(b)에 있어서의 스루홀(4) 주변을 확대한 단면도이다. 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 세라믹 히터는 스루홀 도체층(5)과 인출패턴(3) 사이에 금속재료(9)가 충전되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 즉, 스루홀 도체층(5)은 스루홀(4)의 내측면측에 잘록한 두께가 얇은 영역(스루홀 도체층(5)과 인출패턴(3) 사이)을 갖고, 상기 두께가 얇은 영역에 금속재료(9)가 충전되어 있다. 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 이 두께가 얇은 영역은 스루홀 도체층(5)의 최대 두께부분보다 인출패턴(3)측의 위치이고, 또한 최대 두께부분의 근방에 위치하고 있다. 이 금속재료(9)는 스루홀(4) 내에 충전되어 있고, 리드부재(7)와 접합되어 있다(도 1(b) 참조). 즉, 스루홀 도체층(5)과 인출패턴(3) 사이에 충전된 금속재료(9)에 의해 앵커효과가 얻어지므로, 금속재료(9)와 스루홀 도체층(5) 및 전극패드 패턴(6)과의 접합강도가 향상된다. 이것에 의해, 리드부재(7)와 전극패드 패턴(6)의 접합강도가 향상되는 것으로 이어지고, 냉열 사이클에 의한 열이력을 받은 경우라도 리드부재(7)의 접합강도(인장강도)가 유지되어, 내구성이 높은 세라믹 히터를 얻을 수 있다.

금속재료(9)로서는, Ag-Cu, Ag, Au-Cu 등의 땜납재를 사용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 고온에서의 접합강도가 향상되어, 냉열 사이클에 대해 내구성이 보다 높은 세라믹 히터를 얻을 수 있다. 일반적으로, 땜납재는 융점이 600℃이상이며, 땜납와 비교하면 고온내구성이 뛰어나고, 냉열 사이클에 있어서도 내산화성이 뛰어나므로 금속재료(9)로서 바람직하다.

또한, 금속재료(9)는 스루홀 도체층(5) 및 인출패턴(3) 사이에 금속도금층(8)을 개재하여 충전되어 있는 것이 보다 바람직하다. 본 실시형태에서는, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 스루홀 도체층(5)의 표면 및 스루홀(4)이 형성된 부분에 있어서의 인출패턴(3)의 표면에는 금속도금층(8)이 형성되어 있다. 즉, 스루홀 도체층(5)의 표면의 금속도금층(8)과 인출패턴(3)의 표면의 금속도금층(8) 사이에 금속재료(9)가 충전된 구조로 되어 있다. 이것에 의해, 리드부재(7)의 접합강도가 더욱 향상되어 내구성이 더욱 높은 세라믹 히터를 얻을 수 있다. 금속도금층(8)을 형성함으로써 땜납재 등의 금속재료(9)의 습윤성이 향상되고, 금속재료(9)의 충전정도도 향상되므로 접합강도가 현저하게 향상되어, 내구성이 현저하게 향상된다. 금속도금층(8)을 구성하는 재료로서는 예를 들면 Ni, Au, Cr 등이 예시된다.

또한, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 인출패턴(3)은 스루홀(4)이 형성된 부분이 상기 스루홀(4)의 개구부측을 향해서 볼록형상으로 솟아올라 있는 부분(12)을 갖고 있는 것이 보다 바람직하다. 이 볼록형상부분(12)을 갖고 있음으로써 냉열 사이클에서 발생하는 금속재료(9)의 열팽창에 의한 응력을 분산시킬 수 있고, 스루홀 도체층(5)과 금속재료(9) 사이, 및 금속도금층(8)과 금속재료(9) 사이에 있어서의 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 보다 내구성이 높은 세라믹 히터를 얻을 수 있다. 또한, 볼록형상부분(12)이 완만한 만곡형상일 때에는, 예각인 볼록형상일 경우와 비교해서 냉열 사이클에서 발생하는 금속재료(9)의 열팽창에 의한 응력의 집중을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

스루홀 도체층(5) 및 전극패드 패턴(6)의 표면조도(Ra)는 1㎛이상, 바람직하게는 5~10㎛로 되도록 하는 것이 좋다. 이렇게 스루홀 도체층(5) 및 전극패드 패턴(8) 표면에 요철을 냄으로써 접촉면적을 늘리고, 금속재료(9)와의 접합강도를 더 욱 향상시킬 수 있다. 한편, 표면조도(Ra)가 1㎛미만에서는 접합강도가 충분히 얻어지지 않을 우려가 있다. 이 표면조도는, 비접촉식 3차원 표면조도 계측장치 등을 사용해서 측정할 수 있다.

또한, 스루홀(4)의 내측면에 형성된 스루홀 도체층(5)의 두께는 스루홀(4)의 지름의 5~25%의 범위 내인 것이 좋다. 스루홀 도체층(5)의 두께가 스루홀(4)의 지름의 5%미만으로 되면, 스루홀(4)의 내측면에 대한 스루홀 도체층(5)의 밀착강도가 충분히 확보되지 않고, 냉열 사이클에 있어서, 금속재료(9)의 열팽창에 따른 응력에 의해 금속재료(9)와의 사이에 크랙(층간박리)이 발생할 우려가 있다. 또, 스루홀(4)의 지름의 25%를 초과하면, 스루홀 도체층(5)의 표면에 초기 크랙이 발생하여 그 영향에 의해 내구성이 열화될 우려가 있다.

또한, 스루홀 도체층(5)의 두께는, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이 스루홀(4)의 개구측보다 인출패턴(3)측쪽이 두껍게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 개구측의 두께가 얇고, 인출패턴(3)측의 두께가 두꺼움으로써 금속재료(9)의 열팽창에 의한 스루홀(4) 내로의 응력집중을 완화시킬 수 있다. 또한, 인출패턴(3)측의 두께를 두껍게 함으로써 스루홀 도체층(5)과 인출패턴(3) 사이에 금속재료(9)를 충전하는 공간을 크게 할 수 있으므로, 리드부재(7)의 접합강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또, 스루홀 도체층(5)의 두께는 스루홀(4)의 개구측으로부터 인출패턴(3)측을 향해서 점차 증가되어 있는 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 상기한 응력집중의 완화효과를 더욱 높일 수 있다.

또한, 스루홀 도체층(5)의 표면에 존재하는 Si를 주성분으로 하는 유리입자 의 최대지름은 100㎛이하인 것이 좋다. 본 실시형태에 있어서의 세라믹 히터에서는, 소성시에 스루홀(4)의 내측면에 형성된 스루홀 도체층(5) 및 전극패드 패턴(6)의 표면에 세라믹체(1)로부터 세라믹체(1) 내의 Si를 주성분으로 하는 유리성분(입자)이 석출된다. 이 유리입자의 최대입경이 100㎛를 초과할 경우, 금속재료(9), 금속도금층(8)이 스루홀 도체층(5), 전극패드 패턴(6)의 표면과 접촉하는 방해가 되므로, 냉열 사이클에서 생기는 열응력에 의해 금속재료(9)와, 금속도금층(8) 및 스루홀 도체층(5) 사이에 발생하는 크랙의 기점으로 될 우려가 있다. 따라서, 블라스트 처리, 초음파세정 등의 처리에 의해 최대입경을 100㎛이하로 하는 것이 바람직하다.

세라믹체(1)는 알루미나질 세라믹스, 질화규소질 세라믹스, 질화알루미늄질 세라믹스, 탄화규소질 세라믹스 등의 각종 세라믹스로 이루어지고, 특히 알루미나질 세라믹스로 이루어지는 것이 내산화성의 점에서 바람직하다. 이 알루미나질 세라믹스로서는, 예를 들면 Al₂O₃를 88~95중량%, SiO₂를 2~7중량%, CaO를 0.5~3중량%, MgO를 0.5~3중량%, ZrO₂를 1~3중량%로 이루어지는 조성이 예시된다. Al₂O₃의 함유량이 88중량%미만으로 되면, 유리질의 비율이 많아지므로 통전시의 마이그레이션이 커질 우려가 있다. 한편, Al₂O₃의 함유량이 95중량%를 초과하면, 세라믹체(1) 중에 매설된 발열저항체(2)의 금속재료 내에 확산되는 유리량이 감소하여, 세라믹 히터의 내구성이 충분히 얻어지지 않을 우려가 있다.

또한, 세라믹체(1)는, 예를 들면 외경이 2~20㎜정도, 길이가 40~60㎜정도인 원기둥형상의 것을 예시할 수 있다. 특히, 자동차의 공연비 센서 가열용 세라믹 히터로서는, 외경을 2~4㎜, 길이를 40~65㎜로 하는 것이 리드부재 접합부분의 온도가 너무 고온으로 되지 않는 점에서 바람직하다.

세라믹체(1)에 매설된 발열저항체(2)로서는 W, Mo, Re 등의 고융점금속을 주성분으로 하는 것이 예시된다. 이 발열저항체(2)는, 세라믹 히터의 용도에 따라 리턴패턴의 거리를 변경하거나, 패턴선폭을 변경하거나 해서 발열위치, 저항값을 임의로 설정할 수 있다.

다음에, 본 발명의 세라믹 히터의 제조방법에 대해서 도 3를 참조하여 설명한다.

우선, 알루미나를 주성분으로 하고, 소결조제로서 SiO₂, CaO, MgO, ZrO₂를 합계량으로 4~12중량% 함유하는 세라믹 슬러리를 시트형상으로 성형한 세라믹 시트(10a, 10b)를 준비한다.

이어서 W, Mo, Re 등의 고융점금속과 세라믹 원료, 바인더, 유기용제 등을 조합, 혼련하여 제작한 페이스트를 사용해서, 세라믹 시트(10a)의 한쪽 주면에 발열저항체(2) 및 인출패턴(3)을 프린트 혹은 전사 등의 방법을 이용해서 형성한다. 이 발열저항체(2)는 세라믹 히터의 용도에 따라 리턴패턴의 거리를 변경하거나, 패턴선폭을 변경하거나 해서 발열위치, 저항값을 임의로 설정할 수 있다.

다음에 세라믹 시트(10b)에 스루홀(4)을 형성하고, 상기 스루홀(4)에 W, Mo, Re 중 적어도 1종류를 주성분으로 하는 도전재료(스루홀 도체층(5)의 재료)를 스루 홀(4)의 내측면에 도포한다. 이 도전재료는 스루홀(4)의 내경, 높이 등에 따라서 미리 점도가 조정되어 있다. 이 점도조정에 의해, 스루홀(4) 내에 있어서 도전재료가 하방측으로 많이 흐르고, 그 일부가 스루홀의 하단 둘레 가장자리로부터 외부로 넘쳐 나오게 된다. 이 상태에서, 스루홀(4)의 내측면의 도전재료 및 스루홀(4)의 외부에 넘쳐 나온 도전재료를 적당한 점도가 될 때까지 건조시킨다. 이것에 의해, 스루홀 도체층(5)의 두께를 스루홀(4)의 개구측보다 인출패턴(3)측 쪽이 두꺼워지도록 할 수 있다. 스루홀 도체층(5)의 두께는 도전재료의 점도, 건조조건 등에 의해 제어 가능하다.

다음에, 세라믹 시트(10b)의 한쪽 주면에 전극패드 패턴(6)을 프린트 혹은 전사 등의 방법을 이용해서 형성한다.

이어서, 발열저항체(2) 및 스루홀(4)과 겹치는 부분을 제외한 인출패턴(3)상에 세라믹 시트(10a, 10b)와 거의 동등한 조성으로 이루어지는 코트층을 형성한 후, 세라믹 시트(10b)와 세라믹 시트(10a)를 적층하여, 소정의 압력으로 가압한다. 이때, 가압조건을 제어함으로써 스루홀(4)의 외부에 나와 있는 도전재료가 스루홀 내에 밀어넣어져서 변형됨으로써, 스루홀 도전층(5)과 인출패턴(3) 사이에 간극이 형성된다. 또한, 이때, 가압조건을 제어함으로써 스루홀(4)로부터 빠져나오는 압력에 의해 스루홀(4) 내의 볼록형상부분(12)을 형성할 수 있다. 볼록형상부분(12)을 형성하는 다른 방법으로서는, 인출패턴(3)의 제작시에 스루홀(4)의 위치의 패턴두께를 국부적으로 두껍게 한 상태에서 가압·가열 밀착하는 방법도 있다.

또한, 도전재료의 일부가 스루홀(4)의 외부로 나가도록 함으로써, 스루홀 도 체층(5)이 인출패턴(3)과 겹치는 부분을 확실하게 만들 수 있으므로, 이들 패턴끼리의 접합상태를 향상시킬 수 있다.

이렇게 형성된 세라믹 시트(10)를 세라믹 심재(11)의 주위에 밀착액을 사용하여 감아서 밀착시켜, 통형상의 성형체를 얻는다. 이어서, 얻어진 성형체를 1500~1650℃정도의 환원분위기 중에서 소성하여 세라믹체(1)가 얻어진다.

그 후, 전극패드 패턴(6)의 표면, 및 스루홀(4) 내의 스루홀 도체층(5), 볼록형상부분(12), 인출패턴(3)의 표면에 전해도금법이나 무전해도금법에 의해 Ni, Cr 등의 금속으로 이루어지는 금속도금층(8)을 형성한다. 도금두께는 1~5㎛정도인 것이 바람직하다. 금속도금층(8)의 두께가 두꺼워지면, 금속도금층(8) 내에서 격리가 발생할 우려가 있다. 도금이외의 방법으로서는 스퍼터나, 용사, 서브미크론의 귀금속입자를 함유하는 용제를 도포 건조시키는 등의 방법에 의해 도금층(8)의 대용으로 할 수 있다.

다음에, Au-Cu, Ag, Ag-Cu 등의 주성분으로 하는 땜납재를 금속재료(9)로서 사용하고, 전극패드 패턴(6)과 리드부재(7)를 수증기를 함유한 환원분위기 중에서 접합한다. 또한, 도금면의 세정, 가열온도·분위기를 관리함으로써 스루홀 도체층(5), 볼록형상부분(12), 인출패턴(3) 등에 대한 땜납재의 습윤성을 향상시킬 수 있다. 이것에 의해, 스루홀 도체층(5)과 인출패턴(3) 사이, 및 스루홀(4) 내에 땜납재를 충전시킬 수 있다.

또한, 도시생략했지만, 전극패드 패턴(6) 및 금속재료(9)의 표면에 또 Au, Cr, Ni 등의 도금층을 1~10㎛ 형성하면, 금속재료(9)의 산화 열화를 억제할 수 있 다.

또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상술의 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 스루홀 도체층과 인출패턴 사이에 금속재료가 충전된 것이면 좋고, 원기둥형상, 판형상 등의 여러가지 형상의 세라믹 히터에 적용할 수 있다.

또한, 상술의 세라믹스 히터를 금속제 인두끝 등에 고정하여, 온도제어장치 등의 전기회로와 접속하면, 가열용 인두를 제작할 수 있다. 본 발명의 가열용 인두는 땜납작업용 인두, 헤어컬러용 인두 등에 이용할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에서는, 스루홀 도체층에 있어서 스루홀의 내측면측에 잘록한 두께가 얇은 영역이 스루홀 도체층과 인출패턴 사이에 존재하는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 본 발명에서는, 두께가 얇은 영역은 상기 실시형태에서 예시한 위치에 한정되는 것이 아니라, 스루홀 도체층 중 어느 하나의 위치에 있으면 된다. 이것에 의해, 잘록한 두께가 얇은 영역에 충전된 금속재료가 앵커효과를 발휘해서 리드부재와 세라믹체의 접합강도가 비약적으로 향상되고, 냉열 사이클후라도 리드부재의 접합강도(인장강도)가 높아 내구성이 뛰어난 것으로 된다.

[실시예]

하기의 형상, 재료 등을 사용해서 세라믹 히터를 제작했다.

히터의 치수:φ 3㎜×길이 55㎜

저항발열체의 길이:5㎜

전극패드 패턴:5㎜×4㎜

스루홀 지름:500㎛

저항값:12~13Ω

금속도금층:두께 2~4㎛의 Ni도금층

금속재료:Ag-Cu땜납재, 또는 Ag-Sn땜납

리드부재:φ 0.8㎜×길이 20㎜

이하에, 이 세라믹 히터의 제조순서를 나타낸다.

우선, Al₂O₃를 주성분으로 하고, SiO₂, CaO, MgO, ZrO₂를 합계 10중량%이내가 되도록 조정한 세라믹 그린시트를 준비하여, 이 표면에 W-Re를 주성분으로 하는 페이스트를 사용해서 발열저항체(2)를 스크린 인쇄법으로 프린트하고, W를 주성분으로 하는 페이스트를 사용해서 인출패턴(3)을 스크린 인쇄법으로 프린트했다.

또한, 다른 세라믹 그린시트에 스루홀(4)을 형성하고, W를 주성분으로 하는 페이스트를 사용해서 스루홀 도체층(5)을 형성했다. 이때, 스루홀 도체층(5)을 형성하는 페이스트의 점도 및 건조조건을 조정하고, 스루홀 지름에 대한 스루홀 도체층(5)의 두께가 3~27%인 샘플을 제작했다. 또한, 같은 방법으로 스루홀 도체층(5)의 하부두께가 두꺼운 샘플을 제작했다. 그 후, 스루홀(4)상에 전극패드 패턴(6)을, W를 주성분으로 하는 페이스트를 사용해서 스크린 인쇄법으로 프린트했다.

다음에, 먼저 발열저항체(2)를 프린트한 시트에, 발열저항체(2)의 표면에 세라믹 그린시트와 거의 동일한 성분으로 이루어지는 코트층을 형성해서 충분히 건조시킨 후, 또한 상기 세라믹 그린시트와 대략 동일한 조성의 세라믹스를 분산시킨 밀착액을 도포하여 스루홀(4), 전극패드 패턴(6)을 형성한 세라믹 그린시트와 가압 ·가열 밀착했다. 여기서, 종래의 가압조건의 약 1.5배의 압력(약 3kgf/㎠의 하중)으로 가압하여 스루홀(4) 내의 볼록형상(12)을 형성했다.

그리고, 이 밀착시킨 시트의 이면에 세라믹 그린시트와 대략 동일한 조성의 세라믹스를 분산시킨 밀착액을 도포해서, 세라믹 심재의 주위에 밀착시켜, 1500~1600℃의 환원분위기 중에서 소성했다.

그 후, 스루홀(4), 전극패드 패턴(6)에 블라스트 처리를 행하고, 소성에 의해 석출된 유리층의 제거를 행함과 동시에, 표면조도를 0.7~5㎛까지 조정했다.

다음에, 먼저 제거된 유리입자 대신에 임의의 입경의 유리입자를 스루홀 내에 넣었다.

다음에, 전해도금으로 도금층(8)을 형성하고, Ag-Cu땜납, Ag-Sn땜납를 금속재료(9)로 해서 리드부재를 접합하여 세라믹 히터 시료를 얻었다.

그리고, 전극패드 패턴부의 온도를 금속재료(9)의 융점의 1/2의 온도(Ag-Sn땜납의 경우, 약 100℃, Ag-Cu땜납의 경우, 약 400℃)로 설정한 항온조에 10분간 유지하고, 25℃의 공기에서 강제 공냉하는 냉열 사이클을 4000사이클 행하여 테스트한 후의 리드부재의 인장강도를 측정하고, 리드부재의 인장강도가 20N이상인 것을 판단조건으로 했다.

이들의 결과를 표 1에 나타낸다.

또한, 인장강도 측정방법을 이하에 나타낸다.

시험방법:인장시험기에 히터를 고정하여, 리드를 수직방향으로 로드 셀로 32㎜/min의 속도로 인장하고, 절단했을 때의 가중을 측정.

두께 측정방법:시험 후의 히터를 수지에 메워넣고, 연마를 행하여 단면으로부터 현미경으로 두께를 측정했다.

표면조도:표면조도(Ra)는 비접촉식 3차원 표면조도 계측장치로 측정했다.

동표로부터, 본 발명의 비교예인 시료No.1은 인장강도가 6N으로 약하고, 리드접합부의 내구성이 현저하게 낮다. 이것은, 인출패턴(3)과 스루홀 도체층(5) 사이에 금속재료(9)를 충전할 수 없으므로 앵커효과를 이용할 수 없기 때문이다.

이것에 대하여, 인출패턴(3)과 스루홀 도체층(5) 사이에 금속재료(9)가 충전된 시료No.2는 인장강도 22N으로, 리드접합부의 내구성은 양호한 결과로 되었다.

또한, 금속재료(9)에 땜납를 사용한 시료No.2는 냉열 사이클에서 땜납의 부식이 발생되어 있었지만, 금속재료(9)에 땜납재를 사용한 시료No.3는, 더욱 리드접합부의 내구성이 양호한 결과로 되었다.

또한, 금속재료(9)가 도체층(5) 및, 인출패턴 표면(3)의 금속도금층(8)을 개재해서, 충전되어 있는 시료No.4는 금속재료(9)의 도포성이 개선되어, 시료No.2~3보다 리드접합부의 내구성이 양호한 결과로 되었다.

또한, 시료No.5에서, 시료No.2~4보다 내구시험 후의 인장강도의 값이 높으므로, 스루홀 저부의 볼록형상(12)을 형성하는 것이 리드접합부의 내구성에 있어서 바람직한 결과로 되었다.

또한, 스루홀 도체층(5) 및 전극패드 패턴(6)의 표면조도가 Ra 1㎛이상인 시료No.6~8과 시료No.2~5의 비교로부터, 스루홀 도체층(5) 및 전극패드 패턴(6)의 표면조도가 Ra 1㎛이상 있는 것이 리드접합부의 내구성에 보다 바람직하다. 특히, 표면조도는 Ra 5㎛가 바람직하다.

또한, 시료No.10~13과 시료No.8, 9의 비교로부터, 스루홀 내측면에 형성된 도체층(5)의 두께는 스루홀(4)의 지름이 5%~25%이내인 것이 리드접합부의 내구성에 보다 바람직한 것이 판명되었다. 특히, 스루홀 내측면에 형성된 도체층(5)의 두께는 스루홀(4)의 지름의 20%인 것이 바람직하다.

또한 시료No.14~16과 시료No.12, 13의 비교로부터, 스루홀 내측면에 형성된 스루홀 도체층 표면에 잔류하는 Si를 주성분으로 하는 유리입자의 최대지름이 100㎛이하인 것이 리드접합부의 내구성에 있어서 뛰어난 것을 알 수 있었다.

본 발명의 세라믹 히터에 의하면, 스루홀 도체층이 스루홀의 내측면측에 잘록한 두께가 얇은 영역을 갖고, 상기 두께가 얇은 영역에 금속재료가 충전되어 있으며, 상기 금속재료가 상기 리드부재에 접합되어 있으므로, 잘록한 두께가 얇은 영역에 충전된 금속재료가 앵커효과, 쐐기효과를 발휘해서 리드부재와 세라믹체의 접합강도가 비약적으로 향상되고, 냉열 사이클 후라도 리드부재의 접합강도(인장강도)가 높으며, 내구성이 뛰어난 것으로 된다.

특히, 두께가 얇은 영역이 스루홀 도체층의 최대 두께부분보다 인출패턴측의 위치이고, 또한, 최대 두께부분의 근방에 위치하고 있음으로써 잘록한 두께가 얇은 영역에 충전된 금속재료의 앵커효과가 더욱 향상된다.

본 발명의 세라믹 히터에 의하면, 스루홀 도체층과 인출패턴 사이에 금속재료가 충전되어 있고, 상기 금속재료가 리드부재에 접합되어 있으므로, 앵커효과에 의해 리드부재와 세라믹체의 접합강도가 비약적으로 향상되고, 냉열 사이클 후라도 리드부재의 접합강도(인장강도)가 높아 내구성이 뛰어나다.

스루홀 도체층의 표면 및 스루홀이 형성된 부분에 있어서의 인출전극 패턴의 표면에 금속도금층이 형성되고, 상기 금속도금층이 형성된 스루홀 도체층과 인출패턴 사이에 금속재료가 충전되어 있을 때에는, 고온에 견딜 수 있는 금속재료를 치밀하게 충전할 수 있으므로 더욱 내구성이 양호하게 된다.

또한, 스루홀이 형성된 부분에 있어서의 상기 인출패턴이 스루홀측에 볼록형상으로 솟아올라 있을 때는, 금속재료의 열팽창에 의한 스루홀 도체층으로의 응력집중이 완화되고, 크랙의 발생이 억제되며, 리드부재의 접합 내구성이 더욱 향상된다.

또한, 전극패드 패턴 및 스루홀 내 도체층의 표면조도(Ra)를 1㎛이상으로 하고, 전극패드 패턴상에 땜납재를 사용해서 리드부재를 고정했을 때에는, 땜납재와 스루홀 도체층의 접촉면적, 땜납재와 전극패드의 접촉면적이 증가하므로, 이들의 접합강도가 향상되어서 더욱 내구성이 향상된다.

또한, 본 발명의 가열용 인두는 상기 세라믹 히터를 가열수단으로서 사용하고 있으므로, 급속가열을 반복하여 행한 경우라도 뛰어난 내구성을 발휘한다.

Claims

발열저항체;

상기 발열저항체에 접속된 인출패턴;

상기 발열저항체 및 인출패턴이 매설되고, 상기 인출패턴에 도달하는 스루홀이 형성된 세라믹체;

상기 스루홀의 적어도 내측면에 형성된 스루홀 도체층;

상기 스루홀 도체층에 전기적으로 접속되고, 상기 세라믹체의 표면에 형성된 전극패드 패턴;및

상기 전극패드 패턴에 전기적으로 접속된 리드부재를 갖는 세라믹 히터에 있어서:

상기 스루홀 도체층은 상기 스루홀의 내측면측에 잘록한 두께가 얇은 영역을 갖고, 상기 두께가 얇은 영역에 금속재료가 충전되어 있으며, 상기 금속재료가 상기 리드부재에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항에 있어서, 상기 스루홀의 내측면측에 잘록한 두께가 얇은 영역이 상기 스루홀 도체층의 최대 두께부분보다 상기 인출패턴측의 위치이고, 또한 상기 최대 두께부분의 근방에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
발열저항체;

상기 발열저항체에 접속된 인출패턴;

상기 발열저항체 및 인출패턴이 매설되고, 상기 인출패턴에 도달하는 스루홀이 형성된 세라믹체;

상기 스루홀의 적어도 내측면에 형성된 스루홀 도체층;

상기 스루홀 도체층에 전기적으로 접속되고, 상기 세라믹체의 표면에 형성된 전극패드 패턴;및

상기 전극패드 패턴에 전기적으로 접속된 리드부재를 갖는 세라믹 히터에 있어서:

상기 스루홀 도체층과 상기 인출패턴 사이에 금속재료가 충전되어 있고, 상기 금속재료가 상기 리드부재에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속재료가 상기 스루홀 내에 충전되고 상기 리드부재와 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속재료가 땜납재인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스루홀 도체층의 표면 및 상기 스루홀이 형성된 부분에 있어서의 상기 인출패턴의 표면에는 금속도금층이 형성되어 있고, 상기 스루홀 도체층의 표면의 상기 금속도금층과 상기 인출패턴의 표면의 상기 금속도금층 사이에 상기 금속재료가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인출패턴은 상기 스루홀이 형성된 부분이 상기 스루홀측에 볼록형상으로 솟아올라 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극패드 패턴 및 상기 스루홀 도체층은 표면조도(Ra)가 1㎛이상이고, 상기 리드부재는, 땜납재를 사용해서 상기 전극패드 패턴에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스루홀 도체층의 두께는 스루홀 지름의 5%~25%인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스루홀 도체층의 두께는 상기 스루홀의 개구측보다 상기 인출패턴측 쪽이 두꺼운 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스루홀 도체층은 상기 스루홀의 개구측으로부터 상기 인출패턴측을 향해서 점차 두께가 증가되고 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스루홀 도체층의 표면에 존재하는 Si를 주성분으로 하는 유리입자의 최대지름이 100㎛이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 세라믹 히터를 구비한 가열용 인두.