KR20070032668A - 점화기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 금속 기판에 도포된 브레이즈(24)를 통해 전기접속부에 저항성 점화기 부재(26)를 갖는 금속 기판을 포함하는 저항성 점화기 시스템을 제공한다. 본 발명의 점화기 시스템은 제조 공정을 현저하게 간소화시킬 뿐만 아니라 보다 견고한 점화기를 훨씬 더 높은 수율로 제조할 수 있게 한다. 바람직한 시스템에서, 당해 브레이즈 물질(24)은 점화기(26)와 리드 프레임을 합체시키기 전에 리드 프레임 기판에 도포되며, 이로써 리드 프레임 기판의 한정된 영역에 비교적 정확한 양의 브레이즈가 도포될 수 있다.

브레이즈, 리드 프레임 기판, 점화기, 고온 영역, 저온 영역.

Description

점화기 시스템{Igniter systems}

본원은 본원에 참조로 인용되는 미국 가특허원 제60/575,666호(2004.5.28) 의 이점을 청구한다.

본 발명은 일반적으로 저항성 점화기 시스템에 관한 것이며, 보다 특히 금속 기판에 도포된 브레이즈(braze)를 통해 전기접속부에 저항성 점화기 부재가 내장된 리드 프레임과 같은 금속 기판을 포함하는 저항성 점화기 시스템에 관한 것이다. 바람직한 시스템에서, 브레이즈 물질은 세라믹 점화기와 금속 기판을 합체시키기 전에 금속 기판에 도포되며, 이로써 금속 기판의 한정된 영역에 비교적 정확한 양의 브레이즈가 도포될 수 있다.

세라믹 물질은 가스 연소된 노, 스토브 및 의복 건조기에서 점화기로서 매우 성공적이었다. 세라믹 인화기는 통상 전도성 말단부와 고저항부를 갖는 세라믹 고온 표면 부재를 포함한다. 부재 말단이 전기가 통하고 있는 납에 접속되는 경우, 고저항부(또는 "고온 영역")의 온도가 상승한다. 미국 특허 제3,875,477호, 제 3,928,910호, 제3,974,106호, 제4,260,872호, 제4,634837호, 제4,804,823호, 제4,912,305호, 제5,085,237호, 제5,191,508호, 제5,233,166호, 제5,378,956호, 제5,405,237호 제5,543,180호, 제5,785,911호, 제5,786,565호, 제5,801,361호, 제5,820,789호, 제5,892,201호 및 제6,028,292호를 참조한다.

이들 점화기는 저항에 의해 가열되므로, 이들 각각의 말단은 전도성 납, 통상 구리 와이어 납에 전기 접속되어야 한다. 그러나, 세라믹 고온 표면 부재 말단을 납에 접속시키는 것과 관련된 문제가 있다. 한 가지 문제는 세라믹 물질과 납 와이어가 그다지 잘 결합하지 않는다는 것이다. 세라믹과 납 와이어를 접착시키기 위해 브레이즈와 솔더(solder)의 조합물을 사용하는 EP 제0486009호를 참조한다. 다양한 이유로, 고온(예를 들면, 1600 내지 1800℃) 솔더 도포에 의해 세라믹 점화기 부재가 빈번하게 손상될 뿐만 아니라 비교적 노동집약적 공정임을 포함해서 솔더의 사용은 덜 바람직하다.

솔더 접속에 의해 야기된 문제를 해결하기 위한 노력이 이루어졌다. 예를 들면, 액셀슨(Axelson)의 미국 특허 제5,564,618호는, 브레이즈와 솔더 사이의 CTE 불일치로 인해 납땜 단계 동안 파단이 야기되므로 실크 스크리닝 접근법을 사용하여 브레이즈를 최소화시키고자 함을 인식하였다. 미국 특허 제6,440,578호는 개선된 결합 특성을 제공하는 특정한 솔더 물질을 보고한다. 미국 특허 제6,635,358호도 참조한다.

세라믹 점화기 소화 시스템으로부터 솔더를 제거하고자 하는 기타 시도가 있었지만, 이들 접근법은 통상 불안정하거나 일시적인 시스템을 갖는다. 예를 들 면, 고온 표면 부재-전기적 납에 대한 기계적 지지체가 중복되면 보고된 비납땜식 접속이 비교적 불안정함을 나타낸다고 기술하는 영국 특허 제2,059,959호를 참조한다. 미국 특허 제5,804,092호는 세라믹 고온 표면 부재가 전도성 접촉이 이루어지는 속켓 내부로 플러킹되는 특정한 모듈상 세라믹 점화기 시스템을 보고한다.

전기 접속용 솔더를 사용하지 않는 매우 유용한 세라믹 점화기는 생-고뱅 인더스트리즈 세라믹스 인코포레이티드(Saint-Gobain Industries Ceramics, Inc.)의 미국 특허 제6,078,028호에 기재되어 있다. 세라믹 점화기를 제조하기 위한 추가의 매우 바람직한 방법은 미국 특허 제5,564, 618호 및 제5,705,261호와 미국 공개 특허원 제2003/0080103호에 기재되어 있다.

세라믹 점화기 부재에 전기 접속물을 확실하게 부착시키기 어려울 뿐만 아니라, 부착 공정은 노동집약적일 수 있다. 예를 들면, 미국 특허 제6,440,578호 및 제 6,635,358호를 참조한다.

따라서, 개선된 성능 특성을 제공할 수 있는 새로운 세라믹 점화기를 제공하는 것이 요망된다. 세라믹 점화기에 확실한 전기 접속을 제공할 수 있는 새로운 방법 및 시스템을 제공하는 것이 특히 요망된다. 또한, 세라믹 점화기를 제공하는 새로운 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이 특히 요망된다.

[발명의 요지]

본 발명자들은 본 발명에 이르러, 금속 기판에 도포된 브레이즈를 통해 전기접속부에 저항성 점화기 부재를 갖는 금속 기판을 포함하는 새로운 점화기 시스템 을 제공한다. 본 발명자들은 본 발명의 점화기 시스템이 제조 공정을 현저하게 간소화시킬 뿐만 아니라 보다 견고한 점화기를 훨씬 더 높은 수율로 제조할 수 있게 함을 발견하였다.

보다 특히, 바람직한 양태에서, 리드 프레임 기판, 저항성 점화기 및 브레이즈 물질을 포함하는 저항성 점화기 시스템이 제공된다. 당해 브레이즈 물질은 점화기와 리드 프레임을 합체시키기 전에 리드 프레임 기판에 도포되며, 이로써 리드 프레임 기판의 한정된 영역에 비교적 정확한 양의 브레이즈가 도포될 수 있다. 바람직한 방법들은 리드 프레임 시트에 비페이스트형 브레이즈(non-paste braze), 특히 브레이즈 호일 또는 스트립을 도포한 다음, 금속 스탬핑 또는 기타 공정에 의해 개별적인 리드 프레임을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르는 이들 방법 및 시스템은 조립된 리드 프레임/점화기 장치에 브레이즈 페이스트를 도포하는 선행 접근법에 비해 현저한 이점을 제공할 수 있다. 무엇보다도, 이러한 브레이즈 페이스트는 노동집약적이며 각각의 장치에서의 침착량이 상이해질 수 있다. 글루건 또는 기타 분배 장치를 사용한 수동 페이스트 도포는 양, 압력, 정확한 침착 위치 및 각도 등에 따라 가변적일 수 있다. 추가로, 브레이즈 페이스트 물질의 특성은 온도 및 습도와 같은 환경 조건에 따라 가변적이며 제조된 어셈블리 가운데 추가의 변수가 있을 수 있다.

바람직하게는, 성형된 리드 프레임과 기타 금속 기판은 리드 프레임 내부에 내장된 점화기 부재의 전도성 영역에서 짝을 이루는 한정된 리드 프레임 내에 브레이즈 물질을 포함한다. 열처리는 브레이즈를 통해 리드 프레임과 점화기를 결합시 키는 브레이즈 재유동물을 제공한다.

본 발명의 시스템은 브레이즈 공급원을 위치와 질량에 대해 일정하게 침착시킬 수 있는데, 이는 견고한 리드 프레임/점화기 시스템의 제조에 중요할 수 있다. 브레이즈는 리드 프레임 표면 위에 융기한 한정된 영역에 침착됨으로써, 짝을 이루는 점화기 표면의 중심 영역과만 접촉할 수 있다.

브레이즈 공급원과 점화기 중심이 보다 정밀하게 짝을 이루면 점화기 부재 가장자리로 브레이즈 물질이 확장되어 후속적으로 형성된 브레이즈/세라믹체에 응력을 부여하여 이를 약화시킬 가능성을 감소시킬 수 있다. 실제로, 본 발명의 바람직한 점화기 시스템이 이례적으로 견고한 리드 프레임/세라믹 점화기 결합부를 나타낼 수 있음이 밝혀졌다. 예를 들면, 후술되는 실시예 3의 비교 결과를 참고한다.

구리 및 은을 기본으로 하는 조성물을 포함하는 다양한 브레이즈 물질이 본 발명의 시스템에 사용될 수 있다. 본 발명자들은 상당량의 은을 포함하는 브레이즈 조성물(예를 들면, 전체 브레이즈 조성물의 60 또는 70중량% 초과량이 은인 브레이즈 조성물)은 세라믹 점화기와 금속 기판 사이에 내고온성인 특히 견고한 결합을 제공할 수 있음을 발견하였다.

따라서, 한 양태에서, 은 함량이 60 또는 70중량%를 초과하는 브레이즈 조성물을 포함하는 점화기 시스템을 포함해서, 은 함량이 높은 브레이즈 조성물을 갖는 점화기 시스템이 제공된다. 바람직한 시스템은 금속 기판, 저항성 부재, 및 은 함량이 브레이즈 물질의 총 중량을 기준으로 하여 약 70, 80, 90 또는 95중량% 이상 인 브레이즈 물질을 포함하는 저항성 점화기 시스템을 포함한다.

다양한 점화기 부재가 본 발명의 시스템에 사용될 수 있다. 본 발명의 시스템에 유용한 전형적인 세라믹 점화기는 고온 영역과 저온 영역을 둘 다 함유한다. 고온 영역(들)은 전도성 물질과 절연재를 둘 다 함유하는 소결된 조성물 뿐만 아니라 선택적이지만 전형적으로 반도체 물질로 구성된다. 본 발명의 세라믹 점화기의 전도성 또는 저온 영역부는 점화기의 고온 영역(들)과 유사하지만 비교적 보다 고농도의 전도성 물질과 유사한 성분의 소결된 조성물을 함유할 것이다.

본 발명의 점화기 시스템은, 예를 들면, 주거용 및 상업용 건물에 대한 가스 가열 장치, 조리용 장치(예: 가스 조리대 또는 오븐 버너) 및 가스 및 액체 연료의 신속한 점화를 요하는 기타 장치를 위한 점화를 포함하는 다수의 용도에서 크게 유용할 것이다. 본 발명의 바람직한 점화기 시스템은 650℃보다 높은 온도에서 연장된 노출을 수반할 수 있는 정도로 고온 환경에 매우 안정하다. 따라서, 본 발명의 바람직한 점화기 시스템은 자체 정화 오븐 및 연료 전지 등을 포함하는 오븐 시스템을 점화시키기에 유용할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 금속 기판에 다양한 저항성 점화기 부재를 접착시키기에 유용하며, 리드 프레임 기판에 세라믹 점화기를 접착시키기에 특히 유용하다. 본원에서 언급되는 바에 따르면, 리드 프레임이라는 용어는 다양한 팩키징 기판을 포함하며, 필수적으로 브레이즈 조성물을 통해 부착되거나, 예를 들면, 금속 스트립(예: 선형 스트립 또는 U형과 같은 비선형 스트립) 및 금속 탭 등을 포함하는 점화기 부재와 연관된 임의의 금속 기판 또는 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 기타 양태는 후술된다.

도 1은 부분적으로 가공된 리드 프레임 기판을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 인화기 시스템에 유용한 가공된 리드 프레임 기판을 도시한 것이다.

도 3은 도 2의 리드 프레임 기판의 2개의 리드를 확대 도시한 것이다.

도 4는 브레이즈와의 접착 부재의 측면도를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명에 따르는 점화기 시스템의 측면도를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 따르는 점화기 시스템의 상면도를 도시한 것이다.

도 7은 본 발명의 점화기 부재를 도시한 것이다.

위에서 논의한 바와 같이, 본 발명자들은 본 발명에 이르러, 리드 프레임에 도포된 브레이즈를 통해 전기접속부에 내장되거나 전기접속부와 결합되거나 전기접속부 속에 결합된 점화기 부재를 갖는 금속 기판을 포함하는 새로운 저항성 점화기 시스템을 제공한다. 본 발명의 점화기 시스템은 제조 공정을 현저하게 간소화시킬 뿐만 아니라 보다 견고한 점화기를 훨씬 더 높은 수율로 제조할 수 있게 한다. 바람직한 금속 기판은 하나 이상의 점화기 부재를 내장하는 리드 프레임 기판을 포함한다.

바람직한 시스템에서, 사용되는 브레이즈 물질은 스트립 또는 테이프형이거나 호일형인 형태가 적합하며, 어느 경우에도 페이스트 형태는 아니다(브레이즈 페이스트는 흔히 점토와 같은 조도를 가지며, 스트립 또는 호일 물질을 형성할 정도로 충분히 단단하지 않다). 이러한 바람직한 비페이스트형 브레이즈 물질은 상술한 바와 같이 압착 결합과 같은 방법에 의해 점화기 시스템 기판(예: 리드 프레임 기판)에 편리하게 도포되어, 견고한 점화기/금속 기판 결합부를 제공하며, 이후 브레이즈는 재유동될 수 있다.

상술한 바와 같이, 다음 논의가 종종 특히 리드 프레임 기판을 지칭하지만, 당해 논의는 통상적으로 또는 지속적으로 리드 프레임을 지칭하지 않으며, 예를 들면, 선형 및 비선형 금속 스트립을 포함하는 금속 기판 물질의 사용에도 균등하게 도포될 수 있다.

도면을 참조해 보면, 도 1은 본 발명의 점화기 부재에 대한 리드 프레임 또는 기타 금속 기판을 형성하기에 유용한 시트(10)를 도시한다. 시트(10)는 다양한 물질일 수 있으며, 통상 스텐레스 스틸, 알루미늄, 각종 합금 등과 같은 금속이며, 스텐레스 스틸이 바람직한 물질이다. 특히 바람직한 금속 기판 물질은 430 스텐레스 스틸 시트이다. 한 가지 바람직한 방법에서, 평행한 채널(12A, 12B)은 적합한 절삭 기구를 사용한 스카이빙 과정에 의해 금속 리드 프레임 기판 시트의 길이 방향으로 성형되어, 브레이즈 조성물을 수용하도록 배열된 채널을 제공한다. 채널(12A 및 12B)의 적합한 치수는 광범위하게 가변적일 수 있다. 적어도 특정 시스템의 경우, 채널의 최대 깊이와 폭은 각각 약 0.001 내지 0.004in, 보다 바람직하게는 약 0.001 내지 0.003in이고, 0.002in가 특히 바람직한 깊이 및 폭이다. 바람직하게는, 채널의 폭은 재유동 동안 점화기 부재 가장자리로의 브레이즈 이동을 피하도록 점화기 부재의 너비보다 좁을 것이다(예를 들면, 점화기 냉각 영역 레그의 너비보다 좁다). 채널 베드의 형태는 또한, 예를 들면, 특정 스카이빙 기구를 사용하여 적합하게 변형될 수 있다. 곡선형 채널 베드(즉, U형 단면적 형태)가 여러 용도에 바람직할 수 있다.

브레이즈 물질은 다양한 방법 중의 어느 하나에 의해 채널(12A, 12B)에 도포될 수 있다. 예를 들면, 한 도포 방법에서는, 브레이즈의 테이프형 또는 호일형 스트립이 도포되어 채널(12A, 12B)의 오목한 표면 속에 가압 밀착되거나 압축 결합된다. 브레이즈 호일은 시판 중이다. 또는, 브레이즈 페이스트가 글루건 또는 기타 분배 장치로부터 분배되어 채널(12A, 12B) 각각을 브레이즈로 거의 또는 전부 충전시킬 수 있지만, 이러한 수동식 페이스트 도포는 상술한 바와 같이 그다지 바람직하지 않다.

바람직하게는, 브레이즈는 채널[예: 도 1에 도시된 채널(12A, 12B)]을 충전시키고 시트(10)의 평면 위에 연장되기에 충분한 양으로 도포된다. 기판(10)의 평면 위에 연장시킴으로써, 도포된 브레이즈는 점화기 부재와의 기계적 접촉이 우수할 수 있다. 본 발명에 따르는 브레이즈 도포는 또한 두께(높이)가 약 0.005in 이하, 심지어 약 0.004 또는 약 0.003in 이하, 또는 약 0.002in 이하인 브레이즈 층과 같이 상당히 얇은 브레이즈 층을 용이하게 침착시킬 수 있다. 이러한 얇은 브레이즈 층은 점화기/금속 기판 결합의 일체성을 증강시킴을 포함해서 현저한 이점을 제공할 수 있다. 특히, 브레이즈 용적이 적거나 두께가 얇을수록 브레이즈와 세라믹 점화기 부재 사이의 열팽창계수의 차이에 기인하는 응력을 더 감소시킬 수 있을 것이다. 브레이즈 층의 두께에 대한 참조는 채널(12A 또는 12B)의 바닥점으로부터 층의 최고점(도 4에서 26b로 도시한 최고점)까지의 거리와 같은 브레이즈 층의 최대 수직 높이를 나타낸다.

다양한 브레이즈 물질이 사용될 수 있다. 적합한 브레이즈 물질은 세라믹 점화기의 전도성 부분과 전기 접속부를 형성할 수 있어야 한다. 전형적으로, 적합한 브레이즈는 세라믹 물질로 습윤되거나 당해 물질과 반응할 수 있고 브레이즈의 충전제 금속에 의해 접착할 수 있는 활성 금속을 함유한다. 특정 활성 금속의 예는 티탄, 지르코늄, 니오븀, 니켈, 팔라듐 및 금을 포함한다. 하나 이상의 이러한 활성 금속에 추가해서, 당해 브레이즈는 구리, 은, 인듐, 주석, 아연, 납, 카드뮴 및 인과 같은 하나 이상의 충전재 금속을 함유할 수 있다. 바람직한 브레이즈 물질은 티탄 및/또는 니켈의 활성 금속을 갖는 구리/은 혼합물을 포함한다. 티탄과 은 및 구리의 충전재를 함유하는 세라메티알 및 루카넥스[제조원: 미국 위스콘신주 쿠다히 소재의 루카스-밀하웁트, 인코포레이티드(Lucas-Milhaupt, Inc.)]와 같은 다양한 적합한 브레이즈가 시판 중이다.

위에서 논의한 바와 같이, 주로 은으로 구성된 브레이즈 조성물이 다양한 용도에 바람직하고, 세라믹 점화기와 금속 리드 프레임 기판 사이에 매우 견고한 결합을 제공할 수 있다. 이러한 은 함량이 높은 바람직한 브레이즈 조성물의 경우, 바람직하게는 총 브레이즈 조성물의 약 60중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 70, 80, 90 또는 95중량% 이상이 은이고, 나머지는 구리 및/또는 니켈과 같은 물질과 티탄과 같은 하나 이상의 활성 금속이다. 특히 견고한 리드 프레임/세라믹 점화기 결합은, 은 함량이 브레이즈 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 90 내지 95중량%를 초과하는 브레이즈 조성물에 제공된다.

브레이즈가 시트(10)에 도포된 후, 당해 시트는 금속 스탬핑 공정을 통해서와 같이 적합하게 기계가공되어, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 다수의 서로 대면하여 합체된 리드 프레임 부재(16)를 함유하는 시트(14)를 형성할 수 있다.

위에서 논의한 바와 같이, 브레이즈 물질이 침착될 수 있으며, 점화기 부재 전도성 영역과는 짝을 이루지만 점화기 부재 가장자리[즉, 도 7에 도시된 바와 같은 점화기 가장자리(26a), 점화기 바닥면(도포되는 브레이즈와 결합하는 표면)과 점화기 측벽 사이에 90도 각도로 형성됨]와 접촉하지는 않도록 리드 프레임으로부터 융기시킨 브레이즈 공급원을 제공하기 위해, 리드 프레임을 스탬핑 공정 또는 기타 성형 방법을 통해 배열시킨다. 바람직한 시스템에서, 브레이즈 재유동 전에, 융기된 브레이즈 침착물은 짝을 이루는 점화기 부재의 가장자리로부터 0.05㎛ 이내로는 연장되지 않을 것이다.

다양한 리드 프레임 배위가 시트(10)에 형성되며 본 발명의 시스템에 따라 사용될 수 있지만, 바람직한 리드 프레임이 세라믹 점화기 부재와 신뢰성 있게 맞물리도록 채택된다.

따라서, 보다 특히 도 4에 도시된 바와 같이, 리드 프레임 부재(16)는 공극(20)을 갖는 페이스(18)를 포함하며, 당해 공극(20)을 통해 세라믹 점화기(도 4에 도시되지 않음)가 도시된 방향 x로 삽입된다. 가압 정합 맞물림을 통해, 플랜지(22)는 리드 프레임(16) 내부에 삽입된 세라믹 점화기를 보유할 수 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 리드 프레임 부재(16)는, 리드 프레임(16) 내부에 세라믹 점화기 부재를 보다 용이하게 내장하도록 바람직하게 배열되어 도포된 브레이즈 패드(24)를 함유한다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 브레이즈 패드 근위 측면(24a)은 리드 프레임 내로의 점화기 부재의 용이한 삽입을 억제하는 날카로운 가장자리가 없는 위로 기울어진 측면을 갖는다. 브레이즈 패드의 적합한 두께(도 4에서 "y"로 도시됨)는 가변적이며 점화기와 리드 프레임 부재가 단단히 맞물리게 한 다음, 열(재유동) 처리하기에 충분해야 한다. 위에서 논의한 바와 같이, 브레이즈 호일 또는 테이프 물질 또는 기타 스트립(비페이스트형) 물질의 도포으로 얇은 브레이층이 침착될 수 있으며, 이로써 금속/브레이즈/세라믹 결합부의 일체성이 증강될 수 있다. 일반적으로 적합한 두께 y는 약 250㎛ 이하, 보다 바람직하게는 약 150㎛ 이하일 수 있으며, 노출된 상부 표면적(도 4에서 도시된 상부 표면 "z")은 4mm² 미만, 보다 바람직하게는 약 3.6 내지 3mm²이다. 위에서 논의한 바와 같이, (값 y를 포함해서) 브레이즈 층의 두께에 대한 언급은 채널(12A 또는 12B)의 바닥점으로부터 당해 층의 최고점(도 4에서, 26b로 도시됨)까지의 거리와 같은 브레이즈 층의 최대 수직 높이를 나타낸다.

통상적으로 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 삽입된 세라믹 점화기 부재(26)는 프랜지(22) 하부와 브레이즈 패드(24) 상부에 내장된다. 리드 프레임/점화기 시스템에 대한 전기 접속은 페이스(28)를 통해 어셈블리와 브레이즈로 연장된 리드 와이어에 의해 이루어질 수 있다. 브레이즈를 세라믹 점화기에 융합시키기 위해, 내장된 점화기를 갖는 리드 프레임 부재는 바람직하게는 감압하에 가열된다. 예를 들면, 브레이즈의 융합을 위해, 리드 프레임 부재 내에 내장된 점화기는 약 800℃ 이상에서 5 내지 10분 동안 바람직하게는 10^-3torr 이하의 감압하에 가열될 수 있다.

도 7은 냉각 영역들(32a ,32b)과 접촉하며 이들 사이에 배치된 고온 영역부(30)을 포함하는 본 발명의 시스템에 유용한 하나의 바람직한 세라믹 점화기(2 6)를 나타낸다. 슬롯팅된 영역(34)은 고온 영역(30) 밑에 저온 영역(32a, 32b) 사이에 배치된다. 또는, 슬롯팅된 영역(34)보다는, 점화기가 저온 영역(32a, 32b) 사이에 끼어서 고온 영역(30)과 접촉하는 세라믹 열 싱크(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 저온 영역 말단(30a', 30b')은 고온 영역(12)으로부터 원위 배치된다. 도 7에 도시한 바와 같이, 저온 영역 원위 말단(30a', 30b')은 리드 프레임 부재의 브레이즈 영역과 짝을 이루는 오목부(36a, 36b)를 함유할 수 있다.

위에서 논의한 바와 같이, 다양한 점화기가 본 발명의 시스템에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 여러 용도에서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 실질적으로 U형 점화기가 적합할 것이다. 미국 특허 제 6,002,107호, 제 6,028,292호 및 제 6,278,087호에 기재된 점화기에 의해 예시되는 바와 같이 절개된 중간부 없이(즉, 슬롯이 없는 디자인) 선형인 부재와 같은 기타 점화기 배위가 여러 용도에 적합할 것이다. 각각의 이러한 디자인은 상술한 바와 같이 고전도성 저온 영역과 보다 고저항성인 고온 영역을 갖는다. 고온 및 저온 영역의 적합한 치수는 미국 특허 제5,191,508호, 제6,002,107호, 제6,028,292호 및 제6,278,087호에 기재되어 있다.

보다 특히, 고온 영역의 치수는 적합하게 변할 수 있다. 도 6 및 도 7에 도시된 통상 직사각형인 점화기 디자인에서, 고온 영역 경로 길이(도 7에서 거리 "p"로 도시됨)는 전기적 샷 또는 기타 결함을 피하기에 충분해야 한다. 하나의 바람직한 시스템에서, 길이 "p"는 0.5cm이다.

고온 영역 브릿지 높이(도 7에서 거리 "q"로 도시됨)도 점화기 분해 및 파괴를 일으킬 수 있는 과도한 국부 가열을 포함하는 점화기 결함을 피하기에 충분한 크기이어야 한다.

점화기 길이를 하향 연장시키는 고온영역 "레그(leg)"는 전체 고온 영역 전기적 경로 길이(도 7에서의 p)를 바람직한 범위 내로, 예를 들면, 약 2.5 내지 2cm 이하로 유지시키기에 충분한 길이로 한정될 것이다.

본 발명의 세라믹 점화기의 고온 영역(30), 저온 영역(32a, 32b) 및 열 싱크(사용되는 경우)는 적합하게 변할 수 있다. 이러한 영역들의 바람직한 조성은 린(Lin) 등의 미국 특허 제6,582,629호, 윌킨스(Wilkens) 등의 미국 특허 제5,786,565호 및 액셀슨(Axelson) 등의 미국 특허 제5,191,508호에 기재되어 있다.

보다 특히, 고온 영역(30)의 조성은, 고온 영역의 고온(즉, 1350℃) 저항이 약 0.01Ω-cm 내지 약 3.0Ω-cm이고 실온 저항이 약 0.01 내지 약 3Ω-cm이도록 해야 한다.

바람직한 고온 영역(40)은 전기 절연재, 금속성 전도체 및 임의지만 바람직한 양태에서의 반도체 물질의 소결된 조성물을 함유한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "전기 절연재" 또는 이의 변형태는 실온 저항이 약 10¹⁰Ω-cm 이상인 물질을 지칭하는 반면, 용어 "금속성 전도체", "전도성 물질" 및 이의 변형태는 실온 저항이 약 10^-2Ω-cm 미만인 물질을 나타내고, 용어 "반도체 세라믹", "반도체 물질" 또는 이의 변형태는 실온 저항이 약 10 내지 10⁸Ω-cm인 물질을 나타낸다.

일반적으로, 고온 영역(30)의 예시 조성물은 저항이 약 10¹⁰Ω-cm 이상인 전기절연재(a) 약 50 내지 약 80용적%, 저항이 약 10 내지 약 10⁸Ω-cm인 반도체 물질(b) 약 5 내지 약 45용적% 및 저항이 약 10^-2Ω-cm 미만인 금속성 전도체(c) 약 5 내지 약 25용적%를 포함한다.

바람직하게는, 고온 영역(30)은 전기절연재 50 내지 70용적%, 반도체 세라믹 10 내지 45용적% 및 전도성 물질 6 내지 16용적%를 포함한다.

전형적으로, 금속성 전도체는 이규소화몰리브덴, 이규소화텅스텐, 질화물(예: 질화티탄) 및 탄화물(탄화티탄)로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 이규소화몰리브덴이 일반적으로 바람직한 금속성 전도체이다. 특정한 바람직한 양태에서, 전도성 물질은 고온 영역의 총 조성물의 약 9 내지 15용적% , 보다 바람직하게는 약 9 내지 13용적%의 양으로 존재하는 MoSi₂이다.

고온 영역(30)과 저온 영역(32a, 32b)의 전체 조성의 일부로서 포함된 통상 바람직한 반도체 물질은 탄화물, 특히 탄화규소(도핑되거나 도핑되지 않음) 및 탄화붕소를 포함하지만 이로 한정되지는 않는다. 탄화규소가 통상 바람직한 반도체 물질이다.

고온 영역 조성물의 적합한 전기 절연 물질 성분은 하나 이상의 금속 산화물(예: 산화알루미늄), 질화물(예: 질화알루미늄, 질화규소 또는 질화붕소), 희토류 산화물(예: 이트리아) 또는 희토류 옥시니트라이드를 포함하지만, 이로 한정되지는 않는다. 질화알루미늄(AlN) 및 산화알루미늄(Al₂O₃)이 통상 바람직하다.

본 발명의 특히 바람직한 고온 영역 조성물은 산화알루미늄 및/또는 질화알루미늄, 이규소화몰리브덴 및 탄화규소를 함유한다. 적어도 특정 양태에서는, 이규소화몰리브덴이 9 내지 12용적%의 양으로 존재하는 것이 바람직하다.

위에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 점화기는 전형적으로, 고온 영역과 전기접속부에 하나 이상의 저저항성 저온 영역(32a, 32b)을 함유한다. 전형적으로, 고온 영역(30)은 2개의 저온 영역(32a, 32b) 사이에 배치되며, 일반적으로, 예를 들면, AlN 및/또는 Al₂O₃ 또는 기타 절연재; SiC 또는 기타 반도체 재료; 및 MoSi₂ 또는 기타 전도성 물질로 구성된다.

바람직하게는, 저온 영역(32a, 32b)은 고온 영역에 존재하는 것에 비해 훨씬 높은 비율의 전도체 및/또는 반도체 물질(예: SiC 및 MoSi₂)을 가질 것이다. 따라서, 저온 영역은 전형적으로 고온 영역의 저항의 약 1/5 내지 1/1000만을 가지며, 온도가 고온 영역 수준으로 상승하지 않는다. 저온 영역(들)의 실온 저항이 고온 영역의 실온 저항의 5 내지 20%인 경우가 보다 바람직하다.

본 발명의 점화기에 사용되는 바람직한 저온 영역 조성물은 산화알루미늄, 질화알루미늄 또는 기타 절연재 약 15 내지 65용적%, 및 용적비가 약 1:1 내지 약 1:3인 MoSi₂과 SiC 또는 기타 전도체와 반도체 약 20 내지 70용적%를 포함한다. 보다 바람직하게는, 저온 영역은 산화알루미늄 및/또는 질화알루미늄 약 15 내지 50용적%, SiC 약 15 내지 30용적% 및 MoSi₂ 약 30 내지 70용적%를 포함한다. 제조를 용이하게 하기 위해, 저온 영역 조성물은 고온 영역 조성물과 동일한 물질로 형성되는 것이 바람직하지만, 반도체 및 전도체의 상대량은 고온 영역(들)에 비해 저온 영역(들)에서 더 크다.

전기절연 열 싱크가 사용된다면, 이는 고온 영역의 대류성 냉각을 완화시키기에 충분한 열질량을 제공하는 조성물로 구성되어야 한다. 추가로, 상술한 바와 같이 2개의 전도성 레그 사이의 삽입물로서 배치된 경우(도 7에 도시된 슬롯팅된 34 대신), 당해 열 싱크는 점화기를 보다 울퉁불퉁하게 만들도록 연장된 저온 영역부에 기계적 지지체를 제공해야 한다. 바람직하게는, 이러한 전기절연성 열 싱크는 실온 저항이 약 10⁴Ω-cm 이상이고 강도가 약 150MPa 이상이다. 보다 바람직하게는, 열 싱크 물질은 전체 열 싱크를 가열하고 열을 리드로 전달할 정도로 높지는 않고 이의 유익한 열 싱크 기능을 부정할 정도로 낮지는 않은 열전도도를 갖는다.

열 싱크용으로 적합한 세라믹 조성물은 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소, 알루미나 및 이들의 혼합물 중의 하나 이상 약 90용적% 이상을 포함하는 조성물을 포함한다. AlN-MoSi₂-SiC의 고온 영역 조성물이 사용된 경우, 질화알루미늄 90용적% 이상과 알루미나 10용적% 이하를 포함하는 열 싱크 물질이 혼화성 열 팽창 및 조밀화 특성을 위해 바람직할 수 있다.

본 발명의 세라믹 점화기는 공칭 전압 6, 8, 12, 24, 120, 220, 230 또는 240볼트를 포함하지만 이로 한정되지는 않는 다양한 전압을 사용할 수 있다.

세라믹 성분의 가공(즉, 미가공체 가공 및 소결 조건)과 조밀화 세라믹으로부터 점화기의 제조는 통상적인 방법으로 수행될 수 있다. 전형적으로, 이러한 방법은 실질적으로 윌킨스 등의 미국 특허 제5,786,565호, 워쉬번(Washburn)의 미국 특허 제5,405,237호 및 액셀슨 등의 미국 특허 제5,191,508호에 따라 수행되며, 이들 문헌의 기술내용은 본원에 참조로 인용되어 있다. 예시된 조건을 위해 후술되는 실시예 1을 참고한다.

예를 들면, 미가공체 점화기의 성형된 강편(鋼片)은 우선 가온 가압(예를 들면, 1300℃와 같은 1500℃ 미만)한 다음, 제2의 고온 소결(예를 들면 1800℃ 또는 1850℃)을 수행한다. 제1의 가온 소결은 이론적 밀도에 대해 약 65 또는 70%로 조밀화시키고, 제2의 보다 고온의 소결은 이론적 밀도의 99% 이상으로 최종적으로 조밀화시킨다.

바람직한 점화기 제조방법에서, 다수의 고착되거나 물리적으로 접착된 "잠재적" 점화기 부재를 포함하는 강펴 시트가 제공된다. 당해 강편 시트는 미가공 상태(이론치 밀도의 약 96% 또는 98% 이상으로 조밀화되지 않은 상태)인 고온 및 저온 영역 조성물을 갖지만, 바람직하게는 이론치 밀도의 40 또는 50% 이상으로 소결되고, 적합하게는 이론치 밀도의 90 또는 95%까지 소결되며, 보다 바람직하게는 이론치 밀도의 약 60 내지 70%까지 조밀화된다. 이러한 부분 조밀화는 가온 가압 처리, 예를 들면 1500℃ 미만(예: 1300℃)에서 3000psi와 같은 압력하에 아르곤 대기하에 약 1시간 동안의 처리에 의해 적합하게 달성된다.

고온 및 저온 영역 조성물이 이론치 밀도의 75 또는 80%보다 높게 조밀화된다면, 당해 강편은 후속 가공 단계에서 절삭하기 어려운 것으로 밝혀졌다. 추가로, 고온 및 저온 영역 조성물이 약 50% 미만으로 조밀화된다면, 당해 조성물은 종종 후속 가공 동안 분해된다. 고온 영역은 강편 두께 방향으로 연장되며, 나머지는 저온 영역이다.

강편은 비교적 다양한 형태와 치수로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 당해 강편은 적합하게는 실질적으로 정사각형, 예를 들면 9in ×9in의 정사각형이거나 기타 적합한 치수 또는 형태(예: 직사각형 등)이다. 이어서, 당해 강편은 바람직하게는 다이아몬드 절삭 기구 등을 사용하여 분획으로 절삭한다. 바람직하게는 이들 분획은 실질적으로 동일한 치수를 갖는다. 예를 들면, 9in ×9in의 강편의 경우, 바람직하게는 당해 강편을 세 개로 절삭하는 경우, 생성된 각각의 분획은 9in ×3in이다.

이어서, 강편을 추가로 절삭(적합하게는 다이아몬드 절삭 기구를 사용하여 절삭)하여, 개별적인 점화기들을 제공한다. 제1 절삭물이 강판을 통과하여 인접한 부재로부터 하나의 점화기 부재를 물리적으로 분리시킨다. 교호하는 절삭물이 강판 물질을 길이 방향으로 통과하여, 절연 영역(열 싱크)가 각각의 점화기 내로 삽입될 수 있도록 한다. 각각의 절삭물(관통 절삭물과 비관통 절삭물 둘 다)은, 예를 들면, 약 0.2in의 간격으로 이격되어 있을 수 있다.

열 싱크 영역을 삽입한 후, 점화기는 추가로 조밀화될 수 있으며, 바람직하게는 이론치 밀도의 99% 이상 조밀화될 수 있다. 이러한 추가 소결은 바람직하게는 고온에서, 예를 들면, 고온 이소스태틱 가압하에 1800℃ 또는 이 보다 약간 높은 온도에서 수행한다.

강편으로 제조된 몇 개의 절삭물은 적합하게는 자동화 공정에서 달성되며, 이때 강편이 배치되고, 예를 들면, 컴퓨터 제어하의 자동화 시스템에 의해 절삭 기구에 의해 절삭된다.

이어서, 조밀한 점화기 부재를 상술한 바와 같이 리드 프레임 기판에 탑재하고 그 위에 브레이즈를 고착시킬 수 있다. 점화기에 대한 전기접속부는 상술한 바와 같이 브레이즈와 접촉하는 리드 와이어에 의해 제공될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 점화기는 노 및 조리 기구, 기본판 히터, 보일러 및 스토브 탑과 같은 가스상 연료 인화 용도를 포함하는 다수의 용도로 사용될 수 있다.

본 발명의 점화기는 다양한 시스템에서의 가열 부재로서의 용도를 포함하는 다른 용도에서 사용될 수도 있다. 보다 특히, 본 발명의 점화기는 적외선 공급원(즉, 고온 영역이 적외선 출력을 제공한다)으로서, 예를 들면, 노에서와 작열 플러그와 같은 가열 부재로서, 그리고 분광계 등을 포함하는 모니터링 또는 검측 장치에서 사용될 수 있다.

추가로, 상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 세라믹 점화기는 고온 환경에서, 예를 들면, 약 650℃, 700℃, 750℃ 또는 800℃ 보다 높은 온도에서 유용할 것이다. 예를 들면, 본 발명의 바람직한 점화기 시스템은 자체 정화 오븐 및 연료 전지 등의 점화에 유용할 것이다.

다음 비제한적 실시예는 본 발명을 예시한다. 본원에서 언급된 모든 문헌은 전체 내용이 본원에 참조로 인용되었다.

실시예 1: 점화기 제조

본 발명의 시스템에 사용되는 점화기를 다음과 같이 제조할 수 있다. 고온 영역과 저온 영역은 다음과 같이 제조된다. 고온 영역 조성물은, 고온 영역 조성물의 총 용적을 기준으로 하여, AlN 70.8용적%, SiC 20용적% 및 MoSi₂ 9.2용적%를 포함한다. 저온 영역 조성물은, 저온 영역 조성물의 총 용적을 기준으로 하여, AlN 20용적%, SiC 20용적% 및 MoSi₂ 60용적%를 포함한다. 저온 영역 조성물은 고온 가압 다이에 부하하고, 고온 영역 조성물은 동일한 다이에서 저온 영역 조성물 위에 부하한다. 조성물의 조합물을 가열 가압하에 함께 조밀화시켜 점화기를 제공한다.

실시예 2: 점화기 시스템 제조

본 발명의 점화기 시스템은 다음과 같이 제조된다. 평행한 채널은 430 스텐레스 스틸 시트에서 스카이빙되어, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 이중 채널의 배위를 제공한다. 은 브레이즈 호일은 이중 채널을 따라 압착 결합되며, 브레이즈를 갖는 시트는 금속 스탬핑되어 도 2에 도시한 바와 같은 다수의 부착된 리드 프레임들의 시트를 제공한다. 당해 브레이즈 호일은 은 함량이 약 96중량%이고, 나머지는 티탄 및 구리이다.

일반적으로 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 배치된 헤어핀 소결된 세라믹 점화기(제조원: 미국 매사추세츠주 워세스터 소재의 생-고뱅 코포레이션)는 시트의 리드 프레임 부재 속에 삽입되고, 당해 부재는 각각의 점화기용으로 분리된다. 이어서, 내장된 점화기를 약 800℃에서 10분 동안 진공 오븐 속에서 약 1 ×10^-3torr에서 가열함으로써 분리되어 있는 점화기들을 융합한다(브레이즈 재유동).

실시예 3: 브레이즈 조성물 평가

상이한 브레이즈 물질을 평가하기 위해 재유동된 브레이즈를 갖는 리드 프레임 부재 속에 내장된 세라믹 점화기에 대해 굴곡 시험을 수행한다. 실시예 2에 기술된 디자인의 동일한 리드 프레임에 탑재되었으나 브레이즈 물질이 상이한, 대체로 동일한 세라믹 점화기 부재를 시험하였다. 내장된 점화기는 한쪽 말단을 고정한 다음, 고착되지 않은 점화기 말단에 인가된 탐침에 의해 아래쪽으로 구부린다.

고함량 은(전체 조성물의 약 96중량%의 은)이 상감된 브레이즈를 갖는 점화 기 부재의 굴곡 시험 결과가 가장 우수하다. CuSiN(은 70중량% 미만)이 상감된 브레이즈가 그 다음으로 우수한 결과를 나타내며, 구리/은 브레이즈 페이스트(상감된 호일이 아님)로 형성된 점화기/리드 프레임 결합부에 비해 개선되었다. 고함량 은(96중량%)이 상감된 브레이즈를 갖는 점화기의 파단 방식은 세라믹 점화기 부재가 파단하는 것이다. 기타 2개의 시험된 내장된 점화기의 파단 방식은 브레이즈 결합부에서 세라믹이 인발하는 것이다.

본 발명은 특정 양태를 기준으로 하여 상세하게 기술되었다. 그러나, 당해 분야의 숙련가들은 본 명세서를 숙고함으로써 본 발명의 요지 및 범주를 변형 및 개선시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

1. 금속 기판, 저항성 부재 및 브레이즈 물질(braze material)을 포함하는 저항성 점화기 시스템으로서, 점화기와 금속 기판이 합체되기 전에 브레이즈 물질이 금속 기판에 도포됨을 특징으로 하는, 저항성 점화기 시스템.
2. 금속 기판, 저항성 점화기 부재 및 비페이스트 브레이즈 물질(non-paste braze material)을 포함하는 저항성 점화기 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 브레이즈 물질이 금속 기판에 가압 정합(press fitting)에 의해 도포됨을 특징으로 하는, 저항성 점화기 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 브레이즈 물질이, 점화기와 짝을 이루도록 금속 기판 위에 융기되어 있음을 특징으로 하는, 저항성 점화기 시스템.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 브레이즈 물질이 점화기 가장자리로 연장되지 않음을 특징으로 하는, 저항성 점화기 시스템.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 브레이즈가 경화 전에 기울어진 수직면을 가짐을 특징으로 하는, 저항성 점화기 시스템.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 점화기가 솔더(solder) 없이 금속 기판에 합체됨을 특징으로 하는, 저항성 점화기 시스템.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 브레이즈가 은을 포함함을 특징으로 하는, 저항성 점화기 시스템.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 점화기가 브레이즈 물질과 짝을 이루도록 오목 영역을 포함함을 특징으로 하는, 저항성 점화기 시스템.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 기판이 리드 프레임 기판임을 특징으로 하는, 저항성 점화기 시스템.
11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 따르는 점화기를 통해 전류를 인가함을 포함하는, 기상 연료의 점화방법.
12. 고온 영역과 저온 영역을 포함하는 점화기 부재로서, 저온 영역이 오목 영역을 포함하는 점화기 부재.
13. 제12항에 있어서, 오목 영역이 브레이즈 물질을 수용하도록 배열되어 있음을 특징으로 하는 점화기 부재.
14. 금속 기판, 저항성 부재 및 브레이즈 물질 층을 포함하는 저항성 점화기 시스템으로서, 브레이즈 물질층의 재유동 전의 두께가 약 0.005in 이하인, 저항성 점화기 시스템.
15. 금속 기판, 저항성 부재 및 브레이즈 물질을 포함하는 저항성 점화기 시스템으로서, 브레이즈 물질이, 브레이즈 물질의 총 중량을 기준으로 하여, 약 80중량% 이상의 은을 함유하는 저항성 점화기 시스템.
16. 브레이즈 물질을 금속 기판에 도포하는 단계 및 저항성 점화기 부재를 금속 기판과 접속시키는 단계를 포함하는, 점화기 시스템의 제조방법.
17. 제16항에 있어서, 브레이즈 물질이 금속 기판 내의 하나 이상의 채널에 압착 결합됨을 특징으로 하는, 점화기 시스템의 제조방법.
18. 제16항에 있어서, 브레이즈 물질의 스트립이 금속 기판에 도포됨을 특징으로 하는, 점화기 시스템의 제조방법.
19. 제16항에 있어서, 금속 기판이 리드 프레임 기판이고, 점화기 부재가 기판 내부에 내장됨을 특징으로 하는, 점화기 시스템의 제조방법.
20. 제16항에 있어서, 금속 기판이 금속 스트립 물질임을 특징으로 하는, 점화기 시스템의 제조방법.

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