セラミック接合体及びセラミックヒータ
【課題】 高温、低温の繰返しの激しい厳しい使用条件下でも電極パッドと接続端子との密着性およびセラミック基体と電極パッドとの密着性を向上させることができるセラミック接合体及びセラミックヒータの提供。
【解決手段】 表面に基体１０５中の発熱抵抗体１４１と導通する電極用の電極パッド１２１を備えたセラミックヒータ１００において、電極パッド１２１が基体１０５と接する第１層１２２と、ろう材部１２４と接する第２層１２３とを有する多孔質層からなり、第１層１２２はセラミック成分を２０〜５０ｖｏｌ％含有し、第２層１２３は接合部の成分が含浸されている。
【解決手段】 表面に基体１０５中の発熱抵抗体１４１と導通する電極用の電極パッド１２１を備えたセラミックヒータ１００において、電極パッド１２１が基体１０５と接する第１層１２２と、ろう材部１２４と接する第２層１２３とを有する多孔質層からなり、第１層１２２はセラミック成分を２０〜５０ｖｏｌ％含有し、第２層１２３は接合部の成分が含浸されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック接合体及びセラミックヒータに関し、詳しくは、セラミック接合体の電極パッドに対するセラミック基体または接続端子との密着性を向上させたセラミックヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、セラミックヒータとしてアルミナ等のセラミック基体中に、タングステンやモリブデン等の高融点金属からなる発熱抵抗体を埋設したものが広く用いられている。例えば、ガスセンサのセンサ素子に内挿されるセラミックヒータは、発熱抵抗体が形成されたセラミックのグリーンシートをセラミック製の碍管に巻き付け、一体に焼成することによって形成される。さらに、セラミックヒータの外周面には、発熱抵抗体と電気的に接続された電極パッドが設けられており、この電極パッドには発熱抵抗体に外部から電圧を印加するための接続端子がろう付けにより接合されている。この電極パッドは、発熱抵抗体と同様に、タングステンやモリブデン等の高融点金属を用いている。
【０００３】
しかし、セラミック基体と電極パッドとでは、異種材料であるが故に密着性が問題になることがある。特にセラミックヒータでは、高温での繰返し使用や機械的負荷のかかる使用方法が多く、電極パッドがセラミック基体から剥離してしまう虞があった。
【０００４】
そこで、焼成時に未焼成セラミック基体中のガラス成分を、未焼成電極パッド中へ侵入させて、このガラス成分の接着力によりセラミック基体と電極パッドの接合強度を向上させる方法が報告されている（特許文献１、特許文献２参照）。なお、未焼成セラミック基体とは、焼成後にセラミック基体となり、未焼成電極パッドとは、焼成後に電極パッドとなる。また、未焼成セラミック基体と未焼成電極パッドとの間に未焼成セラミック基体のセラミック原料粉末と未焼成電極パッドの金属粉末を含む接合材を塗布し、これを焼成してセラミック基体と電極パッドの接合強度を上げる方法の報告がある（特許文献３参照）。
【０００５】
他方、接続端子と電極パッドとの接合についても、高温での繰返し使用や機械的負荷のかかる使用方法が多く接続端子が電極パッドから剥離してしまう虞があった。そこで、電極パッドと接続端子との接着性を向上させる方法として、電極パッドと接合部材との両者との接着力が高いろう材の組成を選定したものがある（特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開昭４９−０７６７１１号公報
【特許文献２】特開昭５７−０８２１８８号公報
【特許文献３】特開昭５８−１２０５７９号公報
【特許文献４】特開平１１−２９２６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特に、最近のようにセラミックヒータの使用温度がさらに高くなり、冷熱頻度が高い使用方法では、セラミック基体と電極パッド、及び電極パッドと接続端子との接合について、従来の技術では十分な接合強度ではなくなり、その結果満足される寿命が得られなくなってきた。
そこで本発明においては、高温、低温の繰返しの激しい厳しい使用条件下でも電極パッドと接続端子との密着性およびセラミック基体と電極パッドとの密着性を向上させることができるセラミック接合体及びセラミックヒータの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセラミック接合体は、セラミック基体と、該セラミック基体の表面に設けられた電極パッドと、外部と電気的に導通する接続端子と、該電極パッドと接続端子とを連結する接合部とを備えるセラミック接合体において、前記電極パッドは前記セラミック基体と接する第１層と、前記接合部と接する第２層とを有する多孔質層からなり、前記第１層はセラミック成分を２０〜５０ｖｏｌ％含有し、前記第２層には、該接合部の成分が含浸されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明において、セラミック基体と接する第１層は、セラミック成分の含有量が２０〜５０ｖｏｌ％である。これによりセラミック基体と電極パッド（第1層）の密着性が向上し、セラミック基体から電極パッドが剥離するのを抑制できる。なお、セラミック含有量が２０ｖｏｌ％未満であれば、上記効果を得ることが難しい。一方、セラミック含有量が５０ｖｏｌ％を超えると、電極パッド中のセラミック含有量が多いため、電極パッドの電気導通性が低下する。なお、本発明のセラミック成分とは、アルミナ、マグネシア、シリカ、ムライト等を指す。
【００１０】
他方、接合部と接する第２層には、接合部の成分が含浸されているので、接合部と電極パッド（第２層）の密着性が向上し、接続端子が電極パッドから剥離するのを抑制できる。
【００１１】
さらに、本発明のセラミック接合体は、第２層の開孔率が１０％ｖｏｌ以上５０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。第２層の開孔率を１０％以上５０％以下とすることで接合部の成分を十分に含侵させることができる。開孔率が１０％未満では、含浸される接合部の成分の量が少なくなるので、上記効果を得ることが難しいことがある。一方、開孔率が５０ｖｏｌ％を超えると、第２層中に接合部の成分が含浸しすぎて、電極パッドの内部応力が増大し、第２層と第１層との密着性が低下することがある。なお、『開孔率』とは、第２層全体積中に対する第２層中に接合部の成分が含浸することができる領域の割合である。このうち、第２層の全体積は、第２層の稜部に仮想線を引いたときの領域の体積であり、第１層の体積等も同様の体積である。また、第２層中に接合部の成分が含浸することができる領域とは、充填部及び第２層中の空孔部（本来は接合部の成分が含浸されうるものの、含浸量等により含浸されなかった部位）のことを指す。なお、充填部は、接合部の成分が含浸することができる領域の９０％以上（空孔部が１０％未満）となることがこのましい。
【００１２】
さらに本発明のセラミック接合体は、第１層の開孔率が３ｖｏｌ％以下であることが好ましい。第１層の開孔率を３ｖｏｌ％以下とすることにより、第１層中へ含浸される接合部の成分の量を低減できる。
【００１３】
さらに本発明のセラミック接合体は、第１層中には接合部の成分が実質的に含侵していないことが好ましい。これにより、セラミック基体と第１層との密着性が十分に確保することができ、セラミック基体から電極パッドが剥離するのを防止できる。なお、『実質的に』とは、第１層が不可避に接合部の成分を含有しないことを意味する。
【００１４】
さらに本発明のセラミック接合体は、電極パッドが、接合部に近づくにつれて開孔率（ｖｏｌ％）が高くなることが好ましい。例えば、電極パッドが、第１層および第２層の２つの多孔質層で構成されている場合、第２層の開孔率が第１層の開孔率よりも大きいことを意味する。さらに、電極パッドが第１層、中間層、第２層の順で、３つの多孔質層で構成されている場合、中間層の開孔率が第１層と第２層との間の開孔率となることを指す。中間層の開孔率が、第１層の開孔率よりも小さくなる場合、第１層との密着力は得ることができるが、中間層に接合部の成分が含浸しにくいので、第２層と中間層との間の密着力が低下することがある。他方、中間層の開孔率が、第２層の開孔率よりも大きくなる場合、中間層に接合部の成分が含浸しやすいので、第２層と中間層とのより高い密着力を得ることができるが、第1層と第２層との密着力は低下することがある。よって、接合部に近づくにつれて開孔率が高くなることで、２層以上の多層構造であっても、セラミック基体と電極パッドとの密着力をより確保しつつ、接合部と電極パッドとのより高い密着力を得ることができる。
【００１５】
さらに本発明のセラミック接合体は、第２層のセラミック成分の含有量が１０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。第２層にセラミック成分の含有量が少ないことで、接合部との熱膨張差が小さくなり、接合部と電極パッドとの密着力をさらに得ることができる。
【００１６】
なお、本発明において、第１層に含有されるセラミック成分と、第２層に含有されるセラミック成分は、適宜選択できるが、いずれもセラミック基体のセラミック成分と同一材料であることが密着性の点から最も良い。
【００１７】
そして電極パッドは、セラミック基体に近づくにつれてセラミック成分の含有量（ｖｏｌ％）が多くすることが好ましい。例えば、電極パッドが、第１層および第２層の２つの多孔質層で構成されている場合には、第１層に含まれるセラミック成分の含有量が第２層に含まれるセラミック成分の含有量よりも多いことを意味する。さらに、電極パッドが、第１層、中間層、第２層の順で、３つの多孔質層で構成されている場合、中間層のセラミック成分の含有量が第１層と第２層との間のセラミック成分の含有量となることを指す。中間層が、第１層と同等のセラミック成分の含有量である場合、第１層との密着力は得ることができるが、中間層に接合部の成分が含浸しにくいので、第２層と中間層との密着力が低下することがある。他方、中間層が、第２層と同等のセラミック成分の含有量である場合、中間層に接合部の成分が含浸しやすいので、接合部と電極パッドとのより高い密着力を得ることができるが、第１層と第２層との密着力は低下することがある。よって、セラミック基体に近づくにつれてセラミック成分の含有量が多くすることでセラミック基体と電極パッドとの密着力を確保しつつ、接合部と電極パッドとのより高い密着力を得ることができる。
【００１８】
さらに、セラミック接合体は、セラミック基体中に埋設された内部配線と、該内部配線と電極パッドを接続するビア導体と、を有し、内部配線及びビア導体には、セラミック成分が含有されており、内部配線及びビア導体の該セラミック成分の含有量は、第１層のセラミック成分の含有量以下であることが好ましい。セラミック接合体には、発熱体や電極等の内部配線が配置され、且つこの内部配線と電極パッドを電気的に接続するビア導体が形成される。このとき、内部配線やビア導体についてもセラミック基体との密着性の向上のために、セラミック成分を含有させることがあるが、このセラミック成分は、第１層のセラミック成分の含有量以下にすることで、内部配線の機能の維持、及び内部配線及びビア導体の電気導通性を維持している。なお、内部配線及びビア導体の該セラミック成分の含有量は、第１層のセラミック成分の含有量以下であればよく、含有量が互いに同じである必要はない。
【００１９】
また、本発明のセラミック接合体をセラミックヒータに用いることで、高温、低温の繰返しの激しい厳しい使用条件下で使用されるセラミックヒータの電極パッドと接続端子との密着性およびセラミック基体と電極パッドとの密着性を十分に維持させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化したセラミックヒータの実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を参照して、セラミックヒータ１００の構造について説明する。図１は、セラミックヒータ１００の斜視図である。図２は、セラミックヒータ１００の基体１０５の分解斜視図である。図３は、セラミックヒータ１００の電極部１２０付近の拡大断面図である。なお、本実施の形態において、セラミックヒータ１００の加熱部１１０側を先端側とし、電極部１２０側を後端側として説明する。
【００２１】
図１に示すように、セラミックヒータ１００は、図示しない有底筒状をなす固体電解質管の内外面それぞれに電極層が形成されたセンサ素子に内挿され、センサ素子を加熱するためのものであり、その基体１０５は丸棒状をなしている。セラミックヒータ１００は発熱抵抗体１４１を埋設し、後端側の電極部１２０より電圧が印加され、先端側の加熱部１１０にて発熱を行うものである。なお、基体１０５が、特許請求の範囲の「セラミック基体」に相当する。
【００２２】
図２に示すように、セラミックヒータ１００は、丸棒状のアルミナセラミック製碍管１０１の外周に絶縁性の高いアルミナセラミック製のグリーンシート１４０、１４６が巻き付けられ、これが焼成されることによって基体１０５が製造される。グリーンシート１４０上には、ヒートパターンとしてのタングステン系の発熱抵抗体１４１が形成されている。発熱抵抗体１４１は、加熱部１１０(図１参照)に相当する位置に形成される発熱部１４２、および発熱部１４２の両端のそれぞれに接続される一対のリード部１４３により構成される。また、リード部１４３の後端側にはそれぞれスルーホール１４４が穿設され、このスルーホール１４４を介し、セラミックヒータ１００の外表面上に形成される２つの電極パッド１２１と、両リード部１４３との電気的な接続が行われる。このうち、発熱抵抗体１４１及びスルーホール１４４には、基体１０５との密着性を向上させるために、基体１０５（グリーンシート１４４、１４６）と同一材料のアルミナが含有されており、その含有量が３５ｖｏｌ％である。なお、発熱抵抗体１４１が特許請求の範囲の「内部配線」に相当し、スルーホール１４４が特許請求の範囲の「ビア導体」に相当する。
【００２３】
また、グリーンシート１４６は、グリーンシート１４０の発熱抵抗体１４１が形成される側の面に圧着されるシートである。その圧着面とは反対側の表面にアルミナペーストが塗布され、この塗布面を内側にしてグリーンシート１４０、１４６が碍管１０１に巻き付けられて外周が押圧されることにより、セラミックヒータ成形体が形成される。その後、セラミックヒータ成形体が焼成されることにより、セラミックヒータ１００の基体１０５として形成される。
【００２４】
次に、図１に示すように、セラミックヒータ１００の基体１０５の電極部１２０には、陽極側および陰極側となる２つ(図２参照)の電極パッド１２１が形成されている。この電極パッド１２１は、上記した４つのスルーホール１４４(図２参照)に対応するグリーンシート１４０の外面の位置に２ヶ所、それぞれ設けられている。発熱抵抗体１４１のリード部１４３との導通は、各スルーホール１４４内壁に導電性ペ一ストが印刷されることにより行われる。
【００２５】
この電極パッド１２１は、図３に示すように、基体１０５に接合する第１層１２２と第１層１２２上に形成される第２層１２３との２つの多孔質層から形成されている。この第１層１２２や第２層１２３は、タングステンやモリブデン等を主成分としている。さらに第１層１２２には、基体１０５と同一材料のアルミナが含有されており、その含有量が４５ｖｏｌ％である。このように第１層１２２のセラミック成分の含有量を２０〜５０ｖｏｌ％とすることで、基体１０５と電極パッド１２１（具体的には、第１層１２２）との密着性が向上し、基体１０５から電極パッド１２１が剥離するのを抑制できる。
【００２６】
なお、発熱抵抗体１４１及びビア導体１４４に含有されるセラミック成分の含有量が、第１層１２２のセラミック成分の含有量より少ない。これにより、発熱抵抗体１４１の発熱性能、及び発熱抵抗体１４１及びスルーホール１４４の電気導通性を維持している。
【００２７】
さらに、第１層１２２中には、後述するろう材部１２４の成分が実質的に含侵していない。このように、第1層１２２中にろう材部１２４の成分が実質的に含浸していないので、基体１０５と第１層１２２との密着性が十分に確保することができ、基体１０５から電極パッド１２１が剥離するのを防止できる。なお、本実施形態では、第1層１２２の開孔率が３ｖｏｌ％以下（本実施例では１ｖｏｌ％）となっている。
【００２８】
他方、第２層１２３は、後述するろう材部１２４の成分が含浸している。このように、第２層にろう材部１２４の成分が含浸することで、ろう材部１２４と電極パッド１２１との密着性が向上し、後述する接続端子１３０が電極パッド１２１から剥離するのを抑制できる。なお、本実施形態では、第２層１２３の開孔率が４０％となっている。このように、第２層１２３の開孔率が１０％以上５０％以下となることでろう材部１２４の成分を十分に含侵させることができる。
【００２９】
さらに、第２層１２３においても基体１０５と同一材料のアルミナが含有されており、アルミナの含有量が６ｖｏｌ％である。このように、第２層１２３中のセラミック成分が１０ｖｏｌ％以下であることで、ろう材部１２４の成分が含浸しやすくなり、ろう材部１２４と電極パッド１２１との密着力を得ることができる。このように、第２層１２３のセラミック成分の含有量は、発熱抵抗体１４１及びビア導体１４４に含有されるセラミック成分の含有量よりもさらに少なくなっている。
【００３０】
さらに、電極パッド１２１には、セラミックヒータ１００に外部から電圧を印加するための接続端子１３０の対向部１３１および接続部１３２が、銀系のろう材部１２４(図３参照)により接合されている。接続端子１３０は板棒状のニッケル系合金からなり、真っ直ぐ延びる胴部１３３の一端を厚み方向に段状に折り曲げて接続部１３２および対向部１３１が形成されている。すなわち、胴部１３３の一端側を折り曲げて接続部１３２を形成し、さらに段状となるように折り返すことによって対向部１３１が形成されている。なお、固化して接続端子１３０と電極パッド１２１との接合を行うろう材部１２４が、特許請求の範囲の「接合部」に相当する。
【００３１】
胴部１３３の他端側には外部回路接続用のリード線が加締め固定される加締め部１３４が形成されている（図１参照）。加締め部１３４は、幅広に形成した胴部１３３の他端を、胴部１３３の長手方向に対して略直角にひねるようにねじ曲げ、両側の縁部分を一方の面側に折り返すことで、リード線を加締める部分が構成されている。なお、セラミック基体１０５、電極パッド１２１、ろう材部１２４、接続端子１３０により、本発明における「セラミック接合体」を形成している。
【００３２】
次に、電極パッド１２１と接続端子１３０との接合について説明する。まず、電極パッド１２１（第２層１２３）上にＮｉ等のメッキ層（図示せず）を形成する。このメッキ層は、ろう材部１２４が第２層１２３内に含浸することを促進することができる。そして、接続端子１３０の対向部１３１を電極パッド１２１上に配置し、対向部１３１を覆い、電極パッド１２１上に広がるように銀ろうを塗布する。そして、銀ろうが固化することでろう材部１２４が形成される。なお、本実施例では、メッキ層はろう材部１２４中に混ざって消失している。そして、ろう材部１２４の腐食等を防止するため、ろう材部１２４を覆うように、Ｎｉ等のメッキ層が形成される（図示せず）。このようにして、電極パッド１２１と接続端子１３０が接合される。
【００３３】
次に、本発明の他の実施の形態について図４を参照して説明する。図４は、セラミックヒータ２００の電極部２２０付近の拡大断面図である。なお、他の実施の形態のセラミックヒータ２００は、本実施の形態とは電極パッド２２１の形状が異なるものであり、その他の部分については本実施の形態と同符号を用い、説明を一部省略する。
【００３４】
図４に示すように、セラミックヒータ２００の基体１０５の電極部２２０には、陽極側および陰極側となる２つの電極パッド２２１が形成されている。そして、電極パッド２２１には、セラミックヒータ２００に外部から電圧を印加するための接続端子１３０の対向部１３１が、銀系のろう材部１２４により接合されている。
【００３５】
この電極パッド２２１は、基体１０５に接合する第１層２２２と、第１層２２２上に形成される中間層２２４と、中間層上に形成される第２層２２３との３つの金属層から形成されている。この第１層２２２、第２層２２３や中間層２２４は、タングステンやモリブデン等を主成分としている。そして、さらに第１層２２２には、アルミナが４５ｖｏｌ％含有されている。また、ろう材部１２４の成分が実質的に含浸していない。他方、第２層１２３もアルミナが５ｖｏｌ％含有されており、さらにろう材部１２４の成分が含浸している。
【００３６】
そして、中間層２２４には、アルミナが２５ｖｏｌ％含有されており、中間層２２４の開孔率が２０％である。つまり、開孔率が第１層、中間層、第２層の順に、ろう材部１２４に近づくにつれて高くなっている。この結果、基体１０５と電極パッド２２１との密着力を確保しつつ、ろう材部１２４と電極パッド２２１とのより高い密着力を得ることができる。また、セラミック成分の含有量が第２層、中間層、第１層の順に基体１０５に近づくにつれてセラミック成分の含有量が多くなっている。この結果、基体１０５と電極パッド２２１との密着力を確保しつつ、ろう材部部１２４と電極パッド２２１とのより高い密着力を得ることができる。
【実施例】
【００３７】
（実施例１）
アルミナ９３ｗｔ％、焼結助剤７ｗｔ％からなる原料粉末混合してスラリーとし、このスラリーからドクターブレード法により厚さ０．３ｍｍの平板を作った。そして、長さ６０ｍｍ、幅１０ｍｍの板状に打ち抜いてグリーンシート１４０を作成した。このグリーンシート１４０に電極パッド１２１との導通用のスルーホール１４４を４つ開けて、４つのスルーホール１４４を基点として片面にタングステンを主成分とする金属ペーストにより発熱抵抗体を印刷した。スルーホール１４４にも金属ペーストを充填し導電性を確保した。
【００３８】
次に、グリーンシート１４０の反対面にも、サンプル毎に別途作っておいた金属ペーストで２層の電極パッド１２１をパターン印刷により形成した。電極パッド１２１はおよそ２．５ｍｍ×５ｍｍである。そして、この発熱抵抗体、電極パッド等を形成したグリーンシート１４０の発熱抵抗体側にさらにグリーンシート１４０と同材料のグリーンシート１４６を積層し、別途作っておいたアルミナ製の長さ６０ｍｍ、外周１０ｍｍ、内径３ｍｍの碍管１０１に巻きつける。これを焼成炉にて１５００〜１５５０℃で焼成してそれぞれ焼成体を作った。この焼成体の電極パッド１２１の厚さはおよそ１５〜２０μｍであった。
【００３９】
そして、電極パッドについて、サンプル毎に第1層１２２のアルミナの含有量、第1層１２２の含浸度合い、及び第２層１２３の開孔率を測定した。なお、第1層１２２のアルミナの含有量はサンプル毎に焼成体を１つ取り出し、その試料の断面を鏡面研磨し、ＥＰＭＡにて定量分析を行った。具体的には、所定のビーム径（厚み方向の幅相当）をメタライズ層の厚み方向に合わせ、４箇所の位置にて測定し、その平均値とした。また、第１層１２２の含浸度合いは、日本電子（株）製のＦＥ−ＳＥＭ（型番：ＪＳＭ−６５００Ｆ）のＥＤＳ分析装置（型番：ＥＸ−２３０００ＵＢ）を用い、測定条件を加速電圧：１５ｋＶ、照射電流：２×１０−１０Ａ、ワーキングディスタンス：１０ｍｍとして測定した。そして、含浸されているものを○、含浸されていないものを×としている。なお、含浸されていないものとは、上記方法にてろう材成分が検出できないものを指す。また、第２層１２３の開孔率は、上記ＳＥＭの用いて４箇所の位置を撮影した画像を画像解析により比率を求め、その平均値を値とする。これを表１に示す。次に、この焼成体の電極パッド１２１にＮｉメッキを施す。
【００４０】
一方、０．３ｍｍのニッケル板から長さ１５ｍｍ、幅１ｍｍで先端が略Ｔ字型に膨らんだ形状の小片を打ち抜きにより接続端子１３０を作成した。そして、焼成体の電極パッド１２１に接続端子１３０上に対向部１３１を配置し、銀ロウによりロウ付けして接合し、ろう付け部１２４を形成する。その後、ろう付け部１２４を覆うように、Ｎｉメッキを施して図１に示すようなセラミックヒータ１００が出来上がる。
【００４１】
そして、上記で作製されたセラミックヒータ１００について密着性の評価を行った。具体的には、セラミックヒータ１００に対し、４００℃で５分間加熱後、室温にて５分間冷却を１サイクルとして５００サイクル行う冷熱サイクルを行った。そして、冷熱サイクル後、サンプル１〜６の接続端子１３０をセラミックヒータ１００の電極パッド１２１から引き剥がすことを行った。具体的には、セラミックヒータ１００の基体１０５の軸と直交する方向となるように接続端子１３０の胴部１３３を折り曲げ、さらにその方向への接続端子１３０を３ｋｇの力で引っ張った。そして、接続端子１３０がセラミックヒータ１００から剥がれた状態及びその位置を確認した。結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１によれば、サンプル１は、第１層１２２中のアルミナ含有量が１０ｖｏｌ％と少なすぎて基体１０５と第１層１２２との境界で剥離した。また、サンプル４は、第２層１２３にろう材部１２４の成分が含浸しておらず、ろう材部１２４と第２層１２３との境界で剥離した。一方、サンプル２、３については、基体１０５から電極パッド１２１が剥離せず、クラックの発生もなかった。なお、サンプル５、６は剥離までは至らなかったものの、一部クラックが入っていた。
【００４４】
次に、サンプル１〜７のセラミックヒータ１００について電気導通性についての評価を行った。具体的には、セラミックヒータ１００の陽極側および陰極側の接続端子１３０間の抵抗値を計測した。これについても、結果を表１に示す。
【００４５】
表１によれば、サンプル１〜３、５〜７については、６Ωであったのに対して、サンプル４については、第１層１２２中のアルミナ含有量が多いため、６．３Ωと抵抗値が上昇した。
【００４６】
なお、本発明を実施の形態に即して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限られず、各種変更が可能である。例えば、接続端子１３０はニッケル系合金により作製したが、これに限られず、銅、ニッケル、鉄などの金属、あるいはそれらの合金から作製してもよい。また、接続端子１３０を板材の曲げ加工により作製したが、金属部材の削り出しやプレス加工、鋳造などにより作製してもよい。その形状は板状に限られるものでもなく、少なくとも対向部１３１、接続部１３２及び胴部１３３の部分は丸棒状であってもよいし、多角柱状であってもよい。また、ろう材部１２４を形成するろう材として銅や金、ニッケルなどの金属、あるいはそれらの合金であってもよい。また、セラミックヒータ１００の基体１０５の形状は丸棒状に限定されず、板状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の接続端子接合セラミックヒータはセンサー用のヒータや半導体製造用のヒータなど高温条件下で繰返し使用され、機械的強度が要求される環境下で精度良く温度制御する長寿命の信頼性の高いヒータとして利用範囲が広い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】セラミックヒータ１００の斜視図である。
【図２】セラミックヒータ１００の基体１０５の分解斜視図である。
【図３】本実施の形態のセラミックヒータ１００の電極部１２０付近の拡大断面図である。
【図４】他の実施の形態のセラミックヒータ２００の電極部２２０付近の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００：セラミックヒータ、１０５：基体、１１０：加熱部、１２０、２２０：電極部、１２１、２２１：電極パッド、１２２、２２２：第１層、１２３、２２３：第２層、２２４中間層、１２４：ろう材部、１３０：接続端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック接合体及びセラミックヒータに関し、詳しくは、セラミック接合体の電極パッドに対するセラミック基体または接続端子との密着性を向上させたセラミックヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、セラミックヒータとしてアルミナ等のセラミック基体中に、タングステンやモリブデン等の高融点金属からなる発熱抵抗体を埋設したものが広く用いられている。例えば、ガスセンサのセンサ素子に内挿されるセラミックヒータは、発熱抵抗体が形成されたセラミックのグリーンシートをセラミック製の碍管に巻き付け、一体に焼成することによって形成される。さらに、セラミックヒータの外周面には、発熱抵抗体と電気的に接続された電極パッドが設けられており、この電極パッドには発熱抵抗体に外部から電圧を印加するための接続端子がろう付けにより接合されている。この電極パッドは、発熱抵抗体と同様に、タングステンやモリブデン等の高融点金属を用いている。
【０００３】
しかし、セラミック基体と電極パッドとでは、異種材料であるが故に密着性が問題になることがある。特にセラミックヒータでは、高温での繰返し使用や機械的負荷のかかる使用方法が多く、電極パッドがセラミック基体から剥離してしまう虞があった。
【０００４】
そこで、焼成時に未焼成セラミック基体中のガラス成分を、未焼成電極パッド中へ侵入させて、このガラス成分の接着力によりセラミック基体と電極パッドの接合強度を向上させる方法が報告されている（特許文献１、特許文献２参照）。なお、未焼成セラミック基体とは、焼成後にセラミック基体となり、未焼成電極パッドとは、焼成後に電極パッドとなる。また、未焼成セラミック基体と未焼成電極パッドとの間に未焼成セラミック基体のセラミック原料粉末と未焼成電極パッドの金属粉末を含む接合材を塗布し、これを焼成してセラミック基体と電極パッドの接合強度を上げる方法の報告がある（特許文献３参照）。
【０００５】
他方、接続端子と電極パッドとの接合についても、高温での繰返し使用や機械的負荷のかかる使用方法が多く接続端子が電極パッドから剥離してしまう虞があった。そこで、電極パッドと接続端子との接着性を向上させる方法として、電極パッドと接合部材との両者との接着力が高いろう材の組成を選定したものがある（特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開昭４９−０７６７１１号公報
【特許文献２】特開昭５７−０８２１８８号公報
【特許文献３】特開昭５８−１２０５７９号公報
【特許文献４】特開平１１−２９２６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特に、最近のようにセラミックヒータの使用温度がさらに高くなり、冷熱頻度が高い使用方法では、セラミック基体と電極パッド、及び電極パッドと接続端子との接合について、従来の技術では十分な接合強度ではなくなり、その結果満足される寿命が得られなくなってきた。
そこで本発明においては、高温、低温の繰返しの激しい厳しい使用条件下でも電極パッドと接続端子との密着性およびセラミック基体と電極パッドとの密着性を向上させることができるセラミック接合体及びセラミックヒータの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセラミック接合体は、セラミック基体と、該セラミック基体の表面に設けられた電極パッドと、外部と電気的に導通する接続端子と、該電極パッドと接続端子とを連結する接合部とを備えるセラミック接合体において、前記電極パッドは前記セラミック基体と接する第１層と、前記接合部と接する第２層とを有する多孔質層からなり、前記第１層はセラミック成分を２０〜５０ｖｏｌ％含有し、前記第２層には、該接合部の成分が含浸されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明において、セラミック基体と接する第１層は、セラミック成分の含有量が２０〜５０ｖｏｌ％である。これによりセラミック基体と電極パッド（第1層）の密着性が向上し、セラミック基体から電極パッドが剥離するのを抑制できる。なお、セラミック含有量が２０ｖｏｌ％未満であれば、上記効果を得ることが難しい。一方、セラミック含有量が５０ｖｏｌ％を超えると、電極パッド中のセラミック含有量が多いため、電極パッドの電気導通性が低下する。なお、本発明のセラミック成分とは、アルミナ、マグネシア、シリカ、ムライト等を指す。
【００１０】
他方、接合部と接する第２層には、接合部の成分が含浸されているので、接合部と電極パッド（第２層）の密着性が向上し、接続端子が電極パッドから剥離するのを抑制できる。
【００１１】
さらに、本発明のセラミック接合体は、第２層の開孔率が１０％ｖｏｌ以上５０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。第２層の開孔率を１０％以上５０％以下とすることで接合部の成分を十分に含侵させることができる。開孔率が１０％未満では、含浸される接合部の成分の量が少なくなるので、上記効果を得ることが難しいことがある。一方、開孔率が５０ｖｏｌ％を超えると、第２層中に接合部の成分が含浸しすぎて、電極パッドの内部応力が増大し、第２層と第１層との密着性が低下することがある。なお、『開孔率』とは、第２層全体積中に対する第２層中に接合部の成分が含浸することができる領域の割合である。このうち、第２層の全体積は、第２層の稜部に仮想線を引いたときの領域の体積であり、第１層の体積等も同様の体積である。また、第２層中に接合部の成分が含浸することができる領域とは、充填部及び第２層中の空孔部（本来は接合部の成分が含浸されうるものの、含浸量等により含浸されなかった部位）のことを指す。なお、充填部は、接合部の成分が含浸することができる領域の９０％以上（空孔部が１０％未満）となることがこのましい。
【００１２】
さらに本発明のセラミック接合体は、第１層の開孔率が３ｖｏｌ％以下であることが好ましい。第１層の開孔率を３ｖｏｌ％以下とすることにより、第１層中へ含浸される接合部の成分の量を低減できる。
【００１３】
さらに本発明のセラミック接合体は、第１層中には接合部の成分が実質的に含侵していないことが好ましい。これにより、セラミック基体と第１層との密着性が十分に確保することができ、セラミック基体から電極パッドが剥離するのを防止できる。なお、『実質的に』とは、第１層が不可避に接合部の成分を含有しないことを意味する。
【００１４】
さらに本発明のセラミック接合体は、電極パッドが、接合部に近づくにつれて開孔率（ｖｏｌ％）が高くなることが好ましい。例えば、電極パッドが、第１層および第２層の２つの多孔質層で構成されている場合、第２層の開孔率が第１層の開孔率よりも大きいことを意味する。さらに、電極パッドが第１層、中間層、第２層の順で、３つの多孔質層で構成されている場合、中間層の開孔率が第１層と第２層との間の開孔率となることを指す。中間層の開孔率が、第１層の開孔率よりも小さくなる場合、第１層との密着力は得ることができるが、中間層に接合部の成分が含浸しにくいので、第２層と中間層との間の密着力が低下することがある。他方、中間層の開孔率が、第２層の開孔率よりも大きくなる場合、中間層に接合部の成分が含浸しやすいので、第２層と中間層とのより高い密着力を得ることができるが、第1層と第２層との密着力は低下することがある。よって、接合部に近づくにつれて開孔率が高くなることで、２層以上の多層構造であっても、セラミック基体と電極パッドとの密着力をより確保しつつ、接合部と電極パッドとのより高い密着力を得ることができる。
【００１５】
さらに本発明のセラミック接合体は、第２層のセラミック成分の含有量が１０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。第２層にセラミック成分の含有量が少ないことで、接合部との熱膨張差が小さくなり、接合部と電極パッドとの密着力をさらに得ることができる。
【００１６】
なお、本発明において、第１層に含有されるセラミック成分と、第２層に含有されるセラミック成分は、適宜選択できるが、いずれもセラミック基体のセラミック成分と同一材料であることが密着性の点から最も良い。
【００１７】
そして電極パッドは、セラミック基体に近づくにつれてセラミック成分の含有量（ｖｏｌ％）が多くすることが好ましい。例えば、電極パッドが、第１層および第２層の２つの多孔質層で構成されている場合には、第１層に含まれるセラミック成分の含有量が第２層に含まれるセラミック成分の含有量よりも多いことを意味する。さらに、電極パッドが、第１層、中間層、第２層の順で、３つの多孔質層で構成されている場合、中間層のセラミック成分の含有量が第１層と第２層との間のセラミック成分の含有量となることを指す。中間層が、第１層と同等のセラミック成分の含有量である場合、第１層との密着力は得ることができるが、中間層に接合部の成分が含浸しにくいので、第２層と中間層との密着力が低下することがある。他方、中間層が、第２層と同等のセラミック成分の含有量である場合、中間層に接合部の成分が含浸しやすいので、接合部と電極パッドとのより高い密着力を得ることができるが、第１層と第２層との密着力は低下することがある。よって、セラミック基体に近づくにつれてセラミック成分の含有量が多くすることでセラミック基体と電極パッドとの密着力を確保しつつ、接合部と電極パッドとのより高い密着力を得ることができる。
【００１８】
さらに、セラミック接合体は、セラミック基体中に埋設された内部配線と、該内部配線と電極パッドを接続するビア導体と、を有し、内部配線及びビア導体には、セラミック成分が含有されており、内部配線及びビア導体の該セラミック成分の含有量は、第１層のセラミック成分の含有量以下であることが好ましい。セラミック接合体には、発熱体や電極等の内部配線が配置され、且つこの内部配線と電極パッドを電気的に接続するビア導体が形成される。このとき、内部配線やビア導体についてもセラミック基体との密着性の向上のために、セラミック成分を含有させることがあるが、このセラミック成分は、第１層のセラミック成分の含有量以下にすることで、内部配線の機能の維持、及び内部配線及びビア導体の電気導通性を維持している。なお、内部配線及びビア導体の該セラミック成分の含有量は、第１層のセラミック成分の含有量以下であればよく、含有量が互いに同じである必要はない。
【００１９】
また、本発明のセラミック接合体をセラミックヒータに用いることで、高温、低温の繰返しの激しい厳しい使用条件下で使用されるセラミックヒータの電極パッドと接続端子との密着性およびセラミック基体と電極パッドとの密着性を十分に維持させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化したセラミックヒータの実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を参照して、セラミックヒータ１００の構造について説明する。図１は、セラミックヒータ１００の斜視図である。図２は、セラミックヒータ１００の基体１０５の分解斜視図である。図３は、セラミックヒータ１００の電極部１２０付近の拡大断面図である。なお、本実施の形態において、セラミックヒータ１００の加熱部１１０側を先端側とし、電極部１２０側を後端側として説明する。
【００２１】
図１に示すように、セラミックヒータ１００は、図示しない有底筒状をなす固体電解質管の内外面それぞれに電極層が形成されたセンサ素子に内挿され、センサ素子を加熱するためのものであり、その基体１０５は丸棒状をなしている。セラミックヒータ１００は発熱抵抗体１４１を埋設し、後端側の電極部１２０より電圧が印加され、先端側の加熱部１１０にて発熱を行うものである。なお、基体１０５が、特許請求の範囲の「セラミック基体」に相当する。
【００２２】
図２に示すように、セラミックヒータ１００は、丸棒状のアルミナセラミック製碍管１０１の外周に絶縁性の高いアルミナセラミック製のグリーンシート１４０、１４６が巻き付けられ、これが焼成されることによって基体１０５が製造される。グリーンシート１４０上には、ヒートパターンとしてのタングステン系の発熱抵抗体１４１が形成されている。発熱抵抗体１４１は、加熱部１１０(図１参照)に相当する位置に形成される発熱部１４２、および発熱部１４２の両端のそれぞれに接続される一対のリード部１４３により構成される。また、リード部１４３の後端側にはそれぞれスルーホール１４４が穿設され、このスルーホール１４４を介し、セラミックヒータ１００の外表面上に形成される２つの電極パッド１２１と、両リード部１４３との電気的な接続が行われる。このうち、発熱抵抗体１４１及びスルーホール１４４には、基体１０５との密着性を向上させるために、基体１０５（グリーンシート１４４、１４６）と同一材料のアルミナが含有されており、その含有量が３５ｖｏｌ％である。なお、発熱抵抗体１４１が特許請求の範囲の「内部配線」に相当し、スルーホール１４４が特許請求の範囲の「ビア導体」に相当する。
【００２３】
また、グリーンシート１４６は、グリーンシート１４０の発熱抵抗体１４１が形成される側の面に圧着されるシートである。その圧着面とは反対側の表面にアルミナペーストが塗布され、この塗布面を内側にしてグリーンシート１４０、１４６が碍管１０１に巻き付けられて外周が押圧されることにより、セラミックヒータ成形体が形成される。その後、セラミックヒータ成形体が焼成されることにより、セラミックヒータ１００の基体１０５として形成される。
【００２４】
次に、図１に示すように、セラミックヒータ１００の基体１０５の電極部１２０には、陽極側および陰極側となる２つ(図２参照)の電極パッド１２１が形成されている。この電極パッド１２１は、上記した４つのスルーホール１４４(図２参照)に対応するグリーンシート１４０の外面の位置に２ヶ所、それぞれ設けられている。発熱抵抗体１４１のリード部１４３との導通は、各スルーホール１４４内壁に導電性ペ一ストが印刷されることにより行われる。
【００２５】
この電極パッド１２１は、図３に示すように、基体１０５に接合する第１層１２２と第１層１２２上に形成される第２層１２３との２つの多孔質層から形成されている。この第１層１２２や第２層１２３は、タングステンやモリブデン等を主成分としている。さらに第１層１２２には、基体１０５と同一材料のアルミナが含有されており、その含有量が４５ｖｏｌ％である。このように第１層１２２のセラミック成分の含有量を２０〜５０ｖｏｌ％とすることで、基体１０５と電極パッド１２１（具体的には、第１層１２２）との密着性が向上し、基体１０５から電極パッド１２１が剥離するのを抑制できる。
【００２６】
なお、発熱抵抗体１４１及びビア導体１４４に含有されるセラミック成分の含有量が、第１層１２２のセラミック成分の含有量より少ない。これにより、発熱抵抗体１４１の発熱性能、及び発熱抵抗体１４１及びスルーホール１４４の電気導通性を維持している。
【００２７】
さらに、第１層１２２中には、後述するろう材部１２４の成分が実質的に含侵していない。このように、第1層１２２中にろう材部１２４の成分が実質的に含浸していないので、基体１０５と第１層１２２との密着性が十分に確保することができ、基体１０５から電極パッド１２１が剥離するのを防止できる。なお、本実施形態では、第1層１２２の開孔率が３ｖｏｌ％以下（本実施例では１ｖｏｌ％）となっている。
【００２８】
他方、第２層１２３は、後述するろう材部１２４の成分が含浸している。このように、第２層にろう材部１２４の成分が含浸することで、ろう材部１２４と電極パッド１２１との密着性が向上し、後述する接続端子１３０が電極パッド１２１から剥離するのを抑制できる。なお、本実施形態では、第２層１２３の開孔率が４０％となっている。このように、第２層１２３の開孔率が１０％以上５０％以下となることでろう材部１２４の成分を十分に含侵させることができる。
【００２９】
さらに、第２層１２３においても基体１０５と同一材料のアルミナが含有されており、アルミナの含有量が６ｖｏｌ％である。このように、第２層１２３中のセラミック成分が１０ｖｏｌ％以下であることで、ろう材部１２４の成分が含浸しやすくなり、ろう材部１２４と電極パッド１２１との密着力を得ることができる。このように、第２層１２３のセラミック成分の含有量は、発熱抵抗体１４１及びビア導体１４４に含有されるセラミック成分の含有量よりもさらに少なくなっている。
【００３０】
さらに、電極パッド１２１には、セラミックヒータ１００に外部から電圧を印加するための接続端子１３０の対向部１３１および接続部１３２が、銀系のろう材部１２４(図３参照)により接合されている。接続端子１３０は板棒状のニッケル系合金からなり、真っ直ぐ延びる胴部１３３の一端を厚み方向に段状に折り曲げて接続部１３２および対向部１３１が形成されている。すなわち、胴部１３３の一端側を折り曲げて接続部１３２を形成し、さらに段状となるように折り返すことによって対向部１３１が形成されている。なお、固化して接続端子１３０と電極パッド１２１との接合を行うろう材部１２４が、特許請求の範囲の「接合部」に相当する。
【００３１】
胴部１３３の他端側には外部回路接続用のリード線が加締め固定される加締め部１３４が形成されている（図１参照）。加締め部１３４は、幅広に形成した胴部１３３の他端を、胴部１３３の長手方向に対して略直角にひねるようにねじ曲げ、両側の縁部分を一方の面側に折り返すことで、リード線を加締める部分が構成されている。なお、セラミック基体１０５、電極パッド１２１、ろう材部１２４、接続端子１３０により、本発明における「セラミック接合体」を形成している。
【００３２】
次に、電極パッド１２１と接続端子１３０との接合について説明する。まず、電極パッド１２１（第２層１２３）上にＮｉ等のメッキ層（図示せず）を形成する。このメッキ層は、ろう材部１２４が第２層１２３内に含浸することを促進することができる。そして、接続端子１３０の対向部１３１を電極パッド１２１上に配置し、対向部１３１を覆い、電極パッド１２１上に広がるように銀ろうを塗布する。そして、銀ろうが固化することでろう材部１２４が形成される。なお、本実施例では、メッキ層はろう材部１２４中に混ざって消失している。そして、ろう材部１２４の腐食等を防止するため、ろう材部１２４を覆うように、Ｎｉ等のメッキ層が形成される（図示せず）。このようにして、電極パッド１２１と接続端子１３０が接合される。
【００３３】
次に、本発明の他の実施の形態について図４を参照して説明する。図４は、セラミックヒータ２００の電極部２２０付近の拡大断面図である。なお、他の実施の形態のセラミックヒータ２００は、本実施の形態とは電極パッド２２１の形状が異なるものであり、その他の部分については本実施の形態と同符号を用い、説明を一部省略する。
【００３４】
図４に示すように、セラミックヒータ２００の基体１０５の電極部２２０には、陽極側および陰極側となる２つの電極パッド２２１が形成されている。そして、電極パッド２２１には、セラミックヒータ２００に外部から電圧を印加するための接続端子１３０の対向部１３１が、銀系のろう材部１２４により接合されている。
【００３５】
この電極パッド２２１は、基体１０５に接合する第１層２２２と、第１層２２２上に形成される中間層２２４と、中間層上に形成される第２層２２３との３つの金属層から形成されている。この第１層２２２、第２層２２３や中間層２２４は、タングステンやモリブデン等を主成分としている。そして、さらに第１層２２２には、アルミナが４５ｖｏｌ％含有されている。また、ろう材部１２４の成分が実質的に含浸していない。他方、第２層１２３もアルミナが５ｖｏｌ％含有されており、さらにろう材部１２４の成分が含浸している。
【００３６】
そして、中間層２２４には、アルミナが２５ｖｏｌ％含有されており、中間層２２４の開孔率が２０％である。つまり、開孔率が第１層、中間層、第２層の順に、ろう材部１２４に近づくにつれて高くなっている。この結果、基体１０５と電極パッド２２１との密着力を確保しつつ、ろう材部１２４と電極パッド２２１とのより高い密着力を得ることができる。また、セラミック成分の含有量が第２層、中間層、第１層の順に基体１０５に近づくにつれてセラミック成分の含有量が多くなっている。この結果、基体１０５と電極パッド２２１との密着力を確保しつつ、ろう材部部１２４と電極パッド２２１とのより高い密着力を得ることができる。
【実施例】
【００３７】
（実施例１）
アルミナ９３ｗｔ％、焼結助剤７ｗｔ％からなる原料粉末混合してスラリーとし、このスラリーからドクターブレード法により厚さ０．３ｍｍの平板を作った。そして、長さ６０ｍｍ、幅１０ｍｍの板状に打ち抜いてグリーンシート１４０を作成した。このグリーンシート１４０に電極パッド１２１との導通用のスルーホール１４４を４つ開けて、４つのスルーホール１４４を基点として片面にタングステンを主成分とする金属ペーストにより発熱抵抗体を印刷した。スルーホール１４４にも金属ペーストを充填し導電性を確保した。
【００３８】
次に、グリーンシート１４０の反対面にも、サンプル毎に別途作っておいた金属ペーストで２層の電極パッド１２１をパターン印刷により形成した。電極パッド１２１はおよそ２．５ｍｍ×５ｍｍである。そして、この発熱抵抗体、電極パッド等を形成したグリーンシート１４０の発熱抵抗体側にさらにグリーンシート１４０と同材料のグリーンシート１４６を積層し、別途作っておいたアルミナ製の長さ６０ｍｍ、外周１０ｍｍ、内径３ｍｍの碍管１０１に巻きつける。これを焼成炉にて１５００〜１５５０℃で焼成してそれぞれ焼成体を作った。この焼成体の電極パッド１２１の厚さはおよそ１５〜２０μｍであった。
【００３９】
そして、電極パッドについて、サンプル毎に第1層１２２のアルミナの含有量、第1層１２２の含浸度合い、及び第２層１２３の開孔率を測定した。なお、第1層１２２のアルミナの含有量はサンプル毎に焼成体を１つ取り出し、その試料の断面を鏡面研磨し、ＥＰＭＡにて定量分析を行った。具体的には、所定のビーム径（厚み方向の幅相当）をメタライズ層の厚み方向に合わせ、４箇所の位置にて測定し、その平均値とした。また、第１層１２２の含浸度合いは、日本電子（株）製のＦＥ−ＳＥＭ（型番：ＪＳＭ−６５００Ｆ）のＥＤＳ分析装置（型番：ＥＸ−２３０００ＵＢ）を用い、測定条件を加速電圧：１５ｋＶ、照射電流：２×１０−１０Ａ、ワーキングディスタンス：１０ｍｍとして測定した。そして、含浸されているものを○、含浸されていないものを×としている。なお、含浸されていないものとは、上記方法にてろう材成分が検出できないものを指す。また、第２層１２３の開孔率は、上記ＳＥＭの用いて４箇所の位置を撮影した画像を画像解析により比率を求め、その平均値を値とする。これを表１に示す。次に、この焼成体の電極パッド１２１にＮｉメッキを施す。
【００４０】
一方、０．３ｍｍのニッケル板から長さ１５ｍｍ、幅１ｍｍで先端が略Ｔ字型に膨らんだ形状の小片を打ち抜きにより接続端子１３０を作成した。そして、焼成体の電極パッド１２１に接続端子１３０上に対向部１３１を配置し、銀ロウによりロウ付けして接合し、ろう付け部１２４を形成する。その後、ろう付け部１２４を覆うように、Ｎｉメッキを施して図１に示すようなセラミックヒータ１００が出来上がる。
【００４１】
そして、上記で作製されたセラミックヒータ１００について密着性の評価を行った。具体的には、セラミックヒータ１００に対し、４００℃で５分間加熱後、室温にて５分間冷却を１サイクルとして５００サイクル行う冷熱サイクルを行った。そして、冷熱サイクル後、サンプル１〜６の接続端子１３０をセラミックヒータ１００の電極パッド１２１から引き剥がすことを行った。具体的には、セラミックヒータ１００の基体１０５の軸と直交する方向となるように接続端子１３０の胴部１３３を折り曲げ、さらにその方向への接続端子１３０を３ｋｇの力で引っ張った。そして、接続端子１３０がセラミックヒータ１００から剥がれた状態及びその位置を確認した。結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１によれば、サンプル１は、第１層１２２中のアルミナ含有量が１０ｖｏｌ％と少なすぎて基体１０５と第１層１２２との境界で剥離した。また、サンプル４は、第２層１２３にろう材部１２４の成分が含浸しておらず、ろう材部１２４と第２層１２３との境界で剥離した。一方、サンプル２、３については、基体１０５から電極パッド１２１が剥離せず、クラックの発生もなかった。なお、サンプル５、６は剥離までは至らなかったものの、一部クラックが入っていた。
【００４４】
次に、サンプル１〜７のセラミックヒータ１００について電気導通性についての評価を行った。具体的には、セラミックヒータ１００の陽極側および陰極側の接続端子１３０間の抵抗値を計測した。これについても、結果を表１に示す。
【００４５】
表１によれば、サンプル１〜３、５〜７については、６Ωであったのに対して、サンプル４については、第１層１２２中のアルミナ含有量が多いため、６．３Ωと抵抗値が上昇した。
【００４６】
なお、本発明を実施の形態に即して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限られず、各種変更が可能である。例えば、接続端子１３０はニッケル系合金により作製したが、これに限られず、銅、ニッケル、鉄などの金属、あるいはそれらの合金から作製してもよい。また、接続端子１３０を板材の曲げ加工により作製したが、金属部材の削り出しやプレス加工、鋳造などにより作製してもよい。その形状は板状に限られるものでもなく、少なくとも対向部１３１、接続部１３２及び胴部１３３の部分は丸棒状であってもよいし、多角柱状であってもよい。また、ろう材部１２４を形成するろう材として銅や金、ニッケルなどの金属、あるいはそれらの合金であってもよい。また、セラミックヒータ１００の基体１０５の形状は丸棒状に限定されず、板状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の接続端子接合セラミックヒータはセンサー用のヒータや半導体製造用のヒータなど高温条件下で繰返し使用され、機械的強度が要求される環境下で精度良く温度制御する長寿命の信頼性の高いヒータとして利用範囲が広い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】セラミックヒータ１００の斜視図である。
【図２】セラミックヒータ１００の基体１０５の分解斜視図である。
【図３】本実施の形態のセラミックヒータ１００の電極部１２０付近の拡大断面図である。
【図４】他の実施の形態のセラミックヒータ２００の電極部２２０付近の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００：セラミックヒータ、１０５：基体、１１０：加熱部、１２０、２２０：電極部、１２１、２２１：電極パッド、１２２、２２２：第１層、１２３、２２３：第２層、２２４中間層、１２４：ろう材部、１３０：接続端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基体と、該セラミック基体の表面に設けられた電極パッドと、外部と電気的に導通する接続端子と、該電極パッドと接続端子とを連結する接合部とを備えるセラミック接合体において、
前記電極パッドは前記セラミック基体と接する第１層と、前記接合部と接する第２層とを有する多孔質層からなり、
前記第１層はセラミック成分を２０〜５０ｖｏｌ％含有し、
前記第２層には、該接合部の成分が含浸されていることを特徴とするセラミック接合体。
【請求項２】
前記第２層は、開孔率が１０ｖｏｌ％以上５０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック接合体。
【請求項３】
前記第１層は、開孔率が３ｖｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック接合体。
【請求項４】
前記第１層には、前記接合部の成分が実質的に含浸していないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項５】
前記電極パッドは、前記接合部に近づくにつれて開孔率が高くなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項６】
前記第２層には、前記セラミック成分が１０ｖｏｌ％以下含有されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項７】
前記電極パッドは、前記セラミック基体に近づくにつれて前記セラミック成分の含有量が多くなるを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項８】
前記セラミック成分は、絶縁性セラミックであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項９】
前記セラミック成分は、前記セラミック基体と同一成分であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項１０】
前記セラミック接合体は、前記セラミック基体中に埋設された内部配線と、該内部配線と前記電極パッドを接続するビア導体と、を有し、
前記内部配線及び前記ビア導体には、前記セラミック成分が含有されており、
前記内部配線及び前記ビア導体の該セラミック成分は、前記第１層の前記セラミック成分の含有量以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項１１】
セラミック基体中に発熱抵抗体を埋設させるとともに、該発熱抵抗体と外部とを接続する金属パッドが該セラミック基体の表面に形成されたセラミックヒータにおいて、請求項１乃至１０のいずれか一項の前記セラミック接合体が該セラミックヒータに含まれることを特徴とするセラミック接合体。
【請求項１】
セラミック基体と、該セラミック基体の表面に設けられた電極パッドと、外部と電気的に導通する接続端子と、該電極パッドと接続端子とを連結する接合部とを備えるセラミック接合体において、
前記電極パッドは前記セラミック基体と接する第１層と、前記接合部と接する第２層とを有する多孔質層からなり、
前記第１層はセラミック成分を２０〜５０ｖｏｌ％含有し、
前記第２層には、該接合部の成分が含浸されていることを特徴とするセラミック接合体。
【請求項２】
前記第２層は、開孔率が１０ｖｏｌ％以上５０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック接合体。
【請求項３】
前記第１層は、開孔率が３ｖｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック接合体。
【請求項４】
前記第１層には、前記接合部の成分が実質的に含浸していないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項５】
前記電極パッドは、前記接合部に近づくにつれて開孔率が高くなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項６】
前記第２層には、前記セラミック成分が１０ｖｏｌ％以下含有されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項７】
前記電極パッドは、前記セラミック基体に近づくにつれて前記セラミック成分の含有量が多くなるを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項８】
前記セラミック成分は、絶縁性セラミックであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項９】
前記セラミック成分は、前記セラミック基体と同一成分であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項１０】
前記セラミック接合体は、前記セラミック基体中に埋設された内部配線と、該内部配線と前記電極パッドを接続するビア導体と、を有し、
前記内部配線及び前記ビア導体には、前記セラミック成分が含有されており、
前記内部配線及び前記ビア導体の該セラミック成分は、前記第１層の前記セラミック成分の含有量以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のセラミック接合体。
【請求項１１】
セラミック基体中に発熱抵抗体を埋設させるとともに、該発熱抵抗体と外部とを接続する金属パッドが該セラミック基体の表面に形成されたセラミックヒータにおいて、請求項１乃至１０のいずれか一項の前記セラミック接合体が該セラミックヒータに含まれることを特徴とするセラミック接合体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−２２９０８（Ｐ２００７−２２９０８Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６３７０５（Ｐ２００６−１６３７０５）
【出願日】平成１８年６月１３日（２００６．６．１３）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１３日（２００６．６．１３）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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